CN109715349A - 安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿 - Google Patents

安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿 Download PDF

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Abstract

描述了一种对支撑伸缩铰接吊臂组件的底座的控制系统，该伸缩铰接吊臂组件通常在15处被指示，包括长伸缩吊臂17和伸缩杆19。安装到杆19的远端21的是支撑6轴机器人臂25的头部23形式的末端执行器，该机器人臂25移动另一末端执行器27以操纵物品。机器人臂25具有机器人底座31，并且安装在机器人底座31上方的是6自由度(6DOF)高数据速率位置传感器33形式的第一目标，其向控制系统提供相对于固定地面基准35的6DOF位置坐标。在紧邻末端执行器27上方的机器人臂25的末端上安装的是6自由度(6DOF)高数据速率位置传感器37形式的第二目标，其向控制系统提供相对于固定地面基准35的6DOF位置坐标。固定地面基准35跟踪传感器33并将数据馈送到控制系统，以在机器人臂的工作范围内以慢速动态响应来移动头部，并跟踪传感器37以用快速动态响应来控制机器人臂25和末端执行器27的移动。

Description

安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿
技术领域
本发明涉及在柔性臂上的末端执行器的控制，且尤其是涉及在柔性臂例如吊臂上的末端执行器的位置的改进的控制。本发明具有特定应用，其中机器人在大区域上工作并且需要高精度。
背景技术
背景技术的下面的讨论仅意欲便于对本发明的理解。应该认识到，所述讨论不是对于所提到的任何材料是在本申请的优先权日时的公知常识的一部分的确认或承认。
下面的定义适用于在整个本专利说明书中使用的术语。机器人臂是可编程机械操纵器。在本说明书中，机器人臂包括多轴关节臂、并行运动机器人(例如Stewart平台、Delta机器人)、球形几何机器人、Cartesian机器人(具有直线运动的正交轴机器人)等。
吊臂是细长支撑结构，诸如有或没有杆或铲斗、有或没有伸缩元件的回转吊臂、伸缩吊臂、伸缩铰接吊臂。示例包括起重机吊臂、推土机吊臂、卡车起重机吊臂，其都有或没有线缆支撑的或线缆加固的元件。吊臂还可以包括高架门架结构或吊臂门架或受控拉伸桁架(吊臂可以不是吊臂，而是多线缆支撑的并行运动起重机(见PAR系统，拉伸桁架-Chernobyl起重机))或可在空间中平移位置的其他可移臂。
末端执行器是设计成与环境交互的在机器人臂的末端处的设备。末端执行器可以包括夹持器、喷嘴、喷砂器、喷枪、扳手、磁铁、焊炬、割炬、锯、铣刀、辊切机、液压剪机等。
TCP是工具中心点的缩写。这是在末端执行器(或工具)上的位置，末端执行器的位置和定向定义了受控对象的坐标。它通常位于运动链的远端处。运动链指在机器人臂的底座和末端执行器之间的连杆的链及它们的关节。
CNC是计算机数控的缩写，用于通过计算机/处理器/微控制器执行的预先编程的机器控制命令序列来实现机器的自动化。
在CNC控制系统中的坐标变换的应用通常被执行，以允许按照方便的坐标系编程。它也被执行，以当夹持在CNC机加工中心上的虎钳或夹具中时允许工件位置误差的校正。
这些坐标变换通常在静态意义上被应用，以解释静态坐标转换或纠正静态误差。
机器人和CNC机器按照方便的笛卡尔坐标系被编程，且运动变换用于将笛卡尔坐标转换为关节位置，以移动机器人或CNC机器的姿势。
实时地测量靠近TCP的机器人臂末端执行器的位置提高了机器人的准确度。这在用于探测和钻孔的机器人上的静态末端执行器上被执行。这通过以下的多步骤过程来实现的：移动到编程位置、进行位置测量、计算校正向量、将补偿向量添加到编程位置、且然后将TCP移动到新位置。这个过程不是硬实时地完成的，且依赖于静态机器人臂姿势。
WO 2007/076581描述了将吊臂和末端执行器移动到期望位置或沿着期望路径移动的控制系统。吊臂位于底座上，底座在使用中固定在地面上。具有底座的机器人臂固定到吊臂的末端。扫描仪-目标测量系统测量位于吊臂的末端上的目标的实际位置和定向。测量系统用其后被称为“6DOF”的六个自由度(x、y、z轴以及俯仰、横滚和偏航)测量目标的实际位置和定向。位于吊臂的末端上的目标相对于机器人臂的底座是固定的。然后，控制系统计算在机器人臂的底座的编程位置(它预期在该编程位置上)和机器人臂的底座的实际测量位置之间的6DOF偏移，且然后对机器人臂的运动链施加校正，使得末端执行器平移到正确位置。机器人臂按照相对于其底座(而不是地面)的坐标系被编程。因此，为了对末端执行器的TCP编程，必须将它在地面坐标中的6DOF位置变换为安装在吊臂的顶端上的机械人臂的底座坐标。实际上，所做的是用子程序对机器人臂编程，该子程序总是用来控制末端执行器将砖铺设在与机器人臂底座坐标系相同的相对位置上。吊臂的顶端被编程为处于使机器人臂在期望位置上所需位置，以用于使砖铺设在期望位置上。
这种方法的一个问题是，在程序被编写之后，工作坐标系不能转换。公共CNC坐标转换(例如G54)不能用于设置，因为末端执行器没有按照地面坐标系或工作坐标系被编程(它按照在吊臂的顶端上移动的末端执行器的底座坐标系进行编程)。这种布置的缺点是，在控制整个机器的程序中，末端执行器(或所铺设的砖)在地面坐标中的实际位置是不明显的(因为它按照不同的坐标系(即，机器人臂底座坐标系)被编程)。
