一种用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置 所属领域
本发明涉及一种基于光学测量仪器的测量方法及其装置，确切地说，涉及一种用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置，属于空间位置和角度的测量技术领域。
背景技术
对于一个刚体，它在空间的定位可用位置(position)和姿态(orientation)来加以描述。其中位置通常是采用笛卡尔坐标来表示，即x、y、z三维坐标；而姿态通常是采用三个欧拉角φ、θ、ψ来表示，即通常说的进动角φ、章动角θ和自转角ψ。对于上述6个空间参数的测量方法和设备，目前主要是采用三坐标测量机、经纬仪、双频激光干涉仪和激光跟踪仪等装置进行的。但是，上述测量设备或方法都存在着这样或那样的缺陷：或者是价格较高，或者是只能适用于位置测量，而对三个欧拉角地测量往往效果不佳。而在实际应用中，例如并联机床的切削加工和机器人的位置控制中，如何简单、方便地实现对三个欧拉角的精确测量一直是机械行业技术人员关注的重要课题。另外，传统的球杆仪测量范围一般只有几个毫米的量程，通常只是应用于传统机床的动态标定的测量上，无法实现数十毫米、甚至更大量程的长度测量任务。发明内容
本发明的目的是提供一种可以解决上述课题的用于空间全位置和姿态的测量方法，该测量方法与以往的测量方法不同，不是直接去测量上述6个参数，而是通过间接测量空间运动刚体上的三个固定点相对于某个固定坐标系中的三个定点的距离(长度)，然后通过计算来确定该空间运动刚体的位置和姿态。该测量方法操作步骤简单易行，无需价格昂贵的仪器，经济实用；更重要的是该方法能够获得精度较高的三个欧拉角的测量值；该测量方法对于并联机床/机械人的运动学标定具有重要的应用价值。
本发明的另一目的是提供一种用于上述空间全位置和姿态的测量方法的测量装置，以便能够进行数十毫米或更大量程的长度测量，使上述测量方法得以实施。
本发明的用于空间全位置和姿态的测量方法是这样实现的：包括有下列步骤：(1)首先将一个相对固定的物体，即量测时的参照物设定为固定坐标系，并在该固定坐标系，即相对固定的物体中设定三个球座位置；
(2)接着将一个待量测的物体，即具有相对运动的物体设定为运动坐标系，并在该运动坐标系，即待量测的物体中也设定三个球座位置；
(3)根据上述固定坐标系中的三个球座的中心位置与运动坐标系中的三个球座的中心位置相互之间形成的9个中心距的长度大小，选用长度适当的专用测量装置-球杆仪，并用标准台对该球杆仪的基准长度进行调测，以确定测量基准；
(4)当上述待量测的物体(运动坐标系)运动到某一需要量测的位置或姿态时，用所述的专用测量装置-球杆仪分别测量上述固定坐标系(即相对固定的物体)中的三个设定球座的中心位置与运动坐标系(即待量测的物体)中的三个设定球座的中心位置之间的3×3共9个中心距的长度数值；
(5)从球杆仪上的数显表或与该球杆仪相连接的计算机上读出上述9个中心距的长度数值，并根据该9个长度参数列出9个非线性方程组，再采用詹重禧法解析该9个非线性方程组，即可求得上述待量测的物体(运动坐标系)的空间位置姿态。
上述在固定坐标系和运动坐标系中分别设定的三个球座的中心位置可以是两组不同长度的等腰直角三角形的各自的顶点；并尽量使该两组直角三角形处于对接的位置，以便减少计算工作量，并避免出现冗余的非线性方程。
上述球座位置中的内凹球面的球径为3/4英寸，其不球度应≤0.5μm。
本发明的用于空间全位置和姿态的测量装置是这样实现的：包括有：由光栅、及其外侧的片簧、拉簧、阻尼器、零基准面和外壳构成的光栅尺，其特征在于：该光栅尺两端通过精密配合分别连接有一固定轴和一活动轴，该固定轴和活动轴两者的轴线应严格重合而在同一轴线上，其中活动轴的一端面被加工成与标准球的球面半径相同的内凹球弧面，再通过粘接剂粘接有标准球；而固定轴的另一端嵌入在一圆柱形接头的凹槽里，并通过该接头侧面上的锁紧螺丝使之紧固定位，该圆柱形接头的另一端是通过螺纹连接有加长杆。
上述活动轴一端面的内凹球弧面的球径为3/4英寸，其不球度应不大于0.5μm。
上述固定轴和活动轴两者的轴线的不同轴度应小于10微米。
上述活动轴一端面的内凹球弧面与标准球的粘接所使用的粘接剂是AB胶。
本发明的测量方法除了上述特点外，还具有下述优点：该方法容易实现全数字化测量，具有量测精度高、使用方便，受环境因素影响小等优点；同时与其他测量方法相比，所需配置的测量装置价格较低，具有很高的使用价值与性能价格比。本发明的测量方法主要应用于并联机床运动精度的标定，可实现对并联机床运动平台的位置和姿态的一定精度的测量；也可实现基于平面并联机构模型的各种新型机床刀具平面位置和姿态的准确测量，进而对它们进行运动学标定；还可用于对并联机械手的空间位置和姿态进行测量，进而实现其运动精度标定。该方法如果能在今后的研究和应用中进一步加以完善，有望成为并联机床精度标定的主要手段，因此，本发明的方法具有很高的商业价值和很好的市场前景。
