CN111318698B - 用于高精度无固定装置组装的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于高精度无固定装置组装的系统和方法，可以描述一种在组装系统中定位一个或多个机械手臂的方法。例如，用于机械手组装的系统可以包括第一机械手、第二机械手和控制单元。控制单元可以被配置为接收接近第二目标位置的第一目标位置。这些位置可以指示机械手将特征定位在何处。控制单元可以被配置为：计算第一子部件的第一特征的第一计算位置；测量第一子部件的第一特征的第一测量位置；确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵；利用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置，该重新定位基于第一变换矩阵。

Description

用于高精度无固定装置组装的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年12月17日提交的发明名称为“用于高精度无紧固件组件的系统和方法”的美国申请No.16/222,926的优先权，其通过引用明确地整体并入本文中。
技术领域
本公开涉及诸如汽车、卡车、火车、船舶、飞行器、摩托车、轨道交通系统等的运输结构，更具体地涉及用于使用机械臂执行操作的技术。
背景技术
诸如汽车、卡车或飞行器的运输结构采用了大量的内部和外部节点。这些节点为汽车、卡车或飞行器提供了结构，并且适当地承担如加速和制动的各种动作产生的或引起的多种不同类型的力。这些节点还提供了支撑。尺寸和形状变化的节点可以集成到运输结构中，例如提供板件、挤出件和/或其它结构之间的接口。因此，节点为运输结构的一体构件。
大多数节点必须以巧妙设计的方式牢固联接或接合到其它构件或结构。为了牢固地连接节点与其它构件或结构，可以对节点进行一个或更多个处理以制备与其它构件或结构连接的节点。例如，可以在接口处对节点进行机械加工以连接不同的其它构件或结构。这些处理的更多示例包括表面制备操作、热处理、电涂覆、电镀、阳极处理、化学蚀刻、清洗、支撑件移除、以及粉末移除等。
为了制造运输结构(例如车辆、飞行器以及轨道交通系统等)，可以在节点被制造后执行一个或更多个组装操作。例如，节点可以与构件连接例如为了形成运输结构的一部分(例如车辆底盘等)。这种组装会涉及到组装系统一个或更多个公差阈值内的精度，例如为了确保节点与构件牢固地连接，因此可以令人满意地生产运输结构。
机械手装置(例如机械手臂末端工具中心点)执行组装操作时，机械手装置被精准地定位以用于待精准执行的组装操作。例如，与节点接合的机械手臂可以被定位，使得节点与构件精准地连接。因此，需要一种方法，在执行各种组装操作时，能够在组装系统的公差阈值内的一定精度准确地定位至少一个机械手装置(例如机械手臂末端工具中心点)。
发明内容
本公开总体上涉及与运输结构的生产相关联地执行的组装操作。这样的组装操作可以包括节点(例如，增材制造的节点)与零件和/或其他结构的连接。因为运输结构需安全、可靠等等，所以准确地执行与运输结构的生产相关联的各种组装操作的方法可能是有益的。可以由至少一个机械手臂来执行这种用于各种组装操作的方法，机械手臂可以经由计算机生成的指令来指示。因此，计算机可以实现各种技术以生成用于至少一个机械手臂的指令，其使得至少一个机械手臂在执行各种组装操作时正确地定位。
在本公开中，可以描述用于定位机械手臂的系统和方法。在一个方面，机械手组装方法包括接收指示第一机械手将第一子部件的第一特征定位在何处的第一目标位置。第一目标位置可以接近第二目标位置，第二目标位置指示第二机械手将第二子部件的第二特征定位在何处，从而当第一子部件和第二子部件与处于第一位置的第一子部件的第一特征和处于第二位置的第二子部件的第二特征联接在一起时形成部件。该机械手组装方法还包括计算第一子部件的第一特征的第一计算位置以及测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。另外，该机械手组装方法包括：确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵；以及利用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置。该重新定位可以基于第一变换矩阵。
在一个方面，用于机械手组装的系统包括第一机械手、第二机械手和控制单元。控制单元可以被配置为接收指示第一机械手将第一子部件的第一特征定位在何处的第一目标位置。第一目标位置可以接近第二目标位置，该第二目标位置指示第二机械手将第二子部件的第二特征定位在何处，从而当第一子部件和第二子部件与处于第一位置的第一子部件的第一特征和处于第二位置的第二子部件的第二特征联接在一起时形成部件。控制单元还可以被配置为计算第一子部件的第一特征的第一计算位置以及测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。另外，控制单元可以被配置为：确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵，以及利用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置。该重新定位可以基于第一变换矩阵。
在一个方面，机械手组装控制单元包括至少一个处理器和联接至该至少一个处理器的存储器。该存储器包括将控制单元配置为接收第一目标位置的指令，该第一目标位置指示第一机械手将第一子部件的第一特征定位在何处。第一目标位置接近第二目标位置，该第二目标位置指示第二机械手将第二子部件的第二特征定位在何处，从而第一子部件和第二子部件在与处于第一位置的第一子部件的第一特征和处于第二位置的第二子部件的第二特征联接在一起时形成部件。存储器还包括将控制单元配置为计算第一子部件的第一特征的第一计算位置以及测量第一子部件的第一特征的第一测量位置的指令。另外，存储器包括将控制单元配置为确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵以及利用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置的指令。该重新定位基于第一变换矩阵。
