CN116194852A - 用于机器人臂的多功能输入设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机器人臂，包括多个机器人关节，该多个机器人关节将机器人基座机械地连接到机器人工具凸缘，其中机器人控制器被配置用于控制所述多个机器人关节的移动并且由此控制所述机器人工具凸缘的移动。该机器人控制器连接到包括输入设备的界面设备，用户能够经由该输入设备与所述机器人控制器通信并且由此改变该机器人臂的操作模式。该输入设备是机械多功能输入设备并且响应于施加到该输入设备的第一预定激活序列，该机器人控制器被布置成将操作模式改变为停止模式，并且响应于施加到所述输入设备的第二预定激活序列，该机器人控制器被布置成将操作模式改变为第二操作模式。

Description

用于机器人臂的多功能输入设备
技术领域
本发明涉及具有机器人控制器的机器人臂，该机器人控制器控制该机器人臂的连接机器人基座和机器人工具凸缘的多个机器人关节，其中用户可从界面设备所包括的多功能输入设备改变机器人臂的操作模式，并且涉及通过所述多功能输入设备改变机器人臂的模式的方法。
背景技术
包括多个机器人关节和连杆的机器人臂(其中马达或致动器可使机器人臂的一部分相对于彼此移动)在机器人领域中是已知的。通常，机器人臂包括：机器人基座，其用作机器人臂的安装基座；和机器人工具凸缘，其中各种工具可附接到该机器人工具凸缘。机器人控制器被配置成控制机器人关节，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。机器人关节可以是被配置成使机器人臂的部分相对于彼此旋转的旋转机器人关节，被配置成使机器人臂的部分相对于彼此平移的棱柱关节和/或被配置成使机器人臂的部分相对于彼此移动的任何其他种类的机器人关节。
通常，机器人控制器被配置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了作用于机器人臂上的力和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能够确定为了(例如)以指定速度、加速度移动机器人关节或为了将机器人臂保持在静态姿势，关节马达或致动器将提供哪些扭矩和/或力。
机器人臂需要由限定用于机器人臂的各种指令的用户或机器人集成商编程，各种指令诸如预定义的移动模式和工作指令，诸如抓握、等待、释放、螺纹接合指令。指令可基于通常提供用于停止或启动给定指令的触发信号的各种传感器或输入信号。触发信号可由各种指示器提供，诸如安全帘、视觉系统、位置指示器等。
通常，可以将各种端部执行器附接到机器人臂的机器人工具凸缘或其他部分，诸如夹持器、真空夹持器、磁夹持器、螺纹接合机、焊接装备、分配系统、视觉系统等。当提供这种端部执行器时，有必要对这种端部执行器提供给机器人臂的有效载荷信息进行估计。通常，用户手动将有效载荷信息输入运动学模型中，之后控制器在控制机器人时可考虑有效载荷信息。通常，有效载荷信息包括与物体的重量和姿态相关的信息，其中物体的姿态与物体相对于机器人臂(例如机器人工具凸缘)的位置和取向相关。可例如将姿态指示为物体的质心相对于机器人工具凸缘的位置。许多用户很难设置正确的有效载荷信息，或完全忽略/忘记设置有效载荷信息。
许多机器人臂可被设置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臂的姿势，并且其中机器人控制器被配置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，机器人控制器被配置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配置成允许机器人的移动。在一些实施方案中，控制器可被配置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，该扭矩传感器被配置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配置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。
发明内容
本发明涉及一种机器人臂，包括多个机器人关节，该多个机器人关节将机器人基座机械地连接到机器人工具凸缘，其中机器人控制器被配置用于控制所述多个机器人关节的移动并且由此控制所述机器人工具凸缘的移动。所述机器人控制器通信地连接到包括输入设备的界面设备，用户能够经由该输入设备与所述机器人控制器通信并且由此改变所述机器人臂的操作模式，其中所述输入设备是机械多功能输入设备，以及响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第一预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为停止模式，以及响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第二预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为第二模式，其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
实现机械多功能输入设备并且建立用于不同目的(包括自由驱动模式)的预定激活序列是有利的，因为它具有这样的效果：增加了安全性，因为用户不能错误地通过按下“自由驱动”/第二模式按钮而激活第二模式，在一个实施方案中，该第二模式是自由驱动模式。另外，可提供用于机器人臂的更具成本效益的界面设备，因为机械多功能输入设备可被配置用于不同目的，并且由此可减小设置在界面设备处的输入设备的数量。附加的第二模式可以是其中机器人臂可进行操作的任何合适模式，诸如移动模式，或任何合适预定义操作，诸如将机器人臂返回到“归位”或其他位置(具有机器人关节的预定义位置)。
实现机械多功能输入设备和建立用于包括不同目的(自由驱动模式)的预定激活序列是有利的，因为它具有这样的效果：对于有经验的用户来说控制机器人臂并且特别是将机器人臂集成到机器人单元中变得更容易。学习曲线是较困难的，但是一旦学习了预定序列，用户仅需要将他的手指放在同一个按钮上并且不必向下看界面设备以确保命中多个按钮中的正确按钮。
此外，具有若干预定步骤序列使得能够通过单个多功能输入设备访问附加模式，这是有利的。常规输入设备(诸如3位置启用按钮)通常具有释放位置、中间位置和完全激活位置。由于释放位置和完全激活位置通常可用于停止模式，因此这种常规输入设备通常仅允许两种不同模式。相反，本发明可允许经由单个输入设备在三个不同模式之间或者甚至多于三个不同模式之间改变，这是有利的。停止模式也可被称为第一模式。
操作模式可另选地仅被称为模式。例如，第二操作模式可被称为第二模式，第三操作模式可被称为第三模式，停止操作模式可被称为停止模式，教导操作模式可被称为教导模式，测试操作模式可被称为测试模式等。
第三操作模式是操作模式。其通常可不同于第二操作模式和停止操作模式。第三模式例如可以是运行模式、教导模式或测试模式。
在本发明的一些实施方案中，第三操作模式可不必指单个特定操作模式。例如，当第一预定激活序列被施加到机械多功能输入设备时，机器人控制器被布置成将操作模式改变为停止模式(来自第三操作模式，其原则上可以是任何其他操作模式)。在使用期间，机器人臂通常将被带入许多不同模式，诸如教导模式、测试模式和运行模式。在本发明的实施方案中，第三模式不限于这些模式中的特定模式。因此，当施加第一预定激活序列时，操作模式可改变为停止模式，来自任何模式，或者另选地来自模式的子集。类似地，当施加第二预定激活序列时，操作模式可改变为停止模式，来自任何模式，或者另选地来自模式的子集。换句话说，第三模式可以是不同于停止模式和第二模式的任何模式(至少在本发明的一些实施方案中)。
在本发明的一些实施方案中，第二模式也可不必指单个特定操作模式，类似于第三模式如何可不必指单个特定操作模式。第二模式可依赖于当前模式(第三模式)是哪个模式。例如，当第三模式是教导模式时，则操作模式被改变为自由驱动模式，并且当第三模式是测试模式时，则操作模式被改变为移动模式(响应于施加到机械多功能输入设备的第二预定激活序列)。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂处于教导模式或测试模式时，响应于所述机械多功能输入设备的第一预定激活序列而停止所述机器人臂的操作。
这是有利的，因为其具有这样的效果：如果机器人臂不处于教导模式，则机器人臂的操作不会通过界面设备错误地停止。此外，经由界面设备的预定激活序列来停止机器人臂的操作的特征主要可用于其中安装机器人臂或测试新软件的教导模式或测试模式，例如用于其中执行机器人臂程序的序列以便使用户测试机器人臂程序是否如预期那样工作的测试模式。
教导模式应当被理解为其中用户能够改变机器人控制软件的模式，并且机器人臂控制应当被理解为由机器人控制器执行以实现机器人臂的操作的软件。机器人臂控制的模式可以是例如教导模式或测试模式，其中软件可被改变(教导)，例如通过教导，路点定义编程工具中的程序序列，或者被测试(测试模式)，其中机器人程序的至少一部分可通过执行程序的一部分(例如，减小的速度)来测试。此外，机器人臂可处于操作模式，其中机器人臂在正常操作中执行机器人程序。
根据示例性实施方案，所述停止操作模式被配置成终止所述机器人臂的操作并且由此使所述机器人臂停止。
