CN104827471B - 用于使操纵器轴止动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使操纵器、特别是机器人的至少一个轴止动的方法，具有以下步骤：闭合所述轴的机械制动器(S20)；通过运动调节停止对所述轴的驱动器的激活(S30)；对所述机械制动器进行监控(S40)；当监控检测到所述机械制动器的故障状态时，通过运动调节启动对所述驱动器的激活(S60)。

Description

用于使操纵器轴止动的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于使操纵器的至少一个轴止动的方法和装置。

背景技术

机器人的停车制动器在理论上已经是非常可靠。但是对于危及安全的情况而言仍然应该进一步地降低危险性。

另一方面，在使用只包括一个制动器的驱动器时所存在的问题在于：意外运动的最大可接受的残余风险是通过单通道系统实现的。

因此，由企业内部的实际情况可知：为了能够检测到制动器性能的细微变化，需要进行周期性地制动测试。当低于预设的工作能力时需要更换相关的制动器。但是该方法对于制动性能自发退化的情况并不适用。

因此在企业内部实践中存在的另一种已知的方法是完全不使制动器闭合或不使用制动器，尤其是在使用会危及安全的情况下。换而言之，通过相应地调节驱动器的转矩来主动地实现轴的停止运转，并因此符合DIN EN60204-1：2007-06的停止类别2，DINEN60204-1：2007-06定义了操纵器的停止功能的三个类别：

Stopp 0：由于立即中断对驱动元件的能源供应所引起的不受控制的停车；

Stopp 1：受控的停车，其中，为了实现停车保持对驱动元件的能源供应。当实现了停车或者Stopp超过允许的时间时中断能源供应；和

Stopp 3：受控的停车，其中，保持对驱动元件的能源供应。

这三种类别可以通过控制技术以不同的方式和方法来实现。

通过借助相应地调节驱动器的转矩来替代使制动器闭合来主动地实现轴的停车的缺点在于：需要保持操纵器处于激活状态，而这需要消耗能源， 并且还可能导致噪音干扰。

发明内容

本发明的目的在于使操纵器能够更好地运行。

本发明的目的通过一种用于使操纵器、特别是机器人的至少一个轴止动的方法来实现，其具有以下步骤：闭合所述轴的机械制动器；通过运动调节停止对所述轴的驱动器的激活；对所述机械制动器进行监控；当监控检测到所述机械制动器的故障状态时，通过所述运动调节启动对所述驱动器的激活。本发明的目的还通过一种用于操纵器、特别是机器人的控制器来实现，该控制器用于控制过程运动，其特别是安全控制器，其被设计用于执行本发明的方法。

根据本发明的用于使操纵器、特别是机器人的一个或多个、尤其是全部的轴止动的方法具有下述的多个步骤。在此,两个或多个步骤可以顺序地和/或并行地进行。该方法在下面的举例中只针对单个操纵器的单个轴，但并不限于此。相反，该方法还可用于使一个或多个操纵器的多个轴止动。

在一个步骤中，闭合轴的制动器，特别是停车制动器。这种制动器特别是可以具有机械的、液压的和/或气动的制动器，尤其是弹簧制动器，特别是可以是机械的、液压的和/或气动的制动器，尤其是弹簧制动器。在一种实施方式中，制动器为可电操作和/或可磁性操作的制动器，特别是电操作和/或磁性操作的制动器。在一种实施方式中，制动器是常闭制动器或无能源闭合制动器，对这种制动器必须主动地进行通风，因此也被称为安全制动器。

在一种实施方式中，特别是通过将相应于操纵器的轴的驱动器的制动力矩施加在该轴上，特别是提前使操纵器的轴主动进入停车状态。

在另一步骤中，特别是在制动器闭合之后，通过运动调节停止对轴的驱动器的激活。

在一种实施方式中，这种运动调节可以包括位置调节，速度调节，力矩或力调节和/或导纳调节或阻抗调节，特别可以是位置调节，速度调节，力矩或力调节和/或导纳调节或阻抗调节。为了使说明更加紧凑，下面根据力的概念将转矩，即反平行力偶也概括地称为力。这种运动调节可以一个或多个等 级的方式级联，特别是具有例如包括位置调节的外部级联和例如包括电流调节的内部级联。

在另一个步骤中，特别是还通过运动调节来监控闭合的制动器的功能。该步骤特别是可以在时间上与根据本发明的方法的其他步骤并行地进行，特别是可以连续不断地进行和/或在操纵器行动期间、尤其是向其控制器供应能源期间进行。这种监控可以通过不同的方式进行，在此，在描述中将对若干情况做详细的讨论。

