CN110494260B - 用于控制协作机器人的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

作为本发明的一个优选实施例，一种用于控制协作机器人的装置包括：碰撞检测单元，用于检测协作机器人的碰撞；控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，控制协作机器人的操作模式；以及碰撞对抗单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将碰撞补偿值应用于协作机器人中的多个关节件中的每个，以改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向。

Description

用于控制协作机器人的装置和方法
技术领域
本公开涉及协作机器人，更具体地讲，涉及一种用于在协作机器人与对象碰撞时防止卡阻(jamming)的控制协作机器人的方法。
背景技术
一般的工业机器人被广泛用于生产线中，以在没有人的监视或操控的情况下执行准确的任务。例如，用于汽车工业中的机器人执行各种操作(诸如，搬运车辆、执行焊接操作等)。
与一般的工业机器人不同，智能服务机器人在人类居住的空间内执行操作并引导他们的日常生活。因此，存在智能服务机器人与人类碰撞并伤害人类的可能性，因此，确保在这样的机器人周围的人类的安全是非常重要的。具体地讲，这对于在智能服务机器人之中的具有与人类碰撞的最高可能性的协作机器人来说变得更重要。
当协作机器人与某物碰撞时，在协作机器人的驱动器中可能发生错误或者协作机器人所碰撞的障碍物可能导致卡阻，这可能导致二次伤害。具体地讲，随着碰撞时间增加，由碰撞导致的损害变得严重。此外，如果协作机器人在高速移动时碰撞，则协作机器人可能跌倒。
发明的具体实施方式
技术问题
在本公开的一个优选实施例中，提供一种在协作机器人感测到碰撞时减少碰撞时间以使发生碰撞的对象的伤害最小化的方法。
在本公开的另一优选实施例中，提供一种在协作机器人感测到碰撞之后迅速返回到碰撞之前的状态并执行工作的方法。
问题的解决方案
作为本公开的一个优选实施例，一种用于控制协作机器人的装置包括：碰撞检测单元，被配置为：感测协作机器人的碰撞；控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，控制协作机器人的操作模式；以及碰撞对抗单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将碰撞补偿值应用于协作机器人中的多个关节件中的每个，以改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向。
作为本公开的一个优选实施例，控制单元可被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将操作模式从位置模式切换到转矩模式。
作为本公开的一个优选实施例，在碰撞对抗单元应用碰撞补偿值以改变力的行进方向之后，控制单元可将操作模式从转矩模式切换到位置模式。
作为本公开的一个优选实施例，碰撞对抗单元可被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，通过将碰撞补偿值不同地应用于协作机器人中的所述多个关节件中的每个来改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向。
作为本公开的一个优选实施例，碰撞检测单元可被配置为：当预测的转矩值与测量的转矩值之间的差超过预定值时感测到碰撞，其中，预测的转矩值可根据协作机器人的动力学而被控制单元预测为被每个关节件需要，测量的转矩值从包括在协作机器人中的所述多个关节件中的每个被测量。
作为本公开的另一优选实施例，一种用于控制协作机器人的装置包括：碰撞检测单元，被配置为：感测协作机器人的碰撞；控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将协作机器人的操作模式从位置模式切换到转矩模式；以及碰撞对抗单元，被配置为：在转矩模式下，将碰撞补偿值应用于协作机器人中的多个关节件中的每个以改变力的行进方向，其中，当碰撞对抗单元应用碰撞补偿值时，控制单元将操作模式从转矩模式再次切换到位置模式。
发明的有益效果
在本公开的一个优选实施例中，在发生碰撞的情况下，协作机器人被控制，使得在与发生碰撞的方向相反的方向上产生转矩，以便减少碰撞的时间段。
在本公开的一个优选实施例中，协作机器人通过在发生碰撞时改变协作机器人的操作模式来适应性地应对碰撞。
在本公开的一个优选实施例中，包括碰撞的位置、水平和方向的各种碰撞状态可被有效地感测，以适应性地应对碰撞，因此，人类与机器人之间的更有效的且安全的协作可被允许。
附图说明
