CN110612181A - 机器人引导通过编程期间控制工业机器人的方法和工业机器人 - Google Patents

机器人引导通过编程期间控制工业机器人的方法和工业机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工业机器人(1)，其包括操纵器(3)和被配置为控制操纵器的运动的机器人控制器(2)。机器人控制器被配置为在机器人的引导通过编程期间将机器人位置或机器人取向(TCP)与在空间中限定的至少一个虚拟位置(12)或虚拟取向进行比较，并且当机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值(L)时，关于至少一个虚拟位置(12)或虚拟取向而主动地控制机器人的运动。

Description

机器人引导通过编程期间控制工业机器人的方法和工业机 器人
技术领域
本发明涉及一种用于在机器人的引导通过(lead-through)编程期间控制工业机器人的方法、以及一种工业机器人。
背景技术
工业机器人包括机械结构(也称为操纵器)和控制操纵器的运动的机器人控制器。操纵器具有围绕多个关节相对于彼此可移动的多个臂部分。臂部分中的至少一个适于支撑工具。大多数机器人能够使工具围绕三个正交轴旋转，并且由此将工具与机器人周围的任何期望轴对准。
存在几种用于对工业机器人进行编程以执行任务的方法。用于对机器人编程的传统方法是使用高级编程语言编写脚本。这产生了最大的灵活性，但需要先前的专业知识和经验。例如，机器人的编程可以通过在记录机器人的运动的同时沿着期望的操作路径移动机器人来向机器人教导执行任务所需要的运动来完成。操作路径包括一系列目标点，这些目标点限定机器人在运行时应当遵循的操作路径。在教导期间，机器人沿着操作路径被引导通过各个目标点，并且机器人在目标点的位置和取向被存储在机器人的存储器中。可以通过很多方法来教导目标点。被称为导向或引导通过编程的方法，使得用户能够将机器人的手臂物理地引导到特定点并且使用图形用户界面记录运动。在引导通过编程期间，用户用他的手通过工具手动移动机器人手臂。该方法使非编程人员可以控制机器人和对机器人编程。但是，它仍然缺乏传统机器人编程的很多功能。
在引导通过编程期间，期望使机器人能够在一个或多个方向上顺从以使得用户能够用手将机器人移动到期望位置。
WO2010/088959公开了一种通过引导对工业机器人编程的方法。在编程开始之前，机器人控制器切换到浮动控制模式。在机器人控制器处于浮动控制模式的同时，通过引导对机器人进行编程。当机器人处于浮动控制模式时，操纵器的刚度在一个或多个笛卡尔方向和取向上减小。通过将机器人切换到浮动控制模式，操纵器变得顺从并且易于用手移动。刚度降低，使得操纵器变得顺从，但没有弹性。当机器人处于浮动控制模式时，用户很容易通过推或拉机器人来将机器人移动到期望位置，并且当用户停止移动时，操纵器将保持在期望位置，因为在浮动控制模式下没有弹性。
在引导通过编程期间，通常被动地控制机器人控制器。当被动地控制机器人时，操纵器的刚度在所有笛卡尔方向和取向上减小，并且由此操纵器变为完全顺从。完全顺从表示操纵器在所有可能的方向和取向上都是顺从的，这使得用户能够在任何方向和取向上自由地引导机器人手臂。此外，当用户在被动引导期间停止机器人手臂的移动时，操纵器将保持在期望位置。这是通过控制机器人补偿作用在机器人手臂上的重力来实现的。被动控制的机器人，使得用户能够轻松快速地在引导通过编程期间对大型扫描运动进行编程。当用户需要机器人进行大型扫描运动时，他牢牢抓住机器人手臂并且将手臂自由地引导到期望位置。在引导通过编程期间的机器人的被动控制的缺点在于，难以对更精确的运动进行编程，诸如线性运动。
该问题可以通过在引导通过编程期间主动地控制机器人的运动来解决。例如，可以限制机器人的运动，使得操纵器仅在一个方向上移动。
US2015/0081098公开了一种用于具有力传感器的机器人的主动引导通过编程的方法。传感器检测操作者施加到机器人手臂的导向力。使用力控制来控制机器人的运动，使得在机器人手臂的位置和取向的手动引导的调节期间，由于操作者对机器人手臂的移动，与机器人手臂相关联的预先指定的参考点仅在所选择的方向上移动。该方法适用于对线性运动编程。
在对工业机器人编程时，用户要求机器人既快速又精确。这些标准在使用编码命令的机器人的传统编程期间可以容易地满足，因为用户可以键入精确位置和所确定的速度。但是，当使用引导通过编程时，很难可以既快速又精确。
发明内容
本发明的一个目的是至少部分克服上述问题，并且促进工业机器人的引导通过编程。
根据本发明的第一方面，该目的通过如权利要求1中限定的用于在引导通过编程期间控制工业机器人的方法来实现。
该方法包括生成空间中的至少一个虚拟位置或虚拟取向。该方法还包括在机器人的引导通过编程期间：
-将机器人位置或机器人取向与相应的虚拟位置或虚拟取向进行比较，以及
-当机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，关于至少一个虚拟位置或虚拟取向而主动地控制机器人的运动。