在WO 2007/076581中描述的布置花很长时间解决由于重力、风、末端执行器的运动和吊臂的运动而使长吊臂偏转的问题(无论吊臂是否安装在固定底座上，然而尤其还是在吊臂安装在移动车辆上的情况下)；然而，发明人发现，即使采用在WO 2007/076581中描述的布置，仍然可能出现在末端执行器的定位的误差，特别是当机器人的底部和末端执行器的距离增加时。
本发明的一个目的是提供一种布置，该布置可提供在使末端执行器稳定方面的改进，以补偿结构偏转和结构动力学以及在整个非常大的工作空间中的外部干扰，诸如风。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括(comprise)”或变形诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”将被理解为暗示包括所陈述的整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。
发明概述
本发明使用具有定位设备、测量系统和控制通道的级联系统。在一个实施例中，大范围的不准确总运动系统引导支撑大面积粗定位吊臂的车辆，该粗定位吊臂然后支撑小动态补偿和精细定位机器人，该机器人然后又支撑甚至更精细的动态补偿和定位机构。
本发明描述了移动机器和稳定末端执行器的动态坐标系和方法。在优选实施例中，提供了使补偿转变为开启和关闭或抑制转变的方法，使得移动末端执行器的机器人臂可以按照头部坐标系和地面或工作坐标系交替地工作。
将运动学变换编码为独立的软件是有利的。这意味着CNC内核不必须被修改来适应不同的运动链。通过使用动态坐标系作为末端执行器机器人运动链的基础，末端执行器可以按照工作坐标系被编程，且进行所有正常CNC坐标转移和变换，诸如工作坐标的偏移和坐标系旋转。
对于机器人臂的运动链的底部的动态坐标系，补偿量的概念是抽象的。如果机器人臂的运动链的底部在它的编程位置处，则没有补偿量，且机器人臂将处于第一姿势。如果底座在它的实际位置处且机器人臂处于第一姿势，则末端执行器将在错误的位置处(和在错误的定向上)，差异是补偿量。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于从臂底座支撑的臂的控制系统，所述臂具有从其开始安装的末端执行器，所述末端执行器具有由另一臂底座支撑的另一臂，且所述另一臂具有安装在其上的另一末端执行器，通过与臂致动器连接的臂控制器，所述臂相对于所述臂底座可移动，以将所述末端执行器定位到经编程的位置，通过与另一臂致动器连接的另一臂控制器，所述另一臂可移动，以将所述另一末端执行器定位在经编程的位置处；所述控制系统具有跟踪器系统，以跟踪邻近所述另一臂底座或末端执行器根据偏移量定位的第一目标的位置，并且跟踪以与所述另一末端执行器相距TCP偏移量定位的第二目标的位置和定向；其中，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置，并将数据馈送到所述臂控制器，以用慢速动态响应来操作所述臂致动器，以将所述第一目标动态地定位成接近所述偏移量，以将所述另一臂底座定位成接近在所述经编程的位置，并且所述跟踪器系统跟踪所述第二目标的位置和定向，并将数据馈送到所述另一臂控制器以用快速动态响应来操作所述另一臂致动器，以动态地定位所述第二目标，并可选地将所述第二目标定向到离所述经编程的位置和可选地定向的所述TCP偏移量。TCP偏移量可以由位置和可选地定向数据定义。在慢速动态响应和快速动态响应之间的差异与臂和另一臂的潜在惯性成反比。在另一臂比该臂小得多的场合，该另一臂将具有较小的潜在惯性，并且可以用相对快速的动态响应来移动。
优选地，所述第二目标以与所述另一末端执行器相距所述TCP偏移量来定位，以便随着所述另一末端执行器的移动和姿势移动。在这种情况下，TCP偏移量由位置和定向数据定义，并且所述跟踪器系统测量所述第二目标的位置和定向。
通过“接近”所述经编程的位置，另一臂底座被移动得足够近，使得另一末端执行器在它的编程任务的范围内，即，另一臂可以将另一末端执行器移动到一个位置，以便可以完成另一末端执行器将要执行的任务。通过动态地定位以及动态地定位和定向，应该理解，当另一臂底座的位置由于偏转而变化时，它的位置(和在适用情况下的定向，见下文)经常处于检查状态，且由臂致动器以慢速动态响应来调整，并且另一末端执行器的位置和定向也经常处于检查状态，且由另一臂致动器以快速动态响应来调整。
优选地，所述另一臂底座邻近所述臂的远端、远离所述臂底座被安装。
优选地，所述另一臂底座和所述第一目标安装在头部上，头部安装到臂的远端。
优选地，所述头部枢转地安装到臂的远端。
优选地，所述头部绕水平轴枢转地安装到臂的远端。
优选地，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置和定向，并且将数据馈送到所述臂控制器，以用慢速动态响应操作所述臂致动器，以将所述第一目标定位并定向成接近所述偏移量，以将所述另一臂底座定位成接近所述经编程的位置。
在头部枢转地安装到臂的远端的情况下，头部的平衡可以由与臂控制器分离的控制器控制，在这种情况下，臂控制器只需要操作臂致动器来沿着三个正交轴定位第一目标。然而，对于头部的平衡的控制可以集成到臂控制器中，在这种情况下，必须跟踪第一目标的位置和定向。
在头部绕多轴机构枢转地安装到臂的远端的情况下，必须以六个自由度跟踪第一目标的位置和定向。必须以六个自由度跟踪第二目标的位置和定向。
优选地，所述跟踪器系统包括用于所述第一目标和所述第二目标的分离的目标跟踪设备。
优选地，所述另一臂控制器可以可控地在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中所述另一臂控制器对从所述跟踪器系统获得的定位反馈数据做出响应，而在第二状态中以另一臂底座(以及因此，臂的远端)为基准的预先校准的定位数据被依赖，并且当在所述第一状态和所述第二状态之间切换时，所述另一臂控制器控制所述另一臂的运动，以抑制所述另一臂的运动，以避免所述另一臂和所述另一末端执行器的突然运动。这种突然运动可被反馈给臂，使臂经历反冲运动。
