CN102046336A - 用于精细定位末端部的自动机械手装置及相关控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动装置，该自动装置包括：用于在N维空间中移动一个端部的铰接臂，该铰接臂具有至少N+1个电动关节；以及用于控制所述电动关节移动的计算机，所述计算机控制对该铰接臂的末端部进行预定位的第一步骤和进行精细定位的第二步骤。

Description

用于精细定位末端部的自动机械手装置及相关控制

技术领域

本发明涉及使末端部能够移动的自动机械手装置领域。

背景技术

所述自动机械手装置用于在空间中移动和定位物体或者工具。该自动机械手装置可具有串接、并接或者较少见的混合结构。在串接结构中，构成该自动装置的各个部件彼此串联铰接，通过沿运动链分布的致动器获得相对运动。在并接结构中，若干运动链闭合(se refermer)并且构成这种运动链的元件不必全部被致动。

所述串接、混合或者并接的自动机械手装置具有一定的自动装置灵活度，从而使待被操纵的物体获得一定的自由度。

大多数工业化销售的串接自动装置为：

-SCARA类型，具有位于一个平面内的两个移动臂和在垂直于该平面的方向上的一个自动装置灵活度(平面能够绕后者的轴线旋转得到)，允许在与基准平面平行的平面中对固体进行定位和定向；或者

-拟人化类型，具有基座、肩部、支撑腕关节(poignet)的臂，最终产生6个自动装置灵活度(3个用于定位，3个用于定向)。

如果自动装置灵活度的数量(与致动器的数量相关)大于所获得的被操纵固体的自由度的数量，则自动装置可能是冗余的。一般地说，所述自动装置虽然难以控制，但是能够避开工作空间中的障碍或者能够在难以进入的空间中工作。

标准ISO 9283定义了工业自动装置所考虑的性能标准，特别是定位的重复性和精确性。到目前为止，无论是串接或者并接、冗余或者非冗余的自动机械手装置的定位的重复性没有超过接近百分之一毫米的值。就精确度性能而言，它们甚至更差，现在最好的自动装置仅仅能够保证在工作空间中0.03毫米内的精确定位。

在诸如制表领域中，必须在0.2毫米直径的孔中插入轴，或者在光电领域中，已证明小于0.01毫米的重复性以及0.01毫米量级的定位精确度是必须的。

对于一些所谓的奇异(singulière)结构而言，自动装置的末端部的自由度的数量局部上严格小于自动装置灵活度的数量。雅可比矩阵是对该自动装置的几何模型进行微分得到的矩阵；该矩阵在奇异位置中不再是可逆(inversible)的。例如当该自动装置被可逆的微分模型控制时将产生问题。因为潜在的控制问题，通常难以在靠近奇异结构的区域中定位自动装置的末端部。

文献US4523100已知为现有技术，其公开了一种包括铰接臂的自动装置，该铰接臂支撑用于微运动的铰接头。所述铰接臂提供铰接头的粗略定位，精确定位由构成该头部关节的线性游标提供。该自动装置具有如下缺点：需要至少6个不同种类的关节。

在所谓的用于在三维空间中精确定位物体的微装置/宏装置内，该末端部的精细移动通常由固定在运动链下游的独立测微装置提供；该组件需要用于对测微装置进行定位的支撑结构的最少3个关节，该测微装置本身包括3个关节，这意味着大致包括6个关节。

发明内容

本发明用来解决现有技术的上述缺点，特别地用于精确定位冗余自动装置的末端部，从而相对现有技术具有精确性方面(重复性和精确定位)的改进性能。此外，本发明能够在与自动装置结构的基座或者奇异结构靠近的区域中工作。与宏装置/微装置相比，本发明通过提供一种集成架构而使精细定位所使用的关节数目实质减少。

本发明涉及完全集成且冗余的自动装置结构，对于所述结构而言存在所谓的“感兴趣区域

在该区域中可获得自动装置的末端部的精细定位。与专利US4523100所公开的技术方案不同，该感兴趣区域不覆盖自动装置的末端部可进入的整个工作空间，但是具有优选的动作容积，在所述动作容积内自动装置的端部可沿任一运动路径运动。

本发明涉及自动装置，其包括：用于使端部在N维空间中移动的铰接臂，该铰接臂具有至少N+1个电动关节；以及计算机，用于控制电动关节移动，所述计算机控制对该铰接臂的末端部进行预定位的第一步骤和进行精细定位的第二步骤。

预定位的第一步骤包括使铰接臂的端部进入到感兴趣区域中，尽可能靠近最优定位区域的中心，所述中心通过N个辅助(secondaire)电动关节限定，所述关节中的至少一个是旋转轴。

精细定位的第二步骤包括：阻止除所述N个辅助电动关节之外的所有关节活动；以及通过所述N个辅助电动关节中的至少一个的基本移动来控制末端部的移动。

在具体实施例中：

-用于在三维空间中定位的铰接臂包括至少4个电动关节，其中包括至少2个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除包括2个旋转轴在内的3个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过辅助关节中的至少一个的基本移动来进行最终定位；

