CN110944808A - 铰接臂机械手的装置和确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有铰接臂(1)和具有测量臂(2)的铰接臂机械手的装置。铰接臂(1)包括：关节(4.1‑4.6)，每个关节具有关节轴；致动器，每个致动器与关节(4.1‑4.6)中的一个相关联；连接元件(5.1‑5.6)，其以串联铰接臂的方式连接关节(4.1‑4.6)；以及支架(12)，其用于端部执行器，该支架设置在所述铰接臂(1)的端部并设计成保持端部执行器。测量臂(2)包括：测量臂关节(6.1‑6.6)，每个测量臂关节具有测量臂关节轴，其与铰接臂(1)的相关联关节(4.1‑4.6)的关节轴同轴延伸；旋转编码器，每个旋转编码器与测量臂关节(6.1‑6.6)中的一个相关联；以及测量臂连接元件(7.1‑7.6)，其以串联测量臂的方式连接测量臂关节(6.1‑6.6)。铰接臂(1)和测量臂(2)形成并联运动学机构，其中，铰接臂(1)的端部(11)连接至测量臂(2)的端部，并且铰接臂的对端连接至测量臂的对端。还提供了控制设备(8)，其设计成控制关节(4.1‑4.6)的致动器，以便移动铰接臂(1)；以及测量设备(9)，其设计成在测量臂关节(6.1‑6.6)的旋转编码器的测量信号的基础上，确定测量臂(2)的端部的位置和/或方向，从而确定铰接臂的具有端部执行器的支架的端部的位置和/或方向。本发明还涉及一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架(12)的位置的方法。

Description

铰接臂机械手的装置和确定铰接臂机械手的端部执行器的支 架的位置的方法

本发明涉及一种铰接臂机械手和一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法。

背景技术

铰接臂机械手(articulated arm robots)也被称为关节臂机械手(joint armrobots)，其为三维可移动工业机械手，其运动学机构由以铰接的方式彼此连接的多个臂连接件构成，以便引导端部执行器、例如夹具或工具。铰接臂机械手允许高的机动性。垂直铰接臂机械手是基于串联运动学机构，其中每个臂连接件(连接元件)仅连接至一个另外臂连接件。并联运动的铰接臂机械手包括运动学机构，该运动学机构包括平行设置的多个轴，该多个轴以铰接的方式连接至夹具平台。

工业铰接臂机械手通常由带有致动器、通常为伺服电动机的关节和连接该关节的臂连接件组成。关节的数量表示为可能的自由度(degrees of freedom,DOF)或轴的数量。通常铰接臂机械手具有六个或五个轴。由于它们的串联设置，因此能够灵活使用铰接臂机械手。然而，与并联运动学机构相比，它们必须由非常刚性的方式构造。此外，第一致动器必须支撑所有后面的致动器，第二个致动器必须支撑其后的致动器，以此类推。这意味着结构具有很大的质量以便获得足够的刚度。端部执行器的位置精度和方向精度通过致动器的位置传感器来确定。这意味着通过致动器的控制不能考虑臂连接件和关节的变形。特别是热负荷和机械负荷对位置精度具有相当大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于铰接臂机械手的装置和一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法，这使得用于端部执行器的支架的位置和端部执行器的位置能够得到改进。

作为解决方案，根据独立权利要求1和9提供了一种用于铰接臂机械手的装置和一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置和方向的方法。替代设计是从属权利要求的主题。

根据一个方面，提供了用于铰接臂机械手的装置。该装置包括铰接臂。铰接臂机械手形成有关节，每个关节包括关节轴；致动器，每个致动器分配给关节中的一个；连接元件，其以串联铰接臂的方式连接关节；以及用于端部执行器的支架，其设置在铰接臂的一端并设置为保持端部执行器。此外，装置还包括测量臂。测量臂形成有测量臂关节，每个测量臂关节包括测量臂关节轴，其与铰接臂的相关联关节的关节轴同轴延伸；旋转编码器，其每个与所述测量臂关节中的一个相关联；以及测量臂连接元件，其以串联测量臂的方式连接测量臂关节。铰接臂和测量臂形成并联臂结构，在该并联臂结构中，测量臂的一端连接至铰接臂的端部，且测量臂的对端连接至铰接臂的对端。该装置包括控制设备，其配置为控制关节的致动器以移动铰接臂。此外，该装置包括测量设备，其配置为考虑测量臂关节的旋转编码器的测量信号，来确定测量臂的端部的位置和/或方向，并从而确定铰接臂的具有端部执行器的支架的端部的位置和/或方向。

