具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

在高精度和高速度的高端应用领域中，机器人末端往往是处于高速运动的状态，其惯量很大，由此很难对机器人末端执行器进行精确的实时轨迹跟踪和控制。在本发明的一个实施例中，提供一种安装于机器人末端的伺服系统及其控制方法，其通过对机器人末端TCP(Tool Center Point，工具中心点)进行轨迹补偿来独立或辅助精确控制机器人末端执行机构的运行轨迹，以满足高速或/与高精度的工业应用的需求。图1给出了根据本发明一个实施例的用于机器人末端的伺服系统的结构示意图。该机器人末端伺服系统主要包括末端伺服模块和与该末端伺服模块可通信地耦合的末端伺服控制器。其中末端伺服模块可安装在机器人末端关节，也可以安装在任何工装上。该末端伺服模块可以包括激光传感器、通信模块和伺服电机及其机械联动机构。伺服电机的机械联动机构的末端可连接进行相应工艺加工所需的工艺工具。该末端伺服模块经由通信模块向末端伺服控制器发送激光传感器采集的数据并接收来自末端伺服控制器对伺服电机的控制信号。伺服电机可以根据收到的控制信号进行相应的运动，以按指定的速度将其连接的工艺工具移动到指定的位置。在利用机器人进行工艺加工时，末端伺服模块中的激光传感器主要用于超前检测实际待加工的工艺轨迹，以便于机器人末端TCP能够精确跟踪该工艺轨迹。因此，该激光传感器也称为前置传感器，其设置在末端伺服模块的前方，采集的是沿机器人末端运行方向的前方图像，以便基于这些采集的图像检测将要行进到的若干个工艺轨迹点。在又一个实施例中，还可以在末端伺服模块上安装另一个激光传感器，其与前置传感器类似，都位于末端伺服模块连接工艺工具的一侧，并与前置传感器相对设置(由此，也可称为后置传感器)。这样当机器人末端进行往返运动时，始终会有前置传感器和后置传感器的其中一个用于采集机器人末端运行方向的前方图像以超前检测待加工的工艺轨迹点。也就是说对于末端伺服模块上安装的两个激光传感器中的任何一个都可以作为前置传感器，这依赖于机器人末端运动方向而定。当其中一个激光传感器作为前置传感器时，另一个相应地就是后置传感器，该后置传感器相应地可以捕获机器人末端后方的图像，这样采集的图像可以用于工艺过程的质量检测。图2示出了一个示例的末端伺服模块外观的示意图。如图2所示，前置和后置激光传感器与末端伺服模块集成于一体，安装在该末端伺服模块联接工艺工具的那一侧。每个激光传感器有各自的基坐标：前置传感器基坐标1和后置传感器基坐标2。可以根据实际应用的需求通过末端伺服控制器来设定前置激光传感器的激光聚焦点3相对于机器人末端TCP的前置距离5和后置激光传感器的激光聚焦点4相对于TCP的后置距离6，并能够调整激光传感器的对焦深度和扫描范围，以使得工艺轨迹7处于该范围。这里的前置距离和后置距离可以根据实际加工环境或加工程序的需求来进行相应设置或调整，本文对此并不进行特定限制。激光传感器将通过激光成像采集的每一帧图像传输至末端伺服控制器进行处理。其中图像采集可以有两种模式：单一采样或连续采样。在连续采样模式中还可以设定不同的采样频率。

继续参考图1，末端伺服控制器可以根据末端伺服模块中激光传感器采集的数据计算轨迹补偿参数，并根据轨迹补偿参数生成对伺服电机的控制信号。如图1所示，末端伺服控制器主要包括三个功能模块：传感控制、轨迹管理和伺服控制。其中传感控制模块可以根据激光传感器实时采集的数据获取待加工的工艺轨迹点。轨迹管理模块可以通过将实时检测的工艺轨迹点和预先获取的标定轨迹点进行比较来计算轨迹补偿参数。伺服控制模块根据来自轨迹管理模块的轨迹补偿参数生成对于伺服电机的控制信号，以指示伺服电机执行相应的运动来驱动相应的控制对象。这样，与该伺服电机连接的工艺工具就可以按指定的速度以某种位姿沿运动至另一位姿，从而执行相应的工艺加工或制造过程。在一些实施例中，该末端伺服控制器还可以包括存储单元，用于保存传感控制、轨迹管理和伺服控制过程中涉及到的相关数据和结果。这种安装在机器人末端的具有独立传感器和控制器的伺服系统可以提供实时精确的轨迹控制，从而可以大幅提高工艺加工的精度。并且该末端伺服系统独立于机器人的控制系统，可适配多种机器人，也适用于固定的或移动的(在轨道或输送带上的)工装。

