基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链机构装置的制作方法

本实用新型涉及振动测量领域，具体涉及一种基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链机构装置。

背景技术：

传统意义上，机构一般设计成刚性机构；刚性结构由于其自身刚度比较大，稳定性比较好，其在受到干扰时，不易受影响。

随着经济的飞速发展，结构也不断趋于大型化、柔性化和低刚度。相对于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点，如：(1)各构件之间无缝隙和摩擦，机构的运动精度较高；(2)由于没有摩擦磨损，其工作中噪音会减少，而机构寿命也会延长；(3)柔性机构可以进行单片制造，易于小型化和批量生产。然而柔性结构具有阻尼小、质量轻、模态频率低等特征，其在受到干扰时，容易激起以低频为主的振动且持续时间长。如果不对这种振动进行抑制，其必会使结构产生疲劳损伤。因此，必须测量、分析和抑制柔性结构的振动。

现有技术中，柔性机构的振动测量通常采用压电陶瓷传感器、加速度传感器以及陀螺仪传感器，但这些传感器都为接触式传感器，会对被测物体的振动产生严重影响，降低测量精度，引入负载效应。压电材料由于自身强度、疲劳寿命及耐温性能等因素，应用受到一定的限制；加速度计传感器对噪声敏感，存在迟滞和温漂等问题影响其精度。

利用视觉非接触测量有其独特的优势，且能快速获取测量数据。视觉在不接触被测物体表面的情况下，不改变振动物体的频率、振幅等特性，可以很好的避免负载效应。和激光位移传感器相比，激光位移传感器只能进行行单点测量，而机器视觉传感器具有全局性测量特点，能够进行多点测量，而不仅仅局限于一点的振动信息等优点。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链机构装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链机构装置，包括机械本体部分、检测部分及驱动控制部分；

所述机械本体部分：包括静平台，两个柔性主动杆、两个柔性从动杆、两个刚性主动杆及两个刚性从动杆，所述静平台下面设置两个伺服电机，两个伺服电机分别与行星减速器连接，所述行星减速器安装在静平台上，两个柔性主动杆的一端分别与两个行星减速器连接，两个柔性主动杆的另一端分别与两个柔性从动杆连接，所述两个柔性从动杆相互连接；

两个刚性主动杆的一端分别与两个行星减速器连接，两个刚性主动杆的另一端分别与两个刚性从动杆连接，所述两个刚性从动杆相互连接；

所述检测部分：包括工业相机及加速度传感器，所述加速度传感器设置在柔性从动杆及刚性从动杆的中间位置，所述工业相机具体为两个，分别安装在两个刚性从动杆及两个柔性从动杆的连接处上方；

所述加速度传感器检测刚性及柔性从动杆的振动信息经过适调放大器处理后，输出到端子板后经过运动控制卡输入到计算机中；

所述工业相机检测两个从动杆连接处的振动信号输入到计算机中；

所述驱动控制部分：包括压电陶瓷片驱动器，所述压电陶瓷片驱动器粘贴在柔性从动杆上，所述计算机得到振动信号后计算出控制量经过运动控制卡，再输出到端子板处理后得到模拟量输入到压电放大器，进一步驱动压电陶瓷片驱动器抑制闭链机构的振动。

还包括圆形标识，所述圆形标识有2个，分别设置在两个刚性从动杆及两个柔性从动杆的连接处，圆形标识在工业相机的视野范围内。

压电陶瓷片驱动器具体由四片压电陶瓷片构成，两面对称粘贴，每面两片，姿态角为0度。

还包括相机支架，所述相机支架具体为长方体支架，静平台放置在长方体支架内。

刚性从动杆比刚性主动杆长，所述柔性从动杆比柔性主动杆长。

两个柔性主动杆、两个柔性从动杆、两个刚性主动杆及两个刚性从动杆关于静平台中心对称。

所述相机支架还包括用于调整工业相机位置的滑块。

所述两个伺服电机对称安装在静平台的横向中线上。

一种刚性与柔性双五杆闭链机构装置的测控方法，包括如下步骤：

第一步加速度传感器检测从动杆的振动信息，工业相机检测两根从动杆连接处的振动信息；

第二步加速度传感器检测到的振动信号经过适调放大器处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理后，再输出数字量到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；工业相机检测到的信号输入到计算机进行后续处理，根据控制规律，得到相应的控制反馈信号；

第三步将步骤二中得到的反馈信号经端子板中D/A模块处理后，再经电压放大器放大处理后，输入到压电陶瓷片驱动器，从而抑制刚性与柔性双五杆闭链机构的振动。

所述工业相机检测到的信号输入到计算机进行后续处理，具体步骤为：

在刚性及柔性双五连杆闭链机构未开始运动时，拍摄10-15幅包含圆形标识的图像，计算出每幅图像中圆形标识的圆心坐标，并计算出平均值，当作初始状态下的坐标，设为(x₀，y₀)；

