用于操作多关节机器人臂的方法与流程

本发明涉及一种用于操作多关节机器人臂的方法以及一种用于执行该方法的系统和计算机程序或计算机程序产品。

背景技术：

1、由企业内部实践已知，机器人臂是借助于基于设定的额定位姿量和检测到的实际位姿量（例如tcp的笛卡尔位置）的位置调节来操作的。

2、这种（纯粹的）位置调节特别是在手动引导地利用机器人臂、特别是机器人臂引导的工具来接触环境、例如待加工的工件时，可能导致不期望的高接触力、不期望的振动等等。

3、因此，特别是由企业内部实践还已知的是，借助于力调节来操作机器人臂。在此，借助于负载传感器检测负载，例如借助于关节负载传感器检测机器人臂的节肢之间的负载，或者借助于接触负载传感器检测末端节肢上的接触负载，并且基于此和所期望的负载（例如额定接触力），通过基于相应负载调节差的驱动调节装置来操作机器人臂的驱动器。

4、由于这些负载传感器，这种力调节是非常复杂的，特别是成本高昂的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于改进机器人臂的操作，有利地使其成本更低廉。

2、本发明的目的通过具有本发明所述特征的方法得以实现。本发明还请求保护一种用于执行本文所述方法的系统或计算机程序或计算机程序产品。本发明还涉及有利的扩展方案。

3、根据本发明的一种实施方式，一种用于操作多关节机器人臂的方法包括以下步骤：

4、- 确定机器人臂的一个或多个选定的笛卡尔自由度，在一种扩展方案中是基于用户输入，其中在一种实施方式中，用户输入是本发明方法的一部分或步骤和/或借助于操作者接口、优选在下文中所阐述的输入装置上被输入或将被输入。

5、根据本发明的一种实施方式，该方法具有接触运行模式，该接触运行模式包括优选多次重复的、特别是循环重复的以下步骤：

6、- 基于输入装置的输入元件、优选可移动的输入元件的操纵、优选调节，优选地基于预设的关系和/或使得在相应的自由度中更强的操纵、特别是更大的调节对应于这些自由度中更大的额定负载，针对所选择的机器人臂笛卡尔自由度确定额定负载；

7、- 基于输入元件的操纵，优选地基于预设的关系和/或使得在相应自由度中更强的操纵、特别是更大的调节对应于这些自由度中更大的额定位姿变化，针对机器人臂的一个或多个另外的笛卡尔自由度、优选地针对机器人臂的剩余的或者说未选择的笛卡尔自由度确定额定位姿量；以及

8、- 基于针对另外的笛卡尔自由度所确定的额定位姿量和所确定的、在一种扩展方案中是借助于一个或多个位姿传感器所确定的实际位姿量，借助位置调节装置来确定位置调节负载分量。

9、上述的确定、特别是选择（所选择的）笛卡尔自由度可以特别是在接触运行模式之前或之中进行，或者在切换到接触运行模式时进行，特别是可以通过所述的选择来切换到接触运行模式。

10、在一种实施方式中，机器人臂的笛卡尔自由度是固定于机器人臂的参考点（例如tcp）在笛卡尔方向上的位置，或者是固定于机器人臂的参考点围绕机器人臂工作空间中的笛卡尔轴的旋转位置或方向。

11、在一种实施方式中，本发明意义上的负载包括一维或多维的力和/或一维或多维的转矩，特别可以是这样的力和/或转矩。相应地，在一种实施方式中，关节负载传感器是用于检测机器人的两个在关节中相互固定的节肢之间的一维或多维的转矩、优选地至少是围绕关节转动轴的转矩的单轴或多轴转矩传感器，和/或是用于检测机器人的两个在关节中相互固定的节肢之间的一维或多维的力、优选地至少是沿着关节移动轴的力的单轴或多轴力传感器，在一种实施方式中是力-力矩传感器。额定负载特别也可以等于零和/或是所谓的力螺旋（kraftwinder）。

