CN107206589A - 确定机器人关节的校准位置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定机器人关节的校准位置的装置包括：关节，关节包括可动关节元件(54)和固定关节元件(56)，其中一个关节元件包括保持结构(60，62)并且另一个包括力提供突起(64)；机器人控制器；马达(22)，被连接在机器人控制器与可动关节元件之间；和力接收元件(58)，适于与保持结构(60，62)和力提供突起(64)一起形成运动耦合，其中运动耦合具有在结构与力接收元件之间的至少两个接触区域和在力提供突起与力接收元件之间的一个接触区域，力接收元件(58)可紧固至保持结构以横跨两个机器人关节元件之间的间隙伸出，用于接收来自力提供突起的力。

Description

确定机器人关节的校准位置

技术领域

本发明涉及机器人领域。本发明更特别地涉及用于确定机器人关节的校准位置的装置和方法。

背景技术

工业机器人典型地形成为包括多个关节的臂，其中关节具有通过诸如连接至齿轮的马达等的致动器而相对于固定元件移动的可动元件。可动元件由此可以诸如通过角度或线性移动而相对于固定元件可动。

机器人的一个重要特征是控制的准确度。机器人的各种关节的移动不得不在良好限定的(well defined)公差内进行。为了做到这一点，有必要用良好限定的校准位置不时地校准关节中的至少一个。在维护操作之后、例如在马达或测量系统的更换之后可能尤其需要校准。

为了执行校准，那么必须首先找到校准位置。

在现有技术中存在有用于检测机器人关节的位置的一些方案。

US 5,418,890描述了一种当圆杆与圆孔接触时确定角度的系统。

JPS 60-211505公开了一种基于检测转动轮的直径的改变来确定角度的传感器。

类似的想法被公开在US 7,566,198中。在这里传感器用于检测用于确定归位角度的旋转构件的外部上的改变。

然而，鉴于这些文献仍然存在有改进的空间。本发明因而指向于找到要用于校准机器人关节的校准位置的问题。

发明内容

本发明因此指向于找到要用于校准机器人关节的校准问题。

该目的根据本发明的第一方面通过如下一种用于确定机器人关节的校准位置的装置来实现，包括：

-关节，包括可动关节元件和固定关节元件，其中关节元件之一包括保持结构并且另一个包括力提供突起，

-机器人控制器，

-马达，被连接在机器人控制器与可动关节元件之间，和

-力接收元件，适于与保持结构和力提供突起一起形成运动耦合，运动耦合具有在保持结构与力接收元件之间的至少两个接触区域和在力提供突起与力接收元件之间的一个接触区域，力接收元件可紧固至所述保持结构，以横跨两个机器人关节元件之间的间隙伸出，用于接收来自力提供突起的力。

目的根据第二方面通过如下一种用于确定机器人关节的校准位置的方法来实现，机器人关节包括可动关节元件和固定关节元件，机器人关节元件中的一个包括被紧固至横跨两个机器人关节元件之间的间隙伸出的力接收元件的保持结构，并且另一个包括用于在力接收元件上提供力的力提供突起，力接收元件适于与保持结构和力提供突起一起形成动力学联接，动力学联接具有在保持结构与力接收元件之间的至少两个接触区域和在力提供突起与力接收元件之间的一个接触区域，方法使用机器人控制器和连接在机器人控制器与可动关节元件之间的马达通过校准控制元件来执行，方法包括以下步骤：

-提供移动指令；

-获得与可动关节元件的位置有关的测量；

-获得力提供突起接触力接收元件的指示；和

-基于可动关节元件的与指示一致的位置确定校准位置。

本发明具有许多优点。它允许利用与控制中已经使用的那些相比有限的一组附加元件来确定准确的校准位置。本发明允许使用简单的机械装置以高精度确定校准位置，这进而减少了用于安装在机器人中的校准设备的成本。也可以仅在校准期间使用添加的设备。

应强调的是，当在本说明书中使用时的术语“包括/包括了”用于指定所陈述的特征、整体、步骤或组成部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组成部件或其组合的存在或添加。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示意性地示出包括机器人和机器人控制器的机器人单元，

