CN106413997A - 用于避免机器人在工作站碰撞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定影响机器人(12)运动的数值的方法，包括以下步骤：a)提供要由机器人(12)与工人(20)执行的工作任务；b)提供要执行所述工作任务的工作站(10)的布局；c)提供工具数据，所述工具数据表征由所述机器人(12)执行所述工作任务时所使用的工具(16)；d)在将步骤a)至c)中所提供的信息考虑在内的情况下，确定所述机器人(12)为执行所述工作任务所需的轴运动路线；e)提供所述工人(20)的工作空间(22)；f)在将所述轴运动路线和所述工作空间(22)考虑在内的情况下，确定所述机器人(12)的特别是在所述工人(20)的工作空间(22)内的临界路径点，在所述路径点上，所述机器人(12)所引起的预设运动速度被超过以及/或者借助所述机器人(12)而运动的元件的预设质量被超过；g)借助第二机器人(24)在所述临界路径点上模拟相应的碰撞；h)在将所述经模拟的碰撞考虑在内的情况下，针对每个临界路径点确定所述机器人(12)的允许移动速度。

Description

用于避免机器人在工作站碰撞的方法

技术领域

本发明涉及一种确定影响机器人运动的数值的方法，特别是对在人类与机器人协作的意义上操纵的生产设备进行规划和评价的方法。

背景技术

人类与机器人紧密协作时，随时发现始于机器人的对人类的危险是重要的。

能够检查既有设备是否对人类构成危险的方案业已存在，例如DE 10 2013 212887 A1所揭示的生产设备中的计算模型或者碰撞测量。该案系识别人类与机器人可能的碰撞点，并根据预设标准(例如，ISO10218-1、ISO10218-2、TS 15066、BG/BGIA用于危险评估的建议，根据的是机械指令-采用协作机器人的工作场所的设计方案-U001/2009)评估其危险。危险过高时，对机器人的运动或路径以及/或者速度进行相应调整。反复进行上述调整，直至所有危险消除。这类方法耗费较大，且此外总是需要在物理意义上已经存在的设备。此外，这些方法只有在详细了解了机器人动力学模型的情况下才能实施，这一点在实践中通常并非如此。另外在采用这些方法时，必须在硬件或软件中出现任何变化的情况下，重新设计并再次确认计算机模型。

采用上述方法时无法准确计算碰撞行为，因而视情况必须使运动大幅延缓，而这会降低周期时间。此外在真实设备中，测量上的可重复性是难以模拟的。同样，当前无法在设备中的每个点上进行测量，这是因为由于干扰轮廓方面的原因，用于测量的测量***无法置于设备中的每个位置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种连贯式处理方法，用于在规划阶段就能评估对人类的危险，以便在这个阶段中就能实施相应改变。

本发明用以达成上述目的的解决方案为具有权利要求1的特征的一种确定影响机器人运动的数值的方法。本发明的有利设计方案以及有益且非平凡的改良方案参阅从属权利要求。

本发明的用于确定影响机器人运动的数值的方法包括以下步骤：

a)提供要由所述机器人与工人执行的工作任务；

b)提供要执行所述工作任务的工作站的布局；

c)提供工具数据，所述工具数据表征由所述机器人执行所述工作任务时所使用的工具；

d)在将上述步骤中所提供的信息考虑在内的情况下，确定所述机器人为执行所述工作任务所需的轴运动路线；

e)提供所述工人的工作空间；

f)在将所述轴运动路线和所述工作空间考虑在内的情况下，确定所述机器人特别是在所述工人的工作空间内的相关的、特别是临界的路径点，在临界的路径点上所述机器人超出预设运动速度以及/或者要借助所述机器人运动的元件的预设质量(Masse)被超出；

g)借助第二机器人在所述路径点上模拟相应的碰撞；

h)在将所述经模拟的碰撞考虑在内的情况下，针对每个任意的，优选临界的路径点确定所述机器人的允许移动速度。

亦即，本发明用以达成上述目的的解决方案为，借助由在工作空间内的任意位置模拟刚性冲击的工业机器人所构成的测试结构来确定在工作中实际出现的碰撞力和单位面积接触压力。这样就能在规划阶段就针对机器人轨迹的每个点确定最大移动速度。也就是说，与本文开篇所述的已知做法不同，本发明能够在将机器人运动所产生的所有效果考虑在内的情况下实施评价。