当监控检测到制动器的错误状态，则已停止的对驱动器的激活将被再次启动。由此又可以(特别是还或仅)通过驱动器而不再仅通过或还通过制动器来实现对轴的止动。

在一种实施方式中，通过这种方式可以降低通过相应地调节轴的驱动器的力来主动地使轴止动时的不利影响，尤其是降低相应的能源损耗和/或所引起的噪音。附加地或替代的，由于通过运动调节来重新启动对轴的激活而使制动器自发地出现故障也可以通过安全技术来克服，在此，在一种优选的扩展方案中，特别是可以迅速地与即使在制动器闭合时也在进行或执行的其他运动调节相结合并由此造成或确保对轴的设定。相应地，特别是可以将通过运动调节激活轴的驱动器理解为通过运动调节向驱动器传送指示和/或能源，或者通过驱动器遵循或实现这些指示；相应地，特别是将通过运动调节停止对轴的驱动器的激活理解为中断这种对指示和/或能源的传递或遵守。换句话说，在一种实施方式中，如果运动调节在制动器闭合时继续工作，则特别是可以向运动调节提供能源和/或传感器信号，在此，可以只通过这种进一步的运动调节停止对驱动器的激活，特别是中断通过运动调节向驱动器传送指示和/或能源。这可以通过汽车离合器(Kraftfahrzeugkupplung)的例子来说明：通过分离通过(仍在工作的)发动机停止对驱动轮的激活，并通过闭合离合器而重新启动。

本发明意义下的驱动器特别可以包括一个或多个电动机。电动机特别是可以用于将电能转化为机械能。电动机优选利用直流电和/或交流电运行，在此，交流电特别是可以具有特定的频率和/或特定的振幅。优选将电动机设计为无刷直流电机，异步电机或同步电机。电机特别是可以具有电子整流器。 优选电机具有逆变器和/或放大器、特别是脉冲宽度调制(“PWM”)-放大器。

本发明意义下的制动器优选用于施加停车力矩或部分停车力，以使操纵器轴制动或止动。如前所述，本发明中特别是将(转动)力矩也称为力。本发明中的止动特别是应当被理解为使轴保持不动。

本发明意义下的激活特别是可以包括一个操纵器轴的一个或多个驱动器。附加地或替代地，激活可以包括一个或多个调节回路，在一种实施方式中，这些调节回路被分等级地级联，并行操作和/或根据状态被启动。在此，状态可以是根据本发明的方法的状态，操纵器的状态和/或操纵器的周围环境、特别是装置和/或流程的状态。

对制动器的错误状态的检测的响应可以通过各种措施进行。根据本发明，对相关操纵器轴的驱动器的激活的(重新)启动可以通过运动调节来实现。由此可以通过驱动器实现对操纵器轴的主动止动。

本发明意义下的监控特别是指尤其是对制动器的有针对性的观察和特别是关于制动器性能的信息收集。监控特别是可以包括对制动器和/或驱动器的状态的检测和分析以及对轴和/或操纵器的激活，特别是可以是对制动器和/或驱动器的状态的检测和分析以及对轴和/或操纵器的激活。监控特别用于提高人和机器的安全性。优选监控用于提高人和操纵器组的装置的安全性。附加地或替代地，监控还可以用于提高与操纵器组协作和/或位于操纵器组的危险区域中的人员和装置的安全性。监控优选包括实际值与额定值的比较。监控可以涉及到待遵守的边界值，特别是与位置相关的边界值(例如工作空间，操纵器的偏转，速度，加速度，冲击(Ruck)等)，和/或关于力和/或力矩的边界值以及这些值的组合。附加地或替代地，可以监控模型、特别是估计模型的参数，在此，优选基于检测到的信息对模型进行估计。在一种实施方式中，监控是连续、离散、定期和/或无规律地间隔进行，尤其是通过事件控制地进行。优选在记录到对错误行为的监控时使操纵器、特别是操纵器的一个或多个操纵器轴转移到安全状态中。安全状态可以通过紧急停车来实现，和/或通过使特别是操纵器的特定的轴软连接来实现。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在机械制动器闭合期间向驱动 器提供能源。这种能源供应特别可以稳定地进行，因此即使在停止对驱动器的激活之后，也可以主动地保留对驱动器的能源供应。这特别是可以在向驱动器供应能源的功率电子器件未与外部能源供应断开或者即使在制动器闭合的情况下也与外部能源供应保持连接并提供能源的情况下实现。

