CN113654498A - 拉线式机器人位置姿态测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多自由度运动平台测控技术领域，具体而言涉及拉线式机器人位置姿态测量仪，包括：承载框架，固定于承载面，并设有连接端面；连接部件，连接到所述承载框架的连接端面；运动平台，所述运动平台用于固定到被测目标平台；基准平台，第一端被连接到所述运动平台，第二端连接到所述连接部件；拉线式测量部件，设置于所述运动平台和所述基准平台。本发明通过采用平行支撑部件保持基准平台和运动平台之间的平行姿态，并采用可变自由度状态的连接部件，使基准平台在保持与机器人的目标平台平行的状态下，仍可以被准确的固定到承载框架上，为后续的拉线式姿态测量获得准确的数据奠定基础。

Description

拉线式机器人位置姿态测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及多自由度运动平台测控技术领域，具体而言涉及拉线式机器人位置姿态测量仪及测量方法。

背景技术

直接测量终端位姿的方法，通常是采用光学测量仪器进行非接触式测量，如采用三台光学仪器测量刚体上三个点的位置信息即可得到刚体的六自由度位姿信息。但是普通的光学测量设备实时性差，而可以满足实时性要求时的光学测量设备，成本又成几十倍的增加。另外光学测量仪器对环境以及被测刚体的空间有一定的要求。

因此，现有技术中提出六位移传感器动态测量法测量多自由度平台的空间姿态，如专利文献1和专利文献2所示的技术方案，虽然现有技术公开了使用上述测量方法测量的原理，但是，两种技术方案仅提到测量过程，对于测量的初始时刻，尤其是传感器的初始数据在安装时产生的误差及其如何被消除并未提及，并且拉线式传感器在安装后存在张力，初始值不准确，影响机器人空间姿态的测量结果。

介于此，人们迫切希望得到一种检测手段便捷、检测设备成本低、检测结果准确的姿态测量方案。

现有技术文献：

专利文献1：CN102636139A空间六自由度运动的六位移传感器动态测量法

专利文献2：CN1262816C刚体空间位姿测量装置及其测量方法

专利文献3：CN110948522A一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法

发明内容

本发明目的在于提供拉线式机器人位置姿态测量仪，能准确的定位基准平台和测量平台的初始位置，并消除安装中给拉线式传感器带来的应力，以保持传感器初始值准确。

为了实现上述目的，本发明提供一种拉线式机器人位置姿态测量仪，包括：

承载框架，固定于承载面，并设有连接端面；

连接部件，连接到所述承载框架的连接端面；

运动平台，所述运动平台用于固定到被测目标平台；

基准平台，连接到所述连接部件；

拉线式测量部件，第一端连接到所述运动平台，第二端连接到所述基准平台，用于检测所述运动平台和所述基准平台的相对位移数据；

其中，所述连接部件被设置成具有自由状态和固定状态，在自由状态时，所述基准平台相对于所述承载框架的连接端面活动连接，在固定状态时，所述基准平台相对于所述承载框架的连接端面固定连接；

还包括平行支撑部件，用于保持所述运动平台和基准平台在空间上平行，被可拆卸连接在所述运动平台和基准平台之间。

优选的，所述连接部件包括多个两两能相对运动的待紧固部件，所述待紧固部件以螺纹连接部件拧紧/松弛的方式改变连接状态；所述螺纹连接部件在松弛状态下，所述连接部件处于自由状态，所述螺纹连接部件在紧固状态下，所述连接部件处于固定状态。

优选的，所述螺纹连接部件加压方向与两个待紧固部件的相对运动方向垂直。

优选的，所述连接部件包括三组连接构件，所述连接构件具有四个自由度。

优选的，所述连接构件包括：

-连接板，设有与所述基准平台连接的第一端面，以及沿其长度方向设置的第一滑轴；

-第一轴套，套设在所述第一滑轴外壁，并设有两个与所述第一滑轴垂直分布的第二滑轴；

-两个第二轴套，分别套设在所述第二滑轴外壁，并设有垂直于所述第二滑轴的第三滑轴；

-第三轴套，套设在两个所述第二轴套的第三滑轴外壁，并设有用于连接到连接端面的连接轴；

-多个螺母，用于紧固所述第一滑轴和第一轴套、第二滑轴和第二轴套以及第三滑轴和第三轴套。

优选的，所述平行支撑部件设有两个固定间距的卡槽，第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽夹持在所述运动平台的上下端面，所述第二卡槽夹持在所述基准平台的上下端面，使所述基准平台和运动平台之间等距布置达到平行状态。

