用于监视携带有效负荷的机器人组的方法

用于监视携带有效负荷的机器人组的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于监视携带有效负荷的机器人组的方法，该机器人组具有至少一个机器人(1)，根据该机器人组相对于其预设的更换位置(P1，P2，P3)的当前位置(TCP)来识别机器人携带的有效负荷组(N)(S30，S40)。
【专利说明】用于监视携带有效负荷的机器人组的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于监视携带有效负荷的机器人组（nutzlastfiihrenden Roboteranordnung)的方法和一种相关的监视装置，一种具有这种监视装置的机器人组以 及一种用于执行该方法的计算机程序产品。

【背景技术】
[0002] 为了提高生产率，机器人可以携带不同的有效负荷：例如，机器人可以交替地携带 不同的工具，其可以放下各个不再需要的工具并拿起新的工具，也就是说更换工具。
[0003] 在此公知的是对于所携带的各个工具，特别是在进行碰撞监视时需要考虑到工具 的轮廓。根据企业内部的实践情况，迄今为止对此采取的措施是使用专门的工具传感器，通 过工具传感器能够可靠地识别由机器人所携带的各个工具。其不利之处在于，在此每个工 具必须具有至少一个属于自己的传感器。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于改善机器人组的运行。
[0005] 本发明的目的通过一种用于监视携带有效负荷的机器人组的方法和一种用于执 行根据本发明的方法的监视装置或一种计算机程序产品或一种相应的机器人组来实现。
[0006] 根据本发明的一个方面，根据机器人组的相对于其预设的更换位置的当前位置来 确定机器人携带的有效负荷组。
[0007] 这样做所基于的思想是：为了更换有效负荷，机器人必须驶入特定的更换位置。相 应地可以假设：在驶入相应的更换位置之后，对应于这些更换位置的有效负荷已经被机器 人组接收，并且现在已经由机器人组携带。相应地，可以根据机器人组的相对于其预设更换 位置的当前位置来确定新的有效负荷。在一种实施方式中，通过这种方式可以有利地减少 工具传感器的数量，在一种扩展方案中则可以完全取消工具传感器。替代地，可以为每个有 效负荷配置最多不超过一个特别是非安全（nichtsicher)的有效负荷传感器，这些有效负 荷传感器与基于更换位置的有效负荷识别相组合仍然能实现安全的有效负荷识别。由此特 别是可以相应地降低基于识别有效负荷的监视的开销和/或故障概率。
[0008] 如前所述，有效负荷特别可以是工具。附加地或替代地，有效负荷也可为工件或部 件。在此为了实现紧凑的说明，将工具和工件概括地称为有效负荷。
[0009] 在一种实施方式中，机器人组具有至少一个、特别是恰好一个机器人或者多个机 器人，尤其是工业机器人。在一种实施方式中，机器人组的至少一个机器人、优选为所有的 机器人都设置用于交替地携带各种工具和/或工件，特别是一个或多个机器人可分别具有 有效负荷连接件，例如工具夹具或工具耦合器。
[0010] 在一种实施方式中，机器人组具有特别是固定的接收部，用于在不同的有效负荷 存放位置、特别是工具更换站中接收或保存或放下不同的工具和/或工件。
[0011] 在本发明中，位置特别是可以包括机器人组的一个或多个机器人的姿势，特别是 可以是机器人组的一个或多个机器人的姿势。在一种实施方式中，位置可以包括机器人组 的一个或多个机器人的一个或多个关节坐标，特别是所有的关节坐标。附加地或替代地在 一种实施方式中，本发明意义下的位置特别是可以包括机器人组的一个或多个机器人的特 定于机器人参照点的、例如通过笛卡尔坐标、柱坐标或极坐标描述的一维、二维或三维位置 和/或例如通过欧拉角或万向角描述的一维、二维或三维方向，特别是可以是机器人组的 一个或多个机器人的特定于机器人参照点的、例如通过笛卡尔坐标、柱坐标或极坐标描述 的一维、二维或三维位置和/或例如通过欧拉角或万向角描述的一维、二维或三维方向。在 一种实施方式中，位置可以包括机器人组的一个或多个机器人的工具参照点（"工具中心 点"，TCP)的位置和/或方向，特别是可以是机器人组的一个或多个机器人的工具参照点 ("工具中心点"，TCP)的位置和/或方向。
