機器人的校準和編程的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在沒有使用外部測量設備的情況下校準機器人的方法。本發(fā)明還涉及一種用于在未校準機器人之間復制工作程序的方法。兩種方法利用閉鏈屬性和該鏈中的連桿的相對位置，以更新機器人運動模型。
【專利說明】機器人的校準和編程
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及對機器人進行校準的方法和對機器人進行編程的方法。
【背景技術】
[0002]在工業(yè)機器人領域中，機器人的物理特性知識對計算機器人的精確位置很重要。這些特性可以由機器人設計的圖形限定，但是將取決于機器人的裝配過程和機器人組件的公差而變化。為了精煉該知識，并且由此增加機器人準確度，必須校準描述該機器人的模型。
[0003]在專利文獻中已經(jīng)建議了用于編程機器人的幾種方法和設備。在US6，535，794中公開了三維坐標測量機，該三維坐標測量機使用具有已知大小的機械測量壁，以創(chuàng)建數(shù)據(jù)誤差圖，以用于校準機器人。
[0004]US2011/0022216公開了一種用于校準工業(yè)機器人系統(tǒng)的方法和設備，該工業(yè)機器人系統(tǒng)包括具有機器人坐標系的至少一個機器人和具有定位器坐標系的定位器，并且適合于通過將工件關于旋轉軸進行旋轉來保持并且改變該工件的定向。關于物體坐標系來對用于機器人的目標點進行編程。設備包括:機器人控制器、在定位器上布置的至少三個校準物體和由機器人保持的校準工具。校準物體的位置在物體坐標系中是已知的。機器人控制器被配置為:確定關于機器人坐標系的校準物體的位置，確定用于定位器的旋轉軸的至少三個不同角度的所述校準物體中的第一校準物體和第二校準物體的位置，基于所確定的用于旋轉軸的三個角度的第一校準物體和第二校準物體的位置來確定機器人坐標系中的定位器的旋轉軸的方向，并且通過執(zhí)行校準物體的已知位置和所確定位置之間的最佳匹配來確定第一物體坐標系和定位器坐標系之間的關系。
[0005]在US2008/0188986中公開了一種通過運動學機器人模型參數(shù)確定來提供多關節(jié)機器人中的改進的準確度的方法和系統(tǒng)。根據(jù)機器人模型參數(shù)的變化通過針對參考物體的參考點的被計算姿勢中的變化使用用于雅克比行列式(Jacobian)推導中的微分鏈式法則來校準多關節(jié)機器人。該方法還使用兩個這樣的參照物和其間的已知距離來創(chuàng)建長度尺度，由此避免需要知道機器人的一個連桿長度。迭代法用于找到用于合成模型參數(shù)的改進準確度的最優(yōu)解。而且，公開了機器人的端關節(jié)參數(shù)(包括限定了工具附接機制框架的參數(shù))的確定，這在沒有隨后校準的情況下允許工具互換。
[0006]在US2008/0188983中還公開了一種用于校準多關節(jié)工業(yè)機器人的裝置和方法。
[0007]US6, 070, 109涉及一種機器人校準系統(tǒng)，該機器人校準系統(tǒng)包括校準傳感器，該校準傳感器提供當?shù)谝粎⒖键c(其相對機器人基底保持固定)離第二參考點(其位于機器人壁上)為固定距離時的指示。機器人臂被移動通過多個定向，并且每次獲得兩個參考點之間的固定距離，確定機器人關節(jié)位置信息。優(yōu)選校準傳感器包括一根繩子(string)，該繩子在兩個參考點之間延伸，并且每次由機器人臂的定向所引起繩子拉緊而激活信號發(fā)生器。所生成的信號指示兩個參考點相隔固定距離。所確定的機器人關節(jié)位置隨后用于確定校準因數(shù)，該校準因數(shù)取決于特定情況的需要而變化。示例性校準因數(shù)用于校正機器人運動信息中的錯誤，定位工作單元參考框架并且定位工具中心點參考框架。
[0008]在US2009/0157226中公開了一種用于機器人及其外圍設備的校準系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括附接到機器人及其外圍設備的發(fā)射器。發(fā)射器發(fā)射激光束，并且接收器在某點處還被安裝到機器人或其外圍設備，以允許校準并且用于接收該激光束，并且允許計算以確定發(fā)射器和接收器之間的尺寸。
[0009]US4, 753，569涉及一種用于校準計算機導引的機器人設備的方法和設備。安裝在機器人臂上或者固定在工作臺處的至少一個相機觀察目標，該目標包括固定到另一個機器人臂或者工作臺的至少三點的模式，這種觀察當機器人臂接近工作臺以執(zhí)行預定操作時發(fā)生。將相對于預定目標模式的任何偏差的感測發(fā)送到計算機，以重置機器人的計算機化的導引系統(tǒng)。
[0010]因此，雖然存在多種校準機器人的方法，但是所有方法都需要多種額外的主動測量設備(即包括傳感器的測量設備)和如何使用所述測量設備的專業(yè)知識，而且依賴于通過其知道所述設備的物理特征的準確度。

【發(fā)明內容】

[0011]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種校準多關節(jié)機器人的方法，該方法容易實現(xiàn)，并且不需要使用外部主動測量設備。
[0012]此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種復制未校準機器人之間的工作程序的方法。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，通過校準機器人的方法實現(xiàn)上述目的和其它目的，該方法包括以下步驟:
[0014](a)提供至少兩個機器人(R1和R2)，每個機器人(R1，R2)具有連接以下兩個法蘭的關節(jié)和/或連桿:基底法蘭和工具法蘭，
[0015](b)由至少兩個機器人(R1, R2)形成閉鏈，
[0016](C)操控鏈中的連桿或關節(jié)中的至少一個，由此引起鏈中的一些其它連桿或關節(jié)中的操作，并且隨后
[0017](d)基于與至少兩個機器人(R1, R2)中的每一個機器人的關節(jié)相關聯(lián)的傳感器信息來估計用于每個機器人(R1, R2)的運動模型(M1, M2)。
