RU2724777C1 - Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета - Google Patents

Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета Download PDF

Info

Publication number
RU2724777C1
RU2724777C1 RU2019144553A RU2019144553A RU2724777C1 RU 2724777 C1 RU2724777 C1 RU 2724777C1 RU 2019144553 A RU2019144553 A RU 2019144553A RU 2019144553 A RU2019144553 A RU 2019144553A RU 2724777 C1 RU2724777 C1 RU 2724777C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
exoskeleton
encoder
encoders
lever system
readings
Prior art date
Application number
RU2019144553A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Иванович Петренко
Фариза Биляловна Тебуева
Михаил Михайлович Гурчинский
Николай Юрьевич Свистунов
Андрей Сергеевич Павлов
Евгения Александровна Некрасова
Андрей Игоревич Бурьянов
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority to RU2019144553A priority Critical patent/RU2724777C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2724777C1 publication Critical patent/RU2724777C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при калибровке энкодеров рычажных систем экзоскелетов. Согласно изобретению рычажную систему экзоскелета приводят в произвольное положение, в котором фактические углы поворота рассчитывают путем решения обратной задачи кинематики. Техническим результатом изобретения является уменьшение количества и сложности оборудования, необходимого для калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета, не имеющего приводов. 2 ил.

Description

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при калибровке энкодеров рычажных систем экзоскелетов.
Известен способ калибровки и определения смещения углового энкодера относительно ротора электромотора, защищенный патентом US 9641108 B2, кл. H02P 6/16, G01R 23/00, 2017 г., заключающийся в том, что ротор электромотора устанавливают в известное положение путем возбуждения его обмоток, считывают показания энкодера в данном положении, вычисляют калибровочную поправку как разность между показаниями энкодера и фактическим углом поворота ротора, записывают калибровочную поправку в память электронного энкодера.
Существенными признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются вычисление калибровочной поправки и запись калибровочной поправки в память электронного энкодера.
Недостатком данного способа является необходимость применения специализированного оборудования для установки оси, контролируемой калибруемым энкодером, в положение с заранее известным углом поворота.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ калибровки угловых энкодеров роботизированных манипуляторов, защищенный патентом US 9427872 B1, МПК B25J 9/00, B25J 9/16, G01D 5/26, G01D 5/244, 2016 г., заключающийся в том, что сегмент манипулятора, положение которого контролируется энкодером, с помощью привода (актуатора) сначала устанавливают в одно из граничных положений, затем с известным шагом изменяют его фактический угол и считывают соответствующие показания энкодера, вычисляют калибровочную поправку, записывают калибровочную поправку в память электронного энкодера.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются вычисление калибровочной поправки и запись калибровочной поправки в память электронного энкодера.
Недостатком данного способа является необходимость установки сегмента манипулятора в ряд положений с заранее известными углами поворота, что требует наличия приводов, подключаемых к рычажной системе манипулятора, или специализированного оборудования.
Техническим результатом изобретения является уменьшение количества и сложности оборудования, необходимого для калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета, не имеющего приводов.
Для достижения технического результата в способе калибровки энкодеров, включающем вычисление калибровочной поправки и запись калибровочной поправки в память электронного энкодера, для вычисления калибровочной поправки дополнительно фиксируют основание экзоскелета на стенде, расположенном рядом с операционным столом,
Figure 00000001
раз выполняют измерения, включающие приведение рычажной системы экзоскелета в произвольное положение на операционном столе, запись показаний
Figure 00000002
-го энкодера
Figure 00000003
,
Figure 00000004
, где
Figure 00000005
- количество энкодеров,
Figure 00000006
- номер измерения, измерение декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, вычисление фактических углов поворота
Figure 00000007
энкодеров в кинематических парах рычажной системы экзоскелета путем решения обратной задачи кинематики на основе декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, для каждого
Figure 00000002
-го энкодера находят свободный член
Figure 00000008
линейной зависимости показаний энкодеров
