CN102656419A - 用于自动的3d测量的机器人及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对任意物体进行自动的3D测量、尤其是用于确定物体的几何尺寸的机器人，所述机器人具有由其支承的传感机构（2），其中为了使所述传感机构（2）相对于所述物体（7）运动，所述机器人和/或支承所述传感机构（2）的可运动的测量臂（1）、测量悬臂等描述了一轨道，其特征在于，所述传感机构（2）包括至少一个测量传感器（3）和至少一个补偿传感器（4），其中所述补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置是恒定的或已知的，其中所述补偿传感器（4）相对于参考件（6）或相对于已测量部件（7）的测量结果与所述参考件（6）或所述已测量部件（7）的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的所述测量传感器（3）的测量误差。同样要求保护一种用于使用根据本发明的机器人的方法。

Description

用于自动的3D测量的机器人及方法

本发明涉及一种用于对任意物体进行自动的3D测量、尤其是用于确定物体的几何尺寸的具有传感机构的机器人，其中为了使该物体相对传感机构运动，机器人和/或支承物体的可运动的测量臂、测量悬臂等描述了轨道。

同样，本发明还涉及一种用于对任意物体进行自动的3D测量、尤其是用于确定物体的几何尺寸的机器人，该机器人具有由其支承的传感机构，其中为了使传感机构相对于物体运动，机器人和/或支承传感机构的可运动的测量臂、测量悬臂等描述了轨道。

此外，本发明还涉及一种用于借助机器人来对任意物体进行自动的3D测量、尤其是在使用根据本发明的装置的情况下确定物体的几何尺寸的方法，其中为了应用根据本发明的方法，可以使该物体连同参考件以及该传感机构连同补偿传感器与机器人或测量臂或测量悬臂相对应。

在工业生产中，例如在汽车工业中，自从许多年前就已使用机器人。尤其是将带有不同技术的相耦合的传感器的机器人、机械手或类似机器用于确定任意物体的几何尺寸。特别是在使用高分辨率传感机构的情况下，迄今在机器人方面仍需要维持巨大的技术成本以便使机器人的机械装置与必需的精度相匹配。这是极其昂贵的且仅能有条件地实现。

此外，迄今通常通过软件来预先确定机器人或机械臂的用于使传感机构运动的运动轨道，其中该运动轨道是在实际的测量过程期间确定的。

同样也是公知的是：为了定义运动轨道而优选在测量点或测量空间的周遭环境内将校准标记安装在工件上，以提高机器人的测量准确性。特别的校准是必需的。该校准的示例可参照DE 199 31 676A1。

在实践中，存在越来越多例如在所谓的“批量1技术”下对任何类型的物体、尤其是生产出的部件进行自动测量的需求。在此适用的是，可再现地、可靠地、尽可能自动地测量几何尺寸未知的部件。在所谓的3D测量下，应当尽可能使用标准机器人，该标准机器人借助行程传感器和成像方法来确定物体精确的几何尺寸，而无需在之前仅近似地知晓该几何尺寸。

从用于自动的3D测量的已知机器人和在此使用的方法出发，本发明所基于的任务在于，将根据前序部分所述的机器人和在此使用的方法设计和改进为使得尤其在使用标准机器人的情况下在那里的运动变化曲线（Bewegungsverlauf）不准确时也能够达成足够好的测量结果，而不必在机器人的较精确的机械装置方面维持其他成本。

以上任务是通过关于机器人的并列权利要求1和3的特征以及关于根据本发明的方法的并列权利要求11和12的特征来解决的。

根据本发明的机器人通过并列权利要求1和3的特征来解决以上任务。据此，根据前序部分所述的机器人的特征在于，传感机构包括至少一个测量传感器和至少一个补偿传感器，其中补偿传感器相对于测量传感器的位置是恒定的或已知的，其中补偿传感器相对于参考件或相对于已测量部件的测量结果与参考件或已测量部件的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的测量传感器的测量误差。

