CN102985232A - 用于位于可移动平台上的机器人的校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包括多个关节并且位于可移动平台(3)上的机器人(1)关于工作对象(5)的校准的方法，该校准使用安装在该机器人的腕关节(1d)上的测量单元(4)。该方法包括以下在软件CAD系统中执行的第一步骤：放置该平台和该工作对象的该CAD模型以便该机器人能够触及该工作对象；操作该机器人的CAD模型直到该测量单元的该CAD模型移动到关于该平台的第一姿态以允许该工作对象上的大特征的测量为止；存储该第一姿态；以及基于在该第一姿态从该测量单元看见的该工作对象的该CAD模型，生成该大特征的第一CAD模型。该方法包括以下在真实世界中执行的第二步骤：自动移动真实机器人(1)以实现该测量单元的该第一姿态；将真实平台(3)移动到可以进行该第一特征的测量的位置；借助该测量单元执行该大特征的3D测量；执行该大特征的该3D测量并且基于此生成该大特征的第二CAD模型；在该大特征的该第一CAD模型与该第二CAD模型之间执行最佳适应，并且基于此来计算该CAD模型之间的6DOF姿态差异；以及指示该真实移动平台移动并且重定向以补偿所计算的姿态差异。

Description

用于位于可移动平台上的机器人的校准的方法

技术领域

本发明涉及用于包括多个关节并且位于可移动平台上的机器人关于工作对象的校准的方法，该校准使用安装在该机器人的腕关节上的测量单元。利用可移动平台指自身可移动的平台或者通过诸如卡车的其他装置可移动的平台。

背景技术

即使移动机器人研究已经进行了超过20年，在制造产业中仍然没有影响。成功的产品的实例是割草机、真空吸尘器、博物馆向导和玩具，并且用于这些产品的技术对于在工业中遇到的要求难以使用。但是，存在制造产业可以受益于移动机器人以便提高机器人自动化的灵活性的应用。易于理解的一种情况是当制造如飞机、火车、船、机器、石油平台、桥梁、建筑物、发电厂、风车等等的组件的大型结构时。如今在对于大型结构使用自动化技术时的情况中，昂贵的大型机械手是必须的，并且除了这些机械手的高成本之外，还存在将大型对象移动到固定的机械手的问题。如果在这些应用中具有移动机器人，则工作对象可以仍然处于它们被制造的地方并且移动机器人可以改为移动到该工作对象。

移动机器人包括底座部和相对应该底座部可移动的多个部分，并且该底座部被安装到可移动平台上。在与机器人的该底座部的固定关系中定义底座坐标系。在与位于机器人的工作区域中的工作对象的固定关系中定义工作对象坐标系。必须关于机器人的底座坐标系校准该工作对象坐标系。当对于可移动平台上的机器人的校准程序将要进行时，存在将要解决的两个主要问题。首先是必须确定在处理期间移动平台的放置，以及然后必须精确地测量工作对象坐标系以在由机器人执行的处理程序中使用。

在移动平台上使用工业机器人的主要技术问题是移动机器人相对于工作对象的校准以获得大部分工业处理所需要的精度是非常困难并且耗时的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于关于大型工作对象来校准位于可移动平台上的机器人的简单并且快速的方法。

通过如权利要求1中所定义的方法来实现该目的，其包括以下在软件CAD系统中执行的第一步骤：

将该机器人的CAD模型、该可移动平台的CAD模型、该机器人上的测量单元的CAD模型以及该工作对象的CAD模型加载到该CAD系统中；

关于彼此放置该平台和该工作对象的CAD模型以便该机器人能够触及该工作对象；

操作该机器人的该CAD模型的关节直到该测量单元的该CAD模型移动到关于该平台的第一位置和方向以允许该工作对象的第一特征的测量为止；

存储该测量单元的所述第一位置和方向；

基于在所述第一位置和方向中从该测量单元看见的该工作对象的该CAD模型，生成该第一特征的第一CAD模型；并且

在该CAD系统中存储该第一特征的该第一CAD模型。

该方法包括以下在真实世界中执行的第二步骤：

将真实平台移动到可以做出该第一特征的测量的位置；

自动地移动真实机器人以实现该测量单元关于该平台的所述第一位置和方向；

借助该测量单元执行该第一特征的3D测量；

基于该第一特征的该3D测量，生成该第一特征的第二CAD模型；

在该第一特征的该第一CAD模型与该第一特征的该第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算该CAD模型之间的6DOF姿态差异；并且

