含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法技术

本发明专利技术公开了一种含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法，使用了平面多关节机构、计算机、CCD相机、视觉主动标志点、三坐标测量仪等辅助设备，测量前准备包含测量对象和视觉配套，测量的对象是位于平面多关节机构上的多个含轴孔间隙关节，视觉配套准备包括安装一部CCD相机和至少5个视觉主动标志点。该方法包括步骤：1)获取动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置和角度；2)连续拍照计算视觉主动标志点位置坐标；3)轴孔轨迹计算。本发明专利技术利用CCD相机与多个视觉主动标志点相搭配，提供含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹的非接触式测量，不干涉轴孔关节运动，不增加轴孔关节的反向力，不影响多关节机构间隙关节的运动学和动力学特性。

【技术实现步骤摘要】
含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法
本专利技术涉及含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹跟踪测量的
，尤其是指一种含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法。
技术介绍
由于制造和装配误差的存在，机械系统中连接构件的活动关节中常含有间隙。这类活动关节很大一部分属于以轴、孔为主要元素的转动副。随着现代机械系统不断向高速度和高精度方向发展，转动副中轴孔的间隙对机械系统动力学性能的影响不能忽视。因此，针对间隙关节的轴孔元素，提出合适的轨迹跟踪系统与在线测量方法，是开展真实机械系统动力学研究并获得准确分析结果的关键所在。工业应用和机械系统动力学研究中常以平面多关节机构为对象，机构的动力性性能和含间隙关节参数息息相关。现有的含间隙轴孔关节的轴孔轨迹跟踪及测量主要采用接触式的方法。即用量具或者传感器分别测出关节轴相对相对关节孔的两个垂直方向的位移，进而得出轴孔运动相对轨迹。例如：Tasora等人在论文“Acompliantmeasuringsystemforrevolutejointswithclearance(2006)”中，用两个垂直安放的悬臂梁柔性长条应变片检测轴相对孔的位移数据。专利CN206223130U公开了一种实时测量转轴空间位姿的装置，通过垂直的伸缩式位移传感器，接触测量轴在孔中的跳动量。总体而言，现有的方法是通过量具或者传感器接触测量获得轴孔的相对轨迹。面对工业或者科研中的平面多关节机构动力学研究，常需要同时检测数个含轴孔间隙关节的轴孔运动轨迹，上述的现有接触测量方法造成传感器过多，安装调整复杂，成本比较高，显然不能满足使用要求。因此，提出一种非接触式的可以同时对多个含轴孔间隙关节的轴孔进行轨迹跟踪和在线测量的方法，具有广泛的应用前景和社会效益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法，不干涉轴孔关节运动，不增加轴孔关节的反向力，不影响多关节机构间隙关节的运动学和动力学特性。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法，所述含轴孔间隙关节的平面多关节机构包括底座、动平台和三个移动关节，所述移动关节由直线导轨、电机座和直线电机组成，所述直线导轨安装在底座上，所述电机座滑动安装在直线导轨上，并由直线电机驱动沿直线导轨移动，直线电机的运动由计算机控制，三个移动关节呈120°角度分布在底座上，所述动平台设在底座上方，并分别与每个移动关节之间通过一条连杆进行连接，所述连杆的一端通过一个轴孔间隙关节与动平台连接，其另一端通过另一个轴孔间隙关节与移动关节连接，即每个移动关节通过两个轴孔间隙关节和一条连杆连接动平台，通过该三个移动关节和三条连杆实现动平台的平面三自由度运动；在进行上述含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量时，需先配置有CCD相机和至少5个视觉主动标志点，作为视觉测量部件提供支持；所述CCD相机置于动平台上方，标定后，提供拍照测量功能；第一视觉主动标志点和第二视觉主动标志点设在动平台上靠近其中心的位置，实现对动平台位置和姿态的标记；动平台上设有随动坐标系xoy跟随动平台一起运动，其中第一视觉主动标志点位置为随动坐标系xoy的坐标原点o，第二视觉主动标志点位于第一视觉主动标志点旁边，