CN102216860A - 用于标定工业机器人系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于标定工业机器人系统的方法和设备，该工业机器人系统包括至少一个机器人(1)和定位器(2)，机器人具有机器人坐标系(x_r1、y_r1、z_r1)，而定位器具有定位器坐标系(x_p、y_p、z_p)并适于通过使工件绕旋转轴线旋转而改变工件的定向并保持工件。相对于物体坐标系(x_o1、y_o1、z_o1)编程用于机器人的目标点。该设备包括机器人控制器(3)、布置在定位器上的至少三个标定物体(24a-c)和由机器人保持的标定工具(26)。标定物体的位置在物体坐标系中是已知的。机器人控制器构造成：相对于机器人坐标系确定标定物体的位置；确定对应于定位器的旋转轴线的至少三个不同角度的、所述标定物体中的第一标定物体(24a)和第二标定物体(24c)的位置；基于对应于轴线的三个角度的、第一和第二标定物体的已确定的位置，在第一机器人坐标系中确定定位器的旋转轴线的方向；并且通过执行标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定第一物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。

Description

用于标定工业机器人系统的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于标定工业机器人系统的方法和设备，该工业机器人系统包括：至少一个机器人，其具有第一机器人坐标系并构造成加工工件；以及定位器，其适于在机器人加工工件的同时保持工件并通过使工件绕旋转轴旋转而改变工件的定向。

背景技术

工业机器人是在许多不同工业应用中用于很多种操作的高度灵活性的设施。机器人被编程以遵循包括多个目标点的路径。机器人程序包括限定编程路径的目标点的位置。用以编程机器人的常规方法是通过将机器人的TCP(工具中心点)沿路径手动运动到目标点，并存储对应于每个目标点的机器人位置来向机器人教导路径。针对于每个机器人工具限定TCP。在基本机器人系统中，目标点的位置相对于机器人坐标系编程。但是，如果机器人不得不更换，则新的机器人必须放置在与初始机器人确切相同的位置中，或者新的机器人必须进行再编程。

通过相对于关于固定器限定的局部坐标系限定路径---该固定器保持将由机器人加工的工件，只要能够相对于机器人坐标系限定固定器坐标系，则路径相对于工件的精确度将不取决于机器人相对于固定器的位置。固定器坐标系可由三个参考点限定。参考点可通过将机器人的TCP，工具中心点，手动慢移到每一个参考点来限定。在弧焊机器人的情况下，TCP限定为焊条端头。

代替将TCP手动慢移到参考点的是，其经常限定为自动搜索的结果。在弧焊机器人的情况下，常用搜索方法是在焊条端头与工件之间设置电压。随着TCP向工件内插，当发现电流从焊枪端头流到工件时，检测到实体接触。当检测到接触时，机器人停止。另一种搜索方法以与上述例子中相同的方式使用电接触，但是不是以焊枪焊条端头触碰工件，而是使附接到焊枪上的工具球与固定在工件或固定器上的多个工具球接触。通过向固定的工具球执行几个搜索，测量到附接到焊枪上的球触碰固定的球的多个位置，由此能够计算固定的工具球的中心。

例如在弧焊中，普遍的是将保持工件的固定器以一个或多个自由度安装在定位器上，以实现以最佳焊接角度接近工件。在机器人加工工件的同时，定位器适于通过绕一个或多个轴线旋转工件而改变工件的定向。典型的定位器包括马达、齿轮箱、旋转盘和适于固定地保持一个或多个工件的固定器。固定器与旋转盘牢固地连接，并绕由马达致动的旋转轴可旋转。这种情况下，相对于关于定位器的旋转盘限定的物体坐标系编程机器人路径上的目标点。如果由于某种原因不得不更换机器人或定位器，则必需重新标定机器人相对于定位器的位置，以便能够使用同一机器人程序，而不必调整目标点。另外，如果定位器具有两个或更多工位---每个工位具有其自身固定器，并且机器人在每个工位上正执行相同的任务，则能够通过标定用于每个工位的独一的坐标系来在所有工位处使用相同的机器人程序。

机器人的编程是一个耗时的过程，并且在编程和教导过程期间使用机器人的常规方法占用了生产设施并推迟了生产的开始。为了节省时间并加快生产的开始，所希望的是离线编程机器人。通常地，这通过由离线编程工具进行的图形模拟来进行。编程工具包含用于基于图形模型---例如CAD模型---产生机器人、定位器和机器人单元中的作业物体的图形3D表示体的图形部件。编程工具还包含用于教导路径的目标点的图形装置。图形模拟提供一种用于编程和形象化工业机器人的自然和容易的方法。

在包括机器人和定位器的机器人系统的离线编程期间，目标点的位置相对于标称物体坐标系被限定，该标称物体坐标系进而相对于标称定位器坐标系被限定，该标称定位器坐标系进而相对于机器人的基础坐标系被限定。标称坐标系是由离线编程系统的图形布局限定的理想坐标系。一般地，定位器坐标系相对于定位器的旋转盘被限定，使得定位器坐标系的原点定位在旋转盘处，定位器坐标系的z轴限定为定位器的旋转轴线，而x轴和y轴平行于旋转盘的表面。传统地，机器人的基础坐标系定位在机器人的基部中，其中z轴与机器人的第一旋转轴线对准。当完成离线编程时，将包括目标位置的程序传输到机器人的控制系统。

但是，由于在离线环境中机器人、定位器和物体之间的位置关系可能会偏离真实机器人单元中的机器人、定位器和物体之间的实际位置关系，因此由离线编程系统制定的机器人程序不能直接用于操作真实机器人单元中的机器人。另外，必须确定真实机器人的基础坐标系与真实定位器的坐标系之间的关系。

