CN102263893A

CN102263893A - 一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台

Info

Publication number: CN102263893A
Application number: CN2011101103590A
Authority: CN
Inventors: 余文勇; 艾武; 金炜; 欧阳曲; 孙长江; 吴文鑫
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明提供了一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台，包括主机、运动控制卡、运动机构、摄像机和图像采集卡，上述各部分依次串连组成闭合回路，主机通过运动控制卡控制运动机构，运动机构带动摄像机转动，摄像机采集图像，通过图像采集卡输出至主机。运动控制卡控制竖直、水平直线电机运动，水平直线电机的动子与竖直直线电机的定子垂直固连，连接块与竖直直线电机的动子连接，两个连杆平行设置，两个连杆的一端均与连接块连接，另一端均与摄像机连接。该平台通过两台直线电机控制仿生眼的两个自由度，且通过两台直线电机的快速移动保证摄像头可以捕捉到动态物体目标，能够很好的完成仿生眼各种姿态调整，有能力应对复杂环境下的工作要求。

Description

一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台

技术领域

本发明属于机器视觉技术和直线电机控制技术领域，具体涉及一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台。

背景技术

机器视觉是一项包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、电光源照明技术、光学成像技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等技术的一项综合技术。因为机器视觉***可以快速获取大量信息，而且易于同设计信息及加工控制信息集成，因此，机器视觉技术作为一种检测控制手段已经日益引起人们的重视并在工业控制中得到了越来越广泛的应用。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。长期以来，在各种工程技术中需要直线驱动力时，主要是采用旋转电机并通过曲柄连杆、蜗轮蜗杆或滚珠丝杠等传动机构来获得。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂、重量体积大、啮合精度差。且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间转换装置，能够直接产生直线运动。相比旋转电机，直线电机具有结构简单、适合高速直线运动、易于调节和控制的优点，最主要的是极大地提高了进给的快速反应能力和控制精度，而且省去了电刷等易损零件，提高了寿命和可靠性。且装配灵活性大，适应性强，运动平稳，维护简单。

近年来，机器人视觉技术的发展日益完善，并在机器手自动装配、无人驾驶以及一些复杂场景作业(如资源探测、灾害救援、挖掘、登月)中得到广泛的应用。根据人眼运动机理，不仅液体镜头技术应运而生，近年来以仿生眼为代表的机器人视觉技术也发展迅速。由于人眼视觉***通过不断调节和改变晶状体曲率(特别是前端曲率)使外界物体清晰成像于视网膜上，并依靠外眼肌肉控制眼珠转动使得运动物体始终成像于视网膜中央，因此在Wakamatsu眼球运动机构模型中，通过分别采用伺服电机和加速计来实现眼睛肌肉功能和半规管功能，进而用结构化的神经网络信息处理***自动选择控制规律来实现眼睛的协调运动。近几年国内外关于机器人仿生眼的运动控制***及其应用的研究层出不穷。但是，在复杂场景应用过程中也暴露出来一系列问题，主要有摄像头的振动问题，被测物体因高速移动导致离焦并容易逃离视野的问题以及被测物体因表面特征或恶劣环境影响对焦的问题。随着自主机器人***研究的逐步开展和深入，上述问题日益突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台，该平台通过两台直线电机控制仿生眼的两个自由度，且通过两台直线电机的快速移动保证摄像头可以捕捉到动态物体目标，而直线电机的高速，高精和高灵敏度等特点可以有效保证对运动目标的快速实时追踪。

本发明提供了一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台，包括主机、运动控制卡、运动机构、摄像机和图像采集卡，上述各部分依次串连组成闭合回路，主机通过运动控制卡控制运动机构，运动机构带动摄像机转动，摄像机采集图像，通过图像采集卡输出至主机。

进一步的，所述的运动机构包括第一驱动器、第二驱动器、水平直线电机、竖直直线电机、连接块和两个连杆，运动控制卡控制第一驱动器和第二驱动器，第一驱动器驱动竖直直线电机运动，第二驱动器驱动水平直线电机运动，水平直线电机的动子与竖直直线电机的定子垂直固连，连接块与竖直直线电机的动子连接，两个连杆平行设置，两个连杆的一端均与连接块连接，另一端均与摄像机连接。

进一步的，两个连杆通过两个球销副与连接块连接，连接块与其中一个球销副的连接点为一圆孔，与另一个球销副的连接点为滑动长槽。

进一步的，所述摄像机有一支座，两个连杆均通过移动副与摄像机的支座连接。

进一步的，它还包括一基架，摄像机的支座通过球销副与基架连接。

进一步的，所述移动副为支座上的导槽，导槽中有一直线轴承，连杆伸入导槽中能够在直线轴承内作轴向滑动。

进一步的，连接块中设有限定槽，限定槽内装有一直线轴承，一固定滑杆穿过直线轴承。

本发明具有以下技术特点：

(1)本发明所述的仿生视觉平台采用视觉伺服控制，与基于传统传感器的机器人控制相比，具有比较明显的优点，即具有更高的灵活性，更高的精度，能够对标定误差具有强的鲁棒性。

