CN102156448B - 控制操纵器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制至少一个操纵器、特别是机器人的方法，在该方法中，通过使相应的指令在状态机(ZM)中经历活跃状态(-A)来处理多条指令(P、B、F)，其中，至少一个指令在状态机中经历在其活跃状态之前的先行状态(-E)和/或在其活跃状态之后的后续状态(-P)；和/或同时处理多个指令。

Description

控制操纵器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制至少一个操纵器、特别是机器人的方法和装置，其中，指令在状态机中经历活跃状态(aktiver Zustand)。

背景技术

用于操纵器、特别是用于诸如工业机器人这样的机器人的控制器可以设计为或实现为状态机或状态自动机(英语：“state machines”)。在此，特别是通过控制器所控制的一个或多个操纵器的动作、通过状态机的状态以及在这些状态和动作之间的转换或过渡来确定在这些状态中控制器的行为。例如，商业软件“Stateflow”能够在现有工业标准的MatLab-Simulink中建立和模拟控制状态机。

传统的控制状态机以确定的顺序经历各个状态，在这些状态中分别执行指令。在此，只有当实现了稳定的精确停止(Genauhalt)时，才会触及到后续指令(Folgekommando)，这例如使得在位置调节步骤和力调整步骤之间的超循环困难。

迄今为止在实践当中还发现有以下缺点：通过稳定的精确停止的命令链接(Kommandoverknüpfung)会导致周期时间损失。另一方面，为了起振(einschwingen)，即产生可用的输出值，滤波器、监视器等需要定期地进行一定的预运行。此外，由于以硬性实现为基础的确定性使得连接外部过程或对控制器的修改困难。

专利文献EP 1398680B1提出了一种有限状态机，其以确定的顺序经历多个状态，以在机器人控制器中预先给出平滑的设定路径。

发明内容

本发明的目的在于，改善操纵器的控制器，特别是至少部分地克服一个或多个以上所述的缺点。

本发明的目的通过一种用于控制至少一个操纵器、特别是机器人的方法得以实现。在本发明的方法中，通过使相应的指令在状态机中经历活跃状态来处理多条指令，其中，至少一个指令在状态机中经历在其活跃状态之前的先行状态和/或在其活跃状态之后的后续状态；和/或同时处理多个指令。本发明还提出了一种装置和一种计算机程序或计算机程序产品，特别是一种数据载体或存储介质，用以执行本发明的方法。

根据本发明，对一个或多个操纵器、特别是(工业)机器人进行控制，其中，分别使多条指令在状态机中经历活跃状态。为了使描述更加紧凑，也将调整(Regelung)(即通过直接和/或间接反馈采集到的实际值()来确定控制参数)概括地称为控制。

在此，指令通常可以包括特别是用于一个或多个操纵器的一个或多个运动命令和/或动作命令。例如，指令可以包括：驶入或保持设定姿势、驶入设定路径、施加设定力和/或例如打开或关闭夹钳这样的工具动作。为了使描述更加紧凑，在此也将反平行的力偶，即转矩，概括地称为力。指令还可以包括一个或多个用于一个或多个工艺设备的指令，例如胶枪或焊枪，特别是当其控制器集成在操纵器的控制器中时。

根据本发明的第一个方面，一个或多个指令经历位于其活跃状态之前的先行状态(Vorlaufzustand)和/或位于其活跃状态之后的后续状态(Nachlaufzustand)。

指令的先行状态或起振状态(Einschwingzustand)特别是通过相应的接口从传感器接收数据，在该状态中，优选已将执行该指令所需的控制组件至少部分地绑定在控制器的控制流和/或数据流中，这有利地使得滤波器、观察器、参数识别器等能够通过这些数据事先至少部分地与当前的、实际的情况同步，从而当指令转入活跃状态时、即被执行时(在此，在活跃状态下命令被发送到执行器(Aktuator)，如操纵器驱动装置、调节器等等，而在先行状态下则优选不向执行器发送命令)提供相应的功能。