Figure 00000009
от фактических углов поворота
Figure 00000010
:
Figure 00000011
методом наименьших квадратов на основе
Figure 00000001
пар
Figure 00000012
записанных показаний энкодеров
Figure 00000003
и фактических углов поворота
Figure 00000013
, принимают калибровочную поправку равной свободному члену
Figure 00000008
.
Теоретическое доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Для измерения углов поворота в рычажной системе экзоскелета могут применяться энкодеры. При использовании экзоскелета для захвата движений человека необходимо соответствие начал отсчета углов поворота в энкодерах и начал отсчета углов поворота в используемой кинематической модели рычажной системы экзоскелета. Данное соответствие может быть достигнуто путем прецизионного монтажа энкодеров. Более простым способом является монтаж энкодеров с произвольной ориентацией начала отсчета угла поворота и их последующая калибровка. Обозначим углы поворота относительно начал отсчета кинематической модели рычажной системы экзоскелета как фактические. Задачей калибровки является определение показаний энкодеров, соответствующих нулевым значениям фактических углов поворота и запись этой калибровочной поправки в память электронных энкодеров.
Калибровочная поправка может быть определена как разность между показаниями энкодера и фактическими углами поворота. Для этого можно привести рычажную систему экзоскелета в положение с известными фактическими углами поворота, как это сделано в прототипе, либо измерить фактические углы поворота с помощью приборов прямого измерения. Использование обоих вариантов затруднено сложной конструкцией рычажной системы экзоскелета и отсутствием приводов, поэтому требует применения сложного специализированного оборудования.
До калибровки показания энкодеров и фактические углы поворота отличаются на постоянную величину, равную калибровочной поправке. Для ее определения в заявляемом способе для каждого энкодера предлагается определить коэффициенты линейного уравнения, описывающего зависимость между показаниями энкодеров и фактическими углами. Для этого рычажная система экзоскелета приводится в несколько различных положений. В каждом положении записываются показания энкодеров и декартовы координаты узловых точек рычажной системы экзоскелета. На основе декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета вычисляются фактические углы поворота в кинематических парах рычажной системы экзоскелета. Для каждого
Figure 00000002
-го энкодера по полученным парам показаний энкодеров
Figure 00000003
и фактических углов поворота
Figure 00000007
определяется свободный член
Figure 00000008
линейного уравнения зависимости вида:
Figure 00000011
где
Figure 00000009
- показания энкодера,
Figure 00000010
- фактические углы,
Figure 00000008
- свободный член.
Значение свободного члена
Figure 00000008
может быть определено с помощью метода наименьших квадратов. Значение
Figure 00000008
является искомой калибровочной поправкой. После записи калибровочной поправки в память электронного энкодера, показания энкодера совпадают со значением фактических углов поворота.
Предлагаемый способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета (фиг. 1) заключается в том, что основание 1 экзоскелета фиксируют на стенде 2, расположенном рядом с операционным столом 3. Далее задают количество проводимых измерений
Figure 00000001
. Затем для
Figure 00000014
повторяют следующую последовательность действий:
1. Локтевое сочленение 5 и рабочее окончание 6 экзоскелета располагают в произвольных точках операционного стола.
2. Записывают соответствующие
Figure 00000002
-му положению экзоскелета показания энкодеров
Figure 00000015
,
Figure 00000016
, где
Figure 00000005
- число калибруемых энкодеров.
3. Измеряют декартовы координаты узловых точек рычажной системы экзоскелета.
4. Рассчитывают фактические углы поворота
Figure 00000017
сочленений экзоскелета в
Figure 00000002
-м положении на основе известных длин звеньев экзоскелета, декартовых координат рабочего окончания, локтевого и плечевого сочленений путем решения обратной задачи кинематики.
Для каждого
Figure 00000002
-го энкодера находят свободный член
Figure 00000008
линейной зависимости показаний энкодера от фактического угла поворота на основе рассчитанных значений фактических углов поворота
Figure 00000018
и соответствующих им показаний энкодера
Figure 00000019
методом наименьших квадратов. Пример определения значения
Figure 00000008
по набору значений
Figure 00000020
и
Figure 00000021
для одного энкодера представлен на фиг. 2. Значение
Figure 00000008
является искомой калибровочной поправкой. Вычисленную калибровочную поправку записывают в память электронного энкодера.
