CN104634244A - 三自由度并联机构运动平台位姿检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置，该运动平台位姿检测装置主要包括计算机、多功能卡、固定平台、运动平、回转台、激光发生器、二维影像传感器，本发明还公开了一种实现三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置的检测方法；本发明技术方案检测装置，结构简单，容易安装；本发明技术方案检测方法简单易操作，效率高，能够大幅度缩短测量时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置及其检测方法，确切地说，是一种3-PRS并联机构运动平台位姿的非接触快速高精度检测装置及其检测方法。
背景技术
并联机构在工业上得到了广泛的应用，其中多自由度并联数控加工中心在加工工业上已呈现出一个特别突出的应用前景。并联机构相对于传统的串联机构有诸多的优势，如结构简单、刚度大、动态响应快、承载能力强、精度高等优点，受到了诸多学者的关注并展开了深入的研究。
大部分的并联机器人是以Stewart平台为基础，但在很多场合不需要6自由度，少自由度就能满足要求。三自由度并联机构已在工业实践中得到了一定的应用，如应用于集成电路加工、精密制造、航天器等领域。其中，具有三自由度3-PRS (P为移动副，R为转动副，S为球面副)并联机构是少自由度并联机构中的代表之一，由于它们的自由度较少，比6自由度并联机构结构简单，经济便宜，控制相对容易，因此具有很好的应用前景，已被应用在并联机床、加工中心主轴头等领域。
精度是并联机床最重要的性能指标之一，它直接影响机床的加工质量，其中并联机构运动平台的位姿对精度影响很大。另一方面，并联机构使用一段时间后，因为各个构件的磨损，变形等因素使得运动平台的精度降低，为保证精度，需要定时对机构进行测量，进行误差补偿。由于并联机构的特性，运动平台处在不同位姿时的精度成非线性变化，需要对不同位姿的运动平台进行测量。现有的测量方法大都是接触式的，测量不便捷，工作量大，对研究并联机构的末端位姿精度带来了测量繁琐的问题。
发明内容
本发明针对测量3-PRS并联机构运动平台是测量繁琐的问题，提供了一种3-PRS并联机构的运动平台位姿测量装置，在不接触运动平台的前提下，实现对运动平台位姿全自动化、高效、快速的测量，有效地解决了上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置，该运动平台位姿检测装置主要包括计算机、多功能卡、固定平台、运动平、回转台、激光发生器、二维影像传感器；所述激光发生器安装在回转台末端，该回转台通过通讯线与多功能卡连接，所述二维影像传感器通过通讯线与多功能卡连接，该多功能卡一端与回转台及二维影像传感器相连，该多功能卡另一端与计算机相连，所述计算机通过多功能卡控制回转台的旋转，该计算机与激光发生器通过通讯线相连并控制激光发生器。
作为一种优选方案，在固定平台上选定一基准点垂直安装回转台，在回转台末端安装激光发生器，在运动平台上选定一基准点，安装二维影像传感器。
作为另一种优选方案，在运动平台上选定一基准点垂直安装回转台，在回转台末端安装激光发生器，在固定平台上选定一基准点，安装二维影像传感器。
进一步，所述运动平台位姿检测装置上设置一个激光发生器，该激光发生器为一可发射准直线激光光源。
进一步，所述激光发生器发射激光照射二维影像传感器，该二维影像传感器将照射点位置信号输出给多功能卡，多功能卡再将位置信号输入计算机，经计算机计算处理得到与之对应位置的一组坐标。
进一步，所述回转台有两个旋转自由度。
为了实现对本发明的三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置的检测技术问题，本发明还提供了一种实现所述运动平台位姿检测装置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：
a、在固定平台上建立静坐标系o-xyz，在运动平台上建立动坐标系 ；
b、计算机控制打开激光发生器，计算机向回转台输入控制信号，调节回转台的两个转角，使激光发生器发射的激光照射到二维影像传感器上形成光斑，计算机记录回转台的末端激光发生器位姿及二维影像传感器上的激光光斑坐标，其中为已知量，由二维影像传感器安装位置确定；重复调节回转台的两个转角，使激光发生器从N个不同的角度照射到二维影像传感器上，计算机记录回转台的末端激光发生器位姿及二维影像传感器上激光光斑的坐标；计算机控制关闭激光发生器；
