一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手的製作方法
2023-05-04 04:51:37
本發明涉及工業機器人技術領域，更具體的說是涉及一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手。
背景技術：
現代工業中，許多產品(如電子與器件、五金器件零部件等)的生產在自動線上完成，各生產環節都涉及到產品的質量檢測，一些企業投入大量人力，採用肉眼檢測的方式來控制產品質量，但由於一些人為因素，產品質量難以保證。為提高檢測效率和保證產品質量，採用機器視覺技術代替人的視覺進行產品質量的自動檢測是解決問題的有效方法。
機器視覺由於可快速獲取大量信息，且易於同設計信息和控制信息進行集成，因此在現代製造生產過程中，機器視覺被廣泛的用於質量檢測、生產控制等。相對於人眼視覺，機器視覺具有很大的優勢和發展前景，因此近年來機器視覺得以迅速發展，其廣泛應用於醫療、工業、農業、軍事、交通等各個領域。在實際應用中，使用機械手採集圖像，可以提高圖像採集的質量。在我國，直到90年代中後期機器視覺技術才逐漸被人們認識和了解，因此，有關機械手的技術也相對落後。目前，缺少一種可以真正在實際應用中採集高質量圖片的機械手。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手，可以控制數字CCD相機和目標圖像同步移動，提高圖像採集的質量。
為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：
一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手，包括依次連接的圖像採集模塊、控制模塊以及驅動模塊；
所述圖像採集模塊還連接數字CCD相機，用於接收採集到的目標圖像，並發送至所述控制模塊；
所述控制模塊用於根據接收到的目標圖像特徵點的平均值、方差和移動敏感度，分別生成相應的期望運動軌跡和任務方程，再根據期望運動軌跡和任務方程輸出控制信號至所述驅動模塊；
所述驅動模塊用於響應於所述控制信號驅動所述數字CCD相機和所述目標圖像同步移動。
作為一種可實施方式，所述圖像採集模塊包括HY998晶片，所述HY998晶片的輸入端連接天線，所述HY998晶片通過所述天線和所述數字CCD相機無線連接，以接收所述數字CCD相機採集到的目標圖像；所述HY998晶片的輸出端連接所述控制模塊，以發送採集到的目標圖像至所述控制模塊；
其中，所述HY998晶片的IO端通過彼此串聯的第一反相器和第二反相器連接所述控制模塊，所述HY998晶片的D端通過依次串聯的第一二極體、第三反相器以及第四反相器連接所述控制模塊，所述HY998晶片的IO端和C端之間還通過第二二極體連接。
作為一種可實施方式，所述控制模塊為DSP，所述DSP的多個輸入端分別連接所述HY998晶片的IO端、D端以及C端，所述DSP的輸出端連接所述驅動模塊。
作為一種可實施方式，所述驅動模塊包括第一D觸發器、第一三極體、第一繼電器，所述第一D觸發器的CP端和R端均連接所述控制模塊，所述第一D觸發器的Q端連接所述第一三極體的基極，所述第一三極體的發射極接地，所述第一三極體的集電極連接所述第一繼電器；
所述驅動模塊還包括第二D觸發器、第二三極體、第二繼電器，所述第二D觸發器的CP端和R端均連接所述控制模塊，所述第二D觸發器的Q端連接所述第二三極體的基極，所述第二三極體的發射極接地，所述第二三極體的集電極連接所述第二繼電器；
所述驅動模塊還包括電機，所述電機受控於第一繼電器繞一方向轉動，受控於第二繼電器繞另一方向轉動，以驅動所述數字CCD相機和所述目標圖像同步移動。
作為一種可實施方式，所述電機的供電端和變壓器的初級並聯，所述圖像採集模塊、所述控制模塊以及所述驅動模塊除所述電機以外的器件均通過電源模塊和變壓器的次級並聯；
其中，所述電源模塊包括組成半波整流電路的第三二極體和第四二極體、濾波電容、以及穩壓晶片；所述第三二極體和第四二極體連接所述變壓器的次級，所述濾波電容連接所述第三二極體和第四二極體的輸出端，所述穩壓晶片連接所述濾波電容。
