阅读说明：本技术 基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统 (Metallurgical technology probe plugging calibration method based on visual measurement and plugging system thereof ) 是由 魏振红 吴瑞珉 宋希韬 叶长宏 刘俊江 徐国栋 于 2018-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统,利用视觉传感器、圆柱杆和冶金技术探针构造了约定区域,在约定区域内,视觉传感器检测圆柱杆和冶金技术探针的相对位置和姿态,得到的位置和姿态结果用于控制驱动装置将圆柱杆插入到冶金技术探针内。为了提高接插的精度和可靠性,利用标准探针配合固定装置,对接插的初始位置、姿态、轴线进行有效的标定。接插过程中,驱动装置保证圆柱杆基本保持姿态,以轴线方向为基准进行接插进给运动,实现圆柱杆初始进入冶金技术探针内。随后继续利用视觉传感器校正圆柱杆和冶金技术探针内的有效长度。本发明能够准确完成圆柱杆和冶金技术探针之间的接插。(The invention discloses a metallurgical technology probe plugging calibration method based on visual measurement and a plugging system thereof. In order to improve the accuracy and reliability of plugging, the initial position, the attitude and the axis of the plugging are effectively calibrated by utilizing a standard probe to be matched with a fixing device. In the inserting process, the driving device ensures that the cylindrical rod basically keeps the posture, and the inserting feeding motion is carried out by taking the axis direction as the reference, so that the cylindrical rod initially enters the metallurgical technology probe. The effective length within the cylindrical rod and metallurgical probe then continues to be calibrated using the vision sensor. The invention can accurately complete the insertion between the cylindrical rod and the metallurgical technology probe.)

基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统

技术领域

本发明涉及面向冶金技术探针，更具体地说，涉及一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统。

背景技术

如对比文件1，中国专利公开号为CN 103348228A公开了一种借助机械定心装置以及包含有多组该定心装置的保持框，将长轴型接触杆***到端面敞开探针内的方法，但其缺点主要如下：

1)该方法的定心装置对于接触杆来说，只具有点定位功能而缺乏轴向定位功能，这种情况就导致了在接触杆位姿不合适时，定心装置不能保证接触杆的***方向与探针纵轴一致，存在角度差并导致接触杆***失败的可能性提高。由于通过机械机构增加对接触杆的轴向定位，在利用机器人进行接插且接插位姿有偏差的情况下，对工具和定位装置等机械结构均有较强的作用力和反作用力，仍然不利于顺利接插。

2)该方法中缺少对接触杆接插作业初始位姿的良好标定，但实际情况是接触杆的初始位姿如果标定不合适，就会与上述缺点1)复合，进而增加接插的失败率，降低接插过程质量。

3)该方法中还提到其需要在接触杆未弯曲的情况下，对于接触杆存在弯曲的情况并不能进行预判和校核，而接触杆弯曲的情况必然导致其接插的失败。

因此，上述该对比文件1的定心装置具有点定位功能而缺乏轴向定位功能，再加上方法中缺少对接触杆初始位姿的良好标定，因而较难保证接插过程中长轴型的接触杆与探针轴线的角度偏差比较小，降低整个接插过程的质量。

又如对比文件2，中国专利公开号为CN 106242426A公开了一种利用力觉和视觉进行细长轴装配的方法，该方法利用视觉寻孔是通过比对采集图像内与上位机储存内的探针位姿进行机器人位姿调整，但其缺点主要如下：

1)该方法对于细长轴本身形变缺乏标定，想要通过接插过程中力的反馈进行调整，一方面使该方法控制复杂，另一方面对于形变过大导致无法接插的情况无法预判也无法通过细长轴位姿来弥补。类似CN 103348228A对比专利，细长轴本身形变会极大影响接插过程，使得该方法可靠性降低。

2)该方法介绍了寻孔的过程，此过程通过与已存储于上位机中孔系工件的位置和姿态对比进行执行机构的调整。由于已存储的位置和姿态与当前孔系工件的位置和姿态必然存在偏差，诸如孔系工件加工不一致性等原因，从而使得该方法也会引入偏差且无法通过算法弥补。

