CN1059030A - 交会测量系统旋转式标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是用于机器人三维测量系统的标定装置，
由立轴、可绕立轴旋转的框架及能在框架上移动和定
位的点光源组成。与现有桁架式标定装置的区别在
于旋转式标定装置中的标定点是由框架平面上位置
不同的点光源绕立轴旋转后产生的。控制点光源的
位置及框架的转角，就可在扫过的空间范围内产生任
意数量及任意空间分布的标定点。本发明具有体积
小、精度高、适应性强等优点，并可赋予测量系统绝对
准确度测量的功能。
Description
本发明是用于机器人三维测量系统、特别是相机交会式三维测量系统的标定装置。
在加拿大Northern Digital Inc.公司的“WATSMART产品介绍”中介绍了一种用于交会式测量系统的桁架式标定装置（见附图6），该标定装置是现有技术中见到的最新产品，也是现有技术中唯一的一种标定装置。
该装置在桁架的各条梁上放置多个已知坐标位置的点光源作为标定点。从理论推算，标定点的数量不得少于4个或7个（根据算法而定），但实际上标定点数量增加有助于提高标定精度，因此标定装置一般要能提供20至30个标定点。
在实际工作中，本发明人发现，现有标定装置存在下列缺点：
1.由于标定点必须设在标定装置梁上的固定位置，当需增设标定点时，对每一个新增标定点都必须严格确定其坐标位置，因而现有标定装置不便于灵活地增减标定点，特别是在实地测量时。
2.为了保证测量精度，要求标定点能够充满整个测量空间，有时还要求在局部测量空间内增加标定点的密度（如在测量被测机器人运动最频繁的局部空间时）。对于现有技术的一个刚性桁架来说，在测量空间发生变化时（如测量空间大于或小于标定装置空间时）难以满足令标定点充满测量空间的要求，而在要求增加局部被测空间标定点的密度时，现有技术更显得力不从心。
3.现有标定装置的体积大体上等于测量空间，随着测量空间的增大，标定装置的体积和重量会急剧增加。而且由于尺寸效应（即结构的自重按立方指数增加，而强度及刚度按平方指数增加）的影响，尺寸越大，标定装置的相对刚度越低，搬运越不方便，而且也越难保证在搬运中不发生变形而降低精度。
4.现有标定装置只是一个用于安置标定点的桁架，在设计上没有考虑如何将标定装置本身所蕴含的坐标系（简称标定装置坐标系）与被测机器人的机座坐标系（简称绝对坐标系）联系起来，所以在实地测量时几乎无法找到一种实用的方法，能方便地找出上述两个坐标系的联系，因而现有技术只能适用于相对准确度测量，而不能用于绝对准确度（即相对于被测机器人本身而不是相对于测量系统本身）的测量。
5.现有技术桁架式标定装置上的点光源的准确坐标位置不能靠加工精度保证，而只能在设置好后实际测量。但点光源的平均发光中心不是一个可触及的物理实体，中间又隔着透明的保护介质，因此测量点光源坐标时必须考虑光线经过介质的折射，这是用接触式三维坐标测量设备无法做到的，因而现有技术难于精确地测到点光源发光中心的坐标位置，从而降低了测量系统的标定精度。
本发明的目的，就在于解决现有技术存在的上述缺点，设计出的新标定装置不仅具有现有标定装置的全部功能，而且体积小、精度高、造价低、适应性强，并能适用于绝对准确度测量。
本发明，是使一个二维平面绕位于平面一侧并被该平面所包容的垂直轴旋转，使之扫过三维空间。在二维平面上设置位置可变并可精确定位的至少一个点光源，控制点光源的位置及此二维平面的旋转角度，即可在扫过的三维空间范围内依次获得任意空间分布的标定点。通过二维平面的回转和投影，可以找出标定装置坐标系与被测机器人机座坐标系之间的相对位姿，从而确定两个坐标系的转换矩阵，使经过本标定装置所标定过的测量系统能适用于绝对准确度的测量。
附图1（FIG.1）是本发明的一个实施例。
该图中，1-框架，2-立轴，3-点光源，4-测角装置，5-垂直系统，6-框架面，7-光标支架，8-地标，K-底面，D-框架下平面，G-框架下平面到底面的距离，P-框架所在的平面，ZcOc-立轴2的几何中心线（轴线），SS-瞄准线，S′、S″-SS在底面K上的瞄准点。
附图2（FIG.2）是附图1的F-F剖视图。
该图中，9-套筒，10-调节螺钉，Q-发光中心，E-发光中心到光标支架定位面的距离（由加工精度保证）。
附图3（FIG.3）是附图1实施例的工作原理示意图。
该图中，a、b-点光源3在P平面上的位置，α-P平面的转角，（aCosα，aSinα，b）一点光源3在C坐标系中的坐标，XcYcZcOc-C坐标系的X、Y、Z轴及原点O，
