专利名称：具有触觉传感器的机器人的教导的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人处理系统。特别是，本发明涉及用于在工作环境内不同的位置之间传递物体的设备和方法，其中使用触觉传感器校准位置关系。
背景技术：
在制造典型的微电子器件时，通常由机器人处理系统在工作环境内的不同位置之间传递某些物体。这些物体通常包括用于形成微电子器件的衬底或晶片。它们可以是包括部分或全部被完成的微电子器件的衬底、盒子或其它载体、或者需要在不同的位置之间移动的其它物体。使用的机器人必须能够从特定的位置例如盒子或其它载体、处理站、其它的机器人或进/出站拾取这些物体，然后，把它们传递到所需的位置。通常，这些机器人包括被安装到机器人的臂的端部的端部操纵装置，用于帮助传递所述物体。要求这些传递在不碰撞机器人或不破坏物体的情况下发生，并要求快速地发生，以便使生产输出量最大。换句话说，需要快速且精确的机器人的运动。为了进行这些传递，机器人一般需要精确地知道端部操纵装置和/或其它元件的至少某个部分相对于拾取和目标位置的空间座标。
一般地说，机器人本体被固定到一个基础支撑上，有关节的机器人臂从机器人本体悬垂。机器人臂包括被按枢轴方式地连附在第二臂部分的第一臂部分。指挥棒或端部操纵装置，其外端一般呈y形，具有分开的指，被按枢轴方式连附在第二臂部分上。真空端口(未示出)或边沿抓取机构通常被提供在端部操纵装置上，使得其能够保持晶片，以便拾取晶片，并把晶片从盒子输送到处理站或者从处理站输送到盒子。在其它的例子中，机器人基部不被固定，而是可以沿着一个或几个轨道或其类似物运动。
机器人机构具有一个或多个自由度。机器人的自由度的数量对应于必须规定以用于定位所述机构的所有零件的独立位置变量的数量。例如，一直使用具有3个自由度的机器人系统，这是因为它们相对简单。一个这样的3轴机器人在Sagues等人的美国专利6242879中披露了。Sagues等人的机器人具有3个运动轴线，这使得机器人能够沿着径向(R)、角度或θ方向以及垂直(Z)方向运动。
也利用具有6个或多个自由度的更复杂的机器人系统。在大多数机器人中，机器人的链接形成一个开放的运动链系，并且因为每个连接位置通常由单个变量限定，连接的数量相应于自由度的数量。这样，具有6个或更多的自由度的机器人可以沿x，y，z方向移动、偏转、倾斜和滚动运动。
在典型的系统中，机器人和不同的处理站的总的几何结构是已知的。即，在机器人和每个感兴趣位置之间的近似的尺寸关系在额定的允差内根据设计说明书或物理测量是已知的。不过，一般地说，这种信息对于确保机器人可以正确地操作而不破坏任何系统元件或正被处理的物体是不够精确的。为确保在物体传递期间所需的精确度要求的精密公差，在工作环境中被定位的机器人通常被教导使其得知环境的某些位置的所在处。所述教导可以是手动的、半自动的或全自动的。如果是自动的，则机器人教导或机器人校准被称为自动教导或自动校准。此外，任何时候当系统被维修，或机器元件磨损、调整或误操作而需要更换、升级或维修时，机器人必须相对于修改的元件被重新进行位置教导，因为机器人不能自动地适应这种改变。如果机器人未能在精密的允差内被正确地重新教导，则会导致机器人的严重破坏或者昂贵物体例如晶片的损失。
手动的教导一般不借助于机器人上的传感器和/或分布在机器人的环境周围的传感器进行。除去消耗许多时间之外，手动的教导过程可能引入主观性因而很可能发生错误。这产生了可再现性的问题。
因而，在许多应用中，更希望自动的过程。用于教导晶片传递机器人的自动方法的一个例子可以在Sagues等人的美国专利6075334中找到。该专利特意地描述了一种用于自动校准晶片处理机器人的系统，使得机器人可以在其运动范围内精确的位置当中移动晶片。该系统包括具有存储器以及和机器人相连的逻辑部分的控制器，所述机器人具有可以按3个运动度运动的带关节的臂。机器人的指挥棒和外壳的尺寸特征被存储在控制器存储器中。
