CN115379931A - 协同机器人 - Google Patents

Abstract

一种机器人(1)，包括至少一个铰接臂，铰接臂具有用于构件(3、4‑1、...、4‑5、5)的基部(3)、末端执行器(5)和多个连杆(4‑1、...、4‑6)，其中每个连杆(4‑1、...、4‑6)通过相应的关节(7‑1、...、7‑6)被可移动地连接到所述构件(3、4‑1、...、4‑6、5)中的另外两个，至少一个传感器(10，9)，用于检测作用在所述构件(3、4‑1、...、4‑6、5)中的任一个上的外力，以及控制器(6)，用于控制所述关节(7‑1、...、7‑6)的移动，以便沿着预编程路径(12)移动所述末端执行器(5)。在传感器(9、10)检测到外力的情况下，控制器(6)适于采用第一释放策略来从外力逃离，适于评估第一策略是否成功，如果不成功，则适于采用第二释放策略。

Description

协同机器人

技术领域

本发明涉及用于协同应用的工业机器人。

背景技术

协同机器人被设计为在人的附近使用，使得机器人和人之间的接触不能总是被避免，或者甚至可能对于完成给定任务是必要的。这种接触可以是受约束的或无约束的。如果所涉及的人体部分自由地移动离开接触，则接触被称为无约束的，而如果所涉及的人体部分不能自由地移动离开接触，则接触被称为受约束的。此外，接触可以是暂态的或准静态的。暂态意味着动态力占主导并且机器人以可感知的速度冲击人体部分。暂态接触可以是无约束的或受约束的。准静态意味着驱动力占主导，而动态力可以忽略。

重要的是，人和机器人之间的接触可以在没有人受伤的风险的情况下发生。这可以通过限制机器人的臂的速度来实现，使得在与人的可能接触中传递的能量安全地低于潜在有害的水平，并且在检测到接触的情况下，停止机器人的移动，或者可能以释放接触的方式修改机器人。

发明内容

本发明涉及一种机器人，该机器人适于在这种接触发生时释放这种接触，而使人的不适程度最小。

为此，本发明提供了一种机器人，该机器人包括至少一个铰接臂，该至少一个铰接臂具有用于构件的基部、末端执行器和多个连杆，其中每个连杆通过相应的关节被可移动地连接到所述构件中的另外两个构件，该机器人还包括至少一个传感器，用于检测作用在所述构件中的任一个构件上的外力，以及控制器，用于控制所连接的构件相对于彼此的移动，以便沿着预编程的路径移动末端执行器，其特征在于，在传感器检测外力的情况下，即由系统外部的对象引起的力，并且特别地不是由机器人本身的重量和惯性引起的力，控制器适于采用第一释放策略，用于沿第一释放路径从外力逃离，适于评估第一策略是否成功，如果不成功，则适于采用沿不同于第一释放路径的第二释放路径的第二释放策略。以这种方式，即使一些故障应该防止沿着第一释放路径的移动，机器人和人之间的无意接触也可以以最小的不适风险和由另一个人需要干预的最小可能性被释放。

用于释放接触的最佳策略可以取决于机器人操作的环境的特性，例如机器人可能将人的身体部分压靠在其上的表面的特性。因为只有当机器人的一部分足够接近表面时，在给定表面和机器人之间的夹紧才是可能的，所以当选择释放策略时考虑机器人的当前姿态是有利的。

当检测到表明已经发生接触的外力时，一种实际的释放策略是控制机器人，以便使末端执行器沿着它在接触之前跟随但在相反方向上的路径移动。该策略的优点在于，只要机器人环境中的对象不移动，路径就一定没有障碍物，并且用于控制释放移动的计算工作量小，使得释放移动可以以最小的延迟开始。

然而，根据上述策略的释放移动可能不是实际释放机器人和人之间的接触的最有效的移动。为了沿着最短的可能路径释放接触，并且因此也在最短的可能时间内释放接触，另一种策略是检测作用在机器人的构件中的一个构件上的外力的方向，并且控制所述一个构件沿着检测到的方向的位移。再次，该策略可能不总是最佳的；如果给控制器提供关于其环境的数据，则可以认识到，在接触力的方向上的移动将导致机器人接触一些障碍物，这将使得首先提到的策略看起来是优选的。如果控制器没有提供这种数据，并且发生与障碍物的接触，则在接触力的方向上远离该接触的移动可能再次使人处于危险中。显然，在这种情况下，改变释放策略对于以快速且持久地释放人的方式移动机器人是有用的。

