CN108463314A - 机器人相对于重力方向的定向的确定 - Google Patents

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Abstract

用于确定在机器人的至少一个布置地点上的机器人(10)相对于重力方向(gist)的定向或者布置的方法，以及用于确定机器人(10)的相对于水平取向或者相对于重力方向(gist)的取向的方法，其中，首先建立一模型，其中，在至少一个校准姿态上检测关节力(τModell)，并且接下来使机器人移动到新的布置地点并在那里在至少一个测量姿态上检测(S10)所述机器人的关节力(τmess)。基于检测到的关节力(τmess)和机器人的所述模型，确定(S20)机器人相对于重力方向的定向，也就是说取向或者布置。机器人(10)的定向通过机器人基座(11)的倾侧，例如通过机器人基座(11)的支撑件(15)的调节或者机器人基座的可行驶的平台(13)被校准为，使得检测到的关节力不偏离在所述模型中所限定的关节力。

Description

机器人相对于重力方向的定向的确定
技术领域
本发明涉及一种用于确定机器人相对于重力方向的定向的方法以及用于执行方法的一种控制器和一种计算机程序。
背景技术
就像尤其是在模型辅助的路径规划、调节等中所使用的机器人的动力学模型尤其要考虑机器人的、尤其可能地机器人引导的工具的、尤其可能地机器人引导的有效负荷的重力的影响。
由此，这种模型与现实的相一致进而还有基于这些模型的应用方案的品质尤其取决于精确性，利用该精确性来考虑模型中的当前实际重力方向：如果真的机器人相对于模型中占据的取向倾侧地布置或者来源于模型的重力方向与当前实际重力方向偏离，那么这点一般导致在基于该模型所确定的参量、尤其是力上的偏离。
因此，为了提高这种模型的并且基于该模型的应用的品质，机器人的绝对的或者关于环境尽可能水平或者垂直的取向可以是有利的。
如果引导工具的机器人的模型，尤其是参数，例如由机器人所引导的工具的质量、重心和/或惯性张量借助于机器人被校准，那么机器人相对于重力方向的定向应当在使用该被校准的模型时尽可能相应于在其校准时的定向，这是因为否则在这些定向上的偏离导致在基于被校准的模型所确定的参量上的偏离，尤其是也导致应用的基于此的过程参数。在机器人的应用被参数化时固有地补偿了实际重力方向与校准时的来源于模型的重力方向之间的偏离，从而使得也在另外的布置地点上又应当存在相同的定向，以便平衡该固有补偿。
相应地，附加或替换于机器人的绝对尽可能水平或者垂直的取向，重新建立如下这样的定向可以是有利的，该定向在校准引导工具的机器人的模型时存在或者来源于该模型。
从EP 0 522 411 A1中已知用于校准机器人的方法，其中，在机器人臂的节肢上布置水平仪，并这样地校准关节，使得这些节肢与重力方向围出预先给定的角度。
发明内容
本发明的目的是改善机器人的运行。
该目的通过具有权利要求1或11的特征的方法来实现。权利要求14、15保护用于执行这里所描述的方法的控制器和计算机程序。从属权利要求涉及有利的改进方案。
根据本发明的一实施方案的方法用于在机器人的一布置地点或多个布置地点(分别针对一布置地点)上确定机器人、尤其是机器人基座相对于重力方向、尤其是当前实际重力方向或来源于尤其是在另一布置地点上被校准的模型或者在相对于机器人校准模型时存在的重力方向的定向，该方法具有如下步骤：
-在机器人的(对应的)布置地点上在一个或多个测量姿态中检测机器人的关节力；以及
-基于检测到的关节力和机器人的模型来确定机器人、尤其是机器人基座相对于(处在对应的布置地点上的)所述重力方向的尤其当前实际的定向。
由此，在机器人的一实施方案中，机器人本身或者它的检测到的关节力在某种程度上被用作电子水平仪，尤其是作为用于确定当前实际重力方向的“绝对”水平仪或作为用于重新建立之前、尤其是在校准时存在的相对于那时的实际重力方向的定向的“相对”水平仪。
机器人在一实施方案中具有机器人臂，机器人臂具有(近端的机器人)基座和(远端的工具)法兰，基座和法兰通过一个或多个尤其是至少六个、尤其是至少七个关节、尤其是转动关节和/或滑动关节被可运动地彼此连接。在一实施方案中，机器人(臂)具有尤其是电性的驱动器，用以使这些关节中的一个或多个发生运动。
相对于重力方向的定向当前尤其被理解为机器人、尤其是它的基座和/或固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的参考系、尤其是机器人的(运动)轴线和/或所述参考系的(参考)轴线或(参考)平面相对于该重力方向的(一维或两维的角度)位姿。
该定向可以在一实施方案中尤其被确定或者定义或者被定义作为该重力方向与机器人和/或参考系的(运动或者参考)轴线之间的偏离，在另一实施方案中作为处在固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的参考系中的重力方向。
