零件位姿識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及數(shù)控加工與檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，具體講，涉及到零件位姿識(shí)別視 覺(jué)系統(tǒng)及其標(biāo)定方法。 技術(shù)背景
[0002] 為了提高數(shù)控機(jī)器設(shè)備的安全性和智能化，對(duì)加工或者檢測(cè)的零件位置和姿態(tài)的 識(shí)別是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題，早期的研究工作主要是針對(duì)二維場(chǎng)景中的問(wèn)題進(jìn)行的。 Rafiq Ahmad等人基于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用兩個(gè)三維空間方法，虛擬空間對(duì)實(shí)際空間進(jìn)行仿真，在 虛擬空間中進(jìn)行防碰撞檢測(cè)和安全軌跡的生成。Tian等人提出了利用攝像機(jī)在虛擬空間和 實(shí)際空間中同樣的位置對(duì)零件進(jìn)行拍照并進(jìn)行圖像識(shí)別的方法，同時(shí)提出了一種基于圖像 識(shí)別的標(biāo)定方法，但是該標(biāo)定方法適用的空間小，提取的三維信息少，應(yīng)用范圍比較局限。 趙金才利用幾何矩對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)上的零件進(jìn)行位姿識(shí)別，但是實(shí)驗(yàn)中只是利用單個(gè) 攝像機(jī)，空間信息提取較少，而且對(duì)攝像機(jī)坐標(biāo)系和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系要求 比較苛刻，并不能夠?qū)崿F(xiàn)零件各種位姿的識(shí)別。韓寧利用兩個(gè)相機(jī)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的零件 進(jìn)行位姿識(shí)別，能夠一定限度地提取三維空間信息，但是仍然不能實(shí)現(xiàn)對(duì)零件各種姿態(tài)全 方位空間信息的提取，定位精度也不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)更加全面地提取在加工或檢測(cè)平臺(tái)上零件的三維特 征信息。為此，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是，零件位姿識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)，由五個(gè)相機(jī)和三座 標(biāo)測(cè)量機(jī)光筆構(gòu)成，四個(gè)相機(jī)(1-4)分別分布在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)前后左右四個(gè)方位，朝向 都是正對(duì)測(cè)量平臺(tái)中心位置，相鄰相機(jī)的光軸基本垂直，同時(shí)剩余的一個(gè)相機(jī)即相機(jī)五(5) 分布在測(cè)量平臺(tái)的上方，朝向是往下正對(duì)測(cè)量平臺(tái)，相機(jī)五(5)在初始位置時(shí)光軸線垂直于 測(cè)量或加工平臺(tái)的上表面，且通過(guò)上表面的中心且誤差不超過(guò)200mm，垂直角度允許有不超 過(guò)10度的誤差;在相機(jī)一（1)到相機(jī)四（4)中，每個(gè)相機(jī)的光軸線與鄰近測(cè)量平臺(tái)的表面夾 角約90度，允許有不超過(guò)10度的誤差，相機(jī)一（1)到相機(jī)四（4)中每個(gè)相機(jī)的光軸線和相機(jī) 五(5)初始位置時(shí)的光軸線垂直并且相交，允許有不超過(guò)10度誤差;測(cè)量平臺(tái)周?chē)膫€(gè)相機(jī) 的位置是固定不變的，并且相機(jī)之間的位置關(guān)系式經(jīng)過(guò)標(biāo)定的，相機(jī)五(5)的位置隨著三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)的位置前后移動(dòng)；相機(jī)五(5)的坐標(biāo)系和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系之間的位置也是經(jīng) 過(guò)標(biāo)定的；光筆測(cè)頭是紅寶石球型體，在采點(diǎn)過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)光筆使得發(fā)光面總是朝向攝 像機(jī)。
[0004] 與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn)與效果：
[0005] 1、圖1中相機(jī)分布構(gòu)成的視覺(jué)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是能夠從各個(gè)方向?qū)α慵奶卣鬟M(jìn)行提 取，無(wú)論零件特征信息多少和擺放姿態(tài)如何，本文中設(shè)計(jì)的視覺(jué)系統(tǒng)都能夠最大限度地提 取零件的信息。
[0006] 2、系統(tǒng)中五個(gè)相機(jī)分別從不同方位對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，能夠較好地避免了數(shù)控設(shè)備 裝置遮擋了部分零件使得某一兩個(gè)相機(jī)不能正常工作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。提高 了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0007] 3、視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用了多個(gè)不同方位的相機(jī)，綜合所有相機(jī)提取的信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零 件位姿較高精度的識(shí)別。
