本發(fā)明屬于機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定領(lǐng)域，具體涉及的一種空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法，尤其是適用于空間大型柔性機(jī)械臂的幾何參數(shù)的標(biāo)定。

背景技術(shù)：

機(jī)械臂是一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，其能夠接受指令，精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

機(jī)械臂幾何參數(shù)的標(biāo)定直接影響機(jī)械臂的絕對(duì)位姿控制精度，是研制機(jī)械臂過程中一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。對(duì)于體積小、重量輕、對(duì)末端絕對(duì)定位精度要求不高的機(jī)械臂，可以將整個(gè)機(jī)械臂作為剛性體處理，在參數(shù)標(biāo)定中也可以邊組裝邊測(cè)量，或者運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法記錄機(jī)械臂在空間中多個(gè)特定位姿，反推幾何參數(shù)。但是太空應(yīng)用的大型搬運(yùn)機(jī)械臂，由于末端絕對(duì)位姿定位精度要求高、體積尺寸大、在地面測(cè)量中需要重力卸載系統(tǒng)配合并且難于在地面進(jìn)行三維空間運(yùn)動(dòng)等原因，導(dǎo)致其幾何參數(shù)標(biāo)定非常困難、耗時(shí)而且標(biāo)定精度不夠理想。

現(xiàn)有技術(shù)中，尚沒有能夠簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確的標(biāo)定空間大型柔性機(jī)械臂的幾何參數(shù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法，以降低大型柔性空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定的復(fù)雜性，提高大型柔性空間機(jī)械臂幾何參數(shù)的標(biāo)定精度。

一種空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法，包括以下步驟：

步驟一、在機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)部件的側(cè)面加工三個(gè)靶座端面，三個(gè)靶座端面的中心位于三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上，且在空間某個(gè)方位同時(shí)可見，每個(gè)靶座端面上固定有一個(gè)靶座，三個(gè)靶座依次按順序編號(hào)，完成后，得到多個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)；

步驟二、分別建立每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系，每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的建立過程為：

將激光雙頻干涉儀和固定有靶座的關(guān)節(jié)放置在測(cè)試平臺(tái)上，且保持激光雙頻干涉儀和固定有靶座的關(guān)節(jié)的空間位置關(guān)系固定不變，將測(cè)量靶球放置在固定有靶座的關(guān)節(jié)的任意一個(gè)靶座上，然后讓關(guān)節(jié)通電自由轉(zhuǎn)動(dòng)，用激光雙頻干涉儀測(cè)量在運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)量靶球的空間位置，用激光雙頻干涉儀處理軟件擬合測(cè)試靶球運(yùn)動(dòng)的圓心和圓周平面，設(shè)定該圓心為關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，設(shè)定該圓周平面為關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的xy平面，用激光雙頻干涉儀測(cè)量關(guān)節(jié)臂桿基座的軸線，設(shè)定關(guān)節(jié)臂桿基座的軸線在圓周平面的投影并與關(guān)節(jié)臂桿基座伸出方向一致的方向?yàn)殛P(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的x方向；

步驟三、分別測(cè)定每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與該固定有靶座的關(guān)節(jié)的三個(gè)靶座的位置關(guān)系，每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與該固定有靶座的關(guān)節(jié)的三個(gè)靶座的位置關(guān)系的測(cè)定過程為：

保持步驟二建立關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系時(shí)，激光雙頻干涉儀與固定有靶座的關(guān)節(jié)的位置關(guān)系不變，將測(cè)量靶球分別按靶座編號(hào)順序依次放置在固定有靶座的關(guān)節(jié)的三個(gè)靶座上，以關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系為工作坐標(biāo)系，按順序記錄三個(gè)靶座的空間位置數(shù)據(jù)，得到關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與三個(gè)靶座的空間位置固連關(guān)系；

步驟四、裝配機(jī)械臂各關(guān)節(jié)，裝配完成后，通過指令將機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度歸零位保持機(jī)械臂的空間位置在整個(gè)測(cè)量過程中不變，用激光雙頻干涉儀按靶座編號(hào)順序分別測(cè)量各固定有靶座的關(guān)節(jié)處的三個(gè)靶座的空間位置點(diǎn)，根據(jù)步驟三得到的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與三個(gè)靶座的空間位置固連關(guān)系，恢復(fù)各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系；

