本實(shí)用新型涉及柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置，特別是一種基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置。

背景技術(shù)：
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多關(guān)節(jié)機(jī)械臂，也稱關(guān)節(jié)機(jī)器人是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機(jī)器人的形態(tài)之一。適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，比如，自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接等工作。這類柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼小，一旦受到某種激振力的作用，其大幅度的振動(dòng)將持續(xù)很長時(shí)間。這不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的工作，還將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過早的疲勞破壞，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)中儀器的損壞。因此需要測量和抑制此類柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

現(xiàn)有技術(shù)中，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的振動(dòng)測量主要有采用壓電片、加速度計(jì)傳感器、角速率陀螺儀傳感器、光電位置傳感器(Position Sensitive Detector)和光纖光柵傳感器(Fiber Grating Sensor)等方法：壓電片測量時(shí)因信號(hào)放大、濾波等多種環(huán)節(jié)會(huì)引起信號(hào)延遲和相位滯后，測量速度慢、范圍有限；加速度計(jì)傳感器和角速率陀螺儀傳感器對(duì)噪聲敏感，存在遲滯和溫漂等問題影響其精度；光電位置傳感器的測量范圍較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大、計(jì)算過程繁瑣且成本昂貴；光纖光柵傳感器最主要的問題是傳感信號(hào)的解調(diào)，由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對(duì)其進(jìn)行封裝后才能使用，封裝工藝和保護(hù)措施結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，方便測量的基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置，實(shí)現(xiàn)非接觸、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的一次測量同時(shí)得到兩處機(jī)械臂的振動(dòng)特征。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為,一種基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置，該裝置包括雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂、CCD相機(jī)、相機(jī)固定裝置、絕對(duì)值編碼器、多個(gè)LED發(fā)光管和PC機(jī)，兩關(guān)節(jié)的臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上安裝絕對(duì)值編碼器，且編碼器的輸出端與PC機(jī)連接，LED發(fā)光管放置在兩臂桿尾端，CCD 相機(jī)安置在兩機(jī)械臂臂桿間的關(guān)節(jié)上，且CCD相機(jī)配置有鏡頭，CCD相機(jī)的輸出端口與PC機(jī)連接。相機(jī)固定裝置保證相機(jī)鏡頭方向時(shí)刻處于兩臂桿形成的夾角的角平分線處，CCD相機(jī)可以同時(shí)測量兩臂桿尾端LED發(fā)光管振動(dòng)的每一幀圖像，并將其傳送至PC機(jī)；編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)進(jìn)行運(yùn)算定位機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)位置；PC機(jī)處理圖像，與此運(yùn)動(dòng)位置靜止時(shí)光斑位置相比較獲取LED發(fā)光管處的振動(dòng)位移和反映柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)的參數(shù)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)基于機(jī)器視覺的檢測方法不僅更直觀、更容易地得到柔性機(jī)械臂的低頻振動(dòng)信息，而且整個(gè)裝置通過對(duì)LED發(fā)光管的檢測操作簡單、實(shí)施方便、測量噪音小。(2)采用絕對(duì)值編碼器定位機(jī)械臂位置，抗干擾特性強(qiáng)，數(shù)據(jù)的可靠性高。(3)針對(duì)機(jī)械臂的特殊結(jié)構(gòu)，在關(guān)節(jié)處放置可隨運(yùn)動(dòng)改變方向的CCD相機(jī)，可以同時(shí)檢測到兩機(jī)械臂臂桿尾端的兩個(gè)LED發(fā)光管光源，大大簡化裝置結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。(4)在不改變被測物的振動(dòng)特征的情況下，通過機(jī)器視覺跟蹤光源，檢測柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)位移，具有非接觸、測量范圍寬、不改變被測物的振動(dòng)特性等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明：

圖1是本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是相機(jī)固定裝置示意簡圖；

圖3是圖像分析簡圖；

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型采用機(jī)器視覺的方法通過采集不同運(yùn)動(dòng)位置的機(jī)械臂尾端發(fā)光光源的振動(dòng)位移實(shí)現(xiàn)低頻模態(tài)分析的裝置。

如圖1所示，基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量裝置包括雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂1、CCD相機(jī)2、相機(jī)固定裝置3、絕對(duì)值編碼器4、多個(gè)LED發(fā)光管5和PC機(jī)6；所述的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂1，兩關(guān)節(jié)的臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上安裝絕對(duì)值編碼器4，且編碼器的輸出端與PC機(jī)6連接，LED發(fā)光管5放置在雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂1兩臂桿尾端，CCD相機(jī)2安置在兩機(jī)械臂臂桿間的關(guān)節(jié)上，且CCD相機(jī)配置有鏡頭，CCD相機(jī)2的輸出端口與PC機(jī)6連接。如圖2所示，所述相機(jī)固定 裝置，與雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂兩臂桿形成一菱形結(jié)構(gòu)，對(duì)角線采用可伸縮材料作為CCD相機(jī)支架，支架可根據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)位置改變方向，CCD相機(jī)處于菱形結(jié)構(gòu)的對(duì)角線的支架上，保證CCD相機(jī)鏡頭方向時(shí)刻處于兩臂桿形成的夾角的角平分線方向。

基于機(jī)器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂振動(dòng)的測量方法，步驟如下：

第1步：根據(jù)CCD相機(jī)2采集的每一幀的圖像中的LED發(fā)光管5位置，將整幅圖像分成兩臂桿尾端LED發(fā)光管5對(duì)應(yīng)的子區(qū)域，并確定每個(gè)區(qū)域的上對(duì)應(yīng)的光源采集位置；

