本发明公开了一种基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件的装置与方法，所述装置包括4个运动平台、两路正交排列的显微视觉系统、夹持器、真空发生器、计算机。每一路显微视觉安装在一个6自由度运动平台上，夹持器安装在一个3自由度平移运动平台上，柱状微零件放置于一个6自由度平台上。首先，夹持器进入显微视觉系统的视野，以其为基准调整两路显微视觉系统的位姿。然后，夹持器退出，柱状微零件进入视野并调整其姿态。在垂直向下的显微视觉系统的引导下，夹持器趋近柱状微零件，并以真空吸附方式抓取柱状微零件。本发明实现了摄像机坐标系与运动坐标系的解耦，不需要对摄像机的参数进行标定，也不需要显微视觉系统多次聚焦，应用方便。
1.一种基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件装置，其特征在于，该装置包括：
第一六自由度运动平台(1)、第一路显微视觉系统、柱状微零件(4)、第二路显微视觉系统、第二六自由度运动平台(7)、第三六自由度运动平台(8)、夹持器(12)、真空发生器(13)、三自由度平移运动平台(15)、隔振平台(16)，其中：第一六自由度运动平台(1)、第二六自由度运动平台(7)、第三六自由度运动平台(8)和三自由度平移运动平台(15)均安装在隔振平台(16)上；
所述第一路显微摄视觉系统安装于所述第一六自由度运动平台(1)的末端，用于辅助调整柱状微零件(4)的位置，以及测量夹持器(12)前端边缘和柱状微零件(4)上与夹持器(12)前端边缘相对一侧边缘间的偏差；所述第一路显微摄视觉系统沿着垂直向下的方向依次包括第一CCD摄像机(2)和第一显微镜头(3)；
所述第二路显微摄视觉系统安装于所述第三六自由度运动平台(8)的末端，用于辅助调整柱状微零件(4)绕水平面横向、纵向的姿态；所述第二路显微摄视觉系统沿着水平面横向向左的方向依次包括第二CCD摄像机(6)和第二显微镜头(5)，所述第二CCD摄像机(6)和第二显微镜头(5)指向所述柱状微零件(4)，所述第二CCD摄像机(6)用于记录夹持器(12)前端平面图像的边缘直线方向；所述柱状微零件(4)的侧边缘图像的直线方向与夹持器(12)前端平面的图像边缘纵向直线方向相同；
所述柱状微零件(4)置于第二六自由度运动平台(7)末端的上方；
所述夹持器(12)沿着水平面横向向右的方向安装于三自由度运动平台(15)末端的上方，并指向柱状微零件(4)；
所述夹持器(12)通过气路连接到真空发生器(13)，以便产生负压进行真空吸附；
所述第一六自由度运动平台(1)、第二六自由度运动平台(7)、第三六自由度运动平台(8)分别具有三个平移自由度和三个旋转自由度；所述三自由度平移运动平台(15)可分别沿垂直方向和水平面横向、纵向进行平移运动；
所述装置还包括计算机(11)，所述第一CCD摄像机(2)通过第一视觉联接线(10)连接至计算机(11)；所述第二CCD摄像机(6)通过第二视觉联接线(9)连接至计算机(11)；所述三自由度平移运动平台(15)通过控制连接线(14)连接至计算机(11)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一六自由度运动平台(1)通过支架联接到隔振平台(16)上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二六自由度运动平台(7)、第三六自由度运动平台(8)和三自由度平移运动平台(15)成一条直线排列。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一六自由度运动平台(1)、第二六自由度运动平台(7)和第三六自由度运动平台(8)为手动调整，所述三自由度平移运动平台(15)为电动调整。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持器(12)的前端为半圆弧柱面外加两侧平面。
6.一种利用权利要求1所述的基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件装置对准和抓取柱状微零件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1：三自由度平移运动平台(15)沿着水平面横向运动，使得安装于三自由度运动平台(15)末端上方的夹持器(12)进入第一路显微视觉系统的第一CCD摄像机(2)的视野；
