TWI819382B - 一種用於判定在至少三個空間方向中在本體上作用力的裝置與方法以及用於控制本體移動的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用於判定在至少三個空間方向(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)作用在本體(3)上的力的裝置，該本體(3)特別是機械臂，該裝置具有： 至少一個配置在該本體(3)表面(3.1)的感測元件(1, 2)，該感測元件(1, 2)包含至少三個單一感測元件(1.3)，其中每個單一感測元件(1.3)被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件(1, 2)包含至少一個單一感測元件(1.3)，該單一感測元件(1.3)被設計成判定在三個空間方向上的單獨力；及 評估/控制元件(6)，其接收從每個單一感測元件(1.3)所判定的單獨力並因此被設計成，透過將單獨力投影在該感測元件(1, 2)之虛擬點(1.2, 2.2)，來計算在至少三個空間方向(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)作用在該感測元件(1, 2)上的力。 本發明還涉及一種用於判定在至少三個空間方向作用在本體上(3)的力的方法以及控制本體(3)移動的方法。

Description

一種用於判定在至少三個空間方向中在本體上作用力的裝置與方法以及用於控制本體移動的方法
本發明涉及一種用於判定在至少三個空間方向中作用在本體上的力的裝置與方法以及用於控制本體移動的方法。
為了對本體(特別是例如工業機器人或協作機器人的機械臂)進行編程或設置模式，這個本體的手動移動需要透過在該本體本身施加力或在該本體施加對應的輸入裝置。對此在許多的應用中，用於執行移動的每個輸入裝置的靈敏度或細微感觸力都是限制因素。此外，由於檢測力的測量原理，現有的解決方案取決於對本體位置的靈敏度。
因為機械臂通常包含多種自由度，因此在所有六個自由度(X, Y, Z, Ry, Ry, Rz)中，同時控制所有這些軸在內差、直角的運動是非常重要。現有的解決方案尚未能夠對此提供解方。
目前已知的是，測量本體(特別是機械臂)各軸移動所需的電機電流，並由此計算施加到該等軸的扭矩。透過減去必要的保持扭矩，可計算由於施加到該軸的力所產生的變化，並將其轉換成後續運動。然而這裡的缺點在於，施加到本體的力只能被間接測量。根據本體(特別是機械臂)的位置，可能產生不同大小的桿槓作用，這會造成該解決方案的靈敏度不均勻地分布在工作區域。
或者，亦已知的是，在每個軸的扭矩是透過內建在軸中的扭矩感測器來直接測量，並將由於施加在軸上的力所形成的扭矩變化轉換成後續運動。但是這種方法的缺點同樣在於，施加到本體的力只能被間接測量，且根據本體(特別是機械臂)的位置，可能產生不同大小的桿槓作用。此外，必須被裝置在每個軸的扭矩感測器也會導致高成本。
進一步亦已知的是，在本體裝設3D-操縱桿可藉此執行有限自由度的運動。然而，在此僅可同時控制對運動可能性非常受限的單一直角方向。
本發明的目的在於提供一種用於判定在至少三個空間方向中作用在本體上的力的裝置與方法以及特別是基於此的一種控制本體的方法，藉此可以下述方式檢測施加在本體的力，而藉此達成以簡單方式或方法來進行本體編程或設置模式。
本發明的目的將透過用於判定在至少三個空間方向作用在本體上的力且具有請求項1之特徵的裝置、用於判定在至少三個空間方向作用在本體上的力且具有請求項13之特徵的方法以及用於控制本體移動且具有請求項15之特徵的方法來達成。
在從屬請求項中說明本發明的有利配置與改進方案。
