CN102387900A - 真正安全的小型机器人和用于控制此机器人的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真正安全的小型机器人(10)，其具有至少一个可转动部件(13，15)，其中，该部件的自由端沿着可编程的路径(60)可动。预见了第一机构来检测至少自由部件的至少自由端上的至少相互作用点上的力或压力或接触作用，其中，可产生对应于该力或压力或接触作用的信号。预见了第二机构(61)来根据可编程的路径以及根据在检测到的情况下需要的预测的命令来执行对机器人的运动的控制。在检测到的情况下，将以这样的方式执行控制：临时停止、减慢或不停止机器人的运动，并且在考虑所产生的信号的情况下确定可编程的运动路径的临时变化。本发明还涉及一种用于控制机器人的附属方法。

Description

真正安全的小型机器人和用于控制此机器人的方法

描述

本发明涉及具有至少一个可转动部件的真正安全的小型机器人，其中，该部件的自由端沿着可编程的路径可动。本发明还涉及用于控制这种机器人的方法。

对于超过某个最小大小的机器人，如果没有预见附加的保护机构，则会给与这些机器人协作的人带来风险。于在自由的机器人臂的工作范围内协作期间，在碰撞(特别是与机器人臂的自由端)的情况下，人可由于运动部件的速度的原因而受伤或被夺去生命。因此如果机器人在活动，则必须注意防止人进入机器人的工作包络中。这可通过防止人进入工作区域的机械壁或虚拟壁来实现。一些机器人系统包括可转动台，使得在围栏的一侧的操作人员可对可转动台加载零件，而在围栏的另一侧提供机器人的工作区域。

固有地安全的一些机器人在它们的机器人操作的任何状况下都不能够伤害人。概念“固有地安全的机器人”涉及由于其设计的原因而固有地安全或真正安全的机器人，其中，在碰撞的情况下作用在人或固定障碍物上的功率和/或力通过适当的设计(即有用的结构性措施)来限制，见2006年的ISO 10218的第1部分的部分5.10.5。根据此规范，在碰撞的情况下在人身上的力将不超过150N，相应地，在人身上的动态功率将不超过80W。在机器人的质量和/或尺寸的某些机械阈值以上，不能满足或达到这些条件。因此具有数百瓦和超过数百瓦的额定功率的重型工业机器人不被看作小型机器人，所以本发明不适用于那些机器人。

JP 09 254 079涉及借助于速度感测检测器以及通过根据那些信号来控制机器人的制动器来检测机器人臂与人或物体的碰撞。在碰撞的情况下，机器人将减慢，直到到达固定位置为止，机器人会停止在该固定位置处。此后，将释放制动器，其中，碰撞的严重程度是非常重要的。

本发明的目标是为前述种类的机器人，即具有至少一个可动臂的固有地安全或真正安全的机器人设计更好的控制。

本发明的另一个目标是提供一种控制这种小型的固有地安全或真正安全的机器人的方法。

目标的解决方案将由权利要求1的特性特征来解决。

根据本发明，该机器人的特征在于，预见了第一机构来检测至少自由部件的至少自由端上的至少相互作用点上的力或压力或接触作用，能够产生对应于该力或压力或接触作用的信号，预见了第二机构来根据可编程的路径以及根据在检测到力或压力或接触作用的情况下需要的预测的命令来执行对机器人的运动的控制，以及在检测到的情况下，将以这样的方式执行控制：临时停止、减慢或不停止机器人的运动，并且在考虑产生的信号的情况下确定可编程的运动路径的临时变化。

当然，本发明不仅涉及具有一个可转动部件的机器人，机器人包括连接成机械链的总共三个或甚至六个可转动部件是相当现实的。在六个可转动部件的情况下，机器人将提供六个运动自由度，并且机器人臂的尖端可沿任何方位运动到其工作范围内的任何点。