优选地，所述臂底座设置有移动装置，以相对于地面移动所述臂底座。移动装置可以选自包含或未包含运移作用的轮式运输工具或者自驱动的环形履带。移动装置可以包含自动安平，以使臂底座变平。
优选地，所述臂底座安装在主动悬架系统上，并且所述臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标，所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据来控制所述臂底座的位置和定向。
可替换地，所述臂底座安装到具有比在主动悬架系统上的所述臂大的惯的物体上，并且所述臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标；所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据来控制所述臂底座相对于所述物体的位置和定向，所述悬架致动器以比所述臂控制器操作所述臂致动器更慢的动态响应来控制所述臂底座的位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种从吊臂底座支撑的吊臂的控制系统，所述吊臂具有通过从其机器人底座开始安装的机器人臂，所述机器人臂具有末端执行器，通过与吊臂致动器连接的吊臂控制器，所述吊臂可以相对于所述吊臂底座移动，以将所述机器人底座定位到经编程的位置，通过与机器人臂致动器连接的机器人臂控制器，所述机器人臂可移动，以将所述末端执行器定位在经编程的位置和定向处；所述控制系统具有跟踪器系统，以跟踪邻近所述机器人底座根据偏移量定位的第一目标的位置，并且跟踪以与所述末端执行器TCP相距TCP偏移量定位的第二目标的位置和定向；其中，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置，并将数据馈送到所述吊臂控制器，以用慢速动态响应来操作所述吊臂致动器，以将所述第一目标动态地定位成接近所述偏移量，以将所述机器人底座定位成接近所述经编程的位置，并且所述跟踪器系统跟踪所述第二目标的位置和定向，并将从第二目标得到的或从第二目标以及第一目标得到的数据馈送到所述机器人臂控制器，以用快速动态响应来操作所述机器人臂致动器，以将所述末端执行器TCP动态地定位和定向到离所述经编程的位置和定向。TCP偏移量可以由位置和方向数据定义。
优选地，所述第二目标以与所述末端执行器TCP相距所述TCP偏移量来定位，以便随着所述末端执行器的移动和姿势而移动。
通过“接近”所述编程位置，机器人底座被移动得足够近，使得末端执行器在它的编程任务的范围内，即，机器人臂可以将末端执行器移动到一个位置，以便可以完成末端执行器将要执行的任务。通过动态地定位以及动态地定位和定向，应该理解，当机器人底座的位置由于偏转而变化时，它的位置(以及在适用情况下的定向，见下文)经常处于检查状态，且由吊臂致动器以慢速动态响应来调整，并且末端执行器的位置和定向也经常处于检查状态，且由机器人臂致动器以快速动态响应来调整。
优选地，所述机器人底座邻近所述吊臂的远端、远离所述吊臂底座被安装。
优选地，所述机器人底座和所述第一目标安装在头部上，头部安装到吊臂的远端。
优选地，所述头部枢转地安装到吊臂的远端。
优选地，所述头部绕水平轴枢转地安装到吊臂的远端。
优选地，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置和定向，并且将数据馈送到所述吊臂控制器，以用慢速动态响应来操作所述吊臂致动器，以将所述第一目标定位和定向成接近所述偏移量，以将所述机器人底座定位成接近所述经编程的位置。
在头部枢转地安装到吊臂的远端的情况下，头部的平衡可以由与吊臂控制器分离的单独控制器控制，在这种情况下，吊臂控制器只需要操作吊臂致动器，以沿着三个正交轴定位第一目标。然而，对于头部的平衡的控制可以包含到吊臂控制器中，在这种情况下，第一目标的位置和定向必须被跟踪。
在头部绕多轴机构枢转地安装到吊臂的远端的情况下，必须以六个自由度来跟踪第一目标的位置和定向。必须以六个自由度跟踪第二目标的位置和定向。
优选地，所述跟踪器系统包括用于所述第一目标和所述第二目标的单独目标跟踪设备。
优选地，所述机器人臂控制器可以可控地在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中所述机器人臂控制器对从所述跟踪器系统获得的定位反馈数据做出响应，而在第二状态中以机器人底座(和因此，吊臂的远端)为基准的预先校准的定位数据被依赖，并且当在所述第一状态和所述第二状态之间切换时，所述机器人臂控制器控制所述机器人臂的运动，以抑制机器人臂的运动，以避免所述机器人臂和所述末端执行器的突然运动。这种突然运动可能被反馈给吊臂，使吊臂经历反冲运动。
优选地，所述吊臂底座设置有移动装置，以相对于地面移动所述吊臂底座。移动装置可以是从包含或未包含运移作用的轮式运输工具或自驱动的环形履带中选出的车辆。移动装置可以包含自动安平以使吊臂底座变平。这种自动安平应该移动吊臂底座，以使吊臂底座和因此的吊臂稳定，抵抗在由车辆经过的地面中的波动引起的吊臂底座的位置和定向的变化。
优选地，所述吊臂底座安装在主动悬架系统上，并且所述吊臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标，所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据，来控制所述吊臂底座的位置和定向。
