全光控微型游动机器人的视觉反馈跟踪系统设计

张鹏飞, 符秀辉, 田孝军

(1.沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142;2.中国科学院沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110016)



全光控微型游动机器人的视觉反馈跟踪系统设计

张鹏飞1, 符秀辉1, 田孝军2

(1.沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142;2.中国科学院沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110016)

微型游动机器人的研究是机器人微型化电子领域发展的一个重要分支.借助光致形变弹性体材料在光诱导下，分子内部发生光异构产生形变原理，设计制造一种仿鞭毛细菌游动机器人.通过采取对可见光和紫外光光源照射方式的改变，为其全光供能与控制，并采用改进型背景周期差分视觉反馈技术对游动机器人跟踪定位.这种全新的外场驱动的新型管道微型机器人设计，可控性强，可将负载物运输到指定地点，是微型机器人驱动与组装制造、微管道运输的全新设计.

全光控; 光致变; 微型机器人; 视觉反馈跟踪

随着微纳(μm / nm)技术发展，国内外对微纳型机器人的研究与投入十分巨大，其研究进展主要运用到医疗和军事领域的应用.本体驱动管道机器人[1]、外磁场驱动外螺旋胶囊机器人[2]等微小型机器人层出不穷.这些微型机器人体积与供能受到很大制约，可控自由度少，灵活性欠佳，辅助设备复杂、昂贵.光能驱动属于非接触供能，可遥控供能,响应迅速，能量传递位置精确，清洁、安全、 不受电磁干扰，可完成复杂动作，可控性高.目前对光能驱动有光镊、光驱动带式马达[3]等，其主要运用光旋转分子、镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷[4]等光致变材料.本研究利用光能驱动的优势，采用光致旋转晶体微粒材料[5]结合鞭毛细菌游动机理[6]方式制作微型游动机器人本体，通过对外置光源进行编程控制为其供能驱动与控制，并使用机器人视觉反馈原理对微型游动机器人进行跟踪定位.可载物的全光控低雷诺数运动形式的单鞭毛细菌结构游动机器人，为微型游动机器人的控制和应用以及控制微纳化机器人发展方向提供一种全新的研究基础.

1 系统介绍

1.1 游动机器人运动原理与制备流程

全光控微型游动机器人游动原理基于光致变材料中偶氮苯响应基团具有双向可控性，在紫外光照射下弯曲完成摆动动作，在可见光照射下恢复到原始状态.如图1(a)所示，通过光致形变材料驱动细长柔性尾部实现类似单鞭毛细菌摆动游动的运动.在紫外光A照射下弯曲，完成一个摆动动作，然后在可见光A照射下恢复到原始状态；反向的紫外光B开始照射，微型游动机器人向紫外光B照射方向摆动，然后在可见光B照射下恢复到原始状态，完成微型游动机器人摆动前进的一个周期动作.

微型游动机器人制作流程如图1(b)所示：设计微型游动机器人单鞭毛细菌几何模型；使用雕刻机雕刻制作游动机器人模具；固化PDMS形成微型游动机器人；最终制作出微型游动机器人.

图1 微型游动机器人运动原理与制备流程

1.2 系统运行原理与基本结构

视觉跟踪系统主要由控制计算机、下位机控制器、摄像头、光源、驱动器、步进电机、工作台等组成.其原理流程如图2(a)所示.计算机通过OpenCV软件处理分析CCD摄像头采集的视频信号，对STM32下位机输出控制信号.下位机根据计算机控制信号一方面驱动安装可变光源模块的步进电机，实时跟踪游动机器人运行位置为游动机器人供能.另一方面，通过修改光源照射强度与照射时间对游动机器人控制.调节计算机LabVIEW窗口中给定的光照强度与光照时间参数，通过计算机串口发送命令可实现游动机器人沿任意规划路线运动.四路可变光源中紫外光最大功率20 mW，可见光最大功率30 W.由于光源照射光斑面积远大于微型机器人光致变材料驱动机构，从而跟踪精度与跟踪距离受到步进电机最小转角与运动丝杆直径影响.步进电机最小转动角度为0.18°，丝杆直径为8 mm，长度为160 mm.通过计算可知系统运动跟踪最小距离为0.03 mm，最大行程为140 mm.其基本结构如图2(b)所示.

图2 系统流程与实物

2 系统视觉反馈跟踪

2.1 视觉反馈跟踪方案

系统采用OpenCV数字图像处理软件对微型机器人进行跟踪反馈操作.系统运行时背景图像稳定，因此背景差分法为视觉跟踪形式最优选项.但全光控系统紫外光与可见光在一个周期的交互变换时，在半周期交变点随着照射光源改变图像像素发生巨大改变，此时提取的背景差分值误差不可接受.以单侧驱动光源分析系统可以发现一个独特特征：在光源照射的一个周期内，前半周期可见光照射或后半周期紫外光照射时段系统背景像素变化甚微，每一个光照周期系统运行变化差别也非常微小.因此，在背景差分的基础上进行周期取图像帧进行差分，可以很好地满足系统所需.取上半周期单光源照射时中间段的图像帧作为稳定背景图像，此时第一幅图像帧取值时间为1/4全周期时间，第二幅图像帧取5/4周期时间，进而通过取5/4倍率周期图像进行周期差分计算避免光源周期变化对图像背景差分的影响.

