CN107991645A - 一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法。利用分离式距离测量装置作为测量单元，发射端与接收端分别于两个刚体的对接面上相对放置，且安放位置在各刚体坐标系下坐标已知，利用多组(≥6)测量单元获取多个合作点对的距离，可以解算刚体的相对位姿。距离测量装置发射信号呈圆锥形发散，在其覆盖空间范围内，接收端接收信号并获取相关点对的距离，实现运动刚体间相对位姿的跟踪测量。测量单元的数量(≥6)和安装位置(收发端之间无遮挡)可柔性设置；测量数据简单可靠，求得的位姿精度高；不涉及外部坐标系，对环境依赖小；采用无线方式相互通信，不涉及复杂的线路连接，因此具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

Description

一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法

技术领域

本发明利用分离式的距离测量单元，完成合作目标点对的距离跟踪测量，再利用上述点对在各自刚体局部坐标系下坐标，进行刚体相对位姿的跟踪测量，属于针对大尺寸部件的测量辅助装配领域。

背景技术

在航空、航天、船舶领域，其产品通常尺寸大，精度要求高，工艺复杂。大部件装配作为生产过程中的关键步骤，其首要任务是确定被装配部件之间的相对位姿，需要大尺度空间测量技术的支持。传统测量技术的实质是比较测量，即通过模拟量的比较，使用标准量具反映被测物体的几何尺寸、形状，这类测量方法已逐渐不能满足要求越来越高的大尺度测量需求。因此开发面向大部件装配过程的高精度数字化测量系统有着重要的理论意义和应用价值。

目前常用的测量仪器有激光跟踪仪、iGPS、视觉测量、三坐标测量机、激光雷达等，其测量实质是获取目标点在参考坐标系下的三维坐标，再根据相应关系进行位姿拟合。这些测量方式均需引入额外的参考坐标系，相对位姿获取方式不直接；在计算结果时还会涉及测量值在多个坐标系下的复杂转换，引入不必要的误差；当待测物体巨大时，很难用一台设备覆盖所有目标点，采用多台设备联合使用时，又会涉及转站问题；在待测物体处于运动状态时，上述部分仪器失效，不能做到跟踪测量；而且这些仪器往往造价较贵，在恶劣工况下的适用性将会下降。

利用合作点对距离解算部件相对位姿可以解决上述问题，然而涉及复杂的非线性方程组求解，常见的解算方法有数值法、解析法。数值法的数学模型比较简单，在只要求有一个实解并且有较好初值的大多数情况下，直接借助于非线性方程的求解算法，具有计算速度上的优势，并且省去了繁琐的数学推导。但这种方法不能求得所有位置解，数值迭代的次数无法事先确定，因而求解计算时间无法预测。解析法通过消元，从一组约束方程中消去未知变量，形成一个单变量的多项式方程。该一元多项式方程的实根就是所有可能的位姿。这种方法的优点是：1)可以得到所有的解；2)可以定量分析输入误差对输出的影响；3)可以避开奇异位置。缺点是：1)消元过程非常复杂，可能会引入虚根；2)大多数方法产生的多项式的阶数大于等于8。

利用若干合作点对距离解算部件相对位姿属于运动学正解问题，目前国内外针对运动学正解的研究多应用于并联机构移动端位姿的解算，文献“Forward displacementanalysis of general six-in-parallel sps(Stewart)platform manipulators usingsoma coordinates”利用Soma坐标证明了一般Stewart并联机器人存在40组非奇异解(Wampler C W.Mechanism&Machine Theory,1996,31(3):331-337.)文献“Delta型并联机器人运动学正解几何解法”应用运用空间几何学及矢量代数的方法建立了三自由度Delta型并联机器人的简化运动学模型，实现了更为简化的并联机器人运动学正解(赵杰,朱延河,蔡鹤皋.哈尔滨工业大学学报,2003,35(1):25-27.)；文献“基于径向基函数神经网络的并联机器人运动学正问题”应用径向基函数神经网络的算法,利用最近邻聚类方法获得径向基函数中心,求解并联机器人运动学正解问题(宋伟刚,张国伟.东北大学学报(自然科学版),2004,25(4):386-389.)；文献“基于遗传算法的并联机器人运动学正解研究”应用采用遗传算法，并且利用灰色关联分析对求解结果进行分组,得到并联机器人的7组实解(王朋,段志善,贺利乐,等.机械科学与技术,2005,24(8):956-959.)。在上述问题中，合作点对的位置存在于同一平面，且存在特殊的固定关系，而且尺度并不大，而本发明将运动学正解问题推广到基于多合作点对距离的大部件相对位姿测量领域中。

