机器人的力调节的制作方法

本发明涉及一种用于对机器人进行力调节的方法，以及用于执行该方法的一种系统和一种计算机程序产品。

背景技术：

由申请人自己的专利文献de102011003506a1已知一种工业机器人，其中，控制装置连接到电驱动器(该电驱动器被配置用于使机器人臂的依次布置的、可关于轴运动的节肢运动)并被设计为借助于调节装置力调节地操控电驱动器，该调节装置基于由机器人臂所施加的目标负载来确定驱动器所要施加的目标转矩。

如果此类工业机器人也有可能是按照计划例如为了抓取或加工部件或者由于工件在机器人静止或运动时的运动而与其周围环境接触(在本文中称为碰撞)，则可能会导致不稳定，特别是调节引起的不稳定，这也被称为“振颤”、“锤击”或“敲击”。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善机器人的运行。

本发明的目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。权利要求6和权利要求7请求保护用于执行在此所述方法的一种系统或一种计算机程序产品。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的一种实施方式，为了或者在对机器人进行力调节时，基于或者根据第一目标部分和第二目标部分，特别是基于或者根据第一目标部分和第二目标部分的和，来命令机器人的驱动器，其中，在一种实施方式中，基于或者根据第一目标部分和第二目标部分来确定驱动器的目标驱动力，并将其输出到驱动器。

在一种实施方式中，将目标驱动力确定为第一目标部分和第二目标部分的和。在另一种实施方式中，基于或者根据一个或多个其它的目标部分来命令驱动器，或者说目标驱动力除了第一目标部分和第二目标部分的和之外还具有一个或多个其它的目标部分。

在一种实施方式中，机器人具有至少三个、特别是至少六个、在一种实施方式中为至少七个(运动)轴或关节、特别是转动轴或关节，特别是具有带有所述轴或关节的机器人臂。在一种实施方式中，驱动器是电驱动器，它们可以具有特别是电动马达和/或传动机构。

对于这样的机器人而言，根据它们的应用选项或者说用途，本发明是特别有利的。

在本文中，为了更紧凑地表示，也将反向平行的力偶或转矩通称为力或负载，因此，目标驱动力或者目标负载或者说实际负载(各自)也具有、特别可以是目标驱动转矩或者目标负载转矩或实际负载转矩。

根据本发明的一种实施方式，第一目标部分基于或根据第一调节差异部分来确定，该第一调节差异部分基于或根据、特别是借助于由机器人所要施加的目标负载与所采集到的由机器人施加的实际负载之间的调节差异的至少一个低通滤波来确定。

在一种实施方式中，该由机器人所要施加的目标负载可以具有、特别可以是目标力、特别是笛卡尔目标力和/或目标转矩、特别是笛卡尔目标转矩，在一种实施方式中，该目标力和/或目标转矩应该由机器人通过其末端执行器施加于或者说作用于周围环境。在一种实施方式中，该目标力和/或目标转矩被特别是提前地设定，特别是存储。

在一种实施方式中，通过这样的目标负载，可以有利地抓取和/或加工构件。

在一种实施方式中，借助于至少一个特别是多轴的力和/或力矩传感器来采集(作为由机器人施加的)实际负载，在一种实施方式中，力和/或力矩传感器被布置在机器人的末端法兰或末端执行器上。

由此，在一种实施方式中，可以特别有利地、特别是可靠地和/或精确地、在一种实施方式中是以高分辨率、特别是随时间变化的高分辨率来采集实际负载。

在一种实施方式中，低通滤波使调节差异的(至少)一具有第二频率的部分比调节差异的(至少)一具有第一频率的部分衰减得更强烈，第一频率小于第二频率。在一种扩展方案中，这可以通过所谓的pt1构件来实现。

根据本发明的一种实施方式，基于或根据第二调节差异部分来确定第二目标部分，该第二调节差异部分本身基于或根据调节差异与第一调节差异部分之间的差异负载来确定。

本发明的一种实施方式基于这样的构思：即，利用被低通滤波的调节差异来执行例如由开头所述的专利文献de102011003506a1中已知的力调节，并且将其与干扰参量调节相叠加，干扰参量调节考虑到了在此被滤除的调节差异部分。

如果机器人与其周围环境发生接触(“碰撞”)，在一种实施方式中是按照计划或者以预先设定的方式(例如为了抓取或加工构件)进行，则在此通常会产生具有短脉冲宽度和高振幅的力脉冲和/或力矩脉冲或者说扭转脉冲(drallpulse)。

通过低通滤波，它们将不会影响或者仅极小程度地影响基于第一调节差异部分的力调节，它们可以说是被冲刷掉了(“washout”)。由此，在一种实施方式中，可以有利地、特别是(更)敏感地、(更)精确地和/或(更)稳定地实施基于第一调节差异部分的力调节。

