CN1980775A - 机器人控制的光测量装置以及测量该测量装置的方法和辅助装置 - Google Patents

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Abstract

一种机器人控制的光测量装置(1)，具有固定在间隔件(3)上的光传感器(2)，其中在间隔件(3)和/或传感器(2)的壳体(2')上设置测量标记(22)。光测量装置(1)的测量借助于放置在光测量装置(1)上的辅助装置(13)进行，辅助装置(13)具有传感器目标(16)，传感器目标(16)相对于辅助装置(13)设置成位于光测量装置(1)与辅助装置(13)的组装位置中、在光传感器(2)的测量空间(17)内。为了测量光测量装置(1)，要借助传感器(2)产生传感器目标(16)的测量值，由此可计算出与传感器目标(16)相对的传感器坐标系(10)的空间位置。此外借助于另一个(空间固定的)测量装置(21)进行辅助装置(13)和测量标记(22)的空间位置的测量。可以以较高的精度由测量的总和的组合确定与测量标记(22)相对的传感器坐标系(10)的空间位置。

Description

机器人控制的光测量装置以及测量该测量装置的方法和辅助装置
本发明涉及一种用在测量机器人上的光测量装置。此外本发明还涉及一种测量所述光测量装置的辅助装置和方法。
由US 6321137B1公知一种机器人控制的光传感器，借助于所述机器人控制的光传感器在生产环境中可以在一个或者多个测量区域中测量工件，例如在汽车车身中。所述光传感器固定在机器人手上，并且借助于所述机器人在相对于所述工件的选取测量区域中定位。采用光传感器的优点是，这是一种传感器无接触的测量，其由于相当高的测量速度和很小的振动敏感度而比触感传感器要优越得多，由此可以在生产环境中进行快速而稳定的测量。借助于机器人的光传感器定位的一个附加优点是高度的灵活性和较低的成本，此外借助于机器人定位可以达到良好的可再现性和测量结果的精确性。
然而对此的前提是，在真正测量之前要对机器人和光传感器组成的整个系统进行高精度的校准。在此，一般情况下首先校准机器人，测定其轴线误差并且借助于控制来进行补偿。然后校准光传感器系统，其中要补偿传感器光学系统的误差并且要确定传感器坐标系相对于一个外部的参照点的位置，例如传感器壳体的位置。此外还需要建立传感器坐标系的位置与机器人坐标系的位置之间的关系，以能够确定所述传感器的测量点在机器人坐标系中的位置。
为此在US 6321137B1中提出，借助机器人在相对于一个参照体的不同空间位置中移动所述光传感器，并且由在这些空间位置中得到的参照体的传感器测量数据进行整个系统的校准。然而在此的该方法只能够得到相对较低的精度，这对于在生产领域，特别是对汽车(原始)车身上的测量是不够的。
因此，本发明的目的在于提供一种机器人控制的光测量装置，其设置成能够进行快速和简单的测量。此外应当提出一种方法和一个辅助装置，借助于所述方法和所述辅助装置可以快速和可再现地进行这种测量过程。
根据本发明，该目的通过权利要求1、4和6的特征来实现。
据此，所述光测量装置具有光传感器，所述光传感器借助于间隔件固定在机器人上，其中在所述间隔件和/或所述传感器壳体上设置测量标记。这些测量标记例如由钢球构成，其中点可以借助于一个触感的测量器件，尤其是通过一个坐标测量机的测量探头，以较高的精度确定。可选择的，通过后向反射器构成所述测量标记，这使之能够借助激光跟随器对所述测量标记的位置进行高精度的测量。在一个特别有利的技术方案中，所述测量标记是后向反射球，这既允许触感测量所述测量标记的位置也允许光测量所述测量标记的位置。适当地，这些球以这样的方式可松开地固定在所述光测量装置上，即(在测量操作过程中)可以拆卸这些球，然而为了校准或者检验测量这些球，可以以高精度可再现的方式将这些球安装在所述光测量装置上。
测量所述光传感器可以采用一种辅助装置，所述辅助装置可以优选以一种高精度可再现的方式固定在所述光测量装置上。所述辅助装置具有传感器目标，所述传感器目标在所述辅助装置上设置成，位于所述辅助装置与所述光测量装置的组装位置中、所述光传感器的测量空间内。
所述光测量装置的测量包含相对于固定在所述测量装置的测量标记来确定传感器坐标系的位置(也称TCP＝Tool center point“工具中心点”)。为此，把所述辅助装置固定在所述光测量装置上。然后借助于该光传感器进行所述辅助装置的传感器目标的一个或者多个测量；从中确定所述传感器目标在传感器坐标系中的位置。此外在采用另一个(光的或者触感的)测量系统的条件下测量固定在所述光测量装置上的测量标记相对于所述辅助装置的空间位置。从所述测量的总体分析来计算所述光测量装置的传感器坐标系相对于所述测量标记的位置。为了能够高精度地确定所述辅助装置相对于所述光测量装置的测量标记的空间位置，有利的是，所述辅助装置也设有测量标记。
通过在所述光测量装置上和在所述辅助装置上适当的安排测量标记可以以较高的精度确定所述传感器坐标系相对于所述光测量装置的测量标记的空间位置。所述光测量装置的这种测量可以在测量空间中进行，例如在(触感的)坐标测量装置中进行。因为用于测量的辅助装置小而轻，便于操作并且坚实，所以所述测量还可以直接在制造环境中，在其手上安装所述光测量装置的机器人上进行。然后可以把固定在所述光测量装置上的测量标记附加地，例如借助于激光跟随器，用于以较高的精度确定所述光测量装置相对于所述机器人坐标系的空间位置，并且以此方式检测或者补偿在把传感器测量值换算到机器人坐标系中时出现的误差或不准确性。
下面借助于附图中所示的实施例详细地说明本发明，在附图中：
图1示出了一个机器人控制的光测量装置的示意图；
图2示出了一个用于测量图1所示的光测量装置的、如本发明所述的辅助装置的示意图。
