CN1827314A - 并联运动机构的校准方法、校准的检验方法、校正数据收集方法 - Google Patents

并联运动机构的校准方法、校准的检验方法、校正数据收集方法 Download PDF

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Abstract

一种并联运动机构的校准方法，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；以及通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置，上述校准方法包括下列步骤：将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；收集步骤，每次将上述调整工具置于一种姿态时，收集上述调整工具的上述姿态的坐标；每次将上述调整工具置于一种姿态时，记录上述数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；以及根据所收集的驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数。利用该方法，可以获得末端执行器的精确姿态信息和驱动轴的相对坐标。

Description

并联运动机构的校准方法、校准的检验方法、校正数据收集方法
                                技术领域
本发明涉及一种定位后无需测量的并联运动机构的校准技术。
                                背景技术
具有由多根驱动轴并列连接的基座和末端执行器的并联运动机构，与有悬臂的机构相比，具有刚度高、可高精度定位等特点。并联运动机构的代表性例子是Stewart平台。Stewart平台通过直线状驱动轴(支柱)的伸缩来控制末端执行器的姿态(包括位置和方向)。但为了进行高精度定位，有必要正确求取支柱的长度、连接支柱与基座的接头和连接支柱与末端执行器的接头的坐标等运动参数。该工作即并联运动机构的校准，被不同的产业、政府及学术研究机构研究。
一般而言，这种校准需要求解与运动参数相同个数的多元联立方程式。为此，必须将末端执行器设置在确定的位置及方向，并测定该确定状态下的位置信息(X，Y，Z)和方向信息(A，B，C)。
日本专利特开2002-91522号公报中揭示了一种技术，通过末端执行器以特定的姿态做圆周运动，使用双球杆(DBB)型测距器测定圆周运动轨迹的半径误差，然后由这样获取的测定值计算运动参数。此外，在日本专利特开2003-200367号公报中还揭示了一种技术，将上述多元联立方程式分为表示末端执行器的位置与运动参数之间关系的11组以上的方程式和表示末端执行器的方向与运动参数之间关系的1组方程式，然后求解这些方程式来计算运动参数进行校准。
但可以看出，在特开2002-91522号公报所揭示的技术中，至少有一个运动参数无法确定。此外，在特开2003-200367号公报所揭示的技术中，为了确定运动参数，必须在定位后进行测量，特别是必须至少获得该姿态下一组难以测量的值。
                                发明内容
本发明的目的是提供一种不存在先前技术中所存在问题的新颖的校准技术。
本发明的目的是提供一种定位后无需测量的并联运动机构的校准方法、校准的检验方法、校准的检验程序产品、数据收集方法以及空间定位校正的校正数据收集方法。
根据本发明的实施例，并联运动机构具备：基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器中具备的多个接头连接该基座与末端执行器的多根驱动轴；以及控制该末端执行器的姿态的数控装置。根据本发明的一个方面，并联运动机构的校准方法包括：将安装在末端执行器上的调整工具设置在并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义并联运动机构的基准坐标系，该调整工具的轴线与该末端执行器的轴线一致；每次将调整工具置于一种姿态时，收集调整工具的该姿态的坐标；每次将调整工具置于一种姿态时，记录数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；以及根据所收集的驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算并联运动机构的运动学所必要的运动参数。
结合附图阅读下面的详细说明，将可更清楚地了解本发明的这些及其它目的、功能和优势。
                                附图说明
图1是实施本发明的并联运动机器的机械结构的透视图。
图2是表示上述并联运动机器的主要部件之间的功能关系的方块图。
图3是表示上述并联运动机器中采用的一例具有6自由度6×6Stewart平台的结构的概略图。
图4A至4C是说明在上述并联运动机器中执行的数据收集方法的模式图；图4A说明在空间坐标系中的定位；图4B说明在角坐标系中的定向；图4C说明确定相对于C轴的基准位置。
图5是说明数据收集方法的第一种模式中操作顺序的流程图。
图6是说明上述并联运动机器中执行的校准操作顺序的流程图。
图7是说明上述并联运动机器中执行的空间定位校正的流程图。
图8是说明空间定位校正时登记校正值的操作顺序的流程图。
图9是说明被上述并联运动机器中具备的数控装置执行的空问定位校正操作顺序的流程图。
图10是说明利用模拟软件检查校准的操作顺序的流程图。
图11A至11C是说明上述并联运动机器中执行的数据收集方法的第二种模式的模式图；图11A说明空间坐标系中的定位和角坐标系中的定向；图11B和11C说明确定相对于C轴的基准位置。
图12是说明上述数据收集方法的第二种模式中操作顺序的流程图。
图13是说明上述并联运动机器中执行的数据收集方法的第三种模式的模式图。
图14是说明上述数据收集方法的第三种模式中操作顺序的流程图。
图15是表示上述并联运动机器中可采用的一例6自由度3×3Stewart平台的结构概略图。
图16是说明上述并联运动机器中执行的数据收集方法的第四种模式的模式图。
                               具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的优选实施例。对该实施例的说明将参照一6×6并联运动机器，包括末端执行器上有6个接头，基座上有6个接头；更明确地说，该机器为Stewart平台形式，具有直动型驱动器，即支柱作为驱动轴。应注意，各图中标有相同数字或符号的元件执行相同的操作、功能和处理。
图1表示本发明一实施例的并联运动机器的机械结构。并联运动机器1(以下简称机器)包括由支撑平台2支撑的基座10和末端执行器20。6个接头11至16被设置在基座10上，6个接头21至26被设置在末端执行器20上。6根支柱31至36分别与接头11至16以及六个接头21至26相连。支柱31至36在数控装置的控制下独立收缩，从而移动末端执行器20，对加工台3上的工件进行规定的处理。为了进行校准，末端执行器20上安装有调整工具50。调整工具50的轴线与末端执行器20的轴线一致。
在本说明书中，将并联运动机构中由支柱31至36的长度求取末端执行器20的姿态(包括位置和方向)的计算称为“运动学”。与此相对，将由末端执行器20的姿态求取支柱31至36的长度的计算称为“逆运动学”。
图2是表示根据本发明实施例的并联运动机器的概略功能结构的框图。本图所示的各方块代表数据收集中执行的各处理步骤，并不一定与并联运动机器的各功能一致。例如，在该机器中，坐标驱动控制器121与方向驱动控制器122均通过数控装置100的逆运动学驱动。
并联运动机器1具备由支撑平台2支撑的基座10、末端执行器20、用来连接底座10与末端执行器20的六根支柱31至36以及被提供在基座10和末端执行器20上的接头，并联运动机器1还具备数控装置100。数控装置100根据运动学通过调整表示各支柱(即驱动轴)31至36长度的支柱坐标(即驱动轴坐标)来控制末端执行器20的姿态，并根据逆运动学从末端执行器20的姿态来控制支柱坐标。
坐标驱动控制器121和方向驱动控制器122在执行校准时，控制安装在末端执行器20上的调整工具50的姿态。坐标驱动控制器121和方向驱动控制器122执行调整工具50的设置，将调整工具50设置在机器1外部的基准坐标系中的预定姿态中。在该设置中，可以将调整工具50设置成在离基准坐标系中的目标姿态有一段可测量距离的一些姿态上。应注意，“预定姿态”不仅包括指目标姿态，还包括具有可测量相对差的姿态。在将调整工具50设置在预定姿态后，检测器114检测末端执行器20的姿态。
