基于机器学习的视觉系统运动控制

文/Mike Fussell，Zaber Technologies

运动控制是许多自动化光学检测（AOI）系统和视觉引导的制造过程中的关键环节。工业相机及其拍摄目标的精确移动，对于快速、高质量的生产至关重要。运动控制还可以创建更灵活的视觉系统，这些系统可以快速、自动地重新配置，以适应塑料和包装等行业不断变化的产品组合。

基于机器学习和推理的视觉系统的性能，也可以通过增加运动控制来进一步提高。确保拍摄目标始终位于相机的视野中，可以消除图像之间变化的一个主要根源。这可以减少训练神经网络所需的数据集大小，还可以生成能在低功耗嵌入式系统上更快运行的更小的网络。

运动控制技术的多样性，常常会让用户觉得开始使用它们有些不知所措。本文将为机器视觉领域的专业人士介绍运动控制的基础知识。文中将介绍几种常见的运动控制硬件；它们的关键指标；以及如何使用这些指标来选择能够提高系统性能、可靠性并且成本经济的运动控制设备。

运动类型

图1：基于平移（a、b、c）和旋转（d、e、f）的六个运动维度，以及线性和垂直平移台（g、h）和旋转台（i）示例。（图片来源：ZaberTechnologies）

确定视觉系统运动控制要求的第一步，是确定所需要的运动类型。运动有六个自由度，即沿x、y、z轴的平移，线性地推、拉或提升负载（见图1中a、b、c），以及围绕x、y、z轴旋转或倾斜负载（见图1中d、e、f）。一般来说，运动控制组件的设计目的，是在单一维度的运动中提供快速准确的运动，同时最大限度地减少所有其他维度中不必要的运动。

运动控制设备

在目标轴上移动目标对象需要五个关键组件：

机械部件：实现负载的安全安装，并能沿其移动轴引导负载。

电机：用于产生机械力以移动负载。

电机驱动器：以精确的定时为电机提供正确的电流。

控制器：提供与电机驱动器连接的数据接口。

传感器：用于沿行程轴校准和测量定位。

虽然这些组件中的每一个都可以独立采购，然后再将它们集成到一起，但是Zaber公司的X系列设备已经将所有这些组件都集成到了一个定位器中（见图2）。

图2：Zaber公司的X-LSM050线性工作台，将机械平台、电机、电机驱动器、控制器和传感器都集成到了单个设备中。

关键指标

将“可用的运动控制选项的功能”与“视觉系统的要求”相匹配，可以确保系统能够快速可靠地执行预期任务，而不会增加不必要的成本或复杂性。例如，半导体封装系统在系统中的不同点，对精度和重复性有着不同的要求。它需要纳米级的精度和可重复性，用于拾取和放置芯片；但可能只需要毫米级精度的定位，用于将加工完的IC放入传送带卷轴中。本节将介绍用于定义运动控制设备功能的关键指标。

当从同一方向接近两个位置时，在行程轴上的任意两个位置间移动时，精度的误差可能最大（见图3）。

图3：线性平台的样本精度图。该图显示了平台在整个行程范围内的预期位置和实际位置之间的差异。可能的最大误差为0.6μm，即A点和B点之间的差值。

重复性用于表征工作台在多个运动周期内，从同一方向返回同一位置的精度。它是实际位置的最大偏差。

对于高吞吐量工业过程的自动化检测和控制来说，最小化周期时间至关重要，重复性往往比准确性更重要。高重复性确保了一旦系统被校准，它将以高度一致性执行重复的运动序列，消除了精细重新定位的需求；重新定位会增加周期时间并降低吞吐量。

对于依靠目标或相机的运动来实现精细定位控制的视觉系统，反向间隙（backlash）是一个关键性能指标。反向间隙是衡量机械系统松弛度的一个指标（见图4），它会对小运动的精度和重复性产生重大影响。当行程方向相反时，反向间隙对工作台定位的精度和可重复性影响最大；因为在移动负载之前，必须消除驱动系统中存在的间隙。一些制造商不使用“反向间隙”一词，而是将其表述为单向和双向重复性之间的差异。

图4：在由丝杠驱动的系统中，丝杠螺纹和螺母对应螺纹之间的微小间隙，会导致机械松弛。

为了确保系统按要求运行，选择一个能够有效支持和移动所需负载的平台至关重要。最大中心载荷（见图5）是在保持合理性能和设备寿命的同时，可施加在垂直于行程轴的工作台上的最大力。载荷测量以力单位（牛顿）而不是质量单位（千克）给出，因为载荷可能来自质量、重力载荷和其他来源的组合。这些力的大小将取决于安装在平台上的物体的质量及其移动方式。一个移动得很快的较轻物体，比一个移动得很慢的重得多的物体，会产生更大的力。