3)该方法基于视觉和力觉传感器，对圆柱杆和孔系工件的标定缺乏，必然会导致算法复杂，难以保证成功率和接插作业的速度。

因此，上述该对比文件2由于实际探针位姿与已储存探针位姿肯定有偏差，进而导致寻孔阶段存在偏差，此外，对于细长轴本身形变缺乏标定也会导致该方法可靠性降低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统，利用视觉分析圆柱杆与探针相对位置和姿态，并且利用视觉传感器对圆柱杆进行标定，进而准确完成探针的接插。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法，包括以下步骤：

a)在驱动装置的带动下，将圆柱杆移动至接插标准位置，且将圆柱杆调整至事先标定采集的标准姿态；

b)之后驱动装置带动圆柱杆沿事先标定的标准轴线方向，保持标准姿态，初始地向冶金技术探针移动；

c)视觉传感器实时采集约定区域内圆柱杆与冶金技术探针的物理轮廓，测量圆柱杆前端面与冶金技术探针敞口端面的空间相对位置，同时测量圆柱杆轴线与冶金技术探针轴线的相对空间角度，借助算法求出调整量；

d)在圆柱杆向冶金技术探针移动过程中，根据步骤c)获得的调整量，修整驱动装置的运动，从而保证圆柱杆轴线与冶金技术探针轴线一致，进而使得圆柱杆前面***冶金技术探针内；

e)视觉传感器继续测量圆柱杆轴线与冶金技术探针轴线的相对空间角度，同时根据圆柱杆的自身形变，借助算法求出调节量，驱动装置根据调节量继续移动圆柱杆，保证圆柱杆***长度达到标准要求。

所述的步骤a)中，事先标定采集具体如下：

1)圆柱杆以标准轴线为旋转轴，以固定的角度间隔旋转；

2)每旋转一角度，视觉传感器采集圆柱杆前端轮廓，比较圆柱杆不同旋转角度下其前端轮廓的偏差值，得到圆柱杆的形变参数。

所述的标准姿态、标准轴线和标准位置均利用标准探针确定，具体如下：

利用驱动装置将圆柱杆移动至贴合标准探针的深孔截面，获取标准姿态；

利用驱动装置将圆柱杆移动至贴合标准探针的深孔截面，反复移动，取不少于三个点获取标准轴线；

标准位置位于标准轴线上，在约定区域内。

所述的标准探针为铁质材料，通过机加工仿制冶金技术探针制作而成。

另一方面，一种基于视觉测量的冶金技术探针接插系统，包括：圆柱杆和冶金技术探针，冶金技术探针的前端为敞口端，沿敞口端设有一个深孔，使冶金技术探针为中空设置，供圆柱杆前端沿敞口端***冶金技术探针的深孔中，还包括：驱动装置、固定装置和视觉传感器；

所述驱动装置用于连接固定圆柱杆的后端，并移动圆柱杆的位置；

所述固定装置用于固定冶金技术探针，使冶金技术探针的敞口端对准于圆柱杆的前端；

所述圆柱体前端的***长度至冶金技术探针敞口端的***长度之间形成一个约定区域；

所述视觉传感器具有两个，一个通过固定支架位于约定区域的垂直上方，另一个通过固定支架位于约定区域的水平侧方。

所述的驱动装置为多轴机械手。

所述的视觉传感器为工业相机。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法及其接插系统，采用非接触型的视觉接插方式，利用视觉识别来指导驱动装置调整圆柱杆的位姿，解决轴线定位问题，又引入了标准探针，且标准探针是在冶金技术探针的基础上将标准探针与圆柱杆的接插配合面外露，接插配合面具有一定长度，从而直观可靠地对圆柱杆初始位姿进行标定，通过引入视觉传感器对圆柱杆状态进行预判和校核的方法，弥补了对比文件1中空缺的技术手段。本发明同时又约定了视觉传感器的识别范围，在该范围内直接利用视觉传感器对当前冶金技术探针与圆柱杆的相对位置和姿态进行测量，省却对比文件2中提及的已存储值，从而使得到的位姿相对偏差更准确和直接，对应标定方面，本发明更加完善和有效。

