CN113348056A - 具有改善的工具路径生成的工业机器人设备以及根据改善的工具路径操作工业机器人设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对工件(2)执行工业加工操作的设备(1)，该设备包括：拟人机器人(3)，该拟人机器人包括端部执行器(10)，该端部执行器包括2D激光扫描仪(13)和加工工具(12)；RTOS计算机(4)；以及机器人控制器(5)。计算机(4)向机器人控制器(5)提供沿着扫描路径的连续位置数据，并且向2D激光扫描仪(13)的输入端口(16)直接提供同步信号(17)，从而命令对工件(2)的连续扫描操作与端部执行器(10)的连续位姿同步，以获取关于工件(2)的3D形状信息。在端部执行器(10)随后沿着工具路径移动和/或沿着组合的扫描和工具路径移动时，操作加工工具(12)。本发明还公开了一种用于获取布置在加工区域处的对象的形状的设备和方法。

Description

具有改善的工具路径生成的工业机器人设备以及根据改善的 工具路径操作工业机器人设备的方法

说明书

技术领域

本公开涉及工件的机器人加工，特别是机器人焊接。本文所公开的实施方案具体地涉及工业机器人，特别是机器人焊接设备，并且更具体地涉及在端部执行器处设置有2D激光扫描仪的拟人机器人。本文还公开了用于操作此类工业机器人(机器人焊接设备)的方法，以及由工业机器人获取形状的设备和方法。

在下文中，为了简洁起见，机器人焊接将主要称为机器人加工的示例性而非限制性的示例。

背景技术

如今，自动或机器人加工操作，尤其是焊接操作，需要非常准确地了解3D轨线或工具路径，具体地焊接路径，并且需要非常精确的机械结构和致动系统以便以最大精度沿着3D轨线或工具路径操纵加工工具，具体地焊枪。

工具路径可被设计到样本件上，而实际工件可具有略微不同的形状。

此外，精确遵循焊接路径或轨线的能力是必要的，以便考虑例如在空气空间机械结构的关键部分的非常薄的钢层上的热效应；实际上，热效应可导致待焊接对象的初始几何形状的改变。因此，考虑到空气空间机械部件可在同一部分上包括若干焊接路径，在每次焊接操作之前和/或之后对对象的形状进行尽可能准确的3D测量是非常重要的，以便在每次需要的时候准确地调整焊接路径。

在工件的多层涂覆的情况下以及在其他应用中，出现类似的问题，其中工件的3D形状在涂覆每个层之后略微改变。

此外，所述空气空间机械部件以及其他工件为复杂的3D结构，并且相关的焊接(或通常为工具)轨线类似地具有复杂的3D路径。

通常可通过适当地使用已知的2D激光扫描仪来获取非常精确的3D形状-使得通常可从其中提取非常精确的3D路径。

大多数已知的2D激光扫描仪使用三角测量原理来获取(通过合适的相机)在工件外表面与激光扫描平面(例如，通过合适地扫描由激光投影仪发射的激光束来提供)的交汇处在其一个给定相互位置处形成的激光线的准确2D图像。

为了获取工件形状的3D图像，2D激光扫描仪必须相对于待扫描的部分(沿着提供激光线的每个点的第三维度或坐标的扫描线轨线或扫描路径)进行相对运动，同时拍摄连续2D图像；然后可从3D点云重建3D形状。

在已知的布置中，传送带将工件移向固定的2D激光扫描仪，或者相反地，工件是静止的，并且2D激光扫描仪由可沿着轨道移动的滑架支撑，并且以规则的时间间隔拍摄连续2D图像。为了解决线性运动不恒定的相互速度和其他不规则性，诸如在扫描路径的开始和结束时的加速和减速阶段，编码器可用于在连续激光线获取与工件和扫描仪的连续相互位置之间随时间推移提供正确的同步，即，在第三维度上提供正确的信息。

然而，所述空气空间机械部件的3D复杂性、非常不寻常的小规模制造以及可能大尺寸不允许上述布置。

本领域已知通过使用拟人机器人臂来解决这些问题，该拟人机器人臂将除了焊枪或其他工具之外还包括2D激光扫描仪的组件安装为端部执行器：工件的3D形状可通过相对于静止工件移动2D激光扫描仪来获取，同时获取连续2D图像。

2D激光扫描仪因此适于观察焊接池或通常观察加工区域；因此，所述2D激光扫描仪允许具有关于工件或其相关部分的形状的最新信息，因为形状例如针对热效应或由于新涂覆的层而改变。

