CN112352206A - 机器人臂的双模自由驱动 - Google Patents

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Abstract

公开了一种方法和一种机器人臂，其中基于静态马达扭矩来控制机器人臂的关节马达的马达扭矩，该静态马达扭矩指示将机器人臂保持在静态姿势所需的马达扭矩，其中响应于由施加在机器人臂上的不同于重力的外力所引起的机器人臂的姿势变化来调节静态马达扭矩。此外，基于附加马达扭矩来控制关节马达的马达扭矩，该附加马达扭矩基于提供给机器人工具凸缘的力‑扭矩而获得，其中该力‑扭矩由集成在机器人臂的工具凸缘中的力‑扭矩传感器获得。

Description

机器人臂的双模自由驱动
技术领域
本发明涉及一种机器人臂，该机器人臂包括多个机器人关节，该多个机器人关节连接机器人基座和机器人工具凸缘，其中该机器人臂的该机器人关节可由用户以所谓的自由驱动模式进行手动操纵。
背景技术
机器人臂包括多个机器人关节和连杆(其中马达可使关节相对于彼此旋转)，机器人臂在机器人领域中是已知的。通常，机器人臂包括用作机器人臂的安装基座的机器人基座和能够与各种工具附接的机器人工具凸缘。机器人控制器被构造成控制机器人关节，以相对于基座移动机器人工具凸缘。例如，为了指示机器人臂执行多个工作指令。
通常，机器人控制器被构造成基于机器人臂的动态模型控制机器人关节，其中该动态模型限定作用于机器人臂上的力与所得的机器人臂的加速度之间的关系。通常，动态模型包括机器人臂的运动学模型、关于机器人臂的惯性的知识以及影响机器人臂移动的其他参数。运动学模型限定了机器人臂的不同部件之间的关系，并且可包括机器人臂的信息(诸如关节和连杆的长度、尺寸)，并且可(例如)由Denavit-Hartenberg参数等来描述。动态模型使得控制器可以确定为了(例如)以指定的速度、加速度移动机器人关节或者为了将机器人臂保持在静态姿势，关节马达将提供哪些扭矩。
在许多机器人臂上，可以将各种端部执行器附接到机器人工具凸缘，诸如夹持器、真空夹持器、磁性夹持器、螺纹车床、焊接装备、分配系统、视觉系统等。
许多机器人可被设定为所谓的自由驱动操作模式或零G操作模式，其中用户可通过推动或拉动机器人臂来手动改变机器人的姿势，并且其中机器人控制器被构造成当用户未推动或拉动机器人臂时将机器人臂保持在一个姿势。
在自由驱动操作模式下，机器人控制器被构造成基于关节编码器和机器人的动态模型来控制由机器人关节的马达提供的马达扭矩。通常，关节编码器提供指示每个关节的关节角度的信号，并且控制器可基于该关节角度和机器人的动态模型来计算将机器人臂保持在一个姿势所需的力。当用户推动或拉动机器人臂时，可记录关节角度的变化，并且机器人控制器被构造成允许机器人的移动。在一些实施方案中，控制器可被构造成当关节角度的变化已被记录时(例如)为了帮助机器人臂的移动将马达扭矩施加到关节马达，为了改变机器人臂的姿势而施加用户需要克服的一些阻力。一些机器人臂包括扭矩传感器，该扭矩传感器被构造成指示施加到每个机器人关节的扭矩，并且机器人控制器可被构造成基于施加到机器人关节的扭矩来控制施加到机器人关节的马达扭矩。
已知的自由驱动模式需要操纵各个机器人关节以便机器人臂改变姿势，而这在一些情况下可能是困难的，例如在工作站，机器人臂的一部分被放置在防护罩后，从而防止用户旋转一些机器人关节。
US 6212433B1公开了一种直接教导装置，其允许操作者在安全情况下执行直接教导。该装置包括力检测器和教导工具。该工具包括固定到第一检测器并由操作者握持以引导机器人的工作工具或柄部。该工具还包括用于基于力检测器数据和运动模型来计算位置或速度指令的设备。该工具还包括用于根据位置或速度指令来计算用于驱动机器人的马达的生成扭矩的设备，以及用于控制生成的扭矩的控制器。用户需要配置向机器人系统提供教导装置，这使教导装置的使用复杂化，并且还使用户只能从教导装置移动机器人臂。
US 2012/130541公开了用于直接并安全地教导机器人的方法和装置。该装置由封装在紧凑壳体中的多个触觉传感器和电子电路以及从壳体突出的柄部组成。该柄部为操作者提供了简单的装置来施加外力并作用于生成到机器人控制器的电信号的传感器。用户需要配置为机器人系统提供柄部装置，由于柄部装置的轴线需要联结到指定的关节，这使柄部装置的使用复杂化，并且还使用户仅能使用该柄部装置移动机器人臂。
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。这通过根据独立权利要求的方法和机器人臂来实现，其中基于静态马达扭矩来控制机器人臂的关节马达的马达扭矩，该静态马达扭矩指示将机器人臂保持在静态姿势所需的马达扭矩，其中响应于由不同于重力的外力所引起的机器人臂的姿势变化来调节静态马达扭矩。此外，基于附加马达扭矩来控制关节马达的马达扭矩，该附加马达扭矩基于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩而获得，其中该力-扭矩由集成在机器人臂的工具凸缘中的力-扭矩传感器获得。这使得用户可以在不操纵每个机器人关节的情况下移动工具凸缘(例如通过推动、拉动或旋转机器人工具凸缘)。另外，在根据本发明的自由驱动操作模式中，用户还可通过向机器人臂的任何部分提供外力来选择操纵各个机器人关节，以改变机器人臂的姿势。使用集成到机器人臂的工具凸缘中的力-扭矩传感器确保了力-扭矩传感器可在不涉及用户的情况下被配置。因此，当在自由驱动操作模式中改变机器人臂的姿势时，为用户提供了更大的灵活性和更多选项。从属权利要求描述了根据本发明的机器人和方法的可能实施方案。本发明的优点和益处将在本发明的具体实施方式中进一步详细描述。
