CN113939383A - 使用惯性测量单元(imu)和拉线编码器位置传感器的3d位置和方向计算以及机器人应用结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用惯性测量单元(IMU)(14)和拉线编码器位置传感器(B)的3D位置和方向计算以及机器人应用结构(A)。

Description

使用惯性测量单元(IMU)和拉线编码器位置传感器的3D位置 和方向计算以及机器人应用结构
技术领域
本发明涉及使用惯性测量单元(IMU)和拉线编码器位置传感器的3D位置和方向计算以及机器人应用结构。
背景技术
不断重复相同工作的操作员无法始终获得相同的品质，无论他们多么熟练。此外，不同的操作员即使尝试，也无法生产相同的产品。因为，体力劳动者经常会遗漏非常小的缺陷或差异。此外，当涉及可能危害人类健康的工作时，例如在纺织品整理中使用高锰酸钾的漂白操作。必须消除这些人为缺陷，以提高工作的质量和再现性。
工业机器人早已不是手工制品而是工业生产的一部分，并且随着技术发展不断扩大其影响范围。机器人具有高再现性、可靠性、可重复性和抗疲劳性，因此可以排除对任务的主观影响。可以提高处理能力，并提供永久的质量。使用机器人需要向机器人教授任务。
许多先前的工作都集中在通过演示或教学为机器人提供任务知识。对于该示教程序，需要高精度、准确地记录操作员的动作。
机器人编程有几种不同的方法。最常见的方法是通过示教器对机器人进行编程。示教器是一种通过电缆与机器人相连的人机界面(HMI)设备，用于现场监控机器人的状态。通过示教器对机器人进行编程时，操作员必须手动输入每个目标点、命令、功能、速度、运动模式等。这种方法对于焊接等工作来说是一种简单快捷的方法，其中只教授机器人几个特定的点。但是对于包含连续路径的工作，例如人手运动，则需要另一种机器人编程方法。此类工作最常见的方法是使用3D位置和方向跟踪系统在3D空间中连续记录点。之后，记录的运动数据以某种方式传输到机器人以执行相同的运动。
跟踪系统用于估计移动物体的位置和方向。跟踪系统有多种类型，可以根据测量原理和使用的技术进行分类，例如光学、声学、微机电系统(MEMS)、射频、电磁和机械。这些系统具有不同的规格，例如准确度、精度、成本、工作范围、校准程序、外部敏感性等。应根据要求选择合适的系统。最准确的系统是激光跟踪系统，但它们非常昂贵，对外部因素敏感，并且校准程序需要很多时间。
基于电磁的跟踪系统对磁场失真很敏感，因此它们不适用于存在金属或导电物体的地方。基于视觉的跟踪系统具有良好的准确性，但它们很容易受到环境条件的影响，例如污垢、水、光强度的变化、反射或它们可能会受到遮挡。
基于拉线编码器的跟踪系统提供高精度和无噪声输出，不需要精确的线性引导，非常适合潮湿、肮脏或室外环境以及测量范围在恶劣环境中移动的应用。除此之外，这些系统成本低且便于携带。
然而，由于制造公差、拉线长度不确定性或拉线松动导致的尺寸偏差可能导致这些系统的性能不可接受。此外，如果拉线编码器的数量增加，则附接有拉线的可移动物体上的拉线张力可能非常高。因此，可能难以高速使用该系统。在文献中，有使用拉线编码器的各种应用。
MEMS惯性测量单元(IMU)可用于跟踪物体的位置和方向。IMU单元通常由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，有时还配有三轴磁力计以提高设备的精度。加速度计测量线性加速度，其中陀螺仪测量角速度，磁力计测量三个相互正交方向的磁通密度。
根据这些传感器读数，计算欧拉角(滚动角、俯仰角和偏航角)的值，以找到IMU在其自身坐标系上的位置和方向。IMU是低成本、轻便、便携、小型化的设备，但不适合长时间连续跟踪物体，因为位置和方向误差会随着时间的推移迅速增加。
其根本原因是：计算位置和方向需要角速度测量值的单积分和加速度测量值的双积分。从IMU获得的噪声加速度和角速度测量值的积分会导致误差增加。
IMU误差分为两类：系统误差和随机误差。系统误差是永久性的，但可以使用专门的设备来消除和校准它们。最常见的系统误差是：常数偏差、比例因子误差、比例因子符号不对称、死区、非正交性误差和未对准误差。另一方面，随机误差是基于传感器的不可预测性，对结果的影响更大，无法完全消除。最常见的随机错误是：偏置稳定性、比例因子不稳定性和白噪声。
IMU也会受到机械振动和磁干扰的影响。为了摆脱这些问题并创建更准确的系统，IMU通常与其他传感器结合使用。
由IMU和位置传感器组成的混合系统被用于广泛的应用中，以更准确地找到物体的位置和方向。与IMU结合的位置传感器可以是超声波位置传感器、基于视觉的位置传感器或光学位置传感器。但所有这些位置传感器都存在视线要求、反射和遮挡问题或价格相对较高等缺点。
