工业机器人的基座坐标系的校准的制作方法

专利名称：工业机器人的基座坐标系的校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于机器人的基座坐标系关于工作区域校准的方法。本发明还涉及用于机器人的基座坐标系的校准的运动耦合装置。
背景技术：
本发明对于便携式机器人的校准来说是特别有用的。其中，便携式机器人指的是其自身可运动或者可通过例如转向台车等其它装置运动的机器人。工作区域是机器人开展工作的地方，例如，机器人单元。例如，工作区域包括机器人在上面开展工作的工作对象和
/或工作站。
机器人包括基座部和多个可以相对于基座部运动的部分。基座坐标系限定成与基座部成固定关系。在基座坐标系的校准期间，相对于工作区域确定基座坐标系的位置和定向以及相应的基座部的位置和定向。通常的情况是，特别是在较小的企业中，负担不起机器人的自动操作，因为机器人不能够如人类工作者一样在不同的机器之间移动。有些时候，可以将机器人安装成悬挂在直线导轨上或站立在地面安装的导轨上，但是这种解决方案昂贵并且会很难装设在车间里。在这种情况下，确切需要的是易于在不同的机器人单元之间移动并且在机器人的移动之后实现生产运行所需的时间非常短的低成本便携式机器人。这种机器人解决方案的另一应用是在大型工作对象的情况下，在这种情况下机器人必须在工作对象的不同部分之间移动。在不同的工作区域之间移动机器人的问题是每次将机器人移动至工作区域以后，必须以高精确度确定机器人相对于工作区域的位置和定向。到目前为止所给出的具有专门的对接机构、对接传感器甚至导航系统的用以解决该问题的原理过于复杂。当使用包括安全传感器、高精度对接机构、对接传感器等的过于复杂的平台时还存在成本问题。便携式机器人还未被引进的最重要的原因是到目前为止所给出的原理未解决如何缩短机器人的对接和机器人程序的执行之间的时间的问题。在机器人的装设和机器人单元的试运行中的基本问题是机器人与待通过机器人处理的工件的关系的识别。假定机器人在工件上进行工作并且该工件定位在机器人的工作范围内。工件识别的原因是在工件中的限定局部坐标系，该局部坐标系能够用于对在工件上进行工作的机器人编程。W02009132703公开了一种用于相对于机器人坐标系校准局部坐标系的方法。球形件安装在机器人上并且至少3个配合目标物安装在局部对象上。每个配合目标物包括两个或三个不平行的平面表面，所述平面表面布置成用以容纳球形件，使得球形件与所述表面接触。通过移动机器人来使球形件顺序地与所述三个目标物配对，可以相对于机器人坐标系计算出局部坐标系。例如，力控制可以用于实现配对。该方法很难用于可动平台上的机器人的基座坐标系的校准，原因如下当机器人已经呈新姿势时，难以调节机器人校准程序以使球形件与三个目标物配合，因为它们分散在机器人单元中；机器人移动之后，存在很大的风险，机器人将不能够触及所有的三个目标物；因为目标物之间需要相当大的距离，因此机器人的不准确性始终会降低校准质量；每次配合时，机器人工具能够具有任何定向，这在用于基座坐标系的校准时进一步降低了方法的准确度；通过引导是最直观的方法，使用通过引导实现配合，难以或者有时无法将球形件移动至三个目标物。对于便携式机器人来说，W02009132703中的方法很难使用并且实际上不是为机器人基座坐标系的校准而开发的，而是为工作对象或固定装置的校准而开发的。

发明内容
本发明的目的是提供对便携式机器人的基座坐标系的快速且准确的校准。根据本发明的一个方面，通过权利要求I中限定的运动耦合装置实现该目的。所述运动耦合装置包括能够相对于彼此运动的第一部件和第二部件，其中，所述第一部件和第二部件中的一个部件设计成由所述机器人携带且另一个部件设计成定位在所述机器人的所述工作区域中，并且，所述第一部件和第二部件中的一个部件设置有第一凸形表面且另一个部件设置有凹入部，所述凹入部设计成用以容纳所述第一凸形表面，并 且所述凹入部包括不平行的三个平面表面，所述三个平面表面设计成在所述机器人的校准过程中同时地与所述第一凸形表面接触，所述第一部件和第二部件中的一个部件包括第二凸形表面且另一个部件包括第四平面表面，所述第四平面表面设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面与所述三个平面表面接触的同时与所述第二凸形表面接触。