CN1802240A - 用于对机器人应用进行校准和编程的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对机器人应用进行编程的方法，该机器人应用包括：一个具有机器人坐标系的工业机器人，一个具有刀具坐标系的刀具以及一个由刀具加工的工件(3)。该应用通过适于相对于测量坐标系(db)测量位置的位置测量单元(15)进行编程。该编程方法包括：在工件上选择一个工件参照结构(25)，定义工件参照结构的数学模型，定义一个工件坐标系(o2)，由位置测量单元在工件参照结构的表面上进行测量，通过该测量值和工件参照结构的数学模型之间的最优拟合，定义相对于测量坐标系(db)的工件坐标系。

Description

用于对机器人应用进行校准和编程的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对具有机器人坐标系的工业机器人进行编程的方法，尤其涉及到一种通过适于相对于测量坐标系测量位置的位置测量单元进行编程的应用。本发明用于包括一个具有刀具坐标系的刀具以及一个由刀具加工的工件的应用。本发明尤其用于需要高精度的应用——例如修补、去毛边(debarrng)、铣、锯、磨和钻等各种加工应用。该应用在例如电弧焊、水喷射切割、激光切割、胶合和组装应用中是有用的。

背景技术

机器人程序包括许多控制机器人运动的程序指令。机器人程序的产生包括在程序执行过程中定义由机器人遵循的路径的位置和方向的第一步骤，以及基于路径的定义位置和方向生成程序指令的下一步骤。在编程过程中定义的位置和方向包括运行机器人程序时希望刀具获得的相对于工件的位置和方向。

机器人应用是使用工业机器人完成工作的一种应用。机器人经常用于包括加工工件表面的应用中。现有为机器人编程的方法包括在线教导机器人一系列位置和方向。位置和方向定义了机器人在加工工件时应遵循的机器人路径。通过在编程过程中沿着期望路径引导刀具通过多个位置和方向教导机器人如何完成一个任务。然后基于特定位置生成机器人程序。然而，通过教导对机器人编程是费时的，特别是如果工件具有复杂的几何形状时。

应用的精度主要受到机器人结构的可重复性以及能够将刀具移动和转动到期望的位置和方向的精度限制。在如机加工、激光切割、激光焊接等许多高精度应用中，机器人的可重复性足够好但肉眼难以找到刀具的正确位置和方向。而且，即使有很长编程经验的机器人编程者要想达到需要的精度，也需花费大量的时间。长的编程时间的问题也使得在单元中几何形状改变后或者机器人更换后将程序复制到另一机器人上以及对机器人单元重新编程非常昂贵。

高级计算机编程语言以及CAD/CAM的应用已经使得为更加复杂的应用进行离线机器人编程更可行。为了使得离线编程可行，需要准确知道单元的几何形状以及机器人。工件坐标系以及刀具坐标系相对于机器人基座坐标系必须以高精度知悉。因此，对于使用机器人离线编程，单元、工件、刀具以及机器人的校准一直是关键问题。

通用机器人的精度是在5到15mm之间，通过机器人控制器中的软件对机器人运动误差的识别以及对这些误差的补偿可将机器人精度提高到0.5到1mm之间。然而，这种机器人校准技术价格昂贵并且很难用在机器人单元中，并且工件和刀具坐标***仍必须校准。而且，这种运动误差补偿方法对于高精度应用不够好。

发明内容

本发明的目的是提出一种快速、容易的编程方法，该方法提供了机器人应用中的高精度。

该目的通过一种方法实现，该方法包括：选择工件上的或相对于工件固定的工件参照结构，工件参照结构具有至少一个表面，定义用于工件参照结构的数学模型，定义相对于工件参照结构固定的工件坐标系，在工件参照结构的所述至少一个表面上进行测量，该测量由位置测量单元完成并且相对于测量坐标系提供，借助于由位置测量单元完成的所述测量值与工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合确定相对于测量坐标系的工件坐标系，借助于位置测量单元测量工件上的一个期望机器人路径上的多个位置，根据机器人路径的所述测量位置以及所确定的工件坐标系，确定机器人路径在工件坐标系中的位置，确定工件坐标系与机器人坐标系之间的关系，确定刀具坐标系与机器人坐标系之间的关系，以及根据在工件坐标系中的机器人路径的所述位置、工件坐标系与机器人坐标系之间的所述关系以及刀具坐标系与机器人坐标系之间的所述关系而对机器人路径进行编程。对机器人路径编程意味着生成用于移动机器人的程序指令，从而当运行机器人程序时刀具获得相对于工件的位置和方向。机器人坐标系可以是相对于机器人定义的任一坐标系。通常，置于机器人基座上的机器人坐标系用作机器人的参照坐标系。因此，所述基座坐标系优选地用作机器人坐标系。

根据本发明的方法是一种借助于例如数字化仪的位置测量单元对机器人进行离线编程的方法。数字化仪用于相对于工件坐标系确定工件上的机器人路径的位置和方向。机器人的离线编程比在线编程更快和更容易。用数字化仪进行离线编程的问题在于由数字化仪教导的刀具的位置和方向和在机器人上运行的刀具的位置和方向之间可能存在偏差。

为了克服这个问题，根据本发明的编程方法包括利用位置测量单元在工件参照结构上完成测量的校准步骤，该工件参照结构具有相对于工件参照结构固定工件坐标系。如果工件具有良好形成的表面，参照结构可在工件上选定，否则就在工件上安装具有良好形成的表面的参照结构。

根据本发明的方法结合了离线编程的优点和引导编程(lead throughprogramming)的精度。而且该方法解决了人操纵刀具的有限精度的问题，并且由于在编程和校准过程中机器人不需要工作，使得编程彻底安全了。为了使这成为可能，位置测量单元以如下方式既用于编程又用于校准：机器人精度不取决于单元总体的运动和几何形状误差，而只是取决于差分的运动和几何形状误差。原则上，对于校准和编程使用位置差而不是绝对位置。

根据本发明的一个实施例，所述工件参照结构是三维的，并且具有至少三个非平行表面，而在工件参照结构的所述至少三个表面上进行测量。通过三维参照结构，可以使用数字化仪校准相对于工件坐标系的编程路径姿态(运行机器人程序时希望刀具获得的位置和方向)，然后使用以工件坐标系表示的编程路径姿态为机器人编程。

