CN105583826A - 工业机器人和用于控制工业机器人的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工业机器人和用于控制工业机器人的方法。工业机器人包括：具有多个自由度的机械手；机械手的控制单元；第一检测系统，用于检测外来主体的可能的存在；第二检测系统，包括安装在机械手上的惯性传感器；第三检测系统，包括用于测量机械手的电动机施加的扭矩的装置。控制单元预先布置成使得在机器人处于自动操作模式时，第一检测系统在机械手的预定义工作区域内检测到外来主体的存在，就确定选择机器人的安全自动操作模式，在安全自动操作模式的过程中，电动机的速度降低，且第二和第三检测系统操作以检测机械手对外来主体的任何可能的冲击。在检测到冲击时，控制单元停止机械手的移动，和/或在中止其移动前管理其移动的反转。

Description

工业机器人和用于控制工业机器人的方法

技术领域

本发明涉及工业机器人，其包括机械手和机械手的控制单元。本发明是具体针对人类操作者与这样的工业机器人之间的协同操作的问题而研发的。

背景技术

工业机器人一般能在手动模式和至少一种自动模式下操作，通常在机械手的控制单元上可以选择模式。要给机器人设计程序，需要选择手动操作模式，在这种模式下，可以经由操作者手动施加的命令来操控机械手；在自动操作模式下，改为完全由机械手的控制单元来管理机械手的移动。

给机器人设计多种自由度这个活动，基本上在于教导机器人一条路径，这条路径是它的机械手的一个点在正常工作步骤过程中为了执行某项操作必须自动重复的路径。这个点通常由所谓的“工具中心点（ToolCenterPoint，TCP）”构成，其识别机械手的末端执行器的活动部分的位置，这里，末端执行器是表示机械加工工具，或者由抓取设备和对应的移动的零件所构成的一个整体。程序设计时间大部分是用于手动地管理机器人，以便识别TCP的移动路径的最佳点，并且存储最佳点的对应坐标。为此目的，可以使用一种便携式程序设计终端，也称为“教导盒（teachpendant）”，或者一种手动导引设备，直接安装在机械手的可移动结构上。还已知用离线模式对工业机器人进行程序设计（离线程序设计（Off-Lineprogramming），OLP），为此目的使用CAD类型的合适程序，其模拟机械手的工作单元，并且能实现机械加工必要的移动的设置。与前面的情况不同的是，这种类型的程序设计基本上是用遥控方式执行的，即，不是在机械手的紧邻区域执行。

为了手动地管理机械手的姿势变化，操作者使用教导盒的具体按钮，称为柄式按钮或柄式按键（jogbutton或jogkey），其管理机器人的一个或更多个轴的移动。通过对教导盒的柄式按钮执行操作，可以使TCP在操作者从多个可能的参考系中选出的一个参考系内在具体正负方向上移动。例如，在具有六种自由度的拟人机器人中，典型地至少提供“接点”、“底座”和“工具”这些参考系，其中，接点这个系统是指机器人的接点（这个系统中的向量表示接点中的每一个的角位置），而底座和工具这些系统是笛卡尔参考系，底座系统是指机器人的底座，而工具系统是指机器人的端部凸缘上设置的末端执行器。

较之于教导盒，手动导引设备能使机器人的程序设计活动更加符合直觉，这是因为，这些手动导引设备基本上由与机械手的可移动结构相关联的某种手柄构成，在程序设计阶段，程序设计人员对这种手柄执行操作，从而让机械手本身执行期望的移动。总的来说，与上述手柄相关联的是力传感器，其使得控制单元能够辨别程序设计人员期望的位移方向（例如参照US6212443A）。作为力传感器的替代或补充，可以设置控制杆设备（例如参照US8412379B）。

在大部分已知的解决方案中，机器人的控制单元能够根据三种不同模式或状态操作，即程序设计模式、自动模式和遥控模式。

在程序设计模式中，如上文所解释，操作者就在机械手附近执行操作，以便通过教导盒或手动导引设备管理机械手的操作，存储程序设计步骤，并且对操作活动进行程序设计。

显然，机器人的程序设计步骤可能给操作者造成的风险会比较大，因为操作者必须紧跟着TCP以便在视觉上检验TCP的定位，在机械手周围持续地移动。因为这个原因，在程序设计模式中，一般会激活对机械手移动速度的限制。在使用教导盒的情况下，操作者自己手上于是有一个紧急停止按钮和一个启动设备，这两个设备都存在于终端上。在实践中，如果在程序设计阶段，操作者没有手动地使启动设备保持活动，则机械手不能执行任何移动。在手动导引设备的情况下，手柄本身构成一种启动设备，因为操作者释放手柄，就会使得机器人的移动中止。然而，优选的是在手动导引设备中也提供紧急停止设备和启动设备。

