CN107843202B - 一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置及方法，属于自动化测量技术领域，其特征在于，包括测头（1）、支撑部（2）、连接法兰（3），所述测头（1）数量为两个，通过支撑部（2）连接，左右两侧对称分布，并向内倾斜一定的角度，测头（1）内部安装有相机（11）和激光器（12），所述激光器（12）发射激光呈线型，相机（11）前端安装有滤光片，所述连接法兰（3）与支撑部（2）相连，用于与机器人固定，本发明结合了机器人自动化和高效性特点，利用结构光三维测量原理，实现对工件间隙、面差的智能实时测量并直观显示，用户能够通过一键式操作获取待测信息，便捷简单、精确度高。

Description

一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置及方法

技术领域

本发明涉及自动化测量技术领域，具体而言，涉及一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置及方法。

背景技术

随着现代制造业的快速发展，航空航天、汽车等大型制造业对质量控制提出了更高的要求，且这些行业的产品大而重，往往需要将质量问题在现场实时解决。在工件加工、装配组装过程中，根据不同的加工工艺、成品的整体设计、美观等因素，在整个工件制造、组装过程中，不可避免的会存在各种间隙、面差，例如：汽车车门与边框之间的间隙，适当的间隙能够有效减少车门异响、车门磨损、开关车门费力等问题，同时，整车加工、装配过程中，工件间隙、面差是不可或缺的工艺，因此，推及整个工业装配加工领域，工件的间隙、面差是普遍涉及的工艺技术，而间隙距离是否符合设计标准关系到整体的舒适性、协调性，正是基于这样的需求，对间隙、面差的测量手段层出不穷。

传统的测量方法往往使用测量标尺，如：游标卡尺、千分尺、百分表等，测量耗时长，而且由于操作人员熟练程度的限制，读取的间隙、面差数据存在较大的误差，数据一致性差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明结合结构光三维测量技术与双目立体视觉原理，对机械加工、装配过程中存在的间隙、面差进行智能化测量，保证测量精度的同时节省人力。

由激光器投出的光平面与被测工件表面相交形成特征光条，特征光条在空间位于光平面上，经透视投影形成的特征图像位于相机的图像平面上，因此，建立光平面与相机图像平面的对应关系，是建立线结构光视觉测量模型的有效途径。

采用的技术方案为一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置，包括测头、支撑部、连接法兰，其特征在于，所述测头数量为两个，通过支撑部连接，左右两侧对称分布，并向内倾斜一定的角度，测头内部安装有相机和激光器，所述激光器发射激光呈线型，相机前端安装有滤光片，所述连接法兰与支撑部相连，用于与机器人固定。

优选的，测头向内倾斜30°角安装。

作为本发明的改进，测头内部安装有相机和激光器，所述激光器发射激光呈线型，相机前端安装有滤光片，使得相机只采集激光条投射在工件间隙的图像，即采集到的图像为一条激光条投影图像，有效排除背景干扰。

本发明方案采用左、右双测头结构，具有双相机、双激光器，且安装位置分别水平共线，即两部激光器发出的激光条重合，相机对应拍摄工件左、右两侧的被测工件的激光条投射扫描图像，利用了结构光三维测量原理以及双目立体视觉中的视差原理恢复出物体的三维信息。

相比于单测头获取的被测间隙、面差激光条图像，本发明结构设计，采用了左右两组激光器和相机，并安装一定的倾斜角度，能够获取更多工件间隙、面差的细节信息，图像信息更加完整，并能够获取图像的深度信息。

作为本发明的进一步改进，激光器与相机镜头均朝向外侧，与测头倾斜角度保持一致，并且相机还向下倾斜一定的角度，角度值优选为30°，使得相机更便于采集激光条投射在工件上的图像。

作为本发明的另一种改进，所述相机镜头朝上安装，并在镜头上方安装反光镜，所述反光镜具有一定的倾斜角，角度值优选为60°，此方案中，激光器朝下安装，并在其下方安装反光镜，所述反光镜具有一定的倾斜角，所述反光镜14倾斜角优选为45°；

反光镜13和反光镜14具有改变光路的作用，具体而言，激光器所发出的激光条经过反光镜14反射垂直投射在待测工件上，相机拍摄反光镜13中的激光条图像；通过安装反光镜，相机与激光器能够垂直安装，特别是相机镜头横向安装时占用空间尺寸大，此方案改进能够缩小装置整体占用的空间，使装置的整体结构更加紧凑，同时，减小外壳尺寸达到了减重的效果。

测头前端具有安装盖，所述安装盖优选为铆接、螺接等可拆卸的结构设计，在对应相机、激光器位置处为透明材质，保护装置内部结构，同时便于污损时及时更换。

本发明还涉及一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.系统上电初始化，激光器和相机开启，机器人根据预先设定的检测轨迹运动到指定位置，选取测量模式，上位机控制左、右相机采集激光条投影在工件上的图像；

