CN107398926B - 一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置及方法，包括机械本体部分及检测控制部分；所述机械本体部分包括第一、第二及第三伺服电机、滚珠丝杠、底座、第一及第二柔性臂、第一及第二减速器和实验台，所述检测控制部分包括伺服电机检测控制单元、CCD相机检测控制单元及压电驱动器检测控制单元；本发明为一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且各控制之间相互耦合，电机既有模拟量输出控制，又有脉冲量控制，既有电机驱动控制，还有压电驱动控制，利用该装置可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究。
Description
技术领域
本发明涉及柔性机器人领域，具体涉及一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，机器人技术不断朝着轻质、高速度和高精度的方向发展，特别是进入二十一世纪以来，人类对太空的探索不断深入，考虑到外太空环境的恶劣和复杂性以及宇航员自身安全，在执行复杂的空间探索和操作任务时，十分有必要采用结合航空技术和机器人技术的机械臂结构来代替航天员完成这些任务。因此对机械臂的结构设计和振动控制技术的研究已经成为机器人技术和航空航天领域的一个重要研究方向。
传统的工业机器人为了避免产生定位误差和机械振动，手臂一般都被设计成刚性结构，随着航天事业的飞速发展，空间机械臂索要完成的任务复杂度日益增加，其对结构和性能的要求也越来越高，复杂的任务使得空间机械臂的结构越来越大，另一方面为了降低航天成本和机械臂能量消耗，并且保证其灵活性，空间机械臂往往采用新型轻质材料制造，因此，空间机械臂朝着低刚度、高精度和柔性化的趋势发展。从单自由度的柔性机械臂开始，柔性机械臂的研究发轫于上世纪80年代，随着机械臂所执行的任务越来越复杂，单自由度的柔性机械臂无法满足使用需要，两自由度柔性机械臂的研究随之兴起，其中最为著名的为加拿大航空署为国际空间站设计的加拿大臂二号(SSRMS-2)，与传统的刚性机械臂相比，柔性机械臂具有轻质、高响应速度、高载重/自重比等特点，但同时由于其低刚度和大扰度的特点，当收到外部激励时，两自由度柔性机械臂很容易产生的自身低频率、大幅度的弹性振动，从而导致其在使用过程中也存在一些问题，以空间站的第一阶段的装配为例，空间柔性机械臂系统需要工作47小时左右，但其约有20％～30％的时间用于等待其自身残余振动的衰减，同时为了避免机械臂运动过程中产生较大的弹性振动，机械臂的展开过程也需要较长时间,这些问题显然与柔性机械臂高速高精的工作要求不符，影响了机械臂工作的定位精度，弹性振动将是结构产生过早的疲劳破坏，同时可能引发系统共振导致系统破坏和失效，因此如何正确分析两自由度柔性机械臂的动力特性和驱动特性并对其运动过程中的弹性振动的抑制显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置，包括：机械本体部分及检测控制部分；
所述机械本体部分包括第一、第二及第三伺服电机、滚珠丝杠、底座、第一及第二柔性臂、第一及第二减速器和实验台；
所述第一伺服电机驱动滚珠丝杠上的滑块运动，滚珠丝杠的基座固定在底座上，所述底座固定在实验台上；
第二伺服电机安装在第一减速器的输入端，第一减速器的基座与滚珠丝杠的滑块连接，第一减速器的输出端与第一柔性臂的一端连接；
第三伺服电机与第二减速器的输入端连接，第二减速器的基座与第一柔性臂的另一端连接，第二减速器的输出端与第二柔性臂的一端连接，第二柔性臂的另一端为自由端；
所述检测控制部分包括伺服电机检测控制单元、CCD相机检测控制单元及压电驱动器检测控制单元；
所述伺服电机检测控制单元包括第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器，所述光电编码器分别检测相应伺服电机转动的角位移通过运动控制卡的三个通道输入到计算机中，计算机经过处理后分别经过运动控制卡输出到伺服电机驱动器进一步驱动三个伺服电机的转动；
所述CCD相机检测控制单元包括CCD相机及标志板，所述CCD相机安装在第二柔性臂的自由端，所述标志板位于CCD相机的下方，CCD相机的光轴与标志板垂直，所述CCD相机拍摄标志板图像，获取当前像素点，输入计算机得到目标像素点和当前像素点的差值进一步得到伺服电机的控制信号，通过运动控制卡输出伺服驱动器进一步驱动伺服电机实现第一柔性臂的位置和姿态控制；
所述压电驱动器检测控制单元包括压电片传感器及压电驱动器，每根柔性臂粘贴一片压电片传感器，所述压电驱动器粘贴在柔性臂上，所述压电片传感器检测柔性臂的振动信号，通过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；