图2示意性地示出机器人的具有齿轮箱和马达的关节，

图3示意性地示出机器人控制器连同马达、两个齿轮箱部件和可动与固定关节元件以及形成运动耦合的物体的一些单元，

图4示意性地示出保持结构，保持结构是形成运动耦合物体之一，

图5a和图5b示意性地示出在力提供突起与力接收元件接触之前和之后的相对于两个关节元件形成运动耦合的物体，

图6示出了根据第一实施例的用于确定校准位置的方法中执行的多个方法步骤，

图7a至图7d示意性地示出在校准的不同步骤期间的关节和力接收元件以及保持与力提供突起，

图8示出根据第二实施例的两个关节元件和运动耦合的物体，

图9示出根据第二实施例的保持结构和力接收元件，其中穿过保持结构提供两个分离成对的接触部位，

图10示意性地示出力接收元件、保持结构与距离传感器，

图11示出根据第二实施例的用于确定校准位置的方法中的多个方法步骤，

图12示出第二实施例的变型中的力接收元件、保持结构和距离传感器的侧视图，

图13示出图12中的物体和固定、可动关节元件的立体图，

图14示意性地示出一个保持结构的变型，和

图15示意性地示出另一保持结构的变型。

具体实施方式

在以下描述中，为了说明而非限制的目的，阐述了具体的细节，诸如特定的架构、接口、技术等等，以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践。在其他实例中，省略了对所熟知的装置、电路和方法的详细描述，以免用不必要的细节使本发明的描述模糊不清。

图1示意性地示出包括工业机器人10和机器人控制器32的机器人单元30。机器人10包括通过关节16彼此连接的多个臂部12、14。图1中示出的机器人10被简化并因而示出了仅两个臂部；通过关节彼此连接的第一和第二臂部12和14。这意味着在该示例中仅示出了将第一和第二臂部12和14接合的一个关节16。然而应认识到，机器人正常情况下包括许多更多的臂部、典型地是六个并且结果是还有若干更多的关节，关节全部可以被控制。

第一臂部12在这里被连接至基座26。以该方式，机器人10被附接至基座26。正常情况下还存在有将第一臂部12接合至该基座26的关节，用于允许第一臂部12相对于基座26移动。由此基座可以提供关节的第一转动轴线。然而，为了清楚起见该关节已从图1中省略。机器人正常情况下包括用于允许工具被连接至机器人10的工具保持器。这样的供给典型地被连接至机器人的最外侧臂部、即连接至离基座26最远的臂部。结果，在图1中，一个这样的工具28被示出为附接至第二臂部14。

为了使第二臂部14相对于第一臂部12移动，在关节16处提供有致动器22，该致动器可以被实施为马达22、有利地是伺服马达，用于使第二臂围绕由关节16限定的第二转动轴线移动。在该致动器与关节16之间进一步提供有齿轮箱20。

在一些变型中，也可以存在有连接至马达22或齿轮箱的一个或多个传感器。可以设置这样的传感器用于感测关节16的位置。

具有马达22和齿轮箱20的关节16也被示意性地示出在图2中，该图示出了这些元件的立体图。

根据第一实施例的机器人关节的校准位置确定装置或用于确定校准位置的装置的组合框示意和立体图被示出在图3中。

该装置是相对于先前提到的第二关节16提供的。

装置包括各种关节马达和齿轮箱元件以及机器人控制器的元件。机器人控制器的元件在这里被示出为框，其中其他元件在立体图中被示出为物理物体。

在机器人控制器32中存在有减法元件34，其具有连接至校准控制元件36的第一输出的第一输入，用于接收信号Pref。减法元件34还具有连接至传感器处理元件38的输出的第二输入。它还具有连接至伺服元件40的第一输入的输出，用于向该伺服元件40提供信号dP。伺服元件40还具有连接至校准控制元件36的第二输出的第二输入。伺服元件40还具有连接至微分计算元件42的输出的第三输入。微分计算元件42的输入也被连接至传感器处理元件38的输出。

传感器处理元件38的输出也被连接至校准控制元件36的第一输入，并且加法元件34的输出被连接至校准控制元件36的第二输入。校准控制元件36还具有在其上接收信号dPref的第三输入。

伺服元件40具有连接至加法元件44的第一输入的输出，该加法元件44具有在其上接收信号Tdist*的第二输入。加法元件44具有连接至马达驱动元件46的输入的输出，马达驱动元件46进而向马达22供给驱动信号。马达22还配备有连接至传感器处理元件38的角度测量传感器48。角度测量传感器48可以是编码器或分解器并且传感器处理元件38可以包括获得马达角度以及来自马达角度测量的马达速度数据所需的测量电子器件。

