CN1990197A - 包括紧急撤离路径的机器人轨迹控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制机器人的机器人路径的系统和方法，其包括：基于路径数据提供所述机器人移动的主路径，其中所述路径数据包括所述主路径上的点；以及提供从所述主路径中的各个点起的安全撤离路径，用以达到安全位置。在考虑安全撤离路径的情况下形成所述主路径，使得所述机器人能够沿所述行进路径上的任何点安全地移动到安全点或移动到卸载位置或安全位置。

Description

包括紧急撤离路径的机器人轨迹控制系统和方法

技术领域

本发明总的涉及多轴机器人系统，例如根据EN ISO 8373中第2.6分节标准的机器人，尤其涉及提供紧急停止进程(包括对应于紧急停止位置的安全撤离路径)的机器人路径控制系统与方法。

背景技术

机器人控制系统一般提供紧急停止键(E-Stop)，以在紧急情况下使多轴机器人暂停。通常，按下E-Stop会导致机器人按类别0或1停止。即使在沿机器人的正常轨迹停止机器人后，仍存在这种情况，即需要将机器人从正常轨迹移到机器人工作空间内的安全位置上。

问题是使用者需要能够将机器人从路径上的任何位置移动到路径外的安全位置，而不与周围环境或邻近的机器人相接触。机器人需要以受控的方式运动到安全的位置。在这种情况下，几乎没有或根本没有机器人经验的操作者需要能够将机器人移离其路径，以使客人撤离或进一步执行其它步骤。对于某些人来说，由于机器人的体积和其与周围环境的接近度，因此使用控制器手动地移动机器人而不与周围环境相碰撞存在困难。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种机器人系统和方法，其中基于机器人的停止位置限定安全撤离路径。

本发明的另一个目的在于提供一种机器人系统和方法，其中限定从机器人正常轨迹上各个点起的安全撤离路径，以允许在正常轨迹上使用机器人，并且如果出现这种情况，即需要将机器人从该路径移到其工作空间内的安全位置，则可以自动地实现。

上述目的可通过一种控制机器人的机器人路径的方法实现，所述方法包括：提供所述机器人运动的主路径；以及提供从所述主路径中各个点起的安全撤离路径，用以到达安全位置。

此外，上述目的可通过多轴机器人路径控制系统实现，所述系统包括：系统存储器装置，其用于存储数据；多轴机器人，其可以包括或不包括外部轴；控制单元，其用于沿由所述系统存储器装置中存储的定位点限定的行进路径移动工具中心点；以及多个安全路径，其存储在所述系统存储器装置中，并且所述行进路径的每个所述定位点与所述安全路径之一相关联，其中当需要将所述机器人移出所述行进路径时，基于所述机器人沿所述行进路径的当前定位点，所述控制单元沿所述安全路径之一移动所述机器人。

本发明基于如下原理：提供从路径(也称为主路径或行进路径)中各个点起的安全撤离路径，用以到达安全位置。在考虑安全撤离路径的情况下，程序装置可以示教机器人或设置多个点以形成主路径。主路径应该具有如下特征：从路径上的任何点都可安全地移动到安全点。优选地，安全路径包括从行进路径上的一个点到安全路径上的具有安全等级1的点的至少一段，或从行进路径上的多个点到安全路径上的具有安全等级1的点的多段。接着，安全路径前进到具有安全等级2的点，并继续前进到安全点。

程序装置/操作者在行进路径上的不同点处创建多个安全路径。操作者或有效的机器人操作者可以在紧急情况下执行安全路径。此外，如果出现维修问题，则维修人员也可以执行安全路径，以使机器人离线。

