基于双PSD的机械手运动轨迹跟踪测量装置

未来复杂的服役环境要求自动化设备空间机械手必须具备精确的末端定位和空间姿态控制,而机械手装配间隙、承载变形等原因导致其末端执行器的位置与理论计算存在偏差,因此,对机械手的运动轨迹跟踪测量成为亟待解决的难题。结合光敏位置探测器的特点和双目视觉测量原理,研发了一种基于双PSD的非接触式三维测量装置,可对空间运动目标点光源的轨迹进行跟踪测量,并将其应用在加工中心机械手的角位移和轴向位移测试中。PSD测量装置通过强力磁性表座固定在机械手下方的平台上,作为被测目标的光源安装在被测量机械手的手臂上,光源通过工业镜头投射在两个PSD的二维感应屏上形成光斑,两个PSD在光斑的激发下各自输出相应的电压值,经过信号处理器后转换为与二维坐标值以1 mm/V关系对应的电压值,计算机通过电压采集卡将相应电压信号采集保存,由两组二维坐标值反算出被测光源中心的三维坐标值,并实时转变成机械手的角位移和轴向位移。所做工作是对复杂机构上点目标的运动轨迹实时在线测量、机器人末端执行器的空间位置及姿态的快速测量难题解决方案的一种探索。     

二维位置敏感探测器(PSD)自动测试系统

为了实现对大尺寸二维位置敏感探测器(PSD)的性能标定,设计了基于LabVIEW的PSD自动测试系统.驱动步进电机以1mm步长对PSD光敏面进行扫描,并采集电压值计算激光光斑的位置.应用二元二次多项式法建立光斑位置测量值和实际值的计算模型,由此得出二维PSD非线性校正函数,使测量误差显著减小,较大地扩展了二维PSD的测量范围.     

基于光强调制和数字拟合的PSD位置检测方法的研究

为了实现对微小位置信号的精密测量,建立了PSD位置检测系统。对该系统的光强调制方法、测量原理、位置测量算法及误差评估进行了研究。实验发现当信号光强微弱时,位置敏感器件(PSD)受背景光强影响很大。采用正弦调制光强,通过带通放大的方式,克服背景光强的影响,极大地提高了测量系统的信噪比。针对所提取的PSD光强差与和信号均为调制频率信号,且幅值与相差由光斑位置决定的特点,提出应用同步A/D与椭圆拟合法计算光斑位置的方法,并对相关计算公式进行了理论推导。实验结果表明:在测量范围达到9 mm的条件下,测量精度可达到0.01 mm.基本满足PSD位置检测方法的稳定可靠、测量精度高、抗干扰能力强等要求。     

基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距偏差测量新方法

为了测量特大型齿轮齿距偏差,提出了基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距测量新方法。利用激光跟踪仪的大空间测量能力测量齿轮齿槽,分别获得被测特大型直齿轮相邻两条齿距误差曲线。由于被测齿轮直径超过6 000 mm,可以根据点到直线距离公式近似计算单个齿距误差。首先,分析了传统方法下基于激光跟踪仪构建齿轮工件坐标系后的齿距测量模型,并根据特大型直齿轮的特点,提出了基于激光跟踪仪的无坐标系特大型直齿轮齿距误差测量模型。测量模型回避了特大型齿轮工件坐标系的建立,直接对齿槽进行双面接触测量;通过对两条齿槽测量直线进行误差评定即可获得单个齿距最大误差与单个齿距平均误差,通过转站测量实现齿距累积总偏差的测量;最后,采用蒙特卡罗法对不同测量方法的测量不确定度进行仿真分析,得出系统测量不确定度。实验结果表明,提出的基于激光跟踪仪的特大型直齿轮齿距偏差测量方法满足直径6 000 mm以上的8级精度特大型齿轮的单个齿距偏差测量要求,满足直径6 000 mm以上的10级精度特大型齿轮的齿距累积总偏差测量要求。     

1D-PSD数据采集电路设计及线性度标定

本研究旨在实现光斑位移的测量,选用一维光电位置传感器(PSD),根据其工作原理及输出特性,设计并搭建了一套基于单片机的PSD信号数据采集系统。通过单片机控制HCF4052多路转换、AD7606模/数转换等实现对PSD信号的转换采集,并对PSD进行线性度标定。实验结果表明,单片机数据采集电路精度优于10μm,满足实验精度要求。标定出PSD线性度小于等于0.055%的有效距离为9~16.5mm,这为PSD应用于光电检测等方面的一系列研究奠定了基础。     

