CN108393929A - 一种机械手臂位置精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械手臂动态轨迹精度校准领域，提供了一种机械手臂位置精度测量装置及方法。采用两个相互正交的转台与一个通过两旋转中心的径向伸缩机构的方式，测量机械手臂的动态轨迹误差。利用固定于径向伸缩机构端点的一颗精密标准钢球吸附于固定在机械手臂端点的磁性球座上，手臂端点的空间位置坐标(X，Y，Z)由三维球坐标机构上的钢球坐标(R，θ，φ)经过坐标转换求得，将此坐标位置与机械手臂的运动指令位置进行相减即可得出机械手臂端点的位置误差。集方位角、俯仰角与径向长度于一体形成三维球坐标系统，该球坐标机构的精度高于机械手臂。该装置具有便携性、成本低、实用性好、产品易开发、能完成对机械手臂误差的实时测量。

Description

一种机械手臂位置精度测量装置及方法

技术领域

本发明属于机械手臂动态轨迹精度校准领域，涉及机械手臂测量装置及方法。

背景技术

在具有运动坐标系统的机械中，机械手臂是唯一能够快速进行三维运动的自动化机构。但机械手臂由于关节太多,造成多项误差的累积与传递，致使机械手臂精度普遍不高。目前对于机械手臂的空间位置精度的矫正，是以国际标准ISO9283“操作型工业机器人性能标准和检测方法”中规定的斜面上五点位置法为准则，但不能实现对机械手臂精度的实时检测和补偿。现今所存在的机械手臂精度测量装置以激光跟踪仪为主，而激光跟踪仪价格昂贵。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种机械手臂位置精度测量装置及方法，采用两个相互正交的转台与一个通过两旋转中心的径向伸缩机构的方式，用于测量机械手臂的动态轨迹误差。利用固定于径向伸缩机构端点的一颗精密标准钢球吸附于固定在机械手臂端点的磁性球座上，手臂端点的空间位置坐标(X，Y，Z)可由三维球坐标机构上的钢球坐标(R，θ，φ)经过坐标转换求得，将此坐标位置与机械手臂的运动指令位置进行相减即可得出机械手臂端点的位置误差。旋转台包含方位(θ)与俯仰(φ)两角度，各由精密的旋转编码器提供转角信息；径向伸缩杆由多节导轨滑块机构构成，径向长度信息可由架设在其上的激光干涉仪提供。集方位角、俯仰角与径向长度于一体可形成一个三维球坐标系统。该球坐标机构的精度高于机械手臂，其可用于测量机械手臂的空间动态轨迹精度。

本发明的技术方案如下：

一种机械手臂位置精度测量装置，包括相互正交的方位角转台和俯仰角转台，每个转台附有角度编码器以读取实际角度；固定于俯仰角转台的径向伸缩机构，该伸缩机构包括通过两转台转动中心点的两支以上滑轨和一支牵引板，牵引板的尾端固定一个标准钢球；还包括位于径向伸缩机构固定端的激光干涉仪，以及固定在伸缩机构自由端的角锥棱镜，用于读取径向伸缩机构实际长度。

上述方位角转台放置于地面上，提供三维球坐标机构的坐标系(X，Y，Z)，原点设在方位角转台中心线与地面的交点处，方位角转台的方位角转轴绕Z轴做360°旋转，方位角由转台内的方位角编码器提供，俯仰角转台固定于方位角转轴上方，俯仰角转轴和方位角转轴正交，俯仰角由俯仰角转台内的俯仰角编码器提供；下滑轨固定架固定于俯仰角转轴上，且与俯仰角转轴垂直，下滑轨固定架上方固定两支以上垒叠安装的滑轨，上导轨的滑块上固定牵引板，牵引板自由端固定角锥棱镜，该棱镜面向两转台的转轴交点方向，两转台的转轴交点和角锥棱镜中心点的连线形成球坐标系的径向；在俯仰角转轴上且相对于下滑轨固定架的另一侧固定激光干涉仪调整架，其上安装激光干涉仪，激光干涉仪的光轴通过俯仰角转轴的中心孔射向牵引板自由端的角锥棱镜，角锥棱镜随着牵引板在滑轨上伸缩移动的距离由激光干涉仪测得；在牵引板的尾端设有标准球固定块，标准钢球通过连杆沿径向方向固定于标准球固定块上。使在任意方向拉动钢球时，均可带动径向伸缩杆沿着方位角(θ)方向、俯仰角(φ)方向、以及径向(R)方向作被动运动，此为球坐标机构的三维运动原理。

