专利名称：一种在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法
技术领域：
本发明涉及一种装配之前的零件定位方法，特别是涉及一种基于动态视觉的零件 内孔的方位误差校正方法。
背景技术：
在工业自动化过程中，装配是产品生产不可缺少的环节，而零件轴和零件内孔装 配在实际生产中大量存在。在高精度零件轴和零件内孔装配中，准确的定位零件的重要性 尤为突出。而在实际生产的过程中，由于机械式夹具在长期的使用过程中产生的磨损和机 器人对零件放置的随机性，使得机械式夹具对待装配零件的定位精度难以满足装配精度的 要求，因此，在装配下压过程中，由于轴和孔的角度存在偏差，可能1)导致压装配失败，降 低装配成功率，或者2、因孔轴之间的内力太大而造成零件变形而影响装配体的使用寿命。对于视觉引导的装配问题，席文明，郑彦兴等采用在装配零件上方成一定角度 的两个摄像头提取零件特征进行定位的方式，设计并实现了对装配零件内孔的粗定位和 误差减小的方法(机器人装配任务中误差的视觉校正，《机器人》，2001,23 ；视觉导引 下的零件轴与零件内孔被动装配研究，《东南大学学报》，2001,31( ；基于图像定位的零 件轴与零件内孔装配中的误差分析，《机器人》，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，针对机器人装配任务提出了基于机器人双目视觉的误差估计和误差校 正方法。在此方法中，两个高速的CCD摄像头固定到机器人手臂上，能够实时地采集到装配 零件的表面特征，采用立体视觉匹配的方式对零件进行跟踪，能够确定装配零件的方位，从 而指导SCARA机器人进行装配。然而在现有的视觉引导的装配方法中，多都采用了双目摄 像头的方式对零件进行定位，这样其定位精度很大程度上依赖双目摄像头获取图像以及图 像特征提取的精度，立体视觉匹配算法的精度，在摄像头固定在机器人上时，还要考虑机器 人的定位精度等。这些方法比较复杂，对设备性能要求较高(如高速摄像头)，因而价格较 高，而在实际的装配系统中，零件本身存在可以被利用来进行误差判断的特征，可以用以指 导装配误差的校正。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明目的是提供一种能够通过固定在六轴机械臂第六轴末端的已经 标定好的摄像头采集零件图像，根据零件图像中零件内孔的图像信息，计算出零件方位的 位置偏移误差和角度偏移误差，根据位置偏移误差和角度偏移误差调节六轴机械臂第六轴 末端摄像头的位置和角度，直到摄像头中心轴与零件内孔的中轴线完全对准。根据摄像头 的方位可以确定六轴机械臂进行零件轴装入零件内孔的方位和施力方向，保证零件轴和零 件内孔装配可靠完成。基于动态视觉的零件轴和零件内孔装配误差校正方法，用以此解决现有的零件轴和零件内孔装配技术，由于零件内孔的定位误差而导致的装配失败的问题， 提高零件轴和零件内孔装配的成功率。( 二 )技术方案为达成所述目的，本发明提出一种在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法， 该方法通过以下技术方案实现步骤Sl 将带内孔的零件放到夹具上夹紧，并使零件内孔的上边沿裸露；将固定 在六轴机械臂第六轴末端的已标定好的摄像头移动到零件内孔的上方，所述摄像头的像平 面与预知的零件内孔准确定位时其裸露的平面平行；调整摄像头在零件内孔上方的高度， 使摄像头能清晰的获取零件内孔的图像，且保证零件内孔在图像中占有较大区域；步骤S2 通过摄像头获取零件内孔图像，再利用图像处理算法，提取出零件内孔 在摄像头图像中形成的环形区域、提取出零件内孔上沿和下沿在摄像头图像中形成的边 缘，所述边缘是环形区域的内边缘和外边缘；步骤S3 以零件内孔在摄像头图像中形成的环形区域外边缘的重心为原点，建立 极坐标系，利用极坐标系到直角坐标系的空间变换算法，通过环形区域的外边缘和内边缘 构建外边缘半径曲线H Θ )和内边缘与外边缘距离半径曲线d( Θ )，这两条曲线横坐标均 为极坐标系中原点为起点的向量的角度θ，纵坐标分别为所述向量与环形区域外边缘交点 线段的长度和向量与环形区域相交线段的长度；步骤S4:根据外边缘半径曲线H Θ)和内边缘和外边缘距离半径曲线d( Θ)这两 条曲线，利用基于射影定理的几何变换算法求得零件内孔的位置偏差方向$和在方向 上的偏差量AD与角度偏差方向IiJnSrS向上的偏差量α ；步骤S5 如果满足偏差量AD < ε工，α < ε 2，结束步骤；如果不满足偏差量AD < ￡ι，α < ε 2，则调整摄像头沿着位置偏差的反方向移动AD的距离，再调整摄像头
