安全激活机器人臂的自由驱动模式的制作方法

1.本发明涉及一种具有机器人控制器的机器人臂，该机器人控制器控制该机器人臂的多个机器人关节，该多个机器人关节连接机器人基座和机器人工具凸缘，其中机器人臂的机器人关节可由用户以所谓的自由驱动模式进行手动操纵。


背景技术：

2.包括多个机器人关节和连杆的机器人臂(其中马达或致动器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。机器人控制器被配置成控制机器人关节，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配置成使机器人臂的部分相对于彼此旋转的旋转机器人关节，被配置成使机器人臂的部分相对于彼此平移的棱柱关节和/或被配置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。
3.通常，机器人控制器被配置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能够确定为了(例如)以指定速度、加速度移动机器人关节或为了将机器人臂保持在静态姿势，关节马达或致动器将提供哪些扭矩和/或力。
4.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、视觉系统、位置指示器等。
5.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、磁夹持器、螺纹接合机、焊接装备、分配系统、视觉系统等。当提供这种端部执行器时，有必要对这种端部执行器提供给机器人臂的有效载荷信息进行估计。通常，用户手动将有效载荷信息输入运动学模型中，之后控制器在控制机器人时可考虑有效载荷信息。通常，有效载荷信息包括与物体的重量和姿态相关的信息，其中物体的姿态与物体相对于机器人臂(例如机器人工具凸缘)的位置和取向相关。可例如将姿态指示为物体的质心相对于机器人工具凸缘的位置。许多用户很难设置正确的有效载荷信息，或完全忽略/忘记设置有效载荷信息。
6.许多机器人臂可被设置为所谓的自由驱动操作模式或零g操作模式，其中用户可通过推动或拉动机器人臂来手动改变机器人臂的姿势，并且其中机器人控制器被配置成当用户未推动或拉动机器人臂时将机器人臂保持在一个姿势。在自由驱动操作模式下，机器人控制器被配置成基于关节编码器和机器人的动态模型来控制由机器人关节的马达提供
的马达扭矩。通常，关节编码器提供指示关节中的每一个关节的关节角度的信号，并且控制器可基于该关节角度和机器人的动态模型来计算将机器人臂保持在一个姿势所需的力/扭矩。当用户推动或拉动机器人臂时，可记录关节角度的变化，并且机器人控制器被配置成允许机器人的移动。在一些实施方案中，控制器可被配置成当关节角度的变化已被记录时(例如)为了帮助机器人臂的移动将马达扭矩施加到关节马达，为了改变机器人臂的姿势而施加用户需要克服的一些阻力。一些机器人臂包括扭矩传感器，该扭矩传感器被配置成指示施加到每个机器人关节的扭矩，并且机器人控制器可被配置成基于施加到机器人关节的扭矩来控制施加到机器人关节的马达扭矩。
7.已知的自由驱动模式需要操纵各个机器人关节以便机器人臂改变姿势，而这在一些情况下可能是困难的，例如在工作站，机器人臂的一部分被放置在防护罩后，从而防止用户旋转一些机器人关节。
8.us 6212433b1公开了一种直接教导装置，其允许操作者在安全情况下执行直接教导。该装置包括力检测器和教导工具。该工具包括固定到第一检测器并由操作者握持以引导机器人的工作工具或柄部。该工具还包括用于基于力检测器数据和运动模型来计算位置或速度指令的设备。该工具还包括用于根据位置或速度指令来计算用于驱动机器人的马达的生成扭矩的设备，以及用于控制生成的扭矩的控制器。用户需要配置向机器人系统提供教导装置，这使教导装置的使用复杂化，并且还使用户只能从教导装置移动机器人臂。
9.us 2012/130541公开了用于直接并安全地教导机器人的方法和装置。该装置由封装在紧凑壳体中的多个触觉传感器和电子电路以及从壳体突出的柄部组成。该柄部为操作者提供了简单的装置来施加外力并作用于生成到机器人控制器的电信号的传感器。用户需要配置为机器人系统提供柄部装置，由于柄部装置的轴线需要联结到指定的关节，这使柄部装置的使用复杂化，并且还使用户仅能使用该柄部装置移动机器人臂。
10.机器人臂在自由驱动模式下的安全操作需要向机器人控制器校正例如有效载荷的重量的规格，以避免在自由驱动模式激活时的危险情况。此外，已知的问题是，例如在确定有效载荷的重量时使用的传感器随时间推移漂移，从而导致由机器人控制器进行的错误有效载荷重量计算和潜在的危险情况。因此，如果(例如)将机器人臂保持在给定姿势所需的力是基于有效载荷重量的错误计算，则可能会发生危险情况。


技术实现要素：

11.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。这通过根据本发明的第一方面、第二方面和/或第三方面的机器人控制器、机器人和方法来实现，其中本发明的第一方面、第二方面和第三方面的各种实施方案在以下段落中。
12.本发明的第一方面
13.这通过根据本发明的第一方面的机器人控制器、机器人臂和方法来实现，其中用于控制机器人臂的机器人控制器能够从当前操作模式切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式下的所述机器人控制器被配置成：
14.·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
15.·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化；
16.其中所述自由驱动操作模式能够由用户建立到所述机器人控制器的自由驱动激
活信号来激活，其中所述机器人控制器被配置成在接收到所述自由驱动激活信号时发起自由驱动模式激活序列，所述自由驱动模式激活序列包括以下步骤：
17.在预定激活序列时间段内监测至少一个关节传感器参数的值，以及
18.将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值进行比较；
19.其中所述机器人控制器被配置成如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述预定激活序列时间段内不超过所述至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值，则切换到所述自由驱动操作模式。