附图说明
图1示出了根据本发明的机器人臂；
图2示出了机器人臂的简化结构图；并且
图3示出了改变机器人臂姿势的方法的流程图。
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。在整个说明书中，提供类似效果的类似元件的参考标号具有相同的后两位。此外，应当理解，在实施方案包括多个相同特征的情况下，仅一些特征可以由参考标号标记。
图1示出了机器人臂101，该机器人臂包括多个机器人关节103a、103b、103c、103d、103e、103f，该多个机器人关节连接机器人基座105和机器人工具凸缘107。基座关节103a被构造成使机器人臂绕基座轴线111a(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头113a所示；肩部关节103b被构造成使机器人臂绕肩部轴线111b(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113b所示；肘部关节103c被构造成使机器人臂绕肘部轴线111c(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113c所示，第一腕关节103d被构造成使机器人臂绕第一腕轴线111d(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113d所示，并且第二腕关节103e被构造成使机器人臂绕第二腕轴线111e(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头113e所示。机器人关节103f是包括机器人工具凸缘107的工具关节，该机器人工具凸缘能够围绕工具轴线111f(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头113f所示。因此，所示的机器人臂是具有六个自由度的六轴机器人臂，但是要注意的是，本发明可设置在包括更少或更多机器人关节的机器人臂中。
每个关节包括机器人关节主体以及能够相对于该机器人关节主体旋转的输出凸缘，并且该输出凸缘直接或经由本领域已知的臂部分连接至相邻的机器人关节。机器人关节包括关节马达，该关节马达被构造成例如经由传动装置或直接连接至马达轴来相对于该机器人关节主体旋转输出凸缘。机器人关节主体可(例如)形成为关节外壳，并且关节马达可布置在该关节外壳内，并且输出凸缘可延伸出该关节外壳。
另外，机器人关节包括提供传感器信号的至少一个关节传感器，该传感器信号指示以下参数中的至少一个参数：输出凸缘的角位置、关节马达的马达轴的角位置、关节马达的马达电流或试图旋转输出凸缘或马达轴的外力。例如，输出凸缘的角位置可由输出编码器诸如光学编码器、磁性编码器指示，这些输出编码器可指示输出凸缘相对于机器人关节的角位置。类似地，关节马达轴的角位置可由输入编码器诸如光学编码器、磁性编码器提供，这些输入编码器可指示马达轴相对于机器人关节的角位置。应当注意，可提供指示输出凸缘的角位置的输出编码器和指示马达轴的角位置的输入编码器两者，这在已提供传动装置的实施方案中使得可以确定该传动装置的输入侧与输出侧之间的关系。还可将关节传感器提供为指示通过关节马达的电流的电流传感器，并且因此该关节传感器用于获得由马达提供的扭矩。例如，结合多相马达，可提供多个电流传感器以获得通过该多相马达的每个相位的电流。
机器人工具凸缘107包括集成到该机器人工具凸缘107中的力-扭矩传感器125。该力-扭矩传感器125提供工具凸缘力信号，该工具凸缘力信号指示在工具凸缘处提供的力-扭矩。在所示实施方案中，力-扭矩传感器被集成到机器人工具凸缘中，并且被构造成指示相对于机器人工具凸缘的参考点127施加到机器人工具凸缘的力和扭矩。在图1中，参考点127与工具凸缘坐标系的原点重合，该原点限定三个坐标轴：x凸缘、y凸缘、z凸缘。在所示实施方案中，机器人工具凸缘坐标系的原点已被布置在工具凸缘轴线111f上，其中一条轴线(z凸缘)与该工具凸缘轴线平行并且位于机器人工具的外表面处。然而，力-扭矩传感器可相对于能连接到机器人工具凸缘坐标系的任何点指示施加到机器人工具凸缘的力-扭矩。在一个实施方案中，力-扭矩传感器是六轴力-扭矩传感器，其被构造成指示沿三个垂直轴线的力和围绕三个垂直轴线的扭矩。例如，可将力-扭矩传感器提供为能够指示相对于参考点的力和扭矩的任何力-扭矩传感器，例如由WO 2014/110682 A1、US 4763531、US 2015204742公开的任何力-扭矩传感器。
