CN101680743B

CN101680743B - 确定位置

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Publication number: CN101680743B
Application number: CN2008800073912A
Authority: CN
Inventors: A·H·德莫普洛斯
Original assignee: Absolute Robotics Ltd
Current assignee: Enoyls automatic operation software limited liability company
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: WO2008107715A2; US20100103431A1; JP5442457B2; WO2008107715A3; EP2132521A2; CN101680743A; KR101477481B1; US8290618B2; KR20090127263A; JP2010520075A

Abstract

安装在基座(11)上且包括腕机构的例如具有若干自由度的机器人臂(10)端部的可动元件的位置通过以下方式来确定：在机器人的基座的周围安装多个基座目标(32，74)，以及在腕机构(15)的基座(14)周围安装多个臂目标(42，74)，且安装光学器件(90)，该光学器件(90)与可动元件一起运动以确定基座目标中的至少一些的位置和臂目标中的至少一些的位置。光学器件可为激光***或摄影机***(90)，且该光学器件可安装在机器人臂的、腕机构(15)的基座(14)连接到其上的零件(13)上。这就使得现有的机器人(10)能够获得相对于固定的外部参照系的绝对位置精度。

Description

确定位置

技术领域：

本发明特别地涉及机器人，尤其是具有若干自由度的机器人，且涉及用于确定机器人的位置的方法和装置，然而本发明还可应用于可动设备。

背景技术：

机器人被广泛地用于工业中。通常机器人将具有六个自由度，例如机器人可包括：上臂，该上臂在一个端部处支承在基座上，从而使得上臂可绕两个正交轴线旋转；下臂，该下臂枢接到上臂的另一个端部上，且可相对于其旋转，且还可绕下臂自身的纵向轴线旋转；以及设有两个正交的旋转轴线的万向腕机构。这几个旋转轴线仅是作为实例给出的，而其它机器人具有其它的自由度，例如一个臂构件可为伸缩性的。每个自由度上的运动由相应的马达(通常为伺服马达)引起。机器人可编程成以便使臂的端部运动到期望的位置，该位置由各个臂元件的运动(例如绕各个旋转轴线进行的角旋转)确定。这些运动可根据马达的旋转次数来确定，或者可通过使用编码器来测量。现有的机器人的一个问题是它们的被编程的位置和它们在其工作环境内的实际位置或绝对位置是不同的。被编程的位置由机器人的各个关节的角位置限定。对于图1所示的6自由度机器人来说，这对应于各个被编程的位置的六个值。然后机器人控制器协调所有的六个伺服马达，以实现各个关节的指定的位置。因此，机器人将总是运行到其被编程的位置，但是不管这执行得多精确，相对于外部绝对轴线组的位置都可能会改变。

这种改变由多种因素引起：

a)环境温度影响铰接臂元件的长度；

b)由来自伺服马达的热消散引起了温度梯度，温度梯度取决于机器人的工作循环，且由于沿铰接臂元件长度的热分布不均匀，所以温度梯度不仅趋向于使铰接臂元件膨胀，且还会使铰接臂元件变形；

c)机器人缺乏刚性，从而使得应用于机器人的端部处的不同负载将产生不同的偏转。

由于上述所有的原因，机器人臂的被编程的位置和实际或“绝对”位置在一天的不同时间将是不同的。对于一些应用，并不关心所引起的位置变化，但是对于其它应用，则需要确定绝对位置。

一种已知的技术是使用激光***或高度精确的摄影机来确定机器人相对于周围车间的实际位置。这两种方法均使用放置在机器人和车间上的目标来确定它们的绝对位置。这些方法的一个问题是机器人的端部在其工作循环的一部分期间可能是看不见的，因为机器人的端部可能会躲过激光***或摄影机的直接观察。为了消除这一问题，可在机器人循环的可见部分(时间)和在机器人循环的不可见部分(时间)上对机器人进行针对绝对位置的“校准”或“校正”，使用复杂的数学模型来估计位置误差。由于模型中作出的假设，这种估计会引入不准确性。

发明内容：

根据本发明，提供了一种用于确定在参照系内可动的元件的位置的装置，其中，相对于可动元件固定多个第一目标，且在相对于参照系的固定位置处提供多个基座元件，该装置包括包含可与可动元件一起运动的器件的测量***，该测量***包括用于确定可动器件相对于基座元件中的至少一些的位置、且用于确定第一目标中的至少一些相对于可动器件位置所处的位置的器件。