12、在一种实施方式中，本发明意义上的位姿包括一维或多维位置和/或一维或多维方向，优选地是固定于机器人臂的参考点、特别是tcp的一维或多维位置和/或一维或多维方向；在一种实施方式中，位姿量是这样的一维或多维位置和/或一维或多维方向、和/或这种位置和/或方向的一阶和/或高阶时间导数，即特别是平移和/或旋转速度和/或加速度。

13、在本文中，基于额定位姿量和实际位姿量（之间的调节差）的调节被概括地称为位置调节，因此，本发明意义上的位置调节特别是也可以包括速度调节（位姿量包括位置和/或方向的时间导数）、微分和/或积分分量、和/或对方向或转动的调节。

14、根据本发明的一种实施方式，所述接触运行模式或者说所述方法在其接触运行模式中具有必要时同样多次或循环重复的以下步骤：

15、- 基于所确定的、在一种扩展方案中是借助于一个或多个位姿传感器所确定的机器人臂的实际位姿量，确定用于补偿机器人臂的自重和/或关节摩擦的预控制负载分量；

16、- 借助于力控制装置，基于所确定的额定负载和所确定的预控制负载分量，确定力控制负载分量；以及

17、- 借助于驱动调节装置，在一种扩展方案中是借助于电流调节器，基于所确定的位置调节负载分量和所确定的力控制负载分量来操作机器人臂的驱动器，而无需借助于关节负载传感器检测机器人臂的节肢之间的负载，优选地也无需借助于（接触）负载传感器检测机器人臂的末端节肢上的或作用在末端节肢上的接触负载。

18、与对机器人臂的所有自由度进行的力调节或混合的力-位置调节、或者阻抗调节或者说具有阻抗特性的力调节、或相对于位置的柔顺自由度不同的是，本发明是基于一种新颖的构思：在接触运行模式中选择一个或多个笛卡尔自由度，并在这些自由度中可以说是柔软地或柔顺地操作机器人臂，而在其它的笛卡尔自由度中对其进行位置调节（地操作），在一种扩展方案中是进行（最大）刚性的和/或通过关节空间中的级联调节进行位置调节，从而有利地（更）刚性地遵循经由输入元件的输入，其中，在所选择的自由度中，机器人臂的柔顺特性不是通过将借助于负载传感器检测到的实际负载与该自由度的额定负载进行比对来实现的，而是通过一种负载控制来实现，该负载控制包括用于补偿机器人臂的自重和/或关节摩擦的预控制负载分量和基于额定负载所确定的控制负载分量。

19、由此可以有利地取消力调节所需的关节负载传感器和/或接触负载传感器，从而改进机器人臂的操作，特别是更（成本）低廉地操作机器人臂。相应地，在一种实施方式中，机器人臂不具有用于检测机器人臂的节肢之间负载的关节负载传感器和/或不具有用于检测机器人臂末端节肢上的或作用在末端关节上的接触负载的接触负载传感器。

20、在一种实施方式中，该构思可以被定性地说明：如果例如所选择的自由度是垂直于机器人臂基座的重力轴线，则一方面通过机器人的驱动器在该重力轴线中施加用于补偿机器人臂自重的预控制负载分量。如果用户逆着重力方向操纵输入元件以便沿该方向引导机器人臂，则一方面额外地通过预控制负载分量补偿机器人臂的关节摩擦，另一方面根据对输入元件的操纵额外地施加逆向于重力方向的力，从而或通过该力使机器人臂逆着重力方向加速。

21、由于在此仅进行用于补偿自重和关节摩擦以及根据对输入元件的操纵或由此确定的额定负载或额定力而进行的（预）控制，而不是借助于负载传感器检测负载、将负载与所期望的负载进行比较、并基于调节差操作驱动器，因此可以改进机器人臂的操作，特别是更廉价地操作机器人臂。同时，相比于对所有笛卡尔自由度进行纯粹的位置调节，可以改进环境与机器人的接触：在纯粹位置调节的情况下，（由于在接触时已经有非常短暂的持续操作者输入而）不断增大的位置调节差会导致越来越高的（积分）驱动负载（并且这些高驱动负载在操作者输入立即结束时会保持），而通过带有用于补偿机器人臂自重和/或关节摩擦的预控制负载分量以及基于额定负载所确定的力控制负载分量的附加分量的力控制，驱动负载会有利地保持（更）受限。

