专利名称：机器人末端位姿测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人末端位姿测量装置，用于机器人关节及末端的位置和姿态标定，属于机器人领域。
背景技术：
精确的机器人末端位姿是机器人运动学的基本要求。机器人能够完成的各种任务，大部分都是在机器人末端能够按照一定位姿精度要求到达目标点来实现的。机器人技术中通过一系列的技术手段保证机器人自身的精度，但这些技术局限于机器人自身内部， 跟外界环境的兼容度不能保证。要使得机器人顺利的工作就需要对机器人在工作环境中进行标定。以往机器人标定中最常用的装置是三坐标测量机等，只能有效测得单一的位置信息或姿态信息，且成本高。该机器人末端位姿测量装置通过发射三束相互垂直的激光投影到投影装置上，投影的位置信息中包含了全面的机器人末端位姿信息，通过测量激光投影坐标能够将蕴含的位姿信息解出来从而测得机器人末端在工作环境中的位姿，为机器人的运动控制提供位姿反�。曰魅私斜甓ù佣岣呋魅嗽硕取�
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种全新的结构简单、可靠、精度高的机器人末端位姿测量装置，以解决一直以来机器人标定仪器要求高，标定过程中不能同时精确测量位置和姿态的缺陷。为解决上述技术问题本发明的构思是
一种机器人末端位姿测量装置，它主要由一个能够发射出三束两两垂直的激光束的正交激光发射装置，将该装置按照一定的姿态安装到机器人末端，跟随机器人末端一起运动， 由正交激光发射装置发出的激光束投影到激光投影位置测量装置上，通过激光投影位置测量装置上的坐标标识读出激光投影坐标，通过计算得到机器人末端位姿。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种机器人末端位姿测量装置，包括一个安装到机器人末端的正交激光发射装置和一组激光投影位置测量装置，其特征在于所述正交激光发射装置由激光器一安装调整装置、 激光器二安装调整装置和激光器三安装调整装置组成，该三个装置在底座上的安装使得其中的激光器一、激光器二和激光器三发射出的三束激光束两两互相垂直，与此同时三束激光轴线交汇于一点，使这三束激光形成类似于三维坐标轴位置关系的结构；所述激光投影位置测量装置是激光束的投影面，能够对激光束在投影面的投影点位置坐标进行测量，测得的数据用于对机器人末端位姿的计算。所述激光器一安装调整装置由激光器一(I’)与激光器一安装座(2 )通过螺旋副连接，所述激光器一安装座(2 )与激光器一对心装置(3 )通过转动副连接，所述激光器一对心装置(3)与底座(I)通过环形移动副连接，所述激光器一调整旋钮(4 )与激光器一对心装置(3 )通过螺旋副连接同时压紧激光器一安装座(2 )，所述激光器一固定装置(5 )与激光器一对心装置(3 )通过螺栓连接同时通过螺栓与底座(I)连接；所述激光器二安装调整装置(II)由激光器二(II’)和激光器二安装座(6)、激光器二调整旋钮(7 )、激光器二对心装置(8 )、激光器二调整支架(9 )、激光器二调整底座(10 )和激光器二调整旋钮(11)组成，所述激光器二(II’)与激光器二安装座(6 )通过螺纹连接，所述激光器二安装座(6 )与激光器二对心装置(8 )通过旋转副连接，所述激光器二调整旋钮(7 )与激光器二对心装置(8)通过螺纹副连接同时压紧激光器二安装座(6)，所述激光器二对心装置(8 )与正交激光发生器底座(I)通过环形移动副连接，所述激光器二调整支架(9 )与激光器二对心装置(8 )通过螺栓连接，所述激光器二调整底座(10 )与底座(I)通过螺栓连接， 所述激光器二调整旋钮(11)与激光器二调整底座(10)通过螺纹副连接同时压紧激光器二调整支架(9);所述激光器三安装调试装置(III)由激光器三(III’)、激光器三安装座(12)、 激光器三调整滑块(13)、激光器三调整旋钮(14)组成，所述激光器三(III’)与激光器三安装座(12)通过螺纹副连接，所述激光器三调整滑块(13)与激光器三安装座(12)通过移动副连接，所述激光器三调整旋钮(14)与激光器三调整滑块(13)通过球副连接，所述激光器三调整旋钮(14)与底座(I)通过螺纹副连接，底座(I)通过螺纹副固定到机器人末端。所述激光投影位置测量装置是激光的投影面，安装时要求投影面垂直于机器人基坐标系坐标轴且距离原点距离需要精确测量，投影面上刻有坐标方格，在方格内精测激光投影点坐标， 方格坐标与精测坐标相加的结果就是激光投影点坐标，该坐标值通过计算得到机器人末端位姿。本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点
