專利名稱：用于對機器人應(yīng)用進行校準和編程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對具有機器人坐標系的工業(yè)機器人進行編程的方法，尤其涉及到一種通過適于相對于測量坐標系測量位置的位置測量單元進行編程的應(yīng)用。本發(fā)明用于包括一個具有刀具坐標系的刀具以及一個由刀具加工的工件的應(yīng)用。本發(fā)明尤其用于需要高精度的應(yīng)用——例如修補、去毛邊(debarrng)、銑、鋸、磨和鉆等各種加工應(yīng)用。該應(yīng)用在例如電弧焊、水噴射切割、激光切割、膠合和組裝應(yīng)用中是有用的。
背景技術(shù)：
機器人程序包括許多控制機器人運動的程序指令。機器人程序的產(chǎn)生包括在程序執(zhí)行過程中定義由機器人遵循的路徑的位置和方向的第一步驟，以及基于路徑的定義位置和方向生成程序指令的下一步驟。在編程過程中定義的位置和方向包括運行機器人程序時希望刀具獲得的相對于工件的位置和方向。
機器人應(yīng)用是使用工業(yè)機器人完成工作的一種應(yīng)用。機器人經(jīng)常用于包括加工工件表面的應(yīng)用中?，F(xiàn)有為機器人編程的方法包括在線教導機器人一系列位置和方向。位置和方向定義了機器人在加工工件時應(yīng)遵循的機器人路徑。通過在編程過程中沿著期望路徑引導刀具通過多個位置和方向教導機器人如何完成一個任務(wù)。然后基于特定位置生成機器人程序。然而，通過教導對機器人編程是費時的，特別是如果工件具有復(fù)雜的幾何形狀時。
應(yīng)用的精度主要受到機器人結(jié)構(gòu)的可重復(fù)性以及能夠?qū)⒌毒咭苿雍娃D(zhuǎn)動到期望的位置和方向的精度限制。在如機加工、激光切割、激光焊接等許多高精度應(yīng)用中，機器人的可重復(fù)性足夠好但肉眼難以找到刀具的正確位置和方向。而且，即使有很長編程經(jīng)驗的機器人編程者要想達到需要的精度，也需花費大量的時間。長的編程時間的問題也使得在單元中幾何形狀改變后或者機器人更換后將程序復(fù)制到另一機器人上以及對機器人單元重新編程非常昂貴。
高級計算機編程語言以及CAD/CAM的應(yīng)用已經(jīng)使得為更加復(fù)雜的應(yīng)用進行離線機器人編程更可行。為了使得離線編程可行，需要準確知道單元的幾何形狀以及機器人。工件坐標系以及刀具坐標系相對于機器人基座坐標系必須以高精度知悉。因此，對于使用機器人離線編程，單元、工件、刀具以及機器人的校準一直是關(guān)鍵問題。
通用機器人的精度是在5到15mm之間，通過機器人控制器中的軟件對機器人運動誤差的識別以及對這些誤差的補償可將機器人精度提高到0.5到1mm之間。然而，這種機器人校準技術(shù)價格昂貴并且很難用在機器人單元中，并且工件和刀具坐標系統(tǒng)仍必須校準。而且，這種運動誤差補償方法對于高精度應(yīng)用不夠好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種快速、容易的編程方法，該方法提供了機器人應(yīng)用中的高精度。
該目的通過一種方法實現(xiàn)，該方法包括選擇工件上的或相對于工件固定的工件參照結(jié)構(gòu)，工件參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義用于工件參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，定義相對于工件參照結(jié)構(gòu)固定的工件坐標系，在工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，該測量由位置測量單元完成并且相對于測量坐標系提供，借助于由位置測量單元完成的所述測量值與工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合確定相對于測量坐標系的工件坐標系，借助于位置測量單元測量工件上的一個期望機器人路徑上的多個位置，根據(jù)機器人路徑的所述測量位置以及所確定的工件坐標系，確定機器人路徑在工件坐標系中的位置，確定工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系，確定刀具坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系，以及根據(jù)在工件坐標系中的機器人路徑的所述位置、工件坐標系與機器人坐標系之間的所述關(guān)系以及刀具坐標系與機器人坐標系之間的所述關(guān)系而對機器人路徑進行編程。對機器人路徑編程意味著生成用于移動機器人的程序指令，從而當運行機器人程序時刀具獲得相對于工件的位置和方向。機器人坐標系可以是相對于機器人定義的任一坐標系。通常，置于機器人基座上的機器人坐標系用作機器人的參照坐標系。因此，所述基座坐標系優(yōu)選地用作機器人坐標系。
根據(jù)本發(fā)明的方法是一種借助于例如數(shù)字化儀的位置測量單元對機器人進行離線編程的方法。數(shù)字化儀用于相對于工件坐標系確定工件上的機器人路徑的位置和方向。機器人的離線編程比在線編程更快和更容易。用數(shù)字化儀進行離線編程的問題在于由數(shù)字化儀教導的刀具的位置和方向和在機器人上運行的刀具的位置和方向之間可能存在偏差。
為了克服這個問題，根據(jù)本發(fā)明的編程方法包括利用位置測量單元在工件參照結(jié)構(gòu)上完成測量的校準步驟，該工件參照結(jié)構(gòu)具有相對于工件參照結(jié)構(gòu)固定工件坐標系。如果工件具有良好形成的表面，參照結(jié)構(gòu)可在工件上選定，否則就在工件上安裝具有良好形成的表面的參照結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的方法結(jié)合了離線編程的優(yōu)點和引導編程(lead throughprogramming)的精度。而且該方法解決了人操縱刀具的有限精度的問題，并且由于在編程和校準過程中機器人不需要工作，使得編程徹底安全了。為了使這成為可能，位置測量單元以如下方式既用于編程又用于校準機器人精度不取決于單元總體的運動和幾何形狀誤差，而只是取決于差分的運動和幾何形狀誤差。原則上，對于校準和編程使用位置差而不是絕對位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述工件參照結(jié)構(gòu)是三維的，并且具有至少三個非平行表面，而在工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少三個表面上進行測量。通過三維參照結(jié)構(gòu)，可以使用數(shù)字化儀校準相對于工件坐標系的編程路徑姿態(tài)(運行機器人程序時希望刀具獲得的位置和方向)，然后使用以工件坐標系表示的編程路徑姿態(tài)為機器人編程。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述工件參照結(jié)構(gòu)是板、立方體、圓錐體或圓柱體中的任一個。這樣的結(jié)構(gòu)易于制造并且容易在其上測量。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述選擇的工件參照結(jié)構(gòu)位于所述機器人路徑的附近。因此，改善了校準并且實現(xiàn)了較高精度的編程。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系包括在工件參照結(jié)構(gòu)的至少一個表面上完成測量，或者在工件上的或者相對于該工件固定的參照結(jié)構(gòu)的至少一個表面上完成測量，其中測量借助于長條狀的探針完成，并且在測量過程中探針相對于表面的傾斜度基本上與刀具相對于機器人路徑上的工件的傾斜度相同。