用于在负载的质量增大的情况下操作机器人机械手的方法与流程

1.本发明涉及一种用于操作机器人机械手的方法和一种机器人系统，该机器人系统具有机器人机械手和用于执行该方法的控制单元，该机器人机械手具有末端执行器。


背景技术：

2.以下信息不一定属于任何特定的现有技术，而是通过对机器人机械手力学的专家考虑而产生的。机器人机械手的末端执行器处的负载的附加质量生成力矩，该力矩作用在机器人机械手的基座上并且通常作用在机器人机械手的关节上。如果该负载的质量与机器人机械手的机械设计相比非常大，则任何时候都可能会达到机器人机械手的肢体或关节、尤其是传动机构或扭矩传感器中的材料的拉伸极限或屈服点。因此，为末端执行器处的负载限定最大允许质量是显而易见的。然而，这将机器人机械手的操作限制到恰好处理负载的该最大允许质量。因此，本发明的目的是克服该缺点并且还在机器人机械手的末端执行器处操作更大质量的负载。


技术实现要素：

3.本发明产生于独立权利要求的特征。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
4.本发明的第一方面涉及一种用于操作机器人机械手的方法，其具有以下步骤：
[0005]-基于质量的重力和/或基于布置在所述机器人机械手的末端执行器处的负载的由所述质量的惯性引起的力确定力旋量或关节力矩矢量；
[0006]-分别基于所述力旋量或关节力矩矢量确定所述末端执行器或可选所述负载的最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量，其中，所述最大允许工作空间指定所述末端执行器或可选所述负载的允许位置的范围，从而所述工作空间内的所述力旋量或所述关节力矩矢量不超过预定度量；以及
[0007]-在考虑所述最大允许运动学变量的情况下通过控制单元控制所述机器人机械手执行预定任务并如此执行所述预定任务，使得当在开始执行所述任务时所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载位于所述最大允许工作空间内时，所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载保留在所述最大允许工作空间内。
[0008]
分别基于质量的重力和/或基于布置在机器人机械手的末端执行器处的负载的由质量的惯性引起的力确定力旋量或关节力矩矢量。力旋量尤其指定力，进一步优选地，附加地或替代地优选地仅指定力矩，尤其是相对于地固坐标系且优选笛卡尔坐标系。质量本身在地球引力场中生成重力，该重力在机器人机械手的关节上和机器人机械手的基座上生成力矩。在静态情况下，负载的质量只对重力负责。而在动态情况下，即当机器人机械手移动时，由于末端执行器处的负载的质量的惯性，惯性力也会作用，尤其是在机器人机械手的均匀圆周运动时，离心力也会作用，在末端执行器的负载的产生的惯性力矩发生变化时，科里奥利力也会作用，并且在机器人机械手在其路径上加速的运动时，从质量的惯性对抗加速
度产生的力也会作用。关节力矩矢量是来自关节力矩的与力旋量相关的矢量。
[0009]
因此，除了预测性确定之外，还只要末端执行器处的负载的质量是已知的，就可以非常容易地为所有静态情况确定力旋量。因为那时负载的重力也是已知的。而由于末端执行器处的负载的质量的惯性，力旋量或关节力矩矢量的确定尤其是基于计划任务或一组任务预测性地进行，其中，尤其地，可以从相应任务中导出末端执行器处的负载的轨迹且因此还有相应的路径曲线以及末端执行器处的负载的计划加速度。
[0010]
因此，所确定的力旋量或关节力矩矢量不一定必须真实地存在于机器人机械手处，而也可以是预测性确定的假设的力旋量或关节力矩矢量，该力旋量或关节力矩矢量在相应执行任务时或在将负载相应布置在机器人机械手的末端执行器处时可能会发生。
[0011]
末端执行器或可选末端执行器处的负载的最大允许运动学变量尤其是末端执行器或可选末端执行器处的负载的速度或加速度。是否考虑末端执行器或末端执行器处的负载对于本发明的构思来说仅起次要作用或不起作用。
[0012]
工作空间优选地是球形空间，其球心在机器人机械手的基座内或区域内，或者替代地优选地为长方体空间。另外，椭圆体或其部分是可能的。另外的形状是可能的，这取决于使用何种计算方法并以何种精度确定工作空间。因此，也可以仅近似确定工作空间，并且可以提供预限定的有限数量的长方体或球形或具有不同体积的其他区域，以便从该有限数量中选择下一个合适的近似值。
