CN114367973A - 具有补充计量位置确定系统的机器人系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于机器人的补充计量位置确定系统。机器人包括活动臂结构和运动控制系统，运动控制系统被配置为以机器人精度(即，基于机器人中包括的传感器)控制端部工具位置。补充系统包括相机和2D标尺，它们中的每一个都附接到活动臂结构(例如，附接到臂部和/或旋转关节上)。相机可操作以采集用于确定标尺的相对位置的图像。标尺可以耦合到旋转关节(例如，可用于确定旋转运动以及横向于旋转轴线的任何运动)和/或耦合到臂部(例如，可用于确定臂部的任何弯曲或扭曲)。此类信息可用于实现更高的精度(例如，用于机器人的测量操作和/或控制等)。

Description

具有补充计量位置确定系统的机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请是于2018年9月28日提交的名称为“用于机器人的补充计量位置坐标确定系统”的美国专利申请号16/146,640的部分继续申请，该美国专利申请是于2018年8月16日提交的名称为“具有补充计量位置坐标确定系统的机器人系统”的美国专利申请号16/104,033的部分继续申请，这些申请的全部内容通过引用并入本文。

发明背景

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。可以使用的各种类型的机器人包括铰接式机器人、选择顺应性关节机械手臂(SCARA)机器人、直角坐标机器人、圆柱机器人、球形机器人等。作为可包括在机器人中的部件的一个示例，SCARA机器人系统(例如，其可以是一种铰接式机器人系统)通常可以具有基部，第一臂部可旋转地耦合到基部，并且第二臂部可旋转地耦合到第一臂部的端部。在各种配置中，端部工具可以耦合到第二臂部的端部(例如，用于执行某些工作和/或检查操作)。这种系统可以包括用于确定/控制臂部的定位以及相应地端部工具的定位的位置传感器(例如，旋转编码器)。在各种实施方式中，受某些因素限制(例如，旋转编码器性能与机器人系统的机械稳定性等结合)，此类系统可具有约100微米的定位精度。

美国专利号4,725,965公开了用于提高SCARA系统精度的某些校准技术，该专利的全部内容通过引用并入本文。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和承载端部工具的第二可旋转臂部。校准技术与以下事实有关：SCARA机器人可以使用运动学模型进行控制，该模型在精确时允许将臂部放置在第一和第二角度配置中，在这些配置下，第二臂部承载的端部工具保持在同一位置。为了校准运动学模型，将臂部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，将臂部放置在第二角度配置中以再次标称上定位端部工具使其与基准点对齐。根据臂部从第一角度配置切换到第二角度配置时端部工具的位置从基准点的偏移来计算运动学模型中的误差。然后根据计算出的误差对运动学模型进行补偿。重复这些步骤直到误差为零，此时认为SCARA机器人的运动学模型已校准。

如'965专利中进一步描述的，校准技术可以包括使用某些相机。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，位于端部工具下方的地面上)，并且可以处理相机的输出信号以确定当连杆从第一配置切换到第二配置时端部工具的位置从相机的观看区域的中心的偏移。在另一实施方式中，第二臂部可以承载相机，并且该技术可以通过将臂部放置在第一角度配置中开始，在该配置下测量臂部之间的第二预定内角，以将第二臂部承载的相机居中置于固定基准点的正上方。然后将臂部放置在第二角度配置中，在该配置下，在臂部之间测量等于第二预定内角的内角，以再次将相机标称地居中置于基准点上方。然后，在将臂部从第一角度配置切换到第二角度配置时，处理相机的输出信号以确定如相机所见的基准点位置的偏移。然后根据相机所见的基准点位置的偏移来确定相机已知位置的误差。然后作为校准过程的一部分重复这些步骤，直到误差接近零。

虽然可以使用诸如在'965专利中描述的那些技术来校准机器人系统，但在某些应用中可能不太希望使用此类技术(例如，这可能需要大量时间和/或可能无法对于某些操作过程中机器人的所有可能取向都提供所需的精度水平等)。需要一种能够提供关于此类问题的改进(例如，提高工件测量和其他过程中位置确定的可靠性、可重复性、速度等)的机器人系统。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化形式引入在下文具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识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。

提供了一种补充计量位置确定系统，用于与作为机器人系统一部分的机器人结合使用。机器人(例如，铰接式机器人、SCARA机器人、直角坐标机器人、圆柱机器人、球形机器人等)包括活动臂结构和运动控制系统。活动臂结构包括第一臂部、第二臂部和用于安装端部工具的端部工具安装结构。第一臂部在第一臂部的近端处安装到第一旋转关节。第一旋转关节具有第一旋转轴线。第一臂部具有位于第一臂部远端的第二旋转关节。第二旋转关节具有第二旋转轴线。第二臂部在第二臂部的近端处安装到第二旋转关节，这样使得第二臂部围绕第二旋转关节旋转。端部工具安装结构位于活动臂结构的远端附近。运动控制系统被配置为至少部分地基于使用机器人中包含的旋转传感器分别感测和控制第一和第二臂部围绕第一和第二旋转关节的角位置，以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。补充计量位置确定系统包括第一和第二二维(2D)标尺、第一相机、第二相机和计量处理部。第一和第二二维(2D)标尺分别在第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到活动臂结构。每个2D标尺包括标称平面基底和分布在平面基底上的多个相应的可成像特征。第一相机用于在图像采集时间采集第一2D标尺的图像。第一相机限定第一参考位置，并且第一相机在第一相机耦合位置处耦合到活动臂结构。第二相机用于在图像采集时间采集第二2D标尺的图像。第二相机限定第二参考位置，并且第二相机在第二相机耦合位置处耦合到活动臂结构。计量处理部被配置为至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的第一相对位置，并至少部分地基于由第二相机在第一图像采集时间采集的第二2D标尺的第一图像来确定第二2D标尺的第一相对位置。

计量处理部还可以被配置为至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的端部工具位置的坐标。第一2D标尺耦合位置可以在第一旋转关节上，并且在第一旋转关节的旋转期间横向于第一旋转轴线的运动可以引起第一2D标尺的相对位置的改变。计量处理部还可以被配置为至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的角定向。第一2D标尺耦合位置可以在第一臂部上，并且第一臂部的弯曲或扭曲中的至少一个可以引起第一2D标尺的相对位置(例如，相对于第一相机和/或对应的第一个参考位置)的改变。计量处理部还可以被配置为至少部分地基于由第一相机在第二图像采集时间采集的第一2D标尺的第二图像来确定第一2D标尺的第二相对位置，并至少部分地基于由第二相机在第二图像采集时间采集的第二2D标尺的第二图像来确定第二2D标尺的第二相对位置。计量处理部还可以被配置为至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标，并至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第二相对位置来确定在第二图像采集时间的第二端部工具位置的计量位置坐标。计量处理部还可以被配置为使用所确定的第一和第二端部工具位置的计量位置坐标来确定与第一和第二端部工具位置之间的距有关的尺寸。该尺寸可以是工件上的第一和第二表面位置之间的距离，并且端部工具的接触点可以在第一图像采集时间接触工件上的第一表面位置并且在第二图像采集时间接触工件上的第二表面位置。端部工具可以是用于测量工件的接触式探针或扫描探针中的至少一种。

还公开了一种操作用于机器人的补充计量位置确定系统的方法。该方法可以概括为包括：操作第一相机以在第一图像采集时间采集第一2D标尺的第一图像，其中第一相机在第一相机耦合位置处耦合到机器人的活动臂结构并限定第一参考位置，并且第一2D标尺在第一2D标尺耦合位置处耦合到活动臂结构；操作第二相机以在第一图像采集时间采集第二2D标尺的第一图像，其中第二相机在第二相机耦合位置处耦合到机器人的活动臂结构并限定第二参考位置，并且第二2D标尺在第二2D标尺位置处耦合到活动臂结构；至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的第一相对位置；以及至少部分地基于由第二相机在第一图像采集时间采集的第二2D标尺的第一图像来确定第二2D标尺的第一相对位置。

该方法还可以包括至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标。该方法还可以包括操作第一相机以在第二图像采集时间采集第一2D标尺的第二图像；操作第二相机以在第二图像采集时间采集第二2D标尺的第二图像；至少部分地基于由第一相机在第二图像采集时间采集的第一2D标尺的第二图像来确定第一2D标尺的第二相对位置；以及至少部分地基于由第二相机在第二图像采集时间采集的第二2D标尺的第二图像来确定第二2D标尺的第二相对位置。该方法还可以包括至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标；以及至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第二相对位置来确定在第二图像采集时间的第二端部工具位置的计量位置坐标。该方法还可包括使用所确定的第一和第二端部工具位置的计量位置坐标来确定与第一和第二端部工具位置之间的距离有关的尺寸。该尺寸可以是工件上的第一和第二表面位置之间的距离。端部工具的接触点可以在第一图像采集时间接触工件上的第一表面位置并在第二图像采集时间接触工件上的第二表面位置。该方法还可包括将第一和第二2D标尺分别在第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到活动臂结构；将第一相机在第一相机耦合位置处耦合到活动臂结构；以及将第二相机在第二相机耦合位置处耦合到活动臂结构。

还公开了一种用于机器人的补充计量位置确定系统，机器人包括具有用于安装端部工具的端部工具安装结构的活动臂结构以及被配置为控制所述端部工具的端部工具位置的运动控制系统。补充计量位置确定系统可以概括为包括第一和第二二维(2D)标尺、第一相机、第二相机和计量处理部。第一和第二二维(2D)标尺被配置为分别在第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到机器人的活动臂结构。每个2D标尺包括标称平面基底和分布在平面基底上的多个相应的可成像特征。第一相机用于在图像采集时间采集第一2D标尺的图像。第一相机限定第一参考位置，并且第一相机被配置为在第一相机耦合位置处耦合到活动臂结构。第二相机用于在图像采集时间采集第二2D标尺的图像。第二相机限定第二参考位置，并且第二相机被配置为在第二相机耦合位置处耦合到活动臂结构。计量处理部被配置为至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的第一相对位置，并至少部分地基于由第二相机在第一图像采集时间采集的第二2D标尺的第一图像来确定第二2D标尺的第一相对位置。至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标。

第一2D标尺耦合位置可以在活动臂结构的第一旋转关节上，第一旋转关节具有第一旋转轴线，并且在第一旋转关节的旋转期间横向于第一旋转轴线的运动引起第一2D标尺的相对位置的改变。计量处理部还可以被配置为至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的角定向。第一2D标尺耦合位置可以在活动臂结构的第一臂部上，并且第一臂部的弯曲或扭曲中的至少一个引起第一2D标尺的相对位置的改变。

