本發明涉及用于控制機器人的一種方法和一種系統以及一種用于執行該方法的計算機程序產品。

背景技術：

由專利文獻US2004/0128026A1已知一種利用導納調節的機器人控制器，當機器人靠近預設的邊界時，提高它的調節參數。

技術實現要素：

本發明的目的在于改善對機器人的控制。

本發明的目的通過一種用于控制機器人的方法來實現。本發明還涉及一種用于根據這里所描述的方法來控制機器人的系統或一種用于執行在這里所描述的方法的計算機程序產品。優選的擴展方案在下面給出。

根據本發明的一種實施方式，用于控制機器人的方法具有特別是自動化的或通過計算機輔助的下述步驟：

-確定機器人的實際速度；

-確定額定速度；

-基于或者說根據額定速度和實際速度之間的差值來確定緩沖驅動參量以及

-基于或者說根據該緩沖驅動參量來操控機器人的具有一個或多個驅動器的驅動機構，

其中，額定速度基于或者說根據

-預設最大速度，

-預設最小速度和/或

-機器人相對一個或多個預設邊界的距離

來確定。

在一種實施方式中，速度、特別是實際速度和/或額定速度可以包括機器人的固定于機器人的參照物的、特別是TCP的一維或多維的平移和/或旋轉速度，特別可以是機器人的固定于機器人的參照物的、特別是TCP的一維或多維的平移和/或旋轉速度，尤其是在一個或多個空間方向或者說自由度上的速度(分量)。同樣地，在一種實施方式中，一維或多維的速度、特別是實際速度和/或額定速度可以包括機器人的一個或多個驅動器和/或關節或者說關節自由度的平移和/或旋轉速度，特別可以是機器人的一個或多個驅動器和/或關節或者說關節自由度的平移和/或旋轉速度。速度在此概括地以來表示。

在一種實施方式中，實際速度可以借助于相應的傳感器來檢測，在此，在一種擴展方案中，固定于機器人的參照物的速度可以基于所測得的機器人關節的速度并借助于正向變換來確定。

在一種實施方式中，機器人具有一個或多個、特別是至少六個或更多個軸或者說關節、特別是轉動軸和/或線性軸或者說推力軸，或者說轉動關節和/或線性關節，并且在一種擴展方案中，機器人具有用于使軸或者說關節運動的驅動器、特別是電動馬達。在一種實施方式中，機器人是工業機器人。

在一種實施方式中，一維或多維驅動參量可以包括機器人的一個或多個驅動力和/或驅動力矩(驅動轉矩)，特別可以是機器人的一個或多個驅動力和/或驅動力矩(驅動轉矩)。該驅動參量在此概括地以τ來表示。

在一種實施方式中，驅動機構是基于驅動參量、特別是緩沖驅動參量，并在一種擴展方案中基于一個或多個另外的驅動參量、特別是將在后面闡釋的柔性驅動參量(Nachgiebigkeits-)被以如下的方式操控，即，該驅動機構(也)(嘗試)試圖影響或者說施加上述的一個(多個)驅動參量，特別是(也)至少基本上影響或者說施加上述這樣的驅動參量。相應地，這種驅動參量特別可以包括機器人的一個或多個額定的或實際的驅動力和/或驅動力矩(驅動轉矩)或者說其中的一部分，特別是可以是機器人的一個或多個額定的或實際的驅動力和/或驅動力矩(驅動轉矩)或者說其中的一部分。

在一種實施方式中，通過緩沖驅動參量能夠以有利的方式減緩機器人的運動、特別是通過對機器人的柔性調節和/或手動引導所發生的運動。換句話說，在一種實施方式中提供一種緩沖，在一種擴展方案中，該緩沖以有利的方式相對于柔性調節框架內的緩沖附加地或平行地起作用。

在一種實施方式中，通過基于特別是固定地或可變地設定的一維或多維最大速度來確定額定速度，可以有利地限定特別是在通過對機器人的柔性調節和/或手動引導所發生的運動中機器人的速度：在一種擴展方案中，如果實際速度超過預設的最大速度，那么緩沖驅動參量特別是以分量的方式制動這種運動。

在一種實施方式中，通過基于特別是固定地或可變地設定的一維或多維最小速度來確定額定速度，將有利地在低于最小速度并且最大在所限定的環境中的情況下，使機器人的運動、特別是通過對機器人的柔性調節和/或手動引導所發生的運動，特別是至少基本上不會受到緩沖驅動參量的影響，特別是以分量的方式。