[0012] 在一种实施方式中，例如在布置机器人组时手动地或通过模拟虚拟地使机器人组 驶向保存或存放在不同的有效负荷存放位置上的一个或各种不同的有效负荷。同样地，也 可以使携带有效负荷的机器人组驶向空的有效负荷存放位置，也就是说，将机器人携带的 有效负荷定位在有效负荷存放位置。同样还可以使没有有效负荷的机器人组或者说在没有 被机器人携带的有效负荷的情况下驶向有效负荷存放位置，即，有效负荷只是被虚拟地定 位在其有效负荷存放位置。
[0013] 在一种实施方式中，根据机器人组的位置（机器人组从该位置驶向有效负荷存放 位置，特别是无有效负荷地驶向保存在有效负荷存放位置上的有效负荷，或者带有有效负 荷地驶向空的有效负荷存放位置），使有效负荷或有效负荷存放位置分别对应于更换位置， 或者根据机器人组的位置来预先设定与对应于有效负荷存放位置的有效负荷相对应的更 换位置，并特别是进行存储，在此，优选使不同的有效负荷对应于不同的更换位置。也就是 说，特别是可以使机器人携带的有效负荷驶到有效负荷存放位置，和/或使没有有效负荷 的机器人组驶向位于有效负荷存放位置中的有效负荷。对应于有效负荷的更换位置可以根 据此时机器人组所占据的位置来预先设定，并特别是进行保存。
[0014] 特别是当机器人驶向要拿起的工具或带有工具地驶向有效负荷接收部以放下该 工具时，至少基本上可以将机器人组从其驶向有效负荷的位置（例如机器人的TCP的位置 和/或方向）本身预设为更换位置。同样地，特别是根据最大的有效负荷轮廓，还可以相对 于机器人组从其驶向有效负荷的位置错开地预先设定更换位置：当如下所述地在没有有效 负荷的机器人驶向待拿起的新有效负荷的过程中，如果首先继续保持对之前所携带并同时 已放下的有效负荷进行识别，则可以触发对接下来要识别的有效负荷与所驶向的有效负荷 接收部的碰撞监视。在一种实施方式中，特别是为了避免碰撞，可以使更换位置相应地错 开。
[0015] 在一种实施方式中，当机器人组的当前位置与对应于有效负荷的更换位置 之间的偏差低于预设的边界值时，将该有效负荷识别为机器人携带的有效负荷组 (Nutzlastanordnung)。该边界值可以是固定的或可变的，在一种实施方式中，可以针对所 有的有效负荷或更换位置将边界值预设为相同的，或者也可以单独地预设或特别针对各个 更换位置预先设定。
[0016] 偏差和/或边界值可为一维或多维的。例如，如果位置r通过TCP的三维位置X、 y、z和三维方向a、@、y被定义为六维的（r= (x,y,z,a，@，y))，贝Ij当前位置r和更 换位置rw之间的偏差A例如可以通过模（Norm)来定义，例如一维绝对值模或最大模A=|r_rw|或A = MAX{x_xw, y_yw, z_zw, a-awUw，y_yw}，或者也可以通过多维分量方 式A = (x-xw，y-yw，z_zw，a-aw，y_yw)来定义。
[0017]附加地或替代地，为了获得对于更换位置的充分近似，还可以将对机器人组的驱 动考虑进来，特别是可以根据对机器人组的驱动、尤其是根据接触力和/或操作，特别是根 据有效负荷连接部（例如工具夹具或工具接合器）的开启和/或关闭来确定有效负荷更 换。在一种实施方式中，为了识别（新的）有效负荷，机器人组的当前位置和对应于有效负 荷的更换位置之间的偏差在机器人组驱动时，特别是在开启和/或关闭机器人组的有效负 荷连接部时和/或在到达开启和关闭之间的时间点时，必须低于预设的边界值。例如，如果 机器人驶向更换位置且最后没有闭合工具夹具，则没有新的工具被识别。
[0018] 在一种实施方式中，如果在更换有效负荷时机器人组的当前位置和对应于有效负 荷的更换位置之间的偏差低于预设的边界值，则根据机器人组在更换有效负荷时相对于预 先设定的机器人组的更换位置的当前位置来识别机器人携带的有效负荷组，特别是识别作 为机器人携带的有效负荷组的有效负荷，在此，特别是可以根据对机器人组的驱动来确定 有效负荷更换，例如如前所述地根据对机器人组的有效负荷连接部（例如工具接合器）的 操作。同样地，也可连续地、特别是周期性地或在预设时间间隔内确定机器人组的当前位 置，并与一个或多个预设更换位置相比较，在此，一旦机器人组的当前位置和对应于有效负 荷的更换位置之间的偏差低于预设的边界值，则将有效负荷分别识别为机器人携带的（新 的）有效负荷组。
