监测机器人传感器的一致性的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求在2012年8月28日提交的美国临时申请No. 61/693, 981的优先权， 其所有内容通过参引并入本申请。
技术领域
[0003] 本发明涉及机器人操作的安全，特别地涉及在传感器失效状态下的机器人操作的 安全。
【背景技术】
[0004] 工业机器人通常具有移动大型和重型物体的强有力的致动器，该致动器在传感器 测量值（例如来自编码器、位置传感器、扭矩传感器等）的反馈下进行控制。如果传感器失 效，这机器人失去控制，其会导致机器人的快速且危险的运动。相应地，检测任何传感器失 效以启动适当的失效保障程序、并且如果需要启动机器人停机是重要的。
[0005] 传感器会以多种不同方式失效，其中一些（例如超出传感器值的范围）相对容易 检测，然而另一些（例如传感器值似乎合理的却是错误的）难以发现。目前为止，采用两种 主要的方法检测潜在的传感器错误：针对难以置信的传感器值（其通常是错误的）进行监 测，和冗余感测。第一种方法使用针对传感器状态的监测系统，其识别某些失效状况，例如 传感器值超出期望范围、在物理上不可能或基本不太可能的传感器值的变化率，或者传感 器数据的丢失或损坏。如果观测到任何这些状况，系统启动安全保障程序。该方法固有地 受限于其仅对有限数量的具体失效模式进行保护；如果这些模式不涵盖所有可能的失效状 况（实际上很难做到），则这些类型的传感器失效会不被注意到。例如，针对超出范围值的 检测无助于识别在范围内（因此似乎合理）但是错误的传感器值。
[0006] 在第二方法中，传感器及其相应的处理电路是重复的；通常对每个测量量提供两 个或更多个传感器。多个传感器的输出彼此相互比较，如果其不符合一定的允许偏差，则发 出传感器失效旗标。该旗标能够用来启动失效保障程序。传感器重复不一定具有两个或更 多个测量相同物理量的相同的传感器，而是可以包括多个不同的传感器通过不同方式测量 相同量的配置。尽管不针对特定的传感器失效模式，冗余感测方法也具有各种限制。第一， 其由于重复传感器和相关的处理硬件和软件从而增加系统的成本和复杂性。第二，由于各 种现实原因，例如物理设计约束或缺少空间，可能无法或不便增加冗余传感器。第三，确保 冗余传感器的真实独立性实际上可能是困难的，即，一些失效状况可能以同样的方式影响 冗余传感器，因此模糊了不正确的读数。冗余传感器可能受到相同错误的影响，不是因为其 都有故障，而是因为所测量的量的表现都受连累。例如，冗余的并行位置传感器可能均测量 到弹簧的偏转以确定弹簧的压缩力。如果弹簧的材料属性改变，例如由于过度的屈服或硬 化，所有传感器会给出相同的但是错误的力的测量值。
[0007] 相应地，需要检测传感器失效的替代方法，其具有较少的误报（传感器读数实际 上正确而被检测为失效）和漏报（传感器失效没有被检测到），并且避免或降低与传感器冗 余相关的成本。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明的任务是提供基于一个或多个约束针对相互一致性监测与不同的测 量量相对应的机器人传感器读数的系统和方法。约束通过正被监测的物理系统的模型（或 模型组）表示，并且每个约束体现两个或更多个物理量之间的关系，这些物理量的测量值 必须相应地符合这些约束。该方法避免了对传感器冗余的需要，消除了与相同量的多个相 互依赖的传感器读数相关的漏报，并且有助于基于与其它传感器读数的不一致性检测不正 确的传感器读数，无论其各自是否显得合理。另外，其能够检测所监测的系统本身有关的问 题，尽管传感器正常工作，这种问题仍可能造成约束违规。
[0009] 在各实施方式中，约束从要被监测的系统（例如机器人、其附器、诸如多接头链节 或臂、或附器的单个接头）的物理模型得出。系统行为可以利用通常包括表征各系统部件 的内在物理特性的模型参数的数学方程（例如代数方程或微分方程）解析建模。替代地， 系统行为可以例如基于通过实验确定的、由传感器监测的物理量之间的定量关系而数值地 表达。在一些实施方式中，函数模型通过将数学函数与数值数据相配合从而由这些实验确 定的关系得出。在其它实施方式中，来自多个传感器的数值数据仅用来基于实验区分系统 的正常状态与故障状态（例如使用传统的机器学习算法），而没有系统部件或其相互作用 的基础模型。
