CN101758499A - 用于检测操纵器工作点的空间位置的手持设备及方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于检测操纵器，尤其是机器人的工作点的空间位置的便携式手持设备(1)，包括：用于供用户操纵所述手持设备的操纵装置(2，3)；检测位置的装置(4)，其中所述检测位置的装置(4)的空间位置是可检测的；以及触知元件(5)，其与所述检测位置的装置相连接，优选为可分离式，在其处限定一个参考点(R)；其中，所述操纵装置(2，3)和检测位置的装置(4)通过关节相互连接。本发明还公开了用于检测操纵器工作点的空间位置的方法。

Description

用于检测操纵器工作点的空间位置的手持设备及方法

技术领域

本发明涉及用于检测操纵器，尤其是机器人的工作点的空间位置的便携式手持设备及方法。

背景技术

在许多应用中，操纵器执行程序，将称作工具中心点(TCP)的工具参考坐标系移动到不同的工作点，这些工作点的空间位置已经在操纵器的控制下预先保存了。例如，可以是由工业机器人处理的一系列焊点或喷涂轨迹。然而，还可以通过操纵器的其他参考坐标系来接近工作点，例如操作臂的根点。

在本文中，总的来说，一个点的定位，例如它离参考坐标系原点的距离，和/或这个点所在的坐标系相对于一个参考坐标系的方位，称为这个点的位置。因此，空间中一个工作点的位置可以通过，例如基于操纵器或工作单元限定的一个坐标系中TCP的原点的笛卡尔坐标(x，y，z)以及TCP相对于这一坐标系的欧拉或卡丹角(α，β，γ)来描述。

为接近这类工作点，操纵器必须采取特定的关节姿势或关节坐标，例如，关节的旋转角度。当操纵器的运动为已知时，关节坐标和工作空间内的TCP的位置可以通过分别求解向前和向后的运动而相互转换。由此，根据本发明，可以(例如)在工作空间内，比如通过参考坐标系内的笛卡尔坐标和方位角度，或通过操纵器的关节坐标来给出操纵器工作点的空间位置，且可以相应地在所述操纵器的控制下保存。

为保存或记录这类工作点，除了离线编程和工作点与处理操纵器接近的位置的所谓教导，由WO 01/30545A1已知一种便携式手持设备，其空间位置通过光学追踪系统和加速计检测得到，并且包括限定有参考点的触知元件。通过移动所述手持设备，用户将所述参考点引导至期望的工作点，在该工作点处，通过光学追踪系统和加速计检测得到参考点的空间位置并将其保存为所述工作点的位置。

根据DE 10048952A1的权利要求1和10的前序部分，其记载了一种便携式手持设备，根据其权利要求11的前序部分，其还记载了用于实现这一目的的方法。然而，这一方案包括一些不同的分别的缺陷。

总的来说，DE 1048952A1提出，将触知元件向手持设备的传感器偏移，以使得光学传感器和追踪系统的参考标记之间的光学接触变得容易。然而，这不仅改变了检测到的传感器的空间位置和触知元件的参考点之间的变换，其需要这一变量转换的额外检测并且引入一个额外的错误源。由于键盘(必须被驱动)和显示器(必须被读取)与传感器相连接，其还无法简化对所述手持设备的操纵。如果必须通过转换保持在工作点处的参考点来将传感器引入到一个特定的位置，以使其能够与参考标记进行光学接触，例如，通过所公开的所述触知元件和传感器相对彼此偏移，这可能将键盘和显示器引入到一个对用户不利或使用户不舒服的位置。

另一方面，目前仅能通过键盘使用宏或其他程序指令对位置进行保存并且对程序进行编辑。然而，如果记录工作点时必须驱动额外的轴，例如，当通过转动及倾斜平台来移动工件以接近不同的工作点时，用户仍必须通过分别控制来控制这些轴。