机器人位置或机器人取向是指与机器人相关联的预先指定的参考点的位置或取向。参考点可以以六个自由度限定，例如，三个位置坐标和三个角度坐标，或者以三个自由度限定，例如三个位置坐标。在优选实施例中，机器人位置和机器人取向是机器人的工具中心点(TCT)的位置和取向。
例如，虚拟位置或虚拟取向借助于3D几何公式来生成，并且该方法包括限定生成空间中的至少一个虚拟位置或虚拟取向的3D几何公式。3D几何公式生成空间中的一个或多个虚拟位置或者空间中的一个或多个虚拟取向。至少一个虚拟位置应当位于机器人的可达范围内，即在机器人的工作范围内。如果生成多于一个虚拟位置，则至少一些虚拟位置应当位于机器人的工作范围内。虚拟位置是指在所选择的坐标系中在空间中限定的虚拟(非物理)元素(例如，点、线或平面)的位置。虚拟取向是指在所选择的坐标系中在空间中限定的角度。
偏差值指定与虚拟位置或虚拟取向的偏差量。当生成虚拟位置时，偏差值是指定距离，例如50mm。当生成虚拟取向时，偏差值是指定角度，例如5°。偏差值不等于零。偏差值限定具有围绕虚拟位置或虚拟取向的边界的3D体积。当机器人的预先指定的参考点跨过该边界时，即当机器人位置与虚拟位置之间的差异小于偏差值时，或者当机器人取向与虚拟取向之间的差异小于偏差值时，主动地控制机器人的运动。
主动控制是指机器人控制器以预定方式关于至少一个虚拟位置或虚拟取向控制机器人的运动。因此，当机器人位置或机器人取向接近虚拟位置或虚拟取向时，即当机器人位置或机器人取向在由偏差值和虚拟位置或虚拟取向限定的边界内时，机器人控制器至少部分从用户接管对机器人的运动的控制。因此，在机器人的引导通过编程期间在空间中引导用户，这使得用户在机器人的编程期间更容易将机器人移动到特定位置或取向。
可以以很多不同的方式来主动地控制机器人。机器人控制器可以被配置为当预先指定的参考点进入由偏差值和虚拟位置或虚拟取向限定的边界时从用户完全接管对机器人运动的控制。例如，可以控制机器人，使得当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，机器人的参考点被捕捉到虚拟位置或虚拟取向。机器人控制器也可以被配置为当机器人的参考点跨过由偏差值和虚拟位置或虚拟取向限定的边界时，仅从用户部分地接管对机器人运动的控制。在这种情况下，用户仍然可以控制机器人的参考点的移动，但是当机器人处于虚拟位置或虚拟取向附近时，用户获取触觉反馈，触觉反馈在机器人的编程期间触觉地引导用户。例如，可以控制机器人，使得当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，机器人的参考点被吸引到虚拟位置或虚拟取向或者从其被排斥。
在本发明的另一实施例中，控制机器人使得当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，机器人的速度降低。然后，机器人控制器被配置为当机器人的参考点接近虚拟位置或虚拟取向时主动制动机器人。该实施例促进用户命中期望的位置或取向。
优选地，当机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异大于偏差值时，被动地控制机器人的运动。然后，当机器人位置或机器人取向在由偏差值限定的边界之外时，用户负责对机器人运动的控制。因此，当机器人的参考点在虚拟位置或取向的偏差量内时，主动地控制机器人运动，而当机器人的参考点在虚拟位置或取向的偏差量之外时，被动地控制机器人运动。例如，只要机器人的参考点位于由偏差值限定的边界之外，机器人就完全顺从，但是当机器人的参考点进入由偏差值限定的边界时，机器人的参考点被捕捉到虚拟位置或取向。这可以在引导通过编程期间实现大型扫描运动以及机器人的更精确运动。
被动控制是指控制机器人，使得操纵器的刚度在三个笛卡尔方向和取向上减小使得操纵器完全顺从，这使得用户能够在任何方向和取向上自由地引导机器人手臂。因此，当被动地控制机器人时，用户很容易通过推或拉机器人来将机器人工具到期望位置，并且当用户停止移动时，操纵器将保持在期望的位置和取向。操纵器的笛卡尔方向是指相对于操纵器而限定的线性坐标系(例如，工具坐标系或工作对象坐标系)中的线性方向。笛卡尔方向是指线性坐标系中轴的方向。
根据本发明的实施例，3D几何公式生成在空间中有规律地出现的多个虚拟位置或虚拟取向，并且该方法包括将机器人位置或机器人取向与相应的虚拟位置或虚拟取向进行比较，并且当机器人位置或机器人取向与最接近的虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，关于最接近的虚拟位置或虚拟取向主动地控制机器人的运动。
3D几何公式可以在空间中生成多个等距离位置或具有固定角度间距的多个指定角度。偏差值限定围绕每个虚拟位置或虚拟取向的边界。当机器人的预先指定的参考点跨过任何虚拟位置或虚拟取向的边界时，即当机器人位置与虚拟位置之一之间的差异小于偏差值时，或者当机器人取向与虚拟取向之一之间的差异小于偏差值时，关于该虚拟位置或虚拟取向主动地控制机器人的运动。该实施例在机器人的引导通过编程期间在空间中提供用户的引导，并且因此促进对线性移动、精确位置和精确取向的编程。
