確定機械臂的至少一個特性的方法和系統的制作方法

確定機械臂的至少一個特性的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及用于確定至少一個特性，例如機械臂（man i P u I a t 〇 r )的柔度 (compliance)的方法和系統，和用于確定和利用所獲得的至少一個特性的計算機產品。 [0002] 背景
[0003] 已經發現機器人在許多工業領域中有著廣泛的應用。一些工業領域包括對人的健 康有危害的勞動，或在人不可能承受的條件下完成的勞動。其它工業領域包括可以由機器 人更加高效和精確地執行的重復的任務。
[0004] 大部分工業機器人包括設計成操縱材料的機械臂，其中，該機械臂通常具有由一 系列節段組成的臂狀機構，在下面每個節段稱為桿(link)。機械臂的運動可以或者由操作 者手動地產生，或者由執行根據界定機器人任務的用戶程序的指令自動地產生。在后一種 情況下，機械臂由加載的或進入到控制器的用戶程序來控制以達到程控位姿（用于所期望 的末端器放置的位置和定向）。控制器是機器人的一部分，控制器通過經由馬達、驅動系統 的桿運動以及形成具有一定運動結構的機構的關節式機械裝置的致動來控制機械臂的運 動。
[0005] 確定剛性體(硬性桿)或機構的位置狀態的獨立參數的數量稱為自由度(DOF，還以 復數使用用作自由度復數）。一個自由剛性體在三維(歐幾里德)空間中具有6個D0F(三個平 移和三個旋轉）。剛性或硬性桿包括這樣的剛性體。每個運動學上的一對桿經由接頭連接 (joint)，接頭通常是滑動的（該接頭接下來還可以稱為柱狀的，線性的，或平移的接頭)或 有關節的（該接頭接下來還可以稱為回轉接頭或旋轉接頭）。一個這樣的接頭相對于該一對 桿中的另一個桿約束一個桿的六個可能的DOF中的五個，在機械臂的非奇異構造中，該接頭 向機械臂的最后的桿(使用安裝工具的端部凸緣結束)增加一個D0F。借助于桿和接頭的運 動結構，機械臂的D0F(機械臂-D0F)可以被認為是規定運動構造所需的最小數目的坐標。
[0006] 由于稱為機器人的末端器(或允許末端器手動地或不需手動幫助地改變的等同的 工具變換器)的工具是在歐幾里德空間中待移動的另一個物體，6D0F機械臂是最常見的，由 于6D0F機械臂包括用于末端器的完全移動的最少的自由度，對于正常的非奇異構造，其需 要6個上面提到的接頭。還存在例如球形接頭和圓柱形接頭的其它類型的接頭，但這些類型 的接頭可以被視為上面提到的更加簡單的接頭的組合，且這些類型的接頭下面被稱為接 頭。如提到的，接頭可以是旋轉的或平移的，但在下面等同地涵蓋著兩種情況。這對應于機 器人文獻中的廣義接頭坐標的所建立的概念。機械臂-DOF接頭坐標界定運動構造，其還界 定末端器的位姿，但不可能是唯一的。
[0007] 接頭通常經由驅動系統由反饋控制的馬達致動，驅動系統包括用于將馬達旋轉減 小至低速接頭旋轉的齒輪。然后驅動系統基本上是傳動裝置，但我們假設理想的馬達和任 何相關致動器/馬達動力學包括在該驅動系統中。驅動系統在所謂的直接驅動接頭中是被 避免的，但由于直接驅動的實用性和根本性的問題，幾乎所有的機器人為每個接頭構造有 驅動系統。然而，下面的描述也覆蓋直接驅動接頭，作為具有齒比為一的已知的和理想的驅 動系統的特例。驅動系統在這里稱為接頭和桿的典型的裝置，包括它的用于致動的馬達和 是軸(復數:軸)的任何驅動系統。
[0008] 當接頭運動聯接在機械臂中時，機械臂的完整的運動結構通常包括內部接頭運 動，內部接頭運動對于腕部運動而言是非常常見的，其是圖1中的機械臂2的軸5與軸6的情 況。盡管該內部接頭運動可以與本發明的實踐相關，但由于本發明的原理與跟隨接頭扭矩 的運動有關，猶如每個接頭本來是直接驅動類型，在下面我們可以忽略內部接頭運動。因 此，在運動學上我們在這里指形成機械臂的臂結構的接頭與桿。
[0009] 所提到的包括機械臂的常見的臂狀機構通常指純串聯運動機械臂或機構(SKM，在 文件中指串聯運動機械的等同的概念），意味著每個桿在接頭之后，且接著下一個桿從機器 人的足部(或移動式基座)至端部凸緣形成串聯鏈。可選擇地，桿還可以并聯布置，因此形成 并聯運動機械臂(PKM)。可以構造大量的SKM與PKM的組合結構。
