一種在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法

專利名稱：一種在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法
技術領域：
本發明涉及一種裝配之前的零件定位方法，特別是涉及一種基于動態視覺的零件 內孔的方位誤差校正方法。
背景技術：
在工業自動化過程中，裝配是產品生產不可缺少的環節，而零件軸和零件內孔裝 配在實際生產中大量存在。在高精度零件軸和零件內孔裝配中，準確的定位零件的重要性 尤為突出。而在實際生產的過程中，由于機械式夾具在長期的使用過程中產生的磨損和機 器人對零件放置的隨機性，使得機械式夾具對待裝配零件的定位精度難以滿足裝配精度的 要求，因此，在裝配下壓過程中，由于軸和孔的角度存在偏差，可能1)導致壓裝配失敗，降 低裝配成功率，或者2、因孔軸之間的內力太大而造成零件變形而影響裝配體的使用壽命。對于視覺引導的裝配問題，席文明，鄭彥興等采用在裝配零件上方成一定角度 的兩個攝像頭提取零件特征進行定位的方式，設計并實現了對裝配零件內孔的粗定位和 誤差減小的方法(機器人裝配任務中誤差的視覺校正，《機器人》，2001,23 ；視覺導引 下的零件軸與零件內孔被動裝配研究，《東南大學學報》，2001,31( ；基于圖像定位的零 件軸與零件內孔裝配中的誤差分析，《機器人》，2000，22(4))。S. Okumura等人在Error prevention in robotic assembly tasks by amachine vision and statistical pattern recognition method (International Journal of Production Research，2005，43(7) 1397-1410) 一文中，針對機器人裝配任務提出了基于機器人雙目視覺的誤差估計和誤差校 正方法。在此方法中，兩個高速的CCD攝像頭固定到機器人手臂上，能夠實時地采集到裝配 零件的表面特征，采用立體視覺匹配的方式對零件進行跟蹤，能夠確定裝配零件的方位，從 而指導SCARA機器人進行裝配。然而在現有的視覺引導的裝配方法中，多都采用了雙目攝 像頭的方式對零件進行定位，這樣其定位精度很大程度上依賴雙目攝像頭獲取圖像以及圖 像特征提取的精度，立體視覺匹配算法的精度，在攝像頭固定在機器人上時，還要考慮機器 人的定位精度等。這些方法比較復雜，對設備性能要求較高(如高速攝像頭)，因而價格較 高，而在實際的裝配系統中，零件本身存在可以被利用來進行誤差判斷的特征，可以用以指 導裝配誤差的校正。

發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明目的是提供一種能夠通過固定在六軸機械臂第六軸末端的已經 標定好的攝像頭采集零件圖像，根據零件圖像中零件內孔的圖像信息，計算出零件方位的 位置偏移誤差和角度偏移誤差，根據位置偏移誤差和角度偏移誤差調節六軸機械臂第六軸 末端攝像頭的位置和角度，直到攝像頭中心軸與零件內孔的中軸線完全對準。根據攝像頭 的方位可以確定六軸機械臂進行零件軸裝入零件內孔的方位和施力方向，保證零件軸和零 件內孔裝配可靠完成。基于動態視覺的零件軸和零件內孔裝配誤差校正方法，用以此解決現有的零件軸和零件內孔裝配技術，由于零件內孔的定位誤差而導致的裝配失敗的問題， 提高零件軸和零件內孔裝配的成功率。