发明内容

本发明为解决大部件装配过程中相对位姿跟踪测量的问题，面向实际工程应用，合理地设计了测量系统的软硬件部分，利用分离式距离测量单元，发射端与接收端分别于两个刚体的对接面上相对安装，且安放位置在各刚体坐标系下坐标作为先验知识已知，再利用机器人提前标定测距信号收发点在测距设备坐标系下的坐标，利用多组(≥6)测量单元获取多个合作点对的距离，距离数据通过无线方式传到上位机，上位机利用面向实际工况开发的专用软件，执行位姿解算算法，刚体的相对位姿最终以三维模型的方式展示在上位机，引导相应作业过程，最终提出了一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，包括以下主要内容：

在一些实施方式中分离式距离测量单元具体特征为：分为发射端和接收端两部分，每一部分由测距传感器模块、时钟同步模块、主控处理模块、无线通信模块、直流供电模块组成，集成并封装为一体；传感器模块负责测距信号的产生与接收，时钟同步模块负责将分离的两部分统一到同一时间轴，主控处理模块负责获取由时间渡越法计算的距离值，无线通信模块负责将测量值上传到上位机，直流供电模块负责对上述设备进行供电。

在一些实施方式中测距信号具体特征为：发射信号呈圆锥形发散，在其覆盖空间范围内，接收端都能够接收信号并利用渡越时间法解算点对距离，可以实现对运动刚体相对位姿的实时跟踪测量。

在一些实施方式中主控模块具体特征为：将每对测量单元的硬件进行编码处理，并将唯一的码段调制到发射的测量信号上，保证不同测量对之间不会产生信号干扰，并且在上位机信号能够被识别来自特定测量单元。

在一些实施方式中安装方式具体特征为：测量设备外壳底部设计有定位孔，定位孔通过转接板与具体大部件连接与固定。

在一些实施方式中先验知识为：测量单元信号发射点与其安装工艺孔在设计坐标下坐标；部件上用于安装测量单元的工装上工艺孔在部件坐标系下坐标；部件的三维模型。

在一些实施方式中合作点对具体内容为：测距单元中一对测距信号发射与接收装置，测量单元的数量(≥6)和位置(收发端之间无遮挡)可任意设置，具有测量柔性。

在一些实施方式中位姿解算算法具体内容为：

设若干个合作目标点对的距离值L_i，合作目标点对在各自刚体坐标系下的坐标已知，分别为设刚体间相对位姿表示为变换矩阵T，则可以建立方程其中

当取i＝1,2,3…n(n≥6)，组成包含n个方程的方程组，可以解算出带有6个独立未知参数α,β,γ,X,Y,Z的变量T，将方程组求解处理成极小化的优化问题可以求解变换矩阵T。

在一些实施方式中标定方法具体内容为：测量设备发射/接收中心在设计坐标系下坐标值(P^A,P^B)需要提前标定，固定接收端并将发射端固定于机器人上，控制机器人运动为已知的多个位姿T_i，记录测量单元所在位姿及其对应的测距L_i，可得到方程‖T_i·P^A-P^B‖＝L_i，其中i＝1,2,3…n(n≥6)，可联立方程组，求解出未知参数(P^A,P^B)。

在一些实施方式中专用软件其特征为，可以管理测量单元的组网与注册，并接收、识别各测量单元传回的测量数据；利用时间戳将一组测量数据同步到同一时间截面，结合先验知识，可以利用上述算法进行位姿解算；以三维模型的方式显示部件(待装件与基准件)相对位姿，同时监控与记录部件模型间的相关参数(最短距离、相对路径、相对速度、相对加速度等)，支持装配作业过程仿真回放。

