CN105583822A - 用于关节臂机器人的、基于事件的冗余角度配置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制机器人的一种方法和一种系统，该机器人具有至少一个冗余的自由度。通过根据本发明的方法，可以防止机器人由于其冗余而与周围环境发生碰撞和/或陷于不利的位置，而工具中心点没有不利的行进。

Description

用于关节臂机器人的、基于事件的冗余角度配置

技术领域

本发明一般地涉及一种用于控制操纵器、特别是手动引导的多轴关节臂机器人的方法，该关节臂机器人具有至少一个冗余的自由度。

背景技术

操纵器，例如特别是工业机器人，用于例如工业环境中的安装或生产的各种工作过程中。工业机器人是被自动控制的、可自由编程的操纵器，其可以关于三个或更多个轴进行编程。因此，工业机器人能够可运动地使用或在固定的地点使用。

关节臂机器人或曲臂机器人是可三维运动的工业机器人，其由多个转动关节构成。转动关节通常与臂节肢相连接，并且各个转动关节由于关节轴而有着出色的表现。关节臂机器人往往配置有六个关节，以便尽可能地通过一个关节轴构成可能六个笛卡尔自由度中的每个自由度。当机器人具有六个或更少的自由度时，各个臂节肢的位置和方向一般通过工具中心点(英语：toolcenterpoint，TCP)的位置来明确地限定。

但是，当操纵器具有多于六个的自由度或多于六个的关节轴时，第七个和每个更多的轴均意味着超定义性因此，针对静止不动的TCP可能存在各种关于关节和臂肢的配置。也就是说，操纵器具有额外的自由度，这些自由度被看作是冗余的。冗余操纵器通常比笛卡尔自由度具有更多的关节轴。因此，具有冗余的第七轴的操纵器的优势在于具有更大的灵活性因为对于固定的TCP(即，空间中的TCP的位置和方向保持不变)来说，操纵器可以处于更多的姿态中。这种更大的灵活性或者灵活的技巧可以例如用于避免碰撞。

然而，冗余操纵器在此还可能会处于意外的姿态中。因此可以很容易地设想：在具有7个关节的关节臂机器人中，冗余的关节(通常是中间的或肘关节)可以执行冗余的运动。因此，例如由于关节臂机器人的肘关节中的冗余，该关节可能会意外地下落或行进，并妨碍执行后续的运动。这特别是可能发生在关节臂机器人在力补偿模式下被手动引导的情况下，在该模式下例如重力对操纵器的节肢的作用得到补偿。在此，例如肘关节可能会漂移进入不利的区域中并与周围的环境或操作人员发生碰撞。此外，关节臂机器人可能会在手动引导时处于不当的姿态中，从而只有通过再次对肘角度进行手工定向才能使机器人继续运动。因此，在这种情况下不利的是，操作人员必须使用两只手来控制机器人。

在专利文献WO2014/043702A1中描述了一种用于限制具有冗余自由度的机器人的运动的系统和方法。当机器人在力补偿模式下被手动引导时，为了防止机器人的姿态发生不受控制的变化，建议通过将受限的力或转矩内部地施加在关节上来限制机器人的冗余自由度，以便强制机器人实现有利的配置。由此能够基本限制机器人的运动性。

另外根据现有技术已知：可以通过例如固定或卡住肘关节使冗余机器人退化为6轴运动机构。此外公知地可以根据用于冗余机器人的固定TCP(相应于零空间运动)，对肘关节进行再定向。但是，特别是当机器人在力补偿模式下被手动引导期间，不存在能够优化地控制肘关节行为的方法。

专利文献DE102011106321A1提出了一种用于控制人机协作机器人的方法。其中提出：为了消除特定于机器人或目标的冗余，将机器人的与位姿相关的惯性参量降至最小程度。

专利文献DE3606685C2提出一种手动引导工业机器人的装置，用于对机器人手的运动进程进行编程。在此，该装置包括并行的测距仪，该测距仪被设置为，平行于笛卡尔坐标系的一轴线以及垂直于该坐标系的一主平面。

在专利文献DE102011003506A1中描述了一种工业机器人，其具有机器人臂和控制装置。该控制装置在此被设计为，针对机器人臂至少在局部运行模式下的运动，利用调节装置力调节地控制机器人臂的电驱动器。

专利文献DE696222582T2涉及一种用于与机器人的工作点相关的教导数据的教导装置。在此公开了一种装置，该装置包括力探测器和教导工具。后者由工作工具或手柄构成，其固定在力探测器上并由操作人员使用，以引导机器人。

