CN106182040B - 机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人系统，其具有操纵器、特别是多轴关节臂机器人。此外，机器人系统还包括控制装置，该控制装置设置用于控制操纵器，以遵守特别是预设的监控边界。在此将控制系统设置为，基于所确定的实际调速变化，调节停止运动的开始或速度限制。因此，根据本发明的机器人系统特别是适用于借助样条曲线内插的轨迹运动。

Description

机器人系统

技术领域

本发明涉及一种机器人系统，其具有操纵器和控制装置，该控制装置用于控制操纵器，以便特别是确保遵守预设的监控边界。

背景技术

机器人，特别是工业机器人是可自由编程的程序控制处理设备。实际的机器人机构被称为操纵器。这种操纵器可以由许多可运动的、彼此链接的节肢或轴组成，它们定义了机器人的运动链。这种运动链通常从机器人脚部延伸至机器人的法兰，或者在有工具的情况下延伸至与法兰连接的工具。

在此，机器人的各个轴的运动可以通过有针对性的调节与操纵器的各个构件相连接的驱动器来实现。对于在各个点之间运动，可以在对机器人程序进行编程期间预先设定某些参数，例如速度。

在运行中，操作人员可以通过操作系统控制机器人，并调整运行参数。在此，特别是可以调整不同的运行模式，例如根据安全标准EN ISO10218-1:2006定义的运行模式“手动减速”，在该模式下，机器人法兰和工具中心点或工具工作点(英语：tool center point,TCP)的最大速度被限定为250mm/s；“手动高速”或“自动控制”，在该模式下可以与编程相应的速度行驶。

例如，为了确保在运行模式“手动减速”下，法兰和TCP以不高于250mm/s的速度运动，在机器人控制器中设置相应的监控模块，其可以在触犯速度边界时激活适当的停车。通常，安全控制器在此监控不同的实际值，例如法兰的速度。当超过相应的边界时，安全控制器根据其规范做出相应的反应。

除了用于法兰和TCP的速度边界之外，往往还需要确定特定于轴的边界，例如最大轴速度。特别是在运行模式“手动减速”下，为了保护在该运行模式期间能够与机器人划分工作空间的人，确定最大轴速度是有利的。

经常突破监控边界和干预安全控制会大大损害机器人的可操作性。为了避免这种情况，公知的一种基于企业内部的方法是：通过介入调速(Override)调节或通过对调速值的隐含调节来控制机器人。调速本身描述了实际时间和系统时间之间的时间伸缩(Zeitskalierung)的导数(Ableitung)。例如在程序调速值(Programm-Override-Wert)为75％时，对于计划的以200mm/s的编程速度行驶的轨迹仅以150mm/s的速度来行驶。

在这种基于企业内部的方法中被充分利用的是：借助于所谓的轴滤波器使控制器和驱动器之间的信号平滑。通过调节机器人控制器中的调速值，可能导致短时间内的速度过高，但有利的是这种速度过高能够通过轴滤波器来充分地平滑，从而使得不会超过监控边界。

但这种已知的方法显然并不适于始终很好地遵守所有监控边界并同时使机器人能够具有较高的可操作性或可运动性。特别是当通过样条曲线内插(Spline-Interpolation)实现轨迹运动时，为了能够以较高的精度沿复杂的空间曲线行驶，不能使用前述的方法，因为在借助样条曲线内插的轨迹运动中不使用能够有利地使机器人或工具精确、无偏地行进的轴滤波器。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种方法，该方法能够通过样条曲线内插来实现特别是用于轨迹运动的适当的速度限制(Geschwindigkeitskappung)。此外，本发明的目的还在于提出一种能够保证准确地遵守监控边界的方法。

本发明的目的还在于提出一种机器人系统，根据本发明的机器人系统包括操纵器、特别是关节臂机器人，以及包括控制装置。在此可以利用控制装置控制操纵器。在此，特别是将控制装置设计用于执行和/或完成控制操纵器的步骤，或者说其适于执行和/或完成控制操纵器的步骤。而且，本发明还涉及基于调速的、预测的速度限制。

