CN105739538B - 基于机械臂运动装置的定位方法、定位测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，可对机械臂运动装置虚拟回转中心及其虚拟轴系进行精确定位测试。定位测试装置包括：三轴转台、激光测距仪、钢球、固定支架和激光跟踪仪。其中，采用固定支架和钢球设置测量点使得机械臂运动装置虚拟回转中心可测，误差不超过1.5´。采用激光测距仪可快速测量两点距离信息并使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见；采用三轴转台和激光跟踪仪可基于三轴转台建立视线坐标系，精确定位机械臂运动装置轴系，误差不超过5"，本发明还提供一种空间虚点激光指向定位方法和空间虚拟轴系测试方法，用于复合制导***半实物仿真技术领域，亦可适用于其它领域内复杂大***中类似功能设备的精确定位测试。

Description

基于机械臂运动装置的定位方法、定位测试装置及方法

技术领域

本发明涉及大型设备精确定位技术领域，具体涉及一种基于机械臂运动装置的定位测试装置、定位方法及定位测试方法，用于复合制导***半实物仿真技术领域，亦可适用于其它领域内复杂大***中类似功能设备的精确定位测试。

背景技术

一种机械臂结构形式的运动装置包括长臂、短臂、负载回转装置和台体，其长臂、短臂和负载回转装置都能够绕各自的回转轴在一定的范围内转动，三个回转轴在空间中交于一点，该点称为虚拟回转中心。该装置能够带动负载在回转半径和圆心角一定的球形轨迹面上运动，同时可带动负载绕其回转轴做旋转运动，并保证负载回转轴始终指向球形轨迹面的回转中心，即该装置的虚拟回转中心。该运动装置可作为目标视线角运动模拟设备，应用在复合制导半实物仿真***中，能够在避免对一路目标信号造成遮挡的情况下，带动另一路目标模拟装置实现目标视线角运动的精确模拟。应用条件是：（1）保证该运动装置在半实物仿真***中进行精确定位：该装置虚拟回转中心与三轴转台回转中心在同一铅垂平面内，高度差1500mm；水平距离1500mm，空间距离偏差不大于9mm。（2）对该运动装置不同运动点处负载回转轴空间位置进行精确测试，角度误差不大于2´。

由于该设备体积庞大，重达6吨，定位点为距离地面高约4m的空间虚拟点，待测回转轴为空间动轴，导致对该运动装置的定位测试成为难题。国内外尚无此类结构的目标运动模拟设备应用先例，无技术对比途径。

发明内容

本发明提出一种基于机械臂运动装置的定位测试装置、定位方法及定位测试方法。用于复合制导***半实物仿真技术领域，亦可适用于其它领域内复杂大***中类似功能设备的精确定位测试。

本发明提供一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，可对机械臂运动装置虚拟回转中心及其虚拟轴系进行精确定位测试。定位测试装置包括：三轴转台、激光测距仪、钢球、固定支架和激光跟踪仪。其中，采用固定支架和钢球设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心可测，误差不超过1.5´。采用激光测距仪可快速测量两点距离信息并使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见；采用三轴转台和激光跟踪仪可基于三轴转台建立视线坐标系，精确定位机械臂运动装置轴系，误差不超过5。

可选的，采用固定支架和钢球可在距离地面高度5m处设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心位置可测，交点误差不超过1.5´。

可选的，所述三轴转台包括：具有回转中心和滚动轴，可带动负载绕所述滚动轴进行滚动运动，并相对所述滚动轴作水平方向和垂直方向角运动，滚动轴能够受控指向机械臂运动装置虚拟回转中心，角度控制偏差不大于±0.004º。

可选的，所述激光测距仪能够安装在三轴转台和机械臂运动装置上，使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见，能并够测量激光出射端面到测量点的距离，其中，5m处激光光斑直径不大于4.5mm，测距精度不低于1mm。

可选的，所述激光跟踪仪包括测量球和主机，将测量球放置在空间目标上，通过主机跟踪测量球，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，并依此计算测量目标间的距离和角度关系。所述距离测量精度为0.2mm，角度测量精度为5。

