一种用于测量工程机械臂的位姿的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于测量工程机械臂的位姿的方法及系统，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系；参数获取步骤，获取所述至少三个标靶在机械臂载体坐标系下的位置信息以及所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数；机械臂末端位姿计算步骤，利用所述预定位置关系和获取的位置信息及结构尺寸参数和安装尺寸参数，计算得到该机械臂末端当前在机械臂载体坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。通过本发明专利技术的方法能够实时准确测量机械臂的位置和姿态，辅助作业人员用来控制该机械臂的运动，更好地完成作业任务。

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量工程机械臂的位姿的方法和系统
本专利技术涉及工程机械领域，尤其涉及一种用于测量工程机械臂的位姿的方法和系统。
技术介绍
在隧道工程施工过程中，为了防止围岩变形和破碎，通常需要采用架设拱架、安装锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土等方法对围岩进行加固。以隧道拱架多功能作业台车为例，该台车是集拱架定位、安装、焊接于一体的自动化隧道施工装备，作为其核心的作业臂架是一个10自由度的串联机构，通过调整关节位姿使末端作业装置实现预定的位置和姿态是多功能作业台车的基本要求，同时也是其研制中的关键技术。多功能作业台车臂架长、关节多、自身重量大，易发生柔性变形，且加工与装配后的各个部件存在尺寸误差，实现末端作业装置的精确定位具有很大的技术难度，因此需要一种能够快速、较为精确地获取机械臂末端位姿的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题之一是需要提供一种用于测量工程机械臂的位姿的方法和系统。为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于测量工程机械臂的位姿的方法，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系；参数获取步骤，获取所述至少三个标靶在机械臂载体坐标系下的位置信息以及所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数；机械臂末端位姿计算步骤，利用所述预定位置关系和获取的位置信息及结构尺寸参数和安装尺寸参数，计算得到该机械臂末端当前在机械臂载体坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。根据本专利技术的一个实施例，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，包括如下步骤：姿态计算步骤，确定标靶坐标系相对于末端臂架关节坐标系的第一姿态矩阵，以及所述标靶坐标系相对于机械臂载体坐标系的第二姿态矩阵，根据第一姿态矩阵和第二姿态矩阵确定末端臂架关节坐标系相对于机械臂载体坐标系的姿态矩阵，从而得到该机械臂末端的姿态信息。根据本专利技术的一个实施例，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，还包括如下步骤：位置计算步骤，根据标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数，分别获取机械臂中轴线上的设定点和末端臂架关节中心点的距离以及该设定点在机械臂载体坐标系下的坐标，进而获取末端臂架关节中心点在机械臂载体坐标系下的坐标。根据本专利技术的一个实施例，在姿态计算步骤中，根据三个标靶在机械臂载体坐标系下的坐标以及标靶坐标系与三个标靶之间的位置关系可求得所述第一姿态矩阵；根据获取的所述至少三个标靶的位置信息以及这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系确定所述第二姿态矩阵。根据本专利技术的一个实施例，在安装三个标靶时，所述预定位置关系为三个标靶以机械臂臂架的中轴线为中心，相邻两标靶与中轴线上的设定点之间连线彼此相差设定角度。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种用于测量工程机械臂的位姿的系统，该系统包括：至少三个标靶，其被安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系；参数获取装置，其获取所述至少三个标靶在机械臂载体坐标系下的位置信息以及所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数；机械臂末端位姿计算装置，其利用所述预定位置关系和获取的位置信息及结构尺寸参数和安装尺寸参数，计算得到该机械臂末端当前在机械臂载体坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。根据本专利技术的一个实施例，所述机械臂末端位姿计算装置，其进一步包括如下模块：姿态计算模块，其确定标靶坐标系相对于末端臂架关节坐标系的第一姿态矩阵，以及所述标靶坐标系相对于机械臂载体坐标系的第二姿态矩阵，根据第一姿态矩阵和第二姿态矩阵确定末端臂架关节坐标系相对于机械臂载体坐标系的姿态矩阵，从而得到该机械臂末端的姿态信息。根据本专利技术的一个实施例，所述机械臂末端位姿计算装置，其还包括如下模块：位置计算模块，其根据标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数，分别获取机械臂中轴线上的设定点和末端臂架关节中心点的距离以及该设定点在机械臂载体坐标系下的坐标，进而获取末端臂架关节中心点在机械臂载体坐标系下的坐标。