CN104602871A - 机器人引导的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人引导的测量装置，其具有：测量仪器(1)，该测量仪器具有至少三个用于检测被动标记(P₁，…，P₉)的位置的检测装置(A，B，C)，所述检测装置可以在测量仪器的共同的壳体(1.1)中转动；用于控制检测装置的共同的控制装置(1.2)；参考体(2)，其具有至少三个非共线的、可以通过检测装置检测的被动标记(P₁，…，P₉)；和机器人(3)，用于引导测量仪器或参考体。

Description

机器人引导的测量装置

技术领域

本发明涉及一种机器人引导的测量装置以及一种用于对机器人进行动态的6D测量的方法，一种用于校准这种测量装置的方法以及一种用于这种测量装置的测量仪器。

背景技术

基于各种原因，需要事先或在运行中对机器人进行六维测量：由此可以例如检查定位精度，补偿温度波动、弹性和/或磨损，或者对机器人控制器、特别是关节驱动控制器进行校准。为了更紧凑地表述，在本发明中也将调节器概括地称为控制器。如果只考虑调节回路部分，则在一种实施方式中是以优选位于前面的发射器模块来控制优选后续的接收器模块。如果由发送器-接收器线路获得用于最优化地使额定值偏差最小化的回路，则该回路特别就是本发明意义下的调节器。

在本发明中，六维(“6D”)测量特别是指优选在笛卡尔坐标系、柱坐标系或球坐标系中确定三维地点(Lage，位置)、特别是地点向量a，以及特定于机器人的参考坐标系(例如TCP)相对于特定于机器人基部或周围环境的坐标系的三维方向，特别是万向角或欧拉角(Ψ，θ，)。这种6D测量特别是可以提供例如以下形式的所谓增广变换矩阵(erweiterte Transformationsmatrix)、D-H矩阵(Denavit-Hartenberg-Matrix，德纳维特-哈藤伯格矩阵)等，

当然，特定于机器人的参考坐标系的地点和方向同样可以利用四元数等来描述，就此而言，上述矩阵仅用于特定于机器人的坐标系和特定于周围环境的坐标系之间的转换举例。

为了对机器人进行测量，在企业内部的实践当中是使用多个所谓的激光追踪器。这些激光追踪器通过激光干涉测量(laserinterferometrisch)来检测被动标记(passiven Markers，无源标记)的三维位置。只要连续地检测到三个非共线的标记，就可以确定由这些标记定义的参考坐标系的方向。

但是不利之处在于：在连续地检测各个标记期间，标记组与激光追踪器之间的相对运动会导致测量结果失真。这特别是与快速或动态的机器人运动有关：例如，当携带着配有标记的参考体的机器人本身在激光追踪器连续地检测其标记期间运动时，所得到的标记彼此之间的相对位置是错误的，这使得动态6D测量非常困难，甚至在局部不可能实现。本发明的动态测量特别是指在机器人运动期间进行测量。

发明内容

本发明的目的是改进对机器人的测量。

本发明的目的通过具有权利要求1所述特征的机器人引导的测量装置来实现。权利要求8、10或12分别提出了一种借助这种装置对机器人进行动态6D测量的方法，一种用于调整这种测量装置的方法或一种用于这种测量装置的测量仪器。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的一个方面，机器人引导的测量装置具有测量仪器，该测量仪器具有三个或多个检测装置和用于控制这些检测装置的、共有的控制装置。此外，测量装置具有：参考体，其具有三个或多个可通过检测装置检测的、非共线的被动标记；和机器人，用于引导测量仪器或参考体。特别是可以将参考体和测量仪器中的其中一个稳定地或非破坏性地、可松脱地固定在机器人上或可固定在机器人上，在此，可以将参考体和测量仪器中的另一个设置或安装在机器人周围环境中，特别是在机器人基部上，在机器人舱(Roboterzelle)中，等。在一种实施方式中，机器人具有六个或更多个自由度、特别是转动自由度或转动关节。在另一种实施方式中，机器人具有最多、尤其是正好三个或四个自由度。

