坐标定位臂

本发明涉及坐标定位臂，比如关节型机器人或测量臂。

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。

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。

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”。

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。

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。

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。

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。

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-马夸尔特算法(Levenberg-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 ofCertain Non-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 AppliedMathematics)，2:164-168；以及“An Algorithm for Least-Squares Estimation ofNonlinear 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):431-441)。其他技术也是可能的，包括基于最大似然法的技术。

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。

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。

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。

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。

根据本发明的一方面，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。

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。

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。

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。

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驱动框架之间产生过度约束。当度量框架与驱动框架之间的约束多于需要(即，过度约束)时，这破坏了度量框架与驱动框架之间的分离。

度量轴线可以被布置成向度量框架提供不足的自由度，以使得对于驱动框架的每种构型，度量框架能够有多于一种构型。换句话说，度量轴线和驱动轴线可以相互布置，以便针对驱动框架的每种构型各提供度量框架的仅一种可能的构型。换句话说，对于驱动框架的每种可能的构型，度量框架优选地各存在仅一种可能的构型。这避免了在度量框架与驱动框架之间需要中间支撑或约束，以推动或引导度量框架进入几种可能的构型中的一种正确的构型，从而使得度量框架与驱动框架之间的分离能够被保持。

度量框架的度量轴线可以被布置成使得，对于驱动框架的每种可能的构型，度量轴线中不存在冗余(例如，在所有需要的自由度上实现和测量头端与底端之间的相对移动)。换句话说，度量轴线和驱动轴线可以被布置成使得驱动框架不存在其中度量框架的两条度量轴线对准的构型。这防止了度量框架中自由度的实际损失，这种损失会在度量框架与驱动框架之间产生附加约束，从而减少或破坏它们之间的分离和/或独立。

对于既具有相关联的一次度量轴线(用于测量与驱动轴线相关联的一次移动或有意移动)又具有相关联的二次级度量轴线(用于测量与驱动轴线相关联的二次移动或无意移动)的每条驱动轴线，二次度量轴线可以布置在一次度量轴线之前(以从底端到头端的串联顺序)。这有助于防止度量轴线的冗余，针对此点请见上文。

驱动框架可以包括不超过三条驱动轴线，并且度量框架可以包括不超过六条度量轴线。例如，驱动框架可以包括三条驱动轴线，并且度量框架可以包括六条度量轴线。具有相对少量的驱动轴线和相关联的度量轴线有助于驱动框架与度量框架之间的分离，这将在下面更详细地解释。

当声明度量框架与驱动框架基本上分离和/或独立时(或者度量框架和驱动框架相互布置并适于基本上彼此分离和/或独立)，这并不意指度量框架不会对驱动框架的构型变化做出反应。如上所述，驱动框架适于并被布置成使头端相对于底端移动，并且度量框架进而适于并被布置成测量头端相对于底端的位置和取向。底端和头端既不能被认为是度量框架本身的一部分，也不能被认为是驱动框架本身的一部分。因此，度量框架可以经由底端和头端联接到驱动框架(使得当驱动框架引起头端相对于底端移动时，这也使度量框架改变构型，其中根据度量轴线的测量用于确定头端相对于底端的位置和取向)，然而度量框架本身仍然可以被认为是与驱动框架本身基本上分离和/或独立的。

下面描述的其他特征也有助于保持度量框架与驱动框架之间的分离和/或独立。相对于已知的关节型机械臂，现在也将对这样做的技术益处进行更详细地说明。

为了解决先前考虑的关节型机械臂的上述缺点，并且为了提供一种可以受益于关节型机械臂的可到达距离和灵活性、但是还具有改进的精度和/或可重复性的坐标定位臂，本申请人已经认识到避免度量框架的移动(例如，挠曲移动或扭转移动)或避免在度量框架内的移动的重要性，这些移动不能通过一条或多条度量轴线的任何组合来实现。度量框架的这样的移动将不会被测量，因为实际上仅度量轴线本身被编码(测量)。如果度量框架和驱动框架可以被制造并以完全对准的方式联接在一起，并且在使用期间保持这种对准，则仅仅确保为每条驱动轴线提供度量轴线(并与之对准)就足够了，从而可以测量与每条驱动轴线相关联的移动。这些测量有效地提供了一组机器坐标，根据这些机器坐标可以确定头端相对于底端的位置和取向。

然而，本申请人已经认识到，实际上在制造过程中存在缺陷，并且在使用中，随着时间的推移，机器零件将倾向于缓慢移动至错位。另外，每个驱动接头将不可避免地具有与其相关联的自然游隙度，从而随着围绕一次驱动轴线的一次旋转，将不可避免地存在一些围绕正交轴线的二次(不利)旋转。此外，驱动框架和度量框架的每个段将具有标称(理想)长度，但是实际上实际长度可能不同于理想长度，并且可能归因于热膨胀和收缩而随着操作温度而变化。

特别地，本申请人已经意识到，这些非理想行为将倾向于在度量框架与驱动框架之间产生过度约束，其中度量框架倾向于“对抗”驱动框架，驱动框架试图将度量框架置于与度量框架的可用度量轴线不兼容的构型中。这进而将导致未被测量的度量框架的变形，这进而意味着度量结果(以及最终头端相对于底端的位置和取向的测量)将受到不利影响。

本申请人已经认识到，期望避免在驱动框架与度量框架之间、特别是在臂的头端与底端之间的中间位置处产生不必要的约束，US 20050166413 A1中就是这种情况，其中沿着臂的长度设置多个传动装置以便支撑内部测量结构。这些传动装置在内部测量结构与外骨架之间产生约束，本发明的实施例试图通过使度量框架与驱动框架基本上分离和/或独立来避免这种约束。US 4606696中披露的臂结构也是这种情况，其中内部测量梁必须支撑在底端与头端之间的中间位置处。此外，在US 20050166413A1中披露的臂的情况下，每条驱动轴线都设置有单条对应的测量轴线，这(从附图和下面的描述中显而易见)不足以防止内部测量结构与外骨架之间过度约束，特别是在接头处于90度的情况下。本发明的实施例试图避免这种情况。

通过采用与本发明的方面相关的以上或以下阐述的一个或多个特征，可以生产出精度优化的坐标定位臂，并且该坐标定位臂足够精确以例如作为坐标测量机器用于要求高的测量应用中，同时还受益于传统机械臂的灵活性和可到达距离。确保度量框架与驱动框架之间的分离还使得驱动框架能够以比正常情况下更低的成本构造，例如不需要在各种接头中设计同样多的刚度，因为单独的度量框架提供了头端相对于底端的直接测量，并且不会受到驱动框架中的任何不精确或缺陷的影响。

并且由于坐标定位臂的度量轴线是串联布置的，通过确保与驱动轴线相关联的任何二次度量轴线被布置在该驱动轴线的对应一次度量轴线之前(从底端到头端的串联顺序)，当臂的头端围绕驱动轴线旋转时，这确保了二次度量轴线的取向不改变(因为它出现在度量框架的头端将围绕其旋转的一次度量轴线之前)。这进而确保了二次度量轴线不会由于驱动框架的构型的这种变化而与另一条度量轴线对准，从而避免导致度量轴线的实际损失和可能在度量框架与驱动框架之间产生的不期望的约束(以及随之而来的度量框架的不可测量的挠曲)。下面将进一步讨论这种构思、以及可以进一步用于提高坐标定位臂的性能和精度的其他有利特征。

度量框架可以包括多个度量接头，每个度量接头包括度量框架的至少一条度量轴线。至少一个横向度量接头(对应于横向驱动接头)可以包括度量轴线，该度量轴线(为度量接头)提供一次旋转自由度和二次旋转自由度，其中一次旋转自由度与对应的横向驱动轴线(即，对应的驱动接头的驱动轴线)基本上对准，并且串联布置在二次旋转自由度之后(按照从底端到头端的顺序)。

这样的度量接头是有利的，因为它提供了两个旋转自由度，其中一个旋转自由度用于测量与驱动轴线相关联的一次旋转(即，有意旋转)，并且其中另一个旋转自由度用于测量与驱动轴线相关联的二次旋转(即，无意旋转)。此外，归因于度量框架内这两个自由度的特定串联排序，即使上方的度量框架围绕一次轴线旋转，二次轴线的取向(相对于其下方的度量框架)也得以保持。这有助于确保度量轴线在臂的使用期间的任何时候都不会对准。当度量轴线变得对准时，这产生了冗余的度量轴线，这使得度量框架没有足够的自由度(或灵活性)来处理驱动框架的所有可能的运动(有意的和无意的)，并引起度量框架与驱动框架之间的过度约束。同样如上所述，这样的过度约束会导致度量框架的构型发生变化，这些变化不会记录在度量结果中，从而导致臂的头端相对于底端的位置和取向的确定不准确。本发明的实施例试图避免这种情况。

驱动框架可以包括(正好)三条串联布置在底端与头端之间的旋转驱动轴线，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。度量轴线可以为度量框架提供(正好)三个一次旋转自由度(分别与三条驱动轴线相关联)、为度量框架提供(正好)两个二次旋转自由度(分别与两条横向驱动轴线相关联)、以及为度量框架提供(正好)一个二次线性自由度(至少不直接与任何驱动轴线相关联)。

例如，与典型的关节型机器人相比，具有相对少数量的旋转驱动轴线极大地简化了坐标定位臂的校准，并且使得该臂能够在精度上得到优化。通过具有更少的驱动轴线，这也使得度量框架类似地具有更少的轴线。此外，通过具有更少的驱动轴线，可以具有自支撑式度量框架，即仅在底端和头端处支撑而没有任何中间支撑(或可忽略的中间支撑)。在这方面，在臂具有例如七条旋转驱动轴线(这是常见的)的情况下，为了测量所有七条驱动轴线，必须存在至少七条度量轴线。但是具有七条旋转度量轴线意味着驱动框架必须将度量框架支撑在中间位置，否则度量框架将在不同的可能构型之间翻转。这不仅会导致度量框架与驱动框架之间冲突，而且即使没有冲突，本申请人也已经认识到，对于驱动框架的相同位置，度量框架具有多种可能的解决方案是有问题的，因为这些度量解决方案中的每种度量解决方案都需要被校准，并且不能预先预测驱动框架的任何特定位置将会采用两种可能的度量解决方案中的哪一种。相应地，本申请人已经认识到，存在与限制坐标定位臂中驱动轴线的数量相关联的许多优点；如果需要另外的驱动轴线，则可以将几个这些“核心”单元连在一起，其中每个单元以及复合结构都具有本发明的益处。

度量轴线可以(共同地)被布置成为度量框架提供以下特征中的一个或多个特征，优选地，对于驱动框架的每种(或任何)可能的构型，或者驱动框架的可能构型的至少一个子集，例如包括在正常使用期间通常或可能合理使用的驱动框架的那些构型的子集(包括其中至少一些(例如所有)横向驱动轴线处于180度并且其中至少一些(例如所有)横向驱动轴线处于90度的构型)：

(a)足够的自由度以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束(对于驱动框架的那种构型)；

(b)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(对于驱动框架的那种构型，除了驱动轴线本身已经提供的约束之外)；以及