在此，控制装置特别是适用于控制关节臂机器人。在此，优选根据轨迹规划和不同的参数(例如额定调速值)来控制操纵器。在此，将控制装置设置为，在当前时钟周期t₀，对操纵器在至少一个该当前时钟周期之后的时钟周期t_n中的停止运动(Anhalte-Bewegung)进行模拟。在此，所述至少一个当前时钟周期之后的时钟周期t_n不必是紧跟在当前时钟周期t₀之后的时钟周期。在此，将当前时钟周期t₀理解为第一时钟周期，其在时间上位于至少一个随后的时钟周期t_n之前。

术语“模拟”不是限制性的，其表示优选基于操纵器的当前状态或实际状态和轨迹规划来计算或预测操纵器的停止运动。术语“停止运动”表示使操纵器停止，即停止或应当停止。术语“时钟周期”是指时间间隔，并且例如可以包括周期时间。利用周期时间可以将时间进程划分成具有相同时间间隔的离散值。优选时钟周期或周期时间是所谓的内插时钟周期(IPO-Takt)，其可以根据设置在机器人系统的控制单元中的构件在较宽的范围内自由选择，例如在100μs至12ms之间。

在此，还将控制装置设置为，确定在针对至少一个随后的时钟周期t_n所模拟的操纵器的停止运动期间是否触犯了预设的监控边界，并作为对该确定的反应，调节操纵器的停止运动的开始。因此，可以利用控制装置检查：在所模拟的停止运动期间是否遵守了至少一个预设的或预先定义的监控边界。本领域技术人员应当理解：对预设的监控边界可以特定于应用和/或特定于设备地定义。如果在模拟中触犯了这样的监控边界，则启动操纵器停车。因此，如果确定稍后开始停止运动可能会超过监控边界，则可以通过控制装置及时使操纵器开始停止运动。由此可以有利地防止所模拟的触犯边界真实地发生。在此，本领域技术人员应当清楚：在此，操纵器从开始停止运动到最终的停止所经过的路径可能与操纵器的大小、重量和其它特性有关，并且部分地可能是非常显著的。对于中等重量的工业机器人，例如在开始停止运动之后直至最终的停止，还可能发生90°的轴摆动(Achsschwenkungen)。

优选将控制装置设置为，通过制动，并进一步优选通过将额定速度置零和/或通过将额定调速值置零来调节停止运动。在此，可以由控制装置来考虑该特征，以进行对停止运动的模拟以及开始停止运动。本领域技术人员应当理解：额定速度可以是预先为机器人控制器给定的参数，该参数可能无法在一个时钟周期内转换，因为例如关节驱动器不能施加为此所需要的力和力矩。通过将实际速度逐步地与(置零的)额定速度相匹配，可以由此材料经济地(materialschonend)实现停止运动。特别是，本领域技术人员应当理解，速度可以包括操纵器的轨迹速度。类似地，预设的额定调速值可能无法或无法立即在单个时钟周期中进行转换。因此本领域技术人员公知的是，可以根据额定调速值来逐渐地调整实际调速值，特别是在后者置零的情况下。由此，通过这样的停止运动可以实现所谓的速度限制。因此，利用机器人系统可以有利地对操纵器的这种停车或停止进行模拟或预测。如果在这样的模拟过程中超过了监控边界，则可以有利地通过开始停止运动来防止真实地发生超越边界。

优选将控制装置设置为，在当前时钟周期t₀开始时执行对停止运动的模拟。时钟周期具有确定的时间长度，从而使模拟能够在时钟周期期间在不同的时间进行。但是优选模拟发生在时钟周期内的初期，并特别是尽可能早地发生，甚至直接在时钟周期开始时发生。由此可以确保在时钟周期期间在模拟之后仍在一定程度上保留足够的时间，以便对可能在模拟中确定的触犯监控边界做出反应，从而有效地防止实际上的破坏。

优选将控制装置设置为，对在当前时钟周期t₀中作出的确定结果进行反应，调节停止运动的开始。也就是，在当前时钟周期t₀中就已经对确定的触犯监控边界做出反应。在此，在当前时钟周期t₀中开始停止运动是有利的，因为在该运动期间不会触犯监控边界。否则，如果在之前的时钟周期中的模拟期间已经确定发生了触犯，则停止运动在之前的时钟周期中就已经开始。因此，控制装置将检验即将开始的停止运动是否能够顺利地进行(即没有触犯监控边界)。如果不是，则优选立即开始停止运动。这种立即开始停止运动的顺利实现已经在过去(即先前的时钟周期中)得到了检验。由此可以有利地有效避免由停止运动所引起的触犯边界。

