一种用于测量工业机器人末端姿态角度的装置

1.本发明属于工业机器人误差测量领域，涉及一种适用于测量工业机器人末端姿态角度的测量装置。


背景技术：

2.随着我国两化深度融合战略的提出，智能制造逐渐进入人们的视线，工业机器人作为智能制造的主力军，将面临前所未有的发展机遇。近些年来，随着智能加工和智能装配的发展以及大型机械零件的原地加工的要求，工业机器人逐渐取代人工从事大型零件加工及机械装配。为了提高工业机器人的空间运动精度，工业机器人误差的测量是必不可少的工作。目前，工业机器人位姿姿态精度主要采用激光跟踪仪进行测量，但是激光跟踪仪价格昂贵，无法广泛应用于制造业。
3.本项专利申请人所在研究团队研制了基于球坐标原理实现空间运动误差测量的激光球杆仪(又称被动激光跟踪仪)，该装置由两个轴线相互垂直相交的转台和一个通过两转轴交点且正交于水平轴的伸缩机构组成，伸缩机构末端标准球与被测目标相连，并随着目标于空间运动；采用激光干涉仪和角度编码器分别测量径向距离和转轴旋转角度，进而来实现其空间位置测量功能。但是该装置只能测量工业机器人末端等运动目标的空间坐标位置，不能测量它的位置姿态角度。
4.基于上述被动激光跟踪仪，自研工业机器人末端位置姿态测量装置。


