專利名稱：使機(jī)械手通過(guò)預(yù)定軌道的方法和實(shí)施該方法的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于由機(jī)械手的、特別是機(jī)器人的末端執(zhí)行器通過(guò)預(yù)定軌道的方法，一種用于實(shí)施該方法的控制裝置，以及一種具有該控制裝置的機(jī)械手、特別是機(jī)器人。
背景技術(shù)：
機(jī)械手的典型任務(wù)包括與其末端執(zhí)行器通過(guò)一個(gè)預(yù)定的軌道。其中該軌道可以通過(guò)直接編程(“直接示教”)或間接編程(“離線編程”)的方式被預(yù)設(shè)，直接編程(“直接示教”)是指例如在學(xué)習(xí)模式中手動(dòng)引導(dǎo)末端執(zhí)行器到期望的位置，間接編程(“離線編程”)是
指例如根據(jù)期望的末端執(zhí)行器位置的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)定關(guān)節(jié)角的預(yù)定偏移(Soll-Veriaufen)
的設(shè)置。該位置包括末端執(zhí)行器的位置和/或方向，其可以例如由矢量χ來(lái)描繪，其中 χ en維的to。然后末端執(zhí)行器的軌道可關(guān)于軌道參數(shù)S被參數(shù)化(X = X(S))，機(jī)械手在正常工作下根據(jù)時(shí)間剖面(Zeitprofils) ds/dt(t)分離該參數(shù)，以使末端執(zhí)行器以相應(yīng)的軌道速度dx/dt通過(guò)軌道。因?yàn)闄C(jī)械手，特別是像德國(guó)航天航空中心(DLR)的LBR I_IV系列的機(jī)器人那樣的工業(yè)和輕型機(jī)器人，在正常工作下行動(dòng)很快，這使得軌道的直接分析研究或及時(shí)手動(dòng)停止有誤差的軌道變得困難，這在企業(yè)內(nèi)部已經(jīng)是公知的，在通過(guò)軌道期間軌道速度由操作者手動(dòng)改變，例如，減少速度，以便于研究某確定的軌道段或測(cè)試與其他機(jī)械手的相互作用。 另一方面，通過(guò)軌道速度的目標(biāo)明確的增加能夠在正常工作以外有利地逐漸檢測(cè)機(jī)械手的動(dòng)力邊界。至今，在工作(超控)期間在對(duì)機(jī)械手的控制中通過(guò)控制器的控制板上的操作元件手動(dòng)輸入該軌道速度的改變。然而這是繁瑣的，特別是當(dāng)操作者檢測(cè)近處的機(jī)器人的接縫工藝時(shí)將為此相應(yīng)的減少軌道速度。因?yàn)樵谶@種情況下他必須用一只手操作操作元件。另外地或可選地，對(duì)于軌道速度，也可期望同樣使機(jī)械手和/或由它執(zhí)行的進(jìn)程的其他工藝參數(shù)能夠改變。這樣例如在焊接工藝或接縫工藝的直接編程中機(jī)械手的壓力是可調(diào)的，或工作點(diǎn)附近的焊接電流應(yīng)是可調(diào)整的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)工藝參數(shù)的輕松的改變。這個(gè)任務(wù)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的方法來(lái)解決。權(quán)利要求13提出了用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置，權(quán)利要求15保護(hù)一種具有該控制裝置的機(jī)械手。機(jī)械手具有關(guān)于其末端執(zhí)行器的預(yù)定軌道的解空間，該解空間包括所有的機(jī)械手位置，分配給機(jī)械手位置相同的末端執(zhí)行器位置。如果機(jī)械手沒(méi)有末端執(zhí)行器，則解空間退化為空集。如果例如一個(gè)末端執(zhí)行器在空間內(nèi)的三維位置和方向可以通過(guò)六軸機(jī)械手一對(duì)一的實(shí)現(xiàn)，則解空間相應(yīng)的僅包括一個(gè)位置，該三維位置和方向能夠由三個(gè)坐標(biāo)，例如由笛卡爾或極坐標(biāo)或者歐拉角或萬(wàn)向角來(lái)描述。
