减少运动误差的制作方法

本发明涉及用于在控制机器人操纵器中的关节的移动时减少运动误差的方法和装置。

背景技术：

1、机器人操纵器包括多个连杆，这些连杆通过可旋转关节彼此耦联，被耦联到底座或被耦联到端部执行器。这种关节的旋转通常由电机经由减速齿轮驱动。制造电机和齿轮时的游隙和不准确性会影响机器人臂的远端端部处的端部执行器的位置和速度的控制准确性。谐波驱动齿轮因其几乎无游隙而被广泛用作机器人的减速齿轮，但不可避免的不精确性(诸如齿轮或花键的偏心度)仍会导致关节的旋旋转速度波动，即使其电机可以以完全恒定的速度驱动，这样关节的位置就会偏离人们根据电机的位置和减速齿轮的传动比所预期的位置。这种偏差通常被称为运动误差或传动误差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种减少机器人关节中的运动误差的简单且经济有效的方式。

2、根据本发明的一个方面，该目的通过一种用于减少操纵器的远端部分与近端部分之间的第j个关节中的运动误差的方法来实现，该关节具有与之相关联的电机，该电机被安装在所述部分中的一个部分中并且被耦联到所述部分中的另一部分，用于通过减速齿轮驱动远端部分相对于近端部分旋转，该方法包括以下步骤：

3、a.提供能够使用参数向量编程的运动校正生成器，并且基于所述参数向量和位置输入来输出运动校正，该运动校正是至少一个正弦曲线的和，该至少一个正弦曲线具有：

4、-频率，其是电机的旋转频率或在减速齿轮中以高于远端部分的旋转的频率或其整数倍的频率发生周期性事件的频率；以及

5、-由所述参数向量定义的幅度和相位；

6、b.将指定电机速度的第一驱动控制信号输出给电机，该电机速度是标准速度与由运动校正生成器基于第一参数向量输出的第一运动校正的和；

7、c.从响应于第一驱动控制信号而从关节接收的评估信号提取具有至少一个正弦曲线的频率的至少一个频率分量，并且确定定义所述频率分量的第一反馈幅度和第一反馈相位的第一反馈向量；

8、d.将指定电机速度的第二驱动控制信号输出给电机，该电机速度是标准速度与由运动校正生成器基于第二参数向量输出的第二运动校正的和；

9、e.从响应于第二驱动控制信号而从关节接收的评估信号提取具有至少一个正弦曲线的频率的频率分量，并且确定定义所述频率分量的第二反馈幅度和第二反馈相位的第二反馈向量；

10、f.从所述第二反馈向量减去所述第一反馈向量以获得反馈差向量；

11、g.找到将所述反馈差向量变换为第二参数向量与第一参数向量之间的差的变换；

12、h.将该变换应用于第二反馈向量以获得第三参数向量；以及

13、i.使用第三参数向量对运动校正生成器进行编程。

14、在一个优选实施例中，通过选取第一参数向量来将至少一个正弦曲线的幅度定义为零来对上述处理进行简化。正弦曲线可以被定义为正弦函数和余弦函数的加权和；在这种情况下，两者的加权系数必须为零。可替代地，它可以被定义为具有幅度和相位的正弦函数或余弦函数；当这里的幅度为零时，相位没有物理意义，并且可以赋予任何值。

15、为了便于对评估信号进行处理，标准速度应当是恒定的，或至少是基本上恒定的。

16、如果通过对评估信号进行高通滤波可以抑制由于例如远端部分的重量驱动或阻碍远端部分的移动而导致的作用在远端部分上的外力对评估信号的影响，则标准速度可以被视为基本上恒定的。由于减速齿轮，所以电机的旋转速度将远高于关节的旋转速度。由于外力通常与关节角度的正弦曲线成比例，所以可以通过设置低于电机频率且高于电机频率乘以减速齿轮减速比的截止频率来抑制这些外力。标准速度或其谐波应当与操纵器的谐振频率相对应，即，以标准速度或谐波(优选地，第二谐波)驱动远端部分所需的电机频率应当等于谐振频率。

