[发明专利]零件位姿识别视觉系统及其标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控加工与检测设备应用领域，具体讲，涉及到零件位姿识别视觉系统及其标定方法。

技术背景

为了提高数控机器设备的安全性和智能化，对加工或者检测的零件位置和姿态的识别是一个需要解决的重要问题，早期的研究工作主要是针对二维场景中的问题进行的。RafiqAhmad等人基于机器视觉应用两个三维空间方法，虚拟空间对实际空间进行仿真，在虚拟空间中进行防碰撞检测和安全轨迹的生成。Tian等人提出了利用摄像机在虚拟空间和实际空间中同样的位置对零件进行拍照并进行图像识别的方法，同时提出了一种基于图像识别的标定方法，但是该标定方法适用的空间小，提取的三维信息少，应用范围比较局限。赵金才利用几何矩对三坐标测量机平台上的零件进行位姿识别，但是实验中只是利用单个摄像机，空间信息提取较少，而且对摄像机坐标系和三坐标测量机坐标系之间的关系要求比较苛刻，并不能够实现零件各种位姿的识别。韩宁利用两个相机对三坐标测量机的零件进行位姿识别，能够一定限度地提取三维空间信息，但是仍然不能实现对零件各种姿态全方位空间信息的提取，定位精度也不高。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现更加全面地提取在加工或检测平台上零件的三维特征信息。为此，本发明采取的技术方案是，零件位姿识别视觉系统，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个相机1-4分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机5分布在测量平台的上方，朝向是往下正对测量平台，相机5在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心，光轴通过上表面中心允许有不超过200mm的误差，垂直角度允许有不超过10度的误差；在相机1到相机4中，每个相机的光轴线与邻近的测量平台的表面夹角约90度，允许有不超过10度的误差，相机1到相机4中每个相机的光轴线和相机5初始位置时的光轴线垂直并且相交，允许有不超过10度误差；测量平台周围四个相机的位置是固定不变的，并且相机之间的位置关系式经过标定的，相机5的位置随着三坐标测量机的位置前后移动；相机5的坐标系和三坐标测量机坐标系之间的位置也是经过标定的；光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机。

零件位姿识别视觉系统标定方法，步骤是，建立三坐标测量机坐标系、视觉坐标系、标定物坐标系，视觉坐标系建立了标定物坐标系和三坐标测量机坐标系之间的联系，视觉坐标系又分为不同摄像机的坐标系，标定物的形状大小并不固定，为了获取较多的空间标定点信息，标定过程中长方体块分别在每个相机的视野和三坐标测量机测量空间的公共范围内不同的位置摆放不同的姿态获取相应的角点坐标；对于同一个位置同一个姿态的标定物，首先先用三坐标测量机对标定物的五个表面分别扫描采点，把采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在三坐标测量机下的坐标；然后保持标定物的姿态位置不变用光笔在摄像机坐标系下对标定物的五个表面进行扫描采点，光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机，对采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在摄像机坐标系下坐标；最后根据对应的角点在摄像机坐标系下坐标和三坐标测量机坐标系下坐标应用相应优化算法求解出两个坐标系之间的转换关系。

具体标定步骤为：

(1)首先利用三坐标测量机对每个摄像机的内部参数进行标定，相机内部参数包括焦距f,主点坐标(c_x,c_y),径向和切向畸变系数(k₁,k₂,p₁,p₂),成像单元在x方向的尺寸d_x。在三坐标测量机的测头上方固定一个特征圆形发光亮点，在相机的视野范围内三坐标测量机控制特征点移动多个空间位置，获取相应的位置坐标作为三维基准，三维坐标和图像提取特征点中心坐标一起代入公式(1)，应用优化算法对相机的内部参数进行标定；