[发明专利]一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法

说明书

技术领域

本发明利用分离式的距离测量单元，完成合作目标点对的距离跟踪测量，再利用上述点对在各自刚体局部坐标系下坐标，进行刚体相对位姿的跟踪测量，属于针对大尺寸部件的测量辅助装配领域。

背景技术

在航空、航天、船舶领域，其产品通常尺寸大，精度要求高，工艺复杂。大部件装配作为生产过程中的关键步骤，其首要任务是确定被装配部件之间的相对位姿，需要大尺度空间测量技术的支持。传统测量技术的实质是比较测量，即通过模拟量的比较，使用标准量具反映被测物体的几何尺寸、形状，这类测量方法已逐渐不能满足要求越来越高的大尺度测量需求。因此开发面向大部件装配过程的高精度数字化测量系统有着重要的理论意义和应用价值。

目前常用的测量仪器有激光跟踪仪、iGPS、视觉测量、三坐标测量机、激光雷达等，其测量实质是获取目标点在参考坐标系下的三维坐标，再根据相应关系进行位姿拟合。这些测量方式均需引入额外的参考坐标系，相对位姿获取方式不直接；在计算结果时还会涉及测量值在多个坐标系下的复杂转换，引入不必要的误差；当待测物体巨大时，很难用一台设备覆盖所有目标点，采用多台设备联合使用时，又会涉及转站问题；在待测物体处于运动状态时，上述部分仪器失效，不能做到跟踪测量；而且这些仪器往往造价较贵，在恶劣工况下的适用性将会下降。

利用合作点对距离解算部件相对位姿可以解决上述问题，然而涉及复杂的非线性方程组求解，常见的解算方法有数值法、解析法。数值法的数学模型比较简单，在只要求有一个实解并且有较好初值的大多数情况下，直接借助于非线性方程的求解算法，具有计算速度上的优势，并且省去了繁琐的数学推导。但这种方法不能求得所有位置解，数值迭代的次数无法事先确定，因而求解计算时间无法预测。解析法通过消元，从一组约束方程中消去未知变量，形成一个单变量的多项式方程。该一元多项式方程的实根就是所有可能的位姿。这种方法的优点是：1)可以得到所有的解；2)可以定量分析输入误差对输出的影响；3)可以避开奇异位置。缺点是：1)消元过程非常复杂，可能会引入虚根；2)大多数方法产生的多项式的阶数大于等于8。

利用若干合作点对距离解算部件相对位姿属于运动学正解问题，目前国内外针对运动学正解的研究多应用于并联机构移动端位姿的解算，文献“Forward displacement analysis of general six-in-parallel sps(Stewart)platform manipulators using soma coordinates”利用Soma坐标证明了一般Stewart并联机器人存在40组非奇异解(Wampler C W.Mechanism&Machine Theory,1996,31(3):331-337.)文献“Delta型并联机器人运动学正解几何解法”应用运用空间几何学及矢量代数的方法建立了三自由度Delta型并联机器人的简化运动学模型，实现了更为简化的并联机器人运动学正解(赵杰,朱延河,蔡鹤皋.哈尔滨工业大学学报,2003,35(1):25-27.)；文献“基于径向基函数神经网络的并联机器人运动学正问题”应用径向基函数神经网络的算法,利用最近邻聚类方法获得径向基函数中心,求解并联机器人运动学正解问题(宋伟刚,张国伟.东北大学学报(自然科学版),2004,25(4):386-389.)；文献“基于遗传算法的并联机器人运动学正解研究”应用采用遗传算法，并且利用灰色关联分析对求解结果进行分组,得到并联机器人的7组实解(王朋,段志善,贺利乐,等.机械科学与技术,2005,24(8):956-959.)。在上述问题中，合作点对的位置存在于同一平面，且存在特殊的固定关系，而且尺度并不大，而本发明将运动学正解问题推广到基于多合作点对距离的大部件相对位姿测量领域中。

发明内容

本发明为解决大部件装配过程中相对位姿跟踪测量的问题，面向实际工程应用，合理地设计了测量系统的软硬件部分，利用分离式距离测量单元，发射端与接收端分别于两个刚体的对接面上相对安装，且安放位置在各刚体坐标系下坐标作为先验知识已知，再利用机器人提前标定测距信号收发点在测距设备坐标系下的坐标，利用多组(≥6)测量单元获取多个合作点对的距离，距离数据通过无线方式传到上位机，上位机利用面向实际工况开发的专用软件，执行位姿解算算法，刚体的相对位姿最终以三维模型的方式展示在上位机，引导相应作业过程，最终提出了一种基于多合作点对距离的大部件相对位姿跟踪测量方法，包括以下主要内容：