关节力在一实施方案中借助于关节、尤其是驱动器上、尤其是中的力传感器，和/或借助于驱动器的被检测的功率来检测。尤其地，关节力尤其被理解为如下这样的力、尤其是驱动力和/或支撑力，机器人的两个铰接式彼此连接的节肢互相叠置地施加这些力，尤其是沿对应的关节的运动轴线的方向或绕该运动轴线或者在对应的关节的自由度上。
为了紧凑地介绍，当前也将反平行的力对儿或者转矩归纳性称作力，从而使得关节力尤其也可以是尤其绕关节转动轴线的关节(转动)力矩，力传感器相应地尤其也可以是转矩传感器。关节力相应地尤其可以是绕转动轴线的转矩，机器人的两个可以绕该转动轴线转动地彼此连接的节肢相互叠置地施加该转矩。
在一实施方案中，在没有环境外力负载在机器人上的情况下或者在机器人-除了紧固面之外-没有与环境接触的情况下，检测关节力。相应地，该模型在一实施方案中是(外部的)无负载的或者无接触的机器人的模型。
机器人的(数学或者力学)模型在一实施方案中叠置地形成机器人的坐标q，这些坐标取决于机器人的姿态，尤其是给出或者确定了所述姿态，尤其是形成关节坐标或固定在机器人上的参照物、尤其是TCP的位姿坐标和/或定向坐标，以及力τ、尤其是关节力、重力、惯性力、离心力、摩擦力和/或外力。
这种模型当前相应地被称作动力学模型。在一实施方案中，该模型除了例如尤其是重力那样的静态力之外还包含动态力，例如尤其是惯性力和/或离心力和/或坐标的时间导数，尤其是速度、加速度和/或更高阶导数。这种模型当前相应地被称作运动学模型。
该模型可以在一实施方案中一般性以专业常见的形式给出，
具有质量矩阵M(q,gModell)、速度或者加速度一般化的力重力(力或者方向)gModell(矢量)，以及模型力、尤其是模型关节力τModell。在静态动力学模型中，项可以被取消或者等于零。
如果将基于模型所确定的模型关节力τModell与检测到的实际关节力τmess进行比较，那么尤其在一般正确的、尤其是被相应校准的模型中或者在另外的模型准确性或者错误被忽略的情况下，至少基本上仅从来源于模型的重力方向或者重力矢量gModell与当前实际重力方向或者重力矢量gist之间的偏离产生偏离。在此要注意的是，相对于机器人的来源于模型的重力方向gModell可以被包括在模型的例如尤其是质量、重心位姿和/或惯性张量那样的相应的动力学参数中。
相应地，基于在检测到的关节力τmess与基于机器人模型所确定的、通常被用于确定外力(τextern＝τmess-τModell)的模型关节力τModell之间的该偏离可以确定来源于模型的重力方向gModell与当前实际重力方向gist之间的偏离进而确定机器人相对于重力方向的定向：
在此，Ψ表示函数，该函数描述了作用到所述定向上的外力或者相应的修正参量。该函数例如可以具有、尤其就是单位矩阵或(逆转或者说可能地虚拟)雅可比矩阵。
如果在一实施方案中预先给定或者已知处于固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的参考系中的来源于模型的重力方向gModell，那么相应地可以由等式(2)确定该参考系相对于当前实际重力方向gist的定向或者(通过使偏离最小化)可以使该参考系绝对地或者关于环境水平或垂直进行取向。
同样地，通过使所确定的(相对于)当前实际重力方向gist(定向)(又)适应于来源于模型的定向或者重力方向gModell可以(又)建立来源于模型的定向、尤其是相对于在其校准时存在的实际重力方向的定向。由此，在该情况下确定了机器人相对于(在其校准时)来源于模型的(相对于机器人的)重力方向的定向。
就像由等式(2)能够看到的那样，机器人相对于重力方向的定向可以在一实施方案中尤其以如下方式被确定，该方式是尤其当前实际的重力方向gist与来源于模型的重力方向gModell和/或固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的参考轴线之间的偏离Δg。
同样地，就像同样由等式(2)能够看到的那样，机器人相对于尤其是当前实际的重力方向gist的定向在一实施方案中尤其以该重力方向本身的形式在固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的参考系中确定：
该定向尤其可以以绕一个或者两个预先给定的、尤其是固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的轴线的形式确定或者给出，尤其是随后阐释的、处于重力方向和来源于模型的重力方向gModell或者固定在机器人((臂)基座)上的参考轴线之间的修正轴线。同样地，该定向例如可以以尤其是处于固定在机器人((臂)基座)上的参考系中的分量方式被确定或者给出。
在一实施方案中，该定向相对于一个或所述当前实际的重力方向或者来源于尤其是被校准的模型的或者在校准时存在的(相对于机器人的)重力方向来确定和给出、尤其是示出，尤其是其参量和/或方向。
通过确定相对于当前实际重力方向的定向，机器人可以在某种程度上被用作“绝对”水平仪和/或绝对地或者关于环境水平或者垂直地取向。