本发明还提供一种基于机械臂运动装置的定位方法，包括：采用固定支架和钢球设置测量点，作为机械臂运动装置的虚拟回转点定位参考点；将激光测距仪安装在三轴转台和机械臂运动装置上，出射激光使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见。控制三轴转台带动激光测距仪在垂直平面内作一定 角度的运动，调整钢球位置，直至三轴转台滚动轴指向激光落在钢球上且距离满足要求。

将激光测距仪安装在机械臂运动装置的负载回转装置上；调整机械臂运动装置位置并控制其长臂和短臂运动，直至长臂、短臂运动至任意位置，激光测距仪出射光束均落在钢球上且距离满足要求。

本发明还提供一种基于机械臂运动装置的定位测试方法，采用激光跟踪仪，基于三轴转台建立测量坐标系：采用激光跟踪仪测量机械臂运动装置不同运动点处负载回转轴空间位置，得到实测目标视线角；对比给定目标视线角和实测目标视线角的误差，对给定目标视线角进行误差补偿；通过激光跟踪仪测量计算虚拟回转中心的理想位置和实际位置，计算出两者距离即为虚拟回转中心位置误差。

可选的，所述测量坐标系为：测量坐标系原心为三轴转台回转中心，X轴为三轴转台滚动轴，原点指向机械臂运动装置方向为X轴正向，铅垂平面内向上为Y轴，右手定则确定Z轴。负载回转轴与XOY面、YOZ面的夹角即为实测目标视线角。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

定位测试设备包括三轴转台、激光测距仪、钢球、固定支架和激光跟踪仪。采用固定支架和钢球可在距离地面高度5m处设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心位置可测。采用激光测距仪可快速测量两点距离信息并使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见。采用三轴转台和激光跟踪仪可基于三轴转台建立视线坐标系，精确定位机械臂运动装置轴系，误差不超过5"。

对应的定位方法采用固定支架和钢球在距离地面高度5m处设置测量点作为机械臂运动装置的虚拟回转点定位参考点。将激光测距仪安装在三轴转台上，控制三轴转台带动激光测距仪在垂直平面内作45º角运动，调整钢球位置，直至激光测距仪出射光束落在钢球上且距离满足要求为止。此时钢球与三轴转台回转中心在同一铅垂平面内，且位于机械臂运动装置虚拟回转中心处。将激光测距仪安装在机械臂运动装置的负载回转装置上。调整机械臂运动装置位置并控制其长臂和短臂运动，直至长臂、短臂运动至任意位置，激光测距仪出射光束均落在钢球上且距离满足要求为止。该方法将距离地面高度4m的空间点实体化，并以该点为定位参考点，通过将空间运动轴线指向实体化，精确定位大型机械臂运动装置的虚拟回转点。定位点与三轴转台回转中心所在铅垂平面的偏差为三轴转台的垂直位置精度±0.004º，距离偏差为激光测距仪测距精度1mm。

进一步地，对应的测试方法采用激光跟踪仪基于三轴转台建立测量坐标系：测量坐标系原心为三轴转台回转中心，X轴为三轴转台滚动轴，原点指向机械臂运动装置方向为X轴正向，铅垂平面内向上为Y轴，右手定则确定Z轴。负载回转轴与XOY面、YOZ面的夹角即为实测目标视线角。采用激光跟踪仪测量机械臂运动装置不同运动点处负载回转轴空间位置，得到实测目标视线角。对比给定目标视线角和实测目标视线角的误差，对给定目标视线角进行误差补偿，优化目标视线角模拟精度。同时通过激光跟踪仪测量计算虚拟回转中心的理想位置和实际位置，计算出两者距离即为虚拟回转中心位置误差。该测试方法可对机械臂运动装置在空间运动的负载回转轴线指向进行精确标定，并以距离和角度精确量化，量化结果可作为误差补偿依据，优化目标视线角模拟精度。可对机械臂运动装置的虚拟回转点实际位置进行精确标定，并依此计算得到虚拟回转中心9位置误差30。空间距离测量精度为0.2mm，与位置误差要求（9mm）相差一个数量级。角度测量精度为5，与目标视线角指标要求（2´）有数量级差。