指示该可移动平台移动并且重定向以补偿所计算的姿态差异。

本发明提出了在通过教导来进行机器人编程的情况中以及在基于CAD的机器人编程的情况中关于大型工作对象校准机器人的可能性。分析的一个结果是离线编程甚至将对于移动机器人具有更重要的角色，因为这可以使得校准和编程变得或多或少的自动化。所述概念基于3D测量单元的使用。

术语姿态意味着位置和方向。

CAD模型意味着由CAD系统中的软件所生成的3D模型。

3D测量意味着使用3D测量单元，诸如立体照相机系统或激光扫描器，来测量对象的拓扑结构。

CAD模型之间的6DOF姿态差异意味着在两个CAD模型之间的6个自由度中的位置和方向的差异。

在CAD系统中，例如在基于CAD的离线机器人编程工具中预备校准。此后，在真实世界中自动地执行校准。该方法提供平台关于工作对象的简单并且快速的校准，即确定在处理期间该移动平台的放置。利用该方法实现的精确性对于机器人相对于工作对象的位置的精确性具有低的要求的应用如涂装和物料操控是足够的。

如果在机器人编程工具中已经存在该机器人的CAD模型、该可移动平台的CAD模型、该测量单元的CAD模型以及该工作对象的CAD模型，则在机器人编程工具中进行该校准的预备是合适的。假设3D测量单元被安装到机器人腕关节上。

为了获得自动移动平台放置，建议当该机器人与该工作对象处于安全距离时使用该工作对象的一部分的CAD模型作为基准。该第一特征是当该机器人与该工作对象处于安全距离即距离足够大以避免在该校准期间该机器人与该工作对象之间的碰撞时利用该测量单元能够测量的该工作对象的一部分。

通过缩放和旋转，调整该工作对象上的第一特征所预备的CAD模型以适应从该第一特征的测量获得的CAD模型或者反之亦然，并且使用该姿态差异来确定该移动平台的该位置和方向。该基准姿态是根据较早的离线分析对于该机器人获得最大触及性的姿态。

根据本发明的一个实施方式，在该CAD系统中执行的步骤还包括：

操作该机器人的该CAD模型的关节直到该测量单元的该CAD模型移动到关于该平台的第二位置和方向以允许该工作对象的第二特征的测量为止，其中，该第二位置比该第一位置更靠近该工作对象；

存储该测量单元的所述第二位置和方向；

基于在所述第二位置和方向中从该测量单元看见的该工作对象的该CAD模型，生成该第二特征的第一CAD模型；并且

在该CAD系统中存储该第二特征的该第一CAD模型；并且

在真实世界中执行的所述步骤还包括：

自动地移动该真实机器人以实现该测量单元关于该平台的所述第二位置和方向；

借助该测量单元执行该第二特征的3D测量；

基于该第二特征的该3D测量，生成该第二特征的第二CAD模型；

在该第二特征的该第一CAD模型与该第二特征的该第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算该CAD模型之间的该6DOF姿态差异；并且

基于该第二特征的该第一CAD模型与该第二特征的该第二CAD模型之间的该差异，相对于该机器人的坐标系调整该工作对象的坐标系。

在机器人的控制系统中执行工作对象坐标系相对于该机器人的该坐标系的该调整。

该工作对象坐标系必须精确地测量以便在由该机器人执行的处理程序中使用。本发明的该实施方式通过提供该工作对象坐标系关于该机器人坐标系的精确的确定来增加校准的精确性。此外，本发明的该实施方式提供工作对象相对于机器人的容易并且快速的校准。本发明的该实施方式适用于需要高精确性的应用诸如电弧焊、激光切割、喷水切割和装配。

为了工作对象坐标系的精确的确定，高精确性地测量一个或多个局部3D特征并且进行最佳适应以预备该特征的CAD模型。当执行机器人处理程序时，使用所测量的CAD模型的位置和方向与所预备的CAD模型的位置和方向之间的差异以补偿该工作对象坐标系偏差。

该第一特征和该第二特征是该工作对象上良好定义的3D特征，诸如该工作对象的边、角、孔或突出部分。该第二特征小于该第一特征并且可以是该第一特征的一部分。但是，该第二特征还可以是该工作对象的与该第一特征独立的一部分。利用受操作的机器人测量该第二特征以在该测量单元与该工作对象之间获得比当测量该第一特征时更短的距离，并且因此可以利用比该第一特征更高的精确度来测量该第二特征。因此，无需在两个测量之间移动该平台。

