CN113532353A - 精密测量装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种精密测量装置，包括底座、第一连杆、第二连杆、旋转编码器及球头关节。第一连杆的一端可旋转地连接于底座。第二连杆的一端和第一连杆的另一端可旋转地连接。旋转编码器设置于第一连杆和第二连杆的连接处，以测量第一连杆和第二连杆之间的角度。球头关节设置于第二连杆的另一端并用于连接机器人固定端。这样根据余弦定理、第一连杆和第二连杆的长度计算出球头关节与第一连杆固定于底座的一端这两点之间的距离，从而对机器人进行标定，得到机器人的真实装配尺寸，并根据机器人的标定算法结合机器人DH参数，即可计算机器人的补偿系数。精密测量装置结构简单、便携，有效提高了空间测量的精度，有利于在不同环境下对机器人进行校准。

Description

精密测量装置
技术领域
本申请属于精密测量技术领域，更具体地说，是涉及一种应用于机器人的运动学校准的精密测量装置。
背景技术
在多关节机器人的制造与装配过程中，零部件是存在误差的。传统机器人通过公差来让机器人的整体偏差控制在一定范围内。由于机器人是严格按照机器人的运动学模型运动的，其运动模型与实际是必然存在偏差的，这是导致机器人精度范围有限的主要原因。随着机器人的使用，零部件的磨损，更加会加剧这种偏差，使机器人无法更加精准的完成功能。
为了解决这个问题，现有方案是使用昂贵的激光跟踪仪对装配好的机器人进行末端跟踪，结合复杂的算法，得到机器人真实的装配后尺寸，从而弥补制造、装配尺寸与实际尺寸带来的误差。但是激光跟踪仪部署复杂，使用难度高，并且价格昂贵。还有一种方法是使用拉线编码器测量机器人运动过程中的轨迹变化，但是现有的拉线编码器精度有限，不能达到与激光跟踪仪相同的效果。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种精密测量装置，以解决现有技术中采用激光跟踪仪校准机器人偏差，不仅价格昂贵，而且使用难度高；而采用拉线编码器则精度受限的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种精密测量装置，包括底座、第一连杆、第二连杆、旋转编码器以及球头关节。第一连杆的一端可旋转地连接于底座。第二连杆的一端和第一连杆的另一端可旋转地连接。旋转编码器设置于第一连杆和第二连杆的连接处，以测量第一连杆和第二连杆之间的角度。球头关节设置于第二连杆的另一端并用于连接机器人固定端。
可选地，精密测量装置包括第一旋转关节，第一连杆通过第一旋转关节可旋转地连接于底座。
可选地，第一旋转关节为二维旋转关节，以使第一连杆可操作地在水平方向和垂直方向上旋转。
可选地，第一旋转关节包括水平旋转轴承关节和垂直旋转轴承关节，水平旋转轴承关节固定于底座上，垂直旋转轴承关节连接于水平旋转轴承关节的侧壁。
可选地，精密测量装置包括第二旋转关节，第一连杆和第二连杆之间通过第二旋转关节可旋转地连接，第二旋转关节为一维旋转关节。
可选地，第二旋转关节为旋转轴承关节并与旋转编码器同轴套接在一起。
可选地，球头关节为磁吸式球头关节。
可选地，球头关节包括磁吸式球窝和导磁不锈钢球头，导磁不锈钢球头可3个自由度任意方向转动地吸附于磁吸式球窝。
可选地，第一连杆和第二连杆为碳纤维管。
可选地，底座设有通讯接口。
本申请提供的精密测量装置的有益效果在于：与现有技术相比，本申请的精密测量装置通过将第一连杆的一端可旋转地设置于底座，第二连杆的一端和第一连杆的另一端可旋转地连接，并通过旋转编码器测量第一连杆和第二连杆之间的角度，第二连杆的末端设有球头关节，球头关节可连接机器人固定端，这样即可根据余弦定理、第一连杆和第二连杆的长度计算出球头关节与第一连杆固定于底座的一端这两点之间的距离，从而对机器人进行标定，得到机器人的真实装配尺寸。这样精确测量机器人在空间中不同姿态下，到相同点距离后，根据机器人的标定算法结合机器人DH参数，即可计算机器人的补偿系数，从而达到标定机器人的作用。本发明的简单结构，有效的提高了空间测量的精度，设备便携，有利于在不同环境下对机器人进行校准工作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的精密测量装置的立体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的精密测量装置的从另一个视角观察下的立体结构示意图；
