CN111448037A - 多轴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动有效载荷的方法，包括：接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的命令，使用机器人臂沿着所述第一定位和所述第二定位之间的路径的第一部分移动所述有效载荷，所述第一部分包括所述第一定位，使用机器人臂沿着所述路径的第二部分移动所述有效载荷，所述第二部分包括所述第二定位，其中，在沿着所述路径的所述第一部分的所述移动期间，机器人臂的至少一个致动器被驱动以施加预先确定的力来加速所述有效载荷，并且所述致动器的位置由位置检测器确定以生成第一位置数据，并且其中，在沿着所述路径的所述第二部分的所述移动期间，机器人臂的所述至少一个致动器被驱动以遵循预先确定的位置序列。

Description

多轴机器人

技术领域

本发明涉及多轴机器人、用于操作机器人的方法以及用于执行该方法的机器人系统。

背景技术

选择顺应性组装机器人臂(SCARA)型机器人用于各种任务。然而，现有的SCARA机器人需要很大的工作空间体积以便操作。

具体地讲，SCARA机器人通常用于“拾取和放置”操作，其中该机器人可携带很大的有效载荷。在此类操作中，机器人通常表现出高度的抖动，这可导致振动，该振动对机器人造成损坏并且可能对有效载荷有害。该问题并非对于SCARA机器人独有，因为其他机器人诸如Delta机器人也遭受感应振动影响。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种移动有效载荷的方法，该方法包括以下步骤中的一个或多个：接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的命令，使用机器人臂沿着第一定位和第二定位之间的路径的第一部分移动有效载荷，该第一部分包括该第一定位，使用该机器人臂沿着该路径的第二部分移动该有效载荷，该第二部分包括该第二定位，其中，在沿着该路径的第一部分的移动期间，该机器人臂的至少一个致动器被驱动以施加预先确定的力来加速有效载荷，并且该致动器的位置由至少一个位置检测器确定以生成第一位置数据，并且其中，在沿着该路径的第二部分的移动期间，该机器人臂的至少一个致动器被驱动以遵循预先确定的位置序列，或者施加可变力以使有效载荷减速，该预先确定的位置序列和/或变化的力是至少部分地基于预先确定的力和第一位置数据来确定的。

利用此类方法，可以减少机器人臂内的振动，特别是在移动开始和结束时的振动，使得机器人臂中的内应力减小，因此可以增加运动的总体速度，并且可以减小对机器人臂造成损坏的可能性。

该方法还可包括在第一定位处利用机器人臂拾取有效载荷，并且在第二定位处利用机器人臂设置有效载荷。这将意味着该方法执行完整的“拾取和放置”过程。

该有效载荷可在第一定位处移动之前保持静止，并且可在第二定位处移动之后保持静止。这可允许分别在第一定位处和第二定位处更精确地拾取和设置有效载荷。另选地，其可允许在第一定位和/或第二定位处使用有效载荷。

可变力可以在与机器人臂的移动方向相反的方向上。这可允许有效载荷以更大的速率和/或更均匀地减速。

路径的第一部分和/或第二部分可在路径的至少20％上延伸。利用此类布置方式，有效载荷可在移动的高部分内加速并且在移动的高部分内减速，使得可减少移动时间并且减速可更平缓，从而进一步减少结构内的振动。

预先确定的力可为能够由致动器生成的最大力的至少80％。这可允许进一步减少移动所需的时间。

该方法还可包括：在路径的第二部分期间确定致动器的位置以产生第二位置数据，沿路径重复有效载荷或另外的类似的有效载荷的移动，以及至少部分地基于第二位置数据确定预先确定的力。

这可允许机器人多次执行该方法，并且允许机器人通过使用学习算法内的先前数据来改善移动速度和振动减少。

第二位置数据也可用于确定变化的力。

有效载荷可在沿路径的第一部分移动期间落后机器人臂，并且有效载荷可在沿路径的第二部分移动期间领先机器人臂。利用此类布置方式，可进一步减少机器人臂内的振动。

关于端部执行器的位置具有更高精度的控制方案，即位置控制模式，可在移动序列开始时暂时使用，例如以在拾取和放置操作开始时控制初始路径。然后可在力或扭矩模式下控制路径的后一部分，其中沿路径的位置不太关键。因此，即使端部执行器最初以位置控制模式短暂移动，致动器仍可生成预先确定的力以使端部执行器基本上在第一定位处或从第一定位移动。