美国专利6075334的机器人使用细束激光传感器、连续束传感器和反射的LED传感器。这些传感器被提供在每个外壳上和/或机器人的指挥棒上，它们被启动，然后向控制器提供关于指挥棒的位置的信号。机器人被编程，以便在每个外壳位置执行一系列的渐进运动，这些运动由传感器响应信号和合适的尺寸特征的组合控制。在编程的运动结束时，机器人的指挥棒被定位在处理站或盒子内，使得其可以保证在精确的预定位置除去或释放其中的物体。
另一种用于教导晶片传递机器人的自动方法可以在Sagues等人的美国专利6242879中找到。在该专利中，披露了一种用于自动校准晶片处理机器人相对于目标结构的精确定位的方法和设备。所述设备包括和机器人相连的机器控制器，所述机器人具有3个运动度的端部操纵装置。控制器具有存储器，存储有近似的距离和几何数据，它们限定了目标结构的结构特征的一般位置。机器人被编程用于按一系列的顺序运动移向目标结构，每个运动随着机器人的端部操纵装置接触目标结构的一个预选的外部特征而达到顶点。利用电动机转矩改变检测端部操纵装置的每次接触。这为控制器提供数据，然后，控制器计算目标结构的精确位置。在机器人端部操纵装置进行的一系列接触步骤期间积累的数据由控制器用于提供精确校准的控制程序，用于机器人的将来的操作。
在Sagues等人的美国专利6075334和Sagues等人的美国专利6242879中披露的光束传感器方法和转矩检测方法受到若干个限制。特别是，两种方法难于利用多于3个运动度的机器人，因为较多的运动度一般需要更多的和更复杂的运动检测。检测方法的复杂性的增加可能是昂贵的，并且可能引入校准和教导的困难，尤其是当不能进行精确的检测时。此外，电动机转矩检测一般限于单个轴线的运动，例如用于进行盒子的槽的教导的平面运动。因而，这种检测不能处理非平面运动，例如为使某些盒子或其类似物适应多个进口角度所需的运动。
触摸敏感装置，也称为“触觉传感器装置”、“触摸屏”、“触摸垫”、或者“触摸板”，在许多应用中被广泛地使用，其中包括计算机接口、个人数据助理、蜂窝电话及其类似物。触摸敏感装置使得用户能够借助于触摸所述装置的表面实现和机器的接口。这些装置使用几种技术来确定在表面上触摸的位置。有利的是，这些装置不仅检测触摸的发生，而且检测触摸的位置。所使用的普通技术包括电极、电阻网络、表面声波和其它类型的技术。触觉检测装置或触摸敏感装置把触摸位置转换成用于由计算机或其它装置处理的输入信号。例如，某种触摸敏感装置例如触摸板包括导电的面板。触摸这个导电的面板上的任何位置都改变面板的导电涂层的电阻抗。这些阻抗当被测量时可被用于不仅指示发生了触摸，而且指示在触摸敏感的表面上的触摸的位置。
发明内容
本发明提供一种用于教导和/或校准机器人以便在工作环境内精确地工作的方法和设备。特别是，本发明提供一个或几个触觉传感器装置，它们在操作上和机器人例如在端部操纵装置上耦连，和/或它们被定位在工作环境内的一个或几个所需的位置上。在实际效果上，在宽广的方面，本发明使用触觉传感器装置作为触摸传感器用于机器人校准和/或教导。
使用触觉传感器装置例如包括触摸敏感表面或类似物的触觉传感器装置用于机器人的教导和校准过程可以有利地简化这些过程的许多方面。例如，某些触摸敏感表面因为具有高分辨率的接受能力而可以输出表示一个座标系统例如X-Y坐标系统内的精确的位置信息的信号。此外，某些触摸敏感表面可以提供关于触摸力的信息，这可用于提高检测的精度和可重复性。因而，触觉传感器装置例如触摸敏感表面或触摸屏可以提供高度精确的位置信息来使机器人受益。
相信其中机器人和工作环境相互作用的任何应用都可从本发明的发明构思得益。结果，使得机器人和工作环境的选择不受特定的限制。本发明特别适用于这样一些机器人的应用，其中多轴机器人在一个被限定的环境内操作，并向所述环境内的不同位置、模块或站运动或和它们相互作用。相信本发明的构思当用于被设计用于处理可互换的有效载荷例如衬底或晶片或这种衬底的载体的机器人时，将被证明是尤其有利的。用于处理这种物体的机器人一般将在半导体处理应用中得到使用。
