专利名称：控制机器人的系统与方法
技术领域：
本发明涉及控制和校正机器人定位头的空间位置的系统和方法。下面，“机器人”一词也包括例如NC(数控)型的机床，这是因为在某些应用中，本发明的机器人起到数控机床的作用。
背景技术：
根据专利说明书SE8502327-3(452279)，已知有一种带定位头的机器人，这种机器人包括至少三个可沿纵向伸长和缩短的调节装置。各调节装置经由第一接头装定于固定架上，使各调节装置能相对于此固定架绕各个方向转动。各调节装置的一端还借助第二接头装附于一可动定位头上。此外有一刚性臂与该定位头连接并自其上伸出而位于调节装置之间，此臂沿径向被导引而沿轴向可置换地轴颈支承于与上述固定架相关联并刚性地连接于其上的方向接头上。
另知有一种类似的机器人，其中的调节装置经由第一接头设定于一可置换的动轮之上，此动轮安装于固定架上，使得各调节装置能相对于此固定架绕各个方向转动。这样，此接头便间接地固定于此固定架上。
上述已知的机器人是由配有马达而可延长或缩短的各个调节装置控制。进行控制时，调节装置被线性地控制到定位头的预定位置处，或是沿预定的运动模式控制此定位头。这样并未控制定位头的设定位置，也就是说，力和温度对此调节装置、接头、定位头等的影响会在所需的设定点和实际位置间造成差异。
设定点和实际位置间的差异是有害的，导致在应用机器人时的精度下降。
发明目的本发明的目的在于提高上述这类机器人的精度。
发明概述上述目的是通过设置一反馈控制系统来增补既有的控制系统而实现的。本发明的特征是，首先，此既有的控制系统和反馈控制系统指出了定位头在不同坐标系中的坐标；其次，此反馈控制系统的传感器设置成用来在机器人中运动和伴随其运动但无张力的一部分上进行测量。于是，这部分就不受温度或力的影响。
这样，本发明便涉及到机器人的控制系统，此机器人包括至少三个可沿纵向伸长或缩短的调节装置。各调节装置经由第一接头固定于固定架上，使各调节装置能相对于此固定架绕各个方向转动。各调节装置的一端借助第二接头装附于一可动定位头上。此外有一刚性臂与该定位头连接并自其上伸出，并设置在调节装置之间，此臂沿径向被导引但沿轴向可位移地轴颈支承于与上述固定架相关联并刚性地连接于其上的万向接头上。各调节装置设有长度传感器LS1、LS2、LS3，它们构成用来控制定位头在机器人工作空间中位置(X，Y，Z)的控制系统S1的一部分。此控制系统于是与一布置用来校正此定位头在前述工作空间中位置(X，Y，Z)的一反馈控制系统R2配合工作。此控制系统S1与反馈控制系统R2依据不同的坐标系统工作。
本发明还涉及用来控制机器人的定位头位置的方法。在此方法中a)一控制系统依据直角坐标系控制定位头；b)一反馈控制系统依据球面坐标系探测定位头的位置；c)进行定位头位置的从球面坐标系到直角坐标系的坐标变换；d)将直角坐标系中设定点和实际位置间求得的偏差加和到此定位头的前设定点上，由此而产生出新的设定点；e)将定位头的位置改变到此新的设定点；f)重复上述步骤a)～e)以实现此设定点的连续控制。
附图简述下面参考附图通过实施例来更详细地说明本发明。
图1是本发明的机器人的前视图。
图2是本发明的万向接头用固定架的透视图。
图3是控制于上述万向接头中一中央臂的透视图，而此接头设有依据本发明于不同坐标系中工作的传感器。
发明的描述本发明直接涉及到机器人1，它具有至少三个可沿纵向伸长或缩短的调节装置2、3、4，各调节装置经由第一接头20、30、40固定于固定架6上，使各个调节装置2、3、4能相对于架6绕各个方向转动。各调节装置也通过一第二接头21、31、41在一端连接在一可动的定位头8上。连接在调节装置2、3、4之间且从定位头8引出有一中间臂10。图1中，调节装置3及其第一接头30和第二接头31为此中间臂10遮蔽，但用箭头指出了这些部分的存在。与专利说明书SE8502327-3(452279)所示方式类似，每个调节装置是取可于气缸中运动的活塞形式。
