CN110740840B - 确定铰接式工业机器人的关节中的关节转矩的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定铰接式工业机器人(2)的关节(1)中的关节转矩的方法，所述机器人具有第一臂(4)和第二臂(6)，第一臂(4)和第二臂(6)通过所述关节(1)而彼此联接，且能够通过联接到所述第一臂(4)和所述第二臂(6)的电驱动单元(8)而相对于彼此移动，其中所述电驱动单元(8)由电子控制装置(10)控制，且其中将测量装置(12)分配给所述电驱动单元(8)，测量装置(12)测量供应给驱动单元(8)的电流，其特征在于，根据所测量的所述电流(I_U,I_V)来确定施加到所述第二臂(6)的转矩的实际值(T_A)，且所述电子控制装置(10)将所确定的所述实际转矩值(T_A)与针对所述关节(1)的预先确定的期望转矩值(T_D)比较。

Description

确定铰接式工业机器人的关节中的关节转矩的方法

技术领域

本发明大体上涉及一种根据权利要求1的前序部分的确定铰接式(articulated)工业机器人的关节中的关节转矩的方法。

背景技术

在协作机器人应用的领域中，要求保护与这样的机器人一起工作的操作者，以便避免由机器人在与操作者共用公共的工作空间时可能引起的任何伤害。

一个已知的保护性方案(其根据ISO 10218-1:2011而被称为功率和力限制)容许操作人员与移动的机器人之间有意外接触，只要这样的接触的特性低于排除甚至轻微伤害的生物力学要求即可。

在这方面，两种可能的类型的接触事件与使用功率和力的限制的应用相关。根据第一种可能性，允许机器人对操作者的所接触的身体部位加载达短的时间段(例如，小于50ms)。对于这样的瞬时接触而言，有必要限制从移动的机器人传递到操作者的身体部位的能量。这可典型地通过限制机器人的速度的安全功能而实现。

另一方面，对于机器人而言，有可能对所接触的身体部位加载达较长的时间段(其可例如大于50 ms或甚至几百毫秒或更久)。对于该准静态接触而言，要求限制机器人可对操作者的身体部位施加的力和压力。这优选地通过限制机器人的关节转矩和/或得到的笛卡尔(Cartesian)力的安全功能而实现。

包括控制器、操纵器和末端执行器以及其它与应用有关的设备的机器人***的设计必须使得在协作应用的操作期间未超出所要求的极限。

然而，对于接触情况中的各个而言，有可能提供固有地安全的机器人的具体的机械和电气设计。

例如，为了限制机器人移动的速度，有可能将驱动***设计成使得机器人操纵器不能够超出某一动能，而不管运动的细节如何。简单地说，这可被认为是在零转矩下的受限制的最大电动机速度的模式。

为了限制由机器人施加的力，有可能将驱动***设计成使得其不能够超出某一最大关节转矩水平。简单地说，这可被认为是在零速度下的受限制的最大电动机转矩的模式。

对于接触情况中的各个而言，还有可能提供机器人***和相关联的控制***的如下的设计：其通过适当地设计并且实施的安全功能而充分地降低伤害的风险水平。

例如，为了限制速度，有可能测量机器人关节的实际角速度并且将这些值与控制***所要求的参考速度比较。备选地，可对关节速度执行两种独立测量。对于这些方法中的任一种而言，如果两个独立值位于预先确定的通道(corridor)内，则可假设控制***的安全级部分的适当操作，可计算机器人操纵器的部分的笛卡尔速度，并且，可容易地实施对这些速度的限制。这样的功能在现代的工业机器人控制器中是常见的。

为了限制由机器人施加的力，进一步有可能使用传感器来测量机器人关节中的转矩并且将这些值与根据所测量的电动机电流来确定的转矩值比较。该方法是已知的，并且在如今的协作机器人中的一些中使用。该方法具有如下的缺点：需要额外的传感器，这表示可能的技术失效的额外的来源。此外，额外的传感器导致机器人的额外成本。

