机器人停止距离模拟方法与流程

本发明涉及一种模拟机器人的停止距离的方法。

为了确保在工业机器人附近工作的工作人员的安全，这样的机器人的操作空间通常受到诸如金属格栅（grid）、栅栏等的屏障的限制，这可以防止工作人员无意地进入机器人的操作空间并被其击中。这种屏障内的空间不应大于机器人执行其工作程序所必需的空间，以便确保对于屏障外的工作人员的最大位移自由度，并且如果必需的话，促进工作人员与机器人之间的交互。

如果受限空间小于机器人的可达范围（reach），则必须采取适当的措施来防止机器人例如在错误编程或技术故障的情况下撞击屏障并使其撞翻或刺穿屏障。

一种这样的措施是提供传感器，例如光幕，其监测机器人的运动并且当机器人太靠近屏障时触发紧急停止。关于这样的传感器的主要困难是要定义“太近”是有多近。由于机器人不能当场停止，因此在其中紧急停止被触发的虚拟边界与屏障之间的距离必须足够大，以允许机器人在其接触屏障之前停下，另一方面，机器人的移动自由度不应被虚拟边界不必要地受损。然而，机器人的实际停止距离取决于许多因素。通常，向上运动的停止距离将短于向下运动的停止距离。在包括通过接合处互连的多个杆状（rod-shaped）连杆的传统铰接式机器人中，停止距离在伸展配置中将比在收缩配置中更大，因为机器人的远侧部分（以及最终由其承载的有效载荷）的杠杆作用在伸展配置中更大。因此，每当建立用于机器人的包括这种虚拟边界的工作环境时，通过模拟来检查虚拟边界与屏障之间的距离是否足以防止机器人与屏障接触是常见的。

存在可用的模拟工具，其能够在正常操作条件下以高精度对由给定控制输入引起的机器人的移动进行模拟，但是原来是这些模拟工具系统地趋于低估在紧急停止情况下的制动距离，特别是当还连接了其它安全设备时。

本发明的目的是要提供一种模拟机器人的移动的方法，所述方法能够以更高精度来预测在紧急停止情况下的停止距离。

该目的通过一种模拟在环境中操作的机器人的停止距离的方法来实现，该环境被虚拟边界划分成漫游区域和制动区域，机器人在所述漫游区域中自由移动，并且该环境包括用于监测虚拟边界并且当机器人经过从漫游区域到制动区域的边界时触发机器人的紧急停止过程的部件，该方法包括以下步骤：

a）确定机器人经过边界时的时刻，

c）确定在紧急停止过程开始时机器人的初始姿势和速度，

d）基于所述初始姿势和速度以及估计的减速度来计算最终姿势，机器人停止在所述最终姿势，

其特征在于下列步骤：

b）允许在步骤a）和c）之间经过预定的等待时间。

必须引入这种等待时间的一个原因是监测部件的固有反应时间。监控部件可以是诸如光幕之类的物理传感器。在其中机器人接触虚拟边界的瞬间（veryinstant），即，开始阻挡光幕的光，满足用于紧急停止的条件。然而，在那个时刻，必须处理该情况并且不得不创建（一个或多个）对应的输出信号。如果在机器人接触虚拟边界的瞬间开始紧急停止的模拟，则必须考虑该处理时间，该影响被忽略，并且结果必须是低估了制动距离。

如果监测部件不是物理的传感器而是虚拟的传感器，即，从机器人接收关于其各个接合处的角度的数据，并且根据这些计算机器人的当前姿势并且检查其任何部分是否到达虚拟边沿的装置，则情况是类似的。尽管虚拟传感器能够检测与虚拟边界的任何接触，但是不管这种接触在物理传感器中将产生多小的信号，计算机器人的当前形状并且检查其与虚拟边界的可能相交所需的时间是不可忽略的，并且延迟了真实世界机器人的反应。这里，同样，如果在模拟中没有考虑该延迟，则制动距离将被低估。

在虚拟传感器的情况中的差异的另一个原因是虚拟传感器并非一直趋于敏感而是仅在预定时刻敏感。当虚拟传感器照常是仅在预定时间执行的软件的一部分时，当虚拟边界的破坏（violation）实际发生时将不会被注意到，而仅当虚拟传感器在其已经发生之后第一次被执行时才被注意到。