附图说明

图1是本发明涉及一种机械臂运动装置。

图2是本发明一种基于机械臂的定位测试设备。

图3是本发明一种基于机械臂的定位方法。

图4是本发明一种基于机械臂的测试方法。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实例并配合附图予以详细说明。

本发明提出一种基于机械臂运动装置的定位测试装置、定位方法及定位测试方法。用于复合制导***半实物仿真技术领域，亦可适用于其它领域内复杂大***中类似功能设备的精确定位测试。

本发明提供一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，可对机械臂运动装置虚拟回转中心及其虚拟轴系进行精确定位测试。定位测试装置包括：三轴转台、激光测距仪、钢球、固定支架和激光跟踪仪。其中，采用固定支架和钢球设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心可测，误差不超过1.5´。采用激光测距仪可快速测量两点距离信息并使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见；采用三轴转台和激光跟踪仪可基于三轴转台建立视线坐标系，精确定位机械臂运动装置轴系，误差不超过5。

可选的，采用固定支架和钢球可在距离地面高度5m处设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心位置可测，交点误差不超过1.5´。

可选的，所述三轴转台包括：具有回转中心和滚动轴，可带动负载绕所述滚动轴进行滚动运动，并相对所述滚动轴作水平方向和垂直方向角运动，滚动轴能够受控指向机械臂运动装置虚拟回转中心，角度控制偏差不大于±0.004º。

可选的，所述激光测距仪能够安装在三轴转台和机械臂运动装置上，使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见，能并够测量激光出射端面到测量点的距离，其中，5m处激光光斑直径不大于4.5mm，测距精度不低于1mm。

可选的，所述激光跟踪仪包括测量球和主机，将测量球放置在空间目标上，通过主机跟踪测量球，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，并依此计算测量目标间的距离和角度关系。所述距离测量精度为0.2mm，角度测量精度为5。

本发明还提供一种基于机械臂运动装置的定位方法，包括：采用固定支架和钢球设置测量点，作为机械臂运动装置的虚拟回转点定位参考点；将激光测距仪安装在三轴转台和机械臂运动装置上，出射激光使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见。控制三轴转台带动激光测距仪在垂直平面内作一定 角度的运动，调整钢球位置，直至三轴转台滚动轴指向激光落在钢球上且距离满足要求。

将激光测距仪安装在机械臂运动装置的负载回转装置上；调整机械臂运动装置位置并控制其长臂和短臂运动，直至长臂、短臂运动至任意位置，激光测距仪出射光束均落在钢球上且距离满足要求。

本发明还提供一种基于机械臂运动装置的定位测试方法，采用激光跟踪仪，基于三轴转台建立测量坐标系：采用激光跟踪仪测量机械臂运动装置不同运动点处负载回转轴空间位置，得到实测目标视线角；对比给定目标视线角和实测目标视线角的误差，对给定目标视线角进行误差补偿；通过激光跟踪仪测量计算虚拟回转中心的理想位置和实际位置，计算出两者距离即为虚拟回转中心位置误差。

可选的，所述测量坐标系为：测量坐标系原心为三轴转台回转中心，X轴为三轴转台滚动轴，原点指向机械臂运动装置方向为X轴正向，铅垂平面内向上为Y轴，右手定则确定Z轴。负载回转轴与XOY面、YOZ面的夹角即为实测目标视线角。

请参阅图1，本发明涉及一种机械臂运动装置1，该装置包括长臂2、短臂3、负载回转装置4和台体5，其长臂2、短臂3和负载回转装置4能够分别绕长臂回转轴6、短臂回转轴7、负载回转轴8在一定的范围内转动，三个回转轴在空间中交于一点，该点称为虚拟回转中心9，运动回转半径R=3050mm。机械臂运动装置1能够带动负载在回转半径和圆心角一定的球形轨迹面10上运动，同时可带动负载绕负载回转轴8做旋转运动，并保证负载回转轴8始终指向球形轨迹面10的球心，即机械臂运动装置1的虚拟回转中心9。

