CN102011932A - 用于停止操纵器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使操纵器(1)停止的方法，具有以下步骤：对操纵器的不同状态(q，dq/dt，L)下的和/或制动力变化(τ)的制动距离进行预模拟(S10)；基于预模拟的制动距离估算制动距离的上限(S_max)(S120)；对区域(A0；A1；A2)进行监测；并在操纵器(1)侵犯该区域时使其制动；其中，在运行期间基于操纵器的制动距离(S_max)可变地预先给出受监测的区域(S130)。

Description

用于停止操纵器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于停止操纵器(Manipulator)、特别是机器人以及用于确定操纵器的制动距离的方法和装置。

背景技术

特别是在安全非常重要的机器人应用领域中公知的是，应该例如以世界坐标系预先给定保护区域，机器人的肢体或例如TCP的参考点不允许进入该保护区域。如果识别出对区域的侵犯，就要使机器人安全地停止。

然而，在这里，机器人会由于其惯性、停机时间(Totzeiten)以及在入侵区域和监测反应之间的滞后性而继续进入保护区域。

专利文献DE 102008013431 A1提出，为了在危险发生之前使机器停止，基于监测到的人与机器的工作区域的距离以及人的平均步速来确定最大可用的延迟时间，并相应地选择制动过程(Bremsverlauf)。然而，相关的人员监测的成本很高。

发明内容

本发明的目的在于：改进操纵器的运行。

本发明的目的通过一种用于使操纵器、特别是机器人停止的方法来实现，该方法包括步骤：对区域进行监测；在该区域被侵犯时对操纵器进行制动；在运行期间基于该操纵器的制动距离可变地预先给定被监测的区域。

本发明的目的还通过一种用于使操纵器、特别是机器人停止的装置来实现，其中的计算装置用于实施本发明的方法。本发明还提出了一种实施本发明方法的计算机程序或一种计算机程序产品，特别提出了一种数据载体或一种存储介质。

根据本发明的第一方面提出：对区域进行监测，如果采集到操纵器侵犯该被监测的区域，则使该操纵器制动，优选使其安全地停止。

该区域例如可以以操纵器的关节坐标(Gelenkkoordinaten)或者如机器人单元(Roboterzelle)的世界坐标来预先给定。为此例如可以根据操纵器的关节坐标(必要时可以转换为世界坐标)来监测：操纵器的一个或多个肢体或者特定于操纵器的参考点(例如操纵器的TCP)是否处于禁止进入的保护区域内，或是否处于允许的工作区域之外。同样，也可以例如借助电磁射线(例如可见光、紫外光)、雷达、无线电等通过一种装置来采集这些肢体或参考点的位置，其中，例如利用一个或多个照相机来采集操纵器的姿态，或采集一个或多个特定于操纵器的参考点与特定于环境的(umgebungsfest)发射器或接收器之间的距离。

根据本发明的第一方面，在运行期间基于操纵器的制动距离可变地预先给出受监测的区域。特别是可以在制动距离较长时扩大该监测区域和/或在制动距离较短时缩小该监测区域。为此，优选在运行时例如周期性地确定制动距离，并相应地更新监测区域。

制动距离特别是与操纵器要消耗的动能有关，该动能与操纵器的速度、质量和惯性有关，而这些又可能根据运动的载荷(Traglast)而变化。此外，根据重力是否会感应出额外的制动力和制动力矩或者是否会对制动力和制动力矩起反向加速作用，制动距离还可能由于重力而延长或缩短。另外，由于公差、磨损、加热等造成的不同的制动力变化或制动力矩变化也会导致不同的制动距离。

因此，根据本发明的一种实施方式，可以在运行期间根据模型算出制动距离并由此确定该制动距离，该模型描述操纵器的动力学、特别是操纵器的重力和/或惯性力，和/或制动力变化或制动力矩变化。例如，如果已知质量惯性力矩J相对于单轴机器人的垂直轴具有关节角q以及单轴机器人的恒定制动旋转力矩τ₀，则基于动力学模型

J×d²q/dt²＝-τ           (1)

根据单轴机器人的初始速度ω通过时间积分可得到制动距离s：

s＝(J×ω²)/(2×τ₀)      (2)。

就更复杂的操纵器、例如六轴工业机器人而言，对用于确定制动距离的相应模型

s＝f(q，dq/dt，L)         (3)

