專利名稱：用于精細(xì)定位末端部的自動(dòng)機(jī)械手裝置及相關(guān)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使末端部能夠移動(dòng)的自動(dòng)機(jī)械手裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
所述自動(dòng)機(jī)械手裝置用于在空間中移動(dòng)和定位物體或者工具。該自動(dòng)機(jī)械手裝置 可具有串接、并接或者較少見(jiàn)的混合結(jié)構(gòu)。在串接結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成該自動(dòng)裝置的各個(gè)部件彼此 串聯(lián)鉸接，通過(guò)沿運(yùn)動(dòng)鏈分布的致動(dòng)器獲得相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在并接結(jié)構(gòu)中，若干運(yùn)動(dòng)鏈閉合(se refermer)并且構(gòu)成這種運(yùn)動(dòng)鏈的元件不必全部被致動(dòng)。所述串接、混合或者并接的自動(dòng)機(jī)械手裝置具有一定的自動(dòng)裝置靈活度，從而使 待被操縱的物體獲得一定的自由度。大多數(shù)工業(yè)化銷(xiāo)售的串接自動(dòng)裝置為-SCARA類(lèi)型，具有位于一個(gè)平面內(nèi)的兩個(gè)移動(dòng)臂和在垂直于該平面的方向上的一 個(gè)自動(dòng)裝置靈活度(平面能夠繞后者的軸線旋轉(zhuǎn)得到)，允許在與基準(zhǔn)平面平行的平面中 對(duì)固體進(jìn)行定位和定向；或者-擬人化類(lèi)型，具有基座、肩部、支撐腕關(guān)節(jié)(poignet)的臂，最終產(chǎn)生6個(gè)自動(dòng)裝 置靈活度(3個(gè)用于定位，3個(gè)用于定向)。如果自動(dòng)裝置靈活度的數(shù)量(與致動(dòng)器的數(shù)量相關(guān))大于所獲得的被操縱固體的 自由度的數(shù)量，則自動(dòng)裝置可能是冗余的。一般地說(shuō)，所述自動(dòng)裝置雖然難以控制，但是能 夠避開(kāi)工作空間中的障礙或者能夠在難以進(jìn)入的空間中工作。標(biāo)準(zhǔn)ISO 9283定義了工業(yè)自動(dòng)裝置所考慮的性能標(biāo)準(zhǔn)，特別是定位的重復(fù)性和 精確性。到目前為止，無(wú)論是串接或者并接、冗余或者非冗余的自動(dòng)機(jī)械手裝置的定位的重 復(fù)性沒(méi)有超過(guò)接近百分之一毫米的值。就精確度性能而言，它們甚至更差，現(xiàn)在最好的自動(dòng) 裝置僅僅能夠保證在工作空間中0. 03毫米內(nèi)的精確定位。在諸如制表領(lǐng)域中，必須在0. 2毫米直徑的孔中插入軸，或者在光電領(lǐng)域中，已證 明小于0.01毫米的重復(fù)性以及0. 01毫米量級(jí)的定位精確度是必須的。對(duì)于一些所謂的奇異(singuliSre)結(jié)構(gòu)而言，自動(dòng)裝置的末端部的自由度的數(shù) 量局部上嚴(yán)格小于自動(dòng)裝置靈活度的數(shù)量。雅可比矩陣是對(duì)該自動(dòng)裝置的幾何模型進(jìn)行微 分得到的矩陣；該矩陣在奇異位置中不再是可逆(irwersible)的。例如當(dāng)該自動(dòng)裝置被可 逆的微分模型控制時(shí)將產(chǎn)生問(wèn)題。因?yàn)闈撛诘目刂茊?wèn)題，通常難以在靠近奇異結(jié)構(gòu)的區(qū)域 中定位自動(dòng)裝置的末端部。文獻(xiàn)US4523100已知為現(xiàn)有技術(shù)，其公開(kāi)了一種包括鉸接臂的自動(dòng)裝置，該鉸接 臂支撐用于微運(yùn)動(dòng)的鉸接頭。所述鉸接臂提供鉸接頭的粗略定位，精確定位由構(gòu)成該頭部 關(guān)節(jié)的線性游標(biāo)提供。該自動(dòng)裝置具有如下缺點(diǎn)需要至少6個(gè)不同種類(lèi)的關(guān)節(jié)。在所謂的用于在三維空間中精確定位物體的微裝置/宏裝置內(nèi)，該末端部的精細(xì) 移動(dòng)通常由固定在運(yùn)動(dòng)鏈下游的獨(dú)立測(cè)微裝置提供；該組件需要用于對(duì)測(cè)微裝置進(jìn)行定位 的支撐結(jié)構(gòu)的最少3個(gè)關(guān)節(jié)，該測(cè)微裝置本身包括3個(gè)關(guān)節(jié)，這意味著大致包括6個(gè)關(guān)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用來(lái)解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，特別地用于精確定位冗余自動(dòng)裝置的末端 部，從而相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有精確性方面(重復(fù)性和精確定位)的改進(jìn)性能。此外，本發(fā)明能 夠在與自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的基座或者奇異結(jié)構(gòu)靠近的區(qū)域中工作。與宏裝置/微裝置相比，本 發(fā)明通過(guò)提供一種集成架構(gòu)而使精細(xì)定位所使用的關(guān)節(jié)數(shù)目實(shí)質(zhì)減少。本發(fā)明涉及完全集成且冗余的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)于所述結(jié)構(gòu)而言存在所謂的“感 興趣區(qū)域(une zone d'interet)"，在該區(qū)域中可獲得自動(dòng)裝置的末端部的精細(xì)定位。與專 利US4523100所公開(kāi)的技術(shù)方案不同，該感興趣區(qū)域不覆蓋自動(dòng)裝置的末端部可進(jìn)入的整 個(gè)工作空間，但是具有優(yōu)選的動(dòng)作容積，在所述動(dòng)作容積內(nèi)自動(dòng)裝置的端部可沿任一運(yùn)動(dòng) 路徑運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明涉及自動(dòng)裝置，其包括用于使端部在N維空間中移動(dòng)的鉸接臂，該鉸接臂 具有至少N+1個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)；以及計(jì)算機(jī)，用于控制電動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)，所述計(jì)算機(jī)控制對(duì)該鉸接 臂的末端部進(jìn)行預(yù)定位的第一步驟和進(jìn)行精細(xì)定位的第二步驟。預(yù)定位的第一步驟包括使鉸接臂的端部進(jìn)入到感興趣區(qū)域中，盡可能靠近最優(yōu)定 位區(qū)域的中心，所述中心通過(guò)N個(gè)輔助(secondaire)電動(dòng)關(guān)節(jié)限定，所述關(guān)節(jié)中的至少一 個(gè)是旋轉(zhuǎn)軸。精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所述N個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)； 以及通過(guò)所述N個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)來(lái)控制末端部的移動(dòng)。在具體實(shí)施例中-用于在三維空間中定位的鉸接臂包括至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至少2個(gè)旋 轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中，所述感興趣 區(qū)域是工作空間的子集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除包括2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi)的3 個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)來(lái)進(jìn)行 最終定位；-用于在三維空間中定位的鉸接臂包括至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至少一個(gè)旋 轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中，所述感興趣 區(qū)域是工作空間的子集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除了包括所述旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi) 的3個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移 