测量装置被设计用于特别是光学地检测被动标记的位置或地点。根据本发明的被动标记特别是指无源的(energielosen，无能量的)标记或无源的标志，这种标记或标志将检测装置所发出的辐射、特别是光辐射优选定向地回射或反射到检测装置上。相应地，检测装置特别是可以具有光发送和/或接收装置，特别是激光追踪器。

检测装置在测量仪器的由一部分或多部分组成的共同的壳体中是可转动的。在此特别理解为：检测装置围绕一个或多个、优选至少两个轴可转动地支承在壳体中，并且还可以围绕这些轴特别是被(电)驱动地触发或调整。在一种实施方式中，至少两个检测装置在壳体中可以2D(二维)万向地转动。在此特别理解为：检测装置的框架或壳体可以围绕第一轴相对于测量仪器的共同壳体转动，而检测装置的光发送和/或接收装置可以围绕第二轴相对于检测装置的框架或壳体特别是独立地转动。

至少一个第三检测装置可以在测量仪器的共同壳体中同样2D万向地转动，在此，该共同壳体可以特别是通过三脚架固定地或不运动地支承或设置在周围环境中或机器人上。

同样，测量仪器的共同壳体可以围绕一个或多个壳体转动轴相对于壳体支架转动，壳体支架可以固定地或不运动地支承或设置在周围环境中或机器人上。特别是第三检测装置可以在测量仪器的共同壳体中1D(一维)万向地转动，也就是说，仅围绕一个轴可转动地支承在壳体中，并且还可以围绕该轴特别是被(电)驱动地触发或调整。

具有至少两个2D万向检测装置和至少一个1D万向检测装置的测量仪器的优点特别在于：为了定位1D万向检测装置，2D万向检测装置随着测量仪器的共同壳体的转动一起运动，并由此被预定位或预定向。此外还可以减少或避免2D万向检测装置与1D万向检测装置之间的测量误差的级联(Kaskadierung)。

相对的，具有至少三个2D万向检测装置的测量仪器的优点特别在于：这三个检测装置是彼此独立的，并且特别是能够基于其惯性而比共同壳体更快地定位或关于参考体及其标记对齐(ausgerichtet，定向)。

通过测量仪器的共同壳体的至少一个优选不受限制的转动自由度，特别是即使在至少有三个2D万向检测装置的情况下也可以获得以下优点：测量仪器的检测空间不会受到检测装置的通常由结构限定的转动空间或检测空间的限制。为了扩大该检测空间，可以使对测量仪器的共同壳体的调节比检测装置本身相对于该壳体的调节更迟或更慢。例如，如果检测装置可以(更快地)相对于测量仪器的共同壳体枢转大约90°，则通过使壳体(更慢地)转动，优选不受限制地转动或转动至少360°，仍然能够检测整个空间。

静止的或者固定地或可转动地支承在机器人周围环境中的测量仪器的至少两个、特别是三个检测装置可以特别是水平、并排地或特别是竖直、上下相叠地设置在共同壳体中。特别是可以将检测装置的转动轴、优选为一个2D万向检测装置的第一转动轴平行地设置在另一个检测装置的转动轴、优选为另一个2D万向检测装置的第一转动轴的旁边，和/或平行地设置在其他的另一个检测装置的转动轴、优选为1D万向检测装置的转动轴或其他的另一个2D万向检测装置的第一转动轴的旁边，在此，优选2D万向检测装置的第二转动轴可以在第一转动轴的角度调节(Winkelstellung)中彼此对齐。同样，检测装置的转动轴、优选为2D万向检测装置的第一转动轴可以与另一个检测装置的转动轴、优选为另一个2D万向检测装置的第一转动轴对齐，和/或与其他的另一个检测装置的转动轴、优选为1D万向检测装置的转动轴或其他的另一个2D万向检测装置的第一转动轴对齐。

附加地或替代地，检测装置的转动轴、优选为2D万向检测装置的第二转动轴或1D万向检测装置的转动轴可以相对于测量仪器的共同壳体的壳体转动轴垂直定向，以使共同壳体能够相对于壳体支架转动。

