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CN113874173B - 对射式自动示教 - Google Patents

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CN113874173B
CN113874173B CN202080018440.3A CN202080018440A CN113874173B CN 113874173 B CN113874173 B CN 113874173B CN 202080018440 A CN202080018440 A CN 202080018440A CN 113874173 B CN113874173 B CN 113874173B
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beam sensor
arm
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约翰·查尔斯·罗杰斯
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Yaskawa Electric Corp
Anchuan America Co ltd
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
Anchuan America Co ltd
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Abstract

一种示教机器人的方法，该方法包括在工作站内的位置处设置销以及在与工作站相邻的区域中设置机器人。机器人具有臂部和枢转的端部执行器。端部执行器具有包括光发射器和光接收器的对射式传感器，以感测对象何时出现在它们之间。移动机器人以执行感测操作，在感测操作中，传感器对销进行感测，当端部执行器的位置和/或取向改变时执行这样的操作，以收集感测位置和取向数据。感测操作被执行，使得随着机器人将传感器移过销，销位于发射器和接收器之间的不同距离处。对数据执行计算以确定销相对于机器人的坐标系的位置。

Description

对射式自动示教
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月8日提交的美国临时申请No.62/802,759的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及机器人的示教和控制。
背景技术
机器人用于处理许多不同类型的对象。例如，在半导体装置的制造期间，机器人用于将半导体晶片传送到工作站并且在工作站之间传送。机器人的准确移动对于防止损坏工件、机器人和工作环境中的任何其它对象非常重要。因此，一旦机器人安装在工作环境中，教导机器人在工作环境中机器人各种特征的位置就很重要。对这样的位置进行手动示教可能非常耗时，并且潜在地具有人为误差。因此，需要改进的示教方法。
发明内容
本公开有利地提供了一种对关节式机器人进行示教的方法。该方法包括在工作站内的第一位置处设置销和在与工作站相邻的区域中设置关节式机器人。关节式机器人具有坐标系，并且关节式机器人具有臂部和被配置为相对于臂部枢转的端部执行器。端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器，并且对射式传感器包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的一者上的光发射器。对射式传感器还包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的另一者上的光接收器。对射式传感器被配置为感测对象何时出现在光发射器和光接收器之间。该方法还包括移动关节式机器人以执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器对第一销进行感测。在端部执行器的位置和/或取向针对第一销的每次感测而改变时，执行感测操作以收集感测位置和取向数据，并且感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第一销，第一销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处。该方法还包括对感测位置和取向数据执行计算，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
提供了方法的实施例，其中，端部执行器被配置为绕枢轴相对于臂部枢转，并且其中，方法还包括对感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于光发射器的光束的方向上延伸到枢轴的距离以及与光束相正交的方向相对于关节式机器人的坐标系的角度，角度包括端部执行器的角度误差。
方法的实施例被设置为还包括：在端部执行器的枢轴上设置光学目标，枢轴被配置为相对于臂部枢转；将扫描装置设置在相对于关节式机器人的坐标系固定的位置处；随着关节式机器人在运动范围内移动，使用扫描装置来测量光学目标的位置数据；和对位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
方法的实施例被设置为还包括：将连杆长度存储在用于对机器人臂部的连杆进行旋转的马达的相应编码器上。
提供了方法的实施例，其中，工作站具有在相对于第一销的第一位置的预定位置和取向处的工作位置，并且其中，方法还包括使用第一销的第一位置来确定相对于关节式机器人的坐标系的工作位置。
提供了方法的实施例，其中，在水平面内，工作位置与第一销的第一位置重叠。
提供了方法的实施例，其中，关节式机器人包括：基座，其安装在与工作站相邻的区域中；臂部，其包括：第一臂部构件，其绕第一枢轴枢转地安装到基座；第二臂部构件，其绕第二枢轴枢转地安装到第一臂部构件；和第三臂部构件，其绕第三枢轴枢转地安装到第二臂部构件；以及端部执行器，其绕第四枢轴枢转地安装到第三臂部构件。
提供了方法的实施例，其中，感测操作包括：第一感测操作，在第一感测操作中，在第一取向上和第一位置处，关节式机器人通过端部执行器将对射式传感器移过第一销；和第二感测操作，在第二感测操作中，在第一取向上和与第一位置不同的位置处，关节式机器人通过端部执行器将对射式传感器移过第一销。
提供了方法的实施例，其中，在第一感测操作中，当对射式传感器移过第一销时，第一销是光发射器和光接收器之间的第一距离，并且其中，在第二感测操作中，当对射式传感器移过第一销时，第一销是光发射器和光接收器之间的第二距离，第二距离不同于第一距离。
提供了方法的实施例，其中，感测操作包括：第三感测操作，在第三感测操作中，在第二取向上和第三位置处，关节式机器人通过端部执行器将对射式传感器移过第一销；和第四感测操作，在第四感测操作中，在第二取向上和与第三位置不同的第四位置处，关节式机器人通过端部执行器将对射式传感器移过第一销。
提供了方法的实施例，其中，移动关节式机器人以执行感测操作包括：最初将端部执行器移动到第一销的预定大致位置；和使端部执行器在第一销的预定大致位置周围的区域中移动，直到对射式传感器感测到第一销。
提供了方法的实施例，其中，该方法还包括：在工作站内的第二位置处设置第二销；移动关节式机器人以执行另外的感测操作，在另外的感测操作中，对射式传感器感测第二销，当端部执行器的位置和/或取向针对第二销的每次感测而改变时执行另外的感测操作，以收集另外的感测位置和取向数据，另外的感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第二销，第二销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处；和对另外的感测位置和取向数据执行计算，以确定第二销相对于关节式机器人的坐标系的第二位置。
提供了方法的实施例，其中，工作站具有在相对于第一销的第一位置和第二销的第二位置的预定位置和取向处的工作位置，并且其中，方法还包括使用第一销的第一位置和第二销的第二位置来确定相对于关节式机器人的坐标系的工作位置。
提供了方法的实施例，其中，移动关节式机器人以执行二十个或更多个感测操作，并且其中，对感测位置和取向数据执行计算包括对感测位置和取向数据执行回归分析。
提供了方法的实施例，其中，对感测位置和取向数据执行计算包括对感测位置和取向数据执行最小二乘近似和数值搜索，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
提供了方法的实施例，其中，感测操作通过如下两个方式来执行：使端部执行器远离第一销移动，使得对射式传感器在第一方向上移过第一销；和使端部执行器朝第一销移动，使得对射式传感器在与第一方向相反的第二方向上移过第一销，并且其中，方法还包括使用通过使端部执行器远离第一销移动并且使端部执行器朝第一销移动而获得的感测位置和取向数据，来确定对射式传感器中的滞后误差。
本公开附加地有利地提供了一种关节式机器人，其包括：臂部；端部执行器，其被配置为相对于臂部枢转，端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器；对射式传感器，其设置在端部执行器上，对射式传感器包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的一者上的光发射器，对射式传感器还包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的另一者上的光接收器，对射式传感器被配置为感测对象何时出现在光发射器和光接收器之间；以及控制器，其包括定义关节式机器人的坐标系的至少一个处理器，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器对第一销进行感测，第一销设置在工作站内的第一位置处，在端部执行器的位置和/或取向针对第一销的每次感测而改变时，执行感测操作以收集感测位置和取向数据，感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第一销，第一销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处，至少一个处理器被配置为对感测位置和取向数据执行计算，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
提供了机器人的实施例，其中，端部执行器被配置为绕枢轴相对于臂部枢转，并且其中，至少一个处理器还被配置为对感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于光发射器的光束的方向上延伸到枢轴的距离以及与光束相正交的方向相对于关节式机器人的坐标系的角度，角度包括端部执行器的角度误差。
机器人的实施例被设置为还包括：光学目标，其设置在端部执行器的枢轴上，枢轴被配置为相对于臂部枢转；和扫描装置，其位于相对于关节式机器人的坐标系固定的位置处，扫描装置被配置为随着关节式机器人在运动范围内移动，测量光学目标的位置数据，其中，至少一个处理器还被配置为对位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
提供了机器人的实施例，其中，连杆长度存储在用于对机器人臂部的连杆进行旋转的一个或多个马达的相应编码器上。
