一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了本发明专利技术提供了一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统，包括：姿态测量单元和计算机，所述姿态测量单元包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；姿态测量单元还具有固定端，姿态测量单元通过固定端固定设置在机械臂的每个关节的任一平面的任一位置上；姿态测量单元与计算机通讯连接；计算机用于根据姿态测量单元的姿态信息解算机械臂的关节转角；实现灵活方便、高效准确、不受环境影响的关节转角测量；使得测量不受环境限制，经过求解，可以获得串联型机械臂在运动过程中的关节转角信息，极大简化了机械臂关节转角测量过程。

An auxiliary measurement system and method of joint angle for a series rotating joint manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统及方法
本专利技术属于机械臂关节转角测量
，涉及一种利用包含有工业级三轴陀螺仪、工业级三轴加速度计以及工业级三轴磁力计的姿态检测单元，对串联旋转关节机械臂的关节转角进行辅助测量的测量方法。
技术介绍
机械臂中包含的高精度编码器系统是用户获得机械臂在运动过程中的各个关节角度信息的主要手段。通常为了更加准确的监测机械臂在运动过程中的位置和姿态等信息，用户通常会引入一套关节转角辅助测量系统。这套关节转角辅助测量系统可以作为辅助手段，监测机械臂的关节转角信息，为实现对机械臂进行故障诊断和参数修正等目的提供必要的关节角度辅助测量信息。但目前测量系统对串联旋转关节机械臂进行辅助关节角度测量时繁琐复杂，如何灵活方便的进行测量是需要解决的技术问题。
技术实现思路
为实现对串联旋转关节机械臂进行灵活方便的辅助关节角度测量，本专利技术提出一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量方法。该方法完全独立于机械臂本体中所包含的高精度编码器系统，适用于多自由度机械臂，利用包含有工业级三轴陀螺仪、工业级三轴加速度计以及工业级三轴磁力计的姿态检测单元，实现对串联旋转关节机械臂的关节转角测量。本专利技术针对串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量的问题，提出了一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量方法，通过将包含有工业级三轴陀螺仪、工业级三轴加速度计以及工业级三轴磁力计的姿态检测单元以任意姿态固定于串联旋转关节机械臂的每个关节上，利用机械臂运动过程中各个姿态测量单元输出的四元数信息，实时求解机械臂各个关节的旋转角度，该测量方法的目的是为串联旋转关节机械臂提供一种易于部署、成本低、灵活性高的关节转角辅助测量方法。本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，本专利技术提供了一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统，包括：姿态测量单元和计算机，所述姿态测量单元包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；姿态测量单元还具有固定端，姿态测量单元通过固定端固定设置在机械臂的每个关节的任一平面的任一位置上；姿态测量单元与计算机通讯连接；计算机用于根据姿态测量单元的姿态信息解算机械臂的关节转角。进一步的，所述惯性测量设备还包括通信组件和电源组件。进一步的，电源组件为微处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和通信组件供电；通信组件用于将惯性测量设备解算得到的姿态信息通过串口、网线、蓝牙和WiFi方式传输到计算机。本专利技术还提供了一种如第一方面的机械臂的关节转角辅助测量系统的使用方法，包括以下步骤：搭建测量环境，在串联旋转关节机械臂的每个关节上固定一个姿态测量单元；统一坐标系，将串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统中的各坐标系进行统一；分解机械臂的复合运动，将机械臂的每个关节的复合运动分解为一系列各个关节的独立旋转运动；分解姿态测量单元的复合姿态，将姿态测量单元所输出的复合姿态分解为一系列各个关节独立旋转运动时产生的姿态变化；计算机械臂的关节转角，根据得到的机械臂各关节独立旋转运动的姿态变化，计算相应的关节转角。进一步的，所述统一的坐标系包括：世界坐标系、固连在机械臂的基座上的基坐标系、姿态测量单元所处的导航坐标系、固连在姿态测量单元上的传感器坐标系和固连在机械臂各个关节上的关节坐标系；其中，导航坐标系取为北-东-地坐标系或北-西-天坐标系。进一步的，所述分解机械臂的复合运动，是按照关节序号从高到低的顺序，将机械臂的复合运动分解为当前关节的独立旋转运动和与当前关节前向串联的各个关节的独立旋转运动，其中与机械臂基座相连的关节为1，机械臂末端工具相连的关节序号最高。进一步的，所述姿态测量单元的复合姿态分解，可以用以下公式表示：其中，Π表示连乘符号，qn表示固定在关节n上的姿态测量单元输出的四元数，描述了由于复合运动导致的关节n的姿态变化。qn|init表示机械臂位于初始状态时，固定在关节n上的姿态测量单元输出的四元数。qn(ri,θi)表示固定在关节n上的姿态测量单元输出的四元数，描述了机械臂的关节n做独立旋转运动时的姿态变化，ri表示关节n独立旋转运动的旋转轴，θi表示关节n独立旋转运动的旋转角度，是所要测量的机械臂关节n的关节转角。进一步的，根据公式(1)，计算得到N自由度机械臂各个关节独立旋转运动时的姿态变化，具有以下形式：其中，q*表示共轭四元数。进一步的，计算所述的机械臂的关节转角时，假设机械臂的关节n独立旋转运动时，固定在关节n上的姿态测量单元输出的四元数qn(rn,θn)具有以下形式：qn(rn,θn)＝[pxyz]T(3)根据四元数和轴角对的关系，可以得到以下公式：将根据公式(4)计算得到的角度定义为：αn＝2arccosp，αn∈(0,π)(8)进一步的，将公式(8)代入公式(5)-(7)，可以计算得到机械臂的关节n独立旋转运动时的旋转轴各分量如下：进一步的，在实际过程中应避免机械臂的各关节在旋转时的角度趋近于零；将公式(9)代入公式(5)-(7)，可以得到以下三个计算关节转角的公式，最终的关节n的旋转角度由旋转轴的最大分量所对应的公式计算得到，当旋转轴的ry分量最大时，使用公式(10)中的第二个子公式来计算关节n在运动过程中的旋转角度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提出了一种串联旋转关节机械臂关节转角辅助测量方法，适用于任意自由度串联旋转关节型机械臂。利用包含有工业级三轴加速度计、工业级三轴磁力计和工业级三轴陀螺仪的姿态测量单元输出的姿态，实现灵活方便、高效准确、不受环境影响的关节转角测量。2、本专利技术允许将姿态测量单元以任意姿态固定于机械臂的每个关节上，简化了设备安装流程。各个姿态测量单元可以通过蓝牙、WiFi、2.4G等方式将所测得的四元数信息实时传输到计算机中，使得测量不受环境限制。计算机根据接收到的各个姿态测量单元实时输出的四元数信息，利用本专利技术中提出的关节转角测量方法，经过求解，可以获得串联型机械臂在运动过程中的关节转角信息。3、作为一种关节转角辅助测量手段，本专利技术基于姿态测量单元的串联旋转关节机械臂关节转角测量方法，实施成本较低，极大简化了机械臂关节转角测量过程。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为按照本专利技术的优选实施例所构建的一种串联旋转关节机械臂关节转角辅助测量系统结构示意图。图2为按照本专利技术的实施例1所构建的姿态测量单元的组成结构示意图。图3为本专利技术所提出的一种串联旋转关节机械臂关节转角辅助测量方法流程图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统，其特征在于，包括：姿态测量单元和计算机，所述姿态测量单元包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；姿态测量单元还具有固定端，姿态测量单元通过固定端固定设置在机械臂的每个关节的任一平面的任一位置上；/n姿态测量单元与计算机通讯连接；/n计算机用于根据姿态测量单元的姿态信息解算机械臂的关节转角。/n

