一种基于激光扫描的机械臂定位装置与方法与流程

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种基于激光扫描的多功能作业台车机械臂末端的定位装置与方法。

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10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多功能作业台车的基本要求，同时也是其研制中的关键技术。

多功能作业台车臂架长、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，因此影响台车机械臂定位精度的因素包括变形和几何误差。通常我们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。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多功能作业台车臂架的定位，因此需要一种能够直接识别获取机械臂末端位姿的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种定位精度高的机械臂定位装置以及方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种基于激光扫描的机械臂定位装置，该装置包括：具有可识别表面的标靶，其安装于所述机械臂的动臂的设定端；激光扫描仪，其安装于所述机械臂的定臂的设定端，通过对所述标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；控制器，其根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。

在本发明的一个实施例中，所述激光扫描仪具体为三维激光扫描仪。

在本发明的一个实施例中，所述标靶的表面包括反光面区域，该区域反射率大于所述标靶表面的其他区域，可被所述激光扫描仪识别。

在本发明的一个实施例中，所述三维激光扫描仪，其以自身为基点扫描所述标靶，得到其与该标靶的扫描距离和三个扫描角度，将它们作为扫描参数；所述控制器，其根据三角函数对所述扫描参数进一步计算得到标靶在扫描仪坐标系下的坐标，从而获取所述机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息。

根据本发明的另一方面，还提供了一种应用如上所述装置的基于激光扫描的机械臂定位方法，该方法包括：获取扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息以及所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息；通过对所述标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。

在本发明的一个实施例中，根据三角函数对所述扫描参数进一步计算得到标靶在扫描仪坐标系下的坐标，从而获取所述机械臂末端在该扫描仪下的位姿信息，所述扫描参数包括激光扫描仪与该标靶的扫描距离和三个扫描角度。

在本发明的一个实施例中，使用全站仪定位或扫描仪定位的方法获取机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息。

在本发明的一个实施例中，利用如下坐标转换式来完成扫描仪坐标系、机械臂载体坐标系和隧道坐标系之间的转换，并结合扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息：

式中：

其中，[xyz]^t是某点在a坐标系下的坐标；

[xyz]^t是该点在b坐标系下的坐标；

[δxδyδz]^t表示b坐标系和a坐标系原点间的矢量；

rx、ry、rz是a坐标系变换到b坐标系的分别沿x、y、z轴的旋转变换矩阵；

α、β、γ表示a坐标系分别绕x、y、z轴到b坐标系的旋转角度，k为一常数。

在本发明的一个实施例中，通过对所述激光扫描仪进行校准来获取所述扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例通过将台车臂架的柔性变形转化为容易被识别的靶盘中心反光面空间位置的变化，辨识了机械臂的变形，提高了臂架定位精度，减小了由于臂架变形带来的位姿误差。通过三维激光扫描仪识别带反光面的靶盘，采集点云数据快、精度高，极大提高了目标识别的效率和准确性。而且由于实时自动测量，测量过程不需要人工干预。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请的基于激光扫描的机械臂定位装置的示例一的结构示意图。

图2为本申请的基于激光扫描的机械臂定位方法的示例一的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，以多功能作业台车为例，基于这种台车的臂架结构形式，可以确定伸缩臂的变形是导致台车臂架定位精度低下的最主要原因，该变形可以采用现场直接测量的方法确定。简要来说，本发明的原理是通过激光扫描仪识别带反光面的靶盘，获取隧道坐标系下台车机械臂末端位姿信息，实现末端位姿可控的目的。

图1为本申请的基于激光扫描的机械臂定位装置的示例一的结构示意图。下面参考图1来说明本发明的机械臂定位装置的结构和使用时的安装状态。

具体来说，该机械臂定位装置包括靶盘(也称标靶)1、三维激光扫描仪(激光扫描仪的一个例子)2和控制器(未图示)。靶盘1，其安装于机械臂的动臂的设定端，表面包含反光面区域，且该区域的反射率大于所述标靶表面的其他区域，可被激光扫描仪识别；激光扫描仪2，其安装于机械臂的定臂的设定端，通过对标靶1进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；控制器，其根据扫描仪2在机械臂载体坐标系下的位姿信息、机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。其中，隧道坐标系即大地坐标系，机械臂载体坐标系和扫描仪坐标系都是指定原点后即可构建，比如机械臂载体坐标系可以以作业台车的机械臂根部为原点去构建。