图1是作为本公开的一个优选实施例的协作机器人的示图；
图2是作为本公开的一个优选实施例的协作机器人的内部结构的框图；
图3是示出作为本公开的一个优选实施例的协作机器人与障碍物碰撞并在碰撞之后发生卡阻的示例的示图；
图4和图5分别示出作为本公开的一个优选实施例的如在图3中示出的实施例中的在协作机器人与障碍物碰撞并在碰撞之后发生卡阻的情况下根据时间施加到协作机器人的力的变化；
图6是作为本公开的一个优选实施例的协作机器人的驱动的系统图；以及
图7是示出作为本公开的一个优选实施例的当发生碰撞时控制协作机器人的方法的流程图。
最佳的实施方式
作为本公开的一个优选实施例，一种用于控制协作机器人的装置包括：碰撞检测单元，被配置为：感测协作机器人的碰撞；控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，控制协作机器人的操作模式；以及碰撞对抗单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将碰撞补偿值应用于协作机器人中的多个关节件中的每个，以改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向。
公开的实施方式
在下文中，将参照附图在下面描述本公开的一个优选实施例。贯穿附图，相同的参考标号表示相同的元件。在本公开的实施例的详细描述中，可省略公知的相关功能和配置的详细描述，以免以多余的细节模糊本公开的技术。
图1是作为本公开的一个优选实施例的协作机器人100的示图。
在本公开的实施例中，协作机器人100表示包括链接件(link)111、112、113和114以及关节件(joint)101、102和103的机器人主体。具体地讲，协作机器人100可以以人的手和臂的形式被设置以提供手和臂的操作。
协作机器人100包括彼此连接的多个链接件111、112、113和114以及布置在多个链接件之间的连接部分处的关节件101、102和103。作为本公开的实施例，积分式致动器(参见图6)安装在链接件111、112、113和114中的每个中以执行围绕关节件101、102和103的旋转。在图1中，示出关节件101枢转的示例。
根据链接件111、112、113和114的位置、速度、加速度和重量在关节件101、102和103中的每个上产生转矩。关节件101、102和103中的每个可测量当链接件111、112、113和114之中的相应链接件旋转时产生的关节件101、102或103与链接件111、112、113或114之间的转矩。关节件101、102和103中的每个实时测量转矩。参照图6，积分式致动器620被设置在关节件101、102和103中的每个上，以通过使用在积分式致动器620的驱动器中使用的电机转矩常数来估计转矩。
图2是作为本公开的一个优选实施例的协作机器人200的内部结构的框图。
作为本公开的一个优选实施例，协作机器人200包括碰撞检测单元210、控制单元220和碰撞对抗(countermeasure)单元230。
作为本公开的一个优选实施例，当碰撞检测单元210感测到碰撞时，控制单元220控制协作机器人200的驱动模式。当控制单元220从碰撞检测单元210接收到碰撞感测信号时，控制单元220将协作机器人200的驱动模式从位置模式改变为转矩模式，并且碰撞对抗单元230将碰撞补偿值应用于协作机器人200的多个关节件(参见图1的101、102和103)中的每个，以防止协作机器人200由于碰撞而被卡阻(参见图3的S320)。如果碰撞情况在碰撞对抗单元230应用碰撞补偿值时被解决，则控制单元220可将驱动模式从转矩模式再次改变为位置模式。
下面将详细描述多个组件中的每个。
作为本公开的一个优选实施例，如图3中所示，碰撞检测单元210感测协作机器人100与碰撞物120之间的碰撞。在图3中，当协作机器人100的关节件101旋转时(S300)，协作机器人100与障碍物120碰撞(S310)，并且在自S310的碰撞已经过去预定时间段之后，发生卡阻(S320)。
作为本公开的一个优选实施例，当预测的转矩值与测量的转矩值之间的差超过预定值时，碰撞检测单元210感测到碰撞，其中，预测的转矩值根据协作机器人的动力学而被预测为被每个关节件需要，测量的转矩值从构成协作机器人的多个关节件中的每个来实时测量。
作为本公开的一个优选实施例，控制单元220可预先存储被预测为被每个关节件需要的预测的转矩值。预测的转矩值表示由控制单元220计算的实际使机器人移动所需要的转矩值。控制单元220管理通过在每个关节件处实时测量转矩而获得的测量的转矩值。测量的转矩值可表示通过测量安装在每个关节件上的电机的电流值而实时获得的转矩值。
