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利用機(jī)器視覺和手的運(yùn)動控制來提高起重機(jī)操作員的性能
摘要 所有起重機(jī)固有的有效載荷擺動使人工快速，準(zhǔn)確，安全的操作有效載荷具有挑戰(zhàn)性。防爆起重機(jī)控制接口也增加了操作難度。本文介紹了一種新的接口，允許運(yùn)營商通過移動手持設(shè)備（棒或手套）在空間自由驅(qū)動起重機(jī)。起重機(jī)軌道安裝了攝像頭的手提式的運(yùn)動裝置，它的位置是用來驅(qū)動起重機(jī)。兩個控制體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。第一個使用一個簡單的反饋控制器，第二使用反饋和輸入整形器。兩個算子的研究表明，手部運(yùn)動起重機(jī)控制要比使用標(biāo)準(zhǔn)按鈕懸而未決的控制快速和安全。
指數(shù)條款控制接口，起重機(jī)，輸入整形，機(jī)器視覺，振蕩。
Ⅰ引言
起重機(jī)在維護(hù)現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)活力發(fā)揮關(guān)鍵作用。他們的重要性表現(xiàn)在造船廠，建筑工地，倉庫和材料處理的各種應(yīng)用。起重機(jī)操縱性對于工業(yè)生產(chǎn)，低生產(chǎn)成本和工人的安全是一個重要因素。
起重機(jī)的固有特性之一有效載荷擺動或更復(fù)雜的振蕩動力學(xué)像自然的傾向雙擺，是不利于操作的。已作出重大努力開發(fā)控制方案以減少從發(fā)出的命令和外部干擾的振動響應(yīng)。也有在控制起重機(jī)包含旋轉(zhuǎn)接頭的研究，這由于其非線性動力學(xué)的一個額外的水平增加了復(fù)雜性。對于運(yùn)營商而言使用傳統(tǒng)的接口，如按鈕式起重機(jī)吊墜受益于振蕩抑制技術(shù)。他們產(chǎn)生比沒有這樣的補(bǔ)償算子更安全（不與障礙物的碰撞）和更高效的起重機(jī)運(yùn)動（更快的任務(wù)完成時間和減少操作按鈕）。
2010年9月26日收到手稿； 2011年4月7日修訂，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，當(dāng)前版本的日期2012年10月12日。這項工作是由西門子工業(yè)自動化，喬治亞理工學(xué)院制造研究中心和波音研究與技術(shù)支持。本文推薦副主編E.J.巴斯。
作者伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院，喬治亞理工學(xué)院，亞特蘭大，GA 30332美國（電子郵件：kccpeng”gatech.edu；singhose@gatech.edu；pjbhaumik @生活。com）。
本文中的一個或一個以上的數(shù)字彩色版本可用在線http://ieeexplore.ieee.org。
數(shù)字對象標(biāo)識符10.1109/tsmca.2012.2199301
除了要面對控制大挑戰(zhàn)—振幅小阻尼的載荷擺動，運(yùn)營商還必須掌握反直觀的控制界面。
圖1.標(biāo)準(zhǔn)按鈕懸掛起重機(jī)控制
圖1顯示了典型的pendentcontrol橋式起重機(jī)。操作者必須熟練會產(chǎn)生所需的起重機(jī)的運(yùn)動認(rèn)知過程路徑序列按鈕。例如，如果操作者通過驅(qū)動一個雜亂工作的起重機(jī)，然后期望路徑必須被映射成一系列的活動，“前進(jìn)（F）”“向后（B）”“左（L）”和“右（R）”按鈕被按在正確的時間和正確的順序。此外，運(yùn)營商通過移動工作區(qū)驅(qū)動起重機(jī)和監(jiān)測其進(jìn)展，他們可以轉(zhuǎn)動他們的身體并改變他們所面對的方向。在這樣的情況下，“前進(jìn)”按鈕使左右運(yùn)動，甚至是向后運(yùn)動。作為一個額外的挑戰(zhàn)，操作者可以直接驅(qū)動電車架空，不是有效載荷。因此，操作者必須考慮可能是許多米的開銷的指令運(yùn)動的小車之間的時間滯后和延遲的振動響應(yīng)的有效荷載。