在自动模式下，机器人执行自己的操作程序（其获得方式如上所述），可能配合其它机器人或自动设备一起操作，通常是在防止人员进入的单元内操作，但是受到操作者的视觉控制。

在遥控模式下，机器人也是在一般防止人员进入的单元中执行自己的操作程序，但是在这种情况下，程序执行的启动是由单元监视装置（诸如PLC）发出的，这个单元监视装置例如既能控制机器人，又能控制单元本身存在的其它自动设备。

同样在自动或遥控模式下经由工业机器人执行的机械加工操作的情况下，可能事实证明，操作者接近机械手的工作区域或者在其范围内移动（例如）以便视觉上控制机械手执行的某些操作的精确性或有效性，这是有用的，或者是必要的。

针对这些情况，已知提供一些合适的系统，其设计成检测机械手的工作区域或其附近是否存在操作者。这些系统可以例如基于使用图像采集和比较设备，或者可以使用激光扫描仪或光障，其设计成检测操作者进入机械手的工作区域的情况。总的来说，检测到之后，监视系统就中止机器人的操作。监视区域也可以分成不同关键程度的区域：在这种情况下，操作者如果移动到相对靠近机械手的区域里但是仍然在机械手移动范围外部，就会接收到视觉或听觉警告；如果操作者进入对应于上述移动范围的第二区域，则机械手停止移动。

这种方法能确保操作者的高度安全性，但是往往会导致生产流程不必要地中断。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种工业机器人和工业机器人的控制系统，其将在人类操作者与自动操作的工业机器人之间实现高度的协同操作，还不会破坏必要的安全要求。

根据本发明，通过具有随附权利要求书中说明的特性的工业机器人和工业机器人控制方法，可以实现下文将清楚呈现的上述和其它目的。权利要求书构成本文中相对于本发明提供的技术教导的整体部分。

附图说明

通过下面的说明，并且通过附图，将清楚地得知本发明的更多目标、特性和优点，说明和附图纯粹是通过阐释性的非限制性示例提供的，附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的工业机器人的部分示意性透视图；

-图2是图1的工业机器人在第一工作条件下的部分示意性透视图；

-图3是图1的工业机器人在第二工作条件下的部分示意性透视图；

-图4是用于表达根据本发明的实施例的用于控制工业机器人的可能的逻辑的简化框图；

-图5、图6和图7是根据本发明的更多实施例的工业机器人的部分示意性透视图；以及

-图8是根据本发明的变体实施例的工业机器人的部分示意性透视图。

具体实施方式

在本说明书的框架下，凡提到“一实施例”或“一个实施例”，是意在表示至少一个实施例中包括关于该实施例说明的具体配置、结构或特性。因此，本说明书的各个部分中出现的，诸如“在一实施例中”或“在一个实施例中”等等之类的短语，不一定全都指同一个实施例。此外，在一个或更多个实施例中，可以用任何合适的方式组合这些具体配置、结构或特性。下文使用的标号，只是为了方便而提供，并不是要限定实施例的保护领域或范围。

而且，需指出的是，本说明书的下文中，将只对有助于理解本发明的元件予以说明，我们理所当然的假设，根据本发明的工业机器人包括所有操作方式本身已经众所周知的元件。

图1中示意性地表示根据本发明的一个实施例的工业机器人，其包括具有多个自由度的机械手1，机械手1设有机械结构2，机械结构2包括多个可移动部分。在图解的示例中，机器人是具有六个自由度的拟人机器人，其设有固定底座3和柱体4，柱体4围绕竖直地取向的第一轴线A1可旋转地安装在底座。5表示的是围绕水平地取向的第二轴线A2振荡式安装在柱体4上的臂。6表示的是手肘，安装在臂5上，以便围绕第三轴线A3（也是水平地取向的）旋转，手肘6支撑前臂7，前臂7设计成围绕其轴线A4旋转，轴线A4因此构成机械手1的第四移动轴线。前臂7的端部配有手腕8，安装成根据两个轴线A5和A6移动。与手腕8的凸缘相关联的是末端执行器，通过9表示，其在所述示例中表示为一个用于抓取通用部件10的设备。如本说明书的导言部分中所解释，末端执行器9和/或其承载的零件10表示所谓的工具中心点（TCP）。