-用于在三维空间中定位的铰接臂包括至少4个电动关节，其中包括至少一个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除了包括所述旋转轴在内的3个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过所述辅助关节中的至少一个的基本移动来进行最终定位；

-铰接结构包括至少3个电动关节，其中包括至少2个所谓的辅助平行旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到感兴趣区域中；所述精细定位的第二步骤包括：阻止除了辅助电动旋转轴之外的所有电动关节活动，以及通过所述辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动来进行最终定位；

-用于在空间的平面中定位的铰接臂包括至少3个电动关节，其中包括至少一个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除了包括所述旋转轴在内的2个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过所述辅助关节中的至少一个的基本移动来进行最终定位；

-用于在三维空间进行定位的铰接臂包括至少4个串接的电动关节，其中包括至少3个所谓的辅助旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将该自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，相对于3个附属旋转轴的杠杆臂具有小长度，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除了辅助电动旋转轴之外的所有关节活动、以及通过所述辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动来进行最终定位；

-铰接臂包括至少3个串接的电动关节，其中包括至少2个所谓的辅助平行旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将该自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，甚至最优定位区域，所述最优定位区域是圆盘，该圆盘的中心是与等腰直角三角形的斜边相对的顶点，所述等腰直角三角形包含在包括操纵臂的末端部并且垂直于辅助旋转轴的平面中，所述斜边具有位于第一辅助旋转轴上的第一顶点和位于第二辅助旋转轴上的第二顶点；圆盘的直径近似等于两个辅助旋转轴之间的距离；所述精细定位的第二步骤包括：阻止除所述辅助电动旋转轴之外的所有电动关节活动，以及通过辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动来进行最终定位；

-自动装置包括至少一个位于运动链上游的附加关节，还包括一个通过所述附加关节的动作限定感兴趣区域的打开步骤；

-所述精细定位是通过重复从称为协调点的特定点到目标点的运动路径的一部分而间接获得的，从而解决了干摩擦(frottements secs)的问题，该协调点是位于与目标点相关联的死区(zone morte)之外的点；

-所述精细定位是通过处理外感受(extéroceptive)信息而获得的，所述外感受信息能够推导出自动装置的末端部的位置与目标点之间的距离并且能够通过辅助关节的基本旋转来控制自动装置；

-两个步骤在执行之前被计算，从而准备用于连续移动的控制法则；

-两个步骤在执行之前被计算，从而准备移动过程中的控制法则和周期性计算；

-用于精细定位的冗余自动装置的设计使每个步骤具有可逆的几何模型；

-用于精细定位的冗余自动装置的控制在预定位阶段完成之后使用局部校准方法用于在定位中获得更好的精确度；

-在自动装置的端部固定有腕关节，从而能够对物体或者工具的定向进行控制。

在其它实施例中：

-所述辅助轴被选择为相对于目标点具有最小杠杆臂的轴。

-两个辅助轴之间的距离小于辅助轴与第三轴之间的距离和第三轴与末端点之间的距离。

-所述辅助关节的角度位置传感器的分辨率比其他关节的传感器的分辨率大。

-用于在两个步骤中精细定位的冗余自动装置的设计由于运动链上两个连续平行旋转轴的冗余性，允许每个步骤具有可逆的几何模型。

所述自动装置结构包括根据冗余构造的至少3个串接、混合或者并接模式的铰接段、能够获得关于运动链的致动器的信息的本体感受(proprioceptifs)传感器、以及能够控制运动链的计算机。

两种关节在所述运动链处被限定，该运动链构成了自动装置结构：被称为主关节的用于定位和定向的关节(旋转关节、棱柱关节或者本领域技术人员已知的其他类型的关节)、被称为辅助关节的一些用于对自动装置的末端部进行精确定位的旋转关节。运动链中辅助旋转关节的选择取决于自动装置结构的构造，一些旋转关节能够在一种给定的结构中被构造为辅助关节并且在另一结构中仅被构造为主关节。辅助轴的选择基于如下原理：自动装置的辅助旋转轴与末端部之间的距离相对于自动装置的非辅助旋转轴与末端部之间的距离而言很小。

在替换实施例中，一些辅助电动旋转关节可以由棱柱连接件替换以能够在三维空间中或者平面中进行精确定位，假设在所述辅助关节之间仍然存在至少一个电动旋转关节；因而，对于三维空间中的精细定位，辅助关节可由图10所示的两个旋转关节和一个电动棱柱关节的组合形成，或者由一个旋转关节和两个电动棱柱关节的组合形成；对于平面中的定位，辅助关节可由如图8-e所示的一个旋转关节和一个电动棱柱关节的组合形成。

感兴趣区域是工作空间的受限制区域，该受限制区域本质上取决于自动装置结构的构造，对于该受限制区域而言已证实有下述性能：自动装置的末端部可被定位在感兴趣区域中；通过控制辅助旋转轴获得的定位的空间分辨率比在工作空间的其余部分获得的空间分辨率更精细；由围绕自动装置的辅助旋转轴的基本旋转所引起的基本矢量移动构成了空间中的一族生成矢量，理想地，构成正交基。

