基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置及方法，包括柔性机械臂本体部分及检测控制部分，两台工业相机以非接触式立体视觉测量的方式，检测柔性机械臂的弯曲振动信息；两个伺服电机经由行星减速器减速输出，分别用于控制旋转柔性悬臂梁的两个旋转自由度，同时接收通过振动主动控制算法得到的控制信号，抑制悬臂梁的振动，柔性悬臂梁上贴有压电陶瓷片，梁的自由端附有加速度传感器，可用于辅助检测梁的弯曲振动和抑制振动。本发明专利技术装置可以用于模拟空间柔性关节的振动测量和控制，为柔性航天结构的结构优化和抑制振动提供参考。

Vibration measurement control device and method for flexible manipulator based on stereoscopic vision

The invention discloses a flexible manipulator vibration measurement and control device and method based on stereo vision, which comprises a body of flexible manipulator and the detection control part, two sets of industrial cameras by way of non-contact stereo vision measurement, detection of the flexible manipulator bending vibration information; two servo motors through the planetary gear reducer the output, respectively for control of a rotating flexible cantilever beam with two rotational degrees of freedom, while receiving a control signal obtained through active vibration suppression, the vibration of the cantilever beam, a flexible cantilever beam with piezoelectric ceramic plate, beam with free ends of the acceleration sensor, can be used for bending vibration and vibration suppression of beam aided detection. The device can be used to simulate the vibration measurement and control of the flexible space joint, and provide a reference for the structure optimization and vibration suppression of the flexible space structure.

【技术实现步骤摘要】
基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置及方法
本专利技术涉及柔性悬臂梁结构振动检测控制领域，具体涉及基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置及方法。
技术介绍
柔性材料因其质量轻、刚度低、灵活性大等特点，在实际工程中有着广泛应用。旋转柔性悬臂梁的应用主要体现在航天器柔性关节和柔性机械臂上，另外也可用于模拟飞机旋转机翼和涡轮叶片。相对于刚性机械臂，柔性臂更为轻质化，因而可以降低能耗，提高效率；然而由于柔性臂结构细长，刚度较小，所以稳定性没有刚性臂好。以空间柔性机器人和航天器挠性关节为例，在转动调姿或者变轨时产生自身激励以及受到太空中的外部扰动时，容易引起悬臂梁的振动，尤其是在平衡点附近的小幅值模态振动，如果不能快速的抑制这些振动，将影响系统的稳定性和指向精度，从而降低系统的可靠性，甚至带来难以预估的损失。为了保证航天器的正常工作，有必要对其低频模态振动进行检测，分析振动特性并且加以控制。当前对柔性悬臂梁结构的弯曲模态振动控制的研究，通常采用加速度传感器、压电陶瓷片等接触式测量传感器，通过优化配置进行。加速度传感器质量小，易安装，鲁棒性好，适用于振动检测；压电陶瓷材料响应快、频带宽、线性度好，利用其正逆压电效应可以同时作为传感器和驱动器使用。然而两者都属于接触式测量的范畴，会给悬臂梁增加附加质量，从而改变梁的结构特性，影响实验效果。