如果與坐標系校準過程中采用的編程姿態(tài)相比，編程姿態(tài)具有另一刀具方向，則機器人運動過程中的誤差會出現(xiàn)位置和方向誤差。通過校準過程中探針具有的傾斜度——該傾斜度在加工工件的過程中與刀具傾斜度大致相同，提高了校準的精確度因而實現(xiàn)了編程的較高精度。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括在工件參照結(jié)構(gòu)的所述表面上完成測量，該測量通過機器人來完成并且相對于機器人坐標系來提供，以及借助于由機器人完成的所述測量值和工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于機器人坐標系的工件坐標系。在這個實施例中，通過機器人在相同的工件參照結(jié)構(gòu)上完成測量——該測量作為用位置測量單元完成的測量，確定工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系。因此，可以容易地自動進行校準。不需要必須校準的其它參照結(jié)構(gòu)或探針。
優(yōu)選地，一個機器人程序根據(jù)由位置測量單元完成的對工件參照結(jié)構(gòu)的所述測量自動生成，該程序用于在工件參照結(jié)構(gòu)上由機器人完成所述測量。因此，可以容易并快速地進行校準。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，根據(jù)在工件參照結(jié)構(gòu)上由位置測量單元完成的所述測量，計算工件參照結(jié)構(gòu)的所述表面的法向，并且當進行所述測量時，機器人從所述計算的方向朝表面移動。因此，機器人將知道朝工件表面移動的正確方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括選擇機器人上的或相對于機器人固定的機器人參照結(jié)構(gòu)，機器人參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義用于機器人參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，定義相對于機器人參照結(jié)構(gòu)固定的第二機器人坐標系，在機器人參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上完成測量，該測量由機器人或測量單元進行，借助于機器人參照結(jié)構(gòu)的所述測量值與機器人參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合而確定相對于所述第一機器人坐標系的工件坐標系。優(yōu)選地，在機器人參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上完成的所述測量由機器人或位置測量單元進行。
在這個實施例中，除了工件參照結(jié)構(gòu)，還定義了機器人參照結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在機器人的刀具夾具上的或者在其附近選擇所述機器人參照結(jié)構(gòu)，以使得更容易定義相對于刀具夾具坐標系的參照坐標系。通過移動與固定測量探針——其位置相對于機器人坐標系已知——接觸的機器人參照結(jié)構(gòu)并且接觸時讀取機器人位置，或者通過移動與機器人參照結(jié)構(gòu)接觸的位置測量單元，測量機器人參照結(jié)構(gòu)。使用位置測量單元的有利之處在于其測量精度將比使用機器人進行測量更高。使用機器人的有利之處在于可以自動進行測量。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法包括提供一個相對于機器人固定并且其位置已知的測量探針，在機器人參照結(jié)構(gòu)的表面上完成測量，而測量由所述測量探針進行，在工件參照結(jié)構(gòu)的表面上完成測量，而測量由所述測量探針進行，根據(jù)由所述測量探針對機器人參照結(jié)構(gòu)進行的所述測量以及對工件參照結(jié)構(gòu)進行的所述測量，確定工件坐標系與第二機器人坐標系之間的關(guān)系。當機器人上有重的工件時，難以將工件也置于數(shù)字化儀上。根據(jù)這個實施例，使用一個固定安裝的探針進行測量。因此，當工件安裝在機器人上時并且刀具固定安裝在工件單元上時，優(yōu)選使用該方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由位置測量單元并且相對于測量坐標系在機器人參照結(jié)構(gòu)的所述表面上進行所述測量，并且根據(jù)相對于測量坐標系的所述工件坐標系，確定工件坐標系與機器人坐標系之間的所述關(guān)系。因此，當?shù)毒甙惭b在機器人上并且工件固定地安裝在工件單元內(nèi)時，優(yōu)選地使用該方法。優(yōu)選地，所述機器人參照結(jié)構(gòu)位于刀具外端上或刀具外端附近，以使機器人運動誤差的影響盡可能得小。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法進一步包括選擇工件上的或相對于工件固定的第二工件參照結(jié)構(gòu)，第二工件參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義工件參照結(jié)構(gòu)上的或相對于工件參照結(jié)構(gòu)固定的第二工件坐標系，在第二工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，該測量由位置測量單元完成并且相對于測量坐標系提供，借助于在第二工件參照結(jié)構(gòu)上的所述測量值與工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的確定相對于測量坐標系的第二工件坐標系，確定第二工件坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系，依據(jù)一個所選情況，基于第一或者第二坐標系確定機器人路徑姿態(tài)并對其編程。有時會發(fā)生機器人精度不夠好而不能抓到整個工件的情況。根據(jù)這個實施例，定義多個工件坐標系以補償機器人在工件上局部的不精確。對于不同的刀具方向，也可以使用不同的工件坐標系，以處理不同刀具方向上的運動誤差。
當由位置測量單元確定的程序運行時，依據(jù)第一或第二坐標系中最接近機器人路徑位置的坐標系，第一和第二坐標系中在校準過程中刀具方向最接近路徑姿態(tài)中的刀具方向的坐標系，或者第一和第二坐標系中在校準過程中在機器人軸上的轉(zhuǎn)矩方向與路徑姿態(tài)的相同的坐標系，選擇要使用的不同工件坐標系中的一個坐標系。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，刀具坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括定義刀具基座上的或相對于該刀具基座固定的一個參照坐標系，已知參照刀具坐標系與機器人坐標系之間的關(guān)系，選擇參照坐標系上的或相對于該參照坐標系固定的第一刀具參照結(jié)構(gòu)，第一刀具參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義第一刀具參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，選擇相對于該刀具坐標系固定并與第一刀具參照結(jié)構(gòu)相距一定距離的第二刀具參照結(jié)構(gòu)，第二刀具參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義第二刀具參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，在第一刀具參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，在第二刀具參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，借助于對第一和第二刀具參照結(jié)構(gòu)的所述測量值與工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定刀具坐標系與參照坐標系之間的關(guān)系。借助于一個位于另一個之上或彼此成固定關(guān)系并且彼此相距一定距離的兩個參照結(jié)構(gòu)，定義相對于機器人坐標系的刀具坐標系。參照結(jié)構(gòu)由位置測量單元測量，或者由機器人和其位置相對于機器人已知的固定探針測量。