计算机根据输入的振动信号得到相应的控制信号，输出运动控制卡进一步输入到伺服驱动器及压电放大电路，驱动压电驱动器及伺服电机分别抑制第一及第二柔性臂的振动。
所述标志板设置在底座的左侧，且位于CCD相机的视野范围内。
第二柔性臂粘贴一片压电片传感器，靠近CCD相机一侧，且位于第二柔性臂宽度方向的中线上；
第一柔性臂粘贴一片压电片传感器，靠近第一减速器一端，且位于第一柔性臂宽度方向的中线上。
所述压电驱动器包括第一及第二压电驱动器，所述第一压电驱动器由四片压电片构成，粘贴在第一柔性臂上，每面2片，且关于第一柔性臂宽度方向中线对称，并联连接；
所述第二压电驱动器由四片压电片构成，粘贴在第二柔性臂上，每面2片，且关于第二柔性臂宽度方向中线对称，并联连接。
所述标识卡为矩形，表面印制有大小渐变的黑白块。
一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器分别检测各个相应的伺服电机转动的角位移，信号经过运动控制卡输入到计算机；
CCD相机实时采集标识卡的图像，获取当前像素点，经计算机处理后，得到目标像素点和当前值的差值；
压电片传感器分别检测两个柔性臂的振动信号，通过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；
第二步计算机接收到伺服电机转动的角位移信号，计算机经过处理后输出伺服电机转动信号，经过运动控制卡输出伺服驱动器进一步控制三个伺服电机转动；
计算机根据压电片传感器输入的振动信号得到相应的控制信号，输出运动控制卡进一步输入到伺服驱动器及压电放大电路，驱动压电驱动器及伺服电机分别抑制第一及第二柔性臂的振动；
计算机根据CCD相机的图像信号，输出控制信号控制伺服电机的转动实现第一柔性臂的位置和姿态控制。
本方法为多通道的检测和控制方法。
本发明的有益效果：
(1)本三自由度柔性机器人装置是一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且各控制之间相互耦合，电机既有模拟量输出控制，又有脉冲量控制，既有电机驱动控制，还有压电驱动控制，利用该装置可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究。
(2)本装置结合机器视觉检测装置可实现柔性臂的位姿检测，结合控制部分可完成三自由度柔性机械臂的定位、末端路径规划和避障等任务，也为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。
(3)本装置还可以通过多传感器信息融合进行多体柔性机器人的动力学模型辨识，以及基于多传感器的主动振动控制研究。
附图说明
图1是本发明柔性机械臂装置总体结构示意图。
图2是本发明标志板俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置，第一伺服电机14通过联轴器13驱动滚珠丝杠12的滑块运动，滚珠丝杠12的基座固定在底座17上，底座17通过螺栓固定在实验台上。
所述第二伺服电机11通过法兰连接安装在第一减速器10的输入端，第一减速器的基座通过机械连接装置与滑块连接，第一减速器10输出端通过第一法兰盘机械连接装置9与第一柔性臂6的一端连接，第一柔性臂6在第二伺服电机11通过第一减速器10驱动后可随第一法兰盘机械连接装置9转动。
所述第三伺服电机15通过法兰安装在第二减速器16的输入端，第二减速器16的基座与第一柔性臂6的另一端通过机械装置连接，第二减速器16的输出端通过第二法兰盘机械连接装置5与第二柔性臂2的一端连接，所述第二柔性臂2的另一端上安装一CCD相机1，用于标定位置的标志板18放置在CCD相机的下方，CCD相机的光轴与标志板垂直，设置在实验台19的左侧，且位于实验台宽度方向的中间位置，CCD相机1实时检测当前拍摄的图像，获取当前像素点，经计算机23处理后，得到得到目标像素点和当前值的差值，通过控制伺服电机的转动实现对第一柔性臂6的位置和姿态控制；
压电驱动器包括第一压电驱动器8及第二压电驱动器4，第一及第二压电驱动器均由四片压电陶瓷片构成，压电片传感器包括第一压电片传感器7及第二压电片传感器3，所述第一压电驱动器粘贴在第一柔性臂上，两面对称粘贴，每面两片，并联连接，具体位于第一柔性臂靠近第一法兰盘机械连接装置9的一端，关于第一柔性臂宽度方向中线对称，在宽度方向上距离上下第一柔性臂6边缘为2cm；所述第一压电片传感器由一片压电片构成，粘贴在第一柔性臂宽度方向的中线上，位于第一压电驱动器的中间位置。
第二压电驱动器4粘贴在第二柔性臂上，正反两面粘贴，每面两片，并联连接，关于第二柔性臂宽度方向中线对称，距离第二柔性臂一端2.5厘米，距离上下边缘为2厘米，所述第二压电片传感器粘贴在固定端宽度方向的中线上，距离固定端7.5厘米。