用於判定在至少三個空間方向作用在本體上的力的本發明裝置，特別是作用在如工業機器人或協作機器人的機械臂上，該裝置具有：至少一個配置在該本體表面的感測元件，該感測元件包含至少三個單一感測元件，其中每個單一感測元件被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件包含至少一個單一感測元件，該單一感測元件被設計成判定在三個空間方向上的單獨力，而且還包含評估/控制元件，其接收從每個單一感測元件所判定的單獨力，並因此被設計成透過將單獨力投影在該感測元件之虛擬點，來計算在至少三個空間方向作用在該感測元件上的力。透過感測元件的設計，而且其是適用於被裝置在本體表面，將達成施加在本體上的力被直接測量，特別是在有力作用位置上的直接測量。若該感測元件正是配置在本體表面，則作用在該感測元件上的力會對應於作用在本體上的力。
在使用被設計成用於判定在至少三個空間方向上單獨力的單一感測元件的情況，僅只需單個單一感測元件就足夠。在使用被設計成用於判定在一空間方向上單獨力的單一感測元件的情況，至少有三個單一感測元件被配置在一感測元件中，其中較佳的是，在其中有三個單一感測元件確定單獨力的方向是配置成分別互相垂直，藉此可以簡單方式或方法來達成在三個空間方向上力的判定。
較佳的是該每個感測元件包含多個、較佳為至少15個、更佳為至少20個單一感測元件，藉此可提高確定作用在該感測元件上的力的準確度。
有利的是該單一感測元件以格柵或極性排列配置，這樣可以簡化作用在該感測元件上的力的確定。基本上特別重要的是，該等單一感測元件彼此間的相對幾何配置是已知的。
本發明之有利的改進方案有，每個感測元件的該單一感測元件包含至少兩個單一感測元件群組，該等群組是可被互相獨立評估的。這使得冗餘評估可以滿足安全要求。
每個群組的單一感測元件群組較佳是分別以格柵或極性排列配置，其中該格柵或極性排列較佳是以互相交錯配置，並且例如以棋盤的方式設置。藉此可達成特別好的冗餘。
根據本發明特別有利的設計，該裝置包含至少兩個感測元件，該等感測元件較佳是配置成彼此相隔一距離、更佳是配置在該本體表面之相對側上。透過使用多個感測元件可達成以下目的，即利用在至少三個空間方向上作用在該感測元件上所測得的力的組合，來確定在六個空間方向作用在本體上的力，也就是作用力與扭矩。
該感測元件較佳是可被互相獨立評估的，藉此可達成進一步的冗餘。
根據本發明特別有利的設計，該感測元件具有相對於該感測元件自由設置的蓋件。這種蓋件可達成在六個空間方向中作用在感測元件上的力的確定。
該感測元件較佳是由柔性材料構成，其特別是能以表皮的方式施加在該本體上。柔性材料允許該感測元件亦可裝置在複雜的本體幾何面上。裝配於表皮方式的優點在於具有該感測元件可以節省空間的方式配置而且還可簡化操作和處理。以人造觸感表皮的方式配置感測元件能達成直觀且快速的編程、設置或學習過程。
有利的是該評估/控制元件包含控制器，作用在該本體的力可作為實際值被導入該控制器中。該控制器能很好地達成將所施加的力轉換成本體的對應後續運動。
本發明的本體，特別是機械臂、較佳為工業機器人或協作機器人，其具有本發明的裝置，其中該至少一個感測元件、較佳為至少二個感測元件被配置在該本體的表面。將感測元件配置在該本體的表面能達成所施加力的直接判定。在此用於運動編程或設置或學習的本體能以簡單方式和方法被手動移動，其中該本體被觸及並透過施加在本體的力而使其被自行移動到所期望的方向。
根據本發明特別有利的設計，多個感測元件配置在該本體的表面，其中其特別覆蓋了該本體表面的大部分、較佳是該本體的整個表面，其中該感測元件較佳是由柔性材料構成，其特別是能以表皮的方式施加在該本體上。若該本體表面的大面積的為感測元件所覆蓋，則可簡化操作並使其特別直觀。