马达22用于使可动关节元件54移动，该可动关节元件54在该示例中被做成可动盘的形状。为了使得能够实现宽范围的速度，马达22通过齿轮箱被连接至该可动关节元件54。在该示例中齿轮箱包括第一和第二齿轮系元件50和52，其中第一齿轮系元件50被连接至马达22并且第二齿轮箱元件52被连接至可动关节元件54。第一齿轮系元件50与第二齿轮系元件52相互作用以便使可动关节元件54移动。由此可以看出，马达22被连接在机器人控制器与可动关节元件54之间。可以看出，当马达22作用在可动关节元件54上时，马达角度与可动关节元件54的角度有关或相对应。

还存在有固定关节元件56，其也可以形成为与形成可动关节元件54的盘同轴的盘。马达角度和可动关节元件的角度是可动关节元件相对于固定关节元件获得的位置的示例。

如可以在图3中看出的，存在有相对于静态和可动关节元件56和54设置的进一步的物体。固定关节元件56在该情况中包括通过保持结构紧固至其上的力接收元件58。在该第一实施例中保持结构包括第一和第二保持突起60和62，其是从固定关节元件56的表面延伸的突起以便紧固力接收元件58。在盘的情况中，它们可以从盘的侧面或圆周径向地突出来。此外，它们在径向以及周向两者上(即沿着盘圆周或盘侧面的宽度)彼此分离，以便保持力接收元件58的相反的侧面。当要确定校准位置时，力接收元件58应该从固定关节元件56的侧面或圆周横跨间隙并跨越可动关节元件54的侧面或圆周伸出。可动关节元件54设置有力提供突起64，其有利地从可动关节元件54的侧面径向地伸出。力提供突起64在该情况中位于盘的侧面使得它将在可动关节元件54被移动的情况下接触力接收元件58。

力接收元件58被精确地加工并具有良好限定的几何形状。其可以有利地形成为圆柱，其中圆柱轴线或纵向轴线与关节的转动轴线平行，关节的转动轴线是可动关节元件54转动所围绕的转动轴线。所有的力接收单元都必须以确切相同的尺寸和准确的圆柱形状来制造。还有，保持突起60和62及力提供突起64一般可以形成为实心圆柱或杆。然而，在这些情况中，圆柱轴线垂直于转动轴线并且更特别地从对应的关节元件的盘圆周或盘侧面径向地延伸出。

力接收元件58适于形成运动耦合，运动耦合具有与保持结构的至少两个接触区域和与力提供突起64的一个接触区域。在该第一实施例中存在有四个接触区域，其中各区域被提供为点。因此力提供突起64、力接收元件58和两个保持突起60和62一起形成了在力接收元件58与各突起60、62和64之间具有五个接触部位的运动耦合。由此，运动耦合包含力接收元件的四个自由度，其中无约束自由度是围绕圆柱力接收元件的纵向轴线的转动和力接收元件的平移移动。力提供突起64在该情况中提供一个接触部位，并且保持突起60和62各提供两个相邻的接触部位。保持突起的接触部位在该情况中被以成组的两个相邻点提供。

保持突起60和62可以是用于与力接收元件58的精确点接触的任何良好限定的形状。

很清楚的是，当力接收元件58和力提供突起64两者被形成为具有垂直于彼此的圆柱轴线或纵向轴线的实心圆柱或杆时，在它们之间仅存在有一个接触部位。然而，为了在保持突起60或62与力接收元件58之间提供两个接触部位，不得不或者关于保持突起或者关于力接收元件做出一些事情。在该实施例中修改了保持突起。保持突起在该情况中在圆周或侧面中具有V型狭缝，对于第二保持突起62被示意性地示出在图4中。在该情况中可以设置成在垂直于第二保持突起62的端表面的平面的平面中V型的两个腿之间的距离变化。以该方式在第二保持突起62与力接收元件58之间提供有两个接触部位，这两个接触部位设置在力接收元件58的相同侧上，但在垂直于力接收元件58的圆柱轴线或纵向轴线的平面中彼此横向上位移。由此两个保持突起60、62被放置在穿过力接收元件58的圆柱体的纵向轴线的相反侧上，其中各保持突起60和62提供了相对于纵向轴线的两个横向上分离的接触部位。

各保持突起60和62以该方式提供一组相邻的接触部位，其中各组包括两个点。然而，两个保持突起60和62的组的两个点被设置在力接收元件58的圆柱轴线的相反侧上。以该方式，四个点会牢固地保持力接收元件58相对于由力提供元件64进行的接触。

还可以看出，当力接收元件58由保持突起60和62保持并横跨两个机器人关节元件54和56之间的间隙伸出时，它可以接收来自力提供突起64的力。该力用于确定校准角度。

现在将参照图5a和图5b并参照图6来描述第一实施例操作的方式，其中图5a和图5b示意性地示出了当设置在可动关节元件54的侧面或边缘的力提供突起64被移动成与力接收元件58接触时在固定关节元件56的侧面或边缘的保持着力接收元件58的保持突起60和62，图6示出了在用于确定校准位置的方法中的方法步骤的流程图。

