CN112536820B - 一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，包括步骤：建立包括公口特征几何体、公接口和空间几何体的公口模块和包括母接口、测距传感器和母口特征几何体的母口模块；测量所述空间几何体与所述公口特征几何体之间的位姿；对所述母口模块进行标定测量；测量所述公口模块和所述母口模块之间的位姿；本发明只需一次标定公口模块输入输出端位姿关系以及事先在母口模块上建立测量系统；在两模块每次重新装配后，仅需读取测距传感器示值，通过数据处理即可获得两模块间位姿关系而无需其他标定操作；为实现模块化可重构机器人重构后精度的快速补偿奠定基础。

Description

一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法
技术领域
本发明涉及机器人标定技术领域，具体涉及一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法。
背景技术
在结构化环境下柔性生产能力及非结构环境下完成多种任务能力的需求下，人们开始了模块化可重构机器人的研究。模块化可重构机器人的能够通过改变自身的拓扑构型来适应不同的生产环境和生产任务。但是由于在生产环节的加工、装配误差、重构过程中产生的装配误差和磨损误差、控制器的控制误差、使用过程中的形变及磨损和其他随机误差的存在，模块化可重构机器人的实际运动学模型会偏离理论运动学模型，从而导致其作业精度降低。
相比普通固定构型机器人，来自重构过程中产生的装配误差和磨损误差是模块化可重构机器人的特有误差。普通固定构型机器人为了保证其作业精度，可在装配后进行运动学标定，操作繁复。将模块化可重构机器人视为普通固定构型机器人进行标定，违背了模块化可重构机器人在重构后立即投入高精度作业的设计初衷。基于模块级参数标定对模块化可重构机器人进行精度补偿可以根据各个模块几何参数的标定值直接对运动学模型进行修正。优点是可简单快速地提高机器人的位姿精度，缺点是模块参数的标定识别是个繁琐复杂的过程，难以实现对使用过程中产生的模块磨损和形变引起的误差的补偿。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，包括步骤：
S1，建立包括公口特征几何体、公接口和空间几何体的公口模块和包括母接口、测距传感器和母口特征几何体的母口模块；
S2，测量所述空间几何体与所述公口特征几何体之间的位姿；
S3，对所述母口模块进行标定测量；
S4，测量所述公口模块和所述母口模块之间的位姿。
较佳的，所述公口特征几何体和所述母口特征几何体均设置为三个标准球，所述空间几何体采用四面体，所述空间几何体的四个平面中非高精度平面固定在所述公接口底部，其余三个高精度平面用于测量，所述测距传感器设置为九个，每三个所述测距传感器为一组检测对应的一所述高精度平面。
较佳的，所述母接口设置有九个测距传感器安装孔；所述测距传感器设置在所述测距传感器安装孔内。
较佳的，所述步骤S2中，外部测量系统为三坐标测量机，所述外部测量系统的基座标系为{B}，利用三坐标测量机在所述空间几何体3的三个所述高精度平面各测量三个点，三个所述高精度平面分别记为第一测量面、第二测量面和第三测量面，三个测量面上的九个点在所述基座标系{B}上的坐标为Pi(xi，yi，zi)(i＝1，2...9)；所述第一测量面上的交点坐标分别记为P1、P2和P3；所述第二测量面上的交点坐标记为P4、P5和P6；所述第三测量面上的交点坐标分记为P7、P8和P9；P1、P2和P3三个点所在平面为E1，P4、P5和P6三个点所在平面为E2，P7、P8和P9三个点所在平面为E3；B1、E2、E3三个平面的表达方程为：
Ei：λix-σiy+μiz+ηi＝0
其中，
λi＝(y3i-2-y3i-1)(z3i-2-z3i)-(y3i-2-y3i)(z3i-2-z3i-1)，
σi＝(x3i-2-x3i-1)(z3i-2-z3i)-(x3i-2-x3i)(z3i-2-z3i-1)，
μi＝(x3i-2-x3i-1)(y3i-2-y3i)-(x3i-2-x3i)(y3i-2-y3i-1)，
ηi＝λix3i-2+σiy3i-2+μiz3i-2，i＝1，2，3
E1、E2、E3三个平面交点为P(xp，yp，zp)，交点P的坐标公式为：
Figure GDA0003270866630000021
较佳的，建立四面体坐标系{G}，过程为：
平面E1上方向相反的两个法向量分别为e1(λ1，-σ1，μ1)和-e1(-λ1，σ1，-μ1)；e1与-e1都是在基坐标系{B}中表示；
平面E3的法向量其中一个与基坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为钝角的为ex(λgx，σgx，μgx)，
Figure GDA0003270866630000031
平面E1与平面E2的交线的方向向量es为：
es(μ1σ2-σ1μ2，μ1λ2-λ1μ2，σ1λ2-λ1σ2)；
交线另外一个方向向量可以表示为-es(σ1μ2-μ1σ2，λ1μ2-μ1λ3，λ1σ2-σ1λ2)；
从三个平面交点P指向平面E1上的点P1的方向向量表示为ep(x1-xp，y1-yp，z1-zp)，记交线的两个方向向量中与向量ep夹角为锐角的方向向量为ez(λgz，σgz，μgz)，es·ep＞0；