在记录空间位置时，由于存在测量和计算公差，已存的工作点可能会错误地位于工件的轮廓内部。这类已存空间位置的纠正过程是复杂的。

发明内容

本发明的一个目的在于改善工作点的空间位置检测，以及避免至少一个上述缺陷。

这一目的通过分别具有权利要求1或10的特征的便携式手持设备以及分别具有权利要求11的特征的方法实现。权利要求12涉及一种相应的计算机程序产品，从属权利要求涉及具有优势的改进。

根据本发明的用于检测，特别是记录操纵器，尤其是机器人的至少一个工作点的空间位置的便携式手持设备包括：用于供用户操纵该手持设备的操纵装置，用于检测其空间位置为可检测的位置的装置，以及与这些检测位置的装置相连接的触知元件，其中，所述触知元件处限定一个参考点。

具体地，操纵装置包括用于供用户输入的输入装置，例如，一个或多个按键、开关等，用于向用户输出的输出装置，具体为一个或多个显示器，以及/或供给用户的手柄。检测位置的装置包括通过具有固定有参考系的追踪装置或传感器检测的一个或多个标记，所述追踪装置或传感器检测参考系的参考标记，并且由此使得所述检测位置的装置的空间位置能够被检测到。

根据本发明的第一个方面，提出了通过至少一个关节使操纵装置和检测位置的装置相互连接。这一方面允许将检测位置的装置引入到一个有利位置，在该位置处，其空间位置较易被检测到，例如，由于光学追踪设备可以分辨足够多的标记，或者，在该位置处，与检测位置的装置相连接的触知元件模拟操纵器工具的一个期望位置，并且，另一方面，同时将操纵装置引入到一个有利的空间位置，例如，在该位置处，能较清楚地看见显示器，能够很好地操作键盘，或其手柄能被有利地设置得符合人体工学。

为达到这一目的，根据一个优选实施例，操纵装置和检测位置的装置可以通过具有一个或更多旋转自由度的支点或转动关节相互连接，优选为具有三个旋转自由度的球关节。此外，或可替换地，还可以使用像铰链、平行四边形导引物、线性轴等的平动或线性关节。

根据本发明的一个优选实施例，操纵装置和检测位置的装置之间的关节的自由度是可锁的或自锁的。例如，球关节可以以自锁方式通过摩擦力维持在一个旋转位置，直到用户通过克服作用力阈值来改变该位置。还可以通过凹槽或棘爪等将球关节锁在一个被限定的旋转位置处，或通过，例如螺钉、吸持磁体的激活、制动器的激活等锁定球关节的一个或更多旋转方向。显然，同样的方式也适用于相应关节的平动或线性轴。

根据本发明的一个优选实施例，操纵装置和检测位置的装置以可分离方式相互连接。这允许，例如，不同的操纵装置与不同的显示器和/或驱动元件相结合、与不同的检测位置的装置相结合，以适用于被不同的追踪装置所检测。

因此，同样地，为了获得不同的检测位置的装置与不同的触知元件的组合，所述触知元件与所述检测位置的装置可以以可分离方式相互连接，例如，这些组合可以包括用于在不同的环境中接触工作点或模拟不同工具的不同的几何尺寸。这些与检测位置的装置可分离式相连接的触知元件还优选为相对于所述检测位置的装置不可移动或固定，以提供检测到的所述检测位置的装置的空间位置和所述触知元件的参考点之间的固定变换。

根据本发明的一个优选实施例，所述操纵装置的手柄处设置有启动开关，例如，用户必须激活该开关以移动操纵器或额外的轴，并且/或确保最接近该用户的操纵器不会对其产生威胁。优选地，所述启动开关可以通过食指激活，这样，其他开关可以尤其通过持有所述操纵装置的手的拇指激活。

为了使有效检测到可以被操纵器接近的合理的工作点变得容易，优选地，所述触知元件可以与所述检测位置的装置一起被制为虚拟工具，即，所述虚拟工具大致形成为所述操纵器用来接触所述工作点的工具的外部轮廓的至少一部分的形状。优选地，所述以所述触知元件限定的参考点与TCP相对应。

