一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统及方法技术方案

一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统及方法，测量系统包括3点位iGPS、多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标、位姿解算器，所述3点位iGPS固定安装于机械臂的驱动单元前端面的可调节安装板上，用于实时探测前端视野内靶标，多点位关节盘后端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘后断面处，多点位关节盘前端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘前断面处，多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标均朝向3点位iGPS，位姿解算器用于对探测到的靶标进行实时位姿信息解算。用于对探测到的靶标进行实时位姿信息解算。用于对探测到的靶标进行实时位姿信息解算。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统及方法，属于机械臂位姿测量领域。

技术介绍

[0002]连续型机械臂是一种可在狭小空间近乎连续运动的柔性机械臂，可用于空间卫星各类操作以及地面管道、核辐射等多种复杂、狭小空间，较传统关节型机械臂具有不可比拟的运动优势。目前，连续型机械臂如何实现高精度的运动动作及末端定位位置，主要通过两种方式，一种是通过复杂的结构和机构设计，依靠正逆运动学求解，来保证一定的重复定位精度，但这就使得机械臂设计较为复杂，对外部及任务适应性存在着一定的局限性；另一种方法是通过在关节轴上安装角度传感器，实时检测关节角度变化，能够较好的实现其闭环控制的要求，但在空间、强辐射环境下，对传感器的要求较高，无法较好的满足测量要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，复杂结构机械臂高精度运动存在局限性且难以实现高精度测量的问题，提出了一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统及方法。
[0004]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0005]一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，包括3点位iGPS、多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标、位姿解算器，所述3点位iGPS固定安装于机械臂的驱动单元前端面的可调节安装板上，用于实时探测前端视野内靶标，多点位关节盘后端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘后断面处，多点位关节盘前端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘前断面处，多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标均朝向3点位iGPS，位姿解算器用于对探测到的靶标进行实时位姿信息解算。
[0006]所述3点位iGPS包括iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三，按照预设角度安装于机械臂的驱动单元前端面的可调节安装板上，所述可调节安装板在驱动单元作用下，带动3点位iGPS向相对机械臂远离方向运动，iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三均发出不同频率且扇面角度固定的激光束。
[0007]所述多点位关节盘后端面轴向定位靶标包括后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三，分别依次布置于机械臂各关节的关节盘后断面处，任一关节的关节盘后断面处均设置有后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三。
[0008]所述多点位关节盘前端面轴向定位靶标包括前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三，分别依次布置于机械臂各关节的关节盘前断面处，任一关节的关节盘前断面处均设置有后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端
面轴向定位靶标三，与后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三安装位置轴向对应。
[0009]所述位姿解算器对iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三分别与前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三的距离进行解算，根据解算结果对前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三于全局坐标系中的位置坐标(X
i
，Y
i
，Z
i
)，并解算机械臂各关节姿态角及机械臂的空间姿态信息；
[0010]其中，全局坐标系具体为：以驱动单元前端面与关节盘连接处的圆孔圆心为原点、以过原点的水平面与驱动单元前端面相交线为X轴、以过原点的竖直平面与驱动单元前端面相交线为Y轴。
[0011]所述前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三均朝向3点位iGPS方向以实现3点位iGPS对各靶标的可视化测量。
[0012]一种机械臂空间位姿测量系统实现的测量方法，包括：
[0013]将iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三根据测量任务需求安装于可调节安装板的指定位置，安装完成后，确定iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三于全局坐标系中的位置坐标，并按照测量任务需求以不同频率发射指定扇面角度的激光束；
