CN108568816B - 用于控制自动化工作单元的方法 - Google Patents

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Abstract

这种控制具备机械臂的自动化工作单元的方法包括以下步骤：a)计算对应于所述标称铰接指令的笛卡儿指令；b)根据所述笛卡儿指令来计算考虑到所述机械臂的实际几何参数的实际铰接指令；c)针对每个标称铰接指令并且根据所述实际铰接指令来计算铰接指令校正值；d)针对每个标称铰接指令并且根据所述所计算的铰接校正指令来计算有效铰接指令；e)根据所述所计算的有效铰接指令来计算用于每个马达控制器的控制指令；f)将所述马达控制指令传输到每个马达控制器。

Description

用于控制自动化工作单元的方法
技术领域
本发明涉及一种控制自动化工作单元的方法。本发明还涉及自动化工作单元。
背景技术
在工业机器人领域，已知使用自动化工作单元，所述自动化工作单元包括根据若干自由度而铰接的机械臂。
一般来说，工业机器人具有确保工具在空间中遵循预先限定的轨迹的定位和定向的功能。
在许多应用中，通过在笛卡儿坐标系统中表达的点和定向来给出机械臂应遵循的轨迹。当使用机器人来实施通过由机械臂携载的工具所执行的加工操作时尤其如此。
当通过具有与机器人控制器通信的控制中心的自动化工作单元来执行此类型的应用并且所述控制中心实施所述轨迹的产生时，所述控制中心经编程以将在笛卡儿坐标系统中表达的工具的位置和定向变换为坐标或铰接指令，所述坐标或铰接指令对应于机械臂的各种自由度。
所述控制中心应用逆运动学变换，所述逆运动学变换使用机械臂和求逆计算的几何模型。通常，此几何模型包括对应于机械臂的理想的几何表示的理论几何参数。
所述求逆计算取决于所使用的机械臂的类型以及铰接的几何特性。在机械臂的设计期间，常常(例如)通过选择平行和/或并发的铰接轴来选择这些几何特性以便促进后续的求逆计算。
然而，实际上，由于任何工业制造过程的固有变异性，机械臂始终相对于它们的理论表示呈现更大的或更小的偏差。因此，机械臂的实际几何参数不同于所述模型所基于的理论几何参数。
如果不考虑这些差异，那么存在以下风险：在机械臂的操作期间，实际上遵循的轨迹将不同于所要的轨迹。
为了纠正此问题，已知用于校准机械臂或确定校准或确定机械臂基准点的方法，可准确地确定机械臂的实际几何参数。描述机械臂的几何条件的最常见的方式是使用Denavit-Hartenberg形式体系，这允许通过基于四个参数将机械臂段的位置与在所述位置之前的位置进行比较来表达所述位置。校准方法的所述实施提供了构成实际几何参数的Denavit-Hartenberg参数组的量度。
仅在限定轨迹的笛卡儿坐标与发送到机械臂的控制器的铰接坐标之间的逆变换阶段处引入这些实际的几何参数。
在此情况下，所测得的参数与理论参数之间的差异可能导致使得有可能促进求逆计算的几何特性的损失。举例来说，在理论上被选择为平行和/或并发以便促进求逆计算的铰接轴可能实际上并非如此。于是需要实施能够考虑这些差异的更复杂的求逆计算。
因此，除了所使用的机械臂特有的运动学模型之外，控制中心的控制程序必须实施能够考虑到实际几何参数的逆变换。
此类约束在工业背景中是不合意的，因为其将控制程序的开发复杂化。逆变换尤其消耗资源。另外，这需要在控制中心中实施能够处理从校准过程得到的机械臂的实际几何参数的程序。另外，因为实际几何参数在机械臂之间不同，所以控制中心的程序员必须确保对实际几何参数的严格管理。本发明旨在通过提出用于包括铰接的机械臂的自动化工作单元的控制方法来弥补这些缺陷，其中编程得到简化并且变得可行，而不需要机械臂的实际几何参数的先验知识。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于控制自动化工作单元的方法，其中所述工作单元包括：
-以至少三个自由度铰接的机械臂，其中此机械臂可以根据铰接指令来控制，并且包括与机械臂的机动部分适配的马达；
-控制中心，所述控制中心能够根据移动命令来控制工作单元的操作；
-机器人控制器，所述机器人控制器包含马达控制器，每个马达控制器控制马达的操作；
-位于所述控制中心与所述机器人控制器之间的通信总线；
其中此控制方法包括以下步骤：
y)基于所述移动命令，利用轨迹产生器，通过所述控制中心来计算标称铰接指令；
z)将所述所计算的标称铰接指令经由所述通信总线传输到属于机器人控制器的计算单元；
和以下步骤：
a)经由所述计算单元来计算对应于所述标称铰接指令的笛卡儿指令；
b)通过考虑所述机械臂的实际几何参数而经由所述计算单元根据所述笛卡儿指令来计算实际铰接指令；
