示例
[0188] 現在將參考圖12a_12d來解釋示例，圖12a_12d示出了在該示例中使用的在多個夾 持運動構造中的處于未變形(Rl)和變形狀態(R2)的機械臂80(圖8)。為了更容易觀察，在圖 中變形被縮放。機械臂80包括三個接頭和四個桿。每個桿具有四個剛度參數且每個接頭具 有一個剛度參數。馬達扭矩在產生機械臂的變形的接頭處被施加。其中機械臂被模擬為夾 持的接頭值被隨機地選定為-2弧度至2弧度之間的數，且馬達扭矩被隨機地選擇為-INm至+ INm之間的數，并且我們使用16個構造來形成方程，其中的四個在圖12中示出。
[0189] 在某個運動構造中，機械臂80是機械臂2的平面視圖。即，機械臂2的接頭1、4以及6 形成夾持構造接頭組。在該示例中，使用隨機激發，所有其它接頭屬于識別接頭組且屬于激 發接頭組兩者。如果沒有關于已知的機器人結構的高水平的知識，該方法是有用的，但熟練 的操作者可以選擇具有分割成不同的組的接頭的構造(通常具有更多的直角），這將需要更 少的構造來確定所有特性。
[0190]使用馬達扭矩值與力值，猶如力/扭矩傳感器在末端器處使用(假定重力與馬達扭 矩是已知的，然后還產生基座力）獲得機械臂的單獨的剛度參數。因此，在機械臂的任何端 點處的力是已知的（即，圖Ila中的F與R是已知的）。當執行該方法時，機械臂的末端器夾持 至一組固定的位置，但在接頭與桿之間的沒有另外的夾持，沒有任何部件的拆卸是必要的。 該示例和數字解法用于所描述的串聯機械臂，但相同的原理可以應用至并聯運動的機械 臂。彈性使用用于每個部件的剛度矩陣被模擬，該剛度矩陣以類似于FEM中元素組合的方式 組合成用于機械臂系統的所有部件的整體剛度矩陣。如更早表述的，由于影響桿的接頭的 運動，而且還由于桿和接頭重力，桿柔度可以表征為桿的彎曲、伸長以及扭轉。機械臂的常 規的運動模型用于確定剛度模型中的因柔度等引起的部件的新的位置和定向。該變形然后 被假定是小的且然后我們可以用非變形狀態中的線性模型來近似彈性特性。然后來自運動 模型的輸出是將每個部件剛度矩陣(3)轉換成全局坐標系的必要信息，連同局部部件DOF至 全局DOF之間的映射描述。在對于其關于較小的變形的假定不支持的將來的過柔性機械臂 的情況中，整體剛度矩陣將取決于部件位置與定向（即，機器人接頭）以及部件變形。
[0191]該示例應該被視為僅僅是本發明的方法的說明性示例，而不應該被視為限制本發 明，本發明簡單地擴展至其它運動結構，擴展至三維，和/或具有更多DOF的機械臂。
[0192] 實踐
[0193] 根據另外的實施方案，該方法包括確定不滿足所描述的模型的假設的一個或數個 特性或這樣的特性的存在。滿足模型假設且在具有足夠的數值條件的情況下，如上面提到 的根據方程（12)、（13)以及（14)計算的殘差范數r實際上將為零。通過適當的量的縮放，數 值條件被改善且僅僅通過一些迭代來求解方程。然而，如果該解不收斂于較小的殘差，機械 臂具有一些未模擬的特性，例如接頭中的損壞的軸承，或由不適當的設計或一些連桿產品 產生的一些其它機械缺陷。作為示例，圖13a與圖13b示出了來自使用在W02014065744A1中 描述的用于確定機械臂的傳動系統參數的方法的數據，在這種情況下，對于具有185Kg的最 大有效載荷的六DOF機械臂，但在夾持構造中負載軸2與軸3的最大扭矩的約15 %。該機器人 (未示出）具有類似于圖1示出的那些的軸，但不具有軸3的并聯部分23。
[0194] 圖13a示出了軸2的所測量的量位置和扭矩。運動在中心處開始，然后使用實際上 可重復的行為移動數個周期。曲線之間的垂直差是接頭摩擦的兩倍（joint friction times two)，且斜率是接頭的剛度。這兩個參數輕微的變化顯然是可重復的，且因此在接頭 控制內可以被補償，使得桿和接頭模型的假設被非常良好地滿足。
[0195] 圖13b用數個負載周期對應于圖13a，而是對于軸3,其呈現出非理想的行為。主要 地，對應于取決于加載方向的接頭剛度的斜率(橫跨零扭矩水平的線的）以及呈現接頭摩擦 兩倍的垂直間隙與任何良好界定的參數值不一致。使用來自一個以上的周期的值，使激發 接頭組或識別接頭組中的該接頭參與，將導致過大的殘差并且該殘差的最大元素可以用于 確定什么接頭是失常的。
