专利名称：机器人和对这种机器人上的力矩进行监测的方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，该机器人具有至少两个关节和分别通过至少一个关节相 对于彼此可移动的部分；本发明还涉及一种对机器人的力矩进行监测的方法，该机器人具 有至少两个关节和分别通过至少一个关节相对于彼此可移动的部分。本发明的主题原则上是按照EN ISO 1018-1第3. 18号标准以及EN IS08373第 2. 6号标准的、自动控制且可自由编程的多用途机械手形式的机器人，其可以在三个或多个 轴上编程，并且可以设置在固定的地点，或者可移动地设置，而其使用范围则不受自动化技 术的限制；本发明尤其是一种遵照ENISO 1018-1第3. 15. 5号标准的关节机器人。
背景技术：
迄今为止使机器人安全运行的策略是通过围栏将机器人围住，从而防止人与机器 人之间的接触。为了使用安全的技术限定机器人的可到达范围或工作空间，可以通过机械 式终端开关为机器人轴划分界线。如果机器人转动范围宽广以致于机器人到达这样的界 线，则使机器人停止。努力的方向在于，在更大程度上使机器人相互之间以及与人协作，此时在后一种 情况下，应该使没有防护围栏的人与机器人分享工作空间，以完成例如共同的工作。在这种 应用中，安全起到了决定性的作用。机器人应该对人不构成威胁。一种使机器人安全运行 的可能性是限制机器人的力，或者通常限制机器人的动能。对碰撞进行识别并在此基础上 做出适当的反应也能够使机器人具有较高的安全性。有人已经提出，为可移动的机器人部 件配备外部传感器，或者将可移动的机器人部件包住，尤其是以各种形式利用触觉传感器 和电容式传感器。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种能够与第三方、尤其是能够与人安全协作的机器人。 本发明的另一个目的在于提出一种使机器人安全工作的方法。根据本发明的上述目的通过一种上述类型的机器人得以实现，其中，在至少一个 可移动部件上设置至少一个采集力矩的传感器；将传感器的传感器组件设计为冗余地采集 力矩，或者设置至少两个传感器以冗余地采集力矩；并设置冗余的分析装置以进行冗余的 分析。提出了一种实现上述目的的方法，该方法通过一个传感器的至少两个组件，或通 过两个传感器，对在至少一个可移动部件上的至少一个力矩进行冗余采集以及冗余分析。对测量值的采集可以直接进行，也可以间接进行。按照根据本发明的方法，根据本 发明的装置的冗余设计能够满足根据标准DIN EN 61508或根据标准DIN EN ISO 13849-1 2006的性能水平PLd和Ple的要求SIL2和SIL3。通过将根据本发明的机器人设计为具有至少两个传感器，用以采集两次作为测 量参数的同一个力矩；或者传感器具有至少两个用以采集作为测量参数的同一个力矩的传感器组件，从而实现了下述过程的前提条件，即，首先通过分析单元已经可以监测传感器或 传感器组件的正确功能，其次，能够对通过传感器所测得的测量参数“力矩”的测量值进行 整体的后续处理。因此本发明包括对作为测量参数的力矩的冗余的并且优选是多样性的测量。根据本发明的一种实施方式，为了提高安全性，在此可以考虑特别是使用不同的 传感器，无论是在相同的测量原理下来自不同生产厂家的力矩传感器，还是以不同的测量 原理为基础的传感器，例如光电传感器或者电动机电流监测传感器。在优选的实施方式中， 传感器具有至少一个作为传感器组件的应变片(Dehrumgsmessstreifen)，因为利用应变片 能够以简单的方式采集力矩。本发明优选的扩展方案在此设置为，将传感器组件连接为至少两个测量电桥，其 中，尤其测量板是全桥电路，特别是惠斯通旋转电桥(WheatstoneWende-Brilcke)，和/或至 少有一个测量电桥是半桥电路。一种优选的实施方式的特点在于，通过监测装置监测至少一个传感器上的供给电压。如果使用具有膨胀片的半桥电路形式的传感器，则上述实施方式是非常有意义 的。当供给电压偏离额定值时，可以使机器人预防性地停止。也可以选择根据供给电压换 算力矩传感器的测量值。为了产生多样性，测量电桥的供给电压可以设置得不同。因此，可以设置传感器， 使它的作用相反。两个信号的和保持恒定不变。由此例如可使一个信号对应于正弦函数， 另一个则对应于余弦函数，或者一般地使两者之间存在一个相位差。根据多样性，这些信号 也可以具有不同的频率和/或幅值。在模拟_数字转换之前进行信号滤波。此外本发明还设置温度监测装置，利用该装置可以监测温度是否位于给定的范围 内，并在超出该范围时关闭机器人。在分析力矩传感器时将考虑到当前的温度。