路径上的各个点可以具有与其能够移到的位置相关联的多个安全位置。机器人主路径中的各个点可以对应唯一的安全路径。理想地，对于行进路径中的各唯一位置，存在唯一的安全路径。然而，为了节省总数据(为了解决存储器限制)，对主路径上的每一点都保存安全路径并能够执行该安全路径是不实用的。因此，采用机器人主路径上的点组与一个安全路径相关联，即当执行安全路径时，机器人主路径上的几个点共用安全路径上的第一点。此外，两个或更多安全路径可以共享点，优选地，所有的安全路径共享最终的安全点或卸载点。使用者可以在整个路径上创建多条唯一安全路径。唯一安全路径将允许使用者创建考虑了障碍、相邻机器人以及机器人自身方位的专用路径。路径表中用于位置组的安全路径是一种减少程序装置需要示教给机器人的安全路径数量的方法。其一种形式是提供可加入到路径表中的特定标记，其表示对于主路径或行进路径上的后续点组应该激活哪个安全路径。接着，在执行主路径的过程中，底层的控制系统(例如，路径表管理器)将记录基于机器人的位置而激活的安全路径。当使用者触发当前安全路径的执行时，机器人将移动到由当前有效安全标记所限定的位置。

当机器人执行安全路径时，其可以低速移动(在机器人以非常低的速度移动的情况下，可执行每个安全路径运动)。

程序装置应能够示教每个安全路径位置，使得机器人能够避开所有障碍。在生成行进路径后，需要手动示教安全路径。如果在正常路径操作期间不能执行安全路径，则操作者/维修人员必须变换到手动模式以执行安全路径。然而，对于主路径上的每个位置点，应当有某条安全路径是可用的。

在并入到本申请并作为本申请的一部分的权利要求中特别地指出了作为本发明特征的各个新颖性特点。为了更好地理解本发明，将参照附图进行描述，通过参考附图和描述性内容将获得本发明的操作优点以及实现的特定目的，其中在该描述性内容中说明了本发明的优选实施例。

附图说明

在附图中：

图1是表示控制方法和系统的特征的示意性方框图，其中所述控制方法和系统使用路径表来控制机器人路径；

图2是表示机器人控制器的各方面的方框图，其中所述机器人控制器使用路径表来控制运动；

图3A是描绘三维机器人路径(行进路径)以及具有不同安全等级的安全路径和安全点的二维示图；

图3B是描绘三维机器人主路径(行进路径)的二维示图，其表示路径上的各个点和安全标记，点与安全标记相关联，并且每个安全标记与一个安全路径相关联；

图4是表示在用于机器人路径控制的控制器中使用的安全路径结构的高级系统结构图，其中示出了如何将安全路径原理整合到机器人控制器中的例子，其中所述机器人控制器使用路径表来移动机器人；以及

图5是表示根据本发明的方法中的系统使用安全路径中断的事件顺序的方框图。

具体实施方式

具体参照附图，本发明的系统和方法是基于如图1所示的使用路径表2的机器人(具有转盘的多轴机器人)R，所述路径表2是由一个或多个程序装置在考虑围绕主轴(机器人围绕其运动)运动时的转盘信息(即，关于转盘位置的信息)的情况下离线生成的。这种运动可以是离心运动(如在圆盘传送带的情况下)，而机器人轴(传统机器人中为六轴)的运动依赖于转盘的主运动，在路径表2中定义了这种关系以限定一条主路径(也称为行进路径和主行进路径)。代替转盘轴作为主轴，也可以配置线性轴。而且，基本运动也可以是比围绕主轴的旋转运动或沿主轴的线性运动更复杂的运动；关键是具有主运动位置的预先设置的运动路径，其中可将机器人轴A1、A2、A3、A4、A5、A6的位置指定到该主运动位置，以形成路径表2。

当生成运动分布图(profile)时，首先在机器人的手处，确定机器人手臂的运动路径，尤其是机器人的工具中心点(TCP)的运动路径，接着考虑速度和加速度沿此路径确定运动过程，并最终生成路径表2。在路径表2中，将路径表的行指定到主轴的各个位置。为了控制机器人R，例如从外部存储器5(图2)将路径表2馈送至机器人控制器6，机器人控制器6在各周期中查询转盘位置解释器7，并基于此向机器人R发送控制指令，用于通过人机接口KRC HMI 8的输出来驱动机器人的驱动装置，并因此定位机器人轴和机器人部件。机器人控制器6可以具有运动控制器9以控制向机器人的输出和用于接收外部传感器信号(例如来自传感器和编码器的信号)的其它输入/输出装置(KRC I/O)10。机器人控制器6还可以具有路径表解释器11(在将路径表2从大容量存储单元5加载到易失性存储器12后使用)和路径表管理器13。

