专利名称：对机械手工具的位置进行对准和控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于对机械手工具的对准进行监控的系统和方法。
背景技术：
工业上使用的机械手通常配有工具，该工具不仅可以是用于加 工或组装任务的处理工具，例如用于抛光、碾磨、焊接、分割、涂色、 粘接的工具，具体的说诸如焊管或焊枪、喷漆枪、粘接枪或别的切割 喷枪之类的工具，并且该工具还可以是抓取工具以便在程序的控制下 执行预定任务。
由于这些工具或附件中的一些在日常使用中表现出对人和材料 具有主要的潜在危险，尤其是由于危险的或有害的装置或介质的发射 (例如激光束或高压水注)而造成的危险，所以在使用这些工具时必 须考虑一些与安全相关的特殊方面，并且必须提供适当的措施来使危 险和/或损坏变得最小。在机械手携带启动的工具移动的情况下，例 如当机械手工具靠近待加工的工件时，这一点尤为必要。
此外，在已知的机械手设备中，为了保护人和材料免受由于启 动的机械手工具的错误定位、定向和/或对准和/或移动而可能导致的 机械手利用各个介质对工作环境进行的不受控制的扫描并因此产生 的巨大破坏，各个机械手单元和/或机械手均需要界面或包围物，它 能在特定时间内承受机械手工具的装置的能量和/或在特定时间内吸 收其能量。但是，这些界面或包围物造成了附加的技术复杂性及商业 成本，并且表现出了与机械手的安装相关的巨大成本因素。
在该背景下，本发明的目的是使安装机械手(尤其是工业机械 手)所作的努力变得最小，以及详细说明对机械手工具的定向和/或 对准进行有效监控的能力。
发明内容
通过具有权利要求1的特征的用于对机械手工具进行对准、定 位和定向监控的根据本发明的方法来实现该目的。
在根据本发明的一种用于对机械手工具进行对准、定位和定向 监控的方法中，确定机械手工具的对准，将机械手工具的对准与参考 方向和/或由公差带(特别是圆锥形公差带)所预定的公差值相比较， 并且在机械手工具的对准离开至少一个公差带时将各个机械手工具 断开和/或关闭，上述操作是通过测量值记录和处理以及考虑机械手 工具的至少一个参考方向和至少一个可预定的公差角度来自动地进 行的，其中该至少一个可预定的公差角度定义了围绕该机械手工具的 至少一个参考方向的公差带(尤其是从预定原点扩宽的公差带)。
在本发明的有利形式中，围绕机械手工具的至少一个参考方向 定义圆锥形公差带。但是，理论上，也可以是至少一个扩宽的公差带 的其他几何形状，这取决于所选择的坐标系统(尤其是由旋转轴的选
择决定)，例如使用欧拉角度或四元数来描述机械手移动，或者使用
不同于欧拉角度的RPY (Roll Pitch Yaw)角度。例如，还可以定义 至少一个具有椭圆形底面积的圆锥形公差带。
因此，对机械手工具的每个参考方向上的各个公差带的考虑避 免了机械手工具的过早的、没有必要的关闭，并且允许对工具对准进 行有效监控。
在本发明方法的一个有利发展中，在离开至少一个公差带时， 不仅断开和/或关闭适当的机械手工具，而且还通过向机械手控制器 发送合适的控制信号来停止机械手的移动。
特别地，机械手工具的参考方向沿着机械手工作区的可预定的 固定参考空间的坐标轴(例如Z轴)延伸，该固定参考空间优选地与 具有对应原点的笛卡尔坐标系相关联。该坐标系优选地对应于所谓的 地理坐标系。特别地，该情况下的笛卡尔坐标系定义了三维矢量空间。
在本发明方法的一个有利提炼中，通过记录和处理与机械手的 轴和/或机械手电动机位置有关的测量值来确定该机械手工具的对准 禾口/或定位和定向。在本发明方法的另一有利提炼中，不仅确定各个工具和/或附件 的对准或定向，而且确定其定位。
在本发明方法的一个有利发展中，如果机械手工具的定位和定 向和/或对准在公差带内与参考方向偏离了预定百分量，则还产生警 告消息并将其发送至机械手检查和/或控制平台，和/或发送至光和/ 或声信号发送器，例如警告灯、信号灯、报警器、喇叭或者扬声器。
在本发明方法的另一有利提炼中，预定了至少两个参考方向， 其中每个参考方向均具有公差角度，并且即使仅仅离开和/或超过一
个由公差角度所定义的公差带，也将断开各个附件和/或工具。例如， 这允许连同第二公差角度(该第二公差角度定义了例如第二圆锥)一 起定义并考虑第二工具参考方向(例如固定参考系统的X方向)。
