CN107438502A - 通过触摸来控制工业机器人的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制工业机器人(10)的方法。该机器人(10)包括第一机器人臂(20)、第二机器人臂(30)、限定第一机器人臂(20)与第二机器人臂(30)之间的运动副的接头(40)、用于生成第一机器人臂(20)与第二机器人臂(30)之间的相对运动的致动器(50)、以及用于控制致动器(50)的运动的机器人控制器(60)。该方法包括以下步骤：确定在致动器(50)处存在第一扭矩指示，该第一扭矩指示将被解译为对机器人控制器(60)的第一命令；重复获得外部扭矩值(τext)，从而获得外部扭矩行为(140)；将外部扭矩行为(140)与第一扭矩指示进行比较；以及在检测到外部扭矩行为(140)与第一扭矩指示相对应时，执行与第一命令相对应的机器人功能。所获得的外部扭矩行为(140)取决于从机器人(10)的动态模型(80)获得的参考扭矩值(τref)。机器人(10)包括具有机器人(10)的动态模型(80)的机器人控制器(60)和基于反馈控制的解角器(100)，机器人(10)包含用于使能检测外部扭矩行为(140)的所有必要元件。继而外部扭矩行为(140)可以容易地转变为机器人控制器(60)的命令。

Description

通过触摸来控制工业机器人的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制工业机器人的方法，根据该方法，通过触摸机器人来给予机器人命令。
背景技术
此前已知通过触摸机器人来给予机器人命令。例如，操作者可以通过推动机器人来启动和停止机器人的工作循环。用于检测命令的现有系统基于机器人上的外部传感器。被定位在机器人的接头处的扭矩传感器可以例如检测由于操作者推动机器人手臂而被施加在该接头上的外部扭矩。为了能够检测外部扭矩，可能需要将所测量的扭矩与期望扭矩进行比较。期望扭矩通常基于参考测量，其中在不存在外部扭矩的情况下执行机器人的工作循环。当预先确定相应接头处存在的某个扭矩指示被解译为对机器人控制器的命令时，机器人控制器可以在检测到存在与扭矩指示相对应的扭矩行为时执行该命令。
基于外部扭矩传感器上的命令检测需要将复杂的传感器定位在机器人接头处。此外，如果外部扭矩的检测基于参考测量，则在首次执行的任意机器人运动期间不能检测外部扭矩。因此，仍然期望改进现有的机器人控制系统，使得不需要外部扭矩传感器和/或参考测量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种通过触摸来控制工业机器人的改进的方法。
该目的通过根据所附权利要求1的方法来实现。
本发明基于这样的认识，即机器人包括具有机器人的动态模型的机器人控制器和基于反馈控制的解角器，机器人包含用于使能检测外部扭矩行为的所有必要元件。继而外部扭矩行为可以容易地转变为机器人控制器的命令。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制工业机器人的方法，该机器人包括第一机器人臂、第二机器人臂、限定第一机器人臂和第二机器人臂之间的运动副的接头、用于生成第一机器人臂和第二机器人臂之间的相对运动的致动器、以及用于控制致动器的运动的机器人控制器。该方法包括以下步骤：确定在致动器处存在第一扭矩指示，该第一扭矩指示将被解译为对机器人控制器的第一命令；重复获得外部扭矩值，从而获得外部扭矩行为；将外部扭矩行为与第一扭矩指示进行比较；以及在检测到外部扭矩行为与第一扭矩指示相对应时，执行与第一命令相对应的机器人功能。所获得的外部扭矩行为取决于从机器人的动态模型获得的参考扭矩值。当从动态模型获得扭矩的参考值时，可以在首次执行的任意机器人运动期间检测到外部扭矩。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括根据第一力指示在致动器上施加力的步骤。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括对外部扭矩行为进行过滤的步骤。
根据本发明的一个实施例，第一命令是用以继续或用以停止机器人的工作循环的命令。
根据本发明的一个实施例，第一扭矩指示限定外部扭矩行为的最小幅度。
根据本发明的一个实施例，第一扭矩指示限定大于外部扭矩行为的最小幅度的最短持续时间。
根据本发明的一个实施例，接头限定第一机器人臂与第二机器人臂之间的旋转副。
根据本发明的一个实施例，致动器是伺服电动机。
根据本发明的一个实施例，在检测到外部扭矩行为与第一扭矩指示相对应之后，在预定延迟之后，实施执行与第一命令相对应的机器人功能。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括以下步骤：确定在致动器处存在第二扭矩指示，该第二扭矩指示将被解译为对机器人控制器的第二命令；将外部扭矩行为与第二扭矩指示进行比较；以及在检测到外部扭矩行为与第二扭矩指示相对应时，执行与第二命令相对应的机器人功能。
根据本发明的一个实施例，第二命令否定第一命令。