优选地，当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异大于上述偏差值时，被动地控制机器人的运动。因此，当机器人的预先指定的参考点在由偏差值和虚拟位置或虚拟取向限定的边界之外时，允许用户以大型扫描运动来移动机器人，而当机器人的预先指定的参考点位于由偏差值和虚拟位置或虚拟取向限定的边界内时，引导用户执行更精确的移动。该实施例使得能够对大型扫描运动以及更精确的运动编程。
根据本发明的实施例，如果机器人位置或机器人取向与最接近的虚拟位置或取向之间的差异小于偏差值，则控制机器人将机器人位置或机器人取向捕捉到最接近的虚拟位置或虚拟取向。该实施例实现了具有捕捉功能的主动引导通过程序。本质上，机器人完全顺从，但机器人被配置为捕捉到在空间中限定的虚拟位置或取向。3D图形公式可以限定线性网格、平面或甚至路径。可以以优选的间距设置网格，例如每10mm、50mm或100mm。机器人还可以被配置为将机器人的参考点捕捉到指定的角度，例如，每10°捕捉一次。
根据本发明的实施例，上述3D几何公式限定空间中的几何图案，并且图案包括点、线、平面、圆和球体中的任何一个。然后，该模式在空间中限定虚拟位置或虚拟取向。
根据本发明的实施例，虚拟3D几何公式限定包括在空间中具有虚拟位置的多个元素的3D网格。将机器人位置与元素的虚拟位置进行比较，当机器人位置与最接近的元素的虚拟位置之间的差异小于上述偏差值时，主动地控制机器人的运动以关于最接近的元素的虚拟位置移动机器人位置。偏差值是机器人位置与网格中的元素之间的距离。例如，可以控制机器人，使得当机器人位置与最接近的虚拟位置之间的差异小于偏差值时，机器人的参考点被捕捉到网格中最接近的元素的虚拟位置。网格的元素包括网格中的线和/或网格中的线之间的交叉点。将机器人位置与元素的位置(即，网格中的线和/或交叉点的位置)进行比较。例如，网格包括多条竖直线和水平线，并且控制机器人，使得当机器人的参考点在线的偏差量内时，机器人的参考点遵循竖直线和水平线。该实施例促进用户在三个正交方向上对线性运动编程，因为用户由网格引导。
根据本发明的实施例，3D几何公式生成具有固定角度间距的多个虚拟取向，并且该方法包括将机器人取向与虚拟取向进行比较，并且当机器人取向与最接近的虚拟取向之间的差异小于偏差值时，主动地控制机器人以朝向最接近的虚拟取向旋转机器人的参考点。例如，当机器人取向与最接近的虚拟取向之间的差异小于偏差值时，可以控制机器人将机器人的参考点捕捉到最接近的虚拟取向。该实施例促进用户对特定角度编程。例如，3D几何公式生成具有5°的固定间距的角度，并且所生成的虚拟取向可以包括0°、5°、10°、15°等。例如，如果用户想要对45°的工具取向编程，则用户旋转工具直到工具的取向最接近45°，并且然后工具自动旋转到正好45°。
该方法还可以包括：当机器人取向和虚拟取向之间的旋转差异大于偏差值时，被动地控制机器人。因此，当机器人的参考点的取向在与任何虚拟取向的偏差量之外时，机器人完全顺从，这使得用户能够在机器人的引导通过编程期间执行大型扫描运动。
该方法包括在坐标系中限定虚拟3D几何公式并且限定虚拟3D几何公式的原点在坐标系中的位置。通过限定坐标系和坐标系的原点，可以将机器人位置或机器人取向与所生成的虚拟位置和取向进行比较。应当在与机器人坐标系具有已知关系的坐标系中限定虚拟3D几何公式。坐标系可以是世界坐标系、机器人坐标系、工具坐标系或其他预定义坐标系中的任何一个。必须知道机器人与所限定的坐标系之间的关系。例如，可以在相同的坐标系中限定机器人和虚拟3D几何公式。
根据本发明的第二方面，该目的通过如权利要求11中限定的工业机器人来实现。
工业机器人包括操纵器和被配置为控制操纵器的运动的机器人控制器。机器人控制器在机器人的引导通过编程期间被配置为：将机器人位置或机器人取向与在空间中限定的至少一个虚拟位置或虚拟取向进行比较，并且当机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，关于至少一个虚拟位置或虚拟取向主动地控制机器人的运动。本发明使得用户能够更容易在机器人的引导通过编程期间将机器人移动到特定的位置或取向。
根据本发明的实施例，机器人控制器被配置为在机器人的引导通过编程期间在机器人的运动的主动与被动控制之间自动切换，并且机器人控制器被配置为当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异大于上述偏差值时，被动地控制机器人的运动。
根据本发明的一个实施例，机器人控制器被配置为在命令时在被动引导通过模式与组合引导通过模式之间切换，在被动引导通过模式下，机器人完全顺从，在组合引导通过模式下，可以根据机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的上述差异和偏差值来被动地或主动地控制机器人。该实施例使得用户可以在引导通过编程期间部分在以下两者之间切换：使机器人完全顺从而不引导机器人的任何运动，以及使机器人完全顺从而部分引导机器人运动。