优选地，测量***为光学测量***。该测量***的可动器件可连接到可动元件上，或者可被单独地支承但保持在可动元件的附近。

在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定机器人臂的端部的位置的装置，该机器人臂具有若干自由度，该机器人臂安装在基座上，且包括腕机构，腕机构包括旋转支承元件，该装置包括机器人的基座周围的多个基座元件，以及在旋转支承元件周围的多个臂目标，以及***件，该***件安装在机器人臂上或附近，以使得能够确定基座元件中的至少一些相对于***件的位置，以及臂目标中的至少一些相对于***件的位置。

因此可相对于基座元件(其被固定)来测量臂目标(其未固定)的位置，用于这些测量的***件本身与臂一起运动。***件优选为光学***，但是该***件还可以代之以是例如超声***或红外***。

这个装置使现有的机器人能够实现绝对位置精度。该装置可装配到任何类型的铰接机器人上。这使得能够沿着机器人臂的整个轨迹以及在其实际的工作条件下测量机器人臂的绝对位置，而不需要数学或其它建模。通过将一批臂目标附连在支承机器人的腕机构的旋转轴线的周围，6轴机器人被有效地分解成两个机器人：4轴机器人和附连在4轴机器人的端部处的2轴机器人(假设腕机构提供两个轴线)。臂目标附连到这个2轴机器人的基座上。这就克服了直接视线的主要问题，因为通过适当地布置例如激光***或摄影测量摄影机***，至少总是能看得见这个2轴机器人的基座。

与基座相关联或者与可动元件(机器人臂)相关联的目标或元件将取决于所使用的测量***。例如回复反射器将与激光***结合起来使用；摄影测量目标或LED将与基于摄影机的***相关联；或者测量***可根据信号，例如光脉冲，在发射器和反射器之间的飞行时间来测量距离。

还应理解，用语“腕机构”可包括提供更大数量的自由度的更加复杂的机构。例如腕机构可由非常精确的热补偿的轻质测量或焊接机器人代替，测量或焊接机器人刚性地连接到旋转支承元件上。旋转支承元件可以是指腕机构的基座或者A4旋转元件，因为其使得腕机构(或连接到其上的任何机构)能够绕A4轴线旋转。该装置使得能够在任何时候以及在实际的工作条件下，以高精度来确定腕机构的基座的绝对位置。可推导出机器人臂或工具的端部的位置，因为由于以上所述的因素而引起的变化处于明显更小的尺度，且可对该变化进行计算、校准或测量。“腕机构”因此可提供若干自由度；实际上，其可例如为6轴机器人臂。

光学器件可包括固定在机器人臂上的激光***或摄影测量摄影机，或者该光学器件可由布置成以便确保其保持在机器人臂附近的另一个臂机构承载。这种布置可能具有盲点，但是如果在那些盲点处不需要绝对的位置精度，则这种缺陷是不相关的，或者光学器件的位置可调节成以便避免这样的盲点。在一个优选实施例中，基座元件为基座目标；在这种情况下，光学器件可包括激光***。光学器件可代之以包括一个或多个摄影机。所以在另一个实施例中，光学器件包括用以观察臂目标的至少一个摄影机，以及用以观察基座目标的至少一个摄影机。在另一个实施例中，基座元件包括基座摄影机，且在这种情况下，光学器件包括至少一个目标和用以观察臂目标的至少一个摄影机。在各个实施例中，光学器件优选安装在腕机构的基座附连到其上的臂元件上，或者安装在设置成以便确保其保持在机器人臂的这部分附近的另一个臂机构上。将光学器件安装在这个位置处确保臂目标中的至少一些和基座元件中的至少一些将总是可看得见的，从而不存在盲点。

在另外的方面中，本发明还提供了一种用于使用这样的装置来确定可动元件位置或机器人臂的端部的位置的方法。

基座目标优选包括回复反射器，且该基座目标优选安装在支承结构上，优选为低热膨胀性的支承结构。类似地，臂目标优选包括回复反射器；且优选地，该臂目标安装在附连到腕机构上的支承结构上，优选为低热膨胀性的支承结构。在各种情况下，目标可包括球形回复反射器。这样的回复反射器适于与激光***一起使用。

