CN117226822A - 用于更新工业机器人力传感器的校正系数的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于更新工业机器人力传感器的校正系数的系统和方法。一种用于自动校准工业机器人(2)的外力测量设备的方法,所述工业机器人包括多轴机器人臂(4),该机器人臂对于各关节轴包括电气致动器(M1、…M6)和能够测量相应关节的关节位置的位置传感器(C1、…C6),该机器人包括力测量设备(20),该力测量设备(20)包括能够测量应用到机器人臂的力的至少一个测量传感器。如果满足某些条件,则该方法通过用与施加外力的平均力成比例的值增加应用的力的校正系数更新校正系数。

Description

用于更新工业机器人力传感器的校正系数的系统和方法
技术领域
本发明涉及工业机器人,更具体地,涉及用于命令具有外力测量设备的工业机器人的系统和方法。
背景技术
诸如机器人臂的工业机器人越来越多地用于与操作员的直接协作,其中操作员可以直接作用于机器人。例如,在外科应用或某些工业制造方法等中,就是这种情况。
例如,操作员可以通过操纵和移动机器人臂的一部分直接作用于机器人。该移动是应用到机器人的外力的结果,并且由机器人的外力测量设备检测。基于该反馈,机器人命令系统相应地修改对机器人电机的指令,例如,将机器人臂移动或保持到由操作员选择的位置,或者伴随操作员对机器人的手动移动。
为了考虑操作员对机器人臂上的作用,控制系统处理来自外力测量设备的力测量,该外力测量设备为定位在臂的端部和工具之间的多轴传感器或分别与移动轴相关联的传感器的组。
一个缺点是,力传感器在其操作过程中随着时间的推移而漂移,这使得必须对测量的力值应用校正。然而,必须非常有规律地更新该校正的值。如果没有该校正,测量的力值会不正确,这会导致机器人发生故障。例如,当它基于来自力传感器的信息被控制时,这可能导致机器人的不期望的移动。
因此,需要包括可以自动更新校准的力传感器的工业机器人命令系统和过程。
发明内容
根据一个方面,本发明涉及一种用于自动校准工业机器人的外力测量设备的方法,所述工业机器人包括多轴机器人臂,该机器人臂对于各关节轴包括电气致动器和能够测量相应关节的关节位置的位置传感器,该机器人包括力测量设备,该力测量设备包括能够测量应用到机器人臂的力的至少一个测量传感器,该方法包括以下步骤:
-对于多个连续的测量循环,存储机器人臂的关节位置并计算外力测量设备上的施加外力,该施加外力等于由外力测量设备测量的外力减去施加到机器人臂的外力测量设备的漂移校正系数和机器人的质量效应;
-在预定数量n的连续测量循环之后,对于各随后的循环,计算施加外力变化指标和运动指标,施加外力变化指标代表在最后n个测量循环期间的施加外力的变化,运动指标代表在所述测量循环期间的关节位置的变化;
-计算在所述最后n个测量循环期间施加外力的平均力;
-如果满足以下条件,则通过用与施加外力的平均力成比例的值增加校正系数更新校正系数:
运动指标低于预定位置变化阈值的矢量,以及
施加外力变化指标低于预定力变化阈值的矢量,以及
作为绝对值,施加外力的平均力小于关于平均力的预定阈值的矢量。
在一些实施例中,力测量设备是放置在机器人臂的端部和端部执行器之间的多轴力传感器。
在一些实施例中,力测量设备是放置在机器人臂的各关节处的力传感器的组。
在一些实施例中,通过测量给出机器人臂的关节位置。
在一些实施例中,当更新校正系数时,与施加外力的平均力成比例的值等于所述的施加外力的平均力乘以包含于0和1之间的比例系数。
在一些实施例中,连续测量循环的数量n大于100。
在一些实施例中,如果校正系数的更新已经比预定稳定时段更早发生,则禁止校正系数值的更新。
在一些实施例中,根据工业机器人的外力测量设备的温度信息计算关于平均力的预定阈值的矢量。
在一些实施例中,施加外力变化指标等于所述测量循环期间的施加外力的最大值与施加外力的最小值之间的差值。
在一些实施例中,在所述测量循环期间,运动指标等于用于机器人的各关节轴的关节位置的最大值和最小值之间的差值。
