基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置及方法与流程

本发明涉及柔性双关节机械臂振动的测量方法，特别是一种基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置及方法。

背景技术：
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多关节机械臂，也称关节机器人是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一。适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。这类柔性结构的模态阻尼小，一旦受到某种激振力的作用，其大幅度的振动将持续很长时间。这不仅会影响结构的工作，还将使结构产生过早的疲劳破坏，影响结构的使用寿命，或导致结构中仪器的损坏。因此需要测量和抑制此类柔性结构的振动。

现有技术中，柔性关节机械臂的振动测量主要有采用压电片、加速度计传感器、角速率陀螺仪传感器、光电位置传感器(Position Sensitive Detector)和光纤光栅传感器(Fiber Grating Sensor)等方法：压电片测量时因信号放大、滤波等多种环节会引起信号延迟和相位滞后，测量速度慢、范围有限；加速度计传感器和角速率陀螺仪传感器对噪声敏感，存在迟滞和温漂等问题影响其精度；光电位置传感器的测量范围较小、结构复杂、操作难度大、计算过程繁琐且成本昂贵；光纤光栅传感器最主要的问题是传感信号的解调，由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用，封装工艺和保护措施结构复杂。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种结构简单，性能稳定，方便测量的基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置及方法，实现非接触、实时准确的一次测量同时得到两处机械臂的振动特征。

实现本发明目的的技术解决方案为,一种基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置及方法，该装置包括双关节柔性机械臂、CCD相机、相机固定装置、绝对值编码器、多个LED发光管和PC机，两关节的臂杆转动电机上安装绝对值编码器，且编码器的输出端与PC机连接，LED发光管放置在两臂杆尾端，CCD相机安置在两机械臂臂杆间的关节上，且CCD相机配置有镜头，CCD相机的输出端口与PC机连接。相机固定装置保证相机镜头方向时刻处于两臂杆形成的夹角的角平分线处，CCD相机可以同时测量两臂杆尾端LED发光管振动的每一帧图像，并将其传送至PC机；编码器的实时数据传至PC机进行运算定位机械臂运动位置；PC机处理图像，与此运动位置静止时光斑位置相比较获取LED发光管处的振动位移和反映柔性双关节机械臂结构低频振动的参数。

基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量方法，其特征在于，步骤如下：

第1步：根据CCD相机采集的每一帧的图像中的LED发光管位置，将整幅图像分成两臂杆尾端LED发光管对应的子区域，并确定每个区域的上对应的光源采集位置；

第2步：根据传入PC机的相机图像数据，确定图像坐标系中每个光源光斑的质心位置；

第3步：根据绝对值编码器采集数据，定位机械臂运动角度，将第2步采集的质心位置对应此刻的运动角度数据记录于PC机；

第4步：根据不同测振条件下采集的光斑质心位置，与此时机械臂运动位置下的静止光斑质心位置进行处理，得到两个对应LED发光管的水平位移Δx和垂直位移Δy；

第5步：根据CCD相机的参数，对两个LED发光管从图像坐标系到世界坐标系垂直位移变换因子K_x，水平变换因子K_y进行标定；

第6步：根据图像中每个LED发光管的水平位移Δx、垂直位移Δy和第5步标定的水平变换因子K_x、垂直变换因子K_y，得到每个LED发光管的实际水平位移x、实际垂直位移y；

第7步：按照第6步得到的实际位移，绘制出每个LED发光管的位置曲线，对每个LED发光管的位移进行快速傅里叶变换，获取柔性双关节机械臂振动的一阶模态频率和二阶模态频率。

本发明与现有技术比较，具有以下显著优点：(1)基于机器视觉的检测方法不仅更直观、更容易地得到柔性机械臂的低频振动信息，而且整个装置通过对LED发光管的检测操作简单、实施方便、测量噪音小。(2)采用绝对值编码器定位机械臂位置，抗干扰特性强，数据的可靠性高。(3)针对机械臂的特殊结构，在关节处放置可随运动改变方向的CCD相机，可以同时检测到两机械臂臂杆尾端的两个LED发光管光源，大大简化装置结构，节约成本。(4)在不改变被测物的振动特征的情况下，通过机器视觉跟踪光源，检测柔性结构的动态位移，具有非接触、测量范围宽、不改变被测物的振动特性等优点。

附图说明：

图1是本发明基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置的结构示意图；

图2是相机固定装置示意简图；

图3是图像分析简图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明采用机器视觉的方法通过采集不同运动位置的机械臂尾端发光光源的振动位移实现低频模态分析的装置及方法。

如图1所示，基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量装置包括双关节柔性机械臂1、CCD相机2、相机固定装置3、绝对值编码器4、多个LED发光管5和PC机6；所述的柔性双关节机械臂1，两关节的臂杆转动电机上安装绝对值编码器4，且编码器的输出端与PC机6连接，LED发光管5放置在双关节柔性机械臂1两臂杆尾端，CCD相机2安置在两机械臂臂杆间的关节上，且CCD相机配置有镜头，CCD相机2的输出端口与PC机6连接。如图2所示，所述相机固定装置，与双关节柔性机械臂两臂杆形成一菱形结构，对角线采用可伸缩材料作为CCD相机支架，支架可根据机械臂运动位置改变方向，CCD相机处于菱形结构的对角线的支架上，保证CCD相机镜头方向时刻处于两臂杆形成的夹角的角平分线方向。