在一个方面，一种计算机可读介质存储用于机械手组装的计算机可执行代码。在一方面，计算机可读介质可以是基于云的计算机可读介质，诸如附接到互联网的服务器上的硬盘驱动器。该代码在由处理器执行时使处理器接收指示第一机械手将第一子部件的第一特征定位在何处的第一目标位置。第一目标位置可以接近第二目标位置，该第二目标位置指示第二机械手将第二子部件的第二特征定位在何处，从而第一子部件和第二子部件在与处于第一位置的第一子部件的第一特征和处于第二位置的第二子部件的第二特征联接在一起时形成部件。该代码在由处理器执行时使处理器计算第一子部件的第一特征的第一计算位置以及测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。该代码在由处理器执行时使处理器确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵以及利用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置。该重新定位基于第一变换矩阵。
应该理解，根据以下详细描述，用于实现具有增材制造的部件的高精度无固定装置组装的机构及其制造的其他方面对于本领域技术人员将变得显而易见，其中，仅通过说明的方式示出和描述了若干实施例。如本领域技术人员将认识到的，所公开的主题能够具有其他和不同的实施例，并且其若干细节能够在各个其他方面进行修改，所有这些都不背离本发明。因此，附图和详细描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
图1为示出了直接金属沉积(DMD)3-D打印机的某些方面的示例性实施例的示意图。
图2为使用3-D打印机的3-D打印过程的概念流程示意图。
图3A-图3D为示出了不同操作阶段的示例性粉末床融合(PBF)系统的示意图。
图4为示出了包括多个用作固定装置的机械手的第一组装系统的全貌的示意图。
图5为示出了包括多个用作固定装置的机械手的第二组装系统的全貌的示意图。
图6为示出了直接打印在构件上的固定装置点的示意图。
图7为示出了在固定装置上扫描和拟合的零件的示意图。
图8为根据本文描述的系统和方法的概念流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在提供各种示例性实施例的描述，而并不旨在表示可以实施本发明的仅有实施例。贯穿本公开使用的术语“示例性的”、“说明性的”等意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应该被解释为比本公开中呈现的其他实施例更优选或更有利。详细描述包括用于提供彻底和完整公开的目的的具体细节，其向本领域技术人员充分传达了本发明的范围。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些情况下，众所周知的结构和组件可以以框图形式示出，或者完全省略，以避免模糊贯穿本公开呈现的各种概念。另外，附图可以不按比例绘制，而是可以以试图最有效地突显与所描述的主题相关的各种特征的方式绘制。
增材制造(3D打印)。添加剂制造有利地是非设计特定的制造技术。调幅提供了在零件内创建复杂结构的能力。例如，可使用AM产生节点。节点是结构构件，其可以包括用于连接至其它跨越部件(比如管、挤压件、面板、其它节点等)的一个或更多个接口。使用AM，可以根据目的构造节点以包括附加特征和功能。例如，节点可以打印有一个或更多个端口，这些端口允许节点通过注入粘合剂而不是如传统上在制造复杂产品中所做的那样将多个零件焊接在一起来固定两个零件。替代地，可以使用钎焊浆料、热塑性、热固性或另一连接特征连接一些部件，其中任何一种都可互换地代替粘合剂。因此，尽管焊接技术对于某些实施例可能是合适的，但是附加制造在允许使用替代或附加连接技术方面提供了显著的灵活性。
各种不同的AM技术已被用于由各种类型的材料组成的3D打印部件。现有许多可用的技术，更多的技术正在开发中。例如，定向能量沉积系统使用源自激光或电子束的定向能量熔化金属。这些系统利用粉末和焊丝进给。与其它突出的AM技术相比，送丝系统有利地具有更高的沉积速率。单通道喷射(SPJ)结合了两个粉末散布器和单个打印单元来散布金属粉末，并在显然没有浪费的运动的情况下在单次通过中打印结构。作为另一例示，电子束增材制造工艺使用电子束经由焊丝给料沉积金属或在真空室中在粉末床上烧结。单通道喷射是其开发者所要求的比常规的基于激光的系统快得多的另一示例性技术。原子扩散增材制造(ADAM)是最近开发的又一技术，其中在塑料粘结剂中使用金属粉末逐层打印部件。打印后，移除塑料粘结剂，并且将整个零件一次烧结成所需的金属。如上指出的，几种这种AM技术中的一个是DMD。图1示出了DMD3D打印机100的某些方面的示例性实施例。DMD打印机100使用在预定方向120上移动的进料喷嘴102以将粉末流104a和104b推进到激光束106中，激光束106朝向可以由基板支撑的工件112引导。进料喷嘴还可以包括用于使保护气体116流动以保护焊接区域免受氧气、水蒸气或其它部件影响的机构。
然后通过激光106将粉末金属熔融在熔池区域108中，熔池区域108然后可以作为沉积材料110的区域粘结到工件112。稀释区域114可以包括工件的区域，其中所沉积的粉末与工件的局部材料集成在一起。进料喷嘴102可以由计算机数控(CNC)机器人或起重机架或其它计算机控制机构支撑。进料喷嘴102可以在计算机控制下沿着基板的预定方向移动多次，直到在工件112的期望区域上方形成沉积材料110的初始层。然后，进料喷嘴102可扫描紧接在先前层上方的区域，以沉积连续的层，直到形成所需的结构。一般而言，进料喷嘴102可以构造成相对于所有三个轴线移动，并且在一些情况下，在其自身轴线上旋转预定量。
图2是示出了3D打印的示例性过程的流程示意图200。呈现要打印的期望三维对象的数据模型(操作210)。数据模型是3D对象的虚拟设计。因此，数据模型可以反映3D对象的几何和结构特征、以及其材料成分。可以使用各种方法(包括基于CAE的优化、3D建模、摄影测量软件和相机成像)来创建数据模型。基于CAE的优化可以包括例如基于云的优化、疲劳分析、线性或非线性有限元分析(FEA)和耐久性分析。
3D建模软件进而可以包括许多商业上可获取的3D建模软件应用中的一个。可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)包(例如以STL格式)来渲染数据模型。STL是与商业上可获取的基于立体光刻的CAD软件相关的文件格式的一个示例。CAD程序可以用于将3D对象的数据模型创建为STL文件。因此，STL文件可以经历由此标识和解决文件中的错误的过程。