本發(fā)明的另一目的是提供對工業(yè)機器人進行快速和簡易機器人編程的計算機程序產(chǎn)品，它提供了機器人應(yīng)用中的高精度。根據(jù)相應(yīng)的所附權(quán)利要求，這個目的由計算器程序產(chǎn)品實現(xiàn)，當在計算機上運行時該計算機程序產(chǎn)品執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。計算機程序產(chǎn)品可通過任何計算機可讀介質(zhì)或例如互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)提供。
很容易認識到，如所附一組方法權(quán)利要求的根據(jù)本發(fā)明的所述方法適于由一個計算機程序執(zhí)行，該計算機程序當在一個處理器單元中運行時具有與所發(fā)明的方法中的步驟相對應(yīng)的指令。即使沒有在權(quán)利要求中明確表示，本發(fā)明涵蓋與根據(jù)所附方法權(quán)利要求的所述方法結(jié)合的計算機程序產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一目的是提供一種計算機可讀介質(zhì)，其上記錄有用于對工業(yè)機器人編程的程序，當所述程序在計算機上運行時，該程序使得計算機完成上述計算機產(chǎn)品的步驟。
計算機程序產(chǎn)品可在機器人的控制器上運行，或者在包括一個處理器和適當存儲器的任何其它外部計算機上運行。


現(xiàn)在通過描述本發(fā)明的不同實施例并參照附圖，將更加詳細地描述本發(fā)明。
圖1示出一個工業(yè)機器人的應(yīng)用以及該應(yīng)用中定義的坐標系。
圖2示出銑削操作中的機器人刀具姿態(tài)。
圖3示出了一個位置測量單元以及其相對于刀具坐標系和工件坐標系的坐標系。
圖4a示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，相對于數(shù)字化儀基座坐標系確定一個工件坐標系。
圖4b示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，確定工件坐標系與機器人基座坐標系之間的關(guān)系。
圖5示出了參照結(jié)構(gòu)的示例。
圖6a-b示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，確定刀具坐標系與機器人基座坐標系之間的關(guān)系。
圖7a-b示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，確定刀具坐標系與機器人基座坐標系之間的關(guān)系。
圖8a-f示出了一個應(yīng)用中使用的幾個刀具。
圖9示出借助于由機器人夾持的參照結(jié)構(gòu)，定義局部工件坐標系。
圖10a-10b示出了當工件安裝在機器人上并且刀具位于固定位置時，借助于固定的測量探針對工件的校準。
圖11示出了當工件安裝在機器人上并且刀具位于固定位置時，借助于數(shù)字化儀對工件的校準。
具體實施例方式
所選用于描述根據(jù)本發(fā)明的方法的機器人應(yīng)用是機加工，但是該方法也用于任何類型的需要高精度的應(yīng)用。
圖1示出了一個機器人應(yīng)用，它包括一個工業(yè)機器人1、一個安裝在機器人上的刀具2以及一個待由刀具加工的工件3。工件3連接到夾具4上。機器人1包括一個牢固安裝在一個底座上的基座6。該機器人還包括一個支撐件7，該支撐件7繞第一豎直軸線相對于基座6轉(zhuǎn)動。在支撐件7的上端，一個第一機械臂8繞第二水平軸線安裝成可旋轉(zhuǎn)。在第一臂的外端，一個第二臂9相對于第一臂繞第三軸線安裝成可旋轉(zhuǎn)。第二機械臂9相對于所述臂的內(nèi)部繞第四軸線安裝成可旋轉(zhuǎn)，它與第二臂9的縱向軸線重合。第二臂9在其外端支撐一個所謂的機械手10，該機械手10可繞與第二臂9的縱向軸線垂直的第五軸線轉(zhuǎn)動。該機器人也包括一個刀具夾具11，該刀具夾具還表示刀具機械交界面。機械手的外部分以及刀具夾具11相對于機械手的內(nèi)部分可繞第六軸線轉(zhuǎn)動。
此外該機器人包括一個用于控制機器人運動的控制器12。該控制器包括至少一個用于執(zhí)行機器人程序指令的處理器以及用于儲存機器人程序的存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的方法最重要的是用于機器人應(yīng)用校準中的不同坐標系。機器人本身的位置通常由機器人基座坐標系來描述，該坐標系具有原點Orb和軸Xrb、Yrb和Zrb。機器人基座坐標系位于機器人的基座6上。此外，機器人刀具夾具坐標系定義為Orth、Xrth、Yrth、Zrth。機器人刀具夾具坐標系也表示刀具機械交界面坐標系。機器人刀具夾具坐標系是借助于機器人運動模型而相對于機器人基座坐標系計算的。機器人刀具坐標系Ort、Xrt、Zrt、Yrt定義在刀具2的刀具中心點(TCP)上。機器人刀具坐標系則也定義在機器人刀具夾具坐標系內(nèi)。因此，機器人刀具坐標系中的任何位置也可以以機器人刀具夾具坐標系和機器人基座坐標系來表示。對于這點，使用公知的坐標系轉(zhuǎn)換。
具有原點Oo和軸Xo、Yo、Zo的工件坐標系定義在工件上。對于工件上的每個編程點，相對于工件坐標系定義了具有原點Op以及軸Xp、Yp、Zp的路徑坐標系。路徑坐標系定義了程序姿態(tài)即程序執(zhí)行過程中刀具坐標系必須獲得的位置和方向。通過上一段中描述的相同方法，路徑坐標系通過一種轉(zhuǎn)換相對于工件坐標系定義，而通過另一轉(zhuǎn)換相對于機器人基座坐標系定義。
圖2示出了一種由八個程序姿態(tài)例示的用于銑削操作的典型程序，姿態(tài)1-8定義了銑削操作過程中機器人刀具必須遵循的路徑。根據(jù)本發(fā)明的該方法的目的在于使得可以在短時間內(nèi)用程序設(shè)計這樣一種路徑而沒有任何安全問題，并且其精度僅受機器人的可重復(fù)性限制。
根據(jù)本發(fā)明的方法基于為路徑編程的位置測量裝置的運用。由于可以僅由一個測量值而測得程序姿態(tài)的方向，所述測量裝置應(yīng)進行3-6個自由度、優(yōu)選6個自由度的測量。一個所謂的數(shù)字化儀例示了位置測量裝置。數(shù)字化儀可以是機械的或者光學的，并且如果可以接受較低精度，可以使用基于超聲波、磁場以及微波(GPS)的3D測量系統(tǒng)。
