一种空间点相对坐标检测装置及应用方法与流程
本发明涉及空间平面位姿检测装置技术领域，尤其涉及一种空间点相对坐标检测装置及液压支架直线度检测方法。
背景技术：
刚体在空间内自由运动时具有6个自由度，即三个平面运动自由度和3个旋转运动自由度。在一些机械装置中能够出现运动部件相对于机架的六自由度运动，例如列车相邻的两节车厢之间的相对运动、并联机器人等，实现空间内两相对运动物体的六自由度运动检测即相对位姿检测，是实现运动控制的关键。特别在煤矿综采工作面液压之间的相对位姿检测领域。综采工作面上通常将多个液压支架并排设置对巷道顶部进行支护，在生产过程中液压支架需要随着综采工作面不断前移，在液压支架分别移动后会导致其相对位置出现偏差，且相邻两支架间即可能存在六自由度的相对运动。为了保证采煤机和刮板运输机的正常工作，液压支架在推进后相对位置和姿态偏转情况不能太大，因此需要提供一种便捷的确定相邻液压支架之间的位置和姿态关系的检测装置。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够检测空间内任意点坐标的检测装置，以及通过该装置的组合布置，测量并计算出两个平面之间六个自由度的位置、姿态关系的应用方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种空间点相对坐标检测装置，包括装配盒、固定于装配盒内部的拉线式传感器和设置于装配盒上方的中心轴；
沿装配盒表面的法向看，所述中心轴沿轴向的两端分别固定有与中心轴固定配合的上锥齿轮和与中心轴沿周向自由配合的下锥齿轮；沿中心轴径向的两侧分别设置有一个与上锥齿轮和下锥齿轮啮合的侧锥齿轮，所述侧锥齿轮上分别设置有角度传感器；侧锥齿轮能够以其轴线为转轴自由转动；
中心轴中心具有一牵引孔，装配盒上具有一与牵引孔同心的拉线孔，所述拉线式传感器的拉线绳自由穿过拉线孔和牵引孔，拉线绳偏离装配盒表面的法向时，牵引孔的轴向与拉线绳的长度方向重合，拉线式传感器能够记录拉线绳伸出拉线式传感器的长度。
优选地，所述侧锥齿轮沿轴向远离中心轴的一侧设置有固定杆，所述装配盒内还固定有两个轴承座，每个侧锥齿轮的固定杆分别与一个轴承座内的轴承沿周向自由配合。
优选地，所述轴承座包括沿固定杆轴向与轴承座配合的盖体，所述轴承座和盖体相对的一面分别沿轴向内凹形成第一容置腔和第二容置腔，轴承外圈与第一容置腔的内壁过盈配合，轴承内圈与固定杆的外壁过盈配合。
优选地，所述第二容置腔的内壁上具有至少一个沿径向向外延伸的第一限位槽，所述固定杆端部的外周上沿径向开设有第二限位槽；第二容置腔内容置有一涡卷弹簧，所述涡卷弹簧的外端固定在第一限位槽内，内端固定在第二限位槽内。
优选地，轴承座沿轴向的远离中心轴的一侧还固定有所述角度传感器，所述固定杆沿轴向开设有装配孔，所述装配孔为腰型孔，所述角度传感器的传动轴插接于装配孔内与固定杆沿周向固定配合。
优选地，所述上锥齿轮中心具有固定孔，所述固定孔为腰型孔，中心轴插接于固定孔中与上锥齿轮沿周向固定配合。
优选地，所述装配盒底部固定连接有一底盖，所述底盖沿其所在平面向外延伸设置有与安装平面配合的安装孔，所述底盖的边缘均匀设置有多个具有螺纹孔且与底盖垂直的装配面，所述装配盒与底盖配合时，所述装配面与装配盒的表面贴合并通过螺杆固定连接。
优选地，沿垂直于底盖所在平面的方向看，所述装配盒为矩形结构，所述底盖四角处分别设置有与装配盒内壁贴合的并相互垂直的两个装配面。
优选地，所述装配盒还具有一上盖，中心轴放置于装配盒与上盖围成的空间内，所述上盖具有与牵引孔同心的通孔，所述上盖沿垂直于装配盒所在的平面的方向与装配盒固定连接，所述拉线绳穿过通孔，且拉线绳偏离装配盒表面的法向0～75°之间时，与通孔不会发生接触。
