微零件位姿自动对准装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于微装配技术领域，具体提供了一种微零件位姿自动对准装置及其方法。位姿自动对准方法包括：步骤S1000：获取第二微零件在显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差；步骤S2000：判断偏差是否小于预设阈值，若是则表明第二微零件与第一微零件对准，若否则执行步骤S3000；步骤S3000：基于偏差计算末端执行器的姿态调整量和位置调整量；步骤S4000：按照姿态调整量和位置调整量调整末端执行器的位姿并返回步骤S1000；其中，位置调整量包括用于位置对准的调整量和用于补偿姿态调整引起的位置偏移的补偿量。通过闭环控制和位置补偿，减小了对准误差，提高了对准精度和对准效率，解决了现有的微零件位姿对准方法操作流程比较复杂、对准效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
微零件位姿自动对准装置及其方法
本专利技术属于微装配
，具体提供了一种微零件位姿自动对准装置及其方法。
技术介绍
随着微机电系统的快速发展，微装配技术的研究越来越深入，先进的微小型零件装配技术在提高微小型零件的装配质量、缩短周期、降低生产成本等方面具有重要意义。目前微装配流程往往较为复杂，自动化程度普遍不高。由于缺乏快速准确的微零件位姿对准的方法，从而导致了微装配效率低。以往的研究主要有以下两类：一类采用不同放大倍数的显微视觉系统实现对准，但流程复杂，对系统硬件要求较高(参见文献：S.J.Ralis,B.Vikramadiya,B.J.Nelson.“Micropositioningofaweaklycalibratedmicroassemblysystemusingcoarse-to-finevisualservoingstrategies,”IEEETransactionsonElectronicsPackagingManufacturing,2000,23(2):123-131)；另一类采用相对位姿估计对准的装配方法，但是存在效率较低的问题(参见文献：S.Liu,D.Xu,F.Liu,D.Zhang,andZ.Zhang,“Relativeposeestimationforalignmentoflongcylindricalcomponentsbasedonmicroscopicvision,”IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2016,21(3):1388-1398)。这两类的对准方法均存在对准流程比较复杂、对准效率低的问题。相应地，本领域需要一种新的微零件对准方法来解决上述问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的微零件位姿对准方法对准流程比较复杂、对准效率低的问题，一方面本专利技术提供了一种微零件位姿自动对准方法，所述位姿自动对准方法包括：步骤S1000：获取第二微零件在显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差；步骤S2000：判断所述偏差是否小于预设阈值，若是则表明所述第二微零件与第一微零件对准，若否则执行步骤S3000；步骤S3000：基于所述偏差计算末端执行器的姿态调整量和位置调整量；步骤S4000：按照所述姿态调整量和所述位置调整量调整所述末端执行器的位姿以便改变所述第二微零件的位姿并返回步骤S1000；其中，所述位置调整量包括用于位置对准的调整量和用于补偿姿态调整引起的位置偏移的补偿量。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S1000进一步包括：步骤S1100：根据所述第一微零件在所述显微视觉系统中的图像特征确定所述第二微零件在所述显微视觉系统中的期望的图像特征；步骤S1200：获取所述第二微零件在所述显微视觉系统中当前的图像特征；步骤S1300：计算所述第二微零件在所述显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差。在上述对准方法的优选技术方案中，所述显微视觉系统包括在水平面内正交排布的第一显微视觉系统和第二显微视觉系统，所述图像特征包括图像点特征和图像线特征，步骤S1100具体包括：步骤S1110：使所述第一微零件处于所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统的清晰成像视野内并获取清晰的图像；步骤S1120：提取所述第一微零件分别在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像点特征和图像线特征；步骤S1130：根据所述第一微零件分别在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像点特征和图像线特征确定所述第二微零件的期望点特征和期望角度特征。在上述对准方法的优选技术方案中，所述第一微零件为圆柱形结构，所述第二微零件为内部中空的柱形结构，所述第一微零件的图像线特征和图像点特征分别为所述第一微零件在所述显微视觉系统中图像的中轴线和中轴线与上边缘线的交点，所述第二微零件的图像线特征和图像点特征分别为所述第二微零件在所述显微视觉系统中图像的中轴线和中轴线与下边缘线的交点。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S1130中所述第二微零件的期望点特征的确定具体包括以下步骤：步骤S1131：根据以下公式(1)计算所述第一微零件在笛卡尔空间的方向向量：公式(1)中，Jt11～Jt43为平移图像雅可比矩阵Jt的元素，[nx，ny，nz]T为所述第一微零件在笛卡尔空间的方向向量，(Δu1，Δv1)为所述第一微零件在所述第一显微视觉系统中的像素坐标系下图像线特征上任意选取的两个图像点的坐标差，(Δu2，Δv2)为所述第一微零件在所述第二显微视觉系统中的像素坐标系下图像线特征上任意选取的两个图像点的坐标差；步骤S1132：根据以下公式(2)计算所述第二微零件的期望点特征：公式(2)中，(ud1，vd1)和(ud2，vd2)分别为所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的像素坐标系下的期望点特征的坐标，(uB1，vB1)和(uB2，vB2)分别为所述第一微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的像素坐标系下图像点特征的坐标，[nx1，ny1，nz1]T为所述第一微零件在笛卡尔空间中归一化的方向向量，k为比例因子，Jt为平移图像雅可比矩阵。