高精度的機(jī)器人安放和操縱的制作方法
【專(zhuān)利摘要】在無(wú)需專(zhuān)用的或任務(wù)專(zhuān)屬的部件的情況下提供精確的機(jī)器人操作的系統(tǒng)和方法在一個(gè)實(shí)施方式中采用了與機(jī)器人機(jī)械手(102)物理分開(kāi)的空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)(100)，該空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)支承目標(biāo)工件(108)且與機(jī)器人機(jī)械手(102)合作工作以便以高的空間精度執(zhí)行任務(wù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
高精度的機(jī)器人安放和操縱
[000。相關(guān)領(lǐng)域的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年10月11日提交的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)61/889,630的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，其 所有公開(kāi)內(nèi)容被援引納入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施例總體設(shè)及機(jī)器人系統(tǒng)，尤其設(shè)及高精度的機(jī)器人安放和操縱。
【背景技術(shù)】
[0004] 機(jī)器人已在許多工業(yè)和生產(chǎn)環(huán)境中被有效利用來(lái)促進(jìn)可靠性和成本節(jié)約。例如機(jī) 器人臂可W移動(dòng)物體W執(zhí)行包括組裝、包裝、檢測(cè)等在內(nèi)的任務(wù)。機(jī)械手通常被放置在延伸 的機(jī)器人臂上，從而操縱點(diǎn)可被容易調(diào)節(jié)。然而，通過(guò)延伸的機(jī)器人臂準(zhǔn)確控制機(jī)械手可能 是挑戰(zhàn)性的。例如機(jī)械手通常具有較大質(zhì)量;為了直至機(jī)器人根關(guān)節(jié)地都W期望的精度支 承運(yùn)種負(fù)荷，在臂與根關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)鏈中的各關(guān)節(jié)須在位置誤差的極嚴(yán)格的容差范圍內(nèi) 來(lái)操作。換句話(huà)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)鏈中的所有關(guān)節(jié)須W與在目標(biāo)處的期望精度一樣的或更高的精度 來(lái)操作。位于臂根部處的馬達(dá)角度精度例如需要在0.03度W內(nèi)，W保證位于兩米長(zhǎng)的機(jī)器 人臂的端部的機(jī)械手在目標(biāo)位置的1毫米范圍內(nèi)。運(yùn)樣的嚴(yán)格要求造成復(fù)雜性和高成本。
[0005] 另外，機(jī)器人系統(tǒng)需要施加大的力來(lái)阻尼整體臂運(yùn)動(dòng)的任何可能的動(dòng)態(tài)作用。即 使對(duì)于搬運(yùn)輕型目標(biāo)的簡(jiǎn)單任務(wù)來(lái)說(shuō)，W亞微米或亞角度的精度傳送目標(biāo)仍是困難的。例 如在簡(jiǎn)單的組裝任務(wù)中，在兩米長(zhǎng)的機(jī)器人臂的端部，螺釘重量可能僅有幾毫克重;而用于 傳送螺釘?shù)臋C(jī)器人裝置必須能在保持在每個(gè)接頭處的精確位置的情況下完全伸展的同時(shí) 支承自身(包括所有馬達(dá)、齒輪箱和電子裝置），還補(bǔ)償該運(yùn)動(dòng)鏈中的側(cè)隙、彎曲、滑動(dòng)和累 積誤差。運(yùn)又在顯著增大了機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。
[0006] 過(guò)去，能執(zhí)行高精度目標(biāo)操縱的機(jī)器人系統(tǒng)使用了專(zhuān)用于特定任務(wù)的部件和技 術(shù)。運(yùn)不僅要求專(zhuān)口的嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)且由此增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，而且限制機(jī)器人系統(tǒng)的 通用適用性。因此，人們需要一種在無(wú)需專(zhuān)用的或任務(wù)專(zhuān)屬的部件或技術(shù)情況下提供精確 的目標(biāo)操縱的機(jī)器人系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在各實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及用于在無(wú)需專(zhuān)用的或任務(wù)專(zhuān)屬的部件情況下提供精確 的機(jī)器人操作的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，與機(jī)器人機(jī)械手物理分開(kāi)的空間調(diào)節(jié)系 統(tǒng)支承工件且與機(jī)器人機(jī)械手合作工作W便W高的空間精度執(zhí)行任務(wù)。在操作期間，機(jī)器 人系統(tǒng)首先使機(jī)器人機(jī)械手粗略移向目標(biāo)附近。在空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的或與空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)合 作的跟蹤系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械手的位置且向控制器傳輸信息。