(c)自由度不足，无法为度量框架提供(或允许或启用)多于一种可能构型(即，针对驱动框架的那种构型，度量框架仅存在唯一的解决方案或构型)。

对于驱动框架的每种可能的构型，度量框架的度量轴线优选地基本上不存在冗余。换句话说，每条度量轴线不与任何其他度量轴线或任何其他度量轴线的组合对准(或不会变得对准)。由此，不存在冗余的度量轴线，或者度量轴线中不存在冗余。度量轴线和驱动轴线优选地被布置成使得驱动框架不存在其中度量框架的两条或多条旋转度量轴线对准的构型。

度量框架可以基本上仅在底端和头端处联接到驱动框架(或由驱动框架支撑或相对于驱动框架受到约束)。这避免了在底端与头端之间产生中间约束，否则会在底端与头端之间为驱动框架提供附加约束，从而避免了在度量框架与驱动框架之间产生过度约束。这也适用于基本上仅在臂移动时才实际起作用的中间约束(即动态约束而非静态约束)。

度量框架可以包括多个度量接头，每个度量接头包括度量框架的至少一条度量轴线。每条驱动轴线可以设置有对应的一个度量接头(或与其相关联)。

每个度量接头的至少一条度量轴线(对应于驱动轴线或与其相关联)可以(为度量接头)提供与对应驱动轴线(即，对应的驱动接头的驱动轴线)基本上对准的一次自由度。

至少一个(优选地每个)横向度量接头(即，对应于横向驱动轴线或与其相关联的度量接头)优选地包括度量轴线，这些度量轴线(为横向度量接头)提供一次旋转自由度和二次旋转自由度，其中一次旋转自由度与对应的驱动轴线(即，对应的驱动接头的驱动轴线)基本上对准。

一次旋转自由度(或一次旋转轴线)可以在二次旋转自由度(或二次旋转轴线)之后(沿从底端到头端的方向)串联布置。

二次旋转自由度(或二次旋转轴线)的取向对于(度量框架的)围绕一次旋转自由度(或一次旋转轴线)的旋转可以是基本上不变的。

一次旋转自由度(或一次旋转轴线)的取向可以随着(度量框架的)围绕二次旋转自由度(或二次旋转轴线)的旋转而变化。

一次旋转角度和二次旋转角度可以分别由一次旋转度量轴线和二次旋转度量轴线提供。

一次旋转度量轴线和二次旋转度量轴线可以基本上相交(或者可以彼此偏移)。

一次旋转度量轴线和二次旋转度量轴线可以由万向接头、卡登接头(Cardanjoint)或虎克接头(Hooke joint)提供。

一次旋转度量轴线和二次旋转度量轴线可以分别由第一旋转编码器和第二旋转编码器编码。

二次旋转自由度(或二次旋转轴线)可以基本上正交于一次旋转自由度(或一次旋转轴线)。

二次旋转自由度(或二次旋转轴线)可以基本上正交于度量框架的从下方(即，沿从底端朝向度量接头的方向)连接到度量接头的段的纵向轴线。

段替代地可以被称为连杆或支柱。

一次旋转自由度可以(适于或被设置)用于测量一次旋转，并且二次旋转自由度可以(适于或被设置)用于测量比一次旋转小(例如至少小一个数量级)的二次旋转。

对于至少一个横向度量接头，在那个度量接头之前(沿从底端到头端的方向)(串联)布置的(在该系列度量轴线中的)一条或多条度量轴线可以为度量接头提供三次旋转自由度。

提供三次旋转自由度的一条或多条度量轴线中的至少一条度量轴线可以形成另一横向度量接头的一部分。

每个横向度量接头可以因此设置有三次旋转自由度。

度量框架的围绕一次旋转自由度移动的段可以一直在二次旋转自由度或三次旋转自由度的45度内。

绕一次旋转自由度移动的度量框架的段，绕其纵向轴线而绕一次旋转自由度可旋转任何旋转角度，而归因于(取决于该旋转角度的)二次旋转自由度或三次旋转自由度或这些旋转自由度的组合。

度量框架可以包括不与任何特定驱动轴线相关联或对应(至少直接对应)的另外的度量接头。

另外的度量接头可以布置在两条横向旋转度量接头之间。

至少一个另外的度量接头可以包括一条或多条度量轴线，该一条或多条度量轴线(共同地)(为度量接头)提供线性自由度。线性自由度可以是二次自由度。

另外的度量接头的一条或多条度量轴线可以包括线性度量轴线。

另外的度量接头的一条或多条度量轴线可以包括旋转度量轴线的组合，这些旋转度量轴线的组合被布置成基本上等同于线性度量轴线(至少对于沿着线性自由度的小的相对移动)。

线性自由度可以由两条(或至少两条)旋转度量轴线提供。

应注意，线性自由度并不意指相对移动以线性方式被约束，而仅仅意味着相对移动以线性方式被允许(并且利用相关联的编码器，可以测量这样的以线性方式的相对移动)。

度量框架的一次自由度(或轴线)可以(适于或被设置)用于测量驱动框架的一次(或有意的或理想)移动，并且其中，度量框架的二次(或三次)自由度(或轴线)可以(适于或被设置)用于测量驱动框架的二次(或无意或非理想)移动，这些二次移动小于一次移动。

二次移动可以比一次移动小至少一个数量级。

二次移动可以比一次移动小至少十个数量级。

二次移动可以比一次移动小至少100个数量级。

底端和头端处的度量框架与驱动框架之间的联接件可以位于串联系列中的最后一个驱动轴线之后和串联系列中的第一驱动轴线之前。

在底端和头端处的度量框架与驱动框架之间的联接件可以是刚性联接件。

度量框架可以基本上仅在底端和头端处联接到驱动框架。

头端可以适于接收和携带操作工具(例如，夹持器或焊接工具或探针头或测量探针)。为此目的，头端可以包括一个或多个联接特征，该一个或多个联接特征适于与操作工具上设置的对应的一个或多个联接特征相联接。操作工具可以被认为是旨在由坐标定位臂定位的工具。在这方面，通常不旨在让坐标定位臂孤立地存在，仅仅是为了相对于底端定位头端而没有任何其他目的，而是通常旨在将某个工具或其他工具附接到头端(要由臂定位)，使得臂可以使用工具执行有用的任务。

实施本发明的坐标定位臂本身被认为是功能(或工作或可用或整体或独立)实体，而不仅仅是较长坐标定位臂的任意区段或一部分(例如，它不仅仅是具有七条轴线的臂内的任意三条轴线)。从较长的臂中任意选择轴线不能被认为是像坐标定位臂一样是功能性的。

根据本发明实施例的坐标定位臂可以可移除地联接到另一结构，而基本上不影响其作为坐标定位臂的功能。可以认为该臂本身是独立存在的。可以说明，坐标定位臂(其度量框架和驱动框架)除了具有所提到的多条度量轴线或驱动轴线之外，没有其他度量轴线或驱动轴线(串联布置在底端与头端之间)。

头端可以可移除地联接到另一结构(可以具有用于可拆卸地联接到该结构的联接件)，该结构是比如操作工具(例如，夹持器或焊接工具或测量探针)；并且底端可以可移除地联接到另一结构(可以具有用于可移除地联接到该结构的联接件)，该结构是比如机器的固定底座。

两个或更多个这样的坐标定位臂也可以联接在一起(例如一个臂的底端联接到另一臂的头端)以形成更长的复合坐标定位臂；但是即使在这种情况下，每个臂在功能上独立于其他臂。可以认为坐标定位臂在这个背景下包括通常作为一个组而不是彼此单独地校准的所有那些接头或轴线。

术语“可移除地联接”可以被认为是指除了在臂的组装或拆卸或制造期间、在臂的正常操作使用中或作为常规操作的一部分容易地附接到臂上和从臂上拆下/分离。在组装或拆卸的过程期间，还不能说臂是完全起作用的。

有利地(对于驱动框架的每种构型)，度量框架的构型由驱动框架的构型以及度量框架与驱动框架之间在底端和头端处的联接件来决定(或可由其决定)(例如，基本上仅由驱动框架的构型来决定)(并且优选地，没有中间约束来推动度量框架成为两种或更多种不同的可能构型中的特定一种构型)。

度量框架可以在底端和头端处联接到驱动框架，其联接方式对头端相对于底端的位置和取向的测量有影响。

底端不一定位于坐标定位臂的实际底部(或其他这样的末端)。底端可以与坐标定位臂的远端间隔开。可以认为底端包括在多条轴线的第一(驱动和/或度量)轴线之前的任何部分。坐标定位臂(其驱动框架)可以没有串联布置在底端之前的驱动轴线。坐标定位臂(其度量框架)在底端之前可以没有串联布置的度量轴线。底端可以替代地和/或等同地被称为底构件。

头端不一定位于坐标定位臂的实际头部(或其他这样的末端)。头端可以与坐标定位臂的远端间隔开。可以认为头端包括在多条轴线的最后(驱动和/或度量)轴线之后的任何部分。坐标定位臂可以不具有串联在头端之后的驱动轴线和/或度量轴线。坐标定位臂(其驱动框架)可以不具有串联布置在头端之后的驱动轴线。坐标定位臂(其度量框架)可以不具有串联布置在头端之后的度量轴线。头端可以替代地和/或等同地被称为头部构件。

除了提到的多条度量轴线之外，坐标定位臂(其度量框架)可以没有度量轴线(串联布置在底端与头端之间)。换句话说，坐标定位臂可以不具有串联布置在多条度量轴线中最靠近头端的度量轴线之后或多条度量轴线中最靠近底端的度量轴线之前的度量轴线。除了提到的多条驱动轴线之外，坐标定位臂(其驱动框架)可以没有驱动轴线(串联布置在底端与头端之间)。换句话说，坐标定位臂可以不具有串联布置在多条驱动轴线中最靠近头端的驱动轴线之后或多条驱动轴线中最靠近底端的驱动轴线之前的驱动轴线。

多条轴线可以被认为包括与臂的接头或部分相对应的任何轴线，当校准坐标定位臂时，这些接头或部分通常被一起校准。

驱动框架可以包括(例如仅包括)旋转驱动轴线。

驱动框架可以包括不超过三条旋转驱动轴线。

驱动框架可以包括正好三条旋转驱动轴线。

驱动框架可以包括两条横向旋转驱动轴线和一条直列旋转驱动轴线。

考虑包括三条旋转驱动轴线的示例驱动框架，其中两条是横向旋转驱动轴线，而另一条是直列旋转驱动轴线。利用这样的驱动框架，度量框架可以包括提供三个一次旋转自由度(分别与三条驱动轴线相关联)、两个二次旋转自由度(分别与两条横向驱动轴线相关联)和一个二次线性自由度(至少不直接与任何驱动轴线相关联)的度量轴线。

直列旋转驱动轴线可以布置在横向旋转驱动轴线之前(从底端到头端的串联顺序)。

每条驱动轴线可以在驱动框架的两个连接段(作为驱动接头的一部分)之间提供相对旋转运动。

自由度(由度量轴线提供)可以包括分别与多条驱动轴线(例如，对于驱动框架的每种可能的构型)基本上重合(或对准)的多个自由度，用于测量与驱动轴线相关联的移动。

度量轴线和驱动轴线可以被布置成使得对于驱动框架不存在度量框架的两条(旋转)度量轴线对准(或变得对准)的构型(或者至少没有在坐标定位臂的正常使用中可以合理采用的构型)。至少在这个背景下，当两条(旋转)轴线基本上沿着同一条线布置(或者基本上重合或共线)而不仅仅是彼此平行时，这两条轴线可以被认为是对准的。至少在这个背景下，当线性度量轴线由旋转轴线的组合提供时，构成线性度量轴线的旋转轴线不被认为是旋转度量轴线(而是构成线性度量轴线的旋转轴线)。

