本發(fā)明涉及大型零部件裝配控制及檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種叉耳耳片裝配伺服控制方法。
背景技術(shù)：
：叉耳和耳片裝配是大型零部件裝配領(lǐng)域常用的一種裝配方式，由于零件大尺寸和重載荷的特性，叉耳和耳片上銷孔對(duì)齊難以通過人工方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的自動(dòng)伺服裝配技術(shù)中又存在圖像特征提取困難等問題，難以獲得穩(wěn)定有效的反饋控制信號(hào)，導(dǎo)致裝配精度低、裝配穩(wěn)定性差等問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于
背景技術(shù)：
中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種叉耳耳片裝配伺服控制方法，其能夠在提取圖像特征時(shí)避免出現(xiàn)奇異問題，提高了叉耳耳片裝配的穩(wěn)定性和裝配精度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種叉耳耳片裝配伺服控制方法包括步驟S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。S1，將相機(jī)和光源分別沿叉耳的叉耳銷孔的軸線安裝于叉耳銷孔的兩側(cè)，使光源發(fā)出的光能透過叉耳銷孔被相機(jī)捕捉，一個(gè)叉耳銷孔對(duì)應(yīng)一部相機(jī)和一個(gè)光源。S2，打開各叉耳銷孔對(duì)應(yīng)的光源并調(diào)整亮度以使叉耳銷孔能夠被照亮，并用對(duì)應(yīng)的相機(jī)拍攝此時(shí)的叉耳銷孔的銷孔圖像。S3，采用圖像處理的方法從步驟2中得到的叉耳銷孔的銷孔圖像中提取出處于被照亮的兩個(gè)圓環(huán)之間的黑色部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)目標(biāo)集合即：Ki*={[x*,y*]T|1≤x*≤n,1≤y*≤m,I*(x*,y*)<thr,(x*,y*)∈ψ}]]>其中，[x*,y*]T表示中任意一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，i為相機(jī)的編號(hào)，n為銷孔圖像的長(zhǎng)，m為銷孔圖像的寬，I*(x*,y*)為各像素點(diǎn)的灰度，thr為灰度閾值，(x*,y*)表示圖像中任意一個(gè)像素點(diǎn)，ψ為銷孔區(qū)域。S4，將耳片裝入叉耳中以構(gòu)成叉耳耳片裝配體，并使耳片銷孔和叉耳銷孔部分重合以能夠透過光。S5，實(shí)時(shí)調(diào)整耳片相對(duì)叉耳的位置并用對(duì)應(yīng)的相機(jī)拍攝各時(shí)刻的各叉耳銷孔的銷孔圖像。S6，采用圖像處理的方法從步驟5中得到的銷孔圖像中提取出既屬于目標(biāo)集合同時(shí)當(dāng)前又被照亮部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)當(dāng)前集合Ki,t，即：Ki,t={[x,y]T|1≤x≤n,1≤y≤m,[x,y]T∈Ki*,(x,y)>thr},]]>其中χ＝[x,y]T表示Ki，t中任意一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，t表示時(shí)刻。S7，基于集合理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過步驟S3得到的和步驟S6得到的Ki,t構(gòu)建出拍攝的各銷孔圖像的圖像誤差項(xiàng)et以用于閉環(huán)控制，et的表達(dá)式為：et=γΣi=1NΣj=1,j≠i,xj≠xiN(Yci,0Ni(Xcj,0-Xci,0)·fiδXcj,000Xcj,001·Σχ∈Ki*(πKi,t(χ)-χ))]]>其中，γ=2Σi=1NΣj=1,j≠i,xj≠xiN1]]>Xci,0、Yci,0分別為叉耳銷孔i的圓心在叉耳坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，Xcj,0為叉耳銷孔j的圓心在叉耳坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)，N為叉耳銷孔的數(shù)量，fi為相機(jī)的焦距，γ為歸一化系數(shù)，χ表示目標(biāo)集合中的元素。S8，根據(jù)步驟S7得到用于閉環(huán)控制的控制器以實(shí)時(shí)控制耳片的運(yùn)動(dòng)并使耳片銷孔和叉耳銷孔逐漸對(duì)齊，控制器的表現(xiàn)形式為耳片的各自由度的運(yùn)動(dòng)ut與圖像誤差項(xiàng)et之間的關(guān)系，即：ut-ut-1=-λ·100010001/cos(u3,t-1)·et]]>ut=u1,tu2,tu3,t]]>其中，為交互矩陣，λ為一個(gè)正的常量，用于控制運(yùn)動(dòng)速率，ut為耳片的各自由度在t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)量，而u1,t為耳片沿x軸正方向的平移，u2,t為耳片沿z軸正方向的平移，u3,t為耳片2繞y軸正向的旋轉(zhuǎn)，ut-1為耳片的各自由度在t-1時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)量。