在一種實施方式中，通過基于機器人到預設邊界的一維或多維的距離來確定額定速度，將有利地在接近相應邊界或者說在相應邊界附近的情況下通過緩沖驅動參量來劇烈地緩沖機器人的運動、特別是通過對機器人的柔性調節和/或手動引導所發生的運動，或者在到對應邊界的距離較大的情況下通過緩沖驅動參量來輕緩地緩沖機器人的運動、特別是通過對機器人的柔性調節和/或手動引導所發生的運動，從而能夠特別是由一個(多個)邊界所限定的容許區域中有利地實現自由的(更自由的)運動，特別是以分量的方式。

在一種實施方式中，機器人到預設邊界的距離可以是機器人的一個或多個固定于機器人的參照物、特別是TCP到預設在機器人工作空間中的邊界的距離。同樣地，在一種實施方式中，機器人到預設邊界的距離可以包括關節位置和/或驅動器位置到預設在機器人的關節坐標空間或驅動器坐標空間中的邊界的距離，特別可以是關節位置和/或驅動器位置到預設在機器人的關節坐標空間或驅動器坐標空間中的邊界的距離。

概括地，以q_max來表示一維或多維的上邊界，以q_min來表示一維或多維的下邊界，并以q_ist來表示機器人在機器人的工作坐標空間或關節坐標空間或者說驅動器坐標空間中的一維或多維的(實際)姿態或者說位置。在一種實施方式中，機器人相對預設邊界i的一維或多維距離dist_i可以特別是以分量方式或者說針對第j個分量或者說坐標，并根據

dist_i＝(q_max,i-q_ist)bzw.dist_j,i＝(q_j,max,i-q_j,ist) (1)，

或

dist_i＝(q_ist-q_min,i)bzw.dist_j,i＝(q_j,ist-q_j,min,i) (1′)，

來定義或確定?？梢钥闯觯涸谝环N實施方式中，該距離通常具有正負號，當機器人位于預設的上邊界之下或預設的下邊界之上或者說在允許范圍中時，特別是以分量方式剛好是正的；反過來，當機器人位于預設的上邊界之上或預設的下邊界之下或者說不在允許范圍中時，特別是以分量方式剛好是負的。

相應地在一種實施方式中，額定速度一般地特別是以分量方式被如下地確定：即，在機器人到同一預設邊界的距離數值相等的情況下，只要機器人處于該邊界的允許側上，則額定速度是(絕對地或者說考慮正負號地)較大的；只要機器人處在該邊界的不允許側上，則額定速度是(絕對地或者說考慮正負號地)較小的。

在一種實施方式中，如果設置n≥1個邊界，特別是針對機器人尤其是在工作坐標空間或關節坐標空間或者說驅動器坐標空間中的姿態或者說位置的一個或多個分量或者說坐標設置一個或多個上邊界和下邊界，那么在一種擴展方案中，(被絕對地視為)最小的距離、特別是多維距離的(被絕對地視為)最小的分量被確定為機器人到所有預設邊界的(一維)距離dist，即，可能的數值最大的負距離：

由此將有利地考慮到可能被打破的最強邊界。同樣地，特別是可以針對工作空間的各個空間方向或者機器人的不同的關節或者說驅動器或以分量方式來確定作為確定額定速度的基礎的距離，該距離也可以相應地是多維的：

在一種實施方式中，基于柔性調節、特別是阻抗調節或導納調節來確定前面所提到的柔性驅動參量，并附加地基于該柔性驅動參量、特別是基于緩沖驅動參量和柔性驅動參量的和來操控驅動機構。

在一種實施方式中，阻抗或導納調節以常見的方式通告了機器人的彈簧特性，特別是彈簧-緩沖器特性和/或質量-彈簧特性，尤其是質量-彈簧-緩沖器特性，從而使得機器人獲得虛擬的彈簧或者說彈簧-緩沖器組的結果，或者說作為具有能通過調節參數預設的剛性和/或緩沖的(質量)-彈簧(-緩沖器)系統(作出反應)起作用。關于這一點請補充地參考開頭提到的專利文獻US2004/0128026 A1，它的內容被明確地收入本申請中。為了實現緊湊的說明，在本文中也概括地將調節視為本發明意義下的控制，因此例如對機器人的控制或對驅動機構的操控特別是也包括對機器人的調節或對驅動機構的調節。

