CN204595620U - 一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，该装置包括并联平台本体、CCD相机与镜头，相机光源，计算机、Dspace半物理仿真控制器，超声电机驱动器等部件。并联平台包括超声直线电机、直线光栅编码器、从动杆、动平台、静平台等部分。CCD相机垂直正对动平台进行拍摄，拍摄图像通过图像处理算法实时测量动平台上相应标志物的位置，不仅能用于测量，还能实现动平台末端位置的实时反馈，构成全闭环系统。采用高速、高分辨率CCD相机，在动态轨迹跟踪过程中采用像素定位，在静态点镇定的情况下采用亚像素定位，实现对并联平台的位置精确跟踪目的。

Description

一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置

技术领域

本实用新型涉及平面并联平台位置测量与跟踪控制，尤其涉及一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置。

背景技术

精密定位平台是精密操作，精密制造，精密测量领域中的重要组成部分。传统的精密定位平台通常是由压电陶瓷驱动的柔顺机构构成，其特点是高精度，响应时间快；但其固有的行程短的缺点限制了其使用的范围。当今技术发展导致跨尺度的使用场合越来越多，大行程、高精度成为了精密定位平台的瓶颈，为了实现大行程的目标，宏微结合的方法被提出。宏微结合的方法是把微动平台放到宏动平台上，采用大行程的宏动平台进行粗定位，然后再用微动的精密定位平台进行精定位。为了实现这样的目标，宏动平台的定位精度必须在微动平台的工作空间内，这就为宏动平台的定位精度提出了很高的要求。由于缺乏合适的传感器，传统的并联平台都是半闭环的定位平台，也就是只有关节闭环的平台。由于实际应用当中，加工误差、装配误差、关节间隙、摩擦、弹性变形等各种不确定性因素广泛存在，尽管并联平台的关节能精确定位，但传递到平台末端后，会引入各种前述的误差，因此，必须保证末端的定位精度，而不单纯是关节的定位精度。

目前还没有一种可以测量平面3自由度(两个平动，一个转动)的传感器可用于平面并联平台的末端反馈。为了精确测量平面3自由度的误差，可通过三个单自由度传感器，例如激光位移传感器，通过一定的排布测量后计算平台的位置与姿态角误差，但这无疑增加了整个机构的体积，使得机构不能应用于例如扫描电镜腔体等有尺寸限制的场合。

发明内容

本实用新型的目的在于为了克服平面并联机构没有合适的平面3自由度测量传感器存在的问题和不足，提供一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置。本实用新型采用CCD相机视觉测量系统并结合位置跟踪反馈控制装置作为传感器，不仅能通过图像处理测量的方法解决平面3自由度的测量问题，还能实现末端位置与姿态角的实时反馈，实现并联平台的全闭环控制，对提高平面并联定位平台的末端精度有显著的作用。并且CCD相机视觉测量设备只需要CCD相机、镜头、光源等设备，结构简单，体积小，适合集成于空间尺寸狭小的场合。本发明能使动平台在毫米级行程下达到亚微米级别定位精度。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，包括并联平台机构、CCD相机视觉测量系统、位置跟踪反馈控制装置；

所述并联平台机构包括：静平台4、设置在静平台4上方的动平台3、三台超声直线电机1、超声直线电机的驱动器；动平台3具有三个转轴，分别呈等边三角形分布在动平台3的外边缘；三台超声直线电机1分别呈等边三角形分布并安装在静平台4的边沿处；各超声直线电机1上安装的转动轴10的轴端分别通过一根从动杆2连接动平台3的其中一个转轴；各超声直线电机1上分别设有直线光栅编码器5；

一台超声直线电机1、一根从动杆2和动平台3的一个转轴，组成一个并联分支；

三台超声直线电机1联合驱动从动杆2，使动平台3移动定位到目标位置；

超声直线电机1运动过程中带动直线光栅编码器5运动，用于检测电机1实际位置；

动平台3上安装有两个直线分布的聚焦蓝光激光的第一点光源标志物8-1、第二点光源标志物8-2，作为视觉检测特征物；

所述CCD相机视觉测量系统包括：置于动平台3上方的CCD相机11、安装在CCD相机11端部的镜头6、设置在镜头6一侧的相机光源9、USB接口、计算机；所述CCD相机11通过USB接口连接计算机；

