CN112577420A - 一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,包括以下步骤:设置两侧轨道运动起点,安装激光跟踪仪、立体靶标;在1侧轨道的滑块上放置靶球,滑块从运动起点开始运动,以0.5米为步长行走10米,激光跟踪仪采集每次滑块停止后的靶球坐标,拟合运动直线方向向量;在起始位置处,关节臂测量仪与激光跟踪仪分别测量立体靶标上的靶球坐标,计算在起始位置处关节臂测量仪与激光跟踪仪的位置关系;在2侧轨道重复上述过程;以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系,实现1、2侧轨道任意位置的坐标系到全局坐标系的统一。本发明可实现关节臂测量仪在大范围内自由移动的测量模式的全局标定,提供了一种多工位关节臂式测量平台的全局标定的新途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,可以实现关节臂测量仪在大范围内自由移动的测量模式的全局标定。
背景技术
多工位关节臂式测量平台是一种由双滑轨、双关节臂测量仪组成的能够大范围测量几何参数的平台,其工作过程是关节臂测量仪在各自导轨上的不同工位测量工件表面点云,融合不同工位的测量点云,进行整体的数据分析。因此要求建立两侧轨道关节臂测量仪在不同测量工位的相互位置关系。常见做法是根据测量范围在两侧轨道划分出间隔较小的工位,各个工位独立的与激光跟踪仪标定,从而建立彼此的联系。但这种做法只适用于测量范围不大,工位数量有限的情况,对于测量范围较大的情况,存在划分出几十个工位的情况,不具备实际操作性,且精度上彼此干涉。
针对上述情况,提出一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法。
发明内容
针对现有实际需要,本发明要解决的技术问题是提供一种大测量范围的双轨道双关节臂式几何测量平台的全局标定方法。通过在两侧轨道设置起点,结合激光跟踪仪与立体靶标标定起点与激光跟踪仪变换矩阵,分别拟合出两侧轨道在激光跟踪仪下的直线的方向向量,实现了两侧轨道任意位置的坐标全局统一。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:
一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,包括以下步骤:
步骤1:设置两侧轨道的起始位置,安装激光跟踪仪、关节臂测量仪以及靶标,两个关节臂测量仪分别安装在两个轨道的滑块上;
步骤2:在一侧轨道滑块上放置激光跟踪仪的靶球,滑块运动,激光跟踪仪采集每次滑块停止后靶球坐标并拟合轨道直线的方向向量;
步骤3:在起始位置处,关节臂测量仪与激光跟踪仪分别测量靶标上的激光跟踪仪靶球坐标,计算在起始位置处关节臂测量仪坐标系与激光跟踪仪坐标系的变换关系;
步骤4:在另一侧轨道重复步骤2、步骤3;
步骤5:以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系,实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
所述靶标为带有靶座的支架放置于两侧轨道起始位置之间,其上可放置不少于3个且不在同一直线上的激光跟踪仪的磁性靶座,靶座用于放置靶球。
所述轨道直线的方向向量是由激光跟踪仪采集放置在关节臂测量仪滑块上的靶球坐标,并根据滑块运动过程中采集的所有靶球坐标拟合轨道直线的方向向量。
在步骤3中,关节臂测量仪测量靶标的每个靶球的表面点坐标,分别拟合球心,获得靶标的靶球球心在关节臂坐标系下的坐标集合P;所述激光跟踪仪测量靶标的每个靶球的球心坐标,获得靶标的球心在激光跟踪仪坐标系下的坐标集合Q。
计算坐标集合P与坐标集合Q的变换关系公式如下:
Q=Tj*P
其中Tj是某一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,j=1、2。
所述实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一方法如下:通过计算分别得到的两侧轨道起始位置处关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系变换矩阵T1、T2,两侧轨道在激光跟踪仪坐标系下的运动直线的方向向量(m1,n1,p1)、(m2,n2,p2),就能够实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
一侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的所述变换矩阵T1i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T1是一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R1是T1的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T1i是一侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,...,n],n是自然数,矩阵t1i是T1i的平移分量组成的3*1平移矩阵,一侧轨道直线方向向量(m1,n1,p1),d是一侧轨道的任意工位与一侧轨道起始位置的距离。
另一侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的所述变换矩阵T2i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T2是另一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R2是T2的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T2i是另一侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,...,n],n是自然数,矩阵t2i是T2i的平移分量组成的3*1平移矩阵,另一侧轨道直线方向向量(m2,n2,p2),d是另一侧轨道的任意工位与另一侧轨道起始位置的距离。
