CN111479660A - 包括确保停止时间和距离的安全系统的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于有条件地停止机器人的机器人系统和方法，其中用户或集成商基于风险评估通过用户界面将最大停止时间和/或距离限定为安全限制。该方法提供了机器人在最大马达转矩和/或制动装置下进行停止所需的时间和/或距离的连续计算。如果所计算的时间和/或距离超过由用户或集成商设置的最大限制值，则停止机器人或减小机器人的速度。该方法还可以用于对机器人的轨迹进行编程或生成轨迹，以便在保持所设置的最大停止时间和/或距离的状况下不超过由用户限定的移动速度。

Description

包括确保停止时间和距离的安全系统的机器人

技术领域

本发明涉及用于基于对最大允许停止时间或停止距离行进的要求来调整工业机器人的轨迹的方法。

背景技术

作为应用的一部分，工业机器人的安装的重要部分是执行风险评估以评定安装是否足够安全。风险评估的结果可能是：在给定从保护措施到机器人工作空间中的潜在危险的距离，以及人类工人的估计运动速度的情况下，机器人集成商需要确保机器人能够在特定量的时间内停止。

对于集成商而言，评定机器人的停止时间是繁琐且耗时的过程。这通常基于由机器人制造商提供的给定速度、有效负载、扩展和关节运动的表格。然而，具有多个自由度的工业操纵器的高度灵活性使得无法为所有可能的运动和有效负载提供表格，从而导致需要在各个表格之间进行内插，以及将其与实际测量值组合以验证结果，并且通常在估计中也过于保守。

US 7,664,570B2描述了一种用于根据物理和虚拟安全屏障来限制机器人的运动的方法。然而，它未考虑机器人在停止时行进的停止时间和距离。重点在于确保机器人不会跨过虚拟或物理屏障。

EP1901150B1描述了一种方法，其中停止时间和距离行进的计算用于预测与对象的碰撞。然而，它不允许用户限定停止时间限制或停止距离限制。

EP2364243B1描述了一种安全系统和一种用于减少基于碰撞的伤害风险的方法。然而，它没有描述对停止时间和停止距离的考虑。

US2016/176049A1公开了一种用于有条件地停止至少一个操纵器和操纵器组件的方法。操纵器沿着具有停止点的路径行进。为了能够将操纵器停在停止点处，根据操纵器的速度函数来计算路径上的制动点。如果行进状况变量的状态需要在超过制动点的情况下制动操纵器，则对操纵器进行制动。这种操纵器和操纵器组件需要了解沿预定行进路径的期望停止点。

DE10361132A1公开了一种用于监测危险对象(诸如搬运单元的搬运质量)相对于其周围工作空间中的对象的移动的方法。通过搬运设备的动态模型不断计算危险对象的动能，并且不断重新调整和监测危险对象的速度，使得在限定路径内或任选地在限定时间内的制动请求下，将速度减小到可预定的非危险值。难以确定由搬运设备(诸如机器人臂)搬运的危险对象的动能，因为需要获得危险对象的速度以便计算危险对象的动能。在搬运设备(诸如机器人)中，通常基于机器人关节的输出侧处的绝对位置传感器来获得危险对象的速度，并且此类绝对位置传感器的分辨率较低，从而导致危险对象的不准确瞬时速度。因此，也将不准确地计算动能。

发明内容

本发明的目的是解决关于现有技术的上述限制或现有技术的其他问题。

这是通过提供一种机器人系统来实现的，该机器人系统包括：

-机器人操纵器，该机器人操纵器具有多个自由度；

-机器人控制器，该机器人控制器具有用于控制机器人操纵器的控制软件；

-用户界面；以及

-监测机器人操纵器的运动的安全系统，该安全系统能够将机器人操纵器带动到安全静止。

例如，可以将机器人操纵器设置为包括多个机器人关节以及连接机器人基部和机器人工具凸缘的机器人连杆的机器人臂，其中关节马达被配置为使机器人关节和连杆相对于彼此旋转。可以将机器人控制器设置为被配置为例如通过基于机器人操纵器的动态模型控制由关节马达提供的马达转矩来控制机器人操纵器的任何计算设备。可以将机器人控制器设置为外部设备(如图3所示)，或者设置为集成到机器人操纵器中的设备。