机器人臂包括至少一个机器人控制器115，该机器人控制器被构造成通过基于机器人的动力学模型和关节传感器信号控制提供给关节马达的马达扭矩来控制机器人关节。机器人控制器115可作为包括界面设备117的计算机而提供，该界面设备使得用户能够对机器人臂进行控制和编程。控制器可作为如图1所示的外部设备而提供，或作为集成到机器人臂中的设备而提供。界面设备可例如作为工业机器人领域中已知的示教器而提供，该示教器可经由有线或无线通信协议与控制器进行通信。界面设备可例如包括显示器119和多个输入设备121，诸如按钮、滑块、触摸板、操纵杆、轨迹球、手势识别设备、键盘等。显示器可作为既充当显示器又充当输入设备的触摸屏而提供。
图2示出了图1所示的机器人臂的简化结构图。机器人关节103a、103b和103f已经以结构形式示出，并且为了附图简单起见，已经省略了机器人关节103c、103d、103e。此外，机器人关节以独立元件示出；然而应当理解，它们如图1所示互相连接。机器人关节包括能够相对于机器人关节主体旋转的输出凸缘228a、228b、107，并且关节马达229a、229b、229f被构造成使输出凸缘旋转。在该实施方案中，工具关节103f的输出凸缘构成工具凸缘107。至少一个关节传感器231a、231b、231f提供传感器信号233a、233b、233f，这些传感器信号指示相应的关节的至少一个关节传感器参数J传感器，a、J传感器，b、J传感器，f。关节传感器参数至少指示以下参数之一：输出凸缘的角位置、关节马达的轴的角位置、关节马达的马达电流。例如，输出凸缘的角位置可由输出编码器诸如光学编码器、磁性编码器指示，这些输出编码器可指示输出凸缘相对于机器人关节的角位置。类似地，关节马达轴的角位置可由输入编码器诸如光学编码器、磁性编码器提供，这些输入编码器可指示马达轴相对于机器人关节的角位置。
机器人控制器115包括处理器235和存储器237，并且被构造成通过向关节马达提供马达控制信号239a、239b、239f来控制机器人关节的关节马达。马达控制信号239a、239b、293f指示每个关节马达应提供给输出凸缘的马达转矩T马达，a、T马达，b和T马达，f，并且机器人控制器被构造成基于现有技术中已知的机器人臂的动态模型来确定马达转矩。该动态模型使得控制器可以计算为使机器人臂执行期望的移动，关节马达应向关节马达中的每一个提供关节马达的扭矩。机器人臂的动态模型可存储在存储器237中，并可根据关节传感器参数J传感器，a、J传感器，b、J传感器，f进行调节。例如，可将关节马达提供为多相电气马达，并且机器人控制器可被构造成调节马达扭矩，该马达扭矩由关节马达通过调节流过多相马达的相位的电流来提供，如马达调节领域中已知的那样。
包括工具凸缘107的机器人关节103e包括力-扭矩传感器125，该力-扭矩传感器提供工具凸缘力信号241，该工具凸缘力信号指示提供给工具凸缘的力-扭矩FT凸缘。例如，力-扭矩FT凸缘可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的力矢量
Figure BDA0002833484960000071
和扭矩矢量
Figure BDA0002833484960000072
式1
Figure BDA0002833484960000073
其中
Figure BDA0002833484960000074
是沿着x凸缘轴的指示力，
Figure BDA0002833484960000075
是沿着y凸缘轴的指示力，并且
Figure BDA0002833484960000076
是沿着z凸缘轴的指示力。
以及机器人工具凸缘坐标系中的扭矩矢量：
式2
Figure BDA0002833484960000081
其中
Figure BDA0002833484960000082
是围绕x凸缘轴的指示扭矩，
Figure BDA0002833484960000083
是围绕y凸缘轴的指示扭矩，并且
Figure BDA0002833484960000084
是围绕z凸缘轴的指示扭矩。
机器人控制器能够切换到自由驱动操作模式，其中处于该自由驱动操作模式的该机器人控制器被构造成：
·当仅有重力(重力以123示出)作用于机器人臂上时，将该机器人臂保持在静态姿势；
·当向机器人臂施加不同于重力的外力时，允许该机器人臂的姿势变化。
当仅有重力作用于机器人臂时，机器人控制器可被构造成通过在关节马达提供足够的马达扭矩以克服重力而不移动机器人臂的部件的状态下驱动关节马达来将机器人臂保持在静态姿势。机器人控制器可被构造成基于处于静态姿势的机器人臂的动态模型来确定足够的马达扭矩。静态姿势可(例如)由关节传感器指示，该关节传感器被提供为指示输出凸缘的角位置的输出编码器和/或指示马达轴的角位置的输入编码器。静态姿势也可以作为姿势存储在控制软件中，例如通过定义处于静态姿势的机器人关节的关节角度。
当向机器人臂施加不同于重力的外力时，机器人控制器可以通过用允许用户旋转机器人关节的输出凸缘的马达扭矩驱动关节马达来允许姿势变化。例如，机器人控制器可被构造成以足以将机器人臂保持在静态姿势的马达扭矩来驱动马达，并且因此施加到机器人臂的附加的力和/或扭矩将克服该足够的马达扭矩，由此关节的输出凸缘将由于该附加的力和/或扭矩而旋转。在机器人臂的姿势改变期间，机器人控制器可被构造成基于姿势的改变来调节该足够的马达扭矩，从而导致以下效果：当附加外力减小时，机器人臂将保持在新的静态姿势。
