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1、(10)申请公布号 CN 102073148 A(43)申请公布日 2011.05.25CN102073148A*CN102073148A*(21)申请号 201110007968.3(22)申请日 2011.01.14G02B 27/62(2006.01)(71)申请人北京理工大学地址 100081 北京市海淀区海淀区中关村南大街5号(72)发明人张之敬 金鑫 叶鑫 王强(74)专利代理机构北京理工大学专利中心 11120代理人李爱英 杨志兵(54) 发明名称一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统(57) 摘要本发明提供一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，包括机械手、光源。
2、、光学对位装置、微动平台、摄像装置以及控制装置；其中，摄像装置与光学对位装置位于同一水线上，机械手和微动平台分别位于光学对位装置的上方和下方。采用局部模板、基体件图像以及待配件图像都为二值图像，在模板匹配过程中仅有二值边缘存在，因此在匹配时计算量大大减小，速度提高，满足定位实时性需求。同时采用局部模板来寻找基体件和待配件上的精确对位像素坐标以及方向线夹角，并根据其生成控制信号控制微动平台进行调整，其对位精度更高。 (51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页CN 102073153 A 1/1页21.一种微小型结。
3、构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，包括机械手、光源、光学对位装置、微动平台、摄像装置以及控制装置；其中，摄像装置与光学对位装置位于同一水线上，机械手和微动平台分别位于光学对位装置的上方和下方；机械手包括吸头，用于吸附待配件；光源用于为基体件和待配件提供照明；光学对位装置，用于改变基体件和待配件的反射光的光路；微动平台，用于承载基体件并在控制装置的控制下进行调整；摄像装置用于采集基体件和待配件图像，对图像进行测量，并将基体件和待配件的偏差信息传输给控制装置；控制装置包括光源控制模块、存储模块、图像处理模块以及微动平台调整模块；光源控制模块，采用分时的方式控制光源为基体件和待配件提供。
4、照明；存储模块，用于存储根据先验知识建立包含典型结构对位特征的局部模板；图像处理模块，用于对接收基体件图像和待配件图像进行处理，根据处理的结果生成控制信号传输给微动平台调整模块；微动平台调整模块，用于根据接收的控制信号控制微动平台进行相应的调整；控制装置的光源控制模块控制打开待配件的光源，摄像装置利用经处理后的待配件图像进行自动调焦；调焦结束后，摄像装置采集待配件的图像和基体件图像并传输的图像处理模块，图像处理模块利用局部模板将提取待配件的精确对位像素点(x1，y1)和基体件的精确对位像素点(x0，y0)，提取(x0，y0)的方向线夹角0和(x1，y1)的方向线夹角1；图像处理模块进一步根据(。
5、x0，y0)、0、(x1，y1)以及1生成微动平台控制信号传输给微动平台调整模块，微动平台调整模块控制微动平台进行相应的调整，使基体件与待配件之间精确对位。2.根据权利要求1所述微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，所述控制装置进一步包括显示模块，用于提供人机交互的界面，对装配过程中的待配件和基体件的图像进行显示。3.根据权利要求1所述微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，所述局部模板、基体件图像以及待配件图像都为二值图像。4.根据权利要求3所述微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，所述图像处理模块用于对接收的基体件图像和待配件图像进行处理。
6、为：将基体件图像分为四个区域，根据待配件特征选择特征匹配区域以及局部模板；选取局部模板上的一点为特征点并在特征匹配区域内进行模板移动，求取模板上灰度为1或0的像素点与待匹配图像上的像素点上与其对应的灰度值进行异或运算，当运算的结果小于事先设置的阈值时，则将当前待匹配图像上与局部模板上的特征点对应的点定为特征点；其中所述待匹配的图像包括待配件图像和基体件图像，所述特征点包括基体件特征点和待配件特征点。5.根据权利要求1所述微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，所述图像处理模块进一步对采集的待配件的一系列图像进行去噪处理，计算待配件图像的调焦函数值，并比较函数值的大小，通过获取极。
