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CN109397259A - 用于确定机器人设备的绝对位置的方法和机器人设备 - Google Patents

用于确定机器人设备的绝对位置的方法和机器人设备 Download PDF

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CN109397259A CN201810933024.0A CN201810933024A CN109397259A CN 109397259 A CN109397259 A CN 109397259A CN 201810933024 A CN201810933024 A CN 201810933024A CN 109397259 A CN109397259 A CN 109397259A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定具有可运动的部件的动力学链的机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法，其中，在机器人设备的动力学链的至少一个可运动的部件上借助布置在可运动的部件上的转矩传感器测量至少一个当前的转矩或与转矩对应的值；提供基于机器人设备的模型数据针对可运动的部件计算出的至少一个转矩；确定测量的转矩和计算出的转矩之间的差；和当该差超过预设的阈值时，至少一个测量的转矩替代计算出的转矩被用于确定机器人设备的末端执行器的绝对位置。

Description

用于确定机器人设备的绝对位置的方法和机器人设备
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的用于确定机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法以及一种根据本发明的用于执行这种方法的机器人设备。
背景技术
具有可运动的部件的链的机器人设备、例如一系列关节臂机器人的特征通常不在于其定位中的高的绝对精度(与外部的坐标系相关的精度)。因此，虽然机器人设备非常准确地总是重复地接近这些位置，所谓的重复精度通常是<0.1mm，但是通常不会绝对精确地接近这些位置，从而在工作空间中出现厘米的范围内的差异。这是由于部件制造时的公差、由于机器人的所使用的CAN模型与真实的机器人之间的差异(几何差异)以及由于动态效应(在此主要是机器人基于地球引力引起的弯曲)导致的。在此，传动装置的弹性通常具有非常高的影响，而机器人的结构具有很小的影响。另外的差异通过另外的影响因素，例如温度和材料的由此导致的膨胀(在十分之一毫米的范围内)形成。
迄今为止的已知的一系列关节臂机器人使用模型值，以补偿误差，这通常在～0.5mm的范围内实现。来自数学模型的假设在动态效应中纯基于模型值。为了对误差建模例如参见Biniam Yohannes的硕士论文：“Kalibrierung des Leichtbauroboters mitsieben Freiheitsgraden(具有七个自由度的轻型机器人的校准)”，第3.4和3.5章，第21-31页，2008或参见U.Wiest的博士论文：“Kinematische Kalibrierung vonIndustrierobotern(工业机器人的动力学校准)”，第3.4和3.5章，第28-34页，2001。然而，所使用的模型值在其精度的范围内仅适用于如下情况和假定，即，在机器人在空间中自由运动并且不处于接触。如果机器人与另外的对象接触或者在模型值中出现另外的误差，则在定位关节臂机器人及其末端执行器时，绝对精度会明显变差。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，其能够尤其是也在外部影响的情况下改进在定位关节臂机器时的绝对精度；此外本发明要解决的技术问题是，提供一种对于执行该方法合适的机器人设备。
根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的用于确定机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法和根据本发明的机器人设备来解决。本发明的有利的设计方案分别是本发明的内容。
在根据本发明的用于确定具有可运动的部件的动力学链的机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法中，在机器人设备的动力学链的至少一个可运动的部件上借助布置在可运动的部件上的转矩传感器测量至少一个当前的转矩或与转矩对应的值；提供基于机器人设备的模型数据针对可运动的部件计算出的至少一个转矩；确定测量的转矩和计算出的转矩之间的差；和当该差超过预设的阈值时，替代计算出的转矩，至少一个测量的转矩被用于确定机器人设备的末端执行器的绝对位置。通过该方法，在确定绝对位置时，精度明显被提高，并且因此提高了机器人设备针对高的绝对精度非常重要的应用的可用性。借助根据本发明的方法可以探测通过与外部物体、装置或人员的接触或通过模型数据中的误差导致的差异。随后，差异可以通过改进的值替换，从而其可以不再歪曲绝对位置的确定。通过该方法可以实现在确定末端执行器的位置时的高的绝对精度。
根据本发明的设计方案，测量至少两个当前的转矩，提供至少两个对应的计算出的转矩，确定至少两个差，并且针对超过预设的阈值的每个差，使用测量的转矩而不是计算出的转矩来确定机器人设备的末端执行器的绝对位置。理想地，在机器人设备的所有轴中或上(例如在六轴或七轴关节臂机器人中，在所有6或7个轴上)布置转矩传感器，在转矩传感器上测量转矩的相应的值，并且将其与计算出的值比较。由此可以实现可靠的且还防止外部影响的最大<0.1mm的绝对精度。