本发明还提供了使用所述空间点相对坐标检测装置检测平面任意点位置的方法，将空间点相对坐标检测装置固定在第一平面的任意点，将拉线绳的自由端固定在第二平面的待测点p，以空间点相对坐标检测装置的中心轴轴线和侧锥齿轮轴线的交点o为原点建立空间坐标系，中心轴轴线指向下锥齿轮的方向为x轴正方向，装配盒法向远离拉线式传感器的方向为z轴正方向，沿z轴负方向看，侧锥齿轮轴线指向右侧为y轴正方向；则待测点p相对于o点的位置表示为
其中，ρ为op的距离，θ为拉线绳在yoz平面内与z轴的夹角，拉线绳向y轴负方向偏离时，θ为正数；
优选地，角度θ和
其中，n1是中心轴左侧的角度传感器数值，左侧的侧锥齿轮向上转动时，n1为正数；n2是中心轴右侧的角度传感器数值，右侧的从侧锥齿轮向下转动时，n2为正数；i是齿轮传动比。
本发明还提供了一种平面相对位姿检测方法，其特征在于：在第一平面上任意布置至少三个所述空间点相对坐标检测装置，每个空间点相对坐标检测装置的拉线绳自由端分别固定在第二平面的任意位置，且拉线绳的自由端不完全在同一直线上；在已知空间点相对坐标检测装置的相对位置关系的情况下，确定拉线绳自由端相对于其空间点相对坐标检测装置的位置，根据坐标变换得到第二平面相对第一平面的位姿。
本发明提供的空间点相对坐标检测装置及应用方法的优点在于：通过多个锥齿轮的配合，使中心轴能够跟随拉线绳的方向转动，便捷的确定拉线绳自由端相对装配盒的偏转方向和长度，为平面相对关系的确定提供了良好的解决方案。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的示意图；
图2是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的锥齿轮配合的示意图；
图3是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的装配盒的示意图；
图4是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的侧锥齿轮配合的爆炸图；
图5是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的侧锥齿轮的轴向视图；
图6是本发明的实施例所提供的空间点相对坐标检测装置的上锥齿轮轴向视图；
图7是本发明的实施例所提供的检测平面上任意点位置的方法原理图；
图8是本发明的实施例所提供的平面相对位姿检测方法的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
结合图1和图2，本实施例提供了一种空间点相对坐标检测装置，包括装配盒1、设置于装配盒上方的中心轴2和固定于装配盒内部的拉线式传感器3；沿垂直装配盒1表面的方向看，所述中心轴2沿轴向的两端分别固定有与中心轴2固定配合的上锥齿轮4和与中心轴2沿周向自由配合的下锥齿轮5，沿中心轴2径向的两侧分别设置有一个与上锥齿轮4和下锥齿轮5啮合的侧锥齿轮6，所述侧锥齿轮6上分别设置有能够获取其转动角度的角度传感器7，侧锥齿轮6能够在装配盒1内以其轴线为转轴自由转动；
所述中心轴2的中心具有一牵引孔21，所述装配盒1上具有与牵引孔21同心的拉线孔31，所述拉线式传感器3的拉线绳32自由穿过拉线孔31和牵引孔21，拉线绳32偏离装配盒1表面的法向时，牵引孔21的轴向与拉线绳32的长度方向重合，拉线式传感器3能够记录拉线绳32伸出拉线式传感器3的长度。
