專利名稱：機(jī)器人誤差矯正裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使機(jī)器人任務(wù)的離線編程成為可能之裝置和方法。特別是本發(fā)明涉及機(jī)器人誤差的映射及調(diào)整的方法。對機(jī)器人所要做的工作來說，這使既有高精度又有很大靈活性的離線編程成為可能。
機(jī)器人裝置與日俱增地應(yīng)用在制造工業(yè)中。主要用來完成裝配線上的重復(fù)任務(wù)。機(jī)器人在這方面的應(yīng)用伸展到汽車生產(chǎn)線及計(jì)算機(jī)工業(yè)上的微集成片的生產(chǎn)。目前，約束機(jī)器人市場增長的主要因素是常規(guī)機(jī)器人系統(tǒng)無法在嚴(yán)格的容限下操作。機(jī)器人內(nèi)在的誤差是此約束的主要因素，也是近年來人們的攻關(guān)目標(biāo)。
機(jī)器人的誤差說明了機(jī)器人不能按指令移動(dòng)到所指定的工作區(qū)域內(nèi)的由位置和(或)方向限定的方位矢，例如，根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的機(jī)械指標(biāo)及所感覺到的機(jī)器人所在方向的參考坐標(biāo)，機(jī)器人控制程序可以令機(jī)器人移到一個(gè)特指的位置。盡管在制造和安裝中用了最好的控制，指令運(yùn)動(dòng)的實(shí)際操作不會(huì)使機(jī)器人準(zhǔn)確無誤地到達(dá)所期望的位置和(或)方向。這種狀況即機(jī)器人誤差是因?yàn)槲覀儫o法制造和裝配每一個(gè)機(jī)器人零部件使其與理想的或完美的機(jī)器人模型相一致的結(jié)果。微小的構(gòu)件長度偏差，受力時(shí)產(chǎn)生的柔量，齒輪的不理想嚙合以及很多其他結(jié)構(gòu)上的限制都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人操作時(shí)與理想數(shù)學(xué)模型不一致。機(jī)器人誤差的存在相應(yīng)地成為在用于任務(wù)的工作單元內(nèi)預(yù)先編制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的障礙。簡單地說，不能予知機(jī)器人的準(zhǔn)確位置或運(yùn)動(dòng)限制了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確路徑的預(yù)先編程。相應(yīng)地，盡管離線編程有許多優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)界只好轉(zhuǎn)向其他形式的機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行編程。
兩種主要的其他機(jī)器人編程方法包括運(yùn)用感覺系統(tǒng)和示教方法。目前機(jī)器人在重復(fù)操作上的運(yùn)用主要還是使用示教編程法。這種方法可以通過帶機(jī)器人經(jīng)過一系列完成工作必需的中間位形或節(jié)點(diǎn)位置，并把這些節(jié)點(diǎn)位置存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)來完成。因?yàn)闄C(jī)器人能根據(jù)這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)再現(xiàn)所教的位形或節(jié)點(diǎn)位置，所以機(jī)器人操作能在所定的容限內(nèi)完成。結(jié)果是機(jī)器人被“教會(huì)”完成所定運(yùn)動(dòng)路徑上的確切任務(wù)。機(jī)器人之控制驅(qū)動(dòng)器只是簡單地再現(xiàn)一系列通過示教方法編程的節(jié)點(diǎn)位置和運(yùn)動(dòng)。
示教編程有很多很嚴(yán)重的缺陷。比如，在一個(gè)機(jī)器人上教好的程序卻不能夠傳送到同樣型號的另一臺(tái)機(jī)器人上。事實(shí)上，每一個(gè)機(jī)器人都有不同的結(jié)構(gòu)和制造誤差。這些誤差來源于節(jié)點(diǎn)不對準(zhǔn)誤差，節(jié)點(diǎn)柔量，齒輪系誤差，標(biāo)準(zhǔn)公差誤差等等。還有，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡需要很多中間節(jié)點(diǎn)方位矢(位置和方向)。編這種程序非常令人生厭，并且通常操作效率也不高。更有甚者，在動(dòng)態(tài)的或擁擠的工作空間里示教機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑往往是很困難的。而且工作空間硬件由于不注意引起的碰撞的機(jī)率也會(huì)大為提高。
從實(shí)用觀點(diǎn)來看，示教法嚴(yán)重地限制機(jī)器人在裝配線上執(zhí)行任務(wù)的柔性。例如如果執(zhí)行任務(wù)時(shí)遇到不能接受的偏差或變化都要求整條裝配線停工，甚至只因?yàn)槠渲幸粋€(gè)機(jī)器人構(gòu)件需要調(diào)整。在機(jī)器人要完成好多裝配線上任務(wù)的地方，由于示教法引起的重新編程所浪費(fèi)的生產(chǎn)時(shí)間是昂貴的。在實(shí)際工作單元中，這樣的示教編程不得不得重新實(shí)施，因?yàn)槿魏我苿?dòng)正在按程序工作的機(jī)器人的嘗試都會(huì)導(dǎo)致參考坐標(biāo)系的變化，同時(shí)也失去了參考方向。本專業(yè)的技術(shù)人員都很清楚地知道示教編程的局限性花費(fèi)了工作人員的很多時(shí)間并且嚴(yán)重地限制了機(jī)器人在幾條生產(chǎn)線上執(zhí)行任務(wù)的應(yīng)用。
第二種機(jī)器人編程方法依靠運(yùn)用感覺系統(tǒng)來移動(dòng)機(jī)器人之末端構(gòu)件(endeffector)到恰當(dāng)?shù)暮湍繕?biāo)物體或其他特定目標(biāo)之相互配合處。在以下情況時(shí)，這種編程方法得到廣泛應(yīng)用。目標(biāo)零件沒有按相同的方向或位置輸送到工作單元;或者，目標(biāo)零件有處于動(dòng)態(tài)變化的物理特性。在這種情形下，機(jī)器人重復(fù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力沒有任何靈活性以適應(yīng)具有新方向或位置的零件。相應(yīng)地，像攝象機(jī)或其他圖象系統(tǒng)之類的感覺裝置可以和機(jī)器人末端連桿結(jié)合，并且也可以編程以適應(yīng)機(jī)器人為響應(yīng)伺服系統(tǒng)所作出的運(yùn)動(dòng)。這樣可以導(dǎo)引機(jī)器人移到所探測到的目標(biāo)位置。不幸的是，感覺導(dǎo)向系統(tǒng)非常昂貴，而且需要特制的裝置，相當(dāng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持和可觀的編程力。因此，經(jīng)濟(jì)上的制約嚴(yán)重地約制了感覺導(dǎo)向系統(tǒng)在機(jī)器人上的廣泛應(yīng)用。
除此之外，還有好幾種運(yùn)用以上兩種編程方法之混合的編程法。例如，在有些任務(wù)中，大部份整體性的運(yùn)動(dòng)是靠示教方法編程的，而在局部的某些運(yùn)動(dòng)是靠感覺系統(tǒng)來完成的。在另外的一些任務(wù)中，感覺系統(tǒng)可能被用來檢測零件輸送時(shí)的小偏差。而示教法則用來保持矯正過的路徑。這種方法使機(jī)器人適應(yīng)零件剛體方位矢的變化。但是，只有當(dāng)零件僅有微小變化或該任務(wù)并沒有要求機(jī)器人和零件有很緊的相互配合容限時(shí)，此方法才有效。
總之，可以明顯地看出機(jī)器人之重復(fù)度和誤差所構(gòu)成的定位因素形成對機(jī)器人編程的嚴(yán)重限制。在線示教法應(yīng)用機(jī)器人的重復(fù)度來克服機(jī)器人的誤差問題，卻嚴(yán)重妨礙了它的靈活性并且需要昂貴的附加工具和工作人員的很多寶貴時(shí)間。感覺系統(tǒng)編程應(yīng)用反饋來克服重復(fù)度和精度的限制卻是復(fù)雜的并需很大的計(jì)算能力。這使處理速度減慢并且也降低了可靠性。
以上所述種種限制已促使在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人更靈活應(yīng)用方面有更進(jìn)一步的研究和發(fā)展。人們希望能夠使機(jī)器人適應(yīng)工作單元中的變化，包括零件輸送和工作單元操作環(huán)境的變化以及生產(chǎn)量要求的變化。雖然人們已試圖建立一些參考系作為操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，但是這些參考系也是依賴于整體技術(shù)，這與局部的工作區(qū)域相抵觸。整體方法試圖在機(jī)器人的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)決定機(jī)器人之誤差，并且運(yùn)用模型方法來預(yù)測或測量機(jī)器人結(jié)構(gòu)的和動(dòng)態(tài)的誤差源。例如，這些誤差包括不適當(dāng)?shù)姆较?，?jié)點(diǎn)位置偏差，傳動(dòng)系統(tǒng)誤差，機(jī)器人受力產(chǎn)生柔量所造成的誤差，譯碼器傳感讀誤差等等。一旦這些誤差決定了以后，以上方法就會(huì)提出數(shù)學(xué)矯正模型來矯正與理想機(jī)器人模型的誤差。
這種整體技術(shù)在測量機(jī)器人誤差方面還沒有成攻的證明。因?yàn)檫@些方法試圖準(zhǔn)確地決定幾何空間里的特定節(jié)點(diǎn)，然后又試圖使機(jī)器人軌跡和該節(jié)點(diǎn)一致。要這樣做，必須知道機(jī)器人基礎(chǔ)參考系相對于機(jī)器人底座的準(zhǔn)確位置。這種設(shè)計(jì)思想是很難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檫@是想象的，并不是實(shí)際的機(jī)器人上的物理位置。在整體環(huán)境中確定給定點(diǎn)的復(fù)雜性也變得難以處理。編程的復(fù)雜性，龐大的存儲(chǔ)器要求以及實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性都使這些用整體方法作基礎(chǔ)來調(diào)整機(jī)器人特性和誤差的變化的試圖落空。
