CN105758301A - 关节臂式机器人坐标测量装置 - Google Patents

Abstract

一种关节臂式机器人坐标测量装置，具有机身，机身包括若干节关节臂，相邻关节臂之间铰接，其中末节连杆的末端上固定有支承板，支承板上固定有一号主观测装置，一号主观测装置为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为一号主观测线，一号主观测线和末节连杆的轴心线重合，支承板上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴，定位轴的轴心线与一号主观测线成空间垂直，定位轴上固定有一号副观测装置，一号副观测装置为一激光器，其光轴称为一号副观测线，一号副观测线与定位轴的轴心线垂直相交，一号主观测线和一号副观测线处于同一平面。本发明能满足测距精度要求，测距与光速无关，故使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正，操作方便。

Description

关节臂式机器人坐标测量装置

技术领域

本发明涉及关节臂式机器人坐标测量装置。

背景技术

坐标测量装置，在科研和生产中已得到广泛应用。关节臂式机器人是一种多自由度非正交坐标系测量系统，广泛用于模具、汽车零部件、钣金等的快速检测和逆向工程。与传统坐标测量装置比，其结构相对简单、体积小、重量轻、测量范围大、灵活方便。见李广云、李宗春主编，测绘出版社出版之《工业测量系统原理及应用》一书。

目前，非接触式测量发展迅速。三角法是常用的测距原理。三角法是一束激光照射到物体上，部分漫反射激光经过棱镜在光电探测设备上成像。三角法在应用上有很多定位参数要求，在测量设备标定上非常繁琐而且费时，实测时若系统中某项参数无法准确得到，将使得测量数据产生误差。当测量设备有微小变动时，系统中每项参数都必须重新标定。见许智钦孙长库编著，《3D逆向工程》（中国计量出版社2002年4月第1版）p16。

何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章第二节，介绍了目前全站仪的测距原理，主要是脉冲法、相位法测距，都需要对应的复杂的电子系统。脉冲法测距，直接测定测距仪发出的脉冲往返被测距离的时间。根据叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p8，用于计时的时钟频率即便有极微小的误差，也会导致很大的测量误差。比如时钟频率为100MHz，即便有±1Hz的频率误差，测距误差也将达到±1.5m。所以脉冲法测量精度低，主要用于远程低精度测量。相位法测距，其原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得传播距离。相位法测距，涉及复杂的控制和运算，比如测尺转换和控制、光路转换控制，减光自动控制，测相节奏（时序控制）、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算等等（见叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p15）。测量的电子系统远比脉冲法复杂。由此会导致很多问题。叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p42第3章进行了分析，比如电路中的同频光电窜扰信号导致的周期误差，内部石英晶体振荡器受温度影响导致的误差。李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》p134，也提及实际测距频率和设计频率不一致导致的测距误差问题。

有一个问题对测距精度至关重要，无论脉冲测距或者相位测距，其测距精度都取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。根据李泽球主编，武汉理工大学出版社2012年7月出版之《全站仪测量技术》p22，全站仪的气象改正还与该全站仪所用测距光波的波长有关。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量精确、操作方便的关节臂式机器人坐标测量装置。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之一如下：本发明包括底座和连接在底座上的关节臂，关节臂由若干节连杆铰接而成，其中末节连杆上固定有支承板，支承板上固定有一号主观测装置，一号主观测装置为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为一号主观测线，一号主观测线和末节连杆的轴心线重合，支承板上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴，定位轴的轴心线与一号主观测线成空间垂直，定位轴上固定有一号副观测装置，一号副观测装置为一激光器，其光轴称为一号副观测线，一号副观测线与定位轴的轴心线垂直相交，一号主观测线和一号副观测线处于同一平面，支承板上设有用于测量定位轴旋转角度的编码盘，定位轴由电机驱动。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之二如下：本发明包括底座和连接在底座上的关节臂，关节臂由若干节连杆铰接而成，其中末节连杆上固定有支承板，支承板上固定有二号主观测装置，二号主观测装置为一激光器，其光轴称为二号主观测线，二号主观测线和末节连杆的轴心线重合，支承板上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴，定位轴的轴心线与二号主观测线成空间垂直，定位轴上固定有二号副观测装置，二号副观测装置为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为二号副观测线，二号副观测线与定位轴的轴心线垂直相交，二号主观测线和二号副观测线处于同一平面，支承板上设有用于测量定位轴旋转角度的编码盘，定位轴由电机驱动。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之三如下：本发明包括底座和连接在底座上的关节臂，关节臂由若干节连杆铰接而成，其中末节连杆上固定有支承板；支承板上固定有三号主观测装置，三号主观测装置为一激光器，其光轴称为三号主观测线，三号主观测线和末节连杆的轴心线重合，支承板上设有可以围绕自身轴心线旋转的定位轴，定位轴的轴心线与三号主观测线成空间垂直，定位轴上固定有三号副观测装置，三号副观测装置为一激光器，其光轴称为三号副观测线，三号副观测线与定位轴的轴心线垂直相交，三号主观测线和三号副观测线处于同一平面，支承板上设有CCD数字相机和用于测量定位轴旋转角度的编码盘，定位轴由电机驱动。

