基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统技术方案

基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，包括使用双侧远心镜头的相机和能够在三轴向平移的机床，使用双侧远心镜头的相机与机床的标定包括：数据准备，以机床坐标系为世界坐标系，设置标记点，机床按照预设轨迹步进式移动，机床每步进到一个位置点，相机对标记点拍照一次，获得每一个位置点的机床坐标，以及在当前位置标记点的像素坐标，用内参矩阵A将像素坐标转换成相机坐标，利用旋转矩阵B将相机坐标转换到机床坐标。本发明专利技术的音膜球顶相机组件均使用双侧远心镜头，球顶和音膜的成像不受距离影响，拍摄的景深长，任意距离都可以使球顶、音膜精确成像，从而降低了对机床的精度要求，提高装配精度。

Acoustic film spherical top assembly system based on machine tool position calibration of bilateral telecentric lens camera

【技术实现步骤摘要】
基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统
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进行相机与机床之间相互位置的精确标定，使装配精度达到微米级的音膜球顶自动装配系统。基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，包括使用双侧远心镜头的相机和能够在三轴向平移的机床，使用双侧远心镜头的相机与机床的标定包括：数据准备，设置标记点，机床控制按照轨迹移动，机床每步进到一个位置点，相机对标记点拍照一次，获得机床坐标系下每一个位置点的机床坐标，以及在当前位置点获得的图像中的标记点的像素坐标；用内参矩阵A将像素坐标转换成相机坐标，内参矩阵利用相机坐标和机床坐标获得的相机坐标系和机床坐标系之间的旋转矩阵进一步，装配系统具有音膜相机和球顶相机，音膜相机和球顶相机分别使用双侧远心镜头，音膜相机和机床的标定：在机床上设置标记点P1，机床控制基于双侧远心镜头的音膜相机按照预设轨迹步进式移动，音膜相机每步进一次则对标记点P1拍摄一张图像，获得音膜相机在机床坐标系下每一个位置点的机床坐标；以及音膜相机在当前位置点获得的图像中的标记点P1的像素坐标(xu1，yu1)。读取标记点P1的像素坐标和机床坐标，以在同一个位置获得的标记点P1的像素坐标和机床坐标为一组；对于标记点P1的每一组像素坐标和机床坐标，将像素坐标通过内参矩阵A1转换到音膜相机的相机坐标系。用相机坐标和机床坐标计算得到相机与机床之间的旋转矩阵R1；A1×R1表示像素坐标与机床坐标之间的转换关系。进一步，装配系统具有音膜相机和球顶相机，音膜相机和球顶相机分别使用双侧远心镜头，球顶相机和机床的标定：在机械手上设置标记点P2，机床控制机械手按照预设轨迹步进式移动，机械手每步进一次则基于双侧远心镜头的球顶相机对标记点P2拍摄一张图像，获得机械手在机床坐标系下每一个位置点的机床坐标；以及球顶相机在当前位置点获得的图像中的标记点P2的像素坐标(xu2，yu2)。读取标记点P2的像素坐标和机床坐标，以在同一个位置获得的标记点P2的像素坐标和机床坐标为一组；对于标记点P2的每一组像素坐标和机床坐标，将像素坐标通过内参矩阵A2转换到球顶相机的相机坐标系。用相机坐标和机床坐标计算得到相机与机床之间的旋转矩阵R2；A2×R2表示像素坐标与机床坐标之间的转换关系。进一步，获取的标记点P1的机床坐标和像素坐标包括；在平台上任意取一个固定的标记点P1为机床坐标系的原点，以P1点作为机床运动的起点；设置机床第一运动轨迹，机床使音膜相机组件沿第一运动轨迹做模拟虚拟棋盘格坐标的步进式平移、且在第一运动轨迹中，P1点始终在音膜相机组件的拍摄范围内。机床每走一步，音膜相机跟踪拍摄一次标记点P1，获取每次步进时的图像以及P1点像素坐标(Xci,Yci)；同时，机床每走一步，获得当前P1点机床坐标(Xti,Yti)；保存每次步进获得的P1点的像素坐标和机床坐标。进一步，获取标记点P2的机床坐标和像素坐标包括；在机械手末端任意取一个固定标记点P2为机床坐标系的原点，以P2点作为机床运动的起点。设置机床的第二运动轨迹，机床使机械手沿第二运动轨迹做模拟虚拟棋盘格坐标的步进式平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，其特征在于，装配系统包括使用双侧远心镜头的相机和能够在三轴向平移的机床，使用双侧远心镜头的相机与机床的标定包括：数据准备，设置标记点，机床控制按照轨迹移动，机床每步进到一个位置点，相机对标记点拍照一次，获得机床坐标系下每一个位置点的机床坐标，以及在当前位置点获得的图像中的标记点的像素坐标；用内参矩阵A将像素坐标转换成相机坐标，内参矩阵