对于三维空间中的精细定位，在运动链中选择3个辅助关节。对于平面中的精细定位，在运动链中选择2个辅助关节。对于直线上的精细定位，在运动链中选择1个辅助关节。然而在不同的情况中，可能有必要选择比上面限定更多的辅助关节；由于本领域技术人员能够设计一种能对由基本移动导致的局部冗余进行管理的控制方法，所述基本移动构成了在所请求的移动的矢量空间中连接的一族矢量，本发明的原理和优点仍然有效。

在感兴趣区域中，可区分出最优定位区域(ZPO-zonepositionnement optimal)。该ZPO的中心是ZPO中距离辅助轴相等距离的特定点，对于该中心而言，由围绕辅助旋转轴的基本旋转所引起的基本矢量移动构成了该空间中矢量的正交基。

并非所有冗余的自动装置结构都必须具有感兴趣区域、或甚至ZPO。

对于给定的自动装置结构，感兴趣区域和ZPO取决于运动链的构造。然而，只有工作空间的一部分可成为感兴趣区域。自动装置结构的设计者必须非常仔细，定义该结构的尺寸，以使ZPO能够存在、具有足够的容积并且可通过根据期望应用的构造和移动可到达。对于使用者，他或她必须在所有可能的构造中选择这样的构造：允许他或她实现期望进行精细定位的区域和感兴趣区域，或甚至与ZPO重合。理想的情况是在靠近ZPO中心的区域中进行精细定位。

当在ZPO的中心处进行最终定位时，精细定位的空间控制与辅助轴的控制是分开的。当远离ZPO的中心但仍位于感兴趣区域中时，会出现部分联接。

本发明涉及精细定位控制，精细定位控制可分为两个独立的步骤：称为预定位步骤的第一步骤包括将操纵臂的末端部引入到感兴趣区域中，甚至引入到ZPO中；第二步骤包括仅通过一个或者多个辅助关节精细定位操纵臂的末端部。

在精细定位步骤中，仅致动辅助旋转轴。因为所述结构和角度编码器上的相同分辨率，从而对辅助旋转轴所估计的定位重复性进行显著和可计算的改进。另一方面，在ZPO的中心处，笛卡尔空间与辅助关节空间之间的控制是分开的。通过严格限制重复性“球体”固有的非线性，定位中重复性的较小值允许局部校正定位误差。例如可使用跳变椭圆

控制。

在精细定位步骤中，来自外感受位置传感器(机械、数字、光学或者其他测微计，显微镜，观测设备)的信息可被集成到控制系统中。来自所述传感器的信息允许获得期望的最终位置与末端部到达的位置之间的相对偏差。图1涉及说明该原理的精细装配表。该装置包括装配板10、由北激光扫描测微计1和与激光束3相关联的南激光扫描测微计2形成的第一组件、以及由东激光扫描测微计4和与激光束6相关联的西激光扫描测微计5形成的第二组件。所述两个(东-西，北-南)激光扫描测微计能够获得轴8与孔9之间的相对位置。因此该偏差可用在控制系统中以获得期望的最终位置。

图2示出了不同的方法，所述方法能够被实施用来校正期望位置201与到达位置之间的偏差。由于干摩擦，关节的位置的小偏差有时难以校正。对于伺服控制，比例控制没有施加足够的应力(力矩或者力)来克服被称为死区、即由球体202所示的区域中的干摩擦力，在该死区中没有产生运动；必须等待该伺服控制的、最终产生足够力的整体校正动作来导致运动，同时具有随后引起与该系统的动力学相关的穿过现象的风险；这是能够从位于死区中的点203到点204的运动路径205的情况。所述穿过现象可能具有与安全性和操作可靠性相关的副作用。如果运动路径208的起始点在死区外，那么最终定位207可以通过直接控制(例如反向微分控制)获得。如果到达位置209位于死区内，那么可通过下述过程获得精细定位：定义协调点210，该协调点位于死区外，通过运动路径211获得。随后，原理包括：通过根据在到达位置212与目标201之间测量的偏差来调整最终设置而再产生从协调点210开始的运动路径213。然后，使用运动路径214回到协调点210。在考虑在点212与目标201之间的偏差的情况下略微修改最终设置。运动路径216是从协调点210到最接近目标201的点215。可重新开始所述过程，直到最终点足够接近目标201为止。

在预定位步骤中自动装置结构所到达的位置的精确性保留常规自动机械手装置的精确性。通过局部校准方法在感兴趣区域的精细定位中显著改善该精确性。所述校准方法例如可包括：通过在感兴趣区域的点处的外感受捕获器精确测量末端部的位置；然后仅依据辅助轴通过几何模型(或者微分的几何模型)的计算在精细定位步骤中推导出末端部的位置变化。还可考虑其他的策略：在感兴趣区域分布若干传感器并将传感器联接至不同的构造，从而能够最终推导出该末端部在感兴趣区域中的位置，并且减小与非辅助关节位置传感器和与运动链的一部分上的几何模型的误差相关的不确定性。所述局部校准必须能够将与辅助轴相关的几何模型的误差的重要性减少一个量级。

