CN111867788A - 控制机器人的方法和系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种用于根据施加在机器人(10)上的外部的力(F_ex)来控制该机器人的方法，在第一运行模式下，根据表面(21)控制(S50)机器人，使得机器人在特定于机器人的参照物(11)与表面的接触点上，相比于跟随力的沿表面法线方向的法向分量(F_n)，更强烈地试图跟随该力的垂直于关于表面向外指向的法线(n)的切向分量(F_t)。

Description

控制机器人的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于根据施加在机器人上的外部的力来控制机器人的一种方法和一种系统，以及一种用于执行该方法的计算机程序产品。

背景技术

由专利文献US9308645B2已知一种用于控制机器人的导纳调节。在此，基于施加在机器人上的外力，调节技术地确定一目标运动，该目标运动是一虚拟的质量体在该外力下所要实现的，并且机器人尝试着执行该目标运动。换句话说，机器人的末端执行器本身的表现就类似于所述虚拟质量体。

这使得操作员能够通过将外力手动地施加在机器人上来对(可)自由(移动)的末端执行器进行有利的手动引导。

但是，如果末端执行器在此接触到表面，则可能会发生，特别是由于调节不精确等原因导致末端执行器无意间中从表面抬起。

发明内容

本发明的目的在于改善机器人的运行。

本发明的目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。权利要求12、13请求保护一种用于执行在此所述方法的系统或一种计算机程序产品。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的一种实施方式，在用于根据施加在机器人上的、特别是当前的外力来控制机器人的方法中，机器人在第一运行模式下，特别是连续地，根据表面被这样或者说按照这样的标准被控制：即，使机器人在特定于机器人的参照物与表面的特别是当前的接触点上，相比于跟随力的沿表面法线方向的法向分量，更强烈地试图跟随、特别是更强烈地跟随力的垂直于关于表面向外指向的法线的切向分量；特别是这样或者说按照这样的标准来控制机器人：即，使得机器人不试图跟随，至少基本上不试图跟随，特别是不跟随，力的法向分量。换句话说，机器人在第一运行模式下被控制为，(以便)跟随法向分量(略微地)少于跟随切向分量，在一种实施方式中则是完全不跟随法向分量。

由此，在一种实施方式中可以减少从所接触的表面不期望地抬起，在一种实施方式中则是至少基本上避免了从所接触的表面不期望地抬起。

在一种实施方式中，控制可以包括、特别可以是调节。在一种实施方式中，力也可以包括、特别可以是转矩。

在一种实施方式中，机器人具有至少三个关节，特别是至少六个关节，在一种实施方式中为至少七个关节，特别是可被驱动的或被驱动的关节和/或转动关节，亦即，在一种实施方式中，机器人具有用于调节关节的驱动器，特别是电动的驱动器。

由此，在一种实施方式中，可以有利地、特别是灵活地和/或精确地使用机器人。

在一种实施方式中，特定于机器人的参照物是机器人的远端侧末端执行器。在一种实施方式中，外力是由操作员手动施加或者说实施在机器人上、在一种实施方式中是在机器人的特定于机器人的参照物上的外力，或者是由操作员手动施加的外力。在一种实施方式中，外力是作用在接触点上的力，其可以例如通过雅可比矩阵以已知的方式(虚拟地)变换或移动到那里。

由此，在一种实施方式中，机器人可以被有利地手动引导，在一种实施方式中是被用于教导或者设定随后将要自动驶过的轨迹等。

在一种实施方式中，在接触点上关于表面向外指向的法线(“表面法线”)垂直于在该接触点处的表面(上)的切向平面，并且指向远离该表面的方向或者说指向特定于机器人的参照物，该表面法线可以例如以已知的方式，利用微分几何方法，通过在接触点处的表面(上)的两个非共线切向矢量的相应定向的梯度或相应定向的叉积来确定，而梯度或叉积本身例如可以以已知的方式通过微分来确定。例如，如果表面或其轮廓是通过函数S(x,y,z)＝0以笛卡尔坐标x、y和z来表示，例如以x²+y²+z²＝0来表示一球面，则接触点(x,y,z)处的表面法线n是根据

