CN102905861A - 用于安全监控机器人的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安全监控至少一个机器人（2）的装置（1），具有用于在监控模式（图1）下监控至少一个机器人（2）的工作空间（A）的无接触检测装置（3A，3B），其特征在于具有切换装置（1），用于将所述检测装置切换至测量模式（图2）以测量至少一个机器人（2）。

Description

用于安全监控机器人的方法和装置

技术领域

本发明涉及安全监控机器人的方法和装置，具有无接触的检测装置，特别是激光扫描仪。

背景技术

关于机器人的安全监控，一方面在实践中用无接触的检测装置监控机器人的工作空间是已知的。例如，可以用产生光栅或光幕的激光器监控自动化单元的入口。如果不同于在操作中设置的输入或输出工件的通过，例如通过未经授权的人，则触发安全响应、例如机器人的安全停止。检测装置为此相应于期望的监控区域被设置。

从实践中已知道，检测机器人的关节位置并直接相对于预先给定的位置边界值或间接地例如在变换到TCP的笛卡尔位置后进行监控。然而，如果实际的机器人运动学特征，例如由于碰撞后的变形，区别于理论上的运动学特征，比如其例如是基于TCP的笛卡尔位置的变换，则危险的是依据检测到的关节位置可能不再能可靠地识别出真实的TCP-位置。

无论如何，从实践中已知道，借助于为此目的设置的无接触的检测装置特别是激光扫描仪来测量机器人，以便控制器校准例如机器人的基于控制器的运动学模型，从而提高准确率、补偿温度漂移，等等。

发明内容

本发明的目的是改进对机器人的安全监控。

这个目的通过具有权利要求1的特征的装置和具有权利要求7的特征的方法实现。从属权利要求的主题是有利的进一步的实施例。

本发明的第一方面是基于这样的想法：即使用本来需要的用于监控工作空间的无接触检测装置来附加地用于测量机器人，该检测装置优选是一个或多个激光器，其由光栅或光幕监控工作空间的一个或多个入口。由此，可以有利地省去迄今的两个独立检测器中的一个。

因此，本发明的用于一个或多个机器人的安全监控的装置具有无接触的检测装置，该检测装置在监控模式下监控一个或多个机器人的工作空间尤其是自动化单元。

监控优选可以包括无接触地例如以超声波对工作空间的扫描，无接触地检测热辐射和/或电磁射线，和/或电磁场的检测，和/或对工作空间中的一个或多个图像的分析，以检测在工作空间内不期望有的对象。在一个优选的实施例中，该检测装置被设置用于监控工作空间的一个或多个入口。特别地，为此目的，在一个优选的实施例中，检测装置包括一个或多个发射可见的或不可见的、尤其是红外线或紫外线的、电磁射线的光发射器，特别是激光器。所发出的射线由接收器检测。在此同样地可以根据光栅或光幕的原理检测不中断的射线，或者检测由对象反射的射线，特别是基于射线的飞行时间或频率偏移检测至对象的距离。优选地对于后者，在检测装置的发射器附近设置用于检测不中断的射线的接收器，不过是在发射器的对面。同样也可用上面描述的工作空间的光学发射器和接收器进行无接触地扫描。

根据本发明，设置切换装置，其将检测装置优选可选地、例如通过操作员的输入，或在预定的时间点，特别是周期性地，切换至测量模式，在该测量模式中测量一个或多个机器人。

如上面所说的，检测装置包括一个或多个发射器，特别是激光器，因此，优选可以通过该（多个）发射器检测至机器人上的一个或多个参照对象、特别是反射标记的距离，连同发射器和接收器的位置和方向来确定特定于机器人的参照对象的笛卡尔位置从而确定机器人的笛卡尔位置。同样可以特别是用一个或多个激光器或通过分析图像进行检测，来替代例如对机器人轮廓的扫描。

一般来说，在本发明的意义下，测量机器人应理解为，特别是检测一个或多个特定于机器人的参考标记（如角、边、关节点、参照对象等等）相互间的和/或相对于（尤其是特定于检测装置的）参照系的一维、两维或三维的位置和/或方向。在测量多个机器人的过程中，还可以附加地或替代地检测机器人的参考标记相对于另一个机器人的参考标记的位置和/或方向。

在一个优选的实施例中，可以将测量结果，特别是一个或多个上述参考标记的位置和/或方向，与先前的测量结果进行比较，其中在一个优选实施例中机器人在两个测量中由控制器驱动至相同的姿态，特别是以相同的关节位置，以检测机器人的例如由于碰撞或热变形所致的运动学上的变化。同样地，必要时在经相应的变换后，可将测量结果与预定的参考值，例如从机器人的运动学模型得出的、TCP的理论位置进行比较。

在一个优选的实施例中，检测装置包括两个或更多相互隔开的、尤其是光学的发射器。若例如设置至工作空间的多个入口，例如用于输入和输出工件到穿过工作空间的输送机上，以及每个入口通过至少一个光学发射器和接收器，尤其是形成光栅或光幕的激光器进行监控，则在测量模式中对于机器人的测量可使用两个或更多个发射器和接收器。这尤其是便于检测在相同的机器人姿态下分布于机器人上的参考标记。