优选将控制装置设置为，在模拟停止运动的过程中对紧随当前时钟周期之后的时钟周期t₁的停止运动的开始的进行模拟。因此，模拟还包括对紧跟着的时钟周期t₁中开始的停止运动的模拟。因此可以检验，在紧跟着的时钟周期中是否仍然允许开始停止运动，或者这是否已经导致超过监控边界。在后者的情况下，优选通过利用控制装置在时钟周期t₀中立即开始操纵器的停止运动来相应地做出反应。

优选将控制装置设置为，基于所模拟的在紧跟在当前时钟周期之后的时钟周期t₁中的停止运动的开始，来对至少一个在当前时钟周期之后的时钟周期t_n的停止运动进行模拟。由此，例如可以基于对在随后的第五个周期t₅中的停止运动的模拟假设，停止运动在紧跟着的时钟周期t₁中已经开始。但是如果在借助控制装置对该随后的第五个周期t₅的模拟中确定出触犯了监控边界，则在紧跟的周期t₁中开始停止运动是不允许的，并且优选必须借助控制装置在当前时钟周期t₀中就已经开始停止运动，以确保可靠地遵守监控边界。

优选将控制装置设置为，至少基于操纵器的当前姿势和/或操纵器的轨迹规划来进行模拟。在此，还可以优选根据操纵器、机器人系统以及周围环境的其它状态，利用控制装置对停止运动进行预测或模拟。由此能够使操纵器可靠地运行。

优选预设的监控边界包括下列中的至少一个：预设的工作空间边界，在此，进一步优选以笛卡尔坐标或特定于轴的坐标来定义工作空间边界；预设的用于操纵器的至少一个轴的最大轴速度；预设的最大工具速度；和/或预设的最大法兰速度或预设的最大工具工作点速度。本领域的技术人员应当理解，可以借助于控制装置并根据不同的监控边界或监控标准来监控并控制操纵器。特别是可以根据运行模式来设置监控边界。本领域的技术人员可以根据操纵器的使用和结构选择合适的监控边界，并将它们向控制装置预先给定。由此可以例如限定机器人运动(例如关节位置的速度)的临界点。此外，例如可以适当地限定多个可选的TCP的速度。此外，还可以限定建立在较高的轴导数基础上的值(例如轴加速度)和可由此导出的参数(例如电机和驱动力矩)，并借助控制装置来防止超过这些值。

优选将控制装置设置为，在模拟停止运动的过程中，针对至少一个跟随在当前时钟周期之后的时钟周期t_n计算操纵器的速度和/或实际调速值和/或操纵器的实际状态。根据这些值的变化，可以通过控制装置例如以笛卡尔坐标或特定于轴的坐标精确地预测机器人直至操纵器停止(即，例如直至实际调速值达到零)的姿势。根据这种位置变化，可以毫无问题地精确预测所有相关的监控参数直至操纵器停止。

优选将控制装置设置为，针对每个跟随在当前时钟周期之后的时钟周期t_n模拟操纵器的停止运动，直至所模拟的操纵器的停止状态。因此，可以利用控制装置对操纵器还未达到停止状态时的所有时钟周期t_n的停止运动进行模拟，即，例如实际调速值大于零的情况。优选将控制装置设置为，当确定触犯了监控边界时，停止模拟。由此，可以通过控制装置有效并直接地开始操纵器的停止运动。

优选将控制装置设置为，优选在实施对停止运动的模拟之前，在当前时钟周期开始时，还基于至少对于当前时钟周期的额定速度确定操纵器在当前时钟周期的实际状态。此外，还优选将控制装置设置为，确定基于所确定的操纵器的实际状态是否存在对预设的监控边界的触犯，如果是，则作为对此的反应降低当前时钟周期的额定速度。由此可以检验，基于当前时钟周期中的例如存在于机器人控制器中的额定速度是否会触犯监控边界。优选额定速度可以包括额定调速。由此，通过利用控制装置降低当前时钟周期的额定速度，可以防止超过监控边界。

