CN113997325A - 一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法 - Google Patents

一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法 Download PDF

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章进强
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Abstract

本发明公开了一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法，包括：并联机器人用于运动并带动位姿装置及基准装置运动；所述基准装置内拉线传感器的拉线与所述位姿装置内万向节连接；所述基准装置内拉线传感器的拉线长度变化用于反馈位姿装置的位置或姿态变化，本发明能够实现并联机器人的全运动空间的位姿数据测量，能够实现并联机器人的全运动空间的实时位姿数据测量，并且测量范围能够覆盖并联机器人的全运动空间，实现机器人全运动空间的高精度测量，为提升工业机器人的末端定位精度提供保障，并且仅利用拉线传感器的测量数据，可实现实时位姿测量，有效地降低了测量系统造价。

Description

一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法
技术领域
本发明属于工业机器人测量技术领域，具体涉及一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，工业机器人在各个行业得到了广泛的应用。按照机器人的结构进行分类主要分为串联、并联两种主要类型。
其中并联机器人相对串联机器人具有高刚度、高负载等优势，逐渐在高端制造业等领域广泛不断发展。随着高端制造业的持续发展，提高了对工业机器人的绝对定位精度的要求，尤其在激光焊接、激光切割以及航空航天等应用领域，通过机器人标定技术能够有效地提升工业机器人的绝对定位精度。
工业机器人末端定位误差测量是机器人标定过程中的基本步骤之一，目前主要是通过外部测量设备对工业机器人末端的位置进行测量。目前主要有基于立体视觉的位姿测量系统、激光跟踪仪、多拉线传感器等。但此类测量系统均外装在机器人的外部，受限于系统的结构以及测量靶标的测量范围，以上测量系统无法全覆盖机器人的运动空间，仅能实现部分工作空间的末端定位误差测量。
研究表明，在机器人标定过程中测量点的分布越广泛，机器人的整体标定效果越好，但是，目前的典型测量系统均无法实现。工业机器人作为一种半闭环控制系统，控制过程中仅关注各个关节的控制精度，无法实现末端位姿精度的闭环控制。因此，亟待发明设计一种新型、廉价的末端位姿测量设备及方法，能够实现机器人全运动空间的高精度测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法，其特征在于，包括：
并联机器人，用于运动并带动位姿装置及基准装置运动；
所述位姿装置及基准装置设于并联机器人内部；
所述位姿装置及基准装置的中心与并联机器人顶板中心重合；
所述基准装置内拉线传感器的拉线与所述位姿装置内万向节连接；
所述基准装置内拉线传感器的拉线长度变化用于反馈位姿装置相对基准装置的位姿变化。
优选的，所述位姿装置设于并联机器人上顶板的下表面，且所述位姿装置与上顶板中心重合；所述基准装置设于并联机器人下顶板的上表面，且所述基准装置与下顶板中心重合。
优选的，所述位姿装置与基准装置中心重合。
优选的，所述位姿装置包括圆形测量板，所述圆形测量板上分布设有若干安装孔，且所述安装孔内通过轴承与万向节连接。
优选的，所述圆形测量板上以120度间隔两两一组设有六个安装孔。
优选的，所述基准装置包括圆形基准板，所述圆形基准板上分布设有若干拉线传感器。
优选的，所述圆形基准板上以120度间隔两两一组设有六个拉线传感器。
本发明的另一个目的是提供一种并联机器人全运动空间位姿测量方法，其中，包括以下步骤：
步骤一：将位姿装置及基准装置设于并联机器人内部，并保证位姿装置及基准装置的中心与并联机器人顶板中心重合；
步骤二：将所述基准装置内拉线传感器的拉线与所述位姿装置内万向节连接，当并联机器人运动到空间某一点时，拉线传感器分别的输出其拉线长度值；
步骤三：获得位姿装置的当前位姿数据，
步骤四：并联机器人的末端位姿为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
优选的，所述位姿装置的位置向量P及所述位姿装置的姿态向量R。
本发明的技术效果和优点，该并联机器人全运动空间位姿测量装置及方法：
1、能够实现并联机器人的全运动空间的实时位姿数据测量，并且测量范围能够覆盖并联机器人的全运动空间，实现机器人全运动空间的高精度测量，为提升工业机器人的末端定位精度提供保障；
2、仅利用拉线传感器的测量数据，即可实现实时位姿测量，有效地降低了测量系统造价；
3、测量装置安装于并联机器人的内部，测量装置不影响并联机器人的运动及应用。
附图说明
图1为本发明的测量装置安装示意图；
图2为本发明的基准装置安装示意图；
图3为本发明的位姿装置安装示意图；
图4为本发明的测量装置结构图；
图5为本发明的测量装置的坐标系定义示意图；
图6为本发明的并联机器人的坐标系定义示意图。
图中：1、并联机器人；2、位姿装置；3、基准装置；4、顶板；
21、圆形测量板；22、安装孔；23、轴承；24、万向节；
31、圆形基准板；32、拉线传感器；33、拉线；