[0013]
至少当在开始执行任务时末端执行器或可选末端执行器处的负载位于最大允许工作空间内时，与机器人机械手连接的控制单元才如此确定预定任务，使得遵守所确定的最大允许工作空间和最大允许运动学变量。为此，可以将任务限制在这些最大允许几何范围和运动学范围之外，进行修改，或者至少可以向用户发出指示，表明应如何修改任务，以便不超过这些几何学范围或运动学范围。
[0014]
如果末端执行器或可选末端执行器处的负载在开始执行任务时不位于最大允许工作空间内，则优选地根本不执行任务，或者替代地优选地，响应于控制单元的信号，机器人机械手以及尤其是末端执行器或可选末端执行器处的负载以在相应的允许运动学变量内的速度和/或加速度移动回到几何上最大允许的工作空间中，并且尤其是随后开始通过控制单元执行任务。
[0015]
预定度量尤其是对于由于负载的重力而施加在机器人机械手的基座、即尤其是底座上的力矩的极限值，其中，预定度量可以指定为从通过机器人机械手的基座引导的竖直轴线到负载的半径乘以负载的质量。尤其地，如果负载的质量是恒定且已知的，则度量也可以简单地由与该半径进行比较的极限值组成。
[0016]
本发明的有利效果在于，对于一般操作被限制到末端执行器处的负载的最大允许质量的机器人机械手也可以在末端执行器处以更大的质量被操作。
[0017]
根据一个有利实施方式，分别基于所述机器人机械手的质量分布和/或所述机器人机械手的重心和/或所述机器人机械手的所述末端执行器的质量和/或所述末端执行器的重心对所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载的所述最大允许工作空间和/或所述最大允许运动学变量进行确定。为了确定作用在机器人机械手的基座或甚至肢体或甚至关节上的总力矩，机器人机械手连同末端执行器以及负载的质量一起的总质量分布是必要的。无论是确定明确的质量分布，还是将机器人机械手的元件的各个重心中或机
器人机械手的整个重心中的质量分布进行组合并以相应的惯性张量来考虑，这仅起次要作用。有利地，该实施方式使得能够依赖于机器人机械手的相应元件(基座、传动机构、关节、扭矩传感器、连杆、
…
)上的最大预定力矩来确定最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量。
[0018]
根据另一个有利实施方式，通过静态或动态系统识别来确定所述负载的质量的重力。在静态系统识别中，机器人机械手保持在静止位置，并且优选地通过尤其是在机器人机械手的关节中的力矩传感器检测相应的关节力矩，并且由此确定负载的重力，并且又由此确定负载的质量。可以使用现有技术中已知的其他力和/或力矩传感器来检测负载的重力并由此确定负载的质量。在动态系统识别中，尤其是频率随时间增加的正弦信号被指定为机器人机械手的至少一个致动器的输入信号，并且检测机器人机械手的响应或甚至由机器人机械手的调节器生成的调节变量，尤其是电致动器的电流强度。在检测到机器人机械手的运动学响应的情况下产生输入信号的频谱和输出信号的频谱，这些频谱在相应的信号处理和彼此的频谱划分的情况下提供频率响应，从该频率响应中可以读出末端执行器的负载的质量，或者可以通过优化方法将质量通过以下方式近似为质量模型，即，对质量模型的参数、尤其是包括负载的质量在内的机器人机械手的参数进行近似，以使质量模型和频率响应彼此之间的误差最小化。有利地，通过该实施方式，负载的质量不必被预定并被告知给机器人机械手的控制单元，而是机器人机械手的控制单元能够借助机器人机械手本身处的相应传感器确定机器人机械手的末端执行器处的负载的确切质量。
[0019]
根据另一个有利实施方式，在考虑所述最大允许工作空间的情况下通过在所述最大允许工作空间的界限处指定虚拟壁来控制所述机器人机械手执行所述预定任务，其中，为了生成所述虚拟壁，如此控制所述机器人机械手，使得当手动引导所述机器人机械手时，所述机器人机械手对所述机器人机械手施加远离所述虚拟壁指向的力。远离虚拟壁指向的力可以逐渐上升，从而用户在手动引导机器人机械手时随着机器人机械手的克服将机器人机械手引导到虚拟壁上的阻力的增大而感觉到在相应虚拟壁的方向上的平滑过渡，替代于此，优选地，虚拟壁是硬边界，从而机器人机械手的突然反作用力发生在虚拟壁上，就好像用户在手动引导机器人机械手时实际上靠着物理壁移动一样。有利地，该实施方式允许对用户的手动引导的直观支持，从而该用户直观地接收关于已经限定了工作空间的哪些几何极限的反馈。虚拟壁不仅可以在笛卡尔地固坐标系中实现，而且还可以作为相应关节处的人为止挡件实现，从而在后一种情况下人为限制相应关节的角度范围。
