一种基于6‑SPS并联机构的位姿测量装置

摘要

一种基于6‑SPS并联机构的位姿测量装置，其特征在于：该装置由并联机构模块，外部支架模块和数据采集系统组成，其位置连接关系为：将外部支架模块放置并固定于地面或平台，并联机构模块的静平台通过中心通孔与外部支架模块的安装表面对心，并采用周向分布的螺栓进行固定；动平台通过中心通孔与待测工作平台或末端执行器对心并采用螺栓固定；数据采集系统位于测量并联机构模块旁边，以便操作者观察情况，对数据进行读取和处理；可测量包括3个位置坐标和3个转动角在内的六自由度运动；能够实时测量和读取，可作为位姿反馈应用于工作平台或末端执行器的控制系统；在保证测量精度的情况下，实现了成本更为低廉的位姿测量。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于6-SPS并联机构的位姿测量装置(其中S代表球副，P代表移动副)，用于测量工作平台或末端执行器的位置和姿态，属于测量设备领域。

背景技术：

当前，并联机构在多个领域得到了广泛的应用；并联机构是由多个运动支链在动静平台之间通过并联方式连接而成，具有运动灵活，无累计误差，精度高，结构紧凑，容易实现多维运动等优点；并联机构的精度问题得到广泛的关注，已有多人在并联机构正逆解，并联机构精度分析，精度综合和误差标定补偿等方面进行了深入的研究和实验验证，取得的成果可有效提高并联机构运动精度；并联机构以上特点说明将并联机构运用于位姿测量是可行的。

发明内容：

1、目的：

本发明的目的是提供一种基于6-SPS并联机构的位姿测量装置，具体是以6-SPS并联机构为基础提供一种可进行空间六自由度位姿测量的装置，用于实时读取与测量装置动平台连接的工作平台或末端执行器的位姿，相比较于常用的空间位姿测量仪器，如激光跟踪仪等，在保证精度的情况下可有效降低成本。

2、技术方案：

本发明一种基于6-SPS并联机构的位姿测量装置，由并联机构模块，外部支架模块和数据采集系统组成；其位置连接关系为：将外部支架模块放置并固定于地面或平台，并联机构模块的静平台通过中心通孔与外部支架模块的安装表面对心，并采用周向分布的螺栓进行固定；动平台通过中心通孔与待测工作平台或末端执行器对心并采用螺栓固定；数据采集系统位于测量并联机构模块旁边，以便操作者观察情况，对数据进行读取和处理。

并联机构模块，由动平台，静平台，初始位姿量具，支链组件组成；动平台为准六边形结构，其中一组不相邻的三条边为圆心位于六边形中心点的圆弧；动平台底部斜面处加工6个球窝，用于与球铰连接；动平台中心处加工圆柱形通孔，销孔和螺栓孔，用于定位和连接；静平台为准六边形结构，底部斜面处加工6个球窝，此处应与动平台球窝交错分布，避免奇异位姿；静平台中心处加工圆柱形通孔，销孔和螺栓孔，用于定位和连接；初始位姿量具为 柱形，两端有法兰和圆柱形凸台；法兰沿周向开有6个螺栓孔，并加工有1个销孔用于周向定位；圆柱形凸台直径与动静平台中心通孔直径相同，用于量具的径向定位；其位置连接关系为：动平台通过球窝与支链组件上端相连，静平台通过球窝与支链组件下端相连，动平台的位姿变化带动支链组件的长度变化，初始位姿量具通过两端法兰与动静平台相连，用于在开始工作时确定装置初始位姿。