末端执行器9可以是任何其它类型的执行器，并且能够执行本领域已知的任何其它功能，例如焊炬或对接夹钳、喷漆枪、或密封胶喷枪、钻床主轴或磨削主轴等等。

可移动部分4-8通过接点11、12、13和14连接在一起，利用对应的减速齿轮变速箱，相应的电动机11’、12’、13’和14’与这些接点相关联。图中为了更清晰起见，并未图解手腕8的接点和电动机。在诸如所阐释的一个实施例中，末端执行器9也设有相应的致动器装置，为了清晰起见未予示出。对应的换能器与上述接点相关联（即与对应电机相关联），例如编码器或解析器类型的换能器，用于对位置进行控制。图1中用S表示一些这些换能器。

通过控制单元15来管理机械手1的移动和末端执行器9可以执行的操作，控制单元15相对于结构2位于远端位置，并且经由电线16连接至结构2的电/电子部件。配备有相应微处理器控制系统的单元15的相关硬件和软件的实际实施例与本说明的目的无关，除了下文提出的属于本发明的一些方面。

控制单元15配置成用于以多种不同的操作模式控制机械手1，其中有至少一种自动操作模式，并且优选地还有手动操作模式。为此目的，单元15包括选择装置17，选择装置17可以由使用者操作，以便从可能的操作模式中选择一种期望的操作模式。在优选实施例中，机器人能够用三种可选模式操作，即，程序设计模式、自动模式和遥控模式，本说明的序言部分对此已有说明。在图1中，标号17因此表示一种用于从所指出的操作模式中手动选择期望操作模式的设备。

控制单元1中实施了在所指出的三种模式下监视机械手1的操作的程序或软件。这个程序–通过框18示意性表示–优选地包含至少一个动态模型，用于控制机械手1。软件18或对应的动态模型可以根据工业机器人控制行业本身已知的任何技术来定义，因此本文中不作详细说明。这里，只需指出这个程序或模型包含至少表达机械手1（包含其电机）的可移动结构的部分的位置、速度和加速度的理论值的关系式（relations）（用于控制其移动），以及表达所提供的各种连接接点的电动机施加的扭矩的理论值的关系式。为了控制位置，显然还使用换能器S。

如上所述，在程序设计模式中，操作者“激活”机械加工步骤，然后将调用机械手1在自动或遥控模式下操作，方法是通过经由教导盒或其它手动导引设备（或可能在OLP模式下）改变机械手本身的姿势。在自动或遥控模式下，改为由控制单元15直接管理机械手的移动。

关于本文中具体关注的方面，当机器人必须自动操作时（自动或遥控模式），与结构2的接点和手腕相关联的电动机根据由控制程序18（即，由对应动态模型）确定的工作速度曲线而受到单元15的驱动。

根据本发明的工业机器人包含第一检测系统，预先布置成用于检测在机械手1的预定义工作区域中操作者的可能的存在——或更一般而言外来主体的存在。这个检测系统可以例如包括从图像传感器设备、光束感测设备（可见光和不可见光）、射频设备、力换能器设备中选择的一个或更多个设备。

在一个实施例中，例如，第一检测系统包含基于使用多个图像记录单元的监视系统。这种类型的系统本身在本领域中是众所周知的，并且不需要做任何深入说明。这里，只需记住，在这些系统中，不同的记录单元记录受到监视的三维区域的图像，并且处理单元在各单元记录的图像之间做出的比较的基础上检测三维区域中的外来主体的存在。关于这种类型的检测系统的一个示例的说明，请参阅US2009268029A，其教导内容被视为结合在此以作参考。例如，在图1和图2中图解的实施例中，总体上用19表示感测设备，其包含多个图像记录单元，这些图像记录单元例如是根据上述US2009268029A说明的技术获得的（具体参照这份现有文献的图4）。