根据本发明的一个优选实施例，所述检测位置的装置包括一个或更多，优选为至少三个适于被追踪装置检测到的主动和/或被动标记。它们可以是，例如，具有预置几何轮廓的发射式主动标记或反射式被动标记，可以通过例如工作在可见或紫外线范围内的光学追踪装置或例如工作在超声波范围内的声学追踪装置检测。

附加的或可替换的检测位置的装置还可以包括一个或更多，优选为至少三个传感器，例如加速传感器，或惯性测量系统中的传感器，或本身例如以光学或声学方式检测参考系中的主动或被动标记，并且由此也能够检测所述检测位置的装置的空间位置，并且由此检测连接到其上的触知元件的参考点的传感器。

根据一个优选实施例，所述检测位置的装置包括沿一个或多个环绕其的圆环的圆周设置的多个标记和/或传感器，优选为圆柱状。这简化了分别沿垂直于穿过圆环中心的垂直轴的所有方向对圆环上的标记进行检测或对圆环上的传感器进行检测，并且尤其使得所述检测位置的装置可以在不会不利地影响该检测的情况下绕这一垂直轴旋转。

优选地，所述检测位置的装置包括至少两个这样的圆环，它们的垂直轴不同轴，并且尤其彼此可以具有至少10°的夹角。这增加了所述追踪装置或传感器分别沿一个圆环的垂直轴向另一个圆环的标记或传感器的方向观察的能见度。

通常，沿预定主方向移动工具并引导其与工件相接触，所述主方向按照一个可能是以由工作过程决定的特定角度定位，例如大致垂直于工件表面。例如胶粘物或焊枪通常垂直于工件的水平方向的表面移动。

另一方面，追踪装置的照相机优选为相对于工件表面的表面法线按照预定的角度定位，例如45°左右。这时，当所述手持设备与工件相接触时，标记的一个检测方向也相对于工件表面的表面法线以45°左右倾斜，然后，大致在检测方向直接朝向所述标记的照相机可以以光学方式检测到它们。一般地，标记或传感器的检测方向分别以预定的角度定位，以使得所述手持设备能定位在一个具有所述开度角的圆锥内，而不会不利地影响该检测。

根据本发明的一个优选实施例的至少一个标记或传感器的有利于检测的检测方向，例如，传感器的光轴或反射标记的表面法线，分别相对于所述触知元件和/或检测位置的装置的主方向以一定角度倾斜，例如纵向或对称轴、所述触知元件的优选接触方向、所述虚拟工具的工作方向，或，与虚拟工具在检测位置相接触的工作方向，待检测工作点位于该处的工件的表面法线，所述角度介于15°和75°范围之间，尤其介于30°和60°之间，尤其是45°左右。

根据本发明的第二个方面，其中，优选地，也可以实现根据第一个方面的一个或更多个前述特征，尽管如此，其也可以在没有这些特征的情况下实现本发明的目的，根据本发明的第二个方面提出了操纵装置包括用于供用户输入的输入装置，以控制所述操作器的额外的轴，尤其是工具平台的轴。

因此，尤其是为了使用所述手持设备接近不同的工件位置处的不同的工作点，用户可以驱动所述操纵器的额外的轴，例如一个放置所述工件的转动和/或倾斜平台的旋转轴，以将所述工件定位在适当的位置，特别是将工件定位在这样一个位置，当使用操纵器处理工件时，无需操纵额外的输入设备。

根据本发明的第三个方面，优选地，还可以实现一个或更多根据本发明的第一和/或第二个方面的前述特征，尽管如此，其也可以在没有这些特征的情况下实现本发明的目的，根据本发明的第三个方面提出了首先检测得到手持设备的参考点的空间位置，随后通过例如输入位移值的方式沿预定的方向移动所述参考点，尤其是沿工具的工作方向或工件表面的表面法线。然后，将检测到一个沿所述预定的方向相对于所述检测到的空间位置而被替换的位置，特别被记录为所述操纵器的工作点的空间位置。

