微装配中的显微视觉测量与控制技术研究

微装配技术是微机电系统(MEMS)研究的核心内容和热点课题，具有广泛应用前景和重要研究意义。但微装配技术在有关理论和应用的研究上还远远不够，如系统的构成、视觉反馈、运动控制和精密定位等方面有许多问题有待进一步解决。针对这一现状，本项目以惯性约束核聚变研究中的微靶装配为研究对象，开展如下工作：1、微器件的显微图像处理算法，从图像滤波、目标分割、特征选择与提取等方面开展研究；2、解决微装配中的视觉精密定位问题，探索高精度的相对位置与姿态估计算法。从多视几何的显微视觉测量系统建模、基于图像的位姿估计、相机摄动下清晰度与视觉差信息相结合的姿态估计等方面进行研究工作；3、研究显微视觉控制方法，提出仿人抓取的控制策略与基于视觉反馈和微力传感器信息相融合的微装配控制策略。4、提出一种微器件对准控制策略。本项目的预期结果不仅有助于解决微装配中的若干关键问题，对实现微靶的自动化/半自动化装配具有重要意义。

微装配技术是微机电系统(MEMS)研究的核心内容和热点课题，具有广泛应用前景和重要研究意义。但微装配技术在有关理论和应用的研究上还远远不够，如系统的构成、视觉反馈、运动控制和精密定位等方面有许多问题有待进一步解决。针对这一现状，本项目以惯性约束核聚变研究中的微靶装配为研究对象，取得的成果如下： .1) 针对夹持器趋近抓取问题，提出基于两路显微视觉的夹持器趋近与抓取控制策略。实现了微零件任意初始位姿下，夹持器向微零件的快速稳定趋近与抓取。基于夹持器和微零件的成像特征分析，提出实时有效的显微图像特征提取算法，实现了对夹持器与微零件空间相对位置的估计。.2) 由于微零件薄且脆，在微零件与夹持器姿态未对准的情况下，夹持器趋近过程中可能与微零件发生触碰造成微零件的损坏。针对该问题，在夹持器的运动控制中引入微零件的受力信息，提出视触觉混合的夹持器运动控制策略，在实现夹持器快速稳定趋近的同时，保证了微零件受力在安全范围之内。.3) 由于显微视觉系统景深短，不易构成传统立体视觉，微零件三维空间位姿不易获得。基于显微视觉成像特点分析，提出了基于三路显微视觉的粗精结合的微零件在线检测与对准策略，实现了 mm级复杂结构微零件空间位姿的高精度检测与对准。微零件相对姿态检测误差小于 0.5度，相对位置检测误差小于 5 µm。 .4) 针对显微视觉系统高放大倍数与大视场相互矛盾的问题，提出显微视觉系统自动变倍算法，基于微零件图像特征区域跟踪以及显微视觉系统空间位置调整，实现了装配过程中对显微视觉系统放大倍数的自动调整。.5) 针对微装配工艺流程复杂，自动化程度不高的问题，提出了基于三路显微视觉的微零件自动对准控制策略，实现了复杂结构微零件三维空间位姿的快速有效对准，该控制策略基于图像雅可比矩阵的视觉伺服控制方式。推导了多路显微视觉伺服控制的图像雅可比矩阵，并通过在线标定技术实现了对图像雅可比矩阵的标定。.此外，针对自动聚焦技术，在线标定技术展开研究。研究柱状微零件边缘区域自动聚焦问题，提出了粗精结合的自动聚焦策略；提出了显微视觉系统比例系数在线标定方法，实现了比例系数的在线标定。本项目的预期结果不仅有助于解决微装配中的若干关键问题，对实现微靶的自动化/半自动化装配具有重要意义。