CN110834322A - 具有辅助测量位置坐标确定系统的机器人系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种与关节型机器人一起使用的辅助测量位置坐标确定系统。被定义为机器人精度的第一精度水平(例如，用于控制和感测联接到在XY平面中移动的机器人臂部分的端部工具的端部工具位置)基于使用包括在机器人中位置传感器(例如，旋转编码器)。所述辅助系统包括成像配置、XY标尺、图像触发部分和处理部分。XY标尺或成像配置中的一者联接到机器人臂部分，而另一者联接到静止元件(例如，位于机器人上方的框架)。成像配置获取XY标尺的图像，其用于确定以优于机器人精度的精度水平指示端部工具位置的相对位置。

Description

具有辅助测量位置坐标确定系统的机器人系统
技术领域
本公开涉及机器人系统，并且更具体地涉及用于确定关节型机器人的端部工具位置的坐标的系统。
背景技术
机器人系统越来越多地用于制造和其他过程。通常使用的一种类型的关节型机器人系统包括选择性顺应关节型机器人臂(SCARA)。这种SCARA系统通常可以具有底座，第一臂部分旋转地联接到底座，第二臂部分旋转地联接到第一臂部分的一端。在各种配置中，端部工具可以联接到第二臂部分的端部(例如，用于执行某些工作和/或检查操作)。这种系统可包括位置传感器(例如，旋转编码器)，用于确定/控制臂部分的定位以及相应的端部工具的定位。在各种实施方式中，这种系统由于受某些因素(例如，与机器人系统的机械稳定性相结合的旋转编码器性能等)的限制可具有大约100微米的定位精度。
关节型机器人关节型机器人关节型机器人美国专利No.4,725,965(“965专利”)公开了某些用于提高SCARA系统的精度的校准技术，该专利在此通过引用以其整体并入本文。如'965专利中所述，提供了一种用于校准SCARA型机器人的技术，该机器人包括第一可旋转臂部分和承载端部工具的第二可旋转臂部分。校准技术与SCARA机器人可以使用运动模型控制的事实相关，该运动模型在精确时允许臂部分被放置在第一和第二角度配置中，在第一和第二角度配置处，由第二臂部分承载的端部工具保持在同一位置。为了校准运动模型，臂部分放置在第一配置中，以将端部工具定位在固定基准点上方。然后，臂部分被放置在第二角度配置中，以便名义地将端部工具再次定位为与基准点对准。当臂部分从第一角度配置切换到第二角度配置时，基于端部工具的位置从基准点的偏移来计算运动模型中的误差。然后根据计算的误差补偿运动模型。重复这些步骤，直到误差达到零，此时SCARA机器人的运动模型被认为是经校准的。
如'965专利中进一步描述，校准技术可包括使用某些相机。例如，在一个实施方式中，基准点可以是固定电视相机的观看区域的中心(即，定位于端部工具下方的地面上)，并且相机的输出信号可以被处理以确定当链从第一配置切换到第二配置时，端部工具从相机的观察区域的中心的位置偏移量。在另一种实施方式中，第二臂部分可以承载相机，并且该技术可以通过将臂部分放置在第一角度配置中开始，在第一角度配置中，在臂部分之间测量第二预定内角，以使由第二臂部分承载的相机直接在固定基准点上方居中。然后将臂部分放置于第二角度配置中，在第二角度配置处，在臂部分之间测量等于第二预定内角的内角，以在名义上将相机再次在基准点上方居中。然后处理相机的输出信号，以确定在将臂部分从第一角度配置切换到第二角度配置时，由相机所观察到的基准点位置的偏移量。然后根据由相机观察到的基准点位置的偏移量确定相机的已知位置的误差。然后，这些步骤作为校准过程的一部分重复，直到误差接近零。
虽然诸如'965专利中描述的那些技术可以用于校准SCARA机器人系统，但是在某些应用中，可能不太希望利用这样的技术(例如，可能需要大量时间和/或在某些操作期间不能针对SCARA机器人的所有可能取向提供期望水平的精度等)。可以提供关于这些问题的改进的机器人系统(例如，用于提高工件测量期间和其它过程期间的位置确定的可靠性、可重复性、速度等等)是期望的。
发明内容
提供这一发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的选集。这一发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
提供了一种机器人系统，包括关节型机器人(例如，SCARA机器人)和辅助测量位置坐标系统。关节型机器人包括第一臂部分和第二臂部分，第一和第二旋转接头，运动控制系统和位置传感器。第一臂部分在第一臂部分的近端处安装到第一旋转接头。第一旋转接头具有沿z轴方向对齐的旋转轴线，使得第一臂部分在垂直于z轴的xy平面中绕第一旋转接头移动。第二旋转接头位于第一臂部分的远端。第二旋转接头的旋转轴线名义上沿z轴方向对齐。第二臂部分在第二臂部分的近端处安装到第二旋转接头。第二臂部分在名义上垂直于z轴的xy平面内围绕第二旋转接头移动。运动控制系统被配置为控制端部工具(例如，接触探针、扫描探针、相机等，其为端部工具配置的部分，其联接在第二臂部分的远端附近)的位置。至少部分地基于使用包括在关节型机器人中的位置传感器(例如旋转编码器)感测和控制第一和第二臂部分各自围绕第一和第二旋转接头的角位置来以被定义为机器人精度的精度水平控制端部工具位置。
辅助测量位置坐标确定系统包括第一成像配置、XY标尺、图像触发部分和测量位置坐标处理部分。第一成像配置包括第一相机并且具有名义上平行于z轴对齐的光轴并且具有沿光轴的聚焦范围。XY标尺包括名义上平面的基板，其名义上垂直于z轴布置，并且XY标尺包括分布在基板上的多个相应可成像特征部。相应可成像特征部位于XY标尺上的相应已知XY标尺坐标处。图像触发部分被配置为输入与端部工具位置有关的至少一个输入信号，并基于至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并被配置为将第一成像触发信号输出到第一成像配置。第一成像配置被配置为响应于接收到第一成像触发信号而在图像获取时间获取XY标尺的数字图像。测量位置坐标处理部分被配置为输入所获取的图像并识别XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置。在各种实施方式中，XY标尺可以是增量标尺或绝对标尺。
辅助测量位置坐标确定系统被配置为使得XY标尺或第一成像配置中的可移动的一者在第二臂部分的远端附近联接到第二臂部分，并且另一者联接到静止元件，XY标尺沿着z轴的位置在第一成像配置的聚焦范围内。XY标尺或第一成像配置中的固定的一者定义第一参考位置。辅助测量位置坐标确定系统还被配置为使得测量位置坐标处理部分可操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定XY标尺或第一成像配置中的可移动的一者与第一参考位置之间的相对位置。所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。在各种实施方式中，辅助测量位置坐标确定系统被配置成基于所确定的相对位置和端部工具位置与XY标尺或第一成像配置中的可移动的一者之间的已知坐标位置偏移来确定在图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标。
在各种实施方式中，XY标尺可以在第二臂部分的远端附近联接到第二臂部分。第一成像配置可以联接到静止元件。在各种实施方式中，静止元件可包括布置在关节型机器人的可操作工作空间的至少一部分上方的框架。第一成像配置可以固定到在关节型机器人的可操作工作空间的一部分上方的框架。
在各种实施方式中，机器人系统可以以机器人位置坐标模式或辅助测量位置坐标模式操作。机器人位置坐标模式可以对应于关节型机器人的独立和/或标准操作模式(例如，其中关节型机器人独立操作的模式，例如当辅助测量位置坐标确定系统不工作或者未被提供时)。在机器人位置坐标模式中，关节型机器人运动和对应的端部工具位置以被定义为机器人精度的精度水平(即，利用关节型机器人中包括的位置传感器)被控制和确定。与此不同，在辅助测量位置坐标模式中，可以通过辅助测量位置坐标确定系统确定相对位置，该相对位置以优于机器人精度的精度水平(例如，优于包括在关节型机器人中的位置传感器的精度)指示在图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标而言。在各种实施方式中，所确定的位置信息(例如，所确定的相对位置，所确定的端部工具位置的测量位置坐标、和/或其他相关的所确定的位置信息)可以用于执行指定的功能(例如，作为工件测量、关节型机器人的定位控制的一部分等)。