控制单元220可通过使用协作机器人的动力学和摩擦模型来预先计算并存储预测的转矩值。动力学表示根据包括在协作机器人中的链接件与关节件之间的几何关系的运动特性。动力学用于经由机器人动力学、机器人的位置、机器人中的链接件的速度、加速度、重力、重量、链接件的质心、链接件的惯性矩等计算当机器人移动时的每个关节件的转矩。动力学可根据链接件被表示为涉及惯性项、科里奥利(Coriolis)项和重力项的等式。摩擦模型通过对设置在协作机器人中的电机(参见图6的622)的输出与减速器(参见图6的621)的输出之间的转矩损失进行数学建模来获得。
作为本公开的一个优选实施例，当控制单元220从碰撞检测单元210接收到指示碰撞的发生的信号时，控制单元220将协作机器人200的操作模式从位置模式切换到转矩模式。
作为本公开的一个优选实施例，当协作机器人200在位置模式下操作时，协作机器人200根据位置命令被控制，而不考虑诸如碰撞的外力。当协作机器人200在位置模式下与对象碰撞时，包括反馈环路的积分式致动器的驱动器产生位置命令，而不考虑外力，以控制协作机器人200的动力学。协作机器人200的动力学根据由控制单元220提供给分别安装在协作机器人200的链接件(参见图1的111、112、113和114)上的积分式致动器的驱动器(参见图6的601至606)的位置命令被控制。位置命令包括关于电机必须到达的位置的信息。
然而，如果协作机器人200在位置模式下连续操作直到控制单元220感测到协作机器人200的碰撞并将停止命令发送到协作机器人200，则可能在如图3中所示的已经发生的碰撞的方向上发生卡阻状态(S320)。此外，由于协作机器人200停留在停止位置直到重新得到停止命令为止，因此卡阻状态可能被保持。为了解决这个，根据本公开的实施例，当碰撞发生时，协作机器人200的操作模式被切换到转矩模式。
作为本公开的一个优选实施例，当协作机器人200在转矩模式下操作时，协作机器人200根据转矩命令被控制，而不考虑诸如碰撞的外力。当协作机器人200在转矩模式下与对象碰撞时，积分式致动器的驱动器(参见图6的601至605)被配置为开环并产生转矩命令而不考虑外力，以控制协作机器人200的动力学。控制单元220计算从积分式致动器的电机输出的转矩值以将计算的值提供给驱动器(参见图6的622)，以便控制协作机器人200的动力学。
在本公开的一个优选实施例中，虽然协作机器人200在转矩模式下操作，但是如果需要，则用户可将协作机器人200手动移动到安全的地点。
在本公开的一个优选实施例中，碰撞对抗单元230基于发生碰撞时协作机器人200中的每个关节件的位置、速度和加速度值来计算碰撞补偿值。碰撞对抗单元230可基于发生碰撞时协作机器人200中的每个关节件的位置、速度和加速度值来识别碰撞的程度和方向，并且可计算可作为抵抗碰撞的程度和方向的反作用力而被应用的碰撞补偿值。
例如，在具有n个关节件的协作机器人200中的关节件k处发生碰撞的情况下，施加到关节件1至k的外力由于碰撞而迅速增加，并且施加到关节件k+1至n的外力没有很大地改变。很大可能的是：在被施加迅速改变的外力的关节件1至k上，关节件的位置、速度和加速度的变化大。然而，很大可能的是：在关节件k+1至n上，关节件的位置、速度和加速度的变化小，并且施加到其上的外力没有很大地改变。
作为本公开的一个优选实施例，当感测到协作机器人200的碰撞时，碰撞对抗单元230可计算与每个关节件的位置变化量成比例的碰撞补偿值。位置变化量通过位置向量来检测，与位置变化量成比例的碰撞补偿值被计算，并且可被不同地应用于每个关节件。
作为本公开的一个优选实施例，协作机器人200的碰撞被检测，碰撞对抗单元230可计算与每个关节件的速度值成比例的碰撞补偿值。较大的碰撞补偿值可被应用于具有较高速度值的关节件。
作为本公开的一个优选实施例，当感测到协作机器人200的碰撞时，碰撞对抗单元230可计算与每个关节件的加速度值的变化成比例的碰撞补偿值。
作为本公开的一个优选实施例，当检测到协作机器人200的碰撞时，碰撞对抗单元230可基于每个关节件的位置、速度和加速度之中的至少一个变量来计算碰撞补偿值。
作为本公开的一个优选实施例，碰撞对抗单元230可在比碰撞的检测早预定时间时的协作机器人200的操作期间或者在碰撞的检测之前紧接的协作机器人200的操作期间，参照协作机器人200的位置和速度来设置碰撞补偿值的范围。
作为本公开的一个优选实施例，在碰撞检测单元210感测到碰撞的情况下，控制单元220将操作模式从位置模式221切换到转矩模式222，使得碰撞对抗单元230应用碰撞补偿值来解锁协作机器人200的碰撞状态，并且控制单元220可将操作模式从转矩模式222重新设置到位置模式221。
图3是示出作为本公开的一个优选实施例的协作机器人100与障碍物120碰撞(S310)并且在碰撞之后发生卡阻(S320)的示例的示图。
在如图3所示的当协作机器人100移动时障碍物120位于链接件111的行进路径上的情况下，协作机器人100的链接件111与障碍物120碰撞(S310)，并且在碰撞之后，可能发生卡阻(S320)。
