[發明專利]一種繩驅機械臂三維臂型測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202010032836.5
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111238367B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 孟得山;王學謙;梁斌;黃少平;米奕霖;徐文福
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24;G01B11/26
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 王震宇

一種繩驅機械臂三維臂型測量方法，包括如下步驟：S1、在所述繩驅機械臂的每個關節上固定兩個靶球，并使每個關節上的兩個靶球與所在關節的中軸線平行；通過相機拍攝靶球，獲取每個關節上的兩個靶球的坐標；S2、根據幾何關系，將每個關節上的兩個靶球的坐標投影到對應關節的中軸線上；S3、根據每個關節上的兩個靶球的坐標，確定關節之間的異面直線夾角θ_i以及關節的旋轉角S4、根據異面直線夾角θ_i以及旋轉角確定每個關節的十字軸方向角α_i和β_i；S5、根據每個關節的十字軸方向角α_i和β_i，從根部往末端迭代得到所述繩驅機械臂的臂型。相對于傳統直接利用外側靶球的坐標進行測量的方法，本發明可以更加準確地測出繩驅機械臂的三維臂型。

技術領域

本發明涉及繩驅機械臂，特別是一種繩驅機械臂三維臂型測量方法及裝置。

背景技術

繩驅機械臂為了保證整臂的輕量化和靈活性，往往采用繩驅這種驅動源后置的設計方案。這類設計使用多組繩索提供機械臂關節運動所需的驅動力和力矩，具有輕量、靈活、柔順等優勢，特別適合于狹小空間下的避障作業。繩驅機械臂可以穿越航天器的桁架結構和組件間隙，深入到結構內部進行探測、維修等任務。因此，繩驅機械臂的靈活性、柔順性和細長特點使得其在空間狹小復雜環境中具有廣闊的應用前景。

繩驅機械臂模型如圖1所示。該繩驅機械臂主要由若干個關節組成，關節之間采用十字軸進行連接，如圖2所示，其中具有三根繩索L1-L3。

繩驅機械臂的三維臂型檢測問題始終是業界的難題。在常見的三維繩驅機械臂的臂型檢測系統中，可以檢測放置在繩驅機械臂上的靶球的坐標點，但無法檢測出繩驅機械臂的臂型。因為繩驅機械臂本身具有一定的尺寸，靶球只能放在繩驅機械臂的外側，不能直接安放在中軸線的位置，通過檢測外側靶球的坐標，不能直接還原出繩驅機械臂的關節角度。目前的三維相機可以精確地檢測靶球坐標，但是沒有相應的方法來準確得到繩驅機械臂的構形。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的上述缺陷，提供一種能夠準確測量繩驅機械臂三維臂型的測量方法及裝置。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種繩驅機械臂三維臂型測量方法，包括如下步驟：

S1、在所述繩驅機械臂的每個關節上固定兩個靶球，并使每個關節上的兩個靶球與所在關節的中軸線平行；通過相機拍攝靶球，獲取每個關節上的兩個靶球的坐標；

S2、根據幾何關系，將每個關節上的兩個靶球的坐標投影到對應關節的中軸線上；

S3、根據每個關節上的兩個靶球的坐標，確定關節之間的異面直線夾角θ_i以及關節的旋轉角

S4、根據異面直線夾角θ_i以及旋轉角確定每個關節的十字軸方向角α_i和β_i；

S5、根據每個關節的十字軸方向角α_i和β_i，從根部往末端迭代得到所述繩驅機械臂的臂型。

進一步地：

步驟S2包括：

第i節關節上的兩個靶球的坐標分別為和靶球在中軸線的投影距離為d，靶球坐標投影到中軸線的坐標分別對應為和靶球與中軸線構成的平面法向量為n_i，第i節坐標系原點位于第i節與第i-1節的旋轉軸中心O_i處，中軸線投影到xoy平面的投影直線與x軸的夾角為與之間的夾角為θ_i；

通過三個約束關系來求解每一個靶球投影點的坐標，如下：