在将调整工具50设置在预定姿态后，记录器112执行记录工序，记录数控装置100根据逆运动学控制的支柱坐标。相对将调整工具50设置在预定不同姿态的预定数量的设置工序，检测部检测末端执行器20的姿态，记录器112记录支柱坐标，然后根据这些姿态和坐标，由计算机等构成的计算器113执行计算工序，计算机器1的运动学所必要的运动参数。执行校准操作的程序、其它必要的算式、表格等存储在硬盘装置中。数控装置100根据所存储的程序控制各操作。
图3是机器1中采用的6自由度6×6Stewart平台的结构概略图。O表示基准坐标系的原点(即欲校准的并联运动机器的基准坐标系原点)。O’表示固定在末端执行器20上的坐标系，即末端执行器坐标系的原点。基座10上的6个接头11至16，用以基准坐标系原点O为起点的位置向量N[j][](j＝1，2，3，4，5，6)表示。设置在末端执行器20上的6个接头21至26，用以末端执行器坐标系原点O’为起点的位置向量T[j][](j＝1，2，3，4，5，6)表示。各支柱31至36的原点41至46用起点在基座10的接头11至16上的位置向量O[j][](j＝1，2，3，4，5，6)表示。以下将位置向量O[j]称为“原点偏移”。上述位置向量N[j][]、T[j][]和O[j]是并联运动机器1的运动参数。
另一方面，定位后的末端执行器20的接头21至26的位置用以基准坐标系的原点O为起点的位置向量t[j][](j＝1，2，3，4，5，6)表示，而从支柱31至36的原点41至46到末端执行器20的接头21至26的各自的向量用s[j](j＝1，2，3，4，5，6)指示。应注意，如果没有重力变形或间隙等机械误差因素，则位置向量N[j]与t[j]之间的距离与向量s[j]、o[j]的和相同。
如上所述，当执行校准时，调整工具50安装在末端执行器20上，调整工具50的轴线与末端执行器20的轴线一致。在基准坐标系中调整工具50的顶端位置用位置向量p[1]、p[2]、p[3](分别为X、Y、Z坐标值)表示，方向角坐标用p[4]、p[5]、p[6](分别为A、B、C旋转轴值)表示。在末端执行器20中，为了确定相对末端执行器20轴线的基准位置，指定一侧表面为基准表面。
执行校准时，在并联运动机器1的外部预备一机械台(基准板)60。基准板60的基准坐标系与并联运动机器1相独立。基准板60的一面宜为平滑面，并在预定位置上形成具有预定形状的基准孔(图略)。以下将其中形成有基准孔并在其中插入调整工具50或正对调整工具50的表面称为基准表面。本实施例中，通过将调整工具50放置在基准孔的附近来固定末端执行器20的姿态。基准板60可以为在基准表面上安装校准用夹具的结构。
基准板60的基准坐标系具有正交于基准表面的Z轴，垂直延伸在基准表面上的Y轴，水平延伸在基准表面上的X轴，和位于三条轴线彼此相交的位置的原点。Z轴的正向为从原点到并联运动机器1的方向，Y轴的正向为从原点向上的方向，而X轴的正向为从原点向后的方向，即该坐标系是一个右手笛卡儿坐标系。此外，绕X轴旋转时，X轴称为A旋转轴；绕Y轴旋转时，Y轴称为B旋转轴；绕Z轴旋转时，Z轴称为C旋转轴。在正方向上绕各旋转轴A、B和C顺时针旋转具有正值。
以下将说明并联运动机器1校准的三种模式：第一种模式使用仿形头和度盘规(dialgauge)作为调整工具50，第二种模式使用激光测量装置作为调整工具50，而第三种模式使用度盘规作为调整工具50。
第一种模式：
图4A至4C是说明第一种模式中数据收集方法的模式图；图4A说明空间坐标系中的定位；图4B说明角坐标系中的定向；图4C说明确定相对于C轴的基准位置。该模式中，调整工具50具有仿形头(坐标调整部)51和度盘规(方向调整部)52。末端执行器20的基准侧表面上具备用来确定相对C轴方向的基准位置的水准器53。换言之，为了确定相对C轴方向的基准位置，假定卧式机器1，其基座10的法线与铅垂线正交。相对C轴方向的基准位置被确定，使得末端执行器20的基准侧表面成为水平。对于立式机器1，相对C轴方向的基准位置的确定可以通过使用激光测量装置等来实现。
该模式中，基准板60的预定位置处形成有基准孔61。基准孔61形成为圆筒形状，其轴线与基准表面正交，其前开口和后开口与基准表面平行。该预定位置是已知的，用坐标(x0，y0，z0)表示。基准孔的坐标是设置在例如基准孔61前开口的中心。同样，后开口的坐标是例如后开口中心的坐标。图4A和4B只显示了一个基准孔61，但也可以在基准板60的其它预定位置处形成预定数量的基准孔。
仿形头51为球形，由直径比基准孔61大的测头511和支撑该测头511的支撑部512构成。与仿形头51相接的数控装置100接收因测头511变形而产生的信号，并根据该信号计算X、Y、Z方向的偏移量。度盘规52安装在仿形头51的支撑部512上，测量仿形头51绕其轴线旋转时到基准板60基准表面的距离之间的相对差。
图5是说明第一种模式中数据收集操作的流程图。将仿形头51安装在末端执行器20上，仿形头51的轴线与末端执行器20的轴线一致，并且开启数控装置100工具长L的五轴变换功能(步骤S101)。五轴变换功能是在长度为L的工具的顶端处控制末端执行器20的方向的技术，被称为工具头控制功能。这个技术是为一般的五轴机器确立的。接着，将仿形头51放在基准孔61附近的位置(x0，y0，z0+100，0，0，0)(步骤S102)。以下以mm(毫米)为单位来表示长度。
将完成标记设为“1”(步骤S103)，仿形头51向Z轴的负方向移动，直至偏移量接近规定值d，并且根据测头511的变形量测出X、Y、Z三方向的偏移量Δx、Δy、Δz(步骤S104)。如果偏移量|Δx|或|Δy|大于ed(X、Y方向的允许偏移量)(即步骤S105的结果为“是”)，则仿形头51向X方向移动Δx，向Y方向移动Δy(步骤S106)，然后流程返回步骤S103。
另一方面，如果偏移量Δx和Δy均等于或小于ed(即步骤S105的结果为“否”)，则判断结束空间坐标系中的定位，流程前进到角坐标系中的定向。以上空间坐标系中的定位是在坐标驱动控制器121的控制下进行的。
在角坐标系中定向时，令仿形头51依次绕其轴线旋转0、90、180和270度，检测各旋转位置处度盘规52的偏移量(步骤S107)。假定各偏移量分别为e0、e90、e180和e270，则A、B轴相对基准坐标系中的已知方向的差值Δa、Δb可由下式(1)和(2)得出(步骤S108)。
Δa＝tan-1(e0-e180)×180/π       (1)
Δb＝tan-1(e270-e90)×180/π      (2)
式中，tan-1为正切(tan)的逆函数。
如果由式(1)、(2)算出的差值|Δa|或|Δb|大于ea(绕A轴或B轴的允许方向角)(步骤S109的结果为“是”)，则仿形头50绕A轴旋转-Δa，绕B轴旋转-Δb(步骤S110)，并且将完成标记设为“0”(步骤S111)。换言之，步骤S107～S110的操作被执行是为了调整基准板60与仿形头51(即调整工具50)之间的关系，使仿形头51的旋转面与基准板60的基准表面相平行。由此便获得表示仿形头51(即调整工具50)的轴线倾斜度的两个方向角坐标。
另一方面，如果由式(1)、(2)算出的差值|Δa|和|Δb|均等于或小于ea(即步骤S109的结果为“否”)，则结束相对A、B轴的定位，流程前进到相对C轴的定位。应注意，步骤S110中的差值Δa和Δb的符号(即+或-)随度盘规52安装方向的改变而改变。
相对C轴定位时，首先用放在末端执行器20基准侧表面上的水准器53检测该基准侧表面的斜度Δc(步骤S112)。如果斜度|Δc|大于ea(步骤S113的结果为“是”)，则仿形头51绕C轴旋转-Δc(步骤S114)，并且将完成标记设为“0”(步骤S115)。另一方面，如果斜度|Δc|等于或小于ea(步骤S113的结果为“否”)，则完成标记保持为“1”。
在步骤S116中判断完成标记是否为“1”。如果判断完成标记为“0”(步骤S116的结果为“否”)，流程将返回步骤S103，因为步骤S111和/或S115的操作被跳过，换言之，相对A、B或C轴的定位尚未完成。但如果判断完成标记为“1”(步骤S116的结果为“是”)，则认为相对X、Y、Z、A、B和C轴的所有定位均已完成。角坐标系中的定向是通过方向驱动控制器122执行的。
下面，进行精确定位位置的确定。更明确地说，用式(3)求取仿形头51顶端位置的校正量w(步骤S117)。
w = Δz + R - R 2 - r 2 . . . ( 3 )
式中，R表示仿形头的测头511的半径，r表示基准孔61的半径。由此可以获得精确姿态位置(x0-u，y0-v，z0-w)，其中u和v分别表示在X、Y方向上测头511的中心偏离仿形头51主轴的偏心量。另外还将方向角设置为(0，0，0)(步骤S118)。确定了精确定位位置和方向角后，读取数控装置100上显示的支柱坐标(步骤S119)。由此便完成了机器1运动参数计算所需数据的收集工作。