[0020]
根据另一个有利实施方式，在考虑所述最大允许工作空间和/或所述最大允许运动学变量的情况下控制所述机器人机械手执行所述指定任务包括控制所述机器人机械手的制动器，其中，所述机器人机械手的所述制动器从闭合状态开始，只有当所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载在开始执行所述任务时位于所述允许工作空间内时才被断开。如果例如由用户在末端执行器处布置了具有标称不允许质量的负载，则当负载的质量仅由于其重力而例如会对机器人机械手的传动机构造成不允许的损坏时，制动器可以保持闭合，以便尤其是保护机器人机械手的关节处的传动机构。有利地，这提高了机器人机械手的使用寿命，尤其是机器人机械手的传动机构的使用寿命，或者有利地防止机器人机械手的使用寿命的过早缩短。
[0021]
根据另一个有利实施方式，基于所述机器人机械手的由所述预定任务预限定的轨
迹并基于所述机器人机械手和/或所述末端执行器和/或所述负载的通过所述轨迹产生的惯性张量对所述最大允许工作空间和/或所述最大允许运动学变量进行的确定是通过以下方式进行，即，从所述预限定的轨迹确定所述机器人机械手和/或所述末端执行器和/或所述负载的依赖于时间的加速度，以及通过以下方式进行，即，从所述机器人机械手的依赖于所述预限定的轨迹的依赖于时间的姿势确定所述机器人机械手和/或所述末端执行器和/或所述负载的所述依赖于时间的惯性张量。机器人机械手的轨迹尤其具有路径曲线的信息并且进一步优选地附加地具有分配给路径曲线的时间信息，从而在机器人机械手的轨迹的概念中优选地不仅包括末端执行器或负载的几何路径，而且还包括在跟随路径曲线时出现的相应速度和/或加速度。因此，存在足够多的运动学信息，以便确定由负载的质量的惯性引起的动态力矩，并且在操作机器人机械手时并且尤其是在执行预定输出时，不仅考虑负载的质量的重力，而且还考虑导致机器人机械手的肢体、关节和基座上的力矩的动态力。
[0022]
根据另一个有利实施方式，所述方法还具有以下步骤：
[0023]-检查所述预定任务是否离开所述末端执行器或可选所述负载的所述最大允许工作空间和/或是否超过所述末端执行器或可选所述负载的所述最大允许运动学变量；以及
[0024]-在所述输出单元处向用户输出指示，表明如何可以更改所述任务，以便在执行所述任务时不离开所述末端执行器或可选所述负载的所述最大允许工作空间和/或不超过所述末端执行器或可选所述负载的所述最大允许运动学变量。
[0025]
输出单元优选是屏幕，在该屏幕上优选地通过箭头向用户显示如何可以改变任务，从而在执行任务时不超过最大允许工作空间和最大允许运动学变量。因此，有利地，用户接收到关于应如何改变任务的直观反馈，从而尤其是在以超过标称允许质量的负载执行任务时不会不必要地降低机器人机械手的使用寿命，或者进一步保证机器人机械手的安全操作。
[0026]
根据另一个有利实施方式，通过非线性优化的搜索算法对所述最大允许工作空间和/或所述最大允许运动学变量进行确定。如果用于确定最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量的分析解决方案是可能的，则非线性优化方法有利地适合于找到相应的限制。非线性优化方法尤其是系统性搜索算法，例如基于梯度的方法、二次优化方法、遗传和进化算法以及上述的混合形式。然后，尤其是通过遵守预定度量以及遵守允许运动学变量来给出对非线性优化的限制。
[0027]
根据另一个有利实施方式，所述搜索算法的起点为从所述机器人机械手的远端连杆算起的第二关节的、重力对所述第二关节处的力矩影响最大的角度位置。尤其地，本领域技术人员可以通过了解机器人机械手处的机械状况来立即确定该角度位置。尤其地，在保持从机器人机械手的远端连杆算起的第三关节的情况下，然后优选地对第二关节进行扰动，优选地在具有竖直旋转对称轴的锥形内，以实现第二关节上的负载的减少。
[0028]