根据本发明的第二方面，提供了一种机器人系统，该机器人系统包括以下特征中的一个或多个：端部执行器，该端部执行器被布置成携带有效载荷；第一致动器，该第一致动器被布置成产生使端部执行器移动的力；控制系统，该控制系统被布置成控制第一致动器，和第一位置检测器，该第一位置检测器被布置成确定第一致动器的位置并将第一位置数据输出到控制系统，其中控制系统被布置成：接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的命令，驱动第一致动器使用机器人臂沿着第一定位和第二定位之间的路径的第一部分移动有效载荷，路径的第一部分包括第一定位置，驱动第一致动器以使用机器人臂沿着路径的第二部分移动有效载荷，路径的第二部分包括第二定位，机器人系统被进一步布置成使得在沿着路径的第一部分的移动期间，控制系统使得第一致动器施加预先确定的力以加速有效载荷，并且第一位置检测器确定第一致动器的位置并将第一位置数据输出到控制系统，并且，在沿路径的第二部分的移动期间，第一致动器遵循预先确定的位置序列，或者施加变化的力以使有效载荷减速，该预先确定的位置序列和/或该变化的力是至少部分地基于预先确定的力和第一位置数据来确定的。

利用此类布置方式，提供了机器人臂，该机器人臂可具有较短的移动有效载荷的时间，并且在移动有效载荷时可具有减少的内部振动。

机器人臂还可包括：第二致动器，该第二致动器被布置成产生使端部执行器移动的力；和第二位置检测器，该第二位置检测器被布置成确定第二致动器的位置并将第二位置数据输出到控制系统，其中第一致动器和第二致动器在沿着路径的第一部分移动期间用预先确定的力驱动，并且在沿着路径的第二部分移动期间用不同的力驱动。

在沿路径的第一部分移动期间，可用具有相同量值和方向的力驱动第一致动器和第二致动器。

利用此类布置方式，第二致动器可改善移动速度，而第一致动器和第二致动器的不同驱动力可避免系统中不必要地产生的内应力。

第一致动器和第二致动器可彼此弹性联接。利用此类布置方式，弹性联接可允许节省由第一致动器和第二致动器的分离所产生的能量，使得机器人臂的总效率增加。

第二致动器可在垂直于路径的方向上从第一致动器偏移，第二致动器比第一致动器更靠近有效载荷的质心，第二致动器的Z位置可在第一移动部分期间落后第一致动器的位置，并且第二致动器的位置可在第二移动部分期间领先第一致动器的位置。利用此类布置方式，两个致动器可被布置成协调以改善有效载荷的移动速度，而不会不必要地产生内应力。

第一致动器和第二致动器可为同轴旋转致动器，其被布置成围绕共用旋转轴线产生扭矩，并且第一致动器和第二致动器可沿共用旋转轴线间隔开。

共用旋转轴线可为竖直的。

位置检测器可具有布置在致动器内的编码器的形式，或者可形成为具有计算积分器的加速度计或急动度计。位置检测器可应用于端部执行器或应用于联接致动器和端部执行器的机构，因此可直接或间接地确定相关致动器的位置。光学布置诸如成像系统也可用作位置检测器。

第一方面和第二方面可应用于SCARA机器人、Delta机器人或其他机器人。

根据本发明的第三方面，提供了一种机器人，该机器人包括以下特征中的一个或多个：端部执行器；两个同轴的第一致动器，该两个同轴的第一致动器具有竖直的第一轴线，被布置成使端部执行器水平地移动，和两个同轴的第二致动器，该第二致动器具有水平轴，该水平轴被布置成使端部执行器竖直地移动，其中机器人被布置成独立地致动致动器中的每个致动器以改变端部执行器的位置和方向。

利用此类布置方式，提供了一种机器人，该机器人可具有减小的体积，同时提供四个自由度。

第二致动器可设置在竖直轴线的任一侧。

第一致动器可以是共面的。这可进一步减小机器人所需的体积。

机器人还可包括两个同轴的第三致动器，该第三致动器与第一致动器共面且同轴，第三致动器可位于从第一致动器的平面偏移的平面中。这可允许机器人以六个自由度移动端部执行器。

每个致动器可经由具有铰接连接的两个刚性部分的臂联接到端部执行器。这可允许机器人具有更紧凑的布置方式。

机器人还可包括与第一致动器和第三致动器同轴的第四致动器，该第四致动器被布置成使第二致动器围绕竖直轴线旋转。利用此类布置方式，机器人能够以更大的速度水平移动有效载荷。

