CN109099873B - 一种分度单线式空间位置测量方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分度单线式空间位置测量方法以及装置，是基于单个拉线位移传感器，通过分度旋转实现空间位置的三维静态或动态测量，占用空间更小，成本更加低廉，且结构简单，安装方便，适用于工业现场，对操作环境要求较低；解决了现有空间位置测量，需多个拉线位移传感器配合完成的问题。

Description

一种分度单线式空间位置测量方法以及装置

技术领域

本发明属于一种空间位置测量技术领域，尤其是一种基于高精度拉线位移传感器的分度单线式空间位置测量方法及装置。

背景技术

常用的空间测量仪器有三坐标测量仪、激光追踪仪等。三坐标测量仪是以精密机械为基础的高效率、高精度的测量设备，但占用空间大、成本高；同样的，激光追踪仪精度高、测量范围广、使用也相对方便，但是价格十分昂贵，且动态测量过程对速度有所限制，容易发生断光的现象。相比之下，拉线位移传感器是同时兼具高精度、低成本、操作便捷、安装简单、测量范围广等优点的测量设备。

目前针对拉线位移传感器用于空间位置测量的研究逐渐增多，最知名的是Dynalog公司推出的CompuGauge四线式空间测量系统，可以实现对机器人绝对定位精度和重复定位精度的三维动态测量。国内也相继对此装置进行了仿制，可总结为三线式和四线式拉线测量机构。由于测量精度的要求，多线式测量设备体积相对较大，且需要多个拉线位移传感器，在一定程度上增加了成本。因此，基于单个拉线位移传感器的分度式拉线测量机构具有更低的成本且占用更小的操作空间。

发明内容

本发明旨在提供一种分度单线式空间位置测量方法以及装置，以解决现有空间位置测量，需多个拉线位移传感器配合完成的问题。

具体方案如下：一种分度单线式空间位置测量方法，包括如下步骤：

步骤S1，物体标定的步骤：

选定坐标系原点，并采样至少一组被测物体运动的位置；

步骤S2，数据测量的步骤：

对于每一组采样的被测物体运动位置，在坐标系原点的水平面上，选定三处随机点，且使该坐标系原点落于三处随机点所形成的三角形内；

针对每一随机点，设置转向滑轮，并将拉线编码器的拉线绕过该转向滑轮，连接坐标系原点以及被测物体采样的位置，测得三组拉线长度，以及三组坐标系原点至随机点距离；

步骤S3，坐标求解的步骤：

根据每一组采样的被测物体运动位置，带入步骤S2测量数据，建立三元非线性方程组；

迭代求解非线性方程组，即得到采样的被测物体运动位置坐标数值。

本发明的进一步技术方案为：还包括动态位置测量的步骤：

步骤S1中，间隔采样多组被测物体运动的位置，即可得到被测物体的运动轨迹。

本发明的进一步技术方案为：在步骤S2中，针对每一随机点，该转向滑轮的轴线均垂直于坐标原点、采样的被测物体运动位置以及随机点所形成的平面；三组随机点与坐标系原点等距，且以坐标系原点为圆心，120°均分选取。

本发明的进一步技术方案为：在步骤S2中，该转向滑轮于随机点处相切于坐标系原点的水平面。

本发明还提供了一种分度单线式空间位置测量装置，其包括被分别固定设置的固定底盘和万向转动副，以及包括能绕轴转动地活动安装于该固定底盘上的旋转安装底盘；

该旋转安装底盘上设有转向滑轮安装座以及拉线位移传感器；该转向滑轮安装座具有垂直于旋转安装底盘转动轴的摆动轴，该转向滑轮通过轴承能转动地设于该摆动轴上；该拉线位移传感器的拉绳，绕过该转向滑轮后连接至该万向转动副上。

本发明的进一步技术方案为：该固定底盘与该旋转安装底盘通过分度机构相对固定。

本发明的进一步技术方案为：该固定底盘上设有三个互成120°的V型凹槽，该旋转安装底盘上设有与该V型凹槽适配的球体，该球体与该V型凹槽适配以形成该分度机构。

本发明的进一步技术方案为：该旋转安装底盘具有一圆盘状的主体部以及一连接于该主体部上且向外延伸的安装杆；该拉线位移传感器设于该主体部上，该滑轮安装座设于该安装杆的自由端。

本发明的进一步技术方案为：该万向转动副具有用于固定设置在被测物体上的第一转动副以及连接于该第一转动副上的第二转动副；该第一转动副和第二转动副的轴线互相垂直。

有益效果：本发明的分度单线式空间位置测量方法以及装置，是基于单个拉线位移传感器，通过分度旋转实现空间位置的三维静态或动态测量，占用空间更小，成本更加低廉，且结构简单，安装方便，适用于工业现场，对操作环境要求较低；解决了现有空间位置测量，需多个拉线位移传感器配合完成的问题。

