[发明专利]一种基于视觉的六自由度小位移检测方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面设置一准直光光源1在光接收器1上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像，根据矩形视觉标靶图像的平移得到被测对象发生的平移Tx和Ty，根据矩形视觉标靶图像的转动得到被测对象发生的旋转位移Rz；由光斑1发生的位移得到被测对象的转动位移Rx和Ry；在被检测对象上表面偏离视觉标靶的位置设置一平面反射镜，并在被检测对象上方设置准直光光源2发出的准直光经反射面反射后由光接收器2的敏感面接收，由光斑2发生的位移ΔYs得到被测对象的平动位移Tz。本发明的有益效果是对六自由度位移检测精度高。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于视觉的六自由度小位移检测方法。

背景技术

目前六自由度位移的测量方法遍及超声波技术、红外技术、电磁技术以及光学技术等。从检测系统的基本结构形式上可分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量可采用三维坐标测量机和多关节随动测量系统进行静态精度检测，但由于在测量过程中将不可避免地发生测量接触力，因此不适合于高精度精密测量要求，也不适合被测物不可触碰的场合；非接触式测量则无测量接触力的存在，因此具有更大的灵活性，并同时适用于机构位姿的静态和动态性能的检测。目前针对多自由度机构的位姿检测方法的研究主要集中于：基于激光检测的方法、基于位移传感器的检测方法以及最为热门的基于视觉的检测方法。基于激光跟踪仪的多自由度位姿检测方法较为直接，即直接检测被测多自由度机构动平台上若干点(不少于3个非共线的点)的空间三维坐标，从而解算动平台的位姿。这种基于激光测量的方法具有高精度、高效率和大测量空间的优点，但是仪器昂贵(百万元量级)，在实际应用中受到限制。采用精密位移检测传感器件进行合理构建检测系统，也是常用的多自由度机构位姿直接检测方法。基于计算机视觉的多自由度机构位姿非接触测量技术是近二十年来的研究热点，主要可分为结构光学法、双目立体视觉法和基于单目(单相机)的视觉检测法。基于单目、双目和结构光的非接触视觉位姿检测方法的精度尚远不能满足多自由度精密位移检测精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，按照以下步骤进行：

步骤1：首先对被测对象定义三维坐标系OXYZ，原点O和坐标轴X、Y在被测面上，按右手定则，坐标轴X、Y、Z两两相互垂直；定义沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；定义绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz；

步骤2：在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面中心或中心区域设置一准直光光源1，并平行于Z轴出射，在距被检测对象L处设置光接收器1，准直光光源1在其上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像，根据矩形视觉标靶图像的平移dx和dy得到被测对象发生的平移Tx和Ty，根据矩形视觉标靶图像的转动，得到被测对象发生的旋转位移Rz；

步骤3：建立光接收器1的坐标系Os1Xs1Ys1Zs1与OXYZ坐标系平行，并将Xs1Ys1平面设置在光接收器1敏感面内，当被测对象发生了转动位移Rx和Ry时，准直光光源1在光接收器1敏感面上形成的光斑1将由初始位置移动到新的位置，记光斑1位移向量为(Δx，Δy)，则在转动位移Rx和Ry为小量的条件下，有：

Rx＝Δy/L

Ry＝-Δx/L

反过来，由光斑1在光接收器1敏感面上发生的位移可得到被测对象的转动位移Rx和Ry；

步骤4：求检测被测对象沿Z向的平动位移Tz；