CN114739356B - 一种表面方向测量装置、机器人以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面方向测量装置，机器人及测量方法，表面方向测量装置包括：基座组件、平台组件、连杆组件以及触头组件，基座组件包括相对设置的第一基板和第二基板，第一基板上设置有力传感器，平台组件包括相对设置的第一平台和第二平台，第二平台设置在第二基板上，第一平台上设置有姿态测量单元，触头组件一端与弹性滑块连接，触头组件包括感应部，在自由态时，感应部与待测曲面不接触，感应部压缩量相等，自由态被破坏，姿态测量单元的平面随着感应部的伸缩量不同倾斜，各感应部均接触到测量表面的时候，感应部伸缩量不同，这样姿态测量单元的倾斜角度可以认为是待测点对应的曲面切平面的倾角，从而计算曲线上某一点对应的曲面法方向。

Description

一种表面方向测量装置、机器人以及测量方法

技术领域

本发明涉及测量设备领域，特别涉及一种表面方向测量装置及测量方法。

背景技术

在利用机械臂进行磨抛、喷涂等加工工艺中，一般需要获取待加工工件的表面路径，其实质是对于工件表面曲线的测量与估计。但曲线的测量并不能对表面方向进行估计。此外，基于机器视觉的一系列测量方法只可以对一些特定表面材质的工件进行测量，对于反光表面则无法测量。常见的基于利空机器人轨迹测量方法可以在给定两点之间根据机器人与工件的接触受力来估计工件表面的轨迹，但理论上所测量的轨迹是同一平面上的，仅可以根据该轨迹推测出表面在该切面上的法向，而不能够测量某点在三维中的方向。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种表面方向测量装置。

根据本发明第二方面实施例，提供一种机器人。

根据本发明第三方面实施例，提供一种表面方向测量方法。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种表面方向测量装置，包括：基座组件、平台组件、连杆组件以及触头组件，基座组件包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板上设置有力传感器，平台组件包括相对设置的第一平台和第二平台，所述第二平台设置在所述第二基板上，且所述第二平台与所述第二基板平行设置，所述第一平台上设置有姿态测量单元，所述连杆组件的数量为至少三个，所述连杆组件呈多边形排列设置，所述连杆组件包括弹性滑杆、弹性滑块、平台滑块以及连接件，所述弹性滑杆一端与所述第一基板连接，所述弹性滑杆另一端与所述弹性滑块连接，所述平台滑块设置在所述第一平台和所述第二平台之间，所述平台滑块和所述弹性滑块通过所述连接件连接，触头组件与所述连杆组件数量相同，所述触头组件一端与所述弹性滑块连接，所述触头组件包括感应部，各所述感应部位于同一平面内。

有益效果：此表面方向测量装置，在初始状态下的自由态的时候，感应部与待测曲面不接触，在此状态下，感应部的压缩量相等，姿态测量单元的平面与基座组件的第二基板平行，当自由态被破坏，姿态测量单元的平面会随着感应部的伸缩量不同而发生倾斜，当各感应部均接触到测量表面的时候，由于测量表面是曲面，感应部的伸缩量不同，这样姿态测量单元的倾斜角度可以认为是待测点对应的曲面切平面的倾角，从而计算曲线上某一点对应的曲面法方向。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述连杆组件的数量为三个，三所述连杆组件呈三角形排列设置。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述第一基板和所述第二基板均包括圆主体和等角度均匀分布设置在圆主体周侧的三个耳板，所述弹性滑块设置在所述第二基板的耳板处，所述弹性滑杆一端与所述第一基板的耳板可拆卸连接，所述弹性滑杆另一端与所述弹性滑块连接。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述第一平台和第二平台为三角板，所述第一平台和所述第二平台的端角与所述耳板对应，所述平台滑块可拆卸设置在所述第一平台和所述第二平台的端角处。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述弹性滑杆包括连接杆和弹簧，所述连接杆的一端与所述第一基板连接，所述连接杆的另一端与所述弹性滑块连接，所述弹簧安装在所述连接杆上。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述第一基板上设置有通孔，所述连接杆一端通过所述通孔安装，所述连接杆另一端通过底座与所述弹性滑块可拆卸连接。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述连接件包括凹槽座和连杆，所述凹槽座的凹口端与所述弹性滑块配合并通过铰链铰接，所述连杆一端与所述平台滑块连接，所述连杆另一端与所述凹槽座连接。

