专利名称：用于控制机械手的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制机械手、特别是机器人的方法和装置，以及一种用于根据本发明使用的机械手的保持工具。
背景技术：
此外，工业机器人应该用于装配零件。在此，特别地，应与由机器人所持的工件装配在一起的被送到指定地点的工件的位置公差使得自动化变得困难。除了结构的灵活性，例如灵活的机器人或灵活的末端执行器连接，例如通过所谓的顺应性远程中心(RCC)，在研究中已经提出这种所谓的螺栓孔问题的若干理论方法，例如通过额外的力传感器来检测接触力，并且基于该接触力来确定正确的装配轨迹。然而由于各种问题，这些方法至今几乎没有在实践中实施。
发明内容
本发明的任务是，改善对机械手的控制。该任务将通过具有权利要求1、6或8的特征的方法来解决。权利要求10、11保护一种装置，权利要求12保护一种计算机程序产品，特别是用于执行根据本发明的方法的存储介质或数据载体。从属权利要求涉及有利的改进方案。提供根据本发明的方法或装置特别用于单轴或多轴、例如六轴或冗余机器人，例如工业机器人或轻型机器人，例如申请人的轻型机器人“LBR”。在此，控制也可以理解为调节，即基于预定的参考值和获取的额定值的预定控制值。根据本发明的第一方面，基于实际的驱动力和机械手动态模型的驱动力来测量接触力。在此为了实现更紧凑的图示，将力矩(即不平行的力偶)概括地表示为力，因此将接触力的测量理解为在一个或多个方向上、特别是在笛卡尔空间方向或关节轴线上测量力分量和/或力矩分量，且同样地将例如电动机的驱动力矩表示为驱动力。可以例如直接地、例如借助于在机械手的轴或驱动装置上的力传感器来测量实际驱动力，和/或间接地、例如基于驱动装置的输入功率或输出功率来测量实际驱动力。通常，动态模型描述了运动学值、特别是关节坐标q,-速度dq/dt和-加速度d2q/dt2，和力、特别是驱动力、重力和摩擦力之间的关系，例如以如下带有质量矩阵M和广义力h的形式Md2q/dt2+h (q, dq/dt) = x Modell如果运动学值以及重力和摩擦力是已知的，除了模型误差和测量误差之外，模型的驱动力T Modell和实际驱动力T之间的差由在模型中不会引发预先设定接触力，因此该接触力可基于实际测量的和模型驱动力之间的差来获得Fkontakt=F ( T Modell- T )、
基于实际驱动力和动态模型驱动力，对机械手和工件之间的接触力的测量节约了额外的力传感器，且以有利的方式在顺应控制中实现以下描述的测量、装配检测和/或转换。根据本发明第一方面的一个角度，特别地为了测量或装配工件，凭借刚性控制的机械手来起动一个或多个姿势。将刚性控制特别地理解为位置控制，例如参考点(例如TCP)的笛卡尔位置的或在机械手关节坐标中的比例、微分和/或积分控制。在此，连续地或在离散时间点中测量一个或多个接触力，该接触力在与驶来的工件接触时作用在机械手上。如果测量的接触力超过特别是可以为0的预定值，必要时考虑相应的公差，则根据本发明转换到顺应控制。优选地，这样的转换在发生接触后的最多毫3秒内进行，优选在最多I. 5毫秒内。可例如由此实现顺应控制或转换成顺应控制，即减小P-控制或PD-控制的调节系数，和/或取消PID-控制的整数部分，因此机械手即使在额定姿势和实际姿势之间的调节偏差或循迹误差较大时也不会带来高驱动力。额外地或可替换地，驱动力也可局限于优选较低的最大值，因此即使在循迹误差更大时也不会产生高驱动力。在优选的实施方式中，顺应控制实施为所谓的阻抗控制、特别为以力为基础的阻抗控制。通常，当前特别将每个控制都表示为与刚性控制相反的顺应控制，在刚性控制中机械手的驱动力是这样产生的，即在与工件接触时既不损伤该工件又不损伤机械手，即使预定的额定姿势需要机械手进一步贯穿到工件中。在优选的实施方式中，在顺应控制下装配工件，和/或基于测量的接触力在多级的方法中测量其位置。