專利名稱：控制裝有定位開關的工業(yè)機器人運動的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)才幾器人和涉及限制該工業(yè)4幾器人一個或多個軸運 動范圍的方法、裝置和系統(tǒng)。
背景技術：
象工業(yè)機器人這樣可編程的伺服控制機常裝有定位開關用于限制 它們的工作空間或者允許該機器與其他運動設備互鎖。這些定位開關常 使用機加工的凸輪來限定開關的位置。在必須遵循職業(yè)的安全規(guī)程的各 種應用中常常在特殊的位置上使用各種開關。
Nehei等人的美國專利US 5,558,196號題目是"用于檢測機器人 (Fanuc)中轉(zhuǎn)動限制的裝置"，是用于檢測工業(yè)機器人轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動 限制的一種裝置，其中轉(zhuǎn)動部件相對固定部件圍繞軸在第l和笫2轉(zhuǎn)動 方向上轉(zhuǎn)動。該裝置包括裝設在轉(zhuǎn)動部件上的限位開關和裝設在固定部
件上以便起動限位開關的接觸件。該裝置看起來不需要調(diào)節(jié)接觸件。但 是該臂的鑄造看來需要附加的材料以便形成圍繞該臂的圓形壁接著通 過機加工生成將要附連接觸件的轉(zhuǎn)動部件上的圓周形壁。
一般來說，機械的定位開關是很貴的，需要維護，和在機器和控制 器之間需要另外的電纜。每個限位開關通常需要周期地更換和/或修理。
已知有各種解決辦法，如對提供定位開關功能的至少 一個伺服軸的 參考和測量位置使用電子監(jiān)控，它不依賴于限位開關和機械凸輪。 Ziegler等人的美國專利6,778,867號題目是"一種處理裝置的監(jiān)測和控 制"，描述用于監(jiān)測有至少一個移動式的和/或可動的和/或固定的裝置 的一種技術系統(tǒng)的監(jiān)測和控制裝置，和更特別的是，處理裝置是布置在 保護裝置中，和還包括至少一個優(yōu)選的中央或分散的控制單元和連接在 那里以便執(zhí)行危險動作的致動器。
電子監(jiān)控的解決辦法一般需要參考值和測量位置之差應保持在預 定的閾值之下。但是，這種類型的監(jiān)控可能觸發(fā)停車，因為某些不可預 測的機器人運動造成控制誤差超過閾值。與其他的因素一起，由于動態(tài) 效應如祠服延遲和加速時的瞬變，可能增加可以看作是一種類型的伺服 控制誤差的在參考和測量位置之間的差。結(jié)果，可能給出的閾值是在小于最優(yōu)值的水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一 個實施例提供對多軸工業(yè)機器人或裝有機器人控制單
元的積4成手(manipulator)的運動控制方法的一種改進，該才幾器人或4空 制單元還包括運行伺服控制器的至少一個笫l計算機，和該方法包括注 冊(register)所述機器人臂的至少一個軸的運動限制，給機器人控制器 提供機器人位置的參考信號和對所述機器人臂的至少一個軸的位置進 行測量以便限制所述機器人的所述臂的運動，其特征在于通過在第l計 算機中運行定位開關的模型為基礎的鑒別器(evaluator)和依據(jù)所述的參 考信號對所述機器人臂的所述至少一個軸的位置建立數(shù)學模型和比較 ;溪型位置和測量位置，從而提供所述至少一個所述軸的運動限制。
本發(fā)明的另 一個實施例提供一種方法，其特征在于用期望值提供所 述至少1個軸的模型位置。
按照另一個實施例提供一種方法，其特征在于通過裝設在機器人或 機器人控制單元中的笫2計算機計算出模型位置。
按照另一個實施例提供一種方法，其特征在于裝設的機器人臂的至 少 一 個軸沒有硬件的定位開關或機械的轉(zhuǎn)動制動機構(gòu)。
按照另一個實施例提供一種方法，其特征在于在定位開關的模型為 基礎的筌別器中運行所述至少一個軸的伺服回路模型和至少一個齒輪 箱的模型。
本發(fā)明的另 一個實施例提供一種方法，其特征在于方法包括的各步 驟讀出送給所述至少一個軸的伺服控制的參考值或目標值，讀出至少 一個軸的實際馬達位置的測量值，在模型為基礎的鑒別器中建立伺服控 制回路的數(shù)學模型，建立齒輪箱的數(shù)學模型和計算出第l位置和第l位 置的期望值。
按照另一個實施例提供一種方法，其特征在于根據(jù)伺服控制回路操 作模式的變化改變模型為基礎的鑒別器的加權(quán)子程序。
本發(fā)明的另 一個實施例提供一種方法，其特征在于用進行伺服控制 的第l計算機上運行第l模型為基礎的鑒別器計算出第l位置和期望值， 和通過在第2計算機上運行的模型為基礎的鑒別器的第2實例計算出第 2位置和期望值。
本發(fā)明的另一個實施例提供一種方法，它還包括在第2計算機上運行的模型為基礎的筌別器的笫2實例的控制回路與在第1計算機上運行
的笫l模型為基礎的鑒別器共享。
按照另一個實施例提供一種方法，其特征在于比較各期望信號和當
至少2個期望信號估價為正時可將該位置處理作為安全-估價位置，該方 法特征在于比較各期望信號和當至少2個期望信號不是都為正時可以產(chǎn) 生指示內(nèi)部錯誤的信號。
