一种柔性轨道钻探系统中高精度孔位定位与测量方法

《Measurement》：A method for high-precision hole positioning and measurement in flexible track drilling systems

　　

• 提出一种适用于柔性轨道钻孔系统的高精度单目视觉方案。
• 嵌入椭圆几何约束以实现抗干扰的轮廓提取。
• 提出一种基于旋度的亚像素边缘提取方法，对反射率变化具有鲁棒性。
• 设计一种迭代掩膜机制以实现自主毛刺抑制。

## 引言

随着制造业向更高智能化和精密化水平发展，对零件几何特征自动化测量的需求持续增长。圆孔作为许多大型零件中主要的定位和装配基准，在决定最终产品装配质量方面起着决定性作用[1], [2]。近年来，光学成像和计算机技术的进步推动了在线视觉测量技术的发展。与传统的接触式测量相比，机器视觉具有非接触操作、效率高、成本低和灵活性等优点，因此在工业检测和在线检测中得到了广泛应用。在航空航天和汽车制造等领域，机器人自动钻孔已被广泛采用，其中视觉测量作为提高钻孔操作自动化水平和确保钻孔质量的关键使能技术。

柔性轨道钻孔机器人是一种轻型便携式五轴数控钻孔系统，如图1所示。该设备通过将集成真空吸盘的柔性轨道铺设在产品表面并进行牢固吸附进行部署。安装在轨道上的执行端通过加工程序控制完成钻孔任务。一个与主轴并联安装在执行端上的视觉模块需要在仅能容纳单目相机、镜头、光源和防护外壳的狭小空间内工作。该视觉模块需要执行基准孔对位以及沉孔深度的在线测量。钻孔过程涉及的材料包括铝、钛和碳纤维增强复合材料（CFRP）叠层。金属材料的图像通常表现出高曝光镜面反射和表面纹理噪声，而CFRP的图像则往往存在曝光不足的问题。在这种狭小空间集成和动态工作条件下，需要一种结构简洁、部署迅速且测量精度高的视觉测量方法，以满足生产线上在线检测的要求（见图2）。

本文提出了一种专门针对柔性轨道钻孔机器人的圆孔高精度单目视觉测量方法。捕获的图像首先使用CLAHE进行增强，然后通过显著性检测预选感兴趣区域。在该区域内，在椭圆极坐标约束下快速提取粗略轮廓点，并引入伪标量旋度算子实现亚像素边缘定位。最后，对亚像素边缘执行鲁棒椭圆拟合以获取孔心和直径，同时引入迭代掩膜策略以降低沉孔中毛刺造成的干扰，从而获得更可靠的直径估计。整个工作流程旨在平衡有限安装空间带来的硬件约束与在线检测的实时性要求（详见第3节）。

本文的主要贡献如下：

（1）提出并实现了一种专门适配安装在执行端上的紧凑型单目视觉模块的测量方法，使其能够在柔性轨道钻孔机器人等有限空间系统中快速部署；

（2）提出了一种针对椭圆特征的改进边缘检测和轮廓测量算法，增强了边缘定位的稳定性，并能够在苛刻的成像条件下实现精确的几何测量；

（3）引入了一种针对沉孔几何的鲁棒测量算法，显著提高了对结构干扰的抵抗能力，在具有代表性的毛刺污染测试案例中误差降低了95%以上；

（4）所提方法在真实钻孔平台上进行了验证，结果表明该方法在测试条件下定位误差低于0.07 mm（耗时902.31 ms），沉孔深度均方根误差约为0.005 mm，扩展不确定度约为0.009 mm（耗时975.52 ms），同时满足了生产环境的在线要求。

## 相关工作片段

传统接触式测量设备精度极高（可达微米级），并可应用于复杂工件和曲面。接触式测量方法通过机械探针与工件接触来获取几何数据，能够实现微米甚至更高的精度。Ren等[3]提出了一种基于生成模型的三坐标测量机采样策略以提高测量效率，尽管该方法依赖于离线探针测量。Saif等[4]

## 问题分析

设通过图像处理获得的孔心像素齐次坐标为 $\bar{p}_{\text{base}} = [x_{\text{base}}, y_{\text{base}}, 1]^T$，根据成像模型，孔位在相机坐标系下的齐次坐标 $\bar{p}_{c} = [x_{c}, y_{c}, z_{c}, 1]^T$ 可表示为：

$$\mathbf{K}\mathbf{R}\exp(\bar{t})\bar{p}_{c} = s \cdot \bar{p}_{\text{base}}$$

其中 $s$ 为比例因子，$\mathbf{K}_{\text{in}} = \begin{bmatrix} f_u r & 0 & u_0 \\ 0 & f_v & v_0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$ 表示相机内参矩阵（$r$ 代表水平与垂直像素尺寸之比），$\mathbf{K}_{\text{ex}} = \begin{bmatrix} \mathbf{R}_{3\times3} & \bar{t}_{3\times1} \end{bmatrix}$ 为外参矩阵。

## 实验设置

所提出的单目视觉方法在如图9所示的真实柔性轨道钻孔平台上进行了验证。视觉模块由JAI GOX-12409-PGE相机（4096×3036像素，像素尺寸1.85 μm×1.85 μm）、JAI FA5013A镜头和DRL-34-0环形光源组成。工作距离约为300 mm。使用Zhang方法配合12×9氧化铝标定板（网格精度±0.005 mm）进行相机标定。相机以手动曝光模式工作。

## 结论

考虑到柔性轨道钻孔系统的空间约束和测量的高精度要求，本文提出了一种专门为柔性轨道钻孔平台设计的基于单目视觉的孔测量方法。阐述了其算法原理并展示了在钻孔过程中的实际应用。实验结果表明该方法具有增强的测量鲁棒性和卓越的边缘保真度。

## CRediT作者贡献声明

Rui Song：撰写—原始稿件，方法论，概念构思。
Chen Liu：撰写—审阅与编辑。
Gongping Liu：监督，软件。
Feng Yang：可视化，形式化分析。
Jialin Liu：验证，调查，数据整理。
Yuanrui Liang：监督，资金获取。
Qiang Fang：资源，项目管理。

## 资助

作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB34XX）对本工作的资助。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Rui Song | Chen Liu | Gongping Liu | Feng Yang | Jialin Liu | Yuanrui Liang | Qiang Fang