对冗余的工业机器人的运动过程的编程方法和工业机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过手动引导地调整工业机器人的操纵器臂的姿势，对冗余的工 业机器人的运动过程进行编程的方法，操纵器臂具有多个彼此相接的节肢，这些节肢通过 可调整的并包括至少一个冗余关节的关节相连接，这些关节可以通过工业机器人的至少一 个机器人控制器被可控地调整。本发明还涉及一种对应的工业机器人。
【背景技术】
[0002] 专利文献DE 102011106321 Al提出了一种用于控制特别是与人协作的机器人的 方法，在该方法中取消了特定于机器人或特定于任务的对机器人的冗余。在该专利文献中， 特别是将能够在物理上与人交互的机器人称为与人协作的机器人，例如，在机器人的工作 空间中为人员设置驻留地点。在这样的机器人应用中，特别希望能够减轻机器人的接触点 与其周围环境、尤其是人员发生碰撞所造成的后果。为此，目前例如IS0-10218预先设定边 界值，例如工具参考点、即所谓的工具中心点（TCP)的最大速度为0. 2m/s至0. 25m/s。这种 与人协作的机器人可以在市场上买到，并且也被称为轻型机器人。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于：通过手动引导地调整工业机器人的操纵器臂的姿势，更好地、 尤其是更简单地对冗余的工业机器人的运动过程进行编程。
[0004] 本发明的目的利用一种通过手动引导地调整工业机器人的操纵器臂的姿势，对冗 余的工业机器人的运动过程进行编程的方法来实现，该工业机器人具有多个彼此相接的节 肢，这些节肢通过可调整的并包括至少一个冗余关节的关节相连接，这些关节通过工业机 器人的至少一个机器人控制器被可控地调整，该方法包括以下步骤：
[0005] 通过手动引导将操纵器臂的与工具参考点相对应的节肢的姿势从空间中的第一 位置和第一方向调整至空间中的第二位置和/或第二方向，
[0006] 在取消（Aufldsung)冗余的情况下，通过确定至少一个冗余关节的优化的关节 位置值，由操纵器臂的工具参考点的第二位置和第二方向，回溯计算出操纵器臂的所有关 节的关节位置值，
[0007] 在手动引导调整期间，根据回溯计算得到的优化的关节位置值，通过机器人控制 器可控地自动调整操纵器臂的所有关节。
[0008] 在此将冗余的工业机器人理解为能够借助于机器人控制器运动的操纵器臂，与完 成任务所需相比，其具有更多的操纵器自由度。冗余度由操纵器臂的自由度的数量和完成 任务所在的事件空间的维数的差来决定。在此可能会涉及到运动学冗余或任务特定的冗 余。在运动学冗余中，运动学自由度的数量（通常为操纵器臂的关节的数量）要大于事件 空间，该事件空间是在真实的环境中根据在空间中的运动由三个平移自由度和三个旋转自 由度构成，即由六个自由度构成。例如，冗余的工业机器人可以是具有七个关节、特别是七 个转动关节的轻型机器人。相反在任务特定的冗余中，所设置任务的维数要小于操纵器臂 的运动学自由度的数量。
[0009] 具有对应的机器人控制器的操纵器臂、特别是工业机器人是一种工作机器，其装 备有工具，以能够自动地处理和/或加工对象，并对多个运动轴例如关于方向、位置和工作 流程是可编程的。工业机器人通常包括具有多个通过关节相连接的节肢的操纵器臂和在 运行期间自动控制或调节操纵器臂的运动过程的可编程的机器人控制器（控制装置）。通 过受机器人控制器控制的驱动器、特别是电驱动器使节肢尤其是关于工业机器人的运动轴 (其代表了关节的运动自由度）运动。
[0010] 具有多个通过关节连接的节肢的操纵器臂可以被配置为具有多个依次串行设置 的节肢和关节的曲臂机器人，特别是这种冗余的工业机器人可以具有包括七个或更多关节 的操纵器臂。
[0011] 如同工业机器人一样，具有对应的机器人控制器的操纵器臂还可以是所谓的轻型 机器人，其与传统的工业机器人的不同之处首先在于：这种轻型机器人具有有利于人机协 作的结构尺寸，并因此具有与其自重相比相对较高的运载能力。此外，轻型机器人特别是可 以力调节来替代位置调节地运行，这例如能够简化对操纵器臂姿势的手动调整。此外，还可 以由此实现安全的人机协作，因为可以避免或至少减轻例如操纵器臂与人的意外碰撞，从 而不会对人造成伤害。这种操纵器臂或这样的轻型机器人通常具有六个以上的自由度，因 此需要设置超定系统（uberbestimmtes System)，由此在空间中处于相同方向的相同的点 可以通过操纵器臂的多种、甚至是无限多的不同的姿势到达。轻型机器人可以针对外部的 力作用以适当的方式作出反应。可以使用能够在全部三个空间方向上测量力和转矩的力传 感器来测量力。替代地或附加地，还可以在没有传感器的情况下，例如根据所测得的位于轻 型机器人关节上的驱动器的电机电流来估计外部的力。就调节概念而言，例如可以采用将 轻型机器人作为机械阻力（阻抗）来建模的间接的力调节，或者可以采用直接的力调节。
