一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于六拉线传感器的机器人位姿测量装置及方法，装置由圆盘底座、圆盘底座支架、圆盘上座、拉线编码器、编码器支架、滑轮支架、定滑轮、动滑轮、动滑轮支架、带座轴承、磁角度编码器、万向节组成。六个拉线编码器的拉线头与圆盘上座的六个万向节连接，当圆盘上座的空间位姿发生改变时，拉线长度、动滑轮支架偏转角度、包络角都会发生变化，由此可以计算出六个点的空间位置，再根据六个点在世界坐标系中的位置和目标坐标系中的位置解算出圆盘上座的位姿。本发明专利技术能够实现工业机器人末端位姿的快速测量，同时该装置具有价格低廉、安装简便的优点。安装简便的优点。安装简便的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置及方法


[0001]本专利技术属于机器人位姿测量
，具体涉及一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置及方法。

技术介绍

[0002]工业机器人从诞生至今，不断取得突破和创新。目前，工业机器人凭借其可靠性强、重复定位精度高、可编程性好、效率高等优点在航空、航天、汽车制造业、服务业等领域得到了广泛的应用。随着工业4.0时代的到来，对于工业机器人的应用也更加广泛，同时对工业机器人的性能和精度都提出了更高的要求。工业机器人的精度指标主要分为两个方面：绝对定位精度和重复定位精度。其中，机器人的绝对定位精度是离线编程技术的核心。随着科技技术和制造工艺的进步，目前机器人的重复定位精度已经达到了较高的水平。
[0003]目前，不管是大型的工厂，还是中小企业最近几年都在逐步地引进机器人装备，机器人在各个行业的应用已经比较普遍。随着工业机器人的工作时间期间越长，机器人的重复定位精度和绝对定位精度均会出现不同程度的性能下降。目前提升工业机器人的精度性能途径就是通过标定校准技术，工业机器人的标定校准技术分为建模、测量、辨识和补偿四个基本步骤。其中测量步骤是通过外部测量设备准确检测机器人的末端位置和姿态数据，是标定校准效果好坏的关键。而当前主要是通过立体视觉设备、激光跟踪仪、激光干涉仪等高精度设备实现机器人末端位姿的测量，此类设备通常价格在几十万甚至上百万。因此，亟待提出一种价格低廉、检测精度高的位姿测量装置及方法，来满足现在机器人位姿测量的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置及方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置，其特征在于，包括：圆盘底座、拉线编码器、定滑轮、动滑轮、滑轮支架、带座轴承、万向节和圆盘上座；
[0007]六个拉线编码器沿周向均匀分布在圆盘底座上，各拉线编码器的拉线延长线相交于圆盘底座的中点；每个拉线编码器的一侧都配置安装有相应的滑轮支架，所述滑轮支架的一端安装有定滑轮，所述定滑轮的底部与拉线编码器拉出的拉线水平相切，滑轮支架的另一端安装有带座轴承，所述动滑轮安装在带座轴承上，所述带座轴承的转动轴线、动滑轮的下切线和定滑轮的上切线始终保持在同一条直线上，拉线编码器的拉线依次经过定滑轮和动滑轮拉出；所述圆盘上座的底部均匀安装有六个万向节，所述万向节与拉线编码器一一对应，拉线编码器的拉线头与对应的万向节连接。
[0008]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0009]进一步地，所述拉线编码器通过编码器支架固定在圆盘底座上，所述编码器支架
为L形状的结构，编码器支架的底部和侧面均设有螺纹孔，分别用来连接固定圆盘底座和拉线编码器。
[0010]进一步地，所述动滑轮通过动滑轮支架固定在带座轴承上，滑轮支架上还安装有磁角度编码器，用来测量动滑轮支架的旋转角度。
[0011]同时，本专利技术还提出了一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，采用如上所述的机器人位姿测量装置，其特征在于，包括如下步骤：
[0012]步骤一：将圆盘上座与被测机器人的末端固定连接；
[0013]步骤二：当被测机器人运动时，动滑轮绕着转动轴线进行转动，引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度，解算被测点的空间位置信息。
[0014]进一步地，所述步骤一中，定义O点为拉线编码器的出线点，A点为拉线和定滑轮的下切点，B点为拉线和定滑轮的上切点，C为拉线和动滑轮的下切点，D为拉线和动滑轮的上切点，其中O点和A点水平共线，B点与C点水平共线，B点与C点在动滑轮的转动轴线上，动滑轮的下切点位置保持不变。
[0015]进一步地，所述步骤二具体包括以下步骤：
[0016]步骤1：建立单拉线编码器的测量模型，在标定系统中建立空间坐标系；
[0017]步骤2：引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度，计算圆盘上座万向节中心点在其拉线编码器对应坐标系下的位置；
[0018]步骤3：根据步骤2求得的每一个拉线编码器对应的圆盘上座万向节中心点坐标，结合智能进化算法，求解圆盘上座的中心坐标系在圆盘底座的中心坐标系下的位姿。
[0019]进一步地，所述步骤1具体如下：
[0020]在动滑轮中，在C点建立OXYZ空间直角坐标系，初始位置时，建立O
C
X
C
Y
C
Z
C
坐标系T
C
，以拉线CB为X
C
轴，垂直圆盘底座向上方向为Z
C
轴，由右手螺旋定则得Y
C
方向；初始位置时，在D点建立O
D
X
D
Y
D
Z
D
坐标系T
D
，以拉线DP方向为X
D
方向，垂直DP方向向上为Z
D
方向，由右手螺旋定则得Y