以下详细介绍相对位姿跟踪测量系统的操作和使用步骤：

1.准备装配作业配套的设施，确认同硬件设备功能完好，软件正常运行；

2.在装配部件对接面上选取6对目标工艺点，选取原则按照每一对工艺点之间无遮挡，以及工艺点尽量包络整个对接面；

3.在工艺点处安装上特定工装，并标定每一工装在部件坐标系下坐标；

4.将事先已标定发射中心的测量单元安装到各工装上；

5.运行监控上位机软件，进行测量单元配对操作，并设置测量模式、安全阈值以及其他测量参数；

6.软件界面根据测量值计算部件相对位姿，作为初始装配位姿；

7.根据部件模型计算装配目标位姿；

8.进行装配作业，软件界面实时更新部件三维模型姿态；

9.当所监控的关键点间距小于所设定阈值时，系统进行报警；

10.最终实时位姿和目标位姿误差小于设定值时，装配过程结束；

11.形成装配过程文件，供后续分析。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.不需引入额外的参考坐标系，直接根据部件设计坐标系以及相应点间距，求解部件相对位姿，运算过程直接明了，不涉及多个坐标系下坐标转化；

2.适用于大型装配体，采用多对测量单元比单一测量设备覆盖测量区域更广，而且局域内各位置测量精度均匀；

3.由于采用多对测量单元，测量通用性更强，适用于各种形状的对接面；

4.采用分离式测量单元，解除测距仪器本身的刚性约束，可以实现跟踪测距功能；

5.测量设备成本低，操作简单，工程实用性强。

附图说明

图1大部件相对位姿跟踪测量方法测量单元组成示意图

图2大部件相对位姿跟踪测量方法应用场景示意图

图3大部件相对位姿跟踪测量方法相对位姿解算模型示意图

图4大部件相对位姿跟踪测量方法测量单元标定方法示意图

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。本发明针对大部件装配过程中相对位姿跟踪测量在工程应用中遇到的问题，结合前期研究成果设计一套系统作为解决方案，系统包含软硬件两部分：

1.测量系统硬件部分设计、安装与标定：

如图1。测距单元分为发射端和接收端两部分，每一部分由测距传感器模块、时钟同步模块、主控处理模块、无线通信模块、直流供电模块组成，集成并封装为一体；传感器模块负责测距信号的产生与接收，时钟同步模块负责将分离的两部分统一到同一时间轴，主控处理模块负责获取由时间渡越法计算的距离值，无线通信模块负责将测量值上传到上位机，直流供电模块负责对上述设备进行供电，整体外壳底部有定位螺孔，利用转接板和不同形式的部件表面固定。

对于发射端与接收端底座上的定位螺孔，其在各自设计坐标系下坐标已知，发射/接收中心点在发射端/接收端设计坐标系下坐标值在使用前标定，从而发射/接收中心在刚体坐标系下的坐标可以通过简单运算获得。部件进行装配时，将若干对测距单元布置于待装件与基准件对接面上，由于测量单元发射的信号呈圆锥状，发射端与接收端呈一定角度时仍能对距离进行测量，则待装件相对基准件在一定范围内运动时，其相对位姿仍能测出。测量单元的数量(≥6)和位置(收发端之间无遮挡)可任意设置，具有测量柔性。(如图2)

测量设备发射/接收中心在设计坐标系下坐标值(P^A,P^B)需要提前标定，固定接收端并将发射端固定于机器人上，控制机器人运动为已知的多个位姿T_i，记录测量单元所在位姿及其对应的测距L_i，可得到方程‖T_i·P^A-P^B‖＝L_i，其中i＝1,2,3…n(n≥6)，可联立方程组，求解出未知参数(P^A,P^B)。(如图3)

2.测量系统软件部分主要功能：

测量软件负责管理测量单元的组网与注册，并接收、识别各测量单元传回的测量数据；利用时间戳将一组测量数据同步到同一时间截面，结合先验知识，可以利用权利6所述算法进行位姿解算；以三维模型的方式显示部件(待装件与基准件)相对位姿，同时监控与记录部件模型间的相关参数(最短距离、相对路径、相对速度、相对加速度等)，支持装配作业过程仿真回放。

3.发明采用的位姿解算算法：

设若干个合作目标点对的距离值L_i，合作目标点对在各自刚体坐标系下的坐标已知，分别为设刚体间相对位姿表示为变换矩阵T,则可建立方程 其中

当取i＝1,2,3…n(n≥6)，组成包含n个方程的方程组，可以解算出带有6个独立未知参数α,β,γ,X,Y,Z的变量T，将方程组求解处理成极小化的优化问题可以求解变换矩阵T。(如图4)上述变换矩阵T中含有大量耦合的三角函数，最终得到的方程组属于非线性方程组，需要利用特定的算法进行解算。