检测事件或检测点是其中机器人与人或障碍物相互作用的相互作用事件或相互作用点。此相互作用可为例如机器人的意外碰撞，且还可为人在机器人上的一些有目的的力冲击。那些力冲击由第一机构(例如一些适合的传感器)收集，并且供应给第二机构，例如机器人的控制系统。不需要机器人的特别的安全动作(例如紧急停止)，因为由于机器人的真正安全的结构的原因，对人不存在危险。解译实测信号以及基于此而临时确定动作当然处于本发明的范围内。如果沿运动方向以外的另一方向对机器人臂施加一定的且持久的力，则这可为例如编程的运动路径的变化。这个的原因可为例如协作人员希望使机器人沿另一方向运动且以人工的方式在机器人臂上施加持久的力。

在另一个实施例中-例如在与固定障碍物碰撞的情况下-可执行其中机器人减慢、停止的机器人控制。可在机器人的一种等待模式中期望基于机器人上的力冲击的另外的命令。机器人和协作人员之间的通讯将通过此来以有利的方式增加。

在本发明的某个实施例中，力冲击的感测可例如或者通过测量通过机器人的一个或多个部件的电动马达驱动器的电流或者还通过专用运动传感器来完成。

在权利要求2至5中描述了本发明的另外的有利特征。

本发明的另一个目标通过根据权利要求6和从属权利要求7-17的特性特征的方法来解决。

可由至少自由臂与人或固定障碍物的碰撞导致力作用。用于检测机器人臂上的力作用的机构是众所周知的且可在市场上获得。

还可行的是，通过比较用于驱动机器人部件的电动马达的真实的实测的实际马达电流与期望的实际马达电流来检测和确定机器人臂上的力作用，其中，两个电流信号均提供给信号计算装置。优选持续地确定该差异的量，并且该差异的量以检测出或计算出的实际值为基础，其中，此差异是碰撞的严重程度的指标。马达电流的期望的测量值可以没有相互作用或碰撞的情况下所属的(belonging)机器人的以前的真实的测量结果为基础且存储在信号计算装置(例如机器人控制器)内。

根据本发明的另一个实现，力作用可以人工的方式施加在机器人部件中的至少一个(相应地，机器人臂)的相互作用点中的至少一个上。

从卡尔斯鲁厄技术大学(TH，TU)的过程控制和机器人技术学院的出版物中知道在机器人臂上的用于人-机器人协作的人工作用。机器人臂的部件由圆柱形测量变换器的形式的套环包围，以选择性地指引机器人部件的运动。测量变换器包括在位置和力方面具有某个分辨率的许多触觉测量点，也见互联网http://www.weiss-robotics.de/produkte/kundenspezifische_messwandler.htm。

根据本发明，将例如通过在机器人部件上施加至少一次人工推压来对机器人的部件中的一个上施加某个力作用。可能能够从机器人的马达或多个马达的真实的实测电流中提取推压的数量和它们的单独的强度来作为信息，并且可通过信号处理装置来确定推压的数量和它们的单独的强度。

至少一个机器人部件与操作人员、可动障碍物或固定障碍物的碰撞会导致非常类似于人力作用所产生的这些信号的信号。

当碰触固定障碍物时，机器人的部件将被禁止执行另外的运动，使得用于测量通过电动马达的电流的传感器将检测到指示增加的动量的增加的电流。当将超过电流的某个阈值时，将触发第二机构。

当例如将在自由的机器人部件上施加人力时，将发生类似的动作。电流量将不时地变化，使得可触发第二机构。

特别在至少自由的机器人部件上有人力的情况下，检测力矢量的方向可为重要的。第二机构(例如机器人控制器)具有关于计算出的运动路径和附属的速度的信息，它们例如在第二机构上存储在运动程序内。优选在机器人的若干个区域处，特别是在部件的连结部处提供适当的传感器。那些传感器检测在它们本身上的力作用的结果，并且通过矢量分析来计算力矢量的方向。可通过专用信号处理装置且还可通过第二处理机构来执行此分析。还可基于观测机器人的工作区域的数字摄像机的信号来检测力矢量的方向。

某个力的检测可为机器人提供不同的控制方法：

在与代表可动障碍物的操作员发生意外碰撞的情况下，机器人或者可停止或者可甚至以更慢的速度继续其运动。在上一次变数中，在与机器人碰撞之后操作员立即避开机器人部件，并且机器人继续它的运动，因为障碍物正在运动离开。由于机器人的设计的原因，可在所有时间排除对操作人员的危害。