例如，可以将用户界面设置为工业机器人领域中已知的示教器，其可以经由有线或无线通信协议与控制器进行通信。用户界面可以例如包括显示器和多个输入设备，诸如按钮、滑块、触摸板、操纵杆、轨迹球、手势识别设备、键盘等。可以将显示器设置为充当显示器和输入设备两者的触摸屏。根据本发明，用户界面包括使得机器人用户能够配置停止时间限制和停止距离限制中的至少一者的输入装置。可以将输入装置设置为使得机器人用户能够配置停止时间限制和停止距离限制的任何类型的接口设备，例如，作为其中机器人用户可以输入停止时间限制和/或停止时间距离限制的软件程序。停止时间限制和/或停止时间距离限制可以例如指示机器人操纵器的停止时间和/或停止距离的期望值，并且可以由机器人用户基于其中使用机器人系统的安装的安全风险评估来确定。停止时间限制和/或停止距离限制可以存储在存储器中以供稍后使用。

可以将安全系统设置为能够监测机器人操纵器的运动并且在出现安全问题时将机器人操纵器带动到安全静止的任何计算设备。例如，可以将安全系统设置为控制器的一部分或作为单独的计算设备(诸如控制器、逻辑设备、微处理器等)。例如，可以将安全系统设置为同时且独立地监测机器人操纵器的运动的两个冗余安全系统。根据本发明，安全系统被配置为对机器人操纵器的动力学进行建模，包括确定可由机器人操纵器的马达和齿轮、机器人操纵器的驱动器制动系统或马达、齿轮和驱动器制动系统的组合施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者。因此，安全系统确定可在机器人操纵器的使用期间的任何给定时间施加到机器人操纵器的最大制动转矩和/或制动力。最大制动转矩和/或制动力可以基于机器人操纵器的动态模型以及机器人操纵器的马达、齿轮或制动驱动器的特性来确定。而且，安全系统被配置为动态且连续地确定最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合是否可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动。安全系统被配置为在最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合中的至少一者无法在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动的情况下，触发机器人操纵器的停止。

基于最大可能制动转矩、最大可能制动力、停止时间限制和/或停止距离限制来触发机器人操纵器的停止使得机器人用户可以提供对机器人安装的安全评估，其考虑机器人操纵器的期望停止时间和/或距离。因此，安全系统可以被配置为相应地监测机器人操纵器的运动并且确保机器人操纵器的安全停止。机器人用户仅需要指定一次期望停止时间和/或停止距离，并且如果机器人操纵器无法实现期望停止时间和/或停止距离，则安全系统将确保安全停止。确定最大可能制动转矩/力确保了安全系统的稳固和安全的操作，因为最大可能制动转矩/力直接确定机器人操纵器的最小停止时间或停止距离，其中动能仅表示为了停止机器人操纵器需要从机器人操纵器中取出的动能的量。

在一个实施方案中，安全系统被配置为动态且连续地计算以下中的至少一者：

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-在以下中的至少一者的情况下触发机器人操纵器的停止：

o估计停止时间超过停止时间限制；以及

o估计停止距离超过停止距离限制。

这使得可以直接基于限定的停止限制和/或距离限制来触发机器人操纵器的安全停止。另外，估计停止时间和估计停止距离可以在机器人操纵器的操作期间被指示给机器人用户，由此机器人用户可以相对于所指示的估计停止时间和/或距离来作用。

在一个实施方案中，安全系统被配置为从机器人操纵器的当前状态外推估计停止时间和估计停止距离，其中施加最大可能转矩和/或最大可能力以用于停止机器人操纵器的当前运动，其中执行外推，直到预测机器人操纵器已经达到完全停止。

在一个实施方案中，安全系统被配置为动态且连续地计算在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；以及在以下中的至少一者的情况下触发机器人操纵器的停止：

o所需制动转矩超过最大可能制动转矩；以及

o所需制动力超过最大可能制动力。

这使得可以直接基于可由机器人操纵器的马达、齿轮和/或驱动制动器提供的最大可能制动转矩和/或力来触发停止。

例如，在一个实施方案中，安全系统可以包括两个独立的安全分支，其中第一安全分支被配置为基于估计停止时间/距离来触发机器人操纵器的停止，并且其中第二安全分支被配置为基于所需制动转矩/力和最大可能制动转矩/力来触发机器人操纵器的停止。因此，安全系统可以确保使用两种不同且独立的方法，可以在指定的停止时间限制和/或停止距离限制内停止机器人操纵器，由此可以提供稳固且冗余的安全系统。