接着将说明使用通过上述方法获得的数据进行机器1的校准。图6是说明根据本实施例的校准的流程图。首先在步骤S151中，根据图5所示的流程，收集定位坐标p[i][](即步骤S118中获得的数据)和支柱坐标s[i][](即步骤S119中从数控装置100获得的数据)。应注意，[]中填入数字1至6，[1]、[2]、[3]分别表示Y、X、Z坐标(即空间位置坐标)，[4]、[5]、[6]分别表示A、B、C坐标(即方向角坐标)。[i]中的i为整数1、2、3、...、n，n为必要数据集的数量。
例如，在6×6Stewart平台中，需要42个坐标数据：18个数据(3×6，3意味着X、Y、Z坐标)指定末端执行器20上6个接头的位置；18个数据(3×6)指定基座10上6个接头的位置；6个数据指定6根支柱的原点偏移。因此，采取一种姿态时，可得6根支柱的方程式。因此需要收集7组以上的数据。用三维测量装置测量末端执行器20的接头位置时，需要共计24个数据。此时需要收集4组以上的数据。
接着在步骤S152中，例如用Newton-Raphson法等计算使下式(4)最小的支柱原点偏移量o[j]、基座10的接头的位置N[j][ii]和末端执行器20的接头的位置T[j][ii]。
g = Σ i = 1 n ( Σ j = 1 6 ( ( s [ i ] [ j ] + o [ j ] - | t [ i ] [ j ] [ ] · N [ j ] [ ] | ) 2 ) ) . . . ( 4 )
式中，t[i][j][ii]＝p[i][ii]+T[j][1]×m[i][1][ii]+T[j][2]×m[i][2][ii]+T[j][3]×m[i][3][ii]。“m[][][]”是表示末端执行器20方向的矩阵。换言之，m[i][1][ii](ii＝1，2，3)表示在第i个数据的姿态p[i][]的方向上固定在末端执行器上的末端执行器基准坐标系的X轴余弦。类似地，m[i][2][ii]和m[i][3][ii]分别表示Y轴余弦和Z轴余弦。这些坐标可以从所收集数据的姿态p[i][j]算出。
用三维测量装置测量末端执行器20的接头位置T[j][ii]时，计算使式(4)最小的支柱原点偏移量o[j]和基座10的接头位置N[j][ii]。Newton-Raphson法需要初值，该初值取目前设置在数控装置100中的运动参数即可。
式(4)基于这一事实：在没有重力变形或间隙等机械误差的情况下，N[j]与t[j]之间的差同s[j]与o[j]的和相等，因为两者都是支柱的长度。*换言之，式(4)表示由下面的式(5)、(6)定义的支柱坐标与从基座10的接头到末端执行器20的接头的距离之差的平方和，通过使该平方和最小来求取运动参数即可。
l1＝s[i][j]+o[j]          (5)
l2＝|t[i][]·N[i][]|      (6)
由此，以往认为复杂的校准算法可以置换为简单的最小值计算问题。换言之，无需复杂的传统技术，通过计算令式(4)(关于以所收集数据为基础的所有支柱)最小化的运动参数就可以完成校准。
在步骤S153中，以算出的原点偏移量o[j]、基座10的接头位置N[j][ii]和末端执行器20的接头位置T[j][ii]为基础生成Stewart平台的数字模型，用该数字模型的运动学求取对应支柱坐标s[i][]的调整工具50的顶端位置p2[i][]，并计算该p2[i][]与p[i][]之差，即定位误差或校正值。如果所收集数据的个数多于必要的个数，并且存在不规则的重力变形，则因此计算的定位误差会显示一个无法忽略的值。此时将使用空间定位校正或空间误差补偿功能来执行校正或补偿。
图7显示机器1可动空间内的加工空间，用来说明空间定位校正程序。图中黑点表示的格点是已知的定位位置。校正值按这些格点来登记。
图8是说明用于空间定位校正程序的登记校正值的操作流程的流程图。执行空间定位校正程序之前，将校准结果登记在数控装置100中。然后精确确定基准坐标系中的预定定位(例如图4所示的基准孔61处)(步骤S401)。该定位方法与校准时数据收集的定位方法相同。
接着，读取进行定位时数控装置100上显示的调整工具50的定位坐标值(XYZ，ABC)(步骤S402)。所读取的坐标值与基准坐标系中精确定位位置坐标之差为定位误差。在记录基准坐标系上精确定位位置坐标的同时，记录该包括方向在内的定位误差(步骤S403)。
在X、Y方向重复上述操作必要次数。在重复操作中，步骤S401中的预定定位与此前的定位是不同的。当X、Y方向必要个数的数据集收集结束(步骤S404的结果为“是”)，且需要继续在Z方向进行数据收集时(步骤S405的结果为“否”)，只需将适当的辅助夹具板放在基准板60的基准表面上，以将Z方向的距离改变图7所示的ΔZ即可(步骤S406)。
在X、Y及Z方向重复以上步骤必要次数，在记录基准坐标系中精确定位位置坐标的同时记录定位误差。数据收集完成后(步骤S405的结果为“是”)，将到此为止记录的定位误差与精确定位位置坐标登记入空间定位校正表中(步骤S407)。以上结束了空间定位校正程序的数据收集与空间定位校正程序用参数的设置。
接着，使用上述操作流程制作的空间定位校正表，对空间定位校正程序进行说明。图9是说明数控装置100执行空间定位校正程序的操作流程图。在该流程中，末端执行器20从当前定位移动到指定的终点定位。
设末端执行器20的当前定位为P1(x1，y1，z1，a1，b1，c1)，数控装置100接收到终点位置为P2(x2，y2，z2，a2，b2，c2)的移动指令(步骤S501)。数控装置100将P1与P2之间的空间进行了细分，根据空间定位校正表计算各分割定位(divisional posturing)P(x，y，z，a，b，c)上的定位误差(ex，ey，ez，ea，eb，ec)(步骤S502)。然后，由分割定位P和分割位置P上的定位误差计算校正定位Q(x-ex，y-ey，z-ez，a-ea，b-eb，c-ec)(步骤S503)。
数控装置100通过逆运动学将该校正定位Q变换为支柱坐标，并移动末端执行器20(步骤S504)。如果判定移动后的位置还未到达终点定位P2(步骤S505的结果为“否”)，则指定下一个分割定位(步骤S506)，流程返回步骤S502。重复执行这些操作步骤，直到判定末端执行器20已到达终点位置P2(步骤S505的结果为“是”)，此时结束空间定位校正程序。该空间定位校正程序，在末端执行器20倾斜较大时可能会导致不完全校正，但在方向角坐标(ABC)接近零时可以实现适当的校正。
实机的校准检验可通过检查由上述空间定位校正程序的校正值计算获得的定位误差来确认。但当重复精度、间隙等误差因素仍存在于实机中时，由于这些误差因素的影响，实机上的校准检验有可能无法完成。因此，本发明的实施例是在计算机上创建虚拟机，然后在该虚拟机上进行校准检验。
图10是说明用模拟软件对校准进行检验的操作流程图。首先，在个人计算机上创建一个具有校准前设置在数控装置100中的运动参数的Stewart平台的数学模型(以下称NC模型)与一个具有与实际尺寸相当的运动参数的Stewart平台的数学模型(以下称实际模型)(步骤S601)。个人计算机可以与机器1相连，也可以不相连。然后，在将调整工具50定位在实际模型的基准孔61中时，执行计算以便获得末端执行器20接头的位置(步骤S602)。
接着，根据所计算的末端执行器20的接头位置、NC模型的基座接头位置和支柱的原点偏移量来求取NC模型的支柱坐标(即NC支柱坐标)，并将NC支柱坐标与基准孔61的坐标一同作为校准数据输出(步骤S603)。重复上述步骤S601至S603必要次数，直到输出所需的校准数据集(步骤S604)。必要的次数视要确定的运动参数个数不同而异。确定所有运动参数时需要7组以上的数据。末端执行器20的接头位置用三维测量装置测量且作为常数时，需要4组以上的数据。为了抑制不规则重力变形的影响，最佳的数据组数为：确定所有运动参数时为10组以上，末端执行器20的接头位置作为常数处理时为6组。
包括校准算法的软件在模拟器上执行，计算运动参数(步骤S605)。确认校准算法是否正常工作，可通过判断所计算的运动参数是否与实际模型的运动参数在数控装置100的舍入误差影响范围内一致来完成。舍入误差的影响可认为在数控装置100最小设置单位的2倍左右。为了更可靠地进行检验，在NC模型中设置校准中获得的运动参数(步骤S606)。然后即可用重设后的NC模型与实际模型来检查任意定位的误差。
在NC模型执行各种定位指令，然后数控装置100利用逆运动学计算对应各个定位指令的NC支柱坐标(步骤S607)。接着，用运动学计算与算得的NC支柱坐标相对应的、基于实际模型的末端执行器20的定位(步骤S608)。然后，计算并输出基于该实际模型的调整工具50的定位与基于NC模型的原始定位指令位置之差即定位误差(步骤S609)。通过对各定位位置执行以上的处理，计算定位误差，可以可靠地判断校准结果是否正常。