步驟五、通過數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)恢復(fù)的各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系測(cè)量機(jī)械臂的幾何參數(shù)，完成空間機(jī)械臂幾何參數(shù)的標(biāo)定。

進(jìn)一步的，所述三個(gè)靶座端面均為圓形。

進(jìn)一步的，所述靶座與靶座端面粘接剛性固定。

進(jìn)一步的，所述幾何參數(shù)為連桿長(zhǎng)度a、連桿扭角α、連桿偏置d、連桿之間的關(guān)節(jié)角θ，機(jī)械臂各基座坐標(biāo)系、機(jī)械臂第一個(gè)和最后一個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理軟件為Spatial Analyzer軟件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法在關(guān)節(jié)裝配階段進(jìn)行關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的精確測(cè)量設(shè)定，并通過三個(gè)與關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)部件固連的靶座對(duì)關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系進(jìn)行固連跟蹤，在機(jī)械臂整臂組裝完成之后需要進(jìn)行機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定時(shí)，根據(jù)關(guān)節(jié)上的三個(gè)靶座對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)端面的坐標(biāo)系進(jìn)行恢復(fù)重建，從而實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的幾何參數(shù)標(biāo)定，該標(biāo)定方法可以在地面重力卸載系統(tǒng)約束下，簡(jiǎn)單、快速、高精度完成機(jī)械臂的標(biāo)定，為空間在軌標(biāo)定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，也適用于空間機(jī)械臂的在軌標(biāo)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法中的機(jī)械臂的示意圖；

圖3為圖2中A的局部放大圖；

圖4為本發(fā)明的空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法中激光雙頻干涉儀測(cè)定靶座的空間位置示意圖；

圖中，1、固定有靶座的關(guān)節(jié)，11、運(yùn)動(dòng)部件，111、靶座端面，12、關(guān)節(jié)臂桿基座，2、關(guān)節(jié)臂桿，3、靶座，4、激光雙頻干涉儀，5、測(cè)試平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的空間機(jī)械臂幾何參數(shù)標(biāo)定方法的步驟如下：

步驟一、靶座3設(shè)置

如圖2和圖3所示，在機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)部件11的側(cè)面加工三個(gè)靶座端面111，三個(gè)靶座端面111均為圓形，三個(gè)靶座端面111的中心位于三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上，在空間某個(gè)方位同時(shí)可見，每個(gè)靶座端面111上固定有一個(gè)靶座3，對(duì)三個(gè)靶座按順序依次編號(hào)，固定方法一般采用強(qiáng)力膠水粘接固定，盡量減少?gòu)椥孕巫?，保證三個(gè)靶座3與運(yùn)動(dòng)部件11的相對(duì)位置關(guān)系不變；

步驟一操作完成后，得到多個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1；

步驟二、關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系設(shè)定

分別建立每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系，每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的建立過程為：

如圖4所示，將激光雙頻干涉儀4和固定有靶座的關(guān)節(jié)1放置在測(cè)試平臺(tái)5上，且保持激光雙頻干涉儀4和固定有靶座的關(guān)節(jié)1的空間位置關(guān)系固定不變，將測(cè)量靶球放置在固定有靶座的關(guān)節(jié)1的任意一個(gè)方便測(cè)試的靶座3上，然后通電，固定有靶座的關(guān)節(jié)1緩慢自由轉(zhuǎn)動(dòng)，用激光雙頻干涉儀4測(cè)量在運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)量靶球的空間位置，并通過激光雙頻干涉儀處理軟件擬合測(cè)試靶球運(yùn)動(dòng)的圓心和圓周平面，設(shè)定該圓心為關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，設(shè)定該圓周平面為關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的xy平面，用激光雙頻干涉儀4測(cè)量關(guān)節(jié)臂桿基座12的軸線，設(shè)定關(guān)節(jié)臂桿基座12的軸線在圓周平面的投影并與關(guān)節(jié)臂桿基座12伸出方向一致的方向?yàn)殛P(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的x方向，z方向可以通過右手定則確定；

