CN103826807B - 机器人控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制方法，用于具有多个可移动机器人轴（2、4、6）的机器人（1），特别是用于涂装机器人（1）或者操作机器人，所述控制方法包括以下步骤：a）借助多个路径点（机器人（1）的参考点意图经过所述多个路径点）来预确定机器人路径；b）根据预确定的机器人路径来控制各个机器人轴（2、4、6）的驱动电机，以使得机器人（1）的参考点经过预确定的机器人路径；c）预计算机械载荷（My1、Mx1、Fx1、Fy1、Fz1、Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2），所述机械载荷在经过即将来临的机器人路径时发生在两个接头之间的机器人轴（2、4、6）中的至少一个内；d）基于机械载荷（My1、Mx1、Fx1、Fy1、Fz1、Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2）的预计算而对机器人轴（2、4、6）的驱动电机的控制进行调节，以使得避免机械过载。

Description

机器人控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人控制方法，特别是涉及一种用于涂装机器人或者用于涂装设备中的操作机器人的控制方法。

背景技术

EP2146825A1描述了这样的一种机器人控制方法，其在运动控制期间对机器人考虑了路径校正值，以使得机器人所经过的机器人路径尽可能精确地与预定的机器人路径相一致。本文中，路径校正值考虑到了根据动力学机器人模型的机器人的弹性、摩擦或惯性。在这种情况下，假设刚性的机器人轴，以使得实际机器人路径与预定机器人路径之间的误差仅由相邻机器人轴之间各个接头中的机械回弹产生。这种已知的机器人控制方法因此决不会考虑机械载荷，所述机械载荷发生在各个机器人轴中，例如发生在两个邻近的接头之间的机器臂中。此外，这种已知的控制方法仅考虑这种扭矩：所述扭矩定向成平行于各接头的枢转平面，即，定向成平行于各接头的枢转轴线的扭矩。例如，在机器人运动的情况下，扭矩还相对于运动方向横向产生，这样的扭矩在某种情况下会导致机械过载，并且到目前为止未被已知的控制方法所考虑。

还从DE19914245A1、DE102007024143A1、DE69714017T2和EP0262600A1已知了机器人控制装置。然而对于这些机器人控制装置，至多考虑到了机械载荷，所述机器人控制装置在各个机器人轴的各枢转平面中起作用。

发明内容

因此，本发明基于产生一种相对而言改进的控制方法这一目的。

这一目的借助根据本发明的依照独立权利要求的控制方法来实现。

本发明基于这样的技术见解：在多轴机器人运行期间，不仅要在各枢转平面中关注机械载荷，还更要关注相对于各枢转平面横向产生的机械载荷。

本发明文中所使用的术语“相对于枢转平面横向定向的机械载荷”特别包括倾斜力矩，所述倾斜力矩定向成与各接头的轴线成直角并因此平行于枢转平面。此外，该术语还包括定向成与枢转轴线成直角的力。

因此，本发明包括对在机器人运行期间预计算机械载荷的一般技术教导，所述载荷在经过即将来临的机器人路径时产生。在这种情况下应当注意的是机械载荷被预计算，即，所述机械载荷并非被测量或建模以用于实际运动状态，而是基于机器人的预定的机器人路径和已知的机械特性（例如几何形状、质量分布等）被预计算以用于即将来临的机器人路径段，以使得可在预计算的机械载荷过高时引发应对措施。

另外，本发明提供了：根据被预计算的机械载荷而对各个机器人轴的驱动电机的控制进行调节，以使得避免机械过载。

用于对机器人轴的驱动电机的控制进行调节以避免机械过载的选择在于：机器人的运动被制动或减慢从而避免机械过载（否则会产生所述机械过载）。

用于对机器人轴驱动电机的控制进行调节以避免机械过载的另一选择在于：略微调节预定机器人路径。

优选地，将被预计算的机械载荷与至少一个极限值比较从而探测即将来临的机械过载，其中随后如有必要，可引发上述示例性的应对措施。

在本发明优选的示例性实施方式中选择了在机器人轴内或在接头中起作用的特定的力和/或扭矩。因此，在监测机械载荷期间，并非监测所有的在各个机器人轴内或在接头中产生的力和扭矩。例如，可选择特定的机器人轴以用于监测。另外，可在已选的机器人轴内或在接头中选择特定的机械载荷，诸如相对于运动方向横向的扭矩或力以用于监测。

在本发明优选的示例性实施方式中，各个机器人轴每条都在特定枢转平面内相对彼此可枢转地安装，其中，在各个机器人轴内相对于各枢转平面横向的机械载荷被预计算，这由现有技术不能得知。所以为了预计算机械载荷，优选地计算了倾斜力矩，所述倾斜力矩在各机器人轴内起作用并定向成与各机器人轴的枢转轴线成直角。