在本发明方法的步骤b）中引入的延迟时间不能与不可避免的时间流逝混淆，该时间流逝将在任何信息处理系统中发生，所述任何信息处理系统在通过其它判定虚拟边沿已经被通过的指令和紧急停止过程的第一指令之间连续地执行程序指令；等待时间是故意插入在这些指令之间的时间间隔，并且在该时间间隔中，系统既不被监测虚拟边界占据，也不被控制紧急停止占据。该时间间隔的长度通常将总计达到信息处理系统的若干指令处理周期；实际上它将不小于1ms。

物理传感器的反应时间或虚拟传感器的处理时间不是用于提供步骤b）的延迟的唯一原因。在机器人系统中，其中机器人包括端执行器；基座；多个连杆；将连杆彼此能枢转地连接、连接到端执行器和连接到基座的多个接合处；用于驱动接合处的旋转的多个致动器，通常存在致动器控制器，所述致动器控制器输入端执行器的计划轨迹并且将控制数据输出到致动器，由此致动器控制器被协调以使端执行器沿着所述轨迹移动。

由于机器人单元中的大量参数和机电以及电子组件，诸如例如安全plc或光幕，仅能以非常高的努力来实现机器人系统在模拟环境中的精确图像。在创建具有机器人控制的对应的模拟模型中的简化和/或近似也可能导致制动距离被低估并且不能准确地反映真实性的事实。

因此，可以引入固定时间和/或查找表以及统计数据，以便实现制动距离的实际模拟。

如果其中机器人操作的环境包括机器人不必进入的禁止区域-并且该禁止区域可以或不可以通过如上所述的屏障区分-制动区域通常将在漫游区域和禁止区域之间延伸。如果在步骤d）中，机器人的最终姿势在禁止区域中，则应将虚拟边界推进到漫游区域中，使得作为该方法的结果，将获得安全的虚拟边界。

参考附图，本发明的另外的特征和优点将根据以下对其实施例的描述变得显而易见。

图1示意性地图示根据本发明的机器人系统。

图2是模拟系统。

图3是用于校准图1的机器人系统的模拟的方法的流程图；以及

图4是模拟机器人系统的方法的流程图。

图1图示了包括机器人1及其相关联的控制器2的机器人系统。机器人1包括基座3；若干连杆4、5；端执行器6和若干接合处7，所述若干接合处7将连杆彼此连接、连接到基座3和连接到端执行器，并且通过一个或两个轴是可旋转的。如本领域通常的那样，用于驱动旋转的致动器隐藏在连杆、接合处或基座3内。接合处7还包括与每个轴相关联的旋转编码器，该旋转编码器为控制器2提供有关于连杆的定向的数据。由这些旋转编码器检测到的角度的集合限定机器人1的姿势。

尽管控制器2可以在单个计算机上实现，但是它可以被认为包括至少两层，即在轨迹上决定端执行器6不得不遵循以便完成给定任务的顶层8，以及在此将被称为致动器控制器9的底层，所述底层9从顶层8接收指定要遵循的轨迹的数据，并且将这些数据转换成命令，所述命令为机器人1的每个致动器定义其不得不生成的扭矩和/或其不得不运行的速度，以便使端执行器6在所述轨迹上移动。

致动器可以被假定为可以由致动器控制器9控制以在保持或加速机器人的移动的马达模式下操作或者在使机器人减速的发电机模式下操作的电机。除了致动器之外，摩擦制动器可以提供在每个接合处处。

下面将假设机器人1由以发电机模式操作的致动器减速来描述本发明的方法，但是应当理解，该方法也可以应用于通过摩擦制动的减速。

其中机器人1在操作的环境被真实或虚拟屏障10、11划分成其中允许机器人1操作的区域12和机器人1不必进入的禁止区域13。如图1中所示，基座3和禁止区域13之间的距离在所有方向上不相同。虽然在基座3的左侧处，到屏障10的距离相当大，使得机器人1仅在其朝禁止区域13最直地延伸时才能通过所述屏障10，但是到右侧的屏障11的距离相当较小。在图1中以模体示出的机器人的近似直的配置中，即使机器人的接合处7处的旋转速度高，端执行器能够接近屏障10的速度也相当小。相反，对右侧而言，如果连杆4顺时针旋转，则通过连杆4和5之间的肘接合处7可以以相当高的速度撞击屏障11，或者如果机器人1朝向右伸展，则通过端执行器6可以以相当高的速度撞击屏障11。为了确保机器人将永远不会通过屏障10、11，机器人1的减速必须在距屏障10、11安全距离处开始，使得机器人1可在实际到达屏障10、11中的任一个之前停下。这种安全距离在屏障11的情况下将不得不大于屏障10的情况。