沿着&的反方向旋转α，然后转到步骤S2 ；其中，ε ” ε 2是根据不同的装配精度要求制定 的误差指标。(三)本发明的有益效果本发明与现有的装配过程中的误差校正方法相比，一方面，采用的是一个固定在 六轴机械臂第六轴末端可移动的摄像头，这比现有的采用动态的双摄像头实现零件定位的 方法节省一定的成本，同时基于一个摄像头获取零件图像然后进行图像处理的方式，省去 了双摄像头中对两幅图像进行匹配的处理，一方面加快了图像处理的速度，同时也减少了 图像匹配过程引入的误差；另一方面，利用了零件轴和零件内孔装配中，具有一定高度零件 内孔在图像中的成像为环形区域的特征，设计了简单易行的误差校正方法，这与一般的通 过视觉对装配零件内孔的高精度定位来校正定位误差的方式相比，巧妙地利用零件自身具 有的可用于定位零件的特征，不再依赖于复杂的对图像有效区域进行高精度提取的处理算 法，同时也充分地利用了摄像头对实际偏差的捕获和扩大化能力，在相同的图像提取准确 度情况下提高了对零件定位误差估计的精度。再者，提出了新的从图像空间提取关键的参 变量，通过一定的变换方式映射到另一简易空间的分析方法，将图像空间中对装配零件位 置误差和角度误差的判断起关键作用的物理量提出来，并且将它们分离，即将受零件位置 误差和角度误差分别进行分析，从而将多维误差同时存在的误差校正问题转化成了两个单维误差的校正问题，这为零件轴和零件内孔装配中的误差校正问题提供了新的解决思路。
图1是在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法的流程图；图2是带有摄像头的六轴机械臂零件轴和零件内孔装配的误差校正平台示意图；图3是摄像头位于零件内孔上方时，零件内孔在摄像头中的成像原理示意图；图4是摄像头位于圆形的零件内孔上方，而零件存在不同的位置偏移和角度旋转 误差时，零件内孔在摄像头中形成的环形区域示意图；图5是零件存在不同偏差时，零件内孔在摄像头图像上形成的不同环形区域，通 过极坐标到直角坐标的空间变换，形成的不同的二维曲线图。
具体实施例方式下面是结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方案。但是本发明不受这里 所述实施例的限制，提供这些实例只是为了更充分和完全公开发明，并将本发明的范围告 知本领域的技术人员。图1是在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法的流程图，其给出了发明方法 的各个步骤，分别用S1-S5进行标注，并且给出了各个步骤执行的前后逻辑关系。下面将对 每一个步骤的实施进行详细描述。图2是带有摄像头的六轴机械臂零件轴和零件内孔装配的误差校正平台示意图， 零件轴和零件内孔装配误差校正平台的关键部件解释如下六轴机械臂1含有第六轴11、 第六轴末端111、第六轴中轴线112、摄像头2、摄像头中轴线21、摄像头的像平面22、带内孔 的零件3、零件内孔31、零件内孔上沿311、零件内孔下沿312、固定零件3的平台4、零件轴 33、夹取零件轴33的手爪5。零件内孔31是圆孔、方孔或三角孔；摄像头是单目摄像头。摄像头2固定在六轴机械臂1的第六轴末端111，摄像头中轴线21与六轴机械臂 1的第六轴中轴线112平行。摄像头2随六轴机械臂第六轴末端111的移动而发生移动。 摄像头2移动到零件内孔31的正上方一定高度处(可选10cm-20cm之间的某个高度值)， 保证零件内孔31在摄像头图像中的成像占得区域比例在50% -80%之间。同时要保证摄 像头的像平面22与固定零件3的平台4平行(零件3被准确地夹持固定时，零件内孔31 上沿所在平面与固定零件3的平台平行)。在此装配平台4示意图的基础上，下面进一步分 析零件内孔31在摄像头2中所成图像的特征。图3是摄像头2位于零件内孔31上方时，零件内孔31在摄像头中的成像原理示 意图，其中主要部件包括摄像头2，摄像头的像平面22，带孔的零件3，零件内孔31，零件内 孔上沿311，零件内孔下沿312，零件3的上表面32，理想状态下，零件3被准确夹持时零件 内孔上沿311所在平面6，摄像头焦点23，零件内孔31在摄像头像平面22中形成的环形区 域221，摄像头像平面22中环形区域的外边缘222，像平面中环形区域的内边缘223。图3中(a)是摄像头2被移动到零件内孔31的正上方，摄像头的像平面22在理 想状态下，零件3无误差固定时零件内孔31上边沿所在平面6平行；而实际上，由于零件3 存在角度和偏移误差零件内孔31上边沿311所在零件上表面32并不与零件3无误差固定 时零件内孔31上边沿所在平面6重合和平行。