带有外骨骼的cmm臂的制作方法

专利名称：带有外骨骼的cmm臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于执行精确测量与操作的带有外骨骼(exoskeleton)的CMM臂所用 的设备及方法。
背景技术：
自动测量的现有方法对中到大型物体进行自动测量需要的测量机精度为0. 05mm (+/-2Sigma)，通常为 0.025mm(+/-2Sigma)或更高精度。‘Sigma’是指一个标准偏差。其目前按照两种主要方式 进行(i)体积很大、价格昂贵的带有3根或更多根轴的常规型计算机数控坐标测量机(CNC CMM) ； (ii)通常位于汽车生产线末端的专用单元中的静止光学探头的刚性结构。对于常规 型CMM，光学探头在静止物体周围按照高度受控的方式运动以便产生精确数据。在第二种 情况中，光学探头和物体都静止并且按照容许精确数据已校准的校准方式定位。大多数常 规型CMM为拖架或者水平臂结构；包括Zeiss (德国)、Hexagon Brown & Sharpe (瑞典) 和LK(英国)在内的多家公司生产它们。用于安装在常规型CMM上的机械触觉探头由包括 Renishaw(英国)在内的公司供应。用于安装在常规型CMM上的光学探头由包括Metris(比 利时)在内的公司供应。自动探头安装件如Renishaw Auto joint可按照高精度重复，并且 带有用于自动改变探头的探头架。静止光学探头的刚性结构由Perc印tron(美国)供应。 常规型CMM和静止光学探头的刚性结构都具有以下缺点它们用完生产线上的单元空间， 其通常仅仅用于测量而非生产操作，它们通常位于生产线的末端，不能对下游过程进行数 据前馈，并且价格昂贵，在投资回收率上难以保证。此外，光学探头的刚性结构不可弯曲，因 而难以用于快速地改变生产线上的模型。今天，由于现有高精确度测量系统存在这些缺点， 所以使用比常规型工艺更快、更好或更便宜但是需要高精确度定位的有效生产工艺就不能 部署在这种生产线上。机器人自动测量自从十九世纪六十年代起，许多公司已开发了重型机器人臂以用于需要快周期时 间和可再现性的应用中。然而，主要由于温度、磨损和振动问题，它们精确度低。机器人已经 用于承载自动测量所用的探头。这些机器人臂不够精确因而不能满足大多数自动测量的需 求，特别是在汽车工业中。机器人臂的高可再现性使得"准静态"测量成为被汽车工业吸 取的解决方案。在"准静态"测量中，探头从一个位置运动到下一个位置，并且只有当静止 或缓慢移动时才提取数据。测量可以通过接触或非接触探头进行。当以10mm/sec-200mm/ sec (但是可以或多或少)的典型速度运动时，从物体表面提取三维数据的机器人臂上的测 量探头并不精确。生产机器人臂的公司包括Fanuc (日本)和Kuka(德国)。Perc印tron and LMI-Diffracto (美国)提供使用机器人臂和光学探头的解决方案。3D Scanners和Kuka 在法兰克福举办的Euromold 2001展览上展出了利用实时光学检验的解决方案；其精确度 为0. 5-lmm的量级。温度每升高一摄氏度，标准工业机器人伸出每米热生长大约10微米； 超过500微米的误差可被记录在生产线条件中。LMI-Diffracto具有包括四个由Kuka供应
4的标准工业机器人的汽车生产线设备，每个工业机器人都承载着光学探头，其中对机器人 的热膨胀进行补偿可将生产线条件中的热误差减少至100微米以下。在转让予Perceptron 的美国专利6，078，846 Greer中，对机器人热膨胀的补偿通过利用光学探头测量固定人工 制品来进行。光学探头在机器人处于运动期间的静止状态时进行测量。误差映象提高了机 器人的精确度。有若干方法，包括在利用如由Krypton (荷兰)或Northern Digital (加拿 大)生产的摄影测量系统对其进行测量时通过平面运动程序来使机器人跳动。于是测量就 用于产生误差映象。对负载的误差补偿通过测量伺服系统所使用的动力以便自动地计算作 用于臂上的负载来进行。甚至利用多种类型的误差补偿，这种类型的机器人已经达到只有 0. 2mm(+/-2Sigma)的精确度并且大量用于汽车生产线中。带有在扫描期间探头与物体之间 存在相对运动的扫描探头的机器人臂的问题在于系统不够精确因而不能有用。记录轨迹在Long等人的美国专利6，166,811中，公开了用于提高扫描物体精确度的摄影测 量系统，其中固定到探头上的摄影测量目标通过摄影测量系统实时记录轨迹。这种方法存 在许多缺点。首先，需要在探头与摄影测量照相机之间保持多个清楚的视线。实际上，从摄 影测量照相机到探头上的摄影测量目标的视线通常会被扫瞄物体所需的程控机器人运动 和/或程控的探头方位变化所阻挡。这就限制了这种系统的适用范围因而使得其无法用于 许多应用中。其次，环境照明条件必须保持在接近理想状态，否则摄影测量系统的精确度将 会减少或者系统将会停止行使功能。实际上，这点难以建立并且通常与对定位的其它照明 要求相矛盾。第三，在这种应用中，摄影测量系统通常没有兼具为这种应用情况提供足够精 确度所需的分辩率和速度。第四，这种摄影测量照相机和机器人必须相对于彼此刚性地安 装。这样通常要求大尺寸的刚性结构来达到所需精确度。将摄影测量技术引入机器人测量 系统中的主要问题在于所产生的系统对于使用来说不够紧凑和结实。Leica Geosystems供应6自由度激光跟踪器Laser TrackerLTD800。其可利用单 条视线在35m范围内以高达每秒测量1000次的速度测量定位与定向。对于缓慢运动的目 标而言，其精确度为50微米的量级。其成本超过130000美元。其对机器人测量的局限性 许多类似于对摄影测量的局限性。将激光跟踪器技术引入机器人测量系统中的主要问题在 于其价格昂贵，存在对所记录轨迹的探头的方位的局限性，以及所产生的系统对于使用来 说不够紧凑和结实。机器人控制器与程控用于机器人臂的对于本发明所属领域的普通技术人员来说很好理解；标准参考 文献为 Richard P Paul 所著的"Robot Manipulators, Mathematics Programming and Control" .Adept Technologies (美国)供应起价为8500美元的6_轴机器人控制器。有许 多产品可用于机器人的程控，其容许脱机产生运动序列并且随后传送至机器人控制器以便 稍后执行；一个实例为由Tecnomatix (美国)生产的EmWorkplace。在转让予HA Schlatter AG(瑞士)的专利申请GB 2036376A Richter中，程控通过利用安装在机器人上的装置手 动引导机器人来实现，这种装置由用户握住并且包括检测用户对机器人的预定指令的应变 仪。手动CMM臂自从十九世纪七十年代以来，许多公司已经在建造可手动操作的CMM臂，其近来
5已使用接触探头实现了处于0. 025mm(+/"2Sigma)和0. 005mm(+/"2Sigma)之间的测量准 确度，其主要依赖于手动CMM臂的延伸范围而定。通过进一步的开发，手动CMM臂有望变 得更加精确。这些手动CMM臂现在对于许多测量要求来说足够精确并且成为测量市场中 的增长部分。它们具有能够进入难以进入的区域的灵活性。手动CMM臂对许多应用来说 具有可接受的精确度，但是其不能自动工作；它们的操作成本昂贵，特别是因为需要半熟 练的操作员；操作员也会受人为误差影响。手动CMM臂由以下公司生产，这些公司包括 Cimcore ( ) >Faro Technologies (__)、Romer ()、Zett Mess Technik ( H ) and OGP (英国)。例如，美国专利3，994，798 Eaton、转让予Faro Technologies的美国专 利 5,402，582Raab、美国专利 5,829，148Eaton 和转让予 Faro Technologies 的美国专利 6，366，831公开了关于手动CMM臂的背景资料。在手动CMM臂接头处提供轴承为大家所熟 知并且转让予Faro Technologies的美国专利申请2002/0087233 Raab中公开了关于轴承 的背景资料。手动CMM臂的设计通常从接头中心1到探头尖端的延伸范围限于大约2米， 因为更长的话，其需要两个操作人员来使用这种臂。手动CMM臂越长，其精确度就越低。一 般说来，对于其他条件都相同的模块化手动CMM臂，精确度恰好与长度成反比。在美国专利 6，366，831Raab中，公开了在本发明所属领域中，手动CMM臂与机器人臂相比通常具有十倍 或十倍以上的绝对定位精度。机器人中引起不准确的一些因素包括接头未对准的因素参见 美国专利6，366，831。如由Faro Technologies和Romer制造的那些手动CMM臂一般情况 下由单个人使用双手操作。操作人员每只手对由该手握住的手动CMM臂的段提供不同的六 个自由度作用。在一些应用中，一些熟练的操作人员可以只需要一只手。手动CMM臂为按 照闭环方式受到控制的机构，其中操作人员封闭着该环。这种控制为熟练活动；操作人员需 要仅仅利用两只手在重力作用下按照各种不同的空间布局控制6轴或者7轴的臂自由度。 情况通常是操作人员误操作手动CMM臂并且手动CMM臂部分或全部在重力作用下加速直到 发生碰撞或者操作人员使其稳定为止。在资料获取期间情况是操作人员对手动CMM臂施加 可变的并且有时过大的力和扭矩，这样就减少了手动CMM臂输出的测量数据的精确度。补偿和保持装置手动CMM臂通常具有内置于对上臂提供扭矩的第二接头中的补偿装置，该扭矩倾 向于对上臂提供提升力以便使其平衡。手动CMM臂所用的补偿装置公开于Raab等人的美 国专利6，298，569,6, 253，458以及美国专利中请2003/0167647中，它们全部被转让予Faro Technologies。这意味着操作人员举起臂更轻，因此使用起来更不累人。这还意味着通过 手动CMM臂传递更多扭矩，并且要求手动CMM臂必须被设计成比不带这种补偿装置时更重 以便获得所要求的精度。补偿机器人以便减少机器人动力消耗和马达的动力、尺寸及重量 是常规作法。在2003/0167647中，当用于垂下方位中时，可除去、颠倒和替换机加工的弹簧 补偿装置以便补偿臂；这个程序对于用户来说并不方便，因为其必须在工厂进行。一些手动 CMM臂具有用于在任意空间方位锁定臂的一个或多个轴的保持装置；这种保持装置消除对 在测量组之间放下臂的需要。在由Cimcore(美国)提供的3000系列手动CMM臂中，有安 装于轴2(第一正交枢轴)上的补偿装置上的滑钉固定装置；当钉滑入孔中时，轴2所安放 于的补偿装置就被锁定。在转让予Zett Mess Technik GmbH的PCT/EP01 01570 Nietz中 公开了位于若干轴上的气动制动器，它们提供于Zett Mess AMPG P手动CMM臂产品的轴1 至4上；气动制动器可由无线电遥控开关放开；气动制动器作用于盘片上。气动制动器和盘片直接安装于手动CMM臂上；它们将重量增加至手动CMM臂上并且通过手动CMM臂的轴承 传递力矩，从而减少了其精确度和可用性。手动CMM臂上的光学探头手动CMM臂上的光学探头由本发明的发明人Crampton公开于包括W09705449在 内的若干专利申请中。手动CMM臂所用的光学探头由其中的3D Scanners, Romer, Faro Technologies、 Perc 印 tron、Steinbichler (德国)、Pulstec (曰本)禾口 Kreon(^iH)提 供或者正在开发。光学探头一般情况下偏离在手动CMM臂的一侧安装或者安装于其探头端 上。有三种广义类型的光学探头点型、线型和面型。至今，仍没有限定点型、线型和面型 光学探头的测量精确度的测量精度标准。市场正处于不能执行标准试验以便验证精确度并 使得能够按照实际方式在光学探头类型之间进行比较。光学探头已变得精确，主要是因为 它们的测量范围短。一般说来，光学探头在约为20-400mm的测量范围上收集测量数据。这 通常与手动CMM臂的端部偏开。最好的手动CMM臂与最好的光学探头组合的精确度早已超 过0. 050mm (+/"2Sigma)并且可超过0. 010mm(+/-2Sigma)，对于短测量范围而言甚至超过 0. 002mm(+/"2Sigma)。手动CMM臂上的光学探头的同步和内插在包括手动CMM臂和光学探头的系统中，来自每一个的测量结果都被组合起来以 便给出输出测量数据。如本发明的发明人Crampton在W09705449中所公开，包括手动CMM 臂和光学探头的系统的测量精度通过使来自手动CMM臂的测量和来自光学探头的测量同 步而得以提高。另外地，如W09705449中所进一步公开，包括手动CMM臂和光学探头的系统 的测量精度通过对来自手动CMM臂的每项测量进行时间标记以及对来自光学探头的每项 测量进行时间标记并且随后使用两组测量结果的内插方法来提供组合测量结果而得以提 高。然而，有时在系统中存在干扰因而来自一个装置或另一个装置的一个或多个测量结果 会丢失。在这种情况下，后一种内插方法可能很复杂。机器人和手动CMM臂的校准如美国专利5，687，293Snell中所公开，机器人可使用基准球和位于机器人上的 带球状尖端的探头来校准，方法是在不同的机器人空间布局中使带球状尖端的探头与基准 球多次进行接触；公开了 6-轴机器人实施例所用的39-参数运动模型。光学探头相对于机 器人的校准公开于美国专利US 6, 321, 137BlDe Smet中。手动校准手动CMM臂的方法公开 于转让予Faro Technologies的美国专利5,402，582Raab中。手动CMM臂在装运之前由该 厂家校准。一些供应商，包括Faro Technologies，允许用户在每次探头改变时执行简单的 探头校准，而手动CMM臂校准保持相同。OGP M供应Polar手动CMM臂，并且在臂通过各种 空间布局进行锻炼时，容许用户通过使用带有若干锥体的基准人工制品按照简单的程序一 起充分地校准Polar臂和探头，其中Polar臂的球形探头放入这些锥体中；39-参数运动模 型用于它们的6-轴Polar臂。对手动CMM臂的充分、准确的手动校准是一个辛苦的过程， 其中通常记录500个分离的点，一次过程占用几小时。每个点都易受人为误差的影响。不 同的操作人员在不同的位置握住手动CMM臂，通过不同的握紧力施加不同的扭矩，对臂施 加不同型式的负载和弯曲力矩，从而产生不同的偏转和末端斜率。手动校准的手动CMM臂 将会按照不同方式执行，这取决于每个操作人员握住和使用它的方式。所需要的手动CMM 臂处于可重复的负载型式和弯曲力矩下，然而其适用于每个空间方位。需要的校准手动CMM臂的手动方法具有在由不同的操作人员使用它时将会出现的相同负载型式和弯曲力矩。校 准手动CMM臂的自动方法需要提高它们的校准的可再现性和精确度，特别是允许记录比现 有的手动过程实际上更多的点或者成本更为有效。光学探头相对于手动CMM臂的校准(又 名对准或鉴定)公开于本发明的发明人Crampton的W09705449中。机器人和测量装置的连接如美国专利5，392，384Tounai等人中所公开，6轴铰接的测量装置的尖端被 连接于机器人的尖端上以便校准机器人。如转让予Faro Technologies的美国专利 6，535，794Raab中所公开，6轴铰接的测量装置的尖端被连接于机器人的尖端上以便产生 误差映象。如美国专利6，519，860Bieg等人中所公开，3轴铰接的测量装置的尖端被连接于 机器人或机器的尖端上以便测量机器人或机器的空间性能。这些公开内容中都没有用来测 量物体。如W098/27887Wahrburg中所公开，外科手术机器人和分支套管传感器臂在基座处 相连接；手动使用分支套管传感器臂以便测量患者，根据那些测量结果产生机器人程序，并 且机器人进行外科手术。在该公开内容中，测量不是自动进行。两项现有技术公开了用于测 量受由于弯曲和或热膨胀引起的偏转影响的机器人臂的端点的位置和或方位的装置。如美 国专利4，119,212 Flemming中所公开，带有在两端处刚性地连接的平面测向器的简单肘部 连接用来监测运动段末端的位置。这种装置限于在平面中操作，因而不能测量平面之外的 弯曲。因此其能测量三维空间中的位置与方位。如美国专利4，606，696 Slocum中所公开， 用于测量机器人臂末端的定位与定向的装置包括众多用于测量旋转角及线性运动的通过 旋转和线性轴承连接的测量连杆和测量装置。除了在机器人臂的两个端点都销住之外，测 量连杆至少在一个中间铰接接头处刚性地销住于机器人臂上。这种方法需要在一个6-轴 机器人上具有12个准确的旋转及线性测量装置。这12个测量装置的误差累积就对其是否 可开发成用于6-轴机器人的精确三维测量装置造成疑问。这就需要更简单、更结实的系 统，其不需要另外的旋转及线性测量装置及其相关误差累积。专利4，119，212和4，606，696 两者都需要在机器人臂每端处刚性连接测量装置。探头末端处的刚性连接对于精确测量机 器人臂末端的位置来说必不可少。当机器人臂用来定位CMM臂时，探头末端处的刚性连接 既不需要也不值得要。专利4，119，212和4，606，696两者都没有提供用于使用装置中的校 准信息的机构。它们两者都未提出将装置用作坐标测量机。在不使用校准信息的情况下， 装置是否可位于靠近本申请中所需要的那样精确的任意位置就很成问题。其它背景如PCT/GB01/01590 Gooch中所公开，示出的机器人都带有光学探头和安装在机器 人探头末端处的工具；机器人可被交替地用于利用光学探头进行测量以及利用工具执行操 作；然而，为达到测量准确度，使用的是具有先前所述这全部缺点的光学跟踪系统。如PCT/ GB01/01590 Gooch中所进一步公开，机器人可为机动，例如安装于轨道上，以便到达被测量 的较大物体附近；该进一步的公开内容还具有光学跟踪的缺点。在专利PCT/GB01/03865 Gooch中，公开了使用Faro臂的手动标记系统和使用来自Kuka的工业机器人的机器人标 记系统；这两种系统要么精确要么自动，但并未兼具这两点。本发明的发明人Crampton在 专利申请W09705449中公开了利用安装于手动CMM臂上的无接触式传感器对转盘上的物 体进行手动扫描。对较大物体的碾磨已经通过标准5或6轴工业机器人进行；由于标准工 业机器人的精度的局限性，所产生的物体并不精确，并且通常需要在产生切口形式不同方位处进行手工修整。对较大物体的碾磨工作准确地在例如由Mecof spa(意大利)制造的 大型5-轴机加工中心上以及如由Zeiss和LK Tool供应的大型5-轴水平臂CMM上有规 律地进行；可以机加工物体的种类由笛卡儿机加工类型限制，例如水平臂不能绕着角弯曲。 Delcam(英国)提供了称作PowerShape的软件，其能够为5轴和6轴工业机器人产生碾磨程序。对精确度的需要用户要求它们的手动CMM臂具有比以前更高的精确度。手动CMM臂的大误差量来 源于操作人员对手动CMM臂过度施加应力、通过不同的手柄位置作用于臂上的力矩的可变 性和跨过轴承提供力矩的内置平衡块。这就需要可重复性更高的手动CMM臂，其中作用于 CMM臂上的负载与它被握住的方式无关，并且其准确度高得多。还需要自动进行除去人为误 差的更精确的校准过程。对自动化的需要带有光学探头的手动CMM臂通常一次使用许多小时。在这期间的大部分时间中， 操作人员在离他一段距离处握住手动CMM臂，通常位于使用不便的位置处。对于长手动CMM 臂而言，隔开一段距离支承的重量可能有若干千克。对于许多操作人员特别是较小的人员 而言，这是艰难的工作并且累人；操作人员疲劳是常见的问题并且这可能导致疾病、丧失能 力或创伤。利用手动CMM臂所做的工作大部分属于只须视觉上检查一次的独特部件。通常， 正在检查的表面并非可直接接近，并且需要为操作人员爬上建立临时的台架以便能够操纵 臂。利用承载着其中在扫描期间在探头与物体之间存在相对运动的扫描探头的手动CMM臂 的问题在于，尽管它们足够精确，但是系统使用起来让人疲劳并且可能因为操作人员误差 或对手动CMM臂过度施加应力而输出不准确的数据，因为其不能自动操作。对可接近性的需要所要测量的物体的形状及位于可动构件上的探头对其的可接近性随应用而改变。 具有足够灵活性以便接近更大的物体形状范围的CMM具有更大的实用性。实际上，一般认 为包括一组由刚性段分离的优选6或7个接头的铰接臂CMM比正交轴构型CMM具有更大的 灵活性。一般还认为，在技术现状中，自动正交轴构型CMM的精确度比自动铰接机器人臂更 高几级。一般还认为，自动正交轴构型CMM比自动铰接臂机器人更不适合定位于例如位于 装配线上的制造环境中。这个问题在于没有铰接的、足够准确的可用自动CMM机器。对便携性的需要如在十九世纪九十年代中期因为其变得足够精确而购买的大约5，000台便携式 手动CMM臂所显示，存在对便携式手动CMM臂的显著需求。今天仍存在对便携式自动CMM 臂的相应需要，但今天并没有。对坚固性的需要手动CMM臂正变得更精确而更不坚固。手动CMM臂的现有设计具有在使用和运输 过程中易遭受冲击、力矩和违反操作规程影响的精密测量系统。运输容器的现有设计比较 简单并且使手动CMM臂易遭受损坏，特别是由于冲击而遭受损坏。这就需要坚固的便携式 手动CMM臂和运输容器，其使得运输过程中由于冲击而作用于手动CMM臂上的力和力矩最 小化。

发明内容
在现有技术中，Flemming公开了带有连接的测量臂的机器人臂，其只可用于平面 内并且不考虑平面外弯曲。Slocum公开了用于在三维空间内操作的机器人臂所用的测量设 备。其需要用于6-轴机器人的12个旋转和线性测量装置以，其结构复杂，制造成本昂贵并 且由于误差累积而精度受限。相应地，本发明的目的是提供带有外骨骼和传动装置的CMM臂，其在三维空间中 操作并且每轴只需要一个测量装置，即一个6轴CMM臂上需要6个角度编码器，而7轴CMM 臂上需要7个角度编码器。这样所产生的带有外骨骼的CMM臂就比Slocum的装置更坚固且 更精确，并且可在三维空间中操作，而这点是Flemming的装置的缺陷。本发明的另一个目 的在于提供兼具手动操作和自动实施例的带有外骨骼的CMM臂。另一个目的在于提供可收 集数据的带有外骨骼的CMM臂。另一个目的在于提供可执行操作的带有外骨骼的CMM臂。在本发明的第一实施例中，便携式机器人CMM臂包括自动外骨骼，该自动外骨骼 通过传动装置支承并操纵着内部CMM臂以便使得其能够对物体进行测量。机器人CMM臂和 内部CMM臂在基座处刚性地相连接。外骨骼和内部CMM臂具有相同数量的轴线和大致相 同的接头轴线方位和十字头。机器人CMM臂优选具有6或7根轴线。在外骨骼与内部CMM 臂存在传动装置以便使得外骨骼既驱动又支承着内部CMM臂。传动装置为非刚性并且内部 CMM臂的探头末端可相对于外骨骼的探头末端进行少量运动。这个第一实施例根本上不同 于Slocum和Flemming的装置，它们需要在机器人臂的探头末端与测量装置的探头末端之 间具有刚性连接。至少一个探头安装于内部CMM臂的探头末端上。从内部CMM臂的定位和 从探头的测量组合起来，并且提出了新型系统地改变的校准标志及方法以避免由于组合中 的模糊而造成的不准确。控制盒集成于机器人CMM臂的基座中。滑环允许在轴向轴线上进 行无限的旋转。机器人CMM臂通常重20-30kg并且为便携式，从而允许其被带至所测量的 物体处。该第一实施例的另一个目的在于提供用于定位机器人CMM臂以便测量物体的数据 的方法。这种机器人CMM臂发明具有新型结构，以及机器人、手动CMM臂或常规型CMM中都 没有的新型能力。在本发明的第二实施例中，工业机器人CMM臂包括封装着内部CMM臂的外骨骼。工 具可安装于工业机器人CMM臂上以用于执行例如碾磨之类的操作。外骨骼和内部CMM臂在 探头末端刚性地相连接以便使得内部CMM臂可测量工具的位置并且比任一种先前的机器 人更准确地弓I导其通过空间。在第三实施例中，活动支承式机器人CMM臂包括活动的传动装置，其支承着内部 CMM臂并且使内部CMM臂从外骨骼运动以便进行精密测量。外骨骼支托着内部CMM臂以便 使其减重并显著地减少作用于其上的力和力矩。传动装置为非刚性并且内部CMM臂的探头 末端可相对于外骨骼的探头末端少量运动。这意味着活动支承式机器人CMM臂比其它类型 的机器人CMM臂更精确。在另一种改型中，在内部CMM臂与外骨骼之间提供了空气轴承。在第四实施例中，公开了用于测量数量、模拟数量、分析数量、使数量形象化以及 反馈结果至制造过程的方法。数量测量探头连接于机器人CMM臂的探头末端。提供了用于 将所测数量与所测量物体的CAD模型组合起来的装置。在第五实施例中，公开了用于机动性机器人CMM臂的方法和设备。机器人CMM臂 安装于带有内置于电动车辆中的可收缩脚的三脚架上并且从一个测量位置向下一个测量位置运动。其通常用于自动扫描大型物体如交通工具或航空器并且为目前使用的大型水平 或桥式CMM提供了成本更低并且更灵活的替代方案。在第六实施例中，公开了带有可移置式外骨骼实施例的机器人CMM臂。内部CMM 臂从外骨骼移置并且手动用于产生机器人程序。内部CMM臂在外骨骼中替换并且机器人随 后自动执行机器人程序。用于产生机器人程序的内部CMM臂的手动操纵具有比常规方法如 使用教学悬架更快并且更合用的优点。在第七实施例中，公开了包括相联接的CMM臂和机器人的机器人CMM臂。CMM臂 由机器人在至少两个位置中支承在探头末端处和在中间位置处。该实施例具有将热源从 CMM臂附近移走的优点。在第八实施例中，公开了带有外骨骼的手动CMM臂。内部CMM臂由外骨骼支承与 驱动，外骨骼又由操作人员支承与移动。现有的手动CMM臂组合了测量、自承和坚固以便操 作人员操纵同一臂的功能。该第八实施例将测量的功能放置于内部CMM臂中而将支承和坚 固以便操作人员操纵的功能放置于外骨骼中。无论外骨骼由操作人员握住的方式如何，在 校准过程期间，内部CMM臂总是精确地按照同样方式支承在每个空间位置以便使得作用于 内部CMM臂的负载可重复并且与负载相同。这种负载曲线图可再现性是指带有外骨骼的手 动CMM臂为比任一现有手动CMM臂装置更精确的装置。为操作人员提供了柔性按钮装置以 便在外骨骼上的任意适宜位置处将按钮单元与无线发射机连接起来；无线接收机集成于系 统中。缓冲块装置提供于外骨骼中以便缓冲内部CMM臂免受不合需要的冲击和负载。提供 了探头盖以便保护探头免受碰撞并补偿作用于接触探头上的一些负载。公开了许多带有部 分外骨骼的手动CMM臂，其与带有外骨骼的手动CMM臂相比更加紧凑并且提高了特别是在 腕部和探头区域的操纵性能，同时仍然具有显著的精确度。提供了带有外骨骼的手动CMM 臂和许多不同的接触和无接触探头使用的测量方法。公开了带有外骨骼的手动CMM臂所用 的自动校准设备和方法。提供了带有负载传播机构的运输容器以便在运输期间将作用于带 有外骨骼的手动CMM臂上的冲击负载的幅值减至最小。在第九实施例中，公开了带有保持外骨骼实施例的手动CMM臂。外骨骼中的一个 或多个接头可以利用制动器锁定。这意味着需要在操作中间暂停的操作人员可将臂锁定于 其所处的任意位置，而无需将其返回至其静止位置。先前的制动系统作用于CMM臂上并将负 载施加于CMM臂上，但本实施例具有作用于外骨骼而不对内部CMM臂施加任何负载的优点。在第十实施例中，公开了本发明的带有内骨骼(endoskeleton)的手动CMM臂的实 施例。CMM臂位于支承内骨骼外部。在先前的装置中，平衡块的功能或者如Romer和Cimcore 的装置中那样平行于臂并位于臂外部，或者插入臂中以便使得弯曲力矩跨过臂。本发明既 将补偿功能隐藏于CMM臂内部，又在不施加跨过臂弯曲力矩的情况下进行补偿。在第十一实施例中，公开了带有内骨骼的机器人CMM臂。CMM臂位于支承和驱动机 器人内骨骼外部。第一优点在于外部CMM臂隐藏了全部驱动器，从而提供了适于接近通路 受到限制的应用中的臂。第二优点在于外部CMM臂具有更大的节段并且弯曲较少，从而使 得其更加精确。


现在将参看附图仅举例来对本发明的实施例进行描述，其中
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图IA为根据本发明的第一实施例的6-轴机器人CMM臂的示意图；图IB为7-轴机器人CMM臂的示意图；图IC为机器人CMM臂系统的布局图；图2为外骨骼和内部CMM臂的接头和段的示意图；图3为机器人CMM臂的延伸范围的示意图；图4为带有光学探头的机器人CMM臂的实际延伸范围的示意图；图5A为长CMM段的延伸范围的示意图；图5B为短CMM段的延伸范围的示意图；图5C1为CMM段8的示意图；图5C2为悬臂和串联正交接头选项的示意图；图5D为基座的示意图；图5E为分离地安装的分离式基座段的布局图；图5F为安装于同一表面上的分离式基座段的布局图；图5G为安装于表面上的外骨骼基座的布局图；图5H为公共基座的布局图；图6为台架的示意图；图7A为安装于减震台上的机器人CMM臂的布局图；图7B为安装于地面上的机器人CMM臂的布局图；图7C为安装于插入地面中的平台上的机器人CMM臂的布局图；图7D为安装于线性轨道上的机器人CMM臂的布局图；图7E为安装于水平轨道上的两个独立机器人CMM臂的布局图；图7F为安装于与水平线垂直的立轴上的机器人CMM臂的布局图；图7G为安装于移动式多臂基座上的两个机器人CMM臂的布局图；图7H为安装于物体上的机器人CMM臂的布局图；图71为靠近加工机器安装的机器人CMM臂的平面视图；图7J为安装于若干加工机器之间的机器人CMM臂的布局图；图7K为安装于若干工作区域之间的机器人CMM臂的布局图；图7L为位于物体上方的桥梁上的机器人CMM臂的布局图；图7M为靠近安装于转盘上的物体的机器人CMM臂的布局图；图7N为靠近安装于线性工作台上的物体的机器人CMM臂的布局图；图8A为安装于壁上的机器人CMM臂的布局图；图8B为安装于台架上的机器人CMM臂的布局图；图8C为安装于倾斜平台上的机器人CMM臂的布局图；图8D为安装于水平臂CMM上的机器人CMM臂的布局图；图8E为安装于拖架CMM上的机器人CMM臂的布局图；图8F为安装于旋转楔块上的机器人CMM臂的布局图；图9为带有摄影测量跟踪器的机器人CMM臂的布局图；图10为机器人CMM臂系统的详细布局图；图IlA为机器人CMM臂的体系结构的图示；
图IlB为机器人CMM臂的替代方案体系结构的图示；图12A为编码器的示意图；图12B为双模编码器的示意图；图12C为双模编码器映射设备的示意图；图12D为轴线和模式中心的示意图；图13A为强制空气循环的示意图；图13B为高惯量和低惯量机器人CMM臂的示意图；图14为全部传动装置的位置的示意图；图15为段8传动装置的位置的示意图；图16为旋转限制装置的示意图；图17为径向传动装置的两个剖面；图18为扭转传动装置的两个剖面；图19为补偿装置的示意图；图20为轴向接头中的硬极限和限位开关的示意图；图21A和21B为正交接头中的硬极限的示意图；图21C为机器人CMM臂和手动CMM臂的轴线分离情况的比较示意图；图22为轴承的示意图；图23为内部CMM臂的探头末端的视图和剖面；图24为安装于探头末端上的触发式探头的纵向剖面图；图25为安装于探头末端上的光学探头的纵向剖面图；图26为光学探头和托架的视图；图27A为探头的体系结构的图示；图27B为连接于三根电缆和一个探头盒上的探头的示意图；图27C为带有连至位于机器人CMM臂外部的探头盒上的一根电缆的探头的布局 图；图27D为带有穿过机器人CMM臂连接的探头盒的探头的布局图；图28为条纹探头的原理两个示意图；图29为条纹探头扫描方式的示意图；图30为条纹的测量面积的示意图；图31为条纹的一小块的示意图；图32为许多重叠的小块的示意图；图33A为两视图条纹探头的示意图；图33B为正在扫描阶形物体的两视图条纹探头的示意图；图34A为两条纹探头的示意图；图34B为正在扫描阶形物体的垂直壁的两条纹探头的示意图；图35为膝上型电脑的平台示意图；图36为悬架的示意图；图37为操作人员的耳机的示意图；图38A为机器人CMM臂上的按钮的布局13
图38B为脚踏开关的布局图；图38C为带有皮带的遥控的布局图；图39为坐标系的布局图；图40为控制PCB的体系结构的图示；图41A为接头PCB的体系结构的图示；图41B为接头PCB中的位置平均的图示；图41C为编码器计数和触发脉冲的时序图；图41D为位置平均过程的流程图；图41E为应变仪系统的图示；图42为在探头作为主控部件的情况下的校准过程的流程图；图43A、43B和43C为探头测量的时序图；图44为示出了触发探头测量的延迟的时序图；图45为在探头作为从属部件的情况下的校准过程的流程图；图46为时间戳记测量过程的流程图；图47为扫描脊形人工制品的探头的示意图；图48为脊形人工制品的+X和-X扫描的图示；图49为校准装置的布局图；图50为校准人工制品的图示；图51A为定位校准人工制品的定位示意图；图51B为带有旋转轴的校准装置的布局图；图52为测量过程的流程图；图53为根据本发明的第二实施例的工业机器人CMM臂的示意图；图54为混合6/7轴工业机器人CMM臂的图示；图55为多机器人CMM臂单元中的整体坐标系人工制品的示意图；图56为特征检查过程的流程图；图57为表面检查过程的流程图；图58为工具操作过程的流程图；图59A为检查和刀具调整过程的流程图；图59B为元件调整过程的流程图；图60为根据本发明的第三实施例的活动支承式机器人CMM臂的示意图；图61为带有活动的轴向支承的径向活动传动装置的图示；图62为带有活动的轴向和径向支承的扭转活动传动装置的示意图；图63为带有活动的径向支承的活动传动装置的图示；图64为活动支承控制系统的示意图；图65为带有活动支承的控制环路的示意图；图66为根据本发明的第四实施例的数量测量过程的流程图；图67为数量模拟过程的流程图；图68为数量分析、形象化和反馈过程的流程图；图69为根据本发明的第五实施例的机动性机器人CMM臂的图示；
图70为机动性机器人CMM臂设备的平面布置图；图71为参考圆锥安装的图示；图72为参考圆锥位置、目标位置和带位置的数据结构；图73为机动性机器人CMM臂准备过程的流程图；图74为机动性机器人CMM臂测量过程的流程图；图75为根据本发明的第六实施例的带有可移置式外骨骼的机器人CMM臂的图 示；图76为带槽式管状机器人段的图示；图77为对开轴承传动装置的图示；图78为带有可替换式外骨骼的机器人CMM臂测量过程的流程图；图79为联接机器人CMM臂的示意图；图80A为带有外骨骼系统的手动CMM臂的布局图；图80B为处于静止状态的带有外骨骼的手动CMM臂的示意图；图81为探头盖的示意图；图82A为光学探头盖的示意图；图82B为作为把手的光学探头盖的示意图；图83A为部分外骨骼的示意图；图83B为延伸的部分外骨骼的示意图；图83C为带有不同内部CMM和外骨骼接头位置的保护性延伸部分外骨骼的示意 图；图83D为手动接触测量过程的流程图；图83E为自动接触测量过程的流程图；图83F为无接触扫描过程的流程图；图83G为接触扫描过程的流程图；图83H为模块化机器人校准装置的示意图；图831为外部机器人校准装置的示意图；图84为运输容器的示意图；图85为带有外骨骼系统的手动CMM臂的布局图；图86A为示出了力的无支承手动CMM臂的图示；图86B为示出了力的带有外骨骼的手动CMM臂的图示；图86C为示出了力的带有内骨骼的手动CMM臂的图示；图87为机器人内骨骼外部CMM臂的接头和段的示意具体实施例方式第一实施例便携式机器人CMM臂这种带有外骨骼的内部CMM臂的第一实施例为便携式机器人CMM臂。这种便携式 机器人CMM臂实施例包括由外骨骼弓丨导的内部CMM臂。外骨骼通过传动装置支承并操纵着 内部CMM臂以便使得其可准确地测量。本发明可按照许多机器人CMM臂铰接臂布局图具体实现。根据本发明第一实施例的机器人CMM臂有两种优选布局图带有6个接头的6-轴和 带有7个接头的7轴布局图。机器人CMM臂接头和段布局IA和IB为分别示出了根据本发明第一实施例的机器人CMM臂1的优选6_轴 和7-轴布局图的图示。铰接机器人CMM臂1具有基座端2和探头端3并且包括一组位于 这两端之间的段和旋转接头。有两种类型的接头轴向和正交接头。轴向接头(在图1A、1B 中标为‘A’ )绕着其两个邻接段的公共轴线旋转。正交接头(在图1A、1B中标为‘0’ )在 其两个邻接段之间作为铰链旋转。在图IA中，接头类型按照从基座端2到探头端3的顺序 为Α00Α0Α，分别指的是接头中心21、22、24、25、26和27。在图IB中，接头类型按照从基座 端2到探头端3的顺序为Α0Α0Α0Α，分别指的是接头中心21、22、23、24、25、26和27。6-轴 布局图具有成本更低的优点。7-轴布局图具有可更灵活地接近结构复杂的物体的优点。图IB的优选7-轴机器人CMM臂1的布局图在机器人CMM臂1发明的本第一实施 例中进行了描述，但本发明并不限于这种接头布局图或图IA的优选6-轴布局图并且可具 有比7个更多或更少的接头。对于简单应用来说，3个接头可能就足够。本发明并仅不限于 运动的旋转轴。如随后将公开，其可包括基座端2优选连接于其上的一个或多个运动的线 性轴。图IC示出的机器人CMM臂系统150包括机器人CMM臂1，其利用电缆152连接于 膝上型电脑151上。机器人CMM臂1具有基座端2和探头端3。其安装于表面7上。探头 90安装于机器人CMM臂1的探头端3上。光学探头91也安装于机器人CMM臂1的探头端 3上。机器人CMM臂1包括基座4、内部CMM臂5、外骨骼6和传动装置10。正被测量的物 体9位于表面7上。图2示出了机器人CMM臂1的两个主要零件内部CMM臂5和外骨骼6，它们共用 公共基座4和公共接头中心21、22、23、24、25、26和27。内部CMM臂5包括段32、33、34、35、 36、37和38，它们在本文中分别被称作CMM段2_8。CMM段838延伸到机器人CMM臂1的探 头端3。公共基座4还被称作CMM段131。内部CMM臂5还包括接头51、52、53、54、55、56、 57，它们在本文中分别被称作CMM接头1-7。外骨骼6包括段42、43、44、45、46、47和48，它 们在本文中分别被称作外骨骼段2-8。外骨骼段848并未延伸到机器人CMM臂的探头端3。 公共基座4还被称为外骨骼段141。外骨骼6还包括接头61、62、63、64、65、66和67，它们 在本文中分别被称作外骨骼接头1-7。T机器人CMM臂1还包括传动装置72、73、74、75、76、 77和78，它们在本文中分别被称作传动装置2-8，用于将内部CMM臂5连接至外骨骼6上。 传动装置272将CMM段232连接至外骨骼段242。传动装置373将CMM段333连接至外骨 骼段343，对于传动装置4-874、75、76、77和78依此类推。内部CMM臂接头和段布局图机器人CMM臂1中的内部CMM臂5的段和接头概括地如下进行命名和布置。段 名称 位置说明比较长度CMMgl基座 位于基座端与接头1之间 短CMM段2肩 位于接头1与接头2之间 短CMM段3上臂 位于接头2与接头3之间 长CMM段4肘部 位于接头3与接头4之间 短