现参考图3，示出了根据本发明一个实施例的用于机器人末端的伺服系统的工作场景意图。该伺服系统中的末端伺服模块2通过法兰盘3安装在机器人1的末端关节上。工艺工具5联接到末端伺服模块2所操纵的机械联动机构4。该伺服系统的末端伺服控制器(未示出)与末端伺服模块2可通信地耦合，其例如可以一定方式固定在机器人末端关节侧面或机械臂上与末端伺服模块2相距较近距离的位置。工作台8上有给定的加工工艺轨迹9。在初始化阶段可以通过沿工艺轨迹9进行简单的机器人示教，在机器人示教过程中获得机器人的示教路径。接着，在开始加工工艺之前，启动机器人执行与该示教路径对应的工艺加工程序若干次，在此期间可利用布置在该场景中的激光跟踪器7实时跟踪测量末端伺服模块2的运动轨迹(位置及姿态)，并进而基于末端伺服模块的运行轨迹确定对应的机器人末端工具中心点的标定轨迹。这样，在机器人开始正式加工过程时，通过末端伺服模块2自身集成的激光传感器(未示出)实时采集机器人末端行进前方的图像。末端伺服控制器基于激光传感器所采集的图像检测待加工的工艺轨迹，并将该检测到的工艺轨迹与先前预先获取的机器人末端工具中心点的标定轨迹进行比较获得相应补偿参数，基于所获得的补偿参数生成控制信号，以控制伺服电机对机器人末端TCP进行实时轨迹补偿来满足高精度加工的需求。这样，即便加工过程中工艺部件位置发生了偏移，通过该末端伺服系统也可以使机器人末端TCP精确地跟踪实际的工艺轨迹。

图3中还示出了该场景中各部件相关联的坐标系，例如机器人基坐标10、末端伺服基坐标11、TCP坐标12、工作台基坐标13和激光跟踪器基坐标14。其中激光跟踪器7可以如上文提到的用于在初始阶段测量机器人末端的运动轨迹，也可以例如在系统初始化时用于测量各坐标系位置(例如末端伺服模块，工艺工具、机器人等)及各坐标系间相互关联的参数。激光跟踪器通常包括激光头、跟踪镜相系统和激光跟踪控制器。通过安装在物体上的反射镜，激光跟踪器能够精确测量(或跟踪测量)该物体的位置及姿态。在上述各坐标系中测量的坐标位置之间可以进行转换。图4示出了在上述场景中涉及的各个坐标系及其关系示意图。其中，o₁表示工作台坐标系，可以例如是大地坐标，加工部件的几何位置就是相对于该坐标系而言的。激光跟踪器坐标系记为o₆，其相对于工作台坐标系o₁是固定的。末端伺服模块坐标系o₂是动态坐标系，随机器人的运动而变化，可以通过激光跟踪器测量而获得。例如，可以在初始化阶段，将激光跟踪器反射镜附接至末端伺服模块，从而可以通过激光跟踪器实时测量机器人末端的运动轨迹。o₃表示机器人末端TCP在末端伺服零位时的坐标系，o₄表示前置传感器的坐标系，o₅表示后置传感器的坐标系，由于前置传感器和后置传感器与末端伺服模块集成在一起，因此o₄和o₅相对于伺服模块坐标系o₂是固定的。

在该伺服系统初始化时通常需要进行坐标系的标定。坐标系的标定实际就是确定出各坐标系之间的关联参数，通常可用齐次变换矩阵表达。因为有许多通用的方法来标定各坐标系之间的变换矩阵，这里就不在重复赘述这些过程。在本申请的实施例中，以A₁表示o₆变换到o₁的变换矩阵，A₂表示o₃变换到o₂的变换矩阵，A₃表示o₄变换到o₂的变换矩阵，A₄表示o₅变换到o₂的变换矩阵。下文中每个坐标均通过上述变换矩阵变换到大地坐标表示。例如，o₂坐标系是由激光跟踪器测量，其测量结果是相对于o₆坐标系的，可通过A₁变换到大地坐标系o₁下表示。又例如，其中前置和后置激光传感器的测量结果分别是相对传感器的坐标系o₄，o₅而言，但分别通过A₃和A₄可以将测量结果转到o₂坐标系继而转换至相对于大地坐标系o₁。相应地，也可通过A₂将TCP坐标系o₃转换到o₂坐标系继而相对于大地坐标系o₁。这里的A₂是根据工艺工具的几何尺寸计算出来的。

在下文介绍根据本发明实施例的末端伺服系统的操作流程时，为方便叙述，所有提到的变量、常量、各部件相关的坐标均已变换到同一坐标系下，例如可以是变换到大地坐标。该末端伺服系统操作过程分为两个阶段：离线操作阶段和在线操作阶段。离线操作阶段无须进行实际的工艺加工过程，而在线操作阶段则是真正执行实际的工艺加工过程。

