披露了一种坐标定位臂(A)，该坐标定位臂包括：底端(B)和头端(H)；驱动框架(D)，该驱动框架用于使头端(H)相对于底端(B)移动；以及度量框架(M)，该度量框架用于测量头端(H)相对于底端(B)的位置和取向。驱动框架(D)包括串联布置在底端(B)与头端(H)之间的多条驱动轴线(D1，D2，D3)。度量框架(M)包括串联布置在底端(B)与头端(H)之间的多条度量轴线(R1，R2，R3，L4，R5，R6)。有利地，度量框架(M)适于且被布置成与驱动框架(D)基本上分离和/或独立于该驱动框架。度量框架(M)与驱动框架(D)之间的分离和/或独立可以例如通过基本上仅在底端(B)和头端(H)处对度量框架(M)进行支撑、以及通过为度量框架(M)提供足够的自由度(经由度量轴线)以避免在度量框架(M)与驱动框架(D)之间产生附加约束来实现。这避免了归因于与驱动框架(D)和/或度量框架(M)相关联的非理想移动和/或行为而在度量框架(M)内产生移动，这些移动是度量轴线(R1，R2，R3，L4，R5，R6)中的一条或多条度量轴线的任何组合所不允许的，并且因此不对这些移动进行测量，以及这样提供了更精确的坐标定位臂(A)。坐标定位臂(A)。坐标定位臂(A)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】坐标定位臂
[0001]本专利技术涉及坐标定位臂，比如关节型机器人或测量臂。
[0002]关节型机器人通常用于各种制造应用，例如组装、焊接、粘合、涂装、拾取和放置(例如用于印刷电路板)、包装和打标签、码垛以及产品检查。它们受益于通用性和坚固性、大的可到达距离和高度的移动灵活性，使它们非常适合在生产环境中使用。
[0003]在附图的图1中示意性地展示了关节型机器人(或简称为“机器人”)，该关节型机器人包括从固定底座2延伸到可移动凸缘3的关节型机械臂1，其中凸缘3对工具(或末端执行器)4进行支撑。通常，凸缘3设置有允许工具4可方便地互换的联接件，使得可以取决于相关应用采用各种工具或末端执行器；示例包括夹持器、真空吸盘、切割工具(包括机械切割工具和激光切割工具)、钻孔工具、铣削工具、去毛刺工具、焊接工具和其他专门的工具。
[0004]臂1包括通过横向旋转接头6和直列旋转接头7的混合接头连接的多个段5，形成从一端到另一端的机械联动装置。在图1展示的示例中，存在三个横向旋转接头6和三个直列旋转接头7，总共有六个旋转接头在横向旋转接头6与直列旋转接头7之间交替。在机械臂的背景下，横向旋转接头6有时被称为“旋转接头”，直列旋转接头7有时被称为“扭转接头”，其中其他类型的接头是“线性接头”、“正交接头”和“回转接头”。
[0005]尽管机器人也可能具有一个或多个线性接头，但是工业机器人的最常见的布置可能是具有六个旋转接头。具有多个接头允许使工具4在工作容积来回移动并将其操纵成各种不同的姿势的灵活性。可以通过在臂中具有更多或更少的接头来改变灵活性的程度。
[0006]具有附加的接头(并因此具有更大的灵活性)的缺点在于，每个接头都会产生位置误差或不确定性，并且由于联动装置的串联性质，这些误差是累积的。校准机器人以找出这些误差或不确定性是重要的。
[0007]然而，校准任何类型的非笛卡尔机器都是重大的挑战，并且对于比如图1所展示的关节型臂来说尤其如此，该关节型臂具有多个旋转接头，这些旋转接头相对于彼此不固定并且可以以复杂方法组合在一起以将工具放置在工作容积中。校准笛卡尔机器通常更简单，因为这样的机器具有三个明确限定的轴线，这些轴线以正交的布置相对于彼此固定，每条轴线在很大程度上彼此独立。对于关节型机器人，每条轴线的位置和取向取决于每条其他轴线的位置和取向，使得对于每个不同的机器姿势，校准将不同。
[0008]许多校准技术的共同目标是指定有关机器的参数模型，其中使用多个参数来表征机器的几何学。最初对这些参数分配未经校准的值，作为机器几何形状的起点。在校准期间，(基于对机器参数的当前估计值)将机器移动到多种不同的姿势。对于每个姿势，使用经校准的测量装置来测量实际姿势，从而可以确定假定的机器姿势与实际机器姿势之间的误差的指示。
[0009]校准机器的任务然后相当于使用已知的数值优化或误差最小化技术来确定用于使误差最小化的各种机器参数的一组值。这样的技术的示例是众所周知的列文伯格
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马夸尔特算法(Levenberg