根据另一方面,本发明涉及一种包括多轴机器人臂的工业机器人,该机器人臂对于各关节轴包括电气致动器和适于测量相应关节的关节位置的位置传感器,该机器人包括外力测量设备,该外力测量设备包括适于测量应用到机器人臂的力的至少一个测量设备,该机器人包括被配置为实现上述的方法的中央处理单元。
附图说明
根据仅通过示例给出并且参考附图进行的以下描述,本发明将被更好地理解,并且在此之上的优点将更加清晰地出现,其中:
图1以结构块的形式示意性表示根据本发明的第一实施例中的工业机器人;
图2以结构块的形式示意性表示第二实施例中的工业机器人;
图3是示出根据本发明的命令系统的第一方面的示意性框图;
图4是示出根据本发明的第一示例机器人命令的示意性框图;
图5是示出根据本发明的第二示例机器人命令的示意性框图;
图6是示出根据本发明的第三示例机器人命令的示意性框图。
为了清楚且简洁地描述本发明,附图不一定是按比例绘制的,并且,可能示意性地呈现某些特征。
具体实施方式
图1表示示例工业机器人2。
机器人2包括多轴机器人臂4。例如,机器人臂4具有围绕旋转轴成对铰接的几个节段。
机器人臂4可以包括被放置在机器人臂4的端部的端部执行器6,诸如可控制工具。
机器人臂4具有在图1的示例中表示为M1、M2、M3、M4、M5和M6(以下表示为M1至M6)的多个电气致动器。电气致动器中的每一个能够围绕移动轴(诸如旋转轴中的一个)相对于机器人臂4的另一部分旋转或平移机器人臂4的一个部分。
各电气致动器M1至M6具有电机,诸如无刷同步电机或任何其它合适的电机。
机器人2还具有在图1的示例中表示为C1、C2、C3、C4、C5和C6(以下表示为C1至C6)的多个位置传感器。
各电气致动器M1至M6与位置传感器C1至C6相关联。各位置传感器C1至C6被配置为测量该电气致动器的关节位置。
例如,位置传感器C1至C6是角度传感器,诸如旋转编码器或分解器或任何合适的传感器。例如,关节位置对应于关节的角度位置。
优选地,机器人2是6轴机器人。因此,机器人臂4具有六个自由度和六个电气致动器M1至M6以及六个位置传感器C1至C6。
各编码器测量相应轴的关节位置qi,这里,指数“i”是1和传感器数量(这里等于6)之间的整数。所有轴的关节位置的矢量表示为q。
各位置传感器连接到在图1的示例中表示为D1、D2、D3、D4、D5和D6(以下表示为D1至D6)的控制单元。控制单元连接到电气致动器M1至M6中的一个,并且能够基于设定点确保该致动器的调节动作。
例如,对于电气致动器M1至M6,控制单元D1至D6通过电导体连接到电机,并且产生在电机相中循环的电流,以遵循电流、转矩、速度或位置设定点。各控制单元D1至D6包括动作节奏越来越快的位置控制回路、速度控制回路和电流控制回路。
机器人2还包括命令系统与存储器和至少一个能够运行机器人命令程序的处理器(或微控制器、DSP或FPGA),该命令系统包括中央处理单元8。
可替代地,中央处理单元8也可以由通过合适的通信手段链接的多个处理器组成。
中央处理单元8例如通过通信总线9连接到控制单元D1至D6,以向它们特别地传送用于控制机器人的指令(例如,电流指令、转矩指令、速度指令和位置指令)。
中央处理单元8包括力控制模块10、由多轴力传感器组成的力测量设备的自校准模块12和实现重量模型的重量模块14,将在下文中详细解释该重量模块14的作用。
中央处理单元8优选连接到用户界面16或人机界面,该界面可以包括显示屏和数据输入装置,诸如键盘、指针、触摸屏、耦合到语音识别系统的麦克风或任何其它合适的装置。
机器人2还包括由多轴力传感器组成的力测量设备20。
外力测量设备20包括至少一个能够测量应用到机器人臂4的力(诸如由用户手动施加的力)的测量设备。
在图1所示的实施例中,外力测量设备20被放置在机器人臂4的端部和端部执行器6之间。
优选地,外力测量设备20的多轴力传感器包括至少6个单独的测量系统,诸如附接到测试体的压阻应变计。未必与标准笛卡尔坐标系对齐的单独的测量系统的几何配置允许通过其产生的测量的线性组合重建完整的力张量(force torsor)。
由多轴力传感器组成的外力测量设备20被配置为例如经由通信总线9向中央处理单元8提供测量的外力Fsensor的测量。
在这种情况下,测量的外力Fsensor是表示应用到传感器的力张量(force torsor)的6维矢量,该6维矢量组合力测量的三个笛卡尔坐标和力矩测量的三个笛卡尔坐标。
