用于关节臂机器人的、基于事件的冗余角度配置的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地设及一种用于控制操纵器、特别是手动引导的多轴关节臂机器人的 方法，该关节臂机器人具有至少一个冗余的自由度。
【背景技术】
[0002] 操纵器，例如特别是工业机器人，用于例如工业环境中的安装或生产的各种工作 过程中。工业机器人是被自动控制的、可自由编程的操纵器，其可W关于=个或更多个轴进 行编程。因此，工业机器人能够可运动地使用或在固定的地点使用。
[0003] 关节臂机器人或曲臂机器人是可=维运动的工业机器人，其由多个转动关节构 成。转动关节通常与臂节肢相连接，并且各个转动关节由于关节轴而有着出色的表现。关 节臂机器人往往配置有六个关节，W便尽可能地通过一个关节轴构成可能六个笛卡尔自由 度中的每个自由度。当机器人具有六个或更少的自由度时，各个臂节肢的位置和方向一般 通过工具中屯、点（英语：tool center point, TCP)的位置来明确地限定。
[0004] 但是，当操纵器具有多于六个的自由度或多于六个的关节轴时，第屯个和每个更 多的轴均意味着超定义性（Uberbestimmtheit) P:因此，针对静止不动的TCP可能存在各 种关于关节和臂肢的配置。也就是说，操纵器具有额外的自由度，运些自由度被看作是冗余 的。冗余操纵器通常比笛卡尔自由度具有更多的关节轴。因此，具有冗余的第屯轴的操纵 器的优势在于具有更大的灵活性（Flex化ililiit)迪为对于固定的TCP(即，空间中的TCP 的位置和方向保持不变）来说，操纵器可W处于更多的姿态中。运种更大的灵活性或者灵 活的技巧可W例如用于避免碰撞。 阳〇化]然而，冗余操纵器在此还可能会处于意外的姿态中。因此可W很容易地设想：在具 有7个关节的关节臂机器人中，冗余的关节（通常是中间的或肘关节）可W执行冗余的运 动。因此，例如由于关节臂机器人的肘关节中的冗余，该关节可能会意外地下落或行进，并 妨碍执行后续的运动。运特别是可能发生在关节臂机器人在力补偿模式下被手动引导的情 况下，在该模式下例如重力对操纵器的节肢的作用得到补偿。在此，例如肘关节可能会漂移 进入不利的区域中并与周围的环境或操作人员发生碰撞。此外，关节臂机器人可能会在手 动引导时处于不当的姿态中，从而只有通过再次对肘角度进行手工定向才能使机器人继续 运动。因此，在运种情况下不利的是，操作人员必须使用两只手来控制机器人。
[0006] 在专利文献W02014/043702A1中描述了一种用于限制具有冗余自由度的机器人 的运动的系统和方法。当机器人在力补偿模式下被手动引导时，为了防止机器人的姿态发 生不受控制的变化，建议通过将受限的力或转矩内部地施加在关节上来限制机器人的冗余 自由度，W便强制机器人实现有利的配置。由此能够基本限制机器人的运动性。
[0007] 另外根据现有技术已知：可W通过例如固定或卡住肘关节使冗余机器人退化为6 轴运动机构。此外公知地可W根据用于冗余机器人的固定TCP(相应于零空间运动），对肘 关节进行再定向。但是，特别是当机器人在力补偿模式下被手动引导期间，不存在能够优化 地控制肘关节行为的方法。
[0008] 专利文献DE102011106321A1提出了一种用于控制人机协作机器人的方法。其中 提出：为了消除特定于机器人或目标的冗余，将机器人的与位姿相关的惯性参量降至最小 程度。
[0009] 专利文献DE3606685C2提出一种手动引导工业机器人的装置，用于对机器人手的 运动进程进行编程。在此，该装置包括并行的测距仪，该测距仪被设置为，平行于笛卡尔坐 标系的一轴线W及垂直于该坐标系的一主平面。
[0010] 在专利文献DE102011003506A1中描述了一种工业机器人，其具有机器人臂和控 制装置。该控制装置在此被设计为，针对机器人臂至少在局部运行模式下的运动，利用调节 装置力调节地控制机器人臂的电驱动器。
[0011] 专利文献DE696222582T2设及一种用于与机器人的工作点相关的教导数据的教 导装置。在此公开了一种装置，该装置包括力探测器和教导工具。后者由工作工具或手柄 构成，其固定在力探测器上并由操作人员使用，W引导机器人。
【发明内容】
[0012] 鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提出一种方法和一种系统，其能够在手动 引导模式下对操纵器的肘关节的行为进行优化。在此，特别是应当防止肘关节例如自由地 运动或行进，或者经过特定的位置或W特定的角度运动或行进。本发明的另一目的在于防 止冗余操纵器的姿态漂移到意外的位置上。本发明的目的通过一种方法和一种操纵器系统 来实现。
