工业机器人的在线校准方法,执行该方法的系统和包括该校准系统的工业机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于工业机器人的在线校准的方法，涉及工业机器人的在线校准的校 准系统以及涉及工业机器人。机器人包括固定基座部分和多链节机器人臂。通过铰接接头， 链节分别相互连接并且连接至机器人的基座部分。机器人臂的远端可以在三维空间内关于 基座部分而移动至下文中涉及方位的期望位置和定向。
【背景技术】
[0002] -般来说，机器人校准是使用软件加强机器人的位置准确性的过程。它的目的在 于识别机器人的准确的运动属性，其会在笛卡尔空间中建立在机器人臂远端的末端受动器 的接头角度和位置之间的映射。可以有许多导致机器人位置的不准确性的误差源，包括在 机器人的生产期间的制作公差、热效应、编码器偏移、臂柔韧性、齿轮传输误差和齿轮传输 中的齿隙。
[0003] 考虑到在许多工业应用中高准确度机器人的重要，在机器人群体中有许多对于这 个问题感兴趣的的研宄人员是自然的。基于方法解决的误差源，已知方法典型地分类为三 个等级：（i)接头等级误差（例如，接头偏移），（ii)运动模型误差，以及（iii)非几何形状 误差（例如接头柔量）。已知方法可以被进一步划分为开环和闭环校准方法。
[0004] 当开发用于工业应用的校准系统时，考虑多个要求，该要求如果被实现的话则是 是有利的。特定地，这个系统必须能够以高准确度提供机器人的实际运动属性，要求低执行 时间，致使在大体积工作空间中的机器人准确度，适用在可用工作空间用于校准，对于工厂 条件是健壮的，要求最小人工干预来操作，是便携的并且低成本的。前述要求的大部分源于 在生产期间也就是在机器人的常规操作期间需要周期性在线校准机器人的的事实。
[0005] 机器人校准的问题可以分解为4个阶段，即（i)运动建模、（ii)姿势测量、（iii) 误差参数识别和（iv)误差补偿。它们中的每个的分析在下文中给出。
[0006] 认识到为了校准过程而选择的运动模型应当满足三个基本要求，具体地，完整性、 连续性和极简性。因为模型中的参数必须足以表征机器人几何结构的任何可能的变形，所 以加强第一个要求。由于必须存在几何结构的改变和描述它们的参数的改变之间的类似的 事实，考虑第二标准。换句话说，运动模型必须使其通过运动模型的参数中的小的改变，表 示几何结构中的小改变。最后，运动模型必须是最小的，因为它不包括冗余参数，而是自身 限于描述几何结构所必须的那些参数。
[0007] Denavit-Hartenberg(D-H)转换被认为是简化机器人运动属性的建模和在前述考 虑的大部分情况中实现的系统的方法。根据D-H变换，机器人臂的每个链接被分配4个参 数，即链接长度（a》、链接扭转（a J、链接偏移（Cli)和接头角度（qi)。
[0008] 虽然在机器人群体中广泛使用D-H模型，但是由于机器人链接的几何结构中的小 改变可以导致关联D-H参数的值的突变的事实，当两个连贯接头轴平行或几乎平行时，问 题出现。Hayati等通过修改D-H模型和使用附加角度参数β来解决这个问题。然而，由于 上述的理由，这个方法不适合对两个连贯垂直或几乎垂直接头轴进行建模。因此建议使用 D-H参数对机器人的运动属性进行建模，并且包括对于（几乎）平行接头轴的Hayati等参 数。
[0009] 虽然在文献中建议其它运动模型，例如Stone等的S模型，和Zhuang等的弯曲和 参数连续（CPC)模型，但是在机器人群体中占主要地位的是D-H和Hayati模型。必须注意 的是，校准模型可以不仅仅限制于几何参数，而是可以改为利用弹性因素（例如，接头/链 接刚度）来加强。
[0010] 在姿势测量阶段，机器人移动至典型地满足一些约束（例如，末端受动器必须位 于传感器的视野中或以环境中的特定点为目标等）好多个姿势，并且记录接头角度。外部 传感器用于给出关于末端受动器的实际方位（位置和定向）的反馈，并且这些方位与基于 正向运动（使用记录的接头角度）预测的方位进行比较。观察的误差被记录并且会被使用 在下一个阶段（即，误差参数识别）中以找到使误差最小的这些运动参数。
[0011] 用于选择测量系统的最重要因素包括所要求的人工干预的数量、测量系统的成 本、测量系统的执行时间、以及测量系统在工厂环境中的性能。虽然不必须估计末端受动器 的完全方位以执行校准，但是提取末端受动器的6D方位（位置和定向）的测量系统使得校 准方法使用更少数量的校准方位（因为更多约束应用到每个测量中）。
[0012] 应当注意的是，所选择的校准方位的集合对于校准方法的质量而言是重要的。方 位的不同结合能够改进获得的结果或使其更糟。
