CN108999616B - 一种用于空间构件的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间构件的定位方法。本发明属于空间构件定位技术领域。一种用于空间构件的定位方法，其特点是：用于空间构件的定位方法包括以下定位步骤：第一步：获取初始位置的空间构件的定位装置上定位元件的三维坐标；第二步：计算初始位置的定位装置上定位元件的变换矩阵；第三步：获取置于空间构件上的定位装置的定位元件的三维坐标；第四步：计算置于空间构件上的定位装置的变换矩阵；第五步：计算置于空间构件上的定位装置的变换矩阵的逆矩阵；第六步：计算定位装置上定位元件从初始位置到空间构件上的变换矩阵；第七步：移动初始构件到达指定空间位置。本发明具有方法简单，定位准确高效，成本低，经济实用和适用范围广等优点。

Description

一种用于空间构件的定位方法

技术领域

本发明属于空间构件定位技术领域，特别是涉及一种用于空间构件的定位方法。

背景技术

目前，在隧道与地下工程机械、矿山机械以及工程船舶机械等的施工过程中，机械设备与土石方接触的构件磨损严重，更换频繁。这些磨损构件均是按照设计的空间位置安装在机械设备上，其安装定位精度对施工机械施工平稳性和工作寿命有重要的影响，同时对生产效率有明显的影响。这些易磨损构件不仅受到土石方的磨损，而且还要承受强烈的冲击载荷，导致易磨损者需要返厂维修甚至报废。

工程机械的施工环境一般足够恶劣，先有的磨损构件的定位技术很不成熟，一般靠作业人员的焊接经验进行定位。有的施工机械提供了定位修复板，一般因笨重很难满足施工现场的机械设备的修复。往往经过反复修补，工程机械已经丧失了其最优结构，不仅降低了施工的效率，而且降低了机械设备的使用寿命。

修复已经磨损的机械设备需要精确定位易磨损构件在磨损之前的空间位置。一般分为两种模式，主动获取和被动获取。机械设备出厂时，厂家往往提供定位修复板用于修复磨损构件的空间位置，但不会提供具体的空间位置信息，这些定位修复板因笨重而很难得到实际应用。另外一种方式是借助检测设备获取易磨损构件的空间位置信息，需要检测整个机械设备。由于检测设备和检测精度的限制，易磨损构件的空间区域很难得到理想的结果，因此也很难得到易磨损部的空间位置。

CN201410592559.4公开了一种空间定位的方法和空间定位系统，该发明提供了一种空间定位方法，分别检测空间中不共线的三点与待定物体之间的距离，其目的是对物体进行空间定位识别。但是该方法以空间三点的距离进行分析，检测设备相对而固定。但是对于工程机械设备而言，工况环境恶劣，机械设备本身就可达数吨或数十吨，因此检测设备应该可以灵活的移动。如果要获得空间构件的修复数据，就需要建立构件的初始位置和空间位置的联系。从几何位置和姿态分析，构件的初始位置和空间位置属于两套不同的坐标系，因此需要先建立这两套坐标系之间的联系。现有技术存在过程繁杂、效率低、成本高等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于空间构件的定位方法。

本发明的目的是提供一种具有方法简单，定位准确高效，节省了大量的人工成本，提高了设计效率，具有经济实用和适用范围广等特点的用于空间构件的定位方法。

本发明用于空间构件的定位方法所采取的技术方案是：

一种用于空间构件的定位方法，其特点是：用于空间构件的定位方法包括以下定位步骤：(参照附图)

第一步：获取初始位置的空间构件(3)的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的三维坐标：

将空间构件(3)置于任一位置，并将所述位置定义为初始位置，然后将定位装置(4)或者定位板(41)置于所述位置的有效定位区域(A)，驱动监测设备(5)对该定位装置(4)的定位元件(57,58或59)逐一监测，获取所述定位装置(4)上各所述定位元件(57,58或59)的三维坐标{(x_n,y_n,z_n),n＝1,2,3,Λ,N}，其中N为用于所述定位装置(4)上所述定位元件(57,58或59)的数量；

第二步：计算初始位置的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的变换矩阵A₀：

选取三个定位元件(57,58或59)的坐标，其坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)，则变换矩阵表示为，