根据本发明的一些实施例的末端伺服系统安装在机器人末端关节，其独立于机器人本身的控制系统而运行，可以与激光跟踪器、机器人控制器等通信，进行自身系统的各种坐标标定，并可以将其自身在机器人示教过程采集或获取的路径示教相关数据存储在末端伺服控制器的存储单元中。例如，在机器人示教过程中，末端伺服控制器可以将所获取的机器人示教路径保存在其存储单元中。

在末端伺服系统的离线操作阶段，启动机器人执行与机器人示教路径对应的加工程序若干次，并且每次都在同等条件下运行。在每次运行过程中，可通过在外部环境中设置的激光跟踪器实时跟踪测量末端伺服模块的运行轨迹。这样，每次运行都会得到激光跟踪器所测量的末端伺服模块的一组位置数据。通过对所测试的多组位置数据的比较,可以计算出该机器人执行该示教路径的最大路径误差。该误差代表该机器人的重复运行精度。通常机器人的重复运行精度是很高的。如果这样获得的重复运行精度能够满足工艺加工的要求，则将这样的多组测试数据拟合成该末端伺服模块的标定路径或标定轨迹。这样的标定路径是以一系列的轨迹点的位置的形式表示。在下文中，该末端伺服模块的标定路径上的第k个轨迹点的位置可以表示，其中k为自然数。对于该标定路径上末端伺服模块的位置还可以根据该末端伺服模块所联接的工艺工具本身的尺寸或其他部件特征换算出相应的机器人末端TCP的位置(记为)，从而得到机器人末端TCP的标定轨迹。在离线操作阶段，该末端伺服系统对于待加工的每条工艺轨迹都获取与其对应的末端伺服模块的标定轨迹，并算出相应的机器人末端TCP的标定轨迹，即将一系列的轨迹点数据存入末端伺服控制器的存储单元中，以供后续进行轨迹补偿过程使用(将在下文详述)。在下文将要描述的在线操作阶段的轨迹补偿过程中可以利用在离线操作阶段拟合而成的末端伺服模块的标定轨迹和/或机器人末端TCP的标定轨迹作为实时跟踪和轨迹补偿的比较因素，从而可以将机器人末端的实时动态轨迹跟踪精度提高到机器人重复轨迹运行的精度，进而可满足很多高速应用或/与高精度应用的需求，例如3D打印，激光焊接、喷涂、涂胶、高精度复合运动(如小圆切割)等等。

在上述离线操作阶段获取到每条待加工的工艺轨迹对应的末端伺服模块和/或机器人末端TCP的标定轨迹后，就可以进入在线操作阶段。图5示出了根据本发明一个实施例的末端伺服系统在线操作阶段的流程示意图。首先启动机器人程序，接着通过末端伺服模块的前置传感器捕捉目标，该目标为待加工的工艺轨迹的起始点。前置激光传感器根据具体部件的加工起始点的几何特性参数不断地连续检索该起始点。一旦发现起始目标，则末端伺服控制器进入跟踪模式以便使机器人末端TCP准确到达该起始点。当TCP达到工艺起始点时则可以开启工艺加工程序，在此期间，末端伺服控制器连续跟踪并检测工艺轨迹，以控制机器人末端TCP能精确跟踪实际的工艺轨迹直到达到工艺终止点。位于末端伺服模块上的前置激光传感器连续不断检测工艺轨迹点，并判断是否是终止轨迹点。当TCP达到终止点时终止工艺程序、并停止其他相关程序，例如关闭传感器，停止跟踪模式。当机器人运行至终止位置，终止机器人的运行程序。

在机器人尚未发现起始目标时，按示教路径运行，这时末端伺服模块处于零位。在实际的加工过程中，由于工件置放位置的不确定性，实际待加工的工艺轨迹的路径及轨迹起始点和终止点是利用末端伺服模块上集成的前置激光传感器实时检测获得的。当前置传感器检测到工艺轨迹的起始点时，末端伺服控制器就进入了实时跟踪模式，对机器人末端TCP运行轨迹进行实时的精确补偿，以使其能精确跟踪相应的工艺轨迹。下面结合图6介绍根据本发明的一个实施例的末端伺服系统精确地进行轨迹跟踪的过程。如图6所示，以实心圆点表示的是在离线阶段所获得的机器人末端TCP的标定轨迹，其已存储在末端伺服控制器的存储单元中；而另一条以空心圆点表示的轨迹代表由末端伺服模块上的前置传感器实时检测到的工艺轨迹。为便于描述轨迹跟踪过程，设定激光跟踪器及前置激光传感器具有相同的采样频率，并设定该伺服系统的控制步长与传感器的采样步长一致，但应理解这仅是出于方便说明的目的，而非进行任何限制。该末端伺服系统进行轨迹跟踪的过程可大致分为四阶段：