改進(jìn)機(jī)器人精度的另一些方法包括定義機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)并試圖用軟件來補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差。詳見Hayati.S.，“Robot Arm Geome-tric Link Parameter Estimation，”Proceedings of the 22ndIEEE Conference on Design and Control.PP.1147-1483，December 1983.另外一些研究者證實(shí)節(jié)軸偏差會(huì)很大地影響機(jī)器人的定位精度，并提出了決定節(jié)軸位置和方向誤差的方法。詳見，Mooring，B.W.，“AnImprovedMethodforIdentifyingtheKinematicParametersinaSixAxisRobot，”TexasA&MUniversity.所有這些模擬方法都沒有完全處理測量誤差。此外，這些測量結(jié)果都是在整體坐標(biāo)系里得到的。其他已發(fā)表的文獻(xiàn)提出了改進(jìn)了的但卻是復(fù)雜的校正方法，可還是沒有克服測量誤差以取得可接受的精確數(shù)據(jù)。詳見Whirneg，D.E.，C.A.Lozinski，andJ.M.Rourke，“IndustrialRobotCalibrationMethodandResults，”ProceedingsoftheASMEonComputerinEngineeringConference，PP.92-100，LasVegas，Nevada，August，1984.最后，有些研究試圖決定一個(gè)能允許機(jī)器人控制器補(bǔ)償二階非線性運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。但是這又和絕對空間有關(guān)并且也不能處理好在預(yù)測機(jī)器人定位精度時(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。更重要的是，所有這些技術(shù)都試圖用整體(絕對空間)方法來決定機(jī)器人的誤差。
本發(fā)明目的之一是提供一個(gè)補(bǔ)償機(jī)器人誤差的方法。
本發(fā)明目的之二是提出一個(gè)能使機(jī)器人任務(wù)離線編程成為可能的方法。
本發(fā)明目的之三是提供一個(gè)改進(jìn)可編程機(jī)器人相對于目標(biāo)物體的方向和(或)位置精度的方法。
本發(fā)明目的之四是提供一個(gè)校正方法。該方法可校正作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一部分的連接在機(jī)器人末端連桿的末端控制坐標(biāo)系(TCF)之位置。
本發(fā)明目的之五是提供一個(gè)目標(biāo)物體上的特定目標(biāo)之映射方法以用來改進(jìn)作為機(jī)器人部分任務(wù)的操作和處理精度。
以上所述諸目的是靠以下幾個(gè)定方位步驟為特征的方法來實(shí)現(xiàn)的。首先，機(jī)器人相對于目標(biāo)物體被安放以使其末端構(gòu)件有一個(gè)包括目標(biāo)區(qū)域在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)范圍。有一系列參考位置被識別出來，關(guān)于這些位置的識別數(shù)據(jù)被推導(dǎo)出來并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置里。此機(jī)器人之末端構(gòu)件然后被移到一個(gè)被稱為校正位置的參考位置。在這里，裝在機(jī)器人上的一個(gè)感覺裝置感測到校正位置或特定目標(biāo)的存在。這個(gè)位置然后和原先存儲(chǔ)的關(guān)于同一校正位置的數(shù)據(jù)相比較。根據(jù)位置差異，剛體誤差矯正數(shù)據(jù)被推導(dǎo)出并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置里。根據(jù)由剛體誤差矯正數(shù)據(jù)得到矯正的原來存儲(chǔ)的識別數(shù)據(jù)，以便更精確地預(yù)測機(jī)器人相對于第二個(gè)參考位置的安放位置，機(jī)器人末端構(gòu)件然后被移到第二參考位置上。其他和誤差映射及機(jī)器人末端控制坐標(biāo)(TCF)校正有關(guān)的步驟也在此公開。
本專業(yè)的技術(shù)人員將會(huì)從下面詳細(xì)的介紹以及所附加的圖表上明確本發(fā)明的其他目的和特征。


圖1圖形描述機(jī)器人相對于校正板或其他目標(biāo)零件的操作。
圖2a，2b和2c表示末端控制坐標(biāo)(TCF)位置校正的步驟。
圖3表示應(yīng)用在此公開的校正步驟，決定TCF方向。
圖4表示在直角坐標(biāo)系里的部分校正軌跡。
圖5表示裝有末端控制及感覺裝置的機(jī)器人。
圖6表示機(jī)器人相對于校正板的位形。
圖7表示位置誤差收斂圖。
圖8表示本發(fā)明所用的示范校正板。
圖9是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的機(jī)器人誤差數(shù)據(jù)表。
圖10是所測量到的機(jī)器人誤差圖。
圖11是位置和方向誤差矯正后的數(shù)據(jù)。
圖12是本發(fā)明綜合步驟之流程圖。
圖13是本發(fā)明校正步驟綜合之流程圖。
圖14表示本發(fā)明預(yù)編程法里所用的控制點(diǎn)。
圖15表示用來避免機(jī)器人和障礙物碰撞路徑調(diào)整法。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，只要用與整體參考系相對的相對參考系，機(jī)器人任務(wù)離線編程是可以實(shí)現(xiàn)的。具體地說，在此公開的新發(fā)明的方法是以局部特定目標(biāo)或參考系為相對基礎(chǔ)的空間關(guān)系為根據(jù)的，而不是試圖把機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和整體參考系連系起來。這個(gè)方法假定機(jī)器人將要操作或運(yùn)用的目標(biāo)物體之幾何參數(shù)是知道的并且是在一定的容限內(nèi)的。本發(fā)明一個(gè)很突出的方面是它使成功的離線編程法成為可能依靠運(yùn)用這些利用相對空間關(guān)系數(shù)據(jù)而不是整體參考系的方法。這些方法依賴于以下兩個(gè)事實(shí)。大多數(shù)機(jī)器人之重復(fù)度都可達(dá)到令人滿意的容限;機(jī)器人將要操作的目標(biāo)零件都是按要求容限預(yù)先制造好的。從這個(gè)觀點(diǎn)來看，本專業(yè)的技術(shù)人員一定很清楚機(jī)器人的重復(fù)度必須要在機(jī)器人任務(wù)要求的容限之內(nèi)。另一個(gè)重要方面是機(jī)器人所要操作的零件之幾何規(guī)范必須在需要的時(shí)候能達(dá)到并能傳送到機(jī)器人工作單元。
本方法運(yùn)用像視覺系統(tǒng)或探針之類感覺器來觀察或探測目標(biāo)物體上的已知特定目標(biāo)。所用的感覺系統(tǒng)和工作單元安排是這樣設(shè)計(jì)的以便這些特定目標(biāo)能夠由機(jī)器人通過手控或利用離線計(jì)劃的路徑來達(dá)到。根據(jù)感覺系統(tǒng)的容量和工作單元原始幾何結(jié)構(gòu)安排的精確度可以決定選擇哪一種方法來達(dá)到目標(biāo)。
在運(yùn)用這里介紹的方法時(shí)，通常假定零件按可接受的容限以可重復(fù)方式被輸送到工作單元內(nèi)，零件的幾何規(guī)范也保持在此容限內(nèi)。當(dāng)這些條件滿足時(shí)本方法用感覺系統(tǒng)來達(dá)到在目標(biāo)零件上的已知特定幾何目標(biāo)。實(shí)際幾何參數(shù)和感覺器感測到的幾何參數(shù)之間的偏差即是機(jī)器人相對零件的誤差。一旦知道這個(gè)相對于選定的特定目標(biāo)之誤差，機(jī)器人就能應(yīng)用內(nèi)插法和外插法預(yù)測移到下一個(gè)目標(biāo)時(shí)機(jī)器人的誤差，因而能更精確地移到下一個(gè)零件的相互配合位置上。根據(jù)這些預(yù)測的機(jī)器人誤差，誤差矯正算法就能應(yīng)用于調(diào)整預(yù)先離線計(jì)劃好的路徑。這種方法可提高有效機(jī)器人準(zhǔn)確度高達(dá)一個(gè)數(shù)量級以上。
本方法通常需要識別目標(biāo)零件或目標(biāo)位置上第一個(gè)特定參考目標(biāo)。這個(gè)特定目標(biāo)用來做相對于機(jī)器人的剛體方位矢矯正。其他特定參考目標(biāo)或參考位置通常都將相對于第一個(gè)特定參考目標(biāo)來決定，但也可以相對于彼此之間來決定。根據(jù)相對的移動(dòng)(并不是整體移動(dòng))，特定目標(biāo)之相對幾何參數(shù)可以用來決定所存在的機(jī)器人誤差。這種方法優(yōu)越于任何其他現(xiàn)有技術(shù)方法的地方在于機(jī)器人的誤差不需要在整體上決定，而僅需要在局部的區(qū)域內(nèi)決定。這些區(qū)域是機(jī)器人和目標(biāo)零件實(shí)際操作接觸的部分工作空間。更值得一提的是，誤差測量不必用需要整體定位的獨(dú)立測量儀器進(jìn)行。
就機(jī)器人在制造工業(yè)上的應(yīng)用來說，這種方法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)在于按一定的容限被重復(fù)地輸送到工作單元的零件可以在一開始時(shí)就被映射或測量機(jī)器人相對零件的誤差，映射以后，感覺系統(tǒng)可以關(guān)掉，而讓機(jī)器人重復(fù)地進(jìn)行工作。定時(shí)的映射可以用來證實(shí)零件和機(jī)器人是否在所期望的容限內(nèi)工作。應(yīng)用此方式，這種誤差矯正方法可以用在統(tǒng)計(jì)處理控制上。
在此公開的離線編程技術(shù)假定對于任何機(jī)器人位形，工作單元及機(jī)器人工具相對于機(jī)器人底座參考系的幾何參數(shù)是知道的，這些數(shù)據(jù)通常是由制造者提供的或者是可以用其他方法確定的。所有整體離線技術(shù)都失敗了，因?yàn)橛泄?jié)點(diǎn)偏差，節(jié)點(diǎn)柔量，齒輪系誤差等誤差，機(jī)器人無法被準(zhǔn)確地移動(dòng)到幾何空間的絕對位置上。不在機(jī)器人參考系上的目標(biāo)零件是由象視覺系統(tǒng)之類的感覺器定位的。這些零件通過相對節(jié)點(diǎn)變換定位于視常見攝象機(jī)坐標(biāo)系(也是一個(gè)參考系)上。一旦這些零件被變換定位到機(jī)器人底座參考系上，逆運(yùn)動(dòng)方程就可決定移動(dòng)機(jī)器人工具或末端構(gòu)件到所希望的工作點(diǎn)時(shí)機(jī)器人節(jié)點(diǎn)的值。