以这种方式，尤其结合惯性较小的轻型机器人可有利地减小周期，因为从现在起可在刚性控制下快速、精确地起动测量基础姿势或装配基础姿势，而不会存在在测量或装配中损伤工件或机械手的危险，因为在接触时立刻转换到顺应控制。根据本发明第一方面的另一角度，在顺应控制下装配工件，且基于测量的接触力来监测工件的装配状态。通过监测接触力，例如基于显著的上升或下降，能够例如识别出在弹性或塑性变形下装配的工件的咬合，且因此识别出正确的装配流程。例如在装配时在弹性变形下首先增大特别是与装配方向相反的接触力。当工件松弛时，例如在越过凸缘之后，该接触力显著下降。同样地，例如从将已装配的螺丝作为根据第一方面测量的接触力施加到机械手上的力矩中，来检查并确定螺丝的张力状态，螺钉是否拧紧、其头部是否拧转或螺钉是否基于安装而在螺纹中过松。额外地或可替换地，可基于机械手的在顺应控制下达到的末端姿势来监测工件的装配状态。通过顺应控制，可使机械手不再继续在装配方向移动工件，而与额定装配末端姿势的抵达无关。如果在顺应控制下达到的末端姿势与可例如通过机器人的教导而确定的额定装配末端姿势相比，则可确定是否正确实施了装配流程。进一步额外地或可替换地，也可基于在顺应控制下出现的机械手姿势的时间上的变化、特别是基于速度来监测工件的装配状态。如果例如TCP或机械手装配工件的速度在装配方向低于极限值，则可确定工件是正确装配的。如果不是这种情况，因为例如要装配的工件受干扰轮廓的阻碍，通过例如尝试在向初始的装配基础位置偏置的新起始位置装配螺栓，可改变装配策略、特别是装配位置。、
根据优选的实施方式，在顺应控制下装配工件时，既预定一个或多个额定力，也预定一个或多个额定位移。如果顺应控制例如通过以力为基础的阻抗控制来实现，此时例如驱动力T将根据T =Jt [c(xsoll-x)]通过借助于在关节坐标空间中的转 置雅克比矩阵、例如借助于关节型机器人的旋转角而投射的虚拟弹簧的弹性力与弹簧常数c在例如TCP的笛卡尔额定位置和实际位置Xsoll或X之间确定,额定位移可根据T =Jt [c (Xsoll-X) +F]添加在笛卡尔空间中定义的力。这优选可选择地，例如根据已经发生的装配流程或装配策略而对于各工件实现。额定力例如预定为不变的、斜坡形的、交替的或振荡的、特别是正弦变化的，从而在装配时克服例如粘滑现象、毛刺或较小的弹性公差。特别地，为了互相装配工件，必须相对于机械手识别出一个位置，即工件(例如基体)的位置和/或方位，该机械手固定由此要装配的工件，例如螺栓、夹子或类似物。在此根据本发明的第二方面，借助于机械手在多级的方法中测量工件的位置，其中该第二方面优选与已前面描述的第一方面组合。根据该第二方面，通过测量机械手的姿势以及作用在其上的接触力，来确定工件的优选至少两个错位的轮廓(特别是边缘的位置。如果当采取一种姿势时接触力显著上升，因为机械手的卡钳与工件的轮廓相接触，则可从机械手的所属的姿势来确定接触位置。如果以这种方式大致得知工件相对于机械手的位置，则能够可靠地驶向工件的参考点，此参考点可例如通过凹处、特别是孔来限定。当卡钳与参考点接触时，例如当卡钳滑进凹处时，则由于抵抗卡钳进一步移动的相应接触力的上升可确定参考点的位置。可基于该参考点来确定工件坐标系统，该系统与驶向大致方向的轮廓相反使得可以精确确定例如装配位置和类似位置。优选地，凭借卡钳干扰性地(pertubierend)驶向参考点，即机械手在参考点的事先估计的位置附近沿着确定的搜索路径移动卡钳，优选在参考点中实质上与工件轮廓相切地定向的平面中，且搜索几乎围绕参考点的事先估计的位置的区域，直到其由于接触力，例如由于卡钳滑进孔中而阻止进一步位移。在此，如果根据第一方面在顺应控制下驶向参考点的事先估计的位置，则是有优势的。特别地，为了确保将卡钳滑进限定参考点的凹处，机械手可以在其驶向过程中垂直于上述基本与工件轮廓相切地在参考点中定向的平面将法向力施加到工件上。