D
方向。
[0021]进一步地，所述步骤2具体如下：
[0022]用齐次变换方程计算圆盘上座万向节中心点P点在坐标系T
C
中的坐标，引入拉线包络角度α和动滑轮旋转角度β，拉线从拉线编码器出线口到动滑轮下切点C的长度记为L0，动滑轮的半径记为r，D点到P点的长度为|DP|，根据下式(1.1)计算拉线长度L：
[0023]L＝r
·
α+|DP|(1.1)
[0024]首先将坐标系T
C
绕着X
C
轴旋转β角度到Y
C
轴垂直动滑轮所在面位置，然后沿着X
C
轴方向移动d1距离，再沿着旋转后的Z
C
轴方向移动d2距离，绕着移动后的Y
C
轴转动γ角度得到坐标系T
D
，最后沿着X
D
正方向移动|DP|距离，得到圆盘上座万向节中心点P点的O
P
X
P
Y
P
Z
P
坐标系T
P
；
[0025]用齐次坐标矩阵表示T
C
到T
P
之间的变换关系：
[0026][0027]式(1.2)中：
[0028][0029]将式(1.3)带入式(1.2)得：
[0030][0031]由式(1.4)确定圆盘上座万向节中心点P坐标系T
P
与坐标系T
C
之间的变换关系
[0032][0033]式中，表示圆盘上座万向节中心点P在坐标系T
C
下的旋转矩阵，表示表示圆盘上座万向节中心点P在坐标系T
C
下的位置；
[0034]因此，圆盘上座万向节中心点P在T
C
下的坐标P
C<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置，其特征在于，包括：圆盘底座、拉线编码器、定滑轮、动滑轮、滑轮支架、带座轴承、万向节和圆盘上座；六个拉线编码器沿周向均匀分布在圆盘底座上，各拉线编码器的拉线延长线相交于圆盘底座的中点；每个拉线编码器的一侧都配置安装有相应的滑轮支架，所述滑轮支架的一端安装有定滑轮，所述定滑轮的底部与拉线编码器拉出的拉线水平相切，滑轮支架的另一端安装有带座轴承，所述动滑轮安装在带座轴承上，所述带座轴承的转动轴线、动滑轮的下切线和定滑轮的上切线始终保持在同一条直线上，拉线编码器的拉线依次经过定滑轮和动滑轮拉出；所述圆盘上座的底部均匀安装有六个万向节，所述万向节与拉线编码器一一对应，拉线编码器的拉线头与对应的万向节连接。2.如权利要求1所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置，其特征在于：所述拉线编码器通过编码器支架固定在圆盘底座上，所述编码器支架为L形状的结构，编码器支架的底部和侧面均设有螺纹孔，分别用来连接固定圆盘底座和拉线编码器。3.如权利要求1所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置，其特征在于：所述动滑轮通过动滑轮支架固定在带座轴承上，滑轮支架上还安装有磁角度编码器，用来测量动滑轮支架的旋转角度。4.一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，采用如权利要求1
‑
3中任一机器人位姿测量装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将圆盘上座与被测机器人的末端固定连接；步骤二：当被测机器人运动时，动滑轮绕着转动轴线进行转动，引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度，解算被测点的空间位置信息。5.如权利要求4所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，其特征在于：所述步骤一中，定义O点为拉线编码器的出线点，A点为拉线和定滑轮的下切点，B点为拉线和定滑轮的上切点，C为拉线和动滑轮的下切点，D为拉线和动滑轮的上切点，其中O点和A点水平共线，B点与C点水平共线，B点与C点在动滑轮的转动轴线上，动滑轮的下切点位置保持不变。6.如权利要求5所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下步骤：步骤1：建立单拉线编码器的测量模型，在标定系统中建立空间坐标系；步骤2：引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度，计算圆盘上座万向节中心点在其拉线编码器对应坐标系下的位置；步骤3：根据步骤2求得的每一个拉线编码器对应的圆盘上座万向节中心点坐标，结合智能进化算法，求解圆盘上座的中心坐标系在圆盘底座的中心坐标系下的位姿。7.如权利要求6所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：在动滑轮中，在C点建立OXYZ空间直角坐标系，初始位置时，建立O
C
X
C
Y
C
Z
C
坐标系T
C
，以拉线CB为X
C
轴，垂直圆盘底座向上方向为Z
C
轴，由右手螺旋定则得Y
C
方向；初始位置时，在D点建立O
D
X
D
Y
D
Z
D
坐标系T
D
，以拉线DP方向为X
D
方向，垂直DP方向向上为Z
D
方向，由右手螺旋定则得Y
D
方向。8.如权利要求7所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法，其特征在于：所
述步骤2具体如下：用齐次变换方程计算圆盘上座万向节中心点P点在坐标系T
C
中的坐标，引入拉线包络角度α和动滑轮旋转角度β，拉线从拉线编码器出线口到动滑轮下切点C的长度记为L0，动滑轮的半径记为r，D点到...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔贵方，聂新港，刘娣，张颖，田荣佳，姚逸秋，相铁武，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：