CN110561500A - 空间定位误差测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空间定位误差测量装置及其测量方法，y轴上方的磁场方向传感器；能测量出测量坐标系{M}在水平面内转过的角度；安装在x轴上的坐标轴垂直倾角传感器；用于测量zx坐标平面与铅垂面在垂直于x轴的平面内的夹角。通过这些测量参数，可以确定测量坐标系相对于测量参考面代表的世界坐标系中的位置和方向，进而确定这一位置和方向与正确的位置和方向之间的误差大小。本装置的测量方法简单，测量精度高，测量过程为全自动，适用于移动机器人基座空间定位误差的测量。

Description

空间定位误差测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及空间定位误差测量装置及其测量方法。

背景技术

移动工业机器人在进入工位开展作业时，由于定位装置的制造、装配、磨损等原因，实际位置和方向(以下简称位姿)与理想正确位置和方向存在微量误差，该误差会影响到工业机器人的工作精度，因此，需要对该误差进行测量以便对机器人位姿进行补偿修正。在客观实际使用时，要求该定位误差所采用的测量装置测量精度高、测量及时快速、测量仪器尺寸小。

目前，机器人位姿测量的方法使用激光跟踪仪测量、使用经纬仪测量、使用三坐标测量机测量和使用工业相机摄像测量等方法，但是这些方法由于设备尺寸大、费用高昂、操作不便、系统复杂等原因，不适合机器人入位误差的实时测量。

因此一种新型空间定位误差测量装置及其方法是迫切需要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的定位误差不仅尺寸较大、费用较高，也不适用于机器人入位误差的实时测量，目的在于提供一种空间定位误差测量装置及其测量方法，解决定位装置误差测量问题。

本发明通过下述技术方案实现：

空间定位误差测量装置及其测量方法，包括分别位于测量坐标系{M}的x、y、z坐标轴上交汇于原点的X杆、Y杆、Z杆，X杆、Y杆、Z杆上分别设置有X测距传感器、Y测距传感器、Z测距传感器，Z测距传感器、Y测距传感器、X测距传感器分别用于测量测量坐标系原点到底部测量参考面、左侧测量参考面、后侧测量参考面的距离，其中，底部测量参考面、左侧测量参考面、后侧测量参考面分别代表世界坐标系{W}的xy平面、xz面和zy平面；底部测量参考面、左侧测量参考面、后侧测量参考面分别位于定位装置的底面、侧面、后侧面。

X杆、Y杆的下方分别连接有用于测量坐标系{M}的x、y坐标轴的水平倾斜角度的X轴水平倾角传感器和Y轴水平倾角传感器；X杆上还连接有用于测量坐标系{M}中zx坐标平面与铅垂面在垂直于x轴的平面内的夹角的坐标轴垂直倾角传感器；Y杆上连接有通过测量坐标系{M}相对于地磁场在水平面上的角度位移的磁场方向传感器。

其中，坐标轴垂直倾角传感器包括连接轴和可绕连接轴旋转的平衡块以及角度传感器，角度传感器包括活动端和固定端，活动端与平衡块连接，固定端与连接轴连接，连接轴与X杆连接，并且连接轴与X杆轴线相互重合。

进一步的，本测量装置的底部测量参考面为水平面，左侧测量参考面、后侧测量参考面是相互垂直且与底部测量参考面垂直的两个垂面。空间定位误差测量装置中构建了一个测量坐标系{M}，X测距探头、Y测距探头、Z测距探头与x、y、z同轴设置，X轴水平倾角传感器和Y轴水平倾角传感器位于x、y轴下方且分别与x、y轴平行设置，用于测量x、y坐标轴的水平倾斜角度；坐标轴垂直倾角传感器的连接轴的轴线与x轴重合，用于测量zx坐标平面与铅垂面在垂直于x轴的平面内的夹角。

坐标轴垂直倾角传感器包括连接轴和可绕连接轴旋转的平衡块以及角度传感器，角度传感器包括活动端和固定端，活动端与平衡块连接，固定端与连接轴连接，连接轴与X杆连接，并且连接轴与X杆所在直线相互重合。该传感器主要由一根连接轴、可以绕轴旋转的平衡块和一个角度传感器组成。角度传感器由活动端和固定端组成，活动端与平衡块相连，固定端与轴相连。

测量中，将传感器的轴安装在与被测坐标轴同轴的位置。由于所测误差为微量误差，坐标轴与水平面的倾角是很小的。当坐标平面与铅垂面不重合时，在重力作用下，平衡块重心与轴心的连线始终保持在铅垂面内，从而使角度传感器的活动端与固定端产生角度位移，该角度位移即为坐标平面与铅垂面的夹角。