图3为本申请实施例提供的精密测量装置的***结构示意图。
其中，图中各附图标记：
10-底座；11-通讯接口；20-第一连杆；21-套接件；30-第二连杆；31-套接件；311-转轴；40-旋转编码器；50-球头关节；51-导磁不锈钢球头；60-第一旋转关节；61-水平旋转轴承关节；62-垂直旋转轴承关节；70-第二旋转关节。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图3，现对本申请实施例提供的精密测量装置进行说明。所述精密测量装置，包括底座10、第一连杆20、第二连杆30、旋转编码器40以及球头关节50。
底座10是整个所述精密测量装置的安装和支撑结构。第一连杆20的一端可旋转地连接于底座10，这样第一连杆20可相对底座10转动。第二连杆30的一端和第一连杆20的另一端可旋转地连接，这样第二连杆30可相对第一连杆20转动。旋转编码器40设置于第一连杆20和第二连杆30的连接处，以测量第一连杆20和第二连杆30之间的角度。球头关节50设置于第二连杆30的另一端并用于连接机器人固定端。
在使用时，底座10位于和机器人具有预定距离的位置，将球头关节50和机器人固定端连接。随着机器人在空间中以不同姿态动作，第一连杆20和底座10之间发生旋转，第二连杆30和第一连杆20之间也发生相对转动，此时旋转编码器40实时测量出第一连杆20和第二连杆30之间的夹角，第一连杆20和第二连杆30之间的夹角记为θ。由于第一连杆20和第二连杆30二者的长度都是固定值，例如，第一连杆20的长度记为L1，第二连杆30的长度记为L2，球头关节50到第一连杆20固定于底座10的一端这两点之间的距离记为S，因此通过余弦定理可知：
Figure BDA0003187130220000041
据此可推出：球头关节50到第一连杆20固定于底座10的一端这两点之间的距离S为：
Figure BDA0003187130220000042
由于球头关节50连接于机器人固定端，底座10的位置是预定的，因此通过这样的方式，可对机器人固定端的位置进行标定和校准。通过这样的方式依次对机器人的多个关节位置进行标定，可以获得机器人的真实装配尺寸。再根据机器人标定算法结合机器人DH参数，即可计算机器人的补偿系数，从而达到标定机器人的作用。
本申请提供的精密测量装置，与现有技术相比，简单结构，有效的提高了空间测量的精度，设备便携，有利于在不用环境下对机器人进行校准工作。
在本申请另一个实施例中，所述精密测量装置包括第一旋转关节60，第一连杆20通过第一旋转关节60可旋转地连接于底座10，以便于第一连杆20相对底座10顺畅地进行旋转。
进一步地，第一旋转关节60为二维旋转关节，即二维旋转关节可在水平和垂直方向这两个方向上进行旋转，从而使得第一连杆20可操作地相对底座10在水平方向和垂直方向上旋转。在图示的实施例中，底座10为圆柱体形状，其中水平方向是指平行底座10顶面的方向，垂直方向是指垂直底座10顶面的方向(也即平行底座10的中心轴线方向)。
具体地，第一旋转关节60包括水平旋转轴承关节61和垂直旋转轴承关节62，其中水平旋转轴承关节61固定于底座10的顶面上，水平旋转轴承关节61和底座10二者上下叠合设置。垂直旋转轴承关节62连接于水平旋转轴承关节61的侧壁。这样第一连杆20可通过水平旋转轴承关节61在水平方向上360°旋转，而且第一连杆20可通过垂直旋转关节在垂直方向上360°旋转。也就是说，第一连杆20具有水平方向和垂直方向上两个自由度，水平和垂直旋转轴线的交点为测量点的起点。水平和垂直设计的铰链结构，可以保证在水平测量时，所述精密测量装置不会因自由度冗余而发生下垂或其他方向的运动。
在本申请另一个实施例中，所述精密测量装置包括第二旋转关节70，第一连杆20和第二连杆30之间通过第二旋转关节70可旋转地连接，第二旋转关节70为一维旋转关节，使得第一连杆20和第二连杆30只可在二者形成的平面上相对旋转。