Калибровку энкодеров рычажной системы второй «руки» 7 экзоскелета выполняют аналогично.
Таким образом, заявляемое изобретение не требует оборудования для приведения рычажной системы экзоскелета в положение с известными фактическими углами и оборудования для прямого измерения углов. Фактически углы поворота кинематических пар, в которых установлены калибруемые энкодеры, определяются косвенно на основе известных длин звеньев рычажной системы экзоскелета и декартовых координат ее узловых точек.
На фиг. 1 приведено расположение основания 1 экзоскелета, стенда 2 для фиксации экзоскелета, операционного стола 3, плечевого сочленения 4, локтевого сочленения 5, рабочего окончания 6 и второй «руки» 7 экзоскелета.
На фиг. 2 приведена визуализация примера калибровки для энкодера, измеряющего ротацию плечевого звена рычажной системы экзоскелета. По оси абсцисс откладывается фактический угол поворота
Figure 00000010
. По оси ординат откладываются показания энкодера
Figure 00000009
. На координатной плоскости отложены точки
Figure 00000022
,
Figure 00000023
, соответствующие результатам косвенного измерения фактических углов
Figure 00000013
и показаниям энкодера
Figure 00000003
. Также приведен график уравнения зависимости между показаниями энкодера
Figure 00000009
и фактическим углом
Figure 00000010
.
В соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующие действия над экзоскелетом, стендом, операционным столом и другими материальными объектами (фиг. 1):
1. Фиксируют основание 1 экзоскелета на стенде 2, расположенном рядом с операционным столом 3.
2. Выбирают количество проводимых измерений
Figure 00000001
. Затем для
Figure 00000006
повторяют следующую последовательность действий:
2.1. Перемещают рычажную систему экзоскелета в произвольное
Figure 00000002
-е положение, путем перемещения локтевого сочленения 5 и рабочего окончания 6 экзоскелета в произвольные точки операционного стола.
2.2. Записывают соответствующие
Figure 00000002
-му положению экзоскелета показания энкодеров
Figure 00000003
,
Figure 00000004
, где
Figure 00000005
- число калибруемых энкодеров.
2.3. Измеряют декартовы координаты узловых точек рычажной системы экзоскелета.
2.4. Определяют углы поворота
Figure 00000013
путем решения обратной задачи кинематики в
Figure 00000024
-м положении манипулятора на основе известных длин звеньев экзоскелета, декартовых координат рабочего окончания и центров сочленений.
3. Для каждого
Figure 00000002
-го энкодера:
3.1. Находят свободный член
Figure 00000008
линейной зависимости показаний энкодера от фактических углов поворота на методом наименьших квадратов. Пример определения значения
Figure 00000008
по набору значений
Figure 00000020
и
Figure 00000021
для одного энкодера представлен на фиг. 2.
3.2. Записывают коэффициент
Figure 00000008
как калибровочную поправку в память электронного энкодера.
Один из вариантов осуществления изобретения для экзоскелета, описанного в дистанционном манипуляторе, защищенном патентом RU №125508, кл. B25J 3/04, 2013 г., заключается в следующем.
Экзоскелет фиксируют на жесткой раме, закрепленной на операционном столе (фиг. 2).
В соответствие с заявляемым способом семь раз перемещают одну «руку» экзоскелета в произвольное положение на операционном столе.
Для каждого положения с помощью системы управления экзоскелетом получают показания энкодеров и записывают их.
С помощью средств прямого измерения на основе известных конструктивных параметров стенда и стола определяют декартовы координаты центров локтевого и лучезапястного сочленений, центра схвата относительно центра плечевого сочленения «руки» экзоскелета.
Фактические углы поворота в кинематических парах рычажной системы экзоскелета вычисляют путем решения обратной задачи кинематики с помощью решения, предложенного в работе [Petrenko, V.I. Calculating rotation angles of the operator's arms based on generalized coordinates of the master device with following anthropomorphic manipulator in real time / V.I. Petrenko, F.B. Tebueva, V.B. Sychkov, V.O. Antonov, M.M. Gurchinsky // International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). - 2018. - Vol. 9, Issue 7 (2018). - pp. 447-461].
С помощью метода наименьших квадратов находят значения
Figure 00000008
для каждого энкодера.
Найденные коэффициенты
Figure 00000008
записывают в память электронных энкодеров с помощью системы управления экзоскелетом.
Для упрощения процесса вычислений может использоваться ЭВМ. Процедура калибровки может быть автоматизирована путем реализации программного модуля калибровки в составе системы управления экзоскелетом.
Пример калибровочных данных, полученных с помощью заявляемого способа для энкодера, измеряющего ротацию плечевого звена рычажной системы экзоскелета, приведен на фиг. 2.

