CN102203685A - 使机械手通过预定轨道的方法和实施该方法的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由机械手(1)的、特别是机器人的末端执行器(TCP)通过预定轨道(x(s))的方法，机械手具有关于预定轨道的零空间，该零空间具有至少两个与同一个末端执行器的位置相关的机械手位置(q，q’)。根据本发明的方法包括以下步骤：检测在零空间中机械手的位移(q-q’)；并相应于检测到的位移改变末端执行器的工艺参数(dx/dt)。

Description

使机械手通过预定轨道的方法和实施该方法的控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于由机械手的、特别是机器人的末端执行器通过预定轨道的方法，一种用于实施该方法的控制装置，以及一种具有该控制装置的机械手、特别是机器人。
背景技术
机械手的典型任务包括与其末端执行器通过一个预定的轨道。其中该轨道可以通过直接编程(“直接示教”)或间接编程(“离线编程”)的方式被预设，直接编程(“直接示教”)是指例如在学习模式中手动引导末端执行器到期望的位置，间接编程(“离线编程”)是指例如根据期望的末端执行器位置的逆运动学规定关节角的预定偏移
Figure BPA00001358187000011
的设置。
该位置包括末端执行器的位置和/或方向，其可以例如由矢量x来描绘，其中
Figure BPA00001358187000012
维的Rn。然后末端执行器的轨道可关于轨道参数s被参数化(x＝x(s))，机械手在正常工作下根据时间剖面(Zeitprofils)ds/dt(t)分离该参数，以使末端执行器以相应的轨道速度dx/dt通过轨道。
因为机械手，特别是像德国航天航空中心(DLR)的LBR I-IV系列的机器人那样的工业和轻型机器人，在正常工作下行动很快，这使得轨道的直接分析研究或及时手动停止有误差的轨道变得困难，这在企业内部已经是公知的，在通过轨道期间轨道速度由操作者手动改变，例如，减少速度，以便于研究某确定的轨道段或测试与其他机械手的相互作用。另一方面，通过轨道速度的目标明确的增加能够在正常工作以外有利地逐渐检测机械手的动力边界。
至今，在工作(超控)期间在对机械手的控制中通过控制器的控制板上的操作元件手动输入该轨道速度的改变。然而这是繁琐的，特别是当操作者检测近处的机器人的接缝工艺时将为此相应的减少轨道速度。因为在这种情况下他必须用一只手操作操作元件。
另外地或可选地，对于轨道速度，也可期望同样使机械手和/或由它执行的进程的其他工艺参数能够改变。这样例如在焊接工艺或接缝工艺的直接编程中机械手的压力是可调的，或工作点附近的焊接电流应是可调整的。
发明内容
本发明的任务是实现至少一个工艺参数的轻松的改变。
这个任务通过根据权利要求1的方法来解决。权利要求13提出了用于实施根据本发明的方法的装置，权利要求15保护一种具有该控制装置的机械手。
机械手具有关于其末端执行器的预定轨道的解空间，该解空间包括所有的机械手位置，分配给机械手位置相同的末端执行器位置。如果机械手没有末端执行器，则解空间退化为空集。如果例如一个末端执行器在空间内的三维位置和方向可以通过六轴机械手一对一的实现，则解空间相应的仅包括一个位置，该三维位置和方向能够由三个坐标，例如由笛卡尔或极坐标或者欧拉角或万向角来描述。
如果机械手的自由度的数量f比末端执行器的预定位置的维数n至少大1(f＞n)，则该机械手对于该预定轨道，是冗余的，可能是多倍的，即它的解空间包括至少两个分配给相同的末端执行器位置的机械手位置。一个这样的关于多个位置扩大的解空间将在以下被称作“零空间”。这能够导致，机械手具有7个或更多个自由度，像上述提及的德国航天航空中心的轻型机器人LBR III或IV。另一方面，如果不取决于例如关于空间轴的末端执行器的方向，例如在6臂工业机器人的最后的旋转轴的方向上钻孔，末端执行器的预定位置的维数n也能够小于7。在这种情况下机械手关于轨道是冗余的并包括无数个分配给相同末端执行器位置
Figure BPA00001358187000031
的机械手位置。
本发明的基础思想就是，充分利用机械手这种冗余，以改变或预先给定机械手的一个或多个工艺参数。