在错误解决之后，数据模型可以被称为切片器的软件应用“切片”，从而产生一组用于三维打印对象的指令，这些指令与要使用的特定三维打印技术兼容并相关(操作220)。许多切片机程序是市售的。一般而言，切片机程序将数据模型转换为表示待打印的对象的薄切片(例如，100微米厚)的一系列单独层，以及包含用于3D打印这些连续的单独层的打印机特定指令的文件，以产生数据模型的实际3D打印表示。
与3D打印机和相关打印指令相关联的层不需要在厚度上是相同的或平坦的。例如，在一些实施例中，取决于一些因素，如3D打印设备的技术成熟性和特定制造目的等，3D打印结构中的多个层可以是非平坦的和/或可以在一个或更多个实例中关于它们各自的厚度发生变化。
用于将数据模型切片成层的常见类型的文件是G代码文件，其是一种包括用于3D打印对象的指令的数字控制编程语言。将G代码文件或构成指令的其它文件上载到3D打印机(操作230)。因为包含这些指令的文件通常构造成可用特定的3D打印过程操作，所以应理解的是指令文件的许多格式是可能的，取决于所使用的3D打印技术。
除了决定待渲染的对象是什么和如何渲染它的打印指令之外，供3D打印机在渲染对象时使用所必需的适当物理材料使用常规的且通常特定于打印机的方法中任一个来装载到3D打印机中(操作240)。例如，在直接金属沉积技术中，可以选择一种或更多种金属粉末来以这些金属或金属合金层设结构。在选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和其它基于PBF的增材制造方法(参见下文)中，材料可以作为粉末装载到腔室中，其将粉末进给到构建平台。根据3D打印机，可以使用用于装载打印材料的其它技术。
然后，使用材料基于所提供的指令打印3D对象的相应数据切片(操作250)。在使用激光烧结的3D打印机中，激光扫描粉末床并在需要结构的地方将粉末熔化在一起，并避免扫描已切片数据指示不打印任何东西的区域。该过程可以重复数千次，直到形成所需的结构，然后从制造器移除已打印的零件。在融合沉积建模中，如上所述，通过将模型和支撑材料的相继层施加到基板来打印零件。一般而言，出于本公开的目的，可以采用任何合适的3D打印技术。
另一增材制造技术包括粉末床融合(“PBF”)。类似直接金属沉积，PBF逐层创建“构建件”。通过沉积一层粉末并将粉末的一些部分暴露于能量束来形成每个层或“切片”。能量束被施加到粉末层的熔化区域，其与层中的构建件的截面重合。熔化的粉末冷却并融合以形成构建件的切片。可以重复该过程以形成构建件的下一切片，以此类推。每个层被沉积在前一层之上。所得结构是从底层向上逐切片组装的构建件。
图3A-图3D示出了在不同操作阶段期间的示例性PBF系统300的相应侧视图。如上所述，图3A-图3D中所示的特定实施例是采用本公开的原理的PBF系统的许多合适示例中的一个。还应指出的是，本公开中的图3A-图3D和其它附图的元件并不一定按比例绘制，而是可以绘制得更大或更小，目的在于更好地例示本文描述的构思。PBF系统300可包括可以沉积每层金属粉末的沉积器301、可生成能量束的能量束源303、可施加能量束以融合粉末的偏转器305以及可以支撑一个或更多个构建件(比如构建件309)的构建板307。PBF系统300还可包括定位在粉末床接收器内的构建底板311。粉末床接收器312的壁总体上限定粉末床接收器的边界，该粉末床接收器被从侧面夹持在壁312之间，并且抵接下方的构建底板311的一部分。构建底板311可以逐渐降低构建板307，使得沉积器301可以沉积下一层。整个机构可驻留在腔室313中，所述腔室313可围封其它部件，由此保护设备，允许大气和温度调节并减轻污染风险。沉积器301可包括容纳粉末317(比如金属粉末)的料斗315，以及可以使每层沉积粉末的顶部平整的整平器319。
特别参考图3A，该图示出了处于构建件309的一切片已经融合之后、但处于下一层粉末已经沉积之前的PBF系统300。实际上，图3A示出了这样一个时间，此时PBF系统300已经在多个层(例如150个层)中沉积并融合了切片，以形成例如由150个切片形成的构建件309的当前状态。已经沉积的多个层创建了粉末床321，其包括已沉积但未融合的粉末。
图3B示出了处于一定阶段的PBF系统300，其中构建底板311可以降低达粉末层厚度323。构建底板311的降低导致构建件309和粉末床321下降达粉末层厚度323，使得构建件和粉末床的顶部低于粉末床接收器壁312的顶部达等于粉末层厚度的量。这样，例如，在构建件309和粉末床321的顶部上可以创建具有与粉末层厚度323相等的恒定厚度的空间。
图3C示出了处于一定阶段的PBF系统300，其中沉积器301定位成在构建件309和粉末床321的顶表面上方所创建并由粉末床接收器壁312界定的空间中沉积粉末317。在该示例中，沉积器301在所限定空间上逐渐移动，同时从料斗315释放粉末317。整平器319可以整平被释放的粉末，以形成粉末层325，其具有大致等于粉末层厚度323的厚度(参见图3B)。因此，PBF系统中的粉末可以由粉末支撑结构支撑，所述粉末支撑结构可包括例如构建板307、构建底板311、构建件309、壁312等。应该指出的是，粉末层325的所示厚度(即粉末层厚度323(图3B))大于用于涉及以上参考图3A讨论的350个先前沉积层的示例的实际厚度。
图3D示出了处于一定阶段的PBF系统300，其中在粉末层325沉积之后(图3C)，能量束源303生成能量束327并且偏转器305施加能量束以在构建件309中融合下一切片。在各种示例性实施例中，能量束源303可以是电子束源，在该情况下能量束327构成电子束。偏转器305可包括偏转板，其可以生成电场或磁场，其选择性地偏转电子束，以使电子束扫描遍及被指定待融合的区域。在各种实施例中，能量束源303可以是激光器，在该情况下能量束327是激光束。偏转器305可包括光学系统，其使用反射和/或折射来操纵激光束，以扫描待融合的所选区域。
在各种实施例中，偏转器305可包括一个或更多个万向架和致动器，其可以旋转和/或平移能量束源以定位能量束。在各种实施例中，能量束源303和/或偏转器305可以调制能量束，例如在偏转器扫描时打开和关闭能量束，使得能量束仅施加在粉末层的适当区域中。例如，在各种实施例中，能量束可以由数字信号处理器(DSP)调制。