图2表示实施例的第二示例,其中,第一实施例的单个多轴力传感器被关节力传感器组F1、F2、F3、F4、F5和F6(以下表示为F1至F6)取代,这些关节力传感器分别与机器人臂4的轴相关联,并且分别包括能够将力测量转换为测量信号(例如,数字测量信号)的电子电路。该关节力传感器组F1、F2、F3、F4、F5和F6构成外力测量设备20。
例如,组件20的第一力传感器F1与具有第一致动器M1和第一位置传感器C1的机器人臂的轴相关联,等等。
各关节力传感器F1至F6例如经由通信总线9连接到中央单元。在这种情况下,测量的外力Fsensor是6维矢量,从而将来自各种关节力传感器F1至F6的测量信号组合在一起。
除了这些差异之外,图2所示的实施例的机器人200与参照图1描述的机器人2基本上相似或者甚至相同。
在实践中,由外力测量设备20给出的测量的外力Fsensor并不严格对应于作用在测量设备上的实际力Freal。相反,测量的外力受到表示为Freal_offset的偏移的影响,该偏移特定于外力测量设备20。这种依赖性由以下公式概括:
[数学1]Fsensor=Factual+Freal_offset
该偏移不能被直接测量并且随时间变化,特别是根据外力测量设备20和与外力测量设备20相关联的信号处理电子器件的温度而变化。
在机器人的动作期间,特别是在手引导动作中,测量的外力Fsensor被力控制模块10使用以控制机器人的移动。力命令算法使用通过校正系数Foffset(或“估计偏移”)校正的外力Fcor。到表示为Freal_offset的偏移的影响,该偏移特定于外力测量设备20。这种依赖性由以下公式概括:
[数学2]Fcor=Fsensor–Foffset
根据本发明,中央处理器单元8及其模块10、12和14的一个功能是,通过校正估计的偏移Foffset自动校准外力测量设备20。优选地,校准外力测量设备包括确定估计的偏移Foffset(其被认为充分接近实际偏移Freal_offset),使得校正的外力Fcor尽可能接近实际力Freal
这是由于在机器人2或200的动作期间,实际偏移由于诸如温度的环境条件而变化。一般地,这是随着时间的推移而逐渐漂移的过程。为了防止这种漂移干扰机器人的力控制,必须重新校准外力测量设备20。
在本发明中描述的校准方法在不中断机器人2或200的动作或执行诸如测试序列的特定操纵的情况下允许重新校准外力测量设备20。
实际上,无论设计如何,中央处理单元8的自校准模块12被配置为更新外力测量设备从由位置编码器C1至C6和测量的外力Fsensor测量的关节位置q1至q6的偏移。
中央处理器单元8的力控制模块10被配置为根据测量的关节位置q1至q6、测量的外力Fsensor和应用程序计算和传送控制单元D1~D6的控制指令p1至p6。
例如,模块由可由中央处理单元8的处理器执行的机器指令和/或软件代码和/或连接到中央处理单元8或构成中央处理单元8的一部分的电子电路实现。
图3表示示出自校准方法的动作的框图300,该自校准方法在各测量循环期间被迭代执行。
在执行该方法之前,可接受的校正系数Foffset首先例如在手动校准动作中被确定,并且然后被存储在例如中央处理单元8的存储器中。
自校准模块12然后计算施加的外力Fc,该外力Fc等于来自外力测量设备20(这里表示为302)的测量的外力Fsensor减去电流校正系数Foffset和质量效应Fg。该关系由以下公式概括:
[数学3]Fc=Fsensor–Foffset–Fg
在本说明书中,力是矢量。换句话说,力矢量Fsensor、Foffset、Fc、Fg…中的每一个具有几个标量分量,通常对于六轴机器人为六个分量。在图1中的示例中,力矢量中的每一个具有三个力分量和三个力矩分量。在图2所示的示例中,各力矢量具有六个关节力分量。
机器人质量效应Fg是表示由外力测量设备20的力传感器测量的由于机器人臂4和端部执行器6的元件的质量引起的力的矢量。
在图1的示例中,端部执行器6的重量的张量(torsor)是机器人的质量效应Fg,并且是从对应于测量的外力Fsensor的力矩的关节位置q1至q6计算的。