接下来将说明第二种模式。在第二种模式中，利用特殊工具54，代替第一种模式中的仿形头51来收集校准用数据。特殊工具54包括：位于工具顶端，用来测量工具头X、Y方向距离的激光测量装置542；位于完全偏离轴线的位置，用来测量旋转0度、90度、180度及270度时各角度下相对基准表面的距离的激光测量装置541；以及用来测量Z方向距离的激光测量装置543。
图11A至11C是说明第二种模式的数据收集方法；图11A说明空间坐标系和角坐标系中的定位；。图11B和11C说明绕C轴的基准位置的确定。图11B显示从X轴的负方向看YZ平面，图11C显示从Z轴的正方向看XY平面。在该模式中，调整工具50被特殊工具54取代，后者包括支撑部549，其轴线与末端执行器20的轴线一致，以及安装在支撑部549上的激光测量装置541至543。在该模式中，与第一种模式相同，在基准板60的预定位置形成圆筒形基准孔61，基准孔61以正交于基准表面的方向为轴线，其平面平行于基准表面。该位置是已知的，坐标(x0，y0，z0)。图11A只显示了一个基准孔61，但是在其它预定位置上还可以形成预定数量的孔。
激光测量装置(第三激光测量装置)541用于AB轴调整，并且在支撑部549绕轴线旋转时，测量到基准板60的基准表面的距离。激光测量装置(第一激光测量装置)542用于XY轴调整，并且测量到基准孔61内周壁的距离。激光测量装置(第二激光测量装置)543用于Z轴调整，并且测量到基准孔61底表面的距离。激光测量装置542、543具有作为坐标调整部的功能，激光测量装置541具有作为方向调整部的功能。
图12是说明第二种模式中数据收集操作的流程图。首先，分别将激光测量装置541至543的端点调至零基准。然后，求出工具长L的顶端与激光测量装置543的零基准的距离z2，激光测量装置541轴线与工具轴线在X方向的距离，以及基准孔61的底表面与激光测量装置543的距离(即Z定位基准值)。由于测得值是作为相对值使用，激光测量装置541、542的零基准可以是一个大致值。
接着，将用来检测C轴方向的激光测量装置(第四和第五激光测量装置)544、545重设至零点。只需调整激光测量装置544、545，使它们到XZ平面的距离相等即可，XZ平面平行于基准坐标系的X轴且正交于Z轴。此时，可获得激光测量装置544与激光测量装置545之间的间隔G。此外，对激光测量装置546、547也进行同样的调整。以上的重设在步骤S200中进行。
接着，将特殊工具54安装在末端执行器20上，同时使特殊工具54的轴线与末端执行器20的轴线一致，然后开启工具长度为L的数控装置100的五轴变换功能(步骤S201)。这种情况下，工具长度可以为L+z2。当将特殊工具54安装到末端执行器20上时，激光测量装置541需在0度的旋转位置只相对特殊工具54的轴线大致沿X方向偏离。使预先规定的基准坐标系的原点与目前设置在数控装置100中的运动参数的坐标系原点一致。此种原点一致操作，只需在特殊工具54沿z方向下行进入基准孔61时，在不造成干扰的精度范围内对所有的定位实施一次即可。此外，在数控装置100中指定好原点偏移量。
接着，将特殊工具54定位在基准孔61的上方(x0，y0，z0+100，0，0，0)(步骤S202)，并使其沿Z轴下行，直到激光测量装置543显示预定的测量值z3(步骤S203)。
将完成标记设为“1”(步骤S204)，令特殊工具54旋转0度、90度、180度及270度，读取各位置上激光测量装置541、542的测量值(步骤S205)。设激光测量装置541的测量值分别为e0、e90、e180、e270，激光测量装置542的测量值分别为x0、y90、x180、y270。根据上述读取的数值，末端执行器20的A轴、B轴方向和基准孔61上定义的基准坐标系的已知A轴、B轴方向之间的差值或误差Δa、Δb，以及末端执行器20的X轴、Y轴位置和基准坐标系的X轴、Y轴位置之间的差值或误差ΔX、ΔY，可按以下的式(7)至(10)计算。
Δa＝tan-1(e0-e180)×180/π              (7)
Δb＝tan-1(e270-e90)×180/π             (8)
ΔX＝(x0-x180)/2                  (9)
ΔY＝(y90-y270)/2                 (10)
如果e0与e180之差或e270与e90之差很小，上述式(7)、(8)亦可近似表示如下。
Δa＝(e0-e180)×180/π                         (11)
Δb＝(e270-e90)×180/π                        (12)
如果步骤S206算出的XY位置误差大于允许值ed(|Δx|＞ed或|Δy|＞ed)(步骤S207的结果为“是”)，则特殊工具54沿X方向移动Δx，沿Y方向移动Δy(步骤S208)，然后将完成标记设为“0”(步骤S209)。另一方面，如果X、Y方向上的Δx和Δy均等于或小于ed(即步骤S207的结果为“否”)，则完成标记保持为“1”，流程前进到角坐标系的方向调整。
如果步骤S206算出的差值Δa或Δb大于允许值ea(|Δa|＞ea或|Δb|＞ea)(步骤S210的结果为“是”)，则特殊工具54绕A轴旋转-Δa，绕B轴旋转-Δb(步骤S211)，然后将完成标记设为“0”(步骤S212)。这样就完成了绕A轴和B轴的基准定位。流程前进到绕C轴的基准定位。
绕C轴进行基准定位时，测量末端执行器20与基准表面的距离l4、l5或l6、l7(步骤S213)。可以使用任一组测量值l4、l5或l6、l7。使用测量值l4、l5时，根据下式(13)计算末端执行器20的差值或方向误差Δc(步骤S214)。
Δc＝tan-1(l4-l5)×180/π                (13)
如果方向误差Δc大于允许值ea(|Δc|＞ea)(步骤S215的结果为“是”)，则特殊工具54绕C轴旋转-Δc(步骤S216)，然后将完成标记设为“0”(步骤S217)。另一方面，如果方向误差Δc等于或小于允许值ea(步骤S215的结果为“否”)，则完成标记保持为“1”。这样就完成了绕C轴的基准定位。
在步骤S218中判断完成标记是否为“1”。如果判断完成标记为“0”(步骤S218的结果为“否”)，则判断步骤S209、S212和S217中有一个步骤被跳过，换言之，XY位置调整或绕A、B或C轴的基准定位尚未完成，流程将返回步骤S204以重设空间坐标系。另一方面，如果判断完成标记为“1”(步骤S218的结果为“是”)，则认为X、Y、Z轴和A、B、C轴的所有设置均已完成。空间坐标系中的定位是由坐标驱动控制器121执行的，而角坐标系中的定向是由方向驱动控制器122执行的。
完成XYZ轴及ABC轴的所有设置后，进而执行用于精确定位的位置和角度确定。首先，激光测量装置543测量距离zl(步骤S219)，并根据下式(14)计算工具顶端位置校正量w(步骤S220)。
w＝h-zl-z2    (14)
由此确定精确定位位置为(x0，y0，z0-w)。再确定方向角为(0，0，0)(步骤S221)。确定了精确定位的位置后，便可以读取数控装置100上显示的支柱坐标(struts coordinates)(步骤S222)。这样便完成了机器1运动参数计算所需的数据收集工作。
在上述方向调整中，数控装置100中设置的运动参数值可能不准确，不动部分发生不受控的偏移。有鉴于此，即使对一个轴实施了调整，也需要再次执行上述全部调整。再次调整可以对各轴单独执行，也可一起执行。但即使对一个轴实施了调整，也需返回步骤S204再次执行上述操作。
另外，也可以只执行大致的定位，而不执行再调整操作。明确言之，通过利用激光测量装置严格进行特殊工具54的调整，计算基准坐标系中基准孔61的位置和方向坐标的相对误差，并将该误差加到基准孔61的位置和方向坐标上，就可以确定精确定位的位置和角度。之所以能够采用这种确定方法，是因为由相对值也可以准确计算相对基准值的相对误差。
在上述第二种模式中，可以使用任一组激光测量装置544、545或546、547来确定绕C轴的基准定位。但如第一种模式中所述，也可以使用配置在末端执行器20基准表面上的水准器。此时，在图12的步骤S200中，需要调整水准器的零点。
关于使用上述数据收集工序收集的数据对机器1进行校准的处理，以及对用该校准所得的运动参数重设数控装置100时产生的无法忽视的误差进行的空间校正处理，因与上述第一种模式完全相同，故省略说明。
