混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究

混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究
混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究

2008年第27卷12月第12期机械科学与技术

M echanical Science and T echno l ogy for A erospace Eng ineer i ng D ecember V o.l 272008N o .12

收稿日期:2007 11 25

基金项目:国家自然科学基金项目(50575180)和西安理工大学优秀

博士基金项目资助

作者简介:李仁军(1974-),博士研究生,研究方向为机械系统动力

学、机电控制与检测,lrjl unw en@https://www.360docs.net/doc/b612825052.html,

李仁军

混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究

李仁军1

,刘宏昭1

,李鹏飞1

,单 宁

2

(1西安理工大学机械与精密仪器学院,西安 710048;2西北工业大学机电学院,西安 710072)

摘 要:给出了一种混合驱动机构实现给定轨迹的方法,确定了驱动电机的输入运动规律;以摄像

机为核心构建了机构运动轨迹的视觉检测系统,提出了基于计算机视觉的方法对混合驱动机构的运动轨迹进行检测;构建了混合驱动机构运动轨迹控制实验平台,提出了一种实现两原动件初始角位移动态同步的检测方法。实验的结果表明:本文提出的给定轨迹的生成方法在机构运行速度较低时是可行有效的,基于视觉对混合驱动机构进行轨迹检测是可行的,并且具有较好地检测精度和稳定性。

关 键 词:混合驱动机构;计算机视觉;轨迹检测;轨迹生成

中图分类号:TP391;TH 112 文献标识码:A 文章编号:1003 8728(2008)12 1615 04

Experi m e ntal St udy of Hybri d Dri venM echanis m

L iR en j u n 1,L i u H ongzhao 1,L i Pengfe i 1,Shan N i ng

2

(1X i an U n i v ers it y o f T echno logy ,X i an 710048;

2

N orth w este rn P olytechn i ca lU n i versity ,X i an 710072)

Abst ract :The generati o n and detection o f g i v en trajectory of a planar fi v e bar hybrid driven m echanis m w as i n ves ti g ated .An approach to deter m i n i n g the r u les of i n putm ove m ent for generati n g the g iven trajectory in this m echa n is m w as put for w ard .A m e t h od for detecting the generated tra jecto r y by m eans of co m puter v isi o n w as pr oposed ,and the visua l detecti o n syste m w as developed .The experi m ental platfor m of the five bars hybrid m echan is m w as constructed ,and a dyna m ic m easure techn i q ue for the synchron izati o n i n initial angel d isplace m ent o f t w o actuators w as i n troduced .The results of experi m ents i n d icate that the m ethod for genera ti n g g iven trajectories is effective ,and t h e m et h od for detecti n g trajectories of hybri d dri v en m echanis m based on co mputer v ision is feasi b le and accurate .K ey w ords :hybrid dr i v en m echan is m ;co m puter v ision;tra jectory detection ;tra j e ctory generation 混合驱动机构是可控机构的一个重要分支,其特点是多自由度闭链机构的某些输入运动由可实时控制的变速电机驱动,而另一些输入运动由恒速电机驱动。其中伺服驱动的作用是调节系统的输出运动,而恒速驱动则为系统提供主要动力,它可以精确的实现机构多位置输出。近年来关于混合驱动机构

已取得许多研究成果[1~6]

,但多集中于理论研究和计算机仿真,开展系统实验和检测研究的较少。事实上,由于混合驱动机构在运动轨迹生成过程中受

到控制算法、原动件初始同步条件、运动副间隙和摩擦等因素的影响,实际生成的轨迹与给定轨迹之间

存在误差。

对混合驱动机构运动轨迹的生成和检测进行了实验研究,给出了一种实现给定轨迹的生成方法;基于计算机视觉构建了机构运动轨迹的检测系统,应用视觉方法对机构的运动轨迹进行检测;构建了混合驱动机构运动轨迹控制实验平台,实现了混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测。1 给定运动轨迹的运动学生成1 1 机构逆运动学分析

本文选取如图1所示机构为研究对象,原动件AB 由恒速电机驱动,原动件DE 由变速电机驱动,其

机械科学与技术第27卷

转速受计算机实时控制。假设机构低速运转,各构件均为轻质,且已知各构件的尺寸l j (j =1,2,3,4,5),若要实现两连杆铰接点C 的连续运动轨迹(x i

c ,y i

c )(i =0,1, ,n,表示轨迹通过的第i 个给定点),则须确定轨迹通过每个给定点时两原动件的输入运动

规律。

图1 五杆机构示意图

对机构进行逆运动分析可得如下方程

x i

c =l 1cos i

1+l 2cos i

2y i

c

=l 1sin i 1

+l 2sin

i 2

(1)

消去 i

2并整理可得

A i

si n i

1+B i

cos i

1+C i

=0

(2)

式中:A i

=2l 1y i

c ;B i

=2l 1x i

c ;C i

=l 2

2-l 2

1-(x i

c )2

-(y i

c )2

由式(2)可解出

i 1=2arc tan A i !

