基于機器視覺的宏／微雙驅動與控制系統的研究

    肖獻強¹，張志宇²，張文³，李欣欣²

(1．合肥工業大學，安徽合肥230009；2吉林大學，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動器組成宏／微雙驅動的微操作平臺。步進電動機實現大行程移動和定位，壓電驅動器進行高精度定位誤差補償。同時為了解決宏／微雙驅動兩部分的協調控制問題，提出了利用全局機器視覺的協調控制方法，將末端執行器與目標點的距離作為控制闋值；如果當前距離大于設定的控制閩值，則起動宏動臺進行驅動定位；否則起動壓電驅動器進行定位誤差補償。試驗結果表明：系統的定位速度快，定位精度為1 μm，穩定定位時間小于40 ms。

    關鍵詞：宏動臺；微動臺；壓電驅動器；控制閩值；圖像處理

    中圖分類號：TM38；TM383．6  文獻標識碼：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在軍事工程、光通訊工程、生物工程、精密機械工程、精密光學工程等領域中的成功應用，相應地，這些領域對所應用的微操作系統也提出了更高的要求，特別是在微操作系統的運動精度、響應速度、力感覺、可控性、靈活性等方面的要求越來越高。一些工程領域要求微操作系統在大范圍運動的情況下，同時實現納米級的運動精度，也有一些工程項目要求微操作系統在快速運動的同時，具有精確的力感覺等，這些要求使得傳統的采用單一驅動方式的微操作系統越來越難以勝任。

    針對上述情況，在20世紀80年代的中后期，國內外學者相繼提出了宏／微雙驅動微操作系統的初步想法。經過近20年的探索，不論是從理論論證還是從實際應用的情況，都證明了宏／微雙驅動微操作系統在很多方面的性能優于傳統的采用單一驅動方式的微操作系統^[1]。宏／微雙驅動微操作系統兼備電機可大行程運動和壓電陶瓷響應快、位移分辨率高等優點。宏動部分完成系統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動器以高頻響動態補償系統的定位誤差，可實現微米級的分辨率和定位精度，與傳統靜態補償相比縮短了系統的穩定定位時間，提高了定位精度。

    本文提出了利用步進電動機和壓電驅動器分別構成微操作平臺的宏驅動與微驅動部分，宏動臺以地面為參考物，實現大范圍的移動定位；微動臺附著在宏動臺上以宏動臺為參考物，實現末端高精度定位誤差補償。同時為了分別協調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行器和定位目標點的識別；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。

1宏動部分的設計

    步進電動機是一種輸出與輸入數字脈沖相對應的增量驅動元件，具有快速起停、精確步進、能直接接收數字量等特點，已經廣泛應用在各個領域^[2]。本文設計的宏動臺由精密直線導軌和精密絲杠組成，由步進電動機進行驅動。在XYZ三個方向上，每個方向都有由一個電機和一個絲杠導軌機構組成的驅動執行系統，分別實現置向、y向、z向三種運動。這種傳動形式的特點是結構緊湊、剛度較大，適用工作行程較大的微操作要求，如圖1所示。電機驅動的絲杠機械系統每秒移動的距離為330 Ixm，選用的精密絲杠導程為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)機器視覺系統具有圖像處理、監視、分辨率較高的機器視覺系統，對操作工具的姿態、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視與人機交互界面。

    為了實現數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