真正安全的小型机器人和用于控制此机器人的方法

摘要

本发明涉及一种真正安全的小型机器人(10)，其具有至少一个可转动部件(13，15)，其中，该部件的自由端沿着可编程的路径(60)可动。预见了第一机构来检测至少自由部件的至少自由端上的至少相互作用点上的力或压力或接触作用，其中，可产生对应于该力或压力或接触作用的信号。预见了第二机构(61)来根据可编程的路径以及根据在检测到的情况下需要的预测的命令来执行对机器人的运动的控制。在检测到的情况下，将以这样的方式执行控制：临时停止、减慢或不停止机器人的运动，并且在考虑所产生的信号的情况下确定可编程的运动路径的临时变化。本发明还涉及一种用于控制机器人的附属方法。

说明书

描述

本发明涉及具有至少一个可转动部件的真正安全的小型机器人， 其中，该部件的自由端沿着可编程的路径可动。本发明还涉及用于控 制这种机器人的方法。

对于超过某个最小大小的机器人，如果没有预见附加的保护机 构，则会给与这些机器人协作的人带来风险。于在自由的机器人臂的 工作范围内协作期间，在碰撞(特别是与机器人臂的自由端)的情况下， 人可由于运动部件的速度的原因而受伤或被夺去生命。因此如果机器 人在活动，则必须注意防止人进入机器人的工作包络中。这可通过防 止人进入工作区域的机械壁或虚拟壁来实现。一些机器人系统包括可 转动台，使得在围栏的一侧的操作人员可对可转动台加载零件，而在 围栏的另一侧提供机器人的工作区域。

固有地安全的一些机器人在它们的机器人操作的任何状况下都 不能够伤害人。概念“固有地安全的机器人”涉及由于其设计的原因 而固有地安全或真正安全的机器人，其中，在碰撞的情况下作用在人 或固定障碍物上的功率和/或力通过适当的设计(即有用的结构性措施) 来限制，见2006年的ISO 10218的第1部分的部分5.10.5。根据此规 范，在碰撞的情况下在人身上的力将不超过150N，相应地，在人身 上的动态功率将不超过80W。在机器人的质量和/或尺寸的某些机械 阈值以上，不能满足或达到这些条件。因此具有数百瓦和超过数百瓦 的额定功率的重型工业机器人不被看作小型机器人，所以本发明不适 用于那些机器人。

JP 09 254 079涉及借助于速度感测检测器以及通过根据那些信号 来控制机器人的制动器来检测机器人臂与人或物体的碰撞。在碰撞的 情况下，机器人将减慢，直到到达固定位置为止，机器人会停止在该 固定位置处。此后，将释放制动器，其中，碰撞的严重程度是非常重 要的。

本发明的目标是为前述种类的机器人，即具有至少一个可动臂的 固有地安全或真正安全的机器人设计更好的控制。

本发明的另一个目标是提供一种控制这种小型的固有地安全或 真正安全的机器人的方法。

目标的解决方案将由权利要求1的特性特征来解决。

根据本发明，该机器人的特征在于，预见了第一机构来检测至少 自由部件的至少自由端上的至少相互作用点上的力或压力或接触作 用，能够产生对应于该力或压力或接触作用的信号，预见了第二机构 来根据可编程的路径以及根据在检测到力或压力或接触作用的情况 下需要的预测的命令来执行对机器人的运动的控制，以及在检测到的 情况下，将以这样的方式执行控制：临时停止、减慢或不停止机器人 的运动，并且在考虑产生的信号的情况下确定可编程的运动路径的临 时变化。

当然，本发明不仅涉及具有一个可转动部件的机器人，机器人包 括连接成机械链的总共三个或甚至六个可转动部件是相当现实的。在 六个可转动部件的情况下，机器人将提供六个运动自由度，并且机器 人臂的尖端可沿任何方位运动到其工作范围内的任何点。

检测事件或检测点是其中机器人与人或障碍物相互作用的相互 作用事件或相互作用点。此相互作用可为例如机器人的意外碰撞，且 还可为人在机器人上的一些有目的的力冲击。那些力冲击由第一机构 (例如一些适合的传感器)收集，并且供应给第二机构，例如机器人的 控制系统。不需要机器人的特别的安全动作(例如紧急停止)，因为由 于机器人的真正安全的结构的原因，对人不存在危险。解译实测信号 以及基于此而临时确定动作当然处于本发明的范围内。如果沿运动方 向以外的另一方向对机器人臂施加一定的且持久的力，则这可为例如 编程的运动路径的变化。这个的原因可为例如协作人员希望使机器人 沿另一方向运动且以人工的方式在机器人臂上施加持久的力。

