A digital method for micro-assembly space of micro-assembly system is presented. The micro-assembly space is scanned by means of computer micro-vision tomography technology and computer micro-vision slice scanning technology in the direction of each monocular micro-vision system of micro-assembly system. The position of the micro-assembly space is obtained by tomography scanning along the optical axis of the micro-vision system. Slice scanning is carried out in two vertical orthogonal directions to obtain slice scanning images, and the three-dimensional digital micro-assembly space in the direction of each monocular micro-vision system is calculated. The intersection space of the micro-assembly space acquired by the monocular micro-vision system in all directions is also calculated, which is the digital micro-assembly space of the micro-assembly system. This method not only ensures high resolution, but also enhances the spatial range of micro-assembly. It also expresses the spatial information of micro-assembly system beyond field of view or depth of field in digital form, so as to realize high efficiency, high precision and full automation assembly or operation in micro-assembly space/micro-operation space. It has a wide application prospect. And economic benefits.
【技术实现步骤摘要】
微装配系统的微装配空间的数字化方法及系统
本专利技术属于智能制造领域和科学研究领域，具体服务于微装配和微操作领域，具体涉及显微视觉系统的零件三维重构技术，尤其涉及微装配空间的数字化技术。
技术介绍
在微装配系统中，显微视觉系统起着至关重要的作用，微装配系统中大多采用的是显微视觉系统，显微视觉系统的零件三维重构技术是所有拥有视觉系统的微装配系统的主要研究内容也是必须处理好的内容。Marr视觉计算理论框架中视觉部分的零件三维重构可以分为两大类，一类是通过视觉系统对物体采集的二维图像来进行重构，重构理论主要是利用物体在三维空间中的点、线、面与其在二维图像中的点、线之间的关系来实现物体的重构。另一类是通过断层扫描的方式获取物体横截面的图像序列，通过有一定间隔的图像序列来重构物体。显微视觉系统的高分辨率、高放大倍数给微小零件的观测提供了极大方便，但由此也带来了小景深、小视场的问题。小视场就是在广度上无法获得待装配零件的全貌，小景深就是在深度上无法获得零件全貌。这样就无法采用点、线、面的方式进行零件的空间重构，又由于在微装配系统中也不方便采用CT、MRI等技术进行断层扫描的方...
【技术保护点】
1.一种微装配系统的微装配空间的数字化方法，其特征在于，所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术在微装配系统的微装配空间各单目显微视觉系统所在的方向对微装配空间进行断层扫描获取焦平面断层扫描位置，沿显微视觉系统光轴垂直的两个正交方向上进行切片扫描获取切片扫描图像，基于各单目显微视觉系统焦平面的不同断层位置的切片扫描图像重构显微视觉系统的三维切片视场空间，从而获取微装配空间的三维断层空间，并计算三维微装配空间并实现微装配系统的微装配空间数字化，包括以下步骤：(1)利用计算机显微视觉切片扫描技术、计算机显微视觉断层扫描技术获得微装配空间的切片扫描图像序...