根据本发明的实施例，机器人控制器被配置为控制机器人的运动，使得当机器人位置或机器人取向与虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于上述偏差值时，机器人位置或机器人取向被吸引到至少一个虚拟位置或虚拟取向或者从其被排斥。
根据本发明的实施例，在空间中有规律地出现的多个虚拟位置或虚拟取向被限定，并且机器人控制器被配置为将机器人位置或机器人取向与相应的虚拟位置或虚拟取向进行比较，并且当机器人位置或机器人取向与最接近的虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于上述偏差值时，关于最接近的虚拟位置或虚拟取向而主动地控制机器人的运动。
根据本发明的实施例，上述虚拟3D几何公式限定包括在空间中具有虚拟位置的多个元素的网格，并且机器人控制器被配置为将机器人位置与网格中的元素的虚拟位置进行比较，并且当机器人位置与网格中的最接近的元素的位置之间的差异小于上述偏差值时，关于网格中的最接近的元素的虚拟位置移动机器人位置。偏差值是机器人位置与网格中的元素之间的距离。
附图说明
现在将通过本发明的不同实施例的描述并且参考附图更加详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的工业机器人和在机器人的工作范围中限定的虚拟位置的示例。
图2示出了说明机器人控制器的相关部分的框图。
图3示出了工业机器人和在机器人的工作范围内限定的多个虚拟位置。
图4示出了在机器人的引导通过编程期间如何引导机器人运动的示例。
图5示出了具有在空间中限定多个虚拟位置的多条线的3D虚拟网格的示例。
图6示出了用于区分机器人运动的主动和被动控制的围绕网格中的线而限定的边界。
图7示出了在空间中限定的多个虚拟取向的示例。
图8示出了用于区分机器人运动的主动和被动控制的围绕虚拟取向而限定的边界。
图9示出了根据本发明的实施例的用于在引导通过编程期间控制工业机器人的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的工业机器人1的示例。机器人1包括机器人控制器2和操纵器3。操纵器3包括多个部件，这些部件在机器人控制器2的控制下绕多个关节相对于彼此可移动。在该示例中，操纵器3具有固定基座4和臂5，臂5绕固定基座可旋转并且支撑绕多个关节可旋转的手腕6。手腕6支撑工具8，其中限定了被称为TCP(工具中心点)的操作点。TCP以六个自由度限定：三个位置坐标和三个角度坐标。TCP的位置和取向由机器人的关节的位置给出，并且可以基于来自机器人的位置传感器的信号来计算。可选地，操纵器可以配备有力传感器，以用于在引导通过编程期间向控制器提供关于期望的移动方向的信息。机器人也可以是双臂机器人。
机器人控制器2包括软件以及硬件，诸如输入和输出装置、处理器单元，处理器单元包括用于处理机器人控制器的主要功能(诸如执行机器人程序)的一个或多个中央处理单元(CPU)。控制器具有用于存储用于控制操纵器的运动的数据、软件和程序代码的存储介质。关节的运动由电机驱动。关节的位置由机器人控制器2控制。关节配备有位置传感器(例如，角度测量装置)以向机器人控制器2提供位置反馈。
机器人可以具有多个限定的坐标系。为工具限定了工具坐标系XT、YT、ZT。如果工具是细长的，则工具坐标系的Z轴通常沿工具的长度轴限定。工具坐标系的原点位于TCP中。机器人基座坐标系XB、YB、ZB通常在机器人的固定基座4中限定。工具坐标系与基座坐标系之间的关系是已知的。TCP的位置和取向可以基于来自位置传感器的位置反馈和工具坐标系与基座坐标系之间的已知关系在机器人的基座坐标系中确定。世界坐标系XW、YW、ZW在机器人周围的某处限定。世界坐标系是指相对于机器人周围的固定点而限定的坐标系。世界坐标系的ZW轴通常与竖直线对准。世界坐标系与基座坐标系之间的关系是已知的。因此，可以确定TCP在世界坐标系中的位置和取向。在某些应用中，世界坐标系与机器人的基座坐标系相一致。
机器人被配置为在其中机器人的运动被不同地控制的两种或更多种控制模式之间切换。有至少一种控制模式要在机器人的正常操作期间使用，并且有至少一种控制模式要在机器人的引导通过编程期间使用。在机器人的正常操作期间，根据机器人控制程序控制机器人运动，并且操纵器应当是刚性的以通过推或拉操纵器来防止机器人移动。在引导通过编程期间，应当减小机器人的刚度以允许用户用他的手移动机器人手臂。例如，机器人控制器可以被配置为切换到被动引导通过模式，在被动引导通过模式中机器人被控制为使得操纵器在所有轴上以及在所有工具方向和取向上的刚度减小，即操纵器完全顺从。根据本发明，机器人控制器被配置为在命令时切换到组合引导通过模式，在组合引导通过模式下，可以根据机器人的参考点的位置或取向与在空间中限定的至少一个虚拟位置12或虚拟取向之间的关系被动和主动地控制机器人。