在图2的例子中,机器人的质量效应Fg是对于各关节包含由位于关节的力传感器下游的机器人的所有主体施加的静态扭矩的矢量。该矢量Fg是从关节位置q1至q6计算的,从而取这些位置在对测量的外力Fsensor进行测量的时刻的值。
对于这些质量计算,中央处理单元8使用能够通过使用称为“重量模型”(附图标记304)的模型计算机器人的质量效应Fg的重量模块14,该模型基于臂的几何模型和机器人臂4和端部执行器6的质量数据(相关质量和身体重心的位置)。机器人的质量效应Fg的计算需要机器人的关节位置q以及重力应用的方向的知识。
该模型所需的参数甚至可以在机器人动作之前根据机器人臂4及其端部执行器6的详图(尺寸、形状、质量)确定。
可替代地,可以通过在实现自校准之前执行的测量来实验地确定模型的参数。例如,可以使用基于不同机器人位置的力和位置测量的已知方法,然后使用参数的最小二乘法识别。
回到图3的方法,在计算外力Fc之后,自校准模块12在存储器(例如,圆形缓冲器)中存储(块306)外力Fc的最后n个值,以及机器人的关节位置q的最后n次测量值,其中n是非零整数。实际上,对于n个不同的连续测量循环中的每一个,记录最后n个值。
在每次迭代时,自校准模块12计算施加外力变化指标△F(块308),该△F被定义为等于所述n个测量循环期间的施加最大外力max(Fc)和施加最小外力min(Fc)之间的差值。该计算由以下公式概括:
[数学4]ΔF=max(Fc)–min(Fc)
在该公式中,最大值是在施加外力Fc的最后n个记录值上计算的。更准确地说,对于六轴机器人而言,最大值是例如维度为6的矢量。最大值的各分量对应于施加外力Fc的分量。这同样适用于最小值。因此,对于六轴机器人而言,施加外力变化指标△F通常是维度为6的矢量。
可替代地,施加外力变化指标△F的各分量可以计算为施加外力Fc的相应分量的标准偏差。重要的是,施加外力变化指标△F的大值表示在最后n个循环期间施加外力Fc的大变化。
对于每次迭代,自校准模块12还针对机器人的各轴/电机计算(块308)运动指标△q,该△q被定义为等于机器人的各关节轴的关节位置的最大值max(q)和最小值min(q)之间的差值。该计算由以下公式概括:
[数学5]Δq=max(q)–min(q)
如前所述,最大值是在q个关节位置的最后n个记录值上计算的。这同样适用于最小值。因此,对于六轴机器人来说,运动指标△q通常是维度为6的矢量。
可替代地,运动指标△q的各分量可以计算为q的相应分量的标准偏差。重要的是,运动指标△q的大值表示机器人在最后n个循环中的显著运动。
自校准模块12还计算(块308)施加外力的平均力Favg,Favg是在最后n次测量中施加的外力Fc的平均值。该计算由以下公式概括,其中Favg是如上所述的矢量:
[数学6]Favg=mean(Fc)
接下来(块310),自校准模块12将计算的矢量与下面列出的预定基准矢量进行比较(更具体地,将计算的矢量的分量与基准矢量的分量进行比较)。根据比较的结果来更新或者不更新Foffset校正系数。
更准确地说,如果基准值的以下条件被满足,则自校准模块12通过用与计算的平均值Favg成比例的值增加校正系数Foffset来更新(块308)校正系数Foffset
·运动指标△q低于预定位置变化阈值的矢量△qmax,以及
·施加外力变化指标△F低于预定力变化阈值的矢量△Fmax,以及
·作为绝对值,施加外力的平均力Favg小于关于平均力的预定阈值的矢量Fmax
△qmax是位置变化的预定阈值的矢量。如果运动标记△q小于位置变化的预定阈值矢量△qmax,则意味着机器人的位置在过去n次测量中几乎没有变化。
Fmax是关于平均力的预定阈值的矢量。如果施加外力的平均力Favg作为绝对值低于关于平均力的预定阈值的矢量Favg,则意味着测量的平均力(具有补偿的重力和偏移)较低。
△Fmax是关于力变化的预定阈值的矢量。如果施加外力变化指标△F低于力变化的预定阈值的矢量△Fmax,则对于矢量的所有分量,这意味着施加外力Fc在最近n次测量期间变化不大。
如果这些条件均得到满足,则可以认为机器人是静止的并且没有外部接触,并且自校准模块使用施加外力的平均力Favg以更新校正系数Foffset