c)针对每个标称铰接指令并且根据所述实际铰接指令来计算铰接指令校正值；
d)针对每个标称铰接指令并且根据所确立的铰接指令校正来计算有效铰接指令，其中所述有效铰接指令是所述标称铰接指令和所述铰接指令校正的总和；
e)根据所计算的有效铰接指令来计算用于每个马达控制器的命令指令；
f)将所述马达命令指令传输到每个马达控制器以根据引擎控制指令来控制对应的马达。
借助本发明，通过根据由控制程序发出的标称铰接指令并且根据由考虑到机械臂的实际几何参数的属于机器人控制器的计算单元形成的实际铰接指令来计算铰接指令校正值，而准确地执行机械臂的定位和定向，并且不会使控制中心的编程变得复杂。在程序的执行期间根据所接收的标称铰接指令来计算此实际铰接指令。
以此方式，控制中心的控制程序的开发不需要校准结果的先验知识。在程序执行期间将机械臂的实际几何参数以透明的方式用于铰接指令校正。换句话说，当开发控制程序时，可以假定机械臂是完美的机械臂，所述机械臂的几何性质由理论模型忠实地表示。以此方式极大地简化了工作单元的控制程序的设计。另外，可以在不同的工作单元上实施相同的程序，而不必考虑相应的机械臂相对于完美的机械臂的差异。
根据本发明的有利但非强制性方面，此类方法可以并入有单独地采用或者处于任何技术上可行的组合的以下特性中的一者或多者：
-在步骤c)中，如果实际铰接指令与标称铰接指令之间的差的绝对值大于预定义阈值，那么将铰接指令校正值选择为零，其中在相反情况下，将铰接指令的校正值选择成等于实际铰接指令与标称铰接指令之间的差值。
-在步骤c)中，将铰接指令校正值选择成等于实际铰接指令与标称铰接指令之间的差值。
-在步骤c)中，通过计算单元将低通滤波器应用于所计算的铰接指令校正值。
-所应用的滤波器是有限脉冲响应低通滤波器。
-所述滤波器包括串联应用的三个方形滤波器。
-所述方法还包括以下步骤：
g)将由控制器驱动的马达的实际位置传输到计算单元；
h)经由所述计算单元根据所述马达的实际位置来计算机械臂的实际铰接位置；
i)通过所述计算单元来计算机械臂的标称铰接位置，随后从每个操作铰接位置减去针对对应的标称铰接指令所计算的铰接指令校正值；
j)在步骤i)期间所计算的标称铰接位置传输到控制中心。
-在步骤y)中，在控制中心通过考虑机械臂的理论几何参数来实施理论逆运动学模型时，所述移动命令限定在笛卡儿坐标系统中表达的机械臂的位置和定向。
-在步骤y)中，根据被机械臂的理论几何参数参数化的机械臂的理论逆运动学模型来计算标称铰接指令，而在步骤b)中，根据被机械臂的实际几何参数参数化的类似的实际逆运动学模型来计算实际铰接指令。
根据另一方面，本发明涉及一种自动化工作单元，所述自动化工作单元包括：
-以至少三个自由度铰接的机械臂，其中此机械臂可以根据铰接指令来控制，并且包括与机械臂的机动部分适配的马达；
-控制中心，所述控制中心能够基于移动命令来控制工作单元的操作；
-机器人控制器，所述机器人控制器包含马达控制器，每个马达控制器控制马达的操作；
-位于所述控制中心与所述机器人控制器之间的通信总线；
其中所述工作单元经编程以实施以下步骤：
y)经由控制中心使用轨迹产生器根据移动命令来计算标称铰接指令；
z)将所述所计算的标称铰接指令经由所述通信总线传输到属于机器人控制器的计算单元；
和以下步骤：
a)经由所述计算单元来计算对应于所述标称铰接指令的笛卡儿指令；
b)通过考虑所述机械臂的实际几何参数而经由所述计算单元根据所述笛卡儿指令来计算实际铰接指令；
c)针对每个标称铰接指令并且根据所述实际铰接指令来计算铰接指令校正值；
d)针对每个标称铰接指令并且根据所确立的铰接指令校正来计算有效铰接指令，其中所述有效铰接指令是所述标称铰接指令和所述铰接指令校正的总和：
e)根据所计算的有效铰接指令来计算用于每个马达控制器的命令指令；
f)将所述马达命令指令传输到每个马达控制器以根据引擎控制指令来控制对应的马达。
任选地，在步骤y)期间，在控制中心实施考虑到机械臂的理论几何条件的理论逆运动学模型时，所述移动命令限定了在笛卡儿坐标系统中表达的机械臂的位置和定向。
在步骤y)中，根据被机械臂的理论几何参数参数化的机械臂的理论逆运动学模型来计算标称铰接指令，而在步骤b)中，根据被机械臂的实际几何参数参数化的类似的实际逆运动学模型来计算实际铰接指令。
最后，根据本发明的有利但非强制性方面，此类工作单元可以包括计算机存储器，所述计算机存储器含有被适配成实施步骤y)、z)以及a)到f)的可执行计算机指令。
附图说明
鉴于通过非限制性实例并且参考附图而给出的对根据本发明的原理的控制方法的以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它优势将更清楚地出现。