基于位置敏感探测器的六自由度精密位姿测量系统

位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)是一种高精度的二维位移测量传感器,利用三片二维PSD的组合实现空间六自由度相对运动的位移和角度测量。测量系统主要包括三片PSD传感器(包括PSD光敏面和发光管)、低噪声的信号调理和AD采集电路,采用三片PSD正交布局方案,通过PSD光敏面的光点位置计算相对运动的位移和角度。设计了六自由度的PSD标定测试系统,用于PSD测量系统中心偏移和发光管安装误差的标定测试。测试结果表明,PSD测量系统的测量范围优于位移±10mm、角度±2.5°,标定后PSD测量系统的噪声误差为位移0.1mm、角度0.02°,测量系统的绝对位移误差小于0.5mm、角度误差小于0.14°,满足系统0.5mm和0.5°的指标要求。此外,对PSD传感器的环境适应性进行了评估。PSD测量系统具有量程宽、精度高、线性度好的优点,成功应用于天舟1号货运飞船微重力主动隔振装置的相对运动测量中。     

基于PSD的激光微位移测量系统

介绍了一种基于二维位置敏感探测器PSD的激光光斑位置测量系统。与传统的方法相比,该系统改进了硬件和软件设计方法来实现PSD外围信号处理,它可以测量微米级位置的移动,实验结果表明系统测量精度在5μ之内。     

基于PSD的激光跟踪测量控制系统研究

针对空间点坐标的测量问题,对激光跟踪仪、双站式经纬仪及多站式全站仪等坐标测量系统等方面进行了研究,对坐标测量原理进行了归纳,基于三角法设计了一种新型PSD激光跟踪测量系统,介绍了工作原理与实现流程,设计了应用于该测量系统的控制系统。工控机IPC、运动控制卡PCI-8134组成上位机控制系统,陀螺仪MPU6050采集角度信息、PSD处理器将数据放大、AD7606将模拟量转成数字量处理、射频模块NRF24L01发送和接收数据信息,配合嵌入式微处理器STM32进行了数据处理,共同组成了下位机数据采集系统。实验结果表明,该控制系统稳定可靠,基本满足大尺寸坐标测量的要求,并成功应用于激光跟踪测量系统。     

基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型研究

通过对传统对中方法中的百分表法的测量原理进行研究,建立了一种基于单LD-PSD的激光对中测量数学模型,并对该数学模型的测量原理进行了推导。按照此数学模型,在选取2个不同的转角、测得PSD上光斑的坐标后,就能够推算出两轴之间的对中偏差,得到两轴之间的相对位置关系。     

基于PSD的激光跟踪仪光电瞄准技术应用与研究

光电瞄准与定位技术是空间运动目标动态跟踪测量的关键技术,起到目标捕获与运动位置偏差精确指向作用。基于光电位置传感器(PSD)对激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术进行了分析研究与设计,提出了光电瞄准控制方案,设计了探测光路,分析了PSD误差修正与信号处理。经过实际样机测试,静态定位测量精度达到6μm,随机动态跟踪测量速度大于1 m/s。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

通用机器人视觉检测系统的全局校准技术

介绍了基于通用机器人的车身在线柔性视觉检测系统的工作原理和在复杂现场环境下使用激光跟踪仪和测量臂进行全局校准的实用方法。基于测量姿态的全局校准方法利用机械约束将传感器坐标系和靶标坐标系统一起来,实现测量姿态时传感器坐标系与系统基准坐标系的坐标转换。基于机器人运动学模型的全局校准方法利用机器人末端关节位姿可通过正向运动学获知的特点,在现场构建机器人基坐标系,并通过坐标变换获得与机器人运动精度无关的手眼关系,实现了任意姿态时的全局校准。实际测量的结果表明,应用两种校准方法后系统的重复性精度都十分理想,测量装置重复测量标准差和系统重复测量标准差分别为0.07mm和0.13mm,能够满足在线监控白车身加工尺寸变化的精度要求;系统进行坐标测量时的误差分别为±0.2mm和±0.8mm。     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

基于无衍射姿态探针和全站仪组合测量空间隐藏坐标

针对大尺度空间中构件特征隐藏区的空间坐标测量,提出了一种基于无衍射光束的测量探针,并将该探针与全站仪结合构成了空间坐标组合测量系统。介绍了探针姿态测量系统和组合测量系统的结构与原理。测量时,首先将探针测头接触于被测点,并用全站仪或激光跟踪仪瞄准探针的光学系统,测得探针的空间位置坐标。接着,使用探针将测距激光通过axicon透镜变换为无衍射光,并由CCD摄像机获得图像。由无衍射光的中心一对一映射激光的入射方向,通过无衍射光图像定中计算,获得探针的水平角和俯仰角。最后,通过电子倾角仪测得探针滚动角;联合测得各姿态角和位置坐标,通过坐标变换,计算得出被测点的空间坐标。实验显示,该探针的姿态角测量精度为1mrad,组合测量空间位置偏差为±1mm,表明基于无衍射光束的探针与全站仪所构成的组合测量系统可满足大尺度空间中特征隐藏区空间坐标测量的要求。     