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置及方法。本专利技术采用电机控制的二自由度旋转柔性悬臂梁结构，并且使用压电陶瓷片、加速度传感器和工业相机相结合的测量方法对柔性悬臂板的振动模态进行检测，再结合主动控制算法，以实现对柔性悬臂梁结构的弯曲振动主动控制的目的。本专利技术采用如下技术方案：一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，包括柔性机械臂本体部分及检测控制部分；所述柔性机械臂本体部分包括两块串联配置的柔性悬臂梁，两块柔性悬臂梁分别为第一及第二柔性悬臂梁，第一柔性悬臂梁的一端通过夹板固定在第一行星减速器的输出轴连接件上，通过第一伺服电机进行一级驱动；第二柔性悬臂梁一端固定在第二行星减速器的输出轴连接件上，通过第二伺服电机进行二级驱动，另一端悬空；第一柔性悬臂梁的另一端与第二柔性悬臂梁的一端连接；所述第一柔性悬臂梁的一端由立柱支撑安装在台座上；第一柔性悬臂梁及第二柔性悬臂梁均粘贴压电传感器、压电驱动器及加速度传感器；还包括工业相机，所述工业相机通过云台放置在滑轨上，所述滑轨安装在相机架上；所述检测控制部分包括：所述压电传感器及加速度传感器检测柔性悬臂梁的振动信号，经过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；所述工业相机拍摄到柔性悬臂梁的图像输入计算机中，得到柔性悬臂梁的振动信息；计算机处理接收的柔性悬臂梁的振动信息得到控制信号输入运动控制卡通过压电放大电路及电机伺服单元输出到压电驱动器及伺服电机，分别抑制柔性悬臂梁的小幅值弯曲振动及大幅值弯曲振动。一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，所述压电传感器由四片压电片构成，粘贴在每根柔性悬臂梁的宽度方向的中线上，正反两面对称粘贴，每面一片；所述加速度传感器分别粘贴在第一柔性悬臂梁的另一端及第二柔性悬臂梁的自由端，加速度传感器具体粘贴在宽度方向的中线上；所述压电驱动器由八片压电片构成，粘贴在每根柔性悬臂梁正反两面，每面两片，且关于柔性悬臂梁宽度方向中线对称。所述工业相机具体为两台，两台相机安装在第二柔性悬臂梁的正前方，且两台相机平行设置在滑轨上。所述第二柔性悬臂梁设置两个视觉检测标志点，所述第二柔性悬臂梁在两个相机的视场范围内。两个工业相机的水平距离为100mm，且距离柔性悬臂梁400mm-600mm。所述视觉检测标志点具体为两个，水平设置在第二柔性悬臂梁宽度方向的中线上，长度方向上靠近自由端。一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置的控制方法，包括如下步骤：第一步用激振小锤施加外部激励激发柔性悬臂梁的小范围振动；第二步利用压电传感器和加速度传感器检测柔性悬臂梁的弯曲模态振动，得到相应的电信号输出，然后经由电荷放大器放大，通过运动控制卡的A/D模块数模转换后输入到计算机中储存，得到振动信息；第三步利用工业相机采集振动图像，获得含有振动信息的图像序列，经由Gige网线接口直接传输到计算机中，通过确定图像ROI，特征点提取，三维坐标重建等相关算法得到悬臂梁的振动信息；第四步计算机根据步骤二和步骤三得到的振动信息，运行相应主动控制算法得到抑振信号，经由运动控制卡的D/A模块分别输出到电机伺服单元和压电放大电路中，驱动伺服电机和压电驱动器采取相应动作，抑制柔性悬臂梁的弯曲振动。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用机器视觉检测柔性结构的振动模态，具有非接触、测量范围宽等优点，相比于传统的接触式测量方式，不会增加柔性结构的附加质量以及改变其结构特性，提高了测量精度；另外振动图像中包含的信息丰富，并且具有全局优势，采用不同的图像处理方法，可以获得远超其他传感器的振动信息；(2)本专利技术采用三种不同的传感器相结合的方式检测柔性悬臂梁的振动模态，通过多传感器信息融合进行辨识研究，提高检测的准确性；采用电机宏观控制和压电陶瓷驱动器微观控制相结合的控制方式对悬臂梁进行抑振，提高控制精度和效率；(3)本专利技术设计的机械装置结构简单、方便实施和应用推广，并且两个摄像机可以通过滑轨灵活的调节高度和水平位置，可以适应更广的检测范围。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的相机滑轨的局部示意图；图3是图1中柔性机械臂整体的结构示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1-图3所示，一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，包括两块串联配置的柔性悬臂梁，两块柔性悬臂梁分别为第一及第二柔性悬臂梁，所述第一柔性悬臂梁5一端由夹板固定在第一行星减速器4的输出轴连接件上，通过第一伺服电机3进行一级驱动，构成一级悬臂梁。