图1示出用于实施根据本发明的方法的包括铰接机械臂的自动化工作单元的简化示意性表示；
图2示出框图，所述框图示出图1的工作单元的操作；
图3至图5示出表示对图1的工作单元的根据本发明的控制方法的步骤的流程图。
具体实施方式
图1表示自动化工作单元2，所述自动化工作单元包括工业用机器人。所述机器人包括以至少三个自由度铰接的机械臂4。
工作单元2还包括可编程逻辑控制器类型(缩写为PLC)的控制中心6，从而控制工作单元2的工作方法。
控制中心6包括(具体来说)电子计算器，例如微处理器或可编程微控制器，并且还包括一个或多个计算机存储器(未示出)。所述存储器连接到电子计算机并且含有可执行指令，所述可执行指令包含实现单元2的自动化操作方法所需的动作序列。以程序的形式存储这些序列，所述程序还被称为应用程序。
机械臂4在这里包括围绕多个铰接轴成对铰接的若干部分或段，每个铰接轴对应于机械臂4的一个自由度。机械臂4还包括可控工具40，所述可控工具还被称为效应器。工具40是(例如)夹具或传感器。
在此实例中，所示出的机械臂4是具有六个轴的机械臂，即，六个自由度。铰接在这里是枢转链接。机械臂4因此包括六个旋转自由度，其中每个旋转自由度与所述铰接轴中的一者相关联。所述铰接轴在这里表示为A1、A2、A3、A4、A5和A6。
替代地，机械臂4可以不同。具体来说，所述机械轴可以是具有不同数目的铰接轴的机器人，例如，四轴SCARA机器人。在SCARA机器人的情况下，部分所述自由度的对应于沿着部分所述铰接轴的旋转移动，而其它自由度对应于沿着其它铰接轴的平移移动。换句话说，所述机械臂的多个段的一部分通过枢转链接进行铰接，而所述机械臂的所述多个段的另一部分通过滑动链接进行铰接。
根据另一变体，所述机械臂是笛卡儿类型，其中自由度各自与沿着相应铰接轴中的一者的平移移动相关联。
机械臂4还包含可控马达，所述可控马达使得有可能彼此相对地操纵机械臂4的部分。
马达M1、M2、M3、M4和M6分别与轴A1至A4和A6相关联。举例来说，马达M2被适配成沿着铰接轴A2，即，在此情况下，在围绕轴A2的旋转移动中，彼此相对地操纵机械臂4的两个段。马达M5的致动致使轴A5和A6旋转。因此在轴A5和轴A6之间存在耦合，而仅轴A5的旋转需要实施M5马达和M6马达。
优选的是，马达M1至M6是无刷同步电动马达。它们可以耦合到变速箱。
机械臂4还包括传感器8，所述传感器还被称为编码器，其中每个传感器与机械臂4的马达M1至M6相关联。每个传感器8被适配成测量机械臂4的马达M1至M6中的一者的轴的角位置。
替代地，在其中与几何轴相关联的自由度对应于平移移动的情况下，传感器8可以是能够测量平移的位移的传感器，或者所述传感器在平移移动受到旋转马达控制的情况下还是编码器。
替代地，在其中自由度的数目不同的情况下，马达的数目相应地适配。传感器8的数目也是如此。
工作单元2还包括机器人控制器10，所述机器人控制器的作用是根据由控制中心6发出的指令来控制机械臂4的移动。
为此，机器人控制器10包括被适配成驱动机械臂4的马达M1至M6的马达控制器。每个马达控制器与马达M1至M6相关联，以响应于控制命令和通过由与对应的马达相关联的传感器8所提供的位置信息而确保的适当调节来向对应马达的端子提供电流。
在此实例中，机器人控制器10包括六个马达控制器，表示为C1、C2、C3、C4、C5和C6。每个马达控制器C1至C6分别与马达M1至M6相关联。举例来说，马达控制器C1与马达M1相关联并且驱动所述马达。
马达控制器C1至C6在此实例中是相同的。
替代地，可以不同地构建马达控制器C1至C6。举例来说，马达控制器C1至C6可以被相同的共享的电子计算单元取代，并且与多个功率级相关，所述功率级中的每一者与马达相关联。所述共享的计算单元提供对所有马达M1至M6的位置、速度和供电电流的控制，并且向功率级提供所计算的当前命令，其中，结果是，每个功率级向对应的马达电供应功率。
根据一个变体，通过软件经由通信卡12和计算单元11来实施马达控制器C1至C6。
根据另一变体，马达控制器可以同时与马达M1至M6中的若干马达相关联，以便驱动这些马达。举例来说，同一马达控制器可以与两个马达或三个马达或六个马达相关联。
单元2还包括将控制中心6连接到机器人控制器10的通信总线5。
通信总线5是现场总线，所述现场总线被适配成授权在控制中心6与机器人控制器10之间的实时同步数据交换。
具体来说，通信总线5允许在通信循环期间交换数据，所述通信循环以预先定义的频率在时间上周期性地重复。