[0196] 對于所施加的循環載荷，圖13a與13b的位置對扭矩曲線對于每個周期應該是相同 的。相反，盡管圖13a中的載荷曲線示出了預期的重復性，對于不同的周期，圖13b中的曲線 是不同的。這是由于該機器人的肘部的機械缺陷，且在這樣的情況下，如果測量的量從這樣 的多個循環獲得，殘差r仍然比期望的大。盡管由于其在表示表現良好的機器人臂的模型的 范圍外，而將沒有表示某個特性的數值，r的非零元素然后包含機械臂的什么部分有問題的 信息。因此，這樣的情況通過當前方法可以被確定。
[0197] 通過使接頭分離使得對于所提到的機器人僅是軸3的非理想的軸，在確定所有其 它桿的特性期間使它們的接頭處在具有一致的載荷的夾持構造接頭組中，用于該優化(未 確定軸3參數)的殘差將非常接近于零。只有軸3被研究的第二組實驗將證實該不一致。技術 人員通過學習圖13b可以觀察到該問題，但本發明的殘差的數值檢查更加適合于機器人分 析本身。
[0198] 本發明不受限于上面描述的優選的實施方案。可以使用各種可選方案、修改以及 等同物。例如，通過在各自運動的兩個方向上限制一個或數個DOF夾持被優選地完成，但通 過將其分割成用于每個DOF的兩部分，覆蓋每一側的雙實驗原則上可以被執行且然后安裝 在一起。該含義接觸是剛性的任何物體的或具有已知的柔性的機器人將能夠確定一些接頭 和/或桿的特性。因此，上面的實施方案不應該被理解為限制由所附權利要求限定的本發明 的范圍。
【主權項】
1. 一種用于確定與機械臂（2)的選定軸相關聯的至少一個特性的方法，其中，所述機械 臂(2)構造成由控制器(18)控制并且所述機械臂(2)包括至少一個軸，所述至少一個軸包括 接頭和連接至所述接頭的連桿，其中，所述接頭構造成由致動器致動，所述方法包括： -通過控制所述機械臂（2)將所述機械臂（2)的可移動部分夾持至空間中的一位置，使 得所述機械臂(2)實現夾持運動構造； -選擇包括所述機械臂（2)的至少一個接頭的識別接頭組，其中，所述識別接頭組的至 少一個接頭構造成控制和監控所述選定軸，所述選定軸的相關聯的至少一個特性待被確 定； -選擇包括所述機械臂（2)的至少一個接頭的激發接頭組，所述激發接頭組對于所述機 械臂(2)的所述夾持運動構造而言構造成激發連接至所述識別接頭組的所述至少一個接頭 的至少一個桿； -選擇所述機械臂(2)的夾持構造接頭組； -致動所述激發接頭組，使得所述選定軸被激發，同時控制所述夾持構造接頭組，使得 所述夾持運動構造被保持； -對于所述識別接頭組和/或激發接頭組中的至少一個接頭，監控涉及致動器扭矩和/ 或接頭位置的一個或多個量； -基于所監控的所述一個或多個量確定所述選定軸的所述至少一個特性。2. 根據權利要求1所述的方法，包括基于涉及致動器扭矩和/或接頭位置的所述監控的 一個或多個量的組合來確定所述選定軸的所述至少一個特性。3. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，包括確定各自用于所述機械臂（2)的多 個選定軸的至少一個特性。4. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，還包括： -重復所述方法，其中，所獲得的所述機械臂（2)的夾持運動構造不同于在所述方法中 在先獲得的所述機械臂(2)的夾持運動構造;和 -基于在不同的夾持運動構造中的所述選定軸的所確定的特性確定所述選定軸的至少 一個特性。5. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，確定所述至少一個特性的步驟包 括基于所述一個或多個所監控的量來確定用于所述機械臂(2)的機械臂剛度矩陣。6. 根據權利要求5所述的方法，包括根據將桿和接頭的可能未知的位移關聯到扭矩和 力的所述機械臂剛度矩陣的結構來組織特性，使得串聯連桿和并聯連桿的任何組合可以被 表示，從而有利于確定這些特性。7. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，確定所述至少一個特性的步驟包 括基于所述一個或多個所監控的量執行優化。8. 根據權利要求7所述的方法，其中，所述機械臂（2)設置有傳感器，所述傳感器構造成 當處于所述夾持運動構造中時，產生具有傳感器數據的傳感器信號，并且其中，所述方法還 包括將來自所述機械臂(2)的傳感器數據包括在所述優化中。9. 根據權利要求8所述的方法，其中，所述傳感器是構造成產生具有力數據的傳感器信 號的力傳感器。10. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述夾持構造接頭組的所述至少 一個接頭不是所述識別接頭組與所述激發接頭組中的一部分。11. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述夾持構造接頭組被控制，使 得所述夾持構造接頭組大體上不影響對與所述選定軸相關聯的所述至少一個特性的確定。12. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，包括將所述至少一個特性與先前獲得 的特性值或與預定義的特性值對比，確定所述至少一個特性與所述先前獲得的特性值或預 定義的特性值之間的差值，將所述差值與差閾值比較并且基于所述比較的結果確定所述機 械臂(2)的磨損。13. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述機械臂是并聯的運動機械 臂。14. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，包括 -借助于機械臂(2)的運動校正來獲得具體的運動參數;和 -基于所述選定軸的所述至少一個確定的特性來更新所述機械臂(2)的運動參數。15. -種根據權利要求1至14中的任一項確定的所述確定的至少一個特性的用途，用于 更新機械臂(2)的標稱運動參數。16. -種根據權利要求1至14中的任一項確定的所述確定的至少一個特性的用途，用于 更新機械臂(2)的機器人程序或運動控制參數。17. -種用于確定與機械臂（2)的選定軸相關聯的至少一個特性的系統（1)，所述系統 (1)包括具有至少一個軸的機械臂（2)，所述至少一個軸包括接頭和連接至所述接頭的連 桿;所述系統還包括構造成致動所述接頭的至少一個致動器和構造成控制所述機械臂（2) 的控制器，其中，所述控制器（19)包括控制單元（20)和包括指令的計算機可讀存儲單元 (21)，所述指令構造成使所述控制單元(20): -通過控制所述機械臂（2)來將所述機械臂（2)的可移動部分夾持至空間中的一位置， 使得所述機械臂(2)實現夾持運動構造； -選擇包括所述機械臂（2)的至少一個接頭的識別接頭組，其中，所述識別接頭組構造 成致動所述選定軸的桿，所述選定軸的相關聯的至少一個特性待被確定； -選擇包括所述機械臂（2)的至少一個接頭的激發接頭組，所述激發接頭組對于所述機 械臂(2)的所述夾持運動構造而言構造成激發連接至所述識別接頭組的所述至少一個接頭 的至少一個桿； -選擇所述機械臂(2)的夾持構造接頭組； -致動所述激發接頭組，使得所述選定軸被激發，同時控制所述夾持構造接頭組，使得 所述夾持運動構造被保持； -對于所述識別接頭組和/或所述激發接頭組中的至少一個接頭，監控涉及致動器扭矩 和/或接頭位置的一個或多個量； -基于所監控的所述一個或多個量來確定所述選定軸的所述至少一個特性;和 -產生指示所述至少一個特性的特性信號。18. -種與系統（1)相關聯的計算機程序(P)，其中，所述計算機程序(P)包括構造成促 使控制單元(19)執行根據權利要求1至14中的任一項所述的方法的計算機指令。19. 一種計算機程序產品，包括存儲在計算機可讀存儲媒介（21)上以執行根據權利要 求1至14中的任一項所述的方法的計算機指令。20.-種計算機程序產品，包括當執行根據權利要求1至14中的任一項所述的方法時獲 得的所述至少一個特性，其中，所述至少一個特性存儲在計算機可讀存儲媒介上。
【專利摘要】一種用于確定與機械臂(2)的選定軸相關聯的至少一個特性的方法和系統。可以模擬機械臂(2)的桿(4，6，9，10，13，14)與接頭(3，5，7，8，11，12)的彈性并且可以確定所產生的柔度。一定的方法用于控制機械臂(2)，使得涉及致動器扭矩和/或接頭位置的某些量可以被確定，以用于該機械臂(2)的某個運動構造。取決于機械臂(2)的復雜性與關注的特性的數目，機械臂(2)控制成多個不同的運動構造，在這些不同的運動構造中，這些量被確定。此后，可以確定機械臂(2)的每個部件的剛度矩陣(K)，并且可以確定用于整個機械臂(2)的整體剛度矩陣(MSM)以便確定選定軸的至少一個特性。
【IPC分類】B25J9/16
【公開號】CN105682865
【申請號】
【發明人】克拉斯·尼爾森, 亞當·尼爾森, 馬蒂亞斯·哈格, 比約恩·奧洛夫松, 安德斯·羅伯特松, 奧洛夫·索恩莫
【申請人】康格尼博提克斯股份公司
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2014年8月25日