在本公开的一个优选实施例中，当协作机器人100与障碍物120碰撞时(S310)，与协作机器人100移动的方向相反地施加的反作用力可作为碰撞补偿值被应用。
图4和图5分别示出作为本公开的一个优选实施例的在如图3中示出的实施例中一样地协作机器人100与障碍物120碰撞并且在碰撞之后发生卡阻的情况下，施加到协作机器人100的力根据时间的变化。
图4示出当协作机器人100与图3中的障碍物120碰撞时施加到协作机器人100的部分的力的变化的图400。可识别出在0.5秒时发生碰撞并且力被施加在发生碰撞(S310)的方向上。在本公开的一个优选实施例中，碰撞补偿值S410可被设置，以被施加在与在发生碰撞(S310)的方向上施加的力相反的方向上。
图5示出当在协作机器人100与图3中的障碍物120碰撞之后发生卡阻(S320)时施加到协作机器人100的卡阻部分的力的变化的图500。
图6是作为本公开的一个优选实施例的驱动协作机器人600的系统图。
协作机器人600可被实现为包括多个关节件和链接件，并且积分式致动器620可被设置在多个关节件中的每个上。图6示出了六个积分式致动器601至606被设置在协作机器人600的六个关节件上的示例。积分式致动器620是减速器621、电机622、制动器623和驱动器624被组装成一个的模块，并且驱动器624控制电机622。图6示出六个驱动器601至606，其中，六个驱动器601至606可由六个致动器替换。
协作机器人600可经由控制协议执行与控制单元620的通信。控制单元620还可经由有线通信或无线通信与终端640通信，并且控制单元620的功能可经由终端640控制。
在下文中，将在下面描述控制单元620的内部结构和每个组件的特性。
根据控制单元620的内部结构，控制单元620包括用户接口621、控制单元622、现场协议服务630和硬件抽象层631。
作为本公开的一个优选实施例，控制单元622包括事件控制单元623、动力学控制单元624、摩擦建模单元625、碰撞管理器626、安全管理器627、运动学控制单元628和运动控制单元629。
作为本公开的一个优选实施例，事件控制单元623检测在协作机器人600中发生的事件。事件包括碰撞事件。
作为本公开的一个优选实施例，动力学控制单元624和摩擦建模单元625计算施加到协作机器人600的每个关节件的估计转矩值，并存储估计转矩值。动力学控制单元624计算机器人的动力学中的每个所需要的转矩值。摩擦建模单元625对电机的输出转矩与减速器的输出转矩之间的差进行数学建模。作为示例，由于减速器中的机械元件和机器人的关节件而产生的损失可被数学建模。
碰撞管理器626基于在发生碰撞时协作机器人600中的每个关节件的位置、速度和加速度值来计算碰撞补偿值。安全管理器627可被实现为使得当协作机器人600处于转矩模式时协作机器人600可被手动地移动到安全的地点。
运动学控制单元628和运动控制单元629可被实施为基于协作机器人的关节件与链接件之间的几何关系来确定运动特性，使得链接件可围绕关节件旋转以进行各种运动。现场协议服务630被配置为管理协作机器人600与控制单元620之间的控制协议。控制协议的示例可包括EtherCAT。
图7是示出作为本公开的一个优选实施例的在发生碰撞时控制协作机器人的方法的流程图。
在本公开的一个优选实施例中，碰撞检测单元从包括在协作机器人中的多个关节件中的至少一个感测碰撞(S710)。当预测的转矩值与测量的转矩值之间的差超过预定值时，碰撞检测单元确定已经发生碰撞。
当碰撞检测单元感测到碰撞时，控制单元将协作机器人的操作模式从位置模式切换到转矩模式以适应性地应对外力(S720)。当操作模式被切换到转矩模式时，碰撞对抗单元将与抵抗由碰撞导致的力的反作用力对应的碰撞补偿值应用于协作机器人中的多个关节件中的每个，以改变将力施加到多个关节件中的每个的方向(S730)。
在本公开的另一优选实施例中，在碰撞补偿值被应用于多个关节件中的每个之后，控制单元可将协作机器人的操作模式从转矩模式重新切换到位置模式(S740)。
应理解，在此描述的实施例应仅被认为是描述性意义而不是为了限制的目的。每个实施例内的特征或方面的描述应通常被认为能够用于其他实施例中的其他类似特征或方面。尽管已经参照附图描述了一个或多个实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由下面的权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节的各种改变。

Claims (14)

1.一种用于控制协作机器人的装置，所述装置包括：
碰撞检测单元，被配置为：感测协作机器人的碰撞；
控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将协作机器人的操作模式切换到转矩模式；以及