镜头6垂直并正对动平台3，使镜头6的中心点与动平台3的原点重合；

所述位置跟踪反馈控制装置包括：具有增量式编码器接口模块和D/AC接口的Dspace半物理仿真控制器，所述D/AC接口连接超声直线电机的驱动器，各直线光栅编码器5与增量式编码器接口模块连接，增量式编码器接口模块连接计算机，计算机连接D/AC接口。

所述CCD相机11还具有一个支撑机构，该支撑机构包括带活动关节的支架7和用于固定支架7的磁性底座12，所述CCD相机11固定在支架7的端部。

所述相机光源(9)为LED光源。所述动平台(3)为圆形。

本实用新型利用CCD相机视觉测量系统结合位置跟踪反馈控制装置作为传感器，至少具有如下的优点及效果：

作为传感器检测动平台末端的位置与姿态角误差，是非接触式测量，机构小巧紧凑，不增加结构附加质量，不改变结构特征，具有测量精度高，采样频率高，动态响应快的优点。

易于集成到本身已经具有视觉设备的使用场合，例如SEM(扫描式电子显微镜)的腔体中；

采用点光源标志物配合相机光源(LED无影灯)拍照，成像效果好，简化了图像处理的难度和提高了图像处理的速度；

位置跟踪反馈控制装置是双闭环装置，不仅具有驱动关节闭环，还具有末端闭环，能显著的提高动平台末端的定位精度。

利用CCD相机视觉测量设备作为传感器是非接触式测量，机构小巧紧凑，不增加结构附加质量，不改变结构特征，具有测量精度高，采样频率高，动态响应快的优点；并能同时测量两个平动自由度与一个转动自由度。

CCD相机垂直正对动平台进行拍摄，拍摄图像通过图像处理算法实时测量动平台上相应标志物的位置，不仅能用于测量，还能实现动平台末端位置的实时反馈，构成全闭环系统。采用高速、高分辨率CCD相机，在动态轨迹跟踪过程中采用像素定位，在静态点镇定的情况下采用亚像素定位，实现对并联平台的位置精确跟踪目的。

附图说明

图1为本实用新型视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置整体结构示意图；其中，图中虚线为电信号连接图。

图2为图11正视图。

图3为图1俯视图。

图4表示动平台上第一点光源标志物8-1、第二点光源标志物8-2，在CCD相机的视场内呈直线分布。

图5表示第一点光源标志物8-1、第二点光源标志物8-2在运动前后的位置变化关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至5所示。本实用新型一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，包括并联平台机构、CCD相机视觉测量系统、位置跟踪反馈控制装置；

所述并联平台机构包括：静平台4、设置在静平台4上方的动平台3、三台超声直线电机1、超声直线电机的驱动器；动平台3具有三个转轴，分别呈等边三角形分布在动平台3的外边缘；三台超声直线电机1分别呈等边三角形分布并安装在静平台4的边沿处；各超声直线电机1上安装的转动轴10的轴端分别通过一根从动杆2连接动平台3的其中一个转轴；各超声直线电机1上分别设有直线光栅编码器5；

一台超声直线电机1、一根从动杆2和动平台3的一个转轴，组成一个并联分支；总共有三个并联分支；

三台超声直线电机1联合驱动从动杆2，使动平台3移动定位到目标位置；

超声直线电机1运动过程中带动直线光栅编码器5运动，用于检测电机1实际位置；

动平台3上安装有两个直线分布的聚焦蓝光激光的第一点光源标志物8-1、第二点光源标志物8-2，作为视觉检测特征物；

所述CCD相机视觉测量系统包括：置于动平台3上方的CCD相机11、安装在CCD相机11端部的镜头6、设置在镜头6一侧的相机光源9、USB接口、计算机；所述CCD相机11通过USB(3.0)接口连接计算机；

镜头6垂直并正对动平台3，使镜头6的中心点与动平台3的原点重合；

所述位置跟踪反馈控制装置包括：具有增量式编码器接口模块和D/AC接口的Dspace半物理仿真控制器，所述D/AC接口连接超声直线电机的驱动器，各直线光栅编码器5与增量式编码器接口模块连接，增量式编码器接口模块连接计算机，计算机连接D/AC接口。Dspace半物理仿真控制器，为DspaceDS1103半物理仿真控制器。

