CN107020633A - 绝对机器人辅助定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于执行绝对机器人辅助定位方法的设备，该方法用于使得由理论定义的工艺步骤所定义的实际装配任务最优化。该设备包括：执行装配任务的至少一个机器人，优选是两个彼此合作的机器人；至少一个测量系统，其监测举例来说诸如机器人的运动方向、运动速度、施加的力、施加的力矩等的参数；以及至少一个计算机。

Description

绝对机器人辅助定位方法

技术领域

本发明涉及一种设备，使用该设备可以执行绝对机器人辅助定位方法。该方法使得已经在计算机工作站理论上形成的并实际上由所述设备实施的装配任务最优化。所述设备包括至少一个机器人、至少一个测量系统以及计算机，其中在执行所述装配任务的同时所述至少一个测量系统监控所述至少一个机器人，所述机器人和所述测量系统经由所述计算机彼此连接。

背景技术

训练用于预定的装配任务的机器人的方法在一般现有技术中是已知的。一种已知的方法是所谓的教授方法，其中通过控制面板使机器人和/或机械手运动到运动轨迹上的所需位置，在装配过程中机器人必须运行于所述运动轨迹。在机器人控制器中捕获到了因此运行到的点和/或这些点的坐标。以这种方式执行每个单独的工艺步骤，以便于完成装配任务。由这些工艺步骤的组合编制成程序，使用该程序机器人能够自主地自动执行预定的装配任务。如果在装配过程中发生错误，或者如果装配任务的部件发生变化，必须经由控制面板再次教授给机器人新的运动序列。

当前，初始化复杂的装配设备很大程度上是手动完成的。在设计阶段，在虚拟环境中计划装配工艺，在耗时的程序中使所述装配工艺与参与到实际工艺中的机器人相适应。该适应过程补偿了机器人中的偏差并且阻止了偏差因数的分离和逆向文件编制。结果，如果更换或优化设备就必须执行新的适应过程。

DE 10 2012 009 010 A1披露了一种用于产生机器人运动的方法。在该方法中，手动地使捕获元件运动到机器人的设想的运动轨迹上的预定位置。捕获元件的关于可以预先确定的坐标系统的位置被捕获，基于因此获得的参照点来确定机器人的运动轨迹。要由机器人施加的力和/或力矩也通过捕获元件在至少一个位置上被捕获到，并被分配到指定给所述位置的坐标系统中的参照点。

因为对于已知的方法公知的是它们每个均具有相对耗时的程序生成过程，这对装配成本具有负面影响，因此，需要一种能够直接执行在理论上设计好的装配任务的设备。

发明内容

本发明的目的是通过根据权利要求1所述的设备达到的。从属权利要求涉及对权利要求的主题进行有利开发的技术特征。

本发明的一个方面涉及一种执行绝对机器人辅助定位方法的设备，该方法用于使得由理论定义的工艺步骤所定义的实际装配任务最优化。该设备包括：执行装配任务的至少一个机器人，优选是两个彼此合作的机器人；至少一个测量系统，其监测举例来说诸如机器人的运动方向、运动速度、施加的力、施加的力矩等的参数；以及至少一个计算机。

所述装配任务例如可以涉及将大体积的子组件结合在一起，尤其是将大面积的柔性结构连接到相应的加强体上，以便于为该结构提供在正常操作过程中，甚至是在承受极端应力时，的强度和轮廓的精确性。所述大体积子组件尤其可以是飞机机身，所述大面积柔性结构尤其可以是飞机的外壳的一部分，所述加强体尤其可以是相应的肋或桁条，其中所述设备可以有利地以绝对精度完全自动地将所述肋放置并连接到飞机壳体上，即不需要人工介入。

所述机器人可以是已知的例如具有六个自由度的工业机器人；所述测量系统可以是现有技术中已知的测量系统或者是可以将多个已知的测量系统彼此组合起来。如果有多于一个机器人，那所有的机器人可以具有同等的地位或者可以有一个或多个主机器人和一个或多个从属机器人。两个或多个机器人之间的合作通过或者是在所述设备中执行的或者是经由额外的程序执行的通信标准来实现。