有很多关于结合IMU和拉线编码器的混合系统的论文。通常，一个IMU用于寻找方向，而一些拉线编码器用于寻找移动物体的位置。
拉线编码器位置传感器是一种用于使用柔性电缆、弹簧加载轴和光学编码器测量线性位置(有时是速度)的设备。
传感器主体安装在固定表面上，不锈钢拉线连接到可移动物体上。当物体移动时，传感器会产生一个与拉线的线性延伸成正比的电信号。该信号由微控制器处理并通过稍后解释的接口发送到PC。使用其中一些传感器可以计算3D位置甚至方向。
在找到系统上所有拉线的线性测量值后，必须使用一些技术来计算可移动物体的位置和方向。有一些技术称为余弦定律、多边测量、三边测量和三角测量，它们能够通过使用三角形或四面体的几何形状来确定点之间的相对位置。余弦定律可用于在已知两条边及其封闭角的情况下计算三角形的第三条边，以及在所有三边已知的情况下计算三角形的角。
在文献为US2018345490的美国专利申请中涉及“一种机器人系统，包括机器人控制器、包括正交点动操作部分的示教器和信息显示装置。机器人控制器将机器人的手尖部分可以通过的机器人坐标系上的位置设置为采样点，并将采样点的位置和采样点是否在手尖部分的运动范围内以及采样点是否在奇点附近的确定结果信息通知信息显示装置。信息显示装置使用采样点的位置和确定结果信息生成在视觉上区分手尖部分的运动范围的部分、奇点附近的部分等的图形图像，并将该图形图像叠加在机器人的图像上。”
在上述申请中，公开了一种通过使用示教器编程来执行示教过程的机器人系统。
在文献为US2019022858的美国专利申请中涉及“一种被配置为对机器人的快速旋转或旋转速率提供精确控制的机器人。为了控制快速旋转速率，机器人包括位于机器人主体内的惯性移位(或移动)组件，以便机器人可以着陆在具有目标方向的表面上，并在体操动作中“落地站稳不动”。惯性移动组件包括传感器，这些传感器允许确定距着陆表面的距离(或高度)，并允许计算可用于控制机器人的其他参数，例如当前方向。在一个实施例中，传感器包括惯性测量单元(IMU)和激光测距仪，并且控制器处理它们的输出以估计方向和角速度。控制器选择正确的飞行点来操作惯性转换组件中的驱动机构，以实现目标方向。”
在所述申请中，公开了一种包括惯性测量单元和激光测距仪的机器人系统。
在文献为US2003178964的美国专利申请中涉及“本发明公开了一种机器人操纵器，包括至少一个关节，每个关节具有驱动轴和至少一个与至少一个驱动轴对齐的微机电系统(MEMS)惯性传感器，提供对驱动轴的相对位置的感测。机器人操纵器可以包括耦合到机器人操纵器的惯性测量单元(IMU)，用于确定末端执行器的位置和方向。可以使用控制器，从至少一个MEMS惯性传感器接收信号并响应于该信号控制至少一个关节的驱动轴以改变关节驱动轴的相对位置。可以集成来自MEMS传感器的速率信息，以确定它们各自驱动轴的位置。”
在所述申请中，描述了一种包括MEMS和IMU的机器人控制系统。
由于上述缺点，需要引入新的3D位置和方向计算以及机器人应用结构。
发明内容
基于该技术的这一定位，本发明的目的是提供一种消除现有缺点的新的3D位置和方向计算以及机器人应用结构。
本发明的另一个目的是提供一种允许在三个维度上计算记录装置的位置和方向的结构。
本发明的另一个目的是提供一种以最小误差最好地满足准确度和精确度期望的结构。
本发明的另一个目的是提供一种易于计算且精度高的结构。
本发明的另一个目的是创造一种结构，该结构将通过机器人在纺织品整理中使用高锰酸钾，而不是通过人类，以此保护人类健康和预防职业病。
本发明的另一个目的是提供一种能够在重复工作中以相同的质量和标准进行生产的结构。
本发明的另一个目的是提供一种结构，该结构允许同时操作记录装置和机器人，并且可以在以后由机器人重复利用记录装置获得的记录。
本发明的另一个目的是通过创建一种可以在金属或导电物体所在的地方工作的结构来消除由受磁场影响的传感器引起的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种能够以高精度和准确度记录操作员的动作的结构。
附图说明
图1是根据本发明的3D位置和方向计算以及机器人应用结构的代表性视图；
图2是根据本发明的3D位置和方向计算以及机器人应用结构中的拉线编码器位置传感器的布置的代表性视图；
图3是根据本发明的在3D位置和方向计算以及机器人应用结构中的便携式记录装置的代表性视图。
参考编号
A-3D位置和方向计算以及机器人应用结构
B-拉线编码器位置传感器
1-运动记录柜
2-应用柜
3-应用物体
4-便携式记录装置
4.1前端
4.2后端
5-机器人
6-线
7-拉线编码器第一位置传感器
8拉线编码器第二位置传感器
9-拉线编码器第三位置传感器
10-拉线编码器第四位置传感器
11-拉线编码器第五位置传感器
12-拉线编码器第六位置传感器