这些效果主要指速度、质量、几何形状、距离、人体部位的可达到性、所使用的对运动的调节策略、所使用的保护元件以及材料特性。

为了解设备是否符合当前的BG建议和标准，即按照ISO 10218-2标准是否不存在危险，本文所描述的做法是至关重要的。通过本发明的方法就能对在人类与机器人协作的意义上工作的设备进行特别有意义的规划。采用本发明的方法后，特别是在建造实际设备之前就能对机器人可能造成的危险进行评价。

根据本发明的一种有利实施方案，在将所述工具数据考虑在内的情况下规定包围所述整个工具的包络空间。换言之，设置一种形式的抓持器包络(Greiferhülle)，其已针对可能的碰撞将相关工具的几何形状考虑在内。这个包络空间迅速且成本较低建立，例如通过快速成型法(Rapid-Prototyping-Verfahren)建立。

在本发明的另一有利设计方案中，借助模拟或测量来确定所述轴运动路线。采用模拟的优点是，根本不必使相关机器人移动。测量的优点是可能比模拟更为精确地确定轴运动路线。

例如可以用所谓的Office-PC或RCS模块或另一路径精确的模拟方案来实施模拟。该模拟在必须将该方法应用于要约或规划阶段的情况下特别必要。

根据本发明的另一有利实施方式，在将所述轴运动路线考虑在内的情况下，确定特别是在所述工人的工作空间内可能的受挤压位置或夹住位置(Quetsch-oderKlemmstellen)，在此，生产设备与机器人间的距离小于最小距离，例如DIN EN 349所规定的最小距离。这样就能提前发现对工人在执行预设工作任务时可能存在的危险。

由此能够模拟以下情况：在机器人的哪些状态下必须防止对相关人体部位形成夹住/挤压，以及在哪些状态下必须防止对相关人体部位形成冲击。

根据本发明的另一有利实施方式，确定所述机器人的所反映(reflektierten)的质量的时间过程。所反映的质量或所谓的负荷质量指的是所看见的在驱动发动机的发动机驱动轴上的组件的质量；在这里指的是所看见的在机器人的轴上的相应质量。这样就能相对可靠地确定哪些实际质量作用于机器人或人类。

既将所述机器人及其肢节的质量特性/惯性特性、又将工具特性/工件特性纳入所述质量计算。

在本发明的另一有利设计方案中，借助摆锤和测力计以不同的移动速度来反复重复借助所述第二机器人所模拟的碰撞，直至在所述临界路径点上的相应的碰撞力和碰撞压力以及单位面积接触压力低于相应阈值。这样就能非常可靠地确定例如由相应标准所规定的生物机械负荷极限。换言之，能够监控所谓的仿真负荷极限，并反复调整机器人的移动速度，直至不再超过预设的阈值。

根据本发明的另一有利实施方式，将依据BG/BGIA建议的仿真测试体用作测力或测压装置。这样就能在这些机器人的相互相撞中将生物机械学一并反映出来。

也可以在某个过程稳定的测量装置中测量力和单位面积接触压力，并将所绘制的力曲线换算成能够在任一弹簧-阻尼模型上产生的曲线。优选换算至弹簧-阻尼模型，例如在针对不同人体部位的标准中规定的弹簧-阻尼模型。

最后，根据本发明的另一有利设计方案，在确定相应碰撞时如此地调节所述第二机器人，使其针对所述临界路径点模拟相应的冲击方向和阻力。这样就能在无需硬件变更的情况下特别准确、可复制且可证实地模拟几乎任意冲击情形。

