CN113516716A - 一种单目视觉位姿测量及调整方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单目视觉位姿测量及调整方法和系统，首先采用单目视觉位姿测量技术对装配点位置进行间接测量，然后通过逼近方式进行位姿调整，进而实现智能装配。本发明利用CCD相机作为图像采集硬件，采集预设的已知结构和尺寸检测体图像，采用基于图像与数据处理技术的位姿测量系统测量二者当前位置参数，将测量结果与标定位置参数进行对比，计算出的坐标差值作为调整参数调整设备；装配过程中，采用逼近方法，即调整后重新测量，若坐标差值大于预设的位姿坐标允差，继续上述循环过程进行多次逼近，当差值小于或等于装配设定的允差后结束调整，实现智能调整。本发明算法简单，无需解耦，运算速度快。

Description

一种单目视觉位姿测量及调整方法和系统

技术领域

本发明涉及自动化装配领域，特别是涉及一种用于工业自动装配中对物体装配位姿关系进行检测的单目视觉位姿测量及调整方法和系统。

背景技术

随着社会自动化进程的不断发展，在工业自动化装配中需要多种位姿测量方法和测量手段来满足不同装配设备的要求，目前在高铁、飞机中的零部件装配时往往会遇到作业空间小，所安装的工件在装配过程中会遮挡装配点位置，导致检测装置及传感器无法直接对装配点位姿进行测量，以及需要工件与被装配件之间六自由度高精度配合的工况。

因此，本领域亟需一种能够在狭小空间准确地对两物体六自由度位姿关系进行测量和调整的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种单目视觉位姿测量及调整方法和系统，以解决目前由于作业空间小导致的位姿关系检测和调整不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种单目视觉位姿检测装置，所述装置包括：相机、检测体和过渡检具；

所述相机与所述检测体安装于所述过渡检具上；

所述过渡检具安装于装配接口位置；

所述检测体为所述相机的检测目标物，所述检测体经过斜面处理，且所述检测体表面包含有两个圆形轮廓。

可选的，

所述过渡检具适配于工件与被装配件之间的装配接口；

所述检测体为立方体，所述立方体的顶面与一个侧面上设置有直角三棱柱，所述直角三棱柱的一个直角面与所述立方体的面接触；两个所述直角三棱柱的斜面均为斜面矩形；两个所述斜面矩形分别为红色与蓝色，即为红蓝区域。

一种单目视觉位姿检测方法，所述方法包括：

利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像；

对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息；

根据所述检测体位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件与被装配体的位置关系。

可选的，在所述利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像之前，还包括：

获取所述相机的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

调整所述相机与所述检测体之间的位置关系，使所述检测体成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件与被装配体之间为标准位姿关系；

利用矩形拟合所述检测体成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置。

可选的，所述记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，具体包括：

获取两个大小不同的所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

将所述图像特征作为标定位置。

可选的，所述对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息，具体包括：

提取所述检测体图像中与两个所述正圆形对应的区域外轮廓，并对所述区域外轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆拟合结果；

根据所述椭圆拟合结果获取两个大小不同的椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径；

对所述检测体图像中的与红蓝区域对应的成像区域进行颜色分割，并进行矩形拟合，得到区域拟合矩形；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录所述两个椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到检测体位置信息。

可选的，所述根据所述椭圆拟合结果获取两个椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径，具体包括：

通过所述椭圆拟合结果中的大椭圆的边缘轮廓建立最小外接矩形，根据所述最小外接矩形的各点坐标计算出的最大边长即为大椭圆的直径；

通过所述椭圆拟合结果中的两个椭圆的轮廓参数根据椭圆标准方程计算得出两个椭圆的中心点坐标。

一种单目视觉位姿调整装置，所述装置包括：位姿检测装置和六自由度调整平台；

所述六自由度调整平台用于调整待检测工件的六自由度位姿。

一种单目视觉位姿调整方法，所述方法包括：

利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像；

对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息；

根据所述检测体位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件与被装配体的位置关系；

计算所述检测体位置信息与所述标定位置之间的差值；

利用逼近法根据所述差值结合所述六自由度标定参数调整所述待检测工件的六自由度位姿。

可选的，在所述利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像之前，还包括：

获取所述相机的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

调整所述相机与所述检测体之间的位置关系，使所述检测体成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件与被装配体之间为标准位姿关系；

