音膜球顶自动装配系统技术方案

音膜球顶自动装配系统，包括三轴运动系统，机械手上的真空吸盘抓取球顶，移至音膜拍照位置获得音膜图像，计算音膜位置角度参数，然后移至球顶拍照位置获得球顶图像，计算球顶位置角度参数，判断音膜与球顶位置角度参数，如果不相等则旋转球顶，重新获取球顶图像，计算球顶位置角度参数，再次判断角度参数是否相等，如果相等计算球顶音膜相对位置，执行装配程序，最后移至安全位置。本发明专利技术基于双侧远心镜头的图像处理拟合音膜‑球顶矩形框，完善了系统存在的误差，提高相机的图像处理能力，并且可以极大的降低系统对于机械设备精度的要求，系统的装配精度大幅度提高到0.03mm左右，从而实现了系统的装配精度要求。

Automatic assembly system of sound film spherical top

【技术实现步骤摘要】
音膜球顶自动装配系统
本专利技术涉及视觉检测领域，特别涉及一种使用双侧远心镜头进行音膜和球顶的自动装配的系统。
技术介绍
如今电子产品的应用越来越广泛，尤其是电子产品的配件如音膜，球顶等，由于配件精细，需要纯手工进行装配，但是纯手工装配不仅劳动强度大，效率低，而且装配过程中经常会出现犯错，产品成品率非常低。依靠视觉的定位来装配精细配件，利用完善的系统误差标定来提高相机的图像采集性能，并且可以极大的降低系统对于机械设备精度的要求，从而提高系统的装配精度。相机的成像模型就是用数学公式刻画整个成像过程，即被拍摄物体空间点到照片成像点之间的几何变换关系。总体上，相机成像可以分为四个步骤：刚体变换(从世界坐标系到相机坐标系)、透视投影(从相机坐标系到理想图像坐标系)、畸变校正(从理想图像坐标系到真实图像坐标系)和数字化图像(从真实图像坐标系到数字化图像坐标系)。世界坐标系：客观三维世界的绝对坐标系，也称客观坐标系。因为数码相机安放在三维空间中，我们需要世界坐标系这个基准坐标系来描述数码相机的位置，并且用它来描述安放在此三维环境中的其它任何物体的位置，用(X,Y,Z)表示其坐标值。相机坐标系(光心坐标系)：以相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，相机的光轴为Z轴，用(Xc,Yc,Zc)表示其坐标值。图像坐标系：以CCD图像平面的中心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用(x,y)表示其坐标值。图像坐标系是用物理单位(例如毫米)表示像素在图像中的位置。像素坐标系：以CCD图像平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，用(u,v)表示其坐标值。数码相机采集的图像首先是形成标准电信号的形式，然后再通过模数转换变换为数字图像。每幅图像的存储形式是M×N的数组，M行N列的图像中的每一个元素的数值代表的是图像点的灰度。这样的每个元素叫像素，像素坐标系就是以像素为单位的图像坐标系。对于相机标定，现有的比较通用且成熟的技术为针对针孔相机模型的张正友标定算法，通过棋盘格标定板即可标定出相机的内外参，MATLAB工具箱和OpenCV的标定函数均可实现该标定过程。而这些相机标定算法只能针对普通镜头。普通针孔相机目标物体越靠近镜头(工作距离越短)，所成的像就越大。在使用普通镜头进行视觉识别时，会存在如下问题：1.由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同。2.镜头畸变大。3.存在视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变。4.镜头的解析度不高。5.由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。对于一个带有视觉的机器人系统，相机得到的所有信息都是在相机坐标系下描述的。要让机器人根据视觉系统得到的信息，第一步要做的就是确定相机坐标系与机器人之间的相互位置关系，这就是机器人手眼标定的研究内容。对于机器人的手眼标定，直接让机械臂在空间中运动两个位置，保证这两个位置下都可以看到标定板。然后构建空间变换回路AX＝XB，求得手眼关系。