相对于来源于模型的重力方向来确定定向，该重力方向在一实施方案中尤其可以是相对于机器人、尤其是固定在机器人上的、尤其是固定在机器人(臂)基座上的(尤其是模型的)参考系的重力方向，该重力方向在机器人校准时存在，通过该确定，机器人可以在某种程度上被使用作为“相对的”水平仪，以便相对于机器人又建立来源于模型的定向或者重力方向。
该定向可以在一改进方案中以绕一个或两个尤其是固定在机器人上的和/或预先给定的、尤其是结构上预先给定的修正轴线的一维或多维的修正参量的形式给出，机器人、尤其是其基座可以在一改进方案中绕这些修正轴线倾侧或者倾斜，尤其是可倾侧或者可倾斜地受支承，尤其是通过调节一个或多个下面阐释的支撑件。由此可以有利地使得机器人的取向变得容易。
在一简单的实施方案中，例如可以针对一个或两个修正轴线(分别)显示(转动)方向和/或(转动)角度，机器人可以沿该(转动)方向或者绕该(转动)方向倾侧，以便使得当前实际重力方向和来源于模型的重力方向之间的偏离最小化。
一般性地，在一实施方案中以一个或者所述一维或多维的修正参量的形式确定和给出、尤其是示出机器人的定向，或者确定和给出、尤其是显示如下的一个或者所述一维或多维的修正参量，该修正参量尤其单调地、尤其是线性地取决于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离，尤其是随着该偏离的减少同样被减少或者随着增长的偏离同样增长。在一改进方案中，修正参量取决于如下这样的方向和/或绝对值，机器人可以沿该方向或者以该绝对值倾侧，以便尤其是最大地减少偏离，该修正参量可以尤其是给出该方向或者该绝对值。
例如，在一实施方案中可以绕两个修正轴线分别显示转动方向和/或绝对值，机器人可以沿该转动方向或者以该绝对值倾侧，以便尤其是最大地减少检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离。同样地，在一实施方案中可以例如作为方向箭头或角度显示如下的方向，机器人可以沿该方向倾侧，以便尤其是最大地减少偏离。附加地或替换地，在一实施方案中例如作为方向箭头的参量来显示：机器人可以沿该方向倾侧多少，以便尤其是最大地减少偏离。
在一实施方案中，该定向、尤其是修正参量被循环地或者以周期性间距被确定和/或给出。
就像前面阐释的那样，当前实际重力方向与来源于模型的重力方向之间的偏离造成检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离，从而使得关节力之间的偏离的减少导致当前实际重力方向和来源于模型的重力方向之间的不断增长的适应。
在一实施方案中，所确定的定向与机器人相对于重力方向的一或者所述来源于模型的定向之间的一或者所述偏离，尤其是所确定的实际重力方向与相对于机器人的来源于模型的重力方向之间的一或者所述偏离，和/或一或者所述尤其是线性取决于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离的、尤其是随着增加的偏离而增加的修正参量通过使机器人、尤其是其机器人(臂)基座和/或平台绕一个、两个或更多个尤其是彼此垂直的和/或尤其是结构上预先给定的修正轴线进行倾侧来减少、尤其是最小化。在一改进方案中，为此给出、尤其是显示相应的偏离或者修正参量、尤其是其方向和/或参量，尤其是在机器人(臂)基座或平台上，尤其是绕一个或多个修正轴线，形式为方向和/或绝对值等。
由此可以在一实施方案中修正机器人的取向。这点同样地可以至少部分地手动和/或至少部分地自动地进行，尤其是通过改变所述机器人的、尤其是其机器人基座的或可移动的机器人的平台的一个或多个支撑件。
在一实施方案中，在一个或多个测量姿态中，机器人的(分别)一个或多个运动轴线与尤其是结构上预先给定的固定在机器人上的修正轴线围出最高30°、尤其是最高10°的角度，机器人的取向可以绕该修正轴线尤其是通过改变机器人的、尤其是其机器人基座或平台的一个或多个支撑件来修正。换句话说，在一实施方案中，在至少一个测量姿态中，机器人的至少一个运动轴线至少基本上平行于修正轴线。
在一改进方案中，在这些测量姿态中的一个或多个中，机器人的(分别)一个或多个另外的运动轴线与尤其是结构上预先给定的固定在机器人上的另一修正轴线围出最高30°、尤其是最高10°的角度，机器人的取向可以绕该另一修正轴线尤其是通过改变机器人的、尤其是其机器人基座或平台的一个或多个支撑件来修正。换句话说，在一改进方案中，在这些测量姿态中的至少一个测量姿态中，机器人的至少一个另外的运动轴线至少基本上平行于另一修正轴线。
由此，在一实施方案中机器人的取向沿一个或多个固定在机器人上的修正轴线的修正有利地分别直接作用到机器人的与其至少基本上平行的运动轴线或者关节上或者中。
在一实施方案中，在至少一个测量姿态中，所述机器人的一个或者所述远端法兰和一个或者所述基座之间的水平间距为所述法兰与所述基座之间的最大水平间距的至少50％、尤其是至少75％。