可利用机器人拟人臂的六个自由度来获得2D激光相机与工件之间沿着直线扫描路径或甚至更复杂的扫描路径的线性相对运动。

然而，对于准确了解每个2D图像所拍摄的3D形状上的实际位置的问题更加严重，并且因为不存在传送带或轨道系统来进行支撑，所以不可能使用线性运动编码器。

虽然可使用走走停停的方法来克服速度不恒定和机器人臂运动的其他不规则性的负面影响，但这太慢而不能在实际工业场景上实际实施。

因此，一种包括工业拟人机器人(具体地焊接机器人)的改善的设备以及一种用于执行机器人加工(具体地机器人焊接)的方法会是有益的，并且在该技术中会受到欢迎，该方法通过有效并且最新地获取准确的3D扫描数据，从而解决关于解释加工操作期间工件形状的变化的问题。

更一般地，希望提供适于更有效地获取大型和/或精密工件或其他对象的准确形状的方法和系统。

发明内容

在一个方面，本文所公开的主题涉及被配置为对布置在加工区域处的工件执行工业加工操作的设备。该设备包括可在加工区域处的空间中移动的拟人机器人、计算机和机器人控制器。拟人机器人包括端部执行器，该端部执行器包括2D激光扫描仪和能够对工件执行所述加工操作的加工工具。2D激光扫描仪包括激光投影仪、相机和输入端口。机器人控制器被配置为使机器人沿着路径移动端部执行器，加工工具能够在移动期间选择性地操作。计算机设置有实时操作系统，并且操作地连接到机器人控制器和2D激光扫描仪的输入端口。计算机被配置为向机器人控制器提供沿着扫描路径的连续位置数据，以及向2D激光扫描仪的输入端口直接提供同步信号，从而命令对工件的连续扫描操作与端部执行器沿着扫描路径的连续位姿同步，以获取关于工件的3D形状信息。加工工具被配置为在端部执行器随后沿着工具路径移动和/或沿着所述扫描路径移动时被操作，从而限定组合的扫描和工具路径。

在另一方面，本文所公开的主题涉及用于对布置在加工区域处的工件执行工业加工操作的方法。该方法包括以下步骤：通过以下方式获取关于工件的3D形状信息：用实时操作系统操作计算机，以向机器人控制器提供沿着扫描路径的连续位置数据，并且向2D激光扫描仪的输入端口直接提供同步信号；以及操作机器人控制器以使端部执行器沿着扫描路径移动，从而与端部执行器的连续位姿同步地执行连续扫描操作。该方法还包括以下步骤：随后操作机器人控制器以沿着不同于扫描路径的工具路径移动端部执行器，并且在沿着工具路径移动端部执行器的同时操作加工工具；或者在沿着扫描路径移动端部执行器的同时操作加工工具，从而限定组合的扫描和工具路径。

在上述方面，相机在拟人机器人的端部执行器处的布置有利地允许工件保持静止，尽管这不是严格必需的，并且有利地允许轮廓或形状数据获取中的最高分辨率，并且因此实现3D工具路径的最大准确度，恰好匹配机器人移动能力，即机器人臂提供的最小位移。

有利的是，通过使用实时操作系统和同步信号来获得云的3D点的三个坐标的获取同步，从而无需外部编码器。

有利的是，在对同一工件的后续加工过程期间容易实现3D工具路径的更新。

此外，新的3D形状数据也可在加工过程期间由相同部件获取，例如用于质量控制。

在另一方面，本文所公开的主题涉及被配置为获取布置在加工区域处的对象的形状的设备。该设备包括可在加工区域处的空间中移动的拟人机器人、计算机和机器人控制器。拟人机器人包括端部执行器，该端部执行器包括2D激光扫描仪。2D激光扫描仪包括激光投影仪、相机和输入端口。机器人控制器被配置为使机器人沿着扫描路径驱动2D激光扫描仪。计算机设置有实时操作系统，并且操作地连接到机器人控制器和2D激光扫描仪的输入端口。计算机被配置为向机器人控制器提供沿着扫描路径的连续位置数据，以及向2D激光扫描仪的输入端口直接提供同步信号，从而命令对对象的连续扫描操作与端部执行器沿着扫描路径的连续位姿同步。

在另一方面，本文所公开的主题涉及用于获取布置在加工区域处的对象的3D形状信息的方法。该方法包括以下步骤：用实时操作系统操作计算机，以向机器人控制器提供沿着扫描路径的连续位置数据，并且向2D激光扫描仪的输入端口直接提供同步信号；并且包括以下步骤：操作机器人控制器以使端部执行器沿着扫描路径移动，从而与端部执行器的连续位姿同步地执行连续扫描操作。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：