7、值的方法实现自动调焦。6.根据权利要求1所述微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，其特征在于，所述去噪处理为采用中值滤波的方法对待配件图像进行去噪处理。权 利 要 求 书CN 102073148 ACN 102073153 A 1/5页3一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统技术领域0001 本发明涉及一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，属于机械装配领域。背景技术0002 随着微机械技术和微机电系统(MEMS)发展和兴起，微小型器件及系统以其尺寸小、重量轻、价格低、功耗低，可靠性强等优点，在笔记本电脑、航天设备、医疗器械等产品中得到广泛应用，涉及工业、航空航天、医疗等。
8、各个领域。些微小型器件都是通过更小的结构件进行组装而成，因此，自动化、半自动化的微结构件装配系统开发研究成为了一个重要的研究领域。目前多数微装配系统采用显示装置对装配图像进行显示，工作人员通过对装配图像的监视，利用机械手间相对运动实现装配。但装配体在相互接近的过程中对视觉遮挡问题难以解决，多数只能根据前期图像控制机械手进行试探性装配。该种装配耗时较多，效率较低，且精度也难以保证。发明内容0003 本发明提出一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，能够实现基体件与待配件在较小空间上的精确同轴对位，并控制机械手单方向运动实现高精度的装配。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：0004 。
9、一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，包括机械手、光源、光学对位装置、微动平台、摄像装置以及控制装置；其中，摄像装置与光学对位装置位于同一水线上，机械手和微动平台分别位于光学对位装置的上方和下方；0005 机械手包括吸头，用于吸附待配件；光源用于为基体件和待配件提供照明；光学对位装置，用于改变基体件和待配件的反射光的光路；微动平台，用于承载基体件并在控制装置的控制下进行调整；摄像装置用于采集基体件和待配件图像并进行传输给控制装置；0006 控制装置包括光源控制模块、存储模块、图像处理模块以及微动平台调整模块；光源控制模块，采用分时的方式控制光源为基体件和待配件提供照明；存储模块，用于。
10、存储根据先验知识建立包含典型结构对位特征的局部模板；图像处理模块，用于对接收基体件图像和待配件图像进行处理，根据处理的结果生成控制信号传输给微动平台调整模块；微动平台调整模块，用于根据接收的控制信号控制微动平台进行相应的调整；0007 控制装置的光源控制模块控制打开待配件的光源，摄像装置利用经处理后的待配件图像进行自动调焦；调焦结束后，摄像装置采集待配件的图像和基体件图像并传输的图像处理模块，图像处理模块利用局部模板将提取待配件的精确对位像素点(x1，y1)和基体件的精确对位像素点(x0，y0)，提取(x0，y0)的方向线夹角0和(x1，y1)的方向线夹角1；图像处理模块进一步根据(x0，y0。
11、)、0、(x1，y1)以及1生成微动平台控制信号传输给微动平台调整模块，微动平台调整模块控制微动平台进行相应的调整，使基体件与待配件之间精确对位。说 明 书CN 102073148 ACN 102073153 A 2/5页40008 本发明所述控制装置进一步包括显示模块，用于提供人机交互的界面，对装配过程中的待配件和基体件的图像进行显示。0009 进一步，本发明中所述局部模板、基体件图像以及待配件图像都为二值图像。0010 进一步，本发明中所述图像处理模块用于对接收的基体件图像和待配件图像进行处理为：0011 将基体件图像分为四各区域，根据待配件特征选择特征匹配区域以及局部模板；选取局部模板上。
12、的一点为特征点并在特征匹配区域内进行模板移动，求取模板上灰度为1或0的像素点与待匹配图像上的像素点上与其对应的灰度值进行异或运算，当运算的结果小于事先设置的阈值时，则将当前待匹配图像上与局部模板上的特征点对应的点定为特征点；其中所述带匹配的图像包括待配件图像和基体件图像，所述特征点包括基体件特征点和待配件特征点。0012 进一步，本发明中图像处理模块进一步对采集的待配件图像进行去噪处理并传输给摄像装置，摄像装置根据处理后的待配件图像进行自动调焦。0013 更佳地，本发明中所述去噪处理为采用中值滤波的方法对待配件图像进行去噪处理。0014 有益效果0015 本发明一种微小型结构件高精度视觉同轴光。