使机器人臂进入停止模式应被理解为停止机器人臂的操作。因此，停止模式的类型不重要，重要的是停止机器人进行操作。一种停止方式是保持机器人关节的制动器被施加，同时保持机器人臂通电。这是有利的，因为其具有这样的效果：在输入设备的第一预定激活序列的第一部分的激活(诸如向输入设备施加特定力)之后，用户能够以安全的方式密切地(例如，在第一预定序列的第一部分和第二部分的激活之间的时间段中物理地)监测机器人臂的操作。当在直到第二部分的激活的时间内监测机器人臂时，用户能够通过施加第一预定序列的第二部分(例如，通过向输入设备释放或施加力)并且由此完成第一预定序列而使机器人臂立即停止。
根据示例性实施方案，所述第二模式是自由驱动操作模式，其被配置成：
-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。
使机器人臂处于自由驱动模式应当被理解为使机器人臂处于其中用户能够通过向机器人臂施加有限力来移动机器人臂(即关节)的模式。这是有利的，因为其具有这样的效果：用户能够修改若干(如果不是全部)机器人关节，例如以记录机器人臂经由路点所遵循的优选路线、微调机器人工具的位置等。
根据示例性实施方案，所述机械多功能输入设备是至少具有释放位置、中间位置和完全激活位置的物理按钮。
这是有利的，因为其具有这样的效果：用户可通过施加激活机械输入设备的中间位置的力来开始预定序列，并且通过释放或完全激活机械输入设备来完成停止机器人臂的操作的预定序列。因此，在危险情况下来自用户的两个可能本能反应将满足预定序列并且停止机器人臂的操作。
根据示例性实施方案，所述第一预定激活序列包括以下步骤：
-向所述机械多功能输入设备施加力，从而施加迫使所述机械多功能输入设备到所述中间位置，进而向所述机器人控制器提供第一电信号，所述机器人控制器基于该第一电信号启动计时器，
-暂停，其中所述用户将所述机械多功能输入设备保持在所述中间位置持续至少确定的第一时间段，其中所述机器人控制器被配置成当所述确定的第一时间段已经过去时允许所述机器人臂的操作，以及
或者：
-释放所述机械多功能输入设备上的所述施加力，从而允许所述机械多功能输入设备返回到所述释放位置，由此改变到所述机器人控制器的所述第一电信号，基于所述第一电信号的所述改变，所述机器人控制器被配置成停止所述机器人臂的操作，
或
-增加所述机械多功能输入设备上的所述施加力，从而迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置，由此改变到所述机器人控制器的所述第一电信号，基于所述第一电信号的所述改变，所述机器人控制器被配置成停止所述机器人臂的操作。
通过输入设备的简单激活序列来停止机器人臂的操作是有利的，因为其具有以下效果：当用户释放或完全按压输入设备时，机器人臂停止操作。因此，不管经历危险情况的用户的反应如何，机器人臂停止。应当注意，危险可能是对于用户、由机器人臂搬运的物体或机器人臂本身。
应当注意，电信号可以是输入设备的位置的变化的模拟电压或数字表示。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被配置用于当所述机械多功能输入设备未保持在所述中间位置持续初始的第一时间段时重置所述计时器，所述初始的第一时间段大于0ms并且小于所述确定的第一时间段。
这是有利的，因为其具有这样的效果：由此输入设备的无意激活(即，在小于初始时间段内的激活，该初始时间段可低于100ms，或低于75ms，诸如50ms)不会导致允许机器人臂的操作。
应当注意，可使用相同的时间来确定初始时间和第一时间段是否已经过去。因此，当机器人控制器在激活输入设备(步骤S10)时接收到第一电信号时，计时器启动(步骤S11)，并且初始时间可以是例如75ms的限定阈值。因为如果机器人控制器没有达到75ms(在该特定示例中)，即如果输入设备处于中间位置小于75ms，则重置计时器。如果输入设备处于中间位置超过75ms，则机器人控制器通过将计数器值与所确定的第一时间段进行比较来确定用户正在施加序列一还是序列二(步骤S12)。
如果计数器达到所确定的第一时间段，则机器人控制器允许机器人臂的操作(步骤S13)。只要接收到第一电信号，即只要输入设备处于中间位置，机器人控制器就允许机器人臂的操作。因此，当输入设备的位置改变并且由此(第一)电信号改变时，机器人控制器然后停止机器人臂的操作(步骤S14)，重置计时器并且准备从步骤S10重新开始。
根据示例性实施方案，所述第一电信号在释放所述施加力时的所述改变导致到所述机器人控制器的第二电信号。
根据示例性实施方案，所述第一电信号在增加所述施加力时的所述改变导致到所述机器人控制器的第三电信号。
能够向机器人控制器提供三个不同的电信号(模拟的或数字的)是有利的，因为其具有这样的效果：可建立信号的各种组合，并且因此机器人控制器能够取决于来自输入设备的输入以各种不同的方式控制机器人臂。
根据示例性实施方案，所述确定的第一时间段在10ms和2000ms之间，优选地在40ms和1000ms之间，并且最优选地在45ms和550ms之间，诸如200ms。
在45ms与550ms之间的所确定的时间段是有利的，因为其具有这样的效果：通过将机械输入设备保持在中间位置持续45ms与550ms之间，这指示用户的意图是根据第一预定序列或第二预定序列来激活输入设备。如果输入设备被按压少于例如50ms，则这指示按压是错误进行的，并且如果输入设备被按压多于例如50ms但少于200ms，则这指示用户已经开始施加第二序列，并且如果输入设备被按压多于200ms，则这指示用户已经开始施加第一序列。应当注意，所提及的时间是示例性的并且可包括其他未提及的时间段。
此外，45ms和550ms之间的所确定的时间段的持续时间是有利的，因为输入设备的第二预定激活序列可在该时间段内被发起。优选地，所确定的时间段是预定的，即在控制软件程序被加载到机器人控制器之前被确定。
根据示例性实施方案，所述第二预定激活序列包括以下步骤序列中的至少一者：
-迫使所述机械多功能输入设备到所述中间位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备释放到所述释放位置，
-迫使所述机械多功能输入设备到所述中间位置，并且随后在持续时间小于所述确定的第二时间段的时间段内，迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置，
-迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备释放到所述释放位置，或
-迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备释放到所述中间位置。
执行第二预定激活序列的第一部分(包括比初始时间段更快但不与所确定的第一时间段(例如在30ms和1000ms之间，诸如200ms)一样长地迫使输入设备到中间位置的步骤)确保了机器人控制器可区分第一序列和第二序列，即由第一预定激活序列发起的机器人臂的停止优先于由第二预定激活序列发起的模式改变。
此外，如果迫使输入设备到其完全激活位置，则机器人控制器知道这不是第一序列的初始步骤而是第二(或第三)序列的开始，并且因此通过完全激活手势，其中用户完全激活输入设备的时间段独立于第一时间段。
根据示例性实施方案，所述确定的第二时间段在10ms和2000ms之间，优选地在40ms和1000ms之间，并且最优选地在45ms和550ms之间，诸如200ms。
根据一个示例性实施方案，以下中的至少一者：
-迫使所述机械多功能输入设备到所述中间位置的所述时间段比初始的第二时间段更长；
-迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置的所述时间段比初始的第二时间段更长；
并且所述初始的第二时间段大于0ms并且小于所述确定的第二时间段。
根据示例性实施方案，所述第二预定激活序列还包括以下步骤中的至少一者：
-将所述机械多功能输入设备释放到其释放位置，并且随后在第三时间段内，迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置或到所述中间位置，
或
-迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置，并且随后在第三时间段内，将所述机械多功能输入设备释放到所述释放位置或所述中间位置或迫使所述机械多功能输入设备到所述中间位置，并且随后在第三时间段内，将所述机械多功能输入设备释放到所述释放位置或者迫使所述机械多功能输入设备到所述完全激活位置。
根据示例性实施方案，所述第三时间段在200ms和2000ms之间，优选地在300ms和1000ms之间，并且最优选地在400ms和550ms之间。
当机器人控制器通过观察到输入设备处于中间位置少于第一预定时间段而确定已经发起第二序列时，第二时间段可从在步骤S10中启动计时器开始计数或者从在步骤S12中的重置开始计数。
如果计数器超过初始时间段但未达到所确定的第一时间段，则机器人控制器。
这是有利的，因为从输入设备到机器人控制器的电信号的定时有可能被机器人控制器用来区分导致停止模式的第一序列和导致自由驱动模式的第二序列。
此外，取决于输入设备的位置(释放、中间或完全按压)，机器人控制器可接收不同电信号。如果电信号是模拟信号，则电压可取决于位置而改变，并且如果电信号是数字信号，则数字值可取决于位置而改变。
