CN109789548A - 用于工件校准的方法和使用该方法的机器人*** - Google Patents

用于工件校准的方法和使用该方法的机器人*** Download PDF

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Abstract

本公开提供了用于校准工件(WP)的方法和使用该方法的机器人***(1)，工件以预定方式被安装到工作对象(10)。工作对象(10)具有第一表面(S1)、第二表面(S2)和第三表面(S3)，以及其中工作对象(10)参考系(Fw)由位于第一表面(S1)、第二表面(S2)和第三表面(S3)的交叉处的第一坐标线(Xw)、第二坐标线(Yw)和第三坐标线(Zw)限定，第一表面(S1)、第二表面(S2)和第三表面(S3)会合于一点(Ow)。该方法包括：触摸在工作对象(10)的第一表面(S1)上的、由机器人触摸式探头(12)所定位的第一数目的位置(S1a、S1b、S1c、S1d)，以测量第一数目的位置在机器人参考系(Fr)中的第一表面(S1)上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第一坐标；触摸在工作对象(10)的第二表面(S2)上的、由机器人触摸式探头(12)所定位的第二数目的位置(S2a、S2b、S2c)，以测量第二数目的位置在机器人参考系(Fr)中的第二表面(S2)上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第二坐标；触摸在工作对象(10)的第三表面(S3)上的、由机器人触摸式探头(12)所定位的第三数目的位置(S3a、S3b、S3c)，以测量第三数目的位置在机器人参考系(Fr)中的第三表面(S3)上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第三坐标；基于用于所测得位置的所测得的第一、第二和第三坐标，从机器人参考系(Fr)计算工作对象(10)参考系(Fw)的定向和原点，其中工作对象(10)被定位在机器人单元中。可以提供所有必要的数据来确定实际工作对象(10)参考系(Fw)相对于机器人参考系(Fr)的定向和原点。该方法也使机器人能够在工作对象(10)上的位置处准确地执行机器操作。

Description

用于工件校准的方法和使用该方法的机器人***
技术领域
本发明涉及对机器人的控制，更加具体地，涉及通过触摸装置对机器人的控制。
背景技术
机器人是一种可重新编程的多功能操纵器，其被设计用于通过可变的、编程的运动来移动工具或专业装置，以执行多种任务，诸如对工件进行加工。机器人具有机器人控制器和操纵器，该操纵器具有在机器人控制器的控制下的多个运动轴。在机器人与工件之间维持可标识的关系是必要的。在机器人与工件之间存在相对移动从而导致工件相对于机器人占用了一个新位置的情况下尤其如此。因此，需要实施一种方案，通过该方案，每当将工件相对于机器人置于一个新位置时，可容易地标识到在机器人与工件之间的位置关系。
专利EP 2,828,283 A1公开了一种用于相对于机器人装置校准机器人的方法，该方法涉及：以加法的形式将人工移动存储到标称模型，并且加法包括对标称坐标的校正。该方法涉及在标称模型中对机器人装置进行建模，并且具有对工作对象和参数集的描述，该参数集描述了机器人中的物理关系。期望的位置被定义为模型中的坐标。该坐标被转换成机器人坐标。机器人***作以到达由机器人坐标限定的一系列机器人位置。机器人从机器人位置被人工移到对应的期望位置。该人工移动被以加法的形式存储到标称模型，并且加法包括对标称坐标的校正。
根据该专利的方案的缺点在于需要高度的操作者交互，这种操作者交互会非常耗时且是不准确的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于校准工件的方法，该工件以预定方式被安装到机器人***中的工作对象，其中工作对象具有第一表面、第二表面和第三表面，以及其中工作对象参考系由位于第一表面、第二表面和第三表面的交叉处的第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线限定，第一表面、第二表面和第三表面会合于一点，该方法包括：触摸在工作对象的第一表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第一数目的位置，以测量第一数目的位置在机器人参考系中的第一表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第一坐标；触摸在工作对象的第二表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第二数目的位置，以测量第二数目的位置在机器人参考系中的第二表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第二坐标；触摸在工作对象的第三表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第三数目的位置，以测量第三数目的位置在机器人参考系中的第三表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第三坐标；基于用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标，从机器人参考系计算工作对象参考系的定向和原点，其中工作对象被定位在机器人单元中。
