CN114290325A - 具有自适应的防碰撞系统的操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操纵装置、尤其是机器人，具有至少一个沿着至少一个运动方向能运动的操纵机构并且具有防碰撞机构，该防碰撞机构适合和被确定用于限制在操纵机构与物体碰撞时的接触力，其中防碰撞机构具有在机械方面允许操纵机构的、相对于该操纵机构的支座的相对运动的运动机构，其中操纵机构能够被至少一个执行器机构锁止并且在碰撞的情况下允许相对运动，其特征在于，操纵装置具有采集机构，该采集机构获取作用到操纵机构和/或防碰撞机构的通过执行器机构来解耦的组成部分上的力并且防碰撞机构在考虑到这些力的前提下在无碰撞的情况下通过执行器机构来防止操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动并且在碰撞时触发或者允许这种相对运动。

Description

具有自适应的防碰撞系统的操纵装置

技术领域

本发明涉及一种操纵装置、像比如机器人。这样的操纵装置在现有技术中已经长期使用，以便执行工作过程。在此，这样的操纵装置例如能够具有用于抓取和/或运送物体的操纵机构、像例如抓取机构，或者也具有比如用于旋拧的旋转机构。已知的是，这样的操纵装置能够具有防碰撞系统。

背景技术

防碰撞系统例如在机器人技术中用于保护机器人以及其末端执行器和例如在机器人单元中的周围环境。当在被安置在机器人法兰上的末端执行器、包括被操纵的工件与其他物体之间的接触超过特定的力阈值时，防碰撞系统通常允许外围设备的回退和/或触发机器人的紧急停止。

市场上可购得的系统来自不同的制造商。这些系统例如被称为防碰撞机构、过载保护机构、碰撞传感器、过载传感器、防碰撞传感器和过载保护传感器。

这些系统典型地利用加载有中央的气动执行器的机械装置。因此，所述机械装置的回退被阻挡直至特定的力阈值。所述力阈值可以在运行之前通过气动执行器的压力来调整。

由DE 20 2014 007 052 U1已知一种具有气动的执行器的防碰撞系统，如此对所述执行器的压力进行匹配，从而遵守特定的力阈值。

由此，DE 20 2014 007 052 U1说明了对于力阈值的自适应的调节，但是这限于用于自适应的系统的气动执行器，所述气动执行器在自动化中越来越多地减少并且难以高动态地调节。

此外，预先给定沿着x、y和z的自由度以及通过触发路径对系统进行监控。此外，通过基于运动、位置和朝向数据的模型不考虑末端执行器的重力和惯性力，因此不清楚调节到何种量值。

本发明的另一任务在于，在驱动装置和/或执行器方案方面实现更高的变化性。

DE 20 2013 105 504 U1说明了一种防碰撞系统，该防碰撞系统与机器人中的力传感器一起工作并且通过伸缩性来减小在与工人接触时的有待减速的质量（Masse）。

防碰撞系统原则上如在DE 20 2013 105 504 U1中所表明的一样能够减小机器人系统的有待减速的质量并且因此减小其碰撞力，而当前市场上现有的防碰撞系统在应用之前被调整到一定的执行器力。这引起的结果是，不能如此调整所述系统，从而尽管在移动时的重力和惯性力也不会出现触发并且同时在碰撞的情况下存在小的力阈值。因此，本发明的另一任务在于，在快速的运动和/或强烈的加速度中也实现有效的防碰撞。

此外，市场上现有的防碰撞系统的机械装置/运动机构对来自不同方向的碰撞来说具有极其不均匀的力阈值，由此，也纯粹在机械方面不可能调节到力阈值的精确的数值。本发明提出了机械的设计原理来解决这种情况。

DE 10 2009 047 033 Al公开了一种用于通过在由控制数据馈给的模型与机架中的力-力矩传感装置之间的调准（Abgleich）来对工业机器人进行碰撞探测的系统。

因此，DE 10 2009 047 033 Al说明了一种用于在运动学模型与实际出现的数值之间进行调准的原理，所述运动学模型用运动及位置数据来工作。由于机器人的可振荡的、长的串联的运动机构，机床中的传感器对于在机器人的末端执行器上的应用来说是不利的。此外，控制系统需要时间来识别碰撞。

在这个时间及机器人的整个制动过程的期间，相应地出现高的碰撞力。因此，本发明的另一任务是在这种所提到的情况中避免高的碰撞力。

由DE 10 2010 063 202 Al已知一种具有用于锁定的压力件的方案。该系统如此设计而成，使得其在有限的加速度中以静态的保持力遵守按照ISO 15066的生物力学的极限值。

DE 10 2010 063 202 Al包含一种防碰撞系统，该防碰撞系统在特定的应用领域内已经遵守按照ISO 15066的针对与工人接触的标准值。然而，通过经由压力件的弹簧刚度来静态地调整力阈值这种方式，该系统为了遵守所述数值而只能在非常有限的加速度范围内工作，因为否则会出现误触发。