根据本发明的一个实施例，所述工件参照结构是板、立方体、圆锥体或圆柱体中的任一个。这样的结构易于制造并且容易在其上测量。

根据本发明的一个实施例，所述选择的工件参照结构位于所述机器人路径的附近。因此，改善了校准并且实现了较高精度的编程。

根据本发明的一个实施例，工件坐标系与机器人坐标系之间的关系包括在工件参照结构的至少一个表面上完成测量，或者在工件上的或者相对于该工件固定的参照结构的至少一个表面上完成测量，其中测量借助于长条状的探针完成，并且在测量过程中探针相对于表面的倾斜度基本上与刀具相对于机器人路径上的工件的倾斜度相同。如果与坐标系校准过程中采用的编程姿态相比，编程姿态具有另一刀具方向，则机器人运动过程中的误差会出现位置和方向误差。通过校准过程中探针具有的倾斜度——该倾斜度在加工工件的过程中与刀具倾斜度大致相同，提高了校准的精确度因而实现了编程的较高精度。

根据本发明的一个实施例，工件坐标系与机器人坐标系之间的关系的确定包括：在工件参照结构的所述表面上完成测量，该测量通过机器人来完成并且相对于机器人坐标系来提供，以及借助于由机器人完成的所述测量值和工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合，确定相对于机器人坐标系的工件坐标系。在这个实施例中，通过机器人在相同的工件参照结构上完成测量——该测量作为用位置测量单元完成的测量，确定工件坐标系与机器人坐标系之间的关系。因此，可以容易地自动进行校准。不需要必须校准的其它参照结构或探针。

优选地，一个机器人程序根据由位置测量单元完成的对工件参照结构的所述测量自动生成，该程序用于在工件参照结构上由机器人完成所述测量。因此，可以容易并快速地进行校准。

根据本发明的一个实施例，根据在工件参照结构上由位置测量单元完成的所述测量，计算工件参照结构的所述表面的法向，并且当进行所述测量时，机器人从所述计算的方向朝表面移动。因此，机器人将知道朝工件表面移动的正确方向。

根据本发明的另一个实施例，工件坐标系与机器人坐标系之间的关系的确定包括：选择机器人上的或相对于机器人固定的机器人参照结构，机器人参照结构具有至少一个表面，定义用于机器人参照结构的数学模型，定义相对于机器人参照结构固定的第二机器人坐标系，在机器人参照结构的所述至少一个表面上完成测量，该测量由机器人或测量单元进行，借助于机器人参照结构的所述测量值与机器人参照结构的所述数学模型之间的最优拟合而确定相对于所述第一机器人坐标系的工件坐标系。优选地，在机器人参照结构的所述至少一个表面上完成的所述测量由机器人或位置测量单元进行。

在这个实施例中，除了工件参照结构，还定义了机器人参照结构。优选地，在机器人的刀具夹具上的或者在其附近选择所述机器人参照结构，以使得更容易定义相对于刀具夹具坐标系的参照坐标系。通过移动与固定测量探针——其位置相对于机器人坐标系已知——接触的机器人参照结构并且接触时读取机器人位置，或者通过移动与机器人参照结构接触的位置测量单元，测量机器人参照结构。使用位置测量单元的有利之处在于其测量精度将比使用机器人进行测量更高。使用机器人的有利之处在于可以自动进行测量。

根据本发明的一个实施例，该方法包括：提供一个相对于机器人固定并且其位置已知的测量探针，在机器人参照结构的表面上完成测量，而测量由所述测量探针进行，在工件参照结构的表面上完成测量，而测量由所述测量探针进行，根据由所述测量探针对机器人参照结构进行的所述测量以及对工件参照结构进行的所述测量，确定工件坐标系与第二机器人坐标系之间的关系。当机器人上有重的工件时，难以将工件也置于数字化仪上。根据这个实施例，使用一个固定安装的探针进行测量。因此，当工件安装在机器人上时并且刀具固定安装在工件单元上时，优选使用该方法。

根据本发明的一个实施例，由位置测量单元并且相对于测量坐标系在机器人参照结构的所述表面上进行所述测量，并且根据相对于测量坐标系的所述工件坐标系，确定工件坐标系与机器人坐标系之间的所述关系。因此，当刀具安装在机器人上并且工件固定地安装在工件单元内时，优选地使用该方法。优选地，所述机器人参照结构位于刀具外端上或刀具外端附近，以使机器人运动误差的影响尽可能得小。

根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：选择工件上的或相对于工件固定的第二工件参照结构，第二工件参照结构具有至少一个表面，定义工件参照结构上的或相对于工件参照结构固定的第二工件坐标系，在第二工件参照结构的所述至少一个表面上进行测量，该测量由位置测量单元完成并且相对于测量坐标系提供，借助于在第二工件参照结构上的所述测量值与工件参照结构的所述数学模型之间的确定相对于测量坐标系的第二工件坐标系，确定第二工件坐标系与机器人坐标系之间的关系，依据一个所选情况，基于第一或者第二坐标系确定机器人路径姿态并对其编程。有时会发生机器人精度不够好而不能抓到整个工件的情况。根据这个实施例，定义多个工件坐标系以补偿机器人在工件上局部的不精确。对于不同的刀具方向，也可以使用不同的工件坐标系，以处理不同刀具方向上的运动误差。

当由位置测量单元确定的程序运行时，依据第一或第二坐标系中最接近机器人路径位置的坐标系，第一和第二坐标系中在校准过程中刀具方向最接近路径姿态中的刀具方向的坐标系，或者第一和第二坐标系中在校准过程中在机器人轴上的转矩方向与路径姿态的相同的坐标系，选择要使用的不同工件坐标系中的一个坐标系。

