CN111771099B - 坐标定位机 - Google Patents

Abstract

描述了一种校准坐标定位机的方法。所述机器被控制成枢轴姿势，在所述枢轴姿势下，与所述机器的可移动部分相关联的目标点和与所述机器的固定部分相关联的枢轴点彼此分离已知间隔(s)。基于所述已知间隔(s)和针对那个姿势根据所述机器的现有模型参数预期的间隔确定那个姿势的误差值。所述机器被控制成多个不同的目标姿势，并且对于每个目标姿势，测量所述测量目标点与所述枢轴点之间的间隔(S)，并基于所测量的间隔(S)和针对那个姿势根据所述现有模型参数预期的间隔来确定那个姿势的误差值。根据所述误差值确定总误差度量，并且确定新的参数组，所述新的参数组将产生比现有参数组更低的总误差度量。还描述了一种球形转接器和球杆仪延伸件。

Description

坐标定位机

本发明涉及一种坐标定位机。本发明特别地但不排他地涉及铰接式机械臂人的至少一些方面的校准。

铰接式机械臂通常用于制造应用，比如印刷电路板的组装、焊接、涂装、拾起和放置、包装和打标签、码垛以及产品检查。铰接式机械臂(或简称为“机械臂”)示意性地展示在附图的图1中，并且包括从固定基座2延伸到支撑工具4的可移动凸缘3的铰接臂1。通常，凸缘3设置有联接器，该联接器允许工具4方便地互换。

臂1包括通过多个旋转关节6连接的多个连杆5，从而形成机械联动装置。在图1展示的示例中，存在七个旋转关节6，这些关节在具有垂直于其连接的连杆5的纵向轴线的旋转轴线的旋转关节与具有平行于其连接的连杆5的纵向轴线的旋转轴线的旋转关节之间交替。尽管机械臂也可能具有一个或多个线性关节，但是工业机械臂的最常见的布置可能是具有六个旋转关节。具有多个关节允许使工具4在工作空间来回移动并将其操纵成各种不同的姿势的灵活性。可以通过在臂中具有更多或更少的关节来提供灵活性的程度。

但是，具有额外的关节(并因此具有更大的灵活性)的缺点在于，每个关节都会产生位置误差或不确定性，并且由于联动装置的串联性质，这些误差是累积的。能够校准机械臂以筹划出这些误差或不确定性是重要的。

校准任何类型的非笛卡尔机器都是重大的挑战，并且对于比如图1所展示的铰接臂来说，确实如此，该铰接臂具有多个旋转关节，这些旋转关节相对于彼此不固定并且可以以复杂方法组合在一起以将工具放置在工作空间中。校准笛卡尔机器通常更简单，因为这样的机器具有三个明确定义的轴线，这些轴线以正交的布置相对于彼此固定，每条轴线在很大程度上彼此独立。对于非笛卡尔机器，每条轴线的位置和取向取决于每条其他轴线的位置和取向，使得对于每个不同的机器姿势，校准将不同。

使用激光跟踪仪进行校准是可能的，但是通常费用高昂并且在现场实施起来很慢。许多其他类型的校准技术的共同目标是指定有关机器的参数模型，其中使用多个参数来表征机器的几何学。最初将未经校准的值分配给这些参数，作为机器几何学的起点。在校准期间，(基于对机器参数的当前估计)将机器移动到各种不同的姿势。对于每个姿势，使用校准的测量装置测量实际姿势，使得可以确定假定的机器姿势与实际机器姿势之间的误差的指示。

校准机器的任务然后相当于使用已知的数值优化或误差最小化技术来确定用于使误差最小化的各种机器参数的一组值。这种技术的示例是众所周知的莱文贝格-马夸特(Levenberg-Marquardt)算法，该算法使用最小二乘法来根据优化的每个参数通过知晓误差的导数将误差最小化(“用于解决最小二乘中的某些非线性问题的方法”，KennethLevenberg，1944年，应用数学季刊，第2期：164-168页；以及“用于非线性参数的最小二乘估计的算法”，Donald Marquardt，1963年，SIAM应用数学杂志，第11(2)期：431-441页)。其他技术也是可能的，包括基于最大似然法的技术。

对于如图1示出的机械臂，这些机器参数可能包括各种几何参数，比如每个机械臂连杆5的长度和每个旋转关节6的旋转角度偏移(编码器的角度加上已校准偏移，从而得出实际角度)以及各种机械参数(比如关节顺应性和摩擦)。当正确地校准时，在所有这些机器参数已知的情况下，可以更确定地预测当机械臂控制器7命令各种关节6移动到不同相应位置时，工具4实际将在哪个位置。换句话说，由这种校准产生的机器参数提供了机器几何学的更准确的表征。

先前考虑使用球杆仪，比如雷尼绍公司(Renishaw pic)制造和销售的QC20-W型球杆仪，来形成机械臂的校准程序的一部分。例如，Albert Nubiola的“通过单个伸缩式球杆仪进行的绝对式机械臂校准”(精密工程学(Precision Engineering)，2014年)中描述了这样的程序。在那篇文章中描述了使用两个定制的夹具，每个夹具具有三个球杆仪连接点。单个伸缩式球杆仪继而连接在两个夹具上的不同对连接点之间，其中一个夹具由控制器命令相对于另一个夹具移动到72个不同的姿势中的每个姿势。测量值用于使用误差最小化技术确定机器的参数，从而校准机器。

有关机械臂校准技术的更多背景可以在以下中找到：(a)Gustav Bergstrom的“Method for calibration of off-line generated robot program[用于校准离线生成的机械臂程序的方法]”(瑞典哥德堡，查尔姆斯理工大学，理学硕士论文，2011年，报告编号EX099/2011)；(b)Frank Shaopeng Cheng的“Calibration of Robot Reference Framesfor Enhanced Robot Positioning Accuracy[校准机械臂参考系以提高机械臂定位精度]”(Marco Ceccarelli编辑的“机械臂操作器[Robot Manipulators]”的章节，ISBN 978-953-7619-06-0)；(c)Gregori的“

de Robots Industriels”(2010年7月，Projetde fin d’études,Ingénierie Industrielle,Universitédu Québec)；(d)Adel Olabi的“Amélioration de la précision des robots industriels pour des applications d^’usinage a grande Vitesse”(Arts et Métiers ParisTech，2011年，可在https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00649019下载)；(e)A.Y.Elatta等人的“AnOverview of Robot Calibration[机械臂校准概述]”(信息技术期刊第3(1)期：74-78页，2004年)；以及(f)Khalil和E Dombre的“Modeling,Identification and Control ofRobots[机械臂的建模、标识和控制]”，ISBN 978-1-903996-66-9。

期望提供校准机械臂或机械臂几何学的至少某些方面的改进和/或简化的方法。

US 5297238描述了一种校准机械臂上的工具控制框架的方法，在其中一个实施例中，探头附接到机械臂上的工具并且通过数字化板以非接触方式被感测。US2004/0003647披露了一种使用球杆仪作为测量装置来校正机器的末端执行器中的位置误差的方法。DE3504464 Cl描述了在三脚架布置中使用三个伸缩测量杆。

根据本发明的第一方面，提供了：

一种校准坐标定位机的方法，其中，该机器的几何学由参数模型表征，并且其中，该校准方法旨在确定一组新的模型参数，该一组新的模型参数比一组现有模型参数更好地表征该机器的几何学参数，并且其中，该方法包括：

将该机器控制为枢轴姿势，在该枢轴姿势下，与该机器的可移动部分相关联的目标点和与该机器的固定部分相关联的枢轴点彼此分离已知间隔，并基于该已知间隔和针对该姿势根据这些现有模型参数所预期的间隔来确定该姿势的误差值，

将该机器控制成多个不同的目标姿势，

对于每个目标姿势，使用长度测量装置测量该目标点与该枢轴点之间的间隔并基于所测量的间隔和针对该姿势根据这些现有模型参数和根据该枢轴姿势所预期的间隔来确定该姿势的误差值；

根据所述误差值确定总误差度量；以及

确定新的参数组，所述新的参数组将比所述现有参数组产生更低的总误差度量。

该方法可以包括基于新的参数组确定一组新的误差值，并根据那些误差值确定甚至更新的参数组。这可以根据需要的频次重复，例如直到总误差度量下降到低于预定阈值。

已知间隔可以是空值或零值或向量。换句话说，在枢轴姿势下，目标点和枢轴点可以基本上重合。

该方法可以包括仅针对这些模型参数的子组确定新值。为了校准方法的目的，其余模型参数可以假定是正确的，或者至少可以在该方法期间保持不变，只有子组的参数发生变化以确定一组新的模型参数，该组新的模型参数比现有的一组模型参数更好地表征机器的几何学。

模型参数的子组可以与机器的工具中心点有关，例如该工具中心点的位置。

所测量的间隔可以是一维间隔，或者换句话说是一个自由度的间隔。

目标点与枢轴点之间的间隔可以通过长度测量装置来测量。

长度测量装置可以是球杆仪。

目标姿势可以在枢轴姿势之前或之后执行，但是优选地，枢轴姿势在目标姿势之前执行。这是因为枢轴位置可以至少部分地通过将机器控制成枢轴姿势的步骤来设定。

可以通过使用可调枢轴来实现枢轴点与目标点之间的已知间隔，当机器在枢轴点附近移动目标点时，可调枢轴允许枢轴点的一些移动，并且枢轴点以二者之间的已知关系联接到目标点，从而得出已知间隔。可以将枢轴锁定在该位置以进行后续目标姿势测量。可调枢轴可以至少允许横向平移运动。可调枢轴可以允许枢轴的旋转。

