CN114379742B - 一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置及方法，其中两个调整机构均包括前支座、后支座和四个X向移动的小车，小车内设有Y向移动的横移座，横移座上设有Z向升降的支撑轴，前支座两端分别通过前侧两个小车上的支撑轴支撑，后支座两端分别通过后侧两个小车上的支撑轴支撑，第一舱段两端通过第一调整机构中的后支座和前支座支撑，第二舱段两端通过第二调整机构中的后支座和前支座支撑，第一舱段和第二舱段对接端面法兰上均设有靶球，且各个靶球通过激光跟踪仪扫描，小车、横移座和支撑轴均通过控制系统控制移动，且控制系统根据激光跟踪仪扫描的靶球位置计算移动量。本发明能够准确反映舱段对接端面的位置姿态，并且自动调整对接。
Description
技术领域
本发明涉及大型水下机器人装配领域，具体地说是一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置及方法。
背景技术
大型水下机器人结构常用分段加工再组装的方式成型，而在舱段对接装配过程中，需要根据不同情况对舱段的位置和姿态进行调整，但是由于水下机器人舱段结构尺寸庞大且重量较大，在对接时难以观察判断实际位姿状态，这使得装配过程变得困难，若不能精确检测舱段位姿并调整至理想状态，舱段对接时产生的冲击力就会损坏舱体结构和舱内组件，因此如何精确检测并调整大型水下机器人舱段位置姿态以使其满足对接要求就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置及方法，其利用激光跟踪仪作为测量手段，能够准确测量标记点坐标并反映对接端面的位置姿态，同时利用两个调整机构自动完成两个舱段的位姿调整和对接，提高了对接效率和质量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置，包括第一调整机构、第二调整机构、轨道、激光跟踪仪、靶球和控制系统，其中轨道沿着X向设置，所述第一调整机构和第二调整机构结构相同，均包括前支座、后支座和四个分别沿着对应轨道移动的小车，所述小车内设有沿着Y向移动的横移座，且所述横移座上设有沿着Z向升降的支撑轴，所述前支座两端分别通过前侧两个小车上的支撑轴支撑，所述后支座两端分别通过后侧两个小车上的支撑轴支撑，第一舱段后端通过第一调整机构中的后支座支撑、前端通过第一调整机构中的前支座支撑，第二舱段后端通过第二调整机构中的后支座支撑、前端通过第二调整机构中的前支座支撑，所述第一舱段前端的第一对接端面法兰上以及所述第二舱段前端的第二对接端面法兰上均设有靶球，且各个靶球通过所述激光跟踪仪扫描，所述小车、横移座和支撑轴均通过所述控制系统控制移动，且所述控制系统根据激光跟踪仪扫描的靶球位置计算移动量。
所述小车内设有行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置，所述小车通过所述行走驱动装置驱动行走，所述横移座与小车内部支撑板滑动连接并通过所述横移驱动装置驱动横移，所述升降驱动装置安装于所述横移座上，且所述支撑轴与所述升降驱动装置的输出端固连，所述行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置均通过所述控制系统控制。
所述靶球安装于一个靶座上，所述靶座下端设有安装底板。
所述第一对接端面法兰和第二对接端面法兰上均设有法兰孔，所述安装底板设于对应的法兰孔中，所述靶座下端与所述安装底板磁吸固连，所述靶球与对应的靶座磁吸固连。
所述第一对接端面法兰和第二对接端面法兰上均设有四个靶球，且各个靶球均设于靠近所述激光跟踪仪一侧并沿着圆周方向等角度布置。
一种根据所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的方法，包括如下步骤：
步骤一：第一调整机构中的小车带动第一舱段移动至指定位置，第二调整机构中的小车带动第二舱段移动至指定位置；
步骤二：建立全局坐标系；
