CN106313084B - 用于控制操纵器系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制操纵器系统的方法(100)，其中，所述操纵器系统包括多个驱动器，并且其中，所述操纵器系统还具有用于操控至少两个驱动器的第一转换器，其中，所述方法包括以下方法步骤：确定实现所规划的所述操纵器系统的运动轨迹必须使用的驱动器(101)，并借助于所述第一转换器操控一个或多个与所述第一转换器电路连接的驱动器，以驶入所规划的所述操纵器系统的运动轨迹(103)。

Description

用于控制操纵器系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制操纵器系统的方法，该方法能够减少所需驱动构件的数量。本发明还涉及一种具有数量减少的驱动构件的操纵器系统。
背景技术
操纵器系统通常包括至少一个操纵器，该操纵器通过例如操纵器控制装置来控制。在此，操纵器是一种能够与周围环境实现物理相互作用的设备。为此，操纵器配备有至少一个驱动器，例如电动机。借助于驱动器可以使操纵器的运动轴运动。操纵器通常包括多个驱动器和多个运动轴。操纵器可以例如是工业机器人，在此，工业机器人是被自动引导并可自由编程的多用途操纵器，其可以关于三个或多个轴进行编程，并且可以被设置在固定的地点上或者被设置为可移的，以应用于自动化技术中。
可移动的操纵器组例如可以通过移动平台来实现，该移动平台例如在线性轴等上被引导。此外，移动平台可以被用于，通过为平台配备相应灵活的驱动工具，使得布置在其上的操纵器能够在一个平面中自由地运动。为此，移动平台的驱动器适宜地配设有轮、链、履带等公知的装置。
在操纵器系统中使用的驱动器通常是用电的机器，例如电动机。为了操控这种驱动器，通过转换器(Umrichter)将运动指令转换为操控信号。转换器是电流转换器，其从交变电压(或交变电流)中产生频率和振幅可变的交变电压(或交变电流)。该交变电压(或交变电流)可以用于对用电机器、例如电动机直接供电。借助于转换器，可以使用电机器被转速调节或转矩调节地运行。在已知的操纵器系统中，每个操纵器均配设有自己的转换器。由此使得每个驱动器均由一个转换器来操控，并由此例如借助被操控的驱动器使移动平台或操纵器的运动轴有针对性地运动。
一些操纵器系统具有多个驱动器组，这些驱动器组通常只是轮流地并因此不是同时被操控。例如，在被可移动设置的操纵器中，往往只有在操纵器的运动轴停止时，也就是例如当操纵器借助移动平台运动至新的工作地点时，移动平台的运动轴才会运动。同样地，通常只有当移动平台的运动轴停止时，即，例如当操纵器在其新的工作地点处已经被定位和取向时，操纵器的运动轴才会运动。
发明内容
对于操纵器系统的每个待操控的驱动器都使用转换器会导致成本的增加，并且转换器需要结构空间，并且还可能需要合适的冷却系统，其同样会产生附加的成本并需要附加的结构空间。因此，本发明的目的在于克服所提到的缺点。
根据本发明的目的通过一种用于控制操纵器系统的方法以及一种操纵器系统来实现。
本发明的目的特别是通过一种用于控制操纵器系统的方法来实现，在此，操纵器系统包括多个驱动器，并且操纵器系统还包括用于操控至少两个驱动器的第一转换器。在此，该方法具有以下方法步骤：
a)确定为了执行所规划的操纵器系统的运动轨迹而必须使用的驱动器；
b)检查所确定的在所规划的操纵器系统运动轨迹中必须使用的驱动器是否由第一转换器供电，并且如果待使用的驱动器未被供电，则将第一转换器电路连接在该待使用的驱动器上；和
c)借助第一转换器操控与第一转换器电路连接的一个或多个驱动器，以驶入所规划的操纵器系统的运动轨迹。
