CN109186912A - 基于摄像头的机械臂减振试验装置 - Google Patents

基于摄像头的机械臂减振试验装置 Download PDF

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CN109186912A
CN109186912A CN201810701069.5A CN201810701069A CN109186912A CN 109186912 A CN109186912 A CN 109186912A CN 201810701069 A CN201810701069 A CN 201810701069A CN 109186912 A CN109186912 A CN 109186912A
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Inventor
田薇
李曰兵
周明珏
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/06—Multidirectional test stands

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Abstract

一种基于摄像头的机械臂减振试验装置，第一步进电机的输出轴上套设有电机平衡支架，电机平衡支架的右端固定连接有连接臂，电机平衡支架的左端的第一滑槽内设有第一可调配重件；连接臂的左端与电机平衡支架的右端固定相连，连接臂的右端连接有第二步进电机；柔性悬臂的左端套设在第二步进电机的输出轴上，柔性悬臂的右端连接有平板；相机平衡支架的中间固定套设在第二步进电机的输出轴上，相机平衡支架的右端设有安装槽，相机可滑动且可定位的设置在安装槽上。相机平衡支架左端的第二滑槽内设有第二可调配重件；柔性悬臂上面向相机的一面设有压电片；相机、电荷放大器的输入端均与控制器电连接，电荷放大器的输出端与压电片电连接。

Description

基于摄像头的机械臂减振试验装置
技术领域
本发明涉及机械臂，尤其涉及一种基于摄像头的机械臂减振试验装置。
背景技术
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，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、可操作性强、效果直观的基于摄像头的机械臂减振试验装置，可对机械臂(即本申请中的连接臂和柔性悬臂)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。
本发明采用的技术方案是：
本申请实施例提供一种基于摄像头的机械臂减振试验装置，所述装置包括水平铺设的固定基座，第一步进电机固定在所述固定基座上，且所述第一步进电机的输出轴竖直向上延伸；
所述第一步进电机的输出轴上固定套设有电机平衡支架，且所述电机平衡支架与所述第一步进电机的输出轴相垂直；所述电机平衡支架的右端固定连接有连接臂，所述电机平衡支架的左端上开设有第一滑槽，所述第一滑槽内可左右滑动地设有用于平衡所述连接臂的第一可调配重件，且所述第一可调配重件和所述连接臂分别位于所述第一步进电机的输出轴的左右两侧；
所述连接臂与所述电机平衡支架相平行，且所述连接臂的左端与所述电机平衡支架的右端固定相连，所述连接臂的右端固定连接有第二步进电机；
所述第二步进电机的输出轴竖直向上，所述第二步进电机的输出轴上固定套设有柔性悬臂和相机平衡支架；
所述柔性悬臂与所述第二步进电机的输出轴相垂直，所述柔性悬臂的左端固定套设在第二步进电机的输出轴上，所述柔性悬臂的右端连接有用于设置标记点的平板，且所述平板与所述柔性悬臂相垂直；
所述相机平衡支架位于所述柔性悬臂的下方，所述相机平衡支架与所述第二步进电机的输出轴相垂直，所述相机平衡支架的中间固定套设在所述第二步进电机的输出轴上；所述相机平衡支架的右端设有安装槽，用于采集所述平板上的标记点的图像信息的相机可滑动且可定位的设置在所述安装槽上，所述相机的镜头面向所述平板；所述相机平衡支架的左端设有第二滑槽，所述第二滑槽内可左右滑动地设有用于平衡所述相机的第二可调配重件；
所述柔性悬臂上面向所述相机的一面设有用于调节柔性悬臂的振动幅度的压电片；