在本发明方法的另一有利提炼中，该机械手的工作区可被细分 成至少两个工作区元素，其中每个元素均具有至少一个具有公差角度 的参考方向，因此允许例如针对复杂工具几何形状的要求进行处理来 还考虑多个局部分布的不同的参考方向和/或公差角度。
根据本发明方法，随后，根据机械手和/或机械手工具关于各个 工作区元素的位置，并因此根据位置和/或基于位置，来自动选择合 适或恰当的参考方向和/或参考和/或公差。
在本发明方法的另一有利提炼中，可以通过外部和/或内部检查
装置和/或输入来改变和/或预先确定参考值和/或公差值。
在本发明方法的一个有利发展中，通过形成参考坐标中的工具Z 矢量乘以参考坐标中的工具Z参考矢量的标量积、和/或通过形成参 考坐标中的工具X矢量乘以参考坐标中的工具X参考矢量的标量积， 从而确定机械手工具和/或附件关于各个参考方向的对准误差。这就 可能确保每个工具均与一个移动、笛卡儿或直角坐标系相关联，(该 坐标系具有三个坐标轴x、 y、 z以及与坐标轴x、 y、 z相对应的用于 指示方向的矢量x、 y、 z)，该坐标系跟随机械手工具的移动和/或 对准并且关于参考坐标系来对机械手工具的移动和/或对准进行描
述。在此情况中，所有矢量优选地均被引作单位矢量，禾n/或它们的
大小均被适当地标准化。
两个单位矢量的标量积得出两个矢量之间的最小夹角的余弦， 该角度对应于与当前对准相对应的矢量围绕预定参考方向的矢量旋 转和/或旋进时所形成的圆锥形的张开角的一半。
因此，根据本发明的方法，对于参考矢量与对应公差矢量间的 角度的余弦(在每种情况下都对该余弦进行存储以便对其进行提取) 和/或圆锥形公差带的张开角度一半的余弦(对该余弦进行存储以便 对其进行提取)不需要其它任何费时的三角运算和/或计算。
在本发明的一个可选提炼中，工具对准、定位和/或定向是四元 数，四元数代表了非交换乘法的实数体上的四维可除代数。作为四维 实代数，四元数形成了四维实矢量空间。由此，通过四个实分量X。、 Xl、 X2、 X3唯一地定义了每个四元数。四个相互垂直的单位长度的元
素被选为该矢量空间的基本元素，并且被称为1、 i、 j、 k。所以，
四个分量与四个基本元素的线性组合为
Xo+Xii+X2J+X:ik
这种情况下，R被实现为x。形式的元素，也就是说(x产x^xfO)。 于是，四元数首先被转换成单位矢量，随后如上所述地那样进
一步进行适当地处理。
在本发明的一个有利发展中，如果所规定的和/或所转换的矢量
不是单位矢量，和/或如果所规定的Z矢量不与x矢量成直角，则提
供反馈。
另一个可能的方式是规定工具参考方向，其包括例如教导方法、 离线编程和/或虚拟现实。
根据本发明的用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的 系统具有监控装置，该监控装置配有测量值记录单元和处理单元，其 中该监控装置经由至少一个接口与机械手的检査装置相互作用，并且 该监控装置在所记录的测量值的基础上借助测量值记录单元并通过 考虑机械手工具的至少一个可预定的参考方向以及定义了围绕该机 械手工具的至少一个参考方向旋转的(尤其是圆锥形的)公差带的至 少一个可预定的公差角度，从而来自动地确定机械手工具的对准，并 且处理单元将所确定的对准与该参考方向和/或与可由(尤其是圆锥 形的)公差带预定的公差值进行比较，并且在离开至少一个公差带时 与机械手的检査装置协作地断开和/或关闭各个机械手工具。
将通过参考多个附图及示例性实施例来进一步描述本发明及有 利改进。
图1示出了用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的方 法程序的示例，
图2示出了具有工具的机械手的示例以及两个参考方向(每个 方向都具有公差角度)，
图3示出了具有工具的机械手的示例，其中工作区被细分为两 个工作区元素，其中每个工作区元素都具有两个预定参考方向，
图4示出了用于确定对准误差的计算方案的示例，
图5示出了如图4所示的用于确定对准误差的计算方案的示例，
但是其使用了四元数，
图6示出了用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的系 统的示例，以及
图7示出了输入选项的示例。
具体实施例方式