20.限定将所限定的关节传感器参数值与阈值进行比较的激活序列时间段(有时也称为时间窗口)是有利的，因为其具有分选不旨在激活自由驱动的关节传感器参数的效果。因此确保了对机器人臂的碰撞或随机撞击，该机器人臂的工具或有效载荷并未激活自由驱动模式。此外，这是有利的，因为其具有以下效果：如果测量值在所限定的时间段内超过了相关阈值，则进入自由驱动模式。通过建立该激活序列时间段，建立了中间自由驱动模式测试时间段，这是有利的，因为其具有以下效果：由于通过自由驱动激活关节传感器参数阈值防止或至少减少由于(例如)向机器人控制器错误输入有效载荷重量而导致的机器人臂的意外移动。激活关节传感器参数阈值可为适合于限定阈值的任何种类的值，诸如最大值、最小值、特定值、值范围、值界限等。关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值意味着关节传感器参数的值处于由阈值限定的允许值内或不违反由阈值限定的允许值。例如，在最大阈值的情况下，如果关节传感器参数的值小于关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。而且，在最小阈值的情况下，如果关节传感器参数的值大于关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。而且，在阈值范围的情况下，如果关节传感器参数的值大于下限关节传感器参数阈值并且小于上限关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。因此，当用户在机器人臂的范围内激活自由驱动模式时，错误有效载荷重量将不会导致机器人臂在未预测的方向上移动，从而可能针对用户产生危险情况。如果所监测的关节传感器参数值超过相关阈值，则将停止机器人臂的移动。
21.在激活序列之后，控制器可进入自由驱动操作模式，其中可允许限制更少的安全要求，这导致更加用户友好的自由驱动操作模式。
22.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器被配置成如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述预定激活序列时间段内确实超过所述至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值，则保持在所述当前操作模式下。这导致机器人不会在自由驱动操作模式未被激活的情况下进入安全停止的效果。这对于用户来说是节省时间的，因为机器人臂不需要由于安全停止而被重启和/或重新激活。在实施方案中，经由用户界面向用户通知哪些关节传感器参数防止机器人臂进入自由驱动操作模式。这具有用户可快速且高效地去除障碍物，然后再次尝试激活自由驱动操作模式的效果。
23.根据本发明的实施方案，预定激活序列时间段是以下时间段中的至少任何一个时间段：5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒和1/4秒。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人臂将在至少5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒或1/4秒的至少一个预定时间段内进入自由驱动模式激活序列时段，而不直接冒着遭遇由于(例如)错误有效载荷重量而导致的危险情况的风险进入自
由驱动模式。此外，可确保至少一个关节传感器参数在至少一个预定义时间段内不超过至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值，从而提供自由驱动操作模式的更安全的激活。
24.根据本发明的实施方案，预定激活序列时间段是以下时间段中的至多任何一个时间段：5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒和1/4秒。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人臂将仅在至多5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒或1/4秒的至多一个预定时间段内进入自由驱动模式激活序列时段，因此避免了机器人臂在可能令用户烦躁的未知时间段内保持在激活序列中。可通过将机器人控制器配置成在最大时间段已经到期时退出激活序列时段来避免这种情况。例如，如果在激活序列时段期间，尚不可确定至少一个关节传感器参数是否不超过至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值，则机器人控制器可被配置成不进入自由驱动操作模式。
25.因此，激活序列时间段可在已经接收到自由驱动激活信号之后的以下时间段中的任何一个时间段内执行：0秒至1/4秒；0秒至1/2秒；0秒至1秒；0秒至2秒；0秒至3秒；0秒至5秒；1/4秒至1/2秒；1/4秒至1秒；1/4秒至2秒；1/4秒至3秒；1/4秒至5秒；1/2秒至1秒；1/2秒至2秒；1/2秒至3秒；1/2秒至5秒；1秒至2秒；1秒至3秒；1秒至5秒；2秒至3秒；2秒至5秒；3秒至5秒；或在以下固定时间段中的任何一个固定时间段内执行：1/4秒；1/2秒；1秒；2秒、3秒或5秒。这使得可以提供激活序列时段，该激活序列时段确保了机器人臂可切换到自由驱动操作模式的正确验证，并且同时防止用户因等待时间而过于烦躁。
26.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器被配置成用于在激活时间段内接收到所述自由驱动激活信号时发起所述自由驱动模式激活序列。这是有利的，因为其具有仅有意建立的自由驱动信号被用于进入激活序列的效果。例如，机器人控制器可被配置成在激活时间段内连续接收到自由驱动激活信号时进入激活序列。识别有意的自由驱动激活信号的替代方式是机器人控制器以(例如)离散信号的预定序列或模式接收到激活自由驱动激活信号的情况。
27.根据本发明的实施方案，预定激活时间段是以下时间段中的至少任何一个时间段：5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒和1/4秒。这是有利的，因为其具有以下效果：当机器人控制器已经在至少5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒或1/4秒的至少一个预定时间段内接收到自由驱动激活信号时，机器人臂将进入自由驱动模式激活序列。这使得可以提供实际用户的用于激活自由驱动模式激活序列的意图的更稳健的记录，因为可通过确保在预定激活时间段期间接收到自由驱动激活信号来分选无意中生成的最终自由驱动激活信号。
28.根据本发明的实施方案，预定激活时间段是以下时间段中的至多任何一个时间段：5秒、3秒、2秒、1秒、1/2秒和1/4秒。这使得可以提供用户的用于激活自由驱动模式激活序列的意图的用户友好记录，因为可将用户生成自由驱动激活信号的等待时间指定为特定时间段，并且因此，用户将知道为了进入自由驱动操作模式需要多长时间。
29.因此，激活时间段可在初始接收到自由驱动激活之后的以下时间段中的任何一个时间段内执行：0-1/4秒；0秒至1/2秒；0秒至1秒；0秒至2秒；0秒至3秒；0秒至5秒；1/4秒至1/2秒；1/4秒至1秒；1/4秒至2秒；1/4秒至3秒；1/4秒至5秒；1/2秒至1秒；1/2秒至2秒；1/2秒至3秒；1/2秒至5秒；1秒至2秒；1秒至3秒；1秒至5秒；2秒至3秒；2秒至5秒；3秒至5秒；或在以下固定时间段中的任何一个固定时间段内执行：1/4秒；1/2秒；1秒；2秒、3秒或5秒。