如果機(jī)械手的自由度的數(shù)量f比末端執(zhí)行器的預(yù)定位置的維數(shù)η至少大1 (f > η)，則該機(jī)械手對(duì)于該預(yù)定軌道，是冗余的，可能是多倍的，即它的解空間包括至少兩個(gè)分配給相同的末端執(zhí)行器位置的機(jī)械手位置。一個(gè)這樣的關(guān)于多個(gè)位置擴(kuò)大的解空間將在以下被稱作“零空間”。這能夠?qū)е拢瑱C(jī)械手具有7個(gè)或更多個(gè)自由度，像上述提及的德國(guó)航天航空中心的輕型機(jī)器人LBR III或IV。另一方面，如果不取決于例如關(guān)于空間軸的末端執(zhí)行器的方向，例如在6臂工業(yè)機(jī)器人的最后的旋轉(zhuǎn)軸的方向上鉆孔，末端執(zhí)行器的預(yù)定位置的維數(shù)η也能夠小于7。在這種情況下機(jī)械手關(guān)于軌道是冗余的并包括無(wú)數(shù)個(gè)分配給相
同末端執(zhí)行器位置X e R5的機(jī)械手位置。本發(fā)明的基礎(chǔ)思想就是，充分利用機(jī)械手這種冗余，以改變或預(yù)先給定機(jī)械手的一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)。這關(guān)系到工藝參數(shù)，該工藝參數(shù)(共同)決定一個(gè)由機(jī)械手執(zhí)行的工藝。例如由在焊接工藝期間機(jī)械手引導(dǎo)的焊鉗的焊接電流和焊鉗的軌道速度表示(共同)決定焊接工藝的工藝參數(shù)。在接縫工藝中例如由壓力來(lái)表示(共同)決定接縫工藝的工藝參數(shù)，機(jī)械手通過(guò)該壓力接合工件。在鍍膜工藝(Lackierprozess)中機(jī)械手的末端執(zhí)行器的軌道速度與顏色噴出量表示(共同)決定的鍍膜工藝的工藝參數(shù)。以下，本發(fā)明將根據(jù)軌道速度作為例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明改變的工藝參數(shù)。然而本發(fā)明并不由此限定，而是任意的工藝參數(shù)都可以被改變。本發(fā)明中“工藝參數(shù)”的概念意指包括以下的每一個(gè)，特別是物理的參數(shù)， 該參數(shù)對(duì)于用戶在與機(jī)械手的相互聯(lián)系中是可調(diào)整的或可改變的，例如光源的亮度，該光源由機(jī)械手支撐和/或照亮機(jī)械手的工作區(qū)域，機(jī)械手工作單元的溫度，及光學(xué)的和/或聲學(xué)方面的或諸如此類的。在一個(gè)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中末端執(zhí)行器通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的控制裝置以已知的方式始終相應(yīng)于預(yù)定軌道移動(dòng)至預(yù)定位置。為此該控制裝置能夠具有例如用于末端執(zhí)行器的相應(yīng)的位置調(diào)節(jié)器。上述包括的“控制裝置”的概念在此也包括調(diào)節(jié)器，即考慮到預(yù)定值和實(shí)際值和它們之間的控制偏差的控制參數(shù)的輸出。此外，在零空間中通過(guò)操作者改變機(jī)械手的位置也能夠使預(yù)定軌道被追蹤。為此準(zhǔn)入調(diào)節(jié)器和阻抗調(diào)節(jié)器的不同的實(shí)施例是公知的，其通過(guò)操作者實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的移動(dòng)。如果例如六軸機(jī)械手的工業(yè)機(jī)器人與它的末端執(zhí)行器追蹤軌道，在該軌道中末端執(zhí)行器的方向關(guān)于機(jī)器人最后的旋轉(zhuǎn)軸未被預(yù)先給定，則用于該旋轉(zhuǎn)軸的位置調(diào)節(jié)器能夠通過(guò)相應(yīng)地選擇精細(xì)的比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)來(lái)靈敏地?fù)Q擋，操作者能夠手動(dòng)地使末端執(zhí)行器關(guān)于該軸旋轉(zhuǎn)。如果上述的7軸LBR III追蹤某軌道，用戶能夠在相應(yīng)的準(zhǔn)入調(diào)節(jié)器中例如從它的位置手動(dòng)按壓肘部，其中準(zhǔn)入調(diào)節(jié)器還沿著預(yù)定軌道引導(dǎo)末端執(zhí)行器至一個(gè)由3個(gè)位置坐標(biāo)和3個(gè)角坐標(biāo)明確預(yù)定的位置。通過(guò)操作者引導(dǎo)機(jī)械手的這樣的移動(dòng)因此始終導(dǎo)致機(jī)械手在它的零空間的位移，即零空間中兩個(gè)機(jī)械手位置之間的差。