本實(shí)用新型涉及振動測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺的剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)意義上，機(jī)構(gòu)一般設(shè)計成剛性機(jī)構(gòu)；剛性結(jié)構(gòu)由于其自身剛度比較大，穩(wěn)定性比較好，其在受到干擾時，不易受影響。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)也不斷趨于大型化、柔性化和低剛度。相對于傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：(1)各構(gòu)件之間無縫隙和摩擦，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度較高；(2)由于沒有摩擦磨損，其工作中噪音會減少，而機(jī)構(gòu)壽命也會延長；(3)柔性機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行單片制造，易于小型化和批量生產(chǎn)。然而柔性結(jié)構(gòu)具有阻尼小、質(zhì)量輕、模態(tài)頻率低等特征，其在受到干擾時，容易激起以低頻為主的振動且持續(xù)時間長。如果不對這種振動進(jìn)行抑制，其必會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷。因此，必須測量、分析和抑制柔性結(jié)構(gòu)的振動。

現(xiàn)有技術(shù)中，柔性機(jī)構(gòu)的振動測量通常采用壓電陶瓷傳感器、加速度傳感器以及陀螺儀傳感器，但這些傳感器都為接觸式傳感器，會對被測物體的振動產(chǎn)生嚴(yán)重影響，降低測量精度，引入負(fù)載效應(yīng)。壓電材料由于自身強(qiáng)度、疲勞壽命及耐溫性能等因素，應(yīng)用受到一定的限制；加速度計傳感器對噪聲敏感，存在遲滯和溫漂等問題影響其精度。

利用視覺非接觸測量有其獨(dú)特的優(yōu)勢，且能快速獲取測量數(shù)據(jù)。視覺在不接觸被測物體表面的情況下，不改變振動物體的頻率、振幅等特性，可以很好的避免負(fù)載效應(yīng)。和激光位移傳感器相比，激光位移傳感器只能進(jìn)行行單點(diǎn)測量，而機(jī)器視覺傳感器具有全局性測量特點(diǎn)，能夠進(jìn)行多點(diǎn)測量，而不僅僅局限于一點(diǎn)的振動信息等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種基于視覺的剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于視覺的剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置，包括機(jī)械本體部分、檢測部分及驅(qū)動控制部分；

所述機(jī)械本體部分：包括靜平臺，兩個柔性主動桿、兩個柔性從動桿、兩個剛性主動桿及兩個剛性從動桿，所述靜平臺下面設(shè)置兩個伺服電機(jī)，兩個伺服電機(jī)分別與行星減速器連接，所述行星減速器安裝在靜平臺上，兩個柔性主動桿的一端分別與兩個行星減速器連接，兩個柔性主動桿的另一端分別與兩個柔性從動桿連接，所述兩個柔性從動桿相互連接；

兩個剛性主動桿的一端分別與兩個行星減速器連接，兩個剛性主動桿的另一端分別與兩個剛性從動桿連接，所述兩個剛性從動桿相互連接；

所述檢測部分：包括工業(yè)相機(jī)及加速度傳感器，所述加速度傳感器設(shè)置在柔性從動桿及剛性從動桿的中間位置，所述工業(yè)相機(jī)具體為兩個，分別安裝在兩個剛性從動桿及兩個柔性從動桿的連接處上方；

所述加速度傳感器檢測剛性及柔性從動桿的振動信息經(jīng)過適調(diào)放大器處理后，輸出到端子板后經(jīng)過運(yùn)動控制卡輸入到計算機(jī)中；

所述工業(yè)相機(jī)檢測兩個從動桿連接處的振動信號輸入到計算機(jī)中；

所述驅(qū)動控制部分：包括壓電陶瓷片驅(qū)動器，所述壓電陶瓷片驅(qū)動器粘貼在柔性從動桿上，所述計算機(jī)得到振動信號后計算出控制量經(jīng)過運(yùn)動控制卡，再輸出到端子板處理后得到模擬量輸入到壓電放大器，進(jìn)一步驅(qū)動壓電陶瓷片驅(qū)動器抑制閉鏈機(jī)構(gòu)的振動。

