外文翻译-利用机器视觉和手的运动控制来提高起重机操作员的性能.doc
QTZ125塔式起重机总体、臂架、变幅机构设计（全套含CAD图纸）
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塔式起重机
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利用机器视觉和手的运动控制来提高起重机操作员的性能 摘要 所有起重机固有的 有效 载荷摆动 使 人工快速，准确，安全的操作有效载荷具有挑战性。 防爆 起重机控制接口 也增加 了 操作难度 。本文介绍了一种新的接口，允许运营商通过移动手持设备（棒或手套）在空间自由 驱动起重机 。起重机轨道安装 了 摄像头的手提式的运动装置，它的位置是用来 驱动 起重机。两个控制体系结构进行了研究。第一个使用一个简单的反馈控制器，第二使用反馈和输入整形器。两个算子的研究表明，手部运动起重机控制 要 比使用标准按钮悬而未决的 控制 快速和安全。 指数条款控制接口，起重 机，输入整形，机器视觉，振荡。 引言 起重机在维护现代 工 业经济活力发挥关键作用。他们的重要性 表现 在造船厂，建筑工地，仓库和材料处理的各种应用。起重机操纵性 对于 工业生产， 低 生产成本和工人的安全是一个重要因素。 起重机的固有特性 之一 有效载荷摆动 或更复杂的振荡动力学 像自然的倾向双摆 ， 是 不利于操作 的 。 已作出重大努力开发控制方案以减少从发出的命令和外部干扰的振动响应 。 也有在控制起重机包含旋转接头的研究，这由于其非线性动力学的一个额外的水平增加了复杂性 。 对于 运营商而言使用传统的接口，如按钮式起重机吊坠受益于振荡抑制技 术。 他们产生比没有这样的补偿算子更安全（不与障碍物的碰撞）和更高效的起重机运动（更快的任务完成时间和减少操作按钮） 。 2010年 9月 26 日 收到手稿 ； 2011年 4月 7日 修订 ， 2011年 6月 10日，2012年 4月 6日和 2012 年 2月 9日接受。出版日期 2012年 6月 8日 ， 当前版本的日期 2012年 10 月 12日 。这项工作是由西门子工业自动化，乔治亚理工学院 制造研究中心 和波音研究与技术 支持 。本文推荐副主编 作者 伍德拉夫 机械工程学院，乔治亚理工学院，亚特兰大， 0332 美国（电子邮件： 生活。 本文中的一个或一个以上的数字彩色版本可用在线。 数字对象标识符 了要面对控制大挑战 振幅小阻尼的载荷摆动，运营商还必须掌握反直观的控制界面。 图 图 1 显示了典型的 式起重机。操作者必须熟练 会产生所需的起重机的运动 认知过程路径 序列 按钮。例如，如果操作者通过 驱动 一个 杂乱工作的起重机，然后期望路径必须被映射成一系列的活动， “ 前进（ F） ”“ 向后（ B） ”“ 左（ L） ” 和 “ 右（ R） ” 按钮被按在正确的时间和正确的 顺 序。此外，运营商通过移动工作区驱动起重机和监测其进展，他们可以转动 他 们的身体并改变他们所面对的方向。在这样的 情况下 ， “ 前进 ” 按钮使 左右 运动，甚至是向后运动 。 作为一个额外的挑战，操作者可以直接驱动电车架空，不是有效载荷。因此，操作者必须考虑 可 能是 许多米的开销 的 指令运动 的小车之间的时间滞后和延迟的振动响应 的有效荷载 。 虽然已经取得了重大的进展，改善通过控制动态起重机的运行效率响应于发布命令，相对很少考虑已经在运营商发出这些命令的方式。它已被证明，是针对特定的控制系统相关的认知过程的接口产生有益的影响。