基于缆线的距离检测器以及基于其来生成机器人校准数据的系统技术方案

一种基于缆线的距离检测器，包括：缠绕滚筒(101)，所述缠绕滚筒(101)用于缠绕缆线；转矩生成器(102)，所述转矩生成器(102)用于将转矩引导到缠绕滚筒以便收回缆线；测量滚筒(103)，所述测量滚筒(103)被构造成在通过缠绕滚筒将缆线缠绕起来或从缠绕滚筒讲缆线解除缠绕时被缆线旋转；以及编码器，所述编码器被连接到测量滚筒并产生指示测量滚筒的转数以及被缠绕起来的或被解除缠绕的缆线的部分的长度的编码器信号。因为存在独立的测量滚筒，所以该测量比缠绕滚筒的转数被测量的情况准确，这是因为缠绕滚筒上的缆线的不同匝数可具有不同长度。基于缆线的距离检测器适用于生成机器人的校准数据的系统。

Cable based distance detector and system for generating robot calibration data based on the same

A distance detector cable which is based on the winding drum (101), the winding drum (101) for winding cable; torque generator (102), the torque generator (102) for the guide to the torque winding drum in order to recover the cable; measuring roller (103), the measuring roller (103) is constructed by wrapping the cable drum in the winding up or from the winding drum winding cable is about cable lifting and rotating; encoder, the encoder is connected to the measuring roller and roller speed and measurement indicator was wound up to the encoder signal or lifting the winding part of the length of the cable. Because of the presence of an independent measuring cylinder, the measurement is more accurate than the number of revolutions of the winding drum, since the number of turns of the cable on the winding drum can be of different lengths. A cable based distance detector is adapted to generate a calibration data for the robot system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种基于缆线的距离检测器。基于缆线的距离检测器可以例如是(但未必是)用于生成指示机器人的运动学参数的不准确度的偏差数据的系统的一部分并适用于校准机器人。此外，本专利技术涉及测量缠绕在基于缆线的距离检测器的缠绕滚筒中或从该缠绕滚筒解除缠绕的缆线的部分的长度的方法。
技术介绍
在许多情况下，需要在三维空间中检测两个点之间的距离。例如，当校准机器人时，需要测量机器人的末端执行器的定位定向，即，六个自由度“6-DOF”。机器人可例如是包括至少一个机械手的工业机器人，其中机械手是由通过关节彼此附连的连杆组成的臂状机构。机械手从机器人的底座延伸到末端执行器。末端执行器是机械手的端部处的装置，工具在该端部处附接到机械手。末端执行器的准确性质取决于机器人的应用，并且在较广泛的意义上，末端执行器可被视为机器人的与工作环境互动的部分。通过机械手的关节的状态来确定固定到机器人的底座的工作区坐标系中的末端执行器的定位定向。关节的状态通常借助指示关节的瞬时状态例如旋转角度的关节变量来表达。末端执行器的估计定位定向可以基于主要关节变量以及基于机械手的运动学参数的正运动学来计算。对应地，将末端执行器设定在期望定位定向中的关节变量可以基于期望定位定向以及基于运动学参数的逆运动学来计算。为了提供机器人的足够准确的操作，基于关节变量和运动学参数的估计定位定向必须以充足的准确性对应于末端执行器的实际定位定向。因此，上述运动学参数必须足够准确地反映机械手的实际运动学。此外，运动学参数应补偿关节的非理想性以及关节参数的可能运动误差。为了维持运动学参数的充足的准确性，在许多情况下需要不仅在机器人的交付使用期间而且在机器人的使用过程中周期性地校准运动学参数。校准基于指示上述运动学参数的不准确度的偏差数据。偏差数据可以通过比较基于关节变量和运动学参数的估计定位定向与末端执行器的定位定向的参考估计来获得。参考估计可以通过测量从相对于工作区坐标系固定的多个基点到相对于末端执行器固定的末端执行器点的距离以及通过基于基点的已知定位和测量距离来计算末端执行器的定位定向而获得。此途径的挑战与以足够准确的方式测量上述距离的需要相关。