度量框架可以基本上(或主要地)容纳或定位或配合在驱动框架内(或基本上或主要地由驱动框架围封)。

可以使用编码器对度量轴线进行编码。

可以使用绝对编码器对度量轴线进行编码。

度量框架可以用于在六个自由度上测量(被布置和/或适于测量)头端相对于底端的位置和取向。

多条度量轴线的数量可以足以在六个自由度上测量头端相对于底端的位置和取向。

多条度量轴线可以被布置和/或适于在六个自由度上测量头端相对于底端的位置和取向。

度量轴线可以被认为是度量框架的轴线，其有助于(以有意义或实质性的方式)测量头端相对于底端的位置和取向。

度量框架可以包括六条(或不超过六条)度量轴线。

驱动框架可以包括三条(或不超过三条)驱动轴线。

度量框架可以包括等于(或不大于)自由度数量的多条度量轴线，其中度量框架适于测量头端相对于底端的位置和取向。

度量框架可以基本上仅在头端和底端处接触驱动框架。

度量框架的构型可能基本上仅受到头端处的驱动框架与度量框架之间的联接件以及底端处的驱动框架与度量框架之间的联接件的影响或被其影响。

操作工具可以可联接(或联接)到头端。

对于驱动框架的每种构型，度量框架可以各仅具有一种解决方案(或构型)。对于头端相对于底端的每个位置，度量框架可以各仅具有一种解决方案。对于头端相对于底端的每个位置，驱动框架也可以各仅具有一种解决方案。通过确保对于每种驱动构型各仅存在单一的度量构型，对于头端相对于底端的任何位置，不需要中间约束(在头端和底端之间)以便促使度量框架进入正确的构型或将度量框架固持在正确的构型；取而代之，当臂以可预测的方式四处移动时，度量构型自然地遵循驱动构型(由其决定)。这使得度量框架除了在底端和头端处之外完全或基本上不受支撑。

坐标定位臂可以是坐标测量臂。

表面感测装置(例如，测量探针)可以联接到头端。任何类型的坐标测量装置都可以联接到头端，以使坐标定位臂充当坐标测量臂。感测装置可以是接触式或非接触式的。示例包括接触触发式探针、扫描探针和光学探针。表面感测装置可以经由(预校准的)探针头联接到头端，使得探针头本身联接到头端，表面感测装置联接到探针头。探针头可以是两轴探针头或三轴探针头。

优选地，在头端与表面感测装置之间不存在不可测量的驱动轴线或驱动自由度。

两个段之间的横向旋转接头可以被认为是具有旋转轴线的旋转接头，该旋转轴线横向于(或垂直于)两个连接段的相应纵向轴线。在横向旋转接头的情况下，段(或它们相应的纵向轴线)可以相对于彼此改变取向，其中一个段能够采取横向于另一个段的取向。接头可以被认为具有输入(例如驱动)段和输出(例如从动)段。在横向旋转接头的情况下，输入段和输出段可围绕接头的横向(垂直)旋转轴线相对旋转。

两个段之间的直列旋转接头可以被认为是其旋转轴线与两个连接段的相应纵向轴线成一直线(或平行或同轴)的旋转接头。使用直列旋转接头时，这些段是同轴的并且保持彼此同轴。接头可以被认为具有输入(例如驱动)段和输出(例如从动)段，并且在直列式旋转接头7的情况下，接头的输入段和输出段轴向地对准并且可围绕它们的共同轴线相对旋转。直列旋转接头也可以被称为轴向旋转接头或同轴旋转接头。

度量轴线可以被认为是与驱动轴线分离和/或独立于驱动轴线、特别是没有联接到驱动轴线。除了在底端和头端处之外，度量框架和驱动框架可以是基本上彼此分离的和/或机械地隔离的。度量框架可以基本上仅在底端和头端处联接到驱动框架。除了在底端和头端处之外，度量框架可以基本上不受驱动框架支撑。

在这方面，优选的是，度量框架的大部分重量被支撑在底端和头端，而其余重量(一小部分)被支撑在底端与头端之间的中间点。考虑到相对于重力的相对取向，这种支撑如何在底端与头端之间分布将取决于坐标定位臂所采用的特定构型或姿势。优选地，度量框架的至少80％的重量被支撑在底端和头端。优选地，度量框架的至少90％的重量被支撑在底端和头端。优选地，度量框架的至少95％的重量被支撑在底端和头端。优选地，度量框架的至少99％的重量被支撑在底端和头端。优选地，度量框架的至少99.9％的重量被支撑在底端和头端。优选地，度量框架的所有重量都被支撑在底端和头端。由于底端和头端支撑的重量(与底端与头端之间任何中间点支撑的重量相比)通常会取决于驱动构型(姿势)而变化，因此可以认为以上条件适用于：(a)每种可能的驱动构型；(b)“最坏情况”驱动构型，其中最大重量由中间点支撑，而最小重量由底端和头端支撑；或者(c)多个代表性驱动构型的平均值或一些其他类似的测量值。对于任何特定的臂，通过测量可以容易地确定是否满足相关条件。

优选的是，在底端与头端之间的任何(一个或多个)中间位置，驱动框架与度量框架之间的联接强度或(静态或动态)力的测量值至少比底端与头端所需的联接强度或力小一个数量级(更优选地小5个数量级、更优选地小10个数量级、更优选地小100个数量级)。

优选的是，(底端与头端之间)任何中间支撑的存在(或者替代地，其移除)对来自度量框架的任何或每条度量轴线或与其相关联的测量或测量信号的影响不明显，和/或对头端或头端上的点相对于底端的位置和取向(例如，x、y和z处的位置)的代表性测量值的影响不明显。影响不明显是指优选地影响(或变化)不超过5％，更优选地不超过1％、更优选地不超过0.5％、更优选地不超过0.1％、更优选地不超过0.01％、更优选地不超过0.001％。通过比较来自每个度量编码器(与每条度量轴线相关联)的度量信号，可以容易地确定在具有和不具有中间支撑的情况下的影响。同样，可以认为以上条件适用于：(a)每种可能的驱动构型；(b)“最坏情况”的驱动构型；或者(c)多个代表性驱动构型的平均值或一些其他类似的测量值。

应该理解，在本发明的实施例中，本文中对度量框架和驱动框架如何相互适应以具有某些期望的特性的描述适用于坐标定位臂在使用中并且度量框架是有效的并提供操作测量值的情况。换句话说，当臂处于有效状态时，所陈述的特性适用，度量框架提供头端相对于底端的操作测量值。当然，当不提供或不使用测量值时，在度量框架与驱动框架之间存在附加约束是可能的，因为度量框架变形并且不提供头端相对于底端的位置和取向的真实或精确的测量值是无关紧要的。这样的坐标定位臂(仅在不操作或不有效使用时才具有附加约束)仍然被认为落在所附权利要求中阐述的本发明的范围内。同样地，所附权利要求中阐述的特性仅需要适用于驱动框架的典型工作构型，例如，其中直接或间接联接到头端的操作工具(例如，测量探针)在机器的正常工作容积内，并且不需要适用于臂的实际上不会使用的其他构型或姿势。

度量框架和驱动框架可以被认为相对于彼此过度约束，其中，对于驱动框架的特定构型，度量框架与驱动框架之间的约束(例如，在底端和头端的刚性联接件)试图推动度量框架进入它不能到达的构型(归因于具有的自由度不足)。这引起度量框架与驱动框架“对抗”的情况，因为度量框架可用的自由度正试图将度量框架置于与驱动框架试图推动度量框架进入的构型不同的构型中。这导致度量框架经受应力，例如在不应该弯折或扭转的位置弯折或扭转。这进而意味着度量结果将不会提供驱动框架的位置和取向的真实表示，因为度量框架发生未被测量的移动(例如，弯折)(因为不存在出现不利弯折的对应的度量轴线)。

替代地，当度量框架(其存在)在底端与头端之间基本上不提供驱动框架的(附加)约束(除了驱动框架本身已经提供的约束之外)时，可以认为已经避免了过度约束。在这方面，头端相对于底端被驱动框架约束，头端被约束为根据驱动框架的驱动轴线提供的自由度相对于底端移动。在本发明的实施例中，度量框架不会在底端与头端之间产生任何附加约束，使得驱动框架可以基本上就好像度量框架根本不存在一样地移动。例如，如果在底端与头端之间附接一根细绳，就会出现这种情况，因为一根细绳具有如此多的可用自由度，以至于它的存在实际上不会产生附加约束。

因此，在声明或说明了度量轴线为度量框架提供足够的自由度以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束的情况下，这可以替代地解读为度量轴线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(或产生或基本上不提供附加约束)(除了驱动框架的驱动轴线已经提供的约束之外)。

坐标定位臂的“头端”可以被认为是一系列驱动轴线中超出最后驱动轴线的任何部分，即经由最后驱动轴线驱动的任何部分。类似地，坐标定位臂的“底端”可以被认为是在一系列驱动轴线中的第一驱动轴线之前的任何部分。换句话说，坐标定位臂的“端”不一定是指臂的超出其之外没有任何东西的最末端，这尤其是因为头端可能具有附接到其上的操作工具，该操作工具也可以被认为是形成使用中的臂的一部分。在两个或更多个这样的坐标定位臂串联连接以形成复合臂的情况下，复合臂的每个组成臂具有底端和头端，复合臂本身也是如此。当声明度量框架基本上仅在底端和头端处联接到驱动框架时，联接件可以在最后驱动轴线之后(对于头端)的任何地方和第一驱动轴线之前(对于底端)的任何地方，注意，仅当驱动轴线可以影响头端相对于底端的位置和取向时，该驱动轴线才被认为是驱动轴线(即，该驱动轴线不包括位于相关臂的头端之后或底端之前的冗余轴线，但是可以存在如上所述串联连接的另外的臂)。术语“头端”和“底端”可以替代性地分别被称为“第一部分”和“第二部分”，或者分别被称为“头部构件”和“底部构件”，以便不意指它们位于臂的正头部或正底部。

驱动框架可以替代地被称为驱动布置。度量框架可以替代地被称为度量布置。

驱动轴线可以被认为充当对底端与头端之间的相对运动的约束。当声明旋转自由度与另一条轴线基本上对准时，意味着旋转自由度的旋转轴线基本上与该另一条轴线对准。横向旋转度量接头是对应于横向旋转驱动轴线的接头。

横向旋转轴线可以被认为是旋转轴线横向于(通常正交于)由旋转轴线连接的段。直列旋转轴线可以被认为是旋转轴线与由旋转轴线连接的段基本上成一直线。

驱动框架的“构型”可以可替代地称为驱动框架的“姿势”或“布置”或“状态”。该构型由驱动框架的每条驱动轴线的状态(即，驱动框架(即，由相关驱动轴线连接的段)围绕每条驱动轴线(包括直列驱动轴线)的旋转角度)来限定或表征。因此，驱动框架的构型可以被认为包括与驱动框架的驱动轴线相关联的一组旋转角度。驱动框架的构型可以比作机器坐标，这是坐标测量机器中的常见构思。同样的考虑等同地适用于度量框架的“构型”。

