基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的制作方法

本实用新型涉及柔性结构的定位和振动控制技术领域，尤其涉及一种基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置。

背景技术：

随着当今航天航空事业的快速发展，人类对太空空间探索的效率要求越来越迅速，其中太空物资的快速输送对航天器的维修以及空间站工作人员食物补给影响巨大，航天飞机达到目标空间站附近后，因太空环境的因素，航天飞机和空间站的对接十分困难，这样造成了物资输送的效率非常有限，原本十分简单的对接工作变得非常艰难，甚至可能导致物资输送严重拖延。而太空机械臂地成功研发并投入使用，几乎从根本上解决了空间站物资输送对接工作的难题。同时，太空机械臂除了能够快速完成空间站物资输送对接工作，还能实现对漂浮在附近空间的太空垃圾进行有效清理。

太空机械臂是具有极精确的操作性和灵活性的智能型机器人，是精密机械、空间动力学、精密微型电子和控制等多门学科有机结合的高端航天设备。太空机械臂的成功应用及其相关技术的飞速发展，太空机械臂已经成为航天飞机和空间站之间的重要桥梁，也促进了航天飞机和国际空间站部分重要技术和空间科学研究的发展，扩大了人类在太空中的活动规模和范围。

此类太空机械臂配备有多视角的视觉识别系统及其反馈主动控制，以及各类灵敏传感器的信号检测及其反馈主动控制，使得太空机械臂具有很好的自主分析和自主控制的能力，同时能够由空间站工作人员进行人为操控，实现精确的对接和空间废弃卫星、大型太空垃圾等的清理。

太空机械臂目前主要采用长度达十几米的高强度合金管材，具备有多个自由度(一般为6个自由度)。在国际空间站的应用过程中，因管材长度与其直径的比值较大和自由度高，太空机械臂的弯曲振动和扭转振动情况对其精确遥控必然存在巨大的影响，因此对其振动的有效控制是决定太空机械臂能否正常应用于国际空间站的关键所在，对其弯曲振动和扭转振动的测量精准程度又是得出准确振动控制信息的基础。

而多相机测量系统能够应用高速工业相机的高帧率、极短曝光时间、非接触式测量等特点，准确地实时动态记录太空机械臂的实验模拟情况，进而通过计算机处理记录的照片并分析得出各个标定点的准确振动信息，从而实现对太空机械臂的准确主动控制，同时为更高自由度太空机械臂能够成功应用于太空环境提供理论及实验基础。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置，应用了高速工业相机的逐行扫描传感器和全局快门，在极短时间内能够清晰记录视景内信息的优点，实现对两自由度柔性臂的空间弯曲振动和扭转振动信息进行实时动态记录，以便准确地分析柔性臂在空间中的振动情况，为更高自由度柔性臂的振动分析提供参考基础。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置，包括实验台座、减速机支撑座、交流伺服电机Ⅰ、减速机Ⅰ、工字延伸臂、柔性大臂Ⅰ、减速机支架、交流伺服电机Ⅱ、减速机Ⅱ以及柔性大臂Ⅱ；

所述减速机支撑座固定于所述实验台座上，所述交流伺服电机Ⅰ固定于减速机支撑座上；

所述减速机Ⅰ与交流伺服电机Ⅰ的驱动轴固定连接，所述柔性大臂Ⅰ通过所述工字延伸臂固定连接减速机Ⅰ，交流伺服电机Ⅰ通过轴驱动减速机Ⅰ，从而驱动柔性大臂Ⅰ；

所述减速机Ⅱ通过所述减速机支架固定连接所述柔性大臂Ⅰ，所述交流伺服电机Ⅱ固定连接减速机Ⅱ，所述柔性大臂Ⅱ固定连接减速机Ⅱ，所述交流伺服电机Ⅱ轴驱动减速机Ⅱ，从而驱动柔性大臂Ⅱ做旋转运动。

进一步地，所述的基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置还包括相机固定支架、可调支座Ⅰ、可调支座Ⅱ、相机快装台、相机总成Ⅰ、深度相机总成Ⅱ和平面相机总成；

其中，可调支座Ⅰ一端固定相机固定支架上、另一端固定可调支座Ⅱ，相机快装台中部固定在可调支座Ⅰ和可调支座Ⅱ之间的连接处，相机总成Ⅰ和深度相机总成Ⅱ分别设置于相机快装台两端，平面相机总成设置于可调支座Ⅱ顶端；