根据另一方面，提供一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法。铰接臂机械手包括铰接臂。铰接臂形成有关节，每个关节包括轴；致动器，其每个与关节中的一个相关联；连接元件，其以串联铰接臂的方式连接关节；以及用于端部执行器的支架，其设置在铰接臂的一端并设置为保持端部执行器。铰接臂机械手包括测量臂。测量臂形成有测量臂关节，每个测量臂关节包括测量臂关节轴，其与铰接臂的相关联关节的关节轴同轴延伸；旋转编码器，其每个与测量关节中的一个相关联；以及测量臂连接元件，其将以串联测量臂的方式连接测量臂关节。所述方法包括以下步骤：形成用于铰接臂和测量臂的并联运动学机构，其中，铰接臂的一端连接至测量臂的端部，且铰接臂的对端连接至测量臂的对端；通过使用控制设备控制关节的致动器来移动铰接臂，其中，测量臂同时平行移动；通过测量设备记录用于测量臂关节的旋转编码器的测量信号；以及考虑通过测量设备的测量信号，确定测量臂的端部的位置和/或方向，并因此确定铰接臂的具有端部执行器的支架的端部的位置和/或方向。

提供了铰接臂和测量的并联装置。如果铰接臂通过控制关节的致动器来移动，则测量臂被迫执行相同移动。测量臂的端部的位置和/或方向可以通过由测量臂关节中的旋转编码器接收的测量信号来确定。然后这可以用于确定铰接臂的具有端部执行器的支架的端部的位置和/或方向。如果端部执行器安装在铰接臂的端部处的支架中，则可以确定端部执行器的位置和/或方向。

利用所提出的技术，铰接臂可以针对其构造进行设计和优化，而不必考虑用于位置和/或方向确定的测量系统。位置和/或方向确定借助于测量臂和相关的测量设备来实现，该测量设备评估测量臂关节中的编码器的测量信号。因此，没有限制或障碍，这是因为必须考虑用于在铰接臂处位置确定的测量系统。

如果确定了位置和方向，则这也称为姿态(pose)确定。

该装置可以用于构造垂直铰接臂机械手。可选地，具有带有铰接臂和测量臂的并联臂结构的装置也可以用于非垂直铰接臂机械手，例如安装至直立的立壁的铰接臂机械手。

关节的致动器可以各自形成为没有旋转编码器。由于用于位置确定的测量信号通过测量臂关节中的旋转编码器发出，因此铰接臂的关节中不需要旋转编码器。因此铰接臂的关节可以以简化的方式设计。尤其是可以实现重量的减少。并且，在技术方面，关节可以不太复杂的构造。

可选地，关节的致动器可以各自包括旋转编码器。例如，致动器可以设计有伺服电动机。铰接臂的关节中的编码器提供额外的测量信号，从而允许可选择性地优化位置确定。铰接臂的关节中的旋转编码器可以耦合至测量设备，使得该测量设备接收关节的旋转编码器的测量信号。在一个实施方式中，考虑到铰接臂的刚度，可以提供在铰接臂的关节中评估旋转编码器的测量信号，以便分别确定发生在致动器上的负荷和/或发生在支架/端部执行器上的负荷。例如，铰接臂的刚度可以通过关节中的扭转刚度来理想化。随后可以使用适当的原理、例如虚拟力原理(principle of virtual forces)来确定端部执行器上的变形行为。随后关节中的变形角作为输入值。变形角为测量臂关节的旋转编码器角度和铰接臂的相关联关节的旋转编码器角度之间的角度差。

