CN101282823A - 确定虚拟工具中心点的方法 - Google Patents

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Abstract

为了确定光切传感器的虚拟传感器工具中心点，即传感器TCP，本发明设计为，使所述传感器TCP可与具有已知位置的参考构件表面的线上的一点，即所谓的标记，保持足够的空间一致性；确定参考构件的表面的垂线；使传感器的Z方向与参考构件的表面的垂线保持一致；并且，确定传感器相对于标记线按照所限定的对齐。

Description

确定虚拟工具中心点的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定与机器人的已知坐标系相关的虚拟工具中心点的方法，所述的机器人具有用于测量目标的测量传感器以及相应的控制装置。
背景技术
虚拟工具中心点(TCP)用空间坐标和空间定向来表示，其位于真实物体例如刀具之外。这类点自由地位于空间中，并且因为没有真实物体作为参照，机器人不能直接驶向这类点。例如借助机器人进行激光加工时，虚拟TCP处于激光的焦点，同时自由地处于空间中，但不属于真实物体的几何点。为了后面的校正，例如在激光加工中优选使用光切传感器(Lichtschnitt-Sensor)。
借助静态三角测量法，光切传感器可用于检测表面。另外，半导体激光器借助线性光学系统(Linienoptik)，如圆柱形透镜(Zylinderlinse)，产生光帘形式的平面扇形激光束，该平面扇形激光束照射到测量目标上，并以所谓的三角测量角反射到具有信号处理能力的如CCD阵列的相机上。根据由测量目标反射的激光线，通过信号处理器可以确定出测量目标以及可能的过渡边的空间位置。由此，光切传感器可以提供测量目标的距离测量值和轮廓截面。
为了能够使用由光切传感器提供的数值来控制机器人或矫正机器人程序或整个机器，初始由光切传感器提供的在其传感器坐标系中的测量值，可以提供机器人在机器人坐标系中的位置，或借助该测量值提供机器人在已知的与世界坐标系相关的坐标系中的位置。另外，虚拟传感器工具中心点定义为传感器TCP，其定位(Position)可在传感器坐标系中进行限定。
特别在机器人手臂上的光切传感器被拆卸或重新装配后，例如在传感器失效和/或通常当装配定位没有明确限定时，传感器TCP的与机器人坐标系或世界坐标系相关的位置一般会发生偏移。这种偏移开始是未知的，按照本发明其应以简单的方法进行确定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法，通过该方法使得与机器人坐标系或世界坐标系相关的虚拟传感器TCP的位置可以以简单的方法确定。
该位置至少可以理解为在已知坐标系内的局部定位，例如X、Y、Z。同时，该位置也可以包含在空间中的定向(Orientierung)，例如绕X、Y、Z轴旋转A、B、C。
按照本发明，所述的目的以开始时提及的方式如此实现，即与已知机器人坐标系相关的虚拟工具中心点的位置，由与传感器坐标系相关的虚拟工具中心点的已知位置和用于确定机器人位姿(Position)的机器人轴位置的检测值来确定，其中该虚拟工具中心点位于参考构件的测量位置。
机器人的已知坐标系例如可以是世界坐标系、所谓的机器人坐标系或机器人手坐标系。优选地可以借助在机器人控制中应用的示教功能通过示教实现机器人轴位置的测量。
本发明还设计为借助光切传感器来确定虚拟TCP，即，使得在传感器坐标系中定位的已知虚拟TCP与在后面称为标记的测量位置(例如，参考构件)保持足够的一致性，其中所述的标记在特殊应用场合中是一种“几何结合位置”，其按照焊缝结构的通用方式为，例如：使两个平构件的部分平面彼此叠置的搭接接头、使第一个平构件垂直于第二个平构件并使第一个构件的端面位于第二个构件的平面上的T接头、或使第一构件的端面紧靠第二构件的端面并使两个构件处于同一平面内的I接头等。通常，测量位置或标记实际上也可称为平面变化中的“中断”。从几何角度可将该标记定义为具有确定平面垂线的平面上的线或边。
在本发明的一种设计方案中，该参考构件的表面的垂线可通过三角测量法来确定。
在按照本发明所述方法的优选方案中，虚拟工具中心点可依据测量传感器的测量值向参考构件的测量位置移动，其中特别地，可以使传感器在空间上接近参考构件的测量位置，在附近处由测量传感器检测该测量位置，从而可借助至少一个由测量传感器所测得的该测量位置的定位值(Y测量，Z测量)确定在传感器坐标系中虚拟工具中心点和该测量位置之间的位置差，并且基于所述位置差使虚拟工具中心点与该测量位置在定位上保持一致。另外优选地，传感器可以设置在接近该测量位置的这样的空间中，以使得该测量位置可由测量传感器检测。随后，借助至少一个由测量传感器测得的该测量位置的定向值(A测量，B测量，C测量)，确定在传感器坐标系中虚拟工具中心点和该测量位置之间的定向差，并且基于所述定向差使虚拟工具中心点与该测量位置在定向上保持一致。
