1.一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置,其特征在于,包括:圆盘底座、拉线编码器、定滑轮、动滑轮、滑轮支架、带座轴承、万向节和圆盘上座;
六个拉线编码器沿周向均匀分布在圆盘底座上,各拉线编码器的拉线延长线相交于圆盘底座的中点;每个拉线编码器的一侧都配置安装有相应的滑轮支架,所述滑轮支架的一端安装有定滑轮,所述定滑轮的底部与拉线编码器拉出的拉线水平相切,滑轮支架的另一端安装有带座轴承,所述动滑轮安装在带座轴承上,所述带座轴承的转动轴线、动滑轮的下切线和定滑轮的上切线始终保持在同一条直线上,拉线编码器的拉线依次经过定滑轮和动滑轮拉出;所述圆盘上座的底部均匀安装有六个万向节,所述万向节与拉线编码器一一对应,拉线编码器的拉线头与对应的万向节连接。
2.如权利要求1所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置,其特征在于:所述拉线编码器通过编码器支架固定在圆盘底座上,所述编码器支架为L形状的结构,编码器支架的底部和侧面均设有螺纹孔,分别用来连接固定圆盘底座和拉线编码器。
3.如权利要求1所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量装置,其特征在于:所述动滑轮通过动滑轮支架固定在带座轴承上,滑轮支架上还安装有磁角度编码器,用来测量动滑轮支架的旋转角度。
4.一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,采用如权利要求1‑3中任一机器人位姿测量装置,其特征在于,包括如下步骤:步骤一:将圆盘上座与被测机器人的末端固定连接;
步骤二:当被测机器人运动时,动滑轮绕着转动轴线进行转动,引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度,解算被测点的空间位置信息。
5.如权利要求4所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述步骤一中,定义O点为拉线编码器的出线点,A点为拉线和定滑轮的下切点,B点为拉线和定滑轮的上切点,C为拉线和动滑轮的下切点,D为拉线和动滑轮的上切点,其中O点和A点水平共线,B点与C点水平共线,B点与C点在动滑轮的转动轴线上,动滑轮的下切点位置保持不变。
6.如权利要求5所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述步骤二具体包括以下步骤:步骤1:建立单拉线编码器的测量模型,在标定系统中建立空间坐标系;
步骤2:引入拉线包络角度、动滑轮旋转角度和拉线长度,计算圆盘上座万向节中心点在其拉线编码器对应坐标系下的位置;
步骤3:根据步骤2求得的每一个拉线编码器对应的圆盘上座万向节中心点坐标,结合智能进化算法,求解圆盘上座的中心坐标系在圆盘底座的中心坐标系下的位姿。
7.如权利要求6所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述步骤1具体如下:在动滑轮中,在C点建立OXYZ空间直角坐标系,初始位置时,建立OCXCYCZC坐标系TC,以拉线CB为XC轴,垂直圆盘底座向上方向为ZC轴,由右手螺旋定则得YC方向;初始位置时,在D点建立ODXDYDZD坐标系TD,以拉线DP方向为XD方向,垂直DP方向向上为ZD方向,由右手螺旋定则得YD方向。
8.如权利要求7所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述步骤2具体如下:用齐次变换方程计算圆盘上座万向节中心点P点在坐标系TC中的坐标,引入拉线包络角度α和动滑轮旋转角度β,拉线从拉线编码器出线口到动滑轮下切点C的长度记为L0,动滑轮的半径记为r,D点到P点的长度为|DP|,根据下式(1.1)计算拉线长度L:L=r·α+|DP| (1.1)
首先将坐标系TC绕着XC轴旋转β角度到YC轴垂直动滑轮所在面位置,然后沿着XC轴方向移动d1距离,再沿着旋转后的ZC轴方向移动d2距离,绕着移动后的YC轴转动γ角度得到坐标系TD,最后沿着XD正方向移动|DP|距离,得到圆盘上座万向节中心点P点的OPXPYPZP坐标系TP;
用齐次坐标矩阵表示TC到TP之间的变换关系:
式(1.2)中:
将式(1.3)带入式(1.2)得:
由式(1.4)确定圆盘上座万向节中心点P坐标系TP与坐标系TC之间的变换关系式中, 表示圆盘上座万向节中心点P在坐标系TC下的旋转矩阵, 表示表示圆盘上座万向节中心点P在坐标系TC下的位置;
因此,圆盘上座万向节中心点P在TC下的坐标PC表示为:
式(1.6)为圆盘上座万向节中心点P点在其拉线编码器对应坐标系下的位置求解公式。
9.如权利要求8所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述步骤3具体如下:定义圆盘底座的中心坐标系为T1,圆盘上座的中心坐标系为T2,其中每个拉线编码器的OCiXCiYCiZCi坐标系与圆盘底座的中心坐标系T1的转换矩阵为H1i,每个拉线编码器对应的万向节中心点Pi点在圆盘上座的中心坐标系T2的转换矩阵为H2i;
根据步骤2得到每一个拉线编码器对应的圆盘上座万向节中心点Pi:
式中,αi表示每个拉线编码器的拉线包络角度;
将以上万向节中心点Pi的坐标转换为T1坐标系下的位置:
定义圆盘上座的中心坐标系T2在圆盘底座的中心坐标系T1下的位姿表示为对应的姿态矩阵如下所示:
式中,Rz(υ)、Ry(μ)、 表示分别绕坐标系T1的Z、Y、X轴旋转ν,μ,角度;c表示cos、s表示sin,μ,ν,表示绕各Y、Z、X轴的旋转角度;
圆盘上座的中心坐标系T2在圆盘底座的中心坐标系T1下的位姿矩阵如下所示:式中,p=(x,y,z);
万向节中心点Pi的坐标Pi″根据T2和H2i表达,Pi′和Pi″分别通过拉线编码器测量模型和基于末端位姿计算,均是表达在圆盘底座的中心坐标系T1下,其中Pi′和Pi″分别包含6个未知参数(α1,α2,α3,α4,α5,α6)和 共计12个未知参数;通过智能进化算法求解以上12个未知参数,最终求解的位姿为
10.如权利要求6所述的一种基于六拉线编码器的机器人位姿测量方法,其特征在于:所述智能进化算法为遗传算法或粒子群算法。