附图4（FIG.4）是找寻标定装置坐标系与绝对坐标系关系的说明示意图。
该图中，XwYwOw-W坐标系的X、Y轴及原点O，
Xm′Ym′Om′-M坐标系在底面K上的投影，
V1、V2-S″、S′到W坐标系X向定位基准的距离，
H1、H2-S″、S′到W坐标系Y向定位基准的距离，
ψ-M坐标系X轴在底面K上的投影与W坐标系X轴间的夹角，
A-W坐标系原点到Y向定位基准的距离，
B-W坐标系原点到X向定位基准的距离
附图5（FIG.5）是本发明的另一个实施例。
该图中，4′-自准直望远镜，4″-光学多面体，5′-反射镜，5″-平晶，其余与附图1相同。
附图6（FIG.6）是现有技术的桁架式标定装置。
该图中，11-点光源，12-梁。
在附图1的实施例中（参看附图3），点光源3在标定装置坐标系中的三维坐标位置，可由点光源3在框架1上的位置a、b以及框架1的转角α所确定，而点光源3可在框架1内包含立轴2的轴线OcZc的某一平面P内移动并定位。当控制点光源3在P平面内的位置a、b及平面P（即框架1）的转角α时，即可在P平面所扫过的三维空间范围内，依次获得任意数量和任意空间分布的标定点，实现现有标定装置的全部功能，并克服前述现有标定装置存在的第1、2、3个缺点。
由此可见，交会测量系统旋转式标定装置，可以由一个框架1、一个立轴2、至少一个点光源3、一个测角装置4组成。点光源3在框架1上的位置是可变的，框架1可绕立轴2回转，转角由测角装置4测出。
参附图1和附图3，利用装在框架1上的垂直系统5，可将立轴2调整到与底面K垂直。因此框架1的下平面D距底面K的高度G可测出。此高度即是标定装置坐标系C的原点Oc（立轴2的几何中心线OcZc与框架1下平面D的交点）的高度。将测角装置4读数为0度时，框架1的P平面方向定为标定装置坐标系C的OcXc方向，因此OcYc轴的方向可以用右手定则或左手定则求出，故坐标系C完全确定。由于标定后此坐标系C即转化为测量系统的测量坐标系M，因此坐标系M至此也完全确定（在标定精度范围内可认为坐标系M与坐标系C等同）。
利用装在框架1上的瞄准装置6，及其位于框架1所在平面P内的瞄准线SS，可将测量坐标系M（即标定装置坐标系C）投影到底面K上（即投影到绝对坐标系W上），从而找出M和W这两个坐标系间的关系。
方法是当框架1所在的P平面在α角分别为0度和180度时，将瞄准线SS在底面K的瞄准点S′及S″标出。为便于测量，用两个园饼形地标8的中心，分别指示S′及S″的位置。而S′S″连线的中点Om′即为测量坐标系M的原点Om在底面K的投影（参附图4），而Om′S′方向即为坐标系M的OmXm轴方向的投影Om′Xm′。同样Om′Ym′的方向可以用右手定则或左手定则确定。至此，测量坐标系M相对于绝对坐标系W的位姿关系可由以下转换矩阵T求出：
式中：xow＝（V1+V2）/2+B，yow＝（H1+H2）/2-A，
zow＝G，ψ＝arctg（（H2-H1）/（V2-V1））
因此，经本标定装置标定的交会测量系统可适用于绝对准确度的测量（在这里事实上还存在一个基本假定，即被测机器人机座坐标系的纵轴也垂直于底面K。这是按国际标准化组织ISO的要求，机器人制造厂家必须保证的）。
在附图1的实施例中，点光源3安装于插在框架1上的定位孔中的光标支架7上。在附图2中，光标支架7由互成直角相交的水平及垂直两个回转轴组成。
用3个调节螺钉10可将点光源3的发光中心Q调到水平回转轴上。如果发光中心Q偏离水平回转轴，则转动套筒9时，发光中心Q会绕水平回转轴画出一个小园，此情况可用测量显微镜监视，调节上述3个螺钉直至该小园消失为止，此时发光中心Q已落在水平回转轴上。
第二步，轴向调整套筒9使点光源3的发光中心Q与垂直回转轴重合。首先使点光源3绕垂直回转轴摆动，如果发光中心Q与垂直回转轴不重合，则会发现发光中心Q左右移动。轴向调整套筒9使发光中心不移动为止。
经过上述调试就保证了点光源3的发光中心Q位于光标支架7的垂直回转轴上，距离定位面高度为E处。因为校正过程是用测量显微镜作光学对准，因而自然地计入了光线在介质内的折射效应。将调整好的光标支架7插入定位孔中，可保证点光源3的精确位置由事先精密加工的定位孔所决定，既提高了精度，又降低了成本。
附图1所示本发明的实施例中，可采用经纬仪或水平仪等作为测角装置4;用在框架1上预先镗制的精密孔离散地改变插入孔中的点光源3的位置;用重力式的水准气泡作为垂直系统5。
附图5是本发明的另一个实施例。