图3中(b)是零件内孔31在摄像头的像平面22中形成图像的原理，可知零件内孔31在通过摄像头2的焦点33投射到摄像头的像平 面22中的图像为一环形区域221，其中零件内孔上沿311在摄像头图像中形成环形区域的 外边缘222，零件内孔下沿312在摄像头图像中形成环形区域的外边缘223。下面结合图3，对摄像头2移动到与零件3无误差固定时零件内孔上沿311所在平 面6平行的位置后，零件内孔311在摄像头图像中形成环形区域的现象进行分析性解释。假设摄像头2稳定地固定在六轴机械臂1上，六轴机械臂1的重复定位精度为 0. 05mm,固定在六轴机械臂1的第六轴末端111的摄像头2的定位误差限定在0. 2mm以内；OXH为理想状态下的零件内孔的世界坐标系，其定义如下0ΧΥ是零件3无误差固 定时零件内孔上沿311所在平面6，摄像头2被移动到零件内孔21正上方，且与OXY平行， OZ是理想状态下零件3夹持准确后零件内孔21的中心轴；0' X' Y' Z'是实际的零件内孔的世界坐标，其定义为0'是零件内孔的上沿 311的几何中心，0' X' Y'是零件内孔上沿311所在平面32，0' V是零件内孔31的中 心轴；oxyz为摄像头坐标系，其定义为0是摄像头主轴21与摄像头像平面22的交点， oxy表示摄像头像平面22，OZ垂直于摄像头像平面22向外。基于以上对0ΧΥΖ、0' X' Y' Z'、oxyz，进行如下分析令(χ。，f, zc)表示物体上的任意一点在摄像头坐标系oxyz中的三维坐标，(u，ν) 表示这一点经过图3(b)中所示的成像变换后，在摄像头像平面22上对应点的坐标。根据 射影成像模型，可知点在像平面和摄像头坐标系中的对应关系表示为
严、 /￡ 0
_3] W=Ho - W ⑴
VO 0 If其中，(u0, V0)为摄像头中心轴21与摄像头像平面22交点的坐标，f为摄像头焦 距，ΔΧ，Ay为摄像头水平和竖直方向感光点之间的距离，λ为比例因子。从公式(1)可以得出λ = l/zc(2)
权利要求
1.一种在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于包括以下步骤 步骤Sl 将带内孔的零件放到夹具上夹紧，并使零件内孔的上边沿裸露；将固定在六轴机械臂第六轴末端的已标定好的摄像头移动到零件内孔的上方，所述摄像头的像平面与 预知的零件内孔准确定位时其裸露的平面平行；调整摄像头在零件内孔上方的高度，使摄 像头能清晰的获取零件内孔的图像，且保证零件内孔在图像中占有较大区域；步骤S2:通过摄像头获取零件内孔图像，再利用图像处理算法，提取出零件内孔在摄 像头图像中形成的环形区域、提取出零件内孔上沿和下沿在摄像头图像中形成的边缘，所 述边缘是环形区域的内边缘和外边缘；步骤S3 以零件内孔在摄像头图像中形成的环形区域外边缘的重心为原点，建立极坐 标系，利用极坐标系到直角坐标系的空间变换算法，通过环形区域的外边缘和内边缘构建 外边缘半径曲线H θ )和内边缘与外边缘距离半径曲线d( θ )，这两条曲线横坐标均为极 坐标系中原点为起点的向量的角度θ，纵坐标分别为所述向量与环形区域外边缘交点线段 的长度和向量与环形区域相交线段的长度；步骤S4:根据外边缘半径曲线r( θ )和内边缘和外边缘距离半径曲线d( θ )这两条曲线，利用基于射影定理的几何变换算法求得零件内孔的位置偏差方向Sp:和在^方向上的偏差量AD与角度偏差方向方向上的偏差量α ；步骤S5 如果满足偏差量AD < ε17 α < ε 2，结束步骤；如果不满足偏差量AD < ￡ι，α < ε 2，则调整摄像头沿着位置偏差的反方向—Bp移动AD的距离，再调整摄像头沿着Sr的反方向旋转α，然后转到步骤S2;其中，ε 2是根据不同的装配精度要求制定 的误差指标。
2.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，所述摄像头是单目 摄像头，摄像头的主轴与六轴机械臂的第六轴的中心轴线平行，摄像头固定在六轴机械臂 的第六轴末端，随六轴机械臂的运动而运动。
3.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 裸露的平面是理想状态下，零件被夹具准确定位时，零件孔上沿所在的平面，此平面与零件 内孔中轴线垂直。
