CN113607053B - 基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统，激光传感器沿着测量轴线做直线和旋转运动，在每个直线测量点处形成一个椭圆测量轨迹，根据多个椭圆测量轨迹确定待调姿筒体内表面的轴线，根据轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息进行筒体位置的调整，使得筒体的轴线与激光传感器的测量轴线重合，实现了轴线测量与位姿调整的高效稳定，能够满足下一步装配位置精度要求，进一步保证装配精度和装配的安全性。

Description

基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及先进数字化装配领域，特别是涉及一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统。

背景技术

活塞筒体类零件在自动化装配过程中，由于筒体零件的加工外表面和底面加工精度低，不能满足装配定位精度的要求，要利用筒体内表面作为定位面，来调整筒体的安装位置和角度，以满足活塞杆与筒体的装配精度要求。轴线调整的精度对装配质量和组件的使用寿命有很大的影响。因而，高效稳定的轴线测量调整方法可以提高活塞筒体类零件的自动化装配的质量和效率。

筒体零件轴线的测量主要采用传感器测量法，然后通过基于空间几何的算法进行轴线调整。目前国内外使用该方法的测量设备有三坐标测量机等，这些设备费用高，同时在装配现场中难以应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统，以实现轴线测量与位姿调整的高效稳定。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置，所述装置包括：压机、激光传感器、角位台和控制系统；

待调姿筒体放置在角位台上；所述激光传感器设置在压机的导杆上，所述激光传感器的发射端对准所述待调姿筒体的内表面；

所述激光传感器的控制端和所述压机的控制端均与所述控制系统连接，所述激光传感器的信号端与所述控制系统连接；所述控制系统用于通过控制压机的导杆带动激光传感器在待调姿筒体内部沿着测量轴线直线移动，在测量直线上设置多个直线测量点，在每个直线测量点处控制激光传感器以直线测量点为中心做旋转运动，同时控制激光传感器测量旋转过程中待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离，多个平面测量点形成一个椭圆测量轨迹，进而根据多个测量点处的椭圆测量轨迹确定待调姿筒体内表面的轴线；所述测量轴线与压机对待调姿筒体进行装配时的活塞杆轴线平行；

所述角位台的控制端与所述控制系统连接，所述控制系统还用于确定所述待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息控制角位台的移动和旋转，使待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

一种基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，所述方法包括：

获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；所述测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

根据所述拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

可选的，所述根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程，具体包括：

利用公式

将每个平面测量点的距离转换为旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；所述旋转测量平面为每个直线测量点处多个平面测量点所在的平面；其中，L_i为第i个平面测量点的距离，θ为激光传感器旋转角度，(x_i，y_i)为第i个平面测量点在旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；

根据每个直线测量点处多个平面测量点在二维直角坐标系下的坐标值，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程。

可选的，所述确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合，具体包括：

以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于所述测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，构建空间坐标系；

确定空间坐标系下待调姿筒体内表面的轴线的方向向量；

根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体；

确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离；

根据所述平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

可选的，根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度，具体包括：

根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，利用公式δ＝R_zyxε，获得旋转变换矩阵；

根据所述旋转变换矩阵，利用公式

获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，ε＝[0，0，1]^T，β为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

可选的，确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离，具体包括：

分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

一种基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，所述系统包括：

距离测量模块，用于获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；所述测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

拟合方程确定模块，用于根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

几何中心确定模块，用于根据所述拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

轴线拟合模块，用于根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

位姿调整模块，用于确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

可选的，所述位姿调整模块，具体包括：

空间坐标系构建子模块，用于以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于所述测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，构建空间坐标系；

方向向量确定子模块，用于确定空间坐标系下待调姿筒体内表面的轴线的方向向量；

偏离角度获得子模块，用于根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

一次调整子模块，用于根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体；

平移距离确定子模块，用于确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离；

调姿子模块，用于根据所述平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

可选的，所述偏离角度获得子模块，具体包括：

旋转变换矩阵获得单元，用于根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，利用公式δ＝R_zyxε，获得旋转变换矩阵；

角度偏离单元，用于根据所述旋转变换矩阵，利用公式

获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，ε＝[0，0，1]^T，α为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

可选的，所述平移距离确定子模块，具体包括：

交点坐标获取单元，用于分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

X方向平移单元，用于根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

Y方向平移单元，用于根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统，激光传感器沿着测量轴线做直线和旋转运动，在每个直线测量点处形成一个椭圆测量轨迹，根据多个椭圆测量轨迹确定待调姿筒体内表面的轴线，根据轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息进行筒体位置的调整，使得筒体的轴线与激光传感器的测量轴线重合，实现了轴线测量与位姿调整的高效稳定，能够满足下一步装配位置精度要求，进一步保证装配精度和装配的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置的结构图；