在自由驱动操作模式下，机器人控制器还被构造成基于来自力-扭矩传感器125的工具凸缘力信号241来控制关节马达的马达扭矩。这使得用户可以在不操纵每个机器人关节的情况下移动工具凸缘(例如通过推动、拉动或旋转机器人工具凸缘)。另外，在根据本发明的自由驱动操作模式中，用户还可选择操纵各个机器人关节，以改变机器人臂的姿势。因此，当在自由驱动操作模式中改变机器人臂的姿势时，为用户提供了更大的灵活性和更多选项。
图3示出了根据本发明的改变机器人臂姿势的方法的流程图。该方法包括初始化350步骤，该步骤包括获得机器人臂的动态模型D机器人，该动态模型可基于机器人臂的先验知识KoR，诸如机器人关节和机器人连杆的尺寸和重量；关节马达特性；与附接到该机器人臂的最终有效载荷、该机器人臂相对于重力的取向等相关的信息。机器人臂的动态模型可被定义并预先存储在控制器的存储器中，并且在一些实施方案中，可允许用户(例如)通过提供附接到机器人臂的有效载荷的有效载荷信息或限定机器人臂相对于重力的取向来修改机器人臂的动态模型。
步骤360是激活机器人臂的自由驱动操作模式的步骤。通常，例如为了允许用户手动改变机器人臂的姿势，例如为了在机器人程序期间限定机器人臂的路点/姿势，在机器人臂的编程期间激活自由驱动操作模式。可基于指示机器人控制器激活自由驱动操作模式的用户输入来激活自由驱动操作模式。因此，步骤360可接收用户输入，UI激活自由驱动操作模式并且进入该自由驱动操作模式370，如竖拇指的图标所示(如果接收到此类用户输入的话)。如果未接收到进入自由驱动操作模式的用户指令，则机器人控制器将如拇指向下的图标所示，不进入自由驱动操作模式。可通过能够接收用户输入的任何输入设备(例如按钮、操纵杆、触摸屏、手势识别设备、滑块等)接收用户输入。在一个实施方案中，基于力-扭矩信号来激活自由驱动操作模式，从而使得用户可通过向机器人工具凸缘施加力和/或扭矩来简单地在机器人臂处直接激活自由驱动操作模式。一旦机器人控制器进入自由驱动操作模式，用户输入就可以指示机器人控制器应使机器人臂脱离自由驱动操作模式。
步骤370是在自由驱动操作模式下运行机器人臂的步骤，并且包括获得使机器人臂保持静态姿势的静态马达扭矩T静态的步骤371、获得附加马达扭矩T附加的步骤372，将该静态马达扭矩和该附加马达扭矩组合成组合马达扭矩T组合的步骤373，以及基于该组合马达扭矩控制关节马达的步骤374。
在步骤371中获得的静态马达扭矩T静态可基于机器人臂的实际姿势P机器人和机器人臂的动态模型D机器人来获得，其中机器人臂的动态模型限定了机器人臂的姿势与在重力的影响下将机器人臂保持在静态姿势所需的马达扭矩之间的关系。静态马达扭矩指示为了在重力影响下将机器人臂保持在静态姿势关节马达需要提供的马达扭矩。可基于关节输出编码器获得机器人臂的实际姿势P机器人，该关节输出编码器指示机器人关节的每个输出凸缘的角位置，并且静态马达扭矩T静态可作为矢量或阵列提供，其中为每个关节马达提供静态马达扭矩T静态，n，其中n表示机器人关节的数量，其中机器人马达将提供所获得的第n个静态马达扭矩。用产生静态马达扭矩的电流来驱动马达关节产生以下效果：机器人臂在仅受重力影响时保持处于静态姿势。用户可通过操纵机器人关节(例如通过推动、拉动和/或旋转机器人臂的部件，从而向机器人臂施加外力/扭矩)来移动机器人臂的部件。如果此类外力/扭矩超过机器人关节的静态马达扭矩，则关节马达将不能防止机器人臂姿势的修改，从而用户可改变机器人臂的姿势。
在步骤372中获得的附加马达扭矩T附加基于提供给工具凸缘的力-扭矩FT凸缘、机器人臂的动态模型D机器人和机器人臂的实际姿势P机器人来获得。力-扭矩FT凸缘由力-扭矩传感器在机器人工具凸缘处提供。附加马达扭矩指示响应于提供给机器人工具凸缘并且由力-扭矩传感器获得的力/扭矩，关节马达需要提供的用来移动和/或旋转机器人工具凸缘的马达扭矩。例如，在给定方向上提供给机器人工具凸缘的力可导致机器人工具凸缘在该方向上的移动，并且力的大小可指示移动的期望的加速度。类似地，在给定方向上提供给机器人工具凸缘的扭矩可导致机器人工具凸缘在该扭矩的方向上旋转，并且扭矩的大小可指示旋转的期望的角加速度。附加马达扭矩T附加可作为矢量提供，其中为每个关节马达提供附加马达扭矩T附加，n，其中n表示将提供所获得的静态马达扭矩的机器人马达的关节数。用产生附加马达扭矩的电流来驱动马达关节产生以下效果：机器人工具凸缘可在提供给该机器人工具凸缘的力和/或扭矩的方向上移动和/或旋转。在所示实施方案中，附加马达扭矩指示为了移动机器人臂，除静态扭矩之外还需要提供的马达扭矩。
在步骤372中获得的组合马达扭矩T组合通过将静态马达扭矩T静态和附加马达扭矩T附加组合成组合马达扭矩T组合来获得。在该实施方案中，这通过添加静态马达扭矩和附加马达扭矩来实现：
式3 T组合＝T静态+T附加
因此，组合马达扭矩T组合指示为了基于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩同时克服重力并移动/旋转机器人工具凸缘，需要由关节马达提供的总马达扭矩。
基于组合马达扭矩来控制关节马达的步骤包括：向关节马达中的每一个关节马达提供指示每个关节马达的马达扭矩T马达，n的多个控制信号，其中n指示将提供马达扭矩的机器人马达的关节数。关节马达的马达扭矩可通过改变流过关节马达的电流来调节，如马达调节领域已知的那样。
连续地重复375步骤360、371、372、373和374，直到在步骤360中接收到的用户输入指示机器人控制器应退出自由驱动操作模式为止。