根據(jù)本發(fā)明，僅在由機(jī)械手的末端執(zhí)行器通過(guò)預(yù)定軌道時(shí)，考慮檢測(cè)在零空間中的機(jī)械手的位移，以及改變至少一個(gè)工藝參數(shù)，例如相應(yīng)于檢測(cè)到的位移改變末端執(zhí)行器的軌道速度，其中該機(jī)械手具有關(guān)于預(yù)定軌道的零空間，該零空間具有至少兩個(gè)分配給相同的末端執(zhí)行器位置的機(jī)械手位置，即關(guān)于預(yù)定軌道是冗余的。通過(guò)將在零空間中機(jī)械手的位移作為期望的工藝參數(shù)變化值來(lái)使用，借此同樣能夠在沒(méi)有改變關(guān)于所經(jīng)過(guò)軌道的末端執(zhí)行器的位置的情況下，以簡(jiǎn)單、直接的方式改變工藝參數(shù)。操作者能夠直接握住機(jī)械手并且不必須操作控制板的控制元件或類似操作來(lái)完成工藝參數(shù)的變化。一個(gè)這樣的指令輸入能夠有利的直觀的被操作。例如機(jī)械手的移動(dòng)能夠在軌道方向上提高軌道速度，在與軌道方向相反的方向降低或者甚至改變它的符號(hào)，以使末端執(zhí)行器在預(yù)定軌道上向后運(yùn)行。同樣的，例如可導(dǎo)致LBR III肘部的壓力或工業(yè)機(jī)器人末端法蘭在它的最后的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在一個(gè)方向上的速度增加或壓力增加，在相反方向上的延伸或旋轉(zhuǎn)引起軌道速度或壓力的降低。軌道速度dx/dt的改變能夠以不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如使預(yù)定的速度梯形截面ds/ dt(s)在時(shí)間軸方向按比例縮短來(lái)提高速度，延伸來(lái)減少速度。同樣的，為了提高或減少速度，可給簡(jiǎn)單的比例微分調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)比預(yù)定值早或遲的預(yù)定軌道的最近的啟動(dòng)位置。優(yōu)選的對(duì)預(yù)定軌道的每個(gè)末端執(zhí)行器位置，預(yù)先給定零空間的機(jī)械手位置的一個(gè)作為預(yù)定機(jī)械手位置。為此可在軌道設(shè)計(jì)時(shí)，相應(yīng)于合適的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇零空間中機(jī)械手的位置中的一個(gè)，例如該機(jī)械手位置的啟動(dòng)要求最小的時(shí)間消耗或者能量消耗，或者該機(jī)械手位置與以前位置的差別最小。上述提到的標(biāo)準(zhǔn)能夠避免例如在下一個(gè)位置的運(yùn)行中不同的機(jī)器人位置之間的不期望的跳變。在直接編程中通過(guò)機(jī)械手的手動(dòng)引導(dǎo)(“直接示教”) 自動(dòng)從各自的位置產(chǎn)生預(yù)定位置，操作者在教學(xué)中把機(jī)械手引到各自的位置中。接著，預(yù)定的與實(shí)際的機(jī)械手位置之差能夠作為位移被檢測(cè)到。如果機(jī)械手由操作者從他的預(yù)定位置移動(dòng)，相應(yīng)于引導(dǎo)一個(gè)持續(xù)的位移，直到機(jī)械手不再位于預(yù)定位置。如果規(guī)定例如6軸機(jī)器人的關(guān)于其最后旋轉(zhuǎn)軸的末端執(zhí)行器的確定的、不變的角位置作為預(yù)定位置，這樣末端執(zhí)行器的在旋轉(zhuǎn)軸的持續(xù)旋轉(zhuǎn)由操作者輸入一個(gè)不變的位移以及一個(gè)相應(yīng)的改變的工藝參數(shù)，例如軌道速度。本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中工藝參數(shù)能夠滿足檢測(cè)到的位移，例如與位移成比例。為此把位移的一個(gè)確定的參數(shù)分配給相應(yīng)的工藝參數(shù)，例如機(jī)械手關(guān)節(jié)角的矢量差的值。在上述例子中能夠例如通過(guò)末端執(zhí)行器的角位置來(lái)規(guī)定軌道速度，即確定的速度dx/dt滿足每個(gè)角。在第二實(shí)施例中把位移的一個(gè)確定的參數(shù)代替地分配給工藝參數(shù)的變化，這樣可以使機(jī)械手例如速度上升，直到操作者給出位移。這里，變化也能夠與位移成比例實(shí)現(xiàn)，即較大的位移可較大地改變工藝參數(shù)。