本文描述的补充计量位置确定系统可以添加到已经包括测量系统(例如，参见图1的框140)的现有机器人，其中在每个机器人旋转关节中包括旋转编码器，该旋转编码器能够提供关于端部工具位置位于机器人臂端部的何处的测量/确定以及在本文中所称的“机器人精度”，为此所包括的编码器有时具有比可能期望的精度有限/更低的精度。本发明旨在提供一种补充计量系统(例如，它可以附到现有的机器人，附加的相机和标尺附到机器人臂)，该补充计量系统可以提供提高的精度来确定机器人端部(即在机器人臂的端部)的端部工具位置。更具体地说，现有机器人中的编码器可能只测量旋转关节的旋转，为此，机器人系统/模型可假设所有关节都完美旋转并且臂保持完全笔直。出于多种原因，情况可能并非如此(例如，臂可能很重从而可能导致臂/关节弯曲/扭曲，放置在臂端部的端部工具可能很重，关节可能不会完美旋转等)，因此在关节运动中可能存在“摆动”或“倾斜”(或横向于预期关节/旋转轴线的其他运动)，或者臂可能有一定程度的弯曲/扭曲等。本发明增加了附接到关节和/或机器人臂的相机和2D标尺，并且2D标尺由相机监控/成像，以便检测通常的旋转运动以及不希望的运动(例如，摆动、倾斜、弯曲、扭曲等)，并且可以将不希望的运动量的确定添加到用于确定机器人端部的端部工具的端部工具位置的计算/模型中，与仅使用机器人的旋转编码器相比，精度更高。在一些实施方式中，此类技术可以实现10微米以上范围内的精度(例如，与某些现有机器人系统的100微米精度相比)。对于某些应用(例如，工件的测量、工件中的精确钻孔、非常小的工件或其他元件的精确操作和放置等)，这种改进的精度可能是特别需要的。

附图说明

图1是包括铰接式机器人和补充计量位置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是与图1的机器人系统类似的机器人系统的第二示例性实施方式的等距图；

图3是机器人系统的一部分的俯视图；

图4是机器人系统的一部分的俯视图；

图5是增量2D标尺的第一示例性实施方式的等距图；

图6是增量2D标尺的第二示例性实施方式的等距图；

图7是绝对2D标尺的示例性实施方式的等距图；

图8是包括铰接式机器人和补充计量位置确定系统的机器人系统的第三示例性实施方式的框图；

图9是与图8的机器人系统类似的包括铰接式机器人的机器人系统的第四示例性实施方式的等轴测图；

图10是机器人系统的一部分的俯视图；

图11是机器人系统的一部分的侧视图；

图12A和图12B是示出用于操作包括铰接式机器人和补充计量位置确定系统的机器人系统的例程的示例性实施方式的流程图；

图13是示出用于确定端部工具位置的例程的示例性实施方式的流程图，其中在移动定时的第一部分期间可以使用机器人的位置传感器，并且在移动定时的第二部分期间可以使用补充计量位置确定系统；

图14是示出操作用于机器人的补充计量位置确定系统的例程的示例性实施方式的流程图；

具体实施方式

图1是包括铰接式机器人110和补充计量位置确定系统150的机器人系统100的第一示例性实施方式的框图。铰接式机器人110包括活动臂结构MAC和机器人运动控制和处理系统140。在图1的示例中，活动臂结构MAC包括第一臂部121和第二臂部122、第一旋转关节131和第二旋转关节132(例如，作为第一运动机构和第二运动机构的一部分而包括在内)、位置传感器SEN1和SEN2，以及端部工具结构ETCN。第一臂部121在第一臂部121的近端PE1处安装到第一旋转关节131。第一旋转关节131(例如，位于支撑基部BSE的上端)的旋转轴线RA1沿z轴方向对齐，这样使得第一臂部121预期在与z轴垂直的x-y平面中在标称上围绕第一旋转关节131移动。第二旋转关节132位于第一臂部121的远端DE1处。第二旋转关节132的旋转轴线RA2标称上沿z轴方向对齐。第二臂部122在第二臂部122的近端PE2处安装到第二旋转关节132，这样使得第二臂部122预期在标称上垂直于z轴的x-y平面中标称上围绕第二旋转关节132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)可用于确定第一臂部121和第二臂部122分别围绕第一旋转关节131和第二旋转关节132的角位置(即，在x-y平面中)。

在各种实施方式中，端部工具结构ETCN可以包括Z运动机构133(例如，作为第三运动机构的一部分而包括在内)、Z臂部ZARM(例如，指定为第三臂部)、位置传感器SEN3以及耦合到端部工具ETL的端部工具耦合部ETCP(例如，作为端部工具安装结构ETMC的一部分而包括在内)。在各种实施方式中，端部工具ETL可以包括端部工具感测部ETSN和具有接触点CP(例如，用于接触工件WP的表面)的端部工具触针ETST。Z运动机构133靠近第二臂部122的远端DE2定位。Z运动机构133(例如，线性致动器)被配置为使Z臂部ZARM在z轴方向上下移动。在一些实施方式中，Z臂部ZARM还可以被配置为围绕平行于z轴方向的轴线旋转。在任何情况下，端部工具ETL都耦合在端部工具连接部ETCP处，并且具有相应坐标(例如，x、y和z坐标)的相应端部工具位置ETP。在各种实施方式中，端部工具位置ETP可以对应于或靠近Z臂部ZARM的远端DE3(例如，位于或靠近端部工具耦合部ETCP处)。

机器人的运动控制系统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通常被配置为至少部分地基于使用位置传感器SEN1和SEN2感测和控制第一臂部121和第二臂部122分别围绕第一旋转关节131和第二旋转关节132的角位置(即，在x-y平面中)，以机器人精度控制端部工具位置ETP的坐标。在各种实施方式中，运动控制和处理系统140可以包括第一旋转关节控制和感测部141和第二旋转关节控制和感测部142，它们可以分别从位置传感器SEN1和SEN2接收信号以感测第一臂部121和第二臂部122的角位置，和/或可以在第一旋转关节131和第二旋转关节132中提供控制信号(例如，给马达等)以旋转第一臂部121和第二臂部122。

通常，机器人精度与关于机器人运动的某些假设有关(例如，可能与模型例如运动学和/或几何模型等，和/或用于确定端部工具位置的对应计算有关)。例如，根据机器人精度，端部工具位置的确定通常可以基于第一臂部121和第二臂部122(假设它们是水平和笔直的并且不弯曲或扭曲)的已知长度以及围绕第一旋转关节131和第二旋转关节132的旋转(假设它们是精确的)，其中围绕每个旋转关节的每个相应旋转轴线进行居中旋转运动。然而，在某些情况下，某些臂部可能弯曲或扭曲，和/或某个旋转关节运动可能横向于相应的旋转轴线。例如，在第一臂部121和第二臂部122的远端DE1和DE2处可能分别存在竖直位移或下垂(例如，由于臂部的重量和/或不同取向，和/或端部工具结构等)，和/或在围绕第一旋转关节131和/或第二旋转关节132旋转期间可能存在不希望的运动(例如，横向于相应旋转轴线的运动)。如下文将更详细地描述的，根据本文公开的原理，通过利用能够确定、测量和/或以其他方式解释这种不希望的运动(例如，臂部的弯曲或扭曲、横向于旋转轴线的旋转关节运动等)的补充计量位置确定系统，可以实现确定端部工具位置或其他机器人运动/定位的更高精度。应当理解，对于某些应用(例如，对于机器人的测量和控制操作，例如工件的测量、在工件中精确钻孔等)，甚至精度上的微小改进也可能是非常希望的。

机器人的运动控制系统140通常还被配置为至少部分地基于使用Z运动机构133和位置传感器SEN3感测和控制Z臂部ZARM的线性位置(即，沿z轴)，以机器人精度控制端部工具位置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臂运动机构控制和感测部143，其可以从位置传感器SEN3接收信号以感测Z臂部ZARM的线性位置，和/或可以向Z运动机构133(例如，线性致动器)提供控制信号以控制Z臂部ZARM的z位置。如下文将更详细地描述的，在一些实施方式中，补充计量位置确定系统150可以包括对应的位置传感器163，其可以提供类似的信息并且可以与位置传感器SEN3类似地操作(例如，或者可以不同地操作并且/或者可以是比位置传感器SEN3精度更高的传感器)。在一些实施方式中，补充计量位置确定系统150可以不包括对应的位置传感器163，而是可以利用来自位置传感器SEN3的发送到补充计量位置确定系统150的感测数据。在一些实施方式中，补充计量位置确定系统150可以向运动控制和处理系统140提供其他感测到的位置信息(例如，关于臂部121和122和/或旋转关节131和132的相对位置)以更精确地确定端部工具位置。

运动控制和处理系统140和/或补充计量位置确定系统150还可从端部工具感测部ETSN接收信号。在各种实施方式中，端部工具感测部ETSN可以包括与用于感测工件WP的端部工具ETL的操作有关的电路和/或配置。如下文将更详细描述的，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上的表面位置/位置/点，其各种对应信号可由端部工具感测部ETSN接收、确定和/或处理，端部工具感测部可向运动控制和处理系统140和/或补充计量位置确定系统150提供对应信号。在各种实施方式中，运动控制和处理系统140和/或补充计量位置确定系统150可以包括端部工具控制和感测部144，其可以向端部工具感测部ETSN提供控制信号和/或从其接收感测信号。在各种实施方式中，端部工具控制和感测部144和端部工具感测部ETSN可以合并和/或不可区分。在各种实施方式中，第一旋转关节控制和感测部141和第二旋转关节控制和感测部142、Z运动机构控制和感测部143以及端部工具控制和感测部144都可以向机器人位置处理部145提供输出和/或从其接收控制信号，机器人位置处理部可以控制和/或确定铰接式机器人110的整体定位和对应的端部工具位置ETP，作为机器人运动控制和处理系统140的一部分。在各种实施方式中，铰接式机器人110可以具有指定的可操作工作容积OPV，其也可以或替代地被指定为端部工具工作容积ETWV，其中端部工具的至少一部分(例如，接触点CP)可以移动(例如，用于测量/检查工件等)。

在图1的配置中，机器人110被配置为使活动臂结构MAC移动，以使安装到端部工具安装结构ETMC的端部工具ETL的至少一部分在端部工具工作容积ETWV中沿至少两个维度移动。运动控制系统140被配置为至少部分地基于感测和控制活动臂结构MAC的位置(例如，使用包括在机器人中的一个或多个位置传感器110)，以定义为机器人精度的精度水平控制端部工具位置ETP。

在各种实施方式中，补充计量位置确定系统150可以包括在铰接式机器人110中或以其他方式添加到铰接式机器人(例如，作为用于添加到现有铰接式机器人110等的改装结构的一部分)。一般来说，补充计量位置确定系统150可用于为确定端部工具位置ETP提供改进的精度水平。更具体地，如下文将更详细地描述的，补充计量位置确定系统150可用于确定相对位置，该相对位置以优于机器人精度的精度水平指示并可用于确定端部工具位置ETP的计量位置坐标。