[0010] 为监测复杂系统（例如机器人整体），通常使用多个约束。在另一方面，在一些实 施方式中，更简单的系统或子系统可以允许在单独的约束内获得所有要被监测的物理量。 在各实施方式中，复杂系统利用取自系统行为的根本不同方面（例如系统部件之间的电 的、机械的、机电的、和/或热的关系）的多个约束进行建模。例如，在一实施方式中，对机器 人接头进行操作的串联弹性致动器利用以下约束进行建模，即，与致动器的马达和串联弹 簧相关的运动学约束、与马达产生的扭矩和负载（例如由接头支承的机器人部件）的位置 相关的扭矩生成约束、与进入马达的电流和由马达产生的角速度相关的电压-速度约束、 与马达的温度和传递至马达的功率相关的热反应约束、与负载的角位置和施加至负载的扭 矩相关的负载-动力学约束或上述约束的其中两个或更多个的任意组合。
[0011] 在机器人操作期间，当约束超出相关的指定阀值而违规时，则证实传感器的不一 致性，表示约束中的至少一个传感器读数是错误的或者被监测的系统（或子系统）本身出 现故障。物理模型的逼真度和准确度越高，能够设定的违规阀值通常越严格。另外，阀值可 以改变以在敏感度范围内将错误检测调整至期望的敏感度，例如，从只检测严重错误（或 只对其起作用）改变到检测更细微的不一致性。一旦已经检测到传感器不一致性，则机器 人启动适当的失效保障程序。在一些实施方式中，自动地启动安全停机。在另一些实施方 式中，机器人操作仅暂时的停止，并且当所有约束再次符合要求时重新开始。在一些实施方 式中，使用自校准程序对传感器进行重新校准，并且之后重新开始机器人的工作。在一些实 施方式中，机器人工作根本不中断，而是向用户发出警告；如果约束违规不是关键的（例如 不具有严重的安全隐患），则该响应是合适的。
[0012] 在一方面，本发明涉及一种监测机器人的方法，所述机器人包括串联弹性致动器 (具有马达、齿轮箱和连接至负载的串联弹簧），和针对传感器失效与所述致动器相关的多 个传感器；所述传感器通过测量多个各自的物理量监测所述机器人的状态或动作（例如利 用不同的传感器测量不同的物理量）。所述方法包括：建立使所述多个传感器的读数彼此 相关的至少一个约束（例如相互独立的约束），并且针对所述约束的违规监测传感器的读 数。在不同的实施方式中，约束包括：与马达和串联弹簧相关的运动学约束、与马达产生的 扭矩和负载的位置相关的扭矩生成约束、与进入马达的电流和由马达产生的角速度相关的 电压-速度约束、与马达的温度和传递至马达的功率相关的热反应约束、与负载的角位置 和施加至负载的扭矩相关的负载-动力学约束或上述约束的任意组合；一些实施方式使用 运动学约束、扭矩生成约束、以及电压-速度约束。建立约束可以包括对机器人的至少一子 系统进行建模。约束可以是或者包括测量的物理量中的一些物理量或所有物理量之间的一 个或更多个解析关系（例如代数方程、微分方程或积分方程）或测量的物理量中的一些物 理量或所有物理量之间的一个或更多个数值（例如通过实验建立的）关系。
[0013] 针对约束的违规监测传感器读数可以包括：针对每一个约束设定违规阀值，基于 传感器读数计算与约束相关的至少一个值（或多个值），过滤至少一个值（例如通过计算时 间平均值），将过滤的值与各自的违规阀值进行比较；当针对任何约束有超过所述违规阀 值时，声明这约束违规。违规阀值可以至少部分基于所期望的对错误的敏感度设定和/或 基于所述模型的逼真度设定。在任何约束违规的情况下可以启动安全停机程序。替代地， 机器人工作可以（暂时地）停止，多个传感器可以被重新校准，并且/或者向机器人的用户 警告违规。
[0014] 在另一方面，本发明涉及一种机器人，其包括：串联弹性致动器（其具有马达、齿 轮箱和连接至负载的串联弹簧），测量与所述串联弹性致动器相关的多个各自的物理量 (不同传感器通常测量不同的物理量）从而监测所述机器人的状态或动作的多个传感器， 及其针对传感器失效监测所述机器人的计算装置。所述计算装置针对一个或更多个约束 (例如彼此相互独立的多个约束）的违规来监测所述多个传感器的读数，所述一个或更多 个约束使所述多个传感器的读数彼此相关；约束包括：与所述马达和所述串联弹簧相关的 运动学约束、与所述马达产生的扭矩和所述负载的位置相关的扭矩生成约束、与进入所述 马达的电流和由所述马达产生的角速度相关的电压-速度约束、与所述马达的温度