CN105717872B

CN105717872B - 在轨迹上有条件地停止至少一个操纵器的方法和操纵器组

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Publication number: CN105717872B
Application number: CN201510970249.XA
Authority: CN
Inventors: 霍尔格·特龙尼尔; 京特·韦德曼; 斯蒂芬·布尔卡特; 安德烈亚斯·奥恩哈默; 曼弗雷德·许滕霍弗
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-12-31
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: KR20160076477A; CN105717872A; US20160176049A1; EP3037221A3; US9827674B2; DE102014226789A1; EP3037221A2

Abstract

本发明涉及一种用于有条件地停止至少一个操纵器的方法和一种操纵器组。操纵器驶入具有停止点的轨迹。为了使操纵器能够在停止点停止，根据操纵器的速度计算轨迹上的制动点。如果在越过制动点时，行驶条件变量的状态需要对操纵器的制动，则操纵器被制动。

Description

在轨迹上有条件地停止至少一个操纵器的方法和操纵器组

技术领域

本发明涉及一种用于在轨迹上有条件地停止至少一个操纵器的方法和操纵器组。该方法和操纵器组例如可以使用在工业应用中，其中，只有当满足定义的行驶条件时，才能完整地驶过经编程的轨迹。

背景技术

存在这样的工业应用(例如压力机链接(Pressenverkettung)、防护区域)：只有在满足定义的行驶条件(例如压力机(Presse)打开)时，操纵器才能完整地驶过所编程的轨迹。如果不满足行驶条件，则操纵器只能行驶至某个停止点。操纵器必须在停止点处完全地静止，即停止。操纵器在停止点等待，直至满足行驶条件。因此，操纵器的停止是操纵器的所有轴的完全制动。当所有轴的速度均等于零时，操纵器停止。

根据DIN EN ISO 8373，操纵器(机器人或工业机器人)是被自动引导的、装配有三个或更多可自由编程的运动轴的多功能操纵器，将固定地或可移动地应用在工业应用中。操纵器能够引导夹具或工具(终端执行器)或工件。

为了使操纵器在停止点停止，必须使操纵器在轨迹上足够提前的位置上、即在所谓的制动点处开始制动，因此，优选制动点是必须开始制动的点，以使操纵器在达到停止点时能够被完全制动。由现有技术可知，制动点是通过使用者对操纵器进行示教或编程而预先固定给出的点。同样，停止点是操纵器的轨迹上经示教的点。

如公知的，使操纵器有条件地停止可以通过对调速(Override)的程序控制的改变来实现。对于操纵器的有条件地停止应理解为，当满足相应的条件时，操纵器才停止。这样的条件例如可以通过以下即将描述的行驶条件变量来定义。对于调速应理解为，操纵器运动在时间上可伸缩的量。如果调速为100％，则操纵器以原始编程的时间实施编程的运动。如果调速例如为50％，则操纵器以两倍的时间来实施编程的运动。如果在到达制动点时没有满足行驶条件，则可以通过相应地降低调速来延迟操纵器的移动，并使操纵器制动。在此的缺点在于，必须由使用者来找到制动点，该制动点尽可能靠近停止点，并同时能够与实际速度无关地使操纵器在停止点完全制动。因此必须将制动点选择为，与用于操纵器的实际速度所需的距离相比，更远离停止点的位置，这会导致时钟时间延长。

同样，还公知通过飞跃停止点来实现有条件的停止。在此，停止点和制动点同样由使用者示教或编程。当操纵器到达制动点且不满足行驶条件时，则操纵器开始制动，并驶向停止点。相反，如果满足行驶条件，则不驶向停止点，而是以固定的飞跃半径飞跃。在此，也必须将制动点选择为能够遵守停止点，而这会导致时钟时间延长。此外，制动时的轨迹会与没有制动的轨迹有所偏离，即制动无法实现轨迹一致。