替代地，所测量的间隔可以是两个自由度的间隔。所测量的间隔可以是例如通过三脚架测量的三个自由度的间隔。替代地，所测量的间隔可以是四个自由度的间隔。替代地，所测量的间隔可以是五个自由度的间隔。替代地，所测量的间隔可以是例如通过六脚架测量的六个自由度的间隔。可以将所测量的间隔视为一维到六维向量。在说明目标点与机器的可移动部分相关联并且枢轴点与机器的固定部分相关联的情况下，可以代替地将这些分别视为目标部分和枢轴部分，使得可以定义它们之间的旋转关系(间隔)，而不仅是平移关系(间隔)。

将理解，对于N维间隔，上述每个“误差值”将实际上包括N个对应的相应单独误差值。因此，可以将针对枢轴姿势和针对每个目标姿势确定的“误差值”视为和/或代替地称为“误差”或“误差度量”，每个姿势均具有一个或多个“误差值”。

该机器可以是机械臂。该机器可以是铰接式机械臂。该机器可以是六轴铰接式工业机械臂。机械臂可以被认为是具有三条或更多条轴线的坐标定位机，无论是旋转轴线还是线性轴线还是其组合，或者是串联轴线、并联轴线还是其组合。

根据本发明的第二方面，提供了一种转接器，该转接器适于装配到坐标定位机上的元件上和/或周围和/或用于坐标定位机的元件上和/或周围，该元件具有兴趣点，其中，该转接器包括具有中心点的至少部分球形的支承表面，当该转接器被装配到该元件上和/或周围时，该中心点与该兴趣点基本上重合。

该元件可以是工具。该元件可以是位于机器的移动端的工具。该元件可以是由机器携带和/或使用和/或操纵的工具。

兴趣点可以是工具的工具中心点。

转接器适于以通用方式接纳多个不同的插入件，插入件适配成接纳不同的相应元件或相应类型的元件。这使得转接器可以与各种不同的元件或不同类型的元件一起使用。

每个插入件的内部可以成形为与其对应元件的外部形状相匹配。

每个插入件可以被适配成考虑其对应元件的兴趣点的位置，以确保当转接器装配在元件上和/或周围时，兴趣点与转接器的至少部分球形表面的中心基本上重合。

可以基于元件的CAD模型对至少一些插入件进行3D打印。

可以为从焊接工具、机加工工具(比如钻头和校准轴)中选择的多个元件提供插入件。

根据本发明的另一方面，提供了一种套件(例如，零件的套件)，该套件包括测量装置以及本发明的第二方面的转接器。测量装置包括联接元件，该联接元件适配成联接到并靠在转接器的支承表面上，使得测量装置的测量点与转接器的中心点基本上重合，并且在联接元件在支承表面的至少预定部分或工作部分上移动时保持重合。

测量装置可以适于提供测量装置的两个测量点之间的间隔的测量值。

测量装置可以是长度测量装置。

测量装置可以是球杆仪。

联接元件可以是杯状物的形式。

测量点可以在杯状物的至少部分球形表面的中心，或者在穿过杯状物的支承点的至少部分球形表面的中心(例如，其中杯包括三个接触点)。

杯状物可以适配成与转接器的至少部分球形表面联接。

测量装置可以在一端包括球状物，在另一端包括杯状物。

测量装置可以在两端包括杯状物。

联接可以是运动学的或至少是伪运动学的。

联接元件可以是伪运动学的，其接触表面覆盖支承表面的大部分(例如，圆锥体或球体的一部分)。这可以帮助联接元件跨过球形转接器中的凹槽或孔。

套件可以包括上述插入件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种校准坐标定位机的方法，包括：采用根据前述方面的套件；将转接器装配在该元件上和/或周围，该元件仍在该坐标定位机上；将测量装置联接到转接器，使得测量装置的联接元件靠在该转接器的至少部分球形支承表面上；以及执行测量操作，使得在测量操作期间，测量装置的测量点与转接器的中心点重合并在测量装置的联接元件在转接器的至少部分球形支承表面的至少预定或工作部分上移动时保持重合。

该方法可以包括在装配转接器用于测量操作之前，使用工具执行第一操作，而无需在第一操作与装配转接器用于测量操作之间移除工具。

该方法可以包括在装配转接器之前或在移除转接器之后且不移除工具的情况下，比如通过接触式或非接触式工具设定器对工具执行进一步的测量操作，以确定工具的长度。

技术人员将理解术语“与...基本上重合”的含义取决于使用本发明的上下文以及预期和/或要求的准确度。此术语可以解释为“在所需公差内与...重合”或“在预定公差内...与重合”。例如，在一些应用中，“与...基本上重合”可以表示在5mm以内，或更优选地在2mm以内，或更优选地在1mm以内，或更优选地在0.5mm以内，或更优选地在0.1mm以内。

根据本发明第二方面的实施例，提供了一种转接器，该转接器适于装配到坐标定位机上的或用于其的元件上和/或周围，该工具具有预定的工具中心点，其中，转接器包括具有中心的至少部分球形的支承表面，当转接器装配到工具上和/或周围时，该中心与工具的工具中心点重合或相对于工具中心点是已知偏移的。工具的工具中心点固有地由工具的形式和/或形状或相对于工具的形式和/或形状被定义。还提供了一种与这种转接器一起使用的测量装置，该测量装置具有联接元件，该联接元件适于联接到并支承在转接器的支承表面上，使得测量装置的测量点与转接器的中心点基本上重合或相对于转接器的中心点是已知偏移的，并且在联接元件在支承表面的至少预定部分或工作部分上移动时保持重合。测量装置可以是长度测量装置。测量装置可以适于提供该装置的两个测量点之间的间隔的测量值。测量装置可以是球杆仪。测量点可以在测量装置的端部处的球状物的中心或在与测量装置联接的球状物的中心。联接元件可以是杯状物的形式。测量装置可以在一端具有球状物而在另一端具有杯状物，或者在两端具有杯状物，该杯状物适于与转接器的至少部分球形的表面联接。联接可以是运动学的或至少是伪运动学的。

根据本发明的第三方面，提供了一种球杆仪的延伸部，该延伸部被配置用于为球杆仪提供附加行程范围。此方面的球杆仪可以代替地是另一类型的长度测量装置。这提供了超行程扩展能力，例如作为模块化系统的一部分。延伸部可以适于扩展行程范围而不是测量范围。延伸部可以适于向测量范围的两侧提供附加行程范围。延伸部可以适于仅在测量范围的一侧提供附加行程范围。延伸部可以包括用作球杆仪的球状物之一的球状物。可以提供一种模块化系统，该模块化系统包括测量部、标准端部和延伸部，测量部可与标准端部联接以形成第一类型的球杆仪，并且测量部可单独地与延伸部联接以形成第二类型的球杆仪。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序，当该计算机程序由计算机或机器控制器运行时，使该计算机或机器控制器执行根据本发明的第一方面的或根据与第二方面相关的方法的方法。该程序可以被携带在载体介质上。载体介质可以是存储介质。载体介质可以是传输介质。

根据本发明的第五方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质中存储有用于控制计算机或机器控制器以执行根据本发明的第一方面或根据与第二方面相关的方法的方法的计算机程序指令。

现在将通过示例的方式参考附图，在附图中：

图1是本文之前讨论的铰接式机械臂的示意性图示；

图2示意性地图示了机械臂移动附接工具，使得工具中心点(TCP)保持在相同位置；

图3和图4图示了两种先前考虑的用于标识TCP的方法；

图5至图9图示了根据本发明的第一方面的第一实施例的方法中的步骤；

图10是图5至图9所示的方法的示意性流程图；

图11是错误TCP位置如何影响该方法的测量值的示意性图示；

图12类似于图2，但是示出了具有与工具本身偏移的工具中心点的焊接工具；

图13与图9的不同之处在于，图示了固定枢轴而不是可调枢轴；

图14和图15用于说明本发明第一方面的第一实施例的方法的可能缺点；

图16图示了根据本发明第二方面的实施例的球形转接器构思；

图17至图21和图23至图26图示了根据本发明第一方面的第二实施例的方法的步骤，该方法利用了根据本发明第二方面的实施例的球形转接器；

图22A和图22B图示了两种类型的球杆仪，一个球杆仪在两端具有球状物，另一球杆仪在一端具有球状物而在另一端具有杯状物，该另一球杆仪在本发明的第一方面的第二实施例中使用；

