CN116817815B - 一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法，涉及机器人测量技术领域,其特征在于，包括：支架组件、测量组件、拉线组件及标定组件，所述测量组件安装在所述支架组件的上侧，所述拉线组件安装在所述测量组件的上侧，所述标定组件安装在所述测量组件的中部；所述支架组件包括支架、底板及地脚螺钉；所述支架四角分别安装有所述地脚螺钉，所述底板安装在所述支架下侧内部，测量组件包括定平台、动平台、法兰连体轴承、拉线连接座和姿态传感器,本发明方便被测件空间位姿的测量。

Description

一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人测量技术领域，具体地讲，涉及一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法。

背景技术

空间位姿测量是现代测量技术的一个重要发展方向，对于工业机器人的设计和使用具有重要意义，同时在航空航天、船舶工业、汽车制造、精密加工、逆向工程等领域也占有重要地位。

早在上世纪后期，美国科学家采用激光跟踪仪实现了对目标的三维位置坐标和姿态角度的测量，但这种方法存在光学系统复杂、适应性差的缺点；之后，一些学者研究了基于GPS的位姿测量系统，这类设备虽具有较高的测量精度，但设备成本高，不利于普及、推广；后来，随着光电子半导体器件的不断发展，利用数字相机结合视觉测量、图像处理技术进行空间位姿测量成为研究热点，这种方法对成像系统和图像处理算法的要求较高，相关技术仍不成熟。

拉线式位移传感器是一种用于长度测量的接触式传感器，因具有结构紧凑、测量方便、抗干扰能力强、成本低、分辨率高等特点而被广泛应用于机器人测量领域。基于多拉线式位移传感器的并联测量平台是目前实现空间位姿测量的一种重要途径。专利200410009083.7提出了一种刚体空间位姿测量装置，采用6个拉线式位移传感器取代通用Stewart并联平台中的6个执行器，使主动控制变为被动测量，从而获得被测对象的位姿信息；该装置在测量时，需进行Stewart平台的正解运算，计算量较大，难以保证系统实时性。专利202210475136.2公开了一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台及方法，该装置的定平台上沿周向固定设置有2N个拉绳式位移传感器，N为大于等于3的正整数，动平台上设置在可移动的载体上，且周向分布有2N个连接点与传感器的拉绳相连。该装置依赖特定的设计结构，采用迭代优化算法进行位姿解算，相比前者，虽一定程度地降低了运算量，但同样难以保证系统实时性；且未考虑产品在制造、装配过程中的误差，测量精度难以保证。专利CN201610913686.2中提出利用六个拉线传感器构成工业机器人末端位置测量系统，拉线传感器的末端通过螺栓固定在机器人末端平台上，该螺丝固定方式对测量精度的影响较大。

研究发现，现有方案通常具有解算方法复杂、难以保证检测实时性、未考虑制造装配误差对测量精度的影响等问题，亟需加以解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法，方便被测件空间位姿的测量。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置及方法，其特征在于，包括：支架组件、测量组件、拉线组件及标定组件，所述测量组件安装在所述支架组件的上侧，所述拉线组件安装在所述测量组件的上侧，所述标定组件安装在所述测量组件的中部；所述支架组件包括支架、底板及地脚螺钉；所述支架四角分别安装有所述地脚螺钉，所述底板安装在所述支架下侧内部，测量组件包括定平台、动平台、法兰连体轴承、拉线连接座和姿态传感器，所述定平台安装在所述支架上侧内部，其周向均匀设有个绳孔；动平台位于所述定平台下方，与待测件或所述标定组件相连；所述法兰连体轴承安装在所述动平台上；所述拉线连接座套装在所述法兰连体轴承的内圈内侧，其顶部设有绳孔；所述姿态传感器安装在所述动平台上，所述标定组件包括标定板、标定光轴、光轴连接座及手柄螺栓；所述标定板安装在所述定平台下端，其上设有多组固定间距的标定孔；所述标定光轴设有2根，匹配所述标定孔内，所述标定光轴下端可与所述动平台相连；所述光轴连接座两侧设有光轴孔，套装在所述标定光轴上，所述手柄螺栓安装在所述定平台上端，其螺栓穿过所述标定板与所述光轴连接座的中部螺纹联接，可将标定组件固定在所述定平台上。

