零件位姿识别视觉系统技术方案

本实用新型专利技术涉及数控加工与检测设备应用领域，为实现更加全面地提取在加工或检测平台上零件的三维特征信息。本实用新型专利技术采取的技术方案是，零件位姿识别视觉系统，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个相机1-4分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机5分布在测量平台的上方，朝向是往下正对测量平台，相机5在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心，光轴通过上表面中心允许有不超过200mm的误差.本实用新型专利技术主要应用于数控加工与检测。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及数控加工与检测设备应用领域，具体讲，涉及到零件位姿识别视觉系统及其标定方法。技术背景为了提高数控机器设备的安全性和智能化，对加工或者检测的零件位置和姿态的识别是一个需要解决的重要问题，早期的研究工作主要是针对二维场景中的问题进行的。RafiqAhmad等人基于机器视觉应用两个三维空间方法，虚拟空间对实际空间进行仿真，在虚拟空间中进行防碰撞检测和安全轨迹的生成。Tian等人提出了利用摄像机在虚拟空间和实际空间中同样的位置对零件进行拍照并进行图像识别的方法，同时提出了一种基于图像识别的标定方法，但是该标定方法适用的空间小，提取的三维信息少，应用范围比较局限。赵金才利用几何矩对三坐标测量机平台上的零件进行位姿识别，但是实验中只是利用单个摄像机，空间信息提取较少，而且对摄像机坐标系和三坐标测量机坐标系之间的关系要求比较苛刻，并不能够实现零件各种位姿的识别。韩宁利用两个相机对三坐标测量机的零件进行位姿识别，能够一定限度地提取三维空间信息，但是仍然不能实现对零件各种姿态全方位空间信息的提取，定位精度也不高。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，实现更加全面地提取在加工或检测平台上零件的三维特征信息。为此，本技术采取的技术方案是，零件位姿识别视觉系统，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个相机(1-4)分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机五(5)分布在测量平台的上方，朝向是往下正对测量平台，相机五(5)在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心且误差不超过200mm，垂直角度允许有不超过10度的误差；在相机一(1)到相机四(4)中，每个相机的光轴线与邻近测量平台的表面夹角约90度，允许有不超过10度的误差，相机一(1)到相机四(4)中每个相机的光轴线和相机五(5)初始位置时的光轴线垂直并且相交，允许有不超过10度误差；测量平台周围四个相机的位置是固定不变的，并且相机之间的位置关系式经过标定的，相机五(5)的位置随着三坐标测量机的位置前后移动；相机五(5)的坐标系和三坐标测量机坐标系之间的位置也是经过标定的；光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机。与已有技术相比，本技术的技术特点与效果：1、图1中相机分布构成的视觉系统优点是能够从各个方向对零件的特征进行提取，无论零件特征信息多少和摆放姿态如何，本文中设计的视觉系统都能够最大限度地提取零件的信息。2、系统中五个相机分别从不同方位对零件进行检测，能够较好地避免了数控设备装置遮挡了部分零件使得某一两个相机不能正常工作，导致整个系统无法正常工作。提高了系统的稳定性。3、视觉系统应用了多个不同方位的相机，综合所有相机提取的信息可以实现对零件位姿较高精度的识别。4、对于特征信息不明显的自由曲面、球体、圆柱体等，可以利用多个相机位置关系和提取的图像进行三维重建，增加了系统对零件位姿的识别能力。5、光笔在测量过程中可以有不同的倾斜姿态，具有很好的灵活性，能够适用于不同大小范围各种姿态的位置关系的标定。6、本技术标定的方法可以实现每个相机和设备坐标系逐一进行标定，减少多个摄像机公共视野空间大小对标定空间的限制。7、本标定方法占地空间小，能够适用于加工或测量现场的数控设备和视觉系统位置标定，并具有较高的精度。附图说明图1摄像机分布图。图中，1-5代表5个相机，6代表零件，7代表检测平台。图2相机分布俯视图。图3标定示意图。图中，8代表三坐标测量机，9代表光笔，10代表标定物。具体实施方式本技术提出了一种识别零件位姿的视觉系统及标定方法。为了更加全面地提取在加工或检测平台上零件的三维特征信息，本文新设计的视觉系统分布如图1所示。新的视觉系统设计是以三坐标测量机为平台，但图1所示的视觉系统应用不限于三坐标测量机平台。