用于确定接头的至少一个特性的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于确定接头的至少一个特性的方法和系统
[0001]本发明涉及一种用于确定伺服控制的机械运动(如操纵器的接头)的至少一个特性的方法和系统。
[0002]机器人已经在许多工业领域中得到了广泛应用。具体而言，某些工业领域涉及执行对人类健康而言危险的任务或者在人类无法承受的条件下进行劳动。其他的工业领域涉及重复性任务，这种任务用机器人来执行可以高效且精确得多。
[0003]工业机器人典型地包含一个操纵器，该操纵器被设计成用于操纵或处理工件和材料。该操纵器正常地具有一种臂状的安排，该安排由一系列区段组成，每个区段称为一个链节。这些区段中的每一个的运动有时是平移运动与绕轴线的旋转运动的组合。在其他情况下，该运动只由平移或旋转运动组成。这两种运动变体均赋予了每个链节围绕或沿着下文将被称为接头的物体的机械自由度。接头的变体，如球形接头，可以被认为是这些简单的平移或旋转接头的组合，并且这些类型的接头的形式等效物是与在机器人学文献中存在的广义坐标的概念一致的。对应地，分别将力和扭矩认为是等效的，正如对于位置和角度也是如此。
[0004]接头典型地通过一个伺服控制的马达来致动，该马达经由来自该马达的所测量的运动的反馈被控制。该马达经由传动系来致动该接头，该传动系包含多个齿轮和其他传动元件以用于将马达旋转还原成接头旋转。为了本申请的目的，术语传动系应被解释为不包括该马达。这些传动元件的目的是减小速度并且由此增加扭矩。
[0005]传动系在所谓的直接驱动机器人中是多余的，但是，由于影响此类机器人的固有问题，尤其是在一个末端器(工具)与工件之间的力相互作用过程中的控制刚度方面，几乎所有现代机器人都建造有用于每个接头的一个专用的传动系。
[0006]致动器应被解释为马达(及其引出的轴)或能够将能量转换成传动系上的机械效果的另一种类型的装置。虽然为了本申请的目的并不认为该传动系是该致动器的一部分，但用于测量该马达角度的传感器是其一部分。其输出值被称为致动器位置。接头角度正常地仅经由该致动器来测量。为此原因，传动元件需要以高精度和品质来制造，从而使得该操纵器的运动将精确地对应于所执行的致动。然而，最终用户典型地并不愿意接受由使用高品质材料而强加的价格提高，因而供应商被迫用在低价区段中的部件来制造这些操纵器。
[0007]大多数现代的工业操纵器具有六个自由度(DOF)，即，它们具有串联连接的六对旋转接头和链节。最后的链节以用于安装该末端器(工具)的一个工具凸缘或末端凸缘终止。对于直接将该末端器安装到该凸缘上的一个替代方案是使用一个工具交换器，该工具交换器由安装在该操纵器的末端凸缘上的一个操纵器部分和为相应的工具提供安装表面的一个工具部分组成。这两个工具交换器部分是可拆卸的、并且可以借助于一个例如通过气动力学被致动的锁定机构来锁定在位。这允许该工具的更换得到简化。于是该工具的自动更换，即在不涉及手动工作的情况下，可以通过该机器人停靠到一个所选工具处来完成，之后该所选工具借助于该工具交换器的锁定机构牢固地附接到该操纵器。
[0008]该操纵器的运动可以由操作员手动完成或者通过根据定义了机器人任务的用户程序来执行指令而自动进行。在后一种情况下，该操纵器是由加载到或进入一个控制器中的该用户程序来控制的，该控制器控制该操纵器从而引导其达到一个所编程的姿势。这样一个姿势由针对所希望的末端器布局的位置和取向组成。因此，该控制器是该机器人的、控制该操纵器(包括其接头)的运动的部分。
[0009]为了支持手动地或者在该用户程序中、并且可能来自CAD数据而进行的对于末端器姿势的高效指定，该控制器含有该操纵器的运动学模型。这样的模型包括这些接头和这些链节以及它们的几何关系的一个模型。