技术实现要素：

5.由被动式激光跟踪仪末端的标准球直接与工业机器人末端进行相连可以测出工业机器人末端的空间坐标位置。但是该测量方法会出现两个问题：(1)该测量方法只能测得工业机器人末端的空间坐标位置而不能测得它的姿态角度；(2)由被动式激光仪前端的标准球与工业机器人末端进行连接，长时间使用后会出现标准球磨损从而引起误差。为解决上述问题，本发明提供一种用于测量工业机器人末端姿态角度的装置。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种用于测量工业机器人末端姿态角度的装置，该装置一端与被动激光跟踪仪1相连接，另一端与工业机器人3的末端相连接，被动式激光跟踪仪1通过本发明装置2与工业机器人3进行相连来测量工业机器人末端的姿态角度。
8.所述装置包括支撑模块、转轴模块和测量模块。所述转轴模块作为主要部分，位于支撑模块的内侧来带动整个装置的转动；所述测量模块固定在转轴模块和支撑模块上，用于测量转轴模块转过的角度。
9.所述的转轴模块包括俯仰轴31、偏摆轴32、方块33、滚动轴13、第一轴承a5、第一轴承b19、第二轴承a7、第二轴承b30、第三轴承a9、第三轴承b16、第一轴承端盖a6、第一轴承端盖b20、第二轴承端盖a8、第二轴承端盖b29、第三轴承端盖a10、第三轴承端盖b17。俯仰轴31与偏摆轴32分别安装于方块33的侧面，且垂直相交于方块33中心。滚动轴13分别与俯仰轴
31和偏摆轴32垂直相交。
10.所述的支撑模块包括两个u型底座。两个u型底座相对设置，第一u型底座4和第二u型底座18通过偏摆轴32和俯仰轴31连接在一起。所述的偏摆轴32通过第一轴承a5和第一轴承端盖a6与第一u型底座4的一侧进行连接固定，偏摆轴32通过第一轴承b19和第一轴承端盖b20与第一u型底座4的另一侧进行连接固定，连接好之后第一u型底座4可以绕偏摆轴32进行转动。所述的俯仰轴31通过第二轴承a7和第二轴承端盖a8与第二u型底座18的一侧进行连接固定，俯仰轴31通过第二轴承b30和第二轴承端盖b29与第二u型底座18的另一侧进行连接固定，连接好之后第二u型底座18可以绕俯仰轴31进行转动。所述的滚动轴13的一端通过成对使用的第三轴承b16和第三轴承a9以及第三轴承端盖b17和第三轴承端盖a10与第二u型底座18的底部进行固定连接，连接好之后第二u型底座18可以绕滚动轴13转动。所述的滚动轴13的另一端与工业机器人3的末端进行连接，连接好之后工业机器人3的末端可以带动滚动轴13进行转动。
11.所述的测量模块包括第一法兰盘21、第一编码器22、第一编码器码盘23、第一六角法兰螺母24、第二编码器25、第二六角法兰螺母26、第二编码器码盘27、第二法兰盘28、第三编码器15、第三编码器码盘12、第三法兰盘11、第三六角法兰螺母14。所述的第一编码器码盘23通过螺栓安装固定到第一法兰盘21上，第一法兰盘21又通过第一六角法兰螺母24安装固定到偏摆轴32的轴肩上，第一编码器22安装到第一u型底座4的一侧，安装好之后第一编码器码盘23可以随偏摆轴32转动，转动的角度由第一编码器22测得。所述的第二编码器码盘27通过螺栓安装固定到第二法兰盘28上，第二法兰盘28又通过第二六角法兰螺母26安装固定到俯仰轴31的轴肩上，第二编码器25安装固定到第二u型底座18的一侧，安装好之后第二编码器码盘27可以随俯仰轴31转动，转动的角度由第二编码器25测得。所述的第三编码器码盘12通过螺栓安装固定到第三法兰盘11上，第三法兰盘11又通过第三六角法兰螺母14安装固定到滚动轴13的轴肩上，第三编码器15安装固定到第二u型底座18的底部，安装好之后第三编码器码盘12可以随滚动轴13转动，转动的角度由第三编码器15测得。
12.本发明的使用过程为：工业机器人运动带动该发明装置进行三个轴的转动，装置中每个轴的转动角度都由编码器测得，对应可以得到机械设备三个方向的姿态角度。该发明装置运动又带动被动激光跟踪仪中转台的转动和导轨的伸缩，由被动激光跟踪仪测得工业机器人末端的空间坐标位置。由此最终得到工业机器人末端的空间坐标位置和姿态角度。
13.本发明的有益效果为：本发明搭配被动式激光跟踪仪有效解决了现有工业机器人末端姿态角度无法测量以及被动激光跟踪仪与工业机器人末端直接连接时标准球磨损的问题。而且本发明装置结构简单便于维护。
