一种高精度量棒标定方法

1.本发明涉及测量仪器的技术领域，尤其涉及一种高精度量棒标定方法。


背景技术：

2.随着社会的发展，许多行业因其发展要求对其零部件提出了新的要求，我们需要对许多事物进行定量化的描述，无论是在技术应用中，还是在科学理论探究中，测量都是非常重要的。在工程应用中，我们在很多地方都要用到量具，为了满足人们在不同工作环境下不同的需求，出现了各种各样量具，高精度量棒就是其中一种具有极为常用的量具，也是具有代表性的一种。在机械加工过程中，量棒是工人和检验员经常会使用的量具，如在许多齿轮产品的生产中，经常遇到种类繁多的单件或者小批量内齿轮加工，一般操作员就会使用量棒法测量齿轮跨棒距，测量精度高。量棒结构简单、使用方便，且精度极高，一般在0.001mm，故被技术人员广泛使用。
3.因为量棒的高精度要求，需要定期对量棒进行标定，确保其精度足够和适用性完好。目前，量棒标定一般由技术员将其放置在测量仪上，由两个测头接触量棒的两端，测头需要平行相切于圆柱，两者之间的距离即为量棒的直径。由于量棒精度要求极高，稍有倾斜，如图5所示，所测得的数据不能如实反映量棒的真实情况，如果不加以处理，则会在计算过程中将测量误差全部带入数据信息，使得量棒检测不准确，对于后续使用量棒标定其他精密仪器造成麻烦。且当下的量棒标定大多为人工手动操作，效率较低，耗费的成本较大。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.因此本发明解决的技术问题是：现有技术效率低下、成本较大以及机器装置抓取量棒存在误差的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高精度量棒标定作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：对机械手工具坐标系、测量工作台坐标系以及相机坐标系进行标定；基于高精度量棒的标准尺寸，建立量棒连接库和高精度量棒模型数据库，生成相应的三维模型；基于所述模型制作先验模板进行模型定位，得到量棒的空间坐标，确定量棒最佳测量位置；对量棒进行测量，对比标准参数进行分析，生成标定结果。
7.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：对相机进行标定使用张正友标定法，包括：张正友标定法需要多张与相机不同相对位置的棋盘图片来进行标定，故选择棋盘
格后对其进行图像采集，不断移动使得相机采集到多张不同角度的棋盘格图像，共计20次，尽可能保证图像在相机的视野中央，并且不会出现模糊、遮挡的情况，对双目相机采集到的成对图像进行编号，分割左目与右目图像，对左目与右目相机采集到的棋盘格图像进行脚点提取，计算相机内参，并矫正畸变。
8.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：通过相机与机械臂之间平移与旋转的关系对机器装置进行标定，包括：使用机器装置自标定的方法携带标定零件进行图像网格的划分得到网格，进行手眼关系计算，假设机器装置坐标系为（x，y，z，r，p，y），相机的像素坐标为（u，v），那么对于坐标变换矩阵t由坐标变换关系：在运用手眼矩阵的过程中，使用最近位置的手眼矩阵进行坐标变换，中间的过度段使用实际的网格长度进行叠加以减少累积误差。在手眼标定的过程中对机器装置工具坐标系相对于图像坐标系旋转中心像素坐标进行标定。在进行旋转中心像素坐标的标定时，采集标定块在机器装置工具坐标系相对应的180
°
旋转两张标定图片，然后同图像识别得到两种图片中的标定块重心，通过两个位置之间的旋转关系计算出像素坐标下的旋转中心，通过利用前述的坐标变换矩阵t，可以得到像素旋转中心对应机器装置坐标系的位置。
9.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：建立量棒连接库，同时基于高精度量棒的标准尺寸，构建出高精度量棒模型数据库，生成相应的三维模型，与量棒连接库的量棒一一匹配，并赋予对应的编号，以便于后续计算机控制系统操控机器装置对量棒快速定位与精确抓取。
