基于單目視覺的螺紋孔定位精度分析*

李巧梅

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

0 引言

在自動(dòng)化裝配領(lǐng)域，螺紋孔的定位精度是影響螺栓擰緊效率的關(guān)鍵因素，面對(duì)日益提高的裝配精度和裝配效率要求，基于機(jī)器視覺的螺紋孔識(shí)別定位技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。

通常情況下，工件完全進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視野中，其相機(jī)標(biāo)定、特征提取和定位更為容易。但當(dāng)工件完全進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視野中，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理尺寸就相對(duì)較大，會(huì)導(dǎo)致特征邊緣較為粗糙，影響定位精度；如果工業(yè)相機(jī)只拍攝工件的局部，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理尺寸就相對(duì)較小，特征邊緣會(huì)更為清晰，在工件幾何特征一定的情況下，可以推算出其他特征位置，從而獲得更高的定位精度。郭靜等研究了通過采集局部圖像完成較大工件定位的方法，從工程上解決了自動(dòng)化生產(chǎn)線上較大工件的定位問題[1]；何博俠等提出了一種基于序列局部尺寸特征測(cè)量大尺寸機(jī)械零件尺寸的方法，重點(diǎn)研究了圖像拼接的算法，通過優(yōu)化圖像拼接算法提高測(cè)量精度[2]；李釗寶等則對(duì)單目視覺測(cè)量時(shí)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了研究，探討了相機(jī)內(nèi)參對(duì)工件尺寸測(cè)量的影響[3]。

本文通過搭建專門實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)比分析了使用單目相機(jī)拍攝不同視場(chǎng)的工件圖像所獲得的螺紋孔定位精度，定量分析了在給定條件下視場(chǎng)與定位精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。分析結(jié)果對(duì)于自動(dòng)化裝配工程領(lǐng)域合理選擇視覺定位相機(jī)和拍攝距離具有一定指導(dǎo)意義。

1 螺紋孔機(jī)器視覺定位原理

螺紋孔的機(jī)器視覺識(shí)別定位主要包括圖像獲取、圖像識(shí)別和定位標(biāo)定三部分。其中圖像獲取主要是指通過工業(yè)相機(jī)拍攝工件的圖像，需要通過合理布置光源、配合合適焦距、景深、視野的鏡頭獲得對(duì)比度良好的工件圖像。圖像識(shí)別是指通過軟件算法對(duì)工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、螺紋孔特征查找和螺紋孔中心確定。定位標(biāo)定是通過標(biāo)定板使圖像像素與實(shí)際物理尺寸建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過手眼標(biāo)定確定螺紋孔中心在機(jī)器人世界坐標(biāo)系(World)的物理坐標(biāo)，獲得可用于裝配的定位數(shù)據(jù)。

獲得工件在機(jī)器人世界坐標(biāo)系中的物理坐標(biāo)的方法有兩種，一種是根據(jù)工件的實(shí)際尺寸和與機(jī)器人的相對(duì)位置關(guān)系，通過直接坐標(biāo)變換，得到工件螺紋孔在機(jī)器人坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如圖1變換1；另一種是通過視覺識(shí)別、定位標(biāo)定得到工件螺紋孔在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如圖1變換2。將視覺識(shí)別、定位標(biāo)定獲得的機(jī)器人世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)值與直接坐標(biāo)變換得到的坐標(biāo)值相對(duì)比，即可得到視覺定位的誤差。

圖1 坐標(biāo)變換原理

2 機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 被測(cè)工件

被測(cè)工件是使用加工中心整體銑削獲得的一件高精度定位工裝，其尺寸公差執(zhí)行GB/T 1804-f，材料為2A14，進(jìn)行硫酸陽極氧化處理后著金黃色。工件表面分布有兩組螺紋孔(M8、M6)和一組錐銷孔(φ6)，每組4個(gè)，共計(jì)12個(gè)孔需要通過視覺進(jìn)行定位。如圖2所示。

圖2 被測(cè)工件尺寸

2.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

2.2.1 工業(yè)相機(jī)及鏡頭

工業(yè)相機(jī)選用HIKROBOT的MV-CH120-10GM面陣相機(jī)，該相機(jī)具有1200萬像素，分辨率4096×3000，選用Sony IMX304的CMOS傳感器，靶面尺寸1.1寸，像原尺寸3.45 μm×3.45 μm。

鏡頭選用HIKROBOT的HF-P系列工業(yè)鏡頭，具有較高的分辨率和極低的畸變，鏡頭型號(hào)為：MVL-HF2524M-10MP。鏡頭的焦距25 mm，光圈范圍F2.4～F16，畸變-0.01%，最近拍攝距離100 mm。

