专利名称：机器人和运行机器人的方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人和一种运行机器人的方法。
背景技术：
机器人一般是执行机器，其装备有特定的工具，并且对多个运动轴，特别是关于方向、位置和工作流程是可编程的，以自动地处理对象。机器人通常包括具有多个节肢的机器人臂和在运行期间控制或调整机器人臂的运动过程的可编程控制器(控制装置)。驱动器例如是电驱动器。Kr6ger T 等人在 “Manipulation Primitives-A Universal Interface BetweenSensor-Based Motion Control and Robot Programming(操纵原语-基于传感器的运 动控制和机器人编程之间的通用接口)”，Robot Systems for Handling and Assembly,Springer tracts in advanced robotics Vol.67, Springer Verlag,2010,第 293-313 页中公开了一种机器人运行的方法，通过该方法可以使机器人臂在自动运动期间在不同的控制/调整功能或策略之间进行切换。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种经过改进的用于运行机器人或相应设置的机器人的方法。本发明的目的通过一种运行机器人的方法来实现，该机器人具有机器人臂，该机器人臂包括多个依次连接的节肢、用于固定终端执行器的固定装置和用于使节肢运动的驱动器，以及与驱动器相连接的控制装置，按等级划分的调整/控制策略与多个不同优先级的调整/控制功能一起存储在该控制装置中，该方法具有以下步骤在机器人臂运动期间，当能够通过更高优先级的调整/控制功能使机器人臂稳定地运动，并且与该更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件得到满足时，切换到该更高优先级的调整/控制功能。本发明的另一个方面涉及一种机器人，其具有机器人臂，该机器人臂具有多个依次连接的节肢、用于固定终端执行器的固定装置和用于使节肢运动的驱动器；和与驱动器相连接的控制装置，在该控制装置中存储有按等级划分的、具有多个不同优先级的调整/控制功能的调整/控制策略，用以使机器人臂按照根据本发明的方法运动。在根据本发明的方法或根据本发明的机器人中，根据按等级划分的结构化的调整/控制策略实现机器人臂的自动运动，其中，当更高优先级的调整/控制功能允许机器人臂稳定地运动时，就自动切换到该更高优先级的调整/控制功能。这样，例如当对于所涉及的调整/控制功能需要传感器数据或传感器信号时，这些传感器数据或传感器信号可能在例如固定装置或与机器人相对应的工具中心点的特定位置、方向或状况(位置和方向)之后才可供使用。因此，当在控制技术或调整技术上是可行的时，机器人就能自动切换到更高优先级的调整/控制功能中。但此外根据本发明，仅在与更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件得到满足时才切换到该更高优先级的调整/控制功能。由此可以准确地描述机器人的调整/控制策略，并同时能够使机器人针对这种切换做出相对较快的反应。根据本发明方法的一种实施方式，该方法还具有以下步骤在机器人臂运动期间，如果不再满足与更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件，就切换到较低优先级的调整/控制功能。由此，当该执行条件不再存在时，自动切换到低优先级的调整/控制功能，从而使机器人臂继续自动运动。根据本发明方法的另一种实施方式，该方法还具有以下步骤在机器人臂运动期间，如果不能通过更高优先级的调整/控制功能使机器人臂稳定地运动，就切换到较低优先级的调整/控制功能。由此将减少机器人的不稳定状态的风险。
