CN1846181A - 多个机械手的跟踪和镜像微动 - Google Patents

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H·迪安·麦吉
埃里克·翁
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Abstract

一种用于执行本发明方法的系统，包括引导机，其具有能够围绕第一轴关节咬合的机械手，并支撑末端执行器。从动机包括能够围绕对应的第二轴关节咬合的机械手。伺服电动机使引导机手臂围绕对应的第一轴关节咬合，并使从动机手臂围绕对应的第二轴关节咬合。用户接口允许用户微动引导机手臂，并能对手臂的移动进行编程，以便这样自动执行，即末端执行器到达预定的位置。控制器工作连接伺服电动机和用户接口，控制伺服电动机的操作，使所引导机手臂根据程控的移动进行移动，并且使从动机手臂这样移动，即其跟踪或镜像引导机的移动。

Description

多个机械手的跟踪和镜像微动
相关申请的交叉参考
本申请要求于2003年6月20日提交的美国临时申请No.60/480,582的权利，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及同时微动多个工业机械手，引导机(leader)机器人和从动机(follower)机器人都增量位移。更具体而言，本发明涉及跟踪微动(jog)模式以及镜像微动模式，从动机在跟踪微动模式下跟踪引导机的运动，在镜像微动模式下镜像引导机的运动。
背景技术
术语“微动”通常称为教示时间(teach-time)、用户交互式机器人运动。用户可以通过教示一个机器人，然后将教示程序传递给其它机器人，可以教示多个机器人自动重复来回移动的路径。此方法如果在程序执行期间机器人必须同时执行，则此方法冗长乏味。在向其它机器人传递程序之后，当需要变化和必须对初始程序进行修正时，改动每个机器人的程序难以一致，因为需要在机器人之间进行连续的切换来完成这些变化。
美国专利3,890,552描述了一种系统，用于教示和操作引导机和从动机机器人沿3个相互垂直的轴产生坐标式平移，从动机的一个平移在量级上等于有关引导机的对应平移，在方向上与其相反。切换电路控制驱动装置(actuator)，产生程控的平移。控制系统不产生围绕轴的旋转，并且需要最初调直引导机与从动机中的至少一个轴，以及引导机工作台与从动机工作台之间的精确间隔，从而可以发生坐标式移动。
坐标式微动是众所周知的用于产生从动机机器人与引导机机器人协调移动的技术，而从动机工具中心点(TCP)与引导机TCP的关系在微动时是固定的。但是坐标式微动不产生与引导机增量运动相同的从动机的增量运动。引导机框架在引导机移动时变化，而从动机必须保持其关于引导机框架的相对位置。例如，当引导机旋转时，从动机必须关于引导机框架旋转，而这产生了比引导机移动距离更长的移动距离。
坐标式微动起初设计成使用定位器作为引导机。定位器并未打算与机械手一起使用作为引导机，或在引导机是机械手时用于教示多个手臂按程序工作(programming)。坐标式微动需要用户单独微动每个机械手到达所需的位置和方向，然后记录该位置。而且，坐标式微动不支持镜像微动；相反，它促使从动机按照与引导机运动相同的方向移动。
多臂跟踪微动克服了坐标式微动的缺陷。多臂跟踪微动产生相同量级的引导机与从动机的增量运动，并且支持镜像微动。它允许引导机和从动机按照相反的方向微动，从而引导机和从动机可以协同进行加工和操作对称的工件。
发明内容
根据本发明的多臂跟踪微动和镜像微动，简化了对多个机械手的教示，并且如果对机械手进行编程来执行多个相同工件上的工作，则降低了对机器人进行编程所需的时间，其中，这些工件是几乎相同或对称的工件。所有机械手同时微动，每个从动机要么在其自己的活动框架中跟踪引导机的运动，要么关于系统默认或用户定义的镜像平面镜像引导机的运动。