技术实现思路
以下内容呈现简化概述以便提供对各种专利技术实施例的一些方面的基本理解。该概述并不是本专利技术的广泛概括。该概述既不意在识别本专利技术的关键或重要元素，也不意在限定本专利技术的范围。以下概述仅以简化形式呈现本专利技术的一些概念，以作为本专利技术的示范性实施例的更详细描述的序言。根据本专利技术，提供一种用于生成指示机器人的运动学参数的不准确度的偏差数据的新颖系统。机器人包括末端执行器，通过与机器人相关的关节变量以及通过基于运动学参数的正运动学来确定末端执行器在相对于机器人的底座固定的工作区坐标系中的估计定位定向。根据本专利技术的系统包括：-距离检测器，距离检测器相对于机器人的底座处于固定位置上，并且被构造成测量多个距离，所述多个距离各自是从距离检测器的基点中的一个到相对于末端执行器处于固定位置上的末端执行器点中的一个的距离，以及-控制器，控制器用于基于所述多个距离来计算末端执行器在工作区坐标系中的定位定向，并且用于形成指示计算出的定位定向与估计定位定向之间的偏差的数据以便生成偏差数据。距离检测器包括多个基于缆线的距离检测器，以便基于缆线的距离检测器中的每一个的缆线穿过基点中的一个而延伸到末端执行器点中的一个，并且由被考虑的基于缆线的距离检测器产生的编码器信号指示从被考虑的基点到被考虑的末端执行器点的距离。上述基于缆线的距离检测器中的每一个包括：-缠绕滚筒，该缠绕滚筒用于缠绕缆线，-转矩生成器，该转矩生成器用于将转矩引导到缠绕滚筒以便收回缆线，-测量滚筒，该测量滚筒被构造成在响应于通过缠绕滚筒将缆线缠绕起来而被缆线在第一方向上旋转，并且响应于从缠绕滚筒解除缠绕缆线而被缆线在第二方向上旋转，以及-编码器，该编码器被连接到测量滚筒并被构造成产生指示测量滚筒的转数以及导致测量滚筒的转数的缆线的部分的长度的编码器信号。当缆线缠绕在缠绕滚筒周围时，缆线的部分通常在缠绕滚筒上采用螺旋形形式，并且当缠绕滚筒已转动一些转数时，缆线与自身重叠。这些因素导致缠绕滚筒上的缆线的不同匝数的长度之间的变化。如果测量基于缠绕滚筒的转数，则这将导致测量误差。因为上述基于缆线的距离检测器除缠绕滚筒之外还包括测量滚筒，所以缠绕滚筒上的缆线的不同匝数的长度之间的变化不对测量产生任何影响，并且因此缠绕起来的或解除缠绕的缆线的长度可被较准确地测量。缆线、基点和末端执行器点被有利地布置成构成3-2-1斯图尔特构造。可用分析方式对3-2-1斯图尔特构造的正运动学求解，并且可使用3-2-1斯图尔特构造的六个分支的长度，即，从基点到末端执行器点的测量距离来计算限定末端执行器的定位定向的六个笛卡尔坐标。根据本专利技术，还提供一种用于生成指示机器人的运动学参数的不准确度的偏差数据的新颖方法，该机器人包括末端执行器，其中通过与机器人相关的关节变量以及通过基于运动学参数的正运动学来确定末端执行器在相对于机器人的底座固定的工作区坐标系中的估计定位定向，该方法包括：-测量多个距离，所述多个距离各自是从相对于底座处于固定位置上的基点中的一个到相对于末端执行器处于固定位置上的末端执行器点中的一个的距离，以及-基于所述多个距离来计算末端执行器在工作区坐标系中的定位定向，以及-形成指示计算出的定位定向与估计定位定向之间的偏差的数据以便生成偏差数据。上述距离通过上文所述的种类的基于缆线的距离检测器来测量。基于缆线的距离检测器中的每一个的缆线穿过基点中的一个延伸到末端执行器点中的一个，并且由被考虑的基于缆线的距离检测器产生的编码器信号指示从被考虑的基点到被考虑的末端执行器点的距离。根据本专利技术，还提供一种用于校准机器人的新颖校准方法。根据本专利技术的校准方法包括：-执行上述用于生成偏差数据的方法，以及-基于偏差数据来更新机器人的运动学参数。在根据本专利技术的示范性且非限制性的实施例的校准方法中，用于生成偏差数据的方法被执行至少两次，并且更优选至少三次，以便末端执行器的位置每次不同。运动学参数基于含有针对末端执行器的不同位置上的每一个而获得的偏差数据的数据来更新以便提高机器人校准的准确性。在随附的从属权利要求中描述了本专利技术的数个示范性且非限制性的实施例。