在方法方面，根据并列权利要求11和12，使用根据本发明的机器人，其中要么传感机构、要么待测量物体、必要时连同参考件一起的待测量物体由该机器人来支承。这是通过可运动的测量臂、测量悬臂等进行的，其中机器人沿轨道运动，其中传感机构包括至少一个测量传感器和至少一个补偿传感器，其中补偿传感器相对于测量传感器的位置假定是恒定的或已知的，并且其中迭代地校正或补偿因不准确的机器人运动而导致的测量误差。

根据本发明认识到，在设置了特殊的传感机构的情况下，可以容易地将此类机器人用于对任意部件或物体进行自动的3D测量，而不必顾及在标准机器人中出现的运动不准确性。该传感机构包括至少一个测量传感器和至少一个补偿传感器。补偿传感器相对于测量传感器的位置是恒定的或者在每个时刻均是已知的，因为该位置被检测或可被检测。因此，能够消除与之相关的对测量结果的影响。

补偿传感器相对于参考件或相对于已测量部件的测量结果与参考件或已测量部件的已知轮廓之间的差异被认为是机器人运动的不准确性并且用于补偿因不准确的机器人运动而导致的测量传感器的测量误差。

因此，以根据本发明的方式，可以容忍机器人轨道的不准确性。替代于机器人机械装置的结构成本，补偿了机器人运动的不准确性，即用补偿传感器来补偿因不准确的机器人运动而导致的测量传感器的测量误差。

在此方面应当注意，此处原则上涉及任意物体的3D测量。相应地，能够使用任意的传感器类型，例如，非接触式行程传感器。具体的传感器类型仅起到次要的作用。

此外应当注意，根据本发明的机器人支承待测量物体（必要时连同参考件一起支承）或者支承传感机构。此处重要的是待测量物体、必要时连同参考件一起与传感机构之间的相对运动。两种可能的布置均是可构想的。

对于机器人使物体、必要时连同参考件一起运动的情形，其优点在于，物体或部件以及参考件彼此刚性地布置或者彼此连接。同样可构想：参考件与物体或待测量部件分开布置，其中参考件相对于待测量部件的位置于是必须是已知的。

有利地，测量传感器和补偿传感器彼此刚性布置或者彼此固定连接。还可构想：测量传感器和补偿传感器以一定的自由度彼此布置或者彼此连接。在此情况下还有利的是，设置至少另一个补偿传感器，用以监视第一补偿传感器相对于测量传感器的位置并且补偿可能的位置变化。该另一补偿传感器可布置在测量传感器与补偿传感器之间的耦合区域处或耦合区域中。

该另一补偿传感器用于检查测量传感器相对于第一补偿传感器的位置，以监视相对位置并且补偿相对位置的变化。由此，可以假定这两个位置或者测量传感器相对于补偿传感器的位置是恒定的。

此外还应当注意，视要求而定可设置多个测量传感器和补偿传感器。然而，在实现对因不准确的机器人运动或不准确的机器人轨道而导致的测量误差进行补偿的构思时，传感机构的基本结构保持不变。

如前所述，传感器可被统一地实施，例如实施为非接触式工作的行程传感器。此外，以通常的方式在使用所谓的成像方法的情况下进行测量或分析。

为了应用根据本发明的方法而使用根据本发明的机器人，其中上述实施方式相应地涉及因不准确的机器人运动而作出的误差补偿。迭代地校正或补偿该误差。此处还应当注意，通过机器人来要么使传感机构、要么使待测量物体或待测量部件以及必要时可能的参考件运动。重要的是待测量物体与传感机构之间的这样定义的相对运动。

根据本发明的方法，为支承传感机构的机器人的初始运动预先确定或计算用于测量物体的至少一部分的轨道（机器人轨道），以便开始该方法。从几何尺寸的当前测量结果计算后续的或接下去的轨道。