按照本發(fā)明的另 一方面，提供對控制多軸工業(yè)機器人或裝有機器人 控制單元的機械手運動的裝置的一種改進，其特征在于所述裝置包括含 有至少一個用于伺服控制的第l計算機的定位開關，用于讀取實際位置 值和將它與參考信號比較的機構(gòu)以便限制所述機器人一個臂在至少一 個軸上的運動，該裝置裝有運行模型為基礎的鑒別器的至少一個第2計 算機，鑒別器包括機構(gòu)根據(jù)所述的參考信號通過伺服控制模型給所述至 少一個軸的第l位置建立數(shù)學模型，比較至少一個軸的建模的第l位置 與測量位置，和根據(jù)建模的第1位置的作用產(chǎn)生控制信號。
按照另 一個實施例提供一種裝置，其特征在于該模型為基礎的鑒別 器包括運行至少一個軸的伺服回路模型和至少一個齒輪箱的模型的機 構(gòu)。
按照另 一個實施例提供一種裝置，其特征在于伺服回路模型包括至 少一個描述延遲的參數(shù)，齒輪箱模型包括至少一個轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器和至少一 個齒輪箱減速比的參數(shù)。
按照另 一個實施例提供一種裝置，其特征在于模型為基礎的定位開 關包括輸入目標或參考值給至少一個軸的伺服控制，輸入至少一個軸的 實際位置的測量值的機構(gòu)，和為伺服控制回路建立才莫型和為齒輪箱建立 模型的機構(gòu)，以便計算第1位置和第1位置的期望值，和根據(jù)至少一個 軸的模型為基礎的鑒別器的狀態(tài)產(chǎn)生控制信號的機構(gòu)。
按照另一個實施例提供一種裝置，其特征在于模型為基礎的定位開 關包括單一 的主板和至少2個計算機或處理器用于運行至少 一個^t型為 基礎的鑒別器的實例。
按照本發(fā)明實施例一種改進的定位開關提供一種方法和裝置通過 軟件控制來限制機器人的工作區(qū)域。提供的軟件控制通過使用 一種定位 開關，它包括至少 一個模型為基礎的鑒別器來估價測量的位置和將它與 參考位置比較。還規(guī)定該位置是期望值。開發(fā)傳統(tǒng)的機器人有一種方案行定位開關的作用。機械元件、制動器、機電限位開關或凸輪都需要空 間和在機器人臂上機加工，這導致成本很高而且臂更重。
通過使用軟件控制有可能使機器人臂更加緊湊、輕巧和成本高效。' 當在機器人臂的一部分不需要凸輪或其他機械的制動器時，那部分將不
再需要在鑄造中額外的空間；高成本的機加工從額外的鑄造形狀中機 加工出凸輪等；更重的結(jié)構(gòu)。因為在旋轉(zhuǎn)部分上需要的材料少，因此在 操作時減小了機器人上的負荷，使上述的效益得到擴大。另外，沒有限 位開關需要調(diào)節(jié)，更換或修理。在整個產(chǎn)品壽命中對修理和更換的需要 所產(chǎn)生的維修也減小。
改進的定位開關的另 一個優(yōu)點是，簡化了機器人為其他任務所需的 重新組裝。本發(fā)明提供更加有效的途徑來重新構(gòu)造運動限制和定義機器 人的安全空間。編程的工作包絡不再必須與機器人總的理論工作包絡相 等。不再需要工程師或技術員去停止機器人以便人工地調(diào)節(jié)在機器人臂 或固定部分上的限位開關或制動件。此外，因為改進的定位開關提供改 進的機器人有效工作范圍限制，從而可以使用機器人按照工業(yè)安全標準 以安全的方式與操作人員更緊密地配合去完成一個或多個任務。改進的 定位開的另一個優(yōu)點是，可以快速和簡單地給定或重新給定對機器人不 同的軸各種軸限制的邏輯組合。另外，改進的定位開關當機器人在停止 時可以提供機器人臂的位置給控制單元，從而保持機器人臂不同軸的安 全性和同步。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中改進的定位開關包括 一 個或多個微處理 器單元或計算機?？刂茊卧ù鎯C構(gòu)用于存儲和/或運行一個或多個 計算機程序。這些程序執(zhí)行改進的定位開關的操作。優(yōu)選地這樣的計算 機程序包含對一個或多個處理器的各種指令來執(zhí)行上述的方法，下面將 要更詳細地描述。在一個實施例中在計算機可讀的數(shù)據(jù)載體如CD ROM 上裝設計算機程序。


現(xiàn)在將僅通過實例描述本發(fā)明的各實施例，并特別參考附圖，附圖
有
圖1表示電子定位開關一個實施例的簡化方塊圖，它包括按照本發(fā) 明一個實施例的模型為基礎的鑒別器(MBV);圖2表示機器人的總的控制方案，機器人包括按照本發(fā)明一個實施 例的電子定位開關；
圖3a表示與按照本發(fā)明的一個實施例的伺服控制器連接的單通道 的MBV;和
圖3b表示與伺服控制回路連接的MBV的另一實施例； 圖4a表示簡單的齒輪箱模型，它包括解算裝置測量信號和轉(zhuǎn)數(shù)計 數(shù)器；和
圖4b表示簡單的反向齒輪箱模型，它包括齒輪比和臂的精細位置；
圖5表示按照本發(fā)明另一個實施例雙通道MBV的簡化方塊圖， MBV包括該MBV的至少2個實例；
圖6表示按照本發(fā)明的另 一個實施例雙通道電子定位開關的發(fā)展， 其中2個或多個MBV共享一個處理器或CPU的伺服回路模型；
圖7表示按照本發(fā)明的另一個實施例雙通道MBV的簡化方塊圖， 它包括至少2個MBV的實例，每個運行在不同的CPU上和其中伺服控 制器運行在第3個CPU上；
圖8表示按照本發(fā)明另一個實施例雙通道電子定位開關，它包括至 少2個MBV實例和每個實例運行在不同的CPU上和其中MBV共享運 行在上述兩個CPU中一個上的伺服回路模型；
