[發明專利]用于精細定位末端部的自動機械手裝置及相關控制

有效

• 申請號: 200980114642.1
• 申請日: 2009-04-17
• 公開（公告）號: CN102046336A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 讓-弗朗索瓦·布萊斯
• 申請（專利權）人: 勒阿佛爾大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 余朦;王艷春

技術領域

本發明涉及使末端部能夠移動的自動機械手裝置領域。

背景技術

所述自動機械手裝置用于在空間中移動和定位物體或者工具。該自動機械手裝置可具有串接、并接或者較少見的混合結構。在串接結構中，構成該自動裝置的各個部件彼此串聯鉸接，通過沿運動鏈分布的致動器獲得相對運動。在并接結構中，若干運動鏈閉合(se?refermer)并且構成這種運動鏈的元件不必全部被致動。

所述串接、混合或者并接的自動機械手裝置具有一定的自動裝置靈活度，從而使待被操縱的物體獲得一定的自由度。

大多數工業化銷售的串接自動裝置為：

-SCARA類型，具有位于一個平面內的兩個移動臂和在垂直于該平面的方向上的一個自動裝置靈活度(平面能夠繞后者的軸線旋轉得到)，允許在與基準平面平行的平面中對固體進行定位和定向；或者

-擬人化類型，具有基座、肩部、支撐腕關節(poignet)的臂，最終產生6個自動裝置靈活度(3個用于定位，3個用于定向)。

如果自動裝置靈活度的數量(與致動器的數量相關)大于所獲得的被操縱固體的自由度的數量，則自動裝置可能是冗余的。一般地說，所述自動裝置雖然難以控制，但是能夠避開工作空間中的障礙或者能夠在難以進入的空間中工作。

標準ISO?9283定義了工業自動裝置所考慮的性能標準，特別是定位的重復性和精確性。到目前為止，無論是串接或者并接、冗余或者非冗余的自動機械手裝置的定位的重復性沒有超過接近百分之一毫米的值。就精確度性能而言，它們甚至更差，現在最好的自動裝置僅僅能夠保證在工作空間中0.03毫米內的精確定位。

在諸如制表領域中，必須在0.2毫米直徑的孔中插入軸，或者在光電領域中，已證明小于0.01毫米的重復性以及0.01毫米量級的定位精確度是必須的。

對于一些所謂的奇異(singulière)結構而言，自動裝置的末端部的自由度的數量局部上嚴格小于自動裝置靈活度的數量。雅可比矩陣是對該自動裝置的幾何模型進行微分得到的矩陣；該矩陣在奇異位置中不再是可逆(inversible)的。例如當該自動裝置被可逆的微分模型控制時將產生問題。因為潛在的控制問題，通常難以在靠近奇異結構的區域中定位自動裝置的末端部。

文獻US4523100已知為現有技術，其公開了一種包括鉸接臂的自動裝置，該鉸接臂支撐用于微運動的鉸接頭。所述鉸接臂提供鉸接頭的粗略定位，精確定位由構成該頭部關節的線性游標提供。該自動裝置具有如下缺點：需要至少6個不同種類的關節。

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，該末端部的精細移動通常由固定在運動鏈下游的獨立測微裝置提供；該組件需要用于對測微裝置進行定位的支撐結構的最少3個關節，該測微裝置本身包括3個關節，這意味著大致包括6個關節。

發明內容

本發明用來解決現有技術的上述缺點，特別地用于精確定位冗余自動裝置的末端部，從而相對現有技術具有精確性方面(重復性和精確定位)的改進性能。此外，本發明能夠在與自動裝置結構的基座或者奇異結構靠近的區域中工作。與宏裝置/微裝置相比，本發明通過提供一種集成架構而使精細定位所使用的關節數目實質減少。

本發明涉及完全集成且冗余的自動裝置結構，對于所述結構而言存在所謂的“感興趣區域在該區域中可獲得自動裝置的末端部的精細定位。與專利US4523100所公開的技術方案不同，該感興趣區域不覆蓋自動裝置的末端部可進入的整個工作空間，但是具有優選的動作容積，在所述動作容積內自動裝置的端部可沿任一運動路徑運動。

本發明涉及自動裝置，其包括：用于使端部在N維空間中移動的鉸接臂，該鉸接臂具有至少N+1個電動關節；以及計算機，用于控制電動關節移動，所述計算機控制對該鉸接臂的末端部進行預定位的第一步驟和進行精細定位的第二步驟。

預定位的第一步驟包括使鉸接臂的端部進入到感興趣區域中，盡可能靠近最優定位區域的中心，所述中心通過N個輔助(secondaire)電動關節限定，所述關節中的至少一個是旋轉軸。

精細定位的第二步驟包括：阻止除所述N個輔助電動關節之外的所有關節活動；以及通過所述N個輔助電動關節中的至少一個的基本移動來控制末端部的移動。

在具體實施例中：

-用于在三維空間中定位的鉸接臂包括至少4個電動關節，其中包括至少2個旋轉軸，所述預定位的第一步驟包括將自動裝置的末端部引入到感興趣區域中，所述感興趣區域是工作空間的子集合，所述精細定位的第二步驟包括：阻止除包括2個旋轉軸在內的3個輔助電動關節之外的所有關節活動、以及通過輔助關節中的至少一個的基本移動來進行最終定位；