遥操作机器人的控制的制作方法

本发明涉及一种控制遥操作机器人的方法和系统，以及一种用于执行该方法的计算机程序或计算机程序产品。

背景技术：

1、根据企业内部实践，遥操作机器人是通过具有可移动调节器的输入装置进行控制，其中，调节器的调整(verstellung)被控制技术地转换为遥操作机器人的驱动器的驱动载荷。

2、在此，一种可能的变型是检测调节器的调整，从而确定遥操作机器人的特定于机器人的参照物(例如其tcp)的目标调整xd，并控制遥操作机器人的驱动器，使驱动器的驱动载荷τ在特定于机器人的参照物的实际调整x与目标调整xd之间的差增大时增大，以便减小该差，例如以简单的形式其中jt为转置雅可比矩阵，特定于机器人的参照物的关节速度和速度彼此关联为以及kd为刚性矩阵。

3、在此，如果驱动载荷随着差的增大而急剧增大，或者在上述简单示例中刚性很高，则遥操作机器人可以被(更)精确地(遥操作)控制。另一方面，这可能例如在环境接触的情况下是不利的，在这种情况下期望有(更)柔顺的(nachgiebige(re)s)行为，特别是为了避免损坏。

技术实现思路

1、本发明的一种实施方式的目的是改进对遥操作机器人的控制。

2、本发明的目的通过具有权利要求1所述特征的方法来实现。权利要求9、10分别保护用于执行在此所述方法的系统或计算机程序或计算机程序产品。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

3、根据本发明的一种实施方式，一种通过具有可移动调节器的输入装置控制遥操作机器人的方法，包括以下步骤，这些步骤优选地被多次重复：

4、-检测调节器的调整和作用在遥操作机器人上的外部载荷；

5、-基于检测到的调节器的调整，确定遥操作机器人的特定于机器人的参照物的目标调整；

6、-检测特定于机器人的参照物的实际调整；以及

7、-基于实际调整与目标调整之间的差，控制遥操作机器人的驱动器。

8、根据本发明的一种实施方式，如果检测到的载荷处于第一范围内，则执行第一运行模式；如果检测到的载荷处于第二范围内，则执行第二运行模式。

9、根据本发明的一种实施方式，遥操作机器人的驱动器在第一运行模式下被这样或按照这样的标准控制：即，使驱动器的驱动载荷在或者由于实际调整与目标调整之间的差的一维或多维分量的增大而增大，以便减小该差的分量，并且在第二运行模式下被这样或按照这样的标准控制：即，使驱动器的驱动载荷在或者由于实际调整与目标调整之间的差的分量相同增大时同样增大，以便减小该差的分量，但是比第一运行模式(强烈)增大的少。

10、由此，在一种实施方式中，当根据检测到的载荷确定了相应的情况，在一种实施方式中是确定了遥操作机器人的环境接触，遥操作机器人可以在一个或多个方向或自由度上在控制技术上被(更)柔性地切换或控制。在一种实施方式中，通过这种方式可以有利地降低机器人和/或环境的负荷。相应地，在一种实施方式中，当根据检测到的载荷没有确定相应的情况，特别是遥操作机器人没有环境接触时，遥操作机器人可以在控制技术上被(更)刚性地切换或控制。在一种实施方式中，通过这种方式可以有利地、特别是(更)精确地控制遥操作机器人。

11、在一种实施方式中，遥操作机器人具有((遥操作)机器人)臂，该臂具有至少三个、特别是至少六个、在一种实施方式中为至少七个关节或运动轴。在一种实施方式中，特定于机器人的参照物相对于遥操作机器人(臂)的远端侧端部法兰是位置固定的；在一种实施方式中，特定于机器人的参照物包括遥操作机器人(臂)的末端执行器或tcp，特别可以是遥操作机器人(臂)的末端执行器或tcp。

12、在一种实施方式中，调节器与遥操作机器人和/或遥操作机器人的(机器人)控制器在空间上间隔开。在一种实施方式中，输入装置、特别是输入装置控制器与遥操作机器人和/或遥操作机器人的(机器人)控制器信号连接；在一种扩展方案中是有线连接，在一种实施方式中这可以提高安全性；在另一种扩展方案中是无线连接，在一种实施方式中这可以提高灵活性和/或工作半径。在一种实施方式中，调节器被可移动地，特别是通过一个或多个关节，安装在输入装置的基座上，其中在一种实施方式中，检测调节器相对于输入装置的基座的姿势xm和/或调节器相对于输入装置的基座的姿势变化、特别是速度vm被优选传感技术地检测作为调节器的调整。

