[发明专利]对机器人臂的位置信息的测量

说明书

技术领域

本发明涉及确定机器人臂的位置和方位的方法，或者更一般的涉及确定两个或更多坐标系(systems of axes)相对于彼此的位置和方位的方法，以及涉及用于确立两个或更多对象相对于彼此的位置和方位的方法，假如所述对象和所述两个坐标系之间的关系是已知的；本发明也涉及用于执行这样的测量的装置。

背景技术

当前，存在两种广泛使用的用于非接触测量的方法：使用激光跟踪器，以及摄影测量术(photogrammetry)。前者通过测量光源和被放置在要被测量的对象上的回射器(retroreflector)之间的反射的光束的两个角度和距离而在球面坐标系(spherical coordinate system)上工作。摄影测量术利用摄像机(cameras)(可选地具有固定的或扫描光束)以基于沿用已久的立体和激光三角测量(triangulation)原理测量对象的位置。

在许多应用中，我们对测量归因于振动、热膨胀、由施加的负载引起的静态或动态挠曲(deflection)、或实际上归因于任何其他原因的对象的位置和方位的细微改变感兴趣。激光跟踪器是精密的仪器，但是可能太昂贵并且太敏感。这些属性阻碍了激光跟踪器在许多工业应用中的使用。基于摄影测量术的系统也遭受多种限制(limitations)，因为尽管测量结果可以实时地被获得，但它们的精确度可能不是足够的，特别是如果在大距离上将测量到小的位置改变，此外，多个测量会产生链式错误，其显著地降低最终测量的精确度。应考虑的是：基于摄影测量术的系统可能是太昂贵的，阻碍了它们在许多在其中要求大距离上的最高精确度的应用中的使用。

发明内容

根据本发明，提供了用于进行机器人臂的位置测量的装置，所述装置包括光线发射器(light ray projector)，所述光线发射器被设置为沿着相对于所述发射器是已知的多个不同的路径发射光线，所述发射器被安装在所述机器人臂上；支承架，所述支承架在相对于所述支承架的固定位置携带多个图像传感器；以及连接到所述光传感器的装置，以确定相对于支承架的位置，光线在所述位置入射在所述图像传感器上，并因此以确定与所述发射器相关联的坐标系相对于所述支承架的位置信息。

本发明也提供了用于使用这样的光线发射器和这样的携带图像传感器的支架进行位置测量的方法。所述术语“光线”意思是窄的辐射束，优选地为可见光(尽管使用合适的传感器，紫外线或红外线辐射可能也是合适的)，像来自激光器的可见光；并且优选地，在与所述发射器相距1m处的光线的宽度至多(no more than)15mm，更优选地，至多10mm，以及更优选地至多3mm；所述光线的宽度应该优选地小于所述图像传感器的宽度。

相对于坐标系可以容易地测量光线在其处入射在所述图像传感器上的位置，所述坐标系相对于所述支架是固定的，而所述光线的路径处于相对于坐标系已知的位置中，所述坐标系相对于所述光线发射器是固定的。本发明允许所述两个坐标系的位置和方位相对于彼此而被测量。通常，两个坐标系可以是移动的，或者一个是固定的且另一个是移动的。通过扩展，假如所述对象和所述两个坐标系之间的关系是已知的，该原理(concept)可以被用于确立两个或更多对象相对于彼此的位置和方位。此外，所述原理可以被延伸以确立多个轴系(sets of axes)和与那些轴相关的多个对象之间的位置关系。

所述光线可以由多个光源产生，或者可替代地由单个光源产生，所述单个光源的光被分裂或被导向以沿所述多个光线路径而行。例如，每个光线可以是由激光二极管发射的光束。必须存在至少三条光线沿其行进的不同的路径，但是可以存在至少十条光线路径，例如所述光线发射器可以发射(transmit)至少二十条。实际上可以存在多于一百条这样的光线。所有所述光线可以被同时地发射。可替代地，沿着不同路径的所述光线可以被顺序地产生。因此，作为替代方案，单个光源可以沿着处于已知的相对位置中的不同的路径而被顺序地导向。例如，单个光源被允许其环绕两个不同的轴枢转(pivot)经过已知的角度的装置支撑。这样的单个光源实质上可能类似于激光跟踪器，但是没有用于距离测量的设备(facility for distance measurement)。

所述成像传感器是像素化的成像传感器，类似于数字摄像机中所使用的那些像素化的成像传感器，但是没有相关联的透镜，因而它们例如可以是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器件；并且这样的器件可以被称为成像芯片。尽管它们被称为成像传感器，但它们不被用于获取图像，而是仅被用于确定位置。