[0008] 4、對(duì)于特征信息不明顯的自由曲面、球體、圓柱體等，可以利用多個(gè)相機(jī)位置關(guān)系 和提取的圖像進(jìn)行三維重建，增加了系統(tǒng)對(duì)零件位姿的識(shí)別能力。
[0009] 5、光筆在測(cè)量過(guò)程中可以有不同的傾斜姿態(tài)，具有很好的靈活性，能夠適用于不 同大小范圍各種姿態(tài)的位置關(guān)系的標(biāo)定。
[0010] 6、本實(shí)用新型標(biāo)定的方法可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)相機(jī)和設(shè)備坐標(biāo)系逐一進(jìn)行標(biāo)定，減少多 個(gè)攝像機(jī)公共視野空間大小對(duì)標(biāo)定空間的限制。
[0011] 7、本標(biāo)定方法占地空間小，能夠適用于加工或測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控設(shè)備和視覺(jué)系統(tǒng)位 置標(biāo)定，并具有較高的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1攝像機(jī)分布圖。圖中，1-5代表5個(gè)相機(jī)，6代表零件，7代表檢測(cè)平臺(tái)。
[0013]圖2相機(jī)分布俯視圖。
[0014] 圖3標(biāo)定示意圖。圖中，8代表三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，9代表光筆，10代表標(biāo)定物。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本實(shí)用新型提出了一種識(shí)別零件位姿的視覺(jué)系統(tǒng)及標(biāo)定方法。為了更加全面地提 取在加工或檢測(cè)平臺(tái)上零件的三維特征信息，本文新設(shè)計(jì)的視覺(jué)系統(tǒng)分布如圖1所示。新的 視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為平臺(tái)，但圖1所示的視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用不限于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 平臺(tái)。在圖1中有四個(gè)相機(jī)分別分布在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)前后左右四個(gè)方位，朝向都是正對(duì) 測(cè)量平臺(tái)中心位置，相鄰相機(jī)的光軸基本垂直，同時(shí)有一個(gè)相機(jī)即相機(jī)5分布在測(cè)量平臺(tái)的 上方，實(shí)際中相機(jī)5是固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上如圖3所示，朝向是往下正對(duì)測(cè)量平臺(tái)。圖2是 相機(jī)分布的俯視圖，虛線是每個(gè)相機(jī)的光軸線，相機(jī)5在初始位置時(shí)光軸線垂直于測(cè)量或加 工平臺(tái)的上表面，且通過(guò)上表面的中心，允許有不超過(guò)200mm的誤差，垂直角度允許有不超 過(guò)10度的誤差。在相機(jī)1到相機(jī)4中，每個(gè)相機(jī)的光軸線與鄰近的平臺(tái)表面夾角約90度，允許 有不超過(guò)10度的誤差，每個(gè)相機(jī)的光軸線和相機(jī)5初始位置時(shí)的光軸線垂直并且相交，垂直 角度允許有不超過(guò)10度的誤差。測(cè)量平臺(tái)周?chē)膫€(gè)相機(jī)的位置是固定不變的，并且相機(jī)之 間的位置關(guān)系式經(jīng)過(guò)標(biāo)定的，相機(jī)5的位置隨著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的位置前后移動(dòng)。相機(jī)5的坐 標(biāo)系和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系之間的位置也是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的。這樣就組成了整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的硬 件分布。
[0016] 在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)防碰撞系統(tǒng)的實(shí)際空間中有三種三維坐標(biāo)系，分別是三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)坐標(biāo)系、視覺(jué)坐標(biāo)系、零件坐標(biāo)系。視覺(jué)坐標(biāo)系建立了零件坐標(biāo)系和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系 之間的聯(lián)系。視覺(jué)坐標(biāo)系又可分為不同攝像機(jī)的坐標(biāo)系，本文包含有五個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系。本實(shí) 用新型提出一種新的基于光筆式單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法。