13、在一种实施方式中，本发明意义上的调节通常包括姿势和/或姿势变化，特别是随时间的姿势变化，特别是姿势的一阶和/或高阶时间导数，在一种实施方式中是速度；特别可以是姿势和/或姿势变化，特别是随时间的姿势变化，特别是一阶和/或高阶时间导数，在一种实施方式中是速度。在一种实施方式中，本发明意义上的姿势具有一维、二维或三维位置和/或一维、二维或三维方向。相应地，为了更紧凑地描述，特别是将持续(还)描述了相对于初始或参考姿势的调节的姿势也概括地称为调节。

14、在一种实施方式中，传感技术地检测特定于机器人的参照物的实际调整，特别是实际姿势和/或实际速度，在一种扩展方案中是基于检测到的遥操作机器人的关节或驱动器的姿态和/或姿态变化进行上述检测。

15、在一种实施方式中，本发明意义上的载荷可以包括、特别可以是沿一个或多个方向的力和/或转矩、特别是(分别)沿一个或多个方向、尤其是空间方向的转矩。在一种实施方式中，本发明意义上的作用于遥操作机器人的外部载荷包括遥操作机器人的驱动器的非驱动载荷和/或非自重引起负载，特别是遥操作机器人的重力和/或惯性力或由此产生的转矩。

16、在一种实施方式中，该作用于遥操作机器人的外部载荷被传感技术地检测，在一种扩展方案中是借助于遥操作机器人的末端执行器或法兰上的单轴或多轴负载传感器、特别是力和/或转矩传感器和/或基于在遥操作机器人的关节和/或驱动器上检测到的载荷进行，优选借助于遥操作机器人的数学模型进行。

17、本发明意义上的控制优选地包括调节。

18、在一种实施方式中，遥操作机器人的驱动器在第一运行模式中被这样或按照这样的标准控制为，使驱动器的驱动载荷在或者由于实际调整与目标调整之间的差的至少一个另外的一维或多维分量增大时增大，以便(同样)减小该差的该另外的分量，并在第二运行模式中被这样或按照这样的标准控制为，使驱动器的驱动载荷在实际调整与目标调整之间的差的该另外的分量增大时(同样)如同第一运行模式那样增大，以便减小该另外的分量。

19、由此，在一种实施方式中，遥操作机器人可以在实际调整与目标调整之间的差的一分量的一个或多个方向或自由度上，控制技术地在第一运行模式下被(更)柔性地或在第二运行模式下被(更)刚性地切换或控制，并且通过这种方式有利地降低了机器人和/或环境的负载，其中遥操作机器人可以同时在实际调整与目标调整之间的差的另一分量的一个或多个方向或自由度上，控制技术地在第一和第二运行模式下被相同刚性地控制，并且通过这种方式可以被有利地、特别是(更)精确地控制。

20、在一种实施方式中，检测到的作用于遥操作机器人的外部载荷沿一个分量的方向作用，并且在一种扩展方案中不沿另一分量的方向作用，在一种实施方式中相应地选择或定义一个分量并在必要时选择或定义另一分量。因此，在一个扩展方案中，差的一个分量是差在外部载荷方向上的分量，差的另一分量是差的与之互补的分量，例如垂直于该一个分量的分量；在一种实施方式中相应地选择或定义一个分量，并在必要时选择或定义另一分量。在一种实施方式中，如果虚拟弹簧的刚性在第二运行模式下低于第一运行模式下，则在一种扩展方案中，虚拟弹簧的刚性相应地在第二运行模式下相对于第一运行模式沿外部载荷的方向降低，优选仅沿外部载荷的方向降低，在一种扩展方案中则是沿至少一个与其垂直的方向不降低。

21、在一种实施方式中，分量被专业地理解为沿平移方向的部分和/或沿旋转方向的部分。相应地，在一种实施方式中，所述差的一个分量是一维、二维或三维的实际调整与目标调整之间的平移差的(平移)分量，特别是位置或者位移，和/或是一维、二维或三维的实际调整与目标调整之间的旋转差的(旋转)分量，特别是方向或扭转。

22、在一种实施方式中，所述一个分量的方向随着或由于检测到的负载的方向(的改变)而改变，和/或所述一个分量的方向与检测到的负载的方向一致。

23、示例性地，如果δ＝[δxδyδz]t表示特定于机器人的参照物的目标调整与实际调整之间的平移差，并且外力(仅)沿x方向作用，则在一种实施方式中，该差的一个分量或该差的一个分量的平移部分是δx。据此，在一种实施方式中，遥操作机器人的驱动器在第一和第二运行模式下被控制为，使得驱动器的驱动载荷随着δx的增大而增大，以便减小该分量，但是在第二运行模式下比在第一运行模式下增大的少。在一种扩展方案中，遥操作机器人的驱动器在第一和第二运行模式下被控制为，使得驱动器的驱动载荷在第二运行模式下增大δy时与在第一运行模式下增大的一样多，以便减小该分量。这特别可以通过(仅)沿x方向相应地减小虚拟弹簧的刚性来实施(implementiert)或实现。这同样适用于旋转分量或者说分量的旋转部分。