[0018]借此實現(xiàn)校準方法，該校準方法不取決于外部主動測量設備的準確度，而僅使用機器人本身。本發(fā)明方法將機器人組合到閉鏈中，以獲得信息，該信息隨后用于調整機器人的運動參數(shù)，即用于更新機器人的運動模型，由此校準機器人。通過調制在可用工作空間上分布的不同形態(tài)中的鏈(即，通過操控鏈中的至少兩個機器人的至少一個關節(jié))來生成用在校準過程中的必要信息，由此引起鏈中的其它連桿或關節(jié)中的一些的操作。隨后通過使用閉鏈屬性和來自各種鏈形態(tài)的連桿和/或關節(jié)的知識來完成校準(即，數(shù)學運動模型的估計)。為了限定鏈的比例大小，需要知道至少一個距離或距離變化。在可以求解的方程組中表達了鏈中所使用的連桿和/或關節(jié)，由此校準機器人。因此，通過使用閉鏈的原理，可以探索機器人的工作空間的大部分區(qū)域，并且因此該校準方法的成果高度地表示所述機器人的整個工作空間。這在除了機器人本身之外而沒有任何測量設備的情況下允許幾個機器人的同時校準。通過將閉鏈的模型表示和多個物理觀察值進行比較，可以精煉模型的參數(shù)并且因此校準模型的參數(shù)。[0019]這里，該方法用在閉鏈中，每個連桿通過其自己的約束被引導，以實現(xiàn)整個閉鏈的約束。這要求鏈中的位置、速度、加速度和力等。通過利用該屬性，可以估計每個連桿的動態(tài)屬性，并且因此校準機器人的運動。
[0020]應當理解的是，在本專利說明書的全文中，術語一個或多個關節(jié)可以用于表示轉動關節(jié)、棱柱型關節(jié)(prismatic joint)或者球形關節(jié)。取決于關節(jié)的類型,關節(jié)可以控制并且記錄旋轉和/或位置。在下文中，“位置”用于描述旋轉和/或位置。還應當理解的是，鏈可以包括不是關節(jié)的連桿或者是關節(jié)的連桿。
[0021]在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，可以通過提供具有至少兩個機器人臂的單個機器人來完成提供至少兩個機器人的步驟(a)，并且隨后將所述每個臂看作一個機器人。該類型的機器人不具有與工具法蘭相同數(shù)量的基底法蘭。
[0022]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，從用于驅動機器人關節(jié)和/或連桿的相同傳感器獲得傳感器信息。
[0023]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，從用于驅動機器人關節(jié)和/或連桿的相同傳感器僅獲得傳感器信息。
[0024]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，步驟(C)包括以下子步驟:
[0025]-改變關節(jié)位置，并且由此改變至少兩個機器人(R1,R2)中的每一個機器人的關節(jié)的位置(Q)，并且
[0026]-收集所述對應位置對UR1Q,R2Q>m)。
[0027]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息是與關節(jié)位置(Q)有關的信息，并且其中步驟(d)包括:基于所收集的位置對UR1Q, R2Q>m)來估計運動模型(M1, M2)。
[0028]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息包括下列任何一個、以及/或者下列任何一個的變化:角度、位置坐標或它們的派生物。
[0029]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，傳感器信息包括下列任何一個、以及/或者下列任何一個的變化:力、力矩或它們的派生物。
[0030]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，通過物理地將所述至少兩個機器人(R1，R2)連接在至少其基底法蘭處和/或其工具法蘭處，來執(zhí)行由至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈的步驟(b)。
[0031]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人(R1, R2)形成閉鏈的步驟(b)還包括在至少兩個機器人(R1, R2)之間固定至少一段距離的步驟。
[0032]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人(R1, R2)形成閉鏈的步驟(b)還包括在至少兩個機器人(R1, R2)之間固定至少一個連接方向的步驟。
[0033]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，由至少兩個機器人(R1, R2)形成閉鏈的步驟(b)包括使用測量設備來測量至少兩個機器人(R1, R2)之間的相對位置的步驟。
[0034]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設備被配置為用于測量至少兩個機器人(R1, R2)的部件之間的距離。
[0035]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設備被配置為用于確定至少兩個機器人(R1, R2)的部件之間的方向。
[0036]根據(jù)校準機器人方法的又一個實施例，測量設備為連接至少兩個機器人(R1, R2)的至少一個球桿(ball bar)ο[0037]根據(jù)又一個實施例，傳感器信息包括由閉鏈中的連桿給出的任何信息，以實現(xiàn)與校準的靜態(tài)部件和動態(tài)部件有關的模型。例如但不限于位置信息和力信息及其派生物。
[0038]雖然應當理解為可以使用其它種類的傳感器信息，但是使用角度是用于表示具有轉動關節(jié)的機器人關節(jié)的位置的非常實用的方法。根據(jù)本方法不僅可以校準機器人的規(guī)模，而且也可以校準力和力矩的讀取/估計和/或動量計算。