動(dòng)來(lái)進(jìn)行最終定位；-鉸接結(jié)構(gòu)包括至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至少2個(gè)所謂的輔助平行旋轉(zhuǎn)軸，所 述預(yù)定位的第一步驟包括將所述自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中；所述精細(xì)定位的 第二步驟包括阻止除了輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有電動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)，以及通過(guò)所述輔助軸 中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)來(lái)進(jìn)行最終定位；-用于在空間的平面中定位的鉸接臂包括至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至少一個(gè) 旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中，所述感興 趣區(qū)域是工作空間的子集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除了包括所述旋轉(zhuǎn)軸在 內(nèi)的2個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本 移動(dòng)來(lái)進(jìn)行最終定位；
-用于在三維空間進(jìn)行定位的鉸接臂包括至少4個(gè)串接的電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至 少3個(gè)所謂的輔助旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將該自動(dòng)裝置的末端部引入到感興 趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是工作空間的子集合，相對(duì)于3個(gè)附屬旋轉(zhuǎn)軸的杠桿臂具有小 長(zhǎng)度，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除了輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及 通過(guò)所述輔助軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)來(lái)進(jìn)行最終定位；-鉸接臂包括至少3個(gè)串接的電動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括至少2個(gè)所謂的輔助平行旋轉(zhuǎn) 軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將該自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中，甚至最優(yōu)定 位區(qū)域，所述最優(yōu)定位區(qū)域是圓盤(pán)，該圓盤(pán)的中心是與等腰直角三角形的斜邊相對(duì)的頂點(diǎn)， 所述等腰直角三角形包含在包括操縱臂的末端部并且垂直于輔助旋轉(zhuǎn)軸的平面中，所述斜 邊具有位于第一輔助旋轉(zhuǎn)軸上的第一頂點(diǎn)和位于第二輔助旋轉(zhuǎn)軸上的第二頂點(diǎn)；圓盤(pán)的直 徑近似等于兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)軸之間的距離；所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所述輔助 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有電動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)，以及通過(guò)輔助軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所引起的基本 移動(dòng)來(lái)進(jìn)行最終定位；-自動(dòng)裝置包括至少一個(gè)位于運(yùn)動(dòng)鏈上游的附加關(guān)節(jié)，還包括一個(gè)通過(guò)所述附加 關(guān)節(jié)的動(dòng)作限定感興趣區(qū)域的打開(kāi)步驟；-所述精細(xì)定位是通過(guò)重復(fù)從稱為協(xié)調(diào)點(diǎn)的特定點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑的一部分 而間接獲得的，從而解決了干摩擦(frottements sees)的問(wèn)題，該協(xié)調(diào)點(diǎn)是位于與目標(biāo)點(diǎn) 相關(guān)聯(lián)的死區(qū)(zone morte)之外的點(diǎn)；-所述精細(xì)定位是通過(guò)處理外感受(eXt6roc印tive)信息而獲得的，所述外感受 信息能夠推導(dǎo)出自動(dòng)裝置的末端部的位置與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離并且能夠通過(guò)輔助關(guān)節(jié)的 基本旋轉(zhuǎn)來(lái)控制自動(dòng)裝置；-兩個(gè)步驟在執(zhí)行之前被計(jì)算，從而準(zhǔn)備用于連續(xù)移動(dòng)的控制法則；-兩個(gè)步驟在執(zhí)行之前被計(jì)算，從而準(zhǔn)備移動(dòng)過(guò)程中的控制法則和周期性計(jì)算；-用于精細(xì)定位的冗余自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)使每個(gè)步驟具有可逆的幾何模型；-用于精細(xì)定位的冗余自動(dòng)裝置的控制在預(yù)定位階段完成之后使用局部校準(zhǔn)方法 用于在定位中獲得更好的精確度；-在自動(dòng)裝置的端部固定有腕關(guān)節(jié)，從而能夠?qū)ξ矬w或者工具的定向進(jìn)行控制。在其它實(shí)施例中-所述輔助軸被選擇為相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)具有最小杠桿臂的軸。-兩個(gè)輔助軸之間的距離小于輔助軸與第三軸之間的距離和第三軸與末端點(diǎn)之間 的距離。-所述輔助關(guān)節(jié)的角度位置傳感器的分辨率比其他關(guān)節(jié)的傳感器的分辨率大。-用于在兩個(gè)步驟中精細(xì)定位的冗余自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)由于運(yùn)動(dòng)鏈上兩個(gè)連續(xù)平行 旋轉(zhuǎn)軸的冗余性，允許每個(gè)步驟具有可逆的幾何模型。所述自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)包括根據(jù)冗余構(gòu)造的至少3個(gè)串接、混合或者并接模式的鉸接 段、能夠獲得關(guān)于運(yùn)動(dòng)鏈的致動(dòng)器的信息的本體感受(proprioc印tifs)傳感器、以及能夠 控制運(yùn)動(dòng)鏈的計(jì)算機(jī)。兩種關(guān)節(jié)在所述運(yùn)動(dòng)鏈處被限定，該運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成了自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)被稱為主關(guān)節(jié) 的用于定位和定向的關(guān)節(jié)(旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、棱柱關(guān)節(jié)或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他類(lèi)型的關(guān)節(jié))、被稱為輔助關(guān)節(jié)的一些用于對(duì)自動(dòng)裝置的末端部進(jìn)行精確定位的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)鏈中 輔助旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的選擇取決于自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，一些旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能夠在一種給定的結(jié)構(gòu)中 被構(gòu)造為輔助關(guān)節(jié)并且在另一結(jié)構(gòu)中僅被構(gòu)造為主關(guān)節(jié)。輔助軸的選擇基于如下原理自 動(dòng)裝置的輔助旋轉(zhuǎn)軸與末端部之間的距離相對(duì)于自動(dòng)裝置的非輔助旋轉(zhuǎn)軸與末端部之間 的距離而言很小。