CN108664753A - 一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种采用双目三维重建的柔性臂振动测控装置与方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明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。

本发明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。

本发明采用如下技术方案：

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(x_w,y_w,z_w)之间存在如下映射关系：

其中，f_x,f_y,u₀,v₀为相机内部参数，而矩阵R＝(r_ij)_3×3和向量T＝(t_x,t_y,t_z)^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。

本发明的有益效果：

(1)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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-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。其振动信息通过附着的黑色圆片来承载，

伺服电机2的控制信号分为两部分，一部分根据规划运动的输出规划得到，另一部分由计算机10根据采集到的柔性臂4振动信息通过主动振动控制算法处理得到；总的控制信号通过综合两部分信号得出，经由运动控制卡9的数据IO通道输入伺服驱动器8；伺服驱动器8根据相应控制模式控制伺服电机2的运转，进而在保证规划运动平稳运行的基础上抑制柔性臂4的弯曲振动。

立柱1使用普通的45号碳钢加工而成；伺服电机2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；行星减速器3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64：1，额定输出扭矩为27～77N*m；柔性臂4尺寸为600mm×100mm×2mm，选用环氧树脂材料制成，其弹性模量为Ep＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m3；两个黑色圆片5由硬纸片裁剪涂黑而成，直径为10mm，间距约为100mm，黑色主要是为了方便图像处理。

基于上述柔性臂振动控制装置的控制方法，具体为：

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。

由于柔性臂4振动信息通过附着的黑色圆片5来承载和反映，所以柔性臂4上的特征点即为附着的黑色圆片5的圆心，双目三维重建的对象亦即圆片圆心的空间坐标。这里的空间坐标指双目测量模型中建立的世界坐标系下的三维坐标，所以首先需要建立双目测量模型。

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(x_w,y_w,z_w)之间存在如下映射关系：

式中，f_x,f_y,u₀,v₀四个参数只与相机内部结构有关，称为相机内部参数；而矩阵R＝(r_ij)_3×3和向量T＝(t_x,t_y,t_z)^T与相机的位置及姿态有关，而与相机结构无关，称为相机外部参数。这些参数都可以通过相机标定获取，标定方法一般采用张正友提出的棋盘格标定法。

两个相机都完成标定后，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)，代入式(1)中并消去z_c项，可以得到以下关于(x,y,z)的超定齐次方程组，其中上标表示对应相机的参数：

采用最小二乘法可求出方程的解，从而完成任意点P(x,y,z)的三维重建。

由上述可知，特征点(即圆片圆心)的三维重建需要其在两个相机拍摄图像中的像素坐标，而对相机采集的图像序列进行图像处理的过程即是特征点像素坐标获取的过程。对于实时采集的图像，首先需要校正因镜头产生的图像畸变，降低图像像素误差。然后进行图像预处理，包括图像ROI(感兴趣区域)提取、图像滤波和阈值分割等，目的是降低图像噪声，突出特征图样，提高图像处理的速度和准确性。接着进行边缘检测和提取，以便分离和提取出黑色圆片的轮廓，并对其轮廓以椭圆拟合，从而得到圆心的像素坐标。通过以上处理得到圆片圆心在两个相机下对应图像中的像素坐标对(u₁,v₁)和(u₂,v₂)，代入式(2)中得到圆心的空间坐标，完成特征点的三维重建。

柔性臂振动分为定点振动和旋转振动两种类型：定点振动指伺服电机静止时对柔性臂人为激振产生的定点自由振动；旋转振动指伺服电机带动柔性臂作规划运动时由电机输出激励产生的振动。针对不同类型的振动测量模型也有所不同。

对于定点振动，首先需要明确柔性臂的初始状态，故在激振前先拍摄60帧臂的静止状态图像，依次处理得到圆片圆心特征点P的三维坐标后，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，正负基于z(t)-z₀的符号来判定，即：

对于旋转振动，其振动模型如图2所示。首先和定点振动检测一样，用同样的方法确定圆心P初始点的世界坐标P₀(x₀,y₀,z₀)。假设在某一时刻，柔性臂中心刚体转过θ角(θ值可以根据电机编码器转角读数经过换算后得到)，P点的世界坐标为P(x,y,z)；另假设若空间点P₀绕中心轴刚性旋转θ角后到达点P′＝(x′,y′,z′)，则柔性臂旋转过程的振动位移s可用点P到平面OP′Q的距离来衡量，正负基于点P相对于平面OP′Q的位置来判定，即：

其中点Q为轴n上的任意一点，轴n即为柔性臂的中心转轴。

使用相机采集柔性臂以初始位置为基准转角在±45°范围内(视场范围内)均布的一系列图像，然后通过图像处理得到P点的一系列空间坐标。以采集的P点空间坐标集合为基础，利用MATLAB的cftool工具箱可以拟合得到轴n上任一点Q的坐标以及轴n的方向向量，进而根据四元数旋转公式求出点P′的空间坐标P′＝(x′,y′,z′)，代入式(4)中即可求出柔性臂的旋转位移。

综上，柔性臂的弯曲振动检测得以实现。

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。

伺服驱动组件主要用于驱动伺服电机的运转，进而驱动柔性臂的旋转以及对其弯曲振动进行控制。伺服电机的控制信号由两部分组成，一部分根据规划运动的输出得到(无规划时输出为零)，另一部分由计算机根据采集到的柔性臂振动信息通过主动振动控制算法处理得到；总的控制信号综合两部分信号得出，经由运动控制卡的数据IO通道输入伺服驱动器。伺服驱动器根据相应控制模式控制伺服电机的运转，进而在保证规划运动平稳运行的基础上抑制柔性臂的弯曲振动。伺服驱动器选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGDV-2R8F01A000000的伺服单元，单相AC100V输入，最大适用电机容量0.4kW；运动控制卡选用美国GALIL公司生产的DMC-18x6数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口，内部集成了A/D和D/A模块；计算机选用的CPU型号为core i7 6650U，主频为2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向；图3显示了由振动信号检测环节和振动控制环节组成的整个闭环系统控制框图，其中r表示电机的规划运动输入，当r＝0时表示定点振动控制，当r≠0时表示旋转振动控制。

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 (9)

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，计算机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。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，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(x_w,y_w,z_w)之间存在如下映射关系：

其中，f_x,f_y,u₀,v₀为相机内部参数，而矩阵R＝(r_ij)_3×3和向量T＝(t_x,t_y,t_z)^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。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，

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。