本机器人末端位姿测量装置能够同时测量机器人的位置坐标和姿态矩阵，且结构简单，精度高。首先，调整装置能够保证正交激光发射装置发射出一组高垂直度精度的正交激光束，该激光束的垂直精度将直接影响机器人末端位姿测量精度；其次，由于激光束微小的角度偏转能够在远距离的投影面上产生较大位移，使得微小的激光束角度偏转转换为激光投影点位置上的较大位移，对投影位置进行高精度从而保证了机器人末端位姿测量精度。 另外，此装置结构简单，调节结构易于操作，各机构单元间连接简单可靠，易于拆卸和设备更换，调整过程不需要辅助设备减少了人力物力投入，降低了测量成本，效果明显。
图I是机器人末端位姿测量装置总装图。图2是正交激光发射装置的总装图。图3是激光器一的对心调整示意图，与激光器二调整原理相同。图4是激光器一和激光器二垂直度调整示意图。图5是激光器三的位置调整示意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下
实施例一参见图1，本机器人末端位姿测量装置包括一个安装到机器人末端的正交激光发射装置和一组激光投影位置测量装置(B)，其特征在于所述的正交激光发射装置 (A)由激光器一安装调整装置(I)、激光器二安装调整装置(II)和激光器三安装调整装置 (III)组成，该三个装置(I、II、III)在底座(I)上的安装使得其中的激光器一(I’)、激光器二(II’)和激光器三(III’)发射出的三束激光束(15)两两互相垂直，与此同时三束激光轴线交汇于一点，使这三束激光形成类似于三维坐标轴位置关系的结构；所述的激光投影位置测量装置是激光束(15)的投影面，能够对激光束(15)在投影面的投影点位置坐标进行测量，测得的数据用于对机器人末端位姿的计算；由于激光发射器微小的角度偏转能够使激光投影点在远距离的投影面上产生较大位移而激光器安装到机器人末端上，所以投影点位置坐标能够高精度反应机器人末端位姿，保证机器人末端位姿的测量精度。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是
参见图2 5，所述的激光器一安装调整装置(I)由激光器一(I’)、激光器一安装座
(2)、激光器一对心装置(3)、激光器一调整旋钮(4)和激光器一固定装置(5)组成，所述的激光器一与激光器一安装座(2)通过螺旋副连接，所述的激光器一安装座(2)与激光器一对心装置(3 )通过转动副连接，所述的激光器一对心装置(3 )与底座(I)通过环形移动副连接，所述的激光器一调整旋钮(4)与激光器一对心装置(3)通过螺旋副连接同时压紧激光器一安装座(2 )，所述的激光器一固定装置(5 )与激光器一对心装置(3 )通过螺栓连接同时通过螺栓与正交激光发射器底座(I)连接。实施例三
本实施例与实施例二基本相同，特别之处是
参见图2 5，所述的激光器二安装调整装置(II)由激光器二(II’)、激光器安装座
(6)、激光器二调整旋钮(7)、激光器二对心装置(8)、激光器二调整支架(9)、激光器二调整底座(10 )和激光器二调整旋钮(11)组成，所述的激光器二与激光器二安装座(6 )通过螺纹连接，所述的激光器二安装座(6 )与激光器二对心装置(8 )通过旋转副连接，所述的激光器二调整旋钮(7 )与激光器二对心装置(8 )通过螺纹副连接同时压紧激光器二安装座(6 )，所述的激光器二对心装置(8)与底座(I)通过环形移动副连接，所述的激光器二调整支架(9) 与激光器二对心装置(8)通过螺栓连接，所述的激光器二调整底座(10)与底座(I)通过螺栓连接，所述的激光器二调整旋钮(11)与激光器二调整底座(10)通过螺纹副连接同时压紧激光器二调整支架(9)。实施例四