臂10与定位头8连接并在调节装置间向上延伸，它于固定到架6上的万向接头12中沿径向导引。此万向接头12使该臂能在沿轴向通过上述接头滑动的同时，沿径向受到导引。万向接头12还允许臂10绕第一轴线转过一角度α，还能绕第二轴线转过一角度β。此第一与第二轴线相交成小于90°的角。
各调节装置2、3、4最好是由电力型的原动机即马达22、23、24驱动，依据预定的运动模式工作。这一运动模式构成了控制系统S1的工作基础，它启动各马达22、32、42去伸长或缩短调节装置2、3、4，由此促致定位头8位移到其工作空间的特定位置，或使定位头8在此工作空间中沿给定的弯道连续运动。各个调节装置设有测量马达位置的角度传感器，此角度传感器代表调节装置的纵向位置，因而与长度传感器LS1、LS2、LS3的意义相同，这些传感器构成了用来控制定位头在机器人的工作空间中位置X，Y，Z的控制系统S1的一部分。此定位头8于是可导引到直角坐标系如图1所示坐标系中的位置X，Y，Z处。从图1中还可以清楚看到，在定位头8上经连接装置16连接着工具头14，此工具头确定机器人是否可具有4根、5根或6根轴，而多于6根轴也是可能的。
图2示明此具有臂10的机器人的一部分以及一万向接头机壳13，而万向接头12的内部已从此机壳中卸除。这一万向接头机壳13的外部运载有第一接头20、30、40。如图2所示，所有这几个第一接头都是万向型的，即调节装置可以在这种接头中转动到两个垂直轴之上。但这些接头并不允许调节装置沿轴向通过它们位移。如前所述，沿轴向的运动是通过调节装置的伸长或缩短而实现的。
图3示明臂10和万向接头12的内部即安装于万向接头机壳13中的部件。这些在内部的部件包括内环件18和外环件19。臂10可以于内环件18中滑动，但可以由相互对峙地设于臂10之上且通过此内环件的支座51中的滑轨50限制其转动。内环件18之外设有轴颈支承于万向接头机壳13中固定的相对支承销70。所有的支承销都设于一个相同的平面上，而通过此内环件的支承销的轴线则与通过上述外环件的轴承销的轴线相交成90°的角。
臂10在万向接头12中的运动模式使其能绕第一万向轴转过一角度α，同时能绕第二万向轴转过一角度β。此臂还能于内环件18中滑过一距离1。由于此臂与定位头8连接，这就是说它能取一确定的工作空间中的所有位置Xn、Yn、Zn，而且此空间则只受机器人结构的限制。
图3还表明在外环件19上设有第一角度传感器71(同时参看图1)，它探测臂10绕第一万向轴转动的角度。此外环件上还设有第二角度传感器72来探测该臂绕第二万向轴的角度。另外，沿此臂还设有最好是取玻璃标度尺形式的长度传感器73，用来探测臂的长度位置。以上三个传感器产生的坐标对应于定位头8在图3所示球面坐标系中的位置。这一在球面坐标系中的位置则表示了定位头8的实际位置。此实际位置乃是通过坐标变换于前述直角坐标系中取得的。
所述坐标变换由下述方程求出Xa＝lsinαcosβYa＝lsinαsinβZa＝lcosα据此，定位头8于直角坐标系中即控制到表示一设定点的位置(Xb，Yb，Zb)。然后由指出球面坐标系中实际位置(α，β，L)的传感器71、72、73探测此位置。进行坐标表换，由此而求得在直角坐标系中的实际位置。之后，计算此设定点与实际位置在直角坐标系中的差(ΔX，ΔY，ΔZ)。最后将此值加到上述设定点(Xb，Yb，Zb)之上以求得新的设定点(Xn，Yn，Xn)。继续重复这种探测和计算用于反馈控制，通过对力、温度和机器的机械偏差进行补偿，可以提高定位头位置的精度。
将设定点(X，Y，Z)与实际位置(Xa，Ya，Za)间的偏差(ΔX，ΔY，ΔZ)于直角坐标系中加到前设定点上，这样就给出了新的设定点Xn＝Xb+ΔX，Yn＝Yb+ΔY，Zn＝Zb+ΔZ。然后重复这种计算和校正以对设定点进行连续控制。
从图3中还可看到，有一可在至少两根轴之间运动的工具头14与定位头8连接。围绕这些轴的转动则另由传器81、82探测，它们也包括在用来校正调定点的前述控制系统中。要是此工具头的轴数为2，则可制得具有5根轴的机器人，而更多的轴数也是可能的。
权利要求