通过这种至少基本上水平或者水平的姿态，重力有利地特别强地起作用，这可以改善相对于重力方向的所确定的定向的精确性。
在一实施方案中，在一个或多个布置地点上在一个或多个测量姿态中分别检测无工具机器人的关节力并基于这些检测到的关节力和无工具机器人的模型来确定机器人相对于重力方向的定向，并且在一改进方案中分别给出所确定的定向和/或通过使机器人绕至少一个修正轴线倾侧来减少所确定的定向与来源于模型的定向之间的偏离。
无工具机器人的模型可以有利地较精确。这点能够在一实施方案中尤其实现：将该机器人或者其(无工具)模型用作“绝对”水平仪并由此使其精确取向。
如果机器人尤其在其(远端)法兰上引导尤其是可松开地与法兰连接的工具，那么该工具可以在引导工具的机器人的模型中被考虑。如果具有其工具、尤其是抓具的机器人引导有效负荷，那么该有效负荷可以类似地在引导有效负荷的机器人的模型中被考虑。
在一改进方案中，处于至少一个布置地点上的这种模型可以在一个或多个校准姿态中被校准，尤其地，其方式是以本身已知的方式从检测到的关节力与引导工具或者有效负荷的机器人的模型之间的偏离中确定引导工具的机器人的工具或者模型的参数或者引导有效负荷的机器人的有效负荷或者模型的参数。
相应地，在一实施方案中，附加地或替换地在一个或多个另外的布置地点上在一个或多个测量姿态中分别检测引导工具、尤其是有效负荷的机器人的关节力并基于引导工具、尤其是有效负荷的机器人的这些检测到的关节力和模型来确定机器人相对于重力方向的定向，并且在一改进方案中分别给出所确定的定向和/或通过使机器人绕至少一个修正轴线倾侧来减少所确定的定向与来源于模型的定向之间的偏离。
就像开头阐释的那样，通过在一布置地点上校准引导工具、尤其是引导有效负荷的机器人的模型，在这些校准姿态中仿佛固有地补偿了可能地与实际取向或者重力方向偏离的取向或者来源于模型的重力方向。尤其地，为了也在一新的布置地点上准确地实施基于该(固有被补偿的)模型而被参数化的机器人应用，在一实施方案中在至少一个布置地点上在一个或多个校准姿态中校准引导工具、尤其是引导有效负荷的机器人的模型参数，并在至少一个另外的布置地点上确定机器人相对于重力方向的定向，并且在一改进方案中分别给出所确定的定向和/或通过使机器人绕至少一个修正轴线倾侧来减少所确定的定向与来源于被校准的模型的定向之间的偏离。
由此可以使机器人在其新的或者另外的布置地点上的相对于当前实际重力方向的定向至少基本上相应于在如下布置地点上的定向，模型利用该布置地点或者在该布置地点上被校准。由此可以在新的或者另外的布置地点上更好地实施基于该模型被参数化的机器人应用。
在一改进方案中，这些测量姿态中的至少一个测量姿态在该新的或者另外的布置地点上与校准姿态偏离该机器人的最大运动范围的最高10％、尤其是最高1％，在该校准姿态中，提前对引导工具、尤其是引导有效负荷的机器人的模型参数进行校准。最大的运动范围并且相应地所述偏离或者百分比说明尤其可以涉及到笛卡尔或轴线或者说关节坐标。例如，相应地在一实施方案中，在任何关节坐标中彼此差别该关节坐标的最大值范围的最高10％的两个测量姿态彼此偏离该机器人的最大运动范围的最高10％。同样地，在一实施方案中，在任何TCP坐标中彼此差别该坐标的最大值范围的最高10％的两个测量姿态彼此偏离该机器人的最大运动范围的最高10％。由此可以在一实施方案中又提高精确性。
根据本发明的一实施方案，用于确定一或者所述机器人相对于一或者所述重力方向的定向的方法具有下列步骤：
-在机器人的至少一个测量姿态中借助于布置在机器人、尤其是机器人的一或者所述(近端的机器人)基座或一或者所述(远端的工具)法兰上的力传感器来检测重力；以及
-基于检测到的重力和力传感器相对于机器人的已知定向来检测机器人、尤其是固定在机器人上的参考系相对于重力方向的定向。
由此，在一实施方案中不使用机器人本身，而是使用布置在其上的力传感器在某种程度上作为电子水平仪，尤其是作为“绝对的”或“相对的”水平仪：由力传感器检测到的重力尤其取决于力传感器相对于当前实际的重力方向或者重力矢量gist的定向。如果力传感器相对于机器人、尤其是固定在机器人上的参考系的定向是已知、尤其是预先给定和/或测量过的，那么由此可以基于借助于力传感器所检测的重力和力传感器相对于机器人或者参考系的已知定向也确定机器人、尤其是固定在机器人上的参考系相对于当前实际的重力方向或者重力矢量的定向。
在一实施方案中，力传感器无破坏可松开地尤其是借助于螺栓连接、插接连接、卡接连接和/或锁止连接和/或在固定在机器人上的力传感器保持件被紧固在机器人上。由此，该力传感器可以有利地在不需要时被去除并因此避免机器人运行被干扰。在另一实施方案中，力传感器不是无破坏可松开地，尤其是材料配合地被紧固在机器人上。由此可以将其相对于机器人的位姿有利地进行固定。
在一实施方案中，力传感器检测机器人所引导的有效负荷的重力，或者为此而设置，尤其是布置在机器人的法兰或基座上。在另一实施方案中，力传感器检测引导有效负荷或无有效负荷的机器人的重力，或者为此而设置，尤其是布置在机器人的基座上。