所述装置还包括控制器和电荷放大器，所述相机与控制器相连，且所述相机将采集的图像信息输送给控制器，所述控制器接收并处理所述图像信息以获得所述柔性悬臂的振动幅值信息；
所述电荷放大器的输入端与所述控制器电连接，所述电荷放大器的输出端与所述压电片电连接，所述控制器根据所述的振动幅值信息向所述控制电荷放大器输送对应电压，以控制压电片的振动幅度。
进一步的，所述电机平衡支架呈与第一步进电机的输出轴相垂直的板状，所述电机平衡支架上设有可套设在所述第一步进电机的输出轴上的第一通孔，所述第一通孔通过第一销固定在所述第一步进电机的输出轴上；所述电机平衡支架的左端开设有自左向右延伸的第一滑槽，所述电机平衡支架的右端上设有连接头，所述连接头通过螺栓与所述连接臂固定相连；所述第一滑槽和所述连接头分别位于所述第一通孔的左右两侧。
进一步的，所述第一可调配重件的前后两侧分别设有第一卡槽，所述第一卡槽分别卡设在所述第一滑槽的前后两侧，且所述第一可调配重件在所述第一滑槽内左右滑动。
进一步的，所述相机平衡支架呈与第二步进电机的输出轴相垂直的板状，所述相机平衡支架的中间设有可固定套设在所述第二步进电机的输出轴上的第二通孔，所述第二通孔通过第二销固定在所述第一步进电机的输出轴上；所述相机平衡支架的左端开设有自左向右延伸的第二滑槽，所述相机平衡支架的右端上设有自左向右延伸的安装槽，第二滑槽和所述安装槽分别位于所述第二通孔的左右两侧。
进一步的，所述第二可调配重件的前后两侧分别设有第二卡槽，所述第二卡槽分别卡设在所述第二滑槽的前后两侧，且所述第二可调配重件在所述第二滑槽内左右滑动。
进一步的，所述装置包括两条相平行的所述安装槽，且所述安装槽为腰型槽，所述相机的底面对应所述安装槽分别设有滑动螺栓，所述滑动螺栓可滑动地设置在所述安装槽内，滑动螺栓的顶端固定在相机的底面上，所述滑动螺栓的底端贯穿所述安装槽并通过螺母拧紧在所述安装槽内。
本发明的有益效果体现在：
(1)第一步进电机的输出轴转动，带动第二步进电机绕第一步进电机水平转动，第二步进电机的输出轴同时与柔性悬臂和相机平衡支架连接，第二步进电机转动，带动相机平衡支架和柔性臂绕着第二步进电机的输出轴水平转动；第一可调配重件可用于平衡整个连接臂右侧的重量；相机可滑动且可定位的设置在相机平衡支架的安装槽上，相机可沿着安装槽左右移动以调整照相位置，根据相机的重量和力矩，移动第二可调配重件可进行重量平衡，保证第二步进电机转动时，相机平衡支架保持平衡。电机平衡支架和相机平衡支架共同作用，为第一步进电机和第二步进电机电机的运转提供保障，提高了转动性能，同时保证了连接臂和柔性悬臂的平衡，确保相机的视角与观测点在一条直线上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。
(2)本发明能够模拟柔性悬臂的实际振动控制，并且结构简单。
(3)采用由连接臂和柔性悬臂组成的双关节柔性机械臂，能够试验不同自由度下机械臂的控制效果。
(4)采用相机，数据更加真实可靠，试验数据更加精确。
附图说明
图1是一实施例中本发明的结构示意图；
图2是一实施例中相机平衡支架的示意图；
图3是一实施例中电机平衡支架的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，本实施例提供一种基于摄像头的机械臂减振试验装置，所述装置包括水平铺设的固定基座3，第一步进电机1固定在所述固定基座3上，且所述第一步进电机1的输出轴竖直向上延伸；
具体的，固定基座3为平板状，可固定在地面或者工作台上。
所述第一步进电机1的输出轴上固定套设有电机平衡支架12，且所述电机平衡支架12与所述第一步进电机1的输出轴相垂直；所述电机平衡支架12的右端固定连接有连接臂4，所述电机平衡支架的左端上开设有第一滑槽20，所述第一滑槽20内可左右滑动地设有用于平衡所述连接臂4的第一可调配重件13，且所述第一可调配重件13和所述连接臂4分别位于所述第一步进电机1的输出轴的左右两侧；
具体的，将第一可调配重件13左右滑动到合适位置，可平衡连接臂4，以在电机平衡支架12随着第一步进电机1转动时，使电机平衡支架12的左右两端平衡，从而使得电机平衡支架12始终水平。
所述连接臂4与所述电机平衡支架12相平行，且所述连接臂4的左端与所述电机平衡支架12的右端固定相连，所述连接臂4的右端固定连接有第二步进电机2；
