基于機器學(xué)習(xí)的視覺系統(tǒng)運動控制

文/Mike Fussell，Zaber Technologies

運動控制是許多自動化光學(xué)檢測（AOI）系統(tǒng)和視覺引導(dǎo)的制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)相機及其拍攝目標(biāo)的精確移動，對于快速、高質(zhì)量的生產(chǎn)至關(guān)重要。運動控制還可以創(chuàng)建更靈活的視覺系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以快速、自動地重新配置，以適應(yīng)塑料和包裝等行業(yè)不斷變化的產(chǎn)品組合。

基于機器學(xué)習(xí)和推理的視覺系統(tǒng)的性能，也可以通過增加運動控制來進一步提高。確保拍攝目標(biāo)始終位于相機的視野中，可以消除圖像之間變化的一個主要根源。這可以減少訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)集大小，還可以生成能在低功耗嵌入式系統(tǒng)上更快運行的更小的網(wǎng)絡(luò)。

運動控制技術(shù)的多樣性，常常會讓用戶覺得開始使用它們有些不知所措。本文將為機器視覺領(lǐng)域的專業(yè)人士介紹運動控制的基礎(chǔ)知識。文中將介紹幾種常見的運動控制硬件；它們的關(guān)鍵指標(biāo)；以及如何使用這些指標(biāo)來選擇能夠提高系統(tǒng)性能、可靠性并且成本經(jīng)濟的運動控制設(shè)備。

運動類型

圖1：基于平移（a、b、c）和旋轉(zhuǎn)（d、e、f）的六個運動維度，以及線性和垂直平移臺（g、h）和旋轉(zhuǎn)臺（i）示例。（圖片來源：ZaberTechnologies）

確定視覺系統(tǒng)運動控制要求的第一步，是確定所需要的運動類型。運動有六個自由度，即沿x、y、z軸的平移，線性地推、拉或提升負載（見圖1中a、b、c），以及圍繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)或傾斜負載（見圖1中d、e、f）。一般來說，運動控制組件的設(shè)計目的，是在單一維度的運動中提供快速準確的運動，同時最大限度地減少所有其他維度中不必要的運動。

運動控制設(shè)備

在目標(biāo)軸上移動目標(biāo)對象需要五個關(guān)鍵組件：

機械部件：實現(xiàn)負載的安全安裝，并能沿其移動軸引導(dǎo)負載。

電機：用于產(chǎn)生機械力以移動負載。

電機驅(qū)動器：以精確的定時為電機提供正確的電流。

控制器：提供與電機驅(qū)動器連接的數(shù)據(jù)接口。

傳感器：用于沿行程軸校準和測量定位。

雖然這些組件中的每一個都可以獨立采購，然后再將它們集成到一起，但是Zaber公司的X系列設(shè)備已經(jīng)將所有這些組件都集成到了一個定位器中（見圖2）。

圖2：Zaber公司的X-LSM050線性工作臺，將機械平臺、電機、電機驅(qū)動器、控制器和傳感器都集成到了單個設(shè)備中。

關(guān)鍵指標(biāo)

將“可用的運動控制選項的功能”與“視覺系統(tǒng)的要求”相匹配，可以確保系統(tǒng)能夠快速可靠地執(zhí)行預(yù)期任務(wù)，而不會增加不必要的成本或復(fù)雜性。例如，半導(dǎo)體封裝系統(tǒng)在系統(tǒng)中的不同點，對精度和重復(fù)性有著不同的要求。它需要納米級的精度和可重復(fù)性，用于拾取和放置芯片；但可能只需要毫米級精度的定位，用于將加工完的IC放入傳送帶卷軸中。本節(jié)將介紹用于定義運動控制設(shè)備功能的關(guān)鍵指標(biāo)。

當(dāng)從同一方向接近兩個位置時，在行程軸上的任意兩個位置間移動時，精度的誤差可能最大（見圖3）。

圖3：線性平臺的樣本精度圖。該圖顯示了平臺在整個行程范圍內(nèi)的預(yù)期位置和實際位置之間的差異?？赡艿淖畲笳`差為0.6μm，即A點和B點之間的差值。

重復(fù)性用于表征工作臺在多個運動周期內(nèi)，從同一方向返回同一位置的精度。它是實際位置的最大偏差。

對于高吞吐量工業(yè)過程的自動化檢測和控制來說，最小化周期時間至關(guān)重要，重復(fù)性往往比準確性更重要。高重復(fù)性確保了一旦系統(tǒng)被校準，它將以高度一致性執(zhí)行重復(fù)的運動序列，消除了精細重新定位的需求；重新定位會增加周期時間并降低吞吐量。

對于依靠目標(biāo)或相機的運動來實現(xiàn)精細定位控制的視覺系統(tǒng)，反向間隙（backlash）是一個關(guān)鍵性能指標(biāo)。反向間隙是衡量機械系統(tǒng)松弛度的一個指標(biāo)（見圖4），它會對小運動的精度和重復(fù)性產(chǎn)生重大影響。當(dāng)行程方向相反時，反向間隙對工作臺定位的精度和可重復(fù)性影響最大；因為在移動負載之前，必須消除驅(qū)動系統(tǒng)中存在的間隙。一些制造商不使用“反向間隙”一詞，而是將其表述為單向和雙向重復(fù)性之間的差異。

圖4：在由絲杠驅(qū)動的系統(tǒng)中，絲杠螺紋和螺母對應(yīng)螺紋之間的微小間隙，會導(dǎo)致機械松弛。

為了確保系統(tǒng)按要求運行，選擇一個能夠有效支持和移動所需負載的平臺至關(guān)重要。最大中心載荷（見圖5）是在保持合理性能和設(shè)備壽命的同時，可施加在垂直于行程軸的工作臺上的最大力。載荷測量以力單位（牛頓）而不是質(zhì)量單位（千克）給出，因為載荷可能來自質(zhì)量、重力載荷和其他來源的組合。這些力的大小將取決于安裝在平臺上的物體的質(zhì)量及其移動方式。一個移動得很快的較輕物體，比一個移動得很慢的重得多的物體，會產(chǎn)生更大的力。

最大中心荷載可通過以下公式計算：

F（N）=質(zhì)量（kg）×加速度（m/s2）

在大多數(shù)情況下，中心荷載的加速度僅由重力引起，可近似為9.8m/s2。

懸臂荷載將扭矩施加到圍繞預(yù)定運動軸（見圖5）的工作臺上，并將導(dǎo)致其軸承負載不均，增加摩擦。

圖5：中心載荷垂直于運動軸施加力（a），懸臂荷載圍繞運動軸施加扭矩（b）。

可以使用以下公式計算懸臂荷載的大?。?/strong>