還包括圓形標(biāo)識，所述圓形標(biāo)識有2個，分別設(shè)置在兩個剛性從動桿及兩個柔性從動桿的連接處，圓形標(biāo)識在工業(yè)相機(jī)的視野范圍內(nèi)。

壓電陶瓷片驅(qū)動器具體由四片壓電陶瓷片構(gòu)成，兩面對稱粘貼，每面兩片，姿態(tài)角為0度。

還包括相機(jī)支架，所述相機(jī)支架具體為長方體支架，靜平臺放置在長方體支架內(nèi)。

剛性從動桿比剛性主動桿長，所述柔性從動桿比柔性主動桿長。

兩個柔性主動桿、兩個柔性從動桿、兩個剛性主動桿及兩個剛性從動桿關(guān)于靜平臺中心對稱。

所述相機(jī)支架還包括用于調(diào)整工業(yè)相機(jī)位置的滑塊。

所述兩個伺服電機(jī)對稱安裝在靜平臺的橫向中線上。

一種剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置的測控方法，包括如下步驟：

第一步加速度傳感器檢測從動桿的振動信息，工業(yè)相機(jī)檢測兩根從動桿連接處的振動信息；

第二步加速度傳感器檢測到的振動信號經(jīng)過適調(diào)放大器處理后，輸出到端子板中A/D模塊進(jìn)行處理后，再輸出數(shù)字量到運(yùn)動控制卡中，再經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理；工業(yè)相機(jī)檢測到的信號輸入到計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，根據(jù)控制規(guī)律，得到相應(yīng)的控制反饋信號；

第三步將步驟二中得到的反饋信號經(jīng)端子板中D/A模塊處理后，再經(jīng)電壓放大器放大處理后，輸入到壓電陶瓷片驅(qū)動器，從而抑制剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)的振動。

所述工業(yè)相機(jī)檢測到的信號輸入到計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，具體步驟為：

在剛性及柔性雙五連桿閉鏈機(jī)構(gòu)未開始運(yùn)動時，拍攝10-15幅包含圓形標(biāo)識的圖像，計算出每幅圖像中圓形標(biāo)識的圓心坐標(biāo)，并計算出平均值，當(dāng)作初始狀態(tài)下的坐標(biāo)，設(shè)為(x₀，y₀)；

當(dāng)伺服電機(jī)同時驅(qū)動剛性五桿機(jī)構(gòu)與柔性五桿機(jī)構(gòu)以對稱的姿態(tài)、對稱的軌跡運(yùn)運(yùn)時，設(shè)圓形標(biāo)識的圓心的坐標(biāo)為(x₁(t)，y₁(t))，則可以得到x軸方向的位移為S_x＝x₁-x₀，y軸方向的位移為S_y＝y(tǒng)₁-y₀；再根據(jù)相機(jī)標(biāo)定的結(jié)果，就得到剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)的振動位移信息。

本實(shí)用新型的有益效果：

(1)本實(shí)用新型中的裝置是一種剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置，其包括剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)兩種類型機(jī)構(gòu)，且它們呈對稱分布；伺服電機(jī)同時驅(qū)動剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)以對稱的姿態(tài)、對稱的軌跡進(jìn)行運(yùn)動，且互不干涉；

(2)本實(shí)用新型中安裝了兩個型號一樣的工業(yè)相機(jī)來檢測剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動信息，一個相機(jī)檢測剛性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中振動信息，另一個相機(jī)檢測柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動信息；在相同的條件下，利用視覺傳感器來分別提取剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動信息，并且對振動信息進(jìn)行對比分析，得出剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動差異性；

(3)本實(shí)用新型中采用機(jī)器視覺來檢測機(jī)構(gòu)的振動信息，相比于其他傳感器，機(jī)器視覺具有非接觸式測量，不增加結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量，不改變結(jié)構(gòu)特征，多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器視覺測量得到的是包含振動信息的圖像，而圖像中信息豐富，能夠反映機(jī)構(gòu)振動的全局特性。采取合適的圖像處理算法，可以得到很多其他有意義的參數(shù)；