附图说明

图1是本发明接插系统的结构示意图；

图2是图1本发明接插系统的侧视图；

图3A是本发明接插系统中冶金技术探针的侧视图；

图3B是本发明接插系统中冶金技术探针的轴测图；

图4A是本发明接插系统中标准探针的侧视图；

图4B是本发明接插系统中标准探针的轴测图；

图5A是本发明接插系统中固定装置的侧视图；

图5B是本发明接插系统中固定装置的轴测图；

图6是本发明接插标定方法中标准姿态的示意图；

图7是本发明接插标定方法中标准轴线的获取方法示意图；

图8是本发明接插标定方法中标准位置的获取方法示意图；

图9是本发明接插标定方法中圆柱杆标定的侧视图；

图10是本发明接插标定方法中圆柱杆标定的方法示意图；

图11是图10圆柱杆标定的方法A-A方向的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1至图3B所示，本发明所提供的一种基于视觉测量的冶金技术探针接插系统，包括：圆柱杆1和冶金技术探针2，冶金技术探针2的前端为敞口端21，沿敞口端21设有一个深孔22，使冶金技术探针2为中空设置，供圆柱杆1前端沿敞口端21***冶金技术探针2的深孔22中，上述为现有技术部分，在此就不再赘述。与现有技术不同的是，还包括：驱动装置3、固定装置4和视觉传感器5，驱动装置3和视觉传感器5还与计算机连接，根据计算机获取驱动装置3和视觉传感器5测得的相关数据，并通过计算法从而控制驱动装置3的移动。

较佳的，所述驱动装置3用于连接固定圆柱杆1的后端，并移动圆柱杆1的位置，驱动装置3采用多轴机械手。

较佳的，所述固定装置4用于固定冶金技术探针2，使冶金技术探针2的敞口端21能够对准圆柱杆1的前端。

较佳的，所述圆柱体1前端的***长度至冶金技术探针2敞口端21的***长度之间形成一个约定区域6，该约定区域6包含了圆柱体1前端和冶金技术探针2敞口端21部分，同时还包含了不小于接插长度的圆柱体1和冶金技术探针2。降低了检测成本并且提高了检测精度，该约定区域6的特点基于实际应用中圆柱体1和冶金技术探针2的配合间隙不会很大，配合紧密度高，所以两者需要准确检测的接插长度远小于冶金技术探针2的深孔22。例如冶金技术探针2内径18mm，圆柱杆1外径16mm。

较佳的，所述视觉传感器5具有两个，均为工业相机，一个通过固定支架位于约定区域6的垂直上方，可以清晰地俯视约定区域6内圆柱杆1和冶金技术探针2的相对位置和角度，另一个通过固定支架位于约定区域6的水平侧方，可以清晰地侧视约定区域6内圆柱杆1和冶金技术探针2的相对位置和角度。通过双目相机的图像比对和数据分析，还原出圆柱体1和冶金技术探针2的空间位置和姿态。

可以想象，当有多组冶金技术探针2和相应固定装置4时，并不能保证视觉传感器5在每一根冶金技术探针2的正上方，而是存在一定角度。但是两个视觉传感器5的布置方式能够保证即使存在角度，两个视觉传感器5通过图像对比算法可以得到圆柱杆1和冶金技术探针2之间的空间角度和位置偏差。

请结合图4A和图4B所示，还包括有标准探针7，标准探针7为铁质材料，通过机加工仿制冶金技术探针2制作而成。标准探针7还原了冶金技术探针2具有的深孔71，同时为了利于标定时圆柱杆1的贴靠，将深孔71的一部分去除进而外露，形成深孔截面72。此外为了保证标定时圆柱状的标准探针7不会发生旋转和平移，通过固定块8用以固定标准探针7，固定块8上还开有沟槽11，标准探针7放置在固定块8上时，深孔截面72垂直向上，且探针轴线9不能移动和旋转。

请结合图5A和图5B所示，固定装置4包括至少两个支撑点41、42，用以支撑冶金技术探针2。支撑点41、42的支撑部分均为V型，且能保证冶金技术探针2放置时，探针轴线9与水平轴线10重合。支撑点42区别于支撑点41的地方在于，支撑点42还与固定块8相连，并与固定块8上的沟槽11相配合。

本发明还提供了一种基于视觉测量的冶金技术探针接插标定方法，包括以下步骤：

a)在驱动装置3的带动下，将圆柱杆1移动至接插标准位置11，且将圆柱杆1调整至事先标定采集的标准姿态12；

b)之后驱动装置3带动圆柱杆1沿事先标定的标准轴线13方向，保持标准姿态12，初始地向冶金技术探针2移动；

c)位于约定区域6顶部的视觉传感器5实时检测采集约定区域6内圆柱杆1与冶金技术探针2的物理轮廓，进而求得圆柱杆轴线14和探针轴线9点角度偏差，同时检测圆柱杆端部截面15与冶金技术探针2敞口端21截面的距离；位于约定区域6侧部的视觉传感器5实时检测圆柱杆轴线14和探针轴线9点角度偏差，同时检测圆柱杆端部截面15与冶金技术探针2敞口端21截面的距离。根据两个视觉传感器5的结果，经过一定计算，得到圆柱杆1的位姿偏移量，即为调整量(△x、△y、△z、△θx、△θy、△θz)。

