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申请/专利权人：东华大学

摘要：本发明提供一种基于加工工件的多轴系统位姿测量方法，设定系统参数与坐标系、测量曲面、测量坐标系，进行路径规划，设计多个测量曲面以得到更多测量信息，根据测量数据构建等式关系并对机器人位姿进行求解。通过此方法，可以直接在标准加工设备上，无需额外的高成本测量设备，只需对加工后的工件进行测量和计算，即可实现机器人位姿的高效测量。这种方法不仅节省了成本，还提高了测量效率和精度，有望在相关领域得到广泛应用。

主权项：1.一种多轴系统位姿测量方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S1：设定系统参数与坐标系；Delta机器人结构由静平台、动平台及两者之间的三条运动支链构成，得到3-RRPaR构型；支链内部，基座与主动臂通过旋转副相连，旋转副在旋转平面内的中心记为Ai，主动臂由安装在基座上的电机驱动，主动臂通过旋转副与平面平行四边形机构相连，该平行四边形机构由4个转动副+4个连杆构成，转动副在主动臂回转平面内的中心记为Bi，Bi所在连杆两端分别记为Di、Ei；动平台通过转动副与平行四边形机构相连，Ci也是这个转动副的中心,Ci所在连杆两端分别记为Fi、Gi；其中i＝1,2,3；三支链在静平台上沿周向均匀分布，间隔为120°，中心轴线定义为静坐标系Z0轴，向下远离基座为Z0轴正向；任一支链主动臂回转面都通过Z0轴，A1A2A3所在平面与X0轴交点定义静坐标系原点S；沿向量SA1方向定义为静坐标系{W0}的X0轴正方向，静坐标系Y0由Z0×X0获得；在Ai处建立坐标系{Wi,1},{Wi,1}与静平台固连，Zi,1沿旋转轴轴线方向，Yi,1与Z0平行反向；在Ai处建立与主动臂固连的坐标系{Wi,2}，Zi,2与Zi,1方向一致，Xi,2沿矢量AiBi方向。Xi,2与Xi,1之间的夹角记为θi,用来表征主动臂的旋转角度；Ei方向的单位矢量记为Zi,3，沿CiGi方向的单位矢量记为Zi,4；Zi,4也是在Ci点与动平台固连的坐标系{Wi,4}的Z轴；Yi,4与Z0方向一致；SAi长度定义为静平台半径r1；C1C2C3形成的动平台中心记为T；TCi的长度定义为动平台半径r2；主动臂AiBi长度定义为lp，从动平行四边形连杆部分BiCi长度定义为ln；lp、ln、r1、r2是三支链旋转驱动型Delta机器人的4个基本特征参数；支链1、2、3主动臂旋转平面相对于静坐标系ZX平面的夹角分别为φ1＝0°,φ2＝120°,φ3＝240°；在理想参数下，动平台在运动过程中只平移，姿态保持不变；以T为原点，建立与动平台固连的局部坐标系{W5},{W5}各轴方向与{W0}一致；步骤S2：在Delta机器人动平台上安装一块易加工材料，在主轴上安装一把球头铣刀；为了避免引入额外误差，加工过程中主轴所在工具链路中的A轴与B轴都保持禁止状态；步骤S3：设计测量曲面；假设待测量工件曲面表示为Qs,t，s,t是曲面的两个参数，s,t在空间上大致是均匀分布的，s∈[smin,smax],t∈[tmin,tmax]；在s、t方向按Δs、Δt的小间隔将s、t分别离散出m+1、n+1点，即s0,s1,s2,…sm,t0,t1,t2,…tn；参数对si,tj的对应点名义位置为实际位置为Pi,j；步骤S4：设置测量坐标系；在待加工测量工件上设立工件坐标系{W6}，通过合理的工件定位装夹方案与{W5}固连；步骤S5：以两组参数进行路径规划；工件加工时，如果球形铣刀半径为rk,则按照Qs,t的rk等距面Qeu,v进行路径规划；Qes,t＝Qs,t+rkns,t其中，ns,t为s,t点处曲面Qs,t的法向量；具体路径为Qes,t0,Qes,t1,…,Qes,tn,Qes0,t,Qes1,t,…,Qesm,t；工件加工完成后的面形，是球形铣刀沿上述刀路形成的空间包络与工件毛坯相交形成的；Qes,t0与Qes0,t对应的刀具运动包络相交形成了“X”型轮廓线，轮廓线的交点记为P0,0；P0,0即为Qs,t曲面上的Qs0,t0点；类似的，Qes,tj与Qesi,t对应运动包络面相交得到Pi,j点，对应曲面上的Qsi,tj点；步骤S6：工件加工完成后，使用测量手段对工件面形进行测量，测量基准为{W6}；由于表面微结构的存在，以及Pi,j点附近的面形特点，从面形测量数据中将Pi,j点提取出来；1其中，Pi,j在{W6}中的名义值和测量值分别记为加工时工件运动，刀具不动，为了反映这一特点，{W6}与{W5}各坐标轴平行反向，{W6}在{W5}中，相对姿态E为单位矩阵，原点偏置5O6＝[5Xorg6,5Yorg6,Hwm]T，Hwm为Delta机器人圆柱形工作工件Z向最大高度；2假设Delta机器人工作原点设为Phome，即当T点运动到Phome点时，{W6}的原点O6刚好与空间中固定刀具的到位点重合，考虑到Delta机器人支链对称性，在{W0}中，Phome＝[0,0,Zhome]；对于工件在{W6}中的一点机器人运动平台控制点T的对应的{W0}中的名义空间位置为{W6}相对于{W5}的位姿写成齐次矩阵的形式为{W6}相对于{W0}的位姿齐次矩阵为 3在测量坐标系中，与6Pi,j的差异是由于动平台的姿态和位置误差造成的，这个差异在{W6}中的度量为在{W0}中的度量为Δ0Pi,j，由于{W6}与{W0}的对应坐标轴只存在小角度偏差，Δ6Pi,j与Δ0Pi,j总是近似相等的，如式51所示： 其中，分别为Pi,j点处的{W6}在{W0}中的实际和名义姿态矩阵，Δ6Pi,j通过工件测量获得；步骤S7：设计多个测量曲面以得到更多测量信息；在每一点处，也就是T对应的点，包含了6个未知分量，提供3个独立方程；在同一点处，提供5个相同的测量曲面，测量曲面在X5Y5中的投影用圆来表示，对应的圆心为{W6}的原点，分别为i＝0,1,…,5；Qu,v曲面的最大半径记为Rq，考虑到既要尽量拉大之间的距离差，同时保留较大的优化可行空间；在X5Y5平面内的坐标分别取[0,0],[-Rq3,0],[Rq3,0]，[0,-Rq3],[0,Rq3]；在{W5}中的Z坐标均为Hwm；5个测量曲面在X5Y5平面内构成的最大半径为4Rq3；步骤S8：根据测量数据构建等式关系并对机器人位姿进行求解；在每一点处，利用式51构建15个方程构成的方程组；通过非线性最小二乘求得点处对应的T的位姿。

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