【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖像匹配算法及仿真的研究。 最后，在結(jié)論部分對(duì)所作的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)也對(duì)以后的研究工作提出一些展望。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 微動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理 微動(dòng)控制系統(tǒng) 是在微米直至亞微米級(jí)精度范圍內(nèi) ,對(duì)尺寸在幾微米至幾十微米的物體進(jìn)行穩(wěn)定 、可靠的抓取或操作。微動(dòng)控制 是集機(jī)械 ,材料 ,電子 ,控制以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科為一體的綜合應(yīng)用技術(shù) ， 采用微操作機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)微動(dòng)控制系統(tǒng) 的重要手段 ， 系統(tǒng)要求機(jī)器人能夠快速的移動(dòng)到被操作目標(biāo)附近 ,而在關(guān)鍵部位還要 實(shí)現(xiàn)微米級(jí)或亞微米的運(yùn)動(dòng)和定位精度 ； 要求機(jī)器人在快速運(yùn)動(dòng)的同時(shí) ,具有精確的位移檢測(cè)等 ,這些對(duì)機(jī)器人的制造及控制理論提出了更高的要求 。 (1)微動(dòng)控制系統(tǒng)要滿足以下的一些主要要求： (2)微米級(jí)的操作、定位精度； (3)大范圍的可操作空間； (4)靈活的操作手結(jié)構(gòu)； (5)精確、快速的顯微視覺處理與控制系統(tǒng) ； (6)多種速度加速度控制方式； 微動(dòng)控制平臺(tái)的組成 根據(jù)微裝配的工藝要求， 微動(dòng)控制 系統(tǒng)主要由微裝配機(jī)械手、真空微夾(末端執(zhí)行器 )和顯微視覺三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) （參見圖 21） 其中真空微夾是微裝 配機(jī)器人的末端執(zhí)行器，用來(lái)吸取和放置微工件 (微靶 )，由單片機(jī)小系統(tǒng)控制。微裝配機(jī)械手由三維微動(dòng)平臺(tái)和遙控手桿組成，由 DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的位置與速度控制。顯微視覺由光學(xué)顯微鏡、CCD 攝像頭、人工光源、圖像采集卡和上位機(jī) (控制主機(jī) )組成，它負(fù)責(zé)獲取并處理顯微視覺圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)微裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。 微動(dòng)控制系統(tǒng) 特點(diǎn) ： 1) 由于操作對(duì)象的幾何尺寸 比較 小 , 在操作過(guò)程中 , 靜電力 、 摩擦力 、表面張力等其主要作用 , 即微觀操作的尺度效應(yīng) 。 2) 操作對(duì)象質(zhì)量小 ， 構(gòu)造薄弱 ,因而操作力不宜過(guò)大 ， 空氣阻力相 對(duì)其重量可能很大 ， 在進(jìn)行操作時(shí) ， 還需要釋放操作 。 第 2章 微動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理 7 3) 由于操作對(duì)象小 , 特別是在 以下時(shí) ,用肉眼很難看清其形狀 、 位姿 , 系統(tǒng)必須配有顯微鏡實(shí)現(xiàn)微細(xì)作業(yè) , 顯微鏡的視野大小決定系統(tǒng)的作業(yè)空 間 , 機(jī)構(gòu)應(yīng)保證操作對(duì)象始終在顯微鏡的視野中。 圖 21 微動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 4) 具有多自由度 , 操作靈活 , 便于調(diào)整 , 運(yùn)動(dòng)精微 , 根據(jù)操作對(duì)象的不同 , 位移分辨率可達(dá)亞微米級(jí)或納米級(jí) 。 5) 采用一定的方式 聲 、 光 、 力 ， 將操作的接觸力等傳遞給操作者 。 操作者 可通過(guò)主從遙控的方式對(duì)微操作過(guò)程及進(jìn)行遙操作實(shí)現(xiàn)微 操作過(guò)程中的力信息的放大和操作者宏操作位移的縮小 。 真空微夾是根據(jù)真空吸附原理設(shè)計(jì)而成的，該裝置由玻璃吸管、真空單元和控制單元三部分組成。玻璃吸管是末端 的 執(zhí)行器，由它的尖端來(lái)操作靶球；真空單元由壓力源、壓力調(diào)節(jié)閥、真空發(fā)生器、開關(guān)閥和真空軟管構(gòu)成；控制單元由單片機(jī)小系統(tǒng)構(gòu)成 ，由它控制真空系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)閥和開關(guān)，使真空系統(tǒng)根據(jù)微動(dòng)控制系統(tǒng) 的要求，在適當(dāng)時(shí)候產(chǎn)生適當(dāng)大小的正負(fù)氣壓，負(fù)壓時(shí)，可使玻璃吸管的尖端 可以 牢牢地吸取微裝配對(duì)象，正壓時(shí)，將裝配對(duì)象 可以 準(zhǔn)確地“吹”放到裝配點(diǎn)上。