CN107073713B - 控制机械臂的方法和装置、计算机***、存储介质和机器人 - Google Patents

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Abstract

控制机械臂的方法和装置、计算机***、存储介质和机器人。本发明涉及用于包括检测与环境的交互的传感器(203)的机器人机械臂(202)的开环/闭环控制的装置和方法。根据本发明的方法的特征在于，传感器(203)检测作用在机器人机械臂(202)上的外部力的力‑时间曲线。如果检测到的力的值大于限定的阈值G1：则激活机器人机械臂(202)的安全模式，所述安全模式根据检测到的力来控制移动速度和/或移动方向其中，在安全模式激活之前，根据预定的医疗损伤参数来开环/闭环控制机器人机械臂(202)的移动速度和/或移动方向

Description

控制机械臂的方法和装置、计算机***、存储介质和机器人
技术领域
本发明涉及用于包括检测与环境的机械交互的传感器的机器人机械手(manipulator)的开环/闭环控制的方法和装置。本发明还涉及具有这样的装置的机器人，并且涉及计算机***、数字存储介质、计算机程序产品及计算机程序。
背景技术
用于机器人机械手的开环/闭环控制的方法和装置是已知的。因此，例如从DE102010048369A1，已知用于至少一个机器人机械臂的安全开环控制的方法和装置，其中监控至少一个安全功能。根据DE 102010048369 A1的安全功能优选地准确表示基本的物理变量或功能，例如，开关、传感器或计算单元的状态或输出。基本物理变量或功能在这里还可以是多维的，并且它相应地还可以由几个开关、传感器和/或计算单元形成。因此，例如，作用在机械臂上特别是作用在工具中心点(TCP)处的外部力可以表示基本的物理变量或功能，这相应地可以由“TCP处的力”安全功能来表示，并且可以被监控，例如，对于阈值的存在或用来确定已超过阈值还是未达到阈值。
根据DE 102010048369 A1的的安全功能可以是接触检测(具体来说是通过检测一维或多维接触力)、碰撞检测(具体来说是通过检测机械臂关节或驱动中的力)、轴向区域监控、路径准确性(具体来说是笛卡尔轨迹周围的管道、笛卡尔空间、安全区、制动坡道、在一个或更多个安全区或空间边界之前的制动、机械臂配置、工具定向、轴向速度、肘部速度、工具速度、最大外部力或最大外部扭矩、关于环境或人的距离、固位力或诸如此类的)。
优选地使用安全技术来监控安全功能，具体来说是冗余地并且优选地以不同的方式或者利用安全协议。为了这个目的，优选的是，一个或更多个参数(例如，传感器或计算单元的输出)被独立于相应的机械臂的工作控制器地检测(并且具体来说是在计算单元中进一步处理之后，例如，在坐标变换之后)，并且被监控以确定是否已超过阈值。在提出的实施方式中，如果待检测的参数中的至少一个无法被可靠地检测(例如，由于传感器故障)，则对应的安全功能按所提出的实施方式响应。
在DE 102010048369 A1中，进而提出将安全监控实现为状态机，该状态机可以在两个或多个状态之间交替，在每个状态下，监控上述安全功能中的预定用于该状态的一个或更多个安全功能。在这里，该实现可以被转换，特别是通过对应的编程和/或对应的程序执行，特别是所谓的虚拟状态机的形式。
此外，从DE 102013212887 A1，已知用于机器人装置的开环控制的方法，该方法包括可移动的机器人机械臂，其中，考虑到医疗损伤参数(medical injury parameter)和机器人动力学，监控并且可选地调节机械臂的移动速度和/或移动方向。根据DE102013212887 A1，机械臂和/或操纵装置可以沿着预定的路径或者以预定的移动速度移动。医疗损伤参数可以包含表示机械臂与人身体之间的碰撞影响的信息，并且它们可以在方法中用作输入变量。所述影响可以是人类身体的损伤。为了减少或阻止损伤，可以例如通过缩减来调节机械臂的移动速度和/或移动方向。机器人动力学可以是物理的，具体来说是运动动力学。