度量框架的一次轴线(或一次自由度)旨在测量驱动框架通常预期的主要或有意移动，即由使驱动轴线致动或驱动而引起的移动。不可避免地，归因于制造容差和(例如，轴线对准的)不精确性以及归因于操作中出现的变型(例如由于热膨胀或收缩或机械负载)，在驱动框架中也会存在无意的或不期望的移动。度量框架的二次轴线(或二次自由度)(无论它们是旋转的还是组合的，或者旋转的和线性的)旨在测量驱动框架的这些无意移动。一次移动通常至少比对应的二次移动大一个数量级，或者甚至大十个数量级。

根据本发明的另一方面，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；其中，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(其充当对轴线底端与头端之间的相对运动的约束)；其中，度量框架包括串联布置在底端与头端之间的(分离的或独立的)多条度量轴线；其中，度量框架在底端与头端处联接到驱动框架；其中(对于驱动框架的每种可能的构型)，度量轴线(共同地)为度量框架提供足够的(或所需的)自由度，以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束(或避免在底端与头端之间对驱动框架产生例如除了驱动轴线本身已经提供的约束之外的附加约束)；并且其中(对于驱动框架的每种可能的构型)，度量框架的构型由驱动框架的构型以及度量框架与驱动框架之间在底端和头端处的联接件来决定(或可由其决定)(基本上仅由驱动框架的构型来决定)(没有中间约束来推动度量框架成为两种或更多种不同的可能构型中的特定一种构型)。

根据本发明的另一方面，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，并且度量框架包括串联(分离地)布置在底端与头端之间的多条度量轴线。驱动轴线可以被认为充当(或提供)对底端与头端之间的相对运动的约束。对于驱动框架的每种构型(或姿势或布置)，度量轴线(共同地)为度量框架提供(或被布置为提供)足够的自由度，以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束。换句话说，对于驱动框架的每种构型(或姿势或布置)，度量轴线(共同地)为度量框架提供(或被布置为提供)足够的自由度，以避免(产生)驱动框架在底端与头端之间的附加约束(除了驱动轴线本身已经提供的约束)。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：第一部分和第二部分；驱动框架，该驱动框架用于使第一部分相对于第二部分移动；以及度量框架，该度量框架用于测量第一部分相对于第二部分的位置和取向；其中，驱动框架包括串联布置在第一部分与第二部分之间的多条驱动轴线；其中，度量框架包括串联布置在第一部分与第二部分之间的(分离的或独立的)多条度量轴线；其中，度量轴线(共同地)为度量框架提供足够的(或所需的)自由度，以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束；并且其中，度量框架的构型由驱动框架的构型以及在第一部分和第二部分处度量框架与驱动框架之间(基本上仅)的联接件来确定(或可由其确定)。

根据本发明的另一方面，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，该驱动框架包括串联布置的多条驱动轴线(其中每条驱动轴线有助于头端相对于底端的位置和取向)；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(在六个自由度上)，该度量框架包括串联布置的多条度量轴线(其中每条度量轴线有助于测量头端相对于底端的位置和取向)；并且其中，度量框架基本上仅在底端和头端处联接到驱动框架(以对头端相对于底端的位置和取向的测量值有影响的方式)；并且其中(对于驱动框架的每种可能的构型或姿势或布置)，度量轴线(共同地)为度量框架提供自由度，这些自由度足以避免(产生)度量框架与驱动框架之间的过度约束，但是不足以为度量框架提供多于一种可能的构型或姿势或布置。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：驱动框架，该驱动框架具有多个旋转接头，该多个旋转接头中的至少一个旋转接头是横向旋转接头；以及分离的度量框架，该度量框架具有分别对应于多个旋转接头的多个度量接头，其中对应于横向旋转接头的度量接头具有彼此正交的旋转长轴和旋转短轴，旋转长轴与横向旋转接头的旋转轴线基本上对准，并且用于测量横向旋转接头的旋转，并且短轴用于测量横向旋转接头的无意旋转，其中短轴的取向对于围绕长轴的旋转是不变的。

根据本发明的另一方面，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；其中，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；并且其中，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。每条驱动轴线具有对应的一次度量轴线(用于测量与该驱动轴线相关联的一次运动或有意运动)，并且至少一条(优选地每条)(横向)旋转驱动轴线(除了从底端开始串联的第一旋转驱动轴线)也具有至少一条对应的二次度量轴线(用于测量与该驱动轴线相关联的二次运动或无意运动)，其中，该或每条二次度量轴线以从底端到头端的串联顺序布置在对应的一次度量轴线之前(使得头端围绕驱动轴线的旋转不影响该或每条二次度量轴线的取向，从而避免驱动框架的某些构型的度量轴线的冗余)。一次度量轴线和二次度量轴线中的该或每条二次度量轴线可以基本上彼此正交。一次度量轴线和二次度量轴线可以基本上相交。二次度量轴线中的至少一条二次度量轴线可以由度量轴线的组合形成。二次度量轴线中的至少一条二次度量轴线可以由与另一条驱动轴线相关联的一次度量轴线形成，或者由包括这样的一次度量轴线的组合形成。

根据本发明的另一方面，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；其中，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；其中，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；其中，度量轴线(共同地)为每条(横向)旋转驱动轴线(除了第一旋转驱动轴线)(或相关联的驱动接头)提供三个正交旋转自由度(在度量框架中)，包括一次自由度(该一次自由度的度量轴线或每条度量轴线对应于驱动轴线或与其对准)、以及两个另外的自由度，两个另外的自由度的度量轴线布置在一次自由度的该或每条轴线之前(从底端到头端的串联顺序)，并且优选地，其中一个自由度的度量轴线或每个度量轴线与串联中更靠下的旋转驱动轴线相关联(如果有的话)。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：底端和头端；驱动布置，该驱动布置用于使头端相对于底端移动；度量布置，该度量布置用于测量头端相对于底端的位置和取向(在六个自由度上)；其中，驱动布置包括串联布置的多条驱动轴线(每条驱动轴线有助于头端相对于底端的位置和取向)；其中，度量布置包括串联布置的多条度量轴线(每条度量轴线有助于测量头端相对于底端的位置和取向)；其中，度量布置基本上仅在底端和头端处联接到驱动布置(以对头端相对于底端的位置和取向的测量有影响的方式)；其中，度量轴线(为度量布置)提供了足够的自由度(在数量和/或类型和/或取向上)以避免(产生)度量布置与驱动布置之间的过度约束，但不足以(在数量和/或类型和/或取向上)为驱动布置的每种构型提供度量布置的多于一种的可能构型(不使用底端与头端之间度量布置与驱动布置之间的约束)。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：驱动布置，该驱动布置用于使臂的头端相对于臂的底端移动；度量布置，该度量布置用于测量头端相对于底端的位置和取向；其中，驱动布置包括串联布置在头端与底端之间的多条旋转轴线；其中，度量布置包括串联布置在头端与底端之间的多条旋转轴线；其中，对于每条驱动轴线，存在相关联的度量轴线，每个旋转度量接头包括第一旋转度量自由度和第二旋转度量自由度，并且从串联的一个或多个下度量接头(沿朝向底端的方向)被提供有第三旋转度量自由度，从而向(沿朝向头端的方向)连接在该接头上方的度量布置提供三个旋转自由度；其中，第一旋转自由度是用于测量对应的驱动接头的一次旋转自由度的一次旋转自由度，并且其中，对于第一旋转自由度的任何位置，第一旋转自由度、第二旋转自由度和第三旋转自由度保持相互横向。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位臂，该坐标定位臂包括：驱动布置，该驱动布置包括串联布置在臂的固定端与可移动端之间的多条旋转驱动轴线；以及度量布置，该度量布置包括用于测量臂的可移动端的位置和取向的多条度量轴线；其中，度量布置仅在固定端与可移动端处(特别是不在任何旋转驱动轴线上)联接到驱动布置；其中，对于驱动布置的每种构型，度量臂各仅存在一种可能的构型；并且其中，在任何构型中，在度量布置与驱动布置之间不存在过度约束。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位机，该坐标定位机器包括：驱动布置，该驱动布置用于将可移动结构定位在机器的工作容积内；度量布置，该度量布置用于测量工作容积内可移动结构的位置(和/或取向)；其中，驱动布置包括串联布置的多条旋转(驱动)轴线；其中，度量布置包括串联布置的对应的多条旋转(度量)轴线，用于测量(驱动布置的)围绕对应的相应旋转驱动轴线的一次(或有意)旋转；其中，驱动布置和度量布置并联(分离地和/或独立地)连接在机器的固定结构与可移动结构之间；其中，度量布置被布置成不触碰驱动布置，除了经由(串联布置的)一端的可移动结构和(串联布置的)另一端的固定结构；并且其中，对于驱动布置的每种构型，度量布置各仅存在一种可能的构型。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位机，该坐标定位机器包括：驱动布置，该驱动布置用于将可移动结构定位在机器的工作容积内；分离的(或独立的)度量布置，该度量布置用于测量可移动结构在工作容积内的位置(和/或取向)；其中，驱动布置包括多个旋转(驱动)接头(串联布置)，每个旋转(驱动)接头包括旋转驱动轴线；其中，度量布置包括对应的多个旋转(度量)接头(串联布置)，每个旋转(度量)接头包括(一次)旋转度量轴线，用于测量(驱动布置的)围绕对应的旋转驱动接头(其旋转驱动轴线)的一次(或有意)旋转；其中，旋转度量接头中的至少两个旋转度量接头中的每个旋转度量接头还包括用于测量与对应的旋转驱动接头相关联的二次(或无意)旋转的二次旋转度量轴线，二次旋转度量轴线(与一次度量旋转轴线串联布置并且)布置在一次度量旋转轴线之前(当沿朝向可移动结构的方向观察时)。

根据本发明的另一方面，提供了一种坐标定位机，该坐标定位机器包括：驱动布置(连接在固定结构与可移动结构之间)，该驱动布置包括(串联布置的)多条旋转(驱动)轴线；以及分离的(或独立的)度量布置，该度量布置包括对应的(串联布置的)多条旋转(度量)轴线，每条旋转度量轴线(一次旋转度量轴线)被布置成测量(驱动布置的)围绕对应的旋转驱动轴线的一次(或有意)旋转；其中，至少两条(一次)(横向)旋转度量轴线中的每一条旋转度量轴线设置有(或成对地设置有)二次旋转度量轴线，用于测量与对应的旋转驱动轴线相关联的二次(或无意)旋转，二次旋转度量轴线(与(一次)旋转度量轴线串联布置并且)布置在(一次)旋转度量轴线之前(当沿朝向可移动结构的方向观察时)。

根据本发明的另一方面，提供了一种复合坐标定位臂，该复合坐标定位臂包括多个如本文所阐述的坐标定位臂。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造或组装方法，其中，根据任一前述权利要求的坐标定位臂用于对一个或多个用于制造或组装制品的制造或组装工具进行定位、以及对用于测量或检查制造或组装的制品的测量或检查工具进行定位。测量工具可以是比如接触触发式探针或扫描探针等坐标测量工具。