本发明的优点在于：本发明可以直接用于测距，完全能满足测距精度要求，无需事先进行繁琐费时的标定，且本发明测距与光速无关，故使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正，操作方便；本发明电子部分的构造相对简单，适合生产现场使用。

附图说明

图1是实施例1示意图。

图2是实施例2示意图。

图3是实施例3示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1，本实施例包括底座2和连接在底座2上的关节臂，关节臂由若干节连杆1铰接而成，其中末节连杆1-1上固定有支承板3，支承板3上固定有一号主观测装置6-1，一号主观测装置6-1为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为一号主观测线6-1a，一号主观测线6-1a与末节连杆1-1的轴心线1-1a重合，支承板3上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴4，定位轴4的轴心线4a与一号主观测线6-1a成空间垂直，定位轴4上固定有一号副观测装置7-1，一号副观测装置7-1为一激光器，其光轴称为一号副观测线7-1a，一号副观测线7-1a与定位轴4的轴心线4a垂直相交，一号主观测线6-1a和一号副观测线7-1a处于同一平面，支承板3上设有用于测量定位轴4旋转角度的编码盘5，定位轴4由电机驱动。

本实施例还有电源、信号处理装置等。

将本装置安装在现有的关节臂式机器人上，替代现有的关节臂式机器人上的测量部分。操作连杆，将一号主观测装置6-1对准被测物体A某点，然后一号副观测装置7-1电动驱动，直至一号主观测装置6-1内置的CCD数字相机在一号主观测线6-1a上观测到一号副观测装置7-1照射到物体上的激光照射点，编码盘5给出一号副观测线7-1a的转动角α的值，定位轴4的轴心线4a与一号主观测线6-1a之间的距离L是已知的，根据三角函数关系，得出定位轴4的轴心线4a与该被测点的间距H的值，再根据定位轴4的轴心线4a距离支承板3底面的距离h以及各关节臂的姿态，确定被测点的坐标。

实施例2

见图2，本实施例包括底座2和连接在底座2上的关节臂，关节臂由若干节连杆1铰接而成，其中末节连杆1-1上固定有支承板3，支承板3上固定有二号主观测装置6-2，二号主观测装置6-2为一激光器，其光轴称为二号主观测线6-2a，二号主观测线6-2a与末节连杆1-2的轴心线1-2a重合，支承板3上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴4，定位轴4的轴心线4a与二号主观测线6-2a成空间垂直，定位轴4上固定有二号副观测装置7-2，二号副观测装置7-2为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为二号副观测线7-2a，二号副观测线7-2a与定位轴4的轴心线4a垂直相交，二号主观测线6-2a和二号副观测线7-2a处于同一平面，支承板3上设有用于测量定位轴4旋转角度的编码盘5，定位轴4由电机驱动。

本实施例还有电源、信号处理装置等。

将本装置安装在现有的关节臂式机器人上，替代现有的关节臂式机器人上的测量部分。操作连杆1，将二号主观测装置6-2对准被测物体A某点，然后二号副观测装置7-2电动驱动，直至二号副观测装置7-2内置的CCD数字相机在二号副观测线6-2a上观测到二号主观测装置6-2照射到物体A上的激光照射点，编码盘5给出二号副观测线7-2a的转动角α的值，定位轴4的轴心线4a与二号主观测线6-2a之间的距离L是已知的，根据三角函数关系，得出定位轴4的轴心线4a与该被测点的间距H的值，再根据定位轴4的轴心线4a距离支承板3底面的距离h以及各关节臂的姿态，确定被测点的坐标。

实施例3

见图3，本实施例包括底座2和连接在底座2上的关节臂，关节臂由若干节连杆1铰接而成，其中末节连杆1-1上固定有支承板3，支承板3上固定有三号主观测装置6-3，三号主观测装置6-3为一激光器，其光轴称为三号主观测线6-3a，三号主观测线6-3a与末节连杆1-3的轴心线1-3a重合，支承板3上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴4，定位轴4的轴心线4a与三号主观测线6-3a成空间垂直，定位轴4上固定有三号副观测装置7-3，三号副观测装置7-3为一激光器，其光轴称为三号副观测线7-3a，三号副观测线7-3a与定位轴4的轴心线4a垂直相交，三号主观测线6-3a和三号副观测线7-3a处于同一平面，支承板3上设有CCD数字相机8和设有用于测量定位轴4旋转角度的编码盘5，定位轴4由电机驱动。