在如今的铰接式工业机器人中，标准驱动系包括电动机，该电动机借助于齿轮箱和测量电动机的驱动轴的角位置的位置传感器来驱动关节。通常在这样的机器人中采用的常见的电流控制回路使用驱动轴的实际角位置、电动机的速度以及电相角来针对电动机的各个相而计算期望电流换向。测量电动机相的实际电流，并且，基于实际电动机电流与期望电动机电流之间的偏差，生成控制电流并且将其供给到电动机。

用于基于电动机转矩而获得与安全有关的信息的目前的解决方案基于至少一个传感器。对于安全级的所要求的双通道架构而言，一个通道使用关节转矩传感器信息，而另一个使用根据电动机电流来计算的转矩。

在下者中给出了更多的背景信息：ISO 10218-1:2011，机器人和机器人装置-针对工业机器人的安全要求-部分1：机器人(Robots and robotic devices - Safetyrequirements for industrial robots - Part 1: Robots)，ISO，日内瓦2011。

为了解决监督铰接式工业机器人的关节中的转矩的问题，已知的是：

• 观察电动机电流并且计算关节转矩，使用关节中的转矩传感器来直接地测量转矩，或者

• 使用齿轮箱的两侧上的位置传感器，使用两个传感器之间的位置差异来计算转矩，将齿轮箱的弹性视为已知量。

以安全级方式，要求例如从上文中的方法中选择两个不同的关节转矩信息来源并且对转矩值进行比较。如果这些值的差异大于预先确定的容差，则结论是在***中出现错误。如果这些值位于预先确定的容差范围内，则转矩值可用于计算与应用有关的量。这样的与应用有关的量可为例如与环境接触的笛卡尔力(对于该接触在操纵器上的已知位置而言)。通常，这可为作用于机器人的末端执行器处的接触力。

发明内容

因此，本发明的问题是提供一种当在协作机器人应用中操作铰接式机器人时允许改进安全性并降低成本的方法。

该问题通过如权利要求1中所要求保护的方法而解决。

根据本发明，该方法提供铰接式工业机器人的关节转矩的安全级监督，而不需要采用昂贵的专用转矩传感器。

该方法可例如与工业机器人关节的标准驱动系组合来使用，该标准驱动系包括伺服电动机和电动机角测量减速器齿轮箱。在下文中，用语电动机和驱动单元用作同义词。

该实施方式对应于根据EN ISO 13849-1:2008的类别3，其为针对当根据ISO10218-1:2011来操作工业机器人时将满足的安全功能的要求。

根据本发明，关于关节转矩的信息的两个来源用于机器人的各个关节。这些来源是从动态运动规划获得的参考转矩值和根据相应地测量的关节电动机电流来计算的实际转矩值。

为了达到如由ISO 10218-1:2011要求的安全性能水平PL d，要求至少90%的经证明的诊断覆盖率(DC)。

为了实现针对安全功能的足够的诊断覆盖率，该方法提出：检查供给到电动机的总体电流和电动机的三个相中的两个的所测量的电流值的三角恒等式。

换句话说，该方法提议：将电驱动单元的至少两个所测量的相电流与供应给驱动单元的总电流比较，并且如果这些值的差异超出预先确定的值，则使机器人停止。这提供了如下的优点：可省略关节中的额外的转矩传感器，同时仍然能够验证所计算的转矩值是否可靠。

此外，有利的是，通过使用根据IEC 61508的黑色通道通信而保护信息免于损坏。

摩擦力始终逆着机器人的运动而起作用。因此，实际的所测量的转矩或力值始终小于所计算的值，所要求保护的方法还可考虑到这点。另外，当触发安全功能时，另外的优点是，未引起额外的危害。

基于针对铰接式机器人操纵器的各个关节的安全级转矩值，本发明的方法允许计算当关节速度为零时(即，当不存在动态力时)操纵器的任何期望点在与机器人的环境中的物体形成接触时可施加的对应的笛卡尔力。

