一种柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置与方法

1.本发明属于空间运动机构测量的技术领域，特别是涉及一种柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置与方法。


背景技术：

2.现有技术中，多关节机器人含有若干经关节连接的连杆，工程师通过驱动器控制关节移动或转动可使机器人末端机构达到期望的位姿，进而与环境交互，完成工程师给定的工作。在已知机器人准确的某一时刻位姿的前提下，在解算机中将人们期望的末端机构位姿代入逆运动学方程解算出连杆长度和关节变量，再输入控制器中控制驱动器使关节产生相应的线位移或角度，才能使机器人末端机构运动到下一时刻的期望位姿。可见，对机器人的末端机构位姿进行准确的计算在机器人领域中尤为重要。实现机器人末端机构位姿多自由度测量是准确计算机器人运动轨迹、提高运动精度的关键。搭建末端机构传感器进行末端机构位姿计算无疑是一个有效的解决方法。
3.但是目前国内单个传感器能够检测的自由度有限，仅搭载单个传感器不能准确地对机器人末端机构位姿进行测量，由此现有技术中有搭载多个激光测距仪和相机组合来对机器人末端机构位姿进行多自由度测量的技术方案，但是技术方案需要使用不同种类的装置并高度依赖相机拍摄精度，存在测量算法复杂且测量结果不够准确等问题。