30.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器被配置成用于在至少一个预定自由驱
动时间段内将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下。预定自由驱动时间段是在机器人控制器已经切换到自由驱动操作模式之后，机器人控制器将机器人臂保持在自由驱动操作模式下的时间段。这确保了用户在激活自由驱动操作模式之后具有一定时间来启动机器人臂的移动。
31.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器另外被配置成用于在所述机器人臂处于静态姿势时开启预定重启自由驱动时间段。预定重启自由驱动时间段是在机器人臂已经以静态姿势布置时(例如在用户已经停止移动机器人臂并且因此不向机器人臂施加力或扭矩时)开启的时间段。这确保了用户在自由驱动操作模式下移动机器人臂之后具有一定时间来重启机器人臂的移动(例如)以便允许用户改变机器人臂的抓握或以便存储路点。另外或替代地，静态姿势可在机器人臂上的外力或扭矩冲击终止时发起。
32.根据本发明的实施方案，该机器人控制器被配置成当机器人臂已经在预定自由驱动时间段内或在预定重启自由驱动时间段内保持静态姿势时离开自由驱动操作模式。预定自由驱动时间段和预定重启自由驱动时间段可为相同的，并且在它们到期时，机器人控制器离开自由驱动操作模式。
33.因此，在实践中，当用户开启通过施加力/扭矩来移动机器人臂的关节时，将机器人臂保持在自由驱动模式下的时间段被重置。在用户停止施加力/扭矩时开启的时间段(重启自由驱动时段)之后，操作模式将切换到另一操作模式，这种教导模式、运行模式、停止模式等。这是有利的，因为其具有以下效果：用户可通过在重启时间段到期之前向机器人臂施加力而根据需要在尽可能长的时间内将机器人臂保持在自由驱动操作模式下。这允许用户改变他/她对机器人臂的抓握，在一些情况下，这可能是用户在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势所期望的。此外，用户可简单地通过在由重启时间段限定的时间段内不施加力/扭矩来使机器人控制器离开自由驱动操作模式。此外，至少在安全(人员和机械师)方面，这是有利的，因为机器人不保持在自由驱动操作模式下，其中传感器随时间推移的漂移可以其他方式导致机器人的姿势变化。这种漂移最终可导致有效载荷或机器人工具与机器人臂的范围内的地板或其他物体的碰撞。另外，如果另一用户在不知道机器人臂处于自由驱动操作模式下的事实的情况下接近机器人臂，则在用户已经离开了机器人臂之后将机器人臂保持在自由驱动操作模式下也可导致危险情况，因为用户期望静止机器人臂处于机器人臂无法移动的停止/制动操作模式下。
34.根据本发明的实施方案，预定自由驱动时间段和/或预定重启自由驱动时间段是至少2秒，从而允许用户在自由驱动时间段和/或预定重启自由驱动时段到期之前改变她/他对机器人臂的抓握并且发起/重新发起机器人臂的移动。然而，应当理解，替代地，预定自由驱动时间段和/或预定重启自由驱动时间段可为以下时间段中的至少任何一个时间段：10秒、5秒、3秒。5秒至10秒的时段将允许用户在机器人臂退出自由驱动操作模式之前执行附加任务，诸如记录路点、移动外部物体、调整安装到机器人臂的工具。
35.根据本发明的实施方案，预定自由驱动时间段和/或预定重启自由驱动时间段是至多5秒，从而防止用户在将机器人臂单独放置5秒的时段之后无意中移动机器人臂。这减少了如上所述的危险情况的风险。然而，应当理解，替代地，预定自由驱动时间段和/或预定重启自由驱动时间段可为以下时间段中的至多任何一个时间段：10秒、15秒、20秒、30秒。5秒至30秒的时段将允许用户在机器人臂退出自由驱动操作模式之前执行附加任务(诸如记
录路点、移动外部物体、调整安装到机器人臂的工具)，同时仍然将机器人臂的意外移动的风险保持在可接受的水平，因为用户很少忘记机器人臂在这些时间段内处于自由驱动操作模式下。此外，另一用户在该时段内无意中移动机器人臂的风险也是可接受的，因为机器人臂在5秒至30秒的时段内被单独地完全置于自由驱动操作模式下的概率非常低。
36.根据本发明的实施方案，该机器人控制器被配置成当至少一个关节传感器在预定自由驱动时间段内或在预定重启自由驱动时间段内尚未指示外力时离开自由驱动操作模式。
37.根据本发明的实施方案，该机器人控制器被配置成用于在接收到自由驱动去激活信号时离开自由驱动操作模式。自由驱动去激活信号可例如由用户经由用户界面建立。这是有利的，因为其具有以下效果：用户在机器人臂的操作期间的任何时间都能够返回到与自由驱动操作模式不同的操作模式。通常，操作模式称为正常操作模式、运行模式、远程模式和教导模式(也称为自由驱动操作模式)。例如，当机器人静止不动(例如)以进行编程或处于等待位置中时，机器人处于正常操作模式下。例如，当机器人控制器正在执行程序代码时(即，当机器人处于操作中时)，机器人处于运行模式下。当用户能够通过向机器人的一部分施加力来改变机器人的姿势时，机器人处于教导模式下，该教导模式也称为自由驱动模式。通常，机器人控制器从正常操作模式进入自由驱动模式，并且从自由驱动操作模式返回到正常操作模式。
38.另外或替代地，可例如通过将至少一个关节传感器参数的值与至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值进行比较，基于至少一个关节传感器参数来建立自由驱动去激活信号。至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值可为在机器人控制器处于自由驱动操作模式下时限定对应关节传感器参数的界限的任何值。这使得可以在自由驱动操作模式期间监测一些关节传感器参数，并且如果这些关节传感器参数超过某些阈值，则离开自由驱动操作模式。例如，这使得可以监测在自由驱动激活序列中监测的但具有不同阈值的相同关节传感器参数。换句话说，自由驱动激活关节传感器参数阈值和自由驱动操作关节传感器参数阈值可以与相同的关节传感器参数相关，但具有不同的值。因此，当激活自由驱动操作模式时并且当处于自由驱动操作模式下时，可以提供不同的安全设置。
39.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器被配置成用于在界面设备上呈现列表中的至少一项的剩余部分，所述列表包括：激活时间段、激活序列时间段、自由驱动时间段和重启自由驱动时间段。这是有利的，因为其具有以下效果：用户能够在视觉上看到激活时间段、激活序列时间段、自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段还剩下多长时间。可将这种图示提供给用户作为任何类型的2d图或3d图，诸如曲线、柱、圆等。而且，在用户界面上所示的这种图可指示给定时间段中已经过去的时间。另一种效果是用户接着能够看到何时向机器人施加力以保持在自由驱动模式下。此外，机器人控制器可经由界面设备向用户呈现导致非自愿地离开自由驱动模式的事件的根本原因以及关于如何(例如，哪些关节如何移动)使机器人臂回到空间中的起始位置、姿势或期望位置/取向的指导。