根据本发明的一个实施例，刀具坐标系与机器人坐标系之间的关系的确定包括：定义刀具基座上的或相对于该刀具基座固定的一个参照坐标系，已知参照刀具坐标系与机器人坐标系之间的关系，选择参照坐标系上的或相对于该参照坐标系固定的第一刀具参照结构，第一刀具参照结构具有至少一个表面，定义第一刀具参照结构的数学模型，选择相对于该刀具坐标系固定并与第一刀具参照结构相距一定距离的第二刀具参照结构，第二刀具参照结构具有至少一个表面，定义第二刀具参照结构的数学模型，在第一刀具参照结构的所述至少一个表面上进行测量，在第二刀具参照结构的所述至少一个表面上进行测量，借助于对第一和第二刀具参照结构的所述测量值与工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合，确定刀具坐标系与参照坐标系之间的关系。借助于一个位于另一个之上或彼此成固定关系并且彼此相距一定距离的两个参照结构，定义相对于机器人坐标系的刀具坐标系。参照结构由位置测量单元测量，或者由机器人和其位置相对于机器人已知的固定探针测量。

本发明的另一目的是提供对工业机器人进行快速和简易机器人编程的计算机程序产品，它提供了机器人应用中的高精度。根据相应的所附权利要求，这个目的由计算器程序产品实现，当在计算机上运行时该计算机程序产品执行根据本发明的方法。计算机程序产品可通过任何计算机可读介质或例如互联网的网络提供。

很容易认识到，如所附一组方法权利要求的根据本发明的所述方法适于由一个计算机程序执行，该计算机程序当在一个处理器单元中运行时具有与所发明的方法中的步骤相对应的指令。即使没有在权利要求中明确表示，本发明涵盖与根据所附方法权利要求的所述方法结合的计算机程序产品。

本发明的另一目的是提供一种计算机可读介质，其上记录有用于对工业机器人编程的程序，当所述程序在计算机上运行时，该程序使得计算机完成上述计算机产品的步骤。

计算机程序产品可在机器人的控制器上运行，或者在包括一个处理器和适当存储器的任何其它外部计算机上运行。

附图说明

现在通过描述本发明的不同实施例并参照附图，将更加详细地描述本发明。

图1示出一个工业机器人的应用以及该应用中定义的坐标系。

图2示出铣削操作中的机器人刀具姿态。

图3示出了一个位置测量单元以及其相对于刀具坐标系和工件坐标系的坐标系。

图4a示出根据本发明的一个实施例，相对于数字化仪基座坐标系确定一个工件坐标系。

图4b示出根据本发明的一个实施例，确定工件坐标系与机器人基座坐标系之间的关系。

图5示出了参照结构的示例。

图6a-b示出根据本发明的第一实施例，确定刀具坐标系与机器人基座坐标系之间的关系。

图7a-b示出根据本发明的第二实施例，确定刀具坐标系与机器人基座坐标系之间的关系。

图8a-f示出了一个应用中使用的几个刀具。

图9示出借助于由机器人夹持的参照结构，定义局部工件坐标系。

图10a-10b示出了当工件安装在机器人上并且刀具位于固定位置时，借助于固定的测量探针对工件的校准。

图11示出了当工件安装在机器人上并且刀具位于固定位置时，借助于数字化仪对工件的校准。

具体实施方式

所选用于描述根据本发明的方法的机器人应用是机加工，但是该方法也用于任何类型的需要高精度的应用。

图1示出了一个机器人应用，它包括一个工业机器人1、一个安装在机器人上的刀具2以及一个待由刀具加工的工件3。工件3连接到夹具4上。机器人1包括一个牢固安装在一个底座上的基座6。该机器人还包括一个支撑件7，该支撑件7绕第一竖直轴线相对于基座6转动。在支撑件7的上端，一个第一机械臂8绕第二水平轴线安装成可旋转。在第一臂的外端，一个第二臂9相对于第一臂绕第三轴线安装成可旋转。第二机械臂9相对于所述臂的内部绕第四轴线安装成可旋转，它与第二臂9的纵向轴线重合。第二臂9在其外端支撑一个所谓的机械手10，该机械手10可绕与第二臂9的纵向轴线垂直的第五轴线转动。该机器人也包括一个刀具夹具11，该刀具夹具还表示刀具机械交界面。机械手的外部分以及刀具夹具11相对于机械手的内部分可绕第六轴线转动。

此外该机器人包括一个用于控制机器人运动的控制器12。该控制器包括至少一个用于执行机器人程序指令的处理器以及用于储存机器人程序的存储器。

根据本发明的方法最重要的是用于机器人应用校准中的不同坐标系。机器人本身的位置通常由机器人基座坐标系来描述，该坐标系具有原点Orb和轴Xrb、Yrb和Zrb。机器人基座坐标系位于机器人的基座6上。此外，机器人刀具夹具坐标系定义为Orth、Xrth、Yrth、Zrth。机器人刀具夹具坐标系也表示刀具机械交界面坐标系。机器人刀具夹具坐标系是借助于机器人运动模型而相对于机器人基座坐标系计算的。机器人刀具坐标系Ort、Xrt、Zrt、Yrt定义在刀具2的刀具中心点(TCP)上。机器人刀具坐标系则也定义在机器人刀具夹具坐标系内。因此，机器人刀具坐标系中的任何位置也可以以机器人刀具夹具坐标系和机器人基座坐标系来表示。对于这点，使用公知的坐标系转换。

具有原点Oo和轴Xo、Yo、Zo的工件坐标系定义在工件上。对于工件上的每个编程点，相对于工件坐标系定义了具有原点Op以及轴Xp、Yp、Zp的路径坐标系。路径坐标系定义了程序姿态即程序执行过程中刀具坐标系必须获得的位置和方向。通过上一段中描述的相同方法，路径坐标系通过一种转换相对于工件坐标系定义，而通过另一转换相对于机器人基座坐标系定义。

图2示出了一种由八个程序姿态例示的用于铣削操作的典型程序，姿态1-8定义了铣削操作过程中机器人刀具必须遵循的路径。根据本发明的该方法的目的在于使得可以在短时间内用程序设计这样一种路径而没有任何安全问题，并且其精度仅受机器人的可重复性限制。

根据本发明的方法基于为路径编程的位置测量装置的运用。由于可以仅由一个测量值而测得程序姿态的方向，所述测量装置应进行3-6个自由度、优选6个自由度的测量。一个所谓的数字化仪例示了位置测量装置。数字化仪可以是机械的或者光学的，并且如果可以接受较低精度，可以使用基于超声波、磁场以及微波(GPS)的3D测量***。