图1示出了带有一个固定在间隔件3上的光传感器2的、如本发明所述的光测量装置1的示意图。间隔件3具有法兰4，借助于所述法兰4把所述光测量装置1安装在一个多轴操纵器的机器人手上，尤其是六轴工业机器人6的机器人手5上。为了存储和分析光传感器2的测量数据，设置有分析单元7。所述机器人6连接到用于控制机器人手5的运动的机器人控制单元8上。在测量操作前校准机器人6，其中计算轴误差，并借助控制单元8补偿轴误差。
在测量操作中，借助光传感器2得到测量目标9的测量值，所述测量值在(随同光测量装置1一起运动的)传感器坐标系10中产生。为了能够把所述测量值转换到空间固定的机器人坐标系11中或者测量目标9的坐标系12中，必须要依据机器人手5的运动获知传感器坐标系10在机器人坐标系11中的空间位置。为此需要“测量”光测量装置1。
由此，使用在图2中示出的辅助装置13。所述辅助装置13以一种“眼镜”的形式构成，它放在用于测量过程的光测量装置1上，并因此具有一个固定区域14，借助于所述固定区域，可以把它固定在传感器2的壳体2’上。为了保证所述辅助装置对传感器2的可再现的固定，有利地在传感器壳体2’上设有止档15，所述止档15限定固定区域14与传感器壳体2’的相对位置。在辅助装置13上设置传感器目标16，使得当辅助装置13位于传感器2上时，其处于光传感器2的测量空间17中。传感器目标16具有几何标记18、19，所述几何标记能够使传感器2相对于传感器目标16的位置和方向被快速和高精度地计算。所述几何标记18、19根据光传感器2的测量原理调整。本实施例的光传感器2能够，一方面(借助于光截面法)产生三维的测量点，另一方面(借助于灰度图像分析)识别二维的标记。在此情况下，如图2中所示，传感器目标16具有一个或者多个梯度18(其空间位置可以借助于所述光截面法测量)。此外，传感器目标16具有多个孔19(它们的中点可由灰度图像的图像处理计算)。以此方式可以以较高的精度确定传感器目标16在传感器坐标系10中的空间位置和角度位置。
为了能够在光测量装置1的测量进程中借助空间固定的测量装置21，例如激光跟随器28，确定辅助装置13的空间位置，辅助装置13必须设有测量标记22’，所述测量标记可供空间固定的测量装置21进行测量使用。所述测量标记22’例如可以由后向反射球27’构成，所述后向反射球27’与传感器目标16的相对位置在一个(前置于光测量装置1的测量方法的)校准过程中借助于一个触感的坐标测量机确定。可选择的，测量标记22’可以这样构成，即使传感器目标16的孔19形成为通孔，从而可以借助空间固定的测量装置21的测量来确定孔19的位置，并且可以从该测量推断传感器目标16的位置(前提是要知道辅助装置13的局部墙厚度和传感器目标16的梯度18)。
为了测量光测量装置1，把辅助装置13放置在(固定于机器人手5上的)光测量装置1上。在此状态下进行三个测量：
1.借助于传感器2进行传感器目标16的测量，从中得出传感器坐标系10相对传感器目标16的空间位置。
2.借助于空间固定的测量装置21对辅助装置13的测量标记22’进行测量，从中计算辅助装置13(由此还有与辅助装置13固定连接的传感器目标16的位置)在空间固定的测量装置21的坐标系20中的空间位置。
3.借助于空间固定的测量装置21确定光测量装置1在空间固定的测量装置21的坐标系20中的空间位置。为此在光测量装置1上设置测量标记22，所述测量标记22可供空间固定的测量装置21进行测量使用。在空间固定的测量装置是激光跟随器的本实施例中，所述测量标记22由后向反射球27构成，所述后向反射球固定在间隔件3和光传感器2的壳体2’上。为了固定后向反射球27，在间隔件3和传感器壳体2’上设置螺纹孔24，其中将所谓的“造窝件(Nester)”25旋入到螺纹孔24中。所述“造窝件”25构成为环形盘，在高精度限定的位置中可再现地将所述后向反射球插入其中。所述“造窝件”25设有磁性元件，从而可以与所述“造窝件”25的空间方向无关地把后向反射球27可靠地固定和保持在“造窝件”25中。在图2的图示中，只有一些螺纹孔24装有“造窝件”25，并且只有一些这样的“造窝件”25显示出带有固定于其中的后向反射球27。如本领域技术人员所公知，测量标记22的数量和位置对确定光测量装置相对于空间固定的测量装置21的坐标系20的空间位置的精度有很大的影响。因此精心地选择测量标记22对于测量结果的质量是决定性的。
所述三个测量1、2和3的结合可以高精度地确定传感器坐标系10相对于固定在光测量装置1上的测量标记22的位置。如果现在借助机器人6使光测量装置1在不同的空间位置中运动，就可以为每个这样的空间位置从测量标记22的测量中推断传感器坐标系10的当前位置。如果在测量目标9的坐标系12上测量空间固定的测量装置21，就可以计算传感器坐标系10在测量目标9的坐标系12中(例如在汽车坐标系中)的当前位置(以及通过传感器2得到的测量数据的空间位置)。因此适当地，在开始当前的测量操作以前，借助空间固定的测量装置21和测量标记22，为所有那些在测量操作的过程中应当进行测量目标9的测量的空间位置，测量光测量装置1的空间位置。
后向反射球27在磁性“造窝件”25中定位的优点是，可以在测量操作中拆卸后向反射球27；从而可以在测量操作中降低光测量装置1的重量并由此降低机器人手5的负荷；此外还可降低光测量装置1的空间要求。如果在测量进程中(例如因为测量机器人6的碰撞)需要光测量装置1或者测量机器人6的另一次校准，可随时以可再现的方式把后向反射球27插入所述“造窝件”25中。
除了以上说明的测量标记22实施为后向反射球27的技术方案以外，可以有任意的其它形式的测量标记22。此外在测量过程中进行的测量标记22的探测可以借助激光跟随器28由任意的其它光的或者触感的测量方法代替。
辅助装置13可以用于不同测量原理的光测量装置1，尤其是用于光截面传感器、带有灰度图像处理的CCD摄像头、条形突起传感器等等。

