用于机器人的包括对准传感器的辅助度量位置坐标确定系统技术方案

机器人使用辅助度量位置坐标确定(SMPD)系统。“机器人精度”(例如，用于控制和感测安装在其可动臂结构远端附近的末端工具的末端工具位置)是基于机器人中包括的机器人位置传感器。SMPD系统包括成像结构和XY标尺以及用于感测二者间的对准/未对准的对准传感器，以及图像触发部分和处理部分。XY标尺或成像结构中的一个联接到可动臂结构，另一个联接到固定元件(例如，机器人上方的框架)。成像结构采集具有已知对准/未对准的XY标尺图像，该图像用于确定表示末端工具位置的度量位置坐标，精度水平优于机器人精度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机器人的包括对准传感器的辅助度量位置坐标确定系统相关申请的交叉引用本申请是于2018年9月28日提交的美国专利申请No.16/146,640的部分继续申请，该申请是于2018年8月16日提交的美国专利申请No.16/104,033的部分继续申请，它们的公开内容通过引用整体结合于此。
本公开涉及机器人系统，更具体地，涉及用于确定机器人的末端工具位置坐标的系统。
技术介绍
机器人系统越来越多地用于制造和其他过程。可以使用的各种类型的机器人包括关节式机器人、选择性顺从关节式机器人臂(SCARA)机器人、笛卡尔机器人、圆柱形机器人、球形机器人等。作为可以包括在机器人中的部件的一个例子，SCARA机器人系统(例如，其可以是一种关节式机器人系统)通常可以具有基座，第一臂部可旋转地连接到基座，第二臂部可旋转地连接到第一臂部的一端。在各种构造中，末端工具可以连接到第二臂部的端部(例如，用于执行某些工作和/或检查操作)。这种系统可以包括位置传感器(例如，旋转编码器)，用于确定/控制臂部的定位以及相应的末端工具的定位。在各种实施方式中，由于受到某些因素(例如，旋转编码器性能与机器人系统的机械稳定性相结合，等等)的限制，这样的系统可以具有大约100微米的定位精度美国专利No.4，725，965公开了用于提高SCARA系统精度的某些校准技术，该专利在此全文引入作为参考。如‘965专利所述，提供了一种用于校准SCARA型机器人的技术，该机器人包括第一可旋转臂部和携带末端工具的第二可旋转臂部。校准技术与这样的事实有关，即SCARA机器人可以使用运动学模型来控制，当精确时，该运动学模型允许臂部以第一和第二角度结构放置，在第一和第二角度结构处，由第二臂部承载的末端工具保持在相同的位置。为了校准运动学模型，臂部被放置在第一结构中，以将末端工具定位在固定基准点上方。然后，臂部被放置在第二角度结构中，以名义上将末端工具定位为再次与基准点对准。当臂部从第一角度结构切换到第二角度结构时，运动学模型中的误差根据末端工具的位置从基准点的移动来计算。然后根据计算的误差对运动学模型进行补偿。重复这些步骤，直到误差达到零，此时SCARA机器人的运动学模型被认为是校准的。如‘965专利中进一步描述的，校准技术可以包括使用某些摄像头。例如，在一个实施方式中，基准点可以是固定电视摄像头的观看区域中心(即，位于末端工具下方的地面上)，并且当链路从第一结构切换到第二结构时，摄像头的输出信号可以被处理为确定末端工具的位置从摄像头的观看区域中心的偏移。在另一个实施方式中，第二臂部可以携带摄像头，并且该技术可以开始于将臂部放置在第一角度结构中，在该第一角度结构处，在臂部之间测量第二预定内角，以将由第二臂部携带的摄像头直接置于固定基准点上方的中心。臂部然后被放置在第二角度结构中，在该第二角度结构中，在臂部之间测量等于第二预定内角的内角，以名义上将摄像头再次定心在基准点上方。然后，在将臂部从第一角度结构切换到第二角度结构时，摄像头的输出信号被处理以确定基准点的位置偏移，如摄像头所见。摄像头已知位置的误差随后根据摄像头看到的基准点位置的偏移来确定。然后，作为校准过程的一部分，重复这些步骤，直到误差接近零。虽然诸如‘965专利中描述的那些技术可以用于校准机器人系统，但是在某些应用中，利用这样的技术可能不太理想(例如，这可能需要大量的时间和/或可能在某些操作期间不能为机器人的所有可能的方位提供期望的精度水平，等等)。可以提供关于这些问题的改进(例如，用于在工件测量和其他过程期间增加位置确定的可靠性、可重复性、速度等等)的机器人系统将是理想的。
技术实现思路