(2)本发明所述的仿生视觉平台采用具有高速高精等特点的直线电机，能够很好的完成仿生眼各种姿态调整，同时也拥有快速补偿外部干扰所造成的偏差的能力。在直线电机控制下的视觉跟踪机构其调整速度和跟踪精度较高，有能力应对复杂环境下的工作要求。

(3)本发明所述的仿生视觉平台在速度模式下，由于直线电机的高响应性更适合追踪快速移动的物体，尤其在速度突然反向的瞬间可产生高达10g的加速度，远高于一般传统电机产生的1g加速度。而位移模式则有更好的稳定性，抗干扰性和精度，适用于精确追踪平稳运动的物体。

(4)本发明所述的仿生视觉平台采用高分辨率的面阵工业摄像机，精确定位目标位置，能够敏锐捕捉位移变化。

附图说明

图1多轴直线电机驱动的仿生视觉平台的总结构示意图；

图2机械部分的原理示意图；

图3连接块周围部件细节结构图；

图4连接块的结构图；

图5控制***结构图；

图6仿生视觉平台的工作过程图。

具体实施方式

目前国内外对仿生眼及视觉平台的研究各有侧重和特色，研究方案大多建立在以旋转电机为基础的视觉平台上，本发明则采用具有高速、高精、高响应性等特点的直线电机作为驱动单元，并对仿生眼运动平台的结构进行新的设计。根据人眼运动机理，可采用直线电机替代眼部肌肉模拟眼球转动，实现仿生眼运动平台的视野移动。

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的多轴直线电机驱动的仿生视觉平台包括基架9、主机1、图像采集卡2、摄像机8、运动控制卡11、第一驱动器3、第二驱动器10、竖直直线电机5、水平直线电机4、连接块6和两个连杆7。如图1所示，主机1可实现图像处理和运动控制，其与图像采集卡2和运动控制卡11电连接。图像采集卡2通过线缆与摄像机8相连，将摄像机8所采集的图像输往主机1。主机1将控制指令通过运动控制卡11发往第一驱动器3和第二驱动器10。第一驱动器3和第二驱动器11均为直线电机驱动器，它们接收来自运动控制卡11的控制信号并传递给直线电机，并将来自直线电机编码器的信号反馈给运动控制卡11，进而反馈给主机。第一驱动器3与竖直直线电机5相连，驱动其动子作竖直方向的直线运动，第二驱动器10与水平直线电机4相连，驱动其动子作水平方向的直线运动。水平直线电机4与竖直直线电机5成垂直形态固联。水平直线电机4采用磁棒作为定子，机身作为动子。水平直线电机4的定子与基架9固定连接。而竖直直线电机5采用磁棒作为动子，机身则作为定子并与水平直线电机4机身固定连接。所以竖直直线电机5的动子可在两台电机的驱动下作竖直平面内的运动。连接块6与竖直直线电机5的动子固定连接，所有通过两台电机的协动可以保证连接块6能在行程范围内运动到竖直平面上的任意点。两个连杆7平行设置，其一端均通过球销副与连接块6相连，所以竖直直线电机5的动子在竖直平面内的运动可驱动两个连杆7的摆动。

摄像机8有一支座，支座与摄像机8固定连接，支座底部中心通过球销副与基架9连接，球销副可以是万向联轴器，也可以是其他连接装置。两个连杆7均通过移动副与支座相连，表现形式为摄像机8的支座上有两个平行导槽，导槽中各装有一个直线轴承，两个连杆7的另一端伸入导槽中直线轴承内作轴向滑动，从而两个连杆7的运动可驱动摄像机8作各个方向的摆动。

主机1通过图像采集卡2接收来自摄像机8的图像，经过处理后发出相应控制指令至直线电机4、5，通过控制其协动来控制摄像机8的转动以达到追踪目标物体的效果。

仿生视觉平台机械部分的原理简图如图2所示，核心部分为两台直线电机4，5、摄像机8及连杆7。水平直线电机4和竖直直线电机5的协动带动P点即上述连接块6在虚线平行四边形框所示竖直平面内运动，进而通过连杆7带动摄像机8作以O点为球心的转动。图中虚线半球所示即为摄像机8的理论转动范围。

为了保证竖直直线电机5的磁棒为纯移动副，如图3所示，在竖直直线电机5上端连接块6中增设限定槽12，其内装有一直线轴承，一同定滑杆13穿过直线轴承，以防止在运动过程中竖直直线电机5的电机轴发生旋转，同定滑杆13两端同定连接于两直线电机的连接板上。