在替換實(shí)施例中，一些輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以由棱柱連接件替換以能夠在三維空 間中或者平面中進(jìn)行精確定位，假設(shè)在所述輔助關(guān)節(jié)之間仍然存在至少一個(gè)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)；因而，對(duì)于三維空間中的精細(xì)定位，輔助關(guān)節(jié)可由圖10所示的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)電 動(dòng)棱柱關(guān)節(jié)的組合形成，或者由一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)電動(dòng)棱柱關(guān)節(jié)的組合形成；對(duì)于平面 中的定位，輔助關(guān)節(jié)可由如圖8-e所示的一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)電動(dòng)棱柱關(guān)節(jié)的組合形成。感興趣區(qū)域是工作空間的受限制區(qū)域，該受限制區(qū)域本質(zhì)上取決于自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu) 的構(gòu)造，對(duì)于該受限制區(qū)域而言已證實(shí)有下述性能自動(dòng)裝置的末端部可被定位在感興趣 區(qū)域中；通過(guò)控制輔助旋轉(zhuǎn)軸獲得的定位的空間分辨率比在工作空間的其余部分獲得的空 間分辨率更精細(xì)；由圍繞自動(dòng)裝置的輔助旋轉(zhuǎn)軸的基本旋轉(zhuǎn)所引起的基本矢量移動(dòng)構(gòu)成了 空間中的一族生成矢量，理想地，構(gòu)成正交基。對(duì)于三維空間中的精細(xì)定位，在運(yùn)動(dòng)鏈中選擇3個(gè)輔助關(guān)節(jié)。對(duì)于平面中的精細(xì) 定位，在運(yùn)動(dòng)鏈中選擇2個(gè)輔助關(guān)節(jié)。對(duì)于直線上的精細(xì)定位，在運(yùn)動(dòng)鏈中選擇1個(gè)輔助關(guān) 節(jié)。然而在不同的情況中，可能有必要選擇比上面限定更多的輔助關(guān)節(jié)；由于本領(lǐng)域技術(shù)人 員能夠設(shè)計(jì)一種能對(duì)由基本移動(dòng)導(dǎo)致的局部冗余進(jìn)行管理的控制方法，所述基本移動(dòng)構(gòu)成 了在所請(qǐng)求的移動(dòng)的矢量空間中連接的一族矢量，本發(fā)明的原理和優(yōu)點(diǎn)仍然有效。在感興趣區(qū)域中，可區(qū)分出最優(yōu)定位區(qū)域(ZPO-zon印ositionnement optimal)。 該ZPO的中心是ZPO中距離輔助軸相等距離的特定點(diǎn)，對(duì)于該中心而言，由圍繞輔助旋轉(zhuǎn)軸 的基本旋轉(zhuǎn)所引起的基本矢量移動(dòng)構(gòu)成了該空間中矢量的正交基。并非所有冗余的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)都必須具有感興趣區(qū)域、或甚至ΖΡ0。對(duì)于給定的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，感興趣區(qū)域和ZPO取決于運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)造。然而，只有工 作空間的一部分可成為感興趣區(qū)域。自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者必須非常仔細(xì)，定義該結(jié)構(gòu)的 尺寸，以使ZPO能夠存在、具有足夠的容積并且可通過(guò)根據(jù)期望應(yīng)用的構(gòu)造和移動(dòng)可到達(dá)。 對(duì)于使用者，他或她必須在所有可能的構(gòu)造中選擇這樣的構(gòu)造允許他或她實(shí)現(xiàn)期望進(jìn)行 精細(xì)定位的區(qū)域和感興趣區(qū)域，或甚至與ZPO重合。理想的情況是在靠近ZPO中心的區(qū)域 中進(jìn)行精細(xì)定位。當(dāng)在ZPO的中心處進(jìn)行最終定位時(shí)，精細(xì)定位的空間控制與輔助軸的控制是分開(kāi) 的。當(dāng)遠(yuǎn)離ZPO的中心但仍位于感興趣區(qū)域中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分聯(lián)接。本發(fā)明涉及精細(xì)定位控制，精細(xì)定位控制可分為兩個(gè)獨(dú)立的步驟稱為預(yù)定位步 驟的第一步驟包括將操縱臂的末端部引入到感興趣區(qū)域中，甚至引入到ZPO中；第二步驟 包括僅通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)輔助關(guān)節(jié)精細(xì)定位操縱臂的末端部。在精細(xì)定位步驟中，僅致動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)軸。因?yàn)樗鼋Y(jié)構(gòu)和角度編碼器上的相同 分辨率，從而對(duì)輔助旋轉(zhuǎn)軸所估計(jì)的定位重復(fù)性進(jìn)行顯著和可計(jì)算的改進(jìn)。另一方面，在 ZPO的中心處，笛卡爾空間與輔助關(guān)節(jié)空間之間的控制是分開(kāi)的。通過(guò)嚴(yán)格限制重復(fù)性“球 體”固有的非線性，定位中重復(fù)性的較小值允許局部校正定位誤差。例如可使用跳變橢圓(ellipsoi'de de saut)控制。在精細(xì)定位步驟中，來(lái)自外感受位置傳感器(機(jī)械、數(shù)字、光學(xué)或者其他測(cè)微計(jì)， 顯微鏡，觀測(cè)設(shè)備)的信息可被集成到控制系統(tǒng)中。來(lái)自所述傳感器的信息允許獲得期望 的最終位置與末端部到達(dá)的位置之間的相對(duì)偏差。圖1涉及說(shuō)明該原理的精細(xì)裝配表。該 裝置包括裝配板10、由北激光掃描測(cè)微計(jì)1和與激光束3相關(guān)聯(lián)的南激光掃描測(cè)微計(jì)2形 成的第一組件、以及由東激光掃描測(cè)微計(jì)4和與激光束6相關(guān)聯(lián)的西激光掃描測(cè)微計(jì)5形 成的第二組件。所述兩個(gè)(東-西，北-南)激光掃描測(cè)微計(jì)能夠獲得軸8與孔9之間的 相對(duì)位置。因此該偏差可用在控制系統(tǒng)中以獲得期望的最終位置。圖2示出了不同的方法，所述方法能夠被實(shí)施用來(lái)校正期望位置201與到達(dá)位置 之間的偏差。由于干摩擦，關(guān)節(jié)的位置的小偏差有時(shí)難以校正。對(duì)于伺服控制，比例控制沒(méi) 有施加足夠的應(yīng)力(力矩或者力)來(lái)克服被稱為死區(qū)、即由球體202所示的區(qū)域中的干摩 擦力，在該死區(qū)中沒(méi)有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；必須等待該伺服控制的、最終產(chǎn)生足夠力的整體校正動(dòng)作 來(lái)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有隨后引起與該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)相關(guān)的穿過(guò)現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)；這是能夠從位 于死區(qū)中的點(diǎn)203到點(diǎn)204的運(yùn)動(dòng)路徑205的情況。所述穿過(guò)現(xiàn)象可能具有與安全性和操 作可靠性相關(guān)的副作用。如果運(yùn)動(dòng)路徑208的起始點(diǎn)在死區(qū)外，那么最終定位207可以通 過(guò)直接控制(例如反向微分控制)獲得。如果到達(dá)位置209位于死區(qū)內(nèi)，那么可通過(guò)下述 過(guò)程獲得精細(xì)定位定義協(xié)調(diào)點(diǎn)210，該協(xié)調(diào)點(diǎn)位于死區(qū)外，通過(guò)運(yùn)動(dòng)路徑211獲得。隨后， 原理包括通過(guò)根據(jù)在到達(dá)位置212與目標(biāo)201之間測(cè)量的偏差來(lái)調(diào)整最終設(shè)置而再產(chǎn)生 從協(xié)調(diào)點(diǎn)210開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)路徑213。然后，使用運(yùn)動(dòng)路徑214回到協(xié)調(diào)點(diǎn)210。在考慮在點(diǎn) 212與目標(biāo)201之間的偏差的情況下略微修改最終設(shè)置。運(yùn)動(dòng)路徑216是從協(xié)調(diào)點(diǎn)210到 最接近目標(biāo)201的點(diǎn)215。可重新開(kāi)始所述過(guò)程，直到最終點(diǎn)足夠接近目標(biāo)201為止。在預(yù)定位步驟中自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)所到達(dá)的位置的精確性保留常規(guī)自動(dòng)機(jī)械手裝置 的精確性。