一种高精度运动轨迹检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种运动轨迹检测装置，具体的涉及一种采用惯性传感、机器视觉和电磁定位子系统组成的高精度运动轨迹检测装置，应用领域包括工业机器人等运动部件的运动轨迹检测。
【背景技术】
[0002]工业机器人和移动机器人等运动部件日益广泛应用导致对其操作性能，尤其是对运动执行器的动态定位精度提出很高的要求。例如工业机器人作为由减速器、伺服电机、增量式编码器和负载反馈单元实现半闭环的运动控制方式，其机械手臂结构高度非线性，高速末端动态变异(偏移、抖动)和高负载变异(末端工具置换)将影响路径定位精度。所以一种高精度的运动轨迹检测系统来实现机器人的实时运动反馈与控制在装配定位、振动分析以及性能指标的测量与评价等应用显得非常的必要。
[0003]目前国内外对运动跟踪和定位技术的研究相对集中在射频信号检测定位、惯性传感、磁场定位、视觉定位和声源定位等。基于惯性传感技术的Xsens动作捕捉系统，将加速度计、陀螺仪和磁力计进行信息融合，能获得精度较高的三维姿态信息，因为加速度值二次积分后误差较大，获得的线性位移只能作为参考值。电磁定位系统通过磁传感器阵列对永磁体或者电磁线圈在空间分布的三维磁场强度进行检测，再进行迭代求解得到永磁体或电磁线圈的空间位置和姿态信息，NDI公司的电磁定位系统就采用两个垂直放置的3轴电磁感应线圈实现完整6轴的运动检测，但是电磁定位系统容易受到环境电磁波及铁磁物质的干扰，在工业环境下这种干扰难以避免；基于光学定位技术的VIC0N动作捕捉系统由红外高速摄像机、一个数据处理器构成，红外高速摄像机捕捉被动发光标记点，采用机器视觉原理和激光扫描技术，实现运动位置信息的测量，但光学定位系统只能测量标记点的空间位置信息，且容易受到遮挡以及环境光和背景的影响。
[0004]针对光学定位系统容易受遮挡的问题，申请号为201420695742.6的中国实用新型专利申请，该实用新型提出一种基于惯性检测的激光跟踪仪靶球定位装置，可实现断光续接功能，便于对难测点或遮档位置的测量，但主要不是提升目标定位跟踪的精度和维度。
[0005]因此，在复杂多变的测试环境中，使用单个定位测量系统会存在以下不足:1、测量获得的信息量单一，如光学定位系统只能测量到位置信息，惯性定位系统只能测量到姿态信息；2、受到环境因素的干扰而导致定位精度不高，如电磁定位系统容易受电磁波的干扰，光学定位系统容易受到遮挡以及环境光和背景的影响。
【实用新型内容】
[0006]为克服单个定位系统存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种高精度运动轨迹检测装置，实现工业机器人等运动部件的6维位姿的高精度、高稳定和快速运动检测系统。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案:
[0008]一种高精度运动轨迹检测装置，包括惯性传感定位子系统、电磁定位子系统、机器视觉定位子系统以及用于数据融合的处理器，其中:
[0009]所述惯性传感定位子系统，其输入端测量运动部件三维姿态角，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0010]所述电磁定位子系统，其输入端测量运动部件三维位置和三维姿态角，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0011]所述机器视觉定位子系统，其输入端测量运动部件三维位置信息，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0012]所述用于数据融合的处理器同时连接惯性传感定位子系统、电磁定位子系统、机器视觉定位子系统的输出端，并将三个子系统的数据进行融合，得到运动部件的运动轨迹。
[0013]优选地，所述的惯性传感定位子系统包括MEMS传感器和第一子处理器，MEMS传感器贴附于运动部件并实现实时三维姿态信息的获取，所述MEMS传感器的输出端连接到第一子处理器，第一子处理器对MEMS传感器采集的数据进行融合，获得运动部件精确的三维姿态角信息。
[0014]优选地，所述的MEMS传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计均连接到第一子处理器。