发明内容

本发明的目的在于消除上述的缺点。特别是应当能够使停止点位于或固定在给出的轨迹上，而无须示教附另外的几何轨迹点(优选制动点)。

本发明的目的通过一种用于有条件地停止至少一个操纵器的方法以及一种操纵器组来实现。

根据本发明的上述目的特别是通过一种用于有条件地停止至少一个操纵器的方法来实现，其中，至少一个操纵器驶入具有停止点的轨迹，该方法包括如下步骤：根据操纵器的速度计算对应于停止点的制动点，在此制动点是轨迹上的点。优选轨迹是操纵器驶入的被编程的和/或预先定义的轨迹或运动轨迹。

优选在工具中心点(Tool Center Point,TCP)对操纵器的速度进行分析。为了计算制动点，优选使用操纵器至计算时间点的设定速度。特别优选考虑操纵器的当前速度。

通过根据操纵器的速度计算制动点，可以将操纵器轨迹上的制动点的位置定义为与停止点具有这样的距离：使操纵器能够更安全地在停止点停止。此外，制动点的位置可以靠近停止点，从而缩短操纵器的时钟时间。优选周期性地计算制动点。由此能够根据操纵器的当前速度获得当前制动点的位置。优选计算周期不与固定的时间间隔绑定，而是可以调节的。

此外，对制动点的计算使得能够以优化的制动参数来实施制动过程。与前述利用固定的、预先给出的制动点的技术方案的不同之处在于：不必为了使操纵器在停止点停止而调整制动参数(如制动力)。而是要计算制动点，从而能够利用优化的制动参数来进行制动，以使操纵器在停止点停止。在此，对制动参数可以就再生(Rekuperation)、制动时间、磨损或其它已知的优化参数来进行优化。

在此，对操纵器的轨迹例如可以基于点对点规划(Point-to-Point，PTP)和/或连续轨迹规划(Continuous Path，CP)。操纵器(机器人)在这样规划的设定轨迹上行驶。操纵器在其上应当停止的停止点位于该设定轨迹上，并被准确地驶入。通常借助设定轨迹计算制动点。由于惯性或其它干扰因素，操纵器的实际行驶的轨迹(实际轨迹)会相对于设定轨迹有所偏离。优选在计算制动点时考虑实际轨迹与设定轨迹的偏离，从而优选使制动点位于实际轨迹上。

优选用于有条件地停止至少一个操纵器的方法还包括如下步骤：在计算制动点之后，检验行驶条件变量的状态；如果在超过计算的制动点后行驶条件变量的状态表示需要制动，则制动操纵器。

优选在实际超过计算的制动点之前确定超过计算的制动点的时间点。为此，从操纵器在轨迹上的当前点出发计算：如果在接下来的控制周期中开始制动，是否还能使操纵器在经示教的停止点之前停止。如果不是这种情况，则操纵器最迟在下一个控制周期开始时将超过制动点，如果行驶条件变量的状态表示需要制动，则必须开始对操纵器的制动。

优选行驶条件变量是布尔值，其表明是否需要制动操纵器，或者是否能够继续在轨迹上行驶。这样的行驶条件变量在压力机链接应用中例如是压力机的状态。在示例中，如果压力机是打开的(行驶条件变量＝真)，则操纵器可以将工件插入压力机中或从中取出。操纵器能够如计划地在轨迹上行驶。相反，如果压力机是关闭的(行驶条件变量＝假)，则计划的在轨迹上的行驶会导致操纵器和压力机相撞。也就是需要制动操纵器。

替代地，行驶条件变量也可以不是布尔值。这种不是布尔值的变量例如可以包含关于所需的制动延迟的信息。制动延迟是负加速，并确定制动的强度。

检验行驶条件变量是有利的，因为这样只在需要制动时制动操纵器。如果此时不需要制动，则操纵器可以无需降速地在规划的轨迹上行驶。

优选周期性地监控行驶条件变量的状态，在此，当在操纵器制动期间，行驶条件变量的状态改变时，则在已开始的制动过程中使操纵器再次加速。例如可以以每秒10次，或者以其它合适的时间间隔来监控状态。