通過(guò)局部校準(zhǔn)方法在感興趣區(qū)域的精細(xì)定位中顯著改善該精確性。所述校準(zhǔn)方 法例如可包括通過(guò)在感興趣區(qū)域的點(diǎn)處的外感受捕獲器精確測(cè)量末端部的位置；然后僅 依據(jù)輔助軸通過(guò)幾何模型(或者微分的幾何模型)的計(jì)算在精細(xì)定位步驟中推導(dǎo)出末端部 的位置變化。還可考慮其他的策略在感興趣區(qū)域分布若干傳感器并將傳感器聯(lián)接至不同 的構(gòu)造，從而能夠最終推導(dǎo)出該末端部在感興趣區(qū)域中的位置，并且減小與非輔助關(guān)節(jié)位 置傳感器和與運(yùn)動(dòng)鏈的一部分上的幾何模型的誤差相關(guān)的不確定性。所述局部校準(zhǔn)必須能 夠?qū)⑴c輔助軸相關(guān)的幾何模型的誤差的重要性減少一個(gè)量級(jí)。能夠使自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)像在感興趣區(qū)域外部定義的那樣工作，而該自動(dòng)裝置的操作 是常規(guī)冗余自動(dòng)裝置的操作而不進(jìn)行精細(xì)定位。致動(dòng)器對(duì)關(guān)節(jié)的控制通常是通過(guò)來(lái)自這種類(lèi)型的自動(dòng)裝置通常所用的位置傳感 器(例如編碼器)的本體感受信息、在閉環(huán)中進(jìn)行的。固定在鉸接臂的末端部上的物體或者工具的定向可通常由分布在運(yùn)動(dòng)鏈上的不 同關(guān)節(jié)控制。在替換實(shí)施例中，可考慮將腕關(guān)節(jié)定位在自動(dòng)裝置臂的末端部上，從而能夠控制 固定在末端部上的物體或者工具的定向。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢(shì)將通過(guò)參考隨后簡(jiǎn)明示出的附圖和閱讀下面的描述而 凸顯出來(lái)，在附圖中-圖1涉及了包含能夠獲得在軸與孔之間相對(duì)定位的兩個(gè)激光掃描測(cè)微計(jì)的精細(xì) 裝配表；-圖2示出了用于對(duì)期望位置與到達(dá)位置之間的偏差進(jìn)行校正的不同運(yùn)動(dòng)路徑；-圖3示出了用于在三維空間中精細(xì)定位的一般實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)鏈的立體圖；-圖4-a(立體視圖)、4_b(頂視圖)和4_c (側(cè)視圖)示出了用于在三維空間中精 細(xì)定位的第一具體實(shí)施方式
的運(yùn)動(dòng)鏈的圖；-圖5_a(側(cè)視圖)和5_b(頂視圖)示出了用于在三維空間中精細(xì)定位的第二具 體實(shí)施方式的運(yùn)動(dòng)鏈的圖；-圖6_a(側(cè)視圖)和6_b(頂視圖)示出了用于在三維空間中精細(xì)定位的第三具 體實(shí)施方式的運(yùn)動(dòng)鏈的圖；-圖7示出了用于在空間的一個(gè)平面中精確定位末端部的一般實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)鏈；-圖8_a(立體視圖)和8_b(頂視圖)示出了用于在二維空間中精細(xì)定位的第一具體實(shí)施方式
的運(yùn)動(dòng)鏈的圖；圖8-c示出了通過(guò)局部校準(zhǔn)方法改進(jìn)精確度；圖8-d是一種 可選的實(shí)施方式，其中附加的自動(dòng)裝置靈活度被插入到兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)軸之間；圖8-e示出 了可選的實(shí)施方式，其中用棱柱關(guān)節(jié)替代輔助旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；-圖9(頂視圖)示出了用于在二維空間中精細(xì)定位的第二具體實(shí)施方式
的運(yùn)動(dòng)鏈 的圖，能夠限定感興趣區(qū)域和在該區(qū)域中精細(xì)定位自動(dòng)裝置臂的末端部；-圖10(頂視圖)示出了用于在三維空間中精細(xì)定位的具體實(shí)施方式
的運(yùn)動(dòng)鏈的 圖，在輔助關(guān)節(jié)之一是棱柱體；-圖11(頂視圖)示出了與在平面中精細(xì)定位的混合自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的具體實(shí) 施方式的運(yùn)動(dòng)鏈的圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D3，對(duì)于在三維空間中精細(xì)定位的一般實(shí)施方式，自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)包括3個(gè)也 稱為輔助關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)302、304和306，它們一方面通過(guò)運(yùn)動(dòng)鏈301與框架(bSti )300 相關(guān)，另一方面通過(guò)運(yùn)動(dòng)鏈303和305彼此相關(guān)，最后通過(guò)最后的運(yùn)動(dòng)鏈與末端部310相 關(guān)。該自動(dòng)裝置的整體運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)附加關(guān)節(jié)(即，第四自動(dòng)裝置靈活度)，附 加關(guān)節(jié)屬于所謂的主關(guān)節(jié)并且使運(yùn)動(dòng)鏈的末端部能夠工作在比僅與輔助關(guān)節(jié)相關(guān)的工作 空間更大的空間內(nèi)。第四關(guān)節(jié)可按需插入到運(yùn)動(dòng)鏈301、303、305之一中或者插入到306與 310之間，這里涉及到旋轉(zhuǎn)連接件(liaison) 308。本發(fā)明涉及的能夠進(jìn)行精細(xì)定位的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)在三維空間中限定所謂的感興 趣區(qū)域，該感興趣區(qū)域?qū)?yīng)于這樣的點(diǎn)集合對(duì)于這些點(diǎn)而言，相對(duì)于3個(gè)輔助軸302、304 和306的距離很小但不為零，并且由繞旋轉(zhuǎn)軸302、304和306的基本旋轉(zhuǎn)所引起的移動(dòng)是 沿3個(gè)不共面的方向進(jìn)行的。對(duì)于自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造，在該感興趣區(qū)域中，定義了也 稱為最優(yōu)定位區(qū)域(ZPO)的子集合，該最優(yōu)定位區(qū)域的中心按下述方式進(jìn)行定義該中心 是包含旋轉(zhuǎn)軸302,304和306的3個(gè)空間平面311,312和313的相交點(diǎn)314。點(diǎn)314與旋轉(zhuǎn)軸302、304和306的距離基本具有相同的數(shù)量級(jí)；這些距離不為零，但相對(duì)于該運(yùn)動(dòng)鏈 的對(duì)由310可到達(dá)的空間的容積進(jìn)行限定的其他特征值而言很小。當(dāng)該自動(dòng)裝置的末端部 310位于點(diǎn)314時(shí)，由圍繞旋轉(zhuǎn)軸302、304和306的基本旋轉(zhuǎn)所引起的移動(dòng)是沿空間的3個(gè) 垂直方向進(jìn)行的。對(duì)于該具體構(gòu)造，ZPO對(duì)應(yīng)于一個(gè)球體，該球體具有中心314且其半徑近 似等于點(diǎn)314與旋轉(zhuǎn)軸302、304和306之間的最小距離的一半。該結(jié)構(gòu)的控制方法包括通過(guò)主自動(dòng)裝置靈活度將末端部310置于ZPO中，然后阻 止除了輔助旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)302、304和306之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)，從而能夠在ZPO中獲得精細(xì)定 位。由于三個(gè)輔助動(dòng)作所產(chǎn)生的小杠桿臂，在點(diǎn)314處獲得的空間分辨率(!^solution)比 在該工作空間的其他部分獲得的空間分辨率要精細(xì)得多。此外，由圍繞輔助軸的基本旋轉(zhuǎn) 所引起的移動(dòng)是沿空間的3個(gè)垂直方向進(jìn)行的，并且輔助關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間之間的控 制是分開(kāi)的(d6coUpl6)。當(dāng)遠(yuǎn)離ZPO的中心時(shí)，所述分開(kāi)效果趨于消失，但是與定位的精確 度相關(guān)的優(yōu)勢(shì)仍然存在于該ZPO中，更一般地存在于所謂的感興趣區(qū)域的區(qū)域中。所述自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)還可以用于下述模式中，該模式包括在三維空間中獲得精確定位， 然而3個(gè)輔助軸并不確切地屬于如上所述3個(gè)在314處相交的垂直平面，但是本發(fā)明的上述原 理仍然適用主軸和輔助軸，相對(duì)于輔助軸的小杠桿臂，由不共面的輔助軸所引起的移動(dòng)。所述自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)還可用于另一實(shí)施方式中，該實(shí)施方式包括通過(guò)上述輔助軸中 的至少兩個(gè)軸在空間平面中獲得精確定位。所述自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)還可用于其他實(shí)施方式中，該實(shí)施方式包括通過(guò)上述輔助軸中 的至少一個(gè)軸在空間的直線上獲得精確定位。參照?qǐng)D4-a、4_b和4_c，對(duì)于能夠以非常高的精確度在三維空間中定位末端部的具體實(shí)施方式