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CMM 段 5 CMM 段 6 CMM 段 7 CMM 段 8 接头
CMM接头1 CMM接头2 CMM接头3 CMM接头4 CMM接头5 CMM接头6 CMM接头7
下臂位于接头4与接头5之间长
手位于接头5与接头6之间短
腕部 位于接头6与接头7之间短
探头 位于接头7与探头端之间短
名称 类型 旋转 基座 轴向 > 360degs 肩正交 > 180degs
肘部前轴向 > 360degs 肘部 正交 > 180degs 腕部前轴向 > 360degs 腕部 正交 > 180degs 传感器轴向 > 360degs 现在参看图3，机器人CMM臂1的延伸范围80被限定为从接头中心222到CMM段 8 38的探头端3，那时CMM接头3-7进行旋转以便使该距离最大。机器人CMM臂1的延伸 范围80的大部分包括CMM段3 33和CMM段5 35的长度之和。现在参看图4，在光学探头91安装于CMM段8 38上的情况下，延伸范围80随CMM 段8 38的探头端3与可进行测量的测量深度的光测量中点之间的距离的实际延伸范围81 而增加。每个CMM段具有高刚度。导致段发生弯曲或扭转的作用于内部CMM臂5上的任意 负载将会减少内部CMM臂5精确度。重力为连续的负载源，并且对于机器人CMM臂1的不 同空间方位而言，重力的作用不同。正常使用时机器人CMM臂的长CMM段中的典型最大角 度扭转斜率为0. 25弧度-秒，但可为更多或更少，特别是取决于CMM段的长度。正常使用 时机器人CMM臂的长CMM段中的典型最大角度弯曲斜率为0. 5弧度秒，但可为更多或更少， 特别是取决于长CMM段的材料、长度和直径。
g要的项 说明
机加工航空器铝 机加工航空器铝 机加工航空器铝 编织碳纤维 机加工航空器铝 机加工航空器铝 机加工航空器铝 编织碳纤维 机加工航空器铝 机加工航空器铝 机加工航空器铝 机加工航空器铝每个CMM段包括一-个或多
段项接头
CMM 段 1基座1
CMM 段 2肩1,2
CMM 段 3壳体2
连杆0
壳体3
CMM 段 4肘部3,4
CMM 段 5壳体4
连杆0
壳体5
CMM 段 6手5,6
CMM 段 7腕部6,7
CMM 段 8探头7
现在参看.图 5A，CMM 段 3、·
17和位于两个各自容放着一个接头的两个端壳100、101之间的壁厚109。现在参看图5B，CMM 段2、4、6和7 32、34、36和37包括容放着两个接头的双壳体103，每个接头位于每一端。现 在参看图5C1，CMM段8 38包括在一端容放着CMM接头757而在另一端容放着CMM探头安 装装置39的探头端壳体105，末端为探头端3的探头90连接于CMM探头安装装置39上。 应当理解，为CMM接头2、4、6 52、54、56提供正交接头存在不同的选择。现在参看图5C2，示 出了 CMM接头252所用的悬臂选择和串联选择。CMM接头2、4、652、54、56所用的优选选择 为串联选择。机器人CMM臂1的范围并不限于这些接头选择中的任何一种，而是可包括任 意其它设计的正交接头。外骨骼接头和段布局图
机器人CMM臂1中外骨骼6的接头和段布局图概括地如下进
段名称位置说明比较长度
外骨骨各段1基座位于基座端与接头1之间短
外骨骨各段2肩位于接头1与接头2之间短
外骨骨各段3上臂位于接头2与接头3之间长
外骨骨各段4肘部位于接头3与接头4之间短
外骨骨各段5下臂位于接头4与接头5之间长
外骨骨各段6手位于接头5与接头6之间短
外骨骨各段7腕部位于接头6与接头7之间短
外骨骨各段8探头从接点7延伸短
接头名称类型旋转制动
外骨骨各接头1基座轴向> 360degs不制动
外骨骨各接头2肩正交> 180degs制动
外骨骨各接头3肘部前轴向> 360degs制动
外骨骨各接头4肘部正交> 180degs制动
外骨骨各接头5腕部前轴向> 360degs制动
外骨骨各接头6腕部正交> 180degs制动
外骨骨各接头7传感器轴向> 360degs制动
每个外骨骼段包括一个或多个重要的项
段项接头说明
外骨骨各段1基座1机加工航空器铝
外骨骨各段2肩1,2机加工航空器铝
外骨骨各段3壳体2机加工航空器铝
连杆0铝管
壳体3机加工航空器铝
外骨骨各段4肘部3,4机加工航空器铝
外骨骨各段5壳体4机加工航空器铝
连杆0铝管
壳体5机加工航空器铝
外骨骨各段6手5,6机加工航空器铝
外骨骼段7 腕部 6，7 机加工航空器铝CMM段8 探头 7 机加工航空器铝基座布局现在参看图5D，基座4包括通过将接头中心21利用标准3. 5〃重型螺纹116旋入 安装板8中而容放着CMM接头1 51的CMM段31和通过将接头中心21利用螺栓106连接 于CMM段1 31上而容放着外骨骼接头1 61的外骨骼段1 41。安装板8通过安装装置104 如安装螺栓107而连接于表面7上。内部CMM臂5和外骨骼6两者都分别具有基座段31、 41。在该第一实施例中，外骨骼段1 41利用埋头孔螺栓106而刚性地连接于CMM段31上。 现在参看图5E，在本机器人CMM臂1发明的另一个实施例中，CMM段31可安装于第一表面 7a上，而外骨骼段1 41可安装于第二表面7b上，并且使得CMM段31不连接于外骨骼段1 41上。现在参看图5F，在本机器人CMM臂1发明的另一个实施例中，CMM段31和外骨骼段1 41可独立地安装于同一表面7上。通过在表面7与基座2之间提供基座延长节段，CMM接头 151可在表面7上方抬起更高。这种基座延长节段优选地基于由通常为0. 075ppm/degC的 低热膨胀系数的编织碳纤维制成的轻型管。这意味着相对于表面7对带有基座延伸管的机 器人CMM臂1进行测量不会显著地受温度变化的影响。现在参看图5G，在本机器人CMM臂 1发明的另一个实施例中，CMM段31可刚性地或柔性地连接于外骨骼段1 41上，外骨骼段 1 41安装于表面7上。现在参看图5H，在本机器人CMM臂发明的另一个实施例中，CMMgl 31与外骨骼段141可安装于表面7上的同一基本项4上，CMM段2 32和外骨骼段2 42两 者都分别通过CMM接头1 51和外骨骼接头1 61连接于该表面7上。本机器人CMM臂发明 的一个目的是可有任意形式的基座安装。机器人CMM臂延伸范围在本第一实施例中，所提供的本机器人CMM臂1发明为一系列具有不同延伸范围 的便携式机器人CMM臂。便携式机器人CMM臂延伸范围80变化范围为0.6m到3m。本发明 的范围并不限于在该范围内的延伸范围，延伸范围80可低于0. 6m或多于3m。内部CMM臂结构刚度和质量本发明的一个目的是使内部CMM臂5的质量最小化。这又容许便携式机器人CMM 臂1质量最小化，因为其需要较少刚度和电机功率来移动内部CMM臂5，从而机器人CMM臂 1更加轻便。经验表明，将会产生加倍的效益，并且对于从内部CMM臂5去除的每IOOg质量，就 可从机器人CMM臂1设计中去除大约250-400g。中型延伸范围内部CMM臂5的运动零件的 典型重量为2. 5-4kg。外骨骼6支承并驱动着内部CMM臂5以便使作用于内部CMM臂5特 别是作用于内部CMM臂接头51-57上的应力减至最小。在使用时，作用于外骨骼6上的唯 一负载应该是重力并且负载通过传动装置10传递。外骨骼6总是在同一位置支承着内部 CMM臂5，从而在同一空间方位提供可重复的负载。比较起来，现代的手动CMM臂是为由操 作人员施加于其上的附加应力而设计，该附加应力显著高于作用于内部CMM臂5上的那些 力，并且还在取决于操作人员握住它的位置和方式的不同加载位置和方向施加。这意味着 内部CMM臂5并不需要如类似延伸范围的手动CMM臂一样高刚度并且比其更轻。连杆构件直径和厚度
连杆构件直径108越大，它就越硬并且越准确。随着材料科学的发展，臂的刚度与 重量比日益提高，因为可获得更硬、更轻的材料。内部CMM臂5在上臂和下臂中具有两个长 连杆构件102 =CMM段3 33、CMM段535。内部CMM臂5的连杆构件直径108处于40mm-70mm 的范围内。本机器人CMM臂1发明的范围并不限于这种连杆构件直径；可使用超过70mm或 低于40mm的连杆构件直径。在由操作人员处理期间，作用于当前的手动CMM臂上的力和转 矩来自以下方面与在那个时候接头角度的组合有关的重力、补偿装置、加速度和操作人员 引起的力和转矩。操作人员可在任何一个连杆上施加弯曲力。为此，对于两个段而言，手动 CMM臂通常具有同一连杆直径。外骨骼6大致相等地支承着内部CMM臂5的全部段32-38。 为此，本第一实施例的内部CMM臂5对于两个段33和35都具有同一连杆构件直径108。本 机器人CMM臂发明的范围并不限于一致的连杆构件直径并且连杆构件直径可以不同。连杆 构件102基本上为在任何一端由接头或传动装置支承的简支梁。当处于水平时，主要的偏 转模式处于重力作用之下。假定在连杆构件102上没有不合需要的力矩，则连杆构件102 的偏转基本上与连杆构件厚度109无关。于是连杆构件厚度可以很小，并且这与使内部CMM 臂5质量最低的目标一致。对于段33和35两者而言，内部CMM臂的连杆构件厚度109优 选为Imm至1. 5mm。对于更长延伸范围的臂，连杆构件厚度109和/或连杆构件直径108通 常增加以便保持刚度。连杆构件直径和厚度为在设计过程中针对不同设计技术规格和制造 约束而优化的参数。形状在装配期间，外骨骼段2-8 42-48依次经过内部CMM臂段。内部CMM臂的CMM段 32-38的形状不得不使得最大径向尺寸尽可能地小。最大径向尺寸的任何减小都使得外骨 骼段2-8 42-48的尺寸能够减小，并且这使得机器人CMM臂发明在其应用中尺寸更小并且 更灵活。外骨骼结构性能本第一实施例的一个目的是使机器人CMM臂1为便携式并且重量最小化。这个目 的与对周期最小化和接头处相应地具有高角加速度的要求并不一致。最大角速度和加速度 方面的性能对于短延伸范围机器人CMM臂1而言比长延伸范围机器人CMM臂1更高。最大 接头角速度通常处于20deg/sec至400deg/sec的范围内。外骨骼接头1-4 61-64具有比 外骨骼接头5-7 65-67更低的最大角速度，因为转矩更高。在长延伸范围80为3m而机器 人CMM臂重量为35kg以下的情况下，接头2通常可具有20deg/sec的最大角速度。在短延 伸范围80低于Im而机器人CMM臂重量在20kg以上的情况下，接头7通常可具有400deg/ sec的最大角速度。本机器人CMM臂发明的范围并不限于这个最大角范围，而接头的最大角 速度可高于400deg/sec或低于20deg/sec。质量和刚度外骨骼结构比内部CMM臂刚度较小，因为支承和驱动功能并不需要高刚度。因此 外骨骼结构的重量轻，从而使机器人CMM臂更轻便。因为对于给定性能标准而言，任意移动 式段的质量减少就需要动力更小的驱动系统，而这又减轻重量，所以就存在良性循环。便携 式机器人CMM臂典型质量范围从Im延伸范围的18kg变化至3m延伸范围的35此。本机器 人CMM臂发明的范围并不限于这个质量范围而最大质量可高于35kg或低于18kg。
形状外骨骼结构紧凑并且位置靠近内部CMM臂。这意味着机器人CMM臂可接近难于测 量的区域如内部。机器人CMM臂因此可应用于那些除非对物体进行多方面准备否则就不能 处理的应用场合中，例如当汽车座位不能现场测量而必须首先从汽车上拆卸时。外骨骼段 42-48形成密封形状以便保护内部CMM臂段32-38在使用期间免于暴露在破坏性固体、液体 或气体之下。外骨骼段42-48为中空以便适配于内部CMM臂段32-38上。外骨骼形状还起 使得机器人CMM臂可手动使用以及万一碰撞的话保护内部CMM臂的零件的作用。由于美观 性的原因，外骨骼结构零件具有无功能的表面形状。决定外骨骼形状的众多因素之一为马 达和齿轮箱驱动元件的尺寸和位置。材料内部CMM臂材料外壳100、101、103、105由航空器铝构成；铝受过阳极化处理。连杆构件102包括 由编织碳纤维-环氧树脂复合材料例如Toray T700制成的薄壁管，其提供了接近零的热膨 胀系数、高刚度和低密度。连杆构件102可通过粘合剂例如环氧树脂连接于端壳100、101 上，同时支承于精密夹具中，这将得到本发明所属领域的普通技术人员的清楚理解。外骨骼材料容放着各项的接头由航空器铝制成。铝受过阳极化处理。连杆项包括精密模制的 碳_纤维。连杆项通过粘合剂例如环氧树脂连接于容放着各项的接头上，同时支承于精密 夹具中。机器人CMM臂安装本发明的一个目的是机器人CMM臂可使用许多不同的安装装置按照不同方位而 安装于许多不同的结构上，以便适合使用其的应用场合。安装装置将机器人CMM臂1安装到表面7上可通过许多装置104来进行，包括利用螺栓107 的螺栓固定、磁性安装、真空安装和夹具。重要的是所使用的安装装置104具有足够刚度以 便在操作机器人CMM臂1期间不会在安装板8与表面7之间引入运动从而使得机器人CMM 臂1精确度降低。带有垂直机器人CMM臂的水平面方位参看图6，机器人CMM臂1通常使用标准3. 5”x8螺纹116安装于便携式台架110 的水平安装面112上。台架110具有能够被锁定的三个轮子111。110具有可收缩的脚113。 台架110具有较大占地面积以避免其倾倒。占地面积比相应手动CMM臂更大，因为操作人员 通过他的脚接受手动CMM臂的部分臂负载，这样就减少了作用于台架110上的转矩。台架 110的质量比相应手动CMM臂台架更大，因为机器人CMM臂1比相应手动CMM臂更重。台架 110具有可伸长的垂直构件115以便升高或降低机器人CMM臂的基座。台架110必须在刚 性地板表面上而非地毯或可压缩地板覆盖材料上使用。台架110优选地很重以便使机器人 CMM臂的动态特性不会引起其振动；对安装于台架上的便携式机器人CMM臂的控制限制了 角加速度和速度以避免振动台架110和损失精确度。短延伸范围机器人CMM臂所用的台架 110的一个实例为编号231-0的台架，其重约100kg，由Brunson Instrument Company (美 国)制造，适合于短、中型延伸范围。配重可以刚性地连接于台架110的基座上以便增加其
21稳定性。长延伸范围机器人CMM臂需要更大更结实的台架。参看图7A，机器人CMM臂1可 被刚性地安装于稳定台120例如光具座或花岗岩块上，其可通过位于支承122上方的减震 装置121而与穿过地面119的振动隔离。参看图7B，机器人CMM臂1可被直接安装于地面 119上。参看图7C，机器人CMM臂1可被安装于平台123上，平台123安装于地面119上。 参看图7D的平面图，机器人CMM臂1被安装于轨道轴124上，其在轨道轴124上穿过地面 119行进。所示的机器人CMM臂1沿着轨道轴124具有三个不同的位置A、B、C。机器人CMM 臂1可测量体积大的多的大型物体9。第二机器人CMM臂1被安装于第二轨道轴124上，并 且如图所示具有两个位置D和E。这两个轨道轴优选为平行。这意味着两个机器人CMM臂 可独立地运动并且测量大型物体9例如摩托车、汽车或大型交通工具的两侧。轨道轴124 优选为线性。轨道轴124优选地安装在地面119上方以便使得其可被拆下并重新安装在不 同的位置处；替代地，轨道轴124可被永久地插入地面119。轨道轴124可被手动驱动，优选 地通过按钮响应于手动致动而被电机驱动，或者优选地为CNC驱动。当沿着轨道轴124平 移时，机器人CMM臂1不会像静止时那样稳定。优选地，当沿着轨道轴124平移时，机器人 CMM臂1并不进行测量，相反轨道轴124用来使得机器人CMM臂1从一个测量位置向另一个 测量位置运动，例如从A经过B到C运动。然而，机器人CMM臂可在沿着轨道轴124平移期 间进行测量，但精确度通常将会下降；当轨道轴124为机器人CMM臂1所安装于的大型机器 的部分时，最可能出现这种情形。现在参看图7E，两个机器人CMM臂1可被安装于同一轨道 轴124上并独立地运动。每个机器人CMM臂1沿着轨道轴124的运动可被手动驱动，优选 地通过按钮响应于手动致动而电机驱动，或者优选地CNC驱动。适用的应用场合为对设计 工作室中的汽车原型的测量。这意味着带有四个机器人CMM臂1的测量装置的生产能力可 为其中每个轨道轴124上只有一个机器人CMM臂的测量装置的两倍，其中两个在两个轨道 124的每个上独立地运动。现在参看图7F，机器人CMM臂1安装于立轴133上，立轴133可 使机器人CMM臂1的基座上下垂直地运动。立轴133可在轨道轴124上水平地运动。立轴 133可被手动驱动，优选地通过按钮响应于手动致动而电机驱动，或者优选地CNC驱动。可 为图7D中所示的成对的相对机器人CMM臂构型中的一个或两个机器人CMM臂1提供立轴 133，或者可为图7E中所示的机器人CMM臂构型中的一个或两个臂提供立轴133。现在参看 图7G，两个机器人CMM臂安装于在轨道轴124上运动的移动式多臂基座134上。两个机器 人CMM臂分开适当的距离S以便使得作业重叠足以消除工作容积中机器人之间任何不能到 达的间隙。这意味着能够利用成本降低且更简单的设备来实现高生产率，这种设备只涉及 一个移动式多臂基座134而不是两个独立的机器人CMM臂1。如前文所公开，较短的机器人 CMM臂比较长的CMM臂更精确。本实施例的一个目的是水平轨道124和立轴133无论分离 还是组合使用，都将会意味着可使用较短的机器人CMM臂。这意味着，由于水平轨道124和 立轴133在长距离上比机器人CMM臂更精确，所以通过使用水平轨道124和立轴133，无论 分离还是组合使用，测量装置的总精度都将会增加。本发明所属领域的普通技术人员可优 化机器人CMM臂长度、水平轴和立轴的规格以便使得精确度最大化。现在参看图7H，机器人 CMM臂1安装于所要测量的物体9上。使用了适配器136。这种物体9的一个实例为输气 管道的一个管段，其在已经腐蚀的表面区域周围进行测量；在本实例中，将机器人CMM臂1 安装在管上比在靠近管处建造具有足够稳定性的临时性建筑物更容易，成本更低。适配器 136可为磁性安装以便于安装和拆卸机器人CMM臂1，或者可以使用任意其它安装装置。对于某些物体9，并不需要适配器136，而机器人CMM臂1可以直接安装在物体9上。现在参看 图71，机器人CMM臂1靠近安装着物体9的加工机器137安装。加工机器137被带有自动 运转式拉门139的封壳138所围绕。机器人CMM臂1可测量机器137中的物体9。对于在 处理期间在封壳内包含可能对机器人CMM臂1有害的环境污染的加工机器137，就需要带有 封壳138和拉门139。某些加工机器137并不产生对机器人CMM臂1有害的环境污染因而 并不需要封壳138及拉门139。具有短延伸范围80的较小机器人CMM臂1可被直接安装在 机器137上以便使得机器人CMM臂1更靠近物体9并且在物体9的延伸范围内；如果加工 机器137产生有害的环境污染，就需要拉门来保护安装于加工机器137上的机器人CMM臂 1。现在参看图7J，机器人CMM臂1安装于四个加工机器137之间以便使得机器人CMM臂1 可测量安装于四个加工机器137中每一个上的物体9。在机器人CMM臂1周围可能排列着 任意数量的加工机器137。现在参看图7K，机器人CMM臂1安装在三个工作区域142之间。 每个工作区域可包含一个物体9。在任一时刻，工作区域142可以包含以下之一没有物体 9、将要测量的物体9、正在测量的物体9、已经测量过的物体9、正在传递进入或离开工作区 域142的物体9。在机器人CMM臂1周围可有任意数量的工作区域142。工作区域142中 的物体9可以相对于机器人CMM臂坐标系363按照已知定位与定向准确地定位于夹具中； 替代地，其可以以某种方法大致定位，例如通过人眼向地面标记对准物体9。物体9可以通 过本所属领域的普通技术人员已知的任意方法定位于工作区域中。每个工作区域142中的 每个物体9可为具有不同零件号的不同零件，或者每个物体可为具有相同零件号的相同零 件。在机器人CMM臂1周围具有若干工作区域142的一个优点在于可以加载作业以便整夜 进行自动测量，因而增加机器人CMM臂1的利用。第二个优点在于通过当机器人CMM臂1 在第二工作区域142处测量另一个物体9时，在第一工作区域142处利用未测量的物体9 代替已测量的物体9，而保持机器人CMM臂1的充分利用。现在参看图7L，机器人CMM臂1 安装于穿越物体9所位于的工作区域142的、较低的、坚固的桥梁118上。机器人CMM臂1 和桥梁118设计成使得物体9的全部上侧可通过安装在机器人CMM臂1的探头端3处的探 头90对其执行操作。物体9必须比较扁平以便适配于桥梁118下方，并且仍然在其任意区 域上执行操作。桥梁118为刚性、坚固并且牢固地安装于地面119上以便使得当机器人CMM 臂1运动时没有显著的偏转。机器人CMM臂1安装于桥梁上的这种实施例的主要应用领域 为薄板金属的光学检查。在第一步中，可为薄板金属项的物体9经受上游过程，例如在压力 下成形。在第二步中，物体9被手动转移并安放到工作区域142中。替代地，例如自动输送 机或材料装卸机器人之类的机构可以自动地将薄板金属安放于工作区域142中。在第三步 中，通过安装于机器人CMM臂1上的至少一个探头90对物体9进行检查。在第四步中，有 来自检查过程的数据输出。数据可产生于对检查过程中所获数据与理想物体9的CAD模型 的自动比较。数据输出可为统计数据或完全检查数据。在第五步中，物体9被手动或自动 地从工作位置除去。在任选的步骤中，数据输出被用来直接或者通过对过程统计的收集和 分析来对控制上游过程的参数做出改变。在替代任选步骤中，数据输出被用来物理上改变 用于上游过程的工具。在另一个实施例中，线性轨道124被提供于桥梁118之上以便移动 机器人CMM臂1来检查较大的物体9。在替代实施例中，机器人CMM臂1安装于伸出支承件 的端部上并将机器人CMM臂1定位于工作区域142中间的上方，而不是安装于桥梁118上， 该伸出支承件安装于工作区域142的一侧。
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可移置和运动式物体本发明的另一个目的在于机器人CMM臂1可对位于物体移置装置上的物体9执行 操作并且物体9在操作期间移置至少一次。现在参看图7M，机器人CMM臂1靠近转盘820 安装，而物体9位于该转盘820上绕着轴A旋转。转盘820可被手动旋转并且利用夹具822 锁定于新位置。替代地，转盘820可通过机械化装置821如马达或伺服驱动装置旋转。转 盘820的自动旋转可通过机器人CMM臂系统150或任意其它装置来控制，例如通过按钮或 从属控制装置进行手动致动。角位置记录装置823例如编码器通常被连接于转盘820的轴 A上。在典型过程中，通过将转盘按照90度间隔运动至四个位置，物体9被移置四次，以便 使得机器人CMM臂1能够接近以便对物体9的全部象限执行操作。在这个实施例中，当物 体9运动时，机器人CMM臂1并不执行例如测量之类的操作。在转盘820上旋转物体9的 一个优点在于可以在大于机器人CMM臂1的延伸范围80的物体9上执行操作；其特别适合 于又宽又高的物体。在转盘820上旋转物体9的第二个优点在于在复杂物体9的情况下， 可以使机器人CMM臂1得到不同的接近方位以便接近难以进入物体9的部分。现在参看图 7N，机器人CMM臂1靠近线性工作台824安装，物体9位于该线性工作台824上从而沿轴B 线性地移置。线性工作台824具有与转盘820类似的位置测量能力、控制能力和优点。在 其它实施例中，可以使用带有2个或2个以上轴的多轴工作台移置物体。本领域的专家应 当理解，每种类型的工作台轴或轴组合将会具有不同优点以便用于不同种类的物体大小与 形状。在另一个实施例中，机器人CMM臂1静止并且当物体9运动时利用工具执行例如非 接触式测量或接触式操作之类的操作。在另一个实施例中，机器人CMM臂1和物体9在利 用工具执行例如非接触测量或接触式操作之类的操作时同时运动。当机器人CMM臂1和物 体9两者都相对于地面运动时，需要另一种控制算法来将坐标系转换成公共坐标系如物体 坐标系。在所有实施例中，物体9都可以或者可以不被夹紧或者否则连接于工作台上以便 消除物体9与工作台之间的相对运动。在物体9在操作期间运动的所有工作台实施例中， 工作台必须精确并且物体不可相对于工作台运动以便使得能够执行准确的操作。所需尺寸 和精确度的工作台通常为昂贵的物品。其它机器人CMM臂方位对于某些应用场合，机器人CMM臂1安装于的方位不是水平面，并且其中机器人 CMM臂1并非大致垂直地直立。参看图8A，机器人CMM臂1与壁125正交地安装。参看图 8B，机器人CMM臂1由台架126支承；替代地其可从顶板支承。参看图8C，机器人CMM臂1 安装于具有与垂直线成60度的表面的平台127上。参看图8D和8E，机器人CMM臂1安装 于例如用于汽车公司中的大型、3-轴常规型CMM上。有许多类型的3轴常规型CMM，包括水 平臂CMM128和拖架CMM129。机器人CMM臂1具有显著的质量，其通常预期重量为18_32kg， 这取决于其精确度和臂的延伸范围，但其可更重或更轻。为安装于常规型CMM上，根据本发 明的轻型机器人CMM臂可设计有基本上低于12kg的质量。对于其中机器人CMM臂1安装 于常规型CMM上的汽车应用而言，如图8E中所示，机器人CMM臂优选地连接于拖架CMM129 上并且从桥梁131的垂直柱垂直向下支承。按照这种模式，通过组合拖架CMM129的运动和 机器人CMM臂1的运动，机器人CMM臂1就能够接近正在测量的物体9的所有部分。本发 明的范围并不限于机器人CMM臂1从带有3个线性轴的桥式常规型3-轴CMM131的垂直柱 130或者从也带有3个线性轴的水平臂CMM128的水平臂132垂直向下安装。机器人CMM臂1可从带有任意数量的轴并处于任意方位的任何相当的常规型CMM安装。现在参看图8F， 机器人CMM臂1与旋转立轴B成角度A安装于旋转楔块基座135上。本发明的范围并不限于图7A-G和图8A-F中所示的机器人CMM臂设备的实施例。 本发明的一个目的是机器人CMM臂1可在自由空间中以任何方位安装。本发明的另一个目 的是机器人CMM臂1可从固定或者活动的结构安装。本发明的另一个目的是机器人CMM臂 1可安装于任意运动式结构上以便按照6个自由度平移定向机器人CMM臂。运动式结构可 在测量期间或测量之间随时运动。本发明的另一个目的是机器人CMM臂1可按照任意数量 和任意排列方式提供于设备中。刚性和非刚性安装机器人CMM臂1优选地安装于相对于正在测量的物体9刚性的表面7上。有时候， 在机器人CMM臂1与正在测量的物体9之间可有连续的相对运动，例如由在附近操作的大 型机器所引起，该机器通过地面传递振动。或者，在机器人CMM臂1与正在测量的物体9之 间可有偶然的相对运动，例如由驶过的载重汽车或与正在测量的物体发生的意外碰撞所引 起。或者，在机器人CMM臂1与正在测量的物体9之间可有缓慢的相对运动，例如由安装着 机器人CMM臂和物体的结构的热膨胀所引起。参看图9，其示出了机器人CMM臂1的基座 端4与机器人CMM臂1正在测量的物体9之间的相对运动的情况，6自由度的相对运动可由 独立的测量装置来测量。这种独立测量装置的实例有由Leica提供的激光跟踪器和优选地 由Krypton提供的摄影测量跟踪器140。机器人CMM臂1和摄影测量跟踪器140安装于平 台123上。物体9安装于易受运动的地面119上以便使物体9与平台123之间存在显著的 相对运动。摄影测量目标141连接于物体9上，以便使得在测量过程期间，摄影测量跟踪器 140随时看得见最少3个目标并且优选更多目标。重要的是摄影测量跟踪器140对相对运 动的测量在时间上与机器人CMM臂1测量同步。时间校准可通过业内专家所常见的任意方 法来实现，包括同时触发测量装置，对所有测量与公共时钟进行时间戳记以便后续处理。当 相对运动测量与机器人CMM臂测量并非在同一瞬间进行时，这种处理可包括时间内插。对 摄影测量跟踪器140测量与机器人CMM臂1测量进行校准的过程为本发明所属领域内的普 通技术人员所熟知。结果为对物体9的测量值，其为对已测量的机器人CMM臂1与物体9 之间的相对运动进行的修正。机器人CMM臂范围机器人CMM臂1的延伸范围80取决于应用情况。所提供的本第一实施例的机器人 CMM臂1为一系列具有不同延伸范围80的便携式机器人CMM臂1。仅出于示例原因，这些 延伸范围80可以从0. 5m到5m，其中Im和1. 5m的延伸范围80可能为部件客户要求最多， 2m至3. 5m的延伸范围80为汽车客户要求最多，2. 5m至5m的延伸范围80为航空和航天客 户要求最多。机器人CMM臂1发明的延伸范围80在本公开内容中并不受限制；机器人CMM 臂可比所述范围更长或更短。使用机器人外骨骼来支承内部CMM臂意味着机器人CMM臂可 具有比2m有效限制的手动CMM臂具有更长的延伸范围。这意味着需要长于2m延伸范围的 应用(手动CMM臂并不实用于这些)可由机器人CMM臂执行。机器人CMM臂1的本第一实 施例为便携式系统并且不设计用于高角速度和加速度以便限制机器人CMM臂1的重量。机 器人CMM臂1的其它实施例可设计用于高得多的角速度和加速度。为了保持同一驱动系统 元件跨过机器人CMM臂1的范围，在本第一实施例中接受更长延伸范围所用的更低最大角
25速度。跨过范围的关键差异在于连杆102的多种长度。便携式机器人CMM臂还可以有两种 或多种范围，例如0. 6-1. 2m和1. 5m-3m延伸范围80。机器人CMM臂系统综述现在参看图10，对机器人CMM臂系统150的本第一实施例的体系结构进行描述。 控制盒159安装在机器人CMM臂1的基座4上。利用连接于电源接线器195上的动力电缆 155供应动力。提供了电源开关156和馈电线157。其中，提供了接口连接器194以便将探 头盒295通过探头盒连接至臂电缆296。膝上型电脑151利用膝上型通讯电缆152连接至 膝上型电脑连接器197上。悬架153利用悬架通讯电缆154连接至悬架连接器198上。网 络200通过网络连接器199连接。悬架153和膝上型电脑151两者都可由电池163、164供 电操作一定时期。悬架电池163通过将悬架安放于带有电触点328的再充电点158中而再 充电；当悬架正确地安放于再充电点中时，自动形成电源连接。膝上型电脑电池164由电力 网电能再充电。当安装于机器人CMM臂1上时，触发式探头92形成自动的电源连接160和 触发连接161。当安装于机器人CMM臂1上时，光学探头91形成自动的电源连接160、触发 连接161和探头通讯连接162。现在参看图11A，对机器人CMM臂1的内部体系结构进行描述。控制PCB 172连 接到地线165和+5伏电力轨道166上。七个马达176中一个马达驱动着每个外骨骼接头 1-7 61-67，它们通过电机电缆196连接到七个放大器175上并且由七个从控制PCB 172输 出至放大器175的+/-IOv控制信号驱动。控制PCB172通过串行总线169连接到七个接头 PCB 173上。控制PCB172具有另两个通讯连接152和154，以便分别与膝上型电脑151和 悬架153通讯。+24伏电力轨道167向放大器175提供动力。电源单元171连接到电源电 缆155、电池170、接地165和电力轨道166、167。至少一个接头PCB 173利用动力160、触发 161和适用情况下的通讯162连接到探头90。所有七个马达176都具有制动器177，它们由 来自接头PCB173的信号驱动。内部CMM臂5包括七个连接于接头PCB 173上的CMM编码 器178。七个安装于驱动着外骨骼6的七个马达176上的编码器179连接于接头PCB 173 上。安装于内部CMM臂5上的热电偶180连接到每个接头PCB 173上。安装于内部CMM臂 5上的应变仪181连接于每个接头PCB173上。两个限位开关182连接到每个接头PCB 182 上。两个操作人员按钮183连接到第七接头的接头PCB 173上。接触式传感器184连接到 每个接头PCB 173上。每个接头PCB 173连接到地线165和+5伏电力轨道166上。触发 总线174连接到每个接头PCB173和控制PCB172上；其用于闩锁七个CMM编码器178。现在参看图11B，对机器人CMM臂1的内部体系结构所用的替代系统实施例进行 描述，其具有更少的电缆，容许轴向接头无限旋转并且重量更轻、成本更低且更坚固。控制 PCB172和四个接头PCB173与总线193串联连接，总线193穿过四个位于每个轴向CMM接头 1、3、5、751、53、55、57处的滑环单元188。一至三个接头由每个接头PCB173驱动并且控制 PCB172还可以驱动一个或多个接头。每个滑环单元188具有28线的能力，但线的数目可多 于或少于28。总线193也具有28根线。总线193中的这28根线承载着位于内部CMM臂5、 外骨骼6和任意探头90中的接头中心21之后的所有元件功能所用的动力电压、接地、串行 总线、控制总线和信号线。控制总线394并入总线193并且使用5根线。控制总线394可 为专用或者可为标准总线如CAN总线。CAN总线为高速低延迟控制总线。CAN总线和相关 的电路在驱动7轴时具有缺陷。一种更快的控制解决方案是使用两个CAN总线并且利用第一 CAN总线驱动4轴而利用第二 CAN总线驱动3轴。依靠额外5线而使用两个CAN总线就 容许得到一个快速的1毫秒伺服系统。智能功率放大器175的位置靠着每一个马达176并 且通过控制总线394以及和24v电源与Ov接地而连接于接头PCB173或者控制PCB172上。 智能功率放大器175的实例为由美国的Maxon Motor提供的EPOS 24/1和24/5。另外，智 能功率放大器功能可集成于接头PCB173与控制PCB172中。这种包括关闭伺服系统在内的 控制功能发生于控制器395中。控制器395为由英国的Trio Motion Technology提供的 PCI208。PCI208具有容许快速伺服控制的两条控制总线394输出；这些控制总线394输出 为CAN总线标准。CAN总线的5或10根线代替用于七个马达/编码器中每一个的大约10 根线，其通常从马达176至控制器395 —直直接布线。由于滑环188中线的数量受实际因 素如尺寸与重量限制，所以使用将臂中线的数量减少大约60线的控制总线394就容许使用 滑环188以便在轴向CMM接头1、3、5、7 51、53、55、57中提供无限旋转。总线193向一个或 多个探头90提供动力、信号与通讯，探头90可为接触或非接触式，其中通常大多使用条纹 探头97。为了将第三方专用探头90连接于机器人CMM臂1上，本发明的目的在于提供一种 从探头90通过总线193穿出接口连接器194的通道。这样，第三方探头90的供应者可使 用这种机器人CMM臂系统150的布线规格限制内的所需的通道用于电源、接地、信号与总线 的任意组合。提供于通道中的线的典型数量为9，但是可少于9或多于9。接口连接器194 还可以提供用于校准机器人CMM臂1和探头90的校准信号连接。本发明的范围并不限于本第一实施例中所公开的机器人CMM臂系统150的体系结 构，而是包括具有机器人CMM臂系统150的技术效果的所有体系结构。例如，在另一个实施 例中，控制盒159与机器人CMM臂1分离并且利用电缆连接于机器人CMM臂的基座4上。如 果机器人CMM臂为便携式，机器人CMM臂就需要这种体系结构，这里控制盒159中的项目需 要控制盒159非常大以便容易感知地配合于基座4中。优选使用第一实施例的体系结构，因 为便携式机器人CMM臂为单个单元，而没有增加制造成本和分离式控制盒159的位置占地 面积。