RU2724777C1 - Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета - Google Patents
Способ калибровки энкодеров рычажной системы экзоскелета Download PDFInfo
- 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
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)
- Manipulator (AREA)
- A Measuring Device Byusing Mechanical Method (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, раз выполняют измерения, включающие приведение рычажной системы экзоскелета в произвольное положение на операционном столе, запись показаний -го энкодера , , где - количество энкодеров, - номер измерения, измерение декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, вычисление фактических углов поворота энкодеров в кинематических парах рычажной системы экзоскелета путем решения обратной задачи кинематики на основе декартовых координат узловых точек рычажной системы экзоскелета, для каждого -го энкодера находят свободный член линейной зависимости показаний энкодеров от фактических углов поворота :
методом наименьших квадратов на основе пар записанных показаний энкодеров и фактических углов поворота , принимают калибровочную поправку равной свободному члену .
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 -го энкодера по полученным парам показаний энкодеров и фактических углов поворота определяется свободный член линейного уравнения зависимости вида:
Значение свободного члена может быть определено с помощью метода наименьших квадратов. Значение 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 . Затем для повторяют следующую последовательность действий:
1. Локтевое сочленение 5 и рабочее окончание 6 экзоскелета располагают в произвольных точках операционного стола.
2. Записывают соответствующие -му положению экзоскелета показания энкодеров , , где - число калибруемых энкодеров.
3. Измеряют декартовы координаты узловых точек рычажной системы экзоскелета.
4. Рассчитывают фактические углы поворота сочленений экзоскелета в -м положении на основе известных длин звеньев экзоскелета, декартовых координат рабочего окончания, локтевого и плечевого сочленений путем решения обратной задачи кинематики.
Для каждого -го энкодера находят свободный член линейной зависимости показаний энкодера от фактического угла поворота на основе рассчитанных значений фактических углов поворота и соответствующих им показаний энкодера методом наименьших квадратов. Пример определения значения по набору значений и для одного энкодера представлен на фиг. 2. Значение 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 . По оси ординат откладываются показания энкодера . На координатной плоскости отложены точки , , соответствующие результатам косвенного измерения фактических углов и показаниям энкодера . Также приведен график уравнения зависимости между показаниями энкодера и фактическим углом .
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 . Затем для повторяют следующую последовательность действий:
2.1. Перемещают рычажную систему экзоскелета в произвольное -е положение, путем перемещения локтевого сочленения 5 и рабочего окончания 6 экзоскелета в произвольные точки операционного стола.
2.2. Записывают соответствующие -му положению экзоскелета показания энкодеров , , где - число калибруемых энкодеров.
2.3. Измеряют декартовы координаты узловых точек рычажной системы экзоскелета.
2.4. Определяют углы поворота путем решения обратной задачи кинематики в -м положении манипулятора на основе известных длин звеньев экзоскелета, декартовых координат рабочего окончания и центров сочленений.
3.1. Находят свободный член линейной зависимости показаний энкодера от фактических углов поворота на методом наименьших квадратов. Пример определения значения по набору значений и для одного энкодера представлен на фиг. 2.
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].
Найденные коэффициенты 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)
- 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, , где m - количество энкодеров, - 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:
- di = ϕi + bi,
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)
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 |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144553A patent/RU2724777C1/ru active
Patent Citations (4)
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 | |
JP5383607B2 (ja) | 回転絶対位置センサを較正するためのシステム、較正モジュール、および方法 | |
DK2760642T3 (en) | Calibration and programming of robots | |
US7756608B2 (en) | System for calibration of an industrial robot and a method thereof | |
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*** | |
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 | |
JP5730614B2 (ja) | トルクセンサ校正装置、校正方法、及びプログラム | |
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 | |
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 | |
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 | |
Guo et al. | Dynamic Parameter Identification and Collision Detection of Robot | |
Last et al. | Hexa-parallel-structure calibration by means of angular passive joint sensors | |
JPS58160086A (ja) | ロボツトア−ム座標決定法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210113 Effective date: 20210113 |