根据本发明方法的一种变形，其对于至少两个配置用于机器人臂的运动的自由度具有优先级相互独立的调整/控制功能。由此可以针对每个自由度在不同的调整/控制功能之间进行切换，并且可以相互独立地进行。对于至少一个自由度，当通过相应的更高优先级的调整/控制功能能够使机器人臂稳定地运动，并且至少对于该自由度满足与该更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件时，可以切换到更高优先级的调整/控制功能。特别是可以为每个涉及的自由度设置自己的执行条件，其与与该实际的自由度对应的更高优先级的调整/控制功能无关。优选为其他不同于所涉及的调整/控制功能的自由度设置该独立的执行条件。由此可以在必要时为应用实现有利的调整/控制策略。执行条件也可以与机器人的安全条件相对应。例如，其可以通过碰撞监控来实现，从而例如只有当碰撞监控识别出借助于机器人臂来运动的对象不会发生碰撞时才会执行特定的调整/控制功能。还可以通过安全控制器来监测安全条件。这种安全控制器特别是一种外部安全控制器，例如SPS，其与机器人的控制装置相连接。根据本发明的方法在机器人臂运动期间，提供了在必要时在多个调整/控制功能之间相对灵活和/或动态地进行切换的可能性。在边界条件、即执行条件中，优选对所有可供控制装置使用的信号进行处理。信号源可以被封装在模块中。同样可以将所涉及的、在其间进行切换的算法封装在模块中。如果针对不同的自由度特别是独立地使用不同的调整/控制功能，则可以告知可能存在的替代模块所产生的调节量和/或调整量是否在前面的周期中被使用。也就是说，这使得能够判定其调节或调整行动是否是成功的。按照根据本发明的方法，可以在必要时可靠地进行调节，使得总是能够通过不同的调整或控制(Alternativregelung bzw. -steuerung)来保持系统稳定。优选在命令中唯一地定义不同的控制和调整的可能组合，其中，例如在必要时为控制器的应用程序接口提供一种语法，利用该语法可以唯一地定义切换条件和所涉及的模块。还可以在授权中，即在机器人臂自动运动期间在运动语句(Bewegungssatz)中优选为每个正交的自由度配置至少一个包括额定值和参数的负责模块，以承担控制。附加地还可以定义一个或多个具有相应的额定值和参数的替代模块，并为其分配不同的调整/控制功能。可以将这些选择方案逐一编号。所分配的号码在此可以与可选方案，即相关的调整/控制功能的优先级相对应。例如，原始模块或具有最高优先级的调整/控制功能的编号为O。如果不执行该最高优先级的调整/控制功能，则选择第一可选方案。其具有编号I。如果该方案也不能起到控制作用，则在必要时可以尝试启用具有编号2的第二可选方案。这可以任意继续下去。每个选择替代方案都可以设定执行条件。这种执行条件特别是布尔表达式。在其中例如可以处理任意对系统或控制装置而言已知的值。这些值可以来源于系统中所拥有的所有模块。例如，可以在笛卡尔坐标系的X方向上调整接触力，利用该接触力可以使机器人臂放下对象；而在笛卡尔坐标系的y方向上，例如借助于照相系统调整位置。为此目的，可以为X方向选择较精确的第一力调整模块(力调整功能)。该模块可以用于比较准确地调 整接触力，或者使机器人臂这样运动使所需要的接触力比较准确地作用在借助于机器人运动的对象上。但是，其前提条件是对象与其周围环境已经发生接触。可以给出下述条件作为执行条件，即调整误差的二次方值(quadratische Regelfehler)必须落在恒定的e邻域内。只要情况并非如此，就可使第二力调整模块(力调整功能)来接管对机器人臂的运动的控制。对此例如可以针对对象与面所发生的接触来进行优化。但这仅在已经可以测得接触力的情况下才被激活。这例如可以通过执行条件“力> 100N”得以确保。