在本发明优选的实施方式中，卡钳和用于限定参考点的凹处构成为使得卡钳在滑进凹处时自身居中。例如卡钳可具有锥形尖端，凹处具有圆形周边。为了能够可靠地触碰参考点，轮廓的触碰用于确定工件的大致位置，且能够这样依次进行参考点的触碰，使得在驶向参考点之前首先触碰所有预定的轮廓，此参考点的大致位置是已知的。同样，为了确定其他参考点的大致位置且随后能够可靠地触碰这些参考点，这也可以这样交替进行，使得在重新触碰其他的轮廓之前，首先触碰优选在参考点附近的各个轮廓，接着触碰其大致位置关于上述轮廓已知的参考点。本发明的第三方面涉及借助于机械手的工件装配。优选地，这一点可与上述的第
一和/或第二方面组合。
根据第三方面，如果机械手在装配基础位置装配工件，则机械手首先在至少两个、优选不在同一直线上的、特别是基本彼此垂直的力触点中固定要装配的工件。在此将工件和机械手之间、特别是工件和保持工具之间的触点称为力触点，机械手在保持工具中施加保持力到工件上，相应地将各个保持力的方向称为定向。第一力触点可例如通过电磁铁力配合地实现，该电磁铁在激活时吸引该工件。第二力触点可例如通过平台形配合地实现，工件支撑在该平台上。放置入装配基础位置之后，机械手在装配方向上把工件移到装配最终位置中。根据本发明，一旦通过工件来承担其支撑或保持功能，由机械手保持的工件与该工件装配在一起，则力触点中的一个(例如第一个通过电磁铁实现的力触点)打开。这实现了保持工件的机械手工具的再定向，因此可避免与工件的轮廓发生冲突， 由机械手保持的工件与该工件装配在一起。特别地，为了根据上述方面中的至少一个方面在较短的周期内实现工件的测量以及随后工件的装配，根据本发明的机械手的支持工具具有保持区域，用来特别是力和/或形配合地保持工件，以及额外的用于触碰工件的卡钳。该保持区域可例如通过一个或多个电磁铁和/或平台表示为上述的第一或第二力触点，该卡钳优选具有锥形末端，用于在顺应控制下在凹处中自居中。卡钳优选基本与保持工具的设备区域或保持区域正交或对立，从而避免在测量时工件和保持区域的冲突，或避免在装配时工件和卡钳的冲突。在本发明的意义中，卡钳因此可特别是与机械手的保持工具连接或与机械手的保持工具整体构成的螺栓、销或类似物，其优选是旋转对称的和/或具有尖端。
从属权利要求和实施方式中得出其他的优点和特征。在此部分图示地示出图I :根据本发明的实施方式的方法测量时的工件的俯视图；图2 :沿着图I中线II-II的截面；图3A :根据本发明的实施方式的方法装配时的工件在图I左上方中的侧视图；图3B :沿着图1、3A中的III-III线的截面，其具有置于装配基础位置中的工件；图3C :根据图3B的视图，其具有在装配最终位置中的组件；图4A-4D :根据本发明的实施方式的方法装配时的其他工件的侧视图；图5 :在图1、2中示出的测量的流程；图6 :在图3A中示出的装配位置改变的流程；图7 :在图4A-4D中示出的装配的流程。参考附图标记列表I; 10保持工具IA 卡钳1.1平板(保持区域，形配合的力接触)1.2电磁铁(保持区域，力配合的力接触)2 工件2.1,2.2 边缘(轮廓)2. 3，2. 4 凸缘
3. 1-3. 3孔(参考点)4夹子20工件40塞
具体实施例方式根据图1、2和5，将根据本发明的实施方式的方法基于测量的接触力来描述对 工件2的位置的多级测量。工件2 (例如为仪表盘)在其出货之后首先在确定的公差之内任意地位于轻型机器人的工作区域中，在附图中始终仅示出轻型机器人的保持工具的一部分，在图1、2中仅垂直于保持区域I. 1、1. 2设置的圆柱形卡钳IA配有锥形尖端(参见图3A)，以下参照图3、4研究此保持区域。在工作区域中限定机器人的基础坐标系统B，在图I中标出了其X和y轴。通过以下各详细描述的根据本发明的保持工具I的使用，能够避免在测量和装配之间工具更换，且因此减小了周期，此保持工具具有保持区域I. 