CN115816511A

CN115816511A - 一种检测并联机器人平台位姿的装置和计算方法

Info

Publication number: CN115816511A
Application number: CN202211560917.8A
Authority: CN
Inventors: 张颖; 乔贵方; 聂新港; 蒋欣怡; 刘汉忠; 相铁武
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开了一种检测并联机器人平台位姿的装置和计算方法，装置包括中心球杆仪、偏置球杆仪、动平台二维倾角传感器、静平台二维倾角传感器；中心球杆仪的上下两端分别与并联机器人的动平台和静平台的中心点固定安装；动平台二维倾角传感器固定安装在并联机器人动平台的下表面；静平台二维倾角传感器固定安装在并联机器人静平台的上表面；偏置球杆仪与中心球杆仪结构相同且平行设置，其安装位置偏离并联机器人静平台和动平台的中心点。通过二维倾角传感器、球杆仪的组合测量方法实现了并联机器人的全运动空间位姿测量，精度较高，***结构不复杂，利用双二维倾角传感器实现了并联机器人初始位姿的精确检测。

Description

一种检测并联机器人平台位姿的装置和计算方法

技术领域

本发明属于机器人位姿测量技术领域，具体涉及一种检测并联机器人平台位姿的装置和计算方法。

背景技术

机器人和高档数控机床为重点发展的两个技术装备，机器人研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。随着机器人技术的快速发展，对机器人的精度性能要求越来越高。相比于串联型的工业机器人，并联机器人具有更好的结构刚度、更高的负载能力、更突出的精度性能，其在高端制造领域中的智能柔性装配应用越来越多。并联机器人通常包括动平台、静平台以及连杆机构。连杆机构一般分为液压、气动和电动三种方式，其中电动方式应用较为广泛。

目前，并联机器人属于半闭环控制形式，主要是因为当前的测量技术无法实现并联机器人的全运动空间的位姿测量。当前存在一些利用视觉测量设备实现位姿测量，但视觉测量设备易受环境光线的影响，同时也无法覆盖并联机器人的全部运动空间；也存在通过多个拉线传感器实现位姿测量，目前拉线传感器的精度除受其编码器精度的影响以外，拉线传感器的误差还会随着其测量长度的增加而变大。也存在通过多个电子尺实现并联机器人的位姿测量，但该类***由于采用了多个电子尺，其装配误差会对测量结果造成影响。因此，如何实现并联机器人的全运动空间的位姿测量是目前亟待解决的关键问题之一。

并联机器人在完成相应任务后需要回至零位，而该零位通常是在并联机器人制造后进行标定的。目前主要是通过控制并联机器人的支杆长度实现并联机器人归零。并联机器人的零位，无论是安装绝对值编码器还是增量式编码器，首次配置都需要控制电缸到极限位置后，记录当前的位置作为电缸的零位，所对应的平台位置为并联机器人的零位。而电缸达到极限位置往往是硬碰撞，这对并联机器人的驱动机构寿命影响较大。

因此，亟待提出一种并联机器人平台位姿的检测装置及计算方法，该装置能够实现并联机器人零位配置以及高精度的全运动空间位姿测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种检测并联机器人平台位姿的装置和计算方法，装置结构紧凑，测量精度高，能够实现并联机器人全运动空间的位姿测量。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种检测并联机器人平台位姿的装置，包括中心球杆仪、偏置球杆仪、动平台二维倾角传感器、静平台二维倾角传感器；

中心球杆仪的上下两端分别与并联机器人的动平台和静平台的中心点固定安装；

动平台二维倾角传感器固定安装在并联机器人动平台的下表面；

静平台二维倾角传感器固定安装在并联机器人静平台的上表面；

偏置球杆仪与中心球杆仪结构相同且平行设置，其安装位置偏离并联机器人静平台和动平台的中心点。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的中心球杆仪包括静平台磁力基座、动平台磁力基座、球杆仪和球杆仪二维倾角传感器；

所述静平台磁力基座与并联机器人的静平台固定连接，动平台磁力基座与并联机器人的动平台固定连接；

所述球杆仪两端分别固定在静平台磁力基座、动平台磁力基座中，球杆仪二维倾角传感器固定安装在球杆仪上。

检测并联机器人平台位姿计算方法，包括：

当并联机器人在初始位置时，保持动平台二维倾角传感器的X、Y轴的方向与并联机器人的动平台坐标系一致，同时保持静平台二维倾角传感器的X、Y轴的方向与并联机器人的静平台坐标系一致；