如果不满足该执行条件，则可以由速度控制器来接管对机器人臂的运动的控制。但这仅在例如防碰撞模块没有报告碰撞危险的边界条件(执行条件)下才会发生。对于该实施例，对于y方向可以选择照相系统并描述相应的边界条件(执行条件)。在该边界条件中可以优选确保照相系统仅当在X方向已经形成对象与其周围环境的稳定接触并且照相系统例如已经识别到用于定位的图标时，才接管对机器人臂的运动的控制。否则机器人臂可以预先设定的速度行进，直至识别到图标。每个涉及到的调整/控制模块或每个调整/控制功能都可以例如特别是周期性地提供标记。该标记例如表示对应的调整/控制功能原则上是否能够承担起对机器人臂运动的控制。例如，当标记显示为“真(true) ”时就会发生这种情况。这种标记可以强制性地总是与执行条件“UND(和)”相关联。由此可以确保仅能激活稳定的调节量。因此，稳定的责任存在于相应的模块或相应的调整/控制功能中。在内部，即在控制装置中，可以在每个控制时钟脉冲(Steuerungstakt)中收集所涉及到的所有模块信号并如上所述地进行分析。其结果特别是对于每个自由度都给出调节量。然后将该调节量转发到较低的调整/控制层上。如果没有所指定的替代模块能够接管控制，则可以切换到默认备份控制。该备份控制的任务只在于使机器人臂的运动稳定，而对执行当前的应用程序任务则没有贡献。因此可以产生向应用程序的错误报告，应用程序会对此做出相应的反应。每个调整/控制模块或每个调整/控制功能都可以在后续周期(在下一个控制时钟脉冲)中获知，由其产生的调节量是否已被采用。相应的调整/控制模块在必要时需要该信息，以便能够为当前的周期产生稳定的调节量。由此将防止可能使用的积分器溢出，并使内插器在不需要机器人实际上跟随的情况下继续运行。
下面参照附图对根据本发明的实施例进行示例性说明。
图I示出了具有机器人臂和控制装置的机器人，图2示出了构造为夹钳的末端执行器，其抓住对象并被固定在机器人臂的固定装置上，图3示出了用于说明对机器人的驱动的表格，图4示出了另一种构造为夹钳的末端执行器，其抓住对象并被固定在机器人臂的固定装置上，图5不出了另一个表格。
具体实施例方式图I示出了机器人R，其具有机器人臂M和控制装置S。机器人臂M基本上表示机 器人R的可移动部件，其包括多个彼此顺序连接的节肢1，它们通过关节2彼此连接。机器人臂M在其一个末端上具有例如法兰形式的固定装置3，例如夹钳4形式的末端执行器可以固定在该法兰上。夹钳4具有例如夹钳钳口 5，夹钳4可以利用该夹钳钳口抓住对象6，从而使对象能够借助于机器人R运动。在图2中更详细地示出了抓着对象6的夹钳4、固定装置3和机器人臂M的部件。机器人臂M还具有与控制装置S相连接但未详细示出的驱动器，借助该驱动器节肢I可以关于对应于关节2的轴彼此相对运动。在该实施例中，在图中仅示出了轴A，固定装置4可以直接关于该轴A运动，特别是可以转动。驱动器例如是电驱动器，并特别是在机器人R的自动运行中受控制装置S的控制，从而使机器人R的固定装置3或所谓的工具中心点自动地执行预先设定的运动。为此目的，在控制装置S上运行相应的应用程序。控制装置S特别是可以设计为，使其在自动运行中控制驱动器。夹钳4也与控制装置S相连接，从而使控制装置S可以控制对对象6的夹紧和释放。在本实施中，夹钳4具有力/力矩传感器7、摄像头8和距离传感器9，它们同样与控制装置S相连接，从而使控制装置能够获得由力/力矩传感器7、摄像头8和距离传感器9产生的信号。在如图2所示的实施例中，摄像头8特别是可以用于产生来自夹钳4的撞击方向的图像，距离传感器9用于确定同样是沿夹钳4的撞击方向的距离。例如，如果使夹钳4这样取向使其撞击方向沿笛卡尔世界坐标系统10的X方向取向，则在该实施例中，摄像头8和距离传感器9同样沿坐标系统10的X方向取向。这在图2中已经示出。夹钳4的撞击方向特别是沿如图I所示的轴A的方向取向。在如图2所示的实施例中，机器人R应该将利用夹钳4抓住的对象6在止挡件12的旁边放在地板11上。