在图2中，用20表示的受到设备19监视的三维区域是机械手1的可移动结构2的可能移动限制范围内的区域，尤其参照其最极端部分–这里通过包含抓取设备9的末端执行器和对应的正处理的零件10表示（可以注意到，在图2中，与图3和图5-7中一样，机械手1的工作区域20的尺寸表示成小于理论上可能的尺寸，这是鉴于机械手本身的关节连接）。

根据本发明的机器人还包含第二检测系统，其包括安装在机械手1上的一个或更多个惯性传感器。在图1的实施例中，例如提供了三个惯性传感器21，分别安装在臂5上、前臂7上和末端执行器9上。在优选实施例中，传感器21是商用类型的加速计，但是使用陀螺仪的情况也属于本发明的范围。

根据本发明的工业机器人还包含第三检测系统，其包括用于测量机械手1的至少一些电动机施加的扭矩的装置，所述电动机诸如是例如电机11’-14’和与手腕8相关联的电机。用于测量扭矩的装置也可以是本领域已知的任何类型的。在尤其有利的实施例中，间接地执行扭矩测量，并且为了这个目的，提供用于测量上述电机吸收的电流的装置。根据已知的一种技术，控制单元15中实施的程序18包含上述电机可以施加的扭矩值与对应电流吸收之间存在的关系式。图1中通过框22示意性地表示这些测量装置，其优选地包括控制单元15中的一个或更多个电流型传感器。

根据本发明，单元15以特定方式预先布置，其方式使得当机器人自动操作时（即，在自动模式下或在遥控模式下），第一检测系统19检测到工作区域20内存在外来主体（即，操作者），就决定自动选择安全自动操作模式。

图3中阐释了这种情况，图3中通过HO表示进入区域20（例如）以对机械手1的操作执行定性检查的操作者。

自动切换成上述安全自动操作模式之后，控制单元15相对于一些工作速度来管理机械手2的电动机的驱动速度的降低，所述工作速度是控制程序为了在自动或遥控模式下执行机械加工操作而施加的。更具体而言，电机的速度降低成程序18针对安全自动操作模式确定的安全速度。这些安全速度不高于被视为足够安全的预定速度阈值，优选地，这个阈值是250mm/s。

在操作者HO离开工作区域20（即由监视系统19检测的环境）的情况下，控制单元15管理将机器人返回到正常操作条件，即，返回到自动模式或最初手动选择的遥控模式。

在安全自动操作模式中，控制单元15除了降低电机速度之外，还监测上述第二检测系统21和第三检测系统22的状态，以便检测机械手1的结构2的可移动部分与受到第一检测系统19监视的工作区域20中存在的操作者HO（或其它外来主体）之间可能的冲击。

根据本发明的一个特性，检测系统21和22都用于这个用途。通过周期性地比较控制程序18确定的理论加速度值与经由加速计21测量到的真实加速度值比较，基于使用加速计21对任何可能的冲击进行检测。具体的比较算法可以是任何被视为适合于所述用途的类型的比较算法。例如，一种可能的标准是计算加速度的理论值与测量到的加速度值之间的差值，并且验证这个差值是否等于或高于预定义阈值，例如等于加速度的理论值的10%。

本申请人发现，事实证明，使用加速计或其它惯性传感器完全适合于检测瞬动式冲击（impulsiveimpact），即，对机械手的可移动结构的瞬时或突然的冲击，其在单位时间（例如1秒）内产生高能量，并且因此在惯性传感器中产生脉冲，所述脉冲是可清楚地辨别的（考虑例如操作者用手臂或他手里有的一般刚性物体撞击机器人的结构）。

但是，通过这种类型的传感器产生的信号不能精确地辨别（除非以单元15的控制逻辑和处理容量承受大量负担为代价）非瞬动式冲击，即，与机器人结构的接触是长时间的，并且在单位时间中产生低能量（考虑例如机械手的可移动结构的对操作者身体的一部分施加累进压力的部分的情况）。

出于这个原因，根据本发明，控制单元15在通过加速计21的系统监测可能的碰撞的同时，还基于驱动机械手1的可移动部分的电机所施加的扭矩的分析来执行监测。而且，在这种情况下，基本上单元15周期性地将控制程序18确定的扭矩的理论值与经由检测系统22测量到的扭矩值比较。在本文中考虑的示例中，如上所述，这种类型的监测是间接的，并且是基于机械手1的移动部分的相关电动机的理论吸收与真实吸收的比较。而且，在这种情况下，具体的比较算法可以是任何类型的被视为适合于该用途的算法。例如，同样在这种情况下，一种可能的标准是计算理论吸收值与测量到的吸收值之间的差值，并且验证这个差值是否等于或高于预定义阈值，例如等于加速度的理论值的10%。

