基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，该装置包括第一步进电机、第二步进电机、固定基座、连接臂、柔性悬臂、CCD相机、镜头、相机平衡支架、压电片、电荷放大器和PC机。CCD相机固定于相机平衡支架上，在步进电机的带动下与柔性悬臂保持同步转动，CCD相机采集每帧图像传入PC机进行分析处理并输出信号，控制电荷放大器输出相应电压，驱动柔性悬臂最大应力处粘贴的压电片反向作动，以抑制柔性悬臂振动。本发明专利技术能够在非接触的前提下，实现柔性机械臂的振动控制，同时也可进行机器视觉相关的减振试验和研究，装置结构简单，造价低廉。

Vibration damping test device for flexible manipulator based on machine vision and its application

The invention discloses a flexible manipulator vibration test device based on machine vision, the apparatus comprises a first step motor and second stepping motor, a fixed base, a connecting arm, a cantilever, CCD camera, camera lens, balance bracket, piezoelectric, charge amplifier and PC machine. CCD camera camera fixed on the balance bracket, the stepper motor driven and flexible cantilever keep synchronous rotation, CCD camera image of each frame is passed to the PC machine to analyze and control the output signal, the charge amplifier output voltage corresponding to maximum stress, driven flexible cantilever piezoelectric actuators pasted reverse force, to suppress flexible cantilever vibration. The invention can realize the vibration control of the flexible mechanical arm under the premise of non-contact, and can also carry out the vibration reduction test and Research on machine vision, and the device has simple structure and low cost.

