剛體空間位姿測量裝置及其測量方法制造方法及圖紙

剛體空間位姿測量裝置及其測量方法，屬于測控技術領域。為克服傳統位姿測量裝置的不足，本發明專利技術提出了一種接觸式的低成本、高精度的剛體空間位姿測量裝置，包括測量執行機構、數據采集裝置以及存儲計算程序的計算機；所述測量執行機構包括固定平臺及固定在固定平臺上的６個球鉸，與運動剛體固連的運動平臺及固定在運動平臺上的６個球鉸，兩端分別與固定平臺球鉸和運動平臺球鉸相連的六個拉線式編碼器。本發明專利技術還公開了一種剛體空間位姿測量方法，該方法根據上述測量裝置獲取的初始數據，利用迭代方程組得到被測剛體的空間位姿信息。本發明專利技術所述裝置結構簡單，系統實時性較高，能實現對被測剛體的全閉環實時控制。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于測控
，涉及一種用于測量剛體空間六自由度位姿的方法及實現裝置。
技術介紹
在笛卡爾坐標系中，剛體具有六個自由度。在機床、機構、機器人等的工業控制中，為了實現高精度的定位，通常控制會采用閉環反饋控制，而這就對空間位姿的動態測量提出了要求。目前采用的閉環反饋控制中，測量主要有兩種方式測量執行機構關節的位移(或角位移)進行反饋或直接測量終端的位姿進行反饋。在測量執行機構關節位移(或角位移)進行反饋的方案中，又可分為半閉環反饋與全閉環反饋兩種方法。半閉環反饋僅測量電機或絲杠的位移(或角位移)，忽略之后的傳動系統誤差，方案的優點是成本低，便于實現，缺點是忽略了機械傳動系統的誤差，精度低；全閉環反饋需測量實際機構關節的位移(或角位移)，常用的儀器是光柵尺等，這一方案的優點是精度高，缺點是造價高，對環境有一定的要求。上述兩種方案存在的一個共同問題是，當被測剛體位姿不能全部可控時，這種測量方案無法完成測量要求。直接測量終端位姿的方法，通常是采用光學測量儀器進行非接觸式測量，如采用三臺光學儀器測量剛體上三個點的位置信息即可得到剛體的六自由度位姿信息。但是普通的光學測量設備實時性差，而可以滿足實時性要求時的光學測量設備，成本又成幾十倍的增加。另外光學測量儀器對環境以及被測剛體的空間有一定的要求。Stewart平臺機構是最適宜用于實現空間六自由度運動的并聯機構，它出現于二十世紀六十年代，通用Stewart平臺由一個固定平臺、一個運動平臺和聯接于固定平臺和運動平臺之間的六個執行器組成。通過驅動六個執行器，使運動平臺實現空間六自由度運動。目前的Stewart平臺機構都是用于主動控制中。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服傳統位置及姿態測量裝置的不足之處，提出一種接觸式的低成本、高精度的剛體空間位置和姿態的測量裝置及測量方法。本專利技術采用拉線式編碼器取代通用Stewart平臺機構中的六個執行器，使主動控制變為被動測量，從而獲得被測運動剛體的位姿信息。本專利技術公開的剛體空間位姿測量裝置，其特征在于該測量裝置包括測量執行機構、數據采集裝置以及存儲計算程序的計算機；所述測量執行機構包括一個固定平臺及固定在所述固定平臺上的6個球鉸，一個與運動剛體固連的運動平臺及固定在所述運動平臺上的6個球鉸，兩端分別與固定平臺上的6個球鉸和運動平臺上的6個球鉸相連的六個拉線式編碼器；所述數據采集裝置包括分別與拉線式編碼器輸出端相連的六個計數器，與所述各計數器輸出端連接的多路復用器，以及與所述多路復用器相連的數據發送電路；所述數據發送電路與所述計算機相應輸入端口連接；所述各球鉸在各自平臺的位置坐標滿足測量執行機構雅克比矩陣Jp的條件數小于等于10，Jp=l→1T(Rp1×l→1)T|p1|......l→6T(Rp6×l→6)T|p6|∈R6×6,]]>式中 分別是沿每個拉線式編碼器長度方向上的單位向量，p1～p6是運動平臺上的6個球鉸在運動平臺坐標系p中的坐標，R為運動平臺坐標系p關于固定平臺坐標系P的方向余弦陣，按照依次繞固定平臺坐標系P的x，y，z軸旋轉角度α，β，γ的卡爾丹角表示方法，具體表達式為R=cosβcosγ-cosβsinγsinβsinαsinβcosγ+cosαsinγ-sinαsinβsinγ+cosαcosγ-sinαcosβ-cosαsinβcosγ+sinαsinγcosαcosβsinγ+sinαcosγcosαcosβ.]]