-图1示出了工业机器人设备的实施方案的示意图，

-图2是与用图1的机器人设备执行加工操作的方法相关的流程图，

-图3是与用图1的机器人设备获取工件形状的方法相关的流程图，并且

-图4是与根据改善的工具路径操作图1的机器人设备的方法相关的流程图。

具体实施方式

根据一个方面，本主题涉及用于改善机器人工具必须遵循的工具路径的生成的设备和方法。具体地，在本文所公开的实施方案中，工业拟人机器人用于对工件(诸如机械部件)执行工业加工操作，诸如焊接或涂覆操作。工业拟人机器人的臂具有允许其包括加工工具的端部执行器沿着期望的工具路径在空间中移动的关节。工具路径可被设计到样本件上，而实际工件可具有略微不同的形状，并且因此期望的工具路径也可略微不同。此外，每个操作可包括对同一工件的若干遍操作，并且工件的形状可能从一遍操作到下一遍操作改变，使得工具路径也可能从一遍操作到下一遍操作改变。

为了获取工件的实际形状，需要在该工件上计算或调整工具路径，机器人臂在端部执行器处设置有2D激光扫描仪。机器人臂在工件移动成连续位姿时以每个位姿拍摄工件的2D图像以提供第三维度，使得工件的3D形状可由来自与其拍摄位置配对的每个图像的2D数据的组装重建。工件不需要移动，这在若干情况下是重要的。设置有实时操作系统的计算机用于至少在扫描移动期间控制机器人臂并且用于命令拍摄图像，从而通过同步信号保证每个图像仅在实际已达到预期位姿之后拍摄，因此保证3D点云中的每个点具有一致的数据，而与移动速度和该移动的任何不规则性无关。一旦已获取工件的形状，则根据该实际形状计算或调整下一个加工操作的工具路径，该实际形状可能已例如由于先前焊接操作而产生的热效应而改变。因为2D激光扫描仪由承载加工工具的相同机器人臂端部执行器承载，所以重建的3D形状的分辨率以及因此限定在该形状上的工具路径的分辨率自动匹配机器人臂遵循该工具路径的实际能力：既没有浪费计算努力来以比将进行加工时更高的分辨率重建形状，也不需要沿着以更低分辨率计算的工具路径内插加工工具的另外的位置；因此，准确度是最高可能的。

在工具操作期间，还可以拍摄另外的图像，同样与机器人臂沿着变成组合的扫描和工具路径的连续位姿同步。

根据更一般的方面，本文所公开的主题涉及用于通过机器人设备准确地获取对象的形状的系统和方法。机器人设备承载2D激光扫描仪，其通过运行实时操作系统的计算机如上所述操作。所获取的形状用于任何期望的目的。

现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

图1示意性地示出了用于对工件执行工业加工操作(特别是焊接)的设备1的第一实施方案，示出了一个示例性工件2，所述设备1包括可在空间中移动的拟人机器人3、计算机4和机器人控制器5，它们如下详述操作地连接。还示出了支撑所述工件2并且限定加工区域7的平台6，但这不是严格必需的。工件2可例如包括涡轮机械的关键部分的非常薄的钢层。应当理解，虽然控制器5已被示出为与机器人3分开，但其也可被包括在其中，例如被包括在基座8内。

出于下文将变得清楚的原因，计算机4设置有实时操作系统(RTOS)41。

机器人3以熟知的方式包括基座8和从基座8延伸并且与该基座旋转地联接的臂9，该臂的远离基座8的端部被称为手或端部执行器10。沿着臂9提供若干关节11，以示例的方式示出了四个关节。

端部执行器10设置有加工工具12，特别是焊枪。当加工工具12为焊枪时，其能够为熔融金属提供热量，以便提供工件2的所需焊接，例如其两个金属部件的焊接；在其他情况下，加工工具能够对工件2执行预期的加工操作，例如，喷射用于涂覆的油漆、喷射用于胶粘的胶等。

端部执行器10还设置有2D激光扫描仪13。2D激光扫描仪13以熟知的方式包括相互成角度的激光投影仪14和相机15。

2D激光扫描仪13包括用于接收同步信号的输入端口16，该同步信号用于控制激光投影仪14生成激光线以及控制相机15获取连续图像。2D激光扫描仪13的输入端口16处提供的信号可被视为包括脉冲的非周期性信号，每个脉冲触发图像获取。应当注意的是，输入端口16在2D激光扫描仪上通常是可用的，然而其被设计成从操作地连接到传送带或类似构件的编码器接收同步信号，该传送带或类似构件通常被设置为使工件相对于2D激光扫描仪移动，当后者静止或操作地连接到在轨道上移动的滑架时使2D激光扫描仪相对于静止工件移动，如上所述。