本發(fā)明的有益效果如下：在根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法中，采用圖像處理的方法從步驟2的銷孔圖像中提取出處于被照亮的兩個(gè)圓環(huán)之間的黑色部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)目標(biāo)集合以及從步驟5的銷孔圖像中提取出既屬于目標(biāo)集合同時(shí)當(dāng)前又被照亮部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)當(dāng)前集合Ki,t，然后基于集合理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，構(gòu)建出各銷孔圖像的圖像誤差項(xiàng)et，并得到閉環(huán)控制的控制器以實(shí)時(shí)控制耳片的運(yùn)動(dòng)并使耳片銷孔和叉耳銷孔逐漸對(duì)齊。這種叉耳耳片裝配伺服控制方法在提取圖像特征時(shí)避免了對(duì)單一特征的精確提取、匹配和跟蹤，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)奇異問題，提高了叉耳耳片裝配的穩(wěn)定性和裝配精度。附圖說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法中的叉耳、耳片、相機(jī)及光源在一實(shí)施例中的位置關(guān)系示意圖；圖2是圖1中的叉耳的立體圖；圖3是圖1中的耳片的立體圖；圖4是圖2的變形例；圖5是圖3的變形例；圖6至圖8是根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法中的單個(gè)相機(jī)拍攝得到的不同時(shí)刻的銷孔圖像，其中，圖6是叉耳耳片裝配開始前拍攝得到的銷孔圖像，圖7是叉耳耳片裝配調(diào)整過程中拍攝得到的銷孔圖像，圖8是叉耳耳片裝配完成后拍攝得到的銷孔圖像。其中，附圖標(biāo)記說明如下：1叉耳4光源11叉耳銷孔S銷孔圖像2耳片S1黑色部分21耳片銷孔S2圓環(huán)3相機(jī)S3被照亮部分具體實(shí)施方式下面參照附圖來詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法參照?qǐng)D1至圖8，根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法包括步驟S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。S1，將相機(jī)3和光源4分別沿叉耳1的叉耳銷孔11的軸線安裝于叉耳銷孔11的兩側(cè)，使光源4發(fā)出的光能透過叉耳銷孔11被相機(jī)3捕捉，一個(gè)叉耳銷孔11對(duì)應(yīng)一部相機(jī)3和一個(gè)光源4，如圖1所示。S2，打開各叉耳銷孔11對(duì)應(yīng)的光源4并調(diào)整亮度以使叉耳銷孔11能夠被照亮，并用對(duì)應(yīng)的相機(jī)3拍攝此時(shí)的叉耳銷孔11的銷孔圖像S。S3，采用圖像處理的方法從步驟2中得到的叉耳銷孔11的銷孔圖像S中提取出處于被照亮的兩個(gè)圓環(huán)S2之間的黑色部分S1上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)目標(biāo)集合即：Ki*={[x*,y*]T|1≤x*≤n,1≤y*≤m,I*(x*,y*)<thr,(x*,y*)∈ψ}]]>其中，[x*,y*]T表示中任意一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，i為相機(jī)3的編號(hào)(也是該相機(jī)3對(duì)應(yīng)的銷孔的編號(hào))，n為銷孔圖像S的長(zhǎng)，m為銷孔圖像S的寬，I*(x*,y*)為各像素點(diǎn)的灰度，thr為灰度閾值，(x*,y*)表示圖像中任意一個(gè)像素點(diǎn)，ψ為銷孔區(qū)域。S4，將耳片2裝入叉耳1中以構(gòu)成叉耳耳片裝配體，并使耳片銷孔21和叉耳銷孔11部分重合以能夠透過光。S5，實(shí)時(shí)調(diào)整耳片2相對(duì)叉耳1的位置并用對(duì)應(yīng)的相機(jī)3拍攝各時(shí)刻的各叉耳銷孔11的銷孔圖像S。S6，采用圖像處理的方法從步驟5中得到的銷孔圖像S中提取出既屬于目標(biāo)集合同時(shí)當(dāng)前又被照亮部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)當(dāng)前集合Ki,t，即：Ki,t={[x,y]T|1≤x≤n,1≤y≤m,[x,y]T∈Ki*,(x,y)>thr},]]>其中χ＝[x,y]T表示Ki,t中任意一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，t表示時(shí)刻。