通過基本已知的柔性調節可以實現機器人的有利表現，特別是手動引導和/或有利的碰撞行為。在一種實施方式中，當除了柔性調節的柔性驅動參量之外還附加地、特別是添加性地調節緩沖驅動參量，或者基于緩沖驅動參量和柔性驅動參量的和來操控驅動機構時，則可以有利地使柔性調節的緩沖與其剛性相協調，特別是用于減少、尤其是避免超調并同時通過與此無關的緩沖驅動參量提供關于最大速度的限定和/或在預設邊界附近的強烈緩沖。

相應地在一種擴展方案中，對柔性調節的緩沖、特別是緩沖參數或者說緩沖系數依賴于柔性調節的剛性、特別是剛性參數或者說剛性系數，特別是線性地和/或基于萊爾緩沖(Lehrschen)。

在一種實施方式中，額定速度(其在后面在不限于一般性的情況下以表示)特別是以分量方式在數值上向上受到預設的最大速度的限制，該最大速度在不限于一般性的情況下在下文中以表示。附加地或替換地，額定速度特別是以分量方式在數值上向下受到預設的最小速度的限制，該最小速度在不限于一般性的情況下在下文中以表示：

多維的速度可以按照分量方式相應地被限定為：

在一種實施方式中，額定速度可以特別是以分量方式根據下述公式并利用預設的一維或多維的、正的常量和矢量來限定或確定：

或

其中，一維或多維距離特別可以根據公式(1)-(1″)來限定或確定，特別是在附加的邊緣條件(2)下：

或

換句話說，在一種實施方式中，當機器人位于一個(多個)預設邊界的不允許范圍中時(dist_(j)＞0)，特別是以分量方式將所預設的最小速度確定為額定速度。

附加地或替代地，在一種實施方案中，當機器人位于一個(多個)預設邊界的允許范圍中并相對于該允許范圍具有如下的預設距離時：

或者

特別是以分量方式在附加邊緣條件(2)的情況下將所預設的最小速度確定為額定速度。

附加地或替代地，在一種實施方式中，當機器人位于該邊界的容許一側時，額定速度特別是以分量方式在數值上隨著機器人到一預設邊界的距離、特別是線性地或根據公式(3)或(3′)一起增加，尤其是增加至預設的最大速度。

就像前面闡釋的那樣，這點特別可以適合于分量方式，即，例如針對額定速度的第j個分量

或

其中，dist_(j)可以是一維距離或者根據等式(1)-(1″)的多維距離的相應第j個分量，并且可以是一維最小速度或多維最小速度的相應分量。

在一種實施方式中，緩沖驅動參量(在這里被概括地表示為τ_d)特別以分量方式與實際速度(在這里概括地表示以)相反或者說反作用于實際速度，或者說試圖降低該實際速度。在注意到符號的情況下，在一種實施方式中特別適用的是：

或者

附加地或替代地，在一種實施方式中，緩沖驅動參量τ_d特別是以分量方式被如下地確定：即，只要額定速度(的分量)在數值上超過實際速度(的分量)，則緩沖驅動參量在數值上不超過預設的、特別是正的最小值τ_d0、特別是至少基本上等于零：

或

換句話說，在一種實施方式中，只要實際速度在數值上低于額定速度，則至少基本上沒有緩沖驅動參量在相應的自由度上受到影響或發出。就像已提到的那樣，公式(7)，(7′)特別可以按照分量方式適用：

或

附加地或替代地，在一種實施方式中，緩沖驅動參量τ_d特別以分量方式在數值上向上受到預設最大參量的限制，該預設的最大參量在下文中在不限于一般性的情況下以τ_max表示：

|τ_d|≤τ_max (8)

或

|τ_j,d|≤τ_j,max (8)。

附加地或替代地，在一種實施方式中，緩沖驅動參量特別以分量方式被如下地確定：即，如果實際速度(的相應分量)在數值上超過額定速度(的相應分量)，則緩沖驅動參量在數值上隨著額定速度(的相應分量)與實際速度(的相應分量)之間的差值一起增加，特別是在數值上與額定速度(的相應分量)與實際速度(的相應分量)之間的差值成比例：

或

其中，K_Pv＝diag(K_1,Pv,K_2,Pv,...)為預設的一維或多維常量，特別是在附加邊緣條件(6)，(7)或(7′)和/或(8)下。邊緣條件(6)特別可以根據下述公式利用符號函數或者說正負號函數sgn來考慮，