本发明的另一方面涉及一种机器人系统，其具有机器人机械手和控制单元，所述机器人机械手具有末端执行器，其中，所述控制单元被实施成基于质量的重力和/或布置在所述机器人机械手的末端执行器处的负载的由所述质量的惯性引起的力确定力旋量或关节力矩矢量，并且所述控制单元被实施成分别基于力旋量或关节力矩矢量确定所述末端执行器或可选所述负载的最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量，其中，所述最大允许工作空间指定所述末端执行器或可选所述负载的允许位置的范围，从而所述工作空间内的
所述力旋量或所述关节力矩矢量不超过预定度量，并且所述控制单元被实施成在考虑所述最大允许运动学变量的情况下通过所述控制单元控制所述机器人机械手执行预定任务并如此执行所述预定任务，使得当在开始执行所述任务时所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载位于所述最大允许工作空间内时，所述末端执行器或可选所述末端执行器处的所述负载保留在所述最大允许工作空间内。
[0029]
所提出的机器人系统的优点和优选的改进方案产生于对与所提出的方法相关联做出的上述实施方案的类似和符合意义的转移。
[0030]
进一步的优点、特征和细节产生于以下描述，其中，在必要时参照附图，详细描述了至少一个实施例。相同、相似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。
附图说明
[0031]
图1示出了根据本发明的一实施例的方法；以及
[0032]
图2示出了根据本发明的另一实施例的机器人系统。
[0033]
附图中的图示是示意性的而不是按比例绘制的。
具体实施方式
[0034]
图1示出了用于操作机器人机械手1的方法。图1的方法在图2中描述的机器人系统100上被执行。因此，对图2的解释也可以用于以下描述中。该方法在此具有以下步骤：
[0035]-基于质量的重力和/或基于布置在机器人机械手1的末端执行器3处的负载5的由质量的惯性引起的力确定s1力旋量或关节力矩矢量。负载5的质量的重力通过静态系统识别来确定。这意味着，在由用户将负载5布置在末端执行器3处之后，布置在机器人机械手1的关节中的力矩传感器检测力矩，并且从机器人机械手1和末端执行器3的已知质量分布通过机器人机械手1的当前关节角度得到负载5的质量。布置在机器人机械手1的末端执行器3处的负载5的由质量的惯性引起的力通过以下方式被预测地确定，即，分析预定任务并且确定末端执行器3或负载5的轨迹。
[0036]-分别基于力旋量或关节力矩矢量确定s2末端执行器3的最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量，其中，最大允许工作空间指定末端执行器3的允许位置的范围，从而工作空间内的力旋量或关节力矩矢量不超过预定极限值。分别基于机器人机械手1的质量分布和末端执行器3的质量分布并基于负载5的质量和惯性张量对末端执行器3的最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量进行确定。由于包括负载5在内的机器人机械手1的所有元件的完全已知的质量分布，机器人机械手1的基座上的力矩通过所有质量元件在半径上的积分是已知的。现在通过基于梯度的搜索方法生成末端执行器3的最大允许工作空间和最大允许速度和加速度。在基于梯度的方法中，在一定距离处的起点周围确定目标函数中的另外的搜索点以遵守预定度量，即在机器人机械手1的基座上的力矩中的极限值。从这些搜索点确定梯度并将梯度乘以预定长度以获得下一步进。该方法迭代地重复，直到算法已经收敛并且梯度的大小已经低于某个阈值。从该计算得出一个圆柱形区域，以限制最大允许工作空间。此外，基于机器人机械手1的由预定任务预限定的轨迹并基于机器人机械手1和末端执行器3和负载5的通过该轨迹产生的惯性张量对末端执行器3的最大允许速度和加速度进行确定。这在考虑已经确定的最大允许工作空间的情况下进行。预限定的轨迹提
供机器人机械手1和末端执行器3和负载5的依赖于时间的加速度。然后，从机器人机械手1的依赖于预限定的规定的依赖于时间的姿势以及机器人机械手1和末端执行器3和负载的依赖于时间的惯性张量得知所有惯性力矩和加速度。
[0037]-检查s3预定任务是否离开末端执行器3的最大允许工作空间以及是否超过末端执行器3的最大允许运动学变量；