所述部件中的一个布置成固定在工作区域中而另一个安装在机器人上，优选地安装在机器人的腕部上。当耦合装置配合时，第一凸形表面与所述多个平面表面具有三个接触点并且第二凸形表面与第四平面表面具有一个接触点，这形成了总共四个接触点，这四个接触点在四个自由度上约束所述部件。因此，第一部件和第二部件设计成使得当它们彼此配合时这些部件在四个自由度上彼此锁定。为了明确地限定机器人的唯一的位置和定向，运动耦合装置应该在与机器人的自由度数目相同的自由度上约束耦合装置的相配合部件。上述运动耦合装置在四个自由度上锁定机器人，因此适于校准可以在四个自由度上运动的机器人。使用运动耦合装置的优点在于，定位在机器人上的耦合装置的部件仅必须与定位在工作区域中的耦合装置的另一部件配合一次，以确定机器人基座坐标系关于工作区域的具有与机器人相同的自由度的位置和定向。这使得校准快且容易。上述特定运动耦合装置的另一优点在于，能够在每一步中以适当限定的运动逐步地实现配合。当在配合期间使用力控制或顺应控制时，这是特别重要的。顺应控制能够用于通过机器人程序(可选地包括搜索策略)控制的自动配合或用于采用对机器人工具的通过引导的手动配合。由于仅在一个机器人姿势下进行配合，因此整体运动误差(global kinematic errors)将不影响校准,仅小范围内的相对运动误差(对应于机器人的放置差异)重要。还应当指出，易于在单元中找到用于运动耦合装置的位置，使得机器人能够触及该位置并且使得在进行通过引导校准时操作者能够容易地触及该位置。根据本发明的一种实施方式，包括所述第二凸形表面的所述部件还包括第三凸形表面，并且所述第四平面表面设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面与所述三个平面表面接触的同时，同时地与所述第二凸形表面和所述第三凸形表面接触。根据本发明的该实施方式的运动耦合装置在五个自由度上锁定机器人并且相应地适于校准可以在五个自由度上运动的机器人。该运动耦合装置与先前所描述的用于四个自由度的运动耦合装置具有相同的优点。根据本发明的一种实施方式，所述第一部件和第二部件中的一个部件包括第四凸形表面、并且另一个部件包括第五平面表面，所述第五平面表面设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面与所述三个平面表面接触且所述第二凸形表面和所述第三凸形表面与所述第四平面表面接触的同时与所述第四凸形表面接触，并且所述第四表面和所述第五表面不平行。根据本发明的该实施方式的运动耦合装置在六个自由度上锁定机器人并且相应地适于校准可以在六个自由度上运动的机器人。该运动耦合装置与先前所描述的用于四个和五个自由度的运动耦合装置具有相同的优点。根据本发明的另一方面，通过权利要求4所限定的方法实现该目的。所述机器人具有基座部并能够相对于所述基座部在至少四个自由度上运动，所述方法包括将所述运动耦合装置的第一部件安装在所述机器人的机器人腕部接口上，所述运动耦合装置在与所述机器人相同数目的自由度上受到约束；将所述运动耦合装置的第二部件安装在所述工作区域中；将包括所述基座部的所述机器人移动至所述工作区域；将所 述机器人设定在顺应控制模式下；移动所述运动耦合装置的所述第一部件以与所述第二部件配合；存储所述运动耦合装置的配合过程中的所述机器人的轴线位置；基于所存储的轴线位置和所述机器人的运动学模型来确定所述机器人的所述基座部的位置和定向，并且基于所确定的所述基座部的位置和定向来校准所述机器人的基座坐标系。机器人腕部接口是腕部的一个部件，工具能够安装在该接口上，并且该接口例如被称作腕部凸缘、工具凸缘或机械工具接口。所述运动耦合装置应当在与所述机器人相同数目的自由度上受到约束。这意味着，例如，对于4轴线机器人来说，应当使用对四个自由度进行约束的运动耦合装置。因此，当将运动耦合装置的第一部件移动成与第二部件配合时，限定了机器人的可动部件的四个自由度。对于5轴线机器人来说，应该使用对五个自由度进行约束的运动耦合装置。因此， 当将运动耦合装置的第一部件移动成与第二部件配合时，限定了机器人的可动部件的五个自由度。对于6轴线机器人来说，应该使用对六个自由度进行约束的运动耦合装置。因此，当运动耦合装置的第一部件与第二部件彼此配合时，限定了机器人的可动部件的六个自由度。对于便携式机器人，本发明解决了启动时间问题和高平台成本问题。