具体的，所述连接臂4的右端通过连接件与第二步进电机2固定相连，所述连接件的左端通过螺栓固定在连接臂4的右端上，所述连接件的右端呈框状，所述第二步进电机2的顶面与连接件的右端通过螺栓固定，且第二步进电机2的输出轴贯穿所述连接件的右端。
所述第二步进电机2的输出轴竖直向上，所述第二步进电机2的输出轴上固定套设有柔性悬臂5和相机平衡支架8；
所述柔性悬臂5与所述第二步进电机2的输出轴相垂直，所述柔性悬臂5的左端固定套设在第二步进电机2的输出轴上，所述柔性悬臂5的右端固定有用于设置标记点的平板，且所述平板与所述柔性悬臂相垂直；
具体的，所述柔性悬臂5和所述平板均为矩形薄板，柔性悬臂5的左端连接有套筒，所述套筒固定套设在所述第二步进电机2的输出轴上。所述柔性悬臂5由柔性材料制作(如铝片)，在柔性悬臂5转动时，柔性悬臂5的右端会产生相应振动。
所述相机平衡支架8位于所述柔性悬臂5的下方，所述相机平衡支架8与所述第二步进电机2的输出轴相垂直，所述相机平衡支架的中间固定套设在所述第二步进电机2的输出轴上；所述相机平衡支架8的右端设有安装槽16，用于采集所述平板上的标记点的图像信息的相机6可滑动且可定位的设置在所述安装槽16上，所述相机6的镜头7面向所述平板；所述相机平衡支架8的左端设有第二滑槽17，所述第二滑槽17内可左右滑动地设有用于平衡所述相机6的第二可调配重件14；
具体的，将第二可调配重件14左右滑动到合适位置，可平衡相机6，以在相机平衡支架8转动时，使相机平衡支架8的左右两端平衡，从而使得相机平衡支架8始终水平。
所述柔性悬臂5上面向所述相机6的一面设有用于调节柔性悬臂5的振动幅度的压电片9；
具体的，当电压作用于压电片9时，就会随电压的变化产生机械变形，从而引起柔性悬臂5振动，从而调节柔性悬臂5的振动幅度。
所述装置还包括控制器11和电荷放大器10，所述相机6与控制器11相连，且所述相机6将采集的图像信息输送给控制器11，所述控制器11接收并处理所述图像信息以获得所述柔性悬臂5的振动幅值信息；
所述电荷放大器10的输入端与所述控制器11电连接，所述电荷放大器10的输出端与所述压电片9电连接，所述控制器11根据所述的振动幅值信息向所述控制电荷放大器10输送对应电压，以控制压电片9的振动幅度，从而减弱所述柔性悬臂5的振动幅度。
具体的，当所述所述柔性悬臂5的振动幅值较大时，控制器11会向电荷放大器10输送对应电压，使压电片9反向振动(即与柔性悬臂5振动相反)，从而减弱柔性悬臂5的振动幅度，减小柔性悬臂5的振动幅值。
具体的，第一步进电机1的输出轴转动，带动第二步进电机2绕第一步进电机1水平转动，第二步进电机2的输出轴同时与柔性悬臂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5绕着第二步进电机2的输出轴水平转动。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，第一可调配重件13可用于平衡整个连接臂4右侧的重量。
相机6可滑动且可定位的设置在相机平衡支架8的安装槽18上，相机6可沿着安装槽18左右移动以调整照相位置，根据相机6的重量和力矩，移动第二可调配重件14可进行重量平衡，保证第二步进电机2转动时，相机平衡支架8保持平衡。电机平衡支架12和相机平衡支架8共同作用，保证了本发明的运转平衡。
进一步的，所述电机平衡支架12呈与第一步进电机1的输出轴相垂直的板状，所述电机平衡支架12上设有可套设在所述第一步进电机的输出轴上的第一通孔18，所述第一通孔通过第一销固定在所述第一步进电机1的输出轴上；所述电机平衡支架12的左端开设有自左向右延伸的第一滑槽20，所述电机平衡支架12的右端上设有连接头19，所述连接头19通过螺栓与所述连接臂4固定相连；所述第一滑槽20和所述连接头19分别位于所述第一通孔18的左右两侧。
进一步的，所述第一可调配重件13的前后两侧分别设有第一卡槽，所述第一卡槽分别卡设在所述第一滑槽20的前后两侧，且所述第一可调配重件13在所述第一滑槽内左右滑动。