在另一个实施例中-例如在与固定障碍物碰撞的情况下-可执 行其中机器人减慢、停止的机器人控制。可在机器人的一种等待模式 中期望基于机器人上的力冲击的另外的命令。机器人和协作人员之间 的通讯将通过此来以有利的方式增加。

在本发明的某个实施例中，力冲击的感测可例如或者通过测量通 过机器人的一个或多个部件的电动马达驱动器的电流或者还通过专 用运动传感器来完成。

在权利要求2至5中描述了本发明的另外的有利特征。

本发明的另一个目标通过根据权利要求6和从属权利要求7-17的 特性特征的方法来解决。

可由至少自由臂与人或固定障碍物的碰撞导致力作用。用于检测 机器人臂上的力作用的机构是众所周知的且可在市场上获得。

还可行的是，通过比较用于驱动机器人部件的电动马达的真实的 实测的实际马达电流与期望的实际马达电流来检测和确定机器人臂 上的力作用，其中，两个电流信号均提供给信号计算装置。优选持续 地确定该差异的量，并且该差异的量以检测出或计算出的实际值为基 础，其中，此差异是碰撞的严重程度的指标。马达电流的期望的测量 值可以没有相互作用或碰撞的情况下所属的(belonging)机器人的以前 的真实的测量结果为基础且存储在信号计算装置(例如机器人控制器) 内。

根据本发明的另一个实现，力作用可以人工的方式施加在机器人 部件中的至少一个(相应地，机器人臂)的相互作用点中的至少一个上。

从卡尔斯鲁厄技术大学(TH，TU)的过程控制和机器人技术学院的 出版物中知道在机器人臂上的用于人-机器人协作的人工作用。机器人 臂的部件由圆柱形测量变换器的形式的套环包围，以选择性地指引机 器人部件的运动。测量变换器包括在位置和力方面具有某个分辨率的 许多触觉测量点，也见互联网 http://www.weiss-robotics.de/produkte/kundenspezifische_messwandler.h tm。

根据本发明，将例如通过在机器人部件上施加至少一次人工推压 来对机器人的部件中的一个上施加某个力作用。可能能够从机器人的 马达或多个马达的真实的实测电流中提取推压的数量和它们的单独 的强度来作为信息，并且可通过信号处理装置来确定推压的数量和它 们的单独的强度。

至少一个机器人部件与操作人员、可动障碍物或固定障碍物的碰 撞会导致非常类似于人力作用所产生的这些信号的信号。

当碰触固定障碍物时，机器人的部件将被禁止执行另外的运动， 使得用于测量通过电动马达的电流的传感器将检测到指示增加的动 量的增加的电流。当将超过电流的某个阈值时，将触发第二机构。

当例如将在自由的机器人部件上施加人力时，将发生类似的动 作。电流量将不时地变化，使得可触发第二机构。

特别在至少自由的机器人部件上有人力的情况下，检测力矢量的 方向可为重要的。第二机构(例如机器人控制器)具有关于计算出的运 动路径和附属的速度的信息，它们例如在第二机构上存储在运动程序 内。优选在机器人的若干个区域处，特别是在部件的连结部处提供适 当的传感器。那些传感器检测在它们本身上的力作用的结果，并且通 过矢量分析来计算力矢量的方向。可通过专用信号处理装置且还可通 过第二处理机构来执行此分析。还可基于观测机器人的工作区域的数 字摄像机的信号来检测力矢量的方向。

某个力的检测可为机器人提供不同的控制方法：

在与代表可动障碍物的操作员发生意外碰撞的情况下，机器人或 者可停止或者可甚至以更慢的速度继续其运动。在上一次变数中，在 与机器人碰撞之后操作员立即避开机器人部件，并且机器人继续它的 运动，因为障碍物正在运动离开。由于机器人的设计的原因，可在所 有时间排除对操作人员的危害。

在与固定障碍物碰撞的情况下，机器人可停止，并且可在一段时 间之后(例如在移除了固定障碍物之后)继续它的工作。还可行的是， 机器人将沿其预定的运动路径的相反方向向后运动或通过相对于预 定的运动路径沿横向运动来从障碍物移开。