圖3示出了機械數(shù)字化儀的臂系統(tǒng)15，它包括一個基座16和一對臂17、18以及刀具夾具19。所述數(shù)字化儀夾持一個探針20，并且探針20的尖端是僅測量位置的測量球22?？蛇x地，在編程和校準過程中數(shù)字化儀可以夾持真實的刀具而不是如圖示那樣夾持探針。如果使用具有一個例如平面的扁平表面刀具或探針，測量位置的同時也可以測量方向。數(shù)字化儀坐標系定義為具有原點Odb以及軸Xdb、Ydb、Zdb的數(shù)字化儀基座坐標系，具有原點Odth以及軸Xdth、Ydth、Zdth的數(shù)字化儀刀具夾具坐標系，以及具有原點Odt以及軸Xdt、Ydt、Zdt的數(shù)字化儀刀具坐標系。
圖4a和圖4b示出如何根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例進行編程以及校準相關(guān)的工件。在校準和編程的過程中，具有公知形狀的探針20安裝在數(shù)字化儀15上?？蛇x地，可以使用具有公知的或校準的幾何形狀的刀具進行編程以及校準。然后刀具的坐標系相對于由數(shù)字化儀編程的姿態(tài)進行定位和方向。如果在校準和編程的過程中數(shù)字化儀設(shè)置有相同的探針或刀具，這是有利的。
為了使得差分運動的編程成為可能，在工件上或者相對于工件固定而選擇一個或多個已知幾何結(jié)構(gòu)的參照結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，參照結(jié)構(gòu)盡可能接近編程路徑。如果工件本身具有確定的幾何形狀，這些幾何形狀可以用于定義一個或多個工件坐標系。圖4a中，第一工件參照結(jié)構(gòu)24在工件3上選定，并且第一工件坐標系Oo1、Xo1、Yo1、Zo1定義成相對于第一參照結(jié)構(gòu)24固定。在該示例中，對兩個不同路徑進行編程。圖4a和4b中，示出在不同路徑上的兩個姿態(tài)P1、P2。路徑上的每個姿態(tài)將路徑坐標系描述為Op1、Xp1、Yp1、Zp1和Op2、Xp2、Yp2、Zp2。當執(zhí)行機器人程序時，路徑坐標系的目的是定義刀具坐標系的位置和方向。由于第一工件參照結(jié)構(gòu)接近P1，這個參照結(jié)構(gòu)適于對第一路徑P1進行校準。
為了校準第二路徑P2，幾何形狀已知的第二工件參照結(jié)構(gòu)25-在這個實施例中為立方體——安裝在工件上，它優(yōu)選地盡可能接近路徑P2。不需要知道該參照結(jié)構(gòu)相對于工件的絕對姿態(tài)；僅有的一個要求是其姿態(tài)必須保持相同，直到數(shù)字化儀和機器人在參照結(jié)構(gòu)上完成測量。具有原點Oo2以及軸Xo2、Yo2、Zo2的第二工件坐標系定義成相對于第二工件參照結(jié)構(gòu)25固定。第二工件坐標系可由立方體的三個邊緣簡單定義。定義工件參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型。數(shù)學模型由以解析形式或者以一個例如多邊形或樣條函數(shù)的近似形式的工件CAD模型給出。在立方體情況下，數(shù)學模型是立方體平面的方程。
圖4a示出相對于數(shù)字化儀基座坐標系db確定的第一和第二工件坐標系o1、o2。為了定義第一工件坐標系o1，數(shù)字化儀用于直接在工件上測量點26并且然后在測量點和第一參照結(jié)構(gòu)的幾何模型之間進行最優(yōu)擬合。因此，相對于數(shù)字化儀基座坐標系db，確定了第一工件坐標系o1。
現(xiàn)在將更詳細地描述對第二路徑p2的校準和編程。由于第二參照結(jié)構(gòu)25安裝得接近于第二路徑p2，選擇第二參照結(jié)構(gòu)25用于校準第二路徑p2。圖4a中，示出數(shù)字化儀15如何在立方體25的表面上測量多個點28。當探針碰到參照結(jié)構(gòu)的不同表面時對探針尖端位置進行測量。優(yōu)選地在至少三個非平行表面上總共測量至少六個測量值。在第一平面上至少測量三個點，在第二表面上至少測量兩個點，而在第三表面至少測量一個點。點28的位置相對于數(shù)字化儀基座坐標系db進行測量。
通過在測量點28和立方體數(shù)學模型之間進行最優(yōu)擬合，計算相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的第二工件坐標系o2。通過例如借助于最小均方法使測量值和模型表面之間的距離最小，經(jīng)由幾何模型的平移和轉(zhuǎn)動，在測量點與參照結(jié)構(gòu)的幾何模型之間進行最優(yōu)擬合?？蛇x地，例如高斯牛頓法的其它優(yōu)化算法可替代最小均方法。
通過簡單地將探針20的尖端22保持在工件3上的路徑位置上，數(shù)字化儀15也用于確定程序姿態(tài)。數(shù)字化儀探針20對準第二路徑的姿態(tài)p2。由于數(shù)字化儀現(xiàn)在已測量了相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的路徑姿態(tài)p2，并且已知數(shù)字化儀基座坐標系db中的工件坐標系o2，可以計算工件坐標系中的路徑姿態(tài)p2。
相對于其最近的工件坐標系精確地測量路徑。使用接近的坐標系意味著機器人的軸僅需要稍微改變其角度，以從參照結(jié)構(gòu)上的測量位置移到路徑位置。這意味著應(yīng)當避免探針或刀具的位置和方向有過大改變。而且，已知由于齒輪箱空轉(zhuǎn)，當軸線上的轉(zhuǎn)矩改變符號時機器人會損失精確度。因此，人們也應(yīng)嘗試以這樣一種方式——當機器人到達接近的參照結(jié)構(gòu)上的位置以及路徑上的姿態(tài)時，機器人軸線上然后特別是主軸上的轉(zhuǎn)矩方向是相同的——來選擇參照結(jié)構(gòu)的姿態(tài)。一個姿態(tài)由例如(x，y，z，α，β，χ)的位置和方向來限定，此處x，y，z是笛卡兒坐標，而α，β，χ是歐拉角。
如果工件包括如平面、圓柱體或球形等在結(jié)構(gòu)上良好形成的表面，可以將工件上的一個結(jié)構(gòu)選定為工件參照結(jié)構(gòu)。如果工件沒有包括任何適當?shù)谋砻?，就在工件上安裝一個參照結(jié)構(gòu)。該參照結(jié)構(gòu)應(yīng)包括用于校準的平面。例如，如果僅切削或銑削一個平面，于是具有一個安裝在待切削或銑削的工件上的板就足夠了。在一些應(yīng)用中，所選擇的參照結(jié)構(gòu)的形狀應(yīng)取決于待加工的工件形狀或者使用的刀具形狀。例如，如果加工一個圓柱孔，優(yōu)選使用圓柱形參照結(jié)構(gòu)。如果刀具對稱旋轉(zhuǎn)，選擇同樣是對稱旋轉(zhuǎn)的例如圓錐形、實心或空心圓柱形的參照結(jié)構(gòu)是有利的。
圖5示出了多個可能的參照結(jié)構(gòu)。參照結(jié)構(gòu)例如是一個確定了兩個自由度的平面、一個確定了三個自由度的球形、一個包括一個或多個溝槽的平面、一個確定了四個自由度的空心圓柱體、一個圓錐體、一個實心圓柱體、確定了五個自由度的兩個垂直平面、一個截頭圓錐體、一個L形結(jié)構(gòu)、一個棱錐體、或者一個確定了六個自由度的立方體。
為了編制例如加工應(yīng)用的程序，使用例如已通過手工加工或加工刀具加工成期望的幾何尺寸的工件是有利的。否則，表面對于校準和編程會是粗糙的。為了校準和編程，也可以使用例如木材或塑料的工件模型。
圖4b示出如何借助于機器人本身確定工件坐標系o1、o2與機器人基座坐標系rb之間的關(guān)系。由于數(shù)字化儀已確定了探針相對于工件坐標系的姿態(tài)，一個機器人程序可自動生成以使機器人移動到圖4a中所示的離線編程過程中確定的參照結(jié)構(gòu)上的位置。這個程序依靠機器人運動的絕對精度，并且可首先使用普通的粗工件校準，例如，通過教導機器人到參照結(jié)構(gòu)25的三個邊緣上的至少四個點上進行校準。