在本发明的一个方面，提供一种用于教导机器人在工作环境内的位置的方法。该方法包括以下步骤在所述工作环境中提供触摸敏感表面，使所述触摸敏感表面接触一个物体，产生表示所述接触相对于所述触摸敏感表面的位置的信号，以及使用包括所述产生的信号的信息教导所述机器人在所述工作环境内所述接触的位置。
在本发明的另一个方面，提供一种用于校准被设置在机器人的可动元件上的触觉传感器装置的方法。所述方法包括以下步骤在机器人的可动元件上提供触觉传感器装置，通过利用一个参考结构接触所述触觉传感器装置上的多个位置确定位置信息，以及使用所述确定的位置信息校准所述机器人。
在本发明的另一个方面，提供一种用于提供关于机器人的可动元件的位置信息的触觉传感器系统。所述系统包括触觉传感器装置和控制系统。所述触觉传感器装置包括至少一个触摸敏感区，其能够在所述触摸敏感区的参考标架中提供关于在所述触摸敏感区和一个结构之间的物体接触的位置信息。优选地，所述位置信息包括表示发生了接触并表示在所述触摸敏感区的参考坐标内发生所述接触的位置的数据。所述控制系统优选地使用包括来自触觉传感器装置的信息的信息，用于确定在所述机器人的工作环境中所述机器人的可动元件的位置。
被包括在本说明中并作为本说明的一部分的附图和优选实施例的说明一道，说明本发明的几个方面，用于解释本发明的原理。附图的简要说明如下图1是用于制造微电子器件并具有机器人和几个处理站的工具簇的示意的顶视图，其可以和本发明结合使用，其中为了说明的目的机器人包括6个自由度；图2是图1的机器人的透视图，并具体表示被固定在机器人的端部操纵装置上的本发明的触觉传感器装置；图3是表示本发明的参考结构的透视图；图4是图2的机器人的透视图，示出了被设置在处理站的处理压盘上方的触觉传感器装置；图5是图4的机器人、触觉传感器和处理站的另一个透视图；图6是图2所示的本发明的触觉传感器装置的顶视图；图7是沿着线7-7取的图6的触觉传感器装置的截面图；图8是具体以起模针表示的图4的处理压盘的透视图；图9是图2所示的本发明的触觉传感器装置的顶视图，并被表示为设置在机器人的端部操纵装置上；以及图10是图9的触觉传感器的本发明的3个触摸敏感区的示意图。
具体实施例方式
下面说明的本发明的实施例是非穷举的，本发明不限于在下面的详细说明中披露的特定的实施例。而是，这些实施例被这样说明，使得其他人，特别是本领域的技术人员，能够理解本发明的原理和实施方法。
这里使用的术语“触觉传感器装置”、“触摸屏”、“触摸垫”或“触摸板”一般指具有触摸敏感表面的装置，其可以检测和另一个有形的结构、物体、实体或其类似物的接触。具体地说，触摸敏感表面不仅能够表示所述表面被触摸，而且可以提供关于所述表面被触摸的位置的位置信息，例如相对于所述触摸敏感表面的参考标架或坐标系统或其类似物的信息。这种位置信息可被有利地用于确定机器人在和其相关的一个或几个参考标架内的位置。这种装置可以包括单个触摸敏感表面，或者可以包括多个触摸敏感表面或区域，所述表面优选地是平面，但是也可以是非平面或曲面。这些装置可以包括触摸屏、触摸垫、触摸敏感输入装置等。
一般地说，触觉传感器装置例如触摸屏可以在参考标架例如X-Y座标框架或极座标框架内提供输出。作为一个例子，可以提供包括4096×4096个像素阵列的触摸屏，其具有X1，X2，......X4096像素列和Y1，Y2，......Y4096像素行。每个像素可以由一组特定的Xi，Yj座标识别，例如(X100，Y2000)。当触摸屏被触摸时，触摸屏可以精确地识别哪一个像素或像素的区域被触摸了。这样，在这个特定例子中的触摸数据呈触摸屏的参考坐标框架中的(X，Y)数据的形式。换句话说，触摸敏感表面可以检测触摸并精确地确定在触摸敏感表面上发生的触摸的位置。与此相对照，机器人可以具有不同的参考标架，例如X，Y，Z，R，θ等。这通常是因为大部分触摸屏是平面的(但是也可以是曲面)，因而按两维的或平面的参考标架提供触摸信息。不过，用于机器人的参考标架可以是关于三维空间的。因而，需要协调触摸屏的参考标架和机器人的参考标架，使得当触摸发生时，机器人知道所述触摸在机器人的参考标架中的位置。
