一种大尺度空间内多自由度精确测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及辐射测量领域，特别是涉及一种大尺度空间内多自由度精确测量装置。


背景技术：

2.在各类核设施运行、检修、退役、以及核应急等过程中，常需及时测量大尺度、大面积的放射性污染数据。放射性污染环境对人类健康和安全造成一定的危害，使得人类的测量工作受阻。近年来国内开发了少量测量装置，大型放射性测量装置的通行尺寸受限，小型测量机器人的作业空间较短，同时都存在自动化程度较低、开发成本高的问题。现有的放射性测量方法，很多情况需要工作人员进入污染场地亲自操作表面污染监测设备进行辐射测量，空间点位坐标需要借助测量工具、定位精度不高，较高处需要架设梯子等设备或无法完成高空测量。随着各类测量工作频度逐渐增加，急需设计一种大尺度空间内多自由度精确测量装置，避免放射性污染物对人员造成的危害。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种大尺度空间内多自由度精确测量装置，以解决现有技术存在的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种大尺度空间内多自由度精确测量装置，包括搭载平台，所述搭载平台顶面的一端安装有铰接组件，所述铰接组件顶面的一端铰接有伸缩组件，所述伸缩组件远离所述铰接组件的一端安装有若干依次串联的活动关节，所述活动关节远离所述伸缩组件的一端固定连接有探测传感器，所述搭载平台顶面远离所述铰接组件的一端安装有终端控制系统，所述探测传感器与所述终端控制系统电性连接，所述铰接组件、伸缩组件、活动关节通过控制器与所述终端控制系统电性连接，所述终端控制系统顶端安装有激光雷达，所述搭载平台上安装有无线通信系统，所述探测传感器一侧安装有距离传感器，所述距离传感器侧面安装有串口摄像头，所述探测传感器、所述距离传感器、所述串口摄像头分别与所述终端控制系统电性连接。
5.优选的，所述搭载平台包括上盖板，所述上盖板顶面通过滑轨滑动连接有滑动支撑板，所述上盖板顶面固定连接有水平推杆，所述水平推杆输出端通过螺丝与所述滑动支撑板的底面固定连接，所述水平推杆的电机座与所述上盖板的顶面固定连接，所述铰接组件安装在所述滑动支撑板顶面一端，所述终端控制系统固定连接在所述上盖板远离所述滑动支撑板的一端。
6.优选的，所述铰接组件包括固定连接在所述滑动支撑板顶端的铰接底座，所述伸缩组件的底端固定连接有支撑架，所述支撑架的底端与所述铰接底座的顶端铰接，所述滑动支撑板顶端铰接有电动推杆，所述电动推杆的输出端与所述支撑架的中部铰接。
7.优选的，所述伸缩组件包括伸缩推杆，所述支撑架固定连接在所述伸缩推杆的底端，所述伸缩推杆的顶端固定连接有固定平面，所述活动关节安装在所述固定平面远离所
述伸缩推杆的一侧。
8.优选的，所述活动关节包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节与所述固定平面固定连接；所述探测传感器上安装有夹持支架，所述探测传感器通过所述夹持支架与所述第三关节固定连接，所述第一关节和所述第三关节上分别转动连接有轻质支架，所述第一关节上的所述轻质支架远离所述第一关节的一端与所述第二关节转动连接，所述第三关节上的所述轻质支架远离所述第三关节的一端与所述第二关节固定连接。
9.优选的，所述第一关节包括第一安装架和第二安装架，所述第一安装架和所述第二安装架上分别固定连接有关节电机，所述第一安装架上的所述关节电机的输出端贯穿所述第一安装架与所述第二安装架传动连接，所述第二安装架上的所述关节电机贯穿所述第二安装架与所述轻质支架转动连接；所述第二关节、所述第三关节与所述第一关节的结构相同，所述夹持支架与所述第三关节的第一安装架固定连接。
10.本实用新型公开了以下技术效果：