13-线拉拽机构
14-惯性测量单元(IMU)
15-激光指针
16-增量编码器
具体实施方式
在该详细说明中，仅通过实例来说明本发明的创新，为了更好地理解该主题而没有限制作用。
本发明是一种三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其设计目的在于以最好的方式和最小的误差满足准确度和精度的期望，允许至少一个应用物体(3)在重复性工作中始终保持相同的质量和标准，其特征在于包括：运动记录柜(1)，其中通过至少一个便携式记录装置(4)记录用户对所述应用物体(3)的连续运动；应用柜(2)，其中记录在所述运动记录柜(1)中的运动被准确地应用；机器人(5)，其位于所述应用柜(2)中并且通过准确地应用所述便携式记录装置(4)记录的运动来实现对应用物体(3)的非人为应用；拉线编码器位置传感器(B)，其位于所述运动记录柜(1)内，以检测所述便携式记录装置(4)和位于所述便携式记录装置(4)上的惯性测量单元(14)的x、y和z位置，并且测量所述便携式记录装置(4)的角速度和加速度值。
图1示出了根据本发明的3D位置和方向计算以及机器人应用结构(A)的代表性视图。
图2示出了根据本发明的在3D位置和方向计算以及机器人应用结构(A)中的拉线编码器位置传感器(B)的布置的代表性视图。
图3示出了根据本发明的在3D位置和方向计算以及机器人应用结构(A)中的便携式记录装置(4)的代表性视图。
本发明的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)主要包括：运动记录柜(1)，其中通过至少一个便携式记录装置(4)记录用户对所述应用物体(3)的连续运动；应用柜(2)，其中记录在所述运动记录柜(1)中的运动被准确地应用；机器人(5)，其位于所述应用柜(2)中并且通过准确地应用所述便携式记录装置(4)记录的运动来实现对应用物体(3)的非人为应用；拉线编码器位置传感器(B)，其位于所述运动记录柜(1)内，以检测所述便携式记录装置(4)的x、y和z位置；线(6)，其通过确定所述便携式记录装置(4)和所述拉线编码器位置传感器(B)之间的定位的瞬时长度值来确定所述便携式记录装置(4)的位置；拉线编码器第一位置传感器(7)，其定位在所述拉线编码器位置传感器(B)中的一个上，定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的后端(4.2)；拉线编码器第二位置传感器(8)，其位于所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个；拉线编码器第三位置传感器(9)，其定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)上的点处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个；拉线编码器第四位置传感器(10)，其作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的一个定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的后端(4.2)上的点处；拉线编码器第五位置传感器(11)，其位于所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)上的点处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个；拉线编码器第六位置传感器(12)，其定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个；线拉拽机构(13)，其通过其中的滚轮施加力以承载便携式记录装置(4)，执行所述线(6)的拉动功能；惯性测量单元(14)，其位于所述便携式记录装置(4)上并且测量所述便携式记录装置(4)的角速度和加速度值；激光指针(15)，其位于所述便携式记录装置(4)上；和增量编码器(16)，其形成所述拉线编码器位置传感器(B)的传感器部分。
作为本发明主题的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)一般由运动记录柜(1)和应用柜(2)组成。所述运动记录柜(1)为操作员使用的便携式记录装置(4)所在的、执行运动记录操作的柜。
另一个柜，应用柜(2)，是机器人(5)所在的、播放记录在运动记录柜(1)中的运动的柜。
所述运动记录柜(1)具有内置的拉线编码器位置传感器(B)以进行运动记录。这种结构由固定在便携式记录装置(4)上的惯性测量单元(14)和放置在柜中并彼此间隔一定距离放置的6个拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)组成。