不在测量臂的端部处的所有测量臂连接件可以形成为不与不在铰接臂的端部处的连接元件连接。虽然测量臂的端部处的测量臂连接件以及铰接臂的端部的连接元件(臂连接件)彼此相互连接，但是不在端部处，在测量臂连接件和连接元件之间不存在这样的连接。

不在测量臂的端部处的测量臂连接件和连接元件、以及不在铰接臂端部处的连接元件中的一个或多个可以与连接设备相关联，该连接设备配置为形成用于非端侧测量臂连接件和连接元件的可释放的成对连接。借助于连接设备，当用于铰接臂机械手的装置在运行中时，测量臂的测量臂连接件和铰接臂的连接元件可以暂时彼此连接，该测量臂连接件和铰接臂的连接元件彼此相关联且以分别串联的方式不设置在端部处。这意味着可释放的连接可以存在于一个移动区段中，而在随后的移动区段中，该连接再次被释放。用这种方式，即使在铰接臂的关节的奇异位置(singular position)中，也可以确保测量臂跟随铰接臂的移动，即使由于这样的奇异位置，也存在一定的并非如此的可能性。借助于连接设备，克服了不跟随移动的这种可能性。确保在关节的每个位置中，测量臂跟随铰接臂的移动。连接设备例如可以设置为将可释放的连接实现为夹持连接。

可释放的连接通过相关联的控制信号和/或手动地激活或失效，使得连接由于激活或失效而形成或释放。在手动激活的情况下，手动地建立可释放的连接，以便随后再次将其释放，例如然后，当对于用于铰接臂机械手的装置的后续移动时，对于该移动，测量臂不可能跟随铰接臂的移动。用于激活和失效的相关的控制信号例如可以根据一个或多个测量臂连接件的角度位置而生成。可以利用一个或多个测量臂连接件的相应角度位置，以便激活或失效、例如关闭或打开该可释放的连接。可选地、或附加地，用于铰接臂的关节的关节位置的测量信号可以用于确定触发可释放连接的激活的位置。

铰接臂的连接元件可以包括元件壳体，且测量臂可以至少部分地设置在一个或多个元件壳体中。在该实施方式，测量臂的测量臂连接元件设置在元件壳体中。

铰接臂和测量臂可以各自包括至少五个旋转轴，该旋转轴由关节和测量臂关节提供。在一个实施方式中，铰接臂和测量臂具有六个或更多个带有相关联的旋转轴的关节。

测量臂连接元件可以为由纤维增强材料构成的杆。例如可以使用碳纤维增强材料。

先前讨论的替代设计可以以适当的方式结合用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法来提供。

利用该方法，铰接臂的具有端部执行器的支架的端部的确定位置可以与设定位置相比较。如果确定位置偏离设定位置，则可以额外地移动铰接臂。以这种方式，可以从为测量臂的确定位置开始，重新调节铰接臂的具有端部执行器的支架的端部。可以使用控制机构，以便将铰接臂的具有端部执行器的支架的端部带入设定或目标位置。可以为设定位置和目前确定的位置之间的偏差定义容许偏差。

利用该方法，如果确定了铰接臂和/或测量臂的奇异臂位置，该奇异臂位置通过一个或多个的、关节/测量臂关节的预定位置来确定，则可以规定，对一个或多个的、不在测量臂端部的测量臂连接件和不在铰接臂端部的连接元件激活连接设备，其中，当连接设备激活时，一个或多个可释放的连接成对形成在非端侧测量臂连接件和非端侧连接元件之间。在包括多个移动区段或移动元件的铰接臂机械手移动期间，对单个或几个运动区段，可以激活可释放的连接，而其他移动区段中的连接被释放。可以根据测量臂关节和/或铰接臂关节的当前测量关节位置来执行释放或连接。

