專利名稱：一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，屬于機械裝配 領域。
背景技術：
隨著微機械技術和微機電系統(tǒng)(MEMQ發(fā)展和興起，微小型器件及系統(tǒng)以其尺寸 小、重量輕、價格低、功耗低，可靠性強等優(yōu)點，在筆記本電腦、航天設備、醫(yī)療器械等產(chǎn)品中 得到廣泛應用，涉及工業(yè)、航空航天、醫(yī)療等各個領域。些微小型器件都是通過更小的結構 件進行組裝而成，因此，自動化、半自動化的微結構件裝配系統(tǒng)開發(fā)研究成為了一個重要的 研究領域。目前多數(shù)微裝配系統(tǒng)采用顯示裝置對裝配圖像進行顯示，工作人員通過對裝配 圖像的監(jiān)視，利用機械手間相對運動實現(xiàn)裝配。但裝配體在相互接近的過程中對視覺遮擋 問題難以解決，多數(shù)只能根據(jù)前期圖像控制機械手進行試探性裝配。該種裝配耗時較多，效 率較低，且精度也難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)基體 件與待配件在較小空間上的精確同軸對位，并控制機械手單方向運動實現(xiàn)高精度的裝配。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，包括機械手、光源、光學對 位裝置、微動平臺、攝像裝置以及控制裝置；其中，攝像裝置與光學對位裝置位于同一水線 上，機械手和微動平臺分別位于光學對位裝置的上方和下方；機械手包括吸頭，用于吸附待配件；光源用于為基體件和待配件提供照明；光學 對位裝置，用于改變基體件和待配件的反射光的光路；微動平臺，用于承載基體件并在控制 裝置的控制下進行調(diào)整；攝像裝置用于采集基體件和待配件圖像并進行傳輸給控制裝置；控制裝置包括光源控制模塊、存儲模塊、圖像處理模塊以及微動平臺調(diào)整模塊；光 源控制模塊，采用分時的方式控制光源為基體件和待配件提供照明；存儲模塊，用于存儲根 據(jù)先驗知識建立包含典型結構對位特征的局部模板；圖像處理模塊，用于對接收基體件圖 像和待配件圖像進行處理，根據(jù)處理的結果生成控制信號傳輸給微動平臺調(diào)整模塊；微動 平臺調(diào)整模塊，用于根據(jù)接收的控制信號控制微動平臺進行相應的調(diào)整；控制裝置的光源控制模塊控制打開待配件的光源，攝像裝置利用經(jīng)處理后的待配 件圖像進行自動調(diào)焦；調(diào)焦結束后，攝像裝置采集待配件的圖像和基體件圖像并傳輸?shù)膱D 像處理模塊，圖像處理模塊利用局部模板將提取待配件的精確對位像素點(Xl，Y1)和基體 件的精確對位像素點(xQ，yQ)，提取(xQ，yQ)的方向線夾角θ。和(Xl，yi)的方向線夾角Q1 ; 圖像處理模塊進一步根據(jù)(&，％)、0P(X1^1)以及θ i生成微動平臺控制信號傳輸給微動 平臺調(diào)整模塊，微動平臺調(diào)整模塊控制微動平臺進行相應的調(diào)整，使基體件與待配件之間 精確對位。
本發(fā)明所述控制裝置進一步包括顯示模塊，用于提供人機交互的界面，對裝配過 程中的待配件和基體件的圖像進行顯示。進一步，本發(fā)明中所述局部模板、基體件圖像以及待配件圖像都為二值圖像。進一步，本發(fā)明中所述圖像處理模塊用于對接收的基體件圖像和待配件圖像進行 處理為將基體件圖像分為四各區(qū)域，根據(jù)待配件特征選擇特征匹配區(qū)域以及局部模板； 選取局部模板上的一點為特征點并在特征匹配區(qū)域內(nèi)進行模板移動，求取模板上灰度為1 或0的像素點與待匹配圖像上的像素點上與其對應的灰度值進行異或運算，當運算的結果 小于事先設置的閾值時，則將當前待匹配圖像上與局部模板上的特征點對應的點定為特征 點；其中所述帶匹配的圖像包括待配件圖像和基體件圖像，所述特征點包括基體件特征點 和待配件特征點。