将理解的是，激光***可提供非常精确的位置信息，但是不能非常迅速地测量不同位置；摄影机器件可基本实时和连续地观察许多不同位置，但是必须经过校准，以提供有用的位置信息。摄影机器件优选包括至少四个摄影机：设置成以便提供基座目标中的至少一些的立体图像的两个摄影机，以及设置成以便提供臂目标中的至少一些的立体图像的两个摄影机。在该装置使用激光***和摄影机器件两者的情况下，只要确切地知道所有臂目标的相对位置，则由激光***观察到的臂目标就可能与由摄影机观察到的臂目标不同；这也适用于基座目标。

附图说明：

现将仅以实例的方式且参照附图对本发明进行进一步和更具体的描述，其中：

图1显示了现有技术的机器人的透视图，其显示了自由度；

图2显示了激光***；

图3显示了结合基座目标的本发明的基座环；

图4显示了结合臂目标的本发明的臂环；

图5显示了贯穿其上安装有图4的臂环的一个臂端部的截面图；

图6显示了设有本发明的装置的机器人臂；

图7显示了对图6的机器人臂的修改；以及

图8显示了对图6的机器人臂的另一种修改。

具体实施方式：

参看图1，与本发明有关的铰接型机器人10的基本构件为基座11、第一铰接臂12、第二铰接臂13、可旋转的臂端部14，以及将通常在其端部16处承载工具或探测器(未示出)的腕机构15。第一臂12可绕竖直轴线A1及绕水平轴线A2旋转；第二臂可相对于第一臂12绕水平轴线A3旋转；关节17提供臂端部14绕第二臂13的纵向轴线的旋转A4；且腕机构15提供端部16绕两个正交轴线A5和A6的旋转。这种机器人10是已知的。可在工场或车间中安装一个或多个这样的机器人。

现参看图2、3和4，它们显示了使机器人(例如图1所示的那个)能够获得绝对精度的本发明的装置的构件。这个装置18基本包括三个部件：图2所示的激光***20；图3所示的基座环30，其包括球形回复反射器目标32；以及图4所示的A4轴线臂环40，其包括球形回复反射器目标42。

现参看图2，激光***20结合了发射激光束24的激光头22。激光头22支承在框架23中，从而使得激光头22可绕仰角轴线27旋转，而框架23支承在基座单元25上，从而使得框架23可绕方向轴线26旋转。因此可转动激光头22，以沿任何期望的方向发送激光束24。如果激光束24被适当的目标返回，则激光头22会检测到反射的激光束24，且使用激光干涉测量法来非常精确地测量激光头22和目标的中心之间的距离。因此激光***20使得能够在球形坐标系中精确、有效地确定目标(相对于激光***20)的位置。目标可具有各种形状，但是如图3和4所示，一种布置使用了凸起的球形目标32和42。

现参看图3，基座环30包括空间框架34，球形回复反射器目标32附连到该空间框架34上。空间框架34由具有非常低的热膨胀系数的材料-例如NILO 36^TM或INVAR^TM钢材料制成，所以目标32之间的位置关系不受温度变化的影响，且其结构确保了刚性。基座环30优选安装在机器人车间的地板上，以便围绕机器人10的基座11。目标32可永久地固定到空间框架34上，但在这个实例中，目标32是可移除的，位于锥形杯33中，目标32由磁力吸引到锥形杯33上。在这个实例中，基座环30由三个向下凸出的腿36支承，腿36的下表面限定了锥形凹部且腿36依靠在可永久地固定到地板上的球鼻支承杆38上。因此基座环30可被移除，且安装点36、38不会在环30中引起任何机械应力。在这个实施例中，基座环30被描述为附连到车间地板上，但是安装在天花板或墙壁上的环件和机器人基座可为备选布置。基座环甚至可附连到机器人基座本身上。无论如何，附连的方法必须满足以下两个要求：

1.基座环30附连到其上的表面必须不能相对于车间以热的方式或以机械的方式运动；以及

2.附连不会在环件30中引起将使环件30变形且改变附连到环件30上的目标32之间的位置关系的机械应力。

基座环30可固定到其支承杆38上，或者可与其支承杆38分离。如果基座环30是可分离的，则支承杆38可为有磁性的，从而使得在基座环30的腿36和支承杆38之间总是有确定位置。