基于机器视觉的柔性双关节机械臂振动的测量方法，步骤如下：

第1步：根据CCD相机2采集的每一帧的图像中的LED发光管5位置，将整幅图像分成两臂杆尾端LED发光管5对应的子区域，并确定每个区域的上对应的光源采集位置；

第2步：根据传入PC机6的相机图像数据，确定图像坐标系中每个光源光斑的质心位置；

第3步：根据绝对值编码器4采集数据，定位机械臂运动角度，将第2步采集的质心位置对应此刻的运动角度数据记录于PC机6；

如图3所示，电机转动带动机械臂工作时，电机内绝对值编码器4记录转动角度，得到臂杆1的转动角度为α，臂杆2的转动角度为180°-β(方向均为初始水平方向且逆时针旋转)，α、β的转动范围为0°＜α＞90°、0°＜β＞90°，对于(α，β)时的两臂杆在图像坐标系中的投影位置为：

$Y_{1(\mathrm{\α},\mathrm{\β})}=l_{1}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2},Y_{2(\mathrm{\α},\mathrm{\β})}=-l_{2}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}---\left(1\right)$

式中Y_1(α，β)，Y_2(α，β)分别为臂杆1与臂杆2在(α，β)位置图像坐标系中的y轴座标位置，l₁,l₂为设置在双关节柔性机械臂1两臂杆尾端的LED发光管5至CCD相机2镜头的距离。

静止时x轴方向无位移，所以得到静止无振动且机械臂处于(α，β)位置时，臂杆1、臂杆2上光源在CCD相机2图像坐标系中座标为：

${(X_1,Y_1)}_{(\mathrm{\α},\mathrm{\β})}=(0,l_{1}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}),{(X_2,Y_2)}_{(\mathrm{\α},\mathrm{\β})}=(0,-l_{2}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2})---\left(2\right)$

第4步：根据不同测振条件下采集的光斑质心位置，与此时双关节柔性机械臂1机械臂运动位置下的静止光斑质心位置进行处理，得到两个对应LED发光管5的水平位移Δx和垂直位移Δy,具体步骤如下：

根据第1步、第2步检测步骤和图3所示，在(α，β)位置下，CCD相机记录的这帧图像经运算得到图像坐标系上臂杆1、臂杆2上光源的质心位置：

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

进而得到图像坐标系中两臂杆上光源的位移：

${\mathrm{\Δx}}_1=x_1,{\mathrm{\Δy}}_1=y_1-l_{1}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δx}}_2=x_2,{\mathrm{\Δy}}_2=y_2+l_{2}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}---\left(5\right)$

式中Δx₁,Δy₁，Δx₂,Δy₂分别为两臂杆图像坐标系中的水平位移和垂直位移。

第5步：根据CCD相机2的参数，对两个LED发光管5从图像坐标系到世界坐标系垂直位移变换因子K_x，水平变换因子K_y进行标定，具体步骤如下：

建立坐标系：以柔性双关节机械臂1的上方的臂杆为例，以臂杆尾端LED发光管5的放置位置O_W为原点，臂杆静止时指向相机2的方向为Z轴，建立世界坐标系O_W-W_WX_WY_WZ_W；以CCD相机2的光心O_C为原点。相机镜头方向，即双关节柔性机械臂1两臂杆形成的夹角的角平分线方向为Z轴建立图像坐标系O_C-W_CX_CY_CZ_C；

图像坐标系O_C-W_CX_CY_CZ_C中的水平位移、垂直位移到世界坐标系O_W-W_WX_WY_WZ_W的变换关系为：

x＝K_xΔx,y＝K_yΔy (6)

$K_x=1,K_y=\frac{1}{cos\left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)}---\left(7\right)$

其中Δx，Δy为图像坐标系中的水平位移和垂直位移，x,y为世界坐标系中实际的水平位移和垂直位移，K_x K_y为图像坐标系到世界坐标系的水平位移变换因子和垂直位移变换因子。

第6步：根据图像中每个LED发光管5的水平位移Δx、垂直位移Δy和第5步标定的水平变换因子K_x、垂直变换因子K_y，得到每个LED发光管的实际水平位移x、实际垂直位移y，具体步骤如下：

综合式(4)、式(5)和式(7)得到：

臂杆1上光源的实际水平位移和实际垂直位移为：

x₁＝K_xΔx₁＝x₁ (8)

$y_1=K_y{\mathrm{\Δy}}_1=\frac{1}{cos\left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)}\[y_1-l_{1}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}\]---\left(9\right)$

臂杆2上光源的实际水平位移和实际垂直位移为：

x₂＝K_xΔx₂＝x₂ (10)

$y_2=K_y{\mathrm{\Δy}}_2=\frac{1}{cos\left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)}\[y_2+l_{2}sin\frac{(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{2}\]---\left(11\right)$

第7步：按照第6步得到的实际位移，绘制出每个LED发光管5的位置曲线，对每个LED发光管5的位移进行快速傅里叶变换，获取柔性双关节机械臂1振动的一阶模态频率和二阶模态频率。具体步骤如下：

多次测量不同位置即(α₁，β₁)、(α₂，β₂)...等位置点的臂杆尾端光源位移，对其进行快速傅里叶变换，获取柔性双关节机械臂1两臂杆的一阶模态频率和二阶模态频率。

综上所述，本发明提出的方法所构建的机器视觉振动测量装置，可以针对双关节机械臂特殊结构，采用绝对值编码器定位，实现了一台CCD相机测量两处振动。该方法具有非接触、不改变被测物的振动特性、装置简单、准确度高等诸多优点。