当伺服电机同时驱动刚性五杆机构与柔性五杆机构以对称的姿态、对称的轨迹运运时，设圆形标识的圆心的坐标为(x₁(t)，y₁(t))，则可以得到x轴方向的位移为S_x＝x₁-x₀，y轴方向的位移为S_y＝y₁-y₀；再根据相机标定的结果，就得到刚性五杆机构和柔性五杆机构的振动位移信息。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型中的装置是一种刚性与柔性双五杆闭链机构装置，其包括刚性五杆机构和柔性五杆机构两种类型机构，且它们呈对称分布；伺服电机同时驱动刚性五杆机构和柔性五杆机构以对称的姿态、对称的轨迹进行运动，且互不干涉；

(2)本实用新型中安装了两个型号一样的工业相机来检测刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的振动信息，一个相机检测刚性五杆机构运动过程中振动信息，另一个相机检测柔性五杆机构运动过程中的振动信息；在相同的条件下，利用视觉传感器来分别提取刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的振动信息，并且对振动信息进行对比分析，得出刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的振动差异性；

(3)本实用新型中采用机器视觉来检测机构的振动信息，相比于其他传感器，机器视觉具有非接触式测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，多点测量等优点。机器视觉测量得到的是包含振动信息的图像，而图像中信息丰富，能够反映机构振动的全局特性。采取合适的图像处理算法，可以得到很多其他有意义的参数；

(4)本实用新型中的系统为多传感器融合系统，既有机器视觉传感器，又有加速度传感器，可以通过多传感器信息融合来更加精确的测量、对比分析刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的振动信息。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图；

图2是图1中刚性与柔性双五杆闭链机构的平面示意图；

图3是图2中从动杆的局部放大示意图；

图4是图1中相机支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，一种基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链结构装置，包括机械本体部分、检测部分及驱动控制部分；

所述机械本体部分：包括静平台1、两个柔性主动杆、两个柔性从动杆、两个刚性主动杆3及两个刚性从动杆2，静平台下面设置两个伺服电机10，所述两个伺服电机分别安装一个行星减速器17，所述行星减速器通过其法兰安装在静平台上，两个伺服电机安装在静平台一个方向中心上，离边缘不远处，对称设置。

伺服电机的输出轴输入行星减速器，每个行星减速器通过法兰盘安装一个输出轴，两个伺服电机的输出轴的第一层分别与两个刚性主动杆一端连接，两个刚性主动杆的另一端分别与两个刚性从动杆连接，两个刚性从动杆比刚性主动杆长，满足机构运动的条件，两个刚性从动杆通过铰链连接，构成刚性五杆机构。

两个伺服电机的输出轴的第二层分别与两个柔性主动杆9一端连接，两个柔性主动杆9的另一端分别与两个柔性从动杆8连接，两个柔性从动杆通过铰链连接，所述柔性从动杆比柔性主动杆长，构成柔性五杆机构。

两个伺服电机通过行星减速器的输出轴驱动刚性五杆机构和柔性五杆机构的运动，两者在各自的平面运动，且互不干涉，刚性五杆机构与柔性五杆机构关于静平台的中心线对称，连杆与行星减速器的输出轴通过键连接，随着输出轴的转动而转动。

还包括两个圆形标识4，所述圆形标识总共两个，分别设在两个刚性从动杆及两个柔性从动杆的铰链连接处，一处一个，圆形标识为工业相机提取从动杆连接处的振动信息提供条件。

所述检测部分，包括加速度传感器6及工业相机7，所述工业相机7具体为两个，分别安装在相机支架11顶部中间的型材上，一个工业相机对应着两个刚性从动杆的连接处，两个刚性从动杆在这个工业相机的视野范围内，且离刚性五杆机构平面有一定距离，从而可以保证刚性五杆机构的运动过程中，圆形标识始终在工业相机的视野范围内；另一个工业相机对应两个柔性从动杆的连接处，且第二层的柔性五杆机构平面有一定距离，从而可以保证在柔性五杆机构的运动过程中，布设在两根柔性从动杆的连接处的圆形标识始终在工业相机的拍摄范围内。

相机支架是由型材构成的一个长方体支架，其长和宽都比静平台1的长和宽要大，从而可以使静平台1放入相机支架11的空间内，且离相机支架11的前后左右各个面的距离一样；在相机支架11内放好静平台1后，调节连接工业相机7的滑块，滑动工业相机7到合适的位置；

所述加速度传感器设置在柔性从动杆及刚性从动杆的中间位置。

所述加速度传感器检测从动杆的振动信息，其检测的信号经过适调放大器处理后，输出到端子板进行处理后，输出数字量到运动控制卡中，再经过A/D转换后输入计算机12进行后续处理。

所述工业相机检测两个从动杆连接处的振动信息，其检测的信号直接输入到计算机中进行后续处理。

所述驱动控制部分，包括压电陶瓷片驱动器5，所述压电陶瓷片驱动器5粘贴在柔性从动杆8上，靠近柔性从动杆的两端，每根柔性从动杆共有四片压电陶瓷片，每面两片，姿态角为0°对称粘贴。