进一步的，所述相机平衡支架8呈与第二步进电机2的输出轴相垂直的板状，所述相机平衡支架8的中间设有可固定套设在所述第二步进电机2的输出轴上的第二通孔15，所述第二通孔15通过第二销固定在所述第一步进电机1的输出轴上；所述相机平衡支架8的左端开设有自左向右延伸的第二滑槽17，所述相机平衡支架8的右端上设有自左向右延伸的安装槽16，第二滑槽17和所述安装槽16分别位于所述第二通孔15的左右两侧。
进一步的，所述第二可调配重件14的前后两侧分别设有第二卡槽，所述第二卡槽分别卡设在所述第二滑槽17的前后两侧，且所述第二可调配重件14在所述第二滑槽17内左右滑动。
进一步的，所述装置包括两条相平行的所述安装槽16，且所述安装槽16为腰型槽，所述相机6的底面对应所述安装槽16分别设有滑动螺栓，所述滑动螺栓可滑动地设置在所述安装槽16内，滑动螺栓的顶端固定在相机6的底面上，所述滑动螺栓的底端贯穿所述安装槽16并通过螺母拧紧在所述安装槽16内。
具体的，将所述相机的滑动螺栓沿着安装槽16移动到合适的位置后，再用螺母将相机6拧紧在所述安装槽16内即可。
相机6配置镜头7，其输出端口与控制器11电连接，相机6将采集的图形信息传送给控制器11。
控制器11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。
本发明的使用方法，具体步骤如下：
第1步：首先在柔性悬臂5自由端的平板上标记，即在平板上设置一个标记点；然后根据所述标记点的位置，调整相机6的焦距光圈，以保证相机6采集的图像清晰可用，且定义此时标记点位于初始位置；
第2步：启动第二步进电机2、第一步进电机1和相机6，并使第二步进电机2按不同转速转动，第一步进电机1按不同转速转动；相机6采集第二步进电机2不同转速下和第一步进电机1不同转速下标记点的实时图像信息，并将所述图像信息实时传入控制器11内；
第3步：控制器11结合相机6的分辨率和视野范围并根据接收的来自相机6的图像信息，得到柔性悬臂5的实时振动幅值，具体步骤如下：
定义标记点的质心在图像坐标系中(图像坐标系即在每幅图像中，以图像的左下角为原点，以经过所述原点且相互垂直的两条直线分别作为横轴和竖轴建立的坐标系)的初始坐标为D0(x0,y0)，对之后的第i(其中i为正整数)帧图像进行阈值分割(阈值分割是一种图像处理方法，要根据实际振动控制环境，如光线明暗、摄像头的清晰度等条件确定阈值进行图像识别)和质心检测(即通过阈值分割处理图片后，标记点是一个圆形区域，通过图像处理中的质心检测方法，确定圆形区域的中心点为观测点)，以得到第i帧图像中标记点的质心坐标Di(xi,yi)，此时标记点相对于初始坐标D0(x0,y0)在水平和垂直方向的位移分别为：
其中，Ax(i)为水平位移，Ay(i)为竖直位移，a、b分别为相机所采集图像的横向的像素总数和纵向的像素总数；m、n分别为相机实际视野范围的横向宽度和纵向宽度，xi为第i帧图像中标记点的横坐标，yi为第i帧图像中标记点的纵坐标，x0为标记点在初始位置时的横坐标，y0为标记点在初始位置时的纵坐标；
柔性悬臂5的实时振动幅值A(i)为：
第4步：根据实时振动幅值A(i)，结合压电片9和柔性悬臂5的模态参数(包括一阶模态阻尼和一阶模态频率)，得到压电片9的应力大小，具体步骤如下：
定义初始位置下标记点至压电片9的距离为l，结合实时振动幅值，控制器11得到压电片9的实时应力为：
式中，EI为柔性悬臂5的抗弯刚度，F(i)为压电片9处的实时应力，且F(i)的正负代表应力方向，其中，当F(i)＜0，表示压电片9处的实时应力向下；当F(i)＞0，表示压电片9处的实时应力向上；A′(i)是振幅位移的一阶导数，表示柔性悬臂5的振动速度。
第5步：根据F(i)的大小，控制器11控制电荷放大器10，输出相应电压，以使得压电片9与柔性悬臂5反方向振动，从而减弱柔性悬臂5的振动；再次计算此时的柔性悬臂5的振动幅值A(i)来验证控制效果，当振动幅值A(i)下降即表明控制效果较好，反之说明控制效果不好。
综上所述，本发明提供的方法构建的基于摄像头的机械臂减振试验系统，在不接触的前提下，可以实现对柔性悬臂5的振动控制，并通过检测振动控制前后柔性悬臂的振动幅值的大小来验证控制效果，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。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的例举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述装置包括水平铺设的固定基座，第一步进电机固定在所述固定基座上，且所述第一步进电机的输出轴竖直向上延伸；