操纵装置、尤其是工业机器人在错误控制或者故障功能时可能给本身、其末端执行器、例如工具及其周围环境（在协同运行中尤其也给工人）造成显著的损伤。为了保护操纵装置已经有许多方案，比如APAS的传感器表层。然而，操纵机构、例如机器人法兰上的末端执行器因此不被采集，尽管它们由于难以影响的几何形状和高的速度而具有最高的损坏/损伤潜力。

发明内容

本发明的任务还在于解决这个问题。

本发明通过动态调节的执行器和具有均匀的触发阈值的机械装置来解决这个问题。

因此，本发明描述了一种操纵装置、尤其是机器人，其具有至少一个能够沿着至少一个运动方向运动的操纵机构并且具有防碰撞机构，所述防碰撞机构适合和被确定用于防止和/或限制在操纵机构与物体碰撞时的接触力，其中所述防碰撞机构具有如下运动机构，该运动机构在机械方面允许所述操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动，其中该操纵机构能够由至少一个执行器机构锁止并且在碰撞的情况下允许相对运动。

在此，能够设置如下执行器机构，该执行器机构适合和被确定用于在碰撞的情况下触发或者允许所述操纵机构的运动。

根据本发明，所述操纵装置具有如下采集机构，该采集机构获取尤其由于所述执行器机构的和/或所述操纵机构的以及所述防碰撞机构的通过执行器机构来解耦的组成部分的运动和/或朝向而作用到它们上面的力，并且所述防碰撞机构在考虑到这些力的情况下在没有碰撞的情况下通过所述执行器机构来防止所述操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动并且在碰撞时触发和/或允许这种相对运动。

因此，所述防碰撞机构优选能够获取由于执行器机构的和/或操纵机构的运动而起作用的力，并且所述防碰撞机构优选适合和被确定用于在考虑到这些力的情况下触发或允许所述操纵机构的运动。

在本发明的范围内，“操纵装置”是指一种机构，该机构拥有一个或多个末端执行器（抓具、螺丝刀、焊钳、…）并且能够使这些末端执行器沿着至少一个方向运动。在此，所述操纵装置也能够包括控制机构/计算机构，其能够采集并且处理信号。此外，它能够具有防碰撞系统。

因此，所述操纵装置例如能够是工业机器人。工业机器人是一种特殊的操纵装置。此外，本发明然而也能够在工业机器人技术之外使用、例如在诸如护理、服务的领域内或者在自动装置中使用。通常，本发明在以下应用领域内是令人感兴趣的，在这些应用领域内尽管本来明显更高的运行力但是必须能够通过人来进行机械的触发。

操纵机构表示所有的末端执行器（像比如工具）和工件，它们能够通过操纵装置来承载和/或移动和/或运动并且它们尤其是用于完成工作任务或者是它们的组成部分。

这里所描述的防碰撞系统能够考虑与各种末端执行器、像比如抓具、螺丝刀等结合使用。因此，所述操纵装置优选具有操纵机构并且因此在某种程度上是上位概念。

采集机构是指一种机构，该机构用于采集由于移动而出现的或起作用的力或一般来说所出现的或起作用的力。在此，这个机构能够具有一个或多个传感器机构或者能够从控制机构处接收数值。

起作用的力尤其是加速力和/或由操纵装置的姿势引起的重力。在此，姿势描述了由尤其在三维空间中的位置和取向构成的组合。

尤其是作用到所述操纵机构（外围设备）上的静态力和动态力是重要的，因为必须对这些力进行补偿。所述执行器机构优选布置在所述防碰撞机构的固定的部分中，从而使得其动态和惯性不会助长这些力。

优选地，所述执行器机构被确定用于在碰撞的情况下触发和/或允许所述操纵机构的运动以及尤其是避让或向后运动（或者具有至少一个与运动方向相反的分量的运动）或者所述操纵机构的减速。在此可行的是，通过碰撞本身触发这种运动。

因此，可行的是，所述防碰撞机构在碰撞的情况下限制所出现的碰撞力和/或在出现碰撞时允许避让或向后运动，以便防止或减小损坏。

因此，在本发明的上下文中，“防碰撞机构”也是指一种机构，该机构被设计用于在出现碰撞时避免所述操纵机构或其它物体和/或人员的损伤。

因此，与由现有技术已知的防碰撞系统相比而提出，为了获取当前的操纵力也使用所述操纵机构的、像例如抓取机构的运动数据。响应于这些数据，例如能够调整所述执行器力并且进而调整所述力阈值，所述机械装置自所述执行器力和力阈值起允许回退。

在此，“执行器力”是指通过执行器产生的力。这个力优选被控制和/或被调节。

在一种优选的实施方式中，所述操纵机构能够沿着多个方向运动、尤其是能够相对于静止的周围环境来运动。因此例如能够考虑，所述操纵机构能够沿着多个线性方向来运动、例如沿着相互垂直的方向运动。此外，所述操纵机构也能够围绕一根或者也围绕着两根或多根旋转轴来旋转。

