[发明专利]高精度六自由度位姿监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度六自由度位姿监测装置，属于光电测量领域，特别适用于物体间六自由度位姿的高精度监测。

背景技术

物体在空间有6个自由度，即3个方向的平动(Δx，Δy，Δz)和绕3个方向轴的转动(θ_x，θ_y，θ_z)。现代科学技术的发展，航空航天、汽车造船、机械加工、医疗器械等众多领域内对目标物体的六自由度定位、空间姿态控制提出了更高的精度要求。在航空航天、汽车、造船等大型组装系统中精密部件装配的基本任务是目标部件在空间六自由度的精确定位，以保证部件装配拼接质量；同时，机器人的手臂在抓取和放置物体时，其手臂的姿态和位置也需要进行六自由度的测量与控制。制造加工行业中，检测维护数控机床等大型设备的导轨，以保证产品精度和生产加工的顺利进行。机床是通过导轨或工作台来改变工件相对切削刀具的相对位置，同一般物体一样，导轨或工作台也具有6个自由度，但常常只允许它们沿某一自由度运动，而不允许在其它5个自由度方向运动。由于机床导轨运动副都具有3个回转自由度误差——俯仰、偏摆及滚转误差，同时沿3个坐标轴还具有3个平动误差，对机床加工性能具有影响，所以需要对其进行测量。在大间隙磁场悬挂和平衡系统中，模拟的飞行器要依靠磁场力而悬浮在风洞里，要模拟飞行，必须对空间六自由度位移参数进行测量，以便于控制。风洞应变天平是飞行器在风洞中进行模拟实验，感受各向力和力矩的装置，根据天平的变形，就可以测知各向力和力矩的大小。但在模拟实验前，需要标定天平载荷和变形的关系，并设计天平自动校验台，而多自由度的测量和调整便是其中的一部分。此外气浮平台的空间姿态、船体运动监测、水池模型等诸多科研任务中需进行实时的高精度多自由度监测。

多自由度同时测量技术与方法的研究是检测领域的热门课题，新的技术方法不断涌现。目前国内外的多自由度测量技术大体上主要分为非接触式和接触式，非接触测量技术除采用超声波技术和电磁技术外大部分采用基于光学原理，主要包括激光衍射技术、激光干涉技术、全反射技术、激光跟踪技术、激光准直技术、视觉检测技术。我们在进行某工件空间六自由度位姿监测时，上述自由度测量方法普遍存在结构复杂，安装空间不足等问题，难以适用。专利ZL200810149831.X中平面反射镜对偏摆和俯仰较为敏感，单一自由度发生位移时，可实现Y轴转动和X轴转动两个转动位移的测量；但伴随其它自由度的位移时，Y轴转动和X轴转动位移的测量将会带来一定的误差，高精度测量时必须加以考虑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度六自由度位姿监测装置，可实现物体的六自由度位姿监测，具有光路简单、精度高的优点。

本发明提供一种高精度六自由度位姿监测装置，该装置包括：可动部分，被测物体与可动部分固定在一起；固定不动部分。

四个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起。第三面阵CCD和第四面阵CCD与固定不动部分固定在一起；四路准直光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射四束光束，分别被所述四个面阵CCD接收。当被测物体发生任一自由度的移动时，引起CCD相机上相应光点位置的变化，根据所述的光点位置变化来计算出物体六自由度位移。

所述的四路准直光输出结构采用一个LED光源发射光束，所述光束耦合到光纤后，经光开关控制切换后，由光纤传输并由光纤准直器进行准直输出。

其中，四束光束中的第一光束入射到固定在可动部分上的平面反射镜上，被平面反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第三面阵CCD接收。平面反射镜对偏摆和俯仰较为敏感，单一自由度发生位移时，可实现Y轴转动和X轴转动两个转动位移的测量；但伴随其它自由度的位移时，Y轴转动和X轴转动位移的测量将会带来误差，高精度测量时必须加以考虑。

其中，四束光束中的第二光束入射到固定在可动部分上的角锥反射镜上，被角锥反射镜反射回来的光束由分光镜分光后被第四面阵CCD接收。在微小位移情况下，角锥反射棱镜对Y轴平动和X轴平动敏感，对光束方向不敏感，因此对第四面阵CCD上光点位置的变化进行处理，可实现Y轴平动和X轴平动两个平动位移的测量。

第一面阵CCD和第二面阵CCD与平面反射镜和角锥反射镜入射面共面，并且四束光束中的另外两束光束的反向延长线交于一点，所述另外两束光束以一定角度对称入射到第一面阵CCD和第二面阵CCD上。根据所述CCD上光点位置的变化和第四面阵CCD上光点位置的变化可计算出Z轴转动和Z轴平动的位移。