CN111356558A - 用于仿真机器人的制动过程的方法和系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种用于借助机器人的动态模型来仿真机器人(1)的制动过程的方法，针对机器人的初始状态确定由所仿真的制动过程引起的最终状态范围，该最终状态范围包括机器人的多个可能的最终状态。

Description

用于仿真机器人的制动过程的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于仿真机器人的制动过程的一种方法和一种系统，以及一种用于执行该方法的计算机程序产品。

背景技术

由专利文献EP1906281B1已知一种方法，在该方法中，针对机器人的预定运动轨迹上的多个可选点，分别计算连接该点与停止点的制动距离，并且在考虑该制动距离的情况下计算虚拟的运动范围，该运动范围包括机器人针对运动轨迹最远可到达的位置。

发明内容

本发明的目的在于改善机器人的运行。

本发明的目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。权利要求9、10请求保护一种用于执行在此所述方法的系统或计算机程序产品。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的一种实施方式，在一种针对机器人的(至少一种)初始状态而利用机器人的动态模型仿真机器人的制动过程的方法中，在一种实施方式中是(分别)通过对制动过程的仅一次仿真或者说对制动过程的单次仿真，(分别)确定由于所仿真的制动过程而引起的机器人的最终状态范围，该最终状态范围包括机器人的多个可能的最终状态。

由此，在一种实施方式中，可以同时考虑机器人的参数、特别是公差的变化，并由此改善仿真的有效性和/或可靠性，并因此特别是改善基于此对机器人和/或其周围环境的设计。

因此，例如关节和/或驱动器的摩擦参数以及特别是机械式的机器人制动器、特别是停机制动器的制动力矩相对强烈地变化。因此，在开头提到的专利文献EP1906281B1中仅基于单个的停止点计算得到的虚拟运动范围的有效性或可靠性将受到限制。

在一种实施方式中，机器人具有机器人臂，该机器人臂具有至少三个、特别是至少六个、在一种实施方式中为至少七个(运动)轴或者关节。在一种扩展方案中，机器人具有特别是电动的、在一种实施方式中为电动马达式的驱动器，用于移动这些轴，和/或具有特别是机械(作用)的制动器、特别是停机制动器，用于制动、特别是锁定这些轴。

在一种实施方式中，动态模型描述了机器人的姿势和/或其一阶和/或更高阶的时间导数，在一种实施方式中，动态模型将该姿势与特别是驱动力、制动力、重力、摩擦力和/或(机器人)外力关联起来，在一种实施方式中是借助于微分方程、特别以微分方程的形式将它们关联起来，其中，为了更紧凑地表示，在本发明中也将反向平行的力偶或转矩概括地称为力。在一种实施方式中，对制动过程的仿真相应地包括求解、特别是数值地求解这些微分方程或计算机器人的姿势的时间变化和/或其一阶和/或更高阶的时间导数。在一种实施方式中，机器人的姿势可以包括机器人的一个或多个轴的姿态(Stellung)和/或机器人的特定于机器人的参照物、特别是TCP的位置和/或位姿(Lage)，特别可以是机器人的一个或多个轴的姿态和/或机器人的特定于机器人的参照物、特别是TCP的位置和/或位姿。

在一种实施方式中，最终状态范围可以包括带有机器人的多个可能的停止姿势的停止姿势范围，特别可以是带有机器人的多个可能的停止姿势的停止姿势范围，其中，在一种实施方式中，机器人在一个或多个停止姿势下不运动或停止。停止姿势对于机器人和/或其环境、特别是其环境的安全装置的设计是特别重要的。

同样地，在一种实施方式中，最终状态范围还可以包括带有机器人的多个可能的运动姿势的运动姿势范围，特别可以是带有机器人的多个可能的运动姿势的运动姿势范围，其中，在一种实施方式中，机器人在运动姿势下(分别)仍然运动或不停止。因此，例如在一种实施方式中，可以在预定的(制动)时间内仿真制动过程，并且在该时间结束时确定机器人的可能的运动状态、特别是(剩余)速度的范围。

在一种实施方式中，基于机器人在被仿真的制动过程期间(在该致动过程中机器人仍然在运动)的运动姿势和预定的映射，预测、特别是外推得到停止姿势范围，所述的映射将不同的运动姿势，特别是不同的成对的运动姿势和速度，分别对应于具有多个可能的停止姿势的停止姿势范围，特别是以函数、综合特征曲线、预定的偏差等形式。