提供了机器人的实施例，其中，机器人还包括：基座，其安装在与工作站相邻的区域中，其中，臂部包括：第一臂部构件，其绕第一枢轴枢转地安装到基座；第二臂部构件，其绕第二枢轴枢转地安装到第一臂部构件；和第三臂部构件，其绕第三枢轴枢转地安装到第二臂部构件，并且其中，端部执行器绕第四枢轴枢转地安装到第三臂部构件。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动关节式机器人，从而执行：第一感测操作，在第一感测操作中，在第一取向上和第一位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销；和第二感测操作，在第二感测操作中，在第一取向上和与第一位置不同的位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销，其中，在第一感测操作中，当对射式传感器移过第一销时，第一销是光发射器和光接收器之间的第一距离，并且其中，在第二感测操作中，当对射式传感器移过第一销时，第一销是光发射器和光接收器之间的第二距离，第二距离不同于第一距离。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动关节式机器人，从而执行：第一感测操作，在第一感测操作中，在第一取向上和第一位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销；和第二感测操作，在第二感测操作中，在第一取向上和与第一位置不同的位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销，第三感测操作，在第三感测操作中，在第二取向上和第三位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销；和第四感测操作，在第四感测操作中，在第二取向上和与第三位置不同的第四位置处，通过端部执行器将对射式传感器移过第一销。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而执行另外的感测操作，在另外的感测操作中，对射式传感器感测第二销，第二销设置在工作站内的第二位置处，当端部执行器的位置和/或取向针对第二销的每次感测而改变时执行另外的感测操作，以收集另外的感测位置和取向数据，另外的感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第二销，第二销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处，至少一个处理器被配置为对另外的感测位置和取向数据执行计算，以确定第二销相对于关节式机器人的坐标系的第二位置，至少一个处理器被配置为使用第一销的第一位置和第二销的第二位置来确定相对于关节式机器人的坐标系的工作位置。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而执行二十个或更多个感测操作，并且其中，至少一个处理器被配置为对感测位置和取向数据执行回归分析。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为对感测位置和取向数据执行最小二乘近似和数值搜索，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
提供了机器人的实施例，其中，至少一个处理器被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而通过如下两个方式来执行感测操作：使端部执行器远离第一销移动，使得对射式传感器在第一方向上移过第一销；和使端部执行器朝第一销移动，使得对射式传感器在与第一方向相反的第二方向上移过第一销，并且其中，至少一个处理器配置为使用通过使端部执行器远离第一销移动并且使端部执行器朝第一销移动而获得的感测位置和取向数据，来确定对射式传感器中的滞后误差。
本公开还有利地提供了一种存储有程序的非暂时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，程序使一个或多个处理器执行：针对关节式机器人定义坐标系，关节式机器人包括：臂部；端部执行器，其被配置为相对于臂部枢转，端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器；和对射式传感器，其设置在端部执行器上，对射式传感器包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的一者上的光发射器，对射式传感器还包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的另一者上的光接收器，对射式传感器被配置为感测对象何时出现在光发射器和光接收器之间；控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器对第一销进行感测，第一销设置在工作站内的第一位置处，在端部执行器的位置和/或取向针对第一销的每次感测而改变时，执行感测操作以收集感测位置和取向数据，感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第一销，第一销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处；和对感测位置和取向数据执行计算，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
提供了存储程序的非暂时性计算机可读介质，其中，端部执行器被配置为绕枢轴相对于臂部枢转，并且其中，使一个或多个处理器对感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于光发射器的光束的方向上延伸到枢轴的距离以及与光束相正交的方向相对于关节式机器人的坐标系的角度，角度包括端部执行器的角度误差。
提供了存储程序的非暂时性计算机可读介质，其中，光学目标设置在端部执行器的枢轴上，枢轴被配置为相对于臂部枢转，其中，扫描装置设置在相对于关节式机器人的坐标系固定的位置处，扫描装置被配置为随着关节式机器人在运动范围内移动，测量光学目标的位置数据，并且其中，使一个或多个处理器对位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
提供了存储程序的非暂时性计算机可读介质，其中，连杆长度存储在用于旋转机器人臂部的连杆的一个或多个马达的相应编码器上。
提供了存储程序的非暂时性计算机可读介质，其中，使一个或多个处理器控制关节式机器人的一个或多个马达以移动臂部和端部执行器，从而执行二十个或多个感测操作，并且其中，使一个或多个处理器对感测位置和取向数据执行回归分析。
附图说明
参考以下详细描述，特别是当结合所附附图进行考虑时，对本发明及其许多附带优点的更完整了解将变得显而易见，其中：
图1是用于自动示教机器人的系统的实施例的俯视图；
图2是在自动示教机器人的系统中使用的控制器和相关联的装置的实施例的示意图；
图3是在自动示教机器人的系统中使用的控制器和机器人的侧视图；
图4是在自动示教机器人的系统中使用的控制器和机器人的附加实施例的侧视图；
图5是在自动示教机器人的系统中使用的机器人的附加实施例的俯视图；
图6A-图6H是对销执行感测操作的图5的端部执行器的俯视图；
图7是对销执行感测操作的端部执行器在各种重叠位置和取向的俯视图；
图8是示出示教机器人的方法的实施例的流程图；
图9A和图9B示出了机器人的特征与对准销之间的关系；
图10描绘了从销的相对侧接近销的对射式传感器的两个表示；
图11示出了包括躯干、肩部、肘部和腕部的机器人的特征之间的关系；
图12示出了机器人的特征、对准销和具有中心的工作位置之间的关系；
图13示出了具有中心的半导体晶片、晶片预对准器和其它对准销之间的关系；
图14示出了机器人的特征、对准销、具有中心的工作位置、具有中心的半导体晶片、晶片预对准器和其它对准销之间的关系；
图15A是示出销和端部执行器确定z位置的方法的俯视图；并且图15B是图15A所示的销和端部执行器的侧视图；
图16是示出贝塔搜索数值模拟的结果的图表；
图17是示出通过经验测试所测试的机器人准确度/误差的图表；和
图18是图17中的示出通过经验测试所测试的机器人准确度/误差的图表的放大部分。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。在以下描述中，具有基本相同的功能和布置的组成元件由相同的附图标记表示，并且仅在必要时进行重复描述。
本文所述的实施例有利地提供了方法、设备、存储程序的非暂时性计算机可读介质和系统，以使用机器人上的传感器自动教导关于感兴趣的领域(field of interest，FI)的一个或多个站点的机器人位置。
本文所述的实施例允许将工件准确地放置在工作站中的期望位置。例如，本文所述的实施例允许通过关节式机器人将半导体晶片准确地放置在工作站中的期望位置，例如处理站、存储站或在半导体制造期间利用的其它工作站。在这样的情况下，需要准确地识别工作站相对于关节式机器人的位置，以便确保晶片在包括工作站在内的感兴趣的领域内准确且安全地移动。站点的位置的手动示教非常耗时，并且潜在地具有人为误差。本文所述的实施例允许准确地确定销位置，从而允许晶片在几毫米内、并且优选在100微米内移动到晶片放置/取回位置(本文也被称为工作位置)。
在新机器人安装在感兴趣的领域中或在感兴趣的领域(或工具环境)中手动调整(损坏之后)新机器人的任何时候，可以使用本文所述的实施例。在本文所述的实施例中，关节式机器人在其相对于一个或多个工作站所放置的感兴趣的领域中将自我定向。工作站可以是半导体处理设备，或者工作站可以简单地是指定用于工件放置和/或取回的感兴趣的领域内的区域。本文所述的实施例允许机器人“感觉”出不同站点在感兴趣的领域内的确切位置，使得机器人可以准确地与站点交互。将通过给机器人预定的销的大致位置，来提前告知机器人应该粗略地开始寻找给定配置的时间。工件或晶片在自动示教过程期间无需存在，但是如果期望也可以存在。在使用端部执行器来映射感兴趣的领域的情况下，可以在端部执行器上没有晶片的情况下执行这样的过程。自动示教过程可以定期用于验证或跟踪机器人的性能。例如，如果特定环境内的特定机器人需要关注热膨胀，则可以在机器人升温时随着时间的推移而重复自动示教过程。机器人可以基于在这样的后续过程期间所识别的位置变化进行调整。
自动示教过程可以仅使用一个销来执行，或者自动示教过程可以使用多于一个销来执行。如果可以将销定位在工件将放置或取回的位置处，则可以使用单个销，并且可以使用自动示教过程来识别销的位置。如果工件将放置在销的确切位置以外的位置处或者将从该位置处取回(例如，如果将销放置在您想要放置或取回晶片的位置会使得与晶片发生干扰)，则可以使用两个销。理想地，销不会偏移晶片放置/取回位置；然而，由于干扰，销可能需要偏移到晶片放置/取回位置的侧面、前面、后面等处。因此，如果使用偏移晶片放置/取回位置的销，则需要知道从多个销到晶片放置/取回位置的位置和取向，这可以通过平面上的两点(即，销)来完成。在这样的情况下，销用作参考，然后机器人的端部执行器可以移动到放置/取回位置的最终目的地。
通过确定销的位置，可以确定工作站的整个布局。一旦确定了销的位置，机器人就可以精确地确定晶片将放置在站点内的哪个位置，或者精确地确定从站点内的哪个位置取出晶片。站点的布局将严格遵循销的位置，使得一旦确定了销的位置和取向，机器人就可以确定站点内部件的布局，包括工件放置/取回位置的位置。
图1描绘了系统100的实施例，其包括安装区域110、与安装区域110相邻的工作站200以及安装在安装区域110中的关节式机器人300。安装区域110可以是供机器人300设置在其中的封闭区域或开放区域。安装区域110包括安装表面112，例如可以固定机器人300的地板或天花板。
工作站200可以是半导体处理设备，或者工作站可以简单地是指定用于放置和/或取回工件的感兴趣的领域内的区域。图1所示的工作站200包括具有侧壁212、214、216和218的外壳210。侧壁212具有可以打开和关闭的门213，使得门213可以被打开以允许机器人300进入并且在工件的处理期间关闭。工作站200包括工件放置/取回位置220、第一销230和第二销240。如上所讨论的，工作站200的布局将严格遵循第一销230和/或第二销240，使得销的位置和取向相对于工作站200的其它部件(例如，侧壁212、214、216和218，门213)的位置和取向和工件放置/取回位置220是已知的。因此，工作站200在相对于第一销230和/或第二销240的位置的预定位置和取向处具有工作位置220。
可以在安装区域110的周边周围，或者甚至在安装区域110内提供附加的工作站。工作位置在这些附加工作站内的位置可以由相对于工作站200和其中的销的位置来确定(如果这样的位置关系是已知的)，或者通过在附加的工作站内提供用于进行感测操作的附加销来确定。