能够使自动装置结构像在感兴趣区域外部定义的那样工作，而该自动装置的操作是常规冗余自动装置的操作而不进行精细定位。

致动器对关节的控制通常是通过来自这种类型的自动装置通常所用的位置传感器(例如编码器)的本体感受信息、在闭环中进行的。

固定在铰接臂的末端部上的物体或者工具的定向可通常由分布在运动链上的不同关节控制。

在替换实施例中，可考虑将腕关节定位在自动装置臂的末端部上，从而能够控制固定在末端部上的物体或者工具的定向。

附图说明

本发明的其他特征和优势将通过参考随后简明示出的附图和阅读下面的描述而凸显出来，在附图中：

-图1涉及了包含能够获得在轴与孔之间相对定位的两个激光扫描测微计的精细装配表；

-图2示出了用于对期望位置与到达位置之间的偏差进行校正的不同运动路径；

-图3示出了用于在三维空间中精细定位的一般实施例的运动链的立体图；

-图4-a(立体视图)、4-b(顶视图)和4-c(侧视图)示出了用于在三维空间中精细定位的第一具体实施方式的运动链的图；

-图5-a(侧视图)和5-b(顶视图)示出了用于在三维空间中精细定位的第二具体实施方式的运动链的图；

-图6-a(侧视图)和6-b(顶视图)示出了用于在三维空间中精细定位的第三具体实施方式的运动链的图；

-图7示出了用于在空间的一个平面中精确定位末端部的一般实施例的运动链；

-图8-a(立体视图)和8-b(顶视图)示出了用于在二维空间中精细定位的第一具体实施方式的运动链的图；图8-c示出了通过局部校准方法改进精确度；图8-d是一种可选的实施方式，其中附加的自动装置灵活度被插入到两个辅助旋转轴之间；图8-e示出了可选的实施方式，其中用棱柱关节替代辅助旋转关节；

-图9(顶视图)示出了用于在二维空间中精细定位的第二具体实施方式的运动链的图，能够限定感兴趣区域和在该区域中精细定位自动装置臂的末端部；

-图10(顶视图)示出了用于在三维空间中精细定位的具体实施方式的运动链的图，在辅助关节之一是棱柱体；

-图11(顶视图)示出了与在平面中精细定位的混合自动装置结构对应的具体实施方式的运动链的图。

具体实施方式

参照图3，对于在三维空间中精细定位的一般实施方式，自动装置结构包括3个也称为辅助关节的旋转关节302、304和306，它们一方面通过运动链301与框架(

)300相关，另一方面通过运动链303和305彼此相关，最后通过最后的运动链与末端部310相关。该自动装置的整体运动链结构具有至少一个附加关节(即，第四自动装置灵活度)，附加关节属于所谓的主关节并且使运动链的末端部能够工作在比仅与辅助关节相关的工作空间更大的空间内。第四关节可按需插入到运动链301、303、305之一中或者插入到306与310之间，这里涉及到旋转连接件(liaison)308。

本发明涉及的能够进行精细定位的自动装置结构在三维空间中限定所谓的感兴趣区域，该感兴趣区域对应于这样的点集合：对于这些点而言，相对于3个辅助轴302、304和306的距离很小但不为零，并且由绕旋转轴302、304和306的基本旋转所引起的移动是沿3个不共面的方向进行的。对于自动装置结构的具体构造，在该感兴趣区域中，定义了也称为最优定位区域(ZPO)的子集合，该最优定位区域的中心按下述方式进行定义：该中心是包含旋转轴302、304和306的3个空间平面311、312和313的相交点314。点314与旋转轴302、304和306的距离基本具有相同的数量级；这些距离不为零，但相对于该运动链的对由310可到达的空间的容积进行限定的其他特征值而言很小。当该自动装置的末端部310位于点314时，由围绕旋转轴302、304和306的基本旋转所引起的移动是沿空间的3个垂直方向进行的。对于该具体构造，ZPO对应于一个球体，该球体具有中心314且其半径近似等于点314与旋转轴302、304和306之间的最小距离的一半。

该结构的控制方法包括：通过主自动装置灵活度将末端部310置于ZPO中，然后阻止除了辅助旋转关节302、304和306之外的所有关节活动，从而能够在ZPO中获得精细定位。由于三个辅助动作所产生的小杠杆臂，在点314处获得的空间分辨率(résolution)比在该工作空间的其他部分获得的空间分辨率要精细得多。此外，由围绕辅助轴的基本旋转所引起的移动是沿空间的3个垂直方向进行的，并且辅助关节空间与笛卡尔空间之间的控制是分开的(découplé)。当远离ZPO的中心时，所述分开效果趋于消失，但是与定位的精确度相关的优势仍然存在于该ZPO中，更一般地存在于所谓的感兴趣区域的区域中。

