[发明专利]基于多微球视觉探针的空间位姿测量方法

说明书

发明涉及一种基于多微球视觉探针的空间位姿测量方法，特指一种多微球视觉探针的制作以及应用该探针实施测量的技术手段。所述多微球视觉探针通过钨丝悬臂连接探针基底和玻璃基底，再利用无影胶将四个透明微球粘在玻璃基底上；该视觉探针的制作基于显微镜环境下的微纳操作。所述方法包括：在显微成像环境下，被测物体的位姿变化由与之固连的视觉探针微球组表征，即将六维空间运动测量转换成四个微球的三维位移测量。本发明所使用的视觉探针制作过程简单，测量原理简单可行且测量精度高，填补了基于视觉的微纳尺度六维位姿测量技术空白。

技术领域

本发明涉及一种基于多微球视觉探针的空间位姿测量方法，多微球视觉探针具体是将探针基底和含有四个透明球的玻璃基底通过钨丝悬臂粘接在一起，并将该探针和待测物体相固连；空间位姿测量具体通过显微视觉传感的方法完成，利用四个透明球的三维位移测量，解算出被测物体的位姿变化，实现六维位姿测量。该方法主要用于微纳操作、精密对接等研究领域。

背景技术

随着微纳米科学技术与传统制造产业的不断融合发展，在超精密加工、装配、检测研究领域，微纳米尺度的测量是最关键的基础技术之一。与此同时，基于机器视觉的位置测量方法取得了很大的突破，并以其相对低廉的成本和简单的结构获得了广泛的应用。将机器视觉应用于微纳米位姿测量，对现代加工和测试技术均有重要意义。

本发明在机器视觉测量中，起到传感器的作用。虽然以电容传感器、外差激光干涉仪以及精密光栅尺等技术为代表的精密定位技术能够实现纳米级精度的位移测量，但这些技术均存在应用的局限性，很难同时对多个目标进行三维定位，也无法测量姿态变化。另外，在精度要求极高的数控加工中心、芯片光刻、增材制造等领域中，这些技术的设备成本也极高。而传统基于特征识别或模板匹配的视觉方法也难以实现高精度的位姿分辨。

要实现高精度位姿测量，传统测量技术难以满足高维度需求，而视觉方法对复杂测量场景适应性不佳。通过设计简单通用的测量传感器是解决这类问题的解决途径之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有微纳测量技术的不足，提出一种工艺简单、适应性好的六维位姿测量传感器，在显微镜环境下完成高精度六维位姿测量。

为实现上述目的，本发明包括视觉探针的结构设计与制作方法。其特征在于：视觉探针的制作基于一系列微纳操作，借助三维压电微操作平台和显微镜完成，需要用到的材料有钨丝纤维、环氧树脂透明胶水。首先将钨丝悬臂粘接在探针基底上，然后将含有钨丝悬臂的探针基底放置显微镜下；通过压电微操平台将玻璃基底移至蘸有胶水的钨丝悬臂下方，完成二者粘接；粘牢后，利用另一个蘸有胶水的钨丝把微量胶水涂抹在玻璃基底上；之后利用该钨丝逐个挑取微球组，将微球组固定在玻璃基底上。

所述探针基底为硅片或铝合金片，具有一定的硬度和刚度，其上可加工圆孔、螺纹等用于和被测物体刚性连接，满足连接方式所需的力学条件即可。

所述钨丝悬臂直径为10μm-20μm，起到连接微球组和基底的桥梁作用；

所述玻璃基底作为微球组的载体，厚度为0.5mm且具有极佳的通光性。

所述透明微球为高透光率材质微球，材料可为聚苯乙烯或钛酸钡，根据不同需求直径在15μm-50μm均可；四个微球的直径均不相同，保证位姿解算的唯一性。

基于多微球视觉探针的空间位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤：

将所述视觉探针安装在被测物体上，保证探针在显微镜视域内，通过高速相机不断采集所述微球的图像；

当被测运动系统工作时，微球的位置随之改变，在微球之间相互不重叠的前提下，微球的侧向位置(XY方向)通过灰度中心法可以求得，而深度信息(Z方向)可以通过离焦图像模型法求得。