通过新的低成本的、非常易使用的、快速的、可靠的且稳健的机器人基座坐标系的校准方法，对接之后能够非常快地启动机器人程序，而这在无需使用任何传感器或者先进的机械对接机构的情况下得以实现。甚至可以只通过将机器人平台放置在地面上而将机器人相对于工作对象或工具放置在任何地方。 根据本发明，使用运动耦合装置仅在一个姿势下进行校准。以通过引导的方式进行配合，对于机器人程序员来说通过引导直观且易于使用。与W02009132703中描述的方法相比，所提出的校准方法快得多、准确得多、稳健得多且安全得多。由于使用运动耦合装置在仅一个姿势下进行校准，因此该方法变得非常准确。根据本发明的实施方式，该方法还包括在校准的基座坐标系下给所述机器人编程，由此产生包括所述基座坐标系的信息的机器人程序；将包括所述基座部的所述机器人移动至所述机器人单元中的第二位置；将所述机器人设定在所述顺应控制模式下；移动所述运动耦合装置的所述第一部件以与所述第二部件配合，从而限定所述机器人的可动部件的至少四个自由度；存储所述运动耦合装置的配合过程中的所述机器人的轴线位置；以及基于所存储的轴线位置和所述机器人的运动学模型来计算所述基座坐标系的新的位置和定向；以及更新所述机器人程序中的所述基座坐标系。本发明使得能够快速且容易地在便携式机器人在其它工作区域中使用过并返回至当前工作区域之后重新校准该便携式机器人的基座坐标系。因此，没有必要在每次使机器人移动返回工作区域时将机器人的基座部放置在完全相同的位置和定向上。由于要补偿机器人基座坐标系的位置和方向上的差值，所以可以对准确度无任何要求地进行机器人的放置。能够直接将机器人基座部放置在地面上，而无任何对接机构。无需对接传感器或导航系统。根据本发明的一种实施方式，以通过引导的方式将所述运动耦合装置的所述第一部件移动成与所述第二部件配合。这是移动机器人的简单且直观的方法。
本发明对于便携式机器人的基座坐标系的校准很有用。然而，本发明还可在固定机器人与另一机器人互换时用于固定机器人的校准。例如，将故障机器人与新机器人进行调换时，需要检查新机器人是否安装在正确的位置。本发明也可在这种情况下用来校准新机器人的基座坐标系。


将参考附图并通过对本发明的不同的实施方式的描述，更严密地解释本发明。图I示出了使用用于机器人的基座坐标系的校准的运动耦合装置的便携式机器人的示例。图2示出了现有技术的运动耦合装置的示例。图3示出了校准会涉及的坐标系的示例。图4图示了图2中所示的运动耦合装置的运动学。图5示出了根据本发明的用于4自由度机器人的校准的运动耦合装置的示例。图6示出了根据本发明的用于5自由度机器人的校准的运动耦合装置的示例。图7示出了根据本发明的用于6自由度机器人的校准的运动耦合装置的第一示例。图8示出了根据本发明的用于6自由度机器人的校准的运动耦合装置的第二示例。图9示出了根据本发明的用于6自由度机器人的校准的运动耦合装置的第三示例。图10示出了根据本发明的用于6自由度机器人的校准的运动耦合装置的第四示例。
具体实施例方式图I给出了便携式机器人的示例，其中，包括机器人控制器2的轻型机器人I安装在可移动平台3上。便携式机器人定位在限定机器人的工作区域的机器人单元中。机器人控制器2也安装在平台上，但是存在每个机器人单元可具有其自身的控制器时的情况，那么仅机器人会在平台上。机器人I通过电缆连接于控制器2，并且对接时，使用触头4将机器人、工具和控制器电连接于单元。机器人包括固定的基座部6，该基座部6支承可以绕第一轴线旋转的支架7。该支架7支承可以绕第二轴线旋转的下部臂8。该下部臂8支承可以绕第三轴线旋转的上部臂9。上部臂9支承可以绕第四、第五和第六轴线旋转的腕部10。腕部10支承下文中称为腕部凸缘的腕部接口 11，工具可安装在该腕部凸缘11上。机器人还包括平行的杆传输部12。该机器人具有6DOF(自由度)。在基座部中限定基座坐标系Xb、Yb、通过轻型腕部，可以获得具有非常低的惯性和重量的臂系统。因此，上臂部、下臂部和平行的杆传输部12由轻型碳增强环氧树脂管制成。低的臂部惯性意味着较小的用于机器人的主轴的马达和齿轮箱，并且同时，机器人的主轴结构和基座部的质量大大降低。总之，使用这种具有非常低的臂部惯性的机器人，平台上的动态力及转矩会低，并且对于很多应用来说，只要将平台3直接放置在地面上就足够了，而无需任何夹持机构。