Claims (8)

1.光测量装置(1)，用在多轴的操纵器(6)上，尤其是用在工业机器人上，
-该光测量装置(1)带有可安装在所述操纵器(6)上的间隔件(3)，在所述间隔件(3)上固定光传感器(2)，
-其中在所述间隔件(3)和/或在所述传感器(2)的壳体(2’)上设置测量标记(22)。
2.如权利要求2或3所述的光测量装置，其特征在于，所述测量标记(22)由后向反射球(27)构成。
3.如权利要求1至4之一所述的光测量装置，其特征在于，所述测量标记(22)可松开地、并且可精确定位地与所述间隔件(3)和/或所述传感器(2)的壳体(2’)连接。
4.用于测量可安装在操纵器(6)上的光测量装置(1)的辅助装置(13)，其特征在于，
该辅助装置(13)具有相对于所述光测量装置(1)固定所述辅助装置(13)的固定区域(14)，
并且具有传感器目标(16)，所述传感器目标(16)在所述辅助装置(13)上设置成位于所述辅助装置(13)与所述光测量装置(1)的组装位置中、光传感器(2)的测量空间(17)内。
5.如权利要求4所述的辅助装置，其特征在于，所述辅助装置设有测量标记(22’)，尤其是设有后向反射件(27’)。
6.用于测量可安装在操纵器(6)上的光测量装置(1)的方法，在该光测量装置(1)上设有测量标记(22)，所述方法具有以下的方法步骤：
在光测量装置(1)上固定如权利要求4或5所述的辅助装置(13)，借助于所述传感器(2)产生所述辅助装置(13)的传感器目标(16)的测量值，借助于另一个测量装置(21)确定所述测量标记(22)的空间位置和所述辅助装置(13)的空间位置；
由所述另一个测量装置(21)的测量与所述传感器(2)的测量来确定传感器坐标系(10)与所述测量标记(22)的相对位置。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述另一个测量装置是激光跟随器(28)。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在执行所述测量方法的过程中所述光测量装置(1)被安装在所述操纵器(6)上。
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