作为关于关节型机器人的定位控制的示例，在辅助测量位置坐标模式期间，不是利用包括在关节型机器人中的位置传感器来控制端部工具的定位，而且，来自辅助测量位置坐标确定系统的输出可以被反馈到运动控制系统或者以其他方式用于控制端部工具的定位。在各种实施方式中，可以实施混合操作，其中，可以在机器人运动定时的第一部分期间利用包括在关节型机器人中的位置传感器(例如，作为初始/快速/粗略运动定位的一部分，用于确定/控制臂部分的位置和对应的端部工具位置)。然后，在机器人运动定时的第二部分期间，不是利用关节型机器人的位置传感器，而是，来自辅助测量位置坐标确定系统的输出(例如，所确定的相对位置或相关位置信息)可以被反馈到运动控制系统或以其他方式用于控制定位(例如，作为更精确的最终/慢速/精细运动定位的一部分，用于确定/控制臂部分的位置和对应的端部工具位置)。
附图说明
图1是包括关节型机器人和辅助测量位置坐标确定系统的机器人系统的第一示例性实施方式的框图；
图2是类似于图1的机器人系统的机器人系统的第二示例性实施方式的等距视图，其中第一成像配置联接到静止元件；
图3是机器人系统的第三示例性实施方式的等距视图，其中XY标尺联接到静止元件；
图4是增量XY标尺的示例性实施方式的等距视图；
图5是绝对XY标尺的示例性实施方式的等距视图；
图6A和6B是说明用于操作机器人系统的程序的示例性实施方式的流程图，该机器人系统包括关节型机器人和辅助测量位置坐标确定系统；以及
图7是示出用于确定端部工具位置的程序的一个示例性实施方式的流程图，其中可以在运动定时的第一部分期间利用位置传感器，并且可以在运动定时的第二部分期间使用辅助测量位置坐标确定系统的确定的相对位置。
具体实施方式
图1是包括关节型机器人110和辅助测量位置坐标确定系统150的机器人系统100的第一示例性实施方式的框图。关节型机器人110包括第一和第二臂部分120和130，第一和第二旋转接头125和135，位置传感器SEN1和SEN2，端部工具配置ETCN，以及机器人运动控制和处理系统140。第一臂部分120在第一臂部分120的近端PE1处安装到第一旋转接头125。第一旋转接头125(例如，位于支撑底座部分BSE的上端)具有沿z轴方向对齐的旋转轴线RA1，使得第一臂部分120在垂直于z轴的xy平面内绕第一旋转接头125移动。第二旋转接头135位于第一臂部分120的远端DE1处。第二旋转接头135的旋转轴线RA2名义上沿z轴方向对齐。第二臂部分130在第二臂部分130的近端PE2处安装到第二旋转接头135，使得第二臂部分130在名义上垂直于z轴的xy平面中围绕第二旋转接头135移动。在各种实施方式中，位置传感器SEN1和SEN2(例如，旋转编码器)可用于确定第一和第二臂部分120和130分别围绕第一和第二旋转接头125和135的角位置(即，在xy平面中)。
在各种实施方式中，端部工具配置ETCN可包括Z-运动机构ZMM，Z-臂部分ZARM，位置传感器SEN3和端部工具联接部分ETCP，端部工具联接合部分ETCP联接到端部工具ETL。在各种实施方式中，端部工具ETL可包括端部工具感测部分ETSN和具有接触点CP的端部工具触针ETST(例如，用于接触工件WP的表面)。Z-运动机构ZMM位于第二臂部分130的远端DE2附近。Z-运动机构ZMM(例如，线性致动器)被配置为在z轴方向上上下移动Z-臂部分ZARM。在一些实施方式中，Z-臂部分ZARM还可被配置为围绕平行于z轴方向的轴旋转。在任何情况下，端部工具ETL在端部工具联接部分ETCP处被联接，并且具有对应的端部工具位置ETP，其具有对应的坐标(例如，x，y和z坐标)。在各种实施方式中，端部工具位置ETP可对应于或接近Z-臂部分ZARM的远端DE3(例如，在端部工具联接部分ETCP处或附近)。
运动控制系统140被配置为以定义为机器人精度的精度水平控制端部工具ETL的端部工具位置ETP。更具体地，运动控制系统140通常被配置成至少部分地基于使用位置传感器SEN1和SEN2感测和控制第一和第二臂部分120和130分别围绕第一和第二旋转接头125和135的角度位置(即，在xy平面中)来以机器人精度控制端部工具位置ETP的x和y坐标。在各种实施方式中，运动控制和处理系统140可包括第一和第二旋转关节控制和感测部分141和142，其可分别从位置传感器SEN1和SEN2接收信号，用于感测第一和第二臂部分120和130的角度位置，和/或可以在第一和第二旋转接头125和135中提供控制信号(例如，到马达等)以旋转第一和第二臂部分120和130。
另外，运动控制系统140通常被配置为至少部分地基于使用Z-运动机构ZMM和位置传感器SEN3感测和控制Z-臂部分ZARM的线性位置(即，沿z轴)以机器人精度来控制端部工具位置ETP的z坐标。在各种实施方式中，运动控制和处理系统140可以包括Z-运动机构控制和感测部分143，其可以从用于感测Z-臂部分ZARM的线性位置的位置传感器SEN3接收信号，和/或可以提供控制信号到Z-运动机构ZMM(例如，线性致动器)以控制Z-臂部分ZARM的z位置。
运动控制和处理系统140还可以从端部工具感测部分ETSN接收信号。在各种实施方式中，端部工具感测部分ETSN可以包括与用于感测工件WP的端部工具ETL的操作相关的电路和/或配置。如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，端部工具ETL(例如，接触式探针，扫描探针，相机等)可用于接触或以其他方式感测工件WP上的表面定位/位置/点，为此，可以由端部工具感测部分ETSN接收、确定和/或处理各种对应的信号，端部工具感测部分ETSN可以向运动控制和处理系统140提供对应的信号。在各种实施方式中，运动控制和处理系统140可以包括端部工具控制和感测部分144，其可以向端部工具感测部分ETSN提供控制信号和/或从端部工具感测部分ETSN接收感测信号。在各种实施方式中，端部工具控制和感测部分144和端部工具感测部分ETSN可以合并和/或不可区分。在各种实施方式中，第一和第二旋转接头控制和感测部分141和142、Z-运动机构控制和感测部分143、以及端部工具控制和感测部分144都可以向机器人位置处理部分145提供输出和/或从机器人位置处理部分145接收控制信号，机器人位置处理部分145作为机器人运动控制和处理系统140的一部分可以控制和/或确定关节型机器人110的整体定位和对应端部工具位置ETP。
在各种实施方式中，辅助测量位置坐标确定系统150可以包括在关节型机器人110中或者以其他方式添加到关节型机器人110(例如，作为用于添加到现有关节型机器人110的改型配置的一部分等)。通常，辅助测量位置坐标确定系统150可用于提供用于确定端部工具位置ETP的改进的精度水平。更具体地，如下面将更详细描述的，辅助测量位置坐标确定系统150可以用于确定以优于机器人精度的精度水平指示端部工具位置ETP的测量位置坐标的相对位置，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标而言。
如图1所示，辅助测量位置坐标确定系统150包括第一成像配置160、XY标尺170、图像触发部分181和测量位置坐标处理部分190。第一成像配置160联接到静止元件STE。在各种实施方式中，静止元件STE可包括布置在关节型机器人110的可操作工作空间OPV的至少一部分上方的框架，为此，第一成像配置160固定到可操作工件空间OPV的一部分的上方的框架。在各种实施方式中，静止元件STE可包括一个或多个结构支撑元件SSP(例如，从地板，天花板等延伸)，用于将静止元件STE保持在固定位置(例如，具有相对于关节型机器人110的固定位置和/或取向)。
第一成像配置160包括第一相机CAM1并且具有名义上平行于z轴对准的光轴OA1。第一成像配置160沿其光轴OA1具有有效聚焦范围REFP。在各种实施方式中，范围REFP可以由第一有效聚焦位置EFP1和第二有效聚焦位置EFP2约束，如下面将更详细描述的。在给定时间，第一成像配置160具有落在范围REFP内的有效聚焦位置EFP。在使用可变焦距(VFL)透镜的实施方式中，范围REFP可以对应于VFL透镜的焦距范围。
在各种实施方式中，所使用的VFL透镜可以是可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜。关于这种TAG透镜的一般操作，在各种实施方式中，透镜控制器(例如，包括在第一成像配置控制和图像处理部分180中)可以周期性地快速调节或调制TAG透镜的光焦度，以实现能够以250kHz、或70kHz、或30kHz等进行周期性调制(即，以TAG透镜谐振频率)的高速TAG透镜。在这样的配置中，第一成像配置160的有效聚焦位置EFP可以在范围REFP(例如，自动聚焦搜索范围)内(快速地)移动。有效聚焦位置EFP1(或EFPmax)可以对应于TAG透镜的最大光焦度，并且有效聚焦位置EFP2(或EFPmin)可以对应于TAG透镜的最大负光焦度。在各种实施方案中，范围REFP的中间可指定为EFPnom，且可对应于TAG透镜的零光焦度。