利用矩形拟合所述检测体成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体的六自由度标定参数与所述图像特征相对应；

所述记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体的六自由度标定参数与所述图像特征相对应，具体包括：

获取两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

将所述图像特征作为标定位置；

所述六自由度标定参数通过所述图像特征唯一对应；其中，X、Y平移自由度以大的正圆形的中心坐标作为标定依据，Z轴平移自由度以大的正圆形的直径为标定依据，a、b轴转动自由度以所述区域拟合矩形的短边宽度为标定依据，c轴转动自由度以大的正圆形和小的正圆形的中心坐标的几何关系为标定依据。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例提供了一种六自由度位姿检测及调整方案，基于单目视觉技术，配合过渡检具完成工件与被装配体之间位姿关系的检测，并通过逼近法实现快速调整，该方法能够解决狭窄装配工况下无法对装配点进行直接检测，无法进行自动化装配的问题，并且采用逼近法进行装配位姿调整能够消除智能装配系统的系统误差，提高装配精度，降低成本，具有应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的单目视觉位姿检测装置示意图。

图2为本发明实施例一提供的单目视觉位姿检测装置的检测体示意图。

图3为本发明实施例一提供的单目视觉位姿检测方法的流程图。

图4为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的流程图。

图5为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的单自由度单动的调整方法流程图。

图6为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的距离测量模型图。

图7为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的Z轴转动自由度调整示意图。

图8为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的X、Y轴转动自由度调整示意图。

图9为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的平移自由度误差实验结果。

图10为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的转动自由度误差实验结果。

图11为本发明实施例二提供的单目视觉位姿调整方法的六自由度耦合误差实验结果。

符号说明：

1-相机1；2-检测体；3-过渡检具；4-工件；5-被装配体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着社会自动化进程的不断发展，在工业自动化装配中需要多种位姿测量方法和测量手段来满足不同装配设备的要求，目前在高铁、飞机中的零部件装配时往往会遇到作业空间小，所安装的工件4在装配过程中会遮挡装配点位置，导致检测装置及传感器无法直接对装配点位姿进行测量，以及需要工件4与被装配件之间六自由度高精度配合的工况，例如销与孔之间的定位，需要六自由度定位及调整才可将销安装与定位孔中，本实施例中的工件4为零部件，被装配体5是高铁或者飞机等。因此，针对如何高效、便捷地对工件4与被装配件之间六自由度位姿关系进行测量，来辅助自动装配设备作业这一问题，提出一种采用逼近调整方式进行装配的单目视觉位姿检测方法，该方法对自动化装配领域具有重要意义，其测量的目标物为过渡检具3，并不直接对工件4或被装配件进行测量。通过摄像机测量检具的位姿替代工件4与被装配件之间的位姿。

本发明的目的是提供一种单目视觉位姿测量及调整方法和系统，以解决目前由于狭窄空间导致的位姿关系检测和调整不准确的问题。该狭窄空间是指工件4与被装配体5所安装固定的空间较为狭窄，自动装配中无法对安装接口进行直接检测，因此只能在安装前通过过渡检具3与相机1标定出安装位置，检测完工件4与被装配体5二者相互位置关系后，撤出检具，再进行数控装配。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供了一种单目视觉位姿检测装置，该装置包括：相机1、检测体2和过渡检具3；

所述相机1与所述检测体2安装于所述过渡检具3上；

所述过渡检具3安装于装配接口位置；

所述检测体2为所述相机1的检测目标物，所述检测体2经过斜面处理，且所述检测体2表面包含有两个圆形轮廓。

所述过渡检具3适配于工件4与被装配体5之间的装配接口；

所述检测体2为立方体，所述立方体的顶面与一个侧面上设置有直角三棱柱，所述直角三棱柱的一个直角面与所述立方体的面接触；两个所述直角三棱柱的斜面均为斜面矩形；两个所述斜面矩形分别为红色与蓝色，即为红蓝区域。需要注意的是，两个斜面矩形一个为红色，另一个为蓝色，需根据不同颜色所在位置对程序进行调整，颜色位置不同影响判别调整方向。