在此实例中，在通信总线5上，控制中心6是主控器，并且机器人控制器10是从控器。
通信总线5在这里遵守“PROFINET”通信协议。
替代地，可以使用其它协议和/或其它类型的现场总线。举例来说，通信总线5可以是“控制器区域网络”类型，并且可以根据“CANOPEN”通信协议进行操作。
机器人控制器10配备有计算单元11和通信卡12。
通信卡12连接到通信总线5，以便在机器人控制器6与通信总线5之间提供接口。
计算单元11包括微处理器，所述微处理器被适配成执行提供给计算单元11的软件指令。计算单元11还包括计算机存储器(未示出)。
在此实例中，计算单元11通过例如PCI内部总线等数据链路而连接到通信卡12。
工作单元2还包括额外的设备，所述额外的设备与机械臂4分开并且意在与机械臂4联合地操作，即，在此情况下，用来在其操作期间朝向机械臂4导引机械部分。举例来说，此额外的设备可以是输送带。
此设备在这里通过两个马达M7和M8进行操作，其中每个马达分别被马达控制器C7和C8驱动。马达M7、M8和马达控制器C7、C8在这里类似于机械臂4的马达和马达控制器。
马达M7和M8还配备有与机械臂4的传感器类似的传感器8。控制器C7和C8经由通信总线5连接到控制中心6，以便从控制中心6接收指令。
图2更详细地说明控制中心6和机器人控制器10控制机械臂4并且最终控制工具40的移动的操作。
控制中心6在这里经编程以处理机械臂4的移动命令，并且作为响应而产生铰接位置指令，既定随后将所述铰接位置指令传输到机器人控制器10以便相应地控制机械臂4。
移动命令(表示为Om)通过笛卡儿坐标来限定机械臂4必须遵循(或更精确来说，机械臂4的特定点必须遵循)的轨迹。举例来说，此特定点可以属于工具40。举例来说，Om移动命令包含在笛卡儿空间中限定的点和定向。
Om移动命令在这里被表达为程序100内的可执行指令。程序100存储在控制中心6的存储器中并且可以由控制中心6的电子控制中心执行。
举例来说，Om移动命令是以适当的编程语言表达的“MOVE”类型指令。程序100的指令是由控制中心6逐步地执行。
通过替代性和/或互补的方式，操作者可以通过被称为“示教器”的手动控制中心102将Om移动命令直接传输到控制中心6。此手动控制中心102允许操作者通过直接输入特定位置来移动机械臂4。
控制中心6进一步包括轨迹产生器104，所述轨迹产生器是以(例如)软件的形式实施，而且是通过电子计算机并且通过存储在控制中心6的存储器中的可执行指令来实施。
轨迹产生器104被配置成在轴A1至A6中的每一者的每个操作循环内从所接收的Om移动命令产生铰接位置指令。
为此，轨迹产生器104是基于机械臂4的理论逆运动学模型106。
通过已知的方式，机械臂4的“直接”运动学模型使得有可能从针对轴A1至A6中的每一者的铰接位移(在此情况下是围绕轴A1至A6的旋转值)来计算以笛卡儿坐标的形式表达的机械臂4的移动。
此运动学模型是随机械臂4的几何参数并且还随机械臂4的铰接的类型和配置而变。为了本描述的目的，当通过对应于理想机械臂的理论几何参数将模型参数化时，称所述模型是“理论”或“标称”的。
当通过从机械臂4的物理性质的测量所得的机械臂4的实际几何参数将运动学模型参数化时，称所述模型是“实际”的。实际上，当与理想机械臂相比时，由于机械臂的制造过程固有的变化性，机械臂4会经历或多或少显著的偏差。
所谓的“逆”运动学模型使得有可能从以笛卡儿坐标的形式表达的机械臂4的移动来以对应的方式计算轴A1至A6中的每一者的铰接位移。其因此对应于所谓的“直接”运动学模型的数学求逆。
在此实例中，理论逆运动学模型106由于铰接和它们的配置的独特性质而是简单的。所述铰接都是枢转链接。轴A2和轴A3是平行的。轴A4、轴A5和轴A6是并发的。随后可以通过分析方法来执行求逆计算，所述分析方法例如为在理查德P.保罗(Richard P.Paul)的″机器人操纵器：数学、编程和控制(Robot Manipulators：Mathematics，Programming andControl)″(麻省理工学院出版社，1981年)中描述的所谓的“保罗”(Paul)方法。
因此，由于理论逆运动学模型106，轨迹产生器104计算用于每个铰接轴A1至A6的标称或理论铰接指令，表示为CN。
为了本描述的目的，术语“铰接指令”指定机械臂4的给定铰接轴的铰接位置指令值。在此实例中，这些铰接指令是围绕对应的铰接轴的旋转角度的值。
由于实际机械臂4与逆理论运动学模型所基于的理想机械臂之间的几何差异，必须对这些理论铰接指令CN进行校正，使得机械臂4的轨迹对应于由移动命令Om限定的轨迹。