图2为本发明提供的角位台的结构示意图；

图3为本发明提供的一种基于筒体内表面特征点的位姿调整方法的流程图；

图4为本发明提供的待调姿筒体调整前的示意图；

图5为本发明提供的XY方向角度偏移示意图；

图6为本发明提供的一次调整后的待调姿筒体调整前的示意图；

图7为本发明提供的待调姿筒体调整最终状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置、方法及系统，以实现轴线测量与位姿调整的高效稳定。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明由激光传感器和角位台结合对筒体内表面进行非接触式自动化测量，用于筒体类零件的轴线位姿调整，实现零件法向的测量和自动调整，使得装配精度和稳定性都能很好得满足工程要求。

本发明提供了一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置，如图1所示，装置包括：压机、激光传感器、角位台和控制系统；

待调姿筒体放置在角位台上；激光传感器设置在压机的导杆上，激光传感器的发射端对准待调姿筒体的内表面；

激光传感器的控制端和压机的控制端均与控制系统连接，激光传感器的信号端与控制系统连接；控制系统用于通过控制压机的导杆带动激光传感器在待调姿筒体内部沿着测量轴线直线移动，在测量直线上设置多个直线测量点，在每个直线测量点处控制激光传感器以直线测量点为中心做旋转运动，同时控制激光传感器测量旋转过程中待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离，多个平面测量点形成一个椭圆测量轨迹，进而根据多个测量点处的椭圆测量轨迹确定待调姿筒体内表面的轴线；测量轴线与压机对待调姿筒体进行装配时的活塞杆轴线平行；

角位台的控制端与控制系统连接，控制系统还用于确定待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息，并根据轴线偏移信息控制角位台的移动和旋转，使待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

角位台的结构如图2所示，角位台控制角度调整，直线方向的调整由伺服电机驱动导轨丝杠运动。活塞杆的作用是与筒体进行装配。

位姿调整装置以压机导杆为载体，采用高精度的位移激光传感器对筒体内表面的界面进行测量，得到筒体轴线位置。其中，位移激光传感器还可以替换为红外传感器。

激光传感器的旋转平面与筒体内表面相交的截面为椭圆面，压机导杆带动激光传感器在筒体内壁沿坐标系的Z轴做直线和旋转运动，得到N组椭圆截面，根据采集到的数据对椭圆截面进行椭圆拟合，得到椭圆拟合方程，得到椭圆中心坐标，再将中心坐标点拟合成空间直线，该直线就是筒体内壁的实际轴线，可以推出筒体轴线的方向向量。利用角位台对筒体姿态进行调整，使得轴线与Z轴方向重合，通过坐标系的转换关系，得到角位台实际的移动位置关系。

在自动化装配过程中首先使用激光传感器测量筒体内壁与传感器之间的相对位置，然后通过算法获取内表面轴线信息，根据轴线偏移信息进行筒体位置的调整，使得筒体的轴线与激光传感器的轴线重合，能够满足下一步装配位置精度要求，进一步保证装配精度和装配的安全性。

本发明还提供了一种基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，如图3所示，方法包括：

S101，获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

S102，根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

S103，根据拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

S104，根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

S105，确定待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息，并根据轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

具体实现过程为：

1)传感器系统标定及空间坐标系建立：

根据激光传感器测量前进的方向为坐标系的Z方向，旋转测量的平面为XY平面，以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，建立空间坐标系，如图4所示。激光传感器每旋转60°测量一次数据，旋转一周得到6组数据。

利用公式

将每个平面测量点的距离转换为旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；旋转测量平面为每个直线测量点处多个平面测量点所在的平面；其中，L_i为第i个平面测量点的距离，θ为激光传感器旋转角度，(x_i，y_i)为第i个平面测量点在旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；

2)根据每个直线测量点处多个平面测量点在二维直角坐标系下的坐标值，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程。

最小二乘法即假设数据产生的随机误差为正态分布，由最大似然估计法推出一个最优的估计解法，本方法的基本约束条件是测量的误差平方和最小，误差的大小能够直接反映出拟合精度高低。最小二乘法的主要任务是寻找一组参数，从而使数据点与椭圆之间的距离最小化的一种度量。其中距离的度量常用的是代数距离和几何距离。