例如，在腹腔镜手术的医疗机器人领域，如达文西改进传统的程序允许外科医生在一个更符合人体工程学的方式和低认知负荷操作。 对照组在相同的方向上移动，作为达文西的最终效应，不同于传统的腹腔镜那里的医生必须反向映射控制由于在插入点到仪器的枢轴点的程序。 本文提出了一种新的控制界面，允许 操作员在空间移动手持设备驱动起重机。机器视觉是用来跟踪设备的位置（棒或手套），然后用于生成驱动起重机的指挥信号。手的运动控制接口是专为通过一个杂乱的工作驱动起重机的任务，因为它消除了认知映射过程，与传统的控制接口是必要的。结果，运营商不再需要考虑到他们所面对的方向。安全高效运行也减少了 归于 手的灵巧 的要求 。此外，该控制算法最小化的载荷摆动 并没有 显著降低系统的响应。因此，手动降低载荷摆动的负担 被解除了 。这使得操作者能专心 于 路径 的 规划和有效载荷的最终定位。 手的运动控制提供了比传统的接口其他认知优势。有认知控制两 个主要部门：分析解决问题和感性的过程。知觉的处理往往会更快，可以并行执行，同时分析处理需要较长的时间和进程串。分析问题的解决也往往更容易出现错误。许多研究结果也表明， 可能的 时候 人们 更 喜欢并采用知觉加工。从这个角度看，手的运动控制可以帮助运营商通过降低所需的认知水平 驱动起重机 。运营商不再需要分析思考的按钮推动序列或者考虑摆动载荷；他们只需要移动手持设备到所需的位置 或 沿所希望的路径。这允许操作员完成简单的知觉加工。 本文的主要贡献是一种新型的手的运动控制接口。这个接口的好处是由人类操作员研究 并 验证 的 。第二部分介 绍了新的界面（手杖和手套）。在第三节这是用于与接口相结合的控制算法进行了讨论。这是由操作员在第四节研究和 和第五节总 结 的。 对于手动起重机控制接口 本文的研究应用是一个悬挂在汽车的桥式起重机摆点质量的有效载荷。用于实验验证 的 10吨的工业桥式起重机 如 图 2所示。 图 2 典型的 桥式起重机 桥式起重机是由一个固定的架空跑道，一座沿着跑道 的 桥，和一个沿着桥 的手推车 组成 。激光测距传感器测量沿跑道和桥的小车的位置。钩，所代表的有效载荷，悬在车用电缆。一个西门子可编程逻辑控制器用来控制电机驱动并作为中央控制单元。对起重机 的命令可以发出一个按钮控制魔杖或手套或其他装置下垂 。 一个安装在小车向下的西门子 于测量 吊钩的位置。 有手运动起重机控制两个手持设备： 1）魔杖 。 图 重机 如 图 3所示，是一个 安装在手持杆端 的 反射球 2）手套， 图 重机 如图 4所示，在背面有一个圆形的反射器。 图 制原理图 图 5显示了一个 应用机器视觉 示意图手的运动控制。起重机安装摄像头用于同时跟踪魔杖 /手套 和钩 的位置。因为所有反射出现在 相机的 明亮的 斑点，一个手套反射器反射 和 钩 反射器反射 。相机的刷新率是约 140毫秒。魔杖 /手套 相对于起重机 的位置是用来产生一个误差信号驱动电车架空。 手动起重机控制器 研究了三 个 控制架构。首先，标准按钮下垂控制器 性能比较 基准。然后， 在手运动起重机控制其适宜性研究 了 一个比例 微分（ 制器。最后，输入整形器添加到 于 降低载荷摆动。 请注意，从控制结构的角度 来说 ，魔杖和手套都是相同的。这两个设备 都 是操作员用来沟通所需位置 的 控制器。出于这个原因，在本节提出的仿真和实验验证的结果 中 ，魔杖 和手套之间没有区别。然而，在操作过程中的 ER 杖具有更大的范围和可以 在 狭小的空间驱动起重机 的能力 ，如 转 角。另一方面，手套 可在献出 范围内 获得 较小的尺寸和易用性。 图 制器 标准的下垂控制框图 如 图 6所示 。经营者 分析 工作空间，考虑所需的操作目标，然后决定 运 动的过程。