当对象6被放置在该目标位置时，对象6在图2中用虚线示出。为了使对象6运动到其目标位置并在那里被放下，将调整策略/或控制策略特别是作为应用程序的一部分存储在控制装置S中，在如图3所示的表中对这种调整/控制策略进行了概括。在该实施例中，对象6在目标位置上与地板11的表面和止挡件12的表面相接触。为此将控制装置S设计为根据由力/力矩传感器7产生的信号实现力调整，根据由摄像头8产生的信号实现位置调整，并根据由距离传感器9产生的信号实现距离调整。特别是将控制装置S设计为，在夹钳4的不同方向和/或方位或自由度上彼此独立地实现不同的调整策略和/或控制策略。此外，在必要时必须防止在去往目标位置的路径上与位于前方地带的未知的冲突物或障碍物13发生碰撞。在该实施例中，基于摄像头8、距离传感器9和力/力矩传感器7为控制装置S提供以下信息或信号测得的力F,由该力可计算出在y方向上关于额定力(Sollkraft)的均方误差Fy_误
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差，根据源于摄像头8的信号，控制装置S可以识别障碍物13以及由此导致的在对象6运动期间的碰撞风险和止挡件12。这例如可应用于沿y向的位置调整。同样，可以提供下述控制/调整功能基于力/力矩传感器7的力调整，特别是笛卡尔力调整，以实现预先给定的额定力F额定，通过该额定力应使对象6与地板11和止挡件12相接触，速度控制,特别是笛卡尔速度控制(轨迹规划器(Trajektorienplaner)和内插器)，当在该模式中运行时，利用它应使对象6运动，基于距离传感器9的距离调整。在该实施例中，控制装置S实现借助如图3所总结的按等级划分的调整/控制结构的表格，并由此实现从一种调整和/或控制功能向另一种调整和/或控制功能的状态转换。在该实施例中，控制装置S通过路径规划使机器人臂M运动，从而使对象6至少运动到目标位置的附近。根据摄像头8产生的信号来识别障碍物13。如果对象6已经基本到达目标位置，控制装置S根据由力/力矩传感器7产生的信号在X方向和y方向上将接触力调整为例如10N。因此，对X方向和y方向激活具有最高优先级的力调整。但是这仅在力调整已经报告调整准备就绪(必要条件)并满足执行条件(充分条件)时是有效的。对于X方向，这例如意味着对象6已经到达止挡件12，从而使y方向的接触力已经落在预设的公差范围内。与之相反的是，在y方向上的力调整仅在对象6已经位于止挡件12附近时才启动。如果必要条件或充分条件没有被满足，则检查下一个较低优先级的替代方案在此尝试在两个自由度，即在X方向和y方向上切换到速度控制，以便以设定的速度行驶到接触。如果对象6已经在止挡件12上，也就是说，在y方向的接触力已经落在公差范围内，则在X方向上以相对较低的速度行进。同样，当基于摄像头8产生的信号已识别出止挡件12时，在y方向上以相对较低的速度行进。只要还没有识别出止挡件12，就沿X方向启动距离调整，或当不满足其必要条件(不能利用距离传感器9测量距离)时，启用速度控制。通过距离调整可以确保，在驶近止挡件12时保持相对于地板11的距离d。与此相反，只要没有发现碰撞风险，就在I方向上以相对较高的速度沿止挡件12的方向行进。如果识别出碰撞的风险，并且没有更高优先级的控制选项或调整选项满足相应的必要条件和充分条件，则将速度降低至O。因此将控制装置S设计为，能够实现从一种控制/调整功能向另一种控制/调整功能的相对复杂的状态转换。
总结如下每个控制/调整功能都具有优先级。必要条件必须被满足，从而可以启动特定的控制/调整功能。由此将确保相应的控制/调整功能的稳定，也就是说，该功能能够判定是否可以通过该控制/调整功能稳定地控制或调整机器人R。附加地还必须特别是满足能够自由定义的充分条件。由此例如可以实现，在正确的应用关系中使用控制/调整功能。从一个控制/调整功能向另一个控制/调整功能的切换可以双向进行(例如，从速度控制切换到力调整，反之亦然)。这种切换 特别是在控制装置S的控制时钟脉冲内完成，由此可以避免预处理等候时间或其他的启动延迟(Aktivierungsverz6gerungen)。