如所解释的,自校准模块12通过用与施加外力的平均力Favg成比例的值增加先前的值(Foffset k-1)来更新校正系数Foffset k(当前值)。该计算由以下公式概括:
[数学7]Foffset k=Foffset k-1+a×Favg
有利地,比例系数“a”在0和1之间。
如果比例系数“a”接近0,则校正系数几乎没有变化(前一个值的置信度更高)。如果比例系数“a”等于1,则校正系数以与常规校准相同的方式改变。
事实上,常规上,外力测量设备的校准是在独立于机器人作为机械手的使用阶段的特定过程中进行的,在此期间,除了由机器人承载并且被假定为已知的端部执行器的重量(以及实施方式的第二示例中的机器人节段的重量)以外,没有外力被应用到外力测量设备。
任选地,在图3的方法中,自校准模块12可以实现临时禁止(由图3中的框312和箭头“t”表示)或“定时器”,其暂停自校准,即校正系数Foffset的更新。
因此,一旦校正系数已经改变以及在预定的稳定时段tmin期间,校正系数Foffset保持恒定。
这有利地避免由于校正系数影响力测量的事实而引起的振荡,该力测量被用于确定校正系数的下一值。
通过将稳定时段tmin设定为比n个值的获取时间长,确保用于计算新校正系数Foffset的值都是用校正系数Foffset的先前值测量的。
然而,这种禁止可能不被实现。当实现时,该禁止可以被自校准模块12中断或复位(复位信号)。
最后,任选地,机器人或其直接环境可以配备有温度传感器。理想情况下,在由放置在机器人端部的力传感器组成的外力测量设备的情况下,温度传感器将非常接近该传感器。每当校正因子Foffset改变时,就存储由负载单体(load cell)提供的温度测量。然后,关于平均力的预定阈值的矢量Fmax可以被定义为当前温度Tcurrent和存储温度Tmem之间的差的增函数。例如:
[数学8]Fmax=Fmax,0+k.|Tcurrent-Tmem|
其中Fmax,0和k是与关于平均力的预定阈值的矢量Fmax具有相同维度的矢量,并且具有预定值。
事实上,如果温度发生了很大变化,那么实际的力偏移可能也会发生更大的变化。因此,在这种情况下增加阈值以促进重新校准是有益的。
图4至图6示出在机器人2或200的动作期间的不同命令循环期间实现根据本发明的自校准方法的示例。
图4表示第一示例400。
在块402中,“重量模型”404用于根据计算的位置确定机器人的质量效应Fg。
在上图中,用于控制机器人的力控制模块(块408)使用外力Fc作为输入,后者是通过从测量的外力Fsensor减去(块406)由根据本发明的自校准过程(块410)给出的校正系数Foffset和机器人的质量效应Fg而获得的。
图5表示第二示例500。
在上图中,在块502内,“重量模型”504用于根据计算的位置确定机器人的质量效应Fg,然后将机器人的质量效应Fg提供给自校准模块506,该自校准模块506实现根据本发明的自校准方法。
用于控制机器人的力控制模块510在块508的输出处在不进行重力补偿的情况下使用校正的外力Fcor,该校正的外力Fcor等于从中减去校正系数Foffset的测量的外力Fsensor。在力控制模块510中,重力补偿以不同的方式实现,例如通过更复杂的动态补偿。
图6表示第三示例600。
如在先前示例中那样,在块602内,“重量模型”604用于根据计算的位置确定机器人的质量效应Fg,然后将机器人质量效应Fg提供给自校准模块606,该自校准模块606实现根据本发明的自校准方法。用于控制机器人的力控制模块610在块608的输出处使用校正的外力Fcor,该校正的外力Fcor等于从中减去校正系数Foffset的测量的外力Fsensor。相反,自校准模块606还使用由外力测量设备20测量的测量外力值Fsensor
在图4、图5和图6所示的所有情况下,实现根据本发明的自校准方法的自校准模块使用从测量的外力Fsensor和测量或计算的关节位置q计算的数据。
其它实现方式是可能的。
已经用允许实现本发明的最简单和最常见的架构描述了本发明。机器人和/或命令系统的许多其它架构是可能的。
上述实施例和上面设想的变型例可以被组合以创建新的实施例。

Claims (11)

