用于转移可浇注介质的方法与流程

本发明涉及一种借助于机器人手臂将可浇注介质从第一容器转移至第二容器中的方法。

人们对可浇注介质的处理和操纵是非常灵巧的，并且在处理时使用物理特性(例如介质的简单形状变化)。即使在玩水或者在沙坑中的小孩也可以练习将水或沙子从一个桶倒到另一个桶的运动。

相比之下，这样的运动对于机器人手臂来说是一项复杂得多的任务。因此，规划和实行用于操纵物体的运动是机器人的核心问题。例如，规划用于将物体从起始位置转移至目标位置的无碰撞路径是自动化装配和生产工作的核心任务之一。然而，由于可以使用简单的数学模型，运动的规划通常局限于对刚性物体的处理。然而，这些数学模型在处理可变形物体或可浇注介质的情况下会失效。

ep3088141a2公开了借助于力控制机器人手臂将可浇注介质从第一容器转移至第二容器中的解决方案，其中机器人手臂的运动由至少一个运动参数控制，其中第一容器(瓶子)借助于机器人手臂被夹持，第二容器(盛放容器)被定位在用于填充的位置，并且第一容器被定位和定向成使得待被倾倒的介质中的至少一些流入到第二容器中。所述机器人手臂包括至少一个传感器，所述传感器被配置为确定在竖直方向上的力；在所述传感器的帮助下，被机器人手臂夹持的容器可以被称重，且因此可以确定该容器的实际填充质量。倒出是据此被控制的；特别地，检查第一容器的倾倒余量。换句话说，第一容器被完全排空。机器人手臂能够移交被夹持的容器。成功的移交也是借助于上述传感器控制的。

在用机器人手臂处理和转移可浇注介质时，会出现许多问题，例如由于快速地或不稳定地实行运动而使一些介质溢出。此外，通过倾斜运动转移限定体积或限定质量的介质对机器人手臂来说是巨大的挑战，特别是当该过程仅能容忍限定的量和转移的量之间的微小误差时。

ep3088141a2没有解决精确倾倒一定质量(所述质量将被限定)的介质的问题。

从这点出发，本发明的目的是提供一种技术方案，通过所述技术方案机器人手臂可以可靠地将一定质量(所述质量将被限定)的可浇注介质从一个容器转移至另一个容器中。

这个目标是通过权利要求1的主题来实现的。在从属权利要求中给出了优选的改进方案。

因此，本发明提供了一种通过机器人手臂将可浇注介质从第一容器转移至第二容器中的方法，其中机器人手臂的运动由至少一个运动参数控制，包括以下方法步骤：

a)将第一容器定位在机器人手臂上，使得通过机器人手臂的运动能够改变来自第一容器的介质的质量流量，

b)将第二容器定位成使得从第一容器中倒出的介质在重力的作用下基本上进入到所述第二容器中，

c)将待被填充到第二容器中的介质的质量限定为目标填充质量，

d)优选地借助于秤(balance)确定已经填充到第二容器中的介质的质量，作为实际填充质量，并且确定介质的实际填充质量随时间的变化，作为实际质量流量，

e)考虑实际充填质量和目标充填质量，计算出操作质量流量，作为第一控制回路的操作变量，

f)使用第一控制回路的操作变量作为第二控制回路的参考变量，以实现将计算出的操作质量流量用作目标质量流量，

g)考虑目标质量流量和实际质量流量，计算出机器人手臂的至少一个运动参数，作为第二控制回路的操作变量，以及

h)基于至少一个运动参数执行机器人手臂的运动。

本发明还提供了一种用于执行上述方法的装置，其中所述装置包括机器人手臂和秤，所述机器人手臂被设计成用来移动定位在机器人手臂上并且容纳有可浇注介质的容器，使得来自所述容器的介质的质量流量是能够改变的，并且所述机器人手臂的运动能够通过至少一个运动参数控制。

因此，本发明的基本构思是，通过机器人手臂的运动，将一定质量(所述质量将被限定)的介质从第一容器转移至第二容器中，转移的质量尽可能地对应目标填充质量。为此，机器人手臂实行运动，借助于该运动能够改变来自第一容器的介质质量流量，所述运动通过至少一个运动参数来控制。本发明的一个重要方面是，使用两个控制回路来控制机器人手臂的至少一个运动参数。就所述控制回路的设计来说，第二控制回路使用能改变来自第一容器的质量流量的变量作为操作变量(即机器人手臂的至少一个运动参数)。此外，第一控制回路的操作变量被用作第二控制回路的参考变量。因此，作为第二控制回路的目标值(目标质量流量)的是操作质量流量。从第二控制回路的角度来看，第一控制回路因此是目标值的提供者，所述目标值仅缓慢变化。因此，第一控制回路具有的操作变量(操作质量流量)是改变第二容器填充质量的变量。从第一控制回路的角度来看，第二控制回路因此是快速致动器，调节第二控制回路改变了第二容器中的填充质量。由于两个控制回路，所述方法允许非常准确地将可浇注介质从第一容器转移至第二容器中。

