CN112077850A - 基于机械手的超声无损检测探头自准直装置及工作方法 - Google Patents

基于机械手的超声无损检测探头自准直装置及工作方法 Download PDF

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CN112077850A CN202010977305.3A CN202010977305A CN112077850A CN 112077850 A CN112077850 A CN 112077850A CN 202010977305 A CN202010977305 A CN 202010977305A CN 112077850 A CN112077850 A CN 112077850A
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孙鸿兵
孙益壮
张耀
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Abstract

本发明涉及一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置及工作方法，适用于工矿企业使用。在六自由度关节式机械手前端前端设有超声无损检测探头自准直装置，其包括螺栓基座，螺栓基座上设有多个用于与六自由度关节式机械手前端连接的螺栓孔，螺栓基座中心设有弹性连接机构，弹性连接机构上通过探头夹持机构连接有超声探头，弹性连接机构的周围分别设置多个激光测距传感器。使用时与曲面接触后，弹性连接机构中的弹簧自适应调整使得超声探头贴紧待测工件表面，然后开始超声扫查，其结构紧凑，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

Description

基于机械手的超声无损检测探头自准直装置及工作方法
技术领域
本发明涉及一种超声探头自准直装置，尤其是一种工矿企业中使用的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置。
背景技术
随着现代化工业技术的高速发展，采用自动化设备取代人工方式对曲面工件进行探伤成为了当前较为先进的检测手段。机械手可以根据内部程序自动完成特定操作，因而可以替代人工完成一些繁重、复杂、危险的检测作业，并具有运动精度高、工作效率高、运行成本低等优点。超声无损检测技术作为工业领域应用非常广泛的检测技术，是保证工件加工质量以及在役工件可靠性的重要手段。将机械手与超声无损检测技术相结合的自动化检测方法，是无损检测技术未来重要的发展方向。
使用超声对曲面工件进行无损检测时，需要超声换能器的声轴线方向与被检测工件靠近探头的表面法线方向重合，从而保证超声波以对检测最有利的角度在工件内部进行传播。为了实现对复杂曲面形状工件的自动化检测，需要对超声换能器的位置和姿态进行准确的定位。
现有的方法通常是预先知道曲面CAD模型，根据工件CAD模型采用专用软件对检测路径进行规划，自动生成检测轨迹，超声探头按照事先规划好的轨迹对工件的跟踪式检测。这种检测方法只能对轮廓已知的曲面进行检测，使得系统的灵活性和适用性差，不能满足特殊要求。
发明内容
针对上述技术的不足之处，本发明的目的是提供一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置。该装置能获取曲面的轮廓信息，指导机械手到达正确的位姿，实现对任意曲面的超声无损检测。
为了实现上述技术目的，本发明的一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，设置在六自由度关节式机械手前端使用，六自由度关节式机械手设置在工作台上，六自由度关节式机械手通过导线连接有工控机，工作台上还设有水槽，水槽内设有耦合剂，耦合剂中浸有工件夹持装置，工件夹持装置上方设有同样浸在耦合剂中的待测工件；其特征在于：六自由度关节式机械手前端设有超声无损检测探头自准直装置，其包括螺栓基座，螺栓基座上设有多个用于与六自由度关节式机械手前端连接的螺栓孔，螺栓基座中心设有弹性连接机构，弹性连接机构上通过探头夹持机构连接有超声探头，弹性连接机构的周围分别设置多个激光测距传感器。
所述弹性连接机构包括柱状结构的套筒、连杆和弹簧，弹簧呈压缩状态设置在套筒内，连杆尾部设有活塞结构并置于套筒中的弹簧上方，套筒、弹簧和连杆构成弹簧活塞结构，依靠弹簧的压力使得连杆尾部与套筒压紧在一起，连杆的头部与探头夹持机构固定连接，套筒底部与螺栓基座固定连接；
当超声探头倾斜接触到待测物表面时，在压力的作用下，弹簧发生非轴向形变，连杆倾斜，从而使超声探头与被测物表面完美贴合。
所述超声探头为常规液浸式双晶探头，当超声探头的压电晶片收到电脉冲激励，会产生机械振动，这种振动在介质中传播即为超声波，在超声波的传播过程中，超声探头与待测工件之间必须采用水或其他液体作为耦合介质。
所述探头夹持机构共有四个，分别设置在弹性连接机构的四个方向，安装时应保证四个激光测距传感器在一个截面上，且所述截面与超声波的传播方向垂直，激光测距传感器的型号为Sick公司的OD2-P250W150I0型位移测量传感器，检测范围为100mm-400mm，重复精度为75um。