动平台二维倾角传感器、静平台二维倾角传感器输出轴向的倾角，通过数据转换转换为欧拉角，结合中心球杆仪、偏置球杆仪的检测点，实现动平台和静平台相对姿态的检测。

上述的动平台二维倾角传感器与静平台二维倾角传感器输出倾角转换为欧拉角的具体步骤如下：

步骤1：二维倾角传感器输出的两个值β和γ分别为其X轴和Y轴与水平面的夹角，参考坐标系的XOY平面与水平面平行，因此二维倾角传感器的X轴方向输出的角度即为绕Y轴的旋转角；

步骤2：由于Y轴方向输出的角度并不等于绕X轴的旋转角，则推导在空间坐标中二维倾角传感器的绕Y轴的旋转角

和绕X轴的旋转角ω与二维倾角传感器输出的X轴和Y轴的角度β、γ之间的关系式；

步骤3：在静平台二维倾角传感器的读数为零时：

建立参考坐标系{O}，X、Y轴方向与倾角仪自身的X、Y轴方向相同，根据右手定则可知Z轴竖直向上，坐标原点位于静平台上表面中点；

建立静平台坐标系位{B}，当并联机器人放置在绝对水平位置时，静平台坐标系{B}与参考坐标系{O}重合；

建立动平台坐标系{M}，当并联机器人处于绝对零位时，动平台坐标系{M}是静平台坐标系{B}沿着Z轴平移距离L，L为动、静平台之间的垂直距离；

根据步骤2得到的关系式可以由静平台二维倾角传感器和动平台二维倾角传感器的读数计算出动、静平台绕X轴、Y轴旋转角度α₁、β₁、α₂、β₂，由此可以计算动、静平台坐标系{M}、{B}相对于参考坐标系{O}的旋转矩阵

所以可以得到动、静平台坐标系之间的旋转矩阵

按照Z-Y-X欧拉角依次旋转，矩阵描述为：

欧拉角可按如下求解：

步骤4：根据步骤2和步骤3，结合中心球杆仪、偏置球杆仪的检测点，求出并联机器人的动平台在静平台坐标系下的姿态数据。

上述的步骤2所述关系式的推导过程为：

在空间坐标中，假设直线OE垂直于平面OAC和平面BDE，因此有OE⊥BE，OE⊥BF，延长ED至F，使得直线BF平行于直线AO，则有∠BFD＝β，并且BF⊥OB，因此，BF⊥平面OBE，则有BF⊥BE，所以∠DBE＝∠BFD＝β；

由三角关系可知：

可以得到二维倾角传感器的输出角与相应旋转角之间的关系：

即在空间坐标中倾角仪的绕Y轴的旋转角

和绕X轴的旋转角ω与倾角仪输出的X轴和Y轴的角度β、γ之间的关系如式(1.2)所示。

上述的步骤4包括：

步骤S1：建立球杆仪二维倾角传感器的坐标系{I}，其坐标原点位于球杆仪中心，当并联机器人处与初始零位时，坐标系{I}是静平台坐标系{B}沿着Z轴正方向平移L₁，L₁为安装在球杆仪上的球杆仪二维倾角传感器与静平台之间的距离；

步骤S2：当并联机器人运动后，坐标系{O₁}是坐标系{O}分别绕着Y轴、X轴旋转β、α角度，β、α角度根据球杆仪二维倾角传感器的输出角度带入步骤2推导得到的关系式计算得到；