1.一种用于自动校准工业机器人(2、200)的外力测量设备的方法,所述工业机器人包括多轴机器人臂(4),该机器人臂对于各关节轴包括电气致动器(M1、M2、M3、M4、M5、M6)和能够测量相应关节的关节位置的位置传感器(C1、C2、C3、C4、C5、C6),该机器人包括力测量设备(20),该力测量设备包括能够测量应用到机器人臂的力的至少一个测量传感器,该方法包括以下步骤:
对于多个连续的测量循环,存储机器人臂的关节位置(q)并计算外力测量设备上的施加外力(Fc),该施加外力(Fc)等于由外力测量设备测量的外力(Fsensor)减去应用到机器人臂的外力测量设备的漂移校正系数(Foffset)和机器人的质量效应(Fg);
在预定数量n的连续测量循环之后,对于各随后的循环,
计算施加外力变化指标(△F)和运动指标(△q),施加外力变化指标(△F)代表在最后n个测量循环期间的施加外力(Fc)的变化,运动指标(△q)代表在所述测量循环期间的关节位置的变化;
计算在最后n个测量循环期间的施加外力的平均力(Favg);
-如果以下条件被满足,则通过用与施加外力的平均力(Favg)成比例的值增加校正系数(Foffset)来更新校正系数(Foffset):
运动指标(△q)低于预定位置变化阈值的矢量(△qmax),以及
施加外力变化指标(△F)低于预定力变化阈值的矢量(△Fmax),以及
作为绝对值,施加外力的平均力(Favg)小于关于平均力的预定阈值的矢量(Fmax)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,力测量设备(20)是放置在机器人臂(4)的端部和端部执行器(6)之间的多轴力传感器(20)。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,力测量设备(20)是放置在机器人臂(4)的各关节处的力传感器的组(F1、F2、F3、F4、F5、F6)。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,通过测量给出机器人臂的关节位置(q)。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,当更新校正系数(Foffset)时,与施加外力的平均力(Favg)成比例的值等于所述施加外力的平均力乘以被包含于0和1之间的比例系数。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,连续测量循环的数量n大于100。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,如果校正系数(Foffset)的更新已经比预定稳定时段(tmin)更早发生,则禁止校正系数(Foffset)的更新。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,根据工业机器人(2、200)的外力测量设备的温度信息计算关于平均力的预定阈值的矢量(Fmax)。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,施加外力变化指标(△F)等于所述测量循环期间的施加外力(Fc)的最大值与施加外力(Fc)的最小值之间的差值。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,在所述测量循环期间,运动指标(△q)等于用于机器人的各关节轴的关节位置的最大值和最小值之间的差值。
11.一种包括多轴机器人臂(4)的工业机器人(2、200),该机器人臂对于各关节轴包括电气致动器(M1、M2、M3、M4、M5、M6)和能够测量相应关节的关节位置的位置传感器(C1、C2、C3、C4、C5、C6),该机器人包括力测量设备(20),该力测量设备(20)包括能够测量应用到机器人臂的力的至少一个测量设备,该机器人包括被配置为实现根据权利要求1至10中的一项所述的方法的中央处理单元(8)。
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