【技术特征摘要】
1.一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统，其特征在于，包括：姿态测量单元和计算机，所述姿态测量单元包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；姿态测量单元还具有固定端，姿态测量单元通过固定端固定设置在机械臂的每个关节的任一平面的任一位置上；
姿态测量单元与计算机通讯连接；
计算机用于根据姿态测量单元的姿态信息解算机械臂的关节转角。


2.如权利要求1所述的机械臂的关节转角辅助测量系统，其特征在于，所述惯性测量设备还包括通信组件和电源组件。


3.如权利要求2所述的机械臂的关节转角辅助测量系统，其特征在于，电源组件为微处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和通信组件供电；通信组件用于将惯性测量设备解算得到的姿态信息通过串口、网线、蓝牙和WiFi方式传输到计算机。


4.一种如权利要求1-3所述的机械臂的关节转角辅助测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建测量环境，在串联旋转关节机械臂的每个关节上固定一个姿态测量单元；
统一坐标系，将串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统中的各坐标系进行统一；
分解机械臂的复合运动，将机械臂的每个关节的复合运动分解为一系列各个关节的独立旋转运动；
分解姿态测量单元的复合姿态，将姿态测量单元所输出的复合姿态分解为一系列各个关节独立旋转运动时产生的姿态变化；
计算机械臂的关节转角，根据得到的机械臂各关节独立旋转运动的姿态变化，计算相应的关节转角。


5.如权利要求4所述的关节转角辅助测量方法，其特征在于，所述统一的坐标系包括：世界坐标系、固连在机械臂的基座上的基坐标系、姿态测量单元所处的导航坐标系、固连在姿态测量单元上的传感器坐标系和固连在机械臂各个关节上的关节坐标系；其中，导航坐标系取为北-东-地坐标系或北-西-天坐标系。


6.如权利要求4所述的关节转角辅助测量方法，其特征在于，所述分解机械臂的复合运动，是按照关节序号从高到低的顺序，将机械臂的复合运动分解为当前关节的独立旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：田新诚，徐小龙，周乐来，马昕，宋锐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37