專利名稱：機器人控制的光測量裝置以及測量該測量裝置的方法和輔助裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用在測量機器人上的光測量裝置。此外本發(fā)明還涉及一種測量所述光測量裝置的輔助裝置和方法。
由US 6321137B1公知一種機器人控制的光傳感器，借助于所述機器人控制的光傳感器在生產(chǎn)環(huán)境中可以在一個或者多個測量區(qū)域中測量工件，例如在汽車車身中。所述光傳感器固定在機器人手上，并且借助于所述機器人在相對于所述工件的選取測量區(qū)域中定位。采用光傳感器的優(yōu)點是，這是一種傳感器無接觸的測量，其由于相當高的測量速度和很小的振動敏感度而比觸感傳感器要優(yōu)越得多，由此可以在生產(chǎn)環(huán)境中進行快速而穩(wěn)定的測量。借助于機器人的光傳感器定位的一個附加優(yōu)點是高度的靈活性和較低的成本，此外借助于機器人定位可以達到良好的可再現(xiàn)性和測量結(jié)果的精確性。
然而對此的前提是，在真正測量之前要對機器人和光傳感器組成的整個系統(tǒng)進行高精度的校準。在此，一般情況下首先校準機器人，測定其軸線誤差并且借助于控制來進行補償。然后校準光傳感器系統(tǒng)，其中要補償傳感器光學系統(tǒng)的誤差并且要確定傳感器坐標系相對于一個外部的參照點的位置，例如傳感器殼體的位置。此外還需要建立傳感器坐標系的位置與機器人坐標系的位置之間的關(guān)系，以能夠確定所述傳感器的測量點在機器人坐標系中的位置。
為此在US 6321137B1中提出，借助機器人在相對于一個參照體的不同空間位置中移動所述光傳感器，并且由在這些空間位置中得到的參照體的傳感器測量數(shù)據(jù)進行整個系統(tǒng)的校準。然而在此的該方法只能夠得到相對較低的精度，這對于在生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是對汽車(原始)車身上的測量是不夠的。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種機器人控制的光測量裝置，其設(shè)置成能夠進行快速和簡單的測量。此外應當提出一種方法和一個輔助裝置，借助于所述方法和所述輔助裝置可以快速和可再現(xiàn)地進行這種測量過程。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過權(quán)利要求1、4和6的特征來實現(xiàn)。
據(jù)此，所述光測量裝置具有光傳感器，所述光傳感器借助于間隔件固定在機器人上，其中在所述間隔件和/或所述傳感器殼體上設(shè)置測量標記。這些測量標記例如由鋼球構(gòu)成，其中點可以借助于一個觸感的測量器件，尤其是通過一個坐標測量機的測量探頭，以較高的精度確定。可選擇的，通過后向反射器構(gòu)成所述測量標記，這使之能夠借助激光跟隨器對所述測量標記的位置進行高精度的測量。在一個特別有利的技術(shù)方案中，所述測量標記是后向反射球，這既允許觸感測量所述測量標記的位置也允許光測量所述測量標記的位置。適當?shù)?，這些球以這樣的方式可松開地固定在所述光測量裝置上，即(在測量操作過程中)可以拆卸這些球，然而為了校準或者檢驗測量這些球，可以以高精度可再現(xiàn)的方式將這些球安裝在所述光測量裝置上。
測量所述光傳感器可以采用一種輔助裝置，所述輔助裝置可以優(yōu)選以一種高精度可再現(xiàn)的方式固定在所述光測量裝置上。所述輔助裝置具有傳感器目標，所述傳感器目標在所述輔助裝置上設(shè)置成，位于所述輔助裝置與所述光測量裝置的組裝位置中、所述光傳感器的測量空間內(nèi)。