另一方面，通过监测真实扭矩或电流吸收值并不能迅速且精确地鉴别瞬动式冲击。出于这个原因，根据本文中提出的方法，系统21和22必须理解为彼此互补，目的是为了更方便快捷地检测机械手1的可移动部分对操作者HO或工作区域20中存在的另一个外来主体的任何可能的冲击。

在经由系统21和/或系统22检测到冲击之后，控制单元15管理机械手1的结构2的移动的中止或者否则管理其移动的反转，尤其是在其中止之前，例如针对给定行程（机械手可以被反向驱动，直到其实现预定义姿势为止，例如它的结构的各个部分的位置尽可能地垂直）。移动中止或反转的目的是在检测到冲击之后保护操作者HO的安全。

可以看出，根据本发明，容许机器人（即使是自动操作）与进入对应机械手的工作区域的操作者之间的高度协同操作，但是在任何情况下，都能保证高度安全的条件。

应明白的是，例如，如果操作者HO出于任何原因必须移动到区域20中，则机械手1的操作不会中断，而是机械手1具有安全操作条件，其特点是其结构的位移非常缓慢，加速度低，且能量低（实际上，当低速操作时，机械手的可移动结构不能短时间产生高能量）。这个安全速度使得操作者HO能够在区域20内有十足把握停止（站住）或到处移动，即，完全不需要执行快速位移，或是顾虑机械手1的可能突然移动。速度降低，使得操作者与机器人之间也能为了执行机械加工操作而有效地协同操作，例如操作者将工件递给机械手，或者从机械手中捡起机械加工后的零件，或者再次由机械手上面支撑着零件，操作者对该零件执行手动操作，或在例如扳钳等工具的辅助下执行操作。

操作者HO从区域20离开，自动决定机器人以程序针对正常操作设计的最高速度恢复正常工作条件（诸如自动模式或遥控模式）。

即使是在机械手1的可移动部分接触到操作者HO身体的情况下，冲击的效应也是适中的，因为机械手的位移速度较低：在任何情况下，对人的安全的保障程度都是很高的，因为检测到冲击之后，机械手会立即中止移动和/或机械手的移动发生反转。

图4表示简化框图，其目的是阐释工业机器人的可能的控制程序，仅限于本发明所涉及的部分。

框100是代表程序开始的框，例如在经由单元15施加开始命令的时候。控制转到测试框101，经由该框执行检验，以验证是否选择了手动模式（程序设计模式）。如果是的话（输出“是”），则控制转到框102，用于管理机器人的程序设计，这是根据本身已知的与本发明无关的模型。如果不是的话（输出“否”），则选择自动模式（自动或遥控模式），控制然后转到框103，以便根据具体应用所限定的工作程序来管理机器人的操作，在这种情况下，也是根据本身已知的与本发明无关的模型。

控制然后转到下一个框104，以便激活第一检测系统19，即，用于监视机械手1的工作区域的系统。经由下一个测试框105执行检验，以验证系统19是否检测到工作区域20中存在操作者HO（或更一般而言存在外来主体）。如果未检测到（输出“否”），则重复检验，然而如果检测到了（输出“是”），则控制转到框16，以便激活安全自动操作模式，因此使机械手的结构的位移速度降低。控制然后转到框107，以便通过检测系统21和22监测任何可能的冲击。

在未检测到冲击的情况下（输出“否”），重复监测，然而，在检测到冲击的情况下（输出“是”），控制转到框109，这是关于在先前其移动发生可能的反转或者朝其预定义位置位移之后，中止机械手1的移动的命令。控制然后转到框110，该程序结束。

如上所述，提供图4的图只是为了举例说明，其目的只是用直觉的方式总结所提出的控制方法的步骤。例如，实际上，优选的是用恒定的方式执行检测系统19进行的控制（不同于图4的框105表示的情况），从而使得，当操作者HO从机械手1的工作区域20移动回来时，机器人自动从安全自动操作模式退出，返回自动或遥控模式。