所述CCD相机11还具有一个支撑机构，该支撑机构包括带活动关节的支架7和用于固定支架7的磁性底座12，所述CCD相机11固定在支架7的端部。

上述视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置的控制方法如下：

(一)CCD相机视觉测量步骤

CCD相机11拍照获取动平台3图像信号，并通过USB接口传输给计算机；

计算机获取图像信号后经过图像处理，提取动平台3上第一点光源标志物8-1及第二点光源标志物8-2的特征，计算得到坐标；

通过第一点光源标志物8-1及第二点光源标志物8-2坐标计算动平台3运动的平移量Δx,Δy与转动角度Δθ；

动平台3的两个平动位移值Δx,Δy和一个转动角度值Δθ通过以下公式计算出：

设第一点光源标志物8-1运动前的坐标为(x₁,y₁)，运动后的坐标为(x₁′,y₁′)，第二点光源标志物8-2运动前的坐标为(x₂,y₂)，运动后的坐标为(x₂′,y₂′)，设运动前第一点光源标志物(8-1与第二点光源标志物8-2组成矢量S＝((x₂-x₁),(y₂-y₁))，运动后变为矢量S′＝((x₂′-x₁′),(y₂′-y₁′))；

动平台3平移量 $\mathrm{\Δx}=\frac{(x_2-x_1)-(x_2^{\′}-x_1^{\′})}{2},\mathrm{\Δy}=\frac{(y_2-y_1)-(y_2^{\′}-y_1^{\′})}{2};$ 若Δx大于零，表示动平台3向x轴正方向运动，若Δx小于零，表示动平台3向x轴负方向运动；若Δy大于零，表示动平台3向y轴正方向运动，若Δy小于零，表示动平台3向y轴负方向运动；

动平台3转动角度其中S·S′＝(x₂-x₁)(x₂′-x₁′)+(y₂-y₁)(y₂′-y₁′)，|S|²＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²，若Δθ大于零，表示动平台3顺时针转动，若Δθ小于零，表示动平台3逆时针转动；

(二)并联平台位置跟踪测量反馈控制步骤

第一，超声直线电机1接收到超声直线电机驱动器传输的驱动信号后，通过从动杆2使动平台3定位到目标位置之后，动平台3有位置与姿态角误差；

第二，超声直线电机1带动直线光栅编码器5，检测关节运动的实际位置，通过增量式编码器接口反馈到计算机，实际位置与期望位置作差产生偏差信号，偏差信号通过相应的位置控制算法差生控制信号，控制信号通过D/AC接口输出直流控制信号到超声直线电机的驱动器(驱动器产生160kHz交流高电压)，驱动电机运动，使关节精确运动到期望位置；

第三，CCD相机11在每个采样周期拍照，图像信号通过USB接口传输到计算机，计算机运行相应的图像处理，获取所拍到的第一点光源标志物8-1及第二点光源标志物8-2的坐标信息，并通过如下公式获得动平台位置与姿态角误差：

设第一点光源标志物8-1运动前的坐标为(x₁,y₁)，运动后的坐标为(x₁′,y₁′)，第二点光源标志物8-2运动前的坐标为(x₂,y₂)，运动后的坐标为(x′₂,y′₂)，设运动前第一点光源标志物8-1与第二点光源标志物8-2组成矢量S＝((x₂-x₁),(y₂-y₁))，运动后变为矢量S′＝((x₂′-x₁′),(y₂′-y₁′))；

动平台3平移量 $\mathrm{\Δx}=\frac{(x_2-x_1)-(x_2^{\′}-x_1^{\′})}{2},\mathrm{\Δy}=\frac{(y_2-y_1)-(y_2^{\′}-y_1^{\′})}{2};$ 若Δx大于零，表示动平台3向x轴正方向运动，若Δx小于零，表示动平台3向x轴负方向运动；若Δy大于零，表示动平台3向y轴正方向运动，若Δy小于零，表示动平台3向y轴负方向运动；

动平台3转动角度其中S·S′＝(x₂-x₁)(x₂′-x₁′)+(y₂-y₁)(y₂′-y₁′)，|S|²＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²，若Δθ大于零，表示动平台3顺时针转动，若Δθ小于零，表示动平台3逆时针转动；

第四，计算机计算出动平台3位置与姿态角误差后，修正关节驱动量，修正后的关节控制信号通过D/AC接口输出直流控制信号到超声直线电机的驱动器，驱动电机运动，使动平台3以期望姿态运动到期望位置；

