专利名称：机构运动学、动力学参数检测系统及分析方法
技术领域：
本发明是一种机构运动学、动力学参数检测系统及分析方法，特别是一种基于视觉技术的机构运动学、动力学参数检测系统及分析方法，属于机构运动学、动力学参数检测系统及分析方法的创新技术。
背景技术：
机构是组成各种机械系统的基础，如活塞发动机，各种纺织机械、印刷机械等，因此机构学的研究一直是机械领域中的研究重点。无论是分析研究现有机械的工作性能，还是优化设计新机构，机构运动分析都是十分重要的。所谓机构的运动分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行计算、测量、实验等分析。本发明所涉及的机构运动分析是在已知原动件的运动规律的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分析、评价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据。
通过位移(包括轨迹)的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断它们运动时是否发生相互干涉；还可以确定从动件的行程，考查构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。
通过对速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要求。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。
对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机械中，要对其运动强度、振动等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性力的大小和变化有关。因此，对高速机械，动力学分析不能忽略。
如何验证机构的运动学和动力学分析正确与否，现有方法一般是在机构的各关键部位安装各种传感器，用计算机进行数据采集和数据分析，将处理后的结果与计算机模拟结果进行对比验证。这种方法存在的缺点是传感器安装不灵活，对很多不方便安装传感器的运动参数，只能进行间接分析测量；所安装的传感器有时会对机构运动产生干涉，在有些高速、高加速度情况下会造成运动参数失真；检测精度和效率不够高；在有些特殊情况下根本不能通过这种方法进行机构运动学、动力学方面的分析。

发明内容
本发明的目的在于，在考虑上述问题的基础上，提供一种可以提高检测精度和效率，实现高速、高分辨率的图像采集，对机构运动学和动力学相关参数进行快速检测的机构运动学、动力学参数检测系统。
本发明的另一目的在于提供一种方便实用，对各种非常规的运动规律进行曲线拟合的机构运动学、动力学参数的分析方法。
本发明检测系统的结构示意图如图2所示，包括有用于分析和验证的机械构件测试对象(1)，装设在待测机构上关键部位的测试点或分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构整个运动轨迹区域的摄像头(3)、对拍摄得到的一系列图像进行预处理的图像预处理装置(4)。摄像头(3)与图像预处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。
上述代表待测机构(1)运动特征的测试点或分析点可以是待测机构(1)上任意处。
上述待测运动构件上的测试点或分析点(2)，可以用具有一定亮度或颜色的光源或者反射物来产生。
测试点或分析点随运动机构运动的轨迹，被摄CCD摄像头(3)拍摄成连续的工作图象。
以计算机为主要工具的图像预处理装置(4)对图象数据信息进行采集和处理。
本发明机构运动学、动力学参数的分析方法，使用上述机构运动学、动力学参数检测系统，工作过程为如下步骤1)设定固定的时间间隔Δt触发摄像头(3)进行拍摄，2)在待测机构(1)上面选定若干表示物作为测试点或分析点(2)；3)由于在待测机构(1)的测试点或分析点处装有光源或反射物等表示物，其亮度高出背景，故与背景形成一定的对比度，运用目标提取技术，提取出各测试点或分析点，根据亮度与色度特征可以区分出各点，从而得出测试点或分析点的位置也即是构件的位置；4)从一系列图像，得到某一测试点或分析点的位置序列，从而确定一个时间段内或一个完整循环内的的某一测试点或分析点的运动轨迹以及构件的运动轨迹；5)图像预处理装置(4)对获得的轨迹图像数据进行相关的预处理，使图像的重要特征更明显，并去除噪声等干扰因素；6)从相邻两幅图像，得到同一节点相隔时间Δt的位置，根据运动学的有关理论，速度就是位移对时间的微分，从而求出速度，加速度是速度对时间的微分，进而求得加速度；7)根据动力学理论，由加速度和质量确定机构的动力学特性。
