用于操纵器的操作设备的制作方法

本发明涉及一种用于对操纵器进行控制或编程的操作设备、一种用于用信号传递操纵器信息的方法和一种操纵器系统。

背景技术：

操纵器、尤其是机器人是可广泛使用的、可自由编程的处理设备。操纵器可在此包括多个轴，这些轴可彼此独立地通过相应的驱动器(例如伺服马达)进行运动。由此，操纵器可占据各种姿势或各种位形，以便例如使工具或工件运动到空间中特定的位置上。在此情况下，操纵器可在其运动中具有复数个自由度。这些自由度可描述彼此独立的、被驱动的运动的数量，操纵器可在空间中相对固定的世界坐标系实施这些运动。操纵器的运动性可由此通常由其自由度的数量来表征。

操纵器可跟随自动的程序流程。该自动的程序流程可基于事先所编程的程序流程，该程序流程被提供给相应的控制器。该程序流程可描述各个轨迹点，这些轨迹点应通过操纵器被驶出或驶入。此外，还可实现手动运行操纵器，其中操作者手动地预先给定操纵器的运动，由此手动地使操纵器行驶。

操纵器的运动可借助操作设备被手动地预先给定。操作设备可在此例如被设计为手操作设备的形式，其被操作者用手操作。这种手操作设备在此有线或无线地与操纵器的控制器通信，并由此体现为操作者与操纵器控制器之间的接口。利用手操作设备，可例如使操纵器的单个轴发生运动，或直接预先给定操纵器的工具中心点的运动。

手操作设备可为此具有各种输入装置，例如单个的转轮或按钮，以便预先给定线性运动或旋转。还已知，设置用于输入控制指令的操纵杆。然而，这种操纵杆的主要缺点是缺乏取向。操作者只能困难地认出，操纵杆的参考系如何与当前的操纵器坐标系相关联。当例如操纵杆被向前操纵时，操纵器可能会违反本意地侧向移动。当手操作设备以不同定向被握持或还有在握持手或者说操作者被更换时，尤其是这样。虽然可在手操作设备上安装固定的标记，以便可认出取向，但是该取向受情况限制地是不实用的。

技术实现要素：

由此，本发明的目的是提出一种用于操纵器的操作设备，该操作设备至少部分地消除上述缺点。在此，应尤其提出一种操作设备，其明显简化了操纵器的操作，通过可实现直观操作的方式。

该目的和从以下说明中显而易见的其他目的，由根据权利要求1的操作设备、根据权利要求11的方法和根据权利要求16的操纵器系统实现。

本发明涉及一种用于操纵器的操作设备。操作设备在此尤其地适于对操纵器进行控制或编程。操作设备可手动地由操作者操作。因此，操作设备可例如由操作者用手操纵。借助操作设备可直接预先给定操纵器的运动，或限定针对程序流程的运动。操作设备可由此实现或支持操纵器的控制，但也用于创建程序流程。为此，操作设备可与相应的操纵器控制器通信，并且将操作者的运动预定传输给控制器，使得这些预定可紧接着被控制器转换。

理论上，可任意地设计操纵器。操纵器可在此优选地具有复数个彼此独立的自由度。例如，操纵器可在二维平面中运动。由此，操纵器可被设计为移动平台，可远程控制地借助操作设备使该移动平台运动。操纵器还可被构造为关节臂机器人，其中，借助操作设备可预先给定工具中心点的运动。

操作设备包括手动控制杆，该手动控制杆被设计为，预先给定操纵器的至少一个二维运动。手动控制杆可以在此情况下被操作者用手操纵。在此，手动控制杆可以是可偏转的，以便预先给定期望的运动。不同的偏转方向可在此相应于不同的运动方向。通过改变手动控制杆的偏转角度，可由此改变运动方向。除这些偏转外，手动控制杆可优选地也被旋转，或也通过按压和拉拔来操纵。例如，手动控制杆可被设计为控制杆或操纵杆形式。优选地，手动控制杆被设计为2D、3D或6D操纵杆。6D操纵杆可在此在六个自由度上预先给定操纵器的运动(例如鉴于该运动的三个平移自由度和三个旋转自由度)。例如，操纵杆可被构造为手动控制球或空间鼠标形式。例如，可借助手动控制杆来执行以下输入运动：朝x方向偏转(例如通过使手动控制杆朝第一x方向移动或倾斜)，朝y方向偏转(例如通过使手动控制杆朝第二y方向移动或倾斜)，围绕转动轴线偏转(例如通过围绕竖直轴线扭转手动控制杆，该竖直轴线正交于第一x方向和第二y方向)。

