[發明專利]顯微立體視覺用于三軸平移運動系統零點校準方法

有效

• 申請號: 202011507320.8
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112720469B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 王躍宗;陳浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.顯微立體視覺用于三軸平移運動系統零點校準方法，其特征在于：基于顯微立體視覺系統和雙目視差原理，構建微操作機器人系統，基于物空間基準坐標系和視差空間基準坐標系建立并標定定位模型，然后三軸平移運動系統歸零，在物空間零點漂移坐標系中運動到漂移點并采集左右圖像，利用定位模型映射關系逆向計算漂移點在物空間基準坐標系中的坐標矢量，最后計算零點校準量實現零點校準，具體包括以下步驟：

1)構建微操作機器人系統

微操作機器人系統由三軸平移運動系統、顯微立體視覺系統、微操作器、計算機組成；三軸平移運動系統由X運動軸、Y運動軸、Z運動軸組成，每個運動軸上裝有一個光柵尺，用于閉環精密控制運動軸和實時記錄運動軸的物空間坐標，三個光柵尺構成了物空間基準坐標系O-XYZ；在Z運動軸的滑塊上安裝一個微操作器，在微操作器上放置一塊標定板，標定板中央有一個圓形標記點；顯微立體視覺系統由光學體視顯微鏡、左相機、右相機組成，左右相機用來采集標定板標記點的左右圖像；

2)建立并標定定位模型

定位模型包括物空間單元體和視差空間單元體；在物空間基準坐標系中，三個光柵尺在原點O處的數值均為零，控制三軸平移運動系統依次運動到物空間點A_(1,1,1)、A_(2,1,1)、A_(1,2,1)、A_(2,2,1)、A_(1,1,2)、A_(2,1,2)、A_(1,2,2)、A_(2,2,2)處，八個物空間點構成了物空間單元體，三個光柵尺記錄每個物空間點在物空間基準坐標系中的三維坐標，完成定位模型中物空間單元體的標定，同時在每個物空間點處左右相機采集標定板標記點的左右圖像；

左圖像的坐標軸由原點O_l、軸u_l、軸v_l組成，標記點在左圖像中的位置為K_l；右圖像的坐標軸由原點O_r、軸u_r、軸v_r組成，標記點在右圖像中的位置為K_r；采用高斯濾波、閾值分割、形態學處理、邊緣檢測對標定板標記點的左右圖像進行預處理，然后針對檢測到的K_l、K_r邊緣像素的圖像坐標，利用最小二乘法擬合邊緣輪廓，計算K_l、K_r的圓心像素坐標(u_Kl,v_Kl)、(u_Kr,v_Kr)，最后根據雙目立體視覺的雙目視差原理，計算雙目視差為D_K＝u_Kr–u_Kl；

視差空間基準坐標系O_l-u_lv_lD由左圖像的原點O_l、左圖像的兩個坐標軸u_l和v_l、視差坐標軸D組成；對在八個物空間點處采集的標定板標記點的左右圖像依次計算雙目視差，得到視差空間點D_(1,1,1)、D_(2,1,1)、D_(1,2,1)、D_(2,2,1)、D_(1,1,2)、D_(2,1,2)、D_(1,2,2)、D_(2,2,2)在視差空間基準坐標系中的三維坐標，八個視差空間點構成了視差空間單元體，完成定位模型中視差空間單元體的標定；

3)三軸平移運動系統歸零

在完成定位模型的標定后，對三軸平移運動系統進行歸零操作，由于存在零點漂移，三個運動軸的零點位置發生變化，物空間基準坐標系的原點O的位置改變到原點O_k，形成物空間零點漂移坐標系O_k-X_kY_kZ_k，三個光柵尺分別對應物空間零點漂移坐標系的X_k軸、Y_k軸、Z_k軸，此時三個光柵尺在原點O_k處的數值均為零；

4)利用定位模型映射關系進行逆向計算

在物空間基準坐標系中設定一個基準點M，其坐標矢量為R_M＝OM＝(X_M,Y_M,Z_M)^T；對三軸平移運動系統的三個運動軸分別輸入數值X_M、Y_M、Z_M，三個運動軸在物空間零點漂移坐標系中運動到漂移點P，此時三個光柵尺顯示數值分別為X_M、Y_M、Z_M；然后左右相機采集標定板標記點的左右圖像，計算雙目視差，得到點C在視差空間基準坐標系O_l-u_lv_lD中的坐標矢量為O_lC＝(u_l,C,v_l,C,D_C)^T；

物空間單元體與視差空間單元體之間存在映射關系，點C在視差空間單元體中的相對位置與點P在物空間單元體中的相對位置相同，建立定位模型中物空間單元體與視差空間單元體間的映射關系，利用定位模型映射關系進行逆向計算，由點C在視差空間基準坐標系中的坐標矢量求出漂移點P在物空間基準坐標系中的坐標矢量R_P＝OP＝(X_P,Y_P,Z_P)^T，定位模型映射關系為：

式中，A₀P＝OP–OA₀，D₀C＝O_lC–O_lD₀，OA₀為物空間單元體重心的坐標矢量，O_lD₀為視差空間單元體重心的坐標矢量，A_(1,1,1)A_(2,1,1)、A_(1,1,1)A_(1,2,1)、A_(1,1,1)A_(1,1,2)為物空間單元體的三個棱長向量，D_(1,1,1)D_(2,1,1)、D_(1,1,1)D_(1,2,1)、D_(1,1,1)D_(1,1,2)為視差空間單元體的三個棱長向量；

5)計算零點校準量實現零點校準

計算在物空間基準坐標系中點P和點M間的相對距離矢量為ΔR_M＝R_P–R_M＝(X_P-X_M,Y_P-Y_M,Z_P-Z_M)^T，設定閾值T＝0.1μm，如果|ΔR_M|T，則控制三軸平移運動系統的三個運動軸分別運動X_P-X_M、Y_P-Y_M、Z_P-Z_M，到達新的點P，再次進行步驟4)計算新的點P在物空間基準坐標系中的坐標矢量，然后計算點P和點M間的相對距離矢量為ΔR_M-1，如果|ΔR_M-1|T，繼續計算得到ΔR_M-2、···、ΔR_M-n，直至滿足|ΔR_M-n|≤T，最后計算零點校準量，實現零點校準；

式中，ΔR_M-last為零點校準量；

已知任意一點R在物空間零點漂移坐標系中的坐標矢量為O_kR，根據零點校準量ΔR_M-last求得點R在物空間基準坐標系中的坐標矢量OR為OR＝O_kR+ΔR_M-last。