请参阅图2，本发明一种基于机械臂的定位测试设备包括：（1）三轴转台11。性能参数要求：具有回转中心12和滚动轴13，可带动负载绕滚动轴13滚动运动，并相对滚动轴13作水平方向和垂直方向角运动，滚动/水平/垂直位置精度分别为±0.002º/±0.004º/±0.004º。（2）激光测距仪14、激光测距仪15。性能参数要求：可发射激光，可快速测量激光出射端面到测量点的距离；5m处激光光斑直径不大于4.5mm；测距精度1mm。（3）钢球16。性能参数要求：直径7mm。（4）固定支架17。性能参数要求：高度5m。（5）激光跟踪仪18。性能参数要求：包括测量球19和主机20，将测量球19放置在空间目标上，通过主机20跟踪测量球19，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，并依此计算测量目标间的距离和角度关系，角度测量精度5。距离测量精度0.2mm。

一种基于机械臂的定位测试设备，包括：可在距离地面高度5m处设置测量点。可快速测量两点距离信息。可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，并依此计算空间目标点和空间运动直线的位置，以距离值和角度值量化。距离测量精度为0.2mm，角度测量精度为5。

请参阅图3， 本发明一种基于机械臂的定位方法包括：（1）安装钢球16。采用固定支架17在机械臂运动装置1的虚拟回转中心9处搭建测量点，该点距离机械臂运动装置安装面高度约为4m。钢球16用绳索吊装在固定支架17上并保持悬垂状态，在定位调试时，钢球16的位置通过在下面拉动绳索调整。（2）定位钢球16。将激光测距仪14安装在三轴转台11上，保证激光测距仪14出光面位于三轴转台11回转中心12处，出射光束和三轴转台11滚动轴13同轴。控制三轴转台11带动激光测距仪14相对滚动轴13在垂直平面内作45º角运动，通过拉动绳索调整交点钢球16位置，使得激光测距仪14出射光束落在钢球16上，这表明钢球与三轴转台回转中心12在同一铅垂平面内，误差为三轴转台11的垂直位置精度±0.004º。测量此时激光测距仪14光束出射端面到钢球16的距离值。若为2121±5mm，停止调整，否则继续调整钢球16位置，直至激光测距仪14出射光束落在钢球16上且距离满足要求为止。（3）定位虚拟回转中心9。将激光测距仪15安装在机械臂运动装置1的负载回转装置4上，保证激光测距仪15出光面位于机械臂运动装置1负载安装面处，出射光束和负载回转轴8同轴。调整机械臂运动装置1位置并控制其长臂2和短臂3运动，使得运动过程中，激光测距仪15出射光束都能落在钢球16上。测量激光测距仪15出射端面到钢球的距离值，若为3050±5mm，停止调整，否则继续调整机械臂运动装置1位置，直至长臂2、短臂3运动至任意位置，激光测距仪15出射光束均落在钢球16上且距离满足要求为止。测量过程中，机械臂运动装置1负载回转轴指向误差为1.4＇：钢球16直径为7mm，激光测距仪15激光光斑直径为4.5mm，机械臂运动装置1运动回转半径3050mm，指向误差=arctg(（（7-4.5）/2）/3050)= 1.4＇。

一种基于机械臂的定位方法包括：将距离地面高度4m的空间点实体化，并以该点为定位参考点，通过将空间运动轴线指向实体化，精确定位大型机械臂运动装置的虚拟回转点。定位点与三轴转台回转中心所在铅垂平面的偏差为三轴转台11的垂直位置精度±0.004º，距离偏差为激光测距仪测距精度1mm。