在一个实施方案中，机器人控制器的控制软件被配置为生成多个机器人轨迹以用于解决给定任务并且基于机器人轨迹来控制机器人操纵器，并且机器人控制器的控制软件被配置为基于停止时间限制和停止距离限制中的至少一者来生成机器人轨迹中的至少一者。这使得机器人用户可以在机器人的编程期间确保所生成的机器人轨迹满足相对于期望停止时间和/或停止距离的安全要求。因此，机器人用户无需在编程期间考虑这些要求，因为机器人控制器自动确保满足这些要求。

在一个实施方案中，机器人控制器的控制软件被配置为通过以下方式生成机器人轨迹中的至少一者：

-对机器人操纵器在轨迹期间的动力学进行建模，包括确定可由机器人操纵器的马达和齿轮、机器人操纵器的驱动器制动系统或机器人操纵器的马达和齿轮及驱动器制动系统的组合在机器人轨迹期间的任何给定时间点施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-在机器人轨迹期间的任何给定时间点，确定最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合是否可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动；

-通过改变轨迹的运动速度来调整轨迹，使得在机器人轨迹期间的任何给定时间点，最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合中的至少一者可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动。

在一个实施方案中，机器人控制器的控制软件被配置为通过以下方式生成机器人轨迹中的至少一个：

-估计以下中的至少一者：

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-通过改变轨迹的运动速度来调整轨迹，使得在轨迹期间的任何给定时间点，估计停止时间不超过停止时间限制和/或估计停止距离不超过停止距离限制。

在一个实施方案中，机器人控制器的控制软件被配置为通过以下方式生成机器人轨迹中的至少一个：

-在机器人轨迹期间的任何给定时间点，动态且连续地计算在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

-通过改变轨迹的运动速度来调整轨迹，使得在轨迹期间的任何给定时间点，所需制动转矩小于最大可能制动转矩和/或所需制动力小于最大可能制动力。

在一个实施方案中，通过使用传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余来实现安全系统。

本发明还涉及一种控制如上所述的机器人系统的方法，其中方法包括以下步骤：

-使用用户界面来配置停止时间限制和停止距离限制中的至少一者；

-使用安全系统来监测机器人操纵器的运动，其中监测机器人操纵器的运动的步骤包括以下步骤：

-对机器人操纵器的动力学进行建模，包括确定可由机器人操纵器的马达和齿轮、机器人操纵器的驱动器制动系统或机器人操纵器的马达、齿轮和驱动器制动系统的组合施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-动态且连续地确定最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合是否可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动；

-在最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合中的至少一个无法在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动的情况下，触发机器人操纵器的停止。

在一个实施方案中，使用安全系统来监测机器人操纵器的运动的步骤包括以下步骤：

-动态且连续地计算以下中的至少一者：

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-在以下中的至少一者的情况下使用安全系统来触发机器人操纵器的停止：

o估计停止时间超过停止时间限制；以及

o估计停止距离超过停止距离限制。

在一个实施方案中，监测步骤包括通过施加用于停止机器人操纵器的当前运动的最大可能转矩和/或最大可能力，从机器人操纵器的当前状态外推估计停止时间和估计停止距离的步骤，其中执行外推，直到预测机器人操纵器已经达到完全停止。

在方法的一个实施方案中，使用安全系统来监测机器人操纵器的运动的步骤包括以下步骤：

-动态且连续地计算在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

以及

-在以下中的至少一者的情况下触发机器人操纵器的停止：

o所需制动转矩超过最大可能制动转矩；以及

o所需制动力超过最大可能制动力。

在一个实施方案中，方法包括使用机器人控制器来生成多个机器人轨迹以用于解决给定任务并且基于机器人轨迹来控制机器人操纵器的步骤。在一个实施方案中，基于停止时间限制和停止距离限制中的至少一者来生成机器人轨迹中的至少一个。例如，生成至少一个机器人轨迹的步骤包括以下步骤：