在此，所述方法具有在重复地转移相同目标填充质量的情况下实现高度的可重复性的优势，因此该方法具有高水平的精确性。此外，由于多个控制回路的存在，该方法也具有高水平的准确性，即转移的介质质量和目标填充质量之间有高度的吻合。由于借助于机器人手臂的自动化，因此所述方法更加可靠，并且在很大程度上与人为错误无关。因此，所述方法还提供了以下优势：当人处理危险介质、有毒介质和/或以其他方式危害健康的介质时，这些介质可以在不危害人类健康的情况下被转移。

以这种方式设计的方法特别适合在高度管制的环境中使用，诸如，在制药业或食品生产中，特别是在质量控制和/或化学分析领域。高度管制的环境例如要求遵守生产和工作过程的质量保证准则(gmp准则)，这些准则的履行通常是当局的强制性要求。

可浇注介质例如可以是，液体(诸如水)、有机溶剂、非牛顿流体或不同液体的混合物。非牛顿流体显示出不再能简单地通过牛顿定律来描述的变形行为。非牛顿流体的例子是血液、水泥浆、流沙和番茄酱。所述液体中可能包含其他物质。这些物质可以是液体或固体、溶解的、未溶解的或分散的。液体可以具有不同的粘度，例如，高粘度(诸如蜂蜜或油)，或低粘度(诸如水)。此外，所述介质也可以是可浇注固体，如粗粒或细粒粉末。此外，介质可以是粒状材料、颗粒或碎屑，也可以是它们的混合物。介质可以具有不同的温度，例如室温、4℃或45℃，只要在该温度其仍是可浇注的即可。介质优选地是水、蛋白胨磷酸盐缓冲溶液、和/或加热到约45℃的酵母提取琼脂。

可以借助于秤通过称重来确定介质的质量。目标填充质量是指通过所述方法将要从第一容器转移至第二容器中的介质的质量。介质的质量流量是介质在第一容器或第二容器中的质量随时间的变化。质量通过介质的密度来与介质的体积相联系。因此，在介质密度已知的情况下，可以不以质量且因此不以目标填充质量来限定待被转移的那部分介质，而是以待被转移的体积(即目标体积)限定。介质的质量通过物质的基于量的质量或者通过介质的摩尔质量与物质的量相联系。因此，在介质的摩尔质量已知的情况下，也可以将待被转移的介质部分限定为物质的目标量。

第一容器和/或第二容器原则上可以是适用于容纳可浇注介质的任何类型的容器。第一容器和/或第二容器的几何形状原则上可以是如期望的。优选地，第一容器和/或第二容器具有一个至少截面为平面的底座，所述第一容器和/或第二容器可以借助于所述底座稳固地立在均匀的平面(诸如桌子)上。第一容器和/或第二容器可以具有任何期望的容量，例如250ml、500ml或1l。优选地，第一容器和/或第二容器是瓶子，所述瓶子可以是可封闭的。例如，所述瓶子可以是带有螺旋盖的玻璃瓶。还优选的，瓶子是具有标准螺纹(例如gl45螺纹)的实验室玻璃瓶。此外，第一容器和/或第二容器可以是测量烧杯、埃伦迈尔烧瓶(erlenmeyerflask)和/或培养皿(petridish)。

在本发明的上下文中，机器人手臂被理解为是指被设计成与环境进行物理交互以便执行机械工作的装置。所述机器人手臂可以具有通过关节连接的多个构件，所述关节可以通过驱动器来调节。例如，所述机器人手臂可以包括夹持系统，借助于所述夹持系统可以将第一容器定位到机器人手臂上。原则上，所述机器人手臂可以被手动地控制。然而，优选的是，通过输入和/或编程来控制机器人手臂的运动。出于这个目的，机器人手臂的运动可以由至少一个运动参数控制。例如，运动参数可以是机器人手臂调节其关节中一个关节的速度。

用于转移的方法提供了多个方法步骤，其中容器被适当地定位，并且在介质被转移之前限定待被转移的质量。在此，将第一容器定位到机器人手臂上，使得可以通过机器人手臂的运动能够改变来自第一容器的介质的质量流量。所述容器的定位可以包括借助于机器人手臂上的夹持系统来夹持容器。例如，夹具可以通过颈部的螺纹和/或螺纹夹持可封闭瓶子。因为螺纹具有标准的尺寸，因此这种方式具有定位特别简单的优点。介质的质量流量是介质的质量随时间的变化。例如，倾斜或旋转运动可以导致第一容器中的介质流出该容器。例如，可以通过倾斜角度的大小来改变从第一容器流出的质量流量。此外，第二容器被定位成使得从第一容器中倒出的介质通过重力的作用基本上进入到第二容器中。在此，通过重力的作用基本上进入到第二容器中的意思是，介质不会逆着重力运输，尽管介质不需要直接地进入到第二容器中，但是可以在途中分流，例如借助于介质转移通过的软管或通道。优选地，第二容器定位在第一容器下方，使得从第一容器中倒出的介质可以容易地被第二容器收集。例如，可以通过输入目标填充质量或对目标填充质量编程来限定第二容器的目标填充质量。替代地，可以想到的是，通过所述方法基于第二容器和/或可浇注介质来自动地限定目标填充质量。

在对容器适当地定位并且限定了待被转移的质量后，优选地借助于秤来确定实际填充质量和实际填充质量随时间的变化(也即是实际质量流量)。实际填充质量和实际质量流量可以设为不同的值，这些值随介质被转移的时间而变化。此外，这些值在介质的转移起始时也可以是零。在所述方法的另一过程中，两个控制回路尤其是基于这两个实际值来控制所述至少一个运动参数，并且相应地实行机器人手臂的运动。机器人手臂运动的结果是，一定质量的介质被转移到第二容器中，转移的质量尽可能地对应目标填充质量。

对于机器人手臂的运动，根据本发明的一个优选改进方案所提供的是，机器人手臂的运动包括围绕旋转轴线的旋转运动，所述旋转轴线大体上垂直于作用的重力。优选地，第一容器定位到机器人手臂上，使得，作为机器人手臂旋转运动的结果，所述第一容器实行倾斜或旋转运动，导致来自第一容器的质量流量被改变。因此，机器人手臂的旋转运动的旋转轴线大体上垂直于作用的重力，或者换句话说：机器人手臂的旋转轴线是大体上水平的。所述旋转运动是可以借助于至少一个运动参数容易地控制的运动。因此，这导致所述方法特别容易被实施。

就此而言，根据本发明的一个优选改进方案所提供的是，机器人手臂的运动的至少一个运动参数包括机器人手臂的旋转角、恒定旋转角的持续时间和/或旋转角的角速度。这些参数完全地表征了围绕轴线的旋转运动。为了将介质从第一容器转移至第二容器中，在此不需要计算机器人手臂的包括平移的并且可能是复杂的运动路径。相反，所述方法优选地控制描述旋转运动的所述运动参数。特别优选地，第二控制回路的操作变量是机器人手臂的旋转角的角速度。结果是，仅一个操作变量就可以实现旋转运动的完全实施，所述方法通过控制调节每种情况下的角速度，使得期望的目标填充质量被转移至第二容器中。

原则上，在两个控制回路中的控制器可以是pid控制器(比例-积分-微分控制器)，其包括p元件、i元件以及d元件。然而，根据本发明的一个优选改进方案，所述第一控制回路和/或第二控制回路包括p控制器。p控制器是连续地线性控制器，其仅仅由增益或衰减的比例部分组成。所述p控制器的输出信号与输入信号成比例。因此，第一控制回路的操作变量(操作质量流量)优选地与实际填充质量距离目标填充质量的偏差成比例，和/或第二控制回路的操作变量(至少一个运动参数)优选地与实际质量流量距离目标质量流量的偏差成比例。特别优选地，两个控制回路均包括p控制器。

对于控制回路的设计，根据本发明的一个优选改进方案所提供的是，第一控制回路和第二控制回路一起形成级联控制。所述级联控制的原理在于控制回路的分层嵌套。所述第一控制回路优选地是外部控制回路，所述第二控制回路优选地是内部控制回路。内部控制回路的目标值或参考变量由外部控制回路的操作变量组成。因此，整个受控系统被细分为更小的、更容易控制的部分，与直接作用的控制器相比这提高了控制的准确性。由于所述级联控制，所述方法允许准确地将可浇注介质从第一容器转移至第二个容器中。

根据本发明的另一优选改进方案，在所述方法的步骤b)中，将第二容器定位在秤上。因此，第二容器不仅被定位成使得从第一容器倒出的介质通过重力的作用基本上进入到第二容器中，并且所述第二容器立在秤上。因为容器不需要被移动或被再次重新定位，这使得在步骤d)中确定实际填充质量和确定实际填充质量随时间的变化(即确定实际质量流量)特别地简单。

就此而言，根据本发明的另一优选改进方案所提供的是，在所述方法的步骤b)中，第二容器被定位成使得从第一容器中倒出的介质完全地进入到第二容器中。当离开所述第一容器的介质被所述第二容器完全地收集时，对至少一个运动参数的控制是特别地准确的。因此，离开第一容器的质量流量与进入所述第二容器的质量流量在数值上是相同的。

原则上，在转移期间，仅在几个离散的时间点处执行所述方法的步骤d)至h)，即确定实际填充质量和实际质量流量、计算操作质量流量、使用操作质量流量作为目标质量流量、计算至少一个运动参数，以及执行运动。然而，在本发明的一个优选改进方案中，所述方法的步骤d)至h)在转移可浇注介质的过程中被连续地执行。因此，所述方法是一种能对实际填充质量和实际质量流量提供几乎即时的反馈的方法。由于可浇注介质的转移是以受控的方式进行的，这使得实现特别高水平的转移准确性成为可能。因此，在转移过程中，第二个容器优选地立在秤上，秤的测量结果连续地返回到控制回路中。

为了使所述方法尽可能可靠，根据本发明的一个优选改进方案所提供的是，所述方法附加地包括确定第二容器的净质量的步骤。例如，这可以借助于秤来执行。第二容器的净质量是指将介质从第一容器转移至第二容器内之前第二容器的质量。在确定净质量时，第二容器可以是未被填充的或空的，或者可以是被某些物质填充或部分填充的。在这里，第二容器可以填充有与要转移的介质不同的介质，或者可以填充有与要转移的介质相同的介质。确定所述第二容器的净质量的优点在于，可以容易地识别第二容器是否能接纳限定的目标填充质量。因此可以确保第二容器不被过度倾倒。

针对所述尽可能可靠的方法，根据本发明的一个优选改进方案所提供的是，所述方法附加地包括以下步骤中的一个或多个，

-确定第一容器的质量，

-确定第一容器的几何形状，

-确定介质的性质，和/或

-确定介质的黏度，

并且在考虑这些值中的一个或多个的情况下能够调节第一控制回路和/或第二控制回路和/或至少一个运动参数。例如，通过确定第一容器的质量(例如借助于秤)，可以确立第一容器内有多少介质。因此，可以确保待被转移至第二容器中的限定的目标填充质量不大于第一容器中存在的质量。此外，通过确定几何形状以及第一容器的质量，可以确定第一容器中介质的填充水平。

例如，可以使用相机来确定几何形状。替代地，容器可以设置有机器可读的标签(例如条形码)或设置有rfid芯片。这可以被用于识别容器，进而确定容器的几何形状。关于容器的几何形状的信息可以被纳入对至少一个运动参数的控制中。例如，如果填充水平较低，并且来自第一容器的质量流量出现之前必须完成大的旋转角，则可以在开始时加快运动。此外，也可以考虑介质的性质和/或介质的粘度。例如，在介质具有高粘度的情况下，在介质离开第一容器和到达第二容器之间可能存在时间延迟。这种流动行为可以在控制回路和/或至少一个运动参数中加以考虑，使得控制不出现超调。例如，介质的性质和/或粘度可以通过第一容器的机器可读的标签确定。

根据本发明的一个优选改进方案，用于执行所述方法的装置包括两个控制回路，所述两个控制回路形成级联控制，并且被设计成控制至少一个运动参数。所述级联控制使得整个受控系统可以被细分成更小的、更容易控制的部分，与直接作用的控制器相比，这提高了控制的准确性。因此，所述级联控制实现了可浇注介质从第一容器至第二容器中的准确转移。

对于用于执行所述方法的装置的设计，进一步优选的是，机器人手臂包括夹具，所述夹具被设计为围绕第一容器和/或第二容器夹持。优选地，所述夹具是双指夹具，特别是自适应双指夹具，因为其的自适应性意味着其可以以平行的方式夹持有角度的容器，并且以包围的方式围绕该容器。此外，所述夹具具有足够的夹持力，使得即使填充后，也能稳固地夹持所述第一容器和第二容器。

下面将根据一个优选的示例性实施方案，参照附图对本发明进行更具体的阐释。

在附图中：

图1示出了流程图，所述流程图包含根据本发明的一个优选的示例性实施方案的用于将可浇注介质从第一容器转移至第二容器中的方法的步骤，

图2a、图2b和图2c示出了装置的示意性描述，所述装置用于执行根据本发明的一个优选的示例性实施方案的方法，以及

图3示出了两个控制回路的示意性描述，所述两个控制回路用于控制根据本发明的一个优选的示例性实施方案的至少一个运动参数。

图1示出了流程图，所述流程图包含根据本发明的一个优选的示例性实施方案的、借助于机器人手臂16将可浇注介质10从第一容器12转移至第二容器14中的方法的步骤。所述方法由具有机器人手臂16的装置42执行，所述装置42在图2a、图2b和图2c中以执行所述方法的选定步骤的方式被示意性地示出。

下面将参照图1中的流程图、图2中的装置42以及图3中的控制，对所述方法的步骤进行阐释。

该方法包括：步骤a)将第一容器12定位在机器人手臂16上，使得通过机器人手臂16的运动18而改变来自第一容器10的介质10的质量流量。如图2中所描述的，机器人手臂16具有用于定位第一容器12的夹具22。改变质量流量的运动18是机器人手臂16围绕旋转轴线20的旋转运动18，所述旋转轴线20垂直于作用的重力。

在所述方法的另一步骤b)中，第二容器14被定位成使得从第一容器12中倒出的介质10在重力的作用下基本上进入到第二容器14中。根据在此描述的本发明的一个优选的示例性实施方案，如图2a、图2b和图2c中所描述的，第二容器14被定位在一个秤24上。

在所述方法的另一步骤c)中，在待被填充到第二容器14中的介质10的质量被限定为目标填充质量sfm之后，已经执行了作为准备工作的方法的步骤a)至步骤c)。在这个实施例中，所述目标填充质量sfm是100g。图2a示出了在执行步骤a)至步骤c)之后装置42的状态。根据在此描述的本发明的优选的示例性实施方案，介质10是液体，即是，水。

在转移可浇注介质10的过程中连续地执行以下方法步骤。在步骤d)中，使用秤24来确定已经填充到第二容器14中的介质10的质量，作为实际填充质量ifm，并且确定介质10的实际填充质量随时间的变化，作为实际质量流量ims。在步骤e)中，考虑实际填充质量ifm和目标填充质量sfm，所述方法随后计算出操作质量流量stms，作为第一控制回路28的操作变量26。在步骤f)中，使用第一控制回路28的操作变量26作为第二控制回路32的参考变量30，以实现将计算出的操作质量流量stms用作目标质量流量sms。

在图3中示意性地描述了两个控制回路28、32。涉及一种级联控制，其中第一控制回路28形成外部控制回路，该外部控制回路将目标填充质量sfm作为参考变量34，并且将实际填充质量ifm作为受控变量36。第二控制回路32形成级联控制的内部控制回路，该内部控制回路将目标质量流量sms作为参考变量30，且将实际质量流量ims作为受控变量38。

在另一方法步骤g)中，考虑目标质量流量sms和实际质量流量ims，计算出机器人手臂16的至少一个运动参数bp作为第二控制回路32的操作变量40。两个控制回路28、32均具有p控制器，即操作质量流量stms与实际填充质量ifm距离目标填充质量sfm的偏差成比例，并且至少一个运动参数bp与实际质量流量ims距离目标质量流量sms的偏差成比例。

在另一步骤h)中，基于至少一个运动参数bp执行机器人手臂16的运动18。根据在此描述的优选的示例性实施方案，至少一个运动参数bp是机器人手臂16的旋转运动18的角速度。图2b)示出了转移介质10的过程中的装置42，旋转运动18的角速度由两个控制回路28、32的控制器控制。所述控制导致运动18大体上对应于往复执行的倾斜运动。图2c)示出了当介质10的所需目标填充质量sfm(在此情况下为100克)已经被转移到第二容器14中时，装置42接近所述方法结束时的状态。

附图标记列表

10介质

12第一容器

14第二容器

16机器人手臂

18运动，旋转运动

20旋转轴线

22夹具

24秤

26第一控制回路的操作变量

28第一控制回路

30第二控制回路的参考变量

32第二控制回路

34第一控制回路的参考变量

36第一控制回路的受控变量

38第二控制回路的受控变量

40第二控制回路的操作变量

42装置

sfm目标填充质量(第一控制回路的参考变量)

ifm实际填充质量(第一控制回路的受控变量)

stms操作质量流量(第一控制回路的操作变量)

sms目标质量流量(第二控制回路的参考变量)

ims实际质量流量(第二控制回路的受控变量)

bp运动参数(第二控制回路的操作变量)