为了确保平台将不会由于机器人臂部的移动而移动，可以给平台增加额外的重量，并且如果必要的话，可以在平台的底部安装高摩擦垫以增加平台和地面之间的摩擦力并且给平台提供与底面的 非冗余连接。在这样仍不足的情况下，当对于平台的安放准确度无要求时，能够采用非常简单的夹紧螺钉。为了在工作区域之间移动平台，能够使用叉车、伸缩轮或气膜配置。使用于平台的移动和安放的编程容易同时配置简单的是运动耦合装置的使用。使用运动耦合装置，以便计算基座坐标系的位置和定向与编程时其位置和定向的偏差。运动耦合装置包括设计成彼此配合的两个部件14、16。运动耦合装置的一个部件14安装在机器人上，例如，安装在机器人的腕部10上，优选地，以其不会成为安装在腕部凸缘上的工具的阻碍的方式安装在腕部凸缘的侧部上。运动耦合装置的另一部件16安装在机器人单元中，例如，如图I中所示的工作站18上。对于6D0F的机器人来说，根据图2的传统的锁定6D0F的运动耦合装置可以作为一种选择。图2示出了现有技术的运动耦合装置的示例，该运动耦合装置包括第一部件20和第二部件22，第二部件22布置成可以相对于第一部件移动并且布置成与第一部件配合。第二部件22设置有三个球24并且第一部件设置有三个槽26。在所述部件的配合期间，球24安放在槽26中使得每个球与其槽以两点接触。通过这种方式，将相对于板20的位置和定向以高精确度获得板22的位置和定向。图中，球24安装在销28上以便示出功能。通常，球是板22的部件，而无延伸的销。图中，槽对称地布置在板20上并且因此分开120度的角度。如果该运动耦合装置的原理用于基座坐标系的校准，应当避免该对称性以避免在多个120度的耦合连接中出错。取而代之的是，槽之间的角度可以是例如90度、135度和135度。传统上，工业机器人的机器人控制器设置有用于对驱动机器人运动的马达的位置进行控制的伺服控制器。伺服控制器包括位置控制回路，该位置控制回路构造成用以基于位置误差计算速度基准。位置误差乘以表示位置控制增益的常数KP。位置控制的强度取决于位置控制增益的值。伺服控制器还包括速度控制回路，该速度控制回路构造成用以基于来自位置控制器的速度基准和速度测量值之间的差值来计算速度误差，并且进一步基于乘上表示速度控制增益的常数Kv的速度误差来计算马达的转矩基准。速度控制的强度取决于速度控制增益的值。在机器人的正常操作期间，速度回路和位置回路的增益设定在较高的值，使得机器人在所有方向和定向上都很刚硬。许多机器人已经具有将机器人切换成顺应控制模式的可能性。在顺应控制模式下，速度回路和位置回路的增益大大地降低并且机器人变得易受控制或顺应。被称作通过编程引导的技术已经被视作是对机器人进行编程的非常便利的方法。在通过编程引导过程中，程序员用手将安装在机器人上的工具或工作对象沿着要编程的机器人路径移动至多个位置，并且将该移动记录在机器人控制器内的存储器中。将机器人控制器切换至顺应控制模式，在该模式下，在校准开始之前，机器人在至少一个轴线上或者在至少一个笛卡尔方向或定向上具有减小的刚硬度。此后，在控制器处于顺应控制模式的同 ，通过机器人的通过引导方法对机器人进行编程。通过将机器人切换至顺应控制模式，使得机器人变得顺应并且易于通过手移动。然后，根据本发明的校准步骤为I.当编程机器人时，将带有机器人的平台3移动至机器人单元中的适合的位置，从而使其能够到达所有要编程的位置。2.将平台放置在地面上(在最简单的情况下，仅将其放下而没有任何夹持)。3.将控制器2连接至单元的电源和电子装置。4.命令机器人控制器切换至例如具有重力补偿的顺应控制模式，并且操作者移动运动耦合装置的第一部件14而获得与运动耦合装置的单元安装的固定部件16的6点接触。当处于完全接触时，命令机器人控制器记录机器人的轴向位置并且由机器人的运动学模型计算机器人的基座坐标系关于世界坐标系的位置和定向。在未限定世界坐标系时的情况下，可使用在记录接合位置(joint position)时的工具坐标系作为世界坐标系。那么程序员无需为任何的世界坐标系的限定而烦恼。5.如果存在需要校准的可选机器人、工作台、固定装置、夹具、室内固定工具或机器人固定工具，那么这要在限定机器人基座坐标系之后进行。然后该机器人能够用于限定可选设备的不同坐标系的限定。图3绘制了可能涉及的一些坐标系的示例，并且根据该图，步骤4和步骤5中的校准过程能够解释为运动耦合装置的左侧单元安装固定部件限定固定的运动耦合装置坐标系61，该固定的运动耦合装置坐标系61将作为机器人单元中的所有校准行动的基准。