[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】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-中文翻译

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 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 E.J.巴斯。 作者伍德拉夫机械工程学院，乔治亚理工学院，亚特兰大， GA 30332 美国（电子邮件： kccpeng”； ； pjbhaumik 生活。 com）。 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 10.1109/tsmca.2012.2199301 除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 1.标准按钮悬挂起重机控制 图 1 显示了典型的 pendentcontrol 桥式起重机。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 SIMATIC vs723-2 摄像机用于测量吊钩的位置。 有手运动起重机控制两个手持设备： 1）魔杖。 图 3.通过移动反射棒驱动 起重机 如图 3 所示，是一个安装在手持杆端的反射球 2）手套， 图 4.通过移动一个反光手套驾驶 起重机 如图 4 所示，在背面有一个圆形的反射器。 图 5.手的运动起重机 控制原理图 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 k-均值聚类算法用来区分棒 /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（ PD）控制器。最后，输入整形器添加到 PD 控制器用于降低载荷摆动。 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 gonomics 条款，魔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。 A.标准按钮下垂控制 图 6.标准下垂 控制器 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 7.标准按钮的 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. PD 手运动控制 著名流行的 PD 控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 8.PD 的手 动运动控制器 PD 的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 E0 和 E100，则命令发生器与 E 成线性地比例。否则，命令发生器输出 0%或 100%。 E0 和 E100 值分别为 0.25 和 1 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 PD 控制律的应用，通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 PD 增益的选择。计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（ 0.3577 米 /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 9.模拟 PD 控制器和 低收益 图 10.模拟 PD 控制器和 高增益 图 9 和图 10 显示 PD 手运动控制器 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 PD 控制器固有的权衡：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 11.起动和停止时 的手部运动 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， E 为零。因为魔杖 /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 12.低增益实验 PD 控制器 图 13.高增益实验 PD 控制器 图 12 和图 13 显示 PD 手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， PD 手运动控制器实际只应该在低收益时使用。 C. PD 输入整形手运动控制 B 部分证明了使用 PD 手运动控制器的固有弱点（低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 14.PD 输入整形手 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 n 的正常百分比残余振动（ PRV）振幅如 31 。 P RV = V (, ) = et n C ( , )2 + S( , )2 C ( , ) = Aiet i cos(t i 1 2 ) (3) i=1 S(, ) = Aiet i sin(t i 1 2 ) (4) i=1 是系统的固有频率， 是阻尼比， Ai和 ti分别为脉冲的振幅和时间。 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（ ZV）成型机，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 PD 反馈和 ZV 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 PD增益（与 B 部分相同）以快速移动起重机小车，结合 ZV 输入整形器消除有效载荷振荡。 图 15.模拟 PD 输入整形 控制器 图 16.输入整形控制器与 PD 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 PD 增益。 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. PD 手运动控制 图 17.俯视 的障碍 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 PD 增益和无输入整形的棒控制（记着， PD 手运动控制器必须使用低收益实现，避免大幅度有效载荷振荡）。 图 18.障碍 1 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（ ANOVA）测试表明，改善完成时间有统计学意义（ F = 17.67； P = 0.00148）。 图 19.障碍 1 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 5.1 个。使用魔杖控制，碰撞的平均数仅为 0.92，改善了 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 = 19.81； P = 0.00098）。 B. PD ZV 整形手运动控制 这项研究中使用的障碍物。 图 20.俯视 的障碍 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 PD 增益和 ZV 输入整形手套控制； 3）高 PD 增益和 ZV 输入整形棒控制。 图 21.示例性障碍 2 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 22.障碍 2 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 68.8%的改善）使用的魔杖是 30 秒（ 61%改进比下垂）。一个单向