现参看图4至6，A4轴线臂环40(具体见图4)包括空间框架44(其在这个实例中可为空心的环件)，球形回复反射器目标42可附接到空间框架44上。

空间框架44由具有非常低的热膨胀系数的材料-例如NILO 36^TM或INVAR^TM钢制成，所以目标42之间的位置关系保持不受温度变化的影响。如图5所示，A4轴线环40围绕机器人10的臂端部14，且以不会在A4轴线环40中引起将使A4轴线环40变形且改变附连到其上的目标42之间的位置关系的任何机械应力的方式附连到臂端部14上。在这个实例中，使用三个球鼻销45将A4轴线环40附连到臂端部14上，其一端处的带螺纹的部分拧入臂端部14上的对应的带螺纹的凹部中。各个销45的外端部位于通过空间框架44的径向管46中，且销45的直径略微小于管46的直径。在安装期间，销45***通过管46，且拧入臂端部14的主体中。销45的球形端部以最小的间隙或无间隙(如图5所示)接合管46的壁。

在这个实例中，有八个附连在空间框架44周围的目标42。如图4所示，各个目标42位于固定到空间框架44上的锥形杯48中。杯48由磁性材料制成，从而使得目标42牢固且可靠地保持就位，但是如果需要可移除目标42。

装置可用于其中有一个或多个机器人的车间中。为了在车间内限定绝对位置轴线，人们将首先把目标(例如象目标回复反射器32)安装在该车间的地板上的至少三个非共线的位置处，从而限定绝对的X-Y平面；Z轴线可垂直于这个平面；原点可在目标其中之一处(或者在平面内的任何期望的位置处)；可以在这个平面内以任何期望的方式限定X轴线和Y轴线，例如通过罗盘方向。

如图6所示，基座环30安装在机器人10(或者各个机器人10)的基座11周围。然后借助于激光***20或等效的测量设备，例如激光经纬仪，可根据地板上的目标的位置来确定地板的平面(X-Y平面)；且可相对于XYZ轴线来确定基座环30上的各个目标32的确切位置。如果有不止一个机器人10，则可能存在永久地安装在各个机器人10的基座周围的基座环30，或者备选地，可能只是存在安装在各机器人10周围的三个支承件38，且单个基座环30可从一个机器人10周围转移到另一个机器人10周围。无论如何，都相对于车间的绝对坐标系来确定目标32在各个基座环30位置处的确切位置。

而激光***20安装在机器人10的第二铰接臂13上。当要确定机器人臂的位置时，激光***20编程成首先查看基座环30上的可见的那些目标32，且然后查看A4轴线环40上的可见的那些目标42。因此在机器人10上的A4轴线臂环40的位置和相应的基座环30之间建立了连接，基座环30的位置在绝对坐标系中是已知的。

将理解的是，在实践中，用于机器人10的计算机控制器知道机器人臂应该在哪里，而不管之前所述的变化的源，从而使得激光***20可链接到计算机控制器上，从而使得激光***20不需要随机地搜索目标32和42，而是可被引导至它们应该在的地方。在实践中，激光***20仅需要简单的搜索来寻找朝向目标32或42的中心的确切方向。

将理解的是，该程序使人们能够在任何时候和在实际的工作条件下以最大可能的精度来测量A4轴线臂环40的绝对位置，A4轴线臂环40实际上是机器人10的剩余构件(也就是说腕机构15与其两个旋转轴线)的基座。现将确定端部16的位置或附连到机器人10上的工具的位置。仍然存在相同的热膨胀的问题，但是问题的尺度已大大减小，因为这个腕机构15的长度是机器人10的总长度的一小部分。这是比6轴机器人的原先的问题更加容易解决的问题。因为腕机构15的尺寸更小，所以即使是根本没有任何补偿，由于环境温度而引起的热变化也会大大减小。

其次，在机器人10的这部分中通常没有马达，从而使得由于马达而引起的热作用不存在；即使是在存在马达的情况下，功率也大大小于机器人臂中的其它马达，且由此热消散是一个大大简化的问题。最后，基本消除了由于缺乏刚度而引起的问题，因为与机器人10相比，腕机构15非常硬，因为没有用以弯曲的长臂且仅有两个关节；且在任何情况下，其都接近负载应用点。

可在机器人10仍然在车间中但在其实际工作位置外或者机器人置于离线的情况下，确定端部16相对于A4轴线臂环40上的目标42的位置。这可以取决于所要求的精度而以各种不同的方式来实现。