进一步地，上述激光干涉仪和角锥棱镜由贴附于各滑轨处的两组光栅尺取代，提供径向伸缩机构的长度测量。

上述的机械手臂位置精度测量方法：将磁性套筒固定于机械手臂的握爪上，磁性套筒强力吸住标准钢球，当下达机械手臂运动轨迹的指令时，三维球坐标机构将做被动跟随运动；标准钢球在球坐标中的动态位置(R,θ,φ)由激光干涉仪或光栅尺、方位角编码器及俯仰角编码器得知，三维球坐标系(R,θ,φ)的原点为两转台转轴的交点O，此O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离为Z向距离h，标准钢球的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)相对于参考坐标系可通过转换公式得知,公式如下:

经公式(1)得在笛卡尔坐标系中的位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，将此坐标位置与机械手臂的运动指令位置进行比对即得机械手臂的空间位置误差。

本发明的有益效果为，该机械手臂位置精度测量装置及方法，可完成对机械手臂误差的实时测量。该装置具有便携性、成本低、实用性好、产品易开发。

附图说明

图1本发明的激光干涉式三维球坐标机构示意图；(a)整体图，(b)标准钢球部局部放大图；

图2钢球在三维球坐标系统上的坐标为(X_b，Y_b，Z_b)；

图3机械手臂带动三维球坐标机构示意图；

图中：1激光干涉仪；2俯仰角转轴；3俯仰角编码器；4下导轨固定架；5导轨(两支)；6牵引板；7角锥棱镜；8标准球固定块；9标准钢球；10激光干涉仪调整架；11方位角转轴；12方位角编码器；13方位角转台；14俯仰角转台；15磁性套筒；16磁铁。

具体实施方式

本创新“被动式三维球坐标机构”主要结构如下：(1)相互正交的两转台，其包括方位角转台和俯仰角转台，每个转台装有角度编码器以读取实际角度；(2)径向伸缩机构，其有通过两转台转动中心点且与俯仰角转轴垂直的两支滑轨与一支牵引板组成，伸缩机构的实际长度由固定在转台中心另一侧的激光干涉仪读取。以下详述各结构的运动方式：

如图1所示，方位角转台13放置于地面上，提供三维球坐标机构的坐标系(X，Y，Z)，原点设在过方位角转台中心线与地面的交点处，方位角转台13的方位角转轴11绕着Z轴做3600旋转，方位角θ由转台内的方位角编码器12提供。俯仰角转台14固定于方位角转轴11上，俯仰角转轴2和方位角转台13的转轴(Z轴)正交，俯仰角φ由俯仰角转台14内的俯仰角编码器3提供。下滑轨固定架4固定在俯仰角转轴2上，且与俯仰角转轴垂直，下滑轨固定架4上方固定两支垒叠安装的滑轨5，上导轨的滑块上固定一支牵引板6，牵引板6前端安装一个角锥棱镜7，该棱镜面向两转台的转轴交点方向，两转台的转轴交点和角锥棱镜7中心点的连线形成球坐标系的径向。在俯仰角转轴2上且于下滑轨固定架4的反方向上固定一激光干涉仪调整架10，其上安装一台激光干涉仪1，激光干涉仪的光轴通过俯仰角转轴2的中心孔射向牵引板6前端的角锥棱镜7，角锥棱镜7随着牵引板6在两支滑轨5上伸缩移动的距离可由激光干涉仪测得。在牵引板6的尾端有标准球固定块8，一颗有杆标准钢球9沿径向方向固定于固定块8上，使在任意方向拉动钢球时，均可带动径向伸缩杆沿着方位角θ方向、俯仰角φ方向、以及径向R方向作被动运动，此为球坐标机构的三维运动原理。在使用该“三维球坐标机构”时需要一个磁性套筒来吸附标准钢球，如图1右下方子图所示，由一个内部装有磁铁(16)的套筒(15)强力吸住标准钢球(9)，当磁性套筒被运动机构夹持并做空间运动时，标准钢球(9)将一直被吸住并在套筒内转动，但钢球球心在磁性套筒中的位置固定，所以只要知道标准钢球在“被动式三维球坐标机构”中的位置(R,θ,φ)，即可转换为笛卡尔坐标(X,Y,Z)。