因此，取决于从输入设备接收的信号和这些信号的定时，机器人控制器被配置成改变机器人臂的操作模式。如果信号或定时不符合预定序列/定时，则机器人控制器使状态机返回到步骤S10，其中它准备再次启动。因此，不进行操作模式的改变。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被配置成取决于所述机器人臂的当前操作模式，响应于所述第二激活序列而改变所述机器人臂的操作模式。
这是有利的，因为其具有这样的效果：可利用相同的第二激活序列来进行机器人臂的操作模式的若干改变，从而减小了用户要记住的序列的数量。作为示例，可提到如果机器人臂处于编程模式，则响应于第二序列的激活，机器人控制器然后可将操作模式改变为自由驱动模式。
另一个示例可以是如果机器人臂处于运行模式，则响应于第二序列的激活，机器人控制器然后可将机器人臂移动到开始位置。在后一示例不需要操作模式的改变的情况下，机器人控制器简单地停留在当前操作模式中并且将机器人臂控制到特定位置/定位。因此，当涉及操作模式的改变时，执行预定激活序列(诸如将机器人臂移动到预定位置)被认为包括在内。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器处于被配置成响应于所述第二激活序列而将所述机器人臂的操作模式改变为所述自由驱动操作模式的教导模式，并且所述机器人控制器处于被配置成响应于所述第二激活序列而将所述机器人臂的操作模式改变为移动模式的测试模式，其中在所述移动模式中，所述机器人控制器被配置成使所述机器人臂(101)回到开始位置。
根据示例性实施方案，所述机器人臂包括与所述界面设备物理分离的辅助界面设备，其中所述辅助界面设备包括辅助机械多功能输入设备。
这是有利的，因为其具有这样的效果：第一用户可从机器人单元外部的示教器操作/控制机器人臂，并且第二用户可在具有辅助界面设备的机器人单元中，经由该辅助界面设备，第二用户可通过根据第一预定激活序列激活辅助界面设备的辅助输入设备而以停止模式操作机器人臂。
根据示例性实施方案，所述第一预定激活序列的第一部分经由所述机械多功能输入设备或经由所述辅助机械多功能输入设备来激活，并且所述第一预定激活序列的第二部分经由所述机械多功能输入设备或经由所述辅助机械多功能输入设备来激活以停止所述机器人臂的操作。
这是有利的，因为其具有这样的效果：第一用户和第二用户都可完成第一预定激活序列并且由此停止机器人臂的操作。在一个实施方案中，出于安全原因，两个输入设备应处于中间位置以允许操作机器人控制器，但仅一者应被释放或处于完全按压位置以停止机器人臂的操作。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被配置成响应于由所述用户进行的所述机械多功能输入设备的第三预定激活序列而使所述机器人臂回到开始位置。
这是有利的，因为其具有这样的效果：对于熟悉第三预定序列的有经验的用户而言，机器人臂的操纵变得更容易并且可用一只手，更具体地用握住界面设备的手来完成。
在该实施方案中，开始位置应当被理解为有时也处于预定姿势的机器人臂的预定义位置。
根据示例性实施方案，所述第二和/或第三预定激活序列的激活包括所述界面设备的所述机械多功能输入设备和所述辅助界面设备的所述辅助机械多功能输入设备的激活。
这是有利的，因为其具有这样的效果：它减小了用户无意中激活输入设备的第二或第三激活序列的风险。
根据示例性实施方案，所述第三操作模式选自包括以下的列表：运行模式、测试模式和教导模式。
这是有利的，因为其具有这样的效果：独立于机器人臂在哪个模式中操作，用户可总是例如在机器人臂的操作的监测期间通过施加输入设备的第一预定激活序列而停止操作并且使机器人臂进入停止模式(仍然向关节马达通电)或安全停止模式(关节马达断电)。
根据示例性实施方案，所述界面设备通过导线连接到所述机器人臂控制器。
根据示例性实施方案，所述界面设备是在与包括显示器的所述界面设备的侧面相对的侧面上包括所述机械多功能输入设备的示教器。
这是有利的，因为它具有这样的效果：用户可通过用户用来保持界面设备的手来操作输入设备。
根据示例性实施方案，所述第三操作模式是该当前模式。
当前模式可被理解为在向机械多功能输入设备施加预定激活序列之前的机器人臂的操作模式。换句话说，例如，在施加第一预定激活序列或第二预定激活序列之前，机器人臂可处于当前模式，并且在施加第一预定激活序列或第二预定激活序列之后，操作模式可以是停止模式或第二模式。当前模式的一个示例是第三模式。
根据示例性实施方案，在所述用户与所述机械多功能输入设备通信之前，所述机器人臂处于所述第三操作模式。
根据示例性实施方案，所述第三操作模式是教导模式和测试模式中的任一者。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被布置成响应于施加所述第一预定激活序列的第一子集而将操作模式改变为一定操作模式。
根据示例性实施方案，所述机器人控制器被布置成响应于施加所述第二预定激活序列的第一子集而将操作模式改变为所述操作模式。
预定激活序列的第一子集可被理解为预定激活序列的第一部分。通常，预定激活序列可具有多个步骤，例如，如果机械多功能输入设备是具有释放位置、中间位置和完全激活位置的物理按钮，则激活序列可包括两个步骤，即施加力以将按钮从释放位置移动到中间位置，随后施加更多的力以将按钮从中间位置移动到完全激活位置。预定序列的第一子集的示例因此是将按钮从释放位置移动到中间位置。
具有通过预定激活序列的子集可用的操作模式是有利的，因为它允许用户在激活模式之间快速且容易地浏览。
根据示例性实施方案，所述第一预定激活序列的所述第一子集和所述第二预定激活序列的所述第一子集是相同的。
使相同子集参与操作模式简化了操作模式的发起并且通常简化了机器人臂的操作，这是有利的。例如，将按钮从释放位置移动到中间位置可以是第一预定激活序列和第二预定激活序列两者的第一步骤。
根据示例性实施方案，所述第二模式是移动模式。
根据示例性实施方案，当所述第三操作模式是教导模式时，所述第二模式是自由驱动模式。
根据示例性实施方案，当所述第三操作模式是测试模式时，所述第二模式是移动模式。
通过使第二操作模式依赖于第三操作模式，可以确保操作模式仅在这种特殊变化为相关的时改变为特定第二模式，这是有利的。
根据示例性实施方案，当所述第三操作模式是运行模式和测试模式中的至少一者时，响应于所述预定第一序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为所述停止模式。
此外，本发明涉及一种经由包括由用户操作的机械多功能输入设备的界面设备控制机器人臂的方法，
其中所述界面设备通信地连接到机器人控制器，
其中所述方法包括以下步骤：
-在第一时间点：
○响应于由所述用户执行的所述机械多功能输入设备的第一预定激活序列而建立第一电信号集合，
○由所述机器人控制器接收所述第一电信号集合，并且基于所述第一电信号集合将所述机器人臂的操作模式改变为停止模式，
-在第二时间点：
○响应于由所述用户执行的所述机械多功能输入设备的第二预定激活序列而建立第二电信号集合，
○由所述机器人控制器接收所述第一电信号集合，并且基于所述第一电信号集合将所述机器人臂的操作模式改变为第二操作模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂(101)处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
根据示例性实施方案，该方法的机器人臂是在先前段落[0007]至[0081]中的任一者中描述的机器人臂。
根据示例性实施方案，处于所述自由驱动操作模式的所述机器人控制器正控制所述机器人臂以便：
-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；以及
-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。
此外，本发明涉及一种机器人控制器，该机器人控制器通信地连接到包括输入设备的界面设备，用户能够经由该输入设备与所述机器人控制器通信并且由此改变机器人臂的操作模式，
其中所述输入设备是机械多功能输入设备，并且
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第一预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为停止模式，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第二预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为第二模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述操作模式是第三模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
根据示例性实施方案，机器人控制器是在先前段落[0007]至[0077]中的任一者中描述的机器人控制器。
此外，本发明涉及一种机器人系统，包括：
-机器人臂，所述机器人臂包括多个机器人关节，所述多个机器人关节将机器人基座机械地连接到机器人工具凸缘；和