雖然已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，改善通過控制動態(tài)起重機(jī)的運(yùn)行效率響應(yīng)于發(fā)布命令，相對很少考慮已經(jīng)在運(yùn)營商發(fā)出這些命令的方式。它已被證明，是針對特定的控制系統(tǒng)相關(guān)的認(rèn)知過程的接口產(chǎn)生有益的影響。例如，在腹腔鏡手術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，如達(dá)文西改進(jìn)傳統(tǒng)的程序允許外科醫(yī)生在一個更符合人體工程學(xué)的方式和低認(rèn)知負(fù)荷操作。對照組在相同的方向上移動，作為達(dá)文西的最終效應(yīng)，不同于傳統(tǒng)的腹腔鏡那里的醫(yī)生必須反向映射控制由于在插入點到儀器的樞軸點的程序。
本文提出了一種新的控制界面，允許操作員在空間移動手持設(shè)備驅(qū)動起重機(jī)。機(jī)器視覺是用來跟蹤設(shè)備的位置（棒或手套），然后用于生成驅(qū)動起重機(jī)的指揮信號。手的運(yùn)動控制接口是專為通過一個雜亂的工作驅(qū)動起重機(jī)的任務(wù)，因為它消除了認(rèn)知映射過程，與傳統(tǒng)的控制接口是必要的。結(jié)果，運(yùn)營商不再需要考慮到他們所面對的方向。安全高效運(yùn)行也減少了歸于手的靈巧的要求。此外，該控制算法最小化的載荷擺動并沒有顯著降低系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，手動降低載荷擺動的負(fù)擔(dān)被解除了。這使得操作者能專心于路徑的規(guī)劃和有效載荷的最終定位。
手的運(yùn)動控制提供了比傳統(tǒng)的接口其他認(rèn)知優(yōu)勢。有認(rèn)知控制兩個主要部門：分析解決問題和感性的過程。知覺的處理往往會更快，可以并行執(zhí)行，同時分析處理需要較長的時間和進(jìn)程串。分析問題的解決也往往更容易出現(xiàn)錯誤。許多研究結(jié)果也表明，可能的時候人們更喜歡并采用知覺加工。從這個角度看，手的運(yùn)動控制可以幫助運(yùn)營商通過降低所需的認(rèn)知水平驅(qū)動起重機(jī)。運(yùn)營商不再需要分析思考的按鈕推動序列或者考慮擺動載荷；他們只需要移動手持設(shè)備到所需的位置或沿所希望的路徑。這允許操作員完成簡單的知覺加工。
本文的主要貢獻(xiàn)是一種新型的手的運(yùn)動控制接口。這個接口的好處是由人類操作員研究并驗證的。第二部分介紹了新的界面（手杖和手套）。在第三節(jié)這是用于與接口相結(jié)合的控制算法進(jìn)行了討論。這是由操作員在第四節(jié)研究和和第五節(jié)總結(jié)的。
Ⅱ?qū)τ谑謩悠鹬貦C(jī)控制接口
本文的研究應(yīng)用是一個懸掛在汽車的橋式起重機(jī)擺點質(zhì)量的有效載荷。用于實驗驗證的10噸的工業(yè)橋式起重機(jī)如圖2所示。
圖2典型的橋式起重機(jī)
橋式起重機(jī)是由一個固定的架空跑道，一座沿著跑道的橋，和一個沿著橋的手推車組成。激光測距傳感器測量沿跑道和橋的小車的位置。鉤，所代表的有效載荷，懸在車用電纜。一個西門子可編程邏輯控制器用來控制電機(jī)驅(qū)動并作為中央控制單元。對起重機(jī)的命令可以發(fā)出一個按鈕控制魔杖或手套或其他裝置下垂。一個安裝在小車向下的西門子SIMATIC vs723-2攝像機(jī)用于測量吊鉤的位置。
有手運(yùn)動起重機(jī)控制兩個手持設(shè)備：1）魔杖。
圖3.通過移動反射棒驅(qū)動起重機(jī)
如圖3所示，是一個安裝在手持桿端的反射球2）手套，
圖4.通過移動一個反光手套駕駛起重機(jī)
如圖4所示，在背面有一個圓形的反射器。
圖5.手的運(yùn)動起重機(jī)控制原理圖
圖5顯示了一個應(yīng)用機(jī)器視覺示意圖手的運(yùn)動控制。起重機(jī)安裝攝像頭用于同時跟蹤魔杖/手套和鉤的位置。因為所有反射出現(xiàn)在相機(jī)的明亮的斑點，一個k-均值聚類算法用來區(qū)分棒/手套反射器反射和鉤反射器反射。相機(jī)的刷新率是約140毫秒。魔杖/手套相對于起重機(jī)的位置是用來產(chǎn)生一個誤差信號驅(qū)動電車架空。
