CN113924195A - 多用途机器人臂的控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途机器人臂，该多用途机器人臂具有被构造成在操作过程期间根据多个基本操作命令控制其运动的控制器。其中机器人控制器被构造成根据基本操作命令的第一子集以标准操作模式来控制多用途机器人臂，并且根据基本操作命令的第二子集在机器人臂操作过程的一部分期间以应用特定操作模式来控制多用途机器人臂。其中第二子集的基本操作命令至少部分地被第一子集所包括，并且其中第二子集的操作参数中的至少一个操作参数由应用操作值限制。其中应用操作值由多用途机器人臂在应用特定操作模式下的操作的期望特性来限定。

Description

多用途机器人臂的控制

技术领域

本发明涉及一种多用途机器人臂，该多用途机器人臂包括多个机器人关节，该多个机器人关节连接机器人基座和机器人工具凸缘，其中机器人控制器被构造成根据标准和应用特定操作模式来控制机器人臂。另外，本发明涉及一种根据第一层程序代码、第二层程序代码和第三层程序代码来控制多用途机器人臂的方法。

背景技术

包括多个机器人关节和连杆的机器人臂(其中马达可使机器人臂的一部分相对于彼此移动)在机器人领域中是已知的。通常，机器人臂包括：机器人基座，其用作机器人臂的安装基座；和机器人工具凸缘，其中各种工具可附接到该机器人工具凸缘。机器人控制器被构造成控制机器人关节，以相对于基座移动机器人工具凸缘。例如，为了指示机器人臂执行多个工作指令。机器人关节可以是被构造成使机器人臂的部分相对于彼此旋转的旋转机器人关节，被构造成使机器人臂的部分相对于彼此平移的棱柱关节和/或被构造成使机器人臂的部分相对于彼此移动的任何其他种类的机器人关节。

通常，机器人控制器被构造成基于机器人臂的动态模型控制机器人关节，其中该动态模型限定作用于机器人臂上的力与所得的机器人臂的加速度之间的关系。通常，动态模型包括机器人臂的运动学模型、关于机器人臂的惯性的知识以及影响机器人臂移动的其他参数。运动学模型限定了机器人臂的不同部分之间的关系，并且可包括机器人臂的信息(诸如关节和连杆的长度、尺寸)，并且可例如由Denavit-Hartenberg参数等来描述。动态模型使得控制器可以确定为了(例如)以指定的速度、加速度移动机器人关节或者为了将机器人臂保持在静态姿势，关节马达将提供哪些扭矩。

通常，可以将各种端部执行器附接到机器人臂的机器人工具凸缘或其他部分，诸如夹持器、真空夹持器、磁性夹持器、螺纹车床、焊接装备、分配***、视觉***等。

机器人臂需要由限定用于机器人臂的各种指令的用户或机器人集成商编程，各种指令诸如预定义的移动模式和工作指令，诸如抓握、等待、释放、螺纹接合指令。指令可基于通常提供用于停止或启动给定指令的触发信号的各种传感器或输入信号。触发信号可由各种指示器提供，诸如安全帘、视觉***、位置指示器等。

当机器人臂是多用途机器人臂时，许多用户难以对机器人臂进行编程以足够准确和/或精确地执行机器人臂操作过程，从而满足多用途机器人臂对产品或工作过程的贡献的结果的要求。

发明内容

本发明的目的是解决关于现有技术的上述限制或现有技术的其他问题。这通过根据独立权利要求的方法和机器人臂来实现，其中多用途机器人臂包括连接机器人基座和机器人工具凸缘的多个机器人关节，所述多用途机器人臂包括机器人控制器，该机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程的一部分期间以标准操作模式以及以应用特定操作模式来控制多用途机器人臂。其中机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程期间根据多个预先确定的基本操作命令控制多用途机器人臂的运动，基本操作命令至少部分地由一个或多个操作参数限定。其中机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程的一部分期间根据基本操作命令的第一子集以标准操作模式来控制多用途机器人臂，其中限定第一子集的基本操作命令的一个或多个操作参数中的至少一个操作参数由标准操作值限制。其中机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程的一部分期间根据基本操作命令的第二子集以应用特定操作模式来控制多用途机器人臂，其中第二子集的基本操作命令至少部分地被基本操作命令的第一子集所包括，并且其中限定第二子集的基本操作命令的一个或多个操作参数中的至少一个操作参数由应用操作值限制。其中当根据由标准操作值限定的基本操作命令操作时多用途机器人臂的操作的允许窗口不同于当根据由应用操作值限定的基本操作命令操作时多用途机器人臂的操作的允许窗口，并且其中应用操作值由多用途机器人臂在应用特定操作模式下的操作的期望特性来限定。

根据标准操作模式操作多用途机器人臂是有利的，因为其具有以下效果：在该模式下，对准确度和精确度的要求不是关键的，这由在该操作模式下使用的预先确定的标准操作值反映。由于标准操作值，允许以一定速度、路径、关节扭矩、马达电流等操作多用途机器人臂，一方面导致例如机器人工具的振动、较低的准确度、较低的精确度或它们的组合，但另一方面导致机器人臂操作过程的循环的较快执行。在标准操作模式下允许此类振动，并且因此例如当高速优先于机器人工具所执行的工作的质量或美观时，可以选择该模式。

根据应用特定操作模式操作多用途机器人臂是有利的，因为其具有以下效果：在该模式下，操作参数由应用操作值来限定，从而导致多用途机器人臂的工具特定操作。通过依赖于安装在机器人工具凸缘上的工具来确定(工具)操作值，便于根据特定机器人工具进行优化控制。在机器人工具是焊接工具的情况下，焊接工具的振动是不期望的，因为这些振动将扩散到焊接，从而以“非直线”焊接的形式可见。

因此，当以标准操作模式操作时，机器人控制器在控制机器人臂时不考虑任何机器人工具和机器人工具的性能。因此，标准操作模式也可以称为机器人工具独立操作模式。这与应用特定操作模式相反，在该应用特定操作模式中机器人控制器在控制机器人臂时考虑安装在机器人工具凸缘上的机器人工具和机器人工具的性能。因此，应用操作模式也可以称为机器人工具相关的操作模式。因此，标准操作模式可至少部分地由例如最大关节速度限定，并且应用操作模式可至少部分地由最大经调整的关节速度限定。其中经调整的关节速度确保特定工具在没有振动等的情况下更准确、更精确地操作。应当提及的是，其他操作参数的值也可被视为分别限定标准操作模式和应用操作模式。

当分别在标准操作模式和应用操作模式下使用时，对于相同的基本操作命令具有不同的操作值是有利的，因为其具有以下效果：具有焊接工具的相同多用途机器人臂一天可以作为(特定)焊接机器人操作，而第二天在安装了螺钉工具的情况下，它可以作为(特定)螺纹接合机器人操作。在标准操作模式和应用操作模式下使用的基本操作命令中的至少一些基本操作命令是相同的，因为这两种模式例如均需要机器人工具在给定计划中或沿着要由机器人工具处理的产品的一侧向前运动。但是根据特定机器人工具和/或其用途，操作值限定例如机器人工具移动的速度和作用在彼此不同的机器人关节上的扭矩的允许窗口。

在本发明的上下文中，操作的窗口应当被理解为限定机器人臂的操作限制的操作参数范围的值。当机器人臂以一种操作模式操作时，第一操作参数可具有一个值，并且当机器人臂以另一种操作模式操作时，第一操作参数可具有另一个值。具体地讲，根据本发明，这些值由安装在机器人臂上的工具限定。这是有利的，因为其具有以下效果：可通过调整特定操作参数的值从而调整操作参数的窗口(简称为操作窗口)来允许所谓的过程力。例如，当螺纹接合工具在操作中时由螺纹接合工具产生的螺纹接合扭矩可被称为过程力。

在机器人臂操作过程期间，在标准操作模式和应用操作模式两者下操作多用途机器人臂是有利的，因为其具有以下效果：程序代码可重复使用。此外，程序代码的基本操作命令由编程者在集成商使用它们来使多用途机器人臂适应现场的特定过程之前作出。这具有以下优点：集成商只需要调用预编程的基本操作命令，便可为特定过程建立程序代码。据此，在大多数情况下，将存在对该程序代码的某种局部调整，然而，这并不改变以下事实：由集成商在现场进行的编程可快速进行并且造成编程错误的风险降低。后者是尤其真实的，因为对多用途机器人臂编程需要知道一个变化对多用途机器人臂的动态和平衡的影响。

