機器人的校準和編程的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?01280045878. 6、申請日為2014年3月20日、發(fā)明名稱為"機 器人的校準和編程"的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及對機器人進行校準的方法和對機器人進行編程的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在工業(yè)機器人領(lǐng)域中，機器人的物理特性知識對計算機器人的精確位置很重要。 這些特性可以由機器人設(shè)計的圖形限定，但是將取決于機器人的裝配過程和機器人組件的 公差而變化。為了精煉該知識，并且由此增加機器人準確度，必須校準描述該機器人的模 型。
[0004] 在專利文獻中已經(jīng)建議了用于編程機器人的幾種方法和設(shè)備。在US6, 535, 794中 公開了三維坐標測量機，該三維坐標測量機使用具有已知大小的機械測量壁，以創(chuàng)建數(shù)據(jù) 誤差圖，以用于校準機器人。
[0005] US 2011/0022216公開了一種用于校準工業(yè)機器人系統(tǒng)的方法和設(shè)備，該工業(yè)機 器人系統(tǒng)包括具有機器人坐標系的至少一個機器人和具有定位器坐標系的定位器，并且適 合于通過將工件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)來保持并且改變該工件的定向。關(guān)于物體坐標系來對 用于機器人的目標點進行編程。設(shè)備包括：機器人控制器、在定位器上布置的至少三個校準 物體和由機器人保持的校準工具。校準物體的位置在物體坐標系中是已知的。機器人控制 器被配置為：確定關(guān)于機器人坐標系的校準物體的位置，確定用于定位器的旋轉(zhuǎn)軸的至少 三個不同角度的所述校準物體中的第一校準物體和第二校準物體的位置，基于所確定的用 于旋轉(zhuǎn)軸的三個角度的第一校準物體和第二校準物體的位置來確定機器人坐標系中的定 位器的旋轉(zhuǎn)軸的方向，并且通過執(zhí)行校準物體的已知位置和所確定位置之間的最佳匹配來 確定第一物體坐標系和定位器坐標系之間的關(guān)系。
[0006] 在US 2008/0188986中公開了一種通過運動學機器人模型參數(shù)確定來提供多關(guān) 節(jié)機器人中的改進的準確度的方法和系統(tǒng)。根據(jù)機器人模型參數(shù)的變化通過針對參考物體 的參考點的被計算姿勢中的變化使用用于雅克比行列式（Jacobian)推導(dǎo)中的微分鏈式法 則來校準多關(guān)節(jié)機器人。該方法還使用兩個這樣的參照物和其間的已知距離來創(chuàng)建長度尺 度，由此避免需要知道機器人的一個連桿長度。迭代法用于找到用于合成模型參數(shù)的改進 準確度的最優(yōu)解。而且，公開了機器人的端關(guān)節(jié)參數(shù)（包括限定了工具附接機制框架的參 數(shù)）的確定，這在沒有隨后校準的情況下允許工具互換。
[0007] 在US 2008/0188983中還公開了一種用于校準多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人的裝置和方法。
[0008] US 6, 070, 109涉及一種機器人校準系統(tǒng)，該機器人校準系統(tǒng)包括校準傳感器，該 校準傳感器提供當?shù)谝粎⒖键c（其相對機器人基底保持固定）離第二參考點（其位于機器 人壁上）為固定距離時的指示。機器人臂被移動通過多個定向，并且每次獲得兩個參考點 之間的固定距離，確定機器人關(guān)節(jié)位置信息。優(yōu)選校準傳感器包括一根繩子（string)，該 繩子在兩個參考點之間延伸，并且每次由機器人臂的定向所引起繩子拉緊而激活信號發(fā)生 器。所生成的信號指示兩個參考點相隔固定距離。所確定的機器人關(guān)節(jié)位置隨后用于確定 校準因數(shù)，該校準因數(shù)取決于特定情況的需要而變化。示例性校準因數(shù)用于校正機器人運 動信息中的錯誤，定位工作單元參考框架并且定位工具中心點參考框架。
[0009] 在US2009/0157226中公開了一種用于機器人及其外圍設(shè)備的校準系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括附接到機器人及其外圍設(shè)備的發(fā)射器。發(fā)射器發(fā)射激光束，并且接收器在某點處還被 安裝到機器人或其外圍設(shè)備，以允許校準并且用于接收該激光束，并且允許計算以確定發(fā) 射器和接收器之間的尺寸。