机器人能够围绕其基部旋转360°，以及在三维上平移端部执行器，以及在俯仰、翻滚和偏航上旋转端部执行器。

本发明的第一方面的各种特征或特性可应用于本发明的第二方面，并且本发明的第二方面的方法可通过本发明的第一方面的机器人系统来执行。

本发明第三方面的机器人系统还可包括本发明第二方面的机器人系统。

本发明的第四方面提供了一种在计算机处理器中执行的控制机器人移动有效载荷的方法，该方法包括以下步骤中的任一个或所有步骤：接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的第一命令；响应于第一命令，输出第一信号，该第一信号被配置为使得第一致动器施加预先确定的力以加速有效载荷，从而使有效载荷沿着第一定位和第二定位之间的路径的第一部分移动，路径的第一部分包括第一定位，接收第一位置数据，该第一位置数据包含关于在沿路径的第一部分移动期间第一致动器的位置的信息，至少部分地基于第一位置数据确定使有效载荷减速的预先确定的位置序列或变化的力，输出第二信号，该第二信号被配置为使第一致动器遵循预先确定的位置序列，或施加变化的力，以沿着路径的第二部分移动有效载荷，路径的第二部分包括第二定位。

第四方面的方法可用于第二方面或第三方面的机器人系统，并且可执行根据第一方面详细描述的另外的方法或方法步骤中的任一者。

本发明的第五方面提供了一种设备，包括：

至少一个处理器；和

至少一个存储器，该至少一个存储器包括计算机程序代码；

该至少一个存储器和该计算机程序代码，被配置为利用至少一个处理器使得设备执行本文所述的方法中的任一方法。

该设备还可包括至少一个输出端口；以及优选地至少一个输入端口。第一位置数据优选地在输入端口处接收。第一信号和/或第二信号优选地从至少一个输出端口输出。

本发明的第六方面提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行本文所述的任何方法的每个步骤的代码。

本发明的第七方面提供了一种非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质包括指令，该指令在由处理器执行时使得处理器执行本文所述的任何方法。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了根据本发明的实施方案的机器人；

图2示出了根据本发明的另一个实施方案的机器人；

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e示出了根据本发明的有效载荷的移动的部分的示意图；

图4示出了用于根据本发明的机器人的控制系统的示意图；以及

图5示出了根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方案的机器人。

机器人10具有能够围绕竖直轴线Y旋转的两个第一致动器12、14。机器人具有能够围绕水平轴线X旋转的两个第二致动器20、22。机器人10还具有能够围绕竖直轴线Y旋转的两个第三致动器16、18。两个第三致动器可在沿竖直轴线Y的方向上从第一致动器12、14偏移。致动器12、14、16、18中的每一个经由延伸穿过机器人10的中心的中心锚定柱(未示出)固定到基部1。第二致动器20、22各自锚固到在第二致动器20、22之间延伸的竖直支撑件。

机器人还包括第七致动器24，该第七致动器经由延伸穿过机器人10的中心锚固部分锚固到基部1，第七致动器24被布置成围绕竖直轴线Y使第二致动器20、22旋转。这可减小第一致动器和第三致动器12、14、16、18上的负载，并且还可在机器人10移动有效载荷时增加机器人10的旋转速度。

机器人10具有端部执行器50。虽然在图1中仅示出了具有螺孔的端部执行器50，但技术人员应当理解，端部执行器50可以布置有用于携带有效载荷的爪或手，或者可以具有与其相关的任何其他工具。

致动器经由臂和杆联接到端部执行器50。每个第一致动器12、14联接到第一臂32、34；每个第二致动器20、22联接到第二臂40、42；并且每个第三致动器16、18联接到第三臂36、38。臂直接刚性地联接到致动器，使得它们与其相应的致动器一起围绕轴线X、Y旋转。

每个臂经由杆48和球形接头56联接到端部执行器50，从而形成一系列四杆连杆。具体地讲，第一致动器12、14与端部执行器50形成平面四杆连杆的一部分，并且第三致动器16、18与端部执行器50形成平面四杆连杆的一部分。

杆48各自经由万向接头52联接到端部执行器50。

虽然球形接头46和万向接头52被示出为分别联接臂和杆以及臂和端部执行器，但技术人员应当理解，可使用另选的接合装置，诸如铰链接头。

如在图1中可见，第一致动器12、14和第一臂32、34为基本上共面的。其作用在于，它们的相对移动基本上不引起端部执行器50围绕水平轴线的旋转。第三致动器16、18和第三臂36、38也为基本上共面的，并且沿竖直轴线Y与第一致动器12、14和第一臂32、34间隔开。通过将第一致动器12、14和第三致动器16、18间隔开，第一致动器12、14和第三致动器16、18之间的相对移动可使端部执行器50移动，使得其围绕水平轴线X'旋转。