机器人动力学可以是刚性的和弹性的多体动力学。为了监控并且可选地调节机械臂的移动速度和/或移动方向，可以考虑机械臂的碰撞质量、碰撞速度和/或碰撞接触几何结构。机械臂的碰撞质量、碰撞速度和/或碰撞接触几何结构可以在该方法中用作输入变量。可以考虑期望的机械臂的至少一个预定的相关点的碰撞质量、碰撞速度和/或碰撞接触几何结构。在这里，考虑到预定的移动路径，预期可以与人类在机器人装置的工作区中的假定的或已知的位置有关。为了监控并且可选地调节机械臂的移动速度和/或移动方向，可以使用特征值，所述特征值一方面表示机械臂的碰撞质量、碰撞速度和/或碰撞接触几何结构之间的关系，并且另一方面表示医疗损伤参数。特征值可以用不同的接触几何结构和不同的损伤类型的质量-速度图来表示。接触几何结构可以是简单的代表性几何结构。接触几何结构可以是楔形。接触几何结构可以是具有不同角度的楔形。接触几何结构可以是球形。接触几何结构可以是具有不同直径的球形。损伤类型可以是身体的闭合性皮肤的损伤。损伤类型可以是身体的肌肉和肌腱的损伤。
从EP2388111A2已知一种用于操作机器人的方法，该机器人具有至少一个构件，由机器人的控制装置通过可调节的电驱动器可移动地控制所述构件。所述可调节的电驱动器包括至少间接地与所述构件机械联接的电动机、控制该电动机的致动器以及控制该致动器的控制装置。另外，提供了限制控制装置的控制和/或操作变量的值的机器人专用动态限制。
从DE102012012988A1已知一种用于自动处理工件的装置，包括用于检测工件的物体识别装置、设置在夹持臂上用于夹持工件的夹持器、用于评估用于路径规划并用于控制夹持臂和夹持器的物体识别装置的数据的控制器、补偿单元，该补偿单元使得夹持器的回避运动成为可能。其中，补偿单元仅在超过夹持臂的预定的第一载荷时才实现夹持器的回避运动，同时其在低于第一载荷的情况下保持不变，其中，所述第一载荷大于仅通过夹持器和/或夹持的工件在夹持臂上施加的载荷。
从DE102008041604B4已知一种用于非接触式手动控制机器人的方法，该方法包括以下方法步骤：通过布置在机器人的机器人臂内或机器人臂上和/或固定到机器人臂上的末端执行器内或末端执行器上的非接触式距离传感器检测人的第一次移动，或者通过距离传感器检测人与机器人之间的距离，并且基于通过距离传感器检测到的所述第一次移动并基于该检测到的第一次移动而移动机器人臂，移动机器人臂以防止人与机器人臂的碰撞，并同时保持机器人臂的紧固装置或布置在机器人臂上的末端执行器的工具中心点的位置恒定，基于检测到的距离和/或基于检测到的人与机器人之间的距离的导数确定由机器人施加的期望力或期望扭矩，或者基于所述第一次移动和/或基于通过距离传感器检测到的人与机器人之间距离和/或其导数而触发机器人的功能和/或参数化机器人的功能。
US2013/0304258A1公开了一种用于纤弱组织的手术操纵的微力引导协调控制的方法和***。
从US2014/0052150A1已知一种用于医疗装置的协调控制的方法和***，其中医疗装置由机器人握持。
从DE102012015975A1已知一种用于操作用于具有至少一个机器人的生产站的安全***的方法。机器人包括传感器单元，该传感器单元测量作用在机器人上的力和/或力矩，其中，所测量的力和/或力矩被传递到控制装置，通过该控制装置将所测量的变量与至少一个预定阈值进行比较，并且其中，根据比较结果来控制机器人。
发明内容
本发明的目的是指示用于机器人机械臂的开环/闭环控制的方法和装置，该方法和装置还降低了机器人机械臂与特别是人的对象碰撞的情况下的损伤或损坏的风险。
本发明的额外特征、可能的应用和优点从以下描述以及由附图中表示的对本发明的示例性实施方式的说明产生。
根据本发明的第一方面，通过用于机器人机械臂的开环/闭环控制的方法来实现所述目的，所述机器人机械臂包括用于检测与环境的机械交互的传感器。所提出的方法的特征在于：由所述传感器检测作用在所述机器人机械臂上的外部力的力-时间曲线，并且如果检测到的力的值大于所限定的阈值则激活所述机器人机械臂的安全模式，所述安全模式根据检测到的力来开环/闭环控制移动速度和/或移动方向其中，在激活所述安全控制模式激活之前，根据预定的医疗参数来开环/闭环控制所述机器人机械臂的移动速度和/或移动方向