本装置在测量时，没有繁杂的结构，尺寸较小，更便于使用，同时本装置的误差小，进一步的提高了使用效率。

空间定位误差测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)测量坐标系{M}相对于世界坐标系{W}的变换关系表示为：

其中，T_x(x_M)、T_y(y_M)、T_z(z_M)分别为{W}到{M}移动变换的齐次矩阵，R_z(ψ)、R_y″(θ)分别为{M}先后绕z轴、x’轴和y”轴旋转变换的齐次矩阵；

(2)通过磁场方向传感器得到测量坐标系{M}绕z轴转过的角度ψ，即∠bO_Mb′；

(3)通过Y轴水平倾角传感器得到测量坐标系{M}绕x'轴转过的角度即∠b″O_Mb′；

(4)通过坐标轴垂直倾角传感器得到zx坐标平面与经过x轴的铅垂面在垂直于x轴的平面上的夹角α_x；通过X轴水平倾角传感器测出x轴与水平面的倾角为θ₀，通过α_x和θ₀得到坐标系{M}绕y轴转过的角度θ为：

(5)通过Z测距传感器、Y测距传感器、X测距传感器分别测得底部测量参考面、左侧测量参考面、后侧测量参考面上光斑到测量坐标系{M}原点的距离分别为Lx、Ly、Lz，进而可以计算出世界坐标系{W}到测量坐标系{M}原点在x、y、z方向的移动距离分别为

(6)将步骤(2)～(5)中确定的参数带入步骤(1)中的计算公式，即可得到本装置相对于世界坐标系{W}的位置和方向，进而也可以确定空间定位误差测量装置所安装在其上的机器人的空间位置和方向，以及所测得位置和方向与正确位置与和方向之间的误差。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明空间定位误差测量装置及其测量方法，本装置的误差测量方法简单，并且精度高，更适用于移动工业机器人定位误差的测量；

2、本发明空间定位误差测量装置及其测量方法，本装置结构简单，没有繁杂的结构，在有效提高测量精度的同时，不仅节约了成本，还能有效的提高使用效率；

3、本发明空间定位误差测量装置及其测量方法，本装置能有效的检测移动机器人入位的实时误差，更有利于机器人定位的使用，更便于准确的测得定位装置的误差，增长使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明坐标轴垂直倾角传感器结示意图；

图3为本发明世界坐标系经与测量坐标系的位移旋转变换图；

图4为本发明绕x轴旋转角度测量原理。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-磁场方向传感器，2-左侧测量参考面，3-Y高精度激光测距传感器，4-Y轴水平倾角传感器，5-Z高精度激光测距传感器，6-底部测量参考面，7-X轴水平倾角传感器，8-坐标轴垂直倾角传感器，9-X高精度激光测距传感器，10-后侧测量参考面，11-连接轴，12-角度传感器，13-平衡块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1-2所示，空间定位误差测量装置及其测量方法，包括分别位于测量坐标系{M}的X、Y、Z轴上的交汇于原点的X杆、Y杆、Z杆，X杆、Y杆、Z杆上分别设置有高精度激光测距传感器用于测量坐标系原点距离底部测量参考面6、左侧测量参考面2、后侧测量参考面10的距离，其中，底部测量参考面6为水平面，左侧测量参考面2、后侧测量参考面10是相互垂直且与底部测量参考面垂直的两个垂面；

X杆、Y杆的下方分别连接有用于测量x、y坐标轴的水平倾斜角度的X轴水平倾角传感器7和Y轴水平倾角传感器4；X杆上还连接有用于测量zx坐标平面与铅垂面在垂直于x轴的平面内的夹角的坐标轴垂直倾角传感器8；Y杆上连接有通过测量坐标系{M}相对于地磁场在水平面上的角度位移的磁场方向传感器1。

如图2所示，坐标轴垂直倾角传感器8包括连接轴11和可绕连接轴11旋转的平衡块13以及角度传感器12，角度传感器12包括活动端和固定端，活动端与平衡块13连接，固定端与连接轴11连接，连接轴11与X杆连接，并且连接轴11与X杆所在直线相互重合。

其中，X测距传感器9、Y测距传感器3、Z测距传感器5为高精度激光测距传感器。

在使用时，在二次定位装置的底面、侧面、后侧面安放水平和竖直的测量参考面，即底部测量参考面6、左侧测量参考面2和后侧测量参考面10，同时，测量参考面与二次定位装置上的定位夹紧装置无连接，避免二次定位装置震动影响到测量参考面。