如上所述，第一检测系统不一定是基于使用图像传感器设备，为此目的也可以使用任何其它存在检测系统。

图5例如示意性地表示基于使用力传感器的存在检测系统的情况。在所阐释的情况下，机械手1的工作区域20的下面是一个平台或底座19₁，力传感器或测力计（未示出）与所述平台或底座19₁相关联，所述力传感器或测力计设计成检测平台本身上是否存在重量高于某个阈值（例如1kg）的外来主体。可以理解，当操作者HO移动到平台19₁上时，经由上述力传感器检测操作到人员HO的存在，机器人便自动地移动到安全自动操作模式，然后当操作者离开平台时，返回到自动或遥控模式。

图6示意性地表示基于使用光束设备或光障设备的存在检测系统的情况，例如使用激光扫描仪19₂，其布置成使得所发射的光束至少部分地限制机械手1的工作区域20。在图6中，扫描仪横向地限制整个区域20，但是区域20可能部分地通过金属结构受到限制，并且部分地经由激光扫描仪受到限制。当然，为此目的也可以使用其它设备，所述设备设计成产生光束或光障，其在被操作者HO中断时，就决定机器人进入安全自动操作模式。在这种类型的应用中，优选例如通过对控制单元15上有意提供的控制装置执行操作，手动地将机器人恢复到正常工作条件（即，自动或遥控模式），这样就不会使存在检测系统的监视过于复杂。

图7示意性地表示基于使用射频设备尤其是RFID系统的存在检测系统的情况。在这个实施例中，识别系统包括便携式应答器19₃，其尤其是为了供操作者HO携带而配置。在所述示例中，应答器19₃与操作者HO携带在手臂上的一根带子25相关联。应答器19₃当然可以与操作者穿戴或携带的其它物体或服饰相关联，诸如（例如）夹克、手套、徽章、护目镜等等。检测系统于是包括应答器读取器19₄，其安装在工作区域20内。

在这种情况下，RFID系统19₃–19₄的传输/接收范围选择成覆盖至少对应于机械手1的可能移动范围的三维区域。

所表示的类型的RFID系统可以有利地与不同的监视系统组合使用，例如基于前面通过19表示的类型的图像传感器的系统。在这样的实施例中，机器人的控制逻辑可以预先布置，以便实施不同的安全水平，即，确保根据本发明的机器人仅与经过许可的操作者协同操作。

例如参照图7，RFID系统可以预先布置成覆盖至少等于或大于系统19覆盖的三维区域的一个三维区域20，例如基本上对应于机械手1的工作区域20。在没有应答器19₃的操作者（即，“未经授权的”操作者）进入区域20的情况下，系统19会在任何情况下检测到他的存在，控制单元15因此使机械手1停止移动。实际上，如果移动到系统19监视的区域中的操作者HO随身带着应答器19₃（因此是“经过授权的”操作者），则经由读取器19₄识别出该操作者，因而系统不会让机器人中止操作，而是进入安全自动操作模式，如上所述。

当然，基于使用所提到的类型的射频设备的系统可以也与不使用图像传感器的监视系统组合使用，诸如例如参照图5和图6说明的类型的系统。

在一个实施例中，为了进一步增加在机械手1附近操作的操作者的安全性，可以有一些遮盖元件与机械手1的一个或更多个可移动部分相关联，所述遮盖元件优选地具有至少部分地顺从的结构。

图8中示意性地表示这种遮盖元件的一个示例，图8中，通过30表示的遮盖元件与机械手1的臂5和前臂7相关联，遮盖元件基本上是管状的，这些遮盖元件基本上具有使上述部分与操作者之间的任何可能的冲击衰减的功能。当然，所提供的遮盖元件30的具体构造可以与例示的遮盖元件不同，具体是为了复制机械手1的结构的轮廓，而不会明显增加其复杂性。在这种类型的一个实施例中，根据本发明的机器人配备的第二检测系统的一个或多个惯性传感器可以与所提供的一个或多个遮盖元件相关联。