判定特别是在控制时钟脉冲内“反应性地”进行的，从而不需要较慢的应用程序/流序控制。切换可以对每个自由度相互独立地进行。对于可能使用的充分执行条件或充分条件的布尔表达式可以使用任何信号。这些信号可以是原始的或经过预处理的传感器信号，控制/调整功能的中间结果和/或监测算法、规划算法和估计算法的结果。图4示出了另一种夹钳44，与图2所示夹钳4不同的是，该夹钳44可以固定在机器人臂M的固定装置3上。在该实施例中，夹钳44同样具有力/力矩传感器7、摄像头8和距离传感器9，它们同样与控制装置S相连接，从而使该控制装置S能够使用由力/力矩传感器7、摄像头8和距离传感器9产生的信号。在如图4所示的实施例中，特别是将摄像头8设置为，使其能够拍摄垂直于夹钳44的撞击方向的平面的二维图像。距离传感器9被设置为，使其能够确定在垂直于夹钳44撞击方向的方向上的距离d。例如，如果将夹钳44设置为，使其撞击方向沿笛卡尔世界坐标系统40的z方向取向，则在该实施例中将摄像头8设置为，使其能够在坐标系统40的x-y平面上接收二维图像，并且使距离传感器9沿坐标系统40的y方向取向。这已在图4中示出。将摄像头8特别是作为位置测量系统，在X方向和y方向上确定目标位置的相对粗略的地点。该信息可用于沿X方向和y方向的位置调整。在如图4所示的实施例中，机器人R将利用夹钳44抓住的对象46以距离侧壁14的设定距离Clisffi放在地板11上。为了将对象46运动到其目标位置上并在那里放下，将在如图5所示的表格中所概括的调整策略/或控制策略存储在控制装置S中。控制装置S首先控制机器人臂M的驱动器，使对象46沿预设的路径运动到至少靠近该对象46的目标位置。当对于沿坐标系统40的X方向的自由度来说能够借助基于摄像头的位置调整来继续沿X方向的运动时，控制装置S针对该自由度自动切换到位置调整。控制装置S根据由摄像头8产生的信号来识别沿X方向进行位置调整的可能性。当对于沿坐标系统40的y方向的自由度来说能够借助位置调整来继续沿y方向的运动时，控制装置S针对该自由度同样自动切换到位置调整。控制装置S同样根据由摄像头8产生的信号来识别沿y方向进行位置调整的可能性。如果对象46足够近地运动到靠近侧壁14，则距离传感器9可以因此而可靠地确定距离d，然后控制装置S自动切换到在y方向上的距离调整。当对于沿坐标系统40的z方向的自由度来说能够通过力调整来继续沿z方向的运动时，控制装置S针对该自由度自动切换到力调整。控制装置S例如根据由力/力矩传感器7产生的信号来判断沿z方向进行力调整的可能性，该由力/力矩传感器7产生的信号对应于作用在夹钳44或对象46上并借助于力/力矩传感器7测得的最小力。对于与夹钳46的剩余三个自由度(方位或转动)相关的自由度，在本实施例中，一旦有可能，同样从路径规划切换到力调整。因此，对于所描述的从一个调整策略/或控制策略向下一个更高优先级的调整策略/或控制策略的切换必须分别满足必要条件，以便能够启动或启动特定的更高优先级的控制/调整功能。由此将确保相应的控制/调整功能的稳定性，也就是说，该功能能够判断，通过该控制/调整功能是否能够稳定地控制或调整机器人R。附加地，为了切换到更高优先级的控制/调整功能，还必须满足特别是自由定义的充分条件。这例如可以通过对周围环境的传感器检测来满足。必要条件例如可以根据其他自由度的当前状态获得，或者还可以是安全条件，例如，切换到更高优先级的控制/调整功能只能在满足预先给定或可预先给定的安全规则时才进行。因此，例如当机器人R处于 对于位置调整来说过于接近个别位置时，可以通过与机器人R的控制装置S相连接的外部安全控制器15向R提出例如“否决”，因为可能存在超过轴速度的危险。