[0010] US4, 753, 569涉及一種用于校準計算機導(dǎo)引的機器人設(shè)備的方法和設(shè)備。安裝在 機器人臂上或者固定在工作臺處的至少一個相機觀察目標，該目標包括固定到另一個機器 人臂或者工作臺的至少三點的模式，這種觀察當機器人臂接近工作臺以執(zhí)行預(yù)定操作時發(fā) 生。將相對于預(yù)定目標模式的任何偏差的感測發(fā)送到計算機，以重置機器人的計算機化的 導(dǎo)引系統(tǒng)。
[0011] 因此，雖然存在多種校準機器人的方法，但是所有方法都需要多種額外的主動測 量設(shè)備（即包括傳感器的測量設(shè)備）和如何使用所述測量設(shè)備的專業(yè)知識，而且依賴于通 過其知道所述設(shè)備的物理特征的準確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種校準多關(guān)節(jié)機器人的方法，該方法容易實現(xiàn)，并 且不需要使用外部主動測量設(shè)備。
[0013] 此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種復(fù)制未校準機器人之間的工作程序的方法。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，通過校準機器人的方法實現(xiàn)上述目的和其它目的，該方法包括以下 步驟：
[0015] (a)提供至少兩個機器人況和R2)，每個機器人況，R2)具有連接以下兩個法蘭 的關(guān)節(jié)和/或連桿：基底法蘭和工具法蘭，
[0016] (b)由至少兩個機器人（RpR2)形成閉鏈，
[0017] (c)操控鏈中的連桿或關(guān)節(jié)中的至少一個，由此引起鏈中的一些其它連桿或關(guān)節(jié) 中的操作，并且隨后
[0018] (d)基于與至少兩個機器人（&，R2)中的每一個機器人的關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的傳感器信 息來估計用于每個機器人（Ri，R2)的運動模型（MpM2)。
[0019] 借此實現(xiàn)校準方法，該校準方法不取決于外部主動測量設(shè)備的準確度，而僅使用 機器人本身。本發(fā)明方法將機器人組合到閉鏈中，以獲得信息，該信息隨后用于調(diào)整機器人 的運動參數(shù)，即用于更新機器人的運動模型，由此校準機器人。通過調(diào)制在可用工作空間上 分布的不同形態(tài)中的鏈（即，通過操控鏈中的至少兩個機器人的至少一個關(guān)節(jié)）來生成用 在校準過程中的必要信息，由此引起鏈中的其它連桿或關(guān)節(jié)中的一些的操作。隨后通過使 用閉鏈屬性和來自各種鏈形態(tài)的連桿和/或關(guān)節(jié)的知識來完成校準（即，數(shù)學運動模型的 估計）。為了限定鏈的比例大小，需要知道至少一個距離或距離變化。在可以求解的方程組 中表達了鏈中所使用的連桿和/或關(guān)節(jié)，由此校準機器人。因此，通過使用閉鏈的原理，可 以探索機器人的工作空間的大部分區(qū)域，并且因此該校準方法的成果高度地表示所述機器 人的整個工作空間。這在除了機器人本身之外而沒有任何測量設(shè)備的情況下允許幾個機器 人的同時校準。通過將閉鏈的模型表示和多個物理觀察值進行比較，可以精煉模型的參數(shù) 并且因此校準模型的參數(shù)。
[0020] 這里，該方法用在閉鏈中，每個連桿通過其自己的約束被引導(dǎo)，以實現(xiàn)整個閉鏈的 約束。這要求鏈中的位置、速度、加速度和力等。通過利用該屬性，可以估計每個連桿的動 態(tài)屬性，并且因此校準機器人的運動。
[0021] 應(yīng)當理解的是，在本專利說明書的全文中，術(shù)語一個或多個關(guān)節(jié)可以用于表示轉(zhuǎn) 動關(guān)節(jié)、棱柱型關(guān)節(jié)（prismatic joint)或者球形關(guān)節(jié)。取決于關(guān)節(jié)的類型，關(guān)節(jié)可以控制 并且記錄旋轉(zhuǎn)和/或位置。在下文中，"位置"用于描述旋轉(zhuǎn)和/或位置。還應(yīng)當理解的是， 鏈可以包括不是關(guān)節(jié)的連桿或者是關(guān)節(jié)的連桿。
[0022] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，可以通過提供具有至少兩個機器人臂的單個機 器人來完成提供至少兩個機器人的步驟（a)，并且隨后將所述每個臂看作一個機器人。該類 型的機器人不具有與工具法蘭相同數(shù)量的基底法蘭。