本实施例与实施例三基本相同，特别之处是
所述的激光器安装调试装置(III)由激光器三(III’)、激光器三安装座(12)、激光器三调整滑块(13)、激光器三调整旋钮(14)组成，所述的激光器三与激光器三安装座(12)通过螺纹副连接，所述的激光器三调整滑块(13)与激光器三安装座(12)通过移动副连接，所述的激光器三调整旋钮(14)与激光器三调整滑块通过球副连接，所述的激光器三调整旋钮
(14)与底座(I)通过螺纹副连接，底座(I)通过螺纹副固定到机器人末端。实施例五
本实施例与实施例四基本相同，特别之处是
所述的激光投影位置测量装置(B)由机器人基坐标系决定，要求激光投影面垂直于基坐标系坐标轴且距离基坐标系原点距离也需要预先设定。本机器人末端位姿测量装置的调整过程和工作过程如下(参见图I 5):
I、参见图2、图3,激光器一对心装置(3 )通过激光器一固定装置(5 )固定在底座(I)上，激光器一(I’)安装到激光器一安装座(2)上，激光器一安装座(2)通过转动销轴连接激光器对心装置(3),激光器一对心装置(3)的环形移动副将激光器一(I )激光束(15)方向大体限定在指向底座(I)中心的位置，通过调整激光器一调整旋钮(4)对激光器一(I’)激光束(15)的方向进行微调，使其精确指向底座(I)中心，微调完毕通过锁紧对置调节旋钮锁定激光器一(I )位置。2、参见图2、图3，激光器二(II’)安装到激光器二安装座(6)上，激光器二安装座
(6)通过转动销轴连接激光器二对心装置(8)，激光器二对心装置(8)的环形移动副将激光器一(I’)激光束(15)方向大体限定在指向底座(I)中心的位置，通过调整激光器二调整旋钮(11)对激光器二(II’)激光束(15 )的方向进行微调，使其精确指向底座(I)中心，微调完毕通过锁紧对置的激光器二调节旋钮(11)进行锁紧，此时不论如何调整激光器二对心装置
(8),激光器二(II’)激光束(15)方向将始终通过底座(I)的中心，激光器二调整支架(9)通过螺栓连接到激光器二对心装置(8)上，激光器二调整底座(10)通过螺栓连接到正交激光发射器底座(I)上，激光器二调整旋钮(11)通过螺纹副连接到激光器二调整底座(10)上， 用于调整激光器二(II’)激光束与激光器一(I ’)激光束的垂直度，调整激光器二(I I ’)激光束与激光器一(I’)激光束垂直后通过对置的激光器二调整旋钮(11)锁定激光器二(II’)的位置，此时激光束一和激光束二相交于底座(I)的中心，且两束激光互相垂直。3、参见图I、图4，激光器三(III’)通过螺纹副连接到激光器三安装座(12)，激光器三调整滑块(13)通过移动副连接到激光器三安装座(12)，激光器三调整旋钮(14)与激光器三调整滑块通过球副连接，激光器三调整旋钮(14)与底座(I)通过螺纹副连接，激光器三调整旋钮(14)采用了两对对置模式，这两对旋钮轴线垂直，激光器三调整滑块(13)能够保证激光器三调整旋钮(14)对激光器三安装座(12)调整自如，双层的(图4)调整结构使得激光器三不仅能够调整位置，还能够调整垂直度，通过双层调整结构配合调整使得激光束三在通过激光束一和激光束二交点的同时与两束激光垂直。4、激光投影位置测量装置(B)的安装需要根据机器人基坐标系方位确定，激光投影面是工作面，工作面上刻有坐标方格，激光投影于某方格内时通过方格内精测坐标和方格坐标相加即得激光投影坐标，激光投影位置测量装置需包含整个机器人工作空间。
权利要求
1.一种机器人末端位姿测量装置，包括一个安装到机器人末端的正交激光发射装置和一组激光投影位置测量装置(B)，其特征在于所述的正交激光发射装置(A)由激光器一安装调整装置(I)、激光器二安装调整装置(II)和激光器三安装调整装置(III)组成，该三个装置(I、II、III)在底座(I)上的安装使得其中的激光器一(I’)、激光器二(II’)和激光器三(III’)发射出的三束激光束(15)两两互相垂直，与此同时三束激光轴线交汇于一点，使这三束激光形成类似于三维坐标轴位置关系的结构；所述的激光投影位置测量装置是激光束(15)的投影面，能够对激光束(15)在投影面的投影点位置坐标进行测量，测得的数据用于对机器人末端位姿的计算；由于激光发射器微小的角度偏转能够使激光投影点在远距离的投影面上产生较大位移而同时激光器固联到机器人末端上，所以投影点位置坐标能够高精度反应机器人末端位姿，保证机器人末端位姿的测量精度。