41、上顶板；42、下顶板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-6，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。
现结合说明书附图，对本发明进行详细说明。
参见图1所示，本发明提供了一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其中，包括：并联机器人1。
由于并联机器人1的内部无其他装置，因此，测量装置能够安装于并联机器人1内部，并联机器人1能够用于运动并带动测量装置运动，并且测量装置不会影响并联机器人1的运动及应用。
参见图2、图3所示，在本发明中，测量装置主要分为位姿装置2和基准装置3两个部分。
位姿装置2及基准装置3设于并联机器人1内部，并联机器人1能够用于运动并带动位姿装置2及基准装置3运动，并且位姿装置2及基准装置3不会影响并联机器人1的运动及应用。
所述位姿装置2及基准装置3的中心与并联机器人1顶板4中心重合，并且所述位姿装置2与基准装置3中心重合。
其中，位姿装置2设于并联机器人1上顶板41的下表面，且所述位姿装置2与上顶板41中心重合；基准装置3设于并联机器人1下顶板42的上表面，且所述基准装置3与下顶板42中心重合。
参见图4所示，位姿装置2主要包括一个圆形测量板21，在本发明中，上顶板41为圆形结构，圆形测量板21的圆心与圆形上顶板41的圆心重合。
所述圆形测量板21上分布设有六个圆形安装孔22，并且安装孔22内设置有轴承23，安装孔22能够通过轴承23与万向节24连接。
具体的，圆形测量板21上以120度间隔两两一组设有六个安装孔22，安装孔22固定设置在圆形测量板21上，安装孔22两个为一组，六个安装孔22总共分为三组，三组安装孔22以120度的间隔环绕圆形测量板21的圆心阵列设置。
参见图4所示，基准装置3主要包括一个圆形基准板31，所述圆形基准板31上分布设有六个拉线传感器32，在本发明中，下顶板42为圆形结构，圆形基准板31的圆心与圆形下顶板42的圆心重合。
具体的，圆形基准板31上以120度间隔两两一组设有六个拉线传感器32，拉线传感器32固定设置在圆形基准板31上，拉线传感器32两个为一组，六个拉线传感器32总共分为三组，三组拉线传感器32以120度的间隔环绕圆形基准板31的圆心阵列设置。
在本发明中，位姿装置2与基准装置3之间通过拉线传感器32的拉线33连接在一起，所述基准装置3内拉线传感器32的拉线33与所述位姿装置2内的万向节24连接，拉线传感器32的拉线33一端固定在位姿装置2内的万向节24的一端，所述基准装置3内拉线传感器32的拉线33长度变化用于反馈位姿装置2相对基准装置3的位姿变化。
位姿变化包括，位置变化和姿态变化。
当位姿装置2的位置和\或姿态发生变化时，六个拉线传感器32的拉线33长度会发生改变，根据六个拉线33长度的变化可以精确地计算出位姿装置2相对基准装置3的位置和\或姿态，
该一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，通过将测量装置安装于并联机器人1的内部，测量装置能够不影响并联机器人1的运动及应用。
参见图5及图6所示，本发明的另一个目的是提供一种并联机器人全运动空间位姿测量方法。
在本发明中，测量装置主要分为位姿装置2和基准装置3两个部分。
图5及图6中的标号F1、F2、F3及F4为坐标系的表示符号。
其中，F1为测量装置的参考坐标系，F2为测量装置的目标坐标系，F3为并联机器人的参考坐标系，F4为并联机器人的末端坐标系。
并联机器人1的位姿测量及计算过程包括以下步骤：
步骤一，将位姿装置2及基准装置3设于并联机器人1内部，并保证位姿装置2及基准装置3的中心与并联机器人1顶板4中心重合：
通过将位姿装置2的圆形测量板21通过螺丝固定安装在并联机器人1的上顶板41下表面上，并且保证圆形测量板21的圆心与并联机器人1上顶板41下表面中心重合，基准装置3的圆形基准板31通过螺丝固定安装在并联机器人1的下底板上表面上，并且保证圆形基准板31的圆心与并联机器人1的下底板上表面中心重合，使位姿装置2及基准装置3的中心与并联机器人1顶板4中心重合。
步骤二，将所述基准装置3内拉线传感器32的拉线33与所述位姿装置2内万向节24连接，当并联机器人1运动到空间某一点时，拉线传感器32分别的输出其拉线33长度值：
将所述基准装置3内的六个拉线传感器32的拉线33与所述位姿装置2内的六个万向节24连接，可以得知位姿装置2的安装孔22在测量装置的目标坐标系F2下的坐标Pui依次为（xu1，yu1，zu1），（xu2，yu2，zu2），（xu3，yu3，zu3），（xu4，yu4，zu4），（xu5，yu5，zu5），（xu6，yu6，zu6），基准装置3的拉线传感器32出线口在测量装置的参考坐标系F1下的坐标Pdi依次为（xd1，yd1，zd1），（xd2，yd2，zd2），（xd3，yd3，zd3），（xd4，yd4，zd4），（xd5，yd5，zd5），（xd6，yd6，zd6）。
这样，当并联机器人1运动到空间某一点时，六个拉线传感器32分别输出其拉线33长度值，六个拉线传感器32的拉线33长度分别为L1，L2，L3，L4，L5，L6。
步骤三，获得位姿装置2的当前位姿数据：
根据以上数据求解位姿装置2的位置向量P=[x，y，z]，姿态向量为R=[α，β，γ]，根据以上数据建立如下模型：
Figure 536648DEST_PATH_IMAGE002
，式中，i表示拉线传感器32的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由于以上模型是非线性方程，无法较好地求得解析解，可以采用牛顿迭代法求解目标位姿参数。