[0013] 给定在先前阶段中执行的方位测量集合，可以计算末端受动器预测方位和实际方 位之间的相应误差。这个阶段的目的为现在优选地在至少均方差意义下，确定将这个误差 最小化的运动模型中的参数值。在文献中建议许多方法，levenbergy Marquardt是最流行 的。
[0014] 注意对于未知的参数的实际值的良好初始猜测是重要的，使得参数估计算法是有 效的并且快速地收敛。因此建议在迭代的最佳过程的开始处向运动参数分配运动参数标称 值，因为实际值不会显著不同。
[0015] 对于许多已知方法常见的是避免改变在机器人控制器中的运动参数。相反，许多 已知方法优选通过使用如在先前阶段中所识别的新的运动参数而解决末端受动器的目标 笛卡尔位置的反转运动并且发送新的接头角度至控制器来纠正位置误差。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的为提出一种新的校准方法和校准系统，该校准方法和校准系统在实 现上容易且便宜，并且提供工业机器人的快速和高度准确的在线校准。
[0017] 这个目的由上文提到工业机器人的在线校准的方法来解决，其特征在于：
[0018] 通过刚性连接至所述机器人臂的远端的至少一个光源而生成至少三束光线，
[0019] 适用于在二维平面中确定影响传感器的光线的位置的至少一个光学位置传感器 位于关于机器人的基座部分的固定方位，使得在所述机器人臂的远端的预先限定校准方位 中，由至少一个光源生成的光线中的至少一些影响传感器或影响传感器中的至少一个，
[0020] 机器人臂的远端通过来自机器人控制器的控制信号而被驱动至预先限定校准方 位，其中生成的光线的至少一些在特定位置中影响传感器或影响传感器中的至少一个，
[0021] 确定使生成的光线影响传感器或影响传感器中的至少一个的位置，
[0022] 通过迭代闭环控制过程驱动所述机器人，使得影响传感器或影响传感器中的至少 一个的光线的位置移动至先前限定的位置，该先前限定的位置表征在所述机器人的先前状 态中机器人臂的远端的校准方位，
[0023] 当影响传感器或影响传感器中的至少一个的光线达到先前限定的位置时，确定所 述机器人臂的特征参数尤其机器人的运动参数，所述特征参数在机器人控制器中明确地表 征所述机器人臂的远端的方位，
[0024] 对于这些预先限定的位置，将所确定的特征参数与所述机器人臂的对应的先前限 定的特征参数进行比较，所述机器人臂的先前限定的特征参数限定在先前状态中所述机器 人的运动模型，
[0025] 所确定的特征参数和对应的先前限定的特征参数之间的差用于更新所述机器人 的运动模型，以及
[0026] 所述机器人的已更新的运动模型适用于在所述机器人的常规操作期间使用以纠 正所述机器人臂的远端的初始方位，所述初始方位是在机器人的常规操作期间由所述机器 人控制器所发出的控制信号导致的，所述更准确的方位考虑在所述机器人的常规操作期间 发生的所述机器人臂的不准确性。
[0027] 为了加强所确定的特征参数的信息内容和为了能够以更高准确度更新机器人的 运动模型，根据本发明的优选实施方式，建议至少一个光源生成的光线在至少两个正交平 面内延伸。当然，即使这个优选实施方式未实现，本发明也能运行良好。
[0028] 在本专利应用中，术语"方位"包括机器人臂的远端的位置（例如在笛卡尔坐标系 统中的x，y，z)以及定向（例如，在X轴，y轴，z轴周围的a，b，c)。另一个术语"姿势"用 于描述带有在特定位置、定向和角度中的链节和接头的机器人臂的特定状态。由于与工业 机器人的机器人臂的远端的移动有关的高自由度，可能的是，远端的同一个方位可以用机 器人臂的不同姿势来实现。
[0029] 机器人臂的远端还可以称为凸缘。末端受动器（带有工具中央点TCP的实际工 具）固定至凸缘。
[0030] 本发明涉及工业机器人的在线校准的具体有利方法。其以通过机器人控制器发出 的控制信息而驱动机器人臂的远端至先前限定校准方位（位置和定向）而开始。在校准方 位中，光源发射的多束光线影响至少一个光学位置传感器的二维灵敏表面。传感器包括，例 如包括合适图像处理软件的，具有CMOS或CCD芯片作为灵敏表面的数字相机。传感器还可 以包括具有层状半导体作为二维灵敏表面的方位灵敏设备PSD。可以指引光线影响同一个 PSD。在那种情况下，光学位置传感器可以适合于检测和确定同时地（例如，像数字相机） 影响传感器的多束光线的位置，或可替选地（例如，如果传感器为PSD)光源可以被控制以 为了一次发射多束光线，其中多束光线按顺序发射，而在所有光线的发射期间机器人臂的 远端保留在相同的校准方位中。还可能的是，在与本发明结合使用的校准系统的