接下来将说明第三种模式。第一种模式和第二种模式是利用工具自动执行数据收集。第三种模式是通过操作手柄收集精确定位用数据。可以应用该模式的情况是，数控装置100中设置的运动参数的坐标系原点与在基准板60中新规定的基准坐标系原点存在较大差异。根据该模式，相对X、Y、Z、A、B、C各轴的定位是通过操作手柄进行，以将末端执行器20放在夹具板70的基准孔71中。这一通过手柄操作来定位的方法，与通常五轴机上的调整操作类似，机械操作员可以很容易上手。此外，这种模式还具有一个特点，即对已安装好的机器，无需进行任何设计修改，就可以进行校准。
机器1具有选择手柄模式的按钮或选择开关，还具有包括X、Y、Z、A、B、C轴和支柱轴E1、E2、E3、E4、E5、E6共计12个将进行手柄操作的轴中选择其一的选择开关。旋转机器1上的手柄时，手柄会产生一个正或负移动脉冲，使末端执行器20相对所选轴移动。此外，在手柄的特定部位上，机器1还具备用来选择每刻度移动量单位的选择开关。机器1还具有数控功能，接收所产生的移动脉冲作为相对所选轴的移动指令，并通过将对应移动脉冲的坐标加到当前坐标上来计算移动后的坐标，由此改变末端执行器20的方向。
但在以下所说明的情况中，只进行末端执行器20相对X、Y、Z轴和A、B、C的调整，使末端执行器20的位置和方向发生改变，而没有进行末端执行器20相对E1、E2、E3、E4、E5或E6支柱轴的调整。
图13是说明第三种模式中执行数据收集操作的配置图。该模式中，调整工具50包括安装在末端执行器20上的基准工具55，基准工具55的轴线与末端执行器20的轴线一致。基准工具55上安装有度盘规(dial gauges)56、57。该模式中，夹具板70位于基准板60的基准表面上。夹具板70上形成有圆筒形基准孔71，其轴线沿正交于夹具板70基准表面的方向延伸，且其顶部和底部平面平行于夹具板70的基准表面。基准孔71的形成位置是已知的，坐标为(x0，y0，z0)。基准孔71没有底面，即从夹具板70的基准表面贯通至背面。但是，基准孔71可以具有底壁。同样，夹具板70中既可以形成多个基准孔71，也可以只形成一个基准孔71。
图14是说明第三种模式中数据收集操作的流程图。当机器1的操作员通过选择开关选择手柄模式时(步骤S301)，将完成标记设为“1”(步骤S302)。在操作员通过选择开关选择X、Y、Z、A、B、C轴中的一个目标轴后，选择所需的手柄移动单位(步骤S303)，并旋转手柄(步骤S304)。
数控装置100检测选定的移动单位和手柄旋转量的刻度，并计算末端执行器20相对所选轴的移动量，以及移动后末端执行器20的位置或角度。移动后的位置或角度是通过将算出的移动量与末端执行器的当前位置或角度相加得到的。数控装置100用逆运动学根据算出的位置或角度计算支柱坐标，通过驱动支柱使末端执行器20移动(步骤S305)。手柄操作模式中，五轴变换功能也有效。换言之，相对A、B或C轴的方向变化是在工具顶端上进行的。
接着，操作员手动旋转基准工具55360度，同时保持末端执行器20不动(步骤S306)。此时，操作员看到度盘规56、57发生变化，由此判断该变化是否在允许范围内(步骤S307)。如果该变化超出允许范围(步骤S307的结果为“否”)，流程返回到步骤S303。另一方面，如果判断该变化是在允许范围内(步骤S307的结果为“是”)，则流程前进至Z方向定位。
该模式中，使用厚度已知的块规(block gauge)72，将其插入夹具板70的基准表面与基准工具55的顶端之间，进行Z方向的定位(步骤S308)。
后续步骤S309至S316执行相对C轴的基准定位，这与图5中说明的第一种模式的步骤S112至S119相同，故省略详细说明。但步骤S117及S118中的校正量w，在第三种模式中为块规72的厚度。
使度盘规56、57与基准孔71的基准表面和内周壁相接触，使得每次绕Z轴旋转时，度盘规的测量值都低于零点。没有必要获得X、Y、A和B轴的偏移量绝对值。
关于使用上述第三种模式的数据收集工序收集的数据对机器1进行校准的处理，以及对用该校准所得的运动参数重设数控装置100时产生的显著误差进行的空间校正处理，因与上述第一种模式完全相同，故省略说明。
在上述实施例中，对并联运动机器的校准进行了说明。但本发明不局限于这些实施例，而是可以全面应用于机器人或机械手等具备并联运动机构的装置中。
一般而言，为实施本发明实施例而执行的例程或流程，无论是作为操作系统的一部分，还是作为特定应用过程、组件、程序、对象、模型或指令序列，都将被称为“程序”。该程序包括在不同时间驻留在计算机的不同内存和存储装置中的一个或多个指令，这些指令驱使计算机执行必要的步骤，以便执行体现本发明各方面的步骤或元件。
本发明的实施例已经并且还将以功能计算机和计算机系统为背景来说明。但是，本领域的熟练技术人士应明白，本发明的各种实施例可以作为各种形式的程序产品来发布，而且不管采用何种特定媒体形式来进行发布，本发明都平等适用。媒体形式的例子包括但不限于：可记录式媒体，如挥发性和不挥发性存储器、软盘和其它移动磁盘、硬盘、光盘(CD-ROM、DVD等)等，以及传输式媒体，如数字和模拟通信链路，包括因特网。
此外，本发明还可以按如下方式实施。
(A)在以上说明的实施例中，虽对6×6并联运动机器(末端执行器的接头数6个，基座的接头数6个)进行了说明，但本发明的实施例并不局限于此，还可应用于其它并联运动机器，如图15所示的3×3并联运动机器(末端执行器的接头数3个，基座的接头数3个)。
应收集的适当数据组数，在确定所有参数时为4组以上，在三维测量装置使用末端执行器20的接头位置作为常数处理时为3组以上。当为了抑制不规则重力变形的影响而确定所有参数时，适当的数据组数为6组。当末端执行器20的接头位置作为常数处理时，适当的数据组数为4组。
(B)在以上说明的实施例中，作为通过直线状驱动轴即支柱的伸缩来控制末端执行器的位置及方向的机器的一个例子，取Stewart平台进行了说明。但本发明的实施例并不局限与此，还适用于其它控制相对旋转轴的角度和接头角度来进行驱动的并联运动机器。同样，本发明也适用于根据定义运动学和逆运动学的非线性联立方程组来控制的任何并联运动机器，即使机器的自由度为6个或小于6个。
(C)在以上说明的第二种模式中，基准板60上形成的基准孔61有底表面，且提供激光测量装置来测量到该底表面的距离。但是，本发明并不特别限于该实施例。应明白，圆筒形基准孔61也可以贯通基准板60，基准孔的轴线正交于基准板60的基准表面。此时，激光测量装置541可以执行激光测量装置543的功能，如图16所示。换言之，通过定位使激光测量装置541测得的到基准表面的距离等于预定距离，就可以完成坐标轴在正交于基准表面的方向上的调整，而该调整在第二种模式中是由激光测量装置543执行的。
(D)在以上说明的实施例中，基准坐标系的X、Y轴位于基准板60(或夹具板70)的基准表面上。但是，本发明并不局限于该实施例。基准坐标系可相对基准板60(或夹具板70)的基准表面取所要的任意姿态。此外，在以上说明的实施例中，基准孔61或71的轴线正交于基准坐标系的XY平面。但应明白，基准孔的轴线可以取相对基准坐标系的任意姿态。另外，基准孔61和71的各轴可以配置成不同的姿态。此时，不是用仿形头51或特殊工具54，而是用平行于基准孔61顶表面(基准表面)的两个方向上的空间坐标来确定基准坐标系的X、Y轴。
(E)在以上说明的实施例中，获得了包括方向在内的定位位置p[i][]和与此对应的支柱坐标s[i][]。但本发明的实施例并不局限于此，也可以适用于没有获得一部分包括方向在内的位置信息的情况。例如，如果无法确定绕主轴的方向角坐标C(方向的一部分)，则使第一种模式所述的式(4)最小化的运动参数将作为最小值问题来求解。明确言之，此时将要计算的运动参数和p[1][6]、p[2][6]、...、p[n][6]是未知的。换言之，未知数增加到n个，即测量次数。这与第一种模式中的计算不同。式(4)中的“m[][][]”按下式展开，用于求解该最小值问题。
m[i][1][1]＝sin(p[i][4])×sin(p[i][5])×sin(p[i][6])
                         +cos(p[i][5])×cos(p[i][6])             (15)
m[i][1][2]＝cos(p[i][4])×sin(p[i][6])                           (16)
m[i][1][3]＝sin(p[i][4])×cos(p[i][5])×sin(p[i][6])
                         -sin(p[i][5])×cos(p[i][6])             (17)
m[i][2][1]＝sin(p[i][4])×sin(p[i][5])×cos(p[i][6])
                         -cos(p[i][5])×sin(p[i][6])             (18)