[0019] 在一种实施方式中，至少在机器人组运动期间，优选在整个运行期间，始终将具有 至少一个有效负荷的有效负荷组识别为机器人携带的有效负荷组。在一种实施方式中，通 过这种方式特别是可以提高碰撞监视的可靠性。
[0020] 在一种实施方式中，为此特别是可以使已识别的机器人携带的有效负荷组尤其是 只或唯一地被新的所识别的有效负荷组所代替。如果意外地未松开有效负荷，则该有效负 荷特别是应该继续被识别为机器人携带的有效负荷，以确保准确地实现碰撞监视。这特别 是可以这样来实现：所识别的有效负荷只能够被新的所识别的有效负荷组代替。
[0021] 在一种实施方式中，每个可识别的有效负荷组具有至少一个有效负荷。同样地，可 以设置不具有有效负荷的可识别有效负荷组，以便还能监视空的或没有有效负荷的机器人 组：例如，如果机器人组在放下有效负荷之后驶向预设的空更换位置，则在有效负荷连接部 被驱动的情况下，有可能使该不具有有效负荷的空有效负荷组被识别为新的机器人携带的 有效负荷组，也就是说可以正确地监视空的机器人组。
[0022] 在一种实施方式中，附加地或替代地可以在机器人组的预设状态中，将具有两个 或多个有效负荷的有效负荷组识别为机器人携带的有效负荷组。
[0023] 机器人组的预设状态特别可以是开始运行或运动开始。在该状态下，即使是无有 效负荷的机器人组，首先假设具有两个或多个有效负荷、特别是有效负荷接收部（例如工 具更换站）的所有有效负荷的有效负荷组，并在碰撞监视中加以考虑，则即使对于无意的、 刚开始接合的有效负荷，特别是在驶向第一工具更换时，也可以实现可靠的碰撞监视。如果 正确地实现（第一）有效负荷更换，则可以识别出在此所接收到的有效负荷并用以代替假 设的有效负荷组。
[0024] 附加地或替代地，机器人组的预设状态特别可以是故障状态，例如在有效负荷遗 失之后、在未成功松开有效负荷之后、在碰撞等之后。在该状态下，（再次）假设具有两个或 多个有效负荷、特别是有效负荷接收部（例如工具更换站）的所有有效负荷的有效负荷组 被识别并在碰撞监视中加以考虑，则即使在这种故障情况下也可以实现可靠的碰撞监视。 如果（随后）正确地实现有效负荷更换，则可以识别出在此所接收的有效负荷并用以代替 假设的有效负荷组。
[0025] 特别是可以利用对机器人携带的有效负荷组的识别来实现对携带有效负荷的机 器人组的碰撞监视。相应地，在本发明的一种实施方式中，特别是通过在进行碰撞监视时 考虑到针对各个所识别的有效负荷组所保存的轮廓，根据各个所识别出的机器人携带的有 效负荷组对机器人组进行碰撞监视。同样，通过识别机器人携带的有效负荷组来监视携 带有效负荷的机器人组例如可以确保不超过允许载荷和/或预设的工具时间或工件时间 (fferkzeug-oder-stiickzeit)等。
[0026] 根据本发明的一方面，监视装置可以通过硬件技术和/或软件技术构成，其特别 是优选具有与存储器系统和/或总线系统数据连接或信号连接的处理单元、尤其是微处理 器单元（CPU)，特别是数字式的处理单元和微处理器单元，和/或具有一个或多个程序或程 序模块。CPU为此可设计为，处理被实现为可存储在存储器系统中的程序的指令，从数据总 线采集输入信号和/或将输出信号发送到数据总线上。存储器系统可以具有一个或多个特 别是不同的存储介质，尤其是光学介质、磁性介质、固态介质和/或其他非易失性介质。所 述程序可以是这样的：其有能力描述或执行在此所述的方法，从而使CPU可以执行该方法 的步骤，并因此特别是可以监视机器人组。监视装置特别是可以在机器人组的控制器中实 现，或由机器人组的控制器实现。
[0027] 在一种实施方式中，监视装置被设计用于确定机器人组的当前位置，特别是在更 换有效负荷时。为此，该监视装置特别是可以具有用于检测机器人组的关节坐标的一个或 多个传感器。在一种实施方式中，在更换有效负荷时，机器人组的当前位置通过监视装置可 靠地确定或以安全技术来确定，特别是冗余地、优选多样化地确定，例如每次利用两个传感 器检测同一关节坐标等。
[0028] 根据本发明的一个方面的计算机程序产品可以特别是一种计算机可读的、具有程 序代码的存储介质，例如数据载体，当程序在机器人组的监视装置、特别是控制器中运行 时，通过该计算机程序产品执行在此所述的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0029] 本发明的其他优点和特征由以下的实施例和附图给出。在图中局部示意性地示 出：