2.2.2 光源

光源選用與相機(jī)同軸的環(huán)形光源，由高亮度LED組成陣列對(duì)工件進(jìn)行垂直照射，從而獲得清晰的工件邊緣，突出螺紋孔特征，同時(shí)減輕照射陰影問題。選用的光源型號(hào)為KW-R144-W，發(fā)射白光功率11 W。

2.2.3 圖像處理軟件

圖像處理軟件選用?？低暤腣isionMaster算法平臺(tái)，該算法平臺(tái)通過圖形化交互界面進(jìn)行操作，具有定位、測(cè)量、檢測(cè)、識(shí)別等多種功能?？梢杂糜诰_定位圖像中的任意幾何體元素，可達(dá)1/16像素精度，支持標(biāo)定板標(biāo)定、N點(diǎn)標(biāo)定、畸變校正等多種標(biāo)定方式。機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成

3 圖像獲取與分析方法

3.1 圖像獲取

如圖4所示，工件固定放置，工業(yè)相機(jī)可移動(dòng)，通過改變拍攝距離，獲得不同視場(chǎng)的工件圖像。首先拍攝一組全局的工件圖像，保證圖像全部進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視野且工件的水平邊緣與圖像軸平齊；然后縮短拍攝距離，調(diào)整工業(yè)鏡頭對(duì)焦環(huán)使圖像清晰，再次拍攝獲得一組工件圖像；反復(fù)改變拍攝距離，重復(fù)以上步驟獲得不同拍攝距離的工件圖像。每次拍攝時(shí)，通過反復(fù)調(diào)節(jié)，保證工業(yè)相機(jī)光軸垂直于工件表面，工件的水平邊緣與圖像軸平齊。不同拍攝距離拍攝螺紋孔對(duì)比見圖5。

(a)遠(yuǎn)距離拍攝

(b)近距離拍攝 圖4 不同拍攝距離對(duì)工件拍照

圖5 不同拍攝距離拍攝螺紋孔對(duì)比

3.2 標(biāo)定

標(biāo)定分為相機(jī)標(biāo)定和手眼標(biāo)定兩部分，其中相機(jī)標(biāo)定是為了建立像素與實(shí)際物理尺寸的關(guān)系，手眼標(biāo)定是為了獲得工件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置。

3.2.1 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定時(shí)，根據(jù)工業(yè)相機(jī)的圖像視場(chǎng)，選擇大小合適的棋盤格標(biāo)定板貼在工件表面，并使標(biāo)定板水平邊緣與工件水平邊緣平行。標(biāo)定時(shí)，取工件右上角錐銷孔圓心為相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)oa，根據(jù)標(biāo)定板物理尺寸與圖像像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以求得每個(gè)拍攝的螺紋孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

(1)

式中，xia、yia分別代表第i個(gè)螺紋孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，單位mm；kx、ky分別代表x方向和y方向每個(gè)像素代表的實(shí)際物理尺寸，單位mm/pixel；xia′、yia′分別代表在相機(jī)坐標(biāo)系下第i個(gè)螺紋孔的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，單位pixel。

對(duì)于工業(yè)相機(jī)圖像視場(chǎng)中沒有拍攝到的螺紋孔，則根據(jù)工件的理論尺寸進(jìn)行推算。推算時(shí)應(yīng)先計(jì)算右上角螺紋孔與相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)oa連線與相機(jī)坐標(biāo)系x軸夾角θ，未拍攝螺紋孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

(2)

式中，xia、yia分別代表第i個(gè)螺紋孔的在相機(jī)坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，單位mm；yib、xib分別第i個(gè)螺紋孔在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，單位mm。

每改變一次拍攝距離拍攝，都需要重新進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。

3.2.2 手眼標(biāo)定

機(jī)器人螺栓裝配系統(tǒng)為eye to robot系統(tǒng)(工業(yè)相機(jī)固定在地面，不隨機(jī)器人移動(dòng))，根據(jù)齊次坐標(biāo)變換關(guān)系可以將螺紋孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

手眼標(biāo)定時(shí)，首先在機(jī)器人末端安裝尖觸頭，操作機(jī)器人移動(dòng)使尖觸頭頂點(diǎn)與工件右上角錐銷孔圓心對(duì)齊，從而獲得工業(yè)相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。繼續(xù)移動(dòng)機(jī)器人，使尖觸頭原點(diǎn)與工件右上角螺紋孔中心對(duì)齊，獲得右上角螺紋孔中心在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。由右上角錐銷孔圓心坐標(biāo)和右上角螺紋孔中心坐標(biāo)可以求得工件與機(jī)器人世界坐標(biāo)系軸的偏轉(zhuǎn)角。按式(3)所示的坐標(biāo)變換方法，可得到螺紋孔在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