根据本发明的一个实施方式，该方法还包括：

操作该机器人的该CAD模型的关节直到该测量单元的该CAD模型移动到关于该平台的第三位置和方向以允许该工作对象的第三特征的测量为止，其中，该第三位置和方向比该第一位置和方向更靠近该工作对象；

存储该测量单元的所述第三位置和方向；

基于在所述第二位置和方向中从该测量单元看见的该工作对象的该CAD模型，生成该第三特征的第一CAD模型；并且

在该CAD系统中存储该第三特征的该第一CAD模型；并且

在真实世界中执行的所述第二步骤还包括：

自动地移动该真实机器人以实现该测量单元关于该平台的所述第三位置和方向；

借助该测量单元执行该第三特征的3D测量；

基于该第二特征的该3D测量，生成该第三特征的第二CAD模型；

在该第二和第三特征的该第一CAD模型与该第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算该CAD模型之间的该6DOF姿态差异；并且

基于该第二特征和第三特征的该第一CAD模型与第二CAD模型之间的该6DOF姿态差异，相对于该机器人的坐标系调整该工作对象的坐标系。

在该实施方式中，使用至少两个小特征用于工作对象坐标系的校准，这增加校准的精确度。同样地，使用三个小特征进一步增加校准的精确度。

附图说明

现在将通过本发明的不同实施方式的描述并且参考附图来更严密地说明本发明。

图1示出了包括工作对象、可移动平台上的机器人以及安装在该机器人上的测量单元的真实机器人单元。

图2示出了测量单元的一个实例。

图3图示了包括如图1中示出的工作对象的CAD模型、机器人的CAD模型、可移动平台的CAD模型和测量单元的CAD模型的CAD系统。

图4图示了当测量单元模型16测量CAD系统中的工作对象的一个小特征时该测量单元模型16的位置和方向。

图5示出了测量CAD系统中的工作对象的三个小特征的测量单元。

图6-8图示了在校准期间关于工作对象来放置平台的步骤。

图9示出了测量在真实机器人单元中的工作对象的小特征的测量单元。

图10示出了当测量大特征和小特征时测量单元的位置。

图11示出了在机器人的编程期间持有工具的机器人。

具体实施方式

图1示出了包括位于可移动平台3的工业机器人1和部分位于该机器人的工作区域中的大工作对象5的真实机器人单元的实例。可移动平台3具备轮子。但是，如果该平台没有轮子，则可以例如由卡车在不同的机器人单元之间移动该平台。在该实施方式中，机器人是六轴机器人并且因此在6个DOF(自由度)中可移动以及具有6个关节。但是，机器人可以具有少于6个关节。由同样位于可移动平台3上的机器人控制系统2控制机器人的移动。可以从机器人控制系统2或者从连接到该控制系统的计算机指示该平台的移动。操作员还能够手动地移动该平台。

机器人控制系统2或连接到该机器人控制系统的计算机包括用于基于3D测量生成CAD模型的软件。在图1中示出的实例中，机器人1具有3个主轴以及3个腕关节轴。机器人包括静止的底座部分1a，该底座部分1a支撑关于第一轴线可旋转的支架。该支架支撑关于第二轴线可旋转的第一臂1b。该第一臂1b支撑关于第三轴线可旋转的第二臂1c。该第二臂支撑关于第四轴线、第五轴线和第六轴线可旋转的腕关节1d。固定地关于底座部分1a定义机器人坐标系rc。固定地关于位于机器人的工作区域中的工作对象5定义工作对象坐标系wc。将关于机器人坐标系校准工作对象坐标系。

在机器人的腕关节1d上安装测量单元4。图2更详细地示出了测量单元4。测量单元4是能够测量对象或对象的一部分的拓扑的3D测量单元。该测量单元是例如线扫描器、表面扫描器、立体摄像系统或干涉仪装置。为了使用这样的测量单元，机器人系统应该装配有工具交换器，并且当测量单元未使用时必须保护其以免受灰尘和液体。在当测量单元不干涉处理工具时的情况中，如果使用锁紧机制，则在处理期间测量单元仍然可以处于机器人腕关节上。

在下文中将描述关于工作对象5如何确定平台3的位置和方向，又被称为放置测量。这么做时有必要定义工作对象的第一3D特征。在下文中该特征被称为大特征。大特征可以是整个工作对象或该工作对象的一部分，当机器人距工作对象处于安全距离时，即距离足够大以在做出该平台的放置时避免机器人与工作对象之间的碰撞时能够利用测量单元测量该大特征。在图1中示出的实例中，工作对象的整个前侧6或者其一部分定义为大特征。