从前面的说明中，可以清楚地看出本发明的特性，也能看出本发明的优点。

显然，本领域的技术人员可以对本文中示例说明的工业机器人和控制方法进行许多变化，并且不会因此背离随附权利要求书限定的本发明的范围。

在一个尤其有利的变型实施例中，根据本发明的机器人的控制单元预先布置成存储一些信息，这些信息表示检测系统基于惯性传感器21测量到的加速度值。事实证明，这项措施对于诊断用途和验证机械手的维护和操作状态特别有用。为此目的，例如，可以设想对机器人的控制软件确定的理论加速度值与传感器21实际上检测到的值（存储在控制单元15中并且可能经过处理（例如为了获得平均值））进行周期性比较。在这个方面，应当考虑传感器21在任何情况下都在自动或遥控模式下执行的机械加工操作过程中保持活动。可以经由在控制单元15上实施的有意提供的诊断程序在理论值与真实值之间进行比较。预期值与实际上测量到的值之间若有明显偏差，则可以考虑这表明机械手的机械结构可能存在问题，例如由于游隙或屈曲的发生。

类似的考虑可以适用于存储表示可以经由对应检测系统22测量到的扭矩或电流吸收值的信息的可能性，这些值也可以与相应的理论值比较，以便推断机械手的可能的故障状况，例如由于其磨损、游隙或屈曲。

本发明可以应用于不同尺寸和负荷的工业机器人，因此应用于中等负荷（例如，几公斤）的机器人和高负荷（例如，几百公斤）的机器人，以及不同于本文中例示的拟人机器人的类型的机器人，例如具有笛卡尔配置、柱体形配置、极性配置和SCARA（选择顺应性装配机器臂）配置的机器人。因此，连接机械手的可移动结构的刚性部分的接点的类型也可以根据机器人类型的不同而不同，诸如环形接点、棱柱形接点或螺旋接点。

Claims (11)

1.一种工业机器人（1、15），其包括：

-机械手（1），其具有多个自由度（A1-A6），设有机械结构（2），所述机械结构（2）包括多个可移动部分（4-9），在这些可移动部分（4-9）中，末端执行器（9）和一个或更多个连接接点（11-14）由具有相关联的对应位置换能器（S）的电动机（11’-14’）驱动；

-所述机械手（1）的控制单元（15），所述控制单元（15）包括选择装置（17），所述选择装置（17）能够由使用者操作以选择所述机器人（1、15）的多种可能的操作模式，在这些操作模式中存在至少一种自动操作模式；

-第一检测系统（19；19₁；19₂；19₃-19₄），其用于检测所述机械手（1）的预定义工作区域（20）中的外来主体（HO）尤其是人类的可能的存在；

-第二检测系统（21），其包括安装在所述机械手（1）上的一个或更多个惯性传感器；

-第三检测系统（22），其包括用于测量由所述电动机（11’-14’）施加的扭矩的装置；

其中，在所述控制单元（15）中实施用于控制所述机械手（1）的程序（18），该控制程序（18）包含表达所述机械结构（2）的各部分（4-9）的位置、速度和加速度的理论值的关系式，以及表达由所述电动机（11’-14’）施加的扭矩的理论值的关系式；

其中，所述控制单元（15）预先布置成用于至少在所述自动操作模式下在由所述控制程序（18）确定的工作速度处驱动所述电动机（11’-14’）；

其中，所述控制单元（15）预先布置成使得在所述机器人（1、15）处于所述自动操作模式的情况下，由所述第一检测系统（19；19₁；19₂；19₃-19₄）在所述机械手（1）的所述预定义工作区域（20）内检测到外来主体（HO）的存在，就确定选择所述机器人（1、15）的安全自动操作模式；

其中，在所述安全自动操作模式下，所述控制单元（15）操作以：

　　-将所述电动机（11’-14’）的速度降低到由所述控制程序（18）确定的不高于速度阈值的安全速度，所述速度阈值低于所述工作速度；

　　-将由所述控制程序（18）确定的理论加速度值与经由所述第二检测系统（21）测量到的加速度值比较，以便检测所述机械结构（2）对外来主体（HO）的可能的瞬动式冲击；

　　-将由所述控制程序（18）确定的扭矩的理论值与经由所述第三检测系统（22）测量到的扭矩值比较，以便检测所述机械结构（2）对外来主体（HO）的可能的非瞬动式冲击；以及

