本發(fā)明涉及柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量方法，特別是一種基于機器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：
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多關(guān)節(jié)機械臂，也稱關(guān)節(jié)機器人是當今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一。適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化作業(yè)，比如，自動裝配、噴漆、搬運、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，其大幅度的振動將持續(xù)很長時間。這不僅會影響結(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。

現(xiàn)有技術(shù)中，柔性關(guān)節(jié)機械臂的振動測量主要有采用壓電片、加速度計傳感器、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：壓電片測量時因信號放大、濾波等多種環(huán)節(jié)會引起信號延遲和相位滯后，測量速度慢、范圍有限；加速度計傳感器和角速率陀螺儀傳感器對噪聲敏感，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)復雜、操作難度大、計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，因而需要對其進行封裝后才能使用，封裝工藝和保護措施結(jié)構(gòu)復雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，方便測量的基于機器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量裝置及方法，實現(xiàn)非接觸、實時準確的一次測量同時得到兩處機械臂的振動特征。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為,一種基于機器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量裝置及方法，該裝置包括雙關(guān)節(jié)柔性機械臂、CCD相機、相機固定裝置、絕對值編碼器、多個LED發(fā)光管和PC機，兩關(guān)節(jié)的臂桿轉(zhuǎn)動電機上安裝絕對值編碼器，且編碼器的輸出端與PC機連接，LED發(fā)光管放置在兩臂桿尾端，CCD相機安置在兩機械臂臂桿間的關(guān)節(jié)上，且CCD相機配置有鏡頭，CCD相機的輸出端口與PC機連接。相機固定裝置保證相機鏡頭方向時刻處于兩臂桿形成的夾角的角平分線處，CCD相機可以同時測量兩臂桿尾端LED發(fā)光管振動的每一幀圖像，并將其傳送至PC機；編碼器的實時數(shù)據(jù)傳至PC機進行運算定位機械臂運動位置；PC機處理圖像，與此運動位置靜止時光斑位置相比較獲取LED發(fā)光管處的振動位移和反映柔性雙關(guān)節(jié)機械臂結(jié)構(gòu)低頻振動的參數(shù)。

基于機器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量方法，其特征在于，步驟如下：

第1步：根據(jù)CCD相機采集的每一幀的圖像中的LED發(fā)光管位置，將整幅圖像分成兩臂桿尾端LED發(fā)光管對應的子區(qū)域，并確定每個區(qū)域的上對應的光源采集位置；

第2步：根據(jù)傳入PC機的相機圖像數(shù)據(jù)，確定圖像坐標系中每個光源光斑的質(zhì)心位置；

第3步：根據(jù)絕對值編碼器采集數(shù)據(jù)，定位機械臂運動角度，將第2步采集的質(zhì)心位置對應此刻的運動角度數(shù)據(jù)記錄于PC機；

第4步：根據(jù)不同測振條件下采集的光斑質(zhì)心位置，與此時機械臂運動位置下的靜止光斑質(zhì)心位置進行處理，得到兩個對應LED發(fā)光管的水平位移Δx和垂直位移Δy；

第5步：根據(jù)CCD相機的參數(shù)，對兩個LED發(fā)光管從圖像坐標系到世界坐標系垂直位移變換因子K_x，水平變換因子K_y進行標定；

第6步：根據(jù)圖像中每個LED發(fā)光管的水平位移Δx、垂直位移Δy和第5步標定的水平變換因子K_x、垂直變換因子K_y，得到每個LED發(fā)光管的實際水平位移x、實際垂直位移y；

第7步：按照第6步得到的實際位移，繪制出每個LED發(fā)光管的位置曲線，對每個LED發(fā)光管的位移進行快速傅里葉變換，獲取柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的一階模態(tài)頻率和二階模態(tài)頻率。

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

附圖說明：

圖1是本發(fā)明基于機器視覺的柔性雙關(guān)節(jié)機械臂振動的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是相機固定裝置示意簡圖；