40.根据本发明的实施方案，所述至少一个关节传感器参数选自包括以下项的列表：速度、加速度、扭矩、马达扭矩、力和位置。速度可例如指示机器人臂的一部分的速度，诸如工具凸缘相对于机器人基座的速度、机器人关节的角速度。加速度可例如指示机器人臂的一部分的加速度，诸如工具凸缘相对于机器人基座的加速度、机器人关节的角加速度。位置
可例如指示机器人臂的一部分的位置，诸如工具凸缘相对于机器人基座的位置、机器人关节的角位置。扭矩和/或力可指示施加到机器人臂的一部分的扭矩和/或力和/或由机器人臂的一部分(例如)向外部物体施加的扭矩/力。马达扭矩可例如指示由关节马达提供的扭矩，并且可例如指示为关节马达电流。
41.根据本发明的实施方案，与第一监测关节传感器参数相关的自由驱动激活关节传感器参数阈值不同于与第二监测关节传感器参数相关的自由驱动激活关节传感器参数阈值。这是有利的，因为其具有以下效果：(例如)与移动机器人臂相关的阈值(例如米/秒)可针对加速度具有一个值，而针对速度具有另一值。因此，允许机器人在由第一阈值限定的给定时间段内增加速度，而允许机器人臂在由不同于第一阈值的第二阈值限定的时间段内以恒定速度移动。与速度相比，加速度的更严格的阈值是有利的，因为其具有以下效果：快速的加速度可能会导致机器人臂与用户之间的碰撞(即，用户安全问题)，而有效载荷例如朝向地板的缓慢移动构成机械安全问题，并且可由用户停止辅助机器人臂提升有效载荷。
42.根据本发明的实施方案，所述自由驱动激活关节传感器参数阈值被限定为围绕所述机器人臂的一部分的虚拟三维几何形状。虚拟三维几何形状可为限定围绕机器人臂的一部分的边界的任何形状，其中允许机器人臂的该部分在预定义时间段(诸如激活时间段和/或激活序列时间段)内移动。这是有利的，因为其具有以下效果：自由驱动激活关节传感器参数阈值随着机器人臂的一部分的移动而移动并且从机器人臂的该部分的当前位置发起。例如，虚拟三维几何形状可围绕工具凸缘并且限定边界，其中允许工具凸缘在预定义时间段期间移动。应当理解，虚拟三维几何形状可具有任何形状，例如球体、椭圆体、立方体、长方体、圆柱体、锥体、多面体或任何任意三维形状。在一个实施方案中，由三维形状围绕的机器人臂的部分可布置在三维几何形状的中心处，因为这允许机器人臂的部分在三维几何形状内对称地移动；然而，应当注意，机器人臂的部分可布置在三维形状内的任何位置处。注意，自由驱动激活关节传感器参数阈值相对于其他轴线或随着机器人臂的移动而移动的位置可为动态的。
43.根据本发明的实施方案，所述机器人控制器被配置成用于通过在确定所述自由驱动激活信号的出现时向用户提供机器人反馈来确定所述自由驱动激活信号是否由所述用户建立，并且其中所述机器人控制器被配置成在响应于所述机器人反馈而确定用户确认信号的出现时进入所述自由驱动操作模式。机器人反馈可被提供为能够由用户感知的任何信号，诸如音频信号、视觉信号、触觉反馈、一个或多个关节的预定姿势、一个或多个关节的预定移动或它们的组合。视觉反馈可为例如图形用户界面的显示器上的闪光或文字或图。音频信号可为例如音调或语音说出的文字，诸如用户为了激活自由驱动操作模式应该做的事的内容。用户确认信号可由用户与用户界面交互来建立。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人控制器仅将在用户已经确认了她/他这样做的意图的情况下进入自由驱动模式。因此，用户将知道机器人臂将要进入自由驱动操作模式。应当注意，可以位于机器人控制器的处理器内部的物理信号、逻辑信号或它们的组合的形式提供用户确认信号。
44.根据实施方案，该机器人控制器可仅被配置成在以下时间段中的至少一个时间段内提供响应于机器人反馈而进行的用户确认的情况下进入自由驱动操作模式：与机器人反馈停止的时间点相隔10秒、5秒、3秒、2秒和1秒。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人控制器在预定义时间段内没有接收到用户确认信号时不会进入自由驱动操作模式。由此，
可避免机器人控制器连续地等待将不会生成的用户确认信号。因此，机器人控制器在该时间段到期时并未使随机生成的自由驱动信号混淆，并且由此避免意外地进入自由驱动模式。
45.根据实施方案，该机器人控制器可被配置成向用户提供机器人反馈，并且响应于机器人反馈而确定用户确认的出现作为激活序列的一部分，并且确定在机器人控制器将进入自由驱动操作模式的预定激活序列时间段内是否接收到用户确认。
46.根据实施方案，所述用户确认信号由用户激活所述机器人关节中的至少一个机器人关节的至少一个关节传感器来建立。例如，通过用户执行以下各者中的至少一者：向机器人臂提供力/扭矩或向机器人臂的一部分提供一系列力/扭矩；移动机器人关节中的至少一个机器人关节；使机器人臂的一部分扭曲；以姿势或一系列姿势布置机器人臂。例如，机器人控制器可被配置成在确定由用户响应于机器人反馈而提供的预定力的出现时建立确认信号。由机器人控制器检测到的预定力(也可称为手势)可由一个或多个马达关节参数值的变化检测。如果以预定方向、模式、序列等施加力，则机器人控制器可确定预定力来自用户。由此，如果这种预定力遵循机器人反馈，则机器人控制器知道首先接收到的自由驱动信号不是无意中建立的，并且因此可安全地进入自由驱动模式。这是有利的，因为其具有以下效果：即使机器人控制器未正确记录有效载荷重量，机器人控制器在自由驱动模式的激活时间段期间也没有发起机器人的意外移动。这使得用户可以直接在机器人臂处建立确认信号，并且因此，用户可在不需要使用机器人示教器的情况下进入自由驱动操作模式。这在用户想要使用双手在自由驱动操作模式下引导机器人的情况下以及在机器人臂远离机器人示教器定位的情况下是有用的。
47.根据实施方案，所述自由驱动激活信号由用户激活所述机器人关节中的至少一个机器人关节的至少一个关节传感器来建立。例如，通过用户执行以下各者中的至少一者：向机器人臂提供力/扭矩或向机器人臂的一部分提供一系列力/扭矩；移动机器人关节中的至少一个机器人关节；使机器人臂的一部分扭曲；以姿势或一系列姿势布置机器人臂。例如，机器人控制器可被配置成在确定由用户向机器人臂提供的预定力的出现时建立自由驱动激活信号。由机器人控制器检测到的预定力(也可称为手势)可由一个或多个马达关节参数值的变化检测。如果以预定方向、模式、序列等施加力，则机器人控制器可确定预定力来自用户。这使得用户可以通过直接与机器人臂相互作用来建立自由驱动激活信号，并且因此在不需要使用机器人示教器的情况下进入自由驱动操作模式。这在用户想要使用双手在自由驱动操作模式下引导机器人的情况下以及在机器人臂远离机器人示教器定位的情况下是有用的。应当注意，可以位于机器人控制器的处理器内部的物理信号、逻辑信号或它们的组合的形式提供用户自由驱动激活信号。
48.根据本发明的实施方案，所述自由驱动激活信号通过激活所述机器人臂的力传感器来建立，其中在所述力传感器激活时所测量的力的值高于预定力阈值。通过向机器人臂施加力来激活自由驱动模式是有利的，因为其具有以下效果：用户可从相对于机器人臂的任何位置激活自由驱动模式。这也包括远离示教器。因此，只要用户处于她/他可向机器人臂施加力的位置，就可激活自由驱动模式，从而增加了训练机器人臂的灵活性。除了示教器之外，能够激活自由驱动模式的附加优点是，用户然后用两只手自由移动机器人臂。当要定位精密工具或要按空间中的特定路径移动关节时，两个臂是有利的。
