CN102015221A - 用于确定机器人坐标系与位于机器人工作范围内的本地坐标系之间的关系的方法和*** - Google Patents

用于确定机器人坐标系与位于机器人工作范围内的本地坐标系之间的关系的方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定在位于工业机器人(1)的工作范围内的本地坐标***和机器人坐标***之间的关系的方法和装置。该方法包括：将第一校准物体(10)与所述机器人成固定关系附接，确定所述第一校准物体相对于所述机器人的位置，将至少三个第二校准物体(14，15，16)定位在所述机器人的工作范围内，其中，至少其中一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少其中一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面布置成接收所述球体使得所述球体在至少一个参考位置与所述表面接触，确定出在所述本地坐标系中每个所述第二校准物体的参考位置，对于每个第二校准物体，使所述机器人运动，直到所述球体与所述校准物体的表面机械接触，读取当所述球体与所有表面机械接触时所述机器人的位置，并且基于所述第一校准物体相对于所述机器人的位置、所述第二校准物体在所述本地坐标系中的参考位置以及当所述球体与所述第二校准物体的所述表面机械接触时所述机器人的位置，计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。

Description

用于确定机器人坐标系与位于机器人工作范围内的本地坐标系之间的关系的方法和***
技术领域
本发明涉及用于确定位于工业机器人工作范围内的本地坐标系与机器人坐标系之间的关系的方法和装置。例如，本发明适于确定在工件坐标系或夹具坐标系与机器人坐标系之间的关系。
背景技术
在机器人安装和机器人室的试运转方面存在的基本问题是标识出机器人相对于将由该机器人加工的工件的关系。机器人意于在工件上进行加工，并且工件位于机器人的工作范围内。在机器人保持将要加工的工件并且工具位于机器人的工作范围内的情况下，也存在同样的问题。在该情况下，必须标识出工具和机器人之间的关系。
工件标识的原因在于要限定出工件中的本地坐标系，这可以用于对机器人进行编程以在工件上进行加工。这种方法的两个主要优点在于：编程将在工件的坐标系中完成，这将让编程人员更好理解。另一种方法是将在机器人底座坐标系中对机器人进行编程。
但是，这对于编程人员来说将不那么容易理解。如果编程在工件坐标系中完成，则如果机器人和工件之间的关系由于某种原因(例如设备移动)而改变的话，编程也将容易重新使用。重新使用将仅仅包括对机器人坐标系和工件坐标系之间的关系进行新的标识。另外，离线生成的程序的使用将以容易且精确的方式受到支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定位于机器人工作范围内的本地坐标系与机器人坐标系之间的关系的方法，该方法简单、快捷并且精确。
该目的是由如权利要求1所限定的方法来实现。
这种方法包括：将第一校准物体与所述机器人成固定关系附接，确定所述第一校准物体相对于所述机器人的位置，将至少三个第二校准物体定位在所述机器人的工作范围内，其中至少一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面布置成用以接收所述球体使得所述球体在至少一个参考位置与所述表面接触，确定出在所述本地坐标系中每个所述第二校准物体的至少一个参考位置，
A)使所述机器人以顺应的方式运动，直到所述球体与所述凹形校准物体的表面机械接触；
B)读取当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置，对另一个所述校准物体重复所述步骤A-B，并且基于所述第一校准物体相对于所述机器人的位置、所述第二校准物体在所述本地坐标系中的参考位置以及当所述球体与所述第二校准物体的所述表面机械接触时所述机器人的位置，计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
本发明支持自动、快速、容易并且精确标识出用于计算所述本地坐标系的位置。该方法适于由机器人自身自动地执行。可以将该机器人编程为将所述第一校准物体移动到所述第二校准物体，并且进一步移动直到所述球体与所述表面机械接触，并且相应地球***于参考位置。
该机器人设有自搜索能力，例如采用力控制或柔性伺服***，这使机器人以顺应的方式运动直到所述球体与所述凹形校准物体的所述表面接触。在具有能够方便快捷使用的自动标识功能时，就能够反复标识出在工件和机器人之间的关系，从而寻找出由于温度改变而造成的长期变化以及偏差。根据本发明的该方法对于初始标识关系以及对长期变化和温度漂移保持跟踪和补偿是有用的。