的分析与关节坐标q、关节坐标q的一阶时间导数或关节速度(Gelenkgeschwindigkeit)dq/dt以及载荷参数L有关，载荷参数L除了载荷质量之外还可以包括惯性力矩和重心位置，但这种分析在运行中几乎不可能在线进行。

因此，根据本发明的第二方面，提出如下所述的用于确定操纵器、特别是机器人的制动距离的方法，该方法尤其适用于基于运行时的当前状态、即在线地确定制动距离。优选将该第一方面和第二方面相结合。然而，如上述公式(2)所描述的第一方面也可以在没有第二方面的情况下单独地应用。同样，也可以在不使用第一方面的情况下应用第二方面，例如对于其中必须运行大量的模拟过程以及针对不同的操纵器状态确定制动距离的轨迹规划和优化。

根据本发明的第二方面，特别是针对操纵器的不同状态和/或制动力变化来数值地和/或经验地预先模拟制动距离。

在这里，状态例如可以包括：一个或多个位置和/或一个或多个速度，例如在世界坐标系中的、特定于操纵器的参考点的笛卡尔位置或速度；或者关节坐标，特别是关节角，或其时间导数；载荷参数，例如质量、惯性力矩和/或载荷的重心位置等。数值预模拟特别是可以通过对操纵器的动力学模型的时间积分来实现，如在公式(1)中仅示例性给出的，而根据经验的预模拟则可通过测试运行及对其的分析来实现。

制动力变化例如可以包括：与状态、特别是关节坐标和/或关节坐标的时间导数相关的制动力的大小；时间和/或其它参数，例如静摩擦系数和滑动摩擦系数。在这里，为了能够更紧凑地表示，将作用于操纵器旋转轴上的反向平行的制动力对(Bremskraftpaare)、即制动力矩，同样通称为制动力。因此，制动力变化可以例如以以下形式来预先给定：

τ_i＝μ₀×(dq_i/dt)/|dq_i/dt |+μ×(dq_i/dt)    (4)

其中，τ_i是作用于轴i上的制动力矩并且静摩擦系数及滑动摩擦系数μ₀，μ＜0。替代不同的制动力变化，对于状态的变化还可以使用相应的相同的制动力变化，例如对于每个轴的最小制动力变化，从而可以确保实际的制动力变化较高，因而实际制动距离总是比模拟的制动距离短。

这样，根据本发明，可以基于预先模拟的制动距离来估算制动距离的上限。特别是在与本发明的第一方面结合的情况下，这在操纵器运行期间优选主要实时地进行。

通过根据本发明的对上限的估算，当必须确定当前制动距离时，可以省去对动力学模型的昂贵的精确分析或相应的测试运行。例如，对于一个当前状态可以引入一个或多个接近的经模拟的状态，并从对于这些模拟状态特定的制动距离中估算出针对该当前状态的上限，例如，通过内插或外插。

根据上述高度简化的、利用垂直旋转轴的例子就已经可以看出，除其它之外，制动距离与操纵器载荷的惯性力矩、即公式(1)中的惯性力矩J有关。其有时会根据运动的载荷(例如所承载的有效载荷)、不同的工具等而大幅变化。

因此，在本发明的一种优选实施方式中，在操纵器的不同状态下针对参考载荷和/或参考载荷设置来对制动距离进行模拟。参考载荷例如可以相应地通过质量和惯性力矩的值来预先给定，相应地，参考载荷设置例如可以通过载荷相对于操纵器的TCP或运动轴的重心位置来预先给定。

如果在运行中实际载荷与在预模拟中所基于的参考载荷偏离得过多，就会使所估算的制动距离的上限有所偏差，其结果就是，制动距离长于所需要的或过短。因此，在一种优选的扩展方案中，为了估算上限，将针对参考载荷和/或参考载荷设置预先模拟出的制动距离缩放到实际载荷和/或载荷设置上。

这例如可以通过以下方式实现：即一方面对参考载荷/或参考载荷设置的缩放量、另一方面对实际载荷或载荷设置的缩放量进行模拟，由两个缩放量的商形成缩放因子(Skalierfaktor)，并例如将估算出的制动距离与该缩放因子相乘。