可替换地，所述吊臂底座安装到具有比在主动悬架系统上的所述吊臂更大的惯性的物体上，并且所述吊臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标；所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据来控制所述吊臂底座相对于所述物体的位置和定向，所述悬架致动器以比所述吊臂控制器操作所述吊臂致动器更快的动态响应来控制所述吊臂底座的位置。
控制系统可以包括在机器上的不同位置处的多个跟踪器部件，使得跟踪器(或多个跟踪器)具有到由机器所支撑的一个或更多个跟踪器部件的视线。
优选地，机器的控制系统包括评估视线的算法，以便可以选择在特定姿势中在跟踪器和跟踪器部件之间的最佳视线。最佳视线的标准包括：最准确的位置和定向解决方案(其可能取决于跟踪器或其传感器的姿势)、跟踪器或传感器的视场、到末端执行器的距离(越近越好)、在经编程的路径或关键操作期间始终保持视线。
优选地，所述机器包括在所述机器人臂上或所述末端执行器上支撑的另一跟踪器部件，并且所述机器使用另一跟踪器系统来测量另一跟踪器部件的位置，并且向机器人臂组件施加另一补偿运动，以校正在所编程的另一跟踪器部件位置和所测量的另一跟踪器部件位置之间的变化。
吊臂底座可以是车辆，其可以包括在车辆上的位置处的跟踪器部件或者在车辆上的各种位置处的多个跟踪器部件。跟踪器部件(多个跟踪器部件)可用于确定车辆相对于工作空间坐标系的位置和定向。跟踪器部件(多个跟踪器部件)可用于确定移动车辆的车辆的位置和定向。跟踪器系统可以包括多个地面基准，以在车辆沿着路径前进时跟踪跟踪器目标。
本发明的布置可以在大尺寸的工作空间上实现高程度的动态运动质量和位置公差。这导致位于长吊臂或塔的末端处或在长缆索桁架上支撑的末端执行器的运动更加平稳。本发明的布置可以使由移动车辆支撑的长吊臂或塔所支撑的末端执行器的运动平稳。
附图简述
现在将参照附图来描述本发明的几个实施例，其中：
图1是根据第一实施例的本发明的实施方式的示意图；
图2是根据第二实施例的本发明的实施方式的示意图；
图3是根据本发明最广泛的实施例的用于连接以控制在吊臂的末端上的末端执行器的位置的跟踪器系统的视图；
图4是根据本发明更窄且更优选的实施例的用于连接以控制在吊臂的末端上的末端执行器的位置的跟踪器系统的视图；
图5是示出当末端执行器的稳定性在基于地面的第一状态和基于机器的第二状态之间切换时，运动的衰减的实施方式的曲线图；
图6是示出基于机器的第二状态操作的实施例的操作的视图；
图7是示出切换到基于地面的第一状态操作的图6的实施例的操作的视图；
图8是示出实施例的使用的俯视图，该实施例是在使用中以沿着高速公路/快车道建造隔音墙的包含本发明的控制系统的移动砌砖机；
图9是示出在使用中以从遭受海洋涌浪中的运动的船只转移物品的、具有安装到浮式设施上的机器人臂的吊臂的使用的侧视图；以及
图10是在图9中示出的实施例的细节的视图；以及
图11是示出在使用中将从遭受海洋涌流中的运动的供应船转移物品的、具有安装到石油钻机上的机器人臂的吊臂的使用的视图。
实施例的描述
本发明的控制系统和方法已由发明人结合自动砌砖机11开发。对于砌砖机的更详细的描述，参考作为国际专利申请PCT/AU2017/050731的主题的、标题为“Brick/BlockLaying Machine Incorporated in a Vehicle”的专利说明书，其内容通过交叉引用被并入本文。
自动砌砖机11围绕卡车13形式的车辆建造，并具有支撑通常在15处指示的伸缩铰接吊臂组件的底座，该伸缩铰接吊臂组件包括长伸缩吊臂17和伸缩杆19。安装到杆19的远端21的是铺设头部23形式的末端执行器，铺设头部23支撑6轴机器人臂25，该机器人臂25移动另一末端执行器27以操纵砖29。机器人臂25具有机器人底座31，并且安装在机器人底座31上方的是6自由度(6DOF)高数据速率位置传感器33形式的第一目标，其向控制系统提供相对于固定地面基准35的6DOF位置坐标。在紧接在末端执行器27上方的、机器人臂25的末端上安装的是6自由度(6DOF)高数据速率位置传感器37形式的第二目标，其向控制系统提供相对于固定地面基准35的6DOF位置坐标。
在杆组件19的远端(吊臂15的远端)处围绕枢转水平轴38(参照车辆13的状态是水平的，假设车辆处于稳定水平没有任何扭转)支撑头部23。
在一般实施例中，车辆13支撑吊臂15，吊臂15支撑机器人臂25，机器人臂25支撑末端执行器27。可选地，在吊臂15和机器人臂25之间可以省略头部23，但是考虑到由末端执行器27执行的任务(特别是将粘合剂应用于砌砖应用)，包括头部23是更实际的。
车辆13可以静止停放或在支撑腿39上被顶起。作为替代方案，车辆13可以采用第一CNC通道进行编程，以沿着路径移动，或者可以沿着路径被手动地驱动。在这种情况下，提供6自由度(6DOF)高数据速率位置传感器41形式的另一第三目标，其也向控制系统提供相对于固定地面基准35的6DOF位置坐标。在车辆以这种方式经过路径的情况下，将需要固定地面基准35的相同类型的多个固定地面基准。可选地，在另一实施例中，可以利用低数据速率和低准确度的位置传感器(诸如GPS)，但是高数据速率是优选的。
为了更快的数据处理，有多个地面基准35a、35b、35c可能是合乎需要的，每个地面基准专用于它们各自的传感器33、37和41，如图2所示。
吊臂15采用第二CNC通道编程，以将吊臂(位于顶端处的)末端执行器的TCP移动到所需坐标。
机器人臂25采用第三CNC通道编程，以移动它的末端执行器27的TCP来执行任务。