該控制器隨后命令空 間調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器來(lái)基于所檢測(cè)的機(jī)器人機(jī)械手位置調(diào)節(jié)目標(biāo)位置。因?yàn)?空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)能W高的空間精度使目標(biāo)工件與機(jī)器人機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)，故不需要在機(jī)器人臂和 根關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)鏈中的所有機(jī)器人關(guān)節(jié)在位置誤差的有限容差范圍內(nèi)操作地準(zhǔn)確執(zhí)行 任務(wù)。因此，本發(fā)明提供了用于可容易經(jīng)濟(jì)地制造的機(jī)器人系統(tǒng)的準(zhǔn)確的目標(biāo)操縱。
[0008] 因此，一方面，本發(fā)明設(shè)及用于操縱目標(biāo)的機(jī)器人系統(tǒng)。在各實(shí)施例中，該系統(tǒng)包 括機(jī)器人機(jī)械手、與機(jī)器人機(jī)械手物理分開(kāi)的用于支承和移動(dòng)目標(biāo)的定位系統(tǒng)、用于檢測(cè) 機(jī)器人機(jī)械手的位置的跟蹤系統(tǒng)和響應(yīng)于跟蹤系統(tǒng)的控制器，該控制器被構(gòu)造成控制該定 位系統(tǒng)W便至少在一定程度上基于由跟蹤系統(tǒng)所檢測(cè)的機(jī)器人機(jī)械手的位置來(lái)調(diào)節(jié)該目 標(biāo)的位置。
[0009] 在各實(shí)施例中，該定位系統(tǒng)包括用于支承目標(biāo)的可移動(dòng)平臺(tái)和響應(yīng)于控制器的用 于移動(dòng)平臺(tái)W調(diào)節(jié)目標(biāo)位置的至少一個(gè)致動(dòng)器。例如機(jī)器人機(jī)械手可W包括光源，且跟蹤 系統(tǒng)可W包括成像裝置;在一些實(shí)施方式中，光源產(chǎn)生人眼可見(jiàn)光譜范圍外的光(如紅外波 段)。
[0010] 定位系統(tǒng)可包括使目標(biāo)在第一方向平移的第一致動(dòng)器和使目標(biāo)在第二方向平移 的第二致動(dòng)器，第二方向與第一方向不同（如相互垂直）。在一些實(shí)施例中，定位系統(tǒng)還包括 使目標(biāo)在第=方向平移的第=致動(dòng)器，第=方向與第一和第二方向不同（如垂直于第一和 第二方向）。其中一個(gè)或多個(gè)所述致動(dòng)器可W是平移致動(dòng)器，且其中一個(gè)或多個(gè)所述致動(dòng)器 可W是轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器。如果需要，可將更多的致動(dòng)器增加至系統(tǒng)。例如在一些實(shí)施例中，為了 實(shí)現(xiàn)平移調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，可共同使用=個(gè)平移致動(dòng)器和=個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器。控制器還可被 構(gòu)造成調(diào)節(jié)目標(biāo)位置W使目標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)。
[0011] 另一方面，本發(fā)明設(shè)及通過(guò)機(jī)器人操縱目標(biāo)的方法。在各實(shí)施例中，該方法包括的 步驟有:確定目標(biāo)位置;使機(jī)器人機(jī)械手粗略移動(dòng)向目標(biāo)位置;檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械手的位置； 至少在一定程度上基于所檢測(cè)到的機(jī)器人機(jī)械手的位置來(lái)調(diào)節(jié)目標(biāo)位置。在各實(shí)施例中， 該方法還包括確定用于機(jī)器人機(jī)械手粗略移向目標(biāo)位置的最佳路徑。"最佳"通常是指最有 效的如浪費(fèi)最少的運(yùn)動(dòng)。例如最佳路徑可W至少在一定程度上基于機(jī)器人機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)前 的位置和目標(biāo)位置來(lái)確定，且還可能導(dǎo)致存在將由機(jī)械手達(dá)到的多個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)位置的調(diào) 節(jié)速度可基于目標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械手的檢測(cè)位置之間的距離來(lái)確定。目標(biāo)位置可被調(diào)節(jié)W使 目標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)。
[0012] 又一方面，本發(fā)明設(shè)及用于在工件上執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。在各實(shí)施例中，該系 統(tǒng)包括具有用于操縱工件的機(jī)器人機(jī)械手的機(jī)器人;與機(jī)器人物理分開(kāi)的助手系統(tǒng)，該助 手系統(tǒng)包括用于感測(cè)工件、包含工件的空間區(qū)域和/或機(jī)器人機(jī)械手的狀況的感測(cè)系統(tǒng)和 響應(yīng)于感測(cè)系統(tǒng)且被構(gòu)造成操作該助手系統(tǒng)W幫助機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的控制器。