图27至图30图示了模块化球形转接器系统，其中通用球形转接器适于接纳用于不同工具的各种插入件；

图31至图36图示了本发明的第三方面的第一实施例，其中使用延伸部为球杆仪提供附加行程范围；

图37至图39图示了模块化球杆仪布置；

图40至图43示意性地图示了实施本发明的第三方面的延伸部与图37至图39的模块化球杆仪布置的使用；

图44至图50是透视图，更详细地示出了图40至图43的延伸部的关键部分；

图51图示了第三方面的延伸件与第二方面的球形转接器一起使用的实施例；

图52至图54提供了本发明第一方面的实施例的基础构思的示意性概览；

图55A和图55B图示了本发明第二方面的应用于钻头的球形转接器构思；

图56A和图56B图示了本发明第二方面的应用于校准轴的球形转接器构思；

图57A和图57B图示了球形转接器构思如何能够在无须移除工具的情况下执行多次校准或测量操作；

图58图示了用于抓持附接至工具的球形转接器的示例性实施方式；以及

图59图示了用于螺钉附接到工具上的球形转接器的示例实施方式。

在对机械臂进行编程以使工具4在工作空间内来回移动时，重要的信息是工具中心点(TCP)相对于机械臂的与工具4附接的部分(例如凸缘3)的位置。设置机械臂的工具中心点的坐标是安装机械臂时的关键步骤，并且在每个机械臂上完成。工具中心点是与定义所有机械臂位置相关的点，并且构成了工具坐标系的原点。工具中心点可能对应于例如弧焊枪的端头、点焊枪的中心或分度工具的端部。因此，工具中心点的位置将取决于有关应用。在操作中，将以期望的工具取向将工具中心点慢移或移动到期望的目标位置。

图2示意性地图示了指导机械臂移动工具4以使工具中心点8保持在相同位置，这是通常被执行以验证工具中心点已被正确标识的测试。这种测试有时称为“工具取向测试”。目的是通过测量机械臂绕其工具中心点旋转而不移动的能力来评估机械臂的准确性。测试的结果是球杆仪测得的距离的伸展或偏差。对于大多数机械臂，将球杆仪的目标球状物附接在机械臂的工作工具的确切位置是不可能的。因此，工具取向测试将测量目标球状物与工作工具之间的距离，而不是实际的机械臂误差。然后，有必要测量目标球状物在机械臂上的实际位置，并将其输入到机械臂的控制器中。

然而，本发明的实施例的目的不是像工具取向测试那样仅验证TCP的位置，而是确定位置。当前最常用的方法是销到销方法，其中，操作者在视觉上对齐具有不同取向的两个销(其中一个销是固定的，而另一个销可由操作者移动以TCP为基准)。这是方便的方法，但是相对不准确，因为它在很大程度上依赖于操作者；还需要将工具4移除并用销代替。

在描述如何使用本发明的实施例来标识TCP之前，将参考图3和图4提供一些进一步的背景，以便将本发明的实施例置于上下文中。

在通过距离测量装置(比如球杆仪)测量机械臂的工具中心点(TCP)方面，原理是测量在工具的不同取向下的距离，并根据这些测量值推断TCP坐标。一个问题是找出在哪个方向上考虑测量的距离。为此有两种主要方法：(a)认为所有测量都是在测量装置指向同一方向的情况下进行的；(b)从各个方向进行测量，并根据该信息标识枢轴中心的位置。

第一方法展示在图3中。在此方法中，将球杆仪10附接在固定至机器基座上的第一球杆仪安装件12(这被称为球杆仪10的“枢轴”)与附接至机械臂本身的第二球杆仪安装件14之间。因此，在此示例中，图1和图2的工具4已由球杆仪安装件14代替，该球杆仪安装件具有磁性杯状物，在球杆仪10的一端的球状物以运动学或伪运动学的方式定位在磁性杯状物中。这种运动学磁性杯状物是球杆仪系统的标准且公知的附件，并且允许球状物坐落在杯状物内的已知且可重复的位置，并且使得球状物的中心不会随着球杆仪10围绕安装件的枢转而移动。在将一个主体相对于另一主体定位的上下文中，通过使用最小数量的约束来约束主体的运动自由度而满足运动学设计考虑因素，特别是涉及避免过度约束。过度约束会产生两个主体之间的多个接触点，这使得一个主体抵靠另一主体安置在一个以上的位置。因此，主体的位置是不可重复的(即不可预测的或明确定义的)，因为不知道主体将安置在若干位置中的哪个位置。由于理论上表面接触具有无限数量的点接触，因此理想的运动学联接仅包括点接触；然而，在实践中，伪运动学联接是足够的，其中在较小的表面积上存在接触，这也有助于减少支承表面的磨损和负荷。

对于此示例，假设图3中的球杆仪安装件14被配置为使得球杆仪10的球状物将在其中心与工具4的TCP重合的情况下坐落在安装件的运动学杯状物中，但是本发明的第二方面的实施例(下面进一步描述)提供了不需要这种假设的解决方案。替代地，可以在以下方法中进行适当的偏移调整，以考虑工具的TCP与球状物中心的位置之间的偏移。

当命令机械臂围绕相同的TCP旋转时，假设控制器中的TCP坐标的初始值与实际相差不大，则TCP保持几乎固定。然后可以认为，来自球杆仪10的所有测量均沿相同方向执行(该方向上的偏差会产生计算的二阶误差，这是可容忍的)。在这些情况下，可以使用前述误差最小化技术，在控制器中标识TCP坐标的误差，然后可以校正TCP坐标。尽管五次或六次测量更好，但是这理想地最少需要四次测量。

对于此方法，需要以下信息作为误差最小化算法的输入：

(a)进行测量的方向D；

(b)控制器中TCP的坐标；以及

(c)每次测量时机械臂的坐标。

在上文，机械臂坐标是在假设机械臂已经完全校准(或理想)的情况下根据控制器确定的笛卡尔坐标。换句话说，来自机械臂本身的任何误差都将被忽略。而是，此程序是要标识TCP坐标的误差，这些坐标是相对于机械臂的坐标。在上述程序中，方向的输入可能是有问题的，因为在用于表示此方向的框架中存在混淆的风险。

第二方法展示在图4中。由于枢轴安装件12的旋转中心的位置(枢轴点)是未知的，因此有必要将其与TCP坐标一起标识。在第二方法中，这是通过在球杆仪10指向各个方向而枢轴点位于这些各个方向的交点处进行测量的情况下实现的。与第一方法一样，机械臂被命令对于这些方向中的每个方向围绕其TCP旋转。

通过第二方法，可以一起标识TCP坐标和枢轴中心的位置。尽管通常九到十二次测量更好，但是这最少需要六次测量。此方法也可以变得更加精细，因为通过增加测量次数，可以标识更多的机械臂参数。

对于第二方法，只需对于每次测量在控制器中输入机械臂的位置和TCP的坐标。这种方法的复杂性源于所需的大量测量以及围绕球体表面驱动机械臂的必要性。

现在将参考图5至图11描述根据本发明的第一方面的第一实施例的方法，图10提供了该程序的示意性流程图。此实施例的基本构思可以概括为使用枢轴位置处的机械臂坐标作为使用误差最小化方法来标识TCP的输入数据。先前考虑的技术并没有这么做。

如图5所示的，为了开始该程序，在步骤S1中，将目标安装件14(用于支撑球杆仪10的目标球状物)附接到机械臂的臂1的凸缘，在步骤S2中，将可调枢轴安装件13(用于支撑球杆仪10的枢转球状物)的定位在基座2上机械臂的前面。可调枢轴安装件13总体类似于图3和图4的固定枢轴安装件12，但是不同之处在于，磁性杯状物相对于固定基座2是可调的(万向枢轴可以用于枢轴安装件13，但是其仅适于提供横向运动或平移就足够了)。在步骤S3中，(从用于不同工具和应用的TCP和基座框架的各种选项中)选择机械臂中的期望TCP和空基座框架。在步骤S4中，在机械臂控制器中创建新的空程序，用于在剩余程序期间记录机械臂坐标(点)。

如图6所示的，在步骤S5中，将机械臂手动驱动到可调枢轴安装件13。在步骤S5之前，可调枢轴安装件13仍是未锁定的，其中磁性杯状物由保持力松散地支撑，该保持力足以抵抗重力的作用支撑杯状物，因此磁性杯状物仍可以通过相对微小的偏置力枢转地移动。在磁性杯状物中，存在仿制球状物15，该仿制球状物匹配或模仿球杆仪10的枢转球状物，并且特别是与枢转球状物的尺寸相同，以允许目标安装件14坐落于其上。由于枢轴安装件13仍是未锁定的，因此不需要将目标安装件14准确地控制到非常特定的位置，而是可以将其大致驱动到可调枢轴安装件13的范围内并向下移动到枢转球状物上。即使轻微未对准，作用在球形仿制球状物15上的目标安装件14的运动学杯状物的性质自然也会引起它们在已知的相对位置联接在一起，而枢轴安装件13中的游隙允许发生为此必需的运动。除了万向枢转，枢轴安装件13还可以在Z方向上设有游隙，以提供额外的灵活性。枢轴安装件13也可以是不可调的，但是在通过仿制球状物15将目标安装件14联接到枢轴安装件13上时将需要额外的精度。