Ⅲ手動起重機(jī)控制器
研究了三個控制架構(gòu)。首先，標(biāo)準(zhǔn)按鈕下垂控制器性能比較基準(zhǔn)。然后，在手運(yùn)動起重機(jī)控制其適宜性研究了一個比例–微分（PD）控制器。最后，輸入整形器添加到PD控制器用于降低載荷擺動。
請注意，從控制結(jié)構(gòu)的角度來說，魔杖和手套都是相同的。這兩個設(shè)備都是操作員用來溝通所需位置的控制器。出于這個原因，在本節(jié)提出的仿真和實驗驗證的結(jié)果中，魔杖和手套之間沒有區(qū)別。然而，在操作過程中的ER gonomics條款，魔杖具有更大的范圍和可以在狹小的空間驅(qū)動起重機(jī)的能力，如轉(zhuǎn)角。另一方面，手套可在獻(xiàn)出范圍內(nèi)獲得較小的尺寸和易用性。
A.標(biāo)準(zhǔn)按鈕下垂控制
圖6.標(biāo)準(zhǔn)下垂控制器
標(biāo)準(zhǔn)的下垂控制框圖如圖6所示。經(jīng)營者分析工作空間，考慮所需的操作目標(biāo)，然后決定運(yùn)動的過程。這個計劃通過按鈕實現(xiàn)懸掛控制。這些按鈕將能量發(fā)送到汽車和橋式起重機(jī)小車。懸掛載荷的小車間接移動。
圖7.標(biāo)準(zhǔn)按鈕的下垂控制響應(yīng)
計算機(jī)模擬了使用下垂控制器響應(yīng)的大約2到3米的點對點運(yùn)動如圖7所示。按壓懸掛按鈕一段時間就會向起重機(jī)電動機(jī)發(fā)出梯形速度命令。由于有鐘擺一樣有效載荷性質(zhì)，在一般情況下，這種類型的小車的運(yùn)動會誘導(dǎo)顯著的有效載荷振蕩。
B. PD手運(yùn)動控制
著名流行的PD控制器是最簡單的一個反饋控制形式。這是在工業(yè)中用于起重機(jī)的控制最常用的反饋方法。它為手動起重機(jī)控制器提供了一種現(xiàn)實選擇。
圖8.PD的手動運(yùn)動控制器
PD的手運(yùn)動控制框圖如圖8所示。把魔杖或手套的位置與橋式起重機(jī)的位置（忽略的垂直高度差）進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號e。命令發(fā)生器將誤差信號（一個位置測量）轉(zhuǎn)換為速度命令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器。如果是在指定設(shè)計范圍內(nèi)的E0和E100，則命令發(fā)生器與E成線性地比例。否則，命令發(fā)生器輸出0%或100%。E0和E100值分別為0.25和1米。這些選擇都是基于起重機(jī)操作員舒適的距離。命令發(fā)生器被描述為
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PD控制律的應(yīng)用，通過飽和器傳遞結(jié)果確保起重機(jī)的速度與加速度不超過限制范圍。請注意，起重機(jī)小車的位置，而不是有效載荷，用于反饋。這是因為，在實踐中，檢測小車位置（使用激光測距傳感器）遠(yuǎn)比檢測有效載荷更可靠（使用機(jī)器視覺）。此外，單擺的有效載荷是一個固有的穩(wěn)定的設(shè)備：載荷將在固定式起重機(jī)的影響下永遠(yuǎn)靜止。因此，對起重機(jī)小車正確的最終定位保證了有效載荷的正確的最終定位。
1）仿真驗證：一個關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)是PD增益的選擇。計算機(jī)模擬構(gòu)造援助增益選擇的過程。手的運(yùn)動軌跡被指定為等于10噸工業(yè)起重機(jī)坡道位置最大的速度（0.3577米/秒）梯度。這近似是一個緩慢的步行速度模仿人類操作員典型的手的運(yùn)動軌跡。
圖9.模擬PD控制器和低收益
圖10.模擬PD控制器和高增益
圖9和圖10顯示PD手運(yùn)動控制器—分別在低和高的反饋增益下的仿真結(jié)果。這兩個數(shù)字顯示使用PD控制器固有的權(quán)衡：低收益，起重機(jī)回應(yīng)緩慢，但有效載荷振蕩很??；高收益，但以起重機(jī)快速移動的大型有效載荷振蕩為代價。
