一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺的製作方法

2023-12-06 07:55:11

專利名稱：一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於機器視覺技術和直線電機控制技術領域，具體涉及一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺
背景技術：
機器視覺是一項包括數字圖像處理技術、機械工程技術、控制技術、電光源照明技術、光學成像技術、計算機軟硬體技術和人機接口技術等技術的一項綜合技術。因為機器視覺系統可以快速獲取大量信息，而且易於同設計信息及加工控制信息集成，因此，機器視覺技術作為一種檢測控制手段已經日益引起人們的重視並在工業控制中得到了越來越廣泛的應用。直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，並展成平面而成。長期以來，在各種工程技術中需要直線驅動力時，主要是採用旋轉電機並通過曲柄連杆、蝸輪蝸杆或滾珠絲槓等傳動機構來獲得。但是，這種傳動形式往往會帶來結構複雜、重量體積大、嚙合精度差。 且工作不可靠等缺點。而採用直線電機不需要中間轉換裝置，能夠直接產生直線運動。相比旋轉電機，直線電機具有結構簡單、適合高速直線運動、易於調節和控制的優點，最主要的是極大地提高了進給的快速反應能力和控制精度，而且省去了電刷等易損零件，提高了壽命和可靠性。且裝配靈活性大，適應性強，運動平穩，維護簡單。近年來，機器人視覺技術的發展日益完善，並在機器手自動裝配、無人駕駛以及一些複雜場景作業(如資源探測、災害救援、挖掘、登月)中得到廣泛的應用。根據人眼運動機理，不僅液體鏡頭技術應運而生，近年來以仿生眼為代表的機器人視覺技術也發展迅速。 由於人眼視覺系統通過不斷調節和改變晶狀體曲率(特別是前端曲率)使外界物體清晰成像於視網膜上，並依靠外眼肌肉控制眼珠轉動使得運動物體始終成像於視網膜中央，因此在Wakamatsu眼球運動機構模型中，通過分別採用伺服電機和加速計來實現眼睛肌肉功能和半規管功能，進而用結構化的神經網絡信息處理系統自動選擇控制規律來實現眼睛的協調運動。近幾年國內外關於機器人仿生眼的運動控制系統及其應用的研究層出不窮。但是，在複雜場景應用過程中也暴露出來一系列問題，主要有攝像頭的振動問題，被測物體因高速移動導致離焦並容易逃離視野的問題以及被測物體因表面特徵或惡劣環境影響對焦的問題。隨著自主機器人系統研究的逐步開展和深入，上述問題日益突出。

發明內容
本發明的目的在於提供一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺，該平臺通過兩臺直線電機控制仿生眼的兩個自由度，且通過兩臺直線電機的快速移動保證攝像頭可以捕捉到動態物體目標，而直線電機的高速，高精和高靈敏度等特點可以有效保證對運動目標的快速實時追蹤。本發明提供了一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺，包括主機、運動控制卡、運動機構、攝像機和圖像採集卡，上述各部分依次串連組成閉合迴路，主機通過運動控制卡控制運動機構，運動機構帶動攝像機轉動，攝像機採集圖像，通過圖像採集卡輸出至主機。 進一步的，所述的運動機構包括第一驅動器、第二驅動器、水平直線電機、豎直直線電機、連接塊和兩個連杆，運動控制卡控制第一驅動器和第二驅動器，第一驅動器驅動豎直直線電機運動，第二驅動器驅動水平直線電機運動，水平直線電機的動子與豎直直線電機的定子垂直固連，連接塊與豎直直線電機的動子連接，兩個連杆平行設置，兩個連杆的一端均與連接塊連接，另一端均與攝像機連接。進一步的，兩個連杆通過兩個球銷副與連接塊連接，連接塊與其中一個球銷副的連接點為一圓孔，與另一個球銷副的連接點為滑動長槽。進一步的，所述攝像機有一支座，兩個連杆均通過移動副與攝像機的支座連接。進一步的，它還包括一基架，攝像機的支座通過球銷副與基架連接。進一步的，所述移動副為支座上的導槽，導槽中有一直線軸承，連杆伸入導槽中能夠在直線軸承內作軸向滑動。進一步的，連接塊中設有限定槽，限定槽內裝有一直線軸承，一固定滑杆穿過直線軸承。本發明具有以下技術特點(1)本發明所述的仿生視覺平臺採用視覺伺服控制，與基於傳統傳感器的機器人控制相比，具有比較明顯的優點，即具有更高的靈活性，更高的精度，能夠對標定誤差具有強的魯棒性。(2)本發明所述的仿生視覺平臺採用具有高速高精等特點的直線電機，能夠很好的完成仿生眼各種姿態調整，同時也擁有快速補償外部幹擾所造成的偏差的能力。在直線電機控制下的視覺跟蹤機構其調整速度和跟蹤精度較高，有能力應對複雜環境下的工作要求。(3)本發明所述的仿生視覺平臺在速度模式下，由於直線電機的高響應性更適合追蹤快速移動的物體，尤其在速度突然反向的瞬間可產生高達IOg的加速度，遠高於一般傳統電機產生的Ig加速度。而位移模式則有更好的穩定性，抗幹擾性和精度，適用於精確追蹤平穩運動的物體。(4)本發明所述的仿生視覺平臺採用高解析度的面陣工業攝像機，精確定位目標位置，能夠敏銳捕捉位移變化。