Figure GDA0003270866630000032
将ex与ez单位化得到
Figure GDA0003270866630000033
和
Figure GDA0003270866630000034
以点P为原点，
Figure GDA0003270866630000035
和
Figure GDA0003270866630000036
分别为x，z轴的单位方向向量定义四面体坐标系{G}，y轴单位方向向量
Figure GDA00032708666300000311
通过右手定则获得。
较佳的，所述四面体坐标系{G}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵可以写成如下形式：
Figure GDA0003270866630000037
较佳的，建立所述公口坐标系{M}，过程为：
利用三坐标测量机测量所述公接口上固定的三个所述公口特征几何体1的球心C1、C2和C3，三个所述公口特征几何体的球心在基座标系{B}中的坐标记为
Figure GDA0003270866630000038
则三个球心所在平面的方程Ec可以表示为：
Ec：λcx-σcy+μcz+ηc＝0
其中
Figure GDA0003270866630000039
Figure GDA00032708666300000310
Figure GDA0003270866630000041
Figure GDA0003270866630000042
平面Ec上方向相反的两个法向量分别为ec1(λc，-σc，μc)和-ec1(-λc，σc，-μc)，ec与-ec都是在坐标系{B}中表示；
记平面Ec的两个法向量其中一个与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为锐角的为eZ(λmz，σmz，μmz)，
Figure GDA0003270866630000043
球心C1指向球心C2的向量可以表示为
Figure GDA0003270866630000044
即eX(λmx，σmx，μmx)；将向量eX和eZ单位化分别得到
Figure GDA0003270866630000045
以球心C1为原点，
Figure GDA0003270866630000046
和
Figure GDA0003270866630000047
分别为x，z轴的单位方向向量定义所述公口坐标系{M}，y轴单位方向向量
Figure GDA0003270866630000048
可以由右手定则获得。
较佳的，所述公口坐标系{M}相对于所述基座标系{B}的位姿其次变换矩阵可以表示为：
Figure GDA0003270866630000049
则所述公口坐标系{M}相对于所述四面体坐标系{G}的位姿变换矩阵表示为：
Figure GDA00032708666300000410
较佳的，利用三坐标测量机测量所述母接口上固定的三个所述母口特征几何体的球心Q1、Q2和Q3，建立母口坐标系{R}，所述母口坐标系{R}相对于所述基坐标系{B}的位姿变换矩阵有以下形式：
Figure GDA0003270866630000051
其中(λrx，σrx，μrx)，(λry，σry，μry)和(λrz，σrz，μrz)分别为坐标系{R}的x，y和z轴的单位方向向量在基座标系{B}中的坐标，
Figure GDA0003270866630000052
是球心Q1在基座标系中的坐标。
记各所述测距传感器的测头零点、光束出射方向在基座标系{B}中的表示为
Figure GDA0003270866630000053
Figure GDA0003270866630000054
设其中一所述测距传感器为1号激光位移传感器，将一带底座标定球移动到1号激光位移传感器的量程范围内，所述带底座标定球半径为R，当1号激光位移传感器出现示值时，保持所述带底座标定球位置固定；记录此时1号激光位移传感器的示值d11；利用三坐标测量机测量出此时所述带底座标定球的球心坐标
Figure GDA0003270866630000055
记此时1号激光位移传感器光束与所述带底座标定球球面的交点为
Figure GDA0003270866630000056
设1号激光位移传感器的测头零点、光束出射方向分别为
Figure GDA0003270866630000057
交点F11的计算公式为：
Figure GDA0003270866630000058
而F11在所述带底座标定球球面上，与其球心
Figure GDA0003270866630000059
的关系式为：
||F11-G11||2＝R2
最终可得出相关关系式：
Figure GDA00032708666300000510
重复上述操作N-1(N＞6)次，测量所述带底座标定球位于N-1个不同位置时的球心坐标G12...G1N；记录下所述带底座标定球球面位于N-1个不同位置时激光位移传感器的示值d12...d1N；从而可以得到关系式组：
Figure GDA00032708666300000511
其中，
Figure GDA00032708666300000512
为未知参数，其余为已知，则该关系式组为超定非线性方程组；利用Levenberg-Marquardt法可以求得
Figure GDA0003270866630000061
的最小二乘解；