[0039]并不局限于機器人需要彼此物理地連接，只要提供將鏈閉合的信息即可。因此，根據(jù)又一個優(yōu)選實施例，由至少兩個機器人形成閉鏈的步驟(b)包括以下步驟:將該至少兩個機器人一起固定在其基底法蘭處和其工具法蘭處。這提供了兩個限定明確的距離，可以通過該兩個限定明確的距離來依比例決定該模型。另一種可能性是使用機器人的統(tǒng)計知識來依比例決定模型(例如，通過吉洪諾夫正則化(Tikhonov regularization))。該統(tǒng)計知識可能基于大量相同種類的機器人，和/或機器人本身的技術制圖。
[0040]根據(jù)又一個實施例，由至少兩個機器人形成閉鏈的步驟(b)包括以下步驟:在鏈中使用額外的連桿，該連桿提供比用于將鏈關閉更多的信息或屬性。例如，球桿可以固定或者測量連接機器人的連桿的距離，該機器人提供至少一個維度的屬性，以可以被調制來用在校準中。
[0041]根據(jù)又一個實施例，由至少兩個機器人形成閉鏈的步驟(b)包括以下步驟:使用測量設備來測量至少兩個機器人的相對位置。例如，測量設備可以為測量機器人法蘭之間的距離的球桿。
[0042]根據(jù)又一個實施例，至少兩個機器人的基底法蘭和工具法蘭不共享相同的旋轉軸，以減少機器人的連接關節(jié)之間的依賴關系。這將降低校準所有連桿的可能性但是仍然是可用的，因為可以估計必要的運動屬性，以模擬閉鏈。
[0043]根據(jù)又一個實施例，用于估計運動模型的步驟(d)還基于至少兩個機器人在其基底法蘭處和在其工具法蘭處的偏移的估計和測量。借此，可以使用這兩個距離中的一個或者兩個，以依比例決定模型大小?？商孢x的可能性在于使用機器人的統(tǒng)計知識來依比例決定模型(例如，通過吉洪諾夫正則化)。
[0044]根據(jù)又一個實施例，用于估計運動模型(M1,M2)的步驟(d)還基于與鏈的至少一個部件有關的統(tǒng)計信息。
[0045]根據(jù)又一個實施例，統(tǒng)計信息用于基于超過在沒有統(tǒng)計信息的情況下待求解方程的數(shù)量的傳感器信息來估計模型(M1, M2)。
[0046]在又一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明方法還包括:在步驟(d)之后，而在步驟(e )之前，評估是否獲得與至少兩個機器人中的每一個機器人的關節(jié)相關聯(lián)的足夠傳感器信息的步驟。借此實現(xiàn)未知數(shù)的數(shù)量不超過待求解的方程式的數(shù)量。
[0047]本方法的又一個優(yōu)選實施例還包括:在步驟(d)之后，而在步驟(e)之前，評估是否獲得足夠位置對的數(shù)據(jù)UR1Q, R2Q>m)的步驟，并且隨后
[0048]-如果沒有獲得足夠的位置對的數(shù)據(jù)UR1Q,R2Q>m)，則重復步驟(d)，以估計運動模型，或者
[0049]-如果獲得足夠的位置對的數(shù)據(jù)UR1Q,R2Q>m)，則執(zhí)行步驟(e)，以估計運動模型。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，本方法包括以下步驟:除了收集求解方程以更新運動模型的所必要的傳感器信息之外，還收集傳感器信息的開銷百分比(0ΡΙ)。借此保證運動模型的穩(wěn)定收斂。
[0051]根據(jù)又一個實施例，本方法還包括以下步驟:
[0052]-保留所述傳感器信息的開銷百分比(OPI)的至少一部分不被用于更新運動模型，
[0053]-將所述傳感器信息的開銷百分比(OPI)的所述至少一部分保存在數(shù)據(jù)存儲設備上，
[0054]-使用傳感器信息的開銷百分比的所述至少一部分來驗證校準。
[0055]由于OPI的所述一部分不用于更新模型，所以該OPI的所述一部分可以用于驗證該模型，即驗證角度或位置是否對應于由所估計的模型所預測的。因此，在一個實施例中，用于驗證校準的步驟可以包括:將所收集的傳感器信息的開銷百分比的所述一部分與由用于機器人的所更新的運動模型預測的對應值進行比較的步驟。優(yōu)選地，所述比較通過計算在所收集的傳感器信息的開銷百分比的所述一部分中的每一個與由用于機器人的所估計的運動模型預測的對應值之間的差值并且將所述差值或者其數(shù)值與閾值進行比較來執(zhí)行。根據(jù)又一個實施例，所述傳感器信息的開銷百分比(OPI)的范圍處于10%與200%之間，優(yōu)選20%與80%之間，更加優(yōu)選20%與60%之間，或者可替選地處于10%與20%之間，或者20%與40%之間，或者40%與60%之間，或者60%與80%之間，或者80%與100%之間，或者100%與120%之間，或者120%與140%之間，或者140%與160%之間，或者160%與200%之間。
[0056]根據(jù)一個實施例，該方法還包括:將所更新的運動模型保存在數(shù)據(jù)存儲設備(該數(shù)據(jù)存儲設備可以放置在可操作地連接到機器人的機器人控制器中)或者另一個設備上的步驟。
[0057]根據(jù)又一個實施例，通過關閉所述兩個機器人中的一個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個并且讓該機器人由另一個機器人在周圍引導來執(zhí)行對鏈中的至少一個機器人的至少一個連桿和/或關節(jié)進行操控的步驟(C)。
[0058]根據(jù)又一個實施例，通過關閉所述兩個機器人中的每一個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個(例如，所有位置調節(jié)器)并且由操作員外部地(例如，手動地)改變關節(jié)位置來執(zhí)行對機器人的整個工作空間的至少一個部件上的鏈中的至少一個機器人的關節(jié)中的至少一個進行操控的步驟(C)。
[0059]根據(jù)又一個實施例，通過關閉所述兩個機器人(R1, R2)中的每一個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個并且手動地改變關節(jié)位置來執(zhí)行對鏈中的至少一個機器人(R1,R2)的關節(jié)中的至少一個進行操控的步驟(C)。