2）實驗驗證：手的運(yùn)動控制系統(tǒng)是在10噸橋式起重機(jī)上實現(xiàn)的。由人類操作員生產(chǎn)的棒/手套軌跡類似于那些模擬中用的。斜坡坡度約相當(dāng)于起重機(jī)最大的速度，測試報告的動距離約為2米。
圖11.起動和停止時的手部運(yùn)動控制
圖11顯示了操作員使用手部運(yùn)動控制啟動和停止起重機(jī)。開始移動，操作者可以使魔杖/手套的相機(jī)遠(yuǎn)離起重機(jī)一些距離。當(dāng)起重機(jī)接近所需的位置，操作員降低棒/手套到攝像機(jī)檢測不到的位置。當(dāng)相機(jī)無法定位魔杖/手套的位置時，E為零。因為魔杖/手套的位置在某些時候可能是未知的，所以“魔杖/手套”的實驗響應(yīng)曲線會有間斷。
圖12.低增益實驗PD控制器
圖13.高增益實驗PD控制器
圖12和圖13顯示PD手運(yùn)動控制器使用手套接口分別在低和高的反饋增益下的實驗結(jié)果。實驗數(shù)據(jù)加強(qiáng)了模擬結(jié)果：低收益動作慢但是起重機(jī)載荷擺動小，而高收益起重機(jī)的動作快，但有效載荷振蕩大。出于安全原因，減少有效載荷振蕩通常比起重機(jī)的快速動作，高一個優(yōu)先級。因此，PD手運(yùn)動控制器實際只應(yīng)該在低收益時使用。
C. PD輸入整形手運(yùn)動控制
B部分證明了使用PD手運(yùn)動控制器的固有弱點（低和高收益之間的權(quán)衡）。然而，性能可通過修改命令信號形狀以減少振蕩的輸入整形器得到改善。
圖14.PD輸入整形手的運(yùn)動控制器
圖14顯示的新控制框圖，表明在飽和器和起重機(jī)塊之間插入了輸入整形器。
1）輸入整形：輸入整形是一種技術(shù)，通過適當(dāng)?shù)厮茉烀罱档腿嵝韵到y(tǒng)殘留振動。通過卷積的基線輸入命令完成一系列的沖動，稱為輸入整形器。結(jié)果是一個可降低殘余振動的形狀命令。
為了確定輸入整形器的脈沖振幅和時間位置，設(shè)計必須滿足一定的約束。主要的設(shè)計約束是由成型機(jī)引起振動的振幅極限。從一個欠阻尼二階系統(tǒng)的序列中n的正常百分比殘余振動（PRV）振幅如[ 31 ]。
P RV = V (ω, ζ ) = e?ζωtn [C (ω, ζ )]2 + [S(ω, ζ )]2
∑ √
C (ω, ζ ) = Aieζωti cos(ωti 1 ? ζ 2 ) (3)
i=1
∑ √
S(ω, ζ ) = Aieζωti sin(ωti 1 ? ζ 2 ) (4)
i=1
ω是系統(tǒng)的固有頻率，ζ是阻尼比，Ai和ti分別為脈沖的振幅和時間。
方程（2）給出了輸入整形和不輸入整形的振動比率。殘余振動幅值約束可以由設(shè)置（2）固有頻率和阻尼比小于或等于一個可接受的水平的殘余振動模型形成 [ 32 ]。最簡單的零振動（ZV）成型機(jī)，振動耐受量為零。這個結(jié)果在一個成型器的形式[ 31 ]，[ 33 ]。
2）仿真和實驗驗證：高增益PD反饋和ZV輸入整形器相結(jié)合的目標(biāo)是獲得起重機(jī)的快速響應(yīng)和低振幅的有效載荷振蕩。在本節(jié)中手運(yùn)動控制器采用高PD增益（與B部分相同）以快速移動起重機(jī)小車，結(jié)合ZV輸入整形器消除有效載荷振蕩。
圖15.模擬PD輸入整形控制器
圖16.輸入整形控制器與PD的實驗
圖15和圖16分別顯示了控制器模擬和實驗的反應(yīng)。實驗數(shù)據(jù)通過使用手套接口獲得。顯然，起重機(jī)的響應(yīng)速度很快，但有效載荷振蕩非常小。
此外，在輸入整形器的上升時間的滯后不太明顯了。起重機(jī)在輸入整形或不輸入整形的情況下幾乎以相同的速度響應(yīng)。因此，由于輸入整形器消除了載荷擺動這個版本的手運(yùn)動控制器可自由使用高PD增益。
Ⅳ算子的研究
本節(jié)介紹了下垂控制與手運(yùn)動控制操作效率比較的結(jié)果。每一項研究中，我們的目標(biāo)是盡可能快而不與障礙物碰撞地從開始到結(jié)束移動有效載荷（即起重機(jī)吊鉤）。