在本案例中，术语“医疗参数”被理解为具体来说意指将损伤程度、痛感程度、损害程度和/或另一风险程度参数化的参数。
在本案例中，术语“机器人机械臂”被理解为意指机械机器人的一部分，其使机器人能够与环境的物理交互，也就是说，机器人的执行机器人的机械工作的移动部分。术语“机器人机械臂”还包括：具体来说，机器人机械臂存在的一个或更多个操纵装置以及(如果适用的话)被机器人机械臂抓取的对象。在本案例中，在广泛意义上理解术语“机器人”。它包括例如工业机器人、人形机器人、能够飞行或能够游泳的机器人。
在本案例中，在广泛意义上理解术语“力”或“力-时间曲线”。除了简单有向的力之外，它还包括反平行力对以及可以像这样表示的力或力作用(即，具体来说也叫扭矩)、以及此外由这样的力或力作用推导出的变量(诸如，例如，压力(力/面积)等)。在本案例中，检测到的力有利地不涉及重力，并且不涉及由地球自转生成的科里奥利(Coriolis)力。
术语“力的值”包括任何度量。
传感器有利地是力传感器、力矩传感器(例如，扭矩传感器)。有利地，所述机器人机械臂包括几个这样的传感器，以便于利用相对于作用于机器人机械臂的外部力的攻击点以及所述力的值和方向来说足够的分辨率来检测所述力。在有利的展开中，表达式“作用于机器人机械臂的外部力”意指除了外部力的方向和值以外，力在机器人机械臂上的攻击点也是已知的或确定的。
如例如在引用的DE 102013212887 A1中描述的，提出的方法是基于原则上根据医疗参数来开环控制机器人机械臂的事实。DE 102013212887 A1的公开内容涉及损伤参数以及对损伤参数的确定和有利的建立，这明确地包含在本公开内容中。
根据本发明，借助于至少一个传感器，检测并且至少暂时地存储作用于机器人机械臂的外部力的力-时间曲线。一旦机器人机械臂的检测到的外部力的值大于所限定的阈值就激活用于机器人机械臂的开环/闭环控制的安全模式。在另选方式中，力-时间曲线的检测或提供也可以借助于基于机器人机械臂的闭环控制技术模型对外部力的估计或者甚至是无模型估计来发生。在本案例中，应该在广泛意义上理解术语“传感器”。它还包括闭环控制技术模型或者估计，对外部力的重建可以根据所述闭环控制技术模型或者估计发生。
在有利的展开中，阈值等于零(即，G1＝0)，以便一旦由传感器测量/估计的力(视情况而定)高于传感器噪声水平或高于模型不准确度，就立刻激活安全模式。
安全模式的特征在于根据检测到的力矢量来开环/闭环控制移动速度和/或移动方向在本案例中，这表示机器人机械臂的开环/闭环控制基于速度和/或扭矩闭环控制，其中，仅根据预定的医疗参数来开环/闭环控制机器人机械臂的移动速度和/或移动方向安全模式一激活，换句话说，例如，从先前激活的速度开环控制切换到机器人机械臂的力开环/闭环控制，其中，根据由传感器检测到的力来开环/闭环控制机器人机械臂的移动。
因此，具体来说，检测到因为对象无法避开并且机器人机械臂的移动显现其自身处于连续增加的作用力动作中而发生了对象被机器人机械臂挤压的的情况、并且将它们转变为对应的机器人机械臂的开环/闭环控制是可能的。
在展开中，在安全模式下，根据检测到的力来开环控制机器人机械臂的致动器。有利地，根据检测到的力来限制由致动器生成的扭矩。有利地，机器人机械臂包括一个或更多个关节，其中，在有利的展开中，根据检测到的力来限制关节中的至少一个关节角度。
此外，根据本发明的方法的特征在于：确定时间跨度Δt1，Δt1指示从时间t0处超过阈值G1时开始到在时间t1处达到力-时间曲线的后续第一最大值时的时间跨度；确定时间跨度Δt2，Δt2指示从t1到在时间t2处达到力-时间曲线后续第一最小值时的时间跨度；并且，只有当Δt1+Δt2＝ΔtG<G2和/或时激活安全模式，其中，G2和G3是限定的阈值。