请参阅图4， 本发明一种基于机械臂的测试方法包括：（1）基于三轴转台11建立测量坐标系21。将激光跟踪仪18的测量球19放置在三轴转台回转中心12上，用激光跟踪仪18的主机20跟踪测量球19，测得三轴转台回转中心12作为测量坐标系原点22，测得三轴转台滚动轴13作为X轴23，原点22指向机械臂运动装置1方向为X轴23正向；在包含X轴23的铅垂平面内相对X轴23向上旋转90º即为Y轴24；右手定则确定Z轴25。测试负载回转轴8与XOY面、YOZ面的夹角即为实测目标视线角26。（2）机械臂运动装置1不同运动点处负载回转轴8空间位置测试。将激光跟踪仪18的测量球19放置在机械臂运动装置1的负载回转装置4上，保证其测量点位于负载回转轴8上。根据给定目标视线角控制量27，控制机械臂运动装置1长臂2和短臂3摆动，用激光跟踪仪18的主机20跟踪测量球19，测得摆臂运动到不同位置时的负载回转轴8，得到实测目标视线角26。（3）虚拟回转中心9位置误差测试。通过激光跟踪仪18生成相对测量坐标系XOY面在Y向高度为1500mm的平面28，求出平面28与不同位置时的负载回转轴8交点，拟合出最小包容圆，其圆心29即为虚拟回转中心9实测位置。计算圆心29与虚拟回转中心9理想位置的距离即为虚拟回转中心9位置误差30。（4）目标视线角误差测试。对比给定目标视线角26和实测目标视线角25的误差，对给定目标视线角26进行误差补偿，优化目标视线角模拟精度。

一种基于机械臂的测试方法包括：可对机械臂运动装置在空间运动的负载回转轴线指向进行精确标定，并以距离和角度精确量化，量化结果可作为误差补偿依据，优化目标视线角模拟精度。可对机械臂运动装置的虚拟回转点实际位置进行精确标定，并依此计算得到虚拟回转中心9位置误差30。空间距离测量精度为0.2mm，与位置误差要求（9mm）相差一个数量级。角度测量精度为5，与目标视线角指标要求（2´）有数量级差。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于，包括：三轴转台、激光测距仪、钢球、固定支架和激光跟踪仪，其中，采用固定支架和钢球设置测量点，使得机械臂运动装置虚拟回转中心位置可测，误差不超过1.5´；

所述激光测距仪安装在三轴转台和机械臂运动装置上，使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见，并能够测量激光出射端面到测量点的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于，采用激光测距仪测量两点距离信息并使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见；采用三轴转台和激光跟踪仪基于三轴转台建立视线坐标系，精确定位机械臂运动装置轴系，误差不超过5"。

3.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于，采用固定支架和钢球在距离地面高度5m处设置测量点。

4.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于，所述三轴转台包括：具有回转中心和滚动轴，可带动负载绕所述滚动轴进行滚动运动，并相对所述滚动轴作水平方向和垂直方向角运动，滚动轴能够受控指向机械臂运动装置虚拟回转中心，角度控制偏差不大于±0.004º。

5.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于， 5m处激光光斑直径不大于4.5mm，测距精度不低于1mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置，其特征在于，所述激光跟踪仪包括测量球和主机，将测量球放置在空间目标上，通过主机跟踪测量球，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，并依此计算测量目标间的距离和角度关系；所述距离测量精度为0.2mm，角度测量精度为5。

7.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置的定位方法，其特征在于，包括：采用固定支架和钢球设置测量点，作为机械臂运动装置的虚拟回转点定位参考点；将激光测距仪安装在三轴转台和机械臂运动装置上，出射激光使得三轴转台滚动轴和机械臂运动装置负载回转轴可见；

控制三轴转台带动激光测距仪在垂直平面内作一定角度的运动，调整钢球位置，直至三轴转台滚动轴指向激光落在钢球上且距离满足要求；

将激光测距仪安装在机械臂运动装置的负载回转装置上；调整机械臂运动装置位置并控制其长臂和短臂运动，直至长臂、短臂运动至任意位置，激光测距仪出射光束均落在钢球上且距离满足要求。

8.根据权利要求1所述的一种基于机械臂运动装置的定位测试装置的定位测试方法，其特征在于，采用激光跟踪仪，基于三轴转台建立测量坐标系：采用激光跟踪仪测量机械臂运动装置不同运动点处负载回转轴空间位置，得到实测目标视线角；对比给定目标视线角和实测目标视线角的误差，对给定目标视线角进行误差补偿；通过激光跟踪仪测量计算虚拟回转中心的理想位置和实际位置，计算出两者距离即为虚拟回转中心位置误差；

所述测量坐标系为：测量坐标系原心为三轴转台回转中心，X轴为三轴转台滚动轴，原点指向机械臂运动装置方向为X轴正向，铅垂平面内向上为Y轴，右手定则确定Z轴；

负载回转轴与XOY面、YOZ面的夹角即为实测目标视线角。