其中，

第三步：获取置于空间构件(3)上的定位装置(4)的定位元件(57,58或59)的三维坐标：

将定位装置(4)置于空间构件的有效区域(A)，然后驱动检测设备(5)对定位装置(4)上的定位元件(57,58或59)进行检测，获取所述定位元件(57,58或59)的空间坐标{(X_1n,Y_1n,Z_1n),n＝1,2,3,Λ,N}，然后依次检测其它构件(3)获取各构件的定位元件(57,58或59)空间坐标{(X_mn,Y_mn,Z_mn),m＝1,2,3,Λ,M,n＝1,2,3,Λ,N}，其中M为空间构件(3)的数量，N为用于空间构件(3)的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的数量；

第四步：计算置于空间构件(3)上的定位装置(4)的变换矩阵{B_m,m＝1,2,Λ,M}：

选取步骤二所使用的三个定位元件(57,58或59)，坐标分别为(x_m1,y_m1,z_m1)，(x_m2,y_m2,z_m2)和(x_m3,y_m3,z_m3)，则变换矩阵可表示为，

其中，

第五步：计算置于空间构件(3)上的定位装置(4)的变换矩阵的逆矩阵{C_m,m＝1,2,Λ,M}：

C_m＝B_m ^-1 (9)

第六步：计算定位装置(4)上定位元件(57,58或59)从初始位置到空间构件上的变换矩阵{D_m,m＝1,2,Λ,M}：

D_m＝A₀C_m (10)

公式(10)即该空间构件(3)位置和姿态的对应的变换矩阵；

第七步：移动初始构件(3)到达指定空间位置：

按照公式(10)所示的矩阵将初始机构移动到指定位置，实现空间构件的定位。

本发明用于空间构件的定位方法还可以采用如下技术方案：

所述的用于空间构件的定位方法，其特点是：空间构件(3)具有一个或数个有效区域(A)。

所述的用于空间构件的定位方法，其特点是：三维坐标采用右手坐标系。

所述的用于空间构件的定位方法，其特点是：三维坐标采用右手直角坐标系。

本发明具有的优点和积极效果是：

用于空间构件的定位方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下明显特点：

1.本发明能够获取空间构件(3)的位置和姿态，利用特制的定位装置(4)就能标定空间构件(3)的姿态和位置，对空间构件(3)进行定位。

2.本发明可为空间构件(3)的修复提供数据支持，利用本发明的数据可以获得所有空间构件(3)的齐次变换矩阵，对空间构件(3)的修复提供准确的数据。

3.本发明降低了人工成本，运算方法准确可靠，并且可以编制成专门的计算程序，大大降低了后期数据处理的强度。

附图说明

图1是本发明的空间构件的定位装置的使用时的示意图；

图2是本发明的空间构件的定位装置结构图；

图3是本发明用于空间构件的定位装置的结构示意图；

图4是本发明的空间构件的有效区域示意图。

图中：1为机械设备，2为构件连接部，3为构件，4为定位装置，5为测量设备，41定位板，42为侧限位Ⅰ，43为侧限位Ⅱ，44为侧限位Ⅲ，45为侧边Ⅰ，46为侧边Ⅱ，47为限位角Ⅰ，48为限位角Ⅱ，49为限位孔Ⅰ，50为限位孔Ⅱ，51为限位孔Ⅲ，52为限位孔Ⅳ，53为吸盘Ⅰ，54为吸盘Ⅱ，55为吸盘Ⅲ，56为吸盘Ⅳ，57为定位元件Ⅰ，58为定位元件Ⅱ，59为定位元件Ⅲ，A区为有效标识区域，B区为无效标识区域。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1至图4。

实施例1

一种用于空间构件的定位方法，如图1所示。机械设备1具有多个构件连接部2和构件3，每个构件3通过构件连接部2固定在机械设备1上。构件3是直接与岩土接触或作用，其空间位置和姿态对机械设备1的作业效率十分重要。一般地，确定了任意一个连接部件2的位置和姿态，则同时确定了与之配套的构件3的位置和姿态，反之亦然。

