用于確定接頭的至少一個(gè)特性的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于確定接頭的至少一個(gè)特性的方法和系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及一種用于確定伺服控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)(如操縱器的接頭)的至少一個(gè)特性的方法和系統(tǒng)。
[0002]機(jī)器人已經(jīng)在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。具體而言，某些工業(yè)領(lǐng)域涉及執(zhí)行對人類健康而言危險(xiǎn)的任務(wù)或者在人類無法承受的條件下進(jìn)行勞動(dòng)。其他的工業(yè)領(lǐng)域涉及重復(fù)性任務(wù)，這種任務(wù)用機(jī)器人來執(zhí)行可以高效且精確得多。
[0003]工業(yè)機(jī)器人典型地包含一個(gè)操縱器，該操縱器被設(shè)計(jì)成用于操縱或處理工件和材料。該操縱器正常地具有一種臂狀的安排，該安排由一系列區(qū)段組成，每個(gè)區(qū)段稱為一個(gè)鏈節(jié)。這些區(qū)段中的每一個(gè)的運(yùn)動(dòng)有時(shí)是平移運(yùn)動(dòng)與繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合。在其他情況下，該運(yùn)動(dòng)只由平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。這兩種運(yùn)動(dòng)變體均賦予了每個(gè)鏈節(jié)圍繞或沿著下文將被稱為接頭的物體的機(jī)械自由度。接頭的變體，如球形接頭，可以被認(rèn)為是這些簡單的平移或旋轉(zhuǎn)接頭的組合，并且這些類型的接頭的形式等效物是與在機(jī)器人學(xué)文獻(xiàn)中存在的廣義坐標(biāo)的概念一致的。對應(yīng)地，分別將力和扭矩認(rèn)為是等效的，正如對于位置和角度也是如此。
[0004]接頭典型地通過一個(gè)伺服控制的馬達(dá)來致動(dòng)，該馬達(dá)經(jīng)由來自該馬達(dá)的所測量的運(yùn)動(dòng)的反饋被控制。該馬達(dá)經(jīng)由傳動(dòng)系來致動(dòng)該接頭，該傳動(dòng)系包含多個(gè)齒輪和其他傳動(dòng)元件以用于將馬達(dá)旋轉(zhuǎn)還原成接頭旋轉(zhuǎn)。為了本申請的目的，術(shù)語傳動(dòng)系應(yīng)被解釋為不包括該馬達(dá)。這些傳動(dòng)元件的目的是減小速度并且由此增加扭矩。
[0005]傳動(dòng)系在所謂的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中是多余的，但是，由于影響此類機(jī)器人的固有問題，尤其是在一個(gè)末端器(工具)與工件之間的力相互作用過程中的控制剛度方面，幾乎所有現(xiàn)代機(jī)器人都建造有用于每個(gè)接頭的一個(gè)專用的傳動(dòng)系。
[0006]致動(dòng)器應(yīng)被解釋為馬達(dá)(及其引出的軸)或能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換成傳動(dòng)系上的機(jī)械效果的另一種類型的裝置。雖然為了本申請的目的并不認(rèn)為該傳動(dòng)系是該致動(dòng)器的一部分，但用于測量該馬達(dá)角度的傳感器是其一部分。其輸出值被稱為致動(dòng)器位置。接頭角度正常地僅經(jīng)由該致動(dòng)器來測量。為此原因，傳動(dòng)元件需要以高精度和品質(zhì)來制造，從而使得該操縱器的運(yùn)動(dòng)將精確地對應(yīng)于所執(zhí)行的致動(dòng)。然而，最終用戶典型地并不愿意接受由使用高品質(zhì)材料而強(qiáng)加的價(jià)格提高，因而供應(yīng)商被迫用在低價(jià)區(qū)段中的部件來制造這些操縱器。
[0007]大多數(shù)現(xiàn)代的工業(yè)操縱器具有六個(gè)自由度(DOF)，即，它們具有串聯(lián)連接的六對旋轉(zhuǎn)接頭和鏈節(jié)。最后的鏈節(jié)以用于安裝該末端器(工具)的一個(gè)工具凸緣或末端凸緣終止。對于直接將該末端器安裝到該凸緣上的一個(gè)替代方案是使用一個(gè)工具交換器，該工具交換器由安裝在該操縱器的末端凸緣上的一個(gè)操縱器部分和為相應(yīng)的工具提供安裝表面的一個(gè)工具部分組成。這兩個(gè)工具交換器部分是可拆卸的、并且可以借助于一個(gè)例如通過氣動(dòng)力學(xué)被致動(dòng)的鎖定機(jī)構(gòu)來鎖定在位。這允許該工具的更換得到簡化。于是該工具的自動(dòng)更換，即在不涉及手動(dòng)工作的情況下，可以通過該機(jī)器人?？康揭粋€(gè)所選工具處來完成，之后該所選工具借助于該工具交換器的鎖定機(jī)構(gòu)牢固地附接到該操縱器。