在其它可选方案中，为了使虚拟工具中心点和测量位置保持一致，可以通过控制机器人直到虚拟工具中心点位于该测量位置来实现；或者为了减轻手动控制虚拟工具中心点驶近测量位置的难度，通过发送控制机器人的信息，使得其能到达该测量位置。
优选地，在第一个方案中，为了减轻手动控制虚拟工具中心点驶近测量位置的难度，通过发送控制机器人的信息，使得其能到达该测量位置；而在第二个方案中，为了使虚拟工具中心点和测量位置保持一致，可以通过自动控制机器人直到虚拟工具中心点位于该测量位置来实现。
在光切传感器作为测量传感器的优选应用中，借助测量值确定该测量位置在传感器坐标系中的三个空间坐标中的至少两个坐标(Y测量，Z测量)，并且通过使在第三个空间坐标方向上延伸通过该测量位置的直线与光切传感器的光帘面相交来确定第三个坐标值。
借助光切传感器的测量值，可以确定参考构件的表面的垂线(Z测量)，另外，通过相对于该测量位置来校正光切传感器，使得传感器坐标系的坐标方向(Z传感器)可与参考构件的表面的垂线(Z测量)保持一致。
该方法的另外一个优选形式是，该测量位置位于参考构件的表面中的线或边上，并且光切传感器的平面光帘绕参考构件的表面的垂线旋转，直到由线或边产生的光切传感器的阶跃响应消失，这个定向构成第一个角位置；光切传感器再反向转动，直到由线或边产生的光切传感器的阶跃响应再次消失，这个新的定向构成第二个角位置；并且，可检测所述第一个和第二个角位置之间的角平分线，使其作为相关角定向。
本发明另外还包括特别地用于实现按照本发明方法的具有显示器的控制装置，所述显示器用于显示虚拟工具中心点的空间位置。
在本发明控制装置的其它优选构成中，显示器用于显示方向信息，沿此方向控制机器人直到虚拟工具中心点位于该测量位置，和/或显示器设计为显示虚拟工具中心点何时能位于该测量位置的信息。
通过本发明，可以对虚拟TCP进行示教，由于所述虚拟工具中心点不能被肉眼所看到，因此不能由机器人程序员直接进行机械控制。借助本发明的方法，机器人程序员可以通过光切传感器“看见”所述虚拟工具中心点。所述虚拟工具中心点可在操作仪器上这样可视，即机器人程序员可通过操作仪器的显示来操作机器人驶向所述虚拟工具中心点。
附图说明
本发明的其它优点和特征通过权利要求和随后的文字描述给出，该文字描述根据附图对本发明的实施例分别进行说明。其中：
图1：按照发明的具有在机器人手上设置的光切传感器以及带有用于获知其空间定位的标记的参考构件的机器人的示意图；
图2：图1中示出的带有参考构件的光切传感器的放大示意图；
图3：图2中示出的光切传感器的侧视图；以及
图4：按照本发明的控制装置。
具体实施方式
工业机器人1以公知的方式设置有基座2、可绕竖直A1轴旋转的旋转体3、可绕水平A2轴偏转的摇臂4、在摇臂的自由端铰接设置可绕水平A3轴偏转的机器人手臂5，在机器人手臂5的自由端设置带有三个转动轴A4轴至A6轴的机器人手6。机器人手6的自由端由法兰7构成。A6轴在机器人手绕着A5轴偏转时不再与A4轴保持一致，如在附图中示出的针对该特殊情况的机器人的伸展位姿。
法兰7起着固定工具的作用。在图1中，光切传感器8固定在法兰7上。光切传感器8具有在其YZ平面内形成的扁平扇形激光束、光帘9、优选以半导体激光器形式构成的光源、以及如优选CCD阵列相机的探测装置。
光切传感器8具有固有坐标系。处于传感器坐标系中的Y向Y传感器和Z向Z传感器在图中示出，而X向X传感器在所示取向中总是与纸面垂直。位于传感器坐标系中的位置XTCP、YTCP、ZTCP处的虚拟工具中心点(TCP)15附属于传感器。
另外示出的还有具有测量位置或标记12的参考构件11。在该具体实施例中，标记由参考构件11中的阶梯12构成。该测量位置的X坐标X测量在阶梯12的长度延伸方向上。该测量位置的Z坐标Z测量在与参考构件的表面14垂直延伸的方向上。
如图2所示的，机器人手开始时通过对单个机器人轴进行调节而进行运动，使得标记12进入传感器的CCD相机的视场或监视窗中。传感器随后产生能识别标记12的信号。标记12到达目的窗也可以例如在操作装置上优选以光学或声学方式进行显示。只要传感器检测到标记12，光切传感器8就可确定出标记12在传感器坐标系的Y向Y传感器和Z向Z传感器的定位。从标记12的与光切传感器8的坐标系相关的实际位置和虚拟TCP 15的与光切传感器8的坐标系相关的已知的数学位置，可以得出标记12和虚拟TCP之间的位置差。随后机器人手臂沿Y传感器方向或Z传感器方向向前(+)或向后(-)运动，直到标记12和虚拟TCP 15各自相关的坐标(充分地)一致。可以自动的方式通过控制装置自动操作机器人而使机器人运动，或者也可以要求机器人操作员以合适方式手动操作机器人运动。
