基于机器视觉的宏／微双驱动与控制系统的研究

    肖献强¹，张志宇²，张文³，李欣欣²

(1．合肥工业大学，安徽合肥230009；2吉林大学，吉林长春130025；3福田汽车股份有限公司，湖北枣阳430000)

    摘要：针对目前单一的驱动方式日益不能满足越来越多的微操作的要求，提出了利用步进电动机和压电驱动器组成宏／微双驱动的微操作平台。步进电动机实现大行程移动和定位，压电驱动器进行高精度定位误差补偿。同时为了解决宏／微双驱动两部分的协调控制问题，提出了利用全局机器视觉的协调控制方法，将末端执行器与目标点的距离作为控制阕值；如果当前距离大于设定的控制闽值，则起动宏动台进行驱动定位；否则起动压电驱动器进行定位误差补偿。试验结果表明：系统的定位速度快，定位精度为1 μm，稳定定位时间小于40 ms。

    关键词：宏动台；微动台；压电驱动器；控制闽值；图像处理

    中图分类号：TM38；TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0026—04

0引言

    随着越来越多的微操作系统在军事工程、光通讯工程、生物工程、精密机械工程、精密光学工程等领域中的成功应用，相应地，这些领域对所应用的微操作系统也提出了更高的要求，特别是在微操作系统的运动精度、响应速度、力感觉、可控性、灵活性等方面的要求越来越高。一些工程领域要求微操作系统在大范围运动的情况下，同时实现纳米级的运动精度，也有一些工程项目要求微操作系统在快速运动的同时，具有精确的力感觉等，这些要求使得传统的采用单一驱动方式的微操作系统越来越难以胜任。

    针对上述情况，在20世纪80年代的中后期，国内外学者相继提出了宏／微双驱动微操作系统的初步想法。经过近20年的探索，不论是从理论论证还是从实际应用的情况，都证明了宏／微双驱动微操作系统在很多方面的性能优于传统的采用单一驱动方式的微操作系统^[1]。宏／微双驱动微操作系统兼备电机可大行程运动和压电陶瓷响应快、位移分辨率高等优点。宏动部分完成系统大行程的微米级定位；然后由安装在宏动部件上的压电陶瓷微驱动器以高频响动态补偿系统的定位误差，可实现微米级的分辨率和定位精度，与传统静态补偿相比缩短了系统的稳定定位时间，提高了定位精度。

    本文提出了利用步进电动机和压电驱动器分别构成微操作平台的宏驱动与微驱动部分，宏动台以地面为参考物，实现大范围的移动定位；微动台附着在宏动台上以宏动台为参考物，实现末端高精度定位误差补偿。同时为了分别协调宏动台和微动台地相互配合完成高精度定位，提出了利用机器视觉中的图像匹配进行末端执行器和定位目标点的识别；并两者之间的距离作为控制阈值的控制方法，使宏动台和微动台共同完成特定的任务。

1宏动部分的设计

    步进电动机是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量驱动元件，具有快速起停、精确步进、能直接接收数字量等特点，已经广泛应用在各个领域^[2]。本文设计的宏动台由精密直线导轨和精密丝杠组成，由步进电动机进行驱动。在XYZ三个方向上，每个方向都有由一个电机和一个丝杠导轨机构组成的驱动执行系统，分别实现置向、y向、z向三种运动。这种传动形式的特点是结构紧凑、刚度较大，适用工作行程较大的微操作要求，如图1所示。电机驱动的丝杠机械系统每秒移动的距离为330 Ixm，选用的精密丝杠导程为40 mm，误差为lOμm。丝母轴轴向最小移动步距为0．33 μm^[3]。

    (1)宏动台具有多自由度、大运动范围的宏动工作台；

    (2)微动台具有多自由度、小运动范围的高精度的微动工作台；

    (3)机器视觉系统具有图像处理、监视、分辨率较高的机器视觉系统，对操作工具的姿态、位置等精确定位，并具有视觉跟踪能力，保证操作过程始终在视野中，从而实现集中式操作；

    (4)宏动台运动自控制器主要控制宏动台的平移和旋转运动；

    (5)微动台运动控制器主要控制微动台的平移；

    (6)主控计算机主要用来做为上位机和操作过程的监视与人机交互界面。

    为了实现数字化控制电机在每个方向上的运行，宏动部分的电机配备了运动