在一种实施方式中，本发明意义下的能源供应向操纵器的一个或多个、特别是全部的驱动器提供电能。这种能源供应可以由特别是公共的能源网络和/或独立的能源网络供给。附加地或替代地，能源供应可以由至少一个电池组和/或可选的储能器供给。优选使操纵器的多个驱动器、特别是所有驱动器连接到同一能源供应。优选这种能源供应包括用于向一个或多个驱动器供应能源的中间回路。特别是也可以通过中间回路向操纵器的一个或多个制动器供应能源。优选该能源供应与控制器相连接。为此，在一种实施方式中，将这种能源供应设计为用于减少和/或增加向一个或多个驱动器，特别是向一个或多个电机和/或这些驱动器的一个或多个制动器供应能源。优选通过这种能源供应为一个或多个驱动器和/或制动器的运行提供足够的能源。此外有利的是，还可以通过同一能源供应为所有其他的外围设备，例如夹持器，控制器，安全控制装置等提供能源。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，特别是为了检测制动器的故障，对基于轴的位置和/或轴的位置的时间导数的参量进行监控。本发明意义下的这种参量特别是可以涉及与装置和/或过程相关的信息。优选这样的参量涉及到与制动器和/或制动器的性能相关的信息。例如可以监控在轴止动之后按照规定所采取的轴位置。在该位置发生变化，同时轴的制动器闭合并应该停车的情况下，可以得出制动器发生故障的结论。根据本发明，这种故障将导致对驱动器的激活被再次启动，以减少、特别是防止进一步的位置变化(在最坏情况下整个轴会下沉)和/或使轴再次转入安全状态。除了位置，附加地或替代地，还可以监控基于位置的参量，特别是轴的速度和/或轴的加速度。替代地或附加地，为了监控轴，还可以监控整个轴的运动，例如它的笛卡尔运动或其在工作空间中的运动，并由此有利地判断：制动器是正常工作还是具有故障状态。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，特别是为了检测制动器的故 障，对基于轴的驱动器的电流和/或电压的参量进行监控。例如，可以针对驱动器监控由于驱动器的运动，即轴的运动而在驱动器中感应出的电流。相应地，在检测这种感应电流的过程中可以推导出操纵器的驱动器的或轴的运动，并由此推出制动器的错误状态，由此又可以启动对驱动器的激活。同样，也可以基于驱动器的电压来定义这种参量。附加地和/或替代地，本发明意义下的参量可以是基于电流和电压的函数。特别是可以将这样的参量定义为这样的函数：其包括与制动器的性能相关的其他参量，例如基于位置的参量。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，特别是为了检测制动器的故障，对基于轴的驱动器的力的参量进行监控。如上所述，这样的力也可以代表力矩。力可以通过对应的力传感器来检测，力传感器位于轴上或设置在操纵器上，以便它能够相应地检测轴的机械作用。例如，在轴止动之后可以测量轴在停车状态下施加在传感器上的力。在制动器发生故障，从而导致轴或操纵器运动的情况下，在操纵器停车状态下所检测到的力将发生变化。相应地可以根据这种力变化来推断制动器的故障，并相应地启动对驱动器的激活，以再次使操纵器转入安全状态。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在制动器闭合期间对其进行分析。这种分析特别是可以在一个或多个传感器的帮助下进行，这些传感器用于检测与制动器的功能性相关的信息。例如，压力传感器可以检测关于制动器的压紧力的信息。附加地或替代地，也可以通过传感器检测与制动器相关的其他参量，特别是电参量，以便能够由此分析制动器的性能。附加地或替代地，可以通过计数器来确定发生制动的次数，并关于该信息对制动器进行分析。附加地或替代地，可以通过定时开关来检测启动制动的持续时间和，并据此确定不同的参量，例如启动制动器的总持续时间和/或启动制动器的平均持续时间。附加地或替代地，可以通过定时开关确定制动器的发生时间(Einfallszeit)，以便能够由此获得用于分析制动器的信息。优选可以在轴的特定位置上检测保持力和/或用于使轴止动的制动器的制动力，并由此对制动器进行分析。在一种实施方式中，可以将这种轴的特定位置定义在最大重力负载的位置上。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在制动器闭合期间通过驱动器 产生力。由此可以测试制动器的性能并根据其工作能力对它们进行分析。这样的主动制动测试特别是可以通过连续地增加力来实现。这种连续的增加特别是可以线性地或者递减地进行，以使制动器上的力的增加连续地减小。附加地或替代地，可以逐级地增加力，在此，按照阶段实现预设的力增加。优选将力增加至预设的最大力。附加地或替代地，通过驱动器使力增加，直至操纵器执行起步运动(Losbrechbewegung)。通过在制动器闭合期间的这种起步运动，可以指出：什么力可以使制动器最大程度地保持在其当前状态下。在此可以将附加地作用在制动器上的重力力矩包含在内，以便能够最大程度地实现对制动器的当前可能的最大力的精确估计。

