一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法，包括柔性臂本体、双目检测部分及伺服驱动控制部分，柔性臂的自由端粘贴两个黑色圆片作为双目检测的标志点，双目检测部分包括两个工业相机，工业相机以非接触的方式检测柔性臂的定点和旋转弯曲振动信息，传输到计算机中，伺服电机经由行星减速器减速驱动柔性臂的运动。本发明专利技术装置可用于模拟空间柔性臂结构的振动测量和控制，为柔性机械臂结构的振动测控提供参考。

A flexible arm vibration measurement and control device and method based on binocular 3D reconstruction

The invention discloses a flexible arm vibration measuring and controlling device and method using binocular three-dimensional reconstruction, including flexible arm body, binocular detection part and servo drive control part, two black discs pasted on the free end of the flexible arm as the sign points of binocular detection, and the binocular detection part includes two industrial cameras and an industrial camera. The fixed point and rotational bending vibration information of the flexible arm are detected in a non-contact way and transmitted to the computer. The servo motor reduces the speed of the flexible arm and drives the motion of the flexible arm through the planetary reducer. The device of the invention can be used for vibration measurement and control of analog space flexible manipulator structure, and provides reference for vibration measurement and control of flexible manipulator structure.

【技术实现步骤摘要】
一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法
本专利技术涉及柔性臂结构的振动检测与控制，具体涉及一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法。
技术介绍
柔性材料由于质量轻、灵活度高等特点，在航空航天领域中被广泛应用于柔性关节和太阳能帆板等结构上，其中的柔性臂结构就常见于柔性机器人上。然而柔性臂由于刚度较低、结构细长，在转动调姿或受到外界激励时易产生持续振动，影响系统的稳定性和指向精度，从而降低系统的可靠性。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。当前对柔性臂结构的弯曲模态振动，通常采用加速度传感器、压电陶瓷片等接触式传感器进行测量，这种测量方式会给柔性臂增加附加质量，而改变其结构特性，影响实验效果。双目视觉检测是一种性能优越的非接触式测量手段，其在不改变待测物的频率、振幅等特性的前提下，可以快速获取物体空间信息。当包含待测物的系统各组件的相对位置关系固定后，使用工业相机搭建的双目系统能以较高的精度建立系统的三维重建模型，从而获取待测物特征点的三维信息，进而处理得到物体的振动信息。伺服电机由于其充足的输出功率，调整位移相对较大，在抑振的快速性上具有良好的效果。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺陷，本专利技术首要目的提供一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置。具体采用工业相机、伺服驱动组件、运动控制卡和计算机优化配置实现柔性臂定点和旋转振动检测与控制的装置。本专利技术的另一目的是提供一种基于采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置的控制方法。本专利技术采用如下技术方案：一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置，包括柔性臂本体、双目检测部分和伺服驱动控制部分；所述柔性臂本体包括柔性臂，柔性臂的一端由夹板固定在行星减速器的输出轴连接件上，该端称为固定端，其另一端称为自由端，在柔性臂的自由端粘贴黑色圆片作为双目检测的标志点；所述双目检测部分包括两个工业相机，两个工业相机放置在滑轨上，所述黑色圆片在工业相机的拍摄视场范围；所述伺服驱动控制部分与行星减速器的输入轴及工业相机连接。所述伺服驱动控制部分包括伺服电机、伺服驱动器、运动控制卡及计算机，所述工业相机与计算机连接，计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡依次与伺服驱动器、伺服电机及行星减速器的输入轴连接；伺服电机经由行星减速器减速后，驱动柔性臂固定端转动；两个工业相机采集柔性臂的振动信息输入计算机，计算机根据振动信息得到控制信号经由运动控制输入伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机的运转，进一步抑制柔性臂的弯曲振动。所述行星减速器固定在立柱上，所述立柱固定在底座平台上；所述滑轨通过支架支撑固定在底座平台上。所述黑色圆片具体为两个，均设置在柔性臂的横向中线上，且靠近自由端。两个黑色圆片相距为100mm。所述黑色圆片由硬纸板裁剪涂黑构成，直径为10mm。一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置的控制方法，包括如下步骤：第一步用激振小锤垂直击打柔性臂表面，激发柔性臂产生定点振动，或者启动伺服电机带动柔性臂做规划运动，激励柔性臂产生旋转运动；第二步工业相机采集柔性臂的振动图像，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，根据建立的基于双目相机的三维重建模型，得到黑色圆片的圆心的三维位置参数，进一步获得柔性臂的弯曲振动信息；第三步根据第二步得到的振动信息，计算运行相应的主动控制算法得到抑制振动信号，经由运动控制卡输出到伺服驱动器中，驱动伺服电机通过行星减速器抑制柔性臂的振动。所述建立三维重建模型，具体为：根据摄像机针孔成像原理，相机拍摄图像的像素点(u,v)和世界坐标系中的三维点(xw,yw,zw)之间存在如下映射关系：其中，fx,fy,u0,v0为相机内部参数，而矩阵R＝(rij)3×3和向量T＝(tx,ty,tz)T与相机的位置及姿态有关，称为相机外部参数，上述参数通过相机标定获取；假设世界坐标系下空间中任意一点P(x,y,z)在两相机拍摄下的像素坐标分别为p1(u1,v1)和p2(u2,v2)，代入映射关系的式中，采用最小二乘法求出代入后方程的解，从而完成任一点P(x,y,z)的三维重建模型；设黑色圆片的圆心在两个工业相机对应图像中的像素坐标对(u1,v1)和(u2,v2)，代入三维重建模型，完成特征点的三维重建。进一步的，柔性臂定点振动时，拍摄柔性臂初始状态的图像，处理得到圆片圆心特征点的三维坐标，取平均值作为特征点的初始世界坐标P0(x0,y0,z0)；激振之后，对采集到的图像进行处理得到圆心的世界坐标P(x,y,z)，对于小幅值振动，振动位移s可用点P和P0之间的欧式距离来衡量。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术采用双目视觉采集柔性臂振动信号，三维重建检测柔性臂的振动模态，具有非接触式测量的优点，相比于传统的接触式测量，不会增加柔性结构的附加质量，改变其结构特性，提高了测量精度；(2)本专利技术采用黑色圆片作为标志点，提出了一种新颖的振动测量模型，使柔性臂的定点和旋转振动都能在较大的视场范围内以较高的精度进行测量，而不需要特定限制条件或者其他辅助设备，使测量方式便于实施和推广；(3)本专利技术相机和柔性臂结构是整合在一起的，相对位置固定，其振动检测不受实验台整体振动或是其他运动状态的影响，从而可以适用于太空中柔性结构整体进行运动的情形；(4)本专利技术可以实现相机光轴和结构振动方向成一定夹角的倾角振动检测，具有较大的应用范围和实用价值。附图说明图1是采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置的总体结构示意图；图2是柔性臂的旋转振动检测模型示意图；图3是系统装置的控制算法框图。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，一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置，包括柔性臂本体、双目检测部分和伺服驱动控制部分。柔性臂4本体为研究对象，其为细长的矩形结构，一端由夹板固定在行星减速器的输出轴的连接件上，该端称为固定端，另一端为自由端。伺服电机2与行星减速器3连接固定在底座平台的立柱上，整体结构由立柱支撑。柔性臂的自由端靠近边缘处粘贴有两个黑色圆片5为作为视觉检测的标志点，两个黑色圆片均位于柔性臂的横向中线上，横向中线具体为该中线横向放置，本实施例中两个黑色圆片相距100mm。双目检测部分包括两个工业相机6，两个工业相机通过云台安放在滑轨7上，整体通过支架支撑，放置在底座平台上，相机的间距和整体相对于柔性臂的位置可调整，保证柔性臂的黑色圆片在相机的良好拍摄视场范围内。拍摄到的图像通过Gige网线接口直接传输到计算机，经过畸变校正、图像增强、图样特征提取等相应的图像处理得到柔性臂的振动信息。工业相机6选用德国Basler公司生产的型号为acA1600-60gc的GIGE相机，采用CMOS感光芯片，每秒最高60帧图像，1600×1200像素的分辨率；镜头选用理光公司生产的型号为FL-HC0614-2M的镜头，焦距为6mm，大小为Φ32mm×35.7mm；滑轨7选用MISUMI公司生产的型号为SENA33H-400-V10-W70的滑轨，长度为400mm。伺服驱动控制部分包括：柔性臂的旋转由伺服电机经行星减速器减速后产生，驱动柔性臂固定端的转动。其振动信息通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置，其特征在于，包括柔性臂本体、双目检测部分和伺服驱动控制部分；所述柔性臂本体包括柔性臂，柔性臂的一端由夹板固定在行星减速器的输出轴连接件上，该端称为固定端，其另一端称为自由端，在柔性臂的自由端粘贴黑色圆片作为双目检测的标志点；所述双目检测部分包括两个工业相机，两个工业相机放置在滑轨上，所述黑色圆片在工业相机的拍摄视场范围；所述伺服驱动控制部分与行星减速器的输入轴及工业相机连接。