再者，本发明还为该测量方法的实施提供了技术保障手段，即提供了采用光栅测长原理的专用测量装置-球杆仪，使通常只能量测数毫米的球杆仪的量程大大拓展，能够进行十几毫米、乃至数十毫米长度的测量，其最大测量量程可达50毫米，再加上一系列的加长杆，理论上该装置可以进行较大长度范围的长度测量，并且能够实现较高的测量精度。附图说明
图1是本发明的测量方法的测量原理示意图。
图2是本发明的测量方法示意图。
图3是本发明的测量装置的结构示意图。具体实施方式
请同时参见图1和图2，介绍本发明用于空间全位置和姿态的测量方法的操作步骤及其工作原理：首先在空间运动刚体20上建立一个运动坐标系oxyz，之后在一个相对固定的物体30上，即量测时的参照物上建立一个固定坐标系OXYZ，空间运动刚体20相对于固定物体30的位置则用该运动坐标系oxyz的原点o在该固定坐标系OXYZ中的坐标来表示，该运动刚体的姿态则用该运动坐标系oxyz相对于固定坐标系OXYZ的三个欧拉角来表示。接着，在运动刚体20(即运动坐标系oxyz)上设定三个球座21，其分别为A01、A02、A03(在图2中只画出了其中的一个球座)，而且这三个球座A01、A02、A03的中心位置相对于该运动坐标系oxyz的定位有足够的精确度，同时在相对固定的物体30(即固定坐标系)上也设定有三个球座31，其分别为B01、B02、B03(在图2中也只画出了其中的一个球座)，而且该三个球座B01、B02、B03的中心位置相对于固定坐标系的定位也是相当精确的；之后根据上述固定坐标系OXYZ中的三个球座B01、B02、B03的中心位置与运动坐标系oxyz中的三个球座A01、A02、A03的中心位置相互之间形成的9个中心距的长度大小，选用长度适当的本发明的专用测量装置-球杆仪40，并用标准台对该球杆仪的基准长度进行调测，以确定测量基准；然后通过本发明的专用测量装置-球杆仪40分别测量上述运动刚体(运动坐标系)上的三个球座A01、A02、A03中心到静止固定刚体上的三个球座B01、B02、B03中心之间的长度距离，共计得到9个长度数值(图2展示了该测量方法的示意)。再根据该9个长度参数列出9个非线性方程组，最后采用詹重禧法解析该9个非线性方程组，即可求得上述待量测的物体(运动坐标系)的空间位置姿态。
需要说明的是，在固定坐标系和运动坐标系中分别设定的三个球座的中心位置可以是两组不同长度的等腰直角三角形的各自的顶点，同时应尽量使该两组直角三角形处于对接的位置，以便减少计算工作量，并避免出现冗余的非线性方程。
另外，对空间运动刚体的位置和姿态进行测量，理论上只要测量上述9个长度中的6个数值即可。本发明之所以采用冗余测量，主要目的是可以通过检查该9个参数之间的相容性，对一些偏差较大的测量值进行剔除，以提高整体的测量精度，并且可以通过冗余的测量数据估计出该次测量的误差精度等级。
参见图3所示的本发明的用于空间全位置和姿态的测量装置-球杆仪，其是由光栅1和其外侧的片簧2、拉簧3、阻尼器4、零基准面5与外壳8构成的光栅尺，以及活动轴6、固定轴7、标准球9、圆柱形接头10和加长杆12所组成的。该光栅尺两端通过精密配合分别连接有一固定轴7和一活动轴6，该固定轴7和活动轴6两者的轴线应严格重合而在同一轴线上，其不同轴度应小于10微米，以保证量测精度。其中该光栅尺的活动轴6的一端面被加工成与标准球9的球面半径相同的内凹球弧面，再用粘接剂粘接有标准球9，这里使用的粘接剂是AB胶。而固定轴7的另一端则嵌入在一圆柱形接头10的凹槽里，并通过该接头侧面上的锁紧螺丝11使之紧固定位，该圆柱形接头的另一端是通过螺纹连接有加长杆12。活动轴6的一端面的凹球弧面的球径为3/4英寸，其不球度应不大于0.5μm。
本发明的测量装置是利用光栅尺改装而成的，其中最关键的是要确保标准球9与光栅尺中活动轴6的连接定位要尽可能地准确无误，同时保证该标准球不能发生较大的变形。为此在制造该球杆仪的过程中，须将光栅尺的活动轴6的一端面铣切成与标准球9的球面半径相同的内凹球弧面，并用标准球面对其进行刮研，以提高其不球度的精度，然后用AB胶将标准球粘接在该内凹球弧面上。采用这种AB胶连接的结构零件的机械强度很高，即使将该零件在机床上进行切削加工也不会使标准球脱落，这样就可保证标准球的球面不会发生较大的变形，从而保证了球杆仪的整体精度。本发明所使用的标准球为四分之三英寸的标准球，它的不球度应不大于0.5微米，该球杆仪的最大满量程(50mm)的精度要控制在2微米以内。
本发明的测量装置和测量方法已经被用来对某一并联机床进行测量和标定的试验实施，试验的结果是相当理想的效果：使得该机床的精度有了很大的提高，即使该机床达到和满足国家有关规定的标准要求，为其今后实现商业化奠定了基础。