在另外一个实施例中，使用全尺寸个人电脑代替膝上型电脑151并且控制器PCB 172 通过标准总线如PCI总线而安装在个人电脑中；替代地，使用架中的若干计算机的网络。在 另一个实施例中，并不提供悬架并且使用膝上型电脑151来控制器机器人CMM臂1。在另 一个实施例中，提供连接器来将一个或多个外部轴连接于机器人CMM臂1上，它们由控制器 395驱动。这种外部轴的实例有线性轨道或转盘。内部CMM臂编码器内部CMM臂5包括位于每个CMM接头51-57处的角度编码器178。本发明的范围 并不限于角度编码器或者任何特别设计的角度编码器而是可使用任何精确形式的角度测 量装置。角度编码器的分辨率和准确度受到若干因素限制，包括编码器的直径、可印刷边 缘的数目、边缘的线性度、读头的线性度、编码器中的内插和不规则的数量。为了优化机器 人CMM臂1的准确度，理想的是朝着基座端2的角度编码器比朝着内部CMM臂5的尖端3的 角度编码器更准确。这是因为在基座端接头如21、22处的很小旋转将会引起尖端3处发生 很大的运动。然而尖端3接头如25、26或27处的很小旋转将会引起尖端3处发生很小的 运动。如果所有其它因素受到控制，对于给定接头旋转而言，尖端处的运动与从尖端3到接 头的距离成比例。内部CMM臂5使用CMM编码器178如由Renishaw或Micro-E Systems, USA制造的CMM编码器。朝着内部CMM臂5的基座端2的CMM接头21、22具有较大直径的编码器，因为从CMM编码器178到探头端3存在较长距离。内部CMM臂5的肘部处的中间 接头23-24具有中间直径的编码器，因为从CMM编码器178到探头端3存在中间距离。内 部CMM臂5的腕部处的远接头25-27具有小直径编码器，因为从CMM编码器178到探头端 3存在较小距离。较小的编码器直径减少了由操作人员尽力而为承载的臂的重量，从而使 其又紧凑又易于操纵。在由光学探头91产生较大有效延伸范围81的情况下，在朝着臂的 探头端的接头23-27处具有较高分辨率的编码器可能很重要。可以预期角度编码器后面的 技术将会提高并且具有给定精度的角度编码器将会减小直径和重量。现在参看图12A，内 部CMM臂编码器178包括具有20微米度量节距的Renishaw RESR角度编码器185，与每接 头的一个或多个Renishaw RGH20读头186 —起使用。当每个编码器185安装两个或多个 读头186时，它们或者按照如图12所示彼此成90度安装或者优选地彼此成180度安装，但 是读头可彼此成任意其它角度。带有8192计数的52mm直径RESR用于CMM接头23-27中 每一个上，从而提供每个接头+/-5. 6arc秒的标出准确度。带有23，600计数的150mm直径 RESR用于CMM接头23-27中每一个上，从而提供每个接头+/_1. 9arc秒的标出准确度。每 个Renishaw读头186的输出转到Renishaw RGE内插器187。来自每个Renishaw内插器 187的输出装入接头PCB 173。使用两个或多个读头的优点为双重的。首先，来自以下任何 一项的误差都可以通过简单平均而得到提高或补偿，这些误差包括编码器的偏心安装、读 头的不良校准、边缘印刷非线性、读头非线性、不规则和其它机械/安装误差。其次，在运转 中，来自同一编码器185的两个或多个内插器187的读数的平均计算可在接头PCB 173中 进行，从而对编码器准确度给以一些改进。在替代实施例中，角度编码器系统可作为一个整 体提供，包括编码器、一个或多个读头、内插器、平均和误差映象，从角度编码器系统到接头 PCB 173带有一个连接。可以预期如Renishaw之类的公司未来将会提供具有0. Iarc秒准 确度的直径为大约50mm的这种角度编码器系统。双模编码器提供于本机器人CMM臂1发明上的这种编码器的准确度为机器人CMM臂的准确度 中的重要因素。本发明的一个目的是提供一种每种模式都带有一个读头的新型双模编码 器，其比带有两个读头的单模编码器更准确。现在参看图12B，双模编码器860包括编码器 盘片861，其具有印刷于其两面A、B中每一个的周边周围的边缘模式862、一个读取面A上 的模式862的读头186和一个读取面B上的模式862的第二读头186，这两个读头相隔大约 180度。现在参看图12C，提供了双模编码器映射设备863，其包括如由Aerotech Inc，US提 供的ABR1000之类的精确旋转台864、如用于将盘861夹紧到准确旋转台864的旋转部分 上的特殊形状的螺栓之类的旋转夹紧机构865、两个固定读头186以及连接于精确旋转台 864和带有电缆868的读头186上的映射系统866，其中两个固定读头186彼此成大约180 度并且位于盘861的相对侧上，以便使得当模式862相对于固定读头186运动时，第一读头 186可读取A面上的第一模式862，而第二读头186可读取B面上的第二模式862。精确旋 转台864比双模编码器860可预期执行的准确度更加准确。映射系统866 (a)控制着精确 旋转台864的运动，(b)读取来自读头186的信号以及(c)输出映射867。现在参看图12D， 示出了盘861，模式A 869的中心、模式B 870的中心和承载着双模编码器860的接头的轴 线的旋转中心871都表示于其上。映射867为数字文件并且包含映射信息从而提供(i)两 种模式862相对于彼此的错位的幅值M，(ii)错位的方位872，(iii)精确旋转台864与每个模式862上的印刷边缘之间的角度误差并且至少涵盖每个模式862上的边缘的印刷非线 性度的误差映象。两种模式862被被印刷成沿轴向合理排列，其中典型轴向错位M为10微 米，但是这种错位M可远远超过10微米或比10微米少得多。错位M的方位872被手动标 记于盘861上。侧面A和B被手动标记于盘861上。通常，错位的方位872参考由读取头 186读取的模式862上的绝对参考标记来获知。产生映射867的过程为本发明所述领域的 普通技术人员所熟知。提供位于每个模式862上的参考标记以便参考误差映象。高达七个映射的双模编码器860可提供于机器人CMM臂1中。为每个双模编码器 860提供映射867。在编码器校准过程中，具有双模编码器860的机器人CMM臂1的接头从 一个旋转轴至另一个旋转轴按照通常为5度的梯级分阶，但是梯级可多于或少于5度。在 每个梯级处从每个读头186进行读取以便形成一组读数。使用映射867的误差映象来校正 这组读数以便提供修正后读数。使用映射867中的错位与错位方位信息对修正后读数进行 处理，以便按照本发明所属领域的普通技术人员充分理解的方法来计算接头中心871相对 于模式A 869和模式B 870的中心的位置。在校准过程之后，当机器人CMM臂1处于使用 中时，就使用接头中心871相对于模式A 869和模式B 870的校准位置来校正来自双模编 码器860的读数并且使机器人CMM臂1更精确。已校准的双模编码器860比带有两个读 头的等效单模编码器提供的角度更准确，因为(a)有效地存在两个独立误差映象编码器系 统而非一个，并且这两个系统的结果提供的平均值比带有一个模式的编码器系统的结果更 好，(b)由于盘861相对于接头轴线的不垂直度而致的误差自动达到平均数。这种双模编 码器860与带有两个读头的等效的单模编码器相比部件数量相同、重量相同并且占用相同 的体积。在替代实施例中，双模编码器860的两个模式862可位于盘861的同一侧，呈内径 和外径模式的形式。在较低成本的双模编码器860的另一个实施例中，如果在盘861的制 造过程中模式862对准成具有足够小的错位M，那么在适配于机器人CMM 1的接头的过程中 就不需要映射双模编码器860的额外过程，而仍然能够获得使得任意的轴向错位都自动达 到平衡的益处。在更精确的机器人CMMl的一个替代实施例中，两个双模编码器860提供于 每个接头处，优选地位于接头中心的两侧。外骨骼传动系统结构环境污染本发明的一个目的在于便携式机器人CMM臂安静地操作并且可被用于办公室环 境。重要的是在设计中将所发出声频噪声的水平保持在最小限度。选择使用包括马达和齿 轮装置方法在内的固有低噪音传动系统以便将发出的声频噪声减至最小。基本上，声频噪 声输出的水平随驱动机器人CMM臂的速度和加速度而增加。在许多应用中，速度和加速度 的减少对周期的影响较小。这是因为通常周期的90 %用来测量，这个过程很慢，而通过加速 方法只可以减少10%的周期。当将所发出的声频噪声水平减至最小是关键使用标准时，控 制系统可由用户设定成在低速度和低加速度的情况下安静地扫描。通过引入低电磁辐射的 传动系统部件以及在发出最高电磁辐射的部件周围提供防护罩，机器人CMM臂就将发出的 电磁辐射最小化。热传递本发明的一个目的在于将从外骨骼6中的马达176和其它传动部件向内部CMM臂 5的热传递减至最小，从而由于温度比较稳定、均勻而使内部CMM臂5更准确。公开了
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-从外骨骼马达176至内部CMM臂5没有重要的直接导热连接从而消除了由传导 造成的热传递；传动装置10较小并且其材料的导热系数低；控制盒159中没有直接连接于 机器人CMM臂的基座4上的热项目；这就意味着不存在控制盒159中的热项目与机器人CMM 臂的基座4之间的传导；-内部CMM臂段32-38带有涂层以便使从马达176至内部CMM臂5的辐射传递减 至最小；-马达通风良好并且带有散热片，以便使对流传热最大化且使其工作温度最小化； 在操作期间接头的角速度为程控来以避免马达176过热；-现在参看图13A，内部CMM臂段32_38和外骨骼段2_842_48之间存在管道189； 位于基座4中的带有较大过滤器191的低容量风扇190吸收空气192并且沿着内部CMM臂 5与外骨骼6之间的管道189吹气；大部分空气192在位于内部CMM臂段38与外骨骼段48 之间的尖端3处排出。这种强制空气循环通过对流而提供了有效冷却。选择风扇190以便 在办公室环境中安静地运转。过滤器191较大；在办公室环境中操作的情况下，过滤器191 应当5年不需要更换或清洗。由风扇190吸入的空气192的一部分穿过控制盒159并通过 控制盒中的放气口 353排出；这种空气循环去除了来自包括控制PCB 172,PSU 171和放大 器175在内的控制项目的热量。外骨骼传动系统机器人CMM臂1由电机176驱动，电机176为带有编码器的电刷式直流伺服电机。 本发明的传动系统并不限于任何种类的电机，而是可由包括液压装置或气动装置在内的不 同的动力系统驱动。液压装置和气动装置可将比带有编码器的电机更少的振动弓I入机器人 CMM臂中。电机176可为交流或直流伺服电机、步进电机或其它形式的马达；马达176可为 刷式或无刷式。提供了高速控制环，其中电机176和编码器179将环封闭；这种高速环适宜 于横向穿过机器人CMM臂1。当进行接触测量时，在接触时位于内部CMM臂5末端的硬探头 将会停止运动而机器人CMM臂继续进行。为接触式测量提供了高精确度控制环，其中CMM 编码器178用来封闭位于高速控制环外侧的较慢的高级别环。为减少制造成本，减少机器 人CMM臂的重量并且形成更紧凑的设计，CMM编码器178可被用于位置反馈；外骨骼编码器 179则不需要。为进一步减少制造成本，可将步进电机用于开环格式中，而控制环中不需要 进行任何位置检测。某些应用只需要低加速度的机器人CMM臂并且需要功率较低的传动系 统。其它应用则需要高加速度并且需要功率更高的传动系统。在汽车生产线上的应用需要 坚固的机器人CMM臂1，其可经受得住车身的冲击。由于存在这种内部CMM臂5，所以对于 大多数应用而言，传动列单元中并非必须具有低后冲。可以使用低成本且低质量传动列部 件如皮带传动装置。在这个实施例中，一个马达176用来驱动每个接头61-67。机器人动态特性本发明所属领域的普通技术人员将会理解，有益的是尽可能地将机器人CMM臂的 惯性动量减至最小。对于限定接头的角加速度和最大角速度的给定性能规格而言，带有比 另一个机器人CMM臂更低的惯性动量的机器人CMM臂将会使用更少的能量来执行过程。驱 动单元如马达通常很重，具有集中的质量。有益的做法是(a)使驱动单元的位置尽可能靠 近机器人CMM臂的基座端；(b)减少驱动单元的质量；(c)减少机器人CMM臂的段的质量。 在使驱动单元向着机器人CMM臂的基座端移得更近的过程中，可以减少位于所运动的驱动装置与基座之间的驱动装置的规格，因为前面这些驱动装置不必不必象位置已经更接近基 座端的驱动装置移动那样困难。每个规格减少的驱动单元更轻，并且又可需要别处得其它 性能要求更低的驱动装置。使驱动装置移动至更靠近基座端的另一个好处来自于作用于某 些外骨骼段上的应力减小从而允许它们被设计成更轻。因此可以知道，仅仅将一个驱动装 置移动至更靠近基座端的位置就获得了组合的优点。本发明的一个目的在于对机器人CMM 臂进行优化以便对于限定规格而言将其重量和能量消耗减至最小，这通过包括将驱动装置 定位成尽可能靠近基座端之类的方法来实现。现在参看图13B，在机器人CMM臂1的高惯量实施例中，接头中心3、5 [23、25]及其 马达176比机器人CMM臂1的低惯量实施例远离基座端2，在机器人CMM臂1的低惯量实施 例中，接头中心3、523、25及其马达176更靠近基座端2。马达不必与接头中心邻接；在替 代实施例中，接头中心3、523、25远离基座端2，马达176更靠近基座端2并且转矩传动装置 沿着外骨骼段3、543、45从马达176向接头中心3、523、25传递马达转矩。由于将驱动器定 位成更靠近基座端而得到的典型节约效果可为机器人CMM臂质量节约大于Ikg以及动力消 耗节约超过10%。传动装置在本第一实施例中，外骨骼6的基座41刚性地连接于内部CMM臂5的基座31上， 以便使得在两个基座41与31之间就不会有显著的相对运动并且力和转矩被通过这种刚性 连接传递。提供了许多传动装置72-78，每个CMM段32-38可没有，有一个或多于一个传动 装置。传动装置72-78中每一个与相应的外骨骼段42-48和相应的CMM段32-38处于直接 接触。在操作期间，CMM接头51-57和接头61-67的中心和轴基本上处于同一位置。导致 这些接头中心与轴发生轻微错位的因素包括-CMM段2-8 32-38与外骨骼段2-8 42-48应变不同-传动装置2-872-78发生弹性变形；在本第一实施例中所有传动装置2-8 72-78 包括弹性装置并且并未刚性地连接内部CMM臂5和外骨骼6上。在本第一实施例中，内部 CMM臂5与外骨骼6之间的唯一刚性连接在基座端2处；特别是，在探头端3处，在内部CMM 臂5与外骨骼6之间没有刚性连接-段的自旋转，不久将会对此进行讨论-由于制造和装配公差的累积引起的错位传动装置的优选设置方式本领域的普通技术人员将会理解，在选择和设计离散的或连续的传动装置10的 数量、位置和类型时，应当考虑许多因素。对于6-轴和7-轴机器人CMM臂1而言，传动装 置10的设置方式将会不同。对于短延伸范围和长延伸范围机器人CMM臂1而言，传动装置 10的设置方式将会不同。对于包括接头不同位置和顺序在内的不同接头设置方式而言，传 动装置10的设置方式将会不同。传动装置的数量可以使用任意数量的传动装置，从一个离散的传动装置到在机器人CMM臂的整个 长度上的连续接触区。一个传动装置为了定位和定向探头90,如果R有一个传动装置，其必须是位于 CMM段8 38和外骨骼段8 48之间的传动装置8 78。然而，6或7轴臂具有冗余并且肘部于
31是能够在重力或惯性加速度作用下自由运动。当CMM接头454冲击外骨骼接头4 64时，这 种自由运动将会导致产生第二 ‘无意中实现的’传动装置。两个传动装置如前所沭，第一传动装置必须是传动装置8 78。第二传动装置必 须位于CMM段333的接头中心2 22端与CMM段6 36的接头中心6 26端之间以便控制肘 部。如果第二传动装置朝向接头中心222，则外骨骼6上的驱动器将会自始至终需要将强 大功率传至支承着臂的大部分重量的第一传动装置；这样将会导致比所需的机器CMM臂1 重得多。如果第二传动装置远离接头中心4 24，则将会需要大弯曲力矩通过内部CMM臂5 以便举起肘部的重量；这样将会减少机器人CMM臂的准确度或者需要大的额外重量来加强 CMM 段 3 33。三个传动装置除刚性基座连接之外的三个传动装置为机器人CMM臂1的第一实 施例的传动装置的优选数量。这三个传动装置位于靠近和位于接头中心4 24之前、靠近 和位于接头中心6 26之前以及位于探头端之前的传动装置8 78。传动装置的这种设置方 式具有下列优点-长段CMM段3、533、35简单地支承于任何一端附近，并且这样就减少了横梁在重 力作用下的偏转-马达和齿轮箱的动力和重量被减至最小以便提供最小重量的机器人CMM臂1-传动装置的数量被优化；任何更多的数量将增加成本、重量和复杂性四至七个传动装置带有4-7个传动装置10的机器人CMM臂1的设计复杂性随每 个增加的传动装置而增加。传动装置彼此妨碍的可能性和对内部CMM臂5施加不合需要的 力矩的可能性增加。连续式传动装置连续式弹性介质可被提供于内部CMM臂5与外骨骼6之间。CMM 臂5与外骨骼6之间的中间体积可充满一些小橡胶球，这些小橡胶球被涂以粘合剂以便使 得它们彼此粘附并且不会在不同空间方位中流下或流到中间体积周围。中间体积可充满如 泡沫-包装之类的材料，其中空气袋被俘获于塑料薄膜中。可指定介质以便使输送到内部 CMM臂5的力和转矩减至最小。还可以指定介质以便使内部CMM臂5的接头与外骨骼6的 接头的错位情况减至最小。可指定介质以便使其在径向、轴向和扭转方向这三个分方向中 显示出所需弹性。介质可为贯穿中间体积的连续式或可为不连续式以便类似于离散式传动 装置。连续介质可以呈现不连续的性能；例如在中间体积的不同区域中的径向、轴向和扭 转弹性可以变化，也许可以变化很大。未驱动段自动旋转再参看图2，当一个或多个段在没有来自传动元件的原动力的情况下而在重力作 用下自动旋转时，7-轴机器人CMM臂1中存在四种情况。这种CMM段自动旋转不合需要，因 为如果接头可被定向在90度至随后驱动旋转所需的角度，那么这样就可能由于接头锁定 而导致损害CMM臂或损失CMM臂中的校准。情况1 如果正交铰接接头222为直型就可能发生自动旋转。自动旋转包括CMM段 2、3 32、33在CMM接头1、3 51、53之间一起旋转。由于机器人CMM臂通常安装在垂直方向 上并且没有被重力加速的偏心质量，所以就不可能这样。情况2 如果正交铰链接头4 24为直型就可能发生自动旋转。自动旋转包括CMM 段4、5 34、35在CMM接头3、5 53、55之间的一起旋转。如果CMM段4、5 34、35中存在由重力加速的离轴的重心并且正交铰链接头424不在垂直方向上，就可能这样。情况3 如果正交铰链接头6 26为直型就可能发生自动旋转。自动旋转包括CMM 段6、7 36、37在CMM接头5、7 55、57之间的一起旋转。如果CMM段6、7 36、37中存在由重 力加速的离轴的重心并且正交铰链接头626不在垂直方向上，就可能这样。通过内置于重 叠式驱动传动装置中的旋转限制元件或者分离式旋转限制装置940就可以防止情况1、2和 3。情况4 如果CMM段8的重心偏离轴线并且其不通过传动装置驱动，就可能发生自 动旋转。然而，传动装置878是必需的并且产生扭转驱动，所以情况4可忽略。正交铰接接头锁定机器人CMM臂1存在多种空间方位情况，其中正交铰接接头锁定并且由于重力、错 位和违反操作规程加载而可能将不合需要的力、力矩或转矩应用于内部CMM臂5上。三种 实例锁定情况是锁定情况1 正交铰链接头2、4、6 22、24、26为直型，其轴线处于水平。如果基座 轴线垂直，则臂垂直。错位可能导致弯曲力矩通过传动装置施加于内部CMM臂5上。违反 操作规程加载可能导致弯曲力矩通过传动装置施加于内部CMM臂5上。传动装置的仔细设 计和外骨骼的刚度可将这种作用减至最小或者消除。锁定情况2 正交铰链接头4、6 24、26为直型，其轴线处于垂直。如果位于接头222 之后的机器人CMM臂1的段为水平，则就存在CMM段3-833-38形成在重力作用下处于水平 并且支承于两个或多个位置的单个刚性“锁定”横梁的情况。当在每个端支承时，“锁定”横 梁将会在中间显著地偏转。当支承于3个或更多位置时，将会很可能产生弯曲力矩并且呈 现更大偏转。错位可能导致弯曲力矩通过传动装置施加于内部CMM臂5上。违反操作规程 加载可能导致弯曲力矩通过传动装置施加于内部CMM臂5上。根据作用于内部CMM臂5上 的不合需要的力和力矩，这种情况为将要考虑的最差空间方位情况。传动装置的仔细设计 和外骨骼的刚度可将这种作用减至最小或者消除。替代地，在测量时，可以采取步骤以便使 得机器人CMM臂1不被移入这种锁定情况2空间方位。例如，在接头3、7 23、27处旋转90 度就使得臂处于同一空间方位，相对于重力解锁两个正交铰链接头4、6 24、26，去除所有不 合需要的力矩并且使得臂适于进行测量。锁定情况3 正交铰链接头6 26为直型并且其轴线为垂直。这是锁定情况2的子 情况。偏转较少。锁定情况3可以按类似方式分解至锁定情况2。在以上实例锁定情况或任意其它锁定情况中，CMM接头2、4、6 32、34、36中任何一 个的锁定可以通过以下任何一种方法来避免1.在外骨骼6中放置坚硬的限位器以便阻止 接头到达180度；2.不将机器人CMM移入发生锁定的空间方位中。传动装置的优选设置方式现在参看图14，对机器人CMM臂1所用的传动装置的优选设置方式进行描述。机 器人CMM臂1从接头2向前在水平空间方位处于静止。提供了三个传动装置3、5、8 73、75、 78。传动装置3 73刚好位于接头中心3 23之前。传动装置5 75刚好位于接头中心5 25 之前。传动装置8 78位于接头中心7 27之后。旋转限制装置940提供于邻近于接头中心 2、4、6 22、24、26 处。现在参看图15，对传动装置8 78的位置进行描述。CMM段8 38和刚性地安装于CMM段8 38上的标准探头90在重心CG8处由传动装置8 78支承以便使得作用于CMM接头
757上的合力或转矩可以忽略。重心CG8为CMM段8 38加上刚性地安装于CMM段8 38上 的标准探头90的重心。这是理想状态，因为本机器人CMM臂1发明的目的之一就是通过减 少作用于内部CMM臂5的接头上的力和转矩来使准确度最大化。实际上，包括各种质量、重 心位置和惯性动量的光学探头91的探头90将会连接于机器人CMM臂1的探头端2上。在 理想状况下，所有探头90将会设计成使得当安装于CMM段38上时，组合探头90和CMM段
838的重心位置定中于处于传动装置8 78中心的CMM段38的轴线上。这样，连接具有定 中于重心CG8上的高质量探头90不会降低机器人CMM臂的准确度，因为额外质量通过传动 装置8 78受到外骨骼6完全地支承。现在参看图16，对旋转限制装置940进行描述。旋转限制装置940包括销941和 插入式橡胶0形环942。销941刚性地连接于内部CMM臂5上并且从CMM接头252的轴线 伸出。0形环942刚性地插入外骨骼6中并且与外骨骼接头2 62的轴线对准。销941的外 径显著小于0形环942的内径以便使得当CMM接头252和外骨骼接头262对准时，在销941 与0形环942之间存在均一的径向气隙。旋转限制装置940的目的在于当CMM接头252为 直型时防止CMM段2、3发生自动旋转R。如果自动旋转R开始，其不久将会在绕着接头中心 222的轴线摆动并且与0形环942碰撞的销941作用下停止。气隙在机器人CMM臂的正常 运动中得到保持并且防止不合需要的力或转矩被通过0形环942和销941施加于内部CMM 臂5上。现在参看图17，以纵向剖面图AA和轴向截面图BB示出了传动装置373的原理。 传动装置3 73的驱动传动为径向。CMM段3 33利用来自外骨骼段3 43通过传动装置3 73 施加的径向力而运动。传动装置3 73包括三个传动块201，它们按照120度间距刚性地连 接于外骨骼段3 43内部；传动块201由轻质材料如铝制成。两个层粘合于三个传动块201 的内表面上，即弹性材料层203如氯丁( 二烯)橡胶和与CMM段3 33接触的低摩擦材料层 202如PTFE。传动装置3 73不会传递轴向力，因为在轴向模式下，低摩擦材料层202容许在 CMM段3 33与外骨骼段3 43之间存在滑移。当传动装置3 73装配在适当位置时，弹性材 料层203就处于恒定压缩状态。弹性材料层203的横截面积、厚度与刚度组合起来以便使 其能够保持在其设计弹性范围之内，而在正常使用或压缩显著的距离期间刚度不会快速增 加。弹性材料层203比在该位置处对内部CMM臂5与外骨骼6违反操作规程加载的情况下 产生的错位宽得多；这样就防止内部CMM臂受到高的力或转矩。弹性材料层203的刚度较 低以便在其支承最大重量时使其受到显著压缩。本领域的技术人员将会理解对横截面积、 厚度与刚度的规定是一个需要准确模拟许多因素的已知的程序，这些因素包括在违反操作 规程加载的情况下外骨骼的错位公差积累与偏转。使用低摩擦材料202的益处在于不会通 过摩擦产生热量；这意味着将所需驱动力减至最小并且通过消除由于摩擦‘热’点造成的热 变形而使内部CMM臂5的精度得以保持。两个缓冲块209提供用于防止自动旋转。缓冲块 连接于CMM段3 33上。在正常操作下，在缓冲块209与传动块201之间存在气隙。缓冲块 209具有用橡胶处理的表面以便减少冲击。如果开始自动旋转，那么通过缓冲块209碰撞传 动块201就会使自动旋转很快停止。类似地，传动装置5 75被设置成用于径向驱动传动。传动装置8 78的驱动传动为扭转与径向方式。传动装置8 7( 8 78)包括两个 相邻单元，即扭转驱动器与径向驱动器。径向驱动器类似于图17的径向驱动器。现在参看图18，示出了沿纵向剖面AA与轴向截面BB观察的传动装置8 78的扭转驱动器。利用从外 骨骼段8 48通过传动装置8 78施加的转矩使CMM段8 38旋转。传动装置8 78包括粘合 于CMM段8 38上的套环204。套环204还包括三个间距120度的传动凸缘209，其沿径向 向外地延伸并沿纵向延伸。三个间距120度的带槽式传动块205驱动着传动凸缘。每个带 槽式传动块205包括两个由弹性材料203制成的衬垫，其粘合于带槽式传动块205的狭槽 的两个传动面上。利用垫圈207使用螺栓206将带槽式传动块205连接于外骨骼段8 48 上。带槽式传动块205、套环204和垫圈207由轻质材料如铝制成。弹性材料203具有与传 动凸缘209接触的外部低摩擦材料层202如PTFE。传动装置8 78不会传递轴向力，因为在 轴向模式下，低摩擦材料层202容许在CMM段838与外骨骼段8 48之间存在滑移。传动装 置8 78部分地传递径向力，因为在径向模式下，尽管低摩擦材料层202容许在CMM段8 38 和外骨骼段8 48之间存在滑移，但是传动凸缘209的位置处于120度并且共同起作用以便 对CMM段8 38和外骨骼段8 48之间的任意径向运动提供纠斜力。当传动装置8 78装配 在适当位置时，弹性材料层203就处于恒定压缩状态。弹性材料层203的横截面积、厚度与 刚度组合起来以便使其能够保持在其设计弹性范围之内，而在正常使用或压缩显著的距离 期间刚度不会快速增加。本领域的技术人员将会理解可以提供集成式扭转与径向驱动器作 为比前面所述的分离式的两个相邻扭转和径向驱动更轻且更紧凑的单元，从而更好地公开 本发明的原理。综述本发明所属领域的专家将会理解，外骨骼6可以使用各种各样的传动装置10向内 部CMM臂5传递力和转矩，这些传动装置10都能达到将作用于内部CMM臂5上的力和转矩 减至最小从而使机器人CMM臂1的精确度最大的目的。本机器人CMM臂1发明的范围并不 限于传动装置10的公开优选设置方案，而是适用于所有从外骨骼6向内部CMM臂5传递力 和转矩以便使机器人CMM臂1自动驱动且使其准确的传动装置10。例如在替代实施例中， 分离式传动装置10的数量可以是两个或多个；可以使用连续式传动装置；可以使用分离式 和连续式装置的组合。本机器人CMM臂1发明的范围并不限于弹性传动装置。在其它实施 例中，传动装置10可以在一个或多个位置处将内部CMM臂5与外骨骼6刚性连接起来，以 便使得从外骨骼6传递至内部CMM臂5的力和转矩不会影响机器人CMM臂1的精确度。本 发明所属领域的专家将会进一步理解，未来投放市场的设备看来似乎可以具有组合式内部 CMM臂与外骨骼，并且可以称作常规型机器人而不是机器人CMM臂。本发明的范围涵盖具有 降低作用于CMM轴承与段上的力与转矩的技术效果的所有设备。机器人CMM臂补偿方式内部CMM臂的补偿如果补偿装置用于内部CMM臂5中，那么其所利用的接头中的应力就会增加，并且 还可能产生弯曲力矩，这两者都会导致精确度降低或者需要增加用于平衡的重量。本机器 人CMM臂1发明的内部CMM臂5的接头通常用于比手动CMM臂更多的周期，因为机器人CMM 臂可以使用高达每天24小时，每年365天，维护周期与停机时间更少。如果接头具有高应 力并且连续使用，那么补偿装置将会产生更多热量并且臂中的该接头的温度将会高于低使 用状况下的温度。这样就可能增加臂的不准确度。位于内部CMM臂5的那个接头上的轴承 需要设计成很刚硬以便具有大得多的生命周期。松轴承是造成内部CMM臂5中的不准确的
35显著原因并且不能补偿。本发明的一个目的在于外骨骼6承载内部CMM臂5以便成为外部 补偿装置。这种外部补偿使运动期间作用于内部CMM臂5上的大部分力和转矩最小化并且 消除了内部补偿装置的缺点。这就意味着内部CMM臂5不需要补偿装置并且在不带补偿装 置的情况下，所制造的机器人CMM臂1将会质量更轻、结构更简单、成本更低。本发明的范 围并不限于内部CMM臂5上不带补偿装置的机器人CMM臂1，而且包括内部CMM臂5上带有 补偿装置的机器人CMM臂1。外骨骼补偿装置机器人CMM臂1可以按照任意方位与其基座4安装在一起。在垂直向上或向下的 基座方位中，外骨骼6优选地具有位于外骨骼接头2 62中的补偿装置，其用于补偿外骨骼 6和内部CMM臂5两者的重量，该补偿装置为不会直接消耗来自动力源的动力如电压、气动 装置或液压装置压力的装置。这就意味着位于外骨骼接头2 62中的传动系统可以功率更 少，重量更轻，并且在大多数工作循环中消耗能量更少。在机器人CMM臂1的典型设计中， 补偿装置的存在可以将动力消耗降低10-25%并且将机器人CMM臂的重量降低5-12%。现在参看图19，机器人CMM臂1的基座4垂直向上安装并且补偿装置210的应用 方向A用于克服重力作用朝着垂直位置向上举起外骨骼6外骨骼段343。补偿装置210位 于外骨骼接头2 62的轴的一端。由于机器人CMM臂1的基座4垂直向下安装，例如当从拖 架3轴CMM 129的柱垂下时，补偿装置210的应用方向用于克服重力作用朝着水平位置向 上举起外骨骼6外骨骼段343。优选地，单个补偿装置210起到通过外骨骼接头262提供 转矩的作用。补偿装置210优选地为机加工盘簧。补偿装置210设置成最佳值以便使在外 骨骼接头2 62的任意方位中旋转外骨骼接头262所需的最大转矩减至最小。这种补偿装 置210意味着可以提供尺寸更小且质量更轻的传动系统来驱动外骨骼接头2 62。在理想 情况下，补偿装置210应该穿过外骨骼接头2 62的中心直接作用以便避免向外骨骼接头2 62施加弯曲力矩。在本机器人CMM臂发明中，内部CMM臂5的CMM接头2位于外骨骼接头 2 62中间。因此，补偿装置210的位置偏心并且其向外骨骼接头2 62施加弯曲力矩。外骨 骼6的结构，特别是外骨骼接头2 62周围的部件具有足够刚度以便平衡来自补偿装置210 的弯曲力矩并将外骨骼6的弯曲保持在所需限制范围内。对于垂直向上或垂直向下的机器 人CMM臂基座4方位而言，外骨骼接头2 62的扭矩补偿方向相反。所提供的补偿装置210 可以转动以便在机器人CMM臂1的基座4方位改变方向时沿相反方向施加转矩。在本发明 的另一个实施例中，补偿装置210还包括缓冲器211。在替代实施例中，选择两个补偿装置210用于臂，其中当机器人CMM臂1具有垂直 向上的基座4方位时应用第一补偿装置而当机器人CMM臂1具有垂直向下的基座4方位时 应用第二补偿装置；合适的补偿装置210适合于机器人CMM臂1的基座4的方位。在另一个 实施例中，提供了带有用于两个不同方位的手动调整功能的补偿装置210，其在机器人CMM 臂1的安装期间可手动安装。在本发明的一个替代实施例中，两个补偿装置210提供于外 骨骼接头2 62的任一侧并设定成大近似为同一转矩，从而使得跨过外骨骼接头2 62的弯 曲力矩可以忽略。在其它基座方位如机器人CMM臂的基座水平安装的方位中，例如当安装于壁上 时，优选地在接头2处没有补偿装置210，除非对应用进行限制以便可用。在一个替代实施 例中，本机器人CMM臂发明可以在外骨骼6中没有任何补偿装置210的情况下运行。
