CN109211174A - 一种空间矢量拉绳测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间矢量拉绳测量方法及装置，其技术要点在于：第一步，在待测量空间内固定安装拉绳传感器，第二步，将第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的拉线固定安装在第一测量点上，将第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的拉线固定安装在第二测量点上，第三步，将第一测量点和第二测量点分别安装在待测量空间矢量上的不同两点上，第四步，读取全部拉绳传感器读值并计算第一测量点和第二测量点在全部拉绳传感器所确定的世界坐标系中的坐标值，第五步，在得到第一测量点和第二测量点坐标值后计算出空间矢量，该空间矢量即为待测量空间矢量值；本发明省去了光学照相和激光跟踪仪测量等方法在前期靶标固定和标定的复杂过程。

Description

一种空间矢量拉绳测量方法及装置

技术领域

本发明涉及拉绳测量技术领域，特别是涉及一种空间矢量拉绳测量方法及装置。

背景技术

机器人高精度铣削、打磨及钻铆等加工是目前机器人集成应用领域中的最前沿的研究方向，同时也是国内外航空制造领域中的研究热点。该技术在研究过程中最重要的一个环节是如何保证机器人绝对定位精度达到加工指标要求。

由于目前工业机器人为半开环控制模式，半开环控制模式是仅在机器人各运动轴电机侧装有编码器进行旋转角度测量，而没有度减速机输出侧的实际转动角度进行测量，使得机器人绝对运动精度一般为±0.8mm~±1.5mm。因此，在没有实现机器人运动的实时闭环控制的前提下，使用机器人进行高精度轨迹加工时，其自身误差将导致加工无法达到产品要求。

由于现阶段机器人集成应用大多采用示教及重复轨迹进行加工，而当加工精度指标高于机器人绝对运动精度时，将导致无法做到数控机床所具备的数模加工。同时，在加工产品多批量小时，精度加工的轨迹人工补偿和再恢复将会消耗大量时间并大幅增加生产成本。

目前对机器人末端在空间内任意一点的矢量测量方法主要有激光测距、数字相机摄影测量，具体介绍如下：

1.激光跟踪仪测量空间矢量

在空间测量点周围某一固定位置设定观测靶标安装位，并建立观测点与测量点间的空间位姿转换方程。激光跟踪仪照射观测靶标并获得靶标点坐标数据，其后根据笛卡尔坐标系和球坐标系转换矩阵计算得到观测靶标的空间矢量值，并进而计算获得待测点空间矢量值。

该方法的缺点是在测量时需要对空间矢量上的两点进行分别测量，否则需要两台以上激光跟踪仪，成本太高。同时，该技术无法实现对观测矢量的实时测量，并且对空间矢量运动范围的限制较大。也就是容易脱靶。

2.CCD照相机测量空间矢量

在空间测量点周围某一个或多个位置设置观测靶标安装位，并建立观测点坐标与带测量点间位姿转换方程。其后通过单个或多个照相机对靶标进行拍照和图像处理，获得观测靶标在笛卡尔坐标系下的空间矢量值，进而获得待测量空间矢量。

该方法的缺点是由于相机拍照速度及图像处理速度有限，尤其在使用高分辨率相机进行高精度矢量测量时的处理速度低，有滞后现象导致无法对空间矢量进行实时测量。同时相机自身对测量环境要求较高，抗污和抗粉尘能力低、对测量点震动要求高，使其不适合在恶劣的工作环境中使用。另外，该方法使用成本高，测量效率低。

发明内容

本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种空间矢量拉绳测量方法及装置。

一种空间矢量拉绳测量方法，包括如下步骤：

第一步，在待测量空间内固定安装拉绳传感器；

第二步，将第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的拉线固定安装在第一测量点上，将第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的拉线固定安装在第二测量点上；

第三步，将第一测量点和第二测量点分别安装在待测量空间矢量上的不同两点上；

第四步，读取全部拉绳传感器读值并计算第一测量点和第二测量点在全部拉绳传感器所确定的世界坐标系中的坐标值；

第五步，在得到第一测量点和第二测量点坐标值后计算出空间矢量，该空间矢量即为待测量空间矢量值。

进一步地，第四步中的计算方法是：

已知第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的坐标值O₁、O₂、O₃和到第一测量点的距离值1₁、1₂、1₃，则可列出空间点坐标距离方程组：