所述自动装置结构还可以用于下述模式中，该模式包括在三维空间中获得精确定位，然而3个辅助轴并不确切地属于如上所述3个在314处相交的垂直平面，但是本发明的上述原理仍然适用：主轴和辅助轴，相对于辅助轴的小杠杆臂，由不共面的辅助轴所引起的移动。

所述自动装置结构还可用于另一实施方式中，该实施方式包括通过上述辅助轴中的至少两个轴在空间平面中获得精确定位。

所述自动装置结构还可用于其他实施方式中，该实施方式包括通过上述辅助轴中的至少一个轴在空间的直线上获得精确定位。

参照图4-a、4-b和4-c，对于能够以非常高的精确度在三维空间中定位末端部的具体实施方式，自动装置结构包括两个平行的旋转轴402和404以及两个彼此平行且与旋转轴402和404垂直的旋转轴406和408。平面413包括轴406并且垂直于轴402。点410是平面413与轴402的交点。点411是平面413与轴404的交点。轴404与轴406之间的距离等于轴402与轴404之间的距离乘以0.2。轴406与轴408之间的距离等于末端部310与轴408间的距离减去0.7倍轴402与404之间的距离，使得所述两个距离保持在相同的数量级内。我们寻求必须尽可能大的臂407长度/臂403长度的比值。根据这种自动装置臂的工业用途以及根据使用自动装置臂的工作空间的特征，本领域技术人员必须优化上述比值。本领域技术人员可随意选择臂407的长度，然后将其除以10以获得臂403的长度。轴402到自动装置的基座(base)400的距离并不是必须标准的，并且该距离将根据工作空间的限制条件来确定。402可直接固定在基座400上而不需要任何中间臂401。

该结构的控制方法包括：依次驱动旋转轴402、406和408以在靠近轴402、404和406的感兴趣区域中定位末端部310。理想地，本领域技术人员试图靠近ZPO的中心412定位末端部310。该ZPO的中心是平面413的等腰直角三角形的顶点412，该等腰直角三角形的斜边是连接点410和点411的线段。412与旋转轴406之间的距离等于412与410之间的距离。根据主关节的构造，点412可在空间中具有不同的位置。对于给定的构造，ZPO对应于一个球体，该球体具有中心412且其半径基本等于410与412之间距离的一半。在ZPO中定位末端部旨在使相对于末端部310与旋转轴402、404和406相关联的杠杆臂的长度最小但不是消除这些长度，从而能够在辅助轴的三维空间中控制操纵臂的端部。一旦310被定位在ZPO中，则阻止轴408活动。然后轴402、404和406被致动(activate)以空间中获得精细定位。对于点412，由轴402、404和406的旋转所引起的基本移动是沿3个垂直方向进行的。对于辅助轴的角度传感器上的相同的控制和分辨率，由辅助轴的基本旋转所引起的位置增量在所述3个垂直方向中是相同的。如果末端部远离点412但仍位于该ZPO中，则基本移动不再是必须正交的但仍保持线性独立，对于该角度传感器上的相同的控制和分辨率，所述位置增量能够实质上改变。然而与定位精确度的改进相关的优势不受影响。

该空间分辨率与数字控制分辨率、致动器控制系统的性能和自动装置臂的空间构造相关，该致动器控制系统尤其以协方差矩阵和本体感受传感器的分辨率等为特征。在现代系统中，由于计算机的双精度处理，数字控制分辨率可被认为准连续。所示的自动装置结构能够通过控制轴402、404和406在ZPO中获得比工作空间的其余部分更精细的空间分辨率和更好的重复性。

因为轴402和404是平行的，该自动装置结构的冗余性在预定位和精细定位的两个阶段中没有对机构的控制造成具体问题。事实上，由于需要在控制过程(例如优化能量标准)中集成附加标准，因此总是很难驱动冗余自动装置。然后，在预定位阶段，可仅驱动轴402、406和408，其唯一的目标是将末端部引入到ZPO中；在该阶段，该自动装置结构具有常规可逆几何模型。在精细定位阶段，仅驱动轴402、404和406，并且几何模型仍然是常规局部可逆。

参照图5-a和5-b，在具体实施方式中，用于在三维空间中对自动装置的末端部进行精确定位的自动装置结构在参考构造中包括3个平行的轴502、506和508和一个垂直于502、506和508的轴504。除了该参考构造之外，轴506和508总是平行的，但是不再必须平行于轴502。

对于所述结构的尺寸而言，本领域技术人员试图在考虑工作空间的限制条件的情况下获得尽可能大的臂507长度/臂505长度的比值。臂507和509的长度在10％内基本相等。在不考虑限制条件的情况下，臂507的长度至少比轴504与轴506之间的距离大10倍。

