CN102589448B - 高精度六自由度位姿监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度六自由度位姿监测装置，该装置包括：可动部分，被测物体与所述可动部分固定在一起；固定不动部分；四个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起，第三面阵CCD和第四面阵CCD与固定不动部分固定在一起；四路准直光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射四束光束，分别被所述四个面阵CCD接收，其中，当被测物体发生任意自由度的运动时，引起相应面阵CCD上光点的位置发生变化，根据被测物体运动前后所述光点位置的变化来计算被测物体的六自由度位移。本发明可用于物体六自由度位姿的高精度监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度六自由度位姿监测装置，属于光电测量领域，特别适用于物体间六自由度位姿的高精度监测。
背景技术
物体在空间有6个自由度，即3个方向的平动(Δx，Δy，Δz)和绕3个方向轴的转动(θx，θy，θz)。现代科学技术的发展，航空航天、汽车造船、机械加工、医疗器械等众多领域内对目标物体的六自由度定位、空间姿态控制提出了更高的精度要求。在航空航天、汽车、造船等大型组装系统中精密部件装配的基本任务是目标部件在空间六自由度的精确定位，以保证部件装配拼接质量；同时，机器人的手臂在抓取和放置物体时，其手臂的姿态和位置也需要进行六自由度的测量与控制。制造加工行业中，检测维护数控机床等大型设备的导轨，以保证产品精度和生产加工的顺利进行。机床是通过导轨或工作台来改变工件相对切削刀具的相对位置，同一般物体一样，导轨或工作台也具有6个自由度，但常常只允许它们沿某一自由度运动，而不允许在其它5个自由度方向运动。由于机床导轨运动副都具有3个回转自由度误差——俯仰、偏摆及滚转误差，同时沿3个坐标轴还具有3个平动误差，对机床加工性能具有影响，所以需要对其进行测量。在大间隙磁场悬挂和平衡系统中，模拟的飞行器要依靠磁场力而悬浮在风洞里，要模拟飞行，必须对空间六自由度位移参数进行测量，以便于控制。风洞应变天平是飞行器在风洞中进行模拟实验，感受各向力和力矩的装置，根据天平的变形，就可以测知各向力和力矩的大小。但在模拟实验前，需要标定天平载荷和变形的关系，并设计天平自动校验台，而多自由度的测量和调整便是其中的一部分。此外气浮平台的空间姿态、船体运动监测、水池模型等诸多科研任务中需进行实时的高精度多自由度监测。
多自由度同时测量技术与方法的研究是检测领域的热门课题，新的技术方法不断涌现。目前国内外的多自由度测量技术大体上主要分为非接触式和接触式，非接触测量技术除采用超声波技术和电磁技术外大部分采用基于光学原理，主要包括激光衍射技术、激光干涉技术、全反射技术、激光跟踪技术、激光准直技术、视觉检测技术。我们在进行某工件空间六自由度位姿监测时，上述自由度测量方法普遍存在结构复杂，安装空间不足等问题，难以适用。专利ZL200810149831.X中平面反射镜对偏摆和俯仰较为敏感，单一自由度发生位移时，可实现Y轴转动和X轴转动两个转动位移的测量；但伴随其它自由度的位移时，Y轴转动和X轴转动位移的测量将会带来一定的误差，高精度测量时必须加以考虑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度六自由度位姿监测装置，可实现物体的六自由度位姿监测，具有光路简单、精度高的优点。
本发明提供一种高精度六自由度位姿监测装置，该装置包括：可动部分，被测物体与可动部分固定在一起；固定不动部分。
四个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起。第三面阵CCD和第四面阵CCD与固定不动部分固定在一起；四路准直光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射四束光束，分别被所述四个面阵CCD接收。当被测物体发生任一自由度的移动时，引起CCD相机上相应光点位置的变化，根据所述的光点位置变化来计算出物体六自由度位移。
所述的四路准直光输出结构采用一个LED光源发射光束，所述光束耦合到光纤后，经光开关控制切换后，由光纤传输并由光纤准直器进行准直输出。
其中，四束光束中的第一光束入射到固定在可动部分上的平面反射镜上，被平面反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第三面阵CCD接收。平面反射镜对偏摆和俯仰较为敏感，单一自由度发生位移时，可实现Y轴转动和X轴转动两个转动位移的测量；但伴随其它自由度的位移时，Y轴转动和X轴转动位移的测量将会带来误差，高精度测量时必须加以考虑。
其中，四束光束中的第二光束入射到固定在可动部分上的角锥反射镜上，被角锥反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第四面阵CCD接收。在微小位移情况下，角锥反射棱镜对Y轴平动和X轴平动敏感，对光束方向不敏感，因此对第四面阵CCD上光点位置的变化进行处理，可实现Y轴平动和X轴平动两个平动位移的测量。