在与固定障碍物碰撞的情况下，机器人可停止，并且可在一段时间之后(例如在移除了固定障碍物之后)继续它的工作。还可行的是，机器人将沿其预定的运动路径的相反方向向后运动或通过相对于预定的运动路径沿横向运动来从障碍物移开。

在直到机器人停止的时期期间，可进行一些测量，由此在检测到碰撞之后，还将计算碰撞的严重程度，使得将提供不同的预定控制或触发命令，也见下面。

碰撞的严重程度可例如基于物理量(例如实测动量或实测电流变化)来确定。这样的物理测量信号可例如通过马达驱动器的电流传感器、力传感器或甚至附连在机器人部件(相应地，机器人臂)的若干个表面区域上的力传感器垫来收集。

在相互作用的情况下，第二机构的控制功能不包括任何安全方面。相反，该控制功能以按适当的方式执行系统的操作为目标。这可为停止和运动速度和/或运动路径的变化之间的每件事。

机器人可执行柔性控制以到达期望的位置点，特别是在机器人部件与操作人员碰撞的情况下。该控制方法在连结点处实现了虚拟的弹簧常数。因此机器人可临时对人施加压力，使得人将离开机器人的工作区域或围栏。对于人而言，临时施加的力的方向还可包含应当沿哪个方向离开碰撞区域的信息。

根据另一个控制方法，机器人将运动回到其原始的起始点或运动路径上的在互作用点之前的位置，机器人可能能够根据编程的运动路径从此处继续它的工作。

但是，在极端的变数中相互作用的情况下还可停止生产工厂内的其它装置也处于本发明的范围内。

在另外的从属权利要求中提到了本发明的另外的有利实施例。

现将借助于一个示例性实施例且参照附图来进一步阐述本发明，其中显示了

图1具有不止两个轴的示意性机器人，

图2显示了机器人与一个部件的动态关系的示意性模型，

图3至5包括相互作用的真实的电流曲线、期望的理想电流曲线和两个电流曲线之间的差异，

图6数据流的示意性流程图，

图7系统的示意性流程图，以及

图8a、8b在相互作用的情况下机器人的行为的两种可能性。

见图1，小型机器人10包括基部11、通过轴12联结到基部11上的第一部件13，以及通过第二轴14联结到第一部件13上的第二部件15。第二部件15的端部设有夹紧装置15a或类似装置。机器人10绕着沿竖向在通过基部11的中心中延伸的轴线A-A可转动。

第一部件13可绕着第一轴12根据双箭头方向16转动，该转动运动提供了第一部件13的沿双箭头方向18的运动，这本身导致沿双箭头方向19的摆动运动。在轴12和14的区域中，布置了马达和齿轮(两者均未显示)，这些马达设计成伺服马达。齿轮装置将马达的轴的转动运动传递到部件上，由此这些齿轮装置使得能够有根据双箭头方向17或19的向前和向后的运动。然后，夹紧装置15a沿着运动程序所预测的运动路径运动，见下面。

假设部件的长度为1m，部件的质量为例如3kg，部件的转动速度为1弧度/秒(rad/s)，则导致机器人部件15上有大约100Nm的转矩，这对应于100N的停止力。停止时间将等于10ms，停止距离为5mm，并且停止角度为5毫弧度(millirad)。部件作用在手上的功率为50瓦特。这些量在80瓦特和150N的规范量以下。

此计算可在小型机器人处进行，部件15作用在手上且反之亦然。

特别地，可使用流过伺服马达的马达电流来检测碰撞。如果机器人部件15作用在障碍物上，则将获得例如根据图3的随着时间的经过的电流。电流曲线30显示了相对于根据图4的期望的马达电流31的偏差。马达电流30将由于部件15碰撞在手20上(如图2中所示)而增加，见区域A，在该区域中，实际测量的电流31略微高于由虚线描绘的期望电流。在图5中以更大的标度描绘了随着时间的经过的这个差异的曲线。大约在x轴上的1、3的时间点处，出现了电流尖峰33，其高度原则上对应于碰撞冲击。机器人部件15的速度越低，则电流尖峰33将越低。