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 顯微視覺 是 由 CCD 攝像頭、光 學(xué)顯微鏡或者電子顯微鏡構(gòu)成的 ，所以 顯微視覺就成為 了 微操作過(guò)程中信息獲取的主要手段。 以為 立體視覺中通常采用雙目視覺方案， 所以 只要標(biāo)定出攝像機(jī)的參數(shù)及兩攝像機(jī)之間的距離， 并且 通過(guò)對(duì)左右兩路采集到的視覺圖像信息進(jìn)行匹配，就可以確定出操作物體在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。 微動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由電動(dòng)操作臂和電動(dòng)微操作平臺(tái)兩部分組成。電動(dòng)操作臂主要用來(lái)固定各種操作工具，它通過(guò)控制 6路步進(jìn)電機(jī)，并且提供操作臂沿 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)微操作平臺(tái)由電動(dòng)載物臺(tái)，電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)和電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器組成，主要用于為顯微視覺 系統(tǒng)提供硬件支持，所有用于變換顯微視野的操作都由它來(lái)完成。電動(dòng)載物臺(tái)通過(guò)控制 2路步進(jìn)電機(jī)提供操作目標(biāo)沿 x、 Y兩個(gè)方向上的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)；電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)固定于倒置顯微鏡的細(xì)準(zhǔn)焦螺旋上的軸套旋轉(zhuǎn)，提供高精度的轉(zhuǎn)動(dòng)；電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，帶動(dòng)固定于物鏡轉(zhuǎn)換器上的異型蝸輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，提供高精度鏡頭轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動(dòng)。 微動(dòng)控制系統(tǒng)原理 微動(dòng)控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及原理 該系統(tǒng)采用的是計(jì)算機(jī)視覺反饋完成微裝配作業(yè)的 ,在裝配過(guò)程中的微觀領(lǐng)域場(chǎng)景信息是先由顯微鏡放大 ,然后經(jīng)過(guò) CCD 攝像頭形成顯微數(shù)字 圖像送入計(jì)算機(jī) （參見圖 22） 。該系統(tǒng)采用的是萬(wàn)能工具顯微鏡的透鏡組 ,可視為由物鏡、目鏡組成的光路系統(tǒng)。被觀測(cè)的物體置于物鏡前面 ,經(jīng)光路系統(tǒng)放大后 ,形成一個(gè)放大的實(shí)像 ,投射在目鏡后面的 CCD 靶面上 ,最終形成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別處理的顯微數(shù)字圖像。但并不是所有位于物鏡前方的物體都可以被轉(zhuǎn)換成有用的數(shù)字圖像 ,只有在顯微鏡的景深范圍之內(nèi)的物體 ,光路放大系統(tǒng)才有效。把處于顯微鏡景深范圍以內(nèi)的區(qū)域稱為“清晰區(qū)” ,處于顯微鏡景深范圍以外 ,圖像雖然模糊 ,但大概可以分清背景和操作對(duì)象的區(qū)域 ,稱為顯微鏡的“像感區(qū)” ,如果繼續(xù)向離焦 方向移動(dòng) ,景象會(huì)變得完全不可識(shí)別 ,操作場(chǎng)景和背景 第 2章 微動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理 9 圖 22 基于顯微視覺反饋控制的微裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 完全不可分辨 ,稱為“無(wú)像區(qū)”。當(dāng)然這三個(gè)區(qū)域之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界限 ,是漸變的過(guò)程。一般的基于數(shù)字圖像處理的顯微鏡自動(dòng)調(diào)焦算法 ,研究 的都是從“像感區(qū)”到“清晰區(qū)”的問(wèn)題 ,對(duì)于大范圍的微操作而言 ,還要考慮“無(wú)像區(qū)”到“清晰區(qū)”的問(wèn)題。據(jù)此該系統(tǒng)提出了“粗調(diào)一細(xì)調(diào)”的兩極調(diào)焦算法 ,“粗調(diào)”使操作場(chǎng)景從“無(wú)像區(qū)”快速進(jìn)入“像感區(qū)” ,“細(xì)調(diào)”使操作場(chǎng)景從“像感區(qū)”進(jìn)入“清晰區(qū)”。 系統(tǒng) （參見圖 23） 由顯微視覺分系統(tǒng)、左右精密三維微定位臺(tái)、末端微執(zhí)行器、操縱單元和控制用計(jì)算機(jī)等模塊構(gòu)成。顯微視覺 （參見圖 24）分系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡、 CCD 攝像機(jī)、圖像采集和圖像觀測(cè)等裝置。 將視覺信息作為反饋參與伺服控制形成視覺控制系統(tǒng)，可以提高微操作機(jī)器人系統(tǒng) 的精度，而且視覺系統(tǒng)還可以作為微操作機(jī)器人系統(tǒng)不可缺少的觀測(cè)手段，所以顯微視覺系統(tǒng)是微操作機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分。