-机器人控制器，所述机器人控制器被配置用于控制所述多个机器人关节的移动并且由此控制所述机器人工具凸缘的移动，其中所述机器人控制器通信地连接到包括输入设备的界面设备，用户能够经由所述输入设备与所述机器人控制器通信并且由此改变所述机器人臂的操作模式，
其中
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第一预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为停止模式，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备的第二预定激活序列，所述机器人控制器被布置成将操作模式改变为第二模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
根据示例性实施方案，该机器人系统的机器人臂是在先前段落[0007]至[0081]中的任一者中描述的机器人臂。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在参考结合附图和具体实施方式进行的以下简要描述，其中相似参考标号表示相似部分：
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；
图3示出了包括多功能输入设备的界面设备的示例；
图4示出了多功能输入设备的使用的流程图；并且
图5示出了本发明的一个实施方案的特定具体实施的流程图。
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102a、102b、102c、102d、102e、102f，该多个机器人关节连接机器人基座103和机器人工具凸缘104。基座关节102a被配置成使机器人臂围绕基座轴线105a(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106a所示；肩部关节102b被配置成使机器人臂围绕肩部轴线105b(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106b所示；肘部关节102c被配置成使机器人臂绕肘部轴线105c(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106c所示，第一腕关节102d被配置成使机器人臂绕第一腕轴线105d(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106d所示，并且第二腕关节102e被配置成使机器人臂绕第二腕轴线105e(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106e所示。机器人关节102f是包括机器人工具凸缘104的工具关节，该机器人工具凸缘能够围绕工具轴线105f(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106f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，具有六个旋转机器人关节，然而，应当注意，本发明可以提供于包括更少或更多机器人关节以及其他类型的机器人关节，诸如提供机器人臂的部分的平移例如线性平移的棱柱机器人关节的机器人臂中。
机器人工具凸缘参考点(也称为TCP)107在机器人工具凸缘处指示，并且限定工具凸缘坐标系的原点，该坐标系限定三个坐标轴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经被布置在工具凸缘轴线105f上，其中一个轴(z凸缘)与工具凸缘轴线平行，并且另一个轴x凸缘、y凸缘与机器人工具凸缘104的外表面平行。此外，基座参考点108与限定三个坐标轴x基座、y基座、z基座的机器人基座坐标系的原点重合。在所示实施方案中，机器人基座坐标系的原点已经被布置在基座轴线105a上，其中一个轴(z基座)与基座轴线105a轴平行，并且另一个轴x基座、y基座与机器人基座的底面平行。与机器人臂相关的重力方向109也由箭头指示，并且应当理解，机器人臂可布置在与重力相关的任何位置和取向，仅受机器人关节的操作自由度的限制。
机器人臂包括至少一个机器人控制器110，该机器人控制器被配置成控制机器人臂101并且可被提供为包括界面设备111的计算机，使得用户能够对机器人臂进行控制和编程。控制器可被提供为如图1所示的外部设备或集成到机器人臂中的设备或它们的组合。界面设备可例如被提供为工业机器人领域中已知的示教器，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112和多个输入设备113，诸如按钮、滑块、触摸板、操纵杆、轨迹球、手势识别设备、键盘等。显示器可被提供为既充当显示器又充当输入设备的触摸屏。界面设备也可设置为被配置成与机器人控制器通信的外部设备，例如智能电话、桌子、PC、膝上型电脑等。
机器人工具凸缘104包括集成到该机器人工具凸缘104中的力-扭矩传感器114(有时简称为力传感器)。力-扭矩传感器114提供工具凸缘力信号，该工具凸缘力信号指示在机器人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，并且被配置成指示相对于机器人工具凸缘参考点107施加到机器人工具凸缘的力和扭矩。力传感器114提供力信号，该力信号指示在工具凸缘处提供的力。在所示实施方案中，力传感器被集成到机器人工具凸缘中，并且被配置成指示相对于参考点107并在工具凸缘坐标系中施加到机器人工具凸缘的力-扭矩。然而，力-扭矩传感器可指示相对于可连接到机器人工具凸缘坐标系的任何点施加到机器人工具凸缘的力-扭矩。在一个实施方案中，力-扭矩传感器被提供为六轴力-扭矩传感器，该六轴力-扭矩传感器被配置成指示沿着三个垂直轴线的力和围绕三个垂直轴线的扭矩。例如，力-扭矩传感器可被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WO2014/110682A1、US4763531、US2015204742公开的任何力-扭矩传感器。然而，应当理解，与本发明相关的力传感器不一定需要能够感测施加到工具传感器的扭矩。需注意，力-扭矩传感器可被提供为布置在机器人工具凸缘上或省略的外部设备提供。
加速度传感器115布置在机器人工具关节102f处，并且被配置成感测机器人工具关节102f的加速度和/或机器人工具凸缘104的加速度。加速度传感器115提供加速度信号，该加速度信号指示机器人工具关节102f的加速度和/或机器人工具凸缘104的加速度。在所示实施方案中，加速度传感器被集成到机器人工具关节中，并且被配置成指示机器人工具坐标系中机器人工具关节的加速度。然而，加速度传感器可指示机器人工具关节相对于可连接到机器人工具凸缘坐标系的任何点的加速度。加速度传感器可被提供为能够指示物体的加速度的任何加速度计。加速度传感器可例如被提供为能够指示物体的线性加速度和旋转加速度两者的IMU(惯性测量单元)。需注意，加速度传感器可被提供为布置在机器人工具凸缘上或省略的外部设备。
机器人关节中的每个机器人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或平移的输出凸缘，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，该关节马达被配置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或平移输出凸缘。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：输出凸缘的角位置和/或线性位置、关节马达的马达轴的角位置和/或线性位置、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和/或扭矩。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。需注意，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。关节传感器还可被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相位中的每个相位的电流。还需注意，一些机器人关节可包括能够由关节致动器旋转和/或平移的多个输出凸缘，例如，机器人关节中的一个机器人关节可包括第一输出凸缘，该第一输出凸缘相对于机器人关节旋转/平移机器人臂的第一部分；以及第二输出凸缘，该第二输出凸缘相对于机器人关节旋转/平移机器人臂的第二部分。如上面所指示，关节传感器也可被提供为力和/或扭矩传感器或加速度传感器。这种力和/或扭矩和加速度传感器可为如图1所指示的最外部关节的一部分，如表示为114的力传感器和表示为115的加速度传感器。
机器人控制器被配置成通过基于机器人臂的动态模型、重力做功方向112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臂和机器人关节的运动。