计算机得到上述振动信号后，根据控制规律计算出控制量，控制量经过运动控制卡14处理输出，再经过端子板15处理后输出模拟量到电压放大器16放大，再输入到压电陶瓷片驱动器5，从而抑制刚性与柔性双五杆闭链机构的振动。

本实施例中，静平台1由型材构成，其几何尺寸大小为900mm×800mm×600mm。

刚性从动杆2采用的是铝合金材料，其几何尺寸大小为250mm×25mm×10mm。刚性主动杆3采用的是铝合金材料，其几何尺寸大小为180mm×25mm×10mm。

压电陶瓷片驱动器5为压电陶瓷片，几何尺寸为50mm×20mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe＝63GPa，d₃₁＝-166pm/v。压电陶瓷片驱动器5用来抑制从动杆运动过程中产生的振动。加速度传感器6选用K-Beam公司的加速度传感器中的8312B10型加速度传感器，其是一种低频加速度传感器，其测量频率范围为0-180Hz。

工业相机选用德国的Basler公司的COMS相机，其型号为Basler acA1600-60gc，采集的图像大小为1600*1200像素，约为200百万像素，帧率为60帧/秒，其镜头接口为C接口，相机与计算机的接口为GigE，其传输速度要优于USB接口。

工业相机的镜头选用日本Computar公司的工业镜头，其型号为computar M1214-MP2，焦距为12mm，大小为Φ33.5mm×28.2mm，图像最大尺寸为8.8mm×6.6mm，接口为C接口。

柔性从动杆8采用的是铝合金材料，其几何尺寸大小为250mm×25mm×3mm。柔性主动杆9采用的是铝合金材料，其几何尺寸大小为180mm×25mm×3mm。

伺服电机10选用日本三菱公司的三菱电机，其型号为HC-KF43型，和电机配套使用的减速器选用德国的NEUGRAT公司的PLN系列的减速器，其型号，该减速器具有电机安装简便、输出转矩高等特点。

相机支架11由型材构成，其几何尺寸大小1200mm×1200mm×900mm，对两个工业相机采用张正友平面标定法、利用MATLAB标定工具箱进行标定。

一种基于视觉的刚性与柔性双五杆闭链机构装置的测控方法，包括如下步骤：

第一步加速度传感器检测从动杆的振动信息；

工业相机检测从动杆连接处的振动信息，具体检测方法为：在机构装置还没有开始运动时，拍摄10-15幅包含圆形标识的图像，计算出每幅图像中圆形标识的圆心坐标，并计算其平均值，当作初始状态下的坐标，设为(x₀，y₀)；

当伺服电机10同时驱动刚性五杆机构与柔性五杆机构以对称的姿态、对称的轨迹运运时，设圆形标识4的圆心的坐标为(x₁(t)，y₁(t))。则可以得到x轴方向的位移为S_x＝x₁-x₀，y轴方向的位移为S_y＝y₁-y₀；再根据相机标定的结果，就可以得到刚性五杆机构和柔性五杆机构真实的振动位移信息。

利用图像处理方法获取圆形标识的圆心坐标，具体方法如下：首先利用Canny边缘检测算子来分割圆形标识4和背景，并且得到圆形标识4的边缘，从而得到圆形标识4的二值图；再对二值图进行轮廓提取，得到圆形标识4的轮廓图；再对轮廓图计算其图像矩，从而得到圆形标识4的圆心坐标。

第二步加速度传感器检测到的振动信号经过适调放大器13处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理后，再输出数字量到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；工业相机检测到的信号输入到计算机进行后续处理，根据控制规律，得到相应的控制反馈信号；

第三步将步骤二中得到的反馈信号经端子板中D/A模块处理后，再经电压放大电器放大处理后，输入到压电陶瓷片驱动器，从而抑制刚性与柔性双五杆闭链机构的振动。

图1中的箭头连接表示电信号与检测驱动控制装置的连接。

计算机12选用的CPU型号为Intel(R)Core(TM)i5-4590CPU@3.30GHz，内存为4G，主板上有多个PCI插槽，可以很方便的安装运动控制卡。适调放大器13选用Bruel&Kjaer公司的NEXUS系列适调放大器，其具有低噪声、高动态范围、高精度的特点，型号选用4通道的2692-C适调放大器。

运动控制卡14选用固高公司的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，其核心主要是DSP和FPGA，提供标准的PCI总线接口。与其配套的端子板15的型号为GT2-400-ACC2-V-AD16，其含有A/D和D/A模块。

电压放大器16可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的电压放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。

刚性与柔性双五杆闭链机构主要由刚性五杆机构和柔性五杆机构两大类型机构构成。在电机同时驱动刚性五杆机构和柔性五杆机构以对称的姿态、对称的轨迹运行时，采用机器视觉传感器来分别检测刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的振动信息，并且对振动信息进行对比分析，得出刚性五杆机构和柔性五杆机构运动过程中的差异性。最后均采用压电陶瓷片驱动器来抑制刚性五杆机构与柔性五杆机构运动过程中的振动，并且对控制结果进行对比分析。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。