如果被机器人触摸的人已经移动到阻挡路径的位置，或者如果技术故障阻止机器人的关节中的一个关节的向后移动，则沿着入射路径返回移动机器人是不可能的。在这种情况下，作为另一种释放策略，控制器可以适当地选择机器人的关节中的一个关节，并且设定由所述关节连接的两个构件在屈服于所述负载的方向上的相对移动。如果控制该关节的移动不足以消除外力，例如因为所选择的关节碰巧是受故障影响的关节并且尽管被控制但不能移动，或者因为它的位移范围不够，则可以选择另一关节，并且可以对该另一关节重复该过程。

如果控制器适于比较作用在不同关节上的外部，则最好首先选择其外部负载最高的关节，因为这也是最小位移量可能释放接触的关节。

负载可以是经由连接关节从一个连杆传递到另一个连杆的力，作用在关节上的扭矩，或由在关节远侧的机器人臂的构件的转动惯量加权的扭矩。如果关节是旋转关节，负载也可以是上述扭矩或比值在关节轴线方向上的分量。

无论何时确定机器人用于释放接触的策略不成功，一种可能的选择是所谓的保护停止，其中不仅停止机器人，而且还去除驱动功率，以防止任何进一步的危险发生。

保护停止可以是适当的策略，特别是在机器人的释放移动被障碍物阻挡的上述情况下。

在机器人的工作范围的边界处，存在末端执行器仅通过呈现单一姿态才能够到达的点，其中由可旋转关节连接的机器人的连杆被布置成直线。在这种单一姿态中，沿直线作用的外力不会在连接关节中产生扭矩，这意味着机器人可能以这种单一姿态施加到人的力不能被控制。因此，控制器应当适于禁止机器人臂呈现单一姿态。

本发明还涉及一种控制机器人的方法，包括以下步骤：

-检测外力是否作用在机器人上；并且，在肯定的情况下，

-采用第一释放策略以用于从外力逃离，

-评估第一策略是否成功，并且如果不成功，则采用第二释放策略，

以及存储计算机可读指令的数据载体，如果所述计算机可读指令由计算机读取和执行，则使所述计算机作为上述机器人中的控制器操作或执行上述方法。

附图说明

参考附图，本发明的其它特征和优点将从其实施例的以下描述中变得明显。

图1是根据本发明的机器人的示意图；

图2示出了机器人的第一释放策略；以及

图3示出了第二释放策略。

图1示意性地示出了机器人1及其安装的工作环境。

具体实施方式

机器人1具有常规设计的铰接臂，该铰接臂包括基部3、末端执行器5和多个连杆4-1、4-2、...，这些连杆通过旋转或棱柱形关节彼此连接、连接到基部3和末端执行器5，以及控制器6，该控制器用于控制臂的移动，即末端执行器5相对于基部3的移动。为了简单起见，在图1中仅示出了旋转关节7-1至7-6，并且将在说明书中进行讨论。关节7-1、7-4和7-6具有在相邻连杆的纵向方向上延伸的旋转轴线；关节7-2、7-3和7-5具有在横向方向上延伸的轴线。

所示的人的身体部分8被夹在末端执行器5和工作环境的表面11之间，这导致外力作用在末端执行器上。根据第一实施例，用于检测外力矢量的传感器10被设置在末端执行器5本身中。

根据可选实施例，每个关节7-1至7-6具有与其相关联的传感器9，用于检测在其相应的旋转轴线方向上的扭矩。传感器可以是力敏元件，例如连接到在关节中相遇的两个连杆的压电元件，或者它可以由用于测量在驱动所述连杆的相对旋转的马达中流动的电流的电路装置形成，该电流也表示马达受到的扭矩。由每个这样的传感器测量的扭矩可以被认为是两个贡献的总和。第一贡献是机器人构件在关节远侧的重量和姿态以及作用在这些构件上的可能惯性力的函数，第二贡献是与身体部分8接触的效果。由于所有这些远端部件的重量、速度和姿态对于控制器是已知的，因此可以估计第一贡献。如果该计算出的贡献显著不同于由传感器9检测到的扭矩，则可以断定存在作用在机器人1上的外力。根据每个关节中的测量扭矩和计算的第一贡献，可以估计第二贡献，并且根据每个关节中的估计的第二贡献和末端执行器5相对于关节轴线的位置，可以计算外力矢量。

根据第三实施例，提供了两个传感器9、10。在这种情况下，如果在由传感器10检测到的外力和由传感器9的数据计算出的外力之间存在差异，则可以确定外力不是作用在末端执行器上，而是作用在机器人的邻近的构件上。稍后将讨论这种发现对可能的释放策略的暗示。

