CN1953848A - 机器人支持的对测量目标物进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人支持的对测量目标物进行测量的方法。该方法包括：规划传感器(S)的轨迹，并将该轨迹变换为机器人坐标；记录由机器人导引的传感器(S)的实际轨迹；多次测量测量目标物(200)，其中由机器人(R)沿实际轨迹导引传感器(S)；补偿装置使得对机器人(R)上产生的内部和/或外部影响进行补偿成为可能；经过确定数量的测量后，实施补偿的操作步骤。

Description

机器人支持的对测量目标物进行测量的方法

本发明涉及一种机器人支持的测量目标物的方法以及实施该机器人支持的测量目标物的方法的装置。

虽然此种方法对任何用于测量的机器人都适用，但本发明以及基于本发明提出的问题是针对用于测量汽车车身部件的工业机器人的。

总的来说，在汽车工业中，为了测量部件，特别是汽车车身部件，工业机器人的使用日益剧增。这些机器人，例如设置有光学测量***，且能够很灵活地完成特别是在很难接近的位置处的、复杂的测量任务。

通过运动的传感器来测量目标物需要规划传感器的轨迹，由传感器的轨迹和图像数据获得测量目标物在世界坐标系中的点云。因此，传感器轨迹的测量或重复性质量也决定了目标物的测量质量。

EP 0 963 816 A2描述了一种补偿机器人运动学上的变化的方法。对此，机器人在起动时以很多不同的初始姿态运行，并通过外部摄像机进行测量。在连续操作时，机器人不断变化这些姿态并由检测出的起动姿态相对于初始姿态的偏差来确定机器人调节模式的修正值。

DE 102 35 905 A1描述了一种借助机器人在物体上安装工件的方法。在参考位置上，借助测量***相对于世界坐标系来确定机器人，并通过图像处理***检测。在操作阶段，借助图像处理***来确定机器人与参考位置的偏差。根据其偏差，确定导引机器人到参考位置的修正矢量，并将其传送到机器人控制器。

DE 100 48 952 A1描述了一种借助检测装置和多个传感器记录未知工作点的方法，传感器设置在待编程的位置，并确定位移矢量，以瞬时定位在机器人工具上的参考单元。

EP 1 076 221 A2描述了一种机器人控制测量目标物的装置。该装置包括具有机器人控制器的机器人，以便沿着目标物的表面控制无接触传感器，该传感器记录目标物表面的图像数据。一个位置确定装置确定无接触传感器的位置。同步信号不仅传送到无接触传感器上，而且传送到位置检测装置上，以便无接触传感器针对各同步信号建立图像数据，而位置确定装置则针对各同步信号确定无接触传感器的位置。图像处理装置根据建立的两个数据组确定其测量目标物的形状。

所述装置的缺点在于，不断地需要使用位置确定装置。考虑到空间的需要，这也不利于这种装置的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种机器人支持的测量目标物的方法以及实施所述方法的装置，其不会不断地需要位置检测装置。

本发明的目的将通过权利要求1给出的方法实现。

本发明的方法相对于公知技术方案的优点在于，只需要规划一次由机器人导引的传感器的轨迹的绝对坐标。而后，机器人准确地重复相同的轨迹。

这样，就给出了一种借助机器人进行测量的新的使用领域，在这些领域中至今还由于机器人的位置误差而不能够实现测量所需要的精度和/或由于成本和占用空间而不能采用固定安装的位置检测装置。

本发明的构思在于，采用具有重复精度的机器人***，在世界坐标系中仅测量一次传感器的轨迹。为此，规划所需要的用于测量的轨迹，并将其输入到机器人控制器中。机器人控制器输出这些轨迹，然后在世界坐标系中测量这些轨迹。具有世界坐标的轨迹以适当的方式存储在适合的装置中，使得针对机器人的各姿态，在导引传感器沿着其轨迹运行时，能从该装置中读出传感器在世界坐标系中的坐标。为了导引传感器，使用一个机器人，该机器人的重复精度由于补偿了外部和/或内部的影响而改善。对此，在一次或多次测量后要进行补偿。一传感器评估装置根据存储的具有世界坐标的轨迹和传感器的图像数据来确定测量目标物的点云。