，自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)軸402和404以及兩個(gè)彼此平行且與旋 轉(zhuǎn)軸402和404垂直的旋轉(zhuǎn)軸406和408。平面413包括軸406并且垂直于軸402。點(diǎn)410 是平面413與軸402的交點(diǎn)。點(diǎn)411是平面413與軸404的交點(diǎn)。軸404與軸406之間的 距離等于軸402與軸404之間的距離乘以0. 2。軸406與軸408之間的距離等于末端部310 與軸408間的距離減去0. 7倍軸402與404之間的距離，使得所述兩個(gè)距離保持在相同的 數(shù)量級(jí)內(nèi)。我們尋求必須盡可能大的臂407長(zhǎng)度/臂403長(zhǎng)度的比值。根據(jù)這種自動(dòng)裝置 臂的工業(yè)用途以及根據(jù)使用自動(dòng)裝置臂的工作空間的特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員必須優(yōu)化上述 比值。本領(lǐng)域技術(shù)人員可隨意選擇臂407的長(zhǎng)度，然后將其除以10以獲得臂403的長(zhǎng)度。 軸402到自動(dòng)裝置的基座(base)400的距離并不是必須標(biāo)準(zhǔn)的，并且該距離將根據(jù)工作空 間的限制條件來(lái)確定。402可直接固定在基座400上而不需要任何中間臂401。該結(jié)構(gòu)的控制方法包括依次驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸402、406和408以在靠近軸402、404和 406的感興趣區(qū)域中定位末端部310。理想地，本領(lǐng)域技術(shù)人員試圖靠近ZPO的中心412定 位末端部310。該ZPO的中心是平面413的等腰直角三角形的頂點(diǎn)412，該等腰直角三角形 的斜邊是連接點(diǎn)410和點(diǎn)411的線段。412與旋轉(zhuǎn)軸406之間的距離等于412與410之間 的距離。根據(jù)主關(guān)節(jié)的構(gòu)造，點(diǎn)412可在空間中具有不同的位置。對(duì)于給定的構(gòu)造，ZPO對(duì) 應(yīng)于一個(gè)球體，該球體具有中心412且其半徑基本等于410與412之間距離的一半。在ZPO 中定位末端部旨在使相對(duì)于末端部310與旋轉(zhuǎn)軸402、404和406相關(guān)聯(lián)的杠桿臂的長(zhǎng)度最 小但不是消除這些長(zhǎng)度，從而能夠在輔助軸的三維空間中控制操縱臂的端部。一旦310被 定位在ZPO中，則阻止軸408活動(dòng)。然后軸402、404和406被致動(dòng)(activate)以空間中獲得精細(xì)定位。對(duì)于點(diǎn)412，由軸402、404和406的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)是沿3個(gè)垂直方向 進(jìn)行的。對(duì)于輔助軸的角度傳感器上的相同的控制和分辨率，由輔助軸的基本旋轉(zhuǎn)所引起 的位置增量在所述3個(gè)垂直方向中是相同的。如果末端部遠(yuǎn)離點(diǎn)412但仍位于該ZPO中， 則基本移動(dòng)不再是必須正交的但仍保持線性獨(dú)立，對(duì)于該角度傳感器上的相同的控制和分 辨率，所述位置增量能夠?qū)嵸|(zhì)上改變。然而與定位精確度的改進(jìn)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)不受影響。該空間分辨率與數(shù)字控制分辨率、致動(dòng)器控制系統(tǒng)的性能和自動(dòng)裝置臂的空間構(gòu) 造相關(guān)，該致動(dòng)器控制系統(tǒng)尤其以協(xié)方差矩陣和本體感受傳感器的分辨率等為特征。在現(xiàn) 代系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)的雙精度處理，數(shù)字控制分辨率可被認(rèn)為準(zhǔn)連續(xù)。所示的自動(dòng)裝置結(jié) 構(gòu)能夠通過(guò)控制軸402、404和406在ZPO中獲得比工作空間的其余部分更精細(xì)的空間分辨 率和更好的重復(fù)性。因?yàn)檩S402和404是平行的，該自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的冗余性在預(yù)定位和精細(xì)定位的兩 個(gè)階段中沒(méi)有對(duì)機(jī)構(gòu)的控制造成具體問(wèn)題。事實(shí)上，由于需要在控制過(guò)程(例如優(yōu)化能量 標(biāo)準(zhǔn))中集成附加標(biāo)準(zhǔn)，因此總是很難驅(qū)動(dòng)冗余自動(dòng)裝置。然后，在預(yù)定位階段，可僅驅(qū)動(dòng) 軸402、406和408，其唯一的目標(biāo)是將末端部引入到ZPO中；在該階段，該自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)具 有常規(guī)可逆幾何模型。在精細(xì)定位階段，僅驅(qū)動(dòng)軸402、404和406，并且?guī)缀文Ｐ腿匀皇浅?規(guī)局部可逆。參照?qǐng)D5_a和5_b，在具體實(shí)施方式
中，用于在三維空間中對(duì)自動(dòng)裝置的末端部進(jìn) 行精確定位的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)在參考構(gòu)造中包括3個(gè)平行的軸502、506和508和一個(gè)垂直于 502,506和508的軸504。除了該參考構(gòu)造之外，軸506和508總是平行的，但是不再必須 平行于軸502。對(duì)于所述結(jié)構(gòu)的尺寸而言，本領(lǐng)域技術(shù)人員試圖在考慮工作空間的限制條件的情 況下獲得盡可能大的臂507長(zhǎng)度/臂505長(zhǎng)度的比值。臂507和509的長(zhǎng)度在10%內(nèi)基本 相等。在不考慮限制條件的情況下，臂507的長(zhǎng)度至少比軸504與軸506之間的距離大10倍。該結(jié)構(gòu)的控制在所有方面與上述結(jié)構(gòu)相同，從通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸504、506和508的動(dòng)作 將末端部310定位在感興趣區(qū)域中開(kāi)始。然后，一旦該端部310被定位，則阻止軸508活動(dòng)， 并且通過(guò)同時(shí)致動(dòng)軸502、504和506而發(fā)生精確定位。參照?qǐng)D6-a和6-b，在具體實(shí)施方式
中，用于在三維空間中對(duì)自動(dòng)裝置的末端部進(jìn) 行精確定位的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)包括3個(gè)平行的軸604、606和608和一個(gè)垂直于604、606和 608 的軸 602。為了設(shè)定所述結(jié)構(gòu)的尺寸，本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮工作空間的限制條件的情況下 獲得盡可能大的臂607長(zhǎng)度/臂605長(zhǎng)度的比值。臂607和609的長(zhǎng)度基本在10%內(nèi)。在 不考慮限制條件的情況下，臂607的長(zhǎng)度至少比臂605的長(zhǎng)度大10倍。該結(jié)構(gòu)的控制在所有方面與上述結(jié)構(gòu)相同，從通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸602、606和608 (或者旋 轉(zhuǎn)軸602、604和608)的動(dòng)作將所述臂的末端部310定位在感興趣區(qū)域中開(kāi)始。然后，一旦 端部310被定位，則阻止軸608活動(dòng)，并且通過(guò)共同致動(dòng)602、604和606而發(fā)生精細(xì)定位。參考圖7，對(duì)于能夠在空間的一個(gè)平面(P)中定位末端部310和自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的一 般實(shí)施方式，該結(jié)構(gòu)包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈701、703和705和兩個(gè)垂直于平面(P)的旋轉(zhuǎn)軸702 和704。