所述相机固定支架固定安装在实验台座旁，且相机总成Ⅰ、深度相机总成Ⅱ和平面相机总成的镜头正对实验台座。

进一步地，所述的基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置还包括工业计算机以及编码器；

所述编码器集成于所述交流伺服电机Ⅰ和交流伺服电机Ⅱ，用于检测交流伺服电机Ⅰ和交流伺服电机Ⅱ的转角位置信号，并将转角位置信号经过编码器解算卡后发送至工业计算机；

所述工业计算机连接编码器和3个深度相机总成，用于接收深度相机总成发送的照片信息并进行分析处理，以及用于接收编码器发送的信息及处理信息。

进一步地，所述相机固定支架采用三脚架，所述三脚架包括3个导轨总成、3个滑块总成、3个可调脚管部件以及相机系统云台；导轨总成分别通过滑块总成固定连接可调脚管部件的底部，3个可调脚管部件的顶部均固定相机系统云台，相机系统云台固定可调支座Ⅰ。

进一步地，所述可调脚管部件包括2个球连接杆、脚管内轴杆、脚管锁紧旋钮、脚管外轴套和2个脚管侧端盖；每个所述可调脚管部件均能通过调节所述脚管锁紧旋钮改变其总长度，并通过拧紧脚管锁紧旋钮固定其目标长度，不同的可调脚管部件长度组合，实现相机系统云台不同的角度需求；同时球连接杆和脚管内轴杆端部、脚管外轴套端部及脚管侧端盖间都是采用球面配合，用于增强滑块三脚架平台支撑系统的灵活程度。

进一步地，所述可调支座Ⅰ包括快装法兰、支座轴芯Ⅰ、支座锁紧旋钮Ⅰ、支座轴套Ⅰ以及支座法兰Ⅰ，快装法兰固定支座轴芯Ⅰ，支座法兰Ⅰ固定支座轴套Ⅰ；支座轴芯Ⅰ螺旋固定支座轴套Ⅰ，并通过支座锁紧旋钮Ⅰ调节支座轴芯Ⅰ的高度。

进一步地，所述可调支座Ⅱ包括快装板、支座轴芯Ⅱ、支座锁紧旋钮Ⅱ、支座轴套Ⅱ及支座法兰Ⅱ，快装板固定支座轴芯Ⅱ，支座法兰Ⅱ固定支座轴套Ⅱ；支座轴芯Ⅱ螺旋固定支座轴套Ⅱ，并通过支座锁紧旋钮Ⅱ调节支座轴芯Ⅱ的高度。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：

(1)采用的低回程间隙法兰输出减速机具有回程间隙很低、高强度和结构紧凑短小的特点，能够避免因减速机的回程间隙过大或者驱动部分产生的扭矩过大，对两自由度柔性臂的弯曲振动及扭转振动产生附加的不可忽略的影响；

(2)滑块三脚架平台支撑系统结合了直线导轨能够很好平稳移动和三脚架可适性能力及其支撑稳定的优点，避免了在调整相机系统空间位置时，出现明显影响测量结果的晃动情况，以及对相机的高精度传感器造成损伤；

(3)采用多相机测量系统能够准确测量两自由度柔性臂在三维空间的各种振动情况，保证了后续对柔性臂的振动分析具有很高的精确度，为柔性臂的振动控制提供了很好的保障；双目平行视觉深度相机和单目视觉平面相机都具有很强地灵活适应性，使得该测量系统有很强的测量能力。

附图说明

图1为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的总体结构示意图；

图2为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的侧视图；

图3为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的俯视图；

图4为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的相机系统轴测放大示意图；

图5为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置中可调支座Ⅰ的结构示意图；

图6为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置中调支座Ⅱ的结构示意图；

图7为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置中减速机支撑座的结构示意图；

图8为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置中滑块总成的结构示意图；

图9为本实用新型基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置中可调脚管部件的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

一种基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置，该装置包括双伺服电机驱动的两自由度大臂运动装置部分、实验台座及滑块三脚架平台组成的支撑系统部分，以及由三个相机构成的多相机空间测量分析系统部分；