進一步，本發(fā)明中圖像處理模塊進一步對采集的待配件圖像進行去噪處理并傳輸 給攝像裝置，攝像裝置根據(jù)處理后的待配件圖像進行自動調(diào)焦。更佳地，本發(fā)明中所述去噪處理為采用中值濾波的方法對待配件圖像進行去噪處理。有益效果本發(fā)明一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，局部模板、基體件 圖像以及待配件圖像都為二值圖像，在模板匹配過程中僅有二值邊緣存在，因此在匹配時 計算量大大減小，速度提高，滿足定位實時性需求。其次，本發(fā)明采用同軸光學對位以及微動平臺相匹配的形式進行對位裝配，因此 使基體件與待配件之間的對位精度更高。再次，本發(fā)明采用局部模板來尋找基體件和待配件上的精確對位像素坐標以及方 向線夾角，并根據(jù)其生成控制信號控制微動平臺進行調(diào)整，其對位精度更高。而且，本發(fā)明包括顯示模塊，采用同軸對位裝配的方式進行對位裝配，可以在裝配 出現(xiàn)問題的情況下及時進行調(diào)整，避免一個小的零件的問題影響整個零件的裝配。


圖1本發(fā)明同軸光學對位裝配系統(tǒng)結構示意圖；圖2本發(fā)明控制裝置的結構示意具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明如圖1所示，一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，包括機械手、 光源、光學對位裝置、微動平臺、攝像裝置以及控制裝置；其中，攝像裝置與光學對位裝置位 于同一水平線上，機械手和微動平臺分別位于光學對位裝置的上方和下方；機械手包括吸頭，用于吸附待配件，可以在控制裝置的控制下自動實現(xiàn)對待配件 吸附和釋放，并且機械手與待配件之間不產(chǎn)生粘連。光源包括基體件光源和待配件光源，用于為基體件和待配件提供照明；當需要采 集基體件圖像時，控制裝置控制打開基體件光源并關閉待配件光源，當需要采集待配件圖像時，控制裝置控制打開待配件光源并關閉基體件光源。采用分時的方式對光源進行控制， 可以很好的滿足攝像裝置對基體件和待配件的圖像的采集。光學對位裝置，用于改變基體件和待配件的反射光的光路，使得攝像裝置可以在 同一位置分別采集到基體件圖像和待配件圖像。微動平臺，用于承載基體件并在控制裝置的控制下進行調(diào)整；所述的微動平臺可 以進行上、下、前、后、左、右六個自由度的調(diào)整以及可以繞豎直方向進行旋轉。攝像裝置用于采集待配件的圖像并進行傳輸給控制裝置，其中攝像裝置采集待配 件圖像傳輸給控制裝置中的圖像處理模塊，圖像處理模塊對此時采集的待配件圖像采用中 值濾波的方式進行處理后回傳給攝像裝置，攝像裝置根據(jù)此時的基體件圖像進行自動調(diào) 焦；調(diào)焦結束后攝像裝置進一步采集待配件和基體件圖像，并傳輸給控制裝置。控制裝置包括光源控制模塊、存儲模塊、圖像處理模塊、微動平臺調(diào)整模塊以及顯 示模塊。光源控制模塊，用于控制光源為基體件和待配件提供照明，當攝像裝置采集待配 件圖像時，光源控制模塊控制打開待配件光源，同時關閉基體件光源；當攝像裝置采集基體 件圖像時，光源控制模塊控制打開基體件光源，同時關閉待配件光源。存儲模塊，用于存儲根據(jù)先驗知識建立包含典型結構對位特征的局部模板；所述 局部模板為圖像處理模塊對基體件圖像和待配件圖像進行特征點的提取和定位時使用。圖像處理模塊，用于接收攝像裝置傳輸過來的待配件圖像并進行去噪處理，圖像 在采集以及傳輸?shù)倪^程中必定會產(chǎn)生噪聲，這些噪聲將影響圖像的質(zhì)量，造成調(diào)焦清晰度 評價函數(shù)曲線的躍變和振蕩，降低自動調(diào)焦精度，從而影響零件圖像對位特征點提取和定 位。