工件與目標(biāo)位置雙定位視覺系統(tǒng)快速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

曹潤(rùn)寧，王西峰，康運(yùn)江，張文昌

（機(jī)械科學(xué)研究總院 機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

工件與目標(biāo)位置雙定位視覺系統(tǒng)快速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

曹潤(rùn)寧，王西峰，康運(yùn)江，張文昌

（機(jī)械科學(xué)研究總院 機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

結(jié)合基于機(jī)器視覺的異形電子元器件插裝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)需求，提出了一種現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法，分析了歸一多坐標(biāo)系和多點(diǎn)位最小二乘擬合方式進(jìn)行快速坐標(biāo)歸一和雙照相機(jī)標(biāo)定的可行性，解決了多坐標(biāo)系運(yùn)算和雙照相機(jī)標(biāo)定的復(fù)雜問題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的快速坐標(biāo)系歸一和雙相機(jī)標(biāo)定。

機(jī)器視覺；歸一多坐標(biāo)系；多點(diǎn)位最小二乘擬合；雙照相機(jī)標(biāo)定

0 引言

典型機(jī)器視覺系統(tǒng)是由軟件部分如：控制程序、分析程序等，和硬件部分如：光源、照相機(jī)、交互機(jī)等，構(gòu)建起來的代替人類視覺對(duì)客觀事物進(jìn)行觀察與分析的系統(tǒng)[1]，在工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)將判斷結(jié)果輸出并指導(dǎo)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)設(shè)操作。隨著五十多年的發(fā)展，機(jī)器視覺已由最初的簡(jiǎn)單二維圖像分析，發(fā)展到現(xiàn)在的多維度多信息獲取，并在精密檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療圖像分析等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[6]。

本論文所述基于機(jī)器視覺的異形電子元器件插裝設(shè)備，是一種應(yīng)用于自動(dòng)PCB插裝線的設(shè)備。本文所述歸一多坐標(biāo)系的方法既是矩陣論中所述的多矩陣歸一在工程中的應(yīng)用[7]。照相機(jī)標(biāo)定技術(shù)Xuan Xu也在論文CAMERA CALIBRATION TECHNIQUES中進(jìn)行闡述[8]。將理論技術(shù)應(yīng)用于異形件插裝設(shè)備中，轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的工作將在以下文章中進(jìn)行介紹。

1 異形電子元器件插裝設(shè)備工作流程

本文所研究的雙照相機(jī)標(biāo)定應(yīng)用于異形電子元器件插裝設(shè)備，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過程中使用雙照相機(jī)系統(tǒng)對(duì)電子元器件和PCB板中的目標(biāo)位置進(jìn)行視覺識(shí)別。如圖1所示，設(shè)備通過異形元器件專用喂料器將元器件運(yùn)輸至待取料位，由機(jī)器人抓取移動(dòng)至底部相機(jī)拍攝區(qū)域進(jìn)行拍照篩選，不合格的元器件拋料，合格元器件移動(dòng)至待插裝位準(zhǔn)備插裝。同時(shí)由軌道傳輸部分將待插裝PCB板運(yùn)送至待插裝位，由頂部相機(jī)拍照識(shí)別定位，不合格報(bào)警，合格由機(jī)器人將元器件插入指定位置，傳輸部分傳輸PCB至下一工作位置。

圖1 插裝設(shè)備工作流程圖

2 光源和照相機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用雙照相機(jī)拍照方式進(jìn)行異形元器件插裝，需進(jìn)行元器件優(yōu)劣檢測(cè)和目標(biāo)位置拍照定位，固采用頂部和底部相機(jī)相協(xié)作的方式進(jìn)行視覺識(shí)別工作。頂部相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)位置識(shí)別定位，底部相機(jī)進(jìn)行元器件優(yōu)劣檢測(cè)拋棄不合格元器件。

頂部相機(jī)系統(tǒng)如圖2所示，相機(jī)系統(tǒng)整體和抓舉頭整體通過集線器（HUB）安裝于機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端，其功能是對(duì)待插裝PCB板進(jìn)行目標(biāo)位置獲取及定位。此設(shè)計(jì)避免了照相機(jī)a、光源b、抓取頭c之間的相互干涉。裝配加工過程中保持照相機(jī)a中心軸與抓舉頭c中心軸重合，降低后續(xù)旋轉(zhuǎn)操作中縱坐標(biāo)偏移誤差。

