一种基于Tsai并联机构的视频测量仪的制作方法

本实用新型属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种基于tsai并联机构的视频测量仪。

背景技术：

目前视频测量技术成熟，借助于图像处理技术和精密位移技术，能够较大范围的几何量测量，测量精度较高，满足现代机械加工、微电子、半导体等领域的测量分析要求，广泛用于科研院校、工业生产中。

目前常用的视频测量仪主要使用笛卡尔坐标和球面坐标系，通用性强，但存在串联误差大，刚度小等缺点。若有较高的精度要求，使得传统测量仪加工难度大，成本高。

并联机构具有刚度大，运动惯量小，具有误差平均效应等优点，在并联机器人、并联机床上应用成熟，但是在尺寸检测领域没有得到充分的应用。

现有技术中公开了一种精密视频测绘分析仪，采用笛卡尔坐标系运动机构作为视频测量仪的移动机构，用龙门结构对垂直运动机构和视频传感器进行支撑，通过数控系统对移动机构进行运动控制，运用精密位移检测和图像测量技术对被测工件进行视频测量。该视频测量仪的移动机构由于采用了笛卡尔坐标系结构，存在累积误差，机构响应速度慢；同时，使用龙门结构支撑竖直位移机构和视频传感器，缩小了仪器的测量范围。

现有技术中公开了一种基于delta并联机构的三坐标测量机及测量方法，采用delta并联机构作为视频测量仪的移动机构。相比于传统的笛卡尔三坐标移动机构，使用delta并联机构使得三坐标测量机的动态响应速度提高，机构刚度也有较大提升。但是，由于delta并联机构采用的是球铰链接，虽然使得机构部件数量减少，安装方便，但由于球铰需要对球面进行精密加工，相比于圆柱面加工难度增大，精度难以保证，所以delta并联机构只适用于对精度要求较低的场合，而不适用于精密传动。

由此可见，现有技术存在累积误差，机构响应速度慢、加工难度大、精度难以保证、不适用于精密传动的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于tsai并联机构的视频测量仪，由此解决现有技术存在累积误差，机构响应速度慢、加工难度大、精度难以保证、不适用于精密传动的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于tsai并联机构的视频测量仪，包括：支架、tsai并联运动模块和视频传感器，

所述支架包括底座、立柱和静平台，静平台通过立柱与底座相连；

所述tsai并联运动模块包括tsai并联机构、驱动电机、转动副、主动杆倾角传感器、从动杆倾角传感器和动平台；所述tsai并联机构、驱动电机和转动副均与静平台固定连接，所述视频传感器安装在动平台上；

所述tsai并联机构包括三套连杆机构，三套连杆机构共同连接动平台，每套连杆机构包括主动杆、上连接杆、圆柱销、从动杆、下连接杆和轴承，所述主动杆与上连接杆通过轴承连接；所述上连接杆与从动杆通过圆柱销铰接，所述从动杆与下连接杆通过圆柱销铰接，所述主动杆倾角传感器安装在主动杆上，从动杆倾角传感器安装在从动杆上。

进一步地，三套连杆在空间上围绕垂直于静平台中心的轴线呈圆周均匀分布。

进一步地，下连接杆与动平台通过轴承连接。

进一步地，立柱一端与底座固定连接，另一端与静平台固定连接。

进一步地，转动副一端连接驱动电机，另一端连接主动杆。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)相比于传统的笛卡尔坐标系视频测量仪，本实用新型是基于tsai并联机构的视频测量仪，具有动态响应速度快，结构紧凑，机构刚度高，承载能力大，无累计误差，具有较好的各向同性等特点；同时，相比于delta并联机构的球铰链，圆柱铰链加工难度小，精度易于保证，测量精度高。

(2)本实用新型中转动副一端连接驱动电机，另一端连接主动杆，进而通过驱动电机驱动转动副就可以保证动平台上的视频传感器能够进行空间内直线移动。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种基于tsai并联机构的视频测量仪的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种基于tsai并联机构的视频测量仪的左视图；

图3是本实用新型提供的一种基于tsai并联机构的视频测量仪的俯视图；

图4是本实用新型提供的主动杆与从动杆的关节连接示意图；

图5是本实用新型提供的从动杆与动平台的关节连接示意图；

图6中(a)为tsai并联机构的测量模型图，(b)为tsai并联机构的测量模型中的细节放大图；

图7为tsai并联机构的简化模型图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为底座，2为立柱，3为静平台，4为驱动电机，5为转动副，6为主动杆，7为主动杆倾角传感器，8为从动杆倾角传感器，9为上连接杆，10为圆柱销，11为从动杆，12为下连接杆，13为视频传感器，14为被测工件，15为动平台，16为轴承。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于tsai并联机构的视频测量仪，包括：支架、tsai并联运动模块和视频传感器13，所述支架包括底座1、立柱2和静平台3；所述立柱2一端与底座1固定连接，另一端与静平台3固定连接，通过四根立柱2对静平台3进行支撑。