来确定，例如根据[x,y,z]^T来确定。换句话说，在一种实施方式中，在第一运行模式下，相比于跟随外力的沿向外指向的表面法线方向的投影，机器人更强烈地跟随外力在接触点处的表面(上)的切向平面中的投影，或者试图这样做，或者为此而被(相应地)控制；在一种实施方式中，机器人至少基本上完全不跟随外力沿向外指向的表面法线方向的投影，或者试图这样做，或者为此被(相应地)控制。

在一种实施方式中，机器人在第二运行模式下特别是连续地被这样或者说按照这样的标准被控制：即，相比于在第一运行模式下，机器人更强烈地试图跟随、特别是更强烈地跟随外力的法向分量；特别是被这样或者说按照这样的标准被控制：即，机器人不依赖于力的方向地试图跟随、特别是跟随力。换句话说，机器人在第二运行模式下被控制为，(以便)不依赖于方向地(略微地)跟随外力。

由此，在一种实施方式中，可以在第二运行模式下有意的将特定于机器人的参照物从表面移开和/或有利地在空间中自由运动。

在一种实施方式中，根据力的法向分量，从第一运行模式切换到第二运行模式；在一种实施方式中，如果法向分量的值超过预定的阈值，则从第一运行模式切换到第二运行模式。

由此，在一种实施方式中，操作员可以简单地结束第一运行模式，特别是可以通过将特定于机器人的参照物足够猛烈地拉离表面的方式来使特定于机器人的参照物离开表面。

附加地或替代地，还可以根据操作员输入，例如操作员操纵相应的物理或软件开关等，从第一运行模式切换到第二运行模式。

在一种实施方式中，机器人在第一运行模式下被这样或者说按照这样的标准来控制：即，机器人试图以特定于机器人的参照物在表面上施加预定的反向于表面法线的力。换句话说，机器人在第一运行模式下被控制为，(以便)在表面上施加预定的反向于表面法线的力。

由此，在一种实施方式中，特定于机器人的参照物可以通过控制技术被有利地固定在表面上和/或可以施加所期望的过程力例如用于加工表面。

在一种实施方式中，根据所确定的在特定于机器人的参照物与表面之间的距离，特别是在低于预定的最小距离的情况下，切换到第一运行模式；在一种实施方式中则是在发生接触时切换到第一运行模式。