在图1所示的实施例中，机器人设置有开关10，开关10被配置为由用户操作以在不同的控制模式之间切换机器人控制器。在该实施例中，开关10以按钮的形式布置在机器人控制器2上。备选地，开关10可以设置在示教器单元(TPU)上。备选地，开关10可以是显示在显示单元上的软按钮，或者作为替代方案，可以是显示在显示单元上的菜单上的软按钮。当机器人控制器2切换到位置控制模式时，机器人控制器被配置为控制机器人，使得操纵器在所有轴上以及在所有工具方向和取向上都是刚性的。位置控制模式是在机器人的正常操作期间使用的默认模式。当机器人控制器切换到被动引导通过控制模式时，机器人控制器被配置为控制机器人，使得操纵器在所有轴上以及在所有工具方向和取向上的刚度减小。被动引导通过控制模式是可选的。如果存在多于一个引导通过控制模式，则引导通过编程期间的机器人运动取决于哪种引导通过控制模式被选择。
图2示出了说明与本发明相关的机器人控制器2的部分的框图。机器人控制器2包括伺服控制单元18，伺服控制单元18对于每个轴包括一个伺服控制器。伺服控制单元18包括为位置环形式的位置控制器，位置控制器被配置为基于参考位置和来自电机的测量位置之间的差异来计算位置误差。将位置误差乘以由位置控制增益表示的值。位置控制增益是可变的。位置控制增益的高值，使得由伺服电机控制的轴为刚性，而位置控制增益的低值，使得由伺服电机控制的轴为顺应。此外，伺服控制单元18设置有速度控制器，该速度控制器包括环被配置为基于速度误差来计算电机的转矩参考的速度环。速度误差被计算为测量速度与来自速度控制器的速度参考之间的差异。速度控制环具有速度控制增益，并且速度误差乘以速度控制增益。速度控制增益是可变的。当速度环的增益很高时，操纵器移动缓慢。通过减小速度环的增益，可以更容易地移动操纵器。当机器人处于被动引导通过控制模式时，位置控制增益设置为零或接近零，并且速度控制增益显著降低。当在引导通过编程期间主动地控制机器人时，位置控制增益和速度控制增益减小，使得机器人仍然顺应或至少部分顺应。
伺服控制单元18还包括转矩控制回路。在转矩控制回路中，通过将转矩前馈信号与来自速度控制器的转矩参考相加来生成转矩控制信号。转矩控制信号被传递到驱动单元20，驱动单元20被配置为根据转矩控制信号向电机提供电流。转矩前馈信号为作用在操纵器上的重力提供补偿。伺服控制器被配置为在机器人的主动地控制和被动控制期间对作用在操纵器上的重力提供补偿。在机器人的被动引导通过控制期间，机器人控制器对作用在操纵器上的重力提供补偿，使得当用户从机器人释放他的手时机器人将保持在当前位置和取向。
机器人控制器还设置有计算单元22。计算单元22被配置为计算位置控制增益、速度控制增益和转矩前馈信号。计算单元22从开关10接收关于所选择的控制模式的信号，即机器人控制器以要在机器人的正常操作期间使用的控制模式下操作还是以要在机器人的引导编程期间使用的控制模式下操作。计算单元22被配置为根据所选择的控制模式调节位置控制增益和速度控制增益。计算单元22是由机器人控制器的硬件执行的软件模块。机器人控制器还包括数据存储器24。
在下文中，将更详细地描述其中可以被动或主动地控制机器人的组合引导通过控制模式。当机器人切换到组合引导通过控制模式时，机器人控制器2的计算单元22被配置为将机器人的参考点的位置或取向与在空间中限定的至少一个虚拟位置或虚拟取向进行比较。关于预定义虚拟位置和/或虚拟取向的信息存储在数据存储器24中。至少一个虚拟位置或虚拟取向在坐标系中限定。在该实施例中，参考点是机器人的TCP，并且虚拟位置12在机器人的工作范围内限定。在该实施例中，虚拟位置12在世界坐标系XW、YW、ZW中限定。
限定偏差值L。偏差值存储在数据存储器24中。在该实施例中，偏差值是距离，例如100mm。偏差值L限定虚拟位置12周围的3D边界14。计算单元22被配置为计算参考点的位置/取向与虚拟位置/取向之间的差异，并且当机器人位置或机器人取向与至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值时，而关于至少一个虚拟位置或虚拟取向主动地控制机器人的运动，只要组合引导通过控制模式被选择即可。因此，当TCP在边界14内时，主动地控制机器人。
机器人控制器可以被配置为以不同方式关于一个虚拟位置/虚拟取向主动地控制机器人。例如，机器人控制器可以被配置为控制机器人的运动，使得当TCP在边界14内时TCP被吸引到虚拟位置12或从虚拟位置12被排斥。例如，机器人控制器可以被配置为控制机器人的运动，使得当TCP在边界14内时，TCP被捕捉到虚拟位置12。备选地，机器人控制器可以被配置为控制机器人的运动，使得当TCP进入边界14时机器人的速度减小。机器人控制器可以被配置为当TCP跨过边界14时开始制动机器人，然后当TCP越来越接近虚拟位置时继续制动机器人。因此，当TCP越来越接近虚拟位置时，机器人的速度进一步降低。机器人控制器通过根据应当主动地控制机器人的方式而为伺服控制器提供位置参考值和速度参考值来主动地控制机器人。可以预先确定应当主动地控制机器人运动的方式，或者用户可以在不同选项之间进行选择。
机器人控制器2被配置为当TCP在边界14之外时，即当TCP的位置与虚拟位置之间的差异大于偏差值L时，被动地控制机器人的运动。因此，控制机器人使得当TCP的位置与虚拟位置之间的差异大于偏差值L时，操纵器在所有方向和取向上完全顺从。这通过显著降低位置控制增益和速度控制增益来实现，同时仍然补偿作用在操纵器上的重力。因此，用户能够在边界14之外自由地移动机器人手臂。