如已经说明的那样，在本发明中，运动姿势特别是指机器人在其中(仍然)运动或(仍然)不停止的姿势。

在一种实施方式中，机器人的速度、特别是其一个或多个轴的速度和/或特定于机器人的参照物、特别是其TCP的速度在据以预测停止姿势范围的或者根据预定的映射对应于停止姿势范围的运动姿势下处于预定的范围内，在一种扩展方案中，该预定的范围最大为(相应的)最大(可能或允许)速度的10％、特别是最大1％和/或为至少0.1°每秒或1mm每秒。

因此，在一种实施方式中，停止姿势范围不是基于被仿真的静止姿势来确定，而是基于在(被仿真的)制动过程期间先前已经被仿真的运动姿势之一来确定，该运动姿势通过预定的映射对应于停止姿势范围。在一种实施方式中，可以在达到预定的最小速度或达到(仿真)速度的预定范围时中止仿真，在另一种实施方式中，也可以继续进行直到被仿真的停止状态姿势。

由此，在一种实施方式中，可以缩短仿真时间。附加地或替代地，由此在一种实施方式中可以增加有效性和/或可靠性，特别是因为数值误差、偏离参数值的影响等可以被极强地放大直到被仿真的停止状态姿势。

在一种实施方式中，根据仿真或者在仿真中或者为了进行仿真，为动态模型的至少一个参数预先设定变化范围、特别是公差范围，在一种扩展方案中，为动态模型的两个或更多个参数分别预先设定变化范围、特别是公差范围。在一种实施方式中，该参数可以包括特别是机器人的关节的摩擦参数和/或特别是机器人的制动器的特别是最大、最小或平均的制动力矩，特别可以是机器人的关节的摩擦参数和/或特别是机器人的制动器的特别是最大、最小或平均的制动力矩。

由此，在一种实施方式中，可以同时考虑到机器人参数、特别是公差的变化，并由此改善仿真的有效性和/或可靠性，并因此特别是改善机器人和/或其环境的基于此的设计。

在一种实施方式中，可以分别利用或针对来自一个或多个预定的变化范围的不同的值来仿真制动过程，并因此确定最终状态姿势范围或停止状态姿势范围。

在一种实施方式中，借助于针对动态模型的一个或多个(分别)被预先给定了变化范围的参数的区间运算来仿真制动过程。在此，区间运算特别是指例如在R.E.Moore:Interval Analysis，Prentice-Hall，Englewood Cliff，NJ1966，ISBN 0-13-476853-1中所描述的运算，和/或根据IEEE标准1788-2015所述的运算，特别是如下的运算：即，在该运算中，两个参数x、y的相加通过[x₁+y₁，x₂+y₂]来定义，这两个参数的变化范围[x₁，x₂>x₁]或[y₁，y₂>y₁]分别被预先给定。

在一种实施方式中，由此可以缩短仿真时间。附加地或替代地，在一种实施方式中，由此可以改善有效性和/或可靠性。

在一种实施方式中，针对所确定的最终状态范围的至少两个可能的最终状态，特别是所确定的最终状态范围的一个或两个极端的最终状态，分别确定与其相关的设计变量，特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数。

因此，在一种实施方式中，机器人和/或其环境、特别是安全装置，在一种实施方式中为安全区域、防护栏等等，可以基于所确定的最终状态范围和为此确定的一个或多个设计变量来设计。

因此，例如对于预定的制动时间，可以确定在该时间结束时机器人的可能的运动状态、特别是(剩余)速度和相应动能的范围，并且可以相应地设计防护栏，特别是其类型和/或材料。类似地，例如对于至少一个初始状态，可以在制动过程结束时确定机器人的可能的停止姿势的停止姿势范围，并且可以相应地设计安全范围，特别是其大小和/或形状。

在一种实施方式中，针对机器人的多个初始状态，分别以在此描述的方式来确定由于被仿真的制动过程而引起的最终状态范围，该最终状态范围包括机器人的多个可能的最终状态，并且确定与这些最终状态相关的设计变量，特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数。

因此，在一种实施方式中，机器人和/或其环境、特别是安全装置，在一种实施方式中为安全区域、防护栏等等，可以基于所确定的最终状态范围和为此确定的设计变量来设计。

因此，例如可以针对不同的初始姿势和/或初始速度，分别确定可能的停止姿势的范围，并相应地设计安全区域，特别是其大小和/或形状。

本发明还特别涉及用于设计机器人的环境(的安全装置)、特别是防护栏和/或安全区域的一种方法或一种系统。在一种实施方式中，设计可以包括创建和/或修改和/或检查现有的或所构思的机器人或机器人的现有的或构所思的环境(的安全装置)，特别可以是创建和/或修改和/或检查现有的或所构思的机器人或机器人的现有的或构所思的环境(的安全装置)。

