CN113706611B - 基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及修正方法，高精度修正控制系统包括相机模组、对位控制模组和运动模组；运动模组包括电机以及由电机驱动的移动机构；对位控制模组包括图像处理模块和移动控制模块，图像处理模块用于对相机模组所拍摄图像的分析处理，以获得图像中标记点的坐标数据；移动控制模块包括坐标计算单元和控制信号单元，坐标计算单元用于计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差，控制信号单元基于XY坐标差生成对所述电机的驱动信号。通过本发明的高精度修正控制系统及方法能够在机械系统最大精度下，借助视觉系统反馈，进行机械亚精度控制。

Description

基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及修正方法

技术领域

在本发明涉及机器视觉检测技术，尤其是基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及修正方法。

背景技术

在机器视觉对位装配中主要涉及平面对位和曲面对位，平面对位主要是实现两个平板工件的对位装配，比如屏幕的对位贴合。平面对位只需基于平面坐标信息即可完成，而对于复杂曲面的对位，则需加入高度信息从而建立工件的三维数据模型。在平面对位和曲面对位中，通常会基于工件上标记点的准确识别定位，实现工件的姿态确定。在实际生产中，待对位工件可能是以未知的姿态呈现到装配平台上，因此，为实现准确对位，通常会基于实际检测到的姿态和标准姿态进行对比得到偏移量，进而通过运动平台将工件调整到标准姿态。因此，待对位工件位姿信息的精确度以及运动平台的机械精度成为了影响装配精度的关键要素，对于装配质量起到了决定性的作用。

由于工件位姿信息的估计通常是基于对工件上标记点坐标数据的测量结果，因此，在一些借助于运动平台进行标记点坐标数据的对位测量方案中，运动平台的运动误差成为了标记点定位精度一个主要的影响因素。

运动平台通常由运动机构和高精度机电系统构成，由机械结构实现的运动机构精度受限于机械系统的制造工艺特性，其运动误差通常远大于视觉系统所能达到的精度，其差别水平通常会达到一个或多个数量级。也就是说，运动机构的精度等级与视觉系统的误差等级差距至少是1个数量级（10倍以上）。运动机构的运动误差来源主要为：机械系统（动力、传动等）之间的配合，控制系统的最小控制精度等。运动平台的精度是整个对位系统精度的基础，如果运动平台本身的重复运动精度就不是很高，那么就无法保证视觉系统的精度。而对于特定的运动机构，在机构生成稳定的情况下，产品对位贴合好以后，产品本身的贴合效果受机构的固定系统误差（机械误差）影响，会有一个固定的偏移量，而且这个固定的偏移量是难以通过调整机构来消除的。因此，通过视觉系统添加一个固定补偿值来消除整个机构的固定误差成为了一种提高对位精度的可行方式。然而，该方式虽然在一定程度上减小了运动平台的整体运动误差，但是，其最优结果也仅仅是最大程度的接近运动平台的最高设计精度，其无法突破该最高精度，而采用更高精度设计的运动平台则又不可避免的提升了成本。

发明内容

本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统，包括相机模组、对位控制模组和运动模组；

运动模组包括电机以及由电机驱动的移动机构；

对位控制模组包括图像处理模块和移动控制模块，图像处理模块用于对相机模组所拍摄图像的分析处理，以获得图像中标记点的坐标数据；

移动控制模块包括坐标计算单元和控制信号单元，坐标计算单元用于计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差，控制信号单元基于XY坐标差生成对所述电机的驱动信号。

优选的，控制信号单元包括用于生成标准驱动脉冲信号的第一信号子单元，以及用于生成非标驱动脉冲信号的第二信号子单元，所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度。

优选的，所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度为标准驱动脉冲信号的脉冲宽度的1/10-1/3。

优选的，所述移动控制模块还包括阈值单元，阈值单元用于设置阈值，以及将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与所述阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，触发第一信号子单元生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，触发第二信号子单元生成非标驱动脉冲信号。

优选的，第一阈值设置为所述电机在1个标准驱动脉冲信号驱动下带动运动模组移动的位移量。

优选的，以第二信号子单元随机生成的三个非标驱动脉冲信号分别驱动电机后，所得到的三个XY坐标差中最小的XY坐标差确定为第二阈值。

优选的，所述运动模组设置在所述相机模组的下方，运动模组包括第一电机和第二电机，第一电机通过第一滑动件设置在第一轨道上，第二电机通过第二滑动件设置在第二轨道上，第一轨道与第二轨道垂直，在第一电机的驱动下第二轨道可在第一轨道上移动，在第二电机的驱动下第二电机和第二滑动件可在第二轨道上移动。