操作设备还包括信息指示器，该信息指示器配属于手动控制杆。信息指示器可由此这样设置在操作设备上，使得操作者将信息指示器与手动控制杆直接相关联或相结合。例如，信息指示器可布置得紧邻手动控制杆。信息指示器在此被设计为，将操纵器信息可视地用信号传递给操作设备的操作者。通常，信息指示器可包括显示器或发光体。尤其地，信息指示器包括复数个可彼此独立操控的指示段，例如复数个发光体。这些指示段可在此有针对性地被操控，以便可实现或者转换信号传递。指示段在此至少部分地围住手动控制杆。例如，指示段可设置在手动控制杆的不同侧上。指示段可为单个LED，这些LED可发射各种波长的可见光(例如，红或绿)。在此，优选地通过有针对性地操控，各个指示段可以以各种颜色发光。

操作设备还具有控制装置，该控制装置被设计为，单个地操控信息指示器的指示段，以便用信号传递操纵器信息。控制装置可在此还与操纵器的控制器通信，以便从控制器获得操纵器信息，或以便将运动预定传输给操纵器的控制器。这优选地借助无线电技术进行。

操作设备的特征由此在于，用户友好且直观的操作，尤其地因为将操纵器信息直观地用信号传递给操作者。这尤其地通过信息指示器可实现，该信息指示器配属于手动控制杆。因为彼此独立地可操控的指示段至少部分地围住手动控制杆，所以可例如使得手动控制杆的特定偏转方向变得突出，通过处于手动控制杆的偏转方向上的相应指示段被相应地操控的方式。例如，可由此直观地用信号传递给操作者，手动控制杆的哪个偏转方向相应于操纵器的x运动轴。在另一示例中，偏转方向也可直接借助手动控制杆被预先给定。为了预先给定该方向，可以朝期望方向推移手动控制杆，或围绕竖轴扭转手动控制杆。在坐标系变化时，例如在机器人脚坐标系、世界坐标系、基础坐标系、法兰坐标系或工具坐标系之间转换时，也可通过操控相应的指示段来使得手动控制杆的相应偏转方向变得突出，并由此将相应的x轴用信号传递给操作者。由此，操作者总是知道操纵器和操作设备的坐标方向的明确配属。

优选地，指示段是相同形式的。由此，至少部分地围住手动控制杆的每个指示段可具有同一形式。此外，指示段优选均匀地围绕手动控制杆设置。例如，可沿手动控制杆的四个主偏转方向的每个(前、后、左、右)设置这种指示段。由此，操作者可直接使这些指示段与手动控制杆的偏转方向相结合。

优选地，指示段在至少三侧上围住手动控制杆。由此，可用信号传递信息，该信息可与手动控制杆的相应偏转方向相结合和相关联，这些偏转方向相应于这三侧(例如，左、前、右)。

优选地，信息指示器环形地围住手动控制杆。指示段可由此以环形围绕手动控制杆布置。这可实现手动控制杆的偏转方向与用信号传递的信息的明确配属。理论上，也可实现类环形结构，然而环形是优选的，以便可实现易于将各个指示段与手动控制杆相结合。

优选地，信息指示器包括分段的光环，其中，该光环包括复数个指示段。尤其优选地，信息指示器呈分段的光环形式。该光环可例如以细分段的区段有针对性地被操控，以便用信号传递信息。在此，附加地也可使用另一灯环作为氛围灯环，其同样可用于用信号传递信息。灯环的细分段的指示段可由许多小LCD构成。通过有针对性地改变其透光性，例如可有针对性地用信号传递操纵器信息。

优选地，指示段连续地围住手动控制杆。指示段可由此无缝地围绕手动控制杆设置，使得手动控制杆的每个二维偏转方向可由信息指示器有针对性地表示。本领域技术人员理解的是，这些指示段由于其结构而不必完美无缝地并排设置。然而，指示段优选基本上或尽可能地彼此邻接，以便例如环形地围住手动控制杆。

优选地，操作设备被构造为2D、3D或6D鼠标。在此，手动控制杆可被构造为操纵杆、尤其优选为带帽操纵杆或球操纵杆。为此，操作者可用一只手抓牢操作设备并以另一只手将手动控制杆倾斜、转动、移动、拉拔、按压和/或旋转等，以预先给定期望的运动。手动控制杆可在此作为中央元件被放置在操作设备上。通过围绕手动控制杆布置指示段，手动控制杆的可能的偏转方向可用信息来表示，并被操作者与之相应地相结合。

