微装配系统三维坐标变换的研究

　　1　引　　言

　　微装配系统是保证微机械系统(MEMS)可靠性与功能实现的关键部分,通常工作于微观环境下,利用微夹持手在显微视场内对工作台上微装配器件进行各种操作,并通过CCD摄像机将装配器件当前位置与姿态信息以二维图像形式传送到计算机,进行分析处理。计算机所采集的是二维平面图像,因此要获得显微视场内三维空间信息,建立微装配系统多坐标系与三维坐标变换关系非常必要[1]。本文提出了利用立体视觉技术测量微装配系统中微装配对象空间位姿坐标变换方法。

　　2　微装配系统

　　该微装配系统由工作台(X-Y精密工作台和微动台)、微夹持手、立体显微镜和CCD摄像机等组成,微器件的装配操作在显微视场三维坐标空间范围内进行,其系统结构组成如图1所示。下面以微轴、孔装配为例,对微器件装配流程进行简单地说明:首先将微轴、孔分别置于夹持手和工作台上,调整初始位置,此时通过显微成像系统二者的光学图像投射到CCD摄像机上,形成CCD二维平面图。利用数字图像处理(DSP)与模糊识别技术,确立微轴、孔在CCD二维平面坐标系中位置关系,并转换为操作空间三维坐标系位置关系。对微轴、孔位置进行判断,若满足位置关系,装配完成,否则重复前面步骤,直到二者满足装配要求。

　　利用微夹持手对微器件进行装配,装配器件相对于装配系统工作台、显微镜、CCD摄像机有不同的相对位置关系。微轴由夹持手操纵,自由度与夹持手一致,运动空间与微夹持手坐标系对立,而微孔固定在工作台上,运动空间与微动台坐标系对应。装配操作在立体显微镜三维视场内监视执行,装配状态信息是以CCD摄像机二维平面图像的形式反馈到计算机控制系统,因此要想实现微器件的自动装配,必须根据装配系统结构建立多坐标系,并构建坐标系变换关系,如图2所示。

　　图2中xiyizi为立体显微成像坐标系,坐标原点oi为显微透镜前焦点,显微成像系统光轴方向为zi轴。XOY为CCD摄像机坐标系,摄像系统光轴与CCD像面的交点为原点O,CCD象素的横纵方向分别为X轴和Y轴。由光学知识可知,XOY坐标系的X、Y轴的方向与坐标系xiyizi的X、Y轴方向相反。微夹持手所夹持微器件起始坐标系为o′pay′paz′pa,原点为轴底端中心点o′pa,位置变化后移到新坐标系x″pay″paz″pa,原点为o″pa。微孔起始坐标系为x′pby′pbz′pb,原点为孔底端中心点o′pb,经装配操作后移到新坐标系x″pby″pbz″pb,新原点为o″pb。为了便于建立和推导各坐标系关系,在微轴孔的顶面中心处分别设定特征点A和B[2],如图2所示。特征点空间坐标在装配过程中将从起始坐标系x′py′pz′p移动到新坐标系x″py″pz″p。