如圖24所示，微操作機(jī)器人的顯微視覺系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 23 微操作系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及工作原理 1． 操縱裝置； 2．控制用計(jì)算機(jī)； 3．左微定位平臺(tái)； 4．光學(xué)顯微鏡； 5．右微定位平臺(tái)； 6．末端微執(zhí)行器 圖 24 顯微視覺系統(tǒng)組成 (1) 能完成對(duì)被操作物體精確移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作的操作手； 第 2章 微動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理 11 (2) 有足夠分辨率、并能從多方向觀察操作對(duì)象的顯微鏡監(jiān)視系統(tǒng)： (3) 能不失真地記錄操作過(guò)程、操作對(duì)象和操作工具位置信息的圖像采集系統(tǒng)； (4)圖像信息處理系統(tǒng)； (5)操作手控制系統(tǒng)。 根 據(jù)操作對(duì)象的不同，各顯微視覺系統(tǒng)的組成雖略有不 r 同，但均是在上述幾方面基礎(chǔ)上構(gòu)建的。 微動(dòng)控制平臺(tái) （攝像機(jī)）所在點(diǎn)為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn) 如圖 25，對(duì)環(huán)境物體進(jìn)行三維建模 。 首先利用立體靶標(biāo)對(duì)兩個(gè) CCD 相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，用 CCD 相機(jī)采集環(huán)境物體的圖像，接著對(duì)采集到的圖像進(jìn)行濾波和特征提取，然后進(jìn)行圖像的立體匹配，最后計(jì)算出三維世界坐標(biāo)，得到物體的三維點(diǎn)云圖數(shù)據(jù) 。 如果機(jī)器人作戰(zhàn)平臺(tái)不移動(dòng)，只能建立 維物體模型，但可以從不同角度觀察環(huán)境物體，不影響對(duì)環(huán)境的理解。如果機(jī)器人作戰(zhàn)平臺(tái)圍繞環(huán)境物體移動(dòng)，可以建立物體三維模型 。 由重構(gòu)的三維模型所組成的虛擬環(huán)境增強(qiáng)了操控人員對(duì)環(huán)境物體的理解，即增強(qiáng)了臨場(chǎng)感，從而提高微動(dòng)控制平臺(tái)遙操作的效率。 微操作手具備 XYZ 三個(gè)平移自由度的輔助操作手，其運(yùn)動(dòng)行程 為20mm20mm20mm ，定位精度為 5μm ，由 Nikon/NARISHIGE 微操作器MO188NE改造而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝方便的特點(diǎn)。 MO188NE 本身是一獨(dú)立控制系統(tǒng)，由微動(dòng)平臺(tái)、微電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及遙桿構(gòu)成，不具備外部控制指令輸入接口，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行硬件改造，添加與上位機(jī)通訊控制單元，使其可以實(shí)時(shí)接收上位機(jī)指令實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。實(shí)際操作中，上位機(jī)監(jiān)控程序通過(guò)接收鍵盤輸入命令或程序自動(dòng)執(zhí)行命令，將其轉(zhuǎn)換為操作手運(yùn)動(dòng)指令后由 RS232 接口轉(zhuǎn)發(fā)給操 作器。三自由度操作手結(jié)構(gòu)如 圖 27所示。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 25 三 自由度微操作手結(jié)構(gòu) 圖 26 壓電雙晶片微夾鉗 由于壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、響應(yīng)快、無(wú)摩擦等優(yōu)點(diǎn)，目前由壓電元器件驅(qū)動(dòng)的微夾鉗比較普遍。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電雙晶片微夾鉗 （ 如圖 26所示） ，兩片壓電雙晶片相當(dāng)于兩個(gè)手指，當(dāng)施加相同電壓時(shí)，雙晶片產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)位移，往中間靠攏以?shī)A取微裝配對(duì)象。微夾鉗的最大開口變化量為 。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)微力檢測(cè)，在懸臂梁根部集成電阻應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)微夾鉗的閉環(huán)控制以及夾持力的檢 測(cè)。通過(guò)裝配實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微夾鉗結(jié)構(gòu)模型的有效性，在實(shí)際裝配操作中對(duì)微裝配對(duì)象的夾取、放置操作安全有效且成功率高。 