CN113701631A

CN113701631A - 视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置及方法

Info

Publication number: CN113701631A
Application number: CN202110990026.5A
Authority: CN
Inventors: 刘常杰; 崔传磊
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2021-11-26

Abstract

本发明公开一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置及方法，属于视觉测量领域，测量时由工业机器人带动测量连杆和球状测头，球状测头与待测螺纹孔接触，线结构光与圆形标记点相交，高分辨率CCD相机拍摄球状测头，由上位机进行图像处理以及位置信息提取，获得圆形标记点位置信息，最后与图纸标准值及公差值比较，得出螺纹孔位置是否合格的结论与置信概率。本发明采用视觉测量的方式，通过线结构光以及高精度相机拍照的方式进行测量，后期由图像处理算法进行位置解算，能够有效提高对螺纹孔中心空间信息的高精度测量。

Description

视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置及方法

技术领域

本发明涉及视觉测量领域，特别是涉及一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置及方法。

背景技术

在汽车制造工业中，测量汽车白车身上螺纹孔的位置变化是一个复杂、繁重的任务，目前该类工件由接触式三坐标机离线抽样测量，离线测量过程中采用的三坐标测量机精度高、通用型强，但是在测量过程中需要脱离制造现场，工件会由于搬运和重定位产生二次定位误差，这将严重影响工件最终的精度，此外还会消耗大量工时，导致生产周期延长、生产效率降低。

目前还没有成熟可靠的方法和装置来实现螺纹孔位置度变化的高精度在线测量。原因在于螺纹孔不同于通孔，其内部的螺纹易导致现有在线测量工业相机的图像中出现大量无规律边缘，导致图像处理算法无法有效、快速、可靠的提取出螺纹孔边缘信息，螺纹孔中心位置极易因误识别而出现错误。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置及方法，发明一种高精度、自动化、通用性强的螺纹孔中心定位装置和螺纹孔中心位置测量方法，克服现有测量技术的不足，方便在螺纹孔中心位置的测量中使用，以提高测量精度以及测量效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于视觉测量的接触式螺纹孔中心定位方法主要测量方法，包括如下步骤：

1)测量开始之前完成对高分辨率CCD相机的标定过程，包括RT矩阵的计算以及结构光平面参数的计算；

2)测量设备开启，测量连杆处于初始测量位置并调整球状测头位置，球状测头调整至处在高分辨率CCD相机的视场之内并且与线结构光相交；

3)工业机器人带动测量连杆和球状测头与待测螺纹孔紧密接触，线结构光与圆形标记点相交，由高分辨率CCD相机对球状测头进行拍摄，本次测量结束后将拍摄到的图片上传至上位机；

4)上位机将图片中球状测头上标记点的位置数据进行数据处理，使其变换到待求的坐标系中，并获得圆形标记点在该坐标系下的位置信息；

5)根据测量的中心位置坐标与图纸标准值及公差值进行比较，给出螺纹孔位置是否合格的判断与置信概率。

进一步地，步骤1)的标定过程中，首先对相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系以及测量靶标坐标系进行相对位置关系的标定，从而确定各个坐标系之间的RT关系；其次标定工业相机和工业机器人之间的手眼关系；最后标定线结构光的光平面参数。

进一步地，步骤3)中，通过测量连杆的挠性使测量连杆下端的球状测头与待测螺纹孔紧密接触，保证球状测头的球心与待测螺纹孔的孔心共线，以保证此时圆形标记点在XY方向上位置信息即为待测螺纹孔在XY方向上的位置信息。

进一步地，步骤4)中线结构光发生器向球状测头上的圆形标记点发射线结构光，高分辨率CCD相机获取球状测头上照射在圆形标记点上的线结构光，通过光平面参数获取该结构光在光心方向上的深度信息，再通过世界坐标系、机器人坐标系、相机坐标系以及像素坐标系的关系转换以及测量装置结构的相对位置，最终得出待测螺纹孔中心位置坐标。