作为本技术方案的进一步限定，所述拉线组件数量为三组，周向均匀安装在所述定平台上端的绳孔处；所述拉线组件包括拉线传感器、传感器支座、轴承滑轮及陶瓷导管，所述传感器支座安装在所述定平台上端，其下端设有绳孔与所述定平台的绳孔相通，所述拉线传感器安装在所述传感器支座上端右侧，所述轴承滑轮通过滑轮支座安装在所述传感器支座上端左侧，其上侧槽底与所述拉线传感器的出绳口平齐，使拉绳可水平引出，其右侧槽底与所述传感器支座的绳孔对齐，使所述拉绳经所述轴承滑轮后呈竖直状态；所述陶瓷导管套装在所述传感器支座和所述定平台相通的绳孔内，所述拉绳经所述陶瓷导管引出。

作为本技术方案的进一步限定，三个所述拉绳分别固定在所述拉线连接座上。

作为本技术方案的进一步限定，所述标定孔至少为4组，且所述标定孔及所述标定光轴上端均设有锥形导引段，以保证所述标定光轴顺利插入所述标定孔。

一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置的测量方法，其特征在于：根据读取的姿态传感器数据直接判断待测件，根据读取的拉线传感器的数据和姿态传感器的数据计算出待测件的空间位置，空间位置计算的具体步骤如下：

S1：将动平台与标定组件相连，标定拉线传感器的安装位置，具体步骤为：

S11：建立定平台坐标系，该坐标系以标定板安装中心为原点，以标定板长度方向为X轴、定平台法线方向为Z轴，Y轴符合右手定则；

S12：标记各测量位置处的拉绳的绳长，将定平台上的三个绳孔视为相应的拉线传感器的安装位置，记为，该绳孔与拉线连接座的绳孔间的距离视为绳长；若拉线传感器在定平台绳孔位置和某测量位置处的输出分别为/>、/>，则该测量位置处拉线传感器的绳长为：

（1）

其中，为拉线传感器的编号；

为测量位置编号；

S13：标记基于标定组件的各测量位置，由于标定板上各组标定孔沿X轴等间距分布，若最左侧标定孔对应的测量位置为，则其右侧各组标定孔对应的测量位置依次为/>，/>为沿X轴方向相邻的标定孔间距；

S14：各测量位置应满足非线性方程组：

（2）

该非线性方程组共有10个未知数，每个测量位置可引入3个方程，故需要至少4个测量位置；

S15：采用Newton-Raphson法求解该非线性方程组，获得迭代近似解，以各轴孔的设计位置为初值代入算法，进行迭代求解，直至偏差小于设定值；

S2：取下标定组件，将动平台与待测件相连，计算待测件的空间位置，具体步骤为：

S21：根据S1求得的拉线传感器的安装位置以及测得的绳长/>，计算拉线连接座的绳孔的空间位置/>，其应满足方程组：

（3）

S22：结合姿态传感器测得的动平台姿态数据，计算待测件的空间位置；

建立动平台坐标系，该坐标系的原点为拉线连接座的绳孔，初始状态时各坐标轴方向与定平台坐标系相同；设动平台的姿态矩阵为，待测件上选定点在动平台坐标系的位置为/>，则其在定平台坐标系的位置/>可按下式求取：

（4）。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本装置结构简单、使用方便，可实现待测件的空间位姿的实时、准确测量，采用的基于拉线传感器和姿态传感器的测量方案，相比现有的基于拉线传感器的测量方案，可显著降低解算运算量、保证系统实时性，并实现速度、加速度的同步动态测算。

本装置测量算法中使用到的拉线传感器位置采用基于标定组件的优化算法获得，而非直接使用其设计尺寸，排除了制造误差、组装误差的影响，有效保证了测量精度，同时，也降低了对相关部件加工、组装精度的要求，节省了制作成本。

本装置的拉线传感器的拉绳从定平台的绳孔分别引出，并经拉线连接座的绳孔同时引入，该方案相比现有技术方案中多采用的拉绳输出端与动平台分别相连的方式，可有效避免连接部位结构对测量精度的影响。

本装置的拉线传感器模块中轴承滑轮和陶瓷导管的配合使用，使拉绳的引出过程更为平稳，确保了拉线传感器的使用效果，此外，可通过控制陶瓷导管的孔径，减小因拉绳引出位置的变化而造成的测量误差。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的局部立体结构示意图。

