CN101890715A - 调节机械手的方法及装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的调节多轴机械手(尤其是机器人(1))的方法，包括以下步骤：至少一个导向轴的柔性调节(S50)；以及至少一个附加轴的刚性调节(S50)；其特征在于，根据导向轴的真实值(q3_meas)确定至少一个附加轴的预期值(q2_s，q5_s)。

Description

调节机械手的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种调节多轴机械手(尤其是机器人)的方法及装置。

背景技术

现代工业机器人主要采用位置调节。为此，在插补器中产生预期的关节位置，这些关节位置通过机器人的各个促动器的各个关节调节器得到。但是，如果(例如)由于路径规划中的障碍物或不准确的环境建模，不能到达预期的位置，单纯的位置调节会增加驱动力直到超过操纵变量的限制(这导致控制器失灵)，或机器人强制到达预期的位置，从而有可能损坏障碍物、器件、工具或其本身。

一个说明性示例是用焊钳进行点焊：应该在器件的预设点处以预设的接触压力按压焊钳。但是，如果器件不在该规划中焊接位姿所基于的位置，而是(比如)在接近焊钳的方向移动，那么仅仅位置调节的机器人会强制推动焊极进入预设的位置，从而损坏组件和这一个电极，同时其它电极也有可能不与该器件接触。即使没有损坏发生，也会产生降低焊点的质量以致产生故障点的不允许产生的力。

为解决这些问题，已知在机器人结构中，(比如)通过被称为“远程中心柔顺(Remote Center of Compliance)”提供定向的被动柔性。然而，由于特定于任务的刚性和柔性的倾向[方向]，这不能在不同的应用情况中使用。例如具有可通过压缩空气或伺服电机在不同补偿位置调整的浮动轴承的焊钳的主动可控工具连接必须与各个应用情况匹配，像被动柔性，这需要额外的装置花费。

因此，在很长时间里，力的调节已处于研究测试中，其中，反向平行力对(即转矩)通常指力；力的调节尤其也可理解为力矩调节(“KMR”)。因此工业上用作“FTCtrl”(力矩控制)的概念通过选择矩阵分为位置调节和力的调节部分空间；另一种是平行位置和以各个操纵变量的叠加的力的调节；还有一种是阻抗调节，其中通过力的规则关联位置和力，尤其是弹簧阻尼器[减震器]质量模型。例如，在H.-B.Kuntze发表的“Regelungsalgorithmen für rechnergesteuerteIndustrieroboter”[“Regulation algorithms for computer-controlledindustrial robots”]，Regelungstechnik，1984，S.215-226中，或者在A.Winkler发表的“Ein Beitrag zur kraftbasiertenMensch-Roboter-Interaktion”[“A contribution to force-basedhuman-robot interaction”]，Dissertation，TU Chemnitz，2006中做了概述。

但是，这些方法在实际中的实施遇到了困难。例如，为显示沿一个笛卡尔方向(Cartesian direction)(例如沿上述应用情况中焊钳的接近方向)的柔性，在笛卡尔空间中的力的调节需要大量的计算工作，这相应地减慢调节响应。另一方面，如果对所有轴进行力的调节，从电机电流确定作用在机器人上的各个力的比例是有问题的，这是因为这些力仅在齿轮转换、摩擦和噪音的影响下会不准确地重新构成。

发明内容

因此，本发明的目的是改善实践中机械手的响应。

通过具有权利要求1的技术特征的方法实现该目的。权利要求15保护一种控制装置；权利要求16或17分别保护一种计算机程序或，个别地，一种计算机程序产品，尤其是一种用于实现根据权利要求1的方法的数据媒介或存储媒介。独立权利要求涉及有益的进步。

本发明基于以下考虑：笛卡尔中的柔顺运动(yielding movement)或工作空间分别对应机械手的一个或更多个运动轴(例如枢轴承或线性轴)中的运动。这些轴的至少一个被定义为导向轴，且被柔性调节。附加轴(优选所有剩下的轴)被刚性调节，然而，其中预期值是根据(多个)导向轴的真实值来定义的。就是说，笛卡尔空间中的柔顺运动通过(多个)导向轴进行参数化。一方面，可以通过这些(多个)导向轴的柔性调节来表示柔性，另一方面，笛卡尔空间中的预期柔顺运动可以通过附加轴的刚性调节来保证，该附加轴跟随该柔顺导向轴。