如图1所示，补充计量位置确定系统150可以包括相机161A、161B、162A、162B、传感器163、标尺171A、171B、172A、172B和计量位置坐标处理部190。如图1和图2所示(即，下面将更详细地描述图2的配置)，相机/标尺被布置为四个相机/标尺组，包括相机161A、161B、162A和162B，每个相机朝向对应的标尺171A、171B、172A和172B。标尺171A和172A位于机器人110的旋转关节上，标尺171B和172B位于机器人110的臂部上。相机161A、161B、162A和162B以及标尺171A、171B、172A和172B中的每一个在相应的耦合位置CL1-CL8处耦合到机器人110。更具体地，相机161A耦合到安装支架BK1A，安装支架在相机耦合位置CL1处耦合到支撑基部BSE。标尺171A在对应于第一旋转关节131的旋转轴线RA1的2D标尺耦合位置CL2处耦合到第一旋转关节131。相机161B在相机耦合位置CL3处耦合到第一臂部121。标尺171B在靠近第二旋转关节132的2D标尺耦合位置CL4处耦合到第一臂部121。相机162A耦合到安装支架BK2A，安装支架在相机耦合位置CL5处耦合到第一臂部121。标尺172A在对应于第二旋转关节132的旋转轴线RA2的2D标尺耦合位置CL6处耦合到第二旋转关节132。相机162B在相机耦合位置CL7处耦合到第二臂部122。标尺172B在靠近Z臂部ZARM的2D标尺耦合位置CL8处耦合到第二臂部122。在各种实施方式中，可以利用一个或多个耦合部件、元件、机构和/或技术(例如，紧固元件、螺栓、夹子、粘合剂等)来实现各种部件中的每一个的耦合。

如图1和图2所示(即，下面将更详细地描述图2的配置)，在各种实施方式中，相机161A限定参考位置REF1并且相机161A的光轴OA1A与第一旋转关节131的旋转轴线RA1对齐。并且标尺171A的特征可由相机161A成像。相机161B限定参考位置REF2并且相机161B的光轴OA1B与标尺171B的一部分(例如，中心部分)对齐，并且标尺171B的特征可由相机161B成像。相机162A限定参考位置REF3并且相机162A的光轴OA2A与第二旋转关节132的旋转轴线RA2对齐，并且标尺172A的特征可由相机162A成像。相机162B限定参考位置REF4并且相机162B的光轴OA2B与标尺172B的一部分(例如，中心部分)对齐，并且标尺172B的特征可由相机162B成像。

四个相机161A、161B、162A和162B中的每一个由相应的成像配置控制和处理部(ICCPP)181A、181B、182A和182B控制并向其提供图像信号。在一些情况下，触发部187可以协调所有相机161A、161B、162A和162B的触发以同时获得图像(例如，对应于机器人110在特定时刻的位置，用于确定此时机器人110端部的端部工具位置)。在包括位置传感器163(例如，用于感测Z臂部ZARM的位置)的实施方式中，该传感器可以由感测配置控制和处理部(SCCPP)183控制并向其提供位置信号，在一些实施方式中，其位置数据的收集和/或记录可以由来自触发部187的信号触发。

在各种实施方式中，2D标尺171A、171B、172A和172B中的每一个包括标称上平坦的基底SUB和分布在基底SUB上的多个相应的可成像特征。相应的可成像特征位于每个2D标尺上相应的已知局部x和y标尺坐标处。在各种实施方式中，每个2D标尺可以是增量或绝对标尺，如下文将关于图5至图7更详细地描述。

在各种实施方式中，触发部187和/或计量位置坐标处理部190可以作为外部控制系统ECS的一部分(例如，作为外部计算机的一部分等)而包括在内。触发部187可以作为成像和感测配置控制和处理部180的一部分而包括在内。在各种实施方式中，触发部187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且基于该至少一个输入信号确定第一触发信号的定时，并且输出第一触发信号到相机161A、161B、162A和162B以及位置传感器163。在各种实施方式中，相机161A、161B、162A和162B中的每一个被配置为响应于接收到第一触发信号在图像采集时间分别采集对应的2D标尺171A、171B、172A和172B的数字图像。在各种实施方式中，计量位置坐标处理部190被配置为输入采集的图像并且识别包括在2D标尺的每个采集的图像中的至少一个相应的可成像特征以及有关的相应已知2D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147和补充计量位置坐标模式部192，以实现对应的模式，这将在下文更详细地描述。

在各种实施方式中，每个成像配置控制和处理部181A、181B、182A和182B可以包括周期性地(例如，以设定的定时间隔)激活对应相机161A、161B、162A和162B的图像整合的组件(例如，子电路、例程等)，为此第一触发信号可以激活频闪灯定时(例如，每个相机161A、161B、162A和162B可以包括频闪灯)或其他机制以有效地冻结运动并相应地确定整合期内的曝光。在这样的实施方式中，如果在整合期没有接收到第一触发信号，则可以丢弃所得图像，其中如果在整合期接收到第一触发信号，则可以保存所得图像和/或以其他方式处理/分析所得图像以确定相对位置，这将在下文更详细地描述。

在各种实施方式中，不同类型的端部工具ETL可以提供不同类型的输出，这些输出可以相对于触发部187使用。例如，在端部工具ETL为用于测量工件并在其接触工件时输出接触信号的接触式探针的实施方式中，触发部187可被配置为输入该接触信号或由该接触信号得出的信号，作为确定第一触发信号的定时所基于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对应于相应采样定时信号的相应工件测量采样数据的扫描探针的实施方式中，触发部187可以被配置为输入该相应采样定时信号或由该采样定时信号得出的信号，作为至少一个输入信号。作为另一示例，在端部工具ETL为用于提供对应于相应工件图像采集信号的相应工件测量图像的相机的实施方式中，触发部187可以被配置为输入该工件图像采集信号或由该工件图像采集信号得出的信号，作为至少一个输入信号。

在图1的示例性实施方式中，补充计量位置确定系统150被配置为使得计量位置坐标处理部190可操作以确定每个2D标尺171A、171B、172A和172B与相应相机161A、161B、162A和162B的相应参考位置REF1、REF2、REF3、REF4之间的相对位置(例如，包括局部x和y标尺坐标，其可以指示标尺方位、位置等)(例如，基于确定在每个采集的图像中识别出的至少一个相应的可成像特征的图像位置)。所确定的相对位置可用于以优于机器人精度的精度水平确定在图像采集时间的端部工具位置ETP的计量位置坐标。在各种实施方式中，补充计量位置确定系统150可以被配置为至少部分地基于所确定的相对位置确定在图像采集时间的端部工具位置ETP的计量位置坐标。

如上所述，机器人精度可与模型(例如，运动学、几何等模型)和/或用于确定端部工具位置的对应计算或其他过程有关。根据这样的机器人过程，端部工具位置的确定通常可以基于第一臂部121和第二臂部122(假设它们是水平和笔直的并且不弯曲或扭曲)的已知长度，以及围绕第一旋转关节131和第二旋转关节132的旋转(假设是精确的)，其中围绕每个旋转关节的每个相应旋转轴线进行居中旋转运动。当存在不希望的运动(例如，臂部的弯曲或扭曲、横向于相应旋转轴线的旋转关节运动等)时，机器人对端部工具位置的确定可能不精确。根据本文公开的原理，通过利用能够确定、测量和/或以其他方式解释这种不希望的运动(例如，臂部的弯曲或扭转、横向于旋转轴线的旋转关节运动等)的补充计量位置确定系统150，可以实现确定端部工具位置和/或其他机器人运动/定位的更高精度。例如，关于由机器人系统假设的示例运动学和/或几何模型(例如，具有指定长度和完美旋转的直线机器人臂)，通过确定/添加额外的测量信息到这样的模型，可以确定更精确的位置信息。例如，不是假设第一臂部121和第二臂部122中的每一个都是直的，而是相应的相机/标尺组合161B/171B(对于第一臂部121)和162B/172B(对于第二臂部122)可以提供代表臂部121和122的任何弯曲、扭曲等的位置信息/测量值。类似地，不是假设围绕每个旋转关节131和132的旋转运动是完美的，而是相应的相机/标尺组合161A/171A(对于第一旋转关节131)和162A/172A(对于第二旋转关节132)可以提供代表横向于相应旋转轴线的任何旋转关节运动的位置信息/测量值(以及提供以高精度指示相应2D标尺的更标准角定向的位置信息/测量值)。通过包括这样的信息(例如，作为运动学和/或几何模型、计算等的一部分)来确定机器人臂的位置和/或端部工具位置MAC(例如，在活动臂结构的远端处)等，可以实现更高水平的精度。

在某些实施方式中，补充计量位置确定系统150可以相对独立地(例如，与机器人处理部145独立地)操作用于更高精度的确定(例如，端部工具位置等的确定)。在其他实施方式中，补充计量位置确定系统150可以结合(例如，与机器人处理部145和/或机器人和/或其他系统的控制和感测部或其他部分相结合)操作以实现更高精度的确定。例如，补充计量位置确定系统150可以从机器人系统(例如，从机器人位置处理部或控制和感测部或其他)接收某种信息，用于组合、补充和/或添加到确定的位置信息(例如，用于确定端部工具位置等)。作为另一示例，补充计量位置确定系统150可以向机器人系统或可以组合来自机器人和补充系统的特定位置信息的其他系统提供某种信息，用于组合、补充和/或添加到确定的位置信息(例如，用于确定端部工具位置等)。

应当理解，这样的系统可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，诸如本文公开的系统可以比使用诸如激光跟踪器或摄影测量法等技术来跟踪机器人运动/位置的替代系统更小和/或更便宜，并且在一些实施方式中还可以具有更高的精度。所公开的系统也不占用或遮蔽可操作工作容积OPV的任何部分，例如可在地面或工作台上或在可对工件进行操作或检查的相同区域(例如，可操作工作容积)中包括标尺或基准的替代系统。此外，在各种实施方式中，通过将所有相机和标尺耦合到机器人(例如，包括耦合到活动臂结构的移动部，例如臂部和旋转关节)，不需要为相机或标尺提供机器人环境中的外部结构或外部耦合。

图2是与图1的机器人系统100基本上类似的机器人系统200的第二示例性实施方式的等距图。应当理解，图2的某些编号组件(例如，1XX或2XX)可以对应于图1的相同或类似编号的对应组件(例如，1XX)和/或具有与之类似的操作，并且可以理解为与对应组件相似或相同，并且可以通过其他方式以类推的方式理解，另外如下文所述。指示具有类似和/或相同设计和/或功能的元件的这种编号方案也适用于以下描述的其他图。

在图2的配置(即，类似于图1的配置)中，补充计量位置确定系统150包括相机161A、161B、162A和162B，每个相机朝向对应的标尺171A、171B、172A和172B，并且每个相机附接到相应的臂部121和122、旋转关节131和132等。在各种实施方式中，可以指定不同的参考轴线和线来参考铰接式机器人的各部件的某些运动、坐标和角度。例如，第一臂部121和第二臂部122可以各自分别具有指定的标称上水平的中心线CT1和CT2，中心线向下通过相应臂部的中心。