本发明思想的一种具体扩展方案的特征在于，利用至少一个比较装置，以比较通 过至少两个传感器组件或传感器采集到的同一力矩的测量值。这样的比较装置优选邻近传 感器地、即直接在传感器近旁地设置在机械手上。除了监测力矩边界值以外，还可以附加或替代地设置，将所测量的值与由相应情 况的模型产生的值进行比较。据此可以实施对传感器错误的可信性识别。另外还可以设置，使机器人驶入参考位置和/或执行参考运动，以及检测在此期 间传感器的功能性。如果发现，利用至少两个传感器组件或传感器采集到的同一力矩的测量值超出了 预先给定的误差范围，为了在传感器链和加工链中对错误识别做出反应，本发明配备有一 种装置，用以关闭机器人或将其引导到安全状态。对测量值的处理通过合适的计算单元进行，在此这种计算单元可以是微处理器 或微控制器，也可以是数字信号处理器或现场可编程门阵列(Feldprogrammierbare Gate Arrays)。因为根据本发明，用于处理测量值的装置通常设计为双通道的，并因此是冗余的， 因此在优选实施方式中，可以多种方式实施上述计算单元，即，计算单元不但可以具有源自 一个生产厂商、同一系列的微处理器或控制器，而且优选例如具有源自不同行业的不同制 造商的微处理器或控制器。
在进行数据传输期间，原则上可以为具有校验代码的数据的传输配备校验数位， 另外，本发明的一种优选的实施方式是，通过至少两个通道将测量值模拟化或数字化地传 输给计算单元。对信号接收输入端的检测可以通过跨接电路测试(Querschlusstests)和/或双 通道检查来实现。最后，根据本发明，对在并行工作的计算单元中运行的软件进行多样性地设计，也 就是至少可以通过不同的编译器对该软件进行编译。一般来说，要为两个计算机创建程序， 并按照四眼原理(Vier-Augen-Prinzip)对该程序进行检查，但优选使用自主开发的程序。 为了安全地实现计算单元的输出，设置信号反馈和测试脉冲。整体的测量值处理是实时进行的。这种处理包括在出现危及到人的情况之前，关 闭机器人或及时采取适当的对策。但是在已经意识到危险情况或错误行为时，可以先关闭 机器人。系统需要时间来识别危险情况并采取适当的反应。危险的持续时间，或在危险中 力矩不可控地起作用的持续时间是固定的，在该时间段内必须关闭机器人或消除危险。例 如，如果存在故障并向机器人输送失控的能量，则机器人可以建立能量，直到采取适当的反 应。因此，这一时间段，直到必须采取适当的反应，取决于向系统提供能量的速度和可接受 能量的最大值。
本发明的其他优点和特征将在所描述的权利要求中给出，并参照附图在本发明的 实施例中进行具体说明。在此图1示出了根据本发明的机器人的示意图；图2a和图2b示出了根据本发明的可用于力矩监测的应变片的俯视图(图2a)和 该应变片在构件上的设置(图2b)；图3示出了另外的具有三个分接点并且集成在半桥电路中的应变片；图4a和图4b示出了具有两个应变片的半桥电路形式的传感器(图4a)和在构件 上的设置(图4b)；图5示出了全桥电路的传感器；图6示出了根据本发明设置的力矩监测的方块图；图7示出了图6中的发射单元的详细方块图，用于生成安全协议以传输测量数 据；图8示出了用于根据本发明的力矩监测方法的流程图；图9a和图9b示出了位于两个环之间的换向片(Stegen)上应变片设置的示意图， 其中一个参照另一个，在图9a中没有力矩，在图9b中有力矩；图IOa和图IOb示出了用于连接图9a和图9b的应变片的全测量电桥电路；图11示出了用于确定图IOa和图IOb的测量电桥的电桥连接，以便在没有力矩的 情况下实现不同的横向电压(Querspannungen)。
具体实施例方式图1中示出的根据本发明的关节机器人形式的机器人具有自动控制的、可自由
6编程的多用途机械手1，该多用途机械手可沿三个或多个轴编程；以及附图标记为11的控 制装置，如果需要还可包括手持式编程设备以及通讯接口(根据EN ISO 10218-1第3. 18 号以及EN ISO 8373第2.6号)，其中，机器人的使用不受自动化技术的限制。机器人，确切地说是自动控制且可自由编程的多用途机械手1，具有用以支承旋转 体(Karussell)的固定基座或固定底座2，旋转体是可围绕虚拟轴线Al转动的。机器人臂 具有翼(Schwinge)或上臂4，上臂4围绕水平轴线A2可摆动地铰接在旋转体3上。上臂4 同样也是围绕水平轴线A3可摆动的并支承前臂5。在前臂5上固定有机器人手6，机器人 手6设计为三部分的，其中每个部分都可围绕轴A4、A5或A6转动。这些轴线优选相交于轴 线A5上的所谓的腕关节点(Handgelenkspimkt)。手部7的自由端(可围绕轴线A6转动) 配备有工具8。手部6的部分通过三个电动机9运动。