專利名稱：一種基于目標運動的顯微視覺手眼標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人微操作技術(shù)領(lǐng)域中的顯微視覺測量和控制，尤其是一種基于目標運動的顯微視覺手眼標定方法。
背景技術(shù)：
目前，微操作領(lǐng)域中常常利用顯微視覺來測量目標在平面內(nèi)的位置和姿態(tài)。由于顯微視覺景深小、視場小，所以為了得到目標的空間坐標，需要將顯微視覺系統(tǒng)的光軸與三維空間坐標系的一個坐標軸平行。這樣，利用顯微視覺只能得到目標在三維空間中的兩維位置坐標(可參見文獻:X.Zeng, X.Huang, M.Wang, Micro-assembly of micro partsusing uncalibrated microscopes visual servoing method， Information TechnologyJournal,7(3):497-503,2008.)。顯微視覺系統(tǒng)的標定方法有兩類:一類采用平面靶標進行標定，但微小尺寸的精密靶標制作較為困難(可參見文獻:G.Ding, X.Chen, L.Wang, L.Lei, Y.Li，Self-calibration method of two-dimensional grid plate， in Proceedings ofSPIE-The International Society for Optical Engineering， Seventh InternationalSymposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation，8321，2011.);另一類采用基于Broyden估計的方法，但其只能標定圖像坐標偏差與在XY平面的相對位置之間的關(guān)系(可參見文獻:X.Zeng, X.Huang, M.Wang, Micro-assembly ofmicro parts using uncalibrated microscopes visual servoing method, InformationTechnology Journal,7(3):497-503,2008)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中顯微視覺只能測量兩維位置坐標以及不能標定圖像坐標增量與三維空間的相對位置之間關(guān)系的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于目標運動的顯微視覺標定系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明一方面，提供一種基于目標運動的顯微視覺標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:顯微視覺系統(tǒng)1、微管2、操作器3、調(diào)整平臺4、支架5、計算機6，其中:所述調(diào)整平臺4安裝于支架5上，用于帶動所述顯微視覺系統(tǒng)I進行運動，以改變顯微視覺系統(tǒng)I的位置，使得顯微視覺系統(tǒng)I的視野處于操作器3上的微管2的運動范圍內(nèi)；所述顯微視覺系統(tǒng)I安裝于所述調(diào)整平臺4上；所述微管2安裝于所述操作器3的側(cè)面，隨著操作器3 —起運動，以進入顯微視覺系統(tǒng)I的視野；所述顯微視覺系統(tǒng)I指向所述操作器3和所述微管2 ；所述顯微視覺系統(tǒng)I通過視覺聯(lián)接線連接至計算機6 ;所述操作器3和所述調(diào)整平臺5分別通過控制線連接至計算機6 ；
所述顯微視覺標定系統(tǒng)工作時，在操作器3帶動微管2進行相對運動的過程中，對微管2末端圖像進行清晰度判定，并使得微管2末端圖像保持清晰，然后利用微管2末端清晰圖像的坐標增量和視覺測量模型來測量微管2末端在三維空間的相對位移量。