提供该概述是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。提供了一种辅助度量位置坐标确定系统，用于与作为机器人系统一部分的机器人结合使用。机器人(例如，关节型机器人、SCARA机器人、笛卡尔机器人、圆柱机器人、球形机器人等)包括可动臂结构和运动控制系统。可动臂结构包括位于可动臂结构远端附近的末端工具安装结构。机器人被配置为让可动臂结构运动，以便在末端工具工作空间中沿着至少两个维度让安装到末端工具安装结构的末端工具的至少一部分运动。运动控制系统被配置为至少部分地基于使用机器人中包括的至少一个位置传感器(例如，旋转编码器、线性编码器等)来感测和控制可动臂结构的位置，以被定义为机器人精度的精度水平来控制末端工具的测量点位置或末端工具位置。辅助度量位置坐标确定系统包括第一成像结构、XY标尺、具有至少一个对准传感器的操作对准子系统、图像触发部分和度量位置坐标处理部分。第一成像结构包括第一摄像头并具有光轴线。在各种实施方式中，操作对准子系统可以进一步包括操作对准致动器结构，如下文更详细描述的。XY标尺包括名义上平面的基板和分布在基板上的多个相应可成像特征，其中各自的可成像特征位于XY标尺上各自已知的XY标尺坐标处。标尺平面可以被定义为与XY标尺的平面基板名义上重合，并且垂直于标尺平面的方向可以被定义为标尺成像轴线方向。对准传感器位于第一摄像头附近，并且相对于第一摄像头以刚性结构安装，并且对准传感器被配置为提供表示标尺成像轴线方向的对准信号。图像触发部分被配置为输入与末端工具的测量点位置或末端工具位置相关的至少一个输入信号，并基于该至少一个输入信号确定第一成像触发信号的正时，并将第一成像触发信号输出到第一成像结构。第一成像结构被配置为响应于接收到第一成像触发信号，在图像采集时间采集XY标尺的数字图像。度量位置坐标处理部分被配置为输入所采集图像，并识别包括在所采集的XY标尺的图像中的至少一个相应可成像特征和相关的相应已知XY标尺坐标位置。在各种实施方式中，XY标尺可以是增量标尺或绝对标尺。在操作对准子系统包括操作对准致动器结构的各种实施方式中，辅助度量位置坐标确定系统结构配置为使得，XY标尺或第一成像结构中可动的那个联接到操作对准致动器结构，该操作对准致动器结构联接到可动臂结构或作为其一部分。XY标尺或第一成像结构中的另一个联接到机器人附近的固定元件。XY标尺或第一成像结构中固定的那个定义了第一参考位置。在这样的实现中，机器人系统被配置为操作该操作对准子系统和所述操作对准致动器结构，以基于对准传感器提供的对准信号来调整XY标尺或第一成像结构中可动的那个的对准，从而提供辅助度量位置坐标确定系统的操作结构，其中XY标尺和第一成像结构被布置使得，第一成像结构的光轴线平行于方向并且标尺平面位于沿着标尺成像轴线方向的第一成像结构的聚焦范围内。在这样的实施方式中，辅助度量位置坐标确定系统被配置为使得，当XY标尺或第一成像结构中可动的那个和XY标尺或第一成像结构中固定的那个被布置在操作结构中，并且可动臂结构被定位成XY标尺处于第一成像结构的视场中时，所述度量位置坐标处理部分可操作为基于确定所采集图像中所识别的至少一个相应可成像特征的图像位置来确定度量位置坐标，按比机器人精度更好的精度水平，所述度量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人系统，包括：/n机器人，包括：/n可动臂结构，其中，可动臂结构包括位于可动臂结构的远端附近的末端工具安装结构，并且机器人被配置为使可动臂结构运动，以便沿着末端工具工作空间中的至少两个维度让安装到末端工具安装结构的末端工具的至少一部分运动；和/n运动控制系统，其被配置为至少部分地基于使用机器人中包括的至少一个位置传感器来感测和控制可动臂结构的位置，以被定义为机器人精度的精度水平来控制末端工具的测量点位置或末端工具位置；并且/n其中：/n机器人系统还包括辅助度量位置坐标确定系统，包括：/n第一成像结构，具有第一摄像头，该第一成像结构具有光轴线；/nXY标尺，包括名义平面基板和分布在基板上的多个相应可成像特征，其中，所述相应可成像特征位于XY标尺上相应的已知XY标尺坐标处，标尺平面被定义为与XY标尺的平面基板名义重合，并且垂直于标尺平面的方向被定义为标尺成像轴线方向；/n操作对准子系统OAS，包括至少一个对准传感器ASen和操作对准致动器结构，其中，对准传感器位于第一摄像头附近，并且相对于第一摄像头以刚性结构安装，并且对准传感器被配置为提供表示标尺成像轴线方向的对准信号Asig；/n图像触发部分，被配置为输入与末端工具的测量点位置或末端工具位置相关的至少一个输入信号，并且基于所述至少一个输入信号来确定第一成像触发信号的正时，并且将所述第一成像触发信号输出到所述第一成像结构，其中所述第一成像结构被配置为响应于接收到所述第一成像触发信号，在图像采集时间采集所述XY标尺的数字图像，以及/n度量位置坐标处理部分，被配置为输入所采集图像，并且识别包括在所采集的XY标尺图像中的至少一个相应可成像特征，以及相关的相应已知XY标尺坐标位置，并且/n其中：/n辅助度量位置坐标确定系统被配置为使得，XY标尺或第一成像结构中可动的那个联接到操作对准致动器结构，该操作对准致动器结构联接到可动臂结构或作为其一部分，以及XY标尺或第一成像结构中的另一个联接到机器人附近的固定元件，其