在目标安装件14通过仿制球状物15联接到枢轴安装件13上的情况下，可调枢轴被锁定，以对于该方法的其余部分防止进一步运动。在程序的这一点上，仿制球状物15(以及放置就位时球杆仪10的枢转球状物)的确切位置不重要，因为此位置的机械臂坐标已在步骤S6中记录在机械臂程序中。因此，在步骤S6中，在当前位置，即机械臂处于枢轴位置，将第一点记录在机械臂程序中。这相当于记录机械臂坐标或各种编码器读数，以便能够基于机器模型参数确定机械臂坐标。在此位置，由于不存在球杆仪，因此也(至少名义上)记录了用于球杆仪测量的空值或零值。在这方面，尽管不存在球杆仪并且因此实际上没有进行单独的测量，但是当枢轴和目标点重合时，这将有效地提供零长度的球杆仪测量(即，在三个正交方向上为零，这将为误差最小化方法提供三条信息，下面将对此进行更详细说明)。机械臂坐标可以被认为是完全表征机器姿势的一组信息，例如：一组关节角度或来自各种关节编码器的读数)。

如图7所展示的，在步骤S7中，将目标安装件14从枢轴安装件13移开，直到间隔足以允许附接球杆仪10。在如图8所展示的将球杆仪10安装在目标安装件14与枢轴安装件13之间的情况下，在步骤S8中进行球杆仪测量(球杆仪10两端的两个球状物之间的间隔的测量)并加以记录，并且新点被插入到机械臂程序中。插入机械臂程序中的点包括该位置的机械臂坐标。

在步骤S9中，命令机械臂使目标安装件14围绕在步骤S3中选择的TCP旋转例如60°到90°，并且在步骤S10中，将另一点插入机械臂程序中，机械臂处于新位置。在旋转期间，目标安装件14的位置可能会发生偏差(由于所选TCP值的或机械臂本身的误差)。如果偏差使球杆仪10偏离超出其测量范围，则用户可以驱动机械臂平移以调整距离，以在进行测量和记录机械臂坐标之前使球杆仪10返回其测量范围内。

该方法返回到步骤S9以重复旋转目标安装件14并在机械臂程序中添加点的过程，直到已经(围绕至少四个主要方向)执行了足够旋转为止。这展示在图9中。此过程至少需要进行四次测量，但是通常五次或六次测量更好。测量越多，TCP坐标将越准确，但是该程序将花费越长的时间。可以在球杆仪10指向任何方向(不一定是固定方向)的情况下进行测量，但是一种方法是命令机械臂围绕在步骤S3中选择的TCP旋转。

当已经执行了足够的旋转时，该方法继续至步骤S11，此时机械臂程序被上载到控制器(或某个其他处理单元)进行处理。在步骤S12中，输入在步骤S3中选择的TCP的坐标，如果这些坐标已经记录在机械臂程序中，则从机械臂程序读取这些坐标。在步骤S13中，执行以上提及的误差最小化方法，以便计算实际的TCP坐标。下面参考图11对此进行更详细的说明。作为过程的一部分，还确定了枢轴中心的坐标，但是此信息比较不相关，因为枢轴安装件13始终只是暂时地就位。在步骤S14中，用更新后的值在控制器中更新TCP坐标。

图11是在上述程序期间错误TCP位置对球杆仪10的测量值的影响以及这些测量值如何用于确定正确的TCP位置的示意性图示。球杆仪10的目标球状物17(由机械臂驱动)在左侧，而枢转球状物15在右侧，而球杆仪10位于两者之间(为简单起见，在图11中将球杆仪10描绘为实线)。编程TCP(即在执行TCP标识程序之前的TCP)在目标球状物上被展示为黑点，目标球状物的物理中心(即实际TCP)在目标球状物上被展示为白点。

在图11的示例中，机械臂围绕编程TCP被驱动，试图为TCP保持固定位置(这不是必需的，但这会使本说明更加简单)。在机械臂处于根据最上面图示的位置时，球杆仪10产生L₁的测量值。然后，将机械臂旋转到根据中间图示的位置。因为编程和实际TCP不重合，所以来自球杆仪10的新测量值L₂实际上小于L₁。类似地，当机械臂旋转到根据最下面图示的位置时，球杆仪10的新测量值L₃实际上大于L₁和L₂两者。如果编程TCP已经正确，则应该代替地预期所有三个测量值L₁、L₂和L₃都相同。代替地，存在与这些位置中的每个位置都关联的误差(预期球杆仪测量值与实际球杆仪测量值之间的差)。因此，确定TCP位置的新值，该值将趋于使这些误差最小化，这是通过上述误差最小化方法来实现的。

对于以上参考图5至图11描述的方法，仅需要记录每个球杆仪测量的机械臂位置(即，机械臂坐标)以及在枢轴点处的机械臂位置(即，机械臂坐标)。与分别参考图3和图4描述的第一方法和第二方法相比，这在技术上是有利的，因为它组合了第一方法的益处(测量次数小)和第二方法的益处(鲁棒性和易于配置而无需输入球杆仪方向)。该方法的执行和教学非常简单，为机械臂的球杆仪测试提供了快速简便的设置程序。该方法还可以用于更新或检查控制器中的TCP坐标。

如上所述，本发明的第一方面的基本构思可以概括为使用枢轴位置处的机械臂坐标作为用于确定TCP的数学方法(例如最小二乘法或最大似然法)的输入。先前考虑的技术并没有这么做。在机械臂处于枢轴位置的情况下，当然球杆仪没有就位，因此显然没有球杆仪的测量与该位置的机械臂坐标相关联。但是，在枢轴点处，实际上是从球杆仪进行的零长度测量，以与机械臂坐标相关联。另外，这种零长度测量可以被认为是沿三条正交轴线(而不是实际球杆仪测量情况下的仅一条轴线(即沿球杆仪的纵向轴线))有效的测量。因此，通过设置至少三个附加约束，这种名义上的零长度球杆仪测量在误差最小化例程中特别有益。

尽管上面已经描述了该方法使用具有最少四个TCP取向(即，球杆仪围绕TCP的四个不同取向)的单个球杆仪方向，但是使用五个取向使它更完整、更简单地实现和教导。但是，应该注意的是，实际上可以使用更少的TCP取向，但是可能会出现某些问题情况，当使用至少四个TCP取向时避免这些情况(除非进行不相关的旋转，例如，使得球杆仪10保持在平面中)。还应注意的是，球杆仪10本身优选地已经被校准；否则，该方法需要进行至少一次附加测量。

同样值得考虑的是来自机械臂本身的最终误差。在上述程序中，假定机械臂是理想的(或经过准确校准)，即使实际上并非如此。在所有四次或五次测量中的实际机械臂误差将补偿由于TCP误差引起的偏差的不太可能的事件中，该方法可能得出TCP是正确的结论。实际上，可以认为该方法不是标识实际TCP，而是标识在测试的特定配置中由球杆仪看到的TCP。标识的TCP将倾向于减少机械臂的本地误差。任何方法都是这种情况，因为任何校准策略都应注意使得所有参数不相关。来自机械臂的最终误差更多是整个机器校准策略的问题。

还将了解，上述技术不限于标识机械臂的工具中心点的特定任务，而是实际上总体上适用于机械臂几何学标识。

构思可以概括为使用枢轴位置处的机械臂坐标作为数据来进行机械臂几何学标识而不仅用于TCP标识，甚至更通常地用于机器几何学标识(即，不限于机械臂，例如五轴坐标测量机)。这对于使用测量球状物与球状物距离(例如，球杆仪、三脚架、六脚架等)的任何传感器进行的校准均有效。这将标识附接到机械臂凸缘的球状物的位置(无论球在哪里)。如果此球状物与实际的末端执行器对齐，则这将标识TCP的坐标(如上所述)。TCP标识程序只是该构思的一种应用，并且已作为一个示例进行了描述，以帮助理解该构思的优点，这些优点是通过减少所需的测量次数和用户输入来简化和加速TCP标识。

还将注意，对于TCP标识程序(不同于简单的工具取向测试)，不需要围绕固定点旋转，而仅需围绕TCP提供许多不同的取向，而不论TCP的位置如何。另一方面，工具(或TCP)取向测试用于检查机械臂的几何学是正确的，其中，命令机械臂绕固定点旋转，并在此过程期间测量球杆仪偏差。如果机械臂是完美的，球状物将不会移动，也不会存在偏差。机械臂中的任何几何学误差都将引起球状物移动和球杆仪读数变化。测试的结果是偏差的宽度或伸展。这只是验证，而不是校准。几何学误差可以是机械臂本身的任何误差或TCP坐标的误差。

该构思也不限于使用球杆仪进行测量，并且任何距离测量装置都将是合适的(例如，测量臂、三脚架)。通过考虑“间隔”可以是一维的(仅是两点之间的距离)或者可以将其视为二维的或不超过六维的任何东西，可以进一步扩展该构思。换句话说，“间隔”可以涉及从一个自由度到六个自由度的任何东西的间隔。例如，六维间隔不仅将表征两个实体之间的相对距离，而且还可以表征它们相对于彼此的取向。传统的球杆仪将测量一个自由度(沿两点之间的线)的间隔，但是三脚架可以测量三个自由度的间隔，而六脚架可以测量六个自由度的间隔。本文使用的术语“间隔”将被相应地解释。

从校准的角度来看，工具中心点(相对于工具所附接的机械臂)的位置和枢轴的位置都可以被视为机器参数，机器参数被优化作为实施本发明的方法的一部分。在误差最小化方法的开始，将(例如，从工具制造商处或从工具TCP的先前校准)对工具中心点进行当前估计，并且该方法的目标是找到TCP的新(更好)的估计。在这方面，从校准的角度来看，TCP位置可以视为就像任何其他机器参数一样，在优化期间尝试使用不同的TCP参数，以找到与球杆仪(或其他测量装置)测量的“最佳适应”。如果对TCP位置的当前估计是错的，则这本身将表现为由测量装置(例如球杆仪)测量的间隔与基于当前TCP位置预期(计算)的间隔之间的差或误差。数学优化程序将尝试找到对TCP位置的更好估计，该估计产生较小的误差值(或已测得的值与根据参数计算的值之间的差)。