22、在一种实施方式中，输入装置布置在机器人臂上，在一种扩展方案中是布置在机器人臂的远端侧或者说末端节肢上。附加地或替代地，在一种实施方式中，输入元件具有至少三个运动自由度，在一种扩展方案中具有四个、五个或特别优选地六个运动自由度，例如可以是所谓的空间鼠标等。

23、对于直接在机器人臂上进行相应的多维手动引导，尤其是因为使用边界条件，本发明是特别有利的，特别是在信号处理技术地处理由于臂的固有振动和弹性空间鼠标的刚度等所引起的反馈（rückkopplung）的情况下。

24、在一种实施方式中，本发明的方法附加地具有转移运行模式（transferbetriebsmodus），在该转移运行模式中：

25、- 基于对输入元件、优选可移动的输入元件的操纵、优选调节，也针对在接触运行模式中所选择的机器人臂的笛卡尔自由度、优选地针对机器人臂的所有笛卡尔自由度，确定额定位姿量；

26、- 借助于位置调节装置，基于（基于对输入元件的操纵为所选择的笛卡尔自由度和为机器人臂的其它笛卡尔自由度）所确定的额定位姿量和所确定的、在一种扩展方案中是借助于位姿传感器所确定的（这些）笛卡尔自由度的实际位姿量，确定位置调节负载；以及

27、- （在转移运行模式中）借助于驱动调节装置，基于所确定的位置调节负载来操作所述机器人臂的驱动器。

28、通过除了接触运行模式之外（在该接触运行模式中机器人臂在一个或多个所选择的笛卡尔自由度中被柔软地或柔顺地（预）控制，而不借助于负载传感器检测负载，而是替代于此地使用用于补偿机器人臂的自重和/或关节摩擦的预控制负载分量），还提供一种转移运行模式，在该转移运行模式中，在接触运行模式中所选择的笛卡尔自由度也借助于位置调节装置被位置调节，可以有利地、特别是（更）快速、（更）精确和/或（更）稳定地将机器人臂引导至接触区域或从接触区域（再次）引导离开，在该接触区域中机器人臂在所选择的笛卡尔自由度中表现得柔软或柔顺。由此可以（进一步）改进机器人臂的操作。

29、在一种实施方式中，除了接触运行模式和必要时的转移运行模式之外，本发明的方法还具有加工运行模式（bearbeitungsbetriebsmodus），在该加工运行模式中，力控制负载分量不是基于对输入元件的操纵所确定的额定负载，而是基于经由操作者接口所预设的工作负载被确定，在一种扩展方案中，该操作者接口布置在输入装置上并由此可以改进其操作。

30、这可以再次用前述的例子来定性地说明：如果操作者已经（手动）引导被机器人臂引导的工具或工件沿着重力轴线（机器人臂关于重力轴线表现得柔软或柔顺）与固定于环境的工件或工具相接触，操作者可以切换到加工运行模式，在该加工运行模式中，使用经由操作者接口预设的额定负载来代替取决于输入元件的操纵的额定负载，从而在加工运行模式中，操作者不必调节输入元件，而是可以（更）精确地、在一种扩展方案中是恒定地预先设定或实现额定负载，例如，为了在加工过程中实现相应的按压力，该按压力特别可以用于（自动）保持接触并由此用机器人臂的位置传感器简单地检测不平坦的表面轮廓、弯曲的边缘走向等。

31、在一种实施方式中，优选地基于经由操作者接口（在一种扩展方案中，该操作者接口可以布置在输入装置上并由此改进其操作）输入的选择命令，从接触运行模式切换到转移运行模式、和/或从接触运行模式切换到加工运行模式、和/或从转移运行模式切换到接触运行模式、和/或从加工运行模式切换到接触运行模式。

32、在一种实施方式中，所述确定用于补偿机器人臂的关节摩擦的预控制负载分量借助于至少一个操作者的训练被机器学习，在一种扩展方案中这种确定将被机器学习，特别地，相应的训练或机器学习可以是本发明方法的一部分或一个步骤。