在一种实施方式中，将所检测或确定的代表制动器的制动性能的力传送给操纵器的控制器和/或操纵器(控制装置的)外部装置上。由此可以现场在操纵器的控制器中和/或在与操纵器相连接的中央数据处理系统中进行对制动器的分析。由此可以有利地关于制动器维护、特别是制动器更换通过控制器发出信号或显示。

在一种实施方式中，当检测到制动器的故障状态时，在操纵器的控制器和/或操纵器(控制装置的)外部装置上发出信号。由此，特别是可以在检测到制动器的故障状态时开启更高级别的安全系统，该安全系统用于相应地控制操纵器和操纵器可以在其中运动的操纵器单元并触发适当的安全功能(Sicherheitsfunktionen，保护功能。这样的安全功能例如可以是涉及操纵器的停车或者输送装置的停止，该输送装置通过操纵器向操纵器单元输送待处理对象。

在一种实施方式中，通过其他的监控来附加地观察制动器，其在检测到其他的故障状态时将触发安全功能。通过这样的另外的监控，特别是可以检测不能利用第一监控观察到的故障状态。这种监控特别是可以涉及对制动器的温度监控，在此，例如可以从超过特定的最大温度来推断有故障的制动器。附加地或替代地，这种其他的监控可以是对用于监控根据本发明的第一监控的性能的安全控制装置的监控。这种另外的监控特别是可以涉及一个或多个也通过第一监控来监控的变量。在这种情况下，可以将这种另外监控的一个或多个监控边界尺寸设计为，当可以推断出第一监控发生故障时，首先响应 第一监控，然后才响应该另外的监控。如果第一监控和另外的监控例如都涉及在操纵器轴的停车状态下的位置变化，则可以将这种为了使第一监控关于故障状态发出信号所必需的位置变化设计为：大于为了使第一监控能够推断出制动器的故障状态所定义的位置变化。由此可以确保：所述另外的监控只有在能够推断出第一监控发生故障的情况下才会介入。

由此提高了操纵器的总体安全性，另一方面也使得在操纵器的正常运行过程中的干扰最小化，因为在响应(第一)监控的过程中，首先是通过运动调节来(重新)启动对轴的激活，而用于触发STOP 0或STOP 1的另外的监控、特别是安全监控只有在下述情况下才会被启动：由发生故障的制动器通过运动调节或驱动器所进行的对轴的止动不能正常工作。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在检测到制动器的错误状态时使制动器张开。这样的张开特别是可以在通过第一监控检测到故障状态和/或通过另外的监控检测到故障状态时发生。通过使发生故障的制动器张开，使该制动器的残余力矩不会作为干扰量影响对驱动器激活的再启动调节，该再激活调节例如应该实现对轴的止动。

附图说明

本发明的其他的优点和特征由实施例和附图给出。为此部分以示意图示出：

图1示出了根据本发明的一种实施方式的操纵器的轴的速度和功率要求的时间过程；和

图2示出了根据本发明的另一种实施方式的操纵器的轴的速度和功率要求的时间过程；和

图3示出了根据本发明的一种实施方式的流程图。

其中，附图标记说明如下：

t 时间

t1-t8 绝对时间点

轴3的位置

操纵器的轴3的速度

P 轴3的功率消耗

S 有效监控。

具体实施方式

图1示出了通过工业机器人实现的操纵器轴的部分轨迹，其中示出了关于时间t的速度和与操纵器的不同状态相关的、关于时间t的功率变化P。在此，时间轴不必是线性标度的，而是可以描述所示出的时间点的定性的时间安排的一般情况。

在图1中以虚线运动双箭头示出的机器人的轴3在其控制器的运动调节下以正的恒定速度行进至时间点t1。在到达时间点t1时，该运动调节发出停止指令，并使轴3的速度线性减小到从时间点t2开始，机器人的轴3处于停车状态中。在轴停止后(见图3：步骤S10)闭合轴的制动器(S20)。该制动器为安全制动器或常闭制动器，其在能源供应失效时作出响应。由此使得轴3的功率消耗在到达时间点t2后不久的时间点减少了张开制动器所需的功率。

在闭合制动器之后，在时间点t3通过运动调节停止对驱动器的激活(S30)。此外，该运动调节将继续进行，但是在此不再向驱动器传递指示或能量。由此使得轴3的驱动器断电。

