專利名稱：非接觸六自由度位移測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，屬于光電測(cè)量領(lǐng)域，特別適用于物體間六自由度相對(duì)微位移的高精度測(cè)量。

背景技術(shù)：
任何一個(gè)物體在空間中的運(yùn)動(dòng)都有6個(gè)自由度，即3個(gè)方向的平移(Δx，Δy，Δz)和繞3個(gè)方向軸的旋轉(zhuǎn)(θx，θy，θz)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航天、航空、機(jī)械、儀表等眾多領(lǐng)域內(nèi)的加工精度、安裝精度和檢測(cè)精度提出了更高的要求。被加工工件的定位、精密零件的安裝、目標(biāo)物體在空間的位置與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等，都需要多至6個(gè)自由度的測(cè)量、調(diào)整和控制。由于其廣泛的應(yīng)用前景，多自由度的同時(shí)非接觸測(cè)量是各國(guó)研究的熱點(diǎn)，一直被作為檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要課題進(jìn)行研究。20世紀(jì)60年代以來，出現(xiàn)了較多的光學(xué)測(cè)量方法與技術(shù)。六自由度光電測(cè)量方法概括起來分為以下幾大類1、傳統(tǒng)的幾何光學(xué)六自由度測(cè)量方法；2、基于衍射光柵的六自由度測(cè)量方法；3.利用視覺技術(shù)六自由度測(cè)量；4、基于激光跟蹤的六自由度測(cè)量方法；5、激光干涉與激光準(zhǔn)直組合的六自由度測(cè)量方法。上述的六自由度測(cè)量技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)和局限性，也有不同的應(yīng)用條件和背景。在進(jìn)行某工件空間六自由度位移監(jiān)測(cè)時(shí)，上述自由度測(cè)量方法普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝空間不足等問題，難以適用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)物體六自由度的相對(duì)微位移的測(cè)量，具有光路簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，包括固定不動(dòng)部分；光源發(fā)光部分，包括四路激光輸出結(jié)構(gòu)，與不動(dòng)部分固定在一起，并發(fā)射光束；光電接收部分，被測(cè)物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括四個(gè)面陣CCD，其中，分別接收從四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光信號(hào)中的一路，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)運(yùn)動(dòng)前后光點(diǎn)位置變化計(jì)算物體六自由度位移。
以被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)前后兩個(gè)成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，求解運(yùn)動(dòng)后的光點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)前的坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)聯(lián)立求解兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換關(guān)系，由此得到被測(cè)物體的六自由度位移。
四路激光輸出結(jié)構(gòu)采用1個(gè)半導(dǎo)體激光光源發(fā)射光束，所述光束經(jīng)光纖耦合器分光后，由光纖傳輸并進(jìn)行準(zhǔn)直輸出。
四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的4束光束的反向延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)。
所述光電接收部分的4個(gè)CCD的感光面處于同一平面內(nèi)，分別采集對(duì)應(yīng)的光源信號(hào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便、可獲得高測(cè)量精度的特點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)物體的微小六自由度位移。