Claims (3)

  1. Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета, включающий вычисление калибровочной поправки и запись калибровочной поправки в память электронного энкодера, отличающийся тем, что для вычисления калибровочной поправки дополнительно фиксируют основание экзоскелета на стенде, расположенном рядом с операционным столом, n раз выполняют измерения, включающие приведение рычажной системы экзоскелета в произвольное положение на операционном столе, запись показаний i-го энкодера di,j,
    Figure 00000025
    , где m - количество энкодеров,
    Figure 00000026
    - номер измерения, измерение декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, вычисление фактических углов поворота ϕi,j энкодеров в кинематических парах рычажной системы экзоскелета путем решения обратной задачи кинематики на основе декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, для каждого i-го энкодера находят свободный член bi линейной зависимости показаний энкодеров di от фактических углов поворота ϕi:
  2. di = ϕi + bi,
  3. методом наименьших квадратов на основе n пар
    Figure 00000027
    записанных показаний энкодеров di,j и фактических углов поворота ϕi,j, принимают калибровочную поправку равной свободному члену bi.
RU2019144553A 2019-12-27 2019-12-27 Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета RU2724777C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144553A RU2724777C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144553A RU2724777C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724777C1 true RU2724777C1 (ru) 2020-06-25

Family

ID=71135805

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019144553A RU2724777C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724777C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9427872B1 (en) * 2014-12-21 2016-08-30 Google Inc. Devices and methods for encoder calibration
US9505132B1 (en) * 2015-03-30 2016-11-29 X Development Llc Methods and systems for calibrating a sensor of a robotic device
US9641108B2 (en) * 2014-04-16 2017-05-02 Eaton Corporation Method and system for calibrating and detecting offset of rotary encoder relative to rotor of motor
RU2696508C1 (ru) * 2018-08-31 2019-08-02 Общество с ограниченной ответственностью "АРКОДИМ" Промышленный робот-манипулятор с системой двойных энкодеров и способ его позиционирования

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9641108B2 (en) * 2014-04-16 2017-05-02 Eaton Corporation Method and system for calibrating and detecting offset of rotary encoder relative to rotor of motor
US9427872B1 (en) * 2014-12-21 2016-08-30 Google Inc. Devices and methods for encoder calibration
US9505132B1 (en) * 2015-03-30 2016-11-29 X Development Llc Methods and systems for calibrating a sensor of a robotic device
RU2696508C1 (ru) * 2018-08-31 2019-08-02 Общество с ограниченной ответственностью "АРКОДИМ" Промышленный робот-манипулятор с системой двойных энкодеров и способ его позиционирования

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110948522B (zh) 一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法
Roth et al. An overview of robot calibration
DK2760642T3 (en) Calibration and programming of robots
US7756608B2 (en) System for calibration of an industrial robot and a method thereof
JP2011069816A (ja) 回転絶対位置センサを較正するためのシステムおよび方法
Abderrahim et al. Accuracy and calibration issues of industrial manipulators
JP2008522836A (ja) 運動学的ロボット・モデル・パラメータ決定によって多関節ロボットにおいて改善された精度を提供する方法及びシステム
WO2018196232A1 (zh) 机器人和末端执行器的自动标定方法及系统
JP2012200805A (ja) ロボット制御装置、ロボット制御方法、プログラム及び記録媒体
JPH0911167A (ja) ロボットまたは多軸マシニングセンターのキャリブレーション用エラーマップの作成方法
Gatti et al. A practical approach to compensate for geometric errors in measuring arms: application to a six-degree-of-freedom kinematic structure
JP4302830B2 (ja) ロボットのキャリブレーション方法及び装置
JP2004195621A (ja) ３次元計測装置
CN109968402B (zh) 回程间隙测量方法及控制方法、装置、系统和存储介质
JP2012176465A (ja) トルクセンサ校正装置、校正方法、及びプログラム
WO2020160776A1 (en) Method of calibrating a tool of an industrial robot, control system and industrial robot
Santolaria et al. Self-alignment of on-board measurement sensors for robot kinematic calibration
TW201313415A (zh) 機械手臂的座標校正系統及方法
Driels Using passive end-point motion constraints to calibrate robot manipulators
TWI747079B (zh) 機械手臂的定位精度量測系統與方法
RU2724777C1 (ru) Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета
JP2014521524A (ja) 運動学的機構を較正する方法
Bonitz et al. Calibrating a multi-manipulator robotic system
Chai et al. A practical calibration process using partial information for a commercial Stewart platform
Abtahi et al. Calibration of parallel kinematic machine tools using mobility constraint on the tool center point

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210113

Effective date: 20210113