现今，通过在定位器的旋转盘上设定参考点、为机器人提供呈尖锐端头形式的标定工具、旋转定位器的轴线使得参考点旋转到至少三个不同角度、手动运动机器人使得标定工具的端头在轴线的三个不同角度处与所设定的参考点接触、并在机器人的基础坐标系中确定对应于三个角度的参考点的位置，来确定机器人的基础坐标系与定位器的坐标系之间的关系。已确定的位置形成圆，并且圆的中心点是定位器坐标系的原点。圆的平面是坐标系的xy平面。与xy平面垂直的方向确定为定位器的旋转轴线的方向，并因此为坐标系的z轴。该方法的问题在于标定的精确度取决于运动机器人使得标定端头正确地指着标定点的机器人操作者的技能。如果参考点没有在旋转盘处的确切相同点中被测量，则圆的平面将不完全平行于旋转盘的平面。由于旋转盘的半径远小于至轴线的另一个固定点的距离，因此参考点的位置的小误差将引起z轴中的角误差，这会导致标定的大的位置误差。

在一些应用中，普遍的是具有在由相同定位器保持并绕相同的一个或多个轴线旋转的一个或多个工件上作业的两个或更多机器人。机器人可在相同工件上执行不同的加工或者在不同工件上执行平行加工。在其它应用中，还普通的是定位器具有多个工作站以及在每个工作站上作业的两个或更多机器人，其中每个工作站具有一个或多个旋转轴线。定位器绕竖直轴线可旋转，使得工作站在机器人之间运动。在包括两个或更多机器人以及具有一个或多个工作站的定位器的机器人系统中，机器人系统的标定变得非常复杂和耗时。例如，必需确定用于机器人的基础坐标系之间的关系，并确定每个物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。

另外，对于许多应用，对工件的加工精确度具有高要求，这也导致对机器人系统的标定精确度的高要求。例如，在焊接应用中，具有对焊接精确度的高要求。

发明内容

本发明的目的是改进包括一个或多个机器人和定位器的工业机器人系统的标定。特别地，目的是提供一种具有高精确度的标定。

根据本发明的一个方面，这一目的以权利要求1中限定的方法实现。

这种方法包括：

-限定用于所述定位器的定位器坐标系，其中所述定位器的旋转轴线是所述定位器坐标系的轴线中的一个，

-为所述定位器提供至少三个标定物体，所述标定物体的位置在所述第一物体坐标系中是已知的，

-为所述机器人提供标定工具，

-借助所述机器人和所述标定工具相对于所述第一机器人坐标系确定所述标定物体中的至少三个标定物体的位置，

-绕所述定位器的旋转轴线旋转所述定位器，

-借助所述机器人和所述标定工具确定所述标定物体中的第一标定物体的、对应于所述旋转轴线的至少三个不同角度的位置，

-确定所述标定物体中的第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的位置，所述第二标定物体沿所述定位器的旋转轴线以离所述第一标定物体一定距离的方式定位，

-基于所述第一标定物体和所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的已确定的位置，在所述第一机器人坐标系中确定所述定位器的旋转轴线的方向，

-将相对于所述第一机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第一物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

-通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第一物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

根据本发明的标定方法包括在机器人坐标系中至少确定定位器的旋转轴线的方向以及确定物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。根据本发明的标定方法显著地提高了标定的精确度。

该方法还使得能够自动执行机器人系统的标定，并由此加快标定过程。另外，标定结果将与执行标定的机器人操作者无关。因此，根据本发明的标定方法是可重复的，这意味着如果重复进行标定则实现相同的结果。

现有借助机器人和工具自动确定物体的位置的几个已知方法。例如，机器人编程为向标定物体运动，并且当工具与物体接触时读取机器人位置。例如，通过检测增加的马达电流或用外部传感器来检测当工具与物体接触之时的点。作为可替代方案，可允许机器人控制器完成向编程搜索点的内插，但通过移除伺服回路的集成部，从而允许标定工具保持与搜索表面接触而不积累过大的力。

机器人坐标系是相对于机器人的实体部分限定的坐标系，例如相对于机器人的基板限定的机器人的基础坐标系。

针对定位器限定定位器坐标系一次。例如，该定义存储在机器人控制器上的配置文件中。例如，定位器坐标系的z轴限定为定位器的旋转轴线，并且相对于标定物体中的一个和旋转盘的位置限定x轴和y轴。

相对于物体坐标系编程用于机器人的目标点，该物体坐标系可为实际或标称物体坐标系。如果已借助模拟工具对机器人进行离线编程，则相对于标称物体坐标系编程目标点。如果已通过教导来编程机器人，则相对于实际物体坐标系编程目标点。例如，可离线编程初始机器人程序，随后，通过向机器人教导目标点的新位置来重新编程一些目标点。在这种情况下，相对于标称物体坐标系编程目标点的初始位置，并在标定坐标系之后相对于实际物体坐标系对重新编程的目标点的位置进行编程，以相对于定位器坐标系反映其实际位置。但是，根据本发明的标定方法在两种情况下均是有用的，与目标点是否在实际或标称物体坐标系中编程无关。

根据本发明，基于对应于第一和第二标定物体且对应于定位器的轴线的至少三个不同角度的已确定的位置来确定定位器的旋转轴线的方向，并且第二标定物体沿定位器的旋转轴线以离第一标定物体一定距离的方式定位。更准确地说，通过将轴线上的第一位置计算为由第一标定物体的已确定的位置限定的第一圆的中心并且将轴线上的第二位置计算为由第二标定物体的已确定的位置限定的第二圆的中心，来确定旋转轴线的位置和方向。基于所计算的轴线上的第一和第二位置确定旋转轴线的方向。这使得能够基于相互隔开一定距离定位的、旋转轴线上的两个位置确定定位器的轴线的方向，由此提高了确定定位器的轴线的方向的精确度。通过增加第一和第二标定物体之间的距离，提高了标定的精确度。定位器旋转大约半转。如果定位器适于保持工件，并通过绕多于一个的旋转轴线旋转工件而改变工件的定向，则能够以与根据本发明相同的方式确定另外的旋转轴线。