在替代实施例中，第一销可设置在工件放置/取回位置220处，使得第一销在水平面中与工件放置/取回位置220重叠。如果第一销在工件放置/取回位置220处的这样的放置会干扰工件放置/取回位置220的使用或操作，则有可能将第一销放置在工件放置/取回位置220的上方或下方，使得第一销在水平面中与工件放置/取回位置220重叠。在这样的情况下，可以使用第一销来准确地确定工件放置/取回位置220，然后可以进行端部执行器的z轴调整，使得工件放置/取回位置220可以在不受第一销的干扰的情况下使用。然而，如果这样的配置仍然导致干扰工件放置/取回位置220的使用或操作，则自动示教过程可以使用第一销230和第二销240两者。
图1中描绘的关节式机器人300包括安装在与工作站200相邻的区域110中的基座310和臂部320。在该实施例中，臂部320包括绕枢轴336枢转地安装到基座310的臂部构件330，以及绕枢轴346枢转地安装到臂部构件330的臂部构件340。端部执行器360绕枢轴(或腕轴)366枢转地安装到臂部构件340。(注意，枢轴366可替代地在x-y平面中延伸，而非在该实施例所示的z方向上延伸。)端部执行器360被配置为相对于臂部320枢转，并且端部执行器360具有工件接收器370，其中，对射式传感器380安装在端部执行器360上，这将在下面更详细地描述。对射式传感器380包括发射光束390的光发射器和光接收器。对射式传感器380被配置为感测对象何时出现在光发射器和光接收器之间，如下面将更详细地描述的。
在图1中描绘的系统100中设置控制器400。控制器可以设置在基座附近，或者结合在基座或机器人的其它部分内，或者通过网络连接设置在远程位置处。
图2图示了可以实施本发明的实施例的控制器(计算机)400的实施例。虽然控制器400是相对于特定装置或装备来描绘的，但是可以设想图2内的其它装置或装备(例如，网络元件、服务器等)可以部署控制器400的图示硬件和部件。控制器400被编程(例如，经由计算机程序代码或指令)以提供本文所述的功能并且包括例如总线402之类的通信机制，以用于在控制器400的其它内部和外部部件之间传递信息。用于处理信息的一个或多个处理器404与总线402耦合，以对计算机程序代码指定的信息执行一组操作。
控制器400还包括耦合到总线410的存储器406。存储器406(例如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置)存储包括处理器指令的信息。处理器404还使用存储器406来在处理器指令的执行期间存储临时值。控制器400还包括耦合到总线402的只读存储器(ROM)408或其它静态存储装置，以用于存储不由控制器400改变的静态信息，静态信息包括指令。控制器400包括通信接口410，其允许控制器400与其它装置或装备(例如，网络元件、服务器等)进行通信。
包括用户输入指令的信息从用户接口提供给总线402以供处理器404使用，用户接口例如为包含由人类用户操作的字母数字键的键盘、显示装置、指向装置(例如鼠标或轨迹球或光标方向键)。
驱动马达414(例如，图3中描绘的和下面讨论的用于旋转机器人的臂部构件(连杆)的马达312A、338A、348A、358A)可以包括编码器并且可以经由总线402与处理器404通信，以便在它们之间发送和接收数据、操作指令/命令或其它信息。处理器404可以使用操作指令/命令来控制驱动马达414的操作以便控制驱动马达414的输出轴的旋转(例如，开始、停止、方向(例如，顺时针、逆时针)、速度等)。
外部测量装置416(例如自动精密公司(Automated Precision Inc.，API)的跟踪器(传感器、扫描装置)等)可以经由总线402与处理器404通信，以便在它们之间发送和接收数据、操作指令/命令或其它信息。处理器404可以使用操作指令/命令来控制外部测量装置416的操作以便控制外部测量装置416的致动。
对射式传感器380可以经由总线402与处理器404通信，以便在它们之间发送和接收数据、操作指令/命令或其它信息。处理器404可以使用操作指令/命令来控制对射式传感器380的操作，以便结合驱动马达414和/或外部测量装置380的操作来控制对射式传感器380的操作。
控制器400包括至少一个处理器404，该处理器定义关节式机器人的坐标系。为了在工件放置/取回位置(工作位置)处执行晶片的准确放置和/或取回，控制器400需要确定一个或多个销(其相对于工作站具有预定的位置和取向)在工作站内的位置，以便相对于关节式机器人的坐标系准确地确定工作位置。因此，至少一个处理器404被配置为控制关节式机器人的一个或多个马达来移动臂部和端部执行器以执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器感测设置在工作站内的第一位置处的第一销。如下面将更详细地描述的，当端部执行器的位置和/或取向针对第一销的每次感测而改变时执行感测操作，以收集感测位置和取向数据，并且执行感测操作执行使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第一销，第一销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处。然后，至少一个处理器404对感测位置和取向数据执行计算，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置。
因此，控制器400包括存储程序的非暂时性计算机可读介质(例如参见存储器406、ROM 408)，该程序在由一个或多个处理器(例如参见处理器(或多个处理器)404)执行时，使一个或多个处理器(其定义关节式机器人的坐标系，本文描述了该实施例)来控制关节式机器人的一个或多个马达(例如参见(多个)驱动马达414)以移动臂部和端部执行器而执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器(例如参见对射式传感器380)感测设置在工作站内的第一位置处的第一销，当端部执行器的位置和/或取向针对第一销的每次感测而变化时执行感测操作，以收集感测的位置和取向数据，感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过第一销，第一销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处；并且对感测位置和取向数据执行计算，以确定第一销相对于关节式机器人的坐标系的第一位置，如本文所述。
图3描绘了安装在安装区域中的安装表面112A上并且包括控制器400A的关节式机器人300A的附加实施例。关节式机器人300A包括设置在第二基座314A顶部的第一基座310A。第二基座314A可以是静态安装件或者可以包括升降装置，该升降装置可以在z方向上升高和降低第一基座310A，从而升高和降低臂部320A和端部执行器360A。
关节式机器人300A包括臂部320A，臂部320A包括绕枢轴(或第一枢轴)336A枢转地安装到第一基座310A的臂部构件(或第一臂部构件)330A、绕枢轴(或第二枢轴)346A枢转地安装到臂部构件330A的臂部构件(或第二臂部构件)340A以及绕枢轴(或第三枢轴)356A枢转地安装到臂部构件340A的臂部构件(或第三臂部构件)350A。端部执行器360A绕枢轴(或第四枢轴)366A枢转地安装到臂部构件350A。端部执行器360A具有工件接收器370A，其具有安装在端部执行器360A的上表面上的对射式传感器380A。
臂部构件330A具有第一端332A，该第一端绕枢轴336A枢转地安装到第一基座310A并且由具有编码器313A的驱动马达312A驱动旋转。臂部构件340A具有第一端342A，该第一端绕枢轴346A枢转地安装到臂部构件330A的第二端334A并且由具有编码器339A的驱动马达338A驱动旋转。臂部构件350A具有第一端352A，该第一端绕枢轴356A枢转地安装到臂部构件340A的第二端344A并且由具有编码器349A的驱动马达348A驱动旋转。端部执行器360A具有第一端362A，该第一端绕枢轴366A枢转地安装到臂部构件350A的第二端354A并且由具有编码器359A的驱动马达358A驱动旋转。对射式传感器380A安装在端部执行器360A的第二端364A。
图4描绘了安装在安装区域中的安装表面112B上并且包括控制器400B的关节式机器人300B的另一实施例。关节式机器人300B包括设置在第二基座314B的侧面的第一基座310B。第二基座314B包括升降装置，该升降装置可以在z方向上升高和降低第一基座310B，从而升高和降低臂部320B和端部执行器360B。升降装置包括具有侧面314B的外壳、设置在外壳内的螺旋螺纹杆(或多个平行杆)316B以及配置成使杆(或多个杆)316B绕其纵向轴线旋转的驱动马达318B。第一基座310B具有与杆(或多个杆)316B螺纹接合的支架311B，使得杆(或多个)316B的旋转根据杆(或多个杆)316B的顺时针或逆时针旋转而在z方向上升高和降低第一基座310B。支架311B延伸通过沿侧部314B竖直延伸的槽(或多个槽)，以引导第一基座310B在z方向上的移动。
关节式机器人300B包括臂部320B，臂部320B包括绕枢轴(或第一枢轴)336B枢转地安装到基座310B的臂部构件(或第一臂部构件)330B、绕枢轴(或第二枢轴)346B枢转地安装到臂部构件330B的臂部构件(或第二臂部构件)340B以及绕枢轴(或第三枢轴)356B枢轴地安装到臂部构件340B的臂部构件(或第三臂部构件)350B。端部执行器360B绕枢轴(或第四枢轴)366B枢转地安装到臂部构件350B。端部执行器360B具有工件接收器370B，其具有安装在端部执行器360B的下表面上的对射式传感器380B。图4所示实施例的驱动马达和枢轴布置与图3所示和所述的相同。
图5描绘了关节式机器人300C的另一实施例。关节式机器人300C包括基座310C和臂部320C。在该实施例中，臂部320C包括绕枢轴336C枢转地安装到基座310C的臂部构件330C以及绕枢轴346C枢轴地安装到臂部构件330C的臂部构件340C。端部执行器360C绕枢轴366C枢转地安装到臂部构件340C。端部执行器360C被配置为相对于臂部320C枢转，并且端部执行器360C具有工件接收器370C，对射式传感器380C安装在端部执行器360C上。工件接收器370C可用于传送工件，例如半导体晶片。
工件接收器370C具有第一突出构件372C和第二突出构件374C，在第一突出构件372C和第二突出构件374C之间设置有开口空间376C。对射式传感器380C包括发射光束390C的光发射器382C和光接收器384C。对射式传感器380C被配置为感测对象何时出现在光发射器382C和光接收器384C之间，如下面将更详细地描述的。在该实施例中，光发射器382C设置在第一突出构件372C上，并且光接收器384C设置在第二突出构件374C上；然而，替代地，光发射器可以设置在第二突出构件374C上，并且光接收器可以设置在第一突出构件372C上。端部执行器360C具有重心368C。
机器人的控制器可以利用端部执行器360C的枢轴366C作为端部执行器360C上相对于端部执行器360C的整个布局的已知位置，该端部执行器包括安装在其上的任何其它部件(例如，对射式传感器380C)。因此，枢轴366C可用作参考点，其用于控制端部执行器360C在关节式机器人的坐标系内的移动。
图5描绘了销230C，例如图1中的工作站200内提供的销230。可以使用机器人的控制器来移动臂部320C和端部执行器360C，使得对射式传感器380C的光束390C在光发射器382C和光接收器384C之间通过来感测销230C何时出现在光发射器和光接收器之间，并且在对射式传感器380C感测到销230C时，确定端部执行器360C的位置和取向(例如，在枢轴366C处)。
图6A-图6H描绘了端部执行器360C(为了简化图示而未描绘机器人的其余部分)相对于销230C的一系列移动。这样的运动可以被称为搜寻运动(raking motion)。图6A-图6H描绘了感测操作的示例性实施例，在感测操作中，对射式传感器380C对销进行感测。在这些描绘中，关节式机器人移动以执行对射式传感器对销进行感测的感测操作，并且在端部执行器的位置和/或取向针对销的每次感测而变化时，执行感测操作，以收集感测位置和取向数据。