■第一阶段：末端伺服模块尚未发现工艺轨迹的起始点，机器人按示教路径运行，这时末端伺服模块处于零位。

■第二阶段：当TCP到达末端伺服模块的前置传感器发现了工艺轨迹的起点假定该前置传感器相对于的前置量对应于m个采样点。通过可以从末端伺服控制器的存储单元中找到相对应的标定轨迹点由此可以算出路径误差利用m步线性补偿法基于单步的路径误差(ΔT_n+m/m)生成控制信号(也可以称为控制量)，将其发送至末端伺服模块的伺服电机，这样，机器人运行至工艺轨迹起点时，其位置

■第三阶段：在此阶段中，工艺过程已开始。假定当前采样时序点为k，当前TCP的位置为T_k，已施加到末端伺服模块的控制量为ΔT_k；当前传感器的实时检测的工艺轨迹点位置为而之前的传感器检测值已保存至存储单元中，经过如下步骤可以使TCP精确跟踪到下个工艺轨迹点：

1)从存储单元中找到下一步的标定轨迹点

2)从存储单元中找到下一步的工艺轨迹点

3)求出下一步的路径误差

4)求出下一步的控制增量dΔT_k+1＝ΔT_k+1-ΔT_k；

5)控制末端伺服模块在给定步长(距离)施加所需的控制增量dΔT_k+1；

6)直到TCP到达下一步的工艺轨迹点,

7)让k＝k+1重复上述步骤(1-7)直到TCP到达工艺轨迹终点。

■第四阶段：此时工艺过程已完成，机器人按照标定轨迹运行，而末端伺服模块处于最终的控制位。

在本发明的上述实施例中，末端伺服控制器是独立于机器人控制器、工艺控制器、PLC控制器等的计算装置。与现有工业机器人重复定位精度高而绝对定位精度低不同，通过该末端伺服控制器对安装在机器人末端关节的末端伺服模块的控制，可以将机器人末端的绝对定位精度提高到机器人重复定位精度的级别，也就是将机器人的实时动态轨迹跟踪精度提高到机器人重复轨迹运行的精度，从而满足了高速或/与高精度的应用的需求。并且，由于该末端伺服系统独立于机器人的控制系统，因此，其可适用任何种类的机器人，也适用于固定的或移动的(在轨道或输送带上的)工装。

图7示出了根据本发明一个实施例的末端伺服控制器的硬件架构示意图。该末端伺服控制器采用多处理器共享内存的架构，其中处理器-I主要负责程序控制、工艺控制、轨迹规划、实时路径补偿算法。处理器-II主要负责激光传感器的控制及图像处理。处理器-III主要负责末端伺服控制。每个处理器有自己的内存同时又可以直接访问共享存储单元。处理器之间通过共享存储单元交换数据。各个处理器通过共享输入/输出接口与诸如末端伺服模块、激光传感器、激光跟踪器、机器人控制器、工艺控制器、PLC控制器、笔记本电脑等等的外部设备交互。该末端伺服控制器是一个独立的控制装置，安置于机器人末端关节附近以缩短三维激光传感器的数据传输线的长度。该末端伺服控制器将轨迹管理、传感控制及伺服控制集成于一体，能够在高采样频率状态下同步处理大量的传感器信息并实时控制末端伺服，从而满足了高速运行过程中的实时精确的轨迹追踪。应理解，上述硬件架构仅是举例而非进行任何限制，也可以采用其他计算装置作为末端伺服控制器。在一些实施例中，末端伺服控制器可以通过有线或无线的方式与诸如笔记本电脑之类的外部计算装置进行通信。通过笔记本电脑进行系统的初始标定，在生产过程中可作为状态显示装置，可选择观察各系统的状态等。

在本发明的又一个实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或可执行指令，当所述计算机程序或可执行指令被执行时实现如前述实施例中所述的技术方案，其实现原理类似，此处不再赘述。在本发明的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何能够存储数据且可以被计算装置读取的有形介质。计算机可读存储介质的实例包括硬盘驱动器、网络附加存储器(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带以及其它光学或非光学数据存储装置。计算机可读存储介质也可以包括分布在网络耦合计算机系统上的计算机可读介质，以便可以分布式地存储和执行计算机程序或指令。

在本发明的又一个实施例中，还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，其中所述存储器用于存储可由处理器执行的可执行指令，其中所述处理器被配置为执行存储器上存储的可执行指令，所述可执行指令被执行时实现前述任一实施例中介绍的技术方案，其实现原理类似，此处不再赘述。

本说明书中针对“各个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在各个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是非逻辑性的或不能工作。

本说明书中“包括”和“具有”以及类似含义的术语表达，意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备并不限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。“一”或“一个”也不排除多个的情况。另外，本申请附图中的各个元素仅仅为了示意说明，并非按比例绘制。

虽然本发明已经通过上述实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。