在图1中有四个相机分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时有一个相机即相机5分布在测量平台的上方，实际中相机5是固定在三坐标测量机上如图3所示，朝向是往下正对测量平台。图2是相机分布的俯视图，虚线是每个相机的光轴线，相机5在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心，允许有不超过200mm的误差，垂直角度允许有不超过10度的误差。在相机1到相机4中，每个相机的光轴线与邻近的平台表面夹角约90度，允许有不超过10度的误差，每个相机的光轴线和相机5初始位置时的光轴线垂直并且相交，垂直角度允许有不超过10度的误差。测量平台周围四个相机的位置是固定不变的，并且相机之间的位置关系式经过标定的，相机5的位置随着三坐标测量机的位置前后移动。相机5的坐标系和三坐标测量机坐标系之间的位置也是经过标定的。这样就组成了整个视觉系统的硬件分布。在三坐标测量机防碰撞系统的实际空间中有三种三维坐标系，分别是三坐标测量机坐标系、视觉坐标系、零件坐标系。视觉坐标系建立了零件坐标系和三坐标测量机坐标系之间的联系。视觉坐标系又可分为不同摄像机的坐标系，本文包含有五个相机坐标系。本实用新型提出一种新的基于光笔式单目视觉测量系统的标定方法。标定物为长方体块，材料是大理石，标定物的形状大小并不固定。为了获取较多的空间标定点信息，标定过程中长方体块分别在每个相机的视野和三坐标测量机测量空间的公共范围内不同的位置摆放不同的姿态获取相应的角点坐标。对于同一个位置同一个姿态的标定物，首先先用三坐标测量机对标定物的五个表面分别扫描采点，把采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在三坐标测量机下的坐标；然后保持标定物的姿态位置不变用光笔在摄像机坐标系下对标定物的五个表面进行扫描采点，由于光笔测头是红宝石球型体，因此在采点过程中可以通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机，即摄像机总是能采集到光笔的所有发光点成像具有很好的灵活性，对采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在摄像机坐标系下坐标；最后根据对应的角点在摄像机坐标系下坐标和三坐标测量机坐标系下坐标应用相应优化算法求解出两个坐标系之间的转换关系。图3是标定示意图，光笔的结构尺寸也不固定。本技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：图1中相机分布构成的视觉系统优点是能够从各个方向对零件的特征进行提取，无论零件特征信息多少和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种零件位姿识别视觉系统，其特征是，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个相机(1‑4)分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机五(5)分布在测量平台的上方，朝向是往下正对测量平台，相机五(5)在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心且误差不超过200mm，垂直角度允许有不超过10度的误差；在相机一(1)到相机四(4)中，每个相机的光轴线与邻近测量平台的表面夹角约90度，允许有不超过10度的误差，相机一(1)到相机四(4)中每个相机的光轴线和相机五(5)初始位置时的光轴线垂直并且相交，允许有不超过10度误差；测量平台周围四个相机的位置是固定不变的，并且相机之间的位置关系式经过标定的，相机五(5)的位置随着三坐标测量机的位置前后移动；相机五(5)的坐标系和三坐标测量机坐标系之间的位置也是经过标定的；光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机。

【技术特征摘要】
1.一种零件位姿识别视觉系统，其特征是，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个
相机(1-4)分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心
位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机五(5)分布在测量平台的上
方，朝向是往下正对测量平台，相机五(5)在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上
表面，且通过上表面的中心且误差不超过200mm，垂直角度允许有不超过10度的误差；在相
机一(1)到相机四(4)中，每个相机的光轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘书桂，韩振华，余飞，高礼圳，王森，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12