实际上还提供了一种用于控制坐标定位臂的操作的机器控制器。机器控制器可以是专用电子控制系统和/或可以包括在计算机程序的控制下操作的计算机。例如，机器控制器可以包括：实时控制器，该实时控制器用于向坐标定位机提供低级指令；以及PC，其用于操作实时控制器。

应当理解，坐标定位机的操作可以由在坐标定位机上运行的程序控制、特别是由在坐标定位机控制器上运行的程序控制。这样的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以例如实施在比如从互联网网站提供的可下载数据信号的信号中。

现在将通过示例的方式参考附图，在附图中：

图1(如上文讨论)是关节型机器人形式的坐标定位臂的示意图；

图2展示了类似于图1所示的但仅具有三条旋转轴线的坐标定位臂；

图3展示了如何可以通过将图2的三轴坐标定位臂与分离的两轴(或三轴)探针头联接来为该三轴坐标定位臂提供附加的自由度；

图4展示了联接到分离的两轴(或三轴)探针头的三轴坐标定位臂的操作多功能性；

图5展示了为三轴坐标定位臂的驱动框架提供分离的内部度量框架的构思，该内部度量框架仅在臂的底端和头端处联接到驱动框架；

图6A和图6B示范了与图5所展示的相比，在度量框架中需要附加的自由度；

图7说明了在没有图6B中提供的附加旋转自由度的情况下度量结果将产生的可能模糊性；

图8示意性地展示了对于完整的三维示例，在度量框架中需要至少六个旋转自由度；

图9使用镜像表示来展示度量框架如何具有与驱动框架相似的整体形式，其中度量接头分别对应于驱动接头；

图10是图9的非镜像形式，示意性地展示了度量框架实际上如何配合在驱动框架内，该度量框架仅联接在坐标定位臂的端部处并且在其间有效地自支撑；

图11示出了处于完全伸展姿势的图8的坐标定位臂，并且用于在说明与度量轴线的这种布置相关联的问题中使用；

图12示出了图11的完全伸展的坐标定位臂的侧视图；

图13展示了坐标定位臂的仅一个横向旋转接头完全伸展的姿势，并且用于在说明与度量轴线的这种布置相关联的另一个问题中使用；

图14示出了如何可以克服参考图13说明的问题；

图15A和图15B展示了即使采用图14中建议的解决方法也存在的问题；

图16至图24是一系列用于介绍构成本发明实施例的基础的设计原理的示意图，但是这些图本身都不表示本发明的实施例；

图25是示出根据本发明实施例的坐标定位臂的示意图，其中度量框架包括两个万向接头、轴向旋转接头和线性接头，为度量框架提供六个自由度；

图26更详细地展示了在图25的度量框架中使用的万向接头，并且用于说明在本发明的实施例中组成万向接头的轴线的排序方式；

图27对应于图26，但是示出了万向接头的轴线以相反的方式排序；

图28是根据本发明实施例的坐标定位臂的示意图，其中标注了各种度量轴线以示出它们的排序；

图29和图30分别示出了根据本发明实施例的坐标定位臂的正视图和侧视图，为了便于比较，该坐标定位臂处于与图11和图12的定位臂相对应的姿势；

图31展示了未实施本发明的坐标定位臂，其中万向度量接头的轴线处于错误顺序，该臂被布置成与图28所示实施例相对应的姿势；

图32和图33(为了便于比较)分别以相同的姿势展示了未实施本发明的坐标定位臂和实施本发明的坐标定位臂；

图34A是展示了在本发明的实施例中如何将度量框架设置在驱动框架的外壳内的示意图，该示意图对应于图10所示的示意图；

图34B用于说明本文中使用的一些术语；

图35是度量框架中的线性自由度由旋转轴线而不是线性轴线提供的替代性实施例的侧视图，该侧视图对应于图30的侧视图；

图36A和图36B更详细地示出了在图35的替代性实施例中旋转轴线如何提供线性自由度；

图37A至图37D用于展示在本发明的实施例中使用的度量接头中的过度约束的构思，或者更确切地说是没有过度约束；

图38A至图38E用于展示在没有实施本发明的定位臂中使用的度量接头中的过度约束的构思；

图39A至图39D示出了当图37C的接头翻转时过度约束仍然不存在；

图40A至图40E示出了当图38C的接头翻转时过度约束仍然存在，但是实际上当考虑到接头下方的直列旋转轴线时避免了过度约束；

图41A至图41C用于说明本发明实施例中使用的横向度量接头的关键特性；

图42A至图42C用于与图41A至图41C进行比较，用于说明不适合在本发明的实施例中使用的横向度量接头的特性，在某些姿势下冗余轴线导致过度约束；

图43A和图43B展示了在直列旋转驱动轴线与度量轴线之间未对准的情况下，度量框架与驱动框架之间没有过度约束；

图44A至图44D展示了如何可以将实施本发明的多个坐标定位臂串联组合在一起，以产生总体上具有更多轴线的更长的臂；

图45是实施本发明的两轴坐标定位臂的示意图；

图46是实施本发明的单轴坐标定位臂的示意图，主要用作实施本发明的较长坐标定位臂的组成部分；

图47展示了如何可以将三轴组成臂与另一三轴组成臂串联组合，以产生实施本发明的六轴坐标定位臂；

图48展示了如何可以将三轴组成臂与两轴组成臂串联组合，以产生实施本发明的五轴坐标定位臂；以及

图49A和图49B展示了利用实施本发明的坐标定位臂的制造系统。

图2展示了坐标定位臂10，该坐标定位臂形成了本发明实施例的基础。坐标定位臂10类似于图1所示的坐标定位臂，但是被简化为仅具有三条旋转轴线，即，两条横向旋转轴线6和一条直列旋转轴线7。目的是提供具有少量轴线的坐标定位臂10，并优化这些轴线以使坐标定位臂10高度精确。将在下面进一步详细讨论实现这一点的方式。

虽然对于一些应用来说仅三条旋转轴线可能就足够了，但是为了给其他应用提供足够的多功能性，图3展示了如何可以通过将图2的三轴坐标定位臂10与分离的(并且已经校准的)两轴(或者甚至三轴)探针头12联接来为该三轴坐标定位臂提供附加的自由度。这样的探针头的示例有Renishaw plc制造和销售的品牌名称为

如图2所展示，坐标定位臂10提供旋转轴线R1、R2和R3，而探针头12提供正交旋转轴线R4和R5，可选地还提供另外的旋转轴线R6，总共提供最多达六条旋转轴线。测量探针14安装在探针头12上，探针头12本身安装在坐标定位臂10上。测量探针14可以是接触触发式探针或扫描探针。为了实现这种可分离性和模块性，坐标定位臂10设置有安装特征或联接特征，这些安装特征或联接特征与探针头12的对应的安装特征或联接特征接合，以使得探针头12能够可移除地且容易地联接到坐标定位臂10。

图4展示了这样的联接到单独的两轴(或三轴)探针头12的三轴坐标定位臂10的操作多功能性，其中组合结构10、12具有五条可用于将测量探针14定位和定向成进入工件16的笨拙特征中(比如倾斜的孔18中)的旋转轴线，并且还具有可用于使探针14围绕其纵向轴线旋转(这在探针14是例如单向探针，比如表面光洁度探针的情况下特别有用)的第六旋转轴线。

以这种方式，图2的精确坐标定位臂10可以与分离的探针头12结合，以便提供灵活和精确的测量系统。坐标定位臂10和探针头12可以彼此单独地校准。

现在将从与为这样的定位臂提供度量框架相关联的问题的分析开始、以及本申请人如何理解这些问题的根源并洞察克服这些问题来更详细地讨论三轴坐标定位臂10本身。

图5是具有外部驱动框架D和单独的内部度量框架M的三轴坐标定位臂A的示意图。度量框架M仅在臂A的底端B和头端H联接到驱动框架D并由其支撑。如下面将更详细解释的，通过具有单独的度量框架M，坐标定位臂A可以被提供高度量性能或精度，这不仅是因为度量框架M可以与由臂A的驱动框架D上的负载引起的应力隔离，还因为应用于度量框架F的特殊设计考虑。

图6A示出了图5的臂A的度量框架M的三条旋转度量轴线R1、R2和R3，对应于驱动框架D的三条旋转驱动轴线。旋转轴线R1是直列旋转轴线，而旋转轴线R2和R3是横向旋转轴线。在图6A中，在头端H和底端B处度量框架M与驱动框架D之间存在刚性联接件。

现在考虑如下情况：归因于制造容差，驱动框架D的最后段比预期的短(比图6A的短)，如图6B所展示，最后段的长度已经从L1减小到L2。为了将度量框架F配合到驱动框架D的较短的总长度中，在头端H需要附加的度量自由度，以便适应度量框架M所需的不同(更紧凑)构型，并且此附加的自由度由附加的旋转度量轴线R4提供。

图7说明了在没有图6B中提供的附加旋转自由度的情况下度量结果将产生的误差或模糊性。图7示出了与图6B相同的度量布置，但是(不正确地)假设驱动段长度与图6A相同，在头端H存在刚性联接件。这导致了(不正确的)结论，即最后驱动段被布置成与竖直方向成一定角度，而实际上最后驱动段是如图6B所示的竖直地对准的。

当然，图6B是简化的二维示例，其中仅提供了单条额外的度量轴线R4。图8是三维情况的示意图，示出了在头端H需要三条附加的度量轴线R4、R5和R6，对于完整的三维示例，在度量框架M中提供总共六个旋转自由度R1至R6。在图8所展示的构型(或姿势)中，可以通过围绕轴线R1的旋转(结合其它度量轴线R2至R6的变化)来适应头端H进入页面的线性位移。

作为图8的示意性表示的替代方案，图9使用镜像表示，其中度量框架M绘制在驱动框架D的外部并围绕竖直虚线呈镜像，以展示度量框架M如何具有与驱动框架D相似的整体形式，该度量框架具有分别对应于驱动接头的度量接头。图10是图9的非镜像版，示意性地展示了度量框架M实际上如何配合在驱动框架D内，该度量框架仅联接在坐标定位臂A的头端H和底端B处并且在头端与底端之间有效地自支撑。

图11示出了处于完全伸展姿势(或构型)的图8的坐标定位臂，并且用于说明与从R1至R6的度量轴线的这种布置相关联的问题。在这种姿势下，不再适应(测量)头端H件进入页面的线性位移(例如，由对应于度量轴线R3的驱动接头引起的线性位移，该度量轴线具有围绕平行于轴线R5的轴线的少量非理想或不利的旋转)。图12示出了图11的坐标定位臂的侧视图，其中增加了双箭头以示出不能由这种度量轴线R1至R6的组合测量的运动。

本申请人已经意识到，这个问题的出现归因于以下事实：度量轴线R1和R6在臂的这种姿势下已经彼此对准或重合(即沿着同一条线布置)，使得现在实际上仅存在五个度量自由度而不是六个，并且因此度量框架M中没有足够的自由度来测量头端H的所指示的移动。为了回到在该姿势下具有六个“可用”自由度(即，足够的自由度)来测量该姿势下的所指示的头端移动，显然将需要增加第七度量自由度(至少在本申请人没有进一步了解的情况下)。

