全光控微型游動機(jī)器人的視覺反饋跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鵬飛, 符秀輝, 田孝軍

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142;2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110016)

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全光控微型游動機(jī)器人的視覺反饋跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鵬飛1, 符秀輝1, 田孝軍2

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142;2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110016)

微型游動機(jī)器人的研究是機(jī)器人微型化電子領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要分支.借助光致形變彈性體材料在光誘導(dǎo)下，分子內(nèi)部發(fā)生光異構(gòu)產(chǎn)生形變原理，設(shè)計(jì)制造一種仿鞭毛細(xì)菌游動機(jī)器人.通過采取對可見光和紫外光光源照射方式的改變，為其全光供能與控制，并采用改進(jìn)型背景周期差分視覺反饋技術(shù)對游動機(jī)器人跟蹤定位.這種全新的外場驅(qū)動的新型管道微型機(jī)器人設(shè)計(jì)，可控性強(qiáng)，可將負(fù)載物運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，是微型機(jī)器人驅(qū)動與組裝制造、微管道運(yùn)輸?shù)娜略O(shè)計(jì).

全光控; 光致變; 微型機(jī)器人; 視覺反饋跟蹤

隨著微納(μm / nm)技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外對微納型機(jī)器人的研究與投入十分巨大，其研究進(jìn)展主要運(yùn)用到醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用.本體驅(qū)動管道機(jī)器人[1]、外磁場驅(qū)動外螺旋膠囊機(jī)器人[2]等微小型機(jī)器人層出不窮.這些微型機(jī)器人體積與供能受到很大制約，可控自由度少，靈活性欠佳，輔助設(shè)備復(fù)雜、昂貴.光能驅(qū)動屬于非接觸供能，可遙控供能,響應(yīng)迅速，能量傳遞位置精確，清潔、安全、 不受電磁干擾，可完成復(fù)雜動作，可控性高.目前對光能驅(qū)動有光鑷、光驅(qū)動帶式馬達(dá)[3]等，其主要運(yùn)用光旋轉(zhuǎn)分子、鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)陶瓷[4]等光致變材料.本研究利用光能驅(qū)動的優(yōu)勢，采用光致旋轉(zhuǎn)晶體微粒材料[5]結(jié)合鞭毛細(xì)菌游動機(jī)理[6]方式制作微型游動機(jī)器人本體，通過對外置光源進(jìn)行編程控制為其供能驅(qū)動與控制，并使用機(jī)器人視覺反饋原理對微型游動機(jī)器人進(jìn)行跟蹤定位.可載物的全光控低雷諾數(shù)運(yùn)動形式的單鞭毛細(xì)菌結(jié)構(gòu)游動機(jī)器人，為微型游動機(jī)器人的控制和應(yīng)用以及控制微納化機(jī)器人發(fā)展方向提供一種全新的研究基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)介紹

1.1 游動機(jī)器人運(yùn)動原理與制備流程

全光控微型游動機(jī)器人游動原理基于光致變材料中偶氮苯響應(yīng)基團(tuán)具有雙向可控性，在紫外光照射下彎曲完成擺動動作，在可見光照射下恢復(fù)到原始狀態(tài).如圖1(a)所示，通過光致形變材料驅(qū)動細(xì)長柔性尾部實(shí)現(xiàn)類似單鞭毛細(xì)菌擺動游動的運(yùn)動.在紫外光A照射下彎曲，完成一個(gè)擺動動作，然后在可見光A照射下恢復(fù)到原始狀態(tài)；反向的紫外光B開始照射，微型游動機(jī)器人向紫外光B照射方向擺動，然后在可見光B照射下恢復(fù)到原始狀態(tài)，完成微型游動機(jī)器人擺動前進(jìn)的一個(gè)周期動作.