如可以在图5a和图5b中看出的，力接收元件58可以是安装在关节元件56和54之间的高精度机械止挡件，在图中呈实心圆柱或杆的形式，其将被夹持在同样可以是实心圆柱或杆的突起60、62和64之间。

当确定校准角度时，使用机器人控制器32。

机器人控制器32的伺服元件40典型地包括与积分控制框并联的比例控制框并且可以被切换成柔顺控制模式(compliant control mode)。伺服元件40作用在角度参考Pref与如由传感器48检测到的马达22的测得角度Pmeas之间的差异dP上。该差异被进行处理并且处理的结果被供给至加法元件44，用于产生用来驱动马达22的扭矩参考TR。在柔顺控制模式中积分控制被禁用，而以低比例控制因子k执行比例控制。由伺服元件40执行的处理接着包括将差异dP与比例控制因子相乘。

马达22的扭矩由驱动元件46控制，该驱动元件46的输入是扭矩参考TR。扭矩参考是计算出的干扰扭矩Tdist*与来自伺服元件40的输出k*dP的在加法元件44中的总和。Tdist*包括重力矩和摩擦扭矩。重力矩或者可以从机器人10的多体动态刚体模型计算出，或者可以从存储器获得，积分器输出在伺服元件40被切换成柔顺控制模式之前被寄存在存储器中。它也可以从模型计算出的重力和存储的积分器输出的组合获得。摩擦扭矩也可以从模型获得，但是因为摩擦Tf温度依赖性的并且将随着轴承和齿轮的磨损而改变，所以它可能不得不在校准之前识别出以便获得所需的准确度。

由传感器48测得并由传感器处理元件38处理的马达角度被从参考马达角度Pref中减去并且还由微分计算元件42使用以获得到伺服元件40的速度。校准序列由校准控制元件36控制，该校准控制元件36确定角度参考Pref和马达角度速度的序列。dPref是马达角度误差，其可以在力接收元件58用以产生传动链的良好限定的预应力的夹持时获得的。

校准可以以以下一般方式来执行。

校准控制元件36向加法元件34提供移动指令Pref，步骤68。移动指令可以是到如下位置的指令，使可动关节元件上的力提供突起64移动经过力接收元件58。该移动指令将根据上面提到的原则在机器人控制器32中进行处理，这将导致驱动元件46产生给马达22的用于使可动关节元件54移动的驱动信号。当可动关节元件54被移动时，校准控制元件36将接收角度测量并由此获得与可动关节元件54的角度有关的测量，步骤69。

校准控制元件36还获得接触指示，步骤70，即，力接收元件58与力提供突起64接触了的指示。传感器48向传感器处理元件38提供马达角度测量，该传感器处理元件38可以直接使用马达角度测量或对它们进行处理。一种类型的处理是速度确定。传感器处理元件38因而可以向校准控制元件36提供速度确定，该校准控制元件36进而可以对这些速度确定进行分析。如果在使用参考角度Pref执行马达22的控制期间，校准控制元件36确定存在有速度减小，那么这可能是力接收元件58已接触的指示。这样的速度减小因此可以是接触指示。接触指示因此可以基于马达速度的改变的检测而产生。作为可选方案或者另外地，也可以使用马达扭矩上的改变的确定用于获得接触指示。

此后，校准控制元件36确定接触指示的角度，步骤72，这可以是检测到速度减小时的角度。此后校准控制元件36基于接触指示的角度来确定校准角度，步骤74。在最简单的变型中，校准角度可以是接触指示的角度，接触指示的角度对应于与接触指示一致的可动关节元件54的角度。在该情况中它可以是在相同时间点获得的并参考相同时间点的角度。在其他变型中执行进一步的角度测量和处理用于确定校准角度。

现在将参照图7a至图7d稍微更加详细地描述第一实施例的一个变型：

1.利用正常的位置控制，手动地将关节移动，使得力提供突起64接近力接收元件58，例如如图7a中。

2.操作者接着可以命令校准控制元件36执行关节的校准。校准控制元件36接着将伺服元件的控制模式改变为柔顺控制(具有低刚度参数值的阻抗控制)，例如作为具有添加的速度限制的弹簧的控制。校准控制元件36接着可以将Tdist*设定为来自前一位置控制模式的积分器值并且断开积分器，并且校准控制元件36此后获得初始角度参考值Pref0，其可以被存储在校准控制元件36的存储器中，以及从传感器处理元件38获得第一角度测量Pmeas1。