(三)动平台位置与姿态角误差计算步骤

第一歩，对图像进行最佳阈值分割得到二值化图像；

第二歩，对二值化图像进行连通区域分析；通过连通区域面积特征辨别第一光源标志物和第二光源标志物，并排除小面积连通区域干扰；

第三歩，通过矩方法分别求取第一标志物和第二标志物所在连通区域的形心坐标，具体计算公式如下：

二元有界图像函数f(x,y)，其j+k阶矩为因二值图像质量分布是均匀的，故质心和形心重合，若图像中的物体对应的像素位置坐标为(x_i+y_j)(i＝0,1,...n-1；j＝0,1,...m-1)，则因此对两个标志物所在的连通区域分别进行质心计算便可得到对应的形心坐标。

第四歩，获取所拍到的第一点光源标志物8-1与第二点光源标志物8-2的坐标信息后，通过如下公式计算动平台位置与姿态角误差：

设第一点光源标志物8-1运动前的坐标为(x₁,y₁)，运动后的坐标为(x₁′,y₁′)，第二点光源标志物8-2运动前的坐标为(x₂,y₂)，运动后的坐标为(x′₂,y′₂)，设运动前第一点光源标志物8-1与第二点光源标志物8-2组成矢量S＝((x₂-x₁),(y₂-y₁))，运动后变为矢量S′＝((x₂′-x₁′),(y₂′-y₁′))；

动平台3平移量 $\mathrm{\Δx}=\frac{(x_2-x_1)-(x_2^{\′}-x_1^{\′})}{2},\mathrm{\Δy}=\frac{(y_2-y_1)-(y_2^{\′}-y_1^{\′})}{2};$ 若Δx大于零，表示动平台3向x轴正方向运动，若Δx小于零，表示动平台3向x轴负方向运动；若Δy大于零，表示动平台3向y轴正方向运动，若Δy小于零，表示动平台3向y轴负方向运动；

动平台3转动角度其中S·S′＝(x₂-x₁)(x₂′-x₁′)+(y₂-y₁)(y₂′-y₁′)，|S|²＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²，若Δθ大于零，表示动平台3顺时针转动，若Δθ小于零，表示动平台逆时针转动；

上述控制方法还包括直线光栅编码器关节位置反馈步骤、CCD相机视觉测量末端反馈步骤；

CCD相机视觉测量末端反馈步骤

CCD相机视觉测量系统在每个采样周期拍照，图像信号通过USB接口传输到计算机，计算机运行相应的图像处理，获取所拍到的第一点光源标志物8-1与第二点光源标志物8-2的坐标信息，并通过如下公式计算动平台3位置与姿态角误差：

设第一点光源标志物8-1运动前的坐标为(x₁,y₁)，运动后的坐标为(x₁′,y₁′)，第二点光源标志物8-2运动前的坐标为(x₂,y₂)，运动后的坐标为(x′₂,y′₂)，设运动前第一点光源标志物8-1与第二点光源标志物8-2组成矢量S＝((x₂-x₁),(y₂-y₁))，运动后变为矢量S′＝((x₂′-x₁′),(y₂′-y₁′))；

动平台3平移量 $\mathrm{\Δx}=\frac{(x_2-x_1)-(x_2^{\′}-x_1^{\′})}{2},\mathrm{\Δy}=\frac{(y_2-y_1)-(y_2^{\′}-y_1^{\′})}{2};$ 若Δx大于零，表示动平台3向x轴正方向运动，若Δx小于零，表示动平台3向x轴负方向运动；若Δy大于零，表示动平台3向y轴正方向运动，若Δy小于零，表示动平台3向y轴负方向运动；

动平台3转动角度其中S·S′＝(x₂-x₁)(x₂′-x₁′)+(y₂-y₁)(y₂′-y₁′)，|S|²＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²，若Δθ大于零，表示动平台3顺时针转动，若Δθ小于零，表示动平台3逆时针转动；

直线光栅编码器关节位置反馈步骤

超声直线电机带动直线光栅编码器，测量的实际位置通过Dspace半物理仿真控制器的增量式编码器接口反馈到计算机，计算机执行关节定位控制算法，产生关节控制驱动信号，通过Dspace半物理仿真控制器的D/AC接口输出直流控制信号到超声直线电机的驱动器，驱动电机运动，使关节到达期望位置。