在使用时，拉线绳32偏离装配盒1表面的法向时，中心轴2跟随拉线绳32转动改变位置，从而带动侧锥齿轮6转动，在角度传感器7上能够获取每个侧锥齿轮6的转动角度，通过拉线式传感器3能够获取拉线绳32的伸出长度，从而获得拉线绳32自由端相对装配盒1的方向和距离，确定拉线绳32自由端与装配盒1的相对位置。
结合图3，所述装配盒1底部还固定连接有一底盖13，所述底盖13沿其所在的平面向外延伸设置有与安装平面配合的安装孔14，所述底盖13的边缘均匀设置有多个具有螺纹孔18且与底盖垂直的装配面15，装配盒1卡合在底盖13上时，所述装配面15与装配盒1的侧面贴合，通过螺栓连接装配盒1和装配面15即可实现装配盒1与底盖13的固定连接，为了让产品更美观，一般将装配面15设置于装配盒1的内表面。所述装配盒侧面以及上表面还开设有用于供引线穿过的接线口19。
优选实施例中，沿垂直于底盖13所在的平面看，所述装配盒1位矩形结构，底盖13相对的两边向外延伸有与安装平面相配合的凸耳16，所述底盖13的四角分别设置有与装配盒1内壁贴合并相互垂直的两个装配面15。
结合图4，所述侧锥齿轮6沿轴向远离中心轴的一侧设置有固定杆61，所述装配盒1内还在中心轴2两侧分别设置有一凹槽17，所述凹槽17内固定有一轴承座8，轴承座8包括沿固定杆61轴向与轴承座8配合的盖体81，所述轴承座8和盖体81相对的一面分别沿轴向内凹形成第一容置腔(图未示)和第二容置腔82，第一容置腔内容置有一轴承83，所述轴承83的外圈与第一容置腔的内壁过盈配合，轴承83的内圈与固定杆61的外壁过盈配合；所述第二容置腔82的内壁上具有至少一个沿径向向外延伸的第一限位槽84，所述固定杆61端部的外周上沿径向开设有第二限位槽62，第二容置腔82内容置有一涡卷弹簧85，所述涡卷弹簧85的外端固定在第一限位槽84内，内端固定在第二限位槽62内；侧锥齿轮6转动时，涡卷弹簧85能够驱动侧锥齿轮6自动回到初始位置。
结合图5，所述固定杆61沿轴向开设有一装配孔63，所述装配孔63为腰型孔，所述角度传感器7的传动轴71插接于装配孔63中从而与固定杆61沿轴向固定配合，在侧锥齿轮6转动时能够带动传动轴71转动从而记录转动角度；所述角度传感器7固定于盖体81沿轴向远离中心轴2的一侧。
在具体设置时，在轴承83与涡卷弹簧85之间还设置有分别对轴承83的内外圈进行轴向限位的内卡圈86和外卡圈87，这些结构是本领域技术人员在固定轴承83是选用的常规零件，具体结构和固定方式此处不再赘述。
结合图6，所述上锥齿轮4的中心具有固定孔41，所述固定孔41设置为腰型孔，中心轴2插接于固定孔41中从而与上锥齿轮4沿周向固定配合，本领域普通技术人员也可以选用其他非圆周结构的固定孔41和与其配合的中心轴2来实现上锥齿轮4与中心轴2的周向配合。所述下锥齿轮5与中心轴2通过轴承或类似结构配合即可，上锥齿轮4和下锥齿轮5的具体固定方式选用本领域现有技术即可，此处不再赘述。
再参考图1，所述装配盒1还具有一上盖11，中心轴2放置于装配盒1与上盖11围成的空间内，所述上盖11具有与牵引孔21同心的通孔12，所述上盖沿垂直于装配盒所在的平面的方向与装配盒固定连接，所述拉线绳32穿过通孔，且拉线绳32偏离通孔轴向0～75°之间时，与通孔不会发生接触。在具体使用时，拉线绳32沿中心轴2的轴向偏转时，齿轮本身不会阻止拉线绳32的运动，而沿中心轴2的径向偏转时，侧锥齿轮6本身会对拉线绳32的运动产生阻挡作用，因此可以将通孔12设置为长边沿中心轴2轴向的椭圆形或类似结构，从而最大限度的允许拉线绳32的偏转运动。
参考图7，本实施例还提供了采用上述空间点相对坐标检测装置进行检测平面上任意点的位置的方法，将检测装置固定在第一平面a的任意点，将拉线绳32的自由端固定在第二平面b的待测点p，以检测装置的中心轴2轴线和侧锥齿轮6轴线的交点o为原点建立空间坐标系，中心轴2轴线指向下锥齿轮5的方向为x轴正方向，装配盒1法向远离拉线式传感器3的方向为z轴正方向，沿z轴负方向看(即图2所示方向)，侧锥齿轮6轴线指向右侧为y轴正方向；则待测点p相对于o点的位置表示为