利用该方法，例如用于所谓的教学目的，端部执行器在操作期间可以手动移动或引导。手动移动的测量值可以通过多轴负荷传感器来测量，例如通过六轴负荷传感器。由此得到的测量值或参数可以与相关的测量值相比较，该测量值可以通过测量臂记录。在多轴负荷传感器和测量臂的比较测量值的不容许偏差(inadmissible deviation)的情况下，可发出警告信号或紧急信号，这可能最终导致阻碍铰接臂机械手的进一步操作。如果比较测量值彼此偏离超过预定限度，则出现不容许偏差。

示例性实施方式的描述

现将参照附图讨论进一步的示例性实施方式。

附图示出了用于铰接臂机械手的装置的示意图，该铰接臂机械手具有铰接臂1和与其平行配置的测量臂2。铰接臂1和测量臂2以以下方式形成并联运动学机构(并联臂结构)，测量臂2被迫跟随由铰接臂1执行的臂移动。

铰接臂安装在平台3上，且铰接臂包括关节4.1、...、4.6，它们通过连接元件5.1、...、5.6彼此连接。附图示出了简化图。与此不同的是，一个或多个连接元件5.1、...、5.6可以以不同角度指向绘图平面中，例如这对于铰接臂机械手是已知的。

测量臂2包括测量臂关节6.1、...、6.6以及以串联方式连接测量臂关节的测量臂连接元件7.1、...、7.6。测量臂关节6.1、...、6.6的旋转轴与关节4.1、...、4.6的旋转轴同轴设置。端侧连接元件5.1和5.6以及端侧测量臂连接元件7.1和7.6彼此成对相互稳固连接。

如果借助于控制设备8控制铰接臂1的关节4.1、...、4.6中的致动器以移动铰接臂1，则测量臂2也被迫执行该移动。

每个测量臂关节6.1、...、6.6包括旋转编码器，该旋转编码器耦合至测量设备9。测量设备9可以通过测量臂关节6.1、...、6.6的旋转编码器的测量信号来确定测量臂2的一端10的位置和/或方向。这可以用于确定铰接臂1的一端11的位置和/或方向，在该铰接臂1上设置有用于端部执行器(未示出)、例如夹具或工具的支架12。因此，借助于测量臂，位置确定使得可以确定用于端部执行器的支架12的位置和/或方向，即最终确定安装在支架12上的诸如夹具的端部执行器的位置和/或方向。

提供连接件13、14以用于端侧连接元件5.1、5.6和端侧测量臂连接元件7.1、7.6的成对连接，例如以固定机械连接的形式，该固定机械连接可以为有选择地可释放的。

测量臂连接元件7.1、...、7.6例如可以实现为例如由纤维增强材料制造的杆。

关节的致动器可以借助于伺服电动机形成，使用该伺服电动机可以控制驱动装置。伺服电动机的名称尤其是指电动机，其允许控制其电机轴的角度位置以及可选地控制转速和/或加速度。致动器包括电动机或由电动机构成，该电动机额外配备有用于位置确定的传感器。由传感器确定的电机轴的旋转位置能够被连续传输到实际电机外侧的控制电子设备、所谓的伺服控制器，该控制电子设备能够基于一个或多个可调节设定(所需)值、例如轴的设定角位置或设定速度来控制控制电路中电机的运动。

为了避免连接元件5.1、...、5.6和致动器的变形对铰接臂1的位置精度的影响，提出了将端部执行器的位置和方向的测量与铰接臂1的致动器分离。为此，具有测量臂2的测量系统优选在平行于铰接臂1的测量臂关节6.1、...、6.6中设置有高分辨率旋转编码器。设想分别在铰接臂1和测量臂2的链(chain)中的第一个连接元件和最后一个连接元件物理接触。

可选地，可以仅将部分致动器/关节链集成在铰接臂1的上述驱动链中。测量臂关节6.1、...、6.6的轴与致动器关节4.1、...、4.6的轴相一致(两个旋转轴为同轴)。在这种情况下，不需要关节4.1、...、4.6的伺服电动机的旋转编码器。端部执行器位置的控制借助于测量臂关节6.1、...、6.6中角旋转编码器来执行。