如图1所示，为了能够确定构件3的空间位置和姿态，发明了一种能够定位构件的定位装置4，其包括定位板41、吸盘Ⅰ53、吸盘Ⅱ54、吸盘Ⅲ55、吸盘Ⅳ56、定位元件Ⅰ57、定位元件Ⅱ58和定位元件Ⅲ59，所述定位板41包括了侧限位Ⅰ42、侧限位Ⅱ43、侧限位Ⅲ44、限位孔Ⅰ49、限位孔Ⅱ50、限位孔Ⅲ51和限位孔Ⅳ52。在使用时吸盘Ⅰ53固定于限位孔Ⅰ49，吸盘Ⅱ54固定于限位孔Ⅱ50，吸盘Ⅲ55固定于限位孔Ⅲ51，吸盘Ⅳ56固定于限位孔Ⅳ52。所述定位装置包括了定位元件Ⅰ57、定位元件Ⅱ58和定位元件Ⅲ59，分别固定于定位板41上，定位元件Ⅰ57和定位元件Ⅱ58具有固定的间距，定位元件Ⅱ58和定位元件Ⅲ59具有固定的间距，定位元件Ⅰ57和定位元件Ⅲ59具有固定的间距。

本发明的定位方法包括：空间构件3具有有效区域A和无效区域B。所述有效区域指能够明显标识空间构件的区域，所述有效区域应具有明显的特征，以使得定位装置可以准确的置于该所述有效区域。当然，空间构件可具有多个有效区域，但是在进行空间定位时，需要保证所运算的有效区域是相同的。所述定位装置具有多个定位元件57、定位元件58或定位元件59，所述定位元件57、定位元件58或定位元件59可以被特定的检测设备5所识别，所述检测设备5能够识别所述定位元件57、定位元件58或定位元件59的空间位置和姿态。所述空间位置一般被表示为空间直角坐标，也可以为空间柱坐标或者球坐标，所述坐标一般率属于右手坐标系统。

空间的一个物体绕x轴旋转，则其变换矩阵可以表示为，

进一步地，空间的一个物体绕y轴旋转，则其变换矩阵可以表示为，

进一步地，空间的一个物体绕z轴旋转，则其变换矩阵可以表示为，

空间的物体姿态旋转可以按照矩阵相乘的方式进行运算，最终形成一个空间旋转矩阵。所述空间旋转矩阵是公式(1)、公式(2)和公式(3)中一个或几个按照一定的顺序和规则进行的运算求解得到的复合矩阵，所述空间旋转矩阵代表了物体的姿态变换信息。空间的物体的位置变换亦可用空间位置矩阵表示，即公式(1)或公式(2)或公式(3)的最后一列表述为物体的位置变换，显然所述空间位置矩阵代表了物体的位置变换信息。将所述空间旋转矩阵和空间位置矩阵相乘就能得到物体的空间变换矩阵，所述空间变换矩阵包含了物体的位置信息和姿态信息。

将空间构件3取出，并将定位装置4置于有效区域A。一般地，侧边Ⅰ45或侧边Ⅱ46与有效区域A的特征边对其，并通过限位角Ⅰ47和限位角Ⅱ48进行微调，同时将吸盘Ⅰ53、吸盘Ⅱ54、吸盘Ⅲ55和吸盘Ⅳ56置于空间构件3的有效区域A上。

值得说明的是，空间构件3可以摆放在任意位置和任意姿态，定位装置4置于空间构件3以后，驱动检测装置对定位装置4的定位元件57、定位元件58或定位元件59进行检测。一般地，当驱动检测装置对定位装置4的定位元件57、定位元件58或定位元件59进行检测时，也就建立了一套坐标系统，所述坐标系统可称之为初始坐标系统。

第一步，获取初始位置的定位装置4上定位元件57,定位元件58或定位元件59的三维坐标：

将空间构件3置于任一位置，并将所述位置定义为初始位置，然后将定位板置于所述位置的有效定位区域，驱动监测设备5对该定位装置4的定位元件57,定位元件58或定位元件59逐一监测，获取所述定位装置4上各所述定位元件57、定位元件58或定位元件59的三维坐标{(x_n,y_n,z_n),n＝1,2,3,Λ,N}，其中N为用于所述定位装置4上所述定位元件57,58或59的数量。所述定位元件57、定位元件58或定位元件59的数量一般要大于3个。由于检测装置可以进行任意位置和任意姿态的变动，因此所述定位元件57、定位元件58或定位元件59的位置和姿态信息被获得。

第二步，计算初始位置的定位装置4上定位元件57、定位元件58或定位元件59的变换矩阵A₀：

选取步三个定位元件57、定位元件58或定位元件59的坐标，选取的三个定位元件57、定位元件58或定位元件59应该为步骤一中已经被检测的定位元件57、定位元件58或定位元件59，其坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)，则变换矩阵表示为，