然而，通过基于第二调节差异部分的所述干扰参量调节，机器人现在可以有利地、特别是快速、精确和/或稳定地响应该力脉冲。

在一种实施方式中，特别是为此或者以如下的条件来确定第二目标部分：即，机器人规避了由于机器人、特别是其末端执行器与周围环境的碰撞，在一种实施方式中是按计划的或预先设定的碰撞，而作用在机器人上的反作用力。

由此，在一种实施方式中，由这种碰撞在机器人上所引起的力脉冲可以至少部分被吸收。

在一种实施方式中，第二目标部分与第二调节差异部分是相对于第二调节差异部分被同向地或相同指向地确定，或者说相对于第二调节差异部分被同向地或相同指向地确定。

由此，在一种实施方式中，可以特别有利地至少部分地吸收机器人上的力脉冲。

在一种实施方式中，第二目标部分是基于或取决于所存储的机器人的质量参数、特别是多维的质量参数来确定的，在一种实施方式中，质量参数取决于机器人的质量分布，特别是假设的或理论上的质量分布，并且在一种实施方式中，质量分布是通过模拟、凭经验和/或基于机器人的设计数据、特别是cad数据而确定的。在一种实施方式中，质量参数可以特别是具有或定义了机器人的质量矩阵、特别是从动侧的质量矩阵和/或一对角矩阵，该对角矩阵具有驱动器的惯性力矩，特别是与驱动器的驱动轴线或驱动轴相关的惯性力矩。

相应地，在一种实施方式中，第二目标部分τcmd,2根据下式来确定：

τcmd,2＝diag(jm)﹒diag(η)﹒a^-1(q)﹒j^t﹒δf2(1)

其中，

diag(jm)是与驱动器的驱动轴线或者说驱动轴相关的惯性力矩的对角矩阵；

diag(η)是驱动器的机械效率的对角矩阵；

a^-1是机器人的从动侧质量矩阵a的逆，即，无马达轴或驱动轴惯性；

q是机器人的关节坐标，例如轴角度；

j^t是机器人的末端执行器姿势x的转置雅可比矩阵(dx/dt＝j﹒dq/dt)；

δf2是第二调节差异部分。

由此，在一种实施方式中，可以特别有利地至少部分地吸收机器人上的力脉冲。

在一种实施方式中，第一目标部分是基于或根据比例积分调节、特别是具有受限的、在一种实施方式中为动态的积分部分的比例积分调节和/或机器人的动态模型来确定的。对此请另外参考开头提及的专利文献de102011003506a1，并且其内容被完全引入到本公开中。

由此，在一种实施方式中，能够特别有利地、特别是可靠地和/或精确地、在一种实施方式中是以高分辨率、特别是随时间变化的高分辨率来采集实际负载

根据本发明的一种实施方式，提出一种系统，该系统特别是被硬件技术和/或软件技术地、特别是编程技术地设计用于执行在此所述的方法，和/或具有：

-用于基于由机器人所要施加的目标负载与所采集到的由机器人施加的实际负载之间的调节差异的至少一个低通滤波来确定第一调节差异部分的装置；

-用于基于第一调节差异部分来确定第一目标部分的装置；

-用于基于调节差异与第一调节差异部分之间的差异负载来确定第二调节差异部分的装置；

-用于基于第二调节差异部分来确定第二目标部分的装置；以及

-用于基于第一目标部分和第二目标部分来命令机器人的驱动器的装置。

在一种实施方式中，该系统或其装置包括：

-用于确定第二目标部分以使机器人规避由于碰撞而引起的反作用力的装置；和/或

-用于确定与第二调节差异部分同向的第二目标部分的装置；和/或-用于基于所存储的机器人的质量参数来确定第二目标部分的装置；和/或

-用于基于比例积分调节、特别是具有受限的积分部分的比例积分调节和/或机器人的动态模型来确定第一目标部分的装置。

本发明意义下的装置可以被硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：优选与存储系统和/或总线系统进行数据连接或信号连接的处理单元，特别是数字处理单元，特别是微处理器单元(cpu)；和/或一个或多个程序或程序模块。cpu可以为此被设计为：执行被实现为存储在存储系统中的程序的指令；从数据总线采集输入信号；和/或将输出信号发送至数据总线。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质，特别是光学的、磁的、固体的和/或其它非易失性的介质。程序可以被设计为，其能够体现或执行在此所述的方法，从而使得cpu能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够控制或调节机器人。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有、特别可以是特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或者其上存储有程序的存储介质，其中，程序的执行允许系统或控制器、特别是计算机执行在此所述的方法或该方法的一个或多个步骤。