[0060]根據(jù)又一個實施例，由限定變換的參數(shù)來確定運動模型(M1, M2)。
[0061]根據(jù)又一個實施例,該參數(shù)為兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)。該兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)可以分別由Schilling參數(shù)和平行變量參數(shù)表示。
[0062]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該方法還包括:調整通過其來對至少兩個機器人(R1, R2)進行操作的力的步驟。根據(jù)又一個實施例，模型(M1, M2)中的每一個包括用于每個關節(jié)的變換。
[0063]如上所述，至少兩個機器人的運動模型優(yōu)選由兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)確定。兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)可以由Schilling參數(shù)和設計用于平行旋轉軸的變化分別表示。該變化在后文中稱為平行DH參數(shù)。所選擇的具有4個參數(shù)的符號都為最小的且完整的方法，以描述旋轉軸之間的變換。然而，還可以使用其它符號。
[0064]根據(jù)又一個實施例，本方法還可以包括:調整通過其來對至少兩個機器人進行操作的力的步驟。優(yōu)選地，每一個模型包括用于至少兩個機器人中的每一個機器人的每一個關節(jié)的變換。
[0065]上述方法可以延伸到涵蓋超過兩個機器人。因此，根據(jù)又一個實施例，本方法還包括以下步驟:將N個額外的機器人與至少兩個機器人并聯(lián)或者串聯(lián)地連接，N是自然數(shù)，并且針對每個額外的N個機器人執(zhí)行本發(fā)明方法的步驟。
[0066]根據(jù)又一個實施例，所述至少兩個機器人(R1, R2)為單個機器人的兩個機器人臂。在又一個實施例中，所述臂中的至少一個可以為關節(jié)式機器人臂。此外，所述臂中的至少一個可以包括棱柱型關節(jié)。所述單個機器人具有至少一個基底法蘭和至少兩個工具法蘭，并且在任何情況中工具法蘭比基底法蘭多。
[0067]為了直接使用來自另一個機器人的工作程序，兩個機器人的比例必須完全相同，并且必須相等地調整位置傳感器。因為這是難以實現(xiàn)的，所以可能很難復制機器人之間的程序。因此本發(fā)明的目的在于提供一種復制可能未校準機器人之間程序的方法。
[0068]由本發(fā)明的第二方面實現(xiàn)的該目的和另一目的，本發(fā)明的第二方面涉及一種將來自第一機器人R1的工作程序轉換到第二機器人R2的方法，每個機器人(R1, R2)具有連接以下兩個法蘭的關節(jié):基底法蘭和工具法蘭，該方法包括以下步驟:
[0069]Ca)使用第二機器人R2替換第一機器人R1,
[0070](b)提供與第一機器人R1相關聯(lián)的工作程序R1P,
[0071](c)根據(jù)工作程序R1P選擇多個位置和角度，并且將第二機器人R2移動到那些位置，由此提供位置或角度對數(shù)據(jù)集合〈RA，R2Q),并且隨后
[0072](d)使用位置對的數(shù)據(jù)集合〈RA，R2Q)來估計所述至少兩個機器人的運動模型(M1，M2)、基底法蘭偏移(Tbase)和工具中心點偏移(Ttcp)，并且隨后
[0073](e)基于所述所估計的運動模型(M1, M2)來執(zhí)行工作程序轉換。
[0074]通常出現(xiàn)將一個更新的機器人替換一個機器人的需求。然而，可以將“舊”機器人的關節(jié)角度用作數(shù)學模型中鏈的一半并且將“新”機器人的對應角度用作鏈的另一半，而不是執(zhí)行新機器人的校準。借此實現(xiàn)如上步驟(C)所述的角度對數(shù)據(jù)集合，其用于更新機器人的運動模型。
[0075]本發(fā)明的第二方面的一個實施例還包括評估該程序是否能夠在適當所選公差內來在第二機器人上運行的步驟。
[0076]本發(fā)明的第二方面的又一個實施例還包括以下步驟:根據(jù)工作程序R1P來選擇額外數(shù)量的位置，并且將第二機器人R2移動到那些額外的位置，由此提供擴展的位置對的數(shù)據(jù)集合，并且隨后如果該程序不能在適當所選公差內在第二機器人上運行，則使用該擴展的位置對的數(shù)據(jù)集合來執(zhí)行步驟(d)和步驟(e)。
[0077]本發(fā)明的第二方面的又一個實施例還包括基于所估計的運動模型(M1, M2)來轉換另一個工作程序的步驟。
[0078]本發(fā)明的第二方面的又一個實施例還包括:基于所述所估計的運動模型來執(zhí)行工作程序轉換的步驟(e)，并且包括以下子步驟:
[0079]-使用與第一機器人R1相關聯(lián)的所估計的運動模型M1來在R1P中的所有R1Q上施加正向運動，以導致程序R1K,
[0080]-使用用于第二機器人R2的所估計的運動模型M2來在R1K上施加反向運動，由此給出位置R2Q,并且隨后
[0081]-使用對應的R2Q來替換程序R1P中的R1Q,由此給出與第二機器人R2相關聯(lián)的工作程序R2P,借此完成程序轉換。
[0082]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的又一個實施例，由限定變換的參數(shù)來確定運動模型(M1,M2)。
[0083]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的又一個實施例，由三種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)來確定運動模型(MnM2)。
[0084]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的又一個實施例,三種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)由Schilling參數(shù)、平行DH變量參數(shù)和具有平移的Roll-Pitch-Yaw旋轉(后文中稱為RPY)參數(shù)分別表示。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的一個實施例，RPY參數(shù)用于調制機器人的最后一個關節(jié)。還可以使用調制全程旋轉和平移的其它符號。但是RPY符號是用于小旋轉變化的6個參數(shù)的最小且完整的符號。