圖3是圖像分析簡圖；

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

本發(fā)明采用機器視覺的方法通過采集不同運動位置的機械臂尾端發(fā)光光源的振動位移實現(xiàn)低頻模態(tài)分析的裝置及方法。

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

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

第1步：根據(jù)CCD相機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對應的子區(qū)域，并確定每個區(qū)域的上對應的光源采集位置；

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

第3步：根據(jù)絕對值編碼器4采集數(shù)據(jù)，定位機械臂運動角度，將第2步采集的質(zhì)心位置對應此刻的運動角度數(shù)據(jù)記錄于PC機6；

如圖3所示，電機轉(zhuǎn)動帶動機械臂工作時，電機內(nèi)絕對值編碼器4記錄轉(zhuǎn)動角度，得到臂桿1的轉(zhuǎn)動角度為α，臂桿2的轉(zhuǎn)動角度為180°-β(方向均為初始水平方向且逆時針旋轉(zhuǎn))，α、β的轉(zhuǎn)動范圍為0°＜α＞90°、0°＜β＞90°，對于(α，β)時的兩臂桿在圖像坐標系中的投影位置為：

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

式中Y_1(α，β)，Y_{2(α，β)}分別為臂桿1與臂桿2在(α，β)位置圖像坐標系中的y軸座標位置，l₁,l₂為設(shè)置在雙關(guān)節(jié)柔性機械臂1兩臂桿尾端的LED發(fā)光管5至CCD相機2鏡頭的距離。

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

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

第4步：根據(jù)不同測振條件下采集的光斑質(zhì)心位置，與此時雙關(guān)節(jié)柔性機械臂1機械臂運動位置下的靜止光斑質(zhì)心位置進行處理，得到兩個對應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相機記錄的這幀圖像經(jīng)運算得到圖像坐標系上臂桿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)

進而得到圖像坐標系中兩臂桿上光源的位移：

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

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

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

第5步：根據(jù)CCD相機2的參數(shù)，對兩個LED發(fā)光管5從圖像坐標系到世界坐標系垂直位移變換因子K_x，水平變換因子K_y進行標定，具體步驟如下：

建立坐標系：以柔性雙關(guān)節(jié)機械臂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，臂桿靜止時指向相機2的方向為Z軸，建立世界坐標系O_W-W_WX_WY_WZ_W；以CCD相機2的光心O_C為原點。相機鏡頭方向，即雙關(guān)節(jié)柔性機械臂1兩臂桿形成的夾角的角平分線方向為Z軸建立圖像坐標系O_C-W_CX_CY_CZ_C；

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

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為圖像坐標系中的水平位移和垂直位移，x,y為世界坐標系中實際的水平位移和垂直位移，K_x K_y為圖像坐標系到世界坐標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LED發(fā)光管5的水平位移Δx、垂直位移Δy和第5步標定的水平變換因子K_x、垂直變換因子K_y，得到每個LED發(fā)光管的實際水平位移x、實際垂直位移y，具體步驟如下：

綜合式(4)、式(5)和式(7)得到：

臂桿1上光源的實際水平位移和實際垂直位移為：

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)$

臂桿2上光源的實際水平位移和實際垂直位移為：

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步得到的實際位移，繪制出每個LED發(fā)光管5的位置曲線，對每個LED發(fā)光管5的位移進行快速傅里葉變換，獲取柔性雙關(guān)節(jié)機械臂1振動的一階模態(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)...等位置點的臂桿尾端光源位移，對其進行快速傅里葉變換，獲取柔性雙關(guān)節(jié)機械臂1兩臂桿的一階模態(tài)頻率和二階模態(tài)頻率。

綜上所述，本發(fā)明提出的方法所構(gòu)建的機器視覺振動測量裝置，可以針對雙關(guān)節(jié)機械臂特殊結(jié)構(gòu)，采用絕對值編碼器定位，實現(xiàn)了一臺CCD相機測量兩處振動。該方法具有非接觸、不改變被測物的振動特性、裝置簡單、準確度高等諸多優(yōu)點。