根据本发明第一方面实施例所述的表面方向测量装置，所述触头组件包括折板和触头，所述折板包括竖板和横板，所述竖板一端与所述弹性滑块连接，所述横板与所述竖板另一端连接，所述触头安装在所述横板底部，所述触头形成所述感应部。

根据本发明的第二方面实施例，提供一种机器人，包括：如第一方面实施例所述的表面方向测量装置以及机械臂，所述机械臂的末端与所述力传感器连接。

有益效果：此机器人，通过采用第一方面实施例的表面方向测量装置，在待测曲面上按照预设轨迹进行运动，从而实现连续的测量出每一点上的空间法方向，在得到估测的倾角后，可以对机器人实际轨迹进行修整，保证机械臂末端方向与曲面的法向时刻保持相同，从而可以提高打磨、喷涂等工艺的轨迹质量。

根据本发明的第三方面实施例，提供一种表面方向测量方法，采用如第二方面实施例所述的机器人，包括以下步骤：将所述力传感器的轴线与曲面上待测点的法向保持小于一定角度，将表面方向测量装置沿着法向向曲面表面下压，使得各所述感应部先后接触到曲面，姿态测量单元随之发生姿态变化，当各所述感应部均接触到曲面时，各感应部的相对距离不再发生变化，机器人在待测曲面上按照预设轨迹进行运动，从而连续的测量出待测曲面上每一点上的空间法方向。

有益效果：此表面方向测量方法，通过此方法，能够连续的测量出待测曲面每一点上的空间法方向，从而可以对实际运动轨迹进行修整，从而提高打磨、喷涂等工艺的轨迹质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例表面方向测量装置三维示意图；

图2为本发明实施例表面方向测量装置主视图；

图3为本发明实施例表面方向测量装置俯视图；

图4为本发明实施例曲面单点测量二维示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图3，一种表面方向测量装置，包括：基座组件100、平台组件200、连杆组件300以及触头组件400。

参照图1和图2，其中，基座组件100包括相对设置的第一基板110和第二基板120，第一基板110上设置有力传感器130。具体地，第一基板110和第二基板120间隔相对设置，第一基板110设置在上方，第二基板120设置在下方，第一基板110包括相对设置的顶面和底面，顶面朝向向上设置，力传感器130可以通过可拆卸的方式安装在顶面。力传感器130通过螺钉或者螺栓等紧固件固定在顶面上。

参照图1和图2，平台组件200包括相对设置的第一平台210和第二平台220，第二平台220设置在第二基板120上，且第二平台220与第二基板120平行设置，第一平台210上设置有姿态测量单元230。具体地，平台组件200用于放置姿态测量单元230，第一平台210和第二平台220均设置为与第一基板110和第二基板120平行的平面板。第一平台210的顶面与第一基板110平行设置，姿态测量单元230也可以通过可拆卸的方式设置在第一平台210的顶面。姿态测量单元230为平面状，姿态测量单元230的平面与第一平台210平行设置。

参照图1和图2，连杆组件300的数量为至少三个，连杆组件300呈多边形排列设置，连杆组件300包括弹性滑杆310、弹性滑块320、平台滑块330以及连接件340。弹性滑杆310一端与第一基板110连接，弹性滑杆310另一端与弹性滑块320连接，平台滑块330设置在第一平台210和第二平台220之间，平台滑块330和弹性滑块320通过连接件340连接。弹性滑杆310可以伸缩设置，弹性滑块320和平台滑块330可以相对滑动。

参照图1和图2，触头组件400与连杆组件300数量相同，触头组件400一端与弹性滑块320连接，触头组件400包括感应部，各感应部位于同一平面内。感应部用于与待测曲面进行接触，通过力位控制方法，使得感应部以一定的总压力接触到待测曲面，并沿着运动轨迹运动。感应部在初始状态下是不接触到测量曲面的，此时感应部处于自由态，在自由态的状态的时候，各感应部的压缩量相等，此时姿态测量单元230与基座组件100的底面平行。