[0015]优选地，所述的电磁定位子系统包括三轴正交的激励线圈和三轴正交的感应线圈，以及第二子处理器，其中:感应线圈固定在运动部件上，激励线圈则作为固定点；激励线圈交替通过相同频率和幅度的交流电流，交变的电流信号通过激励线圈在空间产生交变的电磁场，感应线圈在交变的电磁场中输出频率相同的信号；第二子处理器根据感应线圈输出信号的幅值和相位信息，得到感应线圈相对于激励线圈的位置和方向信息。
[0016]优选地，所述的机器视觉定位子系统由若干个相机和FPGA嵌入式处理器组成，其中:若干个相机安装在特征点的周围，用于从不同的方位实时连续采集特征点的图像信号并输出给FPGA嵌入式处理器；所述特征点采用主动发光或被动发光的标记点，且贴附于运动部件上；FPGA嵌入式处理器用于控制相机获取含有标记点的图像信号，并将图像信号进行处理，实现特征点图像坐标的获取。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的有益效果:
[0018]本实用新型装置包括三个子系统，并且每个子系统中均设置相应的处理器，从而生成局部的定位跟踪轨迹通过串行通信总线传送至用于数据融合的处理器，用于数据融合的处理器对子系统的数据进行融合，得到运动部件的运动轨迹。本实用新型采用三个子系统采集多源信息、借助多源信息提升检测的精度和维度，克服单个系统获得的定位信息量单一以及容易受环境因素干扰的问题。
[0019]进一步的，该装置中，不仅具有局部独立的定位跟踪能力(三个子系统的设计)，而且还有全局监视和评估特性。通过各个定位子系统中获取的多源信息，并进一步融合，实现工业机器人等运动部件的六维位姿(三维位置和三维姿态角)的高精度、高稳定和快速运动检测。
【附图说明】
[0020]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0021]图1为本实用新型一实施例的运动轨迹检测装置的结构框图；
[0022]图2为本实用新型一实施例的惯性传感定位子系统结构示意图；
[0023]图3为本实用新型一实施例的电磁定位子系统结构示意图；
[0024]图4为本实用新型一实施例的机器视觉定位子系统结构示意图；
[0025]图中:运动部件1，惯性传感定位子系统2，MEMS传感器21，电磁定位子系统3，感应线圈31，激励线圈32，机器视觉定位子系统4，相机41，特征点42，FPGA嵌入式处理器43，用于数据融合的处理器5。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0027]如图1所示，一种高精度运动轨迹检测装置，该装置由惯性传感定位子系统2、电磁定位子系统3和机器视觉定位子系统4，以及用于数据融合的处理器5组成；其中:
[0028]所述惯性传感定位子系统2，其输入端测量运动部件三维姿态角，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0029]所述电磁定位子系统3，其输入端测量运动部件三维位置和三维姿态角，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0030]所述机器视觉定位子系统4，其输入端测量运动部件三维位置信息，输出端连接到所述用于数据融合的处理器；
[0031]所述用于数据融合的处理器5，同时连接惯性传感定位子系统、电磁定位子系统、机器视觉定位子系统的输出端，并将三个子系统的数据进行融合，得到运动部件的运动轨迹。
[0032]本实施例中，各个子系统的数据通过串行通信总线(SPI或者CAN)传输到所述用于数据融合的处理器5，实现数据融合。
[0033]所述用于数据融合的处理器5，其具体融合技术可以采用现有技术，在一优选实施例中，也可以采用基于分布式状态融合结构模型，对数据进行坐标转换和数据校正、数据关联和状态估计融合。用于数据融合的处理器5能够有效利用多重定位系统的定位冗余信息和互补信息，综合考虑噪声干扰和环境因素的影响，能提升目标定位跟踪的精度和维度，还能增强系统的可靠性和鲁棒性。
[0034]以机械手臂法兰盘末端作为测量的运动部件1，结合附图对本实用新型详细实施例进行说明。
[0035]如图2所示，在一优选实施例中，所述的惯性传感定位子系统2包括MEMS传感器21和第一子处理器，MEMS传感器21贴附于运动部件1并实现实时三维姿态信息的获取，所述MEMS传感器21的输出端连接到第一子处理器，第一子处理器对MEMS传感器采集的数据进行融合，获得运动部件精确的