在此，不需要根据确定的结果来调节停止运动的开始，因为已经通过控制装置在之前的时钟周期中检验了在当前时钟周期中运动的可靠性。由此可以有利地确保在当前时钟周期中不会触犯监控边界，并确保在紧跟的时钟周期中调节停止运动的开始不会导致不允许的对监控边界的触犯。

此外，优选操纵器的实际状态包括笛卡尔的和特定于轴的操纵器位置和/或操纵器运动数据。本领域技术人员应当理解，实际状态不仅反映关于操纵器的静态信息，也包括动态特征。特别是可以由此使控制装置根据实际状态监控所有相关的监控参数。

进一步优选将控制装置设置为，根据操纵器的当前姿势和/或轨迹规划来确定操纵器在当前时钟周期的实际状态。由此可以精确地预测机器人在当前时钟周期中的状态。

根据本发明的机器人系统包括操纵器、特别是关节臂机器人以及控制装置。在此，将控制装置设置为，根据本发明控制操纵器，从而遵守预设的监控边界。

借助根据本发明的机器人系统，可以始终有效地遵守所有监控边界，在此，停止运动的限制或开始尽可能地靠近监控边界。在此，根据本发明的机器人系统基于对当前时钟周期和/或随后的时钟周期的预见或预测也适用于利用样条曲线内插的安全、精确的方法。

附图说明

下面参照附图对本发明作进一步说明。其中：

图1示意性示出了操纵器的控制流程。

具体实施方式

在图1中示意性地举例示出了用于控制操纵器的步骤的流程10，优选利用根据本发明的机器人系统的控制装置执行该流程。在此，优选所示出的步骤在当前时钟周期开始时进行，当前时钟周期在下面以时钟周期t₀表示。

流程10在步骤11中开始，在该步骤中，利用控制装置在时钟周期t₀确定新的实际调速值，该新的实际调速值基于预设的额定调速值得出。替代地，也可以基于预设的额定轨迹速度得出实际轨迹速度。基于所确定的实际调速值，可以获得笛卡尔的和特定于轴的机器人位置以及对于时钟周期t₀的所有相关的、即待监控的该位置数据的导数。

在随后的步骤12中，通过控制装置确定或检验，根据在步骤11中所确定的值在时钟周期t₀期间是否已经触犯了监控值。如果判定12为肯定的，则降低额定调速值，或替代地降低额定轨迹速度，并随后利用已降低的额定调速值或已降低的额定轨迹速度继续步骤11中的流程。重复该流程，直至得到临界的(最大的)实际调速值，利用该临界实际调速值不会在时钟周期t₀中触犯监控参数，从而使判定12为否定。

如果判定12的结果为否定，则利用控制装置在步骤13中模拟随后的时钟周期t_i＝t₁的实际调速值。也就是说，如果在时钟周期t₁中开始停止运动，即，在时钟周期t₁中使额定调速置零，则模拟发生了什么。针对实际调速值，确定操纵器在时钟周期t₁的笛卡尔的和特定于轴的数据。然后，由该模拟的位置确定待监控的导出值，例如法兰速度。在模拟在时钟周期t₁时开始的停止运动期间，控制器将计算操纵器或TCP在所有随后的时钟周期t₂至t_停止中的轨迹。如果该模拟的轨迹导致触犯边界，则结束模拟，而停止运动立即在时钟周期t₀中开始。在图1中，该流程示例性地如下示出：

在判定14中通过控制装置确定或检验，基于步骤13所确定的值是否已经在时钟周期t₁中超过至少一个相关的监控边界。如果判定14为肯定的，则在步骤15终止在当前时钟周期t₀中的模拟，并立即将当前时钟周期t₀的额定调速值置零，即开始停止运动。替代地，也可以将额定轨迹速度置零。在随后的时钟周期中所产生的实际调速值的可靠性已经在先前的时钟周期t_-1中得到确保。