这关系到工艺参数，该工艺参数(共同)决定一个由机械手执行的工艺。例如由在焊接工艺期间机械手引导的焊钳的焊接电流和焊钳的轨道速度表示(共同)决定焊接工艺的工艺参数。在接缝工艺中例如由压力来表示(共同)决定接缝工艺的工艺参数，机械手通过该压力接合工件。在镀膜工艺(Lackierprozess)中机械手的末端执行器的轨道速度与颜色喷出量表示(共同)决定的镀膜工艺的工艺参数。以下，本发明将根据轨道速度作为例子来进一步说明改变的工艺参数。然而本发明并不由此限定，而是任意的工艺参数都可以被改变。本发明中“工艺参数”的概念意指包括以下的每一个，特别是物理的参数，该参数对于用户在与机械手的相互联系中是可调整的或可改变的，例如光源的亮度，该光源由机械手支撑和/或照亮机械手的工作区域，机械手工作单元的温度，及光学的和/或声学方面的或诸如此类的。
在一个本发明优选实施例中末端执行器通过根据本发明的控制装置以已知的方式始终相应于预定轨道移动至预定位置。为此该控制装置能够具有例如用于末端执行器的相应的位置调节器。上述包括的“控制装置”的概念在此也包括调节器，即考虑到预定值和实际值和它们之间的控制偏差的控制参数的输出。
此外，在零空间中通过操作者改变机械手的位置也能够使预定轨道被追踪。为此准入调节器和阻抗调节器的不同的实施例是公知的，其通过操作者实现机械手的移动。如果例如六轴机械手的工业机器人与它的末端执行器追踪轨道，在该轨道中末端执行器的方向关于机器人最后的旋转轴未被预先给定，则用于该旋转轴的位置调节器能够通过相应地选择精细的比例调节器的比例系数来灵敏地换挡，操作者能够手动地使末端执行器关于该轴旋转。如果上述的7轴LBR III追踪某轨道，用户能够在相应的准入调节器中例如从它的位置手动按压肘部，其中准入调节器还沿着预定轨道引导末端执行器至一个由3个位置坐标和3个角坐标明确预定的位置。通过操作者引导机械手的这样的移动因此始终导致机械手在它的零空间的位移，即零空间中两个机械手位置之间的差。
根据本发明，仅在由机械手的末端执行器通过预定轨道时，考虑检测在零空间中的机械手的位移，以及改变至少一个工艺参数，例如相应于检测到的位移改变末端执行器的轨道速度，其中该机械手具有关于预定轨道的零空间，该零空间具有至少两个分配给相同的末端执行器位置的机械手位置，即关于预定轨道是冗余的。
通过将在零空间中机械手的位移作为期望的工艺参数变化值来使用，借此同样能够在没有改变关于所经过轨道的末端执行器的位置的情况下，以简单、直接的方式改变工艺参数。操作者能够直接握住机械手并且不必须操作控制板的控制元件或类似操作来完成工艺参数的变化。
一个这样的指令输入能够有利的直观的被操作。例如机械手的移动能够在轨道方向上提高轨道速度，在与轨道方向相反的方向降低或者甚至改变它的符号，以使末端执行器在预定轨道上向后运行。同样的，例如可导致LBR III肘部的压力或工业机器人末端法兰在它的最后的旋转关节在一个方向上的速度增加或压力增加，在相反方向上的延伸或旋转引起轨道速度或压力的降低。
轨道速度dx/dt的改变能够以不同的方式实现。例如使预定的速度梯形截面ds/dt(s)在时间轴方向按比例缩短来提高速度，延伸来减少速度。同样的，为了提高或减少速度，可给简单的比例微分调节器输入一个比预定值早或迟的预定轨道的最近的启动位置。
优选的对预定轨道的每个末端执行器位置，预先给定零空间的机械手位置的一个作为预定机械手位置。为此可在轨道设计时，相应于合适的标准来选择零空间中机械手的位置中的一个，例如该机械手位置的启动要求最小的时间消耗或者能量消耗，或者该机械手位置与以前位置的差别最小。上述提到的标准能够避免例如在下一个位置的运行中不同的机器人位置之间的不期望的跳变。在直接编程中通过机械手的手动引导(“直接示教”)自动从各自的位置产生预定位置，操作者在教学中把机械手引到各自的位置中。
接着，预定的与实际的机械手位置之差能够作为位移被检测到。如果机械手由操作者从他的预定位置移动，相应于引导一个持续的位移，直到机械手不再位于预定位置。如果规定例如6轴机器人的关于其最后旋转轴的末端执行器的确定的、不变的角位置作为预定位置，这样末端执行器的在旋转轴的持续旋转由操作者输入一个不变的位移以及一个相应的改变的工艺参数，例如轨道速度。
本发明第一个实施例中工艺参数能够满足检测到的位移，例如与位移成比例。为此把位移的一个确定的参数分配给相应的工艺参数，例如机械手关节角的矢量差的值。在上述例子中能够例如通过末端执行器的角位置来规定轨道速度，即确定的速度dx/dt满足每个角。
