[发明专利]一种空间轨迹精度测量装置及方法

权利要求书

1.一种空间轨迹精度测量装置，其特征在于，包括底盘(1)、底座(2)、方位角转台(3)、俯仰角转台(4)和径向导轨机构(5)，所述底盘(1)的顶部中心与竖直设置的底座(2)底端固接，且底座(2)的顶端安装有方位角转台(3)，所述方位角转台(3)的顶部通过方位角转轴安装有第一绝对值编码器(31)，且第一绝对值编码器(31)的顶部安装有俯仰角转台(4)，所述俯仰角转台(4)上安装有俯仰角转轴，且俯仰角转轴上安装有第二绝对值编码器(41)，并在俯仰角转轴上安装有径向导轨机构(5)，所述径向导轨机构(5)包括碳纤维导轨(51)、光栅读头(52)、光栅尺(53)和标准钢球(54)，且碳纤维导轨(51)垂直安装在俯仰角转轴的中心孔处，所述碳纤维导轨(51)上还安装有光栅读头(52)和光栅尺(53)，且光栅尺(53)的末端固定安装有标准钢球(54)。

2.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述俯仰角转轴的轴线和方位角转轴的轴线正交。

3.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述光栅尺(53)固定贴附设置在碳纤维导轨(51)的一侧，且标准钢球(54)的球心与光栅尺(53)的轴线最短距离连线与碳纤维导轨(51)平行。

4.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述碳纤维导轨(51)靠近俯仰角转轴的一侧与光栅读头(52)配合滑接，且光栅读头(52)与俯仰角转轴固定设置。

5.空间轨迹精度测量方法，其特征在于，使用权利要求1-4任意一项所述的一种空间轨迹精度测量装置实施该方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：设立三维球坐标机构的参考坐标系{N}，原点设在方位角转台(3)的底座(2)中心；设立球坐标参考系{O},原点设在方位角转轴中心线与俯仰角转轴中心线的交点；设立机器人基坐标参考系{M},原点设在机器人基座中心；

步骤S2：将磁性球座固定于机器人末端，并使得磁性球座吸住标准钢球(54)；

步骤S3：下达机器人运动轨迹的指令，并记录第一绝对值编码器(31)、光栅尺(53)和第二绝对值编码器(41)的数据，得知标准钢球(54)在球坐标系{O}中的动态位置(R,θ,Φ)，同时读取标准钢球(54)在机器人基坐标系{M}下的位置(Xr,Yr,Zr)；

步骤S4：通过转换公式(a)得知标准钢球(54)相对于三维测量机构参考坐标系{N}的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，公式如下：

步骤S5：将标准钢球在三维机构参考坐标系{N}的位置(X_b,Y_b,Z_b)转换到机器人基坐标系{M}下得(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)，转换公式如下(b)、(c)，式中，称为旋转变换，表示坐标系{N}相对于坐标系{M}的方位，^MP_N称为平移变换，表示坐标系{N}相对坐标系{M}的平移矢量,表示j坐标系下I轴的单位方向向量；

步骤S6：将标准钢球(54)经公式转换得到在机器人基坐标系{M}的位置(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)与直接在机器人基坐标系{M}下读取的标准钢球(54)位置(Xr,Yr,Zr)相减计算机器人轨迹精度，公式如下

6.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，R为通过光栅读头(52)测量出的径向长度；θ为通过第一绝对值编码器(31)测量出的俯仰角；Φ为通过第二绝对值编码器(41)测量出的方位角。

7.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，机器人运动时，三维球坐标机构做被动跟随运动。

8.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，h为O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离，O点为三维球坐标系(R,θ,Φ)的原点与方位角转轴、俯仰角转轴的交点。