CN101903838B - 工业机器人和对工业机器人编程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业机器人和一种用于对工业机器人编程的方法，为此在空间中的虚拟平面(25)上手动引导工业机器人，在到达该虚拟平面(25)时，使对该工业机器人的控制不再通过手动引导。然后如果试图在到达虚拟平面(25)的情况下继续手动引导工业机器人，确定并存储作用在工业机器人上的力(F)和/或转矩。

Description

工业机器人和对工业机器人编程的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对工业机器人编程的方法和一种工业机器人。
背景技术
工业机器人是执行机器，其装备有特定的工具，并可对多个运动轴、特别是关于方向、位置和工作流程编程，以自动地处理对象。对工业机器人编程的方法(编程方法)可以理解为用于生成应用程序的有计划的过程。
一种普遍公知的编程方法是所谓的回放法(Play-Back Verfahren)，其中，通过沿所希望的空间曲线手动引导工业机器人来对工作过程进行编程。在此，将位置实际值(Lage-Ist Werte)，也就是工业机器人在定义的时间栅格或路径栅格中的TCP位置(工具中心点位置)，接受到应用程序中。
专利文献EP 1508396A1公开了一种控制由工业机器人引导的焊把(Schweisszange)的弹压力(Andruckskraft)的方法。在焊接期间测量作用在焊把上的力并调整机器人，使得作用在焊把上的力等于预先给定的额定力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于对工业机器人编程的方法，该方法使工业机器人的操作人员能以相对简单的方式对工业机器人编程，使得工业机器人在执行相应的应用程序时具有预设的力特性和/或力矩特性。
本发明的另一个目的在于提出一种相应的工业机器人。
本发明的目的通过一种用于对工业机器人编程的方法实现，该方法包括以下步骤：
在空间的虚拟平面上手动引导工业机器人，在到达该虚拟平面时，使对工业机器人的控制不再通过手动引导，
确定作用在工业机器人上的力和/或转矩，如果试图在到达虚拟平面的情况下继续手动引导工业机器人的话，以及
存储力和/或转矩。
本发明的目的还通过一种工业机器人实现，该工业机器人设置成能够手动引导并具有：
机器人臂，其具有法兰和多个可通过驱动装置运动的轴，
控制装置，其设置为，控制驱动装置以使轴运动，以及在手动引导工业机器人时，在到达空间中的虚拟平面时控制所述驱动装置，使得所述工业机器人不再通过手动引导，以及
用于确定力和/或转矩的装置，该装置设置用于在到达所述虚拟平面时试图继续手动引导所述工业机器人的情况下确定作用在所述工业机器人上的力和/或转矩，在此，控制装置设置用于存储力和/或转矩。
根据本发明的工业机器人设置用于执行根据本发明的方法。
根据本发明的工业机器人可以设置为手动引导。通过手动引导能够对工业机器人的运动、例如工业机器人的法兰的运行轨迹进行编程，其中，沿轨迹引导法兰并保存轨迹的至少几个点。
例如，通过至少间接地牵拉法兰实现手动引导。在工业机器人的运行中，可以将工具例如固定在法兰上。如果工业机器人处于手动引导模式，则可以将法兰设置为，将替代工具的手柄固定在法兰上，利用手柄可以手动引导工业机器人。通过牵拉手柄间接地牵拉法兰。手柄也可以具有输入装置，例如按键，通过操作按键将法兰的当前位置和/或方向或者轴的状态存储在控制装置中。
但是，根据本发明的工业机器人还可以设置为，利用手动引导替代或附加地对适用于工业机器人的力和/或适用于工业机器人的转矩编程。为此设置了虚拟平面，当到达虚拟平面时，工业机器人的控制装置控制驱动装置，使工业机器人不再通过手动引导运动。如果仍试图继续手动引导工业机器人，即试图例如继续沿虚拟平面的方向牵拉工业机器人，则继续牵拉法兰或手柄(一般的手动引导)会引起作用在工业机器人上的力和/或转矩，利用用于确定力和/或转矩的装置可以确定作用在工业机器人上的力和/或转矩。还可以利用工业机器人的当前位置和/或方向存储施加在工业机器人上的力和/或施加在工业机器人上的转矩，从而在工业机器人的其中控制装置控制工业机器人的驱动装置以自动运动的运行中，使工业机器人将存储的力和/或存储转矩施加在例如工件上。
