激光跟踪关节臂测量系统的建立

激光跟踪关节臂测量系统坐标构建原理
为建立起整个系统的坐标关系，使用激光跟踪仪作为整个系统的测量标准器，激光跟踪关节臂测量系统结构如图1所示。
a.确定激光跟踪仪坐标系{S}与关节臂测头坐标系{A}之间的位姿关系。将激光跟踪仪1和跟踪仪支架2安放至适当位置，方便其它设备与其建立起坐标关系。

b.将关节臂坐标机平稳的安放至便于对机器人进行测量的位置，并将定位靶球检具5安装在关节臂可测量的位置上。使用关节臂坐标机对定位靶球检具5进行测量。定位靶球检具5由三个高精度标准球组成，球心坐标pi(i=1,2,3)和球间距di (i=1,2,3)。因此，使用关节臂坐标机对定位靶球检具5的三个标准球球心和标准球间距进行测量，通过三个球心建立AGT坐标系，过程如下：

（1）通过球1和球2建立以定位靶球检具坐标系{G}到关节臂坐标系{A}的x轴方程lx,以点法线方程表示为：

x−x0m=y−y0n=z−z0p
(11)
其中，m，n，p为x轴的方向矢量。

（2）通过球1和球3建立任意直线l′,其与lx叉乘可得到z轴直线方程lz。

（3）同理lx与lz作叉乘可以得到直线ly。

进而建立关节臂坐标系与定位靶球检具5之间的坐标系转换矩阵：

GAT=(GAR0GPA−G1)
(12)
该矩阵正交可逆，方便后续坐标系的转换。

c.用激光跟踪仪的靶球再次测量定位靶球检具5，建立起激光跟踪仪坐标系{S}与定位靶球检具坐标系{G}之间的转换关系SGT。进而建立起关节臂坐标系到激光跟踪仪坐标系：

SAT=SGTGAT
(13)
至此，激光跟踪关节臂测量系统建立完成。

d.使用激光跟踪关节臂测量系统对机器人进行测量。被测机器人为6R机器人，即6根轴都是回转轴。首先要确定被测机器人的基坐标系{B}与激光跟踪关节臂测量系统的转换关系：

（1）使机器人回到初始零位，保持其它轴不动，仅转动基座轴1，间隔10°，使用激光跟踪关节臂测量系统测量机器人工件上的专用靶球中心，测量3点，从而确定平面1方程：

A1x1+B1y1+C1z1+D=0
(14)
（2）使机器人回到初始零位，其它轴不动，只旋转轴2，间隔5°，确定基坐标系平面2：

A2x2+B2y2+C2z2+D=0
(15)
（3）通过获取平面1与平面2的法线矢量n1和n2，得到机器人基坐标系与激光跟踪关节臂测量系统坐标系BST的转换数据；

（4）根据上述获得数据，建立机器人的工具坐标系与激光跟踪关节臂测量系统的转换关系：

TST=TATAST
(16)
e.通过被测机器人自身的坐标转换关系BTT即可得到机器人工件坐标系与激光跟踪关节臂测量系统的转换关系：

BST=BTTTST=BTTTATAST
(17)
这样就确定了各子系统坐标系之间的坐标转换关系。

f.通过激光跟踪关节臂测量系统直接测量机器人工件坐标系（末端专用靶球检具7）三个定位靶球的球心坐标，该坐标就是机器人末端的实际位置和姿态值，该组测量值与机器人自身转换后的测量值进行比较，即可得到实际的位置和姿态误差值。

g.跟踪定位靶球夹具与关节臂坐标机测头有固定的连接关系，其转换矩阵为AFT，通过特定的标定方法，可将其坐标系与激光跟踪仪连接，在需要时，可在更大的检测位置移动关节臂坐标机的位置，从而满足机器人的全方位位姿检测。

激光跟踪关节臂系统的建立
系统工作方式如下：

首先，如图1所示，使被测机器人6调整至初始工作位姿，在其工作范围内，将激光跟踪仪1和关节臂坐标机3分别稳固地安装到跟踪仪支架2和关节臂支架4上，并使二者保持适当的距离，从而满足机器人检测范围要求。使用关节臂坐标机柔性测头测量专用定位靶球检具5，获得定位靶球的位置坐标。使用激光跟踪仪靶球测量定位靶球检具5的坐标，从而获得两者的位置关系。利用专用定位靶球检具5的位置坐标，将定位靶球顺畅的装入事先测定好位置关系的专用连接定位靶球夹具8，这样，关节臂坐标机和激光跟踪仪通过定位靶球连接完成，形成激光跟踪关节臂测量系统。使用激光跟踪关节臂测量系统对被测机器人6本体基坐标系进行测量，使激光跟踪关节臂测量系统坐标系归结到机器人基坐标系中。再利用激光跟踪关节臂测量系统测量末端专用检具7获得各点的位姿坐标。利用专用机器人测量软件和机器人控制器，使被测机器人6进入初始工作状态，按照国标GB/T 12642-2013《工业机器人性能规范及其试验方法》对机器人的位姿进行检测。检测完成后，根据检测结果判断机器人是否满足相关技术要求，测量步骤如图2所示。
激光跟踪关节臂系统的技术分析
a.由于激光跟踪技术的局限性，一旦光线遮挡就无法进行检测，从而影响机器人的位姿和轨迹检测精度。该系统利用激光跟踪仪的测距精度优势，并结合关节臂坐标机测头的高刚性高柔顺性的特点，可以在被测机器人不同位置和姿态角下对其进行检测，避免了光线遮挡带来的无法全面检测[7,8]。

b.原有激光跟踪的测量方法如需对被测机器人全位置和全姿态进行检测，需要移动多个位置，不仅耗时耗力、效率低下，也不能一次性全面的对机器人进行检测，无法兼顾效率、精度以及机器人各关节精度连续测量的要求。该系统可在被测机器人工作范围内的任意位置和姿态下对其一次性检测，检测期间不用移动激光跟踪仪，只需移动关节臂坐标机即可[9-13]。而且通过将定位靶球检具5向关节臂坐标机根部加长，可进一步延长测头范围（最大到2.9 m左右）。

c.对于单独使用关节臂坐标机测量机器人的方案，由于测量范围的限制（测量范围小于3 m），无法对较多机器人进行检测[6]。

d.通过测量定位靶球检具和专用连接定位靶球夹具，建立起激光跟踪仪、关节臂坐标机、定位靶球检具和专用连接定位靶球夹具之间的坐标系关系，这样可以通过坐标系的转化，任意在各个坐标系之间切换[14,15]。例如，使用激光跟踪仪基坐标系确定各子系统的关系后，可将关节臂坐标机作为测量基准，而移动激光跟踪仪的位置，通过关节臂或者定位靶球检具，重新找回激光跟踪仪移动后的位置，这是之前所述机器人检测系统所不具备的。