在从属权利要求中给出了优选的实施方式和对权利要求1所述方法的改进。

根据一优选的实施方式，在每一次对测量目标物进行测量之前或之后进行内部和/或外部影响的补偿。由此，对各测量目标物以始终不变的精度进行测量。

根据另一优选实施方式，通过外部校准装置规划轨迹和/或确定机器人导引的传感器的实际轨迹。

根据另一优选实施方式，由该外部校准装置测量固定在传感器上的标识，而该标识可从该传感器上取下。

根据另一优选实施方式，为了规划传感器的轨迹，采用人工导引传感器对测量目标物进行测量，并在测量时采用外部位置确定装置确定传感器的人工导引轨迹。由此，省去了学习机器人导引的费事的学习过程。

根据另一优选实施方式，为了规划传感器的轨迹，用手将传感器与机器人分离，或采用人工控制机器人，引导传感器环绕测量目标物。

根据本发明，为了补偿外部和/或内部影响以提高重复精度，通过机器人导引的传感器来测量参照物。根据测量的点云相对以前测得的参照物的点云的偏差，调整机器人控制器，以补偿导致不同点云的机器人运动学上的变化。有利的是，通过该方法来实现高重复精度，而不需要外部传感器。

根据另一优选实施方式，为了确定由机器人导引的传感器的轨迹和/或规划传感器环绕参照物的轨迹，用手将传感器与机器人分离，或采用人工控制机器人导引传感器环绕参照物，并由外部位置确定装置记录实际轨迹。由此，省去了学习机器人导引的费事的学习过程。

根据另一优选实施方式，使得所确定的传感器的实际轨迹与所规划的传感器的轨迹一致。在此，不必精确地采用轨迹，而是可以对手动导引的轨迹进行平整。

根据本发明另一优选实施方式，机器人在重复精度的基础上补偿温度波动的外部影响。由此，这种方式的优点是补偿了由于机器人自热引起的定位漂移。

本发明的实施例在附图中示出，并在后面进行说明。其中：

图1是本发明一实施方式的进行初始化阶段的装置的示意图；

图2是用于进行机器人支持的测量的装置示意图；

图3是本发明实施方式的示意图；

图4是说明具有机器人坐标的传感器S的轨迹位置与测量目标物的点云中各测量点的实际世界坐标对应问题的示意图；

图5是本发明机器人支持的对测量目标物进行测量的实施方式的步骤流程示意图；

图6是初始化阶段实施方式的步骤流程示意图。

附图中相同的附图标识表示相同或功能相同的部件。

图1是本发明一实施方式的进行初始化阶段的装置的示意图，包括测量目标物200、参照物300、非接触传感器S、固定到传感器S上的标识M，传感器处理装置PA、传感器控制器PB、输出终端PC、包括一个或多个摄像机K1、K2和摄像机调节及评估装置KC的校准装置。绕测量目标物200和参照物300人工导引传感器S。校准装置K1、K2、KC测量标识M在世界坐标系中的位置。由固定到传感器S上的标识M的位置，确定传感器S的位置和方向，也就是确定传感器S的轨迹。传感器S的图像数据与传感器S的轨迹一起由传感器处理装置PA进行处理且经计算的测量目标物200和参照物300的点云立即输出到输出终端PC。这样能够直观地操作传感器S，因为使用者能够直接看到手动导引的传感器S的轨迹对测量目标物200和参照物300的点云的检测所产生的作用。存储该手动导引的轨迹并作为在以后机器人导引的轨迹的原图。

一起处理传感器S的图像数据与传感器S的轨迹，以使传感器S的位置和方向对应于图像数据的各测量点，其中传感器S的位置和方向反映了用于记录测量点的传感器S。在传感器S的本地坐标系中记录这些测量点，因为传感器S的本地坐标系与传感器一起运动，需要将所有的测量点从本地坐标系变换到固定的世界坐标系上。两坐标系之间的变换以传感器S的轨迹和基本的几何关系为基础。

