专利名称：机构运动学、动力学参数检测实验教学系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种机构运动学、动力学参数检测实验教学系统，特别是 一种基于视觉技术的机构运动学、动力学参数检测实验教学系统，属于机构 运动学、动力学参数检测实验教学的创新技术设备。
技术背景
机构是组成各种机械系统的基础，如活塞发动机，各种纺织机械、印刷 机械等，因此机构学的研究一直是机械领域中的研究重点。无论是分析研究 现有机械的工作性能，还是优化设计新机构，机构运动分析都是十分重要的。 所谓机构的运动分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行计算、测量、 实验等分析。本实用新型所涉及的机构运动分析是在已知原动件的运动规律 的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、轨迹、速度和加速度，以及 这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分析、评 价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据。
通过位移(包括轨迹)的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断
它们运动时是否发生相互干涉;还可以确定从动件的行程，考査构件或构件上 某点能否实现预定位置变化的要求。
通过对速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要 求。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。
对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机械 中，要对其运动强度、振动等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性 力的大小和变化有关。因此，对高速机械，动力学分析不能忽略。
如何验证机构的运动学和动力学分析正确与否，现有方法一般是在机构 的一些关键部位安装各种传感器，用计算机进行数据采集和数据分析，将处 理后的结果与计算机模拟结果进行对比验证。这种方法存在的缺点是传感器 安装不灵活，对很多不方便安装传感器测量的运动参数，R肖^t^^^^Hif
测量，使得检测精度和效率不够高；所安装的传感器常常会对机构运动产生干
涉，在有些高速、高加速度情况下会造成运动参数失真；不利于学生进行机
构创新设计。该实验系统在不需安装传感器的情况下进行实验，学生的创意 可得到最大发挥
实用新型内容
本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种可以提高检测精度和效 率，实现高速、高分辨率的图像釆集，对机构运动学和动力学相关参数进行 快速检测的机构运动学、动力学参数检测实验教学系统。
本实用新型检测实验教学系统的结构示意图如图2所示，包括有用于被 分析和验证的待测机构(1)，装设在待测机构(1)上关键部位的测试点或 分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构(1)整个运动轨迹区域的摄像头
(3)、对拍摄得到的一系列图像进行处理的数据处理装置(4)，摄像头(3) 与图像处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。
上述待测机构(1)上的测试点或分析点(2)用待测机构(1)的任意运 动部位来表示。
上述待测机构(1)上的测试点或分析点(2)用具有一定亮度或颜色的 光源或者用反射物来反映。
上述摄像头(3)为当测试点或分析点(2)随机构运动时，其轨迹被拍 摄成连续工作图象的CCD摄像头。
上述图像处理装置(4)为以计算机为主要工具对由轨迹形成的图象数据
信息进行采集和预处理的图像处理装置。
本实用新型检测系统由于采用在机构的被测部位安装不同亮度或颜色的 光源或者具有不同特征的反射物，在一定间隔时间触发位于机构正面的摄像
头进行图像摄制，对发光点返回的图像进行信息釆集，获得的图像信息经图 像采集卡传送到图像预处理装置，图像预处理装置将采集得到的图像进行预 处理，为后续目标检测做准备，因此，本实用新型检测系统检测精度和效率 都较高，可实现高速、高分辨率的图像采集。本实用新型的分析方法是通过 获得节点的位移等信息，再根据运动学和力学的理论，求出机构相关的运动 和动力学的参数，来验证机构运动和动力学分析的正确与否。本实用新型的 分析方法方便实用，可对各种非常规的运动规律进行曲线拟合。
图1为本实用新型实施例待测机构的运动原理图2为本实用新型检测系统的结构示意图3为本实用新型检测方法的流程图。
具体实旌方式
实施例
本实用新型检测系统实施例的待测机构原理图如图l所示，结构示意图 如图2所示，包括有装设在待测机构1测试点或分析点上、用于在分析和验 证时表示构件的若干构件表示物2、保证拍摄区域覆盖待测机构整个运动轨迹 的摄像头3、对拍摄得到的一系列图像进行预处理的图像预处理装置4，摄像 头3与对拍摄得到的一系列图像进行预处理的图像预处理装置4之间通过图 像釆集卡连接。
上述待测机构1上的测试点或分析点2用待测机构1的任意运动部位来 表示或用具有一定亮度或颜色的光源或者用反射物来反映。本实施例中，上 述待测机构1测试点或分析点在待测机构1的铰链处。上述构件表示物2为 不同亮度或颜色的光源或者具有不同特征的反射物。上述摄像头3为CCD摄像头。上述图像预处理装置4为计算机。
本实用新型机构运动学、动力学参数在开展实验教学时，要按照如下步
骤进行有关操作
1) 设定固定的时间间隔At触发摄像头3进行拍摄，待测机构l运动时 若干构件表示物2随测试点或分析点运动，摄像头3拍摄若干构件表示物2 的运动轨迹，即表示待测机构1测试点或分析点的运动轨迹，从而获得机构 运动的一系列图像；