腕部凸缘坐标系63限定成与腕部凸缘成固定的关系。当运动耦合装置的机器人腕部安装部件14与固定部件16处于6D0F的接触时，腕部凸缘坐标系63获得相对于固定的运动耦合装置坐标系61的精确的定位和定向。由于腕部凸缘坐标系63是由机器人制造商限定的，因此当运动耦合装置处于6D0F接触时，能够将世界坐标系自动地设定成腕部凸缘坐标系63(与根据机器人的运动学模型的机器人基座坐标系相关)。只要机器人腕部固定的运动耦合装置部件14总是与机器人的工具凸缘成固定的关系，那么无需运动耦合装置坐标系61以及坐标系61和63之间的关系62。因此，能够限定世界坐标系63，并且通过运动学64，能够在单元校准和机器人编程时计算机器人的基座坐标系。现在，释放运动耦合装置，能够用该机器人来校准工具坐标系67，工具坐标系67与机器人基座坐标系65成关系66并且因此与工具凸缘坐标系成固定关系。而且，该机器人的运动学68能够被用于校准另一机器人的基座坐标系69。由于此时已知关系64和68,因此能够计算基座坐标系69与世界坐标系63的关系70。以相同的方式，能够使用该机器人使单元中的任何坐标系与世界坐标系63建立关系。作为示例，在使用机器人校准使用者坐标系之后，能够从关系66和71计算出关系73。步骤4中的校准行为和可选择的步骤5中的单元校准行为之后，或者在线或者离线地完成并测试机器人 程序，在测试时如果需要包括修改。然后，通常在与使用者坐标系相关的对象坐标系中制作编程，使用者坐标系又能够与单元中可选机器人的基座坐标系建立关系。如图3所示，所有这些坐标系最终与世界坐标系63建立关系，使得可以在机器人的另一基座坐标系下运行该程序，在运动耦合装置14、16配合时仅仅关于世界坐标系计算了机器人的另外那个基座坐标系。此处应当指出，如果在制作程序的一部分时机器人和/或平台降低了程序员的可达性，那么可以移动平台以提高程序员的可达性。移动机器人之后，将控制器设定成顺应模式，进行运动耦合装置20、22的配合。在控制器中并且从机器人的已知运动学内部测量机器人轴线的角度，控制器关于64重新计算在与世界坐标系63的关系64中的机器人的基座坐标系65，并且能够以新的关系64在世界坐标系中正确地计算新的编程点。编程之后，在单元中开始制造并且可以进行相对于所执行的过程的程序修改。然后，还可以将平台移动至例如通过因接近奇点导致的腕部再定向的减少而增加单元的生产率的位置和定向。机器人的这种移动之后，必须在运动耦合装置的新配合的情况下更新机器人基座坐标系。当稍后车间中的另一任务需要机器人时，将机器人移走，并且当一段时间之后其再次返回时，将其移动至单元中并且将平台放置在上次使用平台的位置附近。然后将控制器设定为顺应控制(可选地具有重力补偿)并且移动腕部以获得运动耦合装置部件20、22之间的6D0F的接触。控制器记录轴线位置并由其运动学模型计算出新的机器人基座坐标系参数(关于63的65的位置和定向)。在机器人的运动学模型中存在误差并且对过程的准确度要求高的情况下，重要的是在编程和程序执行时的机器人基座坐标系的位置和定向之间没有太大的偏差。在顺应机器人控制模式中运行意味着机器人控制回路被设定成具有低刚硬度，优选地具有在笛卡尔坐标系中计算的刚硬度值。重力补偿指的是使用机器人的动态模型计算臂系统上的重力并且进行该重力的前馈以使机器人的臂部浮动。应当指出，如果在机器人上使用了 6D0F的力/转矩传感器，那么可以当在阻抗控制模式下运行机器人时，通过力传感器回路使用顺应控制。所描述的用于快速机器人基座坐标系校准的方法要求两个运动耦合装置部件的配合是完全的。图4图示了在图2和3中示出的运动耦合装置的运动学。部件22配备有三个球24，并且当完全配合时，每个球与另外那个部件20的槽26在两个点处接触。由于通过销28将三个槽刚性地连接于部件20，因此部件22的相对于20的位置和定向被无任何冗余地完全限定。然而，当在顺应机器人控制期间进行操控时，必须同时地操控部件22相对于部件20的位置和定向，这是相当难处理的。例如，当其中一个球已经与槽的两个表面接触时，那么在另外的球靠近它们的槽之前，定向被改变，但是为了使这些球与它们的槽配合，相对位置和定向两者都必须操控，并且，必须反复地进行该过程直至获得完全配合。而且，由于不容易核实全部6个点的接触都已经实现的情况，所以在配合时摩擦可能引起误差。