[发明专利]一种六自由度小位移非接触检测方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种六自由度小位移非接触检测方法。

背景技术

目前六自由度位移的测量方法遍及超声波技术、红外技术、电磁技术以及光学技术等。从检测系统的基本结构形式上可分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量可采用三维坐标测量机和多关节随动测量系统进行静态精度检测，但由于在测量过程中将不可避免地发生测量接触力，因此不适合于高精度精密测量要求，也不适合被测物不可触碰的场合；非接触式测量则无测量接触力的存在，因此具有更大的灵活性，并同时适用于机构位姿的静态和动态性能的检测。目前针对多自由度机构的位姿检测方法的研究主要集中于：基于激光检测的方法、基于位移传感器的检测方法以及最为热门的基于视觉的检测方法。基于激光跟踪仪的多自由度位姿检测方法较为直接，即直接检测被测多自由度机构动平台上若干点(不少于3个非共线的点)的空间三维坐标，从而解算动平台的位姿。这种基于激光测量的方法具有高精度、高效率和大测量空间的优点，但是仪器昂贵(百万元量级)，在实际应用中受到限制。采用精密位移检测传感器件进行合理构建检测系统，也是常用的多自由度机构位姿直接检测方法。基于计算机视觉的多自由度机构位姿非接触测量技术是近二十年来的研究热点，主要可分为结构光学法、双目立体视觉法和基于单目(单相机)的视觉检测法。基于单目、双目和结构光的非接触视觉位姿检测方法的精度尚远不能满足多自由度精密位移检测精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六自由度小位移非接触检测方法，解决了现有的六自由度的位移检测方法测量精度低的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行

步骤1：首先对被测对象定义三维坐标系OXYZ，原点O和坐标轴X、Y在被测面上，按右手定则，坐标轴X、Y、Z两两相互垂直；定义沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；定义绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz；

步骤2：以O点为圆心、R为半径，在XY轴构成的平面上画一个圆，圆与X、Y轴的四个相交点分别设置4个准直光源：准直光源u、准直光源d、准直光源L和准直光源r；

步骤3：沿Z轴方向对应4个准直光源设置4只光接收器：光接收器u、光接收器d、光接收器L和光接收器r，各准直光源到对应光接收器敏感面的距离均为L；记各准直光源出射光与Z轴夹角均为θ；4只光接收器的分布圆半径为H，有H＝L*sinθ+R；定义4个光接收器坐标的Zi轴正向均沿对应准直光出射方向，i＝u,d,L,r，同时使XiYi面设置在光敏面内，并使Xi轴均平行于OXYZ坐标系的ZX面，且均与X轴夹锐角；Yi轴均平行于YZ面，并均与Y轴夹锐角；

步骤4：当被测对象发生6自由度位移变化时，将引起与其相固连的准直光源的位置和方向的变化，引起各光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，从而根据测得的光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，得到被测对象的六自由度上的位移。

进一步，根据测得的光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，得到被测对象的六自由度上的位移方法如下：各光斑在对应光接收器光敏面上发生位移列向量：S’＝(Δxu，Δyu，Δxd，Δyd，ΔxL，ΔyL，Δxr，Δyr)’，设被测对象六自由度小位移列向量D＝(Tx，Ty，Tz，Rx，Ry，Rz)’；

1.令D＝(Tx，0，0，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿X轴的小平移Tx，有：

Δxu＝Tx，Δyu＝0； Δxd＝Tx，Δyd＝0，

ΔxL＝Tx*cosθ，ΔyL＝0；Δxr＝Tx*cosθ，Δyr＝0

即S＝(Tx，0，Tx，0，Tx*cosθ，0，Tx*cosθ，0)’；

2.令D＝(0，Ty，0，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿Y轴的小平移Ty，有：

Δxu＝0，Δyu＝Ty*cosθ；Δxd＝0，Δyd＝Ty*cosθ，

ΔxL＝0，ΔyL＝Ty； Δxr＝0，Δyr＝Ty

即S＝(0，Ty*cosθ，0，Ty*cosθ，0，Ty，0，Ty)’；

3.令D＝(0，0，Tz，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿Z轴的小平移Tz，有：

Δxu＝0，Δyu＝-Tz*sinθ； Δxd＝0，Δyd＝Tz*sinθ，

ΔxL＝Tz*sinθ，ΔyL＝0；Δxr＝-Tz*sinθ，Δyr＝0

即S＝(0，-Tz*sinθ，0，Tz*sinθ，Tz*sinθ，0，-Tz*sinθ，0)’；