关于多臂跟踪微动只需要一个引导机机器人，但是可以有多个从动机机器人。不要求在每个从动机机器人与引导机机器人之间进行校准，因为对于平移和旋转的运动，都对引导机与从动机施加了相同量级的增量运动。对机器人的控制可以归于单个控制器，或者归于多个在网络中连接的控制器。如果引导机和从动机归于不同的控制器，则由于控制器之间的通信延迟而可能存在等待时间，但是等待时间不影响实时多臂程序执行。机器人控制器和组件之间的命令信号的通信，可以采用任意形式，包括有限和无线网络。通信还可以是通过源自引导机的广播，以便允许任何机器人可以接收到广播，从而跟踪或镜像引导机机器人的运动。
根据本发明的方法涉及微动多个机器人，所述机器人包括：引导机，其具有能够围绕第一轴关节咬合的手臂，并支撑末端执行器；以及从动机，其具有能够围绕第二轴关节咬合的手臂。通过微动引导机的手臂并产生围绕第一轴的关节咬合，使末端执行器移动到预定的位置。记录对应于末端执行器移动到所述预定位置的围绕第一轴的关节咬合的量级与方向，以便利于机器人后续的自动操作。通过按照与所记录的围绕第一轴产生的关节咬合相同的对应量级来产生围绕第二轴的关节咬合，移动从动机的手臂。
一种用于执行本发明方法的系统，包括引导机，其具有能够围绕第一轴关节咬合的机械手，并支撑位于末端执行器。从动机包括能够围绕对应的第二轴关节咬合的机械手。伺服电动机使引导机手臂围绕对应的第一轴关节咬合，并使从动机手臂围绕对应的第二轴关节咬合。用户接口允许用户微动引导机的手臂，并能对手臂的移动进行编程，以便这样自动执行，即末端执行器到达预定的位置。控制器工作连接伺服电动机和用户接口，控制伺服电动机的操作，使引导机手臂根据程控的移动进行移动，并且使从动机手臂这样移动，即其跟踪或镜像引导机的移动。
对于本领域的技术人员而言，本发明的各种目的和优点在参照附图阅读优选实施例的下列详细描述时，将从中变得明显起来。
附图说明
图1是根据本发明的用于控制工业机器人坐标式位移的系统示意图；
图2是示出了工作在跟踪微动模式下的图1机器人的示意图；
图3是示出了工作在镜像微动模式下的图1机器人的示意图；
图4是用于右手机器人的笛卡尔(Cartesian)坐标轴的图；
图5是用于左手机器人的笛卡尔坐标轴的图；
图6示出了当工作在镜像模式下时引导机与从动机的平移和转动位移之间的对应；以及
图7是本发明的方法步骤图。
具体实施方式
本发明是一种用于同时微动多个工业机器人的系统10和方法。尽管图1所示系统包括引导机机器人12和从动机机器人14，但是可以包括任意数量的从动机机器人。每个机器人12、14具有至少一个机械手16，而机械手16包括至少一个伺服电动机18A、18B，用于使机械手围绕轴旋转。第一机器人12的伺服电动机18A工作连接第一组伺服放大器20，而第二机器人14的伺服电动机18B工作连接第二组伺服放大器22。伺服放大器20、22工作连接机器人控制器24并受其控制，或者每个机器人12、14可以具有它自己的控制器，在网络中连接中央即系统控制器24。
本发明允许机器人12、14在手工微动时，同时并同步地移动。通过控制器24命令引导机机器人12的伺服电动机18A和从动机机器人14的伺服电动机18B移动相同的增量量级，来实现同时移动。控制器24通过检查来自工作连接伺服电动机18A、18B的编码器的输入，并且因此通过调节伺服放大器20、22提供的电源，来检验移动是同时并同步的。
教示悬架式操纵台(teach pendant，简写成TP)26还工作连接机器人控制器24，用于允许用户向控制器12输入信息。悬架式操纵台包括字母数字键板和功能键，允许用户输入期望的坐标，随后机械手的末端执行器(end effector)响应于控制器产生的控制信号，移动到期望的坐标。可替换的，用户可以手工操纵即手工微动机械手12进行教示、编程和在电子存储器中记录移动的模式或期望路径上的点，而引导机12和从动机14响应于控制器产生的控制信号，将移动到期望路径上的点。例如，用户可以沿期望的路径手工移动机械手的末端执行器，并通过在可访问控制器的电子存储器中记录路径上的重要点，对机器人教示期望的路径，这些重要点被转换为点的对应坐标，并被存储在存储器中。具有此能力的用户接口称为“通过教示的引导(lead)”。