优选的，在所述第一滑动件和第二滑动件上各设置有一个振动装置，振动装置受控于移动控制模块进行振动；在第一滑动件上振动装置的作用下，第二轨道可在第一轨道上形成抖动式位移；在第二滑动件上振动装置的作用下，第二电机和第二滑动件可在第二轨道形成抖动式位移。

本发明还提供一种基于以上高精度修正控制系统的高精度修正方法，包括步骤：

S1、相机模组拍摄获取图像，图像处理模块对图像进行处理获得图像中标记点的坐标数据；

S2、移动控制模块计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差；

S3、移动控制模块基于XY坐标差生成电机的驱动脉冲信号并驱动电机，电机带动待对位点进行移动。

优选的，步骤S3包括：移动控制模块将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，生成非标驱动脉冲信号；所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度。

本发明的有益效果体现在：

相比于现有的用于机器视觉对位的运动机构，本发明的基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统及修正方法，能够在机械系统最大精度下，借助视觉系统反馈，进行机械亚精度控制。在不显著提升成本的情况下，突破了运动机构的最大设计精度。将其应用到机器视觉对位系统中，有助于明显提升对位精度，提高自动化对位装配的质量。

附图说明

图1为本发明实施例的高精度修正控制系统框图；

图2为本发明一种实施例的移动控制模块结构框图；

图3为非标驱动脉冲信号驱动下待对位点的位移示意图；

图4为三个非标驱动脉冲信号驱动后待对位点位置分布示意图；

图5为对位场景下实施例的高精度修正控制系统的一种设置结构图；

图6为本发明一种实施例的运动模组设置结构示意图；

图7实施例的运动模组局部结构示意图；

图8为本发明一种实施例的振动装置结构示意图。

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。

请参阅图1-8所示，本发明提供的具体实施例如下：

参阅图1所示，本实施例的一种基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统，包括相机模组、对位控制模组和运动模组，对位控制模组分别与相机模组和运动模组通信连接；

运动模组包括电机以及由电机驱动的移动机构；

对位控制模组包括图像处理模块和移动控制模块，图像处理模块用于对相机模组所拍摄图像的分析处理，以获得图像中标记点的坐标数据；移动控制模块包括坐标计算单元和控制信号单元，坐标计算单元用于计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差，控制信号单元基于XY坐标差生成对所述电机的驱动信号。

结合图5所示，应该说明的是，在上述方案中，运动模组2作为运动执行机构，可用于执行待对位点的移动，以实现待对位点与目标点的精准对位。根据实际的对位需求，待对位点可以作为直接对位点而设置在待对位目标物3上的特定位置，而考虑到实际中会存在直接对位点为虚拟的空间点位，或者，直接对位点处不便标识的情况，此时，可考虑将待对位点设置在运动模组上的其它位置，将该待对位点与实际的对位点进行位置关系标定即可。相机模组1的设置目的在于对目标点进行拍摄以获得目标点的图像，在视觉对位装配的应用中，目标点即为待装配工件4上的能够被视觉相机所识别的标记点5。进一步的，通过图像处理模块对图像进行处理后获得的标记点的坐标数据为平面坐标数据，通常表示为像素坐标系或者图像坐标系下的坐标，坐标计算单元在计算标记点和运动模组上待对位点的XY坐标差时，可将两者的坐标归一化到图像坐标系或相机坐标系下进行计算。还可以理解的是，所述的XY坐标差是指标记点和待对位点在同一坐标系下的坐标差值（由X轴坐标差值和Y轴坐标差值构成）。

本实施例方案中，基于相机模组拍摄的图像的处理可获得对标记点的像素级别的定位精度，使得坐标计算单元所计算得到的标记点和待对位点在同一坐标系下的XY坐标差较为精确，控制信号单元基于高精确的XY坐标差对电机进行驱动控制，有助于提升对位精度。

作为一种具体应用例，运动模组可用作机器视觉对位中的测距装置的对位执行机构，在运动模组上搭载激光测距装置，激光测距装置上面向相机模组的外表面设置有能够被相机模组识别的待对位点，运动模组带动测距装置移动实现测距装置的测距位置点与标记点的精准对位。

作为优选的实施例，控制信号单元包括用于生成标准驱动脉冲信号的第一信号子单元，以及用于生成非标驱动脉冲信号的第二信号子单元，所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度。可以理解的是，在目前高精度的机电系统中，通常会采用步进电机作为驱动源，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步。在本实施的方案中，标准驱动脉冲信号可理解为能够驱动电机转子转动完成一个标准步进的脉冲信号。在实际测试中发现，基于本实施例中设置的非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度，在该非标驱动脉冲信号的驱动下，电机转子无法转动完成一个标准步进，而是瞬时转动后即停止，形成的是一种振动的效果，而在该振动下，可形成移动机构的微量位移。基于此，本实施例中通过第二信号子单元产生的非标驱动脉冲信号可实现对运动模组的微量位移控制，参阅图3所示，点A和点B代表电机在标准驱动脉冲信号下运动模组的步进式位移点位，即点A和点B之间的距离为最小位移量，而在本实施例中的一个非标驱动脉冲信号的驱动下，运动模组的位移量小于电机在一个标准驱动脉冲信号驱动下的最小位移量，从而使得将待对位点定位在电机的最小线性位移量之内（如A和B之间）成为了可能，显著提升了运动模组的运动精度，进一步实现了对运动模组的运动误差的修正，从而提升对位精度，真正实现亚机械精度级别的定位控制。