图1示出了用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的方 法程序的示例，其中在第二方法步骤10中，在所记录的与机械手轴 禾口/或机械手的电动机位置相关的测量值的基础上，考虑了为该方法 预先记录的机械手工具的参考方向以及每一个都定义了围绕机械手 工具的各个参考方向的圆锥形公差带的预定公差角度，从而来自动确 定机械手工具的对准及其定位。
在此情况中，机械手工具的参考方向优选地沿着机械手工作区 的可预定的固定参考空间延伸。在此情况中，固定参考空间基于笛卡 尔坐标系，笛卡尔坐标系定义了三维矢量空间。
在第二方法步骤20中，将所确定的对准与分别预定的参考方向 和/或由圆锥形公差带所预定的公差值来进行比较。
在此情况中，优选地，确定机械手工具关于各个参考方向的对 准误差和/或差异，从而形成了参考坐标中的工具Z矢量乘以参考坐 标中的工具Z参考矢量的标量积、和/或参考坐标中的工具X矢量乘 以参考坐标中的工具X参考矢量的标量积。在此情况中，工具与一个 移动、笛卡儿、或直角坐标系相关联(该坐标系具有三个坐标轴X、
y、 z和/或与坐标轴x、 y、 z相对应的用于指示方向的矢量X、 Y、 Z)，
该坐标系跟随机械手工具的移动和/或对准并且关于参考坐标系X、
Y、 Z来对机械手工具的移动和/或对准进行描述。在此情况中，所有
矢量优选地均被引作单位矢量，和/或它们的大小均被适当地标准化。
两个单位矢量的标量积得出两个矢量之间的最小夹角的余弦，该角度
对应于与当前对准相对应的矢量围绕预定参考方向的矢量旋转和/或
旋进时所形成的圆锥形的张开角的一半。
有利地，在一个中间步骤中确定并存储参考矢量与对应公差矢 量之间的角度的余弦和/或圆锥形公差带的张开角一半的余弦，以便 能在本方法的进行过程中随时对其进行提取，并由此不需要其它任何 费时的三角运算和/或计算。图4示出了具有检査步骤的适当的计算 方案。
在第三方法步骤30中，如果机械手工具的定位、定向和/或对 准在公差带内与各个参考方向偏离预定百分量，则产生警告消息并将 其发送至机械手检査装置和/或将其发送至光和/或声信号发送器，具 体为警告灯、信号灯、报警器、喇叭或者扬声器。
在第四步骤40中，如果离开了至少一个公差带，则与机械手检 査装置协力将各个机械手工具和机械手断开或关闭。
在此情况下，可以通过外部和/或内部检査装置和/或输入来改 变为本方法所预备的参考和/或公差值。
在此情况下，可以以离散的时间间隔循环连续地或循环地执行 第一和第二方法步骤。
在离开公差带并且机械手工具被关闭时终止该方法，并且/或者 手动地中断或终止该方法。图2示出了具有工具205和两个预定参考方向210、 220的机械 手200的示例，其中每个方向均具有各自的公差角度230、 240，当 仅仅离开和/或超过由公差角度230、 240定义的一个公差带250、 260 时，各个机械手工具205和/或机械手200被断开。
可从图3中的示例看出，可以根据本发明的方法来将机械手200 的工作区细分为两个或更多工作区元素310、 320，其中每个元素均 具有至少一个参考方向330、 340、 350、 360，在这种情况下，随后 可以考虑多个局部分配的不同参考方向330、 350和/或公差角度，以 便将机械手200的各个工作区元素310、 320与所要求的不同的工具 定向和/或对准和/或定位关联起来。利用诸如此类的细分，根据机械 手200和/或机械手工具205关于各个工作区元素310、 320的位置， 并因此根据位置和/或基于位置，来自动选择合适或恰当的参考方向 330、 340、 350、 360和/或参考和/或公差可。
图4示出了用于确定参考坐标中的工具z矢量乘以参考坐标中 的工具z参考矢量的标量积DPZ、以及参考坐标中的工具x矢量乘以 参考坐标中的工具x参考矢量的标量积DPx的计算方案。将两个标量
积顺序地与相应的半圆锥形张开角a、 0的余弦进行比较。如果标 量积处于允许的范围内，那么工具的对准处于允许的公差内。此外， 如果有一个标量积处于适当范围外，则关闭工具。
图5示出了根据图4的计算方案，但是该方案基于工具对准、 定位和定向被列举为四元数的情况。首先将四元数相应地转换为单位 矢量，随后如上所述的那样(参见图4)进行适当的处理。