2.2 视觉跟踪程序设计与验证

图3为系统背景差分流程，在摄像头参数初始化完成后加入自适应阈值计算，自动修改光源强度或时间参数调节后的图像帧差值参数.自适应阈值可进行时间监视，系统超过给定的无信号检测时间时进行判断报警，对下位机引入外部中断并控制步进电机进行微小误动避免出现死区.

如图4系统验证：(a)中光源变换周期为16 s;(b)为取5/4倍光源变换周期的图像帧图，可以看到游动机器人位置有变化但背景几乎没有变化;(c)为程序运行时的实际跟踪图与5/4倍周期差分后前景计算图，系统可实时跟踪游动机器人运动形式并可根据周期差分去背景后，计算游动机器人前景位移量控制光源进行相应移动.

图3 背景差分流程

图4 程序验证

2.3 视觉反馈跟踪系统分析

光源照射100 %强度时，机器人实际运动位移与视觉反馈跟踪位移如图5(a)所示.从图5(a)可以得出跟踪位移具有一定的滞后性.软件方面由于计算机视觉反馈在光源一个变化周期内只做1次差分计算，滞后受到光源周期影响，硬件方面受到步进电机最小转动角与位移丝杆直径影响.由于光源照射光斑面积远大于光致变材料驱动机构，跟踪位移与实际位移仍具有良好的拟合性.通过位移与时间关系，可以得出在100 %强度光照条件下机器人平均运行速度为120 μm/s.图5(b)为游动机器人摆动偏转角与光照射强度的关系曲线.通过分析可以得到游动机器人摆动最大偏转角受到光照强度影响，光照强度越强，到达最大偏转角所用时间越短.通过改变光照强度与光照时间可以改变游动机器人摆动偏转角，从而控制游动机器人运行状态.

图5 跟踪分析

3 结束语

在光致变材料的基础上，采用低雷诺数的鞭毛细菌结构设计出了一种新形式的微型游动机器人，并根据微型游动机器人运动形式研制

出一套光路跟踪驱动系统.在传统的背景差分检测跟踪技术上，建立周期采样差分计算形式并加入自适应阀值模块.希望对微型机器人的供能形式以及反馈跟踪研究提供新的解决思路，为更微小且优势明显的微纳米尺度机器人研究领域提供一种借鉴.

[1] 梁亮,江华,唐勇,等.一种内螺旋管道机器人[J].中国机械工程,2014,25(24):3289-3294.

[2] GAO M,HU C,CHEN Z,et al.Design and Fabrication of a Magnetic Propulsion System for Self-propelled Capsule Endoscope[J].Biomedical Engineering,2010,7(10):89-94.

[3] 刘峰毅.中国化学会第十二届全国量子化学会议论文摘要集:A集[C].山西:山西师范大学出版总社,2014.

[4] 李书阳,郑世杰,王宏涛.PLZT光致伸缩层合梁的非接触形状控制[J].宇航学报,2012,33(4):514-519.

[5] 王威.液晶聚合物/碳纳米管复合薄膜及可反应性液晶嵌段共聚物的光致形变研究[D].上海:复旦大学材料科学系,2012:57-58.

[6] 黄前川,丁进亚.细菌鞭毛的运动性在生物膜形成中的双重作用[J].医学综述,2010,16(20):3057-3059.

Visual Feedback Tracking System Design of Optical Micro Swimming Robot

ZHANG Peng-fei1, FU Xiu-hui1, TIAN Xiao-jun2

(1.Shenyang Institute of chemical technology, Shenyang 110142, China; 2.Shenyang Automation Research Institute of the Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Study on micro swimming robot is an important branch of robot miniaturization of electronics.With the aid of the light induced deformation of the elastic body material,the deformation mechanism of the light heterogeneous generation in the molecule is designed and manufactured.By taking the change of the visible light and the ultraviolet light source,the all optical energy supply and the control,the tracking and positioning of the moving robot are tracked by using the improved background cycle difference visual feedback technique.This new field driven pipeline micro robot design and control can be transported to the designated location of the load.The micro robot driver and assembly manufacturing and the new design of the micro channel transport were done.

optical control; photochromic; micro robot; visual feedback tracking

2015-04-18

国家自然科学基金资助项目(61375091)

张鹏飞(1986-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生在读，主要从事微机器人控制研究.

符秀辉(1963-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事智能机器人控制研究.

2095-2198(2016)03-0267-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.016

TP275

A