第二致动器20、22沿着水平轴线X间隔开，使得将臂40、42联接到端部执行器50的杆水平间隔开。其作用在于，第二致动器20、22之间的相对移动可导致端部执行器50围绕延伸穿过端部执行器50的竖直轴线Y'旋转。

因此，总的来说，机器人10可在六个自由度上移动端部执行器50。

图2示出了基本上类似于图1的机器人布置方式，具有三个弹性构件60、62、64。第一弹性构件60联接在第一致动器36和第三致动器32之间；第二弹性构件62联接在第一致动器34和第三致动器38之间，并且第三弹性构件64联接在第二致动器40、42之间。通过经由弹性构件联接致动器臂，某些致动器对之间的相对移动可产生弹性势能，该弹性势能可在致动器朝向它们彼此对齐的位置移动时恢复，以便彼此重合。

弹性构件60、62、64可被布置成使得当它们所连接的致动器臂对齐时由弹性构件产生最小恢复力以便最小化弹性构件的长度。

弹性构件可为片簧，该片簧被布置成仅平行于它们所附接的相应致动器臂的运动方向来提供恢复力。

当与参照图3a至图3e所示的主动遵从性方案联接时，图2所示实施方案的这一节能方面可进一步提高效率。

图3a至图3e示出了根据本发明的机器人系统200对有效载荷206的各个移动阶段。

当有效载荷206从图3a中的第一定位移动到图3e中的第二定位时，图3a至图3e按时间顺序示出。

在图3a中，有效载荷206在第一定位处保持静止并且由端部执行器208保持，该端部执行器连接到第一致动器202和第二致动器204，第一致动器202的位置比第二致动器204的位置更远离有效载荷206的质心。

在图3b中，有效载荷206在向右方向上加速，如箭头A1所示，使得有效载荷在向右方向上以速度V1移动，如箭头V1所示。该移动通常从第一定位到第二定位。有效载荷的速度可在该移动的第一部分期间增加。第一致动器202和第二致动器204可朝右产生力，如相应的箭头F11和F12所指示。由第一致动器202和第二致动器204产生的力可具有相同的方向和量值，并且可导致第一致动器202移动比第二致动器204更远的距离，因为第一致动器202距有效载荷206的竖直距离大于第二致动器204的位置。因此，端部执行器208可围绕水平轴线旋转。

当有效载荷206在该移动的第一部分期间被加速时，第一致动器304和/或第二致动器308的位置可由一个或多个位置传感器确定，该一个或多个位置传感器可向控制单元提供位置数据。然而，第一致动器304和/或第二致动器308在移动的第一阶段期间的驱动力可为恒定的并且可不基于位置数据而改变。

移动的第一部分的移动方式可被描述为“扭矩模式”或“力模式”，其中致动器202、204根据与所需位置相对的所需力来操作。

图3c所示的移动阶段是中间过渡移动阶段，其中有效载荷206可以加速或可以不加速，但是将如箭头V2所示朝向右侧移动。第一致动器202和第二致动器204可以竖直地重新对准，并且可以在端部执行器208上施加不同的力。

在该移动的中间部分期间，有效载荷可在第一定位和第二定位之间的路径的第一部分中的第一位置(其中有效载荷206滞后或落后第一致动器202和第二致动器204)之间移动到第一定位和第二定位之间的路径的第二部分中的位置，其中有效载荷206领先第一致动器202和第二致动器204。第一致动器202和第二致动器204可施加变化的力，以便在这些位置之间移动有效载荷206。

还可能的是，在移动的中间部分期间，由第一致动器202和第二致动器204产生的力可等于施加到端部执行器208和有效载荷206的摩擦阻力和空气阻力，导致平衡状态，这可导致从第一位置到第二位置的至少一些路径中的速度基本上恒定。

控制单元可确定致动器202、204应产生什么特定力以使端部执行器208在中间步骤中返回到特定姿态，例如在第一定位和第二定位之间的路径的中点处。“正确”姿态可以是竖直姿态。

中点可表示移动的第一部分和第二部分之间的过渡点，之后系统可在“位置模式”下操作。

“运动的中点”可在期望轨迹的中点的小距离内。当端部执行器到达运动的中点时，控制单元可以将控制模式切换到这样的模式，在该模式下，端部执行器针对路径的其余部分形成新的所需轨迹，该新的所需路径在所有六个自由度上与来自路径的第一部分的实际运动相对称。可采用新的期望路径来表示作为时间的函数的规定轨迹。所产生的力可以变化，以使机器人端部执行器与新的期望路径的偏差最小化。