在一实施方案中，借助于多轴力传感器来检测沿多个方向的重力的分量，并且在一改进方案中从中确定力传感器或者力传感器被布置在其上的机器人相对于当前实际的重力方向或者重力矢量的定向。
在另一实施方案中，借助于单轴力传感器仅检测重力沿该轴线方向的分量，并且在一改进方案中从中确定力传感器的该轴线方向或者检测方向的定向或者力传感器被布置在其上的机器人相对于重力方向或者重力矢量的定向，尤其是当前实际重力方向或者来源于尤其是一或所述模型的校准的重力方向。
在一实施方案中确定并显示修正参量，该修正参量取决于机器人相对于实际重力方向的基于检测到的重力所确定的最新定向和取决于该最新定向与机器人相对于在机器人校准期间存在的实际重力方向的定向之间的偏离，尤其是给出该偏离。由此，尤其是通过使机器人倾侧来减少、尤其是最小化所述偏离，可以(又)建立机器人的在机器人校准期间存在的定向。
在一实施方案中，机器人是可移动或者可运输的机器人。移动式机器人在一实施方案中可选地和/或连续地被布置在不同的布置地点上，尤其在这些移动式机器人的情况下，这里所描述的确定和可能地给出和/或修正一定向是有利的。
在一改进方案中，移动式机器人具有可运动的、尤其是可行驶的平台，在该平台上在一改进方案中尤其是无破坏或非无破坏可松开地布置该机器人的机器人基座。该平台在一实施方案中可以与轨道相连或可自由行驶，并且为此在一改进方案中具有一个或多个空气垫、一个或多个无驱动的和/或一个或多个被驱动的轮子、滚子等。
在一实施方案中，机器人、尤其是其(臂)基座和/或其平台具有长度和/或状态可改变的一个或多个支撑件，通过所述支撑件，机器人相对于该机器人的站立面或紧固面、尤其是其基座和/或其平台的取向尤其在结构上是可改变、尤其是可调节或者可调整的。通过可调节的支撑件，在一实施方案中在结构上预先给定一个或多个固定在机器人上的修正轴线。
在一简单的实施方案中，至少一个支撑件尤其是手动或者机械地，尤其是通过螺栓螺纹、气动和/或液压地可移入或者移出和/或可摆动。
根据一实施方案，用于控制一或者所述机器人的控制器尤其是在硬件技术和/或软件技术、尤其是程序技术上被设置用于执行这里所描述的方法，和/或具有：用于在至少一个测量姿态中检测尤其是无工具和/或引导工具的、尤其是引导有效负荷的机器人的关节力的装置；以及用于基于检测到的关节力和尤其是无工具和/或引导工具、尤其是引导有效负荷的机器人的模型来检测机器人相对于重力方向的定向的装置。
在一实施方案中，所述控制器具有：
用于基于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离来检测所述定向的装置；和/或
用于确定和给出、尤其是显示相对于当前实际重力方向或来源于模型的重力方向的定向、尤其是取决于检测到的关节力和基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离的修正参量的装置；和/或
用于通过使机器人绕至少一个修正轴线倾侧来减少所确定的定向与来源于模型的定向之间的偏离、尤其是取决于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离的修正参量的装置；和/或
用于在至少一个布置地点上的至少一个校准姿态中校准引导工具、尤其是引导有效负荷的机器人的模型参数的装置，以及用于在至少一个另外的布置地点上确定机器人相对于来源于模型的重力方向校准的定向的装置。
在一实施方案中，所述控制器具有：
用于在机器人的至少一个测量姿态中借助于布置在机器人、尤其是机器人的一或者所述(近端的机器人)基座或一或者所述(远端的工具)法兰上的力传感器来检测重力的装置；以及
用于基于检测到的重力和力传感器相对于机器人的已知定向来检测机器人、尤其是固定在机器人上的参考系相对于重力方向的定向的装置。
相应地，在一实施方案中，力传感器被布置在机器人、尤其是机器人的一或者所述(远端的机器人)基座或一或者所述(近端的工具)法兰上，并且在一改进方案中与所述控制器在信号技术上连接。
在一改进方案中，所述控制器具有用于确定并显示修正参量的装置，该修正参量取决于机器人相对于实际重力方向的基于检测到的重力所确定的最新定向和取决于该最新定向与机器人相对于在机器人校准期间存在的实际重力方向的定向之间的偏离，尤其是给出该偏离。
本发明意义上的装置可以在硬件技术和/或软件技术上构造，尤其具有优选与存储系统和/或总线系统在数据或信号上连接的、尤其是数字式的处理单元、尤其是微处理器(CPU)和/或具有一个或多个程序或程序模块。CPU可以被设置用于：运行执行储存在存储系统中的程序的命令；检测数据总线的输入信号和/或给出输出信号到数据总线上。存储系统可以具有一个或多个、尤其是不同的存储介质、尤其是光学的、磁性的、固体的和/或另外的非易失性介质。可以这样地提供该程序，使得该程序能够具体化或者实施这里所描述的方法，从而使得CPU可以实施这种方法的步骤进而尤其可以控制机器人。
机器人的控制当前尤其也被理解为调节。