[0086]根據(jù)本發(fā)明的第二方面的又一個實施例，通過將預定模型用作起始點來估計運動模型(M1，M2)。這些預定模型可以是例如通過使用上述提及的某種統(tǒng)計信息所確定的近似模型。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0087]本發(fā)明的本質和優(yōu)勢的進一步理解可以通過參考說明書的剩余部分和附圖來實現(xiàn)。在下文中，參考附圖更詳細地理解本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中:
[0088]圖1 不出 Schillings Denavit-Hartenberg 符號，
[0089]圖2不出平行Denavit-Hartenberg符號變型，
[0090]圖3示出兩個機器人的閉鏈配置，
[0091]圖4示出兩個機器人的可替換的閉鏈配置，
[0092]圖5示意性地示出在閉鏈配置中連接的兩個6連桿機器人的變換，
[0093]圖6示意性地示出兩個機器人的未校準鏈的表示，
[0094]圖7示意性地示出距離如何可用于限定模型規(guī)模，
[0095]圖8示出限定兩個旋轉軸之間的公法線的適配器，
[0096]圖9示出將表I中的變換放置在系統(tǒng)的哪里，
[0097]圖10示出校準R個機器人的方法的實施例的流程圖，
[0098]圖11示出校準機器人的方法的最高級實施例，
[0099]圖12示出校準循環(huán)的自動版本實施例的流程圖，
[0100]圖13示出校準循環(huán)的手動版本實施例的流程圖，
[0101]圖14示出保存非同步化機器人的傳感器信息的方法的實施例的流程圖，
[0102]圖15示出保存同步化機器人的傳感器信息的方法的實施例的流程圖，
[0103]圖16示出其中將新機器人與舊機器人的模型圖像一起示出的閉鏈，
[0104]圖17示出將表2中的變換放置在系統(tǒng)的哪里，[0105]圖18示出用于收集數(shù)據(jù)對以用在程序轉換中的流程圖的實施例，
[0106]圖19示出用于程序轉換的流程圖的實施例，
[0107]圖20示出用于程序轉換的方法的實施例的流程圖，
[0108]圖21示出用于限定關節(jié)角度的方法的實施例的流程圖，
[0109]圖22示出用于執(zhí)行未校準機器人之間程序轉換的方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0110]現(xiàn)在在下文中將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以不同形式體現(xiàn)，并且不應當解釋為限于本文給出的實施例。相反，提供這些實施例，使得本公開是徹底的并且完整的，并且將向本領域的那些技術人員充分地傳達本發(fā)明的范圍。相同的參考符號在全部附圖中指代相同元素。因此針對每個附圖的描述將不詳細地描述相同元素。
[0111]經(jīng)典的運動學用于模擬機器人。這使得將來自機器人關節(jié)的信息轉移到笛卡爾坐標系成為可能，以使得機器人關節(jié)是可比較的。
[0112]趕呈
[0113]所使用的符號如下:
[0114]T。( Θ )r,其是圍繞軸c順時針旋轉Θ的齊次變換，其中，c為X，y或者z。
[0115]Tc(s)t,其是沿著軸c平移s的齊次變換，其中，c為X，y或者z。
`[0116]T；,其是從i到j的齊次變換。
[0117]Z苴是用于從i到j的齊次變換的Z軸的單位向量。
[0118]/?，其是從i到j的位置。
[0119]機器人表示
[0120]用兩種類型的Denavit-Hartenberg (DH)參數(shù)來模擬機器人。第一種類型的DH使用 Schilling 符號(c.f.R.J.Schilling.“Fundamentals of Robotics: Analysis andControl”.Simon&Schuster Trade, 1st ed.1996,其通過引用方式并入本文中)來描述兩個非平行z軸之間的變換，因為當z軸平行時，符號具有奇點(見下面的等式I)。
[0121]第二種類型使用DH平行變量來避免該奇點(見下面的等式2)。平行DH變量使用與原始DH相同的原理，但是當?shù)谝粋€y軸和下一個z軸相應地平行時具有奇點。由于將到與第一 z軸交叉的法線的距離用作參數(shù),所以Schilling DH奇點由第一 z軸和下一個z軸之間的法線限定，見圖1。類似于Schilling符號來限定平行DH變量的奇點，但是通過使用第一 I軸和下一個z軸之間的法線來移動奇點，見圖2。
[0122]在沒有任何DH參數(shù)奇點的情況下選擇用于每個關節(jié)元素的右邊符號導致了機器人的表示:
[0123]ΦΒΗ(Θ,(1, a,a) ^ Tz ( θ ) rTz (d) tTx ( α ) rTx (a) t (I)
[0124]ΨΒΗ(β^, a,a) ^ Tx ( β ) rTx (b) tTx ( a ) rTx (a) t (2)
[0125]閉鏈模型
[0126]該表示將鏈中的每個元素組合為一個模型。該模型反映閉鏈的物理特征，并且使得每個元素彼此有關成為可能。取決于用于連接機器人的設備，可以使用不同方法。在基本安裝中，經(jīng)由硬固體適配器2連接工具法蘭，并且使用硬固體適配器4連接基底法蘭，并且鏈中的所有關節(jié)由DH參數(shù)表示，如上所述。優(yōu)勢在于:最小完整的表示描述了系統(tǒng)中相對彼此的關節(jié)旋轉軸，見圖3，示出了在閉鏈中經(jīng)由適配器2和4彼此連接的兩個機器人6和8。圖4示出了兩個機器人6、8的可替選的閉鏈配置，該兩個機器人6、8經(jīng)由適配器2在其工具法蘭處連接。基底法蘭10安裝在能夠從其確定基底法蘭10之間距離的表面上，這是足夠的信息，以“閉合鏈”。圖3和圖4示出了由通用機器人制造的UR5類型的兩個工業(yè)機器人6和8。