发明内容

鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提出一种方法和一种系统，其能够在手动引导模式下对操纵器的肘关节的行为进行优化。在此，特别是应当防止肘关节例如自由地运动或行进，或者经过特定的位置或以特定的角度运动或行进。本发明的另一目的在于防止冗余操纵器的姿态漂移到意外的位置上。本发明的目的通过一种方法和一种操纵器系统来实现。

根据本发明的方法涉及到对受到手动引导的多轴操纵器(例如关节臂机器人)的控制，该操纵器的轴配置有用于检测作用在轴上的转矩的力矩传感器。在此，基于操纵器的轴布局，操纵器具有至少一个冗余的自由度。操纵器可以借助柔性调节在其至少一个自由度中运行，该柔性调节使得能够实现力和/或力矩调节的运行。在此，这种柔性调节特别是可以通过阻抗调节、导纳调节、位置调节或转矩调节来实现。被手动引导的操纵器通常直接被关于末端执行器、即工具中心点来引导，并且操作人员在此仅专注于末端执行器的运动。

本发明能够使操纵器在操作性不受到限制的情况下在限定的区域内自由地运动。在此，根据本发明的方法为多轴操纵器的至少一个关节定义一区域，该关节在该区域中可以对应于操纵器的整体运动而自由地运动。换而言之，当操纵器根据手动引导的运动而改变其姿态时，关节可以在为该关节定义的区域中运动，而不会对该运动产生影响。优选将该区域定义为，能够避免各个关节与周围环境和/或操作人员发生碰撞。替代地或附加地，还可以将该区域限定为，能够避免各个关节运动到不利的位置上。

在下一步骤中，确定关节是否已经到达为该关节定义的区域的边界。也就是确定：是否通过手动引导的运动使关节到达为该关节定义的区域的边界。

在下一步骤中，如果确定关节到达为该关节定义的区域的边界，则调整操纵器的运动。在此将该运动调整为，抵消使关节穿过边界的运动，而操纵器的工具中心点不会由于这种抵消而行进。特别是在关节到达其可自由运动的区域的边界时将操纵器的运动调整为，使得该关节不能自由地运动穿过该区域的边界。在此，该运动在利用冗余自由度的情况下被调整为，能够有利地使操纵器的工具中心点不行进(即，不会实质性地干扰工作过程)，也就是说不会移动、扭转或翻转。即，TCP在空间中的位置和方向基本保持不变。

当关节离开为该关节定义的相应区域时，通过相应地调整操纵器的运动来防止，关节离开为该关节定义的区域并由此使操纵器处于不利的姿态。在此，本发明特别是涉及到具有多个轴的操纵器，其中，优选所有的轴，至少是运行所需的轴可以被力调节或力矩调节地运行。优选只有当关节到达为该关节定义的区域边界时，才通过根据本发明的方法来调整操纵器的运动，从而即使在其他情况下也能够充分利用冗余机器人的柔性。

通过这种方法可以有利地实现：只有当关节(例如肘关节)到达所定义区域的边界时，操纵器的运动才会被限制。由此使得能够利用操纵器的所有自由度和由此产生的高柔性。因此可以防止操作人员必须使用两只手来阻止操纵器处于不利的姿态。

在基于确定(探测到)关节已到达为该关节所定义区域的边界的响应中，对操纵器的运动的调整通常还包括改变操纵器关节的刚性和/或引入力。本领域技术人员在此应当理解的是，通过改变刚性将会改变关节的阻尼。这种对刚性的调整通过对相应电机的相应控制来实现，以改变运动的阻力。替代地，还可以提高关节的零空间刚性(Nullraumsteifigkeit)。通过引入力来抵消关节的运动，以使关节不会从容许区域滑到或落入禁止区域。在此，优选使对运动的调整刚好涉及到已到达为其所定义的区域的边界的关节。在此还优选对运动的调整不涉及其他的关节。

优选操纵器具有至少六个轴A1-A6，更优选具有至少七个轴A1-A7。在此，通过对运动的调整来改变轴A3和/或A4的冗余关节的刚性，在此，轴A3和/或A4的关节优选定义了操纵器的肘关节。

优选对运动的调整通常包括到达为其所定义区域的边界的关节和毗邻的臂的位置变化。因此，主动地对相应关节的实际位置下达指令并由此防止关节与周围环境可能发生的碰撞。替代地或附加地，除了上述响应可能性之外，这种位置变化还可以针对已到达边界的关节来进行。