[0013] 在各實(shí)施例中，控制器被構(gòu)造成操作助手系統(tǒng)W操縱工件。例如控制器可被構(gòu)造 成操作助手系統(tǒng)W改變包含工件的空間區(qū)域內(nèi)的狀況和/或與機(jī)器人機(jī)械手互動(dòng)。當(dāng)然，除 定位外，目標(biāo)操縱還包括例如銀切、梓上蓋、密封袋、施力、用力保持等，運(yùn)些均落入本發(fā)明 的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 從W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明中將更易理解W上討論，其中：
[001引圖1示例性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)器人系統(tǒng)；
[0016]圖2是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的代表性的機(jī)器人機(jī)械手訓(xùn)練方法的流程圖；
[0017]圖3A-3C示例性示出本發(fā)明的實(shí)施例的操作；
[0018]圖4是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的代表性的任務(wù)執(zhí)行方法；
[0019]圖5示例性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 首先參見(jiàn)圖1，其示出與機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作W提供高精度機(jī)器人操作的空間調(diào) 節(jié)系統(tǒng)100的實(shí)施例，該機(jī)器人系統(tǒng)例如是具有機(jī)器人機(jī)械手102的機(jī)器人101。機(jī)器人系統(tǒng) 101例如可W是如都于2012年9月17日提交的美國(guó)序列號(hào)13/621,658和13/621,657所述的 機(jī)器人，上述兩份專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容被援引納入本文。
[0021] 在各實(shí)施例中，空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100包括用于檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械手102的位置的跟蹤系 統(tǒng)104和用于支承并移動(dòng)目標(biāo)108的定位系統(tǒng)106。在一個(gè)實(shí)施方式中，跟蹤系統(tǒng)104包括兩 個(gè)傳感器，即用于檢測(cè)X軸位置的傳感器104X和用于檢測(cè)y軸位置的傳感器104y。傳感器104 檢測(cè)機(jī)器人臂102或其部分的變化位置。傳感器104的取向允許其檢測(cè)范圍重疊并包含至少 與定位系統(tǒng)106同延伸的工作區(qū)域。傳感器104可檢測(cè)由位于機(jī)器人機(jī)械手102上的工具尖 標(biāo)識(shí)110所傳輸或反射的信號(hào)，隨后將測(cè)得信息(如信號(hào)幅度)提供給控制器112W用于確定 機(jī)器人機(jī)械手102的位置。傳感器104可W是傳統(tǒng)的光傳感器、聲傳感器、超聲傳感器或能捕 獲由工具尖標(biāo)識(shí)110所產(chǎn)生的信號(hào)并W數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)信號(hào)的或者能用傳統(tǒng)圖像采集和識(shí)別 軟件來(lái)光學(xué)檢測(cè)和識(shí)別工具尖標(biāo)識(shí)110的任何類(lèi)型的裝置。在一些實(shí)施例中，定位系統(tǒng)106 包括用于支承目標(biāo)108的可移動(dòng)平臺(tái)114和一個(gè)或多個(gè)用于移動(dòng)該平臺(tái)W便動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)目標(biāo) 位置的致動(dòng)器116(如步進(jìn)馬達(dá)或無(wú)刷馬達(dá)）。例如致動(dòng)器116可W使平臺(tái)分別沿X軸和y軸且 根據(jù)應(yīng)用可沿Z軸(豎軸)增量移動(dòng)，和/或可W關(guān)于一個(gè)或多個(gè)軸改變平臺(tái)取向。在一些實(shí) 施例中，運(yùn)些傳感器被牢固附接至可移動(dòng)平臺(tái)114。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，工具尖標(biāo)識(shí)110是紅外線(xiàn)（IR)L邸標(biāo)識(shí)，且傳感器是IR感測(cè)相機(jī)。 IR相機(jī)能W任何傳統(tǒng)方式設(shè)置。例如IR相機(jī)可被定位成其光軸相交且大致平行于致動(dòng)器 116的各自操作方向。另外，多個(gè)致動(dòng)器116可被構(gòu)造成每個(gè)致動(dòng)器能控制平臺(tái)114的單獨(dú)平 移自由度(例如一個(gè)致動(dòng)器116X調(diào)節(jié)X軸位置，另一個(gè)致動(dòng)器116y調(diào)節(jié)y軸位置，其中X軸和y 軸相互垂直）；運(yùn)有利地消除在相機(jī)104上執(zhí)行相對(duì)校準(zhǔn)的必要性且允許對(duì)平臺(tái)114的兩個(gè) 平移自由度進(jìn)行獨(dú)立的不相關(guān)聯(lián)的控制。要注意的是X方向和y方向不一定彼此垂直，而是 能沿任何方向延伸，只要兩者不彼此平行即可。另外，盡管圖1示出致動(dòng)器106在水平面內(nèi)沿 X和y平移方向操作，但可實(shí)現(xiàn)在空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100內(nèi)的任何數(shù)量的平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)的致動(dòng)器 的組合。例如致動(dòng)器106可提供=個(gè)平移自由度和=個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
