基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911173429.X (22)申请日 2019.11.26 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 黄显杨真 (74)专利代理机构 天津市三利专利商标代理有 限公司 12107 代理人 韩新城 (51)Int.Cl. G05B 19/042(2006.01) (54)发明名称 一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制 系统 (57)摘要 本发明公开一种基于视觉伺服的磁流体液 滴运动控制系统， 包括支座平台， 视觉传感测量 装置，。

2、 安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控 制平台， 所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄 像头和PC机， 所述高分辨率摄像头安装在磁流体 液滴运动控制平台的上方， 所述磁流体液滴运动 控制平台包括超疏水玻璃片， 设置在所述超疏水 玻璃片下方、 支座平台内部的磁铁阵列平台， 所 述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连接， 所述磁 铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、 磁铁阵列驱动电路以及控制电路。 本发明能够控 制多个磁流体液滴同时运动， 可在平面上实现磁 流体液滴融合和分离运动控制。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 110888360 A 2020.03.17 CN 11088836。

3、0 A 1.一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 包括: 支座平台， 视觉传感测量装置， 安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台， 所述 视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头和PC机， 所述高分辨率摄像头安装在磁流体液滴运 动控制平台的上方， 所述磁流体液滴运动控制平台包括超疏水玻璃片， 设置在所述超疏水 玻璃片下方、 支座平台内部的磁铁阵列平台， 所述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连接， 所 述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、 磁铁阵列驱动电路以及控制电路； 所 述磁铁阵列驱动电路以及控制电路通过磁铁阵列的行和列的电源通断进而控制每一个电 磁铁的工作状态； 。

4、所述PC机装有上位机软件， 所述上位机软件处理摄像头传回的图像并且 通过模板匹配获得液滴位置信息， 接收处理指令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及控制 电路； 磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘电磁铁之间的圆心距， 磁流体液滴投影面积 为一个圆盘电磁铁横截面积大小。 2.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述支 座平台的下部设置调平机构， 以调平所述磁流体液滴运动控制平台。 3.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述超 疏水玻璃片面积为144*144， 厚度范围在0.1-1mm之间， 其表面经过疏水处理， 磁流体液滴接 。

5、触角在其表面达到超疏水临界状态。 4.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述磁 铁阵列由数量为256， 直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行列排布而组成。 5.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述圆 盘电磁铁额定电压为24V。 6.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述高 分辨率摄像头所采集区域为整个玻璃板平面面积144*144mm， 取像素点数目为256， 最小像 素点大小为8*8mm。 7.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 还包括 手。

6、柄， 采用无线通信与PC机连接， 具有十字方向按钮和ABXY键， 十字方向按钮控制磁流体液 滴运动方向， ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作模式。 8.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 所述磁 铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器， 所述控制电路中的控制器为Cotex-M3内核的 单片机。 9.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 其特征在于， 为模块 化设计， 可通过各个模块间的互相连接以及通讯， 实现磁铁阵列数量的增加扩展， 并通过软 件实现扩展的阵列间的协同控制。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110888360 A 2。

7、 一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统 技术领域 0001 本发明涉及磁流体控制技术领域， 特别是涉及一种基于视觉伺服的磁流体液滴运 动控制系统。 背景技术 0002 磁流体是把纳米数量级(10纳米左右)的磁性粒子包裹一层长链的表面活性剂， 均 匀的分散在基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。 该流体在静态时无磁性吸引力， 当外 加磁场作用时， 才表现出磁性。 磁流体作为一种新型纳米功能材料， 已经在磁靶向给药， 磁 性液体细胞内热疗， 基因治疗等生物医学领域有了广泛应用。 针对于磁流体液滴精准运动 位置控制， 现阶段需要具有功能齐全， 可视化程度高的实验系统。 根据相关资料， 国内外现 有。

8、对磁流体液滴运动控制有很大的发展， 但仍存在以下不足： 0003 (1)现有对单个或多个磁流体液滴独立控制的研究较少。 0004 (2)现有的实验设备较为简单， 运动精度较差， 难以实现精确运动控制。 0005 (3)现有操纵磁流体液滴的操纵方法方式比较不够灵活， 且控制范围较小。 发明内容 0006 本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷， 而提供一种基于视觉伺服的磁 流体液滴运动控制系统， 以克服现有技术中对磁流体运动控制设备中运动精度较差， 操纵 方式不够灵活， 以及控制范围较小的缺陷。 0007 为实现本发明的目的所采用的技术方案是： 0008 一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制。

9、系统， 包括： 0009 支座平台， 视觉传感测量装置， 安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台， 所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头和PC机， 所述高分辨率摄像头安装在磁流体液 滴运动控制平台的上方， 所述磁流体液滴运动控制平台包括超疏水玻璃片， 设置在所述超 疏水玻璃片下方、 支座平台内部的磁铁阵列平台， 所述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连 接， 所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、 磁铁阵列驱动电路以及控制电 路； 所述磁铁阵列驱动电路以及控制电路通过磁铁阵列的行和列的电源通断进而控制每一 个电磁铁的工作状态； 所述PC机装有上位机软件， 所述上位机软件处理摄像头传。