此外还可以在所述工具上的相关几何形状的作用方向上实施冲击和夹住，因为在这个方向上也超过生物机械负荷极限。

本发明的更多优点、特征和细节参阅下文对优选实施例的描述以及附图。在本发明范围内，发明内容所列特征和特征组合以及下文在附图描述中所列和/或附图所单独示出的特征和特征组合，不仅可按本申请所给出的方式进行组合，也可按其他方式组合应用或单独应用。

附图说明

图中：

图1为工作站的布局的透视示意图，在该工作站中，由轻型机器人与未绘示在图中的工人共同执行某项预设工作任务；

图2为在图1所示轻型机器人中用来执行该项预设工作任务的工具的透视图；

图3为工作站的另一透视图，图中示出了与轻型机器人共同执行预设工作任务的工人，以及该工人的工作空间；

图4为与此前的视图所示的轻型机器人耦合的工业机器人的视图，通过这种方式来模拟不同的冲击情形；

图5为具有测力计的摆锤，其用于模拟工人与机器人间的碰撞；以及

图6为在借助工业机器人和摆锤模拟碰撞时所产生的不同的力-时间曲线的示意图。

具体实施方式

图1为工作站10的布局的透视图。工作站10的布局例如可以被提供为用于尚待规划的工作站及其周围环境的CAD模型。工作站10内布置有轻型机器人12，其在工件14上执行某项预设工作任务。

该工作站用作所谓的MRK设备，这个缩写表示人类与机器人协作。亦即，在这个设备10中，工人(未绘示)与轻型机器人12一起执行在图示的工件14上的某项预设工作任务。

图2为工具16的透视图，轻型机器人12使用这个工具来执行上述工作任务。环绕着工具16规定包络空间18，其包围工具16。未详细绘示的抓持器例如具有约1.2千克的质量，其中工件14的质量约为10千克。通过包络空间18而设置一种形式抓持器包络，其针对可能的碰撞已经将相应几何形状考虑在内。

图3为工作站10的布局的另一透视图，其中该图示出与轻型机器人12共同执行在工件14上的某项预设工作任务的工人20。此外，在工人20周围示出了工人20的工作空间22。这个工作空间描绘了95百分位数的人的工作空间。

这样就提供了由轻型机器人12与工人20执行的工作任务以及用来执行这项工作任务的工作站10的布局。此外如图2所示，还提供了轻型机器人12为执行工作任务而使用的工具16的工具数据，如质量、几何形状等。如果不具备这些数据，则使用的是通过抽象而估算的轮廓及负荷数据(质量和重心)。

在将这些信息考虑在内的情况下就能确定轻型机器人12的执行工作任务所需的轴运动路线。这例如可以通过纯模拟或者也可以通过相应测量来实施。这样就能事先确定执行工作任务的所有所需的机器人位置。通过上述方式获得的轴运动路线可以例如被输出，从而提供轻型机器人12的相应经过点和不同轴位置。可以在机器人控制接口中改写这些待经过位置和相应的工具数据，对此可以运行某个相关程序，其中可以将相应的轴数据一并录入。这既可以在模拟***上、也可以在真实的机器人上实施。

随后可以确定所谓的所反映的质量，其提供所反映的质量的理论上的时间过程。这用来作为尤其是作用于轻型机器人12上的或者在与工人20发生冲击时作用于工人20上的较大的质量的指示。

特别是在工人20的工作空间22内确定轻型机器人12的如下临界路径点：在这些路径点上，轻型机器人12超出预设运动速度或者借助机器人12而运动的元件(这里例如指工具16连同工件14)的预设质量被超过，其中将此前确定的轴运动路线和预设工作空间22考虑在内。此外还可以在考虑轴运动路线情况下，确定特别是在工人20的工作空间22内可能存在的受挤压位置或夹住位置，在此位置处，工作站10与轻型机器人12及其工具几何形状或工件几何形状之间的距离小于最小距离。