在各种实施方式中，这样VFL透镜(例如，TAG透镜)和对应的范围REFP可以被有利地选择为使得配置限制或消除对第一成像配置160的宏观机械调节和/或对部件之间的距离的调节以改变EFP的有效聚焦位置的需要。例如，在可能在第二臂部分130的远端DE2处发生未知量的倾斜或“下垂”的实施方式中(例如，由于第一臂部分120和第二臂部分130的重量和/或特定取向等)，从第一成像配置160到XY标尺170的精确焦距可能是未知的和/或可能随着臂的不同取向等而变化。在这样的配置中，可能期望使用VFL透镜，其可以扫描或以其他方式调节有效聚焦位置EFP以确定并精确地聚焦在XY标尺170处。
在各种实施方式中，XY标尺170包括名义上平面的基板SUB和多个相应可成像特征部，基板SUB名义上垂直于z轴布置，所述多个相应可成像特征部分布在基板SUB上。相应可成像特征部位于XY标尺170上的相应已知x和y标尺坐标处。在各种实施方式中，XY标尺170可以是增量标尺或绝对标尺，如下面将参考图4和5更详细地描述的。
在各种实施方式中，图像触发部分181和/或测量位置坐标处理部分190可以被包括作为外部控制系统ECS的一部分(例如，作为外部计算机的一部分等)。图像触发部分181可以被包括作为第一成像配置控制和处理部分180的一部分。在各种实施方式中，图像触发部分181被配置为输入与端部工具位置ETP有关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并被配置为将第一成像触发信号输出到第一成像配置160。在各种实施方式中，第一成像配置160被配置为响应于接收到第一成像触发信号而在图像获取时间获取XY标尺170的数字图像。在各种实施方式中，测量位置坐标处理部分190被配置为输入所获取的图像并识别XY标尺170的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置。在各种实施方式中，外部控制系统ECS还可以包括标准机器人位置坐标模式部分147和辅助测量位置坐标模式部分192，用于实施对应的模式，如下面将更详细描述的。
在各种实施方式中，第一成像配置160可以包括周期性地(例如，以设定的定时间隔)激活相机CAM1的图像集成的部件(例如，子电路，程序等)，为此，第一成像触发信号可以激活闪光灯定时或其他机构以有效地冻结运动并相应地确定集成周期内的曝光。在这样的实施方式中，如果在集成时段期间没有接收到第一成像触发信号，则可以丢弃所得到的图像，其中如果在集成时段期间接收到第一成像触发信号，则可以保存和/或以其他方式处理/分析所得到的图像以确定相对位置，如下面将更详细描述的。
在各种实施方式中，不同类型的端部工具ETL可以提供可以关于图像触发部分181使用的不同类型的输出。例如，在端部工具ETL是用于测量工件并且在触碰工件时输出触碰信号的触碰探针的实施方式中，图像触发部分181可以被配置为输入该触碰信号或者从其导出的信号，作为确定第一成像触发信号的定时所根据的至少一个输入信号。作为另一示例，在端部工具ETL是用于测量工件并且提供与相应样本定时信号对应的相应工件测量样本数据的扫描探针的实施方式中，图像触发部分181可以被配置为输入上述相应样本定时信号或从其导出的信号作为至少一个输入信号。作为另一示例，在端部工具ETL是用于提供与相应工件图像获取信号对应的相应工件测量图像的相机的实施方式中，图像触发部分181可以被配置为输入该工件图像获取信号或者从其导出的信号，作为至少一个输入信号。
在图1的示例性实施方式中，辅助测量位置坐标确定系统150配置为XY标尺170在第二臂部分130的远端DE2附近联接到第二臂部分130，并且第一成像配置160联接到静止元件STE(例如，布置在关节型机器人110上方的框架)并限定第一参考位置REF1。在替代实施方式中(例如，如下面将参考图3更详细地描述的)，辅助测量位置坐标确定系统可被配置为第一成像配置160在第二臂部分130的远端DE2附近联接到第二臂部分130，且XY标尺170联接到静止元件STE并限定第一参考位置REF1。
在任一种情况下，如下面将更详细描述的，XY标尺170沿z轴的位置在第一成像配置160的聚焦范围内(例如，为此可以通过VFL透镜或其他方式调节聚焦位置)，并且辅助测量位置坐标确定系统150被配置为使得测量位置坐标处理部分190可操作以基于确定在所获取的图像中所识别的至少一个相应可成像特征部的图像位置来以优于机器人精度的精度水平确定XY标尺170或第一成像配置160中的可移动的一者与第一参考位置REF1之间的相对位置(例如，包括x和y坐标)。所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置ETP的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。在各种实施方式中，辅助测量位置坐标确定系统150可以被配置成基于所确定的相对位置和端部工具位置ETP与XY标尺170或第一成像配置160中的可移动的一者之间的已知坐标位置偏移(x和y坐标偏移)来确定在图像获取时间的端部工具位置ETP的测量位置坐标。应当理解，这种系统可以具有优于各种替代系统的某些优点。例如，在各种实施方式中，诸如本文所公开的系统可以比利用诸如用于跟踪机器人移动/位置的激光跟踪器或摄影测量技术的替代系统更小和/或更便宜，并且在一些实施方式中也可以具有更高的精度。所公开的系统也不会占用或遮挡可操作工作空间OPV的任何部分，例如这样的替代系统，其可能包括地面或台子上的标尺或基准，或与否则工件可能在其上工作和/或被检查的区域相同的区域(例如，可操作工作空间)中的标尺或基准。
图2是类似于图1的机器人系统100的机器人系统200的第二示例性实施方式的等距视图，其中，第一成像配置160联接到静止元件STE(例如，图1的静止元件STE)。应当理解，图2的某些编号部件(例如，1XX或2XX)可以对应于图1中相同或相似编号的对应部件(例如，1XX)和/或具有与其相似的操作，并且可以被理解为与其相同或相似，并且可以通过与其类比而被理解，并且如下所述。这种表示具有类似和/或相同设计和/或功能的元件的编号方案也适用于下面的图3-5。
在图2的配置中(即，类似于图1的配置)，XY标尺170在第二臂部分130的远端DE2附近联接到第二臂部分130。在各种实施方式中，如上面参照图1所述，第一成像配置160联接到的静止元件STE可包括布置在关节型机器人110上方的框架。在各种实施方式中，可以指定不同的参考轴和线以用于描述关节型机器人110的部件的某些运动、坐标和角度度。例如，第一臂部分120和第二臂部分130可以分别具有指定的水平中心线CL1和CL2，其穿过相应臂部分的中心。角度A1可以被指定为出现在第一臂部分120的中心线CL1和x-z平面之间(例如，根据第一旋转接头125绕第一旋转轴线RA1的旋转量)。角度A2可以被指定为出现在第一臂部分120的水平中心线CL1和第二臂部分130的水平中心线CL2之间(例如，根据第二旋转接头135绕第二旋转轴线RA2的旋转量)。
在各种实施方式中，端部工具配置ETCN可以在第二臂部分130的远端DE2附近联接到第二臂部分130，并且可以被指定为具有名义上与第二臂部分130的中心线CL2相交的、端部工具ETL的端部工具轴线EA，为此，可以假定端部工具轴线EA大体平行于旋转轴线RA2和z轴。在各种实施方式中，端部工具轴线EA穿过端部工具位置ETP，并且具有与XY标尺170的已知坐标位置偏移(即，对于x和y坐标)。相应地，在端部工具位置ETP和XY标尺170之间可能存在已知的坐标位置偏移。例如，XY标尺170可以具有指定的参考点(例如，在XY标尺170的中心或边缘处)，其在xy平面中具有距离端部工具轴线EA且相应地距离端部工具位置ETP的已知坐标位置偏移(例如，已知距离)。在各种实施方式中，这种已知坐标位置偏移可以用已知x偏移和已知y偏移来表示。