一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置的工作方法，其步骤如下：
首先以六自由度关节式机械手的基座中心点建立世界坐标系，以超声探头轴线与激光传感器所在平面交点为原点建立工具坐标系，当六自由度关节式机械手前端的超声无损检测探头自准直装置移动到检测点一时，超声无损检测探头自准直装置上的四个激光传感感器分别测得每个激光传感器到待测工件的距离信息，依据激光传感器布置位置可以将测得距离信息分成两组，经过三角关系计算，分别得到超声探头绕工具坐标系的X轴和Y轴方向上的旋转角度；通过此旋转角度计算当前工具坐标系和目标工具坐标系之间的旋转矩阵，得到六自由度关节式机械手前端超声无损检测探头自准直装置的旋转矩阵；通过机械臂当前姿态与旋转矩阵获得六自由度关节式机械手下一点的姿态和位置信息，然后调整超声无损检测探头自准直装置的位置，沿工具坐标系Z轴方向朝待测工件表面进给，直至接触到作为被测物的待测工件表面后通过弹性连接机构中的弹簧自适应调整，使得超声探头贴紧待测工件表面，然后开始超声扫查。
定义世界坐标系为{A}，工具坐标系为{B}，工具坐标系为{B}的原点P，世界坐标系{A}中的任意一点坐标均为一个3×1的位置矢量，在世界坐标系{A}中，工具坐标系{B}的原点P的位置可以用位置矢量
Figure BDA0002686245250000021
表达，其中Px、Py、Pz分别为P点在世界坐标系中的位置坐标；通过工具坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵进行描述六自由度关节式机械手的位置和姿态。
工具坐标系{B}的姿态通过工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量来表示，记工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量分别为
Figure BDA0002686245250000031
在世界坐标系{A}中，则记为
Figure BDA0002686245250000032
Figure BDA0002686245250000033
将这三个单位矢量按顺序排列即可得到工具坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵
Figure BDA0002686245250000034
Figure BDA0002686245250000035
通过前面的位置描述和姿态描述，可以将机械手的位姿描述为：
Figure BDA0002686245250000036
从工具坐标系到世界坐标系的齐次变换矩阵为：
Figure BDA0002686245250000037
六自由度关节式机械手前端的超声无损检测探头自准直装置绕工具坐标系X轴和Y轴旋转角度计算方法为：定义工具坐标系的原点为P，激光传感器布置的位置定义为A、A1、B、B1四个位置，四个激光传感器到P点的距离相等，且距离均为L，根据被测曲面形状大小不同可使用垂直入射检测法或斜入射检测法计算。
当待测工件的被测曲面曲率半径≥20L时，被检测区域可以近似为一个平面，此时采用垂直入射检测法检测：
根据激光传感器的布置位置，A、A1、B、B1四个位置的激光传感器分成工具坐标系X轴方向和Y轴方向两组，其中A、B位于X轴方向，A1、B1位于Y轴方向，用同样的方法分别计算两个方向上的旋转角度：
以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为两个激光传感器所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器的激光在待测工件表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器所在平面和待测工件的被测表面在X轴方向的投影，连接C,D两点构成线段CD，连接B,D两点构成线段BD，以点A作为起始点平行线段CD作辅助线，辅助线与线段BD的交点即为点F，构成线段AF；A、B两激光传感器到P点的距离均为L，测得线段AC和BD的长度分别为a和b；
由勾股定理可知：
Figure BDA0002686245250000041
由余弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000042
Figure BDA0002686245250000043
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β；
当待测工件的被测曲面曲率半径≤20L时，调整激光传感器发射激光的入射角度θ，调整后被测曲面曲率半径应≥被测工件表面上四个激光点之间任意两个的最大距离的10倍，被检测区域近似为一个平面，此时采用斜入射检测法：
同样以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为激光传感器所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器的激光在待测工件表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器所在平面和待测工件表面在X轴方向的投影；延长线段AC、BD交于G点，作辅助线AF平行于线段CD且交线段BD于点F。两激光传感器到P点的距离均为L,光线入射角度为θ，激光传感器A和B测得线段AC和BD的长度分别a,b。
