[发明专利]一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法

摘要

本发明提出一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法，属于大型零部件装配控制技术领域。该方法首先搭建由激光跟踪仪，机械臂和计算机组成的多轴孔自动化对准系统，将带轴部件安装在机械臂端面；分别建立带轴部件坐标系和带孔部件坐标系，得到两个坐标系间的旋转矩阵和平移向量；在带轴部件上安装4个不共线的反射靶球，计算每个靶球对应的目标位置；获取机械臂的初始的雅可比矩阵；从初始位置开始，通过迭代控制机械臂的运动，使得带轴部件逐渐靠近带孔部件，当4个反射靶球到达目标位置时，完成带轴部件和带孔部件的对准。本发明利用激光跟踪仪的测量数据闭环控制机械臂的运动，可实现多轴孔高精度自动化对准，提高装配效率和鲁棒性。

主权项

1.一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)搭建多轴孔自动化对准系统；所述多轴孔自动化对准系统包括：一台激光跟踪仪，一个机械臂和一台计算机；所述激光跟踪仪与机械臂分别与计算机连接；2)选取待对准的带孔部件和带轴部件，其中带孔部件具有N个孔，带轴部件具有N个轴，N大于等于3；令带孔部件固定不动，将带轴部件安装在机械臂的端面，令当前位置为初始位置；3)在带孔部件中选取任意三个不共线的孔建立带孔部件坐标系W1；具体步骤如下：3‑1)在带孔部件用于建立带孔部件坐标系的三个孔的孔壁上，分别用激光跟踪仪的球形反射靶球或T‑Prob的测量头上的球形红宝石紧贴每个孔壁并利用激光跟踪仪测量对应的球心坐标；测量时，每次选取孔壁上的一个点，每个孔壁上共测量P个不同点，P大于等于5，根据每个孔壁上选取的所有点的测量结果通过最小二乘法拟合对应孔壁的圆柱面，得到每个孔壁圆柱面的轴线即为对应孔的孔轴线，最终得到三个孔分别对应的轴线方程；3‑2)在带孔部件的孔端面任意选取M个不共线的点，M大于等于3，将激光跟踪仪的球形反射靶球或T‑Prob的测量头上的球形红宝石放置在每个点上并利用激光跟踪仪测量对应的球心坐标；利用每个点测量的球心坐标通过最小二乘法拟合带孔部件的孔端面平面得到初始孔端面平面方程，对初始孔端面平面方程沿平面法向向端面偏移靶球半径或球形红宝石半径的距离得到带孔部件孔端面的平面方程；3‑3)分别计算带孔部件用于建立带孔部件坐标系的三个孔的轴线和孔端面的交点，得到三个交点，用三个交点建立带孔部件坐标系W1；4)在带轴部件中选取与建立带孔部件坐标系的三个孔对应的三个轴建立带轴部件坐标系W2；具体步骤如下：4‑1)在带轴部件中选取与建立带孔部件坐标系的三个孔对应的三个轴，重复步骤3‑1)，得到带轴部件三个轴的轴线方程；4‑2)重复步骤3‑2)，在带轴部件的轴端面任意选取L个不共线的点，L大于等于3，利用L个不共线的点的测量结果拟合带轴部件轴端面平面，得到带轴部件轴端面的平面方程；4‑3)分别计算带轴部件用于建立带轴部件坐标系的三条轴线和轴端面的三个交点，建立带轴部件坐标系W2；5)根据带孔部件坐标系W1和带轴部件坐标系W2分别计算两坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；其中，T＝O1‑O2‑[D 0 0]T式中，O1为坐标系W1的原点坐标列向量，O2为坐标系W2的原点坐标列向量，D为偏置距离；R＝[X1 Y1 Z1][X2 Y2 Z2]‑1式中，X1为W1中X轴的方向列向量，Y1为W1中Y轴的方向列向量，Z1为W1中Z轴的方向列向量，X2为W2中X轴的方向列向量，Y2为W2中Y轴的方向列向量，Z2为W2中Z轴的方向列向量；6)在带轴部件上安装4个不共线的反射靶球，根据旋转矩阵R和平移向量T计算带轴部件上安装的4个反射靶球分别对应的目标位置；设四个反射靶球在初始位置坐标分别为p1、p2、p3、p4，该4个反射靶球的目标位置分别为p′1、p′2、p′3、p′4，则：p′i＝Rpi+T i＝1～47)获取机械臂的初始雅可比矩阵；从初始位置开始，通过迭代控制机械臂的运动，使得带轴部件逐渐靠近带孔部件，最终实现带轴部件和带孔部件的对准；具体步骤如下：7‑1)令机械臂通过六次独立的试探运动得到一个初始雅可比矩阵J₀，具体做法为：每次运动机械臂的一个自由度，设第i个自由度的运动量为Δα_i，则机械臂第i个自由度的运动导致的4个靶球坐标向量改变量分别为令则：7‑2)从初始位置开始，通过迭代控制机械臂的运动，使得带轴部件逐渐靠近带孔部件，最终实现带轴部件和带孔部件的对准；具体步骤如下：7‑2‑1)计算4个反射靶球在第k步迭代中期望实现的坐标增量ΔPk：ΔPk＝λ(P′‑Pk)其中，P′为4个反射靶球的目标位置坐标向量，P_k为4个反射靶球第k步迭代时的坐标向量，P_ik为第i个靶球在第k步迭代时的坐标，λ是用来控制机械臂运动范围的步长系数，λ＜1；7‑2‑2)利用第k‑1步迭代时估计的第k步迭代的雅可比矩阵计算机械臂各关节在第k步迭代时的增量；表达式如下：其中，Δθ_k为第k步迭代时机械臂各个关节运动的增量，是第k‑1步迭代时估计的第k步迭代的雅可比矩阵；7‑2‑3)根据步骤7‑2‑2)的计算结果，控制机械臂按照Δθk实现各关节对应的运动增量；利用卡尔曼滤波算法估计第k+1步迭代的雅可比矩阵，表达式如下：其中是第k步迭代后反射靶球实际坐标增量；7‑2‑4)重复步骤7‑2‑1)至7‑2‑3)，直到4个反射靶球到达对应的目标位置，从而实现带轴部件与带孔部件的对准。