10.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：基于所述数字编号制作先验模板，通过匹配相机采集并处理的图像，获取量棒的位置和整体形貌，包括：将相机采集到的图片裁剪成480*640像素的图形，将rgb图像转换成hsi颜色空间，再进行阈值分割，包括灰度变换、去噪处理、二值化处理、形态学处理等。使用先验模板进行图像匹配，在采集到的图像中识别到目标量棒，获取到量棒的位置和整体形貌。
11.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：运用霍夫直线检测，对图像进行边缘检测，检测出量棒轮廓，包括:建立一个最小外接矩形来包含所有直线，以外接矩形的中心点作为量棒坐标系的坐标原点建立坐标系。进行坐标系转换，得到量棒在机器装置坐标系下的空间位置。
12.作为本发明所述的一种高精度量棒标定方法，其特征在于：通过测量不同角度的量棒的尺寸参数建立一个数据库存储测量数据，选取最小值作为该量棒的理想值。
13.作为本发明所述的一种高精度量棒标定系统，包括：高精度量棒运输机器装置和测量工作台；所述机器装置包括主体和装夹机构，主体部分包括机械手和第一连接板，所述第一连接板固定深度相机和装夹机构在机器装置上；所述测量工作台包括v型固定夹具和测量装置。
14.作为本发明所述的一种高精度量棒标定系统，其特征在于：所述v型固定夹具包括：一对v型块、滑块、导轨、伺服电机和丝杠；右侧的v型块固定在基座上，左侧的v型块固定
在滑块上，滑块由螺母固定，滑块下方固定了导轨，便于伺服电机转动推动丝杠驱动滑块在导轨上移动，实现对量棒的装夹定位。
15.作为本发明所述的一种高精度量棒标定系统，其特征在于：所述测量装置包括：基座、平台架、第二连接板、气缸、侧头、旋转底座和凹槽；将装夹好待测量棒的夹具台置于其上，可以通过控制伺服电机脉冲，来控制旋转底座每次旋转的角度，控制量棒以设定好的角度旋转，以此来对量棒进行多次测量，调整检索到最佳位置，取得理想的测量数值。
16.作为本发明所述的一种高精度量棒标定系统，其特征在于：所述测量装置包括：基座、平台架、第二连接板、气缸、侧头、旋转底座和凹槽；将装夹好待测量棒的夹具台置于其上，可以通过控制伺服电机脉冲，来控制旋转底座每次旋转的角度，控制量棒以设定好的角度旋转，以此来对量棒进行多次测量，调整检索到最佳位置，取得理想的测量数值。本发明的有益效果:本发明提供的一种高精度量棒标定方法，相较于传统方法，本发明由系统控制，排除了主观差异性等人为因素，形成了一种标准化、统一化的标定方法。本发明实现了机器装置自动上下料，能够达到大批量标定，可以极大地减少人力物力资源的占用，同时又兼顾了效率高、成本低的需求，并且此方法也不仅仅局限于高精度量棒的标定，可以拓宽到更多的量具标定中。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本发明一个实施例提供的一种高精度量棒标定方法的机械手装置示意图；图2为本发明一个实施例提供的一种高精度量棒标定方法的装夹机构示意图；图3为本发明一个实施例提供的一种高精度量棒标定方法的v型块定位示意图；图4为本发明一个实施例提供的一种高精度量棒标定方法的测量平台示意图；图5为本发明一个实施例提供的一种高精度量棒标定方法的量棒倾斜误差示意图。
具体实施方式
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
19.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
20.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
21.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
22.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.实施例1参照图1—4，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种高精度量棒标定方法及系统，包括：s1：对机械手工具坐标系、测量工作台坐标系以及相机坐标系进行标定；更进一步的，对相机进行标定使用张正友标定法，包括：张正友标定法需要多张与相机不同相对位置的棋盘图片来进行标定，故选择棋盘格后对其进行图像采集，不断移动使得相机采集到多张不同角度的棋盘格图像，共计20次，尽可能保证图像在相机的视野中央，并且不会出现模糊、遮挡的情况，对双目相机采集到的成对图像进行编号，分割左目与右目图像，对左目与右目相机采集到的棋盘格图像进行脚点提取，计算相机内参，并矫正畸变。