对于某些应用，触觉传感器装置可以精确地检测工作环境(有时称为工作单元或工作包络)的特征(例如下述的参考结构)，其中，借助于接触这种特征并报告关于这些特征在触觉传感器装置的参考标架内的位置信息进行所述检测。然后以合适的格式和方式或者直接地或者间接地使用所述信息来帮助确定关于机器人在其参考标架内的位置信息。优选地，例如，通过使触觉传感器装置接触工作环境中的特征，并通过协调触觉传感器装置和机器人的参考标架，机器人可以精确地学习工作环境的所需地点的位置。
图1示意地表示工具簇10，例如可以从FSIInternational，Inc.，Chaska，MN，and Allen，TX得到的POLARIS2500或POLARIS系列簇工具，如图所示，其包括前部14，侧部15和16，以及后部17。工具簇10的前部14优选地具有一个或几个接口20，一般承载在合适的保持器例如工业标准的前开口的统一容器(FOUP)18内的衬底或晶片的配料通过所述接口可以被输送给工具簇10或者从工具簇10取下。为了便于说明，工具簇10包括4个这种FOUP18。工具簇10还优选地包括模块19，其可以包括可用于容纳处理站、控制机构、管道、供给部分及类似物的功能单元的堆叠体。这种模块19还可以包括例如进/出站、处理站例如旋转涂覆站、显影站、热处理站、分档器站、晶片存储或分段运输站，等等。
优选地，工具簇10包括至少一个机器人12，其利用实施本发明的原理的自动校准和教导系统。如图所示，机器人12这样位于工具簇10内，使得端部操纵装置13可以达到FOUP18和模块19，使得机器人12可以把晶片移入和移出FOUP18以及送入模块19和从模块19取出。因而，机器人12包括许多能力，其中包括以下中的一个或多个拾起晶片；把晶片从一个位置传递到另一个位置；在特定位置释放晶片；测绘被垂直地、水平地保持的或者被保持在晶片载体中的晶片配料；自动教导或自动校准机器人12；等等。应当注意，工具簇10可以包括附加的机器人，它们可以例如通过把晶片从一个机器人传递到另一个机器人以及在不同位置之间移动晶片而彼此相互作用。
如图2详细所示，示例的机器人12具有被可转动地连附到固定的基础支撑26上的第一本体部分24。机器人12还包括按枢轴方式被连附到第二本体部分30上的第一连杆28。第二连杆32也被可转动地连附到第二本体部分30上。在第二连杆32的端部设置联动装置34，其在第一端被按枢轴方式连附到第二连杆32上，在第二端被可转动地连附到端部操纵装置36上。此外，一种优选的触觉传感器装置38(其将在下面详细说明)被表示为设置到端部操纵装置36上。应当注意，机器人12是可以在商业上得到的类型的机器人，在本发明的范围内，也可以使用其它类型的机器人，它们具有各种不同的结构，用于在工作环境内可控地移动端部操纵装置。
如图所示，优选的端部操纵装置36的外端一般呈y形，具有分开的指40和42。端部操纵装置36一般配备有任何合适的能够使端部操纵装置36可释放地接合晶片以便拾取、传递和落下的机构(未示出)。可以使用能够提供这种可释放地接合的任何合适的机构。其中的例子包括边沿抓持机构、真空接合机构、全部或局部通过伯努利效应操作的机构、这些机构的组合，等。边沿抓持机构在晶片方位的宽范围内对晶片接合提供优良的控制，因而是优选的。
示例的机器人12具有沿x，y，z，偏转，倾斜和滚动方向的6个运动度。优选地，机器人12包括一个或几个电动机(未示出)，其可以独立地控制机器人沿x，y，z，偏转，倾斜和滚动方向的运动，机器人12的电动机优选地和一个或几个机器控制器(未示出)电气相连，用于引导机器人的运动。优选地，利用数学方法在一个或几个机器人控制器中确定一个工具控制点，作为所有的平动和转动指令施加的点。这些电动机和控制器的细节在商业上是熟知的。