优选的，所述平行支撑部件包括至少三个等长的刚性支柱，每个刚性支柱的第一端和第二端均设有螺纹杆，所述螺纹杆上设有螺母，所述刚性支柱和螺母之间形成第一卡槽和第二卡槽，分别用于夹持所述运动平台和基准平台。

优选的，所述拉线式测量部件包括六个测量单元，每个测量单元包括：

两个二自由度滑轮组，分别固定到所述运动平台和基准平台相对的端面；

拉绳式位移传感器，第一端被固定到所述运动平台的二自由度滑轮组，第二端绕过所述基准平台的二自由度滑轮组并固定到所述基准平台。

本发明提出另一种技术方案，一种拉线式机器人位置测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在地面上设置带有连接端面的承载框架，在连接端面上安装连接部件；

步骤2、在运动平台和基准平台之间安装平行支撑部件，使运动平台和基准平台保持平行；

步骤3、在基准平台和运动平台之间安装拉线式位移传感器；

步骤4、将运动平台连接到被测机器人；

步骤5、将基准平台连接到自由状态的连接部件，在连接后使连接部件由自由状态变为固定状态；其中，连接部件以逐个限缩自由度的方式由自由状态变为固定状态；

步骤6、拆除运动平台和基准平台之间安装的平行支撑部件，可以开始测量。

优选的，在步骤5中，所述连接部件限缩自由度的顺序为：由基准平面向承载框架方向逐个限缩。

优选的，在步骤5中，以螺纹紧固的方式完成自由度的限缩。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明所示的拉线式机器人位置姿态测量仪的轴测图；

图2是本发明所示的拉线式机器人位置姿态测量仪的主视图；

图3是本发明所示的平行支撑部件安装到基准平台和运动平台之间的结构示意图；

图4是本发明所示的测量单元的结构示意图；

图5是本发明的二自由度滑轮组的结构示意图；

图6是本发明所示的四自由度连接部件的结构示意图；

图7是本发明所示的连接板的结构示意图；

图8是本发明所示的第一轴套的结构示意图；

图9是本发明所示的第二轴套的结构示意图；

图10是本发明所示的第三轴套的结构示意图；

图11是本发明所示的基准平台的结构示意图；

图12是本发明所示的运动平台的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意拉线式机器人位置姿态测量仪来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明旨在实现，在基于六位移传感器动态测量法的方式上，提出一种测量仪器，能准确的定位基准平台和测量平台的初始位置，并消除安装中给拉线式传感器带来的应力，以保持传感器初始值准确。

【拉线式机器人位置姿态测量仪】

结合图1和图2所示，为了实现上述目的，本发明提供一种拉线式机器人位置姿态测量仪，主要包括承载框架2和测量部分1，承载框架2和待测量的机器人3被设置在一个支撑板上，承载框架2和机器人3之间通过测量部分1连接，当机器人3发生空间位移时，测量部分1获取位移数据进行姿态测量。

测量部分

结合图3所示，测量部分1包括运动平台12、基准平台11和拉线式测量部件，其中，运动平台12和基准平台11的形状根据需要而设定，优选为图示的圆盘形。在运动平台12和基准平台11上分别设有六个呈六边形分布的安装点(运动平台12上设有六个第二安装孔124、基准平台11上设有六个第一安装孔111)，用于在运动平台12和基准平台11之间安装拉线式测量部件。

结合图3和图4所示，拉线式测量部件包括六个测量单元，每个测量单元连接到运动平台12和基准平台11上对应的安装点，每个测量单元包括：

两个二自由度连接部件，分别固定到运动平台12和基准平台11相对的端面，并且位于安装点位置；

拉绳式位移传感器16，拉绳式位移传感器16的第一端被固定到运动平台12的二自由度连接部件15，第二端绕过基准平台11的二自由度连接部件15并固定到基准平台11。

如此，当运动平台12和基准平台11在空间上发生相对位移时，拉绳式位移传感器16的拉绳长度发生变化，获取变化数值通过计算即可得到空间姿态的变化。

具体的，运动平台12被安装到机器人3的目标平台上，运动平台12上设有四个与目标平台上螺孔对应的安装螺孔122，随机器人3的目标平台一起运动，基准平台11被连接到承载框架2上，保持相对位置的固定。