考虑到单个关节的奇异位置的特殊情况，在没有采取特殊的防范措施的情况下可能发生相应的测量臂不跟随致动器链的情况。为此，提供了夹持机构，该夹持机构仅在这些位置上具有相应关节与致动器关节的固定连接。该夹持机构的激活可以以机械的方式或通过外部激活。

在制造精度和变形精度方面，带有测量臂2的测量系统的旋转轴可以与机械手的相应轴同轴。

通常，该系统应用于六轴铰接臂机械手。在这种情况下，测量系统连接至固定连接件(框架)和端部执行器。由于总共执行了测量系统的六轴运动，因此该测量系统必须沿所有六轴附接至端部执行器(固定夹持)。五轴机械手也是可行的。在这种情况下，为了避免测量系统中的任何约束，仅需要将五个轴固定附接至端部执行器；在通常是第六轴的位置处的旋转轴必须为自由旋转的。带有测量臂2的测量系统于是也仅包括五个角旋转编码器。

可选地，测量系统的所有六个自由度可以保持在端部执行器上，并且在测量系统的开始时仅可以保持五个轴。在这种情况下第一轴(垂直旋转轴)的自由度应当保持自由。

可以设置为仅对有限数量的旋转轴使用带有测量臂2的测量系统。例如，测量系统可以设置在轴1和轴2之间(测量臂关节6.1、6.2中)的测量臂连接件7.1处以及测量臂连接件7.5处。在这种情况下，测量系统将具有四个旋转编码器，并且测量臂2的端部将必须释放两个自由度(4+2＝6)，以便保持明确的方向并防止在带有测量臂2的测量系统中产生任何约束。

另外，例如在失重空间使用的具有超过六个轴的机械手可以配备有这样的测量系统。带有测量臂2的测量系统于是具有不超过六个自由度。在这种情况下，该测量系统将仅包括六个轴。可选地，带有测量臂2的测量系统可具有超过六个旋转编码器，超过六个的旋转编码器可以由铰接臂以一个自由度引导。

位置精度不受铰接臂1的驱动链刚度的影响。可以减小刚度并因此减小驱动链的质量。由于铰接臂1的质量越小，受伤的危险越小。所以，带有铰接臂1和测量臂2的机械手更适合作为与人类协作的机械手。由于质量越小，致动器也可以是较弱的设计，因此这导致了价格的降低。

由于具有铰接臂1，致动器的位置不需要通过致动器的旋转编码器来确定，因此可以放弃伺服致动器、例如伺服电动机。可以使用不带有角度变送器(angle transmitters)的普通的驱动器。

由于较高的位置精度，装配有这样的铰接臂1和测量臂2的机械手还适合作为机械工具，例如研磨机械工具。

然而，如果角度变送器仍然集成在铰接臂1的致动器中，那么存在于单个致动器上的负荷以及存在于端部执行器上的负荷可以通过机器的设定位置/真实位置和刚度的差异来计算。利用协作机械手，可确定过高的负荷，并且可以对此做出反应而关闭机器。因此能够减小伤害的危险。

诸如切削负荷的工作负荷可以在制造中用于优化工具使用。

如果为了所谓的教学目的手动地移动端部执行器，则可以通过多轴负荷传感器、例如六轴负荷传感器来测量手动运动的值。由此得到的测量值或参数可以与测量值相比较，该测量值可以通过测量臂记录。在多轴负荷传感器和测量臂的比较测量值的不容许偏差(inadmissible deviation)的情况下，可发出警告或紧急信号，这可能最终导致阻碍铰接臂机械手的任何进一步操作。

这可以通过在线编程(可选地对多轴负荷传感器)的开发来实现。

以上说明书、权利要求以及附图中公开的特征对于不同实施方式的实现来说，无论是单独的还是以任何组合的都可以为重要的。

Claims (12)