由此，在一种实施方式中，操作员可以通过将特定于机器人的参照物充分拉近表面的方式来容易地启动第一运行模式。

附加地或替代地，还可以根据操作员输入，例如操作员操纵相应的物理或软件开关等，来切换到第一运行模式。

在一种实施方式中，借助于在特定于机器人的参照物上的传感器来确定外力。

由此，在一种实施方式中，可以特别精确地确定外力。

附加地或替代地，在一种实施方式中，特别是基于机器人的动态模型，借助于在机器人关节上的传感器来确定外力。

由此，在一种实施方式中，可以省略在特定于机器人的参照物上的额外的传感器。

在一种实施方式中，根据所确定的表面轮廓来确定表面法线，在一种实施方式中，该表面轮廓是借助于扫描、视觉系统等来确定。

由此，在一种实施方式中，可以特别精确地确定表面法线。

附加地或替代地，在一种实施方式中，根据预先给定的表面轮廓来确定表面法线，在一种实施方式中，该表面轮廓是基于CAD数据等预先给定。

由此，在一种实施方式中，可以省略用于确定轮廓的时间成本和/或设备成本。

在一种实施方式中，根据对特定于机器人的参照物的周围环境的检测来确定接触点，在一种实施方式中，该检测是借助于扫描、视觉系统等进行。

由此，在一种实施方式中，可以特别精确地确定接触点。

附加地或替代地，在一种实施方式中，根据检测到的机器人关节的位置、所确定的或预先给定的特定于机器人的参照物的轮廓和/或所确定的或预先给定的表面的轮廓来确定接触点。

由此，在一种实施方式中，可以省略用于检测周围环境的时间成本和/或设备成本。

在一种实施方式中，在第一和/或第二运行模式下，借助于导纳调节来控制机器人，该导纳调节根据所确定的外力来确定用于机器人的驱动器的控制值。

由此，在一种实施方式中，机器人可以被特别有利地、特别是直观地、可靠地和/或精确地手动引导。

在一种实施方式中，在第一运行模式下，通过计算技术减小、特别是减弱或过滤掉所确定的外力沿表面法线方向的法向分量。

由此，特别是借助于导纳调节，可以特别有利地、特别是可靠地和/或以极小的计算(时间)成本来实现根据本发明的对法向分量的弱跟随或不跟随。

根据本发明的一种实施方式，一种系统，特别是被硬件技术和/或软件技术地、特别是编程技术地设计用于执行在此所述的方法，和/或包括用于根据施加在机器人上的外力在第一运行模式下根据表面来控制机器人的装置，使机器人在特定于机器人的参照物与表面的接触点上，相比于跟随力的沿表面法线方向的法向分量，更强烈地试图跟随该力的垂直于关于表面向外指向的法线的切向分量，特别是不试图跟随该力的法向分量。

在一种实施方式中，该系统或其装置包括：

用于在第二运行模式下控制机器人的装置，使机器人比在第一运行模式下更强烈地试图跟随力的法向分量，特别是使机器人独立于其方向地试图跟随外力；

用于根据力的法向分量从第一运行模式切换到第二运行模式的装置；

用于在第一运行模式下控制机器人的装置，使机器人试图以特定于机器人的参照物在表面上施加预定的、反向于表面法线的力；

用于根据所确定的特定于机器人的参照物与表面之间的距离、特别是接触和/或根据使用者输入来切换到第一运行模式的装置；

位于特定于机器人的参照物上的传感器和/或位于机器人的关节上的传感器，用于确定外力；

用于根据所确定的或预定的表面的轮廓来确定表面法线的装置；

用于根据所检测到的机器人的关节的位置、所确定的或预定的特定于机器人的参照物的轮廓和/或所确定的或预定的表面的轮廓和/或对特定于机器人的参照物的周围环境的检测来确定接触点的装置；

用于在第一和/或第二运行模式下借助于导纳调节来控制机器人的装置，导纳调节是根据所确定的外力来确定用于机器人的驱动器的控制值；和/或

用于在第一运行模式下的通过计算技术减小、特别是减弱法向分量的装置。

本发明意义下的装置可以硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：优选与存储系统和/或总线系统进行数据连接或信号连接的处理单元，特别是数字处理单元，特别是微处理单元(CPU)；和/或一个或多个程序或程序模块。为此，CPU可以被设计为：执行被实现为存储在存储系统中的程序的指令；从数据总线采集输入信号；和/或将输出信号发送至数据总线。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质，特别是光学的、磁的、固体的和/或其它非易失性的介质。程序可以被设计为，其能够体现或者说执行在此所述的方法，从而使得CPU能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够控制机器人。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或者说其上存储有程序的存储介质，特别可以是特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或者说其上存储有程序的存储介质，其中，执行该程序会使系统或控制器、特别是计算机执行在此所述的方法或该方法的一个或多个步骤。

在一种实施方式中，该方法的一个或多个、特别是所有步骤被完全或部分自动化地执行，特别是通过所述系统或其装置。

在一种实施方式中，该系统具有机器人和/或其控制器。

根据本发明的方法可以特别有利地用于教导或设定机器人轨迹，特别是通过对机器人、特别是特定于机器人的参照物的手动引导。相应地，在一种实施方式中，在第一运行模式下，至少暂时地，存储机器人、特别是特定于机器人的参照物的姿势，并且在一种扩展方案中，随后基于所存储的姿势来预先给定机器人轨迹。