虽然在先前已知的机器人设备中，2D激光扫描仪的输入端口将连接到编码器，但是在设备1中，2D激光扫描仪13的输入端口16相反地连接到计算机4，并且沿着同步信号连接17从计算机接收信号。

在2D激光扫描仪和控制器5之间提供数据连接18，以允许控制器5接收所获取的图像。2D激光扫描仪13可包括图像的预处理器。控制器5还可包括用于缓冲或存储图像的图像处理装置和/或存储器装置(为简单起见，图1中未示出)。另选地，控制器5可简单地将待处理的图像转发到别处，诸如转发到计算机4或转发到另一个远程计算机。另选地，所接收的获取的图像(可能是预处理的)可沿着合适的数据连接(未示出)从2D激光扫描仪13直接发送到计算机4或远程计算机。

在机器人控制器5和机器人3之间提供另外的数据和信号连接19、20。虽然总体上被示出为指向/来自机器人3，但在连接19上携带的数据和信号主要旨在用于控制其臂9的位姿；连接20主要携带关于是否已达到位姿的反馈信号。

更具体地，当机器人控制器5通常包括实现路径生成器21和路径执行器22的计算机程序模块(软件、硬件或固件)时，在机器人路径执行器22和机器人3之间提供数据和信号连接19、20。在这种情况下，从路径生成器21向路径执行器22提供另外的信号连接23。从以下描述应当理解，路径生成器21在本文中是任选部件。

在机器人控制器5和计算机4之间提供另外的数据和信号连接24、25。更具体地，当机器人控制器5包括路径生成器21和路径执行器22时，在计算机4和路径执行器22之间提供数据和信号连接24、25。在连接24上携带的数据和信号主要用于控制机器人3的位姿，特别是其臂9的位姿，如下所述；连接25主要携带关于是否已达到位姿的反馈信号。

从控制器5(具体地，从路径执行器22)到端部执行器10提供喷枪控制线26以用于驱动工具12的信号，例如，其接通和断开、其在焊枪的情况下的功率水平和/或其他变量。另选地，加工工具12可由计算机4沿着合适的连接(未示出)直接控制。

机器人设备1如下操作，并且允许实现下文所述的方法。

在用于焊接或执行其他加工操作的方法100中，如图2的流程图所示并且如继续参考图1所讨论的，机器人控制器5与计算机4一起使机器人3沿着限定的工具轨线或工具路径或焊接路径移动(步骤101)，并且在该移动期间，适当地驱动喷枪或其他加工工具12(步骤102)。工具路径是机器人3(特别是端部执行器10)在加工工具12的操作期间应遵循的路径。

更详细地，机器人控制器5并且具体地其路径执行器22通过合适的致动器(未示出)控制机器人臂9的关节11的位置，使得端部执行器10总体上在包括和围绕加工区域7的空间中设置有最多六个运动自由度。由路径执行器22输出的信号可被表示为随时间变化的信号(但不一定是随时间连续的信号)，其中总体信号的每个值包括机器人内坐标中的多个值，诸如在六个自由度的情况下，Q(t)＝[q1(t),q2(t),…q6(t)]。每个量qi(tn)表示例如臂9的特定关节11必须在特定时间tn处呈现的角度，使得Q(tn)表示端部执行器10在时间tn处的位姿，并且位姿随时间推移的变化Q(t)表示端部执行器10遵循的路径。应当注意的是，此处和下文中，斜体符号用于索引。

端部执行器10必须遵循的路径在空间坐标(通常在笛卡尔坐标中，如P(t)＝[x(t),y(t),z(t)])的另一个系统中提供给机器人控制器5的路径执行器22，路径执行器22的任务是执行空间变换的任务。可使用任何其他合适的空间参考系统来代替笛卡尔坐标。

如前所述，路径生成器21通常存在于机器人控制器5中，其可以具有根据所需的加工操作、工件的形状、其相对于样本件的变化、工具的速度和其他变量生成路径P(t)的任务。此外，如从以下描述将显而易见的，路径P(t)也可根据由于例如热效应和/或正在执行的加工过程的其他后果引起的工件形状的变化而生成。路径生成器21将生成路径P(t)，尤其是当来自2D激光扫描仪13的扫描数据由机器人控制器5处理时。

另选地，在笛卡尔空间中生成加工或工具路径P(t)的后一任务可由计算机4执行，尤其是当来自2D激光扫描仪13的扫描数据由控制器4或由外部计算机处理时，或者当路径生成器21缺失时。

