專利名稱：一種用于柔性關(guān)節(jié)臂測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及在測量領(lǐng)域中應(yīng)用范圍較廣的柔性關(guān)節(jié)臂，特別是涉及柔性關(guān)節(jié)臂內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
柔性關(guān)節(jié)臂是一種在測量領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的測量設(shè)備，其通過分布于關(guān)節(jié)臂內(nèi)的六個角度編碼器采集的角度信息和關(guān)節(jié)臂的臂長參數(shù)可以對探針的探頭的坐標(biāo)進(jìn)行定位，從而達(dá)到精確測量的目的。
傳統(tǒng)的柔性關(guān)節(jié)臂為了將探針的觸發(fā)信號傳輸?shù)椒植加诟麝P(guān)節(jié)處的角度編碼器，以及將這些角度編碼器的數(shù)據(jù)傳送到計算機，需要在關(guān)節(jié)臂內(nèi)布置大量數(shù)據(jù)線。而為了避免在關(guān)節(jié)處出現(xiàn)因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的打結(jié)情況，所
以在各個關(guān)節(jié)處采用了滑環(huán)結(jié)構(gòu)，見美國第5,829,148號專利。在關(guān)節(jié)臂中采用該設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且維護(hù)極為不方便。
來自華中科技大學(xué)的王文芳和劉玉在文獻(xiàn)《基于ZigBee技術(shù)的角度同
步采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計》中提出了一種基于輪詢策略的不間斷采集方案，采用PIC18LF4620微控制器和CC2420射頻芯片共同組成無線節(jié)電，置于關(guān)節(jié)臂式測量機的每個關(guān)節(jié)內(nèi)，實現(xiàn)角度的讀取和無線傳輸，該方案具有以下缺點(l)采集前需要同步，對時鐘要求較高，增加了對硬件的要求；(2)沒有考慮探針的觸發(fā)信號，無法定位測量點；(3)系統(tǒng)不停采集信號，而只有探針觸發(fā)時刻的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)，因而其中存在大量無用數(shù)據(jù)，同時增加了額外功耗的浪費；(4)由于主子模塊交互信息較多，實際測試表明該方案采集數(shù)據(jù)的延時較大，采集速度較慢。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種用于柔性關(guān)節(jié)臂測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)有效定位測量，避免同步過程，功耗低，速率高，成本低。
一種用于柔性關(guān)節(jié)臂測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，涉及的數(shù)據(jù)采集點包括六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個探針，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處設(shè)有角度編碼器，其特征在于，還在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和探針處設(shè)有無線子模塊，另有與無線子模塊相連接的無線
主模塊；
探針接觸到物體后產(chǎn)生脈沖信號，探針對應(yīng)的無線子模塊將脈沖信號無線傳送給其它無線子模塊和無線主模塊，以觸發(fā)各模塊工作；
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)的無線子模塊被觸發(fā)后，讀取對應(yīng)角度編碼器采集的數(shù)據(jù)，并在各自的信道時隙內(nèi)將其無線傳送給無線主模塊；
無線主模塊被觸發(fā)后，將信道時隙分配給各無線子模塊，接收各無線子模塊傳送的數(shù)據(jù)以及脈沖信號，并傳送給外接數(shù)據(jù)處理器。
作為本實用新型的改進(jìn)，所述無線子模塊包括依次串接的接口轉(zhuǎn)換模塊、第一微處理器和第一射頻模塊。
作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述無線主模塊包括依次串接的串口模塊、第二微處理器和第二射頻模塊。
所述第一和第二微處理器采用PIC18F4620單片機。所述第一和第二射頻模塊采用CC1100射頻芯片。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在以下幾個方面
1、去除了現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)節(jié)臂內(nèi)部的走線和滑環(huán)式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)不需要在關(guān)節(jié)臂內(nèi)通過數(shù)據(jù)線傳輸，因而使用一種簡單的結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)無極旋轉(zhuǎn)的功能；新的結(jié)構(gòu)需要新的數(shù)據(jù)采集和傳輸方案的支持，在新的數(shù)據(jù)采集和傳輸方案中，六個角度編碼器和一個探針的數(shù)據(jù)直接由無線子模塊通過無線信道傳輸?shù)脚c計算機相連的無線主模塊中，通過設(shè)計一套基于輪詢策略的時分復(fù)用的通信協(xié)議保證了數(shù)據(jù)的可靠實時傳輸。
42、 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)與柔性三坐標(biāo)測量機的機械結(jié)構(gòu)相互獨立，使用本方案時只要保證接口一致就可以方便地更換數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，這樣大大提高機械部分的設(shè)計與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計的獨立性。
3、 采用了一種輕工作量的透明傳輸模式，數(shù)據(jù)幀的處理、組裝和緩存不由傳輸系統(tǒng)來做，而交由處理能力極強的外接計算機來做，這樣極大地簡化了硬件設(shè)計，減小了成本，同時也提高了處理速度，增強了系統(tǒng)的實時性。