在进行定位的过程中，先将靶盘1安装于机械臂的动臂末端4，如图1所示，该靶盘1中心有易于被识别的反光面5。将三维激光扫描仪2安装于定臂首端，并能够通过识别靶盘1的反光面5获取机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息。控制器，其处理三维激光扫描仪2获取的位姿信息，控制机械臂各关节运动达到预定位姿，完成隧道坐标系下对台车机械臂的定位。在本例中，根据动臂4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4靠近定臂3的一端为动臂4的首端，动臂4远离定臂3的一端为动臂4的末端，同样地，定臂3靠近动臂4的一端为定臂3的末端，定臂3远离动臂4的一端为动臂3的首端。

在本发明实施例中，三维激光扫描仪2由一维旋转平台和二维激光测距仪搭建而成。相比以往的点扫描方式，该扫描仪采用线扫描方式，采集点云数据快，精度高，极大提高了目标识别的效率和准确性。

图2为本申请的基于激光扫描的机械臂定位方法的示例一的流程示意图。下面可同时参考图1和图2来说明如何采用本申请的装置完成机械臂的定位。

在步骤s210中，首先进行扫描仪校准操作，目的是为了获取扫描仪在台车(机械臂载体的一个例子)坐标系中的位姿信息。

在本步骤中，通过扫描仪进行校准能够获取扫描仪在台车坐标系下的坐标，进而为与其他坐标系建立转换关系做好准备。

在校准前首先需要判断扫描仪是否需要校准(并不是每次都需要校准)，在如下两种情况下进行扫描仪校准：

1、第一次进行机械臂定位时需校准；

2、将扫描仪激光依次对准各臂架末端判断扫描仪偏差，如果扫描仪激光投影与靶盘中心距离在设定误差范围，例如8cm内，则不需要重新校准，若超出该范围，则需要重新校准。

具体的扫描仪校准过程包括如下步骤：

1、校准前调节支腿使台车左右水平；

2、安装两个目标靶板在校准激光的出射方向；

3、使校准激光打在目标靶板1上，用激光测距仪测量校准激光出射点到光斑的距离，并输入工控机(即控制器)中，再将扫描仪激光对准校准激光光斑，扫描仪通过rs232串口将数据发送至工控机；