在二维平面坐标系中，椭圆的一般方程为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

将椭圆的一般方程式用2个向量相乘的形式表示：

f(γ，X_i)＝Ax²+Bxy+cy²+Dx+Ey+F＝0

其中γ为(A，B，C，D，E，F)；X_i为(x²，xy，y²，x，y，1)。

由最小二乘原理确定目标函数为：

f(γ，X_i)＝Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

根据极值原理，要使f(A，B，C，D，E，F)取得最小值，来确定各系数的值。

由此得到线性方程组：

利用消元法求解上述矩阵方程可得各系数的解，得到椭圆的一般方程式。

3)椭圆截面的几何中心计算：

根据椭圆的一般方程式，得到椭圆几何中心位置(x_c，yc)，长半轴和短半轴(a，b)，其中长轴倾角α，其计算方法如下：

4)筒体轴线拟合：

设筒体轴线方程为：

其变形式为：

其中，

根据最小二乘原理得：

式中，Q_x表示x坐标值的误差，Q_y表示Y坐标值的误差，N为平面测量点的数量，G、H、P为筒体轴线方程的三个系数，A、B、C、D、E分别为椭圆的一般方程中各项式的系数，F为椭圆的一般方程中的常数项，m、n分别为筒体轴线方程变换形式后的自变量的系数，p、q分别为筒体轴线方程变换形式后的常数项。

根据极值原理，由最小值确定直线方程系数：

得到筒体轴线得方向向量为δ＝[X，Y，Z]^T。

5)偏离角度计算：

根据以上得到的筒体轴线的方向向量δ，只需将方向向量变换为ε＝[0，0，1]^T，采用ZYX欧拉角进行旋转变换，其中α是Z轴对应的调整角度，β为Y轴对应的调整角度，γ为X轴对应的调整角度。由于激光传感器进入筒体内部测量的方向与Z轴平行，所以Z轴方向无需调整角度，因此对应的α＝0。

变换公式为：

δ＝R_zyxε

变换矩阵为：

化简得

由此解得X轴、Y轴调整角度γ、β值，如图5所示。

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，β为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体，如图6所示。

6)筒体中心偏离距离计算：

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的平移距离，具体包括：

分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

7)调整角位台姿态：

根据平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合，使得筒体轴线与传感器轴线精度达到0.01°。筒体调整的最终状态如图7所示。

8)完成法向测量与调整，进行下一步装配工作。

本发明基于激光传感器测量筒体内表面轴线与精确调整算法，通过激光传感器测量一个平面上得6个点，进行拟合得到椭圆方程得出椭圆中心点，在筒体内部进行多次测量，根据椭圆得中心点拟合得出筒体轴线方程，再进行坐标系转换得到筒体在X和Y方向需要调整的角度和位移，从而达到激光传感器的轴线与筒体轴线重合。

本发明还提供了一种基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，系统包括：

距离测量模块，用于获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

拟合方程确定模块，用于根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

几何中心确定模块，用于根据拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

轴线拟合模块，用于根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

位姿调整模块，用于确定待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息，并根据轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

位姿调整模块，具体包括：

空间坐标系构建子模块，用于以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，构建空间坐标系；

方向向量确定子模块，用于确定空间坐标系下待调姿筒体内表面的轴线的方向向量；

偏离角度获得子模块，用于根据方向向量和测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

一次调整子模块，用于根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体；

平移距离确定子模块，用于确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的平移距离；

调姿子模块，用于根据平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

偏离角度获得子模块，具体包括：

旋转变换矩阵获得单元，用于根据方向向量和测量轴线对应的变换向量，利用公式δ＝R_zyxε，获得旋转变换矩阵；

角度偏离单元，用于根据旋转变换矩阵，利用公式

获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，ε＝[0，0，1]^T，β为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

平移距离确定子模块，具体包括：

交点坐标获取单元，用于分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

X方向平移单元，用于根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

Y方向平移单元，用于根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于筒体内表面特征点的位姿调整装置，其特征在于，所述装置包括：压机、激光传感器、角位台和控制系统；

待调姿筒体放置在角位台上；所述激光传感器设置在压机的导杆上，所述激光传感器的发射端对准所述待调姿筒体的内表面；

所述激光传感器的控制端和所述压机的控制端均与所述控制系统连接，所述激光传感器的信号端与所述控制系统连接；所述控制系统用于通过控制压机的导杆带动激光传感器在待调姿筒体内部沿着测量轴线直线移动，在测量轴线上设置多个直线测量点，在每个直线测量点处控制激光传感器以直线测量点为中心做旋转运动，同时控制激光传感器测量旋转过程中待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离，多个平面测量点形成一个椭圆测量轨迹，进而根据多个测量点处的椭圆测量轨迹确定待调姿筒体内表面的轴线；所述测量轴线与压机对待调姿筒体进行装配时的活塞杆轴线平行；

