本发明涉及工程机械领域，特别是涉及一种作业台车及其机械臂光学标靶定位装置。此外，本发明还涉及一种应用上述装置的定位方法。
背景技术
在隧道工程施工过程中，为了防止围岩变形和破碎，通常需要采用架设拱架、安装锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土等方法对围岩进行加固。以隧道拱架多功能作业台车为例，该台车是集拱架定位、安装、焊接于一体的自动化隧道施工装备，作为其核心的作业臂架是一个多自由度的串联机构，通过调整关节位姿使末端作业装置实现预定的位置和姿态是作业台车的基本要求，同时也是其研制中的关键技术。
但是由于作业台车臂架长、关节多、自身重量大，易发生柔性变形，且加工与装配后的各个部件存在尺寸误差，实现末端作业装置的精确定位具有很大的技术难度。通常依据臂架结构与运动规律，运用机器人运动学建模方法，建立起臂架运动学标定模型，但这种方法是通过辨识几何误差来提高定位精度，忽略了台车臂架大尺度和低刚性引起的变形因素，且臂架的柔性变形会对几何误差的辨识产生干扰。虽然目前也有串联结构非几何误差的辨识与修正方法，但只能处理简单结构或小型机械问题，如中国专利cn106671134a。台车臂架中涉及变截面、接触、间隙等多种不利因素，通过整体直接标定的方法并不适合作业台车臂架的定位。
因此，如何提供一种高精度的定位装置及定位方法是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种作业台车及其机械臂光学标靶定位装置，通过矢量合成法则，精确得出机械臂的动态坐标位姿信息，提高定位精度。本发明的另一目的是提供应用上述装置的定位方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种机械臂光学标靶定位装置，包括：
标靶，安装于机械臂的动臂末端，且垂直于所述动臂末端的延伸方向，并能够获取所述标靶上光斑的二维坐标信息和光束的入射角；
倾角传感器，安装于所述标靶并用于测量所述标靶的倾角姿态；
光学测距仪，安装于机械臂的定臂首端，所述光学测距仪发出的光束平行于所述定臂的延伸方向，且能够在所述标靶上投射可采集的所述光斑，并能够获取所述光学测距仪与所述标靶之间的光束长度；
控制器，根据各部件的安装尺寸、所述入射角、所述倾角姿态、所述光束长度和所述二维坐标信息得出所述动臂末端的动态坐标位姿信息。
优选地，所述倾角传感器具体为双轴倾角传感器。
优选地，所述光学测距仪具体为激光测距仪。
优选地，所述标靶具体为二维光点位置传感器。
优选地，所述二维光点位置传感器具体为psd传感器。
优选地，所述标靶包括本体以及安装于所述本体上方的光斑采集器，所述光斑采集器用于获取所述本体上的所述光斑的二维坐标信息。
优选地，所述控制器能够根据矢量合成法则并通过公式
其中，
本发明提供一种作业台车，包括机械臂以及安装于所述机械臂的机械臂光学标靶定位装置，所述机械臂光学标靶定位装置具体为上述任意一项所述的机械臂光学标靶定位装置。
本发明提供一种作业台车的机械臂光学标靶定位方法，包括步骤：
获取光学测距仪与机械臂的定臂首端中心的偏置矢量；
获取机械臂的动臂伸出后光学测距仪投射到标靶的光束矢量；
获取所述动臂末端中心到所述动臂伸出前所述光学测距仪投射到所述标靶的初始光斑的初始矢量；
获取所述初始光斑到所述动臂伸出后所述光学测距仪投射到所述标靶的实时光斑的实时矢量；
根据矢量合成原理并通过公式
其中，
优选地，获取所述初始矢量和所述实时矢量包括获取所述标靶的安装位置、所述动臂伸出前后的倾角姿态和所述初始光斑及所述实时光斑的二维坐标信息，根据所述安装位置、所述倾角姿态和所述二维坐标信息得出所述初始矢量和所述实时矢量。