标定物体的位置在物体坐标系中是已知的。根据本发明，还相对于机器人坐标系确定标定物体的位置。标定物体的已知位置和已确定的位置被转换到公共坐标系中，并且通过在公共坐标系中执行标定物体的已知位置与标定物体的已确定的位置之间的最佳拟合来确定物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。公共坐标系可为物体坐标系、定位器坐标系或机器人坐标系中的任一个。最佳拟合的意思是，将已知最佳拟合方法，比如最小二乘方的方法，用于将标定物体的已知位置与已确定的位置拟合，并计算提供该最佳拟合的变换。

标定物体必须为至少三个，优选为至少五个以便提高标定的精确度。标定物体中的两个可为用于确定定位器的旋转轴线的第一和第二标定物体。在这种情况下，被确定成对应于定位器的轴线的一个角度且对应于第一和第二标定物体的位置，也可用于确定物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。但是，对于确定物体坐标系与定位器坐标系之间的关系以及对于确定定位器的旋转轴线的方向，也能够使用不同的标定物体。

标定物体设置在定位器的一个或多个旋转部分处。优选地，标定物体设置在定位器的固定器的表面上。但是，也能够将标定物体中的一个定位在定位器的旋转盘处。

借助机器人及其标定工具确定第一标定物体的位置。这意味着第一标定物体必须定位在机器人的作业范围中。如果要被标定的机器人系统仅包括一个机器人，则两个标定物体均定位在机器人的作业范围内，并借助机器人确定两个标定物体的位置。但是，如果要被标定的机器人系统包括在绕相同旋转轴线运动的一个或多个工件上作业的两个或更多机器人，则借助第一机器人确定第一标定物体的位置，并优选地借助第二机器人确定第二标定物体的位置。因此，第一标定物体必须定位在第一机器人的作业范围中，而第二标定物体必须定位在第二机器人的作业范围中。用两个不同机器人确定标定物体的位置的优势在于，能够增加标定物体之间的距离，并由此提高标定的精确度。使用两个机器人以便测量第一和第二标定物体的位置的进一步的优势在于，避免机器人在其作业范围的外限处作业，其中在机器人作业范围的外限中，测量的精确度将比在作业区域的中心部分进行的测量更差。

根据本发明的实施例，标定物体定位在机器人准备加工工件的区域中或紧邻该区域，即在机器人的作业区域的中间。如果两个机器人用于测量标定物体的位置，则标定物体定位在正在测量标定物体的位置的机器人的加工区域中或靠近该加工区域。加工区域，即机器人准备加工工件的区域，是机器人路径的目标点所定位的区域。该实施例使得机器人的至少一些运动误差能够借助标定来补偿。例如，如果机器人的轴线具有角度误差，则在标定时测量并校正该相同的角度误差。例如，如果机器人的第一轴线具有角度误差，则该误差将在机器人的作业区域的中心中平行于定位器的z轴被补偿为位置误差。

在一些应用中，机器人系统包括具有第二机器人坐标系并构造成加工工件的第二机器人，并且定位器适于在第二机器人加工工件的同时保持工件并通过绕与参照第一机器人所述相同的旋转轴线旋转工件而改变工件的定向。相对于第二物体坐标系编程用于所述第二机器人的目标点。至少三个标定物体定位在两个机器人的作业范围内，并且标定物体的位置在第二物体坐标系中也是已知的。

根据本发明的实施例，该方法还包括：

-为所述第二机器人提供标定工具，

-借助所述第二机器人及其标定工具在所述第二机器人坐标系中确定所述标定物体中的所述至少三个标定物体的位置，

-通过执行所述标定物体在所述第一机器人坐标系中的已确定的位置与所述标定物体在所述第二机器人坐标系中的已确定的位置之间的最佳拟合，来确定所述第一机器人坐标系与所述第二机器人坐标系之间的关系，并由此确定第二机器人坐标系与定位器坐标系之间的关系，

-将相对于所述第二机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第二物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

-通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第二物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

根据包括在定位器的相同工作站上作业的两个机器人的机器人系统，必需确定第一与第二机器人坐标系之间的关系以及第二物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。在第一机器人坐标系中已经确定至少三个标定物体的位置。该标定还包括在第二机器人坐标系中确定相同的至少三个标定物体的位置。已确定的位置用于确定第一与第二机器人坐标系之间的关系，以及用于确定第二物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。通过执行在第一机器人坐标系中确定和在第二机器人坐标系中确定的标定物体的位置之间的最佳拟合，来确定第一与第二机器人坐标系之间的关系。通过计算提供在物体坐标系中已知的标定物体的位置与在第二机器人坐标系中确定的标定物体的位置之间的最佳拟合的变换，来确定第二物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。为了能够执行已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合，必须在执行最佳拟合之前将其变换到公共坐标系中。此外，有利地，标定的这一部分可自动执行。

根据本发明的实施例，该标定物体是球形的，并且标定工具具有球形形状的端头，并且该方法包括确定标定工具的工具中心点，以及通过将机器人重复地运动至标定物体使得标定工具在多个不同接触点处与标定物体接触、读取接触点处的机器人位置、并基于所读取的机器人位置和标定工具的工具中心点计算在机器人坐标系中标定物体的中心点，来自动确定标定物体的位置。读取几个不同接触点处的机器人位置时，标定工具撞击标定物体的位置并不关键。该方法适合于高精确度地自动确定标定物体的位置。