另外在连接块6上与两个球销副(即万向联轴器)的连接孔，如图4所示，其中之一为固定圆孔，另一个设为滑动长槽，以适应两球销副之间的距离变化。因为当水平直线电机4在水平方向上运动时，两连杆7之间的垂直距离不变，而其四端点所构成的矩形会变成平行四边形，则两连杆在同一端的两端点间距离会变化，即两球销副之间的距离会发生变化。

可见该套机构共含有3个万向联轴器(两连杆端部和摄像相机支座底部)，5个移动副(水平直线电机4的移动副、竖直直线电机5的移动副、连接块6上滑动长槽、摄像机8支座上的两导槽)，和2个封闭环(基架9-电机4-电机5-连杆7-摄像机8-基架9构成的封闭环、两连杆6两端两个移动副和两个球销副之间构成的封闭环)，故根据空间自由度计算公式W＝P_Z-λ-3K(式中W为空间自由度，p_z为空间各级别运动副自由度总和，λ为各级运动副多余自由度总和，K为空间机构的封闭环数)可得：

W＝(2+2+2+5)-(1+1+1)-3×2＝2

自由度与原动件(直线电机)数目相等，满足运动确定性。

本发明的控制***采用双闭环结构，结构图如图5所示。其中内环部分为直线电机伺服控制，通过高采样频率以保证电机的高速高精运动。由于直线电机上装有位移传感器，因此两台直线电机的实时位置可反馈给主机。外环为视觉控制环，以较低的采样速率完成直线电机的目标位置设定。待追踪目标在摄像头视野中(即屏幕上)的水平和竖直两个方向的位置信息通过图像采集卡反馈给主机，实现闭环控制。通过上述四个量(两台直线电机的实时位置、目标在视野中水平和竖直两个方向的位置)即可实时地求出两台直线电机需要移动的行程。具体过程通过表达出电机位置与摄像头位姿对应关系，在全局坐标系中进行目标定位，再由追踪物***置反求直线电机目标位置来完成。此结构可将仿生视觉平台的机械运动奇异性与视觉控制隔离，将仿生视觉平台机械部分看成理想笛卡尔运动元件，从而简化了设计过程。

如图6所示，本发明装置的工作过程描述如下：

(1).开机启动，完成运动控制卡和图像采集卡参数设置；

(2).运行控制程序，主机发出指令，开始图像采集；

(3).设定跟踪目标，若目标发生移动，则控制程序会控制直线电机运动使摄像机转动以跟踪目标；

(4).若平台发生振动或偏移，控制程序也会控制直线电机运动使摄像机转动以保持目标在视野中位置；

(5).退出***。

本发明不仪局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的发计结构和思路，做一些简单的变化或更改的发计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种多轴直线电机驱动的仿生视觉平台，包括主机（1）、运动控制卡（11）、运动机构、摄像机（8）和图像采集卡（2），上述各部分依次串连组成闭合回路，主机（1）通过运动控制卡（11）控制运动机构，运动机构带动摄像机（8）转动，摄像机（8）采集图像，通过图像采集卡（2）输出至主机（1）。

2.根据权利要求1所述的仿生视觉平台，其特征在于，所述的运动机构包括第一驱动器（3）、第二驱动器（10）、水平直线电机（4）、竖直直线电机（5）、连接块（6）和两个连杆（7），运动控制卡（11）控制第一驱动器（3）和第二驱动器（10），第一驱动器（3）驱动竖直直线电机（5）运动，第二驱动器（10）驱动水平直线电机（4）运动，水平直线电机（4）的动子与竖直直线电机（5）的定子垂直固连，连接块（6）与竖直直线电机（5）的动子连接，两个连杆（7）平行设置，两个连杆（7）的一端均与连接块（6）连接，另一端均与摄像机（8）连接。

3.根据权利要求2所述的仿生视觉平台，其特征在于，两个连杆（7）通过两个球销副与连接块（6）连接，连接块（6）与其中一个球销副的连接点为一圆孔，与另一个球销副的连接点为滑动长槽。

4.根据权利要求2所述的仿生视觉平台，其特征在于，所述摄像机（8）有一支座，两个连杆（7）均通过移动副与摄像机（8）的支座连接。

5.根据权利要求4所述的仿生视觉平台，其特征在于，它还包括一基架（9），摄像机（8）的支座通过球销副与基架（9）连接。

6.根据权利要求4所述的仿生视觉平台，其特征在于，所述移动副为支座上的导槽，导槽中有一直线轴承，连杆伸入导槽中能够在直线轴承内作轴向滑动。

7.根据权利要求1-6中任一所述的仿生视觉平台，其特征在于，连接块（6）中设有限定槽，限定槽内装有一直线轴承，一固定滑杆穿过直线轴承。

8.根据权利要求3或5所述的仿生视觉平台，其特征在于，所述的球销副为万向联轴器。