还应当提到的是，各个机器人轴的驱动电机优选地由位置控制器来控制，所述位置控制器从中央机器人控制装置接收目标值，其中，预定目标值的序列限定期望的机器人路径。优选地用特定内插时钟脉冲来对这种由中央机器人控制装置产生的对目标值的指定进行计时。本发明优选地提供了：还在内插时钟脉冲中对机械载荷的预计算、并且如有必要，对应对措施的引发同样地进行计时。还应当提到的是，可用多维方式来预计算机械载荷，其中，在机械载荷的预计算的上下文中可计算扭矩以及力。

另外，本发明上下文中的选择在于可设置几乎任何坐标系，所述坐标系的坐标原点设在机器人轴中的一个内或者接头中并相对于机器人轴固定，以使得坐标系与机器人轴一起移动。本发明上下文中被预计算的机械载荷随后参考该虚拟坐标系。在这种情况下可选择特定的力和/或扭矩，所述力和/或扭矩在机器人运动期间在坐标系中产生，其中，机械载荷由已选的力和/或扭矩来代表。

还应当提到的是，本发明不限于上述根据本发明的控制方法，而是还包括机器人控制装置，所述机器人控制装置被编程为使得其执行根据本发明的控制方法。

最后，本发明还包括具有至少一个多轴机器人（例如操作机器人、涂装机器人）的机器人系统和执行根据本发明的控制方法的这种机器人控制装置。本发明因此还包括对完整涂装设备或这种涂装设备中涂料舱的保护。

附图说明

本发明其他有利的发展与本发明优选的示例性实施方式一起结合附图在从属权利要求中被赋予特征或者在下面进行详述。以下附图示出：

图1是涂装机器人的透视图，所述涂装机器人依照根据本发明的控制方法来控制，并且

图2是根据本发明的以流程图形式的控制方法。

具体实施方式

图1示出自身传统的涂装机器人1，所述涂装机器人1可被用于例如在涂装设备中涂装汽车车体部件。

在本发明的这个示例性实施方式中，涂装机器人1具有机器人底座2，所述机器人底座2可绕竖直旋转轴线3转动。然而本发明可以以相似方式用其他涂装机器人来实现，所述涂装机器人的机器人底座设成固定的或者可沿导轨线性移动。

近端机器臂4可枢转地安装在机器人底座2上，其中，机器臂4可绕水平枢转轴线相对于机器人底座2枢转。

远端机器臂6可枢转地安装在近端机器臂4的远端上，其中，远端机器臂4可绕水平枢转轴线7相对于近端机器臂4枢转。

由现有技术可知并可以以高度机动的方式引导同样传统的旋转喷雾器9的多轴机器人腕8附连至机器臂6的远端。

涂装机器人1由自身由现有技术可知的机器人控制装置10来控制。然而，机器人控制装置10执行根据本发明的新的控制方法，从而避免在涂装机器人1运行期间涂装机器人1的机械过载。在这种情况下，机器人控制装置10计算机械载荷，所述机械载荷发生在机器人底座2、机器臂4或者机器臂6内并且到目前为止未被现有技术所考虑。相反，由于假设刚性的机器人轴，对于传统的控制方法而言，至多考虑了相邻机器人轴之间的接头中的机械载荷。

在本发明上下文中，例如可设置坐标系11，所述坐标系11定位成使其坐标原点位于近端机器臂4内。在机械载荷的预计算期间随后可预计算力Fx2、Fy2、Fz2和扭矩Mx2、My2、Mz2，所述力和扭矩将在涂装机器人1运行期间发生在坐标系11中。

此外，附图示出另一坐标系12，所述坐标系12定位成使其坐标原点位于机器人底座2与地面之间的旋转接头中。在坐标系12中，机械载荷同样以力Fx1、Fy1、Fz1和扭矩Mx1、My1、Mz1的形式发生，这在根据本发明的控制方法的上下文中也被考虑到。在这个示例性实施方式中例如监测定位成与旋转接头的旋转轴线成直角的倾斜力矩Mx1、My1和力Fx1、Fy2。

以下将结合图2所示的流程图来描述根据本发明的控制方法。

在第一步骤S1中首先预限定坐标系，所示坐标系定位成使其坐标原点位于机器人轴中的一个内并且空间上固定在机器人轴上，以使得坐标系与机器人轴一起移动。例如在这种情况下，所述坐标系可以是图1中的坐标系11。

在进一步的步骤S2中随后限定要在坐标系中监测的力和/或扭矩。例如在这种情况下，所述力和/或扭矩是坐标系11中的扭矩My2和力Fx2以及坐标系12中的扭矩Mx1和My1。