[0014]通过机械臂第一关节盘后端面的后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三，第一关节盘前端面的前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三接收三束激光束，通过所有靶标向位姿解算器发送各靶标接收到的iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三间构成的角度及距离；
[0015]通过位姿解算器解算各靶标与iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三间的角度及距离，并解算各靶标于全局坐标系下的坐标值(X
i
，Y
i
，Z
i
)，i为后端面或前端面靶标编号，通过各靶标与第一关节中心点的几何位置关系，解算第一关节中心点在全局坐标系的坐标值(x1，y1，z1)，并解算第一关节姿态角；
[0016]选取下一个关节，通过所选关节盘后端面的后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三，所选关节盘前端面的前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三接收三束激光束，确定各靶标与所选关节中心点几何位置关系，对所选关节中心点的坐标值及所选关节姿态角进行解算，直至机械臂所有关节参数均解算完毕，完成机械臂空间位姿测量。
[0017]进行机械臂不同关节参数解算过程中，各iGPS发射站相对所选关节位置变化不影响测量流程及测量精度。
[0018]当所选关节位置处于无法实现靶标可视化的特殊位置时，通过前一关节或后一关节的几何位置关系进行所选关节位置的推算，根据推算的位置参数进行所选关节参数解算。
[0019]所述iGPS发射站在可调节安装板的指定位置及频率根据不同测量任务需求确定，具体为：
[0020]当机械臂偏航角α、俯仰角β均小于10
°
时，iGPS发射站均布于以原点为圆心，r为半
径的圆上，且a<r<b,参数a、b的值为实测值；
[0021]当机械臂1
‑
4偏航角α、俯仰角β均小于10
°
，机械臂5
‑
8偏航角α、俯仰角β均大于10
°
，小于25
°
时，iGPS发射站均布在以原点为圆心，r为半径的圆上，且b<r<c,参数c的值为实测值；
[0022]当机械臂偏航角α、俯仰角β均大于10
°
，小于25
°
时，iGPS发射站均布在以原点为圆心，r为半径的圆上，且c<r&a本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：包括3点位iGPS、多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标、位姿解算器，所述3点位iGPS固定安装于机械臂的驱动单元前端面的可调节安装板上，用于实时探测前端视野内靶标，多点位关节盘后端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘后断面处，多点位关节盘前端面轴向定位靶标安装于机械臂各关节的关节盘前断面处，多点位关节盘后端面轴向定位靶标、多点位关节盘前端面轴向定位靶标均朝向3点位iGPS，位姿解算器用于对探测到的靶标进行实时位姿信息解算。2.根据权利要求1所述的一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：所述3点位iGPS包括iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三，按照预设角度安装于机械臂的驱动单元前端面的可调节安装板上，所述可调节安装板在驱动单元作用下，带动3点位iGPS向相对机械臂远离方向运动，iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三均发出不同频率且扇面角度固定的激光束。3.根据权利要求1所述的一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：所述多点位关节盘后端面轴向定位靶标包括后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三，分别依次布置于机械臂各关节的关节盘后断面处，任一关节的关节盘后断面处均设置有后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三。4.根据权利要求3所述的一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：所述多点位关节盘前端面轴向定位靶标包括前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三，分别依次布置于机械臂各关节的关节盘前断面处，任一关节的关节盘前断面处均设置有后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三，与后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三安装位置轴向对应。5.根据权利要求4所述的一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：所述位姿解算器对iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三分别与前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三的距离进行解算，根据解算结果对前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三于全局坐标系中的位置坐标(X
i
，Y
i
，Z
i
)，并解算机械臂各关节姿态角及机械臂的空间姿态信息；其中，全局坐标系具体为：以驱动单元前端面与关节盘连接处的圆孔圆心为原点、以过原点的水平面与驱动单元前端面相交线为X轴、以过原点的竖直平面与驱动单元前端面相交线为Y轴。6.根据权利要求5所述的一种柔性多关节机械臂空间位姿测量系统，其特征在于：所述前端面轴向定位靶标一、前端面轴向定位靶标二、前端面轴向定位靶标三及后端面轴向定位靶标一、后端面轴向定位靶标二、后端面轴向定位靶标三均朝向3点位iGPS方向以实现3点位iGPS对各靶标的可视化测量。7.一种根据权利要求6所述机械臂空间位姿测量系统实现的测量方法，其特征在于包括：
将iGPS发射站一、iGPS发射站二、iGPS发射站三根据测量任务需求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶云飞，黄玉平，周海平，郭亚星，贾龙飞，崔佩娟，蒋孟龙，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：