图1中的虚线连接表示电信号与驱动控制装置的连接图。
所述第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器，分别检测相应的伺服电机转动的角位移，信号经过运动控制卡22的三个通道进入计算机23，计算机23处理后，分别经过运动控制卡22的三个通道输出控制量输出伺服驱动器20进一步控制三个伺服电机的转动。
CCD相机实时拍摄标识卡的图像，获取当前像素点经计算机23处理后，得到目标像素点和当前值的差值，通过控制伺服电机的转动实现对第一柔性臂6的位置和姿态控制；
通过第一及第二压电片传感器检测第一柔性臂及第二柔性臂的振动信号，由电荷放大器24输入到运动控制卡22中进行A/D转换后输入到计算机23，得到振动信号，经计算机处理后输出控制信号，控制信号经由控制卡D/A转换后的其中模拟量输出的两个通道，经过压电放大电路21后分别输出到第一压电驱动器8和第二压电驱动器4，从而分别抑制第一柔性臂6和第二柔性臂2的振动。
一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量控制方法，包括如下步骤：
第一步第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器分别检测各个相应的伺服电机转动的角位移，信号经过运动控制卡输入到计算机；
CCD相机实时采集标识卡的图像，获取当前像素点，经计算机处理后，得到目标像素点和当前值的差值；
压电片传感器分别检测两个柔性臂的振动信号，通过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；
第二步计算机接收到伺服电机转动的角位移信号，计算机经过处理后输出伺服电机转动信号，经过运动控制卡输出伺服驱动器进一步控制三个伺服电机转动；
计算机根据压电片传感器输入的振动信号得到相应的控制信号，输出运动控制卡进一步输入到伺服驱动器及压电放大电路，驱动压电驱动器及伺服电机分别抑制第一及第二柔性臂的振动；
计算机根据CCD相机的图像信号，输出控制信号控制伺服电机的转动实现第一柔性臂的位置和姿态控制。
本发明为多通道的检测和控制，第一柔性臂6和第二柔性臂2的振动可以分别采用第一压电驱动器8和第二压电驱动器4抑制，也可采用第一伺服电机14、第二伺服电机11和第三伺服电机15的伺服动作同时实现转角及移动定位和振动控制，第一柔性臂6末端的机器视觉检测装置可实现柔性臂的位姿检测，结合控制部分可完成三自由度柔性机械臂的定位、末端路径规划和避障等任务。
在本实施例中，第一柔性臂6和第二柔性臂2由3mm环氧树脂板制成，大小分别为480mm*100mm和500mm*100mm；标志板18规格为550mm*480mm*5mm，具体图案可根据实际情况定制，本发明采用大小渐变的矩形，材料为铝合金板；伺服电机分别选用日本三菱公司生产的400瓦和100瓦交流伺服电机，其中第一伺服电机14和第二伺服电机的型号为HC-KFS43，伺服驱动器为MR-J2S-40A，第三伺服电机的型号为HC-KFS13，伺服驱动器为MR-J2S-10A；联轴器可选金属膜片联轴器轻质铝合金双膜片；滚珠丝杠3选用日本THK公司生产的LM滚动导轨智能组合单元KR型的结构，行程600mm丝杆导轨系统；第一减速器和第二减速器可选用德国的纽卡特公司生产的法兰盘输出减速器，第一减速器的型号为PLFN-90，第二减速器的型号为PLFN-64；选用日本Hitachi公司生产的KP-FM400WCL彩色400万像素高速工业相机，其采用1英寸图像传感器、高性能数字处理器，有效分辨率到达2048×2048，帧率150帧/秒，高清晰度与高帧率同时实现，采用标准C-Mount接口，外壳尺寸：44×44×41mm，供电要求：12VDC；镜头型号M1614-MP2，焦距为12mm，大小为Φ33.5mm×28.2mm，图像最大尺寸为8.8mm×6.6mm，接口为C接口；采用美国GALIL公司生产的型号为DMC-18x6PCI的4轴运动控制卡。与计算机的连接方式为PCI连接，不需要编写相关的串口程序就可以实现计算机与试验台数据的直接传输和获取，减少了数据的转换过程，提高了人机操作与控制器处理的速度；
采用此方案，设计了基于Visual C++软件开发平台的C++语言编程方案人机界面，在控制过程中通过设计友好的人机界面可以实时显示相关测量信号和控制信号动态曲线，便于实时观测以及控制的开启和关闭、控制策略参数的修改输入、数据保存等操作，便于实时调试时分析和修改参数。
压电放大电路的电压放大器可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。