所述光測量裝置的測量包含相對于固定在所述測量裝置的測量標記來確定傳感器坐標系的位置(也稱TCP＝Tool center point“工具中心點”)。為此，把所述輔助裝置固定在所述光測量裝置上。然后借助于該光傳感器進行所述輔助裝置的傳感器目標的一個或者多個測量；從中確定所述傳感器目標在傳感器坐標系中的位置。此外在采用另一個(光的或者觸感的)測量系統(tǒng)的條件下測量固定在所述光測量裝置上的測量標記相對于所述輔助裝置的空間位置。從所述測量的總體分析來計算所述光測量裝置的傳感器坐標系相對于所述測量標記的位置。為了能夠高精度地確定所述輔助裝置相對于所述光測量裝置的測量標記的空間位置，有利的是，所述輔助裝置也設(shè)有測量標記。
通過在所述光測量裝置上和在所述輔助裝置上適當?shù)陌才艤y量標記可以以較高的精度確定所述傳感器坐標系相對于所述光測量裝置的測量標記的空間位置。所述光測量裝置的這種測量可以在測量空間中進行，例如在(觸感的)坐標測量裝置中進行。因為用于測量的輔助裝置小而輕，便于操作并且堅實，所以所述測量還可以直接在制造環(huán)境中，在其手上安裝所述光測量裝置的機器人上進行。然后可以把固定在所述光測量裝置上的測量標記附加地，例如借助于激光跟隨器，用于以較高的精度確定所述光測量裝置相對于所述機器人坐標系的空間位置，并且以此方式檢測或者補償在把傳感器測量值換算到機器人坐標系中時出現(xiàn)的誤差或不準確性。
下面借助于附圖中所示的實施例詳細地說明本發(fā)明，在附圖中

圖1示出了一個機器人控制的光測量裝置的示意圖；圖2示出了一個用于測量圖1所示的光測量裝置的、如本發(fā)明所述的輔助裝置的示意圖。
圖1示出了帶有一個固定在間隔件3上的光傳感器2的、如本發(fā)明所述的光測量裝置1的示意圖。間隔件3具有法蘭4，借助于所述法蘭4把所述光測量裝置1安裝在一個多軸操縱器的機器人手上，尤其是六軸工業(yè)機器人6的機器人手5上。為了存儲和分析光傳感器2的測量數(shù)據(jù)，設(shè)置有分析單元7。所述機器人6連接到用于控制機器人手5的運動的機器人控制單元8上。在測量操作前校準機器人6，其中計算軸誤差，并借助控制單元8補償軸誤差。
在測量操作中，借助光傳感器2得到測量目標9的測量值，所述測量值在(隨同光測量裝置1一起運動的)傳感器坐標系10中產(chǎn)生。為了能夠把所述測量值轉(zhuǎn)換到空間固定的機器人坐標系11中或者測量目標9的坐標系12中，必須要依據(jù)機器人手5的運動獲知傳感器坐標系10在機器人坐標系11中的空間位置。為此需要“測量”光測量裝置1。
由此，使用在圖2中示出的輔助裝置13。所述輔助裝置13以一種“眼鏡”的形式構(gòu)成，它放在用于測量過程的光測量裝置1上，并因此具有一個固定區(qū)域14，借助于所述固定區(qū)域，可以把它固定在傳感器2的殼體2’上。為了保證所述輔助裝置對傳感器2的可再現(xiàn)的固定，有利地在傳感器殼體2’上設(shè)有止檔15，所述止檔15限定固定區(qū)域14與傳感器殼體2’的相對位置。在輔助裝置13上設(shè)置傳感器目標16，使得當輔助裝置13位于傳感器2上時，其處于光傳感器2的測量空間17中。傳感器目標16具有幾何標記18、19，所述幾何標記能夠使傳感器2相對于傳感器目標16的位置和方向被快速和高精度地計算。所述幾何標記18、19根據(jù)光傳感器2的測量原理調(diào)整。本實施例的光傳感器2能夠，一方面(借助于光截面法)產(chǎn)生三維的測量點，另一方面(借助于灰度圖像分析)識別二維的標記。在此情況下，如圖2中所示，傳感器目標16具有一個或者多個梯度18(其空間位置可以借助于所述光截面法測量)。此外，傳感器目標16具有多個孔19(它們的中點可由灰度圖像的圖像處理計算)。以此方式可以以較高的精度確定傳感器目標16在傳感器坐標系10中的空間位置和角度位置。