作為一種可實施方式，所述驅動模塊除所述電機以外的器件均由濾波電容進行供電，所述圖像採集模塊和所述控制模塊均由穩壓晶片進行供電。
作為一種可實施方式，所述變壓器的初級連接有可控開關，所述可控開關受控於所述DSP，在所述電機的速度跟不上目標圖像的移動速度時斷開所述變壓器的初級的電源。
本發明相比於現有技術的有益效果在於：
本發明提供了一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手，包括依次連接的圖像採集模塊、控制模塊以及驅動模塊；其中使用控制模塊根據目標圖像特徵點的平均值、方差和移動敏感度，分別生成相應的期望運動軌跡和任務方程，再根據期望運動軌跡和任務方程輸出控制信號至所述驅動模塊，使數字CCD相機和目標圖像同步移動，以提高圖像採集的質量。
附圖說明
圖1為本發明提供的用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手的框圖；
圖2為本發明提供的用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手的原理圖。
圖中：100、圖像採集模塊；200、控制模塊；300、驅動模塊；310、電源模塊。
具體實施方式
以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特徵和優點進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的部分實施例，而不是全部實施例。
參照圖1，本發明提供一種用於控制數字CCD相機圖像採集的速度反饋性機械手，包括依次連接的圖像採集模塊100、控制模塊200以及驅動模塊300；其中，圖像採集模塊100還連接數字CCD相機，用於接收採集到的目標圖像，並發送至控制模塊200；控制模塊200用於根據接收到的目標圖像特徵點的平均值、方差和移動敏感度，分別生成相應的期望運動軌跡和任務方程，再根據期望運動軌跡和任務方程輸出控制信號至驅動模塊300；驅動模塊300用於響應於控制信號驅動數字CCD相機和目標圖像同步移動。這樣，可以提高圖像採集的質量。其中，在控制模塊中，具體執行以下操作。
將目標圖像特徵點作為視覺伺服的特徵向量，使數字CCD相機的運動速度和採集目標的運動速度同步，使用最小二乘法進行控制機械手的速度，以提高圖像採集的質量。
其中，根據圖像特徵點的平均值、方差和移動敏感度等數學特徵，分別設計對應的期望運動軌跡並建立多個任務方程，作為主任務和次任務計算攝像機速度。由於在基本的機械手臂運動學控制將機械臂的運動看做是機械手工具坐標系或末端坐標系相對於基坐標系的運動大部分情況下操作機械臂的目標是將其從當前位置移動到期望位置而如何移動機械手臂，沿哪條路徑移動機械手臂以及以何種速度、加速度移動機械手臂是需要進行軌跡規劃的。節空間規劃是對關節角度進行運動規劃。應用逆運動學理論，可以將當前機械手末端姿態與其期望姿態的中間點轉換成一組期望的關節角，得到經過各個中間點並且終止於目標點的n個關節的光滑函數。圖像信息對於機器人的智能化非常重要。如何在機器人移動的過程中儘量能夠將有用的圖像信息保留在視野內對機器人來說具有一定的意義。以射擊運動為例，當射擊運動員射擊多目標時，如果所有目標均在視野內，那麼射擊運動員可以較為快速的將目標逐一擊落。保證所有潛在目標在視野內，可以提供這種快速的反應能力。同樣的，在視覺機器人控制中，不光用於視覺祠服的視覺信息是必需的，其他重要信息也應該儘量保留在視野裡。根據圖像特徵點的平均值、方差和移動敏感度等數學特徵，分別設計對應的期望運動軌跡並建立多個任務方程，作為主任務和次任務計算攝像機速度。將次任務在主任務零空間方向上的速度加到實際控制速度上來能夠在不影響主任務的情況下，儘量完成次任務。
