专利名称：六自由度机器人位姿检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种基于串并联机构的六自由度机器人位姿检测装置。
背景技术：
传统机器人位置和姿态参数的检测均为单项检测，不仅测量困难，效率极低，而且无法保证测量精度。文献“三维激光球杆测量装置及其应用”(赵俊伟范光照等，《华中科技大学学报》.2001，29(5)1-3)提出一种用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置，该方法是利用大尺寸球杆仪测量空间运动物体上三个固定点到固定坐标系中三个固定点的距离，九次测量可得九个距离长度参数，通过求解这九个非线形方程组可求出运动物体的位姿。这种测量方法尽管检测效率有所提高，但检测精度仍然无法保证，而且在空间运动物体一些位姿下检测存在较大困难，甚至无法检测。文献“The direct-error-compensation methodof measuring the error of a six-freedom-degree parallel mechanism”(Meng，Z.；Che，R.S.；Huang，Q.C.；Yu，Z.J.《Journal of Materials Processing TechnologyConference》，129(1-3)574-581)提出基于演化的STEWART机构的并联机构检测装置实现对空间运动物体的六维测量，由于这种并联机构最大的缺陷在于其工作空间太小，无法满足被测物体的检测要求。
发明内容
如果检测装置采用串联机构，则存在误差累计、检测精度低的弊端，若检测装置采用并联机构，则存在工作空间小、不能满足检测要求的缺陷。如果采用单项检测方案，必然导致测量效率不高。
针对上述问题，本发明采取的技术方案是位置检测和姿态检测均采用三自由度串并联机构，这样就可兼顾检测精度与工作空间两个方面的要求，同时，机构综合确保运动学正解具有显式解。检测信号通过采集卡传入计算机，软件系统将被测物体的位置姿态实时显示出来。从而实现被测物体的位置姿态的综合测量和实时显示。
本装置的机械部分由三自由度串并联位置检测机构A与三自由度串并联姿态检测机构B串联构成。三自由度串并联位置检测机构主要结构有底座1、机架2、三个移动副3、4、5，三个转动副6、7、8，三个直线位移传感器等；三自由度串并联姿态检测机构主要结构有定位板9、接口板10、定长杆11、两个移动副17、18，一个转动副16、四个万向节12、13、14、15，一个球铰19、两个直线位移传感器和一个角位移传感器等。
位置检测机构由垂直方向移动机构与实现平面运动的并联机构相串联构成的串并联机构和三个直线位移传感器组成，实现机床的位置测量。基架固联于底座，在基架的垂直方向安装一移动机构，与该移动机构相连的直线位移传感器检测机器人Z坐标的变化。由三个转动副和两个移动副及其直线位移传感器构成的平面运动并联机构串联于垂直移动机构的滑块，其上位移传感器检测机器人X、Y坐标变化。
姿态检测装机构由接口板、定位板、移动副及直线位移传感器、转动副及角位移传感器、定长杆和万向节等组成，串接于接口板上装有三个万向节，其中一万向节位于接口板中心，其余两万向节中心位于与以接口板中心为圆心的圆周上，且与接口板中心连线相互垂直。定长杆垂直固接于定位板的中心，定位板上装有一个万向节和一个球铰，万向节和球铰中心分布在以定长杆和定位板交点为圆心的圆周上，且与定长杆和定位板的交点的连线相互垂直。
定长杆固接于定位板中心，另一端连于接口板中心处的万向节，此万向节中心即被测机器人机床的运动平台中心(或被测机器人手爪中心)。一移动副两端分别连接定位板上的和接口板上的各一万向节，另一移动副的一端连接接口板上剩余的一万向节，另一端连接与定位板上的一球铰。定位板通过一个转动副及角位移传感器与位置检测机构末端相连。接口板随被测物体作三自由度姿态变化时，两个移动副杆长作相应变化，置于其上的直线位移传感器可检测出杆长变化量，再根据检测结果即可求出被测物体的α、β。由于这种特殊的结构设计使得α、β两个姿态角解耦。角位移传感器测得γ。
本装置可实现六个位姿参数的综合测量，位置检测机构和姿态检测机构均采用串并联机构，特殊的结构设计使本装置不仅具有较大的工作空间，而且具有较高的检测精度，同时可获得被测机器人的三个位置参数和三个姿态参数的显式解；与数据采集及处理系统连接可同时得到六个被测参数实时值，从而实现机器人位置和姿态的综合测量，提高了效率和测量精度。
图1是本装置的机构原理图。
图2是本装置实施例二的机构原理图。
具体实施例方式
实施例一本实施例六自由度机器人位姿检测装置是依前述方案实现的。其机械部分如图1所示，由三自由度串并联位置检测机构A与三自由度串并联姿态检测机构B串联构成。三自由度串并联位置检测机构主要结构有底座1，机架2，三个移动副3、4、5，三个转动副6、7、8，三个直线位移传感器等；三自由度串并联姿态检测机构主要结构有定位板9，接口板10，定长杆11，两个移动副17、18，一个转动副16，四个万向节12、13、14、15，一个球铰19，两个直线位移传感器和一个角位移传感器等；将检测信号传入具有采集卡、工控机和专用系统软件的数据处理系统即可实现检测结果的实时显示。检测时，对检测系统进行初始化处理后，将被测机器人运动末端件(手爪)与接口板10相连接，被测机器人末端件位姿便由通过检测系统即可实时显示。当被测机器人位姿变化时，检测系统位姿亦作相应变化，其结果随之实时显示。