具体的，所述检测体2是指与相机1相互合作且具有预设特征的标志物，检测体2表面包含一大一小两个黑色圆形轮廓，其上侧边缘和右侧边缘位置进行30°倒斜面处理，并将斜面矩形轮廓分别加工处理为红色与蓝色，检测体2的形貌轮廓及尺寸如图2所示，检测体2通过机械切削加工方式得到。

所述过渡检具3是指相机1与工件4之间的安装架、检测体2与被装配体5之间的安装架，可参阅图1。此时相机1与工件4的位姿关系是确定的，检测体2与被装配体5的位姿关系也是确定的，因此只需要测量相机1与检测体2之间的位姿关系，就可以间接得到工件4与被装配体5定位点的位姿关系。对过渡检具3进行设计可满足不同接口形式，从而满足狭窄装配工况要求，统一检测对象，并使用同一检测系统，使该检测技术具有通用性。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种单目视觉位姿检测方法，所述方法包括：

在正式开始检测之前，首先需要标定过程，具体包括：

A1、获取所述相机1的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

在获取相机1参数之前还包括：对于狭窄空间的自动化装配，首先针对工件4与被装配件之间装配接口的连接方式设计对应的过渡检具3，将所述过渡检具3安装到装配接口位置，并将相机1和检测体2分别安装到过渡检具3上。本实施例适用于狭窄空间，装配作业过程中无法对装配点位置关系进行直接检测。每个工件4进行安装前均需通过过渡检具3与摄像机进行位姿调整，调整完成后拆除过渡检具3，再进行数控程序沿预设路线进行装配。位姿调整过程与数控装配过程均为自动化过程。

检测体2的预设特征包含：检测体2表面有一大一小两圆形轮廓，并填充为黑色，检测体2外边缘处进行30°倒斜面处理，并且其上侧和右侧斜面处分别进行上色处理，填充为红色和蓝色区域，即为红蓝区域。过渡检具3是根据装配点定位销和安装孔的尺寸设计定做配套检具，该检具用于将相机1和检测体2分别与工件4和被装配物相连接，从而满足通用检测要求。其中装配接口的形式包含但不限于销孔安装方式。

然后进行相机1标定，获取相机1内参数矩阵和相机1传感器单个像素的物理尺寸。本实施例中的相机1为CCD相机。

所述相机1内参数矩阵形式为

其中f_x、f_y为摄像机的有效焦距，f_x＝f/dX，f_y＝f/dY，无量纲；dX和dY表示传感器一个像素在x、y方向上的物理长度，即1pixel＝dxmm。u₀、v₀为摄像机光心在像素坐标系中的坐标；γ为u、v轴的偏斜系数

A2、调整所述相机1与所述检测体2之间的位置关系，使所述检测体2成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件4与被装配体5之间为标准位姿关系；

A3、利用矩形拟合所述检测体2成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置。

检测体2上的红蓝区域会被相机1识别为平行四边形，因此需要对其进行矩形拟合，得到区域拟合矩形，测量区域拟合矩形的短边(窄边)宽度，测量指标为像素数量，以像素数量作为尺寸标准。

记录当前两个圆形轮廓的中心坐标参数、大圆的轮廓直径和区域拟合矩形的窄边宽度像素尺寸，将该位置关系作为标定位置关系。所述标定位置关系包括：两个圆形轮廓中心坐标标定，大圆轮廓直径尺寸标定，区域拟合矩形宽度像素尺寸标定。其中区域拟合矩形标定过程是于标定位置采集图像时，记录根据红蓝区域所拟合出的矩形窄边宽度像素尺寸，作为标准参数，以供后续精确调整做参考。

记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，具体包括：

A31、获取两个大小不同的所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

A32、测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

A33、记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

A34、将所述图像特征作为标定位置。

标定位置确定好以后，正式开始检测过程，其具体方法如下：

S1、利用相机1获取待检测工件4放置于装配接口对应的安装区域时的检测体2图像；

本实例使用200万像素摄像头搭配CCD相机为图像采集设备，图像像素尺寸为1600像素×1200像素，首先使用张正友标定法对相机1进行标定，获得相机1内参数矩阵K

满足

形式，传感器每个像素的物理尺寸dx＝4.1μm。

S2、对所述检测体2图像进行图像处理，得到检测体2位置信息；

本实施例中对所述检测体2图像进行图像处理，得到检测体2位置信息，具体包括：

S21、提取所述检测体2图像中与两个所述正圆形对应的区域外轮廓，并对所述区域外轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆拟合结果；