微動(dòng)控制系統(tǒng) 控制要求和目標(biāo) 由于被操作對(duì)象需要放置在此工作臺(tái)上，因此應(yīng)以滿足使用要求而又經(jīng)濟(jì)合理為準(zhǔn)則。但用作定位補(bǔ)償?shù)奈⑽灰乒ぷ髋_(tái)，它的精度要求比較高，一般都在亞微米級(jí)以上甚至納米級(jí)，另外還應(yīng)具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，微操作的目的是對(duì)特征尺寸在微米量級(jí)的對(duì)象進(jìn)行的操作和處理，用于第 2章 微動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理 13 執(zhí)行微操作的儀器通常稱為微操作系統(tǒng)或微操作機(jī)器人。微動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征： 1．工作臺(tái)應(yīng)具有較高的幾 何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)定性；工作臺(tái)的支承或?qū)к墤?yīng)無(wú)機(jī)械摩擦和間隙，具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復(fù)精度，同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程 ,系統(tǒng)精度應(yīng)在微米與亞微米之間。一般認(rèn)為，微器件的特征尺寸在IIOOgm 范圍內(nèi)。對(duì)這一尺度的器件進(jìn)行準(zhǔn)確操縱，進(jìn)行微器件的精密定位、裝配和連接，要求操作儀器的精度要至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般微操作需要達(dá)到微米量級(jí)精度，對(duì)于一些特殊操作，有時(shí)也需要亞微米級(jí)精度。這里的操作精度主要指定位精度和裝配精度。 2．工作臺(tái)的固有頻率應(yīng)高，以確保其有良好 的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力；系統(tǒng)應(yīng)具有傳感反饋部分，如視覺反饋和力反饋環(huán)節(jié)。由于加工水平、溫度和濕度等環(huán)境條件、摩擦和磨損等因素的影響，采用開環(huán)控制方式達(dá)到微米與亞微米級(jí)的微操作是不可能的，必須采用閉環(huán)控制，傳感反饋環(huán)節(jié)是不可缺少的。 3．包括一些用予靈活操縱和處理微小物體的工具。由于微操作領(lǐng)域還在不斷發(fā)展，微操作任務(wù)經(jīng)常是復(fù)雜和難以預(yù)見的，目前的微執(zhí)行器的工作范圍有限，功能單一，單獨(dú)采用一種工具很難適應(yīng)微操作要求。系統(tǒng)需要具備多種執(zhí)行不同操作的工具，如微夾鉗、微注射裝置、微型刀具等，并且可以靈活替換。 4．良 好的人機(jī)交互環(huán)境。交互性能差、使用不方便的人機(jī)交互環(huán)境會(huì)令操作者感到厭倦和疲勞，降低工作效率，操作失誤率增加，容易損害昂貴的精密操作工具。而良好的人機(jī)交互環(huán)境能令操作者感到舒適、方便、輕松，并且易于學(xué)習(xí)，對(duì)微操作的作用是顯麗易見的。 5．微動(dòng)系統(tǒng)要便于控制，而且響應(yīng)速度快。待操作對(duì)象放置在 PI 平臺(tái)上，并與微作業(yè)工具末端的顯微作業(yè)針共同顯示在電子顯微鏡下，由電子顯微鏡拍攝到的實(shí)時(shí)視頻圖像直接傳送到 PC 機(jī)屏幕上，使得操作簡(jiǎn)便易行，實(shí)驗(yàn)效果也易于觀察。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 微動(dòng)控制系統(tǒng) 常用策略 根據(jù)機(jī)械手和視覺系統(tǒng)的性能以 及任務(wù)的復(fù)雜性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)微動(dòng)控制平臺(tái)。由于顯微視覺系統(tǒng)的視野的局限，所以很難對(duì)微動(dòng)平臺(tái)在整個(gè)微裝配空間中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的觀測(cè)和跟蹤，因此微動(dòng)平臺(tái)視覺伺服控制策略的選擇與設(shè)計(jì)就有別于一般面向目標(biāo)跟蹤的視覺伺服系統(tǒng)，它具有以下一些特點(diǎn)： （ 1）對(duì)于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和控制速度的要求不高； （ 2）微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)的行程是比較小的； （ 3）微動(dòng)控制對(duì)于環(huán)境參數(shù)的變化以及其他一些隨機(jī)擾動(dòng)的變化非常敏感，它要求控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)具備較好的魯棒性；為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的微動(dòng)控制過(guò)程，基于圖像的視覺伺服控制策略應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容： 1）根據(jù)圖像 特征的變化引導(dǎo)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到顯微視覺系統(tǒng)的視野中；