可选地，末端执行器27可以包括用于非常准确的工作的精细动态补偿机构。这种系统可以包括检流计振镜，以与用于激光切割、雕刻或3D加性激光熔化制造的高功率激光器一起使用。末端执行器采用第四CNC通道编程，以移动精细动态补偿机构的TCP。
参考图4，示出了最优选的实施例的细节。为从卡车13形式的吊臂底座支撑的吊臂15提供控制系统。吊臂15具有头部23，头部23围绕在杆组件19的远端处的水平枢转轴38安装。机器人臂25通过机器人底座31安装到头部23。包括用于拾取砖的夹持器的末端执行器27被安装，以用于到机器人臂27的末端的俯仰横滚和偏航运动。该控制系统包括与液压油缸45和47(以及在卡车车身内的旋转机构——未示出)形式的吊臂致动器连接的吊臂控制器，以相对于车辆13移动吊臂15，以将头部23和因此的机器人底座31定位到经编程的位置。控制系统还包括与机器人臂致动器连接的机器人臂控制器，以将所述末端执行器定位在经编程的位置和定向处。跟踪器系统具有固定地面基准35a，以跟踪邻近机器人底座31根据偏移量定位的第一目标33的位置。跟踪器系统具有固定地面基准35b，以跟踪以与末端执行器27的TCP相距的TCP偏移量定位的两个第二目标49中的一个(以可见的为准)的位置和定向。跟踪器系统跟踪第一目标33的位置，并将数据馈送到所述吊臂控制器，以用慢速动态响应来操作所述吊臂致动器，以将所述第一目标33动态地定位在所述偏移量附近，以将所述机器人底座31定位在所述经编程的位置附近，使得末端执行器27在执行工作所需的位置的范围内。因为目标49与末端执行器27一起移动，并且末端执行器可以以六个自由度移动，并且跟踪器系统以六个自由度跟踪所述第二目标的位置和定向并且将数据馈送到机器人臂控制器，以用快速动态响应来操作所述机器人臂致动器(包括末端执行器)，以将所述第二目标动态地定位和定向到离所述经编程的位置和定向的所述TCP偏移量。
控制系统可以可控地在第一状态和第二状态之间切换机器人臂控制器的控制，在第一状态中机器人臂控制器对从所述跟踪器系统获得的定位反馈数据做出响应，在第二状态中依赖于以机器人底座(和因此的吊臂的远端)为基准的预先校准的定位数据。末端执行器27相对于机器人底座31的运动由图5中的轨迹51表示，轨迹51示出了由于吊臂上的动态结构效应、风偏转或车辆运动引起的偏差，并且机器人臂的第二状态位置在53处被指示。当在第一状态和第二状态之间切换时，所述机器人臂控制器通过由轨迹55指示的在第一状态和第二状态之间的转变来控制机器人臂的运动，以使机器人臂的运动减弱或平稳，以避免机器人臂和所述末端执行器的突然运动。这种突然运动可被反馈给吊臂，使吊臂经历反冲运动。
在第一和第二状态之间的切换应付需要末端执行器相对于机器结构和随后的地面交替地被控制的应用，例如从机器的一部分拾取砖且然后相对于地面在墙上铺设砖。图6示出了末端执行器27从吊臂的末端拾取砖。在该配置中，控制系统处于第二状态，并且跟踪器系统仅需要跟踪第一目标33。图7示出了将要铺设砖的末端执行器27。在该配置中，控制系统处于第一状态，并且跟踪器系统必须跟踪第一目标33和第二目标37。控制系统在大约一秒的时期内以缓慢的方式从第二状态转变到第一状态(反之亦然)，以抑制末端执行器的运动。如果补偿被立即开启或关闭，则补偿机器人的姿势将必须立即改变，这给吊臂很大的力和干扰。为了克服这个问题，补偿被转变为开启或关闭或被抑制是必要的，使得补偿量在一段时间(通常0.2至0.5秒(或对于大型机器，高达10秒，或者对于小型机器，也许低至毫秒量级，高达0.1秒))内逐渐增加或减少到所需的量。使用动态底座坐标系，有必要通过在一段时间内将底座坐标系从其经编程的位置移动到实际位置来实现转变效应。检查将被应用的补偿量在补偿机器人的工作范围内是很重要的。这通过检查机器人的姿势在工作包络面内来完成。(如果计算出的待施加的补偿的量将使末端执行器在其工作范围之外移动，或者超过机器人臂的跃度、加速度或速度的动态极限)，如果动态底座坐标系的实际位置和定向将机器人置于在其轴行程的工作范围之外的姿势或者TCP在机器人臂的工作包络面之外的，或者使末端执行器超过的跃度、加速度或速度的动态极限，则底座动态坐标系从经编程的位置到实际位置的移动量(或补偿量的应用)可以按比例缩小，或者运动可以被保持，直到系统返回到其工作范围内和/或警告可以在控制器内被发出为止。
动态补偿转变通过如果补偿开启则递增或如果补偿关闭则递减来工作，转变因子在0和1的值之间，因此，对于每个控制周期，S曲线在期望的时间段内倾斜：
测量顶端跟踪器的实际6dof坐标。计算精细机器人的底座的实际坐标系的6DOF坐标。
如果转变因子为1，则使用精细机器人的底座的实际坐标系作为动态坐标系。
如果转变因子不是1，则：
通过考虑吊臂顶端的经编程的位置并将运动学变换添加到精细机器人的底座，来确定精细机器人的底座的坐标系的经编程的位置。
如果转变因子为0，则使用坐标系的经编程的位置作为动态坐标系。
如果转变因子在0和1之间，则：
计算精细机器人的底座的从编程坐标系到实际坐标系的6DOF增量向量。
将6DOF向量按比例缩放转变因子的倍数，以给出缩放的向量。
将缩放的矢量添加到坐标系的经编程的位置，以给出动态坐标系。
检查姿势和动力学，以确保精细机器人在它的工作范围内。转到警告、保持或按比例缩放算法。
如果转变因子小于1，优选地使用S曲线公式来增加转变因子。
优选地，所述机器包括安装到所述头部的跟踪器部件，其中所述头部具有带有所述末端执行器的所述机器人臂组件，并且所述机器使用跟踪器系统来测量跟踪器部件的位置和定向，并且使用所述测量来计算所述机器人臂组件的底座坐标系的位置和定向。机器人臂末端执行器TCP被编程为按照固定于头部的坐标系或按照固定于工件(固定于地面)的坐标系执行任务。编程可以在头部坐标系或工件坐标系之间转换。切换通过转变来完成。下面解释转变。