在图3d中，示出了移动阶段，其中有效载荷206如箭头A3所示正在减速，同时如箭头V3所示有效载荷仍然向右移动。当有效载荷206减速时，第一致动器202和第二致动器204可产生不同的力，分别由箭头F21和F22所指示。虽然箭头F21和箭头F22两者向右指向，但箭头可相等地朝向左手方向绘制以显示由第一致动器202和第二致动器206产生的力可在与有效载荷的速度方向相反的方向上。还设想到，力F21和力F22可在相反方向上。

致动器202、204可以在向右方向上(即，在有效载荷的移动方向上)产生量值小于阻力(诸如作用于端部执行器208和有效载荷206上的摩擦和空气阻力)的力。这可导致有效载荷206的受控减速。

在移动的第二部分期间操作致动器202、204的方式可通过限定第一致动器202和/或第二致动器204和/或有效载荷206在特定时间采取的特定位置来表征。此类操作方式可被称为控制的“位置模式”。

在图3e中，有效载荷206被示出为在第二定位处静止。

还设想可等同地执行仅具有单个致动器的移动，而不是两个致动器。

第一致动器202和第二致动器204中的每一者可由例如使用图1和图2所示的SCARA机器人一起工作的两个或更多个致动器形成。

该方法可类似地应用于具有3个或更多个致动器的系统，该致动器操作以移动端部执行器和/或有效载荷。

有效载荷不一定是由端部执行器携带的物品。在端部执行器为工具例如钻头或电动螺丝刀的情况下，端部执行器自身可具有很大的重量，并且可应用上述方法来移动端部执行器，其中端部执行器的质心在上述示例中替换有效载荷的质心。

移动路径的总体形状可通过在移动的第二部分中反转移动的第一部分期间的端部执行器208的形状、速度和姿态来确定。这可在移动的第二部分中的有效载荷206的减速期间提供精确的位置控制。

虽然图3a至图3e中所示的移动仅具有单个自由度并且是基本上线性的系统，但是参考本文的一般教导内容和存在于所示机器人中的自由度的数量，将显而易见的是，该方法可在具有更多自由度(包括6个自由度)的系统中执行。因此，本文限定和处理的路径和位置可以是三维的，并且具有机器人的任何合适数量的自由度。

图4示出了被布置成执行如图3a至图3e所示的移动的机器人系统300。机器人系统300包括控制单元302，该控制单元可包括处理器和存储器，任选地为非暂态存储器。

控制单元302可接收来自用户301的命令。该命令可指定端部执行器和/或有效载荷将从第一定位移动到第二定位，并且任选地，可指定要进行移动的路径的一个或多个方面或点。用户301可以是人类用户或者可以是单独的计算系统。

控制单元302可经由电子信号驱动第一致动器304，并且第一位置传感器306可确定第一致动器304的位置，并且第一位置传感器306可将位置数据传输到控制单元302。第一致动器304可联接到端部执行器312，使得第一致动器可使端部执行器312移动。第一致动器304与端部执行器312之间的联接可为直接联接或经由机构诸如四杆连杆。

控制单元302还可移动第二致动器308，并且第二位置传感器310可确定第二致动器308的位置，并且第二位置传感器310可随后将第二位置数据传输到控制单元302。类似于第一致动器304，第二致动器308可经由机构或直接地移动端部执行器312。

位置传感器306、310(也称为位置检测器)可以布置在第一致动器304和/或第二致动器308内的编码器的形式提供，或者可形成为具有计算积分器的加速度计或急动度计。位置传感器306、310可施加到端部执行器312或施加到联接致动器和端部执行器的机构。

控制单元302可将第一位置数据和第二位置数据存储在可为非暂态存储器的存储器314中，并且可使用第一位置数据和/或第二位置数据以便确定用什么力来驱动第一致动器304和第二致动器308。

控制单元302还可具有被布置成执行存储在存储器314上的指令的处理器316。控制单元302可具有一个或多个输入端口318和一个或多个输出端口320，该一个或多个输入端口和一个或多个输出端口被布置成连接到用于操作机器人系统的相关传感器或致动器。