11.1.本实用新型使用时，将搭载平台搭载在地面移动平台上终端控制系统的上位机发送平台运动控制指令，地面移动平台移动至待测点附近；终端控制系统通过控制器控制铰接组件、伸缩组件和活动关节运动，使得探测传感器准确贴近待测点；以搭载平台几何中心在地面的投影为基准坐标原点，通过空间位置计算方法计算探测传感器的平面坐标；通过控制器、激光雷达距离及方位信息计算搭载平台坐标；通过每个活动关节尺寸建立m-dh坐标，终端控制系统采集并计算各个活动关节的角度以及伸缩组件的伸缩距离，通过坐标解算确定探测传感器的中心坐标；在三维空间中任意设置rgb分量值，终端控制系统的上位机根据探测传感器的中心坐标和探测传感器的探测数据，使探测传感器一维量程值与rgb值一一映射，实时绘制彩色点云图。
12.2.本实用新型可在大空间尺度(高度＞8m)内，实现壁面、顶部、地面、物体表面等任意污染点位、污染表面的坐标定位、实时连续测量。
13.3.本实用新型通过多段串联的活动关节设计，可使得装置满足各类不规则表面对于测量仪器自由度的要求。
14.4.本实用新型可获取污染源位置及污染值，实时绘制污染空间三维图形，数据可自动储存，直观评估现场安全状况。
15.5.本实用新型通过距离传感器探测距离阈值实现探测器防碰撞，采用重心自动调节方法避免装置长距离探测时的倾覆风险。
16.6.本实用新型解决了大尺度空间污染情况下，人员不能随意进入现场快速展开污染测量工作的问题，实现了远程遥控及智能辅助作业，避免了人员沾染。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型的轴测图；
19.图2为图1中a处的放大图；
20.图3为本实用新型搭载平台的结构示意图；
21.图4为本实用新型测量方法的结构示意图；
22.图5为本实用新型测量装置坐标位置图；
23.图6为图5中的测量装置坐标关系图。
24.其中，1、终端控制系统；2、激光雷达；3、上盖板；4、滑轨； 5、滑动支撑板；6、水平推杆；7、电机座；8、铰接底座；9、支撑架；10、电动推杆；11、伸缩推杆；12、固定平面；13、探测传感器； 14、夹持支架；15、距离传感器；16、第一关节；17、第二关节；18、第三关节；19、轻质支架；161、第一安装架；162、第二安装架；163、关节电机。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
27.实施例1：
28.参照图1-4，本实用新型提供一种大尺度空间内多自由度精确测量装置，包括搭载平台，搭载平台顶面的一端安装有铰接组件，铰接组件顶面的一端铰接有伸缩组件，伸缩组件远离铰接组件的一端安装有若干依次串联的活动关节，活动关节远离伸缩组件的一端固定连接有探测传感器13，搭载平台顶面远离铰接组件的一端安装有终端控制系统1，探测传感器13与终端控制系统1电性连接，铰接组件、伸缩组件、活动关节通过控制器与终端控制系统1电性连接，终端控制系统1顶端安装有激光雷达2，搭载平台上安装有无线通信系统，探测传感器13一侧安装有距离传感器15，距离传感器15侧面安装有串口摄像头，探测传感器13、距离传感器15、串口摄像头分别与终端控制系统1电性连接。
29.使用时，为测量壁面、顶部、地面、物体表面等任意污染点位，将搭载平台搭载在地面移动平台上，终端控制系统1的上位机发送平台运动控制指令，控制地面移动平台移动至待测点附近；终端控制系统1通过控制器控制铰接组件、伸缩组件和活动关节运动，使得探测传感器13准确贴近待测点；以搭载平台顶面的几何中心在地面的投影为基准坐标原点，通过所述控制器、所述激光雷达、和用于控制所述搭载平台运动的所述控制器内设置的惯性传感器、所述里程计的距离及方位信息，计算基准坐标在空间中的位置；通过每个所述活动关节的结构参数，确定m-dh坐标参数表，终端控制系统1采集并计算各个活动关节的角度以及伸缩组件的伸缩距离，通过坐标解算确定探测传感器13的中心坐标及在空间中的位置；设置rgb分量值和一维线性函数，使所述探测传感器13的一维数据与rgb值一一映射，所述终端控制系统1的上位机根据所述探测传感器13的中心坐标p和所述探测传感器13的探测数据，在三维空间中实时绘制彩色点云图。