此外，为了获得工作对象坐标系相对于机器人坐标系的准确的6DOF校准，应该在工作对象上至少定义一个第二3D特征。因此，下一个任务是选择用于工作对象的高精确度校准的合适的特征。因为与当用于放置校准所测量第一特征时相比，测量单元现在更靠近于工作对象，所以第二特征将小于第一特征。第二特征可以是第一特征的一部分。但是，第二特征也可是与大特征独立的工作对象的一部分。在下文中第二特征被称为小特征。应该测量至少一个小特征，但是依赖于精确度要求以及特征的几何形状和尺寸，通常需要多达3个特征。应该选择该特征使得该几何形状在不同的工作对象个体之间尽可能地相等。在难以获得这个的对象中，可以在对象上做标记，例如，在对象由例如塑料或铁制造的情况中进行铸造图案。小特征是在工作对象上良好定义的3D特征，诸如角、孔或突出部分。在图1中示出的实例中，三个角7、8和9定义为小特征。

图3图示包括如图1中示出的工作对象5的CAD模型14、机器人1的CAD模型10、可移动平台3的CAD模型12以及测量单元4的CAD模型16的CAD系统。大特征6在CAD系统中具备数字18，并且小特征7、8、9在CAD系统中具备数字20、22、24。CAD系统包括计算机、屏幕17和用于处理CAD模型并且在屏幕17呈现CAD模型的视图的软件。CAD系统还应该包括测量单元的功能的模型，该模型在从3D测量单元看见的透视图中生成测量特征的CAD模型，并且优选地CAD系统还包括指示测量的6DOF精确度水平的误差模型。优选地，CAD系统还包括用于编程机器人的移动的离线编程工具。如果在该离线编程工具中进行机器人的编程，则已经存在工作对象、机器人和平台的CAD模型。在该情况中，仅必须将测量单元的CAD模型添加到该系统中。优选地，在基于CAD的离线机器人编程工具中预备该校准。

在下文中将作为实例说明如何可以使用根据本发明的方法校准图1中示出的工作对象5和机器人1。在CAD系统中执行本发明的第一步骤。该第一步骤包括机器人和移动平台关于该工作对象的校准的离线预备。首先，将机器人的CAD模型10、可移动平台的CAD模型12、测量单元的CAD模型14和工作对象的CAD模型16加载到CAD系统中。在CAD系统的屏幕17上显示工作对象模型14的视图、平台模型12的视图、机器人模型10的视图和测量单元模型16的视图。在下一步骤中，在屏幕上关于彼此放置平台12的CAD模型和工作对象14的CAD模型以便机器人能够触及工作对象14的将被机器人处理的一部分。这样，然后易于将真实移动或便携式平台放置在最佳位置和方向中，以便机器人可以触及工作对象的整个区域。借助CAD模型所获得的理论的放置应该使得可以接受真实平台放置中的典型误差并且仍然可以触及工作对象的预期部分。

当已经确定平台模型的放置时，将测量单元16的CAD模型移动到适用于工作对象14上的大特征18的测量的位置和方向，在下文中被称为第一位置和方向。基于大特征18的测量确定由例如rc坐标系定义的真实平台的放置。在图3中示出的实例中，大特征定义为工作对象的前侧18。如图3中图示的，通过操作机器人的CAD模型的关节来移动测量单元的CAD模型16，直到测量单元的CAD模型已经移动到关于该平台的合适的第一位置和方向为止，以允许工作对象上的大特征的测量。基于机器人模型的关节的移动生成校准程序，其包括用于移动机器人的指令以便测量单元移动到关于该平台的该第一位置和方向。测量单元与工作对象之间的距离应该足够大以避免当操作员做出该移动平台的第一粗略放置时的碰撞。但是，如果距离太大则存在大特征的测量精确度不够好并且因此放置精确度对于触及小特征不够好的风险，其中，为了按照处理要求所需要的精确度例如用于电弧焊的0.5mm以及甚至用于激光焊接或激光切割的更好的精确度计算工作对象坐标系的目的而测量该小特征。

可选择地，当将机器人臂移动到工作对象前面的位置时，在工作对象的CAD模型上指示该测量区域。与6DOF精确度图一起显示由测量单元的模型所计算的该区域的虚拟测量CAD模型。