可同时提供完整的工具路径P(t)并转换成工具路径Q(t)(应当注意的是，P(t)和Q(t)两者均被称为工具路径，因为它们是同一实体的不同表示)，但优选地，在步骤103中，机器人控制器5，特别是路径生成器21，或者计算机4在外部参考系统中沿着工具轨线或路径输出下一个位姿P(tn+1)，并且在步骤104中，机器人控制器5，特别是路径执行器22，将位姿转换到机器人参考系统Q(tn+1)中，并且将端部执行器10移动到该位姿。

除非所需的工具轨线已完成，如步骤105中所检查，否则随后针对下一个位姿重复上述步骤，如步骤106中索引n的增量所示。应当理解，可等同地使用与步骤105、106所例示的方法不同的控制步骤的重复的方法。还应当理解，如果如示意性地示出的控件是平常使用的，则可能需要将附加的“假”起点或“假”终点添加到轨线以确保沿着整个期望的轨线执行加工。

在参考图3的流程图以及参考图1所述的用于获取工件2的形状的方法200中，运行RTOS 41的计算机4(简言之，下文中的RTOS计算机4)具有生成(除了如上所述的工具路径P(t)之外，还可能生成)笛卡尔坐标或其他空间参考系统中的扫描路径R(t)的任务，该扫描路径R(t)由路径执行器22类似地转换到机器人坐标系中，例如，转换为扫描路径S(t)＝[s1(t),s2(t),…s6(t)]。应当注意的是，R(t)和S(t)两者均被称为扫描路径，因为它们是同一实体的不同表示，即机器人3(特别是端部执行器10)在2D激光扫描仪13的操作期间应遵循的路径。

具体地，在步骤201中，端部执行器10处于沿着扫描轨线R(t)的当前位姿R(tn)。由于RTOS 41和/或可能通过沿着连接20和25的反馈，这可由计算机4确保。此后，在步骤202中，RTOS计算机4在外部坐标系中输出沿着扫描轨线R(t)的下一个位姿R(tn+1)。在步骤203中，位姿R(tn+1)由机器人控制器5的路径执行器22转换到机器人坐标系中，例如作为S(tn+1)＝[s1(tn+1),s2(tn+1),…s6(tn+1)]，并且端部执行器10被移动到该新位姿。

当端部执行器10沿着扫描路径R(t)移动时，由2D激光扫描仪13拍摄连续2D图像。

具体地，在步骤204中，RTOS计算机4控制通过连接17的同步信号，特别是其状态很快改变以生成触发脉冲，该触发脉冲在步骤202中不迟于下一个位姿R(tn+1)的输出而输出。

基于同步信号，具体地在2D激光扫描仪13在其输入端口16处接收到同步信号的此类脉冲时，在步骤205中，2D激光扫描仪13拍摄2D图像。由于同步信号，确保了在等同于S(tn)的当前位姿R(tn)处拍摄图像。

更详细地，激光投影仪14发射激光束，该激光束在激光平面中合适地扫描(或通过合适的光学器件成形)，以在其与工件2的外表面相交之后形成在第一方向上延伸的扫描线。相机15捕获由工件2的表面反射的光，并且通过熟知的三角测量原理，位于扫描线上的每个表面点的距离由2D激光扫描仪13本身或由下游部件，特别是机器人控制器5或计算机4，或甚至由外部计算机来计算。计算的距离、激光光斑沿着扫描线的位置和扫描平面的位置(其继而由端部执行器10沿着扫描路径R(t)的位置指示)提供工件2的形状的3D点，该3D点在步骤206处被收集。

步骤201和202被示出为单独的后续步骤，并且应当理解，步骤202在步骤201之后立即发生，优选地在步骤201之后尽可能快地发生，以便加速3D形状获取方法200。步骤202甚至可与步骤201严格同时进行：实际上，执行步骤205所花费的时间，以及因此在当前位姿R(tn)处拍摄图像所花费的时间，通常短于由控制器5的路径执行器22进行的转换以及开始致动从当前位姿移动到下一个位姿所花费的时间，并且因此，即使计算机4同时发布其两个命令(向控制器和2D激光扫描仪)，仍将确保在等同于S(tn)的当前位姿R(tn)处拍摄图像。

除非已经完成期望的扫描轨线，如步骤207中所检查的，否则随后针对下一个位姿重复上述步骤，如步骤208中计数器的增量n所指示的。应当理解，可等同地使用与步骤207、208所例示的方法不同的控制步骤的重复的方法。还应当理解，如果如示意性地示出的控件是平常使用的，则在最近位姿处将不会拍摄图像，因此应该向轨线添加附加的“假”端点。