由此，本发明通过对于所述触发阈值的匹配来解决上述问题，这些问题的原因在于，防碰撞系统在现有技术中也只能直至一定的加速度来使用。

通过这种方式，这样的防碰撞系统变得比非自适应的系统更有效。因此，根据本发明，所述防碰撞系统是自适应的并且尤其也与操纵机构的运动相匹配。

下面描述多种能够考虑的实施方案，这些实施方案描述了用于系统的执行器的有意义的调节策略。

此外，如下面所描述的那样，也不需要持续计算触发阈值（也就是说用于克服执行器的力），而是优选预先给定这个阈值。

在此优选的是，尤其根据所获取的数据来持续地匹配执行器值。所述触发阈值优选也是这些数据的一部分并且能够被视为固定的附加的偏移，该偏移尤其由允许的接触力来得出。优选根据应用情况对这些允许的接触力进行配置。

优选地，所述操纵装置具有控制机构，该控制机构调整有待由执行器机构施加的反作用力，在碰撞情况下要克服所述反作用力，以便实现所述操纵机构的或操纵装置的其它元件的避让运动和/或向后运动。

“反作用力”是指一种力，需要这种力，以用于反作用于另外的力、像比如重力或惯性力。该反作用力能够（优选连续地）加以计算。能够用偏移和/或与偏移因数的乘积（例如通过经由机械装置转换的执行器力）来调整总和。

优选地，所述反作用力不是仅仅被碰撞物体克服。例如可行的是，通过与在这个时刻作用到所述操纵机构上的动态力/静态力的叠加来克服所述反作用力。

因此也提出，自适应地调节所述防碰撞机构的触发阈值，以便补偿所述末端执行器的、由机器人的位置和运动产生的惯性力和重力。在运动数据的基础上并且可选也在位置和/或朝向数据的基础上，能够优选与所述末端执行器的质量和/或重心一起来计算这些力。

在此，这些数值不仅能够在源自控制机构、特别是机器人控制机构的运动或位置数据的基础上来获取，或者这些数值然而也能够源自传感器系统。此外，也能够不仅从传感器系统而且从控制机构来获取数据。因此，例如能够从控制系统获得速度及加速度数据，又能够用传感器来测得其他数据。

优选地，根据本发明的操纵装置也具有执行器机构，所述执行器机构防止防碰撞机构在不同的自由度上的回退和/或避让。例如能够基于运动学模型来如此调整这些执行器机构，使得它们在遵守所算出的力值的情况下防止防碰撞机构的触发。

然而，如果出现大于一定的阈值（或一定的触发阈值）的力（在协同运行中按照ISO15066的生物力学的极限值），则所述系统触发并且允许末端执行器、例如抓取臂和/或抓具的回退，优选直至所述操纵装置的所有被驱动的轴停止。也能够消耗剩余能量。

通过这种方式，优选减小了在碰撞时有待减速的作用到末端执行器本身上的质量，并且由此使所出现的接触力最小化。同时，在操纵装置的正常移动的期间或者在正常的工作运行的期间，不会由于末端执行器的加速度和重力而发生误触发。

这意味着，与使用传统的系统相比，能够实现明显更高的加速度和由此明显更短的周期时间。

此外，例如机器人臂和机器人的周围环境在碰撞时经受明显更小的力。尤其在协同运行中，这对于末端执行器来说也允许遵守标准方面预先给定的数值并且因此弥补了在市场上存在的系统中的重要缺口。

与放置在机器人机构1的力-和/或力矩传感装置上的系统相比，除了减小有待减速的质量之外，另一个优点在于系统的反应时间。

所述系统的反应时间尤其也通过以下方式来降低，即：至少一个执行器机构已经自适应地被调整到触发阈值或力阈值。在碰撞情况下，通过以下方式来得出所述回退，即：直接在机械方面克服这个触发阈值或这个力阈值并且因此在碰撞情况下不需要进一步的计算。

如果超过触发阈值，则会出现机械的触发。不需要通过控制系统或其他计算机单元来事先采集碰撞。因此，与来自现有技术的系统相比，不必首先测量力，而是已经将执行器机构调整到正确的触发阈值。

在另一种有利的实施方式中，所述操纵装置具有如下计算机构，该计算机构获取反作用力，所述反作用力尽管由于运动和/或朝向而出现的力但仍防止操纵机构的回退。

在此可行的是，如上面所提到的那样，在运动学数据的基础上、例如在运动数据或者也可选地在位置数据或朝向数据的基础上获取所述反作用力。此外，如上面所提到那样，也能够借助于传感器系统来采集或获取所述反作用力。

在另一种有利的实施方式中，所述操纵装置具有控制机构，该控制机构在考虑由采集机构获取的力的情况下控制所述执行器机构。在此，尤其能够在考虑到这些力的情况下调节所述执行器机构。