当已经虚拟测量大特征时，将测量单元的位置和方向(在下文中被称为第一位置和方向)存储在CAD系统中。基于在确定位置和方向中从测量单元看见的工作对象的CAD模型，生成大特征的CAD模型(在下文中被称为第一CAD模型)并且将大特征的第一CAD模型存储在CAD系统中。如果使用线扫描器，则通过使用例如连接到CAD系统的6DOF鼠标移动机器人关节或者通过CAD系统软件中用于基于所获得的测量区域自动生成机器人的扫描移动的自动功能进行扫描编程。存储大特征的CAD模型以及用于将测量单元移动到第一位置和方向的校准程序用于自动移动平台的放置。

该校准程序包含以下：

-对机器人自身的移动命令，以将测量单元带至CAD系统中对于大特征的测量所确定的位置和方向。

-对3D测量系统执行测量的命令。

-如果使用线扫描器，则对机器人自身的扫描移动的命令。

-进行CAD模型之间的最佳适应的例程。

-计算两个3D模型之间的位置和方向中的6DOF差异的例程。

-计算用于所述6DOF差异的补偿所需要的平台的3DOF移动的例程。

-对移动平台的执行该3DOF移动的移动命令。

可以反复地运行该校准程序以改善该平台的放置。

在将使用低精确度处理的情况中，例如在一些涂装情况中，放置测量可能足够良好以用于处理编程。当继而用真实机器人在现场进行校准时，操作员首先运行该校准程序的第一部分，该第一部分将该测量单元移动到在该CAD系统中预备的对于大特征的测量的第一位置和方向。然后操作员移动该平台直到测量单元相对于该大特征具有合适的位置和方向为止。操作员然后开始校准程序的用于进行平台放置的部分，并且如果平台具有轮子并且可以从机器人控制器控制，则其将自动被控制以获得如在CAD系统中确定的相对于工作对象的位置。

在将使用高精确度处理的情况中，例如焊接、切割、清理毛刺和组装，对于处理编程该平台放置校准是不够精确的，并且执行以下步骤以关于机器人的坐标系调整工作对象的坐标系。

在图3-5中图示的实例中，在工作对象的CAD模型上定义3个小特征20、22、24。那些小特征对应于真实工作对象的小特征7、8、9。图5更具体地示出了特征并且更具体地示出了在小特征的测量期间测量单元模型16相对于工作对象模型的位置和方向。如从图4中看见的，(通过在笛卡尔模式中运行机器人控制)操作机器人的CAD模型10的关节直到测量单元的CAD模型16移动到关于该平台的第二位置和方向以允许该工作对象的小特征的准确的靠近测量为止。第二位置比图3中示出的第一位置更靠近工作对象，其中在该第一位置中测量大特征。存储测量单元模型16的第二位置和方向。如果使用多于一个特征，则对于全部小特征重复定位和存储步骤。基于在小特征的测量期间使用的第二位置和方向中从测量单元看见的工作对象的CAD模型生成小特征的CAD模型。生成的小特征的CAD模型存储在CAD系统中。

为了从特征几何图形获得最大精确度，调整该测量单元相对于小特征的方向和距离直到获得最高的6DOF精确度水平为止。为了使得该调整简化，在测量单元的测量范围的中间定义TCP(工具中心点)。在测量单元的操作期间，CAD系统应该持续计算最近测量距离并且告知用户该距离，以便避免碰撞。由于对于平台放置以及高精确度校准使用相同的测量单元，所以测量范围应该能够改变。对于基于三角测量的扫描器，这可以通过激光器与检测器之间的光角度的机动化操作来进行，并且如果有必要，则其还应该能够控制激光器与检测器之间的距离。

当决定需要的特征的数量时，在CAD系统中具有计算工作对象的边界处距离由测量单元模型获得的6DOF精确度等级的位置误差的功能是合适的。

当已经进行用于工作对象的虚拟特征测量时，生成校准程序，该校准程序指示将移动真实机器人以便测量单元实现关于该平台的适于测量小特征的位置和方向。该校准程序指示机器人在小特征之间移动测量单元。该校准程序与特征的CAD模型存储在一起。在线扫描器的情况中，还将扫描移动程序与CAD模型存储在一起。在本发明的该实施方式中，校准程序还将包括：

-对机器人自身的移动命令，以将测量单元带至CAD系统中对于小特征的测量所确定的位置和方向。

-对3D测量系统执行小特征的测量的命令。

-如果使用线扫描器，则对机器人自身的扫描移动的命令。

-进行小特征的CAD模型之间的最佳适应的例程。

-如果仅使用一个小特征，则调用计算两个CAD模型之间的位置和方向的6DOF差异的例程。

-如果使用两个小特征，则调用计算两个小特征中的每个小特征的位置和方向中的6DOF差异的例程并且继而计算对于两个小特征位置和方向中的平均6DOF差异。

-如果使用三个小特征，则调用计算三个小特征中的每个小特征的位置和方向中的差异的例程并且继而从三个小特征的3DOF位置差异计算对于整个工作对象的位置和方向中的6DOF差异。