附图说明

其它的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。为此，部分示意性地示出了：

图1：根据本发明的一种实施方式的系统；以及

图2：根据本发明的一种实施方式的、用于控制系统的机器人的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一种实施方式的系统，该系统具有机器人10和机器人控制器30，该机器人具有末端执行器11。

末端执行器11由操作员40在工件20的表面21上手动引导，例如用于教导加工轨迹。

为此，在根据本发明一种实施方式的用于控制机器人10的方法的第一步骤S10(见图2)中，借助于末端执行器11上的力-力矩传感器12来确定由操作员40手动施加的外力F_ex。

在一种变型中，机器人控制器还可以借助于机器人关节上的传感器12'来确定该外力。通常，在一种实施方式中，可以利用末端执行器或其尖端的(经变换的)雅可比矩阵J^T，对在关节上借助于传感器所测得的轴力矩τ_msr与基于机器人的、在必要时为逆的动态模型所计算得到的、特别是被命令的轴力矩τ_(c)md的差进行变换，来确定外力F_ex：

F_ex＝J^T﹒(τ_msr-τ_(c)md)

这种构思的基础在于：基于模型的轴力矩与所测得的轴力矩之间的偏差恰好由外力引起，因此可以通过将相应的轴力矩转换成机器人(末端执行器)的工作空间中来确定外力。

表面21的轮廓是已知的，例如根据CAD数据，或者通过相机31来确定。

在步骤S10中，机器人控制器30例如通过操作员操纵相应的开关来检查是否(已经或仍然)选择第一运行模式。

如果不是这种情况(S10：“否”)，则存在第二运行模式，并且机器人控制器或该方法继续进行到步骤S40。

在步骤S40中，机器人控制器执行导纳调节，在此，机器人控制器是以已知的方式根据末端执行器11的尖端上的外力F_ex来确定目标速度V_d，例如通过根据下式的时间积分：

V_d＝∫(F_ex/m)dt

其中，m为虚拟质量，并且操控机器人的驱动器13以实现该目标速度V_d。在一种变型中，还可以提供虚拟阻尼。

如果选择了第一运行模式(S10：“Y”)，则在步骤S20中，机器人控制器30基于机器人的关节的位置和表面21的轮廓，根据下式确定在末端执行器11的尖端与表面21的接触点处垂直于表面21的向外指向的表面法线n(|n|＝1)以及作用在那里的外力F_ex沿该表面法线n的方向的法向分量F_n

F_n＝{[(F_ex·n)+|F_ex·n|]/2}·n

并且检查该法向分量F_n的值|F_n|是否超过预定的边界值。

如果是这种情况(S20：“是”)，则机器人控制器切换到第二运行模式并继续上述的步骤S40。

如果不是(S20：“否”)，即，如果(仍然)选择或存在第一运行模式，则在步骤S30中，机器人控制器通过从外力F_ex中减去法向分量的方式来计算技术地减弱法向分量：

F_ex←(F_ex-F_n)。

换句话说，在步骤S30中，机器人控制器过滤掉了外力F_ex沿着表面法线n的方向的法向分量F_n。

随后，在步骤S50中，机器人控制器以类似于步骤S40的方式利用该经过过滤的外力执行导纳调节，在该实施例中是例如根据

V_d＝∫(F_ex/m)dt

随后，该方法返回步骤S10。

结果，机器人10在第一运行模式下不以其末端执行器11跟随由操作员40手动施加的外力F_ex的法向分量F_n，并因此更强烈地跟随切向分量F_t＝F_ex-(F_ex·n)·n，或者是试图调节技术地这样做。另一方面，在第二运行模式下，机器人10是以其末端执行器11独立于其方向地跟随外力F_ex或者试图调节技术地这样做。