这个计划通过按钮实现悬挂 控制 。这些按钮将能量发送到汽车和桥式起重机小车。 悬挂载荷的小车间接移动。 图 下垂 控制响应 计算机模拟了 使用下垂控制器响应的 大约 2到 3米 的 点对点运动如 图 7所示。 按 压悬挂按钮 一段 时间 就会向 起重机电动机 发出 梯形速度命令。由于 有 钟摆一样有效载荷性质， 在一般情况下， 这种类型的小车的运动会诱导 显著 的有效载荷振荡。 B. 著名流行的 制器是最简单的一个反馈控制形式。这是 在工业 中 用于起重机的控制 最常用的反馈方法。它 为 手动起重机控制器 提供了一种现实选择。 图 手 动 运动控制器 手运动控制框图如图 8 所示。 把 魔杖或手套的位置 与 桥式起重机的位置（忽略的垂直高度差） 进行比较，产生误差信号 e。 命令发生器将误差信号（一个位置测量） 转换 为速度命令 发送给电机驱动器 。 如果是在 指定 设计范围内的100，则命令发生器 与 性 地比例。 否则，命令发生器输出 0%或 100%。100值分别为 米。这些选择都是基于起重机操作员舒适的距离。命令发生器被描述为 过饱和器传递结果确保起重机的速度与加速度不超过限制范围。请注意，起重机小车的位置，而不是有效载荷，用于反馈。这是因为，在实践中， 检测 小车位置（使用激光测距传感器）远比 检测 有效载荷更可靠（使用机器视觉）。此外，单摆的有效载荷是一个固有的 稳定的 设备 ：载荷将 在 固定式起重机 的影响下 永远 静止 。因此，对起重机小车正确的最终定位保证 了 有效载荷 的 正确的最终定位。 1）仿真验证：一个关键的设计挑战是 算机模拟 构造 援助增益选择 的 过程。手的运动轨迹被指定为 等 于 10吨工业起重机坡道 位置最大的速度（ 秒） 梯度 。这 近似 是一个缓慢的步行速度模仿 人类操作员典型的手的运动轨迹 。 图 D 控制器和 低收益 图 D 控制器和 高增益 图 9 和 图 10 显示 运动控制器 分别 在 低和高的反馈增益 下的 仿真结果 。 这两个数字显示使用 制器固有的权衡： 低收益，起重机回应缓慢，但有效载荷振荡很小；高收益，但 以 起重机快速移动的大型有效载荷振荡 为代价 。 2）实验验证：手的运动控制系统 是在 10吨桥式起重机 上 实现 的 。由人类操作员生产的棒 /手套轨迹类似于 那些 模拟 中用 的 。斜坡坡度约相当于起重机 最大的 速度， 测试报告 的 动距离约为 2米。 图 手部运动 控制 图 11 显示了操作员使用手部运动控制启动和停止起重机。开始移动，操作者可以使魔杖 /手套的相机远离起重机一些距离。当起重机 接近 所需的位置， 操作员 降低棒 /手套 到 摄像机检测不到的 位置。 当相机无法定位魔杖 /手套的 位置时 ， 为魔杖 /手套的位置 在某些时候 可能是未知的， 所以 “ 魔杖 /手套 ”的实验响应曲线 会有间断 。 图 D 控制器 图 D 控制器 图 12 和 图 13 显示 运动控制 器使用手套接口 分别在 低和高的反馈增益下的 实验结果。实验数据 加强了 模拟结果：低收益动作 慢但是 起重机载荷摆动 小 ，而高收益起重机的动作 快 ，但有效载荷振荡 大 。出于安全原因，减少有效载荷振荡通常比起重机的 快速 动作， 高 一个 优先级 。 因此， 运动控制器 实际 只 应该 在 低收益 时使用 。 C. 使用 和高收益之间的权衡）。然而，性能可 通过 修改命令信号形状以减少振荡 的 输入整形器 得到改善 。 图 入整形手 的运动控制器 图 14显示 的 新 控制框图，表明 在 饱和器和起 重机块之间 插入了 输入整形器。 