CN103252780A - 用于执行执行器过程的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于执行执行器过程的方法和装置，执行器过程通过执行器具有至少两个执行器姿态，执行器特别是机器人，其中所述执行器包括至少一个具有电机和制动器的驱动装置，所述方法包括以下步骤：启动执行器姿态（S10）；停止至少一个驱动装置（S20）；闭合所述驱动装置的至少一个制动器（S30）；减少所述驱动装置的能源供给（S40）；增加所述驱动装置的能源供给（S50）；打开所述关闭的制动器（S60）；启动另一个执行器姿态（S70）。此外本发明还涉及用于执行该方法的装置。

Description

用于执行执行器过程的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于执行或控制执行器过程的一种方法和一种装置，其中所述执行器包括至少一个具有电机和制动器的驱动装置。

背景技术

执行器，特别是在工业应用中的机器人，常常具有轨迹，在这些轨迹上运动阶段和停止阶段相交替。在运动阶段中执行器在路径上行驶。在停止阶段执行器停留在一个姿态，例如，在设置了焊接点期间或在等待被请求的工件期间。在停止阶段之后跟着的是另一运动阶段，接着该运动阶段的又是停止阶段，等等。其他的例子包括由工业机器人这样地自动处理的油漆过程和提取过程（Kommissionierprozess）。

在停止阶段期间执行器通过其驱动机构保持为活跃的，从而使能量为施加保持力和使制动器保持打开而耗散。

该能量需求导致在一个或多个执行器运行期间能耗增加，并表现为当今的执行器装置的效率显著受损。

对于提高工业机器人效率的典型措施是重量平衡，如特别是在EP0914911B1中建议的。这种重量平衡使得在不同的机器人姿态下潜在能源的差别的减小，从而优选在机器人的主轴需要较弱的驱动和制动，以对于相同的运动消耗更少的能源。

DE103940302T5公开了一种根据止挡件和运动部件之间的距离来关闭和释放机器人的制动器的控制装置。

EP1974870A1公开了一种用于工业机器人的制动器的控制装置，其中制动器配备有开关用于关闭和释放，该开关能够独立于其它制动器来控制制动器。

发明内容

本发明的目的在于改善执行器过程。

这个目的由本发明的方法实现。本发明的目的还通过执行本发明方法的装置、执行本发明的方法的计算机程序以及计算机程序产品，特别是具有这样的计算机程序的存储介质来实现。

在本发明的方法中，包括两个或更多个执行器姿态的执行器过程由一个或多个执行器执行，特别是由工业机器人执行。执行器优选是在几个自由度尤其是在四个、六个或七个自由度上可运动的，在此自由度特别是通过执行器的轴来实现。执行器的一个或多个轴分别配备一个或多个驱动装置，驱动装置包括一个或多个电机以及一个或多个制动器，制动器特别是至少一个紧急制动器，也即断电闭合（energielos geschlossen）的制动器。

在运动阶段期间启动执行器姿态。本发明意义上的执行器过程，特别是可以包括一个或多个执行器的运动曲线，下文中称为“轨迹”，特别是包括它的描述。另外地或附加地，执行器过程可以包括指令、规则和/或接口，特别是用于控制工具、用于通信和/或（重新）规划运动曲线。所述轨迹特别是可以函数和/或表格的形式来表示，尤其是在执行器控制装置中。执行器姿态可以特别是通过操作员预先编程的和/或命令、在外部预设定和/或在该执行器过程中生成。执行器姿态尤其包括执行器的位置和/或方向。执行器姿态优选通过执行器的工作空间的（特别是笛卡尔的)坐标或在执行器的关节空间（Gelenkraum）中加以描述或表示为四元数。优选地，通过要进入的执行器姿态来预先给定轨迹（尤其是部分地）。特别是可以通过内插器来由此实现连续或离散的设定路径，特别是以函数和/或表格的形式实现。

在运动阶段的结尾，一个或多个驱动装置、优选整个执行器停止，从而使由停止的驱动装置限定的轴不再进行任何运动。优选通过电机和/或通过相应的驱动装置的一个或多个闭合的制动器来实现停止。在停止之后或在停止状态下，针对相应的轴的保持力一直单独由电机施加，直到一个或多个关闭的制动器承担起该保持力或该保持力的至少一部分。为更紧凑地表示，还将（旋转）力矩，也即反向平行的力对一般地称为力。

根据本发明，在停止后或在停止状态下执行器的一个或多个（尤其是所有的）驱动装置的一个或多个、尤其是所有的制动器闭合。同样地，可关闭执行器的一个或多个驱动装置的一个或多个制动器，而另一个或其他的驱动装置的一个或多个制动器则仍然打开。对于一个或多个闭合的制动器，致使驱动装置的相应的轴停止所必要的和/或足够的保持力部分地或完全地通过（多个）制动器予以施加。相应地在一个或多个驱动装置的制动器闭合后，该驱动装置的能源供应部分地或完全地减少。优选地，用于施加保持力的电流部分或完全减小，在此该电流为一个或多个电机供应能源。