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为随动坐标系xoy的x轴正向；第三、四、五视觉主动标志点分别设在动平台上的三个轴孔间隙关节的中心处，对随连杆一起固连运动的三个轴孔间隙关节作运动标记；所述CCD相机和第一、二、三、四、五视觉主动标志点均连接于计算机；所述轴孔轨迹测量方法，包括以下步骤：1)获取动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置和角度；推荐用三坐标测量仪对动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置进行测量，获得三个关节孔的中心和第一、二视觉主动标志点的坐标位置和角度关系；根据之前在动平台平面上建立的随动坐标系xoy可得，三个轴孔间隙关节的关节孔的中心坐标分别为(x6,y6)，(x7,y7)，(x8,y8)，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(x11,y11)，(x12,y12)；2)连续拍照计算视觉主动标志点位置坐标2.1)在动平台所在平面对CCD相机标定；2.2)确定视觉主动标志点初始坐标计算机对视觉主动标志点持续供电，在电机运动前的初始状态，CCD相机拍照获取5个视觉主动标志点位置坐标；以第一视觉主动标志点的坐标为原点O，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为X轴正向，在动平台所在平面建立绝对坐标系XOY始终保持不动，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(X11-t0,Y11-t0)，(X12-t0,Y12-t0)，绝对坐标系中X11-t0,Y11-t0，Y12-t0的值均为0；三个轴孔间隙关节的关节轴中心由第三、四、五视觉主动标志点分别标记，即三个轴孔间隙关节的关节轴的中心坐标分别为(X13-t0,Y13-t0)，(X14-t0,Y14-t0)，(X15-t0,Y15-t0)；此初始坐标数据也即视觉主动标志点在初始时刻t0的坐标数据；2.3)预选视觉主动标志点位置图框根据动平台的给定运动轨迹和运动函数，通过计算机预估出经过时间间隔Δt后每个视觉主动标志点的大致区域；在当前拍照获得的图像上，分别为每个视觉主动标志点选取一个适当小的图框，共5个，每个图框既包含当前的视觉主动标志点，也包含在时间间隔Δt后此视觉主动标志点的大致区域；2.4)确定视觉主动标志点轨迹坐标当动平台在计算机控制下按照给定轨迹运动，CCD相机按照Δt时间间隔对5个视觉主动标志点连续追踪拍照，时间间隔能够结合动平台的运动速度以图像边界清晰为标准进行选取；tn时间点获取的图像上，每个视觉主动标志点的大致位置包含在tn-1时间点获得的图框选定的范围内，在每个图框中对视觉主动标志点进行搜索识别，快速获得5个视觉主动标志点在绝对坐标系下tn时间点的坐标分别为：(X11-tn,Y11-tn)，(X12-tn,Y12-tn)；(X13-tn,Y13-tn)，(X14-tn,Y14-tn)，(X15-tn,Y15-tn)；之后根据每个视觉主动标志点在tn时间点的当前坐标以及预估的tn+1时间点视觉主动标志点的大致区域，更新每个图框位置，进而拍照计算tn+1时间点的坐标；因此，在每个时间点(t1,t2…tn,tn+1…)5个视觉主动标志点的坐标都能够快速实时地得到；3)轴孔轨迹计算3.1)动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的中心坐标(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8)在随动坐标系xoy中的参考角度，分别为：若xi>0，i＝6,7,8,则若xi＝0，i＝6,7,8，且yi>0,则βi＝π/2若xi<0，i＝6,7,8,则若xi＝0，i＝6,7,8，且yi<0,则βi＝3π/23.2)动平台上随动坐标系xoy在绝对坐标系XOY中的绝对旋转角度为：若X12-tn>X11-tn,则若X12-tn＝X11-tn且Y12-tn>Y11-tn,则θ＝π/2若X12-tn<X11-tn,则若X12-tn＝X11-tn且Y12-tn<Y11-t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法，所述含轴孔间隙关节的平面多关节机构包括底座、动平台和三个移动关节，所述移动关节由直线导轨、电机座和直线电机组成，所述直线导轨安装在底座上，所述电机座滑动安装在直线导轨上，并由直线电机驱动沿直线导轨移动，直线电机的运动由计算机控制，三个移动关节呈120°角度分布在底座上，所述动平台设在底座上方，并分别