CN101393007B

CN101393007B - 一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统

Info

Publication number: CN101393007B
Application number: CN2008101972819A
Authority: CN
Inventors: 刘玉; 孙静超; 刘军; 刘诗毅; 钟国辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: CN101393007A

Abstract

本发明提供一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统，包括位于旋转关节处的角度编码器、位于旋转关节和探针处的无线子模块以及与无线子模块相连接的无线主模块。探针接触到物体后产生脉冲信号，各旋转关节的无线子模块被触发后，读取角度编码器采集的数据，并在各自的信道时隙内将其无线传送给无线主模块；无线主模块被触发后，将信道时隙分配给各无线子模块，接收各无线子模块传送的数据以及脉冲信号，并传送给外接数据处理器。本发明实现有效定位测量，避免了同步过程，功耗低，速率高，成本低。

Description

一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统

技术领域

本发明涉及在测量领域中应用范围较广的柔性关节臂，特别是涉及柔性关节臂内的数据采集与传输系统。

背景技术

柔性关节臂是一种在测量领域有广泛应用的测量设备，其通过分布于关节臂内的六个角度编码器采集的角度信息和关节臂的臂长参数可以对探针的探头的坐标进行定位，从而达到精确测量的目的。

传统的柔性关节臂为了将探针的触发信号传输到分布于各关节处的角度编码器，以及将这些角度编码器的数据传送到计算机，需要在关节臂内布置大量数据线。而为了避免在关节处出现因旋转而产生的打结情况，所以在各个关节处采用了滑环结构，见美国第5,829,148号专利。在关节臂中采用该设计不仅结构复杂，成本较高，而且维护极为不方便。

来自华中科技大学的王文芳和刘玉在文献《基于ZigBee技术的角度同步采集传输系统设计》中提出了一种基于轮询策略的不间断采集方案，采用PIC18LF4620微控制器和CC2420射频芯片共同组成无线节电，置于关节臂式测量机的每个关节内，实现角度的读取和无线传输，该方案具有以下缺点：(1)采集前需要同步，对时钟要求较高，增加了对硬件的要求；(2)没有考虑探针的触发信号，无法定位测量点；(3)系统不停采集信号，而只有探针触发时刻的数据才是有效数据，因而其中存在大量无用数据，同时增加了额外功耗的浪费；(4)由于主子模块交互信息较多，实际测试表明该方案采集数据的延时较大，采集速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统，实现有效定位测量，避免同步过程，功耗低，速率高，成本低。

一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统，涉及的数据采集点包括六个旋转关节和一个探针，在旋转关节处设有角度编码器，其特征在于，还在旋转关节和探针处设有无线子模块，另有与无线子模块相连接的无线主模块；

探针接触到物体后产生脉冲信号，探针对应的无线子模块将脉冲信号无线传送给其它无线子模块和无线主模块，以触发各模块工作；

旋转关节对应的无线子模块被触发后，读取对应角度编码器采集的数据，并在各自的信道时隙内将其无线传送给无线主模块；

无线主模块被触发后，将信道时隙分配给各无线子模块，接收各无线子模块传送的数据以及脉冲信号，并传送给外接数据处理器。

作为本发明的改进，所述无线子模块包括依次串接的接口转换模块、第一微处理器和第一射频模块。

作为本发明的进一步改进，所述无线主模块包括依次串接的串口模块、第二微处理器和第二射频模块。

本发明的技术效果体现在以下几个方面：

1、去除了现有技术中关节臂内部的走线和滑环式的内部结构，数据不需要在关节臂内通过数据线传输，因而使用一种简单的结构就可以实现无极旋转的功能；新的结构需要新的数据采集和传输方案的支持，在新的数据采集和传输方案中，六个角度编码器和一个探针的数据直接由无线子模块通过无线信道传输到与计算机相连的无线主模块中，通过设计一套基于轮询策略的时分复用的通信协议保证了数据的可靠实时传输。

2、数据采集和传输系统与柔性三坐标测量机的机械结构相互独立，使用本方案时只要保证接口一致就可以方便地更换数据采集和传输系统，这样大大提高机械部分的设计与数据采集系统的设计的独立性。

3、采用了一种轻工作量的透明传输模式，数据帧的处理、组装和缓存不由传输系统来做，而交由处理能力极强的外接计算机来做，这样极大地简化了硬件设计，减小了成本，同时也提高了处理速度，增强了系统的实时性。

4、探针脉冲信号通过无线广播传输到无线子模块，保证了采集数据的同时性，不需要同步过程；另一方面，整个系统也只需要在探针触发时工作，实现有效定位测量，不会产生大量无用数据，因而极大地节约了能源。主子模块交互信息少，实际测试表明该方案采集速度快，延时少。

附图说明

图1为柔性关节臂结构示意图；

图2为本发明的无线传感网络拓扑结构示意图；

图3为本发明结构示意图；

图4为时分复用帧格式示意图；

图5为无线子模块硬件结构示意图；

图6为无线主模块硬件结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明详细说明。

如图1所示，柔性关节臂的机械结构包括一个底座5、三个关节臂1～3、以及一个探针4；三个关节臂上各有一个旋转关节91、93和95；第一关节臂1与第二关节臂2由旋转关节92连接；第二关节臂2与第三关节臂3由旋转关节94连接；第三关节臂3与探针4由旋转关节96连接。因此整个机械结构有七个需要采集数据的数据采集点：六个旋转关节91～96以及探针4。