选用差分进化算法为例进行解算，解算问题表达为：

Minimize

Subject to

解算过程包含如下主要步骤：

写出适应度函数：

初始化种群：V_ik＝low_k+rand(high_k-low_k)(j＝1,2,…,NP；k＝1,2,…,6)

进行变异操作：

进行交叉操作：

进行竞争操作：计算适应度，保留最优解和最优值。

第一组求解初值给定依赖于针对实际情况估计，在算法进行一次计算后，将计算结果作为一下时刻位姿求解的初始值，以此方式循环往复进行部件相对位姿跟踪测量。

Claims (10)

1.基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，利用分离式距离测量单元，发射端与接收端分别于两个刚体的对接面上相对安装，且安放位置在各刚体坐标系下坐标作为先验知识已知，再利用机器人提前标定测距信号收发点在测距设备坐标系下的坐标，利用多组(≥6)测量单元获取多个合作点对的距离，距离数据通过无线方式传到上位机，上位机利用面向实际工况开发的专用软件，执行位姿解算算法，刚体的相对位姿最终以三维模型的方式展示在上位机，引导相应作业过程。

2.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述分离式距离测量单元具体特征为：分为发射端和接收端两部分，每一部分由测距传感器模块、时钟同步模块、主控处理模块、无线通信模块、直流供电模块组成，集成并封装为一体；传感器模块负责测距信号的产生与接收，时钟同步模块负责将分离的两部分统一到同一时间轴，主控处理模块负责获取由时间渡越法计算的距离值，无线通信模块负责将测量值上传到上位机，直流供电模块负责对上述设备进行供电。

3.如权利要求2所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述测距信号具体特征为：发射信号呈圆锥形发散，在其覆盖空间范围内，接收端都能够接收信号并利用渡越时间法解算点对距离，可以实现对运动刚体相对位姿的实时跟踪测量。

4.如权利要求2所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述主控模块具体特征为：将每对测量单元的硬件进行编码处理，并将唯一的码段调制到发射的测量信号上，保证不同测量对之间不会产生信号干扰，并且在上位机信号能够被识别来自特定测量单元。

5.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述安装方式具体特征为：测量设备外壳底部设计有定位孔，定位孔通过转接板与具体大部件连接与固定。

6.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述先验知识为：测量单元信号发射点与其安装工艺孔在设计坐标下坐标；部件上用于安装测量单元的工装上工艺孔在部件坐标系下坐标；部件的三维模型。

7.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述合作点对具体内容为：测距单元中一对测距信号发射与接收装置，测量单元的数量(≥6)和位置(收发端之间无遮挡)可任意设置，具有测量柔性。

8.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述位姿解算算法具体内容为：

设若干个合作目标点对的距离值L_i，合作目标点对在各自刚体坐标系下的坐标已知，分别为设刚体间相对位姿表示为变换矩阵T，则可以建立方程其中

当取i＝1,2,3…n(n≥6)，组成包含n个方程的方程组，可以解算出带有6个独立未知参数α,β,γ,X,Y,Z的变量T，将方程组求解处理成极小化的优化问题可以求解变换矩阵T。

9.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述标定方法具体内容为：测量设备发射/接收中心在设计坐标系下坐标值(P^A,P^B)需要提前标定，固定接收端并将发射端固定于机器人上，控制机器人运动为已知的多个位姿T_i，记录测量单元所在位姿及其对应的测距L_i，可得到方程‖T_i·P^A-P^B‖＝L_i，其中i＝1,2,3…n(n≥6)，可联立方程组，求解出未知参数(P^A,P^B)。

10.如权利要求1所述的基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，其特征在于，所述专用软件其特征为，可以管理测量单元的组网与注册，并接收、识别各测量单元传回的测量数据；利用时间戳将一组测量数据同步到同一时间截面，结合先验知识，可以利用权利6所述算法进行位姿解算；以三维模型的方式显示部件(待装件与基准件)相对位姿，同时监控与记录部件模型间的相关参数(最短距离、相对路径、相对速度、相对加速度等)，支持装配作业过程仿真回放。