專利名稱：測(cè)量機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試或末端位置測(cè)量的可移動(dòng)的便攜式空間位置測(cè)試儀，特別是一種隨動(dòng)式的測(cè)量機(jī)器人。
背景技術(shù)：
機(jī)械隨動(dòng)式測(cè)量機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可用于對(duì)其它工業(yè)機(jī)器人及機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試或標(biāo)定，在其末端裝上探針或測(cè)頭還可用于三維實(shí)體表面測(cè)量、飛機(jī)汽車三維造型檢測(cè)及逆向工程技術(shù)中。國(guó)際上自八十年代開始就已經(jīng)開展對(duì)此類機(jī)器人的研究工作，我國(guó)于近幾年也開始了這項(xiàng)研究工作，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試儀，就是采用機(jī)械隨動(dòng)式測(cè)量方法，用一臺(tái)去掉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而保留測(cè)試部分的被動(dòng)機(jī)器人去測(cè)試另一臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。具體做法是將被測(cè)機(jī)器人的末端與測(cè)量機(jī)器人末端連在一起，將測(cè)量機(jī)器人所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到被測(cè)機(jī)器人在檢測(cè)系統(tǒng)所建立的坐標(biāo)系中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各瞬時(shí)的位姿。此方法的研究目前還只停留在位姿參數(shù)的相對(duì)測(cè)量階段，測(cè)量誤差也比較大，是一種仍需要完善的測(cè)量方法。對(duì)機(jī)器人位姿和軌跡特性的測(cè)試技術(shù)與評(píng)價(jià)理論的研究具有十分重要意義，這項(xiàng)研究已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者的高度重視。研究的方法大致可歸納為“激光跟蹤系統(tǒng)”和“機(jī)械隨動(dòng)系統(tǒng)”測(cè)量方法。前者的位置精度為0.01～0.1mm，測(cè)量范圍大、技術(shù)難度高，并能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)用十分昂貴。后者隨著傳感器元件的不斷完善，尤其是高分辨率、高精度測(cè)角傳感器的出現(xiàn)，以及控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，將大幅度提高其測(cè)量精度，另外，其測(cè)量范圍中等，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能進(jìn)行在線測(cè)量。相比之下，“機(jī)械隨動(dòng)系統(tǒng)”在現(xiàn)有條件下更具有可行性。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種隨動(dòng)式測(cè)量機(jī)器人，該機(jī)器人解決了已有測(cè)量裝置存在的測(cè)量誤差大、測(cè)量范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。本實(shí)用新型包含產(chǎn)生360°轉(zhuǎn)角的第I關(guān)節(jié)A、與第I關(guān)節(jié)A相連的第II關(guān)節(jié)B、臂C、分別在相互垂直的兩平面內(nèi)產(chǎn)生360°轉(zhuǎn)角的第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E、以及碼盤G；第II關(guān)節(jié)B的支撐體3固定連接在第I關(guān)節(jié)A的轉(zhuǎn)軸1的端部；與轉(zhuǎn)軸1垂直的第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸4的兩端與支撐體3形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與臂C相連接的第II關(guān)節(jié)B的關(guān)節(jié)體5固定連接在第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸4上，與臂C另一端相連接的第III關(guān)節(jié)D的轉(zhuǎn)軸6與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體7形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體7固定連接的第IV關(guān)節(jié)E的轉(zhuǎn)軸8與第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體9形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體9連接另一根臂C或末端接口法蘭F；在每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸的端部安裝有一個(gè)測(cè)量關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的碼盤G。本實(shí)用新型的測(cè)量機(jī)器人的第II關(guān)節(jié)B可有180°的轉(zhuǎn)角，其它關(guān)節(jié)可達(dá)360°的轉(zhuǎn)角，這樣大大增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。每個(gè)關(guān)節(jié)都安裝有測(cè)角元件(碼盤G)，用于檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到機(jī)器人末端點(diǎn)的位姿。該測(cè)量機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，使之結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，操作方便，提高了其工作適應(yīng)性，并通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)空間的分析，選擇合適的桿件參數(shù)增大了測(cè)量機(jī)器人的空間測(cè)試范圍。該測(cè)量機(jī)器人具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。它可用于三維實(shí)體表面測(cè)量、飛機(jī)、汽車三維造型檢測(cè)及逆向工程技術(shù)中，還可用于對(duì)其它工業(yè)機(jī)器人及機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試或標(biāo)定。