接头限制机器人CMM臂1的本第一实施例在轴向接头上具有无限旋转，而对每个正交接头 的旋转具有严格限制。硬接头限制器为物理限位器，接头不会沿着硬接头限制器的方向旋 转超过该限位器。本发明的一个目的在于通过内部CMM臂5中的滑环传递动力与信号，其可 以服务内部CMM臂5的电子装置和外骨骼6中的传动系统这两者。在6-轴机器人CMM臂1 中，三个轴向轴为无限旋转式，而在7-轴机器人CMM臂1中，四个轴向轴为无限旋转式。这 就意味着臂更坚固，因为电缆不需要在每个轴向接头附近被连续地盘绕与展开360度。内部CMM接头硬限制器在本第一实施例中，内部CMM臂5中没有内置式硬接头限制器。轴向接头可以无 限地旋转。固有的正交接头限制器全部都略微超出外骨骼6的硬接头限制器，以便使得外 骨骼在正常操作过程中不会将内部CMM臂5压在硬接头限制器上。设置简单的橡胶限位器 以便在装配期间当内部CMM臂5未被外骨骼6支承时防止发生损坏。一旦机器人CMM臂1 已经组装起来，这些橡胶限位器不会用于操作中。外骨骼接头限制器在本第一实施例中，每个外骨骼接头2、4、6 62、64、66都具有第一、第二硬接头限 制器。每个硬接头限制器优选为机械限位器，其所带有的由橡胶制成的冲击吸收元件连接 于至少一个冲击侧上以便减轻任意冲击。对于较大尺寸的机器人CMM臂1发明而言，涉及 正交接头的冲击可能相当多，通过沿轴向压缩部分被预皱的管来消散这种冲击能量效力， 所述管的位置便于吸收这种冲击。预皱方式就除去了作用于刚性体上的最初的高冲击应 力。在冲击之后，只将该管更换即可。该管优选地长为100mm，由纯铝制成，直径为7mm，壁 厚为1.5mm并且在直径为9. 5mm的夹具内预压缩5%，以便适配于位于机器人CMM臂1的 正交接头中的IOmm孔内。对于所吸收的冲击能量不同的不同尺寸机器人CMM臂，对规格进 行调节。应当理解，通过塑性变形而吸收冲击能量的任意其它适当的方式或其它模式可以 同样被使用，如通过剪切材料而不是将其弄皱。在本第一实施例中，每个外骨骼接头2、4、6 62、64、66都具有第一、第二软接头限制器。每个软接头限制器优选地为限位开关182。最佳基座方位方向机器人CMM臂1的基座4优选地具有标在其上的最佳方位方向。基座最佳方位方 向为基座4应当朝向机器人CMM臂发明所用的工作区中心的方向。在用于不带有无限旋转 的实施例的最佳方位中，外骨骼接头1 61可以在碰撞硬限制器之前向两侧旋转相等量。外骨骼接头1限制器在本第一实施例中，外骨骼接头1 61为轴向接头。对于不带无限旋转的实施例 而言，需要硬限制器。参看图20，外骨骼接头1 61在第一与第二物理接头限制器之间的总 角位移为630度。外骨骼接头1第一硬接头限制器对222A、222B与第二硬接头限制器对 223A、223B设置成相对于基座最佳方位方向221成315度的相等角度。硬接头限制器222k 与223A随着外骨骼段242旋转。硬接头限制器222B和223B与外骨骼段41 一起保持静止。 每个硬接头限制器222B与223B都具有连接于冲击面上的橡胶减震器元件224。两个软接 头限位开关182定位成使得在接头刚延伸至其硬限制器限位开关之前就与限位开关接触。 在另一个实施例中，对由操作人员相对于外骨骼段242移动的旋转式硬接头限制器222A与 223A采取措施以便给出为390度的外骨骼接头1 61的替代总角位移。在替代实施例中，外骨骼接头1 61的角位移可以大于630度或者可以低于390度。还可以有多个设置成最 大总角位移的接头限制器。为外骨骼接头3、5、7 63、65、67提供了类似的硬接头限制装置。 为外骨骼接头2-7 62-67提供了类似的软接头限制开关182。外骨骼接头2限制器在本第一实施例中，外骨骼接头262为正交接头。参看图21A、21B，外骨骼接头2 62的角位移优选地为185度。参看图21B，外骨骼接头2 62开始旋转时，外骨骼段3 43超 过垂直向上方向5度，而橡皮垫224接触第一对225A、225B。参看图21A，外骨骼接头2 62 完成旋转时，外骨骼段3 43垂直向下而第二硬接头限制器对226A 226B接触橡皮垫224。 当机器人CMM臂基座4处于垂直向上方位时，位于外骨骼接头2 62上的补偿装置210用于 使外骨骼段3 43向上朝着第一硬接头限制器对225A、225B旋转。当机器人CMM臂基座处 于垂直向下方位(图21A 21B中未示出)时，位于外骨骼接头2 62上的补偿装置210方向 作用并且使得外骨骼段3 43朝着第二硬接头限制器226A、226B旋转。为外骨骼接头4、6 64、66提供了类似硬接头限制装置。参看图21C，示出了机器人CMM臂1及串联正交接头的 设置方式，其中机器人CMM臂1的轴间距SR大于不带外骨骼790的等效但常规型手动CMM 臂的轴间距SM。在机器人CMM臂1中，示出了位于外骨骼段2、3 42、43内侧的CMM段2、3 32,330当CMM段2、3 32、33处于彼此平行的方位时，CMM段2、3 32、33之间的轴间距SR 大于等效的但为常规型的不带外骨骼790的手动CMM臂的相应CMM段2、332、33的轴间距 SM,因为外骨骼6的外骨骼段2、3 42,43需要空间。接头制动器本机器人CMM臂1发明并不由操作人员支承以克服重力。如果供向传动系统的动 力被切断，则在没有制动器177的情况下，机器人CMM臂1将会在重力作用下落下并且可能 受到损坏或者伤害一个或多个人员或物体。在本第一实施例中，所有外骨骼接头1-7 61-67 具有自动防故障制动器177，其在如果发生动力切断时自动应用。这样，如果发生动力切断， 所有外骨骼接头1-7 61-67就被锁定，并且这种锁定在任意基座安装方位和任意机器人臂 空间布局中都将工作。在机器人CMM臂1只应当被安装成使其基座垂直向上或垂直向下的 替代实施例中，外骨骼接头1 61不具有制动器177。在这种情况下，外骨骼接头1 61具有 恒定方位并且重力的作用不会引起外骨骼接头1 61产生加速度。在替代实施例中，外骨骼 接头5-7 65-67并不带有制动器，因为在重力作用下在腕部处的容许力矩和运动很小。这 样具有腕部设计更加紧凑和机器人CMM臂1更轻的好处。接头轴承CMM接头1-7 51-57中的轴承对于提供高度准确的机器人CMM臂1是重要的项 目。CMM编码器178可以提供每个接头的角度，但CMM编码器178不能测量由CMM接头1_7 51-57中的轴承所引入的误差。CMM接头1-751-57中的轴承及其设置结构必须使刚度最大 化而使轴承噪声最小化同时使重量与接头尺寸最小化。低摩擦轴承用于内部CMM臂5的 CMM接头1-7 51-57中，以便特别是在重型的工作循环情况下使内部CMM臂5的温升的量最 小化。内部CMM臂5中的轴承上的应力通常低于手动CMM臂上的相应应力，因为外骨骼补 偿了大部分的臂重量。现在参看图22，如来自Barden Corp，USA的成对的预加应力陶瓷圆 锥滚子轴承230将轴向接头提供于在CMM接头3 53中，而将正交接头提供于CMM接头454 中。圆锥滚子轴承230提供高刚度与紧凑性。圆锥滚子轴承230通过向螺母231施加预定转矩而被预加应力。轴承230使用干涉配合而适配于壳体100和103中，这使用热收缩配合 过程来进行，其中轴承在插入之前首先被冷却至-45C从而在室温下形成坚固的干涉配合。 在类似设置方式中，预应力圆锥滚子轴承230提供于每个CMM接头1-7 51-57中。在本发 明中存在多种提供轴承设置的方法。本发明的范围并不限于使用预应力圆锥滚子轴承与热 干涉收缩配合。可以使用任意类型的轴承及轴承配合与调整的方法，只要它们至少能满足 低重量、低摩擦和高刚度的要求。在精确度方面，外骨骼接头1-7 51-57中的轴承并非机器 人CMM臂1中的关键项目，但优选地其寿命长于机器人CMM臂1的设计寿命以便避免昂贵 的更新费用。冲击保护机器人CMM臂1为便携式。可以预期其在操作、安装、拆卸与运输期间将会经受冲 击。机器人CMM臂1的外形的突出外观具有由塑料制成的隆起衬垫，这些衬垫连接于其上 以便吸收碰撞。在操作期间，跟踪误差的轴受到监控以便通过停止撞击动作而使冲击造成 的损害减至最小。在制动器177致动期间断电之前，机器人CMM臂1首先通过控制PCB172 而向特别标明的空间布局运动以便于运输。用于运输的特别标明的空间布局为一种使臂的 尺寸尽可能紧凑以便容许刚性外壳的尺寸最小化的空间布局。再参看图21C，一种其中正交 接头容许相邻段平行配置的空间布局可用于将刚性外壳的尺寸减至最小。在搬运期间，位 于马达176上的制动器177为活动式；这就使得机器人CMM臂1为刚性装置；这就使得易于 操纵机器人CMM臂1，因为在操纵时机器人CMM臂1的零件不会发生旋转。装配工艺本发明的一个目的在于提供用于装配机器人CMM臂1的工艺。由于在装配外骨骼 6之前首先装配、校准与测试内部CMM臂5，就存在基于利用最少步骤而获得最高质量的生 产方面的优点。由于能从内部CMM臂5上容易且快速地将外骨骼6拆下，就存在维护方面 的优点。在用于机器人CMM臂1装配的优选的‘穿越’工艺的第一步骤中，内部CMM臂5与 外骨骼6被各自彼此分离地装配至有效程度。在第二步骤中，外骨骼6如同短袜一样从探 头端到基座端穿越内部CMM臂5。这种装配工艺实际需要内部CMM臂5被设计成锥体状，而 外骨骼6被设计成带有位于其内部的空心圆锥体。传动装置10可以在外骨骼6穿越内部 CMM臂5之前或之后放置。在用于机器人CMM臂1装配的‘插入’工艺的第一步骤中，内部CMM臂5与外骨骼 6被分离地装配至有效程度。在第二步骤中，外骨骼6被打开。在第三步骤中，将内部CMM 臂5插入张开的外骨骼6中。在第四步骤中，外骨骼6合于内部CMM臂5上。在用于机器人CMM臂1装配的‘包覆’工艺的第一步骤中，内部CMM臂5与外骨骼 6被分离地装配至有效程度。在第二步骤中，外骨骼6绕着内部CMM臂5包覆。插入与包覆 工艺都需要如外骨骼轴承之类的项目以便分开。这种设计在增加部件数量与结构复杂性方 面存在若干缺点。在用于机器人CMM臂1装配的‘环绕建造’工艺的第一步骤中，内部CMM臂5被装 配至有效程度。在第二步骤中，外骨骼6的部件或子配件一个接着一个地绕着内部CMM臂 5装配。在用于机器人CMM臂1装配的‘穿越建造’工艺的第一步骤中，内部CMM臂5被装 配至有效程度。在第二步骤中，外骨骼6的部件或子配件一个接着一个地穿越内部CMM臂5
39上方。这些建造工艺为机器人CMM臂提供了不良维护性，因为外骨骼6必须被拆卸以容许 接近内部CMM臂5。本发明的范围并不限于所公开的装配工艺，而是包括用于装配机器人CMM臂1或 将其拆下的任意手动或自动工艺。本发明所属领域的普通技术人员将会理解在机器人CMM 臂1的整个制造与装配工艺流程中存在许多其它步骤，并且这些工艺可的工序可位于在此 所公开的装配工艺步骤之前、之间或之后。探头和工具安装机器人CMM臂1具有基座端2和探头端3。其可以包括一个或多个测量探头90或 工具98，它们优选地安装于CMM接头7 57之后的探头端3上。测量探头90可以用手动方 式除去或用自动方式除去。自动除去优选地通过探头改变系统如带有用于两个或多个探头 90位置的架和用于可重复松开探头90和锁定探头90的准确安装机构来实现。机器人CMM 臂1可以具有一个或多个准确安装机构。现在参看图23，在本第一实施例中，探头安装装置240提供于位于CMM接头7 57 之后的机器人CMM臂1发明的探头端3上，以便使用三个探头安装装置240中的两个来连 接至多两个探头90，这三个探头安装装置240包括第一探头安装装置244、第二探头安装 装置247和第三探头安装装置251。第一探头安装装置244包括来自第一装配面242的 M8x 1. 5内螺纹241和电接触装置243。第二探头安装装置247包括来自第二装配面246的 M20外螺纹245。第三探头安装装置251包括M30内螺纹248和带有三个间隔120度的精 密凹槽249的第三装配面250 ；凹式探头连接器255位于第三装配面250中。另外一个凹 式探头连接器258位于CMM段8 38上，以便当凹式探头连接器255不能使用时用来连接探 头90 ；连接器255和258在机械方面与电方面相同。现在参看图24，使用第一探头安装装置244将Renishaw TP20探头体93安装 于CMM段8 38上，这通过将其拧入螺纹241直至其遇到第一装配面242为止来实现；使 Renishaw TP20探头体93与电接触装置之间发生电接触。使用磁性动态安装件将Renishaw TP20 probe模块94安装于Renishaw TP20探头体93上。现在参看图25，使用第二探头安装装置247将固体触点探头95安装于CMM段8 38上，这通过将其拧到螺纹245上直到其遇到第二装配面246为止来实现。为安装固体接 触探头95，并非必须除去Renishaw TP20探头体93但需要首先在磁性动态安装件处抬起 Renishaw TP20探头体93。这就意味着在每次除去固体接触探头95时并不需要重新校准 带有Renishaw TP20探头体93的机器人CMM臂1。在将托架253穿越固体触点探头95之 后，安装于带有三个位置间隔120度的圆筒的托架253上的光学探头91被安装于第三探 头安装装置251上，由于内径大于固体接触探头95的外径，所以托架253与固体接触探头 95之间具有间隙。这就意味着可以在无须先除去固体接触探头95的情况下除去光学探头 91，其具有的优点在于不需要在每次除去光学探头91时重新校准带有固体接触探头95的 机器人CMM臂1。同样，可以在无须重新对准光学探头91的情况下将固体接触探头95或 Renishaw TP20探头体93除去。光学探头91的重心96从CMM段838的轴偏移开距离‘d，。 光学探头91的一个实例为来自3D Scanners (英国)的ModelMaker X70。现在参看图26， 托架253具有托架连接器256，该连接器256带有连接托架连接器256与光学探头91的电缆257。托架253的三个圆筒定位于精密凹槽249中，并且通过拧到螺纹248上的螺母254 来保持就位。如托架253的圆筒252定位于精密凹槽249中的情况一样，托架连接器256自 动定位于凹式探头连接器255中，并且通过螺母254保持就位。托架253进而光学探头91 相对于CMM段8 38的位置和方位可重复定位，精确度约为0. 025至0. 05mm(+/"2Sigma)。 托架可以放置于三个互相间隔120度的不同方位中，但只有一个优先位置与凹式探头连接 器255形成自动连接。在另一个实施例中，两组或多组三个精密凹槽249提供于面250中。 这就意味着利用两组三个精密凹槽249，就可以将托架253定向于六个互相间隔60度的不 同方位中。在本第一实施例中，每个探头90的重心优选地近似处于CMM段8 38的轴上，以便 使用于旋转CMM接头7 57的作用力减至最小并且使作用于CMM接头7 57上的任意弯曲力 矩减至最小，当探头重心96还可以从CMM接头757的轴偏移开，以便使得本第一实施例完 全可以操作至高达由相对于重力处于最差位置的偏移探头所引起的最大允许转矩。在替代实施例中，探头90可以安装于机器人CMM臂1的任意段上，包括基座端段、 探头端段和任意中间段；一个或多个其他接头提供于用于机器人CMM臂段的安装件与探头 之间。在另一个实施例中，提供了已致动的动态安装件如来自Renishaw的自动接头以 便自动改变探头。在另一个实施例中，提供了侧面安装装置以便将另一个探头偏置连接于 探头端的轴的侧面上。本发明所属领域的普通技术人员将会理解探头安装装置的任意设计 和在任意可行定位中的探头安装装置的任意组合可以提供于替代实施例中。多探头使用在测量应用中，通常有用的是将两个探头90安装于机器人CMM臂1上，以便按照 同时使用或者一次一个的使用方式来联合使用。本发明并不限于安装于机器人CMM臂上的 一两个的探头，而是可以包括多个探头。双探头使用的一个实例为接触探头95和光学探头91两者都安装于机器人CMM臂 1上以便对车身坐标系中的汽车部件的工具进行三维扫描。接触探头95用于使用相对于车 身坐标系处于已知位置/方位中的参考人工制品如工具球或锥体来定位将要测量的物体。 光学探头91收集物体9表面上的数据。在机器人CMM臂发明的本第一实施例中，提供了使用多个探头的机器人CMM臂，其 中多个探头连接于机器人CMM臂的探头端上并且可以交替地使用以便在不需要连接或拆 卸探头的情况下执行其功能。这就意味着能够节省自动测量周期中的时间并且既不需要探 头变化系统的昂贵成本和可能的不便，也不需要人工干预。在另一个实施例中，可以同时使 用多个安装好的探头90以便执行其功能。在另一个实施例中，可以同时使用多个安装好的 探头中至少两个的组合以便执行其功能。探头类型可以安装于机器人CMM臂上的用于尺寸测量的接触式测量探头具有多种类型，包 括但不限于-固体触觉接触探头95；-带有至少一个开关的触觉触发接触探头，其一经与物体接触就发出电信号，如 Renishaw TP6 禾口 Renishaw TP20 ；
-带有至少一个应变仪的压力传感探头如RenishawTP200 ；-电接触探头，其中在探头与导电物体接触时就形成电路，物体和机器人CMM臂通 过电缆连接；这种固体、触觉、电接触和压力接触测量探头的尖端具有各种形状如球形、点式、 扁平或定制的形状。定制形状的一个实例为带有用于测量弯管的V形凹槽的接触测量探 头。定制形状的另一个例子为带有两个用于测量金属片边缘的正交弯曲表面的接触测量探 头。-壁厚测量探头如超声波；-接触测量探头，其用于测量其它尺寸量如涂层厚度。可以安装于机器人CMM臂上的用于尺寸测量的非接触式测量探头具有多种类型， 包括但不限于-点触发探头-点距离测量探头_所有类型的条纹探头_所有类型的面积探头-壁厚探头如超声波，其通过位于机器人CMM臂的探头端与管表面之间的空气、气 体或液体层发送信号。非接触光学探头可以使用单色光或白光。在使用来自激光的单色光的情况下，激 光的功率优选地较低以便使其对眼睛而言安全并且操作人员不必佩戴激光安全护目镜并 且机器人的工作区域不需要安全罩。可以安装于机器人CMM臂上的用于无量纲量测量的接触式与非接触式测量探头 具有多种类型，包括但不限于-温度；_表面粗糙度；-颜色；-振动；_ 硬度；_ 压力；_ 密度；_焊接、粘合中的裂纹、杂质检测。工具有许多工具98可以安装于机器人CMM臂1上，这些工具包括但不限于-利用标记装置如笔或泡沫喷射打印机针头标记；待置于正被标记物体上的标记 的定位使用三维软件如CAD系统在准备过程确定；使用物体的模型来确定定位，所述模型 为形成物体所依据的物体CAD设计模型，或者实际物体的反向设计模型，或者另一个类似 物体的反向设计模型；三维软件的操作人员使用三维软件工具来用数字方式限定所需标记 的定位；替代地，所需标记的定位可以在交互式数据获取过程中根据另一个类似物体来测 量；在如航天工业中的配合件的装配过程中，所需标记如钻孔中心的定位可以从凸出部件 测量然后标记到凹形部件上，或者可以从凹形部件测量然后标记到凸出部件上；三维软件
42产生用于安装着标记装置的机器人CMM臂1的路径程序；当路径程序在机器人CMM臂1上 自动执行时，标记装置就在预定位置中标记物体；机器人CMM臂1对于标记具有高实用性， 因为其可以比工业机器人标记更加准确并且比常规型CMM更加灵活；此外，使用机器人CMM 臂1标记可以不需要标记夹具-利用喷涂装置如喷枪、包括颜色泡沫喷射打印机针头组件的泡沫喷射打印机针 头组件涂色-切割、研磨、钻凿、锻造、粘合、焊接、碾磨-放置粘着剂工具98可以为静态或者可以为动力工具，动力工具带有平移或者旋转元件并且 沿着臂提供动力。探头质量接触探头通常重50_200g。光学探头通常重100_2000g。探头组合的重量可以超 过 3kg。探头体系结构和标识探头90在复杂性与动力方面具有各种各样。公开了供安装于本机器人CMM臂1 发明上的光学探头91所用的体系结构。现在参看图27A，光学探头91具有用于探头电缆 259或托架电缆257的探头连接器260。探头PCB 270带有探头静态存储器261、探头处理 器266、探头总线控制器267、探头无线单元268以及探头检测装置269。探头程序272和 探头标识271存在于探头静态存储器261中，探头标识271包括探头标识编号262、探头 校准数据263、探头对准数据264和探头信息265。探头校准数据263为与用于测量的探头 91的校准相关而与探头91安装于何处无关的数据。探头对准数据264为与探头91与机 器人CMM臂的对准情况相关的数据。探头信息265可以包括但不限于探头类型、探头重 量、探头重心位置和相对于安装参考点的惯性动量、最后校准日期、制造日期、制造厂家、精 确度和序列号。本第一实施例保证了任意探头90具有存储于其内部的探头标识271。在探 头90已经安装到机器人CMM臂1上之后就可以读取探头标识271。其可以沿着有线连接或 通过无线连接来读取。这就意味着，每次校准探头90，探头校准数据263就与探头90存放 在一起，并且降低了发生丢失或者被机构的IT系统中的旧探头校准数据错误替换的机会。 探头程序272可以由膝上型电脑151自动更新，或者甚至可通过膝上型电脑151或探头无 线单元268利用Internet或内部网来自动更新。本第一实施例还提供了还可以使用不具 有储存于其中的数字标识的简单探头90。探头数字标识并不限于存储于探头静态存储器 261中；其可以在没有电能的情况下存储于寿命超过探头90设计寿命的任何形式的数字存 储器中。通过探头处理器266可以处理来自探头传感器269的原始数据，还可以通过膝上 型电脑151来处理。在某些探头体系结构中，探头处理器266进行大多数或全部处理工作。 在其它探头体系结构中，膝上型电脑151进行大多数或全部处理工作。探头连接装置和探头电缆市场上出售的大多数探头，特别是光学探头91具有专用连接装置，而定制的光学 探头91通常开发成连接到定位器上。第一探头安装装置244提供了带有自动电触点的 Renis hawM8x 1. 5mm螺纹孔来用于各种各样的Renishaw探头。第二探头安装装置247提 供了标准螺纹，但是没有提供电触点。第三探头安装装置251通过凹式探头连接器255提供了专用机械安装与自动电连接设置结构，其只有在得到第三探头安装装置251设计的知识 产权拥有者的许可下才能使用。探头的手动连接可以通过将短探头电缆259塞入位于CMM 段8 38上的附加凹式探头连接器258中而进行。在并不优选的实施例中，探头电缆259可 以位于机器人CMM臂1的外部并且在机器人CMM臂1的基座4处连接入连接端口 194。本 发明所属领域的普通技术人员将会知道电缆总是铰接臂机器人带有的问题，并且不希望从 没有采取措施来在接头周围适当布线的机器人CMM臂的探头端伸出电缆。连接器和接口端 口 194的连接优选与凹式探头连接器255和附加凹式探头连接器258相同。探头电连接 装置243、255、258和194提供了下列的一种或多种动力、接地、触发和数据。现在参看图 27B，在另一个实施例中，三个探头连接器260提供于探头90上；三个探头电缆259将探头 90 通过探头电连接装置258连接至机器人CMM臂1 ；连接至膝上型电脑151和探头控制盒 295。当必须使探头90的尺寸和重量最小化并且将来自探头90的物品移动至分离式探头 控制盒295中实际可行时，就需要探头控制盒295。现在参看图27C，在另一个实施例中，探 头电缆259与探头90上的探头连接器260连接并且沿着机器人CMM臂1的外侧伸至探头控 制盒295。探头盒至膝上型电脑的电缆297探头控制盒295连接至膝上型电脑151。探头 盒至臂电缆296将探头控制盒295连接至机器人CMM臂1上的接口连接器194。现在参看 图27D，将探头控制盒295连接至机器人CMM臂1的优选实施例。探头电缆259连接至探头 90上的探头连接器260和机器人CMM臂1上的凹式探头连接器258。探头盒至臂电缆296 将探头控制盒295连接至机器人CMM臂1上的接口连接器194。本发明的范围并不限于所 公开的探头电连接和电缆，而是包括各种类型的探头有线和无线连接。例如，探头90可利 用无线通信如I EEE802. Ilb(WiFi)直接发送数据至膝上型电脑151。探头规格和性能探头90的规格和性能很大程度决定着机器人CMM臂1在测量任务中输送探头90 的方式。如前文所公开，有许多一般类型的探头90可被用于本机器人CMM臂发明中，并且 对于每种一般类型而言，有范围很广的设计。安装于机器人CMM臂1上的优选光学探头91 为条纹探头97。现在参看图28，条纹探头97包含激光光源298和平面产生镜片299，平面 产生镜片299投射向方向+ζ的两侧成扇形展开的激光280，由平面的三角形的段近似表示。 测量在多边形段281内进行，多边形段281根据使最小的条纹长度284更靠近条纹探头97 而使最大条纹长度285远离条纹探头97的方式来构造。最小条纹长度284与最大条纹长 度285之间的距离为场282的深度。投射距离283为从条纹探头97至多边形段281中间 的距离。位于条纹探头97中的检测装置269通过视野302中的透镜300以投射三角测量 角度286和扫描速率294收集激光280，扫描速率294为每秒所捕获的条纹。现在参看图 29，安装于机器人CMM臂1上的条纹探头97通过相对于物体沿X方向以293inmm/seC0nd的 表面速度移动来扫描物体9。条纹287通过所投射的激光280而形成物体9的表面上。只 要条纹287位于多边形的段281内，就沿着条纹287进行测量。现在参看图30，位于物体9 上的条纹287被沿Y方向分成一序列N个小区域288，它们与由探头输出的各个3D测量结 果相对应。沿着条纹287的相邻小区域288之间的平均点间距289为距离DY。现在参看 图31，记录了物体9上沿X方向的一组条纹287。平均条纹间距290为距离DX。这一系列 条纹287形成了扫描过的补片291。现在参看图32，以标称重叠距离292按照一组重叠扫 描的补片291来扫描物体9。现在参看图33A，两视野条纹探头301包括两个检测装置269和带有两个相对的视野302与303的透镜300。现在参看图33B，两视野条纹探头301利用 台阶304观察物体9。第一视野302具有通向条纹287的清晰的路径，在此激光条纹280照 亮物体9。第二视野303具有通向条纹287的路径，其由物体9中的台阶304堵塞并且在这 个位置看不见图像条纹287。现在参看图34A，两条纹探头308包括中央检测装置269和透 镜300，透镜300带有视野302、两个激光源298和平面产生镜片299，其投射相交于线307 的第一激光平面305和第二激光平面306。现在参看图34B，两条纹探头308利用台阶304 观察物体9。第一激光平面305照亮物体9的台阶304的面从而形成条纹287而视野302 具有通向条纹287的路径。探头的下列参数至少影响机器人CMM臂1的程控运动并且更详细地公开如下-条纹长度条纹探头97通常由最大条纹长度285规定；实际上，实际条纹长度将 会依赖于从条纹探头97至物体9的距离而变化；对于高度500mm的扁平物体9，利用自探头 97的75mm最大条纹长度和高达25mm的重叠，物体可利用每个补片之间50mm增量按十个 补片进行扫描；条纹长度越长，需要补片的数量越少；条纹长度通常自IOmm变化至200mm， 但是可更多或更少；条纹长度重叠通常从条纹长度的5%变化至50%，这主要取决于物体9 的形状但是可更多或更少-平均点间距条纹实际上作为离散序列的三维点输出；条纹中的点的典型数量N 目前约为750，但是可预期将来会增加；如果条纹长度为75mm，则沿着条纹的平均点间距为 0. Imm ；带有细微特征的物体9可能需要用0. 01-0. 05mm或更小的较小平均点间距来扫描； 带有较少特征的较大物体9可能需要利用为0. 25-lmm或更大的扫描速率来扫描-扫描速率(条纹/秒)典型当前扫描速率294为每秒从25到60条纹；可预期 扫描速率今后将会增加；存在多种可能的扫描速率ο恒速扫描速率任意两个条纹之间的时间总是相同；这对于作为视频传感器检 测装置269来说是常见的ο两种交替式恒速扫描速率这对于作为隔行扫描视频传感器的检测装置269而 言是常见的；常见的是每秒25或50条纹的CCIR速率；常见的是每秒30或60条纹的CCIR 速率；较高的扫描速率会产生较低分辨率的数据；操作人员可以每次选择使用哪种扫描速ο高达最大扫描速率的任意恒速扫描速率操作人员设定其想要的速率ο可随触发变化的速率条纹之间的时间可以变化；另一种事件可以触发条纹探 头97ο可随处理变化的速率条纹之间的时间可以变化；每个条纹的处理时间可以变 化；下一个条纹将不被记录直到在先的条纹已经被处理-表面速度存在多种可能的表面速度ο恒定表面速度条纹探头97在物体9上以恒定表面速度293移动；条纹探头97 可以处于恒定方位或变化方位；条纹探头97相对于物体移动同时进行测量ο可变表面速度表面速度293在扫描过程中变化；改变表面速度可以有多种方 法；例如如果表面的特征在于某些区域而其它区域平滑，那么通常理想的是更慢地扫描特 征区域ο步进式条纹探头97通过机器人CMM臂1从一个位置向另一个位置移动；条纹探头97在每个位置处静止同时进行测量；步进式扫描用来实现最高精度测量；在物体9运 动的情况下，条纹探头97相对于物体9处于恒定位置同时进行测量-平均条纹间距如果机器人CMM臂正在沿与条纹正交的方向以30mm/SeCOnd的 表面速度293运动，那么在扫描速率为60stripes/sec的情况下，平均条纹间距290将会为 0. 5mm ；带有细微特征的物体9可能需要利用0. 05mm或更低的较小平均条纹间距进行扫描； 在这种情况下，机器人CMM臂的速度必须降低至3mm/seC0nd ；带有较少特征的较大物体9 可需要利用Imm或以上的较高平均条纹间距来进行扫描-条纹间距的均勻度机器人CMM臂可以以恒定表面速度进行扫描；手动CMM臂的 操作人员不能以精确的且恒定的表面速度进行扫描；这就意味着机器人CMM臂可以提供比 手动CMM臂所提供的更加均勻的条纹间距；-均一的三维点密度这在一些应用中是理想的；机器人CMM臂可以通过设定表面 速度从而使平均条纹间距等于点间距来实现均一的三维点密度；均一的三维点密度还可以 通过沿着条纹来取样点以便增加平均点间距而实现-场深度三维点可以跨过场深度282进行测量，场深度282的深度通常介于50 和200mm之间；一般说来，场深度越大，来自条纹探头97的三维点的均方根(RMS)Z噪声就 越差；现有条纹探头的RMS为场深度的1/10000左右；例如最大条纹长度为70mm且场深 度为IOOmm的条纹探头97，其在Z方向上的RMS为10微米-接近通路物体9如齿轮箱体为机器人CMM臂1上的探头90提供了受限的接近 通路来扫描物体内部的特征；通常可以通过使探头90穿过位于壳体中的狭孔来接近；在这 种情况下，探头90必须尽可能地小并且可以安装于机器人CMM臂1探头端3的延伸部分如 管上；另外，探头90可以与延伸的方向成某一角度如45度或90度定向；以某一角度方位配 置探头90的能力就为扫描物体9表面的更大范围提供了可能性-投射距离投射距离283通常介于75与300mm之间；理想地，投射距离应该较大 以便(a)降低机器人CMM臂1与物体9之间发生碰撞的危险并且(b)最大程度地穿入深区 域如狭槽；当投射距离增加时，机器人CMM臂的实际延伸范围81也增加；当机器人CMM臂 的实际延伸范围81增加时，机器人CMM臂的精确度与探头91的精确度两者都减少；在一些 很难接近的应用中，其中传感器距由物体9的设计所规定的表面具有强制且较小的最大距 离，理想选用较小的投射距离；在其它很难接近的应用中，其中传感器距由物体9的设计所 规定的表面具有强制且较大的最小距离，理想选用较大的投射距离；因此，投射距离的选定 就在精确度与应用之间取折衷方案-堵塞安装于机器人CMM臂1上的两视野条纹探头301同带有一个视野的条纹 探头97相比优点在于能从物体9上的条纹287获取更多的数据，这种物体9具有台阶或导 致堵塞的类似特征；使用条纹探头97的情况多于使用两视野条纹探头301，在这种情况中， 区域不得不被沿不同方位再扫描以便到达堵塞于所获取的第一补片中的物体9的表面区 域；这就意味着两视野条纹探头所用的总测量时间降低；然而，两视野条纹探头301比条纹 探头97体积更庞大且重量更重。一个安装于机器人CMM臂1上的优选两条纹激光探头308 同条纹探头97或两视野探头301相比的优点在于其可以获取位于垂直台阶壁304上的数 据。本发明所属技术领域的专业人员将会理解，带有三个或三个以上与扫描方向成角度但 不正交的条纹的条纹探头可以在一个线性扫描通路中自始至终绕着圆柱形轴承的内壁获
46取数据。这种条纹探头将具有两个或两个以上的照相机以便增加观察点。带有多个条纹与 照相机的条纹探头的优点在于能够在一个扫描通路中收集更多的关于垂直壁的综合数据， 而只带有一个条纹与一个照相机的条纹探头可能需要机器人CMM两次或多次经过相同特 征以便完成扫描-自动化机器人CMM臂为自动，并且可以连续地扫描24小时以上；比较起来，手 动CMM臂的操作人员更疲劳；这就意味着机器人CMM臂可以比由操作人员使用的手动CMM 臂从物体9上扫描更多数据且数据质量更好。激光源298为波长约为660nm、功率为30mW的激光二极管，其可以从包括Toshiba Japan在内的许多供应商处购买。光学装置300为来自Rodenstock，Germany的光笔。传感 器269为CXD NTSC视频传感器芯片，其可以作为芯片或更广义的照相机而从包括Sony在 内的许多供应商处购买。总之，本发明的范围决不限于光学探头的设计而是可以引入光学 探头的任何适用设计。投射光源可以包括任何类型的光如白光；不可见的、红外线的、紫 外线的、部分可见或完全可见的激光辐射。可以使用具有不同特定波长或不同波段的多个 投射光源，它们可以随后由带通过滤器和多谱传感器269来区分。投射光学装置299和成 像光学装置300可以为静止或动态。其中动态光学装置包括检流计反射镜和旋转式多边形 多镜面。投射光源可以处于恒定功率或其功率可变。光投射可以一直进行或者选通进行。 其中检测装置269包括用CXD和CMOS技术制成的其它装置。检测装置269可以为模拟装 置如ID和2D PSD装置。检测装置269可以是带有像素如ID像素线或2D象素数组的数字 装置。检测装置269可以具有不同的占空因数并且可以使用微透镜。检测装置269可以具 有固定或可变的快门速度。光投射的选通可以使得光在全部或者部分快门打开时间投射。电源本第一实施例中所公开的机器人CMM臂的电力消耗量通常低于IkW并且在大多数 场合下低于2kW。这就意味着可以使用80-240V的家庭/办公室电力网电源，并且不需要在 较高电压下运行的三相电源。提供了标准IEC插座195以便通过电缆155实现电力网电源 接头。对于如扫描腐蚀的煤气管之类的现场应用，由24V DC来提供机器人CMM臂的操作， 24V DC由一个或多个如交通工具中所用类型的24V DC电池来供电。提供了 24V DC插座 195和长20m的24V电缆155。所提供的可再充电电池170用作备用电源，其在发生突然断 电的情况下能够进行备份操作如存储编码器位置，以便机器人CMM臂的操作可以在电力网 电力完全复原时直接重新开始，而不必进行初始化程序。电池170为可拆式。提供了电池 170所用的内置充电器。机器人CMM臂电缆和PCB位置内部电缆165、166、167、169、174和196沿着机器人CMM臂1从控制盒159向探头 端3延伸，连接着接头PCB 173与马达176。内部电缆165、166、167、169、174和196在内部 CMM臂5与外骨骼6之间延伸。这就意味着在机器人CMM臂1的外表面之内的所有电缆都 受到保护。接头PCB173局部的装置177-184的大部分都安装于内部CMM臂5上或者安装于 外骨骼6上。每个接头PCB 173由在内部CMM臂5与外骨骼6之间延伸的导线、带状电缆或 者圆形截面电缆连接到至少一个本地装置177-184上。内部电缆165、166、167、169、174和 196以及通向接头PCB的有线连接装置177-184均为通常用于本领域中的标准且坚固的格 式。电缆的规格保持在最低限度以便减少重量。串行电缆169为IEEE-1394 Firewire电缆。探头盒至臂电缆296为定制电缆，其用于探头盒或者与机器人CMM臂1通过接口连接器 194提供的服务相关的其它接口装置的特定需求。膝上型电脑电缆152为来自Firewire连 接器197的Firewire IEEE-1394电缆。网络连接器199为100Mbps Ethernet连接器，其 连接到由标准CAT5电缆构成的以太网200上。悬架电缆154为来自Firewire连接器198 的 Firewire IEEE-1394 电缆。本发明的范围既不限于所公开的内部电缆，也不限于所公开的PCB设置结构。光 学探头在被传递到处理单元的输出数据的带宽方面正在增加。可以得到高带宽串行电缆如 IEEE-1394b FirewireB中所规定的那些电缆，使用光信号电缆时带宽最多为3. 2GB/sec，而 使用电信号电缆时带宽较小。光信号电缆基本上不受电噪声的影响，并且可以在没有衰减 的情况下长距离传送信号。这就使得它们适用于机器人用途，其中延伸距离和靠近嘈杂的 电机布线的电缆都是特征。替代地，所有网络都可以是100BaseT以太网和提供用于设备互 联的网络集线器或开关。所属技术领域的专业人员将会很好地理解，在不影响本发明技术 效果的情况下，可以改变机器人CMM臂中的PCB的数量和功能。例如可以提供三个接头 PCB 173而不是七个接头PCB 173，这些接头PCB 173位于机器人CMM臂的肩部肘部和腕部 处，其带有与连接于单个接头PCB173上的两个或多个接头相关联的装置如编码器、热电偶 和驱动器。用户接口膝上型个人计算机现在参看图35，优选地提供了膝上型个人计算机151以用于主用户接口。提供了 可调平台310以便将膝上型个人计算机151安装于远离机器人CMM臂1的基座4的位置处。 提供了膝上型电脑中的电池164以便在没有电力网电源连接的情况下进行操作。在平台上 为鼠标311提供了空间。本发明不局限于膝上型电脑用户接口。可提供完全分离式PC箱； 分离式LCD屏幕可连接于其上。可以提供笔记本PC。计算机可以集成于单个机器人CMM臂 1单元和连接于其上的外部显示器中。显示器可以具有触觉检测能力。在两个或多个机器 人CMM臂在单元中工作的情况下，单个膝上型个人计算机优选地用于控制这个单元中的所 有机器人CMM臂。优选地，提供连接于膝上型电脑151上的紧凑型打印机312。其至少用于 打印出测量记录。打印机的位置提供于在膝上型电脑151下面的平台310上。悬架现在参看图36，手握式悬架153提供用于对机器人CMM臂1进行局部控制；其带有 通向机器人CMM臂1的有线164和无线324连接。悬架153中的电池组163提供用于在没 有电力网电源连接的情况下进行操作。再充电点158提供在机器人CMM臂上，悬架153通常 可以保留于该点上一整夜以便再充电；再充电点158的特征在于连接自动进行，悬架只是 被放入处于正确位置与方位的托架中以便使得悬架电接触点327与再充电点电接触点328 接触。悬架153优选地具有8" IXD显示器322，但其可更小或更大；替代地，可以没有显示 器提供于悬架上。悬架带有微处理器323、位于存储器325中的Microsoft Windows CE操 作系统326、位于存储器325中的悬架软件330和三维图形芯片329。悬架显示器322示出 了由使用机器人CMM臂1产生的所有结果，包括对扫描数据进行实时的三维彩色图形显示。 这种实时显示提供了教学程序的帮助。悬架具有许多按钮320以用于控制每个轴的两个运 动方向。按钮利用薄膜技术制造。提供了 3-轴操纵杆321，但是其可有更多或更少的轴并且可有两个或多个操纵杆或跟踪球。悬架153具有两种交替模式终端模式或主动模式，在 终端模式中，悬架153用作膝上型个人计算机所用的终端，而在主动模式中，悬架153使用 其自己的微处理器323来运行应用程序软件。在替代实施例中，并不提供悬架153或者悬 架153是任选项；膝上型电脑上提供了软件来执行悬架的用户接口功能。绿色LED 157提 供于机器人CMM臂1和悬架153上以便表明动力接通。所有其它操作信息都显示于膝上型 电脑151或悬架153的显示屏上。头部安装的控制现在参看图37，为操作人员11提供的耳机340带有通向膝上型电脑151的有线或 无线联络。耳机340包括分辨率至少为800x600像素的单目显示器341，单目显示器341的 位置使得操作人员11可用一只眼睛观察它。操作人员11仍然可以用两只眼睛观察周围环 境，但是能够观察单目显示器341的眼睛稍微受到阻塞。具有较高分辨率的单目显示器341 正在变得可用并且能够置于耳机340中。耳机340还包括头戴受话器343和扩音器342。 操作人员11通过对着扩音器342讲话来使用控制机器人CMM臂1的命令小词典。每个操 作人员11优选地告诉机器人CMM臂1命令以便使得膝上型电脑151上的语音识别软件将 会提供较高识别率。膝上型电脑151上的语音合成软件将会通过头戴受话器343对操作人 员11讲话以便提供闭环语音驱动用户接口。按钮现在参看图38A，若干组并行操作的按钮183固定于机器人CMM臂上。优选的是 该组为一对用于控制的按钮183。一对按钮183位于段8上的机器人CMM臂的探头末端3 处。按钮被称作A和B，其中A最靠近探头末端3。A为彩色的红色而B为彩色的绿色。按 钮183在中心之间大致相隔25mm并且直径为11mm。按钮183为凹形以便减少发生意外致 动。按钮183为大直径以便适合拇指或指纹尺寸。按钮183用于控制机器人CMM臂1的测 量和软件的选择。与探头末端对并行操作的其它按钮对183位于在外骨骼段848远离第 一对的另一侧位于外骨骼段848上的探头末端3处；位于控制盒159上和外骨骼段545上 肘部与腕部之间。现在参看图38B，提供了无线脚踏开关350。现在参看图38C，提供了带 有按钮的无线遥控351 ；其被固定到机器人CMM臂上操作人员11的选择位置处，优选地带 有皮套352 ；替代地，操作人员11可以握住遥控器351。本发明并不限于所公开数量的按钮 183和它们的位置。机器人CMM臂可以在没有任何按钮连接于其上的情况下使用其它装置 如悬架153或膝上型电脑151操作。控制可以利用单个按钮183或利用每组中的3个或更 多按钮实现。可以提供单组或多组。影响组的数量和其位置的因素包括机器人CMM臂1的 延伸范围和使用其的应用场合。环境操作本第一实施例的便携式机器人CMM臂能够在-10至+50摄氏度的温度范围内操 作。可以想象如阿拉斯加的气体管道和埃及坟墓之类的测量应用场合，其中机器人CMM臂 1在从冰冻到阳光直接照射的各种不同条件下在外面操作。机器人CMM臂具有环境密封水 平I P62，不受天气影响。机器人CMM臂的替代实施例可被保护至I P64水平或甚至具有专 用保护以用于环境非常恶劣例如处于放射区域中的特种应用场合。便携式机器人CMM臂1 通常还可以在高达90%湿度中操作。机器人CMM臂坐标系