本发明检测系统由于采用在机构的被测部位安装不同亮度或颜色的光源或者具有不同特征的反射物，在一定间隔时间触发位于机构正面的摄像头进行图像摄制，对发光点返回的图像进行信息采集，获得的图像信息经图像采集卡传送到图像预处理装置，图像预处理装置将采集得到的图像进行预处理，为后续目标检测做准备，因此，本发明检测系统检测精度和效率都较高，可实现高速、高分辨率的图像采集。本发明的分析方法通过获得节点的位移等信息，再根据运动学和力学的理论，求出机构相关的运动和动力学的参数，来验证机构运动和动力学分析的正确与否，本发明的分析方法方便实用，可对各种非常规的运动规律进行曲线拟合。


图1为本发明实施例待测机构的运动原理图；图2为本发明检测系统的结构示意图；图3为本发明检测方法的流程图。
具体实施例方式实施例本发明检测系统实施例的待测机构原理图如图1所示，结构示意图如图2所示，包括有装设在待测机构1测试点或分析点上、用于在分析和验证时表示构件的若干构件表示物2、保证拍摄区域覆盖待测机构整个运动轨迹的摄像头3、对拍摄得到的一系列图像进行预处理的图像预处理装置4，摄像头3与对拍摄得到的一系列图像进行预处理的图像预处理装置4之间通过图像采集卡连接。
本实施例中，上述待测机构1测试点或分析点为待测机构1的铰链处。上述构件表示物2为不同亮度或颜色的光源或者具有不同特征的反射物。上述摄像头3为CCD摄像头。上述图像预处理装置4为计算机。
本发明机构运动学、动力学参数的分析方法，使用上述机构运动学、动力学参数检测系统，包括有如下步骤1)设定固定的时间间隔Δt触发摄像头3进行拍摄，待测机构1运动时若干构件表示物2随测试点或分析点运动，摄像头3拍摄若干构件表示物2的运动轨迹，即表示待测机构1测试点或分析点的运动轨迹，从而获得机构运动的一系列图像；2)图像预处理装置4对获得的图像进行相关的预处理，使图像的重要特征更明显，并去除噪声等干扰因素；3)由于在待测机构1的测试点或分析点处装有的构件表示物2为光源或反射物，其亮度高出背景，故与背景形成一定的对比度，运用目标提取技术，提取出各测试点或分析点，根据亮度与色度特征可以区分出各点，从而得出测试点或分析点的位置以及构件的位置；4)从一系列图像，得到某一测试点或分析点的位置序列，从而确定一个时间段内或一个完整循环内的某一测试点或分析点的运动轨迹以及构件的运动轨迹；5)从相邻两幅图像，得到同一节点相隔时间Δt的位置，根据运动学的有关理论，速度就是位移对时间的微分，从而求出速度，加速度是速度对时间的微分，进而求得加速度；6)根据动力学理论，由加速度和质量确定机构的动力学特性。
现以图1所示在机器中应用最广泛的连杆机构为例说明其分析方法，具体包括有如下步骤1)在被测的连杆机构的节点A，B，C，D处装上不同颜色的小灯泡或反射物，连杆机构运动时灯泡随节点运动，表示节点的运动轨迹；2)CCD摄像头安装在连杆机构上方，保证拍摄区域覆盖机构整个运动轨迹，以保证不会遗漏连杆机构运动的信息。确定触发的间隔时间Δt，Δt值越少检测到的数据越准确，同时对硬件的要求将更高。在间隔时间触发位于连杆机构正面的CCD摄像头进行拍摄，然后图像经图像采集卡传送到计算机进行存储，连杆机构运行一段时间后，计算机内将获得连杆机构不同时刻的运动图像集。
3)对拍摄得到的一系列图像，必须进行预处理。预处理的目的是为后续目标点检测作准备。预处理包括提高背景与连杆机构的对比度，使连杆机构明显区别于背景，利用高通滤波器进行锐化，使目标点特征更明显；