圖9表示按照本發(fā)明一個實施例電子定位開關期望值優(yōu)選單元處理 器的簡化方塊圖10表示按照本發(fā)明一個實施例包括模型為基礎鑒別器的定位開 關的 一種操作方法的實施例的流程圖。
具體實施例方式
按照本發(fā)明實施例的一種改進的定位開關，通過有至少一個CPU 和有關的存儲器的電子計算機以及模型為基礎的鑒別器MBV的形式提 供一種可編程的電子定位開關。該MBV運行在該CPU中，并將CPU 連接在通信通道，從那里可以讀出送給伺服控制器的參考數(shù)據(jù)，和還連 接在測量通道，那里可讀出馬達的位置。MBV對監(jiān)控下機器的每個伺 服軸有至少 一個模型和對每個齒輪箱有至少 一個模型。
圖1表示按照本發(fā)明 一個實施例的可編程電子定位開關形式的改進 的定位開關100。它表示模型為基礎的鑒別器(MBV) 4、優(yōu)選單元30 和可編程的安全子程序40。該可編程安全子程序可由安全程序38或通過配置來編寫程序。用位置參考數(shù)據(jù)1和位置測量值22供給該MBV。 用各參數(shù)P和靈敏度給定S供給該MPV的伺服回路模型。MPV輸出與 那些位置相關的期望估價位置19和期望值18到優(yōu)選單元30。優(yōu)選單元 在適當?shù)臅r候以雙通道誤差信號的形式供給安全性提高的位置32和誤 差信號34?？删幊贪踩映绦蛱峁┌踩盘?2給機器人控制系統(tǒng)。
圖2表示控制機器人101的一種系統(tǒng)布置，包括可編程電子定位開 關100的一個實施例。它表示控制模塊201包括屏面安全子程序230, 也可以布置它與教學懸吊單元29相連接。例如，通過屏面安全子程序 PS或TPU29，或者通過控制系統(tǒng)另一個合適的連接部分都可以配置運 動的限制。這樣的運動限制規(guī)定機器人一個或多個軸運動范圍的限制。 當已經(jīng)配置或存儲運動限制時，控制系統(tǒng)通過跟蹤由電子定位開關確定 的機器人位置保證機器人保持在限制范圍之內(nèi)。當機器人位置不能確定 是可靠的，或者如果已經(jīng)產(chǎn)生誤差，那么觸發(fā)安全子程序和警報?？刂?模塊還可以包括電源和不間斷電源(UPS)、計算機225，和一系列與 傳感器和/或過程信號相連的輸入和輸出(1/0)接口 205。在控制模塊中 各子程序可通過LAN210或USB 215總線連接或伺"l線220或通過以太 網(wǎng)-類型的連接215進行互相連接。圖2還表示驅(qū)動模塊。
驅(qū)動沖莫塊202包括可編程電子定位開關100，它包括MPV4連接到 各驅(qū)動器和安全模塊235,連接到控制模塊計算機225輸入/輸出(I/O) 接口 205和軸的計算機子程序240。在該圖的第3;^莫塊中，表示機器人 101,它包括馬達15和串聯(lián)的處理從至少一軸來的數(shù)據(jù)的測量板SMB。
按照本發(fā)明實施例的可編程電子定位開關包括模型為基礎的鑒別 器MBV,它包含對每個軸至少一個伺服回路模型，使用中每個齒輪箱 至少一個模型，典型的過濾器元件，和至少一個加權(quán)子程序(也請參看 圖3a和下面的圖)。MBV讀出測量值(measurement value)和參考值 (reference value)。在求值之后，它將至少一個得到的期望值(trust value) 的位置傳給圖l的優(yōu)選單元30,同時傳給指示期望大小的一個數(shù)值，在 每個位置值中通常加上一個在0 (不期望)和1 (充分期望)之間表示 期望大小的數(shù)。另一種是，可以由引起特定動作的誤差信號，如打開燈 光，通過通訊通道送出信息等來代表低的期望值。
根據(jù)接受的多個位置信號以及相關的期望值，可以期望某個(如果 任何的)位置信號和如果存在足夠的有高期望水平的信號給予位置測量值的正確性信任投票，那么優(yōu)選單元就做出決定。優(yōu)選單元在2x2n期 望值上必須做出2個決定(也請參看圖9)。如果優(yōu)選單元決定信任現(xiàn) 有的各位置，在第3單元40中，可以執(zhí)行在該位置上用戶一定義的各 項操作(可編程的安全子程序)。除了軸的限制和軸的范圍之外，可以 選擇各種操作，如速度監(jiān)控和停止監(jiān)控。即使機器人不動，停止監(jiān)控包 括在停止或制動期間保持正確的位置信息，從而可以滿足位置的精度和 安全性的需要。在停止期間保持或甚至更新位置可靠的和精確的測量為 機器人不同運動部分之間保持精確的同步提供一種基礎。