优选地，信息指示器包括至少四个、还优选地至少8个、还优选地至少16个、还优选地至少32个、还优选地至少64个并且最优选地至少100个指示段。由此，视应用而定，操纵器信息可被任意细地用信号传递。

优选地，操作设备还具有位姿传感器和/或定向传感器。由此，可确定操作设备的位姿和/或定向。也可设置惯性传感器。在此，控制装置优选地还被设计为，用于在考虑操作设备的所确定的位姿和/或所确定的定向的条件下操控信息指示器的指示段。由此可确定，操作者如何在空间中握持操作设备，并基于此来相应地用信号传递操纵器信息。如果例如手动控制杆的偏转直接与操纵器的偏转相关联，由此应沿与手动控制杆的偏转方向相同的方向进行操纵器的运动，则可例如借助指示段用信号传递：手动控制杆在那些区域中不应被偏转，以防止可能的碰撞。尤其地，如果操纵器被设计为移动平台，则由此可减少碰撞风险。

优选地，围绕手动控制杆设置输入环。该输入环在此被设置为以可转动方式可操纵，以便获取用户输入。输入环可被设计为“推轮”或者说“推盘”。输入环可在此被设计为连续地或逐步地通过止动件可操纵，以便例如获取菜单输入或以便允许操作者完成运动预定。通过输入环与手动控制杆和尤其地与信息指示器的该布置，可由此实现直观的操作。

本发明还涉及一种操纵器系统，其具有：操纵器，该操纵器具有复数个彼此独立的自由度；以及操作设备，用于对根据本发明的操纵器进行控制或编程。操作设备可在此与相应的操纵器控制器通信。该通信可有线或无线地进行，并且控制器可设置在操纵器上或与该操纵器分开设置。

本发明还涉及一种用于将操纵器信息用信号传递给根据本发明的操作设备的操作者的方法。该方法在此包括，提供操纵器信息，该操纵器信息可以被可视地用信号传递给操作设备的操作者。例如，操纵器信息可从操纵器的控制器提供给操作设备的控制装置。该方法还包括对信息指示器的指示段进行操控，以便可视地用信号传递操纵器信息。该操控可借助操作设备的控制装置来进行。

优选地，操纵器信息描述了操纵器的坐标轴方向。对指示段的操控于是可优选地进行为，使得坐标轴方向被用信号传递给操作者。例如，指示段可被操控，使得操作者将手动控制杆的相应的偏转方向与操纵器的坐标轴方向相结合。优选地，操作者可通过操作手动控制杆来控制或改变操纵器的坐标轴方向。由此，可例如由操作者来确定，手动控制杆的哪个偏转方向应与x坐标轴方向相关联。

优选地，操纵器信息描述了操纵器的轴或所选出的轴的当前角度，以及该轴的一个或复数个极限角度。优选地，于是对指示段的操控进行为，使得将轴的当前角度和轴的允许的和不允许的角度范围用信号传递给操作者。例如，操作者可由此直接认出，操纵器的当前轴角度与相应的轴极限值离开多远。通过操作手动控制杆，操作者可优选地控制或改变操纵器的当前轴角度。例如，可通过使手动控制杆旋转来直接预先给定轴的当前角度。通过可视地用信号传递当前的轴值和极限值，操作者可直接知道去避免不允许的范围。这些范围以及当前角度在此取决于所选择的轴。

优选地，操纵器信息描述了操纵器的当前取向或者说定向以及处于操纵器周围环境中的障碍物。例如，可显示移动操纵器的当前的向前方向，也显示可能的障碍物关于该向前方向的相对位置。可在此相对于手动控制杆的当前偏转进行对当前取向的显示。对指示段的操控优选进行为，使得将操纵器的当前取向和由障碍物占据或者说阻塞的区域用信号传递给操作者。优选地，也可借助指示段用信号传递操纵器与障碍物的距离。优选地，操作者可通过操作手动控制杆来控制或改变操纵器的当前取向。在此，操作者直接知道，如何预先给定操纵器的当前取向，以避免可能的碰撞。该取向可在此包括操纵器的运动方向。借助操作设备，操作者可由此直接控制行驶方向，以避免碰撞。