第二柔性悬臂梁10一端由夹板固定在第二行星减速器7的输出轴连接件上，通过第二伺服电机6进行二级驱动，另一端悬空，构成二级悬臂梁。第一柔性悬臂梁的另一端与第二柔性悬臂梁的一端连接。整个柔性悬臂梁本体部分由立柱2支撑，安装在铝合金型材搭建的台座1上。台座1高度约为480mm，主要使用铝合金型材搭建，横截面尺寸为40mm×40mm；底下4个调节脚可以调节支脚高度，从而保证平台的水平度，并且使载荷均匀。第一伺服电机3选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGMJV-04ADE6S的旋转型伺服电机，电源电压AC200V，20位增量型编码，额定输出400W；第一行星减速器4选用NEUGART公司生产的型号为PLFN090的高精度行星减速机，传动比为100，额定输出扭矩为60～150N*m。第二伺服电机6选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGMJV-02ADE6S的旋转型伺服电机，电源电压AC200V，20位增量型编码，额定输出200W；第二行星减速器7选用NEUGART公司生产的型号为PLFN064的高精度行星减速机，传动比为64，额定输出扭矩为27～77N*m。第一柔性悬臂梁及第二柔性悬臂梁均粘贴有压电传感器9、压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，其特征在于，包括柔性机械臂本体部分及检测控制部分；所述柔性机械臂本体部分包括两块串联配置的柔性悬臂梁，两块柔性悬臂梁分别为第一及第二柔性悬臂梁，第一柔性悬臂梁的一端通过夹板固定在第一行星减速器的输出轴连接件上，通过第一伺服电机进行一级驱动；第二柔性悬臂梁一端固定在第二行星减速器的输出轴连接件上，通过第二伺服电机进行二级驱动，另一端悬空；第一柔性悬臂梁的另一端与第二柔性悬臂梁的一端连接；所述第一柔性悬臂梁的一端由立柱支撑安装在台座上；第一柔性悬臂梁及第二柔性悬臂梁均粘贴压电传感器、压电驱动器及加速度传感器；还包括工业相机，所述工业相机通过云台放置在滑轨上，所述滑轨安装在相机架上；所述检测控制部分包括：所述压电传感器及加速度传感器检测柔性悬臂梁的振动信号，经过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；所述工业相机拍摄到柔性悬臂梁的图像输入计算机中，得到柔性悬臂梁的振动信息；计算机处理接收的柔性悬臂梁的振动信息得到控制信号输入运动控制卡通过压电放大电路及电机伺服单元输出到压电驱动器及伺服电机，分别抑制柔性悬臂梁的小幅值弯曲振动及大幅值弯曲振动。

【技术特征摘要】
1.一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，其特征在于，包括柔性机械臂本体部分及检测控制部分；所述柔性机械臂本体部分包括两块串联配置的柔性悬臂梁，两块柔性悬臂梁分别为第一及第二柔性悬臂梁，第一柔性悬臂梁的一端通过夹板固定在第一行星减速器的输出轴连接件上，通过第一伺服电机进行一级驱动；第二柔性悬臂梁一端固定在第二行星减速器的输出轴连接件上，通过第二伺服电机进行二级驱动，另一端悬空；第一柔性悬臂梁的另一端与第二柔性悬臂梁的一端连接；所述第一柔性悬臂梁的一端由立柱支撑安装在台座上；第一柔性悬臂梁及第二柔性悬臂梁均粘贴压电传感器、压电驱动器及加速度传感器；还包括工业相机，所述工业相机通过云台放置在滑轨上，所述滑轨安装在相机架上；所述检测控制部分包括：所述压电传感器及加速度传感器检测柔性悬臂梁的振动信号，经过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；所述工业相机拍摄到柔性悬臂梁的图像输入计算机中，得到柔性悬臂梁的振动信息；计算机处理接收的柔性悬臂梁的振动信息得到控制信号输入运动控制卡通过压电放大电路及电机伺服单元输出到压电驱动器及伺服电机，分别抑制柔性悬臂梁的小幅值弯曲振动及大幅值弯曲振动。2.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的柔性机械臂振动测量控制装置，其特征在于，所述压电传感器由四片压电片构成，粘贴在每根柔性悬臂梁的宽度方向的中线上，正反两面对称粘贴，每面一片；所述加速度传感器分别粘贴在第一柔性悬臂梁的另一端及第二柔性悬臂梁的自由端，加速度传感器具体粘贴在宽度方向的中线上；所述压电驱动器由八片压电片构成，粘贴在每根柔性悬臂梁正反两面，每面两片，且关于柔性悬臂梁宽度方向中线对称。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志成，肖骏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44