图6A描绘了端部执行器360C沿如箭头10所示的y方向朝销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-1(即，销和端部执行器之间的位置关系)变为销-端部执行器位置关系230C-2(在图6A中以虚线示出，这是由于该位置关系是在图6A中的移动完成之后实现的)。(注意，该移动无需沿y方向发生，而是可以在绕与x方向和y方向正交的z轴的任何径向方向上发生。)当位置关系230C-1变为位置关系230C-2时，销在距光发射器382C的距离D1-1处和距光接收器384C的距离D2-1处与光束390C相交。特定的距离值不是关键的，而是这样的距离对于下面针对6C和图6D所述的距离变化是重要的。随着端部执行器360C朝销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。
图6B描绘了端部执行器360C沿如箭头12所示的y方向(在与图6A中箭头10所示的方向相反的方向上)远离销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-2变为销-端部执行器位置关系230C-3。当位置关系230C-2变为位置关系230C-3时，销在距光发射器382C的距离D1-1处和距光接收器384C的距离D2-1处与光束390C相交。随着端部执行器360C远离销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。注意，反向移动(例如图6B所示的移动)对于自动示教过程不是必需的；然而，作为图6A所示的移动的反向移动有利地允许识别对射式传感器中的任何滞后误差，这将在下面更详细地讨论。
图6C描绘了端部执行器360C沿如箭头14所示的x方向移动，使得销-端部执行器位置关系230C-3变为销-端部执行器位置关系230C-4。(如果不执行图6B所示的移动，如前一段所指出的，则可以从位置关系230C-2执行与图6C中的移动类似的y方向上的移动。)
图6D描绘了端部执行器360C沿如箭头16所示的y方向朝销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-4变为销-端部执行器位置关系230C-5。当位置关系230C-4变为位置关系230C-5时，销在距光发射器382C的距离D1-2处和距光接收器384C的距离D2-2处与光束390C相交。随着端部执行器360C朝销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。
图6E描绘了端部执行器360C沿箭头18所示的y方向(在与图6D中箭头16所示的方向相反的方向上)远离销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-5变为销-端部执行器位置关系230C-6。当位置关系230C-5变为位置关系230C-6时，销在距光发射器382C的距离D1-2处和距光接收器384C的距离D2-2处与光束390C相交。随着端部执行器360C远离销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。
例如图6C-图6E所示的附加移动可以被执行，使得销-端部执行器位置关系越来越靠近开口空间376C内的第二突出部374C，以便收集附加的位置和取向数据。图6A-图6E中的移动示出了感测操作，在感测操作中，端部执行器360C的位置在x-y平面中变化，而端部执行器360C的取向保持恒定。
图6F描绘了端部执行器360C绕如箭头20所示的z轴旋转并且沿如箭头22所示的x-y方向移动，使得达到销-端部执行器位置关系230C-7。图6F所示的移动改变了端部执行器360C的位置和取向。
图6G描绘了端部执行器360C沿箭头24所示的x-y方向朝销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-7变为销-端部执行器位置关系230C-8。当位置关系230C-7变为位置关系230C-8时，销在距光发射器382C的距离D1-3处和距光接收器384C的距离D2-3处与光束390C相交。随着端部执行器360C朝销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。距离D1-3和距离D2-3的特定距离值并不是关键的，并且可以与距离D1-1和距离D2-1相同、相似或明显不同。
图6H描绘了端部执行器360C沿如箭头26所示的x-y方向(在与图6G中箭头24所示的方向相反的方向上)远离销移动，使得销-端部执行器位置关系230C-8变为销-端部执行器位置关系230C-9。当位置关系230C-8变为位置关系230C-9时，销在距光发射器382C的距离D1-3处和距光接收器384C的距离D2-3处与光束390C相交。随着端部执行器360C远离销移动并且光束390C移过销，对射式传感器380C感测销以及端部执行器360C的位置和取向数据，并且销被检测和存储。
如上所指出的，图6A-图6H描绘了端部执行器360C相对于销230C的一系列移动，其中，这样的移动可以被称为搜寻运动，其中，在相同取向上进行多个或多次线性平行通过，然后该取向变为新的取向，并且在新的取向上进行多个或多次线性平行通过，并且根据需要对此进行重复，以收集数据。这些移动可以通过以下方式来执行，即，将端部执行器向前移向销(例如参见图6A)使得一旦感测到销就停止向前移动，然后远离销反向移动(例如参见图6B)，然后移动越过(例如参见图6C)，然后向前移向销(例如参见图6D)使得一旦感测到销就停止向前移动，然后远离销反向移动(例如参见图6E)等，直到销到达第二突出构件374C，并且然后改变位置和取向(例如参见图6F)，并且在新的取向上重复该过程。替代地，这些移动可以通过以下方式来执行，即，将端部执行器向前移向销，然后移动越过，然后远离销反向移动，然后移动越过，然后向前移向销，然后移动越过等，直到销到达第二突出构件374C，并且然后改变位置和取向，并且在新的取向上重复该过程。
图7描绘了端部执行器360D相对于第一销230D和第二销240D的一系列移动。图7示出了随着光束390C移过销240D，端部执行器360D的各种位置和取向的叠加，并且端部执行器360D和销的位置和取向数据被检测和存储。在该描绘中，端部执行器360D进行多次通过，其中，端部执行器360D处于第一取向和递增的不同位置，然后取向变为第二取向，并且端部执行器360D进行多次通过，其中，端部执行器360D处于第二取向和递增的不同位置，并且对总共六个不同的取向重复该过程。如果需要，则端部执行器360D可以对第一销230D执行相同的过程。
图7示出了正在测量的多个位置。收集的数据越多，则使用的模型就越准确。由于该过程是自动化的，因此只要可行，该过程可以由机器人运行，使得可以执行尽可能多的感测操作。优选地，可以使用二十个或更多个感测操作来收集二十个或更多个数据点。更优选地，可以收集两百个或更多个数据点。
图8描绘了示出教导关节式机器人的方法500的实施例的流程图。
方法500包括步骤510，即，在工作站内的位置处设置销，例如，如图1所示。站点的布局将严格遵循销的位置，使得一旦确定了销的位置和取向，机器人就可以确定站点内部件的布局，其包括工件放置/取回位置的位置。
方法500包括步骤512，即，在与工作站相邻的区域中设置关节式机器人，其中，关节式机器人具有坐标系，机器人可以通过该坐标系控制机器人的运动。关节式机器人具有臂部和被配置为相对于臂部枢转的端部执行器，并且端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器。端部执行器具有对射式传感器，对射式传感器包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的一者上的光发射器。对射式传感器还包括设置在第一突出构件和第二突出构件中的另一者上的光接收器。对射式传感器被配置为感测对象(例如销)何时出现在光发射器和光接收器之间。
方法500包括步骤514，即，移动关节式机器人以执行感测操作，在感测操作中，对射式传感器对销进行感测。在端部执行器的位置和/或取向针对销的每次感测而变化时，执行感测操作，以收集感测的位置和取向数据，例如如上文关于图6A-图6H和图7所讨论的。感测操作被执行，使得随着关节式机器人将对射式传感器移过销，销位于光发射器和光接收器之间的不同距离处。这样的感测操作将在下面详细地讨论。
方法500包括步骤516，即，对感测位置和取向数据执行计算以确定销相对于关节式机器人的坐标系的位置。这样的计算将在下面详细讨论。
单个位置的销示教适用于在水平面内具有两个自由度的极坐标关节式机器人。然而，需要教导具有关节式腕部或多个关节式腕部的机器人的位置以及所期望放置的取向。在这样的情况下，机器人可以识别两个销的位置，以确定期望绝对位置和取向。
机器人可以能够使用对射式传感器来识别销(本文也被称为“示教销”、“对准销”或“参考销”)的位置。然而，并不总是能够将销定位在站点内的将放置晶片的区域的中心处。此外，用于映射的对射光束的位置理想地且通常地放置在端部执行器的端部。由于这些原因，机器人必须准确地识别示教销的位置，然后准确地移动到相对于示教销的位置和取向。该移动的准确度将取决于对机器人的运动的完整识别。
在下面阐述的对感测位置和取向数据的感测操作和计算的讨论中，讨论的第一部分将集中于在给定了机器人腕部(例如图1中的枢轴366处的关节)的知识的情况下识别端部执行器在水平面中的运动。端部执行器(在本文中也被称为“刀片”)通常将在现场放置并且对准在机器人腕部上。对射式发射器和接收器相对于腕部中心的位置和取向会因误差叠加而产生误差。一旦装配，端部执行器的腕部中心相对于机器人腕部的位置和取向也会出现误差。对于关节式腕部的情况，有四个线性独立变量：示教销X位置、示教销Y位置、从端部执行器腕部中心(即，腕部枢转所绕的枢轴)到对射光束的径向距离和对射光束触发误差。此外，还有一个非线性变量：端部执行器取向。具有关节式腕部的机器人在水平面(x，y，θ)中具有三个受控自由度。
在本文所述的方法的实施例中，对射式传感器用于为多个样本识别销的位置，其中，受控的自由度以编程的方式变化以从不同的位置和取向接近销。数据由控制器收集，然后使用回归模型(例如最小二乘近似)进行后处理以确定线性独立变量，并且使用优化搜索以确定非线性变量。本质上，机器人在销周围移动，以根据不同的位置和取向定位其位置(例如参见图6A-图6H和图7)，从而不仅最佳地理解销的位置，而且最佳地理解机器人自身的误差，误差包括对射式传感器和端部执行器的那些误差。在下面对方法的实施例的讨论中，我们首先假定准确知道机器人腕部在水平面中的位置。然后，讨论获取该信息的方法。
范围广泛的多种信息有益于回归模型的准确度。通过将端部执行器定位在三个自由度(x、y、θ(或L、r、θ))的范围内来收集数据。通过采用通过一系列不同运动中的许多点，我们还针对总共五个不同的参数求出了附加信息，其包括距旋转轴线的滞后和法向距离。此外，所求出的信息比其他过程更准确，这是由于我们正在使结果平均化以使用回归分析求出最佳拟合。本文所述的示例性回归分析涉及使用最小二乘法；然而，可以利用其他数值优化来求出这些附加参数。
一旦机器人离开工厂，机器人联动件(参见，例如，上述臂部构件和端部执行器)通常不会改变。基于来自驱动马达的、与关节角度相关联的编码器位置的反馈，来命令机器人。已知的是，腕部的最终、实际位置将取决于运动学模型、连杆长度和编码器偏移角度的准确度。对准夹具可用于试图识别与真实机器人运动(即机器人的归位)相对应的角度偏移。然而，对准夹具需要机械误差并且容易出错。此外，对准夹具不会识别连杆长度。在本文所述的方法的实施例中，随着关节通过多种运动阵列被操纵，可以使用外部测量装置(例如API跟踪器)来识别机器人腕部的实际位置。编码器数据和位置数据被及时收集和同步。然后可以使用最小二乘近似对这样的数据进行后处理，以确定机器人的运动学模型：连杆长度和角度偏移。然后，可以将这些值存储在机器人上，并且然后由控制器读取和使用，以更准确地控制机器人。