用於判定在至少三個空間方向作用在本體上的力的本發明方法，特別是作用在例如工業機器人或協作機器人的機械臂上，該裝置具有至少一個配置在該本體表面的感測元件，該感測元件包含至少三個單一感測元件，其中每個單一感測元件被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件包含至少一個單一感測元件，該單一感測元件被設計成判定在三個空間方向上的單獨力，以及評估/控制元件，該方法包含以下步驟： -判定作用在每個單一感測元件上的單獨力， -透過將單獨力投影在該感測元件之虛擬點，來計算在至少三個空間方向作用在該感測元件上的力。透過這樣的方法可達成至少在三個空間方向在該本體上所施加力的直接判定，特別是在有力作用位置上的直接測量。
根據本發明方法之特別有利的改進，至少兩個感測元件在該本體表面上以彼此相隔一距離的方式配置，其中以下步驟將被執行： -對每個感測元件判定作用在每個單一感測元件上的單獨力， -對每個感測元件利用透過將單獨力投影在該感測元件之虛擬點，來計算在至少三個空間方向作用在該感測元件上的力， -透過將作用在該等感測元件上的力投影在該本體之虛擬點，來計算作用在該本體上的力與扭矩，該虛擬點特別在空間中與該感測元件有間隔的，特別是與該感測元件的測量面有間隔的。 透過這樣的方法可達成在六個空間方向(即力X, Y, Z和力矩Rx, Ry, Rz)在該本體上所施加力的直接測量，特別是在有力作用位置上的直接測量。
有利的是判定作用在該本體上的力是借助兩個單一感測元件群組來相互獨立執行。藉此達成顯示安全功能的冗餘。
較佳是本發明方法進一步對於用於控制本體移動的方法做改進，特別是例如工業機器人或協作機器人之機械臂的移動，該方法包含以下步驟： -利用本發明方法來判定作用在該本體上的力， -作用在該本體上的力作為實際值被導入控制器中， -將該實際值與控制器的設定值做比較， -判定為達成該設定值之移動控制的操縱變量。 透過這樣的控制器可以達成，基於導致力的實際值與力的設定值有所偏差的作用力，來執行本體特別在作用力方向上的後續運動。
有利的是在該控制器中考慮干擾變量，藉此可在有干擾影響的情況下執行所期望的運動。
較佳是本發明方法進一步對於用於控制本體移動的方法做改進，特別是例如工業機器人或協作機器人的機械臂的移動，該方法包含以下步驟： -利用本發明的方法來判定作用在該本體上的力， -將所判定的力與所給定的最小力值及/或最大力值做比較， -當該所判定的力大於該所給定的最小力值及/或小於該最大力值時，允許該本體的移動。 這樣的方法可達成安全功能，即本體移動只會在當特定條件滿足時被執行。特別是能以這種方式實現例如自動警戒開關或機械操作開關之安全相關的釋放開關。
較佳是本發明方法進一步對於用於控制本體移動的方法做改進，特別是例如工業機器人或協作機器人的機械臂的移動，該方法包含以下步驟： -根據時間來利用本發明方法判定作用在該本體上的力， -識別該作用在該本體上的力的模式來輸入及/或控制指令。 這樣的方法能使輸入及/或控制指令輸入到該評估/控制元件中。這樣的模式可以包含任意的力分布，例如在給定的時間內有兩次觸擊，並可將用於後續的預編程指令儲存在該評估/控制元件中，例如儲存該本體(特別是機械臂)的當前位置，或者可允許在該本體固定的配件操作，例如輸入鍵盤或操作面板。
圖1顯示用於判定在至少三個空間方向Fx,Fy,Fz作用在本體3上的力F的本發明裝置10實施例的示意性透視圖，該裝置10具有至少一個、在本實施例中是具有兩個配置在該本體3表面3.1的感測元件1,2以及評估/控制元件6。
所顯示的本體3可以是機械臂(例如是工業機器人或協作機器人)的部分區段(例如是臂段或臂的區段)。該本體3能包含任何可想到的形狀，而且當然具有可互相相對移動的構件。本體3包含驅動元件7，該本體3可透過該驅動元件7相對於其他構件或相對於地板移動。例如作為機械臂之臂部的部分區段所構成的本體3可透過該驅動元件7相對於機械臂之臂段的其他區段來旋轉及/或傾斜。該驅動元件7的控制可透過該評估/控制元件6來執行，該評估/控制元件6可配置在該本體3中或其上，或者可形成為單獨元件。