33、这是基于以下考虑：利用机器人臂的运动学和质量数据（massendaten）或者以模型辅助的方式进行自重的补偿可以简单、精确且可靠地实现。相应地，在一种实施方式中，所述确定用于补偿机器人臂自重的预控制负载分量是基于运动学和质量数据和/或机器人臂的数值模型。机器人臂的关节摩擦的补偿特别可以包括库仑（coulombschen）摩擦和/或粘性（viskosen）摩擦的补偿，特别是起动负载（losbrechlast）的补偿和/或静摩擦（haften）与滑动摩擦（gleiten）之间的摩擦负载变化的补偿。相应的摩擦特性或其补偿可以特别有利地、尤其是（更）简单、（更）精确和/或（更）可靠地通过（用于）机器学习（的训练）被实现。

34、这种训练特别可以包括：确定、特别是适配所述预控制负载分量，使得在没有对输入元件的操纵的情况下或者说在其零位（nullstellung）中，在所选择的自由度中不会发生机器人臂在这些自由度中的运动（或相应地操作驱动器），和/或使得在所选择自由度中操纵输入元件的方向与机器人臂在这些自由度中由此产生的运动的方向相同（或相应地操作驱动器），和/或使得在所选择自由度中更强地操纵输入元件会引起机器人臂在这些自由度中更大和/或更快的运动（或相应地操作驱动器）。

35、附加地或替代地，这种训练特别可以包括：为了在机器人臂上的后续操作使用而存储训练数据，和/或与人员相关地或特定于人员地保存这些训练数据，或者与人员相关地或特定于人员地进行这种训练，从而可以根据不同操作者在使用设备时的行为进行区分。相应地，所述确定用于补偿机器人臂的关节摩擦的预控制负载分量可以借助于通过至少一个操作者的训练而与人员相关地或特定于人员地被机器学习或是与人员相关地或特定于人员地进行。

36、所述通过（相应）操作者进行的训练可以特别是（可以说是间接地）在机器人臂按计划（工作）使用期间进行，或者也可以优选直接在（工作）使用之前以（前置）学习方法进行，特别是间接地或在机器人臂按计划（工作）使用期间或借助于自身的示教练习来采集训练数据。

37、通过根据本发明的在所选择自由度中的负载（预）控制来代替在这些自由度中（通过（借助于）负载传感器（检测机器人臂的节肢上或节肢之间的负载））的力调节，机器人臂（其由于额定负载已经运动）可以在取消对输入元件的操纵之后因为对自重和/或关节摩擦的补偿而继续运动。操作者可以特别是通过相应地反向操纵输入元件或释放输入元件（例如操纵按钮，该输入元件或该操纵按钮优选自动返回到零位）来抵消这一点。

38、在一种实施方式中，预控制负载分量包括阻尼分量、优选阻尼项（dämpfungsterm），该阻尼分量抵消机器人臂在所选择的笛卡尔自由度中的运动，并且在一种扩展方案中与机器人臂在这些自由度中的速度和/或位姿相关。因此，特别是也可以通过相应的阻尼分量实现关于额定位姿的笛卡尔虚拟约束（kartesische virtuellefesselung），因此广义而言，该阻尼分量不仅可以包括或模拟（取决于速度的和/或虚拟的）阻尼负载，而且附加地或替代地也可以包括或模拟（取决于位姿的和/或虚拟的）弹性负载（federlasten），并且特别是可以包括或模拟至少一个虚拟壁。由此，可以特别是制动机器人臂的前述的继续运动，而操作者无需为此调节输入元件，并且可以提高操作的稳定性。

39、在一种实施方式中，机器人臂的至少一个（第一）驱动器是基于所确定的力控制负载分量被操作，机器人臂的一个或多个其它的（第二）驱动器、优选剩余的驱动器是基于所确定的位置调节负载分量和所确定的至少一个（第一）驱动器的实际驱动量被操作，特别地，所述至少一个（第一）驱动器可以用作柔软或柔顺切换的引导轴，其它的轴以位置调节的方式跟随该引导轴，这特别是在de102009018403a1中进行了说明，该文献作为补充参考并将其内容纳入本公开中，其中，对于该文献中所提到的至少一个引导轴的柔顺调节，根据本发明是使用力控制负载分量。

