CN115560679A - 设备组装偏差校准及工程误差校准装置及利用其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备组装偏差校准及工程误差校准装置及利用其的方法。本发明的设备组装偏差校准及工程误差校准装置包括：框架；机构部，以框架为中心形成在框架的内部或外部，用于执行规定的工程；移送部，以框架为中心形成在框架的内部或外部，用于执行规定的移送；检测标识，形成在框架、机构部或移送部；拍摄部，形成在框架的内部或外部，用于执行对检测标识的拍摄，以生成拍摄图像；以及测量部，对从拍摄部接收的摄有检测标识的拍摄图像进行分析，并导出检测标识的图像变化值，其中，检测标识形成在框架、机构部或移送部，进而导出框架、机构部或移送部的三维位置变化值。

Description

设备组装偏差校准及工程误差校准装置及利用其的方法
技术领域
本发明是关于利用检测标识的设备组装偏差校准及工程误差校准装置及使用该装置的组装偏差校准及工程执行误差校准方法(AN APPARATUS FOR CORRECTING ASSEMBLYDEVIATION OF AN APPARATUS AND CORRECTING A PROCESS ERROR USING AN APRILTAG，AND AN APPARATUS FOR CORRECTING AN ASSEMBLY DEVIATION OF THE APPARATUS ANDCORRECTING A PROCESS ERROR USING THE SAME)，更具体而言，是关于利用例如AprilTag标签这样的检测标识和相机来持续地实时监控构成装置的各框架、机构部、移送部、移动部、测量部、柔性机构等的X、Y、Z轴的多个位置变化值和多个角度变化值(θx、θy、θz)，以实时减小组装和驱动设备时的游隙和公差所引起的偏差的技术。
背景技术
在此期间，横跨整个行业一直持续尝试物体的三维复原，随着计算机视觉技术的发展，物体的三维复原已经成为可能。其中，使用激光或图案光时虽然精度高，但具有设备昂贵、实际使用起来困难的缺点。相反，不使用人工光源的3D复原技术精度虽低于主动方式但具有设备简单的优点。
其中，因为相机的分辨率和性能的提高，使得采用相机的方法被积极研究。在该方法中就有，诸如运动恢复结构(SFM)、立体视觉(stereo vision)等方法以及空间雕刻法，所述空间雕刻法是将空间定义为体素(voxel)，然后将体素投影到每张图像上，只保留能够满足颜色一致性和可视性的体素的方法。然而，这些方法的缺点在于当复原对象缺乏纹理或颜色几乎相近时难以应用。
另一方面，AprilTag标签(四月标签)作为用于各种任务例如增强现实、机器人工程学和相机校准的有效视觉基准，即使使用普通印刷机也可以轻松生成目标，并且通过检测软件即便有照明或视角限制，也能够用相机计算出标签的准确的3D位置、方向等。
AprilTag标签是一种二维条形码，因此在概念上虽然类似于QR码，但由于设计为用更少的数据来对有效负载(4～12位)进行编码，因此更有力且在更宽的范围内能够被检测，并且在检出率和准确率方面能够以高精度地计算出3D位置。
韩国公开专利第10-2021-0057586号(发明名称：一种基于利用盲水印技术的相机的定位方法和系统)中公开了一种通过计算机系统执行的定位方法，其中，所述计算机系统包括至少一个处理器，所述处理器被配置为能够执行包含在存储器中的计算机可读指令，所述定位方法包括：通过所述至少一个处理器从检索图像中识别出包含不可见标记的合成图像的步骤；通过所述至少一个处理器，基于与标记的识别标签相匹配的坐标来计算出检索图像的姿势的步骤。
现有技术文献
专利文献
专利文献0001：韩国公开专利第10-2021-0057586号
发明内容
所要解决的技术问题
为解决如上所述的问题，本发明的目的在于，利用例如AprilTag标签这样的检测标识和相机来持续地实时监控构成装置的各框架、机构部、移送部、移动部、测量部、柔性机构等的X、Y、Z轴的多个位置变化值和多个角度变化值(θx、θy、θz)，以实时减小组装和驱动设备时的游隙和公差所引起的偏差。
本发明要解决的技术问题不限于以上所提到的技术问题，其他未提及的技术问题本领域技术人员可从下面记载中明确地理解。
解决技术问题的方法