4、 探針脈沖信號通過無線廣播傳輸?shù)綗o線子模塊，保證了采集數(shù)據(jù)的同時性，不需要同步過程；另一方面，整個系統(tǒng)也只需要在探針觸發(fā)時工作，實現(xiàn)有效定位測量，不會產(chǎn)生大量無用數(shù)據(jù)，因而極大地節(jié)約了能源。主子模塊交互信息少，實際測試表明該方案采集速度快，延時少。


圖l為柔性關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖3為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖4為時分復(fù)用幀格式示意圖5為無線子模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖6為無線主模塊硬件結(jié)構(gòu)示意具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型詳細(xì)說明。
如圖1所示，柔性關(guān)節(jié)臂的機械結(jié)構(gòu)包括一個底座5、三個關(guān)節(jié)臂1 3、以及一個探針4;三個關(guān)節(jié)臂上各有一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)91、 93和95;第一關(guān)節(jié)臂1與第二關(guān)節(jié)臂2由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)92連接；第二關(guān)節(jié)臂2與第三關(guān)節(jié)臂3由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)94連接；第三關(guān)節(jié)臂3與探針4由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)96連接。因此整個機械結(jié)構(gòu)有七個需要采'集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集點六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)91 96以及探針4。為了采集這些數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)，在每個數(shù)據(jù)采集點安放了一個數(shù)據(jù)
采集裝置，具體為1.分別在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)91 96安裝一個角度編碼器8A 8F(將角度編碼器8A 8F統(tǒng)稱角度編碼器8)，負(fù)責(zé)采集對應(yīng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)當(dāng)前所處的角度；2.探針4本身是一個數(shù)據(jù)采集裝置，當(dāng)探頭ll接觸物體時，會產(chǎn)生一個脈沖信號。
為了傳輸七個數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)，本實用新型廢除了傳統(tǒng)系統(tǒng)的內(nèi)部走線，取而代之的是無線傳輸系統(tǒng)，具體為在每個數(shù)據(jù)采集點安裝一個無線子模塊7A 7G (將無線子模塊7A 7G統(tǒng)稱無線子模塊7)，負(fù)責(zé)將其所在數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線主模塊10，無線主模塊10再通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C6進(jìn)行處理。
以上描述的七個數(shù)據(jù)采集裝置(角度編碼器8A 8F和探針4)與無線傳輸系統(tǒng)(無線子模塊7A 7G和無線主模塊10)構(gòu)成了本實用新型的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖見圖3。
無線子模塊7A 7G和無線主模塊10構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是本實用新型的核心。在應(yīng)用時，七個無線子模塊與無線主模塊一起構(gòu)成了一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
在測量時，由人控制探針4，當(dāng)探頭11接觸到物體后會產(chǎn)生一個脈沖信號，該脈沖信號被第七無線子模塊7G采集，然后第七無線子模塊會向其他六個無線子模塊7A 7F以及無線主模塊10發(fā)送廣播，以通知各個模塊采集數(shù)據(jù)，各個模塊將會做如下響應(yīng)
1. 安裝在六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)91 96處的無線子模塊7A 7F從對應(yīng)的角度編碼器8A 8F讀出數(shù)據(jù)，然后等待傳輸。無線子模塊與角度編碼器的對應(yīng)關(guān)系見圖3。
2. 無線主模塊10將信道時隙分給無線子模塊7A 7G。
3. 無線子模塊7A 7G在各自的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線主模塊10。
4. 無線主模塊10將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)接嬎銠C6進(jìn)行處理。
5. 計算機收到數(shù)據(jù)后根據(jù)圖4的幀結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，然后通過數(shù)學(xué)運算計算出探頭11接觸物體時的坐標(biāo)。圖4幀結(jié)構(gòu)圖中，PacketO Packet4分別表示第0組到第4組數(shù)據(jù)包，一個數(shù)據(jù)包是計算機處理的基本單元；其中每個數(shù)據(jù)包由脈沖標(biāo)簽、數(shù)據(jù)幀和校驗位三部分組成；Tag表示脈沖標(biāo)簽，是探頭處的無線子模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)，包含了探頭接觸物體的一些信息，DF1 DF6分別表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)91到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)96的數(shù)據(jù)，校驗位用于校驗每個數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)是否出錯；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的數(shù)據(jù)幀分別由時間標(biāo)簽(T-tag)、編碼盤標(biāo)簽(P-tag)、角度信息(Data)三部分組成；時間標(biāo)簽表示該數(shù)據(jù)在時間序列上的編號，該值與脈沖標(biāo)簽Tag里面的時間信息相同，編碼盤標(biāo)簽表示獲取該數(shù)據(jù)的編碼盤編號，角度信息則是對應(yīng)編碼盤所采集到的角度數(shù)據(jù)。