( 二 )技術方案為達成所述目的，本發明提出一種在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法， 該方法通過以下技術方案實現步驟Sl 將帶內孔的零件放到夾具上夾緊，并使零件內孔的上邊沿裸露；將固定 在六軸機械臂第六軸末端的已標定好的攝像頭移動到零件內孔的上方，所述攝像頭的像平 面與預知的零件內孔準確定位時其裸露的平面平行；調整攝像頭在零件內孔上方的高度， 使攝像頭能清晰的獲取零件內孔的圖像，且保證零件內孔在圖像中占有較大區域；步驟S2 通過攝像頭獲取零件內孔圖像，再利用圖像處理算法，提取出零件內孔 在攝像頭圖像中形成的環形區域、提取出零件內孔上沿和下沿在攝像頭圖像中形成的邊 緣，所述邊緣是環形區域的內邊緣和外邊緣；步驟S3 以零件內孔在攝像頭圖像中形成的環形區域外邊緣的重心為原點，建立 極坐標系，利用極坐標系到直角坐標系的空間變換算法，通過環形區域的外邊緣和內邊緣 構建外邊緣半徑曲線H Θ )和內邊緣與外邊緣距離半徑曲線d( Θ )，這兩條曲線橫坐標均 為極坐標系中原點為起點的向量的角度θ，縱坐標分別為所述向量與環形區域外邊緣交點 線段的長度和向量與環形區域相交線段的長度；步驟S4:根據外邊緣半徑曲線H Θ)和內邊緣和外邊緣距離半徑曲線d( Θ)這兩 條曲線，利用基于射影定理的幾何變換算法求得零件內孔的位置偏差方向$和在方向 上的偏差量AD與角度偏差方向IiJnSrS向上的偏差量α ；步驟S5 如果滿足偏差量AD < ε工，α < ε 2，結束步驟；如果不滿足偏差量AD < ￡ι，α < ε 2，則調整攝像頭沿著位置偏差的反方向移動AD的距離，再調整攝像頭
沿著&的反方向旋轉α，然后轉到步驟S2 ；其中，ε ” ε 2是根據不同的裝配精度要求制定 的誤差指標。(三)本發明的有益效果本發明與現有的裝配過程中的誤差校正方法相比，一方面，采用的是一個固定在 六軸機械臂第六軸末端可移動的攝像頭，這比現有的采用動態的雙攝像頭實現零件定位的 方法節省一定的成本，同時基于一個攝像頭獲取零件圖像然后進行圖像處理的方式，省去 了雙攝像頭中對兩幅圖像進行匹配的處理，一方面加快了圖像處理的速度，同時也減少了 圖像匹配過程引入的誤差；另一方面，利用了零件軸和零件內孔裝配中，具有一定高度零件 內孔在圖像中的成像為環形區域的特征，設計了簡單易行的誤差校正方法，這與一般的通 過視覺對裝配零件內孔的高精度定位來校正定位誤差的方式相比，巧妙地利用零件自身具 有的可用于定位零件的特征，不再依賴于復雜的對圖像有效區域進行高精度提取的處理算 法，同時也充分地利用了攝像頭對實際偏差的捕獲和擴大化能力，在相同的圖像提取準確 度情況下提高了對零件定位誤差估計的精度。再者，提出了新的從圖像空間提取關鍵的參 變量，通過一定的變換方式映射到另一簡易空間的分析方法，將圖像空間中對裝配零件位 置誤差和角度誤差的判斷起關鍵作用的物理量提出來，并且將它們分離，即將受零件位置 誤差和角度誤差分別進行分析，從而將多維誤差同時存在的誤差校正問題轉化成了兩個單維誤差的校正問題，這為零件軸和零件內孔裝配中的誤差校正問題提供了新的解決思路。


圖1是在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法的流程圖；圖2是帶有攝像頭的六軸機械臂零件軸和零件內孔裝配的誤差校正平臺示意圖；圖3是攝像頭位于零件內孔上方時，零件內孔在攝像頭中的成像原理示意圖；圖4是攝像頭位于圓形的零件內孔上方，而零件存在不同的位置偏移和角度旋轉 誤差時，零件內孔在攝像頭中形成的環形區域示意圖；圖5是零件存在不同偏差時，零件內孔在攝像頭圖像上形成的不同環形區域，通 過極坐標到直角坐標的空間變換，形成的不同的二維曲線圖。