可在另一个处理步骤中比较电流尖峰33与阈值，使得通过此另一个步骤，可计算碰撞的严重程度。自然地，通过积分来计算此尖峰下的面积或使电流的图数字化且然后比较这些量与存储在数据库中的阈值量是可行的。

图6显示了根据本发明的机器人控制的流程图。用于运动规划的运动程序存储在数据处理装置中且在图6中标以数字60。运动程序在很多年以来是已知的，并且用于若干种类型的工业机器人中且还用于本发明中需要的真正安全的机器人。

根据运动程序60，根据箭头P1来对运动控制装置61-例如机器人控制器(相应地，第二机构)-应用数据信号61。根据箭头P2，对驱动电子装置62应用控制装置61的输出信号。此装置62驱动马达63，见P3，该马达63例如分配给机器人10的臂15且起动相关的部件15的运动。根据机器人的运动轴的数量，电子装置62能够控制另外的马达。齿轮装置64布置在马达63和部件15之间，由此机器人操纵器根据机器人程序来启动和执行其运动。马达63和齿轮装置64之间的信号流和数据流由箭头P4显示，而给机器人操纵器的信号流由箭头P5显示。

现在，机器人部件15可撞击障碍物，使得在机器人部件或机器人操纵器上施加外力66。此外部外力66根据箭头P5′和P4′作用在马达上，使得期望的电流和实测电流将不同。可通过处理装置基于尖峰33峰值来检测(见图5)和处理随着时间的经过的差异。将比较此尖峰33与阈值量，使得计算它是轻度碰撞、中等严重的碰撞还是严重的碰撞是可行的。取决于碰撞的严重程度，将停止该程序，操纵器可运行回到起始点，或者将继续运动，就像不存在根据箭头P6的碰撞那样。可存在另外的活动，例如为了避开而发生的运动变化、回退运动或类似于防止机器人10的制造过程的中断的编程的运动的运动。

例如在人和机器人在协作且一起并排工作时，可例如通过人工推压来在操纵器65或机器人部件15上施加外力。在机器人以错误的方式起作用的情况下，人或操作员将能够通过一次或多次推压来影响机器人的运动。

例如根据力的持续时间，可确定是由于撞击在障碍物上还是由于推压而施加了力。图5的曲线33例如可不具有相当高的尖峰，而是在另一方面具有相当高的持续时间，相应地，曲线的宽度。如果机器人抵靠着障碍物而行进，则马达电流的变化的持续时间将比在操纵器上的人工推压的持续时间长。可通过解译单元67来检测和处理此曲线形状，使得将在运动程序中产生对应的运动变数平息(laid down)，以进行另外的运动或机器人活动。

图7显示了人-机器人协作任务的另一个流程图。操作人员70启动机器人控制器71内的机器人程序，如用箭头E1所指示的那样。现在持续地执行机器人程序，并且机器人控制器71会将控制信号送给机器人操纵器65，如用箭头E2所指示的那样。根据运动程序，机器人执行协作任务72中的它的份额，如用箭头E3所指示的那样，而人类操作员也对工作任务72贡献了他的份额，如用箭头E4所指示的那样。根据箭头E5，人类操作员有可能会将一些额外的命令发给机器人操纵器。这可为例如在机器人臂上的拍打，根据图6中的框体67，这将由例程来解译。此解译的结果可为例如机器人例如切换到另一个运动程序或停止当前的机器人程序。

现在描述图8a和8b。在图8a中程序将以程序语句n开始。然后检测到碰撞，这通过数字或点84显示。此碰撞会影响碰撞例程85，例程85象中断例程那样工作。在轻度碰撞的情况下，该例程中断程序语句，但是允许继续或恢复生产。它对程序控制起作用，并且另外的处理根据程序语句n+1、n+2…来进行。

在严重碰撞的第二种情况(图8b)下，碰撞例程85会长期地改变程序语句，并且不允许恢复生产，而是结束程序语句，这通过“结束”来描绘。例如使机器人运动仅停止选定的时间也是可行的。