如图2所示，三维球坐标系(R,θ,φ)的原点为两转台转轴的交点O，此O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离为Z向距离h，标准钢球的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)相对于参考坐标系可通过转换公式得知,公式如下:

如图3所示，在采用该“被动式三维球坐标机构”对机械手臂进行精度测量时，可将磁性套筒固定于机械手臂的握爪上，磁性套筒强力吸住标准钢球，标准钢球又紧固于伸缩机构上，当下达机械手臂运动轨迹的指令时，三维球坐标机构将做被动跟随运动。标准钢球在球坐标中的动态位置(R,θ,φ)可由激光干涉仪1、方位角编码器12及俯仰角编码器3得知，经上述公式得在笛卡尔坐标系中的位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，将此坐标位置与机械手臂的运动指令位置进行比对即得机械手臂的空间位置误差。由于该“被动式三维球坐标机构”关节比机械手臂少，精度一定较高，故可用来测量机械手臂的空间轨迹精度。

上述的径向信息由高精度的激光干涉仪提供，也可采用将光学尺贴附于导轨上，每支导轨由一光栅尺读取滑块的移动信息，结合两个光学尺的读值可得标准钢球的径向值，由于光学尺的线性精度远高于机械手臂，故可取代激光干涉仪在三维球坐标机构的径向测量，而且制造成本更低。

本发明“被动式三维球坐标机构”尚未有相同结构产品，具有新颖性。该创新相对于传统测量来说，除了具有较高的测量精度外，还可快速架设、快速测量，充分满足使用者的需求。与同级其他产品相比，如激光跟踪仪，本创新具有结构简单、零件数目少、易装配等特点，具有进步性及产业利用性。

Claims (4)

1.一种机械手臂位置精度测量装置，其特征在于，包括相互正交的方位角转台和俯仰角转台，每个转台附有角度编码器以读取实际角度；固定于俯仰角转台的径向伸缩机构，该伸缩机构包括通过两转台转动中心点的两支以上滑轨和一支牵引板，牵引板的尾端固定一个标准钢球；还包括位于径向伸缩机构固定端的激光干涉仪，以及固定在伸缩机构自由端的角锥棱镜，用于读取径向伸缩机构实际长度。

2.根据权利要求1所述的机械手臂位置精度测量装置，其特征在于，方位角转台放置于地面上，提供三维球坐标机构的坐标系(X，Y，Z)，原点设在方位角转台中心线与地面的交点处，方位角转台的方位角转轴绕Z轴做3600旋转，方位角由转台内的方位角编码器提供，俯仰角转台固定于方位角转轴上方，俯仰角转轴和方位角转轴正交，俯仰角由俯仰角转台内的俯仰角编码器提供；下滑轨固定架固定于俯仰角转轴上，且与俯仰角转轴垂直，下滑轨固定架上方固定两支以上垒叠安装的滑轨，上导轨的滑块上固定牵引板，牵引板自由端固定角锥棱镜，该棱镜面向两转台的转轴交点方向，两转台的转轴交点和角锥棱镜中心点的连线形成球坐标系的径向；在俯仰角转轴上且相对于下滑轨固定架的另一侧固定激光干涉仪调整架，其上安装激光干涉仪，激光干涉仪的光轴通过俯仰角转轴的中心孔射向牵引板自由端的角锥棱镜，角锥棱镜随着牵引板在滑轨上伸缩移动的距离由激光干涉仪测得；在牵引板的尾端设有标准球固定块，标准钢球通过连杆沿径向方向固定于标准球固定块上。

3.根据权利要求1或2所述的机械手臂位置精度测量装置，其特征在于，激光干涉仪和角锥棱镜由贴附于各滑轨处的两组光栅尺取代，提供径向伸缩机构的长度测量。

4.权利要求1或2或3所述的机械手臂位置精度测量方法，其特征在于，将磁性套筒固定于机械手臂的握爪上，磁性套筒强力吸住标准钢球，当下达机械手臂运动轨迹的指令时，三维球坐标机构将做被动跟随运动；标准钢球在球坐标中的动态位置(R,θ,φ)由激光干涉仪或光栅尺、方位角编码器及俯仰角编码器得知，三维球坐标系(R,θ,φ)的原点为两转台转轴的交点O，此O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离为Z向距离h，标准钢球的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)相对于参考坐标系可通过转换公式得知,公式如下:

经公式(1)得在笛卡尔坐标系中的位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，将此坐标位置与机械手臂的运动指令位置进行比对即得机械手臂的空间位置误差。