上述拉线编码器位置传感器(B)中，第二拉线编码器位置传感器(8)、第三拉线编码器位置传感器(9)、第五拉线编码器位置传感器(11)和第六拉线编码器位置传感器(12)，便携式记录装置(4)、第一拉线编码器位置传感器(7)和第四拉线编码器位置传感器(10)，其中的另外两个固定在前端(4.1)，固定在便携式记录装置(4)的后端(4.2)的点上。
为了计算所述便携式记录装置(4)的x、y、z位置，使用从固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)的第二拉线编码器位置传感器(8)、第三拉线编码器位置传感器(9)、第五拉线编码器位置传感器(11)和第六拉线编码器位置传感器(12)接收的信息。
从固定在后端(4.2)的第一拉线编码器位置传感器(7)和第四拉线编码器位置传感器(10)以及固定在便携式记录装置(4)的前端(4.1)的第二拉线编码器位置传感器(8)和第五拉线编码器位置传感器(11)接收的信息与来自惯性测量单元(14)的倾斜角相结合，用于计算偏航角，即绕便携式记录装置(4)的z轴的旋转角。余弦定律用于所有这些位置和方向计算。
所述应用柜(2)内有优傲机器人(Universal Robot)的UR10系列机器人(5)。所述机器人(5)安装在固定的金属支架上，该支架足够坚固以在机器人的惯性运动期间不会振动。该机器人(5)完成了播放和重复在运动记录柜(1)中获得并存储在计算机中的运动记录的任务。激光模块附接到所述机器人(5)的末端功能的中心点，用于比较机器人(5)和便携式记录装置(4)的方向并监控完成的工作的准确性。
该系统选择ADIS16480 MEMS IMU作为上述惯性测量单元(14)。ADIS16480，惯性测量单元(14)，是一个完整的惯性系统，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、压力传感器和扩展卡尔曼滤波器(EKF)，用于动态方向检测。
所述IMU(14)的滚动和倾斜角的动态精度为0.3度，摆动角的动态精度为0.5度。从测试结果可以看出，ADIS16480的倾斜角和倾斜的动态精度都在1度左右，但摆动角没有明显的情况。ADIS16480中的一些动态运动测试表明，摆动角误差可以在30秒内达到10度。即使ADIS16480保持不变，误差也在快速增长。
偏航角存在随机游动和变偏差稳定性的问题。由于这些原因，本发明使用了ADIS16480的滚动角和倾斜角输出，但不使用摆动角输出。
所述拉线编码器位置传感器(B)用于大多数工业应用中的一维位移测量。所述拉线编码器位置传感器(B)可以与校正配置相结合，用于计算移动物体的位置甚至方向。拉线编码器位置传感器(B)的最广为人知的特性是其高稳定性和安静的测量能力。这些功能使我们能够创建一个高精度系统。
在本发明的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)中，拉线编码器位置传感器(B)为六个。所述拉线编码器位置传感器(B)有两个部分，称为线拉拽机构(13)和增量编码器(16)。
所述拉线编码器位置传感器(B)的线拉拽机构(13)选用SICK-PFG13-A1CM0544，增量编码器(16)选用SICK-DFS60B-S1AC04096。
所述线拉拽机构(13)的测量范围为0至5m，重复性<＝0.5mm。线拉拽机构(13)的最大工作速度为4m/s，最大线(6)加速度为4m/s2。
增量编码器(16)每转产生4096个脉冲，选择这些传感器时分辨率为0.09mm。所述拉线编码器位置传感器(B)的最大输出频率为600kHz。
所述拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)用于在所述拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)和便携式记录装置(4)之间形成三角形，安装在运动记录柜(1)上的特定位置，六根线(6)端连接到便携式记录装置(4)上。
所述三角形用于计算位置和摆动角。运动记录柜(1)上的拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)的原点的x、y、z坐标如下：
Figure BDA0003292852280000081
Figure BDA0003292852280000091
拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)帮助操作员承载便携式记录装置(4)的重量。这是因为拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)主体安装在比便携式记录装置(4)的操作区域更高的点上。为此，线拉拽机构(13)内的滚轮施加力以承载便携式记录装置(4)。另一方面，这种动力会使便携式记录装置(4)在高速下的响应变差，但不影响本发明的系统，因为所述系统将用于不需要高速的诸如喷漆和喷涂之类的工作。
作为本发明主题中提到的机器人(5)的UR10是由六个旋转关节组成的6自由度系列机器人。每个关节由电机单独驱动，每个关节的旋转范围为±360°，速度限制为120-180°/s。
在三角学中，余弦定律用于非垂直三角形中的以下情况：
·如果两条边的长度和这些边之间的角度已知，则可以计算出第三条边的长度，
·如果所有三个边的长度都是已知的，则可以计算三角形的所有内角。
下图可以帮助形象化余弦定律。在ABC三角形中，a、b和c是三角形的长度，α、β和γ分别是这些边所对的角。
Figure BDA0003292852280000092
余弦定律，
c2＝a2+b2-2abcosγ (X)
如果重新排列此公式以计算角度而不是边长，
Figure BDA0003292852280000093
在上述应用中，使用从拉线编码器位置传感器(7、8、9、10、11、12)获取的测量值获得了边长已知的三角形。在这些三角形中，所需的计算是使用余弦定律和方程(X)和(Y)进行的。
在本发明的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)中，有两个控制器卡。第一个位于便携式记录装置(4)上，称为方向卡。
板上有1个ADIS16480 IMU(14个)、1个微处理器、1个USB接口和各种电子元件。该卡的主要用途是IMU(14)和串行外设接口(SPI)为ADIS16480IMU(14)供电，读取滚动和倾斜角的值，并通过通用串行总线(USB)将这些读数传输到个人计算机(PC)，通过协议进行通信。IMU(14)的所有必要引脚连接都在此卡上进行。
第二控制器卡用作数据采集卡。数据采集卡包含1个微控制器、6个8针母连接器、6个缓冲放大器、1个USB接口、16针输入输出插座和各种电子元件。每个拉线编码器传感器(7、8、9、10、11、12)生成与其线长度成比例的电信号。该信号通过8针连接器(每个编码器一个)传输到控制器板。这些信号在缓冲放大器中被处理并发送到微控制器。然后微控制器通过USB端口将这些信号传输到PC。
从控制器卡收集的数据通过USB端口传输到计算机。PC运行使用德尔福集成开发环境(IDE)以Pascal编程语言编写的程序。该程序在运动记录期间计算便携式记录装置(4)的x、y、z位置、滚动、倾斜和摆动角，以100Hz的频率记录并将这些计算值发送到机器人(5)。因此，机器人(5)可以随时重复记录的动作。为此，从方向卡读取滚动和倾斜角的值。此外，使用从数据采集卡中获取的线长度的值应用余弦定律，并使用设计的程序计算x、y、z位置和摆动角。所有这些计算值都使用URScript的内置函数和变量以一种形式重新排列，并以40Hz的频率传输到机器人(5)控制器(URControl)。
该程序还具有与操作员交互并显示有关系统的信息的界面，例如便携式记录装置(4)的实时位置、拉线编码器位置传感器(B)的初始参数和IMU(14)。
此外，操作员可以使用“播放、暂停、停止”按钮从界面控制机器人(5)。
首先，拉线编码器位置传感器(B)由增量编码器(16)组成，并且由于编码器的性质而从头开始计数。因此，便携式记录装置(4)被固定到称为起始参考位置的已知位置，并且在便携式记录装置(4)处于该位置时执行拉线编码器位置传感器(B)的通电。当便携式记录装置(4)处于起始参考位置时，手动测量拉线编码器位置传感器(B)的线(6)的长度，并将这些数据输入到PC程序中。
通电过程完成后，程序自动开始计算x、y、z位置和偏航角。之后，可以通过按PC程序中的“开始记录”按钮开始运动记录。
应用以下步骤来计算所述便携式记录装置(4)的x、y、z位置。
1)必须在运动记录柜(1)中选择两个点。第一个点可以任意选择。但是，第二个点应从观察轴上与第一个点不同的点中选择，而其他两个轴应选择相同的点。如果x轴为观察轴并选择第一个点(x＝0,y＝0,z＝0)，则选择第二个点(x＝a,y＝0,z＝0)并且变量“a”值是选择的任何值。这些点被定义为传感器连接点，引导部件安装在这些点上。测量传感器连接点之间的固定距离。
2)从两个传感器连接点引出的线(6)固定在便携式记录装置(4)前面的同一点上。
3)得到具有三边长的三角形。两个传感器端口之间的距离是已知的(固定的)，传感器端口和便携式记录装置(4)之间的距离也是已知的(读取拉线编码器位置传感器(B))。现在，余弦定律可以应用于这个三角形。