-对机器人操纵器在轨迹期间的动力学进行建模，包括确定可由机器人操纵器的马达和齿轮、机器人操纵器的驱动器制动系统或机器人操纵器的马达和齿轮及驱动器制动系统的组合在机器人轨迹期间的任何给定时间点施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-在机器人轨迹期间的任何给定时间点，确定最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合是否可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动；

-通过改变轨迹的运动速度来调整轨迹，使得在机器人轨迹期间的任何给定时间点，最大可能制动转矩、最大可能制动力或最大可能制动转矩和最大可能制动力的组合中的至少一者可以在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器的运动。

例如，生成至少一个机器人轨迹的步骤可以包括以下步骤：

-估计以下中的至少一者：

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加最大可能转矩和最大可能力中的至少一者时，机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

并且可以通过改变轨迹的运动速度来使轨迹成形，使得在轨迹期间的任何给定时间点，估计停止时间不超过停止时间限制和/或估计停止距离不超过停止距离限制。

附加地或另选地，生成至少一个机器人轨迹的步骤可以包括以下步骤：

-在机器人轨迹期间的任何给定时间点，动态且连续地计算在停止时间限制和停止距离限制中的至少一者内停止机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

并且可以通过改变轨迹的运动速度来使轨迹成形，使得在轨迹期间的任何给定时间点，所需制动转矩小于最大可能制动转矩和/或所需制动力小于最大可能制动力。

附图说明

图1示出了在本发明的方法中使用的机器人系统；

图2示出了本发明的方法的一个实施方案的流程图；

图3示出了本发明的方法的另一个实施方案的流程图。

具体实施方式

鉴于仅旨在说明本发明原理的示例性实施方案描述了本发明。技术人员将能够在权利要求的范围内提供若干实施方案。

所示的图1示出了本发明的示例性实施方案，其中机器人系统101包括：

连接到机器人控制器105的接口单元103，其旨在用于对状态信息进行控制、编程和/或显示。接口单元可以被有线或无线地连接。可以使一个接口单元连接到多个机器人，或者针对一个机器人可以具有多个接口单元。接口单元包括用于触发机器人的停止的装置。例如，这可以是紧急停止按钮107、紧急停止输入、其他类型的输入、检测潜在安全相关停止状况的内部传感器等。机器人控制器105计算机器人轨迹。这可以集成在机器人臂本身中，集成在接口单元中，作为独立单元，或者这些的组合。被设置为机器人臂的机器人操纵器109包括连接机器人基部111和工具凸缘113的机器人关节和连杆。可以能够承载有效负载的机器人端部执行器115可以附接到工具凸缘，并且由机器人端部执行器承载有效负载117。机器人端部执行器的存在不是本发明所要求的，但其通常是存在的。还示出了命令机器人遵循的轨迹119。

本发明允许机器人系统的用户或集成商使用接口单元103来限定在停止触发器的紧急停止按钮107被激活时，允许机器人操纵器109移动的时间或允许它行进的距离的限制。由用户输入的限制被C中的机器人控制软件使用以便以一定方式计算轨迹119，使得机器人操纵器109的停止时间或距离行进始终低于所要求的限制，同时考虑机器人操纵器109、端部执行器115和有效负载117的惯性。

在本发明的方法中使用的机器人系统包括具有内置控制软件的带多个自由度的工业机器人操纵器。系统包括以下部件：

i)具有多个自由度的工业机器人操纵器，该工业机器人操纵器能够执行复杂的轨迹作为解决任务的一部分

ii)具有控制软件的计算机，该软件生成解决给定任务所需的机器人操纵器的轨迹。

iii)安全系统，该安全系统监测机器人操纵器运动并且能够将机器人带动到安全静止(如果需要的话)，以及涉及用于动态且连续地计算是否可以满足停止时间和/或停止距离行进限制的方法。

iv)用户界面，该用户界面为机器人用户或集成商提供用于配置停止时间限制的装置。

系统允许机器人集成商为当前应用配置期望停止时间，并且确保以一定方式执行机器人的轨迹，使得可以总是实现期望停止时间。这可以通过操纵器的轨迹的成形或执行轨迹的速度或两者结合来实现。这可以被实现作为计算机中的控制软件的一部分、或作为安全系统的一部分或两者。此外，可以在控制软件中实现它并且使安全系统监测实施方式的正确性。