13、学对位装配系统，局部模板、基体件图像以及待配件图像都为二值图像，在模板匹配过程中仅有二值边缘存在，因此在匹配时计算量大大减小，速度提高，满足定位实时性需求。0016 其次，本发明采用同轴光学对位以及微动平台相匹配的形式进行对位装配，因此使基体件与待配件之间的对位精度更高。0017 再次，本发明采用局部模板来寻找基体件和待配件上的精确对位像素坐标以及方向线夹角，并根据其生成控制信号控制微动平台进行调整，其对位精度更高。0018 而且，本发明包括显示模块，采用同轴对位装配的方式进行对位装配，可以在装配出现问题的情况下及时进行调整，避免一个小的零件的问题影响整个零件的装配。附图说明 ：0019 图1。
14、本发明同轴光学对位装配系统结构示意图；0020 图2本发明控制装置的结构示意图；具体实施方式0021 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：0022 如图1所示，一种微小型结构件高精度视觉同轴光学对位装配系统，包括机械手、光源、光学对位装置、微动平台、摄像装置以及控制装置；其中，摄像装置与光学对位装置位于同一水平线上，机械手和微动平台分别位于光学对位装置的上方和下方；0023 机械手包括吸头，用于吸附待配件，可以在控制装置的控制下自动实现对待配件吸附和释放，并且机械手与待配件之间不产生粘连。0024 光源包括基体件光源和待配件光源，用于为基体件和待配件提供照明；当需要采集基体件图像时，控制装。
15、置控制打开基体件光源并关闭待配件光源，当需要采集待配件图说 明 书CN 102073148 ACN 102073153 A 3/5页5像时，控制装置控制打开待配件光源并关闭基体件光源。采用分时的方式对光源进行控制，可以很好的满足摄像装置对基体件和待配件的图像的采集。0025 光学对位装置，用于改变基体件和待配件的反射光的光路，使得摄像装置可以在同一位置分别采集到基体件图像和待配件图像。0026 微动平台，用于承载基体件并在控制装置的控制下进行调整；所述的微动平台可以进行上、下、前、后、左、右六个自由度的调整以及可以绕竖直方向进行旋转。0027 摄像装置用于采集待配件的图像并进行传输给控制装置，。
16、其中摄像装置采集待配件图像传输给控制装置中的图像处理模块，图像处理模块对此时采集的待配件图像采用中值滤波的方式进行处理后回传给摄像装置，摄像装置根据此时的基体件图像进行自动调焦；调焦结束后摄像装置进一步采集待配件和基体件图像，并传输给控制装置。0028 控制装置包括光源控制模块、存储模块、图像处理模块、微动平台调整模块以及显示模块。0029 光源控制模块，用于控制光源为基体件和待配件提供照明，当摄像装置采集待配件图像时，光源控制模块控制打开待配件光源，同时关闭基体件光源；当摄像装置采集基体件图像时，光源控制模块控制打开基体件光源，同时关闭待配件光源。0030 存储模块，用于存储根据先验知识建立。
17、包含典型结构对位特征的局部模板；所述局部模板为图像处理模块对基体件图像和待配件图像进行特征点的提取和定位时使用。0031 图像处理模块，用于接收摄像装置传输过来的待配件图像并进行去噪处理，图像在采集以及传输的过程中必定会产生噪声，这些噪声将影响图像的质量，造成调焦清晰度评价函数曲线的跃变和振荡，降低自动调焦精度，从而影响零件图像对位特征点提取和定位。由于对位原理和显微图像的特点，滤波方法需要能够有效地去除噪声，又能保持边缘，因此，在调焦前首先选择了中值滤波对图像进行处理，摄像装置根据处理后的图像进行自动的调焦，其中待配件图像和基体件图像为二值图像，其中边缘轮廓的像素为1。0032 调焦结束后，。
18、摄像机采集基体件图像和待配件图像，并根据采集的基体件图像，生成作为控制信号的竖直调整信号传输给微动平台调整模块，微动平台调整模块根据接收的竖直调整信号控制微动平台进行竖直方向的调整，使基体件与待配件到摄像装置的光程相等；微动平台调整结束后摄像装置再次采集基体件图像传输给图像处理模块。0033 图像处理模块对基体件图像和待配件图像进行4等分，根据当前需要对位装配的结构件类型，选择待匹配区域以及匹配起始位置和平移运动方向。如图2所示，首先进行轮廓提取，并对提取的轮廓进行匹配。于装配过程中，由于基体件固定在微动平台的专用夹具上，所以基体件上的装配特征的方位基本上固定，进而基体件的特征区域在图像上的位。
19、置基本上固定。其中，本发明以待配件需要装配的区域为特征区域，如待匹配特征区域1为对位特征区域时，则待配件的特征基本上处于4等分区域的左上角区域内，以水平方向为横坐标竖直方向为纵坐标建立直角坐标系。选择局部模板上的一点为特征点，其匹配的起始位置为竖直扫描获得的x坐标的最小值xmin与横向扫描获得的y坐标的最小值ymin，从(xmin，ymin)开始分别向右和向下进行模板的移动，其中所述的匹配为边缘模板的匹配。由于局部模板、基体件图像以及待配件图像都为二值图像，在模板匹配过程中仅有二值边缘存在，即模板上每一个像素点的灰度仅为0或1，因此在匹配时计算量大大减小，速度提高，满足定位实时性需求。同时在建。