所述角位台的控制端与所述控制系统连接，所述控制系统还用于确定所述待调姿筒体内表面的轴线相对于测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息控制角位台的移动和旋转，使待调姿筒体内表面的轴线与测量轴线重合。

2.一种基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，其特征在于，所述方法包括：

获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；所述测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

根据所述拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

3.根据权利要求2所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，其特征在于，所述根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程，具体包括：

利用公式

将每个平面测量点的距离转换为旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；所述旋转测量平面为每个直线测量点处多个平面测量点所在的平面；其中，L_i为第i个平面测量点的距离，θ为激光传感器旋转角度，(x_i,y_i)为第i个平面测量点在旋转测量平面的二维直角坐标系下的坐标值；

根据每个直线测量点处多个平面测量点在二维直角坐标系下的坐标值，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程。

4.根据权利要求2所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，其特征在于，所述确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合，具体包括：

以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于所述测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，构建空间坐标系；

确定空间坐标系下待调姿筒体内表面的轴线的方向向量；

根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体；

确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离；

根据所述平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

5.根据权利要求4所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，其特征在于，根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度，具体包括：

根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，利用公式δ＝R_zyxε，获得旋转变换矩阵；

根据所述旋转变换矩阵，利用公式

获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，ε＝[0，0，1]^T，β为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

6.根据权利要求4所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整方法，其特征在于，确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离，具体包括：

分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

7.一种基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，其特征在于，所述系统包括：

距离测量模块，用于获取激光传感器在测量轴线上每个直线测量点处测量的待调姿筒体内表面上多个平面测量点的距离；所述测量轴线与压机对筒体装配时的活塞杆轴线平行；

拟合方程确定模块，用于根据每个直线测量点处多个平面测量点的距离，利用最小二乘法拟合多个平面测量点形成的椭圆测量轨迹的拟合方程；

几何中心确定模块，用于根据所述拟合方程确定每个椭圆测量轨迹的几何中心；

轴线拟合模块，用于根据所有椭圆测量轨迹的几何中心，利用最小二乘法拟合待调姿筒体内表面的轴线；

位姿调整模块，用于确定待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的轴线偏移信息，并根据所述轴线偏移信息调整角位台，使得待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

8.根据权利要求7所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，其特征在于，所述位姿调整模块，具体包括：

空间坐标系构建子模块，用于以待调姿筒体的底面中心为原点，过原点且平行于所述测量轴线的直线为Z轴，过原点且平行于旋转测量平面的平面为XY平面，依据笛卡尔右手定则确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，构建空间坐标系；

方向向量确定子模块，用于确定空间坐标系下待调姿筒体内表面的轴线的方向向量；

偏离角度获得子模块，用于根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

一次调整子模块，用于根据X轴偏离角度和Y轴偏离角度调整角位台，使得位于角位台上的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线平行，获得一次调整后的待调姿筒体；

平移距离确定子模块，用于确定所述一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的平移距离；

调姿子模块，用于根据所述平移距离调整角位台，使得一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线与所述测量轴线重合。

9.根据权利要求8所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，其特征在于，所述偏离角度获得子模块，具体包括：

旋转变换矩阵获得单元，用于根据所述方向向量和所述测量轴线对应的变换向量，利用公式δ＝R_zyxε，获得旋转变换矩阵；

角度偏离单元，用于根据所述旋转变换矩阵，利用公式

获得待调姿筒体的X轴偏离角度和Y轴偏离角度；

其中，δ为方向向量，R_zyx为旋转变换矩阵，ε为变换向量，ε＝[0，0，1]^T，β为Y轴偏离角度，γ为X轴偏离角度。

10.根据权利要求8所述的基于筒体内表面特征点的位姿调整系统，其特征在于，所述平移距离确定子模块，具体包括：

交点坐标获取单元，用于分别获取一次调整后的待调姿筒体内表面与X轴平行的直线的两个交点横坐标，以及一次调整后的待调姿筒体内表面与Y轴平行的直线的两个交点纵坐标；

X方向平移单元，用于根据两个交点横坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的X方向平移距离；其中，X₁和X₂分别为两个交点横坐标，L₁为X方向平移距离；

Y方向平移单元，用于根据两个交点纵坐标，利用公式

确定一次调整后的待调姿筒体内表面的轴线相对于所述测量轴线的Y方向平移距离；其中，Y₁和Y₂分别为两个交点纵坐标，L₂为Y方向平移距离。

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