[0010]在机器人应用中，例如在制造工厂中的工业机器人中，非常有价值的是，所获得的实际姿势在某些公差之内与所编程的姿势相符。如果并非如此的话，这意味着在所编程的姿势与实际姿势之间存在偏差。这种偏差可能在单一位置或在沿一条路径的多个位置、或在该机器人的任何使用中出现。由用户经由在用户程序中进行调节或者通过对(略微偏差的)所编程的姿势的示教来管理偏差，限制了机器人任务的重新使用并增加了机器人编程和部署的成本。
[0011]在机器人学的早期，重大的偏差是由于有缺陷的控制造成的，但是从20世纪80年代中期开始，机器人与其所编程的运动的偏差主要是由于操纵器特性以及缺少对(如在这些操纵器特性中反映的)传动系不精确性的控制补偿。更确切地，该控制器通常具有适当的结构和功能性、但是缺少使单独操纵器支持此类补偿的实际的机器人特有的数据。因此需要着手解决这些缺点以便将所编程的运动与实际运动之间的偏差最小化。
[0012]尽管如此，在本领域中已知了与所编程的运动有偏差的另外的原因。具体而言，一种这样的原因可能是在链节和接头几何形状方面的不精确性，例如是由于运动学误差。运动学误差可以通过运动学校准来管理，这通常是从机器人制造商可获得的。偏差的另一个原因涉及在接头和臂的机械学方面和/或高速运动过程中对臂动力学的控制方面的不精确性，例如由于逐接头效应或多体效应造成的扭矩饱和。正常地，此类偏差是通过机器人制造商所提供的基于模型的控制来管理的。与所编程的姿势偏离的再一种原因源自于由该操纵器的末端器与工件之间的力相互作用造成的、还由重力和作用在该操纵器上的其他力造成的不精确性。此类偏差还涉及由于轴承和其他接头零件(如该传动系的传动元件)的顺性和公差导致的在接头运动周围或沿着接头运动的接头动力学。
[0013]存在若干类型的解决方案，这些解决方案是针对早先提及的偏差源类型的测量和识别。在这些之中，使用光学追踪系统的测量是最常见的。一类解决方案使用外部校准系统，用外部传感器检测这些接头或该末端器的扭矩或位置。虽然可应用于具有大量机器人的大规模生产设施，但此类外部校准系统的成本通常超过单一机器人的成本。在依赖于一个或少数几个机器人的操作的小规模生产设施中，这样的外部校准系统由于过高的成本而无法应用。外部校准系统的一个实例在WO 2012/076038中有所描述。
[0014]上述类型的校准系统的一个略微修改的版本呈现在了 Bennet、Hollerbach和Henri的文章“通过雅库布矩阵的直接估算进行的运动学校准(Kinematic Calibrat1n byDirect estimat1n of the Jacobian Matrix) ” 中(在法国尼斯 1992 年 ICRA 中呈现)。在该文章中，在针对机器人的雅库布矩阵中的参数(表达了端点速度与接头速度之间的依存性，或者对应地用于力/扭矩)是通过首先将该机器人夹持在预定义的姿势并且然后基于来自外部力/扭矩传感器的信息来致动该机器人的这些接头而进行估算的，该传感器附接到该夹持点附近的一个工具凸缘。
[0015]替代地，可以使用在两端被接头连接的刚性杆、或以明确限定的方式限制该操纵器相对于环境的运动的某种其他机构以限制一个或多个自由度，但是使得某些接头运动即使在受夹持的配置中也是可能的。从一组此类致动获得的数据得到了一组矩阵，这些矩阵用于计算这些运动学参数。但是即便用涉及夹持的基于力/扭矩的方法来进行运动学校准，致动器到接头的动力学也是被忽视的。结果是降低了精确度，从而使得这种涉及夹持该接头的方法没有在实际中使用。另外，由于用于每个接头的该传动系的特性，由动态力以及与工件的力相互作用造成的偏差在当前工业应用中仍是未得到补偿的。