具体求解过程如下：
Step1：令
Figure 751991DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，Step2：根据位姿范围，给定一个初始位姿Xk，求解允许误差为ε，k=0，Step3：求解向量函数F（Xk）及雅克比矩阵
Figure 328466DEST_PATH_IMAGE006
，
Step4：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，Step5：如果
Figure 785992DEST_PATH_IMAGE008
，则终止，获得位姿装置2的当前位姿数据；否则，k=k+1，则继续执行Step3。本步骤所得的位姿装置2的位姿数据是测量装置的目标坐标系F2相对于测量装置的参考坐标系F1的表达。
步骤四，并联机器人1的末端位姿为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
：由于并联机器人1的位姿是在并联机器人的参考坐标系F3下的并联机器人的末端坐标系F4的表达，根据位姿装置2及基准装置3的安装关系可以得到测量装置的参考坐标系F1在并联机器人的参考坐标系F3下的表达为H1,则，
Figure 754692DEST_PATH_IMAGE010
，并联机器人的末端坐标系F4在测量装置的目标坐标系F2下的表达为H2,则，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，步骤三得到的位姿数据可以表达为H3，则，
Figure 373892DEST_PATH_IMAGE012
因此，可得并联机器人1的末端位姿为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。该一种并联机器人全运动空间位姿测量方法，仅利用拉线传感器32的测量数据，即可实现实时位姿测量，有效地降低了测量系统造价，并且能够实现并联机器人1的全运动空间的实时位姿数据测量，并且测量范围能够覆盖并联机器人1的全运动空间，实现机器人全运动空间的高精度测量，为提升工业机器人的末端定位精度提供保障。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于，包括：
并联机器人(1)，用于运动并带动位姿装置(2)及基准装置(3)运动；
所述位姿装置(2)及基准装置(3)设于并联机器人(1)内部；
所述位姿装置(2)及基准装置(3)的中心与并联机器人(1)顶板(4)中心重合；
所述基准装置(3)内拉线传感器(32)的拉线(33)与所述位姿装置(2)内万向节(24)连接；
所述基准装置(3)内拉线传感器(32)的拉线(33)长度变化用于反馈位姿装置(2)相对基准装置(3)的位姿变化。
2.根据权利要求1所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述位姿装置(2)设于并联机器人(1)上顶板(41)的下表面，且所述位姿装置(2)与上顶板(41)中心重合；
所述基准装置(3)设于并联机器人(1)下顶板(42)的上表面，且所述基准装置(3)与下顶板(42)中心重合。
3.根据权利要求1所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述位姿装置(2)与基准装置(3)中心重合。
4.根据权利要求1所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述位姿装置(2)包括圆形测量板(21)，所述圆形测量板(21)上分布设有若干安装孔(22)，且所述安装孔(22)内通过轴承(23)与万向节(24)连接。
5.根据权利要求4所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述圆形测量板(21)上以120度间隔两两一组设有六个安装孔(22)。
6.根据权利要求1所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述基准装置(3)包括圆形基准板(31)，所述圆形基准板(31)上分布设有若干拉线传感器(32)。
7.根据权利要求6所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量装置，其特征在于：所述圆形基准板(31)上以120度间隔两两一组设有六个拉线传感器(32)。
8.一种并联机器人全运动空间位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将位姿装置(2)及基准装置(3)设于并联机器人(1)内部，并保证位姿装置(2)及基准装置(3)的中心与并联机器人(1)顶板(4)中心重合；
步骤二：将所述基准装置(3)内拉线传感器(32)的拉线(33)与所述位姿装置(2)内万向节(24)连接，当并联机器人(1)运动到空间某一点时，拉线传感器(32)分别的输出其拉线(33)长度值；
步骤三：获得位姿装置(2)的当前位姿数据；
步骤四：并联机器人(1)的末端位姿为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
9.根据权利要求8所述的一种并联机器人全运动空间位姿测量方法，其特征在于，步骤三中位姿数据包括：所述位姿装置(2)的位置向量P及所述位姿装置(2)的姿态向量R。
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