控制单元302可将位置数据和输出扭矩存储在一起，以便运行学习算法，使得该方法的进一步迭代可更平滑地运行，即，具有减少的振动和/或具有更快的移动。

图5示出了表示根据本发明的用于移动有效载荷的处理器实现的方法400的流程图。

在该方法的步骤402处，将第一命令提供给控制单元。该命令可以是将有效载荷从第一定位移动到第二定位，并且可任选地指定用于移动的预先确定的路径上的一个或多个点，有效载荷或相关的端部执行器应当通过此一个或多个点。第一定位和第二定位可被指定为一组坐标，诸如笛卡尔坐标或极坐标。第一定位和/或第二定位可被限定为具有一定的公差，或被限定为点，或被限定为空间中的应从其获取有效载荷的形状，以及被限定为应在第二位置处将有效载荷设置到其中的形状。例如，第一定位和/或第二定位可被限定为在平面中(诸如在表面上)限定的2D正方形或其他形状或多边形。第一定位和/或第二定位可另选地被定义为空间中的3D体积，诸如球体、立方体或其他3D多边形体积，或者被定义为以由合适的坐标限定的参考点为中心的另一种形状。第一命令还可指定第一定位和第二定位之间的一个或多个中间定位，有效载荷或携带有效载荷的端部执行器应行进通过该一个或多个中间定位。

在步骤404处，控制单元可以输出信号以使机器人的致动器以预先确定的力沿着路径的第一部分从第一定位移动到第二定位。预先确定的力可基于机器人的致动器的预先确定的最大输出。预先确定的力可由作用在一起的多个致动器产生，诸如在相同方向上或围绕公共轴作用的两个致动器，或由围绕不同的轴作用的两个或更多个致动器产生，该不同的轴可为同轴的或不同轴的，或可为平行的或不平行的。一般来讲，预先确定的力从一个或多个致动器施加到有效载荷。可在不控制有效载荷或其相关端部执行器的位置的情况下施加预先确定的力。因此，有效载荷在每个时间点的位置由有效载荷上的静态力和动态力的平衡来限定。在这个阶段中可以不使用位置控制反馈。这种类型的控制可被认为是“力模式”类型的控制，或者就旋转致动器而言，被认为是“扭矩模式”类型的控制。在步骤404期间，因此不需要位置控制反馈，并且致动器可以开环方式操作。然而，如下所述，可将有效载荷和/或其相关端部执行器和/或被配置用于移动端部执行器的一个或多个致动器的位置序列记录在存储器中。

在步骤404期间，控制单元可从第一位置传感器接收第一位置数据，该第一位置传感器可在沿路径的第一部分移动期间检测一个或多个致动器和/或有效载荷的位置。位置数据可以任何合适类型的一系列坐标的形式接收和/或记录，或者记录为有效载荷或端部执行器的路径的数学近似。位置数据可被记录为与一个或多个致动器的一个或多个位置相关的直接位置数据，该一个或多个致动器被致动以沿着指定定位之间的路径移动有效载荷。有效载荷或端部执行器的路径可以不直接记录，但是可以从被致动以移动有效载荷或端部执行器的一个或多个致动器的记录位置计算。通过任何此类合适的方式，以诸如可从所记录的第一位置数据再现有效载荷或端部执行器的所记录的路径或位置序列的方式记录位置数据。

在步骤406处，控制单元可处理第一位置数据，以便确定被致动以使有效载荷或端部执行器移动的有效载荷、端部执行器和一个或多个致动器中的任一个或全部的移动，这将沿第一定位和第二定位之间的路径的第二部分执行。第二部分可包括第二定位，并且可表示从第一定位到第二定位的路径的子部分。使用第一位置数据作为输入，处理器可确定从第一定位到第二定位的路径的第二部分的控制数据。控制数据可由控制器处理以表示在路径的第一部分期间记录的位置序列的反转。这样，第一位置数据的位置序列的至少一个方面可以反转，以产生路径的第二部分的目标位置集。因此，第一位置数据可基本上关于从第一定位到第二定位的路径中的点镜像。

步骤406处的处理可以是为路径的第二部分计算一系列点，并且任选地计算对应的定时。这可在路径的第一部分的3D空间中形成基本镜像，具有镜像的速度分布和/或镜像的速度、力和/或方向分布。这可使得系统在有效载荷远离第一定位的力模式或扭矩模式加速度期间的动力学能够用于确定预先确定的输出信号，以在有效载荷朝向第二定位减速时驱动系统的致动器。

该系列的点可以是任何坐标系中的点，特别是极坐标或柱坐标，如果使用旋转致动器，这可以是特别有益的；如果使用万向支架，这可以是特别有益的；或者是三维笛卡尔坐标，如果使用线性致动器，这可以是特别有益的。