在一种实施方式中，在(所仿真的)制动过程中，对机器人的至少一个轴，在一种实施方式中为对机器人的刚好一个轴，进行致动。附加地或替代地，在一种实施方式中，在(所仿真的)制动过程中，特别是(已经)在初始状态下或之中，或者在整个制动过程期间，使机器人的至少一个轴，在一种实施方式中为所有其它的轴，停止，在一种实施方式中为(分别)处于使机器人的(初始)动能最大化的姿态下。

换句话说，在一种实施方式中，为机器人的至少一个惯性运动距离(Nachlaufweg)确定停止姿势范围。

根据本发明的一种实施方式，一种特别是以硬件技术和/或软件技术、特别是编程技术实现的系统，被设计用于执行在此所述的方法，和/或具有：用于确定针对机器人的初始状态由于被仿真的制动过程而引起的最终状态范围的装置，该最终状态范围包括机器人的多个可能的最终状态。

在一种实施方式中，该系统或其装置具有：

基于机器人在其仍然运动的被仿真的制动过程期间的运动姿势和预定的映射来预测停止姿势范围的装置，该预定的映射将不同的运动姿势分别对应于带有多个可能的停止姿势的停止姿势范围；和/或

用于为动态模型的至少一个参数预先设定变化范围的装置；和/或

用于借助于针对动态模型的至少一个参数的区间运算来仿真制动过程的装置；和/或

用于针对所确定的最终状态范围的至少两个可能的最终状态，分别确定与其相关的设计变量、特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数的装置；和/或

用于针对机器人的多个初始状态分别确定由于所仿真的制动过程而引起的最终状态范围的装置，该最终状态范围包括机器人的多个可能的最终状态和与这些最终状态相关的设计变量、特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数。

本发明意义下的装置可以硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：优选与存储系统和/或总线系统进行数据连接或信号连接的处理单元，特别是数字处理单元，尤其是微处理器单元(CPU)；和/或一个或多个程序或程序模块。为此，CPU可以被设计为：执行被实现为存储在存储系统中的程序的指令；从数据总线采集输入信号，和/或将输出信号发送至数据总线。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质，特别是光学的、磁的、固体的和/或其他非易失性的介质。程序可以是这样的：其能够体现或者说执行在此所述的方法，从而使得CPU能够执行该方法的步骤。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或者其上存储有程序的存储介质，其中，该程序的执行使得系统、特别是计算机能够执行在此所述的方法或该方法的一个或多个步骤。

在一种实施方式中，该方法的一个或多个、特别是所有的步骤被完全或部分自动地执行，特别是通过所述系统或其装置来执行。

在一种实施方式中，在此提到的范围可以(分别)是单侧开放的或两侧封闭的范围，特别是封闭的或单侧开放的区间，或者具有上限和/或下限，特别是由此被预先设定。

附图说明

其它的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。为此部分示意性示出：

图1为根据本发明的一种实施方式的机器人和用于仿真机器人的制动过程的方法；

图2为根据本发明的一种实施方式的用于仿真制动过程的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施方式的六轴机器人1和计算机2形式的、用于仿真机器人的制动过程的系统，其执行根据本发明的一种实施方式的、如图2所示的用于仿真制动过程的方法。

以对轴的制动为例，其位置在图1中由相应的轴坐标q来表示。

方程

简单地表达了机器人1的动态模型，其中，m为质量，其集中在距轴线距离为l的点上；g为重力常数；A为轴的驱动转矩；B为根据符号函数

且于方向有关的制动力矩；μ为摩擦系数；

为一阶时间导数或二阶时间导数。

在步骤S10中，为制动力矩B和摩擦系数μ分别预先设定变化范围[B₁，B₂>B₁]或[μ₁，μ₂>μ₁]。

随后在步骤S20中，利用动态模型并借助于区间运算，仿真机器人1的制动过程直到停止，从而例如在上述微分方程的数值时间积分中，根据区间[B₁+μ₁，B₂+μ₂]确定和B+μ。