如上所述，触觉传感器装置38可被用于精确地检测机器人的工作包络的特征例如一种参考结构，其中通过接触这些特征进行所述检测。当接触发生时，便产生表示在检测表面上的接触的位置的信号。与此同时，系统得知机器人的相应的位置。通过协调机器人和传感器的参考标架，教导机器人所述触摸的精确位置。
一个示例的参考结构70示于图3。参考结构70包括压盘72，其实际上可以是或者可以模拟需要由机器人12传送晶片和衬底的晶片或衬底处理站。参考结构70优选地还包括销针74，76和78，借助于接触触觉传感器装置38，它们可被用于进行校准和/或教导，如下所述。参考结构70可被定位在要由机器人12学习的任何所需位置上。例如，参考结构70可被连附于或安装在衬底保持器、盒、FOUP、处理站、存储位置、路径或类似物上。或者，参考结构70可被连附于或安装在机器人12中，使得其可以和被定位在机器人的工作环境内的触觉传感器装置一道使用。
在图4和图5中，示出了带有端部操纵装置36的机器人12，具有被设置在其上的触觉传感器装置38，其通过开口46伸入处理站44。如图所示，处理站44包括处理压盘48。优选地，处理压盘48包括起模针50，51和52，所述起模针可以相对于处理压盘运动。借助于移动起模针50，51和52和/或借助于移动压盘48，起模针50，51和52可被移动到一个升高的位置。起模针50，51和52用于支撑相对于处理压盘48被设置在所需位置的起模针50，51和52上的晶片。例如，由端部操纵装置36承载的晶片(未示出)可被定位在起模针50，51和52上，同时起模针50，51和52相对于处理压盘48被升高。升高的起模针使得端部操纵装置36能够被降低，因而使得晶片可被置于起模针50，51和52上。因而，在工作环境内起模针50，51和52的位置是所需的，并且可以通过利用本发明的原理教导给机器人12。即，起模针本身可作为在这个特定位置的参考结构，因而在这个例子中不需要如图3所示的单独的参考结构70。
图6和图7更详细地表示所述优选的触觉传感器装置38。优选地，如图所示，触觉传感器装置38被这样构成，使得具有一个或几个优选地多个在底板54上形成的触摸敏感区，优选地，所述区的数量相应于要被检测的所需的特征例如起模针50，51和52的数量。因而，优选的触觉传感器装置38包括第一触摸敏感区56，第二触摸敏感区58和第三触摸敏感区60，它们可被用于按照顺序和/或同时检测分别与结构例如图3的起模针50，51和52的接触，或者检测和其它的参考结构的接触，视情况而定。如图所示，触摸敏感区一般是矩形的，并且被彼此呈角度地布置。可以设想，触摸敏感区可以具有其它的形状，例如方形、圆形、三角形，等。
可以设想，触觉传感器装置38可以包括单个触摸敏感区，或者可以包括多个触摸敏感区。当使用多个触摸敏感区时，它们可以任何所需的方式例如环形地、正交地、放射状地等等排列。优选地，触摸敏感区56，58和60具有相同的尺寸和形状，并彼此被这样排列，使得要被检测的不同排列的参考结构，例如起模针或类似物，按照需要利用同一个传感器装置被同时检测。或者，触觉传感器装置38可被这样构成，使得具有任何数量的触摸敏感区，它们具有任何的形状并位于任何所需的位置，以便检测工作环境内的一个或几个所需的特征。
底板54可以由任何一种或几种合适的材料制成，例如钢化玻璃，塑料，陶瓷，金属和/或金属合金，例如钛或不锈钢或者它们的组合。优选地，每个触摸敏感区的分辨率通过考虑一些因素例如所需的精密度和/或特定应用所需的精度来确定。例如，用于触觉传感器装置38的一个说明性的商业上可得到的触摸敏感区具有4096×4096像素的分辨率。优选地，结构55包括基于信号的连接器57，使得或者通过电缆或者通过无线技术或类似技术对和从触摸敏感区56，58和60传输信号。这种触摸敏感结构实际上在商业上是熟知的。