具有已知幾何形狀的探針或校準刀具安裝在機器人上。可以使用與用數(shù)字化儀校準和離線編程的過程中相同的探針或者刀具?，F(xiàn)在，利用用于測量的機器人運動學以及參照結(jié)構(gòu)的模型與在參照結(jié)構(gòu)表面上測量的位置之間的最優(yōu)擬合，工件坐標系o1、o2可以用機器人基座坐標系rb來表示。由數(shù)字化儀的測量可以高精度得知工件坐標系中的路徑姿態(tài)，因此機器人只需要在相對于最近的工件坐標系中路徑姿態(tài)的運動計算是準確的。因此，相對于工件坐標系o1、o2確定的路徑姿態(tài)p1、p2用于使機器人在加工工件的過程中移動到路徑姿態(tài)p1、p2。
當工件參照結(jié)構(gòu)表面的位置由數(shù)字化儀的測量而生成到機器人程序中以避免在參照結(jié)構(gòu)上的校準位置上進行引導編程時，機器人的絕對運動誤差將在機器人定位過程中產(chǎn)生大的誤差。因而，帶有可移動的測量尖端的探針可與內(nèi)置式傳感器——例如3D測量裝置——組合使用?？蛇x地，機器人可使用剛性探針，但在軟伺服系統(tǒng)(soft servo)、受力控制或者阻礙控制下進行搜索運動。數(shù)字化儀上的探針當然是剛性，因為它是手動操作的。
生產(chǎn)中，機器人不能將探針用作刀具。如果事先已知刀具和探針的幾何形狀——例如來自CMM的測量儀，那么就知道相對于刀具夾具坐標系rth的所用探針以及刀具的機器人刀具坐標系rt。然而，如果不能以應(yīng)用所需的精度知道刀具的幾何結(jié)構(gòu)，刀具必須校準，并且為此，必須使用僅依靠機器人差分運動學的方法。如果使用的刀具不太大，機器人本身可如圖6a、6b、7a以及7b所示用于刀具的校準。
圖6a和6b示出了如何借助于固定測量探針30來確定機器人刀具坐標系rt2與機器人基座坐標系rb之間的關(guān)系。測量探針30相對于機器人1固定安裝并且具有尖端31。探針基座坐標系Opb、Xpb、Zpb、Ypb定義成相對于探針30固定。測量探針可以是例如觸發(fā)型探針的接觸傳感器，或使用任一其它類型的定位以及/或者方向測量傳感器。在刀具校準之前，必須確定探針尖端31相對于機器人基座坐標系的位置。借助于機器人運動學，已知相對于機器人基座坐標系rb的機器人刀具夾具坐標系rth。
圖6a示出如何借助于具有已知幾何形狀的參照刀具32確定探針尖端31相對于機器人基座坐標系的位置。參照刀具32包括刀具參照結(jié)構(gòu)34。參照刀具32安裝在機器人刀具夾具11上。為刀具參照結(jié)構(gòu)34定義了一個參照刀具坐標系Ort1、Xrt1、Yrt1、Zrt1。機器人移動參照結(jié)構(gòu)34，使其抵靠探針30的尖端31。當探針尖端位于刀具參照結(jié)構(gòu)34的不同表面上的不同位置時，通過機器人運動學測得參照刀具坐標系rt1的位置和方向。然后通過與參照結(jié)構(gòu)34的幾何模型的最優(yōu)擬合，確定探針尖端在機器人基座坐標系中的位置。
由如圖6a所示的測量已知探針尖端31在機器人基座坐標系rb中的位置，如圖6b所示，可以相對于刀具夾具坐標系校準刀具坐標系rt2。此處，具有已知幾何形狀的參照刀具32由幾何形狀未知的真實刀具取代。第二刀具參照結(jié)構(gòu)36安裝在刀具上或刀具夾具11上。第二參照刀具坐標系Ort2、Xrt2、Yrt2、Zrt2定義成相對于參照結(jié)構(gòu)36固定。當探針尖端31在不同位置碰到參照結(jié)構(gòu)36的表面時，機器人再一次用于測量刀具坐標系rt2的位置和方向。如果參照結(jié)構(gòu)36相對于刀具夾具坐標系rth具有與參照結(jié)構(gòu)34大約相同的位置和方向，機器人刀具坐標系計算中僅出現(xiàn)小的差分運動誤差。然后通過該測量值與參照結(jié)構(gòu)36的數(shù)學模型的最優(yōu)擬合，確定相對于機器人基座坐標系的第二參照刀具坐標系。
如圖6a和6b中所示，用于確定刀具坐標系與機器人基座坐標系之間關(guān)系的方法的一個問題在于需要編制一個程序使機器人相對于固定探針30準確定位參照結(jié)構(gòu)。這意味著如果如圖7a、7b所示代之以探針安裝在數(shù)字化儀15上，一些費時的編程是可以避免的。在這種情況下，機器人根本不需要移動，代之以操作者移動探針30以及數(shù)字化儀15，以接觸參照結(jié)構(gòu)的表面。在這個實施例中，第一刀具參照結(jié)構(gòu)34在刀具夾具坐標系rth上選定或相對于刀具夾具坐標系rth固定，而第二刀具參照結(jié)構(gòu)36在機器人刀具坐標系rt2上選定或相對于刀具夾具坐標系rt2固定。
操作者借助于數(shù)字化儀移動探針20來測量第一刀具參照結(jié)構(gòu)34的表面，然后操作者移動探針20以測量在真實刀具2上的第二刀具參照結(jié)構(gòu)36的表面。測量期間數(shù)字化儀的位置不允許改變。通過參照結(jié)構(gòu)34上的測量值與參照結(jié)構(gòu)34的數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的參照刀具坐標系rt1。通過參照結(jié)構(gòu)36上的測量值與參照結(jié)構(gòu)36的數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系的機器人刀具坐標系rt2?，F(xiàn)在，計算參照刀具坐標系rt1與機器人刀具坐標系rt2之間的關(guān)系。已知相對于機器人刀具夾具坐標系rth的參照刀具坐標系rt1，而相對于機器人基座坐標系rb的機器人刀具夾具坐標系rth是已知的。因此，可以計算相對于刀具夾具坐標系rth以及通過機器人運動學計算相對于機器人基座坐標系rb的機器人刀具坐標系rt2。
而且，由于數(shù)字化儀通常比機器人更精確，參照刀具不必設(shè)計成將參照結(jié)構(gòu)34保持在真實刀具上接近參照結(jié)構(gòu)36的位置。這意味著有時也可以使參照結(jié)構(gòu)34安裝在同時帶有真實刀具2的機器人上，那么就不需要為了校準而將它拆卸下來。因此，第一刀具參照結(jié)構(gòu)34可以安裝在參照刀具上或者機器人上——優(yōu)選地安裝在機器人的刀具夾具上。
至于工件坐標系的校準，可以使用不同的參照結(jié)構(gòu)，并且如果機器人刀具的安裝凸緣具有用于測量的幾何形狀，不需要特別的參照結(jié)構(gòu)。同樣，如果刀具本身具有可用的幾何形狀，就不需要圖6b和7b中的參照結(jié)構(gòu)。
在刀具用于鋸、銑或磨平面的情況下，對刀具坐標系的三個自由度進行校準就足夠了，因為刀具在平面上的側(cè)部位置對于加工結(jié)果來說是不重要的。對于高精度的唯一要求是刀具與平面之間的距離以及刀具相對于平面的兩個傾斜角。因此，刀具坐標系可以僅用一個平面作為參照結(jié)構(gòu)進行校準，該平面優(yōu)選平行于加工平面。這樣一個平面可以是鋸條表面或安裝在銑刀頭上的金屬板的表面。
如圖8a-8e中所示，通常一次應(yīng)用中使用幾個刀具，那么通過使用刀具幾何結(jié)構(gòu)上的參照結(jié)構(gòu)或者通過在刀具上連接參照結(jié)構(gòu)，并且采用圖6a、6b和7a、7b中描述的方法，可以對每個刀具進行校準。然而，在刀具與主軸傳動器之間經(jīng)常存在一個換刀器，那么以與如圖6a、6b和7a、7b所示的相同方法使用如圖8f所示的參照刀具校準主軸傳動器通常就足夠了。圖8f示出一個設(shè)置在一個參照刀具47與一個主軸致動器48之間的換刀器46。為參照刀具47定義了坐標系Ot、Xt、Yt、Zt以及為換刀器46定義了坐標系Otc、Xtc、Ytc、Ztc。已知參照刀具坐標系t與換刀器tc之間的關(guān)系。參照刀具47是僅用于校準目的的虛設(shè)刀具。參照刀具47包括一個刀具參照結(jié)構(gòu)50。已知參照刀具46的幾何形狀。然后可以計算換刀器的坐標系tc。已知換刀器的坐標系以及該應(yīng)用中使用的刀具——例如圖8b-8e中示出的刀具——的幾何形狀，可以在刀具夾具坐標系tc中計算用于刀具的刀具坐標系ta、tb、tc、td。
