一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台及方法

1.本发明属于机器人测量技术领域，具体涉及一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台及方法。


背景技术：

2.目前，随着机器人在各行各业高精度的应用场合，机器人的位姿精度要求越来越高。因此，迫切需要研制机器人的标定和测量系统，以提高机器人的运行精度与节省制作成本。位姿测量是现代控制、导航、跟踪等许多领域研究的一个重要课题，要求位姿测量系统具有精度高、实时性强、安装方便等特点。
3.拉绳式位移传感器是一种用于长度测量的接触式传感器，其原理是利用柔韧性较好的拉绳将位移信号转化为传感器脉冲信号输出。拉绳式位移传感器具有结构紧凑、操作方便、测量范围大、抗干扰能力强、成本较低、分辨率高等特点而被广泛应用于机器人测量领域。
4.基于多个拉绳式位移传感器的并联测量平台是离线示教编程方式的核心部分，用于获取工件上给定的加工轨迹，其整体结构为一个六自由度并联测量平台，具有较高的重复定位精度。为避免通过机器人各级驱动关节反馈值计算馈源平台位姿时，不能反映杆件弹性变形、铰链间隙引入的馈源平台误差，有人提出一种基于线驱动并联机构的馈源平台6自由度位姿直接测量方法，研究了测量系统的数学模型，利用机构构型的特点简化了线驱动并联机构的位姿正解算法。数值仿真结果表明：基于线驱动并联机构6自由度位姿测量系统具有误差平均效应，通过拉绳连接点优化布局能够达到 0.5mm和0.025
°
的测量精度。
5.基于多个拉绳式位移传感器的并联机构运动学问题包括正解问题和逆解问题，运动学问题是并联机构研究的基础。由于并联机构的复杂性，位姿正解需要对多元非线性方程进行求解，相对于逆解来说比较复杂，对并联机构运动学的研究也主要集中于此，主要存在数据处理过程繁琐、效率低，且定位精度较低的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台及方法，解决现有技术中基于多个拉绳式位移传感器的并联机构的运动学问题正解数据处理过程繁琐、效率低，且定位精度较低的技术问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：
8.一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台，包括静平台、动平台和控制终端。
9.所述静平台包括底盘，底盘上沿周向固定设置有2n个拉绳式位移传感器，n为大于等于3的正整数。
10.所述动平台包括上盘，上盘设置在可移动的载体上，每个拉绳式位移传感器的拉绳与上盘连接，2n个连接点沿上盘周向分布，且位于第一个圆的圆周上；2n个拉绳式位移传感器的拉绳出绳点均位于第二个圆的圆周上；拉绳式位移传感器与控制控制终端电性连
接。
11.进一步优化，每个拉绳式位移传感器通过支架与底盘固定连接。
12.进一步优化，所述拉绳式位移传感器的数量为六个，相邻两个拉绳式位移传感器作为一组，三组拉绳式位移传感器沿底盘的周向均匀分布；相应的，相邻两个连接点为一组，三组连接点沿上盘的周向均匀分布。
13.进一步优化，每组拉绳式位移传感器中，两个拉绳式位移传感器出绳点之间圆弧所对应的圆心角为18
°
；每组连接点中，两个连接点之间的圆弧对应的圆心角为18
°
。
14.基于上述仿六自由度并联机器人位姿测量平台的测量方法，包括如下步骤：
15.s1：载体带动上盘移动至底盘正上方，即第一个圆的圆心和第二个圆的圆心同轴；然后建立直角动坐标系o-xyz和直角静坐标系o'-x'y'z'；其中，o'为第二个圆的圆心，o 为当前第一个圆的圆心所在位置，平面xoy与上盘平行，平面x'o'y'与底盘平行，动坐标系和静坐标系中相对应的各坐标轴方向一致；并测量出每个出绳点在静坐标系中的坐标值bi和每个连接点在动坐标系中的坐标值ai；
16.s2：载体带动上盘一起移动到目标位置，通过载体自带的位置测量系统得出目标位置的位姿初始值向量p0；通过拉绳式位移传感器读出每个拉绳准确的长度l
0i
，所有的l
0i
构成向量l0；i＝1，2，3，
……
，6；
17.s3：根据l1＝r1m oo'-s；求得第一次计算绳长l
1i
，所有的l
1i
构成向量l1；
18.其中，s表示所有连接点在动坐标系内的坐标值构成的向量；m为各出绳点在静坐标系内的坐标值构成的向量；oo'为动坐标系原点o在静坐标系中的坐标值构成的向量； r1为动平台旋转矩阵，其表达式为：
[0019][0020]
式中cα表示cosα，sα表示sinα，其他同理；α、β、γ分别为动平台的航向角、俯仰角以及横滚角，α、β、γ的初始值由p0可知；
[0021]
将l1中每个绳长的第一次计算数值l
1i
与l0中每个绳长的真实值l
0i
进行相减得到δl
1i
，所有的δl
1i
构成向量
△
l1；
[0022]
令将a
1i
与预设值q进行比较，当所有的a
1i
均小于预设值q，则为p1目标位置的精确位姿向量，否则进行步骤s4；
[0023]
s4：求解此时的雅可比矩阵：
[0024][0025]