【技术特征摘要】
1.一种微装配系统的微装配空间的数字化方法，其特征在于，所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术在微装配系统的微装配空间各单目显微视觉系统所在的方向对微装配空间进行断层扫描获取焦平面断层扫描位置，沿显微视觉系统光轴垂直的两个正交方向上进行切片扫描获取切片扫描图像，基于各单目显微视觉系统焦平面的不同断层位置的切片扫描图像重构显微视觉系统的三维切片视场空间，从而获取微装配空间的三维断层空间，并计算三维微装配空间并实现微装配系统的微装配空间数字化，包括以下步骤：(1)利用计算机显微视觉切片扫描技术、计算机显微视觉断层扫描技术获得微装配空间的切片扫描图像序列和断层空间位置序列：针对X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和任意轴即R轴方向上的显微视觉系统，在微装配空间的X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上进行断层扫描，获取各方向显微视觉系统的焦平面在微装配空间的断层空间位置序列；针对X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统：其中X轴方向上的显微视觉系统焦平面在微装配空间中的每个断层空间位置，分别利用二维精密定位系统控制其沿着Y轴、Z轴方向进行切片扫描获取每个断层位置的切片扫描图像序列；Y轴方向上的显微视觉系统焦平面在微装配空间中的每个断层空间位置，利用二维精密定位系统控制其沿着X轴、Z轴方向进行切片扫描获取每个断层空间位置的切片扫描图像序列；Z轴方向上的显微视觉系统焦平面在微装配空间中的每个断层空间位置，利用二维精密定位系统控制其沿着X轴、Y轴方向进行切片扫描获取每个断层空间位置的切片扫描图像序列；R轴方向上的显微视觉系统焦平面在微装配系统中的每个断层空间位置，利用二维精密定位系统控制其沿着垂直R轴两个正交方向上进行切片扫描获取每个断层空间位置的切片扫描图像序列；(2)X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的单目显微视觉系统在微装配空间的X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的不同断层空间位置的切片扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构切片扫描图像的三维切片视场空间，计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上不同断层空间位置的三维切片视场空间的数字化信息以及微装配空间的三维断层空间数字化信息，从而计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的单目显微视觉系统获取的数字化微装配空间；在此基础上计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上各单目显微视觉系统获取的数字化微装配空间相交空间，得到微装配系统的数字化微装配空间；(2.1)根据X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的单目显微视觉系统焦平面在微装配空间中不同断层空间位置的切片扫描图像序列，计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统的三维切片视场空间范围；(2.2)对X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的显微视觉系统的三维切片视场空间栅格化以及栅格数值化，获取对应方向上三维切片视场空间数字化信息；(2.3)根据X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的显微视觉系统的三维切片视场空间数字化信息，计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上微装配空间的三维断层空间的数字化信息；(2.4)根据X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上微装配空间的三维断层空间数字化信息分别计算微装配系统在X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的数字化微装配空间；(2.5)沿X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上微装配空间的三维空间关系匹配；(2.6)计算X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的微装配空间的相交空间；所述的微装配空间是指所搭建的微装配系统空间中能同时观测到微机械手或微机器人、工作台及待装配物体等全局信息的空间。2.