操纵器系统通常包括至少一个操纵器，在此，优选操纵器具有包括多个节肢的操纵器臂，但至少一个为被驱动的节肢。此外，操纵器系统还可以包括移动平台，操纵器优选被设置在该移动平台上或旁边。例如，操纵器系统包括一个移动平台和一个操纵器。举例来说，包括一个操纵器和一个移动平台的操纵器系统是：升降系统；例如用于辅助运动有障碍者的辅助操纵器系统；和/或可移动设置的工业机器人，例如KUKA AG的OMNIROB系统。典型的升降系统例如具有基本上被构造为升降缸的操纵器。在借助这种升降系统提举对象时，首先借助移动平台将升降系统至少局部地定位在待提举的对象下面。随后，例如通过在轴上实施适当的制动使移动平台停止，然后通过升降缸的移动而举起待提举的物体。在该升降运动结束之后，例如使操纵器(升降缸)停止，并使移动平台运动，以便对被提举的对象进行处理。
操纵器系统的运动轨迹决定了参考点在笛卡尔空间中被定义的运动。操纵器系统的完整运动轨迹可以由多个运动轨迹组合而成。通过操纵器和/或移动平台的运动轴的相应运动，可以驶过所期望的或已编程的操纵器系统的运动轨迹。通过利用配属于各个运动轴的驱动器的转换器来操控驱动器，可以使操纵器和/或移动平台的运动轴运动。在这种情况下，所述操控包括提供频率和/或振幅可变化的交变电压或者说可变化的交变电流。
在第一种情况下，借助操控至少两个驱动器的第一转换器，能够交替地、也就是非同时地操控至少两个驱动器。未被操控的驱动器将停止不动或者说不运动，并优选通过机械制动被固定或者说被锁住。在第二种情况下，可以同步地、也就是同时地使至少两个驱动器运动。在第二种情况下，由于转换器仅产生一个操控信号(即，频率和振幅可变的交变电压/交变电流)，因此驱动器将彼此独立地运动。在此应注意：在第二种情况下，被同步操控的两个驱动器不是以转换器的最大功率运行，因为转换器的功率是被分配到被同步操控的驱动器上。例如，如果有“n”个驱动器被同步地操控，则每个驱动器将最大以转换器功率的1/n运行。因此，对于大多数操纵器应用而言，优选将转换器电路连接在一个驱动器上，因为该驱动器能够仅以其完全的功率使操纵器运动。
在第一和/或第二种情况中，通过借助第一转换器来操控驱动器，可以节省至少一个转换器，即一个驱动构件。这将降低成本和操纵器系统所必需的结构空间。
本发明的有利之处在于：所规划的运动轨迹在借助于操纵器系统驶入该运动轨迹之前基本上是已知的，即，例如源于操纵器控制器。因此，在对运动轨迹进行规划或编程之后，可以直接地确定执行所规划的操纵器系统的运动轨迹必须使用的操纵器系统或转换器的驱动器。对驱动器的确定最迟必须在开始驶入运动轨迹时完成。在此，运动轨迹也可以由多个(分)运动轨迹组成，其中，对所需驱动器的确定必须在驶入(第一)分运动轨迹时完成。
为了借助转换器操控驱动器，由转换器为驱动器供电。通过检查在所规划的操纵器系统的轨迹运动中必须使用的驱动器是否由第一转换器供电，能够快速并有效地操控驱动器，因为只有在待使用的驱动器没有被供电时，才必须被切换或电路连接。
优选操纵器系统包括至少一个操纵器，在此，该操纵器是可移动的操纵器，并被设置在操纵器系统的移动平台上，在此，该移动平台可以沿着至少一个方向并优选在一个平面中运动，并且包括至少一个驱动器，该驱动器可以由用于操控至少两个驱动器的第一转换器来操控。
如果移动平台包括至少一个可以由第一转换器操控的驱动器，则该转换器可以在移动平台的运动轴运动时操控移动平台的驱动器。例如，由此可以通过借助第一转换器来操控驱动器，使移动平台与操纵器一起运动。如果可以由第一转换器操控的第二驱动器是对应于操纵器的运动轴的驱动器，则该操纵器的运动轴在这期间停止，并且只有在移动平台的对应于该转换器的运动轴停止时才可以运动。通过这种方式，可以节省至少一个转换器，并由此降低成本和操纵器系统所需要的结构空间。
优选所述至少两个驱动器中的每个驱动器均对应于操纵器系统的一个运动轴，并且本方法的步骤a)包括：在所规划的操纵器系统的运动轨迹的至少一个第一轨迹点和第二轨迹点上，确定对应于第一转换器的驱动器(51，52，61，62)的运动轴(A1-A7、B1-B4；C1、C2、D1、D2)的轴角度；并确定运动轴(A1-A7、B1-B4；C1、C2、D1、D2)的轴角度在第一轨迹点和第二轨迹点上是否有区别。