1）输入整形：输入整形是一种技术，通过适当地塑造命令降低柔性系统残留振动。通过卷积的基线输入命令完成一系列的冲动，称为输入整形器。结果是一个 可 降低残余振动的形状命令。 为了确定输入整形器的脉冲振幅和时间位置，设计必须满足一定的约束。主要的设计约束是由成型机引起振动的振幅极限。从一个 欠阻尼二阶系统的 序列中常 百分比残余振动（ 幅 如 31 。 P = V (, ) = e t n C (, ) 2 + S(, ) 2 C (, ) = i t i 1 2 ) (3) i=1 S(, ) = i t i 1 2 ) (4) i=1 是系统的固有频率， 是阻尼比， 方程（ 2）给出了输入整形 和 不输入整形 的 振动比率。残余振动幅值约束可以由设置（ 2） 固有频率和阻尼比 小于或等于一个可接受的水平的残余振动模型形成 32 。最简单的零振动（ 型机，振动耐受量为零。这个结果在一个 成型器 的形式 31 ， 33 。 2）仿真和实验验证：高增益 V 输入整形器相结合的目标是获得起重机的快速响应和低振幅的有效载荷振荡。在本节 中 手运动控制器采用高 与 以 快速移动起重机小车，结合 除 有效载荷振荡 。 图 D 输入整形 控制器 图 D 的实验 图 15和 图 16分别 显示 了 控制器模拟和实验 的 反应。实验数据 通过 使用手套接口获得。显然，起重机的响应速度很快，但有效载荷振荡非常小。 此外，在输入整形器的上升时间的滞后不太明显了。起重机 在输入整形或 不输入整形 的情况下 几乎 以 相同的速度响应。因此，由于输入整形器消除 了 载荷摆动这个版本的手运动控制器 可自由 使用高 算子的研究 本节介绍了下垂控制与手运动控制操作效率 比较的 结果。每一项研究中，我们的目标是 尽可能快而不与障碍物碰撞 地 从 开始到结束 移动 有效载荷（即起重机吊钩） 。 A. 图 障碍 1 障碍训练场的俯视图如图 17所示。开始 区 和结束区 分别 由矩形和圆形表示。障碍 安排 到这样的程度 最快的路径所需的对角起重机动作（同时移动两台车桥轴）。十二 个 新手运营商 使用以下控制接口 完成 障碍 过程： 1）标准按钮 下垂 ； 2）低 和无输入整形 的 棒控制（记 着 ， 免大幅度有效载荷振荡）。 图 完成时间 图 18显示了每个操作过程的完成时间。使用 下垂 平均完成时间为 97 s， 使用魔杖 的 平均完成时间仅为 46秒，改进 了 53%。一个单向重复测量的方差分 析（ 试表明，改善完成时间 有统计学意义（ F = P = 图 碰撞 图 19 显示了 每个试验过程中地块发生碰撞的次数。采用下垂控制，所有运营商遭受至少一个碰撞，碰撞的平均数为 。使用魔杖控制，碰撞的平均数仅为 善 了 81%。一个单向重复测量的方差分析测试表明，碰撞的还原有统计学意义（ F = P = B. 这项研究中使用的障 碍物 。 图 障碍 2 如图 20所示。开始 区 和结束区 分别 由矩形和圆形表示。十 个 新手运营商使用以下控制接口完成障碍过程： 1）标准的下垂控制； 2）高 3）高 图 的有效载荷的响应 图 21显示了一个操作员使用吊灯和手套的典型载荷响应的俯视图。而使用下垂，使用手套，显著降低了有效载荷摆动和允许操作者 更有效 地 移动载荷。 图 完成时间 图 22显示了每个操作过程的完成时间。使用 下垂 平均完成时间为 77 s，使用手 套平均完成时间为 24（ 比下垂 超过 改善）使用的魔杖是 30 秒（ 61%改进 比下垂 ）。一个单向重复测量的方差分析测试结果表明，三种控制方法的
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