圖3a表示本發(fā)明的另一個實施例，它包括與伺服控制器連接的單 通道MBV。該圖表示MBV4它包括對至少一個軸的齒輪箱模型6B，伺 服回路模型5B,過濾器8和加權(quán)子程序9,全都運行在第2計算機或處 理器B中。圖3a還表示運行伺服控制器和齒輪箱模型6a的計算機10, CPU或處理器A。計算機A依次與功率放大器14、驅(qū)動馬達15、和齒 輪箱16相連接。計算機A的輸出還與馬達中的傳感器裝置，如為解算 器(resolver)的傳感器相連接。將位置參考值1 (從圖左邊來的箭頭)供 給運行伺服控制器13的計算機A ( 10)，在14處放大的送到馬達15 的伺服控制器的輸出造成齒輪箱16的運動和移動該臂到給定的臂位置 (圖右邊的箭頭)。將從17處的解算器或其他傳感器的測量值反饋22a 到齒輪箱模型A,在7a處加或減參考值然后供給伺服控制器13。解算 器測量值也反饋和表示為現(xiàn)有的22b供給第2齒輪箱模型B。在成模之 后齒輪箱模型B輸出位置參考值2到加法器7b,在那里它可以與參考位 置1成模之后從伺服模型來的輸出3組合。在這個實施例中，如在圖3a 中表示的優(yōu)選地在第1計算機A( IO)或CPU上執(zhí)行伺服控制器的處理 過程和在第2計算機B ( 11 )或CPU上4丸行MBV。該MBV包含至少 一個齒輪箱模型6b和一個伺服回路模型5b、比較器、加法器或減法元 件7b、過濾器8和加權(quán)元件9。在加權(quán)子程序9之后單通道的輸出是期 望值18和安全估價的位置19，它可以是l、 2或3或者是1、 2和3的 線性組合。
簡單祠服回路模型的例子可以是代表一個或多個通信延遲或伺服 延遲的延遲元件。過濾器元件優(yōu)選地減少差分信號的高頻分量，通常在 伺服馬達加速時會發(fā)生。在最簡單的情況下，加權(quán)子程序可以是一個比 較器，如果輸入信號是低于一定的閾值它給出輸出信號1,如果在閾值之上輸出信號為0。另一種是，加權(quán)子程序也可以平滑地給出中間值。
總的來說，當由齒輪箱模型送出的測量位置和伺服回路模型預估的位置 之間的誤差增加時則可能使期望值減少，或者正好相反。優(yōu)選地使用數(shù)
值0和1作為期望值和加權(quán)子程序是閾函數(shù)。如數(shù)據(jù)連接線20所示那 樣，齒輪箱模型A和齒輪箱模型B可以是同步的。
圖3b表示伺服控制回路的另一種實現(xiàn)。傳感器或解算器測量值從 17不是供給運行伺服控制器的計算機A,而是與給計算機A中反向齒輪 箱模型6a，的參考值一起供給到加法和減法7a之前并接著供給伺服控制 器13。在加權(quán)子程序9之后從單通道鑒別器的輸出是與圖3a的實施例 相同，期望值18,安全估價的位置19,它可以是1、 2或3或1、 2和3 的線性組合。
在一個實施例中，MBV包括有雙通道測量位置數(shù)學模型的比較器， 它用于與參考位置比較。如果2個通道中一個的差值超過閾值，將送去 比較的期望值給定為0，這意味著無論哪個信號，伺服控制器或MBV 本身可能是錯的，和如果不是這樣情況期望值給定為1。在出錯的情況 下，因而優(yōu)選單元將接受2個位置信號有至少一個期望值為0,結(jié)果將 決定給出錯誤信號。
圖5表示按照本發(fā)明另一個實施例的雙通道才莫型的MBV,它包括 計算機A負責計算伺服控制器和MBV的一個實例，而計算機B計算 MBV的第2個實例。2個MBV包括齒輪箱^t型和伺服回路才莫型。該圖 表示計算機A(IO)包括加法器或比較器7a、齒輪箱模型A、伺服回路 模型A、過濾器8A和加權(quán)子程序9A、伺服控制器13和反向齒輪箱模 型6A'。將參考值1送給齒輪箱模型A。傳感器或能算器的測量值反饋 22a送給加法器7a和齒輪箱模A兩者。計算機B(ll)包括齒輪箱模型 B、伺服回路模型B、過濾器8B和加權(quán)子程序9B。相同的傳感器和解 算器的測量值從17反饋22b送給第2實例的齒輪箱模型B。
從第1通道在加權(quán)子程序9A之后的輸出是期望值18A和安全估價 的位置A(19A),它可以是1A、 2A或3A或者是1A、 2A和3A的線 性組合。相同地，從第2通道在加權(quán)子程序9B之后的輸出是期望值18B 和安全估價的位置B ( 19B),它可以是1B、 2B或3B或者是1B、 2B 和3B的線性組合?？梢允褂?B、 2B和3B的其他組合。當使用多通道 MBV時，優(yōu)選單元30可以指定一邏輯函數(shù)，允許優(yōu)選單元忽略單個非
14期望的位置并繼續(xù)操作，但給定警報信號要求檢查該系統(tǒng)。這是多重冗 余的形式，在交通工具如飛機或航天飛船中也可使用這種形式。如果優(yōu)
選單元決定信任現(xiàn)有的各位置，那么在該位置上通過第3單元(可編程 的安全子程序40)可以執(zhí)行用戶定義的各項操作。還可以監(jiān)控所加的軸 的限制、軸的范圍和速度。在停止、制動或其他功能期間盡管一個軸沒 有驅(qū)動也可以監(jiān)控該機器人。
由于MBV包括齒輪箱模型，該模型可以包含每個軸的至少一個轉(zhuǎn) 速計數(shù)器，就需要由數(shù)據(jù)連接20 (圖3a、 b、 5、 6)所表示的機構(gòu)去保 證MBV模型的轉(zhuǎn)速計數(shù)器與用于伺服控制的轉(zhuǎn)速計數(shù)器和實際齒輪箱 的真實轉(zhuǎn)速兩者保持同步。例如可以利用該機械對安裝在已知位置的電 氣開關的周期運動進行同步以便保證所有的模型提供正確的和相同的 臂位置。
圖4a表示從傳感器或解算器17讀出測量信號的簡單齒輪箱模型6、 6a、 6b的實施例，和包括轉(zhuǎn)速計數(shù)器48、乘法器44a、可以接受校準補 償49的加法器47、反齒輪比45、和第2乘法器50。在第1乘法器44a 之后計算出臂的粗略位置信號46和在第2乘法器50之后計算出臂的精 細位置信號51。圖4b表示簡單的反向齒輪箱模型6a，的實施例，包括臂 精細位置51的輸入、齒輪比54、乘法器44、校準補償?shù)妮斎?9、和馬 達位置輸出55。