枢轴位置类似于此。任何合理的起点都可以用作枢轴位置的位置。如果将目标点放置为与用于初始“枢轴”读数的枢轴点重合(如上所述)，则已知目标点与枢轴点之间的间隔应为零(在所有三个正交方向上，由此提供三个额外的约束)。但是，当前的机器参数实际上可能会将目标点放置在与枢轴点的当前估计不同的位置(因此，它们之间的间隔大于预期，即大于零)。就像机器校准方法中的任何其他误差值(或多个值)一样，可以将根据当前机器参数确定的目标点位置与对枢轴点的当前猜测之间的差视为误差值(或多个值)。类似的是，不是零间隔(其中目标点放置在枢轴点上)，对于初始“枢轴”读数，存在枢轴和目标的已知偏移或间隔。(实际间隔和推断的间隔两者的)所有这些误差值都将用于优化方法中。通过运行优化，这将使得更好地估计TCP位置(最有用的位置)和枢轴位置(较不相关的位置)。

这示意性展示在图52至图54中。图52A、图53A和图54A图示了机器处于枢轴姿势，而图52B、图53B和图54B图示了机器处于目标姿势。示意性地图示了机器的特征在于该组机器参数{a，b，c，d，x}，其中{a，b，c}是铰接区段的相应长度，‘d’是工具的长度，‘x’是枢轴相对于机器基座的x坐标。因此，‘d’是TCP参数，‘x’是枢轴参数。当然，此示例已高度简化，不能从字面上理解，因为实际上将存在更多的机器参数；还将存在一个以上目标姿势。

图52A和图52B分别表示机器实际处于枢轴姿势和目标姿势时机器的状态。在处于枢轴姿势时，目标与枢轴之间的实际间隔已知为‘s’；在上述实施例中，此间隔为零(即，目标被布置为与枢轴重合)。目标与枢轴之间的实际间隔在目标姿势下(通过球杆仪或其他测量装置)被测量为‘S’。可以看出，各种参数{a，b，c，d，x，s}或{a，b，c，d，x，S}，即分别包括间隔‘s’或‘S’，形成机器的闭合计量环。

图53A和图53B表示分别处于枢轴姿势和目标姿势时根据当前的一组机器参数确定的机器状态。当前机器参数为{a，b，c，d₀，x₀}，其中x₀<x且d₀<d。换句话说，参数{d，x}(即TCP和枢轴参数)的当前估计是错误的。为了此方法的目的，假定其他机器参数{a，b，c}，即除了TCP和枢轴参数之外的机器参数是正确的(或者对于该方法至少保持恒定)。基于当前组机器参数，目标与枢轴之间的预期间隔在处于枢轴姿势时(图53A)被计算为‘s₀’，在目标姿势(图53B)时被计算为‘S₀’。因此，实际间隔与预期间隔之间存在差，并且基于这些差，可以分别确定枢轴姿势和目标姿势的关联误差e₀和E₀，继而确定与当前组机器参数{a，b，c，d₀，x₀)相关联的总误差∑₀。

为了找到更适合测量/已知数据的参数组，执行了优化，其中，对参数{d，x}进行了扰动，以便找到得出较低总误差∑₁的新参数{d₁，x₁}，而其他参数{a，b，c}保持不变。这示意性地展示在图54A和图54B中，其中可以看出，枢轴参数的新估计‘x₁’更接近实际枢轴参数‘x’，而TCP参数的新估计‘d₁’更接近实际TCP参数‘d’，间隔‘s₁’和‘S₁’同样分别更接近已知/测量值‘s’和‘S’。此优化可以根据需要重复多次，例如直到总误差∑降至预定阈值以下。参数被扰动的方向可以基于导数。在优化的每个步骤中，虽然个体误差的趋势是减小，但一些个别误差可能增大，而其他误差则减小，目的是减小总误差(尽管如果在方法的后期产生更大的潜在误差减小，总误差也可能会增大)。当然，可以使用任何合适的优化方法，比如前述最小二乘法或最大似然法。

通过分别参考图3和图4描述的两种方法的比较，第一方法仅依靠球杆仪10的方向，而根本不使用枢轴的位置。第二方法将枢轴的位置视为机器参数，但未将枢轴位置的测量值用作校准数据。因此，第二方法需要更多的球杆仪测量。在实施本发明的方法和第二方法(图4)两者中，TCP和枢轴的位置最终都要确定。

该方法可以认为是基于优化整组机器参数(包括与TCP和枢轴位置有关的参数)的校准方法。如果取足够的读数，则可能导致对机器进行全面校准，例如包括与旋转关节和截面长度等有关的参数。但是，考虑仅对整组机器参数集中的子组进行优化的方法是有益的。换句话说，整个参数组仍在该方法中使用，但实际上只有它们中的一些被优化(即，仅为它们中的一些确定了新值)。其他参数被视为固定的(即在名义上“正确”)，并且在误差最小化(或类似)方法期间不被考虑变化。因此，为了仅校准TCP位置，仅改变TCP机器参数，以便确定更好适合(实际和名义)测量值的TCP参数集。这样使得需要更少的测量，从而可以产生更快的校准程序。

现在将参考图12至图26描述本发明的第一方面的第二实施例。这也构成了本发明第二方面的第一实施例。

图12类似于图2，示出了工具通过机械臂绕其工具中心点旋转，但是为了简化后续的说明，在图12中，工具4被示意性地描绘为具有相对于工具本身偏移的工具中心点的焊接工具，但是对于第二方面的目的而言这并不是必需的。

图13示意性地图示了如上所述执行的TCP标识程序，其与图9的不同之处仅在于，图示了固定枢轴12而不是可调枢轴(但是如下所述，可以替代地使用图9的可调枢轴)。如图14所展示的，第一方面的第一实施例的方法的缺点在于，它需要移除实际工具4并代替地附接球杆仪安装件14(或者附加于工具14附接修改的球杆仪安装件并使其相对于工具偏移)。如图15示意性所展示的，不仅对于操作者而言是不方便和耗时的，而且球杆仪安装件14的标称中心将相对于工具4的实际TCP偏移，使得将不得不进行调节；这导致进一步复杂和可能的误差来源。

如图16示意性所展示的，本发明的第二方面引入了球形转接器24，该球形转接器适于装配在工具4上，并允许工具4在TCP标识程序期间保持就位。球形转接器24具有：球形(或至少部分球形)的支承表面20，该支承表面适于联接至修改的球杆仪(见下文)；以及套筒22，该套筒适于例如通过摩擦配合紧密地装配在工具4上并保持就位。球形的支承表面20具有中心28，当球形转接器24已完全插入并定位在工具4上时(图16的最右部)，该中心与工具4的兴趣点重合。在此示例中，兴趣点是工具4的工具中心点8，但是在另一示例中，工具4的工具中心点8可以位于与设置球形的支承表面20所围绕的兴趣点不同的位置。

图16的图示仅意在示意性地图示该构思，并且将了解，球形转接器24与工具4之间的适当设计的联接可以用于确保当用户将球形转接器24放置在工具4上时，球形转接器24的中心28可靠地与工具4的兴趣点(例如工具中心点)8重合。下面参考图27至图30描述一个这样的示例。

现在将参考图17至图26简要描述根据第一方面的第二实施例和根据第二方面的第一实施例的TCP标识方法。该方法与上面结合第一方面的第一实施例所描述的方法非常相似，因此为了简洁起见，说明将集中于相似点和差异点。

此实施例的起点在图17中示出，其等同于以上讨论的图5。当然，在此实施例中，工具4，而不是图5的球杆仪安装件14，在机械臂上保持就位。另外，如上所述，尽管图9的可调枢轴安装件13将是优选的，但是使用了固定枢轴安装件12。图18图示了球形转接器24附接在工具4上，以提供与工具4的TCP 8重合的球状物中心28。

图19示出了机械臂被控制以将球形转接器24移动到枢轴安装件12上，这等同于图6中所展示的。对于固定枢轴12，将需要高准确度地控制机械臂，以将球形转接器24对齐到固定枢轴安装件12上，这是为什么优选代替地使用可调节枢轴安装件13的原因。但是，由于球形目标球状物是由球形转接器24本身提供的，因此不需要图6的仿制球状物15。与先前的实施例一样，在机械臂在此位置、即枢轴点处的情况下，记录机械臂坐标。

图20示出了机械臂被控制以使球形转接器24移动远离枢轴安装件12以为球杆仪让出路来，这等同于图7中所展示的。图21图示了球杆仪11定位在球形转接器24与球杆仪安装件12之间就位，这等同于图8。但是，此实施例的球杆仪11与图8所示的球杆仪不同，因为较早的球杆仪10的目标球状物17现在由球形转接器24本身提供。因此，在此实施例中，球杆仪11的目标端设置有类似于形成枢轴安装件12的一部分的磁性杯状物的磁性杯状物27，该磁性杯状物抵靠球形转接器24联接。在两种类型的球杆仪上都存在枢转球状物15，但注意，球杆仪11的枢转球状物15的尺寸被设置为与球形转接器24的球形表面的尺寸(直径)匹配。在图22A和图22B中比较了这两种类型的球杆仪。与先前的实施例一样，在此实施例中，在此位置记录机械臂坐标和球杆仪测量值。