校正技術(shù)可以應(yīng)用于機(jī)器人之各單元，包括底座坐標(biāo)系，中間連桿，末端連桿(包括末端連桿坐標(biāo)系)以及和末端構(gòu)件有關(guān)的末端控制坐標(biāo)系(TCF)。這些校正技術(shù)的目的在于建立機(jī)器人各單元之間準(zhǔn)確的相對方位矢。很顯然，一旦這些相對方位矢被測知，那么任一機(jī)器人單元之特定方位矢的確定都可用來確定其他各單元的特定方位矢，從底座坐標(biāo)系一直到末端控制坐標(biāo)系。
本發(fā)明公開二個(gè)等級的機(jī)器人校正，即離線校正和在線校正。離線校正技術(shù)用來準(zhǔn)確地確定安裝在機(jī)器人末端連桿或機(jī)械手上最終連桿之末端構(gòu)件的TCF方位矢，機(jī)器人示教盒上的讀數(shù)被用來決定末端構(gòu)件的TCF方位矢。在線校正用來確定機(jī)器人TCF相對于工作空間中零件之方位矢，并在機(jī)器人工作空間的局部區(qū)域補(bǔ)償機(jī)器人誤差。因?yàn)檫@些校正方法運(yùn)用局部特定參考目標(biāo)，機(jī)器人的誤差低于裝配所要求的容限。此外，校正數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值也可用來補(bǔ)償機(jī)器人的一些定位誤差。
機(jī)器人和機(jī)械手任務(wù)之模擬軟件(SMART)已經(jīng)研制出來，此軟件還能離線計(jì)劃校正任務(wù)和工作任務(wù)。校正路徑是由一系列機(jī)器人位形組成的。這些位形經(jīng)過綜合，然后輸送到機(jī)器人控制器并執(zhí)行，可以使機(jī)器人把裝在其末端的視覺系統(tǒng)(比如攝象機(jī))移動(dòng)到所希望的被用于識別零件準(zhǔn)確位置的特定校正目標(biāo)附近。工作路徑由一系列機(jī)器人位形，速度整定值，抓放指令等組成，此路徑經(jīng)過綜合以后輸送到機(jī)器人控制器并執(zhí)行，可以使機(jī)器人移動(dòng)其工具到所期望的操作點(diǎn)上。
由于機(jī)器人的誤差及工作單元幾何參數(shù)的不定性，計(jì)算機(jī)模擬所計(jì)劃的離線路徑必須修正以適應(yīng)這些誤差。這些誤差可以由視覺系統(tǒng)或其他感覺器來測得。相似路徑調(diào)整方法運(yùn)用預(yù)計(jì)劃路徑內(nèi)適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)來調(diào)整預(yù)計(jì)劃的工作路徑，卻保持相似的直角坐標(biāo)路徑形狀。所有這些方法都將在此詳細(xì)討論。
在此所要介紹的校正方法之一是校正裝在機(jī)器人之末端連桿的末端構(gòu)件及感覺器的TCF位置。這些相互關(guān)系可以借助圖1來得到更好的理解。此圖上有機(jī)器人10，該機(jī)器人有底座參考系11，中間連桿12，13及14。末端連桿15上有末端坐標(biāo)系16。末端構(gòu)件(如攝象機(jī)、夾具或其他工具)17安裝在末端連桿15上。末端控制坐標(biāo)系(TCF)18和末端構(gòu)件相連并提供參考系，這些坐標(biāo)系分別定義為機(jī)器人整體坐標(biāo)系(xyz)m，末端構(gòu)件TCF坐標(biāo)系(xyz)T和機(jī)器人末端坐標(biāo)系(xyz)e。
TCF位置校正的目的是相對于末端坐標(biāo)系16確定坐標(biāo)系18。因?yàn)槟┒俗鴺?biāo)系相對于機(jī)器人整體坐標(biāo)系11之方位矢是已知的，所以這種校正技術(shù)將把所有三個(gè)參考系結(jié)合在一起。只要給出任一單元的位置，機(jī)器人的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)裝置會(huì)很快地計(jì)算出任何其他單元的位置。
本方法首先將一尖狀指針19安裝在機(jī)器人末端連桿15上，并使指針19和末端坐標(biāo)系16之z軸相平行。第一個(gè)參考點(diǎn)是選在離開機(jī)器人本身的地方但卻在機(jī)器人之操作距離之內(nèi)。此參考點(diǎn)在圖1中以標(biāo)號20表示出，可以是校正板21上的一個(gè)有蝕刻標(biāo)記的固定點(diǎn)。機(jī)器人然后移到一個(gè)位形以使指針之尖剛好位于第一個(gè)參考點(diǎn)。機(jī)器人在此位形時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在機(jī)器人計(jì)算機(jī)上，以便以后提取和比較。象攝象機(jī)17之類的末端構(gòu)件安裝在末端連桿上并包括一個(gè)參考點(diǎn)(圖中未示出)。
機(jī)器人然后移動(dòng)到第二個(gè)位形上以使末端構(gòu)件上的參考點(diǎn)剛好位于第一個(gè)參考點(diǎn)上。雖然標(biāo)號20在圖1上是長方形，參考點(diǎn)可以只是一個(gè)點(diǎn)而已，該點(diǎn)用于與指針19符合。機(jī)器人在此步驟中的第二機(jī)器人位形時(shí)的有關(guān)定位數(shù)據(jù)也被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，以便以后提取和比較。
TCF位置校正的下一步是比較剛才存儲(chǔ)的機(jī)器人兩位形的數(shù)據(jù)以分析其差異。此差異通過機(jī)器人計(jì)算機(jī)處理以后限定TCF相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的偏移位置。這一步是根據(jù)以下兩方程來完成的，此兩方程可以通過合并圖2(b)和2(c)而推導(dǎo)出。根據(jù)以上的步驟，推導(dǎo)出一組方程，然后解出x和y，這是可能的。其中x和y是TCF坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)器人末端坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。
X＝(X2-X1)S2-(Y2-Y1)C2方程(1)Y＝(X2-X1)C2+(Y2-Y1)S2方程(2)式中，Si＝Sinθi;Ci＝Cosθi;X1，Y1，X2，Y2，θ1和θ2是機(jī)器人示教盒的讀數(shù)。
由于多種機(jī)器人誤差的存在(包括視覺誤差，機(jī)器人編碼器和譯碼器誤差，齒輪間隙，控制器誤差等等)，在工作空間內(nèi)隨機(jī)選擇很多標(biāo)號22的參考點(diǎn)(圖中僅示出一個(gè))，并在每一點(diǎn)上執(zhí)行同樣的校正步驟，選擇就可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)平均值來決定最好的TCF變換矩陣。這樣一個(gè)過程是靠以下方法步驟來實(shí)現(xiàn)的。附加參考點(diǎn)22選擇好以后，機(jī)器人就移到它的第一個(gè)位形以使指針19剛好位于此附加參考點(diǎn)上。機(jī)器人在此附加步驟中第一個(gè)位形時(shí)的有關(guān)定位數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，以便以后提取和比較。機(jī)器人然后移到第二個(gè)位形上，以使末端構(gòu)件上的參考點(diǎn)剛好位于此附加參考點(diǎn)22上。機(jī)器人此時(shí)有關(guān)定位數(shù)據(jù)又存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，并與第一個(gè)位形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過對信號進(jìn)行必要的處理產(chǎn)生相應(yīng)的TCF在末端坐標(biāo)系中的坐標(biāo)x和y(偏移位置)。重復(fù)以上過程推導(dǎo)出定位的統(tǒng)計(jì)平均值，以便建立各差值的基本統(tǒng)計(jì)基數(shù)，并經(jīng)處理去確定最好的TCF變換矩陣。
TCF位置決定了以后，TCF方向的校正則成為必需。每當(dāng)裝配或機(jī)器人應(yīng)用需要確定的位置和方向時(shí)，TCF之方向就是必不可少的了。此方向可以用在工作空間選擇第二個(gè)參考點(diǎn)的方法來確定。此參考點(diǎn)必須在末端構(gòu)件的操作距離內(nèi)。機(jī)器人然后被移到第一個(gè)位形，以便指針19剛好位于第二個(gè)參考點(diǎn)22上。機(jī)器人在此時(shí)的有關(guān)定位數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上。機(jī)器人計(jì)算機(jī)然后處理所存儲(chǔ)的有關(guān)第一個(gè)和第二個(gè)參考點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，并決定連接第一參考點(diǎn)和第二參考點(diǎn)之直線的方向矢。這樣此直線上的矢量有了確定的相對于TCF的方向。此方向又被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上以便以后提取和處理。
機(jī)器人然后移到第三個(gè)位形上以確定直線上的矢量相對于TCF的方向。機(jī)器人此時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)然后通過數(shù)據(jù)處理確定TCF相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的方向。以上這些步驟可以通過圖3得到更好的描述。
應(yīng)用剛介紹的校正方法中獲得的TCF位置坐標(biāo)，任選的兩點(diǎn)p和q的坐標(biāo)位置可以通過以下步驟決定。移動(dòng)機(jī)器人到某一位形以使末端構(gòu)件TCF的中心在任選點(diǎn)P上，機(jī)器人此時(shí)的位置可以從示教盒上得到。點(diǎn)q在機(jī)器人整體坐標(biāo)系上的位置也可用相似的方法獲得。運(yùn)用第一步所獲得的數(shù)據(jù)(即p和q的位置)矢量pq＝p-q在機(jī)器人整體坐標(biāo)系上的方向可用α來表示。角α可由以下方程得到α＝arctan(Yq-Yp，Xq-Xp) 方程(3)其中Xp，Yp，Xq，Yq分別為點(diǎn)p和q在機(jī)器人整體坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。機(jī)器人然后移動(dòng)到另一個(gè)位形以獲得矢量pq相對于末端構(gòu)件TCF的方向(圖3上的角γ)。機(jī)器人在此時(shí)的位形又從示教盒上得到。對于攝象機(jī)和末端構(gòu)件，角γ可由方程(4)得到。
γ＝arctan(Yqv-Ypv，Xqv-Xpv) 方程(4)其中Xpv，Ypv＝點(diǎn)p在圖象屏幕上的坐標(biāo)，Xqv，Yqv＝點(diǎn)q在圖象屏幕上的坐標(biāo)。從這一系列過程中所產(chǎn)生的方程中，TCF方向β可由下式?jīng)Q定β＝arctan〔Cos(α-θ-γ)，Sin(α-θ-γ)〕方程(5)對于其他非軸對稱的末端構(gòu)件，應(yīng)使其TCF之x軸和矢量pq相平行以使γ＝0。以上所述的TCF方向校正方法可對任何安裝在機(jī)器人末端連桿上的末端構(gòu)件運(yùn)用。為了得到最好的TCF方向值，可使用以前所介紹的統(tǒng)計(jì)平均值方法和步驟。