如果借助于操纵器系统的运动轴的轴角度来确定在执行所规划的操纵器系统的运动轨迹时必须使用的驱动器(即步骤a)，则可以根据所规划的运动轨迹来确定待使用的驱动器。优选在规划运动轨迹时，在空间中定义多个轨迹点。这些轨迹点应该优选依次被操纵器系统驶入，从而产生所规划的运动轨迹。优选每一个轨迹点均定义了操纵器系统的运动轴的姿态(Stellung)。在此，运动轴的姿态通常与轴角度相对应。如果运动轴的轴角度未从第一轨迹点变化至第二轨迹点，则运动轴在运动轨迹上也不必从第一轨迹点运动至第二轨迹点，并且驱动器相应地没有被操控或供电。
在操控对应的驱动器时，所述至少两个驱动器可以被交替地操控，即不同时被操控。在该第一种情况下，驱动器可以相互独立地运动。未被操控的驱动器不运动。例如，可以首先使移动平台运动，然后使操纵器的运动轴运动。
在确定轴角度的变化之后，在步骤c)中，当轴角度在数值和方向上同样地变化时，优选通过第一转换器同步地操控与第一转换器电路连接的驱动器。
如果第一运动轴在数值和方向上以与第二运动轴的轴角度同样的方式从第一轨迹点变化至第二轨迹点，则往往能够利用同一转换器使第二驱动器同步地运动。在该第二种情况下，驱动器相互独立地运动，因为转换器仅产生一个操控信号(频率和振幅可变化的交变电压/交变电流)。因此，在这种情况下，所述至少两个驱动器(例如“n”个驱动器，在此“n”为自然数)将最大以转换器的功率的1/n运行。如果操纵器系统的移动平台例如配备有两个被差别驱动的车轮，则可以通过对车轮驱动器的同步操控使移动平台径直地(geradeaus)运动。通过这种同步操控，由于转换器仅产生一个操控信号，而该操控信号被导入两个驱动器中，因此被操控的车轮将具有相同的转速和相同的转矩。
优选至少一个配属于操纵器系统的转换器可以操控至少三个、优选至少四个、并且最优选至少六个驱动器。如果转换器可以操控多个驱动器，则可以进一步地降低所需转换器的数量。由此，可以进一步降低成本和操纵器系统的结构空间。
优选对应于第一转换器的每个驱动器均对应操纵器系统的一个运动轴，在此，如果对应于各个运动轴的驱动器没有被第一转换器操控，则各个运动轴将被机械地锁定。
如果没有被转换器操控的驱动器被机械地锁定，可以防止计划外的运动，例如对应于驱动器的运动轴的下沉。运动轴的这种下沉例如可能由于重力或其他作用在操纵器系统上的外力而发生。这种机械锁定的优点在于：在锁定之后将不再为了例如防止下沉而向驱动器供电。由此使得操纵器系统能够节能地运行。
优选操纵器系统还配设有至少一个用于操控至少两个驱动器的第二转换器。通过配置至少两个用于分别操控至少两个驱动器的转换器，可以节省其他的转换器。优选第二转换器与第一转换器相同地使用。
本发明的目的特别是还通过一种操纵器系统来实现，该操纵器系统包括：被设计用于执行前述方法的操纵器控制装置；至少一个操纵器，在此，该操纵器包括多个驱动器，其中，该驱动器为电动机；以及第一转换器，在此，第一转换器被设计用于操控操纵器系统的至少两个驱动器。
优选该操纵器系统还包括配备有至少一个驱动器的移动平台，并且第一转换器被设计用于操控操纵器的一个驱动器和移动平台的一个驱动器。
如果第一转换器被设计用于操控操纵器的一个驱动器和移动平台的一个驱动器，则可以只利用一个转换器来操控移动平台的驱动器，并使移动平台跟随运动。如果不操控移动平台的驱动器，则可以操控操纵器的运动轴的驱动器，并由此使其运动。
优选操纵器系统还包括配备有至少两个驱动器的移动平台，在此，操纵器包括至少两个驱动器，并且在此，第一转换器被设计用于操控操纵器的至少一个驱动器和移动平台的至少一个驱动器。优选操纵器系统还包括第二转换器，该第二转换器被设计用于操控操纵器的至少一个其他的驱动器和移动平台的至少一个其他的驱动器。
如果移动平台包括至少两个驱动器，并且每个驱动器对应一个运动轴，例如移动平台的车轮，则可以通过合适地操控车轮使移动平台在一平面中自由地运动。