最大中心荷载可通过以下公式计算：

F（N）=质量（kg）×加速度（m/s2）

在大多数情况下，中心荷载的加速度仅由重力引起，可近似为9.8m/s2。

悬臂荷载将扭矩施加到围绕预定运动轴（见图5）的工作台上，并将导致其轴承负载不均，增加摩擦。

图5：中心载荷垂直于运动轴施加力（a），悬臂荷载围绕运动轴施加扭矩（b）。

可以使用以下公式计算悬臂荷载的大小：

悬臂荷载（N·m）=力（N）×距离（m）

速度和推力是任何运动控制设备的关键选择标准。高速和推力对于高吞吐量应用尤为重要；在这类应用中，最小化周期时间至关重要。最大推力以牛顿为单位，是工作台在行驶方向上可以施加的最大力。最大速度是工作台在空载情况下可以移动的最快速度。

还有超高速和高推力设备。然而，如果图像采集或处理时间是视觉系统的瓶颈，那么为更快的运动控制设备支付更多费用，也不会减少周期时间或增加吞吐量。

具有高推力和高速度的运动控制设备，有可能大大节省相机的成本，尤其是在需要高分辨率相机的情况下。如果目标可以快速减速并再次加速，则可以使用卷帘快门相机代替更昂贵的全局快门相机，而这并不会对周期时间或系统性能产生负面影响。

推力和速度的组合将影响工作台的使用寿命。更大的负载以更高的速度移动，会对工作台施加更大的力。这将在驱动机构中产生更多热量，导致机械部件更快磨损。对于需要在高速和大推力下长期运行的应用，在速度和推力器件上留出更多预算，从长远来看，可以带来显著的成本节约，因为这样的运动控制设备将提供更长的使用寿命和更低的维护要求。

虽然机械指标对运动控制设备很重要，但也不能忽视电气指标，因为它们会影响系统集成的难易性。带有IO线的控制器是高吞吐量机器视觉应用的理想选择。输出线可以实现高度可靠、低延迟的相机触发，而且只需很少的设置工作。当工作台到达目标位置时，通过立即触发相机，可以将周期时间降至最低。IO触发是确保生产或检测系统的运动控制、照明和成像组件保持同步的简单方法。

还应该注意在设备之间匹配IO的标称电压。+5V TTL通常用于许多运动控制设备的数字输出，但可能会超过一些缺乏光隔离输入的低功耗+3.3V单板计算机的建议输入电压。大多数主要制造商的机器视觉相机都有光隔离输入引脚，支持+5V输入。

一体化的优势

虽然视觉系统设计师可以寻找和集成来自不同厂商的图像传感器、FPGA、图像信号处理IP核和接口后端，但大多数用户更喜欢预装配相机的便利性。运动控制也是如此。采购、确定兼容性、配置和校准工作台、电机、驱动器和控制器，是一个复杂而耗时的过程。集成了控制器和驱动器的运动控制设备，简化了设备的选择和设置过程。

集成了驱动器和控制器的设备共享一个共同的控制协议，进一步简化了系统设计。通过无缝协作，开箱即用的运动控制构建块，这些设备可以随着自动化需求的变化进行快速组合和重组。

使用共享公共控制协议和API的集成控制器设备，构建系统需要在多个轴上协调移动，并具有照明、图像采集和处理功能，因此速度更快、更容易。最小化定制应用程序开发所需的库的数量，可以产生更小、更高效的应用程序，这些应用程序更容易维护，更适合在资源有限的嵌入式系统上运行。共享公共控制协议的设备，也可以支持菊花链配置。菊花链通过一根来自主机的电缆为多个设备提供供电和控制信号，大大简化布线并降低成本。单线连接还能节省空间，释放端口或IO引脚，非常适合嵌入式系统。

一体化设备的另一个优点是，它们的统一设计允许简单流畅地使用文档。使用一个全面的记录文档来解决意外问题，要比使用各自的文档来解决多个独立组件之间的潜在冲突容易得多。

运动控制是自动化生产和检测系统的重要组成部分。了解运动控制设备的关键指标，有助于优化设计，以充分利用视觉系统和预算。选择正确的运动控制设备，可以帮助您以更低的成本快速设计、构建和交付具有更快周期、更高吞吐量和更高可靠性的系统。

编辑：黄飞