3.校准控制元件36接着从Pref0开始改变Pref，直到传感器处理元件38检测到从第一角度测量Pmeas1开始的运动。当这发生时的伺服误差值dP1＝Pref1-Pref0被任选地存储在校准控制元件36的存储器中，并且对应于克服机械传动系中的静态摩擦Tfs所需的伺服误差。

4.校准控制元件36接着前进使Pref在伺服元件40中以设定的速度限制从Pref1开始沿斜坡变化，直到传感器处理元件38检测到速度下降。接着使Pref在另一方向上缓慢地沿斜坡变化并停止，并且将来自传感器处理元件38的对应于该速度下降的实际角度Pmeascoll1存储在校准控制元件36的存储器中。速度下降在这里是接触指示并且Pmeascoll1是对应的角度。Pmeascoll1可以被用作校准角度的第一近似并且在许多情况中是足够准确的。已获得Pmeascoll1时的情形被示出在图7b中。

5.为了增加准确度，现在可以使Pref在相反方向上沿斜坡变化，直到由传感器处理元件38检测到远离Pmeascoll1的移动。接着可以使Pref迅速地改变以减少dP，由此停止移动。从传感器处理元件38获得的角度测量现在是Pmeas2。图7c图示出该情形。

6.任选地，由校准控制元件36计算出Pmeascoll1－Pmeas2，并且如果该值＞k*dPref，其中k＜1，那么使Pref沿斜坡变化直到Pmeas3＝Pmeascoll1－k*dPref，也就是Pmeas＝Pmeas3应尽可能接近Pmeascoll1。图7c也示出该情形。

7.校准控制元件36现在使Pref沿斜坡变化直到传感器处理元件38检测到从Pmeas3(可选地Pmeas2)开始的运动。接着停止斜坡变化(补偿摩擦)并且添加预限定值dPref并设定非常低的速度限值，并且将马达停止时的来自传感器处理元件38的角度值Pmeascoll2存储在校准控制元件36的存储器中并用作校准角度。图7d图示出在这完成之后的状态。

当然对于该过程存在有许多变体。例如，可以在夹持角度Pmeascoll1的首次测量之后切换到位置控制并接着命令Pmeascoll1－k*dPref并接着返回到软伺服并找到Pmeascoll2。为了加快程序，取代用Pref中的新斜坡变化获得摩擦补偿，也可以直接在后面的移动中使用伺服误差值dP1。

代替通过使Pref沿斜坡变化来补偿摩擦，摩擦可以例如通过在位置控制下使关节在两个方向上缓慢地移动来识别出，并使用两个方向上的扭矩水平之间的差异的一半作为识别出的摩擦力。识别出的摩擦扭矩接着在加法元件44处被添加至Tdist*。

另一高效的控制方案是断开积分器并降低首次指示出接触时的位置控制环增益。利用该概念的优点是更好地控制接触之前的移动。该方法包括以下步骤：

1.使用位置控制命令机器人关节以指定速度朝向接触位置移动。

2.使用速度或扭矩信号或这些信号的组合来指示接触。例如，可以使用低通滤波扭矩信号(TR)的微分来指示接触。在更先进的模式中，使用基于关节的动态模型的观察器，由此使用扭矩和速度信号两者来指示接触。

3.校准控制元件一指示出接触，就降低位置控制增益、将Tdist信号设定为积分器的当前值并断开积分器。在特殊情况中，位置控制增益被设定为零。也可以只是将通向积分器的输入设定为零以便获得对应于接触情况下的摩擦和重力矩的扭矩前馈信号。

4.计算前馈扭矩分量dTdist以添加至Tdist，以便获得在接触时的良好限定的扭矩。作为可选方案，可以改变速度控制器增益以获得所限定的dTdist。这例如使用以下公式来进行：

5.

