微動(dòng)機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)優(yōu)化

苑隆寅， 王 哲， 耿元芳

(重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院，重慶 401520)

微動(dòng)機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)優(yōu)化

苑隆寅， 王 哲， 耿元芳

(重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院，重慶 401520)

基于雙目顯微視覺伺服控制和透視成像原理，優(yōu)化了雙目顯微視覺伺服控制模型。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的視覺模型不再含有深度信息，直接采用了圖像信息從場景中獲取視覺信息，圖像特征點(diǎn)的誤差向量在0～2 s范圍內(nèi)一直收斂到0；當(dāng)微立方體處于焦平面上時(shí)，圖中微立方體形狀有微小的變化，這表示物體到攝像機(jī)的距離是有微小變化的，深度信息是變化的。設(shè)計(jì)的模型不再需要測量或估計(jì)未知點(diǎn)的深度信息，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、快速地獲取深度信息，實(shí)現(xiàn)了微動(dòng)機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)優(yōu)化。

顯微視覺； 圖像信息； 透視成像

0 引 言

視覺伺服控制主要是機(jī)器視覺的閉環(huán)控制，從而使控制目標(biāo)能夠最快地接近目標(biāo)。自Hutchinson提出了單目視覺伺服控制的模型后，其需要了解被控對(duì)象的深度信息的問題不斷被放大[1-2]，于是提出了雙目視覺伺服控制方法，隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)微小物體操作成為了該領(lǐng)域應(yīng)用的主要方向[3-6]。上述微操作系統(tǒng)控制問題涵蓋了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、生物細(xì)胞注射、外科手術(shù)等多個(gè)學(xué)科，在微操作技術(shù)領(lǐng)域中，顯微視覺是一個(gè)關(guān)鍵的因素，而顯微鏡作為一個(gè)重要的傳感器，起到了指導(dǎo)操作的作用[7-9]。如果操作系統(tǒng)中缺少顯微鏡，系統(tǒng)將不能自動(dòng)地處理常規(guī)的操作，關(guān)鍵的數(shù)據(jù)也獲取不了[10-12]。通過顯微鏡獲取到的這些視覺信息，可用于控制微操作中的一些參數(shù)而使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。顯微視覺目前已經(jīng)應(yīng)用在微操作系統(tǒng)的很多領(lǐng)域，例如對(duì)微物體的位置反饋和物體的抓取以及對(duì)微物體的過程檢測，物體微變形的定性測量[13-15]。體視顯微鏡在圖像的傳輸實(shí)時(shí)性、實(shí)時(shí)立體成像觀測、3D數(shù)據(jù)獲取、使用環(huán)境等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜霭l(fā)展背景，本文基于視覺伺服控制進(jìn)行雙目顯微視覺伺服控制改進(jìn)研究，且選用體視顯微鏡作為微操作系統(tǒng)的視覺傳感器。

1 伺服控制

雙目顯微視覺伺服系統(tǒng)由光學(xué)顯微鏡、操作平臺(tái)、微操作臂和2個(gè)安裝在目鏡上的CCD攝像機(jī)構(gòu)成。采用標(biāo)準(zhǔn)的立體視覺配置結(jié)構(gòu)：兩攝像機(jī)平行安裝在顯微鏡的目鏡上，其成像平面稱為I1平面與I2平面。兩成像面的水平軸同線，y軸相同，z1、z2表示兩攝像機(jī)的光軸，并與X-Y平面垂直。兩鏡頭中心距離O1-O2為B，原點(diǎn)O位于B的中心點(diǎn)。焦距為f,Σw和Σc分別表示世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系且兩坐標(biāo)系完全重合。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,成像的幾何圖如圖2所示。

圖1 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文假定目標(biāo)為靜止的物體且由一系列的物點(diǎn)組成,為了便于計(jì)算，首先取其中1點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。在雙目視覺伺服系統(tǒng)中cve和cωe分別表示微操作臂末端執(zhí)行器在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度,表示為u=(cve,cωe),mi=[x,y,θ]T∈R3表示第i個(gè)物點(diǎn)的特征點(diǎn)映射到成像平面上的圖像坐標(biāo)。則圖像特征點(diǎn)mi和速度u的關(guān)系可表示為

(1)

其中：J(m)反映了圖像特征與微操作臂位姿變換關(guān)系的矩陣，即圖像雅克比矩陣。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)小孔成像原理,物點(diǎn)