步骤S2：调整第一六自由度运动平台(1)的位移和姿态以改变第一CCD摄像机(2)的位姿，使得夹持器(12)上端面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器(12)沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器(12)沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；
步骤S3：调整第三六自由度运动平台(8)的位移和姿态以改变第二路显微视觉系统的第二CCD摄像机(6)的位姿，使得夹持器(12)前端平面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器(12)沿水平面纵向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器(12)沿垂直方向运动时只有图像纵坐标发生变化；同时记录夹持器(12)前端平面图像的边缘直线方向；
步骤S4：三自由度平移运动平台(15)沿着水平面横向运动，使得夹持器(12)退出第一路和第二路显微视觉系统的视野；
步骤S5：调整第二六自由度运动平台(7)的位移和姿态以调整柱状微零件(4)的位姿，使得柱状微零件(4)进入第一路和第二路显微视觉系统的视野；使得柱状微零件(4)上端面在第一CCD摄像机(2)的图像清晰且处于图像中心区域，并且在柱状微零件(4)沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在柱状微零件(4)沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；使得柱状微零件(4)的侧边缘在第二CCD摄像机(6)中的图像清晰且处于图像中心区域，柱状微零件(4)的侧边缘图像的直线方向与夹持器(12)前端平面的图像边缘纵向直线方向相同；
步骤S6：三自由度平移运动平台(15)沿水平面横向运动，使得夹持器(12)上端面重新进入第一CCD摄像机(2)的视野；
步骤S7：第一CCD摄像机(2)采集夹持器(12)和柱状微零件(4)上端面的图像，计算夹持器(12)前端边缘和柱状微零件(4)上与夹持器(12)前端边缘相对一侧边缘间的偏差；
步骤S8：基于所述偏差控制三自由度平移运动平台(15)沿水平面横向、纵向运动，以消除夹持器(12)前端边缘与柱状微零件(4)后侧边缘间的偏差；
步骤S9：三自由度平移运动平台(15)沿垂直方向下移一固定距离，使得夹持器(12)前端与柱状微零件(4)在垂直方向居中对齐；
步骤S10：启动真空发生器(13)，使夹持器(12)以真空吸附方式抓取柱状微零件(4)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S11：控制三自由度平移运动平台(15)运动，使夹持器(12)将柱状微零件(4)移走。
基于显微视觉的对准和抓取柱状微零件的方法与装置
技术领域
[0001] 本发明属于机器人微操作技术领域中的显微视觉测量和控制，尤其是一种基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件的方法与装置。
背景技术
[0002] 目前比较常用的微操作方法是在显微视觉的引导下进行的。利用显微视觉测量目标在平面内的位置和姿态，控制操作手按照目标的位姿调整自身的位姿，以便趋近和抓取目标。由于显微视觉景深小、视场小，所以为了观测不同的目标经常需要使得目标多次进出摄像机的视野，导致操作工艺复杂(参见文献：Zemin Jiang，De Xu，Min Tan，Hui Xie.MEMS Assembly with the Simplex Focus Measure，2005IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，pp.1118-1122，Ontario，Canada，July 29-August 1，2005)。此外，为了保证不同目标的图像清晰，摄像机需要多次聚焦(参见文献：陈国良，黄心汉，周祖德，微装配机器人系统，机械工程学报，第45卷第5期，第288～293页，2009)，占用时间较长，导致工作效率较低。
发明内容
[0003] 为了解决现有技术中夹持器和柱状微零件目标需要多次进出摄像机的视野导致操作工艺复杂的问题以及多次聚焦导致效率低的问题，本发明的目的在于提供一种不需要多次聚焦的显微视觉引导下的夹持器对准和抓取柱状微零件的方法与装置。