4)便携式记录装置(4)在观测轴上的位置根据以下公式计算。
Figure BDA0003292852280000111
在上述三角形中，前端(4.1)是TTF第二拉线编码器位置传感器(8)、第三拉线编码器位置传感器(9)、第五拉线编码器位置传感器(11)和第六拉线编码器位置传感器(12)的便携式记录装置(4)的点。“X”长度是要计算的距离。长度“c”为第五拉线编码器位置传感器(11)和第六拉线编码器位置传感器(12)之间的距离，该长度固定为400mm。长度“a”和“b”是从第五拉线编码器位置传感器(11)和第六个拉线编码器位置传感器(12)读取的。使用余弦公式，可以在三角形S5TTFS6中应用余弦定律并计算cosα。在TTFS5B三角形中，可以使用以下公式计算长度x。
x＝cosα*b
y轴和z轴位置计算的方法与上述规则相同。在Y轴位置计算中，使用第二拉线编码器位置传感器(8)和第五拉线编码器位置传感器(11)的测量值。在Z轴位置计算中，使用第二拉线编码器位置传感器(8)和第三拉线编码器位置传感器(9)的测量值。
偏航角的计算如下进行。虽然便携式记录装置(4)是固定的，但IMU(14)测量值必须是恒定的。然而，如前所述，从本质上讲不可能从IMU(14)获取固定测量值。特别是，摆动角非常嘈杂，因为z轴平行于重力矢量。IMU(14)的滚动和倾斜角测量值总是比滚动角测量值具有更好的精度。为提高系统精度，滚动角测量值使用拉线编码器位置传感器(B)计算，如下所述。
Figure BDA0003292852280000121
TTB是第一拉线编码器位置传感器(7)和拉线编码器位置传感器(10)的便携式记录装置(4)的后端(4.2)处的连接点。进行计算，使用第二拉线编码器位置传感器(8)和第五拉线编码器位置传感器(11)计算TTF的Y位置，使用第一拉线编码器位置传感器(7)和第四拉线编码器位置传感器(10)计算TTB的y位置。dy长度是这两个计算之间的差值。a是123.5mm的固定长度。偏航角可以使用以下公式计算。
Figure BDA0003292852280000122
β-运动记录装置(4)的倾斜角。
与IMU(14)的摆动角输出不同，该解决方案可提供稳定且准确的结果，而不会产生任何噪声和误差累积。
滚动和倾斜角直接从ADIS16480 IMU(14)以40Hz的频率读取。偏航角的值也从IMU14读取以与计算的偏航角进行比较，但是由于相对较高的误差，系统不使用IMU 14的偏航角输出。启用ADIS16480的内部EKF以实现更好的方向估计。据观察，当磁力计被激活时，EKF的摆动角输出具有明显延迟的响应时间。为了防止这个问题，磁力计被禁用。

Claims (19)

1.一种三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其设计为以最好的方式和最小的误差满足准确度和精度的期望，允许至少一个应用物体(3)在重复性工作中始终以相同的质量和标准应用，其特征在于包括：运动记录柜(1)，在所述运动记录柜(1)，通过至少一个便携式记录装置(4)记录用户对所述应用物体(3)的连续运动；应用柜(2)，在所述应用柜(2)中，记录在所述运动记录柜(1)中的运动被准确地应用；机器人(5)，所述机器人(5)位于所述应用柜(2)中并且通过准确地应用所述便携式记录装置(4)记录的运动来实现对应用物体(3)的非人为应用；拉线编码器位置传感器(B)，所述拉线编码器位置传感器(B)位于所述运动记录柜(1)内，以检测所述便携式记录装置(4)和位于所述便携式记录装置(4)上的惯性测量单元(14)的x、y和z位置，并且测量所述便携式记录装置(4)的角速度和加速度值。
2.根据权利要求1所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括线(6)，所述线(6)通过确定所述便携式记录装置(4)和所述拉线编码器位置传感器(B)之间的定位的瞬时长度值来确定所述便携式记录装置(4)的位置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第一位置传感器(7)，所述拉线编码器第一位置传感器(7)定位在所述拉线编码器位置传感器(B)中的一个上，定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的后端(4.2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第二位置传感器(8)，所述拉线编码器第二位置传感器(8)位于所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个。