根据本发明的实施例，定位器坐标系的原点被限定成与定位器的特定机械部分相关，并且该方法还包括确定标定工具的工具中心点，将机器人的标定工具运动至与定位器的所述部分接触，读取接触期间的机器人位置，并基于所读取的机器人位置、工具的工具中心点以及旋转轴线的位置和方向确定定位器的坐标系的原点。例如，定位器的上述部分是固定地连接到旋转轴线的一端上的旋转盘。该实施例使得能够确定定位器坐标系的原点。

根据本发明的实施例，该系统包括沿线性轴线运动机器人的机械单元，并且该方法包括：沿线性轴线运动机器人，借助机器人和标定工具确定对应于沿线性轴线的至少两个不同位置的、标定物体中的至少一个标定物体的位置，并基于已确定的位置确定线性轴线的方向。该机械单元例如为线性轨道。该实施例使得能够在标定机器人系统的其余部分的同时自动标定机械单元的线性轴线。

根据本发明的另一方面，通过如权利要求12所限定的用于标定工业机器人系统的设备来实现上述目的。

这种装置包括：

机器人控制器，所述机器人控制器包括处理器和数据存储器，

至少三个标定物体，所述标定物体布置在所述定位器上，所述至少三个标定物体的位置在所述第一物体坐标系中是已知的并存储在所述数据存储器中，

标定工具，所述标定工具待由所述机器人保持，并且所述机器人控制器构造成：

通过使所述标定工具运动至与所述标定物体接触并读取接触点处的机器人位置，来自动确定并存储所述标定物体中的至少三个标定物体相对于所述第一机器人坐标系的位置，

指令所述定位器绕其旋转轴线旋转，

通过使所述标定工具运动至与所述标定物体中的第一标定物体在三个不同角度处接触并读取接触点处的机器人位置，来自动确定并存储所述第一标定物体的、对应于所述旋转轴线的至少三个不同角度的位置，

通过使所述标定工具运动至与所述标定物体中的第二标定物体在三个不同角度处接触并读取接触点处的机器人位置，来自动确定并存储所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的位置，所述第二标定物体沿所述定位器的旋转轴线以离所述第一标定物体一定距离的方式定位，

基于所述第一标定物体和所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的已确定的位置，确定并存储所述定位器的旋转轴线在所述第一机器人坐标系中的方向，

将相对于所述第一机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第一物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，并且

通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定并存储所述第一物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

该设备的进一步的改进形式由附加权利要求的特征限定。

附图说明

现在将通过对本发明的不同实施例的说明并参照附图来更详细地解释本发明。

图1示出包括定位器的工业机器人系统。

图2示出根据本发明的实施例的用于标定工业机器人系统的设备。

图3示出定位器的旋转轴线的标定。

图4示出定位器坐标系的标定。

图5和6示出物体坐标系相对于定位器坐标系的标定。

图7a-b示出包括在同一定位器上作业的两个机器人的机器人系统的标定。

图8示出包括在同一定位器上作业的三个机器人的机器人系统的标定。

图9示出在具有三个工位的定位器上作业的多个机器人的标定。

图10示出包括定位器和通过线性轨道而移动的机器人的机器人系统的标定。

具体实施方式

图1示出包括机器人1和定位器2的机器人系统。在该例子中，机器人1具有三个主轴线和三个腕轴线。通常称为机器人的基部的静止底座支承绕第一轴线可旋转的支架。支架支承绕第二轴线可旋转的第一臂。第一臂支承绕第三轴线可旋转的第二臂。第二臂支承绕第四、第五和第六轴线可旋转的手腕。手腕支承工具，称作TCP(工具中心点)的操作点限定在工具中。机器人1的运动由机器人控制器3控制。定位器2包括致动器5和旋转盘7，致动器5包括马达和齿轮箱，旋转盘7连接到由马达驱动的旋转轴8上。定位器2还包括固定器10，固定器10适于在机器人在工件上执行作业的同时固定地保持工件。固定器10包括用于附接至少一个工件的装置。固定器10牢固地连接到旋转盘7上，并通过轴8绕旋转轴线可旋转。机器人控制器3还构造成控制定位器2的旋转轴线的运动。

在该例子中，机器人1具有相对于机器人的基部限定的机器人坐标系x_r、y_r、z_r，而定位器具有相对于定位器的旋转盘7限定的定位器机器人坐标系x_p、y_p、z_p，使得定位器坐标系的原点定位在旋转盘处，定位器坐标系的z轴限定为定位器的旋转轴线，而x轴和y轴平行于旋转盘的表面。

在机器人程序的编程期间，机器人路径上的目标点的位置和定向相对于物体坐标系x_o、y_o、z_o限定。如果离线编程目标点，则物体坐标系是标称物体坐标系，而如果通过教导在线编程目标点，则物体坐标系是实际物体坐标系。为了标定图1所示的系统，必需确定定位器坐标系x_p、y_p、z_p与机器人坐标系x_r、y_r、z_r之间的位置关系12，以及物体坐标系x_o、y_o、z_o与定位器坐标系之间的关系13。定位器坐标系的z轴限定为定位器的旋转轴线。

图2示出根据本发明的实施例的用于标定工业机器人系统的设备。机器人控制器3包括提供传统机器人控制器功能所需的硬件，比如中央处理器(CPU)20、数据存储器22和用于与机器人通讯的装置。机器人控制器还设置有标定模块24，标定模块24构造成标定机器人系统。根据该实施例，标定模块24包括用于自动执行机器人系统的标定的软件。标定模块24包括用于相对于机器人坐标系自动确定固定器10上的标定物体的位置的装置。标定模块还包括用于在标定定位器的旋转轴线期间指令定位器绕其旋转轴线旋转的装置。