图3示出了机械数字化仪的臂***15，它包括一个基座16和一对臂17、18以及刀具夹具19。所述数字化仪夹持一个探针20，并且探针20的尖端是仅测量位置的测量球22。可选地，在编程和校准过程中数字化仪可以夹持真实的刀具而不是如图示那样夹持探针。如果使用具有一个例如平面的扁平表面刀具或探针，测量位置的同时也可以测量方向。数字化仪坐标系定义为：具有原点Odb以及轴Xdb、Ydb、Zdb的数字化仪基座坐标系，具有原点Odth以及轴Xdth、Ydth、Zdth的数字化仪刀具夹具坐标系，以及具有原点Odt以及轴Xdt、Ydt、Zdt的数字化仪刀具坐标系。

图4a和图4b示出如何根据本发明的方法的一个实施例进行编程以及校准相关的工件。在校准和编程的过程中，具有公知形状的探针20安装在数字化仪15上。可选地，可以使用具有公知的或校准的几何形状的刀具进行编程以及校准。然后刀具的坐标系相对于由数字化仪编程的姿态进行定位和方向。如果在校准和编程的过程中数字化仪设置有相同的探针或刀具，这是有利的。

为了使得差分运动的编程成为可能，在工件上或者相对于工件固定而选择一个或多个已知几何结构的参照结构。优选地，参照结构尽可能接近编程路径。如果工件本身具有确定的几何形状，这些几何形状可以用于定义一个或多个工件坐标系。图4a中，第一工件参照结构24在工件3上选定，并且第一工件坐标系Oo1、Xo1、Yo1、Zo1定义成相对于第一参照结构24固定。在该示例中，对两个不同路径进行编程。图4a和4b中，示出在不同路径上的两个姿态P1、P2。路径上的每个姿态将路径坐标系描述为Op1、Xp1、Yp1、Zp1和Op2、Xp2、Yp2、Zp2。当执行机器人程序时，路径坐标系的目的是定义刀具坐标系的位置和方向。由于第一工件参照结构接近P1，这个参照结构适于对第一路径P1进行校准。

为了校准第二路径P2，几何形状已知的第二工件参照结构25-在这个实施例中为立方体——安装在工件上，它优选地尽可能接近路径P2。不需要知道该参照结构相对于工件的绝对姿态；仅有的一个要求是其姿态必须保持相同，直到数字化仪和机器人在参照结构上完成测量。具有原点Oo2以及轴Xo2、Yo2、Zo2的第二工件坐标系定义成相对于第二工件参照结构25固定。第二工件坐标系可由立方体的三个边缘简单定义。定义工件参照结构的数学模型。数学模型由以解析形式或者以一个例如多边形或样条函数的近似形式的工件CAD模型给出。在立方体情况下，数学模型是立方体平面的方程。

图4a示出相对于数字化仪基座坐标系db确定的第一和第二工件坐标系o1、o2。为了定义第一工件坐标系o1，数字化仪用于直接在工件上测量点26并且然后在测量点和第一参照结构的几何模型之间进行最优拟合。因此，相对于数字化仪基座坐标系db，确定了第一工件坐标系o1。

现在将更详细地描述对第二路径p2的校准和编程。由于第二参照结构25安装得接近于第二路径p2，选择第二参照结构25用于校准第二路径p2。图4a中，示出数字化仪15如何在立方体25的表面上测量多个点28。当探针碰到参照结构的不同表面时对探针尖端位置进行测量。优选地在至少三个非平行表面上总共测量至少六个测量值。在第一平面上至少测量三个点，在第二表面上至少测量两个点，而在第三表面至少测量一个点。点28的位置相对于数字化仪基座坐标系db进行测量。

通过在测量点28和立方体数学模型之间进行最优拟合，计算相对于数字化仪基座坐标系db的第二工件坐标系o2。通过例如借助于最小均方法使测量值和模型表面之间的距离最小，经由几何模型的平移和转动，在测量点与参照结构的几何模型之间进行最优拟合。可选地，例如高斯牛顿法的其它优化算法可替代最小均方法。

通过简单地将探针20的尖端22保持在工件3上的路径位置上，数字化仪15也用于确定程序姿态。数字化仪探针20对准第二路径的姿态p2。由于数字化仪现在已测量了相对于数字化仪基座坐标系db的路径姿态p2，并且已知数字化仪基座坐标系db中的工件坐标系o2，可以计算工件坐标系中的路径姿态p2。

相对于其最近的工件坐标系精确地测量路径。使用接近的坐标系意味着机器人的轴仅需要稍微改变其角度，以从参照结构上的测量位置移到路径位置。这意味着应当避免探针或刀具的位置和方向有过大改变。而且，已知由于齿轮箱空转，当轴线上的转矩改变符号时机器人会损失精确度。因此，人们也应尝试以这样一种方式——当机器人到达接近的参照结构上的位置以及路径上的姿态时，机器人轴线上然后特别是主轴上的转矩方向是相同的——来选择参照结构的姿态。一个姿态由例如(x，y，z，α，β，χ)的位置和方向来限定，此处x，y，z是笛卡儿坐标，而α，β，χ是欧拉角。

如果工件包括如平面、圆柱体或球形等在结构上良好形成的表面，可以将工件上的一个结构选定为工件参照结构。如果工件没有包括任何适当的表面，就在工件上安装一个参照结构。该参照结构应包括用于校准的平面。例如，如果仅切削或铣削一个平面，于是具有一个安装在待切削或铣削的工件上的板就足够了。在一些应用中，所选择的参照结构的形状应取决于待加工的工件形状或者使用的刀具形状。例如，如果加工一个圆柱孔，优选使用圆柱形参照结构。如果刀具对称旋转，选择同样是对称旋转的例如圆锥形、实心或空心圆柱形的参照结构是有利的。

图5示出了多个可能的参照结构。参照结构例如是一个确定了两个自由度的平面、一个确定了三个自由度的球形、一个包括一个或多个沟槽的平面、一个确定了四个自由度的空心圆柱体、一个圆锥体、一个实心圆柱体、确定了五个自由度的两个垂直平面、一个截头圆锥体、一个L形结构、一个棱锥体、或者一个确定了六个自由度的立方体。