因此，在其活跃状态下通过指令控制的控制组件或控制功能可以在其先行状态中就已经与其它活跃的指令并行地起振或同步。

在此，控制组件可以包括硬件组件和/或软件组件，例如，计算装置、微控制器、存储器、数据连接、输入/输出装置、传感器、执行器，尤其是驱动器、程序、程序模块等等，以实现一个或多个控制功能，如传感器值的采集和转换、确定参数、确定和输出调整变量或控制变量，等等。

指令的后续状态或维护状态使得能够有利地有序地过渡到其他的活跃的指令，因为这样就可以在处理完指令后始终保持完全确定的状态，在指令的后续状态或维护状态中，在在活跃状态下处理完指令后优选以预先确定的方式控制一个或多个操纵器，特别是在处理完指令后保持一个或多个操纵器的状态。

因此，后续状态可以与其前面的活跃状态相等，尤其是还可以在后续状态中向执行器发送命令。在此，在一种优选的实施方式中，可以在活跃状态和后续状态之间修改指令，特别是再参数化。因此，例如包含操纵器的设定姿势的指令能够在活跃状态中以严格的、即精确的位置调节驶入设定姿势，并随后例如通过减少积分分量(Integral-Anteil)或降低PID调节器的调节系数、即对控制功能的再参量化来保持该设定姿势，直至另一指令接管控制。

根据本发明的第二方面(优选与本发明的第一方面一起实现)，对多个指令同时、优选基本并行地和/或彼此独立地进行处理。特别是，可以在另一指令仍活跃时，就已使一个或多个指令处于先行状态，以同步滤波器、观察器、参数识别器等。然后，该指令可以在处理完后转入后续状态，并在此使一个或多个操纵器保持在有序的状态中，直到另一指令接管控制。同样，也可以将这两个方面彼此独立地实现。因此，例如状态自动机转变到后续状态可以确保始终存在明确定义的状态，即便是例如在两个基于传感器的指令之间触发了程序停止或紧急停车。另一方面，也可以通过在两个活跃状态之间相应的转换或过渡来同步多个同时处理的指令。但是优选将第一和第二方面相结合。

因此，本发明的基本思想在于，使控制指令分别经历指令状态机，其中，在在其中执行指令的活跃状态前置先行状态及后置后续状态，并可以使多个控制指令同时经历不同的状态。

根据一种优选实施方式，指令在状态机中经历更前置于其先行状态之前的预处理状态。与先行状态不同的是，在此优选尚不与数据流集成，以更新控制功能，例如滤波器、观察器、参数识别器，等等。

更确切地说，在预处理状态中可以提供例如用于处理指令的资源并预先给定接口，特别是协商或协调接口。优选在预处理状态中通过指令告知例如内插器、力调节器、跟踪器之类的控制功能和/或控制组件，并在必要时相应地对其参数化。例如，可以在指令的用于位置调节地驶入设定轨迹的预处理状态中告知内插器并调整位置调节器。优选这样的预处理状态不是时间关键的，并因此优选在控制时钟之外经历预处理状态。

替代地或附加地，指令可以在状态机中经历再后置于其后续状态之后的完成状态。

指令一旦变换到活跃状态，可以通过控制组件或控制功能来接管控制。当由第一指令在活跃状态或后续状态中控制的控制组件或控制功能都被另一指令接管时，例如驱动调节器现在由另一指令控制，则该第一指令过渡到完成状态。在该完成状态中，该第一指令可以在控制器内被删除，或者转入等待状态、预处理状态或先行状态，以重新使用。

对于以上所述的预处理状态、先行状态、活跃状态、后续状态和完成状态附加地或替代地，可以在状态机中为指令设置一个或多个其他状态。

例如，通过紧急停车或其他安全装置触发的行动可以使指令转入安全状态。在安全状态下，例如可以在紧急停车之后对以轨迹精确的停止或力调节器的行为进行控制。不同于传统的控制状态机，这样的特定于指令的安全状态使得能够进行有利的特殊反应。因此，当在位置控制地驶离计划的轨迹的指令的活跃状态中实现紧急停车，或在实施传感器引导的力调节的指令的活跃状态中实现紧急停车时，控制器可以执行不同的动作。