用于确定力和/或转矩的装置例如可以是工业机器人内部的力传感器和/或转矩传感器，它们被设置在例如法兰上、在手柄/工具和法兰之间或者在法兰和其余机器人臂之间，并测量直接作用在法兰上的力和/或直接作用在法兰上的转矩。但是，也可以通过确定由工业机器人的驱动装置所引发的转矩来实现用于确定力和/或转矩的装置。如果该驱动装置是电驱动装置，则可以例如通过分析电驱动装置的电动机电流来确定驱动装置的转矩。
根据本发明方法的一种实施方式，虚拟平面是基于要利用工业机器人处理的工件的计算机模型的虚拟环境模型的一部分。为此，根据本发明的工业机器人可以例如用于自动处理工件。为了进行自动处理，必须对所给定的力和/或转矩的特征(profil)进行编程。根据这种变形，例如可以沿虚拟环境模型手动引导工业机器人，以例如对工业机器人的位置和/或方向、但是也可以对所施加的力和/或转矩进行编程。虚拟环境模型尤其包括有关在利用工业机器人进行自动处理期间工件所处的位置和/或方向的信息。通过使用虚拟环境模型和不使用真实工具进行编程，可以通过牵拉法兰(或手柄等)对所施加的力和/或转矩编程。在利用按照本发明的工业机器人对工件自动处理期间所施加的力和/或转矩等于在编程期间通过牵拉(手动引导)作用在工业机器人上的力(转矩)。
但是，如果将真实的工件(或者真实的虚拟工件)用于对工业机器人的编程，则在接触工件并同时进一步牵拉工业机器人时无法测量到力，因为力被真实的工件吸收了。
根据本发明的方法或根据本发明的工业机器人的另一种实施方式，在空间中对准虚拟平面，使得虚拟平面至少部分覆盖利用工业机器人待处理的工件，从而使工业机器人在接触到工件之前停止基于手动引导实施的运动。通过这种变形使操作人员能够观察到在利用工业机器人进行自动处理期间工件所处的位置和/或方向。通过使虚拟平面至少部分地覆盖工件，根据本发明的工业机器人在手动引导期间快速停止在工件之前而不接触工件。此外，仍然有可能确定在继续手动牵拉法兰时作用在工业机器人上的力或转矩。
根据本发明的工业机器人可以被手动引导。为了方便操作人员手动引导，可以对根据本发明的工业机器人进行重力平衡。为了实现重力平衡，根据本发明的工业机器人的每个关节都配备转矩传感器，并且为了平衡动态和静态的力，尤其是重力，根据本发明的工业机器人具有相应的规则和相应的模型。
通过所使用的虚拟平面，根据本发明的工业机器人在编程期间并不接触真实的部件。因此，为了采集“虚拟”的环境力可以使用根据本发明的工业机器人的开放的运动学(Kinematik)，该“虚拟”的环境力对应于通过牵拉工业机器人所产生的力。
为了能够实现上述目的，应该计算在利用根据本发明的工业机器人自动处理部件期间发生在真实部件上的力，并按照操作人员的实施方式加以表示。利用已知的方法基于触觉可以实现这个子目的(Teilaufgabe)。对此还可以运用算法，该算法由例如CAD数据形式的计算机模型和当前的机器人位置计算出相应的作用力。现在可以使用该作用力来调整工业机器人的转矩，使得操作人员感觉到相应的阻力。在这里，当基于位置计算相应的力时，还存在一种公知的方法，该方法根据使用者的力量计算相应的位置。在此操作人员也感觉到相应的接触力。
对所确定的力和/或转矩尤其可以时间相关地或位置相关地进行存储。所记录的对应于力或转矩的数据可以在发生演变(Abspielen)(生成应用程序)之前通过数据处理加以改变(数据缩减，样条(Spline)，优化)。在演变应用程序时，所存储的数据可以对机器人运动施加任意的影响。这意味着无论是力(转矩)还是位置都被记录下来。一般来说不会同时调整两个条件。因此，任何调整概念都是在获得数据的基础上实现的(例如Hypride调整、阻抗调整)。
附图说明
下面根据附图对本发明的实施例进行说明。
图1示出了工业机器人，
图2和图3示出了用于手动引导工业机器人的夹钳，以及
图4示出了说明对工业机器人编程的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种具有机器人臂M的工业机器人，在本实施例中将机器人臂M固定在基座S上。