机器人1不必利用非零速度到达的另一屏障是在其上安装有基座3的地平面14。由于机器人1相对于基座3的杠杆作用较大，所以机器人1在水平方向上伸展得较远，因此距地平面14的安全距离将不得不随着距基座3的距离而增加。

在图1的系统中，通过检测侵入屏障10、11前面的虚拟边界16的机器人1的任何部分的传感器15，例如光幕，防止机器人1撞击屏障10、11，并且将事故通知给顶层8，使得顶层8可以控制机器人的紧急停止过程。

现在将参照图3和图4的流程图描述用于找出虚拟边界16必须距屏障具有所述距离的方法。

能够以良好的精度模拟机器人对输入到致动器控制器8的轨迹数据的反应的运动模拟器（即，所述运动模拟器模拟机器人1和致动器控制器8）是已知的。任何这样的运动模拟器都可以用在本发明的上下文中；因此，在此将不详细描述运动模拟器本身。

最初，可以怀疑运动模拟器在模拟停止距离过程中是否与其在模拟正常操作中一样准确。为了验证这一点，如图2所示的那样建立模拟系统，其中，运动模拟器17代替图1的致动器控制器9，顶层与图1的实际机器人系统中的相同，并且传感器15由虚拟传感器18代替，该虚拟传感器18接收关于来自运动模拟器17的接合处7的当前模拟的角度的数据，根据这些以及根据连杆4、5和端执行器6的已知尺寸计算机器人1的当前形状，并且检查该形状是否与给定虚拟边界16相交。

现在参考图3，在步骤s1中例如通过将其指定到顶层的用户来定义虚拟边界16。该虚拟边界16可以相当任意地定位，它可以但不必与屏障10、11相关；事实上，图3的方法可以在任何屏障被建立之前执行。

在步骤s2中，定义机器人1的轨迹，该轨迹将使机器人跨过所述虚拟边界16。定义该轨迹也可以由用户来进行；优选地，这由顶层7自动进行。

在步骤s3中，将轨迹的数据连续地馈送到运动模拟器17；运动模拟器17计算在轨迹过程中机器人1的各个接合处7所假定的角度，并且将这些角度提供给虚拟传感器18。这是连续进行的，直到在步骤s4中虚拟传感器18检测到虚拟边界16的破坏为止。

当检测到边界破坏时，在步骤s5中记录机器人的攻击性构件（在大多数情况下，其将是端执行器，但其也可以是中间接合处）的当前速度。该速度可以由运动模拟器17直接提供；如果运动模拟器17没有被编程这样做，则速度也可以基于最近的接合处7角度数据由虚拟传感器18来计算。

在步骤s6中，正如如果顶层9来自物理传感器8则它将做的那样，所述顶层9对由虚拟传感器18通知的边界破坏反应。反应可以是要用这样一种轨迹来代替直到那个时刻其所控制的轨迹，在该轨迹中攻击性构件继续在其已到达虚拟边界16时所具有的方向上移动，但是在该轨迹中致动器和与该方向相容地一样强烈地减速。基于机器人1在其到达虚拟边界时的姿势、其各个可移位组件4、5、6的速度以及由顶层8供应的代替轨迹的坐标，运动模拟器17模拟紧急停止过程。重新排序其中模拟机器人停下的位置。

顶层9控制物理机器人1以在步骤s7中根据相同的轨迹移动。由传感器8检测到虚拟边界16的破坏，促使顶层执行与步骤s6中相同的紧急停止处理。在步骤s8中比较步骤s6和s7中获得的停止位置。这些位置之间的距离除以步骤s4中记录的速度，产生延迟。如上所述的那样，该延迟可能是由于各种原因，例如物理传感器8的反应延迟、致动器控制器9对通过上层8的轨迹变化作出反应的延迟等。在此，延迟的实际原因并不重要。如果图3的方法针对大量轨迹来执行，并且获得用于这些轨迹的延迟的平均值δt是正的，则以运动模拟器17模拟紧急停止过程的方式存在系统的不准确性，并且该系统的不准确性可以通过图4的方法来补偿。

为了描述该方法，假定机器人1安装在被物理屏障或虚拟屏障10、11划分成允许区域和禁止区域12、13的环境中。在步骤s11中，定义虚拟边界16，其将允许区域划分成漫游区域19与制动区域20，在所述漫游区域19中机器人1自由移动，所述制动区域20在漫游区域19与禁止区域12之间延伸，其中机器人将在其每次进入时通过紧急停止过程来制动，以便防止其进入禁止区域12。