該等感測元件1, 2分別包含測量面1.1, 2.1，其例如對感測元件1所示，該感測元件1包含單一感測元件1.3。該單一感測元件1.3是被設計成判定在通常垂直於該單一感測元件1.3之表面方向上的單獨力，或者被設計成判定在三個空間方向上的單獨力。在使用被設計成判定在三個空間方向中單獨力的單一感測元件1.3的情況時，該等感測元件1, 2分別包含至少一個單一感測元件1.3、較佳是多個單一感測元件1.3。在使用被設計成判定在一方向中單獨力的單一感測元件1.3的情況時，該等感測元件1, 2分別包含至少三個單一感測元件1.3、較佳是多個單一感測元件1.3。
在較佳且優化的實施例中，該等感測元件1, 2包含至少15、例如16個以4x4格柵配置，更佳是至少20個，在本實施例中包含有24個單一感測元件1.3。大量的單一感測元件1.3可提高分辨率，而不論該單一感測元件1.3是判定在一方向或三個方向上的力。
單一感測元件1.3較佳是以格柵或極性排列配置，例如在圖示中所示，是在具有相同網格尺寸的行與列中。對評估而言，基本上特別重要的是能分辨該等單一感測元件1.3的互相相對對準。
對每個感測元件1, 2，在三個空間方向Fx, Fy, Fz上作用在該感測元件1, 2的力可以用下述方式判定，將作用在該等單一感測元件1.3的力投影在該感測元件1, 2的虛擬點1.2, 2.2上，特別是借助該評估/控制元件6。在此，該虛擬點1.2, 2.2特別是在測量面1.1, 2.1中，例如在中間。透過考量各個單一感測元件1.3相對於虛擬點1.2, 2.2的位置以及作用在該等單一感測元件1.3上單獨力之絕對值的評估，可以確定在該感測元件1, 2上，特別是在三個空間方向(即特別在三個力分量Fx, Fy, Fz)上作用於虛擬點1.2, 2.2的力。
兩個先前所述的感測元件1, 2的每一個都可以達成在該感測元件1, 2上的判定，並亦因此達成在三個空間方向作用在本體3上的力的判定。
在一種用於判定在至少三個空間方向作用在本體3上的力的方法，該本體3特別是機械臂，該本體3具體具有一個配置在該本體3表面3.1的感測元件1, 2，該感測元件1, 2包含至少三個單一感測元件3.1，其中每個單一感測元件1.3被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件1, 2包含至少一個單一感測元件1.3，該單一感測元件1.3被設計成判定在三個空間方向上的單獨力，以及評估/控制元件6，該方法可透過以下步驟來執行：首先判定在每個單一感測元件1.3上作用的每個單獨力。接著透過將單獨力投影在該感測元件1, 2之虛擬點1.2, 2.2，來計算在至少三個空間方向Fx, Fy, Fz作用在該感測元件1, 2上的力。
透過兩個感測元件1, 2的組合評估，其例如在圖1中所示，該等感測元件1, 2可配置在該本體3表面3.1的相對側上，能以簡單的方式或方法判定不只在三個、而且在六個空間方向中作用在該本體3上的力，此意即判定作用力Fx, Fy, Fz和作用扭矩Mx, My, Mz。該等感測元件1, 2可配置成彼此相隔一距離A，其中該感測元件1對該本體3的虛擬點4有間距a以及該感測元件2對該本體3的虛擬點4有間距b。較佳是該間距A對應於間距a和b的總和。為判定在六個空間方向作用在該本體3上的力，特別是借助評估/控制元件6將作用在該感測元件1, 2上的力投影在該本體3的虛擬點4。由於虛擬點4不是在該感測元件1, 2的測量面1.1, 1.2中，而是與其有所距離，所以透過考量各個單一感測元件1.3相對於虛擬點4的位置以及作用在該等單一感測元件1.3上單獨力之絕對值的評估，可以確定除了作用在三個空間方向上的力Fx, Fy, Fz外，以及繞軸作用的扭矩Mx, My, Mz。