由此，所述执行器机构是能调整的并且是自适应的、尤其是也能够在考虑到操纵机构的和/或末端执行器的运动的情况下来调整。优选在考虑到这些力的情况下操控所述执行器机构。因此，例如对于气动的执行器来说，能够降低或者提高相应的压力。如果所述执行器机构是磁性系统，那就比如能够改变电磁体的反作用力。

如果现在出现碰撞，则可将由此施加的反作用力视为以下反作用力，所述执行器机构被调整到所述反作用力。通过这种方式，所述防碰撞机构在没有进一步计算的情况下进行伸缩，因为刚好克服了机械的触发阈值。

在另一种优选的实施方式中，所述操纵装置具有至少一个执行器机构，所述执行器机构在预先给定的情况下防止防碰撞机构的干预和/或防碰撞机构的回退。

在另一种优选的实施方式中，从一组执行器机构中选择所述执行器机构，所述一组执行器机构包括气动的执行器机构、液压的执行器机构、磁性的执行器机构、电动的执行器机构和类似的执行器机构。

优选由此如此调整所述执行器机构，从而直至特定的触发阈值不出现回退，但是此后引发和/或允许（尤其是操纵机构的）和/或末端执行器的回退。

因此，优选由至少一个执行器机构并且优选由多个执行器机构防止机械装置回退直至特定的触发阈值。持续地如此调节这个触发阈值，从而仅仅由于惯性或地球引力如在模型中计算的那样而不发生回退。

此外，能够设置偏移，以便补偿调节偏差和时延。因此，例如能够为所获取的触发阈值添加预先给定的偏移。

此外也可行的是，设置有仅仅一个执行器机构，所述执行器机构阻挡多个或所有自由度。

在另一种优选的实施方式中，设置有多个执行器机构，其在预先给定的情况下防止防碰撞机构的回退。因此，例如能够针对一个运动方向使用两个执行器机构（用于向前运动和向后运动）。

优选的是，本发明的机械装置为了解决所述问题而如此构成，使得执行器机构阻挡沿着一个轴方向的回退并且没有用力或者用仅仅大为减小的（另外的）力同时阻挡相反的方向。在此，这一点能够如此进行，从而为每根轴（平移轴和/或旋转轴）如此使用两个或更多个执行器，使得所述执行器中的每个执行器仅仅沿着正方向或负方向来阻挡所述轴。此外，也可行的是，如此设计一个或多个执行器，使得由它们施加的阻挡作用能在正的与负的轴方向之间切换。

此外，能够如此安放两个或更多个执行器，使得其在具有一个以上的旋转点的机械装置中相对于这些旋转点拥有不同的杠杆。此外，也可行的是，如此在一个或多个执行器机构的位置方面对其进行匹配，使得所述杠杆相应地发生变化。

在另一种优选的实施方式中，为所述操纵机构的每个运动自由度配设有至少一个执行器机构。因此，例如每根轴都能够具有自身的执行器机构，以便阻挡回退（或者必要时尤其是在碰撞时允许回退）。

此外，也可行的是，如此设计一种机械装置，使得两个或多个分别作用到一根轴上的力在不取决于其方向的情况下以相同的方式抵抗一个共同的执行器机构或多个共同的执行器机构来工作。

在另一种有利的实施方式中，所述操纵装置具有用于采集操纵机构的运动学上的测量值的采集机构。在此，如上面所提及的那样，所述采集机构能够是例如采集力或者也采集运动值的传感器机构。在此可行的是，这样的传感器机构也冗余地可供使用。

此外，所述采集机构也能够例如从控制机构处获取相应的测量值。

在另一种优选的实施方式中，至少一个传感器机构适合和被确定用于采集操纵机构的加速度、位置和/或朝向。在此，也能够一同考虑所述操纵机构的重心和重量以及必要时由操纵机构夹持的物体、例如有待运送的工件的重心和重量。

在另一种有利的实施方式中，至少所述防碰撞机构的组成部分布置在操纵机构与操纵机构的支座之间。所述支座例如能够是机器人法兰，并且所述操纵机构或末端执行器例如能够是布置在这个机器人法兰上的抓取机构。优选在此在这个机器人法兰或者一般来说所述支座与所述抓取机构之间布置有至少一个执行器机构。

优选地，所述操纵机构能够相对于支座来运动并且尤其能够沿着至少一个运动方向来运动并且优选能够沿着多个运动方向来运动。在此，所述操纵机构例如能够相对于支座来旋转或者也能够沿着至少一个或者多个方向来摆动或移动。

在另一种优选的实施方式中，所述防碰撞机构具有串联的、并联的或由这些类型混合而成的运动机构。因此，不同的运动方向能够通过串联和/或并联连接的机械装置来实现。

在另一种优选的实施方式中，所述防碰撞机构确保运动机构的旋转点与碰撞力作用点之间的最小杠杆，其中这尤其通过一个通过传感装置来防止接触的壳体的使用来实现。由此，优选所述操纵装置具有壳体，在该壳体上布置有至少一个和优选多个传感器机构。