多用途机器人臂的操作的期望特性通常是在不振动的情况下执行的特定移动，从而允许在应用操作模式下操作时期望的增加的关节扭矩或马达电流等。因此，能够根据期望特性控制多用途机器人臂是有利的，因为其具有以下效果：移动和/或控制与机器人操作过程的任务对准并且导致该任务的优化执行。这种效果在用户或集成商没有详细了解对多用途机器人臂进行编程的情况下是可获得的。这是因为通过使用预先确定的特定应用模式来获得效果，对于该预先确定的特定应用模式的操作，基本操作命令和工具特定操作命令的操作参数的操作值由应用操作值确定。其中工具操作参数是预先确定的，并且例如基于由机器人编程和动态方面的专家执行的测试、试错、模拟等来建立。通常，此类专家被用于多用途机器人臂OEM或机器人工具制造的研究和开发部门。

根据本发明的实施方案，期望特性由安装在机器人工具凸缘上的机器人工具确定。更确切地说，机器人臂包括安装在机器人工具凸缘上的机器人工具，并且期望特性由机器人工具确定。这是有利的，因为其具有以下效果：应用操作值特别地适应于机器人工具，并且因此多用途机器人臂的移动的期望特性针对该特定机器人工具进行优化。因此，至少从视觉角度优化了机器人操作过程的最终结果，这对于顾客者购买产品的意愿通常是决定性的。机器人工具可以是适于安装在机器人工具凸缘上的任何工具，即可以对物体进行修改、移动、分析等的工具。

根据本发明的实施方案，期望特性是通过降低移动速度来至少部分地抑制机器人臂和/或机器人工具的振动。这是有利的，即使它降低了操作速度，因为其具有以下效果：机器人工具是更精确的，并且例如当焊接或喷涂时，振动不传播到焊接或喷涂。因此，至少从视觉角度优化了机器人操作过程的最终结果，这对于消费者购买产品的意愿通常是决定性的。

根据本发明的实施方案，期望特性是通过增加作用在机器人关节上的扭矩的允许上限来允许增加的扭矩。

根据本发明的实施方案，多个预先确定的基本操作命令包括至少2个基本操作命令，优选地至少5个，并且最优选地至少10个基本操作命令。这是有利的，因为其具有以下效果：可根据本发明控制复杂的机器人操作过程，包括多次改变多用途机器人臂的移动方向。

根据本发明的实施方案，机器人控制器被构造成在操作过程的第一部分期间以标准操作模式控制多用途机器人臂，在机器人臂操作过程的后续部分期间以应用特定操作模式控制多用途机器人臂，并且在机器人臂操作过程的最终部分期间再次以标准操作模式控制多用途机器人臂。这是有利的，因为其具有以下效果：只有在使用机器人工具时才在应用特定操作模式下使用机器人臂。在标准操作模式下，操作值可被设计成在不损害安全性的情况下优化速度。这与应用特定操作模式中使用的应用操作值相反，其中操作值被设计成优化机器人的操作，这有时会损害安全性。这可以是允许的，因为在此类情况下，机器人工具处于机器人单元中的安全点，其中人不会受伤。

根据本发明的实施方案，机器人控制器被构造成仅在机器人工具活动时以应用特定操作模式控制多用途机器人臂。这是有利的，因为其具有以下效果：当工具未被激活时，多用途机器人臂可根据操作参数的标准值来操作，从而导致更快且更不准确的操作。仅在应用特定操作模式下，根据基本操作命令(或工具特定操作命令)的操作参数的应用操作值来操作多用途机器人臂。因此，只要多用途机器人臂没有主动使用其机器人工具，就根据操作参数的标准操作值来控制多用途机器人臂。

根据本发明的实施方案，机器人控制器被构造成当机器人工具处于由程序代码限定的预先确定位置时激活机器人工具。

根据本发明的实施方案，当机器人控制器处于由程序代码限定的预先确定位置时，多用途机器人臂处于应用特定操作模式。这是有利的，因为其具有以下效果：在工具即将用于操作之前，即在焊接、螺纹接合、放置等即将发生之前，首先进入应用特定操作模式。这样，机器人工具处于不可触及的位置，或者用于焊接螺纹接合、放置等的使用周期被限制为使得其不影响多用途机器人臂或工具的磨损并且由此不影响其寿命终止。这样，在不损害机器人臂的安全性和磨损的情况下获得了机器人工具的更好性能。

根据本发明的实施方案，当机器人工具移动到程序代码终止使用机器人工具的位置时，机器人臂是不活动的。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人臂的操作再次返回到标准操作模式，并且由此返回到其更灵活的标准设置。

根据本发明的实施方案，基本操作命令包括来自包括以下各项的列表中的一个基本操作命令：向前、向后、向上、向下、向路点移动、右旋转、左旋转和归位。基本操作命令是有利的，因为它们具有以下效果：集成商可容易地使用其组合来建立用于多用途的控制程序代码的一部分。“归位”命令可以包括使机器人工具从当前位置返回到起始位置所需的若干基本操作命令。

根据本发明的实施方案，应用操作模式还包括工具特定操作命令。具有特定工具操作命令是有利的，因为其具有以下效果：集成商可容易地将这些操作命令与基本操作命令组合，并且由此在理论上通过仅指定操作命令的起始/结束点来开发用于控制多用途机器人臂的程序代码。在实践中，有时还可能需要如下所述来调整操作值。

根据本发明的实施方案，机器人控制器被构造成根据应用操作值来控制第二子集的基本操作命令中的至少一个基本操作命令，这些基本操作命令也是基本操作命令的第一子集的一部分。这是有利的，因为其具有以下效果：例如，在应用特定操作模式下执行的向前运动可以以比在标准操作模式下执行时更高的准确度和/或更高的精确度来进行。这意味着即使向前运动可能较慢，但优选的是其允许机器人工具进行更精确和准确的工作。

根据本发明的实施方案，通过建立从机器人工具施加的预期过程力或预期过程扭矩来确定力操作参数的应用操作值。

根据本发明的实施方案，通过建立在应用特定操作模式期间施加的预期过程力或预期过程扭矩来确定力操作参数的应用操作值。这是有利的，因为其具有以下效果：应用操作值仅取消和/或允许消除过程力，而不是从外部(诸如人与多用途机器人臂碰撞)施加的力。因此，即使在应用特定操作模式下操作时，多用途机器人臂也仍然例如在其与人碰撞的情况下停止操作。

根据本发明的实施方案，具有相同机器人工具的多用途机器人臂在第一机器人臂操作过程中用第一组应用操作值控制，并且在第二机器人臂操作过程中用第二组应用操作值控制。这是有利的，因为其具有以下效果：可优化具有相同机器人工具的相同多用途机器人臂以利用相同机器人工具进行两个不同的机器人臂操作过程。

根据本发明的实施方案，应用操作值是软停止值，并且其中机器人控制器被构造成在越过软停止值的情况下停止多用途机器人的操作。这是有利的，因为其具有以下效果：对于给定机器人工具，应用操作值可用于停止多用途机器人臂的操作。因此，如果例如允许焊接过程在给定的振动水平以下继续，并且该水平由一个或多个应用操作值限定，则如果超过一个或多个应用操作值，则机器人控制器可以停止焊接过程。应当提及的是，软停止值可以是操作值的最大值、最小值和平均值两者。

根据本发明的实施方案，应用操作值是与选自包括加速度、速度、扭矩、力、电流振动、温度和重量的列表中的一者相关的操作参数的最小值。这是有利的，因为其具有以下效果：多用途机器人臂的操作适应于用特定机器人工具进行的操作。

根据本发明的实施方案，应用操作值是与选自包括加速度、速度、扭矩、力、电流振动、温度和重量的列表中的一者相关的操作参数的最大值。这是有利的，因为其具有以下效果：多用途机器人臂的操作适应于用特定机器人工具进行的操作。

不同的机器人工具需要操作的不同窗口以实现所进行的工作的最佳结果。可以在速度、准确度、精确度、美学等方面测量最佳结果。因此，根据特定机器人工具，选择应用操作值的特定值以限定操作的可允许窗口的上限和下限两者或者这样的窗口的上限和下限中的至少一者。

根据本发明的实施方案，标准操作值和应用操作值对于多个基本操作命令是预先确定的。这是有利的，因为其具有以下效果：容易且快速地现场建立用于多用途机器人臂的操作命令的程序代码以完成机器人臂操作过程。

根据本发明的实施方案，标准操作值和多个不同的应用操作值对于至少一个基本操作命令是预先确定的。这是有利的，因为其具有以下效果：无论安装在机器人工具凸缘上的是哪个机器人工具，都容易且快速地现场建立用于多用途机器人臂的操作命令的程序代码以完成机器人臂操作过程。

根据本发明的实施方案，在应用特定操作模式中使用的基本操作命令的操作值是预先确定的，并且与在标准操作模式中使用的基本相同操作命令的操作值相比是较少限制的。这是有利的，因为其具有以下效果：其允许机器人操作过程的限定部分的多用途机器人臂超过操作参数的软停止阈值。由此，可以用更大的扭矩进行紧固，更快地加速/减速旋转工具，即在机器人操作过程的特定部分中扩展与特定机器人工具相关的某些操作参数的操作的允许窗口。因此，部分地限定标准操作模式的操作窗口的操作参数的值比机器人臂在应用操作模式下操作时使机器人臂“更早”停止，因为相同操作参数的值允许例如更高的值，由此使操作窗口在应用操作模式下是较少限制的。