重复上述标定1号激光位移传感器测头零点及光束出射方向的操作，对余下8个激光位移传感器的测头零点
Figure GDA0003270866630000062
光束出射方向
Figure GDA0003270866630000063
进行标定；上述9个激光位移传感器的测头零点及光束出射方向都是在三坐标测量机的基座标系{B}中描述的；需要将其变换到母口坐标系{R}中；记激光位移传感器的测头零点及光束出射方向在中表示为
Figure GDA0003270866630000064
Figure GDA0003270866630000065
{R}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵为
Figure GDA0003270866630000066
因此有：
Figure GDA0003270866630000067
较佳的，在所述步骤S4中，将所述公接口装入所述母接口，1、2、3号激光位移传感器测量四面体的第一测量面；4、5、6号激光位移传感器测量四面体的第二测量面；7、8、9号激光位移传感器测量四面体的第三测量面，记录此时各个传感器的示值
Figure GDA0003270866630000068
记i号传感器对应的交点坐标分别为
Figure GDA0003270866630000069
第一测量面上的交点坐标分别记为K1、K2和K3，第二测量面上的交点坐标记为K4、K5和K6，第三测量面上的交点坐标分记为K7、K8和K9，则交点的坐标可以通过所述测距传感器的测头零点
Figure GDA00032708666300000610
光束出射方向
Figure GDA00032708666300000611
和示值
Figure GDA00032708666300000612
得到：
Figure GDA00032708666300000613
其中，记K1、K2和K3三个点所在平面为E1，记K4、K5和K6三个点所在平面为E2，记K7、K8和K9三个点所在平面为E3，在获得这9个点的在母口坐标系{R}中的坐标后，定义坐标系{H}，所述坐标系{H}相对于坐标系{R}的位姿变换矩阵为：
Figure GDA00032708666300000614
其中(λhx，σhx，μhx)，(λhy，σhy，μhy)和(λhz，σhz，μhz)分别为坐标系{H}的x，y和z轴的单位方向向量在坐标系{R}中的坐标；(xk，yk，zk)是三个平面交点在在坐标系{R}中的坐标；
Figure GDA00032708666300000615
即公接口相对与母接口的位姿关系的齐次变换矩阵的表示形式；所述公口坐标系{M}相对于所述坐标系{H}的位姿变换矩阵为：
Figure GDA0003270866630000071
则公口坐标系{M}相对于母口坐标系{R}的位姿变换矩阵可以求出：
Figure GDA0003270866630000072
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明只需一次标定公口模块输入输出端位姿关系以及事先在母口模块上建立测量系统；在两模块每次重新装配后，仅需读取测距传感器示值，通过数据处理即可获得两模块间位姿关系而无需其他标定操作；为实现模块化可重构机器人重构后精度的快速补偿奠定基础。
附图说明
图1为所述模块接口间位姿关系主动测量系统的结构视图；
图2为实施例中定义坐标系{G}、{M}的示意图；
图3为实施例中激光位移传感器标定原理图；
图4为实施例中标定所述母口模块的示意图；
图5为实施例中所有坐标系间位姿关系示意图。
图中数字表示：
1-公口特征几何体；2-公接口；3-空间几何体；4-母接口；5-测距传感器；6-母口特征几何体。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明所述模块接口间位姿关系主动测量系统进行测量的方法，具体包括如下步骤：
S1，建立由公口特征几何体1、公接口2和空间几何体3组成的公口模块和由母接口4、测距传感器5和母口特征几何体6组成的母口模块；
S2，测量所述空间几何体3与所述公口特征几何体1之间的位姿；
S3，对所述母口模块进行标定测量；
S4，测量所述公口模块和所述母口模块之间的位姿。
如图1至图5所示，图1为所述模块接口间位姿关系主动测量系统的结构视图；图2为实施例中定义坐标系{G}、{M}的示意图；图3为实施例中激光位移传感器标定原理图；图4为实施例中标定所述母口模块的示意图；图5为实施例中所有坐标系间位姿关系示意图。
在所述公口模块和所述母口模块中，所述公口特征几何体1和所述母口特征几何体6都采用三个标准球，但不限于标准球，能实现定义坐标系功能的其他几何体亦可，也不限于本设计所采用的标准球的布置形式和数量。
所述空间几何体3采用四面体，但不限于四面体，其他几何体亦可；所述空间几何体3的四个平面中非高精度平面固定在所述公接口2底部，其余三个高精度平面用于测量。
所述测距传感器5采用激光位移传感器，但不限于激光位移传感器，其他测距传感器以可，也不限于本设计采用的布置形式和数量。
所述母接口4设置有9个所述测距传感器5的安装孔，三个一组，每组分别用于测量所述空间几何体3的三个高精度平面。
在本实施例中，所述公口特征几何体1设置为公口标准球，所述母口特征几何体6设置为母口标准球；所述空间几何体3为四面体，且所述四面体设置有三个高精度平面；所述测距传感器5设置为激光位移传感器。