由正弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000044
CG＝AG-AC＝AG-a
DG＝BG-BD＝BG-b
由余弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000045
Figure BDA0002686245250000046
由正弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000047
Figure BDA0002686245250000051
α＝∠BAF＝∠BAG-∠FAG＝β-∠DCG
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β。
根据绕工具坐标系X轴和Y轴的旋转角度α和β，可以的到基本旋转矩阵为：
Figure BDA0002686245250000052
Figure BDA0002686245250000053
Figure BDA0002686245250000054
六自由度关节式机械手前端的超声无损检测探头自准直装置整体旋转矩阵为：
Figure BDA0002686245250000055
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后的在世界坐标中的姿态映射为：
Figure BDA0002686245250000056
式中R为旋转矩阵，B'为旋转之后的工具坐标系。
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后六自由度关节式机械手的位姿为：
Figure BDA0002686245250000061
有益效果：
本发明解决了进行任意曲面机械手超声检测时，机械手末端的定位和姿态调整问题，保证了超声探头中的超声换能器的声轴线方向与被检测工件靠近探头的表面法线方向保持重合，使得超声波以对检测最有利的角度在工件内部进行传播。其结构紧凑，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明基于机械手的超声无损检测探头自准直装置的结构示意图。
图2是本发明超声无损检测探头自准直装置的结构示意图。
图3是本发明超声无损检测探头自准直装置的平面示意图。
图4是本发明的弹性连接装置结构示意图。
图5是本发明的激光测距传感器及探头位置示意图。
图6是本发明的垂直入射法原理示意图。
图7是本发明的斜入射法原理示意图。
图8是本发明基于机械手的超声无损检测探头自准直装置的工作流程示意图。
图中：1-六自由度关节式机械手，2-超声无损检测探头自准直装置，3-水槽，4-待测工件，5-工件夹持装置，6-耦合剂，7-工作台，8-螺栓基座，9-激光测距传感器，10-探头夹持机构，11-超声探头，12-弹性连接机构，13-螺栓孔，14-连杆，15-弹簧，16-套筒，17-工控机。
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，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，设置在六自由度关节式机械手1前端使用，六自由度关节式机械手1设置在工作台7上，六自由度关节式机械手1通过导线连接有工控机17，工作台7上还设有水槽3，水槽3内设有耦合剂6，耦合剂6中浸有工件夹持装置5，工件夹持装置5上方设有同样浸在耦合剂6中的待测工件4；
如图2和图3所示，六自由度关节式机械手1前端设有超声无损检测探头自准直装置2，其包括螺栓基座8，螺栓基座8上设有多个用于与六自由度关节式机械手1前端连接的螺栓孔13，螺栓基座8中心设有弹性连接机构12，弹性连接机构12上通过探头夹持机构10连接有超声探头11，弹性连接机构12的周围分别设置多个激光测距传感器9。当超声探头11倾斜接触到待测物表面时，在压力的作用下，弹簧15发生非轴向形变，连杆14倾斜，从而使超声探头11与被测物表面完美贴合。超声探头11为常规液浸式双晶探头，当超声探头11的压电晶片收到电脉冲激励，会产生机械振动，这种振动在介质中传播即为超声波，在超声波的传播过程中，超声探头11与待测工件4之间必须采用水或其他液体作为耦合介质。探头夹持机构10共有四个，分别设置在弹性连接机构12的四个方向，安装时应保证四个激光测距传感器9在一个截面上，且所述截面与超声波的传播方向垂直，激光测距传感器9的型号为Sick公司的OD2-P250W150I0型位移测量传感器，检测范围为100mm-400mm，重复精度为75um。
如图4所示，所述弹性连接机构12包括柱状结构的套筒16、连杆14和弹簧15，弹簧15呈压缩状态设置在套筒16内，连杆14尾部设有活塞结构并置于套筒16中的弹簧15上方，套筒16、弹簧15和连杆14构成弹簧活塞结构，依靠弹簧15的压力使得连杆14尾部与套筒16压紧在一起，连杆14的头部与探头夹持机构10固定连接，套筒16底部与螺栓基座8固定连接；