图3示出了工业机器人1和在机器人的工作范围内限定的多个虚拟位置26。在图中仅示出了一些限定的虚拟位置26。虚拟位置在空间中有规律地出现并且在3个维度上延伸。限定了生成空间中的多个虚拟位置的3D几何公式。虚拟位置26在空间中有规律地出现，它们之间具有一定的间距。例如，每对相邻虚拟位置之间的距离是100mm。在该实施例中，虚拟位置26形成多个平行的第一行和列。虚拟位置26形成与第一行正交的多个第二行。行和列在空间中限定线性路径。虚拟位置26存储在数据存储器24中。机器人控制器的计算单元22被配置为将TCP的位置与虚拟位置进行比较，并且当TCP的位置与最接近的虚拟位置之间的差异小于偏差值L时，关于最接近的虚拟位置主动地控制机器人的运动。例如，计算单元22可以被配置为控制机器人的运动，使得当TCP的位置与最接近的虚拟位置之间的差异小于偏差值L时，TCP被捕捉到或至少吸引到虚拟位置26中的最接近的虚拟位置。因此，用户很容易遵循由行和列限定的路径并且从而促进对线性运动的编程。
图4示出了其中已经限定了线性网格27并且用户在机器人的引导通过编程期间沿着线性网格引导机器人手臂的示例。在图中仅示出了网格线性27的一部分。网格在整个空间中限定，没有开头也没有结束。图4示出了如何沿着由网格中的线限定的路径引导机器人1的TCP。机器人将被编程为执行垂直拾取和放置任务，包括执行朝向工作对象28的线性移动。在机器人手臂的移动期间，机器人的TCP捕捉到网格中最接近的交叉点或交叉点之间的最接近的线。因此，促进了通过引导来对线性运动编程。当机器人编程人员需要机器人进行大型扫描运动时，他会牢牢抓住机器人手臂并且将手臂自由地引导到目标位置。如果机器人编程人员需要更高的精度，则他可以沿着网格中的一条线将机器人手臂线性地引导到目标位置。
图5示出了包括在空间中限定多个虚拟位置的多个元素的3D虚拟网格30的示例。在图中仅示出了3D虚拟网格30的一部分。网格在整个空间中限定。例如，3D虚拟网格在世界坐标系中或机器人基座坐标系中限定。网格的元素包括网格中的线32和网格中的线之间的交叉点33。网格中的线之间的间距可以预先限定，或者可以由用户设置或调节。网格中的线之间的间距例如是10mm、50mm或100mm。计算单元22被配置为将机器人位置(例如，TCP的位置)与网格中的元素的虚拟位置进行比较，并且当机器人位置与网格中的最接近的元素的位置之间的差异小于偏差值时，关于网格中的最接近的元素的虚拟位置而移动机器人位置。例如，可以主动地控制机器人，使得当机器人位置与最接近的虚拟位置之间的差异小于偏差值时，机器人的限定的参考点朝向网格中的最接近的元素移动。在一个实施例中，可以主动地控制机器人，使得当机器人位置与最接近的线之间的差异小于偏差值时，机器人的限定参考点被捕捉到网格中的最接近的线。
偏差值是机器人的限定的位置点与网格中的元素之间的距离。将机器人位置与元素的虚拟位置(即，网格中的线或交叉点的位置)进行比较。该实施例促进用户在三个正交方向上对线性移动编程，因为用户由3D虚拟网格引导。
图6示出了围绕3D虚拟网格中的线32的边界34。边界34区分机器人运动的主动和被动控制。偏差值L应当小于网格中的线之间距离的一半。例如，网格中的线之间的距离是100mm，并且偏差值L是20mm。边界由偏差值L限定。在该实施例中，元素是网格中的线32，并且机器人位置(TCP)与线的位置进行比较。当机器人的TCP在边界34内时，主动地控制机器人的运动。优选地，当TCP与网格中的任何线之间的差异大于偏差值时，即当机器人的TCP在边界34之外时，被动地控制机器人的运动。因此，当TCP在由偏差值限定的边界34之外时，用户负责机器人运动的控制，并且当TCP在边界34内时，机器人控制器至少部分控制机器人的运动。
图7示出了在空间中限定的多个虚拟取向的示例。虚拟取向是在空间中限定的具有固定角度间距(例如，5°或10°)的角度。在该示例中，虚拟取向在机器人基座坐标系XB、YB、ZB中限定。计算单元22被配置为将机器人取向(即，机器人的参考点的取向，例如被认为与工具坐标系的取向相一致的TCP的取向)与虚拟取向进行比较，并且当机器人取向与最接近的虚拟取向之间的差异小于偏差值时，主动地控制机器人以使参考点朝向最接近的虚拟取向旋转。例如，计算单元22被配置为当机器人取向与最接近的虚拟取向之间的差异小于偏差值时，将TCP捕捉到由最接近的虚拟取向限定的角度。
偏差值是可以预先确定或由用户设置或调节的角度。优选地，偏差值小于固定角度之间的角度间距的一半。例如，固定角度之间的角度间距是5°，并且偏差值是1°。
图8示出了围绕虚拟取向38并且由偏差值Ao限定以便区分机器人运动的主动和被动控制的边界40。优选地，计算单元22被配置为当机器人取向与虚拟取向之间的取向差异大于偏差值时，即当机器人的参考点在边界40之外时，被动地控制机器人，并且当机器人取向与任何虚拟取向之间的方向差异小于偏差值时，即当机器人的参考点在边界40内时，主动地控制机器人。因此，当机器人的参考点的取向在与任何虚拟取向的偏差之外时，机器人完全顺从，这使得用户能够在机器人的引导通过编程期间执行大型扫描运动。