其中，f
(k-1),i
＝|r
k-1
mi oo'-si|，x,y,z,α,β,γ为目标位置姿态的六个变量；oo'为此时第一个圆的圆心在静坐标系中的坐标(x，y，z)，α、β、γ表示此时动平台的航向角、俯仰角以及横滚角；k为大于等于2的正整数；
[0026]
求得第k-1次修正后目标位置的位姿差向量
△
p
k-1
，以及第k-1次修正后的目标位置位姿向量p
k-1
；
[0027]
△
p
k-1
＝j
k-1
*
△
lk-1，p
k-1
＝p
k-2

△
p
k-1
；
[0028]
根据p
k-1
得出rk，然后带入lk＝rkm oo'-s；求得第k次计算绳长l
ki
，构成向量lk；将 lk中每个绳长的第k次计算数值l
ki
与l0中每个绳长的真实值l
0i
进行相减得到δl
ki
，所有的δ l
ki
构成向量
△
lk；
[0029]
令将a
ki
与预设值q进行比较，当所有的a
ki
均小于预设值q，则p
k-1
为目标位置的精确位姿向量，否则继续下一次迭代计算。
[0030]
进一步优化，所述q为0.001。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0032]
本发明与传统接触式测量系统三坐标测量平台等相比，结构简单，且测量计算时间短，能得到待测物体的实时位姿信息；与结构光，双目相机等非接触式测量系统相比，精度高，稳定性好，且不需要点云处理等繁琐的过程，数据处理系统简单高效，抗干扰能力强。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明所述仿六自由度并联机器人位姿测量平台的结构示意图；
[0035]
图2为本发明所述静平台的结构示意图；
[0036]
图3为本发明以所述测量平台建立的直角坐标系示意图；
[0037]
图4为本发明所述测量方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
实施例一：
[0040]
如图1、2所示，一种仿六自由度并联机器人位姿测量平台，包括静平台、动平台和控制终端。
[0041]
所述静平台包括底盘1，底盘1上沿周向固定设置有6个拉绳式位移传感器2，
[0042]
所述动平台包括上盘3，上盘3设置在可移动的载体上，每个拉绳式位移传感器2的拉绳5与上盘连接，6个连接点4沿上盘3周向分布，且位于第一个圆的圆周上；6个拉绳式位移传感器2的拉绳5出绳点均位于第二个圆的圆周上；相邻两个拉绳式位移传感器2作为一组，三组拉绳式位移传感器沿底盘1的周向均匀分布；相应的，相邻两个连接点4为一组，三组连接点沿上盘3的周向均匀分布。每组拉绳式位移传感器中，两个拉绳式位移传感器出绳点之间圆弧所对应的圆心角为18
°
；每组连接点中，两个连接点之间的圆弧对应的圆心角为18
°
。拉绳式位移传感器2与控制控制终端电性连接。
[0043]
在本实施例中，每个拉绳式位移传感器2通过支架6与底盘1固定连接。
[0044]
在其他实施例中，拉绳式位移传感器的数量可以为8、10或12等，根据具体需要而定。
[0045]
实施例二：
[0046]
如图3、4所示，基于上述仿六自由度并联机器人位姿测量平台的测量方法，包括如下步骤：
[0047]
s1：载体带动上盘移动至底盘正上方，即第一个圆的圆心和第二个圆的圆心同轴；然后建立直角动坐标系o-xyz和直角静坐标系o'-x'y'z'；其中，o'为第二个圆的圆心，o 为当前第一个圆的圆心所在位置，平面xoy与上盘平行，平面x'o'y'与底盘平行，动坐标系和静坐标系中相对应的各坐标轴方向一致，如图3所示；并测量出6个出绳点在静坐标系中的坐标值bi，具体如下：
[0048]
b1＝[117.2410，117.2410，0]；
[0049]
b2＝[42.4914，159.8616，0]；
[0050]
b3＝[-159.2468，41.3938，0]；
[0051]
b4＝[-158.5551，-44.4017，0]；
[0052]
b5＝[45.1408，-160.0705，0]；
[0053]
b6＝[118.9923，-116.3037，0]；
[0054]
6个连接点在动坐标系中的坐标值ai；
[0055]
a1＝[24.15，6.47，0]；
[0056]
a2＝[-6.47，24.15，0]；
[0057]
a3＝[-17.67，17.67，0]；
[0058]
a4＝[-17.67，-17.67，0]；
[0059]
a5＝[-6.47，-24.15，0]；
[0060]
a6＝[24.15，-6.47，0]；
[0061]
s2：载体带动上盘一起移动到目标位置，通过载体自带的位置测量系统得出目标位置的位姿初始值向量p0＝[-200，50，-300，0.03，-0.1，-0.20]，载体自带的位置测量系统测得位姿精度较低，需要通过本发明所述测量平台进行计算修正。通过拉绳式位移传感器读出每个拉绳准确的长度l
0i
，所有的l
0i
构成向量l0＝[339.971，340.554，414.041，428.891，445.836，431.302]；
[0062]