在一实施方案中，完全或部分自动地执行该方法的一个或多个步骤。
附图说明
其他优点和特征由从属权利要求和实施例中获得。部分示意性地为此示出：
图1：具有根据本发明一实施方案的控制器的移动式机器人；以及
图2：根据本发明一实施方案的方法。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明一实施方案的控制器2的移动式机器人10。
机器人具有：机器人臂，其具有近端机器人基座11；以及远端工具法兰16，在该工具法兰上无破坏可松开地布置工具12。基座11和法兰16通过七个被致动的转动关节以可运动方式被彼此连接，这些转动关节的关节角度以q1,...,q7来表示。
图1中此外简示出与机器人基座固定的参考(坐标)系(x，y，z)，其z轴线与机器人的第一运动轴线(参见q1)对齐，并简示出最新的实际重力方向gist。
移动式机器人此外具有可移动的平台13，该平台具有示例性的两个轮子14，机器人的机器人基座11布置在两个轮子上。
平台示例性具有两个支撑件15，所述支撑件具有可改变的长度，通过该可改变的长度可以改变机器人相对于它的或者它们的站立面的取向。在该实施例中，支撑件15可以通过螺栓螺纹被移入或者移出。通过使两个沿视线方向在图1上彼此前后设置的支撑件15同步移入或者移出，机器人10或者它的平台13可以绕相对于y轴线平行的、结构上被预先给定的、与机器人固定的修正轴线被倾侧。通过使这两个支撑件15非同步地移入或者移出，机器人10或者它的平台13可以绕相对于x轴线平行的、结构上被预先给定的、与机器人固定的另一修正轴线被倾侧。
控制器21至少部分自动地实现根据本发明一实施方案的随后参考图2所阐释的方法，该方法用于确定机器人10相对于重力方向的定向。
为了使机器人10在它的最新的布置地点上绝对地看被水平或者垂直地取向，在步骤S10中在图1中示出的测量姿态上检测作用在关节中的关节力τmess，其中，工具12被去除。
在步骤S20中，控制器2从关节角度q1，...，q7中基于无工具的机器人的模型根据等式(1)确定模型关节力τModell并从检测到的关节力τmess与基于该模型所确定的模型关节力τModell之间的偏离中根据等式(2)确定机器人相对于当前实际重力方向gist的定向或者与检测到的关节力τmess与基于机器人模型所确定的模型关节力τModell之间的偏离相关的修正参量。
这点可以在图1上明示：在第二关节(参见q2)上主要作用该关节远端布置的机器人节肢(图1中的右边)的重力。因此，第二关节中的关节力矩取决于该节肢的重量和所述重力的水平力臂。如果现在机器人10的或者其参考系(x，y，z)的定向与图1中示出的(理想)定向偏离，该(理想)定向基于所述模型并且其第一或者z轴线在该(理想)定向中反平行于当前实际重力方向gist，那么实际起作用的水平力臂进而第二关节中的关节力矩被相应地改变。
该关节力矩于是与基于模型或者基于来源于该模型的重力方向gModell＝[0,0,-g]T所确定的关节力矩相偏离。相应地，控制器2可以反转地从检测到的关节力矩与基于机器人模型所确定的模型关节力矩之间的该偏离中确定(x-z)平面中的机器人10的或者其与机器人(基座)固定的参考系(x，y，z)相对于当前实际重力方向gist的定向或者确定修正参量的相应分量。
类似地，该控制器也可以确定(y-z)平面中的定向或者修正参量的相应分量，例如基于第三关节(参见q3)中的关节力矩。
通过考虑另外的关节力矩，例如用于(x-z)平面中的定向的第五关节(参见q5)中的关节力矩和/或用于(x-z)平面中的定向的第七关节(参见q7)中的关节力矩，和/或通过重复用于例如绕第一轴线(参见q1)转动90°的另外的测量姿态的步骤S10、S20可以以冗余方式进行所述确定并因此尤其是通过取平均值来提高该确定的精确性。
在步骤S30中示出了机器人10的所确定的最新定向或者修正参量，例如以绕x轴线和y轴线的角度的形式，与机器人基座固定的z轴线或者来源于模型的重力方向gModell＝[0,0,-g]T和当前实际重力方向gist彼此偏离这些角度。
通过调节支撑件15的(长度)，使用者可以这样修正机器人10的，尤其是它的平台13的取向，使得所确定的定向与来自于模型的定向之间的偏离或者说修正参量被最小化。
以这种方式可以使得机器人10绝对地水平或者垂直地取向。
同样地，也可以在另一布置地点上又建立机器人在校准引导工具的机器人的模型时的之前的定向：
为此，首先将该模型在一布置地点上以本身已知的方式进行校准，其方式是，驶进不同的校准姿态并在这些校准姿态中检测关节力矩。从这些检测到的关节力矩与基于模型所确定的关节力矩的偏离中可以修正模型的参数。
这点也可以在图1上明示：就像前面实施的那样，第二关节中作用的是远端的机器人节肢的重力。检测到的关节力矩与基于引导工具的机器人的模型利用工具质量和初始重心位姿所确定的关节力矩之间的差值例如以本身已知的方式允许了尤其是重复地确定质量和(x，z)平面中的重心位姿。