虽然通常在监控模式下，不通过检测装置对机器人进行检测，并且在此例如监控入口的激光器相应地被安置在工作空间的边缘，但根据本发明，要被测量的机器人在测量模式下至少部分地位于检测装置的检测区域中，以便由该检测装置予以测量。为此，可以通过切换装置这样改变在安全监控中设置的机器人的工作空间：使机器人在测量模式下可以移动到检测装置的检测区域内，而不必响应例如对关节位置的安全监控。通常，在一个优选实施例中，要被测量的机器人在安全监控的测量模式下，至少部分地运动到检测装置的检测区域内。

优选地，这样构成检测装置，尤其是相对于工作空间定位检测装置，使得该检测装置在监控模式下完全或部分地监控工作空间，以及在测量模式下可测量一个或多个位于其中的机器人。在一个有利的实施例中，若要在监控模式和测量模式之间切换检测装置，则可以设置改变检测装置的检测区域的调整装置。这样的调整装置尤其可包括光学装置，如透镜、反射镜、光导等等，并且因此例如可选择地将激光束作为光栅指向入口，或作为测量光束指向机器人。另外地或可选择地，如果检测装置要在监控模式和测量模式之间进行切换，还可以设置机械的调整装置，例如用于改变检测装置的位置和/或方向的平移装置、旋转装置和/或摆动装置。

如果在监控模式下工作空间有时未由检测装置所监控，因为检测装置错过了优选为可靠地固定的、特别是可靠地被监控于停止的机器人，则在一个优选的实施例中，优选只在测量模式下设置附加的安全装置，用于保护工作空间，尤其是由检测装置监控的入口和/或一个或多个机器人。

这在一个特别简单的实施例中可以是在机器人测量过程中不再由检测装置监控的入口的机械阻隔，例如门。另外地或可替代地，可以提供例如可靠的静态监控，例如通过可靠的、特别是机器人关节位置的冗余监控。在一个优选的实施例中，用于保护工作空间和/或至少一个机器人的附加的安全装置以安全技术与切换装置相耦合，使得切换到测量模式仅在安全装置已激活或安全装置被激活的情形下才是可能的。在本发明的意义上来说，装置通常可以同样以软件和/或硬件的方式来构成，特别是通过一个或多个程序或子程序或计算机，它们优选可以在用于多个机器人的机器人控制器或单元控制器中实现，或可以实现为单独的安全监控装置。

本发明的第二方面基于这样的想法：即除了其它的以外，仅当运动学特征，特别是关节之间的轴距，与参考值、例如与机器人的运动学模型的偏差不太大时，基于所检测的机器人的关节位置的安全监控才是可靠的。因此，根据本发明提出，附加地通过无接触检测装置优选以预定的间隔，特别是周期性地测量机器人，并在测定结果与参考值的偏差超过预定的边界值时触发安全响应。该第二方面特别是可以与上述的第一方面相结合。

根据该第二个方面，检测机器人的一个或多个关节位置。在此，在本发明的意义下关节位置尤其应理解为关节的状态，例如旋转关节的角位置，然而为了更紧凑的表示也可以例如特别是关节速度的时间导数，对于检测，相应于直接检测，特别是通过转速或位移传感器，优选通过解析器（Resolver）或编码器，但也可以是间接检测，诸如通过时间积分或时间微分。

被触发的安全响应特别是可以包括机器人的安全停止，优选为STOP 0，STOP 1或STOP 2，但也可以包括行驶到预定的停止位置或降低机器人的运行速度。

特别是，当将所述第一和第二方面相结合时，在一个优选的实施例中，对机器人的测量可以使用安全技术特别是通过冗余的、优选多样化的装置和/或方法来实现。

正如上面所描述的，测量结果尤其可包括机器人的一个或多个参考标记的位置和/或方向。必要时可以在经相应的变换后，将测量结果与参考值、特别是与机器人的运动学模型或先前的参考值测量进行比较，在此，如果偏差，例如针对同一参数、如笛卡尔TCP-位置的分量的值之间的最大或平均偏差超过预定的边界值，则触发安全响应。

在一个优选的实施例中，测量在不同姿势下的机器人，其中分别确定与所属的参考值的偏差。这提高了测量的可靠性。在一个有利的扩展中，参考值可以是动态的，即在机器人运动的状态下映射该机器人。这样，例如灵活的机器人臂在快速的运动中由于其惯性可能会有较大的变形。若将这些变形在动态参考值中例如在参考标记的位置中加以考虑，则可以在运动过程中测量机器人，并将测量结果与参考值进行比较。

附图说明

本发明的其它优点和特征可从从属权利要求和实施例中看出。这里部分示意性地示出了：

图1示出了按照本发明的一种实施方式在监控模式下的机器人的安全监控;