本发明采用安装在柔性臂末端的高速相机作为位移检测装置用于柔性机械臂末端定位，同时对三个自由度的运动轨迹进行规划，可使柔性机械臂末端以多种不同的姿态定位到同一位置；采用压电陶瓷传感器和机器视觉传感器测量两柔性臂在运动过程中及运动结束后的振动信息，结合主动控制算法，通过压电陶瓷片驱动器分别对柔性机械臂运动过程中产生的振动进行主动控制，且比较各自的控制效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置，其特征在于，包括：机械本体部分及检测控制部分；
所述机械本体部分包括第一、第二及第三伺服电机、滚珠丝杠、底座、第一及第二柔性臂、第一及第二减速器和实验台；
所述第一伺服电机驱动滚珠丝杠上的滑块运动，滚珠丝杠的基座固定在底座上，所述底座固定在实验台上；
第二伺服电机安装在第一减速器的输入端，第一减速器的基座与滚珠丝杠的滑块连接，第一减速器的输出端与第一柔性臂的一端连接；
第三伺服电机与第二减速器的输入端连接，第二减速器的基座与第一柔性臂的另一端连接，第二减速器的输出端与第二柔性臂的一端连接，第二柔性臂的另一端为自由端；
所述检测控制部分包括伺服电机检测控制单元、CCD相机检测控制单元及压电驱动器检测控制单元；
所述伺服电机检测控制单元包括第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器，所述光电编码器分别检测相应伺服电机转动的角位移通过运动控制卡的三个通道输入到计算机中，计算机经过处理后分别经过运动控制卡输出到伺服电机驱动器进一步驱动三个伺服电机的转动；
所述CCD相机检测控制单元包括CCD相机及标志板，所述CCD相机安装在第二柔性臂的自由端，所述标志板位于CCD相机的下方，CCD相机的光轴与标志板垂直，所述CCD相机拍摄标志板图像，获取当前像素点，输入计算机得到目标像素点和当前像素点的差值进一步得到伺服电机的控制信号，通过运动控制卡输出伺服驱动器进一步驱动伺服电机实现第一柔性臂的位置和姿态控制；
所述压电驱动器检测控制单元包括压电片传感器及压电驱动器，每根柔性臂粘贴一片压电片传感器，所述压电驱动器粘贴在柔性臂上，所述压电片传感器检测柔性臂的振动信号，通过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；
计算机根据输入的振动信号得到相应的控制信号，输出运动控制卡进一步输入到伺服驱动器及压电放大电路，驱动压电驱动器及伺服电机分别抑制第一及第二柔性臂的振动；
第一伺服电机和第二伺服电机的型号相同。
2.根据权利要求1所述的柔性臂振动测量装置，其特征在于，所述标志板设置在底座的左侧，且位于CCD相机的视野范围内。
3.根据权利要求1所述的柔性臂振动测量装置，其特征在于，第二柔性臂粘贴一片压电片传感器，靠近CCD相机一侧，且位于第二柔性臂宽度方向的中线上；
第一柔性臂粘贴一片压电片传感器，靠近第一减速器一端，且位于第一柔性臂宽度方向的中线上。
4.根据权利要求1所述的柔性臂振动测量装置，其特征在于，所述压电驱动器包括第一及第二压电驱动器，所述第一压电驱动器由四片压电片构成，粘贴在第一柔性臂上，每面2片，且关于第一柔性臂宽度方向中线对称，并联连接；
所述第二压电驱动器由四片压电片构成，粘贴在第二柔性臂上，每面2片，且关于第二柔性臂宽度方向中线对称，并联连接。
5.根据权利要求1所述的柔性臂振动测量装置，其特征在于，所述标志板为矩形，表面印制有大小渐变的黑白块。
6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性臂振动测量装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步 第一、第二及第三伺服电机自带的光电编码器分别检测各个相应的伺服电机转动的角位移，信号经过运动控制卡输入到计算机；
CCD相机实时采集标志板的图像，获取当前像素点，经计算机处理后，得到目标像素点和当前值的差值；
压电片传感器分别检测两个柔性臂的振动信号，通过电荷放大器及运动控制卡输入到计算机中；
第二步 计算机接收到伺服电机转动的角位移信号，计算机经过处理后输出伺服电机转动信号，经过运动控制卡输出伺服驱动器进一步控制三个伺服电机转动；
计算机根据压电片传感器输入的振动信号得到相应的控制信号，输出运动控制卡进一步输入到伺服驱动器及压电放大电路，驱动压电驱动器及伺服电机分别抑制第一及第二柔性臂的振动；
计算机根据CCD相机的图像信号，输出控制信号控制伺服电机的转动实现第一柔性臂的位置和姿态控制。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，本方法为多通道的检测和控制方法。
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