可以扩展此功能以便还考虑机器人在制动时间期间行进的距离。这将确保在已经执行停止命令后，机器人将不会移动超过期望最大距离。

系统的用户界面可以是系统的物理部分，或者它可以从通过有线或无线通信连接到系统的终端、PC、平板电脑、电话进行工作。

本发明的用于确定机器人的停止时间的方法基于：

·机器人的动力学模型(可能包括由机器人承载的有效负载)。

·由驱动器(马达和齿轮)或由驱动器制动系统或由驱动器和制动系统的组合施加的最大允许转矩或力。

·机器人的当前状态(可能包括有效负载)。状态包括关节位置和关节速度。

方法通过以下作用：使用模型来根据当前状态以及停止时间和停止距离行进限制计算机器人驱动器和/或制动器的所需转矩/力，并且将这些与机器人驱动器的允许力或转矩进行比较。

方法可以在需要评估在停止时间和停止距离行进限制内停止的能力的任何时间点执行。这包括在机器人移动(可能在受传感器信息影响的轨迹上移动)时在线执行方法的可能性，但它也可以针对固定轨迹离线使用，或这些的组合。

用于允许用户或集成商轻松设置停止距离、停止时间或两者的期望限制的完整方法包括以下元素：

-用户/集成商可以使用用户界面来配置停止时间和/或距离的期望值。

-当机器人移动时，通过先前描述的方法连续评估停止时间和距离。

如果所计算的时间接近用户限定的限制，则计算机器人轨迹的方法将通过减小运动速度来动态缩放这些，使得不会超出限制。

另选地，如果计算基于停止所需的力或转矩的计算，并且所需的力或转矩接近机器人驱动器的允许力或转矩，则计算机器人轨迹的方法将通过减小运动速度来动态缩放这些，使得不会超出限制。

如果需要高度安全性，则由轨迹生成器计算的轨迹或由机器人执行的轨迹可以由安全系统监测(使用如上一节中描述的相同计算方法)或根据机械安全原则进行构建。

参考图2，其示出了用于通过以下方式来将机器人轨迹保持在指定的停止时间和距离行进限制内的基本过程的流程图220：通过外推当前状态来计算停止时间或停止距离行进。方法包括以下步骤：

221：通过提供至少一个机器人轨迹来控制机器人

223：对于轨迹中的位置和速度，执行以下操作

225：假定机器人应当停止在当前位置处

227：使用外推来计算停止时间/距离行进

229：如果结果接近限制，则减小速度以避免超过限制

参考图3，其示出了用于通过计算机器人驱动器在停止时间或停止距离行进的给定限制内的转矩或力来将机器人轨迹保持在指定的停止时间和距离行进限制内的基本过程的流程图330。方法包括以下步骤：

321：通过提供至少一个机器人轨迹来控制机器人

323：对于轨迹中的位置和速度，执行以下操作

325：假定机器人应当停止在当前位置处

327：计算在时间和距离行进限制内停止所需的转矩/力

329：如果结果接近允许的驱动转矩/力，则减小速度以避免超过限制

以下段落[0048]-[0057]和陈述I-IX呈现了本发明的替代公开。

本发明为机器人的用户或集成商提供了用于限定其中机器人必须能够停止的特定时间或距离限制或两者的装置。这允许用户基于风险评估轻松限定所需的限制。

具体地，在第一方面中，本发明提供了一种用于基于最大允许停止时间或停止距离行进的标准来调整工业机器人的轨迹的方法，使得独立于停止的开始时间满足要求，所述工业机器人具有多个自由度，其内置有控制软件以限定特定时间或距离限制或两者，其中机器人能够停止，所述方法包括以下步骤：

提供用于生成解决给定任务所需的轨迹的控制软件；

实现监测机器人操纵器的运动并且能够将机器人带动到安全静止的安全系统，所述安全系统对机器人的动力学进行建模，涉及确定由机器人的马达和齿轮或由驱动器制动系统或由驱动器和制动系统的组合施加的可能转矩或力；

动态且连续地计算在任何给定时间点停止时，机器人进行停止需要的时间或机器人行进的距离；用户界面，该用户界面为机器人用户或集成商提供用于配置停止时间或停止距离限制或两者的装置；以及