在检测并记录或保存工作点位置的过程中，如果由于测量和数值公差，被记录的工作点，例如焊点或胶粘点，错误地出现在工件的轮廓范围内，使得操纵器在基于这样的空间位置执行程序时存在将工具移动侵入到工件内部并且因此损坏工件和/或工具的危险，用户可以通过将已存的所述位于工件轮廓线内的工作点从工件的轮廓线中移出来更正这一错误。尽管如此，这在没有工件的情况下难以离线，特别是对于多个已存的空间位置。本发明根据其第三个方面简化了工作点位置的检测，优选为在工件外部，通过，优选为自动地，预定一个方向，例如工具的工作方向或工件表面的表面法线，替代起初沿该方向被错误检测到的位置，然后-现在位于工件的外部-将其保存为(正确的)工作点位置。

附图说明

由从属权利要求及优选实施例获得更多优势和特征。其中，部分通过附图示出：

图1：示出了根据本发明的第一实施例的便携式手持设备的透视图；

图2：示出了图1中所示手持设备与工件表面相接触的侧视图；

图3：示出了图1中所示手持设备的俯视图；

图4-6：示出了图1中所示手持设备中的检测位置的装置偏离朝向不同的位置；以及

图7：示出了根据本发明的另一实施例的便携式手持设备的侧视图。

附图标记

1手持设备

2手柄(操纵装置)

2.1启动开关

3便携式计算机(操纵装置)

3.1按键(输入装置)

3.2显示器(输出装置)

4检测位置的装置

5触知元件

6，7标记环

6.1，7.1反射标记

6.2，7.2垂直轴

8球关节

α检测方向和主方向的角度

180°-β标记环的垂直轴间的角度

R参考点(TCP)

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的便携式手持设备1的透视图。其包括用于供用户操纵所述手持设备1的操纵装置，所述操纵装置包括：用户的圆柱状手柄2，以例如PDA的微型便携计算机形式存在的输入输出装置3，用于供用户输入指示的键盘3.1和用于显示信息的显示器3.2。PDA 3以可分离方式与所述手柄2相连接，手柄2的下侧(图1下部)具有启动开关2.1。

检测位置的装置4与手控装置3通过一个球关节8(见图2)关节式连接，并且可以倾斜并相对于其旋转。由于所述球关节8提供足够的摩擦力，其旋转自由度为自锁，这使得手控装置3和检测位置的装置4可以相对彼此固定，并且仅在用户施加附加操纵力以克服所述摩擦力时才能彼此相对移动。由此，在用户不驱动的情况下，所述球关节8在操纵装置3和检测位置的装置4之间维持当前的相对位置，尽管如此，用户可以在所述球关节8处使得操纵装置3以及检测位置的装置4彼此相对倾斜或旋转。

可变触知元件5以可分离方式与所述检测位置的装置4相连接，其大致具有焊接工具的轮廓并且在端部限定有一个参考点R，所述参考点R与通过操纵器移动的真正的焊接工具的TCP相对应。

为了以所述检测位置的装置4的空间位置为基础检测该参考点R的空间位置，通过光学追踪装置(未显示)来检测检测位置的装置4的空间位置。为达到这一目的，第一圆环6以这样的方式环绕所述大致为圆柱状的检测位置的装置4：其垂直轴6.2与所述检测位置的装置4的对称纵向轴对齐。相应地，第二圆环7同样以这样的方式环绕所述圆柱状触知元件5：其垂直轴7.2与所述触知元件5的对称纵向轴对齐，大致垂直于如图2所示的检测位置中的工件的表面，并且还与实际焊接工具的工作方向或导引方向相对应。所述检测位置的装置4和触知元件5的纵向轴之间，以及所述两个圆环6、7的垂直轴6.2和7.2之间，具有15°左右的角度180°-β。