这些方法步骤用于对作用在机器人机械臂的外部力的时间曲线的分析。通常，在机器人机械臂与对象碰撞的情况下，首先产生力撞击，其中，取决于碰撞的类型和碰撞速度，可以在几毫秒(Δt1～0.1到50ms)内达到力的第一数值最大值此后，力的值通常减小。取决于与对象的碰撞是否表示弹性撞击、非弹性撞击、对象或机器人机械臂的弹性的或塑性的形变，产生第一力撞击之后的不同的力的时间曲线。在第一力撞击出现之后(即，在经过第一最大值和后续第一最小值之后)的情况下，传感器检测到的力继续增加，然后这通常意味着存在针对对象的挤压(即，(碰撞)对象不再能够避开机器人机械臂的移动的情况)，并且机器人可以将力从其驱动器传递到被夹住的身体。通过对阈值G2和G3的适当选择，该方法可以适用于对这样的情况的检测。
有利地，对于时间t>t2，如果力的值超过限定的阈值则机器人机械臂的实际移动停止。
有利地，对于时间t>t2，如果力的值超过限定的阈值则执行重力补偿或顺从控制(compliant control)，其中，以这样的方式来开环或闭环控制机器人机械臂，即，只补偿重力，并且任何额外的外部施加的力都导致机器人机械臂以顺从的方式移动离开。
这阻止了对碰撞对象或机器人机械臂的损伤和/或损害。
此外，在上面描述的停止之后，有利地以相反的方向执行机器人机械臂先前的移动，直到为止，其中，停止再次发生。G5在这里是限定的阈值，在有利的方法变型中，将G5选择为等于零，即，G5＝0。
自然地，提出的方法还可以用在对机器人的机械臂的开环/闭环控制的离线分析或规划的情况下。在这种情况下，力的检测被力-时间曲线的对应规定代替。此外，机器人机械臂还被可虚拟地开环/闭环控制的对应的模型代替。具体来说，可以在虚拟应用中有利地优化和测试所提出的方法。
本发明还涉及具有数据处理装置的计算机***，其中，该数据处理装置被设计成使得在所述数据处理装置上执行上述方法。
本发明还涉及具有电子可读控制信号的数字存储介质，其中，控制信号可以以执行上述方法这样的方式与可编程计算机***交互。
本发明还涉及具有存储在机器可读媒介上的程序代码的计算机程序产品，用于当程序代码在数据处理装置上执行时执行上述方法。
本发明还涉及具有程序代码的计算机程序，用于当程序代码在数据处理装置上运行时执行上述方法。
本发明还涉及用于机器人机械臂的开环/闭环控制的装置，该装置包括：传感器，所述传感器检测作用在机器人机械臂上的外部力的力-时间曲线；以及单元，所述单元以这样的方式设计和配置：根据预定的医疗参数来开环/闭环控制机器人机械臂的移动速度和/或移动方向并且所述单元另外以这样的方式设计和配置：如果检测到的力的值大于限定的阈值则激活机器人机械臂的安全模式，所述安全模式根据检测到的力来开环/闭环控制移动速度和/或移动方向
此外，根据本发明所提出的装置的特征在于，所述单元被另外以这样的方式实施和配置：确定时间跨度Δt1，Δt1指示从在时间t0处超过阈值G1时开始到在时间t1达到力的后续第一最大值时的时间跨度；确定时间跨度Δt2，Δt2指示从t1直到在t2时刻达到力的后续第一最小值时的时间跨度；并且只有当Δt1+Δt2＝ΔtG<G2和/或时，才激活安全模型，其中，G2和G3是限定的阈值。
所提出的装置的有利展开特征在于，所述单元被另外设计和配置单元为使得对于时间t>t2，如果力的值超过限定的阈值则机器人机械臂的当前移动停止。
所提出的装置的有利展开的特征在于，所述单元被以这样的方式设计和配置：在停止之后，以相反的方向执行机器人机械臂的先前移动，直到为止，并且然后机器人机械臂的移动再次停止，其中，G5是限定的阈值。
所提出的装置的优点和额外展开由类似的和/或适当的与提出的方法有关的所提供的说明传递产生。
最后，本发明涉及具有如上面描述的装置的机器人。
附图说明
额外的优点、特征和细节由后续的描述产生，其中——如果参照附图适用的话——详细描述了至少一个实施方式示例。相同的、相似的和/或功能相等的部分提供了相同的附图标记。
附图示出了：
图1是在一对象的空间阻碍的情况下，当机器人机械臂与该对象碰撞时的典型力-时间曲线；
图2是示例性实施方式的所提出的方法的图解过程；并且