力和/或转矩监测中的失效的检测可基于关节转矩或笛卡尔力与预先确定的阈值的比较。当违背标准(例如，所确定的力或转矩值超出阈值)时，使***进入安全操作模式。这样的操作模式可为例如机器人在保护性停止(机器人运动已停止)之后的停顿或特征在于操作者可将机器人推到旁边的安全级依从行为。

根据本发明的另一方面，有利的是，将转矩监督功能例如与位置和/或速度的监测/监督一起集成到电子控制装置和/或机器人控制器的安全控制器单元中。在另一实施例中，转矩监督功能例如与位置和速度功能一起集成到优选地具有双通道安全级架构的机器人控制器的主处理器中。在另外的实施例中，转矩监督功能(与关节有关的部分)针对各个关节而集成于电流控制器中，且/或在单独的单元或装置中实施力的笛卡尔监督功能。

本发明的具体优点是，该方法可适用于：

• 保护人免于与机器人的毁坏性(crushing)接触事件(受约束的准静态情况)；且/或

• 保护工件免于断裂成部分。

根据本发明的用于确定铰接式工业机器人(其具有第一臂和第二臂，第一臂和第二臂通过所述关节而彼此联接，并且能够通过联接到所述第一臂和所述第二臂的电驱动单元而相对于彼此移动，其中，电驱动单元由电子控制装置控制，并且其中，将测量装置分配给所述电驱动单元，测量装置测量供应给驱动单元的电流)的关节中的关节转矩的方法，根据所测量的所述电流来确定施加到所述第二臂的转矩的实际值，并且，电子控制装置将所确定的所述实际转矩值与针对所述关节的预先确定的期望转矩值比较。

这提供了如下的优点：将可比较的转矩值的两个不同的来源供应给电子控制装置，电子控制装置能够关于可靠性和可信性而检查两个值，而不采用专用转矩传感器。简单的检查可为例如所供应的转矩值是否处于机器人的物理约束内。另外，另一检查可为两个转矩值是否彼此相等或位于某一容差范围内。

在本发明的优选实施例中，驱动单元包括三相交流电动机。单独地测量所述三相交流电动机的至少两个电相的电流。测量电动机的第一相的第一电流和针对电动机的第二相的第二电流，并且将第一电流和第二电流与供应给电驱动单元的预先确定的期望总电流值比较。关于同步三相交流电动机，已知的是，所有三个相电流的总和始终为零。根据该假设，三个电流中的一个可在已知其它两个相的电流值的情况下计算。

此外，如果已知供应给三相交流电动机的总电流的幅度，则有可能鉴于似真性(plausibility)而检查所测量的相电流。

根据本发明的优选实施例，如果根据下文中的关系，第一相的所测量的电流I_U的平方与第二相的所测量的电流I_V的平方的总和加上所述第一相的所述所测量的电流I_U乘以所述第二相的所述所测量的电流I_V的乘积不等于供给到驱动单元的预先确定的期望总电流A的平方的四分之三加上/减去阈值δ，则电子控制装置生成错误信号：

上文中所提到的数学关系的左侧和右侧必须相等以便为似真的，否则所测量的电流并非似真的并且可生成错误信号以便满足针对安全级监督的要求。该等式描述了三相交流电动机的电流的绝对值之间的关系。各个相之间的相角是120°，并且，所有三个相电流的总和总计为零。因此，针对三个相电流中的各个的平方值的总和等于供应给三相交流电动机的总电流的幅度的平方值的1.5倍。在一个相电流可在已知两个其它电流时计算的简化的情况下，可获得上文中所给出的关系。

根据本发明的另一实施例，末端执行器安装到所述第二臂，并且，所述电子控制装置根据所确定的所述实际转矩值来确定作用于所述末端执行器上的实际力，该实际力优选地以笛卡尔坐标表示。