附加地或替代地，又可以优选设置特定于指令的错误状态和/或等待状态。

如上所述，指令在一个状态中可以访问至少一个控制组件、尤其是传感器功能和/或执行器功能，例如，在先行状态中就访问传感器功能，以使过滤器、观察器等起振；在活跃状态中附加地访问执行器功能，以控制一个或多个操纵器。在此，还可能有利地使由一个指令控制的多个控制组件或控制功能同步，即在过渡到活跃状态时起动。

对于指令可以赋予如上所述的特定于指令的和/或特定于状态的控制功能。例如，内插器或调节器可以根据控制它的指令而实现不同的功能，例如对于用于位置调节的轨迹行驶的指令，可以产生与用于力调节的指令不同的输出值。

优选控制组件或控制功能元件用信号通知指令的就绪，由其接管、激活和/或结束。例如，组件在先行状态中可以通知就绪：它已经达到稳定或起振状态，并因此为活跃状态做好准备。同样，组件在维护状态中可以通知就绪表示可以由其他指令接管。

优选能够借助于根据本发明的控制器，将流程控制的硬实时要求从运动控制中分离。特别是两个指令之间的时间可以是任意的。此外，根据本发明的控制器优选能够使得离线地事先并因此而是非时间关键地计划的指令在即将实际执行之前与当前条件相匹配。优选根据本发明的控制器还特别允许在事先设计的轨迹和传感器引导的轨迹之间的超循环(Ueberschleifen)。

在一种优选的实施方式中，当同时处理多个指令时，特别是可预先给定这些指令经历活跃状态的顺序。

该顺序例如可以通过指令分别与特定的状态、特别是先行状态或起振状态相关联的时间点来动态地确定。在这种FIFO顺序(“先进先出”)中可以有利地减少资源的空运行时间，因为在此只要至少有一个指令就绪，就总有指令经历活跃状态，并使用资源。如果同时有多个指令准备好转入活跃状态，则可以通过预先给定的选择准则来预先确定这些指令的顺序，如优先处理资源友好的指令、使用多资源的指令或较高优先级的指令。

同样，可以在例如生成指令时动态地预先给定这种顺序。为此，例如可以为指令分配与其他指令和/或条件的相关性或关系，从而只有当依赖于预先确定的关系的指令经历了特定的状态、特别是活跃状态或维护状态，或者当满足了特定的条件，如存在传感器信号等，相关的指令才能经历活跃状态。

也可以静态地或部分动态地预先确定这种顺序，其中，例如在编程时为指令分配序号，指令在其顺序中经历活跃状态，而与具有更高序数的其它指令是否早已为此准备好无关。这还可以部分动态地进行，其中，改变预先给定的顺序，以例如考虑新添加或删除的指令。这具有确定的执行顺序的优点，该顺序的保持与不同指令的单独状态在时间上的经过无关。

附加地或替代地，还可以预先确定为彼此竞争的指令提供一个或多个资源的顺序。因此，例如可以确定，总是活跃的指令或具有较低序数的指令具有对资源的优先访问权，而具有较高序数或处于例如起振状态的其他状态中的指令只能在优先的指令恰好不使用资源时才能访问资源。同样，在这里也可以进行例如FIFO-处理。通过这种方式可以最优化地充分利用那些允许多个竞争的指令以预先确定的顺序进行访问的资源，因为不必等到完全处理完使用资源的指令。特别是可以将使用相同资源的并行程序任务指令发送到一个控制器。

