本发明涉及用于在控制机器人操纵器内的关节的移动时减少运动学误差的方法和装置。
背景技术：
1、机器人操纵器包括多个连杆，该连杆通过可旋转关节彼此耦接、耦接至基部或耦接至端部执行器。此类关节的旋转由马达驱动，并且通常经由减速齿轮。在马达和齿轮的制造过程中产生的游隙和不准确度会影响对机器人臂的远端处的端部执行器的位置和速度的控制精度。因为谐波驱动齿轮实际上无游隙，所以谐波驱动齿轮被广泛地用作机器人中的减速齿轮，但是无法避免的不准确度(诸如齿轮或样条的偏心)，即使是在马达能够以完全恒定的速度被驱动的情况下，仍然会导致关节的旋转速度的波动，使得关节的位置可能偏离基于已知的马达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学误差或传动误差。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种简单且成本有效的减少机器人关节的运动学误差的方式。
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侧部分与近侧部分之间的第j个关节的运动学误差的方法实现，该关节连接有：马达，该马达用于驱动关节旋转；测量装置，该测量装置用于测量马达的旋转角度；控制器，该控制器连接至马达和测量装置，用于基于输入位置命令控制至少马达的旋转角度；以及轨迹生成器，该轨迹生成器用于输出位置命令，该方法包括以下步骤：
3、a.在远侧部分中设置加速度传感器，
4、b.选择待由加速度传感器遵循的轨迹，
5、c.估计预期传感器沿轨迹所经受的预期加速度值，
6、d.由轨迹生成器输出用于沿轨迹移动传感器的初始命令，
7、e.通过将运动学误差校正添加至初始命令中的指定参数，获得校正命令，并将校正位置命令输入至控制器中，
8、f.记录传感器在根据校正位置命令移动时所经受的加速度值，
9、g.判断预期加速度值与记录加速度值之间的偏差是否超过预定阈值，以及
10、h.若判定偏差超过阈值，则修改运动学误差校正以减小偏差。
11、由于运动学误差反映了指定关节的不准确度，因此应当基于每个关节的特征针对每个关节单独地确定其校正。然而，恰恰因为运动学误差反映了每个关节的个体特性，所以轨迹生成器和控制器对于在同一系列中所制造的操纵器的所有关节可以是相同的。因此，可以方便地成系列制造其中应用本发明的方法的机器人系统；通过在每个样本机器人系统的每个关节中实施适当的运动学误差校正，可以补偿该系列中各单独样本所特定的不准确度。因此，一旦知道运动学误差校正，就可以容易且成本有效地进行补偿。可以在制造商组装各样本机器人系统之后完成运动学误差校正的确定和实施，或者在每次关节修理或维护时完成。
12、不必永久地设置加速度传感器；由于仅在确定运动学误差时才需要加速度传感器，所以可以在该操作完成后移除加速度传感器，并且可以重复用于不同的操纵器。因此，当应用于成系列制造的操纵器时，该方法是非常成本有效的；当对不具有此类传感器的传统操纵器进行维护或修理工作时，也可以应用该方法。
13、当安装了加速度传感器后，可以利用加速度传感器找出加速度传感器与操纵器的固定基部之间的所有关节的运动学误差校正。因此，最好将加速度传感器放置在操纵器的远端处。在远端包括夹持器的情况下，夹持器可以用于在执行该方法时保持该加速度传感器。
14、当第一次执行步骤e.并且运动学误差仍然未知时，控制器接收到的位置命令是由轨迹生成器输出的命令，因此测量加速度与其预期值的偏差代表整体运动学误差。当使用非零校正重复执行步骤e.时，残余偏差允许判断校正质量是否足够，并且在必要时改善校正质量。
15、上述命令可以是其中指定参数是位置的位置命令，以及其中指定参数是速度的速度命令。
16、对步骤b.中选择的轨迹没有具体限制，然而，如果轨迹不涉及操纵器的≠j的其他关节的移动，而是涉及将与运动学误差校正相关联的关节的移动，则有利于找出第j个关节的运动学误差校正。
17、估计预期加速度可以非常简单；实际上，当选定轨迹是围绕轴线的恒速旋转时，预期加速度可以是恒定的，或者将具有与由重力引起的关节角度的圆函数成比例的分量。因此，优选的是，轨迹的至少部分是恒定速度旋转；当关节的旋转范围受限时，交替方向上的若干旋转可以被组合为限定振荡运动的轨迹。实际上，甚至无需提前计算预期加速度；当关节的马达被控制以恒定速度旋转时，可以预期传感器在任何特定时刻所经受的加速度均为之前和之后所经受的加速度的平均值；也就是说，通过计算测量加速度的移动平均值，可以在沿选定轨迹移动传感器的同时确定预期加速度。
18、已经观察到，马达和减速齿轮组件的运动学误差可以通过不同频率的少量圆函数之和来精确地近似。来自马达和来自减速齿轮输入轴(以与马达相同的频率旋转)的贡献可以用马达的旋转角度qmot,j的整数倍n的圆函数(即正弦或余弦函数)来描述。
19、当减速齿轮是谐波驱动齿轮(具有带ic个齿的刚轮和齿数为if(略小于ic)的柔轮)时，由马达驱动的波发生器和柔轮的取向在每if/ic旋转后变得相同，从而在马达的旋转频率的mif/ic倍时对运动学误差产生贡献，其中，m是小整数。
20、虽然在机器人的正常操作中通常避开需要马达以机器人臂的谐振频率操作的轨迹以避免激发振动，但在本发明的方法中，轨迹的速度被优先选择为使得马达频率或其谐波是操纵器的谐振频率，优选最低谐振频率，因为这样激发的操纵器的振动将产生预期加速度值和实际加速度值之间的明显可检测到的偏差。优选地，速度被选择为使得马达频率的二次谐波与谐振频率一致。
21、加速度传感器通常对所有三个方向上空间内的加速度敏感。由于振动可能发生在任何方向上，所以可以通过将记录或估计加速度矢量的三个分量组合成单个标量来减少要处理的数据量。该组合步骤可以涉及计算矢量的三个分量的平方和，以获得在传感器旋转下、呈不变的标量。