步骤三：利用激光跟踪仪依次扫描读取第一舱段上的各个靶球标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P0′；
步骤四：将步骤三中拟合得到的矢量坐标P0′＝[x1，y1，z1，α1，β1，γ1]与第一舱段理想状态下的矢量坐标P0＝[x0，y0，z0，α0，β0，γ0]比较，得到各方向上的位置和角度的差值；
步骤五：控制系统根据步骤四计算的调整量控制第一调整机构动作调整第一舱段位姿；
步骤六：利用激光跟踪仪依次扫描读取第二舱段上的各个靶球标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P1′；
步骤七：将步骤六中拟合得到的矢量坐标P1′与第二舱段理想状态下的矢量坐标P1比较，得到各方向上的位置和角度的差值；
步骤八：控制系统根据步骤七计算的调整量控制第二调整机构调整第二舱段位姿；
步骤九：根据P0′和P1′在X方向上的差值，控制系统控制第一调整机构中的小车移动带动第一舱段沿着X向移动，直至第一对接端面法兰和第二对接端面法兰贴合，完成对接。
步骤三至步骤五反复进行，直至第一舱段位置和角度差值在设定的允许范围内。
步骤六至步骤八反复进行，直至第二舱段位置和角度差值在设定的允许范围内。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明利用激光跟踪仪作为测量手段，能够准确测量标记点坐标并反映对接端面的位置姿态，解决了大尺寸的水下机器人舱段在对接时端面位姿容易出现偏差的问题。
2、本发明利用两个调整机构分别实现两个舱段六自由度调整，从而自动完成舱段的位姿调整和对接。
3、本发明将测量的标记点靶球放在端面法兰背侧的法兰孔内，避免对实际装配流程的影响，也避免了舱段本身加工误差对端面位姿测量的影响。
4、本发明仅需要一台激光跟踪仪，每个对接端面仅用四个标记点即可反映其实际姿态，测量手段高效准确，并且将标记点分布在同一侧，不需要跟踪仪转站，避免了转站误差。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图，
图2为图1中的靶球示意图，
图3为图2中的靶球在舱段端面上的布局示意图，
图4为图3中的靶球标记点拟合示意图，
图5为本发明装置轴向旋转调整示意图，
图6为本发明装置前后俯仰调整示意图，
图7为本发明装置水平旋转调整示意图。
其中，1为第一舱段，101为第一对接端面法兰，2为第二舱段，201为第二对接端面法兰，3为轨道，4为第一调整机构，401为第一小车，402为第二小车，403为第三小车，404为第四小车，5为后支座，6为前支座，7为第二调整机构，8为激光跟踪仪，9为靶球，901为安装底板，902为靶座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～7所示，本发明装置包括第一调整机构4、第二调整机构7、轨道3、激光跟踪仪8、靶球9和控制系统，其中轨道3沿着X向设置，所述第一调整机构4和第二调整机构7结构相同，均包括前支座6、后支座5和四个分别沿着对应轨道3移动的小车，所述小车内设有沿着Y向移动的横移座，且所述横移座上设有沿着Z向升降的支撑轴，所述前支座6两端分别通过位于前侧两个小车上的支撑轴支撑，所述后支座5两端分别通过后侧两个小车上的支撑轴支撑，待装配的第一舱段1后端通过第一调整机构4中的后支座5支撑、前端通过第一调整机构4中的前支座6支撑，待装配的第二舱段2后端通过第二调整机构7中的后支座5支撑、前端通过第二调整机构7中的前支座6支撑，所述第一舱段1前端的第一对接端面法兰101上以及所述第二舱段前端的第二对接端面法兰201上均设有靶球9，且各个靶球9通过所述激光跟踪仪8扫描，所述小车、横移座和支撑轴均通过所述控制系统控制移动，且所述控制系统根据激光跟踪仪8扫描的靶球9位置计算移动量。所述激光跟踪仪8为本领域公知技术且为市购产品。