和成像在I1(x,y),I2(θ,y)平面上的圖像特征點(diǎn)的關(guān)系為：

(2)

(3)

(4)

根據(jù)式(2)和(4)可得

(5)

對(duì)式(2)～(4)求導(dǎo)

(6)

根據(jù)在變化的坐標(biāo)系下一個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的速度關(guān)于一個(gè)固定坐標(biāo)系的一般公式，可推出物點(diǎn)W與u的關(guān)系為

(7)

將式(7)代入(6)可得：

(8)

由式(2)可推出

(9)

聯(lián)立式(5),(8)和(9)可得：

(10)

從式(10)中可得：

(11)

其中，J(m)∈R3×6即為本文所提出的新的顯微立體視覺模型，此模型不含深度信息,在物體深度未知或者時(shí)變時(shí)，不需要估計(jì)或測量其深度信息。

假定目標(biāo)物體是由k個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)成的，即m=[m1,m2,…,mk]T∈R3k，則表示wv=-wv個(gè)圖像特征點(diǎn)的雅克比矩陣為：

(12)

2 系統(tǒng)仿真

通過圖像處理方法獲取目標(biāo)物體的4個(gè)頂點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，特征點(diǎn)單位為pixels。微操作臂的初始空間關(guān)節(jié)分別為：α=72 626 pixels/m。λ=0.11 m，B=0.027 m，其相關(guān)參數(shù)如下：桿1長l1=2.6 mm，桿2長l2=2.1 mm，桿1重心lc1=1.35 mm，桿2重心lc2=4.206 mm，桿1質(zhì)量m1=13.8×10-3kg，桿2質(zhì)量m2=3.72×10-3kg，桿1慣量I1=8.266 8×10-7kg·m2，桿2慣量I2=5.8×10-6kg·m2，重力加速度g=9.805 m/s2。

仿真結(jié)果如圖3～6所示。從圖2能夠驗(yàn)證圖像特征點(diǎn)的誤差向量在0～2 s是一直收斂到0。由圖4和5可見，隨著時(shí)間的變化，圖像特征點(diǎn)也會(huì)隨之變化，并趨向期望圖像特征點(diǎn)。且從圖中能夠方向驗(yàn)證的目標(biāo)是微小的立方體，當(dāng)微立方體處于焦平面上時(shí)圖中微立方體的形狀有微小的變化，這表示物體到攝像機(jī)的距離是有微小變化的，即深度信息是變化的。

圖6則進(jìn)一步闡釋了其中4個(gè)圖像特征點(diǎn)的位置誤差，從圖中結(jié)果可證明設(shè)計(jì)雙目控制模型的有效性。

圖3 圖像特征點(diǎn)誤差范數(shù)圖4 左圖像的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡圖5 右圖像的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 微動(dòng)平臺(tái)的速度曲線

3 結(jié) 語

本文針對(duì)雙目顯微視覺伺服控制系統(tǒng)，基于針孔透視成像原理，推導(dǎo)出了雙目顯微視覺伺服控制模型。此視覺模型不含深度信息，直接利用圖像信息可以從場景中獲取視覺信息且不需要測量或估計(jì)未知點(diǎn)的深度信息，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確快速獲取深度信息，從而提高了系統(tǒng)的控制性能。

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Optimization of Micro Robot Visual Servo Control System

YUANLong-yin,WANGZhe,GENGYuan-fang

(College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 401520, China)

Current monocular visual servo control of a micro robot needs to know the depth of the controlled object. In order to improve the microscopic visual servo control performance, visual servo control is designed based on binocular microscope and X-ray imaging principle, the binocular microscope visual servo control is optimized. The verification results show that the design of the visual model no longer contains depth information, and applies directly to the image information from the visual information in the scene. The error of image feature point vector is in the range of 0 ～ 2 s and always converges to zero. When the cube in the focal plane figure has small change, it means that the distance of the object to the camera has small change, depth of information is changing. Design of the model no longer needs to measure or estimate the unknown point depth information, hence it can realize accurate and fast for depth information, realize the optimization of micro robot visual servo control system.

microscopic vision; image information; X-ray imaging

2016-04-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(90922007)

苑隆寅(1973-)，男，四川廣安人，碩士，副教授，現(xiàn)主要從事于數(shù)字資源利用和信息系統(tǒng)工程。

Tel.：13883188676；E-mail:yaoyangokok@163.com

TP 242

A

1006-7167(2017)01-0022-03