RTOS 41在计算机4上运行并且由此发出的同步信号确保仅在已实际达到预期位姿之后在步骤205处拍摄每个2D图像，并且因此确保在步骤205处收集的3D点云的每个点具有一致的数据，而与机器人3的移动速度以及该移动的任何不规则性无关。步骤201和205的完美同步由双箭头209示意性地示出。

应当指出的是，形状获取期间的端部执行器移动不需要是沿着正交于由激光投影仪14发射的激光平面的方向的平移；相反，例如，可使用激光平面的旋转。应当注意的是，机器人移动原则上也可用于从激光光斑形成扫描线的长度，从而避免激光投影仪的扫描机构或任何光学器件；然而，扫描轨线R(t)则变得相当复杂，例如蛇形图案。

应当强调的是，在计算机4提供工具轨线P(t)的情况下，在加工操作期间(参见图2)，也可以利用RTOS 41来根据移动而不是在整个移动过程中不断地驱动加工工具12，例如，以在减速期间减少提供给焊枪的功率并且在加速期间增加功率，从而获得总体恒定的热输出。

参考图4的流程图以及先前讨论的图2和图3，公开了根据改善的工具路径操作图1的机器人设备的方法300。

在任选的步骤301中，例如从存储装置获取标称工具路径P(t)。

然后在步骤302中操作设备以获取关于加工区域7处工件2的实际形状的信息。该步骤根据上文结合图3的流程图所述的方法200来执行，由此通过同步信号确保了机器人3的位姿与由2D激光扫描仪13获取的轮廓数据之间的最高时间对应关系，使得每个收集的3D点具有高度一致的数据，并且最终通过完整的扫描操作，工件2实际上由在控制器5中或在计算机4上(或在外部计算机中)执行的程序重建形状。

然后在步骤303中使用控制器5或计算机4的路径生成器21来计算工具路径P(t)，特别是焊接路径，或者根据在步骤302中获得的工件形状来调整标称或其他当前有效的工具路径。

然后，沿着在步骤303中计算的工具路径P(t)对工件2执行加工操作。该步骤根据上文结合图2的流程图所述的方法100来执行。

除非已对同一工件2完成所需的全部加工操作，如步骤305中所检查，否则在步骤304的后续加工操作之前，返回步骤302以获得关于加工区域7处工件2的实际形状的最新信息。应当理解，可等同地使用与步骤305所例示的方法不同的控制步骤的重复的方法。

考虑到在任选的步骤301中获得的标称工具路径可能已经设计到样本件上，而实际工件2可能具有略微不同的形状，因此理解了操作机器人设备的该方法300的优点。

此外，同一工件2通常经受多个后续操作，例如沿着对应的多个焊接路径的焊接操作，例如因为工件2具有包括多个部件的复杂机械结构。高度期望在每次焊接操作之后检查工件2的几何形状，以便精确地调整后续的焊接路径，从而考虑例如由于先前的焊接路径导致的热膨胀。

作为另一种示例性情况，对于对工件2执行涂覆操作，可能需要多遍操作。每个层略微增加工件2，从而改变其形状以及在后续层涂覆期间所需的涂覆路径。

在每次单独操作中，向加工工具12提供非常精确的工具路径。因为2D激光扫描仪13由承载加工工具12的相同机器人臂端部执行器10承载，所以在步骤302中获得的重建的3D形状的分辨率以及因此在步骤303中限定在该形状上的工具路径的分辨率自动匹配机器人臂9在步骤304中遵循该工具路径的实际能力：既没有浪费计算努力来以比将进行加工时更高的分辨率重建形状，也不需要沿着以更低分辨率计算的工具路径内插加工工具12的另外的位置；因此，准确度是尽可能最高的，计算效率也是如此。

应当理解，计算机4模拟真实编码器-因此体现本文称为“模拟编码器”的编码器-生成适用于2D激光扫描仪13的输入端口16的信号，该输入端口通常意指编码器端口。

概括地说，有利的是，根据机器人移动和外部控制能力，提供了由后续焊接或其他加工过程引起的3D路径的实时更新，以及3D焊接或工具路径的最高可能分辨率。

轮廓数据获取的最大准确度通过同步信号来实现。

根据由加工工具12提供的反馈，使用自动电压控制(AVC)以本身熟知的方式进一步“在线”轻微调整工具轨线。

此外或原则上甚至另选地，例如，当工具路径为直线时，可沿着与扫描路径相同的工具路径执行加工操作，同时获取工件的3D形状。换言之，代替执行步骤302，同时在覆盖工件2的整个表面的完整扫描路径上移动端部执行器10，并且然后在执行加工操作的完整工具路径上移动端部执行器10，可利用端部执行器10沿着组合的工具和扫描路径的单个移动来实际执行加工操作以及同时扫描工件2，以便获取关于其形状的至少部分数据。所获取的形状可用于调整下一个加工操作的工具路径，和/或可局部地进行轻微调整。