(4)本實(shí)用新型中的系統(tǒng)為多傳感器融合系統(tǒng)，既有機(jī)器視覺傳感器，又有加速度傳感器，可以通過多傳感器信息融合來更加精確的測量、對比分析剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動信息。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)的平面示意圖；

圖3是圖2中從動桿的局部放大示意圖；

圖4是圖1中相機(jī)支架的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1-圖4所示，一種基于視覺的剛性與柔性雙五桿閉鏈結(jié)構(gòu)裝置，包括機(jī)械本體部分、檢測部分及驅(qū)動控制部分；

所述機(jī)械本體部分：包括靜平臺1、兩個柔性主動桿、兩個柔性從動桿、兩個剛性主動桿3及兩個剛性從動桿2，靜平臺下面設(shè)置兩個伺服電機(jī)10，所述兩個伺服電機(jī)分別安裝一個行星減速器17，所述行星減速器通過其法蘭安裝在靜平臺上，兩個伺服電機(jī)安裝在靜平臺一個方向中心上，離邊緣不遠(yuǎn)處，對稱設(shè)置。

伺服電機(jī)的輸出軸輸入行星減速器，每個行星減速器通過法蘭盤安裝一個輸出軸，兩個伺服電機(jī)的輸出軸的第一層分別與兩個剛性主動桿一端連接，兩個剛性主動桿的另一端分別與兩個剛性從動桿連接，兩個剛性從動桿比剛性主動桿長，滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動的條件，兩個剛性從動桿通過鉸鏈連接，構(gòu)成剛性五桿機(jī)構(gòu)。

兩個伺服電機(jī)的輸出軸的第二層分別與兩個柔性主動桿9一端連接，兩個柔性主動桿9的另一端分別與兩個柔性從動桿8連接，兩個柔性從動桿通過鉸鏈連接，所述柔性從動桿比柔性主動桿長，構(gòu)成柔性五桿機(jī)構(gòu)。

兩個伺服電機(jī)通過行星減速器的輸出軸驅(qū)動剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，兩者在各自的平面運(yùn)動，且互不干涉，剛性五桿機(jī)構(gòu)與柔性五桿機(jī)構(gòu)關(guān)于靜平臺的中心線對稱，連桿與行星減速器的輸出軸通過鍵連接，隨著輸出軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。

還包括兩個圓形標(biāo)識4，所述圓形標(biāo)識總共兩個，分別設(shè)在兩個剛性從動桿及兩個柔性從動桿的鉸鏈連接處，一處一個，圓形標(biāo)識為工業(yè)相機(jī)提取從動桿連接處的振動信息提供條件。

所述檢測部分，包括加速度傳感器6及工業(yè)相機(jī)7，所述工業(yè)相機(jī)7具體為兩個，分別安裝在相機(jī)支架11頂部中間的型材上，一個工業(yè)相機(jī)對應(yīng)著兩個剛性從動桿的連接處，兩個剛性從動桿在這個工業(yè)相機(jī)的視野范圍內(nèi)，且離剛性五桿機(jī)構(gòu)平面有一定距離，從而可以保證剛性五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，圓形標(biāo)識始終在工業(yè)相機(jī)的視野范圍內(nèi)；另一個工業(yè)相機(jī)對應(yīng)兩個柔性從動桿的連接處，且第二層的柔性五桿機(jī)構(gòu)平面有一定距離，從而可以保證在柔性五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，布設(shè)在兩根柔性從動桿的連接處的圓形標(biāo)識始終在工業(yè)相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)。