如图8所示，一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置的工作方法，其步骤如下：
首先以六自由度关节式机械手1的基座中心点建立世界坐标系，以超声探头轴线与激光传感器所在平面交点为原点建立工具坐标系，当六自由度关节式机械手1前端的超声无损检测探头自准直装置2移动到检测点一时，超声无损检测探头自准直装置2上的四个激光传感感器9分别测得每个激光传感器9到待测工件4的距离信息，依据激光传感器9布置位置可以将测得距离信息分成两组，经过三角关系计算，分别得到超声探头11绕工具坐标系的X轴和Y轴方向上的旋转角度；通过此旋转角度计算当前工具坐标系和目标工具坐标系之间的旋转矩阵，得到六自由度关节式机械手1前端超声无损检测探头自准直装置2的旋转矩阵；通过机械臂当前姿态与旋转矩阵获得六自由度关节式机械手1下一点的姿态和位置信息，然后调整超声无损检测探头自准直装置2的位置，沿工具坐标系Z轴方向朝待测工件4表面进给，直至接触到作为被测物的待测工件4表面后通过弹性连接机构12中的弹簧自适应调整，使得超声探头11贴紧待测工件4表面，然后开始超声扫查。
如图5所示，定义世界坐标系为{A}，工具坐标系为{B}，工具坐标系为{B}的原点P，世界坐标系{A}中的任意一点坐标均为一个3×1的位置矢量，在世界坐标系{A}中，工具坐标系{B}的原点P的位置可以用位置矢量
Figure BDA0002686245250000081
表达，其中Px、Py、Pz分别为P点在世界坐标系中的位置坐标；通过工具坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵进行描述六自由度关节式机械手1的位置和姿态。
工具坐标系{B}的姿态通过工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量来表示，记工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量分别为
Figure BDA0002686245250000082
在世界坐标系{A}中，则记为
Figure BDA0002686245250000083
Figure BDA0002686245250000084
将这三个单位矢量按顺序排列即可得到工具坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵
Figure BDA0002686245250000085
Figure BDA0002686245250000086
通过前面的位置描述和姿态描述，可以将机械手的位姿描述为：
Figure BDA0002686245250000087
从工具坐标系到世界坐标系的齐次变换矩阵为：
Figure BDA0002686245250000088
六自由度关节式机械手1前端的超声无损检测探头自准直装置2绕工具坐标系X轴和Y轴旋转角度计算方法为：定义工具坐标系的原点为P，激光传感器9布置的位置定义为A、A1、B、B1四个位置，四个激光传感器9到P点的距离相等，且距离均为L，根据被测曲面形状大小不同可使用垂直入射检测法或斜入射检测法计算。
如图6所示，当待测工件4的被测曲面曲率半径≥20L时，被检测区域可以近似为一个平面，此时采用垂直入射检测法检测：
根据激光传感器9的布置位置，A、A1、B、B1四个位置的激光传感器9分成工具坐标系X轴方向和Y轴方向两组，其中A、B位于X轴方向，A1、B1位于Y轴方向，用同样的方法分别计算两个方向上的旋转角度：
以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为两个激光传感器9所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器9的激光在待测工件4表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器9所在平面和待测工件4的被测表面在X轴方向的投影，连接C,D两点构成线段CD，连接B,D两点构成线段BD，以点A作为起始点平行线段CD作辅助线，辅助线与线段BD的交点即为点F，构成线段AF；A、B两激光传感器9到P点的距离均为L，测得线段AC和BD的长度分别为a和b；
由勾股定理可知：
Figure BDA0002686245250000091
由余弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000092
Figure BDA0002686245250000093
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β；
当待测工件4的被测曲面曲率半径≤20L时，调整激光传感器9发射激光的入射角度θ，调整后被测曲面曲率半径应≥被测工件表面上四个激光点之间任意两个的最大距离的10倍，被检测区域近似为一个平面，此时采用斜入射检测法：