根据本发明，至少一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面布置成用以接收所述球体使得所述球体在至少一个参考位置与所述表面接触。当所述凸形校准物体与凹形校准物体组合在一起时，它们将以至少两个自由度给出球体关于表面的精确且可重复的位置。校准物体的参考位置限定为当球体与所述凹形校准物体的表面接触时所述球体的位置。在凹形校准物体只具有两个表面的情况中，存在沿着直线设置的多个参考位置。在该情况中，应该测量至少两个参考位置以便确定一条线。在校准物体具有三个非平行倾斜表面的情况中，只存在一个参考位置，并且可以以三个自由度确定球体关于所述凹形校准物体的表面的位置。在该情况下，测量出仅有的一个参考位置就足够了。
因为这些表面是倾斜的，因此减少了所述球体与所述表面接触的可能位置的数量。有利的是，表面的倾斜角在20-80°的区间内，并且优选在30-60°的区间内。如果倾斜角太陡，则测量变得不确定，并且如果倾斜角太平，则难以找到球体与表面接触的位置。
通过确定在本地坐标系中的参考位置以及在机器人坐标系中的参考位置，能够容易确定出机器人坐标系和本地坐标系之间的关系。
第一校准物体例如附接在机器人上或附接在由机器人承载的工具上。
根据本发明的实施方式，至少一个所述校准物体包括三个非平行倾斜表面，所述三个非平行倾斜表面布置成用以接收所述球体，使得所述球体在所述参考位置与所有三个表面接触。在所述球体与三个倾斜表面组合时，只存在一个球体与所有三个表面接触的位置，并且限定了球体相对于这些表面的唯一精确位置。球体被允许在所有维度上自由转动，并且影响位置信息精确度的唯一因素是球体的精确度。该实施方式提供了所述凸形校准物体相对于所述凹形校准物体的精确且可重复的位置。
根据本发明的实施方式，所述球体附接在所述机器人上，其他所述校准物体成形为具有两个倾斜表面的沟槽，并且至少三个沟槽位于所述机器人的工作区域内，从而所述三个沟槽的纵向方向是不平行的，并且所述方法包括使所述机器人以顺应的方式运动直到所述球体已经与在所有三个沟槽上的两个表面机械接触、并且对于所有三个沟槽的所述机器人的位置已经被存储，以及基于当所述球体与所述沟槽的表面机械接触时所述机器人的位置计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
根据本发明的实施方式，所述机器人通过力控制自动运动。力控制使机器人能够自动查找球体与表面接触的位置，并且能够自动地找到参考位置。力控制指的是，在至少两个方向上测量出在第一校准物体和机器人之间的力或扭矩，并且根据所测量出的力或扭矩来进行机器人的运动。在校准物体设有三个倾斜表面的情况下在至少三个自由度上测量出力或扭矩。当在三个方向上存在力或扭矩时该球体处于参考位置。力控制为主动并且灵敏的控制。
根据本发明的实施方式，通过柔性伺服***来使机器人自动地运动。柔性伺服***是没有位置回路的机器人控制。柔性伺服***使得机器人能够自动地查找球体与表面接触的位置，并且因此能够自动地找到参考位置。
本发明的另一个目的在于提供用于确定位于机器人的工作范围内的本地坐标系和机器人坐标系之间的关系的***。
该目的是通过在权利要求7中所限定的***来实现的。
这种***包括：将与所述机器人成固定关系附接的第一校准物体，将安置在所述机器人的工作范围内的三个第二校准物体，其中至少一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面布置成用以接收所述球体使得所述球体在参考位置与所述表面接触，以及用于使所述机器人以顺应的方式运动、直到所述球体与所述凹形校准物体的表面机械接触的装置，以及计算单元，所述计算单元构造成用来接收和存储当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置，以及基于所述第一校准物体与所述机器人之间的已知关系、在所述本地坐标系中的所述参考位置以及当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
校准物体容易使用并且容易附接在机器人工具上、夹具上或者工件上。
例如，校准物体成形为立方体的截头形内角。该形状容易制造，因为机械公差不严格。与制造无关，将只有一个参考位置。
根据本发明的方法和***例如适于确定用于保持将由机器人加工的工件的夹具的坐标系和机器人坐标系之间的关系。
附图说明
下面将通过本发明优选实施方式的说明并且参照附图对本发明进行更加详细的说明。
图1示出根据本发明实施方式用于确定本地坐标系和机器人坐标系之间的关系的***。
图2a示出凹形校准物体的示例。
图2b示出由在图2a中所示的凹形校准物体接收的、球体形式的凸形校准物体和处于参考位置的球体。