17、该速度并不一定要事先知道；相反，找到它可以是本发明的方法的准备步骤。具体地，在该方法的准备阶段中，可以控制远端部分来以不同速度旋转，并且可以选取操纵器的振动较强的速度作为标准速度。

18、可以假设，当远端部分以不同的速度重复执行相同移动时，机器人控制器正在试图找到临界速度，该速度从一个迭代改变到下一迭代，接连迭代之间的速度差偶尔会改变其符号，和/或每次符号改变时速度差的量都在减少。

19、由于操纵器的惯性力矩或操纵器的部件的惯性力矩依据配置而变化，并且对于本发明的方法而言，可以期望具有低临界速度，所以可以控制远端部分以采取使其惯性力矩最大化并且在进行该方法的同时应当被维持的配置。

20、评估信号可以表示由于电机或减速齿轮的缺陷而容易波动的任何可测量数量。它可以是如例如通过内置在操纵器中用于测量减速齿轮的下游侧上的关节的旋转的专用角度传感器、激光扫描仪或用于从外部观察操纵器的其他光学感测手段等测量的远端构件本身的旋转速度。根据一个优选实施例，由于许多传统操纵器中存在合适的感测电路系统，所以评估信号代表电机扭矩，因此当本发明的方法利用该电路系统时，它可以通过控制软件更新来在这些操纵器中实现。

21、当谐波驱动齿轮用作减速齿轮时，其波生成器通常连接到电机输出轴，而其柔轮连接到减速齿轮的输出轴，并且刚轮被固定。当刚轮的齿数为ic并且柔轮的齿数为if时，波生成器相对于柔轮的方位在波生成器和电机输出轴每if/ic次旋转后都会变得相同，从而造成对电机的旋转频率的m if/ic倍处的运动误差的贡献，其中m是一个小整数。由于if略小于ic，所以柔轮和刚轮对运动误差的贡献频率往往与电机和波浪生成器的频率略有不同。

22、实验表明，对于大多数谐波驱动齿轮，柔轮和刚轮的最重要的贡献是在旋转速度的2 if/ic倍处。

23、为了把对运动误差有贡献的各种源考虑在内，在大多数实际情况下，运动校正将是两个或更多个正弦曲线的和。

24、提供运动校正发生器的最佳方式是对处理器进行编程以使其能够作为运动校正生成器操作，具体地，对传统操纵器的控制处理器进行更新以使其能够作为运动校正生成器操作，或每当在对应关节处进行维护或维修工作时对第三参数矢量进行更小以使其能够作为运动校正生成器操作。

25、根据本发明的另一方面，该目的通过一种机器人系统来实现，该机器人系统包括：

26、-操纵器，具有近端部分、远端部分、连接所述近端部分和远端部分的关节以及用于驱动关节旋转的电机；以及

27、-控制器，连接到所述电机并且被适配为执行上文所描述的方法的至少步骤b至i。

28、根据另一方面，该目的通过一种计算机软件产品来实现，该计算机软件产品包括多个指令，这些指令当由处理器实施时，使得处理器执行上文所描述的方法的至少步骤b至i。

技术特征：

1.一种用于减少操纵器(1)的远端部分与近端部分之间的关节(5j)中的运动误差的方法，所述关节(5j)具有与之相关联的电机(9j)，所述电机(9j)被安装在所述部分中的一个部分中并且被耦联到所述部分中的另一部分，用于通过减速齿轮(10j)驱动所述远端部分相对于所述近端部分旋转，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中由所述第一参数向量(0)定义的所述幅度为零。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述标准速度是恒定速度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提取具有所述至少一个正弦曲线的所述频率的所述频率分量的步骤包括：对所述评估信号(τ)进行高通滤波(s8)，截止频率可选地低于所述电机频率并且高于所述电机频率与所述减速齿轮的减速比(rj)相乘。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述标准速度或其谐波与所述操纵器(1)的谐振频率相对应。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤中的至少一个步骤：