具體實施例方式下面是結合附圖和實施例詳細說明本發明的具體實施方案。但是本發明不受這里 所述實施例的限制，提供這些實例只是為了更充分和完全公開發明，并將本發明的范圍告 知本領域的技術人員。圖1是在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法的流程圖，其給出了發明方法 的各個步驟，分別用S1-S5進行標注，并且給出了各個步驟執行的前后邏輯關系。下面將對 每一個步驟的實施進行詳細描述。圖2是帶有攝像頭的六軸機械臂零件軸和零件內孔裝配的誤差校正平臺示意圖， 零件軸和零件內孔裝配誤差校正平臺的關鍵部件解釋如下六軸機械臂1含有第六軸11、 第六軸末端111、第六軸中軸線112、攝像頭2、攝像頭中軸線21、攝像頭的像平面22、帶內孔 的零件3、零件內孔31、零件內孔上沿311、零件內孔下沿312、固定零件3的平臺4、零件軸 33、夾取零件軸33的手爪5。零件內孔31是圓孔、方孔或三角孔；攝像頭是單目攝像頭。攝像頭2固定在六軸機械臂1的第六軸末端111，攝像頭中軸線21與六軸機械臂 1的第六軸中軸線112平行。攝像頭2隨六軸機械臂第六軸末端111的移動而發生移動。 攝像頭2移動到零件內孔31的正上方一定高度處(可選10cm-20cm之間的某個高度值)， 保證零件內孔31在攝像頭圖像中的成像占得區域比例在50% -80%之間。同時要保證攝 像頭的像平面22與固定零件3的平臺4平行(零件3被準確地夾持固定時，零件內孔31 上沿所在平面與固定零件3的平臺平行)。在此裝配平臺4示意圖的基礎上，下面進一步分 析零件內孔31在攝像頭2中所成圖像的特征。圖3是攝像頭2位于零件內孔31上方時，零件內孔31在攝像頭中的成像原理示 意圖，其中主要部件包括攝像頭2，攝像頭的像平面22，帶孔的零件3，零件內孔31，零件內 孔上沿311，零件內孔下沿312，零件3的上表面32，理想狀態下，零件3被準確夾持時零件 內孔上沿311所在平面6，攝像頭焦點23，零件內孔31在攝像頭像平面22中形成的環形區 域221，攝像頭像平面22中環形區域的外邊緣222，像平面中環形區域的內邊緣223。圖3中(a)是攝像頭2被移動到零件內孔31的正上方，攝像頭的像平面22在理 想狀態下，零件3無誤差固定時零件內孔31上邊沿所在平面6平行；而實際上，由于零件3 存在角度和偏移誤差零件內孔31上邊沿311所在零件上表面32并不與零件3無誤差固定 時零件內孔31上邊沿所在平面6重合和平行。圖3中(b)是零件內孔31在攝像頭的像平面22中形成圖像的原理，可知零件內孔31在通過攝像頭2的焦點33投射到攝像頭的像平 面22中的圖像為一環形區域221，其中零件內孔上沿311在攝像頭圖像中形成環形區域的 外邊緣222，零件內孔下沿312在攝像頭圖像中形成環形區域的外邊緣223。下面結合圖3，對攝像頭2移動到與零件3無誤差固定時零件內孔上沿311所在平 面6平行的位置后，零件內孔311在攝像頭圖像中形成環形區域的現象進行分析性解釋。假設攝像頭2穩定地固定在六軸機械臂1上，六軸機械臂1的重復定位精度為 0. 05mm,固定在六軸機械臂1的第六軸末端111的攝像頭2的定位誤差限定在0. 2mm以內；OXH為理想狀態下的零件內孔的世界坐標系，其定義如下0ΧΥ是零件3無誤差固 定時零件內孔上沿311所在平面6，攝像頭2被移動到零件內孔21正上方，且與OXY平行， OZ是理想狀態下零件3夾持準確后零件內孔21的中心軸；0' X' Y' Z'是實際的零件內孔的世界坐標，其定義為0'是零件內孔的上沿 311的幾何中心，0' X' Y'是零件內孔上沿311所在平面32，0' V是零件內孔31的中 心軸；oxyz為攝像頭坐標系，其定義為0是攝像頭主軸21與攝像頭像平面22的交點， oxy表示攝像頭像平面22，OZ垂直于攝像頭像平面22向外。基于以上對0ΧΥΖ、0' X' Y' Z'、oxyz，進行如下分析令(χ。，f, zc)表示物體上的任意一點在攝像頭坐標系oxyz中的三維坐標，(u，ν) 表示這一點經過圖3(b)中所示的成像變換后，在攝像頭像平面22上對應點的坐標。根據 射影成像模型，可知點在像平面和攝像頭坐標系中的對應關系表示為
嚴、 /￡ 0
_3] W=Ho - W ⑴