在所述步骤S2中，外部测量系统为三坐标测量机，其基座标系为{B}。利用三坐标测量机在所述空间几何体3的三个高精度平面各测量三个点。三个高精度平面分别记为第一测量面、第二测量面和第三测量面。三个测量面上的九个点在三坐标测量机中的坐标记为Pi(xi，yi，zi)(i＝1，2...9)。第一测量面上的交点坐标分别记为P1、P2和P3。第二测量面上的交点坐标记为P4、P5和P6。第三测量面上的交点坐标分记为P7、P8和P9。记P1、P2和P3三个点所在平面为E1，记P4、P5和P6三个点所在平面为E2，记P7、P8和P9三个点所在平面为E3。则三个平面的方程可以用如下方程来表示：
Ei：λix-σiy+μiz+ηi＝0
其中，
λi＝(y3i-2-y3i-1)(z3i-2-z3i)-(y3i-2-y3i)(z3i-2-z3i-1)，
σi＝(x3i-2-x3i-1)(z3i-2-z3i)-(x3i-2-x3i)(z3i-2-z3i-1)，
μi＝(x3i-2-x3i-1)(y3i-2-y3i)-(x3i-2-x3i)(y3i-2-y3i-1)，
ηi＝λix3i-2+σiy3i-2+μiz3i-2，i＝1，2，3.
记三个平面交点为P(xp，yp，zp)，联立三个平面方程可以求得交点P：
Figure GDA0003270866630000081
交点P的坐标可以由下式表示：
Figure GDA0003270866630000091
平面E1的法向量有方向相反的两个，分别为e1(λ1，-σ1，μ1)和-e1(-λ1，σ1，-μ1)。e1与-e1都是在基坐标系{B}中表示。显然，基坐标系{B}的z轴的单位方向向量与其中一个的夹角为锐角，另一个为钝角。
为保证每次在所述空间几何体3上定义的坐标系是统一的。记平面E3的法向量其中一个与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为钝角的为ex(λgx，σgx，μgx)。与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为钝角意味着与其z轴单位方向向量vz(0，0，1)点积小于零。即ex·vz＜0。因此有：
Figure GDA0003270866630000092
平面E1与平面E2的交线的方向向量亦有方向相反的两个，其中一个es可以通过平面E1的法向量与平面E3的任一法向量e2的叉积求得：
es＝e1×e2
其中
es(μ1σ2-σ1μ2，μ1λ2-λ1μ2，σ1λ2-λ1σ2)。
交线另外一个方向向量可以表示为-es(σ1μ2-μ1σ2，λ1μ2-μ1λ3，λ1σ2-σ1λ2)。
从三个平面交点P指向平面E1上的点P1的方向向量可以表示为ep(x1-xp，y1-yp，z1-zp)。同样的，为了坐标系定义的统一性。记交线的两个方向向量中与向量ep夹角为锐角的方向向量为ez(λgz，σgz，μgz)。即es·ep＞0。
Figure GDA0003270866630000093
将ex与ez单位化得到
Figure GDA0003270866630000094
和
Figure GDA0003270866630000095
以点P为原点，
Figure GDA0003270866630000096
和
Figure GDA0003270866630000097
分别为x，z轴的单位方向向量定义四面体坐标系{G}，y轴单位方向向量
Figure GDA0003270866630000098
可以通过右手定则获得：
Figure GDA0003270866630000101
所以四面体坐标系{G}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵可以写成如下形式：
Figure GDA0003270866630000102
利用三坐标测量机测量所述公接口2上固定的三个所述公口特征几何体1的球心C1、C2和C3，记三个所述公口特征几何体1的球心在基座标系{B}中的坐标记为
Figure GDA0003270866630000103
Figure GDA0003270866630000104
则三个球心所在平面的方程Ec可以表示为：
Ec：λcx-σcy+μcz+ηc＝0
其中
Figure GDA0003270866630000105
Figure GDA0003270866630000106
Figure GDA0003270866630000107
Figure GDA0003270866630000108
平面Ec的法向量也有方向相反的两个，分别为ec1(λc，-σc，μc)和-ec1(-λc，σc，-μc)。ec与-ec都是在坐标系{B}中表示。显然，坐标系{B}的z轴的单位方向向量与其中一个的夹角为锐角，另一个为钝角。
为保证每次在所述空间几何体3上定义的坐标系是统一的。记平面Ec的两个法向量其中一个与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为锐角的为eZ(λmz，σmz，μmz)。与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为锐角意味着与其z轴单位方向向量vz(0，0，1)点积大于零。即ez·vz＞0。因此有：
Figure GDA0003270866630000109