步驟二中，激光雙頻干涉儀處理軟件為現(xiàn)有技術(shù)，通過激光雙頻干涉儀處理軟件擬合測(cè)試靶球運(yùn)動(dòng)的圓心和圓周平面通過激光雙頻干涉儀處理軟件完成，為本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)技術(shù)。

步驟三、關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與靶座3位置關(guān)系測(cè)定

分別測(cè)定每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與該固定有靶座的關(guān)節(jié)1的三個(gè)靶座3的位置關(guān)系，每個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與該固定有靶座的關(guān)節(jié)1的三個(gè)靶座3的位置關(guān)系的測(cè)定過程為：

保持步驟二建立的固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系時(shí)，激光雙頻干涉儀4與固定有靶座的關(guān)節(jié)1的位置關(guān)系不變，將測(cè)量靶球分別按靶座編號(hào)順序放置在固定有靶座的關(guān)節(jié)1的三個(gè)靶座3上，以步驟二建立的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系為工作坐標(biāo)系，按靶座編號(hào)順序記錄三個(gè)靶座3的空間位置數(shù)據(jù)，得到關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與三個(gè)靶座3的空間位置固連關(guān)系；

步驟四、機(jī)械臂裝配后關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系恢復(fù)

裝配機(jī)械臂各固定有靶座的關(guān)節(jié)1，裝配過程為現(xiàn)有技術(shù)，一個(gè)關(guān)節(jié)臂桿2的兩端分別與兩個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)臂桿基座12連接，多個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1通過多個(gè)關(guān)節(jié)臂桿2實(shí)現(xiàn)兩兩連接。

裝配完成后，將各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1通過指令使其旋轉(zhuǎn)角度歸零，保持機(jī)械臂的空間位置在整個(gè)測(cè)量過程中不變，用激光雙頻干涉儀4分別按靶座編號(hào)順序依次測(cè)量各固定有靶座的關(guān)節(jié)1的三個(gè)靶座3的空間位置點(diǎn)，根據(jù)步驟三得到的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系與三個(gè)靶座3的空間位置固連關(guān)系，恢復(fù)各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系；

步驟五、通過數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)恢復(fù)的各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系測(cè)量機(jī)械臂的幾何參數(shù)，如連桿長(zhǎng)度a、連桿扭角α、連桿偏置d、連桿之間的關(guān)節(jié)角θ、機(jī)械臂各基座坐標(biāo)系、機(jī)械臂第一個(gè)和最后一個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系等，完成空間機(jī)械臂幾何參數(shù)的標(biāo)定；

其中，通過數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)恢復(fù)的各個(gè)固定有靶座的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系測(cè)量各幾何參數(shù)為現(xiàn)有技術(shù)。

本實(shí)施方式中，激光雙頻干涉儀4采用API公司生產(chǎn)的T3設(shè)備；靶座3及靶球產(chǎn)自API公司；數(shù)據(jù)處理軟件采用美國(guó)New River Kinematics公司生產(chǎn)的Spatial Analyzer軟件，該軟件的數(shù)據(jù)處理過程為：

在步驟二關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系設(shè)定完成，步驟三按順序測(cè)量三個(gè)靶座3的空間位置數(shù)據(jù)后，在Spatial Analyzer軟件中，將設(shè)定的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系設(shè)定為工作坐標(biāo)系，將按順序測(cè)量的三個(gè)靶座3的空間位置數(shù)據(jù)記錄下來，供步驟四中關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系恢復(fù)重建使用；在步驟四恢復(fù)關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系時(shí)，在Spatial Analyzer軟件的菜單欄中將之前保存下來的三個(gè)靶座3的空間點(diǎn)位置按順序輸入，軟件根據(jù)步驟四中新測(cè)定的三個(gè)靶座3的空間點(diǎn)位置數(shù)據(jù)以及步驟三中保存下來的三個(gè)靶座3的空間點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，完成在Spatial Analyzer軟件中的關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系恢復(fù)重建，重復(fù)以上步驟完成其他關(guān)節(jié)端面坐標(biāo)系的重建恢復(fù)。利用Spatial Analyzer軟件提供的查詢功能，完成機(jī)械臂幾何參數(shù)的測(cè)定工作。