VO 0 If其中，(u0, V0)為攝像頭中心軸21與攝像頭像平面22交點的坐標，f為攝像頭焦 距，ΔΧ，Ay為攝像頭水平和豎直方向感光點之間的距離，λ為比例因子。從公式(1)可以得出λ = l/zc(2)
權利要求
1.一種在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于包括以下步驟 步驟Sl 將帶內孔的零件放到夾具上夾緊，并使零件內孔的上邊沿裸露；將固定在六軸機械臂第六軸末端的已標定好的攝像頭移動到零件內孔的上方，所述攝像頭的像平面與 預知的零件內孔準確定位時其裸露的平面平行；調整攝像頭在零件內孔上方的高度，使攝 像頭能清晰的獲取零件內孔的圖像，且保證零件內孔在圖像中占有較大區域；步驟S2:通過攝像頭獲取零件內孔圖像，再利用圖像處理算法，提取出零件內孔在攝 像頭圖像中形成的環形區域、提取出零件內孔上沿和下沿在攝像頭圖像中形成的邊緣，所 述邊緣是環形區域的內邊緣和外邊緣；步驟S3 以零件內孔在攝像頭圖像中形成的環形區域外邊緣的重心為原點，建立極坐 標系，利用極坐標系到直角坐標系的空間變換算法，通過環形區域的外邊緣和內邊緣構建 外邊緣半徑曲線H θ )和內邊緣與外邊緣距離半徑曲線d( θ )，這兩條曲線橫坐標均為極 坐標系中原點為起點的向量的角度θ，縱坐標分別為所述向量與環形區域外邊緣交點線段 的長度和向量與環形區域相交線段的長度；步驟S4:根據外邊緣半徑曲線r( θ )和內邊緣和外邊緣距離半徑曲線d( θ )這兩條曲線，利用基于射影定理的幾何變換算法求得零件內孔的位置偏差方向Sp:和在^方向上的偏差量AD與角度偏差方向方向上的偏差量α ；步驟S5 如果滿足偏差量AD < ε17 α < ε 2，結束步驟；如果不滿足偏差量AD < ￡ι，α < ε 2，則調整攝像頭沿著位置偏差的反方向—Bp移動AD的距離，再調整攝像頭沿著Sr的反方向旋轉α，然后轉到步驟S2;其中，ε 2是根據不同的裝配精度要求制定 的誤差指標。
2.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，所述攝像頭是單目 攝像頭，攝像頭的主軸與六軸機械臂的第六軸的中心軸線平行，攝像頭固定在六軸機械臂 的第六軸末端，隨六軸機械臂的運動而運動。
3.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 裸露的平面是理想狀態下，零件被夾具準確定位時，零件孔上沿所在的平面，此平面與零件 內孔中軸線垂直。
4.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 圖像處理算法的具體步驟為步驟加將零件內孔圖像轉化為灰度圖像，并采用高斯濾波器對灰度圖像進行平滑處理；步驟2b 根據灰度圖像采用Carmy算法提取灰度圖像邊緣，得到二值化的單像素邊緣 圖像；步驟2c:采用腐蝕和膨脹算法，去掉單像素邊緣圖像背景中的較短小的噪聲邊緣，將 單像素邊緣圖像上存在斷點的曲線連接成為較長的連續曲線，得到具有較長邊緣的圖像；步驟2d:采用霍夫變換的方法，從具有較長邊緣的圖像中提取與已知零件內孔邊沿幾 何形狀相似的曲線；步驟加根據攝像頭成像原理，得到以下三個特征零件內孔上沿對應的外邊緣是完整的已知形狀的曲線、零件內孔下沿對應的內邊緣完全位于外邊緣內部及內邊緣與外邊緣 局部平行，根據所述的三個特征提取零件內孔在包含與零件內孔邊沿幾何形狀相似曲線的 圖像中形成環形區域的外邊緣曲線和內邊緣曲線。