[0038]-在与控制单元7连接的用户计算机的屏幕11上以箭头的形式向用户输出s4视觉指示，表明如何可以由用户更改任务，以便在执行任务时不离开末端执行器3的最大允许工作空间和/或不超过末端执行器3的最大允许运动学变量；
[0039]-在考虑最大允许运动学变量的情况下通过控制单元7控制机器人机械手1执行s5预定任务并如此执行预定任务，使得当在开始执行任务时末端执行器3或可选末端执行器3处的负载5位于最大允许工作空间内时，末端执行器3或可选末端执行器3处的负载5保留在最大允许工作空间内。所确定的圆柱形工作空间用作用于在圆柱体外侧面生成虚拟壁的基础。在这里，如此控制机器人机械手1执行预定任务，使得当手动引导机器人机械手1时，机器人机械手1对机器人机械手1施加远离虚拟壁指向的力，以生成虚拟壁。如果负载5在任务执行开始时位于圆柱形工作空间的外侧面之外，则机器人机械手的制动器9根本不释放。为此，在屏幕11上向用户显示指示，表明负载5位于允许工作空间之外。
[0040]
图2示出了机器人系统100。机器人系统100尤其被实施成执行图1的方法并且具有机器人机械手1和控制单元7，该机器人机械手1具有末端执行器3，其中，控制单元7被实施成基于质量的重力和/或布置在机器人机械手1的末端执行器3处的负载5的由质量的惯性引起的力确定力旋量或关节力矩矢量，并且控制单元7被实施成分别基于力旋量或关节力矩矢量确定末端执行器3或可选负载5的最大允许工作空间和/或最大允许运动学变量，其中，最大允许工作空间指定末端执行器3处的负载5或末端执行器3的允许位置的范围，从而工作空间内的力旋量或关节力矩矢量不超过预定度量，并且控制单元7被实施成在考虑最大允许运动学变量的情况下通过控制单元7控制机器人机械手预定任务并如此执行预定任务，使得当在开始执行任务时末端执行器3或可选末端执行器3处的负载5位于最大允许工作空间内时，末端执行器3或可选末端执行器3处的负载5保留在最大允许工作空间内。
[0041]
尽管已经通过优选的实施例更详细地图示和说明了本发明，但本发明不受公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变型例。因此，显而易见的是，存在多种可能的变型例。还显而易见的是，以示例方式引用的实施方式实际上仅代表示例，不应以任何方式将其理解为例如对本发明的保护范围、可能的应用或构造的限制。相反，前面的描述和附图的描述使得本领域技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下，可以在不脱离由权利要求及其合法等效物例如说明书中的进一步解释所限定的保护范围的情况下，例如针对在示例性实施方式中提到的各个元件的功能或布置进行各种变更。
[0042]
附图标记说明：
[0043]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
机器人机械手
[0044]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
末端执行器
[0045]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负载
[0046]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制单元
[0047]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
制动器
[0048]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
输出单元
[0049]
100
ꢀꢀꢀꢀ
机器人系统
[0050]
s1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定
[0051]
s2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定
[0052]
s3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
检查
[0053]
s4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
输出
[0054]
s5
ꢀꢀꢀꢀꢀ
控制。