5.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第三位置传感器(9)，所述拉线编码器第三位置传感器(9)定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)上的点处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个。
6.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第四位置传感器(10)，所述拉线编码器第四位置传感器(10)作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的一个定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的后端(4.2)上的点处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第五位置传感器(11)，所述拉线编码器第五位置传感器(11)位于所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)上的点处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个。
8.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括拉线编码器第六位置传感器(12)，所述拉线编码器第六位置传感器(12)定位在所述运动记录柜(1)的壁上并固定在所述便携式记录装置(4)的前端(4.1)处，作为所述拉线编码器位置传感器(B)中的另一个。
9.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括线拉拽机构(13)，所述线拉拽机构(13)通过其中的滚轮施加力以承载便携式记录装置(4)，执行所述线(6)的拉动功能。
10.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括增量编码器(16)，所述增量编码器(16)形成所述拉线编码器位置传感器(B)的传感器部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，所述拉线编码器装置(4)包括第二拉线编码器位置传感器(8)、第三拉线编码器位置传感器(9)、第五拉线编码器位置传感器(11)和第六拉线编码器位置传感器(12)，用于计算x、y、z位置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，所述惯性测量单元(14)包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、压力传感器和扩展卡尔曼滤波器(EKF)，用于动态方向检测。
13.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第一位置传感器(7)定位在点(0,0,0)处，作为x、y、z坐标。
14.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第二位置传感器(8)定位在点(0,0,0)处，作为x、y、z坐标。
15.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第三位置传感器(9)定位在点(0,0,434)处，作为x、y、z坐标。
16.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第四位置传感器(10)定位在点(0,1378,0)处，作为x、y、z坐标。
17.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第五位置传感器(11)定位在点(0,1378,0)处，作为x、y、z坐标。
18.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，固定的所述拉线编码器第六位置传感器(12)定位在点(-400,1378,0)处，作为x、y、z。
19.根据前述权利要求中任一项所述的三维位置和方向计算以及机器人应用结构(A)，其特征在于，包括方向板，所述方向板位于便携式记录装置(4)上并且为惯性测量单元(14)供电，读取滚动和倾斜角的值，并通过串行外设接口(SPI)协议与惯性测量单元(14)通信，将这些读数通过通用串行总线(USB)传输到个人计算机(PC)。
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