[0010] 在機器人應用中，例如那些用于制造的工業機器人，非常期望的是，在一定公差范 圍內的所產生的物理位姿與所編程的位姿一致。為支持用于末端器的高效的位姿規格，或 手動地或在用戶程序中以及可能來自CAD數據的，控制器因此包含機械臂的運動模型。運動 模型包括接頭與桿以及機械臂中的它們的幾何關系，假定這些部分包括剛性體。因為機械 臂不是非常剛性，將會存在因末端器的位置處的偏差質量和處理力引起的撓曲。編程位姿 與物理位姿之間的偏差可以在沿路徑的單個位置處或多個位置處，或在機器人任何使用的 位置處。通過用戶在用戶程序中經由調整或通過稍微偏離編程位姿的自學習來管理偏差限 制了機器人任務的重復使用且增加了用于機器人編程和部署的成本。
[0011]在機器人的第一個十年中，主要的偏差是由于缺乏控制引起的，例如不充分的軌 跡生成(例如，沒有考慮接頭扭矩飽和度)和過于原始的前饋補償(例如，具有接頭伺服控制 誤差所導致的路徑誤差）。由于不存在利用它們的控制功能，了解詳細的機械臂參數在早期 的系統中將不會是有用的。之后利用關于機械臂特性的知識以優化控制的基于模型控制的 廣泛使用是由較大的性能改善和從八十年代中期及以后近似地按所編程執行程序的機器 人造成的。由于缺少數個特殊的機械臂特性的控制補償，機器人仍然偏離它們編程的運動。 現代控制器通常具有用于這樣的補償的合適的結構和功能，但由于缺少用于獲得且保持該 數據的可行方法，現代控制器缺少實際的機器人具體數據。為了獲得與編程的位姿盡量少 的偏差，因此需要處理這些偏差，且因此需要用于確定相關的機械臂特性的可行方法。
[0012] 存在與編程位姿有偏差的數個原因。一個原因可能是桿和接頭幾何形狀的不精 確，即，由于運動誤差。運動誤差可以通過運動校正來管理，運動校正通常從機器人制造商 處是可獲得的。偏差的另一個原因涉及高速運動期間接頭和臂機構和/或臂的動態控制的 不精確，例如，由接頭方式或多體作用引起的扭矩飽和。通常，這樣的偏差通過由機器人制 造商提供的基于模型的控制來管理。但與編程位姿有偏差的另一個原因源于由因機械臂的 末端器與工件之間的力的相互作用引起的，而且還因作用在機械臂上的重力和其它力引起 的不精確。由于，這樣的偏差還與圍繞或沿因軸承和其它接頭部分的公差引起的接頭運動 的接頭動力學有關。
[0013] 輕量的機器人和具有高度優化控制的靈巧的機器人在工業應用中正變得越來越 受歡迎。由于偏差的另一個來源是由機械臂桿的柔度引起的撓曲，這對基于控制的模型提 出了新的要求。柔性桿可以界定為非剛性桿，即，顯示一定的程度的彈性的桿。另外的偏差 源是在除接頭旋轉的方向外的方向上，例如垂直于接頭旋轉的方向上的機械臂接頭的柔 度。對于加工操作而言，工業機器人比傳統的機床具有更高的柔度。當力作用在機器人上 時，這給予機器人的彈性模型更高的要求以計算實際工具中心點(TCP)位置。
[0014] 已經嘗試開發使用例如Moberg S.的2010年公布的"柔性機械臂的模擬與控制"中 描述的機械臂的準靜態和動態模型的桿和接頭柔度模型。如圖2中所示，該公布的特征在于 作為彈簧-質量系統25的柔性接頭具四個桿:桿1-桿4、三個馬達:M1-M3以及不同的質量和 彈簧系數。桿彈性然后借助于剛度矩陣來模擬。然而，如Moberg已經承認的，對非-致動接頭 的數量以及它們的位置的模擬是不明顯的。(Mobergs參考非-制動接頭將在下面由代表根 據彈性模型可以變形的接頭和桿的彈性-DOF的我們的更一般的概念捕獲。）
[0015] 存在處理前面提到的一些類型的偏差的數種類型的解決方案，其中，用于位姿測 量與跟蹤的光學系統最常見。稱為外部校準系統的這樣的系統可以用于在線補償末端器的 運動，而不需要用于偏差源的參數，或這樣的系統可以用于校準運動模型的參數。盡管如今 的校準系統不用捕獲描述因力導致的撓曲的參數，但常見應用中的高端機器人是比較剛性 的并且因而是有用的。在許多其它情況中，或者機器人是不太剛性的或應用要求在精度上 有更多要求，而且外部感測或改進的補償是非常需要的。盡管用大量機器人適用于較大規 模的生產設施，所提到的外部校準系統的成本通常超出單個機器人的成本。在依賴于一個 或幾個機器人的操作的較小規模的生產設施中，這樣的外部校準系統由于成本過高是不適 用的。外部校準系統的一個示例在W09912082中被描述。如果工具與工件之間存在相互作用 力，除了校準，檢測扭矩或接頭或工具交換器的位置的外部傳感器可以用于針對機械臂中 或制造過程中的未知變化提高穩健性。