49.在一个实施方案中，力传感器是机器人工具凸缘的一部分或安装到机器人工具凸缘。使用力传感器来建立自由驱动激活信号是有利的，因为其具有以下效果：除在机器人臂处于操作中时已经使用的硬件之外，不需要附加的硬件。
50.根据本发明的实施方案，所述预定力阈值是空间中的预定取向上的力的阈值。这是有利的，因为其具有以下效果：仅在空间中的预定取向上(例如在预定方向上)施加的高于预定量值的力将有可能建立自由驱动激活信号。因此，减少了无意中激活自由驱动操作模式的风险。
51.根据本发明的实施方案，所述自由驱动激活信号通过激活所述机器人臂的力和扭矩传感器来建立，其中所测量的力的所述值高于预定力值，并且其中所测量的扭矩的值低于预定扭矩阈值。这是有利的，因为其具有以下效果：测量了力和扭矩，从而导致对不旨在激活自由驱动模式的力信号的分选改进。施加到机器人臂的力和扭矩传感器的几乎所有的力都伴随有扭矩。然而，如果人沿着力-扭矩传感器的感测轴中的一个感测轴有意地施加力，则情况并非如此。在这种情况下，所施加的力将伴随非常有限的扭矩(若存在)。因此，也可通过评估扭矩从(例如)因碰撞、机器人臂或工具的随机触摸、机器人臂的振动等而施加的力中过滤由人施加的力。
52.在一个实施方案中，力传感器和扭矩传感器被提供为组合力-扭矩传感器，该组合力-扭矩传感器形成机器人工具凸缘的一部分或安装到机器人工具凸缘。使用力-扭矩传感器来建立自由驱动激活信号是有利的，因为其具有以下效果：除在机器人臂处于操作中时已经使用的硬件之外，不需要附加的硬件。
53.根据一个实施方案，关节传感器参数选自包括以下项的列表：速度、加速度、扭矩、马达扭矩、马达电流、力和位置。这是有利的，因为其具有以下效果：如果这些关节传感器参数中的一个或多个关节传感器参数的值超过由至少一个上限阈值或下限阈值限定的预定范围，则可监测和停止机器人臂的移动。应提及，关节传感器参数还可包括从实际测量值导出的值，即，无法直接由传感器测量但可由测量值建立的值。
54.此外，本发明涉及一种机器人臂，该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；其中所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
55.·
输出凸缘，所述输出凸缘能够相对于机器人关节主体旋转，
56.·
关节马达，所述关节马达被配置成使所述输出凸缘旋转，
57.·
至少一个关节传感器，所述至少一个关节传感器提供传感器信号，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置、所述关节马达的马达电流中的至少一者。
58.该机器人臂包括至少一个机器人控制器，该机器人控制器被配置成通过基于传感器信号控制由关节马达提供的马达扭矩来控制机器人关节，并且机器人控制器进一步配置为如段落[0010]至段落[0045]中的任何一个段落中所描述和/或如附图所示和附图的对应描述所说明。
[0059]
此外，本发明涉及一种激活机器人臂的自由驱动操作模式的方法，其中所述自由驱动操作模式包括以下步骤：
[0060]
·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
[0061]
·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，改变所述机器人臂的姿势；
[0062]
其中所述方法包括以下步骤：
[0063]-由用户建立自由驱动激活信号；
[0064]-由机器人控制器接收所述自由驱动激活信号；
[0065]-由所述机器人控制器在接收到所述自由驱动激活信号时开启自由驱动激活序列；
[0066]
其中所述自由驱动激活序列包括以下步骤：
[0067]-在预定激活序列时间段内监测至少一个关节传感器参数的值，
[0068]-将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个自由驱动激活关节传感器参数阈值进行比较，以及
[0069]-如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述预定激活序列时间段内不超过自由驱动激活关节传感器参数阈值，则由所述机器人控制器将所述机器人臂的操作模式改变为自由驱动操作模式。
[0070]
这提供了与先前(例如，在段落[0012]至段落[0013]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得机器人臂的用户可以独立于她/他相对于机器人臂的位置或界面设备能够以安全方式激活自由驱动操作模式，因为在完成激活序列时段期间的情况下仅将机器人臂切换到自由驱动操作模式。
[0071]
根据实施方案，开启所述自由驱动激活序列的所述步骤在预定激活时间段内接收到所述自由驱动激活信号时发起。这提供了与先前(例如在段落[0018]至段落[0021]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得可以确保用户有意地建立接收到的自由驱动激活信号。
[0072]
根据实施方案：
[0073]-在预定自由驱动时间段内保持自由驱动操作模式；
[0074]-所述方法包括当所述机器人臂处于静态姿势时，由所述机器人控制器开启预定重启自由驱动时间段的步骤；和/或
[0075]-所述方法包括如果所述机器人臂已经在所述预定自由驱动时间段内或在所述预定重启自由驱动时间段内保持静态姿势，则由所述机器人控制器离开所述自由驱动操作模式的步骤。
[0076]
这提供了与先前(例如在段落[0022]至段落[0028]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得用户可以在使用双手改变机器人臂的姿势时改变抓握。
[0077]
根据实施方案：
[0078]-所述方法包括以下步骤：
[0079]
·
建立自由驱动去激活信号；
[0080]
·
由所述机器人控制器接收所述自由驱动激活信号；
[0081]
·
由所述机器人控制器在接收到所述自由驱动去激活信号时离开所述自由驱动操作模式；
[0082]
和/或
[0083]-建立自由驱动去激活信号的步骤包括以下步骤：
[0084]
·
由所述机器人控制器监测至少一个关节传感器参数的值，
[0085]
·
由所述机器人控制器将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值进行比较，以及
[0086]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值确实超过所述自由驱动操作关节传感器参数阈值，则由所述机器人控制器建立所述自由驱动去激活信号。
[0087]
这提供了与先前(例如在段落[0029]至段落[0030]中)所描述的相同的效果和优点，并且可以确保用户可手动离开自由驱动操作模式和/或机器人控制器可自动离开自由驱动操作模式。