整个度量框架M可以围绕轴线R1旋转90度，然后度量框架可以测量上述移动，但是度量轴线R2和R3则将与它们对应的驱动轴线相偏移90度，由于其他原因，这是有问题的。在任何情况下，即使度量框架M可以像那样翻转90度，也不再可能测量头端H在页面平面内的水平位移。换句话说，两者不可能同时进行。

图13展示了坐标定位臂的、仅一个横向旋转接头(与度量轴线R3相关联)完全伸展的构型或姿势。这也存在问题，因为度量框架M不具有足够的自由度来测量驱动框架D的延伸(例如，如果构成驱动框架D的段存在热膨胀)。图14示出了如何通过“预弯曲”度量框架M来克服参考图13说明的问题，使得每个段略微更长，从而在开始时足够“松弛”，使得能够使用旋转度量轴线R2到R4的组合来测量少量伸展。

然而，图15A和图15B展示了本申请人意识到的即使采用图14中建议的解决方法也存在的问题。特别地，对于驱动框架D的每个姿势或构型，现在度量框架M存在两种可能的构型(或者换句话说“两种度量解决方案”)，其中一种构型会引起度量框架M与驱动框架D碰撞。

图16至图24是一系列用于介绍构成本发明实施例的基础的设计原理的示意图。这些图示中的每个图示使用图5的三轴臂作为示例，具有如以上所讨论的分离的度量框架和驱动框架，图16至图24中的每个图示出了这个臂处于四种不同构型或姿势。下面参考图16至图24讨论的一些问题至少在某种程度上重复了上面参考图6至图15描述的问题。

在图16至图24的每个图中，第一姿势是竖直姿势，在该竖直姿势下，上连杆和中间连杆竖直地布置，两个横向驱动接头成180度(即，笔直的)。在第二姿势下，上驱动接头向左旋转90度，使得上驱动连杆向左是水平的。在第三姿势下，下驱动接头改为向左旋转90度而上驱动接头处于180度(即，笔直的)，使得上驱动连杆和中间驱动连杆向左是水平的。与第三姿势相比，在第四(也是最终)姿势下，下驱动接头从竖直方向向左旋转仅45度，上驱动接头处于180度(即，笔直的)。

从图16开始，这展示了一种“理想的几何形状”，其中度量框架和驱动框架被准确地且精确地制造成具有理想的连杆(或段)长度和理想的轴线对准，使得四个示例姿势中的任何一个姿势都没有问题(如四个展示的姿势中的每个姿势上方的钩号所指示)。在度量框架与驱动框架之间没有冲突，并且驱动框架D的移动可以被度量框架M准确地且精确地测量。

转到图17，这个图示出了例如归因于制造或组装容差导致度量框架的中间连杆(用虚线而不是实线绘制)比理想情况长的情况。对于第一姿势，因为度量框架M在头端H处刚性地联接到驱动框架D，所以较长的度量框架M不能适应于驱动框架D内，这由度量框架M必须在头端H处延伸到驱动框架D之外来示出。实际上，这将引起驱动框架D与度量框架M彼此“对抗”或冲突，因为它们都想要采用不同的构型。这当然不理想，正如第一姿势上方的叉号所展示。特别地，这样的冲突将导致不与驱动框架D的变化直接对应的度量框架M的变化，导致度量误差和头端H相对于底端B的位置和取向的表示不准确。

对于图17的第二姿势，这同样是一个问题，因为较长的中间度量连杆意味着上接头的度量轴线和驱动轴线不对准，使得度量框架M的顶部连杆需要成一定角度，而驱动框架D的顶部连杆需要是正好水平的。这种差异导致度量框架M与驱动框架D之间冲突，同样如叉号所指示。同样地，图17的第三姿势和第四姿势具有与第一姿势相似的问题。

为了试图克服参考图17描述的问题，在图18中添加了“滑块”元件，以便为度量框架M提供附加的自由度，该附加的自由度是线性自由度，希望它能够吸收中间度量连杆增加的长度。通过说明的方式，在图18中，线性滑块元件已经被插入到上度量连杆中。然而，可以看出，这改进了第一姿势、第三姿势和第四姿势的情况，但是第二姿势仍然是个问题，因为滑块无助于解决上度量连杆与驱动连杆之间的角度冲突。在图19中，线性滑块元件被移动到最下面的连杆，这对于第一姿势和第二姿势有帮助，但对于第三姿势和第四姿势没有帮助。

因此，增加如图18和图19所示的线性滑块对一些姿势有帮助，但对其他姿势没有帮助。图20示出了通过在头端H使用附加的度量轴线(相当于上面参考图6B所讨论的)来解决由较长的中间度量连杆所引起的问题的替代性可能解决方案。这将有助于图17至图19所示的所有四种姿势，其中前两种姿势也在图20中示出。然而，在头端H使用附加的度量轴线导致不同的问题，如图20的第三姿势和第四姿势所展示。通过从臂处于图20的第二姿势开始并且如曲线箭头所展示将上接头向右旋转180度，已经到达了图20的第三姿势。因为度量框架M的顶部轴线已经被较长的中间度量连杆向上移位，使得顶部轴线不再与驱动框架的顶部轴线重合，所以当臂从图20的第二姿势移动到第三姿势时，利用下度量轴线的旋转，顶部度量轴线(或接头)将被向右推出，并且在没有来自驱动框架D的任何约束的情况下，将终止于图20的第三姿势中所示的构型，即，延伸到驱动框架D的外部。实际上，因为驱动框架像围绕度量框架M的壳，所以在到达第三姿势中所示的构型之前，度量框架M和驱动框架D将严重碰撞，很可能导致一个框架或另一个框架或者两者损坏。这个问题在图20中用第三姿势上方的叉号标出。另一方面，如果臂改为通过围绕下(直列或竖直)驱动接头旋转而直接从图20的第二姿势移动到第四姿势(如图20的第四姿势中的箭头所示)，则第三姿势下所示的问题将被避免，度量框架M在整个移动中保持在驱动框架D的界限内。然而，这将使臂的控制变得复杂，并且实际上在所有情况下都难以避免该问题，尤其是因为不一定知道该问题何时会发生。

图20中所示的问题等同于以上参考图15所讨论的问题，因为尽管增加顶部度量轴线可以有效地克服度量连杆的不同长度，但问题是现在对于每个姿势存在两种可能的度量解决方案(其中一种可能的度量解决方案在驱动框架的边界之外)。在图21A、图21B和图21C所示的示例姿势下进一步展示了多种度量解决方案的问题，示出了对于度量框架M的每种构型，存在另一种替代性构型，可以发现该构型反映了在第二度量轴线与第四度量轴线之间绘制的“镜像线”13(见图21C)中度量框架的连杆。

这产生了图22所示的布置，其中图18和图19中引入的线性滑块元件现在被放置在中间度量连杆内，而不是在上度量连杆(图18)或下度量连杆(图19)内。如图22所展示，在这个位置，线性滑块元件现在有效地避免了所有四个姿势的度量框架M与驱动框架D之间的冲突。不仅如此，即使当如图23所展示那样上度量连杆变得更长(而不是中间度量连杆)时、以及当如图24所示那样下度量连杆变得更长(而不是中间度量连杆)时，这种布置也保持有效。

图22至图24中所示的度量框架M的布置形成了本发明的实施例的基础，因为已经表明它对于驱动框架D的所有示例构型都是有效的。然而，应注意，以上示例已经集中于驱动框架D的接头的“理想”移动，其中每个驱动接头具有单条旋转轴线。本申请人已经意识到，每个驱动接头不仅具有“一次”旋转轴线，而且实际上还会引入一定程度的围绕“二次”旋转轴线的无意或不利的旋转。为了实现最佳性能，度量框架M也必须考虑和测量驱动框架D中的这些二次(非理想)旋转。

鉴于以上所述，图25示意性地展示了实施本发明的完整解决方案。图25的度量框架M紧密基于图22至图24所示的度量框架，该度量框架具有分别对应于三个旋转驱动接头的三个旋转度量接头、以及布置在两个横向度量接头之间的线性度量接头。旋转度量接头中的两个旋转度量接头是横向旋转度量接头，而另一个旋转度量接头是直列旋转度量接头，与它们对应的相应驱动接头匹配。然而，在图25所示的布置中，两个横向旋转度量接头是“万向接头”或“虎克接头”或“卡登接头”，这些接头中的每个接头提供两条度量轴线，从而为度量框架M提供总共六个自由度。这六条度量轴线(自由度)在图25中标记为M1至M6。

由于在度量框架M中仅存在M1至M6的六条轴线或六个自由度，并且由于理想地在六个自由度上测量了臂A的头端H相对于臂A的底端B的位置和取向，本申请人已经认识到需要在度量框架M中避免“奇异点”，当度量框架M的两条轴线重合时，出现“奇异点”，从而实际上损失度量框架M的自由度，使自由度低于在全部六个自由度上测量头端H和底端B的相对移动所需的数量。以上参考图11讨论了这些问题。

为了克服上述“奇异点”问题，在本发明的实施例中，每个万向度量接头内的度量轴线(即，如图25所示的一对度量轴线M2、M3和一对度量轴线M5、M6)按特定的顺序布置。现在将参考图26更详细地讨论这一点，该图展示了一种适用于在图25的度量框架M中使用的万向接头。这样的万向接头提供了两条相互成90度定向的相交的旋转轴线P、S。尽管两条旋转轴线P、S彼此相交，但它们实际上是串联布置的，因此排序是有区别的，现在将参考图26和图27进行说明。

在图26中，通过万向接头连接的两个轴(对应于度量框架M的段)标记为B和H，表示它们分别朝向臂A的底端B和头端H(尽管不一定在那里)布置。实线方框轮廓中的旋转轴线P表示为接头的“一次”度量轴线P，而虚线方框轮廓中的旋转轴线S表示为接头的“二次”度量轴线S。一次度量轴线P与接头的一次驱动轴线基本上对准，从而当臂A被控制围绕此接头旋转时，一次运动如图26下部部分的示意图所示。

图26所示的布置的关键特征是，当沿底端B到头端H的方向观察时，接头的度量轴线P、S被布置成一次度量轴线P在二次度量轴线S之后。这样做，确保了即使当度量框架M围绕一次度量轴线P旋转时，也能保持二次度量轴线S的取向。在图26的下部部分的示意图中，一次轴线P被示出为小的开放圆(一次轴线P定向为法向于页面平面)，而二次轴线S被示出为万向接头的叉之间的短水平线(二次轴线S定向在页面平面内)。可以看出，当头端H向左旋转时，二次轴线S的取向被维持(不变的)(特别是，相对于度量框架M的从下面(即，从底端B)连接到接头的段，取向维持不变)。因为如此，如从下面的讨论中将变得更加清楚的(尤其是参考图41)，图26中所示的布置适合于在本发明的实施例中使用。

将此与图27(密切对应于图26，但是其示出了万向接头的度量轴线P、S按相反的方式排序)进行比较，其中一次度量轴线P(对应于该接头的一次驱动轴线)在二次度量轴线S之前而不是之后(当沿底端B到头端H的方向观察时)。如图27的下部部分的示意图所示，在度量轴线P、S的这种排序情况下，当头端H向左旋转时，接头的二次度量轴线S的取向现在不再被维持(特别是，相对于从下面(即，从底端B)连接到接头的度量框架M的段，该取向不再被维持)。而是，二次度量轴线S从水平取向(法向于从下面连接到接头的度量段)旋转到竖直取向(与从下面连接到接头的度量段对准)。因为如此，如从下面的讨论中将变得更加清楚的(尤其是参考图42)，图27中所示的布置不适合于在本发明的实施例中使用。