如图1所示，机器人控制器6控制机器人沿主路径32运动。通过路径表解释器11分析路径表2(在该表中将机器人位置指定到主轴的各个给定位置)，检查路径表2的语法正确性，将路径表2转换为机器可读的形式，并存储在易失性存储器12中。机器人控制器6的路径表管理器13负责对路径表2的执行的初始化和调整(coordination)，并如前所述查询由主运动或基本运动确定的位置(这里为转盘的位置)，从路径表2中读取机器人的相应位置或机器人轴的更准确位置，通过运动控制器9的输出驱动机器人轴，以及为机器人的驱动装置(发动机)提供指令，以使相应的机器人轴A1至A6到达由路径表2确定的位置。由监视模块14监视机器人轴的位置，并由路径监视器15将所述位置作为轴的实际位置与轴的期望位置相比较，其中轴的期望位置是由路径表2预先设置，其后通过路径驱动器17可选地进行轴位置的校准。路径驱动器17为此接收向其传输的主轴位置P，并将该信息传输到表中(如箭头17a所示)，最终接收如箭头17b所示的机器人位置。利用该系统和方法，机器人解释器/控制器执行机器人程序，其中该机器人程序包含特定指令，该特定指令将控制指令(例如指示将要运行路径表2)传递到路径表2。路径表管理器13载入相应的表并开始处理该表。相应于主轴的位置，控制器从表中接收相应的机器人位置并发送位移指令到运动控制器9。例如，可以通过输入/输出装置10传递主轴的位置。此外或作为替换的方案，轴位置也可以用于监视机器人R的运动路径的安全性，如图1中所示的。例如在具有路径监视器15的存储器可编程控制器(PCSPS-PLC)6中执行监视，路径表2的第二备份存储在机器人控制器6中，通过安全性路径监视器19将实际的轴位置30与由路径表2预先设置的实际位置相比较，如果必要，可以停止运动，也可以运动到安全位置等。

图3A描绘机器人R行进的行进路径或主路径32。路径32上的各个点34对应于TCP的位置(或关心的主要点-例如乘客参考位置或工作点参考位置)，并且如上所述轴位置与主运动状态(aspect)同步。借此，通过与路径表2中的转盘位置相关联的轴位置限定每个位置34。根据本发明，可以使控制器6执行安全路径，其中控制器6基于路径32上的当前位置34，确定特定的安全路径36。尽管该系统和方法可设置为：每个独立位置点34具有其自己的安全路径36，但是这是存储密集(memory intensive)的方法。因此，通过与路径32分离的每个位置限定各个其它位置或安全等级。点34的组与具有共同安全等级的点相关联。例如，定义几个位置33以提供第一安全等级1。沿路径32的几个不同位置34共享具有第一安全等级(安全等级1)的点33和共同的安全路径36。此外，由点35定义另外的安全等级2。可以定义其它的安全等级，优选地，还定义安全卸载点(安全位置)38。每个安全路径36包括唯一的具有安全等级1的点33，并共享具有安全等级2的点35，在本实施例中，所有的安全路径36共享安全卸载点38。借此，为主路径32上的每个位置34配置至少一个安全路径36。多安全等级的特点可以用于例如提供不同等级的撤离。安全等级特征可设置为：例如，安全等级1为位于某些特征的运动范围(例如工件或其它机器人的运动范围)之外的机器人位置。例如，安全等级2可以设置为位于人类工作者或技术人员的正常或可能区域之外的机器人位置。优选地，安全卸载点被设置为使机器人R不活动的位置或位于有安全考虑的区域之外的位置。

图3B是类似于图3A的示图，其示出定义行进路径的位置34和路径表2中提供的插入安全标记40。当路径表管理器13执行路径表2时，路径管理器13将记录当前有效的安全标记40。例如，如果机器人R在位置34’停止(即34’为当前停止位置)，则机器人控制器6将使安全标记2(SM2)当前有效。如果接着启动安全路径，则机器人经由安全位置2，1移动到安全位置2，2，并最终移动到安全位置。可以为各个安全路径36提供共同的卸载位置，或者可以提供几个安全卸载位置。各个路径36可以共享路径上的一个或几个安全位置。此外，可以由路径上的各安全位置定义不同的安全等级。

