[发明专利]一种基于激光扫描的机械臂定位装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于激光扫描的机械臂定位装置和方法，其中，该装置包括：具有可识别表面的标靶，其安装于所述机械臂的动臂的设定端；激光扫描仪，其安装于所述机械臂的定臂的设定端，通过对所述标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；控制器，其根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。相比现有技术，本发明提高了臂架定位精度、减小了由于臂架变形带来的位姿误差，还提高了目标识别的效率和准确性。

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种基于激光扫描的多功能作业台车机械臂末端的定位装置与方法。

背景技术

在隧道工程施工过程中，为了防止围岩变形和破碎，通常需要采用架设拱架、安装锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土等方法对围岩进行加固。以隧道拱架多功能作业台车为例，该台车是集拱架定位、安装、焊接于一体的自动化隧道施工装备，作为其核心的作业臂架是一个10自由度的串联机构，通过调整关节位姿使末端作业装置实现预定的位置和姿态是多功能作业台车的基本要求，同时也是其研制中的关键技术。

多功能作业台车臂架长、关节多、自身重量大，易发生柔性变形，且加工与装配后的各个部件存在尺寸误差，实现末端作业装置的精确定位具有很大的技术难度，因此影响台车机械臂定位精度的因素包括变形和几何误差。通常我们依据臂架结构与运动规律，运用机器人运动学建模方法，建立起臂架运动学标定模型，但这种方法是通过辨识几何误差来提高定位精度，忽略了台车臂架大尺度和低刚性引起的变形因素，且臂架的柔性变形会对几何误差的辨识产生干扰。台车臂架中涉及变截面、接触、间隙等多种不利因素，通过整体直接标定的方法并不适合多功能作业台车臂架的定位，因此需要一种能够直接识别获取机械臂末端位姿的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种定位精度高的机械臂定位装置以及方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种基于激光扫描的机械臂定位装置，该装置包括：具有可识别表面的标靶，其安装于所述机械臂的动臂的设定端；激光扫描仪，其安装于所述机械臂的定臂的设定端，通过对所述标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；控制器，其根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。

在本发明的一个实施例中，所述激光扫描仪具体为三维激光扫描仪。

在本发明的一个实施例中，所述标靶的表面包括反光面区域，该区域反射率大于所述标靶表面的其他区域，可被所述激光扫描仪识别。

在本发明的一个实施例中，所述三维激光扫描仪，其以自身为基点扫描所述标靶，得到其与该标靶的扫描距离和三个扫描角度，将它们作为扫描参数；所述控制器，其根据三角函数对所述扫描参数进一步计算得到标靶在扫描仪坐标系下的坐标，从而获取所述机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息。

根据本发明的另一方面，还提供了一种应用如上所述装置的基于激光扫描的机械臂定位方法，该方法包括：获取扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息以及所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息；通过对所述标靶进行扫描获取用来表征机械臂末端在该扫描仪坐标系下的位姿信息的扫描参数；根据扫描仪在机械臂载体坐标系下的位姿信息、所述机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息、以及所述扫描参数，计算得到该机械臂末端在所述隧道坐标系下的位姿信息，从而完成机械臂的定位。

在本发明的一个实施例中，根据三角函数对所述扫描参数进一步计算得到标靶在扫描仪坐标系下的坐标，从而获取所述机械臂末端在该扫描仪下的位姿信息，所述扫描参数包括激光扫描仪与该标靶的扫描距离和三个扫描角度。

在本发明的一个实施例中，使用全站仪定位或扫描仪定位的方法获取机械臂载体在隧道坐标系下的位姿信息。