在另一种有利的实施方式中，从所述操纵机构的运动和/或朝向中产生的力不妨碍防碰撞机构的运动机构触发或者允许所述操纵机构的运动。因此，优选在获取例如触发阈值时考虑到这样的力。在此，这些力能够借助于模型来加以考虑或计算。

在另一种优选的实施方式中，所述防碰撞机构的机械装置至少部分地被设计成串联结构并且优选具有用于至少一根轴的触发的监控机构。这能够在触发时切断其他轴、至少进一步反作用于碰撞的轴的执行器并且因此也在触发阈值之下在这些轴中允许回退。

此外，本发明涉及一种用于运行操纵装置和尤其是机器人的方法，其具有至少一个能沿着至少一个运动方向运动的操纵机构。在此，设置有防碰撞机构，其限制在操纵机构与物体碰撞时的接触力，其中所述防碰撞机构具有运动机构，该运动机构允许操纵机构的、相对于该操纵机构的支座的相对运动，其中该操纵机构能够被至少一个执行器机构锁止并且在碰撞的情况下触发或允许所述相对运动。

优选防止在所述操纵机构与物体碰撞时的过度的接触力，其中所述防碰撞机构具有至少一个执行器机构，所述执行器机构在碰撞的情况下触发或允许操纵机构的运动。

根据本发明，所述操纵装置具有采集机构，该采集机构获取尤其由于所述操纵机构的和/或所述防碰撞机构的通过执行器机构来解耦的组成部分的运动和/或朝向而作用其上的力，并且所述防碰撞机构在考虑到这些力的前提下在没有碰撞的情况下通过所述执行器机构来防止所述操纵机构的、相对于该操纵机构的支座的相对运动并且在碰撞时触发或允许所述相对运动。

优选地，所述操纵装置的采集机构采集由于操纵机构的运动而作用到执行器机构上的力，并且所述防碰撞机构在考虑到这些力的情况下触发操纵机构的运动或者允许所述操纵机构的运动。

在此，这些力例如能够是重力或者也能够是惯性力，它们作用到所述操纵机构上。此外，所述力也能够是过程力、也就是通过有待执行的工作过程所引起的力。

在此特别优选的是，自适应地匹配并且尤其也在考虑到操纵机构的运动的情况下自适应地匹配由执行器机构施加的力，所述力尤其在碰撞的情况下通常应该加以克服。

在此获取如下触发阈值，所述触发阈值在碰撞的情况下引起所述操纵机构的回退。

优选地，自适应地调整通过所述执行器机构施加的反作用力，该反作用力在碰撞的情况下引起所述操纵机构的机械的回退。

附图说明

其它优点和实施方式由附图得出。其中示出：

图1示出了用于说明出现的力的示意图；

图2示出了用于描述根据本发明的方法的图示；

图3示出了根据本发明的结构的图示；

图4示出了用于说明迄今为止的机械装置的问题的图示；

图5示出了用于说明分开的轴的图示；

图6示出了用于对在杠杆机械装置中的分开的轴进行说明的图示；

图7示出了用于对在位置变化时的分开的轴进行说明的图示；

图8示出了关于相加的加速度力及碰撞力相对于执行器力的力关系的图示；

图9a-c示出了串联的运动机构的一种设计方案；

图10a-c示出了并联的运动机构的一种设计方案；

图11a-b示出了混合的运动机构的图示；

图12示出了混合的运动机构的从上方看的图示。

具体实施方式

图1示出了在操纵机构5运动时出现的力。在此，一方面出现了惯性力F_T，该惯性力与重心的加速或相应的力F_a相反。在此，在评估惯性力时也应该考虑到高度h_T，该高度h_T表示杠杆臂的长度，所述杠杆臂相应于在防碰撞机构中的末端执行器的重心和支承部位的间距。此外，也还会出现通过所述操纵机构引起的和/或通过该操纵机构来夹持的工件引起的重力F_g。

基于这些力能够计算一种模型，该模型又用于输出相应的运动学数据。对于这样的模型的计算例如能够在控制电路板上来执行，该控制电路板优选也调节一个或多个执行器机构。

因此，优选得到一种如在图2中所示的一样的黑匣子。在此，所使用的控制数据能够根据对于执行器机构的操控用速度来扩展。在此，能够输入比如输入数据El至E5。因此，例如输入值El能够是悬挂的质量，输入值E2能够是重心坐标，输入值E3能够是TCP（工具中心点）-加速度，输入值E4能够是TCP-位置，并且输入值E5能够是触发阈值。基于该模型，能够计算是否应该执行紧急停止（输出值A）。然而优选的是，仅仅计算用于操控执行器机构的预先规定值，也就是尤其是固持力（Rückhaltekraft）或固持矢量。

