一种微驱动器的闭环控制系统及方法与流程

1.本发明属于微驱动器控制技术领域，具体涉及一种微驱动器的闭环控制系统及方法。


背景技术：

2.传统的机器人一般由刚性材料制成，而刚性材料在灵活性、人机交互性、安全性、环境适应性能方面存在瓶颈，因此，研究者们提出了柔性机器人这一概念。柔性机器人往往由柔性材料制成，柔性材料具有超薄、柔性、可延展的“类皮肤”特性，从生物学角度来讲，柔性机器人是指模拟生物的柔性与灵活性创造的仿生机器人，可以被应用至各种复杂环境中帮助甚至代替人们执行特殊、高级的任务。然而目前柔性机器人大多处于实验室阶段。哈佛大学威斯生物启发工程研究所使用3d打印制造了八爪鱼形柔性机器人，并在其体内嵌入了管道为机器人提供动力，也负责控制它的运动。麻省理工学院研制出一种用石墨烯制成的微型柔性机器人，只有细胞般大小，形态与粒子类似。这种柔性微型机器人在生物、医学领域有广泛的应用前景，也是当下一大研究热点。
3.从结构上划分，柔性机器人可以分为控制芯片，柔性传感器与柔性驱动器。
4.从信号传递的角度来看，驱动器是一类将输入信号转换为输出应变的器件。随着柔性机器人领域的技术进步，对于微尺度、柔性、实时变化的驱动器结构难以手动测量，这些微器件往往制造工艺复杂，表面特征复杂，先有的测试和表征手段难以对其进行检测。目前对柔性微驱动器的应变表征方法通常有电容检测法、激光光斑位置检测，然而这些方法无法反映微驱动器准确的应变行为，因此无法提供准确的反馈信号。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种微驱动器的闭环控制系统及方法，能够获取基于微驱动器三维形貌的微驱动器控制反馈信号，通过一次或者多次的闭环循环控制，实现微驱动器的精准控制。
6.本发明提供一种微驱动器的闭环控制系统，包括结构光投影装置（1）、图像采集装置（2）、主控计算机（3）、微驱动器控制芯片（4）和微驱动器（5）；主控计算机（3）的控制端通过微驱动器控制芯片（4）通讯连接微驱动器（5）的受控端；结构光投影装置（1）由主控计算机（3）控制产生第一结构光信号s1传输至微驱动器（5）；图像采集装置（2）采集微驱动器（5）上的第二结构光信号s2，并传输至主控计算机（3）；主控计算机（3）对采集得到的第二结构光信号计算，获取微驱动器（5）的三维形貌及控制信号s3，并将控制信号s3发送到微驱动器控制芯片（4）控制微驱动器（5）。
7.作为本发明的进一步技术方案，结构光投影装置（1）由结构光产生设备（1
‑
1）和光
学元件组（1
‑
2）构成，结构光产生设备(1
‑
1)为投影仪、相位调制器件、数字微镜阵列、光栅或透镜阵列，光学元件组(1
‑
2)为光学元件，包括透镜、平面镜以及可变光阑及其组合。
8.进一步的，图像采集装置（2）包括图像采集相机（2
‑
1）、镜头（2
‑
2）和辅助装置，像采集相机（2
‑
1）通过辅助装置调节调节镜头（2
‑
2）的位置、俯仰角以及旋转角。
9.本发明还提供一种微驱动器的闭环控制方法，其特征在于，步骤s1、结构光投影装置1投射算法生成的第一结构光信号s1；步骤s2、将采集第二结构光信号s2通过传输线传输到主控计算机中，进行相位提取和相位拼接，在主控计算机中恢复待测微驱动器的深度信息；步骤s3、在获得微驱动器的三维形貌后，计算出微驱动器的应变程度，通过微驱动器的应变生成反馈信号，传递至微驱动器控制芯片，微驱动器根据模拟信号产生应变；步骤s4、根据系统需求执行若干次循环闭环控制。