[0016]在上述背景下，本发明的目的是减轻本领域中目前存在的这些问题中的至少一止匕
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[0017]更确切地，需要一种简化的且廉价的、为了校准机器人姿势和运动的目的而精确确定机器人的接头参数的方式。
[0018]根据本发明的一个方面，提出了一种用于确定接头(例如操纵器的接头)的至少一个特性的方法，其中所述接头被配置成由至少一个致动器来驱动，该致动器被配置成用于经由一个传动系来驱动所述接头，该方法包括:
[0019]-夹持所述接头，使得该接头的运动变得受限，并且
[0020]-致动所述传动系、同时监测与所述致动器的扭矩相关联的至少一个量和与致动器位置相关联的至少一个量，
[0021]-基于这些监测的量来确定所述致动器的至少一个输出值组，所述输出值组与至少一个接头位置相关，并且
[0022]-基于所述输出值组来确定该接头的该至少一个特性。
[0023]在此，术语接头特性应被解释为涵盖致动器到接头动力学的特性，对应于迄今为止其获得一直过于昂贵或困难以致无法在机器人应用中实际使用的信息。
[0024]上述方法的一个优点是，接头特性是直接从机器人操纵器自身确定的，这使得机器人的校准比使用先前已知的校准技术便宜得多。这些参数可以直接从机器人自身的位置和扭矩信号(如果两者都可获得)读出或者可以从其他信号和物理特性以及来自(从现有马达信号或传感器获得的)所测量的致动器位置的数据一起推导出。例如，马达电流可以通过除了提供扭矩信号之外的其他传感器来测量，而致动器位置可以经由现有的马达角度传感器来感测。
[0025]某些物理特性可以用于补偿偏差，使得这些偏差在实际上不出现。物理特性还可以用于调谐与执行用于获得这些物理特性的方法相关的控制。用于性能调谐的物理特性的一个实例可以是与用于接头致动的致动器扭矩相关的马达电流的频率响应。
[0026]上述方法还可以包括以下步骤:获得标称运动学参数、并且基于根据早先描述的方法步骤确定的该接头的至少一个所确定特性来更新这些标称运动学参数。这具有以下优点:由于操纵器接头中的不精确性导致的在机器人操纵器的运动学模型中的误差可以与现有的校准技术相比得以减少。以此方式，使用接头特性与更新的运动学参数一起进行的操纵器校准与仅使用来自现有运动学校准的参数相比产生了更高的位置准确性和可重复性。
[0027]本发明的另一个方面涉及一种用于确定接头(例如操纵器的接头)的至少一个特性的系统，该系统包含:
[0028]至少一个致动器，该至少一个致动器被配置成用于经由一个传动系来驱动所述接头，
[0029]被配置成限制该接头的运动的夹持器件，
[0030]用于监测与所述致动器的扭矩相关联的至少一个量和与致动器位置相关联的至少一个量的器件，
[0031]用于确定所述致动器的至少一个输出值的器件，所述输出值对应于至少一个接头位置，以及
[0032]用于基于所述至少一个输出值来确定该接头的该至少一个特性的器件。
[0033]除了先前所述的优点之外，此类系统的另一个优点是，它使得有可能使用与现有的和容易得到的传感器和信号相结合而获得的传动系模型、借助于机器人自身来确定接头参数。这些参数然后可以针对已经在其上进行测量的特定机器人模型(或一个单独的机器人，例如在使用或磨损一定时间之后)直接用于更新用户程序或间接用于更新对操纵器接头的伺服控制。所有这些都是以简单且相对廉价的方式完成的，因为接头特性测量所需的唯一的外部物品是一个夹持物品，用于在该机器人的工作空间中的一个或多个点中夹持该操纵器的一个可移动部分。
[0034]从属权利要求中提出了本发明的优选实施例。
[0035]在