30.探测传感器13采用表面沾污仪。
31.在抵近待测平面过程中，利用距离传感器15保持测量距离并避免碰撞，当距离小于1cm时终端控制系统1的上位机软件报警，当检测到距离小于5mm时终端控制系统1锁定末
端关节控制指令，上位机软件解锁状态后，恢复末端关节控制指令。同时距离传感器15旁边安装串口摄像头，与子控制器连接，辅助观察现场探测情况。仪器与表面的相对位置可长时间保持稳定，避免人工作业时抖动等不稳定测量因素。
32.无线通信系统由三台组成，主要解决建筑物的屏蔽及遮挡造成的通信中断问题，第一台固定于上盖板3任意位置，第二台固定于待测环境中移动平台可自由通过的出入口位置，第三台固定于远离作业位置的可接入局域网的工作环境。无线通信系统可采用mesh组网型，也可采用点对多点型，并将第二台设置为中心网路，通过网口与终端控制系统1连接并交换数据。
33.进一步优化方案，搭载平台包括上盖板3，上盖板3顶面通过滑轨4滑动连接有滑动支撑板5，上盖板3顶面固定连接有水平推杆6，水平推杆6输出端通过螺丝与滑动支撑板5的底面固定连接，水平推杆6的电机座7与上盖板3的顶面固定连接，铰接组件安装在滑动支撑板5顶面一端，终端控制系统1固定连接在上盖板3远离滑动支撑板5的一端。
34.进一步优化方案，铰接组件包括固定连接在滑动支撑板5顶端的铰接底座8，伸缩组件的底端固定连接有支撑架9，支撑架9的底端与铰接底座8的顶端铰接，滑动支撑板5顶端铰接有电动推杆10，电动推杆10的输出端与支撑架9的中部铰接。
35.进一步优化方案，伸缩组件包括伸缩推杆11，支撑架9固定连接在伸缩推杆11的底端，伸缩推杆11的顶端固定连接有固定平面 12，活动关节安装在固定平面12远离伸缩推杆11的一侧，探测传感器13一侧固定连接有夹持支架14，夹持支架14与活动关节固定连接。
36.伸缩推杆11、电动推杆10和水平推杆6上分别安装控制器。
37.进一步优化方案，第一关节16包括第进一步的优化方案，活动关节包括第一关节16、第二关节17和第三关节18，第一关节16与固定平面12固定连接；探测传感器13上安装有夹持支架14，探测传感器13通过夹持支架14与第三关节18固定连接，第一关节16和第三关节18上分别转动连接有轻质支架19，第一关节16上的轻质支架19远离第一关节16的一端与第二关节17转动连接，第三关节 18上的轻质支架19远离第三关节18的一端与第二关节17固定连接。
38.一安装架161和第二安装架162，第一安装架161和第二安装架 162上分别固定连接有关节电机163，第一安装架161上的关节电机 163的输出端贯穿第一安装架161与第二安装架162传动连接，第二安装架162上的关节电机163贯穿第二安装架162与轻质支架19转动连接；第二关节17、第三关节18与第一关节16的结构相同，夹持支架14与第三关节18的第一安装架161固定连接。
39.第一关节16上的第二安装架162与第二关节17上的第二安装架 162之间安装轻质支架19，且轻质支架19与两个第二安装架162之间均转动连接；第二关节17上的第一安装架161与第三关节18上的第二安装架162之间设置轻质支架19，轻质支架19一端与第二关节 17上的第一安装架161固定连接，轻质支架19另一端与第三关节18 上的第二安装架162转动连接。
40.为了能够深入测量特殊部位的表面，根据表面对关节自由度的要求，设计多个串联的活动关节，三段关节配合使得活动关节具备六个自由度。
41.本发明大尺度空间内多自由度精确测量装置的工作方法：将搭载平台搭载在地面移动平台上，将无线通信系统中继模块，放置于屏蔽体入口处，采用多自由度遥控器和电脑