用于执行装配任务的程序可以在位于远离所述设备的办公室中的并且不与所述设备连接的计算机上生成。编程一般是由包括具有生产设备和初始化生产设备经验的专家的小组来执行。

所述计算机至少包括存储器单元、计算单元、传输接口和通信接口，并且被设计成存储描述理论定义的装配任务的程序。所述计算单元从所述程序中获得用于机器人的、用于执行装配任务的个别的工艺步骤。如果存在一个以上的机器人，可以通过使用预定算法的所述计算单元获得子程序，其中每个子程序涉及用于机器人中的确切的一个机器人的相互调节的工艺步骤。

机器人的个别的工艺步骤、和/或每个个别的机器人的子程序，经由传输接口被传输到机器人。经由所述通信接口来监测一个或多个机器人、测量系统和传感器，以便执行装配任务。为此，经由通信接口接收测量系统的数据或测量值并将其存储用于进一步的处理和用于记录的目的，即用于文件编制的目的。接收到的测量数据与程序和/或子程序中的预定数据进行比较，其中如果检测到偏差超过了预定阈值，计算机就会决定是否立即或随后停止或中断装配任务。

计算机还可以设计成从检测到的偏差中确定用于所述程序和/或子程序的新的名义值并将它们结合到所述程序和/或子程序中。新的名义值随后可用作下一个相同的装配任务的名义值，即计算机例如可以在一个或多个步骤中优化所述机器人的运动参数，而不需要为此人工介入。

计算机可以分开存储用于所述机器人的每个工艺步骤的数据或者用于子程序的每个工艺步骤的数据，使得能够随后重构所述程序或子程序中的工艺步骤的修改时机和修改方式。

当生成所述程序时，可以在计算机上定义在对于该方法来说关键的特定点处的虚拟操作，使得所述计算单元可以将这些操作与测量系统的结果进行具体对比。

这些操作可以适用于执行校准、调节、监测和工艺控制、文件编制、状态管理和配置的任务，尤其是同步的任务，中的一项或多项，其中可以使用实际的操作或者上面提到的虚拟操作，所述实际操作举例来说如可由一个或多个测量系统识别和捕获的标示器，所述虚拟操作是在对理论上的装配任务进行编程时设定在程序中的。通过使用这些操作，可以消除设备中的由于不能精确获知公差链而不能足够精确的确定的误差，以便于在装配任务过程中确保所有装配元件的绝对机器人辅助定位。该任务例如可以是将肋定位在飞机壳体上或将肋连接到飞机壳体上，或者任何其他的装配任务，例如在汽车、轨道车辆、水上交通工具等的制造中的装配任务，其中部件彼此之间的高精度定位是关键。

校准操作可以经由名义的和实际的点将坐标系彼此校准，并且可以确定例如与基座相关的任何移动、转动或比例。如果测量系统的位置大致是已知的，那可以自动记录实际的点，例如通过使用名义的点作为使激光追踪器搜索回射器的运动命令。为了同时进行校准，可以经由多个反射器或者直接测量得到的位置和取向来确定基座和工具。可以基于人工制品将机械工作点校准到工具工作点。力/力矩传感器的参数可以经由往复运动获得。

调节操作可以按照程序执行的顺次进行与编程点的偏差调节和与线性编程轨迹的偏差调节。因为确定了与编程运动的偏差，因此可以正交于轨迹运动来调节，甚至与实时性没有关联。调节与当前位置的偏差是基于机器人的当前位置与机器人的运行时间并行确定的。这种确定使得能够在所有方向上进行调节，甚至是对于动态过程亦然，并且需要名义的和实际的值按照时间顺序在几何上指定。通过使用弹簧常数将力/力矩偏差转化成几何上的偏差，还可以在个别的方向上调节力控制过程或呈现出未知几何形状的过程。

监测和工艺控制操作监测工艺处理参数并且为后续工艺步骤提供间隙。如果测量系统没有准备好测量，那使它们再次准备测量。通过监测所述测量系统确保工艺性能。可以在趋势分析的辅助下用自适应算法评估关键的工艺参数，以便于当个别的部件故障时连续生产，直到下一个安全工艺中止，才着手修理。