转变到动态底座坐标系涉及以渐进且受控的方式将动态底座坐标系从理论上完美的位置和定向移动到(通过测量固定到头部的跟踪器部件的位置和定向获得的)实际位置和定向。
从动态底座坐标系转变包括以渐进且受控的方式将动态底座坐标系从(通过测量固定到头部的跟踪器部件的位置和定向获得的)实际位置和定向移动到编程的(即，理论上的)完美的位置和定向。
对这种布置的最简洁的数学方法是使吊臂TCP、顶端跟踪器中心点和机器人臂的底座的动态坐标系重包含对齐。以这种方式，在吊臂CNC通道中建立的运动学变换使吊臂的TCP与顶端跟踪器中心点重合。机器人臂CNC通道的运动变换使机器人臂的动态底座坐标系与顶端跟踪器重合。
本领域中的技术人员将认识到，吊臂TCP可以在不同于头部底座动态坐标系的且不同于顶端跟踪器中心点的位置处，并且数学变换可以用于计算机器人臂底座动态坐标系的理论上完美的位置。这是比上面对重合吊臂TCP、顶端跟踪器CP和机器人臂底座动态坐标系概述的解决方案更复杂、更不简洁的解决方案。
控制系统使用动态坐标系偏移量或多个动态坐标系偏移量来按照地面坐标系实时地移动机器人臂的底座坐标系。然后，控制系统使用运动学变换来计算所需的关节位置(角关节或线性关节)，以按照地面坐标系而不是按照机器人底座坐标系将末端执行器定位在经编程的位置处。
对于大面积任务，可能必须相对于地面移动车辆。车辆相对于地面的运动可以自动被控制，或者可以在预先计算的指导方针内被手动控制。在任何情况下，机器底座的位置都是由轮子或轨道、链条或铁轨或腿和脚引导的，且可能不是很准确。在这种情况下，使用多级控制系统，第一级近似地定位车辆，第二级将吊臂定位到期望的顶端位置并以缓慢的速率校正由于车辆位置和定向以及吊臂偏转引起的任何误差，并且第三级测量第三级机器人臂底座坐标系的位置和定向，且然后精确地定位并补偿，以相对于地面坐标系稳定和引导末端执行器。测量和控制的级的数量可以扩展到任意多个控制系统、动态坐标系和测量系统。对于稳定性来说，控制的带宽和运动系统的机械响应速度从车辆到末端执行器的增加是重要的。
在一些情况下，必须相对于运动物体而不是地面来使末端执行器稳定。假设相对于运动物体坐标系来测量车辆坐标系和顶端跟踪器坐标系的相对位置(反之亦然)，与车辆相比，运动物体可以被视为类似于地面，除了它不是惯性固定坐标系以外。在这种情况下，优选地，还对惯性固定坐标系(例如地球或INS，尽管是缓慢旋转的坐标系)进行测量，以使运动动态极限能够被观察到。
该控制系统可用于诸如自动化砌砖、精确采矿、机器加工、机器人装配、喷漆和3D打印的任务。它特别适用于对基础设施管道的自动挖沟、铁路和公路施工、自动管道铺设以及对建造长墙(诸如高速公路声墙)。
本发明可应用于用于下列应用的机载或海上设备：诸如疏浚、海堤施工、油田和风力涡轮机维修、船员调动、过驳或空对空转移或加油或直升机电力线维修或直升机集材。
本发明适用于多个运动链和多个动态坐标系。本发明对相对于地面使附接到在移动机器上的吊臂的末端执行器稳定是特别有用的。当机器移动时，机器的加速度将动态力传递给吊臂，且吊臂开始以其固有频率振荡。假设在吊臂的末端处的补偿机器人具有比吊臂运动的振幅更大的振幅以及比吊臂(和车辆)的固有频率快得多的响应，则补偿机器人可以校正由于从车辆行程的反弹而引起的吊臂运动。补偿机器人没有很大的运动范围，因此必须也校正吊臂的姿势，以使补偿机器人保持在它的可用运动范围内。
补偿机器人的启动将动态力传递给吊臂，其又进一步激励吊臂。为了最大限度地减少吊臂的急拉运动，吊臂是刚性的且没有机械游隙和反向间隙是合乎需要的。
(可选的)移动车辆平稳地行驶是合乎需要的，因此它移动于的地面被分级是合乎需要的，并且车辆具有悬架是合乎需要的。理想地，悬架是自动安平的。可选地，车辆可以安装有可控的推土板，使得它在地面上行驶之前使地面变平。可选地，末端执行器可以是推土板或铲斗，并且机器可以在继续前进到它自己的路径之前对它自己的路径进行分级和调平。
为了最小化机器和吊臂的急拉运动，机器的车辆的控制系统被用来小心地控制运动。优选地，当需要稳定的末端执行器操作时，可以设置操作模式。车辆和吊臂运动优选地是跃度、加速度和速度受限的。在电动液压控制系统中，控制电气试验性系统以限制可用的控制输入。在伺服电气系统中，伺服动力学优选地被CNC通道和轴配置限制。优选地，利用全CNC路径规划，而不是设定点或点对点运动控制。全CNC路径规划器计算每个控制周期(通常是每毫秒)的路径点。优选地，它计算路径以优化位置、速度、加速度和跃度。点对点控制简单地将设定点改变到期望的终点，使得大的控制反馈误差值被创建，并且反馈控制回路命令运动关闭误差。
车辆位置和定向的测量可以从6DOF顶端跟踪器的测量被反算(使用吊臂的反向运动链，其当然不考虑吊臂的偏转或振动，除非它例如由加速度计测量，但是通常使顶端跟踪器运动被重度过滤，以使运动的振动分量平稳)。优选地，车辆位置和定向由安装到机器的车辆上的或者安装到车辆附近的机器的一部分(诸如在挖掘机上的驾驶室)上的位置跟踪设备提供。车辆跟踪设备可能具有相对低的数据速率和低准确度(诸如GPS或全站仪目标)，但是最好的性能将使用准确的传感器系统(诸如激光跟踪器和智能跟踪传感器)来实现。
吊臂的运动在明显小于它的固有频率(1％至10％或10％至20％或30％至50％或50％至99％)的带宽处被控制，以便缓慢补偿吊臂运动误差和偏转以及底座运动误差或运动。吊臂的受控运动旨在校正吊臂的顶端的位置，但不一定校正吊臂顶端定向。吊臂控制和响应可具有0.1至1Hz、或1Hz至10Hz或10Hz至30Hz的带宽。末端执行器补偿机器人必须具有高固有频率(相对于吊臂和底座)和快速动态响应。补偿机器人以6个DOF进行补偿和稳定。顶端跟踪器的测量系统必须具有高数据速率，优选地处于与末端执行器控制系统相同的伺服回路控制速率，最小值为250Hz，且优选地为1000Hz或更高(也许为10kHz)。如果数据速率显著更低，则动态坐标系位置和定向(最终导致补偿输入)具有阶跃变化，其当系统对致动器力输入做出响应时可能引起结构振动。如果阶跃变化被过滤以提供平稳变化，则延迟和运动滞后被引入，并且末端执行器位置是不准确的且可能相对于地面振荡。