在直到机器人停止的时期期间，可进行一些测量，由此在检测到 碰撞之后，还将计算碰撞的严重程度，使得将提供不同的预定控制或 触发命令，也见下面。

碰撞的严重程度可例如基于物理量(例如实测动量或实测电流变 化)来确定。这样的物理测量信号可例如通过马达驱动器的电流传感 器、力传感器或甚至附连在机器人部件(相应地，机器人臂)的若干个 表面区域上的力传感器垫来收集。

在相互作用的情况下，第二机构的控制功能不包括任何安全方 面。相反，该控制功能以按适当的方式执行系统的操作为目标。这可 为停止和运动速度和/或运动路径的变化之间的每件事。

机器人可执行柔性控制以到达期望的位置点，特别是在机器人部 件与操作人员碰撞的情况下。该控制方法在连结点处实现了虚拟的弹 簧常数。因此机器人可临时对人施加压力，使得人将离开机器人的工 作区域或围栏。对于人而言，临时施加的力的方向还可包含应当沿哪 个方向离开碰撞区域的信息。

根据另一个控制方法，机器人将运动回到其原始的起始点或运动 路径上的在互作用点之前的位置，机器人可能能够根据编程的运动路 径从此处继续它的工作。

但是，在极端的变数中相互作用的情况下还可停止生产工厂内的 其它装置也处于本发明的范围内。

在另外的从属权利要求中提到了本发明的另外的有利实施例。

现将借助于一个示例性实施例且参照附图来进一步阐述本发明， 其中显示了

图1具有不止两个轴的示意性机器人，

图2显示了机器人与一个部件的动态关系的示意性模 型，

图3至5包括相互作用的真实的电流曲线、期望的理想电流 曲线和两个电流曲线之间的差异，

图6数据流的示意性流程图，

图7系统的示意性流程图，以及

图8a、8b在相互作用的情况下机器人的行为的两种可能性。

见图1，小型机器人10包括基部11、通过轴12联结到基部11 上的第一部件13，以及通过第二轴14联结到第一部件13上的第二部 件15。第二部件15的端部设有夹紧装置15a或类似装置。机器人10 绕着沿竖向在通过基部11的中心中延伸的轴线A-A可转动。

第一部件13可绕着第一轴12根据双箭头方向16转动，该转动 运动提供了第一部件13的沿双箭头方向18的运动，这本身导致沿双 箭头方向19的摆动运动。在轴12和14的区域中，布置了马达和齿 轮(两者均未显示)，这些马达设计成伺服马达。齿轮装置将马达的轴 的转动运动传递到部件上，由此这些齿轮装置使得能够有根据双箭头 方向17或19的向前和向后的运动。然后，夹紧装置15a沿着运动程 序所预测的运动路径运动，见下面。

假设部件的长度为1m，部件的质量为例如3kg，部件的转动速度 为1弧度/秒(rad/s)，则导致机器人部件15上有大约100Nm的转矩， 这对应于100N的停止力。停止时间将等于10ms，停止距离为5mm， 并且停止角度为5毫弧度(millirad)。部件作用在手上的功率为50瓦特。 这些量在80瓦特和150N的规范量以下。

此计算可在小型机器人处进行，部件15作用在手上且反之亦然。

特别地，可使用流过伺服马达的马达电流来检测碰撞。如果机器 人部件15作用在障碍物上，则将获得例如根据图3的随着时间的经 过的电流。电流曲线30显示了相对于根据图4的期望的马达电流31 的偏差。马达电流30将由于部件15碰撞在手20上(如图2中所示) 而增加，见区域A，在该区域中，实际测量的电流31略微高于由虚 线描绘的期望电流。在图5中以更大的标度描绘了随着时间的经过的 这个差异的曲线。大约在x轴上的1、3的时间点处，出现了电流尖 峰33，其高度原则上对应于碰撞冲击。机器人部件15的速度越低， 则电流尖峰33将越低。

可在另一个处理步骤中比较电流尖峰33与阈值，使得通过此另 一个步骤，可计算碰撞的严重程度。自然地，通过积分来计算此尖峰 下的面积或使电流的图数字化且然后比较这些量与存储在数据库中 的阈值量是可行的。