现在参看图39，存在机器人CMM臂系统150所用的众多坐标系360。这些包括但 不限于-物体坐标系361
-物体特征坐标系362-机器人CMM臂坐标系363-探头(或工具)坐标系364-外骨骼坐标系366物体坐标系361不为所知，除非物体9上存在基准特征如工具球368或物体9所 安装于的基准板，其可用于为物体9提供物体坐标系361。汽车工业中最常见的是提供汽车 线状物体坐标系361。为特征365提供了物体特征坐标系362。通常，物体制造时带有物体 特征坐标系365所用的参考标志，可对其进行测量以便确定物体特征坐标系365。在本第一 实施例中，亦称内部CMM臂坐标系的机器人CMM臂坐标系363和外骨骼坐标系366相同，因 为内部CMM臂基座31和外骨骼基座41刚性连接。在基座4处的可重复磁性安装件369中 提供了直径为25mm的基准球367。基准球367的中心被指定为机器人CMM臂坐标系363和 外骨骼坐标系366的零点。当外骨骼具有不同于内部CMM臂基座31的外骨骼基座41时， 特别是如果在外骨骼基座41与内部CMM臂基座31之间存在相对运动，则外骨骼坐标系366 就不同于机器人CMM臂坐标系363 ；在这种情况下，提供了第二基准球367。在机器人领域 通常可以理解，为固定于机器人CMM臂1的探头末端3上的探头90或工具98提供不同的 坐标系。其被称作机器人CMM臂探头坐标系364。控制PCB现在参看图40，控制PCB172控制着机器人CMM臂1。外部连接器156、157、194、 195、197-199被安装于控制PCB172上并且直接连接至控制盒159的侧面。与臂的接口通过 放大器模拟输出电路383、触发电路384、防火线总线控制器385、以太网总线控制器386和 WiFi无线装置387来实现。DSP处理器380运行着存储器381中的控制软件382。控制软 件可访问存储器381中的运动学软件391和位置平均软件392。文本格式的程序389通过 解译器390来翻译。机器人CMM臂网际协议(IP)地址388保存在存储器381中。探头对 准文件264保存在存储器391中。存储器381由足够的静态和动态存储器组成。接头PCB现在参看图41A并再次参看图11，接头PCB 173具有以下功能-将很多本地设备177-184、90、总线 169、174、161、162 和动力线路 165、166、160
全部通过连接器400互相连接-通过闩锁编码器178对触发总线174上的触发信号做出响应_从多个传感器178-184接收数据，预处理数据，保持数据状态如编码器计数以及 通过通向控制PCB 172的串行总线169发送预处理过的数据-对来自控制PCB172的状态请求做出响应接头PCB 173包括DSP处理器401、存储器402、存储于存储器402中的接头软件 405、触发电路384、防火线总线控制器385和连接至Renishaw内插器187的输出的编码器 接口电路403。来自Renishaw内插器187的内插信号存储于存储器402中。在用于确定机 器人CMM臂1的位置的单操作模式下，当编码器178被闩锁时，一个角度位置计数402被从每个接头PCB 173发送至控制PCB 172，并且利用本领域内的专家所熟知的方法，这些计数 402由运动学软件391使用以便计算机器人CMM臂1的位置。位置平均现在参看图41B，在用于确定机器人CMM臂1的位置的优选操作模式下，编码器时 钟406提供于接头PCB 173上。编码器时钟406用于在每个编码器计数404到达接头PCB173 时对其进行时间标记。优选地，二十个编码器计数404按照先进先出(FIFO)方式保存于存 储器402中，但是可以存储多于20或少于20个FIFO计数。当在触发总线上触发脉冲TR 到达接头PCB 173时，使用编码器时钟406对其进行时间标记。现在参看图41C，在曲线图 上示出了计数404相对于时间t的曲线。每个计数Cn-9至Cn+10被记录下来，在存储器中 产生20个具有时间标记的计数。就在Cn之后，接头PCB 173接收到要求编码器位置的触 发脉冲TR。触发脉冲在到达时由编码器时钟406进行时间标记。接头PCB 173将20个具 有时间标记的计数Cnx和接收触发脉冲TR的时间沿着串行总线169发送至控制PCB 172。 现在参看图41D的位置平均过程-在第一步440中，控制PCB172中的位置平均软件392从每个接头PCB 173接收 由触发脉冲TR输入的一组二十个来自编码器178的具有时间标记的计数和在该编码器处 接收的触发脉冲TR的时间；-在第二步441中，位置平均软件392通过每个编码器的二十个计数在时间域中拟 合一个样条，从而产生七个CMM编码器178所用的七个样条；-在第三步442中，位置平均软件392为每个CMM编码器178内插一个在时间TR 处的计数；-在第四步443中，七个内插的计数被发送至运动学软件391，由此确定机器人CMM 臂1的位置。位置平均方法为用于通过平均和内插在触发脉冲TR的时间处的精确位置来改进 机器人CMM臂准确度的一种方法。本发明并不限于这种位置平均方法，而是包括能够通过 获取和处理触发脉冲的时间前后的更多原始位置数据而更准确地确定机器人CMM臂的位 置的所有方法。处理的位置并不重要，并且可在一个或多个处理位置处进行，包括例如编码 器178、接头PCB 173、控制PCB 172和膝上型电脑151。使用位置平均意味着比简单编码器 操作更加准确地确定机器人CMM臂1的位置。热补偿本发明的一个目的是提供当机器人CMM臂的温度改变时受到热补偿并且不需要 再校准的机器人CMM臂。热电偶180被内部CMM臂5的粘合于外壳100、101、103中每一个 的铝上。CMM段1-8 31-38使用有限元软件设计以便随着温度线性地膨胀/收缩而不扭转。 类似地，CMM段1-831-38使用不会产生可能随着温度改变引起扭曲的应力的众所周知的方 法和材料制造。铝随温度以众所周知的速率膨胀。热电偶180通过接头PCB每10秒读取 一次，并且温度被沿着串行总线169发送至控制PCB172。按照有限元热模型预测的方式，内 部CMM臂的45参数运动模型中的一些参数随后被与由每个外壳中的热电偶180测量的温 度改变成比例进行调节。当遇到极端温度时，在如阿拉斯加州或沙漠中，建议在使用机器人 CMM臂之前进行接触或无接触探头校准。监测力和转矩
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在测量期间，内部CMM臂5易受力和转矩。现在参看图41E，安装于CMM段1_8 31-38上的应变仪181连续地检测内部CMM臂5上的应变。三个应变仪181被正交地安装 在每个CMM段1-8 31-38上。应变仪181连接于接头PCB 173上。接头PCB 173每秒五次 将从每个应变仪181读取的值发送至控制PCB 172。应变值可多于或少于每秒5次发送。 在装配期间，在制造每个机器人CMM臂之后，运行一系列应变仪测试程序并且从每个应变 仪输出的值在程序执行期间受到监测。一些测试程序被设计成使内部CMM臂5发生过度应 变；使用的一种方法是快速地移动臂，而重型探头90安装于CMM段838上。这样，应变仪 181就被校准成带有最大的可接受压缩和拉伸应变。在正常使用时，每秒5次监控来自所有 应变仪181的应变，如果超过最大的可接受应变，则采取行动。行动包括向操作人员产生 错误信息，以较慢速度自动重复某些测量以便减少应变水平，记录不可接受的应变和其产 生条件。在替代实施例中，应变仪181可被放置于CMM接头1-7 51-57的轴承中以便测量 特定的弯曲应变。这些轴承应变仪181可以附加于CMM段1-8 31-38上的应变仪181使用 或者代替其使用。为了提高应变测量的可靠性，为每个方向提供多个应变仪并且结果使用 比较和或平均法来处理。本发明的范围并不限于置于特定位置的特定数量的应变仪。本发 明包括在机器人CMM臂1中的可向控制PCB172提供力和力矩反馈的任意位置处提供任意 应变、压力转矩或任意其它测量装置。时间诜择测量可在忙碌时进行或者当机器人CMM臂静止时进行。当在忙碌时进行测量时， 测量机器人CMM臂1中的控制PCB 172与光学探头91之间的精确定时对于保持高准确度 很重要。两种保证控制PCB 172与光学探头91之间精确定时的方法优选是校准以及时间 标记方法。本发明的范围并不限于这两种方法，而是包括能够保证控制机器人CMM臂1中 的控制PCB 172与光学探头91之间精确定时的任意方法。鍾校准方法特征在于成对校准测量，第一测量为探头测量结果而第二测量为内部 CMM臂5的位置。现在参看图42的过程，当来自控制PCB 172和光学探头91的数据被校准 时，光学探头91优选为主而控制PCB 172为辅。在第一步即步骤410中，光学探头91通过 触发总线174向七个接头PCB 173发送校准信号。校准信号快速地通过触发总线行进，延迟 低于1微秒。在步骤411中，探头测量结果和位置数据被发送至膝上型电脑151。接头PCB 173向控制PCB 172发送编码器数据。控制PCB172汇合七个编码器位置，计算探头末端处 的内部CMM臂5的位置并且向膝上型电脑151发送位置。探头91向膝上型电脑151发送 探头测量结果。在步骤412中，膝上型电脑151组合探头测量结果和内部CMM臂5的位置 以便提供测量结果。当校准信号具有长于1微秒的延迟来从光学探头91向接头PCB173行 进时，这种方法发挥作用，从而使得校准方法和设备具有获取探头测量结果和编码器位置 的技术效果以便使得它们可被组合起来以产生精确测量结果。现在参看图43A-C，光学探头 91为主而控制PCB172为辅。现在参看图43A，为了进行测量，有效的光学探头91必须满足 两个条件光必须被投射并且传感器光闸必须打开以便收集光。在图43A的模式中，当激光 器开通时进行测量。校准信号应该在时间T处从光学探头91发送至控制PCB172，该时间为 测量周期P的中点。在本第一实施例中，当在时间T 一收到校准信号时，机器人CMM臂1就 可在可重复的时间内即低于1微秒的时间内闩锁编码器。现在参看图43B，测量周期P从光闸打开到激光器关闭。现在参看图43C，测量周期P为光闸打开的时间。当控制PCB172为主而光学探头91为辅时，校准可按照第二同步方式进行。这种校 准的一个实例为扫描方式要以规则的臂增量进行测量并且以控制PCB 172为主时的实例。 现在参看图44，校准信号在时间T从控制PCB 172到达光学探头91。优选的是激光器开启 与光间打开两者都在T之后的一个短时期内进行。在其它情况下，激光器决定测量周期P或 者光闸和激光器组合决定测量周期P。重要的是，按照这种第二校准模式，当在忙碌时扫描 时，为了使机器人CMM臂1的精度最大化，对于所有测量结果而言，延迟t已知并且可重复。 在某些光学探头91中，延迟t在不同测量之间由光学探头91改变。在这种情况下，光学探 头91在接收下一个校准信号之前通过串行总线169传达延迟t值的改变。现在参看图45 的过程，在第一步413中，光学探头91向控制PCB 172发送延迟t值的改变。步骤413只 有当延迟t改变时才执行。在步骤414中，控制PCB 172在时间T向光学探头91发送探头 校准信号。在步骤415中，控制PCB 172在时间T+t向七个接头PCB173发送编码器校准信 号。控制PCB使用如内部时钟之类的装置来确定在探头校准信号之后发送编码器校准信号 的正确时机。在探头90为多条纹探头如带有两个条纹305、306的两条纹探头308之类的 情况下，则来自条纹的测量可同时进行，其中所有条纹同时照亮或者分离地一次照亮一个 条纹，或者一次照亮条纹组。当条纹在不同的时期照亮时，在任何情况下，如果探头90在机 器人CMM臂上运动，则机器人CMM臂在每个条纹照亮时将会处于不同位置，并且每个条纹将 为分离式校准方式。本发明的一个目的是在使用的第一校准模式中，控制PCB172为主而探 头90为辅，而在使用的第二校准模式中，探头90为主而控制PCB 172为辅。时间标记和内插有时候，不可能准确地校准光学探头91和控制PCB 172来产生一对测量结果。例 如，如果并未提供用于发送或接收校准信号的装置，就不可能校准。在时间标记方案中，存 在两种情况(i)光学探头91和控制PCB 172具有同一测量速率(ii)光学探头91和控制 PCB 172具有不同和或可变的测量速率。在情况(i)中，测量成对进行。重要的是光学探头91和控制PCB172的速率测量 测量速率精确并且不会随着时间偏移。光学探头91和控制PCB172中的两个时钟准确运行 以便使得它们在扫描开始与结束时显示相同的时间。光学探头91与控制PCB172以同一速 率进行测量以便使得两个相邻光学测量与两个相邻位置测量之间总是具有相同时间间隔 I。典型速率在从每秒25次测量至每秒1000次测量范围内变化，但其可大于1000或者低 于25。在情况(ii)中，测量结果以规律或不规律间隔从光学探头91流出，并且以相同或不 同的规律或不规律间隔从控制PCB172流出。现在参看图46的过程，同一过程用于情况(i)和(ii)两者。-在第一步416中，在刚好开始扫描之前，扫描光学探头91和控制PCB172中的两 个时钟校准成尽可能靠近；-在步骤417中，通过控制PCB172要求光学探头91开始扫描而开始测量；-在步骤418中，由控制PCB172获取位置数据；利用控制PCB172中的时钟，对每 个位置进行时间标记。在光学探头91中获取测量结果；利用光学探头91中的时钟，对每个 位置进行时间标记；-在步骤419中，机器人CMM臂扫描程序停止并且要求光学探头91停止扫描；
-在步骤420中，对光学探头91和控制PCB172中的两个时钟彼此加以校核；-在步骤421中，控制PCB172输出进行了时间标记的位置的文件。光学探头91输 出进行了时间标记的测量结果的文件；-在步骤422中，通过内插控制PCB172位置来计算组合测量结果文件以便提供对 对应于每个光学探头测量结果的内部CMM臂5的位置的最佳估算。每个内部CMM臂5位置 包含探头末端3的X、Y、Z位置和I、J、K方位矢量。内部CMM臂5位置的内插通过拟合通 过内部CMM臂5位置的三维多叉线并且沿着三维多叉线与时间标记时序差异成比例内插来 进行。本发明的范围并不限于图46中的进行时间标记和内插的过程，而是包括任何可 获得同一技术效果的涉及时间标记和内插的过程。例如，在不可能准确地校准光学探头91 和控制PCB172中的两个时钟的情况下，那么就使用包含首先扫描已知人工制品的方法。现 在参看图47，带有以90度会合的两个平面的脊形人工制品370定位成使得脊大致平行于激 光条纹287。通过安装于机器人CMM臂上的光学探头91而在脊形人工制品370的上方形成 两个通路途径。第一通路371沿+X轴方向而第二通路372沿-X轴方向。两个进行了时间 标记的文件中的探头测量结果和手臂位置使用对两个时钟之间校准情况的估计来组合。现 在参看图48，当对两条通路371，372进行比较时，就计算得出作为X轴方向上的距离的误差 E。误差E用来准确确定存在于两个时钟的校准的差异。于是，将该差异用作估算两个时钟 之间的校准情况的校正因数以便在随后测量物体9时提供两个时钟之间的精确校准。同步脉冲标志对机器人CMM臂系统150的校准存在模糊点，其可通过实时同步脉冲标志的新型 方法来解决。在一些情况下，来自一个或多个装置的一个或多个测量结果由于系统操作中 存在干扰而丢失，这就导致在将来自多个源的同步测量结果准确放在一起的过程中产生模 糊，这就可能导致不合需要的系统情况，其或者丢失更多数据或提供不正确的校准数据。在 其它情况下，关于校准信号的源可能存在模糊。本发明的一个目的在于向每个来自校准信 号发出装置的同步脉冲添加校准标志，其包括(i)随着每个来自校准信号发出装置的连续 校准信号而增量整数；任选地(ii)该校准信号发出装置的唯一标识编码；任选地(iii)时 间标记。所有系统都需要增量整数。增量整数的典型最小值为0而典型最大值为255。当 达到最大整数时，那么下一个增量整数就为最小整数。在启动机器人CMM臂系统150之后， 第一整数输出为0。同步脉冲和校准标志的格式可由本发明所属领域的任何普通技术人员 确定。例如，同步脉冲为10微秒脉冲宽度的上升脉冲，而总标志校准标志长度为15 二进制 位，每个位通过出现或缺少一个10微秒脉冲来表示。校准标志利用校验和位而被编码。每 个校准信号发出装置的唯一设备标识编码只有在来自多个校准信号发出装置的校准信号 之间可能存在模糊的情况下才需要。时间标记为系统开发人员通过触发总线(174)来校准 装置之间的时钟时间可用的任选项，并且其可被用于其它目的。存在若干连接于触发总线 (174)上的校准信号发出装置，其可发出带有校准标志的校准信号，包括但不限于以下每个 中的一个或多个光学探头(91)手工操作的按钮(183)数量测量探头(90)遥控器(351)接触触发探头(92)控制PCB (172)
扫描模式中的压力探头(99)外部控制装置还有一个或多个校准信号接收装置连接于触发总线(174)上，其可接收带有校准 标志的校准信号，包括但不限于以下每一个中的一个或多个光学探头(91)控制PCB (172)数量测量探头(90)外部控制装置接头PCB (173)存在至少一个校对装置，其也可以是组合装置以便校对并组合来自两个或多个装 置的测量数据。校对装置可为独立装置或者可为校准信号发出装置或校准信号接收装置的 一部分。公开了用于标志同步脉冲的新型同步脉冲标志法。在第一步骤中，校准信号发出 装置发出后面有校准标志的位于触发总线上的同步脉冲，校准标志包含(i)校准信号发出 装置增量整数、任选地(ii)校准信号发出装置标识编码、任选地(iii)校准信号发出装置 时间标记。在第二步骤中，校准信号接收装置接收后面有校准标志的位于触发总线上的触 发脉冲。在第三步骤中，校准信号发出装置在通信总线上直接或者间接地向校对装置发出 校准信号发出装置数据包，数据至少包含(i)显示同步脉冲已发出的编码、(ii)在校准信 号发出装置内产生的数据、由校准信号发出装置发出的校准标志的备份，其包含(iii)校 准信号发出装置的增量整数、(iv)校准信号发出装置标识编码和任选地(iv)校准信号发 出装置时间标记。在第四步骤中，校准信号接收装置在通信总线上直接或者间接地向校对 装置发出校准信号接收装置数据包，其至少包含(i)显示同步脉冲已接收的编码、(ii)所 接收的校准标志的备份、(iii)在校准信号接收装置内响应于触发脉冲而产生的数据、(iv) 校准信号接收装置的增量整数、(ν)校准信号接收装置标识编码和任选地(vi)校准信号接 收装置时间标记。在第五步骤中，校对装置按照任意顺序接收校准信号发出装置数据包和 校准信号接收装置数据包。在第六步骤中，在校准信号发出装置数据包和校准信号接收装 置数据包中的校准信号发出装置增量整数相同的情况下，校对装置就合并校准信号发出装 置数据包和校准信号接收装置数据包中的数据。这种新型校准标志和方法并不限于所公开的实施例，而是包括任意使用系地统改 变的标志以避免校准中出现模糊的方法。例如，在替代实施例中，整数范围可低于256或者 大于256。在另一个实施例中，标志可按照任意系统方式而被改变。在这种同步脉冲标志方 法中，步骤3可在步骤2的同时或之前发生或者在步骤4同时或之前发生。测量编程对机器人CMM臂1进行快速且容易地编程非常重要，因为一般说来机器人需要熟 练的操作人员来对它们进行编程并且这是一个将会使机器人CMM臂1在市场上取得成功的 挑战之一。机器人CMM臂程序389由释译器390实时释译并且控制软件382执行程序389 中的指令。程序389可以按照许多不同的方式生成。为操作人员11提供了文本编辑器以 便在膝上型电脑151上生成并且编辑机器人CMM臂程序389。程序389可以按照脱机程序 设计系统如来自Tecnomatix的EMWorkplace中生成。程序389可以由操作人员11使用悬 架153或者膝上型电脑151遥控启动机器人CMM臂1而指导；这就意味着在如果难以接近 时，可以进行远程指导而不需要提供台架以便操作员接近从而手动移动机器人CMM臂。启动检杳
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机器人CMM臂1通过连接至电力网电缆155并使用开关156接通而被加电。控 制PCB172中的控制软件382在加电时自动启动。控制软件382的第一任务是执行一系列 启动检查。其确认在机器人CMM臂内的可以检查的各方面硬件和软件正在正确操作。接头 PCB173中的接头软件405在加电时自动启动。接头软件405的第一任务是执行一系列启动 检查。其确认连接于接头PCB 173上的可以检查的各方面硬件和软件都正在正确操作。悬 架153中的悬架软件330在悬架操作系统326的控制下在加电时自动启动。悬架软件330 的第一任务是执行一系列启动检查。其确认悬架153中的可以检查的各方面硬件和软件都 正在正确操作。在检查了直接与控制PCB172连接的硬件之后，控制软件382通过在串行总 线169上请求来自每个遥控接头PCB的状态报告来检查七个遥控接头PCB 173。随后，控制 软件382就通过串行总线169请求来自可以安装于机器人CMM臂1上的任意探头90的状 态报告。当完成内部启动检查时，控制软件382尝试通过外部总线与包括脚踏开关350、遥 控器351、悬架153和膝上型电脑151在内的设备进行通讯。当完成全部启动检查时，控制 PCB172中的控制软件382就等待指令。本发明所属领域的普通技术人员将会理解，启动检 查可以按照多种不同顺序来执行，并且可以占用很短或很长时间，但是，当启动检查程序正 在进行时，让操作人员11等待超过几秒是不合需要的。参考理想的是机器人CMM臂始终知道其接头角度。这可以通过使用绝对编码器并且在 启动时通过接头PCB 173查问它们来实现。当使用增量编码器时，理想的是通过电池170 保持电力。然而如果控制PCB172不知道接头角度，那么就需要基准处理。在首先检查这样 做安全之后，操作人员11启动自动基准处理。在基准处理期间，使每个接头旋转直至到达 基准位置为止。校准
自动校准方法和人工制品存在多种校准机器人的方法和多种校准手动CMM臂的方法，其为本发明所属领域 的技术人员所知并且已在发明背景中引用。现在参看图49和50，在本第一实施例中，使用 了自动测量已知校准人工制品373的校准方法。45参数运动校准模型为7-轴机器人CMM 臂1所采用。机器人CMM臂1刚性地连接于表面7上并且测量同样刚性地连接于表面7上 的校准人工制品373。校准人工制品373包括带有四个最大直径为6mm的90度锥体375的 块。四个锥体375之一的位置高于另三个近似共面的锥体375。校准人工制品373经过证 明并且四个锥体375之间的距离、方位已准确获知。校准人工制品373为刚性并且由低热 膨胀系数的材料Invar制成。利用穿过孔374旋于表面7中的螺栓376将人工制品373刚 性地连接于表面7上。在另一个实施方案中，人工制品373通过夹具而刚性地连接于表面7 上。触发式测头92为Renishaw触发式测头，其安装于机器人CMM臂1上。校准程序由操 作人员11开始并且由控制PCB 172执行。其包括对四个球375中每一个采取九十次接触 探头测量。在三百六十次接触探头测量过程中，接头尽可能多地受到锻炼；这就意味着利用 各种组合的接头角度进行测量。360次接触探头测量中都不具有相同的接头方位。对于每 次测量，记录七个编码器位置。使用本发明所属领域的普通技术人员众所周知的最小二乘 法，360组编码器位置用来优化该运动模型的45参数。这种校准方法可以用于使任何接触 探头95的探头坐标系364与机器人CMM臂坐标系363对准，其优选地减少测量次数以便使其加速；在这个接触探头对准过程期间，机器人CMM臂优选地并不重新校准，但是也可以重 新校准。现在参看图51A，在另一个实施例中，人工制品373放置于八个位置中，这八个位 置接近机器人CMM臂1的测量体积内的立方体的八个角。在每个位置中，人工制品373相 对于表面7进而相对于机器人CMM臂1刚性地安装。在每个位置中，自动进行360次测量。 使用相同的最小二乘法，利用8x360组编码器位置来优化该运动模型的45个参数。校准过 程同时校准臂与接触探头。校准轴可以提供一个或多个分离式轴线运动，其使机器人CMM臂与校准人工制品的坐标 系相对于彼此运动；这些轴可以是手动控制式或自动致动式。它们可以为线性或者旋转式。 例如，现在参看图51B，机器人CMM臂1可以安装于伺服控制的旋转轴377上，优选地使得伺 服控制的旋转轴377与接头中心121的轴一致，从而使得机器人CMM臂能够旋转至任何角 度，人工制品373的更多测量在每个角位置处进行。伺服控制的旋转轴377必须为刚性，以 便不会由于机器人CMM臂1在伺服控制的旋转轴377上振动而引入误差。提供伺服控制的 旋转轴377就使得整个自动校准过程能够自动进行。其优点在于设备结构紧凑并且不需要 构造刚性结构以便在测量体积中的不同位置安装人工制品373。可以提供手动旋转轴代替 伺服控制的旋转轴377，其优点在于系统结构更简单且便携性更佳，由于对机器人CMM臂1 的基座方位进行周期性手动复位，所以其为半自动化。贯穿测量体积的校准机器人CMM臂1的内部CMM臂5并非完全刚性。在重力作用下，处于水平空间方 位的长CMM段将会偏转一定量。这种偏转不能通过内部CMM臂5中的角度编码器来进行测 量并且为一个误差源。这些误差可以通过校准过程来测量并且校准数据用于修正如在重力 作用下的偏转之类的可重复误差。另一个误差源为接头轴承中的偏转。在良好的校准过程 中，在测量体积中的大量点处对机器人CMM臂1进行测量，它们随后将用到。机器人CMM臂 1在测量体积的大部分中具有冗余，换句话说，机器人CMM臂1可以处于无限数量的空间方 位中以便测量单个位置。在良好的校准过程中，对于测量体积中的每个点，机器人CMM臂1 被放入大量空间方位。原因在于，所测量的点越多，在每个点处测量的机器人CMM臂1的空 间方位越多，校准过程就越好。由于提供使机器人CMM臂和校准人工制品的坐标系相对于 彼此运动的自动校准轴，就容许利用自动过程来测量大量点。这就意味着机器人CMM臂1 将会由于具有更好的校准过程而更准确。本发明的范围并不局限于所公开的自动校准方法。例如，本发明的范围包括任何 自动、部分自动或手动的校准方法。可以使用任何接触或非接触式探头90。这种方法可为 非便携式并且在机器人CMM臂制造现场或服务中心处进行；替代地，方法可以为便携式，有 利地使得机器人CMM臂能够在现场重新校准。任意数量、类型、位置或自动程度的轴线运动 都可以在机器人CMM臂1与校准人工制品373之间提供相对运动。可有任意数量的校准人 工制品373。校准人工制品373可以安装于具有固定高度或高度、方位和位置中任一项可调 的柱上以便使得由探头90接触时，校准人工制品373为刚性。每一个或多个校准人工制品 373可以由接触探头90接触或在不与非接触探头90接触的情况下进行测量。可以使用不 需要人工制品的方法。本发明的范围包括能实现准确且自动校准机器人CMM臂1的技术效 果的任何方法。
光学探头的对准 存在多种使手动CMM臂的坐标系与光学探头91的探头坐标系364对准的方法，其 为本发明所述领域中的普通技术人员所知并且已在发明背景中引用。使机器人CMM臂1的 坐标系363与光学探头91的坐标系364对准的优选方式利用安装于机器人CMM臂1上的 光学探头91从多个不同探头方向与方位来扫描球。球优选地直径为25mm，其已经过检定并 且具有不光滑的表明光洁度；这种球由Renishaw提供。在使用条纹探头97的情况下，则使 用五个条纹探头方向机器人CMM臂坐标系363中的+X、-X、+Y、-Y、-Z方向。对于每个方 向而言，球由条纹探头97在条纹平面280的方位中以45度增量来进行扫描，从而由每个方 向产生8个定位。在40个方向/定位组合中的每一个处，在+X和-X处于探头坐标系364 中时，就执行向前的+X扫描通路与向后的-X扫描通路。对所得到的80组光学探头测量结 果与手臂位置使用本发明所属领域的普通技术人员众所周知的最小二乘法来进行处理，以 便在机器人CMM臂坐标系363与探头坐标系364之间产生对准变换矩阵。本发明的范围并 不局限于所公开的自动对准方法，而是包括任何能实现使机器人CMM臂1与光学探头91准 确对准的技术效果的自动、部分自动或手动对准方法。对物体定基准通常情况是在测量之前对物体9定基准。在定基准过程中，对机器人CMM臂坐标 系363与物体坐标系361之间的变换矩阵进行测量。在多数情况下，基准特征如锥体、工具 球与基准面提供于物体9上的准确位置中。在相对于机器人CMM臂1对物体9定基准的情 况下，操作人员首先指定膝上型电脑151或悬架154上的机器人CMM臂用户接口软件使用 哪个定基准方法，然后机器人CMM臂采用该方法。常见的定基准方法包括三个正交平面； 两个锥体与一个平面；三个工具球。然后，操作人员手动引导机器人CMM臂穿过执行定基准 方法所需的位置序列，一旦到达位置时，控制PCB172就对于每次测量应用自动化技术。特征与表面检杳机器人CMM臂为测量机构。所执行的多数但并非所有测量都是用于检查。机器人 CMM臂特别适合于非棱柱状物体的特征与表面检查。检查的典型物体包括由金属片、塑料 或玻璃纤维制成的那些物体和制作这些项目的工具。这些物体在例如汽车、航空航天、电气 用具与玩具工业中制造。物体通常通过模压、切割、弯曲、冲压过程而制作。可以进行检查 的物体上特征的实例包括外角、方孔、矩形孔、椭圆形孔、圆孔、边缘轮廓与内角。多数情况 下，可获得物体的CAD文件。CAD文件指定物体表面与特征的准确三维定位、定向、形状。物 体与用于制作物体的任何工具都可以进行测量并且与CAD文件作比较。可以将测量结果存 储以用于质量保证的目的。物体可以由接触或非接触式探头90来进行测量；非接触式探头 的优点在于并不触及物体。对于CAD文件不存在或已经丢失的情况而言，可以对主物体或 工具进行反向设计以便提供随后检查中所使用的主CAD文件。控制软件控制软件382包括各种手动、半自动和自动的使用方法如功能和模式。以下公开 了这些方法中的一部分。本发明所属领域的普通技术人员将会理解，可以采用由控制软件 382提供的多种方法来使用机器人CMM臂，并且由此所公开的方法为只是所有可以在使用 机器人CMM臂过程中采用的方法中的实例。以下列出了用于控制软件382的示例性方法连续扫描控制软件382中的运动学模块391使用机器人控制领域的普通技术人员所熟知的控制算法控制着外骨骼沿程序389所要求的路径的运动；这是最常使用的方法步进式扫描控制软件382中的运动学模块391控制着外骨骼沿程序389所要求 的路径的步进式运动，在程序389所指定的点处停止转换转换是在未进行测量期间所进行的运动；控制软件382中的运动学模块391 在没有监测应变仪的情况下控制着外骨骼沿程序389所要求的转换路径的连续运动训练控制软件382中的运动学模块391按照通过悬架153、耳机340或膝上型电 脑151所接收的由操作人员U直接指定的运动命令作用热监测控制软件382监测热电偶180并且使动态参数适应其温度；这样做的优 点在于使机器人CMM臂的温度在不同环境条件保持于限制范围内，同时使其对工作循环时 间的影响减至最小应变检测控制软件382监测应变仪181以便检查连续扫描模式中的过量应变值碰撞监测控制软件382监测下列误差并且在其过量的情况下，就会应用紧急状 况限位器并且发出错误信息，该错误信息可以包括由膝上型电脑151中的扩音器或通过耳 机340所发出的听得见的警报对坐标系调零控制软件382使机器人CMM臂坐标系363调零，这通过优选地利用 触觉触发探头92来测量基准球367而查找其中心并且使用该基准球367的中心作为机器 人CMM臂坐标系363的零点而实现对物体定基准参考控制软件382通过基准来将机器人CMM臂坐标系363参考到 物体坐标系361。如果控制软件382知道大约在何处获取物体9上的基准，这种功能就自动 进行。如果操作人员11首先不得不向机器人CMM臂教授基准在物体9上何处，则这种功能 就以半自动方式进行。特征定位控制软件382测量物体9上的一个或多个特征相对于物体坐标系361 的位置尺寸测量控制软件382测量物体9上的一个或多个特征的尺寸；本发明所属领 域的普通技术人员将会理解，提供了一系列功能来测量各种类型的尺寸表面测量控制软件382测量物体9的所有表面或部分表面软件参考控制软件382通过最小二乘拟合方法将对物体的测得表面数据与物体 9的CAD模型进行核对误差生成控制软件382将物体表面的测得数据与物体9的CAD模型进行比较并 且生成单个误差和误差映象报告生成控制软件382自动生成关于物体9表面的测量数据不同于物体CAD模 型的偏差情况的报告和/或通过/失败数据统计趋势控制软件382编辑关于以下方面的统计趋势信息，这些方面包括物体9 上的一个或多个特征相对于物体坐标系361的位置，物体上的一个或多个特征的尺寸以及 物体表面的测得数据不同于物体的CAD模型的偏差。用于机器人CMM臂测量的方法现在参看图52，在第一步骤431中，控制PCB172向至少一个放大器175输出信号， 其使得至少一个马达176输出转矩。在步骤432中，马达的驱动器使转矩作用于至少一个 外骨骼段42-48上。在步骤433中，至少一个传动装置72-78受到来自至少一个外骨骼段42-48的压力。在步骤434中，至少一个传动装置72-78在靠近CMM段32-38的重心位置处 向至少一个CMM段32-38施加力。在步骤435中，探头90测量数据。在步骤436中，控制 PCB172接收来自接头PCB 173的编码器数据。在步骤437中，控制PCB 172接收来自探头 90的测量数据。在用于校准机器人CMM臂测量的方法中，在另外一个步骤中，探头90发送 校准信号。在进行时间标记的机器人CMM臂测量所用的方法中，对探头测量结果和位置进 行时间标记。机器人CMM臂优点本发明的一个目的在于在此所公开的机器人CMM臂与等效手动CMM臂相比可以延 伸范围更长并且操作更准确。首先，机器人CMM臂的延伸范围可以长于2米，因为其由外骨 骼支承而非由不能处理其的操作人员支承。其次，外骨骼在最佳位置处支承着内部CMM臂 以便使得作用于其上的力最小化。第三，内部CMM臂使用分辩率和精确度增加的较大直径 的编码器，这对于操作人员而言可能不便进行操作。综合这三个因素，就使得机器人CMM臂 比手动CMM臂延伸范围更长并且操作更准确。这就意味着在用户要求提高精度的长期趋势 下，机器人CMM臂能为其拥有者提供比手动CMM臂更多的实用性。本发明的一个特征在于其重量与比现有机器人低。典型重量在从5kg至35kg范 围内变化，这取决于臂的延伸范围。这就意味着较小与中间尺寸型式的机器人CMM臂发明 重量轻至足以为便携式。本第一实施例的便携式机器人CMM臂包括单个紧凑型单元；其可 以由一个人在带有轮子的简单外壳中运输。可以使用台架，这就意味着机器人CMM臂不需 要像机器人那样用螺栓连接到地面上；这就意味着机器人CMM臂可以从一个位置迅速地移 动至另一个位置。适用性机器人CMM臂将CMM臂的精确度优点与机器人的灵活性和自动化相结合。这就意 味着，其为解决大量中间精度测量任务的优选装置，现有解决方案在解决这些任务时在精 确度、灵活性与自动化方面中的一个或多个方面处于劣势。本机器人CMM臂发明兼具自动 化与准确度两个方面。其适合用于汽车工业对测量的多种要求。其重量轻并且制造成本比 较低。机器人CMM臂自动测量比手动CMM臂的手动操作工作更可靠，因为没有施加力与转 矩的操作人员造成测量不准确。在生产线上，机器人CMM臂与操作人员操作手动CMM臂相 比降低了操作成本，特别是在以2或3班倒模式工作时。可以预期本发明将会用作一般用 途测量工具以用于类似于常规型CNC CMM的一般用途的大量应用场合。存在两种广泛的测量应用逆向工程设计与检查。本机器人CMM臂发明可适用于 两者，但是将会看到在检查应用方面会更多采用，因为逆向工程设计与定期检查相比比较 少。举例列出了本发明用途的下列应用。本发明的应用并不限于以下所列出的应用。检验应用-用于汽车罩门的间隙与齐平测量-尺寸公差的检验-河床分析-VR 仿真-加工检查-试制设计