为了编制例如加工应用的程序，使用例如已通过手工加工或加工刀具加工成期望的几何尺寸的工件是有利的。否则，表面对于校准和编程会是粗糙的。为了校准和编程，也可以使用例如木材或塑料的工件模型。

图4b示出如何借助于机器人本身确定工件坐标系o1、o2与机器人基座坐标系rb之间的关系。由于数字化仪已确定了探针相对于工件坐标系的姿态，一个机器人程序可自动生成以使机器人移动到图4a中所示的离线编程过程中确定的参照结构上的位置。这个程序依靠机器人运动的绝对精度，并且可首先使用普通的粗工件校准，例如，通过教导机器人到参照结构25的三个边缘上的至少四个点上进行校准。

具有已知几何形状的探针或校准刀具安装在机器人上。可以使用与用数字化仪校准和离线编程的过程中相同的探针或者刀具。现在，利用用于测量的机器人运动学以及参照结构的模型与在参照结构表面上测量的位置之间的最优拟合，工件坐标系o1、o2可以用机器人基座坐标系rb来表示。由数字化仪的测量可以高精度得知工件坐标系中的路径姿态，因此机器人只需要在相对于最近的工件坐标系中路径姿态的运动计算是准确的。因此，相对于工件坐标系o1、o2确定的路径姿态p1、p2用于使机器人在加工工件的过程中移动到路径姿态p1、p2。

当工件参照结构表面的位置由数字化仪的测量而生成到机器人程序中以避免在参照结构上的校准位置上进行引导编程时，机器人的绝对运动误差将在机器人定位过程中产生大的误差。因而，带有可移动的测量尖端的探针可与内置式传感器——例如3D测量装置——组合使用。可选地，机器人可使用刚性探针，但在软伺服***(soft servo)、受力控制或者阻碍控制下进行搜索运动。数字化仪上的探针当然是刚性，因为它是手动操作的。

生产中，机器人不能将探针用作刀具。如果事先已知刀具和探针的几何形状——例如来自CMM的测量仪，那么就知道相对于刀具夹具坐标系rth的所用探针以及刀具的机器人刀具坐标系rt。然而，如果不能以应用所需的精度知道刀具的几何结构，刀具必须校准，并且为此，必须使用仅依靠机器人差分运动学的方法。如果使用的刀具不太大，机器人本身可如图6a、6b、7a以及7b所示用于刀具的校准。

图6a和6b示出了如何借助于固定测量探针30来确定机器人刀具坐标系rt2与机器人基座坐标系rb之间的关系。测量探针30相对于机器人1固定安装并且具有尖端31。探针基座坐标系Opb、Xpb、Zpb、Ypb定义成相对于探针30固定。测量探针可以是例如触发型探针的接触传感器，或使用任一其它类型的定位以及/或者方向测量传感器。在刀具校准之前，必须确定探针尖端31相对于机器人基座坐标系的位置。借助于机器人运动学，已知相对于机器人基座坐标系rb的机器人刀具夹具坐标系rth。

图6a示出如何借助于具有已知几何形状的参照刀具32确定探针尖端31相对于机器人基座坐标系的位置。参照刀具32包括刀具参照结构34。参照刀具32安装在机器人刀具夹具11上。为刀具参照结构34定义了一个参照刀具坐标系Ort1、Xrt1、Yrt1、Zrt1。机器人移动参照结构34，使其抵靠探针30的尖端31。当探针尖端位于刀具参照结构34的不同表面上的不同位置时，通过机器人运动学测得参照刀具坐标系rt1的位置和方向。然后通过与参照结构34的几何模型的最优拟合，确定探针尖端在机器人基座坐标系中的位置。

由如图6a所示的测量已知探针尖端31在机器人基座坐标系rb中的位置，如图6b所示，可以相对于刀具夹具坐标系校准刀具坐标系rt2。此处，具有已知几何形状的参照刀具32由几何形状未知的真实刀具取代。第二刀具参照结构36安装在刀具上或刀具夹具11上。第二参照刀具坐标系Ort2、Xrt2、Yrt2、Zrt2定义成相对于参照结构36固定。当探针尖端31在不同位置碰到参照结构36的表面时，机器人再一次用于测量刀具坐标系rt2的位置和方向。如果参照结构36相对于刀具夹具坐标系rth具有与参照结构34大约相同的位置和方向，机器人刀具坐标系计算中仅出现小的差分运动误差。然后通过该测量值与参照结构36的数学模型的最优拟合，确定相对于机器人基座坐标系的第二参照刀具坐标系。

如图6a和6b中所示，用于确定刀具坐标系与机器人基座坐标系之间关系的方法的一个问题在于需要编制一个程序使机器人相对于固定探针30准确定位参照结构。这意味着如果如图7a、7b所示代之以探针安装在数字化仪15上，一些费时的编程是可以避免的。在这种情况下，机器人根本不需要移动，代之以操作者移动探针30以及数字化仪15，以接触参照结构的表面。在这个实施例中，第一刀具参照结构34在刀具夹具坐标系rth上选定或相对于刀具夹具坐标系rth固定，而第二刀具参照结构36在机器人刀具坐标系rt2上选定或相对于刀具夹具坐标系rt2固定。

操作者借助于数字化仪移动探针20来测量第一刀具参照结构34的表面，然后操作者移动探针20以测量在真实刀具2上的第二刀具参照结构36的表面。测量期间数字化仪的位置不允许改变。通过参照结构34上的测量值与参照结构34的数学模型之间的最优拟合，确定相对于数字化仪基座坐标系db的参照刀具坐标系rt1。通过参照结构36上的测量值与参照结构36的数学模型之间的最优拟合，确定相对于数字化仪基座坐标系的机器人刀具坐标系rt2。现在，计算参照刀具坐标系rt1与机器人刀具坐标系rt2之间的关系。已知相对于机器人刀具夹具坐标系rth的参照刀具坐标系rt1，而相对于机器人基座坐标系rb的机器人刀具夹具坐标系rth是已知的。因此，可以计算相对于刀具夹具坐标系rth以及通过机器人运动学计算相对于机器人基座坐标系rb的机器人刀具坐标系rt2。