由于基于参考载荷的估算和利用一个或多个缩放因子对制动距离进行的缩放还不能必然地确保，在实际载荷的情况下制动距离不会超过这样估算出的上限，所以在一种优选的扩展方案中，还针对不同于参考载荷和/或参考载荷设置的载荷或载荷设置来对操纵器的不同状态下的制动距离进行预先模拟。在此如果确定出制动距离比基于参考载荷和缩放得到的制动距离更长，则相应地提高上限。为此，同样还可以将针对不同于参考载荷(设置)的载荷(设置)模拟出的制动距离通过缩放因子的倒数映射到针对参考载荷(设置)的制动距离上，并由此作为其它模拟过程(Simulationslauf)利用参考载荷(设置)来处理。

例如，在通常的六轴弯臂机器人(Knickarmroboter)中，其关节角和关节角速度的状态向量就已经具有12个维度。因此，在根据本发明的一种优选实施方式中，将操纵器的多维状态映射到或变换到低维度的、特别是标量的量或合速度(Gesamtgeschwindigkeit)。为此，例如可以构成关节速度的绝对值或幂的加权和(gewichtete Summe)。由于制动距离很大程度上取决于操纵器的动能，并且在弯臂机器人中操纵器的动能由围绕各轴的惯性力矩的和乘以相应的关节角速度的1/2次方给出，因此在一种优选实施方式中，将由关节坐标及其一阶时间导数给出的状态变换为在这种状态下基本上等于动能的、标量的合速度，在此，为简化起见也可以基于负载参数(例如惯性力矩和/或重心距离)的最大值。

特别是，当为了估算上限而将操纵器的多维状态变换为标量的合速度时，可以从针对操纵器的不同状态的所有模拟中选出最长的制动距离作为该标量合速度的上限，在此，这些模拟在预先给定的离散度(Diskretisierung)或公差的范围内被变换到同一标量合速度。这样，最大制动距离例如可以通过关于标量合速度的频率多边形(Polygonzug)存储起来。

在一种优选实施方式中，对不同的操纵器进行类型特定的(typspezifisch)预模拟，这些操纵器在配置上，例如轴设置(Achsanordnung)、轴距、质量、惯性力矩和其它机器数据等方面有所不同。这样，针对一种操纵器类型的制动距离的确定就基于对该操纵器类型的经过预模拟的制动距离来进行。

附图说明

本发明的其它的优点和特征由实施例给出。在此，部分示意性地示出了：

图1和图2示出根据本发明的实施方式预先给定的机器人的保护区域；以及

图3示出根据本发明的方法预先给出图1和图2中的保护区域的流程图。

具体实施方式

为了更好地进行概述，以下参照简化的示例对本发明进行说明。为此在图1和图2中示出了具有两个肢体1.1、1.2(参见图2)的两轴弯臂机器人1，该两个肢体1.1、1.2通过转动关节彼此连接，该转动关节的关节角q₁或q₂可通过驱动装置调节，以使载荷L运动，该载荷L的惯性参数、特别是质量m、重心位置r_TCP.L以及相对于工具中心点TCP的惯性力矩或惯性张量J_L是已知的。

在图1中，机器人1利用折叠起的臂1.2(q₂＝90°)使载荷L在圆形轨迹上以笛卡尔速度V_L，1沿逆时针方向向上(v＜0)运动，在图2中利用张开的臂1.2并且以较大的角速度dq₁/dt向下运动。

为了保护操作人员和设备以及避免自我碰撞，在设置在机器人1的基础中并在图1和图2中以点划线表示的世界坐标系中限定在图中以交叉阴影表示的保护区域A0，例如机器人1的TCP或肢体1.1、1.2不得进入该保护区域。如果例如根据关节角q＝(q₁，q₂)确定出机器人1侵犯了保护区域A0，则要制动机器人1并使其安全地停止。

为了防止机器人1继续进入保护区域A0，在机器人1侵犯保护区域A0的边界之后，基于机器人的最大制动距离S_max将保护区域扩大。在图1和图2中举例示出了，扇形保护区域A0在它的两个朝向机器人1的许可工作空间的半径上(在图1和图2的右侧)分别对称地扩大出由阴影线表示的扇形段A1(图1)或A2(图2)，这些扇形段的角度范围取决于机器人1的最大制动距离S_max，1或S_max，2＞S_max，1。在另一未示出的实施方式中，与机器人的运动状态相关地实现这种扩大，例如仅在保护区域的外侧，该保护区域的向外对准的法线与TCP或机器人肢体的速度围出一个大于90°的角，或者该保护区域靠近机器人的一部分，也就是说，在图1中只通过增加上部的扇形段而在图2仅通过增加下部的扇形段来实现这种扩大。