在這種情況下，不同于第一實(shí)施例，不僅要求位移撤回回到原來(lái)的工藝參數(shù)，而且還附加要求在相反方向上的鄰近的位移回到原來(lái)的工藝參數(shù)。此時(shí)該位移，特別是在操作者不知道的預(yù)定位置的，在該位置很難直觀的認(rèn)出的話，將通過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)器有利地實(shí)施控制來(lái)降低位移。操作者若放開機(jī)械手，機(jī)械手由于控制而獨(dú)立地在零空間中返回它的預(yù)定位置。如果例如為了避免冗余的機(jī)械手的沖突而規(guī)定預(yù)定位置，則這是有利的。為了額外的簡(jiǎn)化上述的第二實(shí)施例，由于機(jī)械手在零空間中返回它的預(yù)定位置，如果操作者不再給機(jī)械手施加力，這樣工藝參數(shù)將被改變，直到操作者在零空間中從它的預(yù)定位置移動(dòng)機(jī)械手，并且機(jī)械手隨后以改變的工藝參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。可選的，調(diào)節(jié)器也能夠這樣實(shí)施，該實(shí)施以在零空間中由用戶改變的位置作為新的預(yù)定位置為基礎(chǔ)。這尤其在與上述第一實(shí)施例的結(jié)合中是有利的，在第一實(shí)施例中操作者能夠通過(guò)零空間中可能的機(jī)械手位置中的一個(gè)的選擇來(lái)規(guī)定一個(gè)工藝參數(shù)。為此例如能夠根據(jù)機(jī)械手的數(shù)學(xué)替換模型和新的、由操作者規(guī)定的機(jī)械手位置來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)力矩且作為力控制的預(yù)定值來(lái)輸入，重力，摩擦力和/或動(dòng)力實(shí)際上被補(bǔ)償并且在新的預(yù)定位置保持機(jī)械手。優(yōu)選的，改變工藝參數(shù)，例如軌道速度相應(yīng)于檢測(cè)到的位移的值和/或方向改變。
相應(yīng)于按照數(shù)量的值(betragsmSfiig Grofie )的變化，例如關(guān)節(jié)角中矢量差的值，實(shí)現(xiàn)了
軌道以不同的速度運(yùn)行，該不同的速度由操作者直觀的通過(guò)較大的或較小的位移來(lái)預(yù)先給定。相應(yīng)于該方向的一個(gè)改變使得尤其是在相反的方向上預(yù)定軌道的運(yùn)行成為可能。機(jī)械手能夠運(yùn)行在位置控制的預(yù)定軌道上。為此，能夠規(guī)定例如零空間中的預(yù)定位置并且該預(yù)定位置能夠通過(guò)比例微分積分(PID)控制器依次啟動(dòng)。同樣的，機(jī)械手能夠是力控制的。為此例如能夠在機(jī)械手的發(fā)動(dòng)機(jī)中根據(jù)機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型算出為了運(yùn)行預(yù)定軌道而要求的旋轉(zhuǎn)力矩，并將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)的力控制的預(yù)定值。順應(yīng)性的來(lái)控制以使操作者能夠在零空間中手動(dòng)改變機(jī)械手的位置，這不但對(duì)于位置控制的機(jī)械手是有利的，而且對(duì)于力控制的機(jī)械手也是有利的，。這例如能在常規(guī)的具有PID-單個(gè)關(guān)節(jié)控制器的工業(yè)機(jī)器人中通過(guò)減少比例分量和積分控制器的無(wú)效來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在力控制的機(jī)械手中能夠規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)力控制的規(guī)定值，該規(guī)定值實(shí)際上僅補(bǔ)償機(jī)械手的慣性力，摩擦力和重力。該位移能夠根據(jù)機(jī)械手關(guān)節(jié)中的移動(dòng)和/或力來(lái)檢測(cè)。理論上規(guī)定機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)軸關(guān)于位置檢測(cè)，例如關(guān)于旋轉(zhuǎn)編碼器或類似的。根據(jù)在單個(gè)關(guān)節(jié)中的改變，機(jī)械手在零空間中的位移被檢測(cè)。