CN109822619B - 一种柔性机器人应力检测机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料表面为大曲率的微变形测量装置，特别涉及一种柔性机器人应力检测机构。包括激光发生器、扫描振镜、传感器及控制系统，其中激光发生器用于在被检测材料受载荷前后表面的检测点发射激光束，激光束在该检测点产生反射轨迹；扫描振镜设置于激光发生器的前端，用于控制激光束的偏转角度；传感器用于采集激光束和反射轨迹的图像信号，且将该图像信号发送至控制系统；控制系统用于控制激光发生器及接收传感器发送的图像信号、且对获得的该图像信号进行处理，从而获得检测点的微变形。本发明使微变形测量获得更高数量级的精度，尤其是可获得高精度的表面曲率数值。

Description

一种柔性机器人应力检测机构

技术领域

本发明涉及一种材料表面为大曲率的微变形测量装置，特别涉及一种柔性机器人应力检测机构。

背景技术

一般地，三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以获取空间点位及其变化信息。但是，现有的三维激光扫描是典型的云点技术，其微变形测量获得的精度不高，尤其是难以获得高精度的表面曲率数值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性机器人应力检测机构，该机构使微变形测量获得更高数量级的精度，尤其是可获得高精度的表面曲率数值。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性机器人应力检测机构，包括激光发生器、扫描振镜、传感器及控制系统，其中，

所述激光发生器用于在被检测材料受载荷前后表面的检测点发射激光束，所述激光束在该检测点产生反射轨迹；

所述扫描振镜设置于所述激光发生器的前端，用于控制所述激光束的偏转角度；

所述传感器用于采集所述激光束和所述反射轨迹的图像信号，且将该图像信号发送至所述控制系统；

所述控制系统用于控制所述激光发生器及接收所述传感器发送的图像信号、且对获得的该图像信号进行处理，从而获得检测点的微变形。

所述传感器至少为三个、且分布在所述被检测材料的周围。

所述传感器为三个、且探测方向互相正交。

一所述传感器的探测方向与所述激光发生器空间方向平行。

所述激光发生器设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上。

所述传感器设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。

所述柔性机器人应力检测机构，还包括用于驱动被检测材料高速转动的载荷模拟装置。

当所述反射轨迹为散斑时，在所述被检测材料的表面喷涂液态溶剂层，通过检测液态溶剂层进行检测微变形。

所述激光发生器、扫描振镜、传感器及控制系统形成闭环的伺服控制系统。

所述传感器通过采集检测点的激光束和反射轨迹图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率，所述控制系统利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

本发明的优点及有益效果是：首先，本发明可以利用激光测量的高速性和计算机云计算的实时处理能力，进行动态全息测量。其次，本发明可以根据数值分析的方法和角度几何放大不失真性，获得更高精度。最后，可以根据计算机图形学理论进行实时动态显示，达到可视化的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理示意图。

图中：1为载荷模拟装置，2为被检测材料，3为激光发生器，4为扫描振镜，5为第一传感器，6为第二传感器，7为第三传感器，8为控制系统，9为激光束，10为反射轨迹，11为第一机器人，12为第二机器人，13为第三机器人，14为第四机器人，15为测试场地。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种柔性机器人应力检测机构，包括激光发生器3、扫描振镜4、传感器及控制系统8，其中激光发生器3用于在被检测材料2受载荷前后表面的检测点发射激光束9，激光束9在该检测点产生反射轨迹10；扫描振镜4设置于激光发生器3的前端，用于控制激光束9的偏转角度；传感器用于采集激光束9和反射轨迹10的图像信号，且将该图像信号发送至控制系统8；控制系统8用于控制激光发生器3及接收传感器发送的图像信号、且对获得的该图像信号进行处理，从而获得检测点的微变形。

激光发生器3、扫描振镜4、传感器及控制系统8形成闭环的伺服控制系统。

进一步地，传感器至少为三个、且分布在被检测材料2的周围。

本发明的一实施例中，传感器为三个、且探测方向互相正交。具体包括：第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7，第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7的探测方向分别沿Y、X、Z方向，保证控制系统8在利用计算机图形学进行全息计算的数值求解的消除畸变运算尽可能减小处理器的运算负荷。

进一步地，一传感器的探测方向与激光发生器3空间方向平行，即第二传感器6的探测方向与激光发生器3的空间方向平行，保证控制系统8在利用计算机图形学进行全息计算的数值求解的消除畸变运算尽可能减小处理器的运算负荷。

进一步地，激光发生器3设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上。被检测材料2表面的空间曲面只能检测大曲率，对于小曲率检测由于会出现检测盲区，如果激光发生器3和扫描振镜4增加变换空间位姿的激光测量伺服运动云台，可以采取激光束9和反射轨迹10小夹角的控制策略，对小曲率的工件进行检测微变形。

