[发明专利]用于确定接头的至少一个特性的方法和系统

说明书

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。