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述评估信号(τ)代表电机扭矩。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述减速齿轮(10j)是具有带有ic个齿的刚轮(19)和带有if个齿的柔轮(18)的谐波齿轮，并且所述至少一个正弦曲线的所述频率是所述电机(9j)的所述旋转频率的if/ic倍或其整数倍。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述整数倍是所述旋转频率的2if/ic倍。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述运动校正是两个或更多个正弦曲线的和。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供所述运动校正生成器(13j)的步骤包括：对处理器进行编程以作为所述运动校正生成器操作。

12.一种机器人系统，包括：

13.一种计算机软件产品，包括多个机器可读指令，所述多个机器可读指令当由处理器(13)执行时，使得所述处理器执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的至少步骤b至i。

技术总结
提出了一种用于减少操纵器(1)的远端部分与近端部分之间的关节(5<subgt;j</subgt;)中的运动误差的方法，该关节(5<subgt;j</subgt;)具有与之相关联的电机(9<subgt;j</subgt;)，该电机被安装在所述部分中的一个部分中并且被耦联到所述部分中的另一部分，用于通过减速齿轮(10<subgt;j</subgt;)驱动远端部分相对于近端部分旋转。该方法包括以下步骤：a.提供能够使用参数向量(0，p'p”)编程的运动校正生成器(13j)，并且基于所述参数向量和位置(q<subgt;mot,j</subgt;)输入来输出运动校正(8qke，8qke)，该运动校正是至少一个正弦曲线的和，该至少一个正弦曲线具有频率(k<subgt;i</subgt;)以及由所述参数向量(0，p'，p”)定义的幅度和相位，该频率(k<subgt;i</subgt;)是电机(9<subgt;j</subgt;)的旋转频率或在减速齿轮(10<subgt;j</subgt;)中以高于远端部分的旋转的频率或其整数倍的频率发生周期性事件的频率；b.将指定电机速度的第一驱动控制信号输出给电机，该电机速度是标准速度(qmot,j)与由运动校正生成器(13<subgt;j</subgt;)基于第一参数向量(0)输出的第一运动校正(Eqke)的和；c.从响应于第一驱动控制信号而从关节(5j)接收的评估信号(T)提取具有至少一个正弦曲线的频率的至少一个频率分量，并且确定定义所述频率分量的第一反馈幅度(Ai,j)和第一反馈相位(i9ii7)的第一反馈向量(p)；d.将指定电机速度(qmot,j+Eqke)的第二驱动控制信号输出给电机(9<subgt;j</subgt;)，该电机速度是标准速度(qmot,j)与由运动校正生成器(13<subgt;j</subgt;)基于第二参数向量(p')输出的第二运动校正(Eqfke)的和；e.从响应于第二驱动控制信号而从关节(5<subgt;j</subgt;)接收的评估信号(T)提取具有至少一个正弦曲线的频率的频率分量，并且确定定义所述频率分量的第二反馈幅度(Ai,j)和第二反馈相位(Oi,j)的第二反馈向量(p)；f.从所述第二反馈向量(p)减去所述第一反馈向量(p)以获得反馈差向量(p)；g.找到将所述反馈差向量(p)变换为第二参数向量与第一参数向量之间的差(p'‑0)的变换；h.将该变换应用于第二反馈向量(p)以获得第三参数向量(p”)，并且使用第三参数向量(p”)对运动校正生成器(13<subgt;j</subgt;)进行编程。

技术研发人员：阿尔内·瓦尔堡,理查德·罗伯茨,米凯尔·诺洛夫,斯迪格·莫伯格
受保护的技术使用者：ABB瑞士股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30