根据权利要求1所述的微装配系统的微装配空间的数字化方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程是：(1.1)确定沿定义坐标系(16)的X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统进行计算机显微视觉断层扫描的精密定位系统的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时对应方向上的显微视觉系统的焦平面分别在定义坐标系的X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的位置和和和和和和确定沿X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的显微视觉系统II和I(5、1)、或者显微视觉系统II和III和I(5、22、1)、或者显微视觉系统II和III和I和Ⅳ(5、22、1、44)的视场分辨率大小、景深大小、像元尺寸、放大倍数，设置合适的光源；(1.2)针对X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的显微视觉系统，精密定位系统控制各方向单目显微视觉系统获取沿X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向的断层扫描序列和对应进行断层扫描的精密定位系统的位移量序列；其中精密定位系统III(4)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系(16)的Z轴方向运动进行断层扫描，控制显微视觉系统I(1)进行断层扫描的精密定位系统III(4)的步长为其运动一个步长的位移，则显微视觉系统的焦平面的断层空间位置发生变化，记录显微视觉系统I(1)的焦平面所在断层位置的序列号以及精密定位系统III(4)的位移量如下：其中为微装配系统中显微视觉系统I(1)沿定义坐标Z轴方向进行断层扫描时，焦平面所在断层位置序列；为微装配系统中控制显微视觉系统I(1)进行断层扫描的精密定位系统III(4)的位移量构建的向量；zN为显微视觉系统I(1)沿Z轴扫描的次数；精密定位系统III(4)第zk次运动后位移量与步长的关系式如下：同理，针对显微视觉系统II(5)以及显微视觉系统III(22)的断层扫描，记录显微视觉系统II、III(5、22)的焦平面的断层位置的序列号以及精密定位系统VI、VII(8、19)的位移量如下：其中为微装配系统中显微视觉系统II(5)沿定义坐标X轴方向进行断层扫描时，焦平面所在断层位置序列；xN为显微视觉系统II(5)扫描的次数；为微装配系统中控制显微视觉系统II(5)进行断层扫描的精密定位系统VI(8)的位移量构建的向量；为微装配系统中显微视觉系统III(22)沿定义坐标Y轴方向进行断层扫描时，焦平面可以清晰成像的断层空间序列构建的向量；yN为显微视觉系统III(22)扫描并获取断层空间的数量；为微装配系统中控制显微视觉系统III(22)进行断层扫描的精密定位系统VII(19)的位移量构建的向量；设置精密定位系统VI、VII(8、19)的运动步长为：精密定位系统VI(8)第xi次运动后位移量与步长的关系式以及精密定位系统VII(19)第yj次运动后位移量与步长的关系式如下：针对R轴方向计算机显微视觉断层扫描，则利用精密定位系统(47)控制单目显微视觉系统Ⅳ(44)获取断层扫描位置记录断层扫描的精密定位系统(47)的位移量其中精密定位系统的运动步长ΔR小于等于显微视觉系统Ⅳ(44)的景深；且位移量与运动步长呈线性关系。(1.3)确定X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统II与I(5、1)、或者显微视觉系统II与III与I(5、22、1)、或者显微视觉系统II与III与I与Ⅳ(5、22、1、44)进行切片扫描对应方向上精密定位系统的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时各对应方向上显微视觉系统光轴穿过焦平面的图像主点位置；其中确定控制显微视觉系统I(1)进行计算机显微视觉切片扫描的精密定位系统I、II(2、3)的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时显微视觉系统I(1)光轴穿过焦平面的图像主点位置为确定控制显微视觉系统II(5)进行计算机显微视觉切片扫描的精密定位系统IV、V(6、7)的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时显微视觉系统II(5)光轴穿过焦平面的图像主点位置为确定控制显微视觉系统III(22)进行计算机显微视觉切片扫描的精密定位系统VIII、IX(20、21)的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时显微视觉系统III(22)光轴穿过焦平面的图像主点位置为确定控制显微视觉系统Ⅳ(44)进行计算机显微视觉切片扫描的精密定位系统(45、46)的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时显微视觉系统Ⅳ(44)光轴穿过焦平面的图像主点位置；(1.4)X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统II与I(5、1)、或者显微视觉系统II与III与I(5、22、1)、或者显微视觉系统II与III与I与Ⅳ(5、22、1、44)在各方向上断层扫描位置进行切片扫描并获取切片扫描图像序列，并记录切片扫描对应的精密定位系统的位移；在显微视觉系统I(1)的断层位置精密定位系统II(3)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系的X轴方向进行