本发明提供一种作业台车的机械臂光学标靶定位装置，包括标靶，安装于机械臂的动臂末端，且垂直于动臂末端的延伸方向，并能够获取标靶上光斑的二维坐标信息；倾角传感器，安装于标靶并用于测量标靶的倾角姿态；光学测距仪，安装于机械臂的定臂首端，光学测距仪发出的光束平行于定臂的延伸方向，且能够在标靶上投射可采集的光斑，并能够获取光学测距仪与标靶之间的光束长度；控制器，根据各部件的安装尺寸、倾角姿态、光束长度和二维坐标信息得出动臂末端的动态坐标位姿信息。
本发明还提供一种应用上述装置的定位方法，包括获取光学测距仪与机械臂的定臂首端中心的偏置矢量；获取机械臂的动臂伸出后光学测距仪投射到标靶的光束矢量；获取动臂末端中心到动臂伸出前光学测距仪投射到标靶的初始光斑的初始矢量；获取初始光斑到动臂伸出后光学测距仪投射到标靶的实时光斑的实时矢量；根据矢量合成法则并通过公式
通过上述定位装置和方法，利用各部件测量获得准确的数据信息，经控制器处理后，通过矢量合成公式，实时获取机械臂末端位姿信息，提高了臂架的定位精度，减小了由于臂架变形带来的位姿误差；采用光学标靶，响应速度快，位置分辨率高，可靠性高，检测数据只与光点的能量中心有关；实时自动测量，测量过程不需要人工干预。
本发明还提供一种包括上述机械臂定光学标靶位装置的作业台车，由于上述机械臂定光学标靶位装置具有上述技术效果，上述作业台车也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。
附图说明
图1为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的一种具体实施方式的矢量合成示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种作业台车及其机械臂光学标靶定位装置，通过矢量合成法则，精确得出机械臂的动态坐标位姿信息，提高定位精度。本发明的另一核心是提供应用上述装置的定位方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3，图1为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的另一种具体实施方式的结构示意图；图3为本发明所提供的机械臂光学标靶定位装置的一种具体实施方式的矢量合成示意图。
本发明具体实施方式提供一种作业台车的机械臂光学标靶定位装置，包括标靶1、倾角传感器、光学测距仪2和控制器。其中标靶1安装于机械臂的动臂5末端，且垂直于动臂5末端的延伸方向，能够获取标靶1上光斑的二维坐标信息和光束的入射角；倾角传感器安装于标靶1并用于测量标靶1的倾角姿态，不考虑标靶1偏摆角时，倾角传感器可完全确定标靶1的法向；光学测距仪2安装于机械臂的定臂4首端，光学测距仪发出的光束平行于定臂4的延伸方向，且能够在标靶1上投射可采集的光斑，并能够获取光学测距仪2与标靶1之间的光束长度；标靶1上光斑的二维坐标信息和光束的入射角，加上倾角传感器获取的姿态角，即可得到光斑相应的三维空间信息；控制器，根据各部件的安装尺寸、入射角、倾角姿态、光束长度和二维坐标信息得出动臂5末端的动态坐标位姿信息。
标靶1具体为二维光点位置传感器，二维光点位置传感器即为标靶1，直接安装于机械臂的动臂5末端，能够获取标靶1上光斑的二维坐标信息和光束的入射角，且倾角传感器直接安装于二维光点位置传感器，当然，标靶1也可以为单独设置的支撑结构，安装于机械臂，二维光点位置传感器和倾角传感器安装于标靶1，均在本发明的保护范围之内。
其中根据动臂5伸出的方向来定义机械臂的首端和末端，动臂是沿着其首端向末端延伸的，即动臂5靠近定臂4的一端为动臂5的首端，动臂5远离定臂4的一端为动臂5的末端，同样地，定臂4靠近动臂5的一端为定臂4的末端，定臂4远离动臂5的一端为动臂5的首端。