[0127]高級鏈組合
[0128]更高級的適配器可以用于連接工具法蘭和基底法蘭10。優(yōu)選地，該模型被配置為反映所使用的設備。連接機器人6，8的基底法蘭10的高級方法的示例可以包括棱柱型關節(jié)，該棱柱型關節(jié)可以移動機器人6，8已知距離。可以使用球桿或者額外的關節(jié)來完成將更高級的關節(jié)添加到鏈的另一個示例。球桿是用于校準單個機器人的常見已知工具(c.f.M.R.Driels:Using passive end-point motion constraintsto calibrate robot manipulators.Journal of Dynamic Systems, Measurement, andControl, 115(3):560-566, 1993，其通過引用方式并入本文中)。該方法通過將球桿端的一端安裝到固定位置并且另一端安裝到機器人來工作。這意味著相對固定位置完成所有觀察，并且因此受該固定位置所限。由于固定位置，也限制了移動。當設備用在本發(fā)明的上下文中時，每端安裝在每個機器人6，8上，并且因此，測量將不限于固定位置。這給出了獲得與機器人6，8的整個工作空間有關的測量。
[0129]一些機器人具有多個肢。通過將該多個肢看做獨立的機器人臂，根據(jù)本發(fā)明的方法(其在本專利說明書中被描述)可以用于在沒有額外的主動測量設備的情況下校準這些肢。
[0130]根據(jù)本發(fā)明的方法基于閉鏈原理，如圖6所示。通過將該原理轉移到模型，人們可以在不需要額外測量設備的情況下實現(xiàn)其中嵌入反饋的校準方法。隨后在數(shù)學上建模該模型，可以調整該模型以履行閉鏈原理，并且因此校準機器人6，8的物理關節(jié)的數(shù)學模型。在數(shù)學上，通過打開鏈并且隨后計算兩個關節(jié)端之間的差值來在模型中計算誤差，見圖7。為了確定誤差而沒有物理上斷開機器人，這是純數(shù)學技巧。在方程組(該方程組將求解器引導到正確解)中，通過收集來自機器人6,8的足夠觀察使用Newton-Raphson方法以完成運動模型的調整過程，從而描述整個工作空間。優(yōu)選地，收集如此多的觀察(傳感器信息)，以使得實現(xiàn)了方程的超定系統(tǒng)(over-determined system),由此將穩(wěn)定收斂引導到正確解。
[0131]最小二乘函數(shù)
[0132]由表示平方誤差的最小二乘函數(shù)求解優(yōu)選的方程的超定系統(tǒng)。在等式3中，該變換表示在開鏈中的關節(jié)的誤差，如圖7所示:
[0133]
誤差 =Too； = T1oT21...Tnn-1Ton(3 )
[0134]通過計算誤差平移部分的平方長度將位置誤差考慮在內，見等式4:
[0135]ePos 2 = ||poo|| 2=poo.poo⑷
[0136]由軸線角度符號AA 計算旋轉誤差(c.f.Robert J.Schi I ling: Fundamentals ofRobotics !Analysis and Control.Simon&Schuster Trade, 1st edition，1996)。通過從誤差旋轉部分計算AA來找到角度(angle)誤差，見等式5:
[0137]
【權利要求】
1.一種用于校準機器人的方法，所述方法包括以下步驟: (a )提供至少兩個機器人(R1和R2)，每個機器人(R1，R2)具有連接以下兩個法蘭的關節(jié)和/或連桿:基底法蘭和工具法蘭， (b)由所述至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈， (c)操控所述鏈中的連桿或關節(jié)中的至少一個，由此引起所述鏈中的一些其它連桿或關節(jié)中的操作，并且隨后 (d)基于與所述至少兩個機器人(R1,R2)中的每一個機器人的關節(jié)相關聯(lián)的傳感器信息來估計用于每個機器人(R1, R2)的運動模型(M1, M2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，從用于驅動所述機器人關節(jié)和/或連桿的相同傳感器獲得所述傳感器信息。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，從用于驅動所述機器人關節(jié)和/或連桿的相同傳感器僅獲得所述傳感器信息。
4.根據(jù)權利要求1、2或者3所述的方法，其中，步驟(c)包括以下子步驟: -改變所述關節(jié)位置，并且由此改變所述至少兩個機器人(R1，R2)中的每一個機器人的關節(jié)的位置(Q)，并且 -收集所述對應位置對UR1Q, R2Q>m)。
5.根據(jù)權利 要求4所述的方法，其中，所述傳感器信息是與所述關節(jié)的位置(Q)有關的信息，并且其中步驟(d)包括:基于所收集的位置對UR1Q, R2Q>m)來估計所述運動模型(M1,M2)。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述傳感器信息包括下列任何一個、以及/或者下列任何一個的變化:角度、位置坐標或它們的派生物。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述傳感器信息包括下列任何一個、以及/或者下列任何一個的變化:力、力矩或它們的派生物。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過將所述至少兩個機器人(R1,R2)物理地連接在至少其基底法蘭處和/或其工具法蘭處來執(zhí)行由所述至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈的步驟(b)。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，由所述至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈的步驟(b)還包括在所述至少兩個機器人(R1, R2)之間固定至少一段距離的步驟。