如果要定義多個局部工件坐標系，可以使用一個由機器人保持的參照結(jié)構(gòu)以定義所有工件坐標系，而不是在工件上有多個不同的工件參照結(jié)構(gòu)。如圖9中所示，參照刀具47上的刀具參照結(jié)構(gòu)50也可用于定義局部工件坐標系?？蛇x地，參照結(jié)構(gòu)50可位于真實刀具上。參照刀具47安裝在機器人上。參照結(jié)構(gòu)50相對于刀具夾具坐標系的位置和方向是已知的或者已經(jīng)得到校準，并且借助于機器人運動學參照結(jié)構(gòu)50相對于機器人基座坐標系rb的位置和方向是已知的或者已經(jīng)得到校準。
首先，借助于連接到工件3上的工件參照結(jié)構(gòu)25，使用數(shù)字化儀15在工件上定義固定工件坐標系o2。然后，機器人1移動刀具參照結(jié)構(gòu)50，使其盡可能接近由數(shù)字化儀編程的路徑。參照刀具47的方向應(yīng)優(yōu)選地盡可能接近路徑的期望刀具方向。最后，數(shù)字化儀測量在刀具參照結(jié)構(gòu)50表面上的點，以定義一個局部工件坐標系，在圖中該局部工件坐標系和刀具坐標系Ot、Xt、Yt、Zt相同?，F(xiàn)在數(shù)字化儀可將局部工件坐標系t與連接到工件上的固定工件坐標系o2相參照。由于數(shù)字化儀在固定工件坐標系o2中計算路徑位置p1、p2，現(xiàn)在也可以在由機器人刀具上的參照結(jié)構(gòu)50定義的局部工件坐標系t中計算路徑位置。由于通過刀具校準機器人已知刀具的刀具坐標系，可以直接使用在刀具上的局部工件坐標系中表示的路徑位置對機器人進行編程。
通過測量值和刀具參照結(jié)構(gòu)50的數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的局部工件坐標系t。從先前的測量，已知相對于工件坐標系o2以及相對于數(shù)字化儀db的路徑位置p2。因此，可以計算固定工件坐標系o2與局部工件坐標系t之間的關(guān)系。此后計算相對于局部坐標系t的姿態(tài)p2。
將刀具參照結(jié)構(gòu)用作局部坐標系的方法缺點在于由于數(shù)字化儀必須用于重新校準局部坐標系，用該方法更難以將程序從一個機器人移動到另一機器人。當局部坐標系的參照結(jié)構(gòu)安裝在工件上時，機器人可以利用存儲的參照結(jié)構(gòu)校準程序自動移動探針以接觸參照結(jié)構(gòu)的表面。另一方面，將刀具上的參照結(jié)構(gòu)用作局部的工件坐標系意味著在工件上實際上根本不需要參照結(jié)構(gòu)。因此，在小尺寸批量生產(chǎn)的應(yīng)用中，僅使用一個刀具參照結(jié)構(gòu)定義工件坐標系是有利的。當定義這些基于刀具的工件坐標系時，使刀具的方向盡可能接近路徑位置中使用的方向是重要的。而且，當從參照結(jié)構(gòu)校準位置移動到路徑位置時，不會有機器人的軸線改變轉(zhuǎn)矩方向。對于機器人的主軸線，這特別重要。
迄今，提出了機器人上安裝刀具時的校準方法。如果代之以機器人上安裝工件，并且刀具固定到機器人單元上或另一操縱器上，則根據(jù)圖10a-10b和11中示出的方法之一完成該方法。
當使用固定到機器人單元上的測量探針30時，圖10a示出工件坐標系o2相對于機器人基座坐標系rb的校準。首先以與圖6a中先前已示出的相同方法計算相對于機器人基座坐標系rb的坐標系rt1或固定探針30的位置。為此，具有已知幾何形狀的參照結(jié)構(gòu)34的參照刀具32如圖6a所示那樣連接到機器人刀具夾具上。已知參照結(jié)構(gòu)34的坐標系rt1與機器人刀具夾具坐標系rth之間的關(guān)系。因此，可以計算相對于機器人基座坐標系rb的探針坐標系rt1。
然后具有工件參照結(jié)構(gòu)25的工件3安裝在機器人刀具夾具坐標系rth上。機器人朝向探針30移動，從而參照結(jié)構(gòu)25的不同表面碰到探針的尖端31。通過測量值與參照結(jié)構(gòu)25的模型之間的最優(yōu)擬合，確定了相對于機器人基座坐標系rb的工件坐標系o2。比較圖6b中示出的刀具校準。在該實施例中，刀具47相對于機器人單元固定。因此，除了校準工件坐標系o2，也必須校準刀具坐標系t。對固定安裝的刀具47的校準可以與如圖4b所示當機器人安裝刀具時對工件坐標系的校準相比較。
圖10b示出了對具有固定刀具47的刀具坐標系的校準。具有已知幾何形狀的探針20安裝在機器人上并且具有已知幾何形狀的一個參照結(jié)構(gòu)34安裝在刀具47上或相對于刀具47固定。已知參照結(jié)構(gòu)34的坐標系rt2相對于機器人刀具坐標系t的位置。探針20用于在刀具參照結(jié)構(gòu)34表面上進行測量?，F(xiàn)在，機器人知道相對于工件坐標系o2的刀具坐標系t，并且如果數(shù)字化儀用于對相對于工件坐標系的路徑位置編程，機器人可以用這些來自數(shù)字化儀的相對位置運行程序。
數(shù)字化儀15可以與如圖7所示當?shù)毒甙惭b在機器人上時校準刀具坐標系的相同方法，當如圖11所示工件3安裝在機器人上時校準工件坐標系o2。由于用數(shù)字化儀上的探針20容易接近，可以測量機器人1上的參照結(jié)構(gòu)60以及處于同一階段的工件3上的參照結(jié)構(gòu)47，而不必卸下工件。而且，數(shù)字化儀也可以用于測量刀具坐標系，給予機器人控制器相對于刀具夾具坐標系的固定刀具坐標系。應(yīng)提到，數(shù)字化儀可安裝在工件上或夾具上或工件夾具上，以減少對數(shù)字化儀工作空間的需要。
參照圖11，現(xiàn)在描述如何使用數(shù)字化儀相對于刀具坐標系t確定路徑位置p2。機器人參照結(jié)構(gòu)60以相對于機器人刀具夾具坐標系rth已知的關(guān)系安裝在機器人上，而由于機器人運動學已知機器人刀具夾具坐標系rth相對于機器人基座坐標系rb的關(guān)系。因此，參照刀具60的坐標系rt1相對于機器人基座坐標系rb的關(guān)系是已知的。數(shù)字化儀在機器人參照結(jié)構(gòu)60的表面上測量位置。通過測量值與參照結(jié)構(gòu)60的模型的最優(yōu)擬合，確定參照刀具坐標系rt1與數(shù)字化儀db之間的關(guān)系。
為了確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的工件坐標系o2，由數(shù)字化儀在工件參照結(jié)構(gòu)25的表面上進行測量。通過測量值與工件參照機構(gòu)25的模型的最優(yōu)擬合，確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系db的工件坐標系o2。然后借助于數(shù)字化儀15對路徑進行編程，因此獲得相對于工件坐標系o2的路徑位置p2。通過由數(shù)字化儀在刀具參照結(jié)構(gòu)50表面上的測量值與參照結(jié)構(gòu)50的模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于數(shù)字化儀基座坐標系的刀具坐標系t。計算相對于參照刀具坐標系rt1的刀具坐標系t，并且由于已知相對于刀具夾具坐標系rth的參照刀具坐標系rt1，可以計算相對于機器人基座坐標系rb的刀具坐標系t。