计算单元11自身例如通过存储在机器人控制器10的存储器中的可执行指令进行编程，从而确定将要应用的铰接指令校正，以便确定有效铰接指令CAE。
为此，计算单元11首先依赖于理论直接运动学模型108以重新计算笛卡儿定位指令CC，并且还依赖于使用实际几何参数的实际逆运动学模型(表示为110)。
将机械臂4的实际几何参数(例如)存储在机器人控制器10的存储器中。它们可从用于校准机械臂4的方法的在先实施中可知。
实际逆运动学模型110使得有可能通过使用实际几何参数来从笛卡儿指令计算出实际铰接指令。
“实际铰接指令”在这里是指通过考虑到机械臂4与理想机械臂相比之下的偏差而将实现的铰接轴的移位值。
更具体来说，计算单元11经编程以计算实际铰接指令，并且将所述实际铰接指令与标称铰接指令CN进行比较，并且限定铰接指令校正值CORR以添加到所述标称铰接指令CN，以便获得有效铰接指令(表示为CAE)。此程序以对图2的框图的参考111而出现。
有利的是，计算单元11任选地包括由(例如)可执行指令或者由专用信号处理器(被称为DSP)实施的滤波器或滤波模块(未示出)。所述滤波模块被配置成对表示所计算的指令校正值CORR的模拟或数字信号进行滤波。
优选的是，所述滤波模块包括低通滤波器，以消除对应于机械臂4自身的激发本征频率的信号的频率分量。这使得有可能避免激发机械臂的本征频率。
举例来说，所述滤波可以包括所谓的方形滤波器，即，所述滤波器的传递函数是方脉冲函数，还被称为“门函数”。此类滤波器使得有可能获得有限脉冲响应并且实施起来简单。
作为说明性实例，在这里可以使用串联应用的三个相同的方形滤波器，其中每个滤波器是由具有100ms的持续时间的门函数来界定。这使得有可能在机械臂4的移位期间确保加速度的连续性。
计算单元11还含有表示为112的运动学传输模型，以用于从有效铰接指令CAE来计算马达控制指令CCM。
通过已知的方式，所述运动学传输模型使得有可能将不同铰接轴之间的缩小率和可能的耦合建模，其中后者考虑到以下事实：铰接指令可以影响若干马达M1至M6。在我们给出的实例中，运动学传输模型112考虑了轴A5和轴A6的耦合。
另外，计算单元11还经编程以允许从机械臂4的传感器8反馈位置信息。
为此，计算单元11包括并实施表示为120的逆运动学传输模型，以及用于应用校正值CORR的模块122。通过此模型120，计算单元11被配置成依据由机械臂4的传感器8所测得的有效铰接位置PME来计算有效铰接位置PAE。
所述模块122使得有可能依据铰接指令校正的值CORR而从有效铰接位置PAE计算出标称铰接位置PAN。
类似地，控制中心6经编程以使用理论直接运动学模型124从标称铰接位置PAN计算出笛卡儿位置PC。
因此，所测得的位置值可以通过在执行程序100期间经过透明地校正而上升到控制中心6。
马达控制器C1至C6各自被适配成根据马达控制指令CCM产生电源电流或表示为ID的当前指令以驱动马达M1至M6。举例来说，马达控制器C1至C6可以包括在机器人控制器10中收容的电子卡，其中所述电子卡中的每一个电子卡都含有电子计算器。
根据从计算单元11所接收的对应的马达控制命令CCM来执行马达控制器C1至C6中的每一者对当前指令ID的产生，并且伴有当前调节，所述当前调节是通过伺服控制回路并且基于由对应的传感器8所测得的位置数据来执行。在此实例中，每个马达控制器C1至C6包括位置和速度伺服控制回路114和电流伺服控制回路116。
在图2中，马达控制器C1至C6是由通用参考Ci指定，而马达M1至M6是由通用参考Mi指定，其中“i”是1与6之间的整数。
现在参考图3、图4和图5来描述单元2的操作的实例。
此方法在这里是由控制中心6的电子控制中心并且由计算单元11例如通过执行在控制中心6和机器人控制器10的相应计算机存储器中含有的专用可执行指令来实施。
首先，在步骤200期间，向控制中心6供应一个或多个移动命令Om。举例来说，控制中心6可以执行先前提供的机器人控制程序以产生一连串对应的移动命令Om来用于机械臂4的逐步移动并且任选地用于控制M7马达和M8马达，从而控制中央单元2的额外设备。
替代地和/或通过互补的方式，通过手动控制箱102来提供这些移动命令Om。举例来说，这些移动命令Om可以限定机械臂4必须采用的位置。
随后，在步骤202期间，由轨迹产生器104通过从移动命令Om计算出标称铰接指令CN来产生轨迹。
在步骤202结束时，存在与各个铰接轴A1至A6相关联的一组标称铰接指令CN。在此阶段，指令CN是基于机械臂4的理论参数并且不考虑机械臂4的实际几何条件。
在步骤204期间，将标称指令CN经由通信总线5传输到机器人控制器10的计算单元11。