S7，基于集合理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過步驟S3得到的和步驟S6得到的Ki,t構(gòu)建出拍攝的各銷孔圖像S的圖像誤差項(xiàng)et以用于閉環(huán)控制，et的表達(dá)式為：et=γΣi=1NΣj=1,j≠i,xj≠xiN(Yci,0Ni(Xcj,0-Xci,0)·fiδXcj,000Xcj,001·Σχ∈Ki*(πKi,t(χ)-χ))]]>其中，γ=2Σi=1NΣj=1,j≠i,xj≠xiN1]]>Xci,0、Yci,0分別為叉耳銷孔11i的圓心在叉耳坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，Xcj,0為叉耳銷孔11j的圓心在叉耳坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)，N為叉耳銷孔11的數(shù)量，fi為相機(jī)3的焦距，γ為歸一化系數(shù)，χ表示目標(biāo)集合中的元素。S8，根據(jù)步驟S7得到用于閉環(huán)控制的控制器以實(shí)時(shí)控制耳片2的運(yùn)動(dòng)并使耳片銷孔21和叉耳銷孔11逐漸對(duì)齊，控制器的表現(xiàn)形式為耳片2的各自由度的運(yùn)動(dòng)ut與圖像誤差項(xiàng)et之間的關(guān)系，即：ut-ut-1=-λ·100010001/cos(u3,t-1)·et]]>ut=u1,tu2,tu3,t]]>其中，為交互矩陣，λ為一個(gè)正的常量，用于控制運(yùn)動(dòng)速率，ut為耳片2的各自由度在t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)量，而u1,t為耳片2沿x軸正方向的平移，u2,t為耳片2沿z軸正方向的平移，u3,t為耳片2繞y軸正向的旋轉(zhuǎn)，ut-1為耳片2的各自由度在t-1時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)量。在根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法中，采用圖像處理的方法從步驟2的銷孔圖像S中提取出處于被照亮的兩個(gè)圓環(huán)S2之間的黑色部分S1上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)目標(biāo)集合以及從步驟5的銷孔圖像S中提取出既屬于目標(biāo)集合同時(shí)當(dāng)前又被照亮部分上的所有像素點(diǎn)并組成一個(gè)當(dāng)前集合Ki,t，然后基于集合理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，構(gòu)建出各銷孔圖像S的圖像誤差項(xiàng)et，并得到閉環(huán)控制的控制器以實(shí)時(shí)控制耳片2的運(yùn)動(dòng)并使耳片銷孔21和叉耳銷孔11逐漸對(duì)齊。這種叉耳耳片裝配伺服控制方法在提取圖像特征時(shí)避免了對(duì)單一特征的精確提取、匹配和跟蹤，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)奇異問題，提高了叉耳耳片裝配的穩(wěn)定性和裝配精度。在這里補(bǔ)充說明的是，本發(fā)明采用的集合理論是指：從當(dāng)前圖像(對(duì)應(yīng)步驟2中得到的圖像)和目標(biāo)圖像(對(duì)應(yīng)步驟5中得到的圖像)中各取出一組像素點(diǎn)分別組成兩個(gè)集合，通過計(jì)算兩個(gè)集合間的誤差得到一個(gè)降維的誤差空間，然后建立該誤差空間到相機(jī)運(yùn)動(dòng)自由度空間的映射。此外，基于集合的算法充分利用了像素級(jí)別的誤差，在算法設(shè)計(jì)合理前提下能夠避免局部最優(yōu)，到達(dá)較高的閉環(huán)控制精度。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，在步驟S7中，各銷孔圖像的圖像誤差項(xiàng)et的構(gòu)建機(jī)理為：首先，對(duì)于目標(biāo)集合和當(dāng)前集合Ki,t，找出從目標(biāo)集合中的元素到當(dāng)前集合Ki,t中的元素的粗略匹配函數(shù)，所述粗略匹配函數(shù)的表達(dá)式為：πKi,t(χKi*)={χKi,t|χKi,t∈Ki,t,||χKi*-χKi,t||=infχ∈Ki,t||χKi*-χKi,t||}]]>然后，基于目標(biāo)集合和當(dāng)前集合Ki,t的粗略匹配函數(shù)構(gòu)建出各銷孔圖像S的圖像誤差項(xiàng)et。在這里補(bǔ)充說明的是，建立粗略匹配函數(shù)的作用是為了將集合Ki,t中與距離最小的元素找到并作為與匹配的元素。當(dāng)然這種匹配函數(shù)可以是多種多樣，并不僅限于此。