中XY标尺或第一成像结构中固定的那个限定第一参考位置；/n机器人系统被配置为操作该操作对准子系统和所述操作对准致动器结构，以基于所述对准传感器提供的对准信号来调整XY标尺或第一成像结构中可动的那个的对准，从而提供辅助度量位置坐标确定系统的操作结构，其中，在所述辅助度量位置坐标确定系统的操作结构中，所述XY标尺和所述第一成像结构被布置成使得，所述第一成像结构的光轴线平行于由所述对准信号指示的所述标尺成像轴线方向的方向，并且所述标尺平面沿着所述标尺成像轴线方向位于所述第一成像结构的聚焦范围内；/n所述辅助度量位置坐标确定系统被配置为使得，当所述XY标尺或第一成像结构中可动的那个与所述XY标尺或第一成像结构中固定的那个被布置在所述操作结构中，且所述可动臂结构被定位成使所述XY标尺处于所述第一成像结构的视场中时，所述度量位置坐标处理部分可操作为基于确定所采集图像中所识别的至少一个相应可成像特征的图像位置来确定度量位置坐标，按比机器人精度更好的精度水平，所述度量位置坐标给出XY标尺或第一成像结构中可动的那个与第一参考位置之间的相对位置；和/n所确定的度量位置坐标给出在图像采集时末端工具的测量点位置或末端工具位置，至少对于度量位置坐标的矢量分量，该矢量分量是横向于或垂直于标尺成像轴线方向中的至少一个，精度水平优于机器人精度。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180816 US 16/104,033;20180928 US 16/146,640;20181.一种机器人系统，包括：
机器人，包括：
可动臂结构，其中，可动臂结构包括位于可动臂结构的远端附近的末端工具安装结构，并且机器人被配置为使可动臂结构运动，以便沿着末端工具工作空间中的至少两个维度让安装到末端工具安装结构的末端工具的至少一部分运动；和
运动控制系统，其被配置为至少部分地基于使用机器人中包括的至少一个位置传感器来感测和控制可动臂结构的位置，以被定义为机器人精度的精度水平来控制末端工具的测量点位置或末端工具位置；并且
其中：
机器人系统还包括辅助度量位置坐标确定系统，包括：
第一成像结构，具有第一摄像头，该第一成像结构具有光轴线；
XY标尺，包括名义平面基板和分布在基板上的多个相应可成像特征，其中，所述相应可成像特征位于XY标尺上相应的已知XY标尺坐标处，标尺平面被定义为与XY标尺的平面基板名义重合，并且垂直于标尺平面的方向被定义为标尺成像轴线方向；
操作对准子系统OAS，包括至少一个对准传感器ASen和操作对准致动器结构，其中，对准传感器位于第一摄像头附近，并且相对于第一摄像头以刚性结构安装，并且对准传感器被配置为提供表示标尺成像轴线方向的对准信号Asig；
图像触发部分，被配置为输入与末端工具的测量点位置或末端工具位置相关的至少一个输入信号，并且基于所述至少一个输入信号来确定第一成像触发信号的正时，并且将所述第一成像触发信号输出到所述第一成像结构，其中所述第一成像结构被配置为响应于接收到所述第一成像触发信号，在图像采集时间采集所述XY标尺的数字图像，以及
度量位置坐标处理部分，被配置为输入所采集图像，并且识别包括在所采集的XY标尺图像中的至少一个相应可成像特征，以及相关的相应已知XY标尺坐标位置，并且
其中：
辅助度量位置坐标确定系统被配置为使得，XY标尺或第一成像结构中可动的那个联接到操作对准致动器结构，该操作对准致动器结构联接到可动臂结构或作为其一部分，以及XY标尺或第一成像结构中的另一个联接到机器人附近的固定元件，其中XY标尺或第一成像结构中固定的那个限定第一参考位置；
机器人系统被配置为操作该操作对准子系统和所述操作对准致动器结构，以基于所述对准传感器提供的对准信号来调整XY标尺或第一成像结构中可动的那个的对准，从而提供辅助度量位置坐标确定系统的操作结构，其中，在所述辅助度量位置坐标确定系统的操作结构中，所述XY标尺和所述第一成像结构被布置成使得，所述第一成像结构的光轴线平行于由所述对准信号指示的所述标尺成像轴线方向的方向，并且所述标尺平面沿着所述标尺成像轴线方向位于所述第一成像结构的聚焦范围内；
所述辅助度量位置坐标确定系统被配置为使得，当所述XY标尺或第一成像结构中可动的那个与所述XY标尺或第一成像结构中固定的那个被布置在所述操作结构中，且所述可动臂结构被定位成使所述XY标尺处于所述第一成像结构的视场中时，所述度量位置坐标处理部分可操作为基于确定所采集图像中所识别的至少一个相应可成像特征的图像位置来确定度量位置坐标，按比机器人精度更好的精度水平，所述度量位置坐标给出XY标尺或第一成像结构中可动的那个与第一参考位置之间的相对位置；和
所确定的度量位置坐标给出在图像采集时末端工具的测量点位置或末端工具位置，至少对于度量位置坐标的矢量分量，该矢量分量是横向于或垂直于标尺成像轴线方向中的至少一个，精度水平优于机器人精度。