在停止阶段结束时，至少一个驱动装置的能源供给将再次增加，特别是这样增加：使得至此由驱动装置的一个或多个制动器产生的保持力可以由一个或多个电机施加，并优选这样增加：使由驱动装置驱动的轴能够相应于路径设定或目标设定移动。

在能源供给增加后，释放执行器的一个或多个、尤其是所有驱动装置的一个或多个、尤其是所有的制动器，从而使执行器能够在轴中再次运动。

此后，进入另外的执行器姿态，特别是到预定路径。在优选的实施例中，执行器的至少一个驱动装置运动，而另一个驱动装置的制动器闭合。

本发明意义上的驱动装置包括一个或多个电机和一个或多个制动器。优选驱动装置能够实现执行器的轴的运动和/或减速，尤其是围绕一个自由度的运动和/或减速。附加地或可选地驱动装置可包括包封（Umhüllung），其至少部分地包围一个或多个电机和一个或多个制动器并使它们与环境分隔。特别优选的是将一个或多个驱动装置至少部分地集成在执行器中。驱动装置可以附加地或可选地包括传动机构，以转换或降低由电机提供的力矩。优选驱动装置在驱动侧和/或从动侧包括一个或多个传感器，特别是一个或多个位置传感器、运动传感器和/或力传感器。

根据本发明的电机特别可以是电动机。电动机尤其是可以用于将电能转换成机械能。电动机优选用直流电流和/或交流电流驱动，在此交流电流特别是可以具有特定的频率和/或特定的振幅。优选将电动机实现为无刷直流电动机、同步机器或异步机器。特别地，电机可以包括电子换向器（Kommutierung）。优选电机配备有变流器和/或PWM放大器。

根据本发明的制动器优选用于施加使执行器轴保持在静止状态的保持力矩或部分保持力。如以上所阐明的，在此特别是也将（旋转）力矩一般地称为力。

通过制动器使一个或多个执行器轴保持在静止状态有利地比由驱动装置的一个或多个相应的电机使执行器轴保持停止需要更少的能量。由此当通过这样的制动器达到静止状态并且不是或不是仅通过电机时，可以获得效率的改善。此外，还可以设置用于使执行器轴减速的制动器。优选将制动器实施为安全制动器。当能源供应降落到低于边界值时，安全制动器闭合并施加相应的保持力，特别是没有其它的能源供给。优选为关闭至少一个制动器完全中断用于制动器的能源供给。当执行器由一个或多个制动器而不是由电机保持在静止状态时，通过这样的制动器在停止状态下获得进一步的效率改善。制动器特别是可实施为弹簧压力制动器、楔式制动器、涡流制动器、电动机制动器、（永久）磁铁制动器、磁粉制动器和/或气动制动器。

根据本发明，能源供应为一个或多个执行器的一个或多个驱动装置、特别是所有驱动装置提供能源，特别是供给电能。能源供应可以从能源网络特别是从公共能源网络和/或自主能源网络得到供给。附加地或替代地，能源供应可以由至少一个电池组和/或替代的能源存储器供给，特别是由机械的能量存储器供给。优选地，一个或多个执行器的多个驱动装置尤其是所有驱动装置与能源供应连接。特别优选的是，能源供应包括中间回路，中间回路通过中间回路电压为尤其是一个或多个执行器的一个或多个驱动装置的电机、制动器和/或其他组件提供能源。优选能源供应与控制器连接。所述能源供应设置用于减少和/或增加对一个或多个驱动装置的能源供给，特别是减少和/或增加对该驱动装置的一个或多个电机和/或一个或多个制动器的能源供给。优选地由能源供应提供足够的能量来驱动一个或多个驱动装置，特别优选驱动一个或多个执行器尤其是连同附加的外部设备，例如控制器、安全单元、工具、照明设备和/或通信设备。

在一优选实施例中，上面说明的步骤被重复一次或多次，从而使执行器以两个或更多的停止阶段在轨迹上行驶，在停止阶段期间，一个或多个制动器关闭。由此带来的特别的优点是，能够利用停止阶段的不同形式来节省能源。