10.本发明的优点在于，1.通过主控计算机实现结构光的产生、对微驱动器的实时检测、结构光信号实时处理、驱动信号实时计算和传输，有利于微驱动器闭环控制系统的小型化、集成化。
11.2.计算机算法生成的结构光具有良好的可编程性，在图像采集时可以显著提升信噪比，减小环境光等因素带来的干扰。
12.3.结构光三维重建优势在于高精度，通过提高已知图案的信息密度和信息捕获相机的像素可以方便地提高重建模型的分辨率，从而提高反馈信号的精确性。
13.4.在一个闭环周期内，系统完成了结构光投影的相移、图像采集、三维重建、信号反馈四个步骤，网络响应时间快，极大地提高了微驱动器闭环控制的效率。
14.可多次循环该闭环控制系统，多次迭代控制微驱动器动作，从而最终获得微驱动器的精准控制。
附图说明
15.图1为本发明的系统结构示意框图；图2为本发明实施例的闭环控制过程流程图。
具体实施方式
16.请参阅图1，本实施例提供种微驱动器的闭环控制系统，包括结构光投影装置1、图像采集装置2、主控计算机3、微驱动器控制芯片4和微驱动器5；主控计算机3的控制端通过微驱动器控制芯片4通讯连接微驱动器5的受控端；结构光投影装置1由主控计算机3控制产生第一结构光信号s1传输至微驱动器5；图像采集装置2采集微驱动器5上的第二结构光信号s2，并传输至主控计算机3；主控计算机3对采集得到的第二结构光信号计算，获取微驱动器5的三维形貌及控制信号s3，并将控制信号s3发送到微驱动器控制芯片4控制微驱动器5。
17.结构光投影装置1由结构光产生设备1
‑
1和光学元件组1
‑
2构成，结构光产生设备(1
‑
1)为投影仪、相位调制器件、数字微镜阵列、光栅或透镜阵列，光学元件组(1
‑
2)为光学元件，包括透镜、平面镜以及可变光阑及其组合。
18.图像采集装置2包括图像采集相机2
‑
1、镜头2
‑
2和辅助装置，像采集相机2
‑
1通过辅助装置调节调节镜头2
‑
2的位置、俯仰角以及旋转角。
19.主控计算机3对采集得到的第二结构光信号s2计算，获得微驱动器5的三维形貌，根据计算得到的三维形貌信息与微驱动器5的目标三维形貌信息进行对比，作为控制微驱动器5动作的控制信号s3的产生判据。主控计算机3计算得到控制信号s3，将控制信号s3传递至微驱动器控制芯片4，进而控制微驱动器5的动作。图像采集装置2继续采集最新的第二结构光信号s2，由主控计算机3进行计算，生成新的控制信号s3进一步微驱动器5。循环以上闭环控制过程，最终获得微驱动器5的目标三维形貌，从而实现对微驱动器5动作的精准闭环控制。
20.如图2所示，以正弦条纹结构光为例的闭环控制过程流程图。结构光投影装置1投射算法生成的正弦条纹单色光（第一结构光信号s1），由于重建算法使用四步相移法，一次闭环流程需要进行4次图像采集，每次正弦条纹相移π/2。将采集第二结构光信号s2通过传输线传输到主控计算机3中，通过matlab或者c 程序等语言编程实现相应的相位提取和相位拼接算法，在主控计算机3中恢复待测微驱动器的深度信息。在获得微驱动器5的三维形貌后，计算出微驱动器5的应变程度，相应的软件通过微驱动器5的应变生成反馈信号，传递至微驱动器控制芯片4，微驱动器5根据模拟信号产生应变。上述为一次闭环控制流程，根据需求，最终该闭环控制系统可以执行一次闭环控制或者多次循环闭环控制，最终实现微驱动器预期的动作的精准控制。
21.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。