通过在可以围绕至少一个壳体转动轴相对于壳体支架转动的共同壳体中的三个这样的2D万向检测装置或两个这样的2D万向检测装置和一个1D万向检测装置，可以有利地同时或同步检测参考体的三个被动标记，并由此而动态地或在运动期间实现对机器人的六维测量。在本发明中，同步或同时检测特别是指：基本上在至少一个测量时间点时，测量仪器的至少三个检测装置分别检测参考体的一个被动标记。在一种实施方式中，特别是通过使共同的控制装置具有唯一的处理单元、特别是计算机单元、尤其是控制器来确保这种共同的测量时间点，以便能够有利地、(完全)同步地控制检测装置，在一种扩展方案中可以根据需要(完全)同步地控制测量仪器的共同壳体的转动自由度。特别是由此可以降低由于不同的信号运行时间而导致的不准确性。在一种实施方式中，检测装置、特别是激光追踪器的测量值所在的多个测量时间点或取样时间点至少基本上是相同的。

因此，特别优选以超过500Hz、优选以1kHz或更大的时钟频率(Taktrate)，即在彼此间隔最高大约2ms、特别是最高大约1ms的测量时间点上对机器人进行动态的六维测量。

在一种实施方式中，三个检测装置分别检测被动标记在其参考坐标系中的各个位置或地点。这些位置可以根据变换的知识(Kenntnis)在检测装置的参考坐标系之间彼此转换。通过这种方式，可以将三个被动标记的位置(被动标记在同一测量时间点时所具有的位置)在例如万向检测装置、特别是1D万向检测装置或2D万向检测装置的共同的参考坐标系中示出，并由此确定在该检测装置和参考体或参考体的优选事先相对于彼此测得的被动标记之间的变换或地点和方向。

特别是为了设定检测装置的参考坐标系之间的变换，根据本发明的一个方面，可以对测量装置进行校准。为此在一种实施方式中，测量仪器的至少三个检测装置分别检测参考体的至少三个被动标记，在此，原则上通过一个检测装置也足以检测一个被动标记的三维地点、另一个被动标记的二维地点以及其他的另一个被动标记的一维地点、特别是距离。相反，当检测三个被动标记的各自的三维地点时，例如检测到光发送和/或接收装置的距离及其相对于共同壳体或其他检测装置的(转动)自由度)，这种冗余特别是可以通过取测量值的平均值来用于误差补偿。

如果已知三个标记的地点并由此已知由这些地点定义的参考坐标系在检测这些地点的检测装置的参考坐标系中的方向，则由此可以设定或确定这些检测装置之间的变换。

在一种扩展方案中，使测量仪器的两个或更多个检测装置分别检测相同的被动标记，并将其在一检测装置的参考坐标系中的位置转换到另一检测装置的参考坐标系中，由此可以检查这种校准并根据需要加以修改。

在一种实施方式中，参考体配设有标记，使得从每个空间方向都可以看到至少三个标记。这可以例如通过在优选为规则的多面体、特别是方形体的所有表面上分别配设一个、优选为至少三个标记来实现，或通过在球形参考体的两个彼此相交的大圆上分别配设至少三个标记来实现。被动标记特别是可以通过对参考体的局部涂层或将优选为凸起的、特别是半球形的小标记体固定在参考体上来构成。

附图说明

其他的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。为此，局部示意性地示出：

图1为根据本发明的一种实施方式的机器人引导的测量装置；

图2为相应于图1所示的、根据本发明的另一种实施方式的测量仪器；

图3为根据本发明的一种实施方式的校准(检查)方法；和

图4为根据本发明的一种实施方式的用于对机器人进行动态6D测量的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施方式的机器人引导的测量装置，其具有测量仪器1和参考体2，在此，测量仪器安装在机器人的周围环境中，例如静止的机器人舱室中或可移动的平台上，而参考体通过机器人3来引导。参考体2可以固定地或可松脱地、特别是仅用于测量地与机器人3相连接。该装置仅是示例性的，特别是可以反过来使测量仪器1固定地或可松脱地与机器人3相连接，而将参考体2安装在机器人的周围环境中。

测量仪器1具有壳体1.1。该壳体在图1和图2中纯示例性地以箱形示出，但是在一种优选的实施方式中，该壳体可以构造为，至少基本上为柱状的和/或关于以下所述的转动轴旋转对称。