2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述操作对准致动器结构至少包括第一旋转元件，所述第一旋转元件围绕第一旋转轴线旋转，如果所述XY标尺是可动的那个，则所述第一旋转轴线名义上平行于所述标尺平面，如果所述第一成像结构是可动的那个，则所述第一旋转元件名义上垂直于所述光轴线。


3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中，所述操作对准致动器结构至少包括第二旋转元件，所述第二旋转元件围绕名义上垂直于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转。


4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中，所述第一和第二旋转元件包括在所述可动臂结构中。


5.根据权利要求3所述的机器人系统，其中，所述第一和第二旋转元件包括在离散的操作对准致动器结构中，所述操作对准致动器结构位于所述可动臂结构的远端附近。


6.根据权利要求2所述的机器人系统，其中，所述中心子部分包括至少第一中心子部分旋转元件，所述第一中心子部分旋转元件围绕名义上平行于所述第一旋转轴线的旋转轴线旋转。


7.根据权利要求2所述的机器人系统，其中，对于将所述XY标尺或所述第一成像结构中可动的那个联接到所述中心子部分的所述远端子部分，如果所述XY标尺是可动的那个，则不包括名义上垂直于所述标尺平面的远端子部分旋转轴线，如果所述第一成像结构是可动的那个，则不包括名义上平行于所述光轴线的远端子部分旋转轴线。


8.根据权利要求2所述的机器人系统，其中，所述远端子部分包括支架，所述支架将所述XY标尺或所述第一成像结构中可动的那个联接到所述第一旋转元件。


9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述XY标尺或所述第一成像结构中可动的那个配置为与所述末端工具安装结构和安装到所述末端工具安装结构的末端工具中的至少一个成刚性关系。


10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述对准传感器被配置为向所述XY标尺输出对准光束，并且在所述对准传感器的位置敏感检测器上从其接收反射的对准光束，并且基于来自所述位置敏感检测器的至少一个输出来提供所述对准信号。


11.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人被配置为在平行于所述标尺平面的平面中让所述XY标尺或所述第一成像结构中可动的那个运动，同时所述辅助度量位置坐标确定系统处于所述操作结构中。