在其中的一些实施例中，连杆组件300的数量为三个，三个连杆组件300呈三角形排列设置。具体地，第一基板110包括第一圆主体和等角度均匀分布设置在第一圆主体周侧的三个第一耳板，三个第一耳板之间的夹角为120°，这样可以使得整体装置的精度比较好。第二基板120包括第二圆主体和等角度均匀分布设置在第二圆主体周侧的三个第二耳板，第二耳板和第一耳板上下相对设置，弹性滑块320设置在第二耳板处，弹性滑杆310的一端与第一耳板之间可拆卸连接，弹性滑杆310的另一端与弹性滑块320连接。三个连杆组件300分别设置在第一耳板和第二耳板对应位置处。

容易理解地，第一平台210和第二平台220为三角板，第一平台210和第二平台220的端角与第二耳板对应，平台滑块330可拆卸设置在第一平台210和第二平台220的端角处。第一平台210和第二平台220之间的间隙与平台滑块330的厚度对应，平台滑块330卡接设置在第一平台210和第二平台220之间。第一平台210和第二平台220的三个端角分别与第一耳板和第二耳板对应。

参照图1和图2，弹性滑杆310包括连接杆311和弹簧312，连接杆的311一端与第一基板110连接，连接杆311的另一端与弹性滑块320连接，弹簧312安装在连接杆311上。其中，第一基板110上设置有通孔，连接杆311一端通过通孔安装，连接杆311另一端通过底座与弹性滑块320可拆卸连接，连接杆311的安装非常方便。进一步地，连接件340包括凹槽座341和连杆342，凹槽座341的凹口端与弹性滑块320配合并通过铰链铰接，连杆342一端与平台滑块330连接，连杆342另一端与凹槽座341连接。凹槽座341为U型结构，凹槽座341的凹口端与弹性滑块320卡接后，然后凹槽座341的两侧板与弹性滑块320铰接。

其中，触头组件400包括折板410和触头420，折板410包括竖板411和横板412，竖板411一端与弹性滑块320连接，横板412与竖板411另一端连接，触头420安装在横板412底部，触头420形成感应部。竖板411与弹性滑块320之间通过螺钉或者粘贴等方式固定，横板412与竖板411垂直设置，横板412的底面安装触头420，触头420受到力位控制并通过弹性滑杆310实现伸缩，从而将平面状态反馈至姿态测量单元230。

一种机器人，包括：如第一方面实施例所述的表面方向测量装置以及机械臂，机械臂的末端与力传感器130连接。此机器人具体工作原理如下：在需要测量的待测曲面上规划出一条运动轨迹，通过常见的力位控制方法，使得三个触头420以一定的总压力接触到待测曲面上，并沿着运动轨迹运动，三个触头420在初始状态下是不接触到待测曲面的，即三个触头420处于自由态时的压缩量相等，此时姿态测量单元230的平面会随着三个触头420的伸缩量不同而发生倾斜，当力控的压力设置适当的时候，可以保证三个触头420都可以接触到待测曲面，由于待测曲面是不平的，三个触头420的伸缩量有可能不同，这样姿态测量单元230的倾侧角度就可以近似认为是该轨迹点对应的曲面切平面的倾角，结合机械臂末端此时的倾角，就可以计算出曲线上某一点对应的曲面法方向。

一种表面方向测量方法，采用第二方面实施例所述的机器人，包括以下步骤：

将力传感器的轴线与曲面上待测点的法向保持小于一定角度，将表面方向测量装置沿着法向向曲面表面下压，使得各感应部先后接触到曲面，姿态测量单元随之发生姿态变化，当各感应部均接触到曲面时，各感应部的相对距离不再发生变化，机器人在待测曲面上按照预设轨迹进行运动，从而连续的测量出待测曲面上每一点上的空间法方向。