【技术特征摘要】
1.基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，其特征在于，装配系统包括使用双侧远心镜头的相机和能够在三轴向平移的机床，使用双侧远心镜头的相机与机床的标定包括：数据准备，设置标记点，机床控制按照轨迹移动，机床每步进到一个位置点，相机对标记点拍照一次，获得机床坐标系下每一个位置点的机床坐标，以及在当前位置点获得的图像中的标记点的像素坐标；用内参矩阵A将像素坐标转换成相机坐标，内参矩阵利用相机坐标和机床坐标获得的相机坐标系和机床坐标系之间的旋转矩阵2.如权利要求1所述的基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，其特征在于，装配系统具有音膜相机和球顶相机，音膜相机和球顶相机分别使用双侧远心镜头，音膜相机和机床的标定：在机床上设置标记点P1，机床控制基于双侧远心镜头的音膜相机按照预设轨迹步进式移动，音膜相机每步进一次则对标记点P1拍摄一张图像，获得音膜相机在机床坐标系下每一个位置点的机床坐标；以及音膜相机在当前位置点获得的图像中的标记点P1的像素坐标(xu1，yu1)；读取标记点P1的像素坐标和机床坐标，以在同一个位置获得的标记点P1的像素坐标和机床坐标为一组；对于标记点P1的每一组像素坐标和机床坐标，将像素坐标通过内参矩阵A1转换到音膜相机的相机坐标系；用相机坐标和机床坐标计算得到相机与机床之间的旋转矩阵R1；A1×R1表示像素坐标与机床坐标之间的转换关系。3.如权利要求1所述的基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，其特征在于，装配系统具有音膜相机和球顶相机，音膜相机和球顶相机分别使用双侧远心镜头，球顶相机和机床的标定：在机械手上设置标记点P2，机床控制机械手按照预设轨迹步进式移动，机械手每步进一次则基于双侧远心镜头的球顶相机对标记点P2拍摄一张图像，获得机械手在机床坐标系下每一个位置点的机床坐标；以及球顶相机在当前位置点获得的图像中的标记点P2的像素坐标(xu2，yu2)；读取标记点P2的像素坐标和机床坐标，以在同一个位置获得的标记点P2的像素坐标和机床坐标为一组；对于标记点P2的每一组像素坐标和机床坐标，将像素坐标通过内参矩阵A2转换到球顶相机的相机坐标系；用相机坐标和机床坐标计算得到相机与机床之间的旋转矩阵R2；A2×R2表示像素坐标与机床坐标之间的转换关系。4.根据权利要求2所述的基于双侧远心镜头相机机床位置标定的音膜球顶装配系统，其特征在于，获取的标记点P1的机床坐标和像素坐标包括；在平台上任意取一个固定的标记点P1为机床坐标系的原点，以P1点作为机床运动的起点；设置机床第一运动轨迹，机床使音膜相机组件沿第一运动轨迹做模拟虚拟棋盘格坐标的步进式平移、且在第一运动轨迹中，P1点始终在音膜相机组件的拍摄范围内；机床每走一步，音膜相机跟踪拍摄一次标记点P1，获取每次步进时的图像以及P1点像素坐标(Xci,Yci)；...

【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