通过这个简单的示例可以看出，最大制动距离与机器人的状态有关：在图1中在减速时机器人的将要消逝的动能变得更小，而在图2中由于张开的臂、更大的角速度dq₁/dt以及支撑的重力效应而使制动距离变长。

因此，在运行期间，在线地根据机器人1的状态按照图3所示的方法来估算制动距离的上限S_max。

为此，对于不同的机器人类型，例如在图1和图2中示意性示出的具有已知的长度和质量分布的肢体1.1、1.2的两轴机器人，在步骤S10中分别对在参考设置中的参考载荷L_Ref针对不同的关节角q_i和关节角速度dq_j/dt＝(dq₁ ^j/dt，dq₂ ^j/dt，…)，基于机器人的动力学模型，优选在考虑不同的轴制动力矩变化τ₁(q，dq/dt，t)的情况下，或者利用对于每个轴的所有状态变化都相同的、优选为最小的、固定的制动力矩变化，在离线状态下预先确定或估算出最大制动距离：

S_{max，Ref，ij}＝f(q_j，dq_j/dt，L_Ref，τ₁)；i＝1，2，…；j＝1，2，…；1＝1，2，…(5)

替代地，也可以经验地确定该最大制动距离。

也可以将所述关节角速度dq_j/dt映射到标量的合速度Q_j上，该合速度Q_j与各关节角速度dq_k/dt的加权幂的和成比例(步骤S20)：

Q_j＝a₁×(dq₁ ^j/dt)²+a₂×(dq₂ ^j/dt)²+…

  ＝(dq^j/dt)^T×A×(dq^j/dt)   (6)

随后，在步骤S30中，从在预先给定的离散度δ中映射到同一合速度Q上的所有经模拟的关节角速度dq/dt中选出各最大模拟制动距离S_{max，Ref，ij}：

F(x)＝max{f(q_i，dq_j/dt，L_Ref)|Q(dq_j/dt)＝x±δ}(7)

其中，“max{Y(x)|Z(x)＝X}”以本领域公知的方式表示所有值Y中的最大值，其自变量x的特征为Z(x)＝X。

此时，在步骤S40中，将与标量合速度Q相关的最大制动距离F映射到频率多边形P上，该频率多边形P在离散区间Q_k≤Q≤Q_k+1中始终至少具有所有最大制动距离F中的最大值，从而有：

$Q_k\≤Q\≤Q_{k+1}\⇒P\left(Q\right)\≥F\left(Q\right)---\left(8\right).$

因此，该频率多边形提供了通过参考设置中的参考载荷L_Ref对所基于类型的机器人的最大制动距离的容易求值的估算。

为了估算在运行中出现的最大制动距离，还要将该最大制动距离值从参考值缩放到实际载荷及其设置上。为此，将该最大制动距离值与缩放因子fak_Last相乘，该缩放因子fak_Last等于根据公式(6)基于实际载荷参数所得的最大制动距离值与根据公式(6)基于参考载荷参数所得的最大制动距离值相除而得到的商。为了使这种求值变得容易，分别选出对于从载荷重心到机器人的各运动轴的距离的最大值，例如J_y，L+(1_TCP+1_1.1+1_1.2)²×m_L，其中，J_y，L是围绕其重心的载荷的惯性力矩，1_TCP是载荷到机器人法兰的距离，1_1.1和1_1.2是机器人的肢体长度，而m_L是有效载荷的质量。

此外，还将该最大制动距离值与缩放因子fak_TCP相乘，该缩放因子fak_TCP等于用于实际TCP的几何尺寸的辅助函数与用于参考TCP的尺寸的同样的辅助函数相除的商，其中该辅助函数由对于机器人的所有轴的、TCP到一个轴的距离乘以该轴的速度平方再除以该轴的角加速度所得到的商的和给出。

