本發(fā)明涉及自動化領(lǐng)域，特別涉及一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們出于提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善工人勞動條件，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化；但是，現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)器人在搬運(yùn)、安裝工程中，往往因?yàn)闊o法快速定位軸孔類零件的位置和姿態(tài)，因此無法確定被抓取零件的位置和被安裝處的位置和姿態(tài)，使得機(jī)器人無法實(shí)時調(diào)整卡具、規(guī)劃路徑，導(dǎo)致機(jī)器人不能精準(zhǔn)地搬運(yùn)和安裝，工作效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供方便機(jī)器人實(shí)時調(diào)整卡具、規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)地搬運(yùn)和安裝的一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法，包括激光器、相機(jī)、軸孔類零件；所述激光器發(fā)出十字激光，形成兩個相交的激光光平面照射到軸孔類零件端面上；

所述軸孔類零件分為軸類零件、孔類零件，所述軸孔類零件的端面為一個空間圓，中心為C，方向矢量為V；其中兩個相交的激光光平面分別包括第一光平面、第二光平面，所述第一光平面切割端面形成兩個特征斷點(diǎn)和，所述第二光平面切割端面形成兩個特征斷點(diǎn)和，分別通過相機(jī)成像；

所述的定位定姿方法具體包括如下檢測步驟：

a)輪廓特征點(diǎn)檢測：采用十字線結(jié)構(gòu)光，一次性獲得空間圓上的四個點(diǎn)；

b)零件端面法相矢量檢測：根據(jù)四個點(diǎn)計(jì)算空間圓的法向矢量；

c)空間圓圓心和半徑檢測：根據(jù)法向矢量，建立空間圓的局部坐標(biāo)系，在此局部坐標(biāo)系中對空間圓輪廓進(jìn)行降維處理，并采用非線性遞歸算法，獲得空間圓在局部坐標(biāo)系中的圓心和半徑參數(shù)；

d)機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)檢測：將空間圓的法向矢量、圓心位置轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系中，獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的空間圓的位置、姿態(tài)和半徑。從而實(shí)現(xiàn)軸孔類零件的定位和定姿。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：通過機(jī)器視覺方式，不僅可以通過一次檢測實(shí)現(xiàn)軸孔類零件的定位和定姿，還可以實(shí)現(xiàn)其基本尺寸的測量；由于激光器發(fā)出十字激光，形成兩個相交的激光光平面照射到軸類零件的端面上，第一光平面切割端面形成兩個特征斷點(diǎn) 和，第二光平面切割端面形成兩個特征斷點(diǎn)和，分別通過相機(jī)成像，方便機(jī)器人實(shí)時調(diào)整卡具、規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)地搬運(yùn)和安裝。

作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的a)步驟對輪廓特征點(diǎn)檢測的具體流程如下：

以相機(jī)坐標(biāo)系為為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，假定兩個光平面的法向矢量分別為距離原點(diǎn)的距離分別為。

第一光平面的參數(shù)方程為：

第二光平面的參數(shù)方程為：

假定鏡頭焦距為，像素單元尺寸為 ，圖像中心為，對四個特征點(diǎn)對應(yīng)的圖像測量值分別為：

，，，。

則的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的b)步驟對零件端面法相矢量檢測的具體流程如下：

第一光平面和軸孔類零件端面相交得到的直線的單位方向矢量為：

第二光平面和軸孔類零件端面相交得到的直線的單位方向矢量為：

零件端面的法向矢量為

。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的c)步驟對空間圓圓心和半徑檢測的具體流程如下：

建立零件端面坐標(biāo)系K，其坐標(biāo)原點(diǎn)為相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)，其三個坐標(biāo)軸的方向分別為

將其歸一化處理后可得K坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

其中是的歸一化單位矢量。

在該坐標(biāo)系下，軸孔類零件的輪廓為一個平面圓，可以采用降維處理的方式對其位置和尺寸參數(shù)進(jìn)行檢測。

將測量得到三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到K坐標(biāo)系：

在該坐標(biāo)系下，軸孔類零件的端面輪廓為圓心為 半徑為r的圓，其法向矢量為

滿足如下關(guān)系

定義目標(biāo)函數(shù)為

求解參數(shù)為。

可設(shè)定初值為

對（1.14）進(jìn)行最小二乘非線性參數(shù)回歸，可得，可通過如下公式求解：

至此可以獲得端面輪廓曲線參數(shù)，圓心位置為可通過如下公式轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系中：

其中為的轉(zhuǎn)置矩陣。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的d)步驟中獲取機(jī)器人坐標(biāo)系下位置和姿態(tài)的具體流程如下：

若已知傳感器相對機(jī)器人的姿態(tài)矩陣為，位置偏移為，則可以通過如下公式獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；