附图说明
下面将参照附图进行详细说明。其中：
图1示出了第一操纵器系统的示意图；
图2示出了第二操纵器系统的示意图；
图3示出了用于操控驱动器的示意性电路图；
图4示出了用于操控驱动器的示意性电路图；和
图5示出了本方法的示意性流程图。
其中，附图标记列表如下：
1，2 操纵器系统
10 操纵器
18 末端执行器
20 移动平台
25 主体
26 顶部
30，70 操纵器控制装置
71，72 转换器
41，42，43，44，45，46 开关
50 操纵器
51，52 操纵器50的驱动器
55 把手
60 移动平台
61，62 移动平台60的驱动器
65 主体
80 使用者
A1至A7 操纵器10的运动轴
B1至B4 移动平台20的运动轴
C1，C2 操纵器50的运动轴
D1，D2 移动平台60的运动轴
具体实施方式
图1示意性示出了操纵器系统1，其包括操纵器10和移动平台20以及操纵器控制装置30。操纵器10是设置在移动平台20上的操纵器臂。操纵器10具有七个运动轴A1至A7。每个运动轴A1至A7均配设有一个驱动器(未示出)。移动平台20包括主体25以及顶部26。此外，移动平台20还包括四个运动轴B1至B4，这些运动轴被构造为车轮，并优选被构造为Mecanum轮。这四个运动轴B1至B4中的每一个在此均配设有一个驱动器。因此，操纵器系统1包括十一个驱动器。在顶部26上可以放置对象，该对象可以被操纵器10的抓具18抓取。优选操纵器系统1包括至少四个分别能够操控至少两个驱动器的转换器，以及分别只能操控一个驱动器的传统转换器。因此，可以仅利用七个转换器来控制十一个驱动器，并由此可以节省四个转换器。
图2示出了第二操纵器系统2的示意图，该操纵器系统是辅助操纵器系统，例如被设计用于支撑运动有障碍的人80。操纵器系统2包括操纵器50和移动平台60以及操纵器控制装置70。操纵器50包括两个运动轴C1和C2，其分别配设有一个驱动器(未示出)。此外，操纵器50还包括把手55，该把手被设计用于支撑运动有障碍的人。通过运动轴C1和C2，例如可以调整把手55的高度。移动平台60包括主体65以及运动轴D1和D2，该运动轴分别配设有一个驱动器。运动轴D1和D2配设有车轮。例如，当同步地操控运动轴D1和D2的驱动器时，移动平台60将径直地运动。
替代地，把手55可以是被分开的把手，并且例如为运动有障碍的人80的左手和右手分别提供单独的把手。例如，用于左手和右手的把手可以分别由操纵器50的一个驱动器(未示出)来操控，以便能够独立地调整用于左手和用于右手的把手的高度。
优选操纵器系统2包括至少两个转换器，该转换器可以分别操控至少两个驱动器。例如，每个转换器均可以被设计用于分别操控操纵器的一个驱动器和移动平台的一个驱动器。由此可以获得操纵器系统2的驱动器的不同操控变型，这些变型在图3和图4中被示意性示出。
在图3和图4中，附图标记70代表操纵器系统2的操纵器控制装置70。附图标记71和72代表配属于操纵器系统2的转换器。附图标记51和52代表操纵器50的驱动器，附图标记61和62代表操纵器系统2的移动平台60的驱动器。本领域技术人员应当清楚的是，下述的示例性说明也相应地适用于操纵器系统1，基本上只通过较大数量的运动轴来区分。
图3示出了用于操控驱动器51、52、61、62的示意性电路图，其例如可以用于操纵器系统2。图3示出了如下的状态：在该状态下，转换器71、72通过开关41、42与操纵器50的驱动器51、52电路连接。因此，在该状态下，驱动器51、52能够被彼此独立地供电并操控。在操纵器系统2的情况下，例如可以调整把手55的高度。如果开关41、42的位置发生变化，则可以操控移动平台60的驱动器61、62。运动轴C1和C2现在是不可移动的，并且例如通过机械制动器被锁定，以使把手55保持在调整后的高度上。现在，移动平台60可以根据操纵器控制装置的指令自由地运动。