图3为本发明的标定组件结构示意图。

图4为本发明的动平台部件结构示意图。

图5为本发明的拉线传感器模块结构示意图。

图6为本发明的测量状态示意图。

图中：1、支架组件，2、拉线组件，3、测量组件、4、标定组件，5、机械臂，11、支架，12、底板，13、地脚螺钉，21、拉线传感器，22、传感器支座，23、轴承滑轮，24、滑轮支座，25、拉绳，26、陶瓷导管，31、定平台，32、动平台，33、法兰连体轴承，34、拉线连接座，35、姿态传感器，41、标定板，411、标定孔，42、手柄螺栓，43、螺钉，44、光轴连接座，45、标定光轴。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明包括：支架组件1、测量组件3、拉线组件2及标定组件4，所述测量组件3安装在所述支架组件1的上侧，所述拉线组件2安装在所述测量组件3的上侧，所述标定组件4安装在所述测量组件3的中部；

所述支架组件1包括支架11、底板12及地脚螺钉13；所述支架11呈长方体形框架结构，由标准铝型材拼装而成，所述支架11四角分别安装有所述地脚螺钉13，通过调整所述地脚螺钉13的安装高度使所述支架组件1保持水平，所述底板12安装在所述支架11下侧内部，用于放置待测件。

测量组件3用于实现被测件的空间位姿测量，包括定平台31、动平台32、法兰连体轴承33、拉线连接座34和姿态传感器35，所述定平台31呈平板状，安装在所述支架11上侧内部，其周向均匀设有3个绳孔；动平台32位于所述定平台31下方，与待测件或所述标定组件4相连；所述法兰连体轴承33安装在所述动平台32上；所述拉线连接座34呈圆柱筒状，套装在所述法兰连体轴承33的内圈内侧，其顶部设有绳孔；所述法兰连体轴承33可有效降低拉线连接座34与动平台32间的摩擦力，使拉线连接座34能够根据三个拉线传感器21的张紧力调整自身姿态；所述姿态传感器35安装在所述动平台32上，所述姿态传感器35位于所述法兰连体轴承33的后侧，用于测量所述动平台32和待测件的姿态。

所述标定组件4用于拉线传感器21安装位置的标定以及动平台32的日常放置，包括标定板41、标定光轴45、光轴连接座44及手柄螺栓42；所述标定板41呈平板状，安装在所述定平台31下端，其上设有多组固定间距的标定孔411；所述标定光轴45设有2根，匹配所述标定孔411内，所述标定光轴45下端可与所述动平台32相连；所述光轴连接座44两侧设有光轴孔，套装在所述标定光轴45上，所述手柄螺栓42安装在所述定平台31上端，其螺栓穿过所述标定板41与所述光轴连接座44的中部螺纹联接，可将标定组件4固定在所述定平台31上。

所述标定光轴45下端，可插入所述动平台32两侧相应孔内，并用螺母固定，实现所述标定光轴45与所述动平台32的连接。

日常没有测量任务时，利用手柄螺栓42将标定组件4固定在定平台31上，将动平台32固定在标定光轴45下端；需要标定拉线传感器21安装位置时，拧松手柄螺栓42，取出标定光轴45，将标定光轴45依次插入各组标定孔411，使动平台32随之处于各标定位置，系统自动完成标定；测量待测件时，需取下标定组件4，将动平台32与待测件相连。

所述拉线组件2数量为三组，周向均匀安装在所述定平台31上端的绳孔处；所述拉线组件2包括拉线传感器21、传感器支座22、轴承滑轮23及陶瓷导管26，所述传感器支座22呈L型，安装在所述定平台31上端，其下端设有绳孔与所述定平台31的绳孔相通，所述拉线传感器21安装在所述传感器支座22上端右侧，所述轴承滑轮23通过滑轮支座24安装在所述传感器支座22上端左侧，其上侧槽底与所述拉线传感器21的出绳口平齐，使拉绳25可水平引出，其右侧槽底与所述传感器支座22的绳孔对齐，使所述拉绳25经所述轴承滑轮23后呈竖直状态；所述陶瓷导管26套装在所述传感器支座22和所述定平台31相通的绳孔内，所述拉绳25经所述陶瓷导管26引出，可有效减小与所述定平台31间的摩擦。所述拉线传感器21内部固定连接所述拉绳25的一端。