本发明的优点在于，可避免特别设计的输入装置，例如推压按钮或可实现到机器人中的类似装置，因为通过推压或有用的推压组合来将这些命令直接发给机器人是可行的。例如，操作员将工件放到操纵器中且然后通过一次推压或多次推压发信号给机器人表示它可开始它的工作，由此，推压会将以下信号发给机器人：“工件就位”。这个推压或这些推压具有从人工工作步骤转变成由机器人完成的自动工作步骤的功能。

Claims (17)

1.一种真正安全的小型机器人，其具有至少一个可转动部件，其中，所述部件的自由端能够沿着可编程的路径运动，其特征在于，预见了第一机构来检测至少所述自由部件的至少所述自由端上的至少相互作用点上的力或压力或接触作用，能够产生对应于所述力或压力或接触作用的信号，预见了第二机构来根据所述可编程的路径以及根据在检测到力或压力或接触作用的情况下需要的预测的命令来执行对所述机器人的运动的控制，以及在检测到的情况下，将以这样的方式执行所述控制：临时停止、减慢或不停止所述机器人的运动，并且在考虑产生的所述信号的情况下确定所述可编程的运动路径的临时变化。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述第一机构包括用于计量通过促动所述至少一个可转动部件的至少一个电动马达驱动器的随着时间的经过的电流和/或电流值的装置。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述第二机构至少包括处理单元，并且电流计量的信号能够供应到所述处理单元中，并且能够在所述处理单元中比较所述电流信号与至少一个阈值。

4.根据权利要求2或3中的任一项所述的机器人，其特征在于，所述至少电动马达为伺服马达。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，其特征在于，所述第一机构至少包括布置在所述机器人的所述至少一个可转动部件的轴处的动量传感器。

6.一种用于控制根据权利要求1至5中的任一项所述的机器人的方法，其特征在于，在所述机器人的至少一个可转动部件上的相互作用点上施加力作用，通过第一机构根据所述力作用来产生信号，通过处理单元将所述信号处理成用于所述机器人的控制信号，以这样的方式执行所述机器人的控制：将临时停止或不停止所述机器人，并且临时实现所述机器人部件的至少所述自由端的运动路径的变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述力作用的重度由所述处理单元通过比较所述力作用信号与阈值数据来确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述信号的处理期间通过傅立叶分析的方法或通过其它计算方法来分析时序信号值的高度、形式等，并且比较分析出的数据与阈值数据。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述力作用由所述机器人的所述至少一个可转动部件与所述机器人的附近的人或另一个障碍物的碰撞所导致。

10.根据权利要求6至9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述力作用由所述机器人部件上的人力所导致。

11.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于，以这样的方式执行所述机器人部件的至少所述自由端的控制：所述机器人部件的所述自由端在预测的运动路径上执行回退运动。

12.根据前述权利要求6至11中的任一项所述的方法，其特征在于，以这样的方式执行所述机器人部件的至少所述自由端的控制：所述可转动的机器人部件的至少所述自由端在包括横向分量的路径上从所述相互作用点移开。

13.根据权利要求6至12中的任一项所述的用于控制机器人的方法，其特征在于，所述机器人包括至少一个马达促动的可转动部件，在马达和部件之间具有齿轮装置，特征在于，所述齿轮装置允许所述机器人部件有向前运动和回退运动。

14.根据权利要求6至13中的任一项所述的用于控制机器人的方法，其特征在于，通过用于所述马达的电流的感测机构来测量所述力作用，并且比较实际的实测马达电流与和时间相关的期望的马达电流，并且两个信号之间的差异的高度指示所述力作用的重度。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，比较两个信号之间的差异的实际高度与至少一个阈值，并且仅在超过此至少一个阈值的情况下产生用于所述机器人的控制信号。

16.根据权利要求14或15中的任一项所述的方法，其特征在于，通过积分来处理所述信号(差异信号)。

17.根据权利要求6至16中的任一项所述的方法，其特征在于，通过所述第一机构来产生至少两个信号，使得一个控制信号可选自用于所述机器人的一列控制信号。

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