首先对检测体2图像进行降噪处理，对降噪之后的检测体2图像进行二值化处理，选定阈值对检测体2图像进行区域分割，在此阈值设定为30，能够有效提取检测体2表面的黑色圆形轮廓。

通过FindContours命令提取检测到的黑色圆形轮廓，由上文可知，共有一大一小两个黑色圆形轮廓，通过像素面积先进行条件筛选，考虑到图像处理中可能产生干扰轮廓，受环境或其他因素影响，防止无用轮廓被提取影响检测结果，得出小圆轮廓像素面积约为3700像素，因此剔除像素面积小于3700像素的轮廓，筛选出微小杂点轮廓；其次通过长短轴之比筛选去除不符合要求的轮廓，即长短轴比值大于3的轮廓。

然后对筛选得出的轮廓进行椭圆拟合，根据拟合结果得出两椭圆中心点坐标及大椭圆长短轴像素参数，以此作为六自由度判别过程的依据。

椭圆拟合过程具体为：

对检测体2图像进行Canny边缘检测处理后，得出由若干个点组成的类似椭圆的轮廓线，将该轮廓线的若干像素点通过最小二乘拟合法进行椭圆拟合，所述圆轮廓中心坐标及直径尺寸参数，其中心坐标是通过所拟合的椭圆轮廓参数计算得出；圆轮廓直径是通过边缘轮廓建立最小外接矩形，根据各点坐标计算出的最大边长即为圆轮廓直径。平面任意位置理想椭圆方程如下：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0

设P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,3...N)为N个像素点坐标，根据最小二乘法得出目标函数为式(1)

将检测出的像素点(x,y)与椭圆中心坐标(x₀,y₀)，以及长半轴与x轴正向夹角θ带入椭圆标准公式中，椭圆方程可表示为式(2)

将式(2)展开可得出与式(1)中A、B、C、D、E的对应关系如下

其中，a为椭圆短半轴；b为椭圆长半轴；θ为长半轴与x轴正向夹角；

其中A、B、C、D、E五个未知参数根据轮廓线上至少五个像素点即可得出，进而确定椭圆表达式，并根据下式可计算出中心点坐标。

需要注意的是，该部分为图像处理流程中椭圆轮廓中心定位的计算原理，在软件中可通过程序代码直接得出中心点坐标。

S22、根据所述椭圆拟合结果获取两个大小不同的椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径；

具体包括：

通过所述椭圆拟合结果中的大椭圆的边缘轮廓建立最小外接矩形，根据所述最小外接矩形的各点坐标计算出的最大边长即为大椭圆的直径；

通过所述椭圆拟合结果中的两个椭圆的轮廓参数根据椭圆标准方程计算得出两个椭圆的中心点坐标。

S23、对所述检测体2图像中的与红蓝区域对应的成像区域进行颜色分割，并进行矩形拟合，得到区域拟合矩形；

将检测体2图像从RGB转换到HSV色彩空间，对红蓝区域对应的成像区域进行颜色分割，从而有效提取颜色区域轮廓，并对轮廓进行矩形拟合，得到区域拟合矩形。

S24、测量所述区域拟合矩形的短边宽度；得出区域拟合矩形窄边像素宽度尺寸，作为转动方向及调整量的判别依据。

S25、记录所述两个椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到检测体2位置信息。

S3、根据所述检测体2位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件4与被装配体5的位置关系。

本实施例提供了一种单目视觉位姿检测方法，为了解决狭窄空间下的自动装配问题，该狭窄空间是指工件与被装配体所安装固定的空间较为狭窄，自动装配中无法对安装接口进行直接检测，因此只能在安装前通过过渡检具与相机标定出安装位置，检测完工件与被装配体二者相互位置关系后，撤出检具，再进行数控装配。检测系统硬件由CCD相机、检测体、过渡检具三部分组成，检测系统软件根据所需图像处理算法编制软件程序。CCD相机属于图像采集模块，主要对检测体进行图像采集；检测体作为CCD相机检测的目标物，其表面具有特征标志信息；过渡检具是指相机和检测体与工件和被装配物之间的连接装置。根据上述硬件配合并结合软件算法即可完成两物体之间位姿关系检测。即采用单目视觉位姿测量技术对装配点位置进行间接测量。本实施例利用CCD相机作为图像采集硬件，采集预设的已知结构和尺寸检测体图像，采用基于图像与数据处理技术的位姿测量系统测量二者当前位置参数，将测量结果与标定位置参数进行对比，实现智能检测。本发明算法简单，无需解耦，运算速度快；其次直接测量可消除智能装配系统的系统误差，装配精度高。