图2是具有机器人R1和机器人控制器RC的、用于机器人支持的对测量目标物200和参照物300进行测量的装置的示意图，其中传感器S的机器人法兰R3固定在机器人R1上。机器人控制器RC沿着在机器人坐标系中的机器人控制器RC中所规划的轨迹来导引机器人法兰R3。为了处理传感器S的图像数据，如在人工导引的情况下，需要传感器S的轨迹。由此，通过位置确定装置K1，K2，KC来确定传感器S的轨迹。

用于对测量目标物200和参照物300进行测量的传感器S的轨迹能够由多种方式获得。根据本发明的一种方法是，用手导引传感器S环绕测量目标物200和参照物300，如图1所示，接着将用手导引的轨迹作为机器人导引的轨迹的原图。对此，将手动导引的轨迹变换到机器人坐标系中的图形中，并且该图形被输入到机器人控制器RC中。其手动导引的轨迹还能够被修正，以例如通过对轨迹进行平整来减小在人工导引时记录的手动导引的传感器S的波动。否则，只要机器人的运动和结构允许，机器人导引的轨迹要与记录的手动导引的轨迹相符。

针对传感器S的图像数据有多种可能来确定机器人导引的传感器S的相应轨迹。一种方法是针对各测量点来确定传感器S的位置和方向。但这需要固定安装位置确定装置K1，K2，KC。第二种方法则要利用机器人R1的定位精度并沿着预定的轨迹准确导引传感器S。这需要机器人的绝对的定位精度，按照现有技术的水平机器人不能完全满足其要求。根据本发明的方法能够成为第三种变化的方法。

图3是用于对测量目标物200进行测量的本发明实施方式的示意图。本发明的实施方式采用了基于对参照物300的重复测量、通过补偿内部和/或外部影响来获得很高重复精度的机器人R1。这样，只需准确地确定一次传感器S的轨迹。将该轨迹以适当的方式存储到存储器中，而为了以后再测量其测量目标物200还可以从对传感器S的测量数据进行处理的存储器中调出该轨迹，在此沿着同一轨迹导引各测量目标物200的传感器S。

借助机器人控制器RC产生传感器S的位置和方向与轨迹的测量点的对应关系。对此，在本发明的实施方式中，轨迹适合记录在具有世界坐标的图形中以及具有机器人R1的机器人坐标的图形中，并且存储如图4所示的、以曲线示出的数据对。针对各测量点，机器人控制器RC能够读出传感器S在机器人坐标系中所处的位置。传感器处理装置PA针对传感器S的各测量点访问机器人控制器RC的轨迹，并借助事先确定的列表将它们变换到世界坐标系中。该曲线可以由离散点组成或由函数表示，该函数通过测量点的适当内插法来获得。

对于本发明方法而言，绝对必要的前提条件是，准确地重复轨迹。对此，在这种实施方式下，在测量其他各测量目标物200之前，要定期执行补偿步骤。参照物300起辅助作用。也要定期地测量参照物300。参照物300这样构成，即其尺寸不能改变。如果在测量参照物时获得的另一个点云与在原始测量中的不同，则只能归因于机器人R1运动学上的变化。机器人的运动受到所谓的内部影响，如关节的磨损，并且受到外部影响，如影响机器人R1的尺寸的环境温度的变化。如果发现其在运动学上发生变化，机器人控制器RC调整为，导引传感器S再沿原始轨迹运行并产生参照物的原始点云。机器人控制器RC的调整还由此补偿机器人R1在轨迹上环绕测量目标物200的运动学上的变化。

图5是本发明机器人支持的对测量目标物200进行测量的实施例的步骤示意流程图。在将要描述的初始化阶段T1中，确定并存储机器人导引的传感器S的实际轨迹。而后，在步骤T2中，用于确定传感器S的轨迹的校准装置K1、K2、KC被分开并用于其它的机器人。由于这种校准装置十分昂贵，因此其值得多次使用。而后，进行测量阶段T3，在该阶段中事先进行运动补偿步骤，使得总是沿着同一个存储的实际轨迹导引传感器S。然后，在步骤T5中，对测量目标物200进行测量，接着在步骤T6中提供待测量的下一个测量目标物200。在实施步骤T5时，按顺序生成实际轨迹的各点，对于实际轨迹的各点A，从存储器中读取世界坐标并在点A处记录测量目标物的测量点，从而获得测量目标物200的点云。