沿圆环6、7的圆周分别设置有用于被追踪装置(未示出)的CCD相机检测的环形反射标记6.1和7.2。该标记7.1的检测方向，即在该平面标记上的平面法线7.3，在图2中以实线画出，用作圆环7的一个标记，沿该法线方向能够实现最大程度的反射并且由此被CCD相机极好地检测到。如图2中所示，所述检测方向7.3相对于触知元件5的纵向轴，即圆环7的垂直轴7.2，以大约45°的角度α倾斜。

圆环6的标记6.1分别沿与其对应的圆环7的标记7.1的相同的方向对齐。由于所述垂直轴6.2的相对于所述垂直轴7.2以大约15°的角度偏离，使得圆环6的每一标记6.1具有不同的角度位置。也就是说，标记6.1的朝向随所述垂直轴7.2的位置变化，而不是垂直轴6.2。

上、下部圆环6、7包括沿其圆周设置的梯形表面，每一梯形表面设置有一个标记。所述标记的朝向与其对应的梯形表面相同。由此，上部圆环6的标记的每一梯形表面的朝向都与所述垂直轴6.2不相同。如图2所示，上部圆环6左侧处的梯形表面具有较大坡度，而右侧处的梯形表面却极为平坦。也就是说，在某些特定段位，上部圆环6的梯形表面的朝向总是平行于下部圆环7的梯形表面。

如果将具有虚拟工具形状的触知元件5与其参考点R一起放置在图2中用平行线表示的工件表面上的一个待检测的工作点处，这使得纵向轴7.2大致与所述工件的表面垂直，标记7.1的检测方向因此近似以大约45°的角度相对于该工件的表面倾斜。追踪装置(未示出)的CCD相机同样近似以大约45°的角度相对于该工件的表面倾斜以实现最优检测。因此，CCD相机大致直接朝向能对其产生最大程度反射的标记7.1。同样，以15°角倾斜的检测位置的装置4的圆环6的标记6.1相对于下部圆环7的垂直轴7.2以大约45°角倾斜，并且由此也可以被CCD相机较好地检测。

由于所述圆环6、7的垂直轴6.2、7.2之间存在扭结或弯曲，避免了视觉上圆环7被圆环6完全覆盖，具体如图3所示。由此，标记圆环6和7均可以通过来自不同位置的相机以及使所述手持设备1朝向不同的方向而被检测。

如图4-6以示例性方式所显示的，在球关节8处的所述检测位置的装置4相对于操纵装置2、3倾斜或旋转，在将手柄2、显示器3.2和键盘3.1保持在符合人体工学的优势位置时，可以使虚拟工具5朝向各种不同方向。由于所述检测位置的装置3的上述特征，与此同时，光学追踪装置可以较好地检测到标记6.1、7.1，其中，由于触知元件5一直固定在检测位置的装置4上，从参考点R到可以经由标记6.1、7.1检测其位置的检测位置的装置的坐标系的变换保持不变。

通过启动开关或按键3.1，用户可以驱动弯曲处和倾斜台(未示出)的额外的轴并且由此利用手持设备1将固定在该台上的工件移动到其期望检测的工作点上。所述开关可以是多功能开关，其仅在已预先选定相应的菜单时启动所述额外的轴。在一个未示出的改进中，所述显示器3.2可以通过触摸屏实现，其上限定一个或更多输入按键。

由图2可以看到工件表面上处于检测状态的手持设备的参考点R的位置。在不存在测量或数值误差的情况下，所述工件表面上的所述参考点的空间位置作为工作点的空间位置被保存。然而，由于测量或数值误差，这类被保存的工作点的空间位置可能错误地出现在工件的轮廓(图2中水平线下方)内。这导致在执行使用该被保存的错误的空间位置的程序时焊接工具的末端与工件发生碰撞。因此，按照根据本发明的方法，将由所述触知元件5限定的主方向，即，通常为工具的工作方向，预先设定为位移方向。当空间位置已存，或可替换地，处于所述已存或已记录的工作点的后处理或控制阶段时，用户可以通过输入适当的位移值，沿预定的位移方向以确定的、控制良好的方式，将已存的错误位置从工件移出，并将如此替换的位置作为操纵器的(正确的)工作点保存。通过这种方式，将工件外部的无碰撞空间位置作为期望的工作点保存。当随后使用操纵器移动该工具时，可以沿该位移方向替换该工作点直至其与工件表面相接触。