实施例二：

本发明实施例提供了一种单目视觉位姿调整装置，所述装置包括：实施例一所述的位姿检测装置和六自由度调整平台；

所述六自由度调整平台用于调整待检测工件4的六自由度位姿。

根据上述硬件配合并结合软件算法即可完成两物体之间位姿关系检测。对于装配流程，在此采用逼近调整的方法，根据检测系统得出的位姿参数进行单自由度循环调整，调整后重新测量，若坐标差值大于预设的位姿坐标允差，继续上述循环过程进行多次逼近，当差值小于等于装配设定的允差后结束调整，实现智能调整。

利用逼近法进行单目视觉六自由度位姿调整，是指在预定位置通过摄像机采集检测体2图像，并对图像进行处理提取特征坐标参数，将该位置所唯一对应各自由度参数作为摄像机与检测体2之间标定位置参数。随后摄像机在其他位置采集检测体2图像，通过判别特征参数差值，进而得出检测体2从当前位置参数恢复至标定参数时所需的移动量和转动方向，并按预先设定的调整策略进行六自由度调整，以上步骤称为一次完整的逼近过程

如图4所示，本发明实施例还提供了一种单目视觉位姿调整方法，所述方法主要包括以下几个步骤：

位姿测量前的摄像机标定；获取检测体2的图像；提取检测体2图像特征；基于颜色进行图像分割；将特征参数与标定值作比较和逼近法进行位姿调整。

在进行位姿调整之前，需要进行位置标定和六自由度标定的过程，具体包括：

获取所述相机1的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

调整所述相机1与所述检测体2之间的位置关系，使所述检测体2成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件4与被装配体5之间为标准位姿关系；

利用矩形拟合所述检测体2成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体5的六自由度标定参数与所述图像特征相对应；

其中，所述记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体5的六自由度标定参数与所述图像特征相对应，具体包括：

获取两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

将所述图像特征作为标定位置；

所述六自由度标定参数通过所述图像特征唯一对应；其中，X、Y平移自由度以大的正圆形的中心坐标作为标定依据，Z轴平移自由度以大的正圆形的直径为标定依据，a、b轴转动自由度以所述区域拟合矩形的短边宽度为标定依据，c轴转动自由度以大的正圆形和小的正圆形的中心坐标的几何关系为标定依据。

对于装配过程中工件4与被装配件之间任意位置关系可通过图像特征所对应参数进行判别，通过检测当前位置参数与标定位置之间的差值，根据参数坐标差值计算得出各自由度调整量，使之还原至标定位置，通过该方法实现两物体位姿关系的调整。

本发明实施例提供的单目视觉位姿调整方法具体如下：

B1、利用相机1获取待检测工件4放置于装配接口对应的安装区域时的检测体2图像；

B2、对所述检测体2图像进行图像处理，得到检测体2位置信息；

B3、根据所述检测体2位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件4与被装配体5的位置关系

B4、计算所述检测体2位置信息与所述标定位置之间的差值；

B5、利用逼近法根据所述差值结合所述六自由度标定参数调整所述待检测工件4的六自由度位姿。

采用单自由度单动的调整方法，配合既定调整顺序，调整工件4的位姿。通过电机导轨调整平移自由度，通过电动转台与电动缸摆动台调整转动自由度。单自由度单动，先转动后平移。

即针对具有耦合影响的转动自由度先行调整，首先确保c轴恢复至标定位置，其次对a、b轴转动进行初步调整，并做转动循环验证，满足条件后再调整Z轴平移自由度，随后进行a、b轴转动进行精确调整，完成转动调整后开始X、Y平移自由度调整，直到满足标定要求。如图5所示，通过如上的调整方式降低六自由度之间耦合关系的影响，同时避免了对位姿进行解析计算的复杂过程。各自由度调整动作均通过电机进行控制，采用导轨与转台分别对平移与转动自由度进行高精度调整，直到将各项参数调整至设定的允差范围内，即可结束调整。