机器人系统是一个三轴移动的机床，它只能在xyz三个方向上进行平移，并不能像机器人的机械臂那样可以实现在空间里任意运动，所以不能用张正友标定相机与机床的相互位置关系。根据机床只能平移的运动特性，可以通过平移平台的方式来标定相机与平台的相对关系。一个比较经典的自标定方法是在平台上放置一个已知参考物体，通过控制平台沿三个非共面方向平移三次，从控制器获得平台运动数据，再通过相机拍摄参考物体来计算引起的相机运动。相机与平台坐标系在三维空间中的旋转矩阵就可由下式求得：tp＝Rtc式中，tp为平台三次正交平移组成的向量，tp＝(tp1,tp2,tp3)；tc为计算得到的相机三次平移组成的向量tc＝(tc1,tc2,tc3)。但是tp和tc是普通镜头才能获得的参数，若使用其他镜头，则无法确定镜头tp和tc，从而造成无法实现相机标定。而且目前很多针对视觉与机器的标定，都是考虑的二维坐标系转换，忽略了很多安装误差，造成标定精度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够使用双侧远心镜头进行图像采集，并对具有双侧远心镜头的相机与机床、相机与相机进行精确标定，使装配精度达到微米级的音膜球顶自动装配系统。一种音膜球顶自动装配系统，包括机床、球顶相机和音膜相机，机床上设置音膜放置工位和球顶放置工位，机床具有能够获取球顶的机械手，机械手的抓取部为吸盘，机床驱动机械手沿X轴、Y轴和、或Z轴平移，机械手绕Z轴自转，球顶相机从下向上拍摄球顶和、或机械手，音膜相机从上向下拍摄机床台面和、或音膜；机械手和音膜相机相对固定并同步运动；自动装配执行以下工序:机床带动机械手移动到球顶工装位抓取球顶；将音膜相机移动到音膜工位上方、对音膜拍照获得音膜图像，获得音膜图像中的音膜边框和音膜边框特征点的像素坐标；使机床驱动带有球顶的机械手移动并保持在球顶相机上方，球顶相机拍照获得球顶图像，获得球顶图像中的球顶边框和球顶边框特征点的像素坐标，球顶边框特征点与音膜边框特征点具有装配对应关系；装配对应关系是指音膜和球顶在装配时，球顶边框特征点与音膜边框特征点具有一一对应的关系，比如，球顶边框的中点与音膜边框的中点重合，球顶边框的上边线中点与音膜边框的上边线中点重合，此处的上指的是球顶边框边线和音膜边框边线的位置对应性，并不表示绝对的方位。将音膜图像的音膜边框和球顶图像的球顶边框对中，判断音膜边框与球顶边框是否符合安装要求，若符合，则进行下一步操作，若不符合，则获得球顶与音膜顺利安装所需的转动角度，该转动角度为机械手绕Z轴的转动角度。将音膜边框特征点的像素坐标转换为音膜相机在机床坐标系下的音膜坐标，转换关系为：W_film＝R_film^(-1)*A_film^(-1)*uv_film(旋转矩阵内参矩阵)；将球顶边框特征点的像素坐标转换为球顶相机在机床坐标系下的球顶坐标，转换关系为：W_dome＝R_dome^(-1)*A_dome^(-1)*uv_dome(旋转矩阵内参矩阵)；计算球顶相机和音膜相机在机床坐标系下的向量差Δx,Δy，向量差表示音膜相机和球顶相机之间的相对位置。机床控制机械手按向量差移动Δx,Δy，使机械手沿Z轴平移、球顶与音膜接触，机械手释放球顶。进一步，获得音膜图像中的音膜边框的方法包括：步骤1，对音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片进行灰度化的图像处理；步骤2，在音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片中，对矩形感兴趣区域进行提取，从而获取矩形感兴趣区域(ROI)；步骤3，通过对音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片进行灰度化的图像处理以后，将获取到的灰度化图像进行二值化处理，为提取矩形框做准备；步骤4，音膜相机的二值化图像和球顶相机的二值化图像，存在很多噪点，通过使用OpenCV编写算法去掉黑色面积较小的连通域，并对图像进行开运算，定义开运算的核心随着二值化的阈值成负相关,从而去除毛刺；步骤5，对开运算后的图像进行Canny边缘检测，并进行霍夫线变换，依次在图中绘出每条线段；步骤6，通过OpenCV提供的minAreaRect函数求霍夫线段图的最小外包矩形，并在音膜相机的原图像和球顶相机的原图像中绘出需要装配的零件矩形框。