在实际测试中还发现，非标驱动脉冲信号的脉冲宽度不同，产生的振动效果也有差异，从而使得运动模组在振动后形成的位移量出现波动较大，比如，脉冲宽度过窄会导致过小的振动，甚至无法产生振动，从而无法产生微量的位移；而当脉冲宽度增大或接近标准驱动脉冲的宽度时，则会导致振动过大，位移量极为不稳定。因此，基于大量的实测效果对比，建议将设置为非标驱动脉冲信号的脉冲宽度为标准驱动脉冲信号的脉冲宽度的1/10-1/3，以而实现相对稳定的控制。

参阅图2所示，在一些优选的实施例中，所述移动控制模块还包括阈值单元，阈值单元用于设置阈值，以及将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与所述阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，触发第一信号子单元生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，触发第二信号子单元生成非标驱动脉冲信号。可以理解的是，在实际对位中，运动模组由初始位置开始移动对位，此时待对位点与标记点在同一坐标系下的XY坐标差值通常较大（远大于第一阈值），此时通过第一信号子单元生成标准驱动脉冲信号来驱动电机可实现快速的初步对位，属于标准精度（机械精度）的对位，而当X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，触发第二信号子单元生成非标驱动脉冲信号来驱动电机实现的是修正对位，属于亚机械精度的对位，进一步提升对位精度。作为进一步的优选，第一阈值可设置为所述电机在1个标准驱动脉冲信号驱动下带动运动模组移动的位移量，也就是说，以运动模组的最大位移精度作为第一阈值。

在实际测试中发现，在多个非标驱动脉冲信号驱动后，待对位点的位移具有随机性，参阅图4所示，P1、P2、P3分别为第一、第二和第三个非标驱动脉冲信号驱动后待对位点对应的位置，M为标记点位置，可见，待对位点并非是逐步的靠近标记点位置，也就是说，可能出现在第一个非标驱动脉冲信号驱动后待对位点即可对准标记点位置，也可能需要经过大量的非标驱动脉冲信号驱动后才能实现待对位点与标记点位置的对准。基于此，综合考虑对位效率和对位精度，作为优选的，建议以第二信号子单元随机生成的三个非标驱动脉冲信号分别驱动电机后，所得到的三个XY坐标差中最小的XY坐标差确定为第二阈值。

作为一种优选的实施例，运动模组被设置在相机模组的下方，运动模组包括第一电机和第二电机，第一电机通过第一滑动件设置在第一轨道上或者，第二电机通过第二滑动件设置在第二轨道上，第一轨道与第二轨道垂直，在第一电机的驱动下第二轨道可在第一轨道上移动，在第二电机的驱动下第二电机和第二滑动件可在第二轨道上移动。进一步的优选，可设置为第一轨道与第二轨道构成的平面与相机模组的相机成像面平行，即垂直于相机的光轴设置。

作为一种优选的实施例，在第一滑动件和第二滑动件上各设置有一个振动装置，振动装置受控于移动控制模块进行振动；在第一滑动件上振动装置的作用下，第二轨道可在第一轨道上形成抖动式位移；在第二滑动件上振动装置的作用下，第二电机和第二滑动件可在第二轨道形成抖动式位移。可以理解的是，在振动装置的作用下所形成的抖动式位移是一种微量位移，通过合理设置振动装置的振动强度，可将位移量控制在运动模组的最小位移量之内，从而可实现高于运动模组机械精度的位移精度控制。

作为另一种不同的设置结构，参阅图6和图7中所示，运动模组包括第一电机21、第二电机22、第一轨道23和第二轨道24，第一电机21固定设置在第二轨道24上，设置有可在第二轨道上24滑动的滑动座25，第二电机22固定在滑动座25上，第一轨道与第二轨道垂直，在第一电机21的驱动下第二轨道24可在第一轨道23上移动，在第二电机22的驱动下第二电机22和滑动座25可在第二轨道24上移动。

参阅图7所示，作为进一步的优选，在第二轨道24和滑动座25上分别设置有第一振动装置26和第二振动装置27，第一振动装置26和第二振动装置27受控于移动控制模块进行振动；在第一振动装置26的作用下，第二轨道24可在第一轨道23上形成抖动式位移；在第二振动装置27的作用下，第二电机22和滑动座25可在第二轨道24上形成抖动式位移。