如此，建立两个坐标系，运动平台12坐标系和基准平台11坐标系，每个坐标系中包含六个坐标点(传感器位置)，利用两个坐标系中12个坐标点之间的位移变化，进行位置解逆和位置正解，得到被测物体的运动姿态，此过程原理与专利文献1所示的计算过程相同。

结合图4和图5所示，二自由度连接部件15包括二自由度滑轮组，二自由度滑轮组由滑轮座151和两个滑轮152组成，滑轮座151能相对于运动平台12、基准平台11的安装点，以垂直于平台的轴线转动；两个滑轮152能相对于其转轴转动，使拉绳式位移传感器16的拉绳161穿过滑轮座151以及两个滑轮152之间。

在运动平台12和基准平台11发生相对运动时，拉绳161被自由的拉扯而发生长度变化。

平行支撑部件

为了保持运动平台12和基准平台11两个坐标系是绝对平行的，结合图3所示，平行支撑部件用于保持运动平台12和基准平台11在空间上平行，被可拆卸连接在运动平台12和基准平台11之间。

在可选的实施例中，平行支撑部件设有两个固定间距的卡槽，第一卡槽和第二卡槽，第一卡槽夹持在所述运动平台12的上下端面，第二卡槽夹持在基准平台11的上下端面，使基准平台11和运动平台12之间等距布置达到平行状态。

具体的，结合图3所示，平行支撑部件包括至少三个(图示为六个)等长的刚性支柱13，每个刚性支柱13的第一端和第二端均设有螺纹杆，螺纹杆上设有螺母14，刚性支柱和螺母14之间形成第一卡槽和第二卡槽。

当拧紧螺母14时，第一卡槽和第二卡槽间距变小，能夹紧运动平台12和基准平台11，当放松螺母14时，第一卡槽和第二卡槽间距变大，能将刚性支柱13从运动平台12和基准平台11拆除。

进一步的，结合图11-12所示，基准平台11的边缘设有第一弧形槽113，运动平台12的边缘设有第二弧形槽123，刚性支柱13上的螺纹杆能卡在第一弧形槽113和第二弧形槽123中。

承载框架

结合图1所示，承载框架2包括一个连接板以及连接到所述连接板下方的三个支撑杆，被固定于一个方形的承载面，其中，连接板的下方设有连接端面；如此，机器人3的承载面和承载框架2的连接端面刚性连接，相对位置固定，承载框架2提供的连接端面能与机器人3的承载面保持固定，为准确测量机器人3目标平台的运动姿态奠定基础。

连接部件

为了实现基准平台11和承载框架2的连接端面连接时无应力产生，在基准平台11和承载框架2之间设置连接部件；其中，连接部件被设置成具有自由状态和固定状态，在自由状态时，基准平台11相对于承载框架2的连接端面活动连接，在固定状态时，基准平台11相对于承载框架2的连接端面固定连接。

具体的，连接部件包括多个两两能相对运动的待紧固部件，以形成多个自由度，待紧固部件以螺纹连接部件拧紧/松弛的方式改变连接状态；螺纹连接部件在松弛状态下，连接部件处于自由状态，螺纹连接部件在紧固状态下，连接部件处于固定状态。

如此，通过改变螺纹连接部件的连接状态，可以控制连接部件具有不同的自由度，基准平台11与承载框架2的连接端面之间由多个自由度逐渐被紧固成固定状态，因此，减少在安装时施加到基准平台11上的应力，避免在拆卸掉平行支撑部件时，运动平台12和基准平台11发生了相对位移，使初始数据不精确，导致计算错误。

在优选的示例中，螺纹连接部件加压方向与两个待紧固部件的相对运动方向垂直。如此，在螺纹连接部件拧紧时，仍不会对两个待紧固部件施加应力。

结合图1所示，连接部件包括三组连接构件，每个连接构件具有四个自由度。

在可选的实施例中，结合图6-10所示，所述连接构件包括：

连接板211设有与基准平台11连接的第一端面211a，以及沿其长度方向设置的第一滑轴211b；

第一轴套212包括第一轴套本体212a和第二滑轴212b，第一轴套本体212a套设在第一滑轴211b的外壁，能相对于第一滑轴211b转动，第一轴套本体212a的两侧壁设有两个与第一滑轴211b垂直分布的第二滑轴212b；