圖2 頂部相機(jī)系統(tǒng)

底部相機(jī)系統(tǒng)如圖3所示，相機(jī)系統(tǒng)安裝于底座上端，其主要功能是對(duì)抓取起來的元器件進(jìn)行管腳識(shí)別檢測(cè)。使用碗狀光源e增強(qiáng)光匯聚能力，提升照射強(qiáng)度，降低拍攝過程中陰影干擾。裝配過程中相機(jī)d中心軸垂直向上重合與光源e中心軸，最大限度的捕捉光強(qiáng)最大點(diǎn)。

圖3 底部相機(jī)d與光源e安裝示意圖

3 歸一多坐標(biāo)系與多點(diǎn)位最小二乘擬合方法的雙照相機(jī)標(biāo)定

雙照相機(jī)所在設(shè)備共包含三種坐標(biāo)系，機(jī)器人坐標(biāo)系、頂部相機(jī)坐標(biāo)系、底部相機(jī)坐標(biāo)系。機(jī)器人為設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為簡(jiǎn)化運(yùn)算復(fù)雜度，歸一多坐標(biāo)系于機(jī)器人坐標(biāo)系。三坐標(biāo)系均垂直于地面，即縱坐標(biāo)重合，在后期轉(zhuǎn)換中只轉(zhuǎn)換水平面坐標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的歸一。

標(biāo)定操作采用九點(diǎn)移動(dòng)取樣，以降低傳統(tǒng)四點(diǎn)移動(dòng)取樣，因取樣點(diǎn)少而不能有效降低機(jī)器人移動(dòng)誤差的缺陷。通過機(jī)器人移動(dòng)控制相機(jī)對(duì)標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行等間距水平和豎直移動(dòng)構(gòu)成九點(diǎn)矩陣，如圖4所示。

圖4 九點(diǎn)法所獲圖像

設(shè)任意標(biāo)定點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系下坐標(biāo)為Q(u,v)，在底部相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P(x,y)。設(shè)A,B點(diǎn)為采集到的圖樣中任意兩點(diǎn)，在uO’v坐標(biāo)系下坐標(biāo)為QA(u1,v1)，QB(u2,v2)，在xOy坐標(biāo)系下坐標(biāo)為PA(x1,y1)，PB(x2,y2)。由距離公式：

求得λ，即為單像素點(diǎn)的實(shí)際對(duì)應(yīng)尺寸，亦是底部相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系的放大系數(shù)。設(shè)兩坐標(biāo)系的角度差為α，由公式：

求出sinα。設(shè)水平方向和豎直方向兩坐標(biāo)系的比值為a，b。由公式：

求出a，b。

再通過角度差的補(bǔ)償，即可將底部相機(jī)坐標(biāo)系下的點(diǎn)轉(zhuǎn)移至機(jī)器人坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。轉(zhuǎn)換公式如下：

逆時(shí)針轉(zhuǎn)換參數(shù)矩陣：

比例放大參數(shù)矩陣：

水平豎直平移參數(shù)矩陣：

旋轉(zhuǎn)平移矩陣：

歸一坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為：

通過底部相機(jī)坐標(biāo)系歸一到機(jī)器人坐標(biāo)系中，可以將拍攝的元器件管腳在底部相機(jī)中的位置信息和圖像信息，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化到機(jī)器人坐標(biāo)系中，在后續(xù)的插裝中，機(jī)器人即可按照轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系中的信息進(jìn)行插裝匹配。