第2步：根據(jù)傳入PC機(jī)6的相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，確定圖像坐標(biāo)系中每個(gè)光源光斑的質(zhì)心位置；

第3步：根據(jù)絕對(duì)值編碼器4采集數(shù)據(jù)，定位機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)角度，將第2步采集的質(zhì)心位置對(duì)應(yīng)此刻的運(yùn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)記錄于PC機(jī)6；

如圖3所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械臂工作時(shí)，電機(jī)內(nèi)絕對(duì)值編碼器4記錄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，得到臂桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α，臂桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°-β(方向均為初始水平方向且逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，α、β的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°＜α＞90°、0°＜β＞90°，對(duì)于(α，β)時(shí)的兩臂桿在圖像坐標(biāo)系中的投影位置為：

式中Y_{1(α，β)}，Y_{2(α，β)}分別為臂桿1與臂桿2在(α，β)位置圖像坐標(biāo)系中的y軸座標(biāo)位置，l₁,l₂為設(shè)置在雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂1兩臂桿尾端的LED發(fā)光管5至CCD相機(jī)2鏡頭的距離。

靜止時(shí)x軸方向無位移，所以得到靜止無振動(dòng)且機(jī)械臂處于(α，β)位置時(shí)，臂桿1、臂桿2上光源在CCD相機(jī)2圖像坐標(biāo)系中座標(biāo)為：

第4步：根據(jù)不同測振條件下采集的光斑質(zhì)心位置，與此時(shí)雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂1機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)位置下的靜止光斑質(zhì)心位置進(jìn)行處理，得到兩個(gè)對(duì)應(yīng)LED發(fā)光管5的水平位移Δx和垂直位移Δy,具體步驟如下：

根據(jù)第1步、第2步檢測步驟和圖3所示，在(α，β)位置下，CCD相機(jī)記錄的這幀圖像經(jīng)運(yùn)算得到圖像坐標(biāo)系上臂桿1、臂桿2上光源的質(zhì)心位置：

(X₁,Y₁)′_(α,β)＝(x₁,y₁)，(X₂,Y₂)′_(α,β)＝(x₂,y₂) (3)

進(jìn)而得到圖像坐標(biāo)系中兩臂桿上光源的位移：

式中Δx₁,Δy₁，Δx₂,Δy₂分別為兩臂桿圖像坐標(biāo)系中的水平位移和垂直位移。

第5步：根據(jù)CCD相機(jī)2的參數(shù)，對(duì)兩個(gè)LED發(fā)光管5從圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系垂直位移變換因子K_x，水平變換因子K_y進(jìn)行標(biāo)定，具體步驟如下：

建立坐標(biāo)系：以柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂1的上方的臂桿為例，以臂桿尾端LED發(fā)光管5的放置位置O_W為原點(diǎn)，臂桿靜止時(shí)指向相機(jī)2的方向?yàn)閆軸，建立世界坐標(biāo)系O_W-W_WX_WY_WZ_W；以CCD相機(jī)2的光心O_C為原點(diǎn)。相機(jī)鏡頭方向，即雙關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂1兩臂桿形成的夾角的角平分線方向?yàn)閆軸建立圖像坐標(biāo)系O_C-W_CX_CY_CZ_C；

圖像坐標(biāo)系O_C-W_CX_CY_CZ_C中的水平位移、垂直位移到世界坐標(biāo)系O_W-W_WX_WY_WZ_W的變換關(guān)系為：

x＝K_xΔx,y＝K_yΔy (6)

其中Δx，Δy為圖像坐標(biāo)系中的水平位移和垂直位移，x,y為世界坐標(biāo)系中實(shí)際的水平位移和垂直位移，K_x K_y為圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的水平位移變換因子和垂直位移變換因子。

第6步：根據(jù)圖像中每個(gè)LED發(fā)光管5的水平位移Δx、垂直位移Δy和第5步標(biāo)定的水平變換因子K_x、垂直變換因子K_y，得到每個(gè)LED發(fā)光管的實(shí)際水平位移x、實(shí)際垂直位移y，具體步驟如下：

綜合式(4)、式(5)和式(7)得到：

臂桿1上光源的實(shí)際水平位移和實(shí)際垂直位移為：

x₁＝K_xΔx₁＝x₁ (8)

臂桿2上光源的實(shí)際水平位移和實(shí)際垂直位移為：

x₂＝K_xΔx₂＝x₂ (10)

第7步：按照第6步得到的實(shí)際位移，繪制出每個(gè)LED發(fā)光管5的位置曲線，對(duì)每個(gè)LED發(fā)光管5的位移進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂1振動(dòng)的一階模態(tài)頻率和二階模態(tài)頻率。具體步驟如下：

多次測量不同位置即(α₁，β₁)、(α₂，β₂)...等位置點(diǎn)的臂桿尾端光源位移，對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取柔性雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂1兩臂桿的一階模態(tài)頻率和二階模態(tài)頻率。

綜上所述，本實(shí)用新型提出的方法所構(gòu)建的機(jī)器視覺振動(dòng)測量裝置，可以針對(duì)雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂特殊結(jié)構(gòu)，采用絕對(duì)值編碼器定位，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)CCD相機(jī)測量兩處振動(dòng)。該方法具有非接觸、不改變被測物的振動(dòng)特性、裝置簡單、準(zhǔn)確度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。