与每个移动关节之间通过一条连杆进行连接，所述连杆的一端通过一个轴孔间隙关节与动平台连接，其另一端通过另一个轴孔间隙关节与移动关节连接，即每个移动关节通过两个轴孔间隙关节和一条连杆连接动平台，通过该三个移动关节和三条连杆实现动平台的平面三自由度运动；其特征在于，在进行上述含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量时，需先配置有CCD相机和至少5个视觉主动标志点，作为视觉测量部件提供支持；所述CCD相机置于动平台上方，标定后，提供拍照测量功能；第一视觉主动标志点和第二视觉主动标志点设在动平台上靠近其中心的位置，实现对动平台位置和姿态的标记；动平台上设有随动坐标系xoy跟随动平台一起运动，其中第一视觉主动标志点位置为随动坐标系xoy的坐标原点o，第二视觉主动标志点位于第一视觉主动标志点旁边，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为随动坐标系xoy的x轴正向；第三、四、五视觉主动标志点分别设在动平台上的三个轴孔间隙关节的中心处，对随连杆一起固连运动的三个轴孔间隙关节作运动标记；所述CCD相机和第一、二、三、四、五视觉主动标志点均连接于计算机；所述轴孔轨迹测量方法，包括以下步骤：1)获取动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置和角度；推荐用三坐标测量仪对动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置进行测量，获得三个关节孔的中心和第一、二视觉主动标志点的坐标位置和角度关系；根据之前在动平台平面上建立的随动坐标系xoy可得，三个轴孔间隙关节的关节孔的中心坐标分别为(x6,y6)，(x7,y7)，(x8,y8)，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(x11,y11)，(x12,y12)；2)连续拍照计算视觉主动标志点位置坐标2.1)在动平台所在平面对CCD相机标定；2.2)确定视觉主动标志点初始坐标计算机对视觉主动标志点持续供电，在电机运动前的初始状态，CCD相机拍照获取5个视觉主动标志点位置坐标；以第一视觉主动标志点的坐标为原点O，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为X轴正向，在动平台所在平面建立绝对坐标系XOY始终保持不动，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(X11‑t0,Y11‑t0)，(X12‑t0,Y12‑t0)，绝对坐标系中X11‑t0,Y11‑t0，Y12‑t0的值均为0；三个轴孔间隙关节的关节轴中心由第三、四、五视觉主动标志点分别标记，即三个轴孔间隙关节的关节轴的中心坐标分别为(X13‑t0,Y13‑t0)，(X14‑t0,Y14‑t0)，(X15‑t0,Y15‑t0)；此初始坐标数据也即视觉主动标志点在初始时刻t0的坐标数据；2.3)预选视觉主动标志点位置图框根据动平台的给定运动轨迹和运动函数，通过计算机预估出经过时间间隔Δt后每个视觉主动标志点的大致区域；在当前拍照获得的图像上，分别为每个视觉主动标志点选取一个小图框，共5个，每个图框既包含当前的视觉主动标志点，也包含在时间间隔Δt后此视觉主动标志点的大致区域；2.4)确定视觉主动标志点轨迹坐标当动平台在计算机控制下按照给定轨迹运动，CCD相机按照Δt时间间隔对5个视觉主动标志点连续追踪拍照，时间间隔能够结合动平台的运动速度以图像边界清晰为标准进行选取；tn时间点获取的图像上，每个视觉主动标志点的大致位置包含在tn‑1时间点获得的图框选定的范围内，在每个图框中对视觉主动标志点进行搜索识别，快速获得5个视觉主动标志点在绝对坐标系下tn时间点的坐标分别为：(X11‑tn,Y11‑tn)，(X12‑tn,Y12‑tn)；(X13‑tn,Y13‑tn)，(X14‑tn,Y14‑tn)，(X15‑tn,Y15‑tn)；之后根据每个视觉主动标志点在tn时间点的当前坐标以及预估的tn+1时间点视觉主动标志点的大致区域，更新每个图框位置，进而拍照计算tn+1时间点的坐标；因此，在每个时间点(t1,t2…tn,tn+1…)5个视觉主动标志点的坐标都能够快速实时地得到；3)轴孔轨迹计算3.1)动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的中心坐标(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8)在随动坐标系xoy中的参考角度，分别为：若xi>0，i＝6,7,8,则...