图28是实施本发明的坐标定位臂的示意图，其中标注了各种度量轴线，以示出它们从臂A的底端B到头端H的串联排序。这与图25所示的度量轴线的布置相同。沿底端B到头端H的方向，度量轴线按如下排序：R1、R2、R3、L4、R5、R6。一次度量轴线(以实线方框轮廓示出)是R1、R3和R6，并且二次度量轴线(以虚线方框轮廓示出)是R2、L4和R5。度量轴线R1(一次)设置在与直列旋转驱动接头D1相对应的直列旋转度量接头中。一对度量轴线R2、R3(二次、一次)设置在第一横向旋转度量接头(对应于第一横向旋转驱动接头D2)中，而一对度量轴线R5、R6(二次、一次)设置在第二横向旋转度量接头(对应于第二横向旋转驱动接头D3)中。度量框架M与驱动框架D之间在底端B和头端H处的联接件是刚性联接件，并且可选地可以是运动学联接件，以使得度量框架M和驱动框架D能够以可重复的方式容易地可联接和可断开联接。

图29和图30分别示出了根据本发明实施例的坐标定位臂的正视图和侧视图，为了便于比较，该坐标定位臂处于与图11和图12的定位臂相对应的姿势。如图29和图30所示，使用根据本发明的实施例的坐标定位臂，在所有六个自由度上测量头端H相对于底端B的位置和取向不再存在任何问题(如图11和图12的定位臂那样)，因为使用实施本发明的定位臂，对于这个姿势没有冗余的度量轴线(在两条或更多条度量轴线或其组合对准的度量框架M中不存在“奇异点”)。

冗余度量轴线在这个背景下可以被认为是可以从度量框架中移除而不损失度量框架的任何自由度(对于头端与底端之间的相对运动)的轴线，至少对于驱动框架的特定构型是如此。冗余度量轴线也可以被认为是不为度量框架提供任何附加的自由度(对于头端与底端之间的相对运动)的轴线，至少对于驱动框架的特定构型是如此。例如，在图11的度量框架M的情况下，度量轴线R1或R6中的任一条度量轴线都可以被移除，因为(至少对于那个姿势)两个度量轴线都提供了头端H相对于底端B的相同的移动自由度；即使轴线R1和轴线R6中的一条轴线或另一条轴线被移除，图11的度量框架M对于该姿势也具有五个自由度。应该注意，冗余的构思也适用于度量轴线的组合，使得如果例如度量轴线Ra为特定姿势提供的自由度也由度量轴线Rb、Rc和Rd的组合提供，则度量轴线Ra可以被认为是那个姿势的冗余度量轴线(即使度量轴线Rb、Rc和Rd都没有实际上这样与度量轴线Ra对准)，并且可以认为对于驱动框架的那种构型，度量框架的度量轴线存在冗余。

图31展示了未实施本发明的坐标定位臂，其中万向度量接头的轴线处于“错误”顺序，并且该臂被布置成与图28所示实施例相对应的姿势。参考图32，当中间段和最后段都是水平的时，这样的臂不能测量头端H围绕最后段(即，头端H处的最后段)的纵向轴线的旋转R。在这样的姿势下，如图32所示，度量轴线R3变得与度量轴线R1对准，因此度量框架M中的总“可用”自由度实际上已经从六个下降到五个，就像图11所示的问题情况一样。因为如此，没有度量轴线可用于测量头端H围绕最后段的纵向轴线的旋转R(尽管驱动框架的伸展可以使用度量轴线L4(即，上述线性滑块元件)来测量)。换句话说，对于如图32所示的驱动框架D的构型，在度量框架M的度量轴线中存在冗余(在度量框架M中存在五个自由度，而不管度量轴线R1和R3中的一个或两个是否有效)。

相比之下，图33展示了实施本发明的坐标定位臂，为了便于比较，该坐标定位臂的姿势与图32的非实施例相同。在图33的臂的情况下，万向度量接头的轴线处于“正确”顺序。相应地，利用度量轴线的这种布置，在度量框架M中不存在奇异点，使得二次度量轴线R2可用于测量头端H围绕最后臂段的纵向轴线的无意(非理想)旋转R。换句话说，对于如图33所示的驱动框架D的构型，在度量框架M的度量轴线中不存在冗余(如果度量轴线R1至R6中的任何一个被丢弃，则度量框架M提供的自由度的数量减少)。

可以看出，在本发明的实施例中，驱动框架D和度量框架M是基本上彼此分离和/或独立的。为了更好地理解这意味着什么，应该注意，(例如)图5的驱动框架D和度量框架M不能被认为是彼此分离和/或独立的，尽管仅在头端H和底端B处联接。这是因为度量框架M的存在对驱动框架D产生了附加约束，因为仅存在三条度量轴线(其中需要至少六条度量轴线来满足头端H可以相对于底端B移动的所有六个自由度)。利用本发明的实施例，在驱动框架D与度量框架M之间存在分离或独立或机械隔离，其程度为使得驱动框架D可以有效地移动，就好像度量框架M不在那里一样(对于驱动框架D的任何可能的构型，度量框架M实际上基本上不提供额外的约束)。

图34A是在本发明的实施例中如何将度量框架M设置在驱动框架D的外壳内的示意图，该示意图对应于图10所示的示意图，包括度量框架M的两个虎克接头。图34B用于说明本文中使用的一些术语，如下：坐标定位臂20、头端21、底端22、度量框架23、驱动框架24、段25、横向旋转度量接头26(每个横向旋转度量接头包括两条旋转度量轴线)、横向旋转驱动接头27(每个横向旋转驱动接头包括单条横向旋转驱动轴线)、直列旋转度量接头28(包括单条直列旋转度量轴线)、直列旋转驱动接头29(包括单条直列驱动轴线)和线性度量接头30(包括单条线性度量轴线)。

图35是度量框架M中的线性自由度L4由多条旋转度量轴线而不是线性度量轴线本身提供的替代性实施例的侧视图，该侧视图对应于图30的替代性实施例。在图35的替代性实施例中，提供了额外的旋转度量轴线R4来代替图30的线性度量轴线L4，从而实际上度量框架M完全由旋转自由度或轴线组成。然而，旋转自由度的组合仍然可以被认为是提供了对应于L4的线性自由度，使得与之前相同的总体原理仍然适用。特别地，由先前的线性轴线L4测量的长度变化现在由旋转轴线R2、R4和R5的组合来测量。这在图36A和图36B中更详细地示出，这两个图以简化的格式仅示出了图35中的R2、R4和R5。在图36A中，L4表示轴线R2与R5之间的间隔，而图36B更详细地示出了间隔L4的小变化ΔL4(在本实施例中没有直接测量)如何引起分别与旋转轴线R2、R4和R5相关联的小变化ΔR2、ΔR4和ΔR5。根据ΔR2、ΔR4和ΔR5的测量值，可以得出ΔL4的值。应理解，因为这些轴线是二次度量轴线，所以意图是它们仅测量小的(非理想)移动，使得旋转轴线R2、R4和R5的组合可以非常精确地近似线性轴线L4。相应地，仍然可以认为图35的度量框架M包括线性度量轴线L4。

现在将更多地结合约束的构思考虑坐标定位臂、以及在本发明的实施例中如何可以通过避免或减少臂的驱动框架与度量框架之间不必要的约束来提高臂的度量性能。例如，将讨论臂中的度量轴线的排序如何可以影响臂的度量框架与驱动框架之间的约束，通过考虑上面已经概述的关于度量框架中的度量轴线的布置和排序的原理来改进度量性能。

图37A至图37D用于展示与在本发明实施例中使用的度量接头相关的约束的构思。这些图示是上面已经讨论过的度量框架M的一个横向度量接头的侧视图，即，对应于图30所示的视图。在图37A中，一次度量轴线和二次度量轴线分别标有由实线轮廓线和虚线轮廓线围绕的R。接头的驱动轴线X(以及对应的一次度量轴线)被布置在页面平面内。在图37A和图37C中，接头是笔直的(成180度)，而在图37B和图37D中，接头的头部(上)端H已经相对于接头的底(下)端B旋转离开并进入页面90度。为了简单起见，接头被展示为完整的单元，度量框架M和驱动框架D在底端B和头端H处刚性地联接(即使在如以上所讨论的本发明的实施例中，接头将形成更大整体的一部分)。

图37A和图37B分别示出了驱动轴线X和一次度量轴线R完全对准的理想情况下的笔直接头构型和旋转接头构型。这将是制造的没有任何对准误差的理想接头(或臂)。如图37B所示，驱动框架D的旋转完全适应于度量框架M，其中度量接头的一次度量轴线测量精确的旋转量，并且根本没有使用二次度量轴线(它将测量到零旋转)。

然而，实际上，在一定的制造容差范围内，总会存在一定程度的制造误差，使得驱动轴线X相对于机器(臂)会略微未对准。图37C示出了笔直接头构型。可以看出，即使在这种笔直构型中，驱动轴线X的未对准也可以适应于度量接头，其中度量接头的二次度量轴线提供了额外的自由度，这样允许度量框架M跟随未对准的驱动框架D。重要的是，这允许度量框架M跟随驱动框架D的形式，而不会在它们之间引入任何附加约束或张力，并且使得驱动轴线X的未对准可以由二次度量轴线来测量。同样地，在图37D所示的旋转后的构型中，尽管驱动框架D的头端H倾斜或未对准，这也适应于度量接头提供的两个自由度，即，度量接头中存在处理这种未对准的自由度。

在图37所示的接头的情况下，一次度量轴线按从底端B到头端H的串联顺序布置在二次度量轴线之后，即，如先前关于本发明的实施例所描述的。即使存在制造或组装误差，驱动框架D与度量框架H之间也不存在过度约束。这与当一次度量轴线和二次度量轴线以“错误”方式布置时发生的情况形成对比，一次度量轴线按从底端B到头端H的串联顺序布置在二次度量轴线之前。这种情况在图38A至图38E的图示中示出，这些图用于说明在没有实施本发明的定位臂中使用的度量接头中的过度约束的构思。

图38A和图38B分别对应于图37A和图37B，示出了驱动轴线X完全对准(并且使得驱动轴线X与接头的一次度量轴线完全对准)的情况。不存在与这种接头移动相关联的任何问题，可用的度量轴线能够完美地测量接头构型的变化。这是因为在度量框架M与驱动框架D之间不存在过度约束。

图38C对应于图37C，示出了引入驱动轴线X的未对准，使得驱动轴线X不再与一次度量轴线对准。对于图38C所示的笔直接头构型，驱动轴线X的这种未对准可以通过二次度量轴线来测量，并且在驱动框架D与度量框架M之间不存在过度约束。然而，对于图38D的旋转接头构型，驱动框架D的旋转(上)段的近端(即，在接头处)不与远端对准，但是度量框架中不存在可用的自由度来处理这种情况。度量框架M的下半部分想要如图38D所示的构型，而度量框架M的上半部分想要如图38E所示的构型。度量框架和驱动框架彼此“对抗”，并且对于如图38D和图38E所示的驱动框架D的构型，在驱动框架D与度量框架M之间存在过度约束。本申请人已经意识到，驱动框架D与度量框架M之间的这种过度约束是不期望的，因为它导致度量框架M的不由任何度量轴线测量的挠曲。在这方面，仅围绕度量轴线的旋转产生度量信号，并且尽管度量框架M的形式已经改变，但是度量轴线之间的结构的任何挠曲或弯折或扭转不会导致任何度量信号的变化。这导致了度量误差、以及计算的臂A的头端H相对于底端B的位置和取向的误差。