S2. 上位机对采集到的两幅激光条图像，进行图像处理，提取激光条图像的光条中心线，经过相机单目及双目标定，获取像平面坐标系与世界坐标系之间的转换关系，进行图像立体匹配，将两幅光条中心线图像合成一副待处理图像，根据标定得到的转换关系，获取待处理图像的空间三维点云坐标；

S3.上位机选取待处理图像中特征点，并根据其空间三维坐标信息，计算被测工件的间隙或面差值，并进行界面显示。

优选地，在S1步骤中，测量模式具有可选择性，测量模式包括智能测量模式、间隙测量模式、面差测量模式、单一测量模式、组测量模式，上位机默认进行智能测量模式，所述智能测量模式中，上位机根据采集的结构光图像特征，判断计算间隙值或面差值，若图像中同时存在间隙与面差特征，则计算二者并显示；此外，用户也可以根据实际需要在步骤S1中预先选取间隙测量模式、面差测量模式、单一测量模式、组测量模式；

在所述间隙测量模式下，只计算被测工件间隙值并进行显示，同样的，在所述面差测量模式下，只计算被测工件面差值并进行显示；单一测量模式适用于用户对多个待测工件的同一位置进行检测，并将检测结果实时显示，同时上位机软件可以生成相应报表，便于用户判断批量工件的优劣；组测量模式适用于用户对一个待测工件的多个位置进行检测，检测结果实时显示，此时上位机软件生成的报表，能够协助用户判断该工件整体的质量。多种测量模式的选取，使得用户操作更为简单明了，工件测量更具针对性，检测结果更加直观化。

进一步地，由于投射激光条的原始图像较粗、轮廓不够清晰，因此所述步骤S2中为了得到轮廓清晰的激光条中心线图像，所述图像处理算法包括图像去噪、二值化、亚像素处理。

经过标定，统一坐标系下两个相机测得的激光条图像中的点云数据重合，为了提高合成精度，匹配点可选取多个点，利用坐标信息进行两幅图像的立体匹配、合成。

所述步骤S3中特征点依据待测工件的光条投影图像特征选取，即选取光条中心线的断开处最外沿的点。所谓间隙是指工件在水平方向上留有空隙，因此激光条投影到间隙上时在水平方向上出现断口，不连续现象，本发明测量方法中，特征点选取正是基于这样的断裂现象，寻找光条中心线断裂处最外沿处的点，进行特征点三维坐标分析，同理，所谓面差是指工件的竖直方向上高低不平，因此，激光条投射的图像在竖直方向上不连续，特征点在此处选取。

综上所述，本发明与现有技术中相比，具有的优点和积极效果是：

本发明装置及方法，结合了机器人自动化和高效性特点，结合结构光三维测量技术与双目立体视觉原理，实现对工件间隙、面差的智能实时测量并直观显示，用户能够通过一键式操作获取待测信息，便捷简单、精确度高。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构图；

图2是本发明装置的俯视结构图；

图3是本发明装置单个测头内部第一种结构方式示意图；

图4本发明装置单个测头内部第二种结构方式示意图；

图5是本发明方法流程图；

图6是单相机、激光器采集工件间隙激光条投影示意图；

图7是本发明装置双测头结构采集工件间隙激光条投影示意图及合成示意图；

图8本发明间隙值、面差值计算过程示意图。

图中：测头1、相机11、激光器12、反光镜13、反光镜14、支撑部2、连接法兰3、数据接口4。

具体实施方式

为能进一步说明本发明的发明内容、特点及作用，兹例举以下实施例详细描述如下：

需要理解的是，在描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。

参见图1、图2，本发明一种与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置，包括测头1、相机11、激光器12、支撑部2、连接法兰3、数据接口4。

所述测头1数量为两个，在装置左右两侧对称分布，为了利于观测，测头向内倾斜一定的角度；测头1内部安装有相机11和激光器12，所述激光器12发射激光呈线型，相机11前端安装有滤光片，本发明方案采用左、右双测头结构，具有双相机、双激光器，且安装位置分别水平共线，即两部激光器发出的激光条重合，相机对应拍摄工件左、右两侧的间隙、面差激光条投射图像。

相比于单测头获取的被测间隙激光条图像（如图6所示），本发明结构设计，采用了左右两组激光器和相机，并安装一定的倾斜角度，能够获取更多工件间隙的细节信息（如图7所述），图像信息更加完整。

参见图3，本发明中测头1内部结构的第一种实施方式，激光器与相机镜头均朝向外侧，与测头倾斜角度保持一致，并且相机11还向下倾斜一定的角度，角度值优选为30°，使得相机更便于采集激光条投射在工件上的图像。

参见图4，本发明中测头1内部结构的第二种实施方式，所述相机镜头朝上安装，并在镜头上方安装反光镜13，所述反光镜13具有一定的倾斜角，角度值在本实施例中选取为60°，此方案中，激光器12也朝下安装，并在其下方安装反光镜14，所述反光镜14具有一定的倾斜角，所述反光镜（14）倾斜角为45°；反光镜13和反光镜14具有改变光路的作用，具体而言，激光器所发出的激光条经过反光镜14反射垂直投射在待测工件上，相机拍摄反光镜13中的激光条图像；通过安装反光镜，相机与激光器能够垂直安装，缩小了占用空间，使装置的整体结构更加紧凑，达到了减重的效果。