基于惯性基准的大尺寸空间角测量

针对大型装备装配过程中的大尺寸空间角测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法并且设计了相应的测量系统。该测量系统利用自准直原理获取被测轴线方向,通过内部陀螺仪和编码器测量被测轴线在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后根据每个被测轴线在公共基准内的单位向量坐标值实现空间角的计算。建立了大尺寸空间角测量的数学模型,并对测量系统的测量不确定度进行分析和计算。最后搭建了测量系统的原理样机并利用原理样机在实验室进行了模拟测量实验。实验结果表明,原理样机的实际测量误差为14",满足了测量精度的要求。该方法采用惯性空间作为公共测量基准,有效地解决了测量大尺寸空间角时测量基准难以建立和传递的难题,使得测量过程更加灵活、高效。     

距离法运动目标激光跟踪测量系统的研究

运动目标空间位置坐标激光跟踪测量是计量测试领域的前沿课题。该测量系统集激光干涉测距、光电检测、精密机械、计算机及控制系统和现代数值计算于一体 ,对空间运动目标进行跟踪并实时测量其坐标和姿态。采用多个激光干涉仪进行冗余设计 ,仅通过测量距离的变化量而不需要测量角度量 ,就可以通过解最小二乘方程组计算出被测点的坐标。文中论述了纯距离法跟踪测量的数学模型、系统的光路设计以及基于 PID控制方法的跟踪控制系统 ,并完成了平面内运动物体的跟踪及测量可行性实验     

一种非接触式R-test测量仪球心坐标计算方法

R-test测量仪是用于五轴数控机床转动轴结构误差测量的专用设备,其通过测量球相对测量坐标系的位置变化进行误差辨识。在测量坐标系中,测量球球心坐标计算的准确性和稳定性是保证测量精度的重要前提。为进行测量球球心坐标的精确计算,构建了非接触式R-test测量仪的结构模型并建立了球心坐标计算方程组。以球心坐标计算方程组为基础,简化得到用于球心坐标求解的非线性方程组并构建其目标函数,然后采用差分进化算法提高球心坐标求解的精度。最后,在GF Mikron UCP800五轴机床上进行对比实验,将测量球球心坐标的计算结果与机床实际坐标进行对比,验证所提出球心坐标计算方法的精度和可靠性。     

基于跟踪转台的光笔式全空间坐标测量系统

光笔式坐标测量系统是一种基于视觉测量的便携式坐标测量技术.在经典的光笔式坐标测量系统中,其测量范围被限制在相机的视场范围之内.为了克服这种缺陷,本文设计了一种新的光笔式坐标测量系统以实现全空间坐标测量.相机被安装在一个转台而不是三脚架上,因而,相机能够进行旋转从而对光笔的移动进行跟踪.新系统能够被用于大范围的工业现场测量,因此极大地扩展了光笔式坐标测量系统的应用范围.为了保证新设计系统的测量精度,本文还提出了一种对跟踪转台参数进行标定的方法.将光笔放置在固定的位置,并改变转台两个旋转轴的方位角,让相机从不同的视角采集光笔的图像.根据相机和转台基座之间不变的坐标变换关系,可以建立起一个非线性方程组来对跟踪转台的参数进行求解.实验结果表明,新系统在测量距离为10 m内的全空间,其坐标测量精度能够达到0.25 mm.可以得出,新设计系统能够在不损失太多精度的情况下显著扩大光笔式坐标测量系统的测量范围.     

基于线结构光参考平面的多摄像机标定方法研究

多摄像机视觉测量系统中不同视觉传感器空间分布广,无公共视角,现场标定十分困难。针对多摄像机标定问题,研究了一种基于线结构光参考平面的灵活标定方法。标定过程中,以空间中同时覆盖相邻摄像机视角的结构光平面作为标定参考基准,在不同摄像机视角中,自由移动平面靶标多次,确保每次移动后靶标与结构光相交,并能在各自摄像机中清晰成像,摄像机拍摄靶标图像。提取靶标图像中角点坐标、激光光条特征点坐标。借助靶标平面与摄像机坐标系外部参数矩阵,求解激光光条特征点在对应摄像机坐标系中坐标。通过结构光基准平面内,不同摄像机坐标系中至少3组非共线特征点坐标信息,求解相邻摄像机外部参数。分别进行标定试验和精度验证试验,试验结果表明该方法切实可行。     

多边法激光三维坐标测量系统及其跟踪机构设计

为实现对空间目标三维坐标的测量,研究出一种基于多边法的激光三维坐标测量系统。系统使用了四路激光跟踪干涉仪,通过冗余设计使系统具有许多独到的功能特点。由于跟踪机构的性能对整个测量系统的影响大,为此设计了一种独立式跟踪机构。介绍了系统的工作原理和主要功能特点,论述了跟踪机构的工作原理、结构及其误差。对有关实验的方法、结果做了简要论述。