對(duì)冗余的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的編程方法和工業(yè)機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通過(guò)手動(dòng)引導(dǎo)地調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的操縱器臂的姿勢(shì)，對(duì)冗余的工 業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行編程的方法，操縱器臂具有多個(gè)彼此相接的節(jié)肢，這些節(jié)肢通過(guò) 可調(diào)整的并包括至少一個(gè)冗余關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)相連接，這些關(guān)節(jié)可以通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的至少一 個(gè)機(jī)器人控制器被可控地調(diào)整。本發(fā)明還涉及一種對(duì)應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 專(zhuān)利文獻(xiàn)DE 102011106321 Al提出了一種用于控制特別是與人協(xié)作的機(jī)器人的 方法，在該方法中取消了特定于機(jī)器人或特定于任務(wù)的對(duì)機(jī)器人的冗余。在該專(zhuān)利文獻(xiàn)中， 特別是將能夠在物理上與人交互的機(jī)器人稱(chēng)為與人協(xié)作的機(jī)器人，例如，在機(jī)器人的工作 空間中為人員設(shè)置駐留地點(diǎn)。在這樣的機(jī)器人應(yīng)用中，特別希望能夠減輕機(jī)器人的接觸點(diǎn) 與其周?chē)h(huán)境、尤其是人員發(fā)生碰撞所造成的后果。為此，目前例如IS0-10218預(yù)先設(shè)定邊 界值，例如工具參考點(diǎn)、即所謂的工具中心點(diǎn)（TCP)的最大速度為0. 2m/s至0. 25m/s。這種 與人協(xié)作的機(jī)器人可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到，并且也被稱(chēng)為輕型機(jī)器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于：通過(guò)手動(dòng)引導(dǎo)地調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的操縱器臂的姿勢(shì)，更好地、 尤其是更簡(jiǎn)單地對(duì)冗余的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行編程。
[0004] 本發(fā)明的目的利用一種通過(guò)手動(dòng)引導(dǎo)地調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的操縱器臂的姿勢(shì)，對(duì)冗 余的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)彼此相接的節(jié) 肢，這些節(jié)肢通過(guò)可調(diào)整的并包括至少一個(gè)冗余關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)相連接，這些關(guān)節(jié)通過(guò)工業(yè)機(jī) 器人的至少一個(gè)機(jī)器人控制器被可控地調(diào)整，該方法包括以下步驟：
[0005] 通過(guò)手動(dòng)引導(dǎo)將操縱器臂的與工具參考點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的節(jié)肢的姿勢(shì)從空間中的第一 位置和第一方向調(diào)整至空間中的第二位置和/或第二方向，
[0006] 在取消（Aufldsung)冗余的情況下，通過(guò)確定至少一個(gè)冗余關(guān)節(jié)的優(yōu)化的關(guān)節(jié) 位置值，由操縱器臂的工具參考點(diǎn)的第二位置和第二方向，回溯計(jì)算出操縱器臂的所有關(guān) 節(jié)的關(guān)節(jié)位置值，
[0007] 在手動(dòng)引導(dǎo)調(diào)整期間，根據(jù)回溯計(jì)算得到的優(yōu)化的關(guān)節(jié)位置值，通過(guò)機(jī)器人控制 器可控地自動(dòng)調(diào)整操縱器臂的所有關(guān)節(jié)。
[0008] 在此將冗余的工業(yè)機(jī)器人理解為能夠借助于機(jī)器人控制器運(yùn)動(dòng)的操縱器臂，與完 成任務(wù)所需相比，其具有更多的操縱器自由度。冗余度由操縱器臂的自由度的數(shù)量和完成 任務(wù)所在的事件空間的維數(shù)的差來(lái)決定。在此可能會(huì)涉及到運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余或任務(wù)特定的冗 余。在運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余中，運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的數(shù)量（通常為操縱器臂的關(guān)節(jié)的數(shù)量）要大于事件 空間，該事件空間是在真實(shí)的環(huán)境中根據(jù)在空間中的運(yùn)動(dòng)由三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自 由度構(gòu)成，即由六個(gè)自由度構(gòu)成。例如，冗余的工業(yè)機(jī)器人可以是具有七個(gè)關(guān)節(jié)、特別是七 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的輕型機(jī)器人。相反在任務(wù)特定的冗余中，所設(shè)置任務(wù)的維數(shù)要小于操縱器臂 的運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的數(shù)量。