根据本发明的另一方面，提供了一种机器人***，包括：工作对象，具有第一表面、第二表面和第三表面，其中工作对象参考系由位于第一表面、第二表面和第三表面的交叉处的第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线限定，第一表面、第二表面和第三表面会合于一点，并且工作对象被配置为具有以预定方式被安装到工作对象的工件；操纵器，保持触摸式探头；以及机器人控制器，具有运动控制模块、计算模块和存储器模块；其中：其中运动控制模块适于控制操纵器：触摸在工作对象的第一表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第一数目的位置，以测量第一数目的位置在机器人参考系中的第一表面上的实际位置，触摸在工作对象的第二表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第二数目的位置，以测量第二数目的位置在机器人参考系中的第二表面上的实际位置，并且触摸在工作对象的第三表面上的、由机器人触摸式探头所定位的第三数目的位置，以测量第三数目的位置在机器人参考系中的第三表面上的实际位置；存储器模块适于存储用于所测得位置的所测得的第一坐标，存储用于所测得位置的所测得的第二坐标，并且存储用于所测得位置的所测得的第三坐标；以及计算模块适于基于用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标，从机器人参考系计算工作对象参考系的定向和原点，其中工作对象被定位在机器人单元中。
根据本发明的技术方案可以提供所有必要的数据来确定实际工作对象参考系相对于机器人参考系的定向和原点。这使机器人能够在工作对象上的位置处准确地执行机器操作。
优选地，基于第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的定向，确定工作对象参考系相对于机器人参考系的定向，第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的定向通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算；基于针对第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的会合点在机器人参考系中的坐标，确定在工作对象参考系与机器人参考系之间的原点，该会合点通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算。
优选地，将夹具参考系的第二和第三坐标线的定向调节成正交于夹具参考系的第一坐标线在机器人参考系中的定向。
优选地，第一表面、第二表面和第三表面被设置成彼此基本上垂直。
过程的目标是在实现最高准确度的同时执行最少数目的步骤。为了从二乘拟合得到明确的结果，第一数目等于或大于三；第二数目等于或大于三；并且第三数目等于或大于三。本发明提供了对工作对象相对于机器人的定向和位置的快速且准确的确定。所限定的点无需精确地定位在夹具上，这有利于整个过程。
附图说明
下文将参照优选示例性实施例更详细地阐释本发明的主题，附图中图示了这些优选示例性实施例，在图中：
图1图示了根据本发明的实施例的机器人***；以及
图2图示了不具有可触摸几何特征的形状下的工件以及工作对象。
在附图标记列表中以概述的形式列举了在图中所使用的附图标记及其含义。原则上，在图中，为相同的部分提供有相同的附图标记。
具体实施方式
在以下描述中，出于阐释和非限制性的目的，阐述了具体的细节，诸如特定的电路、电路组件、接口、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域的技术人员而言清楚的是，可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。在其他实例中，省略了公知的方法和编程过程、装置和电路的详细描述，以使不必要的细节不会模糊对本发明的描述。
图1图示了根据本发明的实施例的机器人***。如图1所示，机器人***1包括工作对象10、操纵器11、触摸式探头12和机器人控制器13。
例如，工作对象10可以被成形为类似块状、立方体和长方体，工作对象10具有第一表面S1、第二表面S2和第三表面S1。工作对象参考系Fw由位于第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3的交叉处的第一坐标线Xw、第二坐标线Yw和第三坐标线Zw所限定，该第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3会合于点Ow。下面描述块状形状的工作对象10作为示例，其中第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3是三个正交的平面。
操纵器11可以由机器人控制器13所控制，机器人控制器13保持触摸式探头12的或终止于触摸式探头12。探头12(其可以是线性触摸传感器)可操作，以便每当其指针120与对象相接触(即，发生位移)时向机器人控制器13提供信号。
控制机器人***1的功能的机器人控制器13可以具有运动控制模块130、计算模块131和存储器模块132。机器人控制器13设置有数据链路14，用于接收命令，以控制操纵器11的位置以及被附接到操纵器11的工具和传感器的位置。计算机16向操作者提供界面，用于编辑被存储在机器人控制器13的存储器模块132中的数据。