附图说明

本发明的其他优点和特征由实施例给出。为此以部分示意的方式示出：

图1：局部示出了根据本发明的实施方式的控制器。

具体实施方式

图1示出了指令“P”、“B”或“D”的状态“-V”(预处理状态)、“-E”(起振状态)、“-A”(活跃状态)、“-P”(维护状态)及“-D”(完成状态“Done”)。在此，“P”符号化地表示位置调节地驶入工业机器人(未示出)的设定姿势的指令；“F”表示用于力调节器的指令，其中，机器人利用其工具施加预先给定的力；“B”表示在利用基于模型的调节来补偿重力、摩擦力以及其他力的情况下保持当前姿势的指令，并通过观察器对其模型进行适配。

每个指令都经历一个状态机。为此，在图1中示例性地以虚线示出了状态机ZM-B，利用观察器借助基于模型的调节来保持当前姿势的指令B经历该状态机。

从以专业常用的方式通过实心圆表示的起始状态出发，指令B首先经历预处理状态B-V，在该状态中对指令进行预处理。在该状态下对参数进行分析并提供资源。例如，告知控制功能“模型”和“观察器”排队等候的任务，将它们的参数赋予默认值，并协商它们之间的接口。这种预处理是非时间关键的，并可以如图1所示，可以看作是沿垂直方向自上而下的时间流程，可以与其他状态P-A、F-V并行或交叉地进行。

如果预处理完成(图1：“vd”)，则指令B转入先行状态或起振状态。在该状态中，所有参与的组件都已经集成在控制流和数据流中，并可以通过其接口周期性地地发送和接收数据。例如，观察器从驱动传感器接收关节实际位置，从控制器接收驱动调节变量，然后从中估计出模型参数并将它们发送给模型。观察器和模型通过这种方式在实际的机器人上起振。在这种状态下，指令B尚不能向机器人的执行器发送控制命令。

与此并行地，机器人位置调节地驶入设定姿势。为此相应的指令P经历活跃状态P-A，在该状态中进入设定姿势，并随后转入下面即将参照指令B详细描述的维护状态P-P(图1：“t”)，在这种状态中位置调节地保持姿势，其中，在该维护状态中位置调节器的参数已与维护状态相匹配，以“柔软地”调节调节器。在该维护状态P-P中，由指令P控制的如驱动调节器的控制组件以信号表示，已准备由新的指令接管。

一旦指令B的所有组件都用信号表示已准备好结束起振状态，例如，模型和观察器已经达到准稳定状态或起振状态，则指令B转入活跃状态B-A(图1：“b”)。这与前面的起振状态B-E的不同之处仅在于，现在还可以写入地访问硬件资源，即，例如可以向驱动器或驱动调节器发送控制命令。

如果指令B被处理完(图1：“cd”)，则其转入维护状态B-P。在维护状态B-P中将保持机器人所达到的状态，例如机器人的姿势。正如前面参照位置调节指令P的维护状态P-P所描述的那样，其就控制流和数据流来说与活跃状态并无不同，但是，可以使参数化与要维护的状态的需要相匹配，例如降低基于模型的调节的预控制增益

在维护状态中，所涉及的控制组件，例如驱动调节器，报告其已就绪准备好由其他命令接管。一旦用于机器人的力调节的指令F结束其起振状态，其中，指令F类似于前面所述的指令B经历状态机(如图1所示)，就转入活跃状态F-A，并在此通过使用的硬件资源、特别是机器人驱动器来接管控制；如果指令B执行完成，它就转入完成状态B-E(图1：“t”)，其中，指令B例如在控制器内被删除。

状态在图1中用阴影线标出顺序执行机器人控制的状态(在图1中从上向下)。由此可以看出，在通过指令P-A驶入预设姿势和通过指令F-A进行传感器引导的力调节之间可以毫无问题地存在超循环。此外，可以看出，指令P、B和F同时、部分并行地且彼此独立地经历它们的状态机。可以看出，能够以更简单的方式执行另外的指令，其中，实现了相应的状态机。就此而言，根据本发明，每个指令都经历自己的状态机(例如ZM-B)，而同时控制器总共经历一个状态机(如图1中阴影线所示)。