当结合附图阅读时，将从具体示范性且非限制性的实施例的以下描述最好地理解本专利技术的关于构造与操作方法两者的各种示范性且非限制性的实施例以及本专利技术的额外目标和优点。动词“包括”和“包含”在本文献中用作开放式限制，所述开放式限制既不排斥也不需要未叙述的特征的存在。除非另有明确陈述，否则从属权利要求中所叙述的特征可相互自由地组合。此外，应理解，“一”或“一个”，即，单数形式的使用在本文献全文中不排斥多个。附图说明在下文中，在实例的意义上且参照附图而更详细地解释本专利技术的示范性且非限制性的实施例及其优点，其中：图1a和图1b示出基于缆线的距离检测器的示意性图示，其中该基于缆线的距离检测器适用于根据本专利技术的示范性且非限制性的实施例的用于生成指示机器人的运动学参数的不准确度的偏差数据的系统，图2a图示机器人以及根据本专利技术的示范性且非限制性的实施例的用于生成指示机器人的运动学参数的不准确度的偏差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生成偏差数据的系统，所述偏差数据指示机器人的运动学参数的不准确度，所述机器人包括末端执行器，其中，通过与所述机器人相关的关节变量以及通过基于所述运动学参数的正运动学来确定所述末端执行器在相对于所述机器人的底座固定的工作区坐标系中的估计定位定向，所述系统包括：距离检测器(211)，所述距离检测器(211)相对于所述机器人的所述底座而处于固定位置上，并且被构造用于测量多个距离，所述多个距离各自是从所述距离检测器的基点(213a‑213f)中的一个基点到相对于所述末端执行器而处于固定位置上的末端执行器点(214a‑214c)中的一个末端执行器点的距离，以及控制器(212)，所述控制器(212)用于基于所述多个距离来计算所述末端执行器在所述工作区坐标系中的定位定向，并且用于形成指示在所计算出的定位定向与所述估计定位定向之间的偏差的数据，以便生成所述偏差数据，所述系统的特征在于，所述距离检测器包括多个基于缆线的距离检测器，以使得所述基于缆线的距离检测器中的每一个的缆线(210a‑210f)穿过所述基点中的一个基点延伸到所述末端执行器点中的一个末端执行器点，并且由被考虑的基于缆线的距离检测器产生的编码器信号指示从被考虑的基点到被考虑的末端执行器点的距离，其中，所述基于缆线的距离检测器中的每一个包括：缠绕滚筒(101)，所述缠绕滚筒(101)用于缠绕所述基于缆线的距离检测器的缆线；转矩生成器(102)，所述转矩生成器(102)用于将转矩引导到所述缠绕滚筒以便收回所述缆线；测量滚筒(103)，所述测量滚筒(103)被构造成，响应于通过所述缠绕滚筒将所述缆线缠绕起来而被所述缆线在第一方向上旋转，并且响应于从所述缠绕滚筒将所述缆线解除缠绕而被所述缆线在第二方向上旋转；以及编码器(104)，所述编码器(104)被连接到所述测量滚筒，并被构造成产生用于指示所述测量滚筒的转数的编码器信号。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.23 FI 201453781.一种用于生成偏差数据的系统，所述偏差数据指示机器人的运动学参数的不准确度，所述机器人包括末端执行器，其中，通过与所述机器人相关的关节变量以及通过基于所述运动学参数的正运动学来确定所述末端执行器在相对于所述机器人的底座固定的工作区坐标系中的估计定位定向，所述系统包括：距离检测器(211)，所述距离检测器(211)相对于所述机器人的所述底座而处于固定位置上，并且被构造用于测量多个距离，所述多个距离各自是从所述距离检测器的基点(213a-213f)中的一个基点到相对于所述末端执行器而处于固定位置上的末端执行器点(214a-214c)中的一个末端执行器点的距离，以及控制器(212)，所述控制器(212)用于基于所述多个距离来计算所述末端执行器在所述工作区坐标系中的定位定向，并且用于形成指示在所计算出的定位定向与所述估计定位定向之间的偏差的数据，以便生成所述偏差数据，所述系统的特征在于，所述距离检测器包括多个基于缆线的距离检测器，以使得所述基于缆线的距离检测器中的每一个的缆线(210a-210f)穿过所述基点中的一个基点延伸到所述末端执行器点中的一个末端执行器点，并且由被考虑的基于缆线的距离检测器产生的编码器信号指示从被考虑的基点到被考虑的末端执行器点的距离，其中，所述基于缆线的距离检测器中的每一个包括：缠绕滚筒(101)，所述缠绕滚筒(101)用于缠绕所述基于缆线的距离检测器的缆线；转矩生成器(102)，所述转矩生成器(102)用于将转矩引导到所述缠绕滚筒以便收回所述缆线；测量滚筒(103)，所述测量滚筒(103)被构造成，响应于通过所述缠绕滚筒将所述缆线缠绕起来而被所述缆线在第一方向上旋转，并且响应于从所述缠绕滚筒将所述缆线解除缠绕而被所述缆线在第二方向上旋转；以及编码器(104)，所述编码器(104)被连接到所述测量滚筒，并被构造成产生用于指示所述测量滚筒的转数的编码器信号。