举例来说，在每个通信循环期间，控制中心6经由通信总线5来发送数据电报，其中此电报含有在此通信循环期间所计算的铰接轴A1至A6中的每一者的标称指令CN的值。此电报随后由通信卡12接收，所述通信卡以适当信号的形式将对应的值经由机器人控制器10的内部总线传输到计算单元11。
随后，在步骤206期间(在这里由计算单元11实施)，从标称指令CN计算出有效铰接指令CAE以考虑到机械臂的实际几何参数以及所述实际几何参数与理论几何参数相比之下的偏差。
如图4中说明，此步骤206首先包含用于获取标称指令CN的操作220。
在操作222中，通过理论直接运动学模型108使用理论参数来计算出笛卡儿指令CC。
在操作224期间，从笛卡儿指令CC计算出实际铰接指令。使用与机械臂4的实际几何参数相关联的实际逆运动学模型110来执行此计算。这会更复杂，因为从所使用的臂的类型并且考虑到完美几何条件所得的简化不再适用。实际上，实际几何参数可以反映以下事实：两个在理论上平行的轴实际上不平行。可能不再分析地执行求逆，而是需要实施数值解析方法，例如牛顿方法。随后，在操作226期间，针对每个轴A1至A6来计算实际铰接指令与标称铰接指令CN之间的差的绝对值。
随后在操作228期间将此绝对值与预定义阈值进行比较。
如果所述绝对值确实大于预定义阈值，那么在操作230期间，选择铰接指令校正值CORR等于零。
另一方面，如果所述绝对值小于或等于预定义阈值，那么在替代性操作232期间，选择铰接指令校正值CORR等于实际铰接指令与标称铰接指令CN之间的差的值。
基于与阈值的比较来计算指令校正值CORR使得有可能避免针对机械臂4的独特配置来实施过分高的校正。通过选择预定义阈值等于轴的1度角位移或者在滑动类型铰接轴的情况下等于1mm的线性位移，产生标称铰接指令与实际铰接指令之间的显著差异的独特配置的通过是令人满意的。
然而，根据一个变体，省略了与预定义阈值的比较，并且系统地选择铰接指令校正值CORR等于所计算的差的值。随后，省略操作228、230，并且紧接在操作226之后实施操作232。
有利的是，在操作230和232期间，如先前阐释，由计算单元11通过滤波模块对所计算的铰接目标校正值CORR进行滤波。具体来说，在通过独特配置期间，所述滤波允许使通过实施校正阈值而产生的不连续性平滑。
最后，在操作234期间，将每个所计算的铰接指令校正值CORR添加到对应的标称铰接指令值CN，以便获得对应的有效铰接指令值CAE。
换句话说，有效铰接指令CAE在这里是标称铰接指令CN与指令校正值CORR的和。
因此，在步骤206结束时，在对应的通信循环期间可以使用用于铰接轴A1至A6中的每一者的有效CAE铰接指令。
如图3中说明，在步骤208期间，随后由计算单元11通过运动学传输模型112从有效铰接指令CAE计算出用于每个马达M1至M6的马达控制指令CCM。随后例如通过电缆链接将这些指令CCM传输到对应的马达控制器Ci。
随后，在步骤210中，由马达控制器Ci中的每一者从所接收的马达控制命令CCM计算出当前指令ID。所述当前指令对应于供应马达M1至M6的绕组的电流。步骤210在这里是由相应的马达控制器Ci实施。
Mi马达随后根据对应的轴或铰接来移动机械臂4的多个段以到达实际控制位置。举例来说，随后将工具40带到由移动命令Om界定的所需位置和定向。
同时，如图5中说明，由传感器8测量机械臂4的实际位置，并且随后确定对应的笛卡儿位置。
因此，在步骤240期间，机械臂4的每个传感器8测量与其相关联的马达M1至M6的有效位置PME。
有利的是，当在步骤210期间计算当前指令ID时，相应的控制器Ci考虑到如此测量的这些有效位置PME以便确保当前调节。还将这些有效位置PME传输到计算单元11。
在下一步骤242中，由计算单元11通过逆运动学传输模型120从马达的有效位置PME计算出有效铰接位置PAE。
随后，在步骤244期间，由模块122通过在对应的通信循环期间应用在步骤206期间所计算的对应的指令校正值CORR而从有效位置PAE计算出标称铰接位置PAN。
更准确地说，在这里通过在有效铰接位置PAE处减去施加到对应的标称铰接指令CN的铰接指令校正CORR来应用此校正。
随后，在步骤246期间，将如此计算的标称铰接位置PAN传输到控制中心6，并且更具体来说，传输到其电子计算机。举例来说，在已经添加了由计算单元11计算的标称铰接位置PAN的值之后，卡12将先前在此通信循环期间所接收的电报发送回到通信总线5和控制中心6。
随后，有利的是，在步骤248期间，由控制中心6计算对应于标称铰接位置PAN的笛卡儿位置PC。此计算是通过直接理论运动学模型124来执行。