附图说明

图1示出了本发明分度单线式空间位置测量装置结构示意图；

图2示出了图1分度单线式空间位置测量装置固定底座结构示意图；

图3示出了图1分度单线式空间位置测量装置万向转动副结构示意图；

图4示出了本发明分度单线式空间位置测量方法原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

结合图1所示，该实施例提供了一种分度单线式空间位置测量装置，其包括被分别固定设置的固定底盘1和万向转动副4，该固定底盘1被固定设置在坐标系原点所在的水平面上，即XOY面，该万向转动副4被固定设置在待测量的物体上。

该固定底盘1上，还设有旋转安装底盘3，该旋转安装底盘3能绕竖直轴，即Z轴线转动，以活动地安装于该固定底盘1。

该旋转安装底盘3上设有转向滑轮安装座6以及拉线位移传感器2；该转向滑轮安装座6其活动安装有垂直于旋转安装底盘3转动轴的摆动轴7，而后，该转向滑轮8通过一轴承以能转动地设于该摆动轴7上，以实现转向滑轮8的自身转动以及绕摆动轴7偏移摆动；而后，该拉线位移传感器2的基准点设于该旋转安装底盘3的转动轴心位置，且该拉线位移传感器2的拉绳5，绕过该转向滑轮8后连接至该万向转动副4上。

为实现高精度的多点定位，该固定底盘1与该旋转安装底盘3通过三分度的分度机构相对固定，其具体的：

结合图2所示，该固定底盘1上设有三个互成120°的V型凹槽11，对应的，该旋转安装底盘3上设有与该V型凹槽11适配的球体，优选的，该球体也有三个，其120°圆周均布，进而该球体与该V型凹槽11适配以形成该分度机构；通过改变V型槽与球体的接触顺序可实现旋转安装底盘与固定底盘相对位置的变化。而对于本领域普通技术人员应该理解的是，通过其他方式(例如轴承和定位销)实现两者相对位置的变化也在本发明的保护范围内。

为实现更高精度的测量，该旋转安装底盘3具有一圆盘状的主体部以及一连接于该主体部上且向外延伸的安装杆，该安装杆的两侧设有加强筋；而后，该拉线位移传感器2设于该主体部上，该滑轮安装座6设于该安装杆的自由端，从而实现转向滑轮8较大的安装距离以提高测量精度。

在该实施例中，结合图3所示，该万向转动副4具有用于固定设置在被测物体上的第一转动副41以及连接于该第一转动副41上的第二转动副42；该第一转动副41和第二转动副42的轴线互相垂直，该第二转动副42的中部位置还设有拉绳固定螺栓421，以用于固定拉绳5。该万向转动副4由一个围绕中心轴的转动副，和一个轴线与转动副的轴线相垂直的另一转动副组成，在两个转动副的作用下使得拉线的延长线始终过两个转动副轴线的交点。

再结合图4所示，该实施例还提供了一种分度单线式空间位置测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，物体标定的步骤：

选定坐标系原点，并采样至少一组被测物体运动的位置；在该步骤中，采集一个位置点，则为进行静态测量；间隔采样多组被测物体运动的位置，即为动态测量，即可得到被测物体的运动轨迹。

步骤S2，数据测量的步骤：

对于每一组采样的被测物体运动位置，在坐标系原点的水平面上，选定三处随机点，且使该坐标系原点落于三处随机点所形成的三角形内；

针对每一随机点，设置转向滑轮，并将拉线编码器的拉线绕过该转向滑轮，连接坐标系原点以及被测物体采样的位置，测得三组拉线长度，以及三组坐标系原点至随机点距离；

在该步骤中，针对每一随机点，该转向滑轮的轴线均垂直于坐标原点、采样的被测物体运动位置以及随机点所形成的平面；优选的三组随机点与坐标系原点等距，且以坐标系原点为圆心，120°均分选取；且使该转向滑轮于随机点处相切于坐标系原点的水平面。

步骤S3，坐标求解的步骤：

根据每一组采样的被测物体运动位置，带入步骤S2测量数据，建立三元非线性方程组；迭代求解非线性方程组，即得到采样的被测物体运动位置坐标数值。

根据上述步骤，结合图4，该实施例坐标求解的数学原理为：针对静态测量，根据获得的三组拉线测量长度值l_i(i＝1,2,3)求得拉线适配器转动副两转动轴交点的空间位置坐标P(x,y,z)。

假设交点P与拉线连接点的距离为d，转向滑轮半径为r,拉线与滑轮下切点分别为A_i(i＝1,2,3)，与滑轮上切点分别为B_i(i＝1,2,3)，测量坐标系原点位于等边三角形平面A₁A₂A₃的中心O。下切点A_i与坐标系原点的距离为a，与拉线初始位置拉环圆心的距离为b。则下切点A_i坐标分别为(a,0,0)、 A_i到交点P的拉线长度可计算为L_i＝l_i+d-b(i＝1,2,3)。设滑轮圆心分别为R_i(i＝1,2,3)，并规定所有角度逆时针为正。