頂部相機(jī)的坐標(biāo)歸一方法和公式，與底部相機(jī)的一致。只是在拍照過程中頂部相機(jī)拍攝目標(biāo)位置PCB板上面的兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，對(duì)PCB進(jìn)行標(biāo)定定位，此方法可以保證在PCB停止位有一定偏差的情況下依然可以找到待插裝目標(biāo)孔的坐標(biāo)。P(x',y')為頂部相機(jī)拍攝取得的點(diǎn)坐標(biāo)，A'B'為拍照取得的兩標(biāo)定點(diǎn)，如圖5所示。通過標(biāo)定點(diǎn)連成的直線與機(jī)器人移動(dòng)形成的直線進(jìn)行重合匹配即可換算出頂部相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至機(jī)器人坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度。拍照中頂部相機(jī)先取樣標(biāo)定點(diǎn)A'B'，確定PCB板位置，再通預(yù)先寫入的待插裝目標(biāo)孔相對(duì)于標(biāo)定點(diǎn)的相對(duì)位置換算至機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行插裝即可。

圖5 頂部相機(jī)坐標(biāo)系及標(biāo)定點(diǎn)取樣照片

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，他通過最小誤差的平方找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。用最簡(jiǎn)單的方法求得一些絕對(duì)值不可知的真值，令誤差平方和最小。圖6為擬合圓和實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的關(guān)系圖，求出最小誤差擬合圓。

由幾何知識(shí)可知，不在一條直線上的三點(diǎn)確定一個(gè)圓，故在實(shí)際測(cè)量中只需將所移動(dòng)拍攝的次數(shù)大于三次即可確定擬合圓的參數(shù)。但過多的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)造成標(biāo)定點(diǎn)的重合，在實(shí)際應(yīng)用中使用六點(diǎn)旋轉(zhuǎn)法。六點(diǎn)旋轉(zhuǎn)法即通過機(jī)器人帶動(dòng)頂部相機(jī)以機(jī)器人末梢旋轉(zhuǎn)自由度為中心進(jìn)行等夾角旋轉(zhuǎn)，頂部相機(jī)標(biāo)定時(shí)標(biāo)定圓置于水平固定面，底部相機(jī)標(biāo)定時(shí)標(biāo)定圓固定于頂部相機(jī)鏡頭前水平面。同時(shí)六點(diǎn)分別與圓心形成六個(gè)等邊三角形，方便后續(xù)生成半徑與點(diǎn)之間距離進(jìn)行對(duì)比取最優(yōu)值。圖6為均勻分布六點(diǎn)圓心擬合所獲圖像。多點(diǎn)擬合運(yùn)算如下：

點(diǎn)（Xi,Yi)到圓邊緣的距離的平方與半徑的平方之差為：

求參數(shù)a,b,c使得Q(a,b,c)的值最小時(shí)刻的值。

解：

平方差Q(a,b,c)大于0，因此函數(shù)存在大于或者等于0的極小值，但是其極大值為無窮大。

F(a,b,c)對(duì)a,b,c求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)數(shù)等于0，得到極值點(diǎn)，比較所有極值點(diǎn)的函數(shù)值即可得到最小值。

解這個(gè)方程組。

首先通過公式變化消除c：

將上述結(jié)果帶入以下公式既得出A、B、R的估計(jì)擬合值：

通過最小二乘法的圓心擬合，得出攝像機(jī)的圓心，即為攝像機(jī)坐標(biāo)系下的圓心所在位置。再結(jié)合上面所述的坐標(biāo)歸一方法即可將三種坐標(biāo)系歸一到一種坐標(biāo)系，在后續(xù)的計(jì)算運(yùn)算中，只需依照此運(yùn)算套用即可。

4 結(jié)束語

通過Labview的平臺(tái)支撐， 應(yīng)用歸一多坐標(biāo)系與多點(diǎn)位最小二乘擬合方法的雙照相機(jī)標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定及程序內(nèi)部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，降低后續(xù)程序運(yùn)算的壓力。一次標(biāo)定即可滿足后續(xù)不同元件的插裝識(shí)別需求，且標(biāo)定點(diǎn)易得，只需在A4紙上畫一黑點(diǎn)如圖7所示即可，適應(yīng)各種現(xiàn)場(chǎng)的快速標(biāo)定使用。

圖6 均勻分布六點(diǎn)圓心擬合所獲圖像

圖7 標(biāo)靶點(diǎn)

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CAO Run-ning, WANG Xi-feng, KANG Yun-jiang, ZHANG Wen-chang

TH39

A

1009-0134(2016)12-0031-04

2016-08-21

曹潤(rùn)寧（1990 -），男，吉林四平人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及其自動(dòng)化。