10、回的图像 并且通过模板匹配获得液滴位置信息， 接收处理指令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及 控制电路； 磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘电磁铁之间的圆心距， 磁流体液滴投影 面积为一个圆盘电磁铁横截面积大小。 0010 优选的， 所述支座平台的下部设置调平机构， 以调平所述磁流体液滴运动控制平 台。 0011 优选的， 所述超疏水玻璃片面积为144*144， 厚度范围在0.1-1mm之间， 其表面经过 疏水处理， 磁流体液滴接触角在其表面达到超疏水临界状态。 0012 优选的， 所述磁铁阵列由数量为256， 直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行列排布 说明书 1/4 页 3 CN 110。

11、888360 A 3 而组成。 0013 优选的， 所述圆盘电磁铁额定电压为24V。 0014 优选的， 所述高分辨率摄像头所采集区域为整个玻璃板平面面积144*144mm， 取像 素点数目为256， 最小像素点大小为8*8mm。 0015 进一步的， 还包括手柄， 采用无线通信与PC机连接， 具有十字方向按钮和ABXY键， 十字方向按钮控制磁流体液滴运动方向， ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作模式。 0016 优选的， 所述磁铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器， 所述控制电路中的 控制器为Cotex-M3内核的单片机。 0017 进一步的， 为模块化设计， 可通过各个模块间的互相连。

12、接以及通讯， 实现磁铁阵列 数量的增加扩展， 并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制。 0018 本发明能使得磁流体液滴在超疏水的状态下， 在外部磁场的作用下进行运动， 在 视觉伺服系统下能够实时反馈磁流体液滴运动位置， 并根据位置做出相应的运动方向控 制， 实现精准控制磁流体液滴的运动的效果。 0019 另外， 本发明可以通过使用游戏手柄向磁铁阵列控制平台发出运动方向控制指 令， 磁铁阵列控制平台控制磁流体液滴的运动， 同时视觉传感测量装置定位出磁流体液滴 的位置， 视觉传感测量装置检测到磁流体液滴位置发生变化， 实时更新读取手柄控制指令， 使磁流体运动达到连续流动性控制效果， 并能准确控制液。

13、滴到达指定位置 附图说明 0020 图1是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系的统整体结构的轴测图； 0021 图2是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统的整体结构的左视图； 0022 图3是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统的整体结构的俯视图； 0023 图4是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统的磁流体液滴运动控制平台的示 意图； 0024 图5是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统的磁铁阵列驱动电路及控制电路 板的示意图； 0025 图6本发明的观测面像素分布示意图； 0026 图中： 1视觉传感测量装置； 2磁流体液滴运动控制平台； 3支座平台。 0027 101高分辨率摄像头； 10。

14、2调节旋钮； 103支撑杆； 104紧固螺丝； 105超疏 水玻璃片； 106调平结构； 0028 201支撑台； 202磁铁阵列； 203磁铁阵列驱动电路； 204磁铁阵列控制电 路； 0029 301固态继电器； 302控制器； 303电源接口； 304USB通信接口。 具体实施方式 0030 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述 的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。 0031 如图1所示， 本发明基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系统， 包括： 0032 支座平台3， 视觉传感测量装置1， 安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平 说。

15、明书 2/4 页 4 CN 110888360 A 4 台2， 所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头101和PC机(未示出)， 所述高分辨率摄像 头安装在磁流体液滴运动控制平台2的上方， 所述磁流体液滴运动控制平台2包括支撑台 210， 超疏水玻璃片105， 设置在所述超疏水玻璃片105下方、 支座平台3内部的磁铁阵列平 台， 磁铁阵列平台安装在支撑台201上， 所述磁铁阵列平台通过数据线(未示出)与PC机(未 示出)连接， 所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列202、 磁铁阵列驱动电路 203， 以及磁铁阵列控制电路204； 所述磁铁阵列驱动电路以及磁铁阵列控制电路通过磁铁 阵列。

16、的行和列的电源通断进而控制每一个电磁铁的工作状态； 所述PC机装有上位机软件， 所述上位机软件处理摄像头传回的图像并且通过模板匹配获得液滴位置信息， 接收处理指 令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及控制电路； 磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘 电磁铁之间的圆心距， 磁流体液滴投影面积为一个圆盘电磁铁横截面积大小。 0033 使用时， 高分辨率摄像头首先对所要检测的平面进行拍摄获取图像， 截取静止状 态下的磁流体液滴的图像作为模板。 模板选择完成后开始图像检测， 通过模板匹配的图像 处理方法与所拍摄图像区域中的磁流体液滴位置进行匹配， 当匹配程度超过80时， 则认 为查找到当前视野平面上的磁流体。