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，由所述至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈的步驟(b)還包括在所述至少兩個機器人(R1, R2)之間固定至少一個連接方向的步驟。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，由所述至少兩個機器人(R1,R2)形成閉鏈的步驟(b)包括使用測量設備來測量所述至少兩個機器人(R1, R2)之間的相對位置的步驟。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述測量設備被配置為用于測量至少兩個機器人(R1, R2)的部件之間的距離。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的方法，其中，所述測量設備被配置為用于確定所述至少兩個機器人(R1, R2)的部件之間的方向。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述測量設備為連接所述至少兩個機器人(R1, R2)的至少一個球桿。
15.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述至少兩個機器人(R1,R2)的所述連接法蘭不共享相同旋轉軸。
16.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，用于估計所述運動模型(M1,M2)的步驟(d)還基于所述至少兩個機器人在其基底法蘭處以及在其工具法蘭處的偏移的估計或測量。
17.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，用于估計所述運動模型(M1,M2)的步驟(d)還基于與所述鏈的至少一個部件有關的統(tǒng)計信息。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中，所述統(tǒng)計信息用于基于超過在沒有統(tǒng)計信息情況下待求解方程的數(shù)量的傳感器信息來估計所述模型(M1, M2)。
19.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，還包括:在步驟(c)之后，而在步驟(d)之前，評估是否獲得與所述至少兩個機器人(R1, R2)中的每一個機器人的關節(jié)相關聯(lián)的足夠傳感器信息的步驟。
20.根據(jù)權利要求4-19中任一項所述的方法，還包括在步驟(d)之后，而在步驟(e)之前，評估是否獲得足夠位置對的數(shù)據(jù)UR1Q, R2Q>m)的步驟，并且隨后 -如果沒有獲得足夠的位置對的數(shù)據(jù)UR1Q, R2Q>m)，則重復步驟(d)，以更新所述運動模型(M1, M2)，或者 -如果獲得足夠的位置對的數(shù)據(jù)UR1Q, R2Q>m)，則執(zhí)行步驟(e)，以更新所述運動模型(M1, M2)。
21.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，足夠的傳感器信息與未知數(shù)的數(shù)量對應，其中，所述未知數(shù)的數(shù)量不超過為估計所述運動模型(M1, M2)而待求解的方程的數(shù)量。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，包括以下步驟:除了收集求解方程以估計所述運動模型(M1, M2)的所必要的傳感器信息之外，還收集傳感器信息的開銷百分比(OPI)。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，還包括以下步驟: -保留傳感器信息的所述開銷百分比(OPI)的至少一部分不被用于更新所述運動模型(MijM2), -將傳感器信息的所述開銷百分比(OPI)的所述一部分保存在數(shù)據(jù)存儲設備上，并且 -使用傳感器信息的所述開銷百分比的所述一部分來驗證所述校準。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中，用于驗證所述校準的步驟包括:將所收集的傳感器信息的開銷百分比的所述一部分與由用于所述機器人的所估計的運動模型(M1, M2)預測的對應值進行比較的步驟。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中，所述比較通過計算在所收集的傳感器信息的開銷百分比的所述一部分中的每一個與由用于所述機器人的所估計的運動模型(M1, M2)預測的對應值之間的差值并且將所述差值或者其數(shù)值與閾值進行比較來執(zhí)行。
26.根據(jù)權利要求22-25中任一項所述的方法，其中，傳感器信息的所述開銷百分比(OPI)的范圍處于10%與200%之間，優(yōu)選20%與80%之間，更加優(yōu)選20%與60%之間，或者可替選地,處于10%與20%之間，或者20%與40%之間，或者40%與60%之間，或者60%與80%之間，或者80%與100%之間，或者100%與120%之間，或者120%與140%之間，或者140%與160%之間，或者160%與200%之間。
27.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，還包括將所估計的運動模型(M1,M2)保存在數(shù)據(jù)存儲設備上的步驟。
28.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過關閉所述兩個機器人(R1,R2)中的一個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個并且讓所述機器人由另一個機器人在周圍引導來執(zhí)行對所述鏈中的所述至少一個機器人(R1, R2)的連桿和/或關節(jié)中的至少一個進行操控的步驟(C)。