代替教示悬架式操纵台26的是，用户接口可以是具有CRT显示器的PC的键盘。其它接口设备可以包括操纵杆，支持多个轴中的平移和围绕多个轴的转动，操纵杆的移动位置被转换为代表位于机械手16末端的执行器即将来回移动的期望路径或即将到达的点的电子信号。路径和点由操作人员教给系统，并被提供作为对控制器的输入。可用于此目的的其它用户接口包括：微动轮，作用力感应设备，以及在教示点的过程中移动机器人的其它装置，包括用于图解描述模拟的机器人操作的交互设备。
本发明包括操作机器人12、14的两种模式：跟踪微动模式和镜像微动模式。当工作在跟踪微动模式中时，控制器向伺服电动机发出命令，促使从动机机器人14的每个手臂16执行与引导机机器人12手臂相同的平移和转动运动。当工作在镜像微动模式中时，控制器向伺服电动机发出命令，促使从动机机器人14的每个手臂16镜像引导机机器人12手臂16的平移和转动运动。操作人员通过压按教示悬架式操纵台26上的按钮，为每个从动机选择操作模式，其中，教示悬架式操纵台26上的按钮指示从显示在悬架式操纵台或其它用户接口的屏幕上的功能项目菜单中选定的模式。一个或多个从动机机器人可以工作在跟踪模式中，而一个或多个从动机可以与那些工作在跟踪模式的从动机同时工作在镜像模式中，这取决于为各个从动机选定的模式。
图2例示了系统工作在跟踪微动模式下的结果，示出了引导机机器人12从初始位置30向替换位置32的移动，以及从动机机器人14的对应位移。在按照跟踪微动模式工作期间，每个机械手关于其自己的活动框架微动，即关于其自己的旋转轴和中心旋转。
图3例示了系统工作在镜像微动模式下的结果，示出了引导机机器人12从初始位置30向替换位置34的移动，以及从动机机器人14从其初始位置30到替换位置36的对应位移。在按照镜像微动模式工作期间，从动机机器人微动相同的量级，但方向与引导机的方向相反。例如，引导机可以作为右手的机器人微动，而从动机作为左手的机器人微动。
图4例示了用于右手机器人的笛卡尔坐标轴X、Y、Z，其是常规的参考坐标系。图5例示了用于左手机器人的笛卡尔坐标轴X、Y、Z，其是在镜子放在平行于Y-Z平面的平面中时图4对应系统的镜像。当选择关于Y-Z平面的镜像模式的操作时，引导机沿X轴正方向的平移，产生从动机沿X轴负方向的平移。类似地，对于旋转位移，即偏转W、俯仰P以及滚动R，当选择关于平行于Y-Z平面的平面的镜像模式的操作时，引导机围绕Y轴正方向的俯仰旋转，产生从动机围绕Y轴负方向的俯仰旋转。
图6的表，示出了当工作在关于位于平行于X-Z平面的平面的镜像平面的镜像模式中时，引导机机器人与从动机机器人沿和围绕笛卡尔坐标轴平移和旋转位移之间的关系。从动机的框架和引导机机器人的框架14、14’，即笛卡尔系统的轴，不必相互平行，但是可以通过任意的角关系来布置。每个从动机机器人的框架14、14’，也可以通过任意的角关系来布置。这准许按照任意便利的角度或线性关系将机器人定位和布置在工厂地面上。
同样，镜像平面可以按照相对于引导机和从动机机器人框架的任意角关系来布置。镜像平面可以平行于包含引导机机器人框架的两个主要轴的平面，或者它可以关于引导机和从动机机器人的框架倾斜任意角度。
当操作人员选择X-Y镜像时，引导机机器人12的Z正向位移产生从动机机器人14的Z负向位移。当选择X-Z镜像时，引导机机器人12的Y正向位移产生从动机机器人14的Y负向位移。当选择Y-Z镜像时，引导机机器人12的X正向位移产生从动机机器人14的X负向位移。
跟踪和镜像模式都支持的框架包括World(世界)框架、User(用户)框架、Tool(工具)框架、Jog(微动)框架和Joint Jog(联合微动)。工具框架可以是动态的，因此从工具框架中选择的镜像平面也可以是动态的。用户定义的通用工具中心点(TCP)，可以由引导机和从动机共享，允许引导机和从动机都关于通用TCP框架进行旋转，例如当两个机械手握着货车车架等时。
现参照图7的图表，在步骤40，操作人员通过教示悬架式操纵台26向控制器24输入信息，涉及机器人的期望路径即正在对系统教示的期望路径上的重要点，以及选择的工作模式，即跟踪微动或镜像微动。