同样以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为激光传感器9所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器9的激光在待测工件4表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器9所在平面和待测工件4表面在X轴方向的投影；延长线段AC、BD交于G点，作辅助线AF平行于线段CD且交线段BD于点F。两激光传感器9到P点的距离均为L,光线入射角度为θ，激光传感器A和B测得线段AC和BD的长度分别a,b。
由正弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000094
CG＝AG-AC＝AG-a
DG＝BG-BD＝BG-b
由余弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000095
Figure BDA0002686245250000096
由正弦定理可知：
Figure BDA0002686245250000101
Figure BDA0002686245250000102
α＝∠BAF＝∠BAG-∠FAG＝β-∠DCG
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β。
如图7所示，根据绕工具坐标系X轴和Y轴的旋转角度α和β，可以的到基本旋转矩阵为：
Figure BDA0002686245250000103
Figure BDA0002686245250000104
Figure BDA0002686245250000105
六自由度关节式机械手1前端的超声无损检测探头自准直装置2整体旋转矩阵为：
Figure BDA0002686245250000106
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后的在世界坐标中的姿态映射为：
Figure BDA0002686245250000111
式中R为旋转矩阵，B'为旋转之后的工具坐标系。
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后六自由度关节式机械手1的位姿为：
Figure BDA0002686245250000112

Claims (10)

1.一种基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，设置在六自由度关节式机械手(1)前端使用，六自由度关节式机械手(1)设置在工作台(7)上，六自由度关节式机械手(1)通过导线连接有工控机(17)，工作台(7)上还设有水槽(3)，水槽(3)内设有耦合剂(6)，耦合剂(6)中浸有工件夹持装置(5)，工件夹持装置(5)上方设有同样浸在耦合剂(6)中的待测工件(4)；其特征在于：六自由度关节式机械手(1)前端设有超声无损检测探头自准直装置(2)，其包括螺栓基座(8)，螺栓基座(8)上设有多个用于与六自由度关节式机械手(1)前端连接的螺栓孔(13)，螺栓基座(8)中心设有弹性连接机构(12)，弹性连接机构(12)上通过探头夹持机构(10)连接有超声探头(11)，弹性连接机构(12)的周围分别设置多个激光测距传感器(9)。
2.根据权利要求1所述的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，其特征在于：所述弹性连接机构(12)包括柱状结构的套筒(16)、连杆(14)和弹簧(15)，弹簧(15)呈压缩状态设置在套筒(16)内，连杆(14)尾部设有活塞结构并置于套筒(16)中的弹簧(15)上方，套筒(16)、弹簧(15)和连杆(14)构成弹簧活塞结构，依靠弹簧(15)的压力使得连杆(14)尾部与套筒(16)压紧在一起，连杆(14)的头部与探头夹持机构(10)固定连接，套筒(16)底部与螺栓基座(8)固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，其特征在于：当超声探头(11)倾斜接触到待测物表面时，在压力的作用下，弹簧(15)发生非轴向形变，连杆(14)倾斜，从而使超声探头(11)与被测物表面完美贴合。
4.根据权利要求1所述的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，其特征在于：所述超声探头(11)为常规液浸式双晶探头，当超声探头(11)的压电晶片收到电脉冲激励，会产生机械振动，这种振动在介质中传播即为超声波，在超声波的传播过程中，超声探头(11)与待测工件(4)之间必须采用水或其他液体作为耦合介质。
5.根据权利要求1所述的基于机械手的超声无损检测探头自准直装置，其特征在于：所述探头夹持机构(10)共有四个，分别设置在弹性连接机构(12)的四个方向，安装时应保证四个激光测距传感器(9)在一个截面上，且所述截面与超声波的传播方向垂直，激光测距传感器(9)的型号为Sick公司的OD2-P250W150I0型位移测量传感器，检测范围为100mm-400mm，重复精度为75um。
6.一种使用权利要求1所述基于机械手的超声无损检测探头自准直装置的工作方法，其特征在于步骤如下：