图23至图26图示了机械臂被控制以分别将球形转接器24放置在四个其他不同的取向上(但是三个取向就足够)，这等同于图9所示的。与图9一样，各种取向将不在同一平面内，而是代替地在三个维度上提供背离单个平面的一些变化。还注意，在图21和图23至图26中的球杆仪11的各种位置的情况下，机械臂不会尝试将工具4的TCP 8保持在空间中的相同位置，因为如上所述，这是不必要的。

与本发明的第一方面的方法一样，根据本发明的第二方面的球形转接器24的使用使找到TCP的程序比没有使用球形转接器更简单。由于与机械臂的全面校准相比，标识TCP坐标的过程处于较低水平的机械臂校准，因此只有快速且易于实施的TCP标识程序将受到用户的欢迎。这鼓励用户更频繁地执行该程序，继而产生更准确执行的机器。

通过提供可以用于各种不同工具的通用球形转接器，可以使如上所述的球形转接器构思更加方便和灵活。这可以通过为不同的工具定制插入件来实现，每个插入件都装配到通用球形转接器中。当然，可以提供许多不同类型或尺寸的通用球形转接器，以适合不同类型或组的工具。取决于应用，插入件可以方便地用各种不同材料(例如塑料)被3D打印。这展示在图27至图30中。图27示出了通用球形转接器24，该球形转接器适于接纳插入件26，该插入件本身在内部成形为符合如图16所描绘的焊接工具。如图28所展示的，当插入到球形转接器24中时，插入件26可以通过摩擦配合保持就位，或者可以提供附加的固定特征。然后，将球形转接器24与插入件26放置在工具4上，如图29所展示的。因为在此示例中将插入件26设计为紧密地装配到工具4上，所以操作者可以简单地将球形转接器24推到工具4上直到停止，并且操作者将知道球形转接器24然后正确地相对于工具4定位，特别是使得球状物中心28与工具4的TCP 8重合。可以在球形转接器24与机械臂的凸缘3之间设置间隙，从而使得球形转接器24相对于工具4的位置由球形转接器24与工具4之间的联接来限定，而不是由球形转接器24与凸缘3之间的联接来限定(但是在许多情况下球形转接器24将始终不覆盖工具4的全部，而是仅覆盖工具4的端头；下面参考图55描述了这样的示例)。直接安装在工具4上具有的优点是设置快，并且不会由于球形转接器24未正好坐落在工具4中就位而引入最终误差。

在图30中示意性地描绘了这种系统的模块性，其示出了插入件26a、26b的两种不同设计以适合两种不同的相应类型的工具4a、4b，并且插入件26a、26b的两种设计都装配在相同的球形转接器24中。不同的插入件26a、26b可以被设计为考虑到不同工具4a、4b的不同的相应TCP位置，以确保当一切就位时TCP与球形转接器24的球形表面20的中心重合。以这种方式，相同的球形转接器24可以用于具有完全不同的配置和TCP位置的各种工具4。

通过图55A和图55B中所示的应用进一步图示了这种多功能性，这些图示出了定制插入件26c，该定制插入件被成形为适应于安装在机器主轴9上的钻4c的端部，并且该插入件26c装配在同一球形转接器24中(或者它可以是不同的球形转接器，例如具有不同的尺寸)。插入件26c适于考虑钻4c的TCP位置，以确保当一切就位时TCP与球形转接器24的球形表面20的中心28重合。

如图56A所展示的，可以将校准轴4d而不是钻4c本身装配到机器上，并且插入件26允许轴4d装配到球形转接器24中的更宽的凹部中，由此能够容纳各种不同直径的校准轴(或其他工具)。替代地，由于使用插入件26提供了潜在的位置不确定性的额外因素(就使球形转接器24在工具4上居中而言)，如图56B所示，也可以不使用插入件26而代替地将校准轴4d直接装配到形成在球形转接器24中的凹部中，该凹部同样适于考虑轴4d的TCP位置，以确保TCP与球形转接器24的球形表面20的中心28重合。

在图57A和图57B中图示了涉及球形转接器24和校准轴4d的方法，示出了在需要时(例如，执行如前所述的TCP校准方法)如何将可移除球形转接器24放置到校准轴4d上，然后为了执行另一操作而被移除，所有这些都不必移除校准轴4d。在图57A和图57B所示的示例中，由于校准轴4d的长度为已知的，因此进一步的操作是确立激光工具设定器(比如雷尼绍公司(Renishaw pic)制造的NC-4非接触式工具设定器)的位置。图57A示意性地图示了球形转接器24从轴4d上被移除，然后轴4d被机器操纵朝向工具设定器60的激光束66，激光束66从发射器元件62发射并被接收器元件64接收(并被检测)。图57B示意性地图示了轴4d仅与激光束66相交，由此阻止激光束到达接收器元件64，使得由此检测轴4d的端部。代替校准轴4d，可以直接对钻4c执行这种方法，从而允许使用工具设定器60测量钻4c的实际长度，而不必移除钻4c。如果需要，当然可以在TCP校准之前代替地采用激光工具设定器60。

在图58中图示了比如图55所示的插入件如何定位并固定到球形转接器24上的示例。球形转接器24是中空的，具有孔口或凹部25，该孔或凹部与球状物24的表面20准确地居中。弹性(例如塑料)插入件26c滑入配合在孔口25中，在球24与插入件26c之间具有圆锥形接触部23。球状物24通过紧固螺钉29紧固在插入件26c上，使得圆锥形接触部23推动插入件26c上紧在工具4c上、抓持该工具并将工具保持在位。插入件26c的内孔口或凹部25可以被成形为使球状物24在工具4c的任何点上居中，而不一定在其端头上居中。插入件26c可以被制成具有圆柱形凹部以适于大多数常见的人工制品，但是在特定情况下，插入件26c也可以被制成适应工具4c的实际形状，如图55A所展示的。图59图示了如何将球状物24直接旋拧到图56的校准轴4d的端部上，从而在不需要图58的圆锥形表面23的情况下将其固定就位，但是也可以采用这种机构。

总之，每当为了验证或校准的目的而需要测量机械臂的位置时，只有在测量可以与机械臂的实际工作点相关的情况下，测量才有意义。对于大多数测量装置而言，这是关键问题，因为它们需要将物理接口定位在需要测量的点的位置；另外，机械臂的TCP通常位于工具的物理元件上或非常接近该物理元件。因此，在本文描述的解决方案之前，唯一的选择是移除机械臂的工具然后将其替换为测量装置，或者将测量装置安装为与实际TCP具有一定的已知偏移。两种解决方案都产生测量不确定性和/或在安装时需要特别小心。

比如本文所提出的球形转接器(其将安装在机械臂的工具上而不改变它，并且将能够直接测量TCP的位置)能够进行快速且有效的机械臂校准。

如上所述，通过机械地使球状物以要测量的点为中心来形成机械臂的TCP。此解决方案的不确定性的主要来源是居中的质量；它主要取决于球状物的制造质量。

测量装置可以通过磁性转接器连接到球状物，该磁性转接器确保被测点与球状物中心的准确重合。准确性取决于连接器的制造质量和球状物的球形度。磁性转接器可以通过三个点或圆锥体坐落在球状物上，由此提供可重复的运动学或伪运动学联接。三点式接触是“计量上纯净的”，但圆锥体能够越过球状物上的小凹槽或孔；这样允许球状物的特殊特征，简化了机加工操作。圆锥体在与球状物的接触点处也产生较小的约束。

当TCP处于工具的物理元件上或非常接近该物理元件时，将球状物制成中空(以TCP为中心)以将其“围绕”工具的最终元件放置。解决方案使用与工具的形状匹配的可变形插入件。例如，可以将插入件拧入中空球状物中，并可以激活圆锥体机构上的圆锥体，该圆锥体推动插入件上紧在工具上(参见图58)。

可以提供安装在具有主圆柱形特征的工具上的通用插入件。将存在适合于工业上最常用的直径(例如10mm至20mm)的插入件，或者可以将直径减小器制成具有直径较大的单个通用插入件。

在无法使用通用插入件的情况下，可以生产出与任何工具形状相匹配的特定插入件，这些插入件可以根据插入件的CAD(计算机辅助设计)模型被3D打印。

在TCP距离工具最终元件足够远的情况下，中空球状物使得能够实现TCP并且轴简单、具有适当长度。例如，在TCP作为切割工具端头的机加工应用的情况下，可以将普通轴安装到主轴上。在校准后，轴可以保留并用于初始化工具设定器，从而在校准轴与切割工具之间提供校准连续性。