相機(jī)支架是由型材構(gòu)成的一個長方體支架，其長和寬都比靜平臺1的長和寬要大，從而可以使靜平臺1放入相機(jī)支架11的空間內(nèi)，且離相機(jī)支架11的前后左右各個面的距離一樣；在相機(jī)支架11內(nèi)放好靜平臺1后，調(diào)節(jié)連接工業(yè)相機(jī)7的滑塊，滑動工業(yè)相機(jī)7到合適的位置；

所述加速度傳感器設(shè)置在柔性從動桿及剛性從動桿的中間位置。

所述加速度傳感器檢測從動桿的振動信息，其檢測的信號經(jīng)過適調(diào)放大器處理后，輸出到端子板進(jìn)行處理后，輸出數(shù)字量到運(yùn)動控制卡中，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機(jī)12進(jìn)行后續(xù)處理。

所述工業(yè)相機(jī)檢測兩個從動桿連接處的振動信息，其檢測的信號直接輸入到計算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理。

所述驅(qū)動控制部分，包括壓電陶瓷片驅(qū)動器5，所述壓電陶瓷片驅(qū)動器5粘貼在柔性從動桿8上，靠近柔性從動桿的兩端，每根柔性從動桿共有四片壓電陶瓷片，每面兩片，姿態(tài)角為0°對稱粘貼。

計算機(jī)得到上述振動信號后，根據(jù)控制規(guī)律計算出控制量，控制量經(jīng)過運(yùn)動控制卡14處理輸出，再經(jīng)過端子板15處理后輸出模擬量到電壓放大器16放大，再輸入到壓電陶瓷片驅(qū)動器5，從而抑制剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)的振動。

本實(shí)施例中，靜平臺1由型材構(gòu)成，其幾何尺寸大小為900mm×800mm×600mm。

剛性從動桿2采用的是鋁合金材料，其幾何尺寸大小為250mm×25mm×10mm。剛性主動桿3采用的是鋁合金材料，其幾何尺寸大小為180mm×25mm×10mm。

壓電陶瓷片驅(qū)動器5為壓電陶瓷片，幾何尺寸為50mm×20mm×1mm，壓電陶瓷材料的彈性模量為E_pe＝63GPa，d₃₁＝-166pm/v。壓電陶瓷片驅(qū)動器5用來抑制從動桿運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動。加速度傳感器6選用K-Beam公司的加速度傳感器中的8312B10型加速度傳感器，其是一種低頻加速度傳感器，其測量頻率范圍為0-180Hz。

工業(yè)相機(jī)選用德國的Basler公司的COMS相機(jī)，其型號為Basler acA1600-60gc，采集的圖像大小為1600*1200像素，約為200百萬像素，幀率為60幀/秒，其鏡頭接口為C接口，相機(jī)與計算機(jī)的接口為GigE，其傳輸速度要優(yōu)于USB接口。

工業(yè)相機(jī)的鏡頭選用日本Computar公司的工業(yè)鏡頭，其型號為computar M1214-MP2，焦距為12mm，大小為Φ33.5mm×28.2mm，圖像最大尺寸為8.8mm×6.6mm，接口為C接口。

柔性從動桿8采用的是鋁合金材料，其幾何尺寸大小為250mm×25mm×3mm。柔性主動桿9采用的是鋁合金材料，其幾何尺寸大小為180mm×25mm×3mm。

伺服電機(jī)10選用日本三菱公司的三菱電機(jī)，其型號為HC-KF43型，和電機(jī)配套使用的減速器選用德國的NEUGRAT公司的PLN系列的減速器，其型號，該減速器具有電機(jī)安裝簡便、輸出轉(zhuǎn)矩高等特點(diǎn)。

相機(jī)支架11由型材構(gòu)成，其幾何尺寸大小1200mm×1200mm×900mm，對兩個工業(yè)相機(jī)采用張正友平面標(biāo)定法、利用MATLAB標(biāo)定工具箱進(jìn)行標(biāo)定。