在線校正是在機(jī)器人工作時(shí)進(jìn)行的。應(yīng)用一個(gè)攝象機(jī)、已校正的TCF幾何參數(shù)及從預(yù)先處理過的數(shù)據(jù)庫中所得到的工件的幾何參數(shù)，在線校正將決定工作空間內(nèi)工件的相對位置。這將使剛體誤差矯正及機(jī)器人定位誤差矯正成為可能。
本發(fā)明研究得出的相對方法使用一個(gè)如圖1所示的特定校正目標(biāo)和一個(gè)用來獲得工件和機(jī)器人末端構(gòu)件相對幾何參數(shù)的視覺系統(tǒng)。應(yīng)用圖1所示的相對坐標(biāo)系，工件相對于機(jī)器人整體坐標(biāo)系之方位矢可以通過以下變換方程得到Tcm＝cTemTveTfvTcf方程(6)其中Tcm＝工件坐標(biāo)系相對于機(jī)器人整體坐標(biāo)系的變換。
cTem＝當(dāng)攝象機(jī)位于特定校正目標(biāo)之上時(shí)，機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對于機(jī)器人整體坐標(biāo)系的變換。
Tve＝攝象機(jī)坐標(biāo)系相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的變換，此變換可通過離線機(jī)器人校正確定。
Tfv＝特定校正目標(biāo)坐標(biāo)系相對于攝象機(jī)坐標(biāo)系之變換，此變換可通過圖象分析確定。
Tcf＝工件坐標(biāo)系相對于特定校正目標(biāo)坐標(biāo)系之變換。此變換可從預(yù)先處理過的工件幾何數(shù)據(jù)庫中獲得。
有了TCF相對于末端坐標(biāo)系的位置和方向之后，就可建立任何目標(biāo)物體或零件相對于機(jī)器人之位置和(或)方向。這可通過確定一個(gè)有相對基礎(chǔ)的參考系來完成。這和試圖確定機(jī)器人相對整體參考系的位置剛相反。從實(shí)用觀念來看，應(yīng)用工件和機(jī)器人位置之間的相對參考系更合理，因?yàn)榇蠖鄶?shù)制造操作都是相對于局部參考系或工件基準(zhǔn)標(biāo)來進(jìn)行的。應(yīng)用本方法可以使機(jī)器人之方位矢成為參考，而且機(jī)器人誤差以相對工件基準(zhǔn)標(biāo)的形式來表示而不是相對更復(fù)雜的整體參考系。
本發(fā)明包括對應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模型，隨機(jī)模型及其他分析方式的介紹。其一般步驟介紹于下機(jī)器人相對于目標(biāo)物體或參考位置安放，一系列相互獨(dú)立的參考位置或特定目標(biāo)都已確定。更典型地，這些特定目標(biāo)位于目標(biāo)物體上并且是由特定的幾何或空間數(shù)據(jù)表示。下一步是識別決定這些幾何參數(shù)的數(shù)據(jù)以及相對于目標(biāo)的互相獨(dú)立的參考位置的空間數(shù)據(jù)。每一個(gè)參考位置的識別數(shù)據(jù)都相應(yīng)地存儲(chǔ)在機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置內(nèi)。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到參考位置附近時(shí)，這些數(shù)據(jù)將被用于比較操作。
機(jī)器人之末端構(gòu)件然后被移到一個(gè)參考位置附近的第一位置，例如圖4中，機(jī)器人末端構(gòu)件被移到定義為校正位置或特定校正目標(biāo)的初始參考位置41上。在這個(gè)位置上，末端構(gòu)件感測到特定校正目標(biāo)的存在。這個(gè)感測到的校正位置和原先存儲(chǔ)的和該位置相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。經(jīng)比較得出的偏差可用來完成剛體誤差矯正。機(jī)器人相對于這個(gè)校正位置的矯正數(shù)據(jù)將在以后的移動(dòng)中用到。剛體誤差矯正數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在機(jī)器人計(jì)算機(jī)上，以備將來之用。
末端構(gòu)件42然后被移到第二個(gè)參考位置43上。有關(guān)原先存儲(chǔ)的參考位置43的識別數(shù)據(jù)被輸送到機(jī)器人計(jì)算機(jī)上，而以上的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)此識別數(shù)據(jù)來產(chǎn)生的。此外，把末端構(gòu)件移到第二個(gè)位置的過程還包括應(yīng)用由前面步驟確定的剛體誤差矯正所得到的矯正參數(shù)。這樣就能更準(zhǔn)確地預(yù)測使機(jī)器人移動(dòng)其末端構(gòu)件到第二參考位置43上的適當(dāng)方位。本發(fā)明相應(yīng)地確定相對于第一個(gè)特定校正目標(biāo)41的剛體誤差矯正，并把該矯正應(yīng)用在以后的移動(dòng)中。因而也修正了原先存儲(chǔ)的和第二個(gè)位置有關(guān)的識別數(shù)據(jù)。
此方法還可通過測量更多的參考位置，比較所感測到的新參考位置數(shù)值和原先預(yù)測到的該位置之舊數(shù)值，擴(kuò)展到應(yīng)用統(tǒng)計(jì)平均。機(jī)器人預(yù)測位置和實(shí)際位置的偏差可以感測到，此偏差通過處理后還可以決定如何矯正才能更準(zhǔn)確地把末端構(gòu)件移到下一個(gè)參考位置上，這些確定的矯正值，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里以備將來處理使用。通過對每一個(gè)新加的參考點(diǎn)(如圖4中之44及45)重復(fù)地移動(dòng)，感測，存儲(chǔ)和處理等步驟，即可獲得統(tǒng)計(jì)平均所需之?dāng)?shù)據(jù)。
以上所述過程已應(yīng)用于圖5所示系統(tǒng)。該系統(tǒng)中有裝在機(jī)器人末端構(gòu)件53上的攝象機(jī)51及探針52。和攝象機(jī)51，探針52相關(guān)的是校正板61。校正板上有用來測量機(jī)器人位置的特定參考目標(biāo)62。例如，特定目標(biāo)63可以用作特定校正目標(biāo)。這是探針52將要探測的第一個(gè)特定目標(biāo)。其余像62這樣的特定目標(biāo)可作為其他參考點(diǎn)以用來幫助建立決定運(yùn)動(dòng)模型所需的統(tǒng)計(jì)平均。在這個(gè)例子里，特定參考目標(biāo)的位置是以校正板基準(zhǔn)標(biāo)(這是制造時(shí)預(yù)先確定好的)為參考的。而機(jī)器人之方位矢也是相對校正板基準(zhǔn)標(biāo)來測量的。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型測量之方法的應(yīng)用是Mooring，B.W.和Tang，G.所提出的有關(guān)步驟的修正。以上二人的有關(guān)文獻(xiàn)是Mooring，B.W.，“TheEffectofJointAxisMisalignmentonRobotPositioningAccuracy”，ProceedingsoftheASMEConferenceonComputersinEngineering，Chicago，Illinois，1983〔1〕.及Tang.G.，“CalibrationandAccuracyAnalysisofaSix-AxisIndustrialRobot”，DoctoralDissertation，Dept.ofMechanicalEngineering，TexasA&MUniversity，December，1986〔2〕。應(yīng)用這些步驟，機(jī)器人之運(yùn)動(dòng)模型可以通過計(jì)算所測量到的方位矢數(shù)據(jù)得出。該計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)模型是通過決定組成機(jī)器人各節(jié)軸的位置和方向而列出的。這個(gè)運(yùn)動(dòng)方程是根據(jù)Suh，C.和Radcliffe，C.W.在KinematicsandMechanismDesign(NewyorkJohnWiley&Sons，1978〔3〕)一書中所推出的普遍螺旋位移矩陣方程得出的。每一節(jié)點(diǎn)由一個(gè)位置矢量p和一個(gè)方向矢量u確定。一旦決定了實(shí)際節(jié)點(diǎn)之模型參數(shù)，校正了運(yùn)動(dòng)模型即可得出。這個(gè)模型是相對于方位矢測量階段所參考的工件基準(zhǔn)標(biāo)(圖6)而確定的。
當(dāng)知道了機(jī)器人精確的運(yùn)動(dòng)模型后，給出機(jī)器人每一節(jié)點(diǎn)的值就可準(zhǔn)確地確定機(jī)器人的方位矢。為使機(jī)器人準(zhǔn)確地移動(dòng)到所給定的方位矢，可以求出一個(gè)逆運(yùn)動(dòng)模型用來計(jì)算各必要節(jié)點(diǎn)的值。逆運(yùn)動(dòng)模型可根據(jù)Denavit-Hartenburg系數(shù)法(或簡稱D-H系數(shù)法)或其他有效的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)法來形成。大多數(shù)機(jī)器人控制器采用這樣一個(gè)逆運(yùn)動(dòng)變換和很多文獻(xiàn)上發(fā)表的機(jī)器人模型，本發(fā)明人提出一種根據(jù)預(yù)測一矯正和逆雅可賓(Jacobian)表示法的算法。
簡單預(yù)測一矯正法運(yùn)用已校機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型來預(yù)測機(jī)器人的位置。機(jī)器人方位矢節(jié)點(diǎn)值是用標(biāo)準(zhǔn)逆運(yùn)動(dòng)模型來估計(jì)的，所產(chǎn)生的方位矢是用已校模型預(yù)測的。目標(biāo)方位矢和預(yù)測方位矢之間的偏差是方位矢誤差。目標(biāo)位置然后被矯正以克服方位矢誤差。這些過程一再重復(fù)直到預(yù)測的機(jī)器人誤差大大地減少。逆雅可賓結(jié)合到預(yù)測一矯正循環(huán)中并同樣地使用已校運(yùn)動(dòng)模型來預(yù)測機(jī)器人的位置和逆運(yùn)動(dòng)變換。其數(shù)字建模方法和已校運(yùn)動(dòng)模型之建模法相似。機(jī)器人位置對每一節(jié)點(diǎn)值的偏微分可以確定。節(jié)點(diǎn)之微矯正可通過解下列線性矩陣方程(解△q)得到估計(jì)。