1、1.2(参见图3B)以及与卡钳IA(参见图3A)。在多级测量的第一级中，机器人在坐标系统B的X或y方向上刚性PID控制地处理其卡钳1A，直到该卡钳在图I中指出的位置中依次接触工件2的边缘2. 1、2. 2(参见图5的步骤S10)。在此，控制装置(未图示)将在机器人上测量的驱动力矩T与理论驱动力矩T M(kM1进行比较，该理论驱动力矩根据动态非接触模型在理论上是必须的(图I :“S20”)，该动态非接触模型是用于产生机器人的已测量的位移。如果这些驱动力矩之间的差特别是在数量上超过预定的极限值T15mtakt，则由此将认识到，卡钳IA已经接触到工件2的边缘
2.I或2. 2。因此立即在I毫秒之内转换到顺应的以力为基础的阻抗控制(图1:“S30”)，在该阻抗控制中卡钳IA凭借虚拟弹簧在额定位置的方向Xstjll上“迁移”。通过触碰两个彼此不在一条直线上的边缘2. 1,2. 2，已经在机器人坐标系统B中大致确定工件2的位置(图I :“S40”)。在此，确保转换到顺应控制，从而机器人可首先刚性控制地快速驶向轮廓，而不会在接触时损伤工件或机器人。在第二级中，三个不共线的参考孔3. 1-3. 3在工件2中借助卡钳起动。为此机器人把卡甜IA从位直3.lgescli a tzt移到3.3gesch a tzt (图I :“S50”)，其基于从兎一级中大致已知的工件2的位置来估计，其中卡钳IA干扰性地(例如蜿蜒或在平行轨道上)围绕估计位置来移动(参见图2)。卡钳尖端凭借法向力垂直于工件的表面平面压紧到该工件上，而特别是在该平面(图2中左-右)中顺应控制机器人。在此，一旦卡钳IA从在参考孔旁边的以虚线标出的且表示为1A”的位置中到达通过参考孔3定义的参考点位置，则其在突出的法向力作用下滑入此参考点位置中，且由于其锥形尖端，且由于其在表面平面中顺应控制到该孔中而自己居中，如在图2中示出的一样。卡钳IA通过顺应控制的、进一步尝试离开搜索路径的机器人而进一步移动，这导致向着在孔3. 2中的卡钳IA上的显著更大的接触力，该接触力在步骤S60 (图5)中测得。以这种方式，能够快速、精确、小心、可靠地确定参考孔3. 1-3. 3的位置。由此特别地，然后可相对于机器人坐标系统B来确定工件固定的坐标系统W的位置。
现在，例如已经将夹子4 (参见图3)装配到在图I中工件2的左上边缘，其中在转换成顺应控制的情况下也可取消多级测量。根据图3、6来描述装配流程。在图3A中用虚线指明了装配基础位置，机器人首先将夹子4装配在该位置且尝试在装配方向上推到工件2上(图3A中的指示’；图6中的步骤S110)。然而在此，夹子4与工件2的凸缘2. 3相撞(同样参见图I)。如前所述，在接触时转换到顺应控制(图6 :“S120”、“S130”)，在此顺应控制中，额定位移Xstjll与预定的额定力F、特别是在装配方向上的恒定力Fxy,并与具有正弦曲线的力Fz垂直于装配方向和装配平面重叠，从而能够较易地推到边缘上。但由于该顺应控制，尽管与凸缘2. 3相撞，仍不会损伤工件或机器人。相反，一旦机器人的工具I与保持在其上的夹子4由于阻力而不再移动，则就将机器人的此时到达的末端姿势(图3A虚线指示的)与以正确推动的夹子4时教导的最终位置比较(图6 :S140)。在这种情况下，控制装置基于该显著的区别识别出，该夹子4没有被正确地推动。因此，通 过机器人侧向偏置地将夹子4重新装配到工件2上，来改变装配位置(图6 :S150)，例如在图3A-3C中指出的。重复该流程，直到机器人可无碰撞地装配夹子4或到达预定的失败尝试的次数。根据图3B、3C说明成功的装配流程。机器人必要时根据以上关于图3A说明的失败尝试在装配基础位置放置工件，且容易地将其推到工件2上(图3B)。此时夹子4 一方面借助于激活的电磁铁I. 2在垂直方向在第一力接触处保持夹子4，且其同时在第二力接触处在水平方向在工具I的平台I. I上形配合地相对于与推动反作用的第二接触力支撑着此夹子。