图3示出了根据本发明的系统的非常基本的和示意性的结构。在此，所述系统的机械部分布置在机器人法兰32与外围设备5、像比如抓取机构之间。这个例如具有壳体12的机械部分在此允许在不同的自由度上的回退。附图标记4粗略概括表示用于采集输入数据El-E5的采集机构。在此，能够设置传感器机构（未示出）或者也能够由对于控制机构的编程来进行采集。

附图标记6同样示意性表示计算机构，该计算机构计算至少一个触发阈值，自所述触发阈值起在碰撞的情况下应该引入避让或向后运动。基于这个所计算的触发阈值，能够调整（在图3中未示出的）执行器机构并且尤其是调整到特定的反作用力，该反作用力在碰撞情况下大多至少部分被克服。

在这里，围绕着x、y和z轴的旋转的自由度以及平移的z轴是有意义的。

随着每个另外的自由度的引入，所述机械装置变得更复杂，然而简化会导致在回退运动时的强制导引。

如果通过壳体12到达结构的中心旋转点，其中所述壳体12优选具有保护机构（例如传感器表层）以用于沿着z方向提供最小杠杆，则平移的碰撞（例如沿着x和y方向）也会触发旋转的轴（x和y）。

在这里，所述杠杆16连同布置在其上面的例如抓取机构5摆动，并且因此也能够触发沿着x和y的运动。以下附图分别示出了迄今通用的方案的高度简化的2D模型，以便说明本发明。然而原则上自由度的每个选择和数量都是可行的。

附图标记14a和14b表示支承元件，并且附图标记16如所提到的一样表示杠杆。在所述杠杆运动时，可能出现支承板15的比如左侧和右侧的抬起情况。相应的执行器在图3中未示出。这些执行器防止杠杆16相对于壳体摆动直到特定的极限值、即触发阈值。对于超出于此的力来说（尤其在碰撞的情况下），允许这样的摆动并且由此也允许所述操纵机构5的回退或紧急停止。

所述机械装置的回退被（未示出的）执行器机构直至特定的触发阈值予以阻挡。持续地如此调节这个触发阈值，从而仅仅由于惯性力或地球引力（如在模型中计算的一样）而不发生回退。为了补偿调节偏差和时延，如上面所提到的那样，特定的偏移是有利的。现在，如此设计所述机械装置，从而对于一个力来说在与其方向无关的情况下使用特定的用于触发碰撞保护的触发阈值。这在考虑到偏移的情况下也适用。优选基本上或者仅仅所述偏移影响到碰撞力。

现有的机械装置设计方案大多用一个唯一的执行器同时阻挡所有的自由度。这具有的优点是，仅仅必须使用一个执行器机构，该执行器机构承受最大出现的、由惯性力和重力构成的总和。然而，这在自适应的运行中导致以下结果，即：在出现碰撞时必须反向于加速度针对由于惯性力和重力而活动的执行器来工作，以便实现触发。

出现这种情形的情况是朝着碰撞对象或工人的制动运动。反过来这意味着，用这种机械装置只能实现以下加速度，通过所述加速度不会过于剧烈地对所述执行器进行操控，因而在碰撞的情况下超过所述触发阈值。

图4示出了出现的力，如同其由于反向于加速度a而产生的惯性力F_T以及为了避免由于移动而引起机械装置的触发而相应地调整的执行器力F_A所出现的一样。如果现在反向于速度v而出现碰撞，则产生由2个分量组成的力F_K。它们一方面是相反的惯性力F_T，但是另一方面也是呈围绕着所产生的共同的旋转点D的力矩平衡的形式的总的执行器力F_A。在实际的应用场景中，这个数值明显大于生物力学的极限值。为了简化，这个模型以及下面的模型仅仅拥有惯性力，但是在正确的实施方式中该惯性力相应于惯性力和重力的叠加。

图5示范性地示出了一种以如下方式划分执行器机构的可行方案，其中所述执行器机构22、24中的每一个都仅仅将所述轴的负方向或者正方向沿着x方向阻挡。优选在这种情况下所述执行器机构22、24能够作为一种压力件来考虑，所述压力件在出现相应的力时回退。

在这种类型的方案中，用于轴的一个方向的执行器机构不干扰朝相反方向的运动。在图5中同样能够直观地看到所述执行器机构的作用方向的改变，方法是：仅仅考虑所述执行器机构中的一个，该执行器机构能够通过位置移动或者杠杆要么在右侧上起作用要么在左侧上起作用。

下面的图6和7示出了一种设计方案，其中所述执行器机构22和24中的每一个都用不同的杠杆克服所述机械装置的触发而沿着负的或者正的x方向起作用。在图6和7所示的设计方案中，所述执行器机构例如能够是磁性的保持机构、比如电磁体。