同樣的，只要相應(yīng)的力傳感器存在，為了在它的零空間中移動(dòng)機(jī)械手， 操作者施加于機(jī)械手的力也能夠被測(cè)量。此外，反向的力偶，即普通化的旋轉(zhuǎn)力矩同樣作為力來(lái)說(shuō)明。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中提出了一個(gè)把手，該把手牢固地或可拆卸地固定在機(jī)械手上。當(dāng)操作者借助于把手移動(dòng)機(jī)械手時(shí)，在該把手上操作者能夠有利的在它的零空間中引起機(jī)械手的位移。通過(guò)一個(gè)這樣的把手來(lái)實(shí)現(xiàn)把手方案，該把手方案使操作者直觀的明白，為了引起位移，他必須在哪個(gè)地方和在哪個(gè)方向移動(dòng)機(jī)械手。優(yōu)選的在導(dǎo)向把手中設(shè)置控制元件，例如安全元件，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的方法，在零空間中機(jī)械手通過(guò)操作者的移動(dòng)，或手動(dòng)改變工藝參數(shù)來(lái)保證有效的操作該安全元件。


進(jìn)一步的任務(wù)、特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下的權(quán)利要求以及后續(xù)的實(shí)施例中得出。為此部分地圖示如下圖1根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的6軸機(jī)械手；圖2根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的7軸機(jī)械手；圖3根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的輕型機(jī)器人；以及圖4根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1圖示了一個(gè)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的6軸機(jī)器人1形態(tài)的機(jī)械手。它的位置將通過(guò)關(guān)節(jié)角q = [ql，q2，. . . q6]來(lái)描述。
機(jī)器人1的末端執(zhí)行器，用工具中心點(diǎn)TCP來(lái)表示，該末端執(zhí)行器應(yīng)通過(guò)一個(gè)預(yù)定的水平軌道χ (S)，該軌道在圖1中用虛線表示。此外末端執(zhí)行器TCP的角q6沒(méi)有被預(yù)先給定，固定在其上的工具(未圖示)六軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，是機(jī)器人1的最近的旋轉(zhuǎn)軸。末端執(zhí)行器 TCP的位置χ e R5能夠在這兒例如通過(guò)三個(gè)笛卡爾坐標(biāo)和平面圖的兩個(gè)角或者在圖1的平面圖中水平線位置來(lái)描述。6軸機(jī)器人1在這兒關(guān)于預(yù)定軌道X(S)是冗余的，即他能夠通過(guò)無(wú)窮多的不同的
機(jī)械手位置(ql，.. .q5，q6 ε
)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器TCP的一個(gè)預(yù)定位置χ (s)，該預(yù)定
位置僅由活動(dòng)角ql，. . . q5確定，該機(jī)械手位置通過(guò)末端執(zhí)行器關(guān)于第6個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)彼此分離產(chǎn)生且一起形成關(guān)于預(yù)定軌道X(S)的機(jī)器人1的零空間。兩個(gè)這樣的機(jī)械手位置在圖1中示出，所有均分配給相同的末端執(zhí)行器位置。此外，第一位置q圖示為實(shí)線，第二位置圖示為虛線。每個(gè)位置通過(guò)關(guān)節(jié)角的矢量描述q = [ql, q2, . . . q6 = 0] ；q，= [ql，，q2，，· · · q6，= π ]。作為零空間中的預(yù)定位置qsoll在圖1的實(shí)線位置(q6 = 0)被預(yù)先給定，末端執(zhí)行器TCP在教學(xué)中被相應(yīng)的引導(dǎo)。預(yù)定的軌道X(S)與其末端執(zhí)行器TCP在工作中標(biāo)準(zhǔn)的以一個(gè)恒定的速度dx/dt =ν開出機(jī)器人。