球形转接器在上文主要被描述为装配在工作工具上和/或周围，但是转接器可以装配在坐标定位机或附接到坐标定位机的工具的任何元件上和/或周围。例如，大型抓持器(例如用于在汽车制造厂中搬运车门零件)可以在抓持器的不同位置包括多个圆柱形校准元件，以用于校准抓持器的工具框架的位置的目的。可以继而将本文所述的球形转接器装配在这些圆柱形校准元件中的每个上，然后执行本文(例如，参考图19至图26)所述的校准方法。每个圆柱形校准元件具有兴趣点(例如，在其圆形端面的中心)，并且球形转接器(或球形转接器的插入件)将被调整，以使球形转接器的中心点与兴趣点基本上重合。在此示例中，兴趣点不是这样的工具中心点，因为圆柱形校准元件不是这样的工具。还有的情况是，抓持器的工具中心点不对应于抓持器上的任何单个点，而是可能被定义为与该点有一定的偏移，例如在包括由抓持器保持的汽车门的工具参考系中。

球形转接器24的至少部分球形支承表面20也可以称为感测表面20，因为它是由测量装置(例如，球杆仪)11感测的表面。感测表面20(至少以完整的形式，即作为完整的球体)包围或封装兴趣点(例如，工具中心点)8，从而有效地允许从各种不同方向来感测或探测或测量兴趣点。感测表面20(至少以完整的形式，即作为完整的球体)也包围元件或与元件(例如，工具)4的至少一部分相交，使得仅当球形转接器24是中空的、具有为工具4的主体留出空间的孔、孔口或凹部时可以将球形转接器24放置为以兴趣点8为中心。这与US 5297238的图23中所示的探头46的感测表面相反，该感测表面是范围有限并由平面数字化板感测的平面盘，并且不包围兴趣点(工具43的端头)或与工具43相交。

通过球形转接器24，当转接器24就位时，感测表面20上的每个点与球形转接器24所附接的元件(例如工具4)的兴趣点(例如TCP)8基本上等距。在测量操作期间，测量装置(例如球杆仪)11的测量点始终与兴趣点(例如TCP)8重合。以这种方式，测量装置(例如球杆仪)11直接有效地“寻址”兴趣点(例如TCP)8，几乎就像测量装置(例如球杆仪)11直接连接到兴趣点(例如TCP)8。US 5297238的图23的布置不是这种情况，其中探头46的感测点(原点)不能与工具43的端头位于相同的位置，替代地，只能将感测点与工具端头沿着同一条线放置并与工具端头偏移。在实施本发明的中空球形转接器24的情况下，通过使两点基本上重合来解决这些问题。另外，在实施本发明的中空球形转接器24的情况下，测量装置(例如球杆仪)11可以从各种不同的角度进行测量(允许在测量操作期间以各种自由度移动机器)，而在US 5297238的图23的布置中，在探头46相对于平面数字化板成固定角度的情况下进行测量。

在本发明的第二方面的实施例中，测量装置包括联接元件，该联接元件适于联接到并支承在转接器的支承表面上，使得测量装置的测量点与转接器的中心点基本上重合，转接器的中心点继而与转接器所附接的机器元件的兴趣点基本上重合。球形转接器由此将这三个不同的点组合在一起：测量装置的测量点；球形转接器的中心点；以及工具的兴趣点。由于上述原因，在尝试测量和/或校准兴趣点的位置时，这提供了巨大的技术益处。图22B提供了球杆仪11形式的测量装置的示例(该球杆仪具有杯状物27形式的联接元件)，并且示出了测量装置11的测量点18在杯状物27的球形支承表面(或穿过多个支承点的球形表面)的中心处的位置；测量装置11在另一端的球状物15的中心处具有第二测量点16，测量装置11提供两个测量点16、18之间的间隔的度量。

现在将参考图31至图36描述本发明的第三方面的第一实施例。这可以与本发明的第一和/或第二方面结合使用。

图31图示了球杆仪10，该球杆仪附接在固定至机器的基座2上的第一球杆仪安装件12(球杆仪10的“枢轴”)与附接到机械臂自身上的第二球杆仪安装件14之间。在使用中，球杆仪10将在机器的工作空间中被来回驱动，例如以执行以上参考图3或图4描述的程序或者执行根据本发明的第一方面的第一或第二实施例的程序。机械臂也有可能由操作者使用操纵杆手动驱动。

如图32所示的，一些类型的球杆仪虽然非常准确，但行程范围有限，而一些球杆仪的测量范围甚至更有限(例如2mm的行程范围和1mm的测量范围)。对于上述类型的机械臂运动，其中一些可能是有极限的并且在人的控制下，将这种球杆仪用于机械臂应用可能有问题。特别地，存在试图将球杆仪10延伸超过其正常行程范围的风险，发生的风险是球杆仪10将脱离(如果过度延伸)或损坏(如果过度压缩)。本发明的第三方面旨在解决这个问题。

图33示意性地图示了本发明的第三方面的第一实施例。该解决方案是提供模块化球杆仪19，该球杆仪具有适于提供长度测量的测量部40，该测量部具有球状物41，可以在该测量部上附接标准部(未示出)或包括其自身的球状物31的延伸部30。在此实施例中，延伸部30提供额外的行程范围，但不提供测量范围。在图33的配置A中，延伸部30处于延伸状态，球杆仪19已经过度延伸超过其正常测量范围。随着球杆仪19从图33的配置A逐渐压缩到D，延伸部30承受压缩，而球杆仪19的测量不变。从配置D到E，延伸部30被完全压缩(无法进行任何进一步的压缩)，并且球杆仪19进入其测量范围，在该测量范围内进行测量(这由球状物36在另一端的压缩指示)。当球杆仪19再次从配置E延伸到F时，球杆仪仍处于其测量范围内，但在配置F中达到其测量范围的极限。然后，从配置F到I，球杆仪19再次处于延伸范围内(其中延伸部30延伸，并且其中球杆仪19的测量不变)。

图34至图36示意性地图示了在机械臂上使用延伸件的球杆仪19。在图34中，球杆仪19处于其测量范围的极限(完全压缩)，对应于图33的配置E。在图34中，球杆仪19延伸但仍在其测量范围内操作，以移动到其测量范围的另一端，对应于图33的配置F。最后，在图36中，球杆仪19延伸超出其测量范围并进入其超行程范围，对应于图33的配置G至I。有利地，在图36中，由于延伸部30的操作，球杆仪19不会从一端的球杆仪安装件14或另一端的枢轴安装件12脱离。

通过图33的延伸部30，有效地在测量区域的一侧存在超行程区域，这允许过度延伸但不过度压缩。延伸部30还可以在测量区域的两侧提供超行程区域或缓冲区，如将在下面参考图37至图50描述的，其涉及本发明的第三方面的第二实施例。

图37图示了模块化球杆仪19，其测量部40连接至标准部50上，即延伸部30尚未就位。标准部50具有球状物51，以提供球杆仪19的一个球状物，而另一个球状物由测量部40的球状物41提供。测量部40包括布置在固定板42与可移动板43之间的弹性(例如弹簧)构件46，球状物41固定到可移动板43上。可移动板43本身布置在挡件44和45之间(挡件45由测量部40的端壁提供)。测量部40可以适于通过电容式器件、即使用电容式传感器来提供测量，但是任何类型的测量方法都是可能的。

如图37所示，球杆仪19(更具体地是球杆仪19的测量部40)处于其测量范围的中间。图38示出了球杆仪19在其测量范围的一个极限(完全压缩，板43坐落抵靠挡件44)，而图39示出了球杆仪19在其测量范围的另一极限(完全延伸，板43坐落抵靠挡件45)。

图40图示了标准端部50被交换为延伸部30。在图41中图示了组装的球杆仪19，其中延伸部30可释放地联接到测量部40。如图41所展示的，在此实施例中，延伸部30具有球状物31、三个可移动板33a、33b、33c、三个挡件35a、35b、35c、两个弹性(例如弹簧)构件36a、36b以及多个磁体37。第二板33b与球状物31连接并与球状物一起移动，第一弹簧36a布置在壳体34的端壁(挡件)39a与第一板33a之间，第二弹簧36b布置在壳体34的另一端壁(挡件)39b与第三板33c之间。

在图41所示的位置，第二板33b和第三板33c彼此抵靠坐落并由磁体37彼此保持并保持到第二挡件35b。测量部40的可移动板43处于测量部40的测量范围的中间，因此在这种状态下球杆仪19的任何压缩或延伸都将引起测量值的变化。因此，球杆仪19在其测量范围内操作，其中延伸部就坐。

图42示出了当球杆仪19被压缩超过板43抵靠挡件44的点时发生的情况。延伸部30的第二板33b抵抗第二弹簧构件36b的偏置而推靠第三板33c，以使第三板33c与第二挡件35b的磁性吸引分离，并允许两个板在延伸部30内移动，继而允许球状物31朝向球状物41移动。这允许延伸部30吸收额外的压缩而不会损坏测量部40，并且向球杆仪19提供了更大行程范围。从球杆仪19输出的测量值不变。

图43示出了当球杆仪19延伸超过板43抵靠挡件45的点时发生的情况。延伸部30的第二板33b抵抗第一弹簧构件36a的偏置而推靠第一板33a，并与第三板33c的磁性吸引分离，该第三板本身被保持抵靠着第二挡件35b。这允许两个板33a、33b在延伸部30内移动，并继而允许球状物31移动远离球状物41。这允许延伸部30吸收额外的膨胀而不会损坏测量部40，并且向球杆仪19提供了更大行程范围。从球杆仪19输出的测量值不变。