两个第二轴套213，每个第二轴套213包括第二轴套本体213a和第三滑轴213b，分别套设在第二滑轴213b外壁，并设有垂直于所述第二滑轴212b的第三滑轴213b；

第三轴套214包括两个第三轴套本体214a和T型的连接轴214b，两个第三轴套本体214a套设在两个第二轴套213的第三滑轴213b外壁，并设有用于连接到连接端面的连接轴214b；

多个螺母215用于紧固第一滑轴211b和第一轴套212、第二滑轴212b和第二轴套213以及第三滑轴213b和第三轴套214。

其中，结合图12所示，连接板211上设有三个螺孔，基准平台11上也设有三个与所述螺孔对应分布的螺孔112，使用三个螺栓将连接板211和基准平台11固定在一起。

T型的连接轴214b连接到承载框架2连接端面的轴套内，轴套外壁设有螺栓，当螺栓拧紧时，使连接轴214b固定，在螺栓未拧紧时，连接轴214b能相对于该轴套转动以及沿轴向滑动。

如此，再通过螺纹连接逐个紧固的方式，逐渐限缩连接构件的自由度，使基准平台11在不施加应力的情况下，被固定到承载框架2的连接端面，同时能适应机器人3在初始状态时目标平台的相对角度，保持与目标平台平行，为建立两个平行的坐标系，获得准确的空间姿态奠定基础。

【拉线式机器人位置测量方法】

本发明提出另一种技术方案，一种拉线式机器人位置测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在地面上设置带有连接端面的承载框架2，在连接端面上安装连接部件；

步骤2、在运动平台12和基准平台11之间安装平行支撑部件，使运动平台和基准平台保持平行；

步骤3、在基准平台11和运动平台12之间安装拉线式位移传感器15；

步骤4、将运动平台12连接到被测机器人；

步骤5、将基准平台11连接到自由状态的连接部件，在连接后使连接部件由自由状态变为固定状态；其中，连接部件以逐个限缩自由度的方式由自由状态变为固定状态；

步骤6、拆除运动平台12和基准平台11之间安装的平行支撑部件，可以开始测量。

在可选的实施例中，所述连接构件包括：

连接板211设有与基准平台11连接的第一端面211a，以及沿其长度方向设置的第一滑轴211b；

第一轴套212包括第一轴套本体212a和第二滑轴212b，第一轴套本体212a套设在第一滑轴211b的外壁，能相对于第一滑轴211b转动，第一轴套本体212a的两侧壁设有两个与第一滑轴211b垂直分布的第二滑轴212b；

两个第二轴套213，每个第二轴套213包括第二轴套本体213a和第三滑轴213b，分别套设在第二滑轴213b外壁，并设有垂直于所述第二滑轴212b的第三滑轴213b；

第三轴套214包括两个第三轴套本体214a和T型的连接轴214b，两个第三轴套本体214a套设在两个第二轴套213的第三滑轴213b外壁，并设有用于连接到连接端面的连接轴214b；

多个螺母215用于紧固第一滑轴211b和第一轴套212、第二滑轴212b和第二轴套213以及第三滑轴213b和第三轴套214。

在步骤5中，连接部件在自由状态下，连接板211相对于第一轴套212可转动，第一轴套212相对于第二轴套213可转动，第三轴套本体214a与连接轴214b之间可转动，连接轴214b和承载框架的连接端面可滑动以及转动。

以第一滑轴211b和第二滑轴212b定义为X、Y轴方向，以连接轴214b的方向定义为Z轴方向，连接部件具有沿X、Y、Z轴方向转动以及沿Z轴方向移动的四个自由度。

在步骤5中，优选的，连接部件限缩自由度的顺序为：由基准平面11向承载框架2方向逐个限缩。即，先固定连接板211和第一轴套212的连接状态，再固定第一轴套212和第二轴套213的连接状态，再固定第三滑轴213b和第三轴套214的连接状态，最后将连接轴214b和承载框架2的连接端面固定。