优选地，依据本发明的概念使得能够使用更简单、更稳健和更高效的导向轴和附加轴的调节器，因此相对于复杂的理论方法，本发明的实现可靠而简单。

目前所理解的柔顺调节尤其是指在撞击障碍物的力(比如导向力或接触力)的作用下产生一种运动(尤其是规避[闪避])的调节。优选地，这种规避的产生依赖于力的大小和/或方向。，柔性调节的方式优选是对各个导向轴的单独的关节调节。

尤其，柔性调节可以是力的调节的方式。例如，优选分别通过力或力矩传感器，可以直接探测机械手的工具法兰处的作用力。可附加的或可替代的，根据机械手的变形可以间接探测，例如其元件的弯曲。可附加的或可替代的，根据机械手的促动器的反作用力例如分别通过设置在那里的力或力矩传感器进行探测。除了分别在无接触或无力路径情况下所产生的力之外，例如除了静态停止力或动态回转和加速力之外，也可以根据促动器必须施加的力确定该反作用力。这些力尤其可以根据促动器电动机的电流值来确定。为运动调节而施加，为重力、惯性和摩擦效应而校正的电机电流，与单独的轴的反作用力基本上是线性的。因此，再次注意到转矩也通常被称为一种力。

柔性调节可以是间接力调节的方式，尤其是阻抗调节。其也可以是类似于直接力调节的方式，尤其是平行力和位置调节，其中，考虑到预期的和真实的力之间的偏差以及预期的和真实的位置之间的偏差，例如，将相应的操纵变量叠加。

力的调节，这种简单的可能性，存在于对导向轴的驱动力的限制中。原则上，为此对其进行位置调节，其中，其驱动力不可能超过预设的极限值(例如通过对串级调节器的电流调节电路中的最大预期电机电流的限制，以及所给定的更大的预期与真实的偏差。只要用这种方式进行了力的调节的轴所具有的电阻不超过预设的极限值，就会接近其预期位置。如果例如由于与障碍物碰撞，电阻超过该极限值，可以替换该轴，并用对应于极限值的力与其对抗，那么其被柔性调节。

相应地，目前理解的刚性调节尤其是调节接近预设的预期位置而实际上与对抗力无关或，个别地，在力(例如打击障碍物时的导向力或接触力)的作用下优选不产生偏离运动。为防止损坏，自然可以考虑为此所需的驱动力的自然上限。刚性调节的方式优选是对各个附加轴的单独关节调节。

尤其，刚性调节的方式可以是(单纯的)位置调节。因此，所理解的位置或轴承调节分别尤其是指如下调节：其中，操纵变量(例如电机电流)根据预期的和真实的位置之间的差，它们的积分和/或时间倒数，例如单个或多个比例(P)，微分(D)和/或积分(I)调节(P，PD，PI，PID)，例如以串级调节形式来确定，优选采用速度和/或加速导杆控制。

在优选实施例中，(优选提前)分别在笛卡尔或工作空间中(例如通过空间固定的惯性系统中的相应的矢量)提供机械手应当柔性规避的力，和/或机械手应当沿其柔性规避的作用线。

预设的力可以是(例如)机械手应当沿作用线施加的接触力(例如焊钳沿其接近方向的接触压力)，以及超过所述机械手应当沿作用线规避的这个接触力。

例如，预设的作用线可以是TCP的一系列位置和方向。例如，它可以通过参数化的、具有三个位置坐标的六维矢量和笛卡尔空间中的三个角坐标来提供。作用线可能类似地仅仅定义TCP的位置或只是方向，例如，可以相应地通过参数化的三维矢量来预设。另一方面，例如沿一平面或另一超曲面，或在层和/或方向的空间内，或者关节坐标的构形空间内的多维空间中，规定更复杂的空间柔性也是可能的。为了简化，后面所有这些直线、曲线、面、超曲面或多维空间通常是指作用线。例如，在笛卡尔空间中的平面中，机械手的TCP应该柔性规避同时保持方向或不保持方向，在笛卡尔空间中的球面中，TCP仍应柔性规避，因此，在本发明的意义上，可以通过对作用线的规定来提供该平面或球面。

根据这种作用线的控制能力和/或根据这个力的观察能力，机械手的一个或更多个运动轴可被确定为一个或多个导向轴。如引言中所解释的，分别地，沿笛卡尔空间中作用线的力或者运动分别产生相应的分力或机械手的单独的轴的运动。这些分量的大小或，个别地，运动可以表示(例如)对沿作用线的控制能力或，个别地，力的观察能力的度量。这意味着由于机械手的运动学特性(尤其是有效杠杆臂、齿轮转换等)，可以在这个轴上更好的观察施加在促动器中的更大器件上的力。如果机械手沿促动器的所给定的运动的作用线做长距离的移动，可以通过这个轴对作用线进行更好地控制。如果考虑控制和/或观察能力来选择导向轴，例如将其作为加权和或补偿函数，机械手应当相对其柔顺的力或机械手应该沿其柔顺的作用线，尤其可以分别用这个导向轴进行参数化。