[0008]該操縱器的運(yùn)動(dòng)可以由操作員手動(dòng)完成或者通過根據(jù)定義了機(jī)器人任務(wù)的用戶程序來執(zhí)行指令而自動(dòng)進(jìn)行。在后一種情況下，該操縱器是由加載到或進(jìn)入一個(gè)控制器中的該用戶程序來控制的，該控制器控制該操縱器從而引導(dǎo)其達(dá)到一個(gè)所編程的姿勢。這樣一個(gè)姿勢由針對所希望的末端器布局的位置和取向組成。因此，該控制器是該機(jī)器人的、控制該操縱器(包括其接頭)的運(yùn)動(dòng)的部分。
[0009]為了支持手動(dòng)地或者在該用戶程序中、并且可能來自CAD數(shù)據(jù)而進(jìn)行的對于末端器姿勢的高效指定，該控制器含有該操縱器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。這樣的模型包括這些接頭和這些鏈節(jié)以及它們的幾何關(guān)系的一個(gè)模型。
[0010]在機(jī)器人應(yīng)用中，例如在制造工廠中的工業(yè)機(jī)器人中，非常有價(jià)值的是，所獲得的實(shí)際姿勢在某些公差之內(nèi)與所編程的姿勢相符。如果并非如此的話，這意味著在所編程的姿勢與實(shí)際姿勢之間存在偏差。這種偏差可能在單一位置或在沿一條路徑的多個(gè)位置、或在該機(jī)器人的任何使用中出現(xiàn)。由用戶經(jīng)由在用戶程序中進(jìn)行調(diào)節(jié)或者通過對(略微偏差的)所編程的姿勢的示教來管理偏差，限制了機(jī)器人任務(wù)的重新使用并增加了機(jī)器人編程和部署的成本。
[0011]在機(jī)器人學(xué)的早期，重大的偏差是由于有缺陷的控制造成的，但是從20世紀(jì)80年代中期開始，機(jī)器人與其所編程的運(yùn)動(dòng)的偏差主要是由于操縱器特性以及缺少對(如在這些操縱器特性中反映的)傳動(dòng)系不精確性的控制補(bǔ)償。更確切地，該控制器通常具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和功能性、但是缺少使單獨(dú)操縱器支持此類補(bǔ)償?shù)膶?shí)際的機(jī)器人特有的數(shù)據(jù)。因此需要著手解決這些缺點(diǎn)以便將所編程的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)之間的偏差最小化。
[0012]盡管如此，在本領(lǐng)域中已知了與所編程的運(yùn)動(dòng)有偏差的另外的原因。具體而言，一種這樣的原因可能是在鏈節(jié)和接頭幾何形狀方面的不精確性，例如是由于運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差。運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差可以通過運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)來管理，這通常是從機(jī)器人制造商可獲得的。偏差的另一個(gè)原因涉及在接頭和臂的機(jī)械學(xué)方面和/或高速運(yùn)動(dòng)過程中對臂動(dòng)力學(xué)的控制方面的不精確性，例如由于逐接頭效應(yīng)或多體效應(yīng)造成的扭矩飽和。正常地，此類偏差是通過機(jī)器人制造商所提供的基于模型的控制來管理的。與所編程的姿勢偏離的再一種原因源自于由該操縱器的末端器與工件之間的力相互作用造成的、還由重力和作用在該操縱器上的其他力造成的不精確性。此類偏差還涉及由于軸承和其他接頭零件(如該傳動(dòng)系的傳動(dòng)元件)的順性和公差導(dǎo)致的在接頭運(yùn)動(dòng)周圍或沿著接頭運(yùn)動(dòng)的接頭動(dòng)力學(xué)。