根据本发明的实施方案，其中在应用特定操作模式中使用的基本操作命令的操作值是预先确定的，并且与在标准操作模式中使用的相同基本操作命令的操作值相比是较多限制的。这是有利的，因为其具有以下效果：通过缩小操作的允许窗口来减少机器人操作过程的限定部分的多用途机器人臂的操作。由此，多用途机器人臂例如在向前移动的速度方面受到限制，从而增加了多用途机器人臂必须执行特定工作的时间，这对于一些特定任务而言导致所得任务的更高质量或更美观的外观。

根据本发明的实施方案，保护在标准操作模式中使用的操作值免于改变。这是有利的，因为其具有以下效果：无经验的集成商不会错误地改变损害安全性的值，从而操作多用途机器人臂，其中它可能与具有例如较高扭矩软停止阈值的人碰撞。

根据本发明的实施方案，在应用操作模式中使用的操作值是自由变化的。这是有利的，因为其具有以下效果：在该操作模式下，例如由于机器人工具的位置而不太可能存在与人碰撞的风险，并且因此额外的扭矩不能来自这种碰撞，并且因此可以被允许用于机器人操作过程的特定部分。

根据本发明的实施方案，允许在由硬停止阈值限定的预先确定的窗口内调整操作值。这是有利的，因为其具有以下效果：不对操作值进行调整可能会对多用途机器人臂造成损坏，并且优选地也不会对机器人单元中的物体造成损坏。

根据本发明的实施方案，多用途机器人便于控制选自包括以下各项的列表的机器人工具中的至少两个机器人工具：焊接工具、处理工具、切割工具、机器维护工具、组装工具、质量工具、材料工具和材料添加工具。促进对若干不同机器人工具的控制的多用途机器人臂是有利的，因为其具有以下效果：可降低包括机器人基座、机器人关节和工具凸缘的更昂贵的多用途机器人的生产成本，因为相同的多用途机器人可与这种种类繁多的不同的不太昂贵的机器人工具一起使用。另外的优点在于，一个多用途机器人的所有者可通过改变工具来进行一系列不同的高度专用任务，而无需购买更多的多用途机器人或不同的专用机器人，这导致在生产场地上对于附加机器人单元所需的占用面积增加。

根据本发明的实施方案，焊接工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法焊接物体的工具：Tig、激光、超声、等离子、点焊和钎焊。

根据本发明的实施方案，处理工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法处理物体的工具：转移、分拣、包装、码垛、贴标签和提升。便于处理物体的工具可例如为机械夹持器、真空夹持器、机器人手等。

根据本发明的实施方案，切割工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法切割物体的工具：激光、水射流和等离子体。便于切割的工具可例如以激光切割机、水射流切割机和/或等离子切割机的形式提供。

根据本发明的实施方案，机器维护工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法维护物体的工具：CNC、金属铸造、IMM和压制。CNC是计算机化数控机床的缩写，并且IMM是注塑机的缩写。

根据本发明的实施方案，组装工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法组装物体的工具：***、安装、定位、螺纹接合、螺母驱动、钉紧、铆接、压制、卷绕和线缆布线。

根据本发明的一个实施方案，质量工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法对物体进行质量检查的工具：检查、测量、测试和计量。

根据本发明的实施方案，材料工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法加工物体的工具：移除、清理毛刺、铣削、抛光、布线和钻孔。

根据本发明的一个实施方案，材料添加工具是便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法将材料添加到物体的工具：分配、喷涂和浸渍。

此外，本发明涉及控制多用途机器人臂的方法，该多用途机器人臂包括连接机器人基座和机器人工具凸缘的多个机器人关节，所述多用途机器人臂包括机器人控制器，该机器人控制器根据以下各项在机器人臂操作过程中控制多用途机器人臂：第一级程序代码，该第一级程序代码在多用途机器人臂的操作期间监测操作参数的操作值，其中如果操作值超出预先确定的安全范围，则第一级控件启动对多用途机器人臂的操作的硬停止。第二级程序代码和第三级应用程序代码，该第二级程序代码根据由标准操作值限定的基本操作命令来控制多用途机器人臂的基本运动，该第三级应用程序代码根据由应用操作值限定的基本操作命令来控制多用途机器人臂的基本运动。其中在机器人臂操作过程的第一部分期间，多用途机器人臂由第二级程序代码通过由标准操作值限定的多个基本操作命令来控制。其中在机器人臂操作过程的第二部分期间，多用途机器人臂由第三级应用程序代码控制，其中第三级应用程序代码由多用途机器人臂在应用特定操作模式下的操作的期望特性来确定，并且其中在机器人臂操作过程的第一部分和第二部分期间，机器人臂还由第一级程序代码监测。

这是有利的，因为其具有以下效果：编程者或集成商可简单地通过使用来自三个级的程序代码来对多用途机器人进行编程，使得其成为特定的机器人臂。因此，集成商不必是编程方面的专家，从而拓宽可被雇佣作为集成商的人群。这在合格劳动力需求很高的时间段和区域中是有利的。第一级的程序代码不能够访问以进行修改，因为它是安全***的一部分。第二层的程序代码不能够访问以进行修改，因为它是用于移动机器人的标准代码的一部分。据此，尽管不是优选的，但是允许进行修改，因为所进行的修改将不被测试。第三级的程序代码用于优化机器人工具的操作，由此

如所提及的，安装在机器人工具凸缘上的机器人工具所需的期望特性与由机器人工具进行的工作的最终结果直接相关。因此，期望特性可以是振动抑制，如果获得振动抑制，则导致更精确或准确的喷涂、焊接、路径跟随、精确堆叠等。

通常不允许集成商改变操作值，诸如操作参数的软停止值，因此由于机器人臂是多用途类型的机器人臂，一些特定应用不能由机器人臂很好地进行。此外，集成商可能不知道将哪些参数调整到哪个值以获得多用途机器人臂的移动的期望特性。为了允许多用途机器人臂进行特定应用/作业，有时需要改变这些软值，并且这可经由三级程序完成而无需访问第一级程序代码或第二级程序代码。因为这是经由第三级程序完成的，所以集成商不会对第二级程序中的任何内容进行网格化，从而对在标准操作模式下的基本操作命令期间使用的软停止值进行改变。因此，回到研究和开发部门，为特定工具/应用/作业限定所选择的操作参数，并且这些操作参数的应用操作值是集成商可以改变的唯一一次。在许多情况下，其改变甚至不是必要的。此外，改变的值仅在机器人工具被激活时或刚好在机器人工具被激活之前在机器人操作过程循环期间执行第三级程序时使用。

根据本发明的实施方案，期望特性由安装在机器人工具凸缘上的机器人工具确定。这是有利的，因为其具有以下效果：应用操作值特别地适应于机器人工具，并且因此多用途机器人臂的移动的期望特性针对该特定机器人工具进行优化，从而导致更高质量的视觉上显现的最终结果。

根据本发明的实施方案，第三级应用程序代码的操作值是能够访问的，以供机器人集成商更新。这是有利的，因为其具有以下效果：减少了导致多用途机器人臂故障的编程错误，因为仅允许机器人集成商改变有限的顶级操作值。

根据本发明的实施方案，第三级应用程序代码的操作参数用于在有限的时间段内控制多用途机器人臂，其中有限的时间段小于机器人操作过程的时间的30％，优选地小于机器人操作过程的20％，并且最优选地小于机器人操作过程的10％。这是有利的，因为其具有以下效果：仅缩短了当机器人工具处于起始位置时机器人操作过程开始并且当机器人工具再次处于起始位置以准备执行随后的机器人操作过程时机器人操作过程结束的时间段。至少在软停止阈值增加并且存在碰撞风险的情况下，缩短的时间是有利的。

根据本发明的实施方案，机器人控制器包括第一级程序代码，该第一级程序代码被配置用于在多用途机器人臂的操作期间监测操作参数的操作值，其中如果操作值超出预先确定安全范围，则第一级程序代码启动多用途机器人臂的操作的硬停止。

从属权利要求描述了根据本发明的机器人臂和方法的可能实施方案。在本发明的具体实施方式中描述了本发明的优点和有益效果。

附图说明

图1示出了根据本发明的机器人臂；

图2示出了机器人臂的简化结构图；

图3示出了机器人操作过程的简化概览；

图4示出了包括焊接工具的机器人臂；并且

图5示出了包括螺纹接合工具的机器人臂。

具体实施方式

鉴于仅旨在说明本发明原理的示例性实施方案描述了本发明。技术人员将能够在权利要求的范围内提供若干实施方案。在整个说明书中，提供类似效果的类似元件的参考标号具有相同的后两位。此外，应当理解，在实施方案包括多个相同特征的情况下，仅一些特征可以由参考标号标记。