在第二实施例中把位移的一个确定的参数代替地分配给工艺参数的变化，这样可以使机械手例如速度上升，直到操作者给出位移。这里，变化也能够与位移成比例实现，即较大的位移可较大地改变工艺参数。在这种情况下，不同于第一实施例，不仅要求位移撤回回到原来的工艺参数，而且还附加要求在相反方向上的邻近的位移回到原来的工艺参数。
此时该位移，特别是在操作者不知道的预定位置的，在该位置很难直观的认出的话，将通过一个调节器有利地实施控制来降低位移。操作者若放开机械手，机械手由于控制而独立地在零空间中返回它的预定位置。如果例如为了避免冗余的机械手的冲突而规定预定位置，则这是有利的。为了额外的简化上述的第二实施例，由于机械手在零空间中返回它的预定位置，如果操作者不再给机械手施加力，这样工艺参数将被改变，直到操作者在零空间中从它的预定位置移动机械手，并且机械手随后以改变的工艺参数继续运行。
可选的，调节器也能够这样实施，该实施以在零空间中由用户改变的位置作为新的预定位置为基础。这尤其在与上述第一实施例的结合中是有利的，在第一实施例中操作者能够通过零空间中可能的机械手位置中的一个的选择来规定一个工艺参数。为此例如能够根据机械手的数学替换模型和新的、由操作者规定的机械手位置来计算发动机力矩且作为力控制的预定值来输入，重力，摩擦力和/或动力实际上被补偿并且在新的预定位置保持机械手。
优选的，改变工艺参数，例如轨道速度相应于检测到的位移的值和/或方向改变。相应于按照数量的值
Figure BPA00001358187000061
的变化，例如关节角中矢量差的值，实现了轨道以不同的速度运行，该不同的速度由操作者直观的通过较大的或较小的位移来预先给定。相应于该方向的一个改变使得尤其是在相反的方向上预定轨道的运行成为可能。
机械手能够运行在位置控制的预定轨道上。为此，能够规定例如零空间中的预定位置并且该预定位置能够通过比例微分积分(PID)控制器依次启动。
同样的，机械手能够是力控制的。为此例如能够在机械手的发动机中根据机械手的数学模型算出为了运行预定轨道而要求的旋转力矩，并将其作为发动机的力控制的预定值。
顺应性的来控制以使操作者能够在零空间中手动改变机械手的位置，这不但对于位置控制的机械手是有利的，而且对于力控制的机械手也是有利的，。这例如能在常规的具有PID-单个关节控制器的工业机器人中通过减少比例分量和积分控制器的无效来实现。在力控制的机械手中能够规定发动机力控制的规定值，该规定值实际上仅补偿机械手的惯性力，摩擦力和重力。
该位移能够根据机械手关节中的移动和/或力来检测。理论上规定机械手的旋转轴关于位置检测，例如关于旋转编码器或类似的。根据在单个关节中的改变，机械手在零空间中的位移被检测。同样的，只要相应的力传感器存在，为了在它的零空间中移动机械手，操作者施加于机械手的力也能够被测量。此外，反向的力偶，即普通化的旋转力矩同样作为力来说明。
在本发明一个优选的实施例中提出了一个把手，该把手牢固地或可拆卸地固定在机械手上。当操作者借助于把手移动机械手时，在该把手上操作者能够有利的在它的零空间中引起机械手的位移。通过一个这样的把手来实现把手方案，该把手方案使操作者直观的明白，为了引起位移，他必须在哪个地方和在哪个方向移动机械手。优选的在导向把手中设置控制元件，例如安全元件，为了实现机械手的方法，在零空间中机械手通过操作者的移动，或手动改变工艺参数来保证有效的操作该安全元件。
附图说明
进一步的任务、特征和优点将从以下的权利要求以及后续的实施例中得出。为此部分地图示如下：
图1根据本发明一个实施例的6轴机械手；
图2根据本发明又一个实施例的7轴机械手；
图3根据本发明又一个实施例的轻型机器人；以及
图4根据本发明一个实施例的方法流程图。
具体实施方式
图1图示了一个本发明一个实施例的6轴机器人1形态的机械手。它的位置将通过关节角q＝[q1，q2，...q6]来描述。
机器人1的末端执行器，用工具中心点TCP来表示，该末端执行器应通过一个预定的水平轨道x(s)，该轨道在图1中用虚线表示。此外末端执行器TCP的角q6没有被预先给定，固定在其上的工具(未图示)六轴旋转对称，是机器人1的最近的旋转轴。末端执行器TCP的位置
Figure BPA00001358187000081
能够在这儿例如通过三个笛卡尔坐标和平面图的两个角或者在图1的平面图中水平线位置来描述。
6轴机器人1在这儿关于预定轨道x(s)是冗余的，即他能够通过无穷多的不同的机械手位置