25.更进一步的，通过相机与机械臂之间平移与旋转的关系对机器装置进行标定，包括：使用机器装置自标定的方法携带标定零件进行图像网格的划分得到网格，进行手眼关系计算，假设机器装置坐标系为（x，y，z，r，p，y），相机的像素坐标为（u，v），那么对于坐标变换矩阵t由坐标变换关系：在运用手眼矩阵的过程中，使用最近位置的手眼矩阵进行坐标变换，中间的过度段使用实际的网格长度进行叠加以减少累积误差。在手眼标定的过程中对机器装置工具坐标系相对于图像坐标系旋转中心像素坐标进行标定。在进行旋转中心像素坐标的标定时，采集标定块在机器装置工具坐标系相对应的180
°
旋转两张标定图片，然后同图像识别得到两种图片中的标定块重心，通过两个位置之间的旋转关系计算出像素坐标下的旋转中心，通过利用前述的坐标变换矩阵t，可以得到像素旋转中心对应机器装置坐标系的位置。
26.应说明的是，使用机器装置自标定的方法携带标定零件进行图像网格的划分得到网格，在进行手眼关系计算时，采用分网格计算的方法在每一个网格得到一个手眼矩阵。在实际标定过程中认为机器装置基座标系x轴方向与相机像素坐标系x轴方向相同，忽略z方向的高度差，只需要进行二维平面关系的计算。
27.s2：基于高精度量棒的标准尺寸，建立量棒连接库和高精度量棒模型数据库，生成相应的三维模型；更进一步的，建立量棒连接库，同时基于高精度量棒的标准尺寸，构建出高精度量棒模型数据库，生成相应的三维模型，与量棒连接库的量棒一一匹配，并赋予对应的编号，以便于后续计算机控制系统操控机器装置对量棒快速定位与精确抓取。
28.s3：基于所述模型制作先验模板进行模型定位，得到量棒的空间坐标，确定量棒最佳测量位置；更进一步的，基于数字编号制作先验模板，通过匹配相机采集并处理的图像，获取量棒的位置和整体形貌，包括：将相机采集到的图片裁剪成480*640像素的图形，将rgb图像转换成hsi颜色空间，再进行阈值分割，包括灰度变换、去噪处理、二值化处理、形态学处理等。使用先验模板进行图像匹配，在采集到的图像中识别到目标量棒，获取到量棒的位置和整体形貌。
29.更进一步的，运用霍夫直线检测，对图像进行边缘检测，检测出量棒轮廓，包括:建立一个最小外接矩形来包含所有直线，以外接矩形的中心点作为量棒坐标系的坐标原点建立坐标系。进行坐标系转换，得到量棒在机器装置坐标系下的空间位置。
30.s4：对量棒进行测量，对比标准参数进行分析，生成标定结果。
31.更进一步的，通过测量不同角度的量棒的尺寸参数建立一个数据库存储测量数据，选取最小值作为该量棒的理想值。
32.实施例2参照图1—5，为本发明的一个实施例，提供了一种高精度量棒标定方法，为了验证本发明的有益效果，通过具体的实施方案进行科学论证。
33.步骤一：合理布置机器装置100相对于测量工作台200的位置，确保机器装置100与测量仪之间没存在干涉。
34.步骤二：对测量仪、相机以及机械手工具坐标系、测量工作台坐标系进行标定，保证机械手额测量工作台工作稳定可靠，相机采集到真实、有效的数据。
35.应说明的是，深度相机由感光元件、镜头模组及多种传感器组成，获取场景中物体距离摄像头物理距离，进而获得深度信息，对目标进行三维重建以实现对目标定位。
36.利用测量仪匹配的软件程序，通过软件与控制系统进行通信并实现参数设置等操作，同时使用专用的软件对测量系统进行调试和检测，确保测量精度可以达到要求。同时使用张正友标定法对相机进行标定，张正友标定法需要多张与相机不同相对位置的棋盘图片来进行标定，故选择棋盘格后对其进行图像采集，不断移动使得相机采集到多张不同角度的棋盘格图像，共计20次，尽可能保证图像在相机的视野中央，并且不会出现模糊、遮挡的情况，对双目相机采集到的成对图像进行编号，分割左目与右目图像，对左目与右目相机采集到的棋盘格图像进行脚点提取，计算相机内参，并矫正畸变。