[0023] 在各實(shí)施例中，在執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)前，控制器112進(jìn)入指定期望目標(biāo)位置的訓(xùn)練模 式;該信息被提供給機(jī)器人系統(tǒng)，其基于該信息移動(dòng)機(jī)械手102。具體說(shuō)，操作者可首先人工 引導(dǎo)機(jī)器人機(jī)械手102至機(jī)器人工作空間中的各關(guān)鍵位置(或路徑點(diǎn)）。例如操作者例如可 通過(guò)按下機(jī)器人系統(tǒng)上的按鈕使機(jī)器人機(jī)械手102與位于預(yù)定位置的目標(biāo)工件108對(duì)準(zhǔn)且 表明機(jī)器人機(jī)械手102位于其理想操縱位置。機(jī)器人系統(tǒng)隨即用信號(hào)通知控制器112,該控 制器致動(dòng)工具尖標(biāo)識(shí)110且使跟蹤系統(tǒng)104基于其所傳輸/所反射的信號(hào)識(shí)別工具尖標(biāo)識(shí) 110的位置。工具尖標(biāo)識(shí)110的確定位置和相應(yīng)目標(biāo)的指標(biāo)可隨后被存在控制器112的存儲(chǔ) 器中W執(zhí)行后續(xù)任務(wù)。
[0024] 圖2示出訓(xùn)練根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人機(jī)械手102和空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100的代表性 方法200。在第一步驟202,控制器112被設(shè)定為訓(xùn)練模式W開(kāi)始訓(xùn)練程序。在第二步驟204， 控制器112從指標(biāo)"0"開(kāi)始記錄第一目標(biāo)工件。在第=步驟206，操作者移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手 102 W使其與第一目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)且按下按鈕W指明是否有其它目標(biāo)存在。如果沒(méi)有其它目標(biāo)，貝U 控制器112在存儲(chǔ)器中作為路徑點(diǎn)（或理想最終位置)記錄下機(jī)械手102的檢測(cè)位置且切換 至任務(wù)執(zhí)行模式，由此退出當(dāng)前訓(xùn)練程序(第四步驟208和第五步驟210)。但如果存在其它 目標(biāo)，則控制器112將機(jī)械手102的檢測(cè)位置(仍作為路徑點(diǎn))和當(dāng)前目標(biāo)指標(biāo)均記錄在存儲(chǔ) 器中且增量增大目標(biāo)指標(biāo)(在第六步驟212)。然后，操作者利用上述方法移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手 102 W使其與下一目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)并指明是否有其它目標(biāo)存在。
[0025] 參見(jiàn)圖3A和3B，在任務(wù)執(zhí)行模式中，控制器112首先基于在訓(xùn)練期間所存儲(chǔ)的位置 信息移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手102盡量(受限于機(jī)器人系統(tǒng)精度)靠近具有最低指標(biāo)數(shù)的目標(biāo)300 (或任何期望的/被識(shí)別的目標(biāo)）。然后，致動(dòng)跟蹤系統(tǒng)104中的傳感器被啟動(dòng)W檢測(cè)工具尖 標(biāo)識(shí)11〇(如通過(guò)其產(chǎn)生的/反射的信號(hào)）W確定機(jī)器人機(jī)械手102的實(shí)際位置?？刂破?12將 工具尖標(biāo)識(shí)110的檢測(cè)到的實(shí)際位置與機(jī)器人機(jī)械手102的（在訓(xùn)練期間建立的）存儲(chǔ)路徑 點(diǎn)位置進(jìn)行比較并確定定位系統(tǒng)106為縮小工具尖標(biāo)識(shí)110(或機(jī)器人機(jī)械手102)的實(shí)際位 置和路徑點(diǎn)位置之間的位置差所需要的運(yùn)動(dòng)路徑和/或步驟數(shù)量(通過(guò)致動(dòng)器116x、116y、 116z)。因?yàn)榭刂破?12(見(jiàn)圖1)、跟蹤系統(tǒng)104和定位系統(tǒng)106形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，故在機(jī)器 人機(jī)械手102移動(dòng)期間可連續(xù)反復(fù)地縮小位置差。用于通過(guò)定位系統(tǒng)106調(diào)節(jié)目標(biāo)位置的運(yùn) 動(dòng)路徑和/或步驟數(shù)量的準(zhǔn)確解是不必要的，因?yàn)殡S著位置差減小，控制器112可引導(dǎo)定位 系統(tǒng)106采用漸少的步驟，直到機(jī)器人機(jī)械手102和目標(biāo)300如圖3C所示精確對(duì)準(zhǔn)(與虛影所 示的定位系統(tǒng)的初始位置對(duì)準(zhǔn)）。機(jī)器人機(jī)械手102可W隨后執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)。當(dāng)執(zhí)行用于當(dāng) 前目標(biāo)的任務(wù)時(shí)，機(jī)器人機(jī)械手102可利用上述做法移動(dòng)至下一目標(biāo)W便操縱。