图9示出了图示根据本发明的实施例的用于在引导通过编程期间控制工业机器人的方法的流程图。流程图中的每个框可以由包括由机器人控制器执行的程序指令的软件实现。
在第一步骤中，该方法包括在框50中生成空间中的至少一个虚拟位置或虚拟取向。如果要生成多于一个虚拟位置或虚拟取向，则可以使用3D几何公式来生成空间中有规律地出现的具有固定间距的多个虚拟位置或虚拟取向。例如，在空间中限定网格的3D几何公式可以用于在空间中限定竖直和水平线，并且限定球体的3D几何公式可以用于生成在空间中具有相等的角距离的多个取向。虚拟位置和/或虚拟取向预先生成并且存储在机器人控制器中的数据存储器中或者由机器人控制器可访问。在本发明的一个实施例中，仅生成虚拟位置，在另一实施例中，仅生成虚拟取向，并且在第三实施例中，生成虚拟位置以及虚拟取向。确定虚拟位置和/或虚拟取向的偏差值并且将其存储在数据存储器中。可选地，在引导通过编程期间可以调节偏差值。
在机器人的引导通过编程期间，该方法包括以下步骤。在框52中，编程人员在开始引导通过编程之前将机器人控制器切换到组合控制模式。当用户致动开关10时，命令被发送到机器人控制器2，以将控制器切换到组合控制模式。机器人控制器接收切换命令。当通过引导通过对机器人编程时，用户抓住工具或操纵器的任何其他合适的部分并且将工具或由机器人保持的工作对象移动到要编程的机器人路径上的期望位置和取向。在操纵器的移动期间计算机器人的TCP，并且将计算出的TCP位置与存储的虚拟位置或虚拟取向进行比较。在本发明的一个实施例中，在框54中，将TCP的位置与存储的虚拟位置进行比较，并且计算TCP的位置与存储的虚拟位置之间的差异。在本发明的另一实施例中，在框54中，将TCP的取向与存储的虚拟取向进行比较，并且计算TCP的取向与存储的虚拟取向之间的差异。
在框56中，将计算出的差异与偏差值进行比较。如果计算出的差异之间的差异小于偏差值，则在框58中，主动地控制机器人的运动。机器人的控制方式取决于主动控制的设置。在该实施例中，控制机器人的运动，使得机器人的TCP的取向朝向最接近的限定的虚拟朝向移动。在替代实施例中，可以控制机器人的运动，使得机器人的TCP的取向远离最接近的限定的虚拟取向移动，或者在主动控制期间改变机器人的速度。在框60中，如果计算出的差异之间的差异大于偏差值，则被动地控制机器人的运动。位置增益的值被设置为零或接近零，并且与位置控制模式下的值相比，速度增益至少减少到其值的一半。因此，机器人完全顺从，即在所有轴、方向和/或取向上的刚度减小。重复步骤54-62，直到用户将机器人切换到另一控制模式，例如切换到位置控制模式。
本发明不限于所公开的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化和修改。例如，可以在空间中限定其他几何图案。

Claims (15)

1.一种用于在引导通过编程期间控制工业机器人的方法，其特征在于，所述方法包括生成空间中的至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)，并且所述方法包括在所述机器人的引导通过编程期间：
-将机器人位置或机器人取向(TCP)与相应的虚拟位置或虚拟取向(38)进行比较，以及
-当所述机器人位置或机器人取向与所述至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值(L；Ao)时，关于所述至少一个虚拟位置或虚拟取向而主动地控制所述机器人的运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述机器人的运动被主动地控制，使得当所述机器人位置或机器人取向与所述虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于所述偏差值(L；Ao)时，所述机器人位置或机器人取向(TCP)被吸引到所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)、或者从所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)被排斥。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机器人被控制，使得当所述机器人位置或机器人取向(TCP)与所述虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)之间的差异小于所述偏差值(L；Ao)时，减小所述机器人的速度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当所述机器人位置或机器人取向与所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)之间的差异大于所述偏差值(L；Ao)时，被动地控制所述机器人的运动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述机器人被控制，使得当所述机器人位置或机器人取向与所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)之间的差异大于所述偏差值(L；Ao)时，所述机器人完全顺从。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机器人位置和机器人取向(TCP)是所述机器人的工具中心点(TCT)的位置和取向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括限定3D几何公式，所述3D几何公式生成在空间中有规律地出现的多个虚拟位置(26)或虚拟取向(38)，并且所述方法包括：