(
T/
qi)△q＝△T 方程(7)其中，
T/
qi是機(jī)器人方位矢對第i個(gè)節(jié)點(diǎn)值qi的偏微分?！鱭是微節(jié)點(diǎn)值，△T是用已校節(jié)點(diǎn)模型參數(shù)預(yù)測的機(jī)器人位置和機(jī)器人目標(biāo)方位矢之間的偏差。這樣，運(yùn)動(dòng)校正的節(jié)點(diǎn)值可通過重復(fù)迭代方程(7)而得到。
運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償需要運(yùn)用稍有修正的逆雅可賓表示法。此表示法可在Paul，R.所著RobotManipulatorsMathematics，ProgrammingandControl(Boston，Massachusetts，M.I.T.Press1982〔5〕)一書中找到。這兩種逆雅可賓表示法都根據(jù)下列近似式得出。
(
T/
qi)c≈(
T/
qi)n 方程(8)其中(
T/
qi)c表示機(jī)器人位置相對于從已校機(jī)器人模型中得出的節(jié)點(diǎn)值qi的變化。(
T/
qi)n則表示機(jī)器人位置相對于從理想或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人模型中得出的節(jié)點(diǎn)值qi的變化。圖7給出了典型的機(jī)器人位形運(yùn)用預(yù)測-矯正和逆雅可賓方法時(shí)的收斂性。圖7縱坐標(biāo)上表示的RMS定位誤差是所模擬的機(jī)器人在每一次迭代時(shí)的均方根定位誤差。
隨機(jī)模型為更進(jìn)一步減少機(jī)器人誤差提供了附加的誤差補(bǔ)償能力。本研究所用的隨機(jī)模型方法是以黑箱子方法RSM(ResponseSurfaceMethodology)為依據(jù)的。RSM可用來計(jì)劃建立綜合性的機(jī)器人誤差統(tǒng)計(jì)模型所必需的機(jī)器人方位矢。應(yīng)用于6個(gè)自由度的機(jī)器人的設(shè)計(jì)空間是2或3級，6個(gè)參數(shù)的空間。設(shè)計(jì)空間的級數(shù)決定統(tǒng)計(jì)模型的階(2級用在線性模型上，3級用在二次模型上)。參數(shù)數(shù)反映機(jī)器人之節(jié)點(diǎn)數(shù)。諸參數(shù)表示機(jī)器人誤差之線性或二次模型的獨(dú)立變量。
建立統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償模型需要另一組如前所述的目標(biāo)零件相對測量。在統(tǒng)計(jì)校正方位矢傳送給機(jī)器人控制器或計(jì)算機(jī)之前，都要經(jīng)過前面所述的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償矯正。機(jī)器人然后移到已矯正的方位矢上，剩余誤差也同時(shí)測量到。此剩余誤差又通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法(預(yù)測一矯正或逆雅可賓)變換成微節(jié)點(diǎn)值。此節(jié)點(diǎn)剩余微波動(dòng)可通過下面所給的統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償方程決定。
qi＝a+bi1q1+Ci1q21+bi2q2+Ci2q22+……+bi6q6+Ci6q26方程(9)其中，a，b和c是從回歸分析中所得到的二次模型系數(shù)。q表示節(jié)點(diǎn)值。qi表示節(jié)點(diǎn)微波動(dòng)。模型系數(shù)的第一個(gè)下標(biāo)表示被補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)(i)，第二個(gè)下標(biāo)則表示節(jié)點(diǎn)。同樣地，節(jié)點(diǎn)值的下標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)。
運(yùn)用本方法的典型補(bǔ)償過程介紹于下。校正方位矢在模擬設(shè)備上離線計(jì)劃，機(jī)器人移動(dòng)并置其本身于已校運(yùn)動(dòng)模型所要求的校正方位矢上，此時(shí)誤差可以測量。機(jī)器人移動(dòng)并轉(zhuǎn)置其本身于統(tǒng)計(jì)模型(通過RSM來確定)所要求的校正方位矢上。此時(shí)的誤差也可測量。所期望的任務(wù)然后相對于零件基準(zhǔn)標(biāo)離線計(jì)劃。離線計(jì)劃的任務(wù)采用以上相對于運(yùn)動(dòng)模型和統(tǒng)計(jì)模型的校正方位矢所建立的模型得到矯正。補(bǔ)償后的任務(wù)數(shù)據(jù)被送到機(jī)器人控制器。計(jì)劃校正方位矢的初始各步僅需偶爾重復(fù)，而統(tǒng)計(jì)模型校正方位矢的測量則需周期地重復(fù)。余下的步驟則需對在離線模擬設(shè)備上計(jì)劃的每一個(gè)機(jī)器人位置重復(fù)執(zhí)行。
如前所述，根據(jù)本方法的離線編程是以相對關(guān)系數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，并依賴于大多數(shù)機(jī)器人之重復(fù)度是在可接受容限之內(nèi)這個(gè)事實(shí)，也依賴于機(jī)器人所操作的零件是按要求容限預(yù)先制造好的事實(shí)。只要保證將操作的工件以預(yù)先確定好的容限送到機(jī)器人工作單元內(nèi)，就可應(yīng)用離線編程指示機(jī)器人移到工件上的特定參考校正目標(biāo)以獲得剛體誤差信息。特定參考目標(biāo)建立好以后(圖4中標(biāo)號41及圖6中標(biāo)號63)機(jī)器人就可被指令移到工件上其他預(yù)先確定好的特定目標(biāo)。由于預(yù)先知道工件上各特定目標(biāo)之間的相對幾何關(guān)系，機(jī)器人相對于其所操作之零件的誤差就可以通過執(zhí)行一系列步驟來確定。執(zhí)行矯正程序就可以矯正局部區(qū)域內(nèi)機(jī)器人之誤差。因而使離線編程方法有實(shí)用價(jià)值。
這也使機(jī)器人局部誤差的映射成為可能。如果零件能重復(fù)地位于預(yù)先定好的容限之內(nèi)，這樣的映射沒有必要對每一個(gè)進(jìn)入工作空間的零件進(jìn)行。當(dāng)零件以很穩(wěn)定的重復(fù)性進(jìn)入工作空間時(shí)，裝配操作期間感覺裝置可以關(guān)掉以加速裝置工作。機(jī)器人的誤差則由軟件對離線程序的修正而得以補(bǔ)償。
映射相對一個(gè)目標(biāo)物體機(jī)器人誤差的一個(gè)通用方法如下所述。首先，確定一個(gè)目標(biāo)物體，這包括一系列可作為參考點(diǎn)的可識別的特定目標(biāo)。建立一個(gè)能確定目標(biāo)物體上特定目標(biāo)之間的幾何及空間關(guān)系的特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫必須有關(guān)于各特定目標(biāo)的足夠的具體細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，以便計(jì)算機(jī)感覺裝置能分別地辨認(rèn)每一個(gè)特定目標(biāo)。特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)然后存儲(chǔ)在機(jī)器人計(jì)算機(jī)上以備以后提取和比較。目標(biāo)物體放在機(jī)器人末端連桿的操作范圍之內(nèi)。有感測目標(biāo)物體上之特定目標(biāo)能力的感覺裝置安裝在末端連桿上。這個(gè)感測通常是根據(jù)比較(Ⅰ)感覺裝置所感覺到的相對于特定目標(biāo)的數(shù)據(jù)，和(Ⅱ)特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫里存儲(chǔ)的特定目標(biāo)數(shù)據(jù)而進(jìn)行。
像前述運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)建模法一樣，感覺裝置也相對于末端連桿校正以便準(zhǔn)確地確定末端坐標(biāo)系相對于感覺裝置之TCF的相對位置。這個(gè)已校的TCF位置被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上以備以后提取和比較。有一個(gè)程序可以使特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)和已校TCF位置相關(guān)。該程序還提供給機(jī)器人驅(qū)動(dòng)指令，以使其移動(dòng)感覺裝置按順序到目標(biāo)物體上各個(gè)要映射的特定目標(biāo)的預(yù)定位置。
下一步是執(zhí)行機(jī)器人內(nèi)的一個(gè)程序以使其感覺裝置被移到在目標(biāo)物體上的已校特定目標(biāo)，該特定目標(biāo)是已存儲(chǔ)的特定參考目標(biāo)之一。例如，這可以是圖4上的標(biāo)號41或圖6上的標(biāo)號63。感覺裝置的實(shí)際位置相對于預(yù)定的位置之間的相對方位矢誤差可以在此決定，這也提供了剛體誤差矯正數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)以備以后提取和比較。例如所存儲(chǔ)的剛體誤差矯正數(shù)據(jù)和一個(gè)程序連系起來以決定其他特定目標(biāo)的新的預(yù)測位置。感覺裝置然后被移到此所預(yù)測位置，以決定實(shí)際位置相對于新預(yù)測位置的相對方位矢誤差。這些誤差數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。對每個(gè)剩下特定目標(biāo)重復(fù)以上步驟便可建立目標(biāo)物體的映射，以提供機(jī)器人誤差的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。
這個(gè)通用方法曾用在一個(gè)制造容差為+0.0005英吋的校正板上。該校正板的尺寸如圖8所示。
一旦TCF決定后，逆運(yùn)動(dòng)程序就可用來正確地把攝象機(jī)參考系放在工件特定目標(biāo)附近。AutomatixAV-3視覺系統(tǒng)相對于圖8所示的校正板校正。y象素對于x象素的相對象素大小可以通過定位校正板上兩個(gè)已知點(diǎn)在視覺系統(tǒng)攝象機(jī)參考系中來決定。此兩點(diǎn)在象素坐標(biāo)上的位置可通過得到y(tǒng)象素距離和x象素距離之比的一系列試驗(yàn)之統(tǒng)計(jì)平均來確定。象素之間所表示的實(shí)際距離也是必須有的。可用同樣的兩點(diǎn)，并因?yàn)檫@兩個(gè)點(diǎn)的實(shí)際距離是已知的，通過一系列試驗(yàn)以獲得統(tǒng)計(jì)平均。