為此比例積分控制器(未圖示)用于為最初的5個(gè)旋轉(zhuǎn)軸每隔IOms提供新的預(yù)定值qlsoll，. . q5soll,以使機(jī)器人1總是在新的位置q中通過(guò)并且他的末端執(zhí)行器TCP沿著軌道x(s)移動(dòng)。更精細(xì)的比例控制器(未圖示)連接第6軸，選擇足夠小的控制器比例常數(shù)，以使操作者能夠手動(dòng)的使末端執(zhí)行器TCP繞第6旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在機(jī)器人1的控制裝置(未圖示)中，應(yīng)考慮檢測(cè)關(guān)節(jié)角的其他q6ist。在機(jī)器人1 通過(guò)軌道X (S)期間，如果操作者旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器TCP，則控制裝置檢測(cè)位移qist-qsoll，該位移在實(shí)施例中構(gòu)成一個(gè)矢量
。該矢量的值| q6ist-q6soll |通過(guò)線性依比例確定，以從預(yù)定位置旋轉(zhuǎn)0°時(shí)系數(shù)K= 1，旋轉(zhuǎn)+180°時(shí)系數(shù)K = 2，旋轉(zhuǎn)-180° 時(shí)系數(shù)K = 0?？刂蒲b置使末端執(zhí)行器以恒定的速度KX ν移動(dòng)，當(dāng)例如K = 2時(shí)控制裝置運(yùn)行調(diào)節(jié)器為最初的5旋轉(zhuǎn)軸每隔5ms提供新的預(yù)定值qlsoll，. . . q5soll。如果操作者相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器-180°，機(jī)器人1暫時(shí)徹底停止末端執(zhí)行器TCP。如果操作者繼續(xù)旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器，例如總共轉(zhuǎn)-360°，末端執(zhí)行器TCP以速度-ν向后通過(guò)預(yù)定軌道X(S)， 為最初的5旋轉(zhuǎn)軸每隔IOms規(guī)定已經(jīng)通過(guò)的預(yù)定位置以相反的次序逐漸作為新的預(yù)定位置。如果操作者釋放末端執(zhí)行器TCP，比例控制器在預(yù)定位置q6soll = 0為第6軸重新旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器，控制裝置相應(yīng)的重新改變軌道速度為V，此時(shí)系數(shù)K下降為1。圖2圖示了在圖1中相關(guān)圖示的一個(gè)機(jī)械手，該機(jī)械手是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的以7軸機(jī)器人1形式的機(jī)械手。它的位置相應(yīng)的通過(guò)關(guān)節(jié)角q = [ql, q2，. . . q7]來(lái)描述。此外根據(jù)圖1的實(shí)施例相應(yīng)的元件通過(guò)同樣的參考標(biāo)記來(lái)描述，以允許在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上參閱它的說(shuō)明并且以下僅研究不同之處。在又一個(gè)實(shí)施例中末端執(zhí)行器重新通過(guò)軌道X(S)，為了例如沿著上表面引導(dǎo)砂輪 (未圖示)，這次仍然還關(guān)于虛線畫成的軌道規(guī)定它的方向。末端執(zhí)行器的位置X e R6例如通過(guò)零空間中的末端執(zhí)行器位置和它的方向來(lái)描述，該方向通過(guò)三個(gè)歐拉-角定義。由于機(jī)器人1仍然具有7個(gè)關(guān)節(jié)，所以它是冗余的，即末端執(zhí)行器的預(yù)定位置χ能夠通過(guò)無(wú)窮多不同的機(jī)械手位置描述，該機(jī)械手位置在慣性固定的基礎(chǔ)上通過(guò)其余的機(jī)器人1的關(guān)于固定的末端執(zhí)行器6的最后的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)彼此分離的產(chǎn)生。在軌道設(shè)計(jì)時(shí)確定能量最優(yōu)的位置作為零空間中的預(yù)定位置，在該位置機(jī)器人1必須增加最小的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力。