依据本发明的另一目标，控制装置包括用于所述铰接式工业机器人的运动规划装置，并且，将由所述末端执行器施加的期望力提供给所述运动规划装置，期望力优选地以笛卡尔坐标表示，根据期望力来确定关节的预先确定的期望转矩值。

根据所要求保护的方法的又一实施例，借助于电子控制装置来将由末端执行器施加并且也提供给运动规划装置的期望力与施加到末端执行器的实际力比较。

在有利的实施例中，铰接式工业机器人包括至少一个另外的关节-臂-元件，至少一个另外的关节-臂-元件包括至少一个另外的臂。至少一个另外的臂借助于另外的关节来联接到第二臂，并且能够借助于另外的电驱动单元来移动。在此实施例中，末端执行器优选地联接到另外的臂，优选地联接到另外的臂的自由端。

根据本发明的另一目标，测量装置进一步确定所述三相交流电动机的相中的至少一个的电相角且/或测量关节的角速度。在此实施例中，将电相角和/或角速度的值供给到电子控制装置。

根据本发明的又一优选实施例，该方法包括下文中的方法步骤：

a) 提供针对所述关节的预先确定的期望转矩值，

b) 提供针对所计算的实际转矩值相对于所述预先确定的期望转矩值的容许偏差的区间T_min到T_max，

c) 借助于所述预先确定的期望转矩值来通过所述电子控制装置控制所述电驱动单元，

d) 测量所述电驱动单元的实际电流，

e) 根据所述电驱动单元的所测量的所述实际电流来计算所述关节的实际转矩值，

f) 确定所述实际转矩值与所述预先确定的期望转矩值之间的偏差，

g) 将所确定的所述偏差与针对容许偏差的所述区间T_min到T_max比较，

h) 如果所述偏差超出针对容许偏差的所述区间T_min到T_max的范围，则输出错误信号且/或使所述铰接式工业机器人停止。

根据另一实施例，所述电驱动单元被包括在所述关节中，且/或所述电驱动单元包括齿轮箱。

附图说明

图1是示例性铰接式工业机器人的侧视图，

图2是根据本发明的优选实施例的示例性电子连接方案，

图3是根据本发明的优选实施例的用于对转矩进行比较的示例性比较器。

具体实施方式

图1显示了示例性铰接式工业机器人2的侧视图，铰接式工业机器人2具有第一臂4和第二臂6，第一臂4和第二臂6通过关节1而彼此联接。另外，铰接式工业机器人2安装于未标注参考符号的平台上。第一臂4和第二臂6能够通过电驱动单元8而相对于彼此移动，电驱动单元8以已知的方式联接到第一臂4和第二臂6。电驱动单元8由电子控制装置10控制。此外，工业机器人2包括另外的关节-臂-元件，另外的关节-臂-元件包括至少一个另外的臂60，另外的臂60借助于另外的关节62来联接到第二臂6。另外的臂60能够借助于另外的电驱动单元64来移动，并且，末端执行器16联接到另外的臂62。

图2示出了本发明的优选实施例的示例性电连接图。在此图中，将期望力F_D(其优选地以笛卡尔坐标表示)提供给运动规划装置18，运动规划装置18优选地布置于电子控制装置10的内部。

运动规划装置18(运动规划装置18在其用于铰接式机器人时可为已知的装置)知晓铰接式工业机器人2的运动学和运动学构造。这意味着运动规划装置18例如知道第一臂4和第二臂6如何彼此联接以及哪些是关节1的移动约束。这允许运动规划装置18根据运动学或逆运动学来针对具体的运动构造(例如，姿势)计算关节转矩。另外，运动规划装置18能够针对具体的力而计算关节转矩或针对具体或实际的关节转矩而重新得到(retrieve)力。这允许运动规划装置18确定根据所测量的实际电流来计算转矩所需要的参数集P，且反之亦然。