[0016] 1992年在法國，尼斯出現在IC RA上的Bennet、Ho Ilerbach與Henri的文章 "Kinematic Calibration by Direct estimation of the Jacobian Matrix" 中提出了校 準的另一種方法。在該文章中，機器人的雅可比矩陣中的參數通過首先以預定位姿夾持機 器人且然后致動該機器人的接頭來估計。基于來自附接至靠近夾持位置的末端桿的外部的 力/扭矩傳感器的信息，未知的運動學參數然后可以被確定。雅可比矩陣表述端點速度與接 頭速度之間的相關性，或對應于力/扭矩。從一組這樣的致動獲得的數據產生一組這樣的矩 陣，該組矩陣用于計算運動學參數。即使使用正在執行的運動學校正，還使用忽略致動器至 接頭的動力學的基于力/矩陣的方法，由動態力以及與工件的力的相互作用所引起的偏差 依然存在。
[0017] 因此，使用早期描述的常規的機械臂校正系統確定由Moberg描述的剛度矩陣的系 數是有意義的，或這樣的校正系統并不是簡單設計成沿不同于主方向的其它方向來測量和 補償桿柔度和接頭柔度。
[0018] 由 E. Abele 等人在 Prod.Eng.Res.Devel ·，2008 年發表的文章 "Cartesian compliance model for industrial robots using virtual joints"，描述了機器人結構 的模擬和機器人結構參數的識別。在圖3a中，示出了初級接頭30的常見方法，其中，驅動側 (θ ζ)與齒輪的輸出側(q2)之間的扭轉被示出，如果總體的彈性可以主要歸因于齒輪的彈性， 該扭轉施加。機器人桿以及從接頭至桿的連接被認為是不可彎曲的。在圖3b中，相比于圖3a 中的初級接頭具有兩個以上的DOF的虛擬接頭31被示出，且因此當建立機器人結構的模型 時，在兩個以上的DOF中的柔度可以被考慮。然而，為了能夠測量接頭柔度，一次僅一個接頭 被加載。即，當測量軸（i)時，從基座至前述軸（i-Ι)的所有軸必須被夾持，使得所識別的軸 作為第一自由移動接頭，因此產生確定機器人的任何柔度的相當耗時的過程。
[0019]因此，為了通過基于包括柔度的校正模型的補償來減少偏差，現有技術的限制意 味著需要確定這樣的機器人桿和接頭參數的更加精確、簡單且不昂貴的方法。
[0020] 概述
[0021 ]本發明的目的是解決前面提到的現有技術的至少一些缺點。
[0022] 根據第一方面，使用確定與機械臂的選定的軸相關聯的至少一個特性的方法至少 部分地實現了該目的，其中，機械臂構造成由控制器控制，且機械臂包括至少一個軸，該軸 包括接頭和連接至該接頭的連桿，其中，該接頭構造成由致動器致動。該方法包括：
[0023] -通過控制機械臂將機械臂的可移動部分固定至空間中的位置，使得機械臂實現 夾持運動構造；
[0024] -選擇包括機械臂的至少一個接頭的識別接頭組，其中，該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，該選定軸的相關聯的至少一個特性待被確定；
[0025] -選擇包括機械臂的至少一個接頭的激發接頭組，該激發接頭組對于機械臂的夾 持運動構造而言構造成激發連接至識別接頭組的至少一個接頭的至少一個桿；
[0026]-選擇機械臂的夾持構造接頭組；
[0027] -致動所述激發接頭組，使得所述選定軸被激發，同時控制夾持構造接頭組，使得 夾持運動構造被保持；
[0028] -對于識別接頭組和/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；
[0029] -基于一個或多個所監控的量確定選定軸的至少一個特性。
[0030] 使用該方法，確定例如機械臂的桿和接頭柔度的特性是可能的，且其后使用該特 性獲得更精確的機械臂控制。沒必要拆卸機械臂的任何部件來確定該特性，因此，實現了比 以前的方法更快且更經濟有效的方法。
[0031] 根據一個實施方案，該方法包括基于涉及致動器扭矩和/或接頭位置的所監控的 一個或多個量的組合確定選定軸的至少一個特性。