在调整过程中，X、Y平移自由度调整量通过大的正圆形和小的正圆形的中心坐标差值计算得出，Z平移自由度调整量通过大的正圆形的直径像素数量得出，A、B轴转动自由度调整量通过圆轮廓最小外接矩形的长边所对应旋转角度以及区域拟合矩形窄边像素尺寸与转角对应关系得出，C轴转动自由度调整量通过大的正圆形和小的正圆形的中心坐标计算得出。

逼近调整完成后，当检测体2坐标参数与标定参数在设定的允差范围内时，即可撤去过渡检具3和视觉检测设备，完成逼近调整后，工件4与被装配体5之间的位置仅为X、Y、Z平移自由度方向的偏差，此时工件4与被装配体5之间的位置关系已确定，其余装配流程可通过数控程序调整进而完成自动装配作业。其中，过渡检具3的拆装需要人工，位姿检测、调整和装配过程均为自动化过程，通过数控程序控制电动机动作进而调整位姿。

作为一种具体的实施方式，本实施例中通过对标定位置与实际位置图像进行处理得出位置参数后，根据参数差值通过数控六自由度调整设备对各自由度进行逼近调整，逼近算法包含对调整方向和调整量的判别，使用六自由度调整设备，包含六自由度调整平台或六自由度机械手臂等，需具备较高的调整控制精度。具体算法如下：

平移自由度调整方向及调整量判别主要根据相机1成像模型关系，Z轴平移自由度调整量的确定是通过相机1识别得出的大椭圆直径像素值d与标定时大圆轮廓直径的像素值d₀两者差值得出，如公式(3)，当结果为正时，增大摄像机与检测体2之间的距离，摄像机向Z轴正向移动，当结果为负时，减小摄像机与检测体2之间的距离，摄像机沿Z轴负向移动，如图6所示。

其中F＝f/dx，称为摄像机的焦比，dx表示像素物理尺寸，通过摄像机标定获得。D为检测体2大的正圆轮廓的实际直径；f为镜头焦距；L_z为检测体2表面距摄像机焦平面距离。

在XY平面上的平移自由度判别是通过识别提取检测体2图像中的椭圆轮廓中心点坐标(x₁,y₁)，标定位置中大圆的中心坐标(x₀,y₀)，其调整距离ΔL_x和ΔL_y，可根据公式(4)得出，由于实验过程是对检测体2进行调整，因此对移动方向判别式加负号。如果ΔL_x和ΔL_y结果为正，则将检测体2沿X、Y轴正方向移动，若结果为负，则将检测体2沿X、Y轴负方向移动，通过该方法来确定XY方向自由度调整量。

转动自由度调整方向及调整量判别主要根据检测体2图像中的特征元素关系，首先Z轴转动自由度调整量的确定是通过检测体2图像中拟合出的大椭圆和小椭圆的圆心坐标关系，其中(X₁,Y₁)为小椭圆圆心坐标，(X₂,Y₂)为大椭圆圆心坐标，坐标示意如图7所示，转动方向判别采用逆正顺负原则，公式(5)计算结果为正时，绕Z轴逆时针方向转动；结果为负时，绕Z轴顺时针方向转动。

在绕Z轴转动过程中，会出现以下三种情况：首先，大小椭圆的圆心连线与Y轴负方向夹角在±90°范围内，如图7a)所示；其次，大小椭圆的圆心连线与Y轴负方向夹角小于-90°，如图7b)所示，或大小椭圆的圆心连线与Y轴负方向夹角大于+90°；因此对于转动公式5中n的取值应根据小椭圆的圆心坐标来进行判断，根据表1取值。

表1n取值判别

对于绕X、Y轴转动自由度调整，分为初步调整和精确调整两部分。初步调整通过检测体2图像拟合得到的椭圆与标定位置的正圆之间的几何关系，根据椭圆长轴的长度始终等于正圆的直径这一基本关系，理论上以椭圆长轴为旋转轴进行转动，转动某一角度