尽管在前述的说明中阐述了示例性的实施形式，但应该指出的是，还可能有许多的变型。

在一种变型中，在步骤S50中，替代于沿表面法线的方向的法向分量F_n地，也可以将外力F_ex的平行于表面法线的分量也就是独立于方向地过滤掉，或者仅将前述的切向分量F_t作为过滤后的外力加以考虑。附加地或替代地，还可以调节技术地在表面上施加预定的反向于表面法线的力f_cmd，例如通过在步骤S50中将其加到过滤后的外力上：

F_ex←(F_ex-F_n)-f_cmd·n或F_ex←F_t-f_cmd·n。

此外还应指出的是，这些示例性实施方式仅仅是举例，其不应对保护范围、应用和构造形成任何限制。相反，通过前面的描述能够赋予本领域技术人员实现对至少一个示例性实施方式进行转换的教导，其中，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以实现特别是关于所述部件的功能和布置的各种变化，例如可以根据权利要求和等效的特征组合获得。

附图标记列表

10 机器人

11 末端执行器(特定于机器人的参照物)

12；12' 传感器

13 驱动器

20 工件

21 表面

30 机器人控制器

31 相机

40 操作员

F_ex 外力

F_n 法向分量

F_t 切向分量

n 表面法线。

Claims (13)

1.一种用于根据施加在机器人(10)上的外部的力(F_ex)来控制该机器人的方法，其中，在第一运行模式下，根据表面(21)控制(S50)所述机器人，使所述机器人在特定于机器人的参照物(11)与所述表面的接触点上，相比于所述力沿表面法线方向上的法向分量(F_n)，更强烈地试图跟随所述力的垂直于关于所述表面向外指向的法线(n)的切向分量(F_t)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一运行模式下控制所述机器人，使所述机器人不试图跟随所述力的法向分量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第二运行模式下控制所述机器人(S40)，使所述机器人相比于在所述第一运行模式下更强烈地跟随所述力的法向分量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述力的法向分量从所述第一运行模式切换到所述第二运行模式(S20)，和/或在所述第二运行模式下控制所述机器人，使所述机器人独立于其方向地试图跟随所述力。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一运行模式下控制所述机器人，使所述机器人试图以所述特定于机器人的参照物在所述表面上施加预定的反向于所述表面法线的力。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所确定的在所述特定于机器人的参照物与所述表面之间的距离、特别是接触，和/或根据用户输入，切换到所述第一运行模式。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于在所述特定于机器人的参照物上的传感器(12)和/或在所述机器人的关节上的传感器(12')，确定所述外部的力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所确定的或预先给定的所述表面的轮廓，确定所述表面法线。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所检测到的所述机器人的关节的位置、所确定的或预先给定的所述特定于机器人的参照物的轮廓和/或所确定的或预先给定的所述表面的轮廓和/或对所述特定于机器人的参照物的周围环境的检测，确定所述接触点。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一运行模式和/或所述第二运行模式下，借助于导纳调节来控制所述机器人，所述导纳调节根据所确定的外部的力来确定用于所述机器人的驱动器(13)的控制值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一运行模式下，计算技术地减小、特别是减弱所述法向分量。

12.一种系统，该系统设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，和/或具有用于根据施加在机器人(10)上的外部的力(F_ex)在第一运行模式下根据表面(21)控制所述机器人(10)的装置(30)，使得所述机器人在特定于机器人的参照物(11)与所述表面的接触点上，相比于所述力沿表面法线的方向的法向分量(F_n)，更强烈地试图跟随所述力的垂直于关于所述表面向外指向的法线(n)的方向的切向分量(F_t)。

13.一种计算机程序产品，包括程序代码，该程序代码存储在能由计算机读取的介质上，所述计算机程序产品用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

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