在各种实施方式中，端部工具位置ETP和XY标尺170之间的已知坐标位置偏移可以用作用于确定端部工具位置ETP的测量位置坐标的过程的一部分。更具体地，如上所述，辅助测量位置坐标确定系统150可以被配置为使得测量位置坐标处理部分190操作，以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的(即，XY标尺170的)的图像位置来确定XY标尺170和第一参考位置REF1(即，由静止的第一成像配置160限定)之间的相对位置。辅助测量位置坐标确定系统150还可以被配置为基于所确定的相对位置和端部工具位置ETP与可移动XY标尺170之间的已知坐标位置偏移来确定端部工具位置ETP的测量位置坐标。在一个特定示例实施方式中，已知坐标位置偏移(例如，以已知x偏移和已知y偏移表示)可以被添加到所确定的相对位置或以其他方式与所确定的相对位置组合，以便确定端部工具位置ETP的测量位置坐标。
作为一个特定示例性位置坐标配置，XY标尺170可以被指定为具有在X0、Y0、Z0处的参考位置(例如，原点位置)(例如，原点位置可以具有值0,0,0)。在这样的配置中，参考位置REF1(即，由静止的第一成像配置160限定)可以处于相对坐标X1，Y1，Z1处，对应的视场FOV1的中心(例如，对应于所获取的图像)可以在相对坐标X1，Y1，Z0处。端部工具轴线EA在从XY标尺170延伸的x-y平面中的位置可以被指定为具有相对坐标X2，Y2，Z0。端部工具位置ETP可以被指定为具有坐标X2，Y2，Z2。在各种实施方式中，端部工具ETL可以具有接触点CP(例如，在用于接触工件的端部工具触针ETST的端部处)，其可以被指定为具有坐标X3，Y3，Z3。在端部工具ETL的接触点CP相对于端部工具的其余部分在x或y方向上不变化的实施方式中，X3和Y3坐标可以分别等于X2和Y2坐标。
在一个特定示例性实施方式中，可以通过测量位置坐标处理部分190分析所获取的图像以确定相对位置(例如，以确定对应于静止的第一成像配置160的视场FOV1的中心的X1，Y1坐标)。可以根据标准相机/标尺图像处理技术(例如，用于确定相机相对于标尺的位置)来进行这种确定。在美国专利No.6,781,694；6,937,349；5,798,947；6,222,940；和6,640,008中描述了这种技术的各种示例，其每一篇通过引用以其整体并入本文。在各种实施方式中，这种技术可用于确定标尺范围内(例如，在XY标尺170内)的视场的位置(例如，对应于相机的位置)，如下面将参照图4和5详细说明的。在各种实施方式中，这样的确定可以包括识别XY标尺170的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部以及相关的相应已知XY尺度坐标位置。这种确定可以对应于确定XY标尺170和第一参考位置REF1(即，如由静止的第一成像配置160所限定)之间的相对位置。然后可以根据端部工具位置ETP和XY标尺170之间的已知坐标位置偏移(例如，将x和y位置偏移值相加到X1和Y1以确定X2和Y2)来确定相对X2，Y2坐标(即，端部工具位置ETP的X2，Y2坐标)。
在各种实施方式中，辅助测量位置坐标确定系统150还可包括一个或多个附加的成像配置。例如，如图2所示，测量位置坐标确定系统150可以包括第二成像配置160'，其具有第二相机CAM2和名义上平行于z轴对准的光轴OA2。第二成像配置160'可以定义第二参考位置REF2(例如，具有相对坐标X1'，Y1'和Z1)。第二成像配置160'沿其光轴OA2具有有效聚焦范围REFP。在这种配置中，图像触发部分181还被配置为输入与端部工具位置ETP有关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第二成像触发信号的定时，并将第二成像触发信号输出到第二成像配置160'。在各种实施方式中，第二成像配置160'被配置为响应于接收到第二成像触发信号而在图像获取时间获取XY标尺170的数字图像。测量位置坐标处理部分190还可以被配置为输入所获取的图像并识别XY标尺170的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置。
在各种实施方式中，测量位置坐标处理部分190可操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定XY标尺170与第二参考位置REF2之间的相对位置。在这样的实施方式中，所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置ETP的测量位置坐标，至少对于与z轴垂直的xy平面中的x和y测量位置坐标而言。
在各种实施方式中，输入到图像触发部分181的至少一个输入信号包括从运动控制系统140导出的一个或多个信号。在这样的配置中，图像触发部分181可以被配置为基于从运动控制系统140导出的一个或多个信号来确定XY标尺170是否与第一成像配置160或第二成像配置160'对准。如果确定XY标尺170与第一成像配置160对准(例如，使得XY标尺170的足够部分由第一成像配置160成像)，则图像触发部分181被配置为输出第一成像触发信号。相反，如果确定XY标尺170与第二成像配置160'对准(例如，使得XY标尺170的足够部分由第二成像配置160'成像)，则图像触发部分181被配置为输出第二成像触发信号。
图3是机器人系统300的第三示例性实施方式的等距视图，其中XY标尺170联接到静止元件STE并限定第一参考位置REF1。在图3的配置中，第一成像配置160在第二臂部分130的远端DE2附近联接到第二臂部分130。在各种实施方式中，端部工具轴线EA具有与第一成像配置160的已知坐标位置偏移(即，对于x和y坐标)。相应地，在端部工具位置ETP和第一成像配置160之间可存在已知坐标位置偏移。例如，第一成像配置160可以具有指定的参考点(例如，第一成像配置160的中心处)，其在xy平面中具有距离端部工具轴线EA且相应地距离端部工具位置ETP的已知坐标位置偏移(例如，已知距离)。在各种实施方式中，这种已知坐标位置偏移可以用已知x偏移和已知y偏移来表示。
在各种实施方式中，端部工具位置ETP和第一成像配置160之间的已知坐标位置偏移可以用作用于确定端部工具位置ETP的测量位置坐标的过程的一部分。更具体地，如上所述，辅助测量位置坐标确定系统150可以被配置为使得测量位置坐标处理部分190操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的(即，XY标尺170的)的图像位置来确定第一成像配置160和第一参考位置REF1(即，由静止的XY标尺170限定)之间的相对位置。辅助测量位置坐标确定系统150还可以被配置为基于所确定的相对位置和端部工具位置ETP与可移动第一成像配置160之间的已知坐标位置偏移来确定端部工具位置ETP的测量位置坐标。在一个特定示例实施方式中，已知坐标位置偏移(例如，以已知x偏移和已知y偏移表示)可以被添加到所确定的相对位置或以其他方式与所确定的相对位置组合，以便确定端部工具位置ETP的测量位置坐标。
作为一个特定示例性位置坐标配置，XY标尺170可以被指定为具有在X0、Y0、Z0处的参考位置(例如，原点位置)(例如，原点位置可以具有值0,0,0)。第一成像配置160可以位于具有相对坐标X1，Y1，Z1的位置，并且对应视场FOV1(例如，如在所获取的图像中捕获的)的中心可以在相对坐标X1，Y1，Z0处。端部工具轴线EA在从第一成像配置160延伸的x-y平面中的位置可以被指定为具有相对坐标X2，Y2，Z0。端部工具位置ETP可以被指定为具有坐标X2，Y2，Z2。在各种实施方式中，端部工具ETL可以具有接触点CP(例如，在用于接触工件的端部工具触针ETST的端部处)，其可以被指定为具有坐标X3，Y3，Z3。在端部工具ETL的接触点CP相对于端部工具的其余部分在x或y方向上不变化的实施方式中，X3和Y3坐标可以分别等于X2和Y2坐标。
在各种实施方式中，与图2的机器人系统200相比，图3的机器人系统300可具有某些不同的设计考虑因素和方面(例如，与分别在第一壁部分120的远端DE1和第二臂部分130的远端DE2处的可能的垂直位移或下垂有关)。在可能发生这种位移或下垂的实施方式中(例如，由于成像配置160、臂部分的重量和/或不同的取向，等)，关于第一成像配置160的视场FOV相应地偏移，图3的机器人系统300中可能经历特别不期望的效果。更具体地，这种垂直位移或下垂可能导致XY标尺170(即，附接到静止元件STE)上的视场FOV的位置的相对显着的偏移/变化，这可能导致所确定的相对位置和端部工具位置ETP的对应测量位置坐标中的相对显着的误差。由于这些问题，在某些实施方式中，可以认为图2的机器人系统200的配置相对于图3的机器人系统300具有对应的优点。
