[發明專利]自動換刀機械手臂運動軌跡的測量方法和裝置

有效

• 申請號: 201210192891.6
• 申請日: 2012-06-12
• 公開（公告）號: CN102699733A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 盧曉紅;韓鵬卓;賈振元;王福吉;劉巍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23Q3/155
• 分類號: B23Q3/155;B23Q17/22;B23Q17/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種自動換刀機械手臂運動軌跡的測量方法，其特征在于：該方法是一種基于二維PSD的非接觸式三維在線測量方法，作為被測目標的光源安裝在被測量ATC機械手臂上，光源通過透鏡投射在由兩個位置敏感探測器組成的PSD相機的二維感應屏上形成光斑，兩個PSD相機在光斑的激發下各自輸出二維坐標值，經過信號處理器后輸出與坐標位置對應的電壓值，計算機通過電壓采集卡將相應信號采集保存，由兩組采集到的二維坐標值反算出被測光源的三維坐標值，最后，依據高頻采集的數據計算出一系列離散點構成機械手臂的運動軌跡；具體步驟如下：

1）PSD相機內外參數的測量

設被測目標光源所在的坐標系為世界坐標系W，投射光斑所在坐標系為PSD坐標系S，設世界坐標系W下某點P?(X_W，Y_W，Z_W)，其對應的投射點P’在PSD坐標系S下的坐標為P’(u,v)，二者之間的轉換關系為：

ZLμν1=fx0μ000fyν000010·RT01·XWYWZW1=A0·RT01·XWYWZW1---(1)]]>

其中，A為內參數矩陣，其包含了焦距f和偏移量(u₀,v₀)，R、T分別為世界坐標系到鏡頭坐標系的旋轉矩陣和平移矩陣，[R?T]為PSD相機的外參數矩陣；

使用平面模板37來測量PSD相機的內外參數，設Z_w=0；

ZLμν1=fx0μ000fyν000010·R1R2T001·XWYW1=H·XWYW1---(2)]]>

根據張氏標定法求解內外參數，固定好PSD相機和模板后啟動控制電路（38），從光源陣列（36）左上角起掃描式依次點亮光源，同時采集相應的PSD的輸出坐標值，直到最后一個光源測量完畢，將采集到的數據和相應的光源的在世界坐標系下的坐標值代入下述方程：

XWYW1000-μ·XW-μ·YW-μ000XWYW1-ν·XW-ν·YW-ν·h11h12h13h21h22h21h31h32h33=00---(3)]]>

平面模板（37）中的光源數量足夠多時，通過最小二乘法求解出單應性矩陣H，改變相機或者模板的方位，就能求出不同單應性矩陣，將多組H代入下述方程：

V12T(V11-V22)T·b=0---(4)]]>

其中Vij=hi1·hj1hi1·hj2+hi2·hj1hi1·hj3+hi3·hj1hi2·hj2hi2·hj3+hi3·hj2hi3·hj3T]]>，b是對稱矩陣B的六個獨立元素構成的向量；

B=(A-1)TA-1=1fx20-μ0fx201fy2-ν0fy2-μ0fx2-ν0fy2μ02fx2+ν02fy2+1]]>

當改變的方位次數足夠多時，通過最小二乘法求出b，并反算出相機內參數矩陣A，將A代入下式：

R₁=A^-1H₁，R₂=A^-1H₂，T=A^-1H₃???????????????????????(5)

然后通過將R₁和R₂通過正交擴展出R₃?，求出相機外參數矩陣[R?T]；

2）目標光點三維坐標的計算

散射目標光源發出的光束經過鏡頭匯聚后投影在PSD相機感應屏上，世界坐標系下目標光源中心坐標（X_W，Y_W，Z_W）與PSD坐標系下投影光斑中心坐標（μ，ν）的關系如下式：

m1-m9μm2-m10μm3-m11μm5-m9νm6-m10νm7-m11ν·XWYWZW=m12μ-m4m12ν-m8---(6)]]>

其中，

M=m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12=A0·RT01]]>

利用單個PSD相機輸出的二維坐標可以列出如上式的兩個方程，兩個PSD相機同時感應同個目標光源，可以列出四個方程并通過最小二乘法求解出目標光源中心在世界坐標系下的坐標值；

3）機械手臂運動軌跡的測量

將目標光源安裝在加工中心ATC的機械手臂上，其隨換刀動作在空間形成機械手臂的運動軌跡，運動軌跡測量采用目標光源的三維坐標值計算和離散點曲線擬合方法；PSD相機的感應面是一個二維平面，投影光斑的二維坐標值與目標光點的三維坐標值通過PSD相機的內外參數矩陣來表示，兩個二維PSD相機輸出的坐標值可以反解出目標點的三維坐標，一系列離散目標點擬合出加工過程中機械手臂的運動軌跡。

2.如權利要求1所述的一種自動換刀機械手臂運動軌跡的測量方法，其特征在于：該方法采用的測量裝置是以兩個PSD相機為核心具有多自由度的測量裝置；測量裝置中在豎直方向、水平方向有位移調整機構，還有旋轉角度及俯仰的調整機構，裝置的具體結構如下：

底座（23）的立板上加工有螺栓孔，帶斷電保護的Z軸電控平臺（28）用螺栓固定在立板上，豎直方向的位移調整機構是由電機（17）通過滾珠絲杠(18)帶動承載工作臺（24）在豎直方向移動，通過一組螺栓（22）在滑動承載工作臺（24）上安裝兩個高度差可調的滑軌（21），滑軌的頂部的水平燕尾導軌與小托板（20）配合，小托板（20）上的PSD相機在水平方向的位置通過該水平方向位移調整機構調整；調整旋轉角度的旋轉平臺(25)和調整俯仰角角度的位移平臺(26)?依次裝配到小托板（20）上，左PSD相機（27）和右PSD相機（19）分別安裝在角位移平臺(26)?的工作臺上；

PSD相機整體結構由聚焦部分、位置敏感探測器、微調部分和連接框架四部分組成；聚焦部分使用的是工業定焦鏡頭（29），調節鏡頭中的光圈改變PSD感應屏上投影光斑的大小和光度，工業鏡頭（29）與L型連接板（30）通過標準C口連接，位置敏感探測器（31）采用10針通訊電纜與信號處理器連接，位置敏感探測器（31）安裝在手動微進給平臺（35）的工作臺上，通過調整微進給平臺（35）可以調節位置敏感探測器（31）與工業鏡頭（29）之間的距離，L型連接板（30）和定位轉接板（34）構成了連接框架部分，位置敏感探測器（31）通過定位銷（32）和位置敏感探測器（31）底面的螺紋定位并夾緊在定位轉接板（34），定位轉接板（34）通過內六角螺釘（33）固定在一維手動平移臺（35）的工作臺上。