圖1是具體實(shí)施方式
的測(cè)量機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是第I關(guān)節(jié)A和第II關(guān)節(jié)B的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參閱圖1、圖2和圖3，本實(shí)施方式的測(cè)量機(jī)器人由第I關(guān)節(jié)A、第II關(guān)節(jié)B、大臂C1、小臂C2、二組第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E、碼盤G、末端接口法蘭F組成。第I關(guān)節(jié)A的轉(zhuǎn)軸1與其關(guān)節(jié)體2形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第II關(guān)節(jié)B的支撐體3固定連接在第I關(guān)節(jié)A的轉(zhuǎn)軸1的上端部；與轉(zhuǎn)軸1垂直的第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸4的兩端與支撐體3形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第II關(guān)節(jié)B的關(guān)節(jié)體5固定連接在第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸4上；關(guān)節(jié)體5與大臂C1的下端固定連接，第III關(guān)節(jié)D的轉(zhuǎn)軸6與大臂C1的上端固定連接；第III關(guān)節(jié)D的轉(zhuǎn)軸6與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體7形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體7固定連接的第IV關(guān)節(jié)E的轉(zhuǎn)軸8與第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體9形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體9連接在小臂C2的下端，小臂C2的上端連接另一組第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E，該組第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E連接末端接口法蘭F。在第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸4上還套裝有用于平衡測(cè)量機(jī)器人自身重量的扭轉(zhuǎn)彈簧10，扭轉(zhuǎn)彈簧10的兩端分別與關(guān)節(jié)體5和支撐體3固定連接。在關(guān)節(jié)體5的下面還設(shè)有用于減少運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)的阻尼器11。該測(cè)量機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)三對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，共六個(gè)自由度，加工、裝拆方便。結(jié)構(gòu)上采用平行軸式結(jié)構(gòu)，即大臂C1和小臂C2的軸線錯(cuò)開，并分別位于互相平行的二平面內(nèi)，大小臂之間由一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是所有關(guān)節(jié)可以達(dá)到最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度(第II關(guān)節(jié)B為180°，其它關(guān)節(jié)接近360°或更大)，大大增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。每個(gè)關(guān)節(jié)都安裝有測(cè)角元件(碼盤)，用于檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到機(jī)器人末端點(diǎn)的位姿。為了操作輕便，在測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)處有平衡裝置用于平衡測(cè)量機(jī)器人自身的重量，使得操作員能夠輕松地帶動(dòng)測(cè)量機(jī)器人做需要的空間運(yùn)動(dòng)。測(cè)量機(jī)器人自身重量的平衡與否對(duì)測(cè)量精度沒有直接的影響，但能影響人機(jī)效應(yīng)，使操作員操作起來(lái)輕便，不易疲勞。本實(shí)用新型采用彈簧平衡法，即在第II關(guān)節(jié)B內(nèi)部裝有合適的扭轉(zhuǎn)彈簧，來(lái)部分平衡大小臂的重量。由于扭簧安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部，使得整個(gè)機(jī)器人看起來(lái)簡(jiǎn)潔美觀?？紤]到整個(gè)測(cè)量機(jī)器人的外觀效果，采用內(nèi)部走線的形式，即機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)體、轉(zhuǎn)軸和臂都設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，碼盤也選用空心軸式，這樣所有碼盤線都可以由機(jī)器人內(nèi)部按關(guān)節(jié)次序依次穿過(guò)，最后匯總到機(jī)器人底座處引出。該測(cè)量機(jī)器人已經(jīng)成功應(yīng)用在宇航服關(guān)節(jié)阻尼力矩的機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)中。機(jī)器人桿件參數(shù)的確定應(yīng)能滿足運(yùn)動(dòng)范圍的要求，而且不致過(guò)長(zhǎng)。因關(guān)節(jié)長(zhǎng)度和測(cè)角元件分辨率及精度是決定測(cè)量機(jī)器人分辨率及測(cè)量精度的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)所要求的測(cè)量精度一定時(shí)，關(guān)節(jié)越長(zhǎng)，需要的測(cè)角元件分辨率和精度就越高。為了滿足精度要求而又考慮到測(cè)量機(jī)器人的成本，選用兩個(gè)高精度碼盤，用于第I關(guān)節(jié)A、第II關(guān)節(jié)B角度的測(cè)量，此高精度碼盤的脈沖數(shù)為25000，即分辨率為52″，對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行細(xì)分后，它的分辨率為13″。后四個(gè)關(guān)節(jié)角的測(cè)量采用脈沖數(shù)為2048的編碼器，即分辨率為10.5′，對(duì)其進(jìn)行四細(xì)分后，將分辨率提高到2.6′。設(shè)計(jì)大臂C1長(zhǎng)為500mm，小臂C2長(zhǎng)也為500mm，末端接口法蘭F的腕長(zhǎng)為108mm，臂的直徑為60mm。其空間測(cè)量范圍為半徑1.1m的球狀空間。測(cè)量精度可達(dá)到0.5mm。