设备还包括至少三个、优选为至少五个布置在定位器的固定器10上的标定物体24a-c。标定物体24a-c的位置在物体坐标系x_o、y_o、z_o中是已知的，并且将已知位置存储在数据存储器22中。在该例子中，标定物体的形状为球形。尽管标定物体具有球形形状是有利的，因为其提供标定物体的中心的精确确定，但是也能够使用其它形状，比如锥体、销或立方体。标定物体24a-c定位在机器人1的作业范围内。必须相对于机器人坐标系x_r、y_r、z_r确定标定物体的位置。

机器人1设置有由机器人保持的标定工具26。在该例子中，标定工具的端头是具有球形形状的球。根据任意已知方法确定标定工具的工具中心点(TCP)。标定工具26用于相对于机器人坐标系x_r、y_r、z_r确定标定物体的位置。例如，通过可重复地移动标定工具直到标定工具的球与球形标定物体接触并存储接触点中机器人的位置来确定标定物体的位置。标定工具26移动至与标定物体在至少四个不同的点处接触。基于机器人在接触点处的存储的位置和标定工具的TCP的确定的位置，确定标定物体的中心的位置。能够通过手动慢移机器人使得标定工具的TCP与标定物体实体接触，或者通过使用标定物体的自动定位来确定标定物体的位置。能够借助不同的已知方法，比如使用传感器、力控制或软伺服，实现标定物体的自动定位。

在本发明的该实施例中，标定模块24包括通过将标定工具移动至与标定物体接触并读取接触点处的机器人位置、用于相对于机器人坐标系自动确定标定物体的位置的装置。借助机器人程序中的运动指令来指令机器人运动。标定模块还包括用于在轴线的标定期间指令定位器绕其旋转轴线旋转的装置。

图3和4示出如何根据本发明的实施例确定定位器坐标系x_p、y_p、z_p与机器人坐标系x_r、y_r、z_r之间的关系12。在第一步中，相对于机器人坐标系确定定位器坐标系的z轴。定位器坐标系的z轴限定为定位器的旋转轴线。因此，在第一步中，定位器的旋转轴线必须相对于机器人坐标系被确定。为了这一目的，使用标定物体中的两个24a、24c。为了实现高精确度的标定，标定物体24a、24c应定位成靠近固定器10的边缘，并沿定位器的旋转轴线以尽可能大的距离相互离开。在标定期间，指令定位器绕其旋转轴线旋转，并在旋转轴线的至少三个不同角位置处停止，如图3所示。针对于旋转轴线的三个不同角位置，借助机器人和标定物体测量标定物体24a、24c的位置。在固定器的旋转期间，标定物体24a、24c的运动形成两个圆，如图2所示。定位器的旋转轴线经过圆的中心点。例如，通过在前说明的方法，针对于定位器的旋转轴线的三个不同角位置，相对于机器人坐标系确定两个标定物体24a、24c的位置。在标定期间，定位器大约旋转半转。

图3示出针对于定位器的旋转轴线的三个不同角度的、标定物体24a、24c的位置p1-p6。如前所述，借助机器人和标定工具确定针对于旋转轴线的三个角度的、标定物体24a的位置p1、p2、p3和标定物体24c的位置p4、p5、p6。位置p1-p3和p4-p6是两个虚拟参考盘27a、27c的缘边上的位置。上述圆是虚拟盘的缘边。基于标定物体24a、24c的确定的位置计算虚拟盘27a、27c的中心点C1、C2。定位器的旋转轴线的方向确定为经过虚拟盘的中心点C1、C2的轴线。因此，确定了定位器坐标系的z轴的方向。

限定临时定位器坐标系。计算临时坐标系的z轴，作为由固定器上的运动的标定物体形成的两个虚拟盘之间的矢量。计算临时坐标系的x轴，作为从第一盘的中心C1到标定物体24a的第一位置P1的矢量，如图3所示。临时坐标系的y轴平行于虚拟盘27a。定位器坐标系的原点限定在旋转盘7的表面处。为了确定定位器坐标系的原点，必须确定从临时定位器坐标系的原点到旋转盘7的平移距离Δz。通过在TPC触碰旋转盘7时相对于临时定位器坐标系表示标定工具的TCP的位置来限定平移距离Δz。借助机器人和标定工具确定旋转盘的位置。基于旋转轴线的确定的方向和旋转盘7的测量的位置来确定定位器坐标系的原点。现在，剩下的是通过绕其z轴旋转定位器坐标系来对准定位器坐标系的x轴，如图4所示。

图5和6示出物体坐标系x_o、y_o、z_o相对于定位器坐标系x_p、y_p、z_p的标定。路径上的目标点相对于物体坐标系x_o、y_o、z_o被编程，如图1所示。定位器的固定器10设置有至少三个标定物体，优选为五个或更多标定物体24a-e。如果标定物体的数目增加，则标定的精确度也增加。如参照图2说明的在前用于计算定位器坐标系与机器人坐标系之间的关系的相同的两个标定物体24a、24c也能够用于该标定。在这种情况下，已经测量了标定物体24a、24c的位置。但是，也能够使用其它标定物体。在物体坐标系中，标定物体24a-e的位置是已知的。借助机器人1和标定工具26，例如借助参照图2说明的方法，相对于机器人坐标系测量标定物体24a-e的位置。由此，相对于机器人坐标系和相对于物体坐标系标定物体的位置是已知的。