Figure BPA00001358187000082
来实现末端执行器TCP的一个预定位置x(s)，该预定位置仅由活动角q1，...q5确定，该机械手位置通过末端执行器关于第6个旋转轴的旋转彼此分离产生且一起形成关于预定轨道x(s)的机器人1的零空间。
两个这样的机械手位置在图1中示出，所有均分配给相同的末端执行器位置。此外，第一位置q图示为实线，第二位置图示为虚线。每个位置通过关节角的矢量描述：q＝[q1，q2，...q6＝0]；q’＝[q1’，q2’，...q6’＝π]。
作为零空间中的预定位置qsoll在图1的实线位置(q6＝0)被预先给定，末端执行器TCP在教学中被相应的引导。
预定的轨道x(s)与其末端执行器TCP在工作中标准的以一个恒定的速度dx/dt＝v开出机器人。为此比例积分控制器(未图示)用于为最初的5个旋转轴每隔10ms提供新的预定值q1soll，..q5soll，以使机器人1总是在新的位置q中通过并且他的末端执行器TCP沿着轨道x(s)移动。
更精细的比例控制器(未图示)连接第6轴，选择足够小的控制器比例常数，以使操作者能够手动的使末端执行器TCP绕第6旋转轴旋转。
在机器人1的控制装置(未图示)中，应考虑检测关节角的其他q6ist。在机器人1通过轨道x(s)期间，如果操作者旋转末端执行器TCP，则控制装置检测位移qist-qsoll，该位移在实施例中构成一个矢量[0，..0，q6ist-qsoll]。该矢量的值|q6ist-q6soll|通过线性依比例确定，以从预定位置旋转0°时系数K＝1，旋转+180°时系数K＝2，旋转-180°时系数K＝0。控制装置使末端执行器以恒定的速度K×v移动，当例如K＝2时控制装置运行调节器为最初的5旋转轴每隔5ms提供新的预定值q1soll，...q5soll。如果操作者相应的旋转末端执行器-180°，机器人1暂时彻底停止末端执行器TCP。如果操作者继续旋转末端执行器，例如总共转-360°，末端执行器TCP以速度-v向后通过预定轨道x(s)，为最初的5旋转轴每隔10ms规定已经通过的预定位置以相反的次序逐渐作为新的预定位置。
如果操作者释放末端执行器TCP，比例控制器在预定位置q6soll＝0为第6轴重新旋转末端执行器，控制装置相应的重新改变轨道速度为v，此时系数K下降为1。
图2图示了在图1中相关图示的一个机械手，该机械手是根据本发明又一实施例的以7轴机器人1形式的机械手。它的位置相应的通过关节角q＝[q1，q2，...q7]来描述。此外根据图1的实施例相应的元件通过同样的参考标记来描述，以允许在上述实施例的基础上参阅它的说明并且以下仅研究不同之处。
在又一个实施例中末端执行器重新通过轨道x(s)，为了例如沿着上表面引导砂轮(未图示)，这次仍然还关于虚线画成的轨道规定它的方向。末端执行器的位置
Figure BPA00001358187000091
例如通过零空间中的末端执行器位置和它的方向来描述，该方向通过三个欧拉-角定义。
由于机器人1仍然具有7个关节，所以它是冗余的，即末端执行器的预定位置x能够通过无穷多不同的机械手位置描述，该机械手位置在惯性固定的基础上通过其余的机器人1的关于固定的末端执行器6的最后的旋转轴的旋转彼此分离的产生。在轨道设计时确定能量最优的位置作为零空间中的预定位置，在该位置机器人1必须增加最小的静态和动态力。
机器人1使用轨道参数控制，该控制实现手动移动肘部，该肘部通过第4关节与关节角q3形成，此时末端执行器TCP保持它的预定位置x。
如果操作者已经在预定轨道的方向移动肘部，即图2中向右，这样像上面描述的那样控制装置相应于位移升高速度dx/dt，该位移即为矢量差qist-qsoll的值，末端执行器以速度dx/dt通过预定轨道x(s)。如果操作者放开肘部，轨道参数控制将肘部引导回预定位置，由此轨道速度重新减少到起始值。反之如果操作者与预定轨道相反的(图2中向左)移动肘部，即经过轨道的机器人在肘部处“握住”肘部，这样像上面描述的那样控制器相应于位移减少速度dx/dt，该位移即为矢量差qist-qsoll的值，末端执行器以速度dx/dt通过预定轨道x(s)。此外如果操作者与预定轨道相反的相应的长距离移动肘部，这样机器人1完全使肘部停止，即它的速度减为0，或者甚至向后通过已经通过的轨道x(s)。
通过本发明将实现，简单、直接的借此改变速度，该速度为关于预定轨道冗余的机器人通过的速度。