【技术实现步骤摘要】
基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置及其使用方法
：本专利技术涉及柔性机械臂的试验装置，特别是一种基于机器视觉的柔性机械臂减振装置及其使用方法。
技术介绍
：柔性机械臂因其重量轻、阻尼小等优势在航天、医疗等各个领域扮演着重要角色，随着对其需求的日益增加，对柔性机械臂的性能要求也在逐步提升。为了保证机械臂的运动精准与定位精度，对其进行振动控制在工业应用中显得十分必要。采用压电片进行振动控制是常用的控制方法，在此基础上引入机器视觉技术实现实时控制是一个新兴的课题。为了验证此方法的振动控制效果，需要进行相关试验，但是由于机械臂不同应用场合的特点，对使用中的机械臂进行试验和研究不切实际，所以为了直观的进行科研试验，且保证模拟效果，需要一种试验装置在满足上述条件的情况下进行试验。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种结构简单、可操作性强、效果直观的基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置及其使用方法，可对机械臂进行振动控制，并检验基于机器视觉的减振方法的控制效果。实现本专利技术目的的解决方案为，设计一种基于机器视觉的柔性机械臂的减振试验装置及其使用方法，该装置包括第一步进电机、第二步进电机、固定基座、连接臂、柔性悬臂、CCD相机、镜头、相机平衡支架、压电片、电荷放大器和PC机；第一步进电机固定在固定基座上，第一步进电机转轴通过连接臂与第二步进电机连接，用于驱动第二步进电机绕第一步进电机转轴转动，第二步进电机转轴与柔性悬臂、相机平衡支架连接，第二步进电机驱动柔性悬臂和相机平衡支架绕轴转动，CCD相机可移动地安装在相机平衡支架上，且CCD相机配置有镜头，其输出端与PC机电连接，电荷放大器输入端与PC机电连接，输出端与压电片电连接，所述压电片粘贴于柔性悬臂的最大应力处。本专利技术设计的试验装置，具有以下显著优点：(1)基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，能够模拟实际振动控制，并且结构简单。(2)采用双关节柔性机械臂，能够试验不同自由度机械臂的控制效果。(3)装置的平衡结构设计，为电机的运转提供保障，提高了转动性能。(4)柔性悬臂前端设计相关结构，保证了视觉采集图像的无偏角，避免了非直视现象导致的测量误差，并配合压电片进行振动控制，保证了实时的控制可行性。(5)整个装置采用组合装配结构，可在此装置基础上简单调整，进行其他机器视觉、振动控制以及机械臂运动等相关实验，适用性高。附图说明：图1是本专利技术基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置的结构示意图；图2是相机平衡支架的结构示意简图；图3是电机平衡支架的结构示意简图。具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术采用机器视觉的方法，在不接触的前提下，模拟实际应用，实现对柔性双关节机械臂进行减振控制的试验装置及方法。如图1所示，基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置包括第一步进电机1、第二步进电机2、固定基座3、连接臂4、柔性悬臂5、CCD相机6、镜头7、相机平衡支架8、压电片9、电荷放大器10和PC机11。其中，柔性悬臂5由两个相互垂直的矩形片状结构的柔性材料组成，垂直相交处作为自由端，转动时，由于材料的柔性，臂杆的自由端会产生相应振动。如图2所示，相机平衡支架8为一板状结构，在中间位置开设有第一通孔15、第二通孔17和安装槽18，第一通孔15与第二步进电机2的转轴直径相同，用于将其固定安装在第二步进电机2转轴上；安装槽18用于安装固定CCD相机6，并且CCD相机6在平衡支架上可移动；除此之外，相机平衡支架8还开设有第二通孔17，第二通孔17开设在相机平衡支架8远离安装槽18的一侧，第二通孔17用于悬挂第二配重件14，第二配重件14可以在第二通孔17中移动，以适应不同重量，达到平衡CCD相机6重量的作用。如图1所示，第一步进电机1固定在固定基座3上，第一步进电机1的转轴通过连接臂4与第二步进电机2连接，第一步进电机1转动，带动第二步进电机2绕转轴水平转动，第二步进电机2的转轴同时与柔性悬臂5和相机平衡支架8连接，第二步进电机2转动，带动相机平衡支架8和柔性臂杆绕着转轴水平转动，上述第一步进电机1和连接臂4之间的连接采用电机平衡支架12实现，如图3所示，电机平衡支架12首先通过中间通孔18固定第一步进电机1的转轴，支架一侧与连接臂4采用螺栓连接，支架另一侧镂空，放置第一配重件13，与相机平衡支架8类似，也可在其内移动，用于平衡整个连接臂4另一侧的重量。CCD相机6固定于相机平衡支架8的安装槽18处，可进行调节横向位置以适应不同环境，根据CCD相机6的重量和力矩，在相机平衡支架8的左侧配置相同的第二配重件14进行重量平衡，保证第二步进电机2转动时，转动中心平衡。同样的，在电机平衡支架12的左侧，配置与连接臂4和第二步进电机2及第二步进电机2上连接的配件总重量相同的第一重件13，使第一步进电机1转动的转动中心平衡，两个平衡支架共同作用保证了整个装置的运转平衡。控制与测量部分，CCD相机6配置镜头7，其输出端口与PC机11电连接，将相机采集信号传送给PC机11，PC机11与电荷放大器10进行电连接，将PC机11的处理数据输送给电荷放大器10，电荷放大器10输出端与压电片9相连，压电片9粘贴于柔性悬臂5的最大应力处，保证控制能力最大，电荷放大器10输出电压信号控制压电片9作动。基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置的使用方法，具体步骤如下：第1步：首先在柔性悬臂5自由端的小矩形结构上进行标记，根据标记点，调整CCD相机6的焦距光圈，保证图像清晰可用；第2步：根据具体实验，设定不同转速，启动第二步进电机2和第一步进电机1，同时启动CCD相机6，采集转动时柔性悬臂5上标记点的实时位移图像，将实时数据传入PC机11；第3步：根据传入PC机11的CCD相机6图像数据，结合相机分辨率与视野范围，处理得到柔性悬臂5的实时振动幅值，具体步骤如下：定义标记点质心在图像坐标系中的初始坐标为D0(x0,y0)，对之后的第i帧图像进行阈值分割和质心检测，得到标价点质心坐标Di(xi,yi)，此时标记点的水平和垂直方向的位移分别为：实时振动幅值为：式中a，b为相机图像的横纵向的像素总数，m，n分别为实际视野范围的横纵向宽度。第4步：根据实时振动幅值，结合压电片9和柔性悬臂5参数，得到压电片9处的应力大小，具体步骤如下：定义标记点至压电片9处的垂直距离为l，结合实时振动幅值，在PC机11中处理，得到压电片9处的实时应力为：式中，EI为柔性悬臂5的抗弯刚度，F(i)为在压电片9处的实时应变，结果的正负值代表应力方向。第5步：根据应力大小，由PC机11控制电荷放大器10，输出相应电压，驱动压电片9反方向作动，减弱柔性悬臂5振动，并比较验证控制效果。具体步骤如下：输出控制电压，驱动压电片9作动后，通过CCD相机6采集图像，得到实时的振幅，与不进行控制时的振幅曲线进行比较，进而验证控制效果。综上所述，本专利技术提供的方法构建的基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，在不接触的前提下，可以实现对柔性悬臂5的振动控制，并验证控制效果，同时，进行一些简单地拆卸和重新组合，可进行机器视觉、振动控制以及机械臂运动等相关的减振试验和研究，装置结构简单，造价低廉。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，其特征在于：包括第一步进电机(1)、第二步进电机(2)、固定基座(3)、连接臂(4)、柔性悬臂(5)、CCD相机(6)、镜头(7)、相机平衡支架(8)、压电片(9)、电荷放大器(10)和PC机(11),第一步进电机(1)固定在固定基座(3)上，第一步进电机(1)转轴通过连接臂(4)与第二步进电机(2)连接，用于驱动第二步进电机(2)绕第一步进电机(1)转轴转动，第二步进电机(2)转轴与柔性悬臂(5)、相机平衡支架(8)连接，第二步进电机(2)驱动柔性悬臂(5)和相机平衡支架(8)绕轴转动，CCD相机(6)可移动地安装在相机平衡支架(8)上，且CCD相机(6)配置有镜头(7)，其输出端与PC机(11)电连接，电荷放大器(10)输入端与PC机(11)电连接，输出端与压电片(9)电连接，所述压电片(9)粘贴于柔性悬臂(5)的最大应力处。

【技术特征摘要】
1.基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，其特征在于：包括第一步进电机(1)、第二步进电机(2)、固定基座(3)、连接臂(4)、柔性悬臂(5)、CCD相机(6)、镜头(7)、相机平衡支架(8)、压电片(9)、电荷放大器(10)和PC机(11),第一步进电机(1)固定在固定基座(3)上，第一步进电机(1)转轴通过连接臂(4)与第二步进电机(2)连接，用于驱动第二步进电机(2)绕第一步进电机(1)转轴转动，第二步进电机(2)转轴与柔性悬臂(5)、相机平衡支架(8)连接，第二步进电机(2)驱动柔性悬臂(5)和相机平衡支架(8)绕轴转动，CCD相机(6)可移动地安装在相机平衡支架(8)上，且CCD相机(6)配置有镜头(7)，其输出端与PC机(11)电连接，电荷放大器(10)输入端与PC机(11)电连接，输出端与压电片(9)电连接，所述压电片(9)粘贴于柔性悬臂(5)的最大应力处。2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的柔性机械臂减振试验装置，其特征在于：所述减振试验装置还包括电机平衡支架(12)和第一配重件(13)，电机平衡支架(12)安装在第一步进电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘健，马天兵，陈波，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34