[0026] 因?yàn)榭臻g調(diào)節(jié)系統(tǒng)100能準(zhǔn)確確定機(jī)器人機(jī)械手102的位置且基于該位置調(diào)節(jié)目 標(biāo)位置，故本發(fā)明無(wú)需對(duì)龐大的機(jī)器人附件進(jìn)行精準(zhǔn)控制地提供了空間精度。另外，因?yàn)榭?間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100與機(jī)器人系統(tǒng)物理分開(kāi)，故在無(wú)需使用任何專(zhuān)用部件或設(shè)計(jì)用于機(jī)器人系 統(tǒng)或機(jī)器人上的額外負(fù)載的情況下獲得準(zhǔn)確性。該方法的優(yōu)點(diǎn)還包括能W準(zhǔn)確快速的方式 任意移動(dòng)定位系統(tǒng)106而消除位置誤差，能夠協(xié)調(diào)兩種位置控制，即一種機(jī)器人本身上的控 制和另一種物理遠(yuǎn)離機(jī)器人的控制，且使制造方便經(jīng)濟(jì)。
[0027] 在示例性應(yīng)用中，機(jī)器人機(jī)械手102被編程控制W將螺釘緊固于物體內(nèi)的螺紋孔。 螺釘和/或物體首先被放置在定位系統(tǒng)106的可移動(dòng)平臺(tái)114上?？臻g調(diào)節(jié)系統(tǒng)100和機(jī)器人 機(jī)械手102隨后按訓(xùn)練模式被操作W確定機(jī)器人機(jī)械手102的路徑點(diǎn)（即用于拾取螺釘?shù)奈?置和/或螺紋孔的位置）W執(zhí)行任務(wù)。為了簡(jiǎn)化任務(wù)，庫(kù)存螺釘供給器可被用于螺釘拾取。一 旦螺釘通過(guò)供給器被拾走，則控制器112與空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100通信W確定哪個(gè)螺紋孔被指定 作為第一路徑點(diǎn)且移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手102盡量(在機(jī)器人粗略調(diào)節(jié)限度內(nèi)）靠近目標(biāo)螺紋 孔。在機(jī)器人機(jī)械手102的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間的差值被確定后，控制器112通過(guò)平臺(tái) 114移動(dòng)目標(biāo)(如螺紋孔）W與位于機(jī)械手102端部的螺釘對(duì)準(zhǔn)。平臺(tái)114可W動(dòng)態(tài)跟隨機(jī)器 人機(jī)械手102的軌跡且W與路徑點(diǎn)和機(jī)器人機(jī)械手102之間的距離成正比的速度移動(dòng)，直到 螺釘與螺紋孔相互接觸。機(jī)器人機(jī)械手102上的力傳感器可監(jiān)測(cè)緊固過(guò)程且將螺釘完成插 入報(bào)告給控制器112。機(jī)器人機(jī)械手102隨后從當(dāng)前螺紋孔退出且移動(dòng)至下一螺紋孔（即在 訓(xùn)練期間建立的下一路徑點(diǎn)）。該過(guò)程可W重復(fù)，直到螺紋孔的指標(biāo)數(shù)等于存于存儲(chǔ)器內(nèi)的 最大指標(biāo)或指示任務(wù)結(jié)束的指標(biāo)數(shù)，或當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)被操作者手動(dòng)停下時(shí)停止重復(fù)。
[0028] 用于執(zhí)行任務(wù)如將螺釘緊固于螺紋孔的代表性方法400如圖4所示。在步驟402,控 制器112被設(shè)定為執(zhí)行模式W開(kāi)始任務(wù)。在步驟404,指標(biāo)被設(shè)定成指明任務(wù)開(kāi)始的"0"，且 指示任務(wù)完成的參數(shù)"部分完成"被設(shè)定為"假的"。在步驟406,控制器112檢測(cè)當(dāng)前目標(biāo)指 標(biāo)是否等于指示任務(wù)結(jié)束的指標(biāo)。如果指標(biāo)相同，則"部分完成"被設(shè)定為"真的"（在步驟 408)且機(jī)器人系統(tǒng)不會(huì)執(zhí)行任何進(jìn)一步目標(biāo)操縱(在步驟410)。如果指標(biāo)不相等，則機(jī)器人 系統(tǒng)檢測(cè)螺釘是否由機(jī)器人機(jī)械手102保持(步驟412)。如果不是，則控制器使螺釘被取回 (步驟414)，如果是，則控制器112、機(jī)器人機(jī)械手102和空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)100協(xié)同工作W利用上 述方法執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)(步驟416)。在確定螺釘被牢固緊固于螺紋孔(步驟418)之后，目標(biāo)指 標(biāo)被加一(步驟420)，且機(jī)械手102被移動(dòng)W對(duì)后續(xù)目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)。
[0029] 螺釘尖端的定位精度可能受到許多因素的影響，例如具有螺紋孔的物體頂面形 狀、螺釘長(zhǎng)度和工具尖標(biāo)識(shí)與螺釘尖端之間的距離。例如帶螺紋孔的物體的形狀可能會(huì)阻 止從工具尖標(biāo)識(shí)110傳來(lái)的信號(hào)被跟蹤系統(tǒng)104內(nèi)的傳感器檢測(cè)到，如果物體太靠近工具尖 標(biāo)識(shí)110定位的話(huà)。運(yùn)會(huì)導(dǎo)致螺釘尖端定位的幾何誤差。在各實(shí)施例中，工具尖標(biāo)識(shí)110與物 體頂面之間的豎直距離(Z軸）與工具尖的理想最終位置（即目標(biāo)300的位置)一起被考慮W 形成使機(jī)器人機(jī)械手102移動(dòng)靠近目標(biāo)的軌跡。在一個(gè)實(shí)施方式中，在訓(xùn)練模式期間，在機(jī) 器人臂被置于其理想最終位置后允許機(jī)器人臂直接從最終位置退回；退回軌跡被記錄下 來(lái)。然后，控制器112執(zhí)行與記錄軌跡的線(xiàn)性擬合，估算與線(xiàn)性退回軌跡相關(guān)的參數(shù)且在存 儲(chǔ)器中與最終期望位置一起存儲(chǔ)該參數(shù)。在任務(wù)執(zhí)行模式期間，如果跟蹤系統(tǒng)104不能檢測(cè) 到由工具尖標(biāo)識(shí)110所傳輸/所反射的信號(hào)，則機(jī)器人機(jī)械手102可遵循預(yù)定的線(xiàn)性軌跡，直 到再次檢測(cè)到信號(hào)。