而且，由于数字化仪通常比机器人更精确，参照刀具不必设计成将参照结构34保持在真实刀具上接近参照结构36的位置。这意味着有时也可以使参照结构34安装在同时带有真实刀具2的机器人上，那么就不需要为了校准而将它拆卸下来。因此，第一刀具参照结构34可以安装在参照刀具上或者机器人上——优选地安装在机器人的刀具夹具上。

至于工件坐标系的校准，可以使用不同的参照结构，并且如果机器人刀具的安装凸缘具有用于测量的几何形状，不需要特别的参照结构。同样，如果刀具本身具有可用的几何形状，就不需要图6b和7b中的参照结构。

在刀具用于锯、铣或磨平面的情况下，对刀具坐标系的三个自由度进行校准就足够了，因为刀具在平面上的侧部位置对于加工结果来说是不重要的。对于高精度的唯一要求是刀具与平面之间的距离以及刀具相对于平面的两个倾斜角。因此，刀具坐标系可以仅用一个平面作为参照结构进行校准，该平面优选平行于加工平面。这样一个平面可以是锯条表面或安装在铣刀头上的金属板的表面。

如图8a-8e中所示，通常一次应用中使用几个刀具，那么通过使用刀具几何结构上的参照结构或者通过在刀具上连接参照结构，并且采用图6a、6b和7a、7b中描述的方法，可以对每个刀具进行校准。然而，在刀具与主轴传动器之间经常存在一个换刀器，那么以与如图6a、6b和7a、7b所示的相同方法使用如图8f所示的参照刀具校准主轴传动器通常就足够了。图8f示出一个设置在一个参照刀具47与一个主轴致动器48之间的换刀器46。为参照刀具47定义了坐标系Ot、Xt、Yt、Zt以及为换刀器46定义了坐标系Otc、Xtc、Ytc、Ztc。已知参照刀具坐标系t与换刀器tc之间的关系。参照刀具47是仅用于校准目的的虚设刀具。参照刀具47包括一个刀具参照结构50。已知参照刀具46的几何形状。然后可以计算换刀器的坐标系tc。已知换刀器的坐标系以及该应用中使用的刀具——例如图8b-8e中示出的刀具——的几何形状，可以在刀具夹具坐标系tc中计算用于刀具的刀具坐标系ta、tb、tc、td。

如果要定义多个局部工件坐标系，可以使用一个由机器人保持的参照结构以定义所有工件坐标系，而不是在工件上有多个不同的工件参照结构。如图9中所示，参照刀具47上的刀具参照结构50也可用于定义局部工件坐标系。可选地，参照结构50可位于真实刀具上。参照刀具47安装在机器人上。参照结构50相对于刀具夹具坐标系的位置和方向是已知的或者已经得到校准，并且借助于机器人运动学参照结构50相对于机器人基座坐标系rb的位置和方向是已知的或者已经得到校准。

首先，借助于连接到工件3上的工件参照结构25，使用数字化仪15在工件上定义固定工件坐标系o2。然后，机器人1移动刀具参照结构50，使其尽可能接近由数字化仪编程的路径。参照刀具47的方向应优选地尽可能接近路径的期望刀具方向。最后，数字化仪测量在刀具参照结构50表面上的点，以定义一个局部工件坐标系，在图中该局部工件坐标系和刀具坐标系Ot、Xt、Yt、Zt相同。现在数字化仪可将局部工件坐标系t与连接到工件上的固定工件坐标系o2相参照。由于数字化仪在固定工件坐标系o2中计算路径位置p1、p2，现在也可以在由机器人刀具上的参照结构50定义的局部工件坐标系t中计算路径位置。由于通过刀具校准机器人已知刀具的刀具坐标系，可以直接使用在刀具上的局部工件坐标系中表示的路径位置对机器人进行编程。

通过测量值和刀具参照结构50的数学模型之间的最优拟合，确定相对于数字化仪基座坐标系db的局部工件坐标系t。从先前的测量，已知相对于工件坐标系o2以及相对于数字化仪db的路径位置p2。因此，可以计算固定工件坐标系o2与局部工件坐标系t之间的关系。此后计算相对于局部坐标系t的姿态p2。

将刀具参照结构用作局部坐标系的方法缺点在于：由于数字化仪必须用于重新校准局部坐标系，用该方法更难以将程序从一个机器人移动到另一机器人。当局部坐标系的参照结构安装在工件上时，机器人可以利用存储的参照结构校准程序自动移动探针以接触参照结构的表面。另一方面，将刀具上的参照结构用作局部的工件坐标系意味着在工件上实际上根本不需要参照结构。因此，在小尺寸批量生产的应用中，仅使用一个刀具参照结构定义工件坐标系是有利的。当定义这些基于刀具的工件坐标系时，使刀具的方向尽可能接近路径位置中使用的方向是重要的。而且，当从参照结构校准位置移动到路径位置时，不会有机器人的轴线改变转矩方向。对于机器人的主轴线，这特别重要。

迄今，提出了机器人上安装刀具时的校准方法。如果代之以机器人上安装工件，并且刀具固定到机器人单元上或另一操纵器上，则根据图10a-10b和11中示出的方法之一完成该方法。

当使用固定到机器人单元上的测量探针30时，图10a示出工件坐标系o2相对于机器人基座坐标系rb的校准。首先以与图6a中先前已示出的相同方法计算相对于机器人基座坐标系rb的坐标系rt1或固定探针30的位置。为此，具有已知几何形状的参照结构34的参照刀具32如图6a所示那样连接到机器人刀具夹具上。已知参照结构34的坐标系rt1与机器人刀具夹具坐标系rth之间的关系。因此，可以计算相对于机器人基座坐标系rb的探针坐标系rt1。

然后具有工件参照结构25的工件3安装在机器人刀具夹具坐标系rth上。机器人朝向探针30移动，从而参照结构25的不同表面碰到探针的尖端31。通过测量值与参照结构25的模型之间的最优拟合，确定了相对于机器人基座坐标系rb的工件坐标系o2。比较图6b中示出的刀具校准。在该实施例中，刀具47相对于机器人单元固定。因此，除了校准工件坐标系o2，也必须校准刀具坐标系t。对固定安装的刀具47的校准可以与如图4b所示当机器人安装刀具时对工件坐标系的校准相比较。