实施例二本实施例六轴串并联结构数控机床运动实现机构是依前述方案实现的，如图2所示，由三自由度串并联位置实现机构A与三自由度串并联姿态实现机构B串联构成。三自由度串并联位置实现机构主要结构有底座1，机架2，三个转动副6、7、8，三个直线位移驱动器驱动三个移动副3、4、5与相应的直线位移检测传感器等；三自由度串并联姿态实现机构主要结构有定位板9，动平台10，定长杆11，两个直线位移驱动器驱动移动副17、18及其相应的直线位移传感器，一个角位移驱动器驱动转动副16及其相应的角位移传感器，四个万向节12、13、14、15，一个球铰19。机床动力头(铣削头或磨头)安装在动平台(对应实施例1中接口板)10上，从而构成一台六轴数控铣床或六轴数控磨床运动实现机构。图2所示直线位移驱动器4、5、17、18可以由电机和丝杠副驱动，也可由伺服油缸驱动，直线位移驱动器3可以由电机和丝杠副、伺服油缸、齿轮齿条副、直线电机等驱动，角位移驱动器16可由电机等驱动。
权利要求
1.一种六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于包括三自由度串并联位置检测机构，三自由度串并联姿态检测机构和平衡配重块，三自由度串并联位置检测机构由机架、移动副及位移传感器和转动副构成，三自由度串并联姿态检测机构由定位板、接口板、移动副及位移传感器、定长杆、万向节构成。
2.根据权利要求1所述的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联位置检测机构中机架垂直固接于底座，机架上连有一与机架平行的移动副及位移传感器。
3.根据权利要求1所述的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联位置检测机构中与机架相连的移动副(滑块)上在与此移动副移动方向垂直的平面内连有两转动副，此两转动副在与机架垂直的平面内各连接一移动副及其位移传感器，并在另一端用一转动副相连。
4.根据权利要求1的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联姿态检测机构的转动副及其角位移传感器与三自由度串并联位置检测机构末端串联。
5.根据权利要求1所述的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联姿态检测机构中的接口板上布置有三个万向节，一万向节中心位于接口板中心，其余两万向节中心分布在以接口板中心为圆心的圆周上，且两万向节中心与接口板中心的连线垂直。
6.根据权利要求1所述的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联姿态检测机构中的定位板上固接有一定长杆和两个万向节，定长杆垂直固接于定位板中心，两万向节中心分布在以定长杆中心线与定位板的交点为圆心的圆周上，且两万向节中心和定长杆与定位板的交点的连线垂直。
7.根据权利要求1所述的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于三自由度串并联姿态检测机构中移动副和定长杆连接接口板和定位板，定长杆另一端接于接口板上中心的万向节；一个移动副及其位移传感器的一端接于定位板上的一万向节，另一端接于接口板上的一万向节；一移动副及其位移传感器的一端接于与定位板上余下的一万向节串联的转动副，另一端接于接口板上余下的一万向节。
8.根据权利要求所述1的六自由度机器人位姿检测装置，其特征在于平衡配重块在机架上位于与位姿检测机构相对的一侧，以使机架两侧重量相等，保证机构的灵活性。
全文摘要
本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种基于串并联机构的六自由度机器人位姿检测装置。六自由度机器人位姿检测装置由三自由度串并联机构组成的位置检测装置和三自由度串并联机构组成的姿态检测装置串接而成，这样就可兼顾检测精度与工作空间两个方面的要求，同时，机构综合确保运动学正解具有显式解。相应运动副所在处的传感器的检测信号通过采集卡传入计算机，软件系统将被测物体的位置姿态实时显示出来，实现被测物体的位置姿态的综合测量和实时显示，从而大大提高了检测效率。
文档编号G01B21/02GK1570558SQ20041001490
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月12日 优先权日2004年5月12日
发明者余晓流, 储刘火, 岑豫皖, 潘紫微, 吴玉国 申请人:安徽工业大学