该结构的控制在所有方面与上述结构相同，从通过旋转轴504、506和508的动作将末端部310定位在感兴趣区域中开始。然后，一旦该端部310被定位，则阻止轴508活动，并且通过同时致动轴502、504和506而发生精确定位。

参照图6-a和6-b，在具体实施方式中，用于在三维空间中对自动装置的末端部进行精确定位的自动装置结构包括3个平行的轴604、606和608和一个垂直于604、606和608的轴602。

为了设定所述结构的尺寸，本领域技术人员在考虑工作空间的限制条件的情况下获得尽可能大的臂607长度/臂605长度的比值。臂607和609的长度基本在10％内。在不考虑限制条件的情况下，臂607的长度至少比臂605的长度大10倍。

该结构的控制在所有方面与上述结构相同，从通过旋转轴602、606和608(或者旋转轴602、604和608)的动作将所述臂的末端部310定位在感兴趣区域中开始。然后，一旦端部310被定位，则阻止轴608活动，并且通过共同致动602、604和606而发生精细定位。

参考图7，对于能够在空间的一个平面(P)中定位末端部310和自动装置结构的一般实施方式，该结构包括3个运动链701、703和705和两个垂直于平面(P)的旋转轴702和704。运动链701将旋转连接件702连接到支撑件700；运动链703连接两个旋转连接件702和704；运动链705将旋转连接件704连接至末端部310。在该平面中的附加的自动装置灵活度(旋转或者平移)被结合到运动链701、703和705的至少一个中。该自动装置灵活度旨在相对于基于关节702和704的SCARA类型自动装置结构能到达的空间，显著扩大端部310能到达的空间。

点706是平面(P)与轴702的交点。点708是平面(P)与轴704的交点。其对角线连接了点706和708的平面(P)的正方形限定了两个新的顶点707和709。在这个一般情况中，对于所谓辅助旋转轴702和704的给定构造，存在两个ZPO(表示为ZPO1和ZPO2)，ZPO的中心是点707和709。ZPO是以707和709为圆心的圆盘(disques)，该圆盘的半径等于706与709之间距离的一半。

对该结构的控制如下：通过致动主关节将端部310置于ZPO中，所述主关节包括运动链的所有自动装置灵活度；阻止除沿轴702和704的辅助旋转之外的所有自动装置灵活度；通过致动轴702和704进行精细定位。因而，如果末端部310例如位于709处，那么由轴702和704的旋转所引起的基本移动是沿平面(P)中的两个垂直方向从709到706和从709到708进行的。此外，对于轴702和704的角度传感器上的相同的控制和分辨率，位置增量在两个垂直方向上是相等的。如果末端部310远离点709但仍在ZPO1中，则所述基本移动不再是必须正交的但仍保持线性独立，对于角度传感器上相同的分辨率，所引起的位置增量可实质上改变。然而，与定位的精确度的改进相关的优势不受影响。

在比称为感兴趣区域的ZPO更宽的区域(ZI1和ZI2)中，相对于轴702和704的短距离能够在精细定位时获得一定的优势，其具有相对ZPO而言确实降低但常常比在工作空间的其余部分更令人感兴趣的性能。

除了专门的应用外，点310不应该被定位在具有端点706和708的线段的中点，因为由辅助轴702和704的基本旋转所引起的基本移动在从点707到点709的连线方向上是线性独立的(局部奇异性)。

ZPO取决于自动装置结构的构造，还取决于定位和移动臂端部的策略，如果需要，还取决于相对于待处理的部件被支撑的工具。在之前的步骤中，仍然能够通过作用于一些主自动装置灵活度，一定程度上在工作空间中选择ZPO的中心的位置。

沿平行的关节轴702的电动棱柱关节可被添加到运动链705的端部，从而能够在三维空间中进行精细定位，该原理通过图10的具体实施方式示出。

参照图8-a和8-b，对于能够在平面空间中定位自动装置结构的末端部的具体实施方式，该结构包括3个垂直于平面811且因此彼此平行的旋转连接件802、804和806。旋转连接件802一方面通过一个臂801锚固在与空间成一体的支撑件800上，另一方面通过一个臂803与旋转连接件804相关联。臂805支撑旋转连接件804和806。旋转连接件806控制臂807。待定位的末端部310与臂807成一体。臂805和807的长度基本相等，具有臂803长度一半的量级的公差。本领域技术人员在考虑工作空间中限制条件的情况下试图获得尽可能大的805长度/803长度的比值。在不考虑限制条件的情况下，本领域技术人员会认为臂803的长度至少比臂805的长度小10倍。根据期望的工作空间的尺寸选择臂805的长度。

平面811包含点310，并且垂直于旋转轴802、804和806。在该情况下，该ZPO的中心是包含在平面811中的等腰直角三角形的顶点810，该三角形斜边的端点是平面811与轴802的交点808和平面811与轴804的交点809。根据轴802和804的构造，点810可在空间中占据不同的位置。对于给定的构造，感兴趣区域对应于一个圆盘，该圆盘具有中心810且其半径基本等于810与808之间距离的一半。