如此，可尽量避免在紧固时产生应力，保持拉线式位移传感器15初始值准确。

在步骤5中，优选的，以螺纹紧固的方式完成自由度的限缩，螺纹紧固的方式可降低在安装过程中，对基准平台11施加的多余应力。

如此，结合以上实施例，本发明通过采用平行支撑部件保持基准平台11和运动平台12之间的平行姿态，并采用可变自由度状态的连接部件，使基准平台11在保持与机器人的目标平台平行的状态下，仍可以被准确的固定到承载框架2上，为后续的拉线式姿态测量获得准确的数据奠定基础。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，包括：

承载框架，固定于承载面，并设有连接端面；

连接部件，连接到所述承载框架的连接端面；

运动平台，所述运动平台用于固定到被测目标平台；

基准平台，连接到所述连接部件；

拉线式测量部件，第一端连接到所述运动平台，第二端连接到所述基准平台，用于检测所述运动平台和所述基准平台的相对位移数据；

其中，所述连接部件被设置成具有自由状态和固定状态，在自由状态时，所述基准平台相对于所述承载框架的连接端面活动连接，在固定状态时，所述基准平台相对于所述承载框架的连接端面固定连接；

还包括平行支撑部件，用于保持所述运动平台和基准平台在空间上平行，被可拆卸连接在所述运动平台和基准平台之间。

2.根据权利要求1所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述连接部件包括多个两两能相对运动的待紧固部件，所述待紧固部件以螺纹连接部件拧紧/松弛的方式改变连接状态；所述螺纹连接部件在松弛状态下，所述连接部件处于自由状态，所述螺纹连接部件在紧固状态下，所述连接部件处于固定状态。

3.根据权利要求2所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述螺纹连接部件加压方向与两个待紧固部件的相对运动方向垂直。

4.根据权利要求1所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述连接部件包括三组连接构件，所述连接构件具有四个自由度。

5.根据权利要求4所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述连接构件包括：

-连接板，设有与所述基准平台连接的第一端面，以及沿其长度方向设置的第一滑轴；

-第一轴套，套设在所述第一滑轴外壁，并设有两个与所述第一滑轴垂直分布的第二滑轴；

-两个第二轴套，分别套设在所述第二滑轴外壁，并设有垂直于所述第二滑轴的第三滑轴；

-第三轴套，套设在两个所述第二轴套的第三滑轴外壁，并设有用于连接到连接端面的连接轴；

-多个螺母，用于紧固所述第一滑轴和第一轴套、第二滑轴和第二轴套以及第三滑轴和第三轴套。

6.根据权利要求1所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述平行支撑部件设有两个固定间距的卡槽，第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽夹持在所述运动平台的上下端面，所述第二卡槽夹持在所述基准平台的上下端面，使所述基准平台和运动平台之间等距布置达到平行状态。

7.根据权利要求1所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述平行支撑部件包括至少三个等长的刚性支柱，每个刚性支柱的第一端和第二端均设有螺纹杆，所述螺纹杆上设有螺母，所述刚性支柱和螺母之间形成第一卡槽和第二卡槽，分别用于夹持所述运动平台和基准平台。

8.根据权利要求1所述的拉线式机器人位置姿态测量仪，其特征在于，所述拉线式测量部件包括六个测量单元，每个测量单元包括：

两个二自由度滑轮组，分别固定到所述运动平台和基准平台相对的端面；

拉绳式位移传感器，第一端被固定到所述运动平台的二自由度滑轮组，第二端绕过所述基准平台的二自由度滑轮组并固定到所述基准平台。

9.一种拉线式机器人位置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在地面上设置带有连接端面的承载框架，在连接端面上安装连接部件；

步骤2、在运动平台和基准平台之间安装平行支撑部件，使运动平台和基准平台保持平行；

步骤3、在基准平台和运动平台之间安装拉线式位移传感器；

步骤4、将运动平台连接到被测机器人；

步骤5、将基准平台连接到自由状态的连接部件，在连接后使连接部件由自由状态变为固定状态；其中，连接部件以逐个限缩自由度的方式由自由状态变为固定状态；

步骤6、拆除运动平台和基准平台之间安装的平行支撑部件，开始测量。

10.根据权利要求9所述的拉线式机器人位置测量方法，其特征在于，在步骤5中，所述连接部件限缩自由度的顺序为：由基准平面向承载框架方向逐个限缩。

11.根据权利要求9所述的拉线式机器人位置测量方法，其特征在于，在步骤5中，以螺纹紧固的方式完成自由度的限缩。

Images