40、根据本发明的一种实施方式，一种用于操作多关节机器人臂的系统，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本文所述的方法，和/或包括：

41、- 用于确定机器人臂的至少一个选择的笛卡尔自由度的装置；

42、- 用于在接触运行模式中基于对输入装置的输入元件的操纵来确定

43、- 用于机器人臂的至少一个选择的笛卡尔自由度的额定负载，以及

44、- 用于机器人臂的至少一个其它笛卡尔自由度的额定位姿量

45、的装置；

46、- 用于在接触运行模式中借助于位置调节装置，基于所确定的额定位姿量和所确定的用于至少一个其它的笛卡尔自由度的实际位姿量来确定位置调节负载分量的装置；

47、- 用于

48、- 基于所确定的机器人臂的实际位姿量来确定用于补偿机器人臂的自重和/或关节摩擦的预控制负载分量；以及

49、- 在接触运行模式中借助于力控制装置，基于所确定的额定负载和所确定的预控制负载分量来确定力控制负载分量

50、的装置；以及

51、- 用于在接触运行模式中借助于驱动调节装置，基于所确定的位置调节负载分量和所确定的力控制负载分量来操作机器人臂的驱动器的装置，无需借助于关节负载传感器检测机器人臂的节肢之间的负载，优选地也无需借助于（接触）负载传感器检测机器人臂的末端节肢上的或作用在末端节肢上的接触负载。

52、在一种实施方式中，所述系统附加地具有转移运行模式，在该转移运行模式中：

53、- 还针对机器人臂的至少一个选择的笛卡尔自由度，基于对可移动输入元件的操纵来确定额定位姿量；

54、- 借助于位置调节装置，基于针对笛卡尔自由度所确定的额定位姿量和所确定的实际位姿量来确定位置调节负载；以及

55、- 借助于驱动调节装置，基于所确定的位置调节负载来操作机器人臂的驱动器。

56、在一种实施方式中，所述系统附加地具有加工运行模式，在该加工运行模式中，力控制负载分量不是基于根据对可移动输入元件的操纵所确定的额定负载被确定，而是基于经由操作者接口预设的工作负载被确定。

57、在一种实施方式中，所述系统具有至少部分基于机器学习的数据处理装置，用于确定用于补偿机器人臂的关节摩擦的预控制负载分量，该数据处理装置由至少一个操作者来训练、或者已经机器学习过所述的确定、或者执行已机器学习过的确定。

58、在一种实施方式中，所述系统具有用于基于所确定的力控制负载分量来操作机器人臂的至少一个（第一）驱动器并基于所确定的位置调节负载分量和所确定的至少一个（第一）驱动器的实际驱动量来操作机器人臂的至少一个其它驱动器的装置。

59、本发明意义上的系统和/或装置可以硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：至少一个优选与存储系统和/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，尤其是微处理器单元（cpu）、图形卡（gpu）等；和/或一个或多个程序或程序模块，特别是一个或多个优选被相应编程的计算机。处理单元可以被设计为：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、固态的和/或其它非易失性的介质。程序可以被构造为体现或能够执行本文所述的方法，从而使得处理单元能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够操作机器人臂。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有、特别可以是尤其是计算机可读的和/或非易失性的、用于存储程序或指令的或者其上存储有程序或指令的存储介质。在一种实施方式中，通过系统或控制器、特别是计算机或多个计算机阵列执行程序或其指令，使得该系统或控制器、特别是计算机执行本文所述的方法或其一个或多个步骤，或者所述程序或指令被设计用于此目的。

60、在一种实施方式中，所述方法的一个或多个、特别是所有步骤被完全或部分地计算机实现，或者所述方法的一个或多个、特别是所有步骤被完全或部分地自动执行，特别是通过所述系统或其装置来执行。

61、在一种实施方式中，所述系统具有所述机器人臂和/或所述输入装置和/或所述操作者接口，和/或所述驱动调节装置具有一个或多个驱动调节器，在一种扩展方案中具有电流调节器，用于操作所述驱动器。