碰撞对抗单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将碰撞补偿值作为反作用力而应用于协作机器人中的多个关节件中的每个，以根据碰撞补偿值改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向并解锁协作机器人的碰撞状态，
其中，碰撞补偿值至少与所述多个关节中的每一个的位置变化量成比例。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
在位置模式中，控制单元被配置为，基于位置命令而不考虑碰撞而控制包括在所述多个关节中的至少一个电机来移动连接到电机的链接件，其中，所述位置命令包括关于电机必需到达的位置的信息，
在转矩模式中，控制单元被配置为，基于转矩值而不考虑碰撞而计算从电机输出的转矩值并控制链接件移动。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，在碰撞补偿值被应用而改变力的行进方向之后，控制单元将操作模式改变到位置模式。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，碰撞对抗单元被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，通过将碰撞补偿值不同地应用于协作机器人中的所述多个关节件中的每个来改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，碰撞对抗单元被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，基于从包括在协作机器人中的所述多个关节件中的每个的位置、速度和加速度选择的至少一个来计算碰撞补偿值，并将碰撞补偿值应用于所述多个关节件中的每个以改变施加到每个关节件的力的行进方向。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，由碰撞对抗单元计算的碰撞补偿值是作为抵抗施加到所述多个关节件的碰撞的程度和方向的反作用力而施加的值。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，位置模式是对根据碰撞而施加到协作机器人的力具有鲁棒性的操作模式，并且被配置为即使在发生碰撞时也执行位置命令。
8.根据权利要求2所述的装置，其中，转矩模式是对根据碰撞而施加到协作机器人的力具有适应性的操作模式，并且被配置为即使在发生碰撞时也执行转矩命令。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，碰撞检测单元被配置为：当预测的转矩值与测量的转矩值之间的差超过预定值时感测到碰撞，其中，预测的转矩值根据协作机器人的动力学而被控制单元预测为被每个关节件需要，测量的转矩值从包括在协作机器人中的所述多个关节件中的每个被测量。
10.根据权利要求2所述的装置，其中，当控制单元将操作模式切换到转矩模式时，协作机器人的位置能够在转矩模式下被手动地改变。
11.一种用于控制协作机器人的装置，所述装置包括：
碰撞检测单元，被配置为：感测协作机器人的碰撞；
控制单元，被配置为：当碰撞检测单元感测到碰撞时，将协作机器人的操作模式切换到转矩模式；以及
碰撞对抗单元，被配置为：在转矩模式下，将碰撞补偿值作为反作用力应用于协作机器人中的多个关节件中的每个以根据碰撞补偿值改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向，其中，在所述碰撞被消除之后，控制单元将操作模式从转矩模式切换到位置模式，
其中，碰撞补偿值至少与所述多个关节中的每一个的位置变化量成比例。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，在转矩模式下，协作机器人的位置能够被手动地改变。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，碰撞补偿值是抵抗由于碰撞引起的施加到协作机器人中的所述多个关节件中的每个的力的反作用力，并且基于从所述多个关节件中的每个检测的电机的电流值获得的转矩值来计算。
14.一种控制协同机器人的方法，所述方法包括：
碰撞检测单元感测协作机器人中的多个关节件中的至少一个的碰撞；
当碰撞被感测到时，控制单元将协作机器人的操作模式切换到转矩模式；以及
当碰撞被感测到时，碰撞对抗单元将碰撞补偿值作为反作用力应用于协作机器人中的所述多个关节件中的每个，以改变施加到所述多个关节件中的每个的力的行进方向并解锁协作机器人的碰撞状态，
其中，碰撞补偿值至少与所述多个关节中的每一个的位置变化量成比例。
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