附图说明
14.图1为被动式激光跟踪仪直接与工业机器人相连的工作示意图。
15.图2为被动激光跟踪仪、发明装置和工业机器人三者依次相连的工作示意图。
16.图3为发明装置内部转轴模块装配图。
17.图4为该发明装置的整体结构装配图。
18.图中：1被动式激光跟踪仪，2用于测量工业机器人末端姿态角度的装置(本发明)，
3工业机器人，4第一u型底座，5第一轴承a，6第一轴承端盖a，7第二轴承a，8第二轴承端盖a，9第三轴承a，10第三轴承端盖a，11第三法兰盘，12第三编码器码盘，13滚动轴，14第三六角法兰螺母，15第三编码器，16第三轴承b，17第三轴承端盖b，18第二u型底座，19第一轴承b，20第一轴承端盖b，21第一法兰盘，22第一编码器，23第一编码器码盘，24第一六角法兰螺母，25第二编码器，26第二六角法兰螺母，27第二编码器码盘，28第二法兰盘，29第二轴承端盖b，30第二轴承b，31俯仰轴，32偏摆轴，33方块。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
20.图1为被动式激光跟踪仪直接与工业机器人相连的工作示意图。图中，被动式激光跟踪仪1末端的标准球直接与工业机器人2相连接，工业机器人2在转动时会通过标准球带动被动式球杆仪1进行上下两个转台的旋转以及伸缩机构的伸缩，从而测得工业机器人末端的空间坐标位置。但该做法只能测得工业机器人末端的空间坐标位置而不能测得姿态角度，而且长时间使用会使标准球产生磨损而引起误差。
21.图2为被动激光跟踪仪、发明装置和工业机器人三者依次相连的工作示意图。图中，被动式激光跟踪仪1通过用于测量工业机器人末端姿态角度的装置2与工业机器人3进行相连。发明装置2一端与被动式激光跟踪仪1固定连接，另一端与工业机器人末端固定连接。当工业机器人转动时，首先带动发明装置2进行相应的转动，然后发明装置2再带动被动式激光跟踪仪1进行运作，可以测得工业机器人末端的空间坐标位置和姿态角度。
22.图3为发明装置内部转轴模块装配图。图中俯仰轴31与偏摆轴32分别安装于方块33的侧面，且垂直相交于方块33中心，滚动轴13分别与俯仰轴31和偏摆轴32垂直。俯仰轴31的一侧轴肩与第二轴承b30内侧的内圈相配合，然后第二轴承b30外侧的外圈与第二轴承端盖b29相配合。俯仰轴31的另一侧的轴肩与第二轴承a7内侧的内圈相配合，然后第二轴承a7外侧的外圈与第二轴承端盖a8相配合。第二轴承a7和第二轴承b30都以间隙配合的形式置于支撑模块中，从而俯仰轴可以绕第二轴承a7和第二轴承b30进行转动，即可以绕支撑模块进行转动。偏摆轴32的一侧轴肩与第一轴承b19内侧的内圈相配合，然后第一轴承b19外侧的外圈与第一轴承端盖b20相配合。偏摆轴32的另一侧的轴肩与第一轴承a5内侧的内圈相配合，然后第一轴承a5外侧的外圈与第一轴承端盖a6相配合。第一轴承a5和第一轴承b19都以间隙配合的形式置于支撑模块中，从而俯仰轴可以绕第一轴承a5和第一轴承b19进行转动，即可以绕支撑模块进行转动。滚动轴13两轴肩分别与第三轴承a9和第三轴承b16的内侧内圈相配合，第三轴承a9和第三轴承b16的外侧分别与第三轴承端盖a10和第三轴承端盖b17相配合。第三轴承a9和第三轴承b16分别置于支撑模块中，从而滚动轴13可以第三轴承a9和第三轴承b16进行转动，即可以绕支撑模块进行转动。
23.图4为该发明装置的整体结构装配图。图3所述的俯仰轴31、偏摆轴32和滚动轴分别可以绕第一u型底座4、第二u型底座18和第二u型底座18进行转动。即转轴模块与支撑模块连接好之后第一u型底座4可以绕偏摆轴32进行转动，第二u型底座18可以绕俯仰轴31进行转动，第二u型底座18绕滚动轴13转动。第一编码器码盘23通过第一法兰盘21和第一六角法兰螺母14固定到偏摆轴32的轴肩上，安装好之后第一编码器码盘23可以随偏摆轴32一起转动，并由第一编码器22读出旋转的角度。第二编码器码盘27通过第二法兰盘28和第二六
角法兰螺母26固定到俯仰轴轴31的轴肩上，安装好之后第二编码器码盘27可以随俯仰轴31一起转动，并由第二编码器25读出旋转的角度。第三编码器码盘12通过第三法兰盘11和第三六角法兰螺母14固定到滚动轴13的轴肩上，安装好之后第三编码器码盘12可以随滚动轴13一起转动，并由第三编码器15读出旋转的角度。