对该结构的控制如下：阻止旋转轴802活动；通过致动804和806将端部310置于感兴趣区域中；阻止轴806活动；通过致动802和804进行精细定位。然后，如果末端部310位于点810处，那么由轴802和804的旋转所引起的基本移动是沿平面811中的两个垂直方向(从810到808和从810到809)进行的。此外，对于轴802和804的角度传感器上的相同的控制和分辨率，位置增量在这两个垂直方向中是相等的。在之前的步骤中，可通过致动轴802来选择ZPO的中心的位置。如果末端部310远离点810但仍在ZPO中，则基本移动不再是必须正交的但仍保持线性独立，对于角度传感器上相同的分辨率，所引起的位置增量可实质上改变。然而与定位的精确度的改进相关的优势不受影响。

参照图8-c，可以通过在预定位阶段之后通过局部校准方法显著改善感兴趣区域中的定位精确度。两个例如为数字测微计的外感受传感器812和813能够精确地知道末端部310在感兴趣区域中的位置。在精细定位的步骤中，阻止关节806活动，仅仅通过旋转轴802和804实现移动。可根据估计的804与310之间的距离，重建连接辅助轴的角运动和平面中笛卡尔运动的辅助几何模型。从由于校准操作而在局部参考系统中存在的新参考开始，通过辅助几何模型估算在校准期间从310的位置开始在运动路径814上的移动。因为相对于辅助轴的杠杆臂的小长度，因为置于辅助轴上的传感器的分辨率通常比置于非辅助轴上的传感器的分辨率要好，因为辅助轴802与804之间的小距离，因为校准操作，所以与感兴趣区域中的定位精确度相关的性能比在考虑所有主关节情况下的几何模型计算的位置的估算要好得多。

参考图8-d，对于能够在空间平面中定位自动装置结构的末端部的具体实施方式中，该结构包括3个旋转连接件802、804和806，其中旋转连接件802和806是辅助旋转轴，而仅804为主旋转轴。ZPO的中心810如上所述相对于辅助轴802和806被限定。所述控制方法包括：当预定位阶段完成时阻止804活动；在精细定位阶段仅致动辅助轴802和806。与上述情况不同，根据赋予轴804的角度设置，通过作用于轴802与806之间的距离上，能够相对于辅助旋转轴修改ZPO的中心810的位置。因而能够在精细定位阶段中减小或者改进沿两个垂直方向的移动的灵敏度。另一优点是该装置可以被合并到现有的SCARA自动装置上，由臂807和310构成的末端部分在轴806上具有足够的分辨率，310可被认为是安装在自动装置SCARA的端部上的工具。其缺点是仅仅对于赋予轴804的角度设置的某一具体值，末端部310才不能被置于ZPO的中心。

在上述结构的可选方案中，旋转轴802，804和806不是必须严格平行，然而末端部在通过致动辅助轴的精细定位阶段中的移动仍保持共面，该结构在精确度性能方面的优点仍然存在于ZPO中，该ZPO能够与上述情况类似地被定义。

参考图8-e，对于能够在空间平面中定位自动装置结构的末端部的具体实施方式，辅助关节是垂直旋转连接件802和水平棱柱连接件816；最终位置的调整是由关节802的小杠杆臂和在垂直方向的棱柱关节816提供，该小杠杆臂提供了沿一个方向的最优分辨率。可以考虑添加附加的垂直棱柱连接件以在三维空间中提供精细定位。

参照图9，对于能够在空间平面(P)中定位自动装置结构的末端部的具体实施方式，能够更广泛地限定ZPO，该结构包括5个全部彼此平行的旋转连接件902、904、802、804、806。

在这个结构中，运动链902-903-904-905对应于SCARA类型的自动装置结构，而运动链802-803-804-805-806-807-310类似于上述用于在平面中精细定位的结构。

对这种结构的控制从在所述平面空间中通过旋转连接件902和904限定ZPO的步骤开始。因此，该ZPO的中心810可以由本领域技术人员定位在由运动链902-903-904-905构成的SCARA自动装置的工作空间的任意区域中。

然后，本领域技术人员可在通过902和904选择ZPO的中心之后根据上述的方法进行精细定位。必须进行尺寸选择以使得本领域技术人员所期望的所有感兴趣区域属于与运动链902-903-904-905对应的SCARA自动装置能到达的空间。903与905之间的长度分配由本领域技术人员估计。在没有限制条件的情况下，两个臂具有相同的长度。

如果有必要，所述结构有利地能够通过重复定位ZPO的中心、预定位和精细定位自动装置臂的末端部的步骤，在工作空间的较宽的区域中进行精细定位，从而尽可能接近所期望的目标定位ZPO的中心。

参照图10，对于能够在三维空间中定位自动装置结构的末端部的实施方式，该结构包括3个彼此平行的旋转连接件802、804、806和沿平行轴的棱柱连接件850，在预定位阶段之后阻止关节806活动，通过辅助关节802、804和850的基本移动获得精细定位。

