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激光制导测量机器人系统及应用技术研究

刘万里  
【摘要】: 激光跟踪测量系统是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统,但在测量大型被测对象时,人工布点及测量过程繁杂,测量效率低,并造成被测对象几何形状变形,严重影响其测量精度。为解决以上问题,本文在传统“光靶运动—光束跟踪”式激光跟踪测量技术基础上,研究了新型的“光束运动—光靶跟踪”式激光制导测量方法。研制开发了一种能够在复杂型面的被测对象表面上运动的小型轮臂复合式激光制导测量机器人系统。该系统可直接利用被测对象的数学模型,同时控制测量激光束运动和制导测量机器人,实现对被测对象自动高效测量。本文主要研究内容及创新性工作如下: 1.提出了新型“光束运动—光靶跟踪”式的激光制导测量方法,并在此基础上,研究了激光制导测量机器人技术及实现方法。 2.研制开发了一种能够在复杂型面的被测对象表面上运动的小型轮臂复合式激光制导测量机器人。该测量机器人机构融合轮式结构、臂式机构的优点,具有重量轻、体积小、运动灵活和反应快速等特点,可以根据不同被测对象表面特征变换测量模式,利用轮式结构实现在被测表面上快速平稳运动及可靠定位,利用臂式机构实现灵活越障。并建立了测量机器人轮式和臂式运动学模型。 3.设计实现了一种快速、高集成度测量机器人控制系统,它集成视觉子系统、无线通讯模块、运动定向模块和电机驱动模块等功能。利用C++程序语言开发出了测量机器人控制系统串行通信软件,并兼容图形化、高级语言、汇编语言编程等优点。给出了基于视觉子系统和光电编码器测量机器人定位方法及原理。 4.开发了屏幕数据抓取与发送系统。利用屏幕数据抓取控制技术,在完全不考虑激光跟踪测量系统内部工作的情况下,实现了激光制导测量机器人与激光跟踪测量系统之间的实时数据通讯。 5.提出了基于CAD模型形状特征和给定自由曲面数字化采样点数的自适应采样算法;建立了CAD模型坐标系、激光跟踪测量系统坐标系、激光制导测量机器人系统坐标系之间的转换公式;给出了激光制导测量机器人在被测工件上运动路径规划与跟踪控制方法。实现了直接利用被测对象数学模型,同时控制激光跟踪测量系统和激光制导测量机器人,自动高效测量被测对象表面特征技术。 最后我们利用激光跟踪仪和三坐标测量机对研制激光制导测量机器人进行复杂型面3D测量比对实验。结果表明激光制导测量机器人的测量精度为0.05mm+0.01 mm/m;且激光制导测量机器人系统可利用被测对象数学模型,同时控制激光跟踪测量系统和测量机器人,实现激光跟踪测量和激光制导测量2种功能:(1)在测量激光束制导下,自动跟踪光束,可靠运动到被测对象处;(2)控制激光跟踪系统按照被测对象数学模型,自动完成被测对象实体测量。


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