图44至图49是示出了延伸部30的关键部分的透视图，所述关键部分是壳体34、第三板33c、第二挡件35b和第二板33b。为了清楚起见并避免混乱，未示出其他元件。第二挡件35b固定到壳体34上。图50是与图44相对应的、但从相反方向看的透视图。在图47和图50中还标出了运动学联接特征62a和62b(分别是球状物和v型凹槽)，这些联接特征确保了第三板33c与第二挡件35b之间的精确和可预测的联接，还标出了运动学联接特征64a和64b(分别是球状物和V形凹槽)，这些联接特征确保了第二板33b与第三板33c之间的精确和可预测的联接。

将理解，本发明的上述第一至第三方面中的每个都可以独立地应用，并且可以单独使用或以任何组合使用。例如，第三方面的延伸件可以与第二方面的球形转接器一起使用，如图51中示意性所展示的。在图51中，可以看到模块化球杆仪19的延伸部30设有杯状物27而不是球状物31，使得杯状物27可以与机械臂上的球形转接器24联接。

还将理解，第二方面的球形转接器不必总是与第一方面的TCP标识方法结合使用，并且还将在其他应用中找到用途。类似地，第三方面的延伸件不限于用于第一方面的这种方法中或与第二方面的球形转接器一起使用，而是将更加普遍地有用。第二方面的球形转接器不必总是与作为测量装置的球杆仪结合使用，而是例如可以与基于三脚架的测量装置结合使用。

还提供了用于控制机械臂(或其他类型的坐标定位机)的操作的机器控制器。机器控制器可以是专用电子控制系统和/或可以包括在计算机程序的控制下操作的计算机。例如，机器控制器可以包括：实时控制器，该实时控制器用于向坐标定位机提供低级指令；以及PC，其用于操作实时控制器。

将了解的是，坐标定位机的操作可以通过在机器上操作的程序来控制，特别是通过在坐标定位机控制器(比如图1中示意性展示的控制器)上操作的程序来控制。这样的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以例如实施在比如从互联网网站提供的可下载数据信号的信号中。所附权利要求应被解释为覆盖程序本身，或解释为在载体上的记录，或解释为信号，或以任何其他形式解释。

Claims (36)

1.一种校准坐标定位机(1)的方法，其中，所述坐标定位机(1)的几何学由模型参数组来表征，并且其中，所述方法旨在确定新的模型参数组(a,b,c,d,x)，所述新的模型参数组比现有模型参数组(a,b,c,d₀,x₀)更好地表征所述坐标定位机的几何学参数，其中，所述方法包括：

将所述坐标定位机(1)控制(S5)成枢轴姿势，在所述枢轴姿势下，与所述坐标定位机(1)的可移动部分相关联的目标点(8)和与所述坐标定位机(1)的固定部分相关联的枢轴点彼此分离已知间隔(s)，并基于所述已知间隔(s)和针对所述枢轴姿势根据所述现有模型参数组(a,b,c,d₀,x₀)所预期的间隔(s₀)来确定所述枢轴姿势的误差值(e₀)，

将所述坐标定位机控制(S7,S9)成多个不同的目标姿势，

对于每个目标姿势，测量(S8,S10)所述目标点(8)与所述枢轴点之间的间隔(S)，并基于所测量的间隔(S)和针对所述目标姿势根据所述现有模型参数组所预期的间隔(S₀)来确定所述目标姿势的误差值(E₀)；

根据所述枢轴姿势的误差值(e₀)和目标姿势的误差值(E₀)来确定(S13)总误差度量(Σ₀)；以及

确定(S13)新的模型参数组(a,b,c,d₁,x₁)，所述新的模型参数组将比所述现有模型参数组(a,b,c,d₀,x₀)产生更低的总误差度量(Σ₁)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括基于所述新的模型参数组来确定新的误差值组，并根据那些误差值确定更新的模型参数组，并可选地重复此过程，直到所述总误差度量低于预定阈值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述已知间隔(s)是零向量(s＝0)，所述目标点(8)和所述枢轴点在所述枢轴姿势下基本上重合。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括仅针对所述模型参数组(a,b,c,d,x)的子组(d,x)来确定新值。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述模型参数的子组与所述坐标定位机的工具中心点有关。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔(S)是通过长度测量装置所测量的。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述长度测量装置是球杆仪。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述坐标定位机(1)是机械臂。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：

(a)采用套件，所述套件包括测量装置和转接器(24)，其中，所述转接器(24)被适配成装配到坐标定位机(1)上的元件(4,4a,4b)上或周围，和/或用于坐标定位机(1)的元件(4,4a,4b)上或周围，所述元件具有兴趣点，其中，所述转接器(24)包括具有中心点(28)的至少部分球形的支承表面(20)，当所述转接器被装配到所述元件(4,4a,4b)上或周围时，所述中心点(28)与所述兴趣点基本上重合；以及所述测量装置包括联接元件(27)，所述联接元件(27)被适配成联接到所述转接器(24)的支承表面(20)并靠在所述转接器的支承表面上，使得所述测量装置的测量点(18)与所述转接器(24)的中心点(28)基本上重合，并且在所述联接元件(27)在所述支承表面(20)的至少预定部分或工作部分上移动时保持重合；以及

(b)将所述转接器(24)装配在所述元件(4,4a,4b)上和/或周围，所述元件(4,4a,4b)仍在所述坐标定位机上(1)；将所述测量装置联接到所述转接器(24)，使得所述测量装置的联接元件(27)靠在所述转接器(24)的至少部分球形支承表面(20)上；以及执行测量操作(S8,S10)，使得在所述测量操作(S8,S10)期间，所述测量装置的测量点(18)与所述转接器(24)的中心点(28)重合，并在所述测量装置的联接元件(27)在所述转接器(24)的至少部分球形支承表面(20)的至少预定或工作部分上移动时保持重合。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述元件是工具。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述兴趣点是所述工具的工具中心点。

12.如权利要求9、10或11所述的方法，其中，所述转接器适于以通用方式接纳多个不同的插入件，所述插入件适配成接纳不同的相应元件或相应类型的元件，由此使所述转接器能够与各种不同的元件或不同类型的元件一起使用。

13.如权利要求12所述的方法，其中，每个插入件的内部成形为与其对应元件的外部形状相匹配。

14.如权利要求12所述的方法，其中，每个插入件适配成考虑其对应元件的兴趣点的位置，以确保当所述转接器装配在所述元件上和/或周围时，所述兴趣点与所述转接器的至少部分球形表面的中心基本上重合。

15.如权利要求13所述的方法，其中，每个插入件适配成考虑其对应元件的兴趣点的位置，以确保当所述转接器装配在所述元件上或周围时，所述兴趣点与所述转接器的至少部分球形表面的中心基本上重合。

16.如权利要求12所述的方法，其中，所述插入件中的至少一些是基于所述元件的CAD模型而3D打印的。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述插入件中的至少一些是基于所述元件的CAD模型而3D打印的。

18.如权利要求14所述的方法，其中，所述插入件中的至少一些是基于所述元件的CAD模型而3D打印的。

19.如权利要求15所述的方法，其中，所述插入件中的至少一些是基于所述元件的CAD模型而3D打印的。

20.如权利要求12所述的方法，其中，为以下多个元件提供所述插入件：所述多个元件是从焊接工具、机加工工具以及校准轴中选择的。

21.如权利要求9所述的方法，其中，所述测量装置适于提供所述测量装置的两个测量点之间的间隔的测量值。

22.如权利要求9所述的方法，其中，所述测量装置是长度测量装置。

23.如权利要求9所述的方法，其中，所述测量装置是球杆仪。

24.如权利要求9所述的方法，其中，所述联接元件为杯状物的形式。

25.如权利要求24所述的方法，其中，所述测量点在所述杯状物的至少部分球形表面的中心。

26.如权利要求24或25所述的方法，其中，所述杯状物适于与所述转接器的至少部分球形表面联接。

27.如权利要求9所述的方法，其中，所述测量装置在一端包括球状物，在另一端包括杯状物。

28.如权利要求9所述的方法，其中，所述测量装置在两端包括杯状物。

29.如权利要求9所述的方法，其中，所述联接是运动学的或至少是伪运动学的。

30.如权利要求12所述的方法，其中，所述套件包括所述插入件。

31.如权利要求9所述的方法，所述方法包括在装配所述转接器(24)用于所述测量操作(S8,S10)之前，使用所述元件(4,4a,4b)执行第一操作，而无需在所述第一操作与装配所述转接器(24)用于所述测量操作(S8,S10)之间移除所述元件(4,4a,4b)。

32.如权利要求9所述的方法，所述方法包括在装配所述转接器(24)之前或在移除所述转接器(24)之后且不移除所述元件(4,4a,4b)的情况下，对所述元件(4,4a,4b)执行进一步的测量操作，以确定所述元件(4,4a,4b)的长度。

33.如权利要求32所述的方法，其中，通过接触式或非接触式工具设定器对所述元件(4,4a,4b)执行所述进一步的测量操作。

34.如权利要求20所述的方法，其中，所述机加工工具是钻头。

35.一种坐标定位机，所述坐标定位机被配置为执行如前述权利要求中任一项所述的方法。

36.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质中存储有用于控制计算机或机器控制器以执行如权利要求1至34中任一项所述的方法的计算机程序指令。

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