支链组件由封闭式光栅尺尺身、读数头、2件微型导轨、2件微型滑块、2个球铰、滑动套筒、固定套筒、读数头安装片、球铰连接法兰、2个橡胶垫、安全挡板及锁紧装置组成；固定套筒为柱形，沿轴线方向加工方形槽，槽宽略大于封闭式光栅尺尺身宽度，保证封闭式光栅尺尺身可装入，同时两侧开有螺栓孔，用于固定光栅尺尺身；固定套筒一端加工锥形轴，端面加工螺纹孔和定位孔，与球铰对心并连接；固定套筒沿径向加工小平面并攻4个螺纹孔，用于安装锁紧装置；固定套筒另一端于端面处沿周向攻6个螺纹孔，分布直径与安全挡板螺栓孔分布直径相同，用于连接安全挡板；固定套筒两侧沿轴向加工导轨安装槽，槽宽略大于微型导轨宽度，槽底面攻6个螺纹孔，与微型导轨连接；微型导轨通过滚珠与微型滑块相连；微型滑块为长方体，下表面开方形槽并安装滚珠，上表面攻4个螺纹孔与滑动套筒相连；滑动套筒为柱形，沿轴线方向加工通孔，孔径大于固定套筒直径，保证安装；滑动套筒一端沿径向加工平面，并在一侧攻6个螺纹孔，与读数头安装片连接；滑动套筒内部两侧沿轴向开有一定长度的方形槽，槽宽略大于微型滑块的宽度；滑动套筒外部两侧沿径向加工2个平面，并在每个平面表面加工4个螺栓孔，用于与微型滑块连接；滑动套筒另一端为环形法兰，环形法兰螺栓孔分布半径与球铰安装法兰相同，用于与球铰安装法兰连接；球铰安装法兰分别由一定长度的锥形轴、法兰以及圆柱形凸台组成；球铰安装法兰一端为圆柱形凸台，圆柱直径与滑动套筒内径相同，用于与滑动套筒的对心；凸台端面贴有橡胶垫，起缓冲作用；法兰开6个螺栓孔，分布直径与滑动套筒的环形法兰分布直径相同；锥形轴与圆柱形凸台、法兰同心，端面加工螺纹孔和定位孔，与球铰连接；读数头安装片为“L”型薄片，一端加工小薄片用于读数头与安装片的定位，底部薄片开6个长螺栓孔，用于连接滑动套筒，上部薄片开2个长螺栓孔，间距与读数头螺栓孔相同，用于连接读数头；安全挡板为柱形，一端端面处开6个沿周向分布的螺栓孔，分布半径与固定套筒端面螺栓孔相同；另一端贴有橡胶垫，用于缓冲；锁紧装置由上连接片、下连接片及扭转弹簧组成；上连接片为薄片状，一端加工勾型结构，两侧有转动副圆孔；下连接片为薄片状，中间加工有凸台，凸台上端面有转动副圆孔，通过圆柱棒与上连接片连接；扭转弹簧安装在锁紧装置上、下连接片之间，提供扭矩。

外部支架模块采用3种不同的安装组合，以适应各种工况下的位姿测量；第一外部支架 为板状，上表面中心处加工凸台，并沿周向攻6个螺纹孔和1个销孔，用于并联机构模块中静平台的径向、周向定位和固定；第二外部支架为“L”型板状，底部金属板开4个螺栓孔，用于支架的固定，两侧加工肋板连接侧边金属板，侧边金属板安装表面加工凸台，6个螺纹孔和1个销孔，用于静平台的定位和固定；第三外部支架由上安装板、下安装板和4根支撑立柱组成；上安装板下表面中心处加工凸台，6个螺纹孔和1个销孔，用于静平台的定位和固定。

数据采集系统由数据采集电缆、运动控制卡、传感器接收器和放大器、数据处理软件、工控机和液晶显示器组成；其电气连接关系为：数据采集电缆与传感器接收器和放大器实现电气连接，工控机与运动控制卡、液晶显示器实现电气连接，同时，运动控制卡与传感器接收器和放大器实现电气连接；数据处理软件安装于工控机的操作系统内；每条封闭式光栅尺的读数头连接1条数据采集电缆，电缆末端与传感器接收器和放大器相连，输出TTL方波信号；传感器接收器和放大器可处理接受到的方波信号，并输出到运动控制卡中；运动控制卡采用多轴控制卡可实现同时接受8条光栅尺的信号并进行处理；通过基于控制卡的编程可完成6条支链的数据处理工作，进而通过并联机构的正解算法直接得到动平台位姿；数据处理软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面；工控机可实现对运动控制卡数据的进一步处理，操作人员指令的输入以及对数据的计算和绘图；液晶显示器可实现操作人员对测量过程的实时监控，数据处理过程和结果的显示等。

综上所述，具体操作为：开始测量时，首先将初始位姿量具安装于动静平台之间，完全定位后将6条支链的封闭式光栅尺通电，以此时的位置作为初始位姿开始读数，然后将初始位姿量具拆下；将待测设备的工作平台或末端执行器与动平台对心且固定；控制待测设备变换位姿，带动测量装置动平台移动，同时6根支链组件的长度发生变化；光栅尺读数头的读数可读取长度变化，通过运动控制卡采集后进行6-SPS并联机构的正解计算，进而可得到动平台的实时位姿，同时该位姿即为待测工作平台或末端执行器的位姿。