視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)位于x方向192.0象素，y方向127.5象素的地方。由于視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，視覺系統(tǒng)所捕獲的特定目標(biāo)相對于裝在機(jī)器人末端連桿上的攝象機(jī)TCF的相對坐標(biāo)可以確定。用于決定該坐標(biāo)系的方法是本說明書第一部份介紹的TCF校正法。這個(gè)變換涉及得到在攝象機(jī)TCF坐標(biāo)系中的校正板坐標(biāo)系和視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系，可以由方程(10)得到。
Tfv＝Tcv×Tfc方程(10)其中Tfv＝特定校正目標(biāo)坐標(biāo)系相對于視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的變換Tcv＝攝象機(jī)TCF相對于視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的變換Tfc＝特定校正目標(biāo)坐標(biāo)系相對于攝象機(jī)TCF的變換相對定位方法的應(yīng)用是現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重大突破，因?yàn)橹恍鑼C(jī)器人所操作的零件附近之局部區(qū)域推測機(jī)器人誤差。當(dāng)機(jī)器人從一個(gè)工作臺(tái)轉(zhuǎn)到另一個(gè)工作臺(tái)時(shí)，其誤差并不是關(guān)鍵因素，但因?yàn)閷?shí)際裝配或其他形式的機(jī)器人任務(wù)(如抓和放)要求很高的準(zhǔn)確度，在這些小區(qū)域內(nèi)機(jī)器人的誤差需要確定。這里所介紹的種種方法都在具有+0.001英吋重復(fù)度的SEIKORT-3000系列機(jī)器人上獲得成功的驗(yàn)證。
應(yīng)用圖8所示校正板，機(jī)器人在局部區(qū)域上的誤差分布可通過首先把攝象機(jī)移到特定參考校正目標(biāo)81上來決定。從這個(gè)特定目標(biāo)上，剛體誤差矯正所需的數(shù)據(jù)都可獲得，并可運(yùn)用到隨后的機(jī)器人移動(dòng)上。同樣的移動(dòng)和方向剛體誤差矯正應(yīng)用在所有特定目標(biāo)上以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人相對于工件的誤差映射。剛體誤差變換確定以后，機(jī)器人按視覺系統(tǒng)軟件的指令移到下一個(gè)特定目標(biāo)82。所有八個(gè)特定目標(biāo)81-88都通過數(shù)據(jù)庫取數(shù)及視覺系統(tǒng)得到映射。圖9列有決定機(jī)器人誤差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖10可以看出，機(jī)器人誤差隨著和特定參考校正目標(biāo)81距離的增加而增加(近似線性)。
因?yàn)榫植课恢谜`差幾乎是距離的線性函數(shù)，下列線性方程可用來補(bǔ)償機(jī)器人誤差。
Ex＝A1X+B1Y 方程(11)Ey＝A2X+B2Y 方程(12)解以上常數(shù)需要工作空間兩個(gè)獨(dú)立點(diǎn)的誤差值。此項(xiàng)工作可以通過下面幾步來完成。首先把攝象機(jī)移到特定參考校正目標(biāo)上以決定剛體誤差矯正;然后，攝象機(jī)被移到其他兩個(gè)特定目標(biāo)上，稱之為i和j，這樣解方程(11)和(12)所需的數(shù)據(jù)都全了。目標(biāo)i上的誤差方程為Exi＝A1Xi+B1Yi方程(13)Eyi＝A2Xi+B2yi方程(14)其中Xi和yi是機(jī)器人在直角坐標(biāo)內(nèi)的移動(dòng)。Exi和Eyi是視覺系統(tǒng)在目標(biāo)i上所獲得的位置誤差。同樣地，目標(biāo)j上的有關(guān)數(shù)據(jù)亦可獲得。應(yīng)用克萊姆法(Kramers rule)則可能得常數(shù)A1，B1，A2，和B2。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，特定目標(biāo)2和6相應(yīng)地代表目標(biāo)i和j。
下一步，當(dāng)機(jī)器人按照指令移動(dòng)到各個(gè)特定目標(biāo)上時(shí)，就修正數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)數(shù)據(jù)，以便對每個(gè)特定目標(biāo)位置上的預(yù)測位置誤差進(jìn)行矯正。圖11列出了機(jī)器人誤差矯正后的剩余誤差。比較圖9和圖11，在距特定參考目標(biāo)14.142英吋的地方，最大機(jī)器人誤差從0.0172英吋降低到0.0025英吋。這已很接近攝象機(jī)之圖象分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中難以得到這樣的結(jié)果。誤差疊加的統(tǒng)計(jì)分析揭示以上新介紹的技術(shù)可應(yīng)用于位置精度要求不超過0.005英吋的工作。
機(jī)器人方向補(bǔ)償提出了更大的難題。機(jī)器人的方向誤差不是與特定參考校正目標(biāo)之間的距離的函數(shù)。這樣的方向誤差可能來自象齒隙游移，節(jié)點(diǎn)柔量，視覺系統(tǒng)算法限制等多方面因素。實(shí)驗(yàn)證明方向誤差依照用于方向誤差矯正的線性方程進(jìn)行矯正，與上述相似，即成功的離線編程法必須以相對空間關(guān)系，而不是整體參考系為基礎(chǔ)。這些方法依賴以下兩個(gè)事實(shí)。大多數(shù)機(jī)器人的重復(fù)度都可達(dá)到令人滿意的容限;機(jī)器人將要操作的目標(biāo)零件都是按要求容限預(yù)先制造好的。從這個(gè)前提來看，本專業(yè)的技術(shù)人員一定很清楚機(jī)器人的重復(fù)度必須在機(jī)器人任務(wù)要求的容限之內(nèi)。另一個(gè)重要方面是機(jī)器人所操作的零件之幾何規(guī)范必須在需要的時(shí)候能達(dá)到并傳送到機(jī)器人工作單元。
圖12是本發(fā)明在一個(gè)典型制造過程中應(yīng)用的信息流程及數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。此流程圖綜合有關(guān)TCF校正的步驟及其他形式的以相對關(guān)系為基礎(chǔ)(而不是以整體參考系為基礎(chǔ))的誤差矯正法。圖12和圖13說明了從校正階段到誤差確定和映射階段各種方法的綜合。參照圖12，目標(biāo)零件上的特定幾何目標(biāo)的規(guī)范通常是由設(shè)計(jì)工程定出，而且可在軟件準(zhǔn)備時(shí)機(jī)器人任務(wù)計(jì)劃階段取到。變換軟件可以用來做適應(yīng)的轉(zhuǎn)換，以便使特定目標(biāo)的幾何描述輸送到機(jī)器人控制器上。本發(fā)明公開第一部分所得出的離線矯正規(guī)則可以結(jié)合到零件設(shè)計(jì)中，以便足夠的特定參考目標(biāo)可以被確定或安放在零件上供機(jī)器人特定目標(biāo)探測系統(tǒng)使用。例如，視覺或攝象機(jī)系統(tǒng)已被認(rèn)為是在動(dòng)態(tài)校正階段目標(biāo)零件映射的有用工具。從前面所公開的方法中不難看出機(jī)器人系統(tǒng)將要操作的零件在來到機(jī)器人工作單元之前必須有特定的校正參考目標(biāo)安裝其上。這些特定目標(biāo)可以是零件上原有的機(jī)器人特定目標(biāo)探測系統(tǒng)能容易地探測到的幾何形狀;也可以是永久或臨時(shí)安放在零件上的樣板，如圖1中的26，注意如果零件以一致的方式被輸送到工作單元，那么對特定目標(biāo)的探測只需要周期性地進(jìn)行。這些步驟的綜合由圖12中第一個(gè)盒子110表示。
校正任務(wù)和實(shí)際工作任務(wù)的計(jì)劃處理都可以離線進(jìn)行。這些任務(wù)是由一系列機(jī)器人位形并附加上足夠的關(guān)于抓或放，速度整定值和感覺器讀數(shù)等信息組成的文件。這個(gè)計(jì)劃包括將存儲(chǔ)在校正任務(wù)文件中的校正移動(dòng)指令和將存儲(chǔ)在工作任務(wù)文件中的工作移動(dòng)指令。這方面的處理由盒子111表示。
此路徑或任務(wù)文件由文件傳送軟件通過串行RS232通信裝置傳送到機(jī)器人工作單元控制器。這些接口由圖12中的標(biāo)號112表示。標(biāo)號113表示工作單元控制器。該控制器持有能轉(zhuǎn)變路徑文件位形為機(jī)器人任務(wù)宏指令的軟件。該軟件具有對大多數(shù)機(jī)器人都適用的通用算法及對特定機(jī)器人使用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)型算法。校正時(shí)，軟件被用來矯正如攝象機(jī)之類感覺系統(tǒng)感測到的機(jī)器人誤差。最簡單的形式是該軟件由運(yùn)用校正階段獲得的位置和方向誤差矩陣的插值算法組成。更復(fù)雜的軟件配有能映射由于機(jī)器人誤差而變形的目標(biāo)幾何參數(shù)之變形轉(zhuǎn)換算法。通過這些變換，機(jī)器人就可在感測到的零件上操作。
應(yīng)用已矯正的變換，軟件對預(yù)作的路徑進(jìn)行修正。這要求機(jī)器人之位形在工作點(diǎn)附近通過控制點(diǎn)得到修正。這些控制點(diǎn)用來保持關(guān)鍵的裝配工作點(diǎn)附近路徑的形狀并矯正由于機(jī)器人定位誤差造成的表面特定目標(biāo)之變形。模擬時(shí)，必須使中間位形離開工作空間障礙物足夠遠(yuǎn)以避免碰撞，甚至要使有些局部路徑得到修正后也不致有碰撞的可能性。相應(yīng)地，這些過程不僅和圖12中的盒子113有關(guān)，還和盒子111有關(guān)。
控制點(diǎn)的應(yīng)用可參照圖15。在校正離線路徑計(jì)劃時(shí)，需要輸入一系列整體坐標(biāo)系中描述一系列所期望的視覺系統(tǒng)TCF的矯正方位矢之普遍位移矩陣。圖15表示在直角坐標(biāo)空間中，一部分由1，2，3和4連成的校正路徑，在工作路徑模擬計(jì)劃時(shí)，夾具之TCF作為機(jī)器人末端構(gòu)件之TCF并需要輸入一系列描述所期望的夾具TCF相對于夾具將操作的工作的方位矢之位移矩陣。圖14表示直角坐標(biāo)空間內(nèi)一部分相互連接的工作路徑段及一些關(guān)鍵路徑點(diǎn)。校正和工作路徑計(jì)劃好以后，所計(jì)劃的各路徑段被存儲(chǔ)在文件內(nèi)以備以后用在路徑段組合及路徑調(diào)整。路徑文件包含路徑位形編號，路徑位形順序，抓/放動(dòng)作標(biāo)記，以及其他和機(jī)器人速度整定值有關(guān)的信息。至此，路徑文件已經(jīng)存在?？墒?，這些文件可能還不能表示路徑最后操作時(shí)的確切形式。為了變成確切形式，必須采用綜合方法來組合預(yù)先計(jì)劃好的任務(wù)，并把它們變成象用在視覺系統(tǒng)或機(jī)器人等工作單元控制器上的控制語言。所做的綜合用軟件允許使用者通過從總?cè)蝿?wù)文件上加、減路徑段或改變各路徑段的順序來組合預(yù)先計(jì)劃好的路徑段文件。此外，在綜合過程中，使用者還可以輸入一些用機(jī)器人控制器語言寫的指令。