图2示出了在测量模式下图1中的安全监控。

具体实施方式

图1以俯视图示出在自动化单元的由安全围栏4限定的工作空间A中的六轴曲臂机器人（Knickarmroboter）2。在围栏4中除了常闭的入口门4.2还有两个相互对置的入口，输送机通过这些入口将工件输入和输出到单元中（图中未示出）。

所述入口通过安全监控装置1以安全技术予以监控，该安全监控装置1用设置于所述单元之外的机器人控制器来实现，例如，用单独的计算装置或集成于机器人的运动控制器中。

为此，如图1中以虚线示出的，装置1一方面以安全技术与机器人2有线连接或无线地信号连接。在曲臂机器人的关节上的解析器传送其关节位置，安全监控装置1由这些关节位置例如确定TCP的笛卡尔位置和关节速度，并相对于边界值、特别是工作空间A的边界或关节中的和/或TCP的最大速度进行监控。

另一方面，安全监控装置1以安全技术与两个激光扫描仪3A，3B连接，它们在监控模式下（图1）借助光幕来监控彼此对置的入口，并为此而循环地、垂直地在入口上移动，如图1中由虚线表示的。激光扫描仪3A、3B固定在用于关闭入口的门4.1上。

可以看出，一方面，机器人2不可能行使到激光扫描仪3A、3B的监控检测区域（在图1中以虚线表示的）中，因为机器人2为此必须离开其工作空间A。另一方面，例如由于碰撞所致的机器人的变形，尽管被校正，但通过解析器所监控的关节位置可导致其TCP离开工作空间。

由此，由两个激光扫描仪3A、3B构成的检测装置通过安全监控装置1周期性地从在图1所示的监控模式切换至测量模式（图2），在监控模式中检测装置将相互对置的进入工作空间的入口作为光幕来进行监控。为此目的，安全监控装置1驱动调整装置（未示出），该调整装置关闭门4.1并且在此情况下将固定于门上的激光扫描仪3A、3B朝工作空间旋转。此外安全监控装置1还例如通过机器人控制器的相应指令使机器人2采取测量姿态（图2），在该测量姿态中两个现在相互对置的激光扫描仪3A、3B对机器人进行扫描，例如检测其轮廓或参照对象比如标记（图中未示出）的位置。

将测量结果，例如检测到的标记的位置与参考值例如与先前的参考测量的参考值进行比较。若测量结果和参考值彼此间的偏差超过预定的边界值，安全监控装置1识别出机器人的运动学特征发生了不可接受的改变，并且作为安全响应例如将机器人的操作速度限制到预定的边界值。

如果相反，测量结果与参考值间的偏差没有超过预定的边界值，则安全监控装置1重新切换至监控模式（图1），在该监控模式下开放的入口允许工件的输入和输出并由转回的激光扫描仪监控，而对机器人2则借助其关节位置进行监控，这些关节位置可以基于测量被变换为安全的TCP位置。以类似的方式，在未示出的变化中，如果没有设置门4.1，则激光扫描仪3A、3B还可以被转回以监控入口。针对机械运动，附加地或可替代地，特别是激光扫描仪的旋转例如也可以通过相应的可变的激光扫描光学系统（图中未示出）使其检测区域在监控模式和测量模式之间进行切换。

附图标记列表：

1       安全监控装置

2       机器人

3A、3B  激光扫描仪

4       安全围栏

4.1，2  安全门

A       工作空间。

Claims (9)

1.一种用于安全监控至少一个机器人（2）的装置（1），具有用于在监控模式（图1）下监控该至少一个机器人（2）的工作空间（A）的无接触检测装置（3A，3B），其特征在于，具有切换装置（1），用于将所述检测装置切换至测量模式（图2）以测量该至少一个机器人（2）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测装置设置用于在监控模式下监控所述工作空间的入口。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述检测装置包括至少一个用于发射电磁射线、特别是激光的光学发射器（3A，3B）和至少一个用于接收所发射的电磁射线的接收器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述检测装置包括至少两个彼此间隔开的发射器（3A，3B）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，特别是具有光学的和/或机械的调整装置（4.1），用于在监控模式下检测的监控区域和在测量模式下检测的测量区域之间改变所述检测装置的检测区域。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有用于在测量模式下保护所述工作空间、尤其是由所述检测装置监控的入口和/或机器人的附加安全装置（4.1）。

7.一种用于安全监控至少一个机器人（2）的方法，特别是使用根据前述权利要求中任何一项的装置，其中，检测机器人（2）的至少一个关节值，其特征在于，所述机器人附加地由无接触的检测装置（3A，3B）测量，如果测量结果与参考值的偏差超过预定的边界值，则触发安全响应。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，测量不同姿势下的机器人，并确定与对应的、特别是动态的参考值的偏差。

9.根据前述权利要求7或8所述方法，其特征在于，利用至少一个转速或位移传感器，特别是解析器来检测所述机器人的关节值特别是关节位置。

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