操纵器信息可描述每种与操纵器关联的信息。在此，操纵器信息可尤其优选地包括或描述了如下信息中的至少一种：操纵器的二维运动的地点信息和/或时间信息(例如，预先给定的工具中心点运动方向)，操纵器的轴位形的地点信息和/或时间信息(例如，当前轴角度)，操纵器的参数值和/或参数界限的信息(例如，轴运动的速度界限)，操纵器的坐标系或参考系的信息(例如，操作设备的偏转方向与操纵器的x轴方向的关联)，操纵器的轴边界的信息(例如，最大轴角度)，操纵器的周围环境信息(例如，障碍物的相对位置)，操纵器的状态的信息(例如，温度、状况信息、错误状态等)。操纵器信息还可描述操纵器与操作设备之间的耦接状态。本领域技术人员理解的是，该列举不是最终的，并且视应用不同可借助指示段用信号传递不同的操纵器信息。本领域技术人员理解的是，借助信息指示器也可将关于操作设备的功能或状况的信息(例如，蓄电池状态、无线电连接质量、应急开关状况、操作设备的菜单模式等)用信号传递给操作者。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明。相同的组件在此以相同的附图标记表示。在此示出：

图1为根据一实施方式的操纵器系统；

图2-11为根据其他实施方式的操作设备；和

图12为根据另一实施方式的操作设备。

具体实施方式

在图1中示出操纵器系统，其包括操纵器20。操纵器20在此是可移动的，也就是可在空间中运动。为此，操纵器20设有相应的移动平台。操纵器20还可操控其轴，以改变其姿势或其位形。操纵器20的运动在此由控制器21控制，该控制器被设置在操纵器20上。操纵器20也可静止地使用。

操纵器系统还包括操作设备10，该操作设备尤其地可设计为手操作设备。该操作设备10被设计为，控制操纵器20。为此，操作设备10包括控制装置11，该控制装置可识别用户输入并直接与操纵器的控制器21通信。通过该连接，可在操纵器20的控制器21与操作设备10的控制装置11之间交换信息。

在图2-11中示出操作设备10，其可相应于图1的操作设备10。图2-11的操作设备10的结构是统一的。在图2-11中示出的情况的区别主要在于，本发明意义下的用信号传递的操纵器信息。操作设备10在此包括(参考图2)把手12，操作者可在该把手上握住操作设备10。操作设备10还包括操纵杆13，该操纵杆可以至少在水平平面中偏转，以便预先给定操纵器20的运动。操纵杆13也可用于，在操作设备10上完成数据输入或者说菜单输入。围绕操纵杆设有信息指示器14，该信息指示器包括分段的光环15和氛围灯环16。光环15的各个分段可彼此独立地操控。光环15的各个分段还可以以各种颜色发光(例如，绿、黄、红、蓝)。氛围灯环16也可作为整体以各种颜色发光(例如，绿、黄、红、蓝)。此外，在操作设备10上还设置有显示器17、至少一个可操纵的开关18和紧急停止装置19。

在图2中所示的情况中，未完成用户输入。操纵器20位于其机器人单元或操纵器单元中，并且信息指示器体现了该单元的状态。为此，光环15的每个分段被操控，以发绿光，并且氛围灯环16也发绿光。由此，操作者可知道，该单元被关闭并且不可进入。同样地，操作者根据绿颜色知道，程序流程目前运行得没有问题。显示器17为此可提供其他信息。

在图3中所示的情况中，紧急停止装置19被按压。响应于此，光环15的分段被操控为，使得运行的灯光15a、15b的两个区域以黄红颜色指示被压入的紧急停止装置19。此外，氛围灯环16发红光。在显示器17上还指示，紧急停止装置被激活。

在图4中所示的情况中，信息指示器被用于支持操作设备10的菜单向导。在当前情况下，菜单在显示器17中示出，并且光环15的区域15c指示操纵杆13被向下偏转，以便在菜单中向下走。由此，操作者得到对其输入的立刻反馈。此外，由此也可示出，操纵杆13目前被用于菜单向导，并且不用于完成运动预定。

在图5中所示的情况中，操纵器20的参数被改变，通过操纵杆13相应于所示箭头方向被转动的方式。在信息指示器14中，光环的区域15e发光，其使得当前所选参数的大小被可视化或用信号传递。区域15d(其附加地在光环上可视地突出)使操作者获得该区域的边界。在此，当前至少示出了参数的零值的位置。由此，操作者直接知道，当前所选参数相应于大约其最大值的1/3。在显示器17上还示出当前参数的精确用数字表示的值，例如“速度38％”。