所述第一步进电机的输出轴上固定套设有电机平衡支架，且所述电机平衡支架与所述第一步进电机的输出轴相垂直；所述电机平衡支架的右端固定连接有连接臂，所述电机平衡支架的左端上开设有第一滑槽，所述第一滑槽内可左右滑动地设有用于平衡所述连接臂的第一可调配重件，且所述第一可调配重件和所述连接臂分别位于所述第一步进电机的输出轴的左右两侧；
所述连接臂与所述电机平衡支架相平行，且所述连接臂的左端与所述电机平衡支架的右端固定相连，所述连接臂的右端固定连接有第二步进电机；
所述第二步进电机的输出轴竖直向上，所述第二步进电机的输出轴上固定套设有柔性悬臂和相机平衡支架；
所述柔性悬臂与所述第二步进电机的输出轴相垂直，所述柔性悬臂的左端固定套设在第二步进电机的输出轴上，所述柔性悬臂的右端连接有用于设置标记点的平板，且所述平板与所述柔性悬臂相垂直；
所述相机平衡支架位于所述柔性悬臂的下方，所述相机平衡支架与所述第二步进电机的输出轴相垂直，所述相机平衡支架的中间固定套设在所述第二步进电机的输出轴上；所述相机平衡支架的右端设有安装槽，用于采集所述平板上的标记点的图像信息的相机可滑动且可定位的设置在所述安装槽上，所述相机的镜头面向所述平板；所述相机平衡支架的左端设有第二滑槽，所述第二滑槽内可左右滑动地设有用于平衡所述相机的第二可调配重件；
所述柔性悬臂上面向所述相机的一面设有用于调节柔性悬臂的振动幅度的压电片；
所述装置还包括控制器和电荷放大器，所述相机与控制器相连，且所述相机将采集的图像信息输送给控制器，所述控制器接收并处理所述图像信息以获得所述柔性悬臂的振动幅值信息；
所述电荷放大器的输入端与所述控制器电连接，所述电荷放大器的输出端与所述压电片电连接，所述控制器根据所述的振动幅值信息向所述控制电荷放大器输送对应电压，以控制压电片的振动幅度。
2.如权利要求1所述的基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述电机平衡支架呈与第一步进电机的输出轴相垂直的板状，所述电机平衡支架上设有可套设在所述第一步进电机的输出轴上的第一通孔，所述第一通孔通过第一销固定在所述第一步进电机的输出轴上；所述电机平衡支架的左端开设有自左向右延伸的第一滑槽，所述电机平衡支架的右端上设有连接头，所述连接头通过螺栓与所述连接臂固定相连；所述第一滑槽和所述连接头分别位于所述第一通孔的左右两侧。
3.如权利要求2所述的基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述第一可调配重件的前后两侧分别设有第一卡槽，所述第一卡槽分别卡设在所述第一滑槽的前后两侧，且所述第一可调配重件在所述第一滑槽内左右滑动。
4.如权利要求1所述的基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述相机平衡支架呈与第二步进电机的输出轴相垂直的板状，所述相机平衡支架的中间设有可固定套设在所述第二步进电机的输出轴上的第二通孔，所述第二通孔通过第二销固定在所述第一步进电机的输出轴上；所述相机平衡支架的左端开设有自左向右延伸的第二滑槽，所述相机平衡支架的右端上设有自左向右延伸的安装槽，第二滑槽和所述安装槽分别位于所述第二通孔的左右两侧。
5.如权利要求4所述的基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述第二可调配重件的前后两侧分别设有第二卡槽，所述第二卡槽分别卡设在所述第二滑槽的前后两侧，且所述第二可调配重件在所述第二滑槽内左右滑动。
6.如权利要求1所述的基于摄像头的机械臂减振试验装置，其特征在于：所述装置包括两条相平行的所述安装槽，且所述安装槽为腰型槽，所述相机的底面对应所述安装槽分别设有滑动螺栓，所述滑动螺栓可滑动地设置在所述安装槽内，滑动螺栓的顶端固定在相机的底面上，所述滑动螺栓的底端贯穿所述安装槽并通过螺母拧紧在所述安装槽内。
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