由于分力或运动(因此分别是控制或观察能力)可以分别根据机械手的当前位姿而改变，在优选实施例中，根据机械手的位姿选择不同的导向轴。

尤其，为了能够分别估计分力或运动(因此分别是控制或观察能力)，在优选实施例中，力和/或作用线可以分别从笛卡尔或工作空间转换到关节空间，该关节空间由单独的轴的值的范围定义。

同样地，这种转换依赖于机械手的位姿。在每个相对于参考位姿的小范围改变的情况下，可以通过线性泰勒展开逼近转换。由于这种线性转换可以通过计算有效实施，在优选实施例中，该转换被局部线性化，尤其是用于机械手的特定位姿。由于这种线性化通常仅仅在局部地得到较好地逼近，因此可在不同位姿下实施。通过相应的线性转换的改变和插值，转换也可适用于机械手的更大工作范围。

在优选实施例中，附加轴的预期值线性地依赖于(多个)导向轴的真实值。尤其对于给定一线性化的转换，笛卡尔作用线在线性函数中转换成关节坐标，因此，以(多个)导向轴的关节坐标进行的参数化导致附加轴中的线性函数。但是，也可以在(多个)导向轴真实值和附加轴预期值之间类似地选择非线性函数。例如，这些可以被存储为表格，其中可以在表格的值之间进行插值。可能由于由该应用预设的作用线的形状，在诸如多项式、样条函数，有限傅立叶级数等的合适的、无穷维函数空间中的尤其优选的表示法同样是合适的。

在优选实施例中，初步确定多个可能的作用线。例如，共线的直线或者共面的平面可以被确定为除了笛卡尔空间中的直线或平面之外的额外的可能的作用线，TCP应该沿该共线的直线或者共面的平面在其方向的改变下产生，TCP应该沿该笛卡尔空间中的直线或平面产生同时保持其方向。这些可能的作用线之一优选可以根据沿作用线的控制能力选择，和/或根据力的观察能力选择，且作为机械手应该沿其柔性规避的作用线。例如，可以在一个轴中更好地控制沿直线产生的规避运动，TCP的方向改变该直线；在优选实施例中，例如通过优化器，将这个轴选为导向轴。

导向轴的数量优选对应于所提供的柔性的自由度的数量或，个别地，对应于描述这个柔性的作用线的维数。如果机械手的TCP应该是柔性的，例如在笛卡尔空间中沿直线保持其方向时，这是一维作用线；TCP具有一个自由度。那么可以选泽运动轴作为导向轴，且剩下的轴可以用这个进行参数化。与此相比，如果TCP在沿笛卡尔空间中的平面保持其方向时应该是柔性的，那么这是二维作用线或，个别地，是超曲面；TCP具有两个自由度。那么可以选择两个运动轴作为导向轴，且剩下的轴可用这些进行参数化。

在一些应用情况下，机械手应该只是部分为柔性。例如，工业机器人应该严格地且以高精度执行无接触路径(例如获得初始位姿)，且应该只在预设的方向接触环境(例如通过接近焊钳)时表现柔性。因此，优选实施例在至少一个导向轴的柔性调节和所有运动轴的刚性调节之间可替换地切换。

附加的优点及特征由从属权利要求和典型实施例产生。此处以部分示意性方式示出的是：

附图说明

图1：根据本发明一个实施例的具有控制装置的机器人；以及

图2由根据图1的控制装置执行依据本发明实施例的方法。

具体实施方式

图1示出了在基座位置的六轴铰接臂机器人1，其中，其六个轴或，个别地，关节角q1，q2,....，q6显示零值。为简化，假定在轴1，4和6上没有运动发生，这样以下只需考虑平面运动和关节坐标q2，q3和q5，这通过各个齿轮转换确定促动器电动机的相应旋转位置。在固定基座惯性系统I中，焊钳2的工具参考系统TCP的矢量x应当用图1中所画的轴间距x1，...，y6电焊两个板3，该矢量写为：

其中，具有相对于TCP和绕z轴的欧拉(EULER)角

的空间矢量r的分量r_x，r_y。在图1中示出的基座位姿，雅可比矩阵部分写为：

$J(q=0)=\frac{\∂x}{\∂q}{|}_{q=0}=\left[\begin{array}{ccc}-y2+y6& y6& y6\\ -x3& -x3& 0\\ 1& 1& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