图4是增量XY标尺170A的示例性实施方式的等距视图。如图4所示，增量XY标尺170A包括均匀间隔的增量可成像特征部IIF的阵列。在各种实施方式中，增量XY标尺170A可以具有小于100微米的周期性(例如，对此，沿着相应的x和y轴的增量可成像特征部IIF之间的周期性间距XSP1和YSP1可以各自小于100微米)。在各种实施方式中，利用增量XY标尺170A确定的位置信息可具有至少10微米的精度。与在某些实施方式中可能约为100微米的机器人精度相比，利用这种XY标尺170A确定的精度可以是机器人精度的至少10倍。在一个特定示例实施方式中，增量XY标尺170A可以具有甚至更高的、大约10微米的周期性，对于该周期性，如果第一成像配置160的放大率是大约1倍并且插值以10倍的系数执行，则可以实现大约1微米的精度。与大约100微米的机器人精度相比，这种配置的精度提高了大约100倍。
在各种实施方式中，第一成像配置160的视场FOV的在增量XY标尺170A内的位置可以提供XY标尺170A与第一参考位置REF1之间的相对位置的指示。在各种实施方式中，第一成像配置160可以与增量XY标尺170A组合使用，作为相机/标尺图像处理配置的一部分。例如，测量位置坐标处理部分190可以基于视场FOV在增量XY标尺170A内的位置来确定XY标尺170A与第一参考位置REF1之间的相对增量位置，如所获取的图像中的XY标尺170A的部分所指示的，并且如本领域中已知的用于相机/标尺图像处理技术(例如，如先前并入的参考文献中所述)。在各种实施方式中，增量XY标尺170A可以具有相对于视场FOV的各种尺寸(例如，增量XY标尺170A可以比视场FOV大至少4x，10x，20x等)。
在各种实施方式中，由XY标尺170A指示的增量位置可以与来自关节型机器人110的位置信息组合以确定相对精确和/或绝对的位置。例如，关节型机器人110的传感器SEN1和SEN2(例如，旋转编码器)可以以机器人精度指示端部工具位置ETP，为此由XY标尺170A指示的增量位置可用于进一步细化所确定的端部工具位置ETP以具有比机器人精度更好的精度。在一个这样的配置中，测量位置坐标处理部分190可以被配置为基于所获取的图像中的一个或多个可成像特征部IFF的图像位置并且基于对应于图像获取时间从运动控制系统140导出的关节型机器人位置数据来识别XY标尺170A的包括在所获取的图像中的一个或多个相应可成像特征部IIF。
在这样的配置中，XY标尺170A的相应可成像特征部IFF可以包括一组相似的可成像特征部IFF，它们在基板上分布成使得它们以大于机器人精度内所允许的最大位置误差的距离以规则的间隔彼此间隔开。如图4所示，可成像特征部IFF间隔开(例如，以间隔XSP1和YSP1处)超过最大位置误差MPE，如围绕代表性可成像特征部IFF的圆圈所表示的。应当理解，在这样的配置中，用于位置确定的机器人精度足以以大于可成像特征IFF之间的间隔的精度确定位置。更具体地，在各种实施方式中，XY标尺170A上的单个可成像特征部IFF(即，其中可成像特征部全部根据跨标尺的均匀间距在XY标尺170A上的已知x和y测量位置坐标处)可因此以足够的精度通过关节型机器人位置数据识别，使得两个可成像特征IFF部不会彼此混淆。在这样的配置中，然后可以利用所获取的图像中的单个可成像特征部IFF的位置来进一步细化端部工具位置ETP以具有比机器人精度更好的精度，至少对于垂直于z轴的xy平面中的端部工具位置ETPx和y测量位置坐标而言。
如上面关于图2所示，在一个特定示例性实施方式中，XY标尺170可以被指定为具有在X0、Y0、Z0处的参考位置(例如，原点位置)(例如，原点位置可以具有值0,0,0)。在这样的配置中，参考位置REF1(即，由静止的第一成像配置160限定)可以处于相对坐标X1，Y1，Z1处，对应的视场FOV1的中心(例如，如在所获取的图像中捕获的)可以在相对坐标X1，Y1，Z0处。端部工具轴线EA在从XY标尺170延伸的x-y平面中的位置可以被指定为具有相对坐标X2，Y2，Z0。端部工具位置ETP可以被指定为具有坐标X2，Y2，Z2。
在操作中，可以通过测量位置坐标处理部分190分析所获取的图像以确定对应于静止的第一成像配置160的视场FOV1的中心的X1，Y1坐标。在各种实施方式中，可以根据标准相机/标尺图像处理技术进行这样的确定，用于确定角度范围内(例如，在XY标尺170A内)的视场的位置(例如，对应于相机的位置)。应当理解，根据标准相机/标尺图像处理技术，参考位置/原点位置X0，Y0，Z0不需要处于视场FOV中以进行这样的确定(即，相对位置可以从沿XY标尺170A的任何位置处的标尺信息确定，如部分地由包括均匀间隔的增量可成像特征部IIF的标尺元素提供)。在各种实施方式中，这样的确定可以包括识别XY标尺170的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部以及相关的相应已知XY尺度坐标位置。这种确定可以对应于确定XY标尺170和第一参考位置REF1(即，如由静止的第一成像配置160所限定)之间的相对位置。然后可以根据端部工具位置ETP和XY标尺170之间的已知坐标位置偏移(例如，将x和y位置偏移值相加到X1和Y1以确定X2和Y2)来确定相对X2，Y2坐标(即，端部工具位置ETP的X2，Y2坐标)。
将来自关节型机器人110的位置信息与由XY标尺170A指示的增量位置信息组合以确定相对精确和/或绝对位置的具体说明性示例如下。如图4所示，所获取的图像可以指示视场FOV的中心位于四个增量可成像特征部IIF的中间，但是可以不指示XY标尺170的哪四个特定的增量可成像特征部IIF被包括在图像中。来自关节型机器人110的位置信息可以足够精确以提供这样的信息，为此，可以识别XY标尺170A的特定的四个增量可成像特征部IIF(例如，部分地基于上述原理，其中可成像特征部IFF间隔开超过最大位置误差，如代表性圆形区域MPE所表示的，使得每个可成像特征部IFF可被唯一识别)。然后，测量位置坐标处理部分190可以分析所获取的图像，以精确地确定在XY标尺的该部分(即，包括特定的四个增量可成像特征部IIF)内出现的视场的中心的位置(即，在坐标X1，Y1，Z0处)。然后，该过程可以如上所述继续(例如，用于相应地确定端部工具位置ETP的X2和Y2坐标)。
图5是绝对XY标尺170B的示例性实施方式的等距视图。在图5的示例中，类似于增量XY标尺170A，绝对XY标尺170B包括均匀间隔的增量可成像特征部IIF的阵列，并且还包括具有唯一可识别图案(例如，16比特图案)的一组绝对可成像特征部AIF。在操作中，第一成像配置160的视场FOV的在绝对XY标尺170B内的位置(即，如包括在所捕获的图像中)提供XY标尺170B与第一参考位置REF1之间的绝对位置的指示。在图5的实施方案中，该组绝对可成像特征部AIF在基板SUB上分布呈使得它们以小于对应于跨第一成像配置160的市场FOV的距离的距离(即，使得至少一个绝对可成像特征部AIF将始终包括在视场中)间隔开(例如，以间隔XSP2和YSP2)。在操作中，测量位置坐标处理部分190被配置为基于相应绝对可成像特征部AIF的唯一可识别图案来识别XY标尺170B的包括在所获取的图像中的至少一个相应绝对可成像特征部AIF。应当理解，这样的实施方式能够以优于机器人精度的精度独立地确定指示端部工具位置ETP的绝对位置，至少对于垂直于z轴的xy平面中的端部工具位置ETP的x和y测量位置坐标(例如，与增量XY标尺170B相比，其可能不需要与来自关节型机器人110的位置信息组合确定绝对位置)。
利用绝对可成像特征部AIF来确定相对精确和绝对位置的具体说明性示例如下。如图5中所示，所获取的图像可以指示视场FOV的中心位于多个增量可成像特征部IIF的中间。来自所包括的两个绝对可成像特征部AIF的位置信息指示图像包括XY标尺170B的哪个部分，为此还可以识别所包括的XY标尺170的增量可成像特征部IIF。因此，可以通过测量位置坐标处理部分190分析所获取的图像，以精确地确定在XY标尺的该部分(即，包括两个决定于可成像特征部和增力可成像特征部IIF)内出现的视场的中心的位置(即，在坐标X1，Y1，Z0处)。然后，该过程可以如上所述继续(例如，用于相应地确定端部工具位置ETP的X2和Y2坐标)。