權(quán)利要求1.測(cè)量機(jī)器人，其特征在于它包含產(chǎn)生360°轉(zhuǎn)角的第I關(guān)節(jié)A、與第I關(guān)節(jié)A相連的第II關(guān)節(jié)B、臂C、分別在相互垂直的兩平面內(nèi)產(chǎn)生360°轉(zhuǎn)角的第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E、以及碼盤G；第II關(guān)節(jié)B的支撐體(3)固定連接在第I關(guān)節(jié)A的轉(zhuǎn)軸(1)的端部；與轉(zhuǎn)軸(1)垂直的第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸(4)的兩端與支撐體(3)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與臂C相連接的第II關(guān)節(jié)B的關(guān)節(jié)體(5)固定連接在第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸(4)上，與臂C另一端相連接的第III關(guān)節(jié)D的轉(zhuǎn)軸(6)與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體(7)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與第III關(guān)節(jié)D的關(guān)節(jié)體(7)固定連接的第IV關(guān)節(jié)E的轉(zhuǎn)軸(8)與第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體(9)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體(9)連接另一根臂C或末端接口法蘭F；在每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸的端部安裝有一個(gè)測(cè)量關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的碼盤G。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量機(jī)器人，其特征在于第四關(guān)節(jié)E的關(guān)節(jié)體(9)連接小臂C2的下端，小臂C2的上端連接另一組第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E，該組第III關(guān)節(jié)D和第IV關(guān)節(jié)E連接末端接口法蘭F。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量機(jī)器人，其特征在于在第II關(guān)節(jié)B的轉(zhuǎn)軸(4)上還套裝有用于平衡測(cè)量機(jī)器人自身重量的扭轉(zhuǎn)彈簧(10)，扭轉(zhuǎn)彈簧(10)的兩端分別與關(guān)節(jié)體(5)和支撐體(3)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量機(jī)器人，其特征在于在關(guān)節(jié)體(5)的下面還設(shè)有用于減少運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)的阻尼器(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量機(jī)器人，其特征在于各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)體、轉(zhuǎn)軸和臂都設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量機(jī)器人，其特征在于大臂C1和小臂C2的軸線錯(cuò)開，并分別位于相互平行的二平面內(nèi)。
專利摘要測(cè)量機(jī)器人，它涉及一種進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試或標(biāo)定的測(cè)量裝置，特別是一種隨動(dòng)式的測(cè)量機(jī)器人。它包含第I關(guān)節(jié)A、第II關(guān)節(jié)B、臂C、第III關(guān)節(jié)D、第IV關(guān)節(jié)E、碼盤G；支撐體(3)固定連接在第I關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(1)的端部；第II關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(4)的兩端與支撐體(3)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；第II關(guān)節(jié)B的關(guān)節(jié)體(5)與臂C和轉(zhuǎn)軸(4)固定連接；與臂C另一端相連的第III關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(6)與其關(guān)節(jié)體(7)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；與關(guān)節(jié)體(7)固定連接的第IV關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(8)與其關(guān)節(jié)體(9)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；關(guān)節(jié)體(9)連接另一根臂C或末端接口法蘭F。在每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的端部安裝有一個(gè)碼盤。該機(jī)器人解決了已有測(cè)量裝置存在的測(cè)量誤差大、測(cè)量范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。
文檔編號(hào)B25J9/06GK2573172SQ0228046
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月9日
發(fā)明者劉宏, 高曉輝, 金明河, 杜立彬, 蔡鶴皋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)