图10b示出了对具有固定刀具47的刀具坐标系的校准。具有已知几何形状的探针20安装在机器人上并且具有已知几何形状的一个参照结构34安装在刀具47上或相对于刀具47固定。已知参照结构34的坐标系rt2相对于机器人刀具坐标系t的位置。探针20用于在刀具参照结构34表面上进行测量。现在，机器人知道相对于工件坐标系o2的刀具坐标系t，并且如果数字化仪用于对相对于工件坐标系的路径位置编程，机器人可以用这些来自数字化仪的相对位置运行程序。

数字化仪15可以与如图7所示当刀具安装在机器人上时校准刀具坐标系的相同方法，当如图11所示工件3安装在机器人上时校准工件坐标系o2。由于用数字化仪上的探针20容易接近，可以测量机器人1上的参照结构60以及处于同一阶段的工件3上的参照结构47，而不必卸下工件。而且，数字化仪也可以用于测量刀具坐标系，给予机器人控制器相对于刀具夹具坐标系的固定刀具坐标系。应提到，数字化仪可安装在工件上或夹具上或工件夹具上，以减少对数字化仪工作空间的需要。

参照图11，现在描述如何使用数字化仪相对于刀具坐标系t确定路径位置p2。机器人参照结构60以相对于机器人刀具夹具坐标系rth已知的关系安装在机器人上，而由于机器人运动学已知机器人刀具夹具坐标系rth相对于机器人基座坐标系rb的关系。因此，参照刀具60的坐标系rt1相对于机器人基座坐标系rb的关系是已知的。数字化仪在机器人参照结构60的表面上测量位置。通过测量值与参照结构60的模型的最优拟合，确定参照刀具坐标系rt1与数字化仪db之间的关系。

为了确定相对于数字化仪基座坐标系db的工件坐标系o2，由数字化仪在工件参照结构25的表面上进行测量。通过测量值与工件参照机构25的模型的最优拟合，确定相对于数字化仪基座坐标系db的工件坐标系o2。然后借助于数字化仪15对路径进行编程，因此获得相对于工件坐标系o2的路径位置p2。通过由数字化仪在刀具参照结构50表面上的测量值与参照结构50的模型之间的最优拟合，确定相对于数字化仪基座坐标系的刀具坐标系t。计算相对于参照刀具坐标系rt1的刀具坐标系t，并且由于已知相对于刀具夹具坐标系rth的参照刀具坐标系rt1，可以计算相对于机器人基座坐标系rb的刀具坐标系t。

然后计算工件坐标系o2与参照刀具坐标系rt1之间的关系，并且由于已知相对于机器人刀具夹具坐标系rth的参照刀具坐标系rt1，可以在机器人基座坐标系rb中计算工件坐标系o2。在编程的过程中，测量相对于工件坐标系o2的路径位置p2，并因而在机器人基座坐标系中计算路径位置。由于已知机器人基座坐标系rb中的刀具坐标系t以及路径位置p2，可以计算刀具坐标系t中的路径位置p2。

在固定刀具情况下，工件坐标系o2与刀具夹具坐标系rth之间的关系一直是相同的，并且与机器人结构无关。然而，在一个路径中的给定位置上的机器人结构与另一路径中的一个位置上的机器人结构很不相同。因此，刀具坐标系或者工件坐标系有时必须更新以形成在机器人程序中部分路径必须使用的局部坐标系，其更新的方式与机器人安装刀具的情况下必须更新工件坐标系的方式相同。通过移动机器人以使固定刀具接近路径并且用数字化仪对工件坐标系或者刀具夹具坐标系进行重新校准，可简单地对这些局部坐标系进行校准。在使用如图10a-b所示固定探针的情况下，通过使用局部工件参照结构对局部工件坐标系进行校准，而局部工件参照结构由机器人移动并使其抵靠固定探针。

本发明不限于公开的实施例而是可以在下面的权利要求范围内改变和修改。例如可以仅使用一个参照结构对工件上的多个路径进行编程。还可以使用多个局部工件坐标系对单个路径进行编程。这样就使用不同的局部工件坐标系对路径上的不同位置编程。

在此处描述的实施例中，对参照结构的测量包括测量参照结构表面上的至少三个位置。可选地，该测量可包括测量参照结构表面上的至少一个位置以及测量该表面的法向。

Claims (22)

1、一种用于对具有一个机器人坐标系的工业机器人进行编程的方法，用于一种应用，该应用包括一个具有一个刀具坐标系的刀具以及一个将由该刀具加工的工件，其中通过一个适于相对于一个测量坐标系测量位置的位置测量单元对该应用进行编程，其中该方法包括：

选择一个工件上的或相对于该工件固定的工件参照结构，该工件参照结构具有至少一个表面，

定义一个用于该工件参照结构的数学模型，

定义一个相对于该工件参照结构固定的工件坐标系，

在该工件参照结构的所述至少一个表面上进行测量，该测量由该位置测量单元完成并且相对于该测量坐标系提供，

借助于由该位置测量单元完成的所述测量值与该工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合确定相对于该测量坐标系的工件坐标系，

借助于该位置测量单元在该工件上的一个期望机器人路径上测量多个位置，

根据该机器人路径的所述测量位置以及所述定义的工件坐标系，确定该机器人路径在该工件坐标系中的位置，

确定该工件坐标系与该机器人坐标系之间的关系，

确定该刀具坐标系与该机器人坐标系之间的关系，以及

根据该机器人路径在该工件坐标系中的所述位置、该工件坐标系与该机器人坐标系之间的所述关系以及该刀具坐标系与该机器人坐标系之间的所述关系而对机器人路径编程。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述工件参照结构是三维的并且具有至少三个非平行表面，并且在该工件参照结构的所述至少三个表面上进行测量。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述工件参照结构是立方体、圆锥体或圆柱体中的任一个。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述选择的工件参照结构位于所述机器人路径附近。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述机器人包括一个基座，并且所述机器人坐标系依附于该机器人的基座。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述工件坐标系与所述机器人坐标系之间的关系的确定包括：在所述工件参照结构的至少一个表面上完成测量，或者在所述工件上的或者相对于该工件固定的参照结构的至少一个表面上完成测量，其中，该测量借助于一个长条状的探针完成，并且在测量过程中该探针相对于该表面的倾斜度与刀具相对于该机器人路径上的工件的倾斜度大致相同。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述工件坐标系与所述机器人坐标系之间的关系的确定包括：