借助于运动规划装置18来将期望力F_D转换(计算)成期望转矩T_D。为了这样做，将期望转矩T_D计算/转换成期望总电流A并且供应给电驱动单元8。电驱动单元8针对三相交流电动机14的各个相U、V、W而计算总电流A中的三个相电流I_U、I_V、I_W。

测量装置12测量至少两个相I_U、I_V的相电流。此外，测量装置12确定和/或测量至少一个相U、V、W的相角

和/或角速度ω，并且将所测量或确定的量提供给所述电子控制装置10并且优选地还提供给所述运动规划装置18。

由电流比较器20根据上文中所提到的等式eq.1来相对于总电流A检查实际电流I_U、I_V。如果满足该等式，则生成指示似真失效的错误信号E_I。这意味着例如运动规划装置18想要利用期望力F_D来使机器人2移动到具***置或姿势，但紧邻机器人2的人正推压机器人2的第二臂6。这导致电动机电流的偏差，使得总期望电流A不等于电流I_U、I_V以及I_W的所测量并且计算的总和。应当注意到，该示例未必始终导致适当的转矩偏差，使得仅仅所测量并且计算的电流I_U、I_V的比较可能不足以以可靠的方式来检测与人的碰撞。

为了这样做，将所测量的实际电流I_U、I_V转换(计算)成实际转矩T_A，并且优选地提供给所述运动规划装置18和/或转矩比较器22。转矩比较器22相对于期望转矩T_D而检查实际转矩T_A。如果检测到适当的偏差，则生成错误信号E_T，并且，机器人停止或进入安全操作模式。

在这方面，运动规划装置18根据实际转矩值T_A来确定实际力值F_A。此外，运动规划装置18将期望力F_D和实际力F_A提供给力比较器24。如果检测到适当的力偏差，则生成错误信号E_F。

优选地将错误信号E_I、E_T、E_F提供给电子控制装置10的外部接口(未显示)，以用于进一步处理(例如，使其它附近的工业机器人停止)。

图3示出了示例性转矩比较器24。将期望转矩T_D和实际转矩T_A提供给所述转矩比较器24，其中所有值都与时间有关。实际转矩值T_A与期望转矩值T_D加上/减去容差值比较。上边界指示为T_max，并且，下边界指示为T_min。如果如由闪光指示的，T_A高于T_max或低于T_min，则生成错误信号E_T。

如果生成错误信号E_I、E_T、E_F中的一个，则工业铰接式机器人2优选地停止或进入安全操作模式。

参考数字列表

1 关节

2 铰接式工业机器人

4 所述铰接式工业机器人2的第一臂

6 所述铰接式工业机器人2的第二臂

8 电驱动单元

10 电子控制装置

12 测量装置

14 三相交流电动机

16 末端执行器

18 运动规划装置

20 电流比较器

22 转矩比较器

24 力比较器

60 另外的臂

62 另外的关节

64 另外的电驱动单元

M 电动机

3~ 3相交流

T 转矩

T_A 实际转矩值

T_D 期望转矩值

T_min 最小容许偏差

T_max 最大容许偏差

T_Diff 转矩偏差

U 第一相

V 第二相

I 电流

I_U 所述第一相U的所测量的电流

I_V 所述第二相V的所测量的电流

A 所述驱动单元8的期望总电流

E_I 针对电流失配的错误信号

E_T 针对转矩失配的错误信号

E_F 针对力失配的错误信号

δ 遇到测量不准确性的阈值

F 力

F_A 实际力

F_D 期望力

电相角

ω 角速度

P 电流到转矩的计算参数。

Claims (10)

1.一种确定铰接式工业机器人(2)的关节(1)中的关节转矩的方法，所述机器人具有第一臂(4)和第二臂(6)，所述第一臂(4)和所述第二臂(6)通过所述关节(1)而彼此联接，并且能够通过联接到所述第一臂(4)和所述第二臂(6)的电驱动单元(8)而相对于彼此移动，其中，所述电驱动单元(8)由电子控制装置(10)控制，并且其中，将测量装置(12)分配给所述电驱动单元(8)，所述测量装置(12)测量供应给所述电驱动单元(8)的电流，