在图2中，假定末端执行器5通过沿路径12掠过地接近表面11而与身体部分8接触。虽然在许多情况下，末端执行器5在检测到指示与人接触的外力之后应当沿着相同的路径12但在相反的方向上向后移动是适当的，但在此情况下可能不是这样。如果末端执行器5已经在其到达所示位置的途中刮擦了人的皮肤，则在返回的途中不应该重复刮擦。如上所述，控制器6通过估计由身体部分8施加到末端执行器5的外力的方向，然后控制机器人在该力的方向上移动末端执行器来避免风险。如果人的皮肤仍然处于来自末端执行器的前进的剪切应力下，则该方向可以与路径12大致重合；另一方面，如果皮肤已经滑落，并且不是在剪切应力下而是在压力下，那么释放移动的路径13将大致与身体部分8的表面法线重合。即使人无意识地试图收回身体部分8，所产生的外力也将被检测到，并将导致控制器使末端执行器5与收回的身体部分8一起移动，从而释放末端执行器5，同时避免擦伤。

在本发明的先进实施例中，控制器6被提供有关于诸如机器人的工作环境中的表面11的坐标的数据。基于该信息以及机器人的过去和当前姿态，控制器6判断机器人正接近哪个表面以及处于哪个角度。如果当检测到表示接触的外力时，接近角接近表面的法线，则可以控制机器人通过简单地反转其移动方向并由此沿着其到达的路径远离表面向后移动来释放接触，而不检测外力的方向。另一方面，当角度大到有可能刮擦时，值得通过在外力方向上后退来释放接触。

图3示出了另一表面14限制机器人1的移动性的情况。由于该表面14的存在，只有通过沿着路径12或多或少地移动末端执行器5才能达到所示出的机器人的姿态。这里参照图2描述的释放移动将使机器人的关节7-5紧靠表面14。在上述第一实施例中，没有传感器检测这种接触；所有控制器6将注意到，由传感器10检测到的外力不会如应该那样减小，并且可能地，从关节7-1至7-6处的位置传感器注意到，如果机器人1正确地执行来自控制器6的命令，则关节7-1和7-3的角度不会如期望的那样改变。因此，在短时间之后，控制器6判断沿着外力的方向从表面11收回末端执行器5的第一释放策略是不成功的。根据驱动机器人1的构件的马达的功率，几毫秒或几十毫秒对于这种判断是足够的。

如果发现第一释放策略失败，则控制器6切换到第二释放策略。该第二策略可以是通过沿着末端执行器5前来的路径12收回末端执行器5。

备选地，控制器采用逐个关节地移动机器人1的策略：根据第一实施例，控制器基于机器人1的已知姿态和由传感器10提供的力矢量判断哪个关节可能旋转以释放外力，以及在哪个方向上。试图转动关节7-2，逆时针转动关节7-2远端的所有机器人构件可期望释放外力，但由于表面14阻挡关节7-5而不能这样做。关节7-3同样如此。当控制器6选择关节7-5，逆时针旋转连杆4-5、关节7-6和末端执行器5时，接触被成功释放。

根据第二实施例，当首先检测到作用在末端执行器上的外力时，控制器6已经根据关节7-2、7-3和7-5处的外部转矩确定了这些转矩应该被旋转的方向，以便释放接触。在关节7-2、7-3中，外部扭矩(更确切地说，平行于关节的旋转轴线的外部扭矩的分量)最大，控制器6首先选择这些中的一个并且控制它逆时针旋转。通常，这应该立即释放接触。在这种情况下，它却不会，由于表面14阻挡旋转。控制器6在检测到控制关节7-2、7-3旋转CCW而不释放关节7-5中检测到的转矩时，切换到关节7-5，并且通过逆时针转动它，成功地释放接触。

如果控制器基于由关节远端的构件的转动惯量加权的扭矩选择要旋转的关节，则要选择的第一关节可以是关节7-5，因为它远端的唯一构件是末端执行器5，并且转动惯量可能很小。尽管关节7-5为了释放接触而必须旋转的角度大于在更大距离处的连杆旋转的角度，但是低惯性允许关节7-5更快地旋转，从而旋转关节7-5可以是释放接触的最快方式。

应当注意，本发明不仅可以处理末端执行器5，而且可以处理接触身体部分8的机器人的其它可移动构件。实际上，如果机器人臂的一些中间连杆与身体部分8接触，则该中间连杆和其远侧的所有构件可被视为上述末端执行器5，并且上述策略可应用于其上。

附图标记

1 机器人

3 基部

4-1、...连杆

5 末端执行器

6 控制器

7-1、...关节

8 身体部分

9 传感器

10 传感器

11 表面

12 路径

13 路径

14 表面

Claims (11)

