[发明专利]工业机器人位姿的四靶球组合测量装置及方法

摘要

本发明提供一种工业机器人位姿的四靶球组合测量装置及方法，所述方法包括工业机器人位姿测量硬件、工业机器人位姿测量流程、工业机器人位姿求解流程；所述的工业机器人位姿测量硬件按照工业机器人位姿测量流程的指示进行测量，测量的结果传输至工业机器人位姿求解流程进行工业机器人位姿的直接解算，最后得到低测量不确定度的工业机器人位姿测量结果。本发明的工业机器人位姿的四靶球组合测量装置及方法可实现简单、低测量不确定度的工业机器人位姿测量，能够广泛应用于位姿测量领域。

主权项

1.一种工业机器人位姿的四靶球组合测量方法，其特征在于：所述的四靶球组合测量方法使用的装置包括激光跟踪仪与控制器连接电缆(1)、激光跟踪仪三角架(2)、激光跟踪仪(3)、配重块(8)、激光跟踪仪控制器(11)、四靶球测量装置；所述的激光跟踪仪(3)通过激光跟踪仪三角架(2)固定支撑；所述的激光跟踪仪控制器(11)通过激光跟踪仪与控制器连接电缆(1)与激光跟踪仪(3)连接；计算机(13)通过控制器与计算机连接电缆(12)与激光跟踪仪控制器(11)连接；所述的配重块(8)为圆柱体，配重块(8)与待测工业机器人(9)的机器接口固定连接，为待测的工业机器人位姿测试提供所需的额定负载；所述四靶球测量装置与配重块(8)固定连接；所述的四靶球测量装置包括靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)、靶座Ⅰ(15)、靶座Ⅱ(14)、靶座Ⅲ(17)、靶座Ⅳ(16)；所述的靶座Ⅰ(15)、靶座Ⅱ(14)、靶座Ⅲ(17)、靶座Ⅳ(16)为具有磁性的金属器件；所述的靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)通过磁力分别与靶座Ⅰ(15)、靶座Ⅱ(14)、靶座Ⅲ(17)、靶座Ⅳ(16)紧固连接；所述的靶座Ⅰ(15)、靶座Ⅱ(14)、靶座Ⅲ(17)、靶座Ⅳ(16)分别与配重块(8)的连接；所述的靶球Ⅰ(6)的球心位于工业机器人(9)工具中心点，靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)均布于圆心在配重块(8)轴线上的圆上；所述的激光跟踪仪(3)发射的激光对准四靶球测量装置中靶球球心，进行四靶球测量装置中靶球坐标测量；所述的四靶球组合测量方法，包括以下步骤：S1、通过待测工业机器人(9)的控制器，将靶球Ⅰ(6)球心设置为待测工业机器人(9)工具中心点；S2、通过待测工业机器人(9)的控制器，采用离线编程或者示教方式设置待测工业机器人(9)在运行起点与终点处的位置和姿态；S3、控制待测工业机器人(9)按照设定程序依次通过起点与终点，并使其停留时间达到激光跟踪仪(3)对靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的坐标进行测量所需时间；S4、利用激光跟踪仪(3)对靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的坐标进行测量，分别得到靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的起点坐标和终点坐标，并通过激光跟踪仪控制器(11)将靶球Ⅰ(6)、靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的起点坐标和终点坐标传递给计算机(13)，利用计算机(13)中的工业机器人位姿求解流程，进行待测工业机器人(9)的位置和姿态求解；所述的工业机器人位姿求解流程，包括以下步骤：F1、利用靶球Ⅰ(6)位于待测工业机器人(9)工具中心点性质，将靶球Ⅰ(6)的起点坐标和终点坐标作为待测工业机器人(9)的位置坐标，进行待测工业机器人(9)位置的直接测量，得到待测工业机器人(9)的起点位置和终点位置；F2、利用靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的起点坐标构造虚拟点Ⅰ(18)的起点坐标，利用靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的终点坐标构造虚拟点Ⅰ(18)的终点坐标，虚拟点Ⅰ(18)位于靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)所在圆的圆心；F3、将虚拟点Ⅰ(18)的起点坐标在靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的起点坐标构成的平面的法向方向平移，构建虚拟点Ⅱ(19)的起点坐标；将虚拟点Ⅰ(18)的终点坐标在靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)的终点坐标构成的平面上平移，构建虚拟点Ⅱ(19)的终点坐标；F4、利用靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)与虚拟点Ⅱ(19)的相对坐标构建姿态计算所需测量矩阵A：其中，(x_{起点，靶球Ⅱ}, y_{起点，靶球Ⅱ}, z_{起点，靶球Ⅱ})、(x_{起点，靶球Ⅲ}, y_{起点，靶球Ⅲ}, z_{起点，靶球Ⅲ})、(x_{起点，靶球Ⅳ}, y_{起点，靶球Ⅳ}, z_{起点，靶球Ⅳ})、(x_{起点，虚拟点Ⅱ}, y_{起点，虚拟点Ⅱ}, z_{起点，虚拟点Ⅱ})为靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)、虚拟点Ⅱ(19)的起点坐标；F5、在获得测量矩阵A基础上，利用靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)、虚拟点Ⅱ(19)的终点坐标，对待测工业机器人(9)的起点姿态和终点姿态进行直接求解：其中，R_x、R_y、R_z为待测工业机器人(9)的姿态，A_ij为测量矩阵A的余子式，(x_{终点,靶球2}, y_{终点,靶球2}, z_{终点,靶球2})、(x_{终点,靶球3}, y_{终点,靶球3}, z_{终点,靶球3})、(x_{终点,靶球4}, y_{终点,靶球4}, z_{终点,靶球4})、(x_{终点，虚拟点Ⅱ}, y_{终点，虚拟点Ⅱ}, z_{终点，虚拟点Ⅱ})为靶球Ⅱ(4)、靶球Ⅲ(5)、靶球Ⅳ(7)、虚拟点Ⅱ(19)的终点坐标。