因此，应当找到更适合以顺应控制配合的运动耦合装置。图5示出了用于工业机器人的基座坐标系的校准的4D0F的运动耦合装置，在该运动耦合装置中，能够独立于定向操控进行位置操控，这使得配合更容易并且更快。当使用4轴线机器人时，该图中的耦合装置是有用的。该运动耦合装置包括可以相对于彼此运动的第一部件30和第二部件32，其中，所述部件中的一个设计成由机器人携带，并且另外那个部件设计成定位在机器人的工作区域中。第一部件30设置有具有第一凸形表面的第一球33和具有第二凸形表面的第二球34。球33和34以机械方式连接于稱合板35。第二部件32设置有设计成用以容纳第一球33的凹入部36。凹入部36包括三个不平行的平面表面37、38、39，这三个平面表面37、38、39设计成在机器人的校准过程中同时与第一球33接触。第二部件32还设置有第四平面表面40，该第四平面表面40设计成在机器人的校准过程中在第一球33与所述三个平面表面接触的同时与第二球34接触。表面37、38、39和40是第二耦合板42的部分。当球33、34与表面37、38、39和40在4个点处接触时，耦合装置配合。在顺应机器人控制下(使用腕部凸缘的通过引导或编程的机器人控制)的配合过程中，首先将球33移动至凹入部36中以获得表面37、38、39和球33之间的3个点44、45、46的接触。当球33处于凹入部中时，操控腕部凸缘的定向，同时使球33保持处于在凹入部中的3点接触，直至球34在接触点47与表面40接触。
图6示出了用于工业机器人的基座坐标系的校准的OTOF的运动耦合装置，其中，可以独立于定向操控而进行位置操控，这使得配合更容易且更快。该耦合装置在使用5轴线机器人时是有用的。该运动耦合装置包括可以相对于彼此运动的第一部件50和第二部件52。除了图5中所示的4D0F运动耦合装置的特征之外，第一部件50包括具有凸形表面的第三球54，并且所述第四平面表面40设计成在机器人的校准过程中，在第一球33与所述三个平面表面37、38、39接触的同时，该第四平面表面40同时地与第二球34和第三球35接触。配合的第一步与参考图5所描述的一样。当球33处于凹入部中时，操控腕部凸缘的定向，同时保持球33处于在凹入部36的平面中的3点接触状态，直至球34和54都与表面40在点47和56处接触。能够例如通过首先使球34与表面40配合然后再使球54与表面40配合而逐步地进行该再定向。在图5中未被运动耦合装置锁定的自由度是绕穿过球33中心的轴线的旋转，并且其中该轴线垂直于表面40。图7示出了一种6D0F的运动耦合装置，其中，也能够独立于定向操控进行位置操控，这使得配合更容易且更快。该耦合装置适于6轴线机器人的校准。该运动耦合装置包括可相对于彼此运动的第一部件60和第二部件62。在本运动耦合装置中，第一部件60包括通过连接件66以机械方式连接于耦合板(图中未示出)的四个球33、34、54和64。除了凹入部36和第四平面表面40之外,第二部件62还具有第五平面表面68，该第五平面表面68设计成在机器人的校准过程中，在球33与凹入部36的三个平面表面37、38和39接触并且第二球34和第三球54与第四平面表面40接触的同时，该第五平面表面68与第四球64接触。第四和第五表面不平行，有利地彼此成直角。当球33、34、54、64与表面37、38、39、40和68在6个点处接触时，耦合装置配合。这些表面是该运动耦合装置的第二耦合板62的部分。在顺应机器人控制下(使用腕部凸缘的通过引导)的配合过程中，首先将球33移动至3面凹入部36中以便获得表面37、38、39和球33之间的3点44、45、46的接触。当球33与凹入部的这些表面接触时，操控腕部凸缘的定向(同时使球33保持与凹入部的表面的3点接触)直至球34和54都与表面40 (在接触点47和56)接触。最后，在球33保持与凹入部的3点接触并且球34和54分别与表面40保持一点接触的同时，旋转腕部，直至球64与表面68在接触点70处接触。表面40和68必须相对于彼此成角度，例如，成90度的角度。作为替代方案，能够由根据图8的带有表面40a和40b的槽代替表面40。那么，配合时，球34将与表面40a和40b在点47a和47b处接触并且只需要3个球33、34、54。现在配合步骤将是移动腕部，直至球33与表面37、38、39接触，再定向腕部直至球34与表面40a-b接触，并且第二次再定向腕部直至球64与表面68接触。注意，可以通过在顺应机器人模式下制作搜索程序进行自动配合(例如，准入控制)。然而，对于在平台的放置上具有较大变化的安装来说，至少对于到达自动配合能够开始的位置来说，使用通过弓I导会更快。