在图6中所示的情况中，应在基础坐标系中手动使操纵器20运动。通过相应于所示箭头方向扭转操纵杆13，可选择操纵杆13的哪个偏转方向应例如相应于操纵器20的x轴。在此，在转动操纵杆13时，光分段15f表面上“随”动，通过光环15的各个分段相应地被操控的方式。因此，操作者可直接知道，哪个偏转方向当前被选择并与操纵器的x轴相结合。通过按压到操纵杆13上，可确认该明确的轴配属。由此也限定了其他的空间方向，其中，z轴被给定为竖直线。在显示器17中还指示，x方向当前被操作设备10选出或者说设定。

在图7中所示的情况中，操纵器20的单个轴应被移动或者说转动。为此，使操纵杆13相应于所示箭头方向转动，由此各个轴的当前轴角度发生改变。信息指示器14的所示区域15g在此指示当前轴值，而信息指示器14的突出区域15h体现禁止的轴范围，该禁止的轴范围可被个体的轴边界所限界。操作者由此立刻知道，在哪些边界中其可改变轴角度。附加地，在显示器17上示出当前轴角度的用数字表示的值和边界(例如45°>110°<270°)。在接近轴边界时，可通过使信息指示器附加地闪烁来警告可能超过轴边界。

在图8中所示的情况中，移动操纵器20在空间中移动。通过转动操纵杆或使操纵杆13运动，可预先给定期望的移动方向，该移动方向可视地由分段15j示出。分段15i在此示出当前的车辆取向。该车辆取向可在此被相对于操纵杆进行指示。附加地，在信息指示器14中指示相对于操纵器20的可能的障碍物，这些障碍物基于测距由操纵器所确定。在此，区域15k指示临界的障碍物，该临界的障碍物位于移动操纵器的左前。由于可能的碰撞危险，该区域15k示出红色。另一区域15l还以绿颜色指示车辆左旁的非临界的障碍物，对于该非临界的障碍物目前没有碰撞危险。对于车辆右侧，未认出障碍物。在显示器17上，在此可示出操纵器20与临界的障碍物的间距，该间距在当前示例中是15cm。替代地，可不同地操控四个区域，以便象征地反映车辆的周围环境。如果没有面临碰撞危险，则每个区域可发绿光。如果这些区域之一的颜色从绿经过黄到红以发光方式变化并最后该区域闪烁，则由此可用信号通知，认出了障碍物并且碰撞危险上升。

在图9中所示的情况中，示出(例如操作设备10或还有操纵器20的)蓄电池状态的信息以及无线电连接的信号强度的信息。在此，蓝色区域15m指示信号强度，而黄色区域15n体现蓄电池的当前电量。发白光的分段15o和15p分别指示最小或最大值，并将各种信息光学地彼此分开。附加地，在显示器17上示出分别用数字表示的值(80％或60％)。

在图10中所示的情况中，执行配对控制。例如，通过操纵开关18来向当前所配属的操纵器20发送信号，使得该操纵器闪烁。操纵器20的闪烁在此与信息指示器14的或光环15所有分段的闪烁同步发生，使得操作者可知道哪个操纵器被配属给操作设备10。还在显示器17上示出，操作设备与哪个操纵器连接(“与KMR2连接”)。

在图11中所示的情况中，借助信息指示器14示出，操纵器20相对于操作设备10位于何处。为此，操作设备10装备有位姿和/或定向传感装置。在考虑这些传感器数据和操纵器20的相应地点信息的条件下，光环15的区域15q被操控，使得操作者直接知道，操纵器20位于何处(在此：相对于操作设备的左前)。

图12中所示的操作设备10被构造得类似于参照图2所描述的操作设备10，然而附加地包括输入环30。该输入环30围绕带有氛围光环16和光环15的信息指示器14，并围绕操纵杆13设置。通过转动输入环30，用户可完成输入，例如以便控制菜单向导或操纵器20的运动。输入环30的上部31在此下沉，且不能直接由操作者够到。输入环30的下部32是开放的，并且至少在侧向可进入。本领域技术人员理解的是，在图12中所示的操作设备10可具有每个上述功能。

因此，本发明可实现许多用户友好的和直观的操作可能性，并且操作设备10具有创新的中央操作界面。操作元件和指示元件被减少成一紧凑单元，且构成了与操纵器的交互中心。取决于对应的情况，相应的反馈被用信号传递给操作者。

附图标记列表：

10 操作设备

11 控制装置

13 操纵杆

14 信息指示器

15 光环

16 氛围灯环

17 显示器

18 开关

19 紧急停止装置

20 操纵器

21 控制器

30 输入环

31，32 输入环的部分