参阅图8所示，作为一种具体可实施的优选方案，振动装置包括绝缘套282、永磁棒283和两块阻挡板281，绝缘套282的外壁上卷绕有导电线圈284以形成电磁线圈结构，导电线圈284通过电流控制器连接电源；永磁棒283穿设于所述绝缘套282内，永磁棒283两端延申出绝缘套282外，永磁棒283两端极性相反；两块阻挡板281分别位于永磁棒283两端且与振动装置的安装对象286（例如以上实施例中的第二轨道24或滑动座25）固定，绝缘套282通过固定件285固定在安装对象286上，电流控制器向导电线圈进行通电控制，实现永磁棒283在绝缘套282内的往复运动，并形成永磁棒283对阻挡板281的撞击，进而使得安装对象286产生振动。可以理解的是，由于通过振动装置实现的是安装对象286在其运动方向的抖动式位移，因此，可设置为永磁棒283在绝缘套282内的往复运动的方向与安装对象286的运动方向平行。

本发明实施例还提供一种基于以上实施例高精度修正控制系统的高精度修正方法，包括步骤：

S1、相机模组拍摄获取图像，图像处理模块对图像进行处理获得图像中标记点的坐标数据；

S2、移动控制模块计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差；

S3、移动控制模块基于XY坐标差生成电机的驱动脉冲信号并驱动电机，电机带动待对位点进行移动。

优选的，步骤S3包括：移动控制模块将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；

当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，生成非标驱动脉冲信号；所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.基于视觉精度运动机构的高精度修正控制系统，其特征在于，包括相机模组、对位控制模组和运动模组；

运动模组包括电机以及由电机驱动的移动机构；

对位控制模组包括图像处理模块和移动控制模块，图像处理模块用于对相机模组所拍摄图像的分析处理，以获得图像中标记点的坐标数据；

移动控制模块包括坐标计算单元和控制信号单元，坐标计算单元用于计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差，控制信号单元基于XY坐标差生成对所述电机的驱动信号；

控制信号单元包括用于生成标准驱动脉冲信号的第一信号子单元，以及用于生成非标驱动脉冲信号的第二信号子单元，所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度；

所述移动控制模块还包括阈值单元，阈值单元用于设置阈值，以及将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与所述阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；

当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，触发第一信号子单元生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，触发第二信号子单元生成非标驱动脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的高精度修正控制系统，其特征在于，所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度为标准驱动脉冲信号的脉冲宽度的1/10-1/3。

3.根据权利要求1所述的高精度修正控制系统，其特征在于，第一阈值设置为所述电机在1个标准驱动脉冲信号驱动下带动运动模组移动的位移量。

4.根据权利要求1所述的高精度修正控制系统，其特征在于，以第二信号子单元随机生成的三个非标驱动脉冲信号分别驱动电机后，所得到的三个XY坐标差中最小的XY坐标差确定为第二阈值。

5.根据权利要求1所述的高精度修正控制系统，其特征在于，所述运动模组设置在所述相机模组的下方，运动模组包括第一电机和第二电机，第一电机通过第一滑动件设置在第一轨道上，第二电机通过第二滑动件设置在第二轨道上，第一轨道与第二轨道垂直，在第一电机的驱动下第二轨道可在第一轨道上移动，在第二电机的驱动下第二电机和第二滑动件可在第二轨道上移动。

6.根据权利要求5所述的高精度修正控制系统，其特征在于，在所述第一滑动件和第二滑动件上各设置有一个振动装置，振动装置受控于移动控制模块进行振动；在第一滑动件上振动装置的作用下，第二轨道可在第一轨道上形成抖动式位移；在第二滑动件上振动装置的作用下，第二电机和第二滑动件可在第二轨道形成抖动式位移。

7.基于权利要求1所述高精度修正控制系统的高精度修正方法，其特征在于，包括步骤：

S1、相机模组拍摄获取图像，图像处理模块对图像进行处理获得图像中标记点的坐标数据；

S2、移动控制模块计算标记点和运动模组上待对位点在图像坐标系或相机坐标系下的XY坐标差；

S3、移动控制模块基于XY坐标差生成电机的驱动脉冲信号并驱动电机，电机带动待对位点进行移动；

步骤S3包括：移动控制模块将XY坐标差中的X坐标差的绝对值和Y坐标差的绝对值分别与阈值进行比较，所述阈值包括第一阈值和第二阈值；

当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值大于第一阈值时，生成标准驱动脉冲信号；当比较结果为X坐标差的绝对值和/或Y坐标差的绝对值小于第一阈值且大于第二阈值时，生成非标驱动脉冲信号；所述非标驱动脉冲信号的脉冲宽度小于标准驱动脉冲信号的脉冲宽度。

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