至此，可獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的圓心位置和法相矢量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明軸類零件的檢測示意圖。

圖2為本發(fā)明孔類零件的檢測示意圖。

其中，1激光器，2相機(jī)，3軸類零件，4孔類零件，5第一光平面，6第二光平面。

具體實(shí)施方式

如圖1-2所示，一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法，包括激光器1、相機(jī)2、軸孔類零件；激光器1發(fā)出十字激光，形成兩個相交的激光光平面照射到軸孔類零件端面上；

軸孔類零件分為軸類零件3、孔類零件4，軸孔類零件的端面為一個空間圓，中心為C，方向矢量為V；其中兩個相交的激光光平面分別包括第一光平面5、第二光平面6，第一光平面5切割端面形成兩個特征斷點(diǎn) 和，第二光平面6切割端面形成兩個特征斷點(diǎn)和，分別通過相機(jī)2成像；

定位定姿方法具體包括如下檢測步驟：

a)輪廓特征點(diǎn)檢測：采用十字線結(jié)構(gòu)光，一次性獲得空間圓上的四個點(diǎn)；

b)零件端面法相矢量檢測：根據(jù)四個點(diǎn)計(jì)算空間圓的法向矢量；

c)空間圓圓心和半徑檢測：根據(jù)法向矢量，建立空間圓的局部坐標(biāo)系，在此局部坐標(biāo)系中對空間圓輪廓進(jìn)行降維處理，并采用非線性遞歸算法，獲得空間圓在局部坐標(biāo)系中的圓心和半徑參數(shù)；

d)機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)檢測：將空間圓的法向矢量、圓心位置轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系中，獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的空間圓的位置、姿態(tài)和半徑。從而實(shí)現(xiàn)軸孔類零件的定位和定姿。

上述的a)步驟對輪廓特征點(diǎn)檢測的具體流程如下：

以相機(jī)坐標(biāo)系為為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，假定兩個光平面的法向矢量分別為距離原點(diǎn)的距離分別為。

第一光平面5的參數(shù)方程為：

第二光平面6的參數(shù)方程為：

假定鏡頭焦距為，像素單元尺寸為 ，圖像中心為，對四個特征點(diǎn)對應(yīng)的圖像測量值分別為：

，，，。

則的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

的三維坐標(biāo)可通過如下的方程組獲得：

。

上述的b)步驟對零件端面法相矢量檢測的具體流程如下：

第一光平面5和軸孔類零件端面相交得到的直線的單位方向矢量為：

第二光平面6和軸孔類零件端面相交得到的直線的單位方向矢量為：

零件端面的法向矢量為

。

上述的c)步驟對空間圓圓心和半徑檢測的具體流程如下：

建立零件端面坐標(biāo)系K，其坐標(biāo)原點(diǎn)為相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)，其三個坐標(biāo)軸的方向分別為

將其歸一化處理后可得K坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

其中是的歸一化單位矢量。

在該坐標(biāo)系下，軸孔類零件的輪廓為一個平面圓，可以采用降維處理的方式對其位置和尺寸參數(shù)進(jìn)行檢測。

將測量得到三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到K坐標(biāo)系：

在該坐標(biāo)系下，軸孔類零件的端面輪廓為圓心為 半徑為r的圓，其法向矢量為

滿足如下關(guān)系

定義目標(biāo)函數(shù)為

求解參數(shù)為。

可設(shè)定初值為

對（1.14）進(jìn)行最小二乘非線性參數(shù)回歸，可得，可通過如下公式求解：

至此可以獲得端面輪廓曲線參數(shù)，圓心位置為可通過如下公式轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系中：

其中為的轉(zhuǎn)置矩陣。

上述的d)步驟中獲取機(jī)器人坐標(biāo)系下位置和姿態(tài)的具體流程如下：

若已知傳感器相對機(jī)器人的姿態(tài)矩陣為，位置偏移為，則可以通過如下公式獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；

至此，可獲得機(jī)器人坐標(biāo)系下的圓心位置和法相矢量。

圖1示出了一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法的軸類零件檢測示意圖。

圖2示出了一種基于十字激光和機(jī)器視覺的軸孔類零件定姿定位方法的孔類零件檢測示意圖。

本發(fā)明的工作原理闡述如下，由激光器1發(fā)出十字激光，形成兩個相交的激光光平面（第一光平面5和第二光平面6）照射到軸孔類零件的端面上（該端面為一個空間圓，中心為C，方向矢量為V），第一光平面5切割端面形成兩個特征斷點(diǎn) 和，第二光平面6切割端面形成兩個特征斷點(diǎn)和，分別通過相機(jī)2成像。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。