[0030] 图1示出了根据本发明的一种实施方式的机器人组的一部分；以及
[0031] 图2示出了根据本发明的一种实施方式的用于监视如图1所示机器人组的方法。
[0032] 其中，附图标记说明如下：
[0033] 1机器人
[0034] 2工具更换站（有效负荷接收部）
[0035] N1，…，N3工具（有效负荷）
[0036] P1，…，P4更换位置
[0037] TCP工具中心点的当前位置
[0038] A偏差。

【具体实施方式】
[0039] 图1示出了机器人1的一部分在其离开或驶向工具更换站2时正好未携带工具， 该工具更换站用于接收不同的工具N1至N3。现在，未被机器人携带的工具N1、N2、N3现在 存放在工具更换站中。根据通过关节传感器（未示出）检测到的姿势，借助于前向运动学 (Vorwdrtskinematik)来确定机器人的TCP的当前位置和方向，并在图1中通过坐标系 示出。
[0040] 图2示出了根据本发明的一种实施方式的用于监视如图1所示机器人组的方法， 并在机器人1的控制器（未不出）中执行该方法。
[0041] 在运行开始时，在步骤S10中，将具有工具更换站2的所有有效负荷的有效负荷组 {Nl，N2,N3}识别为机器人携带的有效负荷组N，并根据该识别出的机器人携带的有效负荷 组N= {Nl，N2,N3}来对机器人1进行碰撞监视。
[0042] 在第一次更换工具时，机器人打开其工具夹具，驶向相应的工具（例如工具N2)， 然后闭合工具夹具并离开工具更换站（参看图1)。
[0043] 在步骤S20中，根据机器人的工具夹具的打开和关闭，通过检查工具夹具是（S20 : "Y"）否（S20 :"N"）被打开并再次关闭来确定工具更换。
[0044]当确定了工具夹具被打开和关闭时（S20 :"Y"），确定机器人1的TCP的当前位置 和预设更换位置Pi(i= 1，2, 3)之间的偏差A，在该实施例中为更换位置P2。
[0045]如果该偏差A低于预设边界值（S30 :"Y"），如在图1中交叉阴影线所示的，则对 应于该更换位置的工具（例如工具N2)被识别为（新的）有效负荷组N，并根据该识别出的 机器人携带的有效负荷组N=N2来对机器人1进行碰撞监视。否则（S30 :"N")，保留初始 识别出的机器人携带的有效负荷组N= {Nl，N2,N3}。
[0046] 在进行下一次工具更换时，机器人首先放下目前携带的工具，例如工具N2。在此， 所识别出的机器人携带的有效负荷组首先仍为N=N2。
[0047] 随后，机器人驶向新的工具，例如工具N1，并如前所述的以同样方式将该工具拿 起：当确定工具夹具被打开并关闭时（S20 :"Y"），确定TCP的位置和预设的更换位置P1之 间的偏差A。
[0048]如果该偏差A低于预设边界值（S30 :"Y"），则将对应于该更换位置的工具N1识 别为（新的）有效负荷组N，并根据该识别出的机器人携带的有效负荷组N=N1来对机器 人1进行碰撞监视。否则（S30 :"N")，继续保留识别出的机器人携带的有效负荷组N=N2。
[0049] 对于工具N2未被成功松开的情况下，也可以通过这种方式继续确保进行可靠的 碰撞监视。
[0050] 此外，为了还能以一致的方式识别无工具的机器人，还设置了自由的或空的更换 位置P4,该更换位置P4对应于无有效负荷的空的有效负荷组（N= {})。如果机器人1在 放下工具N1、N2或N3之后驶向该空的更换位置P4,并在该处打开并关闭其工具夹具（S20: "Y"，S30 :"Y"），则识别该空的有效负荷组（N= {})，从而从现在开始也能够准确地对该空 的、无工具的机器人进行碰撞监视，直至机器人再次拿起工具，并以前述的方式对该工具进 行识别。
[0051] 为了预先设定不同的更换位置P1至P3,首先使空的机器人1驶向不同的工具N1 至N3。同样，还可以分别使机器人携带的工具Nl、N2或N3驶向工具更换站2中的保存位 置。
[0052] 工具Nl、N2驶向的位置或其保存位置被直接作为更换位置进行存储。