在第一种方法中，例如如果机器人10意图用于测量应用，则腕机构15和臂端部14可由具有低热膨胀性的材料-例如NILO 36^TM或INVAR ^TM钢制成，所以可忽略热作用。在最初的设定期间，A4轴线保持固定。针对腕轴线A5和A6的许多位置(假设每个轴线每10°)，相对于A4轴线臂环40上的目标42来测量端部16(或附连到端部16上的部件)的重要的几何特征的位置。该测量通过设定在以下位置处的激光***20来进行：即激光***20可从该位置处观察到目标42和位于端部16上的目标两者。随后，针对腕轴线A5和A6的任何中间位置，能够使用来自与腕轴线A5和A6相关联的角位置编码器的信息、通过设定期间获得的值之间的插值获得端部16的位置。这些编码器的分辨率越高，可确定的端部16的位置的精度就越高。这种方法尤其适于测量应用。

在第二程序中，如果包括臂端部14和腕机构15的2轴机器人不能用热稳定的材料来制造，则可在具有以比如3度的步幅从比如16℃变化到32℃的温度的环境室中离线地重复以上所述的程序。这种方法可称为温度校准。如果需要，还可使用一定范围的不同的负载来执行这种校准。

在第三且优选的程序中，可在机器人循环期间在线地找出端部16相对于臂目标42的位置。为此，第二(外部的)激光***20a设置在车间中的固定的位置上(见图6)。许多回复反射器或摄影测量目标放置在端部16上或周围的重要的位置上(如果将要确定由机器人10承载的部件的位置，则这些位置可以可选地在该部件上)。我们将假定机器人10最初是在其工作位置上；机器人10承载位置待确定的负载；且该负载在这个工作位置中至少部分地隐藏。在第一步骤中，如以上所述的那样确定可见目标42相对于绝对参照系的位置；以及记录(根据编码器或根据控制***)A4、A5和A6轴线的确切位置。

作为第二步骤，机器人10然后使端部16(具有相同的负载或等同的负载)运动，以便面对固定的激光***20a；这可在邻近工作区域的校准区域中。A4轴线和腕轴线A5和A6的定向设置成具有当它们处在工作位置处时具有的位置。固定的激光***20a安装成以便确保无论轴线A4和腕轴线A5和A6是如何铰接的，附连到端部16上的目标将总是可看得见的。

这个外部激光***20a编程成以便观察基座环30上的目标32(或在地板上的已知位置处的其它目标)，且然后观察端部16上的目标。同时，臂13上的激光***20编程成以便观察A4轴线臂环40上的目标42和基座环30上的目标32。由于激光***20和20a两者与相同的绝对坐标系有关，因此在绝对参照系中确定附连到端部16上的目标的位置，且同样在绝对参照系中确定臂环40上的目标42的位置；因此对于A4轴线和两个腕轴线A5和A6的这种特定构造，可容易地计算出附连到端部16上的目标和目标42之间的相对位置。通过使这些相对位置与第一步骤中找到的目标42的绝对位置结合，可容易地计算出当机器人10在其工作位置上时附连到端部16上的目标的绝对位置。

在这个“在车间中，但不在工作位置”的校准完成之后，机器人可继续(运行)到其工作位置，且执行所需的任务。虽然已经关于附连到端部16上的目标对这个程序进行了描述，但是其也可同样应用于在负载上附连到任何重要位置上的目标。

可在许多环境温度下重复这个程序，从而使得针对那些温度校准所述相对位置，且在这种情况下，以后将不需要第二激光***20a。或者，可在每当要确定端部16(或者由其支承的部件)的确切位置的时候执行该程序。

将理解的是仅作为实例而提供以上描述，且可按各种方式修改本发明的装置和方法。例如，在其中存在几种不同的机器人操作的工作环境或车间中，专用的激光***20可安装(如上所述)在各个机器人10上。作为一个备选方案，可提供单个的这种激光***20，其在不同的机器人10之间进行轮转。这样，激光***20的成本在不同的机器人之间分担，所以激光***20的成本就不是安装中的决定性因素了。一旦确定了一个机器人的绝对位置，激光***20就可自动地从一个机器人转移到另一个机器人上。取决于车间中的机器人的数量，轮转时间可为大约一个小时左右。通常不期望条件(以及由于热作用而引起的相关联的位置变化)会在一个小时内改变很多。机器人车间中的这个数据收集循环可延长到例如一周，而激光***可手动地或自动地转移到另一个车间。