处理可另选地基于第一位置定位以及输入到系统的预先确定的力来确定有效载荷的质量和/或惯性矩。这可通过如下方式来完成：将力输入和第一位置数据输入到合适的公式或控制逻辑中以计算那些特性中的一个或多个特性。然后，控制器可以使用公式或合适的处理逻辑中的数据，以便确定用于沿路径的第二部分移动有效载荷的变化的扭矩，并且任选地，使有效载荷静止在第二定位处。

在步骤408处，有效载荷可在路径的第二部分上方移动到第二定位。该移动步骤可涉及反馈回路，以便将有效载荷移动到在步骤406处确定的一系列点，或者可使用在步骤406处确定的预先确定的可变力。

在步骤408期间，可获取并存储第二位置数据以便在将来移动类似的有效载荷时使用，以改善移动的速度和/或平滑度作为学习算法的一部分。

在另一个示例中，提供了一种控制策略，由此规定期望的端部执行器路径，并且该控制策略具有以下阶段：

a.第一阶段，其中控制联合扭矩以遵循扭矩值，该扭矩值是预先估计的或大体事先估计的，以产生行进到路径的中点的正确运动。

b.第二阶段，该第二阶段在到达期望的端部执行器路径的中点之前被启动，并且其中联合扭矩被调节以校正与期望的端部执行器路径的偏差。

c.第三阶段，该第三阶段在到达期望的端部执行器路径的中点时被启动，并且其中联合扭矩被连续地调节以使端部执行器沿第二路径行进，其中第二路径在期望的端部执行器路径的中点处开始，在期望的端部执行器路径的终点处结束，并且与端部执行器从路径的起点到路径的中点的实际轨迹对称。

尽管上面已经参考一个或多个优选实施方案描述了本发明，但应当理解，在不脱离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (27)

1.一种移动有效载荷的方法，包括：

接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的命令，

使用机器人臂沿着所述第一定位和所述第二定位之间的路径的第一部分移动所述有效载荷，所述第一部分包括所述第一定位，

使用所述机器人臂沿着所述路径的第二部分移动所述有效载荷，所述第二部分包括所述第二定位，

其中，在沿着所述路径的所述第一部分的移动期间，所述机器人臂的至少一个致动器被驱动以施加预先确定的力来加速所述有效载荷，并且所述致动器的位置由位置检测器确定以生成第一位置数据，并且

其中，在沿着所述路径的所述第二部分的移动期间，所述机器人臂的所述至少一个致动器被驱动以遵循预先确定的位置序列，或者施加可变力以使所述有效载荷减速，所述预先确定的位置序列和/或所述可变力是至少部分地基于所述第一位置数据来确定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：

在所述第一定位处利用所述机器人臂拾取所述有效载荷，以及

在所述第二定位处利用所述机器人臂存置所述有效载荷。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述有效载荷在所述第一定位处的移动之前保持静止，并且在所述第二定位处的移动之后保持静止。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述可变力的方向与所述机器人臂的移动方向相反。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述路径的所述第一部分和/或所述第二部分在所述路径的至少20％上延伸。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述预先确定的力为能够由所述致动器生成的最大力的至少80％。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：

在所述路径的所述第二部分期间确定所述致动器的位置以产生第二位置数据，

沿所述路径重复所述有效载荷或另外的类似的有效载荷的移动，以及

至少部分地基于所述第二位置数据确定所述预先确定的力。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述有效载荷在沿所述路径的所述第一部分的移动期间落后所述机器人臂，并且所述有效载荷在沿所述路径的所述第二部分的移动期间领先所述机器人臂。

9.一种机器人系统，包括：

端部执行器，所述端部执行器被布置成携带有效载荷，

第一致动器，所述第一致动器被布置成生成用于移动所述端部执行器的力，

控制系统，所述控制系统被布置成控制所述第一致动器，和

第一位置检测器，所述第一位置检测器被布置成确定所述第一致动器的位置并将第一位置数据输出到所述控制系统，

其中所述控制系统被布置成：

接收将所述有效载荷从第一定位携带到第二定位的命令，

驱动所述第一致动器以使用所述端部执行器沿着所述第一定位和所述第二定位之间的路径的第一部分移动所述有效载荷，所述路径的所述第一部分包括所述第一定位，

驱动所述第一致动器以使用所述端部执行器沿着所述路径的第二部分移动所述有效载荷，所述路径的所述第二部分包括所述第二定位，

所述机器人系统被进一步布置成使得：

在沿所述路径的所述第一部分的移动期间，所述控制系统使所述第一致动器施加预先确定的力以加速所述有效载荷，并且所述第一位置检测器确定所述第一致动器的位置并将第一位置数据输出到所述控制系统，以及