文件编制操作将设备的状态文件化以便于能够重构所述工艺以及个别的部件的行为。在需要间隙的工艺步骤，遵循工艺说明的报告从存储的工艺数据生成，并且被编辑用于子组件的文件编制和设备的优化。

状态管理操作可以核实个别的部件的通信能力以便于识别系统崩溃和故障以及传送错误信息。如果发生了影响工艺但仅是短暂且可逆地中断这些工艺的的较小错误，那么向受影响的部件发送警告并且尽快启动工艺以恢复到正常工艺。严重的错误将会导致工艺的中止或者甚至是紧急停止，以便于防止对设备或子组件造成破坏。绝对机器人辅助定位中涉及的部件的状态以及设备控制器的状态是以双向通信的方式同步化的。

配置操作收集设备参数并对它们进行文件编制，以便于能够重构个别的部件中发生的变化以及将设置与工艺结果关联起来以优化这些工艺。在子组件、机器和设备变化的情况下，可以输入新的参照值以便于适应几何形状。为了补偿后续工艺步骤的影响，输入了叠加到工艺上的前导值。

为了监测例如机器人运动、机器人的运动速度和方向、机器人施加的力或施加的力矩，在所述设备中设置一个或多个测量系统，所述一个或多个测量系统通过旋转经纬仪、用于观察标示器的大量摄像机、具有或没有方位接收器的激光追踪器、激光雷达或者其他合适的测量方法来获取测量结果，其中“旋转经纬仪”应该理解成意思是位置可变的经纬仪，并且例如可以在任意方向上枢转和/或旋转，像支架上的球体一样，以便于举例来说能够在三维空间中跟踪实际操作的路径。因此，它是一种“户内GPS”，使用它可以沿着目标的运动曲线追踪该目标，其中该目标的每个位置可以以绝对精度来捕获。

所述机器人包括设置在所述设备中的一个或多个接口。可以通过计算机或者手动地经由输入装置，经由这些接口直接在该设备上改变机器人的参数，其中所述程序优选地具有用户接口，该用户接口构造成可以由半熟练的操作人员使用输入装置来进行输入，即不需要有资质的专家来操作该设备。

根据所使用的机器人的模式，接口可以是机器人传感器接口，所述机器人传感器接口具有以插补周期率访问数据的能力以及在编程点处和其运行其轨迹的时影响机器人运动的选择能力；或者接口可以是机器人控制器的XML接口，所述XML接口使得能够对机器人控制器的运行数据进行访问以及在编程点影响机器人运动；或者接口可以是网络(.net)用户，举例来说比如在机器人控制器的Windows环境中的Windows Srore(WinRT)、WPF或Silverlight等等，这提供了经由到控制器的实时核心的虚拟网路连接来对机器人控制器的运行数据进行的访问，从而能够在编程点处影响机器人运动。替代性地，机器人基准接口可以提供以插补周期率访问数据的能力并且能够在编程点处影响机器人运动，其中选项扩展引导运动可使得能够在编程点处以及在机器人运行其轨迹时影响机器人运动。PC接口可使得能够访问机器人控制器的运行数据，从而能够在编程点处影响机器人运动。在另一种机器人的情况下，用户套接字通知(user socket messaging)和/或PC软件开发组件(SDK)提供了访问机器人控制器的运行数据的能力。这使得能够在编程点处影响机器人的运动。在轨迹运动期间，为了进行影响必须使用动态路径修改器。在另一种机器人系统的情况下，本地XML接口提供了对机器人控制器的运行数据的访问并能够在编程点处影响机器人运动。经由传感器功能，在机器人运动过程中实现这种影响是可能的。总线系统(Profibus、PEOFINET、EtherCAT等)提供了对机器人控制器的独立于机器人的访问，从而能够在编程点处影响机器人运动。

可以通过文本或CAD辅助编程来生成所述程序，并且可以优选地修改所述程序，甚至在设备运行时修改，而不会因此改变装配任务的理论定义。

可以通过计算机自动地对所述设备进行首次初始化。这种初始化是使用测量技术自动进行的并且是可逆编制的。这样简化了设备的初始化并且允许将机器误差和工艺误差分开。

所述至少一个机器人和所述至少一个测量系统形成了个别的系统的网路，这些系统彼此通信，并且使用这些系统可以在理论定义的装配任务的含义内最优地执行实际装配任务的独立的部分方面——并且当所有的部分方面相互影响时，执行实际装配任务。