具体地，借助补偿传感器来检查机器人的轨道。最初通过参考物体的测量来确定误差，其中参考物体的已知轮廓与补偿传感器的测量结果之间的差异定义机器人轨道变化曲线的不准确性。

更准确地说，将补偿传感器相对于参考物体或相对于已测量部件的测量结果与参考物体或已测量部件的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的测量传感器的测量误差，从而最终能够总体上补偿因机器人运动的不准确性而导致的测量误差。由此，测量传感器的结果中所确定的误差用于消除不准确性。

如之前所提及的，该方法迭代地工作。相应地，必要时重复多次测量和补偿过程，其中在每一后续测量中考虑来自前一步骤的经补偿的测量过程结果。

在考虑所使用的传感器的测量范围的情况下从经补偿结果的外插确定机器人的轨道。此外建议考虑碰撞避免，其中在计算机器人轨道时考虑碰撞避免。

通过以下方式计算由具有传感机构的机器人或机械臂经过的轨道：在每次测量时补偿传感器近似地测量前一测量过程的物体部分/区域并且测量传感器测量相同物体或另一物体的新的、毗邻的或部分重叠的区域。补偿传感器的测量或其测量结果用于误差校正。

原则上可以构想：手动结束迭代测量。同样可以构想：在测量结果的变化低于可预定的值时设置迭代测量的自动结束。此可预定的值可通过系统的公差来定义。

现在，存在以有利的方式设计和改进本发明的教导的不同可能性。为此，一方面可参照位于权利要求1和9之后的权利要求，并且另一方面可参照以下根据附图对本发明的优选实施例的解释。结合根据附图对本发明的优选实施例的解释，还总体上解释了本发明教导的优选设计方案和改进方案。在附图中示出：

图1在示意性的侧视图中示出了根据本发明的具有传感机构的机器人的实施例，

图2在立体图中示出了图1中的主题，

图3在示意性原理图中示出了由机器人支承的传感机构相对于参考物体和测量物体的原理布置，

图4在示意性示图中示出了由机器人支承的传感机构的另一实施方式相对于不同区域中的测量物体的原理布置，

图5在示意性示图中示出了本发明的另一实施例，其中用激光三角扫描仪进行测量，以及

图6在示意性示图中示出了根据本发明的布置，其中机器人使测量物体和参考物体运动。

图1和图2示出了根据本发明的用于对任意物体进行自动的3D测量的机器人，其中未在图1和图2中示出该物体。机器人包括支承传感机构2的测量臂1。

图3在示意性示图中示出了传感机构2，该传感机构2包括一个测量传感器3和两个补偿传感器4、5。

测量传感器3和第一补偿传感器4以一定的自由度在机械上彼此耦合，其中第二补偿传感器5布置在耦合区域中。在以下对工作原理或方法的描述中，将这两个补偿传感器4、5称作一阶和二阶补偿传感器。

图3还示出了第一补偿传感器4（一阶补偿传感器）对参考件6进行测量。实际的测量传感器3对待测量物体7的表面进行测量。

第二补偿传感器5（二阶补偿传感器）用于监视测量传感器3和补偿传感器4的位置，以确定并最终补偿这两个传感器3、4彼此之间的位置的偏移或变化。由此，可以假定这两个传感器3、4的彼此位置是恒定的。

图4在另一示意性布置中示出了传感机构2，即测量传感器3、第一补偿传感器4和第二补偿传感器5，其中测量传感器3和补偿传感器4对待测量物体7的表面进行测量。补偿传感器4在此具体测量待测量物体7的之前已由测量传感器3测量的表面区域，以使得存在与之相关的用于比较并且由此用于检测因机器人轨道造成的误差的参考值。

在本发明所基于的构思中有两个重要的观点：

机器人不使用例如由编程人员预先确定的轨道。更确切地说，从几何尺寸的当前测量结果来计算接下去的机器人轨道。由此，能够测量以较大方差生产的产品或部件。甚至还可以为所谓的“批量1技术”进行自动的测量。