通过对该方程组求解，并对求解结果增加平面发现方向约束条件后，得到第一测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

同时，通过结合第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的坐标值和到第二测量点的距离值1_4、1₅，当A、B点间距离为已知值1₆时，则可获得第二测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

。

进一步地，第五步中的计算方法是：

已知空间直线方程：

其中1、m、n分别为空间两点间轴向分量间距。

当通过空间点坐标求解方程，得到空间两点的坐标值时，即可求得A、B点间矢量的直线方程。

同时，可得到矢量在空间坐标系中的旋转偏置;

坐标系求解

已知空间内一点在两个不同坐标系内的坐标值分别为[X、Y、Z]和[X＇、Y＇、Z＇]，则可根据变换方程求解两个坐标系的变换矩阵：

其中分别为坐标系的旋转偏置，为坐标系的位置偏置。

进一步地，第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器位于同一侧，第四

拉绳传感器和第五拉绳传感器位于同一侧，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器位于第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的对侧。

进一步地，第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器分为两列排布，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器为上下同列排布；

一种空间矢量拉绳测量装置，包括装置本体，装置本体包括与机器人相连接的机器人执行端拉绳接头，机器人执行端拉绳接头上连接有拉绳，拉绳的另一端连接有传感器安装端拉绳接头，传感器安装端拉绳接头上连接有拉绳传感器，拉绳传感器设置在传感器安装架上。

进一步地，传感器安装端拉绳接头可进行旋转。

进一步地，拉绳传感器包括第一拉绳传感器、第二拉绳传感器、第三拉绳传感器、第四拉绳传感器和第五拉绳传感器。

进一步地，第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器分为两列排布，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器为上下同列排布；

机器人执行端拉绳接头对应拉绳传感器的安装端的排布方式。

进一步地，拉绳传感器的数量大于5个。

本发明的优点：

1、测量过程简单，省去了光学照相和激光跟踪仪测量等方法在前期靶标固定和标定的复杂过程；

2、测量方法滞后时间短，能进行实时测量，且测量精度高于现有光学照相和激光跟踪测量等方法；

3、对空间环境要求较低，自身抗环境污染、抗震动能力较高，能有效提高机器人定位及运动轨迹精度，具有结构简单、操作方便、可靠性高、性价比高、环境适应性强。

附图说明

图1为空间矢量拉绳测量装置的主视示意简图；

图2为空间矢量拉绳测量装置的俯视示意简图。

附图中的标记为：

1、机器人

2、机器人执行端拉绳接头

3、拉绳

4、第一拉绳传感器

5、传感器安装端拉绳接头

6、传感器安装架

7、第五拉绳传感器

8、第四拉绳传感器

9、第二拉绳传感器

10、第三拉绳传感器。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

实施例1

一种空间矢量拉绳测量方法，包括下述步骤：第一步，在待测量空间内固定安装拉绳传感器；第二步，将第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的拉线固定安装在第一测量点上，将第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的拉线固定安装在第二测量点上；第三步，将第一测量点和第二测量点分别安装在待测量空间矢量上的不同两点上；第四步，读取全部拉绳传感器读值并计算第一测量点和第二测量点在全部拉绳传感器所确定的世界坐标系中的坐标值，该计算方法为：已知第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的坐标值O₁、O₂、O₃和到第一测量点的距离值1₁、1₂、1₃，则可列出空间点坐标距离方程组：

通过对该方程组求解，并对求解结果增加平面发现方向约束条件后，得到第一测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

同时，通过结合第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的坐标值和到第二测量点的距离值1_4、1₅，当A、B点间距离为已知值1₆时，则可获得第二测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

；

第五步，在得到第一测量点和第二测量点坐标值后计算出空间矢量，该空间矢量即为待测量空间矢量值，该计算方法为已知空间直线方程：

其中1、m、n分别为空间两点间轴向分量间距。

当通过空间点坐标求解方程，得到空间两点的坐标值时，即可求得A、B点间矢量的直线方程。

同时，可得到矢量在空间坐标系中的旋转偏置。

坐标系求解

已知空间内一点在两个不同坐标系内的坐标值分别为[X、Y、Z]和[X＇、Y＇、Z＇]，则可根据变换方程求解两个坐标系的变换矩阵：

其中分别为坐标系的旋转偏置，为坐标系的位置偏置。

第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器位于同一侧，第四拉绳传感器

和第五拉绳传感器位于同一侧，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器位于第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的对侧。第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器分为两列排布，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器为上下同列排布；