为达到上述目的的本发明结构包括：框架；机构部，以所述框架为中心形成在所述框架的内部或外部，用于执行规定的工程；移送部，以所述框架为中心形成在所述框架的内部或外部，用于执行规定的移送；检测标识，形成在所述框架、所述机构部或所述移送部；拍摄部，形成在所述框架的内部或外部，用于执行对所述检测标识的拍摄，以生成拍摄图像；以及测量部，对从所述拍摄部接收的摄有所述检测标识的所述拍摄图像进行分析，并导出所述检测标识的图像变化值，其中，所述检测标识形成在所述框架、所述机构部或所述移送部，进而导出所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值。
在本发明的实施例中，所述检测标识为AprilTag标签、Aruco标记、ARtag标签或ARToolKit标记。
在本发明的实施例中，所述测量部向所述机构部或所述移送部传递控制信号，以使所述机构部或所述移送部的三维位置能够根据所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值而得到校准。
在本发明的实施例中，所述检测标识通过雕刻、印刷或粘贴来形成。
在本发明的实施例中，还可包括与所述拍摄部及所述框架结合且用于移动所述拍摄部的移送部。
在本发明的实施例中，所述测量部通过在相似的像素梯度组中使用最小二乘法(LSM)，从所述拍摄图像中的所述检测标识的图像中检测出线段。
在本发明的实施例中，所述测量部对检测标识的三维倾斜度或位移进行分析，以导出形成有所述检测标识的所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值。
为达到上述目的的本发明的结构包括：第一步骤，所述拍摄部获得所述检测标识有关的所述拍摄图像；第二步骤，所述测量部分析从所述拍摄部接收的所述拍摄图像，并导出所述检测标识的图像变化值；第三步骤，所述测量部导出所述机构部的三维位置变化值；以及第四步骤，所述测量部向所述机构部传递控制信号，以使所述机构部的三维位置得到校准。
发明效果
如上所述结构的本发明的效果在于，持续地实时监控构成装置的各框架、机构部、移送部、移动部、测量部、柔性机构等的X、Y、Z轴的多个位置变化值和多个角度变化值(θx、θy、θz)，以反映组装和驱动装置时的游隙和公差所引起的偏差，从而对如上所述的各结构的三维位置值进行校准，使得各结构的工程误差降至最小。
本发明的效果不局限于上述效果，应该理解的是，本发明的效果还包括可从本发明的详细说明或权利要求书中所记载的发明结构中推导出的所有效果。
附图说明
图1是本发明一实施例的装置的概略图。
图2是本发明的另一实施例的装置的立体图。
图3是本发明另一实施例的移送部的示意图。
图4和图5是本发明多个实施例的检测标识的图像。
图6是本发明一实施例的检测标识的分析图像。
附图标记说明
10：检测标识 100：拍摄部
110：位置传感器 210：加工工具
220：加工底座 230：工具移动器
240：底座移动器 300：移送部
310：支撑臂 320：驱动器
330：支撑体 341：线性马达
342：旋转马达 350：马达支撑体
410：框架 420：壳体
500：加工对象
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明。但本发明能够以各种不同的形态来实现，因此，本发明并不局限于在本说明书中说明的实施例。而且，为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对相似的部分赋予了相似的附图标记。
在说明书全文中，当表示某些部分与另一部分“相连接(相联接、相接触、相结合)”时，既包括“直接连接”的情况，也包括中间隔着其他部件“间接连接”的情况。并且，当表示某些部分“包括”某些结构要素时，只要没有特别相反的表述，就意味着还可设置其他结构要素，而不是排除包括其他结构要素。
在本说明书中所使用的术语仅用于说明特定的实施例，并不意于限定本发明。只要未在文脉上明确表示其他意思，则单数的表达包括复数的表达。在本说明书中，“包括”或“具有”等的术语用于指定说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在，不应理解成提前排除一种或一种以上的其他特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
以下，参照附图，详细说明本发明。
图1是本发明一实施例的装置的概略图，图2是本发明另一实施例的装置的立体图。另外，图3是本发明另一实施例的移送部300的示意图。
如图1及2所示，本发明的工程误差校准装置包括：框架410；机构部，以框架410为中心形成在框架410的内部或外部，用于执行规定的工程；移送部300，以框架410为中心形成在框架410的内部或外部，用于执行规定的移送；检测标识10，形成在框架410、机构部或移送部300；拍摄部100，形成在框架410的内部或外部，用于执行对检测标识10的拍摄，以生成拍摄图像；及测量部，对从拍摄部100接收的摄有检测标识10的拍摄图像进行分析，并导出检测标识10的图像变化值，其中，所述检测标识10形成在框架410、机构部或移送部300，进而导出框架410、机构部或移送部300的三维位置变化值。