如图1到图4所示，交流伺服电机Ⅰ(13)，通过减速机Ⅰ(14)以及和减速机Ⅰ(14)固连的工字延伸臂(15)，驱动柔性大臂Ⅰ(16)转动，与减速机Ⅰ(14)、减速机支撑座(12)共同构成一级转动单元；减速机支撑座(12)，包括固定立板(121)、支座底板(122)、支撑立板(123)以及支撑板(124)，如图7所示，通过M6阵列螺栓(横向以70mm的间距均布2个，纵向以45mm的间距均布4个，并且关于长度及宽度方向的中线对称)固定在实验台座(1)的右侧台面上，其支座底板(122)和实验台座(1)各自的长度方向中线相距55mm，其固定立板(121)端面距实验台座(1)前端面23mm；减速机Ⅰ(14)经其装配法兰盘和8个M5螺栓(PCD为109mm)，同心安装在减速机支撑座(12)的固定立板(121)内端面上，距离实验台座(1)工作面40mm；交流伺服电机Ⅰ(13)经4个M6螺栓(PCD为70mm)，同心固定在减速机Ⅰ(14)的法兰凸台并由减速机支撑座(12)的支撑板(124)支撑限位；工字延伸臂(15)前端面，通过8个M5螺栓(PCD为50mm)和减速机Ⅰ(14)的输出凸台同心固连，其后端面通过8个M5螺栓(PCD为50mm)和柔性大臂Ⅰ(16)的近端连接面同心固连；

交流伺服电机Ⅱ(18)，通过减速机Ⅱ(19)驱动柔性大臂Ⅱ(20)转动，与减速机Ⅱ(19)、减速机支架(17)共同构5成二级转动单元；减速机支架(17)，通过8个M5螺栓(PCD为50mm)固定在柔性大臂Ⅰ(16)的远端连接面，减速机Ⅱ(19)经其装配法兰盘和8个M5螺栓(PCD为79mm)，同心安装在减速机支架(17)的固定立板上，距离减速机支架(17)底板内侧68mm；交流伺服电机Ⅱ(18)经2个M5螺栓(PCD为46mm)，同心固定在减速机Ⅱ(19)的法兰凸台上；柔性大臂Ⅱ(20)的带孔端面直接经8个M5螺栓(PCD为31.5mm)，同心固定在减速机Ⅱ(19)的输出凸台。

本实施例中，交流伺服电机Ⅰ(13)选用日本三菱公司的HC-MFS系列电机，型号为HC-MFS-73，输出功率为750W，交流伺服电机Ⅱ(18)同样选用日本三菱公司的HC-MFS系列电机，型号为HC-MFS-43，输出功率为400W，额定转速均为3000r/min；减速机Ⅰ(14)选用德国Neugart公司的低回程间隙法兰输出减速机，型号为PLEN 90—2—80，额定输出转矩为80N*m，减速机Ⅱ(19)同样选用德国Neugart公司的低回程间隙法兰输出减速机，型号为PLEN 64-2-65，额定输出转矩为65N*m。

滑块三脚架平台组成的支撑系统由均布三导轨总成(2)、滑块总成(3)、可调脚管部件(4)和相机系统云台(5)组成，具有四个不同的高度或者角度的调节结构，能够轻易地满足柔性大臂Ⅰ(16)和柔性大臂Ⅱ(20)上不同位置标志点的测量要求；

在滑块三脚架平台组成的支撑系统中，各个滑块总成(3)可沿均布三导轨总成(2)与之互相配合的导轨自由滑动，同时滑块总成(3)能够通过滑块定位旋钮(33)固定在导轨的任意位置上，移动任何一个滑块总成(3)都能够实现三个滑块总成(3)平稳地同步移动，避免了一般三脚架平台调节平台高度，须抬起三脚架平台的麻烦；

其中，滑块总成(3)由脚管连接块(31)、滑块(32)及滑块定位旋钮(33)构成，如图8所示；可调脚管部件(4)由两个球连接杆(41)、脚管内轴杆(42)、脚管锁紧旋钮(43)、脚管外轴套(44)和两个脚管侧端盖(45)组成，如图9所示；各个可调脚管部件(4)均能通过调松脚管锁紧旋钮(43)改变其总长度，并通过拧紧脚管锁紧旋钮(43)固定其目标长度，不同的可调脚管部件(4)长度组合，可以实现相机系统云台(5)不同的角度需求，同时球连接杆(41)和脚管内轴杆(42)端部、脚管外轴套(44)端部及脚管侧端盖(45)间都是采用球面配合，并用4个M2螺栓固定(横向和纵向均以12mm的间距均布2个，并且关于长度及宽度方向的中线对称)，增强了滑块三脚架平台支撑系统的灵活程度。

本实施例中，均布三导轨总成(2)和三个滑块总成(3)由三个独立的配套微型直线导轨组成，选用日本米思米公司的MISUMI标准微型直线导轨，型号为SSEBW20-700，材质为不锈钢，标准导轨宽度W1、高度H1和长度L分别为15mm、9.5mm、700mm，配备标准微型滑块；可调脚管部件(4)选用日本尼康公司的三脚架脚管，型号为CX-560。