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S1130中所述第二微零件的期望角度特征的确定步骤具体包括：分别计算所述第一微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像线特征与像素坐标系中水平坐标轴的夹角。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S4000中的用于补偿姿态调整引起的位置偏移的补偿量按以下公式(3)确定：公式(3)中，EpA＝[lx，ly，lz]T为所述第二微零件在所述末端执行器坐标系下的位置向量，RTE为所述末端执行器在机器人基坐标系下的位姿矩阵，EΔ为所述末端执行器的微分变换，-Rd为所述第二微零件在机器人基坐标系下的补偿量。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S4000中的所述位置调整量通过以下用于位置对准的PI控制器确定：公式(4)中，k表示获取所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中当前的图像特征的次数，K1p、K1i为所述用于位置对准的PI控制器的比例和积分系数，Jt为平移图像雅可比矩阵，Δpk＝[Δxk，Δyk，Δzk]T为所述位置调整量，Δppk＝[Δxpk，Δypk，Δzpk]T为用于位置对准的调整量，-Rd为用于补偿所述第二微零件位置偏移的补偿量，ΔPIk＝[ΔuI1k，ΔvI1k，ΔuI2k，ΔvI2k]T，ΔuI1k、ΔvI1k、ΔuI2k、ΔvI2k分别为所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像点特征与期望点特征在像素坐标系下沿u轴和v轴方向的坐标偏差。在上述对准方法的优选技术方案中，步骤S4000中的所述姿态调整量通过以下用于姿态对准的PI控制器确定：公式(5)中，k表示获取所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中当前的图像特征的次数，K2p、K2i为所述用于姿态对准的PI控制器的比例和积分系数，ΔθRk＝[Δθxk，Δθyk]T为所述姿态调整量，ΔθIk＝[ΔθI1k，ΔθI2k]T为所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微零件位姿自动对准方法，其特征在于，所述位姿自动对准方法包括：步骤S1000：获取第二微零件在显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差；步骤S2000：判断所述偏差是否小于预设阈值，若是则表明所述第二微零件与第一微零件对准，若否则执行步骤S3000；步骤S3000：基于所述偏差计算末端执行器的姿态调整量和位置调整量；步骤S4000：按照所述姿态调整量和所述位置调整量调整所述末端执行器的位姿以便改变所述第二微零件的位姿并返回步骤S1000；其中，所述位置调整量包括用于位置对准的调整量和用于补偿姿态调整引起的位置偏移的补偿量。

【技术特征摘要】
1.一种微零件位姿自动对准方法，其特征在于，所述位姿自动对准方法包括：步骤S1000：获取第二微零件在显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差；步骤S2000：判断所述偏差是否小于预设阈值，若是则表明所述第二微零件与第一微零件对准，若否则执行步骤S3000；步骤S3000：基于所述偏差计算末端执行器的姿态调整量和位置调整量；步骤S4000：按照所述姿态调整量和所述位置调整量调整所述末端执行器的位姿以便改变所述第二微零件的位姿并返回步骤S1000；其中，所述位置调整量包括用于位置对准的调整量和用于补偿姿态调整引起的位置偏移的补偿量。2.根据权利要求1所述的对准方法，其特征在于，步骤S1000进一步包括：步骤S1100：根据所述第一微零件在所述显微视觉系统中的图像特征确定所述第二微零件在所述显微视觉系统中的期望的图像特征；步骤S1200：获取所述第二微零件在所述显微视觉系统中当前的图像特征；步骤S1300：计算所述第二微零件在所述显微视觉系统中当前的图像特征与期望的图像特征的偏差。3.根据权利要求2所述的对准方法，其特征在于，所述显微视觉系统包括在水平面内正交排布的第一显微视觉系统和第二显微视觉系统，所述图像特征包括图像点特征和图像线特征，步骤S1100具体包括：步骤S1110：使所述第一微零件处于所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统的清晰成像视野内并获取清晰的图像；步骤S1120：提取所述第一微零件分别在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像点特征和图像线特征；步骤S1130：根据所述第一微零件分别在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的图像点特征和图像线特征确定所述第二微零件的期望点特征和期望角度特征。4.根据权利要求3所述的对准方法，其特征在于，所述第一微零件为圆柱形结构，所述第二微零件为内部中空的柱形结构，所述第一微零件的图像线特征和图像点特征分别为所述第一微零件在所述显微视觉系统中图像的中轴线和中轴线与上边缘线的交点，所述第二微零件的图像线特征和图像点特征分别为所述第二微零件在所述显微视觉系统中图像的中轴线和中轴线与下边缘线的交点。5.根据权利要求4所述的对准方法，其特征在于，步骤S1130中所述第二微零件的期望点特征的确定具体包括以下步骤：步骤S1131：根据以下公式(1)计算所述第一微零件在笛卡尔空间的方向向量：公式(1)中，Jt11～Jt43为平移图像雅可比矩阵Jt的元素，[nx，ny，nz]T为所述第一微零件在笛卡尔空间的方向向量，(Δu1，Δv1)为所述第一微零件在所述第一显微视觉系统中的像素坐标系下图像线特征上任意选取的两个图像点的坐标差，(Δu2，Δv2)为所述第一微零件在所述第二显微视觉系统中的像素坐标系下图像线特征上任意选取的两个图像点的坐标差；步骤S1132：根据以下公式(2)计算所述第二微零件的期望点特征：公式(2)中，(ud1，vd1)和(ud2，vd2)分别为所述第二微零件在所述第一显微视觉系统和所述第二显微视觉系统中的像素坐标系下的期望点特征的坐标，(uB1，vB1)和(uB...

【专利技术属性】
技术研发人员：马燕芹，徐德，张大朋，刘希龙，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11