用於判定在至少三個、較佳是六個空間方向作用在該本體3上的力的方法，特別是作用在機械臂上，該本體3具有至少兩個在該本體3表面3.1上以彼此相隔一距離方式配置的感測元件1, 2，該等感測元件1, 2分別包含至少三個單一感測元件3.1，其中每個單一感測元件1.3被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該等感測元件1, 2分別包含至少一個單一感測元件1.3，該單一感測元件1.3被設計成判定在三個空間方向上的單獨力，以及評估/控制元件6，該方法可透過以下步驟來執行：首先對每個感測元件1, 2判定作用在每個單一感測元件1.3上的單獨力。然後透過將單獨力投影在該感測元件1, 2之虛擬點1.2, 2.2，來計算在三個空間方向上作用在該感測元件1, 2的力。最後透過作用在該感測元件1, 2上的力投影於該本體3之虛擬點4，來計算作用在該本體3上的力Fx, Fy, Fz與扭矩Mx, My, Mz，該虛擬點4特別在空間中是與該感測元件1, 2有間隔的。
用於判定不只在三個、甚至是六個空間方向作用在該本體3上的力的另一種或額外的可能方法將根據圖4來解釋。在此所示的感測元件1與在圖1中所示的感測元件1之不同處在於，其具有相對於該感測元件1自由設置的蓋件1.4，該蓋件1.4特別是配置成平行於測量面1.2。該蓋件1.4可例如是固定配置在該本體的表面1.3，但相對於該感測元件1且特別是相對於該測量面1.2是可移動的。因此使用者可抓住該蓋件1.4的外表面，但該蓋件1.4仍與該單一感測元件1.3連接，因此施加在該蓋件1.4的力可以透過該蓋件1.4的背面傳遞至該單一感測元件1.3。虛擬點1.2在測量面1.2中是與該蓋件1.4的外表面有間隔的，藉此不僅達成在三個空間方向中三個力分量Fx, Fy, Fz的判定，還達成額外的作用扭矩Mx, My, Mz的判定。
用於判定在至少三個空間方向中作用在該本體3上的力的方法，特別是作用在機械臂上，該本體3具有配置在該本體3表面3.1上(特別如圖4所示)的感測元件1，該感測元件1包含至少一個單一感測元件1.3，其被設計成判定在三個空間方向的單獨力，或者該感測元件1包含至少三個單一感測元件，該等單一感測元件1.3被設計成判定在一個空間方向的單獨力，和包含相對於該感測元件1自由設置的蓋件1.4，以及評估/控制元件6，該方法可透過以下步驟來執行：首先判定在每個單一感測元件1.3上作用的每一個單獨力。然後透過將單獨力投影在該感測元件1, 2之虛擬點1.2，來計算在三個空間方向中作用在該感測元件1, 2上的力，其中該蓋件1.4和測量面1.1之間的距離會被考慮。
圖1顯示作為平面感測元件1, 2的感測元件1, 2，為簡化圖式，其等是以非現實的方式被顯示成在該本體3的彎曲表面3.1切向。較佳是該等感測元件1, 2配合該本體3的表面3.1。特別有利的是該等感測元件1, 2是由柔性材料構成。有利的是該等感測元件1, 2能以人造觸感表皮的方式施加在該本體3上。在此多個感測元件1, 2可配置在該本體3的表面3.1上，且特別是覆蓋了該本體3表面3.1的大部分、較佳是該本體3的整個表面3.1。
為控制該本體3的移動，較佳是基於作用在該本體上的力來判定調節變量，驅動單元7將其轉換成作用在力方向上該本體3的對應移動。對此較佳是在該評估/控制元件6中特別提供控制器5，該控制器5被示意性顯示在圖2中。該控制器5被提供為基於該本體3的力平衡變化，來執行在力平衡方向上該本體3的後續移動。對此該控制器5可包含控制區段5.3和控制裝置5.4，其中該控制差值5.8作為輸入值輸入至該控制裝置5.4中，其是從實際值5.1和設定值5.6在比較件5.7中所產生。該實際值5.1特別是對應於作用在該本體3上的力，其可借助該等感測元件1, 2來判定。設定值5.6可例如透過力平衡來定義。控制區段5.3提供作為結果的控制變量5.2，其可對驅動單元7給出調節變量。在控制區段5.3中干擾變量5.5可被考慮。本體所進行的隨後運動可以是線性移動或旋轉運動。移動的中間點可透過運動學的轉換轉移到該本體3的任意點，例如至虛擬點4，但亦可是其他點。在此該評估/控制元件6與該驅動單元7能確定一或多個空間方向，因此能執行在所期望的空間方向中的目標移動。