三个所述拉绳25分别固定在所述拉线连接座34上。

所述标定孔411至少为4组，且所述标定孔411及所述标定光轴45上端均设有锥形导引段，以保证所述标定光轴45顺利插入所述标定孔411。

所述光轴连接座44对应至少一个所述标定光轴45螺纹连接螺钉43。

一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置的测量方法，根据读取的姿态传感器35数据直接判断待测件如机械臂5的末端执行器的空间姿态，根据读取的拉线传感器21的数据和姿态传感器35的数据计算出待测件的空间位置，空间位置计算的具体步骤如下：

S1：将动平台32与所述标定组件4相连，标定拉线传感器21的安装位置，具体步骤为：

S11：建立定平台坐标系，该坐标系以标定板41安装中心为原点，以标定板41长度方向为X轴、定平台31法线方向为Z轴，Y轴符合右手定则；

S12：标记各测量位置处的拉绳25的绳长，将定平台31上的三个绳孔视为相应的拉线传感器21的安装位置，记为，该绳孔与拉线连接座34的绳孔间的距离视为绳长；若拉线传感器21在定平台31绳孔位置和某测量位置处的输出分别为/>、/>，则该测量位置处拉线传感器21的绳长为：

（1）

其中，为拉线传感器21的编号；

为测量位置编号；

S13：标记基于标定组件4的各测量位置，由于标定板41上各组标定孔411沿X轴等间距分布，若最左侧标定孔411对应的测量位置为，则其右侧各组标定孔（411）对应的测量位置依次为/>，/>为沿X轴方向相邻的标定孔411间距；

S14：各测量位置应满足非线性方程组：

（2）

该非线性方程组共有10个未知数，每个测量位置可引入3个方程，故需要至少4个测量位置；

S15：采用Newton-Raphson法求解该非线性方程组，获得迭代近似解。以各轴孔的设计位置为初值代入算法，进行迭代求解，直至偏差小于设定值。

S2：取下标定组件4，将动平台32与待测件相连，计算待测件的空间位置，具体步骤为：

S21：根据S1求得的拉线传感器21的安装位置以及测得的绳长/>，计算所述拉线连接座34的绳孔的空间位置/>，其应满足方程组：

（3）

S22：结合姿态传感器35测得的动平台32姿态数据，计算待测件的空间位置；

建立动平台坐标系，该坐标系的原点为拉线连接座34的绳孔，初始状态时各坐标轴方向与定平台坐标系相同；设动平台32的姿态矩阵为，待测件上选定点在动平台坐标系的位置为/>，则其在定平台坐标系的位置/>可按下式求取：

（4）。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于三拉线位移传感器的位姿测量装置，其特征在于，包括：支架组件（1）、测量组件（3）、拉线组件（2）及标定组件（4），所述测量组件（3）安装在所述支架组件（1）的上侧，所述拉线组件（2）安装在所述测量组件（3）的上侧，所述标定组件（4）安装在所述测量组件（3）的中部；

所述支架组件（1）包括支架（11）、底板（12）及地脚螺钉（13）；所述支架（11）四角分别安装有所述地脚螺钉（13），所述底板（12）安装在所述支架（11）下侧内部；

测量组件（3）包括定平台（31）、动平台（32）、法兰连体轴承（33）、拉线连接座（34）和姿态传感器（35），所述定平台（31）安装在所述支架（11）上侧内部，其周向均匀设有3个绳孔；动平台（32）位于所述定平台（31）下方，与待测件或所述标定组件（4）相连；所述法兰连体轴承（33）安装在所述动平台（32）上；所述拉线连接座（34）套装在所述法兰连体轴承（33）的内圈内侧，其顶部设有绳孔；所述姿态传感器（35）安装在所述动平台（32）上；

所述标定组件（4）包括标定板（41）、标定光轴（45）、光轴连接座（44）及手柄螺栓（42）；所述标定板（41）安装在所述定平台（31）下端，其上设有多组固定间距的标定孔（411）；所述标定光轴（45）设有2根，匹配所述标定孔（411）内，所述标定光轴（45）下端可与所述动平台（32）相连；所述光轴连接座（44）两侧设有光轴孔，套装在所述标定光轴（45）上，所述手柄螺栓（42）安装在所述定平台（31）上端，其螺栓穿过所述标定板（41）与所述光轴连接座（44）的中部螺纹联接，可将所述标定组件（4）固定在所述定平台（31）上。