4、同上一步，使校准激光打在目标靶板2上，移动扫描仪激光使之与校准激光光斑重合，将数据发送至工控机；

5、工控机计算并存储三维激光扫描仪在台车基坐标系中的位姿。

需要说明的是，目标靶板可使用其他合理替代物，可以使用具有伸缩性的靶盘，本发明对此不做限定。

然后，在步骤s220中获取台车在隧道坐标系下的位姿信息。

具体获取方法可采用全站仪定位或扫描仪定位，具体定位方法如下。

全站仪定位：

1、在设备出厂前，预先建立台车坐标系，并于台车车身前后取两个固定点放置棱镜，将棱镜在台车坐标系下的坐标输入工控机中保存，完成本地坐标系标定工作。

2、当设备在隧道内使用时，将全站仪放置于隧道中，通过测量隧道内预先放置的已知点设站，得到全站仪坐标系与隧道坐标系的转换关系。

3、全站仪测量台车上两棱镜位置，得到棱镜在隧道坐标系下的坐标，最终计算获取台车坐标系与隧道坐标系的空间转换关系，完成台车的定位工作。

扫描仪定位：

1、在设备出厂前，预先建立台车坐标系与，扫描仪安装在台车车身上，因此可获取扫描仪坐标系与台车坐标系的空间转换关系，并输入工控机中保存。

2、当设备在隧道内使用时，根据扫描仪对隧道内已知点的实际测量结果，通过三角测量算法计算获取扫描仪与隧道坐标系的空间转换关系。

三角测量算法：测量需要现场隧道坐标系中的三个点，其中已知点p1、p3用于定位，已知点p2用于检测定位。若检测误差可以接受，则完成扫描仪对台车的定位工作。

3、根据扫描仪坐标系与台车坐标系的空间转换关系、扫描仪与隧道坐标系的空间转换关系，最终计算获取台车坐标系与隧道坐标系的空间转换关系，完成台车的定位工作。

以上两种方法仅是示例，只要能够获取台车在隧道坐标系下的位姿信息。除了上面的方法外，还可以用其他方法，本发明对此不做限制。

在步骤s230中，通过三维激光扫描仪对标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数。

扫描仪参数包含扫描距离和扫描角度，因此可通过扫描仪识别出靶盘中心的反光面，获取靶盘位姿，即机械臂的末端位姿，位姿即位置和姿态。

具体地，机械臂末端的位置由空间坐标系x、y、z可描述，姿态由空间角α、β、γ可描述。前面已获取扫描仪坐标系与隧道坐标系空间转换关系，以扫描仪为基点扫描靶盘，得到扫描距离d和三个扫描角α、β、γ。由三角函数进一步计算得到x、y、z坐标，即得到靶盘在扫描仪坐标系下的坐标。

在步骤s240中，控制器根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。

进一步的，在该步骤中包括扫描仪坐标系、台车坐标系、隧道坐标系间的相互转换。具体地，扫描仪校准过程是扫描仪坐标系和台车坐标系间的相互转换，台车在隧道坐标系下的位姿计算过程是台车坐标系和隧道坐标系间的相互转换，最终根据扫描仪在台车坐标系中的位姿、台车在隧道坐标系下的位姿以及扫描数据，由控制器计算出隧道坐标系下台车机械臂末端位姿信息，实现末端位姿可控的目的。

更具体地，控制器，其利用如下坐标转换式来完成扫描仪坐标系、机械臂载体坐标系和隧道坐标系之间的转换，并结合扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息：

式中：

其中，[xyz]^t是某点在a坐标系下的坐标；

[xyz]^t是该点在b坐标系下的坐标；

[δxδyδz]^t表示b坐标系和a坐标系原点间的矢量；

rx、ry、rz是a坐标系变换到b坐标系的分别沿x、y、z轴的旋转变换矩阵；

α、β、γ表示a坐标系分别绕x、y、z轴到b坐标系的旋转角度，k为一常数。

上式中的“a坐标系”和“b坐标系”分别为选自扫描仪坐标系、机械臂载体坐标系和隧道坐标系中的一种。

下面举例说明如何利用上式完成某点在台车坐标系与隧道坐标系下的转换方法。

在步骤s220中，通过全站仪进行台车定位，获取台车在隧道坐标系下的坐标：

式中：

其中，[xyz]^t是某点在隧道坐标系下的坐标；

[xyz]^t是该点在台车坐标系下的坐标；

[δxδyδz]^t表示台车坐标系和隧道坐标系原点间的矢量；

rx、ry、rz是隧道坐标系变换到台车坐标系的分别沿x、y、z轴的旋转变换矩阵；

α、β、γ表示隧道坐标系分别绕x、y、z轴到台车坐标系的旋转角度，k为一常数。

α、β角度可由倾角传感器确定，γ及δx、δy、δz通过计算求得，从而最终得到台车坐标系与隧道坐标系的转换关系。

进一步的，所述三维激光扫描仪与控制器接口，实时传输扫描数据，控制器对这些数据进行分析计算，完成机械臂末端位姿的实时自动测量，并显示隧道坐标系下台车机械臂末端的实时位姿信息。

综上所述，本发明实施例将台车臂架的柔性变形转化为容易被识别的靶盘中心反光面空间位置的变化，辨识了机械臂的变形，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。通过三维激光扫描仪识别带反光面的靶盘，采集点云数据快，精度高，极大提高了目标识别的效率和准确性。实时自动测量，测量过程不需要人工干预。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。