两种实施方式也可以交叉实施，例如只在相机镜头单侧安装反光镜。

进一步的，测头1前端具有安装盖，所述安装盖优选为铆接、螺接等可拆卸的结构设计，在对应相机、激光器位置处为透明材质，保护装置内部结构，同时便于污损时及时更换。

检测时，机器人末端通过连接法兰3与本发明装置连接，测量装置通过数据接口4与上位机进行通讯，具体而言，S1.系统上电初始化，激光器和相机开启，机器人根据预先设定的检测轨迹运动到指定位置，发生反馈信号给上位机，用户根据测量需求选取测量模式，上位机控制左、右相机采集激光条投影在工件上的图像；

进一步的，在S1步骤中，测量模式具有可选择性，上位机默认进行智能测量模式，所述智能测量模式中，上位机根据采集的结构光图像特征，判断计算间隙值或面差值，若图像中同时存在间隙与面差特征，则计算二者并显示；此外，用户也可以根据实际需要在步骤S1中预先选取间隙测量模式、面差测量模式、单一测量模式、组测量模式；

在所述间隙测量模式下，只计算被测工件间隙值并进行显示，同样的，在所述面差测量模式下，只计算被测工件面差值并进行显示；单一测量模式适用于用户对多个待测工件的同一位置进行检测，并将检测结果实时显示，同时上位机软件可以生成相应报表，便于用户判断批量工件的优劣；组测量模式适用于用户对一个待测工件的多个位置进行检测，检测结果实时显示，此时上位机软件生成的报表，能够协助用户判断该工件整体的质量。多种测量模式的选取，使得用户操作更为简单明了，工件测量更具针对性，检测结果更加直观化。

测量时，用户只需根据测量需求，进行测量模式选取，即可实时在上位机界面观测被测数据，操作简便，准确性高。

S2. 上位机对采集到的两幅激光条图像，进行图像处理，所述图像处理算法包括图像去噪、二值化、亚像素处理。从原始激光条图像中提取轮廓清晰的光条中心线，如图7，经过相机单目及双目标定，获取像平面坐标系与世界坐标系之间的转换关系，进行图像立体匹配，将两幅光条中心线图像合成一副待处理图像，根据标定得到的转换关系，获取待处理图像的空间三维点云坐标；

S3.上位机依据待测工件的光条投影图像特征选取光条中心线的断开处最外沿的点作为特征点（如图7），根据左右两个特征点的空间三维坐标信息，计算被测工件的间隙或面差值（如图7中d值），并进行界面显示。具体而言，如图8所示，分别作光条中心线的平行线与垂直线，通过计算特征点到平行线的距离，得出面差值；计算特征点到垂直线的距离，得出间隙值。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置进行视觉测量的方法，所述与机器人配合使用的间隙、面差视觉测量装置包括测头(1)、支撑部(2)、连接法兰(3)，所述测头(1)数量为两个，通过支撑部(2)连接，左右两侧对称分布，并向内倾斜一定的角度，测头(1)内部安装有相机(11)和激光器(12)，所述激光器(12)发射激光呈线型，相机(11)前端安装有滤光片，所述连接法兰(3)与支撑部(2)相连，用于与机器人固定；

其特征在于，视觉测量的方法包括如下步骤：

S1.系统上电初始化，激光器和相机开启，机器人根据预先设定的检测轨迹运动到指定位置，选取测量模式，上位机控制左、右相机采集激光条投影在工件上的图像；

S2.上位机对采集到的两幅激光条图像，进行图像处理，提取激光条图像的光条中心线，经过相机单目及双目标定，获取像平面坐标系与世界坐标系之间的转换关系，进行图像立体匹配，将两幅光条中心线图像合成一副待处理图像，根据标定得到的转换关系，获取待处理图像的空间三维点云坐标；

S3.上位机选取待处理图像中特征点，并根据其空间三维坐标信息，计算被测工件的间隙或面差值，并进行界面显示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测头(1)向内倾斜的角度为30°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器(12)、相机(11)镜头朝向外侧。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相机(11)向下倾斜30°角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相机(11)镜头朝上安装，并在镜头上方安装反光镜(13)，所述反光镜(13)具有一定的60°倾斜角。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器(12)朝下安装，并在其下方安装反光镜(14)，所述反光镜(14)具有一定的倾斜45°角。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述测头(1)前端具有安装盖，所述安装盖在对应相机、激光器位置处为透明材质。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，测量模式具有可选择性，包括智能测量模式、间隙测量模式、面差测量模式、单一测量模式、组测量模式。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中为了得到轮廓清晰的激光条中心线图像，所述图像处理算法包括图像去噪、二值化、亚像素处理。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中特征点依据待测工件的光条投影图像特征选取，即选取光条中心线的断开处最外沿的点。