[0030] 為了確定與線(xiàn)性方法相關(guān)的參數(shù)，在水平面中的工具尖110位置被假定為與其在 目標(biāo)上方的高度線(xiàn)性相關(guān)。由于兩個(gè)水平方向X和y在控制和測(cè)量上彼此無(wú)關(guān)聯(lián)，故能與其 它水平位置變化無(wú)關(guān)地表述各水平位置的變化W得到用于X軸和y軸馬達(dá)的獨(dú)立控制參數(shù)。 例如沿X軸方向的移動(dòng)能被計(jì)算，且針對(duì)y方向按照完全相同的方式重復(fù)同樣的計(jì)算W得到 y軸馬達(dá)控制參數(shù)。X水平方向和工具尖高度之間的關(guān)系通過(guò)W下關(guān)系式來(lái)給出：
[0031] x = az+b (1),
[0032] 其中，Z和X分別是高度位置和水平位置。線(xiàn)性參數(shù)a和b可基于在訓(xùn)練期間通過(guò)將 機(jī)器人臂從目標(biāo)位置向在孔上方的初始線(xiàn)性路徑起始處的位置豎直提升而收集的若干位 置點(diǎn)來(lái)確定。
[0033] 對(duì)于具有指標(biāo)i的每個(gè)目標(biāo)和在跟蹤傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)的N個(gè)軌跡點(diǎn)，可按照水平 坐標(biāo)和咳官聲梳化下親巧兩個(gè)巧隨：
[0034] (2)
[0035]
[0036] 其中，等式(3)表示在齊次坐標(biāo)系中的豎直坐標(biāo)。于是，等式1能同時(shí)針對(duì)所有收集 點(diǎn)被再寫(xiě)為：
[0037] Xi = PiZi (4)
[0038] 巧骨敵巧干瞄吿線(xiàn)忡系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)解日對(duì)第i個(gè)目標(biāo)給出如下的線(xiàn)性方法參數(shù)：
[0039]
[0040] 結(jié)果，在任務(wù)執(zhí)行模式期間，描述第i個(gè)目標(biāo)的線(xiàn)性軌跡的參數(shù)可連同最終期望位 置被取回。在機(jī)器人機(jī)械手102移動(dòng)期間，控制器112可通過(guò)將當(dāng)前工具尖位置x(t)投影到 所確定的理想線(xiàn)性軌跡上來(lái)計(jì)算工具尖位置的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)(x(t);z(t))。因此，該投影使控制 器112具備中間"目標(biāo)"位置W供機(jī)器人機(jī)械手102經(jīng)過(guò)。運(yùn)允許機(jī)器人機(jī)械手102基于理想 線(xiàn)性軌跡行進(jìn)，而不是只趨向于最終理想位置。因此，線(xiàn)性軌跡避免機(jī)器人機(jī)械手102失效， 該失效例如源于來(lái)自工具件標(biāo)識(shí)110的信號(hào)被一些部件阻止或者機(jī)器人機(jī)械手102因機(jī)器 人臂控制系統(tǒng)中的微小不穩(wěn)定性而引起的突然位置變化、傳感器和致動(dòng)器116之間的固有 失準(zhǔn)等。
[0041] 例如，對(duì)于工具尖標(biāo)識(shí)110的測(cè)量豎直位置z(t)，在該高度所占據(jù)的理想水平位置 巧Kt)被親巧為；
[0042] (6)
[0043] 干步驟K來(lái)匹配W使工具尖標(biāo)識(shí)110的理想位置與 實(shí)際水 （可被定義為：
[0044] (7)
[0045] 共中，丫足化設(shè)巧値，即天T從X具尖標(biāo)識(shí)110到目標(biāo)的距離的常量或函數(shù)。因此， 等式(7)提供關(guān)于定位系統(tǒng)106需移動(dòng)W使位置誤差最小化的步驟K的數(shù)量的信息。該調(diào)節(jié) 過(guò)程可重復(fù)，直到機(jī)械手102到達(dá)目標(biāo)頂面。
[0046] 概括地講，本發(fā)明的原理可被用于W下"助手"系統(tǒng)，其與機(jī)器人物理分隔，但幫助 機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。例如，上述平臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)是操縱工件一具體說(shuō)操控工件相對(duì)于機(jī)器人機(jī) 械手的位置一的助手。在其它實(shí)施例中，助手系統(tǒng)能W不同方式(如基于由相關(guān)的溫度傳感 器所做的溫度測(cè)量來(lái)進(jìn)行加熱或冷卻）操縱工件，或者可改變包含工件的空間區(qū)域內(nèi)的狀 況;運(yùn)又可能牽設(shè)到利用例如對(duì)流空氣流對(duì)區(qū)域進(jìn)行加熱或冷卻。在其它實(shí)施例中，助手系 統(tǒng)例如通過(guò)精確調(diào)節(jié)其位置、使其為操作做好準(zhǔn)備(如通過(guò)罩住附件)等而與機(jī)器人機(jī)械手 相互作用。因此，助手系統(tǒng)可配備有與其要執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)功能相關(guān)的任何適合的傳感 器和致動(dòng)器。
