[發明專利]一種對偶激光式機器人關節角度測量方法及角度測量裝置

有效

• 申請號: 202010075596.7
• 申請日: 2020-01-22
• 公開（公告）號: CN111256622B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 陳啟軍;杜孝國;劉成菊
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種對偶激光式機器人關節角度測量方法及角度測量裝置，所述測量方法以地平面作為參考面構建激光?平面測角模型，通過測量機器人關節處一對偶激光測距變化值，獲得機器人關節的轉動角度；所述測量裝置包括對偶激光測距儀，安裝于機器人上，且其中心軸與機器人的臂軸平行；計算機與所述對偶激光測距儀連接，在機器人關節運動過程中實時采集對偶激光測距儀左右兩個激光測距值，并基于所述激光?平面測角模型獲得機器人關節的轉動角度。與現有技術相比，本發明具有測量準確高、簡單等優點。

技術領域

本發明涉及機器人關節角度測量技術領域，尤其是涉及一種對偶激光式機器人關節角度測量方法及角度測量裝置。

背景技術

關節角度測量是機器人運動控制過程中的一個重要環節，工業生產和日常生活中許多場景都需要對關節角度量進行測量，例如多軸機器人的關節角度、自動旋轉門窗的張合角度等。通常，各類測角傳感器將機構運動中的角位移量轉化為電信號，計算機收到數據后通過一定的數學運算求得該機構的關節角度值，從而確定關節運動位置以便為控制器提供反饋參考。

近年來隨著計算機技術的發展和傳感器性能的提升，角度測量技術取得了巨大的進步。目前，角度測量方法可以按照工作原理分為以下七類：基于電學的方法、基于光學的方法、光柵方法、光電編碼器方法、電磁方法、慣性測量法、視覺測量法等。在機器人的關節角度測量中，一般采用光電式旋轉編碼器和磁性編碼器進行測量。

1)磁性編碼器

磁性編碼器的工作原理是利用霍爾效應來進行角度測量。該傳感器通過檢測由關節轉動所引起的霍爾元件周圍磁場變化，屬于非接觸式測量傳感器。受加工工藝限制，磁性編碼器無法達到較高的測量精度，但其價格低廉，使用壽命較長，對環境依賴性低，被廣泛用于工業生產中。

2)光電編碼器

光電編碼器又被稱為光電碼盤，同樣屬于非接觸式測量傳感器。該裝置利用光的透過和阻擋來表示二進制測量信號，通過在碼盤圓周上等距刻畫碼道來設定不同精度的角度測量值，測量精度優于磁性編碼器。由于其具備較高的測量精度，光電式編碼器被廣泛應用于工業機器人的關節角度測量之中。但是由于加工制造難度較大，該類型傳感器的高端產品價格相對偏高。

上述兩類傳感器均需要與關節轉軸或電機軸之間通過聯軸器固定或者齒輪嚙合等方式直接接觸，安裝難度較大。此外，這兩類傳感器的加工工藝復雜，對電磁環境敏感，需要精準的標定、封裝和校準操作，生產成本相對較高。

3)光學方法

隨著激光技術的迅速發展，許多高精度的光學測角方法被開發出來。這些方法通常采用干涉法來保證測量精度，例如圓光柵測角法、激光干涉測角法等。這些方法可以達到非常高的測角精度，但是測量的動態范圍較小，而且由于光學元器件需要精密加工以及光路復雜等原因，其造價較為高昂。近期，基于激光三角測距法的非接觸式測角裝置被設計出來，這一方法動態范圍大，響應速度快，但其裝置光路復雜，設備成本依然較高。

綜上所述，已有的角度測量裝置或安裝難度較大，或是動態范圍不夠，或是成本較高，無法保證對機器人關節姿態測量的要求，無法適應復雜的生產應用場景。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種對偶激光式機器人關節角度測量方法及角度測量裝置。

機器人的末端關節在擺動過程中，會引起左右側激光測距的變化，而這一距離變化與關節角度之間存在明確的幾何關系，本發明基于這一原理實現。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種對偶激光式機器人關節角度測量方法，該方法以地平面作為參考面構建激光-平面測角模型，通過測量機器人關節處的對偶激光測距變化值及所述激光-平面測角模型，獲得機器人關節的轉動角度。

進一步地，該方法包括以下步驟：