图1示出了多用途机器人臂101(有时简称为机器人臂)，该机器人臂包括多个机器人关节103a、103b、103c、103d、103e、103f，该多个机器人关节连接机器人基座105和机器人工具凸缘107。因此，机器人臂包括机器人基座、机器人工具凸缘以及连接机器人基座和机器人工具凸缘的多个机器人关节。基座关节103a被构造成使机器人臂绕基座轴线111a(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头113a所示；肩部关节103b被构造成使机器人臂绕肩部轴线111b(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113b所示；肘部关节103c被构造成使机器人臂绕肘部轴线111c(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113c所示，第一腕关节103d被构造成使机器人臂绕第一腕轴线111d(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头113d所示，并且第二腕关节103e被构造成使机器人臂绕第二腕轴线111e(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头113e所示。机器人关节103f是包括机器人工具凸缘107的工具关节，该机器人工具凸缘能够围绕工具轴线111f(以点划线示出)旋转，如旋转箭头113f所示。因此，所示的机器人臂是具有六个自由度的六轴机器人臂，其被提供为六个旋转机器人关节，然而，应当注意，本发明可以被设置在包括更少或更多机器人关节、工具凸缘和/或其他类型的机器人关节(诸如棱柱机器人关节)的机器人臂中。

机器人关节中的每个机器人关节被提供为旋转机器人关节，其包括相对于机器人关节可旋转的输出凸缘，并且该输出凸缘直接或经由本领域已知的臂部分连接至相邻的机器人关节。机器人关节包括关节马达，该关节马达被配置为例如经由传动装置或直接连接至马达轴来旋转输出凸缘。在其他实施方案中，机器人关节中的至少一个机器人关节可被提供为棱柱关节，其包括通过机器人关节马达相对于机器人关节平移的输出凸缘，并且该输出凸缘直接或经由本领域已知的臂部分连接到相邻的机器人关节。

另外，机器人关节包括提供传感器信号的至少一个关节传感器，该传感器信号指示以下参数中的至少一个参数：输出凸缘的角位置、关节马达的马达轴的角位置、关节马达的马达电流、试图旋转/移动输出凸缘或马达轴的外力。例如，输出凸缘的角位置可由输出编码器诸如光学编码器、磁性编码器指示，这些输出编码器可指示输出凸缘相对于机器人关节的角位置。类似地，关节马达轴的角位置可由输入编码器诸如光学编码器、磁性编码器提供，这些输入编码器可指示马达轴相对于机器人关节的角位置。应当注意，可提供指示输出凸缘的角位置的输出编码器和指示马达轴的角位置的输入编码器两者，这在已提供传动装置的实施方案中使得可以确定该传动装置的输入侧与输出侧之间的关系。还可将关节传感器提供为指示通过关节马达的电流的电流传感器，并且因此该关节传感器用于获得由马达提供的扭矩。例如，结合多相马达，可提供多个电流传感器以获得通过该多相马达的每个相位的电流。

力传感器109可布置在机器人工具关节103f处，并且被构造成感测施加到机器人工具凸缘107的力。力传感器109提供力信号，该力信号指示在工具凸缘处提供的力。在所示实施方案中，力传感器被集成到机器人工具凸缘中，并且被构造成指示相对于机器人工具凸缘的参考点110施加到机器人工具凸缘的力。在图1中，参考点110与工具凸缘坐标系的原点重合，该原点限定三个坐标轴：x_凸缘、y_凸缘、z_凸缘。在所示实施方案中，机器人工具凸缘坐标系的原点已被布置在工具凸缘轴线111f上，其中一条轴线(z_凸缘)与该工具凸缘轴线平行并且位于机器人工具的外表面处。然而，力传感器可指示相对于可连接到机器人工具凸缘坐标系的任何点施加到机器人工具凸缘的力。在一个实施方案中，力传感器被提供为六轴力-扭矩传感器，其被构造成指示沿着三个垂直轴线的力和围绕三个垂直轴线的扭矩。例如，可将力-扭矩传感器提供为能够指示相对于参考点的力和扭矩的任何力-扭矩传感器，例如由WO2014/110682 A1、US 4763531、US 2015204742公开的任何力-扭矩传感器。然而，应当理解，与本发明相关的力传感器不一定需要能够感测施加到工具传感器的扭矩。

加速度传感器115可布置在机器人工具关节103f处，并且被构造成感测机器人工具关节103f的加速度和/或机器人工具凸缘107的加速度。传感器115提供加速度信号，该加速度信号指示机器人工具关节103f的加速度和/或机器人工具凸缘107的加速度的加速力。在所示实施方案中，加速度传感器被集成到机器人工具关节中，并且被构造成指示机器人工具关节相对于机器人工具凸缘的参考点110的加速度。然而，加速度传感器可指示机器人工具关节相对于可连接到机器人工具凸缘坐标系的任何点的加速度。加速度传感器可被提供为能够指示物体的加速度的任何加速度计。加速度传感器可例如被提供为能够指示物体的线性加速度和旋转加速度两者的IMU(惯性测量单元)。

机器人臂包括至少一个机器人控制器102，该机器人控制器被构造成通过基于机器人臂的动态模型、重力做功方向112和关节传感器信号控制提供给关节马达的马达扭矩来控制机器人关节。机器人控制器102可作为包括界面设备104的计算机而提供，该界面设备使得用户能够对机器人臂进行控制和编程。控制器可作为如图1所示的外部设备、作为集成到机器人臂中的设备或作为它们的组合来提供。界面设备可例如作为工业机器人领域中已知的示教器而提供，该示教器可经由有线或无线通信协议与控制器进行通信。界面设备可例如包括显示器106和多个输入设备108，诸如按钮、滑块、触摸板、操纵杆、轨迹球、手势识别设备、键盘等。显示器可作为既充当显示器又充当输入设备的触摸屏而提供。

图2示出了图1所示的机器人臂的简化结构图。机器人关节103a、103b和103f已经以结构形式示出，并且为了附图简单起见，已经省略了机器人关节103c、103d、103e。此外，机器人关节以独立元件示出；然而应当理解，它们如图1所示互相连接。机器人关节包括输出凸缘216a、216b、216f和关节马达217a、217b、217f，其中输出凸缘216a、216b、216f能够相对于机器人关节旋转，并且关节马达217a、217b、217f被构造成经由输出轴218a、218b、218f旋转输出凸缘。在该实施方案中，工具关节103f的输出凸缘216f包括工具凸缘107。至少一个关节传感器219a、219b、219f提供传感器信号222a、222b、222f，这些传感器信号指示相应的关节的至少一个关节传感器参数J_{传感器，a}、J_{传感器，b}、J_{传感器，f}。关节传感器参数至少指示一个姿势参数，该姿势参数指示输出凸缘相对于机器人关节的位置和取向，例如：输出凸缘的角位置、关节马达的轴的角位置、关节马达的马达电流。例如，输出凸缘的角位置可由输出编码器诸如光学编码器、磁性编码器指示，这些输出编码器可指示输出凸缘相对于机器人关节的角位置。类似地，关节马达轴的角位置可由输入编码器诸如光学编码器、磁性编码器提供，这些输入编码器可指示马达轴凸缘相对于机器人关节的角位置。

机器人控制器102包括处理器220和存储器221，并且被构造成通过向关节马达提供马达控制信号223a、223b、223f来控制机器人关节的关节马达。马达控制信号223a、223b、223f指示每个关节马达应提供给输出凸缘的马达扭矩T_马达，a、T_马达，b和T_马达，f，并且机器人控制器被构造成基于现有技术中已知的机器人臂的动态模型来确定马达扭矩。该动态模型使得控制器可以计算为使机器人臂执行期望的移动，关节马达应向关节马达中的每一个提供关节马达的扭矩。机器人臂的动态模型可存储在存储器221中并且可基于关节传感器参数J_{传感器，a}、J_{传感器，b}、J_{传感器，f}进行调节。例如，关节马达可以多相电动马达的形式提供，并且机器人控制器可被构造成通过调节通过多相电动马达的相位的电流来调节由关节马达提供的马达扭矩，如马达调节领域中已知的。

机器人工具关节103f包括提供力信号224的力传感器109，该力信号指示提供给工具凸缘的力。例如，力信号可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的力矢量

等式1

其中

是沿着x_凸缘轴的指示力，

是沿着y_凸缘轴的指示力，并且

是沿着z_凸缘轴的指示力。

在力传感器被提供为组合的力-扭矩传感器的实施方案中，力-扭矩传感器还可另外提供指示提供给工具凸缘的扭矩的扭矩信号，例如作为单独的信号(未示出)或作为力信号的一部分。扭矩可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的扭矩矢量：