综上所述，该测量方法是一种接触式与非接触式相结合的测量方法。

一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，包括：工业机器人、相机及结构光装置和测量装置；所述相机及结构光装置一端安装在所述工业机器人上，所述相机及结构光装置的另一端与所述测量装置相连，所述相机及结构光装置包括线结构光发生器和高分辨率CCD相机，所述高分辨率CCD相机拍摄所述线结构光发生器照射在所述测量装置上的圆形标记点，通过数据处理得到螺纹孔中心位置。

进一步地，所述相机及结构光装置还包括：相机固定底座和CCD相机外壳；所述相机固定底座安装在所述工业机器人上，所述CCD相机外壳固定安装在所述相机固定底座上，所述高分辨率CCD相机竖直向下安装在所述CCD相机外壳上，所述线结构光发生器安装在所述CCD相机外壳底端。

进一步地，所述测量装置包括：测量连杆和球状测头；所述测量连杆安装在所述CCD相机外壳的端部，所述球状测头安装在所述测量连杆的底端。

进一步地，所述测量连杆与所述CCD相机外壳为可拆式连接，所述球状测头与所述测量连杆为可拆卸式连接。

进一步地，所述接触式测量的螺纹孔中心定位装置备有多个不同长短的所述测量连杆，备有多个不同形状和大小的所述球状测头。

本发明的有益效果在于：

(1)测量便捷性：采用工业机器人携带工业相机进行测量的测量方式可以有效避免离线测量中工件移动与重定位的复杂过程，只需要控制工业机器人将工业相机移动到待测位置即可。同时也区别于传统测量方式，避免了脚手架等辅助装置的安装过程，有助于保护工作人员的人身安全。

(2)测量精确性：本发明采用视觉测量的方式，通过线结构光以及高精度相机拍照的方式进行测量，后期由图像处理算法进行位置解算，能够有效减小测量误差，提高测量精度。

(3)测量通用性：针对不同位置以及不同大小的待测螺纹孔，可以更换适合长度的测量连杆以及适合大小、形状的球状测头。

(4)测量自动化：在本发明中，工业机器人搭载视觉传感器等测量装置进行运动，待测螺纹孔中心位置由视觉传感器、测量连杆以及球状测头共同测量得出。在测量过程中只需要将调试好的轨迹输入机器人即可实现自动测量，不需要人工手动测量，自动化程度较高。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位结构示意图。

其中，图中：

1-相机固定底座、2-高分辨率CCD相机、3-测量连杆、4-球状测头、5-待测螺纹孔、6-待测工件、7-圆形标记点、8-线结构光、9-线结构光发生器、10-CCD相机外壳、11-工业机器人。

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。

1)测量开始之前完成对高分辨率CCD相机2的标定过程，包括RT矩阵的计算以及结构光平面参数的计算；

2)测量设备开启，测量连杆3处于初始测量位置并调整球状测头4位置，球状测头4调整至处在高分辨率CCD相机2的视场之内并且与线结构光8相交；

3)工业机器人11带动测量连杆3和球状测头4与待测螺纹孔5紧密接触，线结构光8与圆形标记点7相交，由高分辨率CCD相机2对球状测头4进行拍摄，本次测量结束后将拍摄到的图片上传至上位机；

4)上位机将图片中球状测头4上标记点的位置数据进行数据处理，使其变换到待求的坐标系中，并获得圆形标记点7在该坐标系下的位置信息；

参照附图1所示，本发明提供一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，包括：工业机器人11、相机及结构光装置和测量装置；相机及结构光装置一端安装在工业机器人11上，测量装置安装在相机及结构光装置的另一端，相机及结构光装置包括线结构光发生器9，线结构光发生器9能够向球状测头4发射出线结构光8；相机及结构光装置还包括：相机固定底座1、CCD相机外壳10和高分辨率CCD相机2；相机固定底座1安装在工业机器人11上，CCD相机外壳10固定安装在相机固定底座1上，高分辨率CCD相机2安装在CCD相机外壳10上，线结构光发生器9安装在CCD相机外壳10内部(图中未画出)；测量装置包括：测量连杆3和球状测头4；测量连杆3安装在CCD相机外壳10的端部，球状测头4安装在测量连杆3的底端，测量连杆3以及球状测头4固定在待测螺纹孔5之上，测量连杆3具有一定的弹性形变空间，测量期间通过测量连杆3的挠性来保证球状测头4与待测螺纹孔5紧密接触，确保球状测头4的球心与待测螺纹孔5的孔心共线。