传统的接触式测量需要待测点周围的面进行多点测量，而采用本方案的表面方向测量方法不需要对整个面进行测量，只需要沿加工路线进行测量即可。

参照图4，在其中的一些实施例中，一种表面方向测量方法，用于测量一个凸曲面上某一点的法方向，将此装置的中心线，即力传感器130的轴线与曲面上待测点的法方向保持小于一定角度，只需要尽量接近，且不超过测量的最大范围，具体范围根据装置的尺寸决定，将此装置沿着上一步固定好的中心线方向向曲面表面下压，由于此装置的三个触头420距离表面的距离是可能不同的，在下压过程中，三个触头420将先后接触到曲面，与此同时，姿态测量单元230也会随之发生姿态变化，当三个触头420都接触到曲面时，这时三个触头420的相对距离不再发生变化，同时测量平台的姿态也不再发生变化，此时的姿态就是在装置坐标系下的姿态，通过机器人等轨迹运动设备，在待测曲面上按照预设的轨迹进行运动，就可以连续地测量出每一点上的空间法方向，在得到估测的倾角后，就可以对机器人的实际轨迹进行修正，保证机械臂的末端方向与曲面的法向时刻保持相同，可以提高打磨、喷涂等工艺的轨迹质量。图4中，箭头的方向表示下压方向，平台组件200角度的变化通过姿态测量单元230反应。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种表面方向测量装置，其特征在于，包括：

基座组件，包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板上设置有力传感器；

平台组件，包括相对设置的第一平台和第二平台，所述第二平台设置在所述第二基板上，且所述第二平台与所述第二基板平行设置，所述第一平台上设置有姿态测量单元；

连杆组件，所述连杆组件的数量为至少三个，所述连杆组件呈多边形排列设置，所述连杆组件包括弹性滑杆、弹性滑块、平台滑块以及连接件，所述弹性滑杆一端与所述第一基板连接，所述弹性滑杆另一端与所述弹性滑块连接，所述平台滑块设置在所述第一平台和所述第二平台之间，所述平台滑块和所述弹性滑块通过所述连接件连接；

触头组件，与所述连杆组件数量相同，所述触头组件一端与所述弹性滑块连接，所述触头组件包括感应部，各所述感应部位于同一平面内。

2.根据权利要求1所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述连杆组件的数量为三个，三所述连杆组件呈三角形排列设置。

3.根据权利要求2所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述第一基板和所述第二基板均包括圆主体和等角度均匀分布设置在圆主体周侧的三个耳板，所述弹性滑块设置在所述第二基板的耳板处，所述弹性滑杆一端与所述第一基板的耳板可拆卸连接，所述弹性滑杆另一端与所述弹性滑块连接。

4.根据权利要求3所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述第一平台和第二平台为三角板，所述第一平台和所述第二平台的端角与所述耳板对应，所述平台滑块可拆卸设置在所述第一平台和所述第二平台的端角处。

5.根据权利要求1所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述弹性滑杆包括连接杆和弹簧，所述连接杆的一端与所述第一基板连接，所述连接杆的另一端与所述弹性滑块连接，所述弹簧安装在所述连接杆上。

6.根据权利要求5所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述第一基板上设置有通孔，所述连接杆一端通过所述通孔安装，所述连接杆另一端通过底座与所述弹性滑块可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述连接件包括凹槽座和连杆，所述凹槽座的凹口端与所述弹性滑块配合并通过铰链铰接，所述连杆一端与所述平台滑块连接，所述连杆另一端与所述凹槽座连接。

8.根据权利要求1所述的表面方向测量装置，其特征在于：所述触头组件包括折板和触头，所述折板包括竖板和横板，所述竖板一端与所述弹性滑块连接，所述横板与所述竖板另一端连接，所述触头安装在所述横板底部，所述触头形成所述感应部。

9.一种机器人，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的表面方向测量装置；以及

机械臂，所述机械臂的末端与所述力传感器连接。

10.一种表面方向测量方法，采用如权利要求9所述的机器人，其特征在于，包括以下步骤：

将所述力传感器的轴线与曲面上待测点的法向保持小于一定角度，将表面方向测量装置沿着法向向曲面表面下压，使得各所述感应部先后接触到曲面，姿态测量单元随之发生姿态变化，当各所述感应部均接触到曲面时，各感应部的相对距离不再发生变化，机器人在待测曲面上按照预设轨迹进行运动，从而连续的测量出待测曲面上每一点上的空间法方向。

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