就能使椭圆恢复为正圆形状，

角度计算如式(6)，但这样的旋转方式涉及到X、Y轴两个转动自由度的耦合运动，且在实际的转动调整过程中无法实现，需要将总转动角度

分解到X、Y轴转角，从而能够实现转动控制。在此引入一个辅助夹角，将转动角度进行分解。因检测体2在任意方向转动，表面椭圆的二维成像投影只有以下三种情况：椭圆长轴与x轴正向夹角大于90°、小于90°或等于90°，当大于90°时，辅助夹角为θ_y，如图8a)所示，即y轴与椭圆的短轴OC所呈夹角(取锐角部分)；当小于90°时，辅助夹角为θ_x，如图8b)所示，即y轴与椭圆的长轴OA所呈夹角(取锐角部分)；当等于90°时，则直接绕x或y轴转动即可，图8c)所示。根据辅助夹角将总转动角度

分解为绕X、Y轴转动角度α_x与α_y。其中，总转动角度

和X、Y轴的转动角度计算公式如下，当计算机判定辅助夹角为θ_x时使用公式(7)，辅助角为θ_y时使用公式(8)。

引入初步调整的角度计算过程旨在提高逼近调整效率，能够明确地给出每次调整量，减少逼近调整次数，并避免转动过量的情况。当总转动角度

时，或检测体2图像中拟合出的大椭圆识别出长短轴尺寸相同时，开始进行精确调整流程。精确调整量的确定通过区域拟合矩形的窄边宽度像素尺寸判别，首先记录标定位置下红蓝区域的窄边标准像素值，并通过实验标定出像素尺寸变化与转动角度之间的对应关系，根据对应关系式(9)、(10)对应得出精调转动量。根据本次实验的检测距离及检测体2红蓝区域的宽度尺寸，得出宽度尺寸变化与角度之间的对应关系分别为1.6(Pixel/°)与1.2(Pixel/°)。

S_红＝|S-S_红|/1.6 (9)

S_蓝＝|S-S_蓝|/1.2 (10)

绕X、Y转动自由度的转动方向判别，初步调整与精确调整过程均通过红蓝区域的尺寸宽度判别，将检测体2图像拟合出的区域拟合矩形的当前宽度尺寸与标定尺寸数值作对比，当红色区域的区域拟合矩形检测尺寸小于标定尺寸时，应绕X轴逆时针方向旋转，反之则绕X轴顺时针方向旋转。同理，当蓝色区域的区域拟合矩形检测尺寸小于标定尺寸时，应绕Y轴顺时针方向旋转，反之则绕Y轴逆时针方向旋转。

上述转动方向判别理论应在检测体2绕X、Y轴最大总偏转90°角范围内进行使用。在实际实验及使用过程中也以此作为前提条件，若实际偏转量超过预定范围，则会出现红、蓝颜色区域拟合矩形宽度尺寸由大于标准尺寸过渡到小于标准尺寸，从而导致转动方向误判，导致椭圆特征发生更为严重的畸变，或者由于偏转角度过大无法正常识别到椭圆图像等问题出现。

为验证本实施例所提出的各向自由度检测方案的可行性及逼近调整精度，通过实验对六个自由度方向进行验证，首先通过数控滑台对三个方向平移自由度方向进行验证，由相机1对检测体2进行位姿测量，并进行逼近调整，所得出的调整误差结果如图9所示。三个方向转动自由度通过三维转台进行验证，所得出的调整误差结果如图10所示。根据以上结果可得出本专利所提出的视觉检测方法具有可行性。

对于涉及耦合的逼近调整方案，通过实验对六自由度耦合逼近调整流程进行验证，根据多组实验的平均误差结果，得出耦合情况下六自由度平均误差如图11所示。

本实施例提供了一种单目视觉位姿调整方法，利用CCD相机作为图像采集硬件，采集预设的已知结构和尺寸检测体图像，采用基于图像与数据处理技术的位姿测量系统测量二者当前位置参数，将测量结果与标定位置参数进行对比，计算出的坐标差值作为调整参数调整设备；装配过程中，采用逼近方法，即调整后重新测量，若坐标差值大于预设的位姿坐标允差，继续上述循环过程进行多次逼近，当差值小于或等于装配设定的允差后结束调整，实现智能调整。本发明算法简单，无需解耦，运算速度快；其次直接测量可消除智能装配系统的系统误差，装配精度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种单目视觉位姿检测装置，其特征在于，所述装置包括：相机、检测体和过渡检具；