-用于基于位置和方向中的6DOF差异来调整机器人坐标系与工作对象坐标系之间的6DOF坐标系转换的例程。

此外，关于特征的CAD模型定义工作对象坐标系，例如当机器人处于其中一个测量位置时处于特定位置的机器人腕关节坐标系。然后关于定义的工作对象坐标系进行处理程序。该程序还包含测量单元与处理工具之间的工具交换。

在真实世界中例如在车间中执行该校准方法的下一个步骤。将要测量的特征的CAD模型、将测量单元移动到该特征的校准程序以及可选择的扫描移动程序存储在机器人的控制系统2中或者存储在与控制系统2通信的计算机中。如果将机器人的处理移动在与用于校准的预备相同的CAD系统中编程，则控制系统具有该特征的CAD模型以及与该处理程序一起的用于校准移动的机器人程序。

在下一个步骤中，执行真实平台相对于工作对象的放置。控制系统具有执行该放置所需要的全部信息。图6示出了在开始校准之前平台和机器人的姿态的实例。首先，如图7中示出的，真实机器人自动移动以实现CAD系统中所预备的用于大特征的测量的该测量单元相对于机器人底座坐标系的第一位置和方向。这是通过运行CAD系统中所生成的校准程序的第一部分来完成的，其中该第一部分将该测量单元移动到第一位置和方向。然后，如图8中示出的，由操作员移动真实平台直到该测量单元相对于大特征具有合适的位置和方向为止，以便可以进行大特征的测量。然后，操作员开始用于平台放置的程序，并且该平台将自动受到控制以获得如CAD系统中所确定的相对于工作对象的位置。可选择地，首先执行平台的放置，并且继而即使随后对于操作员更难以找到平台的适合的第一粗略放置也放置该测量单元。

用户然后开始校准程序的其余部分，即命令该平台位置和方向的测量和精细调整。

如果该测量单元包括照相机，该照相机能够向操作员显示具有如CAD系统所生成的大特征的重叠的照相机视图。当已经放置平台时，操作员开始校准程序并且将自动执行以下步骤：借助该测量单元4进行大特征的3D测量；基于大特征的3D测量生成大特征6的CAD模型；在生成的CAD与测量的模型之间进行包括模型缩放和旋转的最佳适应；以及计算6DOF姿态差异。例如，在最佳适应期间通过最小二乘法来最小化CAD模型之间的距离。指示运动平台3移动并且重定向以补偿所计算的姿态差异。如果平台仅仅是便携式的并且不是可自动控制的，则在显示器上显示放置误差并且操作员移动该平台以降低误差值直到获得由CAD系统计算的可接受的误差水平为止。在这些移动期间，持续更新平台放置误差(x、y，角度)。

当需要高精确度时，执行下文的步骤以改善校准的精确度。如图9中所示，机器人1自动操作以将该测量单元4移动到关于该平台的第二位置和方向，以允许小特征中的一个小特征的测量。借助该测量单元4执行小特征8的3D测量。基于该3D测量生成小特征8的CAD模型。在需要多于一个小特征以实现精确校准的情况中，对于小特征7、8、9中的每个小特征重复上述移动、测量和生成的步骤。如果使用线扫描器，则在每个测量姿态上进行编程的扫描移动。使用例如迭代最近点法的公知的方法在小特征的所生成的CAD与测量的CAD模型之间进行最佳适应。对于每个特征，从3D测量确定如在CAD工作期间所定义的特征坐标系的位置和方向。如果使用3个小特征，则可以使用3个小特征坐标系的起点来进行工作对象的位置和方向的简单的3点确定。计算CAD系统中定义的关于工作对象的真实工作对象偏移作为所生成的CAD与测量的CAD模型之间的6DOF姿态差异。然后使用该差异来调整机器人坐标系与工作对象坐标系之间的6DOF坐标系变换。

图10示出了当该测量单元测量大特征18以及当该测量单元测量一个小特征8时该测量单元的位置。从图中看出，当该测量单元4测量小特征时比当该测量单元测量大特征18时更靠近工作对象5。如图8和9中所见，注意到在大特征与小特征的测量之间平台不移动，仅借助机器人关节的移动来改变该测量单元的位置。