为了减轻这种过度约束，可以将另一直列(竖直)旋转自由度添加到度量框架M、接头上方，但是这将产生冗余轴线和(如以上所讨论的)多种度量解决方案，因为实际上在接头下方已经存在竖直轴线。如图37D所示，即使对于驱动框架D的旋转后的构型，本发明的实施例也能够避免度量框架与驱动框架之间这样的过度约束，并且在度量框架M中不需要额外的自由度。

从上面显而易见的是，当度量接头的一次度量轴线和二次度量轴线处于“错误”顺序时，对于驱动框架的某些构型，在度量框架与驱动框架之间产生过度约束，而当度量接头的一次度量轴线和二次度量轴线处于“正确”顺序时，这些驱动框架构型没有这样的过度约束。当然，当接头被孤立地考虑时，接头过度约束的存在或不存在不应该取决于接头在空间中的绝对取向。例如，仅仅上下颠倒图37C的接头(使得接头的度量轴线明显处于“错误”顺序)不应该在驱动框架与度量框架之间突然引入过度约束，而之前不存在过度约束。这将参考图39和图40进行讨论。

图39A示出了图37C的接头，除了将接头翻转之外没有任何变化，并且图39B示出了图39A的接头略微重新定向，以使下段竖直，从而与图37的表示一致。在图39C中，仅有的另外的变化是使上段配合在下段内，这同样是为了与图37的表示一致。因此，由于度量轴线在翻转之前处于“正确”顺序(图37C)，翻转之后度量轴线现在处于“错误”顺序(图39C)。然而，当接头处于如图39D所示的旋转后的构型时，因为驱动轴线和度量轴线对准，所以度量框架与驱动框架之间仍然不存在对抗。特别地，虎克接头的现在竖直的(二次)度量轴线处理向左倾斜的上段(该段的远端表面相对于页面倾斜)。因此，如预期的那样，在度量框架与驱动框架之间仍然不存在过度约束。但是，尽管度量轴线现在处于“错误”顺序的情况下也是如此。然而，应该记住的是，简化的表示仅考虑孤立的单个接头，在底端和头端处具有刚性联接件，即实际上单轴臂。实际上，此接头将是臂中多个接头中的一个接头，并且尽管图39D的接头构型虽然轴线处于“错误”顺序也没有表现出过度约束，但是它仍然不适用于本发明的实施例，因为接头的二次度量轴线旋转，驱动框架的某些其他构型具有如以上所讨论的在度量框架中产生奇异点的风险。这样的奇异点(导致度量轴线不足)会产生约束问题，即使是一个接头的特定构型(如图39D所示)没有问题。过度约束的构思、特别是对避免度量框架与驱动框架之间的约束的期望共同地适用于所有的轴线，而不仅仅是轴线的子集，这从关于图40的讨论中实际上是显而易见的。

图40A示出了图38C的接头，除了将接头翻转之外没有任何变化，并且图40B示出了图40A的接头略微重新定向以使下段竖直，从而与图38的表示一致。在图40C中，仅有的另外的变化是使上段配合在下段内，这同样是为了与图38的表示一致。如图40D所展示，对于旋转后的接头构型，尽管接头的一次度量轴线和二次度量轴线现在明显处于“正确”顺序(在从图38C中它们处于“错误”顺序的翻转之后)，但是明显仍然存在过度约束，因为下半部分希望一次轴线在页面平面内，但是上半部分(折叠)希望一次轴线朝向远端倾斜(绕竖直轴线旋转)。实际上，不应该仅仅通过在空间翻转接头来使接头在这方面起作用。然而，实际上，当作为完整臂的一部分提供时，特别是当从如图40E所展示的从更下方考虑旋转度量轴线时，这种布置确实起作用(即，不会导致度量框架与驱动框架之间的过度约束)。如图40E所示，接头下方的额外旋转度量轴线能够处理旋转后的驱动构型中的顶部段的倾斜，从而避免度量框架与驱动框架之间的过度约束。如上所述，过度约束的构思、特别是对避免度量框架与驱动框架之间的约束的期望共同地适用于臂的所有轴线，而不仅仅是轴线的子集。

图41A至图41C用于说明在本发明实施例中使用的横向度量接头的特性。横向旋转度量接头的特性如下：(a)存在接头本身的两个旋转自由度(一次R1，二次R2)；(b)存在布置在接头下方的其他(一个或多个)接头的另一旋转自由度(R3)；以及(c)接头为接头上方的任何物体提供轴向旋转自由度。应该注意，在接头下方不需要对应的旋转驱动轴线，仅需要另一条旋转度量轴线(驱动框架在接头下方可以是刚性的)。还应注意，因为一次度量轴线R1和二次度量轴线R2的相对排序，在从笔直(图41A)到倾斜(图41B)再到直角(图41C)的接头构型的整个变化中，移动段(见下面示意性表示中的实线)一直在旋转度量自由度(R2，R3)的45度内。特别地，二次度量轴线(R2)不移动，从而防止出现奇异点。这使得度量框架M能够处理(测量)头端H的小的非理想移动(比如扭转)，而不管驱动构型如何，因为始终存在能够处理(测量)这种移动的度量轴线或其组合。

图42A至图42C用于与图41A至图41C进行比较，用于说明不适合在本发明的实施例中使用的横向度量接头的特性，该接头的一次度量轴线和二次度量轴线处于错误顺序，并且冗余轴线在某些姿势下导致过度约束。特别地参考图42C所示的接头构型，可以看出存在冗余轴线(R2，R3)，这进而意味着不可能围绕支柱轴线(即，移动支柱的纵向轴线)进行(可测量的)旋转，因为不存在可用的度量轴线。这进而在度量框架与驱动框架之间产生过度约束，归因于没有足够的可用的自由度，冗余轴线导致了过度约束。因此，度量框架与驱动框架“对抗”。这可以通过增加更多的自由度来解决，但是这样会有太多的自由度可用于其他驱动构型(或姿势)，并且相应地会不期望地存在多种度量解决方案。

图43A和图43B更多地集中在直列旋转驱动轴线和直列旋转度量轴线(而不是横向旋转驱动轴线和横向旋转度量轴线)上，并且展示了即使在直列旋转驱动轴线与直列旋转度量轴线之间未对准(例如，归因于制造或组装误差)的情况下，度量框架与驱动框架之间也不存在过度约束。特别地，可以看出，在度量框架M中有足够的自由度，以避免在度量框架M与驱动框架D之间产生过度约束，其中“松弛”被度量轴线的组合所占据(特别是被测量)。图43B示出了与图43A的视图相比旋转了90度的视图。

图44A至图44D展示了根据本发明的实施例、来自图41的多个“核心单元”如何串联在一起以形成臂。特别地，图44A示出了两个单独布置的这样的核心单元，图44B示出了这两个核心单元合在一起但没有完全组合，图44C示出了这两个核心单元完全组合，而图44D示出了在两个单元组合的位置引入附加的线性度量轴线。所得的臂A如前所述。

图45是实施本发明的两轴坐标定位臂(即，具有两条驱动轴线D1、D2的坐标定位臂)的示意图。为了使此两轴版本适用于所有姿势(驱动构型)、以及与直列驱动轴线D1相对应的直列旋转度量轴线(一次)和与横向旋转驱动接头D2相对应的万向度量接头(具有二次/一次度量轴线R2/R3)，引入了另一条线性轴线L4(二次)以及另一个万向度量接头(具有二次度量轴线R5、R6)。因此，此实施例的度量轴线从底端B到头端H依次为：R1(一次)、R2(二次)、R3(一次)、L4(二次)、R5(二次)和R6(二次)。由于不存在与包括度量轴线R5和R6的万向度量接头相对应的驱动轴线，并且由于这两条轴线都是二次度量轴线，因此这两条轴线R5、R6的排序并不重要。图46是实施本发明的单轴坐标定位臂的示意图，该单轴坐标定位臂具有单条横向旋转驱动轴线D1。此实施例与图45所示的实施例相同，但是图45的一次度量轴线R1变成了图46的二次度量轴线R1，因为此度量接头不存在对应的驱动轴线。如图46所示的单轴单元将主要用作实施本发明的较长坐标定位臂的组成部分。

图47展示了如何可以将三轴组成臂与另一三轴组成臂串联组合，以产生实施本发明的六轴坐标定位臂。第二组成臂的轴向旋转驱动轴线(即，最靠近头端H的轴向旋转驱动轴线)可以被移除，使得对应的段是完全刚性的。在这种情况下，对应的度量轴线R1也可以被移除，或者可以被认为提供了二次度量轴线(没有任何对应的驱动轴线)。这同样适用于第一组成臂的轴向旋转驱动轴线(即，最靠近底端B的轴线)，但是实际上它将被保留以提供臂所需的多功能性。图48展示了如何可以将三轴组成臂与两轴或单轴组成臂串联组合，以产生实施本发明的五轴或四轴坐标定位臂。其他组合也是可能的。

如已经提到的，臂A的头端H有利地适于接收和携带操作工具，比如测量应用中的测量探针或组装或操纵应用中的夹持器。类似于参考图3和图4所描述的，为了给臂提供额外的两条或三条轴线，工具有利地由臂经由预先校准的探针头12承载。为此目的，头端H包括适于与设置在操作工具(或探针头)上的对应联接特征相联接的联接特征。这些可能性在图49A和图49B中示意性地展示，其示出了使用实施本发明的坐标定位臂A的制造系统和方法。如前所述，在图49A中还标记了臂A的度量框架M的度量轴线R1至R6，也标记了驱动框架D、底端B和头端H。

如图49A所示，在臂A的工作容积内设置有工具架(或工具固持器)50。各种工具被固持在工具架50中，包括夹持器42、铣削工具44、激光切割工具46、钻孔工具48和测量探针14。使用模块化联接系统，使得每个工具可以在需要时经由关节型探针头12可移除地联接到臂A的头端H，即从工具架50上拿起并用于执行操作，然后放回到工具架50中，以便在需要时可以拿起另一工具。可移除联接件能够以自动化方式相对容易且无需人工干预地实现这一点，使得可以将其用于自动化制造过程中。因为臂A的固有精度，归因于先前提出的特征，臂A能够既作为定位机器又作为测量机器。

例如，臂A可以使用夹持器42来拾取工件16并将其放置在机床上(在图49A所示步骤之前的步骤中执行)，然后将夹持器42换成钻孔工具48(该步骤在图49A中执行)，然后使用钻孔工具48对工件16进行钻孔(如图49B所示)。随后，钻孔工具48可以从工具架50上换成测量探针14(在图49B所示的步骤之后执行的步骤中)，使得臂A可以移回到机加工工件16上，以测量和检查机加工特征，从而检查这些特征是否在要求的容差内。