17、液滴， 然后在图像中定位出当前磁流体液滴所在位置， 获取当前磁流体液滴所在位置。 0034 具体的， 所述的高分辨率摄像头101安装在支撑杆103上， 支撑杆103通过紧固螺丝 104固定在支撑平台一侧面所固定的安装套管上， 高分辨率摄像头101固定在支撑杆103上， 通过调节旋钮102能调节高低位置。 0035 优选的， 所述支座平台的下部设置调平机构106， 以调平所述磁流体液滴运动控制 平台， 调平机构可以是调平螺栓等机构， 具体不限。 0036 优选的， 所述的超疏水玻璃片105面积为144*144， 厚度范围在0.1-1mm之间， 其表 面经过疏水处理， 磁流体液滴接触角在其表面达到。

18、超疏水临界状态。 0037 优选的， 所述的磁铁阵列202由数量为256， 直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行 列排布而组成， 并且优选的， 所述圆盘电磁铁额定电压为24V。 0038 优选的， 所述的高分辨率摄像头101所采集区域为整个玻璃板平面面积144* 144mm， 取像素点数目为256， 最小像素点大小为8*8mm。 0039 进一步的， 还包括手柄(未示出)， 采用无线通信与PC机连接， 具有十字方向按钮和 ABXY键， 十字方向按钮控制磁流体液滴运动方向， ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作 模式。 手柄与PC机通过无线设备进行连接， 高分辨率摄像头与PC机通过数据线连。

19、接， PC机与 磁铁阵列平台通过数据线进行连接。 0040 优选的， 所述的磁铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器301， 所述磁铁阵列 控制电路中的控制器302为Cotex-M3内核的单片机， 使用串口通信方式与PC机进行通信， 接 收PC机发送的控制指令， 进而控制单片机端口高低电平的输出， 控制驱动电路的继电器的 工作。 0041 本发明中， 设置有电源接口303， 电源接口采用24V直流电源供电。 设置有通信接口 304， 通信接口通过数据线与PC机进行通信。 0042 需要说明的是， 本发明为模块化设计， 可通过各个模块间的互相连接以及通讯， 实 现磁铁阵列数量的增加扩展， 并通过。

20、软件实现扩展的阵列间的协同控制。 具体的是指所述 支座平台3内部的磁铁阵列平台为模块化结构， 能实现扩展连接， 扩展连接后能实现各个模 说明书 3/4 页 5 CN 110888360 A 5 块间的互相连接与通讯， 并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制， 以满足各种不同工况 的需要。 0043 使用时， 首先， 将磁铁阵列平台通过底座的调平结构进行调平， 保持超疏水玻璃片 所在平面水平。 在超疏水玻璃片平面上添加磁流体液滴。 调节高分辨率摄像头支撑结构至 摄像头完全摄入玻璃片平面。 0044 其次， 系统初始化， 高分辨率摄像头开始采集图像信息发送至PC机， PC机读取图像 信息并截取磁流体。

21、液滴图像作为图像匹配模板， 选取模板后进入模板匹配工作模式， 此时 开始通过模板匹配在平面中找出磁流体液滴的位置。 0045 然后， PC机读取手柄是否发送运动控制指令。 手柄发送运动控制指令后， PC机处理 手柄发送的信息后发送至磁铁阵列控制平台， 磁铁阵列平台控制磁流体液滴所在平面像素 点位置附近的电磁铁工作， 如果控制磁流体液滴向右运动， 则控制磁流体液滴右边的电磁 铁打开， 则建立新的磁场， 磁流体液滴在磁场的作用向右移动。 摄像头读取磁流体液滴位 置， 若磁流体液滴所在位置发生一个像素点位置的变化， 则PC机再次读取手柄的运控控制 指令， PC机处理手柄发送的信息后发送至磁铁阵列控制。

22、平台， 磁铁阵列控制平台控制磁流 体液滴运动， 如此循环执行。 0046 最后， 当手柄不再发送控制信息时， 磁流体停止运动。 0047 本发明系统可以使用手柄控制液滴运动， 利用摄像头进行图像采集并实现对液滴 位置信息的反馈， 当液滴实际位置发生变化时， 自动读取手柄控制指令信息， 调整液滴运动 方向， 直至手柄操纵液滴准确到达指定位置。 0048 由于液滴运动本身需要时间， 而指令发出的时间可以很快， 因此仅靠手柄控制液 滴， 使液滴到达指定位置是困难的。 通过图像检测反馈位置信息， 当液滴的位置信息发生变 化后再次读取控制指令就能够及时有效地更新微流体液滴的运行方向状态， 从而调整液滴 。

23、运动方向。 0049 本发明系统能够控制液滴各向运动， 并且设置有特定运动路径的工作模式， 可自 动控制液滴在特定路径下运动。 0050 本发明系统能够控制多个磁流体液滴的同时运动， 可以在平面上实现磁流体液滴 的融合和分离运动控制。 0051 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出的是， 对于本技术领域的普通技 术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 110888360 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 110888360 A 7 图3 图4 说明书附图 2/3 页 8 CN 110888360 A 8 图5 图6 说明书附图 3/3 页 9 CN 110888360 A 9 。