球心C1指向球心C2的向量可以表示为
Figure GDA0003270866630000111
简记为eX(λmx，σmx，μmx)。将向量eX和eZ单位化分别得到
Figure GDA0003270866630000112
以球心C1为原点，
Figure GDA0003270866630000113
和
Figure GDA0003270866630000114
分别为x，z轴的单位方向向量定义公口坐标系{M}。则y轴单位方向向量
Figure GDA0003270866630000115
可以由右手定则获得：
Figure GDA0003270866630000116
则公口坐标系{M}相对于基座标系{B}的位姿其次变换矩阵可以表示为：
Figure GDA0003270866630000117
则公口坐标系{M}相对于四面体坐标系{G}的位姿变换矩阵可以表示为：
Figure GDA0003270866630000118
在所述步骤S3中，利用三坐标测量机测量所述母接口4上固定的三个所述母口特征几何体6的球心Q1、Q2和Q3。通过第二步中建立公口坐标系{M}同样的方式建立母口坐标系{R}。类似的，母口坐标系{R}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵有以下形式：
Figure GDA0003270866630000119
其中(λrx，σrx，μrx)，(λry，σry，μry)和(λrz，σrz，μrz)分别为坐标系{R}的x，y和z轴的单位方向向量在基座标系{B}中的坐标。
Figure GDA00032708666300001110
是球心Q1在基座标系中的坐标。
记各所述测距传感器5的测头零点、光束出射方向在基座标系{B}中的表示为
Figure GDA00032708666300001111
在本实施例中i＝1、2...9，分别指代9个所述测距传感器4。
其中，设其中一所述测距传感器4为1号激光位移传感器，并对标定过程具体进行如下阐述。
利用一三轴移动平台带动一带底座标定球移动到1号激光位移传感器的量程范围内，所述带底座标定球半径为R，球面视为理想球面。当1号激光位移传感器出现示值时，保持所述带底座标定球位置固定。记录此时1号激光位移传感器的示值d11。利用三坐标测量机测量出此时所述带底座标定球的球心坐标
Figure GDA0003270866630000121
记此时1号激光位移传感器光束与所述带底座标定球球面的交点为
Figure GDA0003270866630000122
设1号激光位移传感器的测头零点、光束出射方向分别为
Figure GDA0003270866630000123
交点F11的计算公式为：
Figure GDA0003270866630000124
而F11在所述带底座标定球球面上，与其球心
Figure GDA0003270866630000125
的关系式为：
||F11-G11||2＝R2
最终可得出相关关系式：
Figure GDA0003270866630000126
重复上述操作N-1(N＞6)次，测量所述带底座标定球位于N-1个不同位置时的球心坐标G12...G1N。记录下所述带底座标定球球面位于N-1个不同位置时激光位移传感器的示值d12...d1N；从而可以得到关系式组：
Figure GDA0003270866630000127
其中，
Figure GDA0003270866630000128
为未知参数，其余为已知，则该关系式组为超定非线性方程组。利用Levenberg-Marquardt法可以求得
Figure GDA0003270866630000129
的最小二乘解。
重复上述标定1号激光位移传感器测头零点及光束出射方向的操作，对余下8个激光位移传感器的测头零点
Figure GDA00032708666300001210
光束出射方向
Figure GDA00032708666300001211
进行标定。上述9个激光位移传感器的测头零点及光束出射方向都是在三坐标测量机的基座标系{B}中描述的。需要将其变换到母口坐标系{R}中。记激光位移传感器的测头零点及光束出射方向在中表示为
Figure GDA00032708666300001212
Figure GDA00032708666300001213
{R}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵为
Figure GDA00032708666300001214
因此有：
Figure GDA00032708666300001215
在所述步骤S4中，将所述公接口2装入所述母接口4。1、2、3号激光位移传感器测量四面体的第一测量面；4、5、6号激光位移传感器测量四面体的第二测量面；7、8、9号激光位移传感器测量四面体的第三测量面。记录此时各个传感器的示值
Figure GDA0003270866630000131
记i号传感器对应的交点坐标分别为
Figure GDA0003270866630000132
第一测量面上的交点坐标分别记为K1、K2和K3。第二测量面上的交点坐标记为K4、K5和K6。第三测量面上的交点坐标分记为K7、K8和K9。则交点的坐标可以通过所述测距传感器5的测头零点
Figure GDA0003270866630000133