为了补偿因机器人的不准确性而产生的几何误差，根据本发明的系统具有第二传感器或者甚至多个附加的传感器，该传感器相对于测量传感器的位置是已知的或保持恒定。这些附加的传感器在此处被称为补偿传感器。它们被分类成一阶和二阶补偿传感器。二阶补偿传感器用于监视测量传感器相对于一阶补偿传感器的位置并且最终用于补偿可能的位置偏移。因此，可以假定位置是恒定的。

一阶补偿传感器的功能最终负责在两个步骤中进行检查或测量：

步骤1：

在第一步骤中，确定机器人的轨道，以测量几何物体的第一部分或区域。在该测量过程期间，一阶补偿传感器通过测量合适的参考物体来检查机器人的预定轨道。此方面可参照图3。

参考物体的已知轮廓与补偿传感器的测量结果之间的差异对应于机器人轨道变化曲线的不准确性。通过在测量传感器结果中考虑该后果，可以按合适的方式消除这种不准确性。

步骤2：

对于第二步骤，存在前一过程的经补偿结果。在考虑传感器的测量范围的情况下、必要时还在考虑碰撞避免的情况下从该结果的外插自动地确定机器人的轨道。该轨道被设计为使得一阶补偿传感器近似地测量前一过程的物体部分并且测量传感器测量后续的或毗邻的或者部分重叠的区域。此方面可参照图4。

如果手动中断测量过程，则测量过程结束。在结果的变化仍是有余量的和/或低于由公差预定的阈值时，还可以构想自动的结束。

参照图5根据借助激光三角扫描仪8的测量来解释本发明。具体地，可将激光三角扫描仪8用作测量和补偿传感器。此类传感器将激光线投影到测量物体7上。激光线9的成像在检测器矩阵10上成像。借助已知的三角测量原理，可以从中确定测量物体7沿激光线9相对于传感器的距离。由此，用此类传感器能够在z和x方向上达成很高的测量准确性。z方向上的准确性非常高，因为基于三角测量原理能够非常准确地确定该方向。x方向上的准确性同样很高，因为该方向基本上由传感器中接收机的像素数来确定。然而，此类扫描仪8仅在两个方向（维度）上检测测量值，以使得通过测量物体7与传感器8之间的相对运动来检测第三方向（在此情形中为y方向）。

机器人使测量物体7运动经过传感器8，以使得激光线9扫过测量物体7。由此，也可以从y方向上的测量值的时间顺序来测量该方向。由于机器人轨道具有已提及的不准确性，因而必须补偿该不准确性。为此，例如利用参考物体的已知几何尺寸。通过测量沿参考物体的轨迹并记录z值，可以在合适的参考物体设计的情况下检测y方向上的运动。

参考物体必须被实施为使得能够以合适的方式用补偿传感器来测量该参考物体。在使用行程或距离传感器时，参考物体必须例如具有已知的几何尺寸，以使得在用行程或位置传感器测量参考物体时能够确定实际的测量值。随后，从实际测量值与参考物体的已知几何尺寸的差异来推断机器人轨道的不准确性。

然而，参考物体的设计还可以包含颜色、灰度或黑白对比度形式的图案。这在传感机构包含成像传感器时是特别有利的。此外还可构想在参考物体上布置光敏检测器。那么，参考物体可以例如除了已知的几何尺寸之外还包含光电二极管或光敏线阵，例如PSD线阵、CCD线阵或CMOS线阵。这些光敏检测器识别落到其上的光束。这在传感机构包含用光（或一般的电磁辐射）来执行位置测量的传感器时是特别有利的。在使用激光三角扫描仪时，参考物体可以例如包含布置在机器人的运动方向上的CCD线阵。如果机器人使传感机构运动经过测量物体（在此情形中在y方向上经过测量物体），则激光线扫过CCD线阵的像素。通过分析CCD线阵信号可以随后检测激光线沿运动方向的位置，由此能够以很高的准确性确定y位置。y方向的准确确定以及已提及的z和x方向上的高准确性于是允许补偿机器人轨道的不准确性。