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Marquardt algorithm)，该算法在已知根据每个优化参数的误差的导数的情况下使用最小二乘法准则来使误差最小化(“A Method for the Solution of Certain Non
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Linear Problems in Least Squares[求解最小二乘法中某些非线性问题的
方法]”，Kenneth Levenberg，1944年，应用数学季刊(Quarterly of Applied Mathematics)，2:164
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168；以及“An Algorithm for Least
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Squares Estimation of Nonlinear Parameters[非线性参数的最小二乘法估计算法]”，Donald Marquardt，1963年，SIAM应用数学杂志(SIAM Journal on Applied Mathematics)，11(2):431
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441)。其他技术也是可能的，包括基于最大似然法的技术。
[0010]对于如图1所展示的机器人，这些机器参数可以包括各种几何参数(比如每个段5的长度和每个旋转接头6、7的旋转角度偏移(来自编码器的角度加上校准偏移给出实际角度))、以及各种机械参数(比如接头柔度和摩擦力)。当正确校准时，在所有这些机器参数已知的情况下，当机器人控制器8命令各个接头6、7移动到不同的相应位置时，可以更确定地预测工具4实际将处于什么位置。换句话说，由这种校准产生的机器参数提供了机器几何学的更准确的表征。
[0011]然而，即使在校准这样的关节型机器人之后，误差仍然存在，并且由于机械联动装置的串联特性，这些误差是累积的。因此，关节型机器人的精度和可重复性通常不如例如常规的三轴笛卡尔机器的精度和可重复性。因此，尽管关节型机器人从大的可到达距离、高度灵活性和多功能性中受益匪浅，但它们通常不适合用于需要高精度和/或可重复性的最苛刻的应用中。
[0012]本申请人已经意识到解决上述缺点的愿望，以提供一种坐标定位臂，该坐标定位臂可以受益于关节型机器人的可到达距离和灵活性，而且还具有改进的精度和/或可重复性。
[0013]本申请人还意识到需要提供一种主要适于测量应用而不是制造应用的坐标测量臂，此处精度至关重要。这样的坐标测量臂(或仅仅是测量臂)将理想地具有足够的精度，以用于在其他情况下将不得不使用更传统的坐标测量机器(例如，三轴笛卡尔坐标测量机)的应用中，并且还将受益于非笛卡尔关节型可延伸臂布置的可到达距离和灵活性。
[0014]根据本专利技术的一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：底端和头端；驱动框架，该驱动框架用于使头端相对于底端移动；以及度量框架，该度量框架用于测量头端相对于底端的位置和取向。驱动框架包括串联布置在底端与头端之间的多条驱动轴线。度量框架包括串联布置在底端与头端之间的多条度量轴线。有利地，度量框架(基本上)与驱动框架分离和/或独立于该驱动框架。
[0015]度量框架与驱动框架之间的基本上分离和/或独立可以通过提供具有一个或多个以下特征的坐标定位臂来实现。
[0016]度量框架可以基本上仅在底端和头端处(或经由底端和头端)由驱动框架支撑和/或联接到驱动框架。这避免了度量框架与驱动框架之间(在底端与头端之间的位置)存在中间支撑或约束，从而使得度量框架与驱动框架之间的分离能够被保持。
[0017]对于驱动框架的每种可能的构型，度量轴线可以为度量框架提供足够的自由度，以避免在底端与头端之间对驱动框架产生附加约束(除了驱动轴线本身已经提供的约束之外，因为驱动轴线可以被认为是对底端与头端之间相对运动的约束)。当度量框架的存在产生附加约束时，这破坏了度量框架与驱动框架之间的分离。
