机器人臂在不同参考空间中的输入整形控制制造技术

本发明专利技术公开了一种用于控制机器人臂的机器人控制器，该机器人控制器包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机器人臂在不同参考空间中的输入整形控制


[0001]本专利技术涉及机器人臂的控制，其中机器人臂的振动通过利用输入整形来抑制。机器人臂包括连接机器人基座和机器人工具凸缘的多个机器人关节，并且参考笛卡尔空间控制机器人臂的一部分(例如，工具凸缘)。

技术介绍

[0002]包括多个机器人关节和连杆的机器人臂(其中马达或致动器可使机器人臂的一部分相对于彼此移动)在机器人学领域中是已知的。通常，机器人臂包括：机器人基座，其用作机器人臂的安装基座；和机器人工具凸缘，其中各种工具可附接到该机器人工具凸缘。机器人控制器被配置成控制机器人关节，以相对于基座移动机器人工具凸缘。例如，为了指示机器人臂执行多个工作指令。机器人关节可以是被配置成使机器人臂的部分相对于彼此旋转的旋转机器人关节，被配置成使机器人臂的部分相对于彼此平移的棱柱关节和/或被配置成使机器人臂的部分相对于彼此移动的任何其他种类的机器人关节。
[0003]通常，机器人控制器被配置成基于机器人臂的动态模型控制机器人关节，其中该动态模型限定了作用于机器人臂上的力和所得的机器人臂的加速度之间的关系。通常，动态模型包括机器人臂的运动学模型、关于机器人臂的惯性的知识以及影响机器人臂移动的其他参数。运动学模型限定了机器人臂的不同部分之间的关系，并且可包括机器人臂的信息(诸如关节和连杆的长度、尺寸)，并且可例如由Denavit
‑
Hartenberg参数等来描述。动态模型使得控制器能够确定为了(例如)以指定速度、加速度移动机器人关节或为了将机器人臂保持在静态姿势，关节马达或致动器将提供哪些扭矩和/或力。
[0004]机器人臂需要由限定用于机器人臂的各种指令的用户或机器人集成商编程，各种指令诸如预定义的移动模式和工作指令，诸如抓握、等待、释放、螺纹接合指令。指令可基于通常提供用于停止或启动给定指令的触发信号的各种传感器或输入信号。触发信号可由各种指示器提供，诸如安全帘、视觉系统、位置指示器等。
[0005]通常，可以将各种末端执行器附接到机器人臂的机器人工具凸缘或其他部分，诸如夹持器、真空夹持器、磁性夹持器、螺纹车床、焊接装备、分配系统、视觉系统等。
[0006]协作机器人是设计用于与人类直接交互的机器人。当机器人被设计成协作时，轻量化设计是主要关注点之一。这是为了减少与人类或障碍物在发生潜在碰撞时产生的影响。因此，该设计将是低质量和高刚度之间的折衷。轻量化设计是当前机器人、起重机和汽车行业发展的主要目标，仅举例来说。轻量化设计通过例如提高性能、提高安全性、减少环境占有面积、降低能量消耗和降低价格来促动。与通常基于铸铁设计的传统重型刚性工业机器人相比，轻量化设计将具有增加的机械灵活性量。
[0007]机器人臂运动可以以无限多种方式将其末端执行器从一个位置移动到另一个位置。在关节空间或笛卡尔空间中描述了最常见的运动。在具有旋转机器人关节的机器人臂中，关节空间运动对于机器人致动器是最自然的，并且是最快的运动。末端执行器运动将在关节空间运动中遵循弯曲轮廓。线性笛卡尔运动导致线性末端执行器运动和对应的关节空
间运动，其可包括在不同关节方向上的高加速度。
[0008]具有机械灵活性的机器人在性能方面面临挑战。例如，当期望快速的点对点运动时，机械振动是不可接受的。因此，期望抑制机器人臂中的机械振动。例如，这可通过利用输入整形方法来实现，该方法通过智能地添加时间延迟来略微修改机器人臂的目标运动。所修改的(整形)轨迹线将减少系统临界固有频率下的振动量。