在一种实施方式中，该方法的一个或多个步骤、特别是所有的步骤是被全部或部分地自动化执行，特别是通过系统或其装置。在一种实施方式中，该系统具有机器人。

附图说明

其它的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。为此，部分示意性示出了：

图1为根据本发明一种实施方式的用于对机器人进行力调节的系统；

图2为根据本发明一种实施方式的用于对机器人进行力调节的方法；和

图3为根据本发明一种实施方式的根据图2的方法的变型。

具体实施方式

图1示出了七轴机器人(臂)10，其具有驱动器26、末端法兰11、力-力矩传感器12、末端执行器13和轴或关节角度q＝[q1,...,q7]^t，以及机器人控制器20。

该机器人控制器具有在图2中示出的结构，在此，图2同时示出了根据本发明一种实施方式的据此执行的用于对机器人进行力调节的方法。

根据由机器人(臂)10以其末端执行器13所要施加的、预先设定的目标负载fcmd与由力-力矩传感器12所采集到的、作为机器人(臂)10或其末端执行器13所施加的实际负载，来确定调节差异δf。

借助于对该调节差异δf的单级或多级低通滤波28，确定第一目标部分δf1。

该第一目标部分作为输入信号被供应给力调节22，该力调节例如被设计为pi调节。

在本实施例的情况下，力调节22的输出信号对应于一6维向量，其包括力分量和转矩分量。

力调节22的输出信号被供应给框23，该框基于力调节22的输出信号以及机器人(臂)10的节肢相对于彼此的当前角度位置q，将力分量和转矩分量的变换转换到所谓的关节空间中。为此使用转置雅可比矩阵j^-1。机器人(臂)的节肢的当前角度位置q是例如借助于合适的、例如布置在机器人(臂)上的角度测量装置(例如坐标转换器)来确定，并且是进一步的输入信号。

框23的输出信号是另一调节24的输入信号，该调节具有积分特性并且例如被设计为pi(比例积分)调节。该调节24的输出信号对应于应该由机器人(臂)10的单个电驱动器26或其电动马达所施加的转矩。

在本实施例的情况下，为了至少部分地补偿例如机器人(臂)10的重力和/或关节、传动机构等的摩擦，控制器20包括动态的模型或者说动态模型25，其是针对机器人(臂)10的动态特性建模。该动态模型是用于基于机器人臂10的节肢相对于彼此的当前角度位置q、该当前角度位置关于时间的一阶导数dq/dt以及关于时间的二阶导数d²q/dt²来计算应由机器人(臂)10的电驱动器26或其电动马达施加的转矩，以便例如至少部分地补偿摩擦或者重力的或影响。将计算出的所要补偿的转矩与通过调节24计算出的转矩相加，由此计算出电驱动器26所应施加的目标转矩τcmd,1。

在实践中，该动态的模型25具有不确定性，或者说只能以有限的精度被创建和/或实施。为了在机器人臂10的结构与物体碰撞时能够至少减轻机器人(臂)10和/或物体的预期损伤，在本实施例的情况下设置为限制调节24的输出信号。这在本实施例的情况下是通过限制调节24的积分部分(i部分)的方式来实现的(抗饱和(antiwind-up))。

在本实施例中，调节24的i部分是被动态地限制和/或针对每个电驱动器被单独限制。特别规定：i部分是由于动态模型25的不确定性或错误而被限制，或者说，对i部分的限制是针对动态模型的不确定性或错误来测定。在此，优选地要考虑到机器人(臂)10的未被精确建模的摩擦，即，关节的摩擦，可能使用的传动机构的摩擦等。还可以考虑到机器人(臂)10的各个节肢相对于彼此的当前角度位置和/或各个电动马达的当前的转速和/或当前的状态和效率η，其取决于功率流方向(向后或向前驱动的传动机构)。

在本实施例的情况下，所述的不确定性被设置为误差函数27。该误差函数可以主要对应于电驱动器26的各个传动机构力矩的近似模型偏差，特别是取决于所讨论的电动马达的当前转速和/或所讨论的传动机构是向后驱动还是向前驱动地运转。

误差函数27可以特别是通过如下方式凭经验来确定：即，针对机器人(臂)10的各个节肢的不同的轴位置和运动研究所讨论的机器人(臂)10，或者确定或至少估测摩擦。该误差函数还可以基于统计方法来确定，例如通过检查相同类型或相同种类的多个机器人(臂)10。

目标转矩τcmd,1代表第一目标部分，该第一目标部分是基于第一调节差异部分δf1确定的，该第一调节差异部分则是在对由机器人10所要施加的目标负载fcmd与利用力-力矩传感器12所采集的或者是被采集作为机器人施加的实际负载之间的调节差异δf进行低通滤波的基础上，基于具有受限积分部分的比例积分调节22，24和机器人(臂)10的动态模型25来确定。