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102a、102b和102f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102c、102、102e和连接机器人关节的机器人连杆。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。机器人关节包括输出凸缘216a、216b、216f和关节马达217a、217b、217f或另一种致动器，其中输出凸缘216a、216b、216f能够相对于机器人关节主体旋转。关节马达217a、217b、217f分别被配置成经由输出轴218a、218b、218f旋转输出凸缘216a、216b、216f。应当理解，关节马达或关节致动器可被配置成经由诸如齿轮(未示出)的传输系统旋转输出凸缘。在该实施方案中，工具关节123f的输出凸缘216f构成工具凸缘104。至少一个关节传感器219a、219b、219f提供传感器信号220a、220b、220f，这些传感器信号指示相应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。关节传感器参数可例如指示姿态参数，该姿态参数指示输出凸缘相对于机器人关节主体的位置和取向，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。关节传感器参数选自包括以下各者的列表：速度、加速度、扭矩、马达扭矩、力和位置。关节传感器参数可为从传感器获得的测量值或从这些传感器值导出的值。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。马达电流可由电流传感器获得和指示。
机器人控制器110包括处理器221和存储器222，并且被配置成通过向关节马达提供马达控制信号223a、223b、223f来控制机器人关节的关节马达。马达控制信号223a、223b、223f指示每个关节马达应提供给输出凸缘的马达扭矩T马达，a、T马达，b和T马达，f，并且机器人控制器被配置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扭矩。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个关节马达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222中并且可基于关节传感器参数J传感器，a、J传感器，b、J传感器，f进行调整。例如，关节马达可被提供为多相电动马达，并且机器人控制器可被配置成通过调节通过多相马达的相位的电流来调整由关节马达提供的马达扭矩，如马达调节领域中已知的。
机器人工具关节102f包括提供工具凸缘力信号224的力传感器114，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，力信号-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 BDA0004142751940000241
和扭矩矢量/>
Figure BDA0004142751940000242
等式1
Figure BDA0004142751940000243
其中
Figure BDA0004142751940000251
是沿着x凸缘轴的指示力，/>
Figure BDA0004142751940000252
是沿着y凸缘轴的指示力，并且
Figure BDA0004142751940000253
是沿着z凸缘轴的指示力。
在力传感器被提供为组合的力-扭矩传感器的实施方案中，力-扭矩传感器还可另外提供指示提供给工具凸缘的扭矩的扭矩信号，例如作为单独的信号(未示出)或作为力信号的一部分。扭矩可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的扭矩矢量：
等式2
Figure BDA0004142751940000254
/>
其中
Figure BDA0004142751940000255
是围绕x凸缘轴的指示扭矩，/>
Figure BDA0004142751940000256
是围绕y凸缘轴的指示扭矩，并且
Figure BDA0004142751940000257
是围绕z凸缘轴的指示扭矩。
机器人工具关节102f包括加速度传感器115，该加速度传感器提供指示机器人工具凸缘的加速度的加速度信号225，其中加速度可相对于工具凸缘坐标系进行指示。
Figure BDA0004142751940000258
其中
Figure BDA0004142751940000259
是沿着x凸缘轴的感测加速度，/>
Figure BDA00041427519400002510
是沿着y凸缘轴的感测加速度，并且/>
Figure BDA00041427519400002511
是沿着z凸缘轴的感测加速度。
在加速度传感器被提供为组合加速度计/陀螺仪(例如，IMU)的实施方案中，加速度传感器可另外提供指示输出凸缘相对于机器人工具凸缘坐标系的角加速度的角加速度信号，例如作为单独的信号(未示出)或作为加速度信号的一部分。角加速度信号可指示机器人工具凸缘坐标系中的加速度矢量
Figure BDA0004142751940000261
等式3
Figure BDA0004142751940000262
其中
Figure BDA0004142751940000263
是围绕x凸缘轴的角加速度，/>
Figure BDA0004142751940000264
是围绕y凸缘轴的角加速度，并且
Figure BDA0004142751940000265
是围绕z凸缘轴的角加速度。
所示的机器人臂的力传感器和加速度传感器布置在机器人工具关节102f处；然而，应当理解，力传感器和加速度传感器可布置在机器人臂的任何部分处。
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配置成：
-当仅有重力109作用于机器人臂上时，将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，机器人控制器可被配置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。机器人控制器可被配置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。在存储机器人臂的静态姿势的情况下，所存储的姿势可被称为机器人臂在机器人程序中操作时返回或移动到/通过的路点姿势。
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，机器人控制器可被配置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，机器人控制器可被配置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的一个实施方案中，机器人控制器还可/可附加地被配置成基于来自力-扭矩传感器114的力信号224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下，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下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示出了从后面看到的包括机械多功能输入设备116的界面设备111；多功能输入设备116(简称为输入设备)是图1和图2所示的输入设备113中的一者，从某种意义上说，它具有多于一个位置并且其中它可由用户用来发起对机器人臂101的操作的改变。在示例性实施方案中，输入设备113具有需要轻压力/力来激活的中间位置、需要比轻压力更重的力来激活的完全按压位置和不需要压力来激活的非激活位置。在一些实施方案中，输入设备116可被机械地或电气地设计成仅能够从一个位置到达另一个位置，例如它处于其完全按压位置，在它处于完全释放位置之前，它不能到达中间位置等。在一个实施方案中，多功能输入设备被设置为如安全装备领域中已知的3位置启用设备。
输入设备116例如经由有线连接来通信地连接到机器人控制器110，并且取决于其位置发送至少两个不同的电信号。当它处于中间位置时发送第一电信号并且当它处于释放和完全按压位置时发送第二电信号。应当注意，在其他实施方案中，它可取决于何时处于释放位置和何时处于完全按压位置而提供不同电信号。
电信号可以是模拟信号，诸如随输入设备116的位置而改变的电压，或者它可以是随输入设备116的位置的改变而切换的数字信号。
界面设备111的示例在图3上示出，其对应于图2所示的界面设备111。在图3上，界面设备111是从后面看到的，并且包括位于界面设备111的后面的输入设备116。以这种方式，用户容易地通过握住界面设备的手进行操作。应当注意，界面设备111包括便于右手和左手用户两者的使用的两个输入设备116。
图2以虚线示出了包括辅助输入设备116a的辅助界面设备111a。图3的输入设备116和图2的辅助输入设备116a的功能是相同的，并且因此以上描述也适用于辅助输入设备116a。
在其中两个界面设备111、111a可用的实施方案中，两个用户可以施加预定义序列并且由此控制机器人臂101的状态或移动。相对于在施加第一预定序列时停止机器人臂，第一部分(即对输入设备116的中间位置的轻按压)应在输入设备116、116a两者上进行以允许机器人臂操作。然而，输入设备116、116a中的仅一者应被释放或被更用力地按压到完全按压位置以停止机器人臂101。