用于本申请的运动耦合装置的设计来说重要的是，能够逐步地完成配合，并且在每一步中具有适当限定的运动。作为补充，能够在每一步中改变控制，使得更易于维持已配合的球的接触。例如，能够由控制器产生沿特定方向/围绕特定轴线的吸引力和转矩。在图9中能够看到有用的可替代6D0F运动耦合装置，其中，腕部凸缘的定位和旋转不是彼此独立进行的，但是由于配合是以直观的方式逐步进行的，因此仍然易于执行配合。此处，四个球201-204安装在销230-232上，这些销属于运动耦合装置的一部分。此处配合步骤如下首先使球201在接触点220a和220b处与槽210 (具有成角度的表面210a和210b)配合。然后再定向腕部，直至球202与槽211 (在成角度的表面211a和211b上的接触点221a和221b)配合。然后操控球的布置，以使其在槽210和211上滑动，直至球203与表面212在接触点222接触。最后的步骤是转动球布置，直至球204与表面213在接触点223接触。实际上能够使用六个球改进图10中所示的运动耦合装置的构型，以便其能够用于机器人校准到达例如固定装置或工作对象中的任何角落的机器人。因此，根据图10，耦合装置的第一部件包括六个球240-245。耦合装置的第二部件246具有内转角的形式并且包括三个平面表面248、250、252。当处理较大的对象时——其中，便携式机器人在不同的位置之间移动才能触及整个对象，工作对象中的转角能够被用于校准在不同机器人位置处的机器人基座坐标系。在电弧焊时，这样的情况很常见焊接多个盒状结构，然后可根据图10相对于每个盒校准机器人。这还可以用于非便携式机器人，以校准工作对象坐标系、使用者坐标系或工具坐标系。看一下图9的接触点，能够看出，如果图9中的表面210a、211a和213重合并且表面210b和211b也重合，那么可获得与图10中相同的情形。对于电弧焊焊枪，与图9中的构型一样的构型实际上能够整合至焊枪的喷嘴上，以便能够直接用焊枪校准。总之，示出了如何能够通过以顺应控制运行机器人并且手动地操控腕部直至在腕部和机器人单元的固定部件之间的运动耦合装置中实现完全接触来容易且快速地精确校准具有4-6D0F的机器人的基座坐标系。对于这些运动耦合装置来说存在不同的设计可能性，并且其中，使用能够逐步地进行配合的耦合装置是有利的。已经给出了约束6D0F、5D0F和4D0F的耦合装置的示例，并且也已经介绍了最适于校准目的的耦合装置的配合步骤。该校准原理的主要应用是用于将便携式或可移动机器人放置在其工作单元处。已经关于机器人平台的放置、机器人基座坐标系计算、单元校准和编程描述了如何做到这一点的步骤。还指出了，所介绍的运动耦合装置中的一些能够用于校准除机器人基座坐标系之外的其它坐标系，例如，工具坐标系、使用者坐标系和对象坐标系。对于便携式机器人在大型工作对象上的使用来说，存在能够用于简单地通过将运动耦合装置的机器人固定部件移动至工作对象中的转角来相对于工作对象校准机器人基座坐标系的运动耦合装置。当然这也可以实施用于相对于大型固定装置和夹具的机器人基座坐标系的校准。在这些情况下，固定装置和 夹具的结构上也能够安装有用于与机器人安装的运动耦合装置板配合的运动耦合装置板。
权利要求
1.一种运动耦合装置，用于工业机器人的基座坐标系关于工作区域的校准，其特征在于，所述耦合装置包括能够相对于彼此运动的第一部件(30 ；50 ；60)和第二部件(32 ；52 ；62)，其中，所述第一部件和第二部件中的一个部件设计成由所述机器人携带且另一个部件设计成定位在所述机器人的所述工作区域中，并且，所述第一部件和第二部件中的一个部件设置有第一凸形表面(33)且另一个部件设置有凹入部(36)，所述凹入部(36)设计成用以容纳所述第一凸形表面，并且所述凹入部包括不平行的三个平面表面(37，38，39)，所述三个平面表面(37，38，39)设计成在所述机器人的校准过程中同时地与所述第一凸形表面接触，所述第一部件和第二部件中的一个部件包括第二凸形表面(34)且另一个部件包括第四平面表面(40)，所述第四平面表面(40)设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面与所述三个平面表面接触的同时与所述第二凸形表面接触。