在本申请另一个实施例中，第二旋转关节70为旋转轴承关节并与旋转编码器40同轴套接在一起。具体地，如图3所示，第二连杆30的端部套设有一套接件31，套接件31延伸出一垂直于第二连杆30长度方向的转轴311，第一连杆20的端部套设有一套接件21，套接件21具有通孔并套在转轴311的外周。第二旋转关节70和旋转编码器40也均套接在转轴311的外周，从而实现二者同轴套接。第二旋转关节70和旋转编码器40二者同轴地套接在一起，可便于旋转编码器40通过第二旋转关节70来测量第一连杆20和第二连杆30之间的角度θ。
在本申请另一个实施例中，球头关节50为磁吸式球头关节，这样可便于球头关节50和机器人固定端之间通过磁吸的方式进行连接，安装和连接快速便捷。
具体地，球头关节50包括磁吸式球窝和导磁不锈钢球头51，导磁不锈钢球头51可3个自由度任意方向转动地吸附于磁吸式球窝。球头关节50的球心为测量点的终点。这样球头关节50具有三个自由度。采用大角度磁吸式球头关节50，可以快速便捷的进行安装和使用，使机器人或设备在运动时，保证可靠的连接和流畅的转动。
在本申请另一个实施例中，第一连杆20和第二连杆30均为碳纤维管。使用碳纤维可以最大程度上减小来自温度变化导致的结构形变，同时，碳纤维的轻质特性，使得所述精密测量装置更加轻便，响应快速准确。
在本申请另一个实施例中，底座10的侧壁设有通讯接口11，通讯接口11用于所述精密测量装置和外部设备进行通讯连接，以进行数据传输和处理。
所述精密测量装置具有以下优点：第一，所述精密测量装置为一维测量装置，球头关节50具备3个自由度，第一旋转关节60具有2个自由度，第二旋转关节70具有1个自由度，综合起来，整个精密测量装置，具备空间中的6个自由度，可以实现以自身为原点的空间一维高精度距离测量。第二，采用轻量化的第一连杆20、第二连杆30和高精度的旋转编码器40，再通过简单的余弦定理，即可确定两点之间连线的距离，达到精确测量的目的，精度不亚于激光跟踪仪和拉线测量装置。第三，所述精密测量装置结构稳定测量原理简单，有效性和精度非常的好，机构稳定，保证了设备的高精度，高响应速度这一主要特点。本发明精密测量装置成本低，测量精度高，使用方便，抗干扰能力强，对机器人行业有重大意义，可以广泛应用于空间一维高精度需求场景，对机器人的校准测量带来了革命性的改变。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精密测量装置，其特征在于，包括：
底座；
第一连杆，所述第一连杆的一端可旋转地连接于所述底座；
第二连杆，所述第二连杆的一端和所述第一连杆的另一端可旋转地连接；
旋转编码器，所述旋转编码器设置于所述第一连杆和所述第二连杆的连接处，以测量所述第一连杆和所述第二连杆之间的角度；
球头关节，所述球头关节设置于所述第二连杆的另一端并用于连接机器人固定端。
2.如权利要求1所述的精密测量装置，其特征在于，所述精密测量装置包括第一旋转关节，所述第一连杆通过所述第一旋转关节可旋转地连接于所述底座。
3.如权利要求2所述的精密测量装置，其特征在于，所述第一旋转关节为二维旋转关节，以使所述第一连杆可操作地在水平方向和垂直方向上旋转。
4.如权利要求3所述的精密测量装置，其特征在于，所述第一旋转关节包括水平旋转轴承关节和垂直旋转轴承关节，所述水平旋转轴承关节固定于所述底座上，所述垂直旋转轴承关节连接于所述水平旋转轴承关节的侧壁。
5.如权利要求1所述的精密测量装置，其特征在于，所述精密测量装置包括第二旋转关节，所述第一连杆和所述第二连杆之间通过所述第二旋转关节可旋转地连接，所述第二旋转关节为一维旋转关节。
6.如权利要求5所述的精密测量装置，其特征在于，所述第二旋转关节为旋转轴承关节并与所述旋转编码器同轴套接在一起。
7.如权利要求1所述的精密测量装置，其特征在于，所述球头关节为磁吸式球头关节。
8.如权利要求7所述的精密测量装置，其特征在于，所述球头关节包括磁吸式球窝和导磁不锈钢球头，所述导磁不锈钢球头可3个自由度任意方向转动地吸附于所述磁吸式球窝。
9.如权利要求1-8任一项所述的精密测量装置，其特征在于，所述第一连杆和所述第二连杆为碳纤维管。
10.如权利要求1-8任一项所述的精密测量装置，其特征在于，所述底座设有通讯接口。
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