37.相机在完成标定后可以将空间中的某一个位置在相机坐标系中进行准确的表示，但这仅仅是在相机坐标系下进行展示，为了将这一位置关系进一步转换成机械臂末端坐标系下的坐标点，还需要相机与机械臂之间建立平移与旋转的关系，即相机在准确获取物体坐标后，还需要与机械臂末端抓取工具之间建立坐标转换关系，机械臂才能准确获取定位抓取点信息进行抓取。使用机器装置自标定的方法携带标定零件块进行图像的网格划分，
可以大大降低因为手动校准而产生的认为偏差。使用机器装置自标定的方法携带标定零件进行图像网格的划分得到网格，在进行手眼关系计算时，采用分网格计算的方法在每一个网格得到一个手眼矩阵。在实际标定过程中认为机器装置基座标系x轴方向与相机像素坐标系x轴方向相同，忽略z方向的高度差，只需要进行二维平面关系的计算。假设机器装置坐标系为（x，y，z，r，p，y），相机的像素坐标为（u，v），那么对于坐标变换矩阵t由坐标变换关系：在运用手眼矩阵的过程中，使用最近位置的手眼矩阵进行坐标变换，中间的过度段使用实际的网格长度进行叠加以减少累积误差。在手眼标定的过程中对机器装置工具坐标系相对于图像坐标系旋转中心像素坐标进行标定。在进行旋转中心像素坐标的标定时，采集标定块在机器装置工具坐标系相对应的180
°
旋转两张标定图片，然后同图像识别得到两种图片中的标定块重心，通过两个位置之间的旋转关系计算出像素坐标下的旋转中心，通过利用前述的坐标变换矩阵t，可以得到像素旋转中心对应机器装置坐标系的位置。
38.步骤三：建立量棒连接库，同时基于高精度量棒的标准尺寸，构建出高精度量棒模型数据库，生成相应的三维模型，与量棒连接库的量棒一一匹配，并赋予对应的编号，以便于后续计算机控制系统操控机器装置对量棒快速定位与精确抓取。
39.步骤四：选取合适规格的高精度v型块，将其固定安装在旋转检测平台上，同时要确保其安装精度。如图3所示，选用了两斜面夹角为90
°
的长v型块，用以固定待测量棒，限制其四个自由度，保证量棒的轴线与测量基准面的垂直，同时也便于标定时量棒的稳定性。
40.应说明的是，典型的v型块尺寸和结构已经标准化，其两斜面夹角α一般有60
°
，90
°
和120
°
。材料一般采用ht200-250或合金工具钢等，其表面粗糙度的最大值不应大于0.63。
41.如图5所示，标定量棒时，量棒放置在仪器的转台上，由于量棒安装存在偏移和倾斜问题，使得量棒的轴线不能与坐标轴重合，即使精心调整，也会残留倾斜误差。从而使得被测量棒与理想位置产生偏离，导致测量仪测头采集的数据产生偏差，由理想圆形变为椭圆，理想情况为(a)，产生误差情况后为(b)。由图可知，量棒发生倾斜后，所测得的数据不能如实反映量棒的实际情况，如果对倾斜不做出一定的处理，则会在计算过程中将测量误差全部带入数据信息，造成标定结果不准确。
42.步骤五：利用步骤三编好的数字编号制作先验模板。将相机采集到的图片裁剪成480*640像素的图形，将rgb图像转换成hsi颜色空间，再进行阈值分割，包括灰度变换、去噪处理、二值化处理、形态学处理等。使用先验模板进行图像匹配，在采集到的图像中识别到目标量棒，获取到量棒的位置和整体形貌。对图像进行边缘检测，运用霍夫直线检测，检测出直线（即量棒轮廓），建立一个最小外接矩形来包含所有直线，以外接矩形的中心点作为量棒坐标系的坐标原点建立坐标系。进行坐标系转换，得到量棒在机器装置坐标系下的空间位置。
43.步骤六：控制机器装置根据步骤五得到的信息来抓取目标量棒，并平稳放置在步骤四固定好的v型块夹具上，同时应留有便于测量的空间。同时需要判断机械手是否已经完全退出了测量区域，以防止机械手对测量过程产生干涉，造成标定结果的错误或者带来安全上的隐患。然后驱动伺服电机，加紧量棒，保证量棒的轴线与测量面保持垂直。
44.步骤七：检测到机械手已经完全退出了测量区域后，启动测量，测量仪测头读取到量棒的尺寸参数。在一次量棒尺寸测量结束之后，控制气缸松开测头，同时旋转平台在伺服电机的控制下，旋转一个预设好的角度，随后测头再次测量，以此往复，多一个量棒进行多次重复测量，建立一个数据库存储测量数据，选取最小值作为该量棒的理想值。
45.步骤八：机器装置自动下料，将已经标定完毕的量棒从测量台上取下，运回原位。同时重复上述五、六、七步骤，实现量棒的大批量标定，量棒全部标定完毕后，机器装置回复原位。
46.应说明的是，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。