根据本发明的另外的设计方案，各自的差被用作用于确定各自的外部转矩的起始点。如果例如假设，在模型值中不存在误差，则可以由差推导出诸如与外部物体、装置或人员的接触的外部影响。
用于执行根据本发明的方法的机器人设备具有可运动的部件的动力学链，其中，在动力学链的至少一个可运动的部件上布置用于测量转矩或与转矩对应的值的转矩传感器，机器人设备具有布置在动力学链的端部上的末端执行器，末端执行器为此构造为用于借助机器人设备来定位；具有用于控制动力学链和转矩传感器的系统控制器；用于确定由模型数据计算出的转矩、用于计算测量的和计算出的转矩之间的差、用于比较差与预设的阈值以及用于根据计算出的和测量的转矩确定末端执行器的绝对位置的计算单元。特别地，机器人设备由一系列关节臂机器人(例如轻型结构形式的六轴关节臂机器人或七轴关节臂机器人)构成。
以针对特别精确的定位的有利的方式，机器人设备具有至少两个转矩传感器，其布置在动力学链的不同的点上；尤其是存在至少和轴一样多的转矩传感器，并且其布置在各自的轴或关节上。
附图说明
下面借助在附图中示意性示出的实施例详细阐述本发明以及根据本发明的特征的另外的有利的设计方案，而本发明由此不局限于这些实施例。附图中：
图1示出了根据本发明的方法的流程图；和
图2示出了用于执行该方法的一系列关节臂机器人的视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于确定具有可运动的部件的动力学链的机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法的流程图。用于执行该方法的机器人设备的示例在图2中以轻型结构中的七轴关节臂机器人7的形式示出。七轴关节臂机器人7具有七个轴I至VII并且因此具有七个自由度，七轴关节臂机器人可以借助相应的关节围绕轴运动。由此，布置在机器人的可运动的端部上的末端执行器8(其在此可以是任意的工具、仪器或仪器保持器)可以根据需求被灵活地定位。针对七轴机器人适用的是，针对3D空间中的每个位置和取向存在无限多的解决方案。在至少一个轴上、优选在所有轴上，七轴关节臂机器人7具有转矩传感器9，利用转矩传感器在相应的轴上可以测量转矩或与转矩对应的值。
机器人设备由系统控制器10来控制，其例如控制和/或调节轴的运动、末端执行器的定位和转矩传感器。附加地，机器人设备具有计算单元11，其例如可以布置在系统控制器10中或也可以在外部布置。计算单元11为此构造为，用于确定由模型数据计算出的转矩。模型数据(例如机器人设备和固定在其上的仪器的精确的质量、制造公差的值、温度效应的值、动态效应的值等)通常在工厂侧被一起提供或者在机器人设备启动时呈现，并且例如可以存储在存储器中。针对所处的位置，由模型数据可以计算出针对每个轴的相应的转矩。计算单元11此外为此构造为，用于确定测量的和计算出的转矩之间的差的计算，将差与预设的阈值比较，并且在使用测量的转矩的情况下计算末端执行器的绝对位置。
在第一步骤1中，在机器人设备、例如七轴关节臂机器人7的至少一个轴上借助布置在轴上的转矩传感器测量至少一个当前的转矩或与转矩对应的值。特别地，由所有存在的转矩传感器测量各自的当前的转矩或与转矩对应的值。在第二步骤2中提供基于机器人设备的模型数据针对轴计算出的至少一个转矩。模型数据通常在存储器中存在，并且可以在需要时随时使用。由模型数据(例如机器人设备和固定在其上的仪器的精确的质量、制造公差的值、温度效应的值、动态效应的值等)，可以借助模型计算针对相应的轴计算出转矩。为了计算例如可以使用计算单元或系统控制器。计算和测量可以同时或依次执行。
随后在第三步骤3中，针对每个相关的轴，形成由各自的测量的转矩和计算出的转矩构成的差。该差也可以被称为“外部转矩”。其可以要么通过模型计算中的误差，要么通过外部影响(例如与外部物体的接触)产生。如果差明显与0不同，则可以假设，与绝对位置的偏差是可预计的。在第四步骤4中，差与之前确定的阈值比较。这例如也可以借助计算单元或比较单元执行。阈值可以事先手动或自动地确定，或者已经在工厂侧预设。如果超过阈值，则在第五步骤5中，替代计算出的转矩，使用至少一个测量的转矩来确定机器人设备的末端执行器的绝对位置。
转矩传感器提供在机器人的轴或关节上测量的转矩。因为机器人的质量和可能另外的数据是已知的，所以可以推算出其对转矩的影响。剩余转矩被称为外部转矩。该外部转矩(如果其不等于0的话)示出了模型假设和实际情况之间的差异。通常在没有另外的辅助设备的情况下不能确定该差异是通过接触还是通过错误的说明导致的。但动态校正的调整是可以使用的。与通过什么导致差异无关地，仅当这在模型中不是像迄今为止那样利用模型值计算，而是利用模型值+/-外部转矩＝测量的实际转矩来计算时，在绝对精确的模型中的计算才是正确的。由此，提高了在接触或错误的模型假设的情况下的精度。如果机器人处于接触或者被错误地配置了(典型地：末端执行器上的质量通过用户或质量改变导致错误的说明，这是因为末端执行器抓取构件，并且其质量和质量中心不是已知的或仅不精确地已知)，则关于绝对模型中的动态分量的假设不再是适当的。通过转矩传感器，来自模型的信息不再是强制必需的。可以为模型提供测量的转矩。
本发明可以以如下方式概括：为了在确定机器人设备的末端执行器的位置时特别精确地计算绝对位置，在差异的情况下，替代常见的、由模型数据计算出的转矩，使用通过转矩传感器测量的转矩。