[0013]存在若干類型的解決方案，這些解決方案是針對早先提及的偏差源類型的測量和識別。在這些之中，使用光學(xué)追蹤系統(tǒng)的測量是最常見的。一類解決方案使用外部校準(zhǔn)系統(tǒng)，用外部傳感器檢測這些接頭或該末端器的扭矩或位置。雖然可應(yīng)用于具有大量機(jī)器人的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施，但此類外部校準(zhǔn)系統(tǒng)的成本通常超過單一機(jī)器人的成本。在依賴于一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)機(jī)器人的操作的小規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施中，這樣的外部校準(zhǔn)系統(tǒng)由于過高的成本而無法應(yīng)用。外部校準(zhǔn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例在WO 2012/076038中有所描述。
[0014]上述類型的校準(zhǔn)系統(tǒng)的一個(gè)略微修改的版本呈現(xiàn)在了 Bennet、Hollerbach和Henri的文章“通過雅庫布矩陣的直接估算進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)(Kinematic Calibrat1n byDirect estimat1n of the Jacobian Matrix) ” 中(在法國尼斯 1992 年 ICRA 中呈現(xiàn))。在該文章中，在針對機(jī)器人的雅庫布矩陣中的參數(shù)(表達(dá)了端點(diǎn)速度與接頭速度之間的依存性，或者對應(yīng)地用于力/扭矩)是通過首先將該機(jī)器人夾持在預(yù)定義的姿勢并且然后基于來自外部力/扭矩傳感器的信息來致動(dòng)該機(jī)器人的這些接頭而進(jìn)行估算的，該傳感器附接到該夾持點(diǎn)附近的一個(gè)工具凸緣。
[0015]替代地，可以使用在兩端被接頭連接的剛性桿、或以明確限定的方式限制該操縱器相對于環(huán)境的運(yùn)動(dòng)的某種其他機(jī)構(gòu)以限制一個(gè)或多個(gè)自由度，但是使得某些接頭運(yùn)動(dòng)即使在受夾持的配置中也是可能的。從一組此類致動(dòng)獲得的數(shù)據(jù)得到了一組矩陣，這些矩陣用于計(jì)算這些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。但是即便用涉及夾持的基于力/扭矩的方法來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)，致動(dòng)器到接頭的動(dòng)力學(xué)也是被忽視的。結(jié)果是降低了精確度，從而使得這種涉及夾持該接頭的方法沒有在實(shí)際中使用。另外，由于用于每個(gè)接頭的該傳動(dòng)系的特性，由動(dòng)態(tài)力以及與工件的力相互作用造成的偏差在當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中仍是未得到補(bǔ)償?shù)摹?br>[0016]在上述背景下，本發(fā)明的目的是減輕本領(lǐng)域中目前存在的這些問題中的至少一止匕
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[0017]更確切地，需要一種簡化的且廉價(jià)的、為了校準(zhǔn)機(jī)器人姿勢和運(yùn)動(dòng)的目的而精確確定機(jī)器人的接頭參數(shù)的方式。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種用于確定接頭(例如操縱器的接頭)的至少一個(gè)特性的方法，其中所述接頭被配置成由至少一個(gè)致動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，該致動(dòng)器被配置成用于經(jīng)由一個(gè)傳動(dòng)系來驅(qū)動(dòng)所述接頭，該方法包括:
[0019]-夾持所述接頭，使得該接頭的運(yùn)動(dòng)變得受限，并且
[0020]-致動(dòng)所述傳動(dòng)系、同時(shí)監(jiān)測與所述致動(dòng)器的扭矩相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)量和與致動(dòng)器位置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)量，
[0021]-基于這些監(jiān)測的量來確定所述致動(dòng)器的至少一個(gè)輸出值組，所述輸出值組與至少一個(gè)接頭位置相關(guān)，并且
[0022]-基于所述輸出值組來確定該接頭的該至少一個(gè)特性。
[0023]在此，術(shù)語接頭特性應(yīng)被解釋為涵蓋致動(dòng)器到接頭動(dòng)力學(xué)的特性，對應(yīng)于迄今為止其獲得一直過于昂貴或困難以致無法在機(jī)器人應(yīng)用中實(shí)際使用的信息。