2) 图像预处理装置4对获得的图像进行相关的预处理，使图像的重要特 征更明显，并去除噪声等干扰因素；
3) 由于在待测机构1的测试点或分析点处装有的构件表示物2为光源或 反射物，其亮度高出背景，故与背景形成一定的对比度，运用目标提取技术， 提取出各测试点或分析点，根据亮度与色度特征可以区分出各点，从而得出 测试点或分析点的位置以及构件的位置；
4) 从一系列图像，得到某一测试点或分析点的位置序列，从而确定一个 时间段内或一个完整循环内的某一测试点或分析点的运动轨迹以及构件的运 动轨迹；
5) 从相邻两幅图像，得到同一节点相隔时间At的位置，根据运动学的 有关理论，速度就是位移对时间的微分，从而求出速度，加速度是速度对时 间的微分，进而求得加速度；
6) 根据动力学理论，由加速度和质量确定机构的动力学特性。
现以图1所示在机器中应用最广泛的连杆机构为例说明其分析方法，具 体包括有如下步骤
1) 在被测的连杆机构的节点A， B， C, D处装上不同颜色的小灯泡或反射物，
连杆机构运动时灯泡随节点运动，表示节点的运动轨迹；
2) CCD摄像头安装在连杆机构上方，保证拍摄区域覆盖机构整个运动轨
迹，以保证不会遗漏连杆机构运动的信息。确定触发的间隔时间At， At值 越少检测到的数据越准确，同时对硬件的要求将更高。在间隔时间触发位于 连杆机构正面的CCD摄像头进行拍摄，然后图像经图像采集卡传送到计算机
进行存储，连杆机构运行一段时间后，计算机内将获得连杆机构不同时刻的
运动图像集。
3) 对拍摄得到的一系列图像，必须进行预处理。预处理的目的是为后续 目标点检测作准备。预处理包括提高背景与连杆机构的对比度，使连杆机构 明显区别于背景，利用高通滤波器进行锐化，使目标点特征更明显；
4) 对预处理后图像，运用目标点检测算法，在连杆机构运动的区域内进 行目标点提取，从而找出连杆机构上的节点；
5)对两幅相邻的图像，其时间差为At。假设连杆机构某一时刻的四个节点 为图1中的AB1C1D,对在B1的节点感兴趣，由于灯泡的或反射物颜色不同， 运用目标点检测算法检测和B1点灯泡或反射物色度与亮度判断，可以检测出 该节点的位置，，并记录下Bl点的颜色。经过时间At后，获得另外一幅图像， 此时四个节点于图1中的AB2C2D。同样运用目标点检测算法检测和前一幅图 像同一点的色度与亮度判断，可以获得这一时刻该点的位置，其轨迹记其为 B&。同样道理获得轨迹dC2。根据运动学原理，速度就是位移对时间的微分， 使用求速度的公式V=dS/dAt,我们可以求出该节点该时刻的运动速度。同样， 我们记录下相邻图像的同一节点不同时刻运动速度分别为Vi和V2 ，加速度为 速度对时间的微分，那么使用求加速度的公式a-dv/dt。求得加速度后，根据 动力学原理，利用牛顿第二定律F-ma，可以求出力的大小，至此，获得连杆机 构该点的运动和动力学的参数，同理，可以求出其他节点的参数，从而得到 该连杆机构的运动学和动力学的重要参数，然后验证连杆机构是否符合需求。
权利要求1、一种机构运动学、动力学参数检测实验教学系统，其特征在于包括有用于被分析和验证的待测机构(1)，装设在待测机构(1)上关键部位的测试点或分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构(1)整个运动轨迹区域的摄像头(3)、对拍摄得到的一系列图像进行处理的数据处理装置(4)，摄像头(3)与图像处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。
2、 根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测实验教学 系统，其特征在于上述待测机构(1)上的测试点或分析点(2)用待测 机构(1)的任意运动部位来表示。
3、 根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测实验教学 系统，其特征在于上述待测机构(1)上的测试点或分析点(2)用具有 一定亮度或颜色的光源或者用反射物来反映。
4、 根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测实验教学 系统，其特征在于在适当位置装置CCD摄像头(3)，当测试点或分析点(2)随机构运动时，其轨迹被上述CCD摄像头拍摄成连续工作图像。
5、 根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测实验教学系统，其特征在于上述图像处理装置(4)为以计算机为主要工具，能对由 轨迹形成的图像数据信息进行采集和预处理的图像处理装置。
专利摘要本实用新型是一种机构运动学、动力学参数检测系统，主要用于开展工科大学机械原理课程实验教学。包括有用于被分析和验证的待测机构(1)，装设在待测机构(1)上关键部位的测试点或分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构(1)整个运动轨迹区域的摄像头(3)、对拍摄得到的一系列图像进行处理的数据处理装置(4)，摄像头(3)与图像处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。本实用新型检测系统检测精度和效率高，可适用于所有机构的各种运动实时非接触检测。通过本实用新型获得节点的位置信息，再根据运动学和力学的理论，求出机构相关的运动学和动力学的参数，来验证机构运动和动力学分析的正确与否。
文档编号G01P3/64GK201011610SQ20072004863
公开日2008年1月23日 申请日期2007年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者吕文阁, 李锻能 申请人:广东工业大学