在各种实施方式中，端部工具结构ETCN可以在靠近第二臂部122的远端DE2处耦合到第二臂部122，并且可以被指定为具有标称上与第二臂部122的中心线CT2相交的端部工具ETL的端部工具轴线EA。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可具有可被指定为具有坐标X3，Y3，Z3的接触点CP(例如，在端部工具触针ETST的用于接触工件的端部)。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坐标在某些情况下可以分别在标称上等于X2和Y2坐标。应当理解，在可以确定臂部121和122的弯曲或扭曲(即，根据本文公开的原理)的情况下，所得模型(例如，运动学、几何等模型)可以指示与X2和Y2坐标不同的X3和Y3坐标。例如，弯曲或扭曲的臂部可能导致端部工具ETL的对应倾斜等，其弯曲/扭曲量的测量/确定包括在模型中，以确定坐标X3和Y3相对于坐标X2和Y2等的更精确指示。

在一个具体示例性实施方式中，相应相机161A、161B、162A和162B的每个采集的图像可以由计量位置坐标处理部190分析以确定相对位置(例如，对应于相应标尺171A、171B、172A和172B的位置、取向等)。可以根据标准相机/标尺图像处理技术来做出这样的确定(例如，用于确定相机相对于标尺的位置、取向等)。在美国专利号6,781,694、6,937,349、5,798,947、6,222,940和6,640,008中描述了此类技术的各种示例，每个专利在此通过引用整体并入本文。在各种实施方式中，此类技术可用于确定标尺范围内(例如，在每个2D标尺171A、171B、172A和172B内)的视场的位置(例如，对应于相机的位置)，如下文将关于图5至图7更详细地描述。在各种实施方式中，这样的确定可以包括识别包括在相应2D标尺的采集图像中的至少一个相应可成像特征以及有关的相应已知2D标尺坐标位置。这种确定可以对应于确定相应的2D标尺171A、171B、172A和172B与对应的参考位置REF1、REF2、REF3和REF4之间的相对位置(例如，对应于和/或指示对应相机161A、161B、162A和162B的位置)。

图3是类似于图1和图2所示的机器人系统的一部分的俯视图。更具体地，图3示出了第一臂部121和第二臂部122、第一旋转关节131和第二旋转关节132以及标尺171A和172A的俯视图。标尺171A耦合在第一旋转关节131上的2D标尺耦合位置，标尺172A耦合在第二旋转关节132上的2D标尺耦合位置。在旋转关节131的旋转期间横向于旋转轴线RA1的运动引起标尺171A的相对位置的改变(例如，在局部相机坐标系的x轴和/或y轴方向)，并且在旋转关节132的旋转期间横向于旋转轴线RA2的运动引起标尺172A的相对位置的改变(例如，在局部相机坐标系的x轴和/或y轴方向)。如上所述，相机161A和162A被定位成使得它们能够分别获得标尺171A和172A的图像。基于这些图像，计量位置坐标处理部190确定标尺171A和172A的相应角定向，并且还确定标尺171A和172A的相对位置(例如，就局部相机坐标系的x轴和y轴坐标而言，其可以参考如上所述可由相机限定的参考位置REF)，计量位置坐标处理部190使用相对位置来检测横向于相应旋转轴线RA1和RA2的可能的不希望的运动。在各种实施方式中，计量位置坐标处理部190可以利用标尺171A和172A的确定的相对位置来检测第一旋转关节131和第二旋转关节132的所谓“摆动”、“倾斜”或其他运动，常规机器人编码器通常不会检测或解释这些“摆动”、“倾斜”或其他运动，因此会导致与确定机器人臂端部的端部工具位置有关的测量误差。

在各种实施方式中，补充计量位置确定系统150是“独立的”，因为它不从第一旋转关节131和第二旋转关节132的机器人编码器获得旋转信息。相反，补充计量位置确定系统150获得标尺171A和172A的图像，并确定第一旋转关节131和第二旋转关节132的旋转信息(例如，角定向)。补充计量位置确定系统150还确定第一旋转关节131和第二旋转关节132的相对位置/位移。在各种实施方式中由补充计量位置确定系统150确定的第一旋转关节131和第二旋转关节132的旋转信息(例如，角定向)通常可以比这些旋转关节中包含的机器人编码器确定的第一旋转关节131和第二旋转关节132的角定向更精确。

图4是类似于图1和图2所示的机器人系统的一部分的侧视图。更具体地，图4示出了第一臂部121、相机161B和标尺171B的侧视图。尽管未在图4中示出，但标尺171B定位在耦合到第二臂部122(例如，参见图2)的第二旋转关节132附近。第一臂部121、第二臂部122和/或耦合到第二臂部122的端部工具和/或其他元件可以足够重而引起第一臂部121的弯曲或扭曲，如图4中的虚线所示。这种弯曲或扭曲可引起标尺171B的相对位置发生改变，其中标尺171B的下部从预期位置P1移动到弯曲位置P2。可以根据标尺171B相对于相机161B的移动来检测/测量对应的移动/位置改变量D12。更具体地，当臂121如图所示弯曲时，相机161B的视场将显示标尺171B的不同部分(例如，在所示取向上更靠近标尺171B的顶部)，为此可以分析该图像来确定标尺171B的位置和第一臂部121的对应弯曲量(例如，至少部分地基于标尺的一个或多个可成像特征在不同图像中的不同位置的确定等)。

图5是增量2D标尺171/172的示例性实施方式的图，图6是增量2D标尺171'/172'的示例性实施方式的等距图，并且图7是绝对2D标尺171”/172”的示例性实施方式。在各种实施方式中，2D标尺171/172、171'/172'或171”/172”中的任何一个可用于或以其他方式代表图1和图2的2D标尺171A、171B、172A和172B中的任何一个和/或图8和图9的2D标尺871A、871B、872A、872B、873A、873B和874A中的任何一个，这将在下文更详细地描述。

如图5所示，增量2D标尺171/172包括分布在平面基底SUB上的均匀间隔的增量可成像特征IIF的阵列。在各种实施方式中，增量2D标尺171/172可以具有指定的周期性(例如，小于100微米，为此沿着相应的x轴和y轴的增量可成像特征IIF之间的周期性间距可以各自小于100微米，如下文将关于图6的示例更详细地描述)。在一个具体示例性实施方式中，2D标尺171/172可以被指定为在标尺坐标X0，Y0，Z0处具有参考位置(例如，原点位置)，如下面还将关于图6的示例更详细地描述。

图6是增量2D标尺171'/172'的示例性实施方式的等距图。如图6所示，增量2D标尺171'/172'包括分布在平面基底SUB'上的均匀间隔的增量可成像特征IIF的阵列。在各种实施方式中，增量2D标尺171'/172'可以具有小于100微米的周期性(例如，为此沿相应的x轴和y轴的增量可成像特征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，使用增量2D标尺171'/172'确定的位置信息可以具有至少10微米的精度。与在某些实施方式中可约为100微米的机器人精度相比，使用这样的2D标尺确定的精度可以至少是机器人精度的10倍。在一个特定的示例性实施方式中，增量2D标尺171'/172'可以具有约为10微米的甚至更高的周期性，为此，如果相应相机的放大率约为1倍，并且以10倍的系数执行插值，则可以实现约为1微米的精度。

在各种实施方式中，增量2D标尺171'/172'内的相应相机(例如，相机161A、161B等)的视场FOV的位置可以提供2D标尺171'/172'与对应参考位置(例如，参考位置REF1、REF2等)之间的相对位置的指示。在各种实施方式中，可以结合增量2D标尺171'/172'使用相应的相机(例如，相机161A、161B等)作为相机/标尺图像处理结构的一部分。例如，计量位置坐标处理部190可以基于增量2D标尺171'/172'内的视场FOV的位置确定2D标尺171'/172'与对应参考位置(例如，对应于和/或指示对应相机161A的位置的参考位置REF1)之间的相对增量位置，该视场的位置如所采集的图像中的2D标尺171'/172'的该部分和取向所指示(例如，根据一个或多个可成像特征IFF的位置和取向)(例如，所采集的图像可以指示2D标尺171'/172'相对于相应相机和参考位置的位置、取向等)，并且对于相机/标尺图像处理技术在本领域是已知的(例如，如在前面并入的参考文献中所描述的)。在各种实施方式中，增量2D标尺171'/172'可以具有相对于视场FOV的各种尺寸(例如，增量2D标尺171'/172'可以大于FOV，使得当2D标尺相对于相应的相机移动时，捕获的图像仍将被2D标尺的一部分填充，为此该2D标尺可以至少为视场FOV的2倍、4倍等)。

在各种实施方式中，由2D标尺171'/172'指示的增量位置可以与来自其他2D标尺、其他传感器和/或铰接式机器人110的位置信息组合以确定(例如，端部工具的)相对精确和/或绝对位置。例如，铰接式机器人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2D标尺171'/172'(例如，2D标尺171A、171B、172A和172B)指示的增量位置可用于确定和/或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。在一种这样的配置中，计量位置坐标处理部190可以被配置为识别包括在每个2D标尺171'/172'的每个采集的图像中的一个或多个相应可成像特征IIF并且确定所采集的图像中的一个或多个可成像特征IFF的图像位置。

如上文关于图2所描述的，在一个具体示例性实施方式中，2D标尺171'/172'可以根据局部标尺坐标系(例如，可与对应的局部相机坐标系有关，并且可与机器人坐标系形成对比，尽管为此可在各种坐标系之间进行转换)被指定为在X0，Y0，Z0处具有参考位置(例如，原点位置)(例如，对于原点位置可以具有值0，0，0)。在这样的配置中，参考位置(例如，参考位置REF1)可以在X1，Y1，Z1的相对坐标处，并且对应视场FOV(例如，如在采集的图像中捕获的)的中心可以在X1，Y1，Z0的相对坐标处。在各种实施方式中，在标尺坐标系中，2D标尺上的所有坐标的Z位置可以为Z0，而对应的参考位置(例如，可以对应和/或指示相机161A的位置的参考位置REF1)可以相对于2D标尺具有不同的相对Z位置，对应的Z位置为Z1。在各种实施方式中，坐标X1，Y1处的视场FOV的中心可以沿着相应相机(例如，相机161A)的光轴(例如，光轴OA1)，在一些配置中可以假设该光轴在标称上垂直于2D标尺，为此参考位置REF1也可以沿着光轴，因此具有与视场FOV的中心相同的XY坐标X1，Y1。

在操作中，可由计量位置坐标处理部190分析所采集的图像以确定对应于相应相机的视场FOV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，以确定标尺范围内(例如，2D标尺171'/172'内)的视场的位置(例如，对应于相机位置)。应当理解，根据标准相机/标尺图像处理技术，进行这样的确定不需要参考位置/原点位置X0，Y0，Z0位于视场FOV中(即，相对位置可以根据沿着2D标尺171'/172'的任何位置处的标尺信息(如部分地由包括均匀间隔的增量可成像特征IIF的标尺元素提供的标尺信息)来确定。在各种实施方式中，这样的确定可以包括识别2D标尺的采集图像中包括的至少一个相应的可成像特征以及有关的相应已知2D标尺坐标位置。这种确定可以对应于确定2D标尺171'/172'相对于对应参考位置(例如，参考位置REF1、REF2等)的相对位置。