图6显示了根据本发明的机器人控制的流程图。用于运动规划的 运动程序存储在数据处理装置中且在图6中标以数字60。运动程序在 很多年以来是已知的，并且用于若干种类型的工业机器人中且还用于 本发明中需要的真正安全的机器人。

根据运动程序60，根据箭头P1来对运动控制装置61-例如机器 人控制器(相应地，第二机构)-应用数据信号61。根据箭头P2，对驱 动电子装置62应用控制装置61的输出信号。此装置62驱动马达63， 见P3，该马达63例如分配给机器人10的臂15且起动相关的部件15 的运动。根据机器人的运动轴的数量，电子装置62能够控制另外的 马达。齿轮装置64布置在马达63和部件15之间，由此机器人操纵 器根据机器人程序来启动和执行其运动。马达63和齿轮装置64之间 的信号流和数据流由箭头P4显示，而给机器人操纵器的信号流由箭 头P5显示。

现在，机器人部件15可撞击障碍物，使得在机器人部件或机器 人操纵器上施加外力66。此外部外力66根据箭头P5′和P4′作用在马 达上，使得期望的电流和实测电流将不同。可通过处理装置基于尖峰 33峰值来检测(见图5)和处理随着时间的经过的差异。将比较此尖峰 33与阈值量，使得计算它是轻度碰撞、中等严重的碰撞还是严重的碰 撞是可行的。取决于碰撞的严重程度，将停止该程序，操纵器可运行 回到起始点，或者将继续运动，就像不存在根据箭头P6的碰撞那样。 可存在另外的活动，例如为了避开而发生的运动变化、回退运动或类 似于防止机器人10的制造过程的中断的编程的运动的运动。

例如在人和机器人在协作且一起并排工作时，可例如通过人工推 压来在操纵器65或机器人部件15上施加外力。在机器人以错误的方 式起作用的情况下，人或操作员将能够通过一次或多次推压来影响机 器人的运动。

例如根据力的持续时间，可确定是由于撞击在障碍物上还是由于 推压而施加了力。图5的曲线33例如可不具有相当高的尖峰，而是 在另一方面具有相当高的持续时间，相应地，曲线的宽度。如果机器 人抵靠着障碍物而行进，则马达电流的变化的持续时间将比在操纵器 上的人工推压的持续时间长。可通过解译单元67来检测和处理此曲 线形状，使得将在运动程序中产生对应的运动变数平息(laid down)， 以进行另外的运动或机器人活动。

图7显示了人-机器人协作任务的另一个流程图。操作人员70启 动机器人控制器71内的机器人程序，如用箭头E1所指示的那样。现 在持续地执行机器人程序，并且机器人控制器71会将控制信号送给 机器人操纵器65，如用箭头E2所指示的那样。根据运动程序，机器 人执行协作任务72中的它的份额，如用箭头E3所指示的那样，而人 类操作员也对工作任务72贡献了他的份额，如用箭头E4所指示的那 样。根据箭头E5，人类操作员有可能会将一些额外的命令发给机器人 操纵器。这可为例如在机器人臂上的拍打，根据图6中的框体67，这 将由例程来解译。此解译的结果可为例如机器人例如切换到另一个运 动程序或停止当前的机器人程序。

现在描述图8a和8b。在图8a中程序将以程序语句n开始。然后 检测到碰撞，这通过数字或点84显示。此碰撞会影响碰撞例程85， 例程85象中断例程那样工作。在轻度碰撞的情况下，该例程中断程 序语句，但是允许继续或恢复生产。它对程序控制起作用，并且另外 的处理根据程序语句n+1、n+2…来进行。

在严重碰撞的第二种情况(图8b)下，碰撞例程85会长期地改变程 序语句，并且不允许恢复生产，而是结束程序语句，这通过“结束” 来描绘。例如使机器人运动仅停止选定的时间也是可行的。

本发明的优点在于，可避免特别设计的输入装置，例如推压按钮 或可实现到机器人中的类似装置，因为通过推压或有用的推压组合来 将这些命令直接发给机器人是可行的。例如，操作员将工件放到操纵 器中且然后通过一次推压或多次推压发信号给机器人表示它可开始 它的工作，由此，推压会将以下信号发给机器人：“工件就位”。这 个推压或这些推压具有从人工工作步骤转变成由机器人完成的自动 工作步骤的功能。