等式2

其中

是围绕x_凸缘轴的指示扭矩，

是围绕y_凸缘轴的指示扭矩，并且

是围绕z_凸缘轴的指示扭矩。

机器人工具关节103f包括加速度传感器115，该加速度传感器提供指示输出凸缘216f的加速度的加速度信号225。例如，加速度信号可指示机器人工具凸缘坐标系中的加速度矢量

等式3

其中

是沿着x_凸缘轴的感测加速度，

是沿着y_凸缘轴的感测加速度，并且

是沿着z_凸缘轴的感测加速度。

在加速度传感器被提供为组合的加速度计/陀螺仪(例如，惯性测量单元，IMU)的实施方案中，加速度传感器可另外提供指示输出凸缘相对于机器人工具凸缘坐标系的角加速度的角加速度信号，例如作为单独的信号(未示出)或作为加速度信号的一部分。角加速度信号可指示机器人工具凸缘坐标系中的加速度矢量

等式4

其中

是围绕x_凸缘轴的角加速度，

是围绕y_凸缘轴的角加速度，并且

是围绕z_凸缘轴的角加速度。

多用途机器人臂101应当被理解为机器人臂，可以将多种不同的机器人工具(未示出)连接到该机器人臂。当工具连接到机器人工具凸缘107时，可根据本发明控制多用途机器人臂，其中它将状态从多用途机器人臂改变为专用机器人臂。

机器人控制器102应当被理解为上述控制设备，该控制设备包括处理器220，该处理器便于读取和执行程序代码并将其转换为用于机器人关节103或机器人工具中的一者或多者的操作命令。个人计算机(PC)、平板电脑、移动电话、工业可编程控制器(也称为PLC)是合适的机器人控制器的示例。

机器人臂的运动应当理解为一个或多个机器人关节以及机器人工具的移动。基本操作命令应理解为多条程序代码，这些程序代码在被调用和执行时促进机器人臂的预先确定的操作，例如独立于安装在机器人工具凸缘上的机器人工具的机器人臂的移动，将机器人臂固定在固定位置，等待输入信号等。基本操作命令的示例是向前移动、向左移动、向右移动、向上移动、向下移动、向路点移动、旋转关节、激活机器人关节、等待输入信号等。

机器人臂操作过程应当理解为当机器人臂在操作中进行其编程所进行的操作。该程序包括多个可用基本操作命令的子集，因此，通过随后由机器人控制器执行的基本操作命令中的一个或多个基本操作命令来建立机器人臂操作过程。机器人臂操作过程的示意图在图3中示出。如上所述并且如从上面将显而易见的，根据本发明的机器人臂操作过程包括根据标准操作模式和应用特定操作模式控制基本操作命令。

在图3中，这由基本操作命令的第一子集和第二子集示出。第一子集是指标准操作模式，并且第二子集是指应用操作模式。如图所示，机器人臂操作过程包括移动机器人工具并与机器人工具一起工作。当移动机器人工具时，参考标准操作模式(即，使用基本操作命令的标准操作值)进行移动。当机器人工具在工作时，参考应用操作模式(即，使用基本运动的应用操作值)进行工作。如图所示，一些基本操作命令在两种操作模式中仅与一组不同的操作值一起使用。应当提及的是，机器人工具可以在应用模式下移动，即具有应用操作值，并且它可以在标准操作模式下工作，即具有标准操作值。

在标准操作模式下，基本操作命令由操作参数限定，该操作参数再次由标准操作值限定。标准操作模式的示例可以是多用途机器人臂的操作过程的一部分，其中多用途机器人臂将机器人工具从机器人工具的“原始”位置移动到操作的起始位置，从机器人工具的操作的结束位置移动回到原始位置，而且还有其中机器人工具被激活的一些移动，诸如将不是易碎的或不需要精确和/或准确定位的物体码垛到超出可由所使用的这些操作参数的标准值所遵循的范围(将在段落[0030]-[0032]中定义)。原始位置是多用途机器人臂在不使用时返回的位置。

在应用操作模式下，基本操作命令的操作参数由与标准操作值不同的应用操作值来限定。这对于在标准操作模式和应用特定操作模式两者中使用的基本操作命令的至少一部分是真实的。应用特定操作模式的示例可以是多用途机器人臂的操作过程的一部分，其中多用途机器人臂正在使用机器人工具，并且其中机器人工具的操作的结果需要高精确度和/或准确度(例如，对易碎物体进行码垛)，完成机器人工具的操作的要求很高(例如，焊接或喷涂)，机器人工具的操作引起短时间段内的高扭矩(螺纹接合、切割、锯切)。因此，当在应用特定操作模式下操作时，可以说多用途机器人臂被转换成应用特定机器人臂。这意味着多用途机器人臂现在专用于遵循关于特定任务的要求，并且该任务也是多用途机器人臂在处于应用特定操作模式时能够处理的唯一任务。应当提及的是，应用操作值可由安装在多用途机器人臂上的机器人工具限定。

机器人控制器使用操作参数来控制例如在基本操作命令期间移动的加速度和速度、作用在机器人关节上的允许扭矩等。对于每个操作参数，确定限定速度、扭矩等的操作值。操作参数的标准操作值通常被选择为多用途机器人臂的操作的精确度、准确度和速度之间的折衷。通常选择操作参数的应用操作值，重点在于优化机器人工具所做的工作。这样的优化可旨在减少移动机器人工具时的振动、减少噪声、增加准确度和精确度、能量优化等。该目的可以通过理解机器人臂的动态模型从而调整或优化一个或多个操作值并包括一个或多个操作参数来实现。这样的优化需要洞察多用途机器人的动态模型和/或运动学模型，因此典型的机器人臂用户或集成商不能做到这一点。

在标准操作模式期间，机器人控制器根据与特定基本操作命令相关的操作参数的标准预先确定操作值来控制基本操作命令。在应用特定操作模式期间，机器人控制器根据优化的操作值来控制相同基本操作命令中的一个或多个基本操作命令，该优化的操作值也是预先确定的并且被称为应用操作值。集成商通常可有权例如在机器人臂的调试期间调整应用操作值，但集成商通常无权调整标准操作值。

此处预先确定的应理解为例如在执行机器人控制器用来控制多用途机器人臂的运动的程序代码之前确定的操作值的值。操作参数的标准值可以是存储在与机器人控制器通信的存储器221中的标准程序包的一部分。这是有利的，因为其具有以下效果：当对多用途机器人臂的操作过程进行编程时，这可以容易地通过使用具有由操作值限制或限定的操作参数的预先确定的基本操作命令来完成。

在应用特定操作命令中使用的操作参数的操作值被称为应用操作值。应用操作值通常也是预先确定的。据此，当将多用途机器人臂安装和适配到其工具为其操作所限定的特定任务时，可例如通过机器人集成商来调整预先确定的应用操作值。

如所提及的，操作值限定例如与多用途机器人臂的移动和一般操作相关的速度和扭矩的值。因此，操作值可以是在机器人臂操作过程期间使用的操作参数的设定点、基准点、最大值、最小值以及甚至平均值。因此，在本发明的实施方案中，标准操作值和应用操作值可以被视为基本操作命令中使用的操作参数的最小值、最大值或甚至平均值。

这些阈值或设定点值中的一些一起限定给定操作参数的上限值和下限值(阈值)，并且一些限定上限值或下限值。例如速度的上限值可与起始速度(其在示例中可为0m/s)一起限定特定操作参数的操作的允许窗口，并且由此限定基本操作命令的操作的允许窗口。操作的允许窗口也可由上限阈值和下限阈值限定。

应当提及的是，当使用术语准确度和精确度时，应当理解以下内容。在科学和统计学领域，准确度是测量或计算出的量与其实际(真实)值的符合程度。准确度与精确度密切相关，也称为可再现性或可重复性，进一步的测量或计算显示相同或相似结果的程度。计算或测量的结果可以是准确但不精确的；精确但不准确的；既不精确也不准确；或者既精确又准确。因此，当提及机器人臂的准确控制时，参考其移动通过给定点的能力，即机器人臂移动通过此类点的接近程度(或准确程度)。此外，当提及机器人臂的精确控制时，参考其一个循环接着一个循环地遵循相同路线通过这些点的能力。

如所提及的，程序代码被机器人控制器(经由基本操作命令)用于控制多用途机器人臂的移动。程序代码的至少一部分被开发为与多用途机器人臂一起递送的标准程序包。程序代码包括多个不同的基本操作命令，这些基本操作命令在由机器人控制器执行时确定多用途机器人臂的运动。其示例可以是向前、向后、向上、向下、右转、左转、向路点移动、旋转等。此外，程序代码可包括被开发用于控制已知标准工具或专用工具的特定工具操作命令。这样的专用工具的程序代码可由专用工具的开发者开发，以符合标准程序包的程序代码的接口。