[0004] 为实现上述目的，根据本发明一方面，提供一种基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件的装置，该装置包括：第一六自由度运动平台1、第一路显微视觉系统、柱状微零件4、第二路显微视觉系统、第二六自由度运动平台7、第三六自由度运动平台8、夹持器12、真空发生器13、三自由度平移运动平台15、隔振平台16，其中：
[0005] 第一六自由度运动平台1、第二六自由度运动平台7、第三六自由度运动平台8和三自由度平移运动平台15均安装在隔振平台16上；
[0006] 所述第一路显微摄视觉系统安装于所述第一六自由度运动平台1的末端，用于辅助调整柱状微零件4的位置，以及测量夹持器12前端边缘和柱状微零件4上与夹持器12前端边缘相对一侧边缘间的偏差；所述第一路显微摄视觉系统沿着垂直向下的方向依次包括第一CCD摄像机2和第一显微镜头3；
[0007] 所述第二路显微摄视觉系统安装于所述第三六自由度运动平台8的末端，用于辅助调整柱状微零件4绕水平面横向、纵向的姿态；所述第二路显微摄视觉系统沿着水平面横向向左的方向依次包括第二CCD摄像机6和第二显微镜头5，所述第二CCD摄像机6和第二显微镜头5指向所述柱状微零件4；
[0008] 所述柱状微零件4置于第二六自由度运动平台7末端的上方；
[0009] 所述夹持器12沿着水平面横向向右的方向安装于三自由度运动平台15末端的上方，并指向柱状微零件4；
[0010] 所述夹持器12通过气路连接到真空发生器13，以便产生负压进行真空吸附。
[0011] 根据本发明另一方面，提供一种利用所述装置基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件方法，该方法包括：
[0012] 步骤S1：三自由度平移运动平台15沿着水平面横向运动，使得安装于三自由度运动平台15末端上方的夹持器12进入第一路显微视觉系统的第一CCD摄像机2的视野；
[0013] 步骤S2：调整第一六自由度运动平台1的位移和姿态以改变第一CCD摄像机2的位姿，使得夹持器12上端面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器12沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器12沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；
[0014] 步骤S3：调整第三六自由度运动平台8的位移和姿态以改变第二路显微视觉系统的第二CCD摄像机6的位姿，使得夹持器12前端平面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器12沿水平面纵向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器12沿垂直方向运动时只有图像纵坐标发生变化；同时记录夹持器12前端平面图像的边缘直线方向；
[0015] 步骤S4：三自由度平移运动平台15沿着水平面横向运动，使得夹持器12退出第一路和第二路显微视觉系统的视野；
[0016] 步骤S5：调整第二六自由度运动平台7的位移和姿态以调整柱状微零件4的位姿，使得柱状微零件4进入第一路和第二路显微视觉系统的视野；使得柱状微零件4上端面在第一CCD摄像机2的图像清晰且处于图像中心区域，并且在柱状微零件4沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在柱状微零件4沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；使得柱状微零件4的侧边缘在第二CCD摄像机6中的图像清晰且处于图像中心区域，柱状微零件4的侧边缘图像的直线方向与夹持器12前端平面的图像边缘纵向直线方向相同；
[0017] 步骤S6：三自由度平移运动平台15沿水平面横向运动，使得夹持器12上端面重新进入第一CCD摄像机2的视野；
[0018] 步骤S7：第一CCD摄像机2采集夹持器12和柱状微零件4上端面的图像，计算夹持器12前端边缘和柱状微零件4上与夹持器12前端边缘相对一侧边缘间的偏差；
[0019] 步骤S8：基于所述偏差控制三自由度平移运动平台15沿水平面横向、纵向运动，以消除夹持器12前端边缘与柱状微零件4后侧边缘间的偏差；
[0020] 步骤S9：三自由度平移运动平台15沿垂直方向下移一固定距离，使得夹持器12前端与柱状微零件4在垂直方向居中对齐；
[0021] 步骤S10：启动真空发生器13，使夹持器12以真空吸附方式抓取柱状微零件4。