其他的机器人部件3、4、5围绕轴A1、A2或 A3的运动则通过未示出的驱动电动机经传动装置进行。该传动装置具有力矩传感器，例如， 与例如专利文献EP 1291616A2相符的光学力矩传感器、或在形式上相符的或具有应变片 的力矩传感器。在优选示出的实施方式中，基本上在此出现的每个力矩都被采集两次或是利用 传感器的两个组件，如两个(如果需要与其他电阻一起)构成传感器的应变片；或是利用两 个采集同一力矩的传感器，在此优选使用不同的传感器，也可使用基于不同测量理论工作 的传感器，例如一个是在应变片基础上工作的传感器，另一个是光学传感器，从而可以多元 化地采集相应的力矩。图2a和图2b示例性描述了应变片21，其中，在电绝缘支承体23的 上面和电绝缘覆盖物24的下面设置优选使用相同材料制成的、曲折形的测量电阻22，例如 使用厚膜技术压在支承体上或诸如此类的方法。测量电阻22具有电气接线端25，通过电气接线端25可以为测量电阻22提供电压 并可量取各降落在测量电阻22上的测量电压。通过机械变形可以改变电阻并因此改变测 量电阻22上的电压降，由此可以推断出导致变形的原因，在本实施例中为起作用的力矩。图3的应变片21是两个曲折形的，其中，位于这两个曲折形范围22. 1和22. 2之 间的是具有附加电气接线端25. 1的中心抽头。整个测量电阻或应变片22在半桥电路图中 与恒定的欧姆电阻26串联，电压可以在整个电阻上，从而在两个接线端25上，或者也可以 在一个接线端25和中心抽头25. 1之间量取。图4a和图4b示出了与两个例如图2a和图2b所示的应变片串联的半桥电路。在 图4b中则示出了如何将这种构成半桥电路的应变片22以能够补充应变片作用的方式安装 在构件的两侧。最后图5示出了一种具有全桥电路形式的传感器，其中，将所示出的四个电阻中 的至少一个设置为应变片，优选设置多个，而其他电阻中的至少一个为固定欧姆电阻26。在图6中，除了两个具有应变片22的全桥电路形式的传感器之外，还示出了根据 本发明的机器人的控制部分，该控制部分一般涉及到力矩监测。在图6中所示出的传感器31设置在传动装置上，从而能够采集所发生的相同的力 矩。每个传感器都在发射单元S内与两个具有微控制器的集成电路(IC)形式的计算单元 Si、S2连接。在发射单元S内对所测得的力矩值进行第一次检查，如图7所示。为了提高安全性，将集成电路(IC)S1、S2设计成彼此不同的，也就是说，使它们具有例如不同类型的微控制器，即，无论微控制器来自相同的还是不同的生产厂家，甚至可以 不是同一系列的同一类型。因此，降低了两个计算单元在相同条件下、在计算装置中犯下由 结构所引起的相同的计算错误的可能，从而降低了危险。将所接收的输入信号Ela和Elb导入两个IC Sl和S2，首先对这两个信号做如下比 较它们是否相等，或至少代表相等的力矩测量值。如果是，则这两个IC Sl和S2利用代表 力矩测量值的输入信号生成安全的通讯协议，并为该通讯协议准备好校验和(Prilfsumme)。随后两个IC Sl和S2将两个协议相互比较。如果在此还一致的话，则至少一个IC 通过发射接口 41将协议传输到控制单元11 (图6)的接收单元上。由校验识别码或校验和 来确保传输的安全性。在图6中各个示出的微控制器还可以组合在或集成在一个单元中。在上述无论是关于输入测量信号，还是关于所生成协议的验证步骤中，如果出现 差异，那么错误处理程序通过传输错误消息启动并特别是停止发送协议，其中，在所描述的 实施例中本身不进行传输的IC Sl可以阻止另一个IC S2发送协议。协议被传输到接收单 元E。接收单元E的直接接受协议的IC E2将协议同样交付给接收单元E的另一个IC E2。 两个IC El和E2根据一起传送的校验识别码来验证协议的完整性，并将协议中所包含的力 矩测量值提供给分析单元AE，分析单元AE具有两个子分析单元AEl和AE2。这些子分析单 元对获得的测量结果进行分析，彼此交换测量结果并对分析进行相互比较。分析单元分别 向可以基本相同的方式构成的、进行验证和比较的发射单元S'的处理器Sl'和S2'给出 控制信号，如图7所示。控制命令以具有校验识别码的协议的形式被传送给配属于制动器 51和驱动装置52并具有IC El'和E2'的接收单元E'，IC El'和E2'同样再次对所接 到的信号进行比较并传送给制动器51和驱动装置52。总体来看，在单独的单元中所做的比较具有较高的一致性，所以能够完成机器人 的正常驱动。如果产生差异，则关闭机器人以避免伤害。在图8中再次描述了根据本发明的流程。在步骤A中，以所述的双通道的方式，优选以多样的方式，特别是利用不同的测量 原理和不同的测量电路采集力矩。在步骤B中，同样利用双通道分析，优选多样化的分析， 在如所说的相同构件的不同的组件(处理器)中进行与安全相关的控制，所述构件源自于 同一制造厂商的不同系列或不同的制造厂商。