(A i )2+(B i )2-(C i )

2

B i -C

i

(3)式中:?!#根据机构装配方式和运动的连续性进行

选择。同理,可得到 i

4。

1 2 驱动电机输入运动规律的确定

如上,通过对机构进行逆运动学分析得到了实现给定轨迹时原动件的角位移运动规律。原动件由驱动电机驱动,因此必须确定驱动电机的输入规律。因为原动件AB 恒速运动,故可首先给定其转速 1,则通过相邻给定点的时间间隔为

t i =

i

1- i-1

1

1

(4)

由于轨迹通过相邻给定点之间的时间间隔较小,故可假设原动件DE 在各个相邻给定点间做匀速运动,则在每个时间间隔内其转速为

i 4

=

i

4- i-1

4

t i

(5)

则式(4)和式(5)即为驱动电机的输入运动规律。根据驱动电机转速与电流或电压的关系则可得出相应的电流或电压变化规律。

假设机构中各构件均为轻质刚性,则在机构运

行速度较低时可不考虑其质量和惯性力的影响。并且不考虑恒速电机的速度波动,则按照以上得出的电流或电压的变化规律驱动变速电机,只对变速电机的输入电压或电流进行控制即可实现给定的运动轨迹,本文应用PI D 方法进行变速电机的控制[7]

2 运动轨迹检测系统2 1 检测原理

由于给定点(两连杆铰接点C,如图1所示)的轨迹为平面运动且运动变化较快,采用传统的检测方法很难得到满意的结果。选用基于视觉的方法进行其运动轨迹的检测,其原理如下:在机构工作面的垂直位置安装摄像机,在机构运动轨迹生成时采集运动目标的运动序列图像。由于机构运动的连续

性,而该运动序列图像在时间和空间是连续的,则将该运动图像序列每帧中运动目标的图像坐标按照时间顺序映射到空间坐标系中即为运动目标在对应时

间的空间位置参数。同时由于相邻两帧图像时间间隔很小,将这些空间位置按时间顺序连接则得到运动目标的轨迹曲线。2 2 检测系统结构

在视觉系统的硬件结构中,摄像机是关键设备,而图像传感器是摄像机的核心部件,进行传感器芯片、摄像机和镜头选取时要考虑摄像机的工作距离、

目标的运动范围、目标的运动速度、要求的检测精度和图像处理软件的精度等因素。

本文选用Basl e r602f 摄像机,其传感器材料为C MOS ,芯片尺寸1/3?,分辨率为659%492,扫描方式为逐行扫描,像元尺寸为9 9 m %9 9 m,像机最大帧频为100帧/秒,可实现外部电压触发,选用镜头为6倍调焦镜头。2 3 检测方法与步骤

(1)摄像机的安装

将摄像机固定安装在相对机构适当的位置,确保运动目标在运动中始终处于视场范围内,且尽量保证摄像机图像平面与目标运动平面平行,以减少检测误差。

(2)摄像机标定

对摄像机进行精确标定以确定其内外参数和标定误差。

(3)运动序列图像的获取

在机构开始生成给定轨迹时,开启摄像机采集运动目标的运动序列图像,并保存在图像计算机硬盘中。

(4)运动目标位置参数的提取

1616

第12期李仁军等:混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究

对采集到的运动序列图像进行图像增强、图像分割、运动目标特征提取、定位等处理,可得到运动目标的图像坐标,利用摄像机标定结果,求世界坐标到图像坐标变换的逆变换则可得运动目标的空间位置坐标。

(5)按时间顺序将运动目标的空间位置连接即可得到其运动轨迹。

3 给定运动轨迹的生成与检测实验3 1 实验平台的建立

混合驱动五杆机构的两原动件分别由恒速电机和变速电机驱动,如图1所示。以三相异步电机作为恒速驱动电机,并配套变频调速器对其转速进行调整,选择交流伺服电机作为变速驱动电机。

运动控制器是连接计算机和驱动系统的桥梁。本文选用GT 400 SV 运动控制器。3 2 两原动件初始角位移同步的实现

混合驱动机构有两个自由度,两原动件的初始角位移关系对机构运动轨迹有很大影响,因此在轨迹生成时必须确保两原动件的初始角位移满足给定轨迹所要求的初始角位移关系。

最简单的实现方法是静态法,即在静止状态下使两原动件分别满足各自的初始角位移,然后开机按照轨迹生成时的运动输入规律驱动电机,实现给定轨迹。该方法原理简单,但在实际操作时原动件定位困难,再加上两驱动电机的启动速度和加速度不同,都会造成两原动件初始角位移的误差,影响生