根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種利用所述系統(tǒng)進行顯微視覺標定的方法，該方法包括以下步驟:步驟S1:通過調(diào)整平臺4帶動顯微視覺系統(tǒng)I運動，以改變顯微視覺系統(tǒng)I的位置，使得顯微視覺系統(tǒng)I的視野處于操作器3上的微管2的運動范圍內(nèi)；步驟S2:操作器3帶動微管2進入顯微視覺系統(tǒng)I的視野，調(diào)整操作器3的坐標使得顯微視覺系統(tǒng)I能夠采集到微管2末端清晰的圖像，并記錄微管2末端的圖像坐標和操作器3的坐標；步驟S3:在保持微管2末端圖像清晰的前提下，操作器3帶動微管2在清晰成像平面內(nèi)進行兩次以上的相對運動，并記錄每次相對運動微管2末端的圖像坐標和操作器3的坐標；步驟S4:根據(jù)微管2圖像的坐標增量和操作器3的相對位移量，計算出視覺測量模型中圖像雅可比矩陣J的參數(shù)J11 J32 ;步驟S5:利用所述視覺測量模型和微管2末端清晰圖像的坐標增量測量得到微管2末端在三維空間的相對位移量。本發(fā)明的基于相對位置的顯微視覺測量模型，利用零件清晰圖像的坐標增量實現(xiàn)了零件在三維空間的相對位移量測量；本發(fā)明的顯微視覺手眼標定方法，只需要至少兩次相對運動，應用方便。本發(fā)明可以實現(xiàn)顯微視覺系統(tǒng)的在線標定，能夠大幅度提高顯微視覺弓I導下微操作的適應性和可用性。


圖1為本發(fā)明顯微視覺標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明基于目標運動的顯微視覺標定方法流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種顯微視覺標定系統(tǒng)，如圖1所示，所述顯微視覺標定系統(tǒng)包括:顯微視覺系統(tǒng)1、微管2、操作器3、調(diào)整平臺4、支架5、計算機6，其中:所述調(diào)整平臺4安裝于支架5上，用于帶動所述顯微視覺系統(tǒng)I進行運動，所述支架5上部傾斜；所述顯微視覺系統(tǒng)I安裝于所述調(diào)整平臺4上，從而使得所述顯微視覺系統(tǒng)I與所述支架5的下部安裝平面之間具有傾角；所述微管2安裝于所述操作器3的側(cè)面，隨著操作器3 —起運動；所述顯微視覺系統(tǒng)I指向所述操作器3和所述微管2 ；所述顯微視覺系統(tǒng)I通過視覺聯(lián)接線7連接至計算機6 ;所述操作器3通過控制線9連接至計算機6 ;所述調(diào)整平臺5通過控制線8連接至計算機6 ;所述計算機6用于顯微視覺圖像處理和操作器3的運動控制，所述顯微視覺圖像處理至少包括聚焦、背景差分、圖像二值化、感興趣區(qū)域提取、模板匹配等處理。在所述顯微視覺標定系統(tǒng)中，通過調(diào)整平臺4帶動顯微視覺系統(tǒng)I運動，以改變顯
微視覺系統(tǒng)I的位置，使得顯微視覺系統(tǒng)I的視野處于操作器3上的微管2的運動范圍內(nèi)。
隨著操作器3的運動，操作器3帶動微管2進入顯微視覺系統(tǒng)I的視野，以進行三維空間的
相對運動。在操作器3帶動微管2進行相對運動的過程中，對微管2末端圖像進行清晰度
判定，并使得微管2末端圖像保持清晰。這樣，利用微管2末端清晰圖像的坐標增量和視覺
測量模型就可以測量微管2末端在三維空間的相對位移量，所述視覺測量模型表示為:
權(quán)利要求
1.一種顯微視覺標定系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括:顯微視覺系統(tǒng)(I)、微管(2)、操作器(3)、調(diào)整平臺(4)、支架(5)、計算機(6)，其中: 所述調(diào)整平臺(4)安裝于支架(5)上，用于帶動所述顯微視覺系統(tǒng)(I)進行運動，以改變顯微視覺系統(tǒng)(1)的位置，使得顯微視覺系統(tǒng)(I)的視野處于操作器(3)上的微管(2)的運動范圍內(nèi)； 所述顯微視覺系統(tǒng)(I)安裝于所述調(diào)整平臺(4)上； 所述微管⑵安裝于所述操作器⑶的側(cè)面，隨著操作器⑶一起運動，以進入顯微視覺系統(tǒng)⑴的視野； 所述顯微視覺系統(tǒng)(I)指向所述操作器(3)和所述微管(2); 所述顯微視覺系統(tǒng)(I)通過視覺聯(lián)接線連接至計算機￠);所述操作器(3)和所述調(diào)整平臺(5)分別通過控制線連接至計算機(6)； 