c、列方程组，求出运动平台的位姿。
进一步，在步骤b中，二维影像传感器上激光光斑的坐标是在动坐标系下的坐标；步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台末端激光发生器的位姿得所发射的激光在静坐标系o-xyz下的方程
（1）
其中，由转角及回转台的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
（2）
其中，分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式（1）、（2），解得，得到运动平台的位姿。
进一步，在步骤b中，二维影像传感器上激光光斑的坐标是在静坐标系o-xyz下的坐标，步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台末端激光发生器的位姿得到所发射的激光在动坐标系下的方程为
（3）
其中，由转角及回转台的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
（4）
其中，分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式（3）、（4），解得，得到运动平台的位姿。
作为一种优选方案，计算运动平台的位姿参数时采用最小二乘法。
本发明技术方案具有的有益的效果在于：
1、本发明检测装置，结构简单，容易安装。
2、本发明检测方法简单易操作，效率高，能够大幅度缩短测量时间。
3、本发明能够快速、精确的测量定平台的位姿。
4、本发明检测装置为非接触性检测，能够实现自动化检测，弥补传统检测方法的缺陷和不足。
5、本发明装置及检测方法有很好的可移植性，能够扩展应用于其他类似的运动物体位姿检测领域。
上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为三自由度并联机构运动平台检测装置实施例一结构简图。
图2为三自由度并联机构运动平台检测装置实施例二结构简图。
附图标记注释：
1、固定平台； 2、回转台； 3、激光发生器；4、二维影像传感器
5、运动平台；6、多功能卡；7、计算机。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
如图1和图2所示，本发明提供的一种三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置，该运动平台位姿检测装置主要包括计算机7、多功能卡6、固定平台1、运动平台5、回转台2、激光发生器3、二维影像传感器4；所述激光发生器3安装在回转台2末端，该回转台2通过通讯线与多功能卡6连接，所述二维影像传感器4通过通讯线与多功能卡6连接，该多功能卡6一端与回转台2及二维影像传感器4相连，该多功能卡6另一端与计算机7相连，所述计算机1通过多功能卡6控制回转台2的旋转，该计算机7与激光发生器3通过通讯线相连并控制激光发生器3。在固定平台1上选定一基准点垂直安装回转台2，在回转台2末端安装激光发生器3，在运动平台5上选定一基准点，安装二维影像传感器4。在运动平台5上选定一基准点垂直安装回转台2，在回转台2末端安装激光发生器3，在固定平台1上选定一基准点，安装二维影像传感器4。所述运动平台位姿检测装置上设置一个激光发生器3，该激光发生器3为一可发射准直线激光光源。所述激光发生器3发射激光照射二维影像传感器4，该二维影像传感器4将照射点位置信号输出给多功能卡6，多功能卡6再将位置信号输入计算机7，经计算机7计算处理得到与之对应位置的一组坐标。所述回转台2有两个旋转自由度。
本发明中的二维影像传感器4中的核心部件为图像传感器，如面阵CCD板，激光照射到面阵CCD板上，在面阵CCD板上形成光斑，面阵CCD板将光斑的位置坐标输出给多功能卡6，进而输入计算机7。
本发明中的回转台2具有两个旋转自由度，通过计算机7控制电机调节回转台2的两个旋转角度，实现自动化调节。
实施例一，如图1所示，固定平台1上选定一基准点安装回转台2，回转台2下端固定在固定平台1上，上端具有两个旋转自由度，在上端的末端安装激光发生器3，回转台2通过通讯线与多功能卡6相连，回转台2将信号传给多功能卡6，多功能卡6经过信号处理，将回转台2的信号以数字信号的形式传给计算机7。运动平台5的下平面选定一基准点，安装二维影像传感器4，二维影像传感器4通过通讯线与多功能卡6连接，将激光照射点的位置信号传给多功能卡6，多功能卡6经过信号处理，将位置信号以数字信号的形式传给计算机7。计算机7经过计算处理，计算出运动平台5的位姿。本实施例可实现自动化控制，计算机7控制回转台2旋转，进行信号的收集和处理，得到运动平台5的位姿信息，从而实现测量的全自动化。
