基于機(jī)器視覺(jué)的宏／微雙驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的研究
肖獻(xiàn)強(qiáng)1，張志宇2，張文3，李欣欣2
(1．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009；2吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130025；3福田汽車(chē)股份有限公司，湖北棗陽(yáng)430000)
摘要：針對(duì)目前單一的驅(qū)動(dòng)方式日益不能滿(mǎn)足越來(lái)越多的微操作的要求，提出了利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和壓電驅(qū)動(dòng)器組成宏／微雙驅(qū)動(dòng)的微操作平臺(tái)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大行程移動(dòng)和定位，壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行高精度定位誤差補(bǔ)償。同時(shí)為了解決宏／微雙驅(qū)動(dòng)兩部分的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，提出了利用全局機(jī)器視覺(jué)的協(xié)調(diào)控制方法，將末端執(zhí)行器與目標(biāo)點(diǎn)的距離作為控制闋值；如果當(dāng)前距離大于設(shè)定的控制閩值，則起動(dòng)宏動(dòng)臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)定位；否則起動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的定位速度快，定位精度為1 μm，穩(wěn)定定位時(shí)間小于40 ms。
關(guān)鍵詞：宏動(dòng)臺(tái)；微動(dòng)臺(tái)；壓電驅(qū)動(dòng)器；控制閩值；圖像處理
中圖分類(lèi)號(hào)：TM38；TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)06—0026—04
0引言
隨著越來(lái)越多的微操作系統(tǒng)在軍事工程、光通訊工程、生物工程、精密機(jī)械工程、精密光學(xué)工程等領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的微操作系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在微操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、響應(yīng)速度、力感覺(jué)、可控性、靈活性等方面的要求越來(lái)越高。一些工程領(lǐng)域要求微操作系統(tǒng)在大范圍運(yùn)動(dòng)的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度，也有一些工程項(xiàng)目要求微操作系統(tǒng)在快速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，具有精確的力感覺(jué)等，這些要求使得傳統(tǒng)的采用單一驅(qū)動(dòng)方式的微操作系統(tǒng)越來(lái)越難以勝任。
針對(duì)上述情況，在20世紀(jì)80年代的中后期，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了宏／微雙驅(qū)動(dòng)微操作系統(tǒng)的初步想法。經(jīng)過(guò)近20年的探索，不論是從理論論證還是從實(shí)際應(yīng)用的情況，都證明了宏／微雙驅(qū)動(dòng)微操作系統(tǒng)在很多方面的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的采用單一驅(qū)動(dòng)方式的微操作系統(tǒng)[1]。宏／微雙驅(qū)動(dòng)微操作系統(tǒng)兼?zhèn)潆姍C(jī)可大行程運(yùn)動(dòng)和壓電陶瓷響應(yīng)快、位移分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。宏動(dòng)部分完成系統(tǒng)大行程的微米級(jí)定位；然后由安裝在宏動(dòng)部件上的壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器以高頻響動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的定位誤差，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的分辨率和定位精度，與傳統(tǒng)靜態(tài)補(bǔ)償相比縮短了系統(tǒng)的穩(wěn)定定位時(shí)間，提高了定位精度。
本文提出了利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和壓電驅(qū)動(dòng)器分別構(gòu)成微操作平臺(tái)的宏驅(qū)動(dòng)與微驅(qū)動(dòng)部分，宏動(dòng)臺(tái)以地面為參考物，實(shí)現(xiàn)大范圍的移動(dòng)定位；微動(dòng)臺(tái)附著在宏動(dòng)臺(tái)上以宏動(dòng)臺(tái)為參考物，實(shí)現(xiàn)末端高精度定位誤差補(bǔ)償。同時(shí)為了分別協(xié)調(diào)宏動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)地相互配合完成高精度定位，提出了利用機(jī)器視覺(jué)中的圖像匹配進(jìn)行末端執(zhí)行器和定位目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別；并兩者之間的距離作為控制閾值的控制方法，使宏動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)共同完成特定的任務(wù)。
1宏動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件，具有快速起停、精確步進(jìn)、能直接接收數(shù)字量等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[2]。本文設(shè)計(jì)的宏動(dòng)臺(tái)由精密直線(xiàn)導(dǎo)軌和精密絲杠組成，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在XYZ三個(gè)方向上，每個(gè)方向都有由一個(gè)電機(jī)和一個(gè)絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)置向、y向、z向三種運(yùn)動(dòng)。這種傳動(dòng)形式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度較大，適用工作行程較大的微操作要求，如圖1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠機(jī)械系統(tǒng)每秒移動(dòng)的距離為330 Ixm，選用的精密絲杠導(dǎo)程為40 mm，誤差為lOμm。絲母軸軸向最小移動(dòng)步距為0．33 μm[3]。
(1)宏動(dòng)臺(tái)具有多自由度、大運(yùn)動(dòng)范圍的宏動(dòng)工作臺(tái)；
(2)微動(dòng)臺(tái)具有多自由度、小運(yùn)動(dòng)范圍的高精度的微動(dòng)工作臺(tái)；
(3)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有圖像處理、監(jiān)視、分辨率較高的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)操作工具的姿態(tài)、位置等精確定位，并具有視覺(jué)跟蹤能力，保證操作過(guò)程始終在視野中，從而實(shí)現(xiàn)集中式操作；
(4)宏動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)自控制器主要控制宏動(dòng)臺(tái)的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
(5)微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器主要控制微動(dòng)臺(tái)的平移；
(6)主控計(jì)算機(jī)主要用來(lái)做為上位機(jī)和操作過(guò)程的監(jiān)視與人機(jī)交互界面。
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制電機(jī)在每個(gè)方向上的運(yùn)行，宏動(dòng)部分的電機(jī)配備了運(yùn)動(dòng) |
