[发明专利]工作空间六自由度位姿动态测量设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量方法，特别涉及一种基于工作空间测量定位系统的工作空间六自由度位姿动态测量设备及方法。

背景技术

刚体六自由度用于描述其空间位置与姿态，即刚体沿X、Y、Z三个坐标方向的位移及自身滚动(roll)、俯仰(pitch)，偏航(yaw)三个角度。随着多轴运动控制技术在机器人研究、大型工件装配、柔性制造等领域的广泛应用，如何及时测量物体的六自由度参数为运动控制系统提供有效反馈已成为工业及科研领域共同关注的焦点。由于传统方法无法同时得到互相关联的六个自由度参数，现有六自由度测量方案主要采用激光跟踪仪或摄影测量技术，世界范围内只有Leica、V-STARS等少数厂商提供相关测量产品。但由于受到测量原理限制，这些方案在使用中各自存在严重问题：跟踪仪测量通视要求较高，测量过程中仪器与待测物间不允许有其他物体遮挡光路，而且跟踪仪为单站测量设备，无法实现多物体的同时跟踪；摄影测量方法依赖复杂的图像处理手段，难以实现实时测量，目前的光学制造水平也限制了摄影测量的精度和范围。

发明内容

为克服现有技术的不足，以工作空间测量定位系统(WMPS：Workspace Measurement Positioning System)为基础提供一种测量精度高、范围大，不受临时遮挡的影响，更适于工业现场使用的自由度位姿测量方法，本发明采取的技术方案是，工作空间六自由度位姿动态测量设备及方法，主要包括下列步骤：

步骤1.组装六自由度位姿传感器，在传感器组装完成后，依靠包括影像仪、测量臂等高精度辅助工具标定传感器表面接收器光学中心在传感器坐标系UVW下精确坐标；

步骤2.布置好发射站，待发射站运行平稳后建立WMPS系统测量坐标系；将六自由度位姿传感器固定在待测物体表面，打开传感器电源，以覆盖测量空间的WMPS系统坐标系作为全局测量坐标系；

步骤3.打开上位机测量软件，通过Zigbee无线通讯网络向传感器发送测量命令，待传感器返回接收器角度信息后解算接收器在测量坐标系下坐标，当接收器接收到两台以上发射站发出的光脉冲后，可通过角度交会测量方法测得接收器光学中心在WMPS系统坐标系XYZ下坐标；

步骤4.解算得到传感器表面三个或三个以上接收器坐标之后，以可测接收器几何中心为中心建立过渡坐标系X′Y′Z′并得到过渡坐标系到WMPS系统坐标系的旋转矩阵R_{X′Y′Z′-XYZ}及平移矢量T_{X′Y′Z′-XYZ}，下标X′Y′Z′-XYZ表示二者为过渡坐标系X′Y′Z′到WMPS系统坐标系XYZ的坐标变换关系，同时通过预先标定的接收器在传感器坐标系UVW下精确坐标也可得到该过渡坐标系到传感器坐标系的旋转矩阵R_{X′Y′Z′-UVW}及平移矢量T_{X′Y′Z′-UVW}，下标X′Y′Z′-UVW表示此二者为过渡坐标系X′Y′Z′到传感器坐标系UVW坐标变换关系；此时，传感器坐标系UVW到WMPS坐标系XYZ的旋转矩阵R_UVW-XYZ可通过式计算，传感器坐标系原点在WMPS坐标系下的坐标O_XYZ为：