[0088]
根据实施方案，建立自由驱动激活信号的步骤包括由用户在机器人臂的一部分处施加力的步骤。而且，在实施方案中，在所述机器人臂的一部分处施加力的所述步骤包括在空间中的预定取向上并且在所述机器人臂处的预定位置处施加所述力。而且，在实施方案中，在所述机器人臂的一部分处施加力的所述步骤包括向设置在所述机器人臂处的力-扭矩传感器施加所述力；并且其中如果由所述力-扭矩传感器获得的力高于预定力值并且由所述力-扭矩传感器获得的扭矩低于预定扭矩值，则建立所述自由驱动激活信号。这提供如了先前(例如在段落[0039]至段落[0045]中)所描述的相同效果和优点并且使得用户可以通过与机器人臂的一部分相互作用(例如触摸、推动、拉动等)来进入自由驱动操作模式，并且可使意外的自由驱动激活信号最小化。接收自由驱动激活信号的预定时间段是连续时段还是已经接收到信号的两个或更多个离散时间段的总和。意外的力被分选出来，从而并未建立自由驱动激活信号。这是因为用户可在同样没有施加扭矩的情况下基本上在一个方向上施加力。因此，如果所测量的扭矩较低，而所测量的力较高，则机器人控制器可被配置成将该力解释为由用户有意施加以激活自由驱动操作模式的力，因为低扭矩指示用户直接朝向力传感器按压。
[0089]
本发明的第二方面
[0090]
关于现有技术的上述限制或现有技术的其他问题也由根据本发明的第二方面的机器人控制器、机器人臂和方法解决。
[0091]
根据第二方面，本发明涉及一种用于控制机器人臂的机器人控制器，所述机器人控制器能够从当前操作模式切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式下的所述机器人控制器被配置成：
[0092]
·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
[0093]
·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化；
[0094]
其中所述自由驱动操作模式能够由用户建立到所述机器人控制器的自由驱动模式信号来激活，并且所述机器人控制器处于所述自由驱动操作模式下，所述机器人控制器被配置成：
[0095]
·
监测至少一个关节传感器参数的值；
[0096]
·
将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值进行比较；
[0097]
·
在保持自由驱动时间段内将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下；并且
[0098]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述保持自由驱动时间段内不超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值，则离开所述自由驱动操作模式。
[0099]
在保持自由驱动时间段内将机器人臂保持在自由驱动操作模式下确保用户在激活自由驱动操作模式之后具有一定时间来发起机器人臂的移动。保持自由驱动时间段是在机器人控制器已经切换到自由驱动操作模式之后，机器人控制器将机器人臂保持在自由驱动操作模式下的时间段。在保持自由驱动操作模式的安全的同时，因为机器人控制器被配置成监测至少一个关节传感器参数并且将关节传感器参数与保持自由驱动传感器参数阈值进行比较，并且如果所监测的关节传感器参数在保持自由驱动时间段内不超过保持关节传感器参数阈值，则离开自由驱动操作模式。关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值意味着关节传感器参数的值处于由阈值限定的允许值内或不违反由阈值限定的允许值。例如，在最大阈值的情况下，如果关节传感器参数的值小于关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。而且，在最小阈值的情况下，如果关节传感器参数的值大于关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。而且，在阈值范围的情况下，如果关节传感器参数的值大于下限关节传感器参数阈值并且小于上限关节传感器参数阈值，则关节传感器参数不超过关节传感器参数阈值。这使得可以监测机器人臂的姿势是否因用户向机器人臂施加外力而改变，并且将机器人臂保持在自由驱动操作模式下，只要用户操纵机器人臂的姿势即可；然而，如果用户停止改变机器人臂的姿势并且在机器人控制器被配置成离开自由驱动操作模式的保持自由驱动时间段内离开机器人臂。这确保机器人臂无法单独地置于自由驱动操作模式下，从而避免另一用户在不知道机器人臂处于自由驱动操作模式下的事实的情况下接近机器人臂的危险情况，因为用户期望静止机器人臂处于机器人臂无法移动的停止/制动操作模式下。因此，在实践中，当用户开启通过施加力/扭矩来移动机器人臂的关节时，将机器人臂保持在自由驱动模式下的时间段被重置。在用户停止施加力/扭矩时开启的时间段(重启自由驱动时段)之后，操作模式将切换到另一操作模式，这种教导模式、运行模式、停止模式等。这是有利的，因为其具有以下效果：用户可通过在重启时间段到期之前向机器人臂施加力而根据需要在尽可能长的时间内将机器人臂保持在自由驱动操作模式下。这允许用户改变他/她对机器人臂的抓握，在一些情况下，这可能是用户在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势所期望的。
[0100]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成：
[0101]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值，则开启重启自由驱动时间段；并且
[0102]
·
在所述重启自由驱动时间段内将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下；并且
[0103]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述重启自由驱动时间段内不超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值，则离开所述自由驱动操作模式。
[0104]
预定重启自由驱动时间段是在至少一个关节传感器参数的值超过至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值的情况下开启的时间段。当关节传感器参数超过保持自由驱动参数时，可开启重启自由驱动时间段，因此在用户开启操纵机器人臂时将开启重启自由驱动时间段。在另一实施方案中，在至少一个关节传感器参数的值已经超过了至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值之后，重启自由驱动时间段可在至少一个关节传感器参数的值没有超过至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值时开启。因此，重启自由驱动时间可在用户已经停止操纵机器人臂时(例如当机器人臂已经以静态姿势布置时、例如当用