如图1-2所示，一种空间矢量拉绳测量装置，包括装置本体，装置本体包括与机器人1相连接的机器人执行端拉绳接头2，机器人1采用现有技术即可，机器人执行端拉绳接头2上连接有拉绳3，拉绳3的另一端连接有可进行旋转的传感器安装端拉绳接头5，传感器安装端拉绳接头5上连接有拉绳传感器，拉绳传感器设置在传感器安装架6上。拉绳传感器包括第一拉绳传感器4、第二拉绳传感器9、第三拉绳传感器10、第四拉绳传感器8和第五拉绳传感器7。第一拉绳传感器4和第二拉绳传感器9及第三拉绳传感器10分为两列排布，第四拉绳传感器8和第五拉绳传感器7为上下同列排布。机器人执行端拉绳接头2对应拉绳传感器的安装端的排布方式。拉绳传感器的数量也可以大于5个。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间矢量拉绳测量方法，其特征在于：包括如下步骤

第一步，在待测量空间内固定安装拉绳传感器；

第二步，将第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的拉线固定安装在第一测量点上，将第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的拉线固定安装在第二测量点上；

第三步，将第一测量点和第二测量点分别安装在待测量空间矢量上的不同两点上；

第四步，读取全部拉绳传感器读值并计算第一测量点和第二测量点在全部拉绳传感器所确定的世界坐标系中的坐标值；

第五步，在得到第一测量点和第二测量点坐标值后计算出空间矢量，该空间矢量即为待测量空间矢量值。

2.如权利要求1所述的一种空间矢量拉绳测量方法，其特征在于：第四步中的计算方法是

已知第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的坐标值O₁、O₂、O₃和到第一测量点的距离值1₁、1₂、1₃，则可列出空间点坐标距离方程组：

通过对该方程组求解，并对求解结果增加平面发现方向约束条件后，得到第一测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

同时，通过结合第四拉绳传感器和第五拉绳传感器的坐标值和到第二测量点的距离值1_4、1₅，当A、B点间距离为已知值1₆时，则可获得第二测量点在拉绳传感器坐标系中的唯一坐标值方程：

。

3.如权利要求1所述的一种空间矢量拉绳测量方法，其特征在于：第五步中的计算方法是

已知空间直线方程：

其中1、m、n分别为空间两点间轴向分量间距；

当通过空间点坐标求解方程，得到空间两点的坐标值时，即可求得A、B点间矢量的直线方程

同时，可得到矢量在空间坐标系中的旋转偏置；

坐标系求解

已知空间内一点在两个不同坐标系内的坐标值分别为[X、Y、Z]和[X＇、Y＇、Z＇]，则可根据变换方程求解两个坐标系的变换矩阵：

其中分别为坐标系的旋转偏置，为坐标系的位置偏置。

4.如权利要求1所述的一种空间矢量拉绳测量方法，其特征在于：第一拉绳传感器和

第二拉绳传感器及第三拉绳传感器位于同一侧，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器位于同一侧，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器位于第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器的对侧。

5.如权利要求4所述的一种空间矢量拉绳测量方法，其特征在于：第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器分为两列排布，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器为上下同列排布。

6.一种空间矢量拉绳测量装置，包括装置本体，其特征在于：装置本体包括与机器人相连接的机器人执行端拉绳接头，机器人执行端拉绳接头上连接有拉绳，拉绳的另一端连接有传感器安装端拉绳接头，传感器安装端拉绳接头上连接有拉绳传感器，拉绳传感器设置在传感器安装架上。

7.如权利要求6所述的一种空间矢量拉绳测量装置，其特征在于：传感器安装端拉绳接头可进行旋转。

8.如权利要求6所述的一种空间矢量拉绳测量装置，其特征在于：拉绳传感器包括第一拉绳传感器、第二拉绳传感器、第三拉绳传感器、第四拉绳传感器和第五拉绳传感器。

9.如权利要求8所述的一种空间矢量拉绳测量装置，其特征在于：第一拉绳传感器和第二拉绳传感器及第三拉绳传感器分为两列排布，第四拉绳传感器和第五拉绳传感器为上下同列排布；

机器人执行端拉绳接头对应拉绳传感器的安装端的排布方式。

10.如权利要求6所述的一种空间矢量拉绳测量装置，其特征在于：拉绳传感器的数量大于5个。