第一面阵CCD和第二面阵CCD与平面反射镜和角锥反射镜入射面共面，并且四束光束中的另外两束光束的反向延长线交于一点，所述另外两束光束以一定角度对称入射到第一面阵CCD和第二面阵CCD上。根据所述CCD上光点位置的变化和第四面阵CCD上光点位置的变化可计算出Z轴转动和Z轴平动的位移。
通过X轴平动、Y轴平动、Z轴平动和Z轴转动的位移可以计算并修正Y轴转动和X轴转动的测量误差，从而提高了测量精度。
本发明与现有技术相比具有结构简单、安装调整方便、可获得高测量精度的特点，可用于物体间六自由度位姿的高精度监测。
附图说明
图1为根据本发明实施例的高精度六自由度位姿监测装置的实施图。
图2为根据本发明实施例的四路准直光输出结构的示意图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。
图1为根据本发明实施例的高精度六自由度位姿监测装置的实施图。图中：1为可动部分，2为测量支架，3为第三面阵CCD，4为平面反射镜，5为角锥反射镜，6为第四面阵CCD，7为固定不动部分，8为第一面阵CCD，9为第一分光镜，10为第二分光镜，11为第二面阵CCD，12为光纤准直光源，采用图2所示四路准直光输出结构。应该注意，为了表示简便，在图1中仅示出了准直光输出光源12的部分结构(例如，光纤准直器)，而省略了其他组成部分。
图2为根据本发明实施例的准直光光源的四路准直光输出结构示意图。参照图2，四路准直光输出结构包括LED光源13、输入光纤14、光开关15、输出光纤16和光纤准直器17。LED光源发射光束，所述光束耦合到输入光纤后，光开关可以切换输出光纤，由输出光纤传输并由光纤准直器17准直后作为准直光源18输出。
将系统可动部分1与被测物体刚性固定在一起，这样被测物体的位移会带动系统可动部分的位移。调整使可动部分两个面阵CCD相机3和6的感光面与平面镜和角锥反射镜入射面在同一平面内。标定出面阵CCD相机在整个坐标系中的位置。
将系统固定不动部分7与固定物体刚性固定在一起，调整使2个光源分别投向对应面阵CCD相机中心，且使其光线反向延长线交于一点，标定出两光线的夹角。
初始时，计算机控制光开关使各准直光源依次发光，并采集对应的面阵CCD图像，并处理出当前各光点中心在图像中的位置。工作时，当被测物体发生任意自由度的移动时，带动可动部分1，从而引起各面阵CCD上相应光点位置的变化。根据所述光点位置的前后变化可解算出被测物体的六自由度位移。
因此，根据本发明的高精度六自由度位姿监测装置具有结构简单、安装调整方便、可获得高测量精度的优点，可用于监测物体的微小六自由度位移。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。
Claims (2)
1.一种高精度六自由度位姿监测装置，包括：
可动部分，被测物体与所述可动部分固定在一起；
固定不动部分；
四个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起；第三面阵CCD和第四面阵CCD与固定不动部分固定在一起；
四路准直光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射四束光束，分别被所述四个面阵CCD接收；所述四路准直光输出结构采用一个LED光源发射光束，所述光束经光纤耦合器分光后，由光纤传输并进行准直输出；
其中，当被测物体发生任意自由度的运动时，引起相应面阵CCD上光点的位置发生变化，根据被测物体运动前后所述光点位置的变化来计算被测物体的六自由度位移；
其中，四束光束中的第一光束入射到固定在可动部分上的平面反射镜上，被平面反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第三面阵CCD接收；
其中，四束光束中的第二光束入射到固定在可动部分上的角锥反射镜上，被角锥反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第四面阵CCD接收；在微小位移情况下，角锥反射棱镜对Y轴平动和X轴平动敏感，对光束方向不敏感，对第四面阵CCD上光点位置的变化进行处理，能实现Y轴平动和X轴平动两个平动位移的测量；
通过X轴平动、Y轴平动、Z轴平动和Z轴转动的位移能够计算并修正Y轴转动和X轴转动的测量误差；
其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与平面反射镜和角锥反射镜入射面共面，并且四束光束中的另外两束光束的反向延长线交于一点，所述另外两束光束以一定角度对称入射到第一面阵CCD和第二面阵CCD上。
2.根据权利要求1所述的高精度六自由度位姿监测装置，其特征是，根据所述的四个面阵CCD上光点的位置变化，计算六自由度位移分量。
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