参见图6，触觉传感器装置38包括可选择的真空抓持区域62，63和64。这些区域62，63和64可用于把触觉传感器装置38连附到机器人22的端部操纵装置36上，例如利用任何合适的已知的或研制的紧固件或类似物。或者，端部操纵装置36可以包括用于把触觉传感器装置38保持在端部操纵装置36上的任何合适的装置。设想触觉传感器装置38可通过任何合适的装置被永久地或可释放地连附在端部操纵装置36上，以使得实现本发明的功能的各个方面，以便完成所述教导。当需要时，触觉传感器装置38例如可由操作者或技术人员连附于端部操纵装置36上，或者由机器人本身或另一个机器人以自动的方式进行连附。或者，触觉传感器装置38可以永久地连附于机器人，但至少可以在无源和有源(教导和校准)位置之间运动。
优选地，机器人12的教导可以通过使机器人12首先伸展具有触觉传感器装置38的端部操纵装置36，以使得触觉传感器装置38位于所需的要学习的结构特征附近来完成。例如，机器人12可被这样定位，使得触觉传感器装置38位于起模针50，51，和52的上方，如图9所示。机器人12例如可通过教导悬架被手动地引导，和/或可以用自动的或者编程的方式移动。接着，机器人12运动，直到在至少一个触摸敏感表面或触摸垫和参考结构之间实现接触。如上所述，在机器人控制器中通过数学计算确定工具控制点作为施加所有的平动和转动指令的点。机器人12移动要被确定方位的工具控制点，使得触摸垫的框架限定被接触，然后倾斜、滚动和/或偏转，直到在第二触摸垫和第二参考结构之间实现接触。现在工具控制点被移动到两个接触点之间的中点，工具的x轴位于连接两个接触点的线上。然后使端部操纵装置36倾斜、滚动和/或偏转，直到在第三触摸垫和第三参考结构之间实现接触。可以进行小的运动，以便验证当端部操纵装置36按小的步长被升高然后下降到销针上时，在某个预定的允差值ΔZ内所有三个触摸垫和销针都实现接触。机器位置按下述计算一旦机器人发现所有3个触摸垫轻微地倚靠在机器的起模针50，51和52上的位置，机器人便具有AP50，BP51和CP52，其中每个iPj表示起模针j在参考标架i内的X，Y座标矢量。换句话说，它们表示3个起模针的每一个在其各自触摸垫上的X，Y接触位置。参考标架A，B，C分别相应于触摸垫56，58和60。
为了计算机器的位置，起模针尖的X，Y座标必须被变换成机器人参考标架的通用座标，被称为通用框架或或{W}。可以使用下面的关系P50W=TtW·TAt·P50A]]>P51W=TtW·TBt·P51B]]>P52W=TtW·TCt·P52C]]>其中WP50表示在机器人的通用框架内起模针50的X，Y座标，tAT表示从触摸垫A到机器人工具框架的变换(这个变换在下述的校正阶段期间被计算)，以及WtT表示在机器人的工具控制点和机器人的通用参考标架之间的变换。
一旦已知起模针在通用框架中的位置，便可以根据已知的关于针结构的数据确定机器的位置。图8表示处理压盘48的几何形状，图9表示位于机器人22的端部操纵装置36上的触觉传感器装置38的顶视图，也表示一个示例的工具控制点90。如图8所示，WPD优选地被规定为在WP52和WP51之间的中点(被标以在针51和52之间的标号80)。一个新的框架可被定义为{PINFRAME}，具有在WPD的其方位如图8所示的原点，并具有正的X轴82，正的Y轴84和正的Z轴86。在这个例子中，希望晶片的中心被置于{PINFRAME}内的X＝17.72mm处。为了求得在{W}框架内的点EPEW=TPINFRAMEW·17.72001]]>其中WPE是用于在机器人存储器中存储的机器的位置(被标以标号88)。