在壳体1.1中设有三个测量单元。这些测量单元分别具有激光追踪器A、B、C形式的光学检测装置。这三个激光追踪器除了下面所述的差异之外构造相同，因此下面只是代表性地对激光追踪器C进行说明，其他两个激光追踪器请参考激光追踪器C。

激光追踪器C具有光发送和/或接收装置C1。该光发送和/或接收装置围绕在图1和图2中以粗体引出的第二轴可转动地设置在框架C2中，这在图1中以坐标γ₂示出，对于激光追踪器A、B则以坐标α₂、β₂示出。框架C2围绕在图1和图2中以粗体引出的第一轴可转动地设置在壳体1.1中，这在图1中以坐标γ₁示出，对于激光追踪器A、B则以坐标α₁、β₁示出。框架C2也纯示例性地以箱形示出，但是在一种优选的实施方式中，该框架也可以具有其他的轮廓，特别是至少基本上为十字形的横截面，该横截面的中心梁(Balken)可以与这两个转动轴对齐。因此，激光追踪器A、B和C分别2D万向地安装在壳体1.1中。

这三个第一轴彼此对齐。附加地或替代地，除了可转动地设置壳体1.1中的框架、特别是激光追踪器A的框架之外，壳体1.1可以围绕特别是与另外的激光追踪器B、C的第一轴对齐并在图1和图2中以粗体引出的轴可转动地安装在机器人周围环境中，这在图1中以坐标α′₁示出。在图1中一共示出了两种实施方式，正如所述的那样，也可以省略自由度α₁或α′₁。为了使说明更加紧凑，下面将列出两个自由度，在省略时可以将各自的值设为常数，例如α₁＝0或α′₁＝0。

在壳体1.1上设有共有的控制装置，其以测量仪器1的控制器1.2的形式存在，该控制器控制三个激光追踪器A、B、C的运动α₁、α₂、…、γ₂，并在需要时控制壳体的运动α′₁，并对通过光发送和/或接收装置所进行的检测进行共同的控制和处理、特别是分析。

图2示出了相应于图1所示的、根据本发明的另一种实施方式的测量仪器。下面将只对其不同之处进行说明，其他的请参考根据图1的实施方式所做的说明。

在图1中，测量仪器1是关于其激光追踪器的第一轴和/或壳体的转动轴垂直地设置在机器人周围环境中，而图2中的测量仪器1则是水平地设置。在此，激光追踪器A、B、C的关于周围环境同样为垂直的第一转动轴特别是彼此平行地设置，而水平地第二转动轴可以彼此对齐。

另外还示出了壳体1.1围绕优选为垂直的轴相对于机器人周围环境的转动自由度，除了转动自由度之外，该自由度还可以附加地或替代地配置为围绕激光追踪器、特别是中间的激光追踪器A的第一轴。在一种变型中，转动轴α′₁还可以水平地设置。

激光追踪器A、B、C特别是通过它们的光发送和/或接收装置的光轴分别限定了局部坐标系(A)、(B)或(C)，在图1中在测量仪器1的左侧示出了这些局部坐标系，并将在下面的描述中参考这些局部坐标系，以便更紧凑地进行说明。激光追踪器A、B和C或坐标系(A)、(B)和(C)相对于壳体1.1的方向将通过其自由度α₁、…、γ₂来说明。相应地，可以通过两个局部坐标系的自由度来确定这两个局部坐标系之间的变换T：

T_AB＝T_AB(α₁，α₂，β₁，β₂，补偿)，

T_AC＝T_AC(α₁，α₂，γ₁，γ₂，补偿)，

在此，变换T_UV表示从系统V∈{(A)，(B)，(C)}到系统U∈{(A)，(B)，(C)}的变换，特别是错移和/或转动。变换T可以例如通过所谓的增广变换矩阵、D-H矩阵等来描述。补偿(Offset，偏移)特别是可以说明各个坐标系的原点彼此之间的错移。

机器人引导的参考体2具有很多参考标记，其中，在图1中可以看到九个标记P₁，…，P₉。参考体2被纯示例性地以箱形示出，但是在一种优选的实施方式中，该参考体还可以具有其他的轮廓，特别是旋转对称的结构，优选为球形结构。