其中，

由于在步骤一中，三个定位元件57,58或59的位置信息已经被获取，因此公式(4)可以求解，则空间构件3的初始变换矩阵便已确定。所述定位元件57、定位元件58或定位元件59的坐标经过公式(4)的空间变换矩阵运算可以得到标准位置的空间坐标。

第三步，获取置于空间构件3上的定位装置4的定位元件57、定位元件58或定位元件59的三维坐标：

将用于定位装置4置于空间构件3的有效区域，然后驱动检测设备5定位装置4上的定位元件57、定位元件58或定位元件59进行检测，获取到所述定位元件57,58或59的三维坐标{(X_1n,Y_1n,Z_1n),n＝1,2,3,Λ,N}，然后依次检测其它构件3获取各构件3的定位元件57、定位元件58或定位元件59空间坐标{(X_mn,Y_mn,Z_mn),m＝1,2,3,Λ,M,n＝1,2,3,Λ,N}，其中M为空间构件3的数量，N为用于空间构件3的定位装置4上定位元件57、定位元件58或定位元件59数量。值得注意的是，检测空间构件3的定位时，检测设备5一般又建立了一套坐标系统，该系统和步骤一的坐标系统一般是不相同的。这两套坐标系统的建立都是检测设备5自动建立，难以人为干预，因此需要建立这两套坐标系统之间的联系。

第四步，计算置于空间构件3上的定位装置4的变换矩阵{B_m,m＝1,2,Λ,M}：

选取步骤二所使用的三个定位元件57、定位元件58或定位元件59，坐标分别为(x_m1,y_m1,z_m1)，(x_m2,y_m2,z_m2)和(x_m3,y_m3,z_m3)，则变换矩阵可表示为，

其中，

由于在步骤三中，三个定位元件57、定位元件58或定位元件59的位置信息已经被获取，因此公式(8)可以求解，则空间构件3的初始变换矩阵便已确定。所述定位元件57,58或59的坐标经过公式(8)的空间变换矩阵运算可以得到标准位置的空间坐标。所述标准位置的空间坐标和步骤二中得到的标准位置的空间坐标实际上是一样的。

第五步，计算置于空间构件3上的定位装置4的变换矩阵的逆矩阵{C_m,m＝1,2,Λ,M}：

C_m＝B_m ^-1 (12)

按照公式(12)所示，空间构件3的变换矩阵求逆就是把步骤四中得到的标准位置的空间坐标变换到空间构件3的实际位置。因为公式(8)是可逆的，其代表空间构件3按照公式(8)所述的变换矩阵进行位置变换和姿态变换，得到另外一个位置和姿态，即所述的标准位置的姿态。则所述标准位置的姿态按照公式(8)的逆变换亦即公式(12)进行空间的位置变换和姿态变换，还原到空间构件3的实际位置。

第六步，计算定位装置4上定位元件57,58或59从初始位置到空间构件3上的变换矩阵{D_m,m＝1,2,Λ,M}：

D_m＝A₀C_m (13)

公式(13)即时该空间构件3位置和姿态的对应的变换矩阵，空间构件3的初始位置先进行公式(4)变换达到所述的标准位置的姿态，再进行公式(8)的变换达到空间构件3的实际位置。所述空间构件3的初始位置也可以用公式(13)进行位置变换和姿态变换达到空间构件3的实际位置。值得注意的是，每个空间构件3的位置和姿态都是不相同的，因此公式(13)所示的变换矩阵也是各不相同的。

第七步，移动初始构件3到达指定空间位置：

按照公式(13)所示的矩阵将初始机构移动到指定位置。初始位置的空间构件3先进行公式(4)变换达到所述的标准位置，再进行公式(8)的变换达到空间位置。所述初始位置的空间构件3也可以用公式(13)进行位置变换和姿态变换达到空间位置。所述空间位置包含了空间构件3的位置信息和姿态信息。

进一步地，在所述空间构件3具有一个或以上的有效区域。空间构件3可能具有多个有效区域，每个有效区域的位置和姿态也各不相同，因此在检测设备5使用前应该事先确定有效区域。每个空间构件3应该在同样的有效区域安装定位装置4。