图6是用于确定和定位轨迹的方法的示意流程图，它对应于初始化阶段T1。在人工导引传感器的步骤T10、以及通过校准装置K1、K2、KC记录传感器的轨迹的步骤T11之后，进行将轨迹变换到机器人坐标系中的步骤T12。在人工导引时记录的手动导引的传感器S的波动可以在步骤T12中通过对轨迹进行平整而减小。否则，只要机器人的运动和结构允许，机器人导引的轨迹就应与记录的手动轨迹相符。在步骤T13中，传感器S借助机器人导引并在步骤T14中记录实际轨迹。在步骤T15中，存储机器人导引的实际轨迹。由于机器人R1具有更好的重复精度，在随后导引传感器时，借助机器人R1以良好的一致性追踪实际轨迹。

尽管借助优选实施例描述了本发明，但本发明并不限于此，而是可按照多种方法和方式进行修改。

此描述可以让人想到采用光学传感器，如摄像机。但本发明并不仅限于此，除了采用光学传感器之外还可以采用感应传感器或脉冲传感器。对于所述的后两种传感器特别有利于机器人的绝对可定位性。

附图标识一览表

200   测量目标物

300   参照物

S     传感器

PA    传感器S的传感器评估装置

PB    传感器S的传感器控制器

PC    输出终端

M     标识

K1，K2摄像机

KC    摄像机调节及评估装置

R1    机器人

R3    机器人法兰

RC    机器人控制器

Claims (9)

1.一种机器人支持的对测量目标物(200)进行测量的方法，包括以下步骤：

a)在世界坐标系中规划测量目标物(200)所必需的传感器(S)的轨迹；

b)将该轨迹变换为该机器人(R1)的机器人坐标系轨迹；

c)提供外部校准装置(KC、K1、K2)；

d)利用该外部校准装置(KC、K1、K2)，在世界坐标系中确定该机器人(R1)导引的该传感器(S)的实际轨迹；

e)沿着该实际轨迹，使用该机器人(R1)导引，对其它的多个测量目标物进行机器人支持的测量；

f)其中，经过一定次数的测量后，为了补偿外部和/或内部的影响，提高重复精度，由该机器人(R1)导引的该传感器(S)对参照物(300)进行测量，并根据测量的点云相对以前测得的点云之间的偏差，调整机器人控制器(RC)，以补偿导致不同点云的该机器人(R1)运动学上的变化；

其中在初始化阶段中实施步骤a)至步骤d)，而在测量过程中重复实施步骤e)和步骤f)，在该初始化阶段结束后，可以撤走该校准装置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在测量过程中该步骤e)的的预定数量为1。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过该外部校准装置(KC、K1、K2)的校核，规划由该机器人导引的该传感器(S)的轨迹。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：由该外部校准装置(KC、K1、K2)测量固定在该传感器(S)上的标识(M)，而该标识(M)可从该传感器(S)上取下。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：为了规划该传感器(S)的轨迹，采用人工导引该传感器(S)测量该测量目标物(200)，并在测量时采用外部位置确定装置确定该传感器(S)的人工导引轨迹。

6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：为了规划该传感器(S)的轨迹，用手将该传感器(S)与该机器人(R1)分离，或采用人工控制机器人(R1)导引该传感器(S)环绕该测量目标物(200)。

7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：为了确定由该机器人(R)导引的该传感器(S)的轨迹和/或规划该传感器(S)环绕该参照物(300)的轨迹，用手将该传感器(S)与该机器人(R1)分离，或用人工控制该机器人(R1)导引该传感器(S)环绕该参照物(300)，并由外部位置确定装置(K1、K2、KC)记录该实际轨迹。

8.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：调整该传感器(S)确定的实际轨迹与规划的该传感器(S)的轨迹一致。

9.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：确定该实际轨迹之后，将该实际轨迹和相应轨迹记录在列表中；为了测量，检查该传感器(S)在世界坐标系中的位置和方向是否与该传感器(S)的每个测量点相对应，并借助该列表将该机器人坐标系中的所述位置和方向变换为世界坐标。

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