s3：根据l1＝r1m oo'-s；求得第一次计算绳长l
1i
，所有的l
1i
构成向量l1；
[0063]
l1＝[313.2833，315.0478，406.2284，422.0111，446.7499，429.0789]；将l1中每个绳长的第一次计算数值l
1i
与l0中每个绳长的真实值l
0i
进行相减得到δl
1i
，所有的δl
1i
构成向量
[0064]
△
l1＝[26.6877，25.5062，7.8126，6.8799，-0.9139，2.2231]；
[0065]
其中，s表示6个连接点在动坐标系内的坐标值构成的向量；m为6个出绳点在静坐标系内的坐标值构成的向量；oo'为动坐标系原点o在静坐标系中的坐标值构成的向量； r1为动平台旋转矩阵，其表达式为：
[0066][0067]
式中cα表示cosα，sα表示sinα，其他同理；α、β、γ分别为动平台的航向角、俯仰角以及横滚角，α、β、γ的初始值由p0可知；
[0068]
令将a
1i
与预设值0.001进行比较，大于0.001，不满足精度要求。
[0069]
s4：进行第二次迭代计算：
[0070]
求解此时的雅可比矩阵：
[0071][0072][0073]
其中，f
1i
＝|r1mi oo'-si|，x,y,z,α,β,γ为目标位置姿态的六个变量；oo'为此时第一个圆的圆心在静坐标系中的坐标(x，y，z)，α、β、γ表示此时动平台的航向角、俯仰角以及横滚角；
[0074]
求得第一次修正后目标位置的位姿差向量
△
p1，以及第一次修正后的目标位置位姿向量p1；
[0075]
△
p1＝j1*
△
l1，p1＝p0
△
p1；
[0076]
p1＝[-166.6489，35.8398，-337.9716，-0.0044，-0.0526，-0.1587]；
[0077]
根据p1计算得出r2，然后带入l2＝r2m oo'-s；求得第二次计算绳长l
2i
，构成向量 l2；将l2中每个绳长的第二次计算数值l
2i
与l0中每个绳长的真实值l
0i
进行相减得到δ l
2i
，所有的δl
2i
构成向量
△
l2；
[0078]
l2＝[342.9251，342.7988，416.4492，432.5969，449.8150，435.0557]；
[0079]
△
l2＝[-2.9541，-2.2448，-2.4082，-3.7059，-3.9790，-3.7537]；
[0080]
令将a
2i
与预设值0.001进行比较，大于0.001，不满足精度要求。
[0081]
s5：进行第三次迭代计算：
[0082]
根据p1得出的动平台旋转矩阵r2，求得f
2i
＝|r2mi oo'-si|，并求解此时雅可比矩阵 j2：
[0083][0084]
求得第二次修正后目标位置的位姿差向量
△
p2，以及第二次修正后的目标位置位姿向量p2，
△
p2＝j2*
△
l2，p2＝p1
△
p2；
[0085]
p2＝[-166.6489，35.8398，-337.9716，-0.0044，-0.0526，-0.1587]；
[0086]
根据l3＝r3m oo'-s，求得第3次计算绳长l
3i
，构成向量l3；将l3中每个绳长的第二次计算数值l
3i
与l0中每个绳长的真实值l
0i
进行相减得到δl
3i
，所有的δl
3i
构成向量
△
l3；
[0087]
l3＝[339.9782，340.5537，414.0329，428.9020，445.8519，431.3113]；
[0088]
△
l3＝[-0.0072，0.0003，0.0081，-0.0110，-0.0159，-0.0093]；
[0089]
令将a
3i
与预设值0.001进行比较，小于预设值0.001，满足精度要求，则 p2＝[-166.6489，35.8398，-337.9716，-0.0044，-0.0526，-0.1587]为目标位姿的精确值。
[0090]
在其他实施中，用于终止迭代的预设值q可以根据具体精度要求而定。或者采用迭代中出现的其他一个或多个值来确定，例如:
[0091]
当只对位置精度要求高值时采用
△
pk中的前三项的构成的向量[
△
xk，
△
yk，
△ꢀ
zk](即位置差向量)的膜或者
△
xk，
△
yk，
△
zk三个值之和，平均数等其他形式确定精度，当该值达到精度要求时终止迭代。
[0092]
当只对姿态精度要求高值时采用
△
pk中的后三项的构成的向量[
△
α，
△
β，
△
γ](即姿态差向量)的膜或者
△
α，
△
β，
△
γ三个值之和，平均数等其他形式确定精度，当该值达到精度要求时终止迭代。
[0093]
当有其他精度要求时，也可采用迭代中出现的值，通过二次计算得到的值，或者单纯采用迭代次数来作为终止迭代的变量。
[0094]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明 技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明 的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。