相反，如果判定14为否定的，则通过控制装置在随后的判定16中检验，为模拟时钟周期t₁所确定的实际调速值是否为零，即操纵器是否在时钟周期t₁的模拟中达到停止状态。如果不是，则将待模拟的周期时间加1(t_i＝i+1)，步骤13中的流程针对下一个时钟周期继续进行。也就是说，基于在时钟周期t₁中(模拟的)开始的停止运动，对操纵器或TCP处于其中的时钟周期t₂进行模拟。然后在判定14中通过控制装置检验，在时钟周期t₂中是否触犯监控边界。如果是，则根据步骤15结束模拟，并将当前时钟周期t₀的额定调速值立即置零，即开始停止运动。否则在判定16中检验，为模拟时钟周期t₂所确定的实际调速值是否已经为零，即，操纵器是否在对时钟周期t₂的模拟中达到停止状态。如果不是，则将待模拟的周期时间再次加1(t_i＝i+1)，并在步骤13开始的流程中针对时钟周期t₃进行模拟，等等。

如果判定16为肯定的，即操纵器在对例如时钟周期t₁₅的模拟中停止，则在随后的步骤17中结束在当前时钟周期t₀中的模拟，并使用先前在步骤11、12中确定的最大实际调速值作为用于当前时钟周期t₀的真实的实际调速值，并基于该值通过控制装置控制操纵器。

然后流程10在下一时钟周期t₁中重新开始，该时钟周期相当于当前时钟周期。

Claims (14)

1.一种机器人系统，具有操纵器和控制装置，所述控制装置被设置用于，在当前时钟周期(t₀)中对在至少一个跟随在该当前时钟周期之后的时钟周期(t_n)中所述操纵器的停止运动进行模拟；所述控制装置还被设置用于，确定在模拟的在至少一个随后的时钟周期(t_n)中操纵器的停止运动期间是否触犯了预设的监控边界，并且作为对该确定的反应，对所述操纵器的停止运动的开始进行调节，

其特征在于，所述控制装置被设置为，在当前时钟周期(t₀)开始时对停止运动进行模拟，

其中，在模拟停止运动期间，计算实际调速值，并且其中，对每个跟随在所述当前时钟周期之后的时钟周期(t_n)中所述操纵器的停止运动进行模拟，直至达到所述操纵器的模拟的停止状态，

其中，基于所计算的实际调速值，确定笛卡尔的和特定于轴的机器人位置以及对于当前时钟周期(t₀)的所有相关的、即待监控的位置数据的导数。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，通过制动来调节所述停止运动。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，通过将额定速度置零和/或通过将额定调速值置零，来调节所述停止运动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，作为对在所述当前时钟周期(t₀)中的确定结果的反应，开始停止运动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，在模拟停止运动期间，对紧跟在所述当前时钟周期之后的时钟周期(t₁)中的停止运动的开始进行模拟。

6.根据权利要求4所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，对在至少一个跟随在所述当前时钟周期之后的时钟周期(t_n)中的停止运动的所述模拟基于对在紧跟在当前时钟周期之后的时钟周期(t₁)中的停止运动的开始的模拟。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，至少基于所述操纵器的当前姿势和/或基于轨迹规划来实施所述模拟。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述预设的监控边界至少包括下列中的一个：

预设的工作空间边界，

对于所述操纵器的至少一个轴的预设的最大轴速度，

预设的最大工具速度，

预设的最大法兰速度，和/或

预设的最大工具工作点速度。

9.根据权利要求8所述的机器人系统，其特征在于，该工作空间边界以笛卡尔坐标或特定于轴的坐标来定义。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，在模拟停止运动期间，计算在至少一个跟随在所述当前时钟周期之后的时钟周期(t_n)中的所述操纵器的速度和/或计算所述操纵器的实际状态。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，在所述当前时钟周期的开始，至少基于所述当前时钟周期的额定速度确定所述操纵器在所述当前时钟周期中的实际状态；并基于所确定的所述操纵器的实际状态确定是否触犯了所述预设的监控边界，并作为对该确定的反应，对在所述当前时钟周期中的降低额定速度进行调节。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其特征在于，所述操纵器的实际状态包括笛卡尔的和特定于轴的操纵器位置和/或操纵器运动数据。

13.根据权利要求11所述的机器人系统，其特征在于，所述控制装置被设置为，确定所述操纵器在所述当前时钟周期的实际状态还基于所述操纵器的当前姿势和/或轨迹规划。

14.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述操纵器是关节臂机器人。

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