进一步，获得机械手绕Z轴的转动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.音膜球顶自动装配系统，其特征在于，自动装配系统包括机床、球顶相机和音膜相机，机床上设置音膜放置工位和球顶放置工位，机床具有能够获取球顶的机械手，机械手的抓取部为吸盘，机床驱动机械手沿X轴、Y轴和、或Z轴平移，机械手绕Z轴自转，球顶相机从下向上拍摄球顶和、或机械手，音膜相机从上向下拍摄机床台面和、或音膜；机械手和音膜相机相对固定并同步运动；自动装配执行以下工序:机床带动机械手移动到球顶工装位抓取球顶；将音膜相机移动到音膜工位上方、对音膜拍照获得音膜图像，获得音膜图像中的音膜边框和音膜边框特征点的像素坐标；使机床驱动带有球顶的机械手移动并保持在球顶相机上方，球顶相机拍照获得球顶图像，获得球顶图像中的球顶边框和球顶边框特征点的像素坐标，球顶边框特征点与音膜边框特征点具有装配对应关系；将音膜图像的音膜边框和球顶图像的球顶边框对中，判断音膜边框与球顶边框是否符合安装要求，若符合，则进行下一步操作，若不符合，则获得球顶与音膜顺利安装所需的转动角度，该转动角度为机械手绕Z轴的转动角度；将音膜边框特征点的像素坐标转换为音膜相机在机床坐标系下的音膜坐标，转换关系为：W_film＝R_film^(‑1)*A_film^(‑1)*uv_film(旋转矩阵...

【技术特征摘要】
1.音膜球顶自动装配系统，其特征在于，自动装配系统包括机床、球顶相机和音膜相机，机床上设置音膜放置工位和球顶放置工位，机床具有能够获取球顶的机械手，机械手的抓取部为吸盘，机床驱动机械手沿X轴、Y轴和、或Z轴平移，机械手绕Z轴自转，球顶相机从下向上拍摄球顶和、或机械手，音膜相机从上向下拍摄机床台面和、或音膜；机械手和音膜相机相对固定并同步运动；自动装配执行以下工序:机床带动机械手移动到球顶工装位抓取球顶；将音膜相机移动到音膜工位上方、对音膜拍照获得音膜图像，获得音膜图像中的音膜边框和音膜边框特征点的像素坐标；使机床驱动带有球顶的机械手移动并保持在球顶相机上方，球顶相机拍照获得球顶图像，获得球顶图像中的球顶边框和球顶边框特征点的像素坐标，球顶边框特征点与音膜边框特征点具有装配对应关系；将音膜图像的音膜边框和球顶图像的球顶边框对中，判断音膜边框与球顶边框是否符合安装要求，若符合，则进行下一步操作，若不符合，则获得球顶与音膜顺利安装所需的转动角度，该转动角度为机械手绕Z轴的转动角度；将音膜边框特征点的像素坐标转换为音膜相机在机床坐标系下的音膜坐标，转换关系为：W_film＝R_film^(-1)*A_film^(-1)*uv_film(旋转矩阵内参矩阵将球顶边框特征点的像素坐标转换为球顶相机在机床坐标系下的球顶坐标，转换关系为：W_dome＝R_dome^(-1)*A_dome^(-1)*uv_dome(旋转矩阵内参矩阵)；计算球顶相机和音膜相机在机床坐标系下的向量差Δx,Δy，向量差表示音膜相机和球顶相机之间的相对位置；机床控制机械手按向量差移动Δx,Δy，使机械手沿Z轴平移、球顶与音膜接触，机械手释放球顶。2.根据权利要求1所述的音膜球顶自动装配系统，其特征在于：获得音膜图像中的音膜边框的方法包括：步骤1，对音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片进行灰度化的图像处理；步骤2，在音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片中，对矩形感兴趣区域进行提取，从而获取矩形感兴趣区域(ROI)；步骤3，通过对音膜相机获取的图片和球顶相机获取的图片进行灰度化的图像处理以后，将获取到的灰度化图像进行二值化处理，为提取矩形框做准备；步骤4，音膜相机的二值化图像和球顶相机的二值化图像，存在很多噪点，通过使用OpenCV编写算法去掉黑色面积较小的连通域，并对图像进行开运算，定义开运算的核心随着二值化的阈值成负相关...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹衍龙，吴佳玲，杨将新，曹彦鹏，许宝杯，
申请(专利权)人：浙江大学山东工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37