数字图像相关（DIC）技术在机械臂关节重载微变形测试中的应用

数字图像相关DIC技术是一项非接触式全场测量技术，通过分析物体表面变形前后的数字图像，获取位移、应变等力学参数‌。

机械臂负载微小变形映射到机械臂末端，会产生较大的末端位置偏差。在机械臂关节及部件中引入DIC数字图像相关技术，用于结构微变形测试，并部署了新拓三维DIC系统，完整覆盖整个机械臂表面，并以此实现结构全场变形监测。

机械臂关节及结构在载荷下的全场变形监测，新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统单次采集可获取数百万个三维坐标点，相比传统应变片(约50个测点)，数据量级实现几何级跨越;通过机械臂表面的特制散斑图案，DIC系统高效生成位移/应变场云图，并实现云图可视化比对，精准捕捉毫米级异常变形。

对机械手臂进行静态加载，新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，对机械臂全伸展时进行全场变形分析，有助于建立补偿参数，校正机械臂末端位置误差，有效提高机械臂末端绝对定位精度。

实验分为两个工况：

1、通过增减砝码的方式对机械手臂进行静态加载，加载共分六级，满级加载后再进行卸载。

2、通过砝码的加载卸载，来对机械臂进行载荷变形分析(全场应变测试分析DIC)。

机械臂微变形DIC测量

在机械臂表面制作散斑，DIC设备采集高质量图像。设置两台DIC全场应变测量系统摄像机的空间定位时，覆盖整个机械臂及关节处关注区域，以采集在测试过程中的全视野范围内变形区域。

图1-机械臂空载

图2-机械臂增加砝码加载过程

图3-机械臂进一步增多砝码加载

采用XTDIC三维全场应变测量系统分析不同载荷下结构变形，准确判断最大变形点，直观分析与结构件和关节的刚度，有助于提升机械臂控制系统的精度控制。

载荷变形及抓取变形DIC测量

工况1：静载力变形DIC测试

XTDIC三维全场应变测量系统可测量点对点的应变信息，输出应变分布云图的变化过程，在进行机械臂载荷及提升力下变形测量时，DIC软件生成应变变化曲线，反映不同载荷条件下机械臂的应变响应。

机械臂逐级加大加载重量后，最大变形处为臂关节部位，根据全场应变分析得出最大应变为18993微应变。

图1-应变变化曲线

DIC软件能够识别应变图中的最大应变点，这些点代表了结构刚度及关节的弱点或潜在的失效点。分析最大应变点的数据，有利于进一步分析或与仿真结果进行比较。

图2-机械臂关节最大应变点

下图为机械臂在不同载荷过程中的主应变的云图分布情况，图中从蓝到红颜色的深浅，代表不同重量加载过程中，机械臂对应位置应变量从低到高。

图3-空载下应变情况

图4-机械臂增加砝码加载应变情况

图5-机械臂继续增加砝码加载应变情况

工况2：动载力动态响应DIC测试

工况2主要通过在机械手臂末端通过砝码施加载荷力，再瞬间释放，测试机械臂的动态响应。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统全场位移计算：基于特征点的跟踪结果，DIC软件计算出机械臂表面的全场位移分布，识别出位移最大的点，这通常是机械臂在动载作用下最大变形的区域。

机械臂动载最大位移值

DIC软件具备数据可视化功能，可生成位移图和应变图，直观展示机械臂的变形情况。另外，利用DIC软件可分析X方向、Y方向位移曲线，分析机械臂负载部位的位移变形、偏摆位移等，反映机械臂载荷下的刚度和测试位移数值。

图1-X方向位移曲线

图2-Y方向位移曲线

当机械臂全伸展时，由于自重和其他外载作用，其结构变形导致几何非线性效应。机器人精度控制相关的结构件和关节变形。会直接影响其控制系统的性能。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过测量机械臂全伸展载荷下的形变、位移、应变等参数，验证机械臂刚度及结构稳定性，以便于在机械臂工具上的相互作用力和扭矩来补偿这些影响，并设计更好的精度补偿算法。