所述顯微視覺標定系統(tǒng)工作時，在操作器(3)帶動微管(2)進行相對運動的過程中，對微管(2)末端圖像進行清晰度判定，并使得微管(2)末端圖像保持清晰，然后利用微管(2)末端清晰圖像的坐標增量和視覺測量模型來測量微管(2)末端在三維空間的相對位移量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述支架(5)上部傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述操作器(3)為運動平臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述運動平臺具有(3)個平移自由度，可分別沿垂直方向和水平面橫向、縱向進行平移運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)整平臺(4)為單軸運動平臺，可沿著調(diào)整平臺(4)的軸線方向運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺測量模型表示為: Δχ 「>/ A ] [Au Δ少—JJOO，~ 一 Δν _Δζ」LA 其中，(Δχ, Δγ, Δζ)是微管⑵末端在三維空間的相對位移量，(Au，Δν)是微管 Jn J12(2)末端清晰圖像的坐標增量，J11 J32是圖像雅可比矩陣J的元素-J=J21 J22，J = _*^31』32 _ /Sxl Δχ2.■.ΔχβABt(BBt)-1J= Ay1 Δ>-2.■.Ayn , ΓΔ ! Au2 ■..Au I (Λ Xi，Λ yi，Λ Zi)是操作器JD —， A^1 Δζ2 …Δζ; 」 [Av1 Avn …Avn(3)帶動微管(2)第i次運動時在三維空間的相對位移量，(Aui,Avi)是微管⑵第i次運動時末端清晰圖像的坐標增量，i = 1，2，...，η，η是操作器(3)運動的次數(shù)。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)進行顯微視覺標定的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟S1:通過調(diào)整平臺(4)帶動顯微視覺系統(tǒng)(I)運動，以改變顯微視覺系統(tǒng)(I)的位置，使得顯微視覺系統(tǒng)(I)的視野處于操作器(3)上的微管(2)的運動范圍內(nèi)； 步驟S2:操作器(3)帶動微管(2)進入顯微視覺系統(tǒng)(I)的視野，調(diào)整操作器(3)的坐標使得顯微視覺系統(tǒng)(I)能夠采集到微管(2)末端清晰的圖像，并記錄微管(2)末端的圖像坐標和操作器(3)的坐標； 步驟S3:在保持微管(2)末端圖像清晰的前提下，操作器(3)帶動微管(2)在清晰成像平面內(nèi)進行兩次以上的相對運動，并記錄每次相對運動微管(2)末端的圖像坐標和操作器⑶的坐標； 步驟S4:根據(jù)微管⑵圖像的坐標增量和操作器(3)的相對位移量，計算出視覺測量模型中圖像雅可比矩陣J的參數(shù)J11 J32 ; 步驟S5:利用所述視覺測量模型和微管(2)末端清晰圖像的坐標增量測量得到微管(2)末端在三維空間的相對位移量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S4中，利用最小二乘法計算出視覺測量模型中圖像雅可比矩陣J的參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述視覺測量模型表示為:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于目標運動的顯微視覺標定系統(tǒng)及方法，利用目標在清晰成像平面內(nèi)的至少兩次相對運動，實現(xiàn)顯微視覺系統(tǒng)與操作器之間的標定。首先，操作器帶動微管進入顯微視覺系統(tǒng)的視野，調(diào)整操作器坐標使得顯微視覺系統(tǒng)能夠采集到微管末端清晰的圖像，記錄微管末端的圖像坐標和操作器坐標。然后，在保持微管末端圖像清晰的前提下，操作器帶動微管在清晰成像平面內(nèi)進行兩次相對運動，記錄微管末端的圖像坐標和操作器坐標。根據(jù)微管圖像坐標變化和操作器坐標變化，利用最小二乘法計算出圖像雅可比矩陣。本發(fā)明應用方便，可以實現(xiàn)顯微視覺系統(tǒng)的在線標定，能夠大幅度提高顯微視覺引導下微操作的適應性和可用性。
文檔編號B25J13/08GK103192399SQ20131010819
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者徐德, 李福東, 張正濤, 史亞莉, 李海鵬, 張大朋 申請人:中國科學院自動化研究所