并且，本装置放置在机器人基坐标下方Δz处，其坐标系{M}方向与机器人基坐标系平行。其中，Δz是与被测设备有关的可变机械安装参数，具体数值需要在测量装置安装后测量取得。

因此在使用时，通过测量本装置的相对于世界坐标系{W}的位置和方向，可得到本装置所安装的机器人的空间位置和方向，进而通过所测得位置和方向与正确位置与和方向相比较，得到二次定位装置的误差。

实施例2

空间定位误差测量装置的测量方法，在实施例1的基础上，包括以下步骤：

(1)测量坐标系{M}相对于世界坐标系{W}的变换关系表示为：

其中，T_x(x_M)、T_y(y_M)、T_z(z_M)分别为{W}到{M}移动变换的齐次矩阵，P_z(ψ)、R_y″(θ)分别为{M}先后绕z轴、x’轴和y”轴旋转变换的齐次矩阵；

(2)通过磁场方向传感器1得到测量坐标系{M}绕z轴转过的角度ψ，即∠bO_Mb′；

(3)通过Y轴水平倾角传感器4得到测量坐标系{M}绕x'轴转过的角度即∠b″O_Mb′；

(4)通过坐标轴垂直倾角传感器8得到zx坐标平面与经过x轴的铅垂面在垂直于x轴的平面上的夹角α_x；通过X轴水平倾角传感器7测出x轴与水平面的倾角为θ₀，通过α_x和θ₀得到坐标系{M}绕y轴转过的角度θ为：

(5)通过X、Y、Z高精度激光测距传感器测出后侧测量参考面、左侧测量参考面、底部测量参考面上光斑到测量坐标系{M}原点的距离分别为Lx、Ly、Lz，进而可以计算出世界坐标系{W}到测量坐标系{M}原点在x、y、z方向的移动距离分别为

(6)将步骤(2)～(5)中确定的参数带入步骤(1)中的计算公式，即可确定权利要求1所述的空间定位误差测量装置相对于世界坐标系{W}的位置和方向，也可以进一步确定空间定位误差测量装置所安装与其上的设备的空间位置和方向，以及所测得位置和方向与正确位置与和方向之间的误差。

实施例3

在实施例2的基础上，理想状态下，测量坐标系{M}的x、y、z坐标轴与参考世界坐标系的zy、zx、xy平面分别正交与a、b、c三点。由于机器人底座在二次定位装置上的定位误差，测量装置跟随机器人底座发生偏转，偏转的结果用欧拉角表示为：测量坐标系绕z轴转过ψ，绕x轴转过绕y轴转过θ得到最终状态。最终测量坐标系{M}的x、y、z坐标轴与参考世界坐标系的zy、zx、xy平面分别正交与a″、b″、c″三点。测量坐标系{M}相对于世界坐标系{W}的欧拉旋转表示，即得到公式(1)；

图3中，在旋转变换中，测量坐标系绕z轴转过的角度ψ对应为图中的∠bO_Mb’，可以直接通过磁场方向传感器1测量{M}相对于地磁场在水平面上的角度位移来换算获得。如果环境存在其他磁场的影响，可以通过额外设置固定的外部强磁场来作为外部测量参考，从而减少磁场干扰带来误差。

如图3所示测量坐标系{M}绕x轴转过的角度为∠b″O_Mb′，即实际y坐标轴与水平面的夹角，该角度可以通过Y轴水平倾角传感器4直接测得。

坐标系{M}绕y轴转过的角度θ的测量，通过图4可知：

测量坐标系经过旋转后，原来的坐标轴x变为当前的坐标轴x”’，O_Ma与x”’重合，O_Mb为O_Ma在水平面上的投影。将k点向z”’x”’坐标平面投影，投影点为k’，∠jk’i即为测量坐标系{M}绕y坐标轴转过的角度θ。

x”'轴与水平面的夹角θ0(∠kO_Mj)由水平倾角传感器测出。z”'x”'坐标平面与经过x”'轴的铅垂面的夹角α_x(∠kik′)由x”'下方的坐标轴垂直倾角传感器测得。

由于k'为k在x”'z”'平面上的投影，因此，kk'为k'j、k'i的公垂线，所以，∠jk'i是平面kk'j和平面kk'i的夹角。以k'为原点建立局部坐标系，设图中O_Mk的长度为L，则可计算出在局部坐标系中k、k'、j、i的坐标值，使用向量可解出平面kk'j和平面kk'i的夹角，即得到公式(2)；其中，k、k'、j、i的坐标值分别为：

k′(0，0，0)

k(0，0，L sin θ₀sin α_x)

j(0，L sin θ₀ cos α_x，0)