在对射式自动示教过程中，一个对准销或两个对准销通过加工误差准确地定位在站点内。图9A示出了机器人的特征和对准销230E之间的关系。图9A示出了机器人的特征，包括机器人的坐标系302E、机器人腕部旋转轴线366E和包括发射光束390E的光发射器382E和光接收器384E的对射式传感器380E。对射式传感器380E将被设置在如在上述实施例中所讨论的端部执行器上。在对射式自动示教过程中，我们想要确定销在机器人的惯性坐标系(本文也被称为坐标系)内的位置，如由图9A所示的向量P表示。
机器人将拥有自己的关于其腕部在惯性坐标系中的位置的知识，如向量W所表示的。通常存在对射式传感器，以用于晶片的竖直映射，并且因此这样的对射式传感器可以方便地用于本文所述的过程中。机器人的端部执行器的预期绝对取向由角度θ表示。存在与光束390E正交并穿过腕部旋转轴线366E的向量R。向量R是从标称光束中心到腕部旋转轴线366E的法向距离(其还为从旋转轴线到光束的最小距离)。销230E具有半径r。注意，当光束390E分别接触销230E的最远离或最靠近腕部的一侧时，值s等于1或-1。在端部执行器相对于光束390E的实际取向中可能存在一些未对准误差(本文中也被称为取向误差、角度偏移、角度误差)，如角度γ所表示的。(编码器读取的端部执行器的取向可能存在一些未对准(或取向)误差。对于现场更换的端部执行器尤其如此。对射式传感器附接到端部执行器(以一些合理的准确度)，刀片附接到腕部，腕部安装在机器人上，并且参考是编码器位置。几乎可以肯定的是，编码器与通向对射式传感器的这种堆叠零件之间存在未对准误差，并且因此本文所述的方法允许我们能够最佳地确定端部执行器的角度。我们最终需要相对于端部执行器的中心定位晶片，使得角度。)将识别如下接触点，光束390E将首先在该接触点处与被对准销230E断开。几何形状可以进一步表示为图9B中进一步阐述的关系。
接触点处的距离的标量方程可以写成：
P*sin(η-γ-θ+π/2)＝R–s*r+W*sin(λ-γ-θ+π/2)
角度β可以简化为：
β＝-γ-θ+π/2
P*sin(η+β)＝R–s*r+W*sin(λ+β)
从三角恒等式：
sin(η+β)＝sin(η)*cos(β)+sin(β)*cos(η)
P*sin(η)*cos(β)+P*cos(η)*sin(β)＝R-s*r+…W*sin(λ)*cos(β)+
W*cos(λ)*sin(β)
进一步简化：
Py*cos(β)+Px*sin(β)＝R-s*r+Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
我们假设知道半径R和r、取向s、腕部位置和取向Wx、Wy和θ以及甚至取向误差γ。
Py*cos(β)+Px*sin(β)＝R-s*r+Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
我们希望确定未知数Px和Py。上述方程可以通过使用n个测量实例求解，其中，三个机器人自由度Wx、Wy和θ是变化的。
我们首先定义2×1向量A，如下：
A＝[Px Py]T
我们定义n×2向量X，如下：
X＝[sin(β)cos(β)]
我们定义n×1向量B，如下：
B＝R-s*r+Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
因此，该方程可写为：
X*A＝B
乘以X的转置：
XT*X*A＝XT*B
乘以逆：
A＝(XT*X)-1*XT*B
通过A，我们具有销位置的最小二乘近似。
解的准确度取决于矩阵X和向量B的多样性。
自动示教过程旨在求出销230E的确切位置。然而，可能我们只知道+/-15mm以内的销的大致位置。机器人将不得不搜索销的大体区域，直到光束390E被触发。例如，机器人可以在最初给定的大致位置处开始，并且然后以类似于图6A-图6H所示的移动的方式移动端部执行器，直到销被对射式传感器感测到。机器人在水平面上具有三个自由度：x、y和θ。我们可以通过迫使光束390E与销230E的大致远侧或近侧相切来施加一种约束。因此，我们有两个剩余的自由度来生成我们在矩阵X和向量B中所需的数据多样性。首先，端部执行器的角度θ可以变化。其次，光束390E本身具有+/-L的安全长度。我们可以在+/-L的范围内改变距离l。
因此，对于固定的角度θ和减小的半径r，我们可以求解被命令的腕部位置：
Wx＝Px+(s*r-R)*cos(γ+θ)+l*sin(γ+θ)
Wy＝Py+(s*r-R)*sin(γ+θ)-l*cos(γ+θ)
对于搜索到的运动范围，我们将确定对射光束被触发的位置。
从图7中的描述中注意到，通过在许多不同取向上的端部执行器360D并且通过在沿对射式传感器的光束390D的长度的不同位置处与对射传感器的光束390D相交的销240D，来收集数据(即，在沿端部执行器360D的突出构件(或叉部)的开口空间的宽度的、供对射式传感器的发射器和接收器安装的各种位置处。)
注意，从对射式传感器的向前接近和向后(或反向)接近两者中获取数据是可能的，但不是必需的。虽然无需从向前和向后接近两者中获取数据，但是来自向前和向后接近两者的数据将有助于识别对射式传感器中的任何滞后误差。换句话说，如果光束没有确切地在光束的中心触发，则来自向前和向后接近两者的数据将把该误差识别为δb，如下面关于图10所讨论的。这是有利的，这是由于我们确实需要知道端部执行器相对于对射式传感器的中心。
该流程描述了求解端部执行器中的误差。如图7、图9A和图9B所示，端部执行器中有两个潜在的未知数：径向距离R和角度误差γ。端部执行器通常由用户装配并对准以平行于机器人。因此，没有机会在工厂表征这些值。定位销潜在地可以用作参考，但是定位销的使用会影响端部执行器的可调能力。
图10描绘了从销的相对侧接近销的对射式传感器的两个表示。图10示出了从光束390F-1的后侧接近销230F的第一表面部分231F的对射式传感器380F-1的第一表示(例如，类似于图6B所示的运动)和从光束390F-2的前侧接近销230F的第二表面部分232F的对射式传感器380F-2的第二表示(例如，类似于图6A所示的运动)。第一表示和第二表示是相对于销230F以两种不同的关系所提供的相同的对射式传感器的表示，并且因此为了便于描述和描绘，第一表示和第二表示已经用不同的附图标记来描绘。
对射式传感器380F-1的第一表示包括发射光束390F-1的光发射器382F-1和光接收器384F-1。光束390F-1具有光束中心线392F-1和后触发点394F，如下所述。光束中心线390F-1设置在距腕部中心轴线366F-1半径R处，如所描绘的。
对射式传感器380F-2的第二表示包括发射光束390F-2的光发射器382F-2和光接收器384F-2。光束390F-2具有光束中心线392F-2和前触发点396F，如下所述。光束中心线390F-2设置在距腕中心轴线366F-2的半径R处，如所描绘的。
从腕部轴线到对射式传感器的光束的真实距离取决于对射式传感器相对于腕部旋转中心轴线的对准以及光束被触发所处的距离。在对射式传感器的一侧，光发射器发光。在对射式传感器的另一侧，光接收器接收光。在某个阈值处，光接收器将接收到减少的总光量，以触发到控制器的输入/输出(I/O)信号。这被称为触发点。触发点可能不确切地位于光束中心线处。
触发点可出现在距光束中心线的一定距离δb处。本文假设距离δb关于光束中心线对称。通过从光束的两侧接近，我们意图将半径误差R与距离δb区分开来。注意，距离δb还将识别与销的半径相关联的误差的分量；然而，这样的误差被认为很小。
回到最先定义的方程，
Py*cos(β)+Px*sin(β)＝R-s*(r+δb)+Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
我们向之前的方程添加另外两个未知数R和r。注意，我们将在下面的后续讨论中处理gamma。
Py*cos(β)+Px*sin(β)-R+s*δb＝-s*r+Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
我们首先定义4×1向量A，如下：
A＝[Px Py R δb]T
我们定义n×4向量X，如下：
X＝[sin(β) cos(β)-1 s]
我们定义n×1向量B，如下：
B＝Wy*cos(β)+Wx*sin(β)-s*r
因此，该方程可写为：
X*A＝B
乘以X的转置：
XT*X*A＝XT*B
乘以逆：
A＝(XT*X)-1*XT*B
通过A，我们具有销位置、半径R和有效销半径r的最小二乘近似。
现在我们将搜索β。
正如我们所说，我们已经留下了：
Py*cos(β)+Px*sin(β)-R-s*r＝Wy*cos(β)+Wx*sin(β)
再次注意角度β的定义：
β＝-γ-θ+π/2
还要注意，我们的线性独立变量Py和Px也乘以角度β的sin或cos。我们无法单独使用最小二乘法同时求解Px、Py和β。
然而，对于任意的γ值，我们可以计算最小二乘法满足以下方程的准确度：
X*A＝B
E(γ)＝sum(abs(X*A-B))
E(γ)＝sum(abs(X*(XT*X)-1*XT*B-B))
我们可以迭代求解使函数E最小化的γ。这可以通过蛮力搜索、梯度下降或一些其他优化来完成。
证明算法的能力的数值模拟包含在下面讨论的贝塔搜索数值模拟中。
现在将提供对机器人的准确度的讨论，包括对归位和编码器空间e的讨论。
图11示出了包括躯干336G、肩部346G、肘部356G和腕部366G的机器人的特征之间的关系。(这样的特征对应于例如图2中的枢轴336A、枢轴346A、枢轴356A和枢轴366A之类的特征。)机器人包括第一连杆L1、第二连杆L2、第三连杆L3和第四连杆L4。(这样的连杆是例如图2中的臂部构件330A、臂部构件340A、臂部构件350A和端部执行器360A之类的特征的连杆长度的数学表示(即，枢轴到枢轴、或枢轴到感兴趣点，例如对射式传感器)。)
在机器人的腕部366G上设置例如球形安装回射器(Spherically MountedRetroreflector，SMR)367G的光学目标。激光跟踪器(或扫描装置)369G被放置在相对于机器人中心(或躯干336G)固定的任何位置。激光跟踪器369G可以枢转和倾斜以跟踪腕部366G上的SMR的运动。跟踪器369G可以使用激光或飞行时间来确定与SMR的距离。跟踪器上的编码器反馈以及径向距离允许跟踪器确定SMR在三维空间中的位置，准确度在40微米以内。机器人在整个运动范围内移动，从而产生多种信息阵列。运动学模型适合该数据，例如，通过使用回归拟合(例如最小二乘近似)，从运动学模型中提取最准确拟合数据的角度偏移和连杆长度。
作为该分析的结果，机器人的每个关节将具有相关联的角度调整和连杆长度。由于每个关节都具有相关联的马达，因此专用于该连杆的角度调整和连杆长度可以存储在与该关节相关联的马达的编码器上。以这样的方式，任何控制器都可以与机器人配对，并且控制器可以从机器人中读取专用于机器人的信息。替代地，信息也可以存储在机器人内的存储器上(例如参见存储器406)。
为了准确地确定销位置，我们还必须准确地知道机器人腕部的位置，即向量W。我们找到了q、b和s空间。当连杆对准并且从供其安装的连杆向外延伸时，我们将s的值定义为零。然而，每个关节的零位置由关节处的编码器定义，并且原始编码器输出在组装时不一定符合理想模型，如图11所示。
我们称原始编码器输出为e空间，其中，
e1＝s1+Δs1
e2＝s2+Δs2
e3＝s3+Δs3
e4＝s4+Δs4
相关技术系统通常使用对准夹具或销以将机器人连杆放置在已知姿势中。对准的质量取决于夹具和臂部本身的误差。在相关技术中，假设标称连杆长度。连杆长度由运动链中旋转轴线与后续旋转轴线之间分离的距离来定义。在相关技术中，假定旋转轴线位于相对于臂部外壳的位置处。在以下实施方式中，真正的旋转轴线将根据所观察到的机器人在水平面上的运动的运动学来定位。我们使用API传感器观察机器人运动P，将xy平面中的位置写为复数值：
P＝PO+L1*exp(i*q1)+L2*exp(i*q2)+L2*exp(i*q3)+L4*exp(i*q3)，
其中，Po是API坐标系中机器人中心的复原点，并且q处于绝对坐标系中。
使用之前求出的定义，我们可以替换s空间：
P＝PO+L1*exp(i*s1)+L2*exp(i*(s1+s2))…+L3*exp(i*(s1+s2+s3))+L4*exp(i*(s1+s2+s3+s4))
使用上面求出的定义，我们可以替换e空间：