在当前机器人轨迹的估计停止时间或距离超过停止时间或停止距离限制的情况下，停止机器人。

可以通过外推机器人的当前状态来进行停止时间或停止距离行进的计算。可以根据计算精度的需要，在时间步长数量或类似的方面调整外推的分辨率。

替代实施方案可以是，并非计算进行停止所需的时间和在停止期间的距离行进，而是在给定时间点，计算在给定停止时间和停止距离行进内停止所需要的力或转矩，并且将其与机器人驱动器的力和转矩能力进行比较。如果所需的转矩或力超过驱动器允许能力的转矩或力，则这等同于机器人无法在限定的限制内停止。

另一替代实施方案可以是通过改变运动速度，使用计算来连续地使机器人轨迹成形，使得永不超过停止时间和停止距离行进的限制。

优选地，方法被实现为机器人的功能安全的一部分。还优选的是，机器人的状态基于关节位置和关节速度。在本发明的特别优选的实施方案中，根据当前状态计算机器人驱动器的所需停止转矩和力，并且如果所需转矩接近驱动器的允许转矩，则将其用于减小机器人的速度，使得永不超过停止时间和停止距离限制。

根据本发明，通常基于所需的停止时间或距离行进来计算机器人进行停止所花费的时间以及机器人在停止时移动的距离或所需的驱动力或转矩。此外，本发明经常需要通过使用传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余来实现功能安全。

在特别优选的实施方案中，方法的实现和/或执行的正确性由安全功能监测，该安全功能通常基于传感器、通信，逻辑或其任何组合的冗余。

在第二方面中，提供了一种能够执行本发明的方法的机器人系统。机器人系统包括：机器人，该机器人具有机器人操纵器；控制软件，该控制软件用于生成解决给定任务所需的轨迹；以及用于实现监测机器人操纵器运动并且能够将机器人带动到安全静止的安全系统，所述安全系统对机器人的动力学进行建模，涉及确定由机器人的马达和齿轮或由驱动器制动系统或由驱动器和制动系统的组合施加的最大可能转矩或力；用于触发机器人的停止，同时控制软件动态且连续地计算在任何给定时间点停止时，机器人进行停止需要的时间或机器人行进的距离的装置；其中在当前机器人轨迹的估计停止时间或距离超过停止时间或停止距离限制的情况下，触发停止机器人。

还可以根据下面的陈述I-IX(用罗马数字标记)来描述本发明。

I.一种用于基于最大允许停止时间或停止距离行进的要求来调整工业机器人的轨迹的方法，使得独立于停止的开始时间满足要求，所述工业机器人具有多个自由度，其内置有控制软件以限定特定时间或距离限制或两者，其中机器人能够停止，所述方法包括以下步骤：

提供用于生成解决给定任务所需的轨迹的控制软件；

实现监测机器人操纵器运动并且能够将机器人带动到安全静止的安全系统，所述安全系统对机器人的动力学进行建模，涉及确定由机器人的马达和齿轮或由驱动器制动系统或由驱动器和制动系统的组合施加的最大可能转矩或力；

动态且连续地计算在任何给定时间点停止时，机器人进行停止需要的时间或机器人行进的距离；用户界面，该用户界面为机器人用户或集成商提供用于配置停止时间或停止距离限制或两者的装置；以及

在当前机器人轨迹的估计停止时间或距离超过停止时间或停止距离限制的情况下，停止机器人。

II.根据陈述I所述的方法，其中方法被实现为机器人的功能安全的一部分。

III.根据陈述I或II所述的方法，其中机器人的状态基于关节位置和关节速度。

IV.根据陈述I-III中任一项所述的方法，其中从当前状态外推机器人的运动，其中施加最大可能转矩或力以停止当前运动，执行所述外推，直到预测机器人已经达到完全停止。

V.根据前述陈述中任一项所述的方法，其中其用于计算机器人进行停止所花费的时间以及机器人在停止时移动的距离。

VI.根据前述陈述中任一项所述的方法，其中通过使用传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余来实现功能安全。

VII.根据陈述I-VI中任一项所述的方法，其中方法的实现和/或执行的正确性由安全功能监测。

VIII.根据权利要求VII所述的方法，其中安全功能基于传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余。