例如因为在程序100中含有的序列需要电子计算机检查机械臂4已经根据对应的移动命令Om移动，所以例如当电子计算机执行所述程序时，所述电子计算机使用如此计算的笛卡儿位置PC。控制中心6的电子计算器在这里是多任务处理类型，使得可以与程序100的执行并行地计算笛卡儿坐标PC。
还可以在需要时将笛卡儿位置PC传输到手动控制箱102，使得操作者可以验证所请求的移动的正确执行。
然而，实际上，由于测量链所引入的延迟，在通信循环期间传输到控制中心6的位置值可能对应于从应用在先前通信循环期间发出的铰接指令所得的机械臂4的位移。
在这里随时间重复步骤202至248，例如，在控制中心6与机器人控制器10之间的连续通信循环中的每一者期间进行迭代，直到机械臂4的轨迹完整为止。
凭借本发明，开发提供给控制中心6的控制程序不需要校正值CORR或实际几何参数的先验知识。机械臂4的实际几何参数存储在机器人控制器10中，并且由实际逆运动学模型110用于在执行程序期间校正铰接指令。
因此，为了开发控制程序，可以假定机械臂是完美的机械臂，所述机械臂的几何性质由理论逆运动学模型忠实地表示。与已知方法相反，不需要在开发控制程序时考虑机械臂的实际参数。
换句话说，机器人控制器10会考虑机械臂的实际几何条件，而控制中心6不会考虑所述实际几何条件。
工作单元2的控制程序的开发得到极大简化。实际上，可以在不同的工作单元上实施此程序，而不必考虑相对于它们的相应的机械臂的完美机械臂的偏差。
本发明不排除控制中心实施与计算单元所应用的理论逆运动学模型类似的理论逆运动学模型。然而，此理论逆运动学模型依赖于不同于实际几何参数的理论几何参数。举例来说，理论逆运动学模型可以采取Denavit-Hartenberg的形式体系并且需要求逆的数值解析。
上文涵盖的实施例和替代方案可以彼此组合以产生新的实施例。

Claims (13)

1.一种用于控制自动化工作单元(2)的方法，其中，所述自动化工作单元(2)包括：
-以至少三个自由度铰接的机械臂(4)，其中，所述机械臂(4)可以根据铰接指令来控制，并且包括与所述机械臂的机动部分适配的马达(M1、M2、M3、M4、M5、M6)；
-控制中心(6)，所述控制中心能够通过移动命令(Om)来控制所述自动化工作单元(2)的操作；
-机器人控制器(10)，所述机器人控制器包含马达控制器(C1、C2、C3、C4、C5、C6)，每个马达控制器控制马达的操作；
-位于所述控制中心(6)与所述机器人控制器(10)之间的通信总线(5)；
其中，此控制方法包括以下步骤：
y) 基于所述移动命令(Om)，利用轨迹产生器(104)，通过所述控制中心(6)来计算标称铰接指令(CN)；
z) 将所述所计算的标称铰接指令(CN)经由所述通信总线(5)传输到属于所述机器人控制器(10)的计算单元(11)；
其中，此控制方法的特征在于其包括由以下操作组成的步骤：
a) 通过所述计算单元(11)来计算对应于所述标称铰接指令(CN)的笛卡儿指令(CC)；
b) 通过所述计算单元(11)根据所述笛卡儿指令(CC)来计算考虑到所述机械臂(4)的实际几何参数的实际铰接指令；
c) 针对每个标称铰接指令(CN)并且根据所述实际铰接指令来计算铰接指令校正值(CORR)；
d) 针对每个标称铰接指令(CN)并且根据所述所确立的铰接指令校正值(CORR)来计算有效铰接指令(CAE)，其中，所述有效铰接指令(CAE)是所述标称铰接指令(CN)和所述铰接指令校正值(CORR)的总和；
e) 根据所述所计算的有效铰接指令(CAE)来计算用于每个马达控制器的马达控制指令(CCM)；
f) 将所述马达控制指令(CCM)传输到每个马达控制器(C1、C2、C3、C4、C5、C6)以根据所述马达控制指令来控制所述对应的马达。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，如果所述实际铰接指令与所述标称铰接指令（CN）之间的差的绝对值大于预定义阈值，那么选择(230)所述铰接指令校正值等于零，其中，在相反情况下，选择(232)所述铰接指令校正值等于所述实际铰接指令与所述标称铰接指令之间的所述差值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)期间，选择(232)所述铰接指令校正值等于所述实际铰接指令与所述标称铰接指令(CN)之间的差值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，通过所述计算单元(11)将低通滤波器应用于所述所计算的铰接指令校正值(CORR)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所应用的所述滤波器是有限脉冲响应低通滤波器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述滤波器包括串联应用的三个方形滤波器。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