P＝Po+L1*exp(i*(e1-Δs1))+L2*exp(i*(e1-Δs1+e2-Δs2))…+L3*exp(i*(e1-Δs1+e2-Δs2+e3-Δs3))…+L4*exp(i*(e1-Δs1+e2-Δs2+e3-Δs3+e4-Δs4))
我们注意到以下恒等式：
exp(i*(a+b))＝exp(i*a)*exp(i*b)，
并且将已知的编码器信息与我们希望确定的连杆长度和角度偏移隔离开来：
P＝1*Po+exp(i*(e1)*L1*exp(i*-Δs1)…+exp(i*(e1+e2))*L2*exp(i*(-Δs1-Δs2))…+exp(i*(e1+e2+e3))*L3*exp(i*(-Δs1-Δs2-Δs3))…+exp(i*(e1+e2+e3+e4))*L4*exp(i*(-Δs1-Δs2-Δs3-Δs4))
已知值为P、e1、e2、e3、e4，并且未知值为P0、L1、L2、L3、L4、Δs1、Δs2、Δs3、Δs4。然后，我们进行以下合并：
P＝1*Xo+exp(i*Σe1)*L1*exp(i*-Δq1)…+exp(i*Σe12)*L2*exp(i*-Δq2)…+exp(i*Σe13)*L3*exp(i*-Δq3)…+exp(i*Σe14)*L4*exp(i*-Δq4)
(以上，已知值为P、Σe1、Σe12、Σe13、Σe14，并且未知值为X0、L1、L2、L3、L4、Δq1、Δq2、Δq3、Δq4。)接着，我们将以上写成矩阵形式：
P＝[1exp(i*Σe1)exp(i*Σe12)exp(i*Σe13)exp(i*Σe14)]…*[XoL1*exp(i*-Δq1)L2*exp(i*-Δq2)L3*exp(i*-Δq3)L4*exp(i*-Δq4)]T
我们将n行已知编码器和位置信息添加到以上中，并保持偏移的单个列向量。(以上，已知值为P、Σe1、Σe12、Σe13、Σe14，未知值为X0、L1、L2、L3、L4、Δq1、Δq2、Δq3、Δq4。)
我们也可以按实际修正上式以包括x、y和z，
我们可以用更简单的符号写出上式：
P＝X*A
(以上，已知值为P、X，并且未知值为A。)其中，P为n×1复列向量，X为n×5复矩阵，并且A为5×1复列向量。我们乘以X矩阵的转置。
XT*P＝XT*X*A
这产生了可以被逆的方形矩阵：
(XT*X)-1*XT*P＝(XT*X)-1*XT*X*A
(XT*X)-1*XT*P＝A
(以上，已知值为P、X、XT，并且未知值为A。)以上是向量A的最小二乘近似。然后，我们提取值如下：
Li＝sqrt(real(Ai)2+imag(Ai)2)
Δqi＝-atan2(imag(Ai),real(Ai))
注意上面的负号。然后，我们求解单个编码器偏移：
Δs1＝Δq1
Δs2＝Δq2-Δq1
Δs3＝Δq3-Δq2
Δs4＝Δq4-Δq3
在机器人的生产中，Li和Δsi参数可以作为两个单独的参数存储在驱动马达(或多个驱动马达)的编码器的eprom上。控制器可以访问这些参数并在启动时使用它们，而无需归位。
角度偏移是重要的。在大气半导体机器人应用中，连杆长度的绝对准确度是否对机器人的整体准确度至关重要，还有待观察。
鉴于现在在笛卡尔坐标系中对晶片进行命令，连杆长度偏差的识别应该有助于减少总误差，并且因此对于机器人和供其操作的环境之间的更大的“缓冲”空间具有减少的需要。如果连杆长度的变化仅为0.25mm，则总的潜在偏差和节省可能为1mm。
在该实施方式之前，连杆长度已在软件/固件中进行硬编码。奇点位置基于标称连杆长度。如果我们要在运动学中使用实际连杆长度，则需要将奇点位置更新为示教位置，以确保机器人可以在数学上毫无问题地通过奇点。
如果结果证明是有问题的并且对准确度的益处不显著，则可以忽略实际连杆长度并且仅使用角度偏移。
用户可能会质疑机器人是否遭受了一些导致编码器与臂部的相对位移的冲击。我们可能需要一种方法来确定机构是否被移位。这可以通过对准夹具来完成。也可以针对工具中的原始对准销，对机器人进行重新示教。假设销没有移动，一致的销位置标识将暗示机器人没有损坏。
与今天在现场所做的类似，臂部在现场是不可修复的。可以将机器人退回制造商进行臂部更换，并且可以重新校准机器人并为更换的马达更新编码器eprom。我们应该注意到，这将要求修理机器人的任何人将需要利用API传感器或等效物，这可能需要大量成本。
以下图12-图14的讨论描述了在工作站内的销放置和销位置的识别。
图12示出了机器人的特征、对准销230H和240H以及具有中心221H的工作位置220H之间的关系。图12示出了机器人的特征，包括机器人的坐标系302H、机器人腕部旋转轴线366H和包括发射光束390H的光发射器382H和光接收器384H的对射式传感器380H。对射式传感器380H将设置在如上述实施例中所讨论的端部执行器上。
销位置的识别用于在工作环境内为机器人取向。如果需要，则可以将一个或多个销无限期地留在环境中，并且在以后用于重新校准。然而，销本身可能是一个障碍。因此，在图12所示的两个销的情况下，该过程准确地识别远离销的工作位置，以用于放置晶片。为了在平面空间中识别这样的工作位置，使用了两个销，如图12所示。
销230H和240H识别晶片站坐标系C在x-y平面中的位置和取向。晶片站中的销230H和240H的位置将通过环境的加工误差相对于工作位置220H准确放置，并由向量C定义。因此，机器人将理解要以C坐标系定义的取向将晶片放置在位置P11+C1处，如图12所示。这由以下向量方程表示：
W1+L1＝P11+C1
刀片上的晶片相对于机器人腕部366H的中心由向量L定义。在边缘夹持端部执行器的情况下，向量L的大小和取向由边缘夹持端部执行器的指部和活塞来定义。当晶片在给定位置被拾取时，活塞会将晶片推入固定的、可重复的位置。在这样的情况下，必须通过加工误差或进一步校准知道向量R和向量L之间的关系。在摩擦夹持端部执行器或真空夹持端部执行器的情况下，向量L仅由当机器人拾取晶片时晶片在刀片上的位置来定义。最终，我们希望准确地确定晶片在一个站点的位置，并且将其准确地放置在后续站点。
图13示出了具有中心22J的半导体晶片20J、晶片预对准器260J和另一对准销250J之间的关系。预对准器经常与工作站结合使用以确定晶片中心22J的位置和晶片20J相对于晶片周边上的凹口(未示出)的取向。晶片将被旋转，并且向量D的大小和取向被确定，如图13所示。
预对准器的绝对位置和取向可以通过测量两个销来识别。为简单起见，可使用预对准器轴260J和销250J来确定预对准器的绝对位置和取向。销250J可附接到预对准器的基座，并且因此可用于确定预对准器的取向。在工厂中，编码器的取向可以相对于具有定位特征的销进行示教。
图14中示出了从预对准器到处理站(或工作站)的示例移动。
图14示出了机器人的特征、对准销230K和240K、具有中心221K的工作位置220K、具有中心22K的半导体晶片20K、晶片预对准器260K和另一对准销250K之间的关系。图14示出了机器人的特征，包括机器人的坐标系302K、机器人腕部旋转轴线366K和包括发射光束390K的光发射器382K和光接收器384K的对射式传感器380K。对射式传感器380K将被设置在如在上述实施例中所讨论的端部执行器上。
注意，向量D是由预对准器确定的晶片相对于预对准器的位置。
W2+L2＝P21+C2+D
晶片的移动定义如下：
H21＝P11+C1-P21-C2-D
H21＝W1+L1-W2-L2
图15A和图15B描绘了确定z位置的方法。图15A是示出销230L和端部执行器360L的俯视图。端部执行器360L包括第一突出构件372L和第二突出构件374L。包括发射光束390L的光发射器和光接收器的对射式传感器380L设置在第一突出构件372L和第二突出构件374L上，如上面关于各种实施例所讨论的。图15B是图15A所示的销230L和端部执行器360L的侧视图。
一旦销230L位于如上所讨论的x-y平面空间中，销230L的z位置和环境114L(其可包括工作站的已知表面或供机器人安装在其上的安装表面)可以通过如图15A和图15B所示的传统映射由对射式传感器380L识别，其中，端部执行器360L定位在x-y平面中，使得对射式传感器380L感测到销230L，并且然后端部执行器在z方向上升高直到对射式传感器380L不再感测到销230L并且存储这样的数据。
执行了贝塔搜索数值模拟并且结果示出了在图16中。在贝塔搜索数值模拟中，我们人为地施加了1.5度的gamma(γ)和1mm的delta_b(δb)。我们人为地产生一百零八个(108)数据点，就好像它们是由机器人收集的一样，并使用该算法以如下所示的方式回退Px、Py、R、delta_b和gamma：
clear
clc
Px_actual＝125/1000；
Py_actual＝300/1000；
％the exact radius
R_actual＝500/1000；
％the nominal pin radius
r_nominal＝15/1000；
％the radial disturbance associated with the beam and the pin
delta_b_actual＝1/1000；
％the angular missalignment of the end effector
gamma_actual＝1.5*pi/180；
r_actual＝r_nominal+delta_b_actual；
％the+/-operable distance of the emitter and receiver
L＝75/1000；
theta＝[]；
l＝[]；
s＝[]；
r_s＝[]；
％create the range of the search
for S＝[-1 1]
for THETA＝60*pi/180:15*pi/180:135*pi/180
for L_search＝[-L*.8:15/1000:L*.8]；
％if you want to animate the motion to the pin use the range
％if you just want to specify the pin location
for R_search＝r_actual；％r+r_search:-.002:r
l＝[l；L_search]；
theta＝[theta；THETA]；
r_s＝[r_s；R_search]；
s＝[s；S]；
end
end
end
end
％define the wrist vector for all points at which the I/O is tripped
％this information is essentially determined by the encoders
Wx＝Px_actual+(s.*r_s-R_actual).*cos(gamma_actual+theta)+l.*cos(gamma_actual+theta-pi/2)；
Wy＝Py_actual+(s.*r_s-R_actual).*sin(gamma_actual+theta)+l.*sin(gamma_actual+theta-pi/2)；
gamma_search＝-2*pi/180:.0001:2*pi/180；
E_best＝inf；
gamma_best＝NaN；
tic
for j＝1:length(gamma_search)
％theta is the data we are getting back from the encoder which willnot
％inherently have gamma
beta＝-gamma_search(j)-theta+pi/2；
X＝[sin(beta)cos(beta)-ones(length(beta),1)s]；
％we only know the nominal value of r
B＝Wy.*cos(beta)+Wx.*sin(beta)-s.*r_nominal；
A＝inv(transpose(X)*X)*transpose(X)*B；
E＝X*A-B；
Esum(j)＝sum(abs(E))；
if Esum(j)<E_best
E_best＝Esum(j)；
gamma＝gamma_search(j)；
Px＝A(1)；
Py＝A(2)；
R＝A(3)；
delta_b＝A(4)；
end
end
toc
figure(2)
plot(gamma_search*180/pi,Esum*1000,'b.-',...