技术实现要素：

4.为解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置与方法，在机器人末端机构上搭载多个激光传感器，不依赖视觉识别工具能够一次性测量末端机构高度和绕x、y轴的角度，测量效率高，有利于准确快速地反馈机器人末端机构的实时信息，便于空间运动机构实现全闭环控制。
5.一方面，本发明实施例提供一种柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置，包括机架、驱动关节、柔性梁、位移引导机构、末端机构及激光传感器组；激光传感器组安装在末端机构上；驱动关节安装在机架上；
6.位移引导机构设置在机架上，位移引导机构上设有供柔性梁经过的间隙；位移引导机构用于引导柔性梁的运动方向，稳定柔性梁的姿态；
7.柔性梁设有多根，柔性梁一端被驱动关节夹持，另一端与末端机构连接；在驱动关节的驱动下，每根柔性梁在受到驱动关节对它的摩擦力和末端机构对它的压力作用下发生弯曲变形，带动末端机构产生三维运动。
8.优选地，所述位移引导机构为轴承支架，轴承支架包括第一轴承、第二轴承及支架，第二轴承与第一轴承均安装在支架上，第一轴承位于第二轴承的下方；第二轴承与第一轴承的轴线平行，并在第二轴承与第一轴承之间留有可让柔性梁经过的间隙。进一步优选地，第一轴承的半径小于第二轴承的半径。
9.优选地，驱动关节包括电机、电机支架、挤压支架、轴承和进料齿轮；
10.电机支架包括相垂直的第一安装面和第二安装面，第一安装面上固定电机，第二安装面与机架连接；挤压支架设有两个，且均固定在电机支架的第一安装面上，两个挤压支架的内侧之间固定有轴承和进料齿轮；进料齿轮与电机的输出端连接，进料齿轮与所述轴承之间留有柔性梁经过的间隙。
11.进一步地，每个挤压支架的外侧分别固定有接头，所述接头内部固定有软管，软管与接头的轴线重合并经过进料齿轮与所述轴承之间的间隙；接头套设于柔性梁的末端。
12.另一方面，本发明实施例还提供一种柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量方法，包括如下步骤：
13.在末端机构没有绕x、y轴的角度时，激光传感器组中各个激光传感器的测量值相等，利用机架高度和测量值作差解算出末端机构相对机架底面的高度h，其表达式如下：
14.h＝h-di15.其中，h是机架高度，di是各激光传感器的测量值，i为激光传感器的序号；
16.控制末端机构绕x轴和y轴转动，记录激光传感器的测量值；
17.分别以机架底面正方形的中心o和末端机构的中心o为原点，建立基坐标系o-xyz和动坐标系o-xyz，对于动坐标系，定义绕其坐标轴的角度的正负，正负只代表方向，从坐标轴的正方向看，设绕x轴的角度为α，绕y轴的角度为β，取逆时针的角度为正；
18.将末端机构绕x轴和y轴旋转的角度分为八种情况；α和β的正负情况分别为： ，-； ， ；-， ；-，-；0，-；0， ； ，0；-，0；
19.在不同的情况中，将末端机构、激光发射点、激光、顶板分别投影到动坐标系的坐标平面上，通过作水平线构造出直角三角形，利用反正切函数解算出绕x轴和y轴的角度，进一步推导出h的表达式；
20.通过测量值的大小变化，获得末端机构的z轴方向上的平移量和绕x、y轴的旋转量。
21.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
22.1、本发明不依赖视觉识别工具能同时测量z轴方向上的平移量，以及绕x、y两个轴上的转动量，共三个自由度，测量效率高。
23.2、本发明采用激光传感器进行测量的方式，属于非接触式的测量，不依赖其他部件的精度，也不会影响到末端机构的运动。
24.3、本发明的测量精度由单一类型传感器精度决定，本发明优选使用激光传感器具有微米级分辨率，测量装置整体精度高。
25.4、本发明的解算算法简洁，解算耗时短，能提高测量反馈速度，可较好地提高全闭环运动控制的实时性，便于空间运动机构实现全闭环控制。
附图说明
26.图1是本发明实施例中柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置的结构示意图；
27.图2是本发明实施例中轴承支架的结构图；
28.图3是本发明实施例中驱动关节的结构图；
29.图4为本发明实施例中搭载四个激光位移传感器的末端机构的俯视图；
30.图5是本发明实施例中该空间运动机构的等效模型图；
31.图6是本发明实施例中末端机构、激光、顶板的几何投影关系图。
具体实施方式
32.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本发明，而不是限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。
33.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
35.实施例
36.如图1所示，本实施例中柔性细杆驱动的空间并联机器人末端测量装置，包括顶板1、机架2、驱动关节4、柔性梁5、末端机构6及激光传感器组7。
37.顶板安装在机架顶部，用于反射激光位移传感器组发射的光斑，在本实施例中顶板优选为非黑色材料，保证激光传感器的测量范围不会因材质反射率而衰减；驱动关节安装在机架四角，用于夹持柔性梁；柔性梁一端被驱动关节夹持，另一端与末端机构连接；所述末端机构的侧面安装有激光传感器组。
38.在一些实施例中，如图2所示，测量装置还包括安装在机架上的轴承支架3，轴承支架包括第一轴承301、第二轴承302及支架303，第一轴承的半径小于第二轴承的半径。第二轴承与第一轴承采取上下布局的方式，均安装在支架上，第一轴承位于第二轴承的下方；第二轴承与第一轴承的轴线平行，并在第二轴承与第一轴承之间留有可让柔性梁经过的间隙。所述轴承支架用于引导柔性梁的位移方向，能够稳定柔性梁的姿态。
39.在一些优选实施例中，机架还设有伸出端，顶板底部固定在机架的伸出端上，轴承支架固定在机架伸出端支承面的转角处，且多个轴承支架对称布置。
40.在本实施例中，利用驱动关节可控制柔性梁相对于驱动关节的轴向位移。初始时刻，末端机构位于工作空间的中心。由于驱动关节对柔性梁有摩擦作用，可利用驱动关节对柔性梁的摩擦力来驱动柔性梁；柔性梁的另外一端受到末端机构的压力，该压力来源于两个方面，一个是末端机构的自身重量而引起的压力，另一个是末端机构阻碍柔性梁恢复原来形状的压力。因此，本实施例的测量装置在工作空间内，每根柔性梁在受到驱动关节对它的摩擦力和末端机构对它的压力作用下发生弯曲变形，每根柔性梁的弯曲程度一致，柔性梁上的各个弯曲单元均位于同一平面内。
xyz和动坐标系o-xyz。对于动坐标系，定义绕其坐标轴的角度的正负，正负只代表方向。从坐标轴的正方向看，设绕x轴的角度为α，绕y轴的角度为β，取逆时针的角度为正；
53.s4、将末端机构绕x轴和y轴旋转的角度分为八种情况。α和β的正负情况分别为： ，-； ， ；-， ；-，-；0，-；0， ； ，0；-，0；
54.s5、在不同的情况中，将末端机构、激光发射点、激光、顶板分别投影到动坐标系的坐标平面上，通过作水平线构造出直角三角形，利用反正切函数解算出绕x轴和y轴的角度，进一步推导出h的表达式。
55.在本实施例中，在α为正，β为负的情况下，将末端机构、激光发射点、激光、顶板分别投影到yoz面和xoz面上，得到它们之间的几何投影关系；其中，c1、c2、c3、c4是与测量值编号相对应的激光发射投影点，e1、e2、e3、e4是与测量值编号相对应的激光在顶板上的照射投影点，c
iei
(i＝1,2,3,4)的长度代表测量值di的大小；过点c2作水平线段c2d2交c4e4于d2，过点c1作水平线段c1d1交c3e3于d1，根据平行关系可得到α＝∠d2c2c4，β＝∠d1c1c3，再利用c2c4＝c1c3＝s，分别在rtδd2c2c4和rtδd1c1c3利用反正切函数可以解算出α和β的角度：
[0056][0057]
其中，s为两个位置相对的激光传感器的发射点之间的距离，d1、d2、d3、d4分别是四个激光传感器的测量值。
[0058]
过点c1作c1f1⊥
e4e2延长线于f1，易得c1f1＝h，c1e1＝d1，∠e1c1f1＝α，在rtδe1c1f1中利用余弦函数的定义解算出高度h的表达式：
[0059]
h＝d1cosα
[0060]
过点c2作c2f2⊥
e3e1延长线于f2，易得c2f2＝h，c2e2＝d2，∠e2c2f2＝β，同理可得，在rtδe2c2f2中解算出高度h的表达式：
[0061]
h＝d2cosβ
[0062]
由于在八种情况中都可以利用类似的推导过程来解算出绕x、y轴的旋转角和末端机构的高度h，本发明总结出解算α、β和h的通用公式：
[0063][0064][0065]
由于末端机构和激光位移传感器是固定连接的，因此通过测量值的大小变化，就可以获得末端机构的z轴方向上的平移量和绕x、y轴的旋转量。
[0066]
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具
体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0067]
以上的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
[0068]
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0069]
上面参考根据本公开的实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
[0070]
以上，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。