图3是根据本发明的机器人的图解设计。
具体实施方式
图1示出了在机器人机械臂与一对象的碰撞中(即，在该对象与机器人机械臂碰撞之后无法移动离开并且因而在空间上被固定并且因此受挤压的情况)的典型的力-时间曲线。
在图1中，x轴表示时间t，并且y轴表示由传感器检测到的、作用在机器人机械臂上的外部力的值：从示出的曲线中可以看到，在时间t0开始，传感器检测到外部力，即，在时间t0，机器人机械臂与一对象(例如，与人类的手臂)发生碰撞。例如，当在5ms之后在时间t1达到第一最大值M1之后，由传感器检测到的力的值再次减少，直到在时间t2达到第一最小值。示出的力-时间曲线并不是真实比例，并且只表示定性的力曲线。
由于手臂在空间上被固定(例如，手臂在机器人机械臂与墙壁之间)，手臂被机器人机械臂的进一步移动挤压，这本身显现了在大于t2的时间的仍然上升的力曲线。
图2示出了用于机器人机械臂的开环控制的方法的示例实施方式的图解过程，该机器人机械臂包括用于与环境的机械交互的检测的传感器。在该示例中，机器人机械臂的移动速度和移动方向根据预定的医疗损伤参数被开环控制。医疗损伤参数包含表示机器人机械臂与人体之间的碰撞的影响的信息。可以在DE102013212887A1中找到关于不同的损伤参数的进一步信息，在这方面参考所述信息。在本案例中，机器人机械臂的开环控制原则上通过速度开环控制发生，这隐含地可以例如通过引入虚拟的(可能是可变的)阻尼(其生成了对应的反扭矩)来确保速度，以便即使在扭矩闭环控制形式的驱动的情况下也确保速度。
在机器人机械臂的操作期间，由传感器执行对作用在机器人机械臂上的外部力的力-时间曲线的连续检测101。至少暂时地存储该力-时间曲线。在该过程中，如果检测出所检测到的力的值大于限定的阈值则机器人机械臂的安全模式被激活102。安全模式的特征在于根据检测到的力来开环控制移动速度和移动方向因此，在速度开环控制的这种情况下，存在从速度开环控制到力开环控制的切换。然而，原则上，可以通过扭矩闭环调控来实施切换。
图3示出了具有用于机器人的机器人机械臂202的开环控制的装置的机器人的图解结构。机器人包括：传感器203，其检测作用在机器人机械臂202上的外部力的力-时间曲线；以及单元201，其以这样的方式设计和配置：根据预定的医疗损伤参数来控制机器人机械臂202的移动速度和/或移动方向并且如果检测到的力的值大于限定的阈值则机器人机械臂202的安全模式激活，所述安全模式根据检测到的力来开环控制移动速度和/或移动方向
虽然通过优选的示例实施方式更详细地例示和说明了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且在不背离本发明的保护范围的情况下，本领域的技术人员也可以由此推导出其他变型。因此，清楚的是，存在大量可能的变型。同样清楚的是，作为示例提及的实施方式只表示示例，其决不应该设想为对例如保护范围、可能的应用、或者本发明的配置的限制。反之，前面的描述和附图的描述使本领域的技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，在不离开由权利要求和它们的同等法律效力要件(诸如，例如在描述中更详细的说明)定义的保护范围的情况下，已经认识到所公开的创造性思想的本领域的技术人员可以做出大量的改变，例如，关于布置的功能、所提及的元件的示例性实施方式。
附图标记列表
101-102 方法步骤
201 用于开环/闭环控制的单元
202 机器人机械臂
203 传感器

Claims (13)

1.一种用于机器人机械臂(202)的开环/闭环控制的方法，所述机器人机械臂(202)包括用于检测与环境的机械交互的传感器(203)，其中
-由所述传感器(203)检测作用在所述机器人机械臂(202)上的外部力的力-时间曲线；以及