[0009] 具有對(duì)應(yīng)的機(jī)器人控制器的操縱器臂、特別是工業(yè)機(jī)器人是一種工作機(jī)器，其裝 備有工具，以能夠自動(dòng)地處理和/或加工對(duì)象，并對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸例如關(guān)于方向、位置和工作 流程是可編程的。工業(yè)機(jī)器人通常包括具有多個(gè)通過(guò)關(guān)節(jié)相連接的節(jié)肢的操縱器臂和在 運(yùn)行期間自動(dòng)控制或調(diào)節(jié)操縱器臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的可編程的機(jī)器人控制器（控制裝置）。通 過(guò)受機(jī)器人控制器控制的驅(qū)動(dòng)器、特別是電驅(qū)動(dòng)器使節(jié)肢尤其是關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸 (其代表了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度）運(yùn)動(dòng)。
[0010] 具有多個(gè)通過(guò)關(guān)節(jié)連接的節(jié)肢的操縱器臂可以被配置為具有多個(gè)依次串行設(shè)置 的節(jié)肢和關(guān)節(jié)的曲臂機(jī)器人，特別是這種冗余的工業(yè)機(jī)器人可以具有包括七個(gè)或更多關(guān)節(jié) 的操縱器臂。
[0011] 如同工業(yè)機(jī)器人一樣，具有對(duì)應(yīng)的機(jī)器人控制器的操縱器臂還可以是所謂的輕型 機(jī)器人，其與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的不同之處首先在于：這種輕型機(jī)器人具有有利于人機(jī)協(xié) 作的結(jié)構(gòu)尺寸，并因此具有與其自重相比相對(duì)較高的運(yùn)載能力。此外，輕型機(jī)器人特別是可 以力調(diào)節(jié)來(lái)替代位置調(diào)節(jié)地運(yùn)行，這例如能夠簡(jiǎn)化對(duì)操縱器臂姿勢(shì)的手動(dòng)調(diào)整。此外，還可 以由此實(shí)現(xiàn)安全的人機(jī)協(xié)作，因?yàn)榭梢员苊饣蛑辽贉p輕例如操縱器臂與人的意外碰撞，從 而不會(huì)對(duì)人造成傷害。這種操縱器臂或這樣的輕型機(jī)器人通常具有六個(gè)以上的自由度，因 此需要設(shè)置超定系統(tǒng)（uberbestimmtes System)，由此在空間中處于相同方向的相同的點(diǎn) 可以通過(guò)操縱器臂的多種、甚至是無(wú)限多的不同的姿勢(shì)到達(dá)。輕型機(jī)器人可以針對(duì)外部的 力作用以適當(dāng)?shù)姆绞阶鞒龇磻?yīng)?？梢允褂媚軌蛟谌咳齻€(gè)空間方向上測(cè)量力和轉(zhuǎn)矩的力傳 感器來(lái)測(cè)量力。替代地或附加地，還可以在沒(méi)有傳感器的情況下，例如根據(jù)所測(cè)得的位于輕 型機(jī)器人關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)電流來(lái)估計(jì)外部的力。就調(diào)節(jié)概念而言，例如可以采用將 輕型機(jī)器人作為機(jī)械阻力（阻抗）來(lái)建模的間接的力調(diào)節(jié)，或者可以采用直接的力調(diào)節(jié)。
[0012] 操縱器臂的姿勢(shì)通常是指操縱器臂的關(guān)節(jié)的所有關(guān)節(jié)位置的總和，這些關(guān)節(jié)使操 縱器臂的各個(gè)節(jié)肢可調(diào)整地相連接。從狹義上講，在定義明確的系統(tǒng)中，還可以例如將姿勢(shì) 理解為操縱器臂的參考點(diǎn)（例如工具參考點(diǎn)（TCP))的位置和方向。工具參考點(diǎn)例如可以 由操縱器臂的位于手部法蘭上的適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)構(gòu)成，在該手部法蘭上固定有夾持器、工具或其 他裝置，以便能夠通過(guò)調(diào)整操縱器臂的姿勢(shì)使夾持器、工具或其他裝置在空間中運(yùn)動(dòng)。一般 情況下，工具參考點(diǎn)也可以是位于操縱器臂之外的虛擬的空間點(diǎn)，但是，該空間點(diǎn)在幾何 上剛性地與操縱器臂的一節(jié)肢、尤其是操縱器臂的手部法蘭相連接。