g) 将由此控制器控制的所述马达(M1、M2、M3、M4、M5、M6)的实际位置(PME)传输到所述计算单元(11)；
h) 通过所述计算单元(11)并且根据所述马达的所述实际位置(PME)来计算所述机械臂(4)的有效铰接位置(PAE)；
i) 通过所述计算单元(11)来计算所述机械臂(4)的标称铰接位置(PAN)，从每个有效铰接位置(PAE)减去针对所述对应的标称铰接指令(CN)所计算的铰接指令校正值(CORR)；
j) 将在步骤i)中所计算的标称铰接位置(PAN)传输到所述控制中心(6)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤y)期间，在所述控制中心(6)实施考虑到所述机械臂(4)的理论几何参数的理论逆运动学模型(106)时，所述移动命令(Om)界定在笛卡儿坐标系统中表达的所述机械臂(4)的位置和定向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤y)期间，根据被所述机械臂(4)的理论几何参数参数化的所述机械臂(4)的理论逆运动学模型(106)来计算所述标称铰接指令(CN)，并且其特征在于，在步骤b)期间，根据被所述机械臂(4)的实际几何参数参数化的类似的实际逆运动学模型(110)来计算所述实际铰接指令。
10.一种自动化工作单元(2)，所述自动化工作单元包括：
-以至少三个自由度铰接的机械臂(4)，其中，所述机械臂(4)可以根据铰接指令来控制，并且包括与所述机械臂的机动部分适配的马达(M1、M2、M3、M4、M5、M6)；
-控制中心(6)，所述控制中心能够根据移动命令(Om)来控制所述自动化工作单元(2)的操作；
-机器人控制器(10)，所述机器人控制器包含马达控制器(C1、C2、C3、C4、C5、C6)，每个马达控制器控制马达的操作；
-位于所述控制中心(6)与所述机器人控制器(10)之间的通信总线(5)；
其中，所述自动化工作单元(2)经编程以实施以下步骤：
y) 基于所述移动命令(Om)，利用轨迹产生器(104)，通过所述控制中心(6)来计算标称铰接指令(CN)；
z)通过所述通信总线(5)将所述所计算的标称铰接指令(CN)传输到属于所述机器人控制器(10)的计算单元(11)；
其中，所述自动化工作单元(2)的特征在于其经编程以实施以下步骤：
a) 通过所述计算单元(11)来计算对应于所述标称铰接指令(CN)的笛卡儿指令(CC)；
b) 通过所述计算单元(11)根据所述笛卡儿指令(CC)来计算考虑到所述机械臂(4)的实际几何参数的实际铰接指令；
c) 针对每个标称铰接指令(CN)并且根据所述实际铰接指令来计算铰接指令校正值(CORR)；
d) 针对每个标称铰接指令(CN)并且根据所述所确立的铰接指令校正值(CORR)来计算有效铰接指令(CAE)，其中，所述有效铰接指令(CAE)是所述标称铰接指令(CN)和所述铰接指令校正值(CORR)的总和；
e) 根据所述所计算的有效铰接指令(CAE)来计算用于每个马达控制器的马达控制指令(CCM)；
f) 将所述马达控制指令(CCM)传输到每个马达控制器(C1、C2、C3、C4、C5、C6)以根据所述马达控制指令来控制对应的马达。
11.根据权利要求10所述的自动化工作单元(2)，其特征在于，在步骤y)期间，在所述控制中心(6)实施考虑到所述机械臂(4)的理论几何参数的理论逆运动学模型(106)时，所述移动命令(Om)界定在笛卡儿坐标系统中表达的所述机械臂(4)的位置和定向。
12.根据权利要求11所述的自动化工作单元(2)，其特征在于，在步骤y)期间，根据被所述机械臂(4)的理论几何参数参数化的所述机械臂(4)的理论逆运动学模型(106)来计算所述标称铰接指令(CN)，在步骤b)期间，根据被所述机械臂(4)的实际几何参数参数化的类似的实际逆运动学模型(110)来计算所述实际铰接指令。
13.根据权利要求10、11和12中任一项所述的自动化工作单元(2)，其特征在于，所述自动化工作单元包括计算机存储器，所述计算机存储器含有被适配成实施步骤y)、z)以及a)到f)的可执行计算机指令。
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