机器人制孔视觉测量系统开发研究

摘要

如今飞机制造业对飞机装配技术提出了高质量、高效率和低成本的生产要求。而对于飞机装配，由于大型飞机壁板上装配孔数量有数千个之多，且材料一般又难以加工，故孔加工是飞机装配的主要瓶颈之一。在这种情形下，机器人制孔技术便成为了飞机装配领域的一个重要应用和研究方向，其中加工孔定位是其位置精度补偿关键技术的重要组成部分。为实现机器人制孔的自主定位，提高自动化和柔性化水平，本文为飞机装配领域的机器人制孔开发了一套视觉测量系统。
　　本文第一章介绍了机器人制孔视觉测量系统的国内外发展现状，概述和总结了系统开发的相关技术及其研究现状，给出了本论文的研究意义、内容和框架;
　　对于图像上孔位的提取算法，第二章根据生产需要提出了算法开发应考虑的三种性能:精度、鲁棒性和处理速度，并为有不同性能需求的三种应用情形:手眼标定、自动搜索和视觉测量，开发了相适应的基于OpenCV的孔位提取算法;
　　对于机器人手眼标定问题，第三章提出了基于标定板装置几何关系特性的手眼标定方法，该方法一方面将刀具坐标系的建立依托在标定板上，另一方面通过标定板九孔阵列图像来标定相机内外参数，从而可通过由九孔阵列建立的标定板工件坐标系来确定手眼关系。本章介绍了标定原理，设计了标定板装置的机械结构，完成了标定中相关计算，详细阐述了该标定方法的应用流程;
　　第四章进行了视觉测量误差分析，对物距和垂直度两大主要误差影响因素进行了实验研究，并也结合了理论研究，提出了二者的误差允许范围以及它们的控制方法:基于使用压脚位移传感器组调姿的垂直度控制方法和基于应用图像清晰度评价函数进行相机对焦的物距控制方法，而且为进一步保证测量精度，在测量方式上提出了一种将待测孔位逐步收敛至成像中心的迭代测量方法;
　　第五章介绍了视觉测量系统的开发，给出了系统的软硬件总体架构，以及软件系统的界面布局和功能组成，阐述了相机对焦、孔位搜索和孔位测量等主要视觉功能的运行机理、实现方式以及软件操作方法等。最后进行了系统的验证实验，实验表明，系统各功能运行良好，手眼标定方法可行，迭代测量效率有保障，视觉测量的定位精度可以达到0.1mm。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 数字图像处理技术

1．4 机器人手眼标定技术

1．4．1 手眼标定技术的研究现状

1．4．2 手眼标定技术的分类

1．5 机器人自动制孔与机器视觉

1．5．1 机器人自动制孔技术

1．5．2 机器视觉

1．6 OpenCV介绍

1．7 论文的选题背景、意义、内容和总体框架

1．7．1 选题背景和意义

1．7．2 论文的研究内容

1．7．3 论文的总体框架

第二章 图像孔位提取算法

2．1 图像孔位提取算法的性能及应用分析

2．1．1 性能分析

2．1．2 应用需求分析

2．2 手眼标定的图像孔位提取算法

2．2．1 孔位提取

2．2．2 特征关系计算

2．3 自动搜索的图像孔位提取算法

2．4 视觉测量的图像孔位提取算法

2．5 本章小结

第三章 机器人手眼标定

3．1 引言

3．2 手眼标定方法的原理

3．2．1 相机参数和相机坐标系的建立

3．2．2 手眼关系和刀具坐标系的建立

3．2．3 手眼标定方法的基本原理

3．3 标定板装置的设计

3．3．1 终端执行器的组成结构

3．3．2 标定板装置的机械结构和安装

3．3．3 标定板装置的工作原理

3．3．4 标定计算

3．4 标定流程

3．5 本章小结

第四章 视觉测量误差分析与控制

4．1 引言

4．2 误差来源分析

4．2．1 相机的成像模型

4．2．2 物距和垂直度对视觉测量精度影响的实验研究

4．3 垂直度和物距的控制方法

4．3．1 垂直度的控制方法

4．3．2 物距的控制方法

4．4 本章小结

第五章 视觉测量系统开发

5．1 系统总体架构

5．2 软件系统的功能布局

5．2．1 相机对焦功能

5．2．2 孔位搜索功能

5．2．3 孔位测量

5．3 验证实验

5．3．1 实验目的

5．3．2 实验设备

5．3．3 实验方法和步骤

5．3．4 实验结论

5．3．5 实验误差分析

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献