接著在每一個所述用於判定作用在該本體3上的力的方法中，可因此例如將作用在該本體上的力作為實際值5.1導入該控制器5中，將該實際值5.1與該設定值5.6做比較，並判定為達成該設定值5.6所設定運動控制的調節變量，藉此提供一種控制該本體3移動的方法。在這個控制該本體3移動的方法中，可在該控制器5，特別是在該控制區段5.3中，亦考慮該干擾變量5.5。
在所有構件之間的數據與信號傳輸可以有線或無線的方式執行。
在所述計算的每一個中，所有的單一感測元件1.3都可被用於評估。亦有種可能性是該等單一感測元件1.3被分成兩個單一感測元件群組1.3', 1.3''，其中該單一感測元件群組1.3'(其在圖1中為說明用以沒有陰影表示)，是可獨立於該單一感測元件群組1.3''(其在圖1中為說明用以有陰影表示)被評估的，例如藉以達成冗餘評估。在每個群組中的單一感測元件1.3', 1.3''較佳是分別以格柵或極性排列配置，其中特別是該格柵或極性排列是互相交錯配置，例如以棋盤的方式設置(參照圖1或圖4)。在多個感測元件1, 2的情況，每個感測元件1, 2的個別及/或獨立評估是可能的，藉此能執行額外的合理性檢查，例如能夠檢查，是否在每個感測元件1, 2上施加了力及/或藉以達成進一步冗餘。
因此在每一個所述用於判定作用在該本體3上的力的方法中，作用在該本體上的力的判定是能透過兩個單一感測元件群組1.3', 1.3''互相獨立地進行。
透過在感測元件1, 2的適當評估和特別是作用在單一感測元件1.3上的單獨力，可實現進一步的安全相關功能。用於該本體3移動的典型安全相關的釋放開關(例如自動警戒開關或機械操作開關)可包含三個切換階段，即開關未被啟動的切換段S1、執行允許該本體3運動的切換段S2和執行緊急停止的切換段S3。對此，可將最小力值G1和最大力值G2定義成下限和上限切換值，其中該切換段S1是在當力值低於該最小力值G1時、該切換段S2是在當力值介於該最小力值G1與該最大力值G2之間時以及該切換段S3是在當力值高於該最大力值G2時(參照圖3，其中將作用在感測元件1, 2上的力值F示例性繪製成與時間t的函數)。例如當作用在該感測元件1, 2上的力值F對於該感測元件1, 2的其中之一是在該切換段S2的區間時，則可執行該本體3的移動允許。如在圖3中所示，安全功能將被改善，若當作用在該感測元件1, 2上的力值F對於兩個感測元件1, 2都是在該切換段S2的區間時，才執行該本體3的移動允許。在用於控制該本體3之方法的實施例中，首先可以借助該感測元件1, 2判定作用在該本體3上的力，然後將所判定的力(特別是所判定的平均力值F)與所給定的該最小力值G1及/或該最大力值G2做比較，並且當該所判定的力或所判定的力值F是大於該最小力值G1時及/或小於該最大力值G2時，執行該本體3的移動允許。
在本發明的實施例中，用於控制命令之作用在該本體3上的力的模式可被儲存在評估/控制元件6中，其中該模式根據時間t顯示力分布。將根據時間t作用在該本體3上的力(特別是根據時間t作用在該本體3上的力值F)與所儲存的模式做比較，藉以辨識這種模式然後轉換成對應的控制命令。圖5例示性顯示力分布，在此該感測元件1被觸及了兩次。在時間點t1和t2產生了最大力值。若是例如時間間距t2-t1小於在該所儲存模式中的給定的時間差，且該最大力值超過在該儲存模式中的所給定最小限值G1的話，則該模式可被辨識並且執行對應的控制命令，該控制命令與該模式連接並對應地儲存在評估/控制元件中，例如該本體3的目前位置(例如機械臂的臂部)可被儲存，或者允許固定在該本體3配件(例如輸入字串)的啟用。
在用於控制該本體3的方法中，特別是機械臂的控制，因此可於判定作用在該本體3上的力之後，特別是作用在該本體3上的力值F，根據時間t來執行用於輸入及/或控制指令之作用在該本體3上的力的模式辨識。