本公开提供在组装系统中定位至少一个机械手臂的各种途径。例如，组装系统可以包括两个机械手，其中的每个可以包括相应的机械手臂。第一机械手臂可以构造成在对节点执行的各种操作期间与节点接合。例如，第一机械手臂可以与一节点接合，该节点将与一零件连接，并且该零件可以被第二机械手臂接合。对节点执行的各种操作(例如，连接节点与零件)可以以相对较高的精确度得到执行。相应地，机械手臂中的至少一个可以在对节点的操作期间被定位(例如，重新定位)，以便根据与该操作相称的精度起作用。
在一些方面，第一机械手臂可以与节点接合，而第二机械手臂可以与零件接合。对节点的操作可以包括连接节点与零件。因此，第一机械手臂可以相对于第二机械手臂定位，和/或第二机械手臂可以相对于第一机械手臂定位。在第一和/或第二机械手臂构造成移动时，第一和/或第二机械手臂可以相对于第一和/或第二机械手臂中的另一个定位(例如，重新定位)。这种定位可以校正第一和/或第二机械手臂的位置，例如用以保持对节点的操作(包括通过第一和第二机械手臂来连接节点与零件)所需的精度。
本公开提供了定位用于组装过程和/或后期处理操作的组装系统的一个或更多个机械手臂的各种不同的实施例。将理解的是，本文中描述的各种实施例可以被一起实施。例如，相对于本公开的一个图示所描述的实施例可以在相对于本公开的另一图示所描述的另一实施例中实施。
图4是示出了第一组装系统400的全貌的示意图，该第一组装系统400包括多个机械手402、404，其用作用于两个节点406、408的固定装置。组装系统400可以被采用在与基于节点的运输结构的组装相关联的各种操作中。在一个实施例中，组装系统400可以在没有任何固定装置的情况下执行基于节点的运输结构的组装的至少一部分。例如，组装系统400可以被实施来连接第一节点406(节点1)与第二节点408(节点2)(然而在不背离本公开的范围的情况下其它实施方式也是可能的)。在一方面中，第一节点406(例如，第一子部件)或第二节点408(例如，第二子部件)中的至少一个可以包括复杂的结构，比如用于运输结构的底盘。
组装系统400可以包括处于第一机械手402(机械手1)上的第一机械手臂410。第一机械手臂410可以具有远侧端部414和近侧端部416。远侧端部414可以构造成用于移动，例如用于与节点和/或零件(例如第一节点406)相关联的操作。近侧端部416可以固定第一机械手臂410到例如基部418。
第一机械手臂410的远侧端部414可以与工具凸缘连接。工具凸缘可以构造成与一个或更多个部件(例如，工具)连接，使得第一机械手臂410可以与一个或更多个部件连接，并在第一机械手臂410移动时定位一个或更多个部件。
在所示实施例中，第一机械手臂410的远侧端部414可以与端部执行器连接，例如借助于工具凸缘。也就是说，端部执行器可以与工具凸缘连接，并且工具凸缘可以与第一机械手臂410的远侧端部414连接。端部执行器可以是构造成与各种零件、节点和/或其它结构接合的部件。例示性地，端部执行器可以构造成与节点406接合(然而，端部执行器可以构造成与零件或其它结构接合)。端部执行器的示例可以包括钳夹、夹持器、销或其它相似部件，其能够接合节点、零件或其它结构。
如图所示，组装系统400可以进一步包括处于第二机械手404上的第二机械手臂412。第二机械手臂412可以具有远侧端部420和近侧端部422。第二机械手臂412的近侧端部422可以与基部424连接，以便例如固定第二机械手臂412。例示性地，第一机械手臂410和第二机械手臂412可以在组装系统400中定位成彼此大致相对，例如以便第一机械手臂410的远侧端部414朝向第二机械手臂412的远侧端部420延伸，并且相应地第二机械手臂412的远侧端部420朝向第一机械手臂410的远侧端部414延伸。然而，第一和第二机械手臂410、412可以在其它实施例中例如根据待执行的组装操作在组装系统400中不同地定位。
类似于第一机械手臂410，第二机械手臂412的远侧端部420可以与工具凸缘连接，并且工具凸缘可以与端部执行器连接。端部执行器可以构造成与节点、零件或其它结构接合，比如节点408(节点2)，其将与节点406连接。
工业机械手可以实现高度可重复的移动。例如，机械手402、404可以有能力重复地定位相应机械手臂410、412中的每个。在一示例中，与另一种定位相比时，定位的可重复性可以精确到大约60微米。然而，相对于特定定位或绝对定位的布置可能遭受较低的精度，例如大约400微米。
相应地，因为机械手臂410、412的定位可以相对于先前的定位是精确的，但相对于绝对位置例如特定x、y、z位置(机械手可以被控制单元引导到这里)不那么精确，所以机械手402、404可能通常不适于用作高精度固定装置。绝对定位精度问题可能在组装难点由标称位置数据驱动时被放大。例如，在使用机械手定位时，零件公差可能以负面地影响所组装零件的公差的方式增加。
度量学是测量的科学。使用测量来引导机械手，度量指引可以用于引导作为组装固定装置的机械手402、404，如相对于图5更详细地讨论的。例如，度量系统可以提供处于大约30微米范围内的精度。使用度量系统的引导，工业机械手能实现极大地改善的精度(微米级)。随着精度的改善，工业机械手的工具中心点(TCP)可用作高精度柔性固定装置。
图5是示出了第二组装系统500的全貌的示意图，该第二组装系统500包括用作固定装置的多个机械手502、504。第二组装系统500大体上类似于组装系统400，但是包括使用测量来引导机械手的更多细节。度量指引可以用于引导作为组装固定装置的机械手502、504。第二组装系统500包括度量装置526、度量目标528和单元框530。单元框可以限定工作区域，并且提供工作区域内的参考框。
度量的系统精度可以应用于多个机械手的关键运动路径区段。在一方面中，无固定装置组装过程可以包括单元参考框，其可以使用计算机辅助设计(CAD)来得到创建。单元参考框可以匹配于物理机械手单元。
度量装置可以是度量单元，比如激光器、灰度摄像头或另一装置，其能够基于度量目标进行测量。度量目标528可以安装在机械手凸缘上并相对于机械手TCP错位。
标称目标坐标系可以存储在机械手程序、PLC、度量软件或另一数据库中。标称坐标系可以是动态的，并由扫描结果和/或探测结果驱动，如相对于以下的图6讨论的。每个机械手控制单元532可以数字地连接到度量单元和度量软件。