标准程序包可存储在机器人控制器通信地连接的存储器中。程序代码可包括监测多用途机器人臂的安全性的第一层代码。程序代码的该部分监测预定义的操作参数，并且如果越过其硬停止阈值，则启动多用途机器人臂的硬停止。集成商不被允许改变程序代码的该部分的任何设置，尤其是不改***停止阈值。硬停止被认为与观察危险情况的人按压的紧急停止相同，这需要立即停止机器人臂操作过程。第一层也可体现为冗余***，其中两个独立***被构造成执行第一层代码。

程序代码还可包括控制多用途机器人臂的运动的第二层代码。程序代码的该部分包括在所谓的软停止阈值内控制多用途机器人臂的运动的基本操作命令。与硬停止相反，软停止可能不需要机器人控制器的完重启，而是仅手动重置以在激活时继续操作。如果需要，在一些实施方案中，允许集成商访问并调整程序代码的该部分。然而，这不是有益的，因为相对于动态模型仔细开发基本操作命令和标准操作值，从而平衡多用途机器人臂的性能、速度和寿命，并且因此在调整程序代码时应小心。

程序代码还可包括控制工具特定操作命令的第三层代码。这包括基本操作命令，其中标准操作值被应用操作值代替，并且此外可使用工具特定操作命令。当在多用途机器人臂中运行时，允许集成商调整该层中的代码。如果对应用操作值的调整仅允许具有预先确定的范围，则尤其如此。

如上所述，多用途机器人臂便于控制多个不同的机器人工具。机器人工具被特别开发以进行特定任务，并且当附接到机器人工具凸缘时，使多用途机器人臂致力于解决特定问题或进行特定任务。因此，可将多用途机器人臂转换成焊接机器人臂、处理机器人臂、切割机器人臂、机器维护机器人臂、组装机器人臂、质量机器人臂、材料机器人臂、材料添加机器人臂，以便仅提及将多用途机器人臂转换成特定机器人臂的一些可能方式。如图所示，机器人臂的特定类型由附接到机器人工具凸缘的机器人工具确定。

通常，附接到机器人工具凸缘的机器人工具需要与机器人控制器交互。交互应被理解为工具与机器人控制器通信，反之亦然。通常通过专用于安装的机器人工具的程序代码连同专用于控制多用途机器人臂的程序代码来从机器人控制器建立通信。后者的非限制性示例可以是基本操作命令，其在被执行时通过控制机器人关节103和关节马达217来促进机器人臂的运动。通常经由在工具I/O和控制器I/O之间传送的数字或模拟输入/输出信号来从机器人工具建立通信。工具I/O还可包括用于为机器人工具供电的电源端子。机器人工具和与其相关的传感器以及机器人控制器之间的通信的示例在图1中示出并相对于图1进行描述。

因此，机器人控制器例如通过控制到工具I/O的电流并改变工具I/O接口的输出端口的状态来控制机器人工具，并且由此向机器人工具的阀发送例如“打开信号”，从而允许机器人工具喷射、焊接、挤压等。

除了控制多用途机器人臂的移动的基本操作命令之外，由机器人控制器执行的程序代码还可包括工具特定操作命令。工具特定操作命令是专门针对附接到机器人工具凸缘的工具开发的命令。工具特定操作命令是控制多用途机器人臂的基本运动所不需要的命令，即，可以控制机器人工具的特定功能。因此，当机器人工具被附接时，其可仅由基本操作命令或由基本操作命令和工具特定操作命令的组合来控制。

当控制一些机器人工具时，标准操作值的设置以及由此允许操作的窗口不足以符合由机器人工具执行的作业的结果的质量或外观。这个问题可以通过在应用操作模式下控制机器人工具来解决。在机器人在应用模式下被控制的时间期间，应用模式覆盖或更新当机器人臂根据基本操作命令被控制时使用的标准操作值。

通常，对机器人工具的工作的最终结果的要求是已知的，并且因此，基于该信息，安装和调试机器人臂的集成商知道何时根据标准操作模式(即，通过使用标准操作值的基本操作命令)来控制机器人臂，以及何时根据应用特定操作模式(即，通过使用应用操作值的工具特定操作命令和/或基本操作命令)来控制机器人臂。

当确定根据应用特定操作模式控制机器人臂的机器人操作过程的一部分时，还需要确定相关的操作参数是否可与标准操作值一起使用。如所指出的那样，情况可能并不总是如此，并且因此通过在应用特定操作模式下控制机器人臂，用工具操作参数更新一个或多个标准操作值。

在研究和开发部门开发机器人工具或将机器人工具集成到多用途机器人臂期间，编程者可以(预先)确定需要利用应用操作值(以及哪些值)来更新操作参数及其操作值中的哪一个。稍后，集成商可例如在多用途机器人臂安装在要执行其任务的机器人单元中时经由试错过程来调整应用操作值，或两者。

预先确定的应用操作值意味着在将多用途机器人臂安装在其机器人单元中之前确定或估计它们。这意味着当使用应用特定操作模式程序代码时，相关的操作参数已经用应用操作值更新。因此，在这种情况下，当机器人控制器执行该程序代码时，多用途机器人臂作为特定机器人臂操作。这不仅是有利的，而且在大多数情况下也是必要的，因为集成商最有可能不深入了解多用途机器人的动态，并且因此不知道调整哪个参数的值以便获得期望效果。事实上，调整一个参数可能对非有针对性的功能具有不期望的影响。操作值的预先确定的建立是有利的，因为集成商不必使用编程时间。如果要由集成商进行编程，则仅在标准操作模式和/或应用操作模式中的任一者下调整操作值或组合预先确定的基本操作命令。因此，集成商可以更有效地设置机器人臂，并且操作失败的风险更小。

这通过抑制不期望的振动的要求的简单示例示出。用户或集成商通常能够记录此类振动，但它们都不知道需要调整哪些操作参数/操作值来抑制振动。此外，至少不是用户，但很可能集成商都不能访问程序代码中要调整相关参数以抑制振动的位置。本发明通过在程序代码中包括专用应用特定操作模式来解决这个问题，该操作模式的操作值被设计成优化对任何机器人工具的控制，在这种情况下抑制振动，而与安装在机器人臂上的哪个机器人工具无关。

应当提及的是，应用特定操作模式的基本操作命令和工具特定操作命令也可以针对可由多个不同的机器人工具使用的特定移动或任务进行优化。这样的优化至少包括与在标准操作模式中使用的相同操作参数相比，改变在应用特定操作模式的操作参数的(第二)子集中使用的移动命令的操作参数的操作值。因此，在振动抑制的示例中，可以设计和使用特定的振动抑制操作模式来优化多用途机器人臂的移动，以用于任何种类的机器人工具的稳定移动。

据此，集成商可利用来自多用途机器人臂的所有者的代表来评估机器人工具的工作的最终结果，并且如果需要的话，调整应用操作值中的一个或多个应用操作值。

在实施方案中，只有集成商可以调整由应用特定操作模式限定或在应用特定操作模式下使用的操作参数的值。在标准操作模式下使用的操作参数的操作值可以不被调整。这是因为随后降低了调整危害安全或机器人部件健康的某些事物的风险。

如果允许调整操作值中的任一个操作值，则可针对相关操作参数中的每一个操作参数预先确定操作值的允许窗口。因此，无论在任何操作模式下使用哪个操作值，都将优选地存在操作参数的操作的允许窗口，以确保至少未达到硬停止值。同样，这确保操作符合机器人部件的所需安全性和负载。

当机器人工具处于预先确定的位置时，进入应用操作模式。该位置可以是在机器人工具激活时或刚好在机器人工具激活之前机器人工具的位置。它可以是机器人工具在被激活之后到达的位置。如果对机器人操作过程的特定部分的要求高于对机器人操作过程的其他部分的要求，则可能是这种情况。机器人控制器可以从集成商提供的程序代码中的信息或从来自力传感器109、加速度传感器115等的输入获知该位置。

此外，当程序代码已到达程序代码中的特定点或处于特定程序节点时，也可以进入应用操作模式。最后，应当提及的是，在一个机器人操作过程期间，机器人控制器可以在标准模式和应用模式之间改变操作模式若干次。例如，如果焊接工具必须在物体的不同位置处焊接若干次，则可能是这种情况。在这种情况下，可在每次激活焊接工具时进入应用模式。

根据以上内容，应当理解，当工具被安装时，可以说其以可被称为多用途控制方案的方式操作，这对于整个范围的任务/工具是足够的。然而，对于一些应用，根据多用途方案/设置控制机器人工具以获得由机器人工具执行的作业的期望结果或所需结果可能是不够的。