测量之前要对测量系统进行标定，系统标定包括相机坐标系与球状测头之间的坐标系转换关系、机器人与相机的手眼关系以及线结构光在相机坐标系下光平面参数的计算。开始测量之后工业机器人11将移动高分辨率CCD相机2到待测工件6上的待测位置，之后将测量连杆3以及球状测头4固定在待测螺纹孔5之上，测量连杆3具有一定的弹性形变空间，测量期间通过测量连杆3的挠性来保证球状测头4与待测螺纹孔5紧密接触，确保球状测头4的球心与待测螺纹孔5的孔心共线。将线结构光8照射在球状测头4的靶标之上，从而获得测球在图像上的深度信息，通过球状测头4上圆形标记点7的位置相对的确定待测螺纹孔5的中心位置。在完成上述操作之后将进行拍照、上传到上位机、图像处理以及数据处理等过程，最终得到待测螺纹孔5的中心位置。

如此，测量装置在初始位置与待测位置之间运动，由高分辨率CCD相机2测量数据便可以得到待测螺纹孔5的中心位置。

针对不同位置以及不同大小的待测螺纹孔5，可以更换适合长度的测量连杆3以及适合大小、形状的球状测头4。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于视觉测量的接触式螺纹孔中心定位方法主要测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉测量的接触式螺纹孔中心定位方法，其特征在于，步骤1)的标定过程中，首先对相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系以及测量靶标坐标系进行相对位置关系的标定，从而确定各个坐标系之间的RT关系；其次标定工业相机和工业机器人之间的手眼关系；最后标定线结构光的光平面参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉测量的接触式螺纹孔中心定位方法，其特征在于，步骤3)中，通过测量连杆的挠性使测量连杆下端的球状测头与待测螺纹孔紧密接触，保证球状测头的球心与待测螺纹孔的孔心共线，以保证此时圆形标记点在XY方向上位置信息即为待测螺纹孔在XY方向上的位置信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉测量的接触式螺纹孔中心定位方法，其特征在于，步骤4)中线结构光发生器向球状测头上的圆形标记点发射线结构光，高分辨率CCD相机获取球状测头上照射在圆形标记点上的线结构光，通过光平面参数获取该结构光在光心方向上的深度信息，再通过世界坐标系、机器人坐标系、相机坐标系以及像素坐标系的关系转换以及测量装置结构的相对位置，最终得出待测螺纹孔中心位置坐标。

5.一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，其特征在于，包括：工业机器人、相机及结构光装置和测量装置；所述相机及结构光装置一端安装在所述工业机器人上，所述相机及结构光装置的另一端与所述测量装置相连，所述相机及结构光装置包括线结构光发生器和高分辨率CCD相机，所述高分辨率CCD相机拍摄所述线结构光发生器照射在所述测量装置上的圆形标记点，通过数据处理得到螺纹孔中心位置。

6.根据权利要求5所述的一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，其特征在于，所述相机及结构光装置还包括：相机固定底座和CCD相机外壳；所述相机固定底座安装在所述工业机器人上，所述CCD相机外壳固定安装在所述相机固定底座上，所述高分辨率CCD相机竖直向下安装在所述CCD相机外壳上，所述线结构光发生器安装在所述CCD相机外壳底端。

7.根据权利要求6所述的一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，其特征在于，所述测量装置包括：测量连杆和球状测头；所述测量连杆安装在所述CCD相机外壳的端部，所述球状测头安装在所述测量连杆的底端。

8.根据权利要求7所述的一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，其特征在于，所述测量连杆与所述CCD相机外壳为可拆式连接，所述球状测头与所述测量连杆为可拆卸式连接。

9.根据权利要求8所述的一种视觉测量结合接触式测量的螺纹孔中心定位装置，其特征在于，所述接触式测量的螺纹孔中心定位装置备有多个不同长短的所述测量连杆，备有多个不同形状和大小的所述球状测头。