m[i][2][2]＝cos(p[i][4])×cos(p[i][6])                           (19)
m[i][2][3]＝sin(p[i][4])×cos(p[i][5])×cos(p[i][6])
                         +sin(p[i][5])×sin(p[i][6])             (20)
m[i][3][1]＝cos(p[i][4])×sin(p[i][5])                           (21)
m[i][3][2]＝-sin(p[i][4])                                        (22)
m[i][3][3]＝cos(p[i][4])×cos(p[i][5])                           (23)
本实施例无需明确相对主轴的方向角就可以计算正确的运动参数，因此对于倾斜平面上的基准孔非常实用。
如上所述，本发明提供了一种并联运动机构的校准方法，并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过设置在上述基座和末端执行器中的多个接头连接该基座和末端执行器的多根驱动轴；以及通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制该末端执行器的姿态的数控装置。上述校准方法包括下列步骤：设置步骤，将安装在末端执行器上的调整工具设置在并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义并联运动机构的基准坐标系，该调整工具的轴线与该末端执行器的轴线一致；收集步骤，每次将调整工具置于一种姿态时，收集调整工具的该姿态的坐标；记录步骤，每次将调整工具置于一种姿态时，记录数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；以及计算步骤，根据所获取的驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算并联运动机构的运动学所必要的运动参数。
该校准方法中，定位取已知的姿态。因此，定位后无需测量。避免测量难于测量的位置可以保证更高的校准精度。
上述调整工具最好包括坐标调整部和方向调整部，并且上述设置步骤包括：将该调整工具设置在某一位置上，以便根据基准坐标系中预定位置处形成的基准孔的坐标和坐标调整部的测量结果来指定该调整工具的位置，确定一个空间坐标，该基准孔与一基准表面正交，具有绕该基准孔轴线的圆筒形内表面；将该调整工具设置在某一位置上，以便根据该基准表面与绕该末端执行器轴线旋转的该方向调整部的旋转平面之间的相对距离，来指定表示该末端执行器轴线方向的两个方向角坐标，调整该末端执行器的方向，使得该末端执行器的基准侧面与一预定直线平行，以及确定该末端执行器绕其轴线的方向角坐标。
因此，可以更容易地定位该调整工具，因为坐标调整部和方向调整部的提供使得坐标调整和方向调整可以分开进行。
该坐标调整部最好包括仿形头，该仿形头的测头直径大于该基准孔的直径，通过调整该调整工具的位置，使得当该测头与该基准孔接触时该测头只接收到正交于该基准表面的方向上的力，来确定空间坐标。
这种配置可以保证更高的定位效率，因为单一仿形头就可以完成X、Y、Z方向上的空间坐标定位。
该基准孔最好具有底表面，且该坐标调整部最好可插入该基准孔中；该坐标调整部包括第一激光测量装置，它在平行于该基准表面的方向上射出一束激光，以及第二激光测量装置，它在正交于该基准表面的方向上射出一束激光，且上述设置步骤包括：将该调整工具设置在某一位置上，使得该第一激光测量装置测得的该调整工具相对于该基准孔的内周表面的距离相等，或者根据该第一激光测量装置的测量结果和该基准孔的坐标，指定平行于该基准表面的两个方向上的空间坐标，由此确定平行于该基准表面的两个方向上的空间坐标；将该调整工具设置在某一位置上，使得该第二激光测量装置测得的该调整工具相对于该基准孔的底表面的距离达到预定值，或者根据该第二激光测量装置的测量结果和该基准孔的底表面坐标，指定正交于该基准表面的方向上的空间坐标，由此确定正交于该基准表面的方向上的空间坐标。
该配置中，通过激光测量装置可以精确测量到该基准孔底表面或内周表面的距离。因此，可以更精确地确定X、Y、Z方向上的空间坐标。
该方向调整部最好具备度盘规，用来调整该调整工具的方向，使得该方向调整部绕该末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上该度盘规测得的相对该基准表面的距离都相等，由此使该方向调整部的旋转平面与该基准表面平行。
利用该配置，通过具有度盘规的简单结构，就可以更加有效地确定两个方向角坐标，这两个坐标指定该末端执行器轴线的斜度。
该方向调整工具最好具备第三激光测量装置。此时，可以通过下述方式来完成设置步骤：将该调整工具设置在某一位置，使得当该方向调整部绕该末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上该第三激光测量装置测得的相对该基准表面的距离都相等，或者根据该第三激光测量装置的测量结果，从定义该末端执行器方向的三个方向角坐标中指定定义该末端执行器轴线方向的两个方向角坐标，由此确定两个方向角坐标。
利用该配置，通过使用能够精确地测量到该基准表面的距离的激光测量装置，就可以更精确地确定两个方向角坐标，这两个坐标指定该末端执行器轴线的斜度。
该基准孔最好具有一个贯通空间和一个平行于该基准孔轴线的圆筒形内周表面；该坐标调整部可插入该基准孔中，且包括第一激光测量装置，它沿平行于该基准表面的方向射出一束激光；该方向调整部包括第二激光测量装置，它将一束激光射向该基准表面；该设置步骤包括：将该调整工具设置在某一位置上，使得该第一激光测量装置测得的该调整工具相对于该基准孔的内周表面的距离相等，或者根据该第一激光测量装置的测量结果和该基准孔的坐标，指定平行于该基准表面的两个方向上的空间坐标，由此确定平行于该基准表面的两个方向上的空间坐标；将该调整工具设置在某一位置上，使得当该方向调整部绕该末端执行器的轴线旋转时，在所有旋转角度上该第二激光测量装置测得的相对于该基准表面的距离都相等，该距离为预定值，或者根据该第二激光测量装置的测量结果和到该基准表面的距离，指定正交于该基准表面的方向上的空间坐标，由此确定正交于该基准表面的方向上的空间坐标。
利用这种结构，通过仅由该第一与第二测量装置组成的简单配置，就可以精确地确定X、Y、Z方向上的空间坐标和两个方向角坐标。
最好再提供第四激光测量装置和第五激光测量装置，用于沿基准坐标系XY平面上的某一方向发射激光束。此时，该设置步骤可以包括：将该调整工具设置在某一姿态，使得根据该第四和第五激光测量装置测得的到该基准侧表面的距离，让该末端执行器的基准侧表面平行于预定直线，由此确定该调整工具相对该末端执行器轴线的方向。
该结构中，该第四和第五激光测量装置精确地测量到该基准侧表面的距离，这样就能够精确地确定绕该末端执行器轴线的方向角坐标的基准位置。
该支撑平台支撑的该基座的法线方向最好正交于垂直方向，且在该末端执行器的基准侧表面上提供水准器，调整该末端执行器，根据该水准器的结果，使得该末端执行器的基准侧表面平行于该预定直线，由此确定该调整工具相对该末端执行器轴线的方向角。
提供水准器的结构更简单，可以确保绕该末端执行器轴线的方向角坐标的基准位置得到精确的确定。
在该计算步骤中，上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数的计算最好基于这一条件，即在该姿态中末端执行器接头与基座接头之间的距离，等于将这些接头彼此连接的各驱动轴的记录坐标与指示各驱动轴原点偏移量的偏移坐标之和。
根据该距离等于该和的这一条件就可以计算运动参数，而无需使用偏微分或傅立叶级数等复杂的计算。因此，该等式很明确，算出的参数是精确的。
本发明的校正数据获取方法包括下列步骤：在该数控装置中输入上述校准方法的计算步骤中算出的运动参数；将该调整工具设置在某一姿态；计算所收集的定位后调整工具的坐标与该数控装置根据运动学所控制的该调整工具的坐标之差，即校正值；以及记录所算出的与定位在基准坐标系中的该调整工具的坐标相对应的校正值。
利用该方法，可以获取校正数据来校正不规则重力变形所引起并会保持到校准后的姿态误差。