如果检测到的外部力的值大于限定的阈值G1：则激活所述机器人机械臂(202)的安全模式，所述安全模式开环/闭环控制移动速度和/或移动方向其中，在激活所述安全模式之前根据预定的医疗参数利用速度或扭矩闭环控制、并且在激活所述安全模式之后根据力闭环控制，来开环/闭环控制所述机器人机械臂(202)的所述移动速度和/或所述移动方向在所述力闭环控制中，根据检测到的外部力来开环/闭环控制所述机器人机械臂(202)的移动，其中，确定时间跨度Δt1，Δt1指示从在时间t0处超过所述阈值G1时开始到在时间t1处达到所述力-时间曲线的后续第一最大值时的时间跨度，确定时间跨度Δt2，Δt2指示从时间t1直到在时间t2处达到所述力-时间曲线的后续第一最小值时的时间跨度，并且只有当Δt1+Δt2＝ΔtG<G2和/或时，才激活所述安全模式，其中，G2和G3是预定的阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，在所述安全模式中，根据检测到的外部力来开环/闭环控制所述机器人机械臂(202)的至少一个致动器。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中，根据检测到的外部力单独地限制由所述致动器生成的扭矩、和/或所述致动器的位置、和/或所述致动器的速度。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，
其中，对于G1：G1＝0。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中，对于时间t>t2，如果所述外部力的值超过限定的阈值G4： 则所述机器人机械臂(202)的当前移动停止。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中，对于时间t>t2，如果所述外部力的值超过限定的边界G4： 则执行重力补偿，其中，以这样的方式来开环/闭环控制所述机械臂(202)：只补偿重力，并且任何额外的外部施加的力都导致所述机器人机械臂(202)以顺从的方式移离所述外部施加的力。
7.根据权利要求5所述的方法，
其中，在所述停止之后，在相反方向上执行所述机器人机械臂(202)的先前移动，直到为止，并且然后再次停止，其中，G5是限定的阈值。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中：G5＝0。
9.一种具有数据处理装置的计算机***，其中，按照在所述数据处理装置上执行根据权利要求1到8中任一项所述的方法的方式来设计所述数据处理装置。
10.一种具有电子可读控制信号的数字存储介质，其中，所述控制信号可以按照执行根据权利要求1到8中任一项所述的方法的方式与可编程计算机***交互。
11.一种存储有程序代码的计算机可读存储介质，当所述程序代码在数据处理装置上执行时，实现根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
12.一种用于机器人机械臂(202)的开环/闭环控制的装置，并且所述装置用于执行根据权利要求1到8中任一项所述的方法，该装置包括：
-传感器(203)，其检测作用在所述机器人机械臂(202)上的外部力的力-时间曲线；
-单元(201)，其被以这样的方式设计和配置：根据预定的医疗参数利用速度或扭矩闭环控制、并且在激活所述安全模式之后根据力闭环控制，来开环/闭环控制所述机器人机械臂(202)的移动速度和/或移动方向并且，在所述力闭环控制中，根据检测到的外部力来开环/闭环控制所述机器人机械臂(202)的移动，其中，确定时间跨度Δt1，Δt1指示从在时间t0处超过所述阈值G1时开始到在时间t1处达到所述力-时间曲线的后续第一最大值时的时间跨度，确定时间跨度Δt2，Δt2指示从时间t1直到在时间t2处达到所述力-时间曲线的后续第一最小值时的时间跨度，并且只有当Δt1+Δt2＝ΔtG<G2和/或时，才激活所述安全模式，其中，G2和G3是预定的阈值。
13.一种具有根据权利要求12所述的装置的机器人。
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