一種基于視覺的剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)裝置的測控方法，包括如下步驟：

第一步加速度傳感器檢測從動桿的振動信息；

工業(yè)相機(jī)檢測從動桿連接處的振動信息，具體檢測方法為：在機(jī)構(gòu)裝置還沒有開始運(yùn)動時，拍攝10-15幅包含圓形標(biāo)識的圖像，計算出每幅圖像中圓形標(biāo)識的圓心坐標(biāo)，并計算其平均值，當(dāng)作初始狀態(tài)下的坐標(biāo)，設(shè)為(x₀，y₀)；

當(dāng)伺服電機(jī)10同時驅(qū)動剛性五桿機(jī)構(gòu)與柔性五桿機(jī)構(gòu)以對稱的姿態(tài)、對稱的軌跡運(yùn)運(yùn)時，設(shè)圓形標(biāo)識4的圓心的坐標(biāo)為(x₁(t)，y₁(t))。則可以得到x軸方向的位移為S_x＝x₁-x₀，y軸方向的位移為S_y＝y(tǒng)₁-y₀；再根據(jù)相機(jī)標(biāo)定的結(jié)果，就可以得到剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)真實(shí)的振動位移信息。

利用圖像處理方法獲取圓形標(biāo)識的圓心坐標(biāo)，具體方法如下：首先利用Canny邊緣檢測算子來分割圓形標(biāo)識4和背景，并且得到圓形標(biāo)識4的邊緣，從而得到圓形標(biāo)識4的二值圖；再對二值圖進(jìn)行輪廓提取，得到圓形標(biāo)識4的輪廓圖；再對輪廓圖計算其圖像矩，從而得到圓形標(biāo)識4的圓心坐標(biāo)。

第二步加速度傳感器檢測到的振動信號經(jīng)過適調(diào)放大器13處理后，輸出到端子板中A/D模塊進(jìn)行處理后，再輸出數(shù)字量到運(yùn)動控制卡中，再經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理；工業(yè)相機(jī)檢測到的信號輸入到計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，根據(jù)控制規(guī)律，得到相應(yīng)的控制反饋信號；

第三步將步驟二中得到的反饋信號經(jīng)端子板中D/A模塊處理后，再經(jīng)電壓放大電器放大處理后，輸入到壓電陶瓷片驅(qū)動器，從而抑制剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)的振動。

圖1中的箭頭連接表示電信號與檢測驅(qū)動控制裝置的連接。

計算機(jī)12選用的CPU型號為Intel(R)Core(TM)i5-4590CPU@3.30GHz，內(nèi)存為4G，主板上有多個PCI插槽，可以很方便的安裝運(yùn)動控制卡。適調(diào)放大器13選用Bruel&Kjaer公司的NEXUS系列適調(diào)放大器，其具有低噪聲、高動態(tài)范圍、高精度的特點(diǎn)，型號選用4通道的2692-C適調(diào)放大器。

運(yùn)動控制卡14選用固高公司的GTS-400-PV-PCI系列運(yùn)動控制器，其核心主要是DSP和FPGA，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線接口。與其配套的端子板15的型號為GT2-400-ACC2-V-AD16，其含有A/D和D/A模塊。

電壓放大器16可選用型號為APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的電壓放大器等零件組成，其研制單位為華南理工大學(xué)，在申請人申請的名稱為“太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置與方法”，申請?zhí)枮?00810027186.4的專利中有詳細(xì)介紹。放大倍數(shù)可達(dá)到52倍，即將-5V～+5V放大到-260～+260V。

剛性與柔性雙五桿閉鏈機(jī)構(gòu)主要由剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)兩大類型機(jī)構(gòu)構(gòu)成。在電機(jī)同時驅(qū)動剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)以對稱的姿態(tài)、對稱的軌跡運(yùn)行時，采用機(jī)器視覺傳感器來分別檢測剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動信息，并且對振動信息進(jìn)行對比分析，得出剛性五桿機(jī)構(gòu)和柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的差異性。最后均采用壓電陶瓷片驅(qū)動器來抑制剛性五桿機(jī)構(gòu)與柔性五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的振動，并且對控制結(jié)果進(jìn)行對比分析。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。