浅析四自由度视觉装置设计及其控制系统实现

摘 要：在信息技术水平不断提升的背景下，计算机视觉技术在各个行业中的应用范围不断扩大，其中四自由度视觉装置的应用优势逐渐凸显出来。本文从四自由度视觉装置结构设计的总体思路以及双目立体视觉装置的设计两个大方面入手，对四自由度视觉装置的结构設计展开分析。在此基础上，结合四自由度视觉装置应用的具体要求，对其控制系统的实现作出详细阐述。

关键词：视觉技术；四自由度视觉装置；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.143

0 前言

相关研究结果表明，人类获得的信息中超过80%均是通过视觉所得到。近年来，在计算机视觉技术不断创新发展的背景下，立体视觉传感器在各个行业中的应用范围随之不断扩大，其中双目视觉传感器更是凭借自身结构简单、应用便捷、速度快以及精准度高等诸多优势特征，被广泛的应用于工业检测、机器人自导引和航天等领域中。就此，本文针对四自由度视觉装置设计及其控制系统实现展开研究。

1 四自由度视觉装置的结构设计

1.1 四自由度视觉装置结构设计的总体思路

在四自由度视觉装置结构设计过程中，为了实现摄像机对于目标物体的快速定位，首先需要根据四自由度视觉装置应用需求，设计相应的机械平台。在此基础上，结合不同的任务类型，合理控制视觉系统的自由度以及镜头的配置。比如：在自由度设置工作中，对于工业机器人而言，为了满足工业机器人在测量深度方面的需求，需要在设计过程中采用两个摄像头，并且设置的两个摄像头之间的夹角支持自由调整，因此需要两个可控的自由度[1]。

此外，为了充分体现出人眼与头部的功能，使视觉系统的视野进一步扩大，则需要采用四个自由度，也是本文研究的核心内容。对于四自由度视觉装置结构的设计，其装置主要包括四个自由度、两个脖子以及两个眼。如果从仿生这一角度出发考虑，四自由度视觉装置中的自由度应该为旋转自由度，以此来提升装置的反应速度。此外，在四自由度视觉装置结构设计过程中，还需要切实保证摄像头间距设置的合理性。通常情况下，两个摄像头之间的间距越大，那么目标物体在两个摄像头上的视差便会随之变大。但是如果间距设置超出合理范围，则容易导致装置整个头部的体积过大，不仅会降低其应用灵活性，其自身的惯性也会进一步加大。因此，在摄像头间距设置时，一般会选择人的双目距离（100mm左右）作为参考。

1.2 双目立体视觉装置的设计

为了更好地实现四自由度视觉装置的图像伺服闭环控制目的，在双目立体视觉装置设计阶段中，一般需要设计用于安装双目CCD摄像机的视觉装置。本文研究的四自由度视觉装置设计，其中包括四个自由度，其中两个自由度分别为系统的回转、俯仰自由度，另外两个自由度则为控制摄像机转动的自由度。这一过程中，对于系统回转运动的设计，应该确保整个视觉装置安装在机器人实验平台的腰身顶部位置处，并且由57BYGH803步进电机1通过一级蜗轮巧以及蜗杆2减速，驱动轴14绕回转轴线带动摄像机实现转动。对于系统俯仰运动的设计，需要借助步进电机通过一级蜗轮以及蜗轩12减速，驱动轴4绕回转轴线带动摄像机实现转动。这一设计方式可以有效促进机器人在垂直平面内的视觉范围进一步扩大。对于摄像机转动的设计，需要借助两个步进电机通过一级蜗轮、蜗杆以及减速，在驱动轴绕回转轴线的情况下带动摄像机完成转动。这种设计方式可以将摄像机两光轴的交点调整到目标物体上[2]。

2 四自由度视觉装置控制系统的实现

四自由度视觉装置控制系统设计中的硬件实现，需要综合考虑四自由度视觉装置的应用需求，在充分掌握装配机器人控制系统设计需求以及结构设计内容的基础上，开展相关操作。本次四自由度视觉装置控制系统主要采用的是双目BP33O型CCD摄像机，通过将其设置在同一平面内的方式，达到获取目标物体边界特征的目的，并且可以借助METEOR2/4图像采集卡对图像信息实施采集。这种情况下，四自由度视觉装置控制系统中仅存在一个RGB通道，对此控制系统设计硬件的实现只需要黑白图像，在RGB通道的R与G上分别连接两只CCD摄像机，便可以满足对目标图像信息的同步采集要求。

除此之外，在四自由度视觉装置控制系统硬件实现过程中，还需要通过对目标物体进行的位姿算法，同时结合操作臂规划算法，确定最终的角度。而这一角度与四自由度视觉装置控制系统操作臂的其实角度对比，可以进一步确定电机对应的转角。按照设计要求和特定的控制变化规律，将电机对应的转角转换为电压，便可以将其作为四自由度视觉装置控制系统控制操作臂的期望值。在输入控制电压不断提升的背景下，驱动随之放大，从而四自由度视觉装置控制系统控制操作臂对应的关节转卡可以选择PCL-839三轴智能步进电机驱动卡。由于PCL-839三轴智能步进电机驱动卡内的三个PCL-AK智能芯片，可以实现对装置动作转换的控制，所以可以将其经由板卡上的I/O寄存器，完成对四自由度视觉装置控制系统每轴的控制。

3 总结

综上所述，在本次四自由度视觉装置结构设计与控制系统实现过程中，通过将双目摄像机光轴置于同一平面内这一方式，可以在保证四自由度视觉装置自身运动视野大、操作便捷以及控制简单等优势的基础上，大大减少从图像中获得目标边界特征的时间，在缩短匹配时间以及降低无匹配可能等方面，同样发挥着积极的作用。但是四自由度视觉装置在操作臂控制方面仍旧存在一定的误差，因此还需要改进。

参考文献：

[1]杨勇，卢银辉.基于计算机视觉的输煤皮带人员跌落装置的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2018（18）：136-137.

[2]刘云.基于智能视觉在工业机械手装置上的设计与应用[D].南昌大学，2018.

作者简介：李晶晶（1995-），女，河北大名人，研究生在读，研究方向：工业设计工程。