根据精确的安置而定，将一个自由度的方向阻挡的执行器机构相对于反方向没有或只有小的杠杆。

这意味着，不会阻碍或者仅仅稍许阻碍所述执行器机构的反向于阻挡的方向的运动。

可以用图7来描绘上面同样提到的改变位置的可行方案。在此，磁体沿着三维的方向在支承件的下方在所绘的力情况下从左向右移动（例如通过旋转），由此所述杠杆相对于旋转点显著变化。

图7中的附图标记Ha1和Ha2或者Ha+和Ha-表示处于位置1中的杠杆臂和处于位置2处的杠杆臂。附图标记14又表示支承件或者支承部，并且附图标记16表示杠杆或者能够运动的部分。所述旋转点分别用附图标记D来表示。

至此所介绍的用于相对于执行器机构将每根轴分成正方向和负方向的方案已经在具有仅仅两个自由度的模型中进行了研究。

即使能够考虑实现这样的防碰撞系统，但是由于比如在具有在所有6个自由度中的运动的工业机器人上的应用，用多个用于回退的自由度来实现明显更加可能。在此，出现了迄今为止常见的运动机构的另一个问题。在那里，执行器不仅同时阻挡沿着一根轴的正方向和负方向的回退，而且也阻挡沿着多根轴的正方向和负方向的回退。这也可能导致碰撞必须抵抗活动的执行器来工作，以便实现触发。

本发明为此又提出两种解决方案：

一方面，每根轴能够具有自身的执行器机构，以阻挡回退。

另一方面，能够如此设计所述机械装置，使得两个或更多个作用到相应的一根轴上的力在不取决于其方向的情况下以相同的方式分别抵抗一个共同的执行器机构或者多个共同的执行器机构来工作。

图8借助于一种实例来说明了这一点。在图8所示的情况中设置有环绕地布置的执行器机构，并且在图9所示的情况中设置有在中心起作用的执行器机构。所述执行器机构能够以其各自的力F_A分别不仅反作用于力F_K而且反作用于力F_T。

通过本发明提出的变型方案能够被分类为串联的、并联的或混合的运动机构。这总是通过按照前面描述的两种可行方案的轴划分的方式来表示。

用于实现不同类型的实例如下。

在图9a-c中示出了串联的运动机构。在此，所述系统覆盖了围绕着x、y、z和沿着z的轴。

旋转关节40用作围绕z的扭转接收部，其它的关节被连接在该旋转关节之后。附图标记28、29表示这个扭转接收部的两个轴方向的执行器机构。

万向悬架30允许围绕着轴x和y的回退。尽管所述串联特性，但是该轴承非常紧凑并且由于结构形式而提供了用于安置执行器机构的良好的可行方案。所述执行器机构22a/b和24a/b针对两个围绕着Y轴的旋转方向起作用，并且所述执行器机构25a和26a针对两个围绕着X轴的旋转方向起作用，其中由于在图10a中示出的剖视图而未示出两个另外的具有围绕着X轴的作用方向的执行器机构。

作为其他示范性的用于实现x轴和y轴的解决可行方案，还要提到空间效率较低的解决可行方案、即两个分开的旋转关节。最后，这种结构具有用于平移的z轴的线性轴承52，其同样具有用于回弹的执行器机构27a。由于剖视图而未示出一个或多个其他对称安置的执行器机构。

用这种结构，所有的轴在机械方面都彼此独立。如果现在用一个执行器机构沿着正方向和负方向分开地阻挡每个轴，则得到纯串联的运动机构，该运动机构因此允许将所述系统在量值和方向上调整到力矢量上，而不会在碰撞时超过触发阈值防止触发。

对于串联的运动机构来说，可能出现的是，触发仅仅在所述机械装置的一个自由度中发生，尽管碰撞力矢量在其他方向上也拥有份额，但是这些份额处于触发阈值之下。这在回退运动中导致沿着所触发的方向的强制导引。

为了避开这一点，本发明对于串联的或混合的运动机构提出，在所有自由度上如此监控所述机械装置的触发，从而在触发时切断所有的执行器机构。对于电磁体来说，例如感应式传感器能够作为常开触头（Öffner）来工作并且将所有电磁体断电。

图10a-c示出了一种用于并联的运动机构的实例，其中图10c示出了剖面图。

在此，所述系统覆盖了围绕着x和y以及沿着z方向的轴。所有的轴都通过一种结构来覆盖，在该结构中，盘15处于具有环绕的支承部14的缸11中。在此，盘边缘的几何形状如此成形，使得所述盘15能够在支承部上环绕地倾斜。穿过所述支承部14的留空部伸出一个杆部16，该杆部将盘15与工具法兰连接起来。