所述相机与所述检测体安装于所述过渡检具上；

所述过渡检具安装于装配接口位置；

所述检测体为所述相机的检测目标物，所述检测体经过斜面处理，且所述检测体表面包含有两个圆形轮廓。

2.根据权利要求1所述的单目视觉位姿检测装置，其特征在于，

所述过渡检具适配于工件与被装配件之间的装配接口；

所述检测体为立方体，所述立方体的顶面与一个侧面上设置有直角三棱柱，所述直角三棱柱的一个直角面与所述立方体的面接触；两个所述直角三棱柱的斜面均为斜面矩形；两个所述斜面矩形分别为红色与蓝色，即为红蓝区域。

3.一种单目视觉位姿检测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像；

对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息；

根据所述检测体位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件与被装配体的位置关系。

4.根据权利要求3所述的单目视觉位姿检测方法，其特征在于，在所述利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像之前，还包括：

获取所述相机的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

调整所述相机与所述检测体之间的位置关系，使所述检测体成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件与被装配体之间为标准位姿关系；

利用矩形拟合所述检测体成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置。

5.根据权利要求4所述的单目视觉位姿检测方法，其特征在于，所述记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，具体包括：

获取两个大小不同的所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

将所述图像特征作为标定位置。

6.根据权利要求4所述的单目视觉位姿检测方法，其特征在于，所述对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息，具体包括：

提取所述检测体图像中与两个所述正圆形对应的区域外轮廓，并对所述区域外轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆拟合结果；

根据所述椭圆拟合结果获取两个大小不同的椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径；

对所述检测体图像中的与红蓝区域对应的成像区域进行颜色分割，并进行矩形拟合，得到区域拟合矩形；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录所述两个椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到检测体位置信息。

7.根据权利要求6所述的单目视觉位姿调整方法，其特征在于，所述根据所述椭圆拟合结果获取两个椭圆的中心点坐标和大椭圆的直径，具体包括：

通过所述椭圆拟合结果中的大椭圆的边缘轮廓建立最小外接矩形，根据所述最小外接矩形的各点坐标计算出的最大边长即为大椭圆的直径；

通过所述椭圆拟合结果中的两个椭圆的轮廓参数根据椭圆标准方程计算得出两个椭圆的中心点坐标。

8.一种单目视觉位姿调整装置，其特征在于，所述装置包括：权利要求1-2所述的位姿检测装置和六自由度调整平台；

所述六自由度调整平台用于调整待检测工件的六自由度位姿。

9.一种单目视觉位姿调整方法，其特征在于，所述方法包括：

利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像；

对所述检测体图像进行图像处理，得到检测体位置信息；

根据所述检测体位置信息与标定位置之间的差值得到待检测工件与被装配体的位置关系；

计算所述检测体位置信息与所述标定位置之间的差值；

利用逼近法根据所述差值结合所述六自由度标定参数调整所述待检测工件的六自由度位姿。

10.根据权利要求9所述的单目视觉位姿调整方法，其特征在于，在所述利用相机获取待检测工件放置于装配接口对应的安装区域时的检测体图像之前，还包括：

获取所述相机的内参数矩阵和单个像素的物理尺寸；

调整所述相机与所述检测体之间的位置关系，使所述检测体成像中的两个圆形轮廓均为正圆形；此时的工件与被装配体之间为标准位姿关系；

利用矩形拟合所述检测体成像中与斜面矩形对应的成像区域，得到区域拟合矩形；记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体的六自由度标定参数与所述图像特征相对应；

所述记录所述正圆形和所述区域拟合矩形的图像特征作为标定位置，并将被装配体的六自由度标定参数与所述图像特征相对应，具体包括：

获取两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径；

测量所述区域拟合矩形的短边宽度；

记录两个所述正圆形的中心坐标和大的正圆形的直径以及所述区域拟合矩形的短边宽度，得到图像特征；

将所述图像特征作为标定位置；

所述六自由度标定参数通过所述图像特征唯一对应；其中，X、Y平移自由度以大的正圆形的中心坐标作为标定依据，Z轴平移自由度以大的正圆形的直径为标定依据，a、b轴转动自由度以所述区域拟合矩形的短边宽度为标定依据，c轴转动自由度以大的正圆形和小的正圆形的中心坐标的几何关系为标定依据。

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