一种工具头非接触姿态测量与控制方法技术

本发明专利技术公开了一种工具头非接触姿态控制方法，通过大于等于1个面传感器，非接触测量被测物体局部表面并返回深度信息，根据传感器测量数据集计算物体表面深度信息，构建被测量物体表面曲面模型，通过1个激光光源照射明确指示作业点，计算作业点附近规划的轨迹与构建曲面模型表面姿态关系，并选用矢量旋转公式得到工具头的插补位置姿态插补控制算法，约束工具头在运动中相对曲面模型上的轨迹点处的姿态为设计姿态。本发明专利技术采用的面传感器成本低，检测视角范围宽、实时性好。方案曲面模型求解算法稳定，测量盲区小。可有效避免点的距离测量因盲区大而造成工具头与被测物体在运动中接触的情况发生。触的情况发生。触的情况发生。

【技术实现步骤摘要】
一种工具头非接触姿态测量与控制方法


[0001]本专利技术涉及艾灸机器人或机器人康养护理领域，具体地说，是一种工具头非接触姿态测量与控制方法。

技术介绍

[0002]艾灸是用艾草制绒作出艾条或艾炷，点燃以温灼穴位的皮肤表面，达到温通经脉、调和气血的目的的一种治疗方法。随着艾灸的推广，及科学技术的发展，艾灸设备也日渐增多。常见的艾灸设备是通过治具将艾条燃烧点在人体穴位或特定部位以特定手法和姿态进行熏烤。由于艾灸需要在特定穴位或一系列穴位目标上运行传统的艾灸手法，因此对于艾灸设备而言，应要求其工具头与人体特定的穴位静止或运动中保持一定的姿态，从而满足传统艾灸保健的手法要求。
[0003]由于人体表面是非平面的状态，因此需要在静止或运动过程准确中测量人体表面的轮廓变化，使机器人作业点与人体之间保持约束位置和姿态并施加作业手法，而实际使用中，如何测量人体表面曲面轮廓并减少或消除测量盲区，实现工具头有效的调节避免与皮肤接触，控制位置姿态约束实现作业手法成为需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种成本低、测量盲区小、非接触的曲面模型测量及工具头姿态控制方案。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种工具头非接触姿态测量方法，包括：
[0006]具有激光指示点，设置于工具头上用于指示工具头作业点位置；
[0007]具有大于等于一个面传感器，设置于工具头上用于测量固有视角以及工具头工作或测量时的高度，所述面传感器以工具头作用点为圆心，并且沿工作头呈圆心或圆周分布；
[0008]通过面传感器获取测量的深度信息，每一个面传感器测量获取一个曲面，根据深度信息及面传感器当前视角计算视角内实际物体曲面模型；
[0009]根据传感器视角覆盖范围及传感器分布位置使用最小二乘法或曲面积分重建测量物体作业点位置手法范围的曲面模型。
[0010]一种工具头非接触姿态控制方法，包括有根据指示点计算工具头工作位置及康养手法配置信息基于工作位置生成的工作坐标系下XY平面上固定手法轨迹；
[0011]机器人工作坐标系下生成的轨迹曲线投影至测量物体所在(X,Y)位置的曲面上，计算得到物体表面投影轨迹曲线上或曲线周围各邻域内的曲面信息；
[0012]通过获取的曲面信息构建曲面方程，计算曲面上轨迹点位处的沿机器人定义坐标系下X轴与Y轴方向曲面切向量；
[0013]根据曲面切向量求得轨迹点位处的曲面法向量
[0014]根据曲面上轨迹点处的法向量和已知工具头坐标系下Z轴矢量的相对关系，使
用矢量旋转罗德里格公式计算工具头Z轴矢量的与曲面法向量的约束关系。
[0015]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用一种低成本、非接触的曲面模型测量及工具头姿态控制方案。通过采用不少于1个面传感器，以非接触方式测量被测物体局部表面并返回深度信息，根据传感器测量数据集计算物体表面深度信息，重建被测量物体表面曲面模型，通过1个激光光源照射明确指示作业点，计算作业点附近规划的轨迹与构建曲面模型表面姿态关系，并选用矢量旋转公式得到工具头的插补位置姿态插补控制算法，约束工具头在运动中相对曲面模型上的轨迹点处的姿态为目标设计姿态。本专利技术采用的面传感器成本低，检测视角范围宽、实时性好。方案曲面模型求解算法稳定，测量盲区小。可有效避免点的距离测量因盲区大而造成工具头与被测物体在运动中接触的情况发生，适用于物体表面非接触测量与近距离姿态控制作业的场合。
附图说明
[0016]图1为一种工具头非接触姿态测量方法的逻辑框图；
[0017]图2为一种工具头非接触姿态控制方法的逻辑框图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例，对本专利技术进一步详细说明。
[0019]参照图1所示，一种工具头传感器分布及作业点指示方法：激光指示点，设置于工具头上用于指示工具头作业点位置；该指示点光束与重力方向固定夹角，用于明确指示工具头作业点位置。
[0020]工具头应用在机器人末端，根据工具头激光指示的作业点，对生成的作业轨迹进行校核判断是否满足机器人及设备的工作空间要求。