坐标系{I}是坐标系{O₁}沿着Z轴正方向平移L₁，OP为上下平台中点之间的距离记作L₂，L₂的数值已知，可用球杆仪读出；

根据坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的变换关系求出旋转矩阵

步骤S3：P点在坐标系{O₁}中的坐标为

已知

和

求出P点在坐标系{O}中的位置坐标：

已知坐标系{O}与坐标系{B}之间的转换关系为

因此可以求出P点在坐标系{B}中的位置坐标：

根据欧拉角求解公式求出的姿态信息与式(1.8)求出的位置信息，得到动平台坐标系{M}相对于静平台坐标系{B}的位姿信息。

上述的步骤4还包括：

当并联机器人水平转动时，通过偏置球杆仪检测得到的检测点位置P1点，中心球杆仪检测得到的检测点位置P2点，将P1、P2两点的连线投影到坐标系{O}中，该连线与坐标系{O}的X轴夹角，即为并联机器人动平台的水平面旋转角度。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过二维倾角传感器、球杆仪的组合测量方法实现了并联机器人的全运动空间位姿测量，精度较高，***结构不复杂，相比与拉线传感器，球杆仪具有更高的测量精度，同时球杆仪具有刚性的结构，其测量误差不会随测量距离的增加而增加；

(2)利用双二维倾角传感器实现并联机器人初始位姿的精确检测，相比与仅在动平台上安装倾角传感器的技术方案，本发明测量的姿态并不是以静平台坐标系为基准，不受并联机器人安装情况的影响，因此本发明获得的相对姿态更精确的体现了动平台和静平台之间的姿态关系。

附图说明

图1是本发明的装置安装在并联机器人上的整体示意图；

图2是本发明的二维倾角传感器安装在球杆仪上的安装示意图；

图3是本发明的倾角仪输出角度转化欧拉角示意图；

图4是本发明的并联机器人位置测量示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

参见图1所示，本发明的一种并联机器人平台位姿的检测装置，安装在并联机器人3的内部，主要包含中心球杆仪1、偏置球杆仪2、动平台二维倾角传感器4、静平台二维倾角传感器5；

中心球杆仪1的上下两端分别与并联机器人3的动平台和静平台的中心点固定安装；

动平台二维倾角传感器4通过螺丝固定安装在并联机器人3动平台的下表面；

静平台二维倾角传感器5通过螺丝固定安装在并联机器人3静平台的上表面。

动平台二维倾角传感器4、静平台二维倾角传感器5仅测量两个轴向的角度，可以实现两者相对姿态的检测。

当并联机器人3在初始位置时，保持动平台二维倾角传感器4的X、Y轴的方向与并联机器人3的动平台坐标系一致，同时保持静平台二维倾角传感器5的X、Y轴的方向与并联机器人3的静平台坐标系一致。由于动平台二维倾角传感器4、静平台二维倾角传感器5是固定安装在并联机器人3的动平台、静平台表面，动平台二维倾角传感器4、静平台二维倾角传感器5仅为两个轴向的角度，通过数据转换可以转换为欧拉角，进而实现两者相对姿态的检测。

参见图3所示，动平台二维倾角传感器4与静平台二维倾角传感器5输出倾角转换为欧拉角的具体步骤如下：

步骤2：由于Y轴方向输出的角度并不等于绕X轴的旋转角，角度计算的推导过程如下：

结合图3：直线OE垂直于平面OAC和平面BDE，因此有OE⊥BE，OE⊥BF。延长ED至F，使得直线BF平行于直线AO，则有∠BFD＝β，并且BF⊥OB。因此，BF⊥平面OBE，则有BF⊥BE。所以∠DBE＝∠BFD＝β。

由三角关系可知：

这样可以得到二维倾角传感器的输出角与相应旋转角之间的关系：

即在空间坐标中倾角仪的绕Y轴的旋转角

步骤3：在静平台二维倾角传感器5的读数为零时建立参考坐标系{O}，X、Y轴方向与倾角仪自身的X、Y轴方向相同，根据右手定则可知Z轴竖直向上，坐标原点位于静平台上表面中点。建立静平台坐标系位{B}，当并联机器人放置在绝对水平位置时，静平台坐标系{B}与参考坐标系{O}重合。建立动平台坐标系{M}，当并联机器人处于绝对零位时，动平台坐标系{M}是静平台坐标系{B}沿着Z轴平移距离L，L为动、静平台之间的垂直距离。根据式(1.2)可以由静平台二维倾角传感器5和动平台二维倾角传感器4的读数计算出动、静平台绕X轴、Y轴旋转角度α₁、β₁、α₂、β₂，由此可以计算动、静平台坐标系{M}、{B}相对于参考坐标系{O}的旋转矩阵