20、立模板时，其方位是根据基体件上的匹配特征的方位确定，因此说 明 书CN 102073148 ACN 102073153 A 4/5页6模板匹配过程中所要求旋转的角度较小，不会超过5，并且建立模板时，其放大倍数与待匹配图像的放大倍数基本一致，因此，这里既不涉及到大角度的旋转匹配，也不涉及比例缩放。因此可以减少计算量，提高匹配速度。0034 基于边缘模板的匹配实际上就是求取模板上灰度为1的像素点与待匹配图像上的与其相对应的像素点上的灰度进行异或运算，完全匹配时，异或值的和为零，但是由于模板创建所用的图像与每次匹配的图像会有较小的差异，因此，其匹配过程中异或值的和应该小于事先设置的阈值，所述阈值根据。
21、多次试验结果进行设定。0035 实现了对位特征的粗定位后，然后根据对位特征的不同，采用不同的方法提取待装配结构件和基体件上与其配合的图像上的精确对位特征点像素坐标(x0，y0)和(x1，y1)及方向线夹角0，1。所述不同方法是指由于匹配的模板不同，采用方法不同，例如弹簧柄图像可以采用相邻直线边缘的交点来获得对位特征点坐标，而对于圆形模板，则采用圆心作为定位特征点。0036 计算待装配微小型结构件和基体件上配合结构的图像上的精确对位特征点的像素坐标偏差xx1-x2，yy1-y2以及方向线的夹角偏差1-2；其中x和y的单位都为像素值。根据放大倍数确定像素的转换当量Sx和Sy(pixel/mm)，计。
22、算出微小型装配体间的空间以mm为单位的方位偏差(x/Sx，y/Sy)，并以该偏差为控制信息，通过控制装置实现对微动平台的平移。方向夹角偏差为1-0，如果0，生成顺时针旋转信号传输给微动平台调整模块；当0时，生成逆时针旋转信号传输给微动平台调整模块0037 微动平台调整模块，用于根据图像处理模块传输过来的控制信号，对微动平台进行调整，使基体件与待配件恰好处于相对应的位置。0038 显示模块，用于提供人机交互的界面，对接收的基体件和待配件的图像进行显示，由于微小结构件的提供是按顺序连续供给的，一旦一个零件在对位检测过程中出现对位装配问题，则影响后续的装配检测，并且导致前期装配的一些列操作的无效。为。
23、了避免一个小的零件的问题影响整个零件的装配。采用显示模块提供人机交互的界面，完成人机协同的对位装配方法，这样就会减少浪费，生产率得到进一步提高。通过光学对位和微调机构的检测与调整，使处于同一轴线上的待装配件和基体件以足够的精度对准的方法。最终使基于件与待配件的在人机协同工作的情况下实现精确对位配合。0039 具体的操作流程为：0040 控制装置的光源控制模块控制打开待配件的光源，待配件的反射光通过光学对位装置反射到摄像装置中，摄像装置采集机械手吸附的处于光学对位系统上方的待配件图像传输给图像处理模块进行中值滤波，中值滤波结束之后将图像回传给摄像装置使其进行自动调焦。调焦结束后，摄像装置采集待配。
24、件的图像并传输给控制装置中的图像处理模块，图像处理模块对接收的待配件的图像进行处理，利用局部模板将提取待配件的精确对位像素点，同时光源控制模块控制打开基体件光源和关闭待配件光源，摄像机采集基体件的图像并传输给控制装置的图像处理模块，图像处理模块对接收的基体件的图像进行处理，利用局部模板将提取基体件的精确对位像素点。0041 图像处理模块根据提取基体件和待配件上精确对位像素点坐标(x0，y0)和(x1，y1)及方向线夹角0和1，生成微动平台控制信号传输给微动平台调整模块，微动平台调整说 明 书CN 102073148 ACN 102073153 A 5/5页7模块控制微动平台进行相应的调整。同时。
25、显示模块对装配过程中基体件和待配件进行显示，通过人机协同工作更好的实现基体件与待配件之间的精确对位装配。0042 同时，本发明中待装配微小型结构件的对位局部模板的建立是以边缘检测为基础的，因此在4等分区域限定的基础上，根据扫描确定的实体最外侧的坐标点进一步限定了匹配的范围，极大减小了运算量。而与其配合的微小型基体件，建立的模板也是以边缘检测为基础的，同样在4等分限定区域的基础上进一步限定了匹配的区域，也极大降低了计算量。待装配件以及配合结构件的图像通过分别控制光源的明灭实现图像的分时获取，但在对位特征匹配和定位过程中对内存中的图像可以采用并行处理，可以节约时间，获得快速对位偏差信息。说 明 书CN 102073148 ACN 102073153 A 1/1页8图1图2说 明 书 附 图CN 102073148 A。