2.根据权利要求1所述的基于三拉线位移传感器的位姿测量装置，其特征在于：所述拉线组件（2）数量为三组，周向均匀安装在所述定平台（31）上端的绳孔处；所述拉线组件（2）包括拉线传感器（21）、传感器支座（22）、轴承滑轮（23）及陶瓷导管（26），所述传感器支座（22）安装在所述定平台（31）上端，其下端设有绳孔与所述定平台（31）的绳孔相通，所述拉线传感器（21）安装在所述传感器支座（22）上端右侧，所述轴承滑轮（23）通过滑轮支座（24）安装在所述传感器支座（22）上端左侧，其上侧槽底与所述拉线传感器（21）的出绳口平齐，使拉绳（25）可水平引出，其右侧槽底与所述传感器支座（22）的绳孔对齐，使所述拉绳（25）经所述轴承滑轮（23）后呈竖直状态；所述陶瓷导管（26）套装在所述传感器支座（22）和所述定平台（31）相通的绳孔内，所述拉绳（25）经所述陶瓷导管（26）引出。

3.根据权利要求2所述的基于三拉线位移传感器的位姿测量装置，其特征在于：三个所述拉绳（25）分别固定在所述拉线连接座（34）上。

4.根据权利要求2所述的基于三拉线位移传感器的位姿测量装置，其特征在于：所述标定孔（411）至少为4组，且所述标定孔（411）及所述标定光轴（45）上端均设有锥形导引段，以保证所述标定光轴（45）顺利插入所述标定孔（411）。

5.一种利用权利要求2的基于三拉线位移传感器的位姿测量装置的测量方法，其特征在于：根据读取的姿态传感器（35）数据直接判断待测件的空间姿态，根据读取的拉线传感器（21）的数据和姿态传感器（35）的数据计算出待测件的空间位置，空间位置计算的具体步骤如下：

S1：将动平台（32）与标定组件（4）相连，标定拉线传感器（21）的安装位置，具体步骤为：

S11：建立定平台坐标系，该坐标系以标定板（41）安装中心为原点，以标定板（41）长度方向为X轴、定平台（31）法线方向为Z轴，Y轴符合右手定则；

S12：标记各测量位置处的拉绳（25）的绳长，将定平台（31）上的三个绳孔视为相应的拉线传感器（21）的安装位置，记为，该绳孔与拉线连接座（34）的绳孔间的距离视为绳长；若拉线传感器（21）在定平台（31）绳孔位置和某测量位置处的输出分别为/>、/>，则该测量位置处拉线传感器（21）的绳长为：

（1）

其中，为拉线传感器（21）的编号；

为测量位置编号；

S13：标记基于标定组件（4）的各测量位置，由于标定板（41）上各组标定孔（411）沿X轴等间距分布，若最左侧标定孔（411）对应的测量位置为，则其右侧各组标定孔（411）对应的测量位置依次为/>，/>为沿X轴方向相邻的标定孔（411）间距；

S14：各测量位置应满足非线性方程组：

（2）

该非线性方程组共有10个未知数，每个测量位置可引入3个方程，故需要至少4个测量位置；

S15：采用Newton-Raphson法求解该非线性方程组，获得迭代近似解，以各轴孔的设计位置为初值代入算法，进行迭代求解，直至偏差小于设定值；

S2：取下标定组件（4），将动平台（32）与待测件相连，计算待测件的空间位置，具体步骤为：

S21：根据S1求得的拉线传感器（21）的安装位置以及测得的绳长/>，计算拉线连接座（34）的绳孔的空间位置/>，其应满足方程组：

（3）

S22：结合姿态传感器（35）测得的动平台（32）姿态数据，计算待测件的空间位置；

建立动平台坐标系，该坐标系的原点为拉线连接座（34）的绳孔，初始状态时各坐标轴方向与定平台坐标系相同；设动平台（32）的姿态矩阵为，待测件上选定点在动平台坐标系的位置为/>，则其在定平台（31）坐标系的位置/>可按下式求取：/>（4）。