在按照另 一個實施例的開發(fā)中監(jiān)控的模式可以允許在按照輸入信 號或按照根據(jù)參考信號和測量位置內(nèi)部產(chǎn)生的信號操作時改變加權(quán)子 程序。例如，這個程序的一個應用將會是在要求較低程度安全性的操作 中放寬控制誤差的閾值，和減d、伺服控制器的增益以便允許外部的設備 去移動伺服軸。例如在運行機器人的順應性模式或其他模式用于如教 學、編程或配置時可以使用這種情況。
按照本發(fā)明的實施例可以配置電子定位開關以便對至少 一 個軸定 義至少 一個限制，在所述軸到達給定的限制的任何時刻送出信號和/或給
出輸出。也可以是這樣，可以產(chǎn)生代替的信號或者根據(jù)軸各限制的邏輯 組合，例如(軸1超過限制和軸2超過限制和……)。如果優(yōu)選單元 決定信任所有的各位置，那么在笫3單元中可以執(zhí)行用戶定義的在該位 置上的各項操作，如軸的限制、軸的范圍、速度的監(jiān)控、停止的監(jiān)控等。 以這種方式，由定位開關提供在機器人附近的安全工作區(qū)，而不再需要在機器人的至少 一個臂上使用機械的限位開關。
圖10表示按照本發(fā)明實施例一種方法的流程圖。它表示各步驟的
順序，包括以下各步
110讀出測量位置22、 22a
111使用齒輪箱模型計算出臂的位置
113讀出臂的參考位置1
114計算伺服回路模型
116計算在測量位置和參考位置之間的差
117加入過濾
119加入權(quán)重，和產(chǎn)生位置值19和期望值18
它還表示可以配置各參數(shù)和為齒輪箱模型在112,伺服回路模型在 114，過濾器在118輸入各參數(shù)和/或在119輸入靈敏度S。
圖6表示按照圖5本發(fā)明的一個實施例，其中MBV共享計算機B 的伺服回路模型。這種解決方案減小了復雜性，但需要在計算機A(IO) 和B ( 11 )之間的實時通信。
圖7表示本發(fā)明的雙通道、3個計算機的實施例，其中第l計算機 A ( 10)負責伺服控制器、第2計算機B ( 11 )提供MBV的第1實例、 和第3計算機C ( 12 )提供MBV的第2實例。在加權(quán)子程序9B之后從 第1通道的輸出是期望值18B和安全估價位置B ( 19B),該位置可以 是1B、 2B或3B或者是1B、 2B和3B的線性組合。同樣，在加權(quán)子程 序9C之后從第2通道的輸出是期望值18C和安全估價位置C (19C), 它可以是1C、 2C或3C或者可以是1C、 2C和3C的線性組合。在加權(quán) 子程序9A之后從第3通道的輸出是期望值18A和安全估價位置A (19A),它可以是1A、 2A或3A或者是1A、 2A和3A的線性組合。 同樣，在加權(quán)子程序9B之后從第2通道的輸出是期望值18B和安全估 價位置B ( 19B),它可以是1B、 2B或3B或者是1B、 2B和3B的線性 組合?？梢允褂?B、 2B和3B的其他組合。
圖8表示按照圖7的實施例，其中2個MBV共享計算機B的伺服 回路模型。這種解決方案減小了復雜性，但需要在計算機B和C之間的 實時通信。在加權(quán)子程序9B之后從第1通道的輸出是期望值18B和安 全估價位置B ( 19B )，它可以是2B或3B或者是2B和3B的線性組合。 第2通道的輸出可以包括模型的參考值1C以便給出期望值18C和安全估價位置C(19C),它可以是1C、 2C或3C或者可以是1C、 2C和3C 的線性組合。
有按照本發(fā)明實施例的改進的定位開關的機器人和/或自動化的應 用可以應用在汽車裝配線的各項操作中和應用在汽車制造中所使用的 制造方法中?？梢允褂脵C器人或自動化的應用去執(zhí)行任何這樣的任務 焊接、釬焊、電釬焊、鉚接、清理鑄件、涂漆、噴漆、靜電噴漆、膠接、 在金屬處理過程中實行的各項操作，如連鑄、鑄造、金屬模鑄和其他材 料的生產(chǎn)方法，如塑料的注射成型、壓縮和/或反應模制或擠壓。應用機 器人可以執(zhí)行其他的各項操作，包括如折彎板、彎曲板和/或板的巻邊。 機器人的應用可以包括許多工具，有無線通信和沒有無線通信。特別是， 可以使用機器人以按照工業(yè)安全標準的安全方式與操作人員緊密配合 去執(zhí)行一項或多項任務。也可以應用本發(fā)明到1個或多個機器人，它們 的布置是提供車輛模擬裝置的應用或娛樂的駕駛。
至少在機器人控制單元中，在PLC中，或在定位開關100中存在一 個或多個處理器(或微處理器或計算機)，每個包括中央處理單元CPU 執(zhí)行按照本發(fā)明 一個或多個方面的方法的 一個或多個步驟。借助一個或 多個程序來執(zhí)行上述的步驟，各程序至少部分存儲在存儲器中或者由一 個或多個處理器可訪問的存儲器中。本發(fā)明也可運行在一個或多個通用 目的的工業(yè)微處理器或計算機中而不是一個或多個特殊配合的計算機 或處理器、裝置，如FPGA (現(xiàn)場可編程的門陣列)、CPLD(復雜的可 編程的邏輯裝置)、或ASIC (應用的特殊整體的電路)。