如果现在将这种结构安装在机器人法兰和末端执行器之间，则其能够实现围绕着x和y以及沿着正z方向的运动。

环绕地安置在支承面中的保持性的执行器机构22、24（例如电磁体）用于阻挡所述运动机构。在这种结构中，现在不仅在机械方面而且在执行器机构方面都获得了纯并联的构造。

纯并联的运动机构具有如下优点，即：超过力阈值的情况也释放其他通过机械装置而可能实现的自由度。因此，强制导引仅仅通过机械的设计方案而不是通过操控而存在。

图11a、b和12以侧视图和从上方看的视图示出了一种用于混合的运动结构的实例。

基本运动结构遵循在上述观点下所描述的并联运动结构。也就是说，并联的运行结构围绕着x和y并且沿着z进行工作。现在将围绕z的扭转轴串联地并入到该方案中。这通过在所述盘15上安置凸块的方式来进行，其在侧面被执行器机构28a/b和29a/b阻挡。

在此，所述执行器如此成形，使得其防止围绕着z的旋转。但是，继续仅仅通过环绕的执行器来阻挡围绕着x或y的旋转。如关于串联的运动机构所描述的那样，所适用的是，通过相应的传感装置/开关能够截获通过执行器机构引起的强制导引的避开情况。

还要再次指出的是，前述结构只应该示范性地描述本发明。所有关节类型都能够以所描述的方式串联地、并联地或混合地组合。这也适用于所述执行器机构的布置方案和类型。

Claims (13)

1.操纵装置（1）、尤其是机器人，具有至少一个沿着至少一个运动方向（X）能运动的操纵机构（5）并且具有防碰撞机构（10），该防碰撞机构适合和被确定用于限制在所述操纵机构（5）与物体碰撞时的接触力，其中所述防碰撞机构（10）具有运动机构，该运动机构在机械方面允许所述操纵机构（5）的、相对于该操纵机构的支座的相对运动，其中所述操纵机构能够被至少一个执行器机构锁止并且在碰撞的情况下允许相对运动，

其特征在于，

所述操纵装置（1）具有采集机构（4），该采集机构获取作用到所述操纵机构和/或所述防碰撞机构的通过执行器机构来解耦的组成部分上的力，并且所述防碰撞机构（10）在考虑到这些力的前提下在无碰撞的情况下通过所述执行器机构来防止所述操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动并且在碰撞时触发或者允许所述操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动。

2.根据权利要求1所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述操纵装置（1）具有计算机构（6），该计算机构获取反作用力，所述反作用力尽管由于运动和/或朝向而出现的力也防止所述操纵机构的回退。

3.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述操纵装置（1）具有控制机构，该控制机构在考虑由所述采集机构所获取的力的情况下控制和/或调节所述执行器机构。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述操纵装置（1）的机械装置如此构成，使得执行器机构沿着一个轴方向阻挡所述回退并且以减小的力或在没有力的情况下同时阻挡相反的方向。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

为所述操纵机构（5）的相对于该操纵机构的支座的相对运动的每个自由度配设有至少一个执行器机构。

6.根据权利要求1所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述操纵装置（1）具有用于对所述操纵机构（5）的运动学参数进行采集的采集机构。

7.根据前一项权利要求所述的操纵装置（1），

其特征在于，

设置有至少一个传感器机构，所述传感器机构适合和被确定用于采集所述操纵机构的加速度以及位置和/或朝向。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

至少所述防碰撞机构的组成部分布置在所述操纵机构（5）与所述操纵机构的支座之间。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述防碰撞机构具有串联的、并联的或混合的运动机构。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述防碰撞机构确保在所述运动机构的旋转点与碰撞力作用点之间的最小杠杆，其中这尤其通过壳体的使用来进行，所述壳体通过传感装置得到保护以免于接触。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

由所述操纵机构的运动和/或朝向引起的力不会妨碍所述防碰撞机构的运动机构触发或者允许所述操纵机构的运动。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的操纵装置（1），

其特征在于，

所述防碰撞机构的机械装置被设计成至少部分串联的结构并且优选拥有用于触发至少一根轴的监控机构，并且在触发时切断其他轴的、至少进一步反作用于碰撞的轴的执行器，并且就这样也在触发阈值之下允许在这些轴中的回退。

13.用于运行操纵装置（1）、尤其是机器人的方法，所述操纵装置具有至少一个沿着至少一个运动方向（X）能运动的操纵机构（5），其中设置有防碰撞机构（10），该防碰撞机构限制在所述操纵机构（5）与物体碰撞时的接触力，其中所述防碰撞机构（10）具有运动机构，所述运动机构允许所述操纵机构（5）的相对于该操纵机构（5）的支座的相对运动，其中所述操纵机构能够被至少一个执行器机构锁止并且在碰撞的情况下触发或者允许相对运动，

其特征在于，

所述操纵装置的采集机构（4）获取由于操纵机构和防碰撞机构的运动和/或朝向而作用到所述操纵机构（5）和/或所述防碰撞机构（10）的通过执行器机构（2）来解耦的组成部分上的力，并且所述防碰撞机构（10）在考虑到这些力的情况下触发或者允许所述操纵机构的相对于该操纵机构的支座的相对运动。

Images