图4示出了用于操控驱动器51、52、61、62的示意性电路图，其同样例如可以用于操纵器系统2。在所示出的电路图中，转换器71、72能够同步地至少分别操控两个驱动器51、52、61、62。为此，开关43、44、45、46闭合，并且每个转换器与两个驱动器电路连接。在所示出的实施例中，转换器71与操纵器50的驱动器51和52电路连接，而转换器72与移动平台60的驱动器61和62电路连接。通过对驱动器实施适当的同步操控，可以同时使移动平台60沿第一方向运动，并且例如可以将把手55向上调整。由此，可以为运动有障碍的人80提供一种站立辅助。转换器72与移动平台的两个驱动器61和62的电路连接使得两个运动轴D1和D2被同步驱动，也就是说，移动平台可以通过这种方式和方法例如只是径直地运动，但是这足以用于实现站立辅助。但是，为了能够在所示出的实施例中实现曲线行进，如图3所示的配置是更加合适的。显然，也可以借助合适的开关将图3和图4所示的连接变型方式结合起来，从而例如使得转换器71能够或者只与驱动器51或52电路连接，或者与两个驱动器51和52同时、即同步地电路连接。
图5示出了用于控制操纵器系统1或2的方法的示意性流程图。首先在步骤100中规划操纵器的运动轨迹。运动轨迹在此可以由多个单独的运动轨迹组成。优选运动轨迹包括至少两个轨迹点。在步骤101中，确定操纵器系统的与转换器(例如转换器71或72)相对应的、执行所规划的操纵器系统的运动轨迹必须使用的驱动器。为此，在步骤101中，例如确定运动轴A1至A7、B1至B4；C1、C2、D1、D2的轴角度从所规划的操纵器系统的运动轨迹的第一轨迹点到第二轨迹点的变化，这些运动轴对应于第一转换器的驱动器。随后在步骤102中，检验所确定的、在执行规划的操纵器系统运动轨迹时必须使用的驱动器是否当前是由转换器供电。如果不是，则在步骤103中将转换器电路连接至待使用的驱动器。然后在步骤104中，借助于转换器实现对与一个或多个转换器电路连接的一个或多个驱动器的操控，从而驶入所规划的操纵器系统的运动轨迹。

Claims (13)

1.一种用于控制操纵器系统(1；2)的方法，其中，所述操纵器系统(1；2)包括多个驱动器，并且其中，所述操纵器系统(1；2)还具有用于操控至少两个驱动器(51，52，61，62)的第一转换器(71，72)，其中，所述方法包括以下方法步骤：
a)确定为了执行所规划的所述操纵器系统(1；2)的运动轨迹而必须使用的驱动器(51，52，61，62)；
b)检查所确定的、在所规划的所述操纵器系统(1；2)的运动轨迹中必须使用的驱动器(51，52，61，62)是否由所述第一转换器(71，72)供电，并且如果待使用的驱动器未被供电，则将所述第一转换器(71，72)电路连接在该待使用的驱动器上；和
c)借助于所述第一转换器(71，72)操控与所述第一转换器电路连接的一个或多个驱动器(51，52，61，62)，以驶入所规划的所述操纵器系统(1；2)的运动轨迹，
其中，所述至少两个驱动器中的每一个驱动器均对应所述操纵器系统(1；2)的一个运动轴(A1-A7，B1-B4；C1，C2，D1，D2)；并且其中，步骤a)包括：
在所规划的所述操纵器系统的运动轨迹的至少一个第一轨迹点和第二轨迹点上，确定与所述第一转换器的驱动器(51，52，61，62)相对应的运动轴(A1-A7、B1-B4；C1，C2，D1，D2)的轴角度；和