在进一步的步骤S3中随后指定作为一系列路径点的工具中心点（TCP）的轨迹，其中，每个路径点由笛卡尔空间坐标来限定。

在涂装机器人实际运行期间，随后通过中央机器人控制装置来控制机器人轴的各个位置控制器以用于经过预确定的轨迹，这对应于步骤S4并且由现有技术可知。

在经过预定轨迹时，在步骤S5中随后预计算要监测的力（例如扭矩Mx1、My1、My2和力Fx2），从而及时探测任何即将来临的机械过载。

在步骤S6中随后将被预计算的力和力矩与容许极限值比较。

在步骤S7中进行检查从而查看机械载荷是否将要超过限制。

如果出现这样的情况，则在步骤S8中引发应对措施，所述应对措施在本示例性实施方式中是使机器人运动制动。

在步骤S9中随后进行检查从而查看是否到达路径的末端或者是否机器人运动已经因任何其他原因而停止。否则，在循环中重复步骤S4-S9。

本发明不限于上述优选的示例性实施方式，相反，许多改型和修改是可能的，所述改型和修改也可利用本发明的概念并因此落在保护范围内。另外，本发明还要求保护从属权利要求（所述从属权利要求独立于其所参考的权利要求）的主题名称和各特征。

附图标记列表

1 涂装机器人

2 机器人底座

3机器人底座的旋转轴线

4 近端机器臂

5 枢转轴线

6 远端机器臂

7 枢转轴线

8 机器腕

9 旋转喷雾器

10 机器人控制装置

11 坐标系

12 坐标系

Claims (15)

1.一种控制方法，用于控制具有多个可移动机器人轴(2、4、6)的机器人，其中，所述机器人轴(2、4、6)每个都能在确定枢转平面中枢转，

a)指定经过多个路径点的机器人路径，所述机器人路径应当被机器人(1)的参考点经过，

b)依照预定的机器人路径来控制各个机器人轴(2、4、6)的驱动电机，以使得所述机器人的参考点经过所述预定的机器人路径，

c)预计算机械载荷，所述机械载荷在经过即将来临的机器人路径时相对于各机器人轴(2、4、6)的枢转平面横向产生，和

d)根据被预计算的机械载荷而对机器人轴(2、4、6)的驱动电机的控制进行调节，以使得避免机械过载，其特征在于，

e)根据被预计算的机械载荷而对各独立机器人轴(2、4、6)的驱动电机的控制进行调节，以使和避免机械过载，并且

f)启动以下对抗措施中的至少一个以避免机械过载：

f1)制动或减慢机器人的运动，以及

f2)调节机器人路径。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在机器人轴(2、4、6)中的至少一个内的被预计算的机械载荷发生在两个接头之间。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：对于所述机械载荷的预计算而言，计算定向成与各机器人轴(2、4、6)的枢转轴线成直角的倾斜力矩。

4.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于以下步骤：

a)将所述被预计算的机械载荷与至少一个极限值比较以探测即将来临的机械过载，

b)在探测到即将来临的机械过载时将参考点在即将来临的机器人轴上的运动制动。

5.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于以下步骤：

a)所述各个机器人轴(2、4、6)的驱动电机每个都由位置控制器来控制，以及

b)所述位置控制器从中央机器人控制装置(10)接收目标值，以及

c)所述中央机器人控制装置(10)将用确定的内插时钟脉冲计时的目标值输出至所述位置控制器，以及

d)所述机械载荷的预计算同样也在所述内插时钟脉冲中被计时。

6.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：

a)所述机械载荷在多维上被预计算，

b)在所述机械载荷的预计算期间，计算扭矩和力两者。

7.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于以下步骤：

a)指定具有坐标原点的坐标系(11)，所述坐标原点设在所述机器人轴(2、4、6)中的一个内并相对于所述机器人轴(2、4、6)固定，以使得所述坐标系与所述机器人轴(2、4、6)一起移动，

b)选择确定的力和/或扭矩，所述力和/或扭矩在所述机器人运动期间在所述坐标系(11)中产生，

c)由已选的力和/或扭矩来确定所述机械载荷。

8.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于控制涂装机器人(1)。

9.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于控制操作机器人。

10.一种机器人控制装置，用于控制具有多个可移动的机器人轴(2、4、6)的机器人，其特征在于：所述机器人控制装置(10)在运行期间执行根据前述权利要求中任一项所述的控制方法。

11.如权利要求10所述的控制装置，其特征在于：所述控制装置用于控制涂装机器人(1)。

12.如权利要求10所述的控制装置，其特征在于：所述控制装置用于控制操作机器人。

13.一种机器人系统，其具有

a)至少一个多轴机器人，以及

b)如权利要求10至12之一所述的机器人控制装置(10)。

14.如权利要求13所述的控制装置，其特征在于：所述多轴机器人是涂装机器人(1)。

15.如权利要求13所述的控制装置，其特征在于：所述多轴机器人是操作机器人。