例如，在工作对象10从操纵器的工作范围内的机器人单元中的第一位置L1被转移到第二位置L2的情况下，由于工作对象10相对于机器人参考系Fr的位置已经被改变，所以需要更新在机器人与工作对象之间的位置关系，以便执行多种任务，诸如对工件进行加工。实际上，可能会要求更高的准确度和操作效率。因此，确定工作对象相对于机器人的实际位置和定向是至关重要的。通常，这是通过在机器人参考系的坐标中标识工作对象参考系来实现的。
为了在机器人参考系的坐标中标识在第二位置L2处的工作对象参考系，响应于来自计算机16的命令，机器人控制器13的运动控制模块130可以控制操纵器11，使得触摸式探头12在第一数目的位置S1a、S1b、S1c、S1d处触摸工作对象10的第一表面S1，该第一数目的位置S1a、S1b、S1c、S1d的实际位置由触摸式探头12测量，并且因此，在机器人参考系Fr中所测得的第一坐标被提供给机器人控制器13，并且被存储在其存储器模块132中。响应于来自计算机16的命令，机器人控制器13的运动控制模块130可以控制操纵器11，使得触摸式探头12在第二数目的位置S2a、S2b、S2c处触摸工作对象10的第二表面S2，该第二数目的位置S2a、S2b、S2c的实际位置由触摸式探头12测量，并且因此，在机器人参考系Fr中所测得的第二坐标被提供给机器人控制器13，并且被存储在其存储器模块132中。如果工作对象的表面上的触摸位置中的至少三个触摸位置不是共线的，则该触摸位置可以被随机选择。另外，响应于来自计算机16的命令，机器人控制器13的运动控制模块130可以控制操纵器11，使得触摸式探头12在第三数目的位置S3a、S3b、S3c处触摸工作对象10的第三表面S3，该第三数目的位置S3a、S3b、S3c的实际位置由触摸式探头12测量，并且因此，在机器人参考系Fr中所测得的第三坐标被提供给机器人控制器13，并且被存储在其存储器模块132中。在实际操作中，可以以显见的增量来快速地移动触摸式探头12，以与工作对象表面接触，并且然后以高分辨率的增量(当触摸式探头13与工作对象表面失去接触时进行的位置测量)回退，因此，是“触发”概念。
通过使用针对第一数目的位置S1a、S1b、S1c、S1d(例如，四个位置)、第二数目的位置S2a、S2b、S2c(例如，三个位置)和第三数目的位置S3a、S3b、S3c(例如，三个位置)的所测得坐标，可以经由数学算法，例如，方程式(1)和(2)，来对工作对象13的第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3、第二表面S2和第三表面S3进行建模，并且因此可以计算出工作对象参考系Fw的原点Of在机器人参考系Fr中的坐标。
其中，在代数的3D中，(X,Y,Z)指示工作对象参考系的原点在机器人参考系中的坐标，as1、bs1和cs1是用于描述第一表面S1的三个因素，并且as2、bs2和cs2是用于描述第二表面S2的三个因素，as3、bs3和cs3是用于描述第三表面S3的三个因素。
用于求解asi、bsi、csi因素的3D最小二乘拟合算法是：
其中，Xn,si、Yn,si、Zn,si是在工作对象的第i个表面上第n个测得位置的测得坐标。
例如：
(X1,s1,Y1,s1,Z1,s1)指示在第一表面S1上所测得的第一位置S1a的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X2,s1,Y2,s1,Z2,s1)指示在第一表面S1上所测得的第二位置S1b的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X3,s1,Y3,s1,Z3,s1)指示在第一表面S1上所测得的第三位置S1c的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X4,s1,Y4,s1,Z4,s1)指示在第一表面S1上所测得的第四位置S1d的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X1,s2,Y1,s2,Z1,s2)指示在第二表面S2上所测得的第一位置S2a的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X2,s2,Y2,s2,Z2,s2)指示在第二表面S2上所测得的第二位置S2b的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X3,s2,Y3,s2,Z3,s2)指示在第二表面S2上所测得的第三位置S2c的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X1,s3,Y1,s3,Z1,s3)指示在第三表面S3上所测得的第一位置S3a的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X2,s3,Y2,s3,Z2,s3)指示在第三表面S3上所测得的第二位置S3b的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
(X3,s3,Y3,s3,Z3,s3)指示在第三表面S3上所测得的第三位置S3c的在机器人参考系Rf中的测得坐标；
概括地说，基于第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的会合点在机器人参考系中的坐标，可以确定在工作对象参考系Fw与机器人参考系Fr之间的原点，该会合点通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算。
