基于十字线结构光的铆钉孔定位技术研究毕超郝雪周鹏杨辉摘要：针对自动钻铆过程中的铆钉孔定位问题，应用工业级摄像机、镜头、十字线投射器和夹持工装等搭建了一套十字线结构光视觉传感器，并通过建立其单目成像模型和内外部参数标定，确立了十字投影光条上的采样点的二维图像坐标与其三维空间坐标之间的映射关系。在应用过程中，对于摄像机视野范围内的多个铆钉孔特征，提出了一种由被测铆钉孔孔心的等效投影點的空间坐标而合成出孔心空间坐标的方法，从而完成被测铆钉孔的定位任务，并进行了试验验证。试验结果表明，铆钉孔孔心坐标XW、YW和ZW的单次测量的极限误差均≤±0.06mm，因而该传感器在检测铆钉孔的位置方面所能达到的重复性精度水平可以满足使用要求。关键词：定位；铆钉孔；自动钻铆；结构光视觉：TH74：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.010在航空航天领域中，蒙皮是覆盖在飞机、火箭和导弹等飞行器骨架结构之外的维形零件，用于保持机体的气动外形，主要分布于机身、机翼、尾翼和整流罩等部位。在飞行器的制造过程中，蒙皮类零件通常采用铆接方式进行装配，其质量高低会对飞行器的气动特性和服役性能产生很大影响[1]。当前，随着机械装配与自动化技术的进步，基于工业机器人的自动钻铆技术与系统，不仅能够克服人工钻铆方式的效率低、一致性差和劳动强度高等缺点，而且降低了操作难度和生产成本，因而得到了越来越广泛的应用。在自动钻铆过程中，“插钉入孔”是其中的重要环节之一，即通过多功能末端执行器将铆钉钉杆准确插入到蒙皮上的铆钉孔中，而铆钉孔直径的极限偏差为0.1～0.2mm[2]。在实际装配现场，蒙皮本身及其定位夹具都存在着由制造、变形等引起的形位误差，这些都会造成铆钉孔在自动钻铆系统中的定位偏差，使得实际孔位与理论孔位之间难以建立起精确的映射关系，导致铆钉的插入困难或失败[3]。因此，为了确保铆钉的顺利入孔，需要在插钉之前由相应的检测模块获取到铆钉孔的实际位置，并反馈给控制系统，使末端执行器运动到对应的空间方位，从而使铆钉对准相应的铆钉孔以完成插钉入孔任务。当前，针对铆钉孔的定位或位置参数检测问题，国内外学者已经开展了相关研究工作。例如，美国Electroimpact公司与英国空客公司联合开发了一套机器人柔性装配系统ONCE，其末端执行器上集成有具有铆钉孔定位功能的同步视觉模块，用于确定和修正实际孔位与期望孔位之间的偏差，以通过实时补偿来实现准确插钉。在国内，苏同标等为检测铆钉孔的孔心位置而搭建出了一套孔位测量系统，应用光电传感器和光栅尺同时发出的信号来检测铆钉孔边缘点的位置信息，进而拟合出了孔心的坐标[4]，但其采用了铆钉板运动而夹钉机械手固定的插钉方式，不适用于大型飞机蒙皮类零件的自动铆接。谢松乐等提出了一种基于机器视觉的铆接机送料装置定位方法，利用单目电荷耦合器件（charge-coupleddevice，CCD）相机获取铆钉孔图像，然后通过图像预处理和质心法进行孔心坐标值的亚像素级提取，所得结果能够满足铆接工艺要求[5]，但使用时需要将CCD相机固定在待铆接件的正上方，限制了其应用范围。勾江洋等针对飞机蒙皮、骨架上的装配连接孔的快速、精确检测需求，设计并开发了一套专用的在机视觉检测系统，通过对连接孔图像的精确提取与定位实现了连接孔的非接触式快速检测，重复性测量精度达到0.01mm[6]。但整个系统的体积和质量较大，且无法反馈蒙皮的三维轮廓信息，不便于集成于机器人自动铆接系统中的末端执行器上。为了实现蒙皮类零件上的铆钉孔定位，本文基于结构光三维视觉原理，应用工业级摄像机、十字线投射器和夹持工装等搭建了一套十字线结构光视觉传感器，并提出了一种由被测铆钉孔孔心的等效投影点合成出孔心空间坐标的方法。在该系统中，由十字线投射器将十字线结构光投射于被测蒙皮表面并在其上形成受表面形貌调制的十字投影光条，而后通过摄像机采集其视野范围内的、同时包含十字投影光条和铆钉孔的二维图像，再经由光条中心线提取和系统标定等步骤获取十字投影光条的位置与变化规律，并基于此解算得到铆钉孔孔心的等效投影点，进而进行叠加运算而合成出铆钉孔的孔心空间...