[0012] 操纵器臂的姿势通常是指操纵器臂的关节的所有关节位置的总和，这些关节使操 纵器臂的各个节肢可调整地相连接。从狭义上讲，在定义明确的系统中，还可以例如将姿势 理解为操纵器臂的参考点（例如工具参考点（TCP))的位置和方向。工具参考点例如可以 由操纵器臂的位于手部法兰上的适当的点构成，在该手部法兰上固定有夹持器、工具或其 他装置，以便能够通过调整操纵器臂的姿势使夹持器、工具或其他装置在空间中运动。一般 情况下，工具参考点也可以是位于操纵器臂之外的虚拟的空间点，但是，该空间点在几何 上刚性地与操纵器臂的一节肢、尤其是操纵器臂的手部法兰相连接。
[0013] 手动引导地调整操纵器臂的姿势通常是指：工业机器人的操作人员在操纵器臂的 一个或多个关节上触碰操纵器臂，并例如通过按压、牵拉和/或转动所抓住的一个或多个 节肢来改变，即调整操纵器臂的姿势，从而改变操纵器臂的当前的关节位置。在基础的实 施例中，在操纵器臂的运动链中的最后一个节肢上，即在操纵器臂的手部法兰上例如固定 有手柄，或者配有、特别是刚性地固定有至少一个手柄部分，通过该手柄部分可以将引导力 输送到操纵器臂的机械结构中。引导力还可以通过直接触碰、尤其是握抱位于操纵器臂的 运动链最后的节肢被输送到操纵器臂的机械结构中。这种由工业机器人的操作人员施加 在操纵器臂上的引导力可以例如通过专门为此设计和配备的传感器、特别是力传感器直接 测量，或者是由操纵器臂的业已存在的关节传感器、尤其是力传感器/力矩传感器的测量 值间接地计算得到，或者间接地根据工业机器人的关节的驱动器的电机电流来确定。替代 地在另一种实施方式中，对操纵器臂的手动调节可以在适当的情况下根据流程通过操作装 置、特别是按钮或操纵杆来代替手动的引导来完成。
[0014] 例如，七轴的轻型机器人具有运动学冗余的结构，这种结构通过机器人的七个自 由度来覆盖六个可能的空间中的运动方向。由此，使得工具参考点（例如末端执行器的 TCP)的姿势通常能够驶向无限多的机器人位置。另一种被广泛使用的取消这种冗余的方法 是设定冗余回路，并通过例如肘关节的不同位置对该冗余回路进行描述。在此，肘关节在运 动期间的理想位置不是已知的，因为该位置从一应用场合到另一应用场合有不同的选择。 对此存在各种不同的方式来区分良好的可调节性、关于奇点（Singularity;)和关节角限制 的较大运动区域或驱动器的较小负载的优先顺序。
[0015] 除了较高的可运动性之外，轻型机器人的主要优势还在于其集成式的力传感装 置，其能够非常简单地实现对机器人的手动示教（Hand-Teachen)，S卩，为了实现编程而手动 地引导机器人。由于冗余的原因，在此不仅可以手动引导工具参考点的姿势，而且还可以手 动设定肘关节的位置。特别可以将关节角度的组合，即节肢固定的坐标系统在空间或平面 中的姿势（位置和方向）看作是肘关节的位置。在机器人程序自动开始时，机器人使已编 程、即已示教的姿势也进入到已保存的位置。
[0016] 这种做法操作非常方便，并且能够产生良好的、可预见的机器人运动。然而用户通 过其对位置的具体设定不仅可以限定工具参考点的姿势，而且还可以始终地限定机器人的 能力。这种能力通过所谓的动/静态特性（kinetostatischen Eigenschaften)来表述，即， 例如从笛卡尔空间向轴空间以及从轴空间向笛卡尔空间的力转换和速度转换，机器人实现 特定的TCP姿势的精度和刚性（Steifigkeit)，这种工作效率不仅在机器人的工作空间中 分布得非常不均匀，而且还将关于冗余参数（例如肘关节位置）发生变化。机器人在某种 姿势和位置上的特性是非常难以预测的，而且预测需要很高的专业知识。因此，没有经验的 使用者虽然能够对机器人进行非常简单的编程，但是也会使机器人不知不觉地迅速得到较 差的特性。在很多使用场合中，这些特性仍然是足够的并且处于容许范围之内。但是，如果 机器人需要在例如关