如上所述，一旦确定了每个2D标尺的相对位置，这种信息就可以用于其他位置确定和/或控制过程(例如，用于确定和/或控制端部工具位置ETP等)。如上所述，在一些实施方式中，每个2D标尺的相对位置最初可以根据局部坐标系(例如，标尺和/或相机坐标系等)来表达/确定，然后可以被转换或以其他方式参考机器人坐标系进行处理。可以根据机器人坐标系和/或其他坐标系来确定和/或控制端部工具位置ETP。

图7是绝对2D标尺171”/172”的示例性实施方式的等距图。在图7的示例中，类似于增量2D标尺171'/172'，绝对2D标尺171”/172”包括均匀间隔的增量可成像特征IIF的阵列，并且还包括一组具有唯一可识别图案(例如，16位模式)的绝对可成像特征AIF。在操作中，绝对2D标尺171”/172”内的视场FOV的位置(即，包括在捕获的图像中)提供了2D标尺171”/172”与对应的参考位置(例如，对应于和/或指示对应相机161A的位置的参考位置REF1)之间的绝对位置的指示。在图7的实施方式中，该组绝对可成像特征AIF以这样的方式分布在基底SUB上：使得它们间隔开的间距(例如，以间距XSP2和YSP2隔开)小于与跨对应相机的视场FOV的距离对应的距离(即，从而至少一个绝对可成像特征AIF将始终包含在视场中)。在操作中，计量位置坐标处理部190被配置为基于相应绝对可成像特征AIF的唯一可识别图案识别包括在2D标尺171”/172”的采集图像中的至少一个相应绝对可成像特征AIF，作为用于确定2D标尺171”/172”的绝对相对位置的过程的一部分(例如，可以对应于或以其他方式指示2D标尺171”/172”的与相应相机和参考位置等有关的位置、取向等)。

利用绝对可成像特征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7所示，所采集的图像可以指示视场FOV的中心位于多个增量可成像特征IIF的中间。来自所包括的两个绝对可成像特征AIF的位置信息指示图像包括2D标尺171”/172”的哪个部分，为此也可以识别2D标尺的所包括的增量可成像特征IIF。因此，可由计量位置坐标处理部190分析采集的图像以精确地确定视场的中心(即，在坐标X1，Y1，Z0处)出现在2D标尺的该部分(即，其包括两个绝对可成像特征AIF和增量可成像特征IIF)的哪个位置。

图8是包括机器人810和补充计量位置确定系统850的机器人系统800的第三示例性实施方式的框图。机器人810(例如，铰接式机器人)包括活动臂结构MAC'和机器人运动控制和处理系统840。补充计量位置确定系统850可以至少包括相机862A、862B、863A、863B和864A、标尺872A、872B、873A、873B和874A以及计量位置坐标处理部890。

在图8的示例中，活动臂结构MAC'包括下基座部BSE'、臂部821-825、运动机构831-835、位置传感器SEN1'-SEN5'以及端部工具安装结构ETMC'。如下文将更详细地描述并且如图9中进一步示出的，臂部821-825中的每一个可以具有相应的近端PE1-PE5和相应的远端DE1-DE5。在各种实施方式中，臂部821-825中的一些或全部可在相应臂部821-825的相应近端PE1-PE5处安装到相应运动机构831-835。在图8的示例中，运动机构831-835中的一些或全部(例如，旋转关节和/或具有相应马达的线性致动器等)可以实现相应臂部821-825的运动(例如，旋转、线性运动等)(例如，围绕或沿着相应旋转轴线RA1'-RA5'等)。在各种实施方式中，位置传感器SEN1'-SEN5'(例如，旋转编码器、线性编码器等)可以用于确定相应臂部821-825的位置(例如，角定向、线性位置等)。

在各种实施方式中，活动臂结构MAC'可以具有被指定为末端部的部分(例如，第五臂部825)。在图8的示例配置中，端部工具安装结构ETMC'位于第五臂部825(例如，指定为末端部)的远端DE5附近(例如，位于此处)，该远端对应于活动臂结构MAC'的远端。在各种替代实施方式中，活动臂结构的末端部可以为不是臂部的元件(例如，可旋转元件等)，但为此末端部的至少一部分对应于端部工具安装结构ETMC'所在的活动臂结构臂的远端。

在各种实施方式中，端部工具安装结构ETMC'可以包括用于将端部工具ETL耦合和保持在活动臂结构MAC'的远端附近的各种元件。例如，在各种实施方式中，端部工具安装结构ETMC'可以包括自动接合连接件、磁耦合部和/或本领域已知的用于将端部工具ETL安装到对应元件的其他耦合元件。端部工具安装结构ETMC'还可包括用于向端部工具ETL的至少一部分提供电源和/或向其发送和从其接收信号(例如，向端部工具感测部ETSN发送信号和从其接收信号)的电气连接(例如，电源连接、一个或多个信号线等)。

在各种实施方式中，端部工具ETL可以包括端部工具感测部ETSN和具有接触点CP(例如，用于接触工件WP的表面)的端部工具触针ETST。第五运动机构835位于第四臂部824的远端DE4附近。在各种实施方式中，第五运动机构835(例如，具有对应马达的旋转关节)可以被配置为围绕旋转轴线RA5'旋转第五臂部825。在一些实施方式中，第五运动机构835还可以或替代地包括不同类型的运动机构(例如，线性致动器)，其被配置为线性地(例如，向上和向下)移动第五臂部825。在任何情况下，端部工具ETL安装到(例如，耦合到)端部工具安装结构ETMC'，并且具有对应计量位置坐标(例如机器人坐标系的x、y和z坐标))的对应端部工具位置ETP'。在各种实施方式中，端部工具位置ETP'可以对应于或靠近端部工具安装结构ETMC'的位置(例如，位于或靠近第五臂部825的远端DE5，该远端可以对应于活动臂结构MAC'的远端)。

运动控制系统840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840通常被配置为至少部分地基于利用运动机构831-835和位置传感器SEN1'-SEN5'来感测和控制臂部821-825的位置，以机器人精度控制端部工具位置ETP'的计量位置坐标(例如，x、y和z坐标)。在各种实施方式中，运动控制和处理系统840可以包括运动机构控制和感测部841-845，其可以分别从相应位置传感器SEN1'-SEN5'接收信号以感测相应臂部821-825的位置(例如，角位置、线性位置)，和/或可以向相应运动机构831-835(例如，包括旋转关节、线性致动器、马达等)提供控制信号以移动相应臂部821-825。

运动控制和处理系统840和/或补充计量位置确定系统850还可从端部工具感测部ETSN接收信号。在各种实施方式中，端部工具感测部ETSN可以包括与用于感测工件WP的端部工具ETL的操作有关的电路和/或配置。如下文将更详细描述的，在各种实施方式中，端工具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上的表面位置/位置/点，其各种对应信号可由端部工具感测部ETSN接收、确定和/或处理，端部工具感测部可向运动控制和处理系统840和/或补充计量位置确定系统850提供对应信号。在各种实施方式中，运动控制和处理系统840和/或补充计量位置确定系统850可以包括端部工具控制和感测部846，其可以向端部工具感测部ETSN提供控制信号和/或从其接收感测信号。在各种实施方式中，端部工具控制和感测部846和端部工具感测部ETSN可以合并和/或不可区分。在各种实施方式中，运动机构控制和感测部841-845和端部工具控制和感测部846都可以向机器人位置处理部847提供输出和/或从其接收控制信号，机器人位置处理部可以控制和/或确定机器人810的活动臂结构MAC'的整体定位以及对应的端部工具位置ETP'，作为机器人运动控制和处理系统840的一部分。

在各种实施方式中，补充计量位置确定系统850可以包括在机器人810中或以其他方式添加到机器人(例如，作为用于添加到现有机器人810等的改装结构的一部分等，为此在各种实施方式中，机器人可以是铰接式机器人、SCARA机器人、直角坐标机器人、圆柱机器人、球形机器人等)。一般来说，补充计量位置确定系统850可用于为确定端部工具位置ETP'提供改进的精度水平。更具体地，如下文将更详细地描述的，补充计量位置确定系统850可用于以优于机器人精度的精度水平确定指示端部工具位置ETP'的计量位置坐标。

如图8所示，补充计量位置确定系统850包括五个相机/标尺组，包括相机862A、862B、863A、863B和864A，每个相机朝向对应的标尺872A、872B、873A、873B和874A。标尺872A、873A和874A位于机器人的旋转关节上(例如，每个标尺位于对应于相应旋转关节的旋转轴线的耦合位置处)，并且标尺872B和873B位于机器人的臂部上。更具体地，标尺872A在第一2D标尺耦合位置处耦合到第二运动机构832的旋转关节，标尺872B在第二2D标尺耦合位置处耦合到第二臂部822，标尺873A在第三2D标尺耦合位置处耦合到第三运动机构833的旋转关节，标尺873B在第四2D标尺耦合位置处耦合到第三臂部823，标尺874A在第五2D标尺耦合位置处耦合到第四运动机构834的旋转关节。五个相机862A、862B、863A、863B和864A中的每一个由相应的成像配置控制和处理部(ICCPP)882A、882B、883A、883B和884A控制并向其提供图像信号。在一些情况下，触发部887可以协调所有相机的触发以同时获得图像(例如，对应于机器人在特定时刻的位置，用于确定此时机器人端部的端部工具位置)。

在各种实施方式中，端部工具工作容积ETWV'由端部工具ETL的至少一部分可以在其中移动的容积组成。在图8的示例中，端部工具工作容积ETWV'被图示为包括在检查工件时端部工具ETL的接触点CP可以在其中移动的容积。在各种实施方式中，机器人810被配置为使活动臂结构MAC'移动，以使安装到端部工具安装结构ETMC'的端部工具ETL(例如，接触点CP)的至少一部分端部工具工作容积ETWV'中沿着至少两个维度(例如，x和y维度)移动。在图8的示例中，端部工具ETL的该部分(例如，接触点CP)可由机器人810沿三个维度(例如，x、y和z维度)移动。

在各种实施方式中，如上文关于图5至图7所述，2D标尺872A、872B、873A、873B和874A中的每一个可包括标称平面基底SUB和分布在基底SUB上的多个相应的可成像特征。如本文所用，术语“标称上”包括落入可接受容差内的一个或多个参数的变化。相应的可成像特征位于每个2D标尺上相应的已知局部x和y标尺坐标处。在各种实施方式中，每个2D标尺可以是增量或绝对标尺。