微型游動機(jī)器人制作流程如圖1(b)所示：設(shè)計(jì)微型游動機(jī)器人單鞭毛細(xì)菌幾何模型；使用雕刻機(jī)雕刻制作游動機(jī)器人模具；固化PDMS形成微型游動機(jī)器人；最終制作出微型游動機(jī)器人.

圖1 微型游動機(jī)器人運(yùn)動原理與制備流程

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理與基本結(jié)構(gòu)

視覺跟蹤系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、下位機(jī)控制器、攝像頭、光源、驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、工作臺等組成.其原理流程如圖2(a)所示.計(jì)算機(jī)通過OpenCV軟件處理分析CCD攝像頭采集的視頻信號，對STM32下位機(jī)輸出控制信號.下位機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)控制信號一方面驅(qū)動安裝可變光源模塊的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)時(shí)跟蹤游動機(jī)器人運(yùn)行位置為游動機(jī)器人供能.另一方面，通過修改光源照射強(qiáng)度與照射時(shí)間對游動機(jī)器人控制.調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)LabVIEW窗口中給定的光照強(qiáng)度與光照時(shí)間參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)送命令可實(shí)現(xiàn)游動機(jī)器人沿任意規(guī)劃路線運(yùn)動.四路可變光源中紫外光最大功率20 mW，可見光最大功率30 W.由于光源照射光斑面積遠(yuǎn)大于微型機(jī)器人光致變材料驅(qū)動機(jī)構(gòu)，從而跟蹤精度與跟蹤距離受到步進(jìn)電機(jī)最小轉(zhuǎn)角與運(yùn)動絲桿直徑影響.步進(jìn)電機(jī)最小轉(zhuǎn)動角度為0.18°，絲桿直徑為8 mm，長度為160 mm.通過計(jì)算可知系統(tǒng)運(yùn)動跟蹤最小距離為0.03 mm，最大行程為140 mm.其基本結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示.

圖2 系統(tǒng)流程與實(shí)物

2 系統(tǒng)視覺反饋跟蹤

2.1 視覺反饋跟蹤方案

系統(tǒng)采用OpenCV數(shù)字圖像處理軟件對微型機(jī)器人進(jìn)行跟蹤反饋操作.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)背景圖像穩(wěn)定，因此背景差分法為視覺跟蹤形式最優(yōu)選項(xiàng).但全光控系統(tǒng)紫外光與可見光在一個(gè)周期的交互變換時(shí)，在半周期交變點(diǎn)隨著照射光源改變圖像像素發(fā)生巨大改變，此時(shí)提取的背景差分值誤差不可接受.以單側(cè)驅(qū)動光源分析系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)特特征：在光源照射的一個(gè)周期內(nèi)，前半周期可見光照射或后半周期紫外光照射時(shí)段系統(tǒng)背景像素變化甚微，每一個(gè)光照周期系統(tǒng)運(yùn)行變化差別也非常微小.因此，在背景差分的基礎(chǔ)上進(jìn)行周期取圖像幀進(jìn)行差分，可以很好地滿足系統(tǒng)所需.取上半周期單光源照射時(shí)中間段的圖像幀作為穩(wěn)定背景圖像，此時(shí)第一幅圖像幀取值時(shí)間為1/4全周期時(shí)間，第二幅圖像幀取5/4周期時(shí)間，進(jìn)而通過取5/4倍率周期圖像進(jìn)行周期差分計(jì)算避免光源周期變化對圖像背景差分的影響.

2.2 視覺跟蹤程序設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

圖3為系統(tǒng)背景差分流程，在攝像頭參數(shù)初始化完成后加入自適應(yīng)閾值計(jì)算，自動修改光源強(qiáng)度或時(shí)間參數(shù)調(diào)節(jié)后的圖像幀差值參數(shù).自適應(yīng)閾值可進(jìn)行時(shí)間監(jiān)視，系統(tǒng)超過給定的無信號檢測時(shí)間時(shí)進(jìn)行判斷報(bào)警，對下位機(jī)引入外部中斷并控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微小誤動避免出現(xiàn)死區(qū).