此外还可以且应该将与碰撞相关的工具几何形状和工件几何形状(如锐边和圆角)以及可能存在或使用的碰撞识别与避免策略考虑在内。

临界路径点要被识别为和选择为那种出现非常高的速度、较大质量并进而产生较大冲量的情况的路径点。

还必须将以下情形纳入临界路径点的计算：工具或工件的哪些几何形状与碰撞有关的，涉及的是夹住还是冲击，哪些身体部位存在危险。

在此可以将这种不处于工人20的工作空间22内的区域加以隐藏或始终不予考虑。在一种特别精确的实施方案中，可以将机器人12的运动以数毫秒的间隔分解为各个点。随后可以选出所产生的每个单独的点并相应加以防范。

图4示出轻型机器人12及另一工业机器人24。该工业机器人24用作柔性碰撞站，用它能够实施具有可变工具负荷的任意冲击情形。换言之，使用的是由配设有测力传感机构的工业机器人24与轻型机器人12构成的测试装置。工业机器人24在此可以在空间内灵活移动并被设置成能够针对冲击情况准确模拟当时的冲击方向和相应的阻力。在此所示的该装置虽然采用实体安装，但原则上也可以被纳入数字过程中。

上述模拟与轨迹(即机器人的运动路径)、在此所操作的工具/工件、所使用的机器人类型以及所使用的碰撞识别和避免策略相关。

亦即，借助与轻型机器人12耦合的工业机器人24，来针对轻型机器人12的此前确定为临界的路径点或者(视需要而定)针对路径的所有点模拟相应的碰撞。在此过程中针对对应于临界路径点的相应的碰撞点确定相应的碰撞矢量。工业机器人24具体体现轻型机器人12朝壁部的冲击。

对碰撞进行这种模拟时，如果需要针对某一确定的机器人类型、某一确定的软件状态或某一确定的硬件状态实施测试，则可以更换进行冲击的机器人。

图5示出具有测力计28的摆锤26。在借助图4所示的包括工业机器人24和轻型机器人12的测试装置实施相应冲击后，将相应的冲击从该摆锤26换算至测力计28。摆锤26的质量在此是可变的，这样就能精确地模拟实际工具质量。该摆锤在此总是能够以如下程度偏转，使其以与图4中借助工业机器人24的所模拟的速度相同的速度碰撞在测力计28上。

亦即，借助摆锤26和测力计28以不同的移动速度(即摆锤26的不同偏转)来反复重复借助工业机器人24所模拟的碰撞，直至关于这些相应的临界路径点的相应的碰撞力和碰撞压力以及单位面积接触压力低于相应阈值。

图6为不同的力-时间曲线的示意图。借助线条30示出轻型机器人12实际冲击至测量计28时会产生的示例性的力-时间曲线。此外还示出了在使用摆锤26时产生的其他的力-路径曲线32、34。视所模拟的具体碰撞情形(例如与工人20的不同身体部位的碰撞)而定，产生不同的、仿真的负荷极限。为对这些分别被归为临界的路径点的相应碰撞进行模拟而反复重复摆锤26的偏转，直至低于预设的、仿真的负荷极限。

这样就能在最终效果中针对轻型机器人12的相应被归为临界的路径点或者路径上的以最小的间隔的每个点确定实际碰撞力及碰撞压力。此外还针对轻型机器人12的这些相应被归为临界的路径点确定相应允许的移动速度。

所述确定参照工具和工件的所有相关几何形状(角部、边缘等诸如此类)进行。

这样就针对这些相应的临界路径点提供了关于相应的速度、质量和由此产生的冲量的信息。相应地可以对相应所出现的力和单位面积接触压力进行评价，并检测其是否符合当前标准。如果不符合，可以再次不断改变相应的移动速度，直至符合这些标准为止。也可以将未来引入的阈值(疼痛阈值、伤害阈值)考虑在内。在这个处理步骤中还可以改变碰撞策略、参数、零空间定向位置从而进行最优设置。