其特征在于，

根据所测量的电流(I_U, I_V)来确定施加到所述第二臂(6)的实际转矩值(T_A)，并且，所述电子控制装置(10)将所确定的实际转矩值(T_A)与针对所述关节(1)的预先确定的期望转矩值(T_D)比较；

其中，所述电驱动单元(8)包括三相交流电动机(14)，并且，单独地测量所述三相交流电动机(14)的至少两个电相的电流(I_U, I_V)，并且，将针对第一相(U)的第一所测量的电流(I_U)和针对第二相(V)的第二所测量的电流(I_V)与供应给所述电驱动单元(8)的预先确定的期望总电流(A)比较；

其中，如果对应于下面的公式限定的关系，所述第一相的所测量的电流(I_U)的平方与所述第二相的所测量的电流(I_V)的平方的总和加上所述第一相的所测量的电流(I_U)乘以所述第二相的所测量的电流(I_V)的乘积不等于供应给所述电驱动单元(8)的预先确定的期望总电流(A)的平方的四分之三加上或减去阈值(δ)，则所述电子控制装置(10)生成错误信号(E_I)：

。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

末端执行器(16)安装到所述第二臂(6)，并且，所述电子控制装置(10)根据所确定的实际转矩值(T_A)来确定作用于所述末端执行器(16)上的实际力(F_A)。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述电子控制装置(10)包括用于所述铰接式工业机器人(2)的运动规划装置(18)，并且，将由所述末端执行器(16)施加的期望力(F_D)提供给所述运动规划装置(18)，根据所述期望力(F_D)来确定针对所述关节(1)的预先确定的期望转矩值(T_D)。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

借助于所述电子控制装置(10)来将提供给所述运动规划装置(18)的由所述末端执行器(16)施加的期望力(F_D)与施加到所述末端执行器(16)的实际力(F_A)比较。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述铰接式工业机器人(2)包括至少一个另外的关节-臂-元件，所述至少一个另外的关节-臂-元件包括至少一个另外的臂(60)，所述至少一个另外的臂(60)借助于另外的关节(62)来联接到所述第二臂(6)，并且能够借助于另外的电驱动单元(64)来移动，所述末端执行器(16)联接到所述另外的臂(60)。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述测量装置(12)进一步确定所述三相交流电动机(14)的至少一个相(U, V, W)的电相角(

)且/或测量所述关节(1)的角速度(ω)，其中，将所述电相角(

)和/或所述角速度(ω)提供给所述电子控制装置(10)。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，

其以下文中的方法步骤为特征：

i) 提供针对所述关节(1)的预先确定的期望转矩值(T_D)，

j) 提供针对所计算的实际转矩值(T_A)相对于所述预先确定的期望转矩值(T_D)的容许偏差的区间T_min到T_max，

k) 借助于所述预先确定的期望转矩值(T_D)来通过所述电子控制装置(10)控制所述电驱动单元(8)，

i) 测量所述电驱动单元(8)的实际电流(I_U, I_V)，

m) 根据所述电驱动单元(8)的所测量的实际电流(I_U, I_V)来计算所述关节(1)的实际转矩值(T_A)，

n) 确定所述实际转矩值(T_A)与所述预先确定的期望转矩值(T_D)之间的偏差(T_Diff)，

o) 将所确定的偏差(T_Diff)与针对容许偏差的区间T_min到T_max比较，

p) 如果所述偏差(T_Diff)超出针对容许偏差的区间T_min到T_max的范围，则输出错误信号(E_T)且/或使所述铰接式工业机器人(2)停止。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述电驱动单元(8)被包括在所述关节(1)中，且/或所述电驱动单元(8)包括齿轮箱。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实际力(F_A)以笛卡尔坐标提供。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述期望力(F_D)以笛卡尔坐标提供。

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