標(biāo)定物為長(zhǎng)方體塊，材料 是大理石，標(biāo)定物的形狀大小并不固定。為了獲取較多的空間標(biāo)定點(diǎn)信息，標(biāo)定過(guò)程中長(zhǎng)方 體塊分別在每個(gè)相機(jī)的視野和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間的公共范圍內(nèi)不同的位置擺放不同 的姿態(tài)獲取相應(yīng)的角點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)于同一個(gè)位置同一個(gè)姿態(tài)的標(biāo)定物，首先先用三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)對(duì)標(biāo)定物的五個(gè)表面分別掃描采點(diǎn)，把采樣點(diǎn)分別擬合平面，求取相鄰三個(gè)平面的交點(diǎn) 坐標(biāo)即為標(biāo)定物的角點(diǎn)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)下的坐標(biāo);然后保持標(biāo)定物的姿態(tài)位置不變用光筆 在攝像機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)標(biāo)定物的五個(gè)表面進(jìn)行掃描采點(diǎn)，由于光筆測(cè)頭是紅寶石球型體，因 此在采點(diǎn)過(guò)程中可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)光筆使得發(fā)光面總是朝向攝像機(jī)，即攝像機(jī)總是能采集到光 筆的所有發(fā)光點(diǎn)成像具有很好的靈活性，對(duì)采樣點(diǎn)分別擬合平面，求取相鄰三個(gè)平面的交 點(diǎn)坐標(biāo)即為標(biāo)定物的角點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo);最后根據(jù)對(duì)應(yīng)的角點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下 坐標(biāo)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)應(yīng)用相應(yīng)優(yōu)化算法求解出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 圖3是標(biāo)定示意圖，光筆的結(jié)構(gòu)尺寸也不固定。
[0017] 本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 圖1中相機(jī)分布構(gòu)成的視覺(jué)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是能夠從各個(gè)方向?qū)α慵奶卣鬟M(jìn)行提取， 無(wú)論零件特征信息多少和擺放姿態(tài)如何，本文中設(shè)計(jì)的視覺(jué)系統(tǒng)都能夠最大限度地提取零 件的信息。
[0019] 系統(tǒng)中五個(gè)相機(jī)分別從不同方位對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，能夠較好地避免了數(shù)控設(shè)備裝 置遮擋了部分零件使得某一兩個(gè)相機(jī)不能正常工作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。提高了 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0020] 視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用了多個(gè)不同方位的相機(jī)，綜合所有相機(jī)提取的信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件 位姿較高精度的識(shí)別。
[0021] 對(duì)于特征信息不明顯的自由曲面、球體、圓柱體等，可以利用多個(gè)相機(jī)位置關(guān)系和 提取的圖像進(jìn)行三維重建，增加了系統(tǒng)對(duì)零件位姿的識(shí)別能力。
[0022] 光筆在測(cè)量過(guò)程中可以有不同的傾斜姿態(tài)，具有很好的靈活性，能夠適用于不同 大小范圍各種姿態(tài)的位置關(guān)系的標(biāo)定。
[0023] 本實(shí)用新型標(biāo)定的方法可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)相機(jī)和設(shè)備坐標(biāo)系逐一進(jìn)行標(biāo)定，減少多個(gè) 攝像機(jī)公共視野空間大小對(duì)標(biāo)定空間的限制。
[0024]本標(biāo)定方法占地空間小，能夠適用于加工或測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控設(shè)備和視覺(jué)系統(tǒng)位置 標(biāo)定，并具有較尚的精度。
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026] 新的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為平臺(tái)，但圖1所示的視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用不限于 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)，廣泛適用于其他數(shù)控加工與檢測(cè)設(shè)備。在圖1中有四個(gè)相機(jī)分別分布在 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)前后