運(yùn)動(dòng)鏈701將旋轉(zhuǎn)連接件702連接到支撐件700 ；運(yùn)動(dòng)鏈703連接兩個(gè)旋轉(zhuǎn)連接件702和704 ；運(yùn)動(dòng)鏈705將旋轉(zhuǎn)連接件704連接至末端部310。在該平面中的附加的自動(dòng)裝 置靈活度(旋轉(zhuǎn)或者平移)被結(jié)合到運(yùn)動(dòng)鏈701、703和705的至少一個(gè)中。該自動(dòng)裝置靈 活度旨在相對(duì)于基于關(guān)節(jié)702和704的SCARA類(lèi)型自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)能到達(dá)的空間，顯著擴(kuò)大 端部310能到達(dá)的空間。點(diǎn)706是平面(P)與軸702的交點(diǎn)。點(diǎn)708是平面(P)與軸704的交點(diǎn)。其對(duì)角 線連接了點(diǎn)706和708的平面(P)的正方形限定了兩個(gè)新的頂點(diǎn)707和709。在這個(gè)一般 情況中，對(duì)于所謂輔助旋轉(zhuǎn)軸702和704的給定構(gòu)造，存在兩個(gè)ZPO (表示為ZPOl和ZP02)， ZPO的中心是點(diǎn)707和709。ZPO是以707和709為圓心的圓盤(pán)(disques)，該圓盤(pán)的半徑 等于706與709之間距離的一半。對(duì)該結(jié)構(gòu)的控制如下通過(guò)致動(dòng)主關(guān)節(jié)將端部310置于ZPO中，所述主關(guān)節(jié)包括運(yùn) 動(dòng)鏈的所有自動(dòng)裝置靈活度；阻止除沿軸702和704的輔助旋轉(zhuǎn)之外的所有自動(dòng)裝置靈活 度；通過(guò)致動(dòng)軸702和704進(jìn)行精細(xì)定位。因而，如果末端部310例如位于709處，那么由 軸702和704的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)是沿平面(P)中的兩個(gè)垂直方向從709到706和從 709到708進(jìn)行的。此外，對(duì)于軸702和704的角度傳感器上的相同的控制和分辨率，位置 增量在兩個(gè)垂直方向上是相等的。如果末端部310遠(yuǎn)離點(diǎn)709但仍在ZPOl中，則所述基本 移動(dòng)不再是必須正交的但仍保持線性獨(dú)立，對(duì)于角度傳感器上相同的分辨率，所引起的位 置增量可實(shí)質(zhì)上改變。然而，與定位的精確度的改進(jìn)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)不受影響。在比稱為感興趣區(qū)域的ZPO更寬的區(qū)域(ZIl和ZI2)中，相對(duì)于軸702和704的 短距離能夠在精細(xì)定位時(shí)獲得一定的優(yōu)勢(shì)，其具有相對(duì)ZPO而言確實(shí)降低但常常比在工作 空間的其余部分更令人感興趣的性能。除了專門(mén)的應(yīng)用外，點(diǎn)310不應(yīng)該被定位在具有端點(diǎn)706和708的線段的中點(diǎn)，因 為由輔助軸702和704的基本旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)在從點(diǎn)707到點(diǎn)709的連線方向上是 線性獨(dú)立的(局部奇異性)。ZPO取決于自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，還取決于定位和移動(dòng)臂端部的策略，如果需要， 還取決于相對(duì)于待處理的部件被支撐的工具。在之前的步驟中，仍然能夠通過(guò)作用于一些 主自動(dòng)裝置靈活度，一定程度上在工作空間中選擇ZPO的中心的位置。沿平行的關(guān)節(jié)軸702的電動(dòng)棱柱關(guān)節(jié)可被添加到運(yùn)動(dòng)鏈705的端部，從而能夠在 三維空間中進(jìn)行精細(xì)定位，該原理通過(guò)圖10的具體實(shí)施方式
示出。參照?qǐng)D8-a和8-b，對(duì)于能夠在平面空間中定位自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的末端部的具體實(shí) 施方式，該結(jié)構(gòu)包括3個(gè)垂直于平面811且因此彼此平行的旋轉(zhuǎn)連接件802、804和806。旋 轉(zhuǎn)連接件802 —方面通過(guò)一個(gè)臂801錨固在與空間成一體的支撐件800上，另一方面通過(guò) 一個(gè)臂803與旋轉(zhuǎn)連接件804相關(guān)聯(lián)。臂805支撐旋轉(zhuǎn)連接件804和806。旋轉(zhuǎn)連接件806 控制臂807。待定位的末端部310與臂807成一體。臂805和807的長(zhǎng)度基本相等，具有臂 803長(zhǎng)度一半的量級(jí)的公差。本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮工作空間中限制條件的情況下試圖獲 得盡可能大的805長(zhǎng)度/803長(zhǎng)度的比值。在不考慮限制條件的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì) 認(rèn)為臂803的長(zhǎng)度至少比臂805的長(zhǎng)度小10倍。根據(jù)期望的工作空間的尺寸選擇臂805 的長(zhǎng)度。平面811包含點(diǎn)310，并且垂直于旋轉(zhuǎn)軸802、804和806。在該情況下，該ZPO的 中心是包含在平面811中的等腰直角三角形的頂點(diǎn)810，該三角形斜邊的端點(diǎn)是平面811與軸802的交點(diǎn)808和平面811與軸804的交點(diǎn)809。根據(jù)軸802和804的構(gòu)造，點(diǎn)810可 在空間中占據(jù)不同的位置。對(duì)于給定的構(gòu)造，感興趣區(qū)域?qū)?yīng)于一個(gè)圓盤(pán)，該圓盤(pán)具有中心 810且其半徑基本等于810與808之間距離的一半。對(duì)該結(jié)構(gòu)的控制如下阻止旋轉(zhuǎn)軸802活動(dòng)；通過(guò)致動(dòng)804和806將端部310置 于感興趣區(qū)域中；阻止軸806活動(dòng)；通過(guò)致動(dòng)802和804進(jìn)行精細(xì)定位。然后，如果末端部 310位于點(diǎn)810處，那么由軸802和804的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)是沿平面811中的兩個(gè)垂 直方向(從810到808和從810到809)進(jìn)行的。此外，對(duì)于軸802和804的角度傳感器上 的相同的控制和分辨率，位置增量在這兩個(gè)垂直方向中是相等的。在之前的步驟中，可通過(guò) 致動(dòng)軸802來(lái)選擇ZPO的中心的位置。如果末端部310遠(yuǎn)離點(diǎn)810但仍在ZPO中，則基本 移動(dòng)不再是必須正交的但仍保持線性獨(dú)立，對(duì)于角度傳感器上相同的分辨率，所引起的位 置增量可實(shí)質(zhì)上改變。然而與定位的精確度的改進(jìn)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)不受影響。參照?qǐng)D8-c，可以通過(guò)在預(yù)定位階段之后通過(guò)局部校準(zhǔn)方法顯著改善感興趣區(qū)域 中的定位精確度。兩個(gè)例如為數(shù)字測(cè)微計(jì)的外感受傳感器812和813能夠精確地知道末端 部310在感興趣區(qū)域中的位置。在精細(xì)定位的步驟中，阻止關(guān)節(jié)806活動(dòng)，僅僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸 802和804實(shí)現(xiàn)移動(dòng)?？筛鶕?jù)估計(jì)的804與310之間的距離，重建連接輔助軸的角運(yùn)動(dòng)和 平面中笛卡爾運(yùn)動(dòng)的輔助幾何模型。從由于校準(zhǔn)操作而在局部參考系統(tǒng)中存在的新參考開(kāi) 始，通過(guò)輔助幾何模型估算在校準(zhǔn)期間從310的位置開(kāi)始在運(yùn)動(dòng)路徑814上的移動(dòng)。因?yàn)?相對(duì)于輔助軸的杠桿臂的小長(zhǎng)度，因?yàn)橹糜谳o助軸上的傳感器的分辨率通常比置于非輔助 軸上的傳感器的分辨率要好，因?yàn)檩o助軸802與804之間的小距離，因?yàn)樾?zhǔn)操作，所以與 感興趣區(qū)域中的定位精確度相關(guān)的性能比在考慮所有主關(guān)節(jié)情況下的幾何模型計(jì)算的位 置的估算要好得多。參考圖8-d，對(duì)于能夠在空間平面中定位自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的末端部的具體實(shí)施方式