在各种实施方式中，成像和感测配置控制和处理部880、触发部887和/或计量位置坐标处理部890可以作为外部控制系统ECS'的一部分(例如，作为外部计算机等的一部分)而包括在内。触发部887可以作为成像和感测配置控制和处理部880的一部分而包括在内。在各种实施方式中，触发部887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且基于该至少一个输入信号确定第一触发信号的定时，并且输出第一触发信号到相机862A、862B、863A、863B和864A。在各种实施方式中，相机862A、862B、863A、863B和864A中的每一个被配置为响应于接收到第一触发信号在图像采集时间采集对应的2D标尺872A、872B、873A、873B和874A的数字图像。在各种实施方式中，计量位置坐标处理部890被配置为输入所采集的图像并且识别包括在2D标尺的采集图像中的至少一个相应的可成像特征以及有关的相应已知2D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849和补充计量位置坐标模式部892，以实现对应的模式，这将在下文更详细地描述。

在各种实施方式中，每个成像配置控制和处理部882A、882B、883A、883B和884A可以包括周期性地(例如，以设定的定时间隔)激活对应相机862A、862B、863A、863B和864A的图像整合的组件(例如，子电路、例程等)，为此来自触发部887的第一触发信号可以激活频闪灯定时(例如，每个相机862A、862B、863A、863B和864A可以包括频闪灯)或其他机制以有效地冻结运动并相应地确定整合期内的曝光。在这样的实施方式中，如果在整合期没有接收到第一触发信号，则可以丢弃所得图像，其中如果在整合期接收到第一触发信号，则可以保存所得图像和/或可以以其他方式处理/分析所得图像以确定计量位置坐标，这将在下文更详细地描述。

在各种实施方式中，不同类型的端部工具ETL可以提供不同类型的输出，这些输出可以相对于触发部887使用。例如，在端部工具ETL是用于测量工件并在其接触工件时(例如，当接触点CP接触工件时)输出接触信号的接触式探针的实施方式中，触发部887可以被配置为输入该接触信号或由该接触信号得出的信号，作为确定第一触发信号的定时所基于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对应于相应采样定时信号的相应工件测量采样数据的扫描探针的实施方式中，触发部887可以被配置为输入该相应采样定时信号或由该采样定时信号得出的信号，作为至少一个输入信号。作为另一示例，在端部工具ETL为用于提供对应于相应工件图像采集信号的相应工件测量图像的相机的实施方式中，触发部887可以被配置为输入该工件图像采集信号或由该工件图像采集信号得出的信号，作为至少一个输入信号。

在图8的示例性实施方式中，补充计量位置确定系统850被配置为使得计量位置坐标处理部890可操作以确定每个2D标尺872A、872B、873A、873B和874A与对应的参考位置REF1'、REF2'、REF3'、REF4'、REF5'(例如，对应于和/或指示相应相机862A、862B、863A、863B和864A的位置)之间的相对位置(例如，基于确定在每个采集的图像中识别出的至少一个相应的可成像特征的图像位置)。所确定的相对位置可以(例如，由补充计量位置确定系统850)用于以优于机器人精度的精度水平确定在图像采集时间的端部工具位置ETP'的计量位置坐标。

应当理解，诸如图1和图8中所示的机器人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，诸如本文公开的系统可以比使用诸如激光跟踪器或摄影测量法等技术来跟踪机器人运动/位置的替代系统更小和/或更便宜，并且在一些实施方式中还可以具有更高的精度。所公开的系统也不占用或遮蔽端部工具工作容积ETWV或ETWV'的任何部分，例如可在地面或工作台上或在可对工件进行操作或检查的相同区域中(例如，在端部工具工作容积ETWV或ETWV'中)包括标尺或基准的替代系统。此外，在各种实施方式中，通过将所有相机和标尺耦合到机器人(例如，包括耦合到活动臂结构的移动部，例如臂部和旋转关节)，不需要为相机或标尺提供机器人环境中的外部结构或外部耦合。

图9是基本上类似于图8的机器人系统800的机器人系统900的第四示例性实施方式的等距图。应当理解，类似于上述编号方案，图9的某些命名或编号的组件(例如，8XX、8XX'或9XX)可以对应于图8或其他附图的相同或类似编号的对应组件(例如，8XX)和/或具有与之类似的操作，并且可以理解为与对应组件相似或相同，并且可以通过其他方式以类推的方式理解，另外如下文所述。如上所述，用于指示具有类似和/或相同设计和/或功能的元件的这种命名和编号方案通常适用于本申请的各种图(例如，图1-11)。

如图9所示，第一臂部821(例如，上基部)在第一臂部821的近端PE1处安装到第一运动机构831(例如，包括旋转关节)。第一运动机构831位于下支撑基部BSE'的上端并具有旋转轴线RA1'，这样使得第一臂部821预期在标称水平面内旋转。在各种实施方式中，位置传感器SEN1'(例如，旋转编码器)可用于确定第一臂部820的角位置(例如，角定向)。

第二运动机构832(例如，包括旋转关节)位于第一臂部821的远端DE1附近。第二运动机构832具有旋转轴线RA2'。第二臂部822在第二臂部822的近端PE2处安装到第二运动机构832，这样使得第二臂部822围绕第二运动机构832运动。在各种实施方式中，位置传感器SEN2'(例如，旋转编码器)可用于确定第二臂部822的角位置。

第三运动机构833(例如，包括旋转关节)位于第二臂部822的远端DE2。第三运动机构833具有旋转轴线RA3'。第三臂部823在第三臂部823的近端PE3处安装于第三运动机构833，这样使得第三臂部823围绕第三运动机构833移动。在各种实施方式中，位置传感器SEN3'(例如，旋转编码器)可用于确定第三臂部823的角位置。

第四运动机构834(例如，包括旋转关节)位于第三臂部823的远端DE3。第四运动机构834具有旋转轴线RA4'。第四臂部824在第四臂部824的近端PE4处安装到第四运动机构834，这样使得第四臂部824旋转。在各种实施方式中，位置传感器SEN4'(例如，旋转编码器)可用于确定第四臂部824的角位置。

第五运动机构835位于第四臂部824的远端DE4附近。如上所述，在一些实施方式中，第五运动机构835(例如，包括旋转关节)可以被配置为围绕旋转轴线RA5'旋转第五臂部825。在这样的配置中，第五臂部825可以在第五臂部825的近端PE5处安装到第五运动机构835。在一些实施方式中，第五运动机构835还可以或替代地包括不同类型的运动机构(例如，线性致动器)，其被配置为线性地(例如，向上和向下)移动第五臂部825。在各种实施方式中，第五臂部825可被指定为活动臂结构MAC'的末端部，其中活动臂结构MAC'的远端对应于第五臂部825的远端DE5(端部工具安装结构ETMC'可以位于此处)。在第五运动机构835包括旋转关节的实施方式中，端部工具ETL在一些配置中可以被制成相应地旋转(例如，在一些情况下在垂直于z轴的x-y平面中)。

在各种实施方式中，可以指定不同的参考轴和线来参考活动臂结构MAC'的部件的某些运动、坐标和角度。作为一些具体示例，如图9所示，第二臂部822和第三臂部823可以各自分别具有的指定的中心线CT2'和CT3'，中心线向下通过相应臂部的中心。应当理解，其他臂部821、824和825可以类似地具有对应的参考线和/或轴线等，用于参考活动臂结构MAC'的部件的某些运动、坐标和角度。

在各种实施方式中，端部工具ETL可以安装(例如，耦合)到靠近第五臂部825的远端DE5的端部工具安装结构ETMC'。端部工具ETL可以被指定为具有端部工具轴线EA(例如，通过触针ETST的中间和/或中心轴线)，该端部工具轴线可以与第五运动机构835的第五旋转轴线RA5'重合并且可以与第四运动机构834的第四旋转轴线RA4'的延长线相交。在各种实施方式中，端部工具轴线EA通过端部工具位置ETP'。端部工具位置ETP'可以被指定为具有坐标X2，Y2，Z2(例如在机器人坐标系中)。在各种实施方式中，端部工具ETL可具有可被指定为具有坐标X3，Y3，Z3的接触点CP(例如，在端部工具触针ETST的用于接触工件的端部)。

在一个具体示例性实施方式中，相应相机862A、862B、863A、863B和864A的每个采集的图像可以由计量位置坐标处理部890分析以确定相对位置(例如，对应于相应标尺872A、872B、873A、873B和874A的位置、取向等)。可以根据标准相机/标尺图像处理技术来做出这样的确定(例如，用于确定相机相对于标尺的位置、取向等)。在前面并入的美国专利号6,781,694、6,937,349、5,798,947、6,222,940和6,640,008中描述了此类技术的各种示例。在各种实施方式中，此类技术可用于确定标尺范围内(例如，在每个2D标尺872A、872B、873A、873B和874A内)的视场的位置(例如，对应于相机的位置、取向等)，如上文关于图5至图7所述。在各种实施方式中，这样的确定可以包括识别包括在相应2D标尺的采集图像中的至少一个相应可成像特征以及有关的相应已知2D标尺坐标位置。这种确定可以对应于确定相应的2D标尺872A、872B、873A、873B和874A与对应的参考位置REF1'、REF2'、REF3'、REF4'和REF5'之间的相对位置(例如，对应于和/或指示相应相机862A、862B、863A、863B和864A的位置)。

图10是类似于图8和图9所示的机器人系统的一部分的侧视图。更具体地，图10示出了第二、第三和第五臂部822、823和825、第二、第三和第四运动机构832、833和834以及标尺872A、873A和874的侧视图。标尺872A在第一2D标尺耦合位置处耦合到第二运动机构832的旋转关节，标尺873A在第二2D标尺耦合位置处耦合到第三运动机构833的旋转关节，并且标尺874A在第三2D标尺耦合处耦合到第四运动机构834的旋转关节。在第二运动机构832的旋转关节旋转期间横向于旋转轴线RA2'的运动引起标尺872A的相对位置的改变(例如，在相机坐标系的x轴和/或y轴方向上)。在第三运动机构833的旋转关节旋转期间横向于旋转轴线RA3'的运动引起标尺873A的相对位置的改变(例如，在相机坐标系的x轴和/或y轴方向上)。在第四运动机构834的旋转关节旋转期间横向于旋转轴线RA4'的运动引起标尺874A的相对位置的改变(例如，在局部相机坐标系的x轴和/或y轴方向上)。相机862A、863A和864A被定位成使得它们可能够分别获得标尺872A、873A和874A上包括的特征的图像。基于这些图像，计量位置坐标处理部890确定标尺872A、873A和874A的相应角定向，并且还确定标尺872A、873A和874A的相对位置(例如，就局部相机坐标系的x轴和y轴坐标而而言)，计量位置坐标处理部890使用相对位置来检测横向于相应旋转轴RA2'、RA3'和RA4'的可能的不希望的运动。计量位置坐标处理部890使用标尺872A、873A和874A的所确定的相对位置来检测第二运动机构832、第三运动机构833和第四运动机构834的旋转关节的所谓“摆动”、“倾斜”或其他运动，常规机器人编码器通常不会检测或解释这些“摆动”、“倾斜”或其他运动，因此会导致与确定机器人臂端部的端部工具位置有关的测量误差。