应当理解，本发明的绝对定位装置18可设计为新的机器人设计的整体性特征，或者翻新改进成现有的铰接型机器人。其通过测量来确定机器人车间内的所有机器人在它们的实际工作条件下以及它们的整个包络上的绝对位置——不需要数学建模来估计机器人的绝对位置。装置18确定机器人的绝对位置，而不使其性能(有效负载能力、包络范围、速度和精度)降低。装置18使得这对于车间中的所有机器人都得以实现和设定，从而使得所有的机器人都与车间中的同一绝对参照系有关。

在另外的备选方案中，目标(无论是回复反射器还是摄影测量目标)可直接附连到A4轴线臂(臂端部14)或机器人10的基座11上，而无需任何环件或框架，且实际上基座目标本身可作为机器人基座而安装在相同的表面(例如地板)上。对于一些应用，这可提供可接受地精确的***。然而，由于在由热稳定的材料制成的基座11周围使用空间框架34而产生了益处，从而确保目标32相对于车间保持在固定的位置上，以便为各个机器人提供绝对局部参照系。提供支承臂目标42的空间框架对于整体精度来说并不太重要，因为这些目标42的确切位置是由激光***20相对于基座环30上的目标32来测量的。

还将理解的是，臂目标和基座目标可包括不同类型的回复反射器，例如以球形的方式安装的回复反射器，其包括容纳在空心球体内的回复反射器(由三个相互垂直的镜子制成的立体角)。备选类型的目标可为在商业上被称为“猫眼”的球形回复反射器，其由具有不同的直径和光学属性的两个半球构造而成；或者硬安装的空心回复反射器，例如由PLX公司(美国)生产的那些。无论使用何种类型的目标，该目标都应该以使得其相对位置能够由传统的测量装备容易地测量的方式来安装。

以上所述的程序使得能够沿着机器人臂10在运行期间所遵循的轨迹精确地测量机器人臂10的位置。然而，激光***20测量得较慢：机器人臂10可能需要在各个不同的位置处停止几秒钟，从而使得激光***20可进行其测量。激光***20还是相对较昂贵的物品。因此优选的是在校准阶段期间使用激光***20，且然后在正常运行期间使用摄影机-例如高速摄影测量摄影机来测量臂位置，该摄影机已经进行了适当的校准。将理解的是，摄影机可基本同时观察几个部件；且可通过使用一对摄影机来获得立体的信息。

现参看图7，该图显示了对图6所示的绝对定位装置18的修改68，相同的构件由相同的参考标号表示。与图6中相同，基座环30安装成围绕机器人10的基座11，且A4轴线臂环40围绕机器人10的臂端部14且附连到机器人10的臂端部14上；基座环30和臂环40各自承载若干球形回复反射器目标32或42。在这个装置68中，基座环30还在其周围于固定位置上承载了若干摄影测量摄影机72，而臂环40也承载了若干摄影测量目标74，摄影测量目标74各自包括具有带精确圆柱形的周边的圆形平顶头部的销，全部在已知的位置处固定到臂环40上。可用传统的测量装备测量基座环30上的目标32和摄影机72的相对位置。

与图6中相同，激光***20可安装在机器人10的第二铰接臂13上。此外，大体L形的光学框架76刚性地固定到第二铰接臂13上，这个框架承载三个摄影测量摄影机78(L形的各个端部处有一个，且角的附近有一个)。光学框架76还包括承载摄影测量目标82(与目标74相同)的周边环的刚性圆形板80。光学框架76由具有非常低的热膨胀系数的材料-例如NILO 36^TM或INVAR^TM钢制成，从而使得摄影机78和目标82之间的位置关系保持不受温度变化的影响。

现参看图8，该图显示了作为图6的装置18和图7的装置68的备选方案的经修改的装置88，相同的构件由相同的参考标号表示。与图6和7相同，基座环30安装成围绕机器人10的基座11，且A4轴线臂环40围绕机器人10的臂端部14且附连到机器人10的臂端部14上。基座环30和臂环40各自承载若干球形回复反射器目标32或42；在这个装置88中，基座环30和臂环40还各自承载了多个圆形摄影测量目标74。可使用传统的装备各自测量基座环30上的目标32和目标74的相对位置，以及臂环40上的目标42和目标74的相对位置，且这些相对位置不会改变。