参照图11，在一个涉及能够在平面中定位末端部的混合自动装置结构的实施方式中，该结构包括3个电动旋转连接件802、804和806和3个无源旋转连接件825、826和827。电动旋转关节802控制臂段822的角位置，旋转关节804控制臂段824的角位置。臂段822、823、824和臂段805在关节826和827之间的部分形成了平行四边形，理想地为菱形。ZPO的中心810被定位在臂段805上，并相对关节827处于与关节826对称的位置处。所述控制方法包括在预定位阶段之后阻止806活动，然后在精细定位阶段仅致动辅助轴802和804。可以考虑在臂段807的端部沿平行于802的轴添加电动棱柱连接件从而在三维空间中精细定位末端部310。

Claims (15)

1.自动装置，包括：用于使端部在N维空间中移动的铰接臂，所述铰接臂包括至少N+1个电动关节；以及计算机，用于控制所述电动关节的移动，其特征在于，所述计算机控制对所述铰接臂的末端部进行预定位的第一步骤和进行精细定位的第二步骤，

预定位的第一步骤包括使所述铰接臂的端部进入到感兴趣区域中，尽可能靠近最优定位区域的中心，所述中心由N个辅助电动关节限定，所述关节中的至少一个是旋转轴；

精细定位的第二步骤包括：阻止除所述N个辅助电动关节之外的所有关节活动；以及通过所述N个辅助电动关节中的至少一个的基本移动来控制所述末端部的移动。

2.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，用于在三维空间中定位的铰接臂包括至少4个电动关节，所述至少4个电动关节包括至少3个辅助旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除所述辅助电动旋转轴之外的所有关节活动、以及通过所述辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动进行最终定位。

3.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，用于在三维空间中定位的铰接臂包括至少4个电动关节，所述至少4个电动关节包括至少2个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到所述感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除包括2个旋转轴在内的3个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过所述辅助关节中的至少一个的基本移动进行最终定位。

4.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，用于在三维空间中定位的铰接臂包括至少4个电动关节，所述至少4个电动关节包括至少一个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到所述感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除包括所述旋转轴在内的3个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过所述辅助关节中的至少一个的基本移动进行最终定位。

5.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，所述铰接臂包括至少3个电动关节，所述至少3个电动关节包括至少2个辅助平行旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到所述感兴趣区域中，所述感兴趣区域是圆盘，所述圆盘的中心是与等腰直角三角形的斜边相对的顶点，所述等腰直角三角形包含在包括操纵臂的末端部并且垂直于所述辅助旋转轴的平面中，所述斜边具有在第一辅助旋转轴上的第一顶点和在第二辅助旋转轴上的第二顶点；所述圆盘的直径近似等于两个辅助旋转轴之间的距离，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除所述辅助电动旋转轴之外的所有电动关节活动、以及通过所述辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动进行最终定位。

6.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，所述铰接结构包括至少3个电动关节，所述至少3个电动关节包括至少2个辅助平行旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到所述感兴趣区域中，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除所述辅助电动旋转轴之外的所有电动关节活动、以及通过所述辅助轴中的至少一个的旋转所引起的基本移动进行最终定位。

7.根据权利要求1所述的自动装置，其特征在于，用于在所述空间的平面中定位的铰接臂包括至少3个电动关节，所述至少3个电动关节包括至少一个旋转轴，所述预定位的第一步骤包括将所述自动装置的末端部引入到所述感兴趣区域中，所述感兴趣区域是工作空间的子集合，所述精细定位的第二步骤包括：阻止除包括所述旋转轴在内的2个辅助电动关节之外的所有关节活动、以及通过所述辅助关节中的至少一个的基本移动进行最终定位。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的自动装置，包括至少一个位于运动链上游的附加关节，其特征在于，一个打开步骤能够通过所述附加关节的动作限定感兴趣区域。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的自动装置，其特征在于，所述精细定位是通过重复从称为协调点的特定点到目标点的运动路径的一部分而间接获得的，从而解决干摩擦的问题，所述协调点是位于与所述目标点相关联的死区之外的点。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的自动装置，其特征在于，所述精细定位是通过处理外感受信息获得的，所述外感受信息能够推导出所述自动装置的末端部的位置与所述目标点之间的距离并且能够通过所述辅助关节的基本移动来控制所述自动装置。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的自动装置，其特征在于，两个步骤在执行之前被计算，以准备用于连续移动的控制法则。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的自动装置，其特征在于，两个步骤在执行之前被计算，以准备移动过程中的控制法则和周期性计算。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的自动装置，其特征在于，用于精细定位的冗余自动装置的设计使每个步骤能够使用可逆的几何模型。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的自动装置，其特征在于，用于精细定位的冗余自动装置的控制在预定位阶段完成之后使用局部校准方法用于在所述定位中获得更好的精确度。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的自动装置，其特征在于，在所述自动装置的端部固定有腕关节，以能够对物体或者工具的定向进行控制。

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