图6示出了用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的系 统的示例，其具有监控装置600,该监控装置600具有记录单元610 和处理单元620，监控装置600与机械手200的检査装置630相互作 用，并且通过考虑机械手工具的至少一个可预定的参考方向以及定义 了围绕机械手工具205的至少一个参考方向旋转的圆锥形公差带的 至少一个可预定的公差角度来利用记录单元610自动地确定机械手 工具的对准，并且处理单元620将所确定的对准与该可预定的参考方 向和/或由圆锥形公差带预定的公差值进行比较，和/或与机械手200的检査装置630协作，在离开至少一个公差带时断开和/或关闭各个
机械手工具205。在离开至少一个公差带时，处理单元620还可以使 得机械手200的移动停止。监控装置600在与机械手200的机械手轴 和/或电动机位置有关的测量值的基础上确定机械手工具205的对 准、定位和/或定向，在这种情况下，同样可以确定各个机械手工具 205禾卩/或附件的定位。监控装置600被设计成在机械手工具的定位、 定向和/或对准在公差带内与各个参考方向偏离预定百分量时，则产 生警告信息，并将其发送至机械手检查装置630禾B/或将其发送至为 此目的而配置的光和/或声信号发送器，具体为警告灯、信号灯、报 警器、喇叭或者扬声器。
此外，可以预定至少两个参考方向，其中每个参考方向均具有 一个公差角度，其中在离开和/或超过仅仅一个由公差角度所定义的 公差带时，监控装置600断开各个机械手工具205。
监控装置600被设计成按要求和/或根据要求将机械手200的工 作区细分成至少两个工作区元素，其中每个元素均具有至少一个具有 公差角度的参考方向，随后考虑多个局部分布的不同的参考方向和/ 或公差角度。
在此情况下，各个工作区元素的几何形状、大小、定位、定向 和布置是自由变化的。如果两个或更多工作区元素重叠，则所有可用 公差带均必须予以考虑且必须在重叠区中一致。这对系统和方法均适 用。
监控装置600根据机械手200和/或机械手工具205关于各个工 作区元素的位置，并因此根据位置和/或基于位置，来自动地选择合 适和恰当的参考方向和/或参考和/或公差。
此外，如图7所示，可提供具有适当输入选项的输入设备，以 便即使针对多个工作区元素也可以记录和/或改变参考和/或公差值 和/或方向。
监控装置根据本发明的方法，优选地通过标量积形成和随后的 比较步骤来确定各个参考方向上的机械手工具的对准区域和/或差 异。
权利要求
1.一种用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的方法，其中确定机械手工具的对准，将机械手工具的对准与参考方向和/或由公差带所预定的公差值相比较，和/或在机械手工具的对准离开至少一个公差带时将各个机械手工具断开和/或关闭，上述操作是通过测量值的记录和处理以及考虑机械手工具的至少一个可预定的参考方向和至少一个可预定的公差角度来自动地进行的，其中该至少一个可预定的公差角度定义了围绕该机械手工具的至少一个参考方向的公差带。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，以该至少一个可预定的公差角度围绕该机械手工具的至少一个参考方向旋转来定义了 从预定原点扩宽的公差带。
3. 如权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，以该至少 一个可预定的公差角度围绕该机械手工具的至少一个参考方向旋转 来定义了至少一个圆锥形公差带。
4. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在于， 在离开至少一个公差带时，不仅断开和/或关闭适当的机械手工具， 而且还停止机械手的移动。
5. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在于， 该机械手工具的参考方向沿着机械手工作区的可预定的固定参考空 间的坐标轴延伸。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，该固定参考空间基 于笛卡尔坐标系，和/或该坐标系定义了三维矢量空间。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，该固定参考空间基于一个欧拉坐标系或一个基于RPY角度的坐标系。
8. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在于， 通过记录和处理与机械手轴和/或机械手电动机位置有关的测量值来 确定该机械手工具的对准和/或定位和定向。
9. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在于， 各个机械手工具和/或附件的定位被确定。
10. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，如果该机械手工具的定位和定向和/或对准在公差带内与各个参 考方向偏离了预定百分量，则产生警告消息并将其发送至机械手检查 装置和/或将其发送至光和/或声信号发送器，所述光和/或声信号发 送器具体为警告灯、信号灯、报警器、喇叭或者扬声器。
11. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，预定了至少两个参考方向，其中每个参考方向均具有公差角度， 并且即使仅仅离开和/或超过一个由公差角度所定义的公差带，也断 开各个机械手工具。
12. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，将该机械手的工作区细分成至少两个工作区元素，其中每个元素 均具有至少一个具有公差角度的参考方向，随后考虑多个局部分布的 不同的参考方向和/或公差角度。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所要求的各种工 具定向和/或对准和/或定位与该机械手的各个工作区元素关联。
14. 如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，根据机械手和/或机械手工具关于各个工作区元素的位置，并因此根据位置和/ 或基于位置，来自动选择合适或恰当的参考方向和/或参考和/或公 差。
15. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，可以通过外部和/或内部检査装置和/或输入来改变和/或预先确 定参考值和/或公差值。
16. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过在每种情况下形成参考坐标中的各个工具矢量乘以参考坐标 中的工具参考矢量的标量积、和/或通过将其与关于各个参考方向的 尤其是圆锥形的公差带的半张开角的余弦和/或参考矢量与相应公差 矢量间的角度的余弦进行比较，从而确定机械手工具关于各个参考方 向的对准误差和/或差异。
17. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，所有矢量都被引述为单位矢量，和/或它们的大小被适当标准化。
18. 如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其特征在 于工具对准和/或定位和定向被引述为四元数。
19. 一种用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的系统， 该系统具有监控装置，该监控装置配有记录单元和处理单元，该监控 装置与该机械手的检査装置相互作用，并且该监控装置通过考虑机械 手工具的至少一个可预定的参考方向以及定义了围绕该机械手工具 的至少一个参考方向旋转的公差带的至少一个可预定的公差角度，从 而利用记录单元自动地确定机械手工具的对准，并且处理单元将所确 定的对准与该可预定的参考方向和/或与可由所定义的公差带预定的 公差值进行比较，和/或在离开至少一个公差带时与机械手的检査装 置协作地断开和/或关闭各个机械手工具。
20. 如权利要求19所述的系统，其特征在于，以该至少一个可 预定的公差角度围绕该机械手工具的至少一个参考方向旋转来定义 了从预定原点扩宽的尤其是圆锥形的公差带。
21. 如权利要求19和20之一所述的系统，其特征在于，以该 至少一个可预定的公差角度围绕该机械手工具的至少一个参考方向旋转来定义了至少一个圆锥形公差带。
22. 如权利要求19至21中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，在离开至少一个公差带时，处理单元停止机械手的移动。