最后，在步骤50中，利用不同的载荷以及载荷设置L_k进行离线模拟，并将在此得到的最大制动距离通过除以以上所述的缩放因子fak_Last、fak_TCP而逆缩放回到参考载荷或参考载荷设置。如果在此一个或多个合速度的值比基于参考载荷或参考载荷设置所确定的频率多边形更大，则将该频率多边形相应地修改为P_mod，使其在利用不同于参考配置的载荷和载荷设置的模拟中给出较大的最大制动距离的时间间隔内始终具有该较大的值。替代地，还可以利用不同的载荷和载荷设置L_k在步骤S10和S20之前、之中或之后进行模拟，随后提供其它通过与逆缩放到参考载荷相关的、在步骤S40中在形成频率多边形P(Q)时所给出的制动距离F(Q)。

在在线运行中，此时需要估算最大制动距离的上限S_max。为此在周期性循环的步骤S100中根据公式(5)来确定当前状态下的当前合速度Q，利用该当前合速度Q在步骤S110中由经修改的频率多边形P_mod(Q)确定出最大参考制动距离，并在步骤S120中将所确定的最大参考制动距离与缩放因子fak_Last、fak_TCP相乘。基于如此估算出的最大制动距离S_max，在步骤S130中以在本文开始部分所述的方式扩大保护区域A0，其中，例如与最大制动距离S_max成比例地选择扩大的扇形段A1或A2的角度。

在此实施例中，由于打开的臂和较大的笛卡尔速度v_L.2而使动能较大，并且图2所示的配置的加速重力分量导致较大的估算的最大制动距离S_max，并由此导致保护区域A0的扩大区域A2大于图1所示的具有折叠的臂和附加的制动重力分量的配置的情况。由此可以确保，当机器人在图1的状态下越过区域A1的上方边界，在图2的状态下越过区域A2的下方边界时，机器人会在实际的保护区域A0之前停止。

通过这种方式，能够以计算技术快速而简单的求值方式估算最大制动距离的上限，并基于此估算扩大保护区域。

附图标记列表

1机器人

1.1，1.2机器人肢体

A0，A1，A2保护区域

L有效载荷

S_max最大制动距离

q₁，q₂关节角

Claims (11)

1.一种用于使操纵器、特别是机器人(1)停止的方法，该方法具有以下步骤：

对区域(A0；A1；A2)进行监测；以及

在该区域被侵犯时对所述操纵器(1)进行制动，

其特征在于，在运行期间基于所述操纵器的制动距离(S_max)可变地预先给定被监测的区域(S130)。

2.一种用于确定制动距离、特别是在根据权利要求1所述的方法中基于所述制动距离预先给出被监测的区域(A0；A1；A2)的方法，该方法具有以下步骤：

针对所述操纵器(10)的不同状态(q，dq/dt，L)和/或制动力变化(τ)预先模拟制动距离(S10)；以及

基于该预先模拟的制动距离估算制动距离的上限(S_max)(S120)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，分别针对参考载荷和/或参考载荷设置(L_Ref)来对所述操纵器的不同状态(q，dq/dt)下的和/或制动力变化(τ)的制动距离进行预先模拟(S10)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将针对参考载荷和/或参考载荷设置(L_Ref)预先模拟出的制动距离缩放到实际载荷和/或载荷设置(L)上(S120)。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，还针对不同于所述参考载荷和/或参考载荷设置的载荷或载荷设置(L_k)来对所述操纵器的不同状态(q，dq/dt)下的和/或制动力变化(τ)的制动距离进行预先模拟(S50)。

6.如前面权利要求2到5中任一项所述的方法，其特征在于，将所述操纵器的多维状态(dq/dt)映射为低维度的、特别是标量的数值(Q)，根据该数值来确定制动距离(S20，S100)。

7.如前面权利要求2到6中任一项所述的方法，其特征在于，基于频率多边形(P)确定所述上限(S40，S110)。

8.如前面权利要求2到7中任一项所述的方法，其特征在于，基于负载参数最大值来估算制动距离。

9.一种使操纵器、特别是机器人(1)停止的装置，具有用于执行如前面任一项权利要求所述的方法的计算装置。

10.一种计算机程序，当该计算机程序在如权利要求9所述的计算装置中运行时，执行如权利要求1到8中任一项所述的方法。

11.一种具有程序代码的计算机程序产品，该产品被存储在能由机器读取的载体中并包括如权利要求10所述的计算机程序。

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