为了执行对机器人的测量，需要事先测量这些标记相对于彼此的位置，这些位置例如可以是特定于参考体的坐标系(R)中的点P₁，…，P₉，如图1中纯示例性地示出。这些标记设置在参考体2上，使得从任意一个空间方向总是能够同时看到至少三个标记。特别是可以使这些标记按照均匀的点阵结构来分布，从而使得每三个相邻的标记相对于彼此始终具有相同的地点。

利用激光追踪器对标记的检测在图1中以相应的向量箭头示出。在此示例性地示出了通过激光追踪器A在其局部坐标系(A)中所检测到的标记P₁的位置_Ap₁，通过激光追踪器B在其局部坐标系(B)中所检测到的标记P₂的位置_Bp₂和通过激光追踪器C在其局部坐标系(C)中所检测到的标记P₃的位置_Cp₃。

下面首先根据图3对校准(检查)方法进行说明，该方法例如借助于测量装置、特别是通过控制器1.2来执行。

为此，使用具有至少三个非共线标记的静止的参考体，例如具有标记P₁至P₃的参考体2。但是不需要为了这种校准来测量这些标记。

在第一步骤S10中，三个激光追踪器A、B、C依次、即在不同的测量时间点t_Ki时检测相同的三个标记，在此，三个激光追踪器可在同一时间分别检测不同的标记：

_Ap₁(t_K1)，_Ap₂(t_K2)，_Ap₃(t_K3)，

_Bp₁(t_K2)，_Bp₂(t_K3)，_Bp₃(t_K1)，

_Cp₁(t_K3)，_Cp₂(t_K1)，_Cp₃(t_K2).

局部坐标系(A)、(B)或(C)或激光追踪器与参考坐标系(R)或参考体之间的变换通过三个所检测到的标记来唯一地确定，在此，可以利用超定(例如通过取平均值)来有利地减少测量误差：

T_RA＝T_RA(_Ap₁，_Ap₂，_Ap₃)，

T_RB＝T_RB(_Bp₁，_Bp₂，_Bp₃)，

T_RC＝T_RC(_Cp₁，_Cp₂，_Cp₃)，

因此在步骤S20中，根据在步骤S10中所检测到的标记P₁至P₃，可以确定局部坐标系(A)、(B)和(C)之间的变换并对测量仪器1进行校准：

T_AB＝T_ART_RB

T_AC＝T_ART_RC

在此，T_AR可以根据T_RA确定。在此应该相应指出的是：这些变换只是示例性的，显然也可以例如反过来使用各个变换T_BA等。

在步骤S30中，通过利用不同的激光追踪器检测参考体的一个或多个标记并将这些检测互相比较，可以检查这种校准：

Δ＝T_ABBp_i -_Ap_i

Δ＝T_AC C p_i-_Ap_i，i＝1，2，...

在此，Δ为调整误差。在该检查的基础上，还可以在步骤S30中对校准进行修正。

下面参照图4对动态地6D测量机器人的方法进行说明，该方法例如通过测量装置、特别是控制器1.2来执行：

在步骤S110中，将激光追踪器A、B、C对准机器人引导的参考体2，以使每个激光追踪器能够检测自己的标记。为此，其中两个激光追踪器(例如激光追踪器B和C)特别是可以在第三个激光追踪器找到其标记时根据第三个激光追踪器来确定方向。这使得更易于寻找标记。

如果测量仪器1具有相对于机器人周围环境的自由度α′₁，则测量仪器在该自由度上关于参考体2取向，并由此同样使得特别是激光追踪器B和C的(精确)寻找更加容易。

然后在步骤S120中，同时，也就是在基本上相同或仅略微不同的测量时间点t_M上，利用各个激光追踪器A、B和C分别检测标记P₁至P₃中的一个标记：

_Ap₁(t_M)，_Bp₂(t_M)，_Cp₃(t_M)。

由此，可以在步骤S130中确定变换T_RA：

T_RA(t_M)＝T_RA(_Ap₁(t_M)，T_AB Bp₂(t_M)，T_AC Cp₃(t_M))。

该变换描述了特别是由标记P₁至P₃定义的参考坐标系或参考体2和检测装置A或测量仪器1的坐标系(A)相对于彼此的地点和方向，并由此描述了机器人3在其周围环境中的地点和方向。当然，利用其他的数学实现同样可以如上所述地测量机器人，例如根据其他的检测装置B或C的坐标系(B)、(C)以另外的表述，例如借助四元数和/或作为从参考坐标系到检测装置坐标系的变换T_AR，来测量机器人。