扫描，记录精密定位系统II(3)的位移为精密定位系统I(2)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系的Y轴方向进行扫描，记录精密定位系统I(2)的位移为则：设置精密定位系统II(3)的步长为精密定位系统I(2)的步长为则精密定位系统的位移与步长的关系为：根据精密定位系统II、I(3、2)在断层的位移量定义每个扫描获取的图像序列号为则获取的切片扫描图像序列的矩阵为：其中xN1、yN1表示精密定位系统II、I(3、2)控制显微视觉系统I(1)沿定义坐标系X轴、Y轴方向切片扫描的最大次数；为在显微视觉系统I(1)的断层位置中精密定位系统II、I(3、2)分别沿着定义坐标系X轴、Y轴方向运动时在xk、yk序号位置时的位移量；为显微视觉系统I(1)的断层位置中沿着定义坐标系X轴、Y轴方向切片扫描的切片扫描图像序列构建的矩阵；同理，在显微视觉系统(5)的断层位置精密定位系统(6)控制显微视觉系统(5)沿着定义坐标系的Y轴方向进行切片扫描，记录精密定位系统(6)的位移为精密定位系统(7)控制显微视觉系统(5)沿着定义坐标系的Z轴方向进行扫描，记录精密定位系统(7)的位移为则：设置精密定位系统(6)的步长为精密定位系统(7)的步长为则精密定位系统的位移与步长的关系为：根据精密定位系统(6、7)在显微视觉系统(5)的焦平面断层位置作切片扫描位移量定义每个扫描获取的图像序列号为则获取的切片扫描集合为：其中yN5、zN5表示精密定位系统控制显微视觉系统(5)沿定义坐标系Y轴、Z轴方向的最大次数；为显微视觉系统(5)的焦平面断层位置中沿Y轴、Z轴方向切片扫描的切片扫描图像序列构成的矩阵；为显微视觉系统(5)的断层空间中在yi、zi序号位置时的切片扫描图像；在显微视觉系统(22)的断层位置精密定位系统(21)控制显微视觉系统(22)沿定义坐标系X轴方向进行切片扫描，记录精密定位系统(21)的位移为精密定位系统(20)控制显微视觉系统(22)沿定义坐标系Z轴方向进行扫描，记录精密定位系统(7)的位移为则：设置精密定位系统(21)的步长为精密定位系统(20)的步长为则精密定位系统的位移与步长的关系为：根据精密定位系统(21、20)在显微视觉系统(22)的断层位置作切片扫描位移量定义每个扫描获取的图像序列号为则获取的切片扫描集合为：其中xN22、zN22表示精密定位系统控制显微视觉系统(22)沿定义坐标系X轴、Z轴方向扫描的最大次数；为显微视觉系统(22)的断层位置中沿着定义坐标系X轴、Z轴方向切片扫描的切片扫描图像序列构建的矩阵；在显微视觉系统(44)的断层位置分别由精密定位系统(45、46)控制显微视觉系统Ⅳ(44)进行切片扫描获取各断层扫描位置的切片扫描图像记录控制显微视觉系统Ⅳ(44)进行切片扫描的精密定位系统(45、46)的位移量序列，且精密定位系统(45、46)的位移量序列与步长呈线性关系。3.根据权利要求2所述的微装配系统的微装配空间的数字化方法，其特征在于，针对X轴和Z轴方向上的断层扫描，精密定位系统III、VI(4、8)控制显微视觉系统I、II(1、5)进行断层扫描步长为显微视觉系统I(1)进行断层空间的切片扫描，精密定位系统I、II(2、3)的扫描步长为显微视觉系统II(5)进行断层空间的切片扫描，精密定位系统(6、7)的扫描步长为需要满足：针对X轴和Y轴和Z轴方向上的断层扫描与切片扫描，增加的Y轴方向上的显微视觉系统III(22)，控制显微视觉系统Ⅲ(22)进行切片空间断层扫描的精密定位系统VII(19)的步长为进行切片扫描的精密定位系统IX、VIII(21、20)的扫描步长为需要满足：其中DOF1、DOF5、DOF22分别为显微视觉系统I、II、III(1、5、22)的景深，H1、H5、H22分别为显微视觉系统I、II、III(1、5、22)的视场高度，W1、W5、W22分别为显微视觉系统I、II、III(1、5、22)的视场宽度；针对多目显微视觉系统的微装配系统，在三目正交显微视觉系统的微装配系统上增加的R轴方向上的显微视觉系统Ⅳ(44)，控制显微视觉系统Ⅳ(44)进行不同切片扫描位置的断层扫描的精密定位系统XII(47)的步长需要小于等于显微视觉系统Ⅳ(44)的景深，进行切片扫描的精密定位系统X、XI(45、46)的扫描步长小于等于显微视觉系统Ⅳ(44)的视场宽度和高度。4.根据权利要求1所述的微装配系统的微装配空间的数字化方法，其特征在于，所述步骤(2.1)的具体过程如下：①针对X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上的单目显微视觉系统焦平面在不同断层空间位置获取的切片扫描图像序列结合对应断层扫描的精密定位系统的步长，重构X轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴、或者X轴和Y轴和Z轴和R轴方向上显微视觉系统的三维切片视场空间范围；其中X轴、Y轴、Z轴、R轴方向上获取的不同断层扫描位置的三维切片视场空间如下：针对显微视觉系统(1)的焦平面在Z轴方向上不同断层位置由精密定位系统(3、2)控制显微视觉系统(1)在X轴、Y轴方向进行切片扫描获取的切片扫描图像序列结合显微视觉系统(1)的视场大小(H1×W1)以及精密定位系统(4)运动步长重构对应位置上的三维切片视场空间序列重构的显微视觉系统(1)的三维切片视场空间大小均为针对切片扫描图像序...
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