图11是类似于图8和图9所示的机器人系统的一部分的侧视图。更具体地，图11示出了第二臂部822、相机862B和标尺872B的侧视图。尽管未在图11中示出，但标尺872B定位在耦合到第三臂部823(见图9)的第三运动机构833的旋转关节附近。在各种实施方式中，第二臂部822、第三臂部823和/或耦合到第三臂部823的其他部件可以足够重而引起第二臂部822弯曲或扭曲，如图11中的虚线所示。这种弯曲或扭曲可引起标尺872B的相对位置发生改变，其中标尺872B从预期位置P1'移动到弯曲位置P2'。可以根据标尺872B相对于相机862B的移动来检测/测量对应的移动/位置改变量D12'。更具体地，当第二臂部822如图所示弯曲时，相机862B的视场将显示标尺872B的不同部分(例如，在所示取向上更靠近标尺872B的顶部)，为此可以分析该图像来确定标尺872B的位置和第二臂部822的对应弯曲量(例如，至少部分地基于标尺的一个或多个可成像特征在不同图像中的不同位置的确定等)。

图12A和图12B是示出用于操作包括铰接式机器人和补充计量位置确定系统的机器人系统的例程1200A和1200B的示例性实施方式的流程图。如图12A所示，在判定框1210处，确定机器人系统是否要在补充计量位置坐标模式下操作。在各种实施方式中，补充计量位置坐标模式或标准机器人位置坐标模式的选择和/或激活可由用户进行和/或可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，当多关节型机器人移动到一个特定的位置(例如，将端部工具从进行组装或其他操作的一般区域移动到执行工件检查操作并且会采用补充计量位置坐标模式的更具体区域)时，可以进入(例如，自动地或根据用户的选择)补充计量位置坐标模式。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147和补充计量位置坐标模式部192的图1的外部控制系统ECS)来实施。在各种实施方式中，混合模式可以独立地或作为补充计量位置坐标模式的一部分运行和/或可以实施为模式之间的切换，如下面将关于图13更详细地描述。

如果在判定框1210确定机器人系统不在补充计量位置坐标模式下操作，则例程进行到框1220，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，铰接式机器人的位置传感器(例如，旋转编码器)用于以机器人精度(例如，至少部分基于铰接式机器人的位置传感器的精度)控制和确定铰接式机器人运动和对应的机器人端部工具位置。通常，机器人位置坐标模式可以对应于铰接式机器人的独立和/或标准操作模式(例如，铰接式机器人独立操作的模式，例如当补充计量位置确定系统未激活时或以其他方式未提供)。

如果机器人系统将在补充计量位置坐标模式下操作，则例程进行到框1230，其中接收与铰接式机器人的端部工具位置有关的至少一个输入信号(即，在触发部)。基于至少一个输入信号确定第一触发信号的定时，并且将第一触发信号输出到补充计量位置确定系统的相机。响应于接收到第一触发信号，每个相机在图像采集时间采集对应2D标尺的数字图像。在框1240处，接收所采集的图像(例如，在计量位置坐标处理部)，并且对于每个图像，识别包括在2D标尺的采集图像中的至少一个相应的可成像特征以及有关的相应已知2D标尺坐标位置。

在框1250，基于确定每个相应采集图像中所识别的至少一个相应可成像特征的图像位置，确定每个2D标尺的相对位置。在框1260，将确定的位置信息(例如，包括确定的相对位置和/或其他有关的确定的位置信息)用于指定的功能(例如，用于确定端部工具位置的计量位置坐标，用于工件测量，用于铰接式机器人的定位控制等)。作为此类操作的一部分或以其他方式，例程然后可以进行到点A，在各种实施方式中例程可以在该点结束，或者可以以其他方式从该点继续，如下面关于图12B将更详细地描述的那样。

如图12B所示，例程1200B可以从点A继续到框1270。如下文将更详细描述的，作为例程1200B的一部分，所确定的位置信息(例如，来自框1260)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，为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1270，接收与端部工具位置有关的至少一个第二输入信号(例如，在触发部)，并且基于该至少一个第二输入信号确定第二触发信号的定时。将第二触发信号输出至补充计量定位系统的相机，其中相机响应于接收到第二触发信号，各自在第二图像采集时间采集对应2D标尺的第二数字图像。

在框1280处，接收所采集的图像(例如，在计量位置坐标处理部)，并且对于每个图像，识别包括在2D标尺的第二采集图像中的至少一个第二相应可成像特征以及有关的相应第二已知2D标尺坐标位置。在框1290，基于确定每个相应的第二采集图像中所识别的至少一个相应的第二可成像特征的第二图像位置，确定每个2D标尺的第二相对位置。

在框1295，使用所确定的相对位置和/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和第二表面位置之间的距离，第一和第二表面位置对应于在第一和第二图像采集时间相应的端部工具位置(例如，如指示接触点位置等)。应当理解，不是使用铰接式机器人的位置传感器(例如，旋转编码器)以机器人精度确定工件上的第一和第二表面位置，而是可以利用如上所述的技术确定更精确的位置信息。

图13是示出用于确定端部工具位置的例程1300的一个示例性实施方式的流程图，其中在移动定时的不同部分期间可以利用不同的技术。通常，在移动定时期间，机器人的一个或多个臂部从第一位置移动到第二位置(例如，这可以包括将一个或多个臂部围绕运动机构从第一旋转取向旋转到第二旋转取向，或以其他方式移动臂部等)。如图13所示，在判定框1310处，确定是否将使用混合模式来确定移动定时期间的端部工具位置。在各种实施方式中，混合模式还可以代表包括在补充计量位置坐标模式和标准机器人位置坐标模式之间切换的过程，如上文关于图12A所述。如果不使用混合模式，则例程继续到框1320，其中仅使用机器人的(例如，活动臂结构，例如活动臂结构MAC或MAC'等的)位置传感器(例如，旋转编码器、线性编码器等)来确定移动定时期间的端部工具位置。

如果要使用混合模式，则例程进行到框1330，为此在移动定时的第一部分期间，使用包括在机器人中(例如，包括在机器人的活动臂结构MAC或MAC'中)的位置传感器确定端部工具位置。在这样的操作期间，可以不使用补充计量位置确定系统来确定端部工具位置。在框1340，在移动定时的第一部分之后发生的移动定时的第二部分期间，使用补充计量位置确定系统来确定端部工具位置。应当理解，这样的操作使系统能够在移动定时的第一部分期间执行端部工具位置的初始/快速/粗略移动，并且在移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/较慢/精细移动。

图14是示出操作用于机器人的补充计量位置确定系统的例程1400的示例性实施方式的流程图。如图14所示，在框1410，操作第一相机以在第一图像采集时间采集第一2D标尺的第一图像，其中第一相机在第一相机耦合位置处耦合到机器人的活动臂结构并限定第一参考位置，并且第一2D标尺在第一2D标尺耦合位置处耦合到活动臂结构。例如，触发部187向相机161A发送控制信号，使得相机161A在第一图像采集时间采集标尺171A的第一图像。

在框1420，操作第二相机以在第一图像采集时间采集第二2D标尺的第一图像，其中第二相机在第二相机耦合位置处耦合到机器人的活动臂结构并限定第二参考位置，并且第二2D标尺在第二2D标尺耦合位置处耦合到活动臂结构。例如，触发部187向相机161B发送控制信号，使得相机161B在第一图像采集时间采集标尺171B的第一图像。

在框1430，至少部分地基于由第一相机在第一图像采集时间采集的第一2D标尺的第一图像来确定第一2D标尺的第一相对位置。例如，计量位置坐标处理部190基于由相机161A在框1410处采集的标尺171A的第一图像确定标尺171A的相对位置。

在框1440，至少部分地基于由第二相机在第一图像采集时间采集的第二2D标尺的第一图像来确定第二2D标尺的第一相对位置。例如，计量位置坐标处理部190基于在框1420处由相机161B采集的标尺171B的第一图像确定标尺171B的相对位置。

在一些实施方式中，在框1440之后，至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标。例如，计量位置坐标处理部190至少部分地基于所确定的标尺171A和171B的第一相对位置来确定端部工具位置ETP(例如，参见图2)的计量位置坐标(X2，Y2，Z2)。

在一些实施方式中，在步骤1440之后，该方法还包括操作第一相机以在第二图像采集时间采集第一2D标尺的第二图像，操作第二相机以在第二图像采集时间采集第二2D标尺的第二图像，至少部分地基于由第一相机在第二图像采集时间采集的第一2D标尺的第二图像来确定第一2D标尺的第二相对位置，并且至少部分地基于由第二相机在第二图像采集时间采集的第二2D标尺的第二图像来确定第二2D标尺的第二相对位置。例如，在不同的时间(即，第二图像采集时间)重复以上结合框1410、1420、1430和1440描述的动作。

在一些实施方式中，该方法还包括至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标，以及至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第二相对位置来确定在第二图像采集时间的第二端部工具位置的计量位置坐标。例如，计量位置坐标处理部190至少部分地基于所确定的标尺171A和171B的第一相对位置来确定端部工具位置ETP的计量位置坐标(X2a，Y2a，Z2a)，并至少部分地基于所确定的标尺171A和171B的第二相对位置来确定端部工具位置ETP的计量位置坐标(X2b，Y2b，Z2b)。在一些实施方式中，该方法还包括使用所确定的第一和第二端部工具位置的计量位置坐标来确定与第一和第二端部工具位置之间的距离有关的尺寸。例如，计量位置坐标处理部190使用上述计量位置坐标(X2a，Y2a，Z2a)和计量位置坐标(X2b，Y2b，Z2b)计算第一和第二端部工具位置之间的距离，并确定与第一和第二端部工具位置之间的距离有关的尺寸。该尺寸可以是或对应于工件上的第一和第二表面位置之间的距离，其中端部工具的接触点在第一图像采集时间接触工件上的第一表面位置并在第二图像采集时间接触工件上的第二表面位置。

在一些实施方式中，在框1410之前，该方法还包括分别在第一和第二2D标尺耦合位置处将第一和第二2D标尺耦合到活动臂结构，在第一相机耦合位置处将第一相机耦合到活动臂结构，以及在第二相机耦合位置处将第二相机耦合到活动臂结构。例如，该方法包括在标尺耦合位置CL2处将标尺171A耦合到第一臂部121，在标尺耦合位置CL4处将标尺171B耦合到第一臂部121，在相机耦合位置CL1处将相机161A耦合到支撑基部BSE，在相机耦合位置CL3处将相机161B耦合到第一臂部121。

应当理解，在其他示例中，第一和第二相机可以是相机161A、161B、162A、162B、862A、862B、863A、863B、864A等中的任何一个，并且第一和第二2D标尺可以是标尺171A、171B、172A、172B、872A、872B、873A、873B、874A等中的任何一个，并且可以对应地具有如本文所述的任何配置。