其中τ_A是接触指示之前的平均扭矩、τ_I是积分器输出扭矩、Δτ是期望的接触扭矩、V_ref是通向速度控制器的参考速度输入、K_v0是接触指示之前的速度控制器的增益并且K_v是要设定的速度控制器的增益。如果计算出的K_v低于0.1×K_v0或大于2×K_v0，则必须重复校准。

6.读取马达位置，这将是对应于Pmeascoll的校准位置。校准位置因此在该情况中是在接触指示的获得之后的静态状态下获得。

在该情况中也可以迭代该程序并且例如以另一速度并且从更接近接触位置的位置运行。也可以在第一程序中存储用于接触的指示的位置，并接着在第二程序处补偿控制器中的时间延迟和在第一程序中指示出接触之前在通过执行步骤3至5所使用的滤波器中的已知时间延迟。以该方式可以降低校准位置中的建立的接触扭矩。

当建立接触力时，可以获得关于关节的齿轮中的齿隙(backlash)和刚度的数据。通过测量接触期间的扭矩和位置，可以获得处于不同扭矩水平的齿轮刚度。通过使用两个保持突起，在力接收元件的各上一个并且均具有两个接触部位，可以在两个转动方向上获得被力提供元件接触，并且可以测量出关节的齿隙。

该概念的重点是，校准之后去除力接收元件。为了确保这样做，机器人用非常柔顺的控制运行以使得通过所有接触位置。如果接着在关节中忘记力接收元件，则机器人将对于仍然存在有力接收元件的那个关节轻柔地停止指示。

此外，可以在不再需要校准时例如使用弹簧可使力接收元件缩回，使得它不再桥接关节元件之间的间隙。也可以在不需要校准时从关节上去除突起和力接收元件。

为了避免突起60、62和64在校准期间被伺服控制误差破坏，力接收元件58可以例如在它被紧固至关节的点处具有弱点。于是用另一高精度元件替换力接收元件58是简单的。

以该方式可以看出，可以仅使用动态学联接和机器人控制器来确定准确的校准角度。由此可以用最少的附加测量设备以精确的方式确定校准角度。

现在将描述装置的第二实施例。在该实施例中基本上使用相同的机器人和机器人控制器。然而，该情况中的校准控制元件36具有被连接至与固定关节元件56上的力接收元件58一起设置的距离传感器的进一步的输入。

力接收元件58在该实施例中以图8中描绘的方式被放置在固定关节元件56上。还有，在该情况中，保持结构通过保持突起的使用来实现。在这里在元件56上仅存在有至少部分做成圆柱或杆的形状的仅一个保持突起76。

如可以在图9中看出的，保持突起76还包括呈两个V型保持板78和80的形式的两个保持元件，各保持板提供与力接收元件58接触的两个接触区域，其中各区域被提供为点。然而，在该情况中V型板被设置在垂直于保持突起76的纵向轴线的两个平行平面中。由此各板在保持突起76与力接收元件58之间提供了一对或两个接触部位。此外，由V型板提供的两对在穿过力接收元件的圆柱体的圆柱轴线或纵向轴线的相同侧上，其中各V型板在垂直于力接收元件58的纵向轴线的平面中提供两个横向上分离的接触部位。

单个保持突起76和力接收元件58与距离传感器82一起被示出在图10中的侧视图中，该距离传感器82还通过与力接收元件58平行伸出的圆柱形状的杆87被紧固至保持突起76。放置在杆87上的距离传感器82与力接收元件58上的测量标记84对准。距离传感器82在这里被配置成感测到力接收元件58上的测量标记84的距离。由此它感测到力接收元件58的距离。还有，在这里示意性地指示出力提供突起64。力接收元件58在该情况中使用像弹性带或弹簧一样的第一弹性保持元件86(其允许力接收元件58从距离传感器82位移)被柔性地紧固至保持突起76以及圆柱杆87。距离传感器82在该情况中是校准控制元件36的进一步的输入连接所至的传感器。

现在将参照图11更详细地描述该第二实施例的操作，图11示出了在确定校准位置的方法中的方法步骤的流程图。

根据第二实施例的校准可以使用或者正常控制或者软件伺服控制来执行。

从图10可以看出，力接收元件58相对于位置检测器82的位置将是恒定的，只要力提供突起64与力接收元件58之间没有接触。然而，一旦接触，力接收元件58和距离标记84就会远离位置检测器82移动。

在该实施例中，位置指令Pref可以由校准控制元件36连续地提供用于控制马达22。同时传感器处理元件38向校准控制元件36连续地提供马达角度测量和距离传感器距离测量。这意味着校准控制元件36从距离传感器82获得距离数据或距离测量，步骤88，和从传感器48获得马达角度测量，步骤90。这些测量被进一步存储在校准控制元件36的储存器中。当这完成时，校准控制元件36可以将对应于检测器82与标记84之间的距离的接收到的位置测量与位置阈值进行比较，步骤92。距离阈值可以被设定用于在避免保持着力接收元件58的弹簧的破坏的同时保证距离改变的清楚的检测。只要距离测量的距离低于距离阈值，步骤94，校准控制元件36就继续控制马达22，获得距离测量，步骤88，和马达角度测量，步骤90。然而，如果超过距离阈值，步骤94，那么校准控制元件36对距离测量和马达角度测量进行分析以便确定接触指示，步骤95。