此处，设置在移送部300的检测标识10可在移送部300静止状态下被拍摄。
检测标识10可以是AprilTag标签(四月标签)、Aruco标记(Arucomarker)、ARtag标签或ARToolKit标记。本发明的实施例中，虽然将检测标识10说明为上述种类，但并不限于此，显然可以使用能够执行相同功能的其他二维码。
如图1所示，机构部包括：加工工具210，是对加工对象500执行加工的工具(tool)；加工底座220，用于支撑加工对象500；工具移动器230，与加工工具210结合以使加工工具210三维移动或旋转；及底座移动器240，与加工底座220结合以使加工底座220三维移动或旋转。
加工工具210、加工底座220、工具移动器230及底座移动器240可分别具有多轴机器人或正交机器人，这样的机构部的一部分或整体以框架为中心设置在框架的内部或外部。在本发明中，为了便于说明，对机构部形成在框架内部的情况进行说明。机构部可以是包括加工所需的移动设备、柔性机构等所有设备的结构。
并且，如上所述般，检测标识10可形成在构成机构部的各结构及框架410等的表面，检测标识10可以通过雕刻、印刷或粘贴来形成。
具体而言，检测标识10可通过激光等雕刻形成在各表面，或者检测标识10可印刷形成在各表面。或者检测标识10雕刻或印刷形成在基板上，基板再如上所述般粘贴在各表面，从而设置检测标识10。
移送部300可与拍摄部100及框架410结合，用于使拍摄部100移动。移送部300包括：支撑臂310，与拍摄部100结合以支撑拍摄部100；驱动器320，与支撑臂310结合以使支撑臂310三维移动或旋转；支撑体330，与驱动器320结合以支撑驱动器320。此处，驱动器320可沿支撑体330移动或者以支撑体330为中心进行旋转。
如上所述，拍摄部100不仅可与移送部300结合，还可分别形成在框架410内部中能够拍摄检测标识10的多个位置。拍摄部100的安装位置及个数按工程而不同。
只是，拍摄部100与移送部300的结合在空间利用及工程执行效率方面可能是有利的，本发明在说明时对拍摄部100与移送部300结合的结构情况进行说明。当然，就拍摄部100安装在多个位置的情况而言，基本原理也是相同的。
拍摄部100具有位置传感器110，由位置传感器110收集的针对拍摄部100的位置及姿势变化的信息被传递至测量部。测量部对从位置传感器110接收的针对拍摄部100的位置及姿势变化的信息进行分析，并向驱动器320传递控制信号，以控制拍摄部100的位置及姿势。位置传感器110的信息通过无线或有线传递至测量部。
此处，对一个检测标识10进行拍摄的拍摄部100需要使基准位置维持不变的同时执行对相应检测标识10的拍摄，才能够实现对相应检测标识10的位置变化的拍摄，因此控制拍摄部100的位置，以使拍摄部100相对一个检测标识10的位置、姿势及光轴维持不变，其中，所述基准位置是能够对相应的检测标识10进行拍摄而成为基准的位置。
对各检测标识10进行拍摄的位置的信息被存储在测量部，当拍摄部100为了对一个检测标识10进行拍摄而被移送部300移动时，测量部向移送部300传递控制信号，以使拍摄部100在能够对一个检测标识10拍摄的基准位置上以适合拍摄相应检测标识10的姿势及光轴来进行拍摄。
即使在拍摄部100与框架410结合的情况下，如上所述的对拍摄部100的姿势或光轴的控制也同样进行，当固定在框架410一部位上的拍摄部100对检测标识10进行拍摄时，控制拍摄部100的位置，以使拍摄部100在能够对相应检测标识10拍摄的基准位置上以适合拍摄相应检测标识10的姿势及光轴来进行拍摄。此时，在拍摄部100与框架410之间结合有驱动器320，用以控制拍摄部100的位置。
图4和图5是本发明多个实施例的检测标识10的图像。图6是本发明一实施例的检测标识10的分析图像。
此处，图4的(a)至(d)分别表示各其他实施例的AprilTag标签的图像。并且，图5的(a)是ARToolKit标记的图像，图5的(b)是ARtag标签的图像，图5的(c)是AprilTag标签的图像，图5的(d)是Aruco标记的图像。
并且，图6是本发明一实施例的检测标识10的分析图像。具体而言，图6的(a)表示从拍摄部100获得的拍摄图像，图6的(b)是表示拍摄图像中线段检测的情况的图像，图6的(c)是表示所有quad(四边形对象)检测情况的图像，图6的(d)是表示将具有有效代码制的quad从图像中提取后的情况的图像。