在有利设计方案中，可以对使用适宜防撞元件(泡沫塑料或诸如此类)所产生的冲击效果进行模拟，从而为临界路径点加衬垫并作为优化建议而记录下来。也可以将用于自由冲击至夹住冲击的校正功能(参阅IFF研究报告，TS 15066)等等考虑在内。

对临界路径点的上述确定有时以专业知识为基础。如果不是这种情况或者需要采取尽可能更可靠的做法，则建议采用以下方式对路径进行依次检查：将过程分解为若干增量的节点并对每个点进行检查。这个方法的优点是全程能够被记录的检查以及全程高度透明度。另一方面，与仅检查被视为临界的路径点相比，附加费用不会大幅增大，因为在全自动化设计方案中不产生费用。

上述方法具有广泛的用途：该方法可以应用于设备的要约与规划阶段，可以为这类设备的研发者提供支持，对设备的设计提供辅助，从而在设备规划的较早时间点上进行循环时间优化。

该方法还能应用于设备的调试、验收和开通以及CE检查。需要对既有设备进行调整和优化时，可以随后用该方法对设备重新进行评价。这样就能在设备工作期间，采取措施以便进行维护、校正和进一步过程优化。基于新的方案或型号系列以及新的技术、材料、工具或诸如此类进行设备变更(如扩展)时，使用上述方法较为有利。

此外当标准的边界条件发生变化时，例如允许的碰撞力或碰撞压力或者人体模型发生变化时，也可使用所述方法。

Claims (10)

1.一种确定影响机器人(12)运动的数值的方法，包括以下步骤：

a)提供要由机器人(12)与工人(20)执行的工作任务；

b)提供要执行所述工作任务的工作站(10)的布局；

c)提供工具数据，所述工具数据表征由所述机器人(12)执行所述工作任务时所使用的工具(16)；

d)在将步骤a)至c)中所提供的信息考虑在内的情况下，确定所述机器人(12)为执行所述工作任务所需的相应的轴运动路线；

e)提供所述工人(20)的工作空间(22)；

f)在将所述轴运动路线和所述工作空间(22)考虑在内的情况下，确定所述机器人(12)的特别是在所述工人(20)的工作空间(22)内的相关的、特别是临界的路径点，在所述路径点上，所述机器人(12)超出预设运动速度以及/或者借助所述机器人(12)而运动的元件的预设质量被超过；

g)借助第二机器人(24)在所述相关的路径点上模拟相应的碰撞；

h)在将所述经模拟的碰撞考虑在内的情况下，针对每个任意的、优选临界的路径点确定所述机器人(12)的允许移动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在将所述工具数据考虑在内的情况下规定包围所述工具(18)的包络空间(18)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

借助模拟或测量来确定所述轴运动路线。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在将所述轴运动路线考虑在内的情况下，确定特别是在所述工人(20)的工作空间(22)内可能的受挤压位置或夹住位置，在此，工作站(10)与机器人(12)间的距离小于相应的最小距离。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

根据实际的机器人冲击来确定所述机器人(12)的所反映的质量的时间过程。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

借助摆锤(26)和测力计(28)以不同的移动速度来反复重复借助所述第二机器人(24)所模拟的碰撞，直至针对所述路径点的相应的碰撞力和碰撞压力以及单位面积接触压力低于相应阈值。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在确定相应碰撞的情况下，如此地调节所述第二机器人(24)，使其针对所述临界路径点模拟相应的冲击方向和阻力。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在确定相应碰撞的情况下，所述第二机器人(24)配设有测力***。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

测量结构也能够符合仿真测试体的要求。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在自动的反复过程中，改变所述机器人(12)的参数，特别是冲击速度、冲击质量和/或接触几何形状，直至超过或低于预设的极限值。