在一个实施方案中，该方法包括以下步骤：通过向至少一个机器人关节提供外力和/或扭矩来改变机器人臂的姿势，并且响应于姿势变化，基于机器人臂的改变的姿势和机器人臂的动态模型获得静态马达扭矩。这使得用户可以在操纵之后手动移动机器人臂的部件并自动将机器人臂保持在新姿势。
在一个实施方案中，该方法包括下列步骤：通过向机器人工具凸缘提供外力和/或扭矩来改变机器人臂的姿势，并且响应于姿势变化，基于机器人臂的改变的姿势和机器人臂的动态模型获得静态马达扭矩。这使得用户可以通过抓握机器人工具凸缘并在期望的方向上拉动、推动和/或旋转机器人工具凸缘来移动机器人臂的机器人工具凸缘，并且在操纵之后自动将机器人臂保持在新姿势。
根据本发明的机器人和方法在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势时扩展了用户的能力。在用户不向机器人工具凸缘提供力-扭矩的情况下，附加马达扭矩T附加为零。因此，机器人臂自动保持在静态位置，在静态位置处提供给关节马达的马达扭矩由静态马达扭矩限定。在这种情况下，例如为了将机器人臂布置在各种姿势，用户仍可通过操纵机器人关节来移动机器人臂。在用户通过例如推动、拉动或旋转机器人工具凸缘向机器人工具凸缘提供力-扭矩的情况下，力-扭矩传感器提供力-扭矩信号，并且附加马达扭矩T附加大于零，并且马达扭矩作为静态马达扭矩加上和基于力-扭矩信号获得的附加马达扭矩来提供。因此，响应于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩，机器人工具凸缘可以在提供的力-扭矩的方向上移动或旋转。用户可自由驱动中通过操纵机器人关节并且通过向机器人工具凸缘提供力-扭矩两者来调节机器人臂的姿势，这为用户提供了更大的灵活性。在一些情况下，用户可能希望在给定方向上移动机器人工具凸缘或围绕给定旋转轴线旋转机器人工具凸缘，这可以直观地通过推动、拉动和/或旋转机器人工具凸缘来执行，这比操纵机器人关节简单，原因在于在机器人臂的一些姿势中，可能难以为了旋转机器人关节的输出凸缘而向机器人关节提供足够的力。在其他情况下，例如为了在不移动机器人工具凸缘的情况下调节机器人关节的姿势，用户可能希望在不影响机器人工具凸缘的移动的情况下调节机器人臂的姿势。
在一个实施方案中，机器人控制器被构造成通过基于最大允许马达扭矩来控制由关节马达提供的马达扭矩来控制机器人关节。这使得可以响应于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩来控制机器人工具凸缘移动的速度。因此，可防止机器人工具凸缘以在机器人臂与机器人臂附近的物体或人之间碰撞的情况下可能导致损坏的速度移动。在一个实施方案中，这可通过提供与附加扭矩相关的最大允许马达扭矩来实现。这也防止即使在向机器人工具凸缘提供大的力扭矩时用户以高速移动机器人臂。应当注意，可基于与机器人工具凸缘相关的最大力-扭矩极限来为马达扭矩提供限制。
在另一个实施方案中，机器人控制器被构造成通过基于最大允许马达扭矩变化率来控制由关节马达提供的马达扭矩来控制机器人关节。这使得可以在机器人工具凸缘响应于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩而移动时控制机器人工具凸缘的速度变化。因此，可以控制机器人工具凸缘的加速/减速，并且可以防止用户提供机器人工具凸缘的不期望的加速。这确保了安全性，由于用户可以更好地控制机器人工具凸缘的速度变化，并且还确保了机器人的传动装置或其他部件不会由于移动速度的较大变化而损坏。
在一个实施方案中，机器人控制器被构造成基于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩切换到自由驱动操作模式。因此，用户可简单地通过抓握机器人工具凸缘来激活自由驱动操作模式，由此力-扭矩传感器指示力和扭矩的变化。
在一个实施方案中，机器人控制器被构造成仅当机器人臂处于编程模式时允许进入自由驱动模式，从而防止机器人控制器在程序执行期间进入自由驱动模式。
在一个实施方案中，机器人关节包括输出编码器，该输出编码器指示输出凸缘相对于该机器人关节的角位置。机器人控制器可基于机器人的运动学模型，基于机器人关节的输出编码器随时确定机器人的姿势。
另选地，为了基于如上所述的组合马达扭矩来控制关节马达的马达扭矩，可将控制器构造成能够在机器人工具凸缘的指示的力-扭矩为零或低于给定阈值情况时基于静态扭矩来控制关节马达的马达扭矩，并且在机器人工具凸缘处的指示的力-扭矩大于零或高于给定阈值时基于总附加力来控制关节马达的马达扭矩。总附加扭矩指示需要由关节马达提供以克服重力和移动/旋转机器人工具凸缘两者的总马达扭矩。
本发明还可通过以下以罗马数字编号的声明来描述：
I.一种机器人臂(101)，所述机器人臂包括多个机器人关节(103a至103f)，所述多个机器人关节连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
·输出凸缘(228a,228b,107)，所述输出凸缘能够相对于所述机器人关节旋转；
·关节马达(229a,229b,229f)，所述关节马达被构造成使所述输出凸缘旋转，