如果机器人10现在被布置在另一布置地点上，那么在那里其相对于当前实际重力方向的定向又相应于也在前面所阐释的校准时存在的定向。固有地在对机器人应用进行参数化时基于被校准的模型补偿了实际定向与校准时的来源于模型的定向之间的偏离。该补偿相应地也应该在新的或者另外的布置地点上(又)可以被考虑。
相应地，在所述另外的布置地点上又按照步骤S10-S30检测作用在关节中的关节力τmess(S10)，其中，在校准引导工具的机器人的模型时已经将工具12紧固在机器人法兰16上，从关节角度q1，...，q7基于引导工具的机器人的模型根据等式(1)来确定模型关节力τModell(S20)，并以沿x方向和y方向的分量来显示多维的修正参量，该修正参量例如线性地取决于检测到的关节力τmess与模型关节力τModell之间的偏离(S30)。
修正参量例如可以以绕x轴线和y轴线的转动方向和/或转动角度的形式来显示。同样地，该修正参量例如可以以处于x-y平面中的方向箭头的形式来显示，z轴线能够朝该方向箭头倾侧，其中，方向箭头的参量可以显示倾侧角度。修正参量例如也可以以处于x-y平面中的修正轴线的形式来显示，z轴线可以绕该修正轴线倾侧，其中，在一改进方案中可以显示转动方向和/或倾侧角度，例如也可以以数字形式。
使用者通过使支撑件15移入或移出这样地改变平台13的取向，使得所显示的修正参量被最小化，使用者通过这种方式在新的或者另外的布置位置中又调整出相同的定向，该定向存在于校准引导工具的机器人的模型时。
以这种方式，被校准的模型也可以被使用在该新的或者另外的布置位置中，尤其是也在机器人为了校准模型而被绝对地水平或者垂直地取向。
图1示出了有利的测量姿态：可以识别出，机器人的第二和第五运动轴线与固定在机器人上的修正轴线y围出0°的角度，机器人的取向可以绕该修正轴线通过改变机器人的支撑件15来修正。由此，机器人取向绕y轴线的有利的修正直接作用到第二和第五运动轴线上。
类似地，机器人的第三和第七运动轴线与另外的修正轴线x围出同样0°的角度，机器人取向可以绕另外的修正轴线通过改变支撑件15中的一个来修正。由此，机器人取向绕x轴线的修正有利地直接作用到第三和第七运动轴线上。
此外，在测量姿态中，机器人的远端法兰16和基座11之间的水平间距为法兰与基座之间的最大水平间距的100％，从而使得重力特别强地起作用。
在一改变方案中，在基座11上或法兰16上布置力传感器，例如力传感器形式为图1中虚线简示的力测量盒20的形式。
在该改变方案中，控制器2在步骤S10中借助于(布置在基座上的)力测量盒20检测机器人臂的重力，可能地包括有效负荷，或借助于(布置在基座或法兰上的)力测量盒20检测机器人引导的有效负荷的重力。
在该改变方案的一实施方案中，多轴的力测量盒20在步骤S10中检测重力m在固定在机器人基座上的参考坐标系(x，y，z)的三个方向上的分量mx，my，mz。
由此，控制器2在步骤S20中确定力测量盒20或者机器人的定向，该控制器在该机器人上以已知的定向进行布置，尤其是其固定在机器人基座上的参考坐标系相对于当前实际重力方向的定向，该重力方向通过矢量[mx，my，mz]T的方向来确定。如果例如力测量盒20仅检测在其z轴线方向上的负的重力(分量)，那么该负的重力(分量)与当前实际重力方向反向。
在该改变方案的另一实施方案中，单轴的力测量盒20在步骤S10中仅检测重力m在固定在机器人基座上的参考坐标系(x，y，z)的轴线或者检测方向z上的分量mz。
由此，控制器2在步骤S20中确定力测量盒20或者机器人相对于当前实际重力方向的定向，该控制器在该机器人上以已知的定向进行布置。如果例如重力m的绝对值|m|是已知的，因此可以从比值mz/|m|中确定所述定向，该比值在检测方向z与当前实际重力方向相一致时占据最大值1。
在步骤S30中，控制器2确定一修正参量，该修正参量给出了机器人相对于实际重力方向的基于检测到的重力所确定的最新定向，并显示该定向，例如比值mz/|m|。使用者可以通过使平台13进而机器人10倾侧来使该比值最小化，并因此使机器人相对于实际重力方向被绝对地取向。这点也可行，如果重力m的绝对值|m|不是已知的，因为当力测量盒或者固定在机器人基座上的参考坐标系的z轴线方向与当前实际重力方向相一致时，分量mz具有极值。
同样地，修正参量也可以给出所确定的最新定向与机器人相对于实际重力方向的定向之间的偏离，该实际重力方向在机器人校准期间存在，例如给出最新检测到的重力的分量mx，my，mz与相应的分量之间的偏离，这些相应的分量在校准机器人期间被检测到。使用者通过使平台13进而机器人10倾侧而使该(多维)偏离最小化，使用者通过该方式又建立了在校准机器人期间存在的定向，从而使得在此被校准的机器人模型尤其又是准确的。虽然在前面的描述中阐释了示例性的实施方案，那么就此要指出的是，多个改变方案是可行的。此外要指出的是，这些示例性实施方案仅仅是示例，它们不应以任何方式限制保护范围、应用方案和结构。确切地说，通过前面的描述给本领域技术人员提供了转换至少一个示例性实施方案的教导，其中，尤其在所描述的组成部分的功能和布置方面的若干个改变方案可以在不离开就像从权利要求书和与权利要求书等效的特征组合所获得的保护范围的情况下进行。