光束出射方向
Figure GDA0003270866630000134
和示值
Figure GDA0003270866630000135
得到：
Figure GDA0003270866630000136
其中，记K1、K2和K3三个点所在平面为E1，记K4、K5和K6三个点所在平面为E2，记K7、K8和K9三个点所在平面为E3。在获得这9个点的在母口坐标系{R}中的坐标后。如第二步中在所述空间几何体3上定义四面体坐标系{G}一样在坐标系{R}定义坐标系{H}。同样地，坐标系{H}相对于坐标系{R}的位姿变换矩阵与四面体坐标系{G}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵有类似的形式，即都可以通过9个点的坐标来表示：
Figure GDA0003270866630000137
其中(λhx，σhx，μhx)，(λhy，σhy，μhy)和(λhz，σhz，μhz)分别为坐标系{H}的x，y和z轴的单位方向向量在坐标系{R}中的坐标。(xk，yk，zk)是三个平面交点在在坐标系{R}中的坐标。
Figure GDA00032708666300001311
即公接口相对与母接口的位姿关系的齐次变换矩阵的表示形式。由于通过三坐标测量机测量和通过所述测距传感器5测量在所述空间几何体3来定义四面体坐标系{G}和坐标系{H}的方式相同。在没有测量误差的情况下，四面体坐标系{G}相对于公口坐标系{M}的位姿变换矩阵与坐标系{H}相对于公口坐标系{M}的位姿变换矩阵是相同的。则公口坐标系{M}相对于坐标系{H}的位姿变换矩阵为：
Figure GDA0003270866630000138
则公口坐标系{M}相对于母口坐标系{R}的位姿变换矩阵可以求出：
Figure GDA0003270866630000139
由于公口模块是事先标定的，即
Figure GDA00032708666300001310
已知，并且母口测量系统亦事先标定，即九个激光位移传感器光束的初始点以及出射方向在母口坐标系{R}中已知，在公口模块装入母口模块后，仅需读取激光位移传感器示值，通过计算即可得到公口模块相对于母口模块的准确位姿，为模块化可重构机器人重构后精度的快速补偿奠定理论基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1，建立包括公口特征几何体、公接口和空间几何体的公口模块和包括母接口、测距传感器和母口特征几何体的母口模块；
S2，测量所述空间几何体与所述公口特征几何体之间的位姿；
S3，对所述母口模块进行标定测量；
S4，测量所述公口模块和所述母口模块之间的位姿；
所述公口特征几何体和所述母口特征几何体均设置为三个标准球，所述空间几何体采用四面体，所述空间几何体的四个平面中非高精度平面固定在所述公接口底部，其余三个高精度平面用于测量，所述测距传感器设置为九个，每三个所述测距传感器为一组检测对应的一所述高精度平面；
所述母接口设置有九个测距传感器安装孔；所述测距传感器设置在所述测距传感器安装孔内；
所述步骤S2中，外部测量系统为三坐标测量机，所述外部测量系统的基座标系为{B}，利用三坐标测量机在所述空间几何体3的三个所述高精度平面各测量三个点，三个所述高精度平面分别记为第一测量面、第二测量面和第三测量面，三个测量面上的九个点在所述基座标系{B}上的坐标为Pi(xi，yi，zi)(i＝1，2...9)；所述第一测量面上的交点坐标分别记为P1、P2和P3；所述第二测量面上的交点坐标记为P4、P5和P6；所述第三测量面上的交点坐标分记为P7、P8和P9；P1、P2和P3三个点所在平面为E1，P4、P5和P6三个点所在平面为E2，P7、P8和P9三个点所在平面为E3；E1、E2、E3三个平面的表达方程为：
Ei：λix-σiy+μiz+ηi＝0
其中，
λi＝(y3i-2-y3i-1)(z3i-2-z3i)-(y3i-2-y3i)(z3i-2-z3i-1)，
σi＝(x3i-2-x3i-1)(z3i-2-z3i)-(x3i-2-x3i)(z3i-2-z3i-1)，
μi＝(x3i-2-x3i-1)(y3i-2-y3i)-(x3i-2-x3i)(y3i-2-y3i-1)，
ηi＝λix3i-2+σiy3i-2+μiz3i-2，i＝1，2，3
E1、E2、E3三个平面交点为P(xp，yp，zp)，交点P的坐标公式为：
Figure FDA0003270866620000021
2.如权利要求1所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，建立四面体坐标系{G}，过程为：
平面E1上方向相反的两个法向量分别为e1(λ1，-σ1，μ1)和-e1(-λ1，σ1，-μ1)；e1与-e1都是在基坐标系{B}中表示；
平面E3的法向量其中一个与基坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为钝角的为ex(λgx，σgx，μgx)，
Figure FDA0003270866620000022
平面E1与平面E2的交线的方向向量es为：
es(μ1σ2-σ1μ2，μ1λ2-λ1μ2，σ1λ2-λ1σ2)；
交线另外一个方向向量表示为-es(σ1μ2-μ1σ2，λ1μ2-μ1λ3，λ1σ2-σ1λ2)；