尽管激光***20在正常运行期间没有被使用，并且也没有示出，但是其可安装在机器人10的第二铰接臂13上。摄影测量摄影机单元90安装在第二铰接臂13上。摄影测量摄影机单元90包括圆柱形基座单元92，以及固定到基座单元92上且可绕其纵向轴线旋转的轭状物93。基座单元92承载设置在三角形的角处的三个摄影测量摄影机94，以观察A4轴线臂环40上的摄影测量目标74，且类似地，轭状物93承载设置在三角形角处的三个摄影测量摄影机96，以观察基座环30上的摄影测量目标74。摄影机94相对于基座单元92锁定在适当的定向上，而摄影机96则相对于轭状物93锁定在适当的定向上。基座单元92包括用以使轭状物93旋转的马达和用以测量该旋转的角编码器；在使用时，马达可用于根据机器人10的运动使轭状物93旋转，以确保摄影机96可观察基座环30。

将理解的是，可使用传统的技术，例如直接校准或Tsais校准算法，作为模块来校准高速摄影测量摄影机94和96，因为摄影机94和96提供(在各种情况下)三个立体像对。例如，可使用具有精确地雕刻的几何形状图案的标准校准板来对摄影机94和摄影机96进行校准，这些几何形状的相对位置是确切地已知的，且至少三个回复反射器附连到其上。在校准过程期间，板放置在摄影机94的视场内的各位置处(以使得能够对它们进行校准)，且然后放置在摄影机96的视场中的位置处，且在各种情况下，板的空间位置由单独安装的固定的激光***20a确定，以确定回复反射器在校准参照系中的位置，且由此确定雕刻的图案在校准参照系中的位置。校准参照系对于摄影机单元90的所有摄影机94和96来说是相同的。在轭状物93的相对于基座单元92的许多不同的定向处(例如以相差1°和10°之间的角度均等地间隔的定向处)执行对摄影机96的校准(如由角编码器确定的)。在随后的运行中，由摄影机96观察到的基座环30上的目标74的图像使校准参照系能够与绝对参照系相关。

作为以上所述的离线校准的一个备选方案，当在使用之前安装到机器人10上时，可对摄影机94和96进行校准。在这种情况下，机器人10沿期望的工作轨迹从一点运动到另一点，且目标42的位置由活动的激光***20相对于基座环30来确定，如前所述。臂环40上的摄影测量目标74的位置因此在绝对参照系中是已知的。在各个机器人位置处，可根据基座环30上的目标74的图像来对轭状物93上的摄影机96进行校准。类似地，臂环40上的目标74的坐标使得能够对基座单元92上的摄影机94进行校准。机器人10运动到另一个位置，必要时可重新调节轭状物93，且重复该过程。在这种情况下，校准坐标系是绝对坐标系。这个校准程序具有这样的优点，即在校准和正常运行两者中使用相同的目标74。在使用中，可通过在实施校准的位置之间的插值推导出适当的校准。

将理解的是，如以上关于装置88描述的校准程序将可加以必要的修正而应用于装置68，以对摄影机72和摄影机78进行校准。圆形板80上的摄影测量目标82在这种情况下用于对基座环30上的摄影机72进行校准。目标82的绝对位置由固定的激光***20a确定，固定的激光***20a又定位放置在基座环30上的目标32，且然后定位放置在光学框架76或圆形板80上的至少三个回复反射器目标(未示出)。通过构造光学框架76的方式，可知道这些回复反射器目标相对于摄影测量目标82的位置。

在正常运行中，不需要机器人10上的激光***20，因为摄影机94和96使得能够在绝对参照系中确定A4轴线臂环40的位置。将理解的是，如果例如已经在旋转期间在每5°的轭状物93定向处对摄影机96进行了校准，则只要轭状物93的定向(如由编码器所监视的)经过这样的值，就可获得来自摄影机96的图像。或者，使用来自编码器的数据在执行校准所处的定向之间进行插值，可根据任何定向处的图像来进行测量。摄影机94和96因此使得能够在机器人10运动的时候基本持续且实时地确定A4轴线臂环40的位置。如果必须检查这样获得的信息，或者如果特别是在机器人10不运动的时候需要非常精确的位置信息，则可以像关于装置18所描述的那样使用激光***20来确定A4轴线臂环40的位置。