由于對位原理和顯微圖像的特點，濾波方法需要能夠有效地去除噪聲，又能保持邊緣， 因此，在調(diào)焦前首先選擇了中值濾波對圖像進行處理，攝像裝置根據(jù)處理后的圖像進行自 動的調(diào)焦，其中待配件圖像和基體件圖像為二值圖像，其中邊緣輪廓的像素為1。調(diào)焦結束后，攝像機采集基體件圖像和待配件圖像，并根據(jù)采集的基體件圖像，生 成作為控制信號的豎直調(diào)整信號傳輸給微動平臺調(diào)整模塊，微動平臺調(diào)整模塊根據(jù)接收的 豎直調(diào)整信號控制微動平臺進行豎直方向的調(diào)整，使基體件與待配件到攝像裝置的光程相 等；微動平臺調(diào)整結束后攝像裝置再次采集基體件圖像傳輸給圖像處理模塊。圖像處理模塊對基體件圖像和待配件圖像進行4等分，根據(jù)當前需要對位裝配的 結構件類型，選擇待匹配區(qū)域以及匹配起始位置和平移運動方向。如圖2所示，首先進行輪 廓提取，并對提取的輪廓進行匹配。于裝配過程中，由于基體件固定在微動平臺的專用夾具 上，所以基體件上的裝配特征的方位基本上固定，進而基體件的特征區(qū)域在圖像上的位置 基本上固定。其中，本發(fā)明以待配件需要裝配的區(qū)域為特征區(qū)域，如待匹配特征區(qū)域1為對 位特征區(qū)域時，則待配件的特征基本上處于4等分區(qū)域的左上角區(qū)域內(nèi)，以水平方向為橫 坐標豎直方向為縱坐標建立直角坐標系。選擇局部模板上的一點為特征點，其匹配的起始 位置為豎直掃描獲得的χ坐標的最小值^n與橫向掃描獲得的y坐標的最小值ymin，從Umin, Yfflin)開始分別向右和向下進行模板的移動，其中所述的匹配為邊緣模板的匹配。由于局部 模板、基體件圖像以及待配件圖像都為二值圖像，在模板匹配過程中僅有二值邊緣存在，即 模板上每一個像素點的灰度僅為0或1，因此在匹配時計算量大大減小，速度提高，滿足定 位實時性需求。同時在建立模板時，其方位是根據(jù)基體件上的匹配特征的方位確定，因此模板匹配過程中所要求旋轉的角度較小，不會超過5°，并且建立模板時，其放大倍數(shù)與待 匹配圖像的放大倍數(shù)基本一致，因此，這里既不涉及到大角度的旋轉匹配，也不涉及比例縮 放。因此可以減少計算量，提高匹配速度。基于邊緣模板的匹配實際上就是求取模板上灰度為1的像素點與待匹配圖像上 的與其相對應的像素點上的灰度進行異或運算，完全匹配時，異或值的和為零，但是由于模 板創(chuàng)建所用的圖像與每次匹配的圖像會有較小的差異，因此，其匹配過程中異或值的和應 該小于事先設置的閾值，所述閾值根據(jù)多次試驗結果進行設定。實現(xiàn)了對位特征的粗定位后，然后根據(jù)對位特征的不同，采用不同的方法提取待 裝配結構件和基體件上與其配合的圖像上的精確對位特征點像素坐標( ,%)和(Xpy1)及 方向線夾角θο，、。所述不同方法是指由于匹配的模板不同，采用方法不同，例如彈簧柄 圖像可以采用相鄰直線邊緣的交點來獲得對位特征點坐標，而對于圓形模板，則采用圓心 作為定位特征點。計算待裝配微小型結構件和基體件上配合結構的圖像上的精確對位特征點的像 素坐標偏差ΔΧ = Χι-&，Ay = yi-y2以及方向線的夾角偏差Δ θ = θ廠θ 2 ;其中ΔΧ和 Ay的單位都為像素值。根據(jù)放大倍數(shù)確定像素的轉換當量Sx和Sy(PixeVmm)，計算出微 小型裝配體間的空間以mm為單位的方位偏差(Δχ/民，Ay/Sy)，并以該偏差為控制信息，通 過控制裝置實現(xiàn)對微動平臺的平移。