视使用哪种传感机构而定，可以在设计参考物体时构想不同特征的任意组合。

以进一步根据本发明的方式认识到，还可以构想相反的布置/功能，即不将传感机构2安装在机器人1自身上。此方面可参照图6。那么，能够将机器人1用于使物体7运动、例如传输、从容器中取出或拣选。为此，由机器人例如通过安装在机械臂上的夹持器来保持物体7。通过机器人1使物体7运动经过合适的传感机构2，可以容易地测量该物体7。传感机构2在机器人1的工作区域内安装在相对于机器人1已定义的位置中。在此，测量传感器3和一阶补偿传感器4或补偿传感器5彼此固定地布置在已定义的位置中。

替换地，可用二阶补偿传感器来确定测量传感器和一阶补偿传感器的位置。但是在各种情形中，补偿传感器4相对于测量传感器3的位置都是已知的或者是可确定的。

机器人1用其夹持器支承测量物体7。同时，除了夹持器之外还安装具有已知几何尺寸的参考物体6。机器人1使测量物体7运动通过传感机构2的测量区域，以使得参考物体6和测量物体7在传感机构2的测量区域中运动。

为了避免重复，根据本发明的机器人和根据本发明的方法的其他有利的设计方案可参照说明书的概述部分以及所附的权利要求书。

最后应当明确指出，上述实施例仅用于解释要求保护的教导，但是本发明不限于这些实施例。

附图标记列表：

1测量臂、机器人

2传感机构

3测量传感器

4（一阶）补偿传感器

5（二阶）补偿传感器

6参考物体

7待测量的物体、部件、测量物体

8激光三角扫描仪、扫描仪、传感器

9激光线

10检测器矩阵

11线阵光学系统

12运动方向

13接收光学系统

Claims (25)

1.一种用于对任意物体进行自动的3D测量、尤其是用于确定物体的几何尺寸的机器人，所述机器人具有传感机构（2），其中为了使所述物体相对于所述传感机构（2）运动，所述机器人和/或支承所述物体的可运动的测量臂（1）、测量悬臂等描述了一轨道，

其特征在于，所述传感机构（2）包括至少一个测量传感器（3）和至少一个补偿传感器（4），其中所述补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置是恒定的或已知的，其中所述补偿传感器（4）相对于参考件（6）或相对于已测量部件（7）的测量结果与所述参考件（6）或所述已测量部件（7）的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的所述测量传感器（3）的测量误差。

2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述部件（7）和所述参考件（6）彼此刚性布置或彼此连接，或者所述参考件（6）相对于所述部件（7）的位置是已知的。

3.一种用于对任意物体进行自动的3D测量、尤其是用于确定物体的几何尺寸的机器人，所述机器人具有由所述机器人支承的传感机构（2），其中为了使所述传感机构（2）相对于所述物体运动，所述机器人和/或支承所述传感机构（2）的可运动的测量臂（1）、测量悬臂等描述了一轨道，

其特征在于，所述传感机构（2）包括至少一个测量传感器（3）和至少一个补偿传感器（4），其中所述补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置是恒定的或已知的，其中所述补偿传感器（4）相对于参考件（6）或相对于已测量部件（7）的测量结果与所述参考件（6）或所述已测量部件（7）的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的所述测量传感器（3）的测量误差。

4.如权利要求1到3中任一项所述的机器人，其特征在于，所述测量传感器（3）和所述补偿传感器（4）彼此刚性布置或者彼此连接。

5.如权利要求1到4中任一项所述的机器人，其特征在于，所述测量传感器（3）和所述补偿传感器（4）以一定的自由度彼此布置或者彼此连接。

6.如权利要求1到5中任一项所述的机器人，其特征在于，设置至少另一个补偿传感器（5），用以监视第一补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置并且补偿可能出现的位置变化。