在此，相应地得出机器人的带有多个可能的停止姿势q_i的停止姿势范围[q₁，q₂>q₁]。因此，例如，可以将来自变化范围[μ₁，μ₂]的最小摩擦系数μ₁与来自变化范围[B₁，B₂]的最小制动转矩B₁相关联以获得最大惯性运动距离q₂；反之，可以将来自变化范围[μ₁，μ₂]的最大摩擦系数μ₂与来自变化范围[B₁，B₂]的最大制动转矩B₂相关联以获得最小惯性运动距离q₁。

随后在步骤S30中，针对最小惯性运动距离q₁和最大惯性运动距离q₂，分别确定所需的安全范围，并在步骤S40中根据这些安全范围中的较大的安全范围来设计机器人1的安全范围。

在一种变型中，在步骤S10中预先设定了映射Q，该映射将机器人的不同的成对的运动姿势q_k和速度

分别对应于带有多个可能的停止姿势q_i(q_k，

)的停止姿势范围

例如以预先设定的偏差

的形式，其中，α为常量。

随后，在该变型的步骤S20中，利用动态模型再次仿真机器人1的制动过程，但是制动力矩B和摩擦系数μ具有奇异值。一旦在仿真过程中机器人的速度

处于停止状态之前的预定的范围内，就可以中断仿真，并且可以在步骤S20中基于当前(仿真的)运动姿势和预定的映射Q来预测停止姿势范围[q₁，q₂]。

因此，例如从机器人的速度

首次处于上述范围内的运动姿势q_E开始，借助于上述的到

的映射，得到停止状态姿势范围[q₁，q₂]。

随后在步骤S30中，分别针对最小惯性运动距离q₁和最大惯性运动距离q₂确定所需的安全范围，并且在步骤S40中根据这些安全范围中较大的安全范围来设计机器人1的安全范围。

由此特别清楚的是，在本发明的一种实施方式中，通常还可以将基于机器人的运动姿势和预定的映射(其将不同的运动姿势分别对应于具有多个可能静止姿势的停止姿势范围)对停止姿势范围的预测这一方面与针对动态模型的至少一个参数预先设定变化范围的的仿真这一方面结合起来，在该实施方式中，例如通过在步骤S20中借助于针对变化范围[μ₁，μ₂]、[B₁，B₂]的区间运算进行仿真，直至机器人的速度处于预定范围内，并且基于在此所确定的运动姿势范围中的运动姿势和预定的映射Q来预测停止姿势范围[q₁，q₂]。

尽管在前面的描述中已经阐述了示例性的实施方式，但是应该指出的是，还可能有很多的变型。此外还应指出的是，这些示例性实施方式仅仅是举例，其不应对保护范围、应用和构造形成任何限制。相反，通过前面的描述能够赋予本领域技术人员实现对至少一个示例性实施方式进行转换的教导，其中，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以实现特别是关于所述部件的功能和布置的各种变化，例如可以根据权利要求和等效的特征组合获得。

附图标记列表

1 机器人

2 计算机(系统)

q 关节角度(姿势)。

Claims (10)

1.一种用于借助机器人的动态模型来仿真机器人(1)的制动过程的方法，其中，针对机器人的初始状态，确定由于所仿真的制动过程而引起的最终状态范围，该最终状态范围带有机器人的多个可能的最终状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最终状态范围具有停止姿势范围，该停止姿势范围带有机器人的多个可能的停止姿势。

3.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，基于机器人在被仿真的制动过程期间的运动姿势和预定的映射，预测所述停止姿势范围，其中，在该被仿真的制动过程中机器人仍然运动，并且所述映射将不同的运动姿势分别对应于带有多个可能的停止姿势的停止姿势范围。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述仿真过程中，为所述动态模型的至少一个参数预先设定变化范围。

5.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，借助于针对动态模型的至少一个参数的区间运算来仿真所述制动过程。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对所确定的最终状态范围的至少两个可能的最终状态，分别确定与其相关的设计变量，特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对机器人的多个初始状态分别确定由于所仿真的制动过程而引起的最终状态范围，该最终状态范围带有机器人的多个可能的最终状态，并且确定与这些最终状态相关的设计变量，特别是机器人的动能和/或机器人的环境的安全装置的参数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述制动过程中，将所述机器人的至少一个轴制动，和/或使所述机器人的至少一个轴停止。

9.一种用于借助机器人的动态模型来仿真机器人(1)的制动过程的系统(2)，所述系统被设计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：用于确定针对所述机器人的初始状态由于所仿真的制动过程而引起的最终状态范围的装置，该最终状态范围带有所述机器人的多个可能的最终状态。

10.一种计算机程序产品，具有程序代码，该程序代码存储在能由计算机读取的介质上，所述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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