如圖4系統(tǒng)驗(yàn)證：(a)中光源變換周期為16 s;(b)為取5/4倍光源變換周期的圖像幀圖，可以看到游動機(jī)器人位置有變化但背景幾乎沒有變化;(c)為程序運(yùn)行時(shí)的實(shí)際跟蹤圖與5/4倍周期差分后前景計(jì)算圖，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤游動機(jī)器人運(yùn)動形式并可根據(jù)周期差分去背景后，計(jì)算游動機(jī)器人前景位移量控制光源進(jìn)行相應(yīng)移動.

圖3 背景差分流程

圖4 程序驗(yàn)證

2.3 視覺反饋跟蹤系統(tǒng)分析

光源照射100 %強(qiáng)度時(shí)，機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動位移與視覺反饋跟蹤位移如圖5(a)所示.從圖5(a)可以得出跟蹤位移具有一定的滯后性.軟件方面由于計(jì)算機(jī)視覺反饋在光源一個(gè)變化周期內(nèi)只做1次差分計(jì)算，滯后受到光源周期影響，硬件方面受到步進(jìn)電機(jī)最小轉(zhuǎn)動角與位移絲桿直徑影響.由于光源照射光斑面積遠(yuǎn)大于光致變材料驅(qū)動機(jī)構(gòu)，跟蹤位移與實(shí)際位移仍具有良好的擬合性.通過位移與時(shí)間關(guān)系，可以得出在100 %強(qiáng)度光照條件下機(jī)器人平均運(yùn)行速度為120 μm/s.圖5(b)為游動機(jī)器人擺動偏轉(zhuǎn)角與光照射強(qiáng)度的關(guān)系曲線.通過分析可以得到游動機(jī)器人擺動最大偏轉(zhuǎn)角受到光照強(qiáng)度影響，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，到達(dá)最大偏轉(zhuǎn)角所用時(shí)間越短.通過改變光照強(qiáng)度與光照時(shí)間可以改變游動機(jī)器人擺動偏轉(zhuǎn)角，從而控制游動機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài).

圖5 跟蹤分析

3 結(jié)束語

在光致變材料的基礎(chǔ)上，采用低雷諾數(shù)的鞭毛細(xì)菌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一種新形式的微型游動機(jī)器人，并根據(jù)微型游動機(jī)器人運(yùn)動形式研制

出一套光路跟蹤驅(qū)動系統(tǒng).在傳統(tǒng)的背景差分檢測跟蹤技術(shù)上，建立周期采樣差分計(jì)算形式并加入自適應(yīng)閥值模塊.希望對微型機(jī)器人的供能形式以及反饋跟蹤研究提供新的解決思路，為更微小且優(yōu)勢明顯的微納米尺度機(jī)器人研究領(lǐng)域提供一種借鑒.

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Visual Feedback Tracking System Design of Optical Micro Swimming Robot

ZHANG Peng-fei1, FU Xiu-hui1, TIAN Xiao-jun2

(1.Shenyang Institute of chemical technology, Shenyang 110142, China; 2.Shenyang Automation Research Institute of the Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Study on micro swimming robot is an important branch of robot miniaturization of electronics.With the aid of the light induced deformation of the elastic body material,the deformation mechanism of the light heterogeneous generation in the molecule is designed and manufactured.By taking the change of the visible light and the ultraviolet light source,the all optical energy supply and the control,the tracking and positioning of the moving robot are tracked by using the improved background cycle difference visual feedback technique.This new field driven pipeline micro robot design and control can be transported to the designated location of the load.The micro robot driver and assembly manufacturing and the new design of the micro channel transport were done.

optical control; photochromic; micro robot; visual feedback tracking

2015-04-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61375091)

張鵬飛(1986-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生在讀，主要從事微機(jī)器人控制研究.

符秀輝(1963-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事智能機(jī)器人控制研究.

2095-2198(2016)03-0267-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.016

TP275

A