参照图1和2描述的路径表系统，例如将轴A1至A6的位置与转盘的位置相关联的路径表系统可用作附加有上述安全路径特征的基本控制系统。图4表示与如上所述的控制器6一起运作的高级安全路径结构。路径表管理器13与路径表2一起运作，以保持当前的有效安全标记40。路径表解释器11负责解析存储在存储器5中的路径表文件，以识别有效安全标记40。图4表示具有路径表2的控制器6，其中路径表2被描述为控制器6的有效存储器中的实际路径数据，并且包括安全标记数据。路径驱动器程序17基于从控制器6接收的数据运行行进路径。图中示出了安全路径43、44以及45，以分别表示第一安全路径(安全路径1)、第二安全路径(安全路径2)以及第n安全路径(安全路径n)。图中示意性地示出使用者47，并描绘了这种情况，其中通过由使用者47手动触发的编码等执行安全路径。

在所公开的实施例中，可以施加一些限制(技术和系统)。可能(由于内存限制)存在对安全位置的总数的限制。优选地，当机器人沿着由转盘位置限定的行进路径(路径表2)有效地前进时，不能执行安全路径。机器人R必须首先完全停止，并使路径表2限定的主路径无效。这是一种限制，其原因在于：当转盘运动时，优选不明确限定与外界相关的机器人安全路径。

参照图3A和图3B描述的安全路径系统可基于执行安全路径运动的中断(interrupt)而实现。对于这种实现方式，定义中断以监视安全路径请求。当机器人在行进路径上停止并且激发(触发)中断时，中断程序将确定激活哪个安全标记并执行相应的安全路径。该中断不能设置运动进度表，但是能够执行单纯的运动(不合并运动(motion fold))。图5表示当运行行进程序接着运行安全中断时，机器人程序将执行的事件顺序。

如图5所示，在46处开始运行机器人程序。随着机器人程序开始运行，在48处初始化安全路径中断。如50所示，加载并发动机器人，这包括安全路径中断的开启，如52所示。机器人R开始执行主路径，如54所示，从而路径驱动器17基于路径表2沿着主路径32移动机器人(也就是执行主路径或行进路径)。通常地，如56所示，接下来进行的是，将机器人移动到卸载位置。接着，如58所示，关闭安全路径中断。然而，如60所示，在沿主路径32运动的过程中，可以激活安全路径信号。这发生在机器人路径(行进路径)中出现使机器人变成完全停止或启动紧急停止的问题的某个点处。接着系统确定有效的安全标记40，如62所示。然后，如64所示，系统执行安全路径，并如66所示，完成安全路径。

图5表示关于路径程序(路径驱动器程序)和安全路径中断的各个连续步骤。如果机器人R将再次运行行进路径，则需要从起点执行行进路径。这就保证机器人R在被调度到起点之前都不会执行行进路径32。

有多种技术可用于建立系统，包括如何把位置和存储格式示教给机器人R，以及使用者如何指定将执行的运动类型(即LIN运动、PTP运动)。优选地，系统提供使得中断受到限制的特征，从而仅当机器人达到完全停止时，才执行中断。必须考虑为实际运动设置的速度，安全标记40的插入可以仅与实际的路径表2关联，或者安全标记40可被设置在仿真软件中，或当验证机器人上的路径时被插入。

尽管已经详细地表示和描述了本发明的具体实施例，以说明本发明原理的应用，但是应该理解可以以其它的方式实施本发明，而不脱离这些原理。

Claims (15)

1.一种用于在从主路径紧急撤离期间控制机器人的机器人路径的方法，所述方法包括：

提供所述机器人运动的主路径；以及

提供从所述主路径中各个点起的安全撤离路径，用以到达安全位置。

2.如权利要求1所述的用于控制机器人的机器人路径的方法，其中程序装置示教所述机器人或设置多个点，以在考虑了安全撤离路径的情况下形成所述主路径，使得所述机器人能够从所述主路径上的任何点安全地移动到安全点或安全位置。