在一方面，度量过程(在组装基于节点的结构的背景中)可以包括第一机械手发送信号到度量单元以瞄准/聚焦于关键位置。度量单元可以瞄准或聚焦于包括目标在内的位置并锁定到目标上。例如，度量单元可以使用小直径扫描和锁定。
度量单元测量机械手TCP位置或偏离目标的另一关键特征。一个方面可以比较测量位置值与动态标称位置值。例如，系统可以比较机械手认为节点所在的位置与节点实际上所在的位置。系统然后可以计算变换矩阵，以从当前位置移动到目标位置。变换矩阵可以应用于机械手控制单元/PLC 532，并且机械手可以移动到期望位置。可以执行确认测量。精度界限可以是可调节的，比如增益或其它值使循环时间最小化。附加地，第二机械手可以发送信号到度量单元以瞄准/聚焦于一定位置。该过程可以继续并重复。
在一方面，控制单元532可以使扫描器534扫描第一子部件，以确定第一子部件的第一特征相对于TCP的相对位置。机械手502、504可以构造成基于扫描来拾取第一子部件。
在一方面，多个度量单元和/或度量单元类型可以被集成以缩短循环时间。测量也可以并行地进行，且并行地应用校正。校正可以只应用于机械手路径的特定区段。一个度量系统可以用于向n个机械手应用校正。
图5中示出的控制单元532可以是机械手组装控制单元532。机械手组装控制单元532可以包括至少一个处理器和联接到至少一个处理器的存储器。存储器可以包括指令，其配置控制单元532为接收第一目标528位置，其指示第一机械手(例如，机械手1)应将第一子部件的第一特征定位在何处。第一目标528位置接近第二目标528位置(其指示第二机械手(例如，机械手2)应将第二子部件的第二特征定位在何处)，使得第一子部件和第二子部件在第一子部件的第一特征处于第一位置并且第二子部件的第二特征处于第二位置的情况下联接在一起时形成部件。
控制单元532可以计算第一子部件的第一特征的第一计算位置，并且测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。附加地，控制单元532可以确定第一计算位置与第一测量位置之间的第一变换矩阵，并且基于第一变换矩阵的重新定位使用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置。在一方面中，第一子部件的第一特征的重新定位和/或第二子部件的第二特征的重新定位可以进一步基于第一计算位置和第二计算位置的相对比较。相应地，子部件上的特征可以直接地相对于彼此定位，而不是相对于另一参考框，而不是对单元框的绝对参考。
相应地，控制单元532可以联接到度量装置526和机械手(例如，机械手1和机械手2)。相应地，测量第一子部件的第一特征的第一测量位置以及测量第二子部件的第二特征的第二测量位置可以使用同一度量单元，例如度量装置526。使用来自度量装置526的信息，控制单元532可以计算第一子部件的第一特征的第一计算位置，并且测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。控制单元532然后可以确定第一变换矩阵。变换矩阵可以被应用于调节由机械手臂510、512保持的部件的位置。测量和计算可以重复地完成，直到部件或节点对于任务来说如所需那样精确地得到定位。例如，两个节点可以对于固定装置足够精确地定位以连接两个节点。
在图5中，控制单元532被示出为联接至机械手(机械手1和机械手2)和度量装置526的独立的单元。在其它方面，控制单元532可以由多个子控制单元构成。该多个子控制单元可以在不同的装置之间进行分配。例如，控制单元532可以在一个或更多个机械手内和/或一个或更多个度量装置526内在分离单元的某种组合之间进行分配。例如，处理功能可以位于度量装置526、第一机械手(机械手1)、第二机械手(机械手2)以及外部控制单元(例如，其联接至度量装置526、第一机械手(机械手1)、第二机械手(机械手2))中。
图6是示出直接打印在零件600上的固定装置点602的示意图。该零件包括零件夹持器部分604。机械手臂510、512的端部可以在零件夹持器部分604处夹持该零件。因此，零件600可以通过机械手臂510、512定位。因此，控制单元532可以利用来自度量装置526的测量确定目标528的位置。然后，控制单元532可以控制机械手(机械手1和/或机械手2)以对由机械手臂510、512保持的部件进行定位。
零件600可以被表征，例如被扫描、被探测或者以其它方式被测量。作为表征的一部分，可以使用CAD模型将诸如接合点、螺栓位置的特征或其它特征与标定数据相拟合。例如，作为该表征的一部分，可以使用CAD模型将诸如接合点、螺栓位置的特征或其它特征与标定数据进行最佳拟合，或者进行其他的拟合，例如用以确定两个特征之间的准确表征的任何拟合。该表征(characterization)可以相对于TCP坐标系606测量零件。可以基于各特征相对于TCP坐标系(TCP frame)606的几何结构来计算最佳拟合。一旦执行了特征的最佳拟合，则零件上的固定装置点602可以计算为所计算的最佳拟合的结果。固定装置点602可以允许物理零件确定将产生最精确的组装的固定位置。可以使用机械手TCP作为固定装置将固定装置点602直接打印到产品中，并且扫描固定装置上可以构造有机械手接口。使用计算出的最佳拟合，可以实时地重新定位适合的固定位置。固定装置点的重新定位可以通过产品几何结构来带动，以最大化产品精确度和最小化整体组装公差。
例如，零件600可以包括球形部608。固定装置点602可以位于球形部608的中心处。然而，球形部608可能不完整。因此，零件可以表征为用以选择用于固定装置点的最佳定位。固定装置点602可以相对于TCP坐标系偏移。
图5的控制单元532可以致使扫描器534对第一子部件(例如，零件600)进行扫描，以确定第一子部件(例如，零件600)的第一特征(例如，固定装置点602)相对于TCP的相对位置。机械手502、504可以构造为基于扫描拾取第一子部件。例如，机械手502、504可以基于扫描来拾取TCP处或附近的第一子部件。在一方面，机械手502、504可以基于扫描沿着TCP在零件夹持器处或附近拾取第一子部件。因此，根据机械手502、504基于扫描而拾取第一子部件(例如，零件600)的位置，系统可以能够使第一子部件(例如，零件600)的第一特征(例如，固定装置点602)相对于TCP进行定位。
图7是示出在固定装置上扫描和拟合的零件700的示意图。在该示意图中示出了：扫描零件700(1)，确定用于零件700的拟合度(2)，以及基于坐标系计算用于零件700的增量(delta)。