当已经调整工作对象坐标系时，该系通知操作员该处理程序可以开始。如图11中所示，将测量单元4变换为处理工具30。操作员开始该处理程序。执行该处理程序并且如果有必要则用户进行程序调整。如果有必要，则可以由处理程序进行修补。这将不意味着需要新校准。应该提到，如果当编程工作对象的一部分时已经使用了局部坐标系，则应该关于自动生成的工作对象坐标系来定义这些局部坐标系。通过使用ABB系统，应当使用用户坐标系作为工作对象坐标系并且应该将ABB对象坐标系作为局部坐标系。

存在这样一些情况，在这些情况中不存在用于要处理的工作对象的CAD模型并且必须手动进行校准和编程。这意味着移动机器人的使用必须依赖于它的操作员的技能并且机器人系统应该尽可能帮助操作员理解使用3D测量单元的校准过程导致的结果。在下文中，描述在该情况中如何进行校准和编程。

步骤1：将平台上的机器人1移动到工作对象5的第一处理区域。

在这里对于用户的问题在于找到移动(或便携式)平台的合适的放置。将需要轻推机器人以检测其是否到达工作对象预期的区域。如果否，则调整平台位置和方向。还应该注意到平台可以具有升降机以使得机器人能够触及高的工作对象。用户有时候可能难以看出机器人的确到达要处理的整个区域并且在该测量单元中包括照相机以使得用户能够看见该工具可以触及什么是有利的。

步骤2：当已经到达平台2的合适的放置时，操作员开始从工具交换器挑选测量单元的程序。该操作员移动测量单元3以获得与大特征相对应的工作对象的比图6相对大的区域的3D测量。

使用例如多边形，将大特征的3D测量的结果转换成几何3D模型，在下文中被称为CAD模型，并且存储该模型以便将要处理即将到来的对象时使用。对于即将到来的工作对象，该CAD模型将缩放并且移动/旋转直到其匹配当相对于其他相同的物体放置该平台时所测量的CAD模型为止。然后使用6DOF CAD模型差异来计算平台的修正移动。

步骤3：为了获得工作对象关于机器人的精确的6DOF校准，操作员轻推机器人以便与图5相比该测量单元靠近工作对象上的至少一个良好定义的3D特征。在这里用户也可以受益于该测量单元中的照相机以观看测量区域。然后重要的是该测量单元的方向使得该观察有用。当使用线扫描器并且机器人在特征的扫描期间移动该测量单元时这是特别重要的。为了便于机器人向特征的轻推，可以实现以下功能：a)在测量区域的中心定义TCP，使得用户易于重定向该测量单元。b)在操作期间，系统持续计算最近测量距离并且如果该距离小于配置值则停止机器人。c)扫描在显示照相机视图上显示为重叠的区域。D)系统通知用户对于在当前距离所选择的特征获得的测量精确度。当使用线扫描器时，更多功能可能是必需的如e)将自动选择机器人扫描移动(与测量方向成直角)显示为在照相机视图上的重叠；f)在机器人扫描移动期间，使用测量单元与特征之间所测量的距离以避免碰撞的方式来控制机器人。

存储来自特征扫描的3D模型，并且对于用户显示关于位置和方向的精确度。为了知道是否需要关于更多特征的测量，用户还(使用测量方向的精确度值)得到关于距该特征不同距离处的精确度的图像。通过知道对象的尺寸，用户可以决定是否需要更多特征的测量。当计算平台的放置时，系统还进行用于根据步骤2进行的测量的精确度计算。如果该计算示出平台放置误差大于所测量的特征，则催促操作员进行更精确的平台放置测量或使用更大的特征。存储用于每个特征的3D几何模型以及存储由用户进行的移动该特征的程序。在线扫描器的情况中还存储扫描移动。

当校准大的平面工作对象时，可以进行重叠校准，这意味着在两个相邻处理区域中使用至少一个校准特征。然后因为可以使用该特征在公共平面中的信息所以能够降低对于校准的要求。还可以使用大对象的总体外形的知识用于移动平台的自动移动。例如，在三个特征的测量和工作对象平面的计算之后，平台可以与该平面平行移动，同时机器人将该测量单元锁定到该重叠特征。当机器人臂达到它的工作空间极限时，该平台停止其移动。

步骤4：操作员编程机器人。

在由特征测量定义的工作对象坐标系中进行该编程。例如，当进行特征测量时工作对象坐标系应该仅仅是用于一个位置的腕关节坐标系。对于即将到来的工作对象而言重要的是确切地知道所定义的工作对象坐标系与所测量的特征的几何模型之间的关系。这还意味着重要的是工具交换如该处理所要求那样精确。