[0053] 图1中示例性地示出具有较小的外轮廓的工具N3。如果在驶向工具N3时将机器 人1的TCP的位置预设为更换位置，并且在驶向该工具时在直到到达该更换位置的运行中， 将其他较大的工具N1、N2中的一个作为识别出的机器人携带的有效负荷组N对机器人进行 碰撞监视，则该碰撞监视已在到达该更换位置之前被触发。因此在该实施例中，对应于工具 N3的更换位置P3相对于从其驶向工具N3时的位置错开地预先设定，确切地说是根据最大 的工具轮廓（在本实施例中为工具N1和N2的轮廓），此外，用于该更换位置的预设边界值 A也相应较大地预先设定。替代地，例如还可以在更换位置或工具更换站的区域中停止碰 撞监视。
[0054] 在一种变型中，还可以取消步骤S20,从而在驶向更换位置P1至P3其中之一时，始 终能够在由边界值A所预设的公差范围内来识别对应的工具N1、N2或N3,也就是说不需 要确定工具更换。
[0055] 关于空的更换位置P4的公差范围A可以被更小的预先设定，以便以更可靠地识 别无工具的机器人。
【权利要求】
1. 一种用于监视携带有效负荷的机器人组的方法，该机器人组具有至少一个机器人 (1)，其中，根据该机器人组相对于该机器人组的预设更换位置（P1，P2，P3，P4)的当前位置 (TCP)来识别机器人携带的有效负荷组（脚（S30, S40)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，当在所述机器人组的当前位置和对应于有效负 荷的所述更换位置之间的偏差低于预设边界值（A)时（S30)，将有效负荷（N1，N2，N3, W) 识别为机器人携带的有效负荷组（脚（S40)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据对所述机器人组的驱动来确定有效负荷 更换（S20)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，用新的识别出的有效负荷组来代替 识别出的机器人携带的有效负荷组（S40)。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，至少在所述机器人组运动期间，总 是有具有至少一个有效负荷的有效负荷组被识别为机器人携带的有效负荷组，或者设置无 有效负荷的有效负荷组（N= W)作为可识别的机器人携带的有效负荷组。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在所述机器人组的预设状态下，将 具有多个有效负荷（N1，N2，N3)的有效负荷组识别为机器人携带的有效负荷组（N)(S10)。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，使所述机器人组驶向至少一个有效 负荷存放位置，并根据所述机器人组的位置预先设定与对应于所述有效负荷存放位置的有 效负荷（N1，N2, N3, {})相对应的更换位置（P1，P2, P3, P4)，其中，该所述机器人组的位置 为所述机器人组从该位置驶向所述有效负荷存放位置的位置。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，不同的有效负荷（N1，N2, N3, {}) 对应于不同的更换位置（P1，P2, P3, P4)。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，根据所述识别出的机器人携带的有 效负荷组对所述机器人组进行碰撞监视。
10. -种用于监视携带有效负荷的机器人组的监视装置，该机器人组具有至少一个机 器人（1)，其中，该监视装置用于确定所述机器人组的当前位置（TCP) W及用于执行如前面 任一项权利要求所述的方法。
11. 一种机器人组，具有至少一个机器人（1)，如权利要求11所述的监视装置W及用于 接收不同有效负荷（N1，N2, N3)的有效负荷接收部（2)，其中，所述机器人交替地携带所述 有效负荷。
12. -种计算机程序产品，具有程序代码，该程序代码存储在计算机可读的介质中，该 计算机程序产品用于执行如前面任一项权利要求所述的方法。
【文档编号】G06F17/50GK104346493SQ201410362536
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】T·盖勒, F·斯坦恩博尔格, F·罗兰, 乌韦·博宁, R·鲁道夫 申请人:库卡实验仪器有限公司