[0047] 本文所述的控制器112可在機(jī)器人系統(tǒng)、空間調(diào)節(jié)系統(tǒng)或位于機(jī)器人系統(tǒng)或空間 調(diào)節(jié)系統(tǒng)外的系統(tǒng)中實(shí)施。另外，控制器112能W軟件、硬件或其組合方式實(shí)施。例如該系統(tǒng) 可在一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器類(lèi)計(jì)算機(jī)如具有包含一個(gè)或多個(gè)處理器的中央處理器插件的個(gè)人 電腦上實(shí)施。本文所述的存儲(chǔ)器包括位于如市場(chǎng)常見(jiàn)的硬件上的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只 讀存儲(chǔ)器(ROM)和/或閃存存儲(chǔ)器，上述硬件例如是一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng) 可編程口陣列(FPGA)、電可擦除可編只讀存儲(chǔ)器化EPROM)、可編只讀存儲(chǔ)器(PROM)或可編 程邏輯器件(PLD)。在一些實(shí)施例中可使用諸如光盤(pán)、磁盤(pán)和其它常用存儲(chǔ)器的外部RAM和/ 或ROM來(lái)提供程序。
[004引對(duì)于作為軟件程序提供控制器112的實(shí)施例，程序可W是W諸如FORTRAN、PASCAL、 1八￥4、(：、〔++、〔#、1^5?、陽(yáng)化、8451(：、？￥1'冊(cè)嗎!^任何適合的編程語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。
[0049]在圖5中W500總體標(biāo)示的代表性的控制系統(tǒng)執(zhí)行程序命令來(lái)實(shí)施上述功能。系統(tǒng) 500包括中央處理單元(CPU)502和用504、506標(biāo)示的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。通常，存儲(chǔ) 器504提供非易失性大容量存儲(chǔ)器且例如可W是邸PROM、閃存ROM、硬盤(pán)或CD-ROM驅(qū)動(dòng)器;存 儲(chǔ)器506包括用于暫時(shí)存儲(chǔ)和處理的易失性RAM與包含系統(tǒng)操作命令的永久方面的非易失 性PROM的組合。系統(tǒng)500還包括包含輸入/輸出模塊（I /0模塊)51 Oa、51化的多個(gè)輸入/輸出 模塊，其中，510a(W無(wú)線(xiàn)方式或通過(guò)線(xiàn)纜)連至機(jī)器人臂102(或機(jī)器人100)，510b與定位系 統(tǒng)116相連。運(yùn)些輸入/輸出模塊允許控制器500感測(cè)機(jī)器人臂和定位系統(tǒng)的狀況且向機(jī)器 人臂和定位系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)?？刂破?00的各內(nèi)部部件通過(guò)雙向系統(tǒng)總線(xiàn)520相互通信。 控制器500還包括一個(gè)或多個(gè)連至總線(xiàn)520的輸入裝置525,輸入裝置允許操作者對(duì)控制器 進(jìn)行編程和/或輸入信息。
[0050] 存儲(chǔ)器506包含通過(guò)操作CPU502如上所述地實(shí)施由控制器500執(zhí)行的功能的一系 列功能塊或模塊?？刂茐K540包含通過(guò)輸入/輸出模塊510a操作定位系統(tǒng)116的計(jì)算機(jī)執(zhí)行 命令。存儲(chǔ)器506還包括操作系統(tǒng)550和限定幫助與操作者直接交互的用戶(hù)界面555的命令， 該操作系統(tǒng)指導(dǎo)諸如內(nèi)存分配、文件管理和存儲(chǔ)器504操作運(yùn)樣的低級(jí)基本系統(tǒng)功能的執(zhí) 行。網(wǎng)絡(luò)界面560通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)主機(jī)幫助與控制器500通信。
[0051] 本文所用詞語(yǔ)"大致"是指±10%，在一些實(shí)施例中指±20%。本說(shuō)明書(shū)所用的"一 個(gè)例子"、"例子"、"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"是指關(guān)于例子所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被 包含在技術(shù)方案的至少一個(gè)例子中。因此，在說(shuō)明書(shū)的不同地方出現(xiàn)的"在一個(gè)例子中"、 "在例子中"、"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"不一定均指同一例子。另外，特定的特征、結(jié)構(gòu)、路 徑、步驟或特性可W在技術(shù)方案的一個(gè)或多個(gè)例子中W任何合適方式組合。本文所提供的 標(biāo)題只是為了方便，而不是要限制或解釋所要保護(hù)的技術(shù)方案的范圍或意義。
[0052] 本文所用的詞語(yǔ)和表達(dá)是作為說(shuō)明性的詞語(yǔ)和表達(dá)，而不是用于限制，且在運(yùn)些 詞語(yǔ)和表達(dá)的使用中并非想要排除所示和所述特征或其部分的任何等同。另外，在已對(duì)本 發(fā)明特定實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的情況下，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，在不脫離 本發(fā)明的精神和范圍的情況下可W采用合并有本文所述概念的其它實(shí)施例。