优选地，确定(检测)操纵器的关节是否位于为该关节定义的工作区域之外还包括确定上升沿和/或下降沿。在信号中，信号沿是信号状态高(H)与低(L)之间的过渡，并被称为上升沿和下降沿。此外，优选在操纵器在力补偿模式下被手动引导期间执行这种确定。

如果离开了为单个关节定义的区域时，通过根据本发明的方法来校正冗余操纵器的姿态或调整单个关节的运动。在此，在采用冗余的自由度的情况下这样进行处理：使操纵器的工具中心点不会因为该调整而行进或运动，在任何情况下均不干扰工作过程。由此使得操作人员能够在不监视操纵器的姿态的情况下不受干扰地继续工作，并且不会由于所述运动调整而必须中断其工作。

根据本发明的操纵器系统包括受到手动引导的多轴操纵器、特别是关节臂机器人，其轴配有用于检测作用在轴上的转矩的力矩传感器，在此，操纵器具有至少一个冗余的自由度和工具中心点，该操纵器系统配有控制装置，为了能够执行以上所述的方法步骤，该控制装置被设计用于执行根据本发明的方法。

附图说明

下面参照附图对本发明做详细说明。其中：

图1示出了具有力调节轴I-VII的多肢关节臂机器人；

图2示出了处于另一姿态下的如图1所示的机器人；

图3示意性和示例性地示出了根据本发明方法的流程的流程图。

其中，附图标记说明如下

100机器人

110机器人足

111，112，113，114，115，116中间节肢

117手部法兰

121，122，123，124，125，126，127关节

I，II，III，IV，V，VI，VII轴

具体实施方式

图1示出了处于伸展姿势中的多节肢操纵器，即关节臂机器人100，并表明了节肢或臂111、112、113、114、115、116和被驱动的且可控或可调节的轴I-VII的构造。该示例性示出的机器人100是KUKALBRIII型轻型结构机器人，其通过足110被静止地放置。在机器人100的手部法兰117上可以安装末端执行器。本领域技术人员应该理解，利用末端执行器同样可以给出工具中心点。所示处的机器人100的各个元件110、111、112、113、114、115、116、117通过关节121、122、123、124、125、126、127彼此连接，在此，这些关节可以相互独立地运动。所示出的机器人100具有七个转动轴I-VII。因此，与已充分确定的6DOF系统相比，这些轴中的其中一个被视为冗余的。当轴I-III构成所示出的机器人100的肩关节，并且轴V-VII构成相应的手关节时，可以将轴IV和相应的关节124视为机器人100的冗余关节或肘关节，

图2示出了处于另一姿态中的机器人100。与图1所示的姿态相反，肘关节现在明显被弯折并且描绘了机器人100的最高点。当操作人员直接在手部法兰117上引导机器人100时，机器人100可以根据该手动引导的运动做出反应并跟随该引导。但是在此由于存在冗余的轴，可能会使肘关节124向下滑落并可能因此与操作人员发生碰撞。在此，肘关节的这种与前置连接关节和后置连接关节相关的冗余运动可以通过所谓的肘角度的变化来描述。通过根据本发明的方法，可以避免肘角度的发生不利的变化。本领域技术人员应该理解的是，特别是当关节臂机器人具有多于七个轴时，也可以基于其他的角度或关节来运用根据本发明的方法。

图3示出了执行根据本发明方法的流程图300。在此将示例性地参考操纵器的肘关节，借助于该方法来控制肘关节，以便抵制关节离开所定义的区域，而工具中心点却不会因为相应的响应而运动。该方法开始于步骤301，在该步骤中为肘关节定义了区域(或工作区域或工作空间)。在步骤302中，操纵器具有这样的姿态：在该姿态中，操纵器的肘关节位于为该关节定义的区域中。在步骤303中可以设定条件，如何才能不超过肘关节到工作空间边界的空间距离。

在步骤304中，操纵器的肘关节接近所定义区域的边界。这种接近在此是因应于受到手动引导的操纵器的运动而发生的。在判断305中，检查肘关节是否到达为该关节定义的区域的边界。替代地，可以在判断305中检查在步骤303中设定的条件是否得到满足。

如果检查305的结果为是，则在步骤306中提供具有系统信息的时钟同步信息(taktsynchroneNachricht)。此外，该系统信息还可以包括操纵器和肘关节的当前位置或当前肘角度以及单个关节中的力和/或力矩。