【技术特征摘要】
1.含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量方法，所述含轴孔间隙关节的平面多关节机构包括底座、动平台和三个移动关节，所述移动关节由直线导轨、电机座和直线电机组成，所述直线导轨安装在底座上，所述电机座滑动安装在直线导轨上，并由直线电机驱动沿直线导轨移动，直线电机的运动由计算机控制，三个移动关节呈120°角度分布在底座上，所述动平台设在底座上方，并分别与每个移动关节之间通过一条连杆进行连接，所述连杆的一端通过一个轴孔间隙关节与动平台连接，其另一端通过另一个轴孔间隙关节与移动关节连接，即每个移动关节通过两个轴孔间隙关节和一条连杆连接动平台，通过该三个移动关节和三条连杆实现动平台的平面三自由度运动；其特征在于，在进行上述含轴孔间隙关节的平面多关节机构的轴孔轨迹测量时，需先配置有CCD相机和至少5个视觉主动标志点，作为视觉测量部件提供支持；所述CCD相机置于动平台上方，标定后，提供拍照测量功能；第一视觉主动标志点和第二视觉主动标志点设在动平台上靠近其中心的位置，实现对动平台位置和姿态的标记；动平台上设有随动坐标系xoy跟随动平台一起运动，其中第一视觉主动标志点位置为随动坐标系xoy的坐标原点o，第二视觉主动标志点位于第一视觉主动标志点旁边，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为随动坐标系xoy的x轴正向；第三、四、五视觉主动标志点分别设在动平台上的三个轴孔间隙关节的中心处，对随连杆一起固连运动的三个轴孔间隙关节作运动标记；所述CCD相机和第一、二、三、四、五视觉主动标志点均连接于计算机；所述轴孔轨迹测量方法，包括以下步骤：1)获取动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置和角度；推荐用三坐标测量仪对动平台上三个轴孔间隙关节的关节孔的位置进行测量，获得三个关节孔的中心和第一、二视觉主动标志点的坐标位置和角度关系；根据之前在动平台平面上建立的随动坐标系xoy可得，三个轴孔间隙关节的关节孔的中心坐标分别为(x6,y6)，(x7,y7)，(x8,y8)，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(x11,y11)，(x12,y12)；2)连续拍照计算视觉主动标志点位置坐标2.1)在动平台所在平面对CCD相机标定；2.2)确定视觉主动标志点初始坐标计算机对视觉主动标志点持续供电，在电机运动前的初始状态，CCD相机拍照获取5个视觉主动标志点位置坐标；以第一视觉主动标志点的坐标为原点O，第一视觉主动标志点指向第二视觉主动标志点之间的连线为X轴正向，在动平台所在平面建立绝对坐标系XOY始终保持不动，第一、二视觉主动标志点的坐标分别为(X11-t0,Y11-t0)，(X12-t0,Y12-t0)，绝对坐标系中X11-t0,Y11-t0，Y12-t0的值均为0；三个轴孔间隙关节的关节轴中心由第三、四、五视觉主动标志点分别标记，即三个轴孔间隙关节的关节轴的中心坐标分别为(X13...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，张浩栋，周安泰，詹镇辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44