通過結(jié)合附圖，從下面的實(shí)施例的描述中，本發(fā)明這些和/或其它方面及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚，并且更易于理解，其中 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多路激光輸出結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測(cè)量裝置的實(shí)施圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測(cè)量裝置的原理簡(jiǎn)圖； 圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的求解光點(diǎn)三維坐標(biāo)原理的示意圖。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其示例在附圖中示出，其中，相同的標(biāo)號(hào)始終表示相同的部件。下面通過參照附圖來描述這些實(shí)施例以解釋本發(fā)明。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光光源的多路激光輸出結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1，多路激光輸出結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體激光光源1、光纖2、光纖耦合器3、光纖4和準(zhǔn)直器5。半導(dǎo)體光源1發(fā)出激光，通過光纖2傳導(dǎo)至光纖耦合器3，光纖耦合器3將激光分為四束，分別獨(dú)立地從光纖4傳導(dǎo)并經(jīng)過準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直后作為所需光束6輸出。在圖1中示出了該多路激光輸出結(jié)構(gòu)輸出四束光束(即，采用了四路激光輸出結(jié)構(gòu))，但是可根據(jù)需要輸出其它數(shù)量的光束。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測(cè)量裝置的實(shí)施圖。該非接觸六自由度測(cè)量裝置包括固定不動(dòng)部分7、光源8、固定支架9以及面陣CCD(電荷耦合器件)10。光源8是發(fā)光部分，可采用圖1所示的四路激光輸出結(jié)構(gòu)。光源8與固定不動(dòng)部分7固定在一起，并發(fā)射光束。應(yīng)該注意，為了表示簡(jiǎn)便，在圖2中僅示出了多路激光輸出結(jié)構(gòu)2的部分結(jié)構(gòu)(例如，準(zhǔn)直器5)，而省略了其他組成部分。
面陣CCD(電荷耦合器件)10是光電接收部分。4個(gè)面陣CCD 4通過固定支架9與被測(cè)物體11剛性固定，通過調(diào)整使CCD 10的感光面共面，并標(biāo)定出各CCD在整個(gè)平面的位置。
將光源8固定在測(cè)量中相對(duì)不動(dòng)的部分7上，通過調(diào)整使4束光束反向延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，并使各光束在CCD 10上成像，成像點(diǎn)分布如圖3所示。標(biāo)定出各光束間夾角。
初始時(shí)，計(jì)算機(jī)采集各CCD圖像，并處理出當(dāng)前各光點(diǎn)中心在圖像坐標(biāo)系中的位置。工作時(shí)，當(dāng)被測(cè)物體11發(fā)生任意自由度的運(yùn)動(dòng)(包括旋轉(zhuǎn)或平移)時(shí)，帶動(dòng)固定支架9，從而引起各CCD 10上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，通過采集CCD圖像，進(jìn)行處理獲得所述光點(diǎn)位置，根據(jù)所述光點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)前后變化計(jì)算出物體六自由度位移。
下面從理論上對(duì)物體六自由度位移的計(jì)算方法進(jìn)行分析 以運(yùn)動(dòng)前后兩個(gè)成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)幾何知識(shí)求解運(yùn)動(dòng)后光點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)前坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動(dòng)后坐標(biāo)聯(lián)立方程組求解兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換，即，所述成像平面之間的變換關(guān)系，由此即可得到被測(cè)物體的六自由度位移。
圖4給出了求解像點(diǎn)三維坐標(biāo)的簡(jiǎn)單示意圖，為了表示清晰，圖中僅畫出了2束對(duì)角光線以及相應(yīng)光點(diǎn)坐標(biāo)的求解過程，另外兩束光束的光點(diǎn)坐標(biāo)可以同理獲得。L為光線La和Lb的空間交點(diǎn)，a和b為2束對(duì)角光線在相應(yīng)CCD上的成像點(diǎn)(光線與成像面的交點(diǎn))，p為初始時(shí)四個(gè)CCD所共處的整體成像面，h是初始時(shí)對(duì)角成像點(diǎn)連線的交點(diǎn)，位于原點(diǎn)位置。被測(cè)物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)后，整體成像面移動(dòng)至P位置，成像點(diǎn)在成像面上的位置變化至A和B，同樣，新的對(duì)角光點(diǎn)連線交于點(diǎn)H，點(diǎn)H已經(jīng)離開原點(diǎn)位置。為了進(jìn)行坐標(biāo)求解，過點(diǎn)H做一平面P′平行于初始時(shí)的成像面p，光線與P′相交與A′和B′。①建立像面三維坐標(biāo)系 以h點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，x軸和y軸分別平行于圖像坐標(biāo)軸，z軸通過右手定則確定，將運(yùn)動(dòng)前像面p的三維坐標(biāo)系o-xyz作為基坐標(biāo)系； ②求解運(yùn)動(dòng)后光點(diǎn)在基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) 平面P′與平面Lab相交于線段A′B′，易知ab//A′B′。設(shè)∠Lba＝∠Lab＝α，ah＝bh、AH＝BH，所述線段長(zhǎng)度可以通過運(yùn)動(dòng)前后像點(diǎn)圖像坐標(biāo)以及CCD之間的相對(duì)位置關(guān)系求解得到。
當(dāng)AH≥BH時(shí)，考慮三角形A′HA，由正弦定理可知 由于α+∠AA′H＝π，故上式可寫為 在三角形B′HB中， 由于2α+∠ALB＝π，∠B′BH＝∠ALB+∠A′AH，那么上式可寫為 將等式(1)與等式(2)相除后可得 從中可解得 至此，圖4中所有三角形的邊、角均可求解 ∠A′HA＝α-∠A′AH aA＝aA′+A′A bB＝aA′-B′B 若AH<BH，可以先考慮在三角形B′HB中求解∠B′BH，同樣可以獲得圖4中的各個(gè)幾何量。
設(shè)光點(diǎn)a在基坐標(biāo)系o-xyz中表示的向量與x軸正方向的夾角為