為了能夠在光測量裝置1的測量進程中借助空間固定的測量裝置21，例如激光跟隨器28，確定輔助裝置13的空間位置，輔助裝置13必須設(shè)有測量標記22’，所述測量標記可供空間固定的測量裝置21進行測量使用。所述測量標記22’例如可以由后向反射球27’構(gòu)成，所述后向反射球27’與傳感器目標16的相對位置在一個(前置于光測量裝置1的測量方法的)校準過程中借助于一個觸感的坐標測量機確定?？蛇x擇的，測量標記22’可以這樣構(gòu)成，即使傳感器目標16的孔19形成為通孔，從而可以借助空間固定的測量裝置21的測量來確定孔19的位置，并且可以從該測量推斷傳感器目標16的位置(前提是要知道輔助裝置13的局部墻厚度和傳感器目標16的梯度18)。
為了測量光測量裝置1，把輔助裝置13放置在(固定于機器人手5上的)光測量裝置1上。在此狀態(tài)下進行三個測量1.借助于傳感器2進行傳感器目標16的測量，從中得出傳感器坐標系10相對傳感器目標16的空間位置。
2.借助于空間固定的測量裝置21對輔助裝置13的測量標記22’進行測量，從中計算輔助裝置13(由此還有與輔助裝置13固定連接的傳感器目標16的位置)在空間固定的測量裝置21的坐標系20中的空間位置。
3.借助于空間固定的測量裝置21確定光測量裝置1在空間固定的測量裝置21的坐標系20中的空間位置。為此在光測量裝置1上設(shè)置測量標記22，所述測量標記22可供空間固定的測量裝置21進行測量使用。在空間固定的測量裝置是激光跟隨器的本實施例中，所述測量標記22由后向反射球27構(gòu)成，所述后向反射球固定在間隔件3和光傳感器2的殼體2’上。為了固定后向反射球27，在間隔件3和傳感器殼體2’上設(shè)置螺紋孔24，其中將所謂的“造窩件(Nester)”25旋入到螺紋孔24中。所述“造窩件”25構(gòu)成為環(huán)形盤，在高精度限定的位置中可再現(xiàn)地將所述后向反射球插入其中。所述“造窩件”25設(shè)有磁性元件，從而可以與所述“造窩件”25的空間方向無關(guān)地把后向反射球27可靠地固定和保持在“造窩件”25中。在圖2的圖示中，只有一些螺紋孔24裝有“造窩件”25，并且只有一些這樣的“造窩件”25顯示出帶有固定于其中的后向反射球27。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，測量標記22的數(shù)量和位置對確定光測量裝置相對于空間固定的測量裝置21的坐標系20的空間位置的精度有很大的影響。因此精心地選擇測量標記22對于測量結(jié)果的質(zhì)量是決定性的。
所述三個測量1、2和3的結(jié)合可以高精度地確定傳感器坐標系10相對于固定在光測量裝置1上的測量標記22的位置。如果現(xiàn)在借助機器人6使光測量裝置1在不同的空間位置中運動，就可以為每個這樣的空間位置從測量標記22的測量中推斷傳感器坐標系10的當前位置。如果在測量目標9的坐標系12上測量空間固定的測量裝置21，就可以計算傳感器坐標系10在測量目標9的坐標系12中(例如在汽車坐標系中)的當前位置(以及通過傳感器2得到的測量數(shù)據(jù)的空間位置)。因此適當?shù)?，在開始當前的測量操作以前，借助空間固定的測量裝置21和測量標記22，為所有那些在測量操作的過程中應當進行測量目標9的測量的空間位置，測量光測量裝置1的空間位置。
后向反射球27在磁性“造窩件”25中定位的優(yōu)點是，可以在測量操作中拆卸后向反射球27；從而可以在測量操作中降低光測量裝置1的重量并由此降低機器人手5的負荷；此外還可降低光測量裝置1的空間要求。如果在測量進程中(例如因為測量機器人6的碰撞)需要光測量裝置1或者測量機器人6的另一次校準，可隨時以可再現(xiàn)的方式把后向反射球27插入所述“造窩件”25中。
除了以上說明的測量標記22實施為后向反射球27的技術(shù)方案以外，可以有任意的其它形式的測量標記22。此外在測量過程中進行的測量標記22的探測可以借助激光跟隨器28由任意的其它光的或者觸感的測量方法代替。