本发明具有以下有益效果及优点:
本发明方法提供了一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,通过设置两侧轨道行走起点与可移动的立体靶标,大幅度提高了现场标定效率,节约了立体靶标制作成本,能够实现关节臂测量仪在轨道任意位置的坐标全局统一。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为本发明方法的测量平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,包括如下步骤:
设置两侧轨道起始位置,安装激光跟踪仪以及立体靶标;
在1侧轨道承载关节臂测量仪的滑块上放置激光跟踪仪靶球,滑块从起始位置开始运动,沿着轨道以0.5米为步长行走10米,激光跟踪仪采集每次滑块停止后的对应点坐标,拟合轨道直线的方向向量;
在起始位置处,关节臂测量仪与激光跟踪仪分别测量立体靶标上的激光跟踪仪靶球坐标,计算在起始位置处关节臂坐标系与激光跟踪仪坐标系的变换关系;
在2侧轨道重复S2、S3;
以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系,实现1、2侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
以下就上述的几个关键步骤作详细说明:
1.设置两侧轨道起始位置,安装激光跟踪仪以及立体靶标,包括:
首先在两侧轨道上的相同位置设置各自的起始运动起点,其后关节臂测量仪在各自轨道的运动均是相对于起始位置的运动。
立体靶标是一个空间支架结构,在形状与尺寸上并无严格要求,可以为多层支架,其要求是其上可放置不少于3个激光跟踪仪的磁性靶座,且保证靶座间的最短距离不小于200mm且不在同一直线上。
立体靶标放置于两侧轨道初始位置之间的空地上。
2.在1侧轨道承载关节臂测量仪的滑块上放置激光跟踪仪靶球,滑块从起始位置开始运动,沿着轨道以0.5米为步长行走10米,激光跟踪仪采集每次滑块停止后的对应点坐标,拟合轨道直线的方向向量,包括:
在1侧轨道上承载关节测量仪臂的滑块上安装磁力靶座,放置激光跟踪仪的靶球,记录起始位置处的靶球坐标,滑块以0.5米步长运动,合计运动10米,激光跟踪仪采集每次滑块停止后的对应点坐标,拟合在激光跟踪仪坐标系下1侧轨道直线方向单位向量(m1,n1,p1),其中m1是方向向量在激光跟踪仪坐标系下X方向分量,n1是方向向量在激光跟踪仪坐标系下Y方向分量,p1是方向向量在激光跟踪仪坐标系下Z方向分量。
3.在起始位置处,关节臂测量仪与激光跟踪仪分别测量立体靶标上的激光跟踪仪靶球坐标,计算在起始位置处关节臂测量仪坐标系与激光跟踪仪坐标系的变换关系,包括:
在起始位置处,关节臂测量仪接触式测量立体靶标的每个靶球的表面点坐标,分别拟合球心,获得立体靶标在关节臂坐标系下的坐标集合P。激光跟踪仪测量立体靶标的每个靶球的中心坐标,获得立体靶标在激光跟踪仪坐标系下的坐标集合Q。
计算P与Q的变换关系:
Q=T1*P
其中T1是第一个轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R是T1的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,矩阵t是T1的平移分量组成的3*1平移矩阵,x0表示平移矩阵t的关节臂测量仪坐标系X方向分量,y0表示平移矩阵t的关节臂测量仪坐标系Y方向分量,z0表示平移矩阵t的关节臂测量仪坐标系Z方向分量。
4.在2侧轨道重复上述步骤,包括:
在2侧轨道重复S2、S3步骤,获得2侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵T2、2侧轨道在激光跟踪仪坐标系下的直线方向向量(m2,n2,p2),其中m2是方向向量在激光跟踪仪坐标系下X方向分量,n2是方向向量在激光跟踪仪坐标系下Y方向分量,p2是方向向量在激光跟踪仪坐标系下Z方向分量。
5.以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系,实现1、2侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一,包括:
通过计算得到的1、2侧轨道起始位置处关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系变换矩阵T1、T2,1、2侧轨道在激光跟踪仪坐标系下的运动直线的方向向量(m1,n1,p1)、(m2,n2,p2),就能够实现1、2侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
1侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的变换矩阵T1i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T1是1侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R1是T1的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T1i是1侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,...,n],n是自然数,矩阵t1i是T1i的平移分量组成的3*1平移矩阵,1侧轨道直线方向向量(m1,n1,p1),d是1侧轨道的任意工位与1侧轨道起始位置的距离。