在一个实施方案中，界面111和从该界面设备111发起的功能或序列优先于从辅助界面设备111a发起的功能或序列，反之亦然。
图3所示的具体实施方案包括各自具有相同功能的两个多功能输入设备116。也就是说，可将第一预定激活序列施加到两个输入设备116中的一者或另一者以将操作模式改变为停止模式。并且可将第二预定激活序列施加到两个输入设备116中的一者或另一者以将操作模式改变为第二模式。具有两个这样的具有相同功能的输入设备可使得左手用户和右手用户都能够容易地操作设备。其他实施方案可仅具有一个多功能输入设备。甚至其他实施方案可具有带有第一功能的第一多功能输入设备，而其他实施方案可具有带有第二功能的第二多功能输入设备，其中第一功能和第二功能是不同的。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的实现多功能输入设备116的使用的一种方式的流程图。第一步骤S1是初始步骤，其中需要使机器人臂101进入一种操作模式，其中输入设备116可用于改变机器人臂101的操作模式，例如远离当前模式，诸如第三模式。取决于激活输入设备116所需要的功能或操作模式，需要使机器人臂101进入不同模式。如果输入设备将用于停止机器人臂101和/或进入自由驱动模式，则应当使机器人臂101进入手动模式。
为了行进到步骤S2，将轻压力施加到输入设备116以迫使进入其中间位置。这可以是用户想要施加输入设备116的第一预定激活序列(简称为第一序列)或输入设备116的第二预定激活序列(简称为第二序列)的指示。在该实施方案中，为了区分第一序列和第二序列，当输入设备116处于中间位置时，计时器启动。如果例如在5毫秒(ms)和2000ms之间的阈值时间过去，则这是要应用第一序列的指示，并且如果输入设备116在阈值时间过去之前从中间位置改变位置，则这是要应用第二序列的指示，并且机器人臂控制进入步骤S4。
由于中间位置被保持超过阈值时间，因此已经施加第一序列的第一部分。第二部分是输入设备116的释放位置或全压力位置。无论输入设备的这两个位置向机器人控制器110传送相同信号还是两个不同信号，这都是第一序列的第二部分，并且由此信号使机器人臂控制进入其停止的步骤S3。
当在步骤S2中时，因为机器人臂处于手动模式，所以允许机器人控制器110执行或运行移动机器人臂101的程序。以这种方式，用户能够监测机器人臂101在程序被执行/运行时如何移动。如果某个事情不是按照预期的(无论它是否是危险的)，则用户能够改变输入设备116的位置并且停止机器人臂的操作/移动/使机器人臂处于可能的若干停止模式中的一者。
机器人臂控制也可由于输入设备116的激活(例如通过施加力以使其进入其全压力位置)而进入步骤S4。在该特定实施方案中，在小于阈值时间内处于中间位置或处于完全按压位置的输入设备使机器人臂控制进入步骤S4并且同时是第二序列的第一部分。
第二序列可包括在机器人臂控制之前由虚线和步骤S5图示的输入设备116的若干不同激活，在该特定实施方案中在步骤S6中结束，其中使机器人臂控制进入自由驱动模式。
如上所指示，图4仅示出了输入设备116如何可用于通过输入设备116的激活序列的一个示例使机器人臂从一个特定操作模式进行另一个特定操作模式的示例。显然，存在可形成一个激活序列的输入设备116的激活的若干其他组合，该激活序列可改变机器人臂的操作模式或迫使机器人臂移动到一个特定位置及/或在一个特定位置中移动。这还包括在输入设备116上的一系列激活，诸如一个接一个的导致若干中间位置的若干轻按压(例如以预定时间)。
另外，由于可以停止机器人臂的动作，因此还可以暂停程序执行并且随后经由来自输入设备的输入返回到执行模式。这种暂停可例如用于更换机器人单元中的某物。
此外，如所指示的，出于安全原因，机器人臂101可能需要在可施加序列以改变操作模式之前处于特定模式或位置。作为示例，可提及的是，机器人臂必须返回到其开始位置以供程序运行(程序软件将由机器人控制器执行)。将机器人臂移动到位还可通过单独地或与经由显示器112进行的交互组合地向输入设备116施加激活序列来完成。
上述在5ms和2000ms之间的时间范围是合适时间范围的示例。在大多数情况下，为了确定输入设备116的一个激活或其缺乏是否应将机器人臂控制(下文也称为状态机)移动到两个或三个状态中的一者，适当时间在25ms与750ms之间，诸如50ms、100ms、200ms、250ms、300ms、400ms、500ms等。
图5通过状态机的步骤S10-S16示出了本发明的实施方案的特定具体实施。在第一步骤S10中，根据该特定实施方案，机器人臂101处于教导模式(有时也称为编程模式)。如果在步骤S10中，按压输入设备116，则状态机移到步骤S11，其中状态机等待持续从在步骤S10中按压输入设备116开始计数的例如50ms的时段。如果输入设备116继续被按压持续超过50ms，则状态机移到步骤S12。如果输入设备116被按压少于50ms，则假设被施加以按压输入设备113的力被错误地施加，并且状态机返回到步骤S10。
在步骤S12中，确定用户打算施加第一序列还是第二序列。这是基于输入设备116被按压的时间测量值来确定的。在该特定实施方案中，如果输入设备116被按压的时间比从步骤S11开始计数的例如200ms长，则这与第一序列匹配并且因此状态机移动到步骤S13。其停留在这里直到输入设备116被释放或被迫进入其完全激活状态并且机器人臂在步骤S14中停止。当这种情况发生时，状态机移动回到状态S10并且准备再次开始新序列。
在步骤S12中，如果输入设备116被按压的时间低于200ms，则这与第二序列匹配并且状态机移到步骤S15，从而指示用户已经开始第二序列。第二序列中的下一个手势是释放输入设备116。再次，在步骤S16中，测量输入设备116被释放的时间并且将其与预定时间(诸如第二时间段)进行比较。如果输入设备116被释放的时间比从步骤S12开始计数的例如500ms更多，则状态机返回到步骤S10并且准备再次开始新序列。然而，如果输入设备116被再次按压的时间在从步骤S12开始计数的500ms内，则状态机移到步骤S17。
再次，在步骤S17中，测量输入设备116被按压的时间并且将其与预定时间(诸如第二时间段)进行比较。如果输入设备116在自步骤S15起已经过去例如250ms之前被释放，则状态机移动回到步骤S10并且准备再次开始新序列。然而，如果输入设备116继续被按压长于250ms，则状态机移到步骤S18。这里，机器人臂将操作模式改变为自由驱动模式，并且其保持在自由驱动模式中直到输入设备116被释放。在释放时，状态机返回到步骤S10并且准备再次开始新序列。
在步骤S17之后可包括非限制性额外步骤以考虑输入设备在小于例如50ms内的无意释放。如果在50ms内再次按压输入设备，则状态机保持在自由驱动模式。
如所提到的，参考图5描述的第一序列和第二序列的具体实施仅是两个序列的具体实施的一个非限制性示例。另外，可实现手势或步骤，以及如果可能，可利用来自中间位置和完全按压位置的不同电信号的特征。
因此，在一个实施方案中，当机器人臂控制处于教导模式时，第一序列可以是停止序列并且第二序列可以是自由驱动序列。类似地，当机器人臂控制处于运行模式时，第一序列可以是停止位置序列并且第二序列可以是开始位置序列。
从上文中，现在清楚的是，本发明涉及一种机器人臂，该机器人臂能够取决于其控制程序所处的模式来根据机械多功能输入设备116的激活改变操作模式。输入设备是多功能的，因为：1)其具有可向机器人控制器提供不同电信号的若干位置；以及2)取决于来自用户的输入设备的激活序列，机器人控制器能够停止机器人臂或改变机器人臂的操作模式。相对于图4和图5描述了此类序列的示例。
作为示例，如果机器人臂控制程序处于教导/编程模式，则经由输入设备，机器人臂的用户能够通过施加输入设备的第一激活序列来停止机器人臂的操作，并且通过施加输入设备的第二激活序列来使机器人臂处于自由驱动模式。教导/编程模式是其中用户可编程或测试机器人臂的操作的模式。
作为另一个示例，如果机器人臂控制程序处于运行模式，则经由输入设备，机器人臂的用户能够使机器人臂进入例如由机器人单元中的特定位置中的特定姿势限定的开始位置。运行模式是其中用户可根据机器人臂控制软件执行机器人臂的操作的模式。
在本发明的实施方案中，机器人臂由机器人控制器控制，该机器人控制器通信地连接到包括机械多功能输入设备的界面设备。机器人臂具有用户可激活的多种操作模式。
机械多功能输入设备用作访问和改变这些模式的装置。
无论机器人臂的哪个操作模式当前是活动的，用户都可施加第一预定激活序列以改变操作模式，从而将操作模式改变为停止模式。无论机器人当前处于运行模式、教导模式、测试模式还是另一种操作模式，每当施加第一预定激活序列时，操作模式都被改变为停止模式。
类似地，无论机器人臂的哪个操作模式当前是活动的，用户都可施加第二预定激活序列以将操作模式改变为第二模式。在该特定实施方案中，第二模式是自由驱动操作模式。无论机器人当前处于运行模式、教导模式、测试模式还是另一种操作模式，每当施加第二预定激活序列时，操作模式都被改变为此第二模式。
该实施方案的当前活动模式被称为第三模式。因此，当机器人臂处于任意的第三操作模式时，取决于施加预定激活序列，操作模式可被改变为第二模式和停止模式。