5.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 極坐標系到直角坐標系的空間變換算法是針對環形區域外邊緣和內邊緣圖像進行極坐標 到直角坐標的變換，該變換的具體步驟為步驟3a:以零件內孔在攝像頭圖像中形成的環形區域外邊緣的幾何中心為原點，建立 環形區域所在的邊緣圖像平面上的極坐標系；步驟北以極坐標的χ軸為參考軸，從極坐標系原點出發的向量與環形區域相交，且該 向量與環形區域內邊緣和外邊緣交于兩點；步驟3c 以向量與χ軸的旋轉角為自變量，極坐標原點到向量與外邊緣交點和向量與 內邊緣和外邊緣交點的距離為因變量，構造外邊緣半徑曲線H θ )和內邊緣和外邊緣距離 半徑曲線d( θ )，這樣把零件內孔環形區域所在的二值化邊緣圖像中的環形區域邊緣的偏 移特征分析問題簡化成為外邊緣半徑曲線H θ )和內邊緣與外邊緣距離半徑曲線d( θ )的 特性分析問題；其中，所述兩條曲線橫坐標均為向量與χ軸夾角的角度θ，縱坐標分別為原 點到向量與環形區域外邊緣交點線段的長度和向量與環形區域相交線段的長度；步驟3d:將極坐標系中原點為起點的向量與極坐標χ軸夾角θ從0開始，以步長為 0. 01，增加到2 JI，計算出相應的d( θ )和r( θ )，構建出離散型的外邊緣半徑曲線r( θ )和 內邊緣和外邊緣距離半徑曲線d( θ )。
6.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 基于射影定理的幾何變換算法是根據構造的二維曲線H Θ )，d( Θ )進行實際零件內孔位 置偏移誤差和角度偏移誤差的計算，該計算的具體步驟為步驟如將1~(9)的實際形狀曲線和無角度偏差時ΗΘ)的形狀曲線作比較，得到 γ(Θ)的實際形狀曲線和無偏差時r( Θ)的形狀曲線上具有相等值的點對應的是Θ，即為 零件內孔圖像中環形區域外邊緣的無變形方向，再根據H θ )的實際形狀曲線在垂直于環 形區域外邊緣的無變形方向的方向上相對于無角度偏差時H Θ)的形狀曲線的變形程度， 計算環形區域外邊緣的形變率；步驟4b 根據攝像頭成像的幾何投影關系，利用環形區域外邊緣的無變形方向角θ，計算出零件內孔的角度偏差方向&，利用環形區域外邊緣的形變率，計算出零件內孔的角 度偏移誤差α ；步驟4c 根據r( θ )和r( θ )-d( θ )求出外邊緣和內邊緣的中心點0和0'的位置，并根據中心點0的位置和零件內孔在角度偏方向上存在α的角度誤差時，計算零件內孔僅存在α角度的旋轉誤差不存在位置偏移誤差時，小橢圓中心在零件內孔圖像中的位置 0"；步驟4d:根據0'和0"的相對位置關系和距離之差，確定零件內孔的位置偏移方向g和在^方向上的位置偏移誤差AD。
7.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 零件內孔是圓孔、方孔或三角孔。
8.如權利要求1所述在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，其特征在于，所述 較大區域為零件內孔在攝像頭獲取的圖像中占有50% -80%的區域。
全文摘要
本發明是一種在軸孔裝配中零件內孔方位誤差的校正方法，該方法將六軸機械臂第六軸末端的攝像頭移動到零件內孔的上方；提取出攝像頭的零件內孔圖像中形成的環形區域外邊緣和內邊緣；通過空間變換算法將環形區域外邊緣和內邊緣變換成兩條二維曲線；根據這兩條二維曲線計算出環形區域外邊緣和內邊緣的位置關系，進而確定零件內孔的偏移誤差，然后將機器人向著減小誤差的方向進行重復調整，直至計算出的角度偏移誤差在允許范圍以內。本發明設計出的裝配誤差快速校正算法，能夠大大降低了在零件軸和零件內孔裝配過程中夾具對零件夾取精度的要求，提高自動化零件軸和零件內孔裝配的成功率。
文檔編號G01B11/00GK102128589SQ20101003435
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者喬紅, 劉傳凱, 張波, 蘇建華 申請人:中國科學院自動化研究所