所述小车内设有行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置，且所述行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置均通过所述控制系统控制。本实施例中，所述行走驱动装置可采用行走伺服电机，所述行走伺服电机驱动任一小车行走轮转动，进而实现小车沿着对应轨道3移动，所述横移驱动装置可采用横向设置的电动推缸，所述横移座通过滑轨滑块组件与小车内部支撑板滑动连接并通过所述横移驱动装置驱动沿着Y向移动，所述升降驱动装置可采用竖直设置的电动推缸，所述升降驱动装置安装于所述横移座上，所述支撑轴与所述升降驱动装置的输出端固连，从而通过所述升降驱动装置驱动升降。
如图2所示，所述靶球9安装于一个靶座902上，所述靶座902下端设有安装底板901固装于对应舱段的端面法兰上。所述第一对接端面法兰101和第二对接端面法兰201上均设有法兰孔，所述安装底板901设于对应的法兰孔中，所述靶座902下端设有磁铁与所述安装底板901磁吸固连，所述靶球9同样设有磁铁与对应的靶座902磁吸固连。
如图3所示，本发明在每个舱段的端面法兰上设有四个靶球9，且各个靶球9均设于靠近所述激光跟踪仪8一侧并沿着圆周方向等角度布置。
本发明的工作原理为：
本发明的第一调整机构4和第二调整机构7通过各个支撑轴动作实现舱段的六自由度运动，其中各个小车的支撑轴同步升高或降低时实现舱段升高或降低，各个小车的横移座带动支撑轴同步横移时实现舱段横移，各个小车同步移动时实现舱段前进或后退，而如图1所示，当第一小车401和第三小车403上的横移座向左横移，而当第二小车402和第四小车404上的横移座向右横移时，实现舱段水平面旋转，当第一小车401和第三小车403的支撑轴下降，而第二小车402和第四小车404的支撑轴上升时，实现舱段前后俯仰运动，当第一小车401和第二小车402的支撑轴下降，第三小车403和第四小车404的支撑轴上升时，实现舱段绕X向轴线转动。
如图5～7所示，所述舱段的各个自由度移动量均可以计算，其中如图5所示，当驱动第一舱段1绕X轴做轴向旋转时，假设需调整角度为α，两个小车宽度方向距离为l1，则舱段一侧的第一小车401和第二小车402下降距离，以及舱段另一侧的第三小车403和第四小车404上升距离为：
如图6所示，当驱动第一舱段1俯仰运动时，假设端面绕Y轴调整角度β，前后两车间距为l2，第一舱段总长度为l，则舱段一端的第一小车401和第三小车403下降距离，以及舱段另一端的第二小车402和第四小车404上升距离为：
而此时由图6可以明显看出，舱段端面法兰位置本身也发生变化，因此需要控制系统在X向和Z向上对端面法兰位置进行运动补偿，其中X方向补偿值为：
Z方向补偿值为：
如图7所示，当驱动第一舱段1水平旋转时，假设旋转角度为γ，前后两车间距为l2，第一舱段总长度为l，则舱段一端的第一小车401横移座和第三小车403横移座向左移动距离，以及舱段另一端的第二小车402横移座和第四小车404横移座向右移动距离为：
同样舱段端面法兰位置本身也发生变化，小车需要在X向和Y向上进行运动补偿，其中X方向补偿值为：
Y方向补偿值为：
本发明可以利用激光跟踪仪8跟踪检测各个靶球9位置获得舱段调整量，然后通过上述第一调整机构4和第二调整机构7实现第一舱段1和第二舱段2位姿调整，以使两者实现准确对接。
本发明的方法包括如下步骤：
步骤一：各个小车启动带动第一舱段1和第二舱段2移动至指定位置，同时预热激光跟踪仪8，完成对接前的准备工作。
步骤二：建立全局坐标系。
本实施例中，定位坐标系原点O位于轨道3长度一半并位于两组轨道3宽度方向之间的位置，定义沿着轨道3方向为X轴，水平面垂直于轨道3方向为Y轴，垂直于水平面方向为Z轴，从而获得全局坐标系O-XYZ，定义绕X轴转角为α，绕Y轴转角为β，绕Z轴转角为γ。本实施例中，建立全局坐标系是基于激光跟踪仪8的配套软件SA建立。
步骤三：利用激光跟踪仪8依次扫描读取第一舱段1上的各个靶球9标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P0′。