計(jì)算機(jī)模擬所計(jì)劃的離線路徑必須修正以適應(yīng)視覺系統(tǒng)或其他感覺裝置所感測到的校正誤差及幾何模型中的不定因素。離線路徑的修正有很多方法。然而，為了說明起見要指出，通過調(diào)整路徑時(shí)使機(jī)器人末端構(gòu)件TCF在直角坐標(biāo)空間里的相對運(yùn)動(dòng)保持不變，保持關(guān)鍵路徑段的直角坐標(biāo)路徑形狀或路徑一致性。
調(diào)整整個(gè)裝配任務(wù)之路徑以保持整個(gè)路徑一致性是不實(shí)際的。象抓和放位置之類的關(guān)鍵點(diǎn)附近的路徑段則可通過選擇三個(gè)控制點(diǎn)來保證調(diào)整時(shí)其形狀不變。第一點(diǎn)是方位矢控制點(diǎn)(CPP)，該點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樾Ｕ`差將影響機(jī)器人末端構(gòu)件在此處的零件上操作時(shí)的效果。第二點(diǎn)是第二控制點(diǎn)(CPN)。在該點(diǎn)之后有一個(gè)方位矢控制點(diǎn)。CPP和CPN之間的路徑段在調(diào)整時(shí)必須保持其在模擬時(shí)所計(jì)劃的直角坐標(biāo)路徑之形狀。最后是最后控制點(diǎn)(CPL)。在該點(diǎn)之前有一個(gè)方位矢控制點(diǎn)。CPP和CPL之間的路徑在調(diào)整時(shí)也要保持原有的形狀。
在直角坐標(biāo)工作空間，修正路徑段并保持其形狀的任務(wù)可以通過用校正時(shí)檢測的同一移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差調(diào)整控制點(diǎn)之間所有離線計(jì)劃的末端構(gòu)件TCF方位矢來完成。換言之，末端構(gòu)件TCF在所模擬的路徑段上各點(diǎn)的位移矩陣被自右乘同一個(gè)誤差矯正變換矩陣以得到新的位移矩陣。該新位移矩陣即可用來形成保形路徑段調(diào)整。如圖15所示，方位矢1，2，3和4被軟件調(diào)整到b，c，d和e上。這種調(diào)整方法提出了避免末端構(gòu)件和工作單元中障礙物碰撞的一個(gè)新的措施(如不采用這種方法，這些障礙物可能會(huì)落入修正的計(jì)劃方位矢路徑之內(nèi))。
在本發(fā)明公開中提出的實(shí)用離線編程技術(shù)已應(yīng)用于下列步驟組成的微電子器件裝配任務(wù)。不同尺寸的微電子集成片被機(jī)器人末端構(gòu)件從零件進(jìn)料器上抓起。調(diào)整路徑計(jì)劃被用來避免變換路徑時(shí)工作空間中可能產(chǎn)生的碰撞。微電子集成片然后被安放在集成電路板上的指定位置。這些任務(wù)已成功地完成。所發(fā)明的離線編程技術(shù)已證實(shí)通過在小工作空間區(qū)域內(nèi)應(yīng)用剛體誤差矯正，機(jī)器人定位精度可提高到+0.1mm。
本專業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該清楚前面的所有介紹及所特指的例子都是示范性的。這里所提出的基本設(shè)計(jì)思想和方法的應(yīng)用則應(yīng)受以下所請求的權(quán)利要求所述發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.校正象攝象機(jī)或夾具之類的機(jī)器人末端構(gòu)件的末端控制坐標(biāo)系的位置的方法，末端構(gòu)件安裝在具有機(jī)器人末端坐標(biāo)系的機(jī)器人末端連桿上并受到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)裝置的控制，此方法由下面幾個(gè)步驟組成a)連結(jié)一個(gè)具有針狀末端的指針裝置到機(jī)器人的末端連桿上并使指針和機(jī)器人末端坐標(biāo)系的z軸相平行；b)在離開機(jī)器人但卻在其操作范圍之內(nèi)的空間里選擇第一個(gè)參考點(diǎn)；c)把機(jī)器人移到第一個(gè)方位矢以使指針之尖端剛好位于第一個(gè)參考點(diǎn)上；d)把機(jī)器人在步驟“c”第一個(gè)方位矢時(shí)的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較；e)連結(jié)末端構(gòu)件到末端連桿上；f)在末端構(gòu)件上確定一個(gè)參考點(diǎn)；g)把機(jī)器人移到第二個(gè)方位矢以使末端構(gòu)件上的參考點(diǎn)位于第一個(gè)參考點(diǎn)上；h)把機(jī)器人在步驟“g”第二個(gè)方位矢時(shí)的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較；i)比較步驟“d”和“h”所存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)以檢測其差異；j)在計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)處理所檢測到的差異以確定末端控制坐標(biāo)系相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，由更具體的步驟組成連結(jié)一個(gè)具有接觸端點(diǎn)的伸長指針到機(jī)器人的末端連桿上;在固定的目標(biāo)物體上確定第一個(gè)參考點(diǎn);移動(dòng)機(jī)器人到第一個(gè)方位矢以使指針的接觸端點(diǎn)位于目標(biāo)物體上的第一個(gè)參考點(diǎn)上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，由更進(jìn)一步的步驟組成k)在離開機(jī)器人但卻在其操作范圍之內(nèi)的空間里選擇一個(gè)附加參考點(diǎn);l)把機(jī)器人移到第一方位矢以使指針之尖端剛好位于附加參考點(diǎn)上;m)把機(jī)器人在步驟“l(fā)”第一個(gè)方位矢時(shí)的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較;n)把機(jī)器人移到第二個(gè)方位矢以使末端構(gòu)件上的參考點(diǎn)位于第一參考點(diǎn)上;o)把機(jī)器人在步驟“n”第二方位矢時(shí)的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較;p)比較步驟“m”和“o”所存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)以檢測其羥基差異;q)在計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)處理步驟“p”所檢測到的差異，以確定末端控制坐標(biāo)系相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置偏移。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，重復(fù)所述的步驟足夠多次，以建立差異值的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，這個(gè)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)經(jīng)過處理可以用來確定更準(zhǔn)確的末端控制坐標(biāo)系的位置偏移。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，校正機(jī)器人末端構(gòu)件的末端控制坐標(biāo)系相對于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的相對方向，此方法由下面步驟組成aa)在離開機(jī)器人但卻在其操作范圍之內(nèi)的空間里選擇一個(gè)第二參考點(diǎn);bb)把機(jī)器人移到第一方位矢以使指針之尖端位于第二參考點(diǎn)上;cc)把機(jī)器人在步驟“bb”第一方位矢時(shí)的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較;dd)處理關(guān)于第一和第二參考點(diǎn)所存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)，以確定連接第一和第二參考點(diǎn)之直線的方向矢量;ee)把這個(gè)和末端控制坐標(biāo)系有關(guān)的矢量方向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以便以后提取和處理;ff)把機(jī)器人移到第三方位矢以使方向矢量相對于末端控制坐標(biāo)系的方向可以被確定;gg)把機(jī)器人在步驟“ff”第三方位矢時(shí)位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備上以備以后提取和比較;hh)處理所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以確定末端控制坐標(biāo)系相對于末端坐標(biāo)系的相對方向。
6.一種方法采用權(quán)利要求5中的步驟，對其他機(jī)器人之方位矢重復(fù)移動(dòng)、存儲(chǔ)和處理各步驟，以確定一個(gè)附加統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，該統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)可以用來改進(jìn)確定末端控制坐標(biāo)系相對方向的精度。