首先以六自由度关节式机械手(1)的基座中心点建立世界坐标系，以超声探头轴线与激光传感器所在平面交点为原点建立工具坐标系，当六自由度关节式机械手(1)前端的超声无损检测探头自准直装置(2)移动到检测点一时，超声无损检测探头自准直装置(2)上的四个激光传感感器(9)分别测得每个激光传感器(9)到待测工件(4)的距离信息，依据激光传感器(9)布置位置可以将测得距离信息分成两组，经过三角关系计算，分别得到超声探头(11)绕工具坐标系的X轴和Y轴方向上的旋转角度；通过此旋转角度计算当前工具坐标系和目标工具坐标系之间的旋转矩阵，得到六自由度关节式机械手(1)前端超声无损检测探头自准直装置(2)的旋转矩阵；通过机械臂当前姿态与旋转矩阵获得六自由度关节式机械手(1)下一点的姿态和位置信息，然后调整超声无损检测探头自准直装置(2)的位置，沿工具坐标系Z轴方向朝待测工件(4)表面进给，直至接触到作为被测物的待测工件(4)表面后通过弹性连接机构(12)中的弹簧自适应调整，使得超声探头(11)贴紧待测工件(4)表面，然后开始超声扫查。
7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于：定义世界坐标系为{A}，工具坐标系为{B}，工具坐标系为{B}的原点P，世界坐标系{A}中的任意一点坐标均为一个3×1的位置矢量，在世界坐标系{A}中，工具坐标系{B}的原点P的位置可以用位置矢量
Figure FDA0002686245240000021
表达，其中Px、Py、Pz分别为P点在世界坐标系中的位置坐标；通过工具坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵进行描述六自由度关节式机械手(1)的位置和姿态。
8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：工具坐标系{B}的姿态通过工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量来表示，记工具坐标系{B}主轴方向的三个单位矢量分别为
Figure FDA0002686245240000022
在世界坐标系{A}中，则记为
Figure FDA0002686245240000023
将这三个单位矢量按顺序排列即可得到工具坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵
Figure FDA0002686245240000024
Figure FDA0002686245240000025
通过前面的位置描述和姿态描述，可以将机械手的位姿描述为：
Figure FDA0002686245240000026
从工具坐标系到世界坐标系的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0002686245240000031
六自由度关节式机械手(1)前端的超声无损检测探头自准直装置(2)绕工具坐标系X轴和Y轴旋转角度计算方法为：定义工具坐标系的原点为P，激光传感器(9)布置的位置定义为A、A1、B、B1四个位置，四个激光传感器(9)到P点的距离相等，且距离均为L，根据被测曲面形状大小不同可使用垂直入射检测法或斜入射检测法计算。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：当待测工件(4)的被测曲面曲率半径≥20L时，被检测区域可以近似为一个平面，此时采用垂直入射检测法检测：
根据激光传感器(9)的布置位置，A、A1、B、B1四个位置的激光传感器(9)分成工具坐标系X轴方向和Y轴方向两组，其中A、B位于X轴方向，A1、B1位于Y轴方向，用同样的方法分别计算两个方向上的旋转角度：
以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为两个激光传感器(9)所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器(9)的激光在待测工件(4)表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器(9)所在平面和待测工件(4)的被测表面在X轴方向的投影，连接C,D两点构成线段CD，连接B,D两点构成线段BD，以点A作为起始点平行线段CD作辅助线，辅助线与线段BD的交点即为点F，构成线段AF；A、B两激光传感器(9)到P点的距离均为L，测得线段AC和BD的长度分别为a和b；
由勾股定理可知：
Figure FDA0002686245240000032
由余弦定理可知：
Figure FDA0002686245240000033
Figure FDA0002686245240000034
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β；
当待测工件(4)的被测曲面曲率半径≤20L时，调整激光传感器(9)发射激光的入射角度θ，调整后被测曲面曲率半径应≥被测工件表面上四个激光点之间任意两个的最大距离的10倍，被检测区域近似为一个平面，此时采用斜入射检测法：