22、通过对记录加速度值进行频谱分析，例如傅里叶变换(优选地，关于马达的旋转角度qmot,j)，可以便于执行判断步骤。这里，如果傅里叶变换的任何频谱分量超过预定阈值，则可以认为偏差过大。判断可以仅基于一个这样的频谱分量，优选其频率是马达频率两倍的分量，因为这个分量可能是傅里叶变换中的最强分量。
23、当已经在步骤h.中修改运动学误差校正后，重复步骤d.至g.，以找出新运动学误差校正是否满足步骤g.中的阈值，或者至少新运动学误差校正的偏差是否小于原运动学误差校正的偏差。
24、理论上，可以在步骤h.中按照简单的试错方案对运动学误差函数进行修改，但是在这种情况下，找出令人满意的运动学误差函数可能需要花费很长时间。通过估计关于运动学误差函数的加权系数的偏差梯度，然后将乘以标量因子的该梯度添加至由运动学误差函数的加权系数形成的矢量中，可以缩短处理时间。
25、当通过加权形成的矢量接近最佳时，可以预期，相比于当矢量远不是最佳时，在步骤l)的连续迭代中获得的梯度的方向从一次迭代到下一次迭代更强烈地改变。因此，通过在方向的改变低于给定下部阈值时增加标量因子，并且在方向的改变高于给定上部阈值时减小标量因子，可以减少达到该最佳所需的迭代次数。
26、当连续梯度的分量之间没有符号变化时，可以认为方向的改变未达到下部阈值；当至少一个分量的符号从一个梯度改变为下一个梯度时，可以认为方向的改变超过上部阈值。
27、根据本发明的一个方面，该目的通过一种机器人系统实现，该机器人系统包括：
28、-操纵器，该操纵器具有近侧部分、远侧部分、连接近侧部分和远侧部分的关节，以及用于驱动关节旋转的马达；
29、-测量装置，该测量装置用于测量马达的旋转角度；
30、-控制器，该控制器连接至马达和测量装置，用于基于输入位置命令控制至少马达的旋转角度；
31、-轨迹生成器，该轨迹生成器用于输出位置命令；
32、-加速度传感器，该加速度传感器优选地被可移除地安装在机器人臂的远侧部分中。
33、根据另一方面，该目的通过一种存储有多个指令的计算机可读存储介质实现，该当由处理器执行指令时，该指令使处理器执行上述方法的至少步骤d.至步骤h.。
1.一种用于减少操纵器(1)的远侧部分与近侧部分之间的关节(5j)的运动学误差的方法，所述关节(5j)连接有：马达(9j)，所述马达用于驱动所述关节旋转；测量装置(8j)，所述测量装置用于测量所述马达(9j)的旋转角度；关节控制器(12j)，所述关节控制器连接至所述马达(9j)和所述测量装置(8j)，用于基于输入位置命令(qmot,j)控制至少所述马达的所述旋转角度；以及轨迹生成器(11)，所述轨迹生成器用于输出位置命令(qmot,j)，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述命令是位置命令和速度命令中的至少一者，在所述位置命令中，所述指定参数是位置，以及在所述速度命令中，所述指定参数是速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤b)中，所述轨迹被选择为使得所述预期加速度值或所述预期加速度的大小沿所述轨迹中的至少部分轨迹是恒定的，以及可选地，其中所述轨迹限定振荡运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述运动学误差校正(δqke)是所述马达(9j)的所述旋转角度(qmot,j)的至少整数倍的圆函数的加权和。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述关节(5j)还包括谐波驱动齿轮(10j)，其中所述运动学误差校正(δqke)还是所述旋转角度的整数倍乘以if/ic的圆函数的加权和，其中if是谐波驱动齿轮(10j)的柔轮(16)的齿数，并且ic是谐波驱动齿轮(10j)的刚轮(17)的齿数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤b)中，所述轨迹的速度被选择为使得所述马达频率或其谐波是所述操纵器(1)的谐振频率，优选最低谐振频率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤c.中的所述预期加速度值和/或步骤f.中的所述记录加速度值是矢量(ax、ay、az)，并且步骤g.中的所述判断包括将每个矢量的所有三个分量组合成单个标量(a)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤g.中的所述判断是基于对所述记录加速度值的频谱分析。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤g.中的所述判断是基于所述记录加速度值的频谱分量，所述记录加速度值的频率为所述马达频率的两倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当已经在步骤h.中修改所述运动学误差校正时，重复步骤d.至步骤g.。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤h.中修改所述运动学误差函数包括以下子步骤：根据所述运动学误差校正(δqke)的加权系数(ai，j)估计所述偏差的梯度，并且将乘以标量因子(δai，j，δθi，j)的所述梯度添加至由所述运动学误差校正的所述加权系数形成的矢量。
12.根据权利要求10和11所述的方法，其中如果步骤l)中所述梯度在连续迭代之间的方向变化低于给定下部阈值，则增大所述标量因子(δai，j，δθi，j)，并且如果所述方向变化高于给定上部阈值，则减小所述标量因子(δai，j，δθi，j)。
13.一种机器人系统，包括
14.一种计算机可读存储介质，多个指令被存储在所述计算机可读存储介质上，当由处理器(13)执行所述指令时，使所述处理器执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的至少步骤d.至步骤h.。