因此，从上面清楚的是，至少解决了避免无意激活自由驱动模式的问题。如今，界面设备具有用户可能混淆的若干按钮，包括用于停止的一个按钮和用于激活自由驱动模式的一个按钮。此外，从上文清楚的是，本发明通过将多功能输入设备集成到界面设备中而不是针对界面设备上的每个功能具有一个按钮(称为输入设备)(或两个按钮)来促进界面设备的更简单布局。
附图标号简述
101：机器人臂
102a-102f：机器人关节
103：机器人基座
104：机器人工具凸缘
105a-105f：机器人关节轴线
106a-106f：机器人关节的旋转箭头
107：机器人工具凸缘参考点
108：基座参考点
109：重力方向
110：机器人控制器
111：界面设备
111a：辅助界面设备
112：显示器
113：输入设备
114：力-扭矩传感器
115：加速度传感器
116、116a：机械多功能输入设备、辅助机械多功能输入设备
216a、216b、216f：输出凸缘
217a、217b、2179f：关节马达
218a、218b、218f：输出轴
219a、219b、219f：关节传感器
220a、220b、220f：关节传感器信号
221：处理器
222：存储器
223a、223b、223f：马达控制信号
224：力-扭矩信号

Claims (41)

1.一种机器人臂(101)，包括多个机器人关节(102)，所述多个机器人关节将机器人基座(103)机械地连接到机器人工具凸缘(104)，其中机器人控制器(110)被配置用于控制所述多个机器人关节(102)的移动并且由此控制所述机器人工具凸缘(104)的移动，
所述机器人控制器(110)通信地连接到包括输入设备(113)的界面设备(111)，用户能够经由所述输入设备与所述机器人控制器(110)通信并且由此改变所述机器人臂(101)的操作模式，
其中所述输入设备(113)是机械多功能输入设备(116)，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第一预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为停止模式，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第二预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为第二模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂(101)处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
2.根据权利要求1的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(110)被配置成当所述机器人臂(101)处于教导模式或测试模式时，响应于所述机械多功能输入设备(116)的第一预定激活序列而停止所述机器人臂(101)的操作。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述停止操作模式被配置成终止所述机器人臂(101)的操作并且由此使所述机器人臂(101)停止。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第二模式是自由驱动操作模式，所述自由驱动操作模式被配置成：
-当仅有重力作用于所述机器人臂(101)上时，将所述机器人臂(101)保持在静态姿势；
-当向所述机器人臂(101)施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂(101)的姿势变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述机械多功能输入设备(116)是至少具有释放位置、中间位置和完全激活位置的物理按钮。
6.根据权利要求5所述的机器人臂(101)，其中所述第一预定激活序列包括以下步骤：
-向所述机械多功能输入设备(116)施加力，从而施加迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述中间位置，进而向所述机器人控制器(110)提供第一电信号，所述机器人控制器(110)基于所述第一电信号启动计时器，
-暂停，其中所述用户将所述机械多功能输入设备(116)保持在所述中间位置持续至少确定的第一时间段，其中所述机器人控制器(110)被配置成当所述确定的第一时间段已经过去时允许所述机器人臂(101)的操作，以及
或者：
-释放所述机械多功能输入设备(116)上的所述施加力，从而允许所述机械多功能输入设备(116)返回到所述释放位置，由此改变到所述机器人控制器(110)的所述第一电信号，基于所述第一电信号的所述改变，所述机器人控制器被配置成停止所述机器人臂(101)的操作，
或
-增加所述机械多功能输入设备(116)上的所述施加力，从而迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置，由此改变到所述机器人控制器(110)的所述第一电信号，基于所述第一电信号的所述改变，所述机器人控制器被配置成停止所述机器人臂(101)的操作。
7.根据权利要求6所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(110)被配置用于当所述机械多功能输入设备(116)未保持在所述中间位置持续初始的第一时间段时重置所述计时器，所述初始的第一时间段大于0ms并且小于所述确定的第一时间段。
8.根据前述权利要求6至7中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第一电信号在释放所述施加力时的所述改变导致到所述机器人控制器(110)的第二电信号。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第一电信号在增加所述施加力时的所述改变导致到所述机器人控制器(110)的第三电信号。
10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述确定的第一时间段在10ms和2000ms之间，优选地在40ms和1000ms之间，并且最优选地在45ms和550ms之间，诸如200ms。
11.根据前述权利要求5至10中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第二预定激活序列包括以下步骤序列中的至少一者：
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述中间位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备(116)释放到所述释放位置，
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述中间位置，并且随后在持续时间小于所述确定的第二时间段的时间段内，迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置，
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备(116)释放到所述释放位置，或
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置，并且随后在持续时间小于确定的第二时间段的时间段内，将所述机械多功能输入设备(116)释放到所述中间位置。
12.根据权利要求11所述的机器人臂(101)，其中所述确定的第二时间段在10ms和2000ms之间，优选地在40ms和1000ms之间，并且最优选地在45ms和550ms之间，诸如200ms。
13.根据权利要求11所述的机器人臂(101)，其中以下中的至少一者：
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述中间位置的所述时间段比初始的第二时间段更长；
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置的所述时间段比初始的第二时间段更长；
并且所述初始的第二时间段大于0ms并且小于所述确定的第二时间段。
14.根据前述权利要求5至13中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第二预定激活序列还包括以下步骤中的至少一者：
-将所述机械多功能输入设备(116)释放到其释放位置，并且随后在第三时间段内，迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置或到所述中间位置，
或
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置，并且随后在第三时间段内，将所述机械多功能输入设备(116)释放到所述释放位置或所述中间位置或
-迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述中间位置，并且随后在第三时间段内，将所述机械多功能输入设备(116)释放到所述释放位置或者迫使所述机械多功能输入设备(116)到所述完全激活位置。