在所述工件参照结构的所述表面上完成测量，该测量通过所述机器人来完成并且相对于该机器人坐标系来提供，以及

借助于由该机器人完成的所述测量值和该工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合，确定相对于该机器人坐标系的工件坐标系。

8、如权利要求7所述的方法，其中一个机器人程序根据在所述工件参照结构上由所述位置测量单元完成的所述测量自动生成，该机器人程序用于在该工件参照结构上由所述机器人完成所述测量。

9、如权利要求7所述的方法，其中根据在所述工件参照结构上由所述位置测量单元完成的所述测量，计算该工件参照结构的所述表面的法向，并且当进行所述测量时，该机器人沿所述计算的方向朝表面移动。

10、如权利要求1所述的方法，其中所述工件坐标系与所述机器人坐标系之间的关系的确定包括：

选择一个所述机器人上的或相对于该机器人固定的机器人参照结构，该机器人参照结构具有至少一个表面，

定义一个用于该机器人参照结构的数学模型，

定义一个相对于该机器人参照结构固定的第二机器人坐标系，

在该机器人参照结构的所述至少一个表面上完成测量，

借助于该机器人参照结构的所述测量值与机器人参照结构的所述数学模型之间的最优拟合确定相对于所述第一机器人坐标系的工件坐标系。

11、如权利要求10所述的方法，其中该方法包括：

提供一个相对于所述机器人固定并且其位置已知的测量探针，

在所述机器人参照结构的表面上由所述测量探针完成测量，

在所述工件参照结构的表面上由所述测量探针完成测量，

根据由所述测量探针对该机器人参照结构进行的所述测量以及该对工件参照结构进行的所述测量，确定所述工件坐标系与所述第二机器人坐标系之间的关系。

12、如权利要求10所述的方法，其中在机器人参照结构的所述表面上由所述位置测量单元完成所述测量并且相对于测量坐标系进行所述测量，并且根据相对于该测量坐标系的所述工件坐标系确定该工件坐标系与所述机器人坐标系之间的所述关系。

13、如权利要求10所述的方法，其中所述机器人包括一个刀具夹具，并且所述机器人参照结构在该机器人刀具夹具上或在该机器人刀具夹具附近选择。

14、如权利要求10所述的方法，其中所述机器人设置有一个刀具，该刀具具有一个连接到该机器人的内端和一个外端，所述机器人参照结构位于刀具外端上或刀具外端附近。

15、如权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括：

选择一个工件上的或相对于工件固定的第二工件参照结构，该第二工件参照结构具有至少一个表面，

定义一个该工件参照结构上的或相对于该工件参照结构固定的第二工件坐标系，

在该第二工件参照结构的所述至少一个表面上进行测量，该测量由所述位置测量单元完成并且相对于所述测量坐标系提供，以及

借助于在该第二工件参照结构上的所述测量值与该工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合确定相对于该测量坐标系的该第二工件坐标系，

确定该第二工件坐标系与所述机器人坐标系之间的关系，

根据一个所选情况，基于该第一或者第二坐标系确定该机器人路径位置并对其编程。

16、如权利要求15所述的方法，其中根据所述第一或第二坐标系中最接近机器人路径位置的坐标系确定机器人路径位置并对其编程。

17、如权利要求15所述的方法，其中根据所述第一和第二坐标系中在机器人路径位置上具有与期望刀具方向大约相同方向的坐标系确定机器人路径位置并对其编程。

18、如权利要求15所述的方法，其中根据所述第一和第二坐标系中在机器人轴线上具有与路径位置相同的转矩方向的坐标系确定机器人路径位置并对其编程。

19、如权利要求1所述的方法，其中所述工件参照结构至少是一个平面。

20、如权利要求1所述的方法，其中所述刀具包括一个用于将该刀具连接到该机器人的刀具基座，并且该刀具坐标系与该机器人坐标系之间的关系的确定包括：

定义该刀具基座上的或相对于该刀具基座固定的一个参照坐标系，该参照刀具坐标系与该机器人坐标系之间的关系是已知的，

选择一个该参照坐标系上的或相对于该参照坐标系固定的第一刀具参照结构，该第一刀具参照结构具有至少一个表面，

定义该第一刀具参照结构的一个数学模型，

选择一个相对于该刀具坐标系固定并与该第一参照结构相距一定距离的第二刀具参照结构，该第二刀具参照结构具有至少一个表面，

定义该第二刀具参照结构的一个数学模型，

在该第一刀具参照结构的所述至少一个表面上进行测量，

在该第二刀具参照结构的所述至少一个表面上进行测量，

借助于在该第一和第二刀具参照结构上的所述测量值与该工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合，确定该刀具坐标系与该参照坐标系之间的关系。

21、一种用于对工业机器人编程的计算机程序产品，该工业机器人具有一个用于一个应用的机器人坐标系，该应用包括一个具有一个刀具坐标系的刀具以及一个由所述刀具加工的工件，其中借助于一个适于相对于一个测量坐标系测量位置的位置测量单元对该应用进行编程，并且该计算机程序产品包括计算机程序指令，该程序指令载入计算机中时使得计算机完成：

接收来自一个工件参照结构的至少一个表面上的测量值，该工件参考结构在该工件上或相对于该工件固定，该测量值相对于该测量坐标系提供，

借助于由该位置测量单元完成的所述测量值与该工件参照结构的所述数学模型之间的最优拟合确定相对于该测量坐标系一个工件坐标系，而该工件坐标系定义成相对于工件参照结构固定，

接收在一个期望机器人路径上的多个位置，

根据该机器人路径的所述测量位置以及所述确定的工件坐标系，确定该机器人路径在该工件坐标系中的位置，

确定该工件坐标系与该机器人坐标系之间的关系，

确定该刀具坐标系与该机器人坐标系之间的关系，以及

根据该机器人路径在该工件坐标系中的所述位置、该工件坐标系与该机器人坐标系之间的所述关系以及该刀具坐标系与该机器人坐标系之间的所述关系而对该机器人路径编程。

22、一种其上记录有一个程序的计算机可读介质，其中当所述程序在一个计算机上运行时，该程序使得该计算机完成如权利要求21所述的步骤。

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