对行驶条件变量的周期性监控能够实现制动过程的灵活的中断，从而能够在行驶条件变量的状态表示不再需要制动时，立即使操纵器再次加速。随后使操纵器再次加速至最初计划的速度，并在计划的轨迹上行驶。由此限制了由引入制动而损失的时间，从而缩短了操纵器的时钟时间。

在有条件地停止至少一个操纵器的方法中，优选根据行驶条件变量来调节制动过程期间的制动效果，从而使操纵器最迟在停止点完全停止。

调节制动效果是有利的，因为除了制动点的位置本身还提供了另一参数，该参数直接影响操纵器实际停止的点。因此，即便是当需要在已经超过对于当前速度的优化制动点，且操纵器以优化的制动参数无法再在经示教的和/或编程的停止点上停止的时间点制动时，也能够使操纵器在经示教的和/或编程的停止点上停止。优选尽管开始制动得较晚，但可以通过更强烈地制动使操纵器在到达停止点之前停止。特别优选不应当超过停止点。如果由于开始制动过晚而使得这不再可能，那也能以降低的速度发生可能的碰撞。

根据本发明的目的还通过一种操纵器组来解决，该操纵器组包括至少一个操纵器和至少一个控制装置，其中，该至少一个操纵器在轨迹上行驶，轨迹具有停止点，将至少一个控制装置设置为根据操纵器的速度来计算对应于停止点的制动点，在此制动点是轨迹上的点。

控制装置控制操纵器。控制装置从操纵器接收信号，并向操纵器发送指令。此外，也可以由控制装置接收外部信号，并转换为对操纵器的指令。优选通过外部信号确定行驶条件变量。

优选将控制装置设置为检验行驶条件变量的状态，并在行驶条件变量的状态表示需要制动时，发送指令以制动操纵器。

特别优选地，还将控制装置设置为周期性地监控行驶条件变量的状态，如果在操纵器制动期间行驶条件变量的状态改变，则在操纵器已开始的制动过程中发送指令，使操纵器加速。

优选在制动过程期间的制动效果可以根据行驶条件变量来调整，从而使操纵器最迟在停止点停止。

特别优选操纵器制动的实现是轨迹精确的。在制动期间操纵器在规划的轨迹上行驶而不会离开轨迹。这是有利的，因为可以避免与位于周围的物品相撞。此外，在轨迹精确的制动之后，操纵器能够通过加速再次执行经编程的运动。因此，在加速完成之后，操纵器以编程的速度继续行驶在计划的轨迹上。操纵器无需在计划的轨迹上倒回，由此能够节省时钟时间。

优选轨迹包括至少一个是样条曲线(Spline)的轨迹部分。样条曲线是由n次多项式分段组成的函数。在此在两个多项式项合并(zusammenstoβen)的位置提供特定的条件，例如样条曲线可以(n-1)次连续微分。样条曲线可以例如由多个编程的或示教的点来定义，在此操纵器可以准确地驶过提及的点。

定义为样条曲线的轨迹部分是有利的，因为该轨迹部分是作为封闭的数学式(geschlossene mathematische Formel)存在，且可以根据阶梯状(skalar)的轨迹前进变量给出操纵器在该轨迹部分上的当前位置。轨迹前进变量给出从操纵器的当前位置到轨迹的定义点的距离，该距离给出在轨迹上的度量。该定义点通常是编程的或示教的点。