1:感測元件 1.1:測量面 1.2:虛擬點 1.3:單一感測元件 1.3':單一感測元件 1.3'':單一感測元件 1.4:蓋件 2:感測元件 1.1:測量面 2.1:虛擬點 3:本體 3.1:表面 4:虛擬點 5:控制器 5.1:實際值 5.2:控制變量 5.3:控制區段 5.4:控制裝置 5.5:干擾變量 5.6:設定值 5.7:比較件 5.8:控制差值 6:評估/控制元件 7:驅動單元 10:裝置 A:間距 a:間距 b:間距 F:力 Fx:力 Fy:力 Fz:力 Mx:扭矩 My:扭矩 Mz:扭矩 t:時間 S1:切換段 S2:切換段 S3:切換段 G1:最小力值 G2:最大力值
本發明將依據在以下圖式中所展現的實施例來被詳細說明。其包含：圖1係顯示具有兩個感測元件之本發明裝置實施例的示意性透視圖；圖2係顯示根據圖1裝置的控制器的示意圖；圖3係顯示用於根據圖1裝置之允許切換段的示意圖；圖4係顯示具有感測元件之本發明裝置另一個實施例的示意性透視圖；圖5係顯示控制指令用之作用在該本體3上的力之模式的示意圖。
1:感測元件
1.1:測量面
1.2:虛擬點
1.3:單一感測元件
1.3':單一感測元件
1.3":單一感測元件
2:感測元件
2.1:虛擬點
2.2:虛擬點
3:本體
3.1:表面
4:虛擬點
5:控制器
6:評估/控制元件
7:驅動元件
10:裝置
a:間距
b:間距
Fx:力
Fy:力
Fz:力
Mx:扭矩
My:扭矩
Mz:扭矩

Claims (19)

  1. 一種用於判定在至少三個空間方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)作用在本體(3)上的力的裝置，該本體(3)特別是機械臂，該裝置具有：至少一個配置在該本體(3)表面(3.1)的感測元件(1,2)，該感測元件(1,2)包含至少三個單一感測元件(1.3)，其中每個單一感測元件(1.3)被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件(1,2)包含至少一個單一感測元件(1.3)，該單一感測元件(1.3)被設計成判定在三個空間方向上的單獨力；及評估/控制元件(6)，其接收從每個單一感測元件(1.3)所判定的單獨力並因此被設計成，透過將單獨力投影在該感測元件(1,2)之虛擬點(1.2,2.2)，來計算在至少三個空間方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)作用在該感測元件(1,2)上的力。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中每個感測元件(1,2)包含多個單一感測元件(1.3)。
  3. 如請求項1或2所述的裝置，其中該單一感測元件(1.3)以格柵或極性排列配置。
  4. 如請求項1或2所述的裝置，其中每個感測元件(1,2)的該單一感測元件(1.3)包含至少兩個單一感測元件群組(1.3',1.3")，該等群組是可被互相獨立評估。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中每個群組的單一感測元件群組(1.3',1.3")是分別以格柵或極性排列配置，其中較佳是該格柵或極性排列是以互相交錯配置，並且例如以棋盤的方式設置。
  6. 如請求項1或2所述的裝置，其中該裝置包含至少兩個感測元件(1,2)，該等感測元件(1,2)是配置成彼此相隔一距離(A)、或是配置在該本體(3)表面(3.1)之相對側上。
  7. 如請求項6所述的裝置，其中該等感測元件(1,2)是可被互相獨立評估。
  8. 如請求項1或2所述的裝置，其中該感測元件(1)具有相對於該感測元件(1)自由設置的蓋件(1.4)。
  9. 如請求項1或2所述的裝置，其中該感測元件(1,2)是由柔性材料構成，其特別是能以表皮的方式施加在該本體(3)上。
  10. 如請求項1或2所述的裝置，其中該評估/控制元件(6)包含控制器(5)，作用在該本體(3)的力可作為實際值(5.1)被導入該控制器(5)中。