为了解决这个问题，根据本发明，可以安装在机器人工具凸缘上的机器人工具被分成若干主工具组，每个主工具组包括若干子工具组，参见下表1。本发明的发明人还已经限定了其特定操作参数可能需要更新的(工具)操作值的基本操作命令，对此类更新的应用操作值的建议以及允许根据应用操作值操作多用途机器人臂的持续时间。该持续时间应被理解为允许根据应用操作值操作多用途机器人臂的时间段，在一个机器人操作过程中可能存在若干此类“持续时间”。

表1：具有子工具组的主工具组。

各种应用特定操作模式的设置的非限制性实施例：

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

表2示出了用于控制多用途机器人臂的操作命令和设置的非穷举列表。所列出的操作值中的一些操作值仅在特定机器人工具安装在机器人工具凸缘上时才是相关的。在注解列中，提到一些注释以解释操作值的类型以及它们在哪个工具组内相关。应当注意，并非对所有操作值都有注解，因为一些操作值对技术人员而言是不解自明的。

表2

为多用途机器人臂开发的通用程序代码可能不允许例如以足够的准确度和/或精确度进行焊接过程。在这种情况下，当安装和控制焊接工具时，这可部分地通过可从递送焊接工具的第三方递送的应用特定程序代码来完成。这样的应用特定程序代码与用多用途机器人臂递送的数据包的程序代码接口。因此，多用途机器人臂现在在专用焊接机器人的方案中操作，其中应用特定程序代码被认为是利用“第二层程序代码”的基本操作命令的“第三层程序代码”。然而，如上所述，基本操作命令可能不足以操作焊接工具，或者限定操作的允许窗口并且由此限制基本操作命令的操作值可能未被优化以控制焊接工具。

在如图4所示的实施方案中，焊接工具430安装在机器人工具凸缘407上，从而使多用途机器人臂401成为焊接机器人臂。因此，当激活焊接工具430时，焊接机器人进入应用特定操作模式。图4示出了要将物体1和物体2焊接在一起的焊接工具430。如所提及的，在应用特定操作模式下，基本操作命令的至少一部分与应用操作值(来自图3的第二子集)一起使用。此外，该操作模式还可包括工具特定操作命令(图3中未示出)。

更具体地讲，在特定实施方案中，根据基本向前操作命令来控制焊接机器人，该基本向前操作命令因此是基本操作命令的第一子集和第二子集两者的一部分。当在应用特定操作模式下使用时，即当焊接工具被激活(在图4中工具被激活)时，其具有用于限定较低操作速度(例如，0.1m/s-0.3m/s)的基本向前操作命令的应用操作值。当焊接工具430移动到焊接起始点时，即当焊接工具未被激活时，该操作速度与在标准操作模式下使用的相同或类似基本向前操作命令中使用的操作速度相比更低(例如，0.3m/s-0.5m/s)。

另一个特定实施方案是当螺纹接合工具531安装在机器人工具凸缘507上时，使多用途机器人臂501成为螺钉接合机器人臂，参见图5。根据标准操作值操作螺纹接合工具可能这样的问题，即由于加速和减速螺纹接合工具的速度的惯性，从螺纹接合工具分配到机器人关节的力和扭矩过高。

因此，刚好在激活螺纹接合工具(在图5中工具未被激活)之前，例如，当螺纹接合工具定位在螺钉532的前方并且螺纹接合工具被激活(在图5中工具被激活)时，方案从标准操作模式改变为应用操作模式，并且由此作为标准操作模式和应用特定操作模式两者的一部分的基本“向下”操作命令然后根据作用在机器人关节上的允许扭矩的应用操作值来控制。该应用操作值在与螺钉拉拔应用相关的应用特定操作模式下可具有一个值(例如，200Nm)，并且在与附接到机器人臂的特定螺纹接合工具相关的工具特定操作模式下可具有不同的值(例如，300)。因此，只要螺纹接合工具是活动的，就调整作用在机器人关节上的力和扭矩的极限，以允许与当螺纹接合工具未被激活时相比更高的扭矩。

例如，图1和图2所示的机器人臂可设置有螺纹接合工具，并且在螺纹接合工具被构造成紧固螺钉的应用操作模式下，机器人控制器可被构造成在螺钉的紧固方向上移动机器人工具关节，由此在紧固过程期间螺纹接合工具将跟随螺钉。此外，机器人控制器可被构造成通过使用力-扭矩传感器109感测扭矩来监测提供给机器人工具凸缘的扭矩。在感测到扭矩的情况下，机器人控制器将在应用操作模式下将机器人臂切换到允许并补偿感测的扭矩的操作模式。例如，通过提供应用操作值，该应用操作值指定与标准操作模式相比增加的扭矩极限。

一般来讲，参考螺纹接合机器人的示例解释，所谓的过程力，即由机器人工具的操作引入的力(来自旋转及其开始/停止的惯性)被该值抵消，标准操作值随着其从其标准操作值改变为其应用操作值而改变。这意味着，在螺纹接合示例中，当在标准操作模式和应用特定操作模式两者下操作时，由于外力(例如，由于与人碰撞)向螺纹接合机器人施加相同的力而产生的冲击，螺纹接合机器人将达到软停止阈值(也可称为操作的允许窗口的上限)。因此，应用操作值可由从机器人工具施加的预期过程力的大小来确定。

从上文可以清楚地看出，本发明涉及可作为特定应用机器人操作的多用途机器人。这通过调整操作值从而改变一个或多个操作值的操作的允许窗口来获得。在机器人操作过程的一部分期间，操作的允许窗口的改变可以限制或扩展多用途机器人臂/机器人工具的允许操作的限制。其中操作的允许窗口被改变的操作模式的部分被称为特定应用操作模式。标准操作模式和特定应用操作模式之间的一个差异在于，在后者中，一个或多个标准操作值被更新为工具特定操作值。

当机器人单元中的机器人工具在虚拟限定区域内时，可以允许多用途机器人臂在特定应用操作模式下的操作，即其中允许更新标准操作值。其示例在机器人单元中的机器人工具的两个特定位置之间。因此，由机器人控制器监测用户可调整限制，即，在应用特定操作模式下限定操作的窗口的操作参数的值。如果出于一些意外的原因没有违反这些限制或者没有记录到违反情况，并且该值违反了特定或其他操作参数的硬停止阈值，则机器人控制器执行机器人臂的硬停止。

因此，通过控制根据本发明的多用途机器人臂，可以提高由机器人工具执行的任务的质量、准确度、精确度、速度和外观。

此外，以前不可能完全利用的机器人工具现在可以被本发明完全利用。示例是螺纹接合工具，该螺纹接合工具在启动和停止时使多用途机器人臂暴露于作用在机器人关节上的力。该力随着螺纹接合速度并且随着紧固螺钉的扭矩的增加而增加。因此，为了完全利用例如螺纹接合工具的速度并由此减少机器人操作过程所花费的时间，仅在螺纹接合工具处于操作的时间内增加允许的扭矩操作值的上限。

这可被允许而不损害安全性，因为螺纹接合操作是在机器人单元中的已知位置进行的，其中增加的扭矩只能来自机器人工具而不是来自与障碍物诸如人的碰撞。

应当提及的是，新的上限应当被选择为其所获得的益处与例如较高的扭矩可能导致机器人部件的损坏或磨损之间的折衷。

因此，机器人臂可根据至少两种操作模式操作。在这些操作模式下，机器人臂正在使用相同基本操作命令中的一个或多个基本操作命令，然而，限定基本操作命令的操作值在两种操作模式下是不相同的。在标准操作模式下，操作值是标准值，而在应用操作模式下使用的操作值允许机器人工具的更灵活的操作。灵活性在此应当被理解为包括或多或少受限地优化到某种性能(更快、更准确等)。

附图标号简述

Claims (42)

1.一种多用途机器人臂(101)，所述多用途机器人臂包括连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)的多个机器人关节(103a-103f)，所述多用途机器人臂包括机器人控制器(102)，所述机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程的一部分期间以标准操作模式以及以应用特定操作模式来控制所述多用途机器人臂(101)，

其中所述机器人控制器(102)被构造成在所述机器人臂操作过程期间根据多个预先确定的基本操作命令来控制所述多用途机器人臂(101)，所述基本操作命令至少部分地由一个或多个操作参数限定，

其中所述机器人控制器(102)被构造成在所述机器人臂操作过程的一部分期间根据所述基本操作命令的第一子集以所述标准操作模式来控制所述多用途机器人臂(101)，其中限定所述第一子集的所述基本操作命令的所述一个或多个操作参数中的至少一个操作参数由至少一个标准操作值限制，