从三个平面交点P指向平面E1上的点P1的方向向量表示为ep(x1-xp，y1-yp，z1-zp)，记交线的两个方向向量中与向量ep夹角为锐角的方向向量为ez(λgz，σgz，μgz)，es·ep＞0；
Figure FDA0003270866620000023
将ex与ez单位化得到
Figure FDA0003270866620000024
和
Figure FDA0003270866620000025
以点P为原点，
Figure FDA0003270866620000026
和
Figure FDA0003270866620000027
分别为x，z轴的单位方向向量定义四面体坐标系{G}，y轴单位方向向量
Figure FDA0003270866620000028
通过右手定则获得。
3.如权利要求2所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，所述四面体坐标系{G}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵为：
Figure FDA0003270866620000031
4.如权利要求3所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，建立公口坐标系{M}，过程为：
利用三坐标测量机测量所述公接口上固定的三个所述公口特征几何体1的球心C1、C2和C3，三个所述公口特征几何体的球心在基座标系{B}中的坐标记为
Figure FDA0003270866620000032
则三个球心所在平面的方程Ec表示为：
Ec：λcx-σcy+μcz+ηc＝0
其中
Figure FDA0003270866620000033
Figure FDA0003270866620000034
Figure FDA0003270866620000035
Figure FDA0003270866620000036
平面Ec上方向相反的两个法向量分别为ec1(λc，-σc，μc)和-ec1(-λc，σc，-μc)，ec与-ec都是在坐标系{B}中表示；
记平面Ec的两个法向量其中一个与坐标系{B}的z轴的单位方向向量夹角为锐角的为eZ(λmz，σmz，μmz)，
Figure FDA0003270866620000037
球心C1指向球心C2的向量为
Figure FDA0003270866620000038
即eX(λmx，σmx，μmx)；将向量eX和eZ单位化分别得到
Figure FDA0003270866620000039
以球心C1为原点，
Figure FDA00032708666200000310
和
Figure FDA00032708666200000311
分别为x，z轴的单位方向向量定义所述公口坐标系{M}，y轴单位方向向量
Figure FDA00032708666200000312
由右手定则获得。
5.如权利要求4所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，所述公口坐标系{M}相对于所述基座标系{B}的位姿其次变换矩阵为：
Figure FDA0003270866620000041
则所述公口坐标系{M}相对于所述四面体坐标系{G}的位姿变换矩阵表示为：
Figure FDA0003270866620000042
6.如权利要求5所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，利用三坐标测量机测量所述母接口上固定的三个所述母口特征几何体的球心Q1、Q2和Q3，建立母口坐标系{R}，所述母口坐标系{R}相对于所述基坐标系{B}的位姿变换矩阵有以下形式：
Figure FDA0003270866620000043
其中(λrx，σrx，μrx)，(λry，σry，μry)和(λrz，σrz，μrz)分别为坐标系{R}的x，y和z轴的单位方向向量在基座标系{B}中的坐标，
Figure FDA0003270866620000044
是球心Q1在基座标系中的坐标；
记各所述测距传感器的测头零点、光束出射方向在基座标系{B}中的表示为
Figure FDA0003270866620000045
Figure FDA0003270866620000046
设其中一所述测距传感器为1号激光位移传感器，将一带底座标定球移动到1号激光位移传感器的量程范围内，所述带底座标定球半径为R，当1号激光位移传感器出现示值时，保持所述带底座标定球位置固定；记录此时1号激光位移传感器的示值d11；利用三坐标测量机测量出此时所述带底座标定球的球心坐标
Figure FDA0003270866620000047
记此时1号激光位移传感器光束与所述带底座标定球球面的交点为
Figure FDA0003270866620000048
设1号激光位移传感器的测头零点、光束出射方向分别为
Figure FDA0003270866620000049
交点F11的计算公式为：
Figure FDA0003270866620000051
而F11在所述带底座标定球球面上，与其球心
Figure FDA0003270866620000052
的关系式为：
||F11-G11||2＝R2
最终得出相关关系式：
Figure FDA0003270866620000053