另一方面涉及一种没有要求保护的方法，该方法可以在上述设备的辅助下实施。该方法可以包括如下的方面：

方面1：一种绝对机器人辅助定位方法，用于通过至少一个机器人来优化由理论定义的步骤所定义的装配任务，其中：

在第一步骤中，将一程序输入到连接到所述机器人的计算机的存储器元件中，所述程序包括装配任务的理论定义的步骤；

在第二步骤中，通过所述计算机的计算单元从所述程序获取用于所述机器人的个别的工艺步骤，用来执行装配任务；

在第三步骤中，将所述程序传输到所述机器人并且优选地存储在所述机器人专用的存储器单元中；

在第四步骤中，在所述程序的控制下，所述机器人一次执行一个工艺步骤，并且所述测量系统监测由所述机器人执行的每个工艺步骤并且将每个工艺步骤的测量数据传输到所述计算机；

将捕获到的每个工艺步骤的测量数据存储在所述计算机中并且由计算单元将其与存储在存储器元件中的理论定义的装配任务的数据进行对比；

以及在第五步骤中，基于由测量系统测量到的数据由计算单元对装配任务的程序进行优化并将其作为单独的程序存储，以及从优化的程序中获取优化的工艺步骤并将其传输到用于下一个装配任务的机器人。

方面2：一种绝对机器人辅助定位方法，用于通过至少两个彼此合作的机器人优化由理论定义的步骤所定义的装配任务，其中：

在第一步骤中，将一程序输入到连接到所述机器人的计算机的存储器元件中，所述程序包括装配任务的理论定义的步骤；

在第二步骤中，对于每个个别的机器人，通过计算机的计算单元从所述程序获取子程序，所述子程序用于执行装配任务的相互调节的个别的工艺步骤；

在第三步骤中，将所述子程序传输到所述机器人并且优选地存储在机器人专用的存储器单元中；

在第四步骤中，在所述子程序的控制下，所述机器人一次执行一个工艺步骤，所述测量系统监测由每个机器人执行的每个工艺步骤并且将每个工艺步骤的测量数据传输到所述计算机；

将捕获到的每个工艺步骤的测量数据存储在所述计算机中并且由计算单元将其与存储在存储器元件中的理论定义的装配任务的数据进行对比；

在第五步骤中，基于由测量系统测量到的数据由计算单元对装配任务的程序进行优化并将其作为单独的程序存储，以及从优化的程序获取优化的子程序并将其传输到用于下一个装配任务的机器人。

方面3：根据方面1或方面2所述的方法，其中当定义理论步骤时，使用将由测量系统测量得到的数据校准到理论程序数据的虚拟操作，其中通过所述虚拟操作检测到的在由所述操作代表的数据与所述测量数据之间的偏差，由计算机捕获并存储。

方面4：根据前述方面任一项所述的方法，其中所述机器人和所述测量系统形成了个别的系统的网络，这些系统彼此通信，使用这些系统可以在理论定义的装配任务的含义内最优地解决实际装配任务的独立的部分方面——当所有的部分方面相互影响时，整体上解决该实际装配任务。