在步骤42，控制器24一旦执行了确定引导机手臂16端部的末端执行器的期望坐标的控制算法时，就产生命令引导机12的伺服电动机18A的信号，伺服电动机18A将在步骤43把末端执行器移动到具有期望坐标的点上。
在步骤44，针对选定的工作模式执行本发明的控制方法。如果选择了镜像模式，则在步骤46确定从动机的对应坐标，其与引导机12上的末端执行器期望目的地点、每个从动机14的框架以及镜像平面的位置和角度移动的对应坐标有关。在步骤48，控制器向每个从动机14的伺服电动机18B发命令信号，从而使它的末端执行器移动到期望的位置。
任选地，通过检查来自工作连接伺服电动机18A、18B的编码器的输入，以及通过在步骤52同时对伺服放大器20、22施加的信号进行修正调整，控制器24在步骤50检验每个从动机的位移是否与引导机的位移一样准确、同时和同步的。
在跟踪微动模式下，每个从动机机器人跟踪引导机增量位移的量级，并在其自己的活动框架中产生同量的增量位移。包括所有机械手的跟踪运动信息的单个运动命令，将向系统发布，因此所有机械手可以同时移动即跟踪。它提供了每个从动机按照它自己的用户定义的框架进行微动的灵活性。例如，如果引导机按照Tool框架微动，则所有的机器人将按照该Tool框架微动，但是每个机器人关于它自己的用户定义的Tool框架进行微动，而增量位移的量级与引导机相同。
在镜像微动模式下，每个从动机机器人镜像引导机的位移，增量位移的量级相同。为了从动机反射所镜像的运动，引导机的运动在用户定义的框架中将被转换。包括所有机械手的镜像运动信息的单个运动命令，将向系统发布，因此所有机械手可以同时移动。对于系统默认的镜像平面，引导机作为正常的右手机器人进行微动，而每个从动机作为左手机器人进行微动，以便镜像引导机的运动。对于用户定义的镜像平面，每个从动机关于指定的镜像平面，例如X-Y平面、Y-Z平面，或者通过三点法定义的客户化镜像平面镜像引导机的运动。
可以修改用于每个机器人的命令，以便适应该机器人的特殊环境。例如，如果传感器或其它设备检测到接近或接触，则机器人可以采取独立的动作来抵消未改变的运动的后果。在此情况下，机器人可以修改其路径以避免接触，根据就要发生的接触向外部设备发信号采取某些动作，或者向就要发生接触的引导机机器人发信号，于是引导机机器人能够采取某些动作，例如延缓向所有机器人发出命令，或调整所命令的轨迹。
因为多个机器人意欲跟随单个引导机机器人的位移，所以可以使用柔顺机构来适应每个机器人的工作单元的差异。柔顺机构可以是并入到附着在机械手上的机器人加工工具中的和/或在工作单元中支撑工件的固定设备中的机械设备。柔顺机构还可以是软件柔顺，其使用扭矩或其它的机器人固有参数来确定该机器人处于接触，并消弱允许机器人不用施加外力就继续前进的位置控制。任何柔顺机构可以向引导机机器人和/或柔顺状态中的其它机器人提供信号。
已知的障碍或其它项目，例如真实或虚拟的工件限制，可以针对每个机器人在数学上进行定义，并且引导机或每个机器人可以根据机器人的当前位置以及定义的障碍，确定是否需要采取某些当作。
此方法还可以用作控制多个机器人执行特殊任务的交互式方法，该特殊任务不是意欲教示机器人的程序。例如，它可以用于在多个机器人单元中定位照相机或其它传感器，或者用于执行基于单个引导机机器人运动的多个机器人的运动适合的另外任务。
此方法可以结合一个或多个外部定位器或其它设备一起使用，该外部定位器或其它设备对工件进行定位，从而一个或多个机器人可以在该工件上进行操作，例如制造工艺中的成形或加工操作。该方法能够协调引导机和这种设备之间、以及所有机器人和与其关联的外部定位器或其它设备之间的运动。
根据专利法规的规定，本发明的操作原理和模式，已经在其优选实施例中进行了阐述和例示。然而，必须明白，本发明在不脱离其精神或范围的前提下，可以在具体阐述和例示的内容之外付诸实行。

Claims (14)

1.一种用于微动多个机械手的系统，包括：
引导机，包括能够围绕第一轴关节咬合的机械手，并支撑位于引导机手臂外端的末端执行器；
从动机，包括能够围绕第二轴关节咬合的机械手；