　　-在检测到所述机械结构（2）对外来主体（HO）的冲击的情况下，停止所述机械结构（2）的移动，和/或具体在中止所述机械结构（2）的移动之前，管理所述机械结构（2）的移动的反转。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其中，在加速计与陀螺仪之间选择所述第二检测系统（21）的所述一个或更多个惯性传感器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的工业机器人，其中，所述第一检测系统（19；19₁；19₂；19₃-19₄）包括从图像传感器设备（19）、力换能器设备（19₁）、光束或光障传感器设备（19₂）和射频设备（19₃-19₄）中选择的一个或更多个设备。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其中，所述第三检测系统（22）包括用于测量由所述电动机（11’-14’）吸收的电流的装置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其中，遮盖元件（30）尤其是设有顺从性结构的遮盖元件（30）与所述机械结构（2）的一个或更多个部分相关联。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其中，所述第一检测系统包括射频识别系统（19₃-19₄）。

7.根据权利要求6所述的工业机器人，其中，所述射频识别系统（19₃-19₄）包括尤其配置成由操作者（HO）携带的便携式应答器（19₃），和安装在所述预定义工作区域（20）中的应答器读取器（19₄）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其中，所述控制单元（15）预先布置成用于：

存储表示经由所述第二检测系统（21）测量到的加速度值的信息和表示经由所述第三检测系统（22）测量到的扭矩值的信息中的至少一个；以及

将所述信息用于所述机械手（1）的诊断用途和/或验证所述机械手（1）的操作状态的用途。

9.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其中，所述速度阈值不高于250mm/s。

10.根据前述权利要求中任一项所述的工业机器人，其包括至少两个不同的检测系统（19；19₃-19₄），用于检测所述机械手（1）的预定义工作区域（20）中的人类操作者（HO）的可能的存在，所述两个检测系统中的一个包含RFID布置（19₃-19₄）。

11.一种用于控制工业机器人（1、15）的方法，所述工业机器人（1、15）包括：

-机械手（1），其具有多个自由度（A1-A6），设有机械结构（2），所述机械结构（2）包括多个可移动部分（3-9），在这些可移动部分（3-9）中，末端执行器（9）和一个或更多个连接接点（11-14）由具有相关联的对应位置换能器（S）的电动机（11’-14’）驱动；

-所述机械手（1）的控制单元（15），所述控制单元（15）包括选择装置（17），所述选择装置（17）能够由使用者操作以选择所述机器人（1、15）的多种可能的操作模式，在这些操作模式中存在至少一种自动操作模式；

所述方法包括：

-在所述控制单元（15）中实施用于控制所述机械手（1）的程序（18），该控制程序（18）包含表达所述机械结构（2）的各部分（4-9）的位置、速度和加速度的理论值的关系式，以及表达由所述电动机（11’-14’）施加的扭矩的理论值的关系式；

-在由所述控制程序（18）至少在所述自动操作模式下确定的工作速度处驱动所述电动机（11’-14’）；

-提供第一检测系统（19；19₁；19₂；19₃-19₄），其用于检测所述机械手（1）的预定义工作区域（20）中的外来主体（HO）尤其是人类的可能的存在；

-提供第二检测系统（21），其包括安装在所述机械手（1）上的一个或更多个惯性传感器；

-提供第三检测系统（22），其包括用于测量由所述电动机（11’-14’）施加的扭矩的装置；

其中，在所述机器人（1、15）处于所述自动操作模式的情况下，所述控制单元（15）在由所述第一检测系统（19；19₁；19₂；19₃-19₄）检测到所述机械手（1）的所述预定义工作区域（20）内存在外来主体（HO）之后选择安全自动操作模式；

其中，在所述安全自动操作模式下，所述控制单元（15）：

　　-将所述电动机（11’-14’）的速度降低到由所述控制程序（18）确定的不高于速度阈值的安全速度，所述速度阈值低于所述工作速度；

　　-将由所述控制程序（18）确定的理论加速度值与经由所述第二检测系统（21）测量到的有效的加速度值比较，以便检测所述机械结构（2）对外来主体（HO）的可能的瞬动式冲击；以及

　　-将由所述控制程序（18）确定的扭矩的理论值与经由所述第三检测系统（22）测量到的扭矩的有效值比较，以便检测所述机械结构（2）对外来主体（HO）的可能的非瞬动式冲击；

并且其中，在检测到所述机械结构（2）与外来主体（HO）之间的冲击的情况下，所述控制单元（15）停止所述机械结构（2）的移动，和/或具体在中止所述机械结构（2）的移动之前，管理所述机械结构（2）的移动的反转。