成轨迹的精度。

图2 光电传感器与圆盘

相对位置示意图

本文提出一种动态方法实现两原动件的初始角位移同步,结构示意图见图2。具体方法如下:在两原动件1的旋转轴上各安装一薄圆盘4,两光电传感器3分别安装在过原动件旋转轴的水平面上,薄圆盘的边缘通过光电传感器

端部的凹槽。当两原动件分别在初始角位移位置 0时,分别在两圆盘边缘径向通过光电传感器水平中心位置刻一窄槽2(注意:对不同的给定轨迹,各

圆盘上窄槽的位置有可能不相同)。当两个光电传感器同时接通时,则两原动件实现了初始角位移的同步。

3

3 轨迹控制检测实验原理

混合驱动五杆机构轨迹控制、检测的工作原理如图3所示。首先,确定恒速电机的转速,并根据前面所给出的生成给定轨迹的输入参数的确定方法,确定交流伺服电机的输入规律。实验开始阶段,控制计算机通过运动控制器控制恒速电机以实现给定轨迹生成的恒速运转,控制交流伺服电机以某一设定转速运转。运动控制器采集分别安装在两原动件旋转轴上的两个光电传感器的状态,用以判断机构两原动件的角位置关系是否满足轨迹生成的初始角位置条件。当两光电传感器同时接通时,运动控制器采集到两个值均为1的状态量,表明两原动件的角位置关系满足了轨迹生成的同步条件。则控制计算机立即更新交流伺服电机的转速,使之按照满足轨迹生成的运动规律运转,同时运动控制器停止对光电传感器信号的采集,开始采集交流伺服电机编码器的读数,实现对交流伺服电机的闭环控制(注意:控制过程中交流伺服电机的伺服周期t i 是变化的),与此同时控制计算机给摄像机发送一高电平信号使摄像机被触发,开始图像的采集(该过程见图3中虚线的指向)。

图3 混合驱动机构轨迹控制检测原理图

3 4 实验结果与分析

机构参数如下:l 1=80mm,l 2=250mm,l 3=250mm,l 4=50mm,l 5=290mm 。实验过程中,恒速电机的转速为60r/m i n 。对有50个给定点的一条轨迹进行生成与检测实验,根据给定轨迹的第一点确定两原动件的初始角位移为 10=0, 40=-0 5rad 。摄像机标定方法与结果见文献[8]。

图4为运动序列图像的第1帧和第31帧(滤波后),图中白色小圆为检测运动目标,经过图像分割、目标提取和定位等处理可得到运动目标的空间

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机械科学与技术第27卷

位置坐标(mm )为:第1帧(227 5491,202 4144),第31帧(139 0425,261 9667)

。图4 序列图像第1帧和第31帧

图5为实测轨迹与给定轨迹对比,观察实验曲线,发现应用视觉方法得到的实测轨迹与给定轨迹

基本吻合,且二者在大部分轨迹上的误差较小,仅在轨迹曲线曲率较大的部分存在较大的误差。由于摄像机标定误差、图像处理和目标定位误差均小于0 5mm [8]

,所以实测轨迹与给定轨迹存在误差的主要来源不是检测方法的误差,而且是轨迹生成过程中造成的,即实际生成的轨迹与给定轨迹之间存在

误差。

图5 给定轨迹与实测轨迹对比

这一方面是由于本文提出的轨迹生成方法是在机构轻质低速运转的假设条件下得到的,没有考虑

机构质量和惯性力的影响,而在轨迹曲率较大处,变

速原动件加速度较大,使得机构惯性力增大,从而造

成在该处实际生成轨迹与给定轨迹有较大误差;另一方面轨迹生成过程中控制算法、原动件初始角位移误差、运动副摩擦和驱动电机速度的波动等因素都会影响轨迹的生成精度。因此,要精确实现给定轨迹必须建立机构系统精确的动力学模型,采用先进的控制算法,还应对运动副间隙、摩擦等非线性因素进行补偿。

4 结论

构建了视觉检测系统,提出了一种基于计算机视觉的混合驱动机构视觉检测方法。构建了混合驱动机构轨迹控制实验平台,按照提出的给定轨迹的生成方法对给定的轨迹进行生成实验,并应用构建的视觉系统进行检测。实验结果表明本文提出的给定轨迹的生成方法在低速和给定轨迹曲率变化较小时是可行有效的;基于视觉对混合驱动机构进行轨迹检测是可行的,并具有较好的检测精度和稳定性。

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理工大学,2006

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