基于针对第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的定向，可以确定工作对象参考系Fw相对于机器人参考系Fr的定向，第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线的定向通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算。
可以通过计算结果创建三个向量。具体地，表示工作对象参考系Fw的定向的向量(as1 bs1 cs1)、(as2 bs2 cs2)、(as2 bs2 cs2)被存储在机器人控制器13的存储器模块132中。
这提供了所有必要的数据来确定实际工作对象参考系相对于机器人参考系的定向和原点。这使机器人能够在工作对象上的位置处准确地执行机器操作。
在根据本发明的实施例中，机器人***能够通过触摸工作对象的第一表面上的四个位置、工作对象的第二表面上的三个位置和工作对象的第三表面上的三个位置来确定机器人参考系的定向和原点。过程的目标是在实现最高准确度的同时执行最少数目的步骤。为了从二乘拟合得到明确的结果，第一数目等于或大于三；第二数目等于或大于三；并且第三数目等于或大于三。本发明提供了对工作对象相对于机器人的定向和位置的快速且准确的确定。所限定的点无需精确地定位在夹具上，这有利于整个过程。
可以将夹具参考系的第二坐标线和第三坐标线的定向调节成正交于夹具参考系的第一坐标线在机器人参考系中的定向。该过程在Jingguo Ge和Hao Gu发表于2014年在柏林的会议ISR ROBOTIK(第389页)上的“An automatic industrial robot cellcalibration method”中公开。
基于根据本发明的实施例，可以确定在机器人与工件之间的位置关系，尤其是考虑到该工件具有不带可触摸几何特征的形状，诸如具有不规则形状或凹凸不平表面的几何特征；因此，通过触摸三个点，无法依照AX+BY+CZ＝1形成该平面。图2图示了工作对象和形状为不带可触摸几何特征的工件。如图2所示，工作对象10可以被配置为具有以预定方式安装到工作对象的工件WP。例如，工件WP可以被定向且紧固到工作对象10，位于其第一表面S1上。因此，工件WP和夹具10可以被一起转移，在它们之间不存在相对移动。
与根据图1的实施例相似，操纵器11可以受机器人控制器13控制，机器人控制器13保持触摸式探头12或终止于触摸式探头12，并且工作对象参考系相对于机器人参考系的定向和原点也可以被相应地确定。
非常准确地相对于机器人来定位工作对象和关联的工件是一种得到确认的过程。因此，工作对象和工件两者的定向和位置都非常准确地处于已知的机器人坐标中。为了限定工件WP上的点在机器人参考系Fr中的坐标，离线数据15(诸如，来自CAD数据库)被提供给机器人控制器13的存储器模块132并且存储在其中，并且为工件WP上的多个点WP1、WP2、WP3指定了在工作对象参考系Fw中的坐标。考虑到工作对象参考系在机器人参考系中的定向和原点以及工件WP上的点在机器人参考系中的坐标，可以为工件上的多个点WP1、WP2、WP3确定在机器人参考系中的坐标。
在工作可能不具有合格的几何形状、并且操纵器难以通过直接触摸工件直接标识工件的实际位置的情形下，首先确定工件对象相对于机器人参考系的实际位置和定向是至关重要的。如上所述，这通常是通过在机器人参考系的坐标中标识工作对象参考系来实现的。然后，指示工件在工作对象参考系中的位置和定向的坐标转变被确定，并且随后将其应用到离线数据(在工作对象参考系中的工件坐标)，该离线数据指定位于工作对象参考系上的工件的位置和定向。
虽然已经基于一些优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应该了解这些实施例绝不应该限制本发明的范围。在不偏离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何改变和修改都应该在本领域中具有普通知识和技术的技术人员的理解范围内，并且因此落入由随附权利要求书所限定的本发明的范围中。

Claims (10)

1.一种用于校准工件的方法，所述工件以预定方式被安装到机器人***中的工作对象，其中所述工作对象具有第一表面、第二表面和第三表面，以及其中所述工作对象参考系由位于所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面的交叉处的第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线限定，所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面会合于一点，所述方法包括：
触摸在所述工作对象的所述第一表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第一数目的位置，以测量所述第一数目的位置在所述机器人参考系中的所述第一表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第一坐标；
触摸在所述工作对象的所述第二表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第二数目的位置，以测量所述第二数目的位置在所述机器人参考系中的所述第二表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第二坐标；