确定所述运动轴(A1-A7、B1-B4；C1，C2，D1，D2)的轴角度在所述第一轨迹点和所述第二轨迹点上是否有区别。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在方法步骤b)中，将所述转换器电路连接在恰好一个驱动器(51，52，61，62)上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述操纵器系统(1；2)包括至少一个操纵器(10；50)，其中，所述操纵器(10；50)是可移动的操纵器，并且设置在所述操纵器系统的移动平台(20；60)上，其中，所述移动平台(20；60)能够沿着至少一个方向运动，并且所述移动平台包括至少一个驱动器(61，62)，所述驱动器能够由用于操控至少两个驱动器的所述第一转换器(71，72)来操控。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述移动平台(20；60)能够沿着一个平面运动。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤c)包括：当所述轴角度在数值和方向上同样地变化时，借助所述第一转换器(71，72)同步地操控与所述第一转换器电路连接的驱动器(51，52，61，62)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少一个配属于所述操纵器系统(1；2)的转换器(71，72)能够操控至少三个驱动器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述转换器(71，72)能够操控至少四个驱动器。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述转换器(71，72)能够操控至少六个驱动器。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述驱动器(51，52，61，62)中的每一个均对应于所述操纵器系统(1；2)的一个运动轴(A1-A7、B1-B4；C1，C2，D1，D2)，并且其中，如果对应于各个运动轴(A1-A7、B1-B4；C1，C2，D1，D2)的驱动器不是由所述第一转换器(71，72)操控，则各个运动轴(A1-A7、B1-B4；C1，C2，D1，D2)被机械地锁定。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述操纵器系统(1；2)还配设有至少一个用于操控至少两个驱动器的第二转换器(71，72)。
11.一种操纵器系统，包括：
操纵器控制装置(30；70)，被设计用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法；
至少一个操纵器(10，50)，其中，所述操纵器(10，50)包括多个驱动器(51，52，61，62)，其中，所述驱动器是电动机；和
第一转换器(71，72)，其中，所述第一转换器(71，72)被设计用于操控所述操纵器系统的至少两个驱动器。
12.根据权利要求11所述的操纵器系统，其中，所述操纵器系统(1；2)还包括移动平台(20；60)，该移动平台配设有至少一个驱动器(61，62)；并且其中
所述第一转换器(71，72)被设计用于操控所述操纵器(10；50) 的一个驱动器(51，52)和所述移动平台(20；60)的一个驱动器(61，62)。
13.根据权利要求11所述的操纵器系统，其中，所述操纵器系统(1；2)还包括移动平台(20；60)，该移动平台配设有至少两个驱动器(61，62)；并且其中
所述操纵器(10；50)包括至少两个驱动器(51，52)；并且其中
所述第一转换器(71，72)被设计用于操控所述操纵器(10；50)的至少一个驱动器(51，52)和所述移动平台(20；60)的至少一个驱动器(61，62)；并且其中，所述操纵器系统还
包括第二转换器(71，72)，其中，所述第二转换器被设计用于操控所述操纵器(10；50)的至少一个其他的驱动器(51，52)和所述移动平台(20；60)的至少一个其他的驱动器(61，62)。
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