动态坐标系链和具有补偿吊臂链和机器人补偿末端执行器的机器在需要在大工作体积上的精细定位和运动控制的许多应用中是有用的。
下面给出了一些示例应用：
船舶转移
船对船、或船对石油钻机、船对天然气钻机、船对风力涡轮机、货物、液体或人员的转移是本发明的控制系统的潜在应用。已知使船稳定用于位置保持。也已知用陀螺仪或推进器使船横滚稳定。已知用推进器使船偏航稳定。还已知为工作设备(诸如吊臂)提供升沉、俯仰、横滚和偏航补偿。然而，已知对于在汹涌海面状况中的长吊臂，现有的补偿方法有局限。粗略的吊臂定位和精细的末端执行器定位或者甚至精细定位的额外阶段将在更大的海面状况和更恶劣的天气下实现更安全的转移、挂钩、断开和操作。例如，图9和10示出了安装在FPSO 59(浮式、生产、储存和卸载船)上的吊臂，该吊臂将LNG转移到LNG油轮57。吊臂有精细定位臂，其可以靠近或连接到油轮。跟踪器测量吊臂顶端和精细定位臂的顶端的相对位置。如果精细定位臂与油轮57连接或接合，则控制系统切换到被动模式(即没有主动控制)，使得精细定位臂现在充当悬架系统，以吸收在吊臂顶端和油轮之间的相对运动。
参考图11，如所示，由在供应船63的甲板上的Stewart平台71相对于石油或天然气钻机65或FPSO(浮动生产储存和卸载船)以六个自由度稳定的平台将使用在钻机或FPSO上的现有起重机来实现货物和人员的更安全转移。钻机65上的跟踪器67跟踪在船63上的目标69，而在船上的跟踪器35a跟踪在吊臂15的末端处的目标33。该数据在必要时通过无线电链路被馈送到与钻机上的吊臂的底座定位在一起的控制系统，以如所讨论的那样控制吊臂15和末端执行器27，并且还可以被反馈以帮助控制在船63的甲板上的Stewart平台71。这为操纵大的和昂贵的物品提供特别显著的操作优势。目前，当海面状况达到极限时，转移必须停止。
这对需要或希望在所有天气条件下将东西从一艘船转移到另一艘船或者从一艘船转移到固定目标的石油化学产品、可再生能源和军事操作者(以及其他人)可能有很大的好处。
长建筑物
诸如公路高速公路声墙61的长结构可以由砌砖机建造，然而，使用到专利申请20169的日期为止描述的布置，有必要从一个位置建造，然后周期性地重新定位并从下一个固定位置建造。能够从蠕升机器建造是有利的。这将减少重新定位损失的时间，并将实现具有更短吊臂的更小更紧凑的机器。带有短吊臂的履带式机器将是理想的。如图8所示，提供了多个固定地面基准35以便于此，如图8所示。
长挖沟
基础设施(诸如地下管线和地下线缆)的长沟槽可以用已知的连续挖沟机(诸如其由Ditch Witch或Vermeer制造)挖掘，或者对于更大横截面的沟槽用挖掘机(诸如其由Caterpillar、Volvo、John Deere、Komatsu和其他等等制造)挖掘。对于许多应用(诸如对于污水管道)，沟槽和管道的精确坡度和位置非常重要。对于许多应用，知道精确的位置(诸如在城市中)很重要，以避免损坏现有的基础设施，诸如管道、线缆、地基以及地下列车和公路隧道。当前的系统允许挖掘的一些控制，并向操作者提供挖掘深度或铲斗位置的反馈。在当前系统中，机器的底座(轨道)必须是固定的。
所描述的动态控制系统允许精确挖掘到目前其他方法无法达到的公差。此外，它允许预编程地挖掘，以用于完全自主的操作。此外，它允许从连续移动的机器(诸如沿着所提议的沟槽的路径爬行的履带式挖掘机)精确挖掘。
地面修整
已知使用平地机、推土机、装载机、挖掘平整机或自动刮板机来用推土板或铲斗使泥土或混凝土表面平滑。机器的固有设计将实现比它移动更平坦的表面，因为机器的几何结构提供平滑作用。已知使用自动控制将铲斗或推土板保持于预定的水平、坡度或轮廓可实现更准确和更快的结果。推土板或铲斗围绕横滚轴自动向上或向下移动或倾斜，以保持激光平面水平或坡度，或与由GPS或全站仪测量作为基准的轮廓相匹配。这些已知的控制系统具有低带宽，并且机器实现准确的结果，因为机器的固有设计将实现比它在上面行驶更平坦的表面，即使没有机器引导。
本发明允许更复杂的机器布置(诸如(经修改的)挖掘机)，以装配有多轴控制的推土板或铲斗，以用完全可编程的方式实现非常复杂的土方作业。
采矿
已知对采矿使用自动卡车。
挖掘机和正铲目前由机器操作者操作。这种技术通过按照矿井坐标对底座运动(轨道底座)和挖掘程序预先编程来实现挖掘机和正铲的自主控制。
疏浚
安装在驳船上的挖掘机用于疏浚。疏浚通道深度、宽度、剖面和位置对航运安全极为重要。疏浚是昂贵的，因此将移动的废土的数量降至最低是有利的。疏浚越准确，越少的废土需要被移除。
驳船是浮动的，因此当挖掘机移动时，驳船俯仰、横滚和移动。以6dof实时地测量驳船位置和定向使铲斗位置能够被精确地计算(经由测量挖掘机的姿势的已知传感器)，甚至被控制到达一组预先编程的挖掘位置。
高架工作平台
已知使用各种高架工作平台(EWP)，诸如吊臂升降机或剪式升降机或由诸如JLG、Snorkel和Genie的制造商制造的垂直伸缩升降机。已知很高的吊臂升降机以很大的幅度摇摆，且使工作变得困难、危险或不可能。摇摆是吊臂升降机可工作所在的高度的限制因素。已知在平台向上的情况下驱动吊臂升降机或EWP引起摇摆，并使平台变得不舒适或危险。本发明提供了使平台稳定的工具，使得当平台或EWP移动时，平台相对于地面或期望的轨迹是稳定的。
绳索悬挂式机器人