3、优点及功效：本发明一种基于6-SPS并联机构的位姿测量装置的优点是：可测量包括3个位置坐标和3个转动角在内的六自由度运动；能够实时测量和读取，可作为位姿反馈应用于工作平台或末端执行器的控制系统；在保证测量精度的情况下，实现了成本更为低廉的位姿测量。

附图说明：

图1是位姿测量装置整体结构图。

A是并联机构模块 B是外部支架模块 C是数据采集系统

图2a是并联机构模块示意图。

图2b是动平台示意图。

图2c是静平台示意图。

图3a是支链组件剖视图。

图3b是支链组件右视图。

图4a是位姿测量装置安装方式一示意图。

图4b是位姿测量装置安装方式二示意图。

图4c是位姿测量装置安装方式三示意图。

图5是数据采集系统信号传递流程图。

图6是位姿测量装置具体操作流程图。

图中具体标号说明如下：

A、并联机构模块 B、外部支架模块 C、数据采集系统

1、动平台 2、支链组件 3、初始位姿量具

4、静平台 5、球铰安装法兰 6、橡胶垫

7、滑动套筒 8、安全挡板 9、固定套筒

10、微型导轨 11、微型滑块 12、读数头

13、锁紧装置 14、光栅尺尺身 15，16、球铰

17、读数头安装片 18、第一外部支架 19、第二外部支架

20、第三外部支架

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明；

见图1，本发明一种基于6-SPS并联机构的位姿测量装置，由并联机构模块A，外部支架模块B和数据采集系统C组成；其位置连接关系为：安装时将外部支架模块B放置并固定于地面或平台，并联机构模块A的静平台4通过中心通孔与外部支架的安装表面对心，并采用周向分布的螺栓进行固定；动平台1通过中心通孔与待测工作平台或末端执行器对心并采用螺栓固定；数据采集系统C位于并联机构模块A旁边，以便操作者观察情况，对数据进行读取和处理。

见图2a，并联机构模块A，由动平台1，静平台4，初始位姿量具3，支链组件2组成；动平台1(图2b)为准六边形结构，其中一组不相邻的三条边为圆心位于六边形中心点的圆弧；动平台1底部斜面处加工6个球窝，用于与球铰连接；动平台1中心处加工圆柱形通孔、销孔和螺栓孔，用于定位和连接；静平台4(图2c)为准六边形结构，底部斜面处加工6个 球窝，此处应与动平台1球窝交错分布，避免奇异位姿；静平台4中心处加工圆柱形通孔、销孔和螺栓孔，用于定位和连接；初始位姿量具3为柱形，两端有法兰和圆柱形凸台；法兰沿周向开有6个螺栓孔，并加工有1个销孔用于周向定位；圆柱形凸台直径与动、静平台的中心通孔直径相同，用于量具的径向定位；其位置连接关系为：动平台1通过球窝与支链组件2上端相连，静平台4通过球窝与支链组件2下端相连，动平台的位姿变化带动支链组件的长度变化，初始位姿量具3通过两端法兰与动、静平台相连，用于在开始工作时确定装置初始位姿。