-泡沫的开发_生产线上的车身检查-座位生产线上的座位检查-现场的汽车内部-拆下与现场的发动机部件-涡轮叶片_壳体与通风罩-汽油箱检查_玻璃质量分析-内部修边-汽车的样机装配；校验已被手动放入正确位置中的面板-压力机模-桥式支架的扫描-金属片部件特征-金属片部件表面形状-外部管腐蚀测量与管厚度测量逆向工程设计_用于图纸已经丢失的备用军事部件_用于汽车设计的粘土车形设计模型-工业设计模型-表面重构-用于电影/广播、电子游戏卡通制作的特征或道具的模型_珍贵的艺术作品如大型雕刻、雕像与人工制品以便存档、研究、再造与保护-快速样机设计-手动测量费时且费力的复杂物体医用-乳房再造-神经外科-放射线疗法-机器人外科手术其它_用于玩耍的触觉玩具-研究-训练相对于汽车线上静止光学探头的现有刚性结构而言，若干机器人CMM臂的单元是 高级设备。机器人CMM臂对于用于不同的下线汽车模型的动态重新编程而言更具灵活性。 对于一次性物体的光学扫描而言，机器人CMM臂去除了来自操作人员的艰苦人力并且通过 使作用于内部CMM臂上的力最小化而使尺寸精度最大化。对于涉及难以接近的物体的应用 而言，通常建造台架以便使操作人员利用手动CMM臂测量物体；通常操作人员处于使用不便的位置中，其既不安全又可能导致后张力。应用本机器人CMM臂发明将会意味着可以使 用手持控制面板对测量进行手动控制。这就意味着不需要建造台架并且操作人员不需要进 入使用不便、危险且有害健康的位置来进行测量。第二实施例工业机器人CMM臂在本第二实施例中，所公开的工业机器人CMM臂用于提供准确的机器人运动。在 本第二实施例中，提供了带有公共基座段和公共探头段8的七轴工业机器人CMM臂。公共 探头段可以承载重型的探头或工具，并且易受显著的力作用，同时提供精确位置信息。工业 机器人CMM臂与现有工业机器人相比不仅可再现性更好，而且大约更准确10倍。现在参看 图53，工业机器人CMM臂450具有公共基座4，公共基座4包括CMM段31、传动装置1 71和 机器人外骨骼段1 41。工业机器人CMM臂450也具有公共探头段8 451，其包括CMM段8 38、传动装置8 78和外骨骼段8 48。实际上，其提供了刚性的传动装置8 78。工业机器人 450的CMM臂的CMM段2_7 32-37通过传动装置2_7 72-77连接于外骨骼段2_7 42-47上。 传动装置2-7 72-77优选并不像第一实施例中所公开的那样为刚性。第一实施例的便携式 机器人CMM臂1与本第二实施例的工业机器人CMM臂450之间主要区别在于便携式机器人 CMM臂1的传动装置8 78并非刚性而工业机器人CMM臂450的传动装置8 78为刚性。现 在参看图54，在本第二实施例的另一个实施例中，工业机器人CMM臂450具有两个探头90 和91。其提供于混合六/七轴格式中，其中探头90使用6个旋转轴定位，而探头91使用7 个旋转轴定位。CMM段7/837/38为其内没有接头的刚体。探头90为沿轴向对称的探头如 固体探头或触发式测头，其测量作用与该作用的径向无关。这就意味着对于可被操作的探 头90而言，就不需要在其之前的最后接头为轴向旋转接头。探头90具有位于其与工业机 器人CMM臂450的基座端2之间的六个CMM接头1-6 51-56。光学探头91刚性地连接于外 骨骼接头7 67之后的外骨骼段8 48上。光学探头91优选地为条纹探头97。探头91的测 量作用取决于其相对于臂的方位与运动的径向这两者。这就意味着对于可被容易地操作的 探头91而言，就需要在其之前的最后接头为轴向旋转接头。光学探头91具有位于其与基 座端2之间的七个外骨骼接头1-7 61-67。位于CMM段7/8与外骨骼段848之间的外骨骼 轴承452容许轴向旋转。安装于外骨骼段8 48上的探头91在第七轴上绕单个CMM段7/8 37/38的中心线453旋转，其由马达176驱动。外骨骼轴承452用作刚性传动装置78以便 传递在轴向上沿着中心线453的力，垂直于中心线453的径向力与沿任意非转动方向跨过 轴承的力矩。本发明所属领域的普通技术人员将会理解，除了本第二实施例中所描述的情况之 外，本工业机器人CMM臂450第二实施例可以提供于各种其它实施例中，它们都具有本发明 的相同技术效果，本工业机器人CMM臂450第二实施例的范围并不限于以上所公开的实施 例。例如本第二实施例可以提供于类似于图IA的六轴格式中，但是其带有公共探头段8。 在图54的实施例的情况下，本第二实施例可以提供于类似于图IA的混合五轴/六轴格式 中，但其带有外骨骼轴承452。坚固性与材料工业机器人CMM臂450的外骨骼6为刚性、强壮且坚固。其构造成用于高加速度并 且以高的可再现性定位。在复杂环境如汽车流水作业生产线中，工业机器人会不时意外地
62与汽车车身发生碰撞。工业机器人构造成能在车身受到损坏的情况下经受得住这种碰撞。 在没有被替换或得到显著的修复的情况下，工业机器人CMM臂450的外骨骼6能够经受得 住与汽车生产线上的车身的碰撞。工业机器人CMM臂450的外骨骼6所使用的材料类似于 汽车生产线上的工业机器人所使用的材料。铝铸件用于大多数段。与便携式机器人CMM臂 1相比，工业机器人CMM臂450的传动系统动力更高以便驱动较高质量的外骨骼6并且执 行应用所要求的更高加速度。工业机器人CMM臂450的内部CMM臂5按照与便携式机器人 CMM臂1的内部CMM臂5类似的方式进行构造。热环境本第二实施例的一个目的在于该工业机器人CMM臂450从其一接通就准确地操作 并且在较宽范围的静态与动态热状态下准确操作。工业机器人CMM臂450将会被投入生产 环境中。如果温度被完全控制，这种生产环境的温度也并非被准确控制。温度可以通过大 幅度变化超过15C并且以超过每小时5C的较陡温度梯度变化。另外，工业机器人CMM臂 450的传动系统产生相当大的热量。工业机器人CMM臂450占用大约1小时来预热并且达 到热稳定性。回看图13，空气192流速将会远远超过便携式机器人CMM臂1所用的空气流 速；过滤器191将会更大以便适应较高空气192流速并且能够更好地净化来自生产环境的 污浊空气192。在一个分离式实施例中，空气192可以内部再循环并且组合式热交换器与冷 却装置提供于基座中以便将其冷却；这就防止灰尘进入外骨骼6与内部CMM臂5之间的间 隙。在预热循环与连续运转期间，空气192循环将会去除内部CMM臂5上的热点。因此，工 业机器人CMM臂450的内部CMM臂5在这种热环境中可以保持其精确度。这就意味着，工 业机器人CMM臂450从其一接通开始，在整个预热循环中，在轻与重型循环下以及所有典型 生产环境中所遇到的静态与动态温度下一致保持高精确度。应用如本发明背景中所讨论的，工业机器人为可重复式但并不准确；这就意味着存在 工业机器人的许多可能应用，其需要当前因为工业机器人并不足够准确而并未实现的精确 度。工业机器人CMM臂450足够准确、足够可重复并且足够坚固以便满足许多这些应用的 要求。本第二实施例的另一个目的在于工业机器人CMM臂450可以兼具安装于公共探头段 8 451上的探头90和工具98。这就意味着提供了双使用循环，其中工业机器人CMM臂450 在循环期间使用工具98进行工作并且使用探头90进行测量。第一实施例的另一个目的在 于，便携式机器人CMM臂1具有安装于外骨骼6上的工具98和安装于内部CMM臂5上的探 头90。这就意味着提供了双使用循环，其中便携式机器人CMM臂1在循环期间使用工具98 进行工作并且使用探头90进行测量。这就意味着在工作站处，机器人CMM臂可以执行任务 并且测量所述任务的结果，或者在一个位置中执行任务而在另一个位置中进行测量。这还 意味着利用工具98执行任务的机器人精确度与之前相比增加一个量级。工业机器人CMM 臂450的外骨骼6功率足够大以便操纵应用所需的工具。其为刚性，并具有高的可再现性。 其具有容许较大加速度的大功率驱动系统。除了本发明的工业机器人CMM臂450比工业机 器人更准确约10至100倍之外，其具有类似于工业机器人的现有范围的设计规范。除了其 能够承受通过位于外骨骼6和内部CMM臂7之间的传动装置10作用于其上的更大加速度 之外，工业机器人CMM臂450的内部CMM臂5类似于第一实施例的内部CMM臂5。整体坐标系
当两个或多个工业机器人CMM臂450在公共物体9上一起工作时，有用的是提供 可供机器人CMM臂坐标系363参照的整体坐标系461。提供这种整体坐标系的一种方法是 指通过提供整体坐标系人工制品来实现。现在参看图55，四个工业机器人CMM臂450位于 生产线455上的单元454中。所提供的整体坐标系人工制品456包括位于刚性人工制品结 构460上的两组三个测量球459，其带有用于整体坐标系461的整体坐标系基准点458。每 个工业机器人CMM臂450的延伸范围457和位置使得每个工业机器人CMM臂450可以测量 至少一组三个测量球459，从而相对于整体坐标系461定位其机器人CMM臂坐标系363。本 发明的范围并不限于通过提供整体坐标系人工制品456来提供整体坐标系461。本发明所 属领域的普通技术人员将会理解，整体坐标系461可以通过多种装置与方法来提供。例如， 可以使用激光跟踪器。本发明包括任何提供整体坐标系的装置。方法尽管第一实施例的便携式机器人CMM臂1非常适合于测量，但是本第二实施例的 工业机器人CMM臂450既适于包括由工业环境中的机器人承载的工具的精确的机器人操 作，又适于测量。方法包括一个或多个步骤。控制软件382执行该方法。公开了本第二实 施例可以使用的一般方法。所述的机器人CMM臂1的示例性方法可用于工业机器人CMM臂 450。以下其他的示例性方法提供于控制软件382中以便使用工业机器人CMM臂450 对特征进行基准参考控制软件382将工业机器人CMM臂坐标系363相对于物体 特征坐标系362特征进行参考整体参考工业机器人CMM臂坐标系363相对于整体坐标系461探头参考控制软件382将工业机器人CMM臂坐标系363相对于探头90的测量探 头坐标系364进行参考自动工具变换控制软件382为位于工业机器人CMM臂450上的工具98组织工具 自动变换；当工具自动变换系统带有工业机器人CMM臂450时则使用这点工具参考控制软件382将工业机器人CMM臂坐标系363相对于工具98的工具坐 标系364进行参考；例如在工具已被改变之后就使用这点处理控制软件382使用工具98在物体9上进行处理调整工具偏移控制软件382调节工具98的工具坐标系364搬运物体往返运输至工业机器人CMM臂位置处；存在许多搬运物体的方法，包括 但不限于在生产线上运输；在位于平板架上时由传送带运输；操作人员手动装载。安装物体可以在经受其它工业机器人CMM臂操作之前安装；安装可为可重复式 或不可重复式；安装可以为刚性能以便在物体不移动的情况下承受操作力或者安装可以只 是处于静止状态以便光学检查；一般说来，工业机器人CMM臂具有高运动灵活性并且物体 只需要安装在一个位置中以便提供用于剩余操作的入口通路；存在多种在该位置安装物体 的方法，包括但不限于将物体不可重复地放置于表面上；将物体锁定于平板架上并将平 板架锁定于该位置处；将物体安装于生产线上；将物体安装于夹具中。特征检查方法现在参看图56，在第一步骤470中，物体9到达位置处并被安装在工业机器人CMM 臂450的延伸范围内。在步骤471中，工业机器人CMM臂坐标系363相对于物体坐标系统 361定位。如果物体9以相对于工业机器人CMM臂的已知定位和定向安装于精密夹具中，则并不需要这个步骤。在步骤472中，位于工业机器人CMM臂450上的探头90根据测量程序 389来测量位于物体9上的一个或多个特征365。在步骤473中，每个特征365的位置和或 尺寸根据步骤472期间所收集的测量数据来计算。在步骤474中，每个特征365的位置和 尺寸与每个特征365的设计位置和尺寸及其公差进行比较，通常以CAD模型和检查程序的 形式进行。如果步骤471的定位过程包括测量物体9上的特征，那么步骤471可以同时作 为这个步骤的一部分而完成。在步骤475中，输出测量结果。在步骤476中，物体9离开该 位置。表面检查方法现在参看图57，第一步骤480中，物体9到达位置处并被安装在工业机器人CMM 臂450的延伸范围内。在步骤481中，工业机器人CMM臂坐标系363相对于物体坐标系统 361定位。在步骤482中，工业机器人CMM臂450上的探头90根据测量程序389来测量物 体9的表面。在步骤483中，对步骤482期间所收集的表面测量数据进行预处理。在步骤 484中，将预处理的物体9的表面测量数据与设计表面进行比较。在步骤485中，输出测量 结果。在步骤486中，物体9离开该位置。本方法的适用性的一个实例为曲柄轴检查单元。 对照CAD设计检查未经机加工的曲柄轴，以便校验由该成形工艺制成的曲柄轴是否处于公 差范围之内。工具操作方法现在参看图58，第一步骤490中，物体9到达位置处并被安装在工业机器人CMM臂 450的延伸范围内。在步骤491中，工业机器人CMM臂坐标系363相对于物体坐标系统361 定位。在步骤492中，位于工业机器人CMM臂450上的工具98根据机器人程序389而在物 体9上执行操作。工业机器人CMM臂450使用工具坐标系364与工业机器人CMM臂坐标系 363之间的已知转换来执行操作。在步骤493中，物体9离开该位置。操作检查与刀具调整方法这种方法需要安装于工业机器人CMM臂450上的至少一个工具98和探头90。现 在参看图59A，第一步骤500中，物体9到达位置处并被安装在工业机器人CMM臂450的延 伸范围内。在步骤501中，工业机器人CMM臂坐标系363相对于物体坐标系统361定位。在 步骤502中，位于工业机器人CMM臂450上的工具98根据机器人程序389而在物体9上执 行操作。在步骤503中，工业机器人CMM臂450上的探头90根据测量程序389来测量物体 9的上的一个或多个经过处理的特征365和或物体9的表面。在步骤504中，对每个处理特 征365的位置和或尺寸进行计算，并且或者根据步骤503期间所收集的测量数据进行表面 预处理。在步骤505中，将每个处理特征365的位置和尺寸和或表面与每个处理特征365的 设计位置和尺寸及其公差进行比较。在步骤506中，根据步骤505的结果来计算刀具调整， 并且使用调整操作来调节工具坐标系364。工具坐标系364的调节可以在根据大量相同操 作情况统计的统计趋势基础上进行，以便鉴别与量化任何误差中的偏差。在步骤507中，输 出测量结果。在步骤508中，物体9离开该位置。这种方法可被用于三个示例性模式中，但 不限于这三个模式-只进行检查(跳过步骤506)-只进行刀具调整(跳过步骤507)-进行检查与刀具调整(包括每个步骤500-508)
本发明所属领域的普通技术人员将会理解，存在多种可以用于使用工业机器人 CMM臂450以大大高于目前所能实现的精确度进行测量并执行操作的其它方法，并且在此 所公开的方法为所有可以用于使用工业机器人CMM臂450以大大高于先前的精确度进行测 量并执行操作的方法的示例性方法。牛产线工业机器人CMM臂450可以在生产线上的任何适用位置处被安装成单个单元，或 者多个工业机器人CMM臂450可以在一个单元或者若干单元中安装在一起以便完成测量任 务。一个实例为位于汽车生产线上。一般说来，在生产线上的汽车按照已知且稳定的速率 运动；然而，当测量运动物体时精确度就会降低。因此，优选的是构造一种单元，其中在整个 测量循环期间汽车处于静止状态。替代地，这种单元可以放置于邻近生产线处并且采样一 部分所制作的物体。典型生产线测量应用包括白色车身、发动机舱、后舱、车身底板和仪表 板夹具。所检查的典型特征包括边缘和表面位置、孔位置、狭槽位置、间隙和齐平测量。还 检查表面形状。通常，生产线将会具有启动生产线上单元中的操作周期的生产线控制系统。 单元中的一个或多个工业机器人CMM臂450可以通过任何一种本发明所属领域的普通技术 人员所知的方式而连接于生产线控制系统上。工业机器人CMM臂450中的控制PCB 172可 以接收信号与信息并返回信号与信息。从生产线控制系统至工业机器人CMM臂450的信号 与信息通常包括例如起始周期；事故停机周期；使用程序号XXX ；程序XXX本身；返回测量 结果YYY ；控制参数；状态要求。从工业机器人CMM臂450至生产线控制系统的信号与信息 通常包括例如状态报告；测量结果；测量结果报告；反馈控制参数。工业机器人CMM臂450 通常将会以硬接线方式进入生产线的紧急停机电路。来自工业机器人CMM臂450的测量结 果与反馈控制参数可用于前馈数据以便控制或者适应控制生产线上的下游工艺。对柔性生 产线的测量需求通常需要工业机器人CMM臂450延伸范围超过2m并有时超过3m。优选的 是工业机器人CMM臂450具有最少6轴，以便具有灵活性从而使其能够接近所测量的位置。 优选的是工业机器人CMM臂450能够快速加速以便在尽可能短的时间中在位置之间运动。 工业机器人CMM臂450具有柔性、敏捷性和比较小的占地面积。因此工业机器人CMM臂450 可在生产线上沿着生产元件和/或在生产元件中间安装于操作单元之内。必须小心操作以 便机器人CMM臂和其它项目之间不会发生碰撞。这就意味着工业机器人CMM臂450可以沿 着生产线插入大多数位置中，并且不会象生产线中的专用测量单元一样占用宝贵的空间。 工业机器人CMM臂450以高精确度进行测量并且可以位于操作元件如焊接机器人的旁边或 者刚好位于其上游。一个或多个操作元件可以接收来自一个或多个工业机器人CMM臂450 的反馈数据并由此执行与物体如金属片项目的实际测量位置相适合的更精确的操作。这就 意味着更快、更好或成本更低但需要较高精确度的更有效工艺可以用于生产线上。部件调整方法工业机器人CMM臂450特别适用于通常制造新汽车模型的200-250台样机的样机 生产过程。由于能够通过位于生产单元处的工业机器人CMM臂450实现集成式高精确度测 量，所以就有可能改变样机加工的方法并且/或者提高现有方法的精确度。例如，通过在其 焊接或粘结之前反馈金属片部件定位方面的误差，就可以按照手动或者自动的方式调节金 属片部件直到其处于正确定位中为止。因此，这就意味着机器人CMM臂发明可以通过容许 使用更简单的工具而节省在精密样机生产工具方面的较大投入。公开了新型部件调整方
66法。现在参看图59B，在第一步骤510中，可动式第一部件由操作人员相对于第二部件手动 定位。在步骤511中，工业机器人CMM臂450获取关于第一部件和第二部件定位与定向的 测量数据。在步骤512中，来自第二部件的测量数据被记录到第二部件的CAD模型中。在 步骤513中，将来自第一部件的测量数据与第一部件的CAD模型进行比较；第一部件的CAD 模型与第二部件的CAD模型处于同一坐标系中，并且第一部件的CAD模型相对于第二部件 的CAD模型位于理想设计定位中。在步骤514中，计算第一部件实际定位与定向偏离第一 部件的理想CAD定位与定向中的误差并显示出来以便提供可由操作人员处理的有用信息。 在步骤515中，手动操作人员使用所显示的误差来决定是进一步手动调节第一部件的定位 和或定向并转到第一步，还是第一部件已很好地定位并且停止。在步骤516中，手动操作人 员使用所显示的误差手动调节第一部件的定位和或定向；该第七步骤之后将要进行这种方 法的第二步骤。本发明所属领域的普通技术人员将会理解，存在多种其它手动与自动方法 可以用于使用工业机器人CMM臂450帮助第一部件相对于第二部件以大大高于目前所能实 现的精确度进行定位，并且在此所公开的方法为所有可以用于使用工业机器人CMM臂450 帮助第一部件相对于第二部件以大大高于先前的精确度进行定位的方法中的示例性方法。 在替代实施例中，步骤510、515和516可以自动进行以便使得整个部件调整过程自动进行。车身修理方法工业机器人CMM臂450适用于在发生车身扭曲事故之后进行的车身修理工艺。工 业机器人CMM臂450首先应用于诊断操作中，以便量化车身扭曲的程度并决定需要替换的 部件，并且与步骤511-514对应。工业机器人CMM臂450在每个校正工艺如拉伸、弯曲之 后使用以便测量不同于理想形状的剩余误差；这与步骤511-516对应。工业机器人CMM臂 450在每个替换过程期间被使用，在替换过程期间，新部件如车身仪表板代替被损坏的相应 部件以便帮助新仪表板正确对准；这与部件调整方法的所有步骤510-516对应。诊断操作、 校正工艺以及替换过程为部件调整方法应用的特定实例。本发明的范围并不限于汽车车身 的修理，而是适用于任何复杂形状的物体的修理。本发明适用于修理完全由一个部件形成 的物体或者由一个以上部件制成的物体。加工机器再参看图7J，工业机器人CMM臂450可以安装于一个或多个加工机器137上或者 邻近其安装。在由两个或两个以上的加工机器137形成生产线的情况下，在高值操作之间 对物体9进行测量和通过/失败检查就可以降低生产线的浪费值％。此外，工业机器人CMM 臂450可以提供测量与材料搬运的双重功能。在一些应用中，工业机器人CMM臂450可以 提供三种操作测量操作、利用工具进行的材料加工操作与材料搬运操作。工业机器人CMM 臂450的一个实例应用为在涡轮机叶片生产线中。与手动检查相比，由工业机器人CMM臂 450进行的光学测量的速度与精确度可以使得这种应用更加成本有效。在生产线上使用机器人CMM臂发明的优点举例提供了以下优点并且在生产线上使用机器人CMM臂发明的优点并不限于这 些优点1.只要容许，机器人CMM臂可以安装于现有单元中沿生产线的任意位置处，而非 仅仅安装在在占完生产线空间的专用单元中。2.机器人CMM臂可以检查表面并且向后续工序前馈数据
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3.机器人CMM臂可以检查表面并且在加工之后或在其期间反馈数据4.机器人CMM臂可以增加加工如连接的精确度5.机器人CMM臂可以便于降低产品之间的转换时间6.机器人CMM臂可以成为生产线上各处的的公共工具，具有加工与工具标准化带 来的生产敏捷性方面的所有优点7.机器人CMM臂可以在连接工序之前提供更精确的项目装配，使得将要使用的连 接工艺能够更精确8.机器人CMM臂可以提供更精确的方法用于装配包括例如汽车和航空和航天在 内的多种工业中的各种工具、部件9.机器人CMM臂可以向手动操作人员提供实时反馈回路以便在另一个工序之前 调整部件的位置10.机器人CMM臂可以向可动式构件提供实时反馈回路以便在连接或另一个装配 过程之前自动调整部件的位置11.机器人CMM臂可以相对于生产线基准自动定基准12.机器人CMM臂可以相对于物体参考基准例如位于单元处的汽车车身线条坐标 系自动定基准13.机器人CMM臂可以在公共坐标系中相对于彼此定基准14.机器人CMM臂可以与生产线控制系统形成一体15.机器人CMM臂使得能够采用不同的加工方法。从而具有如降低加工投入、增加 处理速度、提高产品质量以及提高处理精确度之类优点16.机器人CMM臂可以改进主生产线过程和样机生产过程17.机器人CMM臂可以不需要检查汽车仪表板所用夹具18.机器人CMM臂可以消除人为误差19.机器人CMM臂与工业机器人相比只是制造成本略微昂贵一些，但是其提供了 超过其新增成本的附加值20.机器人CMM臂增加了处理的精确度，从而与两站式产品相比容许使用准确度 更低的工具来进行更有效的处理并且节省了生产线上的空间21.单个机器人CMM臂可以处理下列操作的一种或多种测量、材料处理、材料装 卸；这就比不能进行准确测量的机器人提供了更多的用途。研磨机这个实施例的目的在于提供一种能够研磨复杂形状的工业机器人CMM臂450。使 用标准CNC控制系统来保证低误差跟随路径。机加工路径由标准7-轴CAD软件包生成。来 自CMM编码器178的精确位置反馈用来计算准确的六自由度定位与定向并且利用所需的六 个自由度定位与定向来封闭环，如本发明所属领域的普通技术人员所熟知。这就意味着工 业机器人CMM臂450能够比标准工业机器人更准确地研磨复杂形状。主要优点在于工业机 器人CMM臂450的机加工误差的幅值通常将会比工业机器人的机加工误差幅值低一量级。 使用研磨用的工业机器人CMM臂450的另一个优点在于，在由于不精确通路而手动整平粗 糙部分如台阶处，不需要另外的手工修整操作。另一个优点在于工业机器人CMM臂450能够 研磨机加工中心或水平臂CMM不能研磨的复杂形状如大型球形。可以预期工业机器人CMM臂450将会适用于广泛的工业中以便对复杂形状进行准确机加工。第三实施例在这个第三实施例中，公开了一种活动支承的机器人CMM臂，在所有其可以移动 到的空间布局中，其都显著地降低了作用于内部CMM臂5的接头和段上的力和力矩。作用于第一实施例的机器人CMM臂上的力和力矩在机器人CMM臂1的一些空间布局处，存在作用于内部CMM臂5上的相当大的负 载，从而使得所提供的通过外骨骼6的七个外骨骼接头1-761-67作用的七个马达176的 设置结构不能提供足够的控制输出来降低这些负载。在一些空间布局中，下列内部CMM臂 5的段的所有重量都作用于接头上。例如，当内部CMM臂5位于垂直空间布局中时，CMM段 2-832-38的总重量直接落在CMM接头151上。类似地，CMM段3-8 33-38的总重量直接落 在CMM接头252上，并且CMM接头353至CMM接头757直至臂也是类似如此。外骨骼中的 七个传动系统不能补偿作用于CMM接头中的轴承上的这种负载。对于具有轴向设置结构的 CMM接头1、3、5、751、53、55和57而言，当内部CMM臂5处于垂直空间布局中时，作用于这些 CMM接头上的负载就穿过轴向CMM接头的轴线。对于具有正交设置结构的CMM接头2、4、6 52、54和56而言，当内部CMM臂5处于垂直空间布局中时，作用于这些CMM接头上的负载就 与正交CMM接头的轴线正交。在机器人CMM臂1的任何空间位置中，非零力和非零力矩的 网络都从外骨骼6作用于内部CMM臂5上，而不管机器人CMM臂1是处于静止还是运动状 态。由于使得内部CMM臂5的接头和段产生应变，所以这些力和力矩就降低机器人CMM臂 1的测量精确度。活动支承式机器人CMM臂本第三实施例的活动支承式机器人CMM臂包括用于检测作用于内部CMM臂5上的 力与力矩的应变仪和带有用于平衡作用于内部CMM臂5上的力与力矩的活动支承控制软件 的活动传动装置。这就意味着活动支承式机器人CMM臂的精度大于延伸范围与活动支承式 机器人相同的机器人CMM臂1或工业机器人CMM臂450的精度。此外，与第一实施例的机 器人CMM臂1和第二实施例的工业机器人CMM臂450两者相比，活动支承式机器人CMM臂 可以按照某个指定精确度操作而达到的延伸范围增加。现在参看图60，活动支承式机器人CMM臂550包括位于外骨骼6与内部CMM臂5 之间的活动传动装置2-8 562-568。应变仪181如前文所公开地连接于内部CMM臂5上并 且示出于图41E中。活动传动装置每个活动传动装置2-8 562-568提供了一个穿过如第一实施例中在先所公开的 传动装置2-8 72-78的驱动方向和一个或多个用于活动地支承内部CMM臂5的重量的活动 支承方向。每个活动传动装置562-568位于其相应的CMM段2_8 32-38的重心处或位于其 附近；这就将每个CMM段的支承任务减少至两个作用力分量径向和轴向。没有力矩需要有 效地应用，因为每个活动传动装置562-568位于其相应的CMM段2_8 32-38的重心处或者 位于其附近。方向驱动活动支承装置活动传动装置2 562 扭转轴向、径向活动传动装置3 563 径向轴向
舌动传动装置4 564扭转轴向、径向
舌动传动装置5 565径向轴向
舌动传动装置6 566扭转轴向、径向
舌动传动装置7 567径向轴向
舌动传动装置8 568扭转轴向、径向
舌动传动装置2 562为第一传动装置并且相对于力处于恒定方位。活动传动装
置2 562之内的传动装置272为扭转式并且没有提供沿径向或者轴向的活动支承。在活动 支承式机器人CMM臂550的基座方位为垂直的常见情况下，活动传动装置2 562之内所需 的唯一活动支承为轴向；在活动支承式机器人CMM臂550的基座方位为水平的情况下，活动 传动装置2 562之内所需的唯一活动支承为径向。在任何其它基座方位时，在活动传动装 置2 562内需要轴向与径向活动支承这两者。活动传动装置3 563可处于任意方位。在活动传动装置3 563内通过传动装置 373的驱动为径向；这就意味着在活动传动装置3 563中并不需要径向活动支承。然而，在 活动传动装置3 563内需要轴向活动支承。活动传动装置5、7 565、567的情况类似于活动 传动装置3 563。活动传动装置4 564可处于任意定向。在活动传动装置4 564内通过传动装置 4 74的驱动为扭转式；这就意味着在活动传动装置4 564中需要径向与轴向活动支承这两 者。活动传动装置6、8 566、568的情况类似于活动传动装置4 564。轴向活动支承活动传动装置3、5、7 563、565、567提供径向驱动与活动轴向支承。现在参看图 61，活动传动装置如活动传动装置3 563包括两个部件如前文所公开并在图17中显示的 被动径向驱动传动装置3 73与活动轴向支承3 583。活动轴向支承3 583包括两个支承马 达571，其通过支承齿轮箱572装置和支承滚珠丝杠574装置向安装于内部CMM臂5的CMM 段333上的CMM段支承法兰570施加穿过支承滚珠座圈575装置的轴向推力。两个支承马 达571按照互成180度的方式设置以便在CMM段支承法兰570上提供均勻的轴向推力。支 承马达571螺栓连接于支承齿轮箱572上，支承齿轮箱572螺栓连接于支承托架573上。支 承滚珠丝杠574从支承齿轮箱572伸出并且由支承托架573支承于远端处。支承滚珠座圈 575在远端位于支承齿轮箱572与支承托架573之间。支承托架573通过弹性材料203连 接于外骨骼段3 43。支承编码器579连接于每个支承马达571上。支承马达571可以在外 骨骼段3 43与CMM段3 33之间沿由活动支承控制软件所决定的任何一个相对方向施加轴 向力。例如，如果CMM段3 33处于垂直向上的空间方位中，那么作用于CMM段3 33上的轴 向力将会向上以便有效平衡作用于CMM段333上的向下的重力。在这种设置结构中，被动径向驱动传动装置3 73沿着CMM段3 33的轴位于活动 轴向支承3 583的一侧。在本发明的另一个实施例中，被动径向驱动传动装置3 73位于活 动轴向支承3 583的另一侧。在本发明的另一个实施例中，被动径向驱动传动装置3 73与 活动轴向支承3 583可以形成一体，以便使得穿过被动径向驱动传动装置373的径向驱动 的作用中心与活动轴向支承3 583的作用中心处于同一位置。轴向/径向活动支承活动传动装置4、6、8 564、566、568提供扭转驱动、活动轴向支承与活动径向支
70承。现在参看图62，活动传动装置4 564包括三个部件扭转传动装置4 74、活动轴向支承 4 584与活动径向支承4 594。在这种设置结构中，活动传动装置4 564的三个部件提供于 活动支承式机器人CMM臂550的CMM段4 34与外骨骼段4 44之间的一排中。本发明的范 围并不限于这种设置结构。例如，在本发明的另一个实施例中，这三个部件可以提供于按照 任意其它顺序提供。在本发明的另一个实施例中，这三个部件可以形成一体，以便使得穿过 被动扭转传动装置474的扭转作用中心与活动轴向支承4 544和活动径向支承4 594的作 用中心处于同一位置。在本发明的另一个实施例中，三个部件中的任意两个形成一体。现在参看图63，活动径向支承4 594包括三个单元594A、594B和594C。以剖面 AA和BB示出了活动径向支承4单元594A。以剖面BB示出了活动径向支承4单元594B和 594C。在每个活动径向支承4 594单元中，支承马达571通过支承齿轮箱572、支承90度传 动齿轮箱577和支承滚珠丝杠574施加径向推力，所述径向推力通过支承滚珠座圈575作 用于径向支承托架578上并且通过弹性材料203和低摩擦材料202至内部CMM臂5的CMM 段4 34上。这三个活动径向支承4单元594A、594B和594C互成120度设置以便对作用于 CMM段4 34上的径向推力提供方向控制。支承马达571螺栓连接于支承齿轮箱572上，支 承齿轮箱572螺栓连接于径向支承马达托架576上。支承齿轮箱572驱动支承90度传动齿 轮箱577。支承滚珠丝杠574从支承90度传动齿轮箱577中露出。支承滚珠座圈575接收 来自支承滚珠丝杠574的推力，所述推力通过径向支承托架578并且通过弹性材料203和 低摩擦材料202传递至内部CMM臂5的CMM段434。支承编码器579连接于支承马达571 上。活动径向支承4594的三个单元594A、594B和594C可以沿在外骨骼段444与CMM段 434之间的任意相对方向提供径向力，其由活动支承控制软件决定。例如，如果CMM段4 34 处于水平空间方位中，那么径向力将会向上克服作用于CMM段4 34上的重力从而有效平衡 作用于CMM段4 34上的向下的重力。活动传动装置的数量在基座处于任意方位的7-轴活动支承式机器人CMM臂550的优选实施例中，具 有i^一个活动支承装置活动轴向支承2-8 582-588和活动径向支承2、4、6、8 592、594、 596、598。如果基座始终处于垂直，那么十个活动支承装置就足够并且不需要活动径向支承 2592。在基座处于任意方位的6-轴活动支承式机器人CMM臂550的实施例中，因为没有活 动传动装置4 564，所以具有九个活动支承装置如果基座始终处于垂直，那么八个活动支 承装置就足够并且不需要活动径向支承2 592。与其它装置相比，一些活动支承装置对活动支承式机器人CMM臂550的总精确度 的影响更大。例如，靠近探头端的活动支承装置比用于较重段的活动支承装置对总精确度 的影响更小。与不带任何活动支承装置的类似机器人CMM臂1的精确度相比，仅仅提供一 个活动支承装置就可以增加活动支承式机器人CMM臂550的精确度。本发明的一个目的在 于活动支承式机器人CMM臂550具有一个或多个活动支承装置。一般说来，可以通过增加活动传动装置560的数量而降低活动支承式机器人CMM 臂550中的力和力矩，从而使得活动支承式机器人CMM臂550更精确。例如，可以提供两个 或两个以上的活动传动装置560来支承每个CMM段。实际上，活动传动装置的数量的每次 增加将会产生有限的回报。在活动支承式机器人CMM臂550的另外一个实施例中，将两个 活动传动装置提供给更长的CMM段3、5 33,35以便提供更多支承。本发明的范围包括带有