在一优选的实施例中，基于若干准则中的至少一个来关闭和/或释放制动器。根据第一方面，基于状态准则关闭和/或释放制动器。在本发明意义上状态可以是执行器或外部设备的物理状态和/或多个这样的状态的组合。附加地或替代地，状态可以通过特性的配置来表征，特别是通过执行器的和/或外部设备的特性配置来表征。优选地，状态可以通过状态图的配置和/或流程控制的配置来确定，其尤其用于执行器的和/或外部设备的运行并且尤其是描述工作流程的状态。状态特别可以是执行器的状态、执行器控制器的状态、执行器过程的状态、执行器的工具的状态、导引控制器的状态和/或执行器的环境中的、与执行器协作的设备的状态。由状态准则得到的好处是，在执行器或其环境出现特殊的配置时可以关闭和/或释放制动器。

根据本实施例的第二方面，基于信号准则关闭和/或释放制动器。本发明意义上的信号可特别是具有特定含义的符号，优选信号通过事先作出的约定或规定包含该特定含义。尤其是通过信号可传输信息。这样的信息优选可包括关于执行器的、尤其是它的组件的和/或关于外部设备的数据。附加地或替代地，这样的信息可以包括处理方法的数据。更优选的是，信号传送执行器控制器的和/或外部控制器的信息。附加地或替代地，信号包含关于一个或多个操作员的指令的信息，特别是关于制动器指令和/或关于它的状态的信息。优选信号包括人员和/或对象停留在一个或多个执行器的危险区域中的信息。特别地，信号可以包括关于位于执行器附近的操作员注意力的信息，例如，当操作员分神时传输相应的停止指令。特别地，信号可以包括执行器控制器的信号、执行器过程的信号、工具控制器的信号、导引控制器的信号和/或执行器环境中的、与执行器协作的设备的信号。由信号准则特别地产生的好处是，可以通过简单的可解释的信息来控制制动器，在此该简单的信息尤其是可表示复杂信息的映射。

根据本实施例的第三方面，基于时间准则关闭和/或释放制动器。在本发明的意义上时间可以是绝对时间或相对时间。优选时间是执行器或外部设备的过程的过程时间。附加地或替代地，时间可以是停止时间，尤其是这样的停止时间，即优选从执行器的和/或外部设备的一个或多个驱动装置停止以来逝去的时间。优选地，时间是暂停时间。暂停时间优选描述在两个运动阶段之间执行器的和/或外部装置的停止阶段的持续时间。暂停时间特别是可以描述制动器的关闭与制动器的释放之间的持续时间。由时间准则有利地提供了这样的可能性：即通过唯一的信息，尤其是停止阶段的持续时间来传送关闭-释放指令。

根据一优选实施方式，对两个或更多的准则进行分析以关闭和/或释放一个或多个驱动装置的（多个）制动器。这种分析特别是可以并行地和/或相接地特别是串行地进行。通过并行地分析两个或更多的准则，可以有利地提高制动器操作的可靠性。通过串行地分析两个或更多的准则，可以有利地更精确地控制制动器的关闭和/或释放。并行的分析尤其可以通过准则的“或”运算实现，串行分析通过准则的“与”运算实现。

根据优选的实施例，在执行器过程中改变至少一个为制动器的关闭和/或释放而分析过的准则。优选地，通过学习过程控制对准则的改变，学习过程特别是在执行器控制器中和/或在外部设备上执行。特别优选地，作为机器学习过程的结果，给出时间，特别是暂停时间。特别地，学习过程可观察一个或更多的执行器过程，并基于观察到的执行器过程来估计未来的暂停时间的长度。准则的改变可以是事件驱动的，特别是通过新获得的学习结果，准则的改变也可以/或是周期性的和/或连续的。通过在执行器过程中改变准则，尤其是可以产生益处，即可以利用轨迹内的冗余信息，例如相似的、特别是相同的停止阶段，以提高效率，特别是无需为此提前知道停止阶段的持续时间。

在一优选的实施例中，安全装置以安全技术来监视和/或控制制动器的释放和/或关闭。为此一个或多个制动器的控制装置的体系结构优选能够满足安全完整性等级，如例如在标准IEC61508或EN ISO13849中所规定的安全完整性等级。安全的制动器控制装置提供安全的运行停止的优势，尤其是一个或多个轴的、最好是整个执行器的运行停止。更安全的运行停止对于特定的执行器过程是必要的，特别是当执行器过程具有与一次或更多的与人员的交互时。

附图说明

本发明的实施例给出了本发明的其它优点和特征。在此部分示意性地示出了：

图1示出了根据本发明实施方式的执行器过程的示例轨迹的速度和功率需求的时间曲线，

图2示出了根据本发明实施方式的用于控制执行器的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了执行器过程的轨迹的片段，该执行器过程由工业用机器人实施，在此示出速度与时间的关系，以及依照两种时间准则的两种不同的功率曲线P和P′。截至时刻t=1机器人的轴3以正的、恒定的速度