Claims (4)

1.一种用于包括多个关节并且位于可移动平台(3)上的机器人(1)关于工作对象(5)的校准的方法，该校准使用安装在所述机器人的腕关节(1d)上的测量单元(4)，所述方法包括以下在软件CAD系统中执行的第一步骤：

-将所述机器人的CAD模型(10)、所述可移动平台的CAD模型(12)、所述机器人上的测量单元的CAD模型(16)以及所述工作对象的CAD模型(14)加载到所述CAD系统中；

-关于彼此放置所述平台和所述工作对象的所述CAD模型以便所述机器人能够触及所述工作对象；

-操作所述机器人的所述CAD模型的所述关节直到所述测量单元的所述CAD模型移动到关于所述平台的第一位置和方向以允许所述工作对象的第一特征(18)的测量为止；

-存储所述测量单元的所述第一位置和方向；

-基于在所述第一位置和方向中从所述测量单元看见的所述工作对象的所述CAD模型，生成所述第一特征的第一CAD模型；并且

-在所述CAD系统中存储所述第一特征的所述第一CAD模型；

并且，所述方法包括以下在真实世界中执行的第二步骤：

-自动地移动真实机器人(1)以实现所述测量单元关于所述平台的所述第一位置和方向；

-将所述真实平台(3)移动到可以做出所述第一特征的测量的位置；

-借助所述测量单元执行所述第一特征的3D测量；

-基于所述第一特征的所述3D测量，生成所述第一特征的第二CAD模型；

-在所述第一特征的所述第一CAD模型与所述第一特征的所述第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算所述CAD模型之间的6DOF姿态差异；并且

-指示所述真实移动平台移动并且重定向以补偿所计算的姿态差异。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其中：

在所述CAD系统中执行的所述第一步骤还包括：

-操作所述机器人的所述CAD模型(10)的所述关节直到所述测量单元的所述CAD模型(16)移动到关于所述平台的第二位置和方向以允许所述工作对象的第二特征(20、22、24)的测量为止，其中所述第二位置和方向比所述第一位置和方向更靠近所述工作对象；

-存储所述测量单元的所述第二位置和方向；

-基于在所述第二位置和方向中从所述测量单元看见的所述工作对象的所述CAD模型，生成所述第二特征的第一CAD模型；并且

-在所述CAD系统中存储所述第二特征的所述第一CAD模型；并且

在所述真实世界中执行的所述第二步骤还包括：

-自动地移动所述真实机器人以实现所述测量单元关于所述平台的所述第二位置和方向；

-借助所述测量单元执行所述第二特征的3D测量；

-基于所述第二特征的所述3D测量，生成所述第二特征的第二CAD模型；

-在所述第二特征的所述第一CAD模型与所述第二特征的所述第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算所述CAD模型之间的所述6DOF姿态差异；并且

-基于所述第二特征的所述第一CAD模型与所述第二特征的所述第二CAD模型之间的所述6DOF姿态差异，相对于所述机器人的坐标系(rc)调整所述工作对象的坐标系(wc)。

3.根据权利要求2所述的校准方法，其中，所述第二特征小于所述第一特征。

4.根据权利要求2或3所述的校准方法，其中，所述方法还包括：

-操作所述机器人的所述CAD模型(10)的所述关节直到所述测量单元的所述CAD模型(16)移动到关于所述平台的第三位置和方向以允许所述工作对象的第三特征(22)的测量为止，其中所述第三位置和方向比所述第一位置和方向更靠近所述工作对象(14)；

-存储所述测量单元的所述第三位置和方向；

-基于在所述第二位置和方向中从所述测量单元看见的所述工作对象的所述CAD模型，生成所述第三特征的第一CAD模型；并且

-在所述CAD系统中存储所述第三特征的所述第一CAD模型；并且

在所述真实世界中执行的所述第二步骤还包括：

-自动地移动所述真实机器人以实现所述测量单元关于所述平台的所述第三位置和方向；

-借助所述测量单元执行所述第三特征的3D测量；

-基于所述第二特征的所述3D测量，生成所述第三特征的第二CAD模型；

-在所述第二特征和第三特征的所述第一CAD模型与所述第二CAD模型之间执行包括缩放和旋转的最佳适应，并且基于此来计算所述CAD模型之间的所述6DOF姿态差异；并且

-基于所述第二特征和第三特征的所述第一CAD模型与所述第二CAD模型之间的所述6DOF姿态差异，相对于所述机器人的所述坐标系(rc)调整所述工作对象的坐标系(wc)。

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