一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手的制作方法

本发明涉及工业机器人技术领域，更具体的说是涉及一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手。

背景技术：

现代工业中，许多产品(如电子与器件、五金器件零部件等)的生产在自动线上完成，各生产环节都涉及到产品的质量检测，一些企业投入大量人力，采用肉眼检测的方式来控制产品质量，但由于一些人为因素，产品质量难以保证。为提高检测效率和保证产品质量，采用机器视觉技术代替人的视觉进行产品质量的自动检测是解决问题的有效方法。

机器视觉由于可快速获取大量信息，且易于同设计信息和控制信息进行集成，因此在现代制造生产过程中，机器视觉被广泛的用于质量检测、生产控制等。相对于人眼视觉，机器视觉具有很大的优势和发展前景，因此近年来机器视觉得以迅速发展，其广泛应用于医疗、工业、农业、军事、交通等各个领域。在实际应用中，使用机械手采集图像，可以提高图像采集的质量。在我国，直到90年代中后期机器视觉技术才逐渐被人们认识和了解，因此，有关机械手的技术也相对落后。目前，缺少一种可以真正在实际应用中采集高质量图片的机械手。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手，可以控制数字CCD相机和目标图像同步移动，提高图像采集的质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手，包括依次连接的图像采集模块、控制模块以及驱动模块；

所述图像采集模块还连接数字CCD相机，用于接收采集到的目标图像，并发送至所述控制模块；

所述控制模块用于根据接收到的目标图像特征点的平均值、方差和移动敏感度，分别生成相应的期望运动轨迹和任务方程，再根据期望运动轨迹和任务方程输出控制信号至所述驱动模块；

所述驱动模块用于响应于所述控制信号驱动所述数字CCD相机和所述目标图像同步移动。

作为一种可实施方式，所述图像采集模块包括HY998芯片，所述HY998芯片的输入端连接天线，所述HY998芯片通过所述天线和所述数字CCD相机无线连接，以接收所述数字CCD相机采集到的目标图像；所述HY998芯片的输出端连接所述控制模块，以发送采集到的目标图像至所述控制模块；

其中，所述HY998芯片的I_O端通过彼此串联的第一反相器和第二反相器连接所述控制模块，所述HY998芯片的D端通过依次串联的第一二极管、第三反相器以及第四反相器连接所述控制模块，所述HY998芯片的I_O端和C端之间还通过第二二极管连接。

作为一种可实施方式，所述控制模块为DSP，所述DSP的多个输入端分别连接所述HY998芯片的I_O端、D端以及C端，所述DSP的输出端连接所述驱动模块。

作为一种可实施方式，所述驱动模块包括第一D触发器、第一三极管、第一继电器，所述第一D触发器的CP端和R端均连接所述控制模块，所述第一D触发器的Q端连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极连接所述第一继电器；

所述驱动模块还包括第二D触发器、第二三极管、第二继电器，所述第二D触发器的CP端和R端均连接所述控制模块，所述第二D触发器的Q端连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极连接所述第二继电器；

所述驱动模块还包括电机，所述电机受控于第一继电器绕一方向转动，受控于第二继电器绕另一方向转动，以驱动所述数字CCD相机和所述目标图像同步移动。

作为一种可实施方式，所述电机的供电端和变压器的初级并联，所述图像采集模块、所述控制模块以及所述驱动模块除所述电机以外的器件均通过电源模块和变压器的次级并联；

其中，所述电源模块包括组成半波整流电路的第三二极管和第四二极管、滤波电容、以及稳压芯片；所述第三二极管和第四二极管连接所述变压器的次级，所述滤波电容连接所述第三二极管和第四二极管的输出端，所述稳压芯片连接所述滤波电容。

作为一种可实施方式，所述驱动模块除所述电机以外的器件均由滤波电容进行供电，所述图像采集模块和所述控制模块均由稳压芯片进行供电。

作为一种可实施方式，所述变压器的初级连接有可控开关，所述可控开关受控于所述DSP，在所述电机的速度跟不上目标图像的移动速度时断开所述变压器的初级的电源。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明提供了一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手，包括依次连接的图像采集模块、控制模块以及驱动模块；其中使用控制模块根据目标图像特征点的平均值、方差和移动敏感度，分别生成相应的期望运动轨迹和任务方程，再根据期望运动轨迹和任务方程输出控制信号至所述驱动模块，使数字CCD相机和目标图像同步移动，以提高图像采集的质量。

附图说明

图1为本发明提供的用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手的框图；

图2为本发明提供的用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手的原理图。

图中：100、图像采集模块；200、控制模块；300、驱动模块；310、电源模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

参照图1，本发明提供一种用于控制数字CCD相机图像采集的速度反馈性机械手，包括依次连接的图像采集模块100、控制模块200以及驱动模块300；其中，图像采集模块100还连接数字CCD相机，用于接收采集到的目标图像，并发送至控制模块200；控制模块200用于根据接收到的目标图像特征点的平均值、方差和移动敏感度，分别生成相应的期望运动轨迹和任务方程，再根据期望运动轨迹和任务方程输出控制信号至驱动模块300；驱动模块300用于响应于控制信号驱动数字CCD相机和目标图像同步移动。这样，可以提高图像采集的质量。其中，在控制模块中，具体执行以下操作。