IX.一种机器人系统，包括：

机器人，该机器人具有机器人操纵器；

控制软件，该控制软件用于生成解决给定任务所需的轨迹；以及用于实现监测机器人操纵器运动并且能够将机器人带动到安全静止的安全系统，所述安全系统对机器人的动力学进行建模，涉及确定由机器人的马达和齿轮或由驱动器制动系统或由驱动器和制动系统的组合施加的最大可能转矩或力；

用于触发机器人的停止，同时控制软件动态且连续地计算在任何给定时间点停止时，机器人进行停止需要的时间或机器人行进的距离的装置；其中在当前机器人轨迹的估计停止时间或距离超过停止时间或停止距离限制的情况下，触发停止机器人。

X.根据陈述IX所述的系统，其中通过使用传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余来实现安全系统。

XII.根据陈述IX或X所述的系统，其中安全系统的实现和/或执行的正确性由安全功能监测。

XII.根据权利要求XI所述的系统，其中安全功能基于传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余。

Claims (19)

1.一种机器人系统，包括：

-机器人操纵器，所述机器人操纵器具有多个自由度；

-机器人控制器，所述机器人控制器具有用于控制所述机器人操纵器的控制软件；

-用户界面；以及

-监测所述机器人操纵器的运动的安全系统，所述安全系统能够将所述机器人操纵器带动到安全静止；

其中所述用户界面包括使得机器人用户能够配置停止时间限制和停止距离限制中的至少一者的输入装置；并且所述安全系统被配置为：

-对所述机器人操纵器的动力学进行建模，包括确定可由所述机器人操纵器的马达和齿轮、所述机器人操纵器的驱动器制动系统或所述马达、齿轮和所述驱动器制动系统的组合施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-动态且连续地确定所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合是否可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动；

-在所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合中的至少一者无法在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动的情况下，触发所述机器人操纵器的停止。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述安全系统被配置为：

-动态且连续地计算以下中的至少一者：

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-在以下中的至少一者的情况下触发所述机器人操纵器的停止：

o所述估计停止时间超过所述停止时间限制；以及

o所述估计停止距离超过所述停止距离限制。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的机器人系统，其中以下中的至少一者：从所述机器人操纵器的所述当前状态外推所述估计停止时间和所述估计停止距离，其中施加所述最大可能转矩和/或所述最大可能力以用于停止所述机器人操纵器的所述当前运动，其中执行所述外推，直到预测所述机器人操纵器已经达到完全停止。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的机器人系统，其中所述安全系统被配置为：

-动态且连续地计算在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

以及

-在以下中的至少一者的情况下触发所述机器人操纵器的停止：

o所述所需制动转矩超过所述最大可能制动转矩；以及

o所述所需制动力超过所述最大可能制动力。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的机器人系统，其中所述机器人控制器的所述控制软件被配置为生成多个机器人轨迹，其用于解决给定任务，并且基于所述机器人轨迹来控制所述机器人操纵器。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述机器人控制器的所述控制软件被配置为基于所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者来生成所述机器人轨迹中的至少一个轨迹。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述机器人控制器的所述控制软件被配置为通过以下方式生成所述机器人轨迹中的至少一个轨迹：

-对所述机器人操纵器在所述轨迹期间的动力学进行建模，包括确定可由所述机器人操纵器的马达和齿轮、所述机器人操纵器的驱动器制动系统或所述机器人操纵器的所述马达和齿轮及所述驱动器制动系统的组合在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，确定所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合是否可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动；

-通过改变所述轨迹的运动速度来调整所述轨迹，使得在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合中的至少一者可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中所述机器人控制器的所述控制软件被配置为通过以下方式生成所述机器人轨迹中的至少一个轨迹：

-估计以下中的至少一者：

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一个时，所述机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

-通过改变所述轨迹的所述运动速度来调整所述轨迹，使得在所述轨迹期间的任何给定时间点，所述估计停止时间不超过所述停止时间限制和/或所述估计停止距离不超过所述停止距离限制。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的机器人系统，其中所述机器人控制器的所述控制软件被配置为通过以下方式生成所述机器人轨迹中的至少一个轨迹：

-在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，动态且连续地计算在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

-通过改变所述轨迹的所述运动速度来调整所述轨迹，使得在所述轨迹期间的任何给定时间点，所述所需制动转矩小于所述最大可能制动转矩和/或所述所需制动力小于所述最大可能制动力。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的机器人系统，其中通过使用传感器、通信、逻辑或其任何组合的冗余来实现所述安全系统。