如果发现错误，则在步骤C中关闭机器人。如果对所测得的力矩值的处理是正确的，但是这种处理会收到过大或过小的值， 这意味着碰撞，因此在步骤B中采用适当的反应策略，该策略可以是关闭整个机器人、停止 单独的轴、使机器人后退或灵活地接通轴。图9a示出了两个环61、62，只要没有力矩起作用，这两个环就径向对准，并且在环 上沿运动方向在换向片63的前侧面和后侧面上彼此相对地安装应变片D1、D2、D3、D4、D5、 D6、D7和D8。在图9a的描述中没有力矩起作用。在图9b的描述中，外环61被驱动，并通 过换向片63带动内环62，从而使力矩起作用。在图IOa和图IOb中，描述了一方面连接应变片D1、D2、D5、D6、另一方面连接应变 片D3、D4、D7、D8的全桥电路，在这些电路上加有电压Ua或UB，这两个电压一方面被称为施 加的电压并因此也被称为分析单元，另一方面则产生了不同的选择，其中，以下假定Ub的绝 对值大于Ua的绝对值。UA2/UA-UB4/UB =(1)
UA5/UA-UB7/UB = ±E2 (2)其中，UB7> Ua5 且 Ub4 > Ua2，然后得出Ua52 = Ua5-Ua2(3)Ua52-Ub74 = 士 E3(4)在此，不比较电压，而是比较对应于电压的力矩。如果电桥电路平衡且没有力矩作用，则Ua52 = 0且Ub74 = 0。在这种情况下可以不
监测Ua52和Ub74。这种情况可以进行补救，并且能够进行检测，其中，需要将至少一个电桥电路失 谐，从而使Ua52和Ub74在最大力矩时不能两个都为0。为了这种调谐，在替代图IOa的图11中 设置与应变片D2或D5串联的附加固定电阻R1、R2，并在它们的连接之间设置电位计R3(平 行于Ua52)，由此可以进行失谐(Verstimmung)。另外，还可以在预应力机械装置中使用应变片，换句话说，在最大正力矩时使用应 变片Dl、D2、D5、D6，在最大负力矩时使用应变片D3、D4、D7、D8。因此，当没有力矩作用时，
Ua52和Ub74不等于0。这种测量尤其可以这样进行，即，使得外加电压脉冲化并在跨接电路上进行检测。附图标记列表1多用途机械手2固定基座3旋转体4 上臂5 下臂6机器人手7 手部8 工具9电动机11控制单元21应变片22测量电阻23支承体24覆盖物25电气连接端26 电阻31传感器41发射接口51制动器52驱动装置61，62 环63换向片Al 到A6 车由
AE1，AE2分析单元
D1-D8应变片
E接收单元
E1，E2集成电路(IC)
El'，E2'控制器
Ela, Elb输入信号
R1, R2固定电阻
R3电位计
S发射单元
Si，S2集成电路(IC)
Si' , S2'处理器
说明书7/7页
10
权利要求
一种机器人，具有至少两个关节和分别通过至少一个关节相对于彼此可移动的部件，其特征在于，在至少一个可移动部件(3，4，5′，6，7)上设置至少一个用于采集力矩的传感器(31)，该传感器(31)的传感器组件(21′，22.1，22.2)设计用于冗余地采集力矩，或者为冗余地采集力矩设置至少两个传感器(31)；以及，设置冗余的分析装置以冗余地进行分析。
2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述传感器组件(21'，22.1,22. 2)或传 感器(31)被设计为不同的。
3.如权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，传感器(31)具有至少一个作为传感 器组件(21'，22. 1,22. 2)的应变片(22)。
4.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，将传感器组件(21'，22.1， 22. 2)连接成至少两个测量电桥。
5.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，通过监测装置监测至少一个传 感器(31)上的供给电压。
6.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，通过至少一个比较装置来比较 利用至少两个传感器组件(21'，22. 1,22. 2)或传感器(31)采集的同一力矩的测量值。
7.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，具有用于当发现利用至少两个 传感器组件(21'，22. 1,22. 2)或传感器(31)采集到的同一力矩的测量值超出了预先给定 的误差范围时，关闭该机器人或将其引导到安全状态的装置。