[0022] 本发明以夹持器为基准，调整两路显微视觉系统的位姿，既能够保证目标成像清晰，又保证了摄像机坐标系与运动坐标系的解耦，可以有效的避免摄像机参数标定的繁琐过程，提高了使用方便性。本发明在初始化过程中实现了柱状微零件目标的姿态调整，保证了夹持器与柱状微零件的姿态一致性，解决了传统微装配过程中需要目标和夹持器多次进出显微视觉系统视野问题，以及摄像机需要多次聚焦的问题，简化了操作工艺，提高了操作效率。
[0023] 本发明实现了摄像机坐标系与运动坐标系的解耦，不依赖于摄像机的参数，故不需要对摄像机的参数进行标定。本发明既不需要目标和夹持器多次进出显微视觉系统视野，也不需要摄像机多次聚焦，应用方便，可以大幅度提高显微视觉引导下微操作的适应性和可用性。
附图说明
[0024] 图1为本发明基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件装置示意图。
[0025] 图2为本发明基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件方法流程图。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0027] 图1为本发明基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件装置示意图，如图1所示，该装置包括：6自由度运动平台1、第一路显微视觉系统、柱状微零件4、第二路显微视觉系统、6自由度运动平台7、6自由度运动平台8、视觉联接线9、视觉联接线10、计算机11、夹持器12、真空发生器13、控制连接线14、3自由度平移运动平台15、隔振平台16，其中：
[0028] 6自由度运动平台1、6自由度运动平台7、6自由度运动平台8和3自由度平移运动平台15均安装在隔振平台16上，其中，所述6自由度运动平台1是通过支架联接到隔振平台16上的，且6自由度运动平台7、6自由度运动平台8和3自由度平移运动平台15成一条直线排列；
[0029] 所述第一路显微摄视觉系统安装于所述6自由度运动平台1的末端，用于辅助调整柱状微零件4的位置，以及测量夹持器12前端边缘和柱状微零件4上与夹持器12前端边缘相对一侧边缘间的偏差；所述第一路显微摄视觉系统沿着垂直向下的方向依次包括CCD摄像机2和显微镜头3；
[0030] 所述第二路显微摄视觉系统安装于所述6自由度运动平台8的末端，用于辅助调整柱状微零件4绕水平面横向、纵向的姿态；所述第二路显微摄视觉系统沿着水平面横向向左的方向依次包括CCD摄像机6和显微镜头5；
[0031] 所述柱状微零件4置于6自由度运动平台7末端的上方；
[0032] 所述CCD摄像机6和显微镜头5指向所述柱状微零件4，所述两路显微视觉系统成正交排列，其中第一路显微摄视觉系统朝向为垂直向下，第二路显微摄视觉系统朝向为水平指向柱状微零件4；
[0033] 所述夹持器12沿着水平面横向向右的方向安装于3自由度运动平台15末端的上方，并指向柱状微零件4；
[0034] 所述夹持器12通过气路连接到真空发生器13，以便产生负压进行真空吸附；
[0035] 所述CCD摄像机2通过视觉联接线10连接至计算机11；所述CCD摄像机6通过视觉联接线9连接至计算机11；所述3自由度平移运动平台15通过控制连接线14连接至计算机11；
[0036] 所述6自由度运动平台1、6自由度运动平台7和6自由度运动平台8为手动调整，3自由度平移运动平台15为电动调整。
[0037] 在本发明一实施例中，所述6自由度运动平台1、6自由度运动平台7、6自由度运动平台8均采用运动平台，并分别具有3个平移自由度和3个旋转自由度；所述3自由度平移运动平台15采用运动平台，可分别沿垂直方向和水平面横向、纵向进行平移运动；CCD摄像机2和CCD摄像机6采用PointGrey摄像机，显微镜头3和显微镜头5采用Navitar LY镜头；计算机11采用Dell Inspiron 545S，夹持器12的前端为半圆弧柱面外加两侧平面，隔振平台16采用连胜ZDT20-15隔振平台。柱状微零件4为空心圆柱体，外圆直径6mm，壁厚0.1mm，高度4mm。
[0038] 根据本发明另一方面，还提供一种基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件的方法，在该方法中，首先，使夹持器进入显微视觉系统的视野，并以夹持器为基准，调整两路显微视觉系统的位姿，保证能够采集到清晰的图像；然后，使夹持器退出显微视觉系统的视野，使柱状微零件进入显微视觉系统的视野，并调整柱状微零件的姿态；最后，在垂直向下的显微视觉系统的引导下，夹持器趋近柱状微零件，并以真空吸附方式抓取柱状微零件。
