[发明专利]机器人误差矫正装置和方法

说明书

本发明涉及使机器人任务的离线编程成为可能之装置和方法。特别是本发明涉及机器人误差的映射及调整的方法。对机器人所要做的工作来说，这使既有高精度又有很大灵活性的离线编程成为可能。

机器人装置与日俱增地应用在制造工业中。主要用来完成装配线上的重复任务。机器人在这方面的应用伸展到汽车生产线及计算机工业上的微集成片的生产。目前，约束机器人市场增长的主要因素是常规机器人系统无法在严格的容限下操作。机器人内在的误差是此约束的主要因素，也是近年来人们的攻关目标。

机器人的误差说明了机器人不能按指令移动到所指定的工作区域内的由位置和（或）方向限定的方位矢，例如，根据机器人结构的机械指示及所传感到的机器人所在方向的参考坐标，机器人控制程序可以令机器人移到一个特指的位置。尽管在制造和安装中用了最好的控制，指令运动的实际操作不会使机器人准确无误地到达所期望的位置和（或）方向。这种状况即机器人误差是因为我们无法制造和装配每一个机器人零部件使其与理想的或完美的机器人模型相一致的结果。微小的构件长度偏差，受力时产生的柔量，齿轮的不理想啮合以及很多其他结构上的限制都会导致机器人操作时与理想数学模型不一致。机器人误差的存在相应地成为在用于任务的工作单元内预先编制机器人运动的障碍。简单地说，不能予知机器人的准确位置或运动限制了机器人运动准确路径的预先编程。相应地，尽管离线编程有许多优点，工业界只好转向其他形式的机器人任务执行编程。

两种主要的其他机器人编程方法包括运用传感系统和示教方法。

目前机器人在重复操作上的运用主要还是使用示教编程法。这种方法可以通过带机器人经过一系列完成工作必需的中间位形或节点位置，并把这些节点位置存储在计算机存储器内来完成。因为机器人能根据这些存储的数据再现所教的位形或节点位置，所以机器人操作能在所定的容限内完成。结果是机器人被“教会”完成所定运动路径上的确切任务。机器人之控制驱动器只是简单地再现一系列通过示教方法编程的节点位置和运动。

示教编程有很多很严重的缺陷。比如，在一个机器人上教好的程序却不能够传送到同样型号的另一台机器人上。事实上，每一个机器人都有不同的结构和制造误差。这些误差来源于节点不对准误差，节点柔量，齿轮系误差，标准公差误差等等。还有，复杂的运动轨迹需要很多中间节点方位矢（位置和方向）。编这种程序非常令人生厌，并且通常操作效率也不高。更有甚者，在动态的或拥挤的工作空间里示教机器人运动路径往往是很困难的。而且工作空间硬件由于不注意引起的碰撞的机率也会大为提高。

从实用观点来看，示教法严重地限制机器人在装配线上执行任务的柔性。例如：如果执行任务时遇到不能接受的偏差或变化都要求整条装配线停工，甚至只因为其中一个机器人构件需要调整。在机器人要完成好多装配线上任务的地方，由于示教法引起的重新编程所浪费的生产时间是昂贵的。在实际工作单元中，这样的示教编程不得不重新实施，因为任何移动正在按程序工作的机器人的尝试都会导致参考坐标系的变化，同时也失去了参考方向。本专业的技术人员都很清楚地知道示教编程的局限性花费了工作人员的很多时间并且严重地限制了机器人在几条生产线上执行任务的应用。

第二种机器人编程方法依靠运用传感系统来移动机器人之末端构件（end    effector）到恰当的目标物体或其他特定目标之相互配合处。在以下情况下，这种编程方法得到广泛应用。目标零件没有按相同的方向或位置输送到工作单元;或者，目标零件有处于动态变化的物理特性。在这种情形下，机器人重复实际运动的能力没有任何灵活性以适应具有新方向或位置的零件。相应地，像摄象机或其他图象系统之类的传感装置可以和机器人末端连杆结合，并且也可以编程以适应机器人为响应伺服系统所作出的运动。这样可以导引机器人移到所探测到的目标位置。不幸的是，传感导向系统非常昂贵，而且需要特制的装置，相当大的计算机系统的支持和可观的编程力。因此，经济上的制约严重地约制了传感导向系统在机器人上的广泛应用。

除此之外，还有好几种运用以上两种编程方法之混合的编程法。例如，在有些任务中，大部份整体的运动是靠示教方法编程的，而在局部的某些运动是靠传感系统来完成的。在另外的一些任务中，传感系统可能被用来检测零件输送时的小偏差。而示教法则用来保持矫正过的路径。这种方法使机器人适应零件刚体方位矢的变化。但是，只有当零件仅有微小变化或该任务并没有要求机器人和零件有很紧的相互配合容限时，此方法才有效。