移动。在时刻t1，Stopp（停止）命令下达，轴3的速度线性地减小到

从时刻t2起机器人的轴3处于静止状态。

第一时间准则使用停止时间th来决定激活和/或去激活制动器和电机。功率曲线由点虚线表示。在停止时间th届满后，机器人的安全制动器在时刻t3被切换为断电的并停止。由此，轴3的功率消耗P′在时刻t3减少了释放制动器所需的功率P′。在制动器闭合后，电机也切换为断电的。由此使机器人的轴3的整个驱动单元断电。直到激活电机的功率供给，没有任何能耗。在时刻t6，制动器打开，这使得功率需求P′相应增加，在t>t6与t<t7期间由电机再次施加保持力矩。新的运动阶段自时刻t7开始，从该时刻起轴3的速度再次线性地增大。

第二时间准则使用暂停时间tp来决定激活和/或去激活制动器和电机。功率曲线由虚线表示。轴3的制动器的闭合与工业机器人的整个暂停时间tp同步。制动器在时刻t2闭合并直到时刻t7才重新打开。在检查了制动器正常操作地闭合之后，到电机的功率供给也被中断。直到能源供给再次被激活，轴3仅由制动器保持。在时刻t6电机的能源供给再次被激活。

优选将图示的时间准则与其他准则例如信号准则和/或状态准则相结合。在未示出的优选实施例中，关闭和/或打开制动器的决定依赖于一个或多个信号准则和/或一个或多个状态准则。特别是可以将信号准则和/或状态准则相组合。

图2示出了用参数化的制动器控制器来改善执行器过程的效率的执行器过程的流程图。执行器最初位于这样的位置：在该位置轴3的偏转为0，

并且速度是零，

然后首先用开始时刻tp_start和暂停持续时间tp对暂停进行参数化。此外，读出运动速度

此后，机器人的轴3通过函数mov()运动。基于信号事件（中断），通过函数stopp()命令制动过程，使轴3在时刻tp_start停止下来。当机器人的速度为

且时间超过tp_start时，接通（einschalten）制动器。在制动器闭合后，通过pow(off)中断能源供给。在暂停期间届满后，首先重新激活能源供给，随后释放制动器。然后进行参数更新和下一个运动阶段。附图标记列表：

t      时间

t1-t7  绝对时刻

th     停止时间

tp     暂停时间

      执行器的轴3的位置

      轴3的速度

P      在第一时间准则下轴3的功率消耗

P′    在第二时间准则下的轴3的功率消耗。

Claims (14)

1.一种用于执行执行器过程的方法，该执行器过程通过所述执行器包括至少两个执行器姿态，所述执行器特别是机器人，所述执行器或机器人包括至少一个具有电机和制动器的驱动装置，该方法包括以下步骤：

启动一个执行器姿态（S10）;

停止至少一个驱动装置（S20）;

闭合所述驱动装置的至少一个制动器（S30）;

减少所述驱动装置的能源供给（S40）;

增加所述驱动装置的能源供给（S50）;

打开所述关闭的制动器（S60）;

启动另一个执行器姿态（S70）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复步骤（S20）-（S70）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

基于以下准则中的至少一个来闭合和/或打开所述制动器：

-时间准则;

-信号准则;

-状态准则。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

基于所述准则中的至少两个准则来闭合和/或打开所述制动器。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，

基于以下时间中的至少一个来预先给定所述时间准则：

-绝对时间;

-过程时间;

-自所述停止（S20）以来的停止时间;

-在所述制动器的停止（S20）与打开（S60）之间的暂停时间。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，

基于以下信号中的至少一中来预先给定所述信号准则：

-执行器控制装置的信号;

-执行器过程的信号;

-工具控制装置的信号;

-导引控制装置的信号;

-来自所述执行器的环境中的、与所述执行器共同起作用的设备的信号。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，

基于以下状态中的至少一种来预先给定所述状态准则：

-执行器的状态;

-执行器控制装置的状态;

-执行器过程的状态;

-执行器的工具的状态;

-导引控制装置的状态;

-来自所述执行器的环境中的、与所述执行器共同起作用的设备的状态。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，

在所述执行器过程中至少改变一个所述准则，特别是进行调整。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在所述制动器闭合期间，所述执行器的至少一个另外的驱动装置在运行。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

为了闭合至少一个制动器，减少用于制动的能源供给，特别是中断。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

安全装置监控所述制动器的打开和闭合。

12.一种用于控制执行器、尤其是机器人的装置，其特征在于，

该装置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

13.一种计算机程序，当其在根据权利要求12的装置中运行时，执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

14.一种计算机程序产品包括程序代码，所述程序代码存储于机器可读介质上并且包括根据权利要求13的计算机程序。

Images