如图6的(a)所示，拍摄部100对检测标识10进行拍摄而生成拍摄图像，这样的拍摄图像被传递至测量部。并且，如图6的(b)所示，测量部通过在相似的像素梯度(gradients)的组(clusters)中使用最小二乘法(LSM，Least Square Method)，来从拍摄图像中的检测标识10的图像中检测出线段。
接着，如图6的(c)所示，测量部能够从图像中检测出沿梯度方向所有可能的quad，之后，如图6的(d)所示，从拍摄图像中提取出具有有效代码制的quad。并且，测量部利用单应性(homograph)及本证估计(intrinsic estimation)获得拍摄图像中的检测标识10(AprilTag标签)姿态，测量最外层四边形各顶点的坐标变化，从而测量三维倾斜度或位移，进而导出检测标识10的图像变化值。
并且，分析检测标识10的三维倾斜度(X、Y、Z轴的角度变化值，θx、θy、θz)或三维位移(x、y、z)变化值，从而导出形成有检测标识10的框架410、机构部、移送部300的三维位置变化值。
本发明的装置在工作时，形成在机构部或框架410的部件、机器等会因拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等变化及驱动时的振动累积等，导致连接部位分离，致使各部件产生按部位的X、Y、Z轴的角度变化值(θx、θy、θz)或X、Y、Z轴的位置变化值(x、y、z)，这样的情况下，如上所述般检测标识10会产生三维倾斜度或位移。
测量部使用规定程序分析检测标识10的三维倾斜度或位移，导出检测标识10针对各部位的三维坐标变化值，利用此来导出形成有检测标识10的框架410、机构部、移送部300等的三维位置变化值。
在所述程序中，进行了检测标识10针对各部位的三维坐标变化值随着检测标识10的三维倾斜度或位移变化而变化的模拟实验，储存针对各情况的数据，对基于储存的数据的检测标识10的基准图像和拍摄图像的针对检测标识10的三维倾斜度或位移的数据进行比较，导出检测标识10针对各部位的三维坐标变化值。
测量部向机构部或移送部300传递控制信号，以使机构部或移送部300的三维位置能够根据框架410、机构部或移送部300的三维位置变化值得到校准。
如上所述的情况下，拍摄部100持续对检测标识10进行拍摄，使得拍摄图像能够向测量部传递，当传递来的拍摄图像与相应检测标识10的基准图像一致时，测量部判断为机构部已移动或旋转至既定位置，结束对机构部的控制。对机构部的控制包括分别对所述加工工具210、加工底座220、工具移动器230及底座移动器240的控制。这种情况同样适用于对移送部300的控制。
作为具体实施例，如图2所示，机构部形成在壳体420内部从而形成一个模块，这样的模块可形成有多个，并且各模块与框架410结合。就这种结构而言，拍摄部100能够对各模块上形成的机构部进行拍摄，从而测量部的控制信号传递至多个机构部，以对各机构部进行控制。
并且，如图3所示，作为与所述驱动器320对应的结构可以形成有线性马达341和旋转马达342，支撑臂310的一端与线性马达341结合，支撑臂310的另一端与拍摄部100结合。另外，通过拍摄部100自身的驱动，设置在拍摄部100的相机能够进行倾斜运动、旋转运动等，相机的拍摄范围会增大。
并且，移送部300具有在框架410内部沿垂直方向延伸形成且用于支撑线性马达341的马达支撑体350，在马达支撑体350下端结合有旋转马达342，旋转马达342使马达支撑体350旋转，使得拍摄部100能够进行旋转运动。
如上所述，测量部如果从拍摄部100的位置传感器110接收信息，则向线性马达341、旋转马达342及伺服马达中的一个以上传递控制信号，从而控制拍摄部100的三维位移及旋转，另外，向移送部300传递控制信号来变更拍摄部100的位置，以使拍摄位置从一个检测标识10变化至另一个检测标识10。
并且，检测标识10也可形成在马达支撑体350和旋转马达342这样的固定结构上，并且可通过安装在框架410的其他拍摄部100来对固定结构的检测标识10进行拍摄，此时，测量部利用已获得的拍摄图像来测量各固定结构的三维位移或旋转变化值。
另外，框架410也可包含在固定结构中，拍摄部100对形成在框架410各部位的检测标识10进行拍摄，通过如上所述的测量部的分析，能够测量出框架410一部位的变形(三维位移或扭转变化值)。
并且，当测量部判断为固定结构发生了三维位移、旋转、或变形等时，测量部向用户的电子产品传递判断有关的信息，用户可对固定结构的位置及姿势缺陷进行修复。从而，能够对装置内各结构发生的缺陷迅速采取措施。