本实施例还有电源、信号处理装置等。

将本装置安装在现有的关节臂式机器人上，替代现有的关节臂式机器人上的测量部分。操作连杆1，将三号主观测装置6-3对准被测物体A某点，然后三号副观测装置7-3电动驱动，直至在CCD数字相机8上只观测到一个激光照射点，说明三号主观测装置6-3照射在被测物体A上的激光点和三号副观测装置7-3照射在被测物体A上的激光点重合，编码盘5给出三号副观测线7-3a的转动角α的值，定位轴4的轴心线3a与三号主观测线6-3a之间的距离L是已知的，根据三角函数关系，得出定位轴4的轴心线4a与该被测点的间距H的值，再根据定位轴4的轴心线4a距离支承板3底面的距离h以及各关节臂的姿态，确定被测点的坐标。

上述实施例中涉及到内置CCD数字相机望远镜，可见何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章。另见梅文胜、杨红著，武汉大学出版社2011年11月出版之《测量机器人开发与应用》第2章。

Claims (3)

1.一种关节臂式机器人坐标测量装置，包括底座（2）和连接在底座（2）上的关节臂，关节臂由若干节连杆（1）铰接而成，其特征在于：其中末节连杆（1-1）上固定有支承板（3），支承板（3）上固定有一号主观测装置（6-1），一号主观测装置（6-1）为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为一号主观测线（6-1a），一号主观测线（6-1a）和末节连杆（1-1）的轴心线（1-1a）重合，支承板（3）上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴（4），定位轴（4）的轴心线（4a）与一号主观测线（6-1a）成空间垂直，定位轴（4）上固定有一号副观测装置（7-1），一号副观测装置（7-1）为一激光器，其光轴称为一号副观测线（7-1a），一号副观测线（7-1a）与定位轴（4）的轴心线（4a）垂直相交，一号主观测线（6-1a）和一号副观测线（7-1a）处于同一平面，支承板（3）上设有用于测量定位轴（4）旋转角度的编码盘（5），定位轴（4）由电机驱动。

2.一种关节臂式机器人坐标测量装置，包括底座（2）和连接在底座（2）上的关节臂，关节臂由若干节连杆（1）铰接而成，其特征在于：其中末节连杆（1-1）上固定有支承板（3），支承板（3）上固定有二号主观测装置（6-2），二号主观测装置（6-2）为一激光器，其光轴称为二号主观测线（6-2a），二号主观测线（6-2a）和末节连杆的轴心线（1-1a）重合，支承板（3）上设有能围绕自身轴心线旋转的定位轴（4），定位轴（4）的轴心线（3-1a）与二号主观测线（6-2a）成空间垂直，定位轴（4）上固定有二号副观测装置（7-2），二号副观测装置（7-2）为一内置CCD数字相机望远镜，其视准轴称为二号副观测线（7-2a），二号副观测线（7-2a）与定位轴（4）的轴心线（4a）垂直相交，二号主观测线（6-2a）和二号副观测线（7-2a）处于同一平面，支承板（3）上设有用于测量定位轴（4）旋转角度的编码盘（5），定位轴（4）由电机驱动。

3.一种关节臂式机器人坐标测量装置，包括底座（2）和连接在底座（2）上的关节臂，关节臂由若干节连杆（1）铰接而成，其特征在于：其中末节连杆（1-1）上固定有支承板（3）；支承板（3）上固定有三号主观测装置（6-3），三号主观测装置（6-3）为一激光器，其光轴称为三号主观测线（6-3a），三号主观测线（6-3a）和末节连杆的轴心线（1-1a）重合，支承板（3）上设有可以围绕自身轴心线旋转的定位轴（4），定位轴（4）的轴心线（4a）与三号主观测线（6-3a）成空间垂直，定位轴（4）上固定有三号副观测装置（7-3），三号副观测装置（7-3）为一激光器，其光轴称为三号副观测线（7-3a），三号副观测线（7-3a）与定位轴（4）的轴心线（4a）垂直相交，三号主观测线（6-3a）和三号副观测线（7-3a）处于同一平面，支承板（3）上设有CCD数字相机（8）和用于测量定位轴（4）旋转角度的编码盘（5），定位轴（4）由电机驱动。