在沿所述路径的所述第二部分的移动期间，所述第一致动器遵循预先确定的位置序列，或者施加变化的力以使所述有效载荷减速，所述预先确定的位置序列和/或变化的力是至少部分地基于所述预先确定的力和所述第一位置数据来确定的。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，还包括：

第二致动器，所述第二致动器被布置成生成用于移动所述端部执行器的力，和

第二位置检测器，所述第二位置检测器被布置成确定所述第二致动器的位置并将所述第二位置数据输出到所述控制系统，

其中在沿着所述路径的所述第一部分的移动期间用相同的预先确定的力驱动所述第一致动器和所述第二致动器，并且在沿着所述路径的所述第二部分的移动期间用不同的力驱动所述第一致动器和所述第二致动器。

11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中所述第一致动器和所述第二致动器彼此弹性地联接。

12.根据权利要求10或11所述的机器人系统，其中所述第二致动器在垂直于所述路径的方向上从所述第一致动器偏移，所述第二致动器比所述第一致动器更靠近所述有效载荷的质心，并且

其中所述第二致动器的位置在所述路径的所述第一部分期间落后所述第一致动器，并且

其中所述第二致动器的位置在所述路径的所述第二部分期间领先所述第一致动器的位置。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的机器人系统，其中所述第一致动器和第二致动器是同轴旋转致动器，所述同轴旋转致动器被布置成围绕共用旋转轴线生成扭矩，并且所述第一致动器和第二致动器沿所述共用旋转轴线间隔开。

14.根据权利要求13所述的机器人系统，其中所述共用旋转轴线是竖直的。

15.一种机器人，包括：

端部执行器，

两个同轴的第一致动器，所述第一致动器具有第一轴线，被布置成使所述端部执行器在垂直于所述第一轴线的方向上移动，和

两个同轴的第二致动器，所述第二致动器具有第二轴线，所述第二轴线与所述第一轴线成非零角度，所述第二致动器被布置成使所述端部执行器在垂直于所述第二轴线的方向上移动，

其中所述机器人被布置成独立地致动所述致动器中的每个致动器以改变所述端部执行器的位置和方向。

16.根据权利要求15所述的机器人，其中所述第二致动器设置在所述第二轴线的任一侧。

17.根据权利要求15或16中任一项所述的机器人，其中所述第一轴线和第二轴线是垂直的。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的机器人，其中所述第一致动器是共面的，并且所述机器人还包括两个同轴的第三致动器，所述第三致动器与所述第一致动器共面并且同轴，所述第三致动器位于从所述第一致动器的平面偏移的平面中。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的机器人，其中每个致动器经由具有两个刚性部分的臂联接到所述端部执行器，所述两个刚性部分被铰链式地连接。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的机器人，还包括与所述第一致动器和所述第三致动器同轴的第四致动器，所述第四致动器被布置成使所述第二致动器围绕所述第一轴线旋转。

21.根据权利要求9至14中任一项所述的机器人系统，其中所述系统被布置成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

22.根据权利要求9至14和21中任一项所述的机器人系统，还包括根据权利要求15至20中任一项所述的机器人。

23.一种在计算机处理器中执行的控制机器人来移动有效载荷的方法，包括以下步骤：

接收将有效载荷从第一定位携带到第二定位的第一命令；

响应于所述第一命令，输出第一信号，所述第一信号被配置为使第一致动器施加预先确定的力来加速所述有效载荷，以使所述有效载荷沿着所述第一定位和所述第二定位之间的路径的第一部分移动，所述路径的所述第一部分包括所述第一定位，

接收第一位置数据，所述第一位置数据包含关于在沿所述路径的所述第一部分移动的期间所述第一致动器的位置的信息，

至少部分地基于所述第一位置数据来确定使所述有效载荷减速的预先确定的位置序列或变化的力，

输出第二信号，所述第二信号被配置为使所述第一致动器遵循所述预先确定的位置序列，或者施加所述变化的力，以使所述有效载荷沿着所述路径的第二部分移动，所述路径的所述第二部分包括所述第二定位。

24.一种设备，包括：

至少一个处理器；和

至少一个存储器，所述至少一个存储器包括计算机程序代码；

所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备执行根据权利要求23所述的方法。

25.根据权利要求24所述的设备，还包括：

至少一个输出端口；和

至少一个输入端口；

其中在所述输入端口处接收所述第一位置数据，并且其中从所述至少一个输出端口输出所述第一信号和第二信号。

26.一种计算机程序，包括用于执行根据权利要求23所述的方法的步骤中的每个步骤的代码。

27.一种包括指令的非暂态计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求23所述的方法。

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