方向夾角偏差為δ θ = θ ^eci，如果Δ θ >0，生成 順時針旋轉信號傳輸給微動平臺調(diào)整模塊；當△ θ <0時，生成逆時針旋轉信號傳輸給微 動平臺調(diào)整模塊微動平臺調(diào)整模塊，用于根據(jù)圖像處理模塊傳輸過來的控制信號，對微動平臺進 行調(diào)整，使基體件與待配件恰好處于相對應的位置。顯示模塊，用于提供人機交互的界面，對接收的基體件和待配件的圖像進行顯示， 由于微小結構件的提供是按順序連續(xù)供給的，一旦一個零件在對位檢測過程中出現(xiàn)對位裝 配問題，則影響后續(xù)的裝配檢測，并且導致前期裝配的一些列操作的無效。為了避免一個小 的零件的問題影響整個零件的裝配。采用顯示模塊提供人機交互的界面，完成人機協(xié)同的 對位裝配方法，這樣就會減少浪費，生產(chǎn)率得到進一步提高。通過光學對位和微調(diào)機構的檢 測與調(diào)整，使處于同一軸線上的待裝配件和基體件以足夠的精度對準的方法。最終使基于 件與待配件的在人機協(xié)同工作的情況下實現(xiàn)精確對位配合。具體的操作流程為控制裝置的光源控制模塊控制打開待配件的光源，待配件的反射光通過光學對位 裝置反射到攝像裝置中，攝像裝置采集機械手吸附的處于光學對位系統(tǒng)上方的待配件圖像 傳輸給圖像處理模塊進行中值濾波，中值濾波結束之后將圖像回傳給攝像裝置使其進行自 動調(diào)焦。調(diào)焦結束后，攝像裝置采集待配件的圖像并傳輸給控制裝置中的圖像處理模塊，圖 像處理模塊對接收的待配件的圖像進行處理，利用局部模板將提取待配件的精確對位像素 點，同時光源控制模塊控制打開基體件光源和關閉待配件光源，攝像機采集基體件的圖像 并傳輸給控制裝置的圖像處理模塊，圖像處理模塊對接收的基體件的圖像進行處理，利用 局部模板將提取基體件的精確對位像素點。圖像處理模塊根據(jù)提取基體件和待配件上精確對位像素點坐標( ,%)和(Xl，yi) 及方向線夾角θο和Q1，生成微動平臺控制信號傳輸給微動平臺調(diào)整模塊，微動平臺調(diào)整
6模塊控制微動平臺進行相應的調(diào)整。同時顯示模塊對裝配過程中基體件和待配件進行顯 示，通過人機協(xié)同工作更好的實現(xiàn)基體件與待配件之間的精確對位裝配。
同時，本發(fā)明中待裝配微小型結構件的對位局部模板的建立是以邊緣檢測為基礎 的，因此在4等分區(qū)域限定的基礎上，根據(jù)掃描確定的實體最外側的坐標點進一步限定了 匹配的范圍，極大減小了運算量。而與其配合的微小型基體件，建立的模板也是以邊緣檢測 為基礎的，同樣在4等分限定區(qū)域的基礎上進一步限定了匹配的區(qū)域，也極大降低了計算 量。待裝配件以及配合結構件的圖像通過分別控制光源的明滅實現(xiàn)圖像的分時獲取，但在 對位特征匹配和定位過程中對內(nèi)存中的圖像可以采用并行處理，可以節(jié)約時間，獲得快速 對位偏差信息。
權利要求
1.一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在于，包括機械手、光 源、光學對位裝置、微動平臺、攝像裝置以及控制裝置；其中，攝像裝置與光學對位裝置位于 同一水線上，機械手和微動平臺分別位于光學對位裝置的上方和下方；機械手包括吸頭，用于吸附待配件；光源用于為基體件和待配件提供照明；光學對位 裝置，用于改變基體件和待配件的反射光的光路；微動平臺，用于承載基體件并在控制裝置 的控制下進行調(diào)整；攝像裝置用于采集基體件和待配件圖像，對圖像進行測量，并將基體件 和待配件的偏差信息傳輸給控制裝置；控制裝置包括光源控制模塊、存儲模塊、圖像處理模塊以及微動平臺調(diào)整模塊；光源控 制模塊，采用分時的方式控制光源為基體件和待配件提供照明；存儲模塊，用于存儲根據(jù)先 驗知識建立包含典型結構對位特征的局部模板；圖像處理模塊，用于對接收基體件圖像和 待配件圖像進行處理，根據(jù)處理的結果生成控制信號傳輸給微動平臺調(diào)整模塊；微動平臺 調(diào)整模塊，用于根據(jù)接收的控制信號控制微動平臺進行相應的調(diào)整；控制裝置的光源控制模塊控制打開待配件的光源，攝像裝置利用經(jīng)處理后的待配件圖 像進行自動調(diào)焦；調(diào)焦結束后，攝像裝置采集待配件的圖像和基體件圖像并傳輸?shù)膱D像處 理模塊，圖像處理模塊利用局部模板將提取待配件的精確對位像素點(Xl，Y1)和基體件的 精確對位像素點(X。