同样以X轴方向为例计算旋转角度α，A，B两点为激光传感器(9)所在位置，C,D两点为A、B两个激光传感器(9)的激光在待测工件(4)表面上的投影，L1和L2分别为激光传感器(9)所在平面和待测工件(4)表面在X轴方向的投影；延长线段AC、BD交于G点，作辅助线AF平行于线段CD且交线段BD于点F。两激光传感器(9)到P点的距离均为L,光线入射角度为θ，激光传感器A和B测得线段AC和BD的长度分别a,b。
由正弦定理可知：
Figure FDA0002686245240000041
CG＝AG-AC＝AG-a
DG＝BG-BD＝BG-b
由余弦定理可知：
Figure FDA0002686245240000042
Figure FDA0002686245240000043
由正弦定理可知：
Figure FDA0002686245240000044
Figure FDA0002686245240000045
α＝∠BAF＝∠BAG-∠FAG＝β-∠DCG
在Y轴方向上，用同样的方法计算出旋转角度β，最终分别得到工具坐标系在两个方向上的旋转角度α和β。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于：根据绕工具坐标系X轴和Y轴的旋转角度α和β，可以的到基本旋转矩阵为：
Figure FDA0002686245240000046
Figure FDA0002686245240000051
Figure FDA0002686245240000052
六自由度关节式机械手(1)前端的超声无损检测探头自准直装置(2)整体旋转矩阵为：
Figure FDA0002686245240000053
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后的在世界坐标中的姿态映射为：
Figure FDA0002686245240000054
式中R为旋转矩阵，B'为旋转之后的工具坐标系。
将工具坐标系绕自身X轴和Y轴的旋转角度α和β后六自由度关节式机械手(1)的位姿为：
Figure FDA0002686245240000055
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112730633A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 合肥工业大学 一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法
CN112875195A (zh) * 2021-02-03 2021-06-01 青岛黄海学院 一种物流传送装置
CN113252781A (zh) * 2021-04-25 2021-08-13 杭州电子科技大学 一种超声波自动检测装置及线缆内部损伤检测方法
CN113263511A (zh) * 2021-06-01 2021-08-17 重庆工程职业技术学院 一种高精密设备制造用多功能机器人
CN113766418A (zh) * 2021-08-31 2021-12-07 中国矿业大学 一种基于uwb技术的姿态自校正井下运输设备及其控制方法
CN114216960A (zh) * 2021-11-15 2022-03-22 江苏方天电力技术有限公司 一种涡轮叶片裂纹无损检测装置
CN115469015A (zh) * 2022-10-31 2022-12-13 泉州装备制造研究所 曲面构件超声自适应检测方法
CN115856083A (zh) * 2023-02-27 2023-03-28 中国汽车技术研究中心有限公司 汽车碰撞假人皮肤的性能测试方法、装置、设备和介质

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112730633A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 合肥工业大学 一种不规则曲面工件的超声自动检测装置和方法
CN112875195A (zh) * 2021-02-03 2021-06-01 青岛黄海学院 一种物流传送装置
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CN113263511A (zh) * 2021-06-01 2021-08-17 重庆工程职业技术学院 一种高精密设备制造用多功能机器人
CN113766418A (zh) * 2021-08-31 2021-12-07 中国矿业大学 一种基于uwb技术的姿态自校正井下运输设备及其控制方法
CN114216960A (zh) * 2021-11-15 2022-03-22 江苏方天电力技术有限公司 一种涡轮叶片裂纹无损检测装置
CN114216960B (zh) * 2021-11-15 2024-03-08 江苏方天电力技术有限公司 一种涡轮叶片裂纹无损检测装置
CN115469015A (zh) * 2022-10-31 2022-12-13 泉州装备制造研究所 曲面构件超声自适应检测方法
CN115469015B (zh) * 2022-10-31 2023-01-31 泉州装备制造研究所 曲面构件超声自适应检测方法
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