上述的采集和傳輸過程表明探針的信號不需要通過有線傳輸?shù)搅鶄€角度編碼器，而且七個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)直接通過無線子模塊7傳輸，因而在六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處91 96都沒有導(dǎo)線穿過，不需要復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)無極旋轉(zhuǎn)。
另一方面，上述的數(shù)據(jù)傳輸過程表明無線子模塊7與無線主模塊10對數(shù)據(jù)只做透明傳輸，不做處理，并且緩存量小，因而對無線子模塊7與無線主模塊10的硬件組成要求不高，普通單片機就可以滿足需要。
圖5和圖6分別為本實用新型無線子模塊7和無線主模塊10的硬件框圖。圖中的微控制處理器(MCU)為Microchip公司研制的PIC18F4620單片機，射頻模塊采用的是TI的CC1100射頻芯片，工作于433MHz，采用GFSK調(diào)制；圖5中的接口轉(zhuǎn)換模塊主要進(jìn)行單片機CMOS電平與角度編碼器差分電平的轉(zhuǎn)換。圖6中的串口模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行EIA電平和TTL電平的雙向轉(zhuǎn)換，使單片機可以通過其與外接計算機通信。
如圖3所示，采用本實用新型的方案可以使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(角度編碼器8A 8F和探針4)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(無線子模塊7A 7G和無線主模塊10)相互獨立，從而實現(xiàn)了無線傳輸系統(tǒng)與機械構(gòu)造的獨立，只需要統(tǒng)一相互之間的接口。這樣的好處是不僅簡化了設(shè)計，而且使機械設(shè)計與制造同無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與制造可以分開進(jìn)行，維修、更新、升級均非常方便。本實用新型實現(xiàn)了將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于柔性三坐標(biāo)測量機的數(shù)據(jù)采集和傳輸當(dāng)中，并采用基于輪詢策略的時分復(fù)用方式實現(xiàn)了信道復(fù)用，同時實現(xiàn)了測量機與無線采集、傳輸系統(tǒng)的相互獨立。
權(quán)利要求1、一種用于柔性關(guān)節(jié)臂測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，涉及的數(shù)據(jù)采集點包括六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個探針，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處設(shè)有角度編碼器，其特征在于，還在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和探針處設(shè)有無線子模塊，另有與無線子模塊相連接的無線主模塊；探針接觸到物體后產(chǎn)生脈沖信號，探針對應(yīng)的無線子模塊將脈沖信號無線傳送給其它無線子模塊和無線主模塊，以觸發(fā)各模塊工作；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)的無線子模塊被觸發(fā)后，讀取對應(yīng)角度編碼器采集的數(shù)據(jù)，并在各自的信道時隙內(nèi)將其無線傳送給無線主模塊；無線主模塊被觸發(fā)后，將信道時隙分配給各無線子模塊，接收各無線子模塊傳送的數(shù)據(jù)以及脈沖信號，并傳送給外接數(shù)據(jù)處理器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述無線子模塊包括依次串接的接口轉(zhuǎn)換模塊、第一微處理器和第一射頻模塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述無線主模塊包括依次串接的串口模塊、第二微處理器和第二射頻模塊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二微處理器采用PIC18F4620單片機。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二射頻模塊采用CC1100射頻芯片。
專利摘要本實用新型提供一種用于柔性關(guān)節(jié)臂測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括位于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的角度編碼器、位于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和探針處的無線子模塊以及與無線子模塊相連接的無線主模塊。探針接觸到物體后產(chǎn)生脈沖信號，各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的無線子模塊被觸發(fā)后，讀取角度編碼器采集的數(shù)據(jù)，并在各自的信道時隙內(nèi)將其無線傳送給無線主模塊；無線主模塊被觸發(fā)后，將信道時隙分配給各無線子模塊，接收各無線子模塊傳送的數(shù)據(jù)以及脈沖信號，并傳送給外接數(shù)據(jù)處理器。本實用新型實現(xiàn)有效定位測量，避免了同步過程，功耗低，速率高，成本低。
文檔編號G01B7/008GK201322597SQ20082019148
公開日2009年10月7日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者軍 劉, 玉 劉, 劉詩毅, 孫靜超, 鐘國輝 申請人:華中科技大學(xué)