>本專利技術的一種改進為所述的固定在運動平臺上的6個球鉸直接固定在運動剛體上，省去所述運動平臺。本專利技術所述拉線式編碼器是數字式拉線式編碼器。本專利技術的一種改進為所述拉線式編碼器是模擬式拉線式編碼器，該剛體空間位姿測量裝置還包括一個A/D采集卡，所述A/D采集卡的輸入端與所述模擬式拉線式編碼器的輸出端相連，輸出端分別與六個計數器相連。本專利技術還公開了一種所述測量裝置進行剛體空間位姿測量的方法，其特征在于該測量方法包括如下步驟1)系統初始化，即確定各球鉸在各自平臺坐標系中的坐標，拉線式編碼器的初始長度以及被測剛體在固定平臺坐標系中的初始坐標，并輸入所述計算機；2)當被測剛體運動時，利用數據采集裝置采集拉線式編碼器的長度變化信號，并傳送到計算機中；3)以被測剛體在固定平臺坐標系中的初始坐標為方程組初始值，計算機中的程序求解下述迭代方程組，得到被測剛體的空間姿態信息及位置信息Li-|R·pi+T-Pi|＝0，i＝1，…，6；其中，L1～L6為6個拉線式編碼器得到的測量長度，Pi是固定平臺上的6個球鉸在固定平臺坐標系P中的坐標，pi是運動平臺上的6個球鉸在運動平臺坐標系p中的坐標，R為運動平臺坐標系p關于固定平臺坐標系P的方向余弦陣，包含了待求的空間姿態信息，T＝T是運動平臺坐標系p的原點在固定平臺坐標系P中的位置，包含了待求的空間位置信息；4)將當前運動剛體的位姿作為迭代方程組的初始值，實現連續測量。本專利技術相比已有的技術具有如下的優點第一，本專利技術裝置采用Stewart機構的連接方式，實現結構簡單。第二，本裝置直接測量被測剛體的位姿，同時系統實時性較高，所以能夠實現對被測剛體的全閉環實時控制。第三，拉線式編碼器成本低，使用可靠，精度可達1微米，能滿足一般精度的測量要求。第四，通過合理的球鉸位置選擇，使機構對姿態比較敏感，測量精度得到提高。第五，測量時操作簡單、快捷，對環境及被測剛體的空間要求不高，適用于多種場合。附圖說明圖1是本專利技術所述的剛體空間位姿測量裝置的系統構成示意圖。圖2是剛體空間位姿測量方法的流程圖。圖3a是本專利技術的一個實施例的結構原理框圖。圖3b是本專利技術的另一個實施例的結構原理框圖。具體實施例方式結合附圖具體描述本專利技術所述的運動剛體位姿的測量方法與測量裝置。如圖1所述，本專利技術所述剛體空間位姿測量裝置包括測量執行機構、數據采集裝置以及存儲計算程序的計算機；所述測量執行機構包括固定平臺1，安裝在固定平臺上的六個球鉸101～106；運動平臺2，安裝在運動平臺上的六個球鉸201～206；相應連接球鉸101～106與201～206的拉線式編碼器301～306；數據采集裝置4的輸入端與拉線式編碼器的輸出端連接，數據采集裝置4的輸出端與計算機5的相應輸入端口連接。固定平臺1，用來安裝六個球鉸101～106，使球鉸位置固定，在固定平臺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
剛體空間位姿測量裝置，其特征在于：該測量裝置包括測量執行機構、數據采集裝置以及存儲計算程序的計算機；所述測量執行機構包括一個固定平臺及固定在所述固定平臺上的６個球鉸，一個與運動剛體固連的運動平臺及固定在所述運動平臺上的６個球鉸，兩端分別與固定平臺上的６個球鉸和運動平臺上的６個球鉸相連的六個拉線式編碼器；所述數據采集裝置包括分別與拉線式編碼器輸出端相連的六個計數器，與所述各計數器輸出端連接的多路復用器，以及與所述多路復用器相連的數據發送電路；所述數據發送電路與所述計算機相應輸入端口連接；　　　　所述各球鉸在各自平臺的位置坐標滿足測量執行機構雅克比矩陣Ｊ↓［ｐ］的條件數小于等于１０，　　　　＊＊＊　　　　式中＊↓［１］～＊↓［６］分別是沿每個拉線式編碼器長度方向上的單位向量，ｐ↓［１］～ｐ↓［６］是運動平臺上的６個球鉸在運動平臺坐標系ｐ中的坐標，Ｒ為運動平臺坐標系ｐ關于固定平臺坐標系Ｐ的方向余弦陣，按照依次繞固定平臺坐標系Ｐ的ｘ，ｙ，ｚ軸旋轉角度α，β，γ的卡爾丹角表示方法，具體表達式為：　　　　＊＊＊。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：段廣洪，張輝，周潛，南仁東，王啟明，
申請(專利權)人：清華大學，中國科學院國家天文臺，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]