11.一种控制机器人系统的方法，所述机器人系统包括：

-机器人操纵器，所述机器人操纵器具有多个自由度；

-机器人控制器，所述机器人控制器具有用于控制所述机器人操纵器的控制软件；

-用户界面；以及

-监测所述机器人操纵器的运动的安全系统，所述安全系统能够将所述机器人操纵器带动到安全静止；

所述方法包括以下步骤：

-使用所述用户界面来配置停止时间限制和停止距离限制中的至少一者；

-使用所述安全系统来监测所述机器人操纵器的所述运动，其中监测所述机器人操纵器的所述运动的所述步骤包括以下步骤：

o对所述机器人操纵器的动力学进行建模，包括确定可由所述机器人操纵器的马达和齿轮、所述机器人操纵器的驱动器制动系统或所述机器人操纵器的所述马达、齿轮和所述驱动器制动系统的组合施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

o动态且连续地确定所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合是否可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动；

o在所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合中的至少一者无法在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动的情况下，触发所述机器人操纵器的停止。

12.根据权利要求11所述的方法，其中使用所述安全系统来监测所述机器人操纵器的所述运动的所述步骤包括以下步骤：

-动态且连续地计算以下中的至少一者：

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-在以下中的至少一者的情况下使用所述安全系统来触发所述机器人操纵器的停止：

o所述估计停止时间超过所述停止时间限制；以及

o所述估计停止距离超过所述停止距离限制。

13.根据权利要求12所述的方法，包括通过施加用于停止所述机器人操纵器的所述当前运动的所述最大可能转矩和/或所述最大可能力，从所述机器人操纵器的所述当前状态外推所述估计停止时间和所述估计停止距离的步骤，其中执行所述外推，直到预测所述机器人操纵器已经达到完全停止。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中使用所述安全系统来监测所述机器人操纵器的所述运动的所述步骤包括以下步骤：

-动态且连续地计算在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

以及

-在以下中的至少一者的情况下触发所述机器人操纵器的停止：

o所述所需制动转矩超过所述最大可能制动转矩；以及

o所述所需制动力超过所述最大可能制动力。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，包括使用所述机器人控制器来生成多个机器人轨迹，其用于解决给定任务，并且基于所述机器人轨迹来控制所述机器人操纵器的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中基于所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者来生成所述机器人轨迹中的至少一个轨迹。

17.根据权利要求16所述的方法，其中生成所述至少一个机器人轨迹的所述步骤包括以下步骤：

-对所述机器人操纵器在所述轨迹期间的动力学进行建模，包括确定可由所述机器人操纵器的马达和齿轮、所述机器人操纵器的驱动器制动系统或所述机器人操纵器的所述马达和齿轮及所述驱动器制动系统的组合在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点施加的最大可能制动转矩和最大可能制动力中的至少一者；

-在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，确定所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合是否可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动；

-通过改变所述轨迹的运动速度来调整所述轨迹，使得在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，所述最大可能制动转矩、所述最大可能制动力或所述最大可能制动转矩和所述最大可能制动力的组合中的至少一者可以在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器的运动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中生成所述至少一个机器人轨迹的所述步骤包括以下步骤：

-估计以下中的至少一者：

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器进行停止将花费的估计停止时间；以及

o当施加所述最大可能转矩和所述最大可能力中的至少一者时，所述机器人操纵器在停止时行进的估计停止距离；

以及

-通过改变所述轨迹的所述运动速度来调整所述轨迹，使得在所述轨迹期间的任何给定时间点，所述估计停止时间不超过所述停止时间限制和/或所述估计停止距离不超过所述停止距离限制。

19.根据权利要求17-18中任一项所述的方法，其中生成所述至少一个机器人轨迹的所述步骤包括以下步骤：

-在所述机器人轨迹期间的任何给定时间点，动态且连续地计算在所述停止时间限制和所述停止距离限制中的至少一者内停止所述机器人操纵器所需要的所需制动转矩和/或所需制动力；

-通过改变所述轨迹的所述运动速度来调整所述轨迹，使得在所述轨迹期间的任何给定时间点，所述所需制动转矩小于所述最大可能制动转矩和/或所述的所需制动力小于所述最大可能制动力。

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