工业机器人的机器人臂M具有多个轴1-6、多个杠杆7-10和法兰26，在法兰26上固定有工具例如夹钳18。在本实施例中每个轴1-6都通过电驱动装置运动，每个电驱动装置均具有电动机11-16。电驱动装置以未示出的方式与控制计算机17连接，以便于控制计算机17或在控制计算机17上运行的计算机程序可以控制电驱动装置，从而基本上可以在空间中自由地调整法兰26的位置和方向，并因此可以在空间中自由地调整固定在工业机器人上的工具。
在本实施例中，工业机器人设置为，不仅使得法兰26或固定在法兰26上的夹钳18在设定的轨迹上运动，而且还在法兰26或夹钳18上施加设定的力和/或设定的转矩，从而使该力(转矩)作用在要利用工具进行处理的工件上。例如当工业机器人通过设定的力和/或设定的转矩将利用夹钳18抓紧的塞19(Kolben)接合在金属块20的裂缝21中时，上述设置是必要的。
为了使处于运行中的工业机器人R可以使法兰F如所期望的那样运动，尤其是将所期望的力和/或所期望的转矩例如位置相关地或时间相关地施加在法兰26上，在控制计算机17上运行有适合于控制工业机器人的计算机程序。
在本实施例中通过手动引导工业机器人生成计算机程序。在手动引导期间将工业机器人或它的法兰26带到所希望的位置，其中，例如在图1中未示出的人员将法兰26拉到所希望的位置并在那里如所期望的那样进行对准。在图2中示出的、用于替代夹钳18的手柄G固定在法兰26上，该手柄具有为清楚起见未示出的输入工具，例如按键，在按压按键时为所述计算机程序存储工业机器人的当前位置。图4概括了借助于流程图生成计算机程序的步骤。
在本实施例中，利用存储在控制计算机17中的块20的计算机模型22对由工业机器人所期望的位置相关或时间相关地施加的力和/或转矩进行编程。计算机模型22例如是按照1∶1的比例模型化的、块20的CAD模型。另外，计算机模型22还包括有关空间中的位置的信息，即对块20的位置和方向同样进行模型化。
现在为了对所期望的施加的力或转矩编程，控制计算机17对工业机器人的电驱动装置进行控制，使得利用手柄G引导工业机器人的操作人员只能将手柄G移动到虚拟平面25，该虚拟平面25通过块20的计算机模型22确定。换句话说，可以如同块20是真实存在的那样引导工业机器人，使得在工业机器人到达虚拟平面25时操作人员(操作人员的手在图2中使出)不能再移动工业机器人，此为流程图的步骤A。
在本实施例中，虚拟平面25是对应于计算机模型22或块20的虚拟环境模型22a的一部分，该部分模拟了块20。如果手柄G到达虚拟环境模型22a或虚拟平面25，则操作人员就不再沿虚拟环境模型22a的方向移动工业机器人。尽管如此，如果操作人员想要继续移动工业机器人，则力F沿虚拟环境模型22a的方向作用在工业机器人上。力F例如可以通过力传感器23来测量，力传感器23例如固定在法兰26上并测量作用在法兰26或手柄G上的力，此为流程图的步骤B。
力传感器23以未示出的方式连接控制计算机17，并将对应于所测量的力的信号传递到控制计算机17。在本实施例中，力传感器23测量沿手柄G的纵轴线以及垂直于手柄G的纵轴线的力。
在本实施例中，控制计算机17连接显示器24，从而可以将利用力传感器23测量到的力并因此将当前所施加的力告知操作人员。相应的，在编程期间例如通过激活手柄G的未示出的输入装置，操作人员可以根据对工业机器人的手动引导将在工业机器人运行期间施加在块20上的力位置相关和/或时间相关地存储在控制计算机中，此为流程图的步骤C。
在对工业机器人编程期间所记录的数据可以在工业机器人运行之前(此时工业机器人移动夹钳18)通过数据处理(例如数据缩减，样条，优化)加以改变。所保存的数据在工业机器人运行时可以对机器人的运动施加任意的影响。这意味着，在本实施例中，在编程时无论是力F还是位置都被记录下来。
为了方便手动引导工业机器人，工业机器人可以具有在图中未示出但是为专业人员所普遍公知的、附属于工业机器人的关节的转矩传感器。借助于工业机器人的相应的规则和模型，可以在手动引导期间对工业机器人的动态和静态的力进行平衡，尤其是重力。
另外，还可以借助于由工业机器人施加并且指向力F的相反方向的反作用力FR来确定在对工业机器人编程期间作用在工业机器人上的力F，其中，例如对由工业机器人或它的电动机11-16所施加的转矩进行分析。例如，通过分析电动机11-16的电流来确定工业机器人施加的转矩。