15.根据权利要求14所述的机器人臂(101)，其中所述第三时间段在200ms和2000ms之间，优选地在300ms和1000ms之间，并且最优选地在400ms和550ms之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(110)被配置成取决于所述机器人臂(101)的当前操作模式，响应于所述第二激活序列而改变所述机器人臂(101)的操作模式。
17.根据权利要求16所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(110)处于被配置成响应于所述第二激活序列而将所述机器人臂(101)的操作模式改变为所述自由驱动操作模式的教导模式，并且所述机器人控制器(110)处于被配置成响应于所述第二激活序列而将所述机器人臂(101)的操作模式改变为移动模式的测试模式，其中在所述移动模式中，所述机器人控制器被配置成使所述机器人臂(101)回到开始位置。
18.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述机器人臂(101)包括与所述界面设备(111)物理分离的辅助界面设备(111a)，其中所述辅助界面设备(111a)包括辅助机械多功能输入设备(116a)。
19.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第一预定激活序列的第一部分经由所述机械多功能输入设备(116)或经由所述辅助机械多功能输入设备(116a)来激活，并且所述第一预定激活序列的第二部分经由所述机械多功能输入设备(116)或经由所述辅助机械多功能输入设备(116a)来激活以停止所述机器人臂(101)的操作。
20.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(110)被配置成响应于由所述用户进行的所述机械多功能输入设备(116)的第三预定激活序列而使所述机器人臂(101)回到开始位置。
21.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第二和/或第三预定激活序列的激活包括所述界面设备(111)的所述机械多功能输入设备(116)和所述辅助界面设备(111a)的所述辅助机械多功能输入设备(116a)的激活。
22.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第三操作模式选自包括以下的列表：运行模式、测试模式和教导模式。
23.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述界面设备(111)通过导线连接到所述机器人臂控制器(110)。
24.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述界面设备(111)是在与包括显示器(112)的所述界面设备(111)的侧面相对的侧面上包括所述机械多功能输入设备(116)的示教器。
25.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂，其中所述第三操作模式是所述当前模式。
26.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中在所述用户与所述机械多功能输入设备通信之前，所述机器人臂处于所述第三操作模式。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人臂(101)，其中所述第三操作模式是教导模式和测试模式中的任一者。
28.根据前述权利要求中任一项所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器被布置成响应于施加所述第一预定激活序列的第一子集而将操作模式改变为一定操作模式。
29.根据权利要求28所述的机器人臂(101)，其中所述机器人控制器被布置成响应于施加所述第二预定激活序列的第一子集而将操作模式改变为所述操作模式。
30.根据权利要求29所述的机器人臂，其中所述第一预定激活序列的所述第一子集和所述第二预定激活序列的所述第一子集是相同的。
31.根据权利要求1至3、4至16或17至30中任一项所述的机器人臂，其中所述第二模式是移动模式。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的机器人臂，其中当所述第三操作模式是教导模式时，所述第二模式是自由驱动模式。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的机器人臂，其中当所述第三操作模式是测试模式时，所述第二模式是移动模式。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的机器人臂，其中当所述第三操作模式是运行模式和测试模式中的至少一者时，响应于所述预定第一序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为所述停止模式。
35.一种经由包括由用户操作的机械多功能输入设备(116)的界面设备(111)控制机器人臂(101)的方法，
其中所述界面设备(111)通信地连接到机器人控制器(110)，
其中所述方法包括以下步骤：
-在第一时间点：
○响应于由所述用户执行的所述机械多功能输入设备(116)的第一预定激活序列而建立第一电信号集合，
○由所述机器人控制器(110)接收所述第一电信号集合，并且基于所述第一电信号集合将所述机器人臂(101)的操作模式改变为停止模式，
-在第二时间点：
○响应于由所述用户执行的所述机械多功能输入设备(116)的第二预定激活序列而建立第二电信号集合，
○由所述机器人控制器(110)接收所述第二电信号集合，并且基于所述第二电信号集合将所述机器人臂的操作模式改变为第二操作模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂(101)处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述机器人臂(101)是根据权利要求1至34中任一项所述的机器人臂。
37.根据权利要求35或36中任一项所述的方法，其中处于所述自由驱动操作模式的所述机器人控制器(110)正控制所述机器人臂以便：
-当仅有重力作用于所述机器人臂(101)上时，将所述机器人臂(101)保持在静态姿势，以及
-当向所述机器人臂(101)施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂(101)的姿势变化。
38.一种机器人控制器(110)，通信地连接到包括输入设备(113)的界面设备(111)，用户能够经由所述输入设备与所述机器人控制器通信并且由此改变机器人臂的操作模式，
其中所述输入设备是机械多功能输入设备(116)，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第一预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为停止模式，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第二预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为第二模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述操作模式是第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
39.根据权利要求38所述的机器人控制器(110)，其中所述机器人控制器是根据权利要求1至34中任一项所述的机器人控制器。
40.一种机器人系统，包括：
-机器人臂(101)，所述机器人臂包括多个机器人关节(102a)，所述多个机器人关节将机器人基座(103)机械地连接到机器人工具凸缘(104)；和
-机器人控制器(110)，所述机器人控制器被配置用于控制所述多个机器人关节(102)的移动并且由此控制所述机器人工具凸缘(104)的移动，其中所述机器人控制器(110)通信地连接到包括输入设备(113)的界面设备(111)，用户能够经由所述输入设备与所述机器人控制器(110)通信并且由此改变所述机器人臂(101)的操作模式，
其中
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第一预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为停止模式，以及
-响应于由所述用户施加到所述机械多功能输入设备(116)的第二预定激活序列，所述机器人控制器(110)被布置成将操作模式改变为第二模式，
其中所述机器人控制器被配置成当所述机器人臂(101)处于第三操作模式时，响应于所述第一预定激活序列和所述第二预定激活序列中的任一者而改变操作模式。
41.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述机器人臂是根据权利要求1至34中任一项所述的机器人臂。
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