来自距离传感器82的距离测量的分析可以与来自马达角度传感器48的马达角度测量的分析联合地进行，以便识别出力接收元件58的移动开始时的点。指示因而可以是当力接收元件58与距离传感器82之间的距离开始改变时的时间点的指示。这可以通过分析示出了测得的马达角度与力接收元件58和距离传感器82间的测得距离之间的关系的曲线来完成。由此可以检测到该曲线的在由距离接触器82测得的距离开始上升所在的点。在已确定接触指示之后，跟着是校准角度的确定，步骤96。对应于当距离开始上升时的点的检测到的关节角度位置于是可以被选择为校准角度。校准角度由此可以被确定作为接触指示的时间点处的可动关节元件的角度。

以该方式可以在没有精确的角度测量的情况下获得校准角度的精确确定。这允许了以快速的方式进行校准角度的精确确定。力接收元件的接触的检测于是不是必要的。

解决保持突起76的运动耦合的鲁棒性的第二实施例的一个变型被示出在图12和图13中，其中图12示出了力接收元件、保持结构和距离传感器的侧视图，并且图13示出了与固定和可动关节元件一起的相同物体的立体图。

在该变型中，保持结构包括从固定关节元件56径向地伸出的两个圆柱形状的杆98和100。承载传感器82的杆106此外是平坦的(具有矩形横截面)，并且在下端处使用第一弹性保持元件86与保持结构的下侧杆98和力接收元件58联合，并在上端处相邻于传感器使用也可以是弹性带或弹簧的第二弹性保持元件108与保持结构的上侧杆100和力接收元件联合。此外，在该情况中，两个进一步的平坦杆102和104沿着杆98的纵向轴线被设置在下侧杆98的相反侧。在这里杆102和104用来限定力接收元件的长度。

除了已经提到的那些之外存在有可能的多个进一步的变型。

在所有描述的实施例和变型中，例如可以将力接收元件放置成使得它从关节元件上径向地伸出，并且将力提供突起放置成使得它与转动轴线平行地横跨两个关节元件之间的间隙延伸。可选地，可以是力提供突起和力接收元件具有相同的取向，即，两者都从各自的关节元件径向地或与转动轴线平行地伸出。然而，在两个情况中都在轴向方向上存在有重叠。

此外，保持结构不限于使用突起。也可以在所有的以上实施例和变型中使用力接收元件可以被放置到其内的凹陷或腔来提供保持结构。

图14和图15示出基于腔的用于力接收元件的两个保持结构的变型。

在这些变型两者中，力接收元件58被插在具有内腔的插入元件中。插入元件还具有外部，其具有适于设置在关节部件56中的孔的形状。在图14中，插入元件110的腔具有矩形横截面，而在图15中插入元件112的腔具有圆形横截面。在图14中力接收元件58在四个接触部位处与插入元件110接触，而在图15中它在两个接触部位处与插入元件112接触。

插入元件接着被插入关节部件56中的孔内。

在这里也可以知道，代替将插入元件竖直地安装在孔中，它们也可以沿着关节部件表面水平地安装，于是关节部件也可以在外侧几何形状上是矩形的。

在上面描述的实施例中通过接触部位举例说明了接触区域。应认识到，作为可选方案，接触区域也可以是良好限定的小接触表面。

在所描述的实施例中，力接收元件和保持突起被放置在固定关节元件上，同时力提供突起设置在可动关节元件上。也可以将力接收元件和保持突起放置在可动关节元件上，并且将力提供突起放置在固定关节元件上。校准控制元件已被描述为机器人控制器的一部分。作为可选方案可以被提供为与机器人控制器通信的分离的实体。

在上面相对于转动移动和呈围绕转动轴线的角度的形式的位置描述了关节元件。应认识到，在所有上面提到的实施例和变型中移动也可以是线性的并且位置可以是沿着线性轴线的距离。静态和可动关节元件可以例如被提供为梁状结构，例如使用用于这样的线性运动的齿条和小齿轮传动装置或滚珠丝杠装置。在这样的变型中，校准位置可以是关节元件之间的线性距离。

机器人控制器32的不同元件并由此还有校准控制元件36可以以一个或多个处理器和包括用于执行这些元件的功能的计算机程序代码的计算机程序存储器的形式来提供。作为可选方案，它们可以以一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的形式来提供。该计算机程序代码也可以提供在一个或多个数据载体上，其在当其上的程序代码被加载到形成机器人控制器的计算机中时执行校准控制元件的功能性。