在此，预先给定指令P、B和F经历活跃状态的顺序，其中，为这些指令分配例如升序序数，或与其他指令的相关性。例如在实施例中，用户通过预先将序数“1”分配给指令P和将序数“2”分配给指令B来确定借助基于模型的调节保持当前的姿势：首先是指令P经历活跃状态，紧接着是指令B经历活跃状态。此外，通过使指令F与指令B相关，用户可以预先确定：如果指令B已经经历活跃状态并转入其维护状态B-P，然后用于力调节器的指令F才经历它的活跃状态。根据阴影线所示的时间序列可以看出，即使指令F早于指令B完成其起振阶段，也会保持预先确定的顺序P-＞B-＞F。

还可以看出，在这里能够最优化地使用资源，其中，同时执行竞争的指令。例如，如果指令P和指令B分别都要访问位置传感器，则它们可以根据例如通过序数所预先确定的顺序交替处于支配地位。同样，也有可能通过状态来确定顺序，其中，资源对各种指令具有支配权，例如始终首先是活跃的指令，只有当活跃的指令不需要资源时，然后才是处于起振状态的指令。

在图1中纯示范性地描述了其它的指令状态，其中，为了能有更好的清晰度，在图1中的状态自动机部分中，没有全部示出所设置的状态或过渡。

例如，活跃指令B在事件“w”中转入等待状态B-W，在事件“e”中从等待状态B-W返回到活跃状态B-A。这些事件例如可以是，用户输入、传感器信号、程序流程标记，等等。

对于通过活跃指令P位置调节地驶入设定姿势，为该指令设置特殊的紧急停车状态PA-S，控制器依据紧急停车输入“st”转入紧急状态PA-S。在此例如实现轨迹精确的停止。如果紧急停车输入“st”发生在指令P的维护状态中，或者发生在其他指令B、F的活跃状态或维护状态中，则可以转入其他安全状态，例如，将设定接触力设置为零(未示出)。

最后，纯示范性地描述了错误状态FE-F，当在指令F的起振状态F-E(例如，用于力传感器的滤波器起振)出现错误时(图1：“f”)，用于力调节器的指令F转入错误状态FE-F。在这里，例如可以重新校准力传感器和/或重新初始化滤波器。

附图标记列表

B指令“利用观察器借助基于模型的调节保持姿势”

F指令“借助力调节施加设定力”

P指令“位置调节地进入设定姿势”

-A活跃状态

-D完成状态

-E起振状态

-P维护状态

-V预处理状态

-F(特定于指令的)错误状态

-S(特定于指令的)安全状态

-W(特定于指令的)等待状态

Claims (12)

1.一种用于控制至少一个机器人的方法，在该方法中，通过使相应的指令在状态机(ZM)中经历活跃状态(-A)来处理多条指令(P、B、F)，其中，至少一个指令在状态机中经历在其活跃状态之前的先行状态(-E)和/或在其活跃状态之后的后续状态(-P)；和/或同时处理多个指令。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个指令在状态机中经历位于其先行状态之前的预处理状态(-V)和/或位于其后续状态之后的完成状态(-D)。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在状态机中为指令设置至少一个另外的特定于指令的状态。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的特定于指令的状态是安全状态(-STOP)、错误状态(-F)和/或等待状态(-W)。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，指令在其活跃状态之前的先行状态(-E)、活跃状态(-A)、以及其活跃状态之后的后续状态(-P)中与至少一个控制组件进行通讯。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制组件是传感器功能和/或执行器功能。

7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对指令赋予特定于指令的和/或特定于状态的控制功能。

8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在状态中对参数进行分析、提供资源、预先给定接口和/或周期性地接收和/或发送数据。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，控制组件用信号表示指令就绪。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制组件是硬件组件。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先给定指令经历活跃状态的顺序和/或指令访问相同资源的顺序。

12.一种用于控制至少一个机器人的控制装置，具有至少一个状态机(ZM)，其特征在于，该装置用于执行如前面任一项权利要求所述的方法。