1.一种用于铰接臂机械手的装置，其具有

-铰接臂，其具有

-关节，每个所述关节包括关节轴；

-致动器，每个所述致动器与所述关节中的一个相关联；

-连接元件，其以串联铰接臂的方式连接所述关节；以及

-支架，其用于端部执行器，所述支架设置在所述铰接臂的一端、并设计成保持所述端部执行器；

-测量臂，其具有

-测量臂关节，每个所述测量臂关节包括测量臂关节轴，所述测量臂关节轴与所述铰接臂的相关联关节的所述关节轴同轴延伸；

-旋转编码器，每个所述旋转编码器与所述测量臂关节中的一个相关联；以及

-测量臂连接元件，其以串联测量臂的方式连接所述测量臂关节；

其中，所述铰接臂和所述测量臂形成并联运动学机构，其中，所述铰接臂的所述一端连接至所述测量臂的端部，且所述铰接臂的对端连接至所述测量臂的对端；

-控制设备，其设计为控制所述关节的所述致动器，以用于移动所述铰接臂；以及

-测量设备，考虑所述测量臂关节的所述旋转编码器的测量信号，所述测量设备设计成确定所述测量臂的所述端部的位置和/或方向，并因此确定所述铰接臂的具有所述端部执行器的所述支架的端部的位置和/或方向。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述关节的所述致动器各自形成为没有旋转编码器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述关节的所述致动器各自包括旋转编码器。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，不在所述测量臂的所述端部处的所有测量臂连接件形成为不与不在所述铰接臂的端部处的连接元件连接。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述测量臂的非端侧测量臂连接件和所述铰接臂的非端侧连接元件中的一个或多个具有与其相关联的连接设备，所述连接设备配置为形成用于所述非端侧测量臂连接件和用于所述非端侧连接元件的可释放的成对连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可释放的连接能够通过相关的控制信号和/或手动地来激活或失效，使得所述连接由于所述激活/失效而形成或释放。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述铰接臂的所述连接元件包括元件壳体，并且所述测量臂至少部分地设置在一个或多个所述元件壳体中。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述铰接臂和所述测量臂各自包括至少五个旋转轴，所述旋转轴通过所述关节和所述测量臂关节提供。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述测量臂连接元件为由纤维增强材料制成的杆的形式。

10.一种用于确定铰接臂机械手的端部执行器的支架的位置的方法，所述铰接臂机械手具有

-铰接臂，其具有

-关节，每个所述关节包括关节轴；

-致动器，每个所述致动器与所述关节中的一个相关联；

-连接元件，其以串联铰接臂的方式连接所述关节；以及

-支架，其用于端部执行器，所述支架设置在所述铰接臂的一端、并配置成保持所述端部执行器；以及

-测量臂，其具有

-测量臂关节，每个所述测量臂关节包括测量臂关节轴，所述测量臂关节轴与所述铰接臂的相关联关节的所述关节轴同轴延伸；

-旋转编码器，每个所述旋转编码器与所述测量臂关节中的一个相关联；以及

-测量臂连接元件，其以串联测量臂的方式连接所述测量臂关节；

其中，所述方法包括以下步骤：

-形成用于铰接臂和测量臂的并联运动学机构，其中，所述铰接臂的所述一端连接至所述测量臂的端部，且所述铰接臂的对端连接至所述测量臂的对端；

-借助于控制设备通过控制所述关节的所述致动器来移动所述铰接臂，其中，所述测量臂同时与所述铰接臂平行移动；以及

-借助于测量设备记录用于所述测量臂关节的所述旋转编码器的测量信号；以及

-考虑通过所述测量设备的所述测量信号，确定所述测量臂的所述端部的位置和/或方向，并因此确定所述铰接臂的具有所述端部执行器的所述支架的端部的位置和/或方向。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述铰接臂的具有所述端部执行器的所述支架的端部的确定位置与设定位置对比，如果所述确定位置偏离所述设定位置，则所述铰接臂会额外地移动。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，如果确定了所述铰接臂和/或测量臂的奇异臂位置，所述奇异臂位置通过一个或多个的、所述关节/所述测量臂关节的预定位置来确定，则对所述一个或多个的、测量臂的非端侧测量臂连接件和所述铰接臂的非端侧连接元件激活连接设备，其中，在所述连接设备激活期间，一个或多个可释放的连接成对形成在所述非端侧测量臂连接件和所述非端侧连接元件之间。

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