2.根据权利要求I所述的机器人末端位姿测量装置，其特征在于由激光器一安装调整装置(I)、激光器二安装调整装置(II)和激光器三安装调整装置(III)组成，所述激光器一安装调整装置(I)由激光器一(I’)、激光器一安装座(2)、激光器一对心装置(3)、激光器一调整旋钮(4)和激光器一固定装置(5)组成，所述激光器一(I’)与激光器一安装座(2)通过螺旋副连接，所述激光器一安装座(2)与激光器一对心装置(3)通过转动副连接，所述激光器一对心装置(3)与底座(I)通过环形移动副连接，所述激光器一调整旋钮(4)与激光器一对心装置(3 )通过螺旋副连接同时压紧激光器一安装座(2 )，所述激光器一固定装置(5 ) 与激光器一对心装置(3)通过螺栓连接同时通过螺栓与底座(I)连接；所述激光器二安装调整装置(II)由激光器二(II’)和激光器二安装座(6)、激光器二调整旋钮(7)、激光器二对心装置(8 )、激光器二调整支架(9 )、激光器二调整底座(10 )和激光器二调整旋钮(11)组成，所述激光器二(II’)与激光器二安装座(6)通过螺纹连接，所述激光器二安装座(6)与激光器二对心装置(8)通过旋转副连接，所述激光器二调整旋钮(7)与激光器二对心装置 (8 )通过螺纹副连接压紧激光器二安装座(6 )，所述激光器二对心装置(8 )与底座(I)通过环形移动副连接，所述激光器二调整支架(9)与激光器二对心装置(8)通过螺栓连接，所述激光器二调整底座(10)与底座(I)通过螺栓连接，所述激光器二调整旋钮(11)与激光器二调整底座(10)通过螺纹副连接同时压紧激光器二调整支架(9);所述激光器三安装调试装置(III)由激光器三(III’)、激光器三安装座(12)、激光器三调整滑块(13)、激光器三调整旋钮(14)组成，所述激光器三(III’)与激光器三安装座(12)通过螺纹副连接，所述激光器三调整滑块(13)与激光器三安装座(12)通过移动副连接，所述激光器三调整旋钮(14)与激光器三调整滑块(13)通过球副连接，所述激光器三调整旋钮(14)与底座(I)通过螺纹副连接，底座(I)通过螺纹副固定到机器人末端。
3.根据权利I要求所述的机器人末端位姿测量装置，其特征在于所述激光投影位置测量装置(B)是激光的投影面，安装时要求投影面垂直于机器人基坐标系坐标轴且距离原点距离需要精确测量，投影面上刻有坐标方格，在方格内精测激光投影点坐标，方格坐标与精测坐标相加的结果就是激光投影点坐标；该坐标值通过计算得到机器人末端位姿。
全文摘要
本发明涉及一种机器人末端位姿测量装置。本装置包括一个安装到机器人末端的正交激光发射装置和一组激光投影位置测量装置。正交激光发射装置中的三个激光器发射出三束两两互相垂直且垂直度很高的激光束，于此同时三束激光轴线交汇于一点，使这三束激光形成类似于三维坐标轴位置关系的结构。激光投影位置测量装置是激光束的投影面，能够对激光束在投影面的投影点位置坐标进行测量，测得的数据用于对机器人末端位姿的计算。本发明用于机器人末端位姿测量，由于激光发射器微小的角度偏转能够使激光投影点在远距离的投影面上产生较大位移而激光器安装到机器人末端上，所以投影点位置坐标能够高精度反应机器人末端位姿，保证机器人末端位姿的测量精度。
文档编号G01B11/00GK102607411SQ20121005556
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者崔泽, 彭昀, 潘宏伟, 赵伟, 钱东海, 韩增军 申请人:上海大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