虽然已结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖各种修改和等效装置。因而，本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (15)

1.一种用于确定机器人关节的校准位置的装置，包括：

-关节，包括可动关节元件(54)和固定关节元件(56)，其中所述关节元件中的一个包括保持结构(60，62；76；98，100；110；112)并且所述关节元件中的另一个包括力提供突起(64)，

-机器人控制器(32)，

-马达(22)，被连接在所述机器人控制器与所述可动关节元件之间，和

-力接收元件(58)，适于与所述保持结构(60，62；76；98，100；110；112)和所述力提供突起(64)一起形成运动耦合，所述运动耦合具有在所述保持结构与所述力接收元件之间的至少两个接触区域和在所述力提供突起与所述力接收元件之间的一个接触区域，所述力接收元件(58)可紧固至所述保持结构，以横跨两个机器人关节元件之间的间隙伸出，用于接收来自所述力提供突起的力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述保持结构的接触区域被以成组的相邻接触区域提供。

3.根据权利要求2所述的装置，其中一组由两个区域构成。

4.根据任一项前述权利要求所述的装置，进一步包括校准控制元件(36)，其被配置成提供移动指令(Pref)、获得与所述可动关节元件(54)的位置有关的测量、获得指示出所述力提供突起(64)与所述力接收元件(58)接触的接触指示、以及基于所述接触指示确定所述校准位置。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述校准位置是所述可动关节元件(54)的与所述接触指示一致的位置。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述校准位置是所述可动关节元件(54)的在获得所述接触指示之后静态状态下获得的位置。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，其中所述机器人控制器包括具有积分控制和比例控制的伺服元件(40)，并且所述校准控制元件(36)被配置成禁用积分控制。

8.根据权利要求7所述的装置，其中积分控制在获得所述接触指示之前被禁用。

9.根据权利要求7所述的装置，其中积分控制在获得所述接触指示时被禁用。

10.根据权利要求4至9中的任一项所述的装置，其中所述校准控制元件(36)被配置成基于马达速度的改变的检测来获得所述指示。

11.根据权利要求4至10中的任一项所述的装置，其中所述校准控制元件(36)被配置成基于马达扭矩的改变的检测来获得所述指示。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述力接收元件(58)是圆柱形的，具有穿过所述圆柱体的纵向轴线，并且所述保持结构(60，62；108，110)提供两个相对于所述纵向轴线横向上分离的接触区域。

13.根据权利要求4至9中的任一项所述的装置，其中所述力接收元件(58)被柔性地固定至所述保持结构(76；98，100)并且进一步包括被连接至所述保持结构(76；98，100)并被配置成感测到所述力接收元件(58)的距离的距离传感器(82)，其中所述校准控制元件(36)被配置成从所述距离传感器(82)获得距离数据并将所述指示确定作为所述力接收元件(58)与所述距离传感器之间的距离开始改变时的时间点的指示，并且当被配置成确定所述校准位置时，被进一步配置成将所述校准位置确定作为所述可动关节元件的在所述时间点处的位置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述力接收元件是圆柱形的并且在穿过所述圆柱体的纵向轴线的相同侧上存在有所述保持结构的两个保持元件(78，80；98，100)，各保持元件提供相对于所述纵向轴线横向上分离的接触区域。

15.一种用于确定机器人关节(16)的校准位置的方法，所述机器人关节包括可动关节元件(54)和固定关节元件(56)，所述机器人关节元件中的一个包括被紧固至力接收元件(58)的保持结构(60，62；76；98，100；110；112)，所述力接收元件(58)横跨所述两个机器人关节元件之间的间隙伸出，并且所述机器人关节元件中的另一个包括用于在所述力接收元件(58)上提供力的力提供突起(64)，所述力接收元件适于与所述保持结构和所述力提供突起一起形成动力学联接，所述动力学联接具有在所述保持结构(60，62；76；98，100；110；112)与所述力接收元件(58)之间的至少两个接触区域和在所述力提供突起(64)与所述力接收元件之间的一个接触区域，所述方法使用机器人控制器(32)和连接在所述机器人控制器(32)与所述可动关节元件(54)之间的马达(22)通过校准控制元件(36)来执行，所述方法包括以下步骤：

-提供(68)移动指令(Pref)；

-获得(69；90)与所述可动关节元件(54)的位置有关的测量；

-获得(70；95)作为所述力提供突起(64)接触所述力接收元件(58)的指示的接触指示；和

-基于所述接触指示确定(74；96)所述校准位置。