gamma*180/pi,E_best*1000,'ro',...
gamma_actual*180/pi,0,'gv')
xlabel('gamma[deg]')
ylabel('integral of error[mm]')
legend('search','calculated optimal','actual')
Px_error＝(Px-Px_actual)*1000
Py_error＝(Py-Py_actual)*1000
R_error＝(R-R_actual)*1000
delta_b_error＝(delta_b-delta_b_actual)*1000
gamma_error＝gamma*180/pi-gamma_actual*180/pi
我们施加1mm的delta_b和1.5度的gamma。一维蛮力优化在计算机上完成耗时0.023秒，并且结果如图16所示。我们能够计算出以下：
Px_error＝7.827072323607354e-12
Py_error＝-5.628830734849544e-11
R_error＝-4.544681297957709e-08
delta_b_error＝-1.452637272622570e-09
gamma_error＝7.721282493300397e-04
接着，通过经验测试来测试机器人的准确度，并且结果示于图17和图18，它们都示出了以毫米计的API的侧对侧误差随以秒计的时间的图表。(注意，图18是图17中图表的放大部分。)图17和图18分别示出了控制器误差，然后是模型拟合，然后是最大值，并且然后是最小值。
我们将SMR放置在腕部的中心，并使机器人运行表示通过感兴趣的领域的典型运动的一系列运动。运行Pp_homing2.m以提取准确的连杆长度和偏移角度。
％rotate and translate the API data so that it best fits the iec datausing
％SVD
XAPI_W＝jr_3D_fit([x_W y_W z_W],Xiec)；
x_W＝XAPI_W(:,1)；
y_W＝XAPI_W(:,2)；
z_W＝XAPI_W(:,3)；
P＝x_W+y_W*i；
X＝[1+encoder(:,1)*0...exp(i*(encoder(:,1)))...
exp(i*sum(encoder(:,1:2)')')...
exp(i*sum(encoder(:,1:3)')')]；％exp(i*sum(encoder(:,1:4)')')]；
A＝inv(transpose(X)*X)*transpose(X)*P；
L＝abs(A)；
delta_q＝atan2(imag(A),real(A))；
delta_s1＝delta_q(2)；％torso adjustment
delta_s2＝delta_q(3)-delta_q(2)；％shoulder adjustment
delta_s3＝delta_q(4)-delta_q(3)；％elbow adjustment
％％delta_s4＝delta_q(5)-delta_q(4)；％wrist adjustment
％
L_error＝(L-[0；L1；L2；L3])*1000
offsets＝[delta_s1；delta_s2；delta_s3]*180/pi
L_error＝
1.4805
-0.1308
1.2454
0.2283
offsets＝
-0.2789
0.0432
0.4340
L和delta_s的这些值在应用代码的运动学中实现。出于测试的目的，应在控制器上命令相同或相似的运动曲线，但需要在运动学中进行调整。我们应该看到API数据现在准确地与控制器对机器人所在位置的感知保持一致。
应当注意，这里描绘和描述的示例性实施例阐述了本发明的优选实施例，并不意味着以任何方式限制本发明的范围。根据上述教导，本发明的多种修改和变化是可能的。
应当注意，这里描绘和描述的示例性实施例阐述了优选实施例，并且不意味着以任何方式限制权利要求的范围。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以不同于本文具体描述的方式实施。

Claims (35)

1.一种对关节式机器人进行示教的方法，所述方法包括：
在工作站内的第一位置处设置第一销；
在与所述工作站相邻的区域中设置关节式机器人，所述关节式机器人具有坐标系，所述关节式机器人具有臂部和被配置为相对于所述臂部枢转的端部执行器，所述端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器，所述端部执行器具有对射式传感器，所述对射式传感器包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的一者上的光发射器，所述对射式传感器还包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的另一者上的光接收器，所述对射式传感器被配置为感测对象何时出现在所述光发射器和所述光接收器之间；
移动所述关节式机器人以执行感测操作，在所述感测操作中，所述对射式传感器对所述第一销进行感测，在所述端部执行器的位置和/或取向针对所述第一销的每次感测而改变时，执行所述感测操作以收集感测位置和取向数据，所述感测操作被执行，使得随着所述关节式机器人将所述对射式传感器移过所述第一销而使所述端部执行器进行多次平行移动时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的不同距离处；和
对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定所述第一销相对于所述关节式机器人的坐标系的第一位置，
其中，所述多次平行移动包括：
使所述关节式机器人沿着第一路径在第一方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第一移动，当所述对射式传感器沿着所述第一路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第一距离处；
使所述关节式机器人沿着所述第一路径在第二方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第二移动，所述第二方向与所述第一方向相对，使得所述第二移动是所述第一移动的反向移动；
使所述关节式机器人沿着第二路径在第三方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第三移动，所述第二路径平行于所述第一路径，当所述对射式传感器沿着所述第二路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第二距离处，所述第二距离不同于所述第一距离。
2. 根据权利要求1所述的方法，
其中，所述端部执行器被配置为绕枢轴相对于所述臂部枢转，并且
其中，所述方法还包括对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于所述光发射器的光束的方向上延伸到所述枢轴的距离以及与所述光束相正交的方向相对于所述关节式机器人的坐标系的角度，所述角度包括所述端部执行器的角度误差。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述端部执行器的枢轴上设置光学目标，所述枢轴被配置为相对于所述臂部枢转；
将扫描装置设置在相对于所述关节式机器人的坐标系固定的位置处；
随着所述关节式机器人在运动范围内移动，使用所述扫描装置来测量所述光学目标的位置数据；和
对所述位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
将所述连杆长度存储在用于对所述机器人臂部的所述连杆进行旋转的马达的相应编码器上。
5. 根据权利要求1所述的方法，
其中，所述工作站具有在相对于所述第一销的所述第一位置的预定位置和取向处的工作位置，并且
其中，所述方法还包括使用所述第一销的所述第一位置来确定相对于所述关节式机器人的坐标系的所述工作位置。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，在水平面内，所述工作位置与所述第一销的所述第一位置重叠。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述关节式机器人包括：
基座，其安装在与所述工作站相邻的区域中；
臂部，其包括：
第一臂部构件，其绕第一枢轴枢转地安装到所述基座；
第二臂部构件，其绕第二枢轴枢转地安装到所述第一臂部构件；和
第三臂部构件，其绕第三枢轴枢转地安装到所述第二臂部构件；以及
端部执行器，其绕第四枢轴枢转地安装到所述第三臂部构件。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中，感测操作包括：
第一感测操作，在所述第一感测操作中，所述关节式机器人通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第一取向上以第一线性运动移过所述第一销；
第二感测操作，在所述第二感测操作中，所述关节式机器人通过所述端部执行器将所述对射式传感器在所述第一取向上以第二线性运动移过所述第一销；
所述第一线性运动和所述第二线性运动构成所述端部执行器的多次平行移动。
9. 根据权利要求8所述的方法，
其中，在所述第一感测操作中，当所述对射式传感器移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第一距离，并且
其中，在所述第二感测操作中，当所述对射式传感器移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第二距离，所述第二距离不同于所述第一距离。
10.根据权利要求8所述的方法，
其中，感测操作包括：
第三感测操作，在所述第三感测操作中，所述关节式机器人通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第二取向上以第三线性运动移过所述第一销，其中所述第二取向不同于所述第一取向；和
第四感测操作，在所述第四感测操作中，所述关节式机器人通过所述端部执行器将所述对射式传感器在所述第二取向上以第四线性运动移过所述第一销；
其中，所述第三线性运动和所述第四线性运动是所述端部执行器的平行线性移动，以及
其中，所述第三线性运动和所述第四线性运动与所述第一线性运动和第二线性运动不平行。
11.根据权利要求1所述的方法，
其中，移动所述关节式机器人以执行所述感测操作包括：
最初将所述端部执行器移动到所述第一销的预定大致位置；和
使所述端部执行器在所述第一销的所述预定大致位置周围的区域中移动，直到所述对射式传感器感测到所述第一销。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在工作站内的第二位置处设置第二销；
移动所述关节式机器人以执行另外的感测操作，在所述另外的感测操作中，所述对射式传感器感测所述第二销，当所述端部执行器的位置和/或取向针对所述第二销的每次感测而改变时执行所述另外的感测操作，以收集另外的感测位置和取向数据，所述另外的感测操作被执行，使得随着所述关节式机器人将所述对射式传感器移过所述第二销，所述第二销位于所述光发射器和所述光接收器之间的不同距离处；和
对所述另外的感测位置和取向数据执行计算，以确定所述第二销相对于所述关节式机器人的坐标系的所述第二位置。
13. 根据权利要求12所述的方法，
其中，所述工作站具有在相对于所述第一销的所述第一位置和所述第二销的所述第二位置的预定位置和取向处的工作位置，并且
其中，所述方法还包括使用所述第一销的所述第一位置和所述第二销的所述第二位置来确定相对于所述关节式机器人的坐标系的所述工作位置。
14. 根据权利要求1所述的方法，
其中，移动所述关节式机器人以执行二十个或更多个感测操作，并且
其中，对所述感测位置和取向数据执行计算包括对所述感测位置和取向数据执行回归分析。
15.根据权利要求14所述的方法，
其中，对所述感测位置和取向数据执行计算包括对所述感测位置和取向数据执行最小二乘近似和数值搜索，以确定所述第一销相对于所述关节式机器人的坐标系的所述第一位置。
16.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述感测操作通过如下两个方式来执行：
使所述端部执行器远离所述第一销移动，使得所述对射式传感器在第一方向上移过所述第一销；和
使所述端部执行器朝所述第一销移动，使得所述对射式传感器在与所述第一方向相反的第二方向上移过所述第一销，并且
其中，所述方法还包括使用通过使所述端部执行器远离所述第一销移动并且使所述端部执行器朝所述第一销移动而获得的所述感测位置和取向数据，来确定所述对射式传感器中的滞后误差。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述多次平行移动为所述端部执行器的多次平行线性移动。
18.一种关节式机器人，其包括：
臂部；