见图3a、图3b，支链组件2由1件封闭式光栅尺尺身14，1件读数头12，2件微型导轨10，2件微型滑块11，2件球铰15、16，1件滑动套筒7，1件固定套筒9，1件读数头安装片17，1件球铰连接法兰5，2件橡胶垫6，1件安全挡板8，1件锁紧装置13组成；固定套筒9为柱形，沿轴线方向加工方形槽，槽宽略大于封闭式光栅尺14尺身宽度，保证封闭式光栅尺尺身可装入，同时固定套筒9两侧开有螺栓孔，用于固定光栅尺尺身；固定套筒9一端加工锥形轴，端面加工螺纹孔和定位孔，与球铰16对心并连接；固定套筒9沿径向加工小平面并攻4个螺纹孔，用于安装锁紧装置13；固定套筒9另一端于端面处沿周向攻6个螺纹孔，分布直径与安全挡板8螺栓孔分布直径相同，用于连接安全挡板8；固定套筒9两侧沿轴向加工导轨安装槽，槽宽略大于微型导轨10宽度，槽底面攻6个螺纹孔，与微型导轨10连接；微型导轨10通过滚珠与微型滑块11相连；微型滑块11为长方体，下表面开方形槽并安装滚珠，上表面攻4个螺纹孔与滑动套筒7相连；滑动套筒7为柱形，沿轴线方向加工通孔，孔径大于固定套筒9直径，保证安装；滑动套筒7一端沿径向加工平面，并在一侧攻6个螺纹孔，与读数头安装片17连接；滑动套筒7内部两侧沿轴向开有一定长度的方形槽，槽宽略大于微型滑块11的宽度；滑动套筒7外部两侧沿径向加工2个平面，并在每个平面表面加工4个螺栓孔，用于与微型滑块11连接；滑动套筒7另一端为环形法兰，环形法兰螺栓孔分布半径与球铰安装法兰5相同，用于与球铰安装法兰5连接；球铰安装法兰5，分别由一定长度的锥形轴、法兰以及圆柱形凸台组成；球铰安装法兰5一端为圆柱形凸台，圆柱直径与滑动套筒7内径相同，用于与滑动套筒7的对心；球铰安装法兰5凸台端面贴有橡胶垫6，起缓冲作用；法兰开6个螺栓孔，分布直径与滑动套筒7的环形法兰分布直径相同；锥形轴与圆柱形凸台、法兰同心，端面加工螺纹孔和定位孔，与球铰16连接；读数头安装片17为“L”型薄片，一端加工小薄片用于12读数头与读数头安装片17的定位，底部薄片开6个长螺栓孔，用于连接滑动套筒7，上部薄片开2个长螺栓孔，间距与读数头螺栓孔相同，用于连接读数头；安全挡板8为柱形，一端端面处开6个沿周向分布的螺栓孔， 分布半径与固定套筒9端面螺栓孔相同，另一端贴有橡胶垫6，用于缓冲；锁紧装置13由上连接片、下连接片和扭转弹簧组成；上连接片为薄片状，一端加工勾型结构，两侧有转动副圆孔；下连接片为薄片状，中间加工有凸台，凸台上端面有转动副圆孔，通过圆柱棒与上连接片连接；扭转弹簧安装在锁紧装置上下连接片之间，提供扭矩。

见图4a、图4b、图4c，外部支架模块B采用3种不同的安装组合，以适应各种工况下的位姿测量；第一外部支架18为板状，上表面中心处加工凸台，并沿周向攻6个螺纹孔和1个销孔，用于并联机构模块A中静平台4的径向、周向定位和固定；第二外部支架19为“L”型板状，底部金属板开4个螺栓孔，用于支架的固定，两侧加工肋板连接侧边金属板；侧边金属板安装表面加工凸台、6个螺纹孔和1个销孔，用于静平台4的定位和固定；第三外部支架20，由上安装板、下安装板和4根支撑立柱组成；上安装板下表面中心处加工凸台，6个螺纹孔和1个销孔，用于静平台4的定位和固定。

见图5，数据采集系统由数据采集电缆、运动控制卡、传感器接收器和放大器、数据处理软件、工控机和液晶显示器组成；其电气连接关系为：数据采集电缆与传感器接收器和放大器实现电气连接，工控机与运动控制卡、液晶显示器实现电气连接，同时，运动控制卡与传感器接收器和放大器实现电气连接；数据处理软件安装于工控机的操作系统内；每条封闭式光栅尺的读数头连接1条数据采集电缆，电缆末端与传感器接收器和放大器相连，输出TTL方波信号；传感器接收器和放大器，数量为6件，可处理接受到的方波信号，并输出到运动控制卡中；运动控制卡采用多轴控制卡，数量为1件，可实现同时接受8条光栅尺的信号并进行处理；通过基于控制卡的编程可完成6条支链的数据处理工作，进而通过并联机构的正解算法直接得到动平台位姿；数据处理软件，数量为1套，包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面；工控机，数量为1件，可实现对运动控制卡数据的进一步处理，操作人员指令的输入以及对数据的计算和绘图；液晶显示器，数量为1件，可实现操作人员对测量过程的实时监控，数据处理过程和结果的显示等。

具体操作为：开始测量时，首先将初始位姿量具安装于动静平台之间，完全定位后将6条支链的封闭式光栅尺通电，以此时的位置作为初始位姿开始读数，然后将初始位姿量具拆下；将待测设备的工作平台或末端执行器与动平台对心且固定；控制待测设备变换位姿，带动测量装置动平台移动，同时6根支链组件的长度发生变化；光栅尺读数头的读数可读取长度变化，通过运动控制卡采集后进行6-SPS并联机构的正解计算，进而可得到动平台的实时位姿，同时该位姿即为待测工作平台或末端执行器的位姿。