[0009]工业机器人的输入整形已经在关节空间和笛卡尔空间两者中实现。大多数实施方式在关节空间中，该关节空间是机器人的自然控制空间，例如{iii.}{iv.}{v.}{vi.}{vii.}。多个研究人员可注意到与关节空间输入整形相关的笛卡尔轨迹偏差。已经提出了用于机器人的笛卡尔空间输入整形，并且将其与关节空间输入整形进行比较，以便减小路径偏差{viii.}{ix.}{x.}。
[0010]WO19012040A1和对应的科学文章{i.}{ii.}公开了用于向具有不同动态特性的物理系统生成输入的方法，该方法可用于抑制机器人臂的机械振动。基于物理系统的动态特性生成机器人臂的控制信号，这些动态特性例如可基于物理系统的动态建模、包含物理系统的动态特性的查找表、物理系统的各个部分的测量结果或前述各项的组合来获得。WO19012040A1、{i.}和{ii.}在关节空间中利用时变输入整形方法。时变输入整形从未在笛卡尔空间中呈现。现有的关于机器人臂的笛卡尔输入整形的研究依赖于轨迹发生器，其输出笛卡尔参考位置而不是关节角度。
[0011]振动抑制在任一滤波空间中都是有效的。然而，关节空间滤波器将导致笛卡尔路径的偏差。同样，关节空间运动上的笛卡尔滤波器破坏了线性关节空间运动的有益效果，诸如持续时间短而不超过致动器限制。一般来讲，关节空间运动将受益于关节空间滤波，并且笛卡尔运动将受益于笛卡尔空间滤波。
[0012]当机器人处于静止时，可以在两种方法之间切换。然而，机器人的编程(诸如由Universal Robots A/S提供的UR机器人UR3、UR5、UR10、UR3e、UR5e、UR10e和UR16e)允许关节空间运动和笛卡尔空间运动之间的所谓混合。混合是轨迹之间的软过渡，其消除了对静止的需要并提高了生产率。在关节空间运动和笛卡尔空间运动之间的混合期间，利用关节空间或笛卡尔空间的输入整形导致与机器人臂的预期运动路径的显著偏差。
[0013]参考文献
[0014]{i.}D.K.Thomsen,R.
‑
Knudsen,D.Brandt,X.Zhang,Experimental implementation of time
‑
varying input shaping on ur robots,in:Proceedings of the 16th International Conference on Informatics in Control,Automation and Robotics(ICINCO 2019)，第1卷，2019年，第488—498页，doi：10.5220/0007834504880498
[0015]{ii.}D.K.Thomsen,R.
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Knudsen,D.Brandt,O.Balling,X.Zhang,Smooth online time
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varying input shaping with fractional delay{FIR}filtering,Control Engineering Practice，第88卷，2019年，第21
‑
37页，doi：10.1016/j.conengprac.2019.04.003
[0016]{iii.}P.H.Chang,H.