然后計算工件坐標系o2與參照刀具坐標系rt1之間的關(guān)系，并且由于已知相對于機器人刀具夾具坐標系rth的參照刀具坐標系rt1，可以在機器人基座坐標系rb中計算工件坐標系o2。在編程的過程中，測量相對于工件坐標系o2的路徑位置p2，并因而在機器人基座坐標系中計算路徑位置。由于已知機器人基座坐標系rb中的刀具坐標系t以及路徑位置p2，可以計算刀具坐標系t中的路徑位置p2。
在固定刀具情況下，工件坐標系o2與刀具夾具坐標系rth之間的關(guān)系一直是相同的，并且與機器人結(jié)構(gòu)無關(guān)。然而，在一個路徑中的給定位置上的機器人結(jié)構(gòu)與另一路徑中的一個位置上的機器人結(jié)構(gòu)很不相同。因此，刀具坐標系或者工件坐標系有時必須更新以形成在機器人程序中部分路徑必須使用的局部坐標系，其更新的方式與機器人安裝刀具的情況下必須更新工件坐標系的方式相同。通過移動機器人以使固定刀具接近路徑并且用數(shù)字化儀對工件坐標系或者刀具夾具坐標系進行重新校準，可簡單地對這些局部坐標系進行校準。在使用如圖10a-b所示固定探針的情況下，通過使用局部工件參照結(jié)構(gòu)對局部工件坐標系進行校準，而局部工件參照結(jié)構(gòu)由機器人移動并使其抵靠固定探針。
本發(fā)明不限于公開的實施例而是可以在下面的權(quán)利要求范圍內(nèi)改變和修改。例如可以僅使用一個參照結(jié)構(gòu)對工件上的多個路徑進行編程。還可以使用多個局部工件坐標系對單個路徑進行編程。這樣就使用不同的局部工件坐標系對路徑上的不同位置編程。
在此處描述的實施例中，對參照結(jié)構(gòu)的測量包括測量參照結(jié)構(gòu)表面上的至少三個位置?？蛇x地，該測量可包括測量參照結(jié)構(gòu)表面上的至少一個位置以及測量該表面的法向。
權(quán)利要求
1.一種用于對具有一個機器人坐標系的工業(yè)機器人進行編程的方法，用于一種應(yīng)用，該應(yīng)用包括一個具有一個刀具坐標系的刀具以及一個將由該刀具加工的工件，其中通過一個適于相對于一個測量坐標系測量位置的位置測量單元對該應(yīng)用進行編程，其中該方法包括選擇一個工件上的或相對于該工件固定的工件參照結(jié)構(gòu)，該工件參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義一個用于該工件參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，定義一個相對于該工件參照結(jié)構(gòu)固定的工件坐標系，在該工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，該測量由該位置測量單元完成并且相對于該測量坐標系提供，借助于由該位置測量單元完成的所述測量值與該工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合確定相對于該測量坐標系的工件坐標系，借助于該位置測量單元在該工件上的一個期望機器人路徑上測量多個位置，根據(jù)該機器人路徑的所述測量位置以及所述定義的工件坐標系，確定該機器人路徑在該工件坐標系中的位置，確定該工件坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系，確定該刀具坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系，以及根據(jù)該機器人路徑在該工件坐標系中的所述位置、該工件坐標系與該機器人坐標系之間的所述關(guān)系以及該刀具坐標系與該機器人坐標系之間的所述關(guān)系而對機器人路徑編程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件參照結(jié)構(gòu)是三維的并且具有至少三個非平行表面，并且在該工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少三個表面上進行測量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件參照結(jié)構(gòu)是立方體、圓錐體或圓柱體中的任一個。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述選擇的工件參照結(jié)構(gòu)位于所述機器人路徑附近。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述機器人包括一個基座，并且所述機器人坐標系依附于該機器人的基座。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件坐標系與所述機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括在所述工件參照結(jié)構(gòu)的至少一個表面上完成測量，或者在所述工件上的或者相對于該工件固定的參照結(jié)構(gòu)的至少一個表面上完成測量，其中，該測量借助于一個長條狀的探針完成，并且在測量過程中該探針相對于該表面的傾斜度與刀具相對于該機器人路徑上的工件的傾斜度大致相同。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件坐標系與所述機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括在所述工件參照結(jié)構(gòu)的所述表面上完成測量，該測量通過所述機器人來完成并且相對于該機器人坐標系來提供，以及借助于由該機器人完成的所述測量值和該工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定相對于該機器人坐標系的工件坐標系。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中一個機器人程序根據(jù)在所述工件參照結(jié)構(gòu)上由所述位置測量單元完成的所述測量自動生成，該機器人程序用于在該工件參照結(jié)構(gòu)上由所述機器人完成所述測量。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中根據(jù)在所述工件參照結(jié)構(gòu)上由所述位置測量單元完成的所述測量，計算該工件參照結(jié)構(gòu)的所述表面的法向，并且當進行所述測量時，該機器人沿所述計算的方向朝表面移動。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件坐標系與所述機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括選擇一個所述機器人上的或相對于該機器人固定的機器人參照結(jié)構(gòu)，該機器人參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義一個用于該機器人參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，定義一個相對于該機器人參照結(jié)構(gòu)固定的第二機器人坐標系，在該機器人參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上完成測量，借助于該機器人參照結(jié)構(gòu)的所述測量值與機器人參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合確定相對于所述第一機器人坐標系的工件坐標系。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該方法包括提供一個相對于所述機器人固定并且其位置已知的測量探針，在所述機器人參照結(jié)構(gòu)的表面上由所述測量探針完成測量，在所述工件參照結(jié)構(gòu)的表面上由所述測量探針完成測量，根據(jù)由所述測量探針對該機器人參照結(jié)構(gòu)進行的所述測量以及該對工件參照結(jié)構(gòu)進行的所述測量，確定所述工件坐標系與所述第二機器人坐標系之間的關(guān)系。