机器人1应当在惯性系统Y中的y方向上是柔性的，这样焊钳2可以在用焊极接近板3时集中在这个方向。为此，沿笛卡尔直线

机器人的TCP应当在最大值施加力F_max

根据(2)到(4)和机器人学中的公知的恒等式Q＝J^T*F和J*dq＝dx，此直线s+λk和最大接触力F_max可以绕关节坐标空间q＝[q2，q3，q5]^T里的点s被部分转换：

由于没有杠杆臂，沿直线s+λk的力F不产生转矩(Q_z＝0)，这样由于观察能力差用于力矩调节的第五轴不合适。另一方面，第二轴不移动，这样第三轴显示了关于作用线s+λk的更好的控制能力。

因此选定第三轴作为导向轴，机器人1沿笛卡尔直线应该具有柔性，该笛卡尔直线以关节角q3参数化。一方面，以这种方式得到了足够大的导向变量。另一方面，根据在第三轴的促动器电动机所产生的转矩可以很好地测试接触力。

如果具有其TCP的机器人1已经处于图1所示的初始位姿，那么现在第三轴可被柔性调节。例如，这可以确保其预期电流被限制在串级位置调节，这力图保持初始位置q3_s＝0作为预期位置，这样变速箱输出所产生的转矩偏离用于重力补偿的、最大值为±x3·F_max的转矩；因此，机器人以最大x3·F_max的转矩在这个轴从初始位姿对抗中断运动。自然地，第三轴的其它柔性调节也是可能的，例如平行力位置调节，其中，力和位置调节器的操纵变量被叠加或阻抗调节。例如，可以从转矩确定沿预设的笛卡尔直线作用在TCP上的力的真实值(力施加于第三轴的促动器)，例如可以通过相应的力传感器或力矩传感器(例如在机器人1的工具法兰处)或(例如其臂的)弹性变形从电机电流确定。

相比之下，其它轴(尤其是该典型实施例中的第二和第五轴)是刚性调节或，个别地，位置调节。例如，为此，关节角q2或，个别地，q5和/或关节角速度dq2/dt或，个别地，dq5/dt可以(例如通过测速发电机，旋转变压器或增量旋转编码器)被检测、定属性，且预期值q2_s或，个别地，q5_s可以在位置-速度-电流串级调节中得以更新。

根据本发明，根据柔性调节的第三轴的真实值q3_meas确定用于位置调节第二和第五轴的预期值。根据(5)，例如，可以这样提供预期值q2_s和q5_s：

q2_s＝0·q3_mess，(6)

q5_s＝-q3_mess

从图1所示的初始位置开始，如果机器人1现在接近其焊钳2以对板3进行点焊，例如由于板3方向不精确、其TCP的定位或板的厚度公差不精确，该位置可能不位于焊钳2的工作点TCP处。接近焊钳时这会引起沿笛卡尔直线s+λk的反作用力F，即在焊钳2的接近方向上。

由于第三轴的柔性调节，机器人可以在这个方向规避。由于反作用力F，只要施加在第三轴的转矩超过允许值±x3F_max，即使位置偏离电机调节器的预期电流也不再额外增长，且机器人1在反作用力下在其第三轴规避。

由于其刚性位置调节，这个规避运动(即所测量的关节的真实值q3_meas)导致在第二和第五轴上的相应的轨迹。因此它们跟随第三轴的规避运动，这样TCP沿笛卡尔直线s+λk移动，即在焊钳2的接近方向。以这种方式，焊钳2通过简单、稳健和高速的控制器进行自我集中。

该典型实施例表明，根据(6)给定被位置调节的轴的预期值对于导向轴的真实值的线性依赖性，TCP通常大约沿笛卡尔空间或，个别地，工作空间移动。但是，这对于给定的具有相对小的进给行程(通常是1-2cm)的点焊的应用情况已经足够。

通常，根据本发明的方法也可以类似地应用于更大的路径，例如每部分重复线性化(尤其根据(2)的雅可比矩阵估计)或，个别地，对于机器人1不同的位姿，且配合改变的运动学。因此导向轴也可能被改变。更大路径的另一种可能性是通过关节空间中更高阶的逼近在笛卡尔空间显示预期的作用线，而不是通过以导向轴参数化(即典型实施例中示出的线性化)关节空间中的直线逼近该作用线，其中，应该优选示出又一种表示法，在该表示法中下面的轴表现为导向轴的功能。