接着可相应地实现沿传感器坐标系Z传感器方向的虚拟TCP 15和标记12之间的靠近，直到两者至少近似一致，其中在Z向Z传感器的标记位置可通过光切传感器8按照静态三角测量的公知方法来确定。
虚拟TCP 15可以通过机器人手的手动或自动操作来实现和标记12的一致性。
两者的一致性不必很精确，可以以一定的公差R来实现，其中该公差的范围可在1至5倍传感器分辨率的数量级内，即如1mm大小。不需要精确定位的原因是尽管存在不准确的驶近定位，但可以借助已知的三点法和四点法从数学上准确地计算TCP的实际位置。
第三坐标X总是为零，因为光切传感器8产生的是一个平面光束，即光帘，其沿X方向没有空间伸展，即在X向上光帘是无限小或无限薄的。在系统事先已经产生了“标记到达(Merkal erreicht)”和信号的前提下，就能保证标记12位于光切传感器8的光帘平面内的Y方向上。
总之，根据标记12的与光切传感器8的坐标系相关的实际位置以及虚拟TCP 15的在光切传感器的坐标系中的已知的数学位置，可以得出标记12和虚拟TCP 15之间的位置差，由此可在世界坐标系或机器人坐标系中确定虚拟TCP的位置。
另外，可以获得三个角位置中的至少两个角位置。
如图2中所示，首先平面传感器光束绕X方向相对于参考构件11或标记12旋转，以确定第一个角位置。另外，借助公知的光切传感器8的三角测量法，通过计算确定参考构件11的表面的法线。传感器固有坐标系的Z方向Z传感器是已知的。光切传感器8将偏转，并且在偏转期间相对于计算确定的标记12的Z向Z测量的法线，测量光切传感器8的Z方向Z传感器。使光切传感器8一直运动，直到Z传感器和Z测量之间的相对角度为零。随后，如在图3中示出的，光切传感器8绕其Y方向旋转，另外对光切传感器8和标记12之间的间距进行测量。旋转应按同一旋转方向进行，这样测量的间距值总是较小的。只要测量值又开始变大，就能获得止点(Umkehrpunkt)，在止点处光切传感器8和标记12的间距最小。在此转动位置，光切传感器8的Y方向垂直于参考构件11。
由此，光切传感器8的Z方向Z传感器和标记12的Z方向Z测量保持一致。
在另一步骤中确定第二个角位置。对此光切传感器8绕其固有的Z轴Z传感器转动，其中所述轴作为具有足够精确度的转轴与标记12的边相交。只要光切传感器8的平面扇形光束处于该边的Y方向Y测量，则由光切传感器8产生的多个信号中的阶跃响应将消失，所述阶跃响应是由边产生的。通过使光切传感器8的Y方向Y传感器与标记12或参考构件11的边的Y方向在一定程度上是一致的，就可确定该第二个角位置。
为了提高精确性，光切传感器8可以以相同方向或以与先前方向相反的方向转动，直到旋转至例如180°，此时平面光束的方向又和边保持一致，同时阶跃响应消失。测量在两个检测(Y-)角位置之间的作为虚拟TCP 15的第二个角定向的角位置，作为第二个角位置。
第三个角位置作为先前确定的两个角位置的垂线在笛卡尔坐标系中给出。
虚拟TCP 15现在既可根据其三个定向，也可根据其在笛卡尔坐标系中的定位而处于与标记12或该测量位置相一致的位置上。这个定位随后通过传统的三点或四点法重新示教(geteacht)，由此在机器人或世界坐标系中唯一确定虚拟TCP 15的位置。
图4示出的是按照本发明的控制装置的显示器的屏幕显示图像。在左边给出的是数字信息，在下方区域中的信息是本发明控制装置所形成的信号，显示器的右部显示的是虚拟工具中心点的空间位置。在图4中，虚拟TCP不是位于测量传感器的空间位置中，而是离测量传感器的空间位置向左和远离的地方。相应地在显示中，识别信号“远离(zu weit weg)”和“向左(zu weitlinks)”发光，由此通过方向指示显示出虚拟TCP相对参考构件的测量位置不存在于测量传感器附近的空间中，可沿此方向操作机器人，以使虚拟工具中心点位于测量位置。为了进行显示，测量传感器将相对其坐标原点的标记位置进行反馈。该显示是通过将测量到的定位与虚拟工具中心点进行比较来实现的，由此给出需要的运行方向。当测量传感器在空间上足够接近参考构件的测量位置，并且测量传感器检测该测量位置时，该测量位置可以在显示光点定义的屏面上由测量位置的显示对其进行显示，并且相应给出该测量位置虚拟TCP(在考虑了先前的公差或足够接近的条件下)的信息。
附图标记一览表
1     工业机器人
2     基座
3     旋转体
4     摇臂
5     机器人手臂
6     机器人手
7     法兰
8     光切传感器
9、10 光帘
11    参考构件
12    标记
13    平板
14    平面
15    虚拟TCP

Claims (17)

1.用于确定与机器人的已知坐标系相关的虚拟工具中心点的位置的方法，该机器人具有用于测量目标的测量传感器，
其特征在于，