根据本专利技术的一个实施例，所述姿态计算模块，其进一步执行如下操作：根据三个标靶在机械臂载体坐标系下的坐标以及标靶坐标系与三个标靶之间的位置关系求得所述第一姿态矩阵；根据获取的所述至少三个标靶的位置信息以及这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系确定所述第二姿态矩阵。与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：本专利技术的方法利用安装在末端臂架上的至少三个靶球构造一个空间参考对象，当靶球的结构尺寸以及安装位置确定时，该空间参考对象与末端臂架具有确定的相对位姿关系。而由靶球构成的空间参考对象在机械臂载体坐标系的位姿可通过测量各靶球的位置坐标计算求得。因此，再根据空间参考对象与末端臂架的位姿关系，即可求得末端臂架在机械臂载体坐标系下的位姿。由上述方法计算机械臂末端臂架的位姿较为准确、快捷。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术的技术方案而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。图1为本申请实施例一的用于测量工程机械臂的位姿的方法的流程示意图。图2为本申请的一个例子中靶球相对于机械臂中轴线上的设定点(简称中心点)A’安装的安装示意图。图3为本申请的一个例子中建立的标靶、标靶坐标系以及末端臂架关节坐标系之间的机械臂载体坐标系位姿关系示意图。图4为本申请的一个例子中的靶球机构的示意图。图5为图4所示的靶球机构展开的运动简图。图6为本申请的一个例子的计算末端臂架位置的简图。图7为本申请实施例二的用于测量工程机械臂的位姿的系统的结构框图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。本专利技术实施例的工程机械臂的位姿测量技术原理简要概括如下：利用安装在末端臂架上的至少三个靶球构造一个空间参考对象，当靶球的结构尺寸以及安装位置确定时，该空间参考对象与末端臂架具有确定的相对位姿关系。而由靶球构成的空间参考对象在机械臂载体坐标系的位姿可通过测量各靶球的位置坐标计算求得。因此，再根据空间参考对象与末端臂架的位姿关系，即可求得末端臂架在机械臂载体坐标系下的位姿。为了进一步了解本专利技术，下面说明本申请涉及到的具体实施例。实施例一首先，介绍以下本例中用到的测量工具：激光跟踪仪(坐标信息采集器的一个例子)、可折叠靶球机构(标靶的一个例子，具体结构可如图4所示)。该可折叠靶球机构能够通过电机的驱动进行展开和闭合，以保证在测量过程中，防止出现由于机械臂的运动导致的靶球被遮挡的情况，保证测量的正常进行。有关该靶球机构的结构，此处不做限定，只要能够具备上述功能的靶球均可。如图4所示，在附图中各附图标记的含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量工程机械臂的位姿的方法，其特征在于，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系；参数获取步骤，获取所述至少三个标靶在机械臂载体坐标系下的位置信息以及所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数；机械臂末端位姿计算步骤，利用所述预定位置关系和获取的位置信息及结构尺寸参数和安装尺寸参数，计算得到该机械臂末端当前在机械臂载体坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量工程机械臂的位姿的方法，其特征在于，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系；参数获取步骤，获取所述至少三个标靶在机械臂载体坐标系下的位置信息以及所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数；机械臂末端位姿计算步骤，利用所述预定位置关系和获取的位置信息及结构尺寸参数和安装尺寸参数，计算得到该机械臂末端当前在机械臂载体坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，包括如下步骤：姿态计算步骤，确定标靶坐标系相对于末端臂架关节坐标系的第一姿态矩阵，以及所述标靶坐标系相对于机械臂载体坐标系的第二姿态矩阵，根据第一姿态矩阵和第二姿态矩阵确定末端臂架关节坐标系相对于机械臂载体坐标系的姿态矩阵，从而得到该机械臂末端的姿态信息。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，还包括如下步骤：位置计算步骤，根据标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数，分别获取机械臂中轴线上的设定点和末端臂架关节中心点的距离以及该设定点在机械臂载体坐标系下的坐标，进而获取末端臂架关节中心点在机械臂载体坐标系下的坐标。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在姿态计算步骤中，根据三个标靶在机械臂载体坐标系下的坐标以及标靶坐标系与三个标靶之间的位置关系可求得所述第一姿态矩阵；根据获取的所述至少三个标靶的位置信息以及这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系确定所述第二姿态矩阵。5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在安装三个标靶时，所述预定位置关系为三个标靶以...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞香，郑大桥，秦念稳，王华明，李庆，李正光，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43