本发明的检验方法可以检验并联运动机构的校准，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器中具备的多个接头连接该基座与末端执行器的多根驱动轴；以及通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制该末端执行器的姿态的数控装置。该方法包括下列步骤：生成NC模型，它包括表示该并联运动机构的数学模型和校准前设置在该数控装置中的误差；生成实际模型，它包括该数学模型和相当于实际尺寸的运动参数；将安装在该末端执行器上的调整工具设置在该并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义该并联运动机构的基准坐标系，该调整工具的轴线与该末端执行器的轴线一致；每次将调整工具置于一种姿态时，收集该NC模型中该调整工具的该姿态的坐标；每次将调整工具置于一种姿态时，记录该NC模型中该数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；根据所收集的该NC模型中驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算该并联运动机构的运动学所必要的运动参数；以及判断所算出的运动参数是否与该实际模型的运动参数相符。
该结构中，关于校准好坏的判断的精度更高，因为所用的数学模型不存在实际设备中存在的间隙和重复精度等误差产生因素。
本发明的程序产品可以检验并联运动机构的校准，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器中具备的多个接头连接该基座与末端执行器的多根驱动轴；以及通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制该末端执行器的姿态的数控装置。上述程序产品包括：程序和承载该程序的信号承载媒体。所述程序能够：生成NC模型，该NC模型包括表示该并联运动机构的数学模型和校准前设置在该数控装置中的误差；生成实际模型，它包括该数学模型和相当于实际尺寸的运动参数；将安装在该末端执行器上的调整工具设置在该并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义该并联运动机构的基准坐标系，该调整工具的轴线与该末端执行器的轴线一致；每次将调整工具置于一种姿态时，收集该NC模型中该调整工具的该姿态的坐标；每次将调整工具置于一种姿态时，记录该NC模型中该数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；根据所收集的该NC模型中驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算该并联运动机构的运动学所必要的运动参数；以及判断所算出的运动参数是否与该实际模型的运动参数相符。
利用该程序产品，可以精确地判断校准的好坏，因为所用的数学模型不存在实际设备中存在的间隙和重复精度等误差产生因素。
本发明的数据收集方法可以收集并联运动机构校准用数据，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器中具备的多个接头连接该基座与末端执行器的多根驱动轴；以及通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制该末端执行器的姿态的数控装置，该方法包括下列步骤：将安装在该末端执行器上的调整工具设置在该并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义该并联运动机构的基准坐标系，该调整工具的轴线与该末端执行器的轴线一致；以及计算该末端执行器的位置和方向。
该数据收集方法不需要进行定位后测量，因为定位采取的是已知的姿态。由于不需要在难于测量的位置进行操作，因此可以很容易地获取能够保证更精确校准的数据。
本专利申请以在日本提出申请的专利申请第2005-56688号为基础，后者的内容通过引用结合于此。
虽然已经由例子并参照附图对本发明进行了完整说明，但应了解，本领域熟练技术人士很容易看出可以进行各种变化和更改。因此，此类变化和更改在不偏离权利要求书所界定的本发明的范围内，应被视为包含在本发明中。

Claims (19)

1.一种并联运动机构的校准方法，上述并联运动机构具备：
支撑在支撑平台上的基座；
末端执行器；
通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；以及
通过利用运动学或逆运动学操纵每根驱动轴的坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置；其特征在于，包括：
设置步骤，将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；
收集步骤，每次将上述调整工具置于一种姿态时，收集上述调整工具的上述姿态的坐标；
记录步骤，每次将上述调整工具置于一种姿态时，记录上述数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；以及
计算步骤，根据所收集的上述驱动轴姿态坐标和所记录的上述驱动轴坐标，计算上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：
上述调整工具包括坐标调整部和方向调整部，
上述设置步骤包括：
将上述调整工具设置在某一位置上，以便根据上述基准坐标系中预定位置处形成的基准孔的坐标和上述坐标调整部的测量结果来指定上述调整工具的位置，以确定空间坐标，上述基准孔与一基准表面正交，并具有绕上述基准孔轴线的圆筒形内周表面；
将上述调整工具设置在某一位置上，以便根据上述基准表面与绕上述末端执行器轴线旋转的上述方向调整部的旋转平面之间的相对距离，来指定表示上述末端执行器轴线方向的两个方向角坐标，以确定两个方向角坐标，调整上述末端执行器的方向，使得上述末端执行器的基准侧面与预定直线平行，并且确定上述末端执行器关于其轴线的方向角坐标。
3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，上述坐标调整部包括一个仿形头，仿形头的测头直径大于上述基准孔的直径，通过调整上述调整工具的位置使得当上述测头与上述基准孔接触时上述测头只接收到正交于上述基准表面的方向上的力，从而确定上述空间坐标。
4.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于：
上述基准孔具有底表面；以及
上述坐标调整部可插入上述基准孔中，且包括第一激光测量装置，它沿平行于上述基准表面的方向射出一束激光，以及第二激光测量装置，它沿正交于上述基准表面的方向射出一束激光；
上述设置步骤包括：
将上述调整工具设置在某一位置上，使得上述第一激光测量装置测得的上述调整工具相对于上述基准孔的内周表面的距离相等，或者根据上述第一激光测量装置的测量结果和上述基准孔的坐标，指定平行于上述基准表面的两个方向上的空间坐标，由此确定平行于上述基准表面的两个方向上的空间坐标；
将上述调整工具设置在某一位置上，使得上述第二激光测量装置测得的上述调整工具相对于上述基准孔的底表面的距离达到预定值，或者根据上述第二激光测量装置的测量结果和上述基准孔的底表面坐标，指定正交于上述基准表面的方向上的空间坐标，由此确定正交于上述基准表面的方向上的空间坐标。
5.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，上述方向调整部具备度盘规，用来调整上述调整工具的方向，使得上述方向调整部绕上述末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上上述度盘规测得的相对上述基准表面的距离都相等，由此使上述方向调整部的旋转平面与上述基准表面平行。
6.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，上述方向调整部包括第三激光测量装置，并且上述设置步骤包括：
将上述调整工具设置在某一位置，使得当上述方向调整部绕上述末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上上述第三激光测量装置测得的相对上述基准表面的距离都相等，或者根据上述第三激光测量装置的测量结果，从定义上述末端执行器方向的三个方向角坐标中指定定义上述末端执行器轴线方向的两个方向角坐标，由此确定两个方向角坐标。
7.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于：
上述基准孔具有贯通空间和平行于上述基准孔轴线的圆筒形内周表面；
上述坐标调整部可插入上述基准孔中，且包括第一激光测量装置，它沿平行于上述基准表面的方向射出一束激光；
上述方向调整部包括第二激光测量装置，它将一束激光射向上述基准表面；
上述设置步骤包括：