同样，该安全控制器15可以在机器人R处于下述运行模式时防止控制回路被激活在这种模式下，出于安全技术原因决定禁止基于外部传感器的控制回路(例如调试模式)。当机器人R过于接近工作室的边缘，或者甚至有人位于工作室中时(对使用者而言这是非常危险的)，安全控制器15可以通过相同的方式防止切换到调整和控制功能。根据本发明的方法不仅可用于自动运行，而且还可用于其中机器人臂M借助于控制装置S自动运动的机器人的其他运行模式(例如启动或手动操作)。
权利要求
1.一种运行机器人(R)的方法，该机器人具有机器人臂(M)，该机器人臂包括多个依次连接的节肢(I)、用于固定终端执行器(4，46)的固定装置(3)和用于使所述节肢(I)运动的驱动器，以及与所述驱动器相连接的控制装置(S)，按等级划分的调整/控制策略与多个不同优先级的调整/控制功能一起存储在该控制装置中，该方法具有以下步骤在所述机器人臂(M)运动期间，当能够通过更高优先级的调整/控制功能使所述机器人臂(M)稳定地运动，并且与该更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件得到满足时，切换到该更高优先级的调整/控制功能。
2.如权利要求I所述的方法，还具有以下步骤在所述机器人臂(M)运动期间，当不再满足所述与更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件，和/或通过所述更高优先级的调整/控制功能不能使所述机器人臂(M)稳定地运动时，切换到较低优先级的调整/控制功能。
3.如权利要求I或2所述的方法，至少两个设置用于所述机器人臂(M)的运动的自由度具有优先级相互独立的调整/控制功能。
4.如权利要求3所述的方法，其中，对于至少一个所述自由度，当能够通过相应的更高优先级的调整/控制功能使所述机器人臂(M)稳定地运动，并且至少对于该自由度满足与该更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件时，切换到该更高优先级的调整/控制功倉泛。
5.如权利要求4所述的方法，其中，为所述独立的执行条件设置不同于所涉及的调整/控制功能的的自由度。
6.如权利要求I到5中任一项所述的方法，其中，所述执行条件与所述机器人(R)的安全条件相对应。
7.如权利要求6所述的方法，具有步骤通过安全控制器(15)检查所述安全条件。
8.—种机器人,其具有 机器人臂(M)，该机器人臂具有多个依次连接的节肢(I)，用于固定终端执行器(4，46)的固定装置(3)和用于使所述节肢(I)运动的驱动器；和 与所述驱动器相连接的控制装置(S)，按等级划分的调整/控制策略与多个不同优先级的调整/控制功能一起存储在该控制装置中，该控制装置设计为，使所述机器人臂(M)按照如权力要求I到7中任一项所述的方法运动。
全文摘要
本发明涉及一种运行机器人(R)的方法和一种相应设计的机器人(R)。该机器人(R)具有机器人臂(M)，该机器人臂包括依次连接的节肢(1)、用于固定终端执行器(4，46)的固定装置(3)和用于使所述节肢(1)运动的驱动器，以及与驱动器相连接的控制装置(S)，按等级划分的调整/控制策略与多个不同优先级的调整/控制功能一起存储在该控制装置中，该方法具有以下步骤在机器人臂(M)运动期间，当能够通过更高优先级的调整/控制功能使机器人臂(M)稳定地运动，并且与该更高优先级的调整/控制功能无关的执行条件得到满足时，切换到该更高优先级的调整/控制功能。
文档编号B25J9/06GK102672711SQ201210068650
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者贝恩德·芬克迈尔 申请人:库卡实验仪器有限公司