实施例二，如图2所示，运动平台5上选定一基准点安装回转台2，回转台2下端固定在运动平台5上，上端具有两个旋转自由度，在上端的末端安装激光发生器3，回转台2通过通讯线与多功能卡4相连，回转台2将信号传给多功能卡4，多功能卡4经过信号处理，将回转台2的信号以数字信号的形式传给计算机7。固定平台1的下平面选定一基准点，安装二维影像传感器4，二维影像传感器4通过通讯线与多功能卡6连接，将激光照射点的位置信号传给多功能卡6，多功能卡6经过信号处理，将位置信号以数字信号的形式传给计算机7。计算机7经过计算处理，计算出运动平台5的位姿。本实施例可实现自动化控制，计算机7控制回转台2旋转，进行信号的收集和处理，得到运动平台5的位姿信息，从而实现测量的全自动化。
运动平台位姿检测装置的检测方法，步骤如下：
a、在固定平台1上建立静坐标系o-xyz，在运动平台5上建立动坐标系；
b、计算机7控制打开激光发生器3，计算机7向回转台2输入控制信号，调节回转台2的两个转角，使激光发生器3发射的激光照射到二维影像传感器4上形成光斑，计算机1记录回转台2的末端激光发生器3位姿及二维影像传感器4上的激光光斑坐标，其中为已知量，由二维影像传感器4安装位置确定；重复调节回转台2的两个转角，使激光发生器3从N个不同的角度照射到二维影像传感器4上，计算机7记录回转台2的末端激光发生器3位姿及二维影像传感器4上激光光斑的坐标；计算机7控制关闭激光发生器3；
c、列方程组，求出运动平台5的位姿。
其中，在实施方案一，在步骤b中，二维影像传感器4上激光光斑的坐标是在动坐标系下的坐标，步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台2末端激光发生器3的位姿得所发射的激光在静坐标系o-xyz下的方程
（1）
其中由转角及回转台2的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
（2）
其中分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式（1）、（2），解得，得到运动平台5的位姿。
在实施方案二，在步骤b中，二维影像传感器4上激光光斑的坐标是在静坐标系o-xyz下的坐标，步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台2末端激光发生器3的位姿得到所发射的激光在动坐标系下的方程为
（3）
其中由转角及回转台2的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
（4）
其中分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式（3）、（4），解得，得到运动平台5的位姿。
由于式（1）、（3）各相当于两个方程，当N=3时，共6个方程，通常情况下可解出这六个未知量，当增加N的个数，方程的个数大于未知量的个数，则用最小二乘法求解，能显著提高测量精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述提示的技术内容做出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种三自由度并联机构的运动平台位姿检测装置，该运动平台位姿检测装置主要包括计算机(7)、多功能卡(6)、固定平台(1)、运动平台(5)，其特征在于，所述运动平台位姿检测装置主要还包括回转台(2)、激光发生器(3)、二维影像传感器(4)；
所述激光发生器(3)安装在回转台(2)末端，该回转台(2)通过通讯线与多功能卡(6)连接，所述二维影像传感器(4)通过通讯线与多功能卡(6)连接，该多功能卡(6)一端与回转台(2)及二维影像传感器(4)相连，该多功能卡(6)另一端与计算机(7)相连，所述计算机(1)通过多功能卡(6)控制回转台(2)的旋转，该计算机(7)与激光发生器(3)通过通讯线相连并控制激光发生器(3)。
2.根据权利要求1所述的运动平台位姿检测装置，其特征在于：在固定平台(1)上选定一基准点垂直安装回转台(2)，在回转台(2)末端安装激光发生器(3)，在运动平台(5)上选定一基准点，安装二维影像传感器(4)。
3.根据权利要求1所述的运动平台位姿检测装置，其特征在于：在运动平台(5)上选定一基准点垂直安装回转台(2)，在回转台(2)末端安装激光发生器(3)，在固定平台(1)上选定一基准点，安装二维影像传感器(4)。