由于在触摸敏感表面中的固有的不精确性，在上述的处理中可能存在误差源所述触觉传感器装置相对于所述机器人被定位的方式，等。这样，如果需要，可以把可能存在的任何误差减到最小。首先，可能具有机器人精度的误差。例如，机器人移动到一个计算的点的能力是其精度的量度。当WPE不处于和机器人的工具位置相同的位置时，这个误差变得较大。机器人必须依靠其精度来从其现在的位置移动到WPE。为了使这个误差源减到最小，WPE可以通过若干次迭代被确定，每次迭代都从在前一个WPE位置的机器人的工具控制点开始。
此外，可能具有由于在触摸传感器框架和工具控制点之间的映射而导致的误差。即，tAT取决于用于制造触觉传感器装置的制造处理的精度和触觉传感器装置被如何精确地被置于机器人的端部操纵装置上。在校准处理中，这个误差源可被测量和补偿，如下所述。
在某些触摸敏感表面可能存在的非线性可以导致附加的误差。即，触摸垫一般由具有导电涂层的塑料制成。在制造处理期间，它们易于伸长。这个伸长可能引起非线性响应。例如，在像素X1000和X2000之间的物理距离可能是10mm，而在X2000和X3000之间的物理距离可能是12mm。为了补偿这个非线性响应，可以使用双线性的内插来映射触摸垫的表面。
tAT的校准可以通过在每个触摸垫上接触若干个点来进行，如图10所示。回忆图8所示的起模针的布置具有3个针，因此一个点例如点N在所有3个触摸垫上被同时对准。借助于沿着+/-Xt轴移动端部操纵装置36并向下降低触觉传感器装置38到起模针上直到实现接触，可以达到N，S，M点。用相同方式，借助于沿着+/-Yt轴移动触觉传感器装置，可以获得点E和W。借助于通过围绕Zt轴进行小的转动来移动触觉传感器装置，可以获得点+R和-R。
校准阶段的目的是确定tBT矩阵的元素和标度值，以便把触摸垫计数转换为毫米。所有3个触摸垫的校准数据可被类似地确定。这样，对于触摸垫B的优选的计算被描述如下，并且对于触摸垫A和C可以重复所述的计算。
变换包括在Z轴上的旋转和X，Y平移。
TBt=T-1tB=cosθ-sinθ0Xcorsinθcosθ0Ycor00100001-1]]>其中θ表示在触摸垫的+X轴和机器人工具框架的+X轴之间的角，Xcor表示从触摸垫的原点到沿着触摸垫的+X轴测量的机器人的工具框架的旋转中心的距离，Ycor表示从触摸垫的原点到沿着触摸垫的+Y轴测量的机器人的工具框架的旋转中心的距离。在触摸垫上的每个轴的标量值由Bsx和Bsy表示。这些值乘以触摸垫A/D值，以便将其转换成毫米。
为了计算触摸垫对工具框架的角度，点N，S，E，W与点M比较。因为Bsx和Bsy二者尚未被计算，将使用初始估计。触摸垫对工具框架的角度被测量如下θN＝atan[ΔX(mm)/ΔY(mm)]θS＝atan[ΔX(mm)/ΔY(mm)]θE＝atan[ΔY(mm)/ΔX(mm)]θW＝atan[ΔY(mm)/ΔX(mm)]其中ΔX＝M的X值减去N的X值的差，毫米
ΔY＝M的Y值减去N的Y值的差，毫米所有的4个比较的结果被取平均，从而得到最终的θ值。
为了细化Bsx和Bsy的值，机器人的工具控制点被旋转一个上面求出的角度，并且所述5个接触点(N，S，E，W，M)被重复。这次的N和S点将距离M点10mm，并和触摸垫的Y轴对准。E和W点也将距离M点10mm，并和触摸垫的X轴对准。
Bsx＝(10mm/(Wx-Mx)pixels+10mm/(Mx-Ex)pixels)/2Bsy＝(10mm/(Ny-My)pixels+10mm/(My-Sy)pixels)/2然后，对于几次迭代重复求取角度而后求取比例系数的处理，直到变化变小。如上所述，这些点的全部网格现在被汇集，以便利用双线性内插方法校准触摸屏。
机器人的工具的中心可按下述被确定。由点M，R+和R-，可以限定一个圆。因为只有这三个点之间的差是一个围绕Z轴的一圈转动，便已知该圆的中心在工具的原点。借助于利用最小平方圆拟合来计算圆心，可以确定Xcor和Ycor，并完成校准。