A. PD手運(yùn)動控制
圖17.俯視的障礙1
障礙訓(xùn)練場的俯視圖如圖17所示。開始區(qū)和結(jié)束區(qū)分別由矩形和圓形表示。障礙安排到這樣的程度最快的路徑所需的對角起重機(jī)動作（同時移動兩臺車橋軸）。十二個新手運(yùn)營商使用以下控制接口完成障礙過程：
1）標(biāo)準(zhǔn)按鈕下垂；
2）低PD增益和無輸入整形的棒控制（記著，PD手運(yùn)動控制器必須使用低收益實現(xiàn)，避免大幅度有效載荷振蕩）。
圖18.障礙1完成時間
圖18顯示了每個操作過程的完成時間。使用下垂平均完成時間為97 s，使用魔杖的平均完成時間僅為46秒，改進(jìn)了53%。一個單向重復(fù)測量的方差分析（ANOVA）測試表明，改善完成時間有統(tǒng)計學(xué)意義（F = 17.67；P = 0.00148）。
圖19.障礙1碰撞
圖19顯示了每個試驗過程中地塊發(fā)生碰撞的次數(shù)。采用下垂控制，所有運(yùn)營商遭受至少一個碰撞，碰撞的平均數(shù)為5.1個。使用魔杖控制，碰撞的平均數(shù)僅為0.92，改善了81%。一個單向重復(fù)測量的方差分析測試表明，碰撞的還原有統(tǒng)計學(xué)意義（F = 19.81；P = 0.00098）。
B. PD ZV整形手運(yùn)動控制
這項研究中使用的障礙物。
圖20.俯視的障礙2
如圖20所示。開始區(qū)和結(jié)束區(qū)分別由矩形和圓形表示。十個新手運(yùn)營商使用以下控制接口完成障礙過程：
1）標(biāo)準(zhǔn)的下垂控制；
2）高PD增益和ZV輸入整形手套控制；
3）高PD增益和ZV輸入整形棒控制。
圖21.示例性障礙2的有效載荷的響應(yīng)
圖21顯示了一個操作員使用吊燈和手套的典型載荷響應(yīng)的俯視圖。而使用下垂，使用手套，顯著降低了有效載荷擺動和允許操作者更有效地移動載荷。
圖22.障礙2完成時間
圖22顯示了每個操作過程的完成時間。使用下垂平均完成時間為77 s，使用手套平均完成時間為24（比下垂超過68.8%的改善）使用的魔杖是30秒（61%改進(jìn)比下垂）。一個單向重復(fù)測量的方差分析測試結(jié)果表明，三種控制方法的完成時間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F = 63.88；P <0。0001）。圖基的95%置信區(qū)間試驗表明下垂和魔杖之間（P<0。0001）、下垂和手套之間（P<0。0001）有一個顯著差異。然而，魔杖和手套之間無顯著性差異（P = 0.46）。
圖23.障礙2碰撞
圖23顯示了每個試驗過程中地塊發(fā)生碰撞的次數(shù)。采用下垂控制，許多運(yùn)營商的有效載荷與障礙物相撞。碰撞的平均數(shù)為0.9個。然而，所有的運(yùn)營商能夠使用手套和魔杖避開障礙物，對應(yīng)于100%的改善超過下垂。一個單向重復(fù)測量的方差分析測試表明，使用三種控制方法的碰撞數(shù)（F = 10.57；P = 0.00092）差異有統(tǒng)計學(xué)意義。圖基的95%置信區(qū)間試驗表明下垂和魔杖之間（P = 0.0024）、下垂和手套之間（P = 0.0024）有一個顯著差異
Ⅴ結(jié)論
根據(jù)操作者的手的運(yùn)動起重機(jī)控制器成功地安裝在一個工業(yè)橋式起重機(jī)。起重機(jī)軌道安裝攝像頭的手持裝置（棒或手套）的位置，是由運(yùn)營商通過所需的軌跡移動的。起重機(jī)跟隨魔杖/手套。對三種類型的控制器進(jìn)行了研究：1）標(biāo)準(zhǔn)的下垂控制（基線比較）；2）PD手運(yùn)動控制；3）PD輸入整形手運(yùn)動控制。在兩個算子研究的基礎(chǔ)上，起重機(jī)通過了障礙。第一項研究表明，PD控制使用魔杖完成時間提高了53%并且躲避障礙比標(biāo)準(zhǔn)的下垂控制具有81%的改善。第二項研究，將下垂控制和PD和輸入整形手運(yùn)動控制進(jìn)行了比較。使用魔杖和手套，與下垂控制相比，運(yùn)營商表現(xiàn)出更好的60%改進(jìn)的完成時間和100%改進(jìn)的避免障礙。