所述tsai并联运动模块包括三个驱动电机4、三个转动副5、tsai并联机构、三个主动杆倾角传感器7和三个从动杆倾角传感器8和动平台15；所述转动副5一端连接驱动电机4，另一端连接主动杆6，通过控制驱动电机4的转动，从而控制tsai并联机构的运动。

所述tsai并联机构由三套连杆机构构成，每套机构由主动杆6、上连接杆9、从动杆11、圆柱销10、轴承15、下连接杆12构成，三套连杆共同连接动平台15。

如图2所示，所述主动杆倾角传感器7安装在主动杆6上，从动杆倾角传感器8安装在从动杆11上。如图3所示，三套连杆在空间上围绕垂直于静平台中心的轴线呈圆周均匀分布。

如图4所示，主动杆6与上连接杆9通过轴承16连接；所述上连接杆9与从动杆11通过圆柱销10铰接。如图5所示，所述从动杆11与下连接杆12通过圆柱销10铰接；所述下连接杆12与动平台15通过轴承16连接。

一种基于tsai并联机构的视频传感器测量仪，在工作时，包括如下步骤：控制驱动电机4驱动各个转动副5转动，使得各个主动杆6进行旋转运动，通过tsai并联机构将三个主动杆6的旋转运动转换为动平台15的空间平移运动，将动平台15平移至所需位置之后停止运动，使视频传感器13镜头对准被测工件14表面相应位置，由视频传感器对被测工件进行视频采集，通过图像处理和分析，计算图像当中的被测工件的尺寸。同时读取主动杆倾角传感器7和从动杆倾角传感器8的角度测量值，根据主动杆倾角传感器7和从动杆倾角传感器8的角度测量数据以及tsai并联机构的零件尺寸数据计算出动平台15的中心相对于静平台3的中心的空间位置坐标，结合视频传感器13的放大倍数、焦距得到被测工件14的尺寸测量值；结合视频传感器13的放大倍数、焦距、图像处理结果(图像当中的被测工件的尺寸)得到被测工件14相对于视频传感器13中心的空间位置坐标；将动平台15的中心相对于静平台3的中心的空间位置坐标、被测工件14相对于视频传感器13中心的空间位置坐标以及被测工件14的尺寸测量值三者结合，从而实现视频测量。

如图6中(a)和(b)所示，一种基于tsai并联机构的视频传感器测量仪的测量模型如下：在静平台3上建立坐标系o-xyz，其坐标原点o位于静平台的中心，z轴方向垂直于静平台向上，x轴正方向为o点平行静平台指向一转动副中心，右手定则确定y轴。

(1)利用空间机构自由度计算公式计算tsai并联机构自由度f，公式如下：

其中，n为构件数，g为机构运动副数，为所有运动副自由度之和，μ为过约束数。

分析该机构，构件数为17，机构运动副数21，所有运动副自由度21，过约束21，带入公式可以得到tsai并联机构自由度。

f＝6×(17-21-1)+21+12＝3

因此，tsai并联机构具有3个平动自由度，即运动平台在机器人工作空间内沿x、y、z三个方向平移运动。

(2)将tsai并联机构模型稍加改造，在3个4r闭环链上下两边中点之间加入3跟虚拟杆；在静、动平台分别建立定坐标系o-xyz和动坐标系o'-x'y'z'，以静平台几何中心为原点，ox轴和o'x'轴分别平行于a1a2和c1c2，oy轴和o'y'轴分别垂直于a1a2和c1c2；静、动平台外接圆半径分别为r、r，主动杆aibi长度为la，侧杆bici长度为lb，oai与x轴夹角为αi，oai到aibi转角为θi。

为便于分析，将上述虚拟杆bici分别沿o'ci平移，并交于动平台几何中心，记该点为p，同时主动杆aibi沿o'ci平移，得到如图7所示的简化模型示意图，同时，以主动杆la为基准，进行无量纲参数分析。

(3)如图7所示，在三棱锥p－bo1bo2bo3中，e为bo1bo2边的中点，h为△bo1bo2bo3的外接圆圆心，则eh⊥bo1bo2，又△bo1bo2p为等腰三角形，则pe⊥bo1bo2，由立体几何三垂线定理，得hp⊥bo1bo2。同理hp⊥bo2bo3，则hp⊥底面△bo1bo2bo3，hp为底面的垂线。

以上证明了底面垂足h为底面三角形的外心。

运动控制点p的向量表达式为：

式中

求取方法如下：

式中为的长度，为同向单位矢量，表示为：

同时

式中为地面外接圆半径，其求取方法为：

式中，

p＝(a+b+c)/2

式中，a、b、c分别为△bcd三边边长：

求取方法如下：

式中，为的长度，为同向单位矢量。

由此求得即求得动平台的空间坐标点。通过读取倾角传感器的读数计算出动平台的空间位置坐标，进而对被测工件进行测量。

本实用新型提供了一种基于tsai并联机构的视频测量仪，tsai并联机构结构简单，结构中的圆柱铰链加工制造方便，关节精度易于保证，加工方便，更适合与精密传动。因此，本实用新型能够有效提高视频测量仪的定位精度，降低其制造难度，便于运动控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。