端部执行器，其被配置为相对于所述臂部枢转，所述端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器；
对射式传感器，其设置在所述端部执行器上，所述对射式传感器包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的一者上的光发射器，所述对射式传感器还包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的另一者上的光接收器，所述对射式传感器被配置为感测对象何时出现在所述光发射器和所述光接收器之间；以及
控制器，其包括定义所述关节式机器人的坐标系的至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而执行感测操作，在所述感测操作中，所述对射式传感器对第一销进行感测，所述第一销设置在工作站内的第一位置处，在所述端部执行器的位置和/或取向针对所述第一销的每次感测而改变时，执行所述感测操作以收集感测位置和取向数据，所述感测操作被执行，使得随着所述关节式机器人将所述对射式传感器移过所述第一销而使所述端部执行器进行多次平行移动时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的不同距离处，所述至少一个处理器被配置为对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定所述第一销相对于所述关节式机器人的坐标系的第一位置，
其中，所述多次平行移动包括：
使所述关节式机器人沿着第一路径在第一方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第一移动，当所述对射式传感器沿着所述第一路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第一距离处；
使所述关节式机器人沿着所述第一路径在第二方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第二移动，所述第二方向与所述第一方向相对，使得所述第二移动是所述第一移动的反向移动；
使所述关节式机器人沿着第二路径在第三方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第三移动，所述第二路径平行于所述第一路径，当所述对射式传感器沿着所述第二路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第二距离处，所述第二距离不同于所述第一距离。
19. 根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述端部执行器被配置为绕枢轴相对于所述臂部枢转，并且
其中，所述至少一个处理器还被配置为对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于所述光发射器的光束的方向上延伸到所述枢轴的距离以及与所述光束相正交的方向相对于所述关节式机器人的坐标系的角度，所述角度包括所述端部执行器的角度误差。
20. 根据权利要求18所述的关节式机器人，还包括：
光学目标，其设置在所述端部执行器的枢轴上，所述枢轴被配置为相对于所述臂部枢转；和
扫描装置，其位于相对于所述关节式机器人的坐标系固定的位置处，所述扫描装置被配置为随着所述关节式机器人在运动范围内移动，测量所述光学目标的位置数据，
其中，所述至少一个处理器还被配置为对所述位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
21.根据权利要求20所述的关节式机器人，其中，所述连杆长度存储在用于对所述机器人臂部的所述连杆进行旋转的所述一个或多个马达的相应编码器上。
22.根据权利要求18所述的关节式机器人，还包括：
基座，其安装在与所述工作站相邻的区域中，
其中，所述臂部包括：
第一臂部构件，其绕第一枢轴枢转地安装到所述基座；
第二臂部构件，其绕第二枢轴枢转地安装到所述第一臂部构件；和
第三臂部构件，其绕第三枢轴枢转地安装到所述第二臂部构件，并且
其中，所述端部执行器绕第四枢轴枢转地安装到所述第三臂部构件。
23.根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的所述一个或多个马达以移动所述关节式机器人，从而执行：
第一感测操作，在所述第一感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第一取向上以第一线性运动移过所述第一销；和
第二感测操作，在所述第二感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在所述第一取向上以第二线性运动移过所述第一销，
其中，在所述第一感测操作中，当所述对射式传感器移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第一距离，
其中，在所述第二感测操作中，当所述对射式传感器移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第二距离，所述第二距离不同于所述第一距离，并且
所述第一线性运动和所述第二线性运动构成所述端部执行器的多次平行移动。
24.根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的所述一个或多个马达以移动所述关节式机器人，从而执行：
第一感测操作，在所述第一感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第一取向上以第一线性运动移过所述第一销；和
第二感测操作，在所述第二感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在所述第一取向上以第二线性运动移过所述第一销，
第三感测操作，在所述第三感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第二取向上以第三线性运动移过所述第一销，其中所述第二取向不同于所述第一取向；和
第四感测操作，在所述第四感测操作中，通过所述端部执行器将所述对射式传感器在第二取向上以第四线性运动移过所述第一销，
其中，所述第一线性运动和所述第二线性运动构成所述端部执行器的多次平行移动；
其中，所述第三线性运动和所述第四线性运动是所述端部执行器的平行线性移动，以及
其中，所述第三线性运动和所述第四线性运动与所述第一线性运动和第二线性运动不平行。
25.根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的所述一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而执行另外的感测操作，在所述另外的感测操作中，所述对射式传感器感测第二销，所述第二销设置在所述工作站内的第二位置处，当所述端部执行器的位置和/或取向针对所述第二销的每次感测而改变时执行所述另外的感测操作，以收集另外的感测位置和取向数据，所述另外的感测操作被执行，使得随着所述关节式机器人将所述对射式传感器移过所述第二销，所述第二销位于所述光发射器和所述光接收器之间的不同距离处，所述至少一个处理器被配置为对所述另外的感测位置和取向数据执行计算，以确定所述第二销相对于所述关节式机器人的坐标系的所述第二位置，所述至少一个处理器被配置为使用所述第一销的所述第一位置和所述第二销的所述第二位置来确定相对于所述关节式机器人的坐标系的所述工作位置。
26. 根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而执行二十个或更多个感测操作，并且
其中，所述至少一个处理器被配置为对所述感测位置和取向数据执行回归分析。
27.根据权利要求26所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为对所述感测位置和取向数据执行最小二乘近似和数值搜索，以确定所述所述第一销相对于关节式机器人的坐标系的所述第一位置。
28.根据权利要求18所述的关节式机器人，
其中，所述至少一个处理器被配置为控制所述关节式机器人的一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而通过如下两个方式来执行所述感测操作：
使所述端部执行器远离所述第一销移动，使得所述对射式传感器在第一方向上移过所述第一销；和
使所述端部执行器朝所述第一销移动，使得所述对射式传感器在与所述第一方向相反的第二方向上移过所述第一销，并且
其中，所述至少一个处理器配置为使用通过使所述端部执行器远离所述第一销移动并且使所述端部执行器朝所述第一销移动而获得的所述感测位置和取向数据，来确定所述对射式传感器中的滞后误差。
29.根据权利要求18所述的关节式机器人，其中
所述多次平行移动为所述端部执行器的多次平行线性移动。
30.一种存储有程序的非暂时性计算机可读介质，当由一个或多个处理器执行时，所述程序使所述一个或多个处理器执行：
针对关节式机器人定义坐标系，所述关节式机器人包括：
臂部；
端部执行器，其被配置为相对于所述臂部枢转，所述端部执行器具有包括第一突出构件和第二突出构件的工件接收器；和
对射式传感器，其设置在所述端部执行器上，所述对射式传感器包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的一者上的光发射器，所述对射式传感器还包括设置在所述第一突出构件和所述第二突出构件中的另一者上的光接收器，所述对射式传感器被配置为感测对象何时出现在所述光发射器和所述光接收器之间；
控制所述关节式机器人的一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而执行感测操作，在所述感测操作中，所述对射式传感器对第一销进行感测，所述第一销设置在工作站内的第一位置处，在所述端部执行器的位置和/或取向针对所述第一销的每次感测而改变时，执行所述感测操作以收集感测位置和取向数据，所述感测操作被执行，使得随着所述关节式机器人将所述对射式传感器移过所述第一销而使所述端部执行器进行多次平行移动时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的不同距离处；和
对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定所述第一销相对于所述关节式机器人的坐标系的第一位置，
其中，所述多次平行移动包括：
使所述关节式机器人沿着第一路径在第一方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第一移动，当所述对射式传感器沿着所述第一路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第一距离处；
使所述关节式机器人沿着所述第一路径在第二方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第二移动，所述第二方向与所述第一方向相对，使得所述第二移动是所述第一移动的反向移动；
使所述关节式机器人沿着第二路径在第三方向上移动所述对射式传感器而使其完全越过所述第一销的第三移动，所述第二路径平行于所述第一路径，当所述对射式传感器沿着所述第二路径移过所述第一销时，所述第一销位于所述光发射器和所述光接收器之间的第二距离处，所述第二距离不同于所述第一距离。
31. 根据权利要求30所述的存储有程序的非暂时性计算机可读介质，
其中，所述端部执行器被配置为绕枢轴相对于所述臂部枢转，并且
其中，使所述一个或多个处理器对所述感测位置和取向数据执行计算，以确定在正交于所述光发射器的光束的方向上延伸到所述枢轴的距离以及与所述光束相正交的方向相对于所述关节式机器人的坐标系的角度，所述角度包括所述端部执行器的角度误差。
32.根据权利要求30所述的存储有程序的非暂时性计算机可读介质，
其中，光学目标设置在所述端部执行器的枢轴上，所述枢轴被配置为相对于所述臂部枢转，
其中，扫描装置设置在相对于所述关节式机器人的坐标系的固定位置处，所述扫描装置被配置为随着所述关节式机器人在运动范围内移动，来测量所述光学目标的位置数据，并且
其中，使所述一个或多个处理器对所述位置数据执行回归分析，以确定机器人臂部的连杆的连杆长度。
33.根据权利要求32所述的存储有程序的非暂时性计算机可读介质，其中，所述连杆长度存储在用于旋转所述机器人臂部的所述连杆的一个或多个马达的相应编码器上。
34. 根据权利要求30所述的存储有程序的非暂时性计算机可读介质，
其中，使所述一个或多个处理器控制所述关节式机器人的一个或多个马达以移动所述臂部和所述端部执行器，从而执行二十个或多个感测操作，并且
其中，使所述一个或多个处理器对所述感测位置和取向数据执行回归分析。
35.根据权利要求30所述的存储有程序的非暂时性计算机可读介质，其中
所述多次平行移动为所述端部执行器的多次平行线性移动。
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