[0021]根据面传感器测量固有视角以及工具头工作或测量时的高度，设计了传感器在工具头上的分布，使得分布的面传感器的测量视角，能够在测量或作业时覆盖作业点处的曲面范围，减少甚至消除物体表面待作业点位置测量视角盲区。
[0022]面传感器分布，传感器以工具头作用点为圆心，对称分布如圆心或圆周分布，旨在减少或消除工作点区域的表面测量盲区。
[0023]该工具头非接触姿态测量方法，通过面传感器获取测量的深度信息，每一个面传感器测量获取一个曲面，根据深度信息及面传感器当前视角计算视角内实际物体曲面模型；
[0024]根据传感器视角覆盖范围及传感器分布位置使用最小二乘法或曲面积分重建测量物体作业点位置手法范围的曲面模型。
[0025]曲面测量方法具体包括：根据面传感器的位置及在工具头上的分布，分别计算深度数据集，根据数据集覆盖范围(X,Y)坐标点，将获得曲面进行拼接，交叉范围处的数据采用最小二乘法拟合点位深度数据处理，数据处理后形成测量圆或测量圆环，或数据集平面范围内拼接的并集。
[0026]曲面测量优化算法：
[0027]多个面传感器测量的重叠部分采用最小二重法拟合构建测量曲面数据。
[0028]计算轨迹点处的曲面法偏导数及轨迹点处的法向量。
[0029]工具头姿态控制调节算法：
[0030]根据面传感器获得数据使用罗德里格公式对工具头作用点处的轴线矢量进行位置姿态浮动控制。
[0031]面传感器根据传感器视角与被测物体距离远近不同而形成视角范围大，视角盲区小。
[0032]激光指示点设置有一个，用于辅助操作人员定位测量点或者工作目标点。使操作设备的作业位置更加明确。
[0033]面传感器的视角范围XY平面集合记为A：
[0034]{(X
a
，Y
a
)|X
a
∈A，Y
a
∈A}；
[0035]被测量物体作业点范围集合记为W,在工作坐标系下因测量距离不同所产生测量集合A,B,C....N与作业点集合W的关系：
[0036]W∈(A∪B∪C
…
∪N)。
[0037]基于传感器安装位置信息及传感器深度数据，建立工具坐标系下的测量范围内的数据集合，进而得到的曲面方程F
i
：
[0038]F
i
(X，Y，Z)＝0。
[0039]当使用一个或多个传感器，通过最小二乘法计算覆盖区域重叠部分重建得到曲面函数F
n
(X，Y，Z)＝0的步骤为：
[0040]将曲面方程转换为因变量为Z的表达式即Z＝D(X，Y)，重叠区域的数据集的数据代入建立的目标函数：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是包括：具有激光指示点，设置于工具头上用于指示工具头作业点位置；具有不少于一个面传感器，设置于工具头上用于测量固有视角以及工具头工作或测量时的高度，所述面传感器以工具头作用点为圆心，并且沿工作头呈圆心或圆周分布；通过面传感器获取被测物体的深度信息，每一个面传感器测量获取一个曲面，根据深度信息及面传感器当前视角计算视角内实际物体曲面模型；根据传感器视角覆盖范围及传感器分布位置使用最小二乘法或曲面积分重建的方法测量物体作业点位置手法范围的曲面模型。2.根据权利要求1所述的一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是：所述曲面测量方法具体包括有根据面传感器的位置及在工具头上的分布，分别计算深度数据集，根据数据集覆盖范围(X,Y)坐标点，将获得的曲面进行拼接，交叉范围处的数据采用最小二乘法拟合点位深度数据处理，数据处理后形成测量圆或测量圆环，或数据集平面范围内拼接的并集。3.根据权利要求1所述的一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是：所述激光指示点设置为一个，用于辅助操作人员定位测量点或者工作目标点。4.根据权利要求2所述的一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是：所述面传感器的视角范围XY平面集合记为A：{(X
a
，Y
a
)∣X
a
∈A，Y
a
∈A}；被测量物体作业点范围集合记为W,在工作坐标系下因测量距离不同所产生测量集合A,B,C....N与作业点集合W的关系：W∈(A∪B∪C
…
∪N)。5.根据权利要求2所述的一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是：基于传感器安装位置信息及传感器深度数据，建立工具坐标系下的测量范围内的数据集合，进而得到曲面方程F
i
：F
i
(X,Y,Z)＝0。6.根据权利要求2所述的一种工具头非接触姿态测量方法，其特征是：当使用一个或多个传感器，通过最小二乘法计算覆盖区域重叠部分重建得到曲面函数F
n
(X,Y,Z)＝0的步骤为：将曲面方程转换为因变量为Z的表达式即Z＝D...

【专利技术属性】
技术研发人员：范鹏灿，禹超，谈全一，张斌，李银鑫，吴方勇，
申请(专利权)人：上海钧控机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：