如果還有第三或更多任務，可以將它們依次投影到上一層任務的零空間中，這樣的分層任務算法層次清晰，主次明確，在不影響上一層任務的同時，完成下一層任務。根據這個原理，提取了一些能夠保證圖像信息一直處在視野內的數學特徵，設計成幾個主次任務，很好的實現了多目標同時處於視野內的跟蹤問題。加權最小二乘法最早由Whitney於1969年提出應用廣泛。Chan等人於1995年將加權最小二乘法應用到冗餘機械手的避免關節限位控制中並得到了很好的效果。這種方法根據權值來調整關節速度，而權值由關節位置離關節限位的距離決定。因此如果機械手臂在移動的過程中離關節限位很遠，就不會對關節速度產生約束，機械手就能夠精確的完成主任務；如果機械手臂的關節位置接近關節限位，那麼權值的變化將抑制關節速度，這樣就利用冗餘自由度來執行主任務，同時能夠達到避免關節超出限位的目標。但是當多於冗餘自由度的關節數達到關節限位時，該方法將犧牲主任務精度，以保證能夠避免關節超出關節限位。而採用的廣義最小二乘法與傳統的加權最小二乘法相比，它的權值倒數只有0或1，即權值與醜的梯度無關。當次任務接近限位時，即虛擬關節離開安全區域時，權值倒數將從1跳變為0限制虛擬關節繼續向限位移動。最終，實現數字CCD相機和目標圖像同步移動，以提高圖像採集的質量。
上述的功能是通過以下的硬體結構實現的。
參照圖2，圖像採集模塊包括HY998晶片IC4，HY998晶片IC4的輸入端連接天線W，HY998晶片IC4通過天線W和數字CCD相機無線連接，以接收數字CCD相機採集到的目標圖像；HY998晶片IC4的輸出端連接控制模塊200，以發送採集到的目標圖像至控制模塊200；其中，HY998晶片IC4的IO端通過彼此串聯的第一反相器D1和第二反相器D2連接控制模塊200，HY998晶片IC4的D端通過依次串聯的第一二極體VD1、第三反相器D3以及第四反相器D4連接控制模塊200，HY998晶片IC4的IO端和C端之間還通過第二二極體VD2連接。
參照圖2，控制模塊為DSP IC5，DSP IC5的多個輸入端分別連接HY998晶片IC4的IO端、D端以及C端，DSP IC5的輸出端連接驅動模塊300。
參照圖2，驅動模塊300包括第一D觸發器A1、第一三極體VT1、第一繼電器K1，第一D觸發器A1的CP端和R端均連接控制模塊200，第一D觸發器A1的Q端連接第一三極體VT1的基極，第一三極體VT1的發射極接地，第一三極體VT1的集電極連接第一繼電器K1；驅動模塊300還包括第二D觸發器A2、第二三極體VT2、第二繼電器K2，第二D觸發器A2的CP端和R端均連接控制模塊200，第二D觸發器A2的Q端連接第二三極體VT2的基極，第二三極體VT2的發射極接地，第二三極體VT2的集電極連接第二繼電器K2；驅動模塊300還包括電機M，電機M受控於第一繼電器K1繞一方向轉動，受控於第二繼電器K2繞另一方向轉動，以驅動數字CCD相機和目標圖像同步移動。
除此之外，還需要注意的是，電機M的供電端和變壓器T的初級並聯，圖像採集模塊100、控制模塊200以及驅動模塊300除電機M以外的器件均通過電源模塊310和變壓器T的次級並聯；其中，電源模塊310包括組成半波整流電路的第三二極體VD3和第四二極體VD4、濾波電容C1、以及穩壓晶片IC1；第三二極體VD3和第四二極體VD4連接變壓器T的次級，濾波電容C1連接第三二極體VD3和第四二極體VD4的輸出端，穩壓晶片IC1連接濾波電容C1。驅動模塊300除電機M以外的器件均由濾波電容C1進行供電，圖像採集模塊100和控制模塊200均由穩壓晶片IC1進行供電。這樣設置的作用是，可以將市電分成三部分來使用，其中，市電直接接電機可以給電機供電。市電經過變壓器之後可以給一部分直流器件供電，經穩壓晶片IC1之後可以給另一部分直流器件供電。因此，只使用了一個交流源，同時給出了交流、直流三種不同的電壓。
另外，變壓器T的初級連接有可控開關S，可控開關S受控於DSP IC5，在電機M的速度跟不上目標圖像的移動速度時斷開變壓器T的初級的電源。這樣設置，可以保護電機M，是因為電機持續處於超載狀態，易發熱，從而影響使用壽命。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，應當理解，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍。特別指出，對於本領域技術人員來說，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。