7.改進(jìn)可編程機(jī)器人相對于目標(biāo)的方向和(或)位置精度的方法，此方法由下面幾個(gè)步驟組成a)把機(jī)器人相對于目標(biāo)放置，機(jī)器人有一個(gè)末端操作構(gòu)件，機(jī)器人還能相對于目標(biāo)移到很多不同的位置;b)確定一系列機(jī)器人之外的不同的參考位置;c)確定這些不同參考位置的識別數(shù)據(jù)，這些識別數(shù)據(jù)決定這些參考位置相對于目標(biāo)的幾何和空間數(shù)據(jù);d)把每個(gè)參考位置相應(yīng)的識別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理裝置里，以備當(dāng)機(jī)器人以后來到這些參考位置附近時(shí)可以提取和比較;e)把機(jī)器人末端構(gòu)件移到這些參考位置之一附近的第一個(gè)位置上，該參考位置在這里定義為校正位置，裝在機(jī)器人末端上的感覺器感測到此校正位置的存在;f)比較所感測到的校正位置和原先存儲(chǔ)的和該位置相關(guān)的信息數(shù)據(jù);g)根據(jù)前面比較步驟所獲得的位置差異確定一個(gè)剛體誤差矯正，此矯正將被用于以后所有機(jī)器人相對于該校正位置的移動(dòng);h)把剛體誤差矯正存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置內(nèi);i)采用原先存儲(chǔ)的關(guān)于第二個(gè)參考位置的識別數(shù)據(jù)，并應(yīng)用相對于校正位置的剛體誤差矯正，更準(zhǔn)確地預(yù)測把機(jī)器人移到第二個(gè)參考位置附近時(shí)機(jī)器人之適當(dāng)位置，根據(jù)以上預(yù)測把機(jī)器人末端構(gòu)件移到第二個(gè)參考位置上。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括一些附加步驟j)感測第二個(gè)參考位置;k)比較感測到的第二個(gè)參考位置和機(jī)器人在步驟“i”所預(yù)測到的和移到的第二個(gè)參考位置;l)感測預(yù)測到的位置和步驟“j”所感測到的第二個(gè)參考位置的實(shí)際位置的差異;m)處理所感測到的差異以確定適當(dāng)?shù)胤胖媚┒藰?gòu)件到以后的參考位置上所需的矯正量;n)把所確定的矯正量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置中。
9.一種方法由如下附加步驟組成對于一些附加的參考位置，采用權(quán)利要求8所述的步驟，重復(fù)移動(dòng)、感測、存儲(chǔ)和處理各步驟，以便建立一個(gè)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，以用來更精確地確定和平均以后各參考位置上預(yù)測位置和實(shí)際位置間的偏移。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中步驟“b”有更具體的步驟，即確定一系列機(jī)器人之外目標(biāo)物體之上的不同的特定參考目標(biāo)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括初始步驟在數(shù)據(jù)處理裝置中確定和存儲(chǔ)目標(biāo)物體上每個(gè)特定參考目標(biāo)之幾何位形及方向之識別數(shù)據(jù)，及特定目標(biāo)之間的相對距離和方向，以備當(dāng)每個(gè)作為參考位置的特定參考目標(biāo)被實(shí)際感測到時(shí)，可以提取和比較。
12.一種方法由如下附加步驟組成對于一些附加的參考位置，采用權(quán)利要求8所述的步驟，重復(fù)移動(dòng)、感測、存儲(chǔ)和處理各步驟，以確定一個(gè)分析模型的參數(shù)，以使準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)器人相對于以后各參考位置的位置成為可能。
13.映射可編程機(jī)器人誤差的方法，此方法由下面幾個(gè)步驟組成a)準(zhǔn)備一個(gè)有一系列可識別的特定目標(biāo)的目標(biāo)物體，這些特定目標(biāo)可在映射時(shí)用作參考點(diǎn);b)建立一個(gè)確定物體上各特定目標(biāo)幾何和空間關(guān)系的特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，這個(gè)數(shù)據(jù)庫必須非常詳細(xì)以便使每一個(gè)特定目標(biāo)都能單獨(dú)識別;c)把特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上以備以后提取和比較;d)把目標(biāo)物體放在機(jī)器人末端連桿能夠操作到達(dá)的地方;e)連結(jié)能根據(jù)比較感測數(shù)據(jù)和特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)而感測到所存儲(chǔ)的特定目標(biāo)的感覺裝置到機(jī)器人的末端連桿上;f)感覺裝置相對于末端連桿校正，以準(zhǔn)確地確定末端坐標(biāo)系相對于感覺裝置之末端控制坐標(biāo)系的位置;g)把校正的末端控制坐標(biāo)系的位置存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里以備以后提取和比較;h)準(zhǔn)備一個(gè)能使所存儲(chǔ)的特定目標(biāo)數(shù)據(jù)庫信息和已校末端控制坐標(biāo)系位置相關(guān)，并提供驅(qū)動(dòng)指令機(jī)器人按順序移動(dòng)其感覺裝置到相應(yīng)的特定目標(biāo)的預(yù)測位置的程序;i)使用此程序把感覺裝置移到一個(gè)由目標(biāo)物體上存儲(chǔ)的特定目標(biāo)之一組成的特定校正目標(biāo);j)確定感覺裝置實(shí)際位置相對于預(yù)測位置的相對方位矢誤差，以提供剛體誤差矯正數(shù)據(jù);k)把剛體誤差矯正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)以備以后提取和比較;l)使存儲(chǔ)的剛體誤差矯正數(shù)據(jù)和已準(zhǔn)備的程序相關(guān)，以確定感測裝置將要感測的下一個(gè)特定目標(biāo)的新預(yù)測位置;m)把感測裝置移到下一個(gè)特定目標(biāo)的新預(yù)測位置上;n)確定感測裝置實(shí)際位置相對于新預(yù)測位置的相對方位矢誤差;o)把步驟“n”所得到的誤差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上以備以后提取和比較;p)對以后每一個(gè)特定目標(biāo)重復(fù)步驟“l(fā)”到“o”，以根據(jù)所測得的誤差數(shù)據(jù)建立目標(biāo)物體的映射;q)處理映射誤差數(shù)據(jù)以決定表示機(jī)器人誤差的表達(dá)式;
14.改進(jìn)可編程機(jī)器人關(guān)于將要在目標(biāo)物體上執(zhí)行的操作的方向和(或)位置精度的方法，此方法由下列步驟組成a)準(zhǔn)備一個(gè)能提供機(jī)器人移動(dòng)裝在其上面的感覺裝置到目標(biāo)物體上所希望到達(dá)的特定目標(biāo)的接近位置的驅(qū)動(dòng)指令的程序;b)校正確定感覺裝置相對于機(jī)器人的相對位置的感覺裝置參考坐標(biāo)系;c)使用所準(zhǔn)備的程序以使機(jī)器人感覺裝置感測到特定目標(biāo)并產(chǎn)生有關(guān)特定目標(biāo)位置的感測數(shù)據(jù);d)建立聯(lián)系特定目標(biāo)位置和感覺裝置參考坐標(biāo)系的變換矩陣;e)根據(jù)步驟“d”所建立的矩陣，確定機(jī)器人的感覺坐標(biāo)系方位矢，感覺裝置參考坐標(biāo)系及特定目標(biāo)的幾何參數(shù);f)確定一系列和感覺坐標(biāo)系方位矢相應(yīng)的機(jī)器人節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);g)在機(jī)器人移動(dòng)有限制的區(qū)域中的操作路徑上確認(rèn)控制點(diǎn);h)應(yīng)用控制點(diǎn)，修正程序和預(yù)作的操作路徑以保持路徑的形狀使機(jī)器人避免和障礙物碰撞;i)執(zhí)行修正過的程序以完成操作。
15.改進(jìn)可編程機(jī)器人相對于目標(biāo)的方向和(或)位置精度的方法，此方法由下列步驟組成a)校正裝在含有機(jī)器人末端坐標(biāo)系的末端連桿上的機(jī)器人末端構(gòu)件之末端控制坐標(biāo)系的位置，以確定其相對位置和方向;b)確定一系列機(jī)器人之外的不同的參考位置;c)建立這些不同參考位置的識別數(shù)據(jù)，這些識別數(shù)據(jù)決定這些參考位置相對于目標(biāo)的幾何和空間數(shù)據(jù);d)把每個(gè)參考位置相應(yīng)的識別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置里，以備當(dāng)機(jī)器人以后來到這些參考位置附近時(shí)可以提取和比較;e)把機(jī)器人末端構(gòu)件移至這些參考位置之一附近的第一個(gè)位置上，該參考位置在此定義為校正位置，裝在機(jī)器人末端的感覺器感測到此校正位置的存在;f)比較所感測到的校正位置和原先存儲(chǔ)的和該位置有關(guān)的信息數(shù)據(jù);g)根據(jù)前面比較步驟所獲得的位置差異確定一個(gè)剛體誤差矯正，此矯正將被用于以后所有機(jī)器人相對于該校正位置的移動(dòng);h)把剛體誤差矯正存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理裝置內(nèi);i)采用原先存儲(chǔ)的關(guān)于第二個(gè)參考位置的識別數(shù)據(jù)，并應(yīng)用相對于校正位置的剛體誤差矯正，更準(zhǔn)確地預(yù)測把機(jī)器人移到第二個(gè)參考位置附近時(shí)機(jī)器人之適當(dāng)位置，根據(jù)以上預(yù)測，把機(jī)器人的末端構(gòu)件移到第二個(gè)參考位置上。
全文摘要
此裝置和方法用來改善可編程機(jī)器人相對于目標(biāo)物體的方向和位置之精度。此方法亦包括校正安裝在機(jī)器人末端的構(gòu)件(emd-ebbector)的TCF之位置。機(jī)器人以外的參考位置，如其幾何和空間數(shù)據(jù)，都已確定。這些確定好的數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存起來以便將來在決定局部的相對參考系時(shí)可以提取和比較，機(jī)器人之末端構(gòu)件被移到第一參考位置以確定剛體誤差矯正。這個(gè)矯正結(jié)果被儲(chǔ)存在機(jī)算機(jī)之寄存單元內(nèi)以便以后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)得以應(yīng)用。
文檔編號G05B19/19GK1033590SQ8810908
公開日1989年7月5日 申請日期1988年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年7月28日
發(fā)明者沃爾特·愛德華·萊德, 布萊迪·R·戴維斯, 王旭光, 愛德加·R·特納 申請人:布萊阿姆青年大學(xué)