如上所述，当取消转动自由度α₁时，即，检测装置A在共同壳体1.1中可以1D万向地转动，则该共同壳体将按照其转动自由度α′₁转动，以便与转动自由度α₂一起使检测装置A与标记对齐。由此可以有利地使检测装置B、C被预定位，并能够更精确地设定变换

T_AB＝T_AB(α₂，β₁，β₂)

T_AC＝T_AC(α₂，γ₁，γ₂)，。

对于2D万向检测装置A，共同壳体1.1的转动自由度α′₁也可以有利地扩大测量仪器1的检测空间，在此，该转动自由度α′₁不必与检测装置A、B、C自己的转动自由度一样被快速地触发。

附图标记列表

1测量仪器

1.1共同的壳体

1.2共同的控制器(控制装置)

2机器人引导的参考体

3机器人

A，B，C检测装置

(A)，(B)，(C)检测装置A，B，C的坐标系

C1光发送和/或接收装置

C2框架

P₁，…，P₉标记

Claims (12)

1.一种机器人引导的测量装置，具有：

测量仪器(1)，包括：

至少三个用于检测被动标记(P₁，…，P₉)的位置的检测装置(A，B，C)，所述检测装置能够在所述测量仪器的共同的壳体(1.1)中转动，和

用于控制所述检测装置的共同的控制装置(1.2)；

参考体(2)，具有至少三个非共线的、能够通过所述检测装置检测的被动标记(P₁，…，P₉)；和

机器人(3)，用于引导所述测量仪器或所述参考体。

2.根据前述权利要求所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，至少一个检测装置具有光发送和/或接收装置(C1)，特别是激光追踪器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，至少一个检测装置能够围绕至少两个轴(α₁，α₂，β₁，β₂，γ₁，γ₂)特别是2D万向地在所述壳体中转动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，所述壳体能够围绕至少一个壳体转动轴(α′₁)相对于壳体支架转动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，检测装置的至少一个转动轴和另一检测装置的转动轴和/或壳体转动轴平行特别是彼此对准。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，所述共同的控制装置具有唯一的处理单元，特别是计算机单元，优选为多计算机单元(1.2)，用于特别是同步地、优选完全同步地控制所述测量仪器的检测装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置，其特征在于，所述参考体配有标记，使得从各个空间方向都能看到至少三个标记。

8.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的机器人引导的测量装置对机器人进行动态地6D测量的方法，其特征在于，在至少一个测量时间点(t_M)，利用测量仪器(1)的至少三个检测装置(A，B，C)分别检测参考体(2)的一个被动标记(P₁，…，P₉)(S120)。

9.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在彼此间隔最高大约2ms、特别是最高大约1ms的至少两个测量时间点上，所述测量仪器的至少三个检测装置分别检测所述参考体的一个被动标记(S120)。

10.一种用于对根据前述权利要求1至7中任一项所述的机器人引导的测量装置进行校准的方法，其特征在于，所述测量仪器(1)的至少三个检测装置(A，B，C)分别检测参考体的至少三个被动标记(P₁，…，P₉)(S10)。

11.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述测量仪器的至少两个检测装置检测所述参考体的同一被动标记之后，在所述检测的基础上来检查、特别是修正所述校准(S30)。

12.一种测量仪器(1)，具有：至少三个用于检测被动标记(P₁，…，P₉)的位置的检测装置(A，B，C)，所述检测装置能够在所述测量仪器的共同的壳体(1.1)中转动；和用于控制所述检测装置的共同的控制装置(1.2)，所述测量仪器用于根据前述权利要求1至7中任一项所述的机器人引导的测量装置。