应当理解，虽然在本公开中参考相对标尺元素等使用了元素名称“2D标尺”，但该元素名称只是示例性的，而非限制性的。参照作为笛卡尔坐标系一部分的x和y标尺坐标，它被称为“2D标尺”，并且其描述为包括标称平面基底。然而，更一般地，元素名称2D标尺应被理解为是指包括多个特征或标记的任何参考标尺，这些特征或标记对应于该参考标尺上的已知二维坐标(例如，二维中的精确和/或精确校准的位置)，前提是标尺能够如本文所公开的那样操作。例如，这样的标尺特征可以被表达和/或标记为在该参考标尺上的笛卡尔坐标系中，或者在极坐标系或任何其他方便的坐标系中。此外，这样的特征可以包括在整个操作标尺区域中均匀或不均匀分布的特征，并且可以包括有刻度或无刻度的标尺标记，前提是这样的特征对应于标尺上的已知二维坐标并且能够如本文公开的那样操作。

应当理解，虽然本文公开和图示的机器人系统和对应的活动臂结构是参考一定数量的臂部(例如，3个臂部、5个臂部等)大体上示出和描述的，但这样的系统不受此限制。在各种实施方式中，如果其包括诸如本文所述的那些臂部，则机器人系统可以根据需要包括更少或更多的臂部。

应当理解，如本文所述，根据机器人系统的运动和/或位置，2D标尺和用于对标尺成像的相机可以相对于彼此进行旋转(例如，标尺安装在旋转关节上等)。应当理解，可以使用本领域已知的方法(例如，如在并入的参考文献中公开的)精确地确定任何此类相对旋转和/或执行任何所需的坐标变换，和/或对于这种相对旋转，根据本文公开的原理分析相机和标尺之间的相对位置。应当理解，本文所指的计量位置坐标可以在各种实施方式中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，本文所指的计量位置坐标包括一组坐标，该组坐标包括任何此类相对旋转的精确确定和/或指示。

尽管已经图示和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示和所描述的特征布置和操作序列的许多变化对于本领域技术人员来说将显而易见。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。另外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步的实施方式。本说明书中提及的所有美国专利通过引用全部并入本文。如果需要采用各种专利和申请的概念以提供另外的实施方式，则可以修改实施方式的各方面。

可以根据以上详细描述对实施方式进行这些和其他改变。一般来说，在下面的权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中公开的具体实施方式，而应当被解释为包含所有可能的实施方式以及这些权利要求享有的等同物的全部范围。

Claims (21)

1.一种机器人系统，包括：

机器人，其包括：

活动臂结构，其包括：

第一臂部，在所述第一臂部的近端处安装到第一旋转关节，所述第一旋转关节具有第一旋转轴线，其中所述第一臂部具有位于所述第一臂部的远端处的第二旋转关节，所述第二旋转关节具有第二旋转轴线；

第二臂部，在所述第二臂部的近端处安装到所述第二旋转关节，这样使得所述第二臂部围绕所述第二旋转关节旋转；和

用于安装端部工具的端部工具安装结构，其中所述端部工具安装结构位于所述活动臂结构的远端附近；和

运动控制系统，被配置为至少部分地基于使用所述机器人中包含的旋转传感器分别感测和控制所述第一和第二臂部围绕所述第一和第二旋转关节的角位置，以定义为机器人精度的精度水平控制所述端部工具的端部工具位置；以及

补充计量位置确定系统，其包括：

第一和第二二维(2D)标尺，分别在第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到所述活动臂结构，每个2D标尺包括标称平面基底和分布在所述平面基底上的多个相应的可成像特征；

用于在图像采集时间采集所述第一2D标尺的图像的第一相机，其中所述第一相机限定第一参考位置，并且所述第一相机在第一相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构；

用于在所述图像采集时间采集所述第二2D标尺的图像的第二相机，其中所述第二相机限定第二参考位置，并且所述第二相机在第二相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构；和

计量处理部，其被配置为：

至少部分地基于由所述第一相机在第一图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第一图像来确定所述第一2D标尺的第一相对位置；和

至少部分地基于由所述第二相机在所述第一图像采集时间采集的所述第二2D标尺的第一图像来确定所述第二2D标尺的第一相对位置。

2.如权利要求1所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在所述第一图像采集时间的所述端部工具位置的计量位置坐标。

3.如权利要求1所述的机器人系统，其中所述第一2D标尺耦合位置是在所述第一旋转关节上，并且在所述第一旋转关节的旋转期间横向于所述第一旋转轴线的运动引起所述第一2D标尺的相对位置的改变。

4.如权利要求3所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为至少部分地基于由所述第一相机在所述第一图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第一图像来确定所述第一2D标尺的角定向。

5.如权利要求1所述的机器人系统，其中所述第一2D标尺耦合位置是在所述第一臂部上，并且所述第一臂部的弯曲或扭曲中的至少一个引起所述第一2D标尺的相对位置的改变。

6.如权利要求1所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为：

至少部分地基于由所述第一相机在第二图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第二图像来确定所述第一2D标尺的第二相对位置；和

至少部分地基于由所述第二相机在所述第二图像采集时间采集的所述第二2D标尺的第二图像来确定所述第二2D标尺的第二相对位置。

7.如权利要求6所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为：

至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在所述第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标；和

至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第二相对位置来确定在所述第二图像采集时间的第二端部工具位置的计量位置坐标。

8.如权利要求7所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为使用所确定的第一和第二端部工具位置的计量位置坐标来确定与所述第一和第二端部工具位置之间的距离有关的尺寸。

9.如权利要求8所述的机器人系统，其中所述尺寸是工件上的第一表面位置和第二表面位置之间的距离，并且所述端部工具的接触点在所述第一图像采集时间接触所述工件上的第一表面位置并在第二次图像采集时间接触所述工件上的第二表面位置。

10.如权利要求9所述的机器人系统，其中所述端部工具是用于测量所述工件的接触式探针或扫描探针中的至少一种。

11.一种操作用于机器人的补充计量位置确定系统的方法，

所述机器人包括：

活动臂结构，其包括：

第一臂部，在所述第一臂部的近端处安装到第一旋转关节，所述第一旋转关节具有第一旋转轴线，其中所述第一臂部具有位于所述第一臂部的远端处的第二旋转关节，所述第二旋转关节具有第二旋转轴线；

第二臂部，在所述第二臂部的近端处安装到所述第二旋转关节，这样使得所述第二臂部围绕所述第二旋转关节旋转；和

用于安装端部工具的端部工具安装结构，其中所述端部工具安装结构位于所述活动臂结构的远端附近；和

运动控制系统，被配置为至少部分地基于使用所述机器人中包含的旋转传感器分别感测和控制所述第一和第二臂部围绕所述第一和第二旋转关节的角位置，以定义为机器人精度的精度水平控制所述端部工具的端部工具位置；以及

所述补充计量位置确定系统包括：

第一和第二二维(2D)标尺，每个2D标尺包括标称平面基底和分布在所述平面基底上的多个相应的可成像特征；和

第一和第二相机；并且

所述方法包括：

操作所述第一相机以在第一图像采集时间采集所述第一2D标尺的第一图像，其中所述第一相机在第一相机耦合位置处耦合到所述机器人的活动臂结构并限定第一参考位置，并且所述第一2D标尺在第一2D标尺耦合位置处耦合到所述活动臂结构；

操作所述第二相机以在所述第一图像采集时间采集所述第二2D标尺的第一图像，其中所述第二相机在第二相机耦合位置处耦合到所述机器人的活动臂结构并限定第二参考位置，并且所述第二2D标尺在第二2D标尺位置处耦合到所述活动臂结构；

至少部分地基于由所述第一相机在所述第一图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第一图像来确定所述第一2D标尺的第一相对位置；以及

至少部分地基于由所述第二相机在所述第一图像采集时间采集的所述第二2D标尺的第一图像来确定所述第二2D标尺的第一相对位置。

12.如权利要求11所述的方法，还包括至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在所述第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

操作所述第一相机以在第二图像采集时间采集所述第一2D标尺的第二图像；

操作所述第二相机以在所述第二图像采集时间采集所述第二2D标尺的第二图像；

至少部分地基于由所述第一相机在所述第二图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第二图像来确定所述第一2D标尺的第二相对位置；以及

至少部分地基于由所述第二相机在所述第二图像采集时间采集的所述第二2D标尺的第二图像来确定所述第二2D标尺的第二相对位置。

14.如权利要求13所述的方法，还包括：

至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在所述第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标；和

至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第二相对位置来确定在所述第二图像采集时间的第二端部工具位置的计量位置坐标。

15.如权利要求14所述的方法，还包括使用所确定的第一和第二端部工具位置的计量位置坐标来确定与所述第一和第二端部工具位置之间的距离有关的尺寸。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述尺寸是工件上的第一表面位置和第二表面位置之间的距离，其中所述端部工具的接触点在所述第一图像采集时间接触所述工件上的第一表面位置并在所述第二图像采集时间接触所述工件上的第二表面位置。

17.如权利要求11所述的方法，还包括：

将所述第一和第二2D标尺分别在所述第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到所述活动臂结构；

将所述第一相机在所述第一相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构；以及

将所述第二相机在所述第二相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构。

18.一种用于机器人的补充计量位置确定系统，所述机器人包括具有用于安装端部工具的端部工具安装结构的活动臂结构以及被配置为控制所述端部工具的端部工具位置的运动控制系统，所述补充计量位置确定系统包括：

第一和第二二维(2D)标尺，被配置为分别在第一和第二2D标尺耦合位置处耦合到所述机器人的活动臂结构，每个2D标尺包括标称平面基底和分布在所述平面基底上的多个相应的可成像特征；

用于在图像采集时间采集所述第一2D标尺的图像的第一相机，其中所述第一相机限定第一参考位置，并且所述第一相机被配置为在所述第一相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构；

用于在所述图像采集时间采集所述第二2D标尺的图像的第二相机，其中所述第二相机限定第二参考位置，并且所述第二相机被配置为在第二相机耦合位置处耦合到所述活动臂结构；和

计量处理部，其被配置为：

至少部分地基于由所述第一相机在第一图像采集时间采集的所述第一2D标尺的第一图像来确定所述第一2D标尺的第一相对位置；和

至少部分地基于由所述第二相机在所述第一图像采集时间采集所述的第二2D标尺的第一图像来确定所述第二2D标尺的第一相对位置；

其中至少部分地基于所确定的第一和第二2D标尺的第一相对位置来确定在所述第一图像采集时间的第一端部工具位置的计量位置坐标。

19.如权利要求18所述的机器人系统，其中所述第一2D标尺耦合位置是在所述活动臂结构的第一旋转关节上，所述第一旋转关节具有第一旋转轴线，并且在所述第一旋转关节的旋转期间横向于所述第一旋转轴线的运动引起所述第一个2D标尺的相对位置的改变。

20.如权利要求19所述的机器人系统，其中所述计量处理部还被配置为至少部分地基于由所述第一相机在所述第一图像采集时采集的所述第一2D标尺的第一图像来确定所述第一2D标尺的角定向。

21.如权利要求18所述的机器人系统，其中所述第一2D标尺耦合位置是在所述活动臂结构的第一臂部上，并且所述第一臂部的弯曲或扭曲中的至少一个引起所述第一2D标尺的相对位置的改变。

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