在图2所示出的以及上面所描述的实施例中，操作人员可以根据块或虚拟环境模型22a的计算机模型22，或者根据虚拟平面25对工业机器人使用的力F编程。图3示出了另一个实施例，其中，基于计算机模型22的虚拟环境模型22a虚拟地覆盖块22，从而当在沿块20的方向手动引导工业机器人时，使工业机器人根据虚拟环境模型22a在即将与块20接触之前停止。由此同样可以通过沿块20的方向继续牵拉手柄G在法兰26上施加力F。

Claims (14)

1.一种用于对工业机器人编程的方法，该方法包括以下步骤：
-在空间的虚拟平面(25)上手动引导工业机器人，在到达该虚拟平面(25)时，使对所述工业机器人的控制不再通过手动引导，
-如果试图在到达所述虚拟平面(25)的情况下继续手动引导所述工业机器人，确定作用在所述工业机器人上的力(F)和/或转矩，以及
-存储所述力(F)和/或转矩。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟平面(25)是虚拟环境模型(22a)的一部分，该虚拟环境模型(22a)基于要利用所述工业机器人处理的工件(20)的计算机模型(22)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在空间中调整所述虚拟平面(25)，使该虚拟平面(25)至少部分覆盖要利用所述工业机器人处理的工件(20)，从而使所述工业机器人在接触到该工件(20)之前停止基于手动引导实施的运动。
4.如权利要求2所述的方法，其中，在空间中调整所述虚拟平面(25)，使该虚拟平面(25)至少部分覆盖要利用所述工业机器人处理的工件(20)，从而使所述工业机器人在接触到该工件(20)之前停止基于手动引导实施的运动。
5.如权利要求1所述的方法，包括：所述手动引导至少包括间接牵拉所述工业机器人的法兰(26)。
6.如权利要求1所述的方法，包括：利用以下来确定所述力(F)和/或转矩：
-所述工业机器人内部的力传感器和/或转矩传感器(23)，和/或
-由所述工业机器人的驱动装置(11-16)施加的转矩。
7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，还包括：存储在施加力(F)和/或施加转矩的时间点的所述工业机器人的位置和/或方向。
8.一种工业机器人，该工业机器人设置成能够手动引导并具有：
-机器人臂(M)，其具有法兰(26)和多个能够通过驱动装置(11-16)运动的轴(1-6)，
-控制装置(17)，其设置为，控制所述驱动装置(11-16)以使所述轴(1-6)运动，以及在手动引导所述工业机器人时，在到达空间中的虚拟平面(25)时控制所述驱动装置(11-16)，使得所述工业机器人不再通过手动引导，以及
-用于确定力和/或转矩的装置(23)，该装置(23)设置用于在到达所述虚拟平面(25)时试图继续手动引导所述工业机器人的情况下确定作用在所述工业机器人上的力(F)和/或转矩，在此，所述控制装置(17)设置用于存储所述力(F)和/或转矩。
9.如权利要求8所述的工业机器人，其中，所述虚拟平面(25)是虚拟环境模型(22a)的一部分，所述虚拟环境模型(22a)基于要利用所述工业机器人处理的工件(20)的计算机模型(22)。
10.如权利要求8所述的工业机器人，其中，在空间中调整所述虚拟平面(25)，使得所述虚拟平面(25)至少部分覆盖要利用所述工业机器人处理的工件(20)，从而使所述工业机器人在接触到所述工件(20)之前停止基于手动引导实施的运动。
11.如权利要求9所述的工业机器人，其中，在空间中调整所述虚拟平面(25)，使得所述虚拟平面(25)至少部分覆盖要利用所述工业机器人处理的工件(20)，从而使所述工业机器人在接触到所述工件(20)之前停止基于手动引导实施的运动。
12.如权利要求8所述的工业机器人，通过至少间接牵拉所述工业机器人的法兰(26)来手动引导所述工业机器人。
13.如权利要求8到12中任一项所述的工业机器人，其中，所述用于确定力和/或转矩的装置(23)具有内部力传感器和/或转矩传感器(23)，和/或确定所述驱动装置(11-16)所施加的转矩。
14.如权利要求8到12中任一项所述的工业机器人，其控制装置(17)还设置用于，存储在施加力(F)和/或施加转矩的时间点的所述工业机器人的位置和/或方向。
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