上位机界面辅助方式，控制地面移动平台移动至待测点附近；终端控制系统1通过控制器控制铰接组件、伸缩组件和活动关节运动，使得探测传感器13准确贴近待测点；在抵近待测平面过程中，利用距离传感器15保持测量距离并避免碰撞，当距离小于1cm时终端控制系统1的上位机软件报警，当检测到距离小于5mm时终端控制系统1锁定末端关节控制指令，上位机软件解锁状态后，恢复末端关节控制指令；同时距离传感器15旁边安装串口摄像头，与子控制器连接，辅助观察现场探测情况，探测传感器13与待测表面的相对位置可长时间保持稳定，避免人工作业时抖动等不稳定测量因素；以搭载平台包括上盖板3的几何中心在地面的投影为基准坐标原点o1建立直角坐标系，x轴正方向为水平推杆6 方向并指向激光雷达2，坐标系为右手坐标系；控制器初始化时，激光雷达2扫描封闭空间轮廓的距离及方位信息，用于控制搭载平台运动的控制器内设置的惯性传感器输出搭载平台的加速度和角速度信息，用于控制搭载平台运动的控制器内设置的里程计输出搭载平台移动距离信息。采用粒子滤波方法根据上一时刻的位姿、地图、搭载平台运动模型，实时更新搭载平台当前时刻t的轨迹状态p(x
1:t
|u
1:t-1
,z
1:t
)，用轨迹状态及激光雷达数据计算并更新二维栅格地图数据 p(m|u
1:t
,z
1:t
),其中u为控制数据、z为观测数据、x为当前状态、m为地图数据；搭载平台根据当前时刻控制器输出数据可匹配地图中的位置及角度；以铰接底座8的旋转轴中心作为活动关节的坐标原点o2，可确定其坐标p2＝p1+p
机械安装位置
+p
水平推杆位置
；通过每个活动关节的结构参数，确定m-dh坐标参数表，代入坐标变换矩阵
i-1i
t，可获得坐标系 i中的点在i-1坐标系中的描述，其中定义z轴为每个转动或移动轴的方向，x轴为两个转轴公垂线即连杆，式中：i表示第i个关节，a
i-1
为沿着x
i-1
方向z
i-1
与zi间距离，α
i-1
为以x
i-1
方向看z
i-1
与zi间夹角，di为沿着zi方向x
i-1
与xi间距离，θi为以zi方向看x
i-1
与xi间夹角；
[0042][0043]
则探测传感器13平面中心点q与坐标原点o2的坐标变换矩阵为其中[u v w]3×3为点q的姿态角矩阵，q3×1即点q的位置向量。终端控制系统1采集并计算各个活动关节的角度θi以及伸缩组件的伸缩距离di，通过解算确定探测传感器13的中心坐标在空间中的位置为p＝p2+q3×1；设置rgb分量值和一维线性函数，使探测传感器13的一维数据与rgb值一一映射，终端控制系统1的上位机根据探测传感器13的中心坐标p和探测传感器13 的探测数据，在三维空间中实时绘制彩色点云图。
[0044]
关节θi(
°
)di(cm)a
i-1
(cm)α
i-1
(
°
)1900090202205903010004-9000-9059002006020090
7000-90805090
[0045]
m-dh坐标参数表
[0046]
实施例2
[0047]
区别于实施例1，由于伸缩推杆11的距离较长，探测传感器13 的数据传输距离有限，因此可在夹持支架14位置安装子控制器，子控制器通过无线串口与终端控制系统1进行数据交换，通过第二个串口读取探测传感器13的探测数据，采用pwm数据控制活动关节运动，通过第三串口获取活动关节上控制器的距离数据。
[0048]
实施例3
[0049]
区别于实施例1和实施例2，通常小型移动平台的自重及负载能力有限，为解决配重不足和人员操作引起的倾覆风险，终端控制系统 1中设计有重心调整计算模块，通过获取各个活动关节的角度，根据各个活动关节重量和搭载平台的支点位置，计算装置整体的倾覆力矩，当倾覆力矩大于等于设定的倾覆阈值时，所述搭载平台移动，保证重心投影位于搭载平台的前后侧支点区间内，解决配重不足和人员操作引起的倾覆风险问题。
[0050]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0051]
以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。