則對(duì)于其他像點(diǎn)
那么，在基坐標(biāo)系o-xyz下，A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為

zA＝aA×sinα

zB＝bB×sinα 采用同樣的方式可以獲得C點(diǎn)、D點(diǎn)在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)。
③坐標(biāo)變換 六個(gè)自由度包括分別繞x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)角度ωx、ωy和ωz，以及分別沿三個(gè)軸方向的平移運(yùn)動(dòng)tx、ty和tz，將坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)分解后，單獨(dú)分析點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系。
坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)ωx， 坐標(biāo)系繞y軸旋轉(zhuǎn)ωy， 坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)ωz， 坐標(biāo)系沿軸方向分別平移tx、ty和tz， 上面各式中，[x y z]T、[x′y′z′]T分別為坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)前后同一點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)的正方向由右手定則規(guī)定，平移的正方向?yàn)楦鬏S的正向。
按照上面的順序?qū)Ψ植竭\(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成，得到任意運(yùn)動(dòng)下坐標(biāo)變換關(guān)系如下 其中， (3) 如果按照不同的順序進(jìn)行合成，得到的旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)式R是不同的，但都可按照相同的方式解算，這里以ωx、ωy、ωz、tx、ty和tz的順序進(jìn)行合成。
④求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量并分解各運(yùn)動(dòng)參數(shù) 將旋轉(zhuǎn)矩陣寫成通過解方程組的方式，求解R和t的各元素，然后再求解各旋轉(zhuǎn)角度。
根據(jù)各像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)可以容易獲得4束光束的舊成像點(diǎn)a、b、c、d在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)，4束光束的新成像點(diǎn)A、B、C、D在新坐標(biāo)系O-XYZ下的坐標(biāo)[x′y′z′](其中，在附圖中省略了表示前面提到的另外兩束光束的舊成像點(diǎn)和新成像點(diǎn)的符號(hào)c、d以及C、D)。通過上面介紹的方法還可以獲得新像點(diǎn)在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)[x y z]。
對(duì)于x坐標(biāo)，可以列寫x′＝r11x+r12y+r13z+tx，其中有四個(gè)未知數(shù)。雖然有四個(gè)光點(diǎn)，但是由于四個(gè)點(diǎn)位于同一成像平面上，實(shí)際上只可以得到三個(gè)不相關(guān)的方程。又由于旋轉(zhuǎn)矩陣本身是一個(gè)單位正交矩陣，各行或列的元素平方和為1，因此有 求解此方程組可以得到旋轉(zhuǎn)矩陣的第一行元素以及沿x軸方向的平移量tx。同理可以獲得R中其他行的元素以及其他兩方向上的平移ty、tz。由于存在二次項(xiàng)，方程組有兩組解。將z軸單位向量通過求解得到的兩組解變換到新的坐標(biāo)系下，z分量為負(fù)的新向量對(duì)應(yīng)的解必定是錯(cuò)誤的，因?yàn)槲⑿〉男D(zhuǎn)角度不可能使z坐標(biāo)軸反向。
獲得了旋轉(zhuǎn)矩陣，按照式(3)中獲得的旋轉(zhuǎn)矩陣元素和各旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，分解得到各旋轉(zhuǎn)角度 將上述過程用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，就可以求解三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度[ωx ωy ωz]′以及三個(gè)平移分量[tx ty tz]′，從而實(shí)現(xiàn)六自由度的位移測(cè)量。
因此，根據(jù)本發(fā)明的非接觸六自由度測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便、可獲得高測(cè)量精度的優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)物體的微小六自由度位移。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體描述和顯示了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的各種改變。
權(quán)利要求
1、一種非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，包括:
固定不動(dòng)部分；
光源發(fā)光部分，包括四路激光輸出結(jié)構(gòu)，與固定不動(dòng)部分固定在一起，并發(fā)射光束；
光電接收部分，被測(cè)物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括四個(gè)面陣CCD，
其中，每個(gè)CCD分別接收從四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光源信號(hào)中的一路光源信號(hào)，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生任一自由度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)變化前后的所述光點(diǎn)位置計(jì)算物體六自由度位移。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，其特征是，以被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)前后兩個(gè)成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，求解運(yùn)動(dòng)后的光點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)前的坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)聯(lián)立求解所述兩個(gè)三維坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換關(guān)系，由此得到被測(cè)物體的六自由度位移。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，其特征是，所述四路激光輸出結(jié)構(gòu)采用一個(gè)半導(dǎo)體激光光源發(fā)射光束，所述光束經(jīng)光纖耦合器分光后，由光纖傳輸并進(jìn)行準(zhǔn)直輸出。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，其特征是，四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光束的反向延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，其特征是，所述光電接收部分的4個(gè)CCD的感光面處于同一平面內(nèi)，分別采集對(duì)應(yīng)的光源信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非接觸六自由度位移測(cè)量裝置，包括固定不動(dòng)部分；光源發(fā)光部分，包括4路激光輸出結(jié)構(gòu)，與固定不動(dòng)部分固定在一起，并發(fā)射光束；光電接收部分，被測(cè)物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括4個(gè)面陣CCD，其中，每個(gè)CCD分別接收從4路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光源信號(hào)中的一路光源信號(hào)，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生任一自由度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)變化前后的所述光點(diǎn)位置計(jì)算物體六自由度位移。本發(fā)明的非接觸六自由度位移測(cè)量裝置可用于物體高精度的六自由度微位移監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101382417SQ20081014983
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者勇 呂, 劉力雙, 郎曉萍, 呂乃光, 鵬 孫 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)