在步骤s12中，正如在s2中的那样，定义了跨过虚拟边界16的轨迹。步骤s13、s14也与上述步骤s3、s4相同。然而，当在步骤s14中发现机器人的模拟移动破坏虚拟边界16时，代替立即开始模拟紧急停止过程，顶层继续（s15）在如上文通过图4的方法所描述而确定的长度δt的时间间隔期间模拟原始轨迹。只有当在步骤s16中该时间间隔结束时，顶层才在步骤s17中启动紧急停止距离过程的模拟，这与s6相同。由于该延迟，s17的模拟现在产生机器人1的停止位置，该停止位置未系统地偏离在真实世界系统中发现的那些位置。

如果在步骤s18中发现步骤s17的停止位置在禁止区域12中，该方法返回到步骤s11，并且当在步骤s11中重新定义虚拟边界时，至少在其中轨迹跨过虚拟边界16的点附近增加虚拟边界16和屏障10、11之间的距离。

在图4的方法开始时，虚拟边界16和屏障10、11之间的距离可以选择为绝对不充足；在最简单的情况下，两者可以选择为是相同的。通过迭代用于足够数量的轨迹的方法，虚拟边界16将逐渐地远离屏障10、11移动，并且将朝足够大以阻止机器人1到达屏障10、11的距离收敛。

1机器人

2控制器

3基座

4连杆

5连杆

6端执行器

7接合处

8顶层

9致动器控制器

10屏障

11屏障

12允许区域

13禁止区域

14地平面

15传感器

16虚拟边界

17运动模拟器

18虚拟传感器

19漫游区域

20制动区域。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种模拟机器人（1）的停止距离的方法，所述机器人（1）包括基座（3）；连杆（4、5）；端执行器（6）以及能旋转地连接到所述基座（3）、所述连杆（4、5）以及所述端执行器（6）的若干接合处（7），并且所述机器人（1）在环境中操作，所述环境包括漫游区域（19）、禁止区域（13）、制动区域（20）和虚拟边界（16），所述机器人（1）在所述漫游区域（19）中自由移动，所述机器人（1）不必进入所述禁止区域（13），所述制动区域（20）在所述漫游区域和所述禁止区域（19、13）之间延伸，所述虚拟边界（16）划分所述漫游区域和所述制动区域（19、20），所述方法使用用于监测所述虚拟边界（16），并且当所述机器人（1）经过从所述漫游区域（19）到所述制动区域（20）的边界时触发所述机器人（1）的紧急停止过程的部件（15、18），所述方法包括以下步骤：

a）确定（s14）所述机器人（1）经过所述边界（16）时的时刻，

b）允许（s16）在步骤a）之后经过预定的等待时间，并且当所述等待时间已经经过，

c）确定（s17）在所述紧急停止过程开始时所述机器人（1）的初始姿势和速度，

d）基于所述初始姿势和速度以及估计的减速度来计算（s17）最终姿势，所述机器人（1）停止在所述最终姿势，

其特征在于下列的步骤：

e）如果（s18）所述机器人（1）的所述最终姿势在所述禁止区域（13）中，则将所述虚拟边界（16）推进（s11）到所述漫游区域（19）中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等待时间至少为1ms。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述用于监测所述虚拟边界（16）的部件是传感器（15），并且所述等待时间至少是所述传感器（15）的反应时间。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述机器人（1）包括端执行器（6）；基座（3）；多个连杆（4、5）；将所述连杆（4、5）能枢转地彼此连接、连接到所述端执行器（6）和连接到所述基座（3）的多个接合处（7）；用于驱动所述接合处（7）的旋转的多个致动器；以及致动器控制器（9），所述致动器控制器（9）输入所述端执行器（6）的计划轨迹并且将控制数据输出到所述致动器，由此协调所述致动器，以使所述端执行器（6）沿着所述轨迹移动，

其中所述致动器控制器（9）输入引导进入所述制动区域（20）的轨迹，步骤a）在所述致动器控制器（9）沿着所述轨迹引导所述端执行器时发生，并且在步骤b）期间，所述致动器控制器（9）沿着所述轨迹继续（s15）引导所述端执行器（6）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述等待时间至少是所述致动器控制器（9）在其中由所述控制器接收定义所述轨迹的某段的数据项的时刻与其中通过所述致动器控制器（9）输出控制数据的时刻之间的处理时间，通过控制数据，所述端执行器（6）沿着所述轨迹段被引导。