23. 如权利要求19至22中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，该机械手工具的参考方向沿着机械手工作区的可预定的固定 参考空间的坐标轴延伸。
24. 如权利要求19至23中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，该固定参考空间基于笛卡尔坐标系，和/或该坐标系定义了 三维矢量空间。
25. 如权利要求19至23中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，该固定参考平面基于一个欧拉坐标系或一个基于RPY角度的 坐标系。
26. 如权利要求19至25中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，监控装置根据与机械手轴和/或机械手电动机位置有关的测 量值来确定该机械手工具的对准和/或定位和定向。
27. 如权利要求19至26中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，监控装置确定各个机械手工具和/或附件的定位。
28. 如权利要求19至27中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，如果该机械手工具的定位和定向和/或对准在公差带内与各 个参考方向偏离了预定百分量，则监控装置产生警告消息并将其发送 至机械手检查装置和/或将其发送至用于此目的光和/或声信号发送 器，所述光和/或声信号发送器具体为警告灯、信号灯、报警器、喇 叭或者扬声器。
29. 如权利要求19至28中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，预定了至少两个参考方向，其中每个参考方向均具有公差角 度，并且即使仅仅离开和/或超过一个由公差角度所定义的公差带， 监控装置也断开各个机械手工具。
30. 如权利要求19至29中的任一权利要求所述的系统，其特征在于，监控装置根据要求将该机械手的工作区细分成至少两个工作 区元素，其中每个元素均具有至少一个具有公差角度的参考方向，随后考虑多个局部分布的不同的参考方向和/或公差角度。
31. 如权利要求30所述的系统，其特征在于，所要求的各种工 具定向和/或对准和/或定位与该机械手的各个工作区元素关联。
32. 如权利要求30或31所述的系统，其特征在于，监控装置 根据机械手和/或机械手工具关于各个工作区元素的位置，并因此根 据位置和/或基于位置，来自动选择合适或恰当的参考方向和/或参考 和/或公差。
33. 如权利要求19至32中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，配置了输入设备用来记录和/或改变参考值和/或公差值。
34. 如权利要求19至33中的任一权利要求所述的系统，其特 征在于，监控装置通过在每种情况下形成参考坐标中的各个工具矢量 乘以参考坐标中的工具参考矢量的标量积、和/或通过将该标量积与 关于各个参考方向的圆锥形公差带的半张开角的余弦和/或参考矢量 与相应公差矢量间的角度的余弦进行比较，从而确定机械手工具关于 各个参考方向的对准误差和/或差异。
全文摘要
本发明涉及用于对机械手工具进行对准、定位和定向监控的方法和系统，其中监控装置(600)具有检测单元(610)和处理单元(620)，监控装置与机械手的控制装置(630)相互作用，并且通过考虑机械手工具(205)的至少一个预定参考方向以及针对机械手工具(205)的至少一个参考方向定义了公差范围的至少一个可预定的公差角度来利用检测单元(610)自动地确定机械手工具(205)的对准。处理单元(620)将所确定的对准与预定参考方向和/或与由所定义的公差范围预定的公差值进行比较，和/或如果不满足至少一个公差带，则与机械手(200)的控制装置(630)协作地断开和/或关闭各个机械手工具(205)。
文档编号B25J9/16GK101341008SQ200680048453
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年12月21日
发明者桑克·科克 申请人:Abb股份有限公司