将理解的是，装置18、68和88仅作为实例的方式显示，且可以在保持处于本发明的范围内的同时以不同的方式对装置18、68和88进行修改。特别地，腕机构在各种情况下可由小且轻质的自主式机器人臂代替，自主式机器人臂刚性地连接到旋转支承元件上。实际上，旋转支承元件可形成自主式机器人臂的一部分。主机器人10使自主式机器人臂能够在大的空间到处运动，且使自主式机器人臂能够被保持在任何期望的位置处。在任何这种位置处，然后自主式机器人臂可独立于主机器人10进行操作；且在任何期望的位置处，可以使用如图6中的激光***20或摄影机***(例如关于图8所描述的摄影机***)中的任何一个，在绝对参照系中精确地测量自主式机器人臂的基座的确切位置。

如之前所提到的，用以相对于A4轴线臂环40上的目标42来确定端部16的位置(例如工具或传感器的位置)的校准可使用外部激光***20a。或者这种校准还可使用摄影机***(相当于摄影机94)，该摄影机***相对于绝对参照系而适当地校准，且安装在外部，以使端部16能够被观察到。例如，这种校准摄影机布置可在车间内设置在固定的位置处，从而使得端部16可不时地移到这个位置附近，以检查工具或端部操纵装置是否已经运动或变形。

在又一种修改中，包括至少一个立体像对的摄影机***(例如相当于摄影机94)可安装在机器人臂的端部16上，且基于臂环40的位置相对于参照系对摄影机***进行校准。将对于端部操纵装置的多个不同的定向(即臂环40和端部16之间的各旋转轴线/铰接的不同定向)来执行这种校准。然后这种校准为非接触性测量机器人提供便利，因为这个摄影机***可由机器人移动，以观察部件，且然后可使用端部操纵装置的各个铰接处的校准数据和编码器位置在绝对参照系中容易地确定该部件的确切位置。

Claims

1.一种用于确定在参照系内可动的元件的位置的装置，其中，相对于所述可动元件固定多个第一目标，且在相对于所述参照系的固定位置处提供多个基座元件，所述装置包括包含可与所述可动元件一起运动的器件的测量***，所述测量***包括用于确定所述可动器件相对于所述基座元件中的至少一些的位置、且用于确定所述第一目标中的至少一些相对于所述可动器件的所述位置所处的位置的器件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量***包括光学器件。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置用于确定机器人臂的端部的位置，所述机器人臂具有若干自由度，所述机器人臂安装在基座上且包括腕机构，所述腕机构包括旋转支承元件，其中，所述基座元件在所述机器人的所述基座的周围，且所述第一目标设置为在所述旋转支承元件周围的臂目标，且所述光学器件安装在所述机器人臂上或附近，以使得能够确定所述基座元件中的至少一些相对于所述光学器件的位置以及所述臂目标中的至少一些相对于所述光学器件的位置。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述光学器件包括激光***。

5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述基座元件为基座目标。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基座元件包括基座摄影机，且所述光学器件包括至少一个目标和用以观察所述臂目标的至少一个摄影机。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基座元件包括回复反射器。

8.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述基座元件安装在由低热膨胀性的材料制成的基座元件支承结构上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述基座元件支承结构设置成以便依靠在三个分隔开的支承元件上。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述基座元件能够容易地自所述基座元件支承结构移除，且能够容易地在所述基座元件支承结构上更换。

11.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一目标包括回复反射器。

12.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一目标安装在由低热膨胀性的材料制成的、围绕所述可动元件且安装到所述可动元件上的臂目标支承结构上。

13.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光学器件安装在臂元件上，所述腕机构的所述旋转支承元件附连到所述臂元件上。

14.一种用于确定在参照系内可动的元件的位置的方法，其中，相对于所述可动元件固定多个第一目标，且在相对于所述参照系的固定位置处提供多个基座元件，所述方法使用包括可与所述可动元件一起运动的器件的测量***，所述方法包括确定所述可动器件相对于所述基座元件中的至少一些的位置，以及确定所述第一目标中的至少一些相对于所述可动器件的所述位置所处的位置，且因此确定所述可动元件的位置。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述可动元件是机器人臂的端部。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法用于确定多个机器人臂的所述端部的位置，且其中，所述臂目标或所述基座目标或所述光学器件在不同的机器人臂之间循环地交换。