4.根据权利要求2或3所述的运动平台位姿检测装置，其特征在于：所述运动平台位姿检测装置上设置一个激光发生器(3)，该激光发生器(3)为一可发射准直线激光光源。
5.根据权利要求4所述的运动平台位姿检测装置，其特征在于：所述激光发生器(3)发射激光照射二维影像传感器(4)，该二维影像传感器(4)将照射点位置信号输出给多功能卡(6)，多功能卡(6)再将位置信号输入计算机(7)，经计算机(7)计算处理得到与之对应位置的一组坐标。
6.根据权利要求5所述的运动平台位姿检测装置，其特征在于：所述回转台(2)有两个旋转自由度。
7.一种实现权利要求1所述运动平台位姿检测装置的检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
a、在固定平台(1)上建立静坐标系o-xyz，在运动平台(5)上建立动坐标系 ；
b、计算机(7)控制打开激光发生器(3)，计算机(7)向回转台(2)输入控制信号，调节回转台(2)的两个转角，使激光发生器(3)发射的激光照射到二维影像传感器(4)上形成光斑，计算机(1)记录回转台(2)的末端激光发生器(3)位姿及二维影像传感器(4)上的激光光斑坐标，其中为已知量，由二维影像传感器(4)安装位置确定；重复调节回转台(2)的两个转角，使激光发生器(3)从N个不同的角度照射到二维影像传感器(4)上，计算机(7)记录回转台(2)的末端激光发生器(3)位姿及二维影像传感器(4)上激光光斑的坐标；计算机(7)控制关闭激光发生器(3)；
c、列方程组，求出运动平台(5)的位姿。
8.根据权利要求7所述的运动平台位姿检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤b中，二维影像传感器(4)上激光光斑的坐标是在动坐标系下的坐标；步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台(2)末端激光发生器(3)的位姿得所发射的激光在静坐标系o-xyz下的方程
(1)
其中，由转角及回转台(2)的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
(2)
其中，分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式(1)、(2)，解得，得到运动平台(5)的位姿。
9.根据权利要求7所述的运动平台位姿检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤b中，二维影像传感器(4)上激光光斑的坐标是在静坐标系o-xyz下的坐标，步骤c中，设动坐标系到静坐标系o-xyz的齐次转换矩阵为关于的函数，记为，其中为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的位置坐标，分别为动坐标系相对于静坐标系o-xyz的三个姿态角；
由回转台(2)末端激光发生器(3)的位姿得到所发射的激光在动坐标系下的方程为
(3)
其中，由转角及回转台(2)的结构尺寸计算得到，
激光光斑的坐标在动坐标系和静坐标系o-xyz下的转换关系为
(4)
其中，分别是光斑的坐标在静坐标系o-xyz和动坐标系下的坐标向量，
联立式(3)、(4)，解得，得到运动平台(5)的位姿。
10.根据权利要求8或9所述运动平台位姿检测装置的检测方法，其特征在于：计算运动平台(5)的位姿参数时采用最小二乘法。
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| CN201410846328.5A CN104634244A (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 三自由度并联机构运动平台位姿检测装置及其检测方法 |
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| CN201410846328.5A CN104634244A (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 三自由度并联机构运动平台位姿检测装置及其检测方法 |
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2014
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