下切点A_i与交点P的拉线长度可分为直线段B_iP和弧长长度之和。

现以i＝1为例，在直角ΔR₁B₁P中，利用勾股定理，可得到拉线直线段B₁P的长度：

式中，R₁P的长度在三角形R₁OP中可以求出

其中，

式中，

拉线绕转向轮的弧长利用弧长公式可以求得：

以下分别求出∠B₁R₁P、∠OR₁A₁和∠OR₁P

在直角ΔB₁R₁P中

在ΔOR₁A₁中

而在ΔOR₁P中，分为0＜∠OR₁P＜90°、90°≤∠OR₁P＜180°和180°≤∠OR₁P＜360°三种情况，综合三种情况时

将式(5)、(6)、(7)带入式(4)中即可获得拉线绕转向轮的弧长

从固定下切点A₁到拉线终点P间的拉线总长度就等于直线段B₁P和弧长之和。

化简后：

其中

由于A₁、A₂、A₃三点位置120°对称，同理可以得到其他两段拉线的长度。

以上为已知点P(x,y,z)，求出拉线长度L_i(i＝1,2,3)的方法。若已知拉线长度，求解位置点P的坐标，则问题演变为一个三元非线性方程组。

式中L_i(i＝1,2,3)为自变量，(x,y,z)为因变量，通过迭代求解非线性方程组可解出该方程组的精确数值解。

对于动态位置测量，操纵被测物体按照轨迹运动，记录一组拉线测量长度。改变旋转安装底盘放置角度，重复示教被测物体，并获得另外两组拉线测量长度。根据上述数学计算即可求得目标轨迹中采样点的空间位置坐标，根据采样间隔，亦可由运动轨迹计算出被测物体的速度和加速度。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分度单线式空间位置测量装置，其特征在于：

包括被分别固定设置的固定底盘和万向转动副，以及包括能绕竖直轴转动地活动安装于该固定底盘上的旋转安装底盘；该旋转安装底盘上设有转向滑轮安装座以及拉线位移传感器；

固定底盘被固定设置在坐标系原点所在的水平面上，万向转动副被固定设置在被测物体上；该旋转安装底盘具有一圆盘状的主体部以及一连接于该主体部上且向外延伸的安装杆，该拉线位移传感器设于该主体部上，该滑轮安装座设于该安装杆的自由端；

该转向滑轮安装座具有垂直于旋转安装底盘转动轴的摆动轴，转向滑轮通过轴承转动地设于该摆动轴上；

该拉线位移传感器的基准点设于该旋转安装底盘的转动轴心位置，该拉线位移传感器的拉绳绕过该转向滑轮后连接至该万向转动副上。

2.根据权利要求1所述的分度单线式空间位置测量装置，其特征在于：该固定底盘与该旋转安装底盘通过分度机构相对固定。

3.根据权利要求2所述的分度单线式空间位置测量装置，其特征在于：该固定底盘上设有三个互成120°的V型凹槽，该旋转安装底盘上设有与该V型凹槽适配的球体，该球体与该V型凹槽适配以形成该分度机构。

4.根据权利要求1所述的分度单线式空间位置测量装置，其特征在于：该万向转动副具有用于固定设置在被测物体上的第一转动副以及连接于该第一转动副上的第二转动副；该第一转动副和第二转动副的轴线互相垂直。

5.一种分度单线式空间位置测量方法，采用权利要求1-4任一项所述的分度单线式空间位置测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，被测物体标定：

选定坐标系原点，并采样至少一组被测物体运动的位置；

步骤S2，数据测量：

对于每一组采样的被测物体运动位置，在坐标系原点的水平面上，选定三处随机点，且使该坐标系原点落于三处随机点所形成的三角形内；

针对每一随机点，转向滑轮与随机点处相切于坐标系原点的水平面，并将拉线编码器的拉线绕过该转向滑轮，连接坐标系原点以及被测物体采样的位置，测得三组拉线长度，以及三组坐标系原点至随机点距离；

步骤S3，坐标求解：

根据每一组采样的被测物体运动位置，带入步骤S2测量数据以及转向滑轮半径，建立三元非线性方程组；

迭代求解非线性方程组，得到采样的被测物体运动位置坐标数值。

6.根据权利要求5所述的分度单线式空间位置测量方法，其特征在于：步骤S1中包括动态位置测量的步骤：

间隔采样多组被测物体运动的位置，得到被测物体的运动轨迹。

7.根据权利要求5所述的分度单线式空间位置测量方法，其特征在于：在步骤S2中，针对每一随机点，该转向滑轮的轴线均垂直于坐标原点、采样的被测物体运动位置以及随机点所形成的平面；三组随机点与坐标系原点等距，且以坐标系原点为圆心，120°均分选取。