[0039] 图2为本发明基于显微视觉的夹持器对准和抓取柱状微零件方法流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
[0040] 步骤S1：3自由度平移运动平台15沿着水平面横向运动，使得安装于3自由度运动平台15末端上方的夹持器12进入第一路显微视觉系统的CCD摄像机2的视野，并在计算机11上观测到夹持器12上端面的图像；
[0041] 步骤S2：调整6自由度运动平台1的位移和姿态以改变CCD摄像机2的位姿，使得夹持器12上端面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器12沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器12沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；
[0042] 步骤S3：调整6自由度运动平台8的位移和姿态以改变第二路显微视觉系统的CCD摄像机6的位姿，使得夹持器12前端平面的图像清晰且处于图像中心区域，并且在夹持器12沿水平面纵向运动时只有图像横坐标发生变化，在夹持器12沿垂直方向运动时只有图像纵坐标发生变化；记录夹持器12前端平面图像的边缘直线方向；
[0043] 步骤S4：3自由度平台15沿着水平面横向运动，使得夹持器12退出第一路和第二路显微视觉系统的视野；
[0044] 步骤S5：调整6自由度运动平台7的位移和姿态以调整柱状微零件4的位姿，使得柱状微零件4进入第一路和第二路显微视觉系统的视野；使得柱状微零件4上端面在CCD摄像机2的图像清晰且处于图像中心区域，并且在柱状微零件4沿水平面横向运动时只有图像横坐标发生变化，在柱状微零件4沿水平面纵向运动时只有图像纵坐标发生变化；使得柱状微零件4的侧边缘在CCD摄像机6中的图像清晰且处于图像中心区域，柱状微零件4的侧边缘图像的直线方向与夹持器12前端平面的图像边缘纵向直线方向相同；
[0045] 步骤S6：3自由度平台15沿水平面横向运动，使得夹持器12上端面重新进入CCD摄像机2的视野；
[0046] 步骤S7：CCD摄像机2采集夹持器12和柱状微零件4上端面的图像，计算夹持器12前端边缘和柱状微零件4上与夹持器12前端边缘相对一侧边缘间的偏差；
[0047] 步骤S8：基于所述偏差控制3自由度平移运动平台15沿水平面横向、纵向运动，以消除夹持器12前端边缘与柱状微零件4后侧边缘间的偏差；
[0048] 步骤S9：3自由度平移运动平台15沿垂直方向下移一固定距离，使得夹持器12前端与柱状微零件4在垂直方向居中对齐；
[0049] 步骤S10：启动真空发生器13，使夹持器12以真空吸附方式抓取柱状微零件4；
[0050] 步骤S11：控制3自由度平移运动平台15运动，使夹持器12将柱状微零件4移走。
[0051] 在上述步骤中，步骤S1～S5属于装置的初始化过程，用于调整两路显微视觉系统的位姿确保能够清晰成像，并实现摄像机坐标系与运动坐标系之间的解耦；步骤S6～S11属于有效工作过程，用于趋近夹持器对柱状微零件的趋近、对准和抓取操作。本发明一旦初始化完成后，步骤S1～S5不需要再次执行，避免了目标多次进出摄像机视野。
[0052] 在实际操作中，首先，按照步骤S1～S5调整第一路和第二路显微视觉系统的位姿以及柱状微零件的位姿；然后，按照步骤S6～S11实现了夹持器对柱状微零件的趋近、对准和抓取。上述步骤完成后，夹持器释放柱状微零件，重复步骤S6～S11，就可以多次实现夹持器对柱状微零件的趋近、对准和抓取。
[0053] 在夹持器对柱状微零件的趋近、对准和抓取的多次实验中，第一路显微视觉系统均能够得到夹持器和柱状微零件上端面的清晰图像，能够实现夹持器快速趋近和对准柱状微零件，并实现成功抓取。
[0054] 可见，本发明在夹持器12趋近和对准柱状微零件4的过程中，只需要调整夹持器12在水平面内沿横向、纵向运动即可。
[0055] 本发明在不依赖于摄像机的参数的情况下，实现了显微视觉系统摄像机坐标系与运动坐标系的解耦；也不需要显微视觉系统进行多次聚焦。总之，本发明能够在显微视觉的引导下，快速而且有效地实现夹持器对柱状微零件的趋近、对准和抓取。
[0056] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