計算機程序包括計算機程序代碼單元或軟件代碼部分，它們使計算 機或處理器執(zhí)行使用方程式、算法、數(shù)據(jù)、存儲的數(shù)值、計算和前面描 述的其他方法，例如，關于圖10的流程圖的各種方法。部分程序可在 存儲在如上所述的處理器中，而且也可在ROM、 RAM、 PROM、 EPROM 或EEPROM芯片、快速存儲器或類似的存儲機構(gòu)中。該程序部分或全 部也可在本地(或中心地)存儲在其他合適的計算機可讀的介質(zhì)中或介 質(zhì)內(nèi)，如磁盤、CD-ROM或DVD盤、硬盤、磁光存儲器裝置、易失性 存儲器、快速存儲器，如固件、或存儲在數(shù)據(jù)服務器中。也可使用其他 已知的和合適的介質(zhì)，包括可刪除的存儲器介質(zhì)，如快速存儲器、硬驅(qū) 動機等。該程序或各種程序也可部分由數(shù)據(jù)網(wǎng)供給，包括公共網(wǎng)絡如互 聯(lián)網(wǎng)，通過臨時硬線數(shù)據(jù)連接和/或通過布置在機器人或機器人控制單元的無線通信單元、由局部PLC和/或其他計算機供給。也可以部分裝設所描述的計算機程序作為分布式應用程序能多少 同時運行在幾個不同的計算才幾或計算才幾系統(tǒng)上。應注意盡管上面描述了本發(fā)明示范性的各實施例，但可以對公開的 解決方案做幾種改變和修改而不會背離本發(fā)明在附屬的權(quán)利要求書中 所定義的范疇。
權(quán)利要求
1.控制多軸工業(yè)機器人或裝設機器人控制單元的機械手的一種方法，該機器人或控制單元還包括運行伺服控制器的至少一個第1計算機(10)，和該方法包括注冊所述機器人臂的至少一個軸的運動限制，給機器人控制器(13)提供機器人位置的參考信號(1)和對所述機器人臂至少一個軸的位置進行測量以便限制所述機器人臂的運動，其特征在于通過在至少一個計算機(10、11、12)中運行定位開關(100)的模型為基礎的鑒別器(4)，依據(jù)所述參考信號對所述機器人臂的所述至少一個軸的位置建立數(shù)學模型和比較模型的位置(19、19A、19B、19C)和測量的位置(22、22a、22b)，提供所述至少一個所述臂的運動限制。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用期望值(18、 18A、 18B、 18C)提供所述至少一個軸的模型位置。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過裝設在機器人或機 器人控制單元中的第2計算機(11、 12)計算出模型位置。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述臂的至少一個軸裝 設成沒有硬件的定位開關或機械的轉(zhuǎn)動制動機構(gòu)。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在定位開關的模型為基 礎的鑒別器(4)中運行所述至少一個軸的伺服回路模型和至少一個齒 輪箱模型。
6. 按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該方法還包括讀出送 給所述至少一個軸的伺服控制的參考值(1)或目標值，讀出至少一個 軸的實際馬達位置的測量值(22、 22a、 22b)，和在模型為基礎的鑒別 器中建立伺服控制回路的數(shù)學模型，建立齒輪箱數(shù)學模型和計算出第1 位置(19、 19A、 19B、 19C)和第1位置的期望值(18、 18A、 18B、 18C)。
7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于定位開關的以模型為基 礎的鑒別器包括加權(quán)子程序(8)。
8. 按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于由根據(jù)參考和測量位置 內(nèi)部產(chǎn)生的信號或輸入信號改變定位開關的以模型為基礎的鑒別器的 加權(quán)子程序。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于基于伺服控制回路操作 模式的變化改變以模型為基礎的鑒別器的加權(quán)子程序。
10. 纟姿照權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括在例如順應性運動的操作模式期間改變以模型為基礎的鑒別器的加權(quán)子程序。
11. 按照權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括使至少一個齒輪箱 模型的轉(zhuǎn)速計數(shù)器函數(shù)與伺服控制轉(zhuǎn)速計數(shù)器和測量的齒輪箱位置同 步。
12. 按照權(quán)利要求1所迷的方法，其特征在于該方法還包括用在運 行伺服控制的所述笫1計算機(10)上運行的第1模型為基礎的鑒別器 計算出第l位置和期望值，和通過在第2計算機(11)上運行的模型為 基礎的鑒別器的第2實例計算出第2位置和期望值。
13. 按照權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于該方法還包括在第2 計算機上運行的模型為基礎的鑒別器的第2實例的控制回路與在笫1計 算機上運行的第l模型為基礎的鑒別器共享。
14. 按照權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于該方法包括在所述第 1計算機上運行伺服控制，用運行在第2計算機上第1模型為基礎的鑒 別器計算出第l位置和期望值，和通過運行在第3計算機(12)上模型 為基礎的鑒別器的第2實例計算出第2位置和期望值。