附图标记列表
10 机器人
11 基座
12 工具
13 平台
14 轮子
15 支撑件
16 法兰
20 力测量盒
2 控制器
gist 当前实际重力方向
q1，...，q7 关节角度
(x，y，z) 参考系

Claims (15)

1.一种用于在机器人的至少一个布置地点上确定机器人(10)相对于重力方向(gist)的定向的方法，具有如下步骤：
在至少一个测量姿态上检测所述机器人的关节力(S10)；以及
基于检测到的关节力和所述机器人的模型来确定所述机器人相对于重力方向的定向(S20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离来确定所述定向。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定和给出、尤其是示出相对于当前实际重力方向(gist)或来源于所述模型的重力方向的所述定向，尤其是取决于检测到的关节力与基于机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离的修正参量(S30)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使所述机器人绕至少一个修正轴线(x，y)倾侧来减少所确定的定向与来源于所述模型的定向之间的偏离，尤其是取决于检测到的关节力与基于所述机器人模型所确定的模型关节力之间的偏离的修正参量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个测量姿态中，所述机器人的至少一个运动轴线与预先给定的固定在机器人上的修正轴线(x)围出最高30°的角度，机器人取向能够绕该修正轴线来修正。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述测量姿态中，所述机器人的至少一个另外的运动轴线与另一预先给定的固定在机器人上的修正轴线(y)围出最高30°的角度，机器人取向能够绕该修正轴线来修正。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个测量姿态中，所述机器人的臂的远端法兰(16)和基座(11)之间的水平间距为所述法兰与所述基座之间的最大水平间距的至少50％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测无工具的机器人的关节力，并且所述模型是该无工具的机器人的模型。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测引导工具的、尤其是引导有效负荷的机器人的关节力，并且所述模型是该引导工具的、尤其是引导有效负荷的机器人的模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在至少一个布置地点上校准引导工具的、尤其是引导有效负荷的机器人的模型在至少一个校准姿态中的参数，并且在至少一个另外的布置地点上确定所述机器人相对于来源于所述模型的重力方向的校准的定向。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，用于在所述另外的布置地点确定所述机器人相对于所述重力方向的定向的至少一个测量姿态和至少一个校准姿态彼此偏离所述机器人的最大运动范围的最高10％。
12.一种用于在机器人的至少一个布置地点上确定机器人(10)相对于重力方向(gist)的定向的方法，具有如下步骤：
在所述机器人的至少一个测量姿态中借助于布置在所述机器人、尤其是所述机器人的基座(11)或法兰(16)上的力传感器(20)来检测重力(S10)；以及
基于检测到的重力和所述力传感器相对于所述机器人的已知定向来确定所述机器人相对于重力方向的定向(S20)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机器人是移动式机器人，尤其是具有能运动的、尤其是能行驶的平台(13)。
14.一种用于控制机器人(10)的控制器(2)，所述控制器被设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法和/或具有：
用于在至少一个测量姿态上检测所述机器人的关节力的装置(2)；以及
用于基于检测到的关节力和所述机器人的模型来确定所述机器人相对于所述重力方向的定向的装置(2)。
15.一种计算机程序、尤其是计算机程序产品，具有程序编码，该程序编码存储在能由计算机读取的介质上，所述计算机程序、尤其是计算机程序产品用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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