因而，本发明提供一种触摸校准方法，其能够使多轴机器人机器自动地、精确地定位在其工作包络内的物理的、固定的物体。这种方法尤其适用于这样的机器人的应用，其中一个多轴的机器人在一个确定的环境内操作并运动到各个不同的处理站位置，或者和各个不同的处理站位置相互作用。其能够通过触摸每个站上的已知的独特的特征，使机器人以高精度自动地确定这些站的位置。
上面说明了本发明的一些代表性的实施例的许多特征和优点。不过，应当理解，虽然说明了本发明的特定形式或实施例，但是，不脱离本发明的构思，可以作出各种改型，其中包括零件的形状以及零件的布置的改变。
权利要求
1.一种用于教导机器人在其工作环境内的位置的方法，所述方法包括以下步骤在机器人的工作环境中提供触摸敏感表面；使所述触摸敏感表面接触机器人的工作环境中的物体；产生表示所述接触相对于所述触摸敏感表面的位置的信号；以及使用包括所述产生的信号的信息来教导所述机器人在其工作环境内所述接触的位置。
2.一种用于教导机器人在工作环境内的位置的方法，所述方法包括以下步骤在具有参考标架并被设置在工作环境内的机器人的可动元件上提供具有参考标架的触觉传感器装置；通过移动机器人的可动元件以使得触觉传感器装置接触表示要被教导的位置的工作环境的至少一部分，从而确定在触觉传感器装置的参考标架内的位置信息；以及使用在触觉传感器装置的参考标架内的位置信息来确定在机器人的参考标架内的位置信息。
3.一种用于校准被设置在机器人的可动元件上的触觉传感器装置的方法，所述方法包括以下步骤在具有参考标架的机器人的可动元件上提供具有参考标架的触觉传感器装置；通过利用一个参考结构接触所述触觉传感器装置上的多个位置来确定在触觉传感器装置的参考标架内的位置信息；以及使用在触觉传感器装置的参考标架内的确定的位置信息来对于触觉传感器装置的参考标架校准机器人的参考标架。
4.一种用于提供关于在其工作环境中的机器人的可动元件的位置信息的触觉传感器系统，所述触觉传感器系统包括触觉传感器装置，包括至少一个触摸敏感区，其能够提供在所述触摸敏感区的参考标架内关于在所述触摸敏感区和一个结构之间的物体接触的位置信息，其中，所述位置信息包括表示发生了接触并表示在所述触摸敏感区的参考标架内发生所述接触的位置的数据；以及控制系统，其使用包括来自触觉传感器装置的信息的信息，用于确定在机器人的工作环境中该机器人的可动元件的位置。
5.一种触摸敏感机器人，所述机器人包括至少一个能够在所述机器人的工作环境内可控地运动的元件；至少部分地位于机器人的所述可动元件上的触觉传感器装置，所述触觉传感器装置当接触所述工作环境的至少一部分时输出表示在触觉传感器装置上的接触的信号。
6.一种触觉传感器装置，所述触觉传感器装置包括底板；以及一个或几个触摸敏感区，其设置在所述底板上，并被配置用于同时接合设置在机器人的工作环境中的相应数量的参考结构。
7.一种机器人系统，所述机器人系统包括工作环境；至少部分地设置在所述工作环境内并具有至少一个和所述工作环境相互作用的可动元件的机器人；触觉传感器装置，其至少部分地设置在所述工作环境内，能够提供表示在所述工作环境内的所述机器人的可动元件的至少一部分的位置的信息。
全文摘要
本发明涉及用于校准和教导机器人以便使其在工作环境内精确地工作的方法和设备。本发明优选地提供一个或几个触觉传感器装置，其在操作上和机器人相连，或者被设置在机器人的工作环境内的一个或几个所需的位置上。在本发明的一个方面，一种方法包括以下步骤在所述工作环境中提供触摸敏感表面，使所述触摸敏感表面和物体接触，产生表示所述接触相对于所述触摸敏感表面的位置的信号，以及使用包括所述产生的信号的信息来教导所述机器人在所述工作环境内的接触的位置。
文档编号B25J13/08GK1705541SQ200380101769
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月21日
发明者安德鲁·W.·考德尔, 基思·W.·瑞丁 申请人:Fsi国际公司