优选借助轨迹的轨迹前进变量来计算轨迹上的制动点的位置。这是有利的，因为能够特别简单地计算制动点，因为轨迹前进变量是标量。

附图说明

下面借助附图对本实用新型的优选实施方式作详细说明；在此示出：

图1是具有操纵器和控制装置的操纵器组的图；

图2示例性示出操纵器的轨迹，其包括停止点和制动点；

图3A至图3C示出在正常运行中，操纵器速度变化与行驶条件变量的相关性，以及

图4A至图4B是在紧急停止的情况下，操纵器速度变化与行驶条件变量的相关性。

其中，附图标记说明如下：

1 操纵器组

10 操纵器

20 控制装置

100 轨迹

101 停止点

102 制动点

200 行驶条件变量

v 操纵器速度

x 轨迹前进变量

P₁、P₂、P₃ 轨迹定义点。

具体实施方式

图1示出了操纵器组1，其包括操纵器10和控制装置20。所示出的操纵器10设计为在定义为样条曲线的轨迹100上行驶。轨迹100由点P₁、P₂、P₃定义。示出的停止点101位于轨迹100上，并确定在需要制动的情况下应当或必须使操纵器停止的点。制动点102对应于停止点101。制动点102的位置由控制装置20根据操纵器10的速度计算而得；即该制动点不是固定地给出的，而是与操纵器的速度相关。制动点102是当需要进行制动时开始制动的点。

图2示意性示出了操纵器10的示例性轨迹100，该轨迹由点P₁、P₂、P₃定义为样条曲线。此外还示出了在其中标注操纵器的速度v与轨迹前进变量x的关系的图。应将图理解为示意性的图，且其中并非与比例一致。如图中所见，操纵器10以恒定的速度在轨迹100上行驶。对轨迹应当沿着从点P₁到点P₃的方向行驶。在所示的情况下，在计算而得的制动点102处行驶条件变量的状态被设置为需要制动。因此，操纵器制动，并在停止点101处停止。如示出的，在停止点处操纵器的速度等于零。

图3A至图3C示出了根据优化的制动参数的有条件地停止的三种典型情况的图，图4A和图4B示出了有条件地停止的两种典型情况的图，这两种情况需要以改变的制动效果来进行制动，以便使操纵器10在停止点101处停止。在此在每个图中首先标注行驶条件变量200的状态。在本示例情况下，行驶条件变量200采用值“真”和“假”。状态“真”不要求对操纵器10制动，反之，状态“假”则要求对操纵器10制动。在行驶条件变量200下方，标注操纵器10的速度v。在本例的情况下，计划的操纵器10的速度v等于1m/s。以附图标记102标明的竖直的虚线对应轨迹上的制动点102，以附图标记101标明的竖直的虚线对应停止点101。

图3A示出了行驶条件变量200始终处于状态“真”，并因此不需要制动的情况。在压力机链接的示例中，这对应了始终打开的压力机。相应地，如在速度图中可见，操纵器无速度变化地行驶在轨迹上。

图3B示出了行驶条件变量200始终处于状态“假”的情况。在压力机链接的示例中，这对应了始终关闭的压力机。因此，在超过计算而得的制动点102时，需要制动。如在速度图中可见，操纵器从制动点102开始制动，并在停止点101停止。

图3C示出了行驶条件变量200首先处于状态“假”的情况。在超过制动点102之后，行驶条件变量200的状态由“假”改变为“真”。在压力机链接的示例中，在操纵器已经超过计算而得的最优制动点102之后，这对应了压力机打开。由于现在满足了行驶条件变量，不再需要制动，因此制动过程中断。操纵器再次加速至计划的速度1m/s。

图4A示出了行驶条件变量200首先处于状态“真”的情况。在超过制动点102之后，行驶条件变量200的状态由“真”改变为“假”。在压力机链接的示例中，在已经超过计算而得的制动点102之后，这对应了错误状况，该错误状况例如归咎于开始关闭压力机。如果在对行驶条件变量200的周期性地监控期间检测到这样的行驶条件变量200的状态变化，则为了使操纵器10仍然能够在停止点101停止，必须以与优化的制动参数相比提高了的制动效果来实现制动。在图4A示出的情况中，由于提高了的制动效果，使操纵器在达到停止点101之前已经停止。