在一示例中，固定装置可以具有可以被容易地探测或扫描(1)以表示机械手TCP的特征。例如，球形部708的两个平坦部710是对齐的，使得其中心与机械手夹持器/TCP712的中心同心。每个零件的CAD文件包括附接至每个零件700的固定装置714。
当确定拟合度(2)时，扫描件750可以是零件700和固定装置714。然后，扫描件750与CAD设计752叠置，以便各特征可以拟合。在最佳拟合计算中，各特征可能具有不同的重要性。仅通过主要特征，可以使用拟合来确定TCP 754的新位置，例如在固定装置球形部的中心处。TCP 754的新位置可以被记录为基于表示零件的CAD表示756的坐标系和基于具有新定位的TCP 754的实际物理零件的坐标系758的计算增量。可以经由数字信号将新的TCP位置754实时传送到组装单元软件。TCP 754的新位置成为参考单元工作坐标系756的目标坐标系758，用于度量系统将机械手TCP校正为754。可以使用目标坐标系758来代替基于理想的CAD设计的理想的固定位置(TCP)。目标坐标系758可以基于产品的几何结构，并且可以实时地应用于实际物理零件的组装过程。例如，最佳拟合或其他拟合，例如用以确定两个特征之间的精确表征的拟合。
图8是根据本文描述的系统和方法的概念流程图。在802处，控制单元532可以接收第一目标位置，该第一目标位置指示第一机械手要将第一子部件的第一特征定位在何处。第一目标位置可以接近第二目标位置(该第二目标位置指示第二机械手将第二子部件的第二特征定位在何处)，使得当与第一位置中的第一子部件的第一特征和第二位置中的第二子部件的第二特征联接时，第一子部件和第二子部件形成一部件。第一目标位置可以是工具中心点(TCP)和/或相对于TCP的偏移。
因此，控制单元532从度量装置526接收目标528的位置信息。该位置信息可以指示由机械手臂保持的节点的位置。例如，节点相对于目标528的位置可以是已知的。一方面，至少一个第一子部件可以具有复杂的结构。该复杂的结构可以是汽车底盘。
在804，控制单元532可以计算第一子部件的第一特征的第一计算位置。该第一计算位置可以包括动态标称位置，该动态标称位置指示在特定时间移动的第一特征的计算位置。该特定时间可以与第一特征的第一位置的测量一致。
例如，控制单元532可以使用从度量装置526接收的位置信息来计算位置。由于可以知道节点相对于目标528的位置，因此控制单元532可以计算第一个子部件的第一个特征的第一计算位置。
在806，控制单元532可以测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。测量第一子部件的第一特征的第一测量位置可以包括扫描零件的形状。另外，扫描零件的形状可以包括扫描零件(例如，第一子部件)以确定零件的第一特征相对于零件的TCP的相对位置。第一机械手可以被配置为基于扫描来拾取零件。例如，第一机械手可以拾取TCP上的第一子部件。因此，第一机械手可以基于第一特征相对于TCP的相对位置来定位第一特征。
第一机械手可以向控制单元532发信号，使控制单元532测量第一子部件的第一特征的第一测量位置。在一方面，使用相同的度量单元来测量第一子部件的第一特征的第一测量位置和测量第二子部件的第二特征的第二测量位置。
在808，控制单元532可以确定在第一计算位置和第一测量位置之间的第一变换矩阵。测量第一子部件的第一特征的第一测量位置包括测量印刷在第一子部件上的固定装置点。例如，控制单元532可以根据基于CAD设计的理想化的坐标系和基于可能与理想化的CAD设计有差异的实际物理装置的坐标系来计算坐标系增量。(通过理想化的CAD设计，申请人意指不包含公差的模型设计。实际的CAD设计通常将包括公差。然后，如本文所述，可以使用坐标系增量对在公差范围内制作的零件件进行建模。不在公差范围内制作的零件可能会被丢弃)。
在810，控制单元532可以使用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置，该重新定位基于第一变换矩阵。基于第一变换矩阵、使用第一机械手将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置包括：将第一变换矩阵发送到第一机械手中的控制单元532。重新定位第一子部件的第一特征可以进一步基于第一计算位置和第二计算位置的相对比较。
在一方面，控制单元532可以重复计算804、测量806、确定808、和重新定位810的步骤。在另一方面，控制单元532可重复802、804、806、808和810中的一个或更多个。在一方面，802、804、806、808和810中的一个或更多个的重复可相对于第二个目标进行。例如，控制单元532可以接收第二目标位置，该第二目标位置指示第二机械手要将第二子部件的第二特征定位在何处。控制单元532可以计算第二子部件的第二特征的第二计算位置。控制单元532还可测量第二子部件的第二特征的第二测量位置。另外，控制单元532可以确定第二计算位置和第二测量位置之间的第二变换矩阵。控制单元532还可以使用第二机械手将第二子部件的第二特征重新定位到第二目标位置。该重新定位可以基于第二变换矩阵。
在812，控制单元532可以基于计算、测量、确定和重新定位步骤的重复中的至少一项来调整精度边界或增益中的至少一项。
在814，控制单元532可以表征第一子部件上的至少两个特征，该至少两个特征包括第一目标位置。
在816，控制单元532可以确定用于该至少两个特征的拟合，例如最佳拟合。将第一子部件的第一特征重新定位到第一目标位置可以使用第一机械手。重新定位可以基于第一变换矩阵，并且可以进一步基于最佳拟合。
在818，控制单元532可以将第一子部件附接到第二子部件。将第一子部件附接到第二子部件可以包括使用紫外线(UV)粘合剂将第一子部件附接到第二子部件。