在到达时间点t4时(此时轴3仍处于停车状态中)，在全部时间内都有效的对制动器的监控在加速度监控的基础上检测故障状态(S40)，该加速度监控已经检测到轴3的加速度。相应地，在发出关于制动器的故障状态的信号之后，立即通过运动调节重新启动对机器人驱动器的激活(S60)。该运动调节现在从时间点t5开始再次向驱动器传输指示或能源。功率消耗的上升也相应地增加了电机功率。

在时间点t6有故障的制动器也张开(S70)。由此可以确保仍然由制动器施加的制动力不再能够影响用于激活机器人轴的位置调节。

图2同样示出了工业机器人的操纵器轴3的部分轨迹，其同样示出了关于时间t的速度和与机器人和监控的各种状态相关的机器人轴的功率变化P。在此，时间轴如同图1中一样不必是线性标度的，而是描述了所示出时间点 的定性时间安排的一般情况。

在如图2所示的实施例中，首先发出使轴3停止的指令(S10)，并闭合轴3的机械制动器(S20)。然后停止对轴3的驱动器的激活(S30)，并启动对机械制动器的监控(S40)。根据对机器人轨迹的规划可以确定：在这种情况下，轴3的停车时间对于进行制动测试是足够长的(S50)。由此，从时间点t4开始，利用轴的驱动器在机械制动器闭合期间逐级地在轴上施加力。力的增加可以连续地进行，并一步步地达到预设的最大力矩，该最大力矩指示制动器的安全功能。在达到最大力矩之后结束制动测试，并将驱动器在轴上产生的力再次降低至0。根据运动规划预期在到达时间点t6之后放开行进(Fahrfreigabe)，对驱动器的激活通过运动调节被再次启动。由此实现了功率的增加。此外，在时间点t7时使制动器通电，由此使得制动器张开，轴3可以相应于规划的运动继续行进。由于在这种情况下没有检测到制动器的故障状态，因此没有事先下达通过运动调节启动对驱动器的激活的命令。

图3示出了根据本发明的一种实施方式的流程图。在此，首先使操纵器轴停止(步骤S10)。然后闭合机械制动器(步骤S20)，并通过运动调节停止对操纵器轴的驱动器的激活(步骤S30)。在停止对驱动器的激活的同时启动对制动器的监控(步骤S40)。如果通过该监控检测到制动器发生故障(步骤S50)，则通过运动调节再次启动对操纵器轴的驱动器的激活(步骤S60)，以使操纵器轴运动至安全位置中或保持在其位置上。同时张开制动器(步骤S70)，由此使得运动调节不受制动力的干扰。

Claims (20)

1.一种用于使操纵器的至少一个轴止动的方法，具有以下步骤：

闭合所述轴的机械制动器(S20)；

通过运动调节停止对所述轴的驱动器的激活(S30)；

对所述机械制动器进行监控(S40)；

当一监控检测到所述机械制动器的一故障状态时，通过所述运动调节启动对所述驱动器的激活(S60)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机械制动器闭合期间，向所述驱动器供应能源。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述机械制动器闭合期间，向所述驱动器连续地供应能源。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了监控所述机械制动器，对基于所述轴的位置和/或所述轴的位置的时间导数的参量进行监控。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了监控所述机械制动器，对基于所述轴的驱动器的电流和/或电压的参量进行监控。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了监控所述机械制动器，对基于所述轴的驱动器的力的参量进行监控。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述机械制动器闭合期间对该机械制动器进行分析。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动器在所述机械制动器闭合期间产生力(S50)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述力连续地或者逐级地增加和/或增加至预设的力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述力线性地或递减地增加。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述力被增加，直至使所述操纵器执行起步运动，和/或达到预设的最小力。

12.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，对所述力进行检测。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述力与控制器和/或操 纵器外部的装置进行通讯。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当检测到所述机械制动器的故障状态时，向所述操纵器的控制器和/或所述操纵器外部的装置发送信号。

15.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述机械制动器进行其他监控，其中，当所述其他监控检测到其他的故障状态时触发安全功能。

16.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当检测到所述机械制动器的故障状态时使所述机械制动器张开(S70)。

17.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述操纵器是机器人。

18.一种用于操纵器的控制器，用于控制过程运动，其被设计用于执行如前面任一项权利要求所述的方法。

19.如权利要求18所述的控制器，其特征在于，所述操纵器是机器人。

20.如权利要求18所述的控制器，其特征在于，所述控制器是安全控制器。