71一个或多个活动传动装置的任意活动支承式机器人CMM臂550。结构材料活动支承式机器人CMM臂550的内部CMM臂5与外骨骼6优选地由同一材料制成 以便使热膨胀的差异最小化。CMM接头51-57与外骨骼接头61-67的轴也对准。这样内部 CMM臂5与外骨骼6随着温度改变而改变相同量的长度。活动支承控制软件现在参看图64，活动支承控制软件552提供于控制PCB172的存储器381中。对于 每种空间布局，活动支承控制软件552通过外骨骼6来优化内部CMM臂5的活动支承。支 承马达571由放大器176根据由控制软件382确定的控制PCB 172中的放大器模拟输出电 路383的输出来进行驱动。每个支承编码器579连接于接头PCB 173上，接头PCB 173连 接于控制PCB172上。现在参看图65，活动支承控制软件552具有来自应变仪181、运动学软件391与控 制软件382的输入。应变仪181指示作用于内部CMM臂5上的力与力矩。运动学软件391 提供活动支承式机器人CMM臂550的空间布局位置、速度与加速度。控制软件382提供活动 传动装置2-8 562-568的位置、速度与加速度。活动支承控制软件552具有发往控制软件 382的支承马达571的所需控制指令作为输出。控制软件382接收外骨骼编码器179、CMM 编码器178与支承编码器579的位置作为输入。控制软件382向放大器175输出用于驱动 马达176与支承马达571的驱动信号。控制软件382为马达176与支承马达571两者提供 单个控制环，这就避免了因出现两个竞争控制环因而难以协调一致的不合需要的情形。本 发明的一个目的在于通过活动支承控制软件552提供精确的活动支承式机器人CMM臂550， 以便使作用于内部CMM臂5上的力与力矩最小化，其中从应变仪181向活动支承控制软件 552输入，应变仪181测量内部CMM臂5中的力与力矩，并且从活动支承控制软件552输出 以便控制可以从外骨骼6向内部CMM臂5施加力与力矩的活动传动装置2-8 562-568。这 样，内部CMM臂5完全地由基座CMM段31和活动传动装置2_8 562-568的安装件支承。本 发明所属领域的普通技术人员将会理解，有多种方法能提供用于活动支承式机器人CMM臂 550的活动支承控制软件并且将其与主控制软件382集成以便使作用于活动支承式机器人 CMM臂550上的力与力矩最小化。本发明所属领域的普通技术人员将会进一步理解，活动支 承控制软件可以自动补偿安装于内部CMM臂5的探头端3上或其附近的重型探头91，并且 可以提供至少两个活动传动装置用于支承CMM段838以便补偿并未安装于CMM段8 38的 重心附近的探头91。传动装置中的空气轴承空气轴承可用来消除内部CMM臂5与外骨骼6之间的接触。再参看图17，在径向 传动装置3 73中，空气轴承将会用来代替低摩擦材料202。再参看图18，在扭转传动装置 4 74中，除了弹性材料203，将还使用空气轴承。再参看61和63，在活动轴向支承563与活 动径向支承594中，空气轴承将会用于代替低摩擦材料202。空气轴承所用的空气可以由压 缩机提供并且由在内部CMM臂5与外骨骼6之间延伸的软管引入空气轴承的位置处。从空 气轴承中出来的空气可以具有冷却活动支承式机器人CMM臂550的辅助功能。空气用的初 级排气装置提供于探头端，而次级排气装置提供于距每个段中空气轴承适当的距离处。空 气轴承的主要优点在于消除了内部CMM臂5与外骨骼6之间的摩擦；这就保证沿一个方向施加的力不会具有由于摩擦产生的沿另一个方向的有害分力，从而使得活动支承式机器人 CMM臂550中更精确。弹性材料、压力传感器与活动支承控制再参看图17、18、61与63，弹性材料203提供于活动传动装置2_8562_568的每个 部件内，内部CMM臂5与外骨骼在此处发生接触。弹性材料203通过吸收来自外骨骼6的 力的峰值而保护内部CMM臂5。跨过弹性材料203的力至少通过以下因素而产生重力、由 于活动支承式机器人CMM臂550的运动而造成的其空间位置的变化、活动支承式机器人CMM 臂550的惯性加速度、装配过盈配合、热膨胀/收缩以及支承马达571。利用为活动支承式 机器人CMM臂550的空间与惯性能力所计算的力的极值，对每个位置处的弹性材料203的 厚度、截面积与材料弹性系数进行仔细地计算以便优化弹性材料203的相对膨胀/收缩。在替代实施例中，压力传感器处于弹性材料203中而不是处于安装于内部CMM臂 5上的应变仪181中。跨过弹性材料203的实际合力，无论是压缩力、张力或者剪切力可以 在每个活动传动装置处进行测量。利用基于活动支承式机器人CMM臂550的设计的计算来 确定在活动支承式机器人CMM臂550的现有空间位置与惯性状况下跨过每个弹性材料的理 想合力。支承马达571通过新活动支承控制软件算法来致动以便减少或增加跨过每个弹性 材料203的实际合力。环境因素与操作性能为了得到最佳精确度，活动支承式机器人CMM臂550应该用于热受控环境中，没有 外部振动。当以比较低的速度进行测量并且通过加速度所产生的力较小时，就能实现最佳 结果。然而，用活动支承式机器人CMM臂5能够具有的来自用户的测量设备和速度、加速度 的用户需求生产能力是重要因素。内部CMM臂5由多个活动传动装置支承并且由多个活动 传动装置支承的内部CMM臂5的设计性能可不同于可能经受由操作人员所施加的相当大的 力与力矩的手动CMM臂。这就意味着活动支承式机器人CMM臂550中的内部CMM臂5的质 量/惯量可以较低并且其在保持高精确度时可能经受的相应加速度可以较高，从而使其成 为高生产率且精确的测量设备。本发明的有效性由于重力和惯性力作用而作用于内部CMM臂5上的力与力矩通过活动传动装置来 平衡。这种活动支承式机器人CMM臂550可以有效支承内部CMM臂5以便使得其基座CMM 段31的安装件处的力与力矩比在没有提供活动传动装置情况下的相应力与力矩低一个或 多个量级。此外，这种活动支承式机器人CMM臂550可以有效支承内部CMM臂5以便使得 其在每个接头处的力与力矩比在没有提供活动传动装置情况下的相应力与力矩低一个或 多个量级。比手动CMM臂更精确本第三实施例使作用于内部CMM臂5上的力与力矩可以比作用于相应尺寸的手动 CMM臂上的力与力矩降低大约一个量级。这就意味着活动支承式机器人CMM臂550可以比 力与力矩不能减少至可忽略量的具有类似延伸范围的手动CMM臂更加精确。在力与力矩较 小的情况下，内部CMM臂5可以设计成非常轻；所具有的双重益处在于外骨骼6因此可以更 轻并且传动系统可以更轻，因为它们功率更小。活动支承的替代方法
存在其它实现活动支承的方法，并且本实施例的范围并不限于上述的装置。例如， 在用于轴向支承的另一个实施例中，一个马达571可以用于通过驱动传动装置如带来驱动 两个支承滚珠丝杠574。在用于轴向或径向支承的替代实施例中，可控线性致动器如音圈致 动器可以在不需要知道活动传动装置的位置的情况下提供所需线性力；提供了比带有编码 器的马达所用的更简单的控制环。第四实施例测量参量在本第四实施例中，公开了用于本发明的另一个目的的方法和设备测量参量，构 造参量的模型并且分析其模型。可以由适用的接触或者非接触参量测量探头90进行测量 的参量的实例包括但不限于温度；表面粗糙度；颜色；振动；硬度；压力；密度；焊接、粘结 中的裂缝/杂质检测。物体9或待测量物体的部分位于机器人CMM臂1的延伸范围内。或 者可以将物体9带至机器人CMM臂1处或者可以将机器人CMM臂带至物体处。相对于机器 人CMM臂363的坐标系对参量进行测量。替代地，物体坐标系361可以设定成如先前所公 开，并相对于物体坐标系361测量参量。参量测量探头90连接于内部CMM臂5的探头端3， 但是可以连接于外骨骼6的探头端。当内部CMM臂5的探头端与外骨骼6的探头端为公用 时，参量测量探头连接于公共探头端上。测量过程、时间选择与多个探头测量过程通过机器人CMM臂1相对于物体9移动参量测量探头90并且由参量测 量探头90进行测量来进行。如前文所公开，探头端在机器人CMM臂的X、Y、Z、I、J、K坐标 中的定位/定向与参量测量探头90的测量可以同步，或者进行时间标记或者以其它方式在 时间基础上直接定坐标或者通过内插定坐标。测量沿着机器人CMM臂1的运动路径进行。 测量优选地在连续扫描运动中进行，其中参量测量探头90在运行中进行测量；在测量的进 行时间比较短，通常低于100毫秒并常常为若干毫秒的情况下，这种在运行中的测量方法 适合参量测量探头90。替代地，测量可以逐步进行，其中参量测量探头90在机器人CMM臂 1实际上静止时进行测量；在测量进行时间比较长通常大于100毫秒并常常为若干秒的情 况下，这种步进式测量方法适合参量测量探头90。参量测量探头90可以安装于带有一个或 多个其它探头90的机器人CMM臂1上，以便可以采用参量和/或尺寸测量的任意组合。一 个实例利用用于尺寸测量的非接触光学探头91和用于温度测量的非接触温度测量探头扫 描管。还应当理解，单个探头90可以测量两个或多个不同参量。还应当理解，两个接触探 头优选地并不安装于机器人CMM臂1上，因为在机器人CMM臂的优选操作情况下，只有一个 接触探头95会与物体9接触，除非在接触探头95的设计中专门提供。安装探头90的测量 优选地在单个测量过程期间沿着单个测量路径进行，以便使得轨迹不会重复；这在使测量 过程时间最小化方面最有效。所有探头90的测量可以在测量过程期间同步进行，以便使得 所有探头90实际上同时并且以同一速率进行测量。替代地，一个或多个安装探头90可以 以不同速率进行测量。如先前所公开，每个探头90的测量可以使用校准或者通过内插而优 选地直接与臂的定位/定向相关。将来自机器人CMM臂1和包括参量测量探头90在内的 一个或多个探头的数据进行存储。参量测量探头测量位置参量测量探头90具有许多不同的实施例。它们可以为接触或非接触式。它们可以在每个机器人CMM臂定位/定向中进行一次或多次测量。它们可以测量一个或多个不同 参量，例如温度和压力。参量测量探头的测量位置可以为已知位置或者可以已知处于涉及 机器人CMM臂定位/定向的限制范围内。测量位置的实例包括(a)单个参量测量的位置可以位于参量测量探头的尖端；(b)单个参量测量的位置可以位于距参量测量探头的尖端未知距离但已知定向 处；(c)单个参量测量的位置可以位于距参量测量探头的尖端已知固定距离且已知定 向处；(d)单个参量测量的位置可以位于距参量测量探头的尖端测得固定距离且已知定 向处；(e)可以沿着投射平面同时进行多个参量测量，其中每个参量测量位于相对于尖 端参量测量探头尖端的已知位置处；(f)可以在投影区域中同时进行多个参量测量，其中每个参量测量位于相对于尖 端参量测量探头尖端的已知位置处；(g)可以在投影区域中同时进行多个参量测量，其中每个参量测量位于相对于参 量测量探头尖端的已知定向但未知距离处；多个安装的探头90相对于机器人CMM臂坐标系363优选地具有不同测量位置，以 便使测量过程不会互相干涉；不同的测量位置优选地互相靠近以便使额外的测量运动最小 化。多个安装的探头90相对于机器人CMM臂坐标系363优选地具有相同定向以便使得运动 路径规划更简单。当存在三个或者三个以上的安装探头90时，这些探头优选地位于使所有 测量共面的位置处。对于单点型但测量不同参量的多个安装探头而言，机器人CMM臂的路 径和定向优选地被确定成使得在所有测量的位置都沿着相同路径而不是相互并排的路径。 对于测量相同参量的单点型多个安装探头而言，机器人CMM臂的路径和定向优选地被确定 被使得在所有测量的位置落于相互并排的路径中，从而通过沿着若干近似平行的路径同时 进行测量而使得机器人CMM臂能够生产率更高。参量测量探头校准和对准参量测量探头90通过主要由参量测量探头的设计决定的方法而与机器人CMM臂 的坐标系对准。优选地，参量测量探头的供应商按照一些方法将这些测量装置预校准成具 有清楚且足够精确的探头基准设置结构，只需要简单地将其相对于机器人CMM臂坐标系以 已知偏移/定向装配于机器人CMM臂上；提供这种偏移/定向数据作为参量测量探头校准 文件；使用该校准文件提供参量测量探头与机器人CMM臂的坐标系的对准。应当理解，如果 不能从参量测量探头的供应商处获得这种预校准，那么可以构造专门的校准夹具，这种夹 具适于正在测量的参量以便在校准过程中相对于探头基准来校准探头。应当理解，如果不 能从参量测量探头的供应商处获得这种预校准，那么替代地可提供人工制品，这种人工制 品适于正在测量的参量以便通过本发明所属领域的普通技术人员所熟知的校准过程来使 探头坐标系与机器人CMM臂的坐标系对准，所述对准过程包括利用安装于机器人CMM臂上 的参量测量探头对人工制品进行足够次数的测量。现在参看图66的参量测量过程-在第一步骤601中，使物体与机器人CMM臂相对于彼此定位以便使得物体处于用于测量的机器人CMM臂的延伸范围内；-在步骤602中，将参量测量探头安装于机器人CMM臂的探头端上；-在步骤603中，使参量测量探头坐标系与机器人CMM臂坐标系对准；-在步骤604中，使机器人CMM臂沿着路径运动并且利用参量测量探头进行测量；-在步骤605中，存储来自参量测量探头的测量结果和来自机器人CMM臂的定位/ 定向。本发明的范围并不限于这种参量测量过程并且提供的这种过程仅为举例。建模公开了一种方法来提取参量测量数据和机器人CMM臂定位位置数据并且将它们 组合起来以便为物体构建一个参量模型。在这种方法中，一个或多个参量可组合成模型或 者保持为分离式模型。应当理解，如已公开，存在参量测量相对于机器人CMM臂的各种确定 与不确定的定位。公开了另一种方法，其用于提取物体的CAD模型并且将其与参量测量数 据和机器人CMM臂定位/位置数据组合起来以便为物体构建参量模型。在该另一种方法中， 物体的CAD模型被引用至参量测量数据和机器人CMM臂定位/位置数据。该另一种方法适 合于通过与物体的CAD模型对照的方法来确定先前不确定的位置。例如，如果物体的CAD 模型提供表面定义并且利用不确定位置测量的参量为表面参量，那么该位置就可以通过按 照已知方位投射参量直至其遇到物体的CAD表面为止而被确定。一般说来，参量可以是表 面相关参量如颜色或者内部参量如焊接中的杂质或粘结中的裂纹。现在参看图67的建模过程-在第一步骤611中，按照时间与空间使用内插方法根据先前存储的参量测量结 果和机器人CMM臂定位/定向来准备一组定位参量测量数据；-在步骤612中，使用建模方法将这组定位参量测量数据放入适用数据结构模型 中；_在步骤613，使用组合方法将物体的CAD模型与定位参量测量数据结构模型组合 起来以便提供集成的CAD和参量测量模型。本发明的范围并不限于这种建模过程，并且提供的这种过程仅为举例。例如，在简 单对象如金属平板上时，就不需要提供步骤613。在另一个实例中，可以提供对模型的外部 形状的三维扫描数据而非提供CAD模型。分析与可视化可以进行分析以便确定根据集成CAD和参量测量模型的分析数据。例如(a)可以推导出参量与其定位的最大值和/或最小值(b)可以将颜色根据数值范围分配给参量并且可以在物体的表面突起上对参量给 出彩色显示(C)可以为物体或者物体的区域设定通过或失败标准，并且通过根据该标准分析 参量的测量结果来确定通过或失败(d)推导出所测参量的统计数据并分离所测参量的个体数据，并且将这些数据提 供给生产控制系统以便反馈至生产过程以便进行趋势监测和生产过程调节分析数据和或集成CAD以及参量测量模型优选地在彩色计算机显示器上进行可 视化。在多数情况下，参量测量结果和或分析数据显示在CAD模型的表面上或三维象素模型内部。可以使用浸入式三维可视化技术来进行可视化。所选择的可视化技术将会取决于 待可视化的参量是表面参量还是内部参量；所选择的可视化技术还将取决于物体的CAD模 型或三维扫描表面模型是否可用。可以使用本发明所属领域的普通技术人员所知的任意技 术或者设备对模型进行可视化，包括各种类型的透视图和各种类型的三维显示在内。现在参看图68的分析、可视化以及反馈的过程-在第一步骤621中，使用分析装置来分析集成CAD和参量测量结果模型；-在步骤622中，输出该分析数据；-在步骤623中，显示输出分析数据以便用于可视化；-在步骤624中，提供分析数据作为生产过程中的反馈。本发明的范围并不限于这种分析、可视化和反馈过程并且提供的这种过程仅为举 例。例如，在无人自动线中，通常可不包括步骤623，除非可用显示终端以便偶尔目视观察该 过程。第五实施例机动性机器人CMM臂在本第五实施例中，公开了一种机动性机器人CMM臂实施例。目前，对较大物体如 交通工具按照两种常规方式进行测量使用比交通工具更大的CMM如拖架CMM或对置的水 平臂CMM，或者在交通工具周围运动的具有较小测量延伸范围的可移动设备。较大CMM特别 是在其为自动化时，就需要较大资本投资。可移动设备需要熟练的手动工作并且易受人为
误差影响。本第五实施例的一个目的在于提供一种用于测量大型物体如交通工具的机动性 机器人CMM臂，其自动、精确、灵活，并且与大型CMM相比尺寸较小且成本更低。现在参看图69，分别以侧视图、端视图和仰视图示出了机动性机器人CMM臂700。 机动性机器人CMM臂700包括安装着机器人CMM臂1的交通工具701。机器人CMM臂1刚 性地连接于三脚基座704上，三个尖脚706通过脚降低致动器的作用从三脚基座704上降 低；当尖脚706处于放下位置时，机动性机器人CMM臂700的总重量就由尖脚706支承并且 可以进行精确测量。交通工具还包括四个轮子702、电池705、自动充电/通信触点710、用 于驱动轮子的马达/齿轮箱单元703、控制单元709以及带追踪/目标识别传感器708，其 中用于手动设置并控制机动性机器人CMM臂700的悬架153连接于控制单元709上。现在 参看图70，示出了使用机动性机器人CMM臂700的交通工具测量区域的典型平面布置图。 机动性机器人CMM臂700沿着由带712在交通工具9周围布置的轨迹而行。在沿着带712 的间隔处为目标714，目标714指示机动性机器人CMM臂700的位置以便停止并测量交通工 具。每个目标714优选地唯一并可以识别在该位置处所使用的测量程序389。一阵列参考 圆锥713提供于交通工具测量区域的地面718上，机动性机器人CMM臂700可以准确地从 此参考其定位。提供充电/通信站711以便通过机动性机器人CMM臂700上的自动充电/ 通信联络710从电力供应719向电池705自动充电并且与计算机网络720通讯。现在参看 图71，插入式参考圆锥715可以永久地位于地面718中。可拆卸式参考圆锥716可以暂时 粘合于地面718。在需要提高参考基准精确度的情况下，提供凸起式参考圆锥717。现在参 看图72，参考圆锥713的三维位置存储于参考圆锥定位阵列721中。目标714的三维位置 存储于目标位置阵列722中。带的三维多叉线存储于带多叉线阵列723中。
准备过程使用准确的三维测量装置如由Leica或Faro Technologies提供的光学跟踪装置 来对参考圆锥阵列721中的每一个参考圆锥713的精确位置进行测量。还对作为带多叉线 阵列723的带712的路径和作为目标位置阵列722的目标714的位置进行测量。参考圆锥 阵列721提供整体坐标系461。这些测量只需要每年进行一次或者在布局改变的情况下进 行。将参考圆锥721、带路径723和目标722位置的阵列提供给脱机程序设计系统，该脱机 程序设计系统还可以提供对过程的仿真。操作人员使用脱机程序设计系统产生测量程序 389。机动性机器人CMM臂700的电池705在充电/通信站711处进行充电。将测量程序 389和阵列721、722、723下载至机动性机器人CMM臂700的控制单元709。可为交通工具 的物体9大致移入用于产生测量程序389的程序设计定位中。物体9通常带有相对于物体 坐标系361的参考基准。将物体9的位置调节至位于程序设计定位的较小误差范围内。
现在参看图73的准备过程-在第一步骤731中，测量参考圆锥713、目标和带712;向脱机程序设计系统提供 阵列 721、722、723-在步骤732中，使用脱机程序设计系统产生测量程序389；-在步骤733中，对电池705充电；-在步骤734中，将测量程序389下载至机动性机器人CMM臂700中；-在步骤735中，将物体9移动至大致位置并进行调节。这个过程为准备过程的一个实例，并且意欲用来示例说明一种可能的准备过程， 但是本实施例并不限于这种准备过程。例如，步骤733，可以在过程中任一点处对电池充电。测量过程操作人员11启动测量操作。机动性机器人CMM臂700执行测量程序389。机动性 机器人CMM臂700随带712而行并且前进至第一编程设定的目标714。其停止并且使用脚 放下致动器707来放下其尖脚706。机动性机器人CMM臂700通过测量在臂延伸范围内的 所有参考圆锥713而相对于整体坐标系461进行自身定位。假设机动性机器人CMM臂700 相对于目标的定位与定向的可再现性好于5mm。用于测量参考圆锥713定位的程序包括在 大于5mm范围内的搜索例程以便在测量其之前首先定位参考圆锥。利用局部参考圆锥713 的位置，机动性机器人CMM臂700坐标系363被参考至整体坐标系461。机动性机器人CMM 臂700执行该位置的测量程序389。然后，其抬起其尖脚706并且前进至下一个位置处。这 种过程重复进行直至完成测量程序389并且机动性机器人CMM臂700已经回到了充电/通 信站711处为止。测量结果通过通信网络720从机动性机器人CMM臂700上载至指定的计 算机。在至少一个目标714位置处，对物体9上的相对于物体坐标系361的参考基准进行 测量。这就提供了物体坐标系统361与整体坐标系461之间的基准。现在参看图74的测量程序-在第一步骤741中，将机动性机器人CMM臂700移至第一目标；-在步骤742中，在目标上方停止机动性机器人CMM臂700，放下尖脚706；-在步骤743中，通过测量本地参考锥体713而将机动性机器人CMM臂700参考至 局部参考锥体713 ；-在步骤744中，机动性机器人CMM臂700根据测量程序389测量物体9；
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-在步骤745中，抬起尖脚706；-在步骤746中，校验程序是否完成？如果完成则转向步骤747。如果未完成则转 向步骤748 ；-在步骤747中，使机动性机器人CMM臂700移动至下一个目标；转向步骤742；-在步骤748中，使机动性机器人CMM臂700返回充电/通信站711;-在步骤749中，上载测量结果。这个过程为测量程序的一个实例，并且意欲用来示例说明一种可能的测量过程， 但是本实施例并不限于这种准备过程。例如，可能需要在整个测量过程的中间对电池部件 进行再充电的其他步骤。自动导向车辆领域的普通技术人员将会理解，机动性机器人CMM臂700提供了这 种应用所需的所有设备。例如，提供了对轮转向角度的自动致动以便使车辆701转向。提 供了用于带追踪与目标识别的算法。提供了参考圆锥的位置映射。提供了用于检测可能碰 撞的安全传感器。提供了视觉与听觉警告系统。本第五实施例的范围并不限于所公开的方法与设备，而是包括提供用于自动、精 确且灵活地测量大型物体的机动性机器人CMM臂700的所有方法。例如，机动性机器人CMM 臂700可以具有三个、五个或五个以上的轮子。三脚基座704可以具有四个或四个以上的 尖脚并且脚放下致动器707可以提供作用于每个尖脚上的恒力。每个轮子702都可以独立 地换向。无线电定位系统或推测领航系统可以用于代替带712和目标714。工具球、光学目 标或任意其它接触或非接触基准人工制品可以用于代替参考圆锥713。可以提供多个蓄电 池。测量的过程可以在机动性机器人CMM臂700或网络上的计算机上进行。交通工具701 可以与机器人CMM臂1和三脚基座706组合形成一个自给系统，或者交通工具可以牵弓I三 脚基座406上的机器人CMM臂1从一个位置到另一个位置，然后在测量过程期间撤出。交 通工具701可以由各种能源中的一种或多种驱动并操作，这些能源包括电池、沿着永久固 定电缆的电能、来自轨道的电能、燃料电池和可燃物如汽油。在本第五实施例的另一个实 施例中，动态安装件被刚性固定到地面718上。机器人CMM臂1可由机动性机器人CMM臂 700而抬起与放下。机动性机器人CMM臂700追踪着带712并在动态安装件处停止。机器 人CMM臂1被下放到动态安装件上。自动锁定机构使机器人CMM臂1定位并将其锁定于可 重复的定位与定向中。当就位时，这些动态安装件的可重复性好于10微米。使用本发明所 属领域的普通技术人员所知的动态安装方法如三个按120度定向的圆柱体来实现这点。在 使用机动性机器人CMM臂700之前，利用精确的三维测量装置如Leica光学跟踪装置来映 射机器人CMM臂1在固定于地面上的每个动态安装件中的定位与定向。这样，当每次使用 机动性机器人CMM臂700时，在不需要在每个位置处参考至参考圆锥713的情况下，机器人 CMM臂1就处于已知整体坐标系461中。第六实施例带有可移置式外骨骼的机器人CMM臂在本第六实施例中，公开了 一种带有可移置式外骨骼的机器人CMM臂实施例。上 文中已经公开，用于机器人CMM臂的机器人程序可以脱机生成或者通过交互训练一系列机 器人运动而形成。对于多数物体而言，两种对机器人CMM臂进行程序设计的方法都大大慢 于利用手动CMM臂手动测量物体的方法。
本第六实施例的一个目的在于提供一种带有可移置式外骨骼的机器人CMM臂，以 便在除去外骨骼的情况下手动测量第一物体，而利用所移置的外骨骼自动测量所有其它类 似物体。现在参看图75，示出了带有可移置式外骨骼750的机器人CMM臂，其中外骨骼6或 者被去除或者缩回而内部CMM臂5可手动操作。现在参看图76，提供了外骨骼段343来作 为带有从其碾磨出的狭槽的管，以便使得CMM段333可在外骨骼6移置期间从外骨骼段343 中提出。CMM段535可以类似地被从外骨骼段545中提出，而CMM段838可以类似地被从外 骨骼段848中提出。带狭槽的管具有足够的壁厚以便提供所需强度。现在参看图77，提供 了连接于外骨骼段343上的传动装置373来作为对开轴承组件，其包括上轴承751、下轴承 752、铰链753和紧固件754，以便使得当紧固件754被松开时，可将CMM段333提出。类似 地提供了传动装置575和传动装置777作为对开轴承组件。现在参看图78的使用带有可移置式外骨骼750的机器人CMM臂的测量过程-在第一步骤760中，将外骨骼6从内部CMM臂5移置；带有可移置式外骨骼750 的机器人CMM臂自动移入适当空间布局中，当(a)内部CMM臂5可容易地从外骨骼6上松 开并且(b)外骨骼6不妨碍将来手动使用内部CMM臂5时；传动装置被手动松开；内部CMM 臂5被从外骨骼6提出；任选地，例如可以通过铰链装置而使外骨骼6缩回远离内部CMM臂 5 ；任选地，例如可以通过机械地松开其螺栓连接并使其断电而将外骨骼6去除；-在步骤761中，使用内部CMM臂5手动测量物体9；-在步骤762中，如果外骨骼6已经缩回或者被除去则更换外骨骼6；将内部CMM 臂5提入外骨骼6并且紧固传动装置；-在步骤763中，使用带有可移置式外骨骼750的机器人CMM臂自动测量一个或多 个类似物体9。本第六实施例的范围并不限于所公开的方法与设备，而是包括能提供带有可移置 式外骨骼750的机器人CMM臂的所有方式。外骨骼的移置并不限于所公开的无妨碍定位、 除去与缩回这些方法，而是包括移置外骨骼以便可以手动使用内部CMM臂的任何方法。本 发明所属领域的普通技术人员将会理解，带有可移置式外骨骼750的机器人CMM臂带有所 有其手动与自动操作所需的设备。多数用户具有各种待测量的物体，一些物体使用手动CMM 臂测量最好，而其它物体使用机器人CMM臂测量最好。购买一次，带有可移置式外骨骼750 的机器人CMM臂就为用户同时提供了手动CMM臂与机器人CMM臂。带有可移置式外骨骼 750的机器人CMM臂还具有易于装配、测试与修理的优点。第七实施例耦合机器人CMM臂在本第七实施例中，公开了一种包括耦合CMM臂与机器人外骨骼的机器人CMM臂。 带有足够接头的CMM臂呈现空间冗余，其中对于大多数给定探头端的定位与定向，臂的中 间接头可能具有一组连续的不同定位。为了操纵CMM臂的探头端同时限制中间接头在重力 或惯性力作用下加速，CMM臂必须由机器人外骨骼支承于至少两个位置处靠近探头末端 处和靠近中间位置处。现在公开了耦合机器人CMM臂的一个特定实施例。现在参看图79， CMM臂5与机器人外骨骼6互相邻近地安装于表面7上以便形成耦合机器人臂780。在CMM 臂5与机器人外骨骼6之间的基座间距被优化，这部分根据CMM臂与机器人外骨骼的延伸范围以及应用要求来进行。CMM臂在其最后的段38上承载着探头90。CMM臂5与机器人 外骨骼6通过从动横梁771与从动线性轴779而连接于两个位置中。从动横梁771刚性连 接于机器人机械爪770上以便当机器人机械爪770绕着机器人外骨骼接头767旋转时，从 动横梁771扫过圆形路径。从动横梁771通过旋转套环772与部分受限的通用接头778连 接于CMM段737上以便使机器人外骨骼6可以控制CMM段7 37的定位与定向。从动线性 轴779连接于机器人外骨骼段545与CMM段5 35之间。从动线性轴779通过旋转套环774 与万向接头776而连接于机器人外骨骼段5 45上。从动线性轴779通过旋转套环775与 万向接头777而连接于CMM段5 35上。从动线性轴779构成除机器人外骨骼6的七个从 动轴之外的第8从动轴。可以在程序控制下使用本发明所属领域的普通技术人员所知的方 法增加/减少从动线性轴779的长度。通过增加或者减少从动线性轴779的长度，就可以 限制CMM臂5的肘部在CMM接头4 54与相关段处的位置冗余。第9从动轴，即从动旋转轴 773驱动CMM接头7 57并且容许探头90绕着CMM段8 38的轴旋转。存在多个机器人外骨骼6可以与CMM臂5耦合以便提供耦合机器人CMM臂780的 实施例。本第七实施例的范围并不限于以上本第七实施例中所公开的耦合机器人CMM臂 780，而是包括机器人外骨骼6通过传动装置和其它装置与CMM臂5的各种类型的耦合。例 如，在另一个实施例中，CMM臂5与机器人外骨骼6可以连接于两个以上位置中。在一个 CMM臂呈现空间冗余并且中间接头的空间方位并不重要的单独实施例中，CMM臂5与机器人 外骨骼6可以只连接于探头端处。在一个CMM臂5并不呈现空间冗余的不同实施例中，CMM 臂5与机器人外骨骼6可以只连接于探头端处。第八实施例带有外骨骼的手动CMM臂典型使用模式中的典型手动CMM臂具有通过以下方式作用于其上的力/力矩。-通过刚性地安装于支承结构上的基座2-通过与刚性地安装于支承结构上的物体接触的接触探头95-通过操作员的左手-通过操作员的右手-作用于整个手动CMM臂上的重力-通过平衡弹簧连接装置手动CMM臂的测量误差存在多种原因，这些误差使其测量用途的鲁棒性减弱，原 因包括作用于手动CMM臂上的力/力矩，所述力/力矩引起小的几何变形从而导致测量误 差。手动CMM臂上测量误差的一些最显著原因包括-原因1由于手动CMM臂意外落在或撞击于硬物上而造成损坏。在第一损坏模式 中，严重的损坏要求将手动CMM臂送返厂家修理并再校准。在第二损坏模式中，成年累月的 碰撞的积累易于松动手动CMM臂中的接头并且为此而损失其精度；-原因2通过操作员的左手和右手施加于手动CMM臂上的力与力矩；这些力与力 矩可以使手动CMM臂的轴承与段变形；如果接触探头95与物体或支承结构接触，这些力与 力矩就可能加大；一种轴承与段变形的不良情况是当CMM段3-5 33-35排成一行并且操作 人员用手跨过CMM段3-5 33-35和CMM接头3-4 53-54施加弯曲力矩时，就可能导致约为 0. 5mm的误差；
-原因3如果补偿装置210如内部机加工弹簧内置于CMM接头2 22中，跨过CMM 段2 32与CMMS段3 33之间的CMM接头222的平衡力矩就可从段3的垂直方位中的ONm 附近到段3的水平方位中的IONm左右的典型范围内变化。这种可变的力矩将会导致来自 两个源的测量误差由于作用于其上的力矩而导致CMM段333的偏转，以及由于跨过CMM接 头2 52中的轴承施加力矩而导致的不准确度-原因4由于操作人员的手而造成的局部不对称的热传递；-原因5手动CMM臂的非无限旋转轴碰撞于缓冲块上，从而引起作用于手动CMM 臂上的冲击；-原因6手动CMM臂的非无限旋转轴对着缓冲块弯曲从而使得作用于手动CMM臂 上的弯曲力矩可能相当高(轴2上的转矩超过IONm就不寻常)；-原因7当利用运动的手动CMM臂进行测量如在使用条纹探头97扫描的情况下 时，手动CMM臂的质量与惯量产生动态测量误差；手动CMM臂的典型IOkg质量的大部分是 由于需要构造能够在不需要重新校准的情况下经受起误操作的坚固的手动CMM臂；-原因8通过接触探头95尖端的触点施加于臂上的力；这样，相当大的手动CMM 臂重量通过接触探头95作用；如果操作人员11由手动CMM臂承重，那么操作人员的部分重 量就也可以通过接触探头95作用；-原因9当由操作人员手握时，通过光学探头91施加的力与力矩；-原因10运输期间施加的冲击与振动；多数情况下，运输情况的设计提供了作用 于臂上的不合需要的力与力矩。在市场存在成千上万的手动CMM臂并且它们随着时间的过去变得更精确。更新、 更精确的臂中存在的主要用户问题是在精确度与鲁棒性之间的综合平衡。由于手动CMM臂 越精确，则它们的鲁棒性就越低。在制造处的校准设备中很精确的臂在运输给顾客或者顾 客使用短时间后可能会损失其精度。在本第八实施例中，公开了 一种带有外骨骼的手动CMM臂，其包括轻型内部CMM臂 和外骨骼，外骨骼由操作人员握持，其显著地降低了测量误差的这些原因并且与CMM由操 作人员直接握持的等效的手动CMM臂相比更精确并且更坚固。现在参看图80A，所提供的带有外骨骼系统802的手动CMM臂包括带有外骨骼800 的手动CMM臂，其利用电缆152连接于膝上型电脑151上。带有外骨骼800的手动CMM臂 具有基座端2和探头端3。带有外骨骼800的手动CMM臂安装于表面7上。探头90安装于 带有外骨骼800的手动CMM臂的探头端3上。光学探头91也安装于带有外骨骼800的手 动CMM臂的探头端3上。操作人员按钮183邻近于探头端3安装。带有外骨骼800的手动 CMM臂包括基座4、内部CMM臂5、外骨骼801、位于外骨骼接头2 62上的补偿装置210以及 传动装置10。所测量的物体9位于表面上7上。外骨骼801重量轻并且传动装置10支承着内部CMM臂5以便使作用于内部CMM臂 5上的应力最小化。外骨骼801保护着内部CMM臂5。外骨骼801为柔性，其中在任何一个 长段XXX，XXX上的典型段偏转为从0. 1到5mm，但是段偏转可能大于5mm或者小于0. Imm0 外骨骼801的任意弯曲都通过支承刚性内部CMM臂的传动装置10中的柔度而被吸收；在其 它实施例中，外骨骼801可能为刚性。外骨骼801由高强度且轻质的材料如碳纤维或者硬 塑料制成，也可能由任意功能的材料制成。外骨骼801完全封装着内部CMM臂5以便充分保护它，但是在其它实施例中其可只是部分封装着内部CMM臂5。外骨骼801从人机工程学 的方面设计用于由操作人员握持。内部CMM臂5为轻型；由于外骨骼801的保护，所以内部 CMM臂5不需要设计成足够强壮以经受使用中违反操作规程而施加的负载。内部CMM臂5 并不包括与用于以下方面的保护功能相关联的额外重量，这些方面为正常使用与违反操作 规程、环境密封、人类工程学、电子装置以及装饰品，它们均由外骨骼801进行处理。为此， 内部CMM臂5在单位长度上平均重量更轻。本带有外骨骼的CMM臂发明的带有外骨骼800的手动CMM臂第八实施例与连接于 内部CMM臂5上的光学探头91 一起使用。外骨骼801由操作人员11握持。光学探头91设 计成使得其由外骨骼801保护以免被操作人员11握持。这样，操作人员不能对内部CMM臂 5或光学探头91直接施加应力，并且带有外骨骼系统802的手动CMM臂与不带外骨骼790 的等效手动CMM臂相比更精确。在替代实施例中，带有外骨骼800的手动CMM臂与连接于内部CMM臂5上的光学 探头90—起使用。外骨骼801由操作人员11握持。这样，操作人员不能对内部CMM臂5 或光学探头90上直接施加应力，并且带有外骨骼系统802的手动CMM臂与不带外骨骼790 的等效手动CMM臂相比更精确。无线桉钮单元到目前为止，用于控制带有外骨骼800的手动CMM臂的按钮已经硬连接于臂上并 穿过臂。这就就将按钮限制于一个或多个固定位置，或者位于第七轴或位于带有滑环的旋 转按钮套环上的至多一个旋转位置。用于控制带有外骨骼800的手动CMM臂的一个新实施 例提供了集成式无线按钮单元814，用户能方便地放置控制按钮183。无线按钮单元814包 括一个或多个按钮183、发射器815并且其由自给式电池816供电。无线按钮单元814带有 载体843，其包括用于无线按钮单元的座和一个或多个用于将载体紧固于沿着外骨骼6的 几乎任意位置处的Velcro带844。提供了无线接收器847，其集成于带有外骨骼系统802的 手动CMM臂上并且内置于基座4中。可能具有或没有用于无线接收器847的天线848。天 线848可为或者可不为外置式并且/或者可拆卸式。在另一个实施例中，滑动与旋转载体 845提供于外骨骼6的长圆柱段中的每一个上。无线按钮单元814具有装入载体843或滑 动与旋转载体845中的简单相容的压配合以便使得其可以快速定位于任意相容载体上或 者将其除去。滑动与旋转载体845通常不会被从其相应外骨骼节段上除去。滑动与旋转载 体具有简单制动/松开控制器846 ；在制动位置中其不能滑动或者旋转；在松开位置中，操 作人员可使其滑动或者旋转至所需位置。制动/松开控制846可以单独地操作。在带有外 骨骼800的手动CMM臂用作指示器并且按钮183用作选择按钮时，按钮183可以利用适当 的系统硬件与软件来控制带有外骨骼系统802的手动CMM臂的任意功能，包括用户接口点 与选择功能。缓冲块现在参看图80B，带有外骨骼800的手动CMM臂带有缓冲块818以便使得臂在基座 端2垂直向上定向时停放于停放位置中，其中接头中心424为最高接头中心并且探头端3 朝着基座4向下悬挂，以便使位于接头中心222之后的臂的段不会处于重力作用之下。位 于外骨骼接头2 62上的缓冲块818提供了从垂直方向超过停放角度R的停放点，其中外 骨骼接头2 62正好经过外骨骼接头1 61，从而使得位于接头中心2 22之后的带有外骨骼800的手动CMM臂的那部分的重心位置位于接头中心222上方的立轴的缓冲块侧。R的典 型值为5度但是可更多或更少。当外骨骼停放于缓冲块上时，CMM接头2 52在到达任意硬 限制器之前相当自由地旋转。在外骨骼802内作用的缓冲块818的优点在于，如果外骨骼 802被硬推靠在缓冲块818上，当缓冲块818接触或经受弯曲力矩时，内部CMM臂5就不受 冲击影响，这就意味着内部CMM臂5的设计可以更轻并且带有外骨骼800的手动CMM臂整 体上更坚固。此外，可以在外骨骼段242与外骨骼段3 43之间提供位置靠近缓冲块818或 者处于替代杠杆作用位置的磁体817，以便使得需要相当大启动压力来克服磁引力并且起 动接头中心2 22旋转；这就意味着在经过垂直方向时更难以意外地碰撞臂，从而使其在重 力作用下落下并受到损坏。在替代实施例中，磁体817可以用作缓冲块和阻尼磁铁的双重 用途。测量误差的特征与减少带有外骨骼800的手动CMM臂提供于包括本发明中先前所公开的益处的装置的多 个实施例中，这些装置包括但不限于带有一个、两个或两个以上的读头186的CMM编码器 178、CMM温度传感器180、CMM应变仪181、台架110及其他安装装置、预应力轴承、任意类型 的光学探头、包括压力探头99在内的任意类型的接触探头、任意数量的探头、校准装置、活 动传动装置、用于臂与任意或者所有设备如连接于其上的探头的电池与电池充电装置，以 及使得带有外骨骼系统802的手动CMM臂能够行使功能的任意设计的系统总体结构。这种带有外骨骼800的手动CMM臂第八实施例在许多方面减少了造成测量误差的 原因原因1减少带有外骨骼810的手动CMM臂设计成能经受撞击和下落高达合理水 平的违反规程操作为止。外骨骼801吸收绝大多数的冲击，内部CMM臂5通过外骨骼801 而得到防护并且所有的冲击负荷只是通过传动装置10传递。如果正在下落，冲击的最可能 的点之一就是探头90并且在本公开内容中稍后公开了用于减少造成测量误差的这种原因 的其它装置。原因2减少传动装置10保证只将用于对抗重力的最佳支承力施加于带有外骨骼 系统812的手动CMM臂的内部CMM臂5上。这样，由操作员施加的转矩主要被外骨骼801 所吸收，而未施加于内部CMM臂5上。这包括CMM段3、4 33与34排成一行的情况，以及操 作人员用手施加跨过外骨骼段3-5 43-45与外骨骼接头3-4 63-64的弯曲力矩的情况，在 这种情况下，外骨骼段3-5 43-45与外骨骼接头3-4 63-64于是发生变形，而不会通过传动 装置3-5 73-75施加跨过CMM段3-5 33-35和CMMJ接头3_4 53-54的显著弯曲力矩，因为 传动装置刚度低并且吸收变形而不会传递显著的力矩。原因3减少由补偿装置210施加的平衡转矩通过外骨骼801施加，而不通过内 部CMM臂5施加。这就意味着补偿装置210的力矩不会作用于只被简单支承的CMM段3 33 上。CMM段3 33的偏转比平衡转矩施加于CMM段3 33上的相应手动CMM臂的偏转低大约 30倍。这种平衡转矩施加于CMM段3 33上的手动CMM臂需要更硬且更重的CMM段3 33。 因此，带有外骨骼810的手动CMM臂比平衡转矩施加于CMM段3 33上的手动CMM臂更精确 且更轻。原因4减少操作人员的手握住外骨骼而非内部CMM臂。外骨骼与内部CMM臂绝 热，从而显著减少了通过操作人员的手进行的局部热传递。