基于调节差异δf与第一调节差异部分δf1之间的差异负载，确定第二调节差异部分δf2。

基于第二调节差异部分δf2，在干扰参量调节29中，例如根据等式(1)并因此基于所存储的质量参数(该质量参数具有或者说确定了从动侧的质量矩阵a和驱动器的惯性力矩的对角矩阵diag(jm))以及与第二调节差异部分δf2同向地确定第二目标部分τcmd,2，以使机器人(臂)10规避因碰撞而产生的反作用力或在马达侧吸收碰撞能量。

这两个目标部分τcmd,1、τcmd,2相加，其中，在必要时附加地，特别是以时间常数更小的pt1构件(t1<<t2-框24)对τcmd,2进行低通滤波，并基于此来命令驱动器26。相应地，这两个目标部分τcmd,1、τcmd,2共同地形成或者说它们的和形成输出信号或者目标转矩，并例如被换算成用于电驱动器26或马达的相应的目标电流，从而例如能够以专业人员已知的方式相应地调节电驱动器26。

在一种未示出的扩展方案中，在一种实施方式中，首先对调节差异δf进行低通滤波。随后，将该调节差异δf或者该被低通滤波的调节差异δff从数值上限制为预先设定的饱和值δff,max，例如根据：

随后或者是在饱和与低通滤波之间，再将该在必要时被低通滤波的、限制为饱和值δff,max的调节差异δff,s的上升速率d(δff,s)/dt限制在给定的上升速率，例如根据：

随后(重新)进行低通滤波并形成第一调节差异部分δf1。

同样，上述的在数值上限制在预先设定的饱和值δff,max也可以有利地在上述的低通滤波和/或上述的速率限制之前进行。由此可以有利地避免或减少滤波中的饱和效应。

在一种变型中，上述的对预先给定的饱和值和/或预先给定的上升速率的限制也可以是不对称的，即，在上述等式中，-δff,max→δff,min≠-δff,max或-(d(δff,s)/dt)max→(d(δff,s)/dt)min≠(d(δff,s)/dt)max中。

在必要时被低通滤波但是尚未被限制在饱和值δff,max的调节差异δf或δff与在必要时被低通滤波并且已经被限制在饱和值δff,max的调节差异δff,s之间的差异同样被低通滤波并随后形成另一调节差异部分，该另一调节差异部分被乘以机器人(臂)10的末端执行器13的姿势x的转置雅可比矩阵j^t，并被加上两个理论部分τcmd,1、τcmd,2，在该扩展方案中，第二调节差异部分δf2被确定为所述调节差异与第一调节差异部分δf1和另一调节部分之和的差，即，也是基于调节差异δf与第一调节差异部分δf1之间的差异负载，以及在该扩展方案中还附加地基于所述另一调节差异部分来确定的。

在如图3所示的一种变型中，δf2也可以通过一个或多个平方根升余弦滤波器(“srrc滤波器”)30、31被反馈到低通滤波28器之前。这在例如预期的脉冲宽度已知时是特别有利的，在一种实施方式中，图3中示出的δf2滤波被调整到该脉冲宽度(“脉冲整形”)，并且在一种实施方式中，该脉冲宽度位于2至30ms之间。通过基于力冲击的阈值比较，滤波的输出可以用于检测力信号中具有一定脉冲宽度的足够强的脉冲。如果检测到脉冲，则可以将该脉冲带有负号地直接输送给低通滤波器，从而有利地通过滤波器状态(filterzustand)而进行能量中和。在此，第一srrc30基于物理性力冲击而生成用于阈值比较的标准化输出。此外，通过将输出信号转发到第二srrc31中，但是是带有负号的，可以很大程度上地恢复所检测到的来自第一srrc31的力冲击的原始信号曲线，并最终被输入到低通滤波器以进行补偿。

尽管在前面的描述中已经阐述了示例性的实施方式，但是应该指出的是，还可能有许多的变型。此外还应该指出的是，这些示例性的实施方式仅仅是举例，其不应对保护范围、应用和结构形成任何限制。相反，本领域技术人员能够通过前面的描述获得将至少一个示例性实施方式进行转换的教导，其中，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以实现特别是关于所述部件的功能和布置的各种变化，例如可以根据权利要求和等效的特征组合获得。

附图标记列表

10机器人

11末端法兰

12力-力矩传感器

13末端执行器

20控制器

22pi力调节

23框

24pi力调节

25动态模型

26驱动器

27误差函数

28低通滤波器(滤波)

29干扰参量调节

30，31srrc滤波器

fcmd目标负载

δf调节差异

δf1第一调节差异部分

δf2第二调节差异部分

q＝[q1,...,q7]^t关节角度

τcmd,1第一目标部分

τcmd,2第二目标部分。