户已经停止移动机器人臂并且因此不向机器人臂施加力或扭矩时)开启。这确保用户在自由驱动操作模式下移动机器人臂之后具有一定时间来重启机器人臂的移动(例如)以便允许用户改变机器人臂的抓握。
[0105]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成当至少一个关节传感器在预定自由驱动时间段内或在预定重启自由驱动时间段内没有指示外力时离开自由驱动操作模式。
[0106]
根据本发明的第二方面的实施方案，保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段是至少2秒，从而允许用户在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时段到期之前改变她/他对机器人臂的抓握并且发起/重新发起机器人臂的移动。然而，应当理解，替代地，保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段可为以下时间段中的至少任何一个时间段：10秒、5秒、3秒。5秒至10秒的时段将允许用户在机器人臂退出自由驱动操作模式之前执行附加任务，诸如记录路点、移动外部物体、调整安装到机器人臂的工具。
[0107]
根据本发明的第二方面的实施方案，保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段是至多5秒，从而防止用户在将机器人臂单独放置5秒的时段之后无意中移动机器人臂。这减少了如上所述的危险情况的风险。然而，应当理解，替代地，保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段可为以下时间段中的至多任何一个时间段：10秒、15秒、20秒、30秒。5秒至30秒的时段将允许用户在机器人臂退出自由驱动操作模式之前执行附加任务(诸如记录路点、移动外部物体、调整安装到机器人臂的工具)，同时仍然将机器人臂的意外移动的风险保持在可接受的水平，因为用户很少忘记机器人臂在这些时间段内处于自由驱动操作模式下。此外，另一用户在该时段内无意中移动机器人臂的风险也是可接受的，因为机器人臂在5秒至30秒的时段内被单独地完全置于自由驱动操作模式下的概率非常。
[0108]
保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段可为预定的并且被提供为存储在机器人控制器的存储器中的值，然而在其他实施方案中，可允许用户(例如)经由用户界面修改自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段的长度。这允许用户根据个人需要调整保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段的长度。在一个实施方案中，保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段的最大时间可为预定义的，并且机器人控制器可仅被配置成允许用户调整保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段的长度以具有最大限定长度。
[0109]
因此，在实践中，当用户开启通过施加力/扭矩来移动机器人臂的关节时，将机器人臂保持在自由驱动模式下的时间段被重置。在用户停止施加力/扭矩时开启的时间段(重启自由驱动时段)之后，操作模式将切换到另一操作模式，这种教导模式、运行模式、停止模式等。这是有利的，因为其具有以下效果：用户可通过在重启时间段到期之前向机器人臂施加力而根据需要在尽可能长的时间内将机器人臂保持在自由驱动操作模式下。这允许用户改变他/她对机器人臂的抓握，在一些情况下，这可能是用户在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势所期望的。此外，用户可简单地通过在由重启自由驱动时间段限定的时间段内不施加力/扭矩来使机器人控制器离开自由驱动操作模式。此外，至少在安全(人员和机械师)方面，这是有利的，因为机器人不保持在自由驱动操作模式下，其中传感器随时间推移的漂移可以其他方式导致机器人的姿势变化。这种漂移最终可导致有效载荷或机器人工具与机器人臂的范围内的地板或其他物体的碰撞。另外，如果另一用户在不知道机器人臂
处于自由驱动操作模式下的事实的情况下接近机器人臂，则在用户已经离开了机器人臂之后将机器人臂保持在自由驱动操作模式下也可导致危险情况，因为用户期望静止机器人臂处于机器人臂无法移动的停止/制动操作模式下。
[0110]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成在自由驱动模式信号到期时开启保持自由驱动时间段和重启自由驱动时间段中的至少一者。这导致在用户已经停止建立自由驱动模式信号之后，机器人臂可在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内保持在自由驱动操作模式下。例如，这在由用户推动自由驱动底面来建立自由驱动模式信号的情况下是有用的，并且因此当在已经释放了按钮之后的时间段内将机器人臂保持在自由驱动操作模式下时允许用户释放按钮。
[0111]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成基于由用户建立的重启自由驱动模式信号来重启保持自由驱动时间段或重启自由驱动时间段。自由驱动重启信号可例如由用户经由用户界面建立。这是有利的，因为其具有以下效果：用户在自由驱动操作模式期间的任何时间都可手动重启保持自由驱动时间段或重启自由驱动时间段。例如，这在用户想要机器人臂在更长/附加的时间段内以静态姿势保持在自由驱动操作模式下(例如)以便允许用户执行其他任务的情况下是有用的。
[0112]
根据本发明的第二方面的实施方案，至少一个关节传感器参数选自包括以下项的列表：机器人臂的至少一部分的加速度、机器人臂的至少一部分的速度和机器人臂的至少一部分的位置，并且其中保持自由驱动关节传感器参数阈值选自包括以下项的列表：机器人臂的至少一部分的阈值加速、机器人臂的至少一部分的阈值速度和机器人臂的至少一部分的阈值位置。加速度、速度和位置关节传感器参数涉及机器人臂的移动，并且因此可用于记录机器人臂的一部分是否已经移动并且因此应保持在自由驱动操作模式下。例如，关节传感器参数可指示机器人臂的加速度，并且对应关节传感器参数阈值可指示最大加速度，并且如果机器人臂的加速度在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内尚未超过最大加速度，则机器人控制器可被配置成离开自由驱动操作模式。而且，关节传感器参数可指示机器人臂的速度，并且对应关节传感器参数阈值可指示最大速度，并且如果机器人臂的速度在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内尚未超过最大速度，则机器人控制器可被配置成离开自由驱动操作模式。而且，例如，关节传感器参数可指示机器人臂的位置，并且对应关节传感器参数阈值可指示位置范围，并且如果机器人臂的位置在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内已经处于位置范围内部，则机器人控制器可被配置成离开自由驱动操作模式。