图2例示了相应的调节，例如，该调解可在控制箱4中设置的机器人控制器中实施。

在第一步S10，(优选提前、离线)提供了笛卡直线s+λk和调节参数(例如机器人应该规避最大力F_max)，机器人沿着该直线应该是柔性的。

在步骤S20中，可能对于多个位姿且优选以线性化的方式从其确定相关的关节角q_k和转矩Q。根据沿笛卡尔直线的力的观察能力选定导向轴(目前是第三轴)，即通过其在促动器电动机中施加的转矩的大小，及控制能力，即各个轴在运动时沿笛卡尔直线调整的行程的大小。

机器人1用所有轴2、3、5的单纯的位置调节获得其初始位姿。为此，采用比例位置调节器、速度导杆控制、PID调节器和比例积分电机调节器或，个别地，电流调节器对单个轴i＝2，3和5的串级调节显示在步骤S30中。

只要机器人1获得其初始位姿，根据本发明的调节切换到(S40：“Y”)。

在此，第三轴是柔性调节的。对此，在步骤S50中显示了预期电流极限10。剩下的轴i＝2，5被位置调节，然而，如元件20在步骤S50中所显示的那样，它们的预期值不再来自于机器人控制器4的插补器，而是来自于第三轴的真实值。

一旦点焊过程结束，该调节转向对于所有轴的单纯位置调节(S40：“N”)。因此，优选实施轴位置的预期-真实补偿。

在上述典型实施例中，在柔性运动时，TCP沿直线s+λk将其方向局部保持在(

)。如果放弃该约束，由于在(2)中第三线中止，不同的作用线可以被参数化，例如通过下式参数化：

q3_s＝-q2_meas，

${q5}_s=\frac{y2}{y6}\·{q2}_{\mathrm{meas}}---\left(7\right)$

如果轴在这方面显示了比第三轴关于(6)更好的控制和/或观察能力，这个轴(例如(7)中的第二轴)可以被定义为导向轴(例如通过优化器，把控制和观察能力作为质量标准考虑)，并根据(7)提供作用线。

参考列表：

1             机器人

2             焊钳

3             板

4             控制箱

q1，...，q6   关节角

I             惯性系统

TCP           工具中心点(工具参考系统)

x1，...，x6   轴间距。

Claims (17)

1.一种调节多轴机械手的方法，尤其是调节机器人(1)的方法，具有以下步骤：

至少一个导向轴的柔性调节(S50)；以及

至少一个附加轴的刚性调节(S50)；

其特征在于，

根据所述导向轴的真实值(q3_meas)确定所述至少一个附加轴的预期值(q2_s，q5_s)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，尤其在工作空间中，提供所述机械手应当柔性规避的力(F_max)和/或所述机械手应当沿其柔性规避的作用线(s+λ·k)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，尤其根据沿所述作用线的控制能力和/或根据所述力的观察能力，确定多个可能的作用线，且选择这些作用线中的一个，并将其作为所述机械手应当沿其柔性地规避的作用线(s+λ·k)。

4.根据上述权利要求2至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据沿所提供的作用线的控制能力和/或根据所述力的观察能力，所述机械手的至少一个运动轴被确定为导向轴。

5.根据上述权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述力和/或所述作用线被转换入关节空间(S20)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转换被局部线性化和/或调整。

7.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，柔性调节的方式是力调节。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，柔性调节的方式是间接的力调节，尤其是阻抗调节。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，柔性调节的方式是直接的力调节，尤其是平行力和位置调节。

10.根据上述权利要求7至9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据至少一个导向轴的促动器的反作用力，尤其是根据促动器电动机的电流值，为力调节确定作用于所述机械手的力。

11.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，刚性调节的方式是位置调节。

12.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，附加轴的预期值线性地或非线性地依赖于至少一个导向轴的真实值((q2_s＝0·q3_meas，q5_s＝-q3_meas)；(q3_s＝-q2_meas；q5_s＝(y2/y6)q2_meas))。

13.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在柔性调节和刚性调节之间交替切换(S40)。

14.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，依赖于所述机械手的位姿选择不同的导向轴。

15.一种用于机械手的控制装置(4)，尤其用于机器人(1)，具有：

用于至少一个导向轴的柔性调节器；以及

用于至少一个附加轴的刚性调节器；

其特征在于，

设置所述调节器以实施根据上述任一项权利要求所述的方法。

16.一种计算机程序，如果其运行于根据权利要求15的控制装置中，那么其执行权利要求1至14中任一项所述的方法。

17.一种计算机程序产品，其具有存储在机器可读介质上的程序代码，且包括根据权利要求16的计算机程序。

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