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在機器人參照結(jié)構(gòu)的所述表面上由所述位置測量單元完成所述測量并且相對于測量坐標系進行所述測量，并且根據(jù)相對于該測量坐標系的所述工件坐標系確定該工件坐標系與所述機器人坐標系之間的所述關(guān)系。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述機器人包括一個刀具夾具，并且所述機器人參照結(jié)構(gòu)在該機器人刀具夾具上或在該機器人刀具夾具附近選擇。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述機器人設(shè)置有一個刀具，該刀具具有一個連接到該機器人的內(nèi)端和一個外端，所述機器人參照結(jié)構(gòu)位于刀具外端上或刀具外端附近。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法進一步包括選擇一個工件上的或相對于工件固定的第二工件參照結(jié)構(gòu)，該第二工件參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義一個該工件參照結(jié)構(gòu)上的或相對于該工件參照結(jié)構(gòu)固定的第二工件坐標系，在該第二工件參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，該測量由所述位置測量單元完成并且相對于所述測量坐標系提供，以及借助于在該第二工件參照結(jié)構(gòu)上的所述測量值與該工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合確定相對于該測量坐標系的該第二工件坐標系，確定該第二工件坐標系與所述機器人坐標系之間的關(guān)系，根據(jù)一個所選情況，基于該第一或者第二坐標系確定該機器人路徑位置并對其編程。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中根據(jù)所述第一或第二坐標系中最接近機器人路徑位置的坐標系確定機器人路徑位置并對其編程。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中根據(jù)所述第一和第二坐標系中在機器人路徑位置上具有與期望刀具方向大約相同方向的坐標系確定機器人路徑位置并對其編程。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中根據(jù)所述第一和第二坐標系中在機器人軸線上具有與路徑位置相同的轉(zhuǎn)矩方向的坐標系確定機器人路徑位置并對其編程。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件參照結(jié)構(gòu)至少是一個平面。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述刀具包括一個用于將該刀具連接到該機器人的刀具基座，并且該刀具坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系的確定包括定義該刀具基座上的或相對于該刀具基座固定的一個參照坐標系，該參照刀具坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系是已知的，選擇一個該參照坐標系上的或相對于該參照坐標系固定的第一刀具參照結(jié)構(gòu)，該第一刀具參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義該第一刀具參照結(jié)構(gòu)的一個數(shù)學模型，選擇一個相對于該刀具坐標系固定并與該第一參照結(jié)構(gòu)相距一定距離的第二刀具參照結(jié)構(gòu)，該第二刀具參照結(jié)構(gòu)具有至少一個表面，定義該第二刀具參照結(jié)構(gòu)的一個數(shù)學模型，在該第一刀具參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，在該第二刀具參照結(jié)構(gòu)的所述至少一個表面上進行測量，借助于在該第一和第二刀具參照結(jié)構(gòu)上的所述測量值與該工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，確定該刀具坐標系與該參照坐標系之間的關(guān)系。
21.一種用于對工業(yè)機器人編程的計算機程序產(chǎn)品，該工業(yè)機器人具有一個用于一個應(yīng)用的機器人坐標系，該應(yīng)用包括一個具有一個刀具坐標系的刀具以及一個由所述刀具加工的工件，其中借助于一個適于相對于一個測量坐標系測量位置的位置測量單元對該應(yīng)用進行編程，并且該計算機程序產(chǎn)品包括計算機程序指令，該程序指令載入計算機中時使得計算機完成接收來自一個工件參照結(jié)構(gòu)的至少一個表面上的測量值，該工件參考結(jié)構(gòu)在該工件上或相對于該工件固定，該測量值相對于該測量坐標系提供，借助于由該位置測量單元完成的所述測量值與該工件參照結(jié)構(gòu)的所述數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合確定相對于該測量坐標系一個工件坐標系，而該工件坐標系定義成相對于工件參照結(jié)構(gòu)固定，接收在一個期望機器人路徑上的多個位置，根據(jù)該機器人路徑的所述測量位置以及所述確定的工件坐標系，確定該機器人路徑在該工件坐標系中的位置，確定該工件坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系，確定該刀具坐標系與該機器人坐標系之間的關(guān)系，以及根據(jù)該機器人路徑在該工件坐標系中的所述位置、該工件坐標系與該機器人坐標系之間的所述關(guān)系以及該刀具坐標系與該機器人坐標系之間的所述關(guān)系而對該機器人路徑編程。
22.一種其上記錄有一個程序的計算機可讀介質(zhì)，其中當所述程序在一個計算機上運行時，該程序使得該計算機完成如權(quán)利要求21所述的步驟。
全文摘要
一種用于對機器人應(yīng)用進行編程的方法，該機器人應(yīng)用包括一個具有機器人坐標系的工業(yè)機器人，一個具有刀具坐標系的刀具以及一個由刀具加工的工件(3)。該應(yīng)用通過適于相對于測量坐標系(db)測量位置的位置測量單元(15)進行編程。該編程方法包括在工件上選擇一個工件參照結(jié)構(gòu)(25)，定義工件參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，定義一個工件坐標系(o2)，由位置測量單元在工件參照結(jié)構(gòu)的表面上進行測量，通過該測量值和工件參照結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型之間的最優(yōu)擬合，定義相對于測量坐標系(db)的工件坐標系。
文檔編號G05B19/408GK1802240SQ200480016112
公開日2006年7月12日 申請日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月11日
發(fā)明者格雷戈里·羅薩諾, 湯青, 李雄姿, 孫云權(quán), 甘中學, 托里尼·布羅加德, 哈坎·布蘭特馬克 申請人:Abb公司