方面5：根据前述方面中任一项所述的方法，其中尤其是当初始化装配设备时，使用该方法将机器误差和工艺误差单独地确定并可重构地存储，并且因此进行文件编制。

方面6：根据前述方面中任一项所述的方法，其中使用该方法将肋自动地连接到大面积柔性结构，其中该结构优选地是大体积子组件的一部分。

方面7：根据前述方面所述的方法，其中所述子组件是飞机机身，所述结构是飞机的外壳的一部分，所述肋是所谓的桁条。

方面8：用于将大面积柔性结构连接到加强元件的设备的用途，其中所述大面积柔性结构优选地是大体积子组件的一部分。

方面9：根据前述方面所述的设备的用途，其中所述大体积子组件是飞机机身，所述大面积柔性结构是飞机的外壳的一部分，所述加强元件是肋或桁条。

可以从根据第一方面所述的设备的描述中汇总同样没有要求保护的该方法的其他方面，所述设备相应地可以由仅在没有要求保护的方法中描述的技术特征有利地开发。

附图说明

现在基于附图描述本发明的示例性实施方式。这些附图涉及设备的选定示例。本发明范围并不局限于所示出的实施方式。对于本发明关键的特征和仅可以从附图中收集的特征构成了本发明公开的范围的一部分，这些特征可以单独或者以示出的组合有利地开发本申请的子主题。各附图示出了：

图1包括两个机器人的设备；

图2包括六个机器人的设备。

具体实施方式

图1示出了一种设备1，包括：工具2，在所述工具上放置了大面积子组件3，在这个例子中，该大面积子组件3是飞机壳体的一部分；两个机器人4、5；以及存放处6。设备1还包括：由测量系统7、8和9组成的测量系统；以及计算机10。

子组件3是飞机机身的外壳的一部分，其要用肋或桁条11来加强。已经由没有示出的其他机器人放置在存放处6上的第一肋11可以由机器人4、5抓取并放置在子组件3上。必须将其以绝对精度放置或定位在子组件3上。

为了使其可能，设备1包括多个测量系统7、8、9，这些测量系统监控这些机器人的运动，即运动方向、运动速度、运动过程中运行的距离、力矩、压力和其他参数。测量系统7、8、9例如可以包括经纬仪、摄像机、激光追踪器和/或激光雷达，以便于详细监控彼此合作的这些机器人的各个工艺步骤。

装配任务理论上例如使用CAD程序或文本编程生成于未示出的工作站。然后将完成的程序输入到计算机10的存储器单元31中，所述完成的程序包括用于执行完成装配任务的所有个别的工艺步骤的理论名义数据。

计算机10包括计算单元30。计算单元30可以包括存储器单元31、传输接口32和通信接口33。计算单元30从存储在存储器单元31中的程序中获取用于彼此合作的两个机器人4、5的每个的子程序，其中所述子程序表示相应机器人的各个调整后的工艺步骤。经由传输接口32将这些子程序传输到这两个机器人4、5。

装配任务例如是这两个机器人4、5从存放处6拾取桁条11、将桁条11以绝对精度的位置放置在子组件3上，并且优选地将其连接到子组件3。为此，在测量系统7、8、9和虚拟和/或实际操作的辅助下例如可以生成飞机的虚拟坐标系统，其中子组件3以绝对精度的位置定位，因此桁条11也能够以绝对精度的位置放置在子组件3上。

因为由于公差链不可能单独使用机器人4、5将桁条11以绝对精度位置装配在子组件3上，所以装配精度是通过测量系统7、8、9来实现的，所述测量系统7、8、9监控机器人4、5的所有运动并经由通信接口33将获得的测量结果传输到计算机10。可以将这些测量得到的机器人运动的实际数据在计算单元30中与理论形成的程序的预定名义数据进行对比。如果这种对比揭示在实际运动与名义运动之间具有偏差，那该程序就能够产生变化，以便于例如通过修改例如机器人运动的一个参数来自动地将测量到的实际数据与理论编程的预定名义值相适应，和/或自动地优化彼此合作的机器人4、5的一个或多个工艺步骤。

图2涉及一种包括六个机器人104、105的设备101，这些机器人彼此合作并且共同将桁条111放置在子组件上。每个机器人104、105例如具有六个自由度。在该设备101中，机器人运动和机器人104、105的其他参数再次由一个或多个测量系统监控。在图2中，仅示出了测量系统107。其他测量系统例如可以连接到天花板(未示出)和/或墙壁(未示出)。设备101还包括计算机110，该计算机110对应于图1的计算机10，因此在此不再描述。装配任务也是以与关于图1来描述的装配任务相对应的方式执行的，除此之外六个机器人104、105之间的合作以及对所有六个机器人104、105的参数的监测比仅有两个彼此合作的机器人4、5更复杂。