计算机4可以是个人计算机或可用任何合适的实时操作系统操作的任何合适的计算设备。

虽然上面已经示出并提及了工业机器人设备，特别是机器人焊接设备，但是该设备也可以是缺少任何加工工具并且仅旨在获取工件或对象的形状的机器人设备。在此类情况下，机器人头部10将支撑2D激光扫描仪13，但焊枪或其他工具12将不存在。

应当理解，虽然上文提及了工件的形状，但该术语不应以限制的方式理解，因为实际上由机器人设备1获取的形状是工件2的外表面的暴露而非面向平台6或其他支承装置(包括底板)的部分的形状，或甚至工件2的外表面的较小面积的形状，这是例如当前加工操作所关注的。

可提供不同的可互换加工工具12。

部件之间的数据和/或信号连接可以是有线连接或者也可以是无线连接。

在端部执行器处可存在附加的相机。

可能的是，可在相同的加工过程期间执行工具路径(或组合路径)的一部分的局部更新：如所讨论的，可另外提供已知的自动电压控制(AVC)，以用于在加工操作期间略微调整工具轨线或路径(或组合路径)。

虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明的各方面，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本权利要求的实质和范围的情况下，多种修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

当介绍各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。

当用于例如“操作计算机”、“操作加工工具”和“操作控制器”的表达中时，术语“操作”不一定是指人本身，而是涵盖遵循可存储在其中和/或由另一个部件赋予的指令顺序的相关部件，以便执行本文所述和受权利要求书保护的方法和步骤。

当与两个部件之间的信号和数据的交换结合使用时，术语“直接”意在指示其间不存在另外的信号处理部件或数据处理部件，但涵盖存在不处理其间的信号或数据的部件，诸如例如有线电缆和连接器。

Claims (12)

1.一种设备(1)，所述设备被配置为对布置在加工区域(7)处的工件(2)执行工业加工操作，所述设备(1)包括能够在加工区域(7)处的空间中移动的拟人机器人(3)、计算机(4)和机器人控制器(5)，

其中所述拟人机器人(3)包括端部执行器(10)，所述端部执行器包括2D激光扫描仪(13)和能够对所述工件(2)执行所述加工操作的加工工具(12)，

其中所述2D激光扫描仪(13)包括激光投影仪(14)、相机(15)和输入端口(16)，并且

其中所述机器人控制器(5)被配置为使所述机器人(3)沿着路径移动所述端部执行器(10)，所述加工工具(12)能够在所述移动期间选择性地操作，

其特征在于

所述计算机(4)设置有实时操作系统(RTOS)(41)，并且操作地连接到所述机器人控制器(5)和所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)，并且被配置为向所述机器人控制器(5)提供沿着扫描路径的连续位置数据，以及向所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)直接提供同步信号(17)，从而命令对所述工件(2)的连续扫描操作与所述端部执行器(10)沿着所述扫描路径的连续位姿同步，以获取关于所述工件(2)的3D形状信息，并且在于所述加工工具(12)被配置为在所述端部执行器(10)随后沿着工具路径移动和/或沿着所述扫描路径移动时被操作，从而限定组合的扫描和工具路径。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述机器人控制器(5)包括路径执行器(21)和路径生成器(22)，并且其中所述计算机(4)被配置为绕过所述路径生成器(22)向所述路径执行器(21)直接提供沿着所述扫描路径和/或所述工具路径和/或所述组合的扫描和工具路径的位置数据。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述计算机(4)或所述控制器(5)或所述设备(1)中提供的另外的处理装置被配置为在已遵循来自由所述同步信号匹配的扫描数据和位置数据的所述扫描路径和/或所述组合的扫描和工具路径的一部分或者完整的所述扫描路径和/或所述组合的扫描和工具路径之后，执行所述工件(2)的形状的3D重建。

4.根据权利要求3所述的设备(1)，其中所述计算机(4)或所述控制器(5)或所述设备(1)中提供的另外的处理装置被配置为基于所述工件(2)的所述形状的所述3D重建来计算或调整所述工具路径或所述组合的扫描和工具路径。