圖1多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺的總結構示意圖；圖2機械部分的原理示意圖；圖3連接塊周圍部件細節結構圖；圖4連接塊的結構圖；圖5控制系統結構圖；圖6仿生視覺平臺的工作過程圖。
具體實施方式
目前國內外對仿生眼及視覺平臺的研究各有側重和特色，研究方案大多建立在以旋轉電機為基礎的視覺平臺上，本發明則採用具有高速、高精、高響應性等特點的直線電機作為驅動單元，並對仿生眼運動平臺的結構進行新的設計。根據人眼運動機理，可採用直線電機替代眼部肌肉模擬眼球轉動，實現仿生眼運動平臺的視野移動。下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細的說明。本發明提供的多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺包括基架9、主機1、圖像採集卡 2、攝像機8、運動控制卡11、第一驅動器3、第二驅動器10、豎直直線電機5、水平直線電機 4、連接塊6和兩個連杆7。如圖1所示，主機1可實現圖像處理和運動控制，其與圖像採集卡2和運動控制卡11電連接。圖像採集卡2通過線纜與攝像機8相連，將攝像機8所採集的圖像輸往主機1。主機1將控制指令通過運動控制卡11發往第一驅動器3和第二驅動器10。第一驅動器3和第二驅動器11均為直線電機驅動器，它們接收來自運動控制卡11 的控制信號並傳遞給直線電機，並將來自直線電機編碼器的信號反饋給運動控制卡11，進而反饋給主機。第一驅動器3與豎直直線電機5相連，驅動其動子作豎直方向的直線運動， 第二驅動器10與水平直線電機4相連，驅動其動子作水平方向的直線運動。水平直線電機 4與豎直直線電機5成垂直形態固聯。水平直線電機4採用磁棒作為定子，機身作為動子。 水平直線電機4的定子與基架9固定連接。而豎直直線電機5採用磁棒作為動子，機身則作為定子並與水平直線電機4機身固定連接。所以豎直直線電機5的動子可在兩臺電機的驅動下作豎直平面內的運動。連接塊6與豎直直線電機5的動子固定連接，所有通過兩臺電機的協動可以保證連接塊6能在行程範圍內運動到豎直平面上的任意點。兩個連杆7平行設置，其一端均通過球銷副與連接塊6相連，所以豎直直線電機5的動子在豎直平面內的運動可驅動兩個連杆7的擺動。攝像機8有一支座，支座與攝像機8固定連接，支座底部中心通過球銷副與基架9 連接，球銷副可以是萬向聯軸器，也可以是其他連接裝置。兩個連杆7均通過移動副與支座相連，表現形式為攝像機8的支座上有兩個平行導槽，導槽中各裝有一個直線軸承，兩個連杆7的另一端伸入導槽中直線軸承內作軸向滑動，從而兩個連杆7的運動可驅動攝像機8 作各個方向的擺動。主機1通過圖像採集卡2接收來自攝像機8的圖像，經過處理後發出相應控制指令至直線電機4、5，通過控制其協動來控制攝像機8的轉動以達到追蹤目標物體的效果。仿生視覺平臺機械部分的原理簡圖如圖2所示，核心部分為兩臺直線電機4，5、攝像機8及連杆7。水平直線電機4和豎直直線電機5的協動帶動P點即上述連接塊6在虛線平行四邊形框所示豎直平面內運動，進而通過連杆7帶動攝像機8作以0點為球心的轉動。圖中虛線半球所示即為攝像機8的理論轉動範圍。為了保證豎直直線電機5的磁棒為純移動副，如圖3所示，在豎直直線電機5上 端連接塊6中增設限定槽12，其內裝有一直線軸承，一同定滑杆13穿過直線軸承，以防止在運動過程中豎直直線電機5的電機軸發生旋轉，同定滑杆13兩端同定連接於兩直線電機的連接板上。另外在連接塊6上與兩個球銷副(即萬向聯軸器)的連接孔，如圖4所示，其中之一為固定圓孔，另一個設為滑動長槽，以適應兩球銷副之間的距離變化。因為當水平直線電機4在水平方向上運動時，兩連杆7之間的垂直距離不變，而其四端點所構成的矩形會變成平行四邊形，則兩連杆在同一端的兩端點間距離會變化，即兩球銷副之間的距離會發生變化。可見該套機構共含有3個萬向聯軸器(兩連杆端部和攝像相機支座底部)，5個移動副(水平直線電機4的移動副、豎直直線電機5的移動副、連接塊6上滑動長槽、攝像機8 支座上的兩導槽)，和2個封閉環(基架9-電機4-電機5-連杆7-攝像機8-基架9構成的封閉環、兩連杆6兩端兩個移動副和兩個球銷副之間構成的封閉環)，故根據空間自由度計算公式W = PZ-A-3K(式中W為空間自由度，pz為空間各級別運動副自由度總和，λ為各級運動副多餘自由度總和，K為空間機構的封閉環數)可得W = (2+2+2+5) - (1+1+1) -3X2 = 2自由度與原動件(直線電機)數目相等，滿足運動確定性。本發明的控制系統採用雙閉環結構，結構圖如圖5所示。其中內環部分為直線電機伺服控制，通過高採樣頻率以保證電機的高速高精運動。