[0013] 根据本发明的方法设及到对受到手动引导的多轴操纵器（例如关节臂机器人）的 控制，该操纵器的轴配置有用于检测作用在轴上的转矩的力矩传感器。在此，基于操纵器的 轴布局，操纵器具有至少一个冗余的自由度。操纵器可W借助柔性调节在其至少一个自由 度中运行，该柔性调节使得能够实现力和/或力矩调节的运行。在此，运种柔性调节特别是 可W通过阻抗调节、导纳调节、位置调节或转矩调节来实现。被手动引导的操纵器通常直接 被关于末端执行器、即工具中屯、点来引导，并且操作人员在此仅专注于末端执行器的运动。
[0014] 本发明能够使操纵器在操作性不受到限制的情况下在限定的区域内自由地运动。 在此，根据本发明的方法为多轴操纵器的至少一个关节定义一区域，该关节在该区域中可 W对应于操纵器的整体运动而自由地运动。换而言之，当操纵器根据手动引导的运动而改 变其姿态时，关节可W在为该关节定义的区域中运动，而不会对该运动产生影响。优选将该 区域定义为，能够避免各个关节与周围环境和/或操作人员发生碰撞。替代地或附加地，还 可W将该区域限定为，能够避免各个关节运动到不利的位置上。
[0015] 在下一步骤中，确定关节是否已经到达为该关节定义的区域的边界。也就是确定： 是否通过手动引导的运动使关节到达为该关节定义的区域的边界。
[0016] 在下一步骤中，如果确定关节到达为该关节定义的区域的边界，则调整操纵器的 运动。在此将该运动调整为，抵消使关节穿过边界的运动，而操纵器的工具中屯、点不会由 于运种抵消而行进。特别是在关节到达其可自由运动的区域的边界时将操纵器的运动调 整为，使得该关节不能自由地运动穿过该区域的边界。在此，该运动在利用冗余自由度的情 况下被调整为，能够有利地使操纵器的工具中屯、点不行进（即，不会实质性地干扰工作过 程），也就是说不会移动、扭转或翻转。即，TCP在空间中的位置和方向基本保持不变。
[0017] 当关节离开为该关节定义的相应区域时，通过相应地调整操纵器的运动来防止， 关节离开为该关节定义的区域并由此使操纵器处于不利的姿态。在此，本发明特别是设及 到具有多个轴的操纵器，其中，优选所有的轴，至少是运行所需的轴可W被力调节或力矩调 节地运行。优选只有当关节到达为该关节定义的区域边界时，才通过根据本发明的方法来 调整操纵器的运动，从而即使在其他情况下也能够充分利用冗余机器人的柔性。
[001引通过运种方法可W有利地实现：只有当关节（例如肘关节）到达所定义区域的边 界时，操纵器的运动才会被限制。由此使得能够利用操纵器的所有自由度和由此产生的高 柔性。因此可W防止操作人员必须使用两只手来阻止操纵器处于不利的姿态。
[0019] 在基于确定（探测到）关节已到达为该关节所定义区域的边界的响应中，对操 纵器的运动的调整通常还包括改变操纵器关节的刚性和/或引入力。本领域技术人员 在此应当理解的是，通过改变刚性将会改变关节的阻尼。运种对刚性的调整通过对相 应电机的相应控制来实现，W改变运动的阻力。替代地，还可W提高关节的零空间刚性 (Nullraumsteifi址eit)。通过引入力来抵消关节的运动，W使关节不会从容许区域滑到或 落入禁止区域。在此，优选使对运动的调整刚好设及到已到达为其所定义的区域的边界的 关节。在此还优选对运动的调整不设及其他的关节。
[0020] 优选操纵器具有至少六个轴A1-A6,更优选具有至少屯个轴A1-A7。在此，通过对 运动的调整来改变轴A3和/或A4的冗余关节的刚性，在此，轴A3和/或A4的关节优选定 义了操纵器的肘关节。
[0021] 优选对运动的调整通常包括到达为其所定义区域的边界的关节和邮邻的臂的位 置变化。因此，主动地对相应关节的实际位置下达指令并由此防止关节与周围环境可能发 生的碰撞。替代地或附加地，除了上述响应可能性之外，运种位置变化还可W针对已到达边 界的关节来进行。
[0022] 优选地，确定（检测）操纵器的关节是否位于为该关节定义的工作区域之外还包 括确定上升沿和/或下降沿。在信号中，信号沿是信号状态高（H)与低（L)之间的过渡，并 被称为上升沿和下降沿。此外，优选在操纵器在力补偿模式下被手动引导期间执行运种确 定。
[0023] 如果离开了为单个关节定义的区域时，通过根据本发明的方法来校正冗余操纵器 的姿态或调整单个关节的运动。在此，在采用冗余的自由度的情况下运样进行处理：使操纵 器的工具中屯、点不会因为该调整而行进或运动，在任何情况下均不干扰工作过程。由此使 得操作人员能够在不监视操纵器的姿态的情况下不受干扰地继续工作，并且不会由于所述 运动调整而必须中断其工作。
[0024] 根据本发明的操纵器系统包括受到手动引导的多轴操纵器、特别是关节臂机器 人，其轴配有用于检测作用在轴上的转矩的力矩传感器，在此，操纵器具有至少一个冗余的 自由度和工具中屯、点，该操纵器系统配有控制装置，为了能够执行W上所述的方法步骤，该 控制装置被设计用于执行根据本发明的方法。
【附图说明】
[00巧]下面参照附图对本发明做详细说明。其中：
[00%] 图1示出了具有力调节轴I-VII的多肢关节臂机器人；
[0027] 图2示