1.机器人(1)的控制系统，此机器人包括至少三个调节装置(2、3、4)，它们可以沿纵向伸长或缩短，各个调节装置经由第一接头(20、30、40)直接或间接地固定于固定架(6)上，使各调节装置能相对于此固定架沿所有方向转动，同时各调节装置的一端经第二接头(21、31、41)装附于一可动定位头(8)上，此外有一刚性臂(10)与该定位头(8)连接并自其上伸出而设定在调节装置之间，此臂沿径向被导引但沿轴向可位移地轴颈支承于与上述固定架相关联并刚性地与其连接的万向接头(12)上，各调节装置上设有长度传感器(LS1，LS2，LS3)，此传感器构成了用来控制上述定位头在机器人工作空间中位置(X，Y，Z)的控制系统的一部分，其特征在于，此控制系统与一设置用来校正定位头在上述工作空间的位置(X，Y，Z)的反馈控制系统(R2)协同工作，且控制系统(S1)和反馈控制系统(R2)依据不同的坐标系统工作。
2.权利要求1所述的控制系统，其特征在于，此控制系统(S1)布置成可按直角坐标系工作而控制系统(R1)布置成依据球面坐标系工作。
3.权利要求2所述的控制系统，其特征在于，与所述万向接头相结合地设有第一角度传感器(71)、第二角度传感器(72)与长度传感器(73)，这三个传感器(71，72，73)指出了球面坐标系中的实际位置(α，β，l)，同时与控制系统(S1)协同工作以确定设定点(Xb，Yb，Zb)的空间位置和定位头的实际位置(Xa，Ya，Za)间的偏差(ΔX，ΔY，ΔZ)，由此进行定位头在机器人工作空间中位置(X+ΔX，Y+ΔY，Z+ΔZ)的校正。
4.权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述传感器(71，72，73)设置成可于机器人中运动和伴随其运动但无应力的一部分上或附近，以进行测量。
5.权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统(R2)的角度传感器(71，72)设置于万向接头(12)之上，而长度传感器(73)则设置于臂(10)之上。
6.权利要求5所述的控制系统，其特征在于，以控制系统另外连接有至少两个角度传感器(81，82)，它们设在工具头(80)上。
7.控制机器人定位头的位置的方法，其特征在于a)一控制系统依据直角坐标系控制定位头；b)一反馈控制系统依据球面坐标系探测定位头的位置(α，β，l)；c)进行定位头位置(α，β，l)的从球面坐标系到直角系的坐标变换；d)将直角坐标系中设定点和实际位置间求得的偏差ΔX，ΔY，ΔZ加到此定位头的前设定点X，Y，Z上，由此而产生出新的设定点Xn＝X+ΔX，Yn＝Y+ΔY，Zn＝Z+ΔZ；e)将定位头的位置改变到此新的设定点；f)重复上述步骤a)～e)以实现此种设定点的连续控制。
8.权利要求7所述的用以控制机器人定位头(8)的位置的方法，其特征在于该方法用在权利要求1所述的机器人(1)中。
全文摘要
控制机器人(1)的控制系统与控制方法,此机器人包括至少三个调节装置(2,3,4),它们可以沿纵向伸长或缩短,各个调节装置由在固定架(6)上的第一接头(20,30,40)紧固住,使其能相对于此固定架绕各个方向转动,同时使各调节装置的一端借助第二接头(21,31,41)装附到可动的定位头(8)上,此外有一刚性臂(10)与该定位头(8)连接并自其上伸出而设定在调节装置之间,此臂沿径向被导引而沿轴向可位移地轴颈支承于与上述固定架相关联并刚性地连接于其上的万向接头(12)上,各调节装置上设有长度传感器(LS1,LS2,LS3),后者构成了用来控制上述定位头在机器人工作空间中位置(X,Y,Z)的控制系统的一部分,而此控制系统与一设置用来校正定位头在上述工作空间的位置(X,Y,Z)的反馈控制系统(R2)协同工作,且控制系统(S1)和控制系统(R2)依据不同的坐标系统工作。
文档编号B23Q5/26GK1273546SQ9980101
公开日2000年11月15日 申请日期1999年6月17日 优先权日1998年6月25日
发明者K·E·纽曼 申请人:尼奥斯罗伯蒂克斯公司