在本实施例中，静平台4尺寸为外接圆半径小于等于365mm，能放置于蔡司扫描电子显微镜EVO LS15腔体内，动平台3顶部为圆形，底部为等边三角形，等边三角形外接圆半径为28mm，厚度为10mm，从动杆2的尺寸参数为：95mm×20mm×30mm，所有构件均为铝合金，均未表面处理。

CCD相机11采用加拿大品牌PointGrey型号GS3-U3-41C6C/M-C的CCD相机，分辨率为2048×2048，可在20mm×20mm的视场内提供10μm的像素定位精度，若配合亚像素定位，可得到1μm的定位精度，帧率90fps，传输协议为USB3.0，速率500mb/s，能满足实时反馈的速率要求。

直线光栅编码器5由光栅尺，读数头，细分接头组成，分别为：RELE光栅尺：型号RELE IN 20U 1A 0180A，20μm栅距，因钢栅尺，长度180mm，距离端部20mm参考零位；读数头：型号T161130M；TONIC系列真空读数头，兼容RELE栅尺，所有参考零点均输出，真空电缆长度3m；Ti细分接口：型号Ti0400A01A，分辨率50nm，线性驱动输出，所有报警，接收器时钟1MHz，标准参考零位；

超声直线电机1采用德国PI公司U-264.30电机，行程150mm，开环精度0.1μm，开环速度250mm/s，关机刚度1.5N/μm,关机保持力8N，推、拉力7N(50mm/s)，2N(250mm/s)，谐振频率158kHz，电机电压200Vpp，输入阻抗40到80欧姆；超声直线电机1采用德国PI公司C-872.160驱动器驱动，支持PI的直线超声电机，点到点运动，慢运动，精确定位；

德国Dspace半物理仿真控制器，PCI接口与计算机连接，提供16位A/D与D/AC接口，电压范围-10V～+10V，提供数字I/O，增量式编码器接口，RS232、SPI以及I²C通信接口；软件开发采用Matlab/Simulink RTI实时仿真，采样时间最高为0.01ms；

选用的计算机CPU型号为Core i7 4770，内存8G。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，其特征在于，包括并联平台机构、CCD相机视觉测量系统、位置跟踪反馈控制装置；

所述并联平台机构包括：静平台(4)、设置在静平台(4)上方的动平台(3)、三台超声直线电机(1)、超声直线电机的驱动器；动平台(3)具有三个转轴，分别呈等边三角形分布在动平台(3)的外边缘；三台超声直线电机(1)分别呈等边三角形分布并安装在静平台(4)的边沿处；各超声直线电机(1)上安装的转动轴(10)的轴端分别通过一根从动杆(2)连接动平台(3)的其中一个转轴；各超声直线电机(1)上分别设有直线光栅编码器(5)；

一台超声直线电机(1)、一根从动杆(2)和动平台(3)的一个转轴，组成一个并联分支；

三台超声直线电机(1)联合驱动从动杆(2)，使动平台(3)移动定位到目标位置；

超声直线电机(1)运动过程中带动直线光栅编码器(5)运动，用于检测电机(1)实际位置；

动平台(3)上安装有两个直线分布的聚焦蓝光激光的第一点光源标志物(8-1)、第二点光源标志物(8-2)，作为视觉检测特征物；

所述CCD相机视觉测量系统包括：置于动平台(3)上方的CCD相机(11)、安装在CCD相机(11)端部的镜头(6)、设置在镜头(6)一侧的相机光源(9)、USB接口、计算机；所述CCD相机(11)通过USB接口连接计算机；

镜头(6)垂直并正对动平台(3)，使镜头(6)的中心点与动平台(3)的原点重合；

所述位置跟踪反馈控制装置包括：具有增量式编码器接口模块和D/AC接口的Dspace半物理仿真控制器，所述D/AC接口连接超声直线电机的驱动器，各直线光栅编码器(5)与增量式编码器接口模块连接，增量式编码器接口模块连接计算机，计算机连接D/AC接口。

2.根据权利要求1所述视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，其特征在于：所述CCD相机(11)还具有一个支撑机构，该支撑机构包括带活动关节的支架(7)和用于固定支架(7)的磁性底座(12)，所述CCD相机(11)固定在支架(7)的端部。

3.根据权利要求1或2所述视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，其特征在于：所述相机光源(9)为LED光源。

4.根据权利要求3所述视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置，其特征在于：所述动平台(3)为圆形。