1.一种机器人(1)，包括至少一个铰接臂，所述至少一个铰接臂具有用于构件(3、4-1、...、4-5、5)的基部(3)、末端执行器(5)以及多个连杆(4-1、...、4-6)，其中每个连杆(4-1、...、4-6)通过相应的关节(7-1、...、7-6)被可移动地连接到所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的另外两个构件，所述机器人(1)还包括至少一个传感器(9、10)和控制器(6)，所述至少一个传感器(9、10)用于检测作用在所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的任一个构件上的外力，所述控制器(6)用于控制所述关节(7-1、...、7-6)的移动，以便沿着预编程路径移动所述末端执行器(5)，其特征在于，在所述传感器(9、10)检测外力的情形下，控制器(6)适于采用第一释放策略以用于从所述外力逃离，适于评估所述第一策略是否成功，并且如果不成功，适于采用第二释放策略。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述控制器(6)适于从根据所述机器人臂的当前姿态的一组策略中选择所述第一策略。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人，其中所述第二释放策略选自一组，所述一组包括作为其释放策略中的一者的保护停止。

4.一种机器人(1)，包括至少一个铰接臂，所述至少一个铰接臂具有用于构件(3、4-1、...、4-6、5)的基部(3)、末端执行器(5)和多个连杆(4-1、...、4-6)，其中每个连杆(4-1、...、4-6)通过相应的关节(7-1、...、7-6)被可移动地连接到所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的另外两个构件，所述机器人(1)还包括至少一个传感器(9、10)和控制器(6)，所述至少一个传感器(9、10)用于检测作用在所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的任一个构件上的外力，所述控制器(6)用于控制所述关节(7-1、...、7-6)的移动，可选地，根据权利要求1、2或3所述的机器人，其特征在于，在一个释放策略中，所述控制器(6)适于控制所述机器人臂，以使所述末端执行器(5)沿所述路径(12)反向移动。

5.一种机器人，包括至少一个铰接臂，所述至少一个铰接臂具有用于构件(3、4-1、...、4-6、5)的基部(3)、末端执行器(5)和多个连杆(4-1、...、4-6)，其中每个连杆(4-1、...、4-6)通过相应的关节(7-1、...、7-6)被可移动地连接到所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的另外两个构件，所述机器人(1)还包括至少一个传感器(9、10)和控制器(6)，所述至少一个传感器(9、10)用于检测作用在所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的任一个构件上的外力，所述控制器(6)用于控制所述关节(7-1、...、7-6)的移动，可选地，根据权利要求1至4中任一项所述的机器人(1)，其特征在于，所述至少一个传感器(9、10)适于检测所述外力的方向，并且在一种释放策略中，所述控制器(6)适于控制所述一个构件沿所检测的所述方向(13)的位移。

6.一种机器人(1)，包括至少一个铰接臂，所述至少一个铰接臂具有用于构件(3、4-1、...、4-6、5)的基部(3)、末端执行器(5)和多个连杆(4-1、...、4-6)，其中每个连杆(4-1、...、4-6)通过相应的关节(7-1、...、7-6)被可移动地连接到所述构件(4-1、...、4-6)中的另外两个构件，所述机器人(1)还包括至少一个传感器(9、10)和控制器(6)，所述至少一个传感器(9、10)用于检测作用在所述构件(3、4-1、...、4-6、5)中的一个构件上的外力，所述控制器(6)用于控制所述关节(7-1、...、7-6)的移动，以便沿着预编程路径(12)移动所述末端执行器(5)，所述控制器(6)适于在所述机器人(1)上的外部负载被检测到的情况下停止沿所述预编程路径(12)的所述移动，可选地，根据权利要求1至5中任一项所述的机器人，其特征在于，在一种释放策略中，所述控制器(6)还适于选择所述关节(7-1、...、7-6)中的一个关节，并且适于控制所述关节在屈服于所检测到的所述负载的方向上移动。

7.根据权利要求6所述的机器人，其中所述控制器适于比较作用在不同关节上的外部负载，并且适于选择关节的外部负载最高的关节。

8.根据权利要求6或7所述的机器人，其中所述控制器适于如果在当前选择的所述关节上的负载未能被减小则选择另一关节。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机器人，其中所述控制器适于禁止所述机器人臂呈现单一姿态。

10.一种控制机器人的方法，包括以下步骤：

-检测外力是否作用在机器人上，并且在肯定的情况下，

-采用第一释放策略以用于从所述外力逃离，

-评估所述第一策略是否成功，并且如果不成功，则采用第二释放策略。

11.一种存储计算机可读指令的数据载体，所述计算机可读指令在由计算机读取和执行时使所述计算机作为根据权利要求1-9中任一项所述的机器人中的控制器操作，或者执行根据权利要求10所述的方法。

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