应用上述装置，定位方法包括步骤：
获取光学测距仪2与机械臂的定臂4首端中心的偏置矢量，可以根据光学测距仪2的安装位置及预标定确定。
获取机械臂的动臂5伸出后光学测距仪2投射到标靶1的光束矢量，可以直接通过光学测距仪2得出距离，并已知光学测距仪2的光束方向，因此可以直接得出光束矢量。
通过二维光点位置传感器获取动臂5末端中心到动臂5伸出前光学测距仪2投射到标靶1的初始光斑p1的初始矢量。通过二维光点位置传感器获取初始光斑p1到动臂5伸出后光学测距仪2投射到标靶1的实时光斑p2的实时矢量。
具体地，获取初始矢量和实时矢量包括获取标靶1的安装位置、动臂5伸出前后的倾角姿态、初始光斑及实时光斑的二维坐标信息和光束的入射角，其中，可以通过二维光点位置传感器采集标靶1上激光斑点的平面二维坐标和光束的入射角，然后输出到控制器。根据安装位置、倾角姿态、二维坐标信息和光束入射角得出初始矢量和实时矢量。设倾角传感器输出的俯仰角为α，翻滚角为β，水平方位角为γ，分别使原始标靶平面以p2为中心旋转3次，得到当前标靶平面；利用求出的标靶平面信息，把以平面坐标形式获得的输出矢量转化为三维空间表达。
根据矢量合成法则并通过公式
其中，
通过上述定位装置和方法，利用各部件测量获得准确的数据信息，经控制器处理后，通过矢量合成公式，实时获取机械臂末端位姿信息，提高了臂架的定位精度，减小了由于臂架变形带来的位姿误差；采用光学标靶，响应速度快，位置分辨率高，可靠性高，检测数据只与光点的能量中心有关；实时自动测量，测量过程不需要人工干预。
在本发明具体实施方式提供的定位装置中，倾角传感器具体为双轴倾角传感器3，光学测距仪2具体为激光测距仪，二维光点位置传感器具体为psd传感器。激光测距仪和双轴倾角传感器都输出can总线，将测量数据传送给控制器；psd传感器与控制器连接，激光测距仪的激光束照射至标靶1，并在标靶上形成光点，psd传感器将激光斑点的平面二维坐标和光束的入射角数据实施传输至计算机；控制器对这些测量数据进行分析计算，完成机械臂末端位姿的实时自动测量。当然也可采用其他类型的部件，均在本发明的保护范围之内。
在上述各具体实施方式提供的机械臂定位装置的基础上，控制器能够根据矢量合成法则并通过公式
其中，
也可采用其他方式获取光斑的二维坐标信息，标靶1包括本体以及安装于本体上方的光斑采集器6，光斑采集器6用于获取本体上的光斑的二维坐标信息。
通过上述定位装置和方法，利用各部件测量获得准确的数据信息，经控制器处理后，通过矢量合成公式，实时获取机械臂末端位姿信息，提高了臂架的定位精度，减小了由于臂架变形带来的位姿误差；采用机器视觉，视野范围较大，易于识别光斑，且成本较低；实时自动测量，测量过程不需要人工干预。
在本发明具体实施方式提供的定位装置中，倾角传感器具体为双轴倾角传感器3，光学测距仪2具体为激光测距仪，光斑采集器6具体为工业相机，工业相机通过支架安装于本体上方。激光测距仪和双轴倾角传感器都输出can总线，将测量数据传送给控制器；工业相机通过以太网与控制器连接，并利用图像处理嵌入式系统处理实时采集到的激光斑图像信息；控制器对这些测量数据进行分析计算，完成机械臂末端位姿的实时自动测量。当然也可采用其他类型的部件，均在本发明的保护范围之内。
除了上述机械臂定位装置，本发明的具体实施方式还提供一种包括上述机械臂定位装置的作业台车，该作业台车其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。同时，由于臂架变形最为严重的是大臂二级伸缩关节，上述装置与方法一般应用于此处，当然也可应用于其他关节处。
以上对本发明所提供的作业台车及其机械臂光学标靶定位装置和定位方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。