本发明能够获取空间构件3的位置和姿态，利用特制的定位装置4就能标定空间构件3的姿态和位置，对空间构件3进行定位。空间构件3的位置各不相同，姿态也有所差别，通过本发明可以得到空间构件3的变换的内在联系，即空间变换矩阵。通过这些矩阵的运算，可以将初始位置的空间构件3变换到空间构件3的空间位置。

本发明可为空间构件3的修复提供数据支持，利用本发明的数据可以获得所有空间构件3的齐次变换矩阵，对空间构件3的修复提供准确的数据。当全新的机械设备被采购或者使用之前，应该用本发明的方法进行数据处理，以期获得每个空间构件3的空间信息，包括位置信息和姿态信息。当机械设备1使用一段时间后，各个空间构件3需要更换或者修复，其空间位置和姿态则可能或多或少的改变，则不能达到其最佳的工作方式。通过本发明，该机械设备可以进行修复，空间构件3达到其指定位置。

本实施例降低了人工成本，运算方法准确可靠，并且可以编制成专门的计算程序，大大降低了后期数据处理的强度。该发明经过了严密的数学推导已经成功的进行了机械设备的空间构件3的定位。一般在未使用该方法前，需要通过人工对空间构件3进行对其，效率不高，一般对其一个构件3需要1小时。当构件3达到一定的数量时，往往效率更加地下。通过本方法可以将对其的时间缩短至1分钟，甚至更少，工作效率大大提高。

本实施例具有所述的方法简单，定位准确高效，节省了大量的人工成本，提高了设计效率，具有经济实用和适用范围广等积极效果。

Claims (4)

1.一种用于空间构件的定位方法，其特征是：用于空间构件的定位方法包括以下定位步骤：

第一步：获取初始位置的空间构件(3)的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的三维坐标：

将空间构件(3)置于任一位置，并将所述位置定义为初始位置，然后将定位装置(4)或者定位板(41)置于所述位置的有效定位区域(A)，驱动监测设备(5)对该定位装置(4)的定位元件(57,58或59)逐一监测，获取所述定位装置(4)上各所述定位元件(57,58或59)的三维坐标{(x_n,y_n,z_n),n＝1,2,3,…,N}，其中N为用于所述定位装置(4)上所述定位元件(57,58或59)的数量；

第二步：计算初始位置的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的变换矩阵A₀：

选取三个定位元件(57,58或59)的坐标，其坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)，则变换矩阵表示为，

其中，

第三步：获取置于空间构件(3)上的定位装置(4)的定位元件(57,58或59)的三维坐标：

将定位装置(4)置于空间构件的有效区域(A)，然后驱动检测设备(5)对定位装置(4)上的定位元件(57,58或59)进行检测，获取所述定位元件(57,58或59)的空间坐标{(X_1n,Y_1n,Z_1n),n＝1,2,3,…,N}，然后依次检测其它空间构件(3)获取各构件的定位元件(57,58或59)空间坐标{(X_mn,Y_mn,Z_mn),m＝1,2,3,…,M,n＝1,2,3,…,N}，其中M为空间构件(3)的数量，N为用于空间构件(3)的定位装置(4)上定位元件(57,58或59)的数量；

第四步：计算置于空间构件(3)上的定位装置(4)的变换矩阵{B_m,m＝1,2,…,M}：

选取步骤二所使用的三个定位元件(57,58或59)，坐标分别为(x_m1,y_m1,z_m1)，(x_m2,y_m2,z_m2)和(x_m3,y_m3,z_m3)，则变换矩阵可表示为，

其中，

第五步：计算置于空间构件(3)上的定位装置(4)的变换矩阵的逆矩阵{C_m,m＝1,2,…,M}：

C_m＝B_m ^-1 (9)

第六步：计算定位装置(4)上定位元件(57,58或59)从初始位置到空间构件上的变换矩阵{D_m,m＝1,2,…,M}：

D_m＝A₀C_m (10)

公式(10)即该空间构件(3)位置和姿态的对应的变换矩阵；

第七步：移动空间构件(3)到达指定空间位置：

按照公式(10)所示的矩阵将空间构件移动到指定位置，实现空间构件的定位。

2.根据权利要求1所述的用于空间构件的定位方法，其特征是：空间构件(3)具有一个或数个有效区域(A)。

3.根据权利要求1或2所述的用于空间构件的定位方法，其特征是：三维坐标采用右手坐标系。

4.根据权利要求3所述的用于空间构件的定位方法，其特征是：三维坐标采用右手直角坐标系。

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