d)在圆柱杆1向冶金技术探针2移动过程中，根据步骤c)获得的调整量(△x、△y、△z、△θx、△θy、△θz)，修整驱动装置3的运动，从而保证圆柱杆轴线14与探针轴线9一致，进而使得圆柱杆1前面***冶金技术探针2内；

e)视觉传感器5继续测量圆柱杆轴线15与探针轴线9的相对空间角度(△θx、△θy、△θz)，同时根据圆柱杆1的自身形变(△z、β、△d)，借助一定计算求出调节量(△x、△y、△z、△θx、△θy、△θz)，驱动装置3根据调节量继续移动圆柱杆1，保证圆柱杆1***长度达到标准要求。

由于接插过程实际是确定圆柱杆1和冶金技术探针2实际的相对位姿偏差，通过本发明的接插标定方法将高精度的视觉检测直接聚焦于相对位姿偏差的获取，省却中间转换以及理论数据带来的偏差。

在步骤a)圆柱杆1向冶金技术探针2移动过程中，步骤c)视觉传感器5计算调节量实时进行。

请结合图6所示，利用驱动装置3将圆柱杆1移动至贴合标准探针7的深孔截面72，记录驱动装置3内显示的圆柱杆1的姿态(θx、θy、θz)，该位姿即为标准姿态12。

请结合图7所示，利用驱动装置3将圆柱杆1移动至贴合标准探针7的深孔截面72，反复移动不少于三个点，保证各个点均贴合标准探针7的深孔截面72，利用获取的点求得标准轴线13并记录在驱动装置3内。

请结合图8所示，利用驱动装置3将圆柱杆1移动至贴合标准探针7的深孔截面72，沿标准轴线13退出深孔截面72区域的一定距离，记录驱动装置3内显示的圆柱杆的位置(x、y、z)，即为标准位置11。

图9至图11展示了利用视觉传感器5标定圆柱杆1自身形变的过程。

1)在驱动装置3的带动下，将圆柱杆1移动至接插标准位置11，且将圆柱杆1调整至事先标定采集的标准姿态12；

2)图9示意了圆柱杆1在标准位置11的状态。圆柱杆1以标准轴线13为旋转轴，按照z轴的旋转方向，以固定角度间隔α旋转，得到圆柱杆1不同的状态(如图10中的标号B、C)。总计旋转次数为360/α，得到角度序列(0，α，……，360-α)，为方便起见，α可取360的公约数。例如总计旋转4次，每次旋转90°，则角度序列为(0°，90°，180°，270°)；

3)角度序列内每一个角度处，视觉传感器5采集圆柱杆1前端轮廓，比较截面在不同角度时轮廓的偏差值，得到偏差值组(S_A，D₀，D_α，……，D_180/α)。例如存在截面A-A，距离圆柱杆端面15的距离为S_A，当旋转角度为0°与180°时轮廓差值D_α＝D1、90°与270°轮廓差值D_α＝D2，得到偏差值组(S_A，D1，D2)；

4)根据偏差值组(S_A，D1，D2)，在圆柱杆1截面为圆形的前提下，推算出圆柱杆1截面轮廓的最大偏差值△D以及此时的旋转角度β，得到截面A-A处的形变参数(S_A，β，△D)；

5)由于截面A-A可以被定义在不同位置，本发明将其设置为S_A＝n*△s(n＝1，2，……，n)，因此得到整个圆柱杆1前端的变形参数为S_A，β，△D)。

测量圆柱杆的形变具有通用性，不限于可以保证不会由于圆柱杆过大的偏差使得整个接插过程难度和失败率提高，同时在圆柱杆已***冶金技术探针后的***阶段，形变参数也被用于调整圆柱杆位姿以降低***难度。在接插开始前，需要判断圆柱杆自身形变是否过大，超过额定值则需要更换圆柱杆；接插开始后，从圆柱杆初始***冶金技术探针直至插接完成，圆柱杆自身形变可以作为圆柱杆位姿的参考值。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。