相对于机器人坐标系测量的标定物体的位置和相对于物体坐标系已知的标定物体的位置被变换到公共坐标系中。公共坐标系可为定位器坐标系、物体坐标系或机器人坐标系中的任一个。通过执行标定物体的已知位置与测量位置之间的最佳拟合来计算物体坐标系与定位器坐标系之间的关系，在物体坐标系和公共坐标系中的测量的位置中，标定物体的已知位置和测量位置是已知的。最佳拟合的意思是，标定物体的已知位置和测量位置以最小化已知位置与测量位置之间的距离的方式相互拟合。例如，这通过最小均方的方法进行。当达到最佳拟合时，能够计算物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。由于在前已确定了定位器坐标系与机器人坐标系之间的关系，能够计算物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。现在，相互标定了定位器、机器人和编程路径。

图7a-b示出包括在具有固定器32的同一定位器30上作业的两个机器人1a和1b的机器人系统的标定。定位器绕旋转轴线可旋转，并且相对于定位器的旋转轴线和旋转盘34限定定位器坐标系x_p、y_p、z_p。在该例子中，第一机器人1a具有相对于第一机器人的基部限定的机器人坐标系x_r1、y_r1、z_r1，而第二机器人1b具有相对于第二机器人的基部限定的机器人坐标系x_r2、y_r2、z_r2。相对于第一物体坐标系x_o1、y_o1、z_o1限定第一机器人1a将要遵循的编程路径上的目标点35a。编程在第二机器人1b将要遵循的路径上的目标点35b相对于第二物体坐标系x_o2、y_o2、z_o2被编程。

为了标定图7a所示的系统，必需确定定位器坐标系x_p、y_p、z_p与第一机器人坐标系x_r1、y_r1、z_r1之间的位置关系37，第一机器人坐标系x_r1、y_r1、z_r1与第二机器人坐标系x_r2、y_r2、z_r2之间的关系38，第一物体坐标系x_o1、y_o1、z_o1与定位器坐标系之间的关系39a，以及第二物体坐标系x_o2、y_o2、z_o2与定位器坐标系之间的关系39b。

以与在前说明相同的方式，定位器的固定器32设置有优选为球形形状的多个标定物体36a-e。标定物体36c-e中的至少三个必须设置在第一和第二机器人两者的作业范围中。标定物体中的两个36a、36b用于确定定位器的旋转轴线。优选地，用于确定定位器的轴线的标定物体36a、36b尽可能相互远离地定位，以便实现高精确度的标定。因此，合适的是将标定物体中的一个36a定位在第一机器人的作业范围内，而将另一个标定物体36b定位在第二机器人的作业范围内。借助第一机器人确定标定物体36a的位置，并且借助第二机器人确定第二标定物体36b的位置。可替代地，在一个机器人的作业范围内选择两个标定物体，并通过同一机器人测量这两个标定物体。

借助第一和第二机器人测量定位在第一和第二机器人两者的作业范围内的标定物体36c-e的位置，即，相对于第一和第二机器人坐标系两者确定标定物体的位置。第一机器人设置有标定工具26a，而第二机器人设置有标定工具26b，其与参照图2说明的类型相同。能够通过将机器人的TCP手动慢移到标定物体，或者通过标定物体的位置的自动搜索来确定标定物体的位置。例如，通过将标定工具26a移动至与标定物体36c-e在多个接触点处接触，如在前参照图2所述，相对于第一机器人坐标系确定标定点36c-e的位置。在实践中，合适的是，在开始计算坐标系之间的关系之前测量所有标定物体的位置。

以与参照图3和4说明相同的方式确定定位器坐标系与第一机器人坐标系之间的关系。经由第一机器人坐标系建立定位器坐标系与第二机器人坐标系之间的关系。因此，下一步是确定第一机器人坐标系与第二机器人坐标系之间的关系。定位在第一和第二机器人两者的作业范围内的三个标定物体36c-e用于标定第一机器人坐标系与第二机器人坐标系之间的关系。如图7b所示，通过执行相对于第一机器人坐标系测量的标定物体的位置与相对于第二机器人坐标系测量的标定物体的位置之间的最佳拟合，确定第一与第二机器人坐标系之间的关系。

在第一和第二物体坐标系中，标定物体的位置是已知的。参照第一机器人坐标系测量的标定物体的位置用于确定第一物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。参照第二机器人坐标系测量的标定物体的位置用于确定第二物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。以与参照图5和6说明相同的方式确定物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。将相对于第二机器人坐标系测量的标定物体的位置和相对于第二物体坐标系已知的标定物体的位置转换到公共坐标系中，公共坐标系可为物体坐标系、定位器坐标系或第二机器人坐标系中的任一个。通过以与参照图5和6说明相同的方式执行公共坐标系中的标定物体的已知位置与测量位置之间的最佳拟合，确定第二物体坐标系与定位器坐标系之间的关系。

根据本发明的标定方法对于标定包括在同一定位器上作业的多个机器人的机器人系统是有用的。图8示出具有在一个定位器30上作业的三个机器人1a-c的系统。如果多于一个的机器人与定位器的旋转轴线相配合，则定位器坐标系与另外的机器人之间的关系将必须经由第一机器人建立。用参照图7a-b说明的方法计算用于机器人的机器人坐标系之间的关系。通过相对于两个相邻机器人的机器人坐标系确定至少三个标定物体的位置来计算两个相邻机器人坐标系之间的关系。如图7b所示，将两个坐标系之间的关系计算为创建两组位置之间的最佳拟合的变换。如果多于一个的机器人与定位器相配合，则如图3所示，可相对于离第一机器人最远地定位的机器人的机器人坐标系限定第二虚拟参考盘27c，并且相对于第一机器人限定虚拟参考盘27a。如上所述，可使用机器人的坐标系之间的确定的关系，相对于第一机器人的机器人坐标系表示第二虚拟参考盘27c上的标定物体的位置。