为了在其他装配时避免工具I与工件2的凸缘2. 4碰撞，在推动期间控制装置通过使电磁铁I. 2不再通电而解除第一接触力，这使得工具I可以相对于部分推动的夹子4重定向(图3C)。以这种方式，机器人能够借助工具平台I. I将夹子4完全推动到工件2上。根据图4、7说明其他工件的装配(即弹性塞40)到孔20中的装配。可以看出，机器人首先在垂直方向将塞40移动到孔20上(图7中的步骤S210)。如果借助测量驱动力矩和模型驱动力矩之间的差获得的接触力大于预定的极限值，则控制装置测量与工件的接触(图7 :“S220”)，且转换到顺应控制(图7 :“S230”)。在该控制下继续装配该塞，且通过装配进给z来测量接触力。在图像序列图4B-图4C中可以看出，塞40在此弹性变形。一旦其下凸缘完全穿越孔20且弹性地弹回其原始位置，则与装配反作用的接触力减小。控制装置在步骤S240中检测该力的减小，且也可以此为基础在顺应控制中检查塞40是否正确地置入到孔20中。可替换地或附加地，可在此重新将在机器人的静止状态下达到的末端姿势与以前教导的姿势比较，从而来检查是否完全将塞40导入孔20中。额外地或可替换地，可在此使用速度标准。如果在装配方向没有精确地已知末端位置，则速度标准是特别有用的，假如例如工件20的位置改变，而不会在装配之前分别测量工件。如果例如TCP或工件40的速度对于预定的时间段下降到预定的极限值以下，则控制装置可以获知塞40不再能够继续被压入孔中。然后，测量这样到达的末端姿势且将该末端姿势与在工件20、40的接触时所存储的姿势比较，此接触例如可通过测量到的力的增加来测得的。如果两个姿势的差位于预定的公差区域内，则获知该装配流程为成功的。
在未图示的实施方式中，轻型机器人通过给定的额定旋转力矩和/或额定进给将螺钉装配到螺纹中。在此同样测量接触力、例如螺钉方向中的旋转力矩，且以该接触力为基础来监测装配状态。如果机器人到达其教导的装配末端姿势且邻近过高的旋转力矩，则螺钉拧得过紧。如果反之邻近过低的旋转力矩，则螺钉拧得不够紧，因为螺母已经下沉或螺钉头被拧转。附加地或可替换地，旋入的螺钉在以定义的力矩拧上之后能够进一步旋转预定的角度值，例如90度。在该旋转之后，在正确拔出的螺钉时该测得的力矩必须位于预定的区 域内。
权利要求
1.一种用于控制机械手、特别是机器人的机械手的方法，具有以下步骤 基于实际的驱动力(T )和该机械手的动态模型(Md2q/dt2+h(q，dq/dt)=TMell)的驱动力(T iodeii)测得机械手和工件(2 ；20)之间的接触力； 以及具有以下步骤中的至少一个； a)基于测得的接触力多级地测量工件(2)的位置(S40、S70);和/或 b)在顺应控制下装配工件(4；40) (S130 ;S230)，其中基于测得的接触力、在顺应控制下到达的机械手的末端姿势、和/或机械手的速度或较高的时间上的导数来监测装配状态；和/或 c)刚性控制地起动姿势(S10S110;S210);以及基于测得的接触力来转换到顺应控制(S30 ；S130 ;S230)。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在进入接触(S20;S120;S220)之后的最高3毫秒之内转换到顺应控制(S30 ；S130 ;S230)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用相同的保持工具(I；10)用于测量和装配。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在顺应控制中为了装配工件，特别是可选地，既预定至少一个额定力又预定至少一个额定位移(S130;S230)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，必要时基于测得的接触力、在顺应控制下机械手到达的末端姿势和/或机械手的速度或较高的时间上的导数来改变装配策略、特别是装配基础位置(S150 ;图3A-图3B)。