触摸在所述工作对象的所述第三表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第三数目的位置，以测量所述第三数目的位置在所述机器人参考系中的所述第三表面上的实际位置，并且存储用于所测得位置的所测得的第三坐标；
基于用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标，从所述机器人参考系计算所述工作对象参考系的定向和原点，其中所述工作对象被定位在所述机器人单元中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
基于所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的定向，确定所述工作对象参考系相对于所述机器人参考系的定向，所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的所述定向通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算；以及
基于针对所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的所述会合点在所述机器人参考系中的坐标，确定在所述工作对象参考系与所述机器人参考系之间的所述原点，所述会合点通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
将夹具参考系的所述第二坐标线和所述第三坐标线的定向调节成正交于所述夹具参考系的所述第一坐标线在所述机器人参考系中的定向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面被设置成彼此基本上垂直。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述第一数目等于或大于三；
所述第二数目等于或大于三；以及
所述第三数目等于或大于三。
6.一种机器人***，包括：
工作对象，具有第一表面、第二表面和第三表面，其中所述工作对象参考系由位于所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面的交叉处的第一坐标线、第二坐标线和第三坐标线限定，所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面会合于一点，并且所述工作对象被配置为具有以预定方式被安装到所述工作对象的工件；
操纵器，保持触摸式探头；以及
机器人控制器，具有运动控制模块、计算模块和存储器模块；
其中：
其中所述运动控制模块适于控制所述操纵器以：触摸在所述工作对象的所述第一表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第一数目的位置，以测量所述第一数目的位置在所述机器人参考系中的所述第一表面上的实际位置；触摸在所述工作对象的所述第二表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第二数目的位置，以测量所述第二数目的位置在所述机器人参考系中的所述第二表面上的实际位置；以及触摸在所述工作对象的所述第三表面上的、由所述机器人触摸式探头所定位的第三数目的位置，以测量所述第三数目的位置在所述机器人参考系中的所述第三表面上的实际位置；
所述存储器模块适于存储用于所测得位置的所测得的第一坐标，存储用于所测得位置的所测得的第二坐标，并且存储用于所测得位置的所测得的第三坐标；以及
所述计算模块适于基于用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标，来从所述机器人参考系计算所述工作对象参考系的定向和原点，其中所述工作对象被定位在所述机器人单元中。
7.根据权利要求6所述的机器人***，其中：
所述第一坐标变换的所述计算包括：
基于所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的定向，确定所述工作对象参考系相对于所述机器人参考系的定向，所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的所述定向通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算；以及
基于针对所述第一坐标线、所述第二坐标线和所述第三坐标线的所述会合点在所述机器人参考系中的坐标，确定在所述工作对象参考系与所述机器人参考系之间的所述原点，所述会合点通过分别向用于所测得位置的所测得的第一坐标、第二坐标和第三坐标应用二乘拟合算法而被计算。
8.根据权利要求7所述的机器人***，其中：
所述夹具参考系的所述第二坐标线和所述第三坐标线的定向能够被调节成正交于所述夹具参考系的所述第一坐标线在所述机器人参考系中的定向。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的机器人***，其中：
所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面被设置成彼此基本上垂直。
10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的机器人***，其中：
所述第一数目等于或大于三；
所述第二数目等于或大于三；以及
所述第三数目等于或大于三。
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