该实施例中，用自准直望远镜4′和光学多面体4″的组合作为测角装置4，用在框架1的P平面上移动的水平和垂直两套精密丝杠连续改变点光源3的位置a、b;用自准直望远镜4′、临时插入光路的反射镜5′及平晶5″的组合作为垂直系统5。这种自准直垂直系统的优点是，不要求底面K水平就能保证立轴2对底面K的垂直。
由此可见本发明采用框架旋转的方式布置标定点，可达到的标定范围大;标定点的数量增减容易，位置变化灵活;框架与立轴作为整个系统的核心可以单独拆卸，立轴本身亦可以由多段套筒装配而成，便于搬运保存及调节高度，增加了全套系统的机动性;由于采用光学对准的光标支架，提高了发光中心的对准精度，并可用坐标镗床等精密加工方法予先保证点光源的坐标位置，既降低了成本，又提高了标定精度;由于旋转式标定装置能够确定测量坐标系与绝对坐标系之间的坐标转换矩阵，因此适用于进行绝对准确度的测量。
Claims (7)
1、交会测量系统旋转式标定装置，其特征在于：该装置由一个框架1，一个立轴2，至少一个点光源3，一个测角装置4组成；点光源3在框架1上的位置是可变的；框架1可绕立轴2回转，转角由测角装置4测出。
2、如权利要求1所述的标定装置，其特征在于：利用装在框架1上的垂直系统5，可将立轴2调整到与底面K垂直;利用装在框架1上的瞄准装置6及其位于框架1所在平面P内的瞄准线SS，可将测量坐标系M（即标定装置坐标系C）投影到底面K上（即投影到绝对坐标系W上）。
3、如权利要求1、2所述的标定装置，其特征在于：点光源3安装于插在框架1上的定位孔中的光标支架7上;光标支架7由互成直角的水平及垂直两个回转轴组成，用3个调节螺钉10可将点光源3的发光中心Q调到水平回转轴上，轴向调整套筒9使点光源3的发光中心Q与垂直回转轴重合。
4、如权利要求1、2所述的标定装置，其特征在于：可采用经纬仪或水平仪作为测角装置4;可采用重力式的水准气泡作为垂直系统5;可采用在框架1上预先镗制的精密孔离散地改变插入孔中的点光源3的位置。
5、如权利要求1、2所述的标定装置，其特征在于：可用自准直望远镜4′与光学多面体4″组合成测角装置4;可采用自准直望远镜4′、临时插入光路的反射镜5′及平晶5″组合成垂直系统5;可采用在框架1的P平面上移动的水平和垂直两套精密丝杠连续改变点光源3的位置。
6、如权利要求3所述的标定装置，其特征在于：可采用经纬仪或水平仪作为测角装置4;可采用重力式的水准气泡作为垂直系统5;可采用在框架1上预先镗制的精密孔离散地改变插入孔中的点光源3的位置。
7、如权利要求3所述的标定装置，其特征在于：可用自准直望远镜4′与光学多面体4″组合成测角装置4;可采用自准直望远镜4′、临时插入光路的反射镜5′及平晶5″组合成垂直系统5;可采用在框架1的P平面上移动的水平和垂直两套精密丝杠连续改变点光源3的位置。
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| CN 91108714 CN1059030A (zh) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 交会测量系统旋转式标定装置 |
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| CN1059030A true CN1059030A (zh) | 1992-02-26 |
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ID=4909433
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|---|---|
| CN (1) | CN1059030A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108921890A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-30 | 广东拓斯达科技股份有限公司 | 螺丝锁付方法、装置及计算机可读存储介质 |
| CN109631827A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-16 | 哈尔滨工业大学 | 基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法 |
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1991
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