图6A和6B是说明用于操作机器人系统的程序600A和600B的示例性实施方式的流程图，该机器人系统包括关节型机器人和辅助测量位置坐标确定系统。如图6A所示，在判定框610处，做出关于机器人系统是否要以辅助测量位置坐标模式操作的确定。在各种实施方式中，辅助测量位置坐标模式或标准机器人位置坐标模式的选择和/或激活可以由用户进行和/或可以由系统响应于某些操作和/或指令自动进行。例如，在一个实施方式中，当关节型机器人移动到特定位置中时，可以进入辅助测量位置坐标模式(例如，自动地或根据用户的选择)(例如，将端部工具从执行装配或其他操作的一般性区域移动到更特定的区域，在该更特定的区域处通常执行工件检查操作并且将使用辅助测量位置坐标模式)。在各种实施方式中，这样的模式可以由外部控制系统ECS(例如，利用标准机器人位置坐标模式部分147和辅助测量位置坐标模式部分192的图1的外部控制系统ECS)来实现。在各种实施方式中，混合模式可以独立地操作或者作为辅助测量位置坐标模式的一部分来操作和/或可以实施为模式之间的切换，如下面将参考图7更详细地描述的。
如果在判定框610处确定机器人系统不在辅助测量位置坐标模式下操作，则程序进行到框620，其中机器人系统在标准机器人位置坐标模式下操作。作为标准机器人位置坐标模式的一部分，关节型机器人的位置传感器(例如，旋转编码器)用于以机器人精度控制和确定关节型机器人运动和对应的端部工具位置(例如，其至少部分地基于关节型机器人的位置传感器的精度)。如上所述，第一旋转编码器和第二旋转编码器可以以比利用XY标尺确定的位置信息更低的精度指示第一臂部分和第二臂部分的位置。通常，机器人位置坐标模式可以对应于关节型机器人的独立和/或标准操作模式(例如，其中关节型机器人独立操作的模式，例如当辅助测量位置坐标确定系统不工作或者未被提供时)。
如果要在辅助测量位置坐标模式下操作机器人系统，则程序进行到框630，其中，接收与关节型机器人的端部工具位置相关的至少一个输入信号(即，在图像触发部分处)。基于至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并且将第一成像触发信号输出到第一成像配置。第一成像配置响应于接收到第一成像触发信号而在图像获取时间获取XY标尺的数字图像。在框640处，接收所获取的图像(例如，在测量位置坐标处理部分处)，并且识别XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部以及相关的相应已知XY标尺坐标位置。
在框650处，基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定XY标尺或第一成像配置中的可移动的一者与第一参考位置之间的相对位置。所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，这至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。在框660处，所确定的位置信息(例如，所确定的相对位置，所确定的端部工具位置的测量位置坐标和/或其他相关的所确定的位置信息)则可以用于执行指定的功能(例如，用于工件测量、关节型机器人的定位控制等)。作为这种操作的一部分或者以其他方式，程序然后可以进行到点A，其中在各种实施方式中程序可以结束，或者可以以其他方式继续，如将在下面参考图6B更详细地描述的。
如图6B所示，程序600B可以从点A继续到框670。如下面将更详细描述的，作为程序600B的一部分，所确定的位置信息(例如，来自框660)可以对应于或以其他方式用于确定工件上的第一表面位置，并且因此，然后可以确定工件上的第二表面位置(例如，作为工件测量的一部分)。在框670处，接收与端部工具位置有关的至少一个第二输入信号(例如，在图像触发部分处)，并且基于所述至少一个第二输入信号确定第二成像触发信号的定时。第二成像触发信号被输出到第一成像配置，其中第一成像配置响应于接收到第二成像触发信号而在第二图像获取时间获取XY标尺的第二数字图像。
在框680处，接收第二获取图像(例如，在测量位置坐标处理部分处)，并且识别XY标尺的包括在第二获取图像中的至少一个第二相应可成像特征部和相关的相应第二已知XY标尺坐标位置。在框690处，基于确定在第二获取图像中所识别的至少一个第二相应可成像特征部的第二图像位置，以比机器人精度更好的精度水平确定XY标尺或第一成像配置中的可移动的一者与第一参考位置之间的第二相对位置。所确定的第二相对位置以优于机器人精度的精度水平指示第二图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。第二相对位置与第一相对位置不同，并且对应于工件上的与第一表面位置不同的第二表面位置。
在框695处，利用第一和第二相对位置和/或相关位置信息来确定工件的尺寸，该尺寸对应于工件上的第一表面位置和第二表面位置之间的距离，工件上的第一表面位置和第二表面位置对应于在第一和第二图像获取时间相应的端部工具位置(例如，指示接触点位置等)。应当理解，不是使用关节型机器人的位置传感器(例如，旋转编码器)来以机器人精度确定工件上的第一表面位置和第二表面位置，而是可以利用如上所述的技术来确定更精确的位置信息。更具体地，确定第一和第二表面位置(即，对应于XY标尺上的第一和第二位置，对此，可以利用如上所述的技术根据XY标尺的精度确定这些位置之间的精确距离)允许以高精度确定第一和第二表面位置之间的工件上的对应尺寸。
图7是示出用于确定端部工具位置的程序700的一个示例性实施方式的流程图，其中，可以在运动定时的不同部分期间利用不同的技术。通常，在运动定时期间，关节型机器人的一个或多个臂部分从第一旋转位置移动到第二旋转位置(例如，其可包括围绕旋转接头将臂部分从第一旋转取向旋转到第二旋转取向)。如图7所示，在判定框710处，做出关于在运动定时期间是否要利用混合模式来确定端部工具位置的确定。在各种实施方式中，混合模式还可以代表包括辅助测量位置坐标模式和标准机器人位置坐标模式之间的切换的过程。如果不使用混合模式，则程序继续到框720，其中在运动定时期间仅使用关节型机器人的位置传感器(例如，旋转编码器)来确定端部工具位置。
如果要使用混合模式，则程序进行到框730，在运动定时的第一部分期间，包括在关节型机器人中的位置传感器用于确定端部工具位置。在这样的操作期间，辅助测量位置坐标确定系统的相对位置可以不被确定和/或不被用来确定端部工具位置。在框740处，在运动定时的第一部分之后发生的运动定时的第二部分期间，利用辅助测量位置坐标确定系统的所确定的相对位置来确定端部工具位置。应当理解，这样的操作使得系统能够在运动定时的第一部分期间执行端部工具位置的初始/快速/粗略运动，并且在运动定时的第二部分期间执行端部工具位置的更精确的最终/缓慢/精细运动。
应当理解，尽管在本公开中已经参考元件170、170A、170B等使用了元件名称“XY标尺”，但是该元件名称仅是示例性的，而不是限制性的。它被称为参考笛卡尔坐标系的“XY标尺”，并且其描述包括名义上平面的基板，其名义上垂直于z轴布置。然而，更一般地，元件名称XY标尺应被理解为指代包括对应于参考标尺上的已知二维坐标的多个特征部或标记的任何参考标尺(例如，二维中的精确和/或经精确校准的位置)，只要标尺能够如本文所公开的那样操作。例如，这种标尺特征部可以被表示和/或标记为在该参考标尺上的笛卡尔坐标系中，或者在极坐标系中，或任何其他方便的坐标系中。此外，这些特征部可以包括在整个操作标尺区域内均匀或不均匀分布的特征部，并且可以包括分度或未分度的标尺标记，只要这些特征部对应于标尺上的已知二维坐标并且能够如本文所公开的那样操作。
应当理解，尽管这里公开和示出的机器人系统整体上参考两个臂部分(例如，第一臂部分120和第二臂部分130)示出和描述，但是这样的系统并非受限于此。在各种实施方式中，假设其包括诸如本文描述和/或要求保护的两个臂部分，则如果需要，机器人系统可包括另外的臂部分。
应当理解，XY标尺或参考标尺以及用于对标尺成像的相机可以相对于彼此进行旋转，这取决于机器人系统的运动和/或位置。应当理解，本领域已知的方法(例如，如并入的参考文献中所公开的)可以用于精确地确定任何这样的相对旋转，和/或执行任何所需的坐标变换，和/或根据本文公开的原理分析相机和标尺的相对位置，尽管有这种相对旋转。应当理解，本文涉及的测量位置坐标考虑任何这样的相对旋转。此外，应当理解，在一些实施方式中，本文涉及的测量位置坐标可以包括一组坐标，如果需要，该组坐标包括任何这种相对旋转的精确确定和/或指示。
虽然已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化是显而易见的。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。另外，上面描述的各种实施实施方式可以被组合以提供另外的实施方式。本说明书中提到的所有美国专利和美国专利申请通过引用以其整体并入本文。如果需要采用各个专利和申请的概念，则可以修改实施方式的方面以提供另外的实施方式。