·至少一个关节传感器(231a,231c,231f)，所述至少一个关节传感器提供传感器信号(231a,231b,231f)，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置、所述关节马达的马达电流中的至少一者；
所述机器人臂包括至少一个机器人控制器(115)，所述至少一个机器人控制器被构造成通过基于所述关节传感器信号控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节，所述机器人控制器能够切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式的所述机器人控制器被构造成：
·当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
·当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化；
其中所述机器人工具凸缘包括设置在所述机器人工具凸缘(107)处的力-扭矩传感器(125)；所述力-扭矩传感器提供工具凸缘力信号(241)，所述工具凸缘力信号指示提供给所述工具凸缘的力-扭矩，并且所述机器人控制器在所述自由驱动操作模式中被构造成基于所述凸缘力信号控制所述马达扭矩。
II.根据声明I的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于所述机器人臂的实际姿势并且基于所述机器人的动态模型来获得静态马达扭矩，并且所述机器人控制器被构造成通过基于所述静态扭矩控制由所述关节马达提供的马达扭矩来控制所述机器人关节。
III.根据声明I至II中任一项的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于所述机器人臂的实际姿势、所述机器人臂的动态模型和提供给改机器人工具凸缘的力-扭矩来获得附加马达扭矩，其中所述机器人控制器被构造成通过基于所述附加扭矩控制由所述关节马达提供的马达扭矩来控制所述机器人关节。
IV.根据声明II和III的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于所述静态马达扭矩和所述附加马达扭矩的总和控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
V.根据声明I至IV中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于最大允许马达扭矩控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
VI.根据声明I至V中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于最大允许的马达扭矩变化率控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
VII.根据声明I至VI中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于提供给所述机器人工具凸缘的所述力-扭矩切换到所述自由驱动操作模式。
VIII.根据声明I至VII中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人关节包括输出编码器，所述输出编码器指示所述输出凸缘相对于所述机器人关节的角位置。
IX.一种改变机器人臂(101)的姿势的方法，所述机器人臂包括多个机器人关节(103a至103f)，所述多个机器人关节连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)；所述机器人关节包括：
·输出凸缘(228a,228b,107)，所述输出凸缘能够相对于所述机器人关节旋转；
·关节马达(229a,229b,229f)，所述关节马达被构造成使所述输出凸缘旋转，
·至少一个关节传感器，所述至少一个关节传感器提供指示所述输出凸缘的角位置的传感器信号，
所述方法包括以下步骤：
·基于所述机器人臂的实际姿势和所述机器人臂的动态模型获得(371)静态马达扭矩，其中所述静态马达扭矩指示为了在重力影响下将所述机器人臂保持在所述静态姿势所述关节马达需要提供的马达扭矩；
·基于所述静态马达扭矩来控制(374)所述关节马达的所述马达扭矩；
其特征在于所述方法包括以下步骤：
·基于布置到所述机器人工具凸缘处的力-扭矩传感器来获得提供给所述机器人工具凸缘的力-扭矩；
·基于提供给所述机器人工具凸缘的所述力-扭矩、所述动态模型和所述机器人臂的实际姿势来获得(373)附加马达扭矩；
其中控制所述关节马达的所述马达扭矩的所述步骤还基于所述附加马达扭矩。
X.根据声明9所述的方法，其中所述方法包括基于所述至少一个关节传感器获得所述机器人臂的所述实际姿势的步骤，所述至少一个关节传感器提供指示所述输出凸缘的角位置的传感器信号。
XI.根据声明IX至X中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：通过向所述机器人关节中的至少一个机器人关节提供外力和/或扭矩来改变所述机器人臂的姿势，并且响应于所述姿势变化，基于所述机器人臂的经改变的姿势和所述机器人臂的所述动态模型来获得所述静态马达扭矩。