本发明的一实施例中，激光发生器3设置于第一机器人11的执行末端，以达到激光发生器3和扫描振镜4变换空间位姿的目的。

进一步地，传感器设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。被检测材料2表面的空间曲面只能检测大曲率，对于小曲率检测由于会出现检测盲区，因此如果对第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7增加变换空间位姿的图像采集伺服运动云台，可以对小曲率的工件进行检测微变形。

本发明的一实施例中，第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7依次设置于第二机器人12、第三机器人13及第四机器人14的执行末端，以达到变换空间位姿的目的。

进一步地，所述柔性机器人应力检测机构还包括用于驱动被检测材料2高速转动的载荷模拟装置1，载荷模拟装置1可以对被检测材料2进行加载，让被检测材料2进行高速的运动，被检测材料2的自身刚度和惯性力在运动中得以动态测量。

本发明的一实施例中，载荷模拟装置1采用伺服电机驱动。对于高速运动的被检测材料2表面，可以采用不含有载荷模拟装置1对被检测材料2进行检测微变形。

被检测材料2表面的空间曲面，若表面粗糙度太大不能形成反射轨迹10，只形成一个散斑。可以采用在被检测材料2表面的空间喷液态溶剂层，采用检测液态溶剂表面薄膜的方式，进行检测微变形。

传感器通过采集检测点的激光束9和反射轨迹10图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率，控制系统8利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

第一机器人11为激光发生器3在测试场地15提供六个自由度，即是三个方向的位置，三个偏转角度，便于测量。第二机器人12、第三机器人13及第四机器人14依次为第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7在测试场地15提供六个自由度，即是三个方向的位置，三个偏转角度，便于测量。

本发明的工作原理是：

本发明提供的一种柔性机器人应力检测机构是一种采用光学方法检测被检测材料2受外部载荷后表面的空间曲面微变形的装置。如图2所示，通过控制系统8让激光发生器3发射激光束9，在扫描振镜4的作用下向被检测材料2表面上的一检测点进行测量。当激光发生器3发射的激光束9照射到被检测材料2的表面时，激光束9被物体表面反射后在空间形成反射轨迹10。利用第一传感器5、第二传感器6及第三传感器7可以获得检测点的激光束9和反射轨迹10，进而得到检测点空间坐标和曲面表面曲率。在载荷模拟装置1对被检测材料2加载后，被检测材料2将会产生微变形。采用同样的测量方法可以获得相同检测点的另外一组空间坐标和曲面表面曲率。控制系统8通过数值算法对获得的数据进行数值处理，可以获得被测点的微变形。利用激光扫描振镜4的在一定范围内可以任意角度高速探测性，可以获得整个被检测材料2受外载荷前和后的两组空间形状，即获得被检测材料2微变形、表面应变、表面应力等结构力学特性，为特种复合材料的结构力学特性研究奠定基础。

相较于现有三维激光扫描云点技术，根据激光测量的云点，利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型。根据入射光线与反射光线的角度不可放大的物理原理与数值分析的误差分析技术结合可知，对于微变形领域的测量，测量入射光线与反射光纤的角度相比于三维激光扫描云可以获得更高的精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种柔性机器人应力检测机构，其特征在于，包括激光发生器(3)、扫描振镜(4)、传感器及控制系统(8)，其中，

所述激光发生器(3)用于在被检测材料(2)受载荷前后表面的检测点发射激光束(9)，所述激光束(9)在该检测点产生反射轨迹(10)；

所述扫描振镜(4)设置于所述激光发生器(3)的前端，用于控制所述激光束(9)的偏转角度；

所述传感器用于采集所述激光束(9)和所述反射轨迹(10)的图像信号，且将该图像信号发送至所述控制系统(8)；

所述控制系统(8)用于控制所述激光发生器(3)及接收所述传感器发送的图像信号、且对获得的该图像信号进行处理；

所述传感器通过采集检测点的激光束(9)和反射轨迹(10)图像信号，进而得到检测点的空间坐标和曲面表面曲率；所述控制系统(8)利用数值分析中的插值算法，计算模拟出三维变形的数学模型，从而获得检测点的微变形。

2.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，所述传感器至少为三个、且分布在所述被检测材料(2)的周围。

3.根据权利要求2所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，所述传感器为三个、且探测方向互相正交。

4.根据权利要求3所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，一所述传感器的探测方向与所述激光发生器(3)空间方向平行。

5.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，所述激光发生器(3)设置于用于变换空间位姿的激光测量伺服运动云台上。

6.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，所述传感器设置于用于变换空间位姿的图像采集伺服运动云台上。

7.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，还包括用于驱动被检测材料(2)高速转动的载荷模拟装置(1)。

8.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，当所述反射轨迹(10)为散斑时，在所述被检测材料(2)的表面喷涂液态溶剂层，通过检测液态溶剂层进行检测微变形。

9.根据权利要求1所述的柔性机器人应力检测机构，其特征在于，所述激光发生器(3)、扫描振镜(4)、传感器及控制系统(8)形成闭环的伺服控制系统。

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