将目标图像特征点作为视觉伺服的特征向量，使数字CCD相机的运动速度和采集目标的运动速度同步，使用最小二乘法进行控制机械手的速度，以提高图像采集的质量。

其中，根据图像特征点的平均值、方差和移动敏感度等数学特征，分别设计对应的期望运动轨迹并建立多个任务方程，作为主任务和次任务计算摄像机速度。由于在基本的机械手臂运动学控制将机械臂的运动看做是机械手工具坐标系或末端坐标系相对于基坐标系的运动大部分情况下操作机械臂的目标是将其从当前位置移动到期望位置而如何移动机械手臂，沿哪条路径移动机械手臂以及以何种速度、加速度移动机械手臂是需要进行轨迹规划的。节空间规划是对关节角度进行运动规划。应用逆运动学理论，可以将当前机械手末端姿态与其期望姿态的中间点转换成一组期望的关节角，得到经过各个中间点并且终止于目标点的n个关节的光滑函数。图像信息对于机器人的智能化非常重要。如何在机器人移动的过程中尽量能够将有用的图像信息保留在视野内对机器人来说具有一定的意义。以射击运动为例，当射击运动员射击多目标时，如果所有目标均在视野内，那么射击运动员可以较为快速的将目标逐一击落。保证所有潜在目标在视野内，可以提供这种快速的反应能力。同样的，在视觉机器人控制中，不光用于视觉祠服的视觉信息是必需的，其他重要信息也应该尽量保留在视野里。根据图像特征点的平均值、方差和移动敏感度等数学特征，分别设计对应的期望运动轨迹并建立多个任务方程，作为主任务和次任务计算摄像机速度。将次任务在主任务零空间方向上的速度加到实际控制速度上来能够在不影响主任务的情况下，尽量完成次任务。

如果还有第三或更多任务，可以将它们依次投影到上一层任务的零空间中，这样的分层任务算法层次清晰，主次明确，在不影响上一层任务的同时，完成下一层任务。根据这个原理，提取了一些能够保证图像信息一直处在视野内的数学特征，设计成几个主次任务，很好的实现了多目标同时处于视野内的跟踪问题。加权最小二乘法最早由Whitney于1969年提出应用广泛。Chan等人于1995年将加权最小二乘法应用到冗余机械手的避免关节限位控制中并得到了很好的效果。这种方法根据权值来调整关节速度，而权值由关节位置离关节限位的距离决定。因此如果机械手臂在移动的过程中离关节限位很远，就不会对关节速度产生约束，机械手就能够精确的完成主任务；如果机械手臂的关节位置接近关节限位，那么权值的变化将抑制关节速度，这样就利用冗余自由度来执行主任务，同时能够达到避免关节超出限位的目标。但是当多于冗余自由度的关节数达到关节限位时，该方法将牺牲主任务精度，以保证能够避免关节超出关节限位。而采用的广义最小二乘法与传统的加权最小二乘法相比，它的权值倒数只有0或1，即权值与丑的梯度无关。当次任务接近限位时，即虚拟关节离开安全区域时，权值倒数将从1跳变为0限制虚拟关节继续向限位移动。最终，实现数字CCD相机和目标图像同步移动，以提高图像采集的质量。

上述的功能是通过以下的硬件结构实现的。

参照图2，图像采集模块包括HY998芯片IC4，HY998芯片IC4的输入端连接天线W，HY998芯片IC4通过天线W和数字CCD相机无线连接，以接收数字CCD相机采集到的目标图像；HY998芯片IC4的输出端连接控制模块200，以发送采集到的目标图像至控制模块200；其中，HY998芯片IC4的I_O端通过彼此串联的第一反相器D1和第二反相器D2连接控制模块200，HY998芯片IC4的D端通过依次串联的第一二极管VD1、第三反相器D3以及第四反相器D4连接控制模块200，HY998芯片IC4的I_O端和C端之间还通过第二二极管VD2连接。

参照图2，控制模块为DSP IC5，DSP IC5的多个输入端分别连接HY998芯片IC4的I_O端、D端以及C端，DSP IC5的输出端连接驱动模块300。

参照图2，驱动模块300包括第一D触发器A1、第一三极管VT1、第一继电器K1，第一D触发器A1的CP端和R端均连接控制模块200，第一D触发器A1的Q端连接第一三极管VT1的基极，第一三极管VT1的发射极接地，第一三极管VT1的集电极连接第一继电器K1；驱动模块300还包括第二D触发器A2、第二三极管VT2、第二继电器K2，第二D触发器A2的CP端和R端均连接控制模块200，第二D触发器A2的Q端连接第二三极管VT2的基极，第二三极管VT2的发射极接地，第二三极管VT2的集电极连接第二继电器K2；驱动模块300还包括电机M，电机M受控于第一继电器K1绕一方向转动，受控于第二继电器K2绕另一方向转动，以驱动数字CCD相机和目标图像同步移动。

除此之外，还需要注意的是，电机M的供电端和变压器T的初级并联，图像采集模块100、控制模块200以及驱动模块300除电机M以外的器件均通过电源模块310和变压器T的次级并联；其中，电源模块310包括组成半波整流电路的第三二极管VD3和第四二极管VD4、滤波电容C1、以及稳压芯片IC1；第三二极管VD3和第四二极管VD4连接变压器T的次级，滤波电容C1连接第三二极管VD3和第四二极管VD4的输出端，稳压芯片IC1连接滤波电容C1。驱动模块300除电机M以外的器件均由滤波电容C1进行供电，图像采集模块100和控制模块200均由稳压芯片IC1进行供电。这样设置的作用是，可以将市电分成三部分来使用，其中，市电直接接电机可以给电机供电。市电经过变压器之后可以给一部分直流器件供电，经稳压芯片IC1之后可以给另一部分直流器件供电。因此，只使用了一个交流源，同时给出了交流、直流三种不同的电压。

另外，变压器T的初级连接有可控开关S，可控开关S受控于DSP IC5，在电机M的速度跟不上目标图像的移动速度时断开变压器T的初级的电源。这样设置，可以保护电机M，是因为电机持续处于超载状态，易发热，从而影响使用寿命。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。