(3)

3.3 圖像處理與分析

3.3.1 螺紋孔理論坐標(biāo)獲取

在實(shí)驗(yàn)過程中，工件的固定放置，工件和機(jī)器人底座之間的相對(duì)位置不會(huì)改變。機(jī)器人安裝底座是焊后加工獲得，其精度靠加工中心重復(fù)定位精度保證，機(jī)器人與底座之間有定位銷可以保證相對(duì)精度，機(jī)器人安裝和工件安裝時(shí)都通過水平尺測(cè)量調(diào)節(jié)保證水平。因此通過實(shí)際測(cè)量工件與底座的位置，通過理論計(jì)算可以獲得工件在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，從而可以獲得每個(gè)螺紋孔在機(jī)器人世界坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)。

3.3.2 圖像處理方法

使用VisionMaster算法平臺(tái)的“圓查找”功能確定工件上錐銷孔和螺紋孔的坐標(biāo)，用像素表示；調(diào)用工業(yè)相機(jī)標(biāo)定板標(biāo)定獲得的標(biāo)定文件，再使用“標(biāo)定轉(zhuǎn)換”功能將錐銷孔和螺紋孔的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成物理坐標(biāo)。

在圖像處理過程中，使用“圖像增強(qiáng)”功能對(duì)拍攝的工件圖片進(jìn)行了預(yù)處理，通過銳化和Gamma校正處理使圖像的對(duì)比度增強(qiáng)，以便于識(shí)別螺紋孔特征。在螺紋孔定位時(shí)，對(duì)螺紋孔的倒角特征進(jìn)行了識(shí)別，并將倒角圓的圓心作為螺紋孔圓心以提高識(shí)別、定位精度；通過多次試驗(yàn)確定了“圓查找”時(shí)最佳的擬合點(diǎn)數(shù)和剔除點(diǎn)數(shù)。圖像處理程序及處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 圖像處理程序及處理結(jié)果

3.3.3 螺紋孔定位誤差分析方法

以工件上8個(gè)螺紋孔、4個(gè)錐銷孔經(jīng)機(jī)器視覺識(shí)別、定位的圓心與理論坐標(biāo)圓心的距離和來定量分析螺紋孔定位精度，其距離和計(jì)算見式(4)。

(4)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同的拍攝距離對(duì)工件進(jìn)行拍攝，分別使工件x方向長(zhǎng)度的100%、80%、60%、50%、40%、30%進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視野，按照上述圖像獲取與分析方法進(jìn)行螺紋孔定位精度的分析。為便于分析，用y軸代替機(jī)器人世界坐標(biāo)系的z軸，并使工件表面垂直于機(jī)器人世界坐標(biāo)系y軸。不同拍攝距離下工件4個(gè)邊緣螺紋孔的物理坐標(biāo)和12個(gè)孔的定位誤差和見表1，不同視野螺紋孔和錐銷孔的圓心識(shí)別結(jié)果對(duì)比見圖7。

表1 螺紋孔定位誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

圖7 不同視野螺紋孔與銷錐孔圓心識(shí)別效果對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在機(jī)器視覺進(jìn)行螺紋孔定位時(shí)，拍攝工件全局受工業(yè)相機(jī)像素、光照、鏡頭畸變等因素限制，識(shí)別定位精度不高，可以通過拍攝局部根據(jù)工件理論尺寸推算的方法提高螺紋孔定位精度。通過拍攝工件局部進(jìn)行識(shí)別定位時(shí)，隨著拍攝視野減小，相機(jī)標(biāo)定、機(jī)器人手眼標(biāo)定精度等因素對(duì)定位精度的影響越來越顯著，拍攝視野占工件面積50%～60%時(shí)定位效果最佳，此時(shí)每個(gè)像素對(duì)應(yīng)物理尺寸約0.03 mm。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了采用機(jī)器視覺拍攝工件全局、拍攝工件局部?jī)煞N不同方法獲得的螺紋孔定位精度，得出了拍攝視野占工件面積50%～60%時(shí)定位效果最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)解決螺栓自動(dòng)化裝配中的螺紋孔視覺識(shí)別、定位難題具有現(xiàn)實(shí)意義，可為較大尺寸工件的螺紋孔視覺識(shí)別、定位提供參考。