图9示出包括在定位器40上作业的多个机器人的机器人系统，定位器40包括多个工位42-44。每个工位具有用于保持一个或多个工件的固定器。与如上所述相同的标定方法能够用于标定这类机器人系统。在每个工位处，一个或多个机器人在由固定器保持的一个或多个工件上执行作业。每个工位绕至少一个旋转轴线可旋转。在图9所示的机器人系统中，针对于所有工位中的所有机器人，将计算校正的坐标系，并且使校正的坐标系与定位器的工位相关联。所有机器人将保持一系列校正的物体坐标系，一个用于三个工位中的每一个。通过使用与面对机器人的工位相对应的标定的物体坐标系，同一机器人程序可不加更改地用于所有工位。由于所有机器人相对于所有固定器被标定，因此也能够在控制器组之间移动任务。

图10示出包括机器人1、线性轨道50和具有固定器32的定位器30的机器人系统。线性轨道50构造成沿线性轴线移动机器人1，并将机器人停止在轴线上的不同位置处。机器人构造成在多个工件上执行作业，多个工件由定位器30保持并在固定器32处定位在不同位置处。在图10所示的例子中，三个作业物体将要由不同位置中的机器人加工。当机器人加工第一物体时将要遵循的路径上的目标点相对于第一物体坐标系x_o1、y_o1、z_o1被编程，当机器人加工第二物体时将要遵循的路径上的目标点相对于第二物体坐标系x_o2、y_o2、z_o2被编程，而当机器人加工第三物体时将要遵循的路径上的目标点相对于第三物体坐标系x_o3、y_o3、z_o3被编程。机器人沿线性轨道在三个位置之间可移动。当机器人处于第一位置时，其在第一作业物体上执行作业。当机器人处于第二位置时，其在第二作业物体上执行作业，而当机器人处于第三位置时，其在第三作业物体上执行作业。

该机器人系统能够通过与如上所述相同的方法标定。三组标定物体52、54、56在沿线性轨道位于三个位置处的机器人的作业范围内定位在固定器32上。针对于沿线性轨道的每一个位置，确定定位器坐标系与机器人坐标系之间的关系。物体坐标系与定位器坐标系之间的关系也被确定，用于定位器上的物体。因此，标定轨道上的每个位置，以便补偿轨道的运动缺陷。另外，通过以增量沿轨道移动机器人---所述增量限定相对于每个增量位置的固定器上的固定参考点的位置，可计算轨道50相对于定位器坐标系的定向。

另外，能够通过借助机器人和标定工具、针对于沿线性轴线的至少两个不同位置确定标定物体中的至少一个的位置，并基于确定的位置确定线性轴线的方向，来确定线性轴线的方向。

Claims (13)

1.一种用于标定工业机器人系统的方法，所述工业机器人系统包括：

至少一个机器人(1；1a-c)，所述机器人具有第一机器人坐标系(x_r1、y_r1、z_r1)并构造成用于加工工件，以及

定位器(2；30)，所述定位器适于在所述机器人加工所述工件的同时保持所述工件并通过使所述工件绕旋转轴线旋转而改变所述工件的定向，并且，用于所述机器人的目标点相对于第一物体坐标系(x_o1、y_o1、z_o1)被编程，其中，所述方法包括：

限定用于所述定位器的定位器坐标系(x_p、y_p、z_p)，在所述定位器坐标系(x_p、y_p、z_p)中，所述旋转轴线是所述定位器坐标系的轴线中的一个，

为所述定位器提供至少三个标定物体(24a-e；36a-e)，所述标定物体的位置在所述第一物体坐标系中是已知的，

为所述机器人提供标定工具(26)，

借助所述机器人和所述标定工具相对于所述第一机器人坐标系确定所述标定物体中的至少三个标定物体的位置，

绕所述定位器的旋转轴线旋转所述定位器，

借助所述机器人和所述标定工具确定所述标定物体中的第一标定物体(24a)的、对应于所述旋转轴线的至少三个不同角度的位置，

确定所述标定物体中的第二标定物体(24b)的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的位置，所述第二标定物体沿所述定位器的旋转轴线定位在离所述第一标定物体一定距离处，

基于所述第一标定物体和所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的已确定的位置，在所述第一机器人坐标系中确定所述定位器的旋转轴线的方向，

将相对于所述第一机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第一物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第一物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助所述机器人及其标定工具确定所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的所述位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人系统包括具有第二机器人坐标系(x_r2、y_r2、z_r2)并构造成用于加工工件的第二机器人(1b)，所述定位器(30)适于在所述第二机器人加工所述工件的同时保持所述工件并通过使所述工件绕所述旋转轴线旋转而改变所述工件的定向，用于所述第二机器人的目标点相对于第二物体坐标系(x_o2、y_o2、z_o2)被编程，所述至少三个标定物体(36c-e)定位在所述机器人的作业范围内，并且所述标定物体的位置在所述第二物体坐标系中是已知的，

其中，所述方法还包括：

为所述第二机器人提供标定工具(26b)，

借助所述第二机器人及其标定工具在所述第二机器人坐标系中确定所述标定物体中的所述至少三个标定物体的位置，

通过执行所述标定物体在所述第一机器人坐标系中的已确定的位置与所述标定物体在所述第二机器人坐标系中的已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第一机器人坐标系与所述第二机器人坐标系之间的关系，

将相对于所述第二机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第二物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第二物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，借助所述第二机器人及其标定工具确定所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的所述位置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述标定物体为球形，所述标定工具具有球形形状的端头，并且所述方法包括：