图2c示出穿过在图2b中所示的球体和凹形校准物体的截面A-A。
图3示出在校准过程中将球体在凹形校准物体之间移动的机器人。
图4示出凹形校准物体的另一个示例。
图5为流程图，示出根据本发明的方法的示例。
具体实施方式
图1示出根据本发明实施方式用于确定本地坐标系Xl、Yl、Zl和机器人坐标系Xr、Yr、、Zr之间的关系的***。在该示例中，机器人坐标系位于机器人的底座中，并且被表示为机器人的底座坐标系。在该示例中，本地坐标系为工件坐标系，并且与将由机器人加工并且由夹具3固定保持的工件2相关。
机器人1设有机器人控制器5，该机器人控制器5包括至少一个处理器、存储器和通信装置。在该示例中，机器人控制器5用来执行根据本发明的方法中的大部分步骤。机器人1包括用于附接工具8的工具法兰7。在校准过程中，以包括球体10的凸形校准物体形式的第一校准物体10固定附接在工具8上，并且因此固定附接在机器人上。采用轴或其他结构将球体10附接在机器人工具8上。在可替代的实施方式中，第一校准物体10可以附接在工具法兰7上。球体10的工具中心点(TCP)必须在机器人坐标系中是已知的。球体的TCP例如可以通过一次测量标识用于固定安装或者在每次要进行校准时采用在机器人控制器中的内置方法标识用于柔性安装。
在该实施方式中，用于测量在三个正交方向上的力的力传感器12设在工具法兰7和工具8之间，并且因此设在校准物体10和机器人1之间。机器人编程为通过力控制而运动。这意味着机器人的运动取决于来自力传感器12的测量信号。
该***还包括安置在机器人工作范围内的三个第二校准物体14、15、16，在该情况下安置在保持工件2的夹具3上。第二校准物体14-16中的每一个为包括三个非平行倾斜表面的凹形校准物体，所述三个非平行倾斜表面布置成接收球体10，使得在球体相对于第二校准物体处于唯一限定的位置时该球体同时与所有三个表面接触。在下面，球体同时与所有三个表面接触所在的位置表示为参考位置。
在图2a-2c中更详细示出凹形校准物体14。凹形校准物体包括三个非平行倾斜表面20、21、22。这些表面相对于管的纵向轴线的倾斜角优选在30-60°的区间内。例如，第二校准物体的上端的形状具有立方体的截头形内角的形式。凹形校准物体的一个上端形成为具有用于接收球体的开口的管，而另一个下端设计成用于将校准物体安置在夹具3上。管沿着离开开口的方向逐渐变薄。校准物体的上端具有主要为三角形的截面。管子具有三个沿着管子的纵向轴线朝着彼此倾斜的内表面20、21、22。仅在沿着管子的纵向轴线的一个位置处，此处的截面才是这些表面之间的距离对应于球体10的截面。因此，球体仅在一个唯一位置处准确地配合在管子中，在该位置球体与所有三个表面20-22接触。参考位置限定为在球体与所有三个表面接触时球体的中心点25。图2c示出在球***于参考位置时的球体和表面。
三个第二校准物体14、15、16优选位于本地坐标系中，以便形成三角形的角部，并且优选代表坐标转换的唯一解。机器人控制器5构造成接收和存储在球体10与第二校准物体14、15、16的所有三个表面20、21、22机械接触时机器人的位置，并且包括软件，该软件用于基于在球体与校准物体的表面接触时的机器人位置计算出本地坐标系和机器人坐标系之间的关系。
例如，第二校准物体14、15、16可以包括在夹具中作为设备的一部分。球体的位置需要在制造夹具时标识出；一次测量。第二校准物体的参考位置在本地坐标系中测量出并且存储。参考位置限定为在球***于第二校准物体中时球体的中心点。用于第二校准物体的参考位置提前并且相对于本地坐标系确定。
该方法在寻找球体在第二校准物体中的准确位置方面必须是自动的并且精确的。对于标准机器人定位而言，这将是非常困难的。为了实现球体的自动定位，需要对机器人进行柔性并且顺应的控制。为了实现对机器人的这种柔性并且顺应的控制，可采用包括力/力矩传感器的力控制，如图1所示一样。如果在机器人设备中没有包括力控制，则可使用顺应伺服***，以便使得机器人运动成与校准物体机械接触，但是仍然能够顺应以找到球体的精确位置。一旦球体处于在校准物体中的正确位置中，位置数据就能够在机器人控制器5内读取，并且该位置数据可与参考值一起用来计算机器人坐标系和本地坐标系之间的关系。
图3示出在校准过程中机器人将球体10在凹形校准物体14-16之间移动。在球体处于凹形校准物体的参考位置中时，读取并且存储机器人的位置。凹形校准物体的参考位置Pos 1、Pos 2和Pos 3在本地坐标系中基于夹具的初始测量值确定出。通过使用在夹具上的其中一个第二校准物体能够容易地自动或半自动标识出球体10在机器人坐标系中的坐标。机器人例如通过柔性伺服***运动到不同的取向上以便找到精确位置。通过机器人软件中的内置算法计算出TCP。当球体的TCP已知时，容易基于测量出的机器人位置确定出在机器人坐标系中夹具上的参考位置Pos 1、2和3。在机器人坐标系中参考点的位置可以与在本地坐标系中确定出的参考位置的预定位置一起使用，以标识出机器人坐标系和本地坐标系之间的关系。