其中，ρ为op的距离，θ为拉线绳32在yoz平面内与z轴的夹角，拉线绳32向y轴负方向偏离时，θ为正数；
当牵引绳32相对于中心轴2的轴向转动角度θ时，上锥齿轮4跟随中心轴2转动，使得两个侧锥齿轮6分别沿相反的方向转动，则
其中，n1是中心轴2左侧的角度传感器7数值，左侧的侧锥齿轮6向上转动时，n1为正数；n2是中心轴2右侧的角度传感器7数值，右侧的从侧锥齿轮6向下转动时，n2为正数；i是齿轮传动比。
基于上述内容，所述角度传感器7需要能够输出正负角度，所述角度传感器7可以选用旋转电位器或旋转编码器等器件。
同理，当弹力绳32相对于轴承83轴向转动角度
op的距离ρ用拉线式传感器3的数值减去坐标原点0与拉线式传感器3之间的距离即可，也可以在设置系统时直接在拉线式传感器3输出的数值里减去相应的距离从而直接得到op的距离。
检测装置在第一平面a上的位置确定的情况下，通过上述方法即可确定待测点p相对第一平面a的位置，本实施例仅陈述了简单的应用模型，在具体使用时可根据场景自行设置。
下面以液压支架的直线度检举例，以相邻液压支架的顶梁侧面分别作为第一平面a和第二平面b，在第一平面a和第二平面b上分别选定一个点，分别将检测装置和拉线绳32的自由端固定在两个点上。对选定点的要求为：当液压支架的顶梁沿第一平面a的法向完全重合时两个点的连线垂直第一平面a和第二平面b；当液压支架沿工作面向前推移时，如果两个液压支架之间的位置发生变化，则拉线绳32会相对第一平面a的法向出现偏转和/或长度变化，从而获得两个液压支架之间的位置变化情况；必要时也可以在第二平面b上设置一个检测装置，并将第一平面a上的检测装置的拉线绳32自由端固定在平面b的检测装置的的牵引孔21上，通过对两个检测装置的数值进行处理，可以获得两个检测装置的坐标系之间的关系，从而更清楚的了解两个液压支架之间的位置关系。
参考图8，本实施例还提供了采用上述检测平面上任意点的位置的方法确定两个平面的相对位姿关系的方法；在第一平面a上任意布置三个所述检测装置，并将其拉线绳32自由端分别固定在第二平面b上的任意位置，且拉线绳32自由端不在同一直线上，在已知第一平面a上的三个检测装置的相互位置关系的情况下，分别求出第二平面b上的三点与其对应的检测装置之间的位置关系，再转化到其中一个检测装置的坐标系上，或者转化到第一平面a本身的坐标系上，即可知道这三点在某一坐标系内的坐标值，由三点确定平面即可确定在第二平面b相对第一平面a的位姿。
在具体应用时，如果第一平面a和第二平面b分别是相邻液压支架顶梁的相对侧面，即可知道第二平面b对应的液压支架与第一平面a对应的液压支架之间的位姿关系，如果第二平面b上选出的点与液压支架的重心之间的关系已知，则可以确定第二平面b对应的液压支架的在空间内相对第一平面a对应的液压支架的位置；从而方便的调整相邻液压支架的位置；满足矿井生产的安全要求。
上面以液压支架的位姿关系为例对申请的方法的具体应用进行了解释，但本申请的提供的方法不仅限于液压支架之间的定位，在不脱离本申请的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本申请的结构和方法所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围之内。
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