将上述调整工具设置在某一位置上，使得上述第一激光测量装置测得的上述调整工具相对于上述基准孔的内周表面的距离相等，或者根据上述第一激光测量装置的测量结果和上述基准孔的坐标指定平行于上述基准表面的两个方向上的空间坐标，由此确定平行于上述基准表面的两个方向上的空间坐标；
将上述调整工具设置在某一位置上，使得当上述方向调整部绕上述末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上上述第二激光测量装置测得的相对于上述基准表面的距离都相等，该距离为预定值，或者根据上述第二激光测量装置的测量结果和到上述基准表面的距离指定正交于上述基准表面的方向上的空间坐标，由此确定正交于上述基准表面的方向上的空间坐标。
8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，它还包括第四激光测量装置和第五激光测量装置，用于沿上述基准坐标系的XY平面上的某一方向发射激光束，上述设置步骤包括：将上述调整工具设置在某一姿态，使得根据上述第四和第五激光测量装置测得的到上述基准侧表面的距离，让上述末端执行器的基准侧表面平行于上述预定直线，由此确定上述调整工具相对上述末端执行器轴线的方向。
9.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，上述支撑平台支撑的上述基座的法线方向最好正交于垂直方向，且在上述末端执行器的基准侧表面上提供水准器，调整上述末端执行器，根据该水准器的结果，使得上述末端执行器的基准侧表面平行于上述预定直线，由此确定上述调整工具相对上述末端执行器轴线的方向角。
10.根据权利要求9所述的校准方法，其特征在于，在上述计算步骤中，上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数的计算是基于这一条件，即在上述姿态中上述末端执行器接头与上述基座接头之间的距离等于将这些接头彼此连接的各驱动轴的记录坐标与指示各驱动轴原点偏移量的偏移坐标之和。
11.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，上述方向调整部具备度盘规，用来调整上述调整工具的方向，使得当上述方向调整部绕上述末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上上述度盘规测得的相对上述基准表面的距离都相等，由此使上述方向调整部的旋转平面与上述基准表面平行。
12.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，上述方向调整部包括第三激光测量装置，并且上述设置步骤包括：
将上述调整工具设置在某一位置，使得当上述方向调整部绕上述末端执行器轴线旋转时，在所有旋转角度上上述第三激光测量装置测得的相对上述基准表面的距离都相等，或者根据上述第三激光测量装置的测量结果，从定义上述末端执行器方向的三个方向角坐标中指定定义上述末端执行器轴线方向的两个方向角坐标，由此确定两个方向角坐标。
13.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，它还包括第四激光测量装置和第五激光测量装置，用于沿上述基准坐标系的XY平面上的某一方向发射激光束，上述设置步骤包括：将上述调整工具设置在某一姿态，使得根据上述第四和第五激光测量装置测得的到上述基准侧表面的距离，让上述末端执行器的基准侧表面平行于上述预定直线，由此确定上述调整工具相对上述末端执行器轴线的方向。
14.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，上述支撑平台支撑的上述基座的法线方向最好正交于垂直方向，且在上述末端执行器的基准侧表面上提供水准器，调整上述末端执行器，根据该水准器的结果，使得上述末端执行器的基准侧表面平行于上述预定直线，由此确定上述调整工具相对上述末端执行器轴线的方向角。
15.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，在上述计算步骤中，上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数的计算是基于这一条件，即在上述姿态中上述末端执行器接头与上述基座接头之间的距离等于将这些接头彼此连接的各驱动轴的记录坐标与指示各驱动轴原点偏移量的偏移坐标之和。
16.一种用于获取并联运动机构校准的空间定位校正用校正数据的方法，上述并联运动机构具备：
支撑在支撑平台上的基座；
末端执行器；
通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；以及
通过利用运动学或逆运动学操纵每根驱动轴的坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置；其特征在于，该方法包括：
将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；
每次上述调整工具置于一种姿态时，收集上述调整工具的该姿态的坐标；
每次将上述调整工具置于一种姿态时，记录上述数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；
根据所收集的驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数；
将所算出的运动参数输入上述数控装置中；
将上述调整工具设置在某一姿态；
计算所收集的定位后调整工具的坐标与上述数控装置根据运动学所控制的上述调整工具的坐标之差，即校正值；以及
记录所算出的与定位在上述基准坐标系中的上述调整工具的坐标相对应的校正值。
17.一种并联运动机构的校准检验方法，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；和通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置，其特征在于，该方法包括下列步骤：
生成NC模型，它包括表示上述并联运动机构的数学模型和校准前设置在上述数控装置中的误差；
生成实际模型，它包括上述数学模型和相当于实际尺寸的运动参数；
将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；
每次将上述调整工具置于一种姿态时，收集上述NC模型中该调整工具的该姿态的坐标；
每次将上述调整工具置于一种姿态时，记录上述NC模型中上述数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；
根据所收集的上述NC模型中驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数；以及
判断所算出的运动参数是否与上述实际模型的运动参数相符。
18.一种并联运动机构的校准检验程序产品，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；和通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置，其特征在于，该程序产品包括程序和承载上述程序的信号承载媒体，
所述程序能够：
生成NC模型，该NC模型包括表示上述并联运动机构的数学模型和校准前设置在上述数控装置中的误差；
生成实际模型，该实际模型包括上述数学模型和相当于实际尺寸的运动参数；
将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；
每次将上述调整工具置于一种姿态时，收集上述NC模型中该调整工具的该姿态的坐标；
每次将上述调整工具置于一种姿态时，记录上述NC模型中上述数控装置根据逆运动学操纵的每根驱动轴的坐标；
根据所收集的上述NC模型中驱动轴姿态坐标和所记录的驱动轴坐标，计算上述并联运动机构的运动学所必要的运动参数；以及
判断所算出的运动参数是否与上述实际模型的运动参数相符。
19.一种并联运动机构的校准数据收集方法，上述并联运动机构具备：由支撑平台支撑的基座；末端执行器；通过上述基座和末端执行器分别具备的多个接头连接上述基座与末端执行器的多根驱动轴；和通过利用运动学或逆运动学操纵各驱动轴坐标来控制上述末端执行器的姿态的数控装置，其特征在于，该方法包括下列步骤：
将安装在上述末端执行器上的调整工具设置在上述并联运动机构外部的基准坐标系中规定数量的不同预定姿态中，以定义上述并联运动机构的基准坐标系，上述调整工具的轴线与上述末端执行器的轴线一致；以及
计算上述末端执行器的位置和方向。
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