为了采集这些数据采集点的数据，在每个数据采集点安放了一个数据采集装置，具体为：1.分别在旋转关节91～96安装一个角度编码器8A～8F(将角度编码器8A～8F统称角度编码器8)，负责采集对应旋转关节当前所处的角度；2.探针4本身是一个数据采集装置，当探头11接触物体时，会产生一个脉冲信号。

为了传输七个数据采集装置采集的数据，本发明废除了传统系统的内部走线，取而代之的是无线传输系统，具体为：在每个数据采集点安装一个无线子模块7A～7G(将无线子模块7A～7G统称无线子模块7)，负责将其所在数据采集点的数据传输到无线主模块10，无线主模块10再通过串口将数据传输到计算机6进行处理。

以上描述的七个数据采集装置(角度编码器8A～8F和探针4)与无线传输系统(无线子模块7A～7G和无线主模块10)构成了本发明的数据采集与传输系统，其结构框图见图3。

无线子模块7A～7G和无线主模块10构成的数据传输系统是本发明的核心。在应用时，七个无线子模块与无线主模块一起构成了一个无线传感网络，其网络拓扑结构为星形结构，如图2所示。

在测量时，由人控制探针4，当探头11接触到物体后会产生一个脉冲信号，该脉冲信号被第七无线子模块7G采集，然后第七无线子模块会向其他六个无线子模块7A～7F以及无线主模块10发送广播，以通知各个模块采集数据，各个模块将会做如下响应：

1.安装在六个旋转关节91～96处的无线子模块7A～7F从对应的角度编码器8A～8F读出数据，然后等待传输。无线子模块与角度编码器的对应关系见图3。

2.无线主模块10将信道时隙分给无线子模块7A～7G。

3.无线子模块7A～7G在各自的时隙内将数据传输到无线主模块10。

4.无线主模块10将数据通过串口传输到计算机6进行处理。

5.计算机收到数据后根据图4的帧结构对数据进行重组，然后通过数学运算计算出探头11接触物体时的坐标。

图4帧结构图中，Packet0～Packet4分别表示第0组到第4组数据包，一个数据包是计算机处理的基本单元；其中每个数据包由脉冲标签、数据帧和校验位三部分组成；Tag表示脉冲标签，是探头处的无线子模块发回的数据，包含了探头接触物体的一些信息，DF1～DF6分别表示旋转关节91到旋转关节96的数据，校验位用于校验每个数据包中的数据是否出错；旋转关节处的数据帧分别由时间标签(T-tag)、编码盘标签(P-tag)、角度信息(Data)三部分组成；时间标签表示该数据在时间序列上的编号，该值与脉冲标签Tag里面的时间信息相同，编码盘标签表示获取该数据的编码盘编号，角度信息则是对应编码盘所采集到的角度数据。

上述的采集和传输过程表明探针的信号不需要通过有线传输到六个角度编码器，而且七个数据采集点的数据直接通过无线子模块7传输，因而在六个旋转关节处91～96都没有导线穿过，不需要复杂的机械结构就可以实现无极旋转。

另一方面，上述的数据传输过程表明无线子模块7与无线主模块10对数据只做透明传输，不做处理，并且缓存量小，因而对无线子模块7与无线主模块10的硬件组成要求不高，普通单片机就可以满足需要。

图5和图6分别为本发明无线子模块7和无线主模块10的硬件框图。图中的微控制处理器(MCU)为Microchip公司研制的PIC18F4620单片机，射频模块采用的是TI的CC1100射频芯片，工作于433MHz，采用GFSK调制；图5中的接口转换模块主要进行单片机CMOS电平与角度编码器差分电平的转换。图6中的串口模块负责进行EIA电平和TTL电平的双向转换，使单片机可以通过其与外接计算机通信。

如图3所示，采用本发明的方案可以使数据采集系统(角度编码器8A～8F和探针4)与数据传输系统(无线子模块7A～7G和无线主模块10)相互独立，从而实现了无线传输系统与机械构造的独立，只需要统一相互之间的接口。这样的好处是不仅简化了设计，而且使机械设计与制造同无线传输系统的设计与制造可以分开进行，维修、更新、升级均非常方便。

本发明实现了将无线传感网络用于柔性三坐标测量机的数据采集和传输当中，并采用基于轮询策略的时分复用方式实现了信道复用，同时实现了测量机与无线采集、传输系统的相互独立。

Claims

1.一种用于柔性关节臂测量装置的数据采集系统，涉及的数据采集点包括六个旋转关节和一个探针，在旋转关节处设有角度编码器，其特征在于，还在旋转关节和探针处设有无线子模块，另有与无线子模块相连接的无线主模块；

2.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述无线子模块包括依次串接的接口转换模块、第一微处理器和第一射频模块。

3.根据权利要求2所述的数据采集系统，其特征在于，所述无线主模块包括依次串接的串口模块、第二微处理器和第二射频模块。

4.根据权利要求2或3所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一和第二微处理器采用PIC18F4620单片机。

5.根据权利要求2或3所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一和第二射频模块采用CC1100射频芯片。