由於直線電機上裝有位移傳感器，因此兩臺直線電機的實時位置可反饋給主機。外環為視覺控制環，以較低的採樣速率完成直線電機的目標位置設定。待追蹤目標在攝像頭視野中(即屏幕上)的水平和豎直兩個方向的位置信息通過圖像採集卡反饋給主機，實現閉環控制。通過上述四個量(兩臺直線電機的實時位置、目標在視野中水平和豎直兩個方向的位置)即可實時地求出兩臺直線電機需要移動的行程。具體過程通過表達出電機位置與攝像頭位姿對應關係，在全局坐標系中進行目標定位，再由追蹤物體位置反求直線電機目標位置來完成。此結構可將仿生視覺平臺的機械運動奇異性與視覺控制隔離，將仿生視覺平臺機械部分看成理想笛卡爾運動元件，從而簡化了設計過程。如圖6所示，本發明裝置的工作過程描述如下(1).開機啟動，完成運動控制卡和圖像採集卡參數設置；(2).運行控制程序，主機發出指令，開始圖像採集；(3).設定跟蹤目標，若目標發生移動，則控制程序會控制直線電機運動使攝像機轉動以跟蹤目標；(4).若平臺發生振動或偏移，控制程序也會控制直線電機運動使攝像機轉動以保持目標在視野中位置；(5).退出系統。 本發明不儀局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的發計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的發計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺，包括主機(1)、運動控制卡(11)、運動機構、攝像機(8)和圖像採集卡(2)，上述各部分依次串連組成閉合迴路，主機(1)通過運動控制卡(11)控制運動機構，運動機構帶動攝像機(8)轉動，攝像機(8)採集圖像，通過圖像採集卡(2)輸出至主機(1)。
2.根據權利要求1所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，所述的運動機構包括第一驅動器(3)、第二驅動器(10)、水平直線電機(4)、豎直直線電機(5)、連接塊(6)和兩個連杆 (7)，運動控制卡(11)控制第一驅動器(3)和第二驅動器(10)，第一驅動器(3)驅動豎直直線電機(5)運動，第二驅動器(10)驅動水平直線電機(4)運動，水平直線電機(4)的動子與豎直直線電機(5)的定子垂直固連，連接塊(6)與豎直直線電機(5)的動子連接，兩個連杆 (7 )平行設置，兩個連杆(7 )的一端均與連接塊(6 )連接，另一端均與攝像機(8 )連接。
3.根據權利要求2所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，兩個連杆(7)通過兩個球銷副與連接塊(6)連接，連接塊(6)與其中一個球銷副的連接點為一圓孔，與另一個球銷副的連接點為滑動長槽。
4.根據權利要求2所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，所述攝像機(8)有一支座，兩個連杆(7)均通過移動副與攝像機(8)的支座連接。
5.根據權利要求4所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，它還包括一基架(9)，攝像機(8) 的支座通過球銷副與基架(9 )連接。
6.根據權利要求4所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，所述移動副為支座上的導槽，導槽中有一直線軸承，連杆伸入導槽中能夠在直線軸承內作軸向滑動。
7.根據權利要求1-6中任一所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，連接塊(6)中設有限定槽，限定槽內裝有一直線軸承，一固定滑杆穿過直線軸承。
8.根據權利要求3或5所述的仿生視覺平臺，其特徵在於，所述的球銷副為萬向聯軸
全文摘要
本發明提供了一種多軸直線電機驅動的仿生視覺平臺，包括主機、運動控制卡、運動機構、攝像機和圖像採集卡，上述各部分依次串連組成閉合迴路，主機通過運動控制卡控制運動機構，運動機構帶動攝像機轉動，攝像機採集圖像，通過圖像採集卡輸出至主機。運動控制卡控制豎直、水平直線電機運動，水平直線電機的動子與豎直直線電機的定子垂直固連，連接塊與豎直直線電機的動子連接，兩個連杆平行設置，兩個連杆的一端均與連接塊連接，另一端均與攝像機連接。該平臺通過兩臺直線電機控制仿生眼的兩個自由度，且通過兩臺直線電機的快速移動保證攝像頭可以捕捉到動態物體目標，能夠很好的完成仿生眼各種姿態調整，有能力應對複雜環境下的工作要求。
文檔編號F16M11/42GK102263893SQ201110110359
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者餘文勇, 吳文鑫, 孫長江, 歐陽曲, 艾武, 金煒 申請人:華中科技大學