由三个相机构成的多相机空间测量分析系统，主要包括三个相机总成、可调支座Ⅰ(6)、相机快装台(7)及可调支座Ⅱ(8)四大部分，所述的三个相机总成分别为深度相机总成Ⅰ(9)和深度相机总成Ⅱ(10)，以及平面相机总成(11)，所述的深度相机总成Ⅰ(9)和深度相机总成Ⅱ(10)分别对称安装在相机快装台(7)的左侧快装连接孔和右侧快装连接孔，深度相机总成Ⅰ(9)和深度相机总成Ⅱ(10)相互平行且相距196mm安装，相机快装台(7)对中安装在可调支座Ⅰ(6)的快装法兰(61)上，平面相机总成(11)安装在可调支座Ⅱ(8)的快装板(81)上；

其中，深度相机总成Ⅰ(9)由工业相机、工业镜头及相机快装块三部分构成，并通过4个M3螺栓将工业相机和相机快装块固定连接，深度相机总成Ⅱ(10)和平面相机总成(11)的所有构成部分与深度相机总成Ⅰ(9)的一致；

可调支座Ⅰ(6)由快装法兰(61)、支座轴芯Ⅰ(62)、支座锁紧旋钮Ⅰ(63)、支座轴套Ⅰ(64)及支座法兰Ⅰ(65)五部分构成，如图5所示，能够通过调松支座锁紧旋钮Ⅰ(63)，任意改变三个相机总成的高度，并通过拧紧支座锁紧旋钮Ⅰ(63)固定其目标高度，同心固定在相机系统云台(5)；可调支座Ⅱ(8)由快装板(81)、支座轴芯Ⅱ(82)、支座锁紧旋钮Ⅱ(83)、支座轴套Ⅱ(84)及支座法兰Ⅱ(85)五部分构成，如图6所示，能够通过调送支座锁紧旋钮Ⅱ(83)，改变平面相机总成(11)的高度，并通过拧紧支座锁紧旋钮Ⅱ(83)固定平面相机总成(11)的目标高度，固定在相机快装台(7)长度方向的中线上方并与可调支座Ⅰ(6)的快装法兰(61)同心；

可调支座Ⅰ(6)和可调支座Ⅱ(8)在调节高度的同时，能够实现其上方固定的部件在和相机系统云台(5)平行的平面内任意调整角度。

三个相机组成的测量系统，一个相机用来测量平面的振动信息，另外两个相机组成双目立体视觉，用来测量深度信息，这样把检测平面和深度信息组合起来，就可以通过检测柔性臂上的标志点在空间三维振动的信息。

本实施例中，工业相机选用瑞士Baumer(堡盟)公司的堡盟TX系列工业相机，型号为：TX-G02C，外形尺寸为60mm×52mm×33mm，传感器为Sony ICX618，感光芯片类型为逐行扫描的CCD，感光芯片尺寸为3.6736mm×2.744mm，像元尺寸为5.6μm×5.6μm，分辨率(像素)为656×490，滤光片为RGB Bayer Mosaic，配备全局快门和C型镜头接口；工业镜头(92)选用日本Computar公司的C型接口工业镜头，型号为M5018-MP2，外形尺寸为33.5mm×38.2mm，焦距为50mm，最大口径比为1：1.8，过滤器尺寸为M30.5p＝0.5mm。

所述的一种基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置的实现方法为，包括如下步骤：

第一步一级转动单元中的交流伺服电机Ⅰ(13)，通过减速机Ⅰ(14)和工字延伸臂(15)驱动柔性大臂Ⅰ(16)及其上的二级转动单元转动，二级转动单元中的交流伺服电机Ⅱ(18)，通过减速机Ⅱ(19)驱动柔性大臂Ⅱ(20)转动，两转动单元的转动平面相互垂直；

第二步应用内置旋转光电编码器分别检测步骤一中交流伺服电机Ⅰ(13)和交流伺服电机Ⅱ(18)的转角位置信号，一并传输到工业计算机(22)等待进行相应的算法处理；

第三步深度相机总成Ⅰ(9)和深度相机总成Ⅱ(10)构成平行双目视觉系统，快速记录柔性大臂Ⅰ(16)和柔性大臂Ⅱ(20)上标志点的空间位置信息，平面相机总成(11)则记录其视景范围内柔性大臂Ⅰ(16)、柔性大臂Ⅱ(20)及其上所有标志点的平面信息；

第四步工业计算机(22)应用相应的算法处理步骤三所获图片标志点信息，并结合步骤二所得的伺服电机速度信号，再进行相应的算法处理，分析获取柔性大臂Ⅰ(16)和柔性大臂Ⅱ(20)在空间中的弯曲振动和扭转振动情况。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。