  11. 一種施加作用力的本體(3)，其係機械臂、工業機器人或協作機器人，其具有如請求項1至10中任一項所述的裝置(10)，其中該至少一個感測元件(1,2)被配置在該本體(3)的表面(3.1)。
  12. 如請求項11所述的本體，其中多個感測元件(1,2)配置在該本體(3)的表面(3.1)，且其特別覆蓋了該本體(3)表面(3.1)的大部分、較佳是該本體(3)的整個表面(3.1)，其中該感測元件(1,2)較佳是由柔性材料構成，其特別是能以表皮的方式施加在該本體(3)上。
  13. 一種用於判定在至少三個空間方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)作用在本體(3)上的力的方法，該本體(3)特別是機械臂，該本體(3)具有至少一個配置在該本體(3)表面(3.1)的感測元件(1,2)，該感測元件(1,2)包含至少三個單一感測元件(1.3)，其中每個單一感測元件(1.3)被設計成判定在一方向上的單獨力，或者該感測元件(1,2)包含至少一個單一感測元件(1.3)，該單一感測元件(1.3)被設計成判定在三個空間方向上的單獨力，以及評估/控制元件(6)，該方法包含以下步驟：判定作用在每個單一感測元件(1.3)上的單獨力；透過將單獨力投影在該感測元件(1,2)之虛擬點(1.2,2.2)，來計算在至少三個空間方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)作用在該感測元件(1,2)上的力。
  14. 如請求項13所述的方法，其中至少兩個感測元件(1,2)在該本體(3)的表面(3.1)上配置成彼此相隔一距離(A)，執行以下步驟：對每個感測元件(1,2)判定作用在每個單一感測元件(1.3)上的單獨力， 對每個感測元件(1,2)利用透過將單獨力投影在該感測元件(1,2)之虛擬點(1.2,2.2)，來計算在至少三個空間方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)作用在該感測元件(1,2)上的力，透過將作用在該等感測元件(1,2)上的力投影在該本體(3)之虛擬點(4)，來計算作用在該本體(3)上的力(Fx,Fy,Fz,)與扭矩(Mx,My,Mz)，該虛擬點(4)特別在空間中是與該感測元件(1,2)有間隔的。
  15. 如請求項13至14中任一項所述的方法，其中該判定作用在該本體(3)上的力是借助兩個單一感測元件群組(1.3',1.3")來相互獨立執行。
  16. 一種用於控制本體(3)移動的方法，該本體(3)特別是機械臂，該方法包含以下步驟：利用如請求項13至15中任一項所述的方法來判定作用在該本體(3)上的力，作用在該本體(3)上的力作為實際值(5.1)被導入控制器(5)中，將該實際值(5.1)與該控制器(5)的設定值(5.6)做比較，判定為達成該設定值(5.6)之移動控制的調節變量(5.2)。
  17. 如請求項16所述用於控制本體移動的方法，其中在該控制器(5)中考慮干擾變量(5.5)。
  18. 一種用於控制本體(3)的方法，該本體(3)特別是機械臂，該方法包含以下步驟： 利用如請求項13至15中任一項所述的方法來判定作用在該本體(3)上的力，將所判定的力(F)與所給定的最小力值(G1)及/或最大力值(G2)做比較，當該所判定的力(F)大於該所給定的最小力值(G1)及/或小於該最大力值(G2)時，允許該本體(3)的移動。
  19. 一種用於控制本體(3)的方法，該本體(3)特別是機械臂，該方法包含以下步驟：根據時間來利用如請求項13至15中任一項所述的方法判定作用在該本體(3)上的力，識別該作用在該本體(3)上的力的模式來輸入及/或控制指令。
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