图4示出本发明的可替代实施方式。在该实施方式中，三个第二校准物体30、31、32在机器人工作范围内靠近工作物体设置。每个校准物体包括具有两个非平行倾斜表面33、34的沟槽。在该情况中，将单个定位位置信息减少至线位置信息，并且需要按照不同方式组合以生成有用的数据。一种可能的解决方案是基于每个沟槽的两个表面确定出一条线。测量在每个沟槽上的至少两个参考位置，并且计算出在这些位置之间的线。在这些表面之间的线可以用来标识工件的显著部分，并且可以容易地用来标识工件的正确坐标系。基于这两个表面的线通过球体10的两个位置测量值确定出。本地坐标系和机器人坐标系之间的关系基于所确定的线确定出。
图5示出根据本发明实施方式的流程图。将理解，流程图的每个方框可以通过计算机程序指令实现。
在下面的示例中，由机器人承载的第一校准物体为球体，并且位于机器人的工作范围内的三个第二校准物体为在图2a-c中所示包括三个非平行倾斜表面的类型。首先，必须确定出球体相对于机器人的位置。这意味着，相对于工具坐标系确定出球体的工具中心点(TCP)。工具坐标系相对于机器人的底座坐标系是已知的。当已经确定出球体的工具中心点时，球体的TCP在机器人的底座坐标系中是已知的，方框40。通过任意已知的方法例如前面参照图3所述的方法确定出工具中心点。在校准开始之前，必须在本地坐标系中确定出所有三个校准物体的参考位置，方框42。所述位置例如使用高精度测量装置(如激光***、触摸探针或CMM)在本地坐标系中标识出。测量装置将标识出在本地坐标系中球体的中心，该球体的直径与由凹形校准物体接收的球体10的直径完全相同。优选地，提前(即在实际校准开始之前)确定出球体相对于机器人的位置和参考位置。球体和机器人之间的关系和所测量出的参考位置存储在机器人控制器中。
当实际校准开始时，使机器人运动到靠近其中一个凹形校准物体的位置，方框44。之后，使机器人运动，使得球体与凹形校准物体的所有校准表面接触，方框46。这例如可以如下实现：首先使机器人运动，使得球体与其中一个表面接触，然后使机器人在不松开与第一表面的接触的情况下沿着该表面运动直到该球体与下一个接触。之后，使机器人在不松开与所述表面的接触的情况下沿着两个表面运动，直到该球体与第三个表面接触。当球体与凹形校准物体的所有三个表面接触时，机器人运动停止并且当前的机器人位置存储在机器人控制器中，方框50。机器人位置为机器人的轴线的位置。对其他两个凹形校准物体重复在方框46、48和50中所述的方法步骤。当球体与校准物体的所有三个表面接触时，该球体处于参考位置，并且该机器人的位置被读取并且存储。当已经读取并存储所有三个参考位置的机器人位置时，机器人控制器计算机器人坐标系和本地坐标系之间的关系，方框56。首先，基于所测量出的机器人位置和球体相对于机器人的位置在机器人坐标系中确定出参考位置。之后，通过普通坐标转换基于在机器人坐标系中确定出的参考位置和在本地坐标系中确定出的参考位置计算出这些坐标系之间的关系。
在该示例中，机器人坐标系为机器人的底座坐标系，并且本地坐标系为工件坐标系。机器人坐标系和本地坐标系之间的关系可以用来对机器人进行编程，以便在工件上进行加工。
本发明不限于所公开的实施方式，而是可以在下面权利要求的范围内改变和变化。例如，第二校准物体可以包括在工件中。这将提供可能以标识出这些工件中的每一个，由此减少了对高精度夹具的需求。在可替代的实施方式中，能够在机器人工作范围内具有三个以上的第二校准物体。在可替代实施方式中，包括至少两个倾斜表面的凹形校准物体相对于机器人成固定关系附接，并且成形为球体的多个凸形校准物体安置在机器人的工作范围内。可以在外部计算机中进行该关系的计算。

Claims (15)

1.一种确定在位于工业机器人(1)的工作范围内的本地坐标系与机器人坐标系之间的关系的方法，其中所述方法包括：
将第一校准物体(10)与所述机器人成固定关系附接，
确定所述第一校准物体相对于所述机器人的位置，
将至少三个第二校准物体(14，15，16；30，31，32)定位在所述机器人的工作范围内，其中，至少其中一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少其中一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面(20，21，22；33，34)的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面(20，21，22；33，34)布置成接收所述球体使得所述球体在至少一个参考位置与所述表面接触，
确定出在所述本地坐标系中每个所述第二校准物体的至少一个参考位置，
A)使所述机器人以顺应方式运动，直到所述球体与所述凹形校准物体的表面机械接触；