3.如权利要求1所述的用于控制机器人的机器人路径的方法，其中所述安全撤离路径包括多个安全点，其中每个安全撤离路径与行进路径上的一点相关联，或与所述行进路径上的多个点相关联，并从所述相关联的一点或多点延伸到所述安全路径上的具有安全等级1的点，并且延伸到所述安全路径上的具有安全等级2的点，并继续延伸到卸载位置或安全位置。

4.如权利要求1所述的用于控制机器人的机器人路径的方法，其中所述机器人具有主运动状态和多个轴，每个轴具有某一运动状态，并且基于通过路径表指定到主运动位置的所述轴的位置限定所述主路径。

5.如权利要求4所述的用于控制机器人的机器人路径的方法，其中所述机器人具有转盘，并且所述主运动是所述转盘的运动，基于转盘编码器的分辨率向所述转盘的每个位置提供唯一位置，其中所述转盘编码器监视所述转盘的位置。

6.一种用于控制多轴机器人的机器人路径的方法，所述多轴机器人具有工具中心点，所述方法包括：

沿由多个定位点限定的行进路径移动所述工具中心点；

由多个定位点限定多个安全路径，所述行进路径的每个所述定位点与所述安全路径之一相关联；

当需要将所述机器人移出所述行进路径时，基于所述机器人沿所述行进路径的当前定位点，沿所述安全路径之一移动所述机器人。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述行进路径被限定有与一些所述定位点相关联的安全标记，其中所述安全路径与所述安全标记相关联，并且基于当前位置与所述安全标记的接近度，选择所述安全路径之一以用于沿所述安全路径之一移动所述机器人的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中基于所述机器人的运动状态，沿所述行进路径移动所述机器人，所述机器人的运动状态被指定为主运动，并且所述机器人的轴的运动与所述主运动同步，其中通过用于限定所述行进路径的路径表，将所述轴的位置指定到所述主运动的位置。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述机器人的轴的运动包括当所述机器人沿所述行进路径移动时的次轴运动，使用位置编码器来将所述次轴运动与所述主运动同步，所述位置编码器配置在作为主运动的转盘运动的路径上。

10.如权利要求6所述的方法，其中需要将所述机器人移出所述行进路径的情况包括在基于所述机器人沿所述行进路径的当前定位点，沿所述安全路径之一移动所述机器人之前，所述转盘停止或所述转盘受迫紧急停止。

11.一种多轴机器人的路径控制系统，包括：

系统存储器装置，其用于存储数据；

多轴机器人，其具有转盘；

控制单元，其用于沿行进路径移动工具中心点，其中所述行进路径由所述系统存储器装置中存储的定位点限定；以及

多个安全路径，其存储在所述系统存储器装置中，所述行进路径的每个所述定位点与所述安全路径之一相关联，其中当需要将所述机器人移出所述行进路径时，基于所述机器人沿所述行进路径的当前定位点，所述控制单元沿所述安全路径之一移动所述机器人。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述行进路径限定有与一些所述定位点相关联的安全标记，其中所述安全路径与所述安全标记相关联，并且为了沿所述安全路径之一移动所述机器人，基于当前定位点与所述安全标记的接近度，选择所述安全路径之一。

13.如权利要求12所述的系统，其中基于所述机器人的运动状态，沿所述行进路径移动所述机器人，所述机器人的运动状态被指定为主运动，并且所述机器人的轴的运动与所述主运动同步，其中通过用于限定所述行进路径的路径表，将所述轴的位置指定到所述主运动的位置。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述机器人的轴的运动包括当所述机器人沿所述行进路径移动时的次轴运动，使用位置编码器来将所述次轴运动与所述主运动同步，所述位置编码器配置在作为主运动的转盘运动的路径上。

15.如权利要求14所述的系统，其中需要将所述机器人移出所述行进路径的情况包括在基于所述机器人沿所述行进路径的当前定位点，沿所述安全路径之一移动所述机器人之前，所述转盘停止或所述转盘受迫紧急停止。

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