已知在由处于拉伸的绳索悬挂的平台上支撑机器人，绳索由高架门架或塔支撑(见PAR系统——张拉桁架和Chernobyl起重机以及拆除机器人)。绳索可以支撑高载荷，但结构具有低刚度。横向刚度很低。通过将跟踪部件添加到悬挂的平台以提供机器人臂的底座的6DOF位置，机器人和末端执行器的定位的准确度将大大提高。这将使这样的系统能够完成准确的工作，而不是它目前被采用来完成的相对不准确的拆除工作。
非常准确的应用
这种系统可以包括检流计振镜以与用于激光切割、激光雕刻或3D加性激光熔化制造的高功率激光器一起使用。
应当认识到，本发明的范围不限于本文描述的具体实施例。

Claims (16)

1.一种用于从吊臂底座支撑的吊臂的控制系统，所述吊臂具有通过从机器人底座开始安装的机器人臂，所述机器人臂具有末端执行器，所述吊臂通过与吊臂致动器连接的吊臂控制器能够相对于所述吊臂底座移动，以将所述机器人底座定位到经编程的位置，所述机器人臂通过与机器人臂致动器连接的机器人臂控制器能够移动，以将所述末端执行器定位在经编程的位置和定向处；所述控制系统具有跟踪器系统，以跟踪邻近所述机器人底座根据偏移量定位的第一目标的位置，并且跟踪以与所述末端执行器TCP相距TCP偏移量定位的第二目标的位置和定向；其中，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置，并将数据馈送到所述吊臂控制器，以用慢速动态响应操作所述吊臂致动器，以将所述第一目标动态地定位成接近所述偏移量，以将所述机器人底座定位成接近所述经编程的位置，并且所述跟踪器系统跟踪所述第二目标的位置和定向，并将从所述第二目标得到或从所述第二目标和所述第一目标得到的数据馈送到所述机器人臂控制器以用快速动态响应来操作所述机器人臂致动器，以将所述末端执行器TCP动态地定位和定向到所述经编程的位置和定向。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述第二目标以与所述末端执行器TCP相距所述TCP偏移量来定位，以便随着所述末端执行器的移动和姿势而移动。
3.如权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述机器人底座邻近所述吊臂的远端、远离所述吊臂底座被安装。
4.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述机器人底座和所述第一目标安装在头部上，所述头部安装到所述吊臂的远端。
5.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述头部枢转地安装到所述吊臂的远端。
6.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中所述头部绕水平轴枢转地安装到所述吊臂的远端。
7.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置和定向，并且将数据馈送到所述吊臂控制器，以用慢速动态响应操作所述吊臂致动器，以将所述第一目标定位和定向成接近所述偏移量，以将所述机器人底座定位成接近所述经编程的位置。
8.如权利要求6或7所述的控制系统，其中，所述头部的平衡由与所述吊臂控制器分离的控制器控制，并且所述吊臂控制器操作所述吊臂致动器以沿着三个正交轴定位所述第一目标。
9.如权利要求6或7所述的控制系统，其中，对于所述头部的平衡的控制被集成到所述吊臂控制器中，且所述跟踪器系统跟踪所述第一目标的位置和定向。
10.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述跟踪器系统包括用于所述第一目标和所述第二目标的分离的目标跟踪设备。
11.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述机器人臂控制器能够可控地在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述机器人臂控制器对从所述跟踪器系统获得的定位反馈数据做出响应，而在所述第二状态中，以所述机器人底座(和因此，所述吊臂的远端)为基准的预先校准的定位数据被依赖，并且当在所述第一状态和所述第二状态之间切换时，所述机器人臂控制器控制所述机器人臂的运动，以抑制所述机器人臂的运动，以避免所述机器人臂和所述末端执行器的突然运动。
12.如前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述吊臂底座设置有移动装置，以相对于地面移动所述吊臂底座。
13.如权利要求12所述的控制系统，其中，所述移动装置选自包含或未包含运移作用的轮式运输工具或自驱动的环形履带。
14.如权利要求13所述的控制系统，其中，所述移动装置包含自动安平，以使所述吊臂底座变平。
15.如权利要求12或13所述的控制系统，其中，所述吊臂底座安装在主动悬架系统上，并且所述吊臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标，所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据来控制所述吊臂底座的位置和定向。
16.如权利要求12或13所述的控制系统，其中，所述吊臂底座安装到具有主动悬架系统的物体上，并且所述吊臂底座包含用于所述跟踪器系统的第三目标；所述主动悬架系统具有与悬架致动器连接的悬架控制器，以响应于来自读取所述第三目标的位置和定向的所述跟踪器系统的数据来控制所述吊臂底座相对于所述物体的位置和定向，所述悬架致动器控制所述吊臂底座的位置。
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