中，該結(jié)構(gòu)包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)連接件802、804和806，其中旋轉(zhuǎn)連接件802和806是輔助旋轉(zhuǎn)軸， 而僅804為主旋轉(zhuǎn)軸。ZPO的中心810如上所述相對(duì)于輔助軸802和806被限定。所述控制 方法包括當(dāng)預(yù)定位階段完成時(shí)阻止804活動(dòng)；在精細(xì)定位階段僅致動(dòng)輔助軸802和806。 與上述情況不同，根據(jù)賦予軸804的角度設(shè)置，通過(guò)作用于軸802與806之間的距離上，能 夠相對(duì)于輔助旋轉(zhuǎn)軸修改ZPO的中心810的位置。因而能夠在精細(xì)定位階段中減小或者改 進(jìn)沿兩個(gè)垂直方向的移動(dòng)的靈敏度。另一優(yōu)點(diǎn)是該裝置可以被合并到現(xiàn)有的SCARA自動(dòng)裝 置上，由臂807和310構(gòu)成的末端部分在軸806上具有足夠的分辨率，310可被認(rèn)為是安裝 在自動(dòng)裝置SCARA的端部上的工具。其缺點(diǎn)是僅僅對(duì)于賦予軸804的角度設(shè)置的某一具體 值，末端部310才不能被置于ZPO的中心。在上述結(jié)構(gòu)的可選方案中，旋轉(zhuǎn)軸802，804和806不是必須嚴(yán)格平行，然而末端部 在通過(guò)致動(dòng)輔助軸的精細(xì)定位階段中的移動(dòng)仍保持共面，該結(jié)構(gòu)在精確度性能方面的優(yōu)點(diǎn) 仍然存在于ZPO中，該ZPO能夠與上述情況類(lèi)似地被定義。參考圖8-e，對(duì)于能夠在空間平面中定位自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的末端部的具體實(shí)施方式
， 輔助關(guān)節(jié)是垂直旋轉(zhuǎn)連接件802和水平棱柱連接件816 ；最終位置的調(diào)整是由關(guān)節(jié)802的 小杠桿臂和在垂直方向的棱柱關(guān)節(jié)816提供，該小杠桿臂提供了沿一個(gè)方向的最優(yōu)分辨 率?？梢钥紤]添加附加的垂直棱柱連接件以在三維空間中提供精細(xì)定位。參照?qǐng)D9，對(duì)于能夠在空間平面(P)中定位自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的末端部的具體實(shí)施方式
，能夠更廣泛地限定ΖΡ0，該結(jié)構(gòu)包括5個(gè)全部彼此平行的旋轉(zhuǎn)連接件902、904、802、804、 806。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)鏈902-903-904-905對(duì)應(yīng)于SCARA類(lèi)型的自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，而運(yùn) 動(dòng)鏈802-803-804-805-806-807-310類(lèi)似于上述用于在平面中精細(xì)定位的結(jié)構(gòu)。對(duì)這種結(jié)構(gòu)的控制從在所述平面空間中通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接件902和904限定ZPO的步 驟開(kāi)始。因此，該ZPO的中心810可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員定位在由運(yùn)動(dòng)鏈902-903-904-905 構(gòu)成的SCARA自動(dòng)裝置的工作空間的任意區(qū)域中。然后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在通過(guò)902和904選擇ZPO的中心之后根據(jù)上述的方法 進(jìn)行精細(xì)定位。必須進(jìn)行尺寸選擇以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員所期望的所有感興趣區(qū)域?qū)儆谂c 運(yùn)動(dòng)鏈902-903-904-905對(duì)應(yīng)的SCARA自動(dòng)裝置能到達(dá)的空間。903與905之間的長(zhǎng)度分 配由本領(lǐng)域技術(shù)人員估計(jì)。在沒(méi)有限制條件的情況下，兩個(gè)臂具有相同的長(zhǎng)度。如果有必要，所述結(jié)構(gòu)有利地能夠通過(guò)重復(fù)定位ZPO的中心、預(yù)定位和精細(xì)定位 自動(dòng)裝置臂的末端部的步驟，在工作空間的較寬的區(qū)域中進(jìn)行精細(xì)定位，從而盡可能接近 所期望的目標(biāo)定位ZPO的中心。參照?qǐng)D10，對(duì)于能夠在三維空間中定位自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的末端部的實(shí)施方式，該結(jié) 構(gòu)包括3個(gè)彼此平行的旋轉(zhuǎn)連接件802、804、806和沿平行軸的棱柱連接件850，在預(yù)定位階 段之后阻止關(guān)節(jié)806活動(dòng)，通過(guò)輔助關(guān)節(jié)802、804和850的基本移動(dòng)獲得精細(xì)定位。參照?qǐng)D11，在一個(gè)涉及能夠在平面中定位末端部的混合自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式 中，該結(jié)構(gòu)包括3個(gè)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)連接件802、804和806和3個(gè)無(wú)源旋轉(zhuǎn)連接件825、擬6和827。 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)802控制臂段822的角位置，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)804控制臂段擬4的角位置。臂段822、 823,824和臂段805在關(guān)節(jié)擬6和827之間的部分形成了平行四邊形，理想地為菱形。ZPO 的中心810被定位在臂段805上，并相對(duì)關(guān)節(jié)827處于與關(guān)節(jié)擬6對(duì)稱的位置處。所述控制 方法包括在預(yù)定位階段之后阻止806活動(dòng)，然后在精細(xì)定位階段僅致動(dòng)輔助軸802和804。 可以考慮在臂段807的端部沿平行于802的軸添加電動(dòng)棱柱連接件從而在三維空間中精細(xì) 定位末端部310。
權(quán)利要求
1.自動(dòng)裝置，包括用于使端部在N維空間中移動(dòng)的鉸接臂，所述鉸接臂包括至少N+1 個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)；以及計(jì)算機(jī)，用于控制所述電動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)控制對(duì) 所述鉸接臂的末端部進(jìn)行預(yù)定位的第一步驟和進(jìn)行精細(xì)定位的第二步驟，預(yù)定位的第一步驟包括使所述鉸接臂的端部進(jìn)入到感興趣區(qū)域中，盡可能靠近最優(yōu)定 位區(qū)域的中心，所述中心由N個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)限定，所述關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)是旋轉(zhuǎn)軸；精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所述N個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)；以及 通過(guò)所述N個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)來(lái)控制所述末端部的移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于在三維空間中定位的鉸接臂包 括至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，所述至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少3個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一 步驟包括將所述自動(dòng)裝置的末端部引入到感興趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是工作空間的子 集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所述輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以 及通過(guò)所述輔助軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于在三維空間中定位的鉸接臂包 