根据本发明的第二方面，提供了一种工业机器人，其包括第一机器人臂、第二机器人臂、限定第一机器人臂和第二机器人臂之间的运动副的接头、用于生成第一机器人臂和第二机器人臂之间的相对运动的致动器、以及用于控制致动器的运动的机器人控制器，该机器人控制器被配置为执行根据以上描述的方法。
附图说明
将参考附图更详细地解释本发明，其中
图1示出了根据本发明的一个实施例的机器人，
图2示出了致动器处的外部扭矩行为的示例。
具体实施方式
参考图1，工业机器人10包括下臂20、上臂30、限定下臂20和上臂30之间的旋转运动副的接头40、以伺服电动机50形式的致动器、以及用于控制伺服电动机50的运动的机器人控制器60，致动器用于生成下臂20和上臂30之间的相对旋转运动。机器人控制器60包括路径生成器70，该路径生成器70根据时间来计算伺服电动机50的位置，时间来自机器人10的操作者的输入。例如，操作者可以向机器人控制器60给出机器人工具的起始位置和结束位置，并且路径生成器70自动计算伺服电动机50在每个时间点的位置，以便以预定速度实现期望的运动。应当理解，工业机器人10通常包括多个伺服电动机50，例如六个伺服电动机50，但是为了简单起见，在本示例中仅考虑一个伺服电动机50。
机器人控制器60还包括机器人10的动态模型80，该动态模型80是包括影响伺服电机50的静态和动态特性的相关因素的数学模型。用于接头40的动态模型80可以表示为：
其中τ是在接头40处的扭矩，是接头40的角接头位置，是惯性矢量，涉及速度依赖项(例如Coriolis和受离心力作用的)，D是阻尼矢量，是重力引起的扭矩，是非线性刚度，并且是由静摩擦和动摩擦引起的扭矩。如果伺服电动机50经由齿轮箱而被连接到接头40，则在限定动力学模型80时需要考虑齿轮比和变速箱的动力学。认为在本专利申请的技术领域中的本领域技术人员能够提供机器人10的动态模型80。参考US6218801B1以说明本领域技术人员的技术水平。
图1的动态模型80被配置以重复地向电动机驱动器90提供参考扭矩值τref和参考位置值伺服电动机50设置有用以测量电动机位置的解角器100，并且解角器100被配置以重复地向电动机驱动器90提供电动机位置值在第一求和点110处，根据电动机位置值推导参考位置值并且将所得到的位置误差值被作为传递函数Gpos的输入而给出，该传递函数Gpos将位置误差值转变成与将扭矩施加在接头40上的外力相对应的外部扭矩值τext。例如，操作者可以沿与图1中的箭头120的方向、以对应于外力值Fext来推动上臂30，从而将对应的外部扭矩施加在接头40上。
在第二求和点130处，将外部扭矩值τext与参考扭矩值τref相加，并且将所得到的校正的参考扭矩值τref_corr作为输入给出，以生成对应的电动机电流，并且最终生成伺服电动机50的电动机扭矩τm。扭矩常数Kτ与电动机驱动器90和伺服电动机50两者的总放大率相对应。
外部扭矩值τext不仅取决于外力，还取决于所计算的参考扭矩值τref相对于存在于接头40处的实际扭矩的误差。然而，当动态模型80被适当地限定时，误差将相对恒定且较小，使得外部扭矩值τext可以被认为主要反映由机器人10上的外力引起的扭矩。通过重复获得外部扭矩值τext，可以获得并观察到外部扭矩行为140，即，外部扭矩值τext随时间的变化。所获得的外部扭矩行为140可以被适当地过滤，以去除或减少上述误差的影响，或者在其他方面使所获得的外部扭矩行为140更适合于本方法的目的。
图2示出了在接头40处的六秒内的外部扭矩行为140的示例。从0秒到2秒以及从4秒到6秒，未在机器人10上施加外力，并且理想的是外部扭矩值τext为零。然而，由于所计算的参考扭矩值τref相对于接头40处存在的实际扭矩的误差，在本示例中，外部扭矩值τext永远不会达到零。然而，外部扭矩值τext的绝对幅度不如外部扭矩行为140的形状值得关注。从图2可以看出，在2秒到4秒之间，外部扭矩值τext高于相邻时间段期间的外部扭矩值τext。可以得出结论，在此期间，机器人10上存在外力。这样的结论可以基于外部扭矩行为140与预定扭矩指示的比较。这种扭矩指示的一个简单示例是阈值150，其明显大于仅由误差导致的任何外部扭矩值τext。通过将每个外部扭矩值τext与阈值150进行比较，可以检测外部扭矩行为140是否与扭矩指示相对应。
可以通过确定在伺服电动机50处存在将被解译为对机器人控制器60的相应命令的某个扭矩指示，来将外部扭矩转变成对机器人控制器60的命令。例如，其中外部扭矩值τext在至少0.5秒内保持大于阈值150(图2)，可以确定存在将被解译为机器人控制器60的命令的扭矩指示，如果机器人10处于静止状态，则继续工作循环，并且如果机器人10正在运动，则停止工作循环。在检测到外部扭矩行为140与所提及的扭矩指示相对应时，机器人控制器60分别继续或停止工作循环。该示例意味着外力在被解译为对机器人控制器60的命令之前需要具有一定的幅度和一定的持续时间。由操作者在机器人10上适当地推动导致在伺服电动机50处的扭矩指示，并且取决于推动的力、持续时间、方向和其他因素，扭矩指示可以得到非常不同的形式。应当理解，可以确定在伺服电动机50处任何适当的扭矩指示的存在将被解译为对机器人控制器60的命令。例如，扭矩指示可以与机器人10上的一系列推动相关联。还应当理解，对机器人控制器60的任何适当的命令可以基于将外力施加在机器人10上。