5.一种用于通过能够在加工区域(7)处的空间中移动的拟人机器人(3)、计算机(4)和机器人控制器(11)对布置在加工区域(7)处的工件(2)执行工业加工操作的方法，其中所述拟人机器人(3)包括端部执行器(10)，所述端部执行器包括2D激光扫描仪(13)和能够对所述工件(2)执行所述加工操作的加工工具(12)，其中所述2D激光扫描仪(13)包括激光投影仪(14)、相机(15)和输入端口(16)，并且其中所述计算机(4)操作地连接到所述机器人控制器(5)和所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)，所述方法包括以下步骤：

(a)通过以下方式获取关于所述工件(2)的3D形状信息：

(i)用实时操作系统(RTOS)(41)操作所述计算机(4)，以向所述机器人控制器(5)提供沿着扫描路径的连续位置数据，并且向所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)直接提供同步信号(17)；以及

(ii)操作所述机器人控制器(5)以使所述端部执行器(10)沿着所述扫描路径移动，从而与所述端部执行器(10)的连续位姿同步地执行连续扫描操作；以及

(b)随后操作所述机器人控制器(5)以沿着不同于所述扫描路径的工具路径移动所述端部执行器(10)，并且在沿着所述工具路径移动所述端部执行器(10)的同时操作所述加工工具(12)；或者在沿着所述扫描路径移动所述端部执行器(10)的同时操作所述加工工具(12)，从而限定组合的扫描和工具路径。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括以下步骤：在已遵循来自由所述同步信号匹配的扫描数据和位置数据的所述扫描路径或所述组合的扫描和工具路径的一部分或者完整的所述扫描路径或所述组合的扫描和工具路径之后，3D重建所述工件(2)的形状。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括以下步骤：基于所述工件(2)的所述3D重建的形状来计算或调整所述工具路径和/或所述组合的扫描和工具路径。

8.根据前述权利要求1至4中的一项或多项所述的设备(1)或根据前述权利要求5至7中的一项或多项所述的方法，其中所述同步信号包括与每个连续位置数据同时发出的脉冲。

9.根据前述权利要求1、2、3、4、8中的一项或多项所述的设备(1)或根据前述权利要求5至8中的一项或多项所述的方法，其中所述工业加工操作是焊接，所述工业机器人是焊接机器人，并且所述加工工具是焊枪。

10.根据前述权利要求1、2、3、4、8、9中的一项或多项所述的设备(1)或根据前述权利要求5至9中的一项或多项所述的方法，其中所述工件(2)包括涡轮机械的关键部分的非常薄的钢层。

11.一种设备(1)，所述设备被配置为获取布置在加工区域(7)处的对象(2)的形状，所述设备(1)包括能够在加工区域(7)处的空间中移动的拟人机器人(3)、计算机(4)和机器人控制器(5)，其中所述拟人机器人(3)包括端部执行器(10)，所述端部执行器包括2D激光扫描仪(13)，

其中所述2D激光扫描仪(13)包括激光投影仪(14)、相机(15)和输入端口(16)，

其中所述机器人控制器(5)被配置为使所述机器人(3)沿着扫描路径驱动所述2D激光扫描仪(13)，

其中所述计算机(4)设置有实时操作系统(RTOS)(41)，并且操作地连接到所述机器人控制器(5)和所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)，并且被配置为向所述机器人控制器(5)提供沿着所述扫描路径的连续位置数据，以及向所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)直接提供同步信号(17)，从而命令对所述对象(2)的连续扫描操作与所述端部执行器(10)沿着所述扫描路径的连续位姿同步。

12.一种用于通过能够在加工区域(7)处的空间中移动的拟人机器人(3)、计算机(4)和机器人控制器(5)获取布置在加工区域(7)处的对象(2)的3D形状信息的方法，其中所述拟人机器人(3)包括端部执行器(10)，所述端部执行器包括2D激光扫描仪(13)，其中所述2D激光扫描仪(13)包括激光投影仪(14)、相机(15)和输入端口(16)，并且其中所述计算机(4)操作地连接到所述机器人控制器(5)和所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)，所述方法包括以下步骤：

-用实时操作系统(RTOS)(41)操作所述计算机(4)，以向所述机器人控制器(5)提供沿着扫描路径的连续位置数据，并且向所述2D激光扫描仪(13)的所述输入端口(16)直接提供同步信号(17)，以及

-操作所述机器人控制器(5)以使所述端部执行器(10)沿着所述扫描路径移动，从而与所述端部执行器(10)的连续位姿同步地执行连续扫描操作。

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