XII.根据声明IX至XI中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：通过向所述机器人工具凸缘提供外力和/或扭矩来改变所述机器人臂的姿势，并且响应于所述姿势的变化，基于所述机器人臂的所述经改变的姿势和所述机器人臂的所述动态模型来获得所述静态马达扭矩。
附图参考的简要说明
101：机器人臂
103a至103f：机器人关节
105：机器人基座
107：机器人工具凸缘
111a至111f：旋转轴线
113a至113f：旋转箭头
115：机器人控制器
117：界面设备
119：显示器
121：输入设备
123：重力方向
125：力-扭矩传感器
127：机器人工具凸缘的参考点
228a至228b：输出凸缘
229a至229f：关节马达
231a至231f：关节传感器
233a至233f：传感器信号
235：处理器
237：存储器
239a至239f：马达控制信号
241：工具凸缘力信号
350：初始化步骤
360：启动自由驱动操作模式的步骤
370：在自由驱动操作模式下运行机器人臂的步骤
371：获得静态马达扭矩的步骤
372：获得附加马达扭矩的步骤
373：组合静态马达扭矩和附加马达扭矩的步骤
374：控制关节马达的步骤
375：重复
D机器人：机器人臂的动态模式
FT凸缘：提供给工具凸缘的力-扭矩
J传感器，a至J传感器，f：关节传感器参数
KoR：机器人臂的知识
P机器人：机器人臂的姿势
x基座、y基座、z基座：基座坐标系的轴线
x凸缘、y凸缘、z凸缘：工具凸缘坐标系的轴线
T附加：附加马达扭矩
T组合：组合马达扭矩
T马达，a至T马达，f：马达扭矩
T静态：静态马达扭矩

Claims (14)

1.一种机器人臂(101)，所述机器人臂包括多个机器人关节(103a至103f)，所述多个机器人关节连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)，其中端部执行器能够附接到所述机器人工具凸缘；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
·输出凸缘(228a,228b,107)，所述输出凸缘能够相对于机器人关节主体旋转；
·关节马达(229a,229b,229f)，所述关节马达被构造为使所述输出凸缘相对于所述机器人关节主体旋转；
·至少一个关节传感器(231a,231c,231f)，所述至少一个关节传感器提供传感器信号(231a,231b,231f)，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置和所述关节马达的马达电流中的至少一者；
所述机器人臂包括至少一个机器人控制器(115)，所述至少一个机器人控制器被构造成通过基于所述关节传感器信号控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节，所述机器人控制器能够切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式的所述机器人控制器被构造成：
·当仅有重力作用于所述机器人臂时，通过在所述关节马达提供静态马达扭矩以克服重力而不移动所述机器人臂的部件的状态下驱动所述关节马达来将所述机器人臂保持在静态姿势，其中所述机器人控制器被构造成基于所述机器人臂的姿势(P机器人)和所述机器人臂的动态模型(D机器人)获得所述静态马达扭矩；
·当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化，并且响应于所述姿势变化，基于所述机器人臂的所述经变化的姿势和所述机器人臂的所述动态模型来调节所述静态马达扭矩；
其中所述机器人工具凸缘包括集成到所述机器人工具凸缘(107)中的力-扭矩传感器(125)；所述力-扭矩传感器提供工具凸缘力信号(241)，所述工具凸缘力信号指示提供给所述工具凸缘的力-扭矩，并且所述机器人控制器在所述自由驱动操作模式中被构造成通过基于所述机器人臂的姿势、所述机器人臂的所述动态模型和所述力-扭矩信号获得附加马达扭矩从而基于所述工具凸缘力信号控制所述马达扭矩，其中所述机器人控制器被构造成通过基于所述附加扭矩和所述静态马达扭矩控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
2.根据权利要求1所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于所述静态马达扭矩和所述附加马达扭矩的总和控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于最大允许马达扭矩控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成通过基于最大允许的马达扭矩变化率控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于所述力-扭矩信号切换到所述自由驱动操作模式。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人关节包括输出编码器，所述输出编码器指示所述输出凸缘相对于所述机器人关节主体的角位置。