作为对图1中示出的两个机器人4、5或者图2中示出的六个机器人104，105的替代，根据具体的任务可以选择任何其他有利数量的机器人，包括例如仅一个机器人，还有由一个(图2)或多个(图1)测量系统组成的测量系统。

附图标记列表：

1，101 设备

2 工具

3 子组件

4，104 机器人

5，105 机器人

6，106 存放处

7，107 测量系统

8 测量系统

9 测量系统

10，110 计算机

11，111 桁条

30 计算单元

31 存储器单元

32 传输接口

33 通信接口

Claims (11)

1.一种用于执行绝对机器人辅助定位方法的设备，所述方法用于使得由理论定义的步骤所定义的实际装配任务最优化，其中所述设备包括：

a.执行所述装配任务的至少一个机器人；

b.监测所述机器人的参数的至少一个测量系统；以及

c.至少一个计算机；

d.其中所述计算机至少包括存储器单元、计算单元、传输接口和通信接口，并被设计成：

存储描述了理论定义的装配任务的程序，

通过使用预定算法的所述计算单元从所述程序中获得用于确切的所述机器人的相互调节的工艺步骤，

经由所述传输接口将所述程序传输给所述机器人，

经由所述通信接口监测所述机器人、所述测量系统和传感器，以执行所述装配任务，

经由所述通信接口接收所述测量系统的测量数据并将它们存储用于文件编制目的，以及

将接收到的所述测量数据与预定数据进行比较，以及如果存在任何超出预定阈值的偏差，则决定是否立即或随后停止或中断所述装配任务。

2.一种用于执行绝对机器人辅助定位方法的设备，所述方法用于使得由理论定义的步骤所定义的实际装配任务最优化，其中所述设备包括：

a.执行所述装配任务的至少两个彼此合作的机器人；

b.监测所述机器人的参数的至少一个测量系统；以及

c.至少一个计算机；

d.其中所述计算机至少包括存储器单元、计算单元、传输接口和通信接口，并被设计成：

存储描述理论定义的装配任务的程序，

通过使用预定算法的所述计算单元从所述程序中获得子程序，其中每个子程序涉及用于所述机器人中的确切的一个机器人的相互调节的工艺步骤，

经由所述传输接口将所述子程序传输给所述机器人，

经由所述通信接口监测所述机器人、所述测量系统和传感器，以执行所述装配任务，

优选地经由所述通信接口接收所述测量系统的测量数据并将它们存储用于文件编制目的，以及

将接收到的所述测量数据与所述子程序中的预定数据进行比较，以及如果存在任何超出预定阈值的偏差，则决定是否立即或随后停止或中断装配任务。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述计算机还设计成从检测到的偏差中确定用于所述程序/子程序的新的名义值，并且将它们结合到所述程序和/或子程序中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述计算机分开存储用于所述程序/子程序的所获得的各个工艺步骤的数据，使得能够随后重构所述程序/子程序中的工艺步骤的修改时间和修改方式。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中当生成所述程序时，在对于该方法来说关键的特定点处定义虚拟操作，使得所述计算单元能够明确地将这些操作与所述测量系统的结果进行对比。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述操作适用于执行校准、调节、监测和工艺控制、文件编制、状态管理和配置的任务，尤其是同步的任务，中的一项或多项。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中为了监测例如机器人运动，在所述设备中设置一个或多个测量系统，所述一个或多个测量系统通过旋转经纬仪或户内GPS、用于观察标示器的大量摄像机、具有或没有取向接收器的激光追踪器、激光雷达或者其他合适的测量方法来进行测量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述机器人包括一个或多个接口，并且能够经由所述接口通过计算机进行对机器人运动的改变。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述程序是通过文本和/或CAD辅助编程生成的并且优选地能够进行修改，甚至是在该设备处于操作的时候也能够进行修改，而不会由此改变所述装配任务的理论定义。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备由所述计算机自动地进行首次初始化。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机器人或所述至少两个机器人以及所述至少一个测量系统形成各个系统的网络，所述系统彼此通信，使用所述系统能够在理论定义的装配任务的含义内最优地执行所述实际装配任务的独立的部分方面——并且当所有的部分方面相互影响时，执行所述实际装配任务。