图3示出了德国航天航空中心的轻型机器人LBR与它夹具的工具中心点经过预定轨道x(s)时的深入的透视图。LBR能够通过更多的机械手位置实现图示的夹具位置，更多的机械手位置各自通过它的关节角清楚的确定，并且在图3中它们的第一个通过由关节角q定义的机械手位置用虚线表示，第二个通过由关节角q’定义的机械手位置实线表示，第三个通过由关节角q”定义的机械手位置打点表示。
在这个示例性实施例中垂直线和LBR的肘部的垂直线之间的角a在肩关节和腕关节之间的连接线上作为位移被选择，在图3中的第一机械手位置角a为0°，在第二机械手位置为30°，在第三机械手位置为180°。
操作者能够在顺应性控制中在肘部握住LBR并且能够沿着图3中虚线所示的曲线在它的零空间中移动LBR，而不用改变末端执行器的位置。
在LBR的控制器2中将在步骤s10中检测通过预定轨道x(s)期间内的关节角q’，该关节角在机械手位置得出，操作者移动LBR到机械手位置。由此控制器2在公知的LBR的逆运动学的基础上计算出角a并且打开距离为A的夹具，该距离通过角a乘以由操作者事先校准的常数k得出。如果操作者在不变的末端执行器位置在肘部处沿着图示的虚线曲线在LBR的零空间中从第一机械手位置到第二机械手位置移动LBR，目前封闭的夹具张开。如果操作者在不变的末端执行器位置在肘部处沿着图示的虚线曲线继续从第二到第三机械手位置移动LBR，夹具继续张开。可选的，为了夹具张开，当然像上述示例性实施例中一样，沿着轨道x(s)的速度能够作为工艺参数被改变。
相关标记列表
1 机器人
2 控制装置
LBR 轻型机器人
q1，q2，...q7 关节角
TCP 工具中心点
x(s) 预定轨道

Claims (15)

1.一种由机械手的、特别是机器人(1；LBR)的末端执行器(TCP)通过预定轨道的方法，其中该机械手具有关于预定轨道的零空间，该零空间具有至少两个与同一个末端执行器的位置相关的机械手位置(q，q’)，该方法具有以下步骤：
-检测在零空间中机械手的位移(q-q’；a)(s10，s20)；
-相应于检测到的位移改变至少一个末端执行器的工艺参数(dx/dt；A)(s30)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在零空间中为每个末端执行器位置规定一个预定的机械手位置(qsoll)且检测实际的与预定的机械手位置的差(qist-qsoll)作为该位移。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，执行控制来减少该位移。
4.根据前面任一项的方法，其特征在于，相应于检测到的位移的值和/或方向来改变工艺参数。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，工艺参数与检测到的位移成比例地改变。
6.根据前面任一项的方法，其特征在于，机械手是位置控制的。
7.根据权利要求1-5任一项的方法，其特征在于，机械手是力控制的。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于，机械手是顺应性控制的。
9.根据前面任一项的方法，其特征在于，由机械手关节中的活动和/或力来检测位移。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，以数学补偿模型为基础由机械手关节中的力来检测位移。
11.根据前面任一项的方法，其特征在于，轨道速度通过位移基本上可降低为0。
12.根据前面任一项的方法，其特征在于，预定轨道的通道方向可由位移改变。
13.一种用于机械手的、特别是机器人(1；LBR)的控制装置(2)，具有末端执行器(TCP)，用于执行如前面任一项权利要求所述的方法，具有
-用于在零空间中检测机械手的位移(q-q’；a)的检测装置；以及
-用于相应于检测装置检测到的位移改变工艺参数(dx/dt；A)的改变装置。
14.根据权利要求13的控制装置，其特征在于，包括导向把手(Führungsgriff)，为了在零空间中将机械手从一个机械手位置移动到另一个机械手位置，分配给相同的末端执行器位置。
15.一种机械手(1)，特别是机器人，具有根据权利要求13或14的控制装置，其特征在于，该机械手至少具有7个自由度。
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