根据以上详细描述，可以对实施方式做出这些和其他改变。整体上，在随附权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为说明书中公开的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可行的实施方式以及包括这样的权利要求有权享有的等同物的全部范围。

Claims (21)

1.一种机器人系统，包括：
关节型机器人，包括：
第一臂部分，其在所述第一臂部分的近端处安装至第一旋转接头，所述第一旋转接头具有沿着z轴方向对齐的旋转轴线，使得所述第一臂部分在垂直于z轴的xy平面中围绕所述第一旋转接头移动，其中，所述第一臂部分具有位于所述第一臂部分的远端处的第二旋转接头，所述第二旋转接头具有其名义上沿着z轴方向对齐的旋转轴线；
第二臂部分，其在所述第二臂部分的近端处安装到所述第二旋转接头，使得所述第二臂部分在名义上垂直于z轴的xy平面中围绕所述第二旋转接头移动；和
运动控制系统，其配置为至少部分地基于使用包括在所述关节型机器人中的位置传感器感测和控制所述第一臂部分和所述第二臂部分各自围绕所述第一旋转接头和所述第二旋转接头的角位置而以被定义为机器人精度的精度水平控制端部工具的端部工具位置；以及
辅助测量位置坐标确定系统，包括：
第一成像配置，其包括第一相机，所述第一成像配置具有名义上平行于z轴对齐的光轴并且具有沿其光轴的聚焦范围；
XY标尺，其包括被布置为名义上垂直于z轴的名义上平面的基板和分布在基板上的多个相应可成像特征部，其中所述相应可成像特征部位于所述XY标尺上的相应已知XY标尺坐标处；
图像触发部分，其配置为输入与端部工具位置相关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并将第一成像触发信号输出到所述第一成像配置，其中，所述第一成像配置被配置为响应于接收到所述第一成像触发信号而在图像获取时间获取XY标尺的数字图像，以及
测量位置坐标处理部分，其配置为输入所获取的图像并识别XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置，
其中，
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者在所述第二臂部分的远端附近联接到所述第二臂部分，且另一者联接到静止元件，所述XY标尺沿着z轴的位置在所述第一成像配置的聚焦范围内，所述XY标尺或所述第一成像配置中的静止的一者限定第一参考位置；
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为使得所述测量位置坐标处理部分能够操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者与所述第一参考位置之间的相对位置；并且
所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，在所述端部工具是用于测量工件并且在触碰所述工件时输出触碰信号的触碰探针时，所述图像触发部分被配置为输入所述触碰信号或者从其导出的信号作为至少一个输入信号。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，在所述端部工具是用于测量工件并且提供与相应样本定时信号对应的相应工件测量样本数据的扫描探针时，所述图像触发部分被配置为输入所述相应样本定时信号或从其导出的信号作为其至少一个输入信号。
4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，在所述端部工具是用于提供与相应工件图像获取信号对应的相应工件测量图像的相机时，所述图像触发部分被配置为输入所述工件图像获取信号或者从其导出的信号作为其至少一个输入信号。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述辅助测量位置坐标确定系统被配置成基于所确定的相对位置和所述端部工具位置与所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者之间的已知坐标位置偏移来确定在图像获取时间的所述端部工具位置的测量位置坐标。
6.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述XY标尺在所述第二臂部分的远端附近联接到所述第二臂部分，且所述第一成像配置联接到所述静止元件。
7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中，所述静止元件包括布置在所述关节型机器人的可操作工作空间的至少一部分上方的框架，并且所述第一成像配置固定到在所述关节型机器人的可操作工件空间的一部分的上方的框架。
8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中，
所述辅助测量位置坐标确定系统还至少包括第二成像配置，所述第二成像配置包括第二相机，所述第二成像配置具有名义上平行于z轴对齐的光轴并具有沿着其光轴的聚焦范围；
所述图像触发部分还被配置为输入与端部工具位置相关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第二成像触发信号的定时，并将第二成像触发信号输出到所述第二成像配置，其中，所述第二成像配置被配置为响应于接收到所述第二成像触发信号而在图像获取时间获取所述XY标尺的数字图像，并且
所述测量位置坐标处理部分还被配置为输入所获取的图像，并识别所述XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置，
其中：
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为所述第二成像配置限定第二参考位置；
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为使得所述测量位置坐标处理部分能够操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定所述XY标尺与所述第二参考位置之间的相对位置；以及
所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标。
9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，
输入到所述图像触发部分的所述至少一个输入信号包括从所述运动控制系统导出的一个或多个信号；并且
所述图像触发部分被配置为基于从所述运动控制系统导出的所述一个或多个信号来确定所述XY标尺是否与所述第一成像配置或所述第二成像配置对准；并且，如果所述XY标尺与所述第一成像配置对准，则所述图像触发部分被配置为输出所述第一成像触发信号，并且如果所述XY标尺与所述第二成像配置对准，则所述图像出发部分被配置为输出所述第二成像触发信号。
10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，
所述XY标尺的相应可成像特征部包括具有唯一可识别图案的一组可成像特征部，其中所述一组可成像特征部分布在基板上，使得它们以小于与跨过所述第一成像配置的视场的距离相对应的距离间隔开；并且
所述测量位置坐标处理部分被配置为基于至少一个相应可成像特征部的唯一可识别图案来识别所述XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部。
11.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述测量位置坐标处理部分被配置为基于所获取的图像中的至少一个可成像特征部的图像位置并且基于对应于图像获取时间从所述运动控制系统导出的机器人位置数据来识别所述XY标尺的包括在所获取的图像中的所述至少一个相应可成像特征部。
12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中，所述XY标尺的相应可成像特征部包括一组相似可成像特征部，所述一组相似可成像特征部在基板上分布，使得它们以大于机器人精度内所允许的最大位置误差的距离彼此间隔开。
13.一种用于操作与关节型机器人一起使用的辅助测量位置坐标确定系统的方法，
所述关节型机器人包括：