[0024]上述方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，接頭特性是直接從機(jī)器人操縱器自身確定的，這使得機(jī)器人的校準(zhǔn)比使用先前已知的校準(zhǔn)技術(shù)便宜得多。這些參數(shù)可以直接從機(jī)器人自身的位置和扭矩信號(如果兩者都可獲得)讀出或者可以從其他信號和物理特性以及來自(從現(xiàn)有馬達(dá)信號或傳感器獲得的)所測量的致動(dòng)器位置的數(shù)據(jù)一起推導(dǎo)出。例如，馬達(dá)電流可以通過除了提供扭矩信號之外的其他傳感器來測量，而致動(dòng)器位置可以經(jīng)由現(xiàn)有的馬達(dá)角度傳感器來感測。
[0025]某些物理特性可以用于補(bǔ)償偏差，使得這些偏差在實(shí)際上不出現(xiàn)。物理特性還可以用于調(diào)諧與執(zhí)行用于獲得這些物理特性的方法相關(guān)的控制。用于性能調(diào)諧的物理特性的一個(gè)實(shí)例可以是與用于接頭致動(dòng)的致動(dòng)器扭矩相關(guān)的馬達(dá)電流的頻率響應(yīng)。
[0026]上述方法還可以包括以下步驟:獲得標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、并且基于根據(jù)早先描述的方法步驟確定的該接頭的至少一個(gè)所確定特性來更新這些標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。這具有以下優(yōu)點(diǎn):由于操縱器接頭中的不精確性導(dǎo)致的在機(jī)器人操縱器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的誤差可以與現(xiàn)有的校準(zhǔn)技術(shù)相比得以減少。以此方式，使用接頭特性與更新的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)一起進(jìn)行的操縱器校準(zhǔn)與僅使用來自現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)的參數(shù)相比產(chǎn)生了更高的位置準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。
[0027]本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于確定接頭(例如操縱器的接頭)的至少一個(gè)特性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含:
[0028]至少一個(gè)致動(dòng)器，該至少一個(gè)致動(dòng)器被配置成用于經(jīng)由一個(gè)傳動(dòng)系來驅(qū)動(dòng)所述接頭，
[0029]被配置成限制該接頭的運(yùn)動(dòng)的夾持器件，
[0030]用于監(jiān)測與所述致動(dòng)器的扭矩相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)量和與致動(dòng)器位置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)量的器件，
[0031]用于確定所述致動(dòng)器的至少一個(gè)輸出值的器件，所述輸出值對應(yīng)于至少一個(gè)接頭位置，以及
[0032]用于基于所述至少一個(gè)輸出值來確定該接頭的該至少一個(gè)特性的器件。
[0033]除了先前所述的優(yōu)點(diǎn)之外，此類系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它使得有可能使用與現(xiàn)有的和容易得到的傳感器和信號相結(jié)合而獲得的傳動(dòng)系模型、借助于機(jī)器人自身來確定接頭參數(shù)。這些參數(shù)然后可以針對已經(jīng)在其上進(jìn)行測量的特定機(jī)器人模型(或一個(gè)單獨(dú)的機(jī)器人，例如在使用或磨損一定時(shí)間之后)直接用于更新用戶程序或間接用于更新對操縱器接頭的伺服控制。所有這些都是以簡單且相對廉價(jià)的方式完成的，因?yàn)榻宇^特性測量所需的唯一的外部物品是一個(gè)夾持物品，用于在該機(jī)器人的工作空間中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)中夾持該操縱器的一個(gè)可移動(dòng)部分。
[0034]從屬權(quán)利要求中提出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0035]在