4.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 图像处理算法的具体步骤为步骤加将零件内孔图像转化为灰度图像，并采用高斯滤波器对灰度图像进行平滑处理；步骤2b 根据灰度图像采用Carmy算法提取灰度图像边缘，得到二值化的单像素边缘 图像；步骤2c:采用腐蚀和膨胀算法，去掉单像素边缘图像背景中的较短小的噪声边缘，将 单像素边缘图像上存在断点的曲线连接成为较长的连续曲线，得到具有较长边缘的图像；步骤2d:采用霍夫变换的方法，从具有较长边缘的图像中提取与已知零件内孔边沿几 何形状相似的曲线；步骤加根据摄像头成像原理，得到以下三个特征零件内孔上沿对应的外边缘是完整的已知形状的曲线、零件内孔下沿对应的内边缘完全位于外边缘内部及内边缘与外边缘 局部平行，根据所述的三个特征提取零件内孔在包含与零件内孔边沿几何形状相似曲线的 图像中形成环形区域的外边缘曲线和内边缘曲线。
5.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 极坐标系到直角坐标系的空间变换算法是针对环形区域外边缘和内边缘图像进行极坐标 到直角坐标的变换，该变换的具体步骤为步骤3a:以零件内孔在摄像头图像中形成的环形区域外边缘的几何中心为原点，建立 环形区域所在的边缘图像平面上的极坐标系；步骤北以极坐标的χ轴为参考轴，从极坐标系原点出发的向量与环形区域相交，且该 向量与环形区域内边缘和外边缘交于两点；步骤3c 以向量与χ轴的旋转角为自变量，极坐标原点到向量与外边缘交点和向量与 内边缘和外边缘交点的距离为因变量，构造外边缘半径曲线H θ )和内边缘和外边缘距离 半径曲线d( θ )，这样把零件内孔环形区域所在的二值化边缘图像中的环形区域边缘的偏 移特征分析问题简化成为外边缘半径曲线H θ )和内边缘与外边缘距离半径曲线d( θ )的 特性分析问题；其中，所述两条曲线横坐标均为向量与χ轴夹角的角度θ，纵坐标分别为原 点到向量与环形区域外边缘交点线段的长度和向量与环形区域相交线段的长度；步骤3d:将极坐标系中原点为起点的向量与极坐标χ轴夹角θ从0开始，以步长为 0. 01，增加到2 JI，计算出相应的d( θ )和r( θ )，构建出离散型的外边缘半径曲线r( θ )和 内边缘和外边缘距离半径曲线d( θ )。
6.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 基于射影定理的几何变换算法是根据构造的二维曲线H Θ )，d( Θ )进行实际零件内孔位 置偏移误差和角度偏移误差的计算，该计算的具体步骤为步骤如将1~(9)的实际形状曲线和无角度偏差时ΗΘ)的形状曲线作比较，得到 γ(Θ)的实际形状曲线和无偏差时r( Θ)的形状曲线上具有相等值的点对应的是Θ，即为 零件内孔图像中环形区域外边缘的无变形方向，再根据H θ )的实际形状曲线在垂直于环 形区域外边缘的无变形方向的方向上相对于无角度偏差时H Θ)的形状曲线的变形程度， 计算环形区域外边缘的形变率；步骤4b 根据摄像头成像的几何投影关系，利用环形区域外边缘的无变形方向角θ，计算出零件内孔的角度偏差方向&，利用环形区域外边缘的形变率，计算出零件内孔的角 度偏移误差α ；步骤4c 根据r( θ )和r( θ )-d( θ )求出外边缘和内边缘的中心点0和0'的位置，并根据中心点0的位置和零件内孔在角度偏方向上存在α的角度误差时，计算零件内孔仅存在α角度的旋转误差不存在位置偏移误差时，小椭圆中心在零件内孔图像中的位置 0"；步骤4d:根据0'和0"的相对位置关系和距离之差，确定零件内孔的位置偏移方向g和在^方向上的位置偏移误差AD。
7.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 零件内孔是圆孔、方孔或三角孔。
8.如权利要求1所述在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，其特征在于，所述 较大区域为零件内孔在摄像头获取的图像中占有50% -80%的区域。
全文摘要
本发明是一种在轴孔装配中零件内孔方位误差的校正方法，该方法将六轴机械臂第六轴末端的摄像头移动到零件内孔的上方；提取出摄像头的零件内孔图像中形成的环形区域外边缘和内边缘；通过空间变换算法将环形区域外边缘和内边缘变换成两条二维曲线；根据这两条二维曲线计算出环形区域外边缘和内边缘的位置关系，进而确定零件内孔的偏移误差，然后将机器人向着减小误差的方向进行重复调整，直至计算出的角度偏移误差在允许范围以内。本发明设计出的装配误差快速校正算法，能够大大降低了在零件轴和零件内孔装配过程中夹具对零件夹取精度的要求，提高自动化零件轴和零件内孔装配的成功率。
文档编号G01B11/00GK102128589SQ20101003435
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者乔红, 刘传凯, 张波, 苏建华 申请人:中国科学院自动化研究所