通常，好的匹配函數(shù)以更大的概率匹配得到真實(shí)的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)，但計(jì)算的復(fù)雜度大，而本發(fā)明提到的基于集合理論的控制方法中僅采用粗略匹配函數(shù)，再通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法彌補(bǔ)匹配精度的不足，從而避免了計(jì)算復(fù)雜度過大。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，在步驟S7中，耳片2的各自由度的運(yùn)動(dòng)ut與圖像誤差項(xiàng)et之間關(guān)系推倒過程為：首先，對(duì)et進(jìn)行簡(jiǎn)化得到，et=γΣi=1mΣj=1,j≠i,xj≠xim(12Niδ00101·Σχ∈Ki*(πKi,t(χ)-χ))]]>et中的χ施加u的運(yùn)動(dòng)增量后的表達(dá)式為，xj,t=xj,0+fiYciδ(u1,t+Xj,0(cos(u3,t)-1)+Zj,0(sin(u3,t)-1))yj,0+fiYci(u2,t-Xj,0(sin(u3,t)-1)+Zj,0(cos(u3,t)-1))]]>然后，對(duì)χj，t進(jìn)行求偏導(dǎo)，得到，∂χj,t∂ut=fiYciδ0δ(-Xj,0sin(u3,t)+Zj,0cos(u3,t))01-Xj,0cos(u3,t)-Zj,0sin(u3,t)]]>其次，引入近似條件，最后對(duì)et求偏導(dǎo)，并將和近似條件代入et偏導(dǎo)表達(dá)式可以整理得到：2∂et∂u≈γΣi=1mΣj=1,j≠i,xj≠xim10001000cos(u3,t)]]>γ=2Σi=1mΣj=1,j≠i,xj≠xim1]]>即：∂et∂u≈10001000cos(u3,t)]]>由此得到，ut-ut-1=-λ·100010001/cos(u3,t-1)·et]]>其中，j表示為不同于i的另一銷孔編號(hào)，為目標(biāo)集合中的元素，xj,0、yj,0指元素在圖像中對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，在步驟S8中，由于所有相機(jī)3的型號(hào)以及各相機(jī)3距離耳片2的距離相同，因此所有相機(jī)3的焦距fi和光心距Xcj,0-Xcj,0都相同，且一個(gè)耳片2上的一對(duì)銷孔圓心相對(duì)工件坐標(biāo)系y-z平面對(duì)稱，則圖像誤差項(xiàng)et的簡(jiǎn)化過程如下：et=γΣi=1mΣj=1,j≠i,xj≠xim(Y2Ni·fδ00101·Σχ∈Ki*(πKi,t(χ)-χ))]]>由于本發(fā)明中的λ為動(dòng)態(tài)的控制率，則進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：et=γΣi=1mΣj=1,j≠i,xj≠xim(12Ni·δ00101·Σχ∈Ki*(πKi,t(χ)-χ)).]]>在這里補(bǔ)充說明的是，工件坐標(biāo)系建立原則為：工件坐標(biāo)系的x-z平面位于耳片2的兩片體12的中間且耳片2的兩片體12關(guān)于x-z平面對(duì)稱，耳片2相對(duì)的兩銷孔21關(guān)于工件坐標(biāo)系的y-z平面對(duì)稱，而y軸與銷孔11軸線平行，如圖2所示。此外，對(duì)于任意一張圖像來說，圖像坐標(biāo)系的x軸是指該圖像最上面的邊沿，方向朝右，y軸是指該圖像最左邊的邊沿，方向朝下，而原點(diǎn)是x軸與y軸的交點(diǎn)。在根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法中，常量λ<1。在這里補(bǔ)充說明的是，初始時(shí)采用較小的λ，隨著圖像誤差項(xiàng)et的減小，且由于采用粗略函數(shù)匹配，目標(biāo)集合中的元素與當(dāng)前集合Ki,t中的元素的匹配關(guān)系頻繁變化，而這種變化不能再忽略不計(jì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖像誤差項(xiàng)et的偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)小于理論值1，因此逐漸增大λ以保證收斂速度。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，在一實(shí)施例中，叉耳1至少具有兩個(gè)叉耳銷孔11(參照?qǐng)D1、圖2和圖4)，相機(jī)3和光源4的數(shù)量與叉耳銷孔11的數(shù)量一致。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，在耳片2與叉耳1的整個(gè)裝配過程中叉耳1和相機(jī)3之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的叉耳耳片裝配伺服控制方法，叉耳1和相機(jī)3均固定放置于工作臺(tái)上。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3