29.根據(jù)權利要求1-27中任一項所述的方法，其中，通過關閉所述兩個機器人(R1,R2)中的每個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個并且外部地改變所述關節(jié)位置來執(zhí)行對所述鏈中的至少一個機器人(R1, R2)的至少一個關節(jié)進行操控的步驟(C)。
30.根據(jù)權利要求29所述的方法，其中，通過關閉所述兩個機器人(R1,R2)中的每一個機器人的關節(jié)的位置調節(jié)器中的至少一個并且手動地改變所述關節(jié)位置來執(zhí)行對所述鏈中的至少一個機器人(R1, R2)的關節(jié)中的至少一個進行操控的步驟(C)。
31.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，由限定變換的參數(shù)來確定所述運動模型(m1;m2)。
32.根據(jù)權利要求31所述的方法,其中，所述參數(shù)為兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)。
33.根據(jù)權利要求32所述的方法,其中，所述兩種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)分別由Schilling參數(shù)和平行變量參數(shù)表示。
34.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，還包括:調整通過其來對所述至少兩個機器人(R1, R2)進行操 作的力的步驟。
35.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述模型(M1,M2)中的每一個包括用于每個關節(jié)的變換。
36.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，還包括以下步驟:將N個額外的機器人與所述至少兩個機器人(R1, R2)并聯(lián)或者串聯(lián)地連接，N是自然數(shù)，并且針對每個額外的N個機器人執(zhí)行如權利要求1所述的步驟。
37.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述至少兩個機器人(R1,R2)為單個機器人的兩個機器人臂。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中，所述臂中的至少一個為關節(jié)式機器人臂。
39.根據(jù)權利要求37或者38所述的方法，其中，所述臂中的至少一個包括棱柱型關節(jié)。
40.根據(jù)權利要求37、38或者39所述的方法，其中，所述單個機器人具有至少一個基底法蘭和至少兩個工具法蘭。
41.一種用于將工作程序從第一機器人R1轉換到第二機器人R2的方法，每個機器人(R1, R2)具有連接以下兩個法蘭的關節(jié):基底法蘭和工具法蘭，所述方法包括以下步驟: Ca)使用第二機器人R2替換第一機器人R1, (b)提供與所述第一機器人R1相關聯(lián)的工作程序R1P, (c)根據(jù)工作程序R1P選擇多個位置或者角度，并且將所述第二機器人R2移動到那些位置，由此提供位置或角度對數(shù)據(jù)集合〈RA，R2Q>,并且隨后 Cd)使用所述位置對的數(shù)據(jù) 集合〈RA，R2Q)來估計所述至少兩個機器人的運動模型(M1, M2)、基底法蘭偏移(Tbase)和工具中心點偏移(Ttap),并且隨后(e)基于所述所估計的運動模型(M1, M2)來執(zhí)行工作程序轉換。
42.根據(jù)權利要求41所述的方法，還包括評估所述程序是否能夠在適當所選公差內來在所述第二機器人上運行的步驟。
43.根據(jù)權利要求42所述的方法，還包括以下步驟:根據(jù)所述工作程序R1P來選擇額外數(shù)量的位置，并且將所述第二機器人R2移動到那些額外的位置，由此提供擴展的位置對的數(shù)據(jù)集合，并且隨后如果所述程序不能在適當所選公差內在第二機器人上運行，則使用所擴展的位置對的數(shù)據(jù)集合來執(zhí)行步驟(d)和步驟(e)。
44.根據(jù)權利要求41、42或者43所述的方法，還包括:基于所估計的運動模型(M1,M2)來轉換另一個工作程序的步驟。
45.根據(jù)權利要求41-44中任一項所述的方法，其中，基于所述所估計的運動模型來執(zhí)行所述工作程序轉換的步驟(e)包括以下子步驟: -使用與所述第一機器人R1相關聯(lián)的所估計的運動模型M1來在R1P中的所有R1Q上施加正向運動，以導致程序R1K, -使用用于所述第二機器人R2的所估計的運動模型M2來在R1K上施加反向運動，由此給出所述位置R2Q，并且隨后 -使用對應的R2Q來替換所述程序R1P中的R1Q,由此給出與所述第二機器人R2相關聯(lián)的工作程序R2P,借此完成所述程序轉換。
46.根據(jù)權利要求41-45中任一項所述的方法，其中，由限定變換的參數(shù)確定所述運動模型(MpM2)15
47.根據(jù)權利要求46所述的方法,其中，由三種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)確定所述運動模型(MpM2)15
48.根據(jù)權利要求47所述的方法,其中，所述三種類型的Denavit-Hartenberg參數(shù)由Schilling參數(shù)、平行變量參數(shù)和RPY參數(shù)表示。
49.根據(jù)權利要求46、47或者48所述的方法，其中，RPY參數(shù)用于調制所述機器人的所述最后關節(jié)。
50.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過將預定模型用作開始點來估計所述運動模型(MpM2)15
【文檔編號】B25J9/16GK103889663SQ201280045878
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月18日 優(yōu)先權日:2011年9月28日
【發(fā)明者】魯內·瑟·克努森, 埃斯本·哈倫德拜克·厄斯特高, 亨里克·戈登·彼得森 申請人:Ur機器人有限公司