基于機器視覺的宏／微雙驅(qū)動與控制系統(tǒng)的研究
肖獻強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)，吉林長春130025；3福田汽車股份有限公司，湖北棗陽430000)
摘要：針對目前單一的驅(qū)動方式日益不能滿足越來越多的微操作的要求，提出了利用步進電動機和壓電驅(qū)動器組成宏／微雙驅(qū)動的微操作平臺。步進電動機實現(xiàn)大行程移動和定位，壓電驅(qū)動器進行高精度定位誤差補償。同時為了解決宏／微雙驅(qū)動兩部分的協(xié)調(diào)控制問題，提出了利用全局機器視覺的協(xié)調(diào)控制方法，將末端執(zhí)行器與目標(biāo)點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，則起動宏動臺進行驅(qū)動定位；否則起動壓電驅(qū)動器進行定位誤差補償。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的定位速度快，定位精度為1 μm，穩(wěn)定定位時間小于40 ms。
關(guān)鍵詞：宏動臺；微動臺；壓電驅(qū)動器；控制閩值；圖像處理
中圖分類號：TM38；TM383．6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0026—04
0引言
隨著越來越多的微操作系統(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)的運動精度、響應(yīng)速度、力感覺、可控性、靈活性等方面的要求越來越高。一些工程領(lǐng)域要求微操作系統(tǒng)在大范圍運動的情況下，同時實現(xiàn)納米級的運動精度，也有一些工程項目要求微操作系統(tǒng)在快速運動的同時，具有精確的力感覺等，這些要求使得傳統(tǒng)的采用單一驅(qū)動方式的微操作系統(tǒng)越來越難以勝任。
針對上述情況，在20世紀(jì)80年代的中后期，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了宏／微雙驅(qū)動微操作系統(tǒng)的初步想法。經(jīng)過近20年的探索，不論是從理論論證還是從實際應(yīng)用的情況，都證明了宏／微雙驅(qū)動微操作系統(tǒng)在很多方面的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的采用單一驅(qū)動方式的微操作系統(tǒng)[1]。宏／微雙驅(qū)動微操作系統(tǒng)兼?zhèn)潆姍C可大行程運動和壓電陶瓷響應(yīng)快、位移分辨率高等優(yōu)點。宏動部分完成系統(tǒng)大行程的微米級定位；然后由安裝在宏動部件上的壓電陶瓷微驅(qū)動器以高頻響動態(tài)補償系統(tǒng)的定位誤差，可實現(xiàn)微米級的分辨率和定位精度，與傳統(tǒng)靜態(tài)補償相比縮短了系統(tǒng)的穩(wěn)定定位時間，提高了定位精度。
本文提出了利用步進電動機和壓電驅(qū)動器分別構(gòu)成微操作平臺的宏驅(qū)動與微驅(qū)動部分，宏動臺以地面為參考物，實現(xiàn)大范圍的移動定位；微動臺附著在宏動臺上以宏動臺為參考物，實現(xiàn)末端高精度定位誤差補償。同時為了分別協(xié)調(diào)宏動臺和微動臺地相互配合完成高精度定位，提出了利用機器視覺中的圖像匹配進行末端執(zhí)行器和定位目標(biāo)點的識別；并兩者之間的距離作為控制閾值的控制方法，使宏動臺和微動臺共同完成特定的任務(wù)。
1宏動部分的設(shè)計
步進電動機是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對應(yīng)的增量驅(qū)動元件，具有快速起停、精確步進、能直接接收數(shù)字量等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域[2]。本文設(shè)計的宏動臺由精密直線導(dǎo)軌和精密絲杠組成，由步進電動機進行驅(qū)動。在XYZ三個方向上，每個方向都有由一個電機和一個絲杠導(dǎo)軌機構(gòu)組成的驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)，分別實現(xiàn)置向、y向、z向三種運動。這種傳動形式的特點是結(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。電機驅(qū)動的絲杠機械系統(tǒng)每秒移動的距離為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步距為0．33 μm[3]。
(1)宏動臺具有多自由度、大運動范圍的宏動工作臺；
(2)微動臺具有多自由度、小運動范圍的高精度的微動工作臺；
(3)機器視覺系統(tǒng)具有圖像處理、監(jiān)視、分辨率較高的機器視覺系統(tǒng)，對操作工具的姿態(tài)、位置等精確定位，并具有視覺跟蹤能力，保證操作過程始終在視野中，從而實現(xiàn)集中式操作；
(4)宏動臺運動自控制器主要控制宏動臺的平移和旋轉(zhuǎn)運動；
(5)微動臺運動控制器主要控制微動臺的平移；
(6)主控計算機主要用來做為上位機和操作過程的監(jiān)視與人機交互界面。
為了實現(xiàn)數(shù)字化控制電機在每個方向上的運行，宏動部分的電機配備了運動 |