第一伺服电动机，每个第一伺服电动机使引导机手臂围绕对应的第一轴关节咬合；
第二伺服电动机，每个第二伺服电动机使从动机手臂围绕对应的第二轴关节咬合；
用户接口，用于允许用户微动引导机手臂，并能对手臂的移动进行编程，以便这样自动执行，即末端执行器到达预定的位置；以及
控制器，工作连接伺服电动机和用户接口，用于控制伺服电动机的操作，使引导机手臂根据程控的移动进行移动，并且使从动机手臂这样移动，即其跟踪或镜像引导机的移动。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制器这样控制伺服电动机的操作，即从动机手臂的移动与引导机手臂的移动同时发生。
3.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制器这样控制伺服电动机的操作，即从动机手臂围绕第二轴的移动，在量级与方向上分别等于引导机手臂围绕第一轴的移动。
4.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制器这样控制伺服电动机的操作，即从动机手臂的移动关于镜像平面镜像引导机手臂的移动。
5.如权利要求1所述的系统，其特征是，
用户接口准许用户选择镜像平面；以及
控制器这样控制伺服电动机的操作，即从动机手臂的移动关于所述镜像平面镜像引导机的移动。
6.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制器包括：
多个控制器，每个控制器工作连接机械手，用于控制对应机械手的伺服电动机的操作；以及
系统控制器，工作连接具有多个控制器的网络，并在所述网络中进行通信。
7.如权利要求1所述的系统，其特征是，系统还包括：
第一伺服放大器，工作连接第一伺服电动机；
第二伺服放大器，工作连接第二伺服电动机；以及
系统控制器通过第一和第二伺服放大器，工作连接伺服电动机。
8.如权利要求1所述的系统，其特征是，用户接口包括下列之一：教示悬架式操纵台，PC键盘(PC包括与其通信的CRT显示器)，操纵杆，微动轮，作用力感应设备，通过教示设备的引导，以及描述模拟机器人操作的图解显示器。
9.如权利要求1所述的系统，还包括：
第二从动机，具有能够围绕多个第三轴关节咬合的机械手；
第三伺服电动机，用于使第二从动机的手臂围绕对应的第三轴关节咬合；以及
其特征是，控制器这样控制伺服电动机的操作，即所述从动机手臂跟踪引导机的移动，而第二从动机的手臂镜像引导机的移动。
10.一种用于微动多个机器人的方法，所述机器人包括：引导机，其具有能够围绕多个第一轴关节咬合的手臂，并支撑位于引导机手臂外端的末端执行器；以及从动机，其具有能够围绕多个第二轴关节咬合的手臂，所述方法包括如下步骤：
通过微动引导机手臂并产生围绕第一轴的关节咬合，使末端执行器移动到预定的位置；
记录对应于末端执行器移动到所述预定位置的围绕第一轴的关节咬合的量级与方向；以及
通过按照与所记录的围绕第一轴产生的关节咬合相同的对应量级来产生围绕第二轴的关节咬合，移动从动机的手臂。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是，移动从动机手臂的步骤还包括以下步骤：在使引导机手臂自动围绕第一轴关节咬合的同时，使从动机手臂自动围绕第二轴关节咬合。
12.如权利要求10所述的方法，其特征是，移动从动机手臂的步骤还包括以下步骤：从动机手臂围绕每个第二轴的关节咬合，在量级与方向上分别等于引导机手臂围绕第一轴的关节咬合。
13.如权利要求10所述的方法，其特征是，从动机手臂的移动关于镜像平面镜像引导机的移动。
14.如权利要求10所述的方法，还包括：
选择镜像平面：以及
其特征是，从动机手臂的移动关于所述镜像平面镜像引导机手臂的移动。
CNA2004800213248A 2003-06-20 2004-06-18 多个机械手的跟踪和镜像微动 Pending CN1846181A (zh)

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