[发明专利]一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置

权利要求书

1.一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：包括纵向驱动装置、纵向导轨、固定机架、制孔装置、纵向滑台、横向驱动装置、旋转气缸、线激光传感器、横向滑台和横向导轨，所述固定机架的顶端固定连接有纵向驱动装置，所述固定机架内固定连接有纵向导轨，所述纵向导轨上滑动连接有相匹配的纵向滑台，所述纵向滑台的底端安装有制孔装置，所述纵向驱动装置的输出端与纵向滑台的顶端固定连接，所述固定机架的底端固定连接有横向导轨，所述固定机架的底端右侧固定连接有横向驱动装置，所述横向导轨上滑动连接有相匹配的横向滑台，所述横向驱动装置的输出端与横向滑台的右侧固定连接，所述横向滑台的底端固定连接有的旋转气缸，所述旋转气缸的法兰上安装有线激光传感器，所述线激光传感器、纵向驱动装置、横向驱动装置和制孔装置分别与计算机电性连接，所述固定机架和外部机器人末端法兰固定连接；旋转气缸可按顺时针或逆时针方向旋转90°，在被测量曲面上得到两条正交的曲线。

2.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述固定机架包括底架和设置在底架上端左侧的中空的长方体机架，所述长方体机架的底部设有供制孔装置穿出的通孔。

3.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述纵向驱动装置和横向驱动装置可以是电机或气缸。

4.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述横向滑台的横截面为L型。

5.根据权利要求4所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置的方法，其特征在于：包含如下方法步骤，

S1、在机器人的末端执行器上建立机器人坐标系O-XYZ，工具坐标系T-XYZ；

S2、通过移动机械臂，使制孔装置中心轴线TR通过自由曲面上的待测点R，RI为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法向矢量；

S3、二坐标机械臂驱动线激光传感器以T为中心，沿直线P1 P2、P3P4进行扫描测量，在自由曲面上得到两条正交的曲线Q1 RQ2、Q3RQ4，两条正交曲线的交点与自由曲面上的待测点R重合，且每一条曲线Q1 RQ2、Q3RQ4都分别处于一个平面XTZ、YTZ内；

S4、计算机先对曲线Q1 RQ2、Q3RQ4数据进行数字滤波处理，排除噪声干扰；

S5、再采用阈值比较法，从R点开始分别向两侧逐点搜索阶跃信号S1、S2及S3、S4，如未搜索到则认为Q1 RQ2、Q3RQ4是连续曲线，否则认为S1 RS2、S3RS4为连续曲线，剔除两端无效数据，可解决待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时对法向矢量测量精度的影响；

S6、计算机采用最小二乘法二次曲线拟合算法求得曲线Q1 RQ2、Q3RQ4或S1 RS2、S3RS4的二次多项式回归方程组z＝f(x)、z＝f(y)：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

f(y)＝b₀+b₁y+b₂y²，

对以上方程组求导，有：

f′(x)＝a₁+2a₂x，

f′(y)＝b₁+2b₂y，

设待测点R坐标为(X0,Y0,Z0),根据导数的几何意义，可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R(X0,Y0,Z0)处的切线方程组：

z-z₀＝f′(x₀)(x-x₀)＝(a₁+2a₂x₀)(x-x₀)，

z-z₀＝f′(y₀)(y-y₀)＝(b₁+2b₂y₀)(y-y₀)，

并可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R(X0,Y0,Z0)处的法线方程组：

S7、S6中的法线方程分别为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法向矢量RI在工具坐标系的XTZ平面内和YTZ平面内的投影RM、RN，设θ为RT与RI的夹角，其中，θ为当前姿态刀具轴线与目标姿态刀具轴线的夹角，θ1为RM与RT的夹角，θ2为RN与RT的夹角,由立体几何原理可知，通过控制θ1和θ2即可达到控制θ的目的；

S8、计算机根据以上法线方程组求得θ1和θ2，并将该目标姿态传送给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。