機(jī)器人1使用軌道參數(shù)控制，該控制實(shí)現(xiàn)手動(dòng)移動(dòng)肘部，該肘部通過(guò)第4關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)角q3形成，此時(shí)末端執(zhí)行器TCP保持它的預(yù)定位置X。如果操作者已經(jīng)在預(yù)定軌道的方向移動(dòng)肘部，即圖2中向右，這樣像上面描述的那樣控制裝置相應(yīng)于位移升高速度dx/dt，該位移即為矢量差qist-qsoll的值，末端執(zhí)行器以速度dx/dt通過(guò)預(yù)定軌道x(s)。如果操作者放開肘部，軌道參數(shù)控制將肘部引導(dǎo)回預(yù)定位置，由此軌道速度重新減少到起始值。反之如果操作者與預(yù)定軌道相反的(圖2中向左)移動(dòng)肘部，即經(jīng)過(guò)軌道的機(jī)器人在肘部處“握住”肘部，這樣像上面描述的那樣控制器相應(yīng)于位移減少速度dx/dt，該位移即為矢量差qist-qsoll的值，末端執(zhí)行器以速度dx/dt 通過(guò)預(yù)定軌道x(s)。此外如果操作者與預(yù)定軌道相反的相應(yīng)的長(zhǎng)距離移動(dòng)肘部，這樣機(jī)器人1完全使肘部停止，即它的速度減為0，或者甚至向后通過(guò)已經(jīng)通過(guò)的軌道X(S)。通過(guò)本發(fā)明將實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單、直接的借此改變速度，該速度為關(guān)于預(yù)定軌道冗余的機(jī)器人通過(guò)的速度。圖3示出了德國(guó)航天航空中心的輕型機(jī)器人LBR與它夾具的工具中心點(diǎn)經(jīng)過(guò)預(yù)定軌道X(S)時(shí)的深入的透視圖。LBR能夠通過(guò)更多的機(jī)械手位置實(shí)現(xiàn)圖示的夾具位置，更多的機(jī)械手位置各自通過(guò)它的關(guān)節(jié)角清楚的確定，并且在圖3中它們的第一個(gè)通過(guò)由關(guān)節(jié)角 q定義的機(jī)械手位置用虛線表示，第二個(gè)通過(guò)由關(guān)節(jié)角q’定義的機(jī)械手位置實(shí)線表示，第三個(gè)通過(guò)由關(guān)節(jié)角q”定義的機(jī)械手位置打點(diǎn)表示。在這個(gè)示例性實(shí)施例中垂直線和LBR的肘部的垂直線之間的角a在肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)之間的連接線上作為位移被選擇，在圖3中的第一機(jī)械手位置角a為0°，在第二機(jī)械手位置為30°，在第三機(jī)械手位置為180°。操作者能夠在順應(yīng)性控制中在肘部握住LBR并且能夠沿著圖3中虛線所示的曲線在它的零空間中移動(dòng)LBR，而不用改變末端執(zhí)行器的位置。在LBR的控制器2中將在步驟SlO中檢測(cè)通過(guò)預(yù)定軌道χ (s)期間內(nèi)的關(guān)節(jié)角q’， 該關(guān)節(jié)角在機(jī)械手位置得出，操作者移動(dòng)LBR到機(jī)械手位置。由此控制器2在公知的LBR 的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上計(jì)算出角a并且打開距離為A的夾具，該距離通過(guò)角a乘以由操作者事先校準(zhǔn)的常數(shù)k得出。如果操作者在不變的末端執(zhí)行器位置在肘部處沿著圖示的虛線曲線在LBR的零空間中從第一機(jī)械手位置到第二機(jī)械手位置移動(dòng)LBR，目前封閉的夾具張開。 如果操作者在不變的末端執(zhí)行器位置在肘部處沿著圖示的虛線曲線繼續(xù)從第二到第三機(jī)械手位置移動(dòng)LBR，夾具繼續(xù)張開?？蛇x的，為了夾具張開，當(dāng)然像上述示例性實(shí)施例中一樣，沿著軌道X(S)的速度能夠作為工藝參數(shù)被改變。相關(guān)標(biāo)記列表1機(jī)器人2控制裝置
LBR輕型機(jī)器人ql，q2，· · · q7 關(guān)節(jié)角TCP工具中心點(diǎn)x(s)預(yù)定軌道
權(quán)利要求
1.一種由機(jī)械手的、特別是機(jī)器人(1 ；LBR)的末端執(zhí)行器(TCP)通過(guò)預(yù)定軌道的方法，其中該機(jī)械手具有關(guān)于預(yù)定軌道的零空間，該零空間具有至少兩個(gè)與同一個(gè)末端執(zhí)行器的位置相關(guān)的機(jī)械手位置(q，q’)，該方法具有以下步驟-檢測(cè)在零空間中機(jī)械手的位移(q_q’ ；a) (slO, s20)；-相應(yīng)于檢測(cè)到的位移改變至少一個(gè)末端執(zhí)行器的工藝參數(shù)(dx/dt ；A) (s30)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在零空間中為每個(gè)末端執(zhí)行器位置規(guī)定一個(gè)預(yù)定的機(jī)械手位置(qsoll)且檢測(cè)實(shí)際的與預(yù)定的機(jī)械手位置的差(qist-qsoll)作為該位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，執(zhí)行控制來(lái)減少該位移。
4.根據(jù)前面任一項(xiàng)的方法，其特征在于，相應(yīng)于檢測(cè)到的位移的值和/或方向來(lái)改變工藝參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，工藝參數(shù)與檢測(cè)到的位移成比例地改變。
6.根據(jù)前面任一項(xiàng)的方法，其特征在于，機(jī)械手是位置控制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法，其特征在于，機(jī)械手是力控制的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其特征在于，機(jī)械手是順應(yīng)性控制的。
9.根據(jù)前面任一項(xiàng)的方法，其特征在于，由機(jī)械手關(guān)節(jié)中的活動(dòng)和/或力來(lái)檢測(cè)位移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，以數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型為基礎(chǔ)由機(jī)械手關(guān)節(jié)中的力來(lái)檢測(cè)位移。
11.根據(jù)前面任一項(xiàng)的方法，其特征在于，軌道速度通過(guò)位移基本上可降低為0。
12.根據(jù)前面任一項(xiàng)的方法，其特征在于，預(yù)定軌道的通道方向可由位移改變。
13.一種用于機(jī)械手的、特別是機(jī)器人(1 ；LBR)的控制裝置O)，具有末端執(zhí)行器 (TCP)，用于執(zhí)行如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，具有-用于在零空間中檢測(cè)機(jī)械手的位移(q-q’ ；a)的檢測(cè)裝置；以及-用于相應(yīng)于檢測(cè)裝置檢測(cè)到的位移改變工藝參數(shù)(dx/dt ；Α)的改變裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的控制裝置，其特征在于，包括導(dǎo)向把手(FUhrimgsgriff)，為了在零空間中將機(jī)械手從一個(gè)機(jī)械手位置移動(dòng)到另一個(gè)機(jī)械手位置，分配給相同的末端執(zhí)行器位置。
15.一種機(jī)械手(1)，特別是機(jī)器人，具有根據(jù)權(quán)利要求13或14的控制裝置，其特征在于，該機(jī)械手至少具有7個(gè)自由度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于由機(jī)械手(1)的、特別是機(jī)器人的末端執(zhí)行器(TCP)通過(guò)預(yù)定軌道(x(s))的方法，機(jī)械手具有關(guān)于預(yù)定軌道的零空間，該零空間具有至少兩個(gè)與同一個(gè)末端執(zhí)行器的位置相關(guān)的機(jī)械手位置(q，q’)。根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟檢測(cè)在零空間中機(jī)械手的位移(q-q’)；并相應(yīng)于檢測(cè)到的位移改變末端執(zhí)行器的工藝參數(shù)(dx/dt)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102203685SQ200980143891
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者金特·施賴伯 申請(qǐng)人:庫(kù)卡實(shí)驗(yàn)室有限公司