7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述另一个补偿传感器（5）布置在所述测量传感器（3）和所述补偿传感器（4）之间的耦合区域处或所述耦合区域中。

8.如权利要求1到7中任一项所述的机器人，其特征在于，设置多个测量传感器和补偿传感器（3，4，5）。

9.如权利要求1到8中任一项所述的机器人，其特征在于，所述传感器（3，4，5）被实施为非接触式工作的行程传感器。

10.如权利要求1到9中任一项所述的机器人，其特征在于，所述测量或分析是在使用成像方法的情况下进行的。

11.一种在使用根据权利要求1到10中任一项所述的装置的情况下用于借助机器人对任意物体（7）进行自动的3D测量，尤其是用于确定物体（7）的几何尺寸的方法，其中优选通过所述机器人的可运动的测量臂（1）、机械悬臂等使由所述机器人支承的传感机构（2）沿一轨道相对于所述物体（7）运动，其中所述传感机构（2）包括至少一个测量传感器（3）和至少一个补偿传感器（4），其中所述补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置被假定为是恒定的或已知的，并且其中迭代地校正或补偿因不准确的机器人运动而导致的测量误差。

12.一种在使用根据权利要求1到10中任一项所述的装置的情况下用于借助机器人对任意物体（7）进行自动的3D测量，尤其是用于确定物体（7）的几何尺寸的方法，其中优选通过所述机器人的可运动的测量臂（1）、机械悬臂等使由所述机器人支承的物体（7）、必要时连同参考件（6）一起沿一轨道相对于传感机构（2）运动，其中所述传感机构（2）包括至少一个测量传感器（3）和至少一个补偿传感器（4），其中所述补偿传感器（4）相对于所述测量传感器（3）的位置被假定为是恒定的或已知的，并且其中迭代地校正或补偿因不准确的机器人运动而导致的测量误差。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，为支承所述传感机构（2）的机器人的初始运动预先确定或计算用于测量所述物体（7）的至少一部分的轨道。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，从所述几何尺寸的当前测量结果计算其他的或接下去的轨道。

15.如权利要求11到14中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述补偿传感器（4）来检查所述机器人的所述轨道并且通过测量参考物体（6）来确定误差，其中所述参考物体（6）的已知轮廓与所述补偿传感器（4）的测量结果之间的差异定义机器人轨道变化曲线的不准确性。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述补偿传感器（4）相对于所述参考物体（6）或相对于已测量部件（7）的测量结果与所述参考物体（6）或所述已测量部件（7）的已知轮廓之间的差异用作机器人运动的不准确性以补偿因不准确的机器人运动而导致的所述测量传感器（3）的测量误差。

17.如权利要求11到16所述的方法，其特征在于，考虑所述测量传感器（3）的结果中所确定的误差以消除所述不准确性。

18.如权利要求11到17所述的方法，其特征在于，必要时重复多次所述测量和补偿过程。

19.如权利要求11到18中任一项所述的方法，其特征在于，在每一后续测量中考虑来自前一步骤的经补偿的测量过程结果。

20.如权利要求11到19中任一项所述的方法，其特征在于，在考虑所述传感器（3，4，5）的测量范围的情况下从所述经补偿的测量结果的外插确定所述机器人的轨道。

21.如权利要求11到20中任一项所述的方法，其特征在于，所述轨道的计算考虑碰撞避免。

22.如权利要求11到21中任一项所述的方法，其特征在于，所述轨道被计算为使得在每次测量时所述补偿传感器（4）近似地测量前一测量过程的所述物体（7）的部分/区域并且所述测量传感器（3）测量新的、毗邻的或者部分重叠的区域。

23.如权利要求11到22中任一项所述的方法，其特征在于，手动地结束所述迭代的测量。

24.如权利要求11到23中任一项所述的方法，其特征在于，当所述测量结果的变化低于可预定的值时自动地结束所述迭代的测量。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述可预定的值是由系统的公差预先确定的。

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