在时间点307，操纵器的肘关节位于所定义的工作区域的边界。在步骤308中将执行响应策略。根据判断步骤309，该响应策略可以包括一个或多个响应，并与所提供的系统信息有关。因此，在步骤310中可以提高肘关节的刚性。换而言之，肘角度将被切换为坚韧的，以防止肘角度进一步下降。在此，可以在转矩调节中提高肘关节的刚性。在步骤311中，可以在肘关节上实现与方向相关的力引入。在此，力脉冲(Kraftimpulses)的引入被时钟同步地进行，以使肘关节回到容许区域中。替代地，可以在步骤312中重新对肘关节自身的笛卡尔位置下达指令，以便到达期望位置。这种变型对于需要通过对肘进行监视来避免操纵器与其周围环境发生碰撞的情况是特别有利的。

在判断313中，确定操纵器的关节是否位于定义的区域中。在时间点314，操纵器的肘关节再次位于为该关节定义的区域中。

本领域技术人员应当明白的是，所述三个响应策略310、311和312仅仅是示出了示例性响应，并且可以选择其他可能的响应策略。在此，编程人员或操作人员可以自己决定采用哪一种响应策略以及是否应该将多个策略彼此组合。

优选操作人员可以通过按压位于媒体凸缘(Medienflansch)或工具上的相应按钮来引发操纵器的响应。因此，对操纵器的运动的调整可以手动地触发，然后该调整自己将自动地进行。例如，操作人员可以手动地触发对操纵器运动的调整，操纵器相应地对此自动做出响应，从而抵消关节穿过为该关节定义的区域的边界的运动，并且操纵器的工具中心点不会因为这种抵消而行进。

本领域技术人员应该明白，所述实施方式可以具有各种不同的变型，因为特别是相应的操纵器在其节肢以及被驱动的轴的数量和构造上是可以变化的。在此，操纵器可以具有任意数量的旋转轴和/或平移轴以及进行任意的组合，以使操纵器具有至少一个冗余的自由度。

Claims (10)

1.一种用于控制受到手动引导的多轴操纵器、特别是关节臂机器人(100)的方法，所述关节臂机器人的轴配有用于检测作用在所述轴上的转矩的力矩传感器，

其中，所述操纵器(100)具有至少一个冗余自由度，其中，所述操纵器(100)具有工具中心点，

所述方法具有以下方法步骤：

为所述操纵器(100)的至少一个关节(121，122，123，124，125，126，127)定义一区域，在该区域中，所述操纵器(100)的关节(121，122，123，124，125，126，127)能够相应于所述操纵器(100)的整体运动而自由地运动；

手动地引导所述操纵器(100)的工具中心点；

确定：所述关节(121，122，123，124，125，126，127)是否到达为所述关节(121，122，123，124，125，126，127)定义的区域的边界；

在关于确定所述关节(121，122，123，124，125，126，127)已到达为所述关节(121，122，123，124，125，126，127)定义的区域的边界的响应中，对所述操纵器(100)的运动进行调整，以便抵消所述关节(121，122，123，124，125，126，127)穿过所述边界的运动，而所述机器人(100)的工具中心点没有由于所述抵消而行进。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对运动的调整包括改变所述操纵器(100)的关节(121，122，123，124，125，126，127)的刚性和/或引入力。

3.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述对运动的调整涉及已到达为所述关节(121，122，123，124，125，126，127)定义的区域的边界的所述关节(121，122，123，124，125，126，127)。

4.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述对运动的调整不涉及其他的关节(121，122，123，124，125，126，127)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述操纵器(100)具有至少六个轴A1-A6，并且所述对运动的调整是改变所述操纵器(100)的轴A3或A4的关节(121，122，123，124，125，126，127)的刚性，其中，所述轴A3或A4的关节(121，122，123，124，125，126，127)优选定义所述操纵器(100)的肘关节。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述对运动的调整包括已到达为所述关节(121，122，123，124，125，126，127)定义的区域的边界的所述关节(121，122，123，124，125，126，127)的转向运动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述操纵器(100)的关节(121，122，123，124，125，126，127)是否位于为所述关节(121，122，123，124，125，126，127)定义的工作区域之外的确定包括对上升沿和/或下降沿的确定。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述操纵器(100)在力补偿模式下被手动引导期间，执行所述确定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述操纵器(100)的运动的调整能被手动地触发，然后所述调整将自动地进行。

10.一种操纵器系统，包括受到手动引导的多轴操纵器(100)、特别是关节臂机器人，所述关节臂机器人的轴配有用于检测作用在所述轴上的转矩的转矩传感器，其中，所述操纵器(100)具有至少一个冗余自由度，其中，所述操纵器(100)具有工具中心点，并且其中，所述系统配备有控制装置，所述控制装置被设计用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。