其中，τ_d和被定義為符號相同，也就是說緩沖驅動參量τ_d與實際速度是反向的或反向地起作用。

就像已提到的那樣，等式(9)-(9″)還適用于分量方式：

或

或

根據本發明的一種實施方式，用于特別是硬件技術和/或軟件技術或者說程序技術地控制機器人的系統被設置用于執行在這里所描述的方法，和/或具有：

-用于確定機器人的一個或多個實際速度的器件；

-用于基于一個或多個預設的最大速度、一個或多個預設的最小速度和/或機器人到至少一個或者一個/多個預設邊界的距離來確定一個或多個額定速度的器件；

-用于基于額定速度和實際速度之間的一個或多個差值來確定一個或多個緩沖驅動參量的器件；以及

-用于基于緩沖驅動參量來操控機器人的一個或多個驅動機構的器件，這些驅動機構具有至少一個驅動器。

在一種實施方式中，所述系統具有用于基于一個或多個柔性調節、特別是阻抗調節或導納調節來確定一個或多個柔性驅動參量的器件，其中，用于操控驅動機構的器件被設計，附加地基于柔性驅動參量，特別是基于緩沖驅動參量和柔性驅動參量的和來操控驅動機構。

在一種實施方式中，所述系統具有用于在數值上通過預設的最大速度向上限定和/或通過預設的最小速度向下限定額定速度的器件。

在一種實施方式中，所述系統具有如下的用于確定額定速度的器件：在機器人到同一預設邊界的距離數值相等的情況下，只要機器人位于該邊界的容許一側，則額定速度較大；只要機器人位于該邊界的不容許一側，則額定速度較小。

在一種實施方式中，所述系統具有如下的用于確定緩沖驅動參量的器件：只要額定速度在數值上超過實際速度，則緩沖驅動參量特別是以分量方式不超過預設的最小值，特別是至少基本等于零。

在一種實施方式中，所述系統具有用于通過預設的最大參量特別是以分量方式在數值上向上限定緩沖驅動參量的器件。

在一種實施方式中，所述系統具有如下的用于確定緩沖驅動參量的器件：當實際速度在數值上超過額定速度時，緩沖驅動參量特別是以分量方式在數值上隨著額定速度與實際速度之間的差值一起增加，特別是在數值上與額定速度和實際速度之間的差值成比例。

本發明意義下的器件可以通過硬件技術和/或軟件技術來實現，特別是具有：優選與存儲系統和/或總線系統數據或信號連接的處理單元，特別是數字處理單元，尤其是微處理器(CPU)；和/或一個或多個程序或程序模塊。CPU可以被設計為：使執行儲存在存儲系統中的程序的命令運行；檢測數據總線的輸入信號和/或將輸出信號發送到數據總線上。存儲系統可以具有一個或多個特別是不同的存儲介質，尤其是光學介質、磁性介質、固體介質和/或其他的非易失性介質。所述程序可以被如下地提供：即，該程序能夠使在此所述的方法具體化或者說能夠實施在此所述的方法，從而使得CPU可以執行該方法的步驟，并由此特別是可以控制機器人。

附圖說明

其他的優點和特征由從屬權利要求和實施例給出。為此部分示意性地示出：

圖1：根據本發明的一種實施方式的機器人和用于控制該機器人的系統；

圖2：機器人到預設邊界的距離；

圖3：取決于距離的額定速度；

圖4：取決于額定速度和實際速度的緩沖驅動參量；以及

圖5：根據本發明的一種實施方式的、用于控制機器人的方法。

其中，附圖標記列表如下：

1機器人

2控制器

A₁，...，A₆驅動器

q₁，...，q₆關節角度

q_ist實際位置

q_max，q_min上邊界/下邊界

額定速度

實際速度

最大/最小速度

dist距離

τ_d緩沖驅動參量

τ_max最大參量

具體實施方式

圖1和圖5分別示出了根據本發明的一種實施方式的、具有驅動器A1,...,A6的機器人1和一種具有用于控制機器人1的控制器2的系統或者說一種由控制器2執行的用于控制機器人1的方法。

在第一步驟S10中，控制器2根據前面闡釋的等式(1)至(1″)來確定機器人2與預設邊界q_max、q_min的距離dist。這在圖2中示出。在此，q_ist表示被檢測到的機器人1的實際位置，例如它的一個或多個如圖1所示的關節角度q₁，...，q₆或者它的TCP在工作空間中的與這些關節角度相應的位態和/或定向的一個或多個分量。相應地，q_max，q_min同樣特別是可以在關節角度空間或工作空間中被預設。