[0023] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，從用于驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)和/或連桿的相同 傳感器獲得傳感器信息。
[0024] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，從用于驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)和/或連桿的相同 傳感器僅獲得傳感器信息。
[0025] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，步驟（c)包括以下子步驟：
[0026] -改變關(guān)節(jié)位置，并且由此改變至少兩個機器人（Ri，R2)中的每一個機器人的關(guān)節(jié) 的位置（Q)，并且
[0027] _收集所述對應(yīng)位置對（<叫，R2Q>m)。
[0028] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息是與關(guān)節(jié)位置（?有關(guān)的信 息，并且其中步驟（d)包括：基于所收集的位置對（〈&Q，R 2Q>J來估計運動模型（Mp M2)。
[0029] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息包括下列任何一個、以及/或 者下列任何一個的變化：角度、位置坐標或它們的派生物。
[0030] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息包括下列任何一個、以及/或 者下列任何一個的變化：力、力矩或它們的派生物。
[0031] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，通過物理地將所述至少兩個機器人（Ri，R2) 連接在至少其基底法蘭處和/或其工具法蘭處，來執(zhí)行由至少兩個機器人（Ri，R 2)形成閉鏈 的步驟（b)。
[0032] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人（&，R2)形成閉鏈的步 驟（b)還包括在至少兩個機器人（Ri，R 2)之間固定至少一段距離的步驟。
[0033] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人（&，R2)形成閉鏈的步 驟（b)還包括在至少兩個機器人（Ri，R 2)之間固定至少一個連接方向的步驟。
[0034] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人（&，R2)形成閉鏈的步 驟（b)包括使用測量設(shè)備來測量至少兩個機器人（Ri，R 2)之間的相對位置的步驟。
[0035] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設(shè)備被配置為用于測量至少兩個機器 人（Ri，R 2)的部件之間的距離。
[0036] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設(shè)備被配置為用于確定至少兩個機器 人（RpD的部件之間的方向。
[0037] 根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設(shè)備為連接至少兩個機器人（Ri，R2) 的至少一個球桿（ball bar)。
[0038] 根據(jù)又一個實施例，傳感器信息包括由閉鏈中的連桿給出的任何信息，以實現(xiàn)與 校準的靜態(tài)部件和動態(tài)部件有關(guān)的模型。例如但不限于位置信息和力信息及其派生物。
[0039] 雖然應(yīng)當理解為可以使用其它種類的傳感器信息，但是使用角度是用于表示具有 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機器人關(guān)節(jié)的位置的非常實用的方法。根據(jù)本方法不僅可以校準機器人的規(guī) 模，而且也可以校準力和力矩的讀取/估計和/或動量計算。
[0040] 并不局限于機器人需要彼此物理地連接，只要提供將鏈閉合的信息即可。因此，根 據(jù)又一個優(yōu)選實施例，由至少兩個機器人形成閉鏈的步驟（b)包括以下步驟：將該至少兩