以下，对使用本发明装置的组装偏差校准及工程误差校准方法进行说明。
第一步骤中，拍摄部100获得检测标识10有关的拍摄图像。并且，第二步骤中，测量部分析从拍摄部100接收的拍摄图像，并导出检测标识10的图像变化值。
接着，第三步骤中，测量部导出机构部的三维位置变化值。之后，第四步骤中，测量部向机构部传递控制信号，以使机构部的三维位置得到校准。
本发明的组装偏差校准及工程误差校准方法中的剩余详细内容与上述本发明的装置的内容相同。
如上所述，利用本发明的装置及方法，持续地实时监控构成装置的各框架、机构部、移送部、移动部、测量部、柔性机构等的X、Y、Z轴的多个位置变化值和多个角度变化值(θx、θy、θz)，以反映组装和驱动装置时的游隙和公差所引起的偏差，从而对如上所述的各结构的三维位置值进行校准，使得各结构的工程误差降至最小。即，使在本发明装置中组装的设备的组装偏差或其他工程中的工程误差等降至最小，从而能够提高由本发明装置制造的产品质量。另外，还能够使设置在本发明装置的设备(机构部等)自身在组装过程中产生的误差降至最小，还可以将累积公差防患于未然。
以上说明用于例示本发明，本领域技术人员能够理解，可在不改变本发明的技术思想或必要特征的前提下很容易变形出其他具体实施方式，因此，上述实施例在所有方面都是用于例示本发明，并不是用于限定本发明。例如，以单一方式说明的各结构要素也能够分开实施，同样，以分开方式说明的结构要素也能够以结合的形态实施。
本发明的范围依据后述权利要求书而定，由权利要求书的含义、范围以及等同概念导出的所有变更或变形实施方式都应解释为包括在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，包括：
框架；
机构部，以所述框架为中心形成在所述框架的内部或外部，用于执行规定的工程；
移送部，以所述框架为中心形成在所述框架的内部或外部，用于执行规定的移送；
检测标识，形成在所述框架、所述机构部或所述移送部；
拍摄部，形成在所述框架的内部或外部，用于执行对所述检测标识的拍摄，以生成拍摄图像；以及
测量部，对从所述拍摄部接收的摄有所述检测标识的所述拍摄图像进行分析，并导出所述检测标识的图像变化值，其中，所述检测标识形成在所述框架、所述机构部或所述移送部，进而导出所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值。
2.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述检测标识为AprilTag标签、Aruco标记、ARtag标签或ARToolKit标记。
3.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述测量部向所述机构部或所述移送部传递控制信号，以使所述机构部或所述移送部的三维位置能够根据所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值而得到校准。
4.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述检测标识通过雕刻、印刷或粘贴来形成。
5.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述移送部与所述拍摄部及所述框架结合，且用于移动所述拍摄部。
6.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述测量部通过在相似的像素梯度组中使用最小二乘法，从所述拍摄图像中的所述检测标识的图像中检测出线段。
7.根据权利要求1所述的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，
所述测量部对检测标识的三维倾斜度或位移进行分析，以导出形成有所述检测标识的所述框架、所述机构部或所述移送部的三维位置变化值。
8.一种方法，所述方法使用权利要求1所述的利用检测标识的设备组装偏差校准及工程误差校准装置，其特征在于，包括：
第一步骤，所述拍摄部获得所述检测标识有关的所述拍摄图像；
第二步骤，所述测量部分析从所述拍摄部接收的所述拍摄图像，并导出所述检测标识的图像变化值；
第三步骤，所述测量部导出所述机构部的三维位置变化值；以及
第四步骤，所述测量部向所述机构部传递控制信号，以使所述机构部的三维位置得到校准。
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