【技术特征摘要】
1.一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置，其特征在于，包括柔性臂本体、双目检测部分和伺服驱动控制部分；所述柔性臂本体包括柔性臂，柔性臂的一端由夹板固定在行星减速器的输出轴连接件上，该端称为固定端，其另一端称为自由端，在柔性臂的自由端粘贴黑色圆片作为双目检测的标志点；所述双目检测部分包括两个工业相机，两个工业相机放置在滑轨上，所述黑色圆片在工业相机的拍摄视场范围；所述伺服驱动控制部分与行星减速器的输入轴及工业相机连接。2.根据权利要求1所述的柔性臂振动测控装置，其特征在于，所述伺服驱动控制部分包括伺服电机、伺服驱动器、运动控制卡及计算机，所述工业相机与计算机连接，计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡依次与伺服驱动器、伺服电机及行星减速器的输入轴连接；伺服电机经由行星减速器减速后，驱动柔性臂固定端转动；两个工业相机采集柔性臂的振动信息输入计算机，计算机根据振动信息得到控制信号经由运动控制输入伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机的运转，进一步抑制柔性臂的弯曲振动。3.根据权利要求1所述的柔性臂振动测控装置，其特征在于，所述行星减速器固定在立柱上，所述立柱固定在底座平台上；所述滑轨通过支架支撑固定在底座平台上。4.根据权利要求1所述的柔性臂振动测控装置，其特征在于，所述黑色圆片具体为两个，均设置在柔性臂的横向中线上，且靠近自由端。5.根据权利要求4所述的柔性臂振动测控装置，其特征在于，两个黑色圆片相距为100mm。6.根据权利要求5所述的柔性臂振动测控装置，其特征在于，所述黑色圆片由硬纸板裁剪涂黑构成，直径为10mm。7.基于权利要求2所述的柔性臂振动测控装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步用激振小锤垂直击打柔性臂表面，激...

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