同理,2侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的变换矩阵T2i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T2是2侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R2是T2的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T2i是2侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,...,n],n是自然数,矩阵t2i是T2i的平移分量组成的3*1平移矩阵,2侧轨道直线方向向量(m2,n2,p2),d是2侧轨道的任意工位与2侧轨道起始位置的距离。
综上所述,本发明方法提供了一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,具有效率快、工位自由设置的特点,适用于大测量范围的现场标定。
Claims (8)
1.一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:设置两侧轨道的起始位置,安装激光跟踪仪、关节臂测量仪以及靶标,两个关节臂测量仪分别安装在两个轨道的滑块上;
步骤2:在一侧轨道滑块上放置激光跟踪仪的靶球,滑块运动,激光跟踪仪采集每次滑块停止后靶球坐标并拟合轨道直线的方向向量;
步骤3:在起始位置处,关节臂测量仪与激光跟踪仪分别测量靶标上的激光跟踪仪靶球坐标,计算在起始位置处关节臂测量仪坐标系与激光跟踪仪坐标系的变换关系;
步骤4:在另一侧轨道重复步骤2、步骤3;
步骤5:以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系,实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
2.根据权利要求1所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,所述靶标为带有靶座的支架放置于两侧轨道起始位置之间,其上可放置不少于3个且不在同一直线上的激光跟踪仪的磁性靶座,靶座用于放置靶球。
3.根据权利要求1所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,所述轨道直线的方向向量是由激光跟踪仪采集放置在关节臂测量仪滑块上的靶球坐标,并根据滑块运动过程中采集的所有靶球坐标拟合轨道直线的方向向量。
4.根据权利要求1所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,在步骤3中,关节臂测量仪测量靶标的每个靶球的表面点坐标,分别拟合球心,获得靶标的靶球球心在关节臂坐标系下的坐标集合P;所述激光跟踪仪测量靶标的每个靶球的球心坐标,获得靶标的球心在激光跟踪仪坐标系下的坐标集合Q。
5.根据权利要求4所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,计算坐标集合P与坐标集合Q的变换关系公式如下:
Q=Tj*P
其中Tj是某一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,j=1、2。
6.根据权利要求1所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,所述实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一方法如下:通过计算分别得到的两侧轨道起始位置处关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系变换矩阵T1、T2,两侧轨道在激光跟踪仪坐标系下的运动直线的方向向量(m1,n1,p1)、(m2,n2,p2),就能够实现两侧轨道任意位置的关节臂测量仪坐标系到全局坐标系的统一。
7.根据权利要求6所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,一侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的所述变换矩阵T1i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T1是一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R1是T1的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z0表示矩阵T1的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T1i是一侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,…,n],n是自然数,矩阵t1i是T1i的平移分量组成的3*1平移矩阵,一侧轨道直线方向向量(m1,n1,p1),d是一侧轨道的任意工位与一侧轨道起始位置的距离。
8.根据权利要求6所述的一种多工位关节臂式测量平台的全局标定方法,其特征在于,另一侧轨道上与起始位置距离为d的工位到全局坐标系的所述变换矩阵T2i可以直接计算得到,表示如下:
0T=[0 0 0]
其中T2是另一侧轨道的起始位置的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,矩阵R2是T2的旋转分量组成的3*3旋转矩阵,x1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系X方向的平移分量,y1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Y方向的平移分量,z1表示矩阵T2的在关节臂测量仪坐标系Z方向的平移分量,T2i是另一侧轨道的任意工位的关节臂测量仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵,i是工位索引,i∈[1,…,n],n是自然数,矩阵t2i是T2i的平移分量组成的3*1平移矩阵,另一侧轨道直线方向向量(m2,n2,p2),d是另一侧轨道的任意工位与另一侧轨道起始位置的距离。
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