輔助裝置13可以用于不同測量原理的光測量裝置1，尤其是用于光截面?zhèn)鞲衅鳌в谢叶葓D像處理的CCD攝像頭、條形突起傳感器等等。
權(quán)利要求
1.光測量裝置(1)，用在多軸的操縱器(6)上，尤其是用在工業(yè)機器人上，-該光測量裝置(1)帶有可安裝在所述操縱器(6)上的間隔件(3)，在所述間隔件(3)上固定光傳感器(2)，-其中在所述間隔件(3)和/或在所述傳感器(2)的殼體(2’)上設(shè)置測量標記(22)。
2.如權(quán)利要求2或3所述的光測量裝置，其特征在于，所述測量標記(22)由后向反射球(27)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1至4之一所述的光測量裝置，其特征在于，所述測量標記(22)可松開地、并且可精確定位地與所述間隔件(3)和/或所述傳感器(2)的殼體(2’)連接。
4.用于測量可安裝在操縱器(6)上的光測量裝置(1)的輔助裝置(13)，其特征在于，該輔助裝置(13)具有相對于所述光測量裝置(1)固定所述輔助裝置(13)的固定區(qū)域(14)，并且具有傳感器目標(16)，所述傳感器目標(16)在所述輔助裝置(13)上設(shè)置成位于所述輔助裝置(13)與所述光測量裝置(1)的組裝位置中、光傳感器(2)的測量空間(17)內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的輔助裝置，其特征在于，所述輔助裝置設(shè)有測量標記(22’)，尤其是設(shè)有后向反射件(27’)。
6.用于測量可安裝在操縱器(6)上的光測量裝置(1)的方法，在該光測量裝置(1)上設(shè)有測量標記(22)，所述方法具有以下的方法步驟在光測量裝置(1)上固定如權(quán)利要求4或5所述的輔助裝置(13)，借助于所述傳感器(2)產(chǎn)生所述輔助裝置(13)的傳感器目標(16)的測量值，借助于另一個測量裝置(21)確定所述測量標記(22)的空間位置和所述輔助裝置(13)的空間位置；由所述另一個測量裝置(21)的測量與所述傳感器(2)的測量來確定傳感器坐標系(10)與所述測量標記(22)的相對位置。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述另一個測量裝置是激光跟隨器(28)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述測量方法的過程中所述光測量裝置(1)被安裝在所述操縱器(6)上。
全文摘要
一種機器人控制的光測量裝置(1)，具有固定在間隔件(3)上的光傳感器(2)，其中在間隔件(3)和/或傳感器(2)的殼體(2')上設(shè)置測量標記(22)。光測量裝置(1)的測量借助于放置在光測量裝置(1)上的輔助裝置(13)進行，輔助裝置(13)具有傳感器目標(16)，傳感器目標(16)相對于輔助裝置(13)設(shè)置成位于光測量裝置(1)與輔助裝置(13)的組裝位置中、在光傳感器(2)的測量空間(17)內(nèi)。為了測量光測量裝置(1)，要借助傳感器(2)產(chǎn)生傳感器目標(16)的測量值，由此可計算出與傳感器目標(16)相對的傳感器坐標系(10)的空間位置。此外借助于另一個(空間固定的)測量裝置(21)進行輔助裝置(13)和測量標記(22)的空間位置的測量?？梢砸暂^高的精度由測量的總和的組合確定與測量標記(22)相對的傳感器坐標系(10)的空間位置。
文檔編號G01B11/00GK1980775SQ200580014145
公開日2007年6月13日 申請日期2005年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者托馬斯·伊巴赫, 伯恩哈德·洛貝爾, 馬捷·萊斯科瓦爾, 霍爾格·林嫩博姆, 馬丁·帕斯庫達 申請人:庫卡羅伯特有限公司