B)读取当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置，
对另外的所述校准物体重复所述步骤A-B，并且
基于所述第一校准物体相对于所述机器人的位置、所述第二校准物体在所述本地坐标系中的参考位置以及当所述球体与所述第二校准物体的所述表面机械接触时所述机器人的位置，计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述表面的倾斜角在20-80°区间内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，至少其中一个所述校准物体(14，15，16)包括三个非平行倾斜表面，所述三个非平行倾斜表面布置成接收所述球体(10)使得所述球体在所述参考位置与所有三个表面接触。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述球体(10)附接在所述机器人(1)上，另外的所述校准物体(30，31，32)成形为具有两个倾斜表面(33，34)的沟槽，并且至少三个沟槽位于所述机器人的工作区域内，使得所述至少三个沟槽的纵向方向是不平行的，并且所述方法包括：
使所述机器人以顺应方式运动，直到所述球体已经与在所有三个沟槽上的两个表面机械接触、并且对于所有三个沟槽的所述机器人的位置已经被存储，以及
基于当所述球体与所述沟槽的表面机械接触时所述机器人的位置计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
5.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机器人通过力控制而自动运动。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述机器人通过柔性伺服***而自动运动。
7.一种用于确定位于工业机器人(1)的工作范围内的本地坐标系与机器人坐标系之间的关系的***，其中，所述***包括：
将与所述机器人成固定关系附接的第一校准物体(10)，
将安置在所述机器人的工作范围内的三个第二校准物体(14，15，16；30，31，32)，其中，至少其中一个所述校准物体为具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体，并且至少其中一个所述校准物体为包括至少两个非平行倾斜表面(20，21，22；33，34)的凹形校准物体，所述至少两个非平行倾斜表面(20，21，22；33，34)布置成接收所述球体使得所述球体在参考位置与所述表面接触，以及
用于使所述机器人以顺应方式运动直到所述球体与所述凹形校准物体的表面机械接触的装置(12)，以及
计算单元(5)，所述计算单元(5)构造成接收和存储当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置，以及基于所述第一校准物体与所述机器人之间的已知关系、在所述本地坐标系中的所述参考位置以及当所述球体与所述表面机械接触时所述机器人的位置计算出所述本地坐标系与所述机器人坐标系之间的关系。
8.如权利要求7所述的***，其中，所述表面的倾斜角在20-80°区间内。
9.如权利要求7或8所述的***，其中，至少其中一个所述校准物体(14，15，16)包括三个非平行倾斜表面(20，21，22)，所述三个非平行倾斜表面布置成接收所述球体使得所述球体在所述参考位置与所有三个表面接触。
10.如权利要求9所述的***，其中，所述校准物体成形为立方体的截头形内角。
11.如权利要求7或8所述的***，其中，所述球体附接在所述机器人上，另外的所述校准物体成形为具有两个倾斜表面的沟槽，并且至少三个沟槽位于所述机器人的工作区域内，使得所述至少三个沟槽的纵向方向是不平行的。
12.如权利要求7-11中任一项所述的***，其中，所述用于使所述机器人自动运动的装置包括力传感器(12)和控制单元(5)，所述力传感器(12)适于测量在至少两个方向上的力，该力传感器位于所述第一校准物体(10)与所述机器人(1)之间，并且所述控制单元(5)构造成根据来自所述力传感器的力测量值使所述机器人运动。
13.如权利要求7-11中任一项所述的***，其中，所述用于使所述机器人自动运动的装置包括柔性伺服***。
14.如权利要求7-13中任一项所述的***，其中，所述第二校准物体(14，15，16；30，31，32)位于将由所述机器人加工的工件(2)上、或者位于保持所述工件的夹具(3)上。
15.如权利要求1-6所述的方法和如权利要求7-13所述的***在确定机器人坐标系与用于保持将由所述机器人加工的工件的夹具的坐标系之间的关系中的应用。
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