Claims (12)

1.一种便携式手持设备(1)，用于检测操纵器，尤其是机器人的工作点的空间位置，包括：

用于供用户操纵所述手持设备的操纵装置(2，3)；

检测位置的装置(4)，其中所述检测位置的装置(4)的空间位置是可检测的；以及

触知元件(5)，其与所述检测位置的装置相连接，优选为可拆卸地连接，且在其处限定参考点(R)；

其特征在于，操纵装置(2，3)和检测位置的装置(4)通过关节相互连接。

2.根据权利要求1的手持设备，其特征在于，操纵装置和检测位置的装置以具有至少一个优选为可锁或自锁的旋转自由度的关节(8)相互连接，优选为可拆卸方式。

3.根据前述任意一项权利要求的手持设备，其特征在于，操纵装置包括用于供用户输入的输入装置(3.1)、用于向用户输出的输出装置(3.2)和/或供给用户的手柄(2)。

4.根据权利要求3的手持设备，其特征在于，所述操纵装置的手柄(2)处设置有启动开关(2.1)。

5.根据前述任意一项权利要求的手持设备，其特征在于，所述触知元件或所述检测位置的装置以及与其连接的触知元件主要包括所述操纵器的工具的轮廓至少一部分的形状。

6.根据前述任意一项权利要求的手持设备，其特征在于，所述检测位置的装置包括用于检测所述空间位置的至少一个主动和/或被动标记(6.1，7.1)和/或至少一个传感器。

7.根据权利要求6的手持设备，其特征在于，所述检测位置的装置，包括沿环绕优选基本为圆柱形的该检测位置的装置的至少一个圆环(6，7)的圆周设置的多个标记(6.1，7.1)和/或传感器。

8.根据权利要求7的手持设备，其特征在于，所述检测位置的装置包括第一圆环(6)和第二圆环(7)，其中，沿所述圆环的圆周分别设置有标记(6.1，7.1)和/或传感器，并且其中所述第一圆环(6)的垂直轴(6.2)与所述第二圆环(7)的垂直轴(7.2)之间具有不为0°的角度(180°-β)，优选具有至少10°的角度。

9.根据前述任意一项权利要求的手持设备，其特征在于，至少一个标记(6.1，7.1)和/或传感器的检测方向相对于优选基本为圆柱形的所述触知元件和/或优选基本为圆柱形的所述检测位置的装置的主方向以一角度(α)倾斜，其中，所述角度(α)介于15°和75°之间的范围内，优选为30°和60°之间的范围内。

10.一种便携式手持设备(1)，尤其是根据前述任意一项权利要求的，用于检测操纵器，尤其是机器人的工作点的空间位置的便携式手持设备，包括：

用于供用户操纵所述手持设备的操纵装置(2，3)，包括用于供用户输入的输入装置(3.1)；

检测位置的装置(4)，其中，所述检测位置的装置(4)的空间位置是可检测的；以及

触知元件(5)，与所述检测位置的装置相连接，优选为可拆卸地连接，在其处限定一个参考点(R)；

其特征在于，

所述输入装置(3.1)被制备为控制所述操纵器的至少一个附加的轴，尤其是工具台的轴。

11.一种方法，用于检测操纵器，尤其是机器人的工作点的空间位置，其中，检测手持设备(1)，尤其是根据前述任意一项权利要求的手持设备的参考点(R)的空间位置；其特征在于，把被在预定方向检测到的空间位置所代替的位置确定为所述操纵器的工作点。

12.一种计算机程序产品，具有通过计算机记录在可读载体上的程序代码，并包括当在计算机上运行时执行根据权利要求11的方法的计算机程序。

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