-将所述机器人位置或机器人取向(TCP)与相应的虚拟位置或虚拟取向进行比较，以及
-当所述机器人位置或机器人取向(TCP)与所述虚拟位置或虚拟取向中的最接近的虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于所述偏差值(L；Ao)时，关于所述虚拟位置或虚拟取向中的最接近的虚拟位置或虚拟取向而主动地控制所述机器人的运动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述3D几何公式在空间中限定几何图案，并且所述图案包括点、线、平面、圆和球体中的任何一个。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述虚拟3D几何公式限定包括在空间中具有虚拟位置(26)的多个虚拟元素的网格，所述机器人位置与所述虚拟位置进行比较，当所述机器人位置与所述最接近的虚拟位置之间的差异小于所述偏差值(L)时，主动地控制所述机器人的运动，以关于所述最接近的虚拟位置移动所述机器人位置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述3D几何公式生成具有固定角度间距的多个虚拟取向(38)，并且所述方法包括：
-将所述机器人取向与所述虚拟取向进行比较，以及
-当所述机器人取向与所述最接近的虚拟取向之间的差异小于所述偏差值(Ao)时，主动地控制所述机器人以旋转到所述最接近的虚拟取向。
11.一种工业机器人(1)，包括操纵器(3)和被配置为控制所述操纵器的运动的机器人控制器(2)，其特征在于所述机器人控制器在所述机器人的引导通过编程期间被配置为：将机器人位置或机器人取向(TCP)与在空间中限定的至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)进行比较，以及当所述机器人位置或机器人取向与所述至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于偏差值(L；Ao)时，关于所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)而主动地控制所述机器人的运动。
12.根据权利要求11所述的工业机器人，其中所述机器人控制器被配置为在所述机器人的引导通过编程期间、在所述机器人的运动的主动与被动控制之间自动切换，并且所述机器人控制器被配置为：当所述机器人位置或机器人取向(TCP)与所述至少一个虚拟位置(26)或虚拟取向(38)之间的差异大于所述偏差值(L；Ao)时，被动地控制所述机器人的运动。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的工业机器人，其中所述机器人控制器被配置为控制所述机器人的运动，使得当所述机器人位置或机器人取向与所述至少一个虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于所述偏差值(L；Ao)时，将所述机器人位置或机器人取向(TCP)吸引到所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)、或者从所述至少一个虚拟位置(12；26)或虚拟取向(38)排斥。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的工业机器人，其中在空间中有规律地出现的多个虚拟位置(26)或虚拟取向(38)被限定，并且所述机器人控制器被配置为将所述机器人位置或机器人取向(TCP)与相应的虚拟位置或虚拟取向进行比较，并且当所述机器人位置或机器人取向与所述虚拟位置或虚拟取向中的最接近的虚拟位置或虚拟取向之间的差异小于所述偏差值(L；Ao)时，关于所述虚拟位置或虚拟取向(38)中的最接近的虚拟位置或虚拟取向而主动地控制所述机器人的运动。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的工业机器人，其中包括在空间中具有虚拟位置(26)的多个虚拟元素的网格被限定，并且所述机器人控制器被配置为将所述机器人位置与所述虚拟位置进行比较，并且当所述机器人位置与所述最接近的虚拟位置之间的差异小于所述偏差值(L)时，关于所述最接近的虚拟位置而移动所述机器人位置。
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