重复上述操作N-1(N＞6)次，测量所述带底座标定球位于N-1个不同位置时的球心坐标G12...G1N；记录下所述带底座标定球球面位于N-1个不同位置时激光位移传感器的示值d12...d1N；从而得到关系式组：
Figure FDA0003270866620000054
其中，
Figure FDA0003270866620000055
为未知参数，其余为已知，则该关系式组为超定非线性方程组，求得
Figure FDA0003270866620000056
的最小二乘解；
重复上述标定1号激光位移传感器测头零点及光束出射方向的操作，对余下8个激光位移传感器的测头零点
Figure FDA0003270866620000057
光束出射方向
Figure FDA0003270866620000058
进行标定；9个所述激光位移传感器的测头零点及光束出射方向都是在三坐标测量机的基座标系{B}中描述的；需要将其变换到母口坐标系{R}中；记激光位移传感器的测头零点及光束出射方向在中表示为
Figure FDA0003270866620000059
Figure FDA00032708666200000510
{R}相对于基坐标系{B}的位姿变换矩阵为
Figure FDA00032708666200000511
因此有：
Figure FDA00032708666200000512
7.如权利要求6所述的可重构机器人的模块接口间位姿关系主动测量方法，其特征在于，在所述步骤S4中，将所述公接口装入所述母接口，1、2、3号激光位移传感器测量四面体的第一测量面；4、5、6号激光位移传感器测量四面体的第二测量面；7、8、9号激光位移传感器测量四面体的第三测量面，记录此时各个传感器的示值
Figure FDA00032708666200000513
记i号传感器对应的交点坐标分别为
Figure FDA00032708666200000514
第一测量面上的交点坐标分别记为K1、K2和K3，第二测量面上的交点坐标记为K4、K5和K6，第三测量面上的交点坐标分记为K7、K8和K9，则交点的坐标通过所述测距传感器的测头零点
Figure FDA0003270866620000061
光束出射方向
Figure FDA0003270866620000062
和示值
Figure FDA0003270866620000063
得到：
Figure FDA0003270866620000064
其中，记K1、K2和K3三个点所在平面为E1，记K4、K5和K6三个点所在平面为E2，记K7、K8和K9三个点所在平面为E3，在获得这9个点的在母口坐标系{R}中的坐标后，定义坐标系{H}，所述坐标系{H}相对于坐标系{R}的位姿变换矩阵为：
Figure FDA0003270866620000065
其中(λhx，σhx，μhx)，(λhy，σhy，μhy)和(λhz，σhz，μhz)分别为坐标系{H}的x，y和z轴的单位方向向量在坐标系{R}中的坐标；(xk，yk，zk)是三个平面交点在坐标系{R}中的坐标；
Figure FDA0003270866620000066
即公接口相对与母接口的位姿关系的齐次变换矩阵的表示形式；所述公口坐标系{M}相对于所述坐标系{H}的位姿变换矩阵为：
Figure FDA0003270866620000067
则公口坐标系{M}相对于母口坐标系{R}的位姿变换矩阵求出：
Figure FDA0003270866620000068
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113954079B (zh) * 2021-11-23 2023-03-24 北京邮电大学 一种同质模块化机器人通用数学表征方法
CN115229788B (zh) * 2022-07-18 2024-10-01 北京邮电大学 一种同质模块化机器人分布式并行运动学建模方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0890465A (ja) * 1994-09-22 1996-04-09 San Japan:Kk ロボットのポ−ズ性能自動測定システム
US8366591B2 (en) * 2009-06-24 2013-02-05 Sabanci University Reconfigurable ankle exoskeleton device
WO2018090374A1 (zh) * 2016-11-21 2018-05-24 深圳前海达闼云端智能科技有限公司 终端设备及其扩展附件
CN107016215B (zh) * 2017-04-27 2019-10-01 北京理工大学 一种基于势能最小的装配位姿计算方法
CN108673561B (zh) * 2018-05-24 2020-04-21 安徽工业大学 一种模块化可重构机器人的模块接口误差测量方法
CN109631952B (zh) * 2019-01-31 2020-07-03 中国人民解放军国防科技大学 航天器用光学陀螺组件姿态基准镜安装误差标定方法
CN111322954B (zh) * 2020-03-19 2021-07-27 北京神工科技有限公司 一种装配工装位姿测量方法、装置、存储介质及电子设备

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