括至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，所述至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟 包括將所述自動(dòng)裝置的末端部引入到所述感興趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是工作空間的子 集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除包括2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi)的3個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外 的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于在三維空間中定位的鉸接臂包 括至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，所述至少4個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟 包括將所述自動(dòng)裝置的末端部引入到所述感興趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是工作空間的子 集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除包括所述旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi)的3個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之 外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，所述鉸接臂包括至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)， 所述至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少2個(gè)輔助平行旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將所述 自動(dòng)裝置的末端部引入到所述感興趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是圓盤(pán)，所述圓盤(pán)的中心是 與等腰直角三角形的斜邊相對(duì)的頂點(diǎn)，所述等腰直角三角形包含在包括操縱臂的末端部并 且垂直于所述輔助旋轉(zhuǎn)軸的平面中，所述斜邊具有在第一輔助旋轉(zhuǎn)軸上的第一頂點(diǎn)和在第 二輔助旋轉(zhuǎn)軸上的第二頂點(diǎn)；所述圓盤(pán)的直徑近似等于兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，所述 精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所述輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有電動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通 過(guò)所述輔助軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所引起的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，所述鉸接結(jié)構(gòu)包括至少3個(gè)電動(dòng)關(guān) 節(jié)，所述至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少2個(gè)輔助平行旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的第一步驟包括將所 述自動(dòng)裝置的末端部引入到所述感興趣區(qū)域中，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除所 述輔助電動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之外的所有電動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助軸中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)所 弓I起的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于在所述空間的平面中定位的鉸 接臂包括至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)，所述至少3個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所述預(yù)定位的 第一步驟包括將所述自動(dòng)裝置的末端部引入到所述感興趣區(qū)域中，所述感興趣區(qū)域是工作 空間的子集合，所述精細(xì)定位的第二步驟包括阻止除包括所述旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi)的2個(gè)輔助電動(dòng)關(guān)節(jié)之外的所有關(guān)節(jié)活動(dòng)、以及通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)中的至少一個(gè)的基本移動(dòng)進(jìn)行最終定 位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，包括至少一個(gè)位于運(yùn)動(dòng)鏈上游的附加 關(guān)節(jié)，其特征在于，一個(gè)打開(kāi)步驟能夠通過(guò)所述附加關(guān)節(jié)的動(dòng)作限定感興趣區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，所述精細(xì)定位是通過(guò)重 復(fù)從稱為協(xié)調(diào)點(diǎn)的特定點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑的一部分而間接獲得的，從而解決干摩擦的 問(wèn)題，所述協(xié)調(diào)點(diǎn)是位于與所述目標(biāo)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的死區(qū)之外的點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，所述精細(xì)定位是通過(guò)處 理外感受信息獲得的，所述外感受信息能夠推導(dǎo)出所述自動(dòng)裝置的末端部的位置與所述目 標(biāo)點(diǎn)之間的距離并且能夠通過(guò)所述輔助關(guān)節(jié)的基本移動(dòng)來(lái)控制所述自動(dòng)裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，兩個(gè)步驟在執(zhí)行之前 被計(jì)算，以準(zhǔn)備用于連續(xù)移動(dòng)的控制法則。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，兩個(gè)步驟在執(zhí)行之前 被計(jì)算，以準(zhǔn)備移動(dòng)過(guò)程中的控制法則和周期性計(jì)算。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于精細(xì)定位的冗余 自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)使每個(gè)步驟能夠使用可逆的幾何模型。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，用于精細(xì)定位的冗余 自動(dòng)裝置的控制在預(yù)定位階段完成之后使用局部校準(zhǔn)方法用于在所述定位中獲得更好的 精確度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)裝置，其特征在于，在所述自動(dòng)裝置的端 部固定有腕關(guān)節(jié)，以能夠?qū)ξ矬w或者工具的定向進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)裝置，該自動(dòng)裝置包括用于在N維空間中移動(dòng)一個(gè)端部的鉸接臂，該鉸接臂具有至少N+1個(gè)電動(dòng)關(guān)節(jié)；以及用于控制所述電動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)的計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)控制對(duì)該鉸接臂的末端部進(jìn)行預(yù)定位的第一步驟和進(jìn)行精細(xì)定位的第二步驟。
文檔編號(hào)B25J9/10GK102046336SQ200980114642
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者讓-弗朗索瓦·布萊斯 申請(qǐng)人:勒阿佛爾大學(xué)