如图3～4所示，激光跟踪仪8沿设定轨迹自动按照从上到下顺序扫描第一舱段1的第一对接端面法兰101上的四个靶球9标记点，得到各个靶球9空间坐标：
Ai＝(xi，yi，zi)，i＝1-4；
然后根据上述坐标利用最小二乘法拟合圆面，即可得到垂直于圆心的矢量坐标P0′＝[x1，y1，z1，α1，β1，γ1]，最小二乘法的计算过程为：
上式中，δ表示拟合误差，ri(i＝1-4)表示标记点坐标到圆心距离，r表示拟合圆的半径。
步骤四：将步骤三中拟合得到的矢量坐标P0′＝[x1，y1，z1，α1，β1，γ1]与第一舱段1理想状态下的矢量坐标P0＝[x0，y0，z0，α0，β0，γ0]比较，得到各方向上的位置和角度的差值，即位置调整量δ1＝(δx，δy，δz)和角度调整量δ2＝(δα，δβ，δγ)。
当所述第一对接端面法兰101与O-YZ平面平行时，即认为是理想状态，其获得方式是根据拟合的矢量坐标的姿态，过圆心的矢量坐标方向与X轴重合即理想状态。
各个调整量具体计算如下：
位置调整量计算：
角度调整量计算：
步骤五：控制系统根据步骤四计算的调整量控制第一调整机构4中的各个小车、横移座、支撑轴动作调整第一舱段1位姿，具体过程如上述以及图5～7所示。
由于小车运动误差等因素干扰，一次测量并调整不能完全使第一对接端面法兰101达到理想的位姿，因此上述步骤三至步骤五可反复进行，直至δ1和δ2在设定的允许范围内。
步骤六：利用激光跟踪仪8依次扫描读取第二舱段2上的各个靶球9标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P1′，计算过程与步骤三相同。
步骤七：将步骤六中拟合得到的矢量坐标P1′与第二舱段2理想状态下的矢量坐标P1比较，得到各方向上的位置和角度的差值，即位置调整量δ1＝(δx，δy，δz)和角度调整量δ2＝(δα，δβ，δγ)，计算过程与步骤四相同。
步骤八：控制系统根据步骤七的计算调整量控制第二调整机构7中的各个小车、横移座、支撑轴动作调整第二舱段2位姿。
同样由于小车运动误差等因素干扰，一次测量并调整不能完全使第二对接端面法兰201达到理想的位姿，因此上述步骤六至步骤八可反复进行，直至δ1和δx在设定的允许范围内。
步骤九：根据P0′和P1′在X方向上的差值，控制系统控制第一调整机构中的小车移动带动第一舱段沿着X向移动，直至第一对接端面法兰和第二对接端面法兰贴合，完成对接。
Claims (7)
1.一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：大型水下机器人分段位姿检测对接装置包括第一调整机构(4)、第二调整机构(7)、轨道(3)、激光跟踪仪(8)、靶球(9)和控制系统，其中轨道(3)沿着X向设置，所述第一调整机构(4)和第二调整机构(7)结构相同，均包括前支座(6)、后支座(5)和四个分别沿着对应轨道(3)移动的小车，所述小车内设有沿着Y向移动的横移座，且所述横移座上设有沿着Z向升降的支撑轴，所述前支座(6)两端分别通过前侧两个小车上的支撑轴支撑，所述后支座(5)两端分别通过后侧两个小车上的支撑轴支撑，第一舱段(1)后端通过第一调整机构(4)中的后支座(5)支撑、前端通过第一调整机构(4)中的前支座(6)支撑，第二舱段(2)后端通过第二调整机构(7)中的后支座(5)支撑、前端通过第二调整机构(7)中的前支座(6)支撑，所述第一舱段(1)前端的第一对接端面法兰(101)上以及所述第二舱段前端的第二对接端面法兰(201)上均设有靶球(9)，且各个靶球(9)通过所述激光跟踪仪(8)扫描，所述小车、横移座和支撑轴均通过所述控制系统控制移动，且所述控制系统根据激光跟踪仪(8)扫描的靶球(9)位置计算移动量；
对接方法包括如下步骤：
步骤一：第一调整机构(4)中的小车带动第一舱段(1)移动至指定位置，第二调整机构(7)中的小车带动第二舱段(2)移动至指定位置；
步骤二：建立全局坐标系；
步骤三：利用激光跟踪仪(8)依次扫描读取第一舱段(1)上的各个靶球(9)标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P0′；