第一臂部分，其在所述第一臂部分的近端处安装到第一旋转接头，所述第一旋转接头具有沿着z轴方向对齐的旋转轴线，使得所述第一臂部分在垂直于z轴的xy平面中围绕所述第一旋转接头移动，其中，所述第一臂部分具有位于所述第一臂部分的远端处的第二旋转接头，所述第二旋转接头具有其名义上沿着z轴方向对齐的旋转轴线；
第二臂部分，其在所述第二臂部分的近端处安装到所述第二旋转接头，使得所述第二臂部分在名义上垂直于z轴的xy平面中围绕所述第二旋转接头移动；以及
运动控制系统，其配置为至少部分地基于使用包括在所述关节型机器人中的位置传感器感测和控制所述第一臂部分和所述第二臂部分各自围绕所述第一旋转接头和所述第二旋转接头的角位置，以被定义为机器人精度的精度水平控制端部工具的端部工具位置；
所述辅助测量位置坐标确定系统包括：
第一成像配置，其包括第一相机，所述第一成像配置具有名义上平行于z轴对齐的光轴并且具有沿其光轴的聚焦范围；
XY标尺，其包括被布置为名义上垂直于z轴的名义上平面的基板和分布在基板上的多个相应可成像特征部，其中，所述相应可成像特征部在所述XY标尺上位于相应已知XY标尺坐标处；
图像触发部分；和
测量位置坐标处理部分，
其中，所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者在所述第二臂部分的远端附近联接到所述第二臂部分，并且另一者联接到静止元件，所述XY标尺沿着z轴的位置在所述第一成像配置的聚焦范围内，所述XY标尺或所述第一成像配置中的静止的一者限定第一参考位置；
所述方法包括：
在所述图像触发部分处接收与所述端部工具位置相关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并将所述第一成像触发信号输出到所述第一成像配置，其中，所述第一成像配置被配置为响应于接收到所述第一成像触发信号而在图像获取时间获取所述XY标尺的数字图像；
在所述测量位置坐标处理部分处接收所获取的图像并识别所述XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置；以及
基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置，以优于机器人精度的精度水平确定所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者与所述第一参考位置之间的相对位置，其中，所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的所述端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标而言。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法在辅助测量位置坐标模式期间被执行。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括利用所确定的相对位置测量工件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所确定的相对位置是对应于所述工件上的第一表面位置的第一确定相对位置，并且，所述方法还包括：
在所述图像触发部分处接收与所述端部工具位置相关的至少一个第二输入信号，并基于所述至少一个第二输入信号确定第二成像触发信号的定时，并将所述第二成像触发信号输出到所述第一成像配置，其中，所述第一成像配置被配置为响应于接收到所述第二成像触发信号而在第二图像获取时间获取所述XY标尺的第二数字图像；
在所述测量位置坐标处理部分处接收第二获取图像并识别所述XY标尺的包括在所述第二获取图像中的至少一个第二相应可成像特征部和相关的相应第二已知XY标尺坐标位置；
基于确定在所述第二获取图像中识别出的至少一个第二相应可成像特征部的第二图像位置，以优于机器人精度的精度水平确定所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者与所述第一参考位置之间的第二相对位置，所确定的第二相对位置以优于机器人精度的精度水平指示第二图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的xy平面中的x和y测量位置坐标，所述第二相对位置与所述第一相对位置不同，并且对应于工件上的与所述第一表面位置不同的第二表面位置；以及
利用所述第一相对位置和所述第二相对位置确定工件的尺寸，所述尺寸对应于所述工件上的所述第一表面位置和所述第二表面位置之间的距离。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括利用所确定的相对位置确定在所述第二臂部分围绕所述第二旋转接头的旋转运动期间的所述第二臂部分的位置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，
在运动定时期间，所述第二臂部分围绕所述第二旋转接头从第一旋转取向旋转到第二旋转取向；
在所述运动定时的第一部分期间，包括在所述关节型机器人中的至少一个位置传感器被用于确定所述第二臂部分的位置，并且，所确定的相对位置不用于确定所述第二臂部分的位置；以及
在所述运动定时的第一部分之后发生的运动定时的第二部分期间，所确定的相对位置用于确定所述第二臂部分的位置。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述端部工具是以下中的至少一种：
触碰探针，其用于测量工件并在触碰工件时输出触碰信号，对此，所述至少一个输入信号是所述触碰信号或从其导出的信号；
扫描探针，其用于测量工件并且提供与相应样本定时信号对应的相应工件测量样本数据，对此，所述至少一个输入信号是所述相应样本定时信号或从其导出的信号；或
相机，其用于提供与相应工件图像获取信号对应的相应工件测量图像，对此，所述至少一个输入信号是工件图像获取信号或从其导出的信号。
20.一种用于与关节型机器人一起使用的辅助测量位置坐标确定系统，所述辅助测量位置坐标确定系统包括：
第一成像配置，其包括第一相机，所述第一成像配置具有名义上平行于z轴对齐的光轴并且具有沿其光轴的聚焦范围；
XY标尺，其包括被布置为名义上垂直于z轴的名义上平面的基板和分布在基板上的多个相应可成像特征部，其中，所述相应可成像特征部位于在所述XY标尺上的相应已知XY标尺坐标处；
图像触发部分，其配置为输入与所述关节型机器人的端部工具位置有关的至少一个输入信号，并基于所述至少一个输入信号确定第一成像触发信号的定时，并将所述第一成像触发信号输出到所述第一成像配置，
所述关节型机器人包括：
第一臂部分，其在所述第一臂部分的近端处安装到第一旋转接头，且所述第一臂部分具有位于其远端处的第二旋转接头；
第二臂部分，其在所述第二臂部分的近端处安装到所述第二旋转接头；
运动控制系统，其配置为至少部分地基于使用包括在所述关节型机器人中的位置传感器感测和控制所述第一臂部分和所述第二臂部分各自围绕所述第一旋转接头和所述第二旋转接头的角位置而以被定义为机器人精度的精度水平控制端部工具的端部工具位置，其中，所述第一成像配置被配置为响应于接收到所述第一成像触发信号而在图像获取时间获取所述XY标尺的数字图像，和
测量位置坐标处理部分，其配置为输入所获取的图像并识别XY标尺的包括在所获取的图像中的至少一个相应可成像特征部和相关的相应已知XY标尺坐标位置，
其中：
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者在所述第二臂部分的远端附近联接到所述第二臂部分，并且另一者联接到静止元件，所述XY标尺沿着z轴的位置在所述第一成像配置的聚焦范围内，所述XY标尺或所述第一成像配置中的静止的一者限定第一参考位置；
所述辅助测量位置坐标确定系统被配置为使得所述测量位置坐标处理部分能够操作以基于确定在所获取的图像中识别出的至少一个相应可成像特征部的图像位置而以优于机器人精度的精度水平确定所述XY标尺或所述第一成像配置中的可移动的一者与所述第一参考位置之间的相对位置；并且
所确定的相对位置以优于机器人精度的精度水平指示图像获取时间的端部工具位置的测量位置坐标，至少对于垂直于z轴的x-y平面中的x和y测量位置坐标。
21.根据权利要求20所述的辅助测量位置坐标确定系统，其中，所述XY标尺在所述第二臂部分的远端附近联接到所述第二臂部分，并且所述第一成像配置联接到所述静止元件。
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