在伺服电动机50处的多个不同的扭矩指示可以被确定将被解译为对机器人控制器60的对应的多个不同的命令。取决于机器人10的状态，相同的扭矩指示也可以被确定将被解译为不同的命令。这是上述示例中的情况，其中确定存在一个相同的扭矩指示，该扭矩指示将被解译为对机器人控制器10的命令，如果机器人10处于停止状态，则继续工作循环，以及如果机器人10正在运动，则停止工作循环。此外，还可以确定对应于最新的扭矩指示的命令否定任何先前的命令。因此，在检测到后来的对应于另一个命令的扭矩指示的情况下，可以中断执行与命令相对应的机器人功能。此外，即使在对应的机器人功能的执行开始之前，也可以延迟执行与命令相对应的机器人功能，使得操作者有时间否定命令。
本发明不限于上述实施例，但是本领域技术人员可以在由权利要求限定的本发明的范围内以多种方式修改这些实施例。

Claims (12)

1.一种用于控制工业机器人(10)的方法，所述机器人(10)包括第一机器人臂(20)、第二机器人臂(30)、限定所述第一机器人臂(20)与所述第二机器人臂(30)之间的运动副的接头(40)、用于生成所述第一机器人臂(20)与所述第二机器人臂(30)之间的相对运动的致动器(50)、以及用于控制所述致动器(50)的运动的机器人控制器(60)，所述方法包括以下步骤：
－确定在所述致动器(50)处存在第一扭矩指示，所述第一扭矩指示将被解译为对所述机器人控制器(60)的第一命令；
－重复获得外部扭矩值(τext)，从而获得外部扭矩行为(140)；
－将所述外部扭矩行为(140)与所述第一扭矩指示进行比较；以及
－在未向所述机器人控制器(60)提供否定所述第一命令的第二命令的条件下，在检测到所述外部扭矩行为(140)与所述第一扭矩指示相对应时，执行与所述第一命令相对应的机器人功能；
其特征在于，所获得的所述外部扭矩行为(140)取决于从所述机器人(10)的动态模型(80)获得的参考扭矩值(τref)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括根据所述第一扭矩指示在所述致动器(50)上施加力的步骤。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括对所述外部扭矩行为(140)进行过滤的步骤。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一命令是用以继续或用以停止所述机器人(10)的工作循环的命令。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一扭矩指示限定所述外部扭矩行为(140)的最小幅度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一扭矩指示限定大于所述外部扭矩行为(140)的所述最小幅度的最短持续时间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述接头(40)限定所述第一机器人臂(20)与所述第二机器人臂(30)之间的旋转副。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述致动器(50)是伺服电动机。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在检测到所述外部扭矩行为(140)与所述第一扭矩指示相对应之后，在预定延迟之后，实施执行与所述第一命令相对应的所述机器人功能。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：
－确定在所述致动器(50)处存在第二扭矩指示，所述第二扭矩指示将被解译为对所述机器人控制器(60)的第二命令；
－将所述外部扭矩行为(140)与所述第二扭矩指示进行比较；以及
－在检测到所述外部扭矩行为(140)与所述第二扭矩指示相对应时，执行与所述第二命令相对应的机器人功能。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二命令否定所述第一命令。
12.一种工业机器人(10)，包括第一机器人臂(20)、第二机器人臂(30)、限定所述第一机器人臂(20)与所述第二机器人臂(30)之间的运动副的接头(40)、用于生成所述第一机器人臂(20)与所述第二机器人臂(30)之间的相对运动的致动器(50)、以及用于控制所述致动器(50)的运动的机器人控制器(60)，所述机器人控制器(60)被配置为执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
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