2.根据权利要求I所述的运动耦合装置，其中，包括所述第二凸形表面(34)的所述部件(50 ;60)还包括第三凸形表面(54)、并且所述第四平面表面(40)设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面(33)与所述三个平面表面(37，38，39)接触的同时，同时地与所述第二凸形表面和所述第三凸形表面接触。
3.根据权利要求2所述的运动耦合装置，其中，所述第一部件和第二部件中的一个部件(60)包括第四凸形表面(64)、并且另一个部件(60)包括第五平面表面(68)，所述第五平面表面(68)设计成在所述机器人的校准过程中在所述第一凸形表面(33)与所述三个平面表面(37，38，39)接触且所述第二凸形表面(34)和所述第三凸形表面(54)与所述第四平面表面(40 )接触的同时与所述第四凸形表面接触，并且所述第四表面和所述第五表面不平行。
4.一种用于工业机器人(I)的基座坐标系关于工作区域的校准的方法，所述机器人具有基座部(6 )和机器人腕部接口( 11)，所述机器人腕部接口( 11)能够相对于所述基座部在至少四个自由度上运动，所述方法包括 -将所述运动耦合装置的第一部件(14)安装在所述机器人的所述机器人腕部接口(10)上，所述运动耦合装置在与所述机器人的相同数目的自由度上受到约束， -将所述运动耦合装置的第二部件(16)安装在所述工作区域中， -将包括所述基座部的所述机器人移动至所述工作区域， -将所述机器人设定在顺应控制模式下， -移动所述运动耦合装置的所述第一部件以与所述第二部件配合，从而限定所述机器人的可动部件的至少四个自由度， -存储所述运动耦合装置配合时的所述机器人的轴线位置， -基于所存储的轴线位置和所述机器人的运动学模型来确定所述基座部的位置和定向，并且基于所确定的所述基座部的位置和定向来校准所述机器人的基座坐标系。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括 -在校准的基座坐标系下给所述机器人编程，由此产生包括所述基座坐标系的信息的机器人程序， -将包括所述基座部的所述机器人移动至所述机器人单元中的第二位置， -将所述机器人设定在所述顺应控制模式下， -移动所述运动耦合装置的所述第一部件以与所述第二部件配合，-存储所述运动耦合装置的配合过程中的所述机器人的轴线位置，以及-基于所存储的轴线位置和所述机器人的运动学模型来计算所述基座坐标系的新的位置和定向，以及 -更新所述机器人程序中的所述基座坐标系。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，以通过引导的方式将所述运动耦合装置的所述第一部件移动成与所述第二部件配合。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，其中，所使用的运动耦合装置是根据权利要求I至3中的任一项所述的运动耦合装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于工业机器人(1)的基座坐标系关于工作区域校准的方法，所述机器人具有基座部(6)和能够相对于所述基座部在至少四个自由度上运动的机器人腕部接口，所述方法包括将所述运动耦合装置的第一部件(14)安装在所述机器人的所述机器人腕部接口(11)上，所述运动耦合装置在与所述机器人相同数目的自由度上受到约束；将所述运动耦合装置的第二部件(16)安装在所述工作区域中；将包括所述基座部的所述机器人移动至所述工作区域；将所述机器人设定在顺应控制模式下；移动所述运动耦合装置的所述第一部件以与所述第二部件配合；存储所述运动耦合装置的配合过程中的所述机器人的轴线位置；基于所存储的轴线位置和所述机器人的运动学模型来确定所述基座部的位置和定向，并且基于所确定的所述基座部的位置和定向来校准所述机器人的基座坐标系。
文档编号B25J9/16GK102802883SQ201080065520
公开日2012年11月28日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者托里尼·布罗加德 申请人:Abb研究有限公司