步骤四：将步骤三中拟合得到的矢量坐标P0′＝[x1，y1，z1，α1，β1，γ1]与第一舱段(1)理想状态下的矢量坐标P0＝[x0，y0，z0，α0，β0，γ0]比较，得到各方向上的位置和角度的差值；
步骤五：控制系统根据步骤四计算的调整量控制第一调整机构(4)动作调整第一舱段(1)位姿；
步骤六：利用激光跟踪仪(8)依次扫描读取第二舱段(2)上的各个靶球(9)标记点坐标，并利用最小二乘法拟合圆面，获得垂直于圆心的矢量坐标P1′；
步骤七：将步骤六中拟合得到的矢量坐标P1′与第二舱段(2)理想状态下的矢量坐标P1比较，得到各方向上的位置和角度的差值；
步骤八：控制系统根据步骤七计算的调整量控制第二调整机构(7)调整第二舱段(2)位姿；
步骤九：根据P0′和P1′在X方向上的差值，控制系统控制第一调整机构(4)中的小车移动带动第一舱段(1)沿着X向移动，直至第一对接端面法兰(101)和第二对接端面法兰(201)贴合，完成对接。
2.根据权利要求1所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：所述小车内设有行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置，所述小车通过所述行走驱动装置驱动行走，所述横移座与小车内部支撑板滑动连接并通过所述横移驱动装置驱动横移，所述升降驱动装置安装于所述横移座上，且所述支撑轴与所述升降驱动装置的输出端固连，所述行走驱动装置、横移驱动装置和升降驱动装置均通过所述控制系统控制。
3.根据权利要求1所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：所述靶球(9)安装于一个靶座(902)上，所述靶座(902)下端设有安装底板(901)。
4.根据权利要求3所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：所述第一对接端面法兰(101)和第二对接端面法兰(201)上均设有法兰孔，所述安装底板(901)设于对应的法兰孔中，所述靶座(902)下端与所述安装底板(901)磁吸固连，所述靶球(9)与对应的靶座(902)磁吸固连。
5.根据权利要求1所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：所述第一对接端面法兰(101)和第二对接端面法兰(201)上均设有四个靶球(9)，且各个靶球(9)均设于靠近所述激光跟踪仪(8)一侧并沿着圆周方向等角度布置。
6.根据权利要求1所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：步骤三至步骤五反复进行，直至第一舱段(1)位置和角度差值在设定的允许范围内。
7.根据权利要求1所述的大型水下机器人分段位姿检测对接装置的对接方法，其特征在于：步骤六至步骤八反复进行，直至第二舱段(2)位置和角度差值在设定的允许范围内。
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2021
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN102001451A (zh) * | 2010-11-12 | 2011-04-06 | 浙江大学 | 基于四个数控定位器、调姿平台和移动托架的飞机部件调姿、对接系统及方法 |
| CN216468364U (zh) * | 2021-12-13 | 2022-05-10 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种大型水下机器人分段位姿检测对接装置 |
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| CN114379742A (zh) | 2022-04-22 |
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