2.根据权利要求1所述的系统，其中，与所述基点中的第一个、第二个和第三个基点(213b、213c、213d)相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第一个末端执行器点(214b)，与所述基点中的第四个和第五个基点(213a、213f)相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第二个末端执行器点(214a)，并且与所述基点中的第六个基点(213e)相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第三个末端执行器点(214c)，以便构成3-2-1斯图尔特构造来进行定位定向检测。3.根据权利要求1所述的系统，其中，与所述基点中的第一个和第二个基点相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第一个末端执行器点，与所述基点中的第三个和第四个基点相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第二个末端执行器点，并且与所述基点中的第五个和第六个基点相关的缆线被连接到所述末端执行器点中的第三个末端执行器点，以便构成2-2-2构造来进行定位定向检测。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述基点的数量大于六，并且所述控制器被构造成，基于与所述基点的相互不同的六成员子集相关的编码器信号来计算所述末端执行器的定位定向的一组初始值，并且基于所述初始值来计算所述末端执行器的定位定向。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被构造成，将限定所述末端执行器的定位定向的数值计算为与所述相互不同的六成员子集相关的相互对应的数值的加权平均值，以便基于所述初始值来计算所述末端执行器的定位定向，并且所述控制器被构造成，基于与被考虑的所述六成员子集以及与所述末端执行器从先前的定位定向到正被计算的定位定向的移动相关的所述编码器信号的最小改变来设定所述六成员子集中的每一个的权重，以使得所述编码器信号的较小的最小改变所对应的权重小于所述编码器信号的较大的最小改变所对应的权重。6.根据权利要求1-5中的任一项所述的系统，其中，所述基点的数量大于六，并且所述控制器被构造成，选择所述基点中的六个基点，以使得从所述基点中的所选择的六个基点中排除这样的一个或更多个基点：当所述末端执行器从先前的定位定向移动到正被计算的定位定向时关于该一个或更多个基点存在所述编码器信号的最小改变，并且所述控制器被构造成，基于与所述基点中的所选择的六个基点相关的所述编码器信号，来计算所述末端执行器的定位定向。7.根据权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括温度传感器(230)，并且所述控制器被构造成，基于所述缆线的材料的热膨胀系数和测量的温度改变，来校正所述编码器信号。8.根据权利要求1-7中的任一项所述的系统，其中，所述控制器被构造成，基于所述缆线的弹性以及作用在所述缆线上的张力的估计，来校正所述编码器信号。9.根据权利要求1-8中的任一项所述的系统，其中，所述控制器被构造成，基于所述偏差数据，来更新所述运动学参数。10.根据权利要求1-9中的任一项所述的系统，其中，每一个所述基于缆线的距离检测器还包括：压辊(105)和弹簧(106)，所述弹簧(106)用于使所述压辊将所述缆线压靠于所述测量滚筒，以便避免所述缆线与所述测量滚筒之间的滑动。11.根据权利要求1-10中的任一项所述的系统，其中，每一个所述基于缆线的距离检测器还包括：第一缆线导引件(107)，所述第一缆线导引件(107)用于在所述缆线正在通过所述缠绕滚筒来被缠绕起来时，导引所述缆线以便在所述测量滚筒的轴向方向上的给定位置上与所述测量滚筒接触。12.根据权利要求1-11中的任一项所述的系统，其中，每一个所述基于缆线的距离检测器还包括：第二缆线导引件(108)，所述第二缆线导引件(108)用于在所述缆线正在从所述缠绕滚筒被解除缠绕时，导引所述缆线以便在所述测量滚筒的轴向方向上的给定位置上与所述测量滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：海基·汉德罗斯，吴华鹏，李明，
申请(专利权)人：拉普兰塔理工大学，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI