关节臂机器人的制作方法

背景技术：

很多机器人系统、诸如制造机器人、医疗机器人、服务机器人或工业机器人都装备有一个或多个机器人臂。在这样的关节臂机器人的现代变型方案中，可以通过由操作者手动引导机器人臂来教导相应的机器人臂的运动过程或者对相应的机器人臂的运动过程进行编程。在这种情况下，操作者手动地移动机器人臂的一个或多个臂链节，同时连续记录关节和/或臂链节的在此经历的偏转、取向和/或位置。依据这样存储的运动数据，关节臂机器人可以任意地重复被教导的运动过程。对机器人的运动过程的这种编程常常也被称作“教导（teaching）”或者更具体地被称作“手动引导（hand-guiding）”。

然而，这样的教学或者还有在机器人与操作者之间的其它手动交互常常需要关于机器人的运动学和动力学特性和限制的具体知识。这样，在机器人臂运动时，通常要遵守各种约束条件，诸如关节或臂链节的最大旋转角度或偏转以及这些关节或臂链节的负荷极限。遵守这种约束条件的要求可显著影响与机器人的交互效率。

技术实现要素：

本发明的任务在于说明一种关节臂机器人，该关节臂机器人允许在机器人与操作者之间的更高效的交互。

该任务通过一种具有专利权利要求1的特征的关节臂机器人来被解决。

按照本发明的关节臂机器人具有：机器人臂，该机器人臂具有可通过关节来运动的臂链节；以及传感器，用于连续测量关节的状态参数。该关节臂机器人还拥有：在机器人臂上与关节有空间关联地布置的光学信令装置；以及评估装置，用于连续地、特定于关节地评估所测量到的状态参数并且用于根据该评估的结果来操控该信令装置。

通过布置在机器人臂上的信令装置，可以以简单的方式来使关节或臂链节的运动学或动力学状态可视化。尤其是，操作者可以在不将他的视线从恰好被引导或正在运动的机器人臂移开的情况下以光学方式感知关节或臂链节的当前的运动学或动力学状态。在很多情况下，这允许在关节臂机器人与操作者之间的更精确的、更快的、更安全的并且借此更高效的交互。

本发明的有利的实施方式和扩展方案在从属权利要求中说明。

根据本发明的一个有利的实施方式，状态参数可涉及：关节的偏转、旋转角度、旋转速度或者其它运动学的运动参数，

关节的力、负荷、转矩或者其它动力学的力参数和/或

关节的温度、油压、油量或者其它运行参数。状态参数尤其可以是一维或多维参数，通过该一维或多维参数来对关节的一个或多个物理参数进行量化。为了测量由关节施加的或者作用于该关节上的力，尤其可以由传感器来测量关节的马达电流、油压或其它液压。通常，借助于关节的状态参数也可以推导出臂链节的状态。

根据本发明的另一有利的实施方式，评估装置可以被设立为；对在所测量到的状态参数与参考参数之间的偏差进行量化。信令装置可以相对应地被设立为：根据被量化的偏差来发出渐变的光学信号。参考参数尤其可以是一维或多维参数，通过该一维或多维参数来对关节的一个或多个特定于关节的极限值、约束条件或边界条件进行量化，例如作为阈值。参考参数尤其可以以最大偏转或最大旋转角度的形式来说明运动学约束条件、诸如对关节的运动或偏转的限制。参考参数还可以对动力学约束条件、诸如作用于关节上或由该关节施加的最大转矩进行量化。只要这样的极限值常常无法被操作者直接观察到，通过信令装置对被量化的偏差的可视化通常就非常有帮助。

该关节臂机器人还可具有教导装置，用于通过手动引导机器人臂并且分析所测量到的状态参数来教导机器人臂的运动过程。评估装置可以相对应地被设立为：在教导期间依据所测量到的状态参数来操控信令装置。通过在该教导期间使状态参数可视化，可以以交互方式并且在不将视线从机器人臂移开的情况下考虑关节的常常无法被操作者直接观察到的运动学或动力学状态。

优选地，信令装置可以距关节有距离地安装在臂链节上，该距离小于距机器人臂的其它关节的距离。信令装置尤其可以直接在所分配的关节旁边布置在臂链节的刚性部分上。以这种方式，能直观地识别出信令装置与关节的空间关联。

根据本发明的另一有利的实施方式，信令装置可包括一个或多个发光二极管和/或一个或多个显示器。

信令装置尤其可以包括一个或多个触敏显示器。这样的触敏显示器允许操作者在该教导期间或者在与该关节臂机器人的其它交互期间在机器人臂本身上进行特定于关节的输入。

有利地，信令装置可包括发光装置，这些发光装置绕着臂链节和/或绕着关节环形地或者部分环形地来被安装。这例如可以是发光二极管环、袖珍计算机或智能手表的显示器环或者弯曲成环的显示器。这样的环形发光装置通常从所有侧面都清晰可见。

信令装置还可以被设立为：根据该评估的结果来改变信号强度和/或信号颜色。

信令装置尤其可包括多个光学信号发生器，这些光学信号发生器能分别单独地并且根据该评估的结果来被激活。这例如可以是优选地不同颜色的发光装置的多个环。

根据本发明的一个有利的扩展方案，信令装置还可包括方向指示器。评估装置可以相对应地被设立为：依据所测量到的状态参数来为关节的运动确定运动优化的和/或力优化的优选方向；并且根据所确定的优选方向来操控方向指示器。

附图说明

本发明的实施例随后依据附图进一步予以阐述。在此，分别以示意图：

图1示出了按照本发明的关节臂机器人；

图2示出了关节臂机器人的机器人臂的一部分；以及

图3示出了用于阐明对关节臂机器人的运动过程的教导的功能图。

具体实施方式

在图1中，示意性示出了按照本发明的关节臂机器人gar，例如制造机器人、医疗机器人、服务机器人、工业机器人或者其它与用户或操作者进行交互的机器人。关节臂机器人gar拥有机器人臂ra，该机器人臂安装在机器人基座b上。

机器人臂ra与机器人基座b通过机器人臂ra的关节g1来连接。其旋转轴线在当前实施例中垂直的关节g1将机器人臂ra的臂链节l1与机器人基座b连接。臂链节l1还通过关节g2与臂链节l2连接，该臂链节l2通过关节g3与臂链节l3连接，并且该臂链节l3通过关节g4与末端执行器ef连接。这些关节g1,...,g4和臂链节l1,...,l3以及末端执行器ef都是机器人臂ra的部分。在图1中，末端执行器ef示例性地抓取要由关节臂机器人gar处理的工件ws。机器人臂的这样的关节常常也被称作轴或接头（joints），臂链节被称作连杆。

关节臂机器人gar还拥有教导装置t，用于通过由操作者手动引导、也就是说移动机器人臂ra来教导机器人臂ra的运动过程。机器人臂ra尤其可以通过手动移动末端执行器ef来被引导。

在操作者引导机器人臂ra期间，由此引发的关节g1,...,g4和/或臂链节l1,...,l3的运动被测量并且以运动数据的形式被存储。依据这样存储的运动数据，关节臂机器人gar可以借助于教导装置t来任意重复任何被教导的运动过程。

在机器人臂ra上还分别安装有特定于关节的光学信令装置s1,...,s4，这些信令装置分别与关节g1、g2、g3或g4有空间关联。通过该空间关联，特定于关节地给相应的关节g1,...或g4分配相应的信令装置s1,...或s4。在当前实施例中，信令装置s1被分配给关节g1，信令装置s2被分配给关节g2，信令装置s3被分配给关节g3并且信令装置s4被分配给关节g4。

信令装置s1,...,s4分别绕着与相关关节连接的臂链节l1、l2或l3环形地来布置在相应所分配的关节g1,...或g4附近。该布置使得信令装置对相关关节的附属性能直接并且明确地被操作者感知到。替选地或附加地，特定于关节的信令装置可以安装在所分配的关节本身上。

在当前实施例中，信令装置s1、s2、s3和s4分别包括多个能单独操控的具有发光装置的环，例如发光二极管环或弯曲成环形的显示器。在图1中，针对每个信令装置s1、s2、s3或s4，分别勾画出了三个绕着相应的臂链节来安装的环。

图2更详细地阐明了机器人臂ra的一部分。

在图2中，示例性地示出了在图1中示出的关节g1,...,g4中的关节g以及臂链节l1,...,l3中的与该关节连接的臂链节l。在关节g的左侧勾画出了这些臂链节中的另一臂链节。此外，信令装置s1,...,s4中的一个信令装置s绕着臂链节l环形地安装在关节附近。在当前实施例中，信令装置s包括不同的光学信号发生器sga、sgb和sgc。

在关节g中或者在该关节上布置有一个或多个特定于关节的传感器sen。在当前实施例中，传感器sen连续并实时地测量关节g的旋转角度作为运动学的运动参数以及连续并实时地测量作用于关节g上或由该关节施加的转矩作为关节g的动力学的力参数。这种力参数可以通过对关节g的马达电流或液压的测量来简单地被确定。

该旋转角度以及该转矩作为关节g的被量化的、特定于关节的且多分量的状态参数sp来被检测并且由传感器sen传送到评估装置be。替选地或附加地，状态参数sp也可以对关节g的其它物理参数或运行参数进行量化。

评估装置be耦合到传感器sen上以及耦合到信令装置s上并且优选地布置在关节g之内。替选地或附加地，评估装置be也可以整个或部分地在关节外部被实现，尤其是在关节臂机器人gar中被实现或者整个或部分地在关节臂机器人gar外部被实现。

在接下来的实施例中，评估装置be布置在关节g中，而且特定于关节地且独立于其它关节的对应的评估装置地被运行。借此，在很多情况下都可以省去附加的协调或者与其它控制元件的通信。

评估装置be用于关于一个或多个预先给定的目标标准方面连续地、特定于关节地评估关节g的所测量到的状态参数sp。在当前实施例中，这些目标标准通过特定于关节的、多分量的参考参数rp来被限定，该参考参数被存储在评估装置be中。在这种情况下，参考参数rp包括：关节g的旋转角度的极限值，作为运动学约束条件；和关节g的起作用的或被施加的转矩的极限值，作为动力学约束条件。为了实施该评估，评估装置be可拥有一个或多个处理器以及一个或多个与处理器耦合的存储器。

为了评估状态参数sp，评估装置be将状态参数sp的分量与参考参数rp的分量进行比较，并且对状态参数sp与参考参数rp之间的偏差d进行量化，作为特定于关节的评估结果。偏差d可以被确定为状态参数sp与参考参数rp的差sp-rp或者被确定为该差的绝对值或平方。偏差d可以被量化为多分量参量，或者可以将分量式的偏差组合成标量偏差d。在当前实施例中，确定多分量偏差d，该多分量偏差包括：在状态参数sp的运动参数与参考参数rp的所属的极限值之间的偏差；以及在状态参数sp的力参数与参考参数rp的所属的极限值之间的偏差。

根据偏差d的分量的值，通过评估装置be来形成分级的、特定于信号发生器的控制信号csa、csb和csc，通过这些控制信号来以量化的方式操控信令装置s。在此，分别单独地并且特定于信号发生器地，信号发生器sga通过控制信号csa来被操控，信号发生器sgb通过控制信号csb来被操控并且信号发生器sgc通过控制信号csc来被操控。

在当前实施例中，信号发生器sga、sgb和sgc分别绕着臂链节l环形地布置在关节附近，并且分别包括不同颜色的发光装置，诸如发光二极管或弯曲成环形的显示器。这种环形布置是有利的，因为该环形布置对于操作者来说在不将视线从关节臂机器人gar移开的情况下从所有侧面都可见。环形信号发生器sga、sgb和sgc分别发出分级的光学信号，这些光学信号的颜色和/或发光强度能根据控制信号csa、csb和csc或根据偏差d来逐渐发生变化。

尤其是，亮起的信号发生器sga、sgb和sgc的数目和颜色可以根据所测量到的状态参数sp的分量来发生变化。在这种情况下，例如亮起的环sga、sgb和sgc的数目可以将关节g的当前的旋转角度与参考参数rp的极限角度的距离编码，并且亮起的环sga、sgb和sgc的颜色可以说明当前的转矩与参考参数rp的极限转矩的距离。例如按照以下分配：

只有信号发生器sga亮起：关节g的旋转角度距参考参数rp的极限角度有安全距离。

只有sga和sgb亮起：关节g的旋转角度接近该极限角度。

sga、sgb和sgc都亮起：达到该极限角度。

绿色亮起：关节g的当前转矩距参考参数rp的极限转矩有安全距离。

黄色亮起：关节g的当前转矩接近该极限转矩。

红色亮起：达到或超过了该极限转矩。

以上述方式，可以同时使关节g或臂链节l的运动学状态以及动力学状态在机器人臂ra上特定于关节地可视化。该可视化是交互的，而且能在不将视线从恰好被引导或正在运动的机器人臂ra移开的情况下立即被感知。这允许在关节臂机器人gar与操作者之间的更精确的、更快的、更安全的并且借此更高效的交互。

图3示出了用于阐明对关节臂机器人gar的运动过程的教导的功能图。只要在图3中使用与在前述附图中相同的附图标记，这些附图标记就表示相同的实体，这些实体可以如上所述地被实施或被实现。在图3中，尤其是示意性示出了在图1中示出的机器人臂ra的具有关节g1,...,g4和臂链节l1,...,l3的部分。

关节g1,...,g4分别包括特定于关节的传感器sen1,...或sen4，如上所述，通过这些传感器来分别连续测量相应的关节g1,...或g4的多分量的、特定于关节的状态参数sp1,...或sp4。

为了教导机器人臂ra的运动过程，操作者——如上文已经提及的那样——沿着所希望的运动轨迹手动引导机器人臂ra，同时将在这种情况下连续被测量的并且被传送到教导装置t的状态参数sp1,...,sp4存储在教导装置t的存储器men中。依据以这种方式存储的状态参数sp1,...,sp4，关节臂机器人gar可以任意重复任何被教导的运动过程。为此，所存储的状态参数sp1,...,sp4、尤其是运动学的运动参数由教导装置t按与教导过程相对应的时间顺序传送到相应的关节g1,...或g4。依据所传送的状态参数sp1,...,sp4，相应的关节的伺服马达（未示出）被操控为使得所存储的运动过程被重现。

在教导期间，所测量到的状态参数sp1,...,sp4由相应的传感器sen1,...或sen4附加地传送到相关关节g1,...或g4的相应的评估装置be1,...或be4。相应的评估装置be1,...或be4被设立为：在该教导期间依据相应所测量到的状态参数sp1,...或sp4来操控被分配给相应的关节g1,...或g4的光学信令装置s1,...或s4。

信令装置s1,...,s4可以分别像结合图2所描述的那样来被实现。在图3中，出于清楚原因而没有区分信令装置s1,...,s4的各个信号发生器。

为了操控相应的信令装置s1,...或s4，相应的评估装置be1,...或be4形成特定于关节的控制信号cs1,...或cs4，并且将该控制信号传送到相关的信令装置s1,...或s4。在教导过程期间，像结合图2所描述的那样通过控制信号cs1,...,cs4来操控信令装置s1,...,s4。

以这种方式，可以在教导过程期间连续地且实时地使关节g1,...,g4的当前的运动学和动力学状态以光学方式可视化。尤其是，这样可以向操作者立即显示无法被该操作者直接观察到的约束条件或极限值。以这种方式，在实施运动期间常常已经可以避免不利的姿势、过载情况或损坏。借此，教导过程或者操作者与关节臂机器人gar的其它交互可以在整体上更高效。

为了进一步优化教导过程或者操作者与关节臂机器人gar的其它交互，相应的信令装置s1,...或s4可包括方向指示器（未示出）。通过该方向指示器，根据相应的状态参数sp1,...或sp4可以显示有利的运动方向和/或作用力的方向。尤其可以向进行教导的操作者显示运动的优选方向，该优选方向引起更低的力花费或者引起机器人臂ra的更低的负荷。这种优选方向例如可以通过对机器人臂ra的可能的运动和由于运动而造成的力关系的仿真以及通过应用已知的优化方法来被确定。