8.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，通过监测装置监测力矩临界值。
9.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，具有用于将测得的力矩值与由 用于相应情况的模型所产生的值进行比较的装置。
10.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，具有参考装置，用于使该机器 人驶入参考位置和/或执行参考运动，以及检测在此期间传感器(31)的功能性。
11.如前面任一项权利要求所述的机器人，其特征在于，具有微处理器、微控制器 (MC)、数字信号处理器(DSP)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。
12.—种监测机器人的力矩的方法，所述机器人具有至少两个关节和分别通过至少一 个关节相对于彼此可移动的部件(3，4，5'，6，7)，其特征在于，通过传感器(31)的至少两 个传感器组件，或通过两个传感器(31)冗余地采集至少一个可移动部件(3，4，5'，6，7)上 的至少一个力矩并冗余地进行分析。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过不同设计的传感器组件(21',22.1, 22. 2)或传感器(31)不同地地采集力矩。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过至少一个作为传感器组件 (21'，22. 1，22. 2)的应变片来采集力矩。
15.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，通过连接在至少两个测量 电桥中的传感器组件(2Γ，22. 1,22. 2)采集力矩，其中，所述测量电桥中的至少一个是半 桥电路和/或全桥电路。
16.如权利要求12到15中任一项所述的方法，其特征在于，对至少一个传感器(31)的 供给电压进行监测。
17.如权利要求12到16中任一项所述的方法，其特征在于，对通过至少两个传感器组件(21'，22. 1,22. 2)或传感器(31)采集的同一力矩的测量值相互进行比较。
18.如权利要求12到17中任一项所述的方法，其特征在于，当利用至少两个传感器组 件(21'，22. 1,22. 2)或传感器(31)采集到的相同的测量参数“力矩”超出了预先给定的 误差范围时，关闭所述机器人。
19.如权利要求12到18中任一项所述的方法，其特征在于，监测力矩边界值。
20.如权利要求12到19中任一项所述的方法，其特征在于，将测得的力矩值与由用于 相应情况的模型所产生的值进行比较。
21.如权利要求12到20中任一项所述的方法，其特征在于，使所述机器人驶入参考位 置和/或执行参考运动，以及检测在此期间传感器(31)的功能性。
22.如权利要求12到21中任一项所述的方法，其特征在于，通过计算单元对所获得 的测量值的进行处理，所述计算单元的形式是微处理器、微控制器(MC)、数字信号处理器 (DSP)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。
23.如权利要求12到22中任一项所述的方法，其特征在于，通过至少两个通道将测量 值模拟地或数字地传输给所述计算单元。
24.如权利要求12到23中任一项所述的方法，其特征在于，通过安全通讯协议发送在 信号采集和分析之间的值。
全文摘要
为了增加可能与其他机器人、物体或人接触的机器人的安全性，本发明在这种机器人中设置至少两个关节和分别通过至少一个关节相对于彼此可移动的部件，在至少一个可移动部件(3，4，5′，6，7)上设置至少一个采集力矩的传感器(31)，将所述传感器(31)的传感器组件(21′，22.1，22.2)设计为冗余地采集力矩，或者设置至少两个传感器(31)以冗余地采集力矩，并设置冗余的分析装置以进行冗余分析。为了提高安全性，本发明还提出了一种对机器人的力矩进行监测的方法，其中，通过传感器(31)的至少两个传感器组件，或通过两个传感器(31)，对在至少一个可移动部件(3，4，5′，6，7)上的至少一个力矩进行冗余采集以及冗余分析。
文档编号B25J13/08GK101909830SQ200880123303
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月28日
发明者乌韦·齐默尔曼, 京特·施赖伯, 拉尔夫·克佩, 欧根·海因策, 约翰内斯·库尔特, 赖纳·比朔夫 申请人:库卡罗伯特有限公司