与该机器人的已知坐标系相关的虚拟工具中心点的位置，由与传感器坐标系相关的虚拟工具中心点的已知位置以及用于确定机器人位姿的机器人轴位置的测量值来确定，其中该虚拟工具中心点位于参考构件的测量位置。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，借助在机器人控制中应用的示教功能通过示教实现该机器人轴位置的测量。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该虚拟工具中心点基于该测量传感器的测量值向该参考构件的测量位置移动。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，使该传感器在空间上接近该参考构件的测量位置，在附近处由该测量传感器检测该测量位置；
借助至少一个由该测量传感器所测得的该测量位置的定位值(Y测量，Z测量)，确定在该传感器坐标系中该虚拟工具中心点和该测量位置之间的位置差；并且
基于该位置差，使该虚拟工具中心点和该测量位置在定位上保持一致。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，使该传感器在空间上接近该参考构件的测量位置，在附近处由该测量传感器检测该测量位置；
借助至少一个由该测量传感器所测得的该测量位置的定向值(A测量，B测量，C测量)，确定在该传感器坐标系中该虚拟工具中心点和该测量位置之间的定向差；并且
基于该定向差，使该虚拟工具中心点和该测量位置在定向上保持一致。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过控制该机器人直到该虚拟工具中心点位于该测量位置实现该虚拟工具中心点与该测量位置的一致性。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，通过发送控制该机器人的信号，使得该机器人到达该测量位置，来减轻手动控制该虚拟工具中心点驶近该测量位置的难度。
8.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，该虚拟工具中心点和该测量位置的一致性可以以计算方法实现，在此计算方法中，机器人程序的位姿数据中包括该虚拟工具中心点和该测量位置之间的位置差和/或定向差。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，通过自动控制该机器人直到该虚拟工具中心点位于该测量位置实现所述一致性。
10.按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，该光切传感器用作测量传感器。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，借助该光切传感器的测量值，确定该测量位置在该传感器坐标系中的三个空间坐标中的至少两个坐标(Y测量，Z测量)；并且通过使在第三个空间坐标方向上延伸通过该测量位置的直线与该光切传感器的光帘平面相交来确定第三个坐标值。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助该光切传感器的测量值，确定相对于该参考构件的表面的垂线(Z测量)；
通过相对于该测量位置来校正该光切传感器，使得该传感器坐标系的一个坐标方向(Z传感器)与该参考构件的表面的垂线(Z测量)保持一致。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，该测量位置位于该参考构件的表面中的线或边上，并且该光切传感器的平面光帘绕该参考构件的表面的垂线旋转，直到由该线或边产生的该光切传感器的阶跃响应消失，这个定向构成第一个角位置；
该光切传感器反向转动，直到由该线或边产生的该光切传感器的阶跃响应重新消失，这个新的定向构成第二个角位置；并且
检测该第一个角位置和该第二个角位置之间的角平分线，使该角平分线作为相关的角定向。
14.具有显示器的控制装置，特别用于实施上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该显示器用于显示虚拟工具中心点的空间位置。
15.按照权利要求14所述的控制装置，其特征在于，该显示器用于显示测量传感器是否处于该参考构件的测量位置附近的空间内的信息，在该空间内该测量传感器能够检测该测量位置。
16.按照权利要求14或15所述的控制装置，其特征在于，该显示器用于显示方向信息，该机器人沿此方向被控制，直到该虚拟工具中心点位于该测量位置。
17.按照权利要求14至16之一所述的控制装置，其特征在于，该显示器用于显示该虚拟工具中心点何时能位于该测量位置的信息。
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