12.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：
当末端工具是用于测量工件并且当其接触工件时输出接触信号的接触探针时，图像触发部分被配置为输入该接触信号或从其导出的信号，作为其至少一个输入信号；或者
当末端工具是用于测量工件并提供对应于相应采样正时信号的相应工件测量采样数据的扫描探针时，图像触发部分被配置为输入该相应采样正时信号或从其导出的信号，作为其至少一个输入信号；或者
当末端工具是用于提供与相应工件图像采集信号对应的相应工件测量图像的摄像头时，图像触发部分被配置为输入该工件图像采集信号或从其导出的信号，作为其至少一个输入信号。


13.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述辅助度量位置坐标确定系统被配置为，基于表示XY标尺或第一成像结构中可动那个的相对位置的经确定度量位置坐标以及末端工具的测量点位置或末端工具位置与XY标尺或第一成像结构中可动那个之间的已知坐标位置偏移，确定在图像采集时间的末端工具的测量点位置或末端工具位置的度量位置坐标。


14.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述第一成像结构和所述对准传感器联接到所述可动臂结构，并且所述XY标尺联接到所述固定元件。


15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中，所述固定元件包括布置在所述末端工具工作空间的至少一部分上方的框架，并且所述XY标尺在所述末端工具工作空间的一部分上方固定到所述框架。


16.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：
XY标尺的相应可成像特征包括具有独特可识别图案的一组可成像特征，其中该一组可成像特征分布在基板上，使得它们间隔开的距离小于与跨经第一成像结构的视场距离对应的距离；并且，所述度量位置坐标处理部分被配置为基于其所述独特可识别图案来识别包括在所采集的XY标尺图像中的至少一个相应可成像特征；或者
度量位置坐标处理部分被配置为基于其在所采集图像中的图像位置和基于对应于图像采集时间的从运动控制系统导出的机器人位置数据来识别包括在XY标尺的所采集图像中的至少一个相应可成像特征，其中XY标尺的相应可成像特征包括分布在基板上的一组相似的可成像特征，使得它们彼此间隔开的距离大于机器人精度内允许的最大位置误差。


17.一种用于操作与机器人一起使用的辅助度量位置坐标确定系统的方法，
该机器人包括：
可动臂结构，其中可动臂结构包括位于可动臂结构的远端附近的末端工具安装结构，并且机器人被配置为让可动臂结构运动，以便沿着末端工具工作空间中的至少两个维度让安装到末端工具安装结构的末端工具的至少一部分运动；和
运动控制系统，被配置为至少部分地基于使用机器人中包括的至少一个位置传感器来感测和控制可动臂结构的位置，以被定义为机器人精度的精度水平来控制末端工具的测量点位置或末端工具位置；
所述辅助度量位置坐标确定系统包括：
第一成像结构，包括第一摄像头，该第一成像结构具有光轴线；
XY标尺，包括名义平面基板和分布在基板上的多个相应可成像特征，其中相应可成像特征位于XY标尺上的相应已知XY标尺坐标处，标尺平面被定义为与XY标尺的平面基板名义重合，并且垂直于标尺平面的方向被定义为标尺成像轴线方向；
操作对准子系统OAS，包括至少一个对准传感器ASen和操作对准致动器结构，其中对准传感器位于第一摄像头附近，并且相对于第一摄像头以刚性结构安装，并且对准传感器被配置为提供表示标尺成像轴线方向的对准信号；
图像触发部分；和
度量位置坐标处理部分，
其中：
辅助度量位置坐标确定系统结构配置为使得，XY标尺或第一成像结构中可动的那个联接到操作对准致动器结构，该操作对准致动器结构联接到可动臂结构或作为其一部分，以及XY标尺或第一成像结构中的另一个联接到机器人附近的固定元件，其中XY标尺或第一成像结构中固定的那个限定第一参考位置；
机器人系统被配置为操作该操作对准子系统和所述操作对准致动器结构，以基于对准传感器提供的对准信号来调整XY标尺或第一成像结构中可动的那个的对准，从而提供辅助度量位置坐标确定系统的操作结构，其中，在所述辅助度量位置坐标确定系统的操作结构中，所述XY标尺和所述第一成像结构被布置成使得，所述第一成像结构的光轴线平行于由所述对准信号指示的所述标尺成像轴线方向的方向，并且所述标尺平面沿着所述标尺成像轴线方向位...

【专利技术属性】
技术研发人员：K阿瑟顿，M纳赫姆，CE埃姆特曼，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：日本;JP