确定所述标定工具的工具中心点，以及

通过使所述机器人重复地运动至所述标定物体从而使得所述标定工具在多个不同接触点处与所述标定物体接触、读取所述接触点处的机器人位置、并且基于所读取的机器人位置和所述标定工具的工具中心点在所述机器人坐标系中计算所述标定物体的中心点，来自动地确定所述标定物体的位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述旋转轴线的位置和方向的确定还包括：将所述轴线上的第一位置(C1)确定为由所述第一标定物体(24a)的已确定的位置(P1-P3)限定的第一圆的中心；将所述轴线上的第二位置(C2)确定为由所述第二标定物体(24c)的已确定的位置(P4-P6)限定的第二圆的中心；以及基于所述轴线上的已确定的所述第一位置和所述第二位置确定所述旋转轴线的方向。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述定位器坐标系的原点被限定成与所述定位器的特定机械部分(7)相关，并且所述方法还包括：

确定所述标定工具的工具中心点(TCP)，

使所述机器人的标定工具运动成与所述定位器的所述部分接触，

读取接触期间的机器人位置，以及

基于所读取的机器人位置、所述工具的工具中心点和所述旋转轴线的方向确定所述定位器的坐标系的原点。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述定位器的所述部分是固定地连接到所述旋转轴线的一端上的旋转盘(7)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述定位器设置有定位在所述机器人的作业范围内的至少五个球形标定物体(24a-e；36a-e)，并且所述标定物体中的所述至少五个标定物体的位置相对于所述机器人坐标系来确定。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述标定物体定位在所述机器人加工所述工件的区域中或者定位成紧邻该区域。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述系统包括使所述机器人沿线性轴线运动的机械单元(50)，并且所述方法包括：

使所述机器人沿所述线性轴线运动，

借助所述机器人和所述标定工具确定所述标定物体中的至少一个标定物体的、对应于沿所述线性轴线的至少两个不同位置的位置，以及

基于已确定的位置确定所述线性轴线的方向。

12.一种用于标定工业机器人系统的设备，所述工业机器人系统包括至少一个机器人(1；1a-c)以及定位器(2；30)，所述机器人具有第一机器人坐标系(x_r1、y_r1、z_r1)并构造成用于加工工件，所述定位器适于在所述机器人加工所述工件的同时保持所述工件并通过使所述工件绕旋转轴线旋转而改变所述工件的定向，其中，用于所述机器人的目标点相对于第一物体坐标系(x_o1、y_o1、z_o1)被编程，并且对于所述定位器限定有定位器坐标系(x_p、y_p、z_p)，在所述定位器坐标系(x_p、y_p、z_p)中，所述旋转轴线是所述定位器坐标系的轴线中的一个，所述设备包括：

机器人控制器(3)，所述机器人控制器包括处理器(20)和数据存储器(22)，

至少三个标定物体(24a-e；36a-e)，所述标定物体布置在所述定位器上，所述至少三个标定物体的位置在所述第一物体坐标系中是已知的并存储在所述数据存储器中，

标定工具(26)，所述标定工具用于由所述机器人保持，以及

所述机器人控制器构造成：

通过使所述标定工具运动成与所述标定物体接触并读取接触点处的机器人位置来自动地确定并存储所述标定物体中的至少三个标定物体相对于所述第一机器人坐标系的位置，

指令所述定位器绕其旋转轴线旋转，

通过使所述标定工具运动成与所述标定物体中的第一标定物体在三个不同角度处接触并读取接触点处的机器人位置(P1-3)，来自动地确定并存储所述第一标定物体(24a)的、对应于所述旋转轴线的至少三个不同角度的位置，

通过使所述标定工具运动成与所述标定物体中的第二标定物体在三个不同角度处接触并读取接触点处的机器人位置(P4-6)，来自动地确定并存储所述第二标定物体(24c)的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的位置，所述第二标定物体沿所述定位器的旋转轴线定位在离所述第一标定物体一定距离处，

基于所述第一标定物体和所述第二标定物体的、对应于所述轴线的至少三个不同角度的已确定的位置确定并存储所述定位器的旋转轴线在所述第一机器人坐标系中的方向，

将相对于所述第一机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第一物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定并存储所述第一物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述机器人系统包括具有第二机器人坐标系(x_r2、y_r2、z_r2)并构造成用于加工工件的第二机器人(1b)，所述定位器适于在所述第二机器人加工所述工件的同时保持所述工件并通过使所述工件绕所述旋转轴线旋转而改变所述工件的定向，用于所述第二机器人的目标点相对于第二物体坐标系被编程，所述至少三个标定物体定位在所述机器人的作业范围内，并且所述标定物体的位置在所述第二物体坐标系中是已知的，其中，所述设备还包括用于由所述第二机器人保持的第二标定工具，并且所述机器人控制器还构造成：

通过使所述第二标定工具运动成与所述标定物体接触并读取所述第二机器人在接触点处的位置，来自动地确定并存储所述标定物体中的所述至少三个标定物体在所述第二机器人坐标系中的位置，

通过执行所述标定物体在所述第一机器人坐标系中的已确定的位置与所述标定物体在所述第二机器人坐标系中的已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第一机器人坐标系与所述第二机器人坐标系之间的关系，

将相对于所述第二机器人坐标系确定的所述至少三个标定物体的位置和相对于所述第二物体坐标系已知的所述至少三个标定物体的位置转换到公共坐标系中，以及

通过在所述公共坐标系中执行所述至少三个标定物体的已知位置与已确定的位置之间的最佳拟合来确定所述第二物体坐标系与所述定位器坐标系之间的关系。

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