，y0)，提取(X。，y0)的方向線夾角θ0和(X1, Y1)的方向線夾角θ i ；圖 像處理模塊進一步根據(jù)( ，％)、Qp(X1J1)以及θ i生成微動平臺控制信號傳輸給微動平 臺調(diào)整模塊，微動平臺調(diào)整模塊控制微動平臺進行相應的調(diào)整，使基體件與待配件之間精 確對位。
2.根據(jù)權利要求1所述微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在 于，所述控制裝置進一步包括顯示模塊，用于提供人機交互的界面，對裝配過程中的待配件 和基體件的圖像進行顯示。
3.根據(jù)權利要求1所述微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在 于，所述局部模板、基體件圖像以及待配件圖像都為二值圖像。
4.根據(jù)權利要求3所述微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在 于，所述圖像處理模塊用于對接收的基體件圖像和待配件圖像進行處理為將基體件圖像分為四個區(qū)域，根據(jù)待配件特征選擇特征匹配區(qū)域以及局部模板；選取 局部模板上的一點為特征點并在特征匹配區(qū)域內(nèi)進行模板移動，求取模板上灰度為1或0 的像素點與待匹配圖像上的像素點上與其對應的灰度值進行異或運算，當運算的結果小于 事先設置的閾值時，則將當前待匹配圖像上與局部模板上的特征點對應的點定為特征點； 其中所述待匹配的圖像包括待配件圖像和基體件圖像，所述特征點包括基體件特征點和待 配件特征點。
5.根據(jù)權利要求1所述微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在 于，所述圖像處理模塊進一步對采集的待配件的一系列圖像進行去噪處理，計算待配件圖 像的調(diào)焦函數(shù)值，并比較函數(shù)值的大小，通過獲取極值的方法實現(xiàn)自動調(diào)焦。
6.根據(jù)權利要求1所述微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，其特征在 于，所述去噪處理為采用中值濾波的方法對待配件圖像進行去噪處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微小型結構件高精度視覺同軸光學對位裝配系統(tǒng)，包括機械手、光源、光學對位裝置、微動平臺、攝像裝置以及控制裝置；其中，攝像裝置與光學對位裝置位于同一水線上，機械手和微動平臺分別位于光學對位裝置的上方和下方。采用局部模板、基體件圖像以及待配件圖像都為二值圖像，在模板匹配過程中僅有二值邊緣存在，因此在匹配時計算量大大減小，速度提高，滿足定位實時性需求。同時采用局部模板來尋找基體件和待配件上的精確對位像素坐標以及方向線夾角，并根據(jù)其生成控制信號控制微動平臺進行調(diào)整，其對位精度更高。
文檔編號G02B27/62GK102073148SQ201110007968
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者葉鑫, 張之敬, 王強, 金鑫 申請人:北京理工大學