图4B示出了行驶条件变量200首先处于状态“假”，并需要制动的情况。如在速度图中可见，这种制动过程从达到制动点102开始。随后行驶条件变量200的状态由“假”改变为“真”。因此，现在不再需要制动。与图3C中示出的情况类似，制动过程中断，操纵器再次加速。但是在示出的情况下，行驶条件变量200的状态再次改变，即从“真”变为“假”。因此，现在再次需要(强烈地)制动操纵器10。为了能够使操纵器10在停止点101停止，现在需要以提高了的制动效果进行制动。在示出的情况下，由于更好的制动效果，使操纵器10在停止点101停止。

Claims

1.一种用于有条件地停止至少一个操纵器(10)的方法，其中，

所述至少一个操纵器(10)驶入轨迹(100)，所述轨迹(100)具有停止点(101)，该停止点(101)是所述操纵器(10)完全地被停止的点，并且所述方法包括以下步骤：

根据操纵器(10)的速度(v)计算对应于所述停止点(101)的制动点(102)，其中，所述制动点(102)是所述轨迹(100)上的点，并且其中，所对应的制动点(102)是所述轨迹(100)上的必须开始制动的点，以使操纵器在达到所述停止点(101)时能够被完全制动，

其中，所述方法还具有以下步骤：

在计算所述制动点(102)之后，检验行驶条件变量(200)的状态；

如果所述行驶条件变量(200)的状态在超过计算的制动点(102)条件下使得需要制动，则制动所述操纵器(10)。

2.如权利要求1所述的用于有条件地停止至少一个操纵器(10)的方法，其中，

周期性地监控所述行驶条件变量(200)的状态，并且

当在所述操纵器(10)制动期间，所述行驶条件变量(200)的状态改变时，在引入的制动过程中使所述操纵器再次加速。

3.如权利要求1所述的用于有条件地停止至少一个操纵器(10)的方法，其中，根据一行驶条件变量(200)来调节制动过程期间的制动效果，从而使所述操纵器(10)最迟在所述停止点(101)停止。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述操纵器(10)的制动轨迹精确地进行。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述轨迹(100)包括至少一个是样条曲线的轨迹部分。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助所述轨迹(100)的轨迹前进变量(x)来计算所述轨迹(100)上的制动点(102)的位置。

7.一种操纵器组(1)，包括至少一个操纵器(10)和至少一个控制装置(20)，其中，将所述至少一个操纵器(10)设置为，在轨迹(100)上行驶，所述轨迹(100)具有停止点(101)，该停止点(101)是所述操纵器(10)完全地被停止的点，并将所述至少一个控制装置(20)设置为，根据操纵器(10)的速度(v)来计算对应于所述停止点(101)的制动点(102)，其中，所述制动点(102)是所述轨迹(100)上的点，并且其中，所对应的制动点(102)是所述轨迹(100)上的必须开始制动的点，以使操纵器在达到所述停止点(101)时能够被完全制动,

其中，所述控制装置(20)还被设计用于检验行驶条件变量(200)的状态；并且在所述行驶条件变量(200)的状态要求制动时，发出用于制动所述操纵器(10)的命令。

8.根据权利要求7所述的操纵器组(1)，其中，所述控制装置(20)还被设计用于周期性地监控所述行驶条件变量(200)的状态，并且如果在所述操纵器(10)制动期间，所述行驶条件变量(200)的状态改变，则在引入的操纵器制动过程中发出使所述操纵器(10)加速的命令。

9.根据前述权利要求7所述的操纵器组(1)，其中，制动过程中的制动效果能够根据所述行驶条件变量(200)来调整，以使所述操纵器(10)最迟在所述停止点(101)完全停止。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的操纵器组(1)，其中，对所述操纵器(10)的制动轨迹精确地进行。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的操纵器组(1)，其中，所述轨迹(100)包括至少一个是样条曲线的轨迹部分。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的操纵器组(1)，其中，借助所述轨迹(100)的轨迹前进变量(x)来计算所述轨迹(100)上的制动点(102)的位置。