4)对预处理后图像，运用目标点检测算法，在连杆机构运动的区域内进行目标点提取，从而找出连杆机构上的节点；5)对两幅相邻的图像，其时间差为Δt。假设连杆机构某一时刻的四个节点为图1中的AB1C1D，对在B1的节点感兴趣，由于灯泡的或反射物颜色不同，运用目标点检测算法检测和B1点灯泡或反射物色度与亮度判断，可以检测出该节点的位置，，并记录下B1点的颜色。经过时间Δt后，获得另外一幅图像，此时四个节点于图1中的AB2C2D。同样运用目标点检测算法检测和前一幅图像同一点的色度与亮度判断，可以获得这一时刻该点的位置，其轨迹记其为B1B2。同样道理获得轨迹C1C2。根据运动学原理，速度就是位移对时间的微分，使用求速度的公式V＝dS/dΔt，我们可以求出该节点该时刻的运动速度。同样，我们记录下相邻图像的同一节点不同时刻运动速度分别为V1和V2，加速度为速度对时间的微分，那么使用求加速度的公式a＝dv/dt。求得加速度后，根据动力学原理，利用牛顿第二定律F＝ma，可以求出力的大小，至此，获得连杆机构该点的运动和动力学的参数，同理，可以求出其他节点的参数，从而得到该连杆机构的运动学和动力学的重要参数，然后验证连杆机构是否符合需求。
权利要求
1.一种机构运动学和动力学参数检测系统，其特征在于系统包括有用于被分析和验证的机械机构测试对象(1)，装设在待测机构上关键部位的测试点或分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构整个运动轨迹区域的摄像头(3)、对拍摄得到的一系列图像进行处理的数据处理装置(4)。摄像头(3)与图像处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。
2.根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测系统，其特征在于上述待分析机构(1)的测试点或分析点(2)，可以用待测机构(1)的任意运动部位来表示。
3.根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测系统，其特征在于上述待测运动构件上的测试点或分析点(2)，可以用具有一定亮度或颜色的光源或者用反射物来反映。
4.根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测系统，其特征在于当测试点或分析点随机构运动时，其轨迹被摄CCD摄像头(3)拍摄成连续的工作图象。
5.根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测系统，其特征在于以计算机为主要工具的图像处理装置(4)对由轨迹形成的图象数据信息进行采集和预处理。
6.本发明的权利还在于这是一种机构运动学、动力学参数的分析方法，其特征在于根据权利要求1所述的机构运动学、动力学参数检测系统，将按照如下步骤进行工作1)设定固定的时间间隔Δt触发摄像头(3)进行拍摄，2)在待测机构(1)上面选定若干表示物作为测试点或分析点(2)；3)由于在待测机构(1)的测试点或分析点处装有光源或反射物等表示物，其亮度高出背景，故与背景形成一定的对比度，运用目标提取技术，提取出各测试点或分析点，根据亮度与色度特征可以区分出各点，从而得出或分析点的位置也即是构件的位置；4)从一系列图像，得到某一关键点或分析点的位置序列，从而确定一个时间段内或一个完整循环内的的某一测试点或分析点的运动轨迹以及构件的运动轨迹；5)图像预处理装置(4)对获得的轨迹图像数据进行相关的预处理，使图像的重要特征更明显，并去除噪声等干扰因素；6)从相邻两幅图像，得到同一节点相隔时间Δt的位置，根据运动学的有关理论，速度就是位移对时间的微分，从而求出速度，加速度是速度对时间的微分，进而求得加速度；7)根据动力学理论，由加速度和质量确定机构的动力学特性。
全文摘要
本发明是一种机构运动学和动力学参数检测系统及分析方法。包括有用于分析和验证的机械机构对象(1)，装设在待测机构上关键部位的测试点或分析点(2)，保证能够拍摄覆盖待测机构整个运动轨迹区域的摄像头(3)、对拍摄得到的一系列图像进行预处理的数据处理装置(4)。摄像头(3)与图像预处理装置(4)之间通过图像采集卡连接。本发明检测系统检测精度和效率高，可适用于所有机构的各种运动实时非接触检测。本发明的分析方法通过图像处理技术获得节点的位置信息，再根据运动学和力学的理论，求出机构相关的运动学和动力学的参数，来验证机构运动和动力学分析的正确与否，本发明的分析方法方便实用，可对各种非常规的运动规律进行曲线拟合。
文档编号G01M99/00GK1975361SQ200610123958
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者吕文阁, 李锻能 申请人:广东工业大学