24.当工业机器人运动时，带动该发明装置运动。该发明装置中俯仰轴、偏摆轴和滚动轴分别可以转动，并且能由编码器读出编码器码盘随轴一起旋转的角度。相对于让被动式激光跟踪仪末端的标准球直接与工业机器人相连接，利用此发明装置放在上述两者之间连接，可以实现工业机器人末端绕x、y、z三个方向姿态角度的测量，同时还能避免用标准球与工业机器人末端直接连接造成标准球的磨损，消除标准球磨损误差。
25.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于测量工业机器人末端姿态角度的装置，被动式激光跟踪仪(1)通过本发明装置(2)与工业机器人(3)进行相连，来测量工业机器人末端的姿态角度，其特征在于，所述装置包括支撑模块、转轴模块和测量模块；所述转轴模块作为主要部分，位于支撑模块的内侧来带动整个装置的转动；所述测量模块固定在转轴模块和支撑模块上，用于测量转轴模块转过的角度；所述的转轴模块包括俯仰轴(31)、偏摆轴(32)、方块(33)、滚动轴(13)、第一轴承a(5)、第一轴承b(19)、第二轴承a(7)、第二轴承b(30)、第一轴承端盖a(6)、第一轴承端盖b(20)、第二轴承端盖a(8)、第二轴承端盖b(29)；俯仰轴(31)与偏摆轴(32)分别安装于方块(33)的侧面，且垂直相交于方块(33)中心；滚动轴(13)分别与俯仰轴(31)和偏摆轴(32)垂直相交；所述的支撑模块包括两个u型底座；两个u型底座相对设置，第一u型底座(4)和第二u型底座(18)通过偏摆轴(32)和俯仰轴(31)连接在一起；所述的偏摆轴(32)通过第一轴承a(5)和第一轴承端盖a(6)与第一u型底座(4)的一侧固定连接，偏摆轴(32)通过第一轴承b(19)和第一轴承端盖b(20)与第一u型底座(4)的另一侧固定连接，第一u型底座(4)可绕偏摆轴(32)进行转动；所述的俯仰轴(31)通过第二轴承a(7)和第二轴承端盖a(8)与第二u型底座(18)的一侧固定连接，俯仰轴(31)通过第二轴承b(30)和第二轴承端盖b(29)与第二u型底座(18)的另一侧固定连接，第二u型底座(18)可绕俯仰轴(31)进行转动；所述的滚动轴(13)的一端固定在第二u型底座(18)的底部，第二u型底座(18)可绕滚动轴(13)转动；滚动轴(13)的另一端与工业机器人末端连接，工业机器人末端可以带动滚动轴(13)进行转动；所述的测量模块包括第一法兰盘(21)、第一编码器(22)、第一编码器码盘(23)、第二编码器(25)、第二编码器码盘(27)、第二法兰盘(28)、第三编码器(15)、第三编码器码盘(12)、第三法兰盘(11)；所述的第一编码器码盘(23)固定在第一法兰盘(21)上，第一法兰盘(21)安装固定到偏摆轴(32)的轴肩上，第一编码器(22)安装到第一u型底座(4)的一侧，第一编码器码盘(23)可随偏摆轴(32)转动，转动的角度由第一编码器(22)测得；所述的第二编码器码盘(27)固定在第二法兰盘(28)上，第二法兰盘(28)安装固定到俯仰轴(31)的轴肩上，第二编码器(25)安装固定到第二u型底座(18)的一侧，第二编码器码盘(27)可随俯仰轴(31)转动，转动的角度由第二编码器(25)测得；所述的第三编码器码盘(12)固定在第三法兰盘(11)上，第三法兰盘(11)安装固定到滚动轴(13)的轴肩上，第三编码器(15)安装固定到第二u型底座(18)的底部，第三编码器码盘(12)可随滚动轴(13)转动，转动的角度由第三编码器(15)测得。

技术总结
本发明提供一种用于测量工业机器人末端姿态角度的装置，属于工业机器人误差测量领域，被动式激光跟踪仪通过本发明装置与工业机器人进行相连来测量工业机器人末端的姿态角度。所述装置包括支撑模块、转轴模块和测量模块。所述转轴模块作为主要部分，位于支撑模块的内侧来带动整个装置的转动；所述测量模块固定在转轴模块和支撑模块上，用于测量转轴模块转过的角度。本发明装置结构简单、便于维护；搭配被动式激光跟踪仪能够有效解决现有工业机器人末端姿态角度无法测量以及被动激光跟踪仪与工业机器人末端直接连接时标准球磨损的问题。问题。问题。


技术研发人员：娄志峰 任伟鹏
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7