15. 按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于該方法還包括運行在 第2計算機上第l模型為基礎的鑒別器的控制回路與運行在第3計算機 上模型為基礎的定位開關的第2實例共享。
16. 按照權(quán)利要求1至15中任一項所述的方法，其特征在于比較各 期望值信號和當至少2個期望值信號估價為正時可將該位置處理作為安 全估j介的位置(19A、 19B、 19C)。
17. 按照權(quán)利要求1至15中任一項所迷的方法，其特征在于比較期 望值信號和當至少2個期望值信號不是都正時然后產(chǎn)生指示內(nèi)部錯誤的 信號。
18. 按照權(quán)利要求1至17中任一項所述的方法，其特征在于當機器 人是在停止或制動時對安全估價位置和/或期望信號建立數(shù)學^t型。
19. 按照權(quán)利要求1至18中任一項所述的方法，其特征在于在計算 機程序的指令下執(zhí)行該方法，該程序包括計算機代碼工具和/或軟件代碼 部分使計算機或處理器執(zhí)行該方法。
20. 按照權(quán)利要求1至18中任一項所述的方法，其特征在于通過按 照權(quán)利要求19的計算才幾程序4丸行該方法，該程序包含在一個或多個計 算機可讀的介質(zhì)中。
21. —種控制設置，用于控制多軸工業(yè)機器人或裝有機器人控制單 元的機械手的運動，所述裝置包括至少一個用于伺服控制的第l計算機(10),所述裝置還包括機構(gòu)用于讀出實際位置值和將它與參考信號(1 ) 比較的機構(gòu)以便限制所述機器人的臂在至少一個軸上的運動，其特征在 于所述裝置裝有運行模型為基礎的鑒別器(4)的第2(11)計算機，該 鑒別器包括機構(gòu)用于根據(jù)所述的參考信號通過伺服回路模型給所述至 少一個軸的第l位置建立數(shù)學模型，比較建模的第l位置和該至少一個 軸的測量位置，并根據(jù)建模的第l位置的作用產(chǎn)生控制信號。
22. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于模型為基礎的鑒別器 包括機構(gòu)用于提供第l位置(19)的期望值，根據(jù)該值產(chǎn)生控制信號。
23. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述臂的至少一個軸 設置成沒有機械的制動機構(gòu)。
24. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于模型為基礎的鑒別器 包括運行該至少一個軸的伺服回路模型(5)和至少一個齒輪箱(6)的 模型的機構(gòu)。
25. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于伺服回路模型包括至 少一個描述延遲的參數(shù)，和齒輪箱模型包括至少一個轉(zhuǎn)速計數(shù)器(48) 和至少一個齒輪箱減速比的參數(shù)。
26. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于模型為基礎的定位開 關包括輸入目標值給至少一個軸的伺服控制的機構(gòu)，輸入至少一個軸 實際位置的測量值的機構(gòu)，和給伺服控制回路建立數(shù)學模型的機構(gòu)，給 齒輪箱建立數(shù)學模型以便計算出第l位置和第l位置的期望值的機構(gòu)， 和根據(jù)至少 一 個軸的模型為基礎的鑒別器的狀態(tài)產(chǎn)生控制信號的機構(gòu)。
27. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于模型為基礎的鑒別器 包括加權(quán)子程序才幾構(gòu)(8、 8A、 8B、 8C)。
28. 按照權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于模型為基礎的定位開 關的加權(quán)子程序機構(gòu)裝設成從存儲器機構(gòu)是可讀的，用于根據(jù)輸入信號 或根據(jù)基于參考和測量位置內(nèi)部產(chǎn)生的信號改變權(quán)重的值。
29. 按照權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于模型為基礎的定位開 關的加權(quán)子程序裝設成有機構(gòu)去讀指示伺服控制回路操作模式變化的 信號。
30. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括伺服控制轉(zhuǎn)速計數(shù)器，伺服模型包括轉(zhuǎn)速計數(shù)器函數(shù)，和使至少一個齒輪箱 與測量到的齒輪箱位置同步的機構(gòu)。
31. 按照權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述裝置包括運行伺 服控制也運行計算第l位置和期望值的第l模型為基礎的鑒別器的所述 第1計算機，和運行計算第2位置和期望值的模型為基礎的鑒別器的第 2實例的第2計算機。