24、由此，在一种实施方式中，遥操作机器人可以沿作用于遥操作机器人的外部载荷的方向，特别是沿由于遥操作机器人与环境的环境接触而作用于遥操作机器人的接触载荷的方向，被控制技术地在第一运行模式下(更)柔性地或者在第二运行模式下(更)刚性地切换或控制刚性，并且通过这种方式有利地降低了机器人和/或环境的负载，其中遥操作机器人同时可以在一个或多个另外的或者说非接触方向或非接触自由度上被控制技术地在第一和第二运行模式下相同(刚性地)控制，并且通过这种方式可以被有利地、特别是(更)精确地控制。

25、同样有利的是，遥操作机器人的驱动器在第一和第二运行模式下被这样控制：即，使驱动器的驱动载荷在检测到的外部载荷增大时增大，以便减小特定于机器人的参照物的目标调整与实际调整之间的差，但是在第二运行模式下比在第一运行模式下增大的少，并且无论外部载荷的方向和/或所有的(平移和/或旋转)方向如何。

26、因此，在一种实施方式中，还故意接受了在垂直于外部载荷方向的方向上的刚性减小以及由此带来的精度降低，以便在一种实施方式中实现(更)简单和/或(更)快捷的实施和/或在环境接触时更灵活地作出反应。

27、在一种实施方式中，如果检测到的载荷低于下边界值，则该检测到的载荷处于第一范围内，和/或如果检测到的载荷超过上边界值，则该检测到的载荷处于第二范围内；在一种扩展方案中，上边界值等于下边界值；在另一种扩展方案中，上边界值大于下边界值；在一种实施方式中，相应地选择或定义第一或第二范围，或者相应地执行第一或第二运行模式。

28、由此，在一种实施方式中，可以有利地、特别是简单、精确和/或可靠地确定接触，并在必要时提供迟滞(hysterese)。

29、在一种实施方式中，特别是在驱动载荷随着实际调整与目标调整之间的差的一个分量增大而增大时，控制技术地提供或实施在从第一运行模式到第二运行模式的过渡与从第二运行模式到第一运行模式的过渡之间的迟滞。在一种扩展方案中，当检测到的载荷超过上边界值时，从第一运行模式(转换)切换出来和/或进入第二运行模式，和/或当检测到的载荷低于下边界值、特别是较小的下边界值时，从第二运行模式(转换)切换出来和/或进入第一运行模式。

30、由此，在一种实施方式中，可以有利地减少或者避免不期望的振荡。

31、在一种实施方式中，在第一和第二运行模式下，基于特定于机器人的参照物的实际姿势与目标姿势之间的虚拟弹簧来控制驱动器，其中虚拟弹簧在至少一个方向上的刚性，在一种扩展方案中还有或者仅在检测到的外部载荷的方向上的刚性，在第二运行模式下相比于在第一运行模式下降低。

32、由此，在一种实施方式中，驱动器的驱动载荷在第二运行模式下的增大相比于第一运行模式下发生减少、优选分量式的减少可以特别有利地、尤其是简单、鲁棒和/或与情况相匹配地实施或实现。

33、附加地或替代地，在一种实施方式中，在第一和第二运行模式下，驱动器也可以基于遥操作机器人的数学模型和/或还基于特定于机器人的参照物的实际姿势变化与目标姿势变化之间的虚拟阻尼器来控制。

34、在一种实施方式中，数学模型或相应比例的驱动力补偿了遥操作机器人的动力学和重量，虚拟阻尼器减少了振动。由此，在一种实施方式中，可以(进一步)改进对遥操作机器人的控制，特别是(更)简单、(更)精确、(更)可靠和/或安全地运行或控制遥操作机器人。

35、附加地或替代地，在一种实施方式中，通过阻抗调节、在一种扩展方案中是笛卡尔阻抗调节，和/或通过被动调节、在一种扩展方案中是时域中的被动调节，来控制驱动器。

36、在一种实施方式中，通过该(笛卡尔)阻抗调节，可以特别简单、精确、可靠和/或安全地运行或控制遥操作机器人。

37、一种实施方式中，通过被动调节、特别是时域中的被动调节(“time domainpassive approach”)，可以特别简单、精确、可靠和/或安全地运行或控制遥操作机器人。对此，请补充参考hannaford，blake；ryu，jee-hwan，time-domain passivity control ofhaptic interfaces，ieee transactions on robotics and automation，2002，vol.18，no1、p.1-10；emmanuel nuno，luisroméo ortega，passivity-based control forbilateral teleoperation：a tutorial.automatica，elsevier，2011，47(3)，pp.485-495和ryu，jee-hwan，artigas，jordi preusche，carsten，a passive bilateral controlscheme for a teleoperator with time-varying communication delay，mechatronics(2010)，20(7)，pp.812-823。参考了elsevier出版社的资料，其内容被完全纳入本公开中。