所以可以得到动、静平台坐标系之间的旋转矩阵

按照Z-Y-X欧拉角依次旋转，矩阵描述为：

欧拉角可按如下求解：

步骤4：根据以上步骤可以求出并联机器人3的动平台在静平台坐标系下的姿态数据。

参见图2所示，中心球杆仪1和偏置球杆仪2具有相同的结构，均包含静平台磁力基座、动平台磁力基座、球杆仪和球杆仪二维倾角传感器。

以中心球杆仪1为例介绍其实际结构，中心球杆仪1主要包含静平台磁力基座103、动平台磁力基座101、球杆仪102和球杆仪二维倾角传感器104。

静平台磁力基座103与并联机器人3的静平台固定连接，动平台磁力基座101与并联机器人3的动平台固定连接；静平台磁力基座和动平台磁力基座分别安装在静平台上平面的中心和动平台下平面的中心，两个磁力基座的中心均为球形凹槽；球杆仪102两端分别固定在静平台磁力基座103、动平台磁力基座101中，球杆仪二维倾角传感器104固定安装在球杆仪102上。球杆仪是一种可伸缩的线性位移传感器，两端分别有一个精密球，精密球吸附在静平台磁力基座和动平台磁力基座的球形凹槽内。根据以上装置测量机器人的中心点位置。

当动平台移动时，将会拉动球杆仪伸缩，从而测量静平台磁力基座和动平台磁力基座球形凹槽的球心之间的距离。球杆仪二维倾角传感器与安装基座固定在一起，安装基座固定安装在球杆仪上，通过球杆仪二维倾角传感器可以测量球杆仪相对静平台坐标系X轴和Y轴之间的夹角，根据三维极坐标的定义，可以计算出球杆仪上端精密球在静态坐标系的位置表达，相比与拉线传感器，球杆仪具有更高的测量精度，同时球杆仪具有刚性的结构，其测量误差不会随测量距离的增加而增加。

当已知静平台磁力基座和动平台磁力基座与静平台和动平台之间的转换关系可以计算得到动平台坐标系在静平台坐标系下的位置表达。具体步骤如下：

步骤S1：参见图4所示，坐标系{I}为球杆仪二维倾角传感器104的坐标系，坐标原点位于球杆仪102中心，当并联机器人3处与初始零位时，坐标系{I}是静平台坐标系{B}沿着Z轴正方向平移L₁，L₁为安装在球杆仪102上的球杆仪二维倾角传感器104与静平台之间的距离。

步骤S2：当并联机器人3运动后，坐标系{O₁}是坐标系{O}分别绕着Y轴、X轴旋转β、α角度，β、α角度可以根据球杆仪二维倾角传感器104的输出角度带入式(1.2)计算得到。

坐标系{I}是坐标系{O₁}沿着Z轴正方向平移L₁，OP为上下平台中点之间的距离记作L₂，L₂的数值已知可用球杆仪102读出来。根据坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的变换关系可以求出旋转矩阵

步骤S3：P点在坐标系{O₁}中的坐标为

已知

和

可以求出P点在坐标系{O}中的位置坐标：

已知坐标系{O}与坐标系{B}之间的转换关系为

因此可以求出P点在坐标系{B}中的位置坐标：

根据式(1.5)求出的姿态信息与式(1.8)求出的位置信息可以得到动平台坐标系{M}相对于静平台坐标系{B}的位姿信息。

参见图1所示，由于基于二维倾角传感器测量位姿时，无法获得水平面的旋转角度。因此当并联机器人3水平转动时，无法直接测量姿态。为解决该问题，本发明通过在并联机器人3静平台与动平台之间额外增加一个偏置球杆仪2，偏置球杆仪2包含一个球杆仪二维倾角传感器、一个球杆仪、静平台磁力基座、动平台磁力基座。其安装位置是偏离并联机器人3静平台和动平台的中心点，偏置球杆仪2的位置检测方法与中心球杆仪1相同，其检测点的位置为P1点。中心球杆仪1检测得到的检测点位置为P2点。将P1、P2两点的连线投影到坐标系{O}中，该连线的与坐标系{O}的X轴夹角即为并联机器人3动平台的水平面旋转角度。

本发明中的已知坐标系转换关系以及坐标系的均为已知，均通过实际加工专用孔位实现的转换矩阵之间的计算，以上要求工件的加工精度优于传感器自身的精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。