7.根据权利要求6所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于所述输出凸缘相对于所述机器人关节主体的所述角位置获得所述机器人臂的姿势。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成基于所述力-扭矩信号切换到所述自由驱动操作模式。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人臂，其中所述机器人控制器被构造成仅在所述机器人臂处于编程模式时允许进入所述自由驱动操作模式。
10.一种改变机器人臂(101)的姿势的方法，其中所述机器人臂包括多个机器人关节(103a至103f)，所述多个机器人关节连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)，其中端部执行器能够附接到所述机器人工具凸缘；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
·输出凸缘(228a,228b,107)，所述输出凸缘能够相对于机器人关节主体旋转；
·关节马达(229a,229b,229f)，所述关节马达被构造为使所述输出凸缘相对于所述机器人关节主体旋转；
·至少一个关节传感器，所述至少一个关节传感器提供指示所述输出凸缘的角位置的传感器信号；
所述方法包括以下步骤：
·基于所述机器人臂的实际姿势和所述机器人臂的动态模型获得(371)静态马达扭矩，其中所述静态马达扭矩指示为了在重力影响下将所述机器人臂保持在静态姿势所述关节马达需要提供的马达扭矩；
·基于所述静态马达扭矩来控制(374)所述关节马达的所述马达扭矩；
·响应于由施加到所述机器人臂的不同于重力的外力所引起的姿势变化：
o基于所述机器人臂的所述变化姿势和所述机器人臂的动态模型来调节所述静态马达扭矩，其中所述经调节的静态马达扭矩指示为了在重力影响下将所述机器人臂保持在所述变化的姿势所述关节马达需要提供的马达扭矩；
o基于所述经调节的静态马达扭矩来控制(374)所述关节马达的所述马达扭矩；
·基于集成到所述机器人工具凸缘中的力-扭矩传感器来获得提供给所述机器人工具凸缘的所述力-扭矩；
·基于提供给所述机器人工具凸缘的所述力-扭矩、所述动态模型和所述机器人臂的所述姿势来获得(373)附加马达扭矩；
其中控制所述关节马达的所述马达扭矩的所述步骤还基于所述附加马达扭矩。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括基于所述至少一个关节传感器获得所述机器人臂的所述姿势的步骤，所述至少一个关节传感器提供指示所述输出凸缘的所述角位置的传感器信号。
12.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：通过向所述机器人关节中的至少一个机器人关节提供外力和/或扭矩来改变所述机器人臂的所述姿势。
13.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：通过向所述机器人工具凸缘提供外力和/或扭矩来改变所述机器人臂的所述姿势，并且响应于所述姿势的变化，基于所述机器人臂的所述经改变的姿势和所述机器人臂的所述动态模型来调节所述静态马达扭矩。
14.一种机器人臂(101)，所述机器人臂包括多个机器人关节(103a至103f)，所述多个机器人关节连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
·输出凸缘(228a,228b,107)，所述输出凸缘能够相对于所述机器人关节旋转；
·关节马达(229a,229b,229f)，所述关节马达被构造成使所述输出凸缘旋转，
·至少一个关节传感器(231a,231c,231f)，所述至少一个关节传感器提供传感器信号(231a,231b,231f)，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置、所述关节马达的马达电流中的至少一者；
所述机器人臂包括至少一个机器人控制器(115)，所述至少一个机器人控制器被构造成通过基于所述关节传感器信号控制由所述关节马达提供的所述马达扭矩来控制所述机器人关节，所述机器人控制器能够切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式的所述机器人控制器被构造成：
·当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
·当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化；
其中所述机器人工具凸缘包括集成到所述机器人工具凸缘(107)中的力-扭矩传感器(125)；所述力-扭矩传感器提供工具凸缘力信号(241)，所述工具凸缘力信号指示提供给所述工具凸缘的力-扭矩，并且所述机器人控制器被构造成基于所述工具凸缘力信号(241)切换到所述自由驱动操作模式。
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