[0018]对于驱动框架的每种可能的构型，度量轴线可以为度量框架提供足够的自由度，以避免在度量框架与本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种坐标定位臂，包括：底端和头端；驱动框架，所述驱动框架用于使所述头端相对于所述底端移动；以及度量框架，所述度量框架用于测量所述头端相对于所述底端的位置和取向；其中，所述驱动框架包括串联布置在所述底端与所述头端之间的多条驱动轴线；其中，所述度量框架包括串联布置在所述底端与所述头端之间的多条度量轴线；并且其中，所述度量框架与所述驱动框架基本上分离和/或独立于所述驱动框架。2.如权利要求1所述的坐标定位臂，其中，所述度量轴线为所述度量框架提供足够的自由度，以避免在所述度量框架与所述驱动框架之间产生过度约束，和/或其中，所述度量轴线为所述度量框架提供足够的自由度，以避免在所述底端与所述头端之间对所述驱动框架产生除所述驱动轴线本身已经提供的约束之外的附加约束。3.如权利要求1或2所述的坐标定位臂，其中，所述度量轴线被布置成向所述度量框架提供不足的自由度，以使得对于所述驱动框架的每种构型，所述度量框架能够有多于一种构型，和/或其中，所述度量轴线和所述驱动轴线被相互布置成对于所述驱动框架的每种构型，仅为所述度量框架各提供一种可能的构型。4.如权利要求1、2或3所述的坐标定位臂，其中，对于所述驱动框架的每种构型，所述度量框架的度量轴线中不存在冗余，和/或其中，所述度量轴线和所述驱动轴线被布置成使得所述驱动框架不存在其中所述度量框架的两条度量轴线变得对准的构型。5.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，对于具有相关联的一次度量轴线和相关联的二次度量轴线的每条驱动轴线，所述二次度量轴线按从所述底端到所述头端的串联顺序布置在所述一次度量轴线之前。6.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量框架基本上仅在所述底端和所述头端处由所述驱动框架支撑和/或联接到所述驱动框架。7.如权利要求6所述的坐标定位臂，其中，所述底端与所述头端之间的任何中间支撑对来自所述度量框架的任何或每条度量轴线或与其相关联的测量值或测量信号的影响不明显，和/或对针对相对于所述底端的所述头端的位置和/或取向、或所述头端上的点的位置得出的任何或每个值的影响不明显。8.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量框架适于在六个自由度上测量所述头端相对于所述底端的位置和取向。9.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述驱动框架包括三条驱动轴线。10.如权利要求9所述的坐标定位臂，其中，所述度量轴线中的三条度量轴线分别与所述三条驱动轴线基本上对准。11.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量框架包括六条度量轴线。12.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量框架包括至少一条线性度量轴线。13.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述驱动框架包括三条旋转驱动轴线，其中两条旋转驱动轴线是横向的而另一条旋转驱动轴线是直列的。14.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量轴线提供：三个一次旋转自由度、两个二次旋转自由度和一个二次线性自由度。
15.如权利要求14在从属于权利要求13时所述的坐标定位臂，其中：所述三个一次旋转自由度分别与所述三条旋转驱动轴线相关联；所述两个二次旋转自由度分别与所述两条横向驱动轴线相关联；并且所述二次线性自由度至少不直接与任何驱动轴线相关联。16.如任一前述权利要求所述的坐标定位臂，其中，所述度量框架包括多个度量接头，每个度量接头包括所述度量框架的度量轴线中的至少一条度量轴线。17.如权利要求16所述的坐标定位臂，其中，每条驱动轴线设置有对应的度量接头。18.如权利要求16或17所述的坐标定位臂，其中，每个度量接头的至少一条度量轴线提供与对应的驱动轴线基本上对准的一次自由度。19.如权利要求16、17或18所述的坐标定位臂，其中，至少一个横向度量接头包括度量轴线，所述度量轴线提供一次旋转自由度和二次旋转自由度，其中所述一次旋转自由度与所述对应的驱动轴线基本上对准。20.如权利要求19所述的坐标定位臂，其中，所述一次旋转自由度串联...
【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬，
申请(专利权)人：瑞尼斯豪公司，
类型：发明
国别省市：
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