提供本公开以使本领域的任何技术人员能够实践本文描述的各个方面。贯穿本公开内容呈现的这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是明显的，并且本文公开的概念可以应用于用于打印节点和互连件的其他技术。因此，各权利要求不旨在限于整个公开内容中呈现的示例性实施例，而是与与语言权利要求一致的全部范围相一致。本领域普通技术人员已知或以后将知道的、贯穿本公开描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等同物均旨在被权利要求书涵盖。而且，无论在权利要求书中是否明确叙述了本文公开的内容，本文公开的内容都不意在贡献给公众。任何权利要求要素都不得根据35U.S.C.§112(f)或可适用的司法管辖区的类似法律进行解释，除非使用短语“用于……的装置”来明确地叙述该要素，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于……的步骤”来叙述该要素。

Claims (36)

1.一种机械手组装方法，包括：
接收第一子部件的第一目标位置，所述第一目标位置是所述第一子部件的第一特征的期望位置，其中，所述第一目标位置进一步包括偏离工具中心点(TCP)的位置；
计算所述第一子部件的第一特征的第一计算位置；
扫描所述第一子部件以确定所述第一子部件的第一特征相对于所述TCP的相对位置，第一机械手被配置为基于所述扫描来拾取所述第一子部件；
测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置；
确定所述第一计算位置与所述第一测量位置之间的第一变换矩阵；
利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，该重新定位基于所述第一变换矩阵；
接收指示第二机械手将第二子部件的第二特征相对于所述第一子部件的第一特征的第一计算位置定位在何处的第二目标位置；
基于接收第二子部件的第二目标位置，计算第一特征的新位置；以及
基于所述新位置重新定位第一特征。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
所述第二目标位置是所述第二子部件的第二特征的期望位置并且接近所述第一目标位置；
计算所述第二子部件的第二特征的第二计算位置；
测量所述第二子部件的第二特征的第二测量位置；
确定所述第二计算位置与所述第二测量位置之间的第二变换矩阵；以及
利用所述第二机械手将所述第二子部件的第二特征重新定位到所述第二目标位置，该重新定位基于所述第二变换矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置以及测量所述第二子部件的第二特征的第二测量位置使用相同的度量单位。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，重新定位所述第一子部件的第一特征或重新定位所述第二子部件的第二特征中的至少一者还基于所述第一计算位置和所述第二计算位置的相对比较。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一子部件或所述第二子部件中的至少一个包括复杂结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述复杂结构包括用于运输结构的底盘。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一计算位置包括动态标称位置，所述动态标称位置指示在特定时间移动的第一特征的计算位置，所述特定时间与所述第一特征的第一位置的测量一致。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括重复所述计算、测量、确定和重新定位步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括基于重复所述计算、测量、确定和重新定位步骤中的至少一者来调整精度界限或增益中的至少一者。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一机械手向控制单元发信号，使所述控制单元测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一变换矩阵，利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置包括：将所述第一变换矩阵发送至所述第一机械手中的控制单元。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
表征所述第一子部件上的至少两个特征，该至少两个特征包括第一目标位置，
确定用于该至少两个特征的拟合度，并且
其中，利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，基于所述第一变换矩阵的该重新定位还基于所述拟合度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置包括扫描零件的形状。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置包括测量印刷在所述第一子部件上的固定装置点。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述第一子部件附接到所述第二子部件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述第一子部件附接到所述第二子部件包括利用紫外线(UV)粘合剂将所述第一子部件附接到所述第二子部件。
17.一种用于机械手组装的系统，包括：
第一机械手；
第二机械手；以及
控制单元，所述控制单元联接到所述第一机械手和第二机械手，其中所述控制单元包括处理器，所述处理器被配置为：
接收联接到所述第一机械手的第一子部件的第一目标位置，所述第一目标位置是所述第一子部件的第一特征的期望位置，其中，所述第一目标位置进一步包括偏离工具中心点(TCP)的位置；
计算所述第一子部件的第一特征的第一计算位置；
扫描所述第一子部件以确定所述第一子部件的第一特征相对于所述TCP的相对位置，第一机械手被配置为基于所述扫描来拾取所述第一子部件；
测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置；
确定所述第一计算位置与所述第一测量位置之间的第一变换矩阵；
利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，该重新定位基于所述第一变换矩阵；
接收指示第二机械手将第二子部件的第二特征相对于所述第一子部件的第一特征的第一计算位置定位在何处的第二目标位置；