Claims (6)

1.一种用于确定具有可运动的部件的动力学链的机器人设备的末端执行器的绝对位置的方法，其中，
·在机器人设备的动力学链的至少一个可运动的部件上借助布置在可运动的部件上的转矩传感器(9)测量至少一个当前的转矩或与转矩对应的值，
·提供基于机器人设备的模型数据针对可运动的部件计算出的至少一个转矩，
·确定测量的转矩和计算出的转矩之间的差，和
·当所述差超过预设的阈值时，替代计算出的转矩，使用至少一个测量的转矩来确定机器人设备的末端执行器(8)的绝对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量至少两个当前的转矩，提供至少两个对应的计算出的转矩，确定至少两个差，并且针对超过预设的阈值的每个差，测量的转矩替代计算出的转矩被用于确定机器人设备的末端执行器(8)的绝对位置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，各自的差被用作用于确定各自的外部转矩的起始点。
4.一种用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的机器人设备，其具有可运动的部件的动力学链，其中，在动力学链的至少一个可运动的部件上布置用于测量转矩或与转矩对应的值的转矩传感器(9)；具有布置在动力学链的端部上的末端执行器(8)，所述末端执行器为此构造为用于借助机器人设备来定位；具有系统控制器，用于控制动力学链和转矩传感器(9)；计算单元(11)，用于确定由模型数据计算出的转矩、用于计算在测量的和计算出的转矩之间的差，用于比较所述差与预设的阈值以及用于根据计算出的和测量的转矩确定末端执行器(8)的绝对位置。
5.根据权利要求4所述的机器人设备，所述机器人设备由一系列关节臂机器人构成。
6.根据权利要求4或5所述的机器人设备，所述机器人设备具有至少两个转矩传感器(9)，所述转矩传感器布置在动力学链的不同的点上。
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