在上述测量中，角度测量所能达到的经济精度为0.01°，最高精度为0.001°，距离测量的经济精度为0.01mm，最高精度为0.001mm。如图1所示安装在测量坐标系坐标轴上的X测距传感器9、Y测距传感器3、Z测距传感器5可以测出光斑到坐标测量坐标系原点的距离由于这一误差总体较小，缩短探头到参考面的距离，使测量的距离精度达到0.01mm以下。

若测量坐标系的原点在参考世界坐标系中的位置用(x_M，y_M，z_M)表示，则

X_M的求解借助向量，若测量坐标系x轴没有旋转，则其方向可以用单位向量-i＝(-1，0，0)表示，-i与后侧面垂直。经过旋转后的方向用单位向量i”’表示，则

式中

带入上式得

设-i与i”'的夹角表示为δ，则

因此，测量坐标系原点到后侧面的距离

本装置测出测量坐标系{M}的位移与旋转量，用于进行先后定位误差比较，得到二次定位装置的误差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.空间定位误差测量装置，其特征在于，包括分别位于测量坐标系{M}的x、y、z坐标轴上交汇于原点的X杆、Y杆、Z杆，X杆、Y杆、Z杆上分别设置有X测距传感器(9)、Y测距传感器(3)、Z测距传感器(5)，Z测距传感器(5)、Y测距传感器(3)、X测距传感器(9)分别用于测量测量坐标系原点到底部测量参考面(6)、左侧测量参考面(2)、后侧测量参考面(10)的距离，其中，底部测量参考面(6)、左侧测量参考面(2)、后侧测量参考面(10)分别代表世界坐标系{W}的xy平面、xz面和zy平面；

X杆、Y杆的下方分别连接有用于测量坐标系{M}的x、y坐标轴的水平倾斜角度的X轴水平倾角传感器(7)和Y轴水平倾角传感器(4)；X杆上还连接有用于测量坐标系{M}中zx坐标平面与铅垂面在垂直于x轴的平面内的夹角的坐标轴垂直倾角传感器(8)；Y杆上连接有用于测量坐标系{M}相对于地磁场在水平面上的角度位移的磁场方向传感器(1)。

2.根据权利要求1所述的空间定位误差测量装置，其特征在于，坐标轴垂直倾角传感器(8)包括连接轴(11)和可绕连接轴(11)旋转的平衡块(13)以及角度传感器(12)，角度传感器(12)包括活动端和固定端，活动端与平衡块(13)连接，固定端与连接轴(11)连接，连接轴(11)与X杆连接，并且连接轴(11)与X杆轴线相互重合。

3.根据权利要求1所述的空间定位误差测量装置，其特征在于，底部测量参考面(6)、左侧测量参考面(2)、后侧测量参考面(10)分别位于定位装置的底面、侧面、后侧面。

4.空间定位误差测量装置的测量方法，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的测量装置，包括以下步骤：

(1)测量坐标系{M}相对于世界坐标系{W}的变换关系表示为：

其中，T_x(x_M)、T_y(y_M)、T_z(z_M)分别为{W}到{M}移动变换的齐次矩阵，R_z(ψ)、R_y″(θ)分别为{M}先后绕z轴、x’轴和y”轴旋转变换的齐次矩阵；

(2)通过磁场方向传感器(1)得到测量坐标系{M}绕z轴转过的角度ψ，即∠bO_Mb′；

(3)通过Y轴水平倾角传感器(4)得到测量坐标系{M}绕x'轴转过的角度即∠b″O_Mb′；

(4)通过坐标轴垂直倾角传感器(8)得到zx坐标平面与经过x轴的铅垂面在垂直于x轴的平面上的夹角α_x；通过X轴水平倾角传感器(7)测出x轴与水平面的倾角为θ₀，通过α_x和θ₀得到坐标系{M}绕y轴转过的角度θ为：

(5)通过Z测距传感器(5)、Y测距传感器(3)、X测距传感器(9)测量出底部测量参考面(6)、左侧测量参考面(2)、后侧测量参考面(10)上光斑到测量坐标系{M}原点的距离分别为Lx、Ly、Lz，世界坐标系{W}到测量坐标系{M}原点在x、y、z方向的移动距离分别为

(6)将步骤(2)～(5)中得到的参数带入步骤(1)中的计算公式，得到空间定位误差测量装置相对于世界坐标系{W}的位置和方向。