基于接收第二子部件的第二目标位置，计算第一特征的新位置；以及
基于所述新位置重新定位第一特征。
18.根据权利要求17所述的系统，所述第二目标位置是所述第二子部件的第二特征的期望位置并且接近所述第一目标位置，
所述控制单元进一步被配置为：
计算所述第二子部件的第二特征的第二计算位置；
测量所述第二子部件的第二特征的第二测量位置；
确定所述第二计算位置与所述第二测量位置之间的第二变换矩阵；以及
利用所述第二机械手将所述第二子部件的第二特征重新定位到所述第二目标位置，该重新定位基于所述第二变换矩阵。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置以及测量所述第二子部件的第二特征的第二测量位置使用相同的度量单位。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，重新定位所述第一子部件的第一特征或重新定位所述第二子部件的第二特征中的至少一者还基于所述第一计算位置和所述第二计算位置的相对比较。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一子部件或所述第二子部件中的至少一个包括复杂结构。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述复杂结构包括用于运输结构的底盘。
23.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一计算位置包括动态标称位置，所述动态标称位置指示在特定时间移动的第一特征的计算位置，所述特定时间与所述第一特征的第一位置的测量一致。
24.根据权利要求17所述的系统，所述控制单元进一步被配置为重复所述计算、测量、确定和重新定位步骤。
25.根据权利要求22所述的系统，所述控制单元进一步被配置为基于重复所述计算、测量、确定和重新定位步骤的中的至少一者来调整精度界限或增益中的至少一者。
26.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一机械手向所述控制单元发信号，使所述控制单元测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置。
27.根据权利要求17所述的系统，其中，基于所述第一变换矩阵，利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置包括：将所述第一变换矩阵发送至所述控制单元。
28.根据权利要求17所述的系统，所述控制单元进一步被配置为：
表征所述第一子部件上的至少两个特征，该至少两个特征包括第一目标位置，
确定用于该至少两个特征的拟合度，并且
其中，利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，基于所述第一变换矩阵的该重新定位还基于所述拟合度。
29.根据权利要求17所述的系统，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置包括扫描零件的形状。
30.根据权利要求17所述的系统，其中，测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置包括测量印刷在所述第一子部件上的固定装置点。
31.根据权利要求17所述的系统，所述控制单元进一步被配置为将所述第一子部件附接到所述第二子部件。
32.根据权利要求26所述的系统，其中，将所述第一子部件附接到所述第二子部件包括利用紫外线(UV)粘合剂将所述第一子部件附接到所述第二子部件。
33.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制单元包括耦接到所述第一机械手和所述第二机械手的控制单元。
34.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制单元包括位于所述第一机械手或所述第二机械手中的至少一个中的分布式控制单元。
35.一种机械手组装控制单元，包括：
至少一个处理器；以及
联接至所述至少一个处理器的存储器，所述存储器包括将所述控制单元配置为执行以下操作的指令：
接收指第一子部件的第一目标位置，所述第一目标位置是所述第一子部件的第一特征的期望位置，其中，所述第一目标位置进一步包括偏离工具中心点(TCP)的位置；
计算所述第一子部件的第一特征的第一计算位置；
扫描所述第一子部件以确定所述第一子部件的第一特征相对于所述TCP的相对位置，第一机械手被配置为基于所述扫描来拾取所述第一子部件；
测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置；
确定所述第一计算位置与所述第一测量位置之间的第一变换矩阵；
利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，该重新定位基于所述第一变换矩阵；
接收指示第二机械手将第二子部件的第二特征相对于所述第一子部件的第一特征的第一计算位置定位在何处的第二目标位置；
基于接收第二子部件的第二目标位置，计算第一特征的新位置；以及
基于所述新位置重新定位第一特征。
36.一种存储用于机械手组装的计算机可执行代码的计算机可读介质，所述代码在由处理器执行时使所述处理器：
接收第一子部件的第一目标位置，所述第一目标位置是所述第一子部件的第一特征的期望位置，其中，所述第一目标位置进一步包括偏离工具中心点(TCP)的位置；
计算所述第一子部件的第一特征的第一计算位置；
扫描所述第一子部件以确定所述第一子部件的第一特征相对于所述TCP的相对位置，第一机械手被配置为基于所述扫描来拾取所述第一子部件；
测量所述第一子部件的第一特征的第一测量位置；
确定所述第一计算位置与所述第一测量位置之间的第一变换矩阵；
利用所述第一机械手将所述第一子部件的第一特征重新定位到所述第一目标位置，该重新定位基于所述第一变换矩阵；
接收指示第二机械手将第二子部件的第二特征相对于所述第一子部件的第一特征的第一计算位置定位在何处的第二目标位置；
基于接收第二子部件的第二目标位置，计算第一特征的新位置；以及
基于所述新位置重新定位第一特征。
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