6.一种特别是根据上述权利要求中任一项所述的用于控制机械手的方法，借助于机械手来装配工件(4)，具有以下步骤 凭借机械手在至少两个力接触处(I. 1、1. 2)保持工件； 在装配基础位置放置工件(图3A)； 通过解除至少一个力接触处(I. 2)来将工件移动到装配末端位置(图3B)。
7.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，特别是在将工件移动到装配末端位置时解除的力接触处(I. 2)是力配合的和/或特别是在将工件移动到装配末端位置中维持的力接触处(I. I)是形配合的。
8.一种特别是根据上述权利要求中任一项所述的用于控制机械手的方法，借助于机械手来多级地测量工件(4)的位置，具有以下步骤 通过测量机械手的姿势以及作用在其上的接触力来确定不在一条直线上的轮廓、特别是工件(2)的边缘(2. 1,2. 2)的位置(S40)； 基于这样测量的工件的轮廓(2. 1,2. 2)驶向由特别是通过凹处(3. 1,3. 2,3. 3)限定的工件(2)的参考点(S50);以及 通过测量在移动时作用在机械手上的接触力来确定参考点的位置(S70)。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，机械手在凭借卡钳(IA)特别是干扰地驶向参考点时将法向力施加到工件(2)上和/或在平面上与之垂直地顺应控制。
10.一种用于机械手、尤其是机械人的控制装置，其特征在于，它设计得用来实施按上述权利要求之任一项所述的方法。
11.一种用于机械手、尤其是机械人的保持工具，其具有用来尤其力配合和/或形配合地保持工件(4)的保持区域(I. 1U. 2)，并具有用来碰触工件的卡钳(1A)。
12.—种具有程序代码的计算机程序产品，其存储在机器可读的载体中并包含计算器程序，如果此计算器程序产品经过了按权利要求11所述的控制装置，则它实施按权利要求I至10之任一项所述的方法。
全文摘要
一种根据本发明用于控制机械手、特别是机器人的机械手的方法，包括以下步骤基于实际的驱动力(τ)和该机械手的动态模型(Md2q/dt2+h(q,dq/dt)=τModell)的驱动力(τModell)测得机械手和工件(2；20)之间的接触力；以及包括以下步骤中的至少一个基于测得的接触力多级地测量工件(2)的位置(S40、S70)；特别是包括以下步骤通过测量机械手的姿势以及作用在其上的接触力来确定不在一条直线上的轮廓、特别是工件(2)的边缘(2.1、2.2)的位置(S40)；基于这样测量的工件的轮廓(2.1，2.2)驶向由特别是通过凹处(3.1、3.2、3.3)限定的工件(2)的参考点(S50)；以及通过测量在移动中作用在机械手上的接触力来确定参考点的位置(S70)；和/或b)在顺应控制下装配工件(4；40)(S130；S230)，其中基于测得的接触力、在顺应控制下到达的机械手的末端姿势、和/或机械手的速度或较高的时间上的导数来监测装配状态；特别是包括以下步骤凭借机械手在至少两个力接触处(1.1,1.2)保持工件；在装配基础位置放置工件(图3A)；通过解除至少一个力接触处(1.2)来将工件移动到装配末端位置(图3B)；和/或c)刚性控制地起动姿势(S10；S110；S210)；以及基于测得的接触力转换到顺应控制(S30；S130；S230)。
文档编号B25J9/16GK102741022SQ201080057807
公开日2012年10月17日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月17日
发明者西蒙·昆普, 金特·施赖伯 申请人:库卡实验室有限公司