其中所述机器人控制器(102)被构造成在所述机器人臂操作过程的一部分期间根据所述基本操作命令的第二子集以所述应用特定操作模式来控制所述多用途机器人臂(101)，其中所述第二子集的基本操作命令至少部分地被基本操作命令的所述第一子集所包括，并且其中限定所述第二子集的所述基本操作命令的所述一个或多个操作参数中的至少一个操作参数由至少一个应用操作值限制，

其中当根据由所述标准操作值限定的所述基本操作命令操作时所述多用途机器人臂的操作的允许窗口不同于当根据由所述应用操作值限定的所述基本操作命令操作时所述多用途机器人臂的操作的所述允许窗口，并且

其中所述应用操作值由所述多用途机器人臂(101)在所述应用特定操作模式下的所述操作的期望特性来限定。

2.根据权利要求1所述的多用途机器人臂(101)，其中所述期望特性由安装在所述机器人工具凸缘(107)上的机器人工具(430，531)确定。

3.根据权利要求1或2所述的多用途机器人臂(101)，其中所述期望特性是通过降低移动速度来至少部分地抑制振动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述期望特性是通过增加作用在所述机器人关节(103)上的扭矩的允许上限来允许增加的扭矩。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述多个预先确定的基本操作命令包括至少2个基本操作命令，优选地至少5个，并且最优选地至少10个基本操作命令。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(102)被构造成在所述操作过程的第一部分期间以所述标准操作模式控制所述多用途机器人臂(101)，在机器人臂操作过程的后续部分期间以所述应用特定操作模式控制所述多用途机器人臂，并且在所述机器人臂操作过程的最终部分期间再次以所述标准操作模式控制所述多用途机器人臂。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(102)被构造成仅在所述机器人工具(430，531)活动时以所述应用特定操作模式控制所述多用途机器人臂(101)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(102)被构造成当机器人工具(430，531)处于由程序代码限定的预先确定位置时激活所述机器人工具(430，531)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中当所述机器人控制器(102)处于由所述程序代码限定的预先确定位置时，所述多用途机器人臂(101)处于所述应用特定操作模式。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中当所述机器人工具(430，531)移动到所述程序代码终止使用所述机器人工具(430，531)的位置时，所述机器人臂是不活动的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述应用操作模式还包括工具特定操作命令。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人控制器(102)被构造成根据应用操作值来控制所述第二子集的所述基本操作命令中的至少一个基本操作命令，这些基本操作命令也是基本操作命令的所述第一子集的一部分。

13.根据权利要求1至13中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中通过建立从所述机器人工具(430，531)施加的预期过程力或预期过程扭矩来确定力操作参数的所述应用操作值。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中通过建立在所述应用特定操作模式期间施加的预期过程力或预期过程扭矩来确定力操作参数的所述应用操作值。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中具有机器人工具(430，531)的所述多用途机器人臂(101)在第一机器人臂操作过程中用第一组应用操作值来控制，并且在第二机器人臂操作过程中用第二组应用操作值来控制。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述应用操作值是软停止值，并且其中所述机器人控制器(102)被构造成在越过所述软停止值的情况下停止所述多用途机器人的所述操作。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述应用操作值是与选自包括速度、扭矩、力、电流振动、温度和重量的列表中的一者相关的操作参数的最小值。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述应用操作值是与选自包括速度、扭矩、力、电流振动、温度和重量的列表中的一者相关的操作参数的最大值。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述标准操作值和所述应用操作值对于多个基本操作命令是预先确定的。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述标准操作值和多个不同的应用操作值对于至少一个基本操作命令是预先确定的。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中在所述应用特定操作模式中使用的基本操作命令的操作值是预先确定的，并且与在所述标准操作模式中使用的所述基本相同操作命令的操作值相比是较少限制的。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中在所述应用特定操作模式中使用的基本操作命令的操作值是预先确定的，并且与在所述标准操作模式中使用的所述相同基本操作命令的操作值相比是较多限制的。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中保护在所述标准操作模式中使用的所述操作值免于改变。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中在所述应用操作模式中使用的所述操作值是自由变化的。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中允许在由硬停止阈值限定的预先确定的窗口内调整所述操作值。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述多用途机器人便于控制选自包括以下各项的列表的所述机器人工具(430，531)中的至少两个机器人工具：焊接工具、处理工具、切割工具、机器维护工具、组装工具、质量工具、材料工具和材料添加工具。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法焊接物体的焊接工具：Tig、激光、超声、等离子、点焊和钎焊。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法处理物体的处理工具：转移、分拣、包装、码垛、贴标签和提升。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法切割物体的切割工具：激光、水射流和等离子体。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法维护物体的机器维护工具：CNC、金属铸造、IMM和压制。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法组装物体的组装工具：***、安装、定位、螺纹接合、螺母驱动、钉紧、铆接、压制、卷绕和线缆布线。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法对物体进行质量检查的质量工具：检查、测量、测试和计量。

33.根据权利要求1至32中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法加工物体的材料工具：移除、清理毛刺、铣削、抛光、布线和钻孔。

34.根据权利要求1至33中任一项所述的多用途机器人臂(101)，其中所述机器人臂包括便于根据包括以下各项的列表的方法中的至少一种方法将材料添加到物体的材料添加工具：分配、喷涂和浸渍。

35.一种控制多用途机器人臂(101)的方法，所述多用途机器人臂包括连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)的多个机器人关节(103)，所述多用途机器人臂(101)包括机器人控制器(102)，所述机器人控制器根据以下各项在机器人臂操作过程中控制所述多用途机器人臂(101)：

-第一级程序代码，所述第一级程序代码在所述多用途机器人臂(101)的操作期间监测操作参数的操作值，其中如果操作值超出预先确定的安全范围，则所述第一级控件启动对所述多用途机器人臂(101)的操作的硬停止，

-第二级程序代码，所述第二级程序代码根据由标准操作值限定的基本操作命令来控制所述多用途机器人臂(101)的基本运动，和

-第三级应用程序代码，所述第三级应用程序代码根据由应用操作值限定的基本操作命令来控制所述多用途机器人臂(101)的基本运动，

其中在机器人臂操作过程的第一部分期间，所述多用途机器人臂(101)由所述第二级程序代码通过由所述标准操作值限定的多个基本操作命令来控制，

其中在所述机器人臂操作过程的第二部分期间，所述多用途机器人臂(101)由所述第三级应用程序代码控制，其中所述第三级应用程序代码由所述多用途机器人臂(101)在所述应用特定操作模式下的所述操作的期望特性来确定，并且

其中在所述机器人臂操作过程的所述第一部分和所述第二部分期间，所述机器人臂还由所述第一级程序代码监测。

36.根据权利要求35所述的控制多用途机器人臂(101)的方法，其中所述期望特性由安装在所述机器人工具凸缘(107)上的机器人工具(430，531)确定。

37.根据权利要求35至37所述的控制多用途机器人臂(101)的方法，其中所述第三级应用程序代码的所述操作值是能够访问的，以供机器人集成商更新。

38.根据权利要求35至37中任一项所述的控制多用途机器人臂(101)的方法，其中所述第三级应用程序代码的所述操作参数用于在有限的时间段内控制所述多用途机器人臂(101)，其中所述有限的时间段小于机器人操作过程的时间的30％，优选地小于机器人操作过程的20％，并且最优选地小于机器人操作过程的10％。

39.根据权利要求35至38中任一项所述的控制多用途机器人臂(101)的方法，其中所述方法包括以下预操作步骤：在以所述应用特定操作模式操作所述机器人臂时，限定一个或多个操作参数的值，所述一个或多个操作参数限定由所述机器人控制器使用的操作的窗口。

40.一种多用途机器人臂(101)，所述多用途机器人臂包括连接机器人基座(105)和机器人工具凸缘(107)的多个机器人关节(103a-103f)，所述多用途机器人臂包括机器人控制器(102)，所述机器人控制器被构造成在机器人臂操作过程的一部分期间以标准操作模式以及以应用特定操作模式来控制所述多用途机器人臂(101)，

其中处于所述标准操作模式的所述机器人控制器(102)被构造成根据多个预先确定的基本操作命令来控制所述多用途机器人臂(101)，所述基本操作命令至少部分地由一个或多个标准操作参数限定；

其中处于所述应用特定操作模式的所述机器人控制器(102)被构造成根据多个预先确定的基本操作命令来控制所述多用途机器人臂(101)，其中基本操作命令至少部分地由一个或多个应用特定操作参数来限定。

41.根据权利要求40所述的多用途机器人臂，其中所述一个或多个标准操作参数由标准操作值限制，并且所述一个或多个应用特定操作参数由应用标准值限制。

42.根据权利要求40至41中任一项所述的多用途机器人臂，其中所述机器人控制器(102)包括第一级程序代码，所述第一级程序代码被配置用于在所述多用途机器人臂的操作期间监测操作参数的操作值，其中如果操作值超出预先确定的安全范围，则所述第一级程序代码启动所述多用途机器人臂的操作的硬停止。

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