‑
S.Park,Time
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制机器人臂(101)的机器人控制器(110)，其中所述机器人臂包括连接机器人基座(103)和机器人工具凸缘(104)的多个机器人关节(102a
‑
102f)，其中所述机器人关节包括可相对于机器人关节主体移动的输出凸缘(216
‑
216f)以及被配置成相对于所述机器人关节主体移动所述输出凸缘的关节马达(217a
‑
217f)；所述机器人控制器包括被配置成对目标运动(M
t
)进行整形的整形模块(231)，以及被配置成向所述关节马达生成至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)的马达控制器模块(232)；其中所述整形模块包括：
●
第一空间整形模块(233)，所述第一空间整形模块被配置成通过将第一空间目标运动(Q
t
)与脉冲串卷积来提供整形的第一空间目标运动其中所述第一空间目标运动(Q
t
)在第一参考空间中限定所述目标运动(M
t
)；和
●
第二空间整形模块(234)，所述第二空间整形模块被配置成通过将第二空间目标运动(X
t
)与脉冲串卷积来提供整形的第二空间目标运动其中所述第二空间目标运动(X
t
)在第二参考空间中限定所述目标运动(M
t
)；并且其中所述马达控制器模块(232)被配置成基于所述整形的第一空间目标运动和所述整形的第二空间目标运动中的至少一者来生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。2.根据权利要求1所述的机器人控制器，其中所述马达控制器模块(232)被配置成基于所述整形的第一空间目标运动和所述整形的第二空间目标运动两者来生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。3.根据权利要求1至2中任一项所述的机器人控制器，其中所述目标运动(M
t
)限定所述机器人臂的至少一部分的连续运动，并且其中在所述目标运动的至少一部分中，所述机器人控制器被配置成基于所述整形的第一空间目标运动并且基于所述整形的第二空间目标运动来生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制器，其中所述目标运动(M
t
)限定所述机器人臂的至少一部分的连续运动，并且其中所述机器人控制器被配置成：
●
在所述目标运动的第一部分中，基于所述整形的第一空间目标运动而不基于所述整形的第二空间目标运动来生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)；
●
在所述目标运动的第二部分中，基于所述整形的第二空间目标运动而不基于所述整形的第一空间目标运动来生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人控制器，其中所述机器人控制器包括组合模块(238,438,638)，所述组合模块被配置成将所述整形的第一空间目标运动和所述整形的第二空间目标运动组合成组合的整形目标运动，并且所述马达控制器模块(232)被配置成基于所述组合的整形目标运动生成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人控制器，其中所述马达控制器模块包括：
●
第一空间马达控制模块(945)，所述第一空间马达控制模块被配置成基于所述整形的第一空间目标运动和所述机器人臂的第一动态模型来生成第一马达控制信号，其中所述第一动态模型限定在所述第一参考空间中；
●
第二空间马达控制模块(946)，所述第二空间马达控制模块被配置成基于所述整形的第二空间目标运动和所述机器人臂的第二动态模型来生成第二马达控制信号，其中所述第二动态模型限定在所述第二参考空间中；马达控制信号组合模块(947)，所述马达控制信号组合模块被配置成将所述第一马达控制信号和所述第二马达控制信号组合成所述至少一个马达控制信号(223a
‑
223f)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的机器人控制器，其中所述第一参考空间和所述第二参考空间是不同的。8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人控制器，其中所述第一参考空间是关节参考空间，其中基于机器人关节参数指示所述机器人臂的至少一部分的运动学，其中所述机器人关节参数指示所述关节马达中的至少一个关节马达的运动学和所述输出凸缘的运动学。9.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人控制器，其中所述第二参考空间是坐标空间，其中所述机器人臂的至少一部分的所述运动学相对于参考点指示。10.根据权利要求1至9中任一项所述的机器人控制器，其中所述机器人控制器包括至少一个空间变换模块(235,236)，所述至少一个空间变换模块被配置成将所述目标运动变换成所述第一参考空间中的所述第一空间目标运动和所述第二参考空间中的所述第二空间目标运动中的至少一者。11.根据权利要求1至10中任一项所述的机器人控制器，其中所述机器人控制器包括至少一个空间变换模块(439,440)，所述至少一个空间变换模块被配置成进行以下变换中的至少一项：
●
将所述整形的第一空间目标运动变换成所述目标运动的目标参考空间和所述第二参考空间中的至少一者中的整形的第一目标运动；
●
将所述整形的第二空间目标运动变换成所述目标运动的目标参考空间或所述第一参考空间中的至少一者中的整形的第二目标运动。12.根据权利要求1至11中任一项所述的机器人控制器，其中所述机器人控制器包括至少一个缩放模块(441,442)，所述至少一个缩放模块被配置成进行以下缩放中的至少一项：
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根据第一空间缩放参数缩放所述整形的第一空间目标运动；并且
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根据第二空间缩放参数缩放所述整形的第二空间目标运动。13.根据权利要求12所述的机器人控制器，其中所述机器人控制器包括整形的目标运动组合模块(438)，所述整形的目标运动组合模块被配置成将所述缩放的整形第一空间目标运动和所述缩放...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹，
申请(专利权)人：优傲机器人公司，
类型：发明
国别省市：