在所示出的機器人1的姿勢中，根據等式(1′)的到下邊界q_min的正的距離小于根據等式(1)的到上邊界q_max的同樣為正的距離，并因此根據等式(1″)將其確定為機器人1到預設邊界q_max、q_min的距離dist。為了實現圖解說明，也以虛線簡示出機器人位于預設上邊界q_max上方的不容許區域(圖1中的陰影)中的另一實際位置，該實際位置對應于負的距離<0。

因此，如果在多個空間方向或者說關節上預先設定邊界，則特別是可以將(絕對可看到的或帶正負號的)最小距離確定為距離dist，如圖2所示。

這樣的距離確定同樣可以如同在后面所描述一種實施方式中的步驟那樣以分量方式進行，由此，q_min，q_max和q_ist可以分別表示該位置沿著如圖2所示坐標軸的一個分量。

然后，控制器2在步驟S20中根據等式(3′)并在基于等式(2)的附加邊緣條件下確定額定速度這一點在圖3中示出。在該圖示中，一方面可以看到額定速度與機器人1到預設邊界的(取決于實際位置的)距離(見等式(3′))的線性相關性，另一方面還可以看到通過預設最大速度在數值上對額定速度的向上限定和通過預設的最小速度在數值上對額定速度的向下限定(見等式(2))。這可以就像已提到的那樣特別是以分量方式進行，從而使得和可以分別表示速度的一個分量。

然后，控制器2在步驟S30中根據等式(9″)在附加邊緣條件(7′)和(8)下確定了緩沖驅動參量τ_d。這一點在圖4中示出。在該圖示中，一方面可以看到根據等式(8)通過預設最大參量τ_max在數值上對緩沖驅動參量τ_d的限定。另一方面可以清楚地看到緩沖驅動參量τ_d以如下方式被確定：即，只要額定速度數值上超過實際速度(參見等式(7′))，那么該緩沖驅動參量等于零。反過來，如果實際速度數值上超過了額定速度那么根據等式(9″)以如下方式來確定緩沖驅動參量τ_d：即，該緩沖驅動參量在數值上與額定速度和實際速度之間的差值成比例地增加，直至其通過最大參量τ_max被限定。在此，緩沖驅動參量τ_d根據等式(6)與實際速度反向。這也可以如同所描述的那樣特別是以分量方式進行，從而使得和τ_d或τ_max可以分別表示速度的一個分量或者驅動器A1，...A6的一個驅動力或者驅動力矩(轉矩)。

控制器2在步驟S40中還附加于柔性驅動參量τ_d地發出緩沖驅動參量到機器人1的驅動器A1，...，A6上，該柔性驅動參量基于柔性調節、特別是阻抗調節或導納調節以基本已知并因此在這里未詳細示出的方式來確定。

雖然在前面的描述中闡釋了示例性的實施方案，但是要指出的是還可能有很多的變型方案。

因此就像多次提到的那樣，可以特別是分別針對機器人1的一個或多個位置分量、速度分量和驅動參量分量或者說自由度來執行這些步驟，這些參量或自由度相應于前面被標記為矢量的參量特別也是純量(skalar)的，并表示了在一空間方向上或者一驅動器坐標自由度或關節坐標自由度上的位置、速度或驅動參量。

這些單個的計算或公式特別可以分別在機器人的驅動器坐標空間或者說關節坐標空間或工作空間中實施，其中，這些參量可以在需要時通過正向轉換或逆向轉換在這些空間之間轉換。因此，例如可以將在工作空間中設定的邊界轉化到驅動器坐標空間或者說關節坐標空間中，然后在那里直接確定驅動力或者驅動力矩(驅動轉矩)。同樣地，也可以將在工作空間中確定的驅動參量轉化到驅動器坐標空間或者說關節坐標空間中。

此外要指出的是，這些示例性實施方案僅僅是示例，它們不應以任何方式限制保護范圍、應用方案和結構。相反，通過前面的描述給本領域技術人員提供了用于對至少一個示例性實施方案進行轉換的教導，其中，特別是關于所描述的組成部分的功能和設置的不同變化可以在不離開例如從權利要求書和與權利要求書等效的特征組合所獲得的保護范圍的情況下進行。