原因5减少具有位于外骨骼上的缓冲块因此不需要位于内部CMM臂上的缓冲块。 当操作人员移动带有外骨骼810的手动CMM臂并且其击中缓冲块以便使得外骨骼801快速 减速时，传动装置10就吸收更多的冲击，从而减少内部CMM臂5上的减速水平。原因6减少具有位于外骨骼上的缓冲块因此不需要位于内部CMM臂上的缓冲块。 当操作人员将带有外骨骼810的手动CMM臂弯向缓冲块时，外骨骼801就偏转从而吸收所 有弯曲力矩而内部CMM臂5没有受到弯曲力矩。原因7减少带有外骨骼810的手动CMM臂的内部CMM臂5可以比手动CMM臂更 轻。这将会减少了其动态扫描性能中的测量误差。探头和光学探头盖现在参看图81，探头盖803连接于外骨骼801的探头端上。探头盖803具有三种 使用模式放下，可移置以及缩回。探头盖杠杆805用于在三种使用模式之间移动探头盖 803。在放下模式中，探头盖803在发生意外碰撞的情况下保护探头90 ；放下模式为用于运 输、在新位置装配以及使用光学探头91时的正常模式。在可移置模式中，探头盖803可移置 以便使得探头90能够执行接触测量。探头盖803克服探头盖弹簧806沿轴向向上移置，以 便使得其通常处于覆盖着探头90并保护探头90免于被侧向碰撞的位置中。当探头90被 沿轴向放到物体9上时，探头盖弹簧806承受带有外骨骼800的手动CMM臂的一些重量并 因此作为补偿器。在缩回模式中，探头盖803缩回并留下完全露出的探头90。探头盖803 可以用于任何类型的探头90，特别是不柔顺或易碎的探头90，包括带或不带可拆式描形针 的触发式测头92、带或不带可拆式描形针的压力探头99以及固定接触探头95。探头盖803 可以由大多数工程材料制成，但是优选地为轻型、刚性材料。优选地，优选软涂层如橡胶以 便使其握起来舒适并且在三种模式之间移动更舒适。探头盖803透明以便可通过其看到探 头90。原因8减少探头盖803在许多方面减少了这种造成测量误差的原因，包括在放 下模式和可移置模式的多种方位中，探头盖803通过外骨骼801吸收带有外骨骼810的手 动CMM臂的重量并且保护探头90免于碰撞。当在可移置模式中测量时，由操作人员作用于 外骨骼810上的小附加压力使探头90与物体9的表面在小接触力下进行接触；理想接触重 量处于10-30g的范围内。Renishaw TP 20探头优选用于探头90但是大多数触觉触发与固 定探头也可使用。在可收缩模式下，没有减少测量误差，但是缩回的探头盖803具有下列优 点，即其使得能够充分接近带有外骨骼810的手动CMM臂以便测量难以接近的区域。现在参看图82A，公开了一种光学探头盖804。光学探头盖804连接于外骨骼801 上并且设置成用于保护光学探头91。光学探头盖804可以由操作人员握住，并且不会向光 学探头91传递力或力矩。光学探头盖804在发生偶然碰撞的情况下保护光学探头91。现 在参看图82B，光学探头盖804的第二目的是用作把手以便使得带有外骨骼800的手动CMM 臂可以更多容易地由操作人员11手持。光学探头盖804和探头盖803中的任何一个或者 两个可以提供于带有外骨骼800的手动CMM臂中。光学探头盖804在许多方面减少了造成 测量误差的原因，包括原因9减少光学探头盖804吸收带有外骨骼810的手动CMM臂的重量并且可以 由操作人员手持。当操作人员手持光学探头盖804时，光学探头91没有收到力或力矩。部分外骨豁
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在本第八实施例的另一个实施例中，外骨骼802可以是带有比CMM段少的外骨骼 段的部分外骨骼。现在参看图83A，所提供的部分外骨骼807包括三个外骨骼段1-3 41-43 以及两个外骨骼接头1-2 61-62。这种部分外骨骼807具有位于外骨骼接头2 62处的补偿 装置210，其优选地为机加工弹簧并且被包含于部分外骨骼807的外壳内。这就意味着带 有其中外骨骼为部分外骨骼807的外骨骼800的手动CMM臂具有平衡臂的可用性，围着下 部段的单个外壳的便携性优点，补偿装置并不通过任意CMM段1-3 31-33或CMM接头1_2 51-52施加力矩，这就提供了精度优点和围着CMM段1-3 31-33整齐并且紧凑装配的美观性 优点。部分外骨骼并不限于部分外骨骼807，而是可以包括比部分外骨骼807少的段和或接 头，或者比其多的段和或接头。现在参看图83B，所提供的延伸部分外骨骼808包括四个外 骨骼段1-4 41-44以及两个外骨骼接头1-361-63。延伸部分外骨骼808支承着内部CMM臂 5时，比部分外骨骼807更靠近CMM接头454。这就意味着在延伸部分外骨骼808中，与部 分外骨骼807相比作用于CMM段434上的弯曲力矩更小，并且具有延伸部分外骨骼808在 肘部处整齐地终止的美观性优点。外骨骼接头363具有与CMM接头353大致相同的接头位 置。替代地，外骨骼接头363可以提供于更靠近肘部处并且与传动装置474相结合而作为 轴承。然而，CMM接头4容易受到碰撞。现在参看图83C，提供了保护延伸部分外骨骼809， 其为优选部分外骨骼实施例，包括五个外骨骼段1-5 41-45和四个外骨骼接头1-4 61-64。 外骨骼段5 45为覆盖着肘部的短段并且包含作为冲击吸收元件的缓冲器819。保护延伸部 分外骨骼809通过传动装置4 74在与延伸部分外骨骼808相同的区域靠近CMM接头4 54 支承内部CMM臂5。短外骨骼段545绕着外骨骼接头4 64旋转。提供了传动装置5以便 使作用于CMM段5 35上的任意弯曲力矩最小化。这就意味着短外骨骼段5 45特别是缓冲 器819保护CMM接头4 54在使用期间免受碰撞，免受来自操作人员的手的热传递以及免受 违反规程操作如使肘部下垂。本部分外骨骼实施例并不限于所公开的实施例，而是可以包 括外骨骼6中的接头和段的数量低于内部CMM臂5中的接头和段的数量的任意设置结构。 例如，部分外骨骼可能包括外骨骼段1-5、外骨骼接头1-5以及位于肘部CMM接头4之前和 腕部CMM接头6之前的两个传动装置10。这种设置结构的优点在于简便地支承两个长CMM 段以便使得无论握住外骨骼6何处，内部CMM臂5的大部分长度上的负载都可重复。接头分组在常规型手动CMM臂中，CMM接头353提供于邻近CMM接头4 54处而不是邻近 CMM接头2 52处以便不会使操作人员不便地握住旋转段。类似地，CMM接头5提供于邻近 CMM接头6 56处而不是邻近CMM接头4 54处。按照肩部-肘部-腕部处的CMM接头分组 的常规型手动CMM臂CMM接头布局被称为6-轴臂的2-2-2和7轴臂的2_2_3，其优点是在 运动中与探头端相比质量更靠近基座；这就意味着用户感觉臂更轻并且用户不太累。在每 个接头处，具有至少来自轴承和编码器的质量。在带有外骨骼800的手动CMM臂中或者其 带有部分外骨骼807、延伸部分外骨骼808或保护延伸部分外骨骼809或者任意其它类型部 分外骨骼的替代实施例中，CMM接头353可以提供于邻近CMM接头252处而不是提供于邻 近CMMJ接头454处，如图83C所示。按照肩部-肘部-腕部的CMM接头分组分别为6-轴 臂的3-1-2和7-轴臂3-1-3。在带有外骨骼800的手动CMM臂中，CMM接头555可以提供 于邻近CMM接头252处而不是邻近CMM接头4 54处。这就意味着按照肩部-肘部-腕部 的CMM接头分组分别为6-轴臂的3-2-1和7-轴臂的3_2_2。在相同臂上，按照肩部-肘部_腕部的外骨骼接头分组分别为6-轴臂的2-2-2和7-轴臂的2-2-3。这就意味着CMM 接头分组不同于外骨骼接头分组并且提供了带有外骨骼800的手动CMM臂使用更轻便的优 点。带有外骨骼800的手动CMM臂实施例和带有部分外骨骼807、延伸部分外骨骼808或者 保护延伸部分外骨骼809或任意其它类型部分外骨骼的实施例可以每个移动段带有一个 传动装置或者可以每个移动段带有少于或多于一个的传动装置。测量和扫描方法提供了一种测量方法，用于在不需要操作人员握住内部CMM臂5或者接触探头95 的情况下利用带有外骨骼800的手动CMM臂进行手动接触测量，其中硬接触探头95安装于 探头端3上。现在参看图83D，在第一步骤881中，操作人员抓住带有外骨骼800的手动CMM 臂的外骨骼801并且使其运动以便使接触探头95与物体9在所需位置中接触。在步骤882 中，操作人员压下操作人员按钮183从而触发测量。在步骤883中，带有外骨骼系统802的 手动CMM臂响应按钮触发信号并且生成接触探头95的定位和/或定向。提供了一种测量方法，用于在不需要操作人员握住内部CMM臂5或者力探头99的 情况下利用带有外骨骼800的手动CMM臂自动进行接触测量，其中力探头99安装于探头端 3上。现在参看图83E，在第一步骤891中，操作人员抓住带有外骨骼800的手动CMM臂的 外骨骼801并且使其运动以便使力探头99与物体9在所需位置中接触。在步骤892中，力 探头99检测步骤881的接触情况并且自动触发带有外骨骼系统802的手动CMM臂。在步 骤893中，带有外骨骼系统802的手动CMM臂响应信号并且生成力探头99的定位和或定向。 这种方法在使用触发式测头92代替力探头99时可以适用。这种方法的另一个优点在于操 作人员不需要按压按钮以便提取点。提供了一种非接触扫描方法，在不需要操作人员握住内部CMM臂5或者光学探头 91的情况下利用带有外骨骼800的手动CMM臂来进行，其中外骨骼800具有安装于探头端 3上的光学探头91。现在参看图83F，在第一步骤901中，操作人员抓住带有外骨骼800的 手动CMM臂的外骨骼801并且使其运动以便使位于所需位置中的物体9的表面处于光学探 头91的测量范围内。在步骤902中，操作人员压下位于带有外骨骼800的手动CMM臂上的 操作人员按钮183。在步骤903中，带有外骨骼系统802的手动CMM臂响应信号并且开始扫 描。在步骤904中，操作人员相对于物体9移动带有外骨骼800的手动CMM臂以便使得物 体9的表面停留在光学探头91的测量范围之内。在步骤905中，操作人员压下位于带有外 骨骼800的手动CMM臂上的操作人员按钮183。在步骤906中，带有外骨骼系统802的手动 CMM臂响应信号并且停止扫描。提供了一种接触扫描方法，在不需要操作人员握住内部CMM臂5或者力探头99的 情况下利用带有外骨骼800的手动CMM臂来进行，其中外骨骼800具有安装于探头端3处的 带自动扫描能力的力探头99如Renishaw MSP-3。现在参看图83G，在第一步骤911中，操 作人员抓住带有外骨骼800的手动CMM臂的外骨骼801并且使其运动以便使力探头99在 所需区域与物体9接触并且将其留在那里达时间T的最小周期。在步骤912中，力探头99 在长于时间T的最小周期内检测步骤911的接触情况并且自动开始扫描。在步骤913中，操 作人员相对于物体9移动带有外骨骼800的手动CMM臂以便使力探头99与物体9的表面 保持接触同时力探头99继续扫描。在步骤914中，操作人员移动带有外骨骼800手动CMM 臂远离物体9以便使得力探头99与物体9的表面脱离接触。在步骤915中，力探头检测步骤914的接触脱离情况并且自动停止扫描。这种方法的另一个优点在于操作人员不需要在 扫描过程期间按压按钮。手动CMM臂的自动校准提供了新型机器人校准设备来用于手动CMM臂的自动校准以便去除校准过程中 的人为误差并且提供了如重复性和与自动化相关联的节约成本等方面的好处。在新型机器人校准设备的模块化实施例中，驱动装置为临时装配于带有外骨骼 800的手动CMM臂上。现在参看图83H，模块机器人校准装置920包括利用七根电缆922连 接于控制盒159上的七个驱动单元模块921。驱动单元921在快速装配过程中装配于带有 外骨骼800的手动CMM臂上。驱动单元921驱动外骨骼801以便使得没有力与力矩施加于 内部CMM臂5上。外骨骼801在每个接头处提供了至少两个夹紧凸缘923，一个凸缘923 在邻近接头处连接于每个段上，接头能够通过相邻外骨骼段接收并分布来自驱动单元模块 921的转矩。组合式带有外骨骼800的手动CMM臂和模块机器人校准装置920在机器人CMM 臂的临时实施例中有效。轴的优选数量为6或7，但是可以提供任意其它数量的轴。组合式 带有外骨骼800的手动CMM臂和模块机器人校准装置920可以自动执行校准过程，如先前 所公开的那些过程，以便校准机器人CMM臂1。在一个新型机器人校准设备的替代临时机器人CMM臂实施例中，内部CMM臂5由 外骨骼6操纵，外骨骼6带有用于自动校准内部CMM臂5的自动驱动装置。这样，设备暂时 为用于校准用途的机器人CMM臂1。提供了一种方法，用于使用新型机器人校准设备的以上实施例中任何一个校准带 有外骨骼800的手动CMM臂。在任选的第一步骤中，将手动外骨骼6从内部CMM臂5上除 去；如果内部CMM臂5刚制造出并且还没有手动外骨骼6装配于其上，那么就不需要这个步 骤。在第二步骤中，机器人外骨骼6连接于内部CMM臂5上。连接可以通过所公开的过程 如‘包覆’、‘短袜’或者‘插入’或者任意其它连接方法中的任何一种来实现。在第三步骤 中，通过先前所讨论方法中的任何一种自动执行校准。在第四步骤中，将机器人外骨骼6从 所校准的内部CMM臂5上除去。在第四步骤中，手动外骨骼6连接于所校准的内部CMM臂 5从而形成带有外骨骼800的校准手动CMM臂。连接可以通过所公开的过程如‘包覆’、‘短 袜’或者‘插入’或者任意其它连接过程中的任何一种来实现。在新型机器人校准设备的优选外部实施例中，手动CMM臂由机器人外骨骼所覆 盖。现在参看图831，外部机器人校准装置930包括带有外骨骼800的手动CMM臂和机器 人外骨骼6，机器人外骨骼6通过另一个传动装置10支承着带有外骨骼800的手动CMM臂 的现有外骨骼6。机器人外骨骼6利用电缆922连接于控制盒159上。这个实施例的独具 特征在于内部CMM臂5具有两个外骨骼中间手动外骨骼6和外部机器人外骨骼6。在这 个实施例中，需要比较少的机器人传动装置来支承带有外骨骼800的手动CMM臂，因为手动 外骨骼6已经最佳地支承着内部CMM臂5并且机器人传动装置只需要将带有外骨骼800的 6-轴或者7-轴手动CMM臂保持于最少两个位置中以便使其向任意方位运动。如前所述，优 选最少3或4个位置以便减少传动系统体积。带有外骨骼800的手动CMM臂与机器人外骨骼6的组合可以自动执行校准过程， 如先前所公开的用于校准机器人CMM臂1的第一实施例的那些过程，其可以包括附加的轴、 附加的人工制品、大量测量点和大量空间方位。这个新型机器人校准设备的集成实施例还可以用于校准不带外骨骼790的常规型手动CMM臂。在新型机器人校准设备的替代混合实施例中，新型机器人校准设备包括部分机器 人外骨骼和部分模块化驱动单元并且用于自动校准带有部分外骨骼807、延伸部分外骨骼 808或者保护延伸部分外骨骼809的手动CMM臂。带有外骨骼的下部接头由驱动单元921 驱动，并且不带外骨骼的上部单元由部分外骨骼6驱动。提供了另一种方法，用于使用新型机器人校准设备的上述实施例中任何一种在不 需要拆卸手动CMM臂的情况下校准手动CMM臂。本另一种方法适用于校准带有外骨骼800 的手动CMM臂、不带外骨骼790的常规型手动CMM臂、带有部分外骨骼807的手动CMM臂、 带有延伸部分外骨骼808的手动CMM臂以及带有保护延伸部分外骨骼809的手动CMM臂中 的任何一种。在第一步骤中，驱动设备连接于手动CMM臂上。连接可以通过所公开过程如 ‘模块连接’、‘包覆’、‘短袜’或‘插入’或者任意其它连接过程的任一种或任意组合来实现。 在第二步骤中，校准通过先前所讨论方法中的任何一种自动执行。在第三步骤中，将驱动设 备从校准手动CMM臂上除去。本另一种方法的优点在于不需要拆卸与重新装配手动CMM臂 的步骤。使用新型机器人校准设备的上述实施例中任何一种自动校准带有外骨骼800的 手动CMM臂或者内部CMM臂5的优点在于-除了连接与折卸驱动设备之外没有人力作业；这就节省了成本-没有人为误差；这就提高了精确度-以每秒校准点为单位的获取速度更快-校准过程可以比等效的手动过程持续更长的时期，因为操作人员会变累而机器 人驱动设备可以不知疲倦地操作-与利用等效的手动过程相比可以提取更多校准点；这就提高了精确度无论什么情况，带有外骨骼800的手动CMM臂或者不带外骨骼790的手动CMM臂将 会需要设计成考虑到连接用于自动校准的设备的需要。特别是，内部CMM臂5将会需要足 够坚固以便不管其具有手动外骨骼5还是具有机器人外骨骼6都能精确校准。优选的是， 对于手动与机器人外骨骼6而言，所支承的内部CMM臂5位置相同并且传动装置10的类型 相同。本发明并不限于所述的实施例，而是包括自动操纵手动CMM臂或者内部CMM臂以便 校准的所有方法。运输箱带有外骨骼800的手动CMM臂为便携式并且通常将会在运输箱中运输。内部CMM 臂5与运输箱的唯一直接连接是通过基座4。在所有其它位置中，内部CMM臂5通过传动 装置10与冲击与振动隔离，传动装置10设计成吸收噪音与振动。带有外骨骼800的手动 CMM臂的大部分质量处于高密度基座4中，并且与运输箱中的泡沫具有小的接触表面积。带 有外骨骼800的手动CMM臂的接触表面区域的大部分为外骨骼801的表面，其相应质量和 体积与基座相比为低密度。在冲击状况中，当运输箱与带有外骨骼800的手动CMM臂之间 的加速度不一致时，在外骨骼801的表面周围由冲击产生的力密度低，而在基座4表面的周 围由冲击产生的力密度高。由冲击产生的力密度在基座4的表面周围比外骨骼801的表面 周围高大约5-100倍。在碰撞期间，基座4周围的泡沫可能比外骨骼801的表面周围的泡 沫多压缩5-100倍。这个压缩比与基座4与外骨骼801沿每个冲击力方向的不同质量与表面积比有关。基座4与外骨骼801具有两个不同的减速度。这两个不同减速度在带有外骨 骼800的手动CMM臂内部形成冲击力与力矩，这可能造成其损坏。在冲击沿纵向向下并且 运输箱与带有外骨骼800的手动CMM臂的基座4高于外骨骼接头464的情况下，如当运输 箱在其端部上下落时，基座4的质量将会加速并且对基座4与外骨骼接头464之间的外骨 骼段2-4 32-34上产生显著的压缩力。在冲击横向跨过运输箱并且带有外骨骼800的手动 CMM臂处于大致水平的情况下，如当运输箱在其基座上下落时，基座4将会比外骨骼801进 一步向下移置并且在基座4遇到外骨骼段2 32之后在外骨骼段2-332-33上产生显著的弯 曲力矩。 现在参看图84，公开了 一种用于带有外骨骼800的手动CMM臂的运输箱830，其减 少了内部CMM臂5在运输期间所经受的冲击与振动。运输箱830具有沿着运输箱830长侧 通过铰链836连接的上下半部。运输箱830由填充材料831如泡沫填充。在填充材料831 中具有两个臂断流器837。臂断流器837精确并且包装材料831与带有外骨骼800的手动 CMM臂接触，除了填充材料831中的切口 832之外不会有空气间隙。在本发明的这个实施例 中，提供了轻且刚性的展延器形式833，其显著增加了延所需方向与填充材料831接触的表 面积。在将运输箱830放置于带有外骨骼800的手动CMM臂中之前、期间或者之后，带有外 骨骼800的手动CMM臂的基座4通过固定装置如螺栓838连接于展延器形式833上。展延 器形式833具有相当大的沿各个方向与填充材料831接触的有效表面区域。在一个优选实 施例中，展延器形式833的表面积主要位于3个正交平面上。对展延器形式833在任意方 向上的表面积的整体进行优化以便使由于包装材料831的不同局部偏转所造成的作用于 带有外骨骼800的手动CMM臂上的破坏力与力矩最小化。在任意方向上，展延器形式833 的面积中心大致穿过带有外骨骼800的手动CMM臂的基座4的质心Cg。这就意味着，在冲 击情况下，由于基座4的质心Cg与展延器形式833的面积中心明显不对齐，所以在基座中 几乎没有转动惯量生成。在展延器形式833的替代实施例中，可以使用展延器形式833的 其它形状，其中(a)使填充材料831的不同局部偏转最小化，(b)在任意方向上展延器形 式833的面积中心大致穿过基座4的质心Cg。这样，作用于运输箱830上的冲击的方向性 力密度与作用于刚性连接的展延器板833/基座4和外骨骼801上的相同。在探头端3周 围的支承区域中，填充材料831可以切除以便使得CMM段8 38、探头端3或探头90都不与 包装材料831接触，因为如果存在的话，CMM段838、探头端3与探头90都由传动装置10支 承。还可以通过在一个或多个位置处切除832填充材料831来进行优化以免与外骨骼801 接触。任选地，局部大量的较低弹性包装材料834可以提供于同带有外骨骼800的手动CMM 臂接触的位置处，其弹性低于包装材料831的主体的弹性。任选地，局部大量的较高弹性包 装材料835可以提供于同带有外骨骼800的手动CMM臂接触的位置处，其弹性高于包装材 料831的主体的弹性。本发明所属领域的普通技术人员可以使用用于模拟冲击状况下的惯 量的3D CAD分析软件来优化分流板833、切除材料832、局部大量的较低弹性填充材料834 与局部大量的较高弹性填充材料835中一个或多个的组合。为了使运输箱830的尺寸最小 化，当带有外骨骼800的手动CMM臂位于运输箱830中时，带有外骨骼800的手动CMM臂的 两个长段将会平行或者接近平行。对展延器形式833、切除材料832、局部大量的较低弹性 包装材料834以及局部大量的较高弹性包装材料835的形状与位置进行优化以便用于纵向 与横向冲击的情况。运输箱830的外层壳839由适用材料如超高分子量聚乙烯制成并且带有形状特征如肋线以便吸收冲击与振动。整体形状并不限于六个正交侧面，而是可以具有 任意数量的复杂曲线形状的侧面。外壳839的尺寸和形状与带有外骨骼800的手动CMM臂 在运输箱830中的位置和布局限定了任何点处的外壳839与带有外骨骼800的手动CMM臂 之间的距离。对壳体839的尺寸与形状进行优化以便协调由于各个方向的冲击而造成的填 充材料831的偏转。提供了装置如舌与凹槽边缘以及氯丁橡胶垫片防止水分进入。提供了 重型闩锁。原因10减少运输箱830通过在冲击期间实现力密度均勻而大大地减少了由于运 输期间对运输箱830冲击而形成的作用于带有外骨骼800的手动CMM臂上的力与力矩。第九实施例带有保持外骨骼的手动CMM臂在带有外骨骼的手动CMM臂的另一个实施例中，提供了保持装置811。现在参看图 85，带有保持外骨骼系统812的手动CMM臂具有提供于带有保持外骨骼810的手动CMM臂 的外骨骼接头1-4 61-64处的保持装置如制动器811。保持装置优选地为制动器811，制动 器811为在盘片813上操作的电磁制动器，但是保持装置可以通过以下任何手段来保持臂， 包括-可手动操作的机械连接；-力致动机械连接；-使用任何力包括电磁力、气动力与液压力的制动器；-使用任何力包括电磁力、气动力与液压力的离合器。当外骨骼接头处于静止时，制动器811可以被致动。替代地，当外骨骼接头正在 运动时，制动器811可以被致动，然后直到外骨骼接头静止于所保持的点处时其才被制动。 制动器811可以应用于比外骨骼接头1-4 61-64更多或更少的外骨骼接头上。制动器811 作用于外骨骼801上而非内部CMM臂5。这就意味着没有由于应用制动器811而跨过内部 CMM臂5的接头施加的力矩，并且带有保持外骨骼810的手动CMM臂比带有保持装置但不带 外骨骼801的等效手动CMM臂更精确。制动器811可以由操作人员使用开关利用有线或遥 控无线传送装置致动。不同开关可致动不同的制动器811组合。在发生电功率故障的情况 下，使用电致动的制动器811可以执行工作以便在失去电功率的情况下制动并且防止带有 保持外骨骼810的手动CMM臂在重力作用下落下。在替代实施例中，齿轮装置可以提供于 制动器811与外骨骼接头之间以便减少所需的制动转矩，进而减少制动器的重量；这样做 的缺点在于增加了用于移动带有保持外骨骼810的手动CMM臂所需的手动工作。第十实施例带有内骨骼的手动CMM臂在本第十实施例中，提供了带有内骨骼的手动CMM臂。现在参看图86A，示出了没 有支承的手动CMM臂，其带有垂直基座轴和处于水平空间方位中的CMM段3 33，其为现有 技术的手动CMM臂的一个实施例。在这种水平空间方位中，CMM段3 33利用力Fnl支承于 CMM接头2 52处。内部补偿装置210提供于CMM接头2 52处，该CMM接头2 52提供了作 用于CMM段3 33上的平衡力矩Mn以便补偿在CMM接头3 53之后的手动CMM臂的剩余重 量的力Fn2。在现有技术领域中，CMM段3 33在所示的水平空间方位中经受IONm量级的较 大弯曲力矩。这就使得CMM段3 33发生显著弯曲并偏转。这种偏转不能通过CMM编码器
91178进行测量并且导致损失测量精确度。这种偏转可以通过将CMM段3 33制成更具刚性而 得以减少，但代价是CMM段3 33的重量与截面尺寸增加。现在参看图86B，提供了带有外 骨骼800的CMM臂，并且还示出了带有垂直基座轴和处于水平空间方位中的CMM段3 33。 CMM段3 33只是利用力Fxl支承于CMM接头2 52处，利用力Fx2支承于传动装置3 73处。 CMM段3 33中的任何偏转都是由于重力作用或者内部CMM臂5的剩余重量。对于带有外 骨骼800的手动CMM臂发明，CMM段3 33的偏转至少比图86A中的现有技术手动CMM臂小 30倍。现在参看图86C，公开了带有内骨骼840的手动CMM臂。外部CMM臂841在内骨骼 842的外部。内骨骼段1-3 41-43设置于外部CMM臂841的内部。内骨骼842还包括内骨 骼接头1-2 61-62。内骨骼842刚性地连接于基座4上并且在CMM段333的远端处利用传 动装置373支承着外部CMM臂841。在内骨骼842与外部CMM臂841之间没有其它显著的 力传递触点。内骨骼接头262具有连接于其上的补偿装置210，其优选地为机加工弹簧但 可以是任意其它类型的补偿装置；补偿装置还可以带有缓冲器211。外骨骼段1-3 41-43 呈现显著的偏转，其可以为若干mms的量级。假如偏转的内骨骼段不与外部CMM臂段的内 部接触，那么这些偏转就不重要。应当指出，由于偏转，内骨骼段接头1、2 61、62可能在使 用期间相对于基座4发生显著运动，其中臂的空间方位发生改变。CMM段3 33只是利用力 Fdl支承于CMM接头2 52处，利用力Fd2支承于传动装置3 73处。带有内骨骼840的手动 CMM臂中的CMM段3 33中的任何偏转都是由于重力或外部CMM臂841的剩余重量而产生。 对于带有内骨骼840的手动CMM臂发明，CMM段3 33的偏转与图86A的现有技术状况的手 动CMM臂相比至少小30倍。应当理解，基于本说明书中的全部公开内容，本发明所属领域 的普通技术人员可以提供带有内骨骼840的手动CMM臂。在本第十实施例的另一个实施例中，内骨骼842较短，其包括两个内骨骼段而不 是三个并且在一端连接于CMM段2 22而不是基座4上。其还利用传动装置3 73支承CMM 段3 33的远端。这个内骨骼842的较短实施例包括一个接头而不是两个内骨骼接头2 62。第H实施例带有内骨骼的机器人CMM臂在本第十一实施例中，提供了带有内骨骼的机器人CMM臂。这种带有内骨骼的机 器人CMM臂实施例包括由内部内骨骼引导的外部CMM臂。内骨骼通过传动装置支承并操纵 着外部CMM臂以便使得其可准确地测量。本发明可按照许多具有内骨骼铰接臂的机器人 CMM臂的布局图具体实现。根据本发明第十一实施例的带有内骨骼的机器人CMM臂有两种 优选布局图带有6个接头的6-轴和带有7个接头的7轴布局图。带有内骨骼的机器人 CMM臂可以为便携式或者在固定装备中使用。本第十一实施例实际上与本发明的第一实施 例相反。现在参看图87，带有内骨骼850的机器人CMM臂包括外部CMM臂841和内部内骨 骼851。应当理解，基于本说明书中的全部公开内容，特别是第一实施例的公开内容，本发明 所属领域的普通技术人员可以提供带有内骨骼的机器人CMM臂。其它实施例这种带有外骨骼发明的CMM臂并不限于公开实施例的装置，而是可以包括应用于 以下应用场合种的任意形式的带有外骨骼装置的CMM臂
_带有外骨骼的CMM臂的延伸范围从很短至很长的应用中，-有效负载从数十克直到数百公斤的应用中，-精确度从当今工业机器人的最高精确度至当今常规型CMM机加工的精确度的应 用中，-位于地球上与较低重力环境如太空的应用中，-优选具有带有外部CMM臂的内骨骼支承的应用中，正在测量的物体可以在测量期间或测量之间的任何时候沿6个自由度移动并且 带有外骨骼的CMM臂和物体可以在测量期间或者测量之间各自同时沿6个自由度运动的应 用中。
权利要求
一种用于测量物体的设备，包括(a)机器人CMM臂(1)，包括具有基座端、对置的探头端以及三个或三个以上的段的可动构件，其由两个或两个以上的在所述基座端与所述探头端之间的旋转运动轴分开，其中至少两个所述旋转运动轴不会平行；具有基座端、对置的探头端以及三个或三个以上通过铰接接头串联连接的刚性段的连续可动位置报告装置，其由两个或两个以上的在所述基座端与所述探头端之间的旋转运动轴分开，其中至少两个所述旋转运动轴不会平行；传动器，同所述可动构件与所述可动位置报告装置接触，其中所述传动器与所述可动构件的触点位于所述探头端与最靠近所述基座端的旋转运动轴之间的任意位置处；以便使得所述可动构件的运动引起所述可动位置报告装置的运动，其中所述传动器包括多个分离式传动器，并且至少一个所述分离式传动器不为刚性；(b)活动的结构，构造成平移和/或定向机器人CMM臂，其中所述机器人CMM臂(1)安装在该活动的结构上，和/或(c)物体移置装置，构造成平移和/或定向被测量的物体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述活动的结构构造成按照6个自由度平移或定 向机器人CMM臂。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述活动的结构包括轨道轴(124)，其中机器人 CMM臂的基座端被安装在该轨道轴(124)上，使得该机器人CMM臂能够沿着该轨道轴(124)穿越。
4.根据权利要求3所述的设备，其中轨道轴(124)的数量是两个，在每个轨道轴(124) 上安装一个机器人CMM臂，并且轨道轴(124)彼此平行且对置地设置。
5.根据权利要求3所述的设备，其中机器人CMM臂的数量是两个，两个机器人CMM臂都 安装在一个轨道轴上并且构造成独立地运动。
6.根据权利要求3所述的设备，其中机器人CMM臂的数量是四个，轨道轴的数量是两 个，在每一个轨道轴上安装有两个机器人CMM臂并且两个机器人CMM臂构造成独立地运动。
7.根据权利要求3所述的设备，其中所述机器人CMM臂(1)的基座安装于立轴(133) 上，立轴(133)能使机器人CMM臂(1)上下垂直地运动，并且立轴(133)构造成沿着轨道轴 (124)运动。
8.根据权利要求3所述的设备，机器人CMM臂的数量是两个，两个机器人CMM臂都安装 于在一个轨道轴(124)上运动的可动多臂基座(134)上，其中两个机器人CMM臂分开适当 的距离(S)以便使得作业重叠足以消除工作容积中机器人之间不能到达的间隙。
9.根据权利要求3所述的设备，其中所述轨道轴(124)是线性的。
10.根据权利要求3所述的设备，其中所述轨道轴(124)安装在地面(119)上方，以便 使得其能被拆下并重新安装在不同的位置处。
11.根据权利要求3所述的设备，其中所述轨道轴(124)被永久地插入地面(119)。
12.根据权利要求3所述的设备，其中所述轨道轴(124)被手动驱动，响应于手动致动 而被电机驱动，或者CNC驱动。
13.根据权利要求3所述的设备，其中所述机器人CMM臂构造成当沿着轨道轴平移时不 进行测量。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述活动的结构包括安装于地面上的桥梁，该桥 梁穿越所要测量的物体所位于的工作区域。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述活动的结构构造成使得其能够在由机器人 CMM臂进行的测量期间或测量之间随时运动。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述活动的结构构造成测量安装在其上的机器 人CMM臂的位置并且任选地测量方位。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述活动的结构是常规型CMM。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述CMM是3轴CMM。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述物体移置装置构造成测量安装在其上的物 体的位置并且任选地测量方位。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述物体移置装置包括装备有角位置记录装置 的用于使所要测量的物体旋转的转盘。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述物体移置装置包括装备有位置报告装置的 用于使所要测量的物体线性地移置的线性工作台。
22.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备构造成使机器人CMM臂和物体在执行测 量时同时运动。
23.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备构造成仅使物体在执行测量时运动。
24.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备构造成仅使机器人CMM臂在执行测量时运动。
25.一种用于使用根据权利要求1所述的设备测量物体的方法，其中所述活动的结构 和/或物体移置装置在测量期间或测量之间运动。
26.根据权利要求25所述的方法，包括以下步骤a)将所要测量的物体安装在所述物体移置装置上；b)当机器人CMM臂静止并且物体运动时测量物体；以及c)从而实现物体的测量。
27.根据权利要求25所述的方法，包括以下步骤a)将所要测量的物体安装在所述物体移置装置上；b)当机器人臂和物体同时运动时测量物体；c)将物体移置装置和活动的结构的坐标系转换成公共坐标系；以及d)从而实现物体的测量。
28.根据权利要求25所述的方法，包括以下步骤a)将所要测量的物体安装在所述物体移置装置上；b)当机器人臂运动并且物体静止时测量物体；以及c)从而实现物体的测量。
全文摘要
提供了一种带有外骨骼的CMM臂所用的设备，其包括带有基座端和探头端的内部CMM臂以及通过多个传动装置驱动着该内部CMM臂的外骨骼。一个或多个接触探头、光学探头以及工具安装在探头端上。带有外骨骼的CMM臂提供于可手动操作和自动操作的实施例中。带有外骨骼的CMM臂可用于精确测量或用于执行精确操作。提供了用于操作这种带有外骨骼的CMM臂的方法。
文档编号G01B11/00GK101907440SQ20101022508
公开日2010年12月8日 申请日期2004年4月26日 优先权日2003年4月28日
发明者斯蒂芬·詹姆斯·克兰普顿 申请人:斯蒂芬·詹姆斯·克兰普顿