[0013] 手動(dòng)引導(dǎo)地調(diào)整操縱器臂的姿勢(shì)通常是指：工業(yè)機(jī)器人的操作人員在操縱器臂的 一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)上觸碰操縱器臂，并例如通過(guò)按壓、牽拉和/或轉(zhuǎn)動(dòng)所抓住的一個(gè)或多個(gè) 節(jié)肢來(lái)改變，即調(diào)整操縱器臂的姿勢(shì)，從而改變操縱器臂的當(dāng)前的關(guān)節(jié)位置。在基礎(chǔ)的實(shí) 施例中，在操縱器臂的運(yùn)動(dòng)鏈中的最后一個(gè)節(jié)肢上，即在操縱器臂的手部法蘭上例如固定 有手柄，或者配有、特別是剛性地固定有至少一個(gè)手柄部分，通過(guò)該手柄部分可以將引導(dǎo)力 輸送到操縱器臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。引導(dǎo)力還可以通過(guò)直接觸碰、尤其是握抱位于操縱器臂的 運(yùn)動(dòng)鏈最后的節(jié)肢被輸送到操縱器臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。這種由工業(yè)機(jī)器人的操作人員施加 在操縱器臂上的引導(dǎo)力可以例如通過(guò)專(zhuān)門(mén)為此設(shè)計(jì)和配備的傳感器、特別是力傳感器直接 測(cè)量，或者是由操縱器臂的業(yè)已存在的關(guān)節(jié)傳感器、尤其是力傳感器/力矩傳感器的測(cè)量 值間接地計(jì)算得到，或者間接地根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)電流來(lái)確定。替代 地在另一種實(shí)施方式中，對(duì)操縱器臂的手動(dòng)調(diào)節(jié)可以在適當(dāng)?shù)那闆r下根據(jù)流程通過(guò)操作裝 置、特別是按鈕或操縱桿來(lái)代替手動(dòng)的引導(dǎo)來(lái)完成。
[0014] 例如，七軸的輕型機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)機(jī)器人的七個(gè)自 由度來(lái)覆蓋六個(gè)可能的空間中的運(yùn)動(dòng)方向。由此，使得工具參考點(diǎn)（例如末端執(zhí)行器的 TCP)的姿勢(shì)通常能夠駛向無(wú)限多的機(jī)器人位置。另一種被廣泛使用的取消這種冗余的方法 是設(shè)定冗余回路，并通過(guò)例如肘關(guān)節(jié)的不同位置對(duì)該冗余回路進(jìn)行描述。在此，肘關(guān)節(jié)在運(yùn) 動(dòng)期間的理想位置不是已知的，因?yàn)樵撐恢脧囊粦?yīng)用場(chǎng)合到另一應(yīng)用場(chǎng)合有不同的選擇。 對(duì)此存在各種不同的方式來(lái)區(qū)分良好的可調(diào)節(jié)性、關(guān)于奇點(diǎn)（Singularity;)和關(guān)節(jié)角限制 的較大運(yùn)動(dòng)區(qū)域或驅(qū)動(dòng)器的較小負(fù)載的優(yōu)先順序。
[0015] 除了較高的可運(yùn)動(dòng)性之外，輕型機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)還在于其集成式的力傳感裝 置，其能夠非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的手動(dòng)示教（Hand-Teachen)，S卩，為了實(shí)現(xiàn)編程而手動(dòng) 地引導(dǎo)機(jī)器人。由于冗余的原因，在此不僅可以手動(dòng)引導(dǎo)工具參考點(diǎn)的姿勢(shì)，而且還可以手 動(dòng)設(shè)定肘關(guān)節(jié)的位置。特別可以將關(guān)節(jié)角度的組合，即節(jié)肢固定的坐標(biāo)系統(tǒng)在空間或平面 中的姿勢(shì)（位置和方向）看作是肘關(guān)節(jié)的位置。在機(jī)器人程序自動(dòng)開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人使已編 程、即已示教的姿勢(shì)也進(jìn)入到已保存的位置。
[0016] 這種做法操作非常方便，并且能夠產(chǎn)生良好的、可預(yù)見(jiàn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。然而用戶(hù)通 過(guò)其對(duì)位置的具體設(shè)定不僅可以限定工具參考點(diǎn)的姿勢(shì)，而且還可以始終地限定機(jī)器人的 能力。這種能力通過(guò)所謂的動(dòng)/靜態(tài)特性（kinetostatischen Eigenschaften)來(lái)表述，即， 例如從笛卡爾空間向軸空間以及從軸空間向笛卡爾空間的力轉(zhuǎn)換和速度轉(zhuǎn)換，機(jī)器人實(shí)現(xiàn) 特定的TCP姿勢(shì)的精度和剛性（Steifigkeit)，這種工作效率不僅在機(jī)器人的工作空間中 分布得非常不均勻，而且還將關(guān)于冗余參數(shù)（例如肘關(guān)節(jié)位置）發(fā)生變化。機(jī)器人在某種 姿勢(shì)和位置上的特性是非常難以預(yù)測(cè)的，而且預(yù)測(cè)需要很高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。因此，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的 使用者雖然能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的編程，但是也會(huì)使機(jī)器人不知不覺(jué)地迅速得到較 差的特性。在很多使用場(chǎng)合中，這些特性仍然是足夠的并且處于容許范圍之內(nèi)。但是，如果 機(jī)器人需要在例如關(guān)