32. 按照權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于所述裝置包括裝設在 第1和第2計算機之間的通信機構(gòu)，使運行在第2計算機上模型為基礎 的定位開關的第2實例的控制回路與運行在第1計算機上第1模型為基 礎的定位開關共享。
33. 按照權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于所述裝置包括在第2 計算機和第3計算機之間的通信機構(gòu)，第2計算機運行計算第1位置和 期望值的第l模型為基礎的鑒別器，和第3計算機運行計算第2位置和 期望值的模型為基礎的鑒別器的第2實例。
34. 按照權(quán)利要求21-33中任一項所述的裝置，其特征在于模型為 基礎的定位開關(100)包括單個主板和運行至少一個模型為基礎的鑒 別器的至少2個計算機或處理器。
35. 用于多軸工業(yè)機器人或裝有機器人控制單元的機械手的一種機 器人控制系統(tǒng)(200)，機器人或控制單元還包括至少一個運行伺服控 制器的第1計算機(10),和注冊所述機器人臂至少一個軸的運動限制 的機構(gòu)，將機器人位置的參考信號(1)提供給機器人控制器(13)的 機構(gòu)和測量所述才幾器人臂至少一個軸的位置以便限制所述才幾器人所述 至少一個軸的運動的機構(gòu)(17),其特征在于機器人或控制單元裝設成 有至少一個運行模型為基礎的鑒別器(4)的第2 ( 11 )計算機，鑒別器 包括通過伺服回路模型根據(jù)所述的參考信號給至少一個臂的第一位置 建立數(shù)學模型的機構(gòu)，比較建模的第1位置與所述至少一個軸的測量位 置的機構(gòu)，和根據(jù)建模的第1位置的作用產(chǎn)生控制信號的機構(gòu)。
36. 按照權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其特征在于在定位開關(100) 中包括模型為基礎的鑒別器(4)。
37. 按照權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于定位開關包括優(yōu)選單 元和包括一個或多個可編程安全子程序(40)的單元。
38. 按照權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于定位開關包括在機器人控制系統(tǒng)的驅(qū)動模塊中。
39. 按照權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于所述機器人或控制單 元裝設成有配置所述機器人所述至少一個軸的運動限制的機構(gòu)。
40. 按照權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于所述機器人或控制單 元裝設成有根據(jù)所述機器人的至少一個其他軸的運動限制配置所述機 器人所述至少 一個軸的運動限制的^L構(gòu)。
41. 按照權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其特征在于所述機器人或控制單 元裝設成有依據(jù)所述的參考信號給至少一個臂的第1位置建立數(shù)學模型 的機構(gòu)(4)和當至少一個臂是在運動中或停止時比較建模的第1位置 和所述至少 一個軸的測量位置的才幾構(gòu)。
42. 包括計算機代碼工具和/或軟件代碼部分的一種計算機程序，使 計算機或處理器執(zhí)行按照權(quán)利要求1-18任一項的方法。
43. —種計算機程序產(chǎn)品，它包括包含在一個或多個計算可讀的介 質(zhì)中的按照權(quán)利要求42的計算機程序。
44. 使用按照權(quán)利要求21-34中任一項所述的裝置，在工作的地方 或娛樂的場所使用工業(yè)或商業(yè)安裝的多軸工業(yè)機器人或機械手進行各 種操作。
45. 使用按照權(quán)利要求35-41中任一項所述的系統(tǒng)去操作工業(yè)或商 業(yè)安裝的多軸工業(yè)機器人或機械手以便執(zhí)行包括下列表中任 一 項的操 作裝配汽車的部件、涂漆、焊接、釬焊、鉚接、粘接、折疊板、彎曲 板、板巻邊、清理鑄件、切割、激光切割、噴水切割、抓握物件、操縱 物件、堆垛、拾起和放置、墊上托板、拆下托板。
全文摘要
控制多軸工業(yè)機器人或裝有機器人控制單元的機械手的一種方法，該機器人或控制單元還包括運行伺服控制器的至少一個第1計算機(10)。對所述機器人臂的至少一個軸配置運動限制。將機器人位置的參考信號(1)與所述機器人臂的位置的測量值一起送給機器人控制器(13)。處理參考位置然后在鑒別器(4)中比較測量位置和處理過的參考位置以便限制所述機器人的臂的運動。
文檔編號B25J9/16GK101309783SQ200680042941
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月16日
發(fā)明者B·托雷森, J·布雷達爾, K·貝尼什, M·圖林, M·福爾斯, M·赫爾伯格, P·埃里克森, P·米凱厄森, S·科克, T·索爾斯 申請人:Abb股份有限公司