因此，所述的 實(shí)施例僅被認(rèn)為是說(shuō)明性的而非限制性的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于操縱目標(biāo)的機(jī)器人系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 機(jī)器人機(jī)械手； 與所述機(jī)器人機(jī)械手物理分開(kāi)的用于支承和移動(dòng)該目標(biāo)的定位系統(tǒng)； 用于檢測(cè)所述機(jī)器人機(jī)械手的位置的跟蹤系統(tǒng);和 響應(yīng)于所述跟蹤系統(tǒng)的控制器，所述控制器被構(gòu)造成控制所述定位系統(tǒng)以至少在一定 程度上基于由所述跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)到的所述機(jī)器人機(jī)械手的位置來(lái)調(diào)節(jié)該目標(biāo)的位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述定位系統(tǒng)包括： 用于支承該目標(biāo)的可移動(dòng)平臺(tái)；和 響應(yīng)于所述控制器的用于移動(dòng)所述平臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)該目標(biāo)位置的至少一個(gè)致動(dòng)器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人機(jī)械手包括光源，所述跟蹤系統(tǒng)包括 成像裝置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述光源產(chǎn)生在人眼可見(jiàn)光譜范圍外的光。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述定位系統(tǒng)包括用于使所述目標(biāo)在第一方向上 平移的第一致動(dòng)器和用于使所述目標(biāo)在第二方向上平移的第二致動(dòng)器，所述第二方向與所 述第一方向不同。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述定位系統(tǒng)還包括用于使所述目標(biāo)在第三方向 上平移的第三致動(dòng)器，所述第三方向與所述第一方向和所述第二方向均不同。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)致動(dòng)器是多個(gè)致動(dòng)器，至少其中一 個(gè)所述致動(dòng)器是平移致動(dòng)器，且至少其中一個(gè)所述致動(dòng)器是轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器還被構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述目標(biāo)位置以使所 述目標(biāo)與所述機(jī)器人機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)。9. 一種通過(guò)機(jī)器人操縱目標(biāo)的方法，該方法包括： 確定該目標(biāo)的位置； 使機(jī)器人機(jī)械手粗略移動(dòng)向所述目標(biāo)位置； 檢測(cè)所述機(jī)器人機(jī)械手的位置;和 至少在一定程度上基于所檢測(cè)到的所述機(jī)器人機(jī)械手的位置調(diào)節(jié)所述目標(biāo)位置。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括確定用于使所述機(jī)器人機(jī)械手粗略移動(dòng)向所述 目標(biāo)位置的最佳路徑。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，至少在一定程度上基于移動(dòng)之前的所述機(jī)器人 機(jī)械手的位置和所述目標(biāo)位置來(lái)確定所述最佳路徑。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，還至少在一定程度上基于第二目標(biāo)的位置確定 所述最佳路徑。13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，基于所述目標(biāo)與所檢測(cè)到的所述機(jī)器人機(jī)械手 的位置之間的距離來(lái)確定目標(biāo)位置調(diào)節(jié)速度。14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，調(diào)節(jié)所述目標(biāo)位置以使所述目標(biāo)與所述機(jī)器人 機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)。15. -種在工件上執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 具有用于操縱該工件的機(jī)器人機(jī)械手的機(jī)器人； 與所述機(jī)器人物理分開(kāi)的助手系統(tǒng)，所述助手系統(tǒng)包括： -用于感測(cè)(a)工件、（b)包含該工件的空間區(qū)域或(c)所述機(jī)器人機(jī)械手中的至少一個(gè) 的狀況的感測(cè)系統(tǒng);和 -響應(yīng)于所述感應(yīng)系統(tǒng)的且被構(gòu)造成操作所述助手系統(tǒng)以幫助所述機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的 控制器。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成操作所述助手系統(tǒng)以操縱 所述工件。17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成操作所述助手系統(tǒng)以改變 包含所述工件的所述空間區(qū)域內(nèi)的狀況。18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成操作所述助手系統(tǒng)以與所 述機(jī)器人機(jī)械手互動(dòng)。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK105916636SQ201480055158
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2014年10月10日
【發(fā)明人】Y·伊萬(wàn)諾夫, 羅德尼·布魯克斯
【申請(qǐng)人】睿信科機(jī)器人有限公司