38、根据本发明的一种实施方式，一种用于通过具有可移动调节器的输入装置控制遥操作机器人的系统，特别是被硬件技术和/或软件技术、尤其是编程技术地设计用于执行在此所述的方法，和/或包括：

39、-用于基于检测到的调节器的调整来确定遥操作机器人的特定于机器人的参照物的目标调整的装置；和

40、-用于基于检测到的特定于机器人的参照物的实际调整与所确定的目标调整之间的差来控制遥操作机器人的驱动器的装置，其具有：

41、-用于在检测到的作用于遥操作机器人的外部载荷处于第一范围内时执行第一运行模式的装置；和

42、-用于在检测到的载荷处于第二范围内时执行第二运行模式的装置；

43、其中，用于执行第一运行模式的装置具有用于在第一运行模式下控制遥操作机器人的驱动器而使驱动器的驱动载荷随着实际调整与目标调整之间的差的一维或多维分量的增大而增大以减小该分量的装置；并且

44、用于执行第二运行模式的装置具有用于在第二运行模式下控制遥操作机器人的驱动器而使驱动器的驱动载荷随着实际调整与目标调整之间的差的分量的增大而同样增大以减小该分量，但是比在第一运行模式下增大的少的装置。

45、在一种实施方式中，该系统或其装置包括：

46、-用于检测调节器的调整的装置；和/或

47、-用于检测作用于遥操作机器人的外部载荷的装置；和/或

48、-用于检测特定于机器人的参照物的实际调整的装置。

49、在一种实施方式中，用于执行第一运行模式的装置具有用于在第一运行模式下如下地控制遥操作机器人的驱动器的装置，即，使驱动器的驱动载荷随着实际调整与目标调整之间的差的至少一个另外的一维或多维分量的增大，从而减小该另一分量；用于执行第二运行模式的装置具有用于在第二运行模式下如下地控制遥操作机器人的驱动器的装置，即，使遥操作机器人的驱动器在第二运行模式下被控制为，驱动器的驱动载荷在实际调整与目标调整之间的差的该另一分量相同增大时与在第一运行模式下相同地增大，以便减小该另一分量。

50、在一种实施方式中，用于执行第一运行模式的装置和用于执行第二运行模式的装置具有：用于在第一或第二运行模式下如下地控制遥操作机器人的驱动器的装置，即，在第一和第二运行模式下基于特定于机器人的参照物的实际姿势与目标姿势之间的虚拟弹簧来控制驱动器，其中在第二运行模式下该虚拟弹簧的刚性在至少一个方向上，特别是还或者仅在检测到的外部载荷的方向上，相比于第一运行模式降低。

51、在一种实施方式中，用于执行第一运行模式的装置和用于执行第二运行模式的装置具有用于在第一或第二运行模式下还基于遥操作机器人的数学模型和/或还基于在特定于机器人的参照物的实际姿势变化与目标姿势变化之间的虚拟阻尼器来控制遥操作机器人的驱动器的装置。

52、在一种实施方式中，用于执行第一运行模式的装置和用于执行第二运行模式的装置具有用于在第一或第二运行模式下通过阻抗调节和/或被动调节、特别是笛卡尔阻抗调节和/或时域中的被动调节来控制遥操作机器人的驱动器的装置。

53、本发明意义下的系统和/或装置可以硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：至少一个优选与存储系统和/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，特别是微处理单元(cpu)、图形卡(gpu)等；和/或一个或多个程序或程序模块。处理单元可以为此被设计为：执行被实施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。程序可以被提供为，其能够体现或执行在此所述的方法，使得处理单元能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够控制遥操作机器人。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有、特别可以是尤其是计算机可读的和/或非易失性的、用于存储程序或指令的存储介质或者其上存储有程序或其上存储有指令的存储介质。在一种实施方式中，通过系统或控制器、特别是计算机或多个计算机阵列执行该程序或指令，使得该系统或该控制器、特别是该一个或多个计算机执行在此所述的方法或该方法的一个或多个步骤，或者该程序或指令被设计用于此目的。

54、在一种实施方式中，该方法的一个或多个、特别是所有的步骤被完全或部分自动化地执行，特别是通过该系统或其装置。

55、在一种实施方式中，该系统具有遥操作机器人。