[0113]
根据本发明的第二方面的实施方案，至少一个关节传感器参数选自包括以下项的列表：施加到机器人臂的至少一部分的力和施加到机器人臂的至少一部分的扭矩，并且其中保持自由驱动关节传感器参数阈值选自包括以下项的列表：施加到机器人臂的至少一部分的阈值力和施加到机器人臂的至少一部分的阈值扭矩。施加到机器人臂的力和/或扭矩可用于记录用户是否在自由驱动操作模式下尝试改变机器人臂的姿势。因此，如果施加到机器人臂的力和/或扭矩在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内超过对应阈值力和/或对应阈值扭矩，则机器人控制器可被配置成将机器人臂保持在自由驱动操作模式下，因为这指示用户正在改变机器人臂的姿势。例如，可基于重力对机器人臂的影响来获得阈值力和/或阈值扭矩。
[0114]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成用于在接收到自由驱动去激活信号时离开自由驱动操作模式。自由驱动去激活信号可例如由用户经由用户界面建立。这是有利的，因为其具有以下效果：用户在机器人臂的操作期间的任何时间都能够返回到与自由驱动操作模式不同的操作模式。
[0115]
根据本发明的第二方面的实施方案，该机器人控制器被配置成基于保持自由驱动时间段的剩余部分和重启自由驱动时间段的剩余部分中的至少一者来向用户提供机器人反馈。这是有利的，因为其具有以下效果：机器人控制器可向用户通知保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间还剩下多长时间。因此，用户将能够重置保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段，从而确保将机器人臂保持在自由驱动操作模式下。机器人反馈可被提供为能够由用户感知的任何信号，诸如音频信号、视觉信号、触觉反馈、一个或多个关节的预定姿势、一个或多个关节的预定移动或它们的组合。音频信号可为例如音调、指示保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段到期的倒计时或语音说出的文字，诸如用户为了重置保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段应该做的事的内容。视觉反馈可为例如图形用户界面的显示器上的闪光或图示，该闪光或图示指示保持自由驱动时段和/或重启自由驱动时段的剩余部分。可将这种图示提供给用户作为任何类型的2d图或3d图，诸如曲线、柱、圆等。而且，在用户界面上所示的这种图可指示给定时间段中已经过去的时间。另一种效果是用户接着能够看到何时向机器人施加力以保持在自由驱动模式下。此外，机器人控制器可经由界面设备向用户呈现导致非自愿地离开自由驱动模式的事件的根本原因以及关于如何(例如，哪些关节如何移动)使机器人臂回到空间中的起始位置、姿势或期望位置/取向的指导。
[0116]
此外，根据第二方面，本发明涉及一种机器人臂，该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；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
[0117]
·
输出凸缘，所述输出凸缘能够相对于机器人关节主体旋转，
[0118]
·
关节马达，所述关节马达被配置成使所述输出凸缘旋转，
[0119]
·
至少一个关节传感器，所述至少一个关节传感器提供传感器信号，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置、所述关节马达的马达电流中的至少一者。
[0120]
该机器人臂包括至少一个机器人控制器，该机器人控制器被配置成通过基于传感器信号控制由关节马达提供的马达扭矩来控制机器人关节，并且机器人控制器进一步配置为如段落[0053]、[0055]至[0067]中的任何一个段落中所描述和/或如附图所示和附图的对应描述所说明。
[0121]
此外，根据第二方面，本发明涉及一种在自由驱动操作模式下操作机器人臂的方法，其中机器人控制器的机器人臂已经在机器人控制器接收到由用户建立的自由驱动激活信号时切换到自由驱动操作模式，其中自由驱动操作模式包括以下步骤：
[0122]
·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
[0123]
·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，改变所述机器人臂的姿势；
[0124]
·
由所述机器人控制器监测至少一个关节传感器参数的值；
[0125]
·
由所述机器人控制器将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个保
持自由驱动关节传感器参数阈值进行比较；
[0126]
·
由所述机器人控制器在预定保持自由驱动时间段内将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下；并且
[0127]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述保持自由驱动时间段内不超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值，则由所述机器人控制器离开所述自由驱动操作模式。
[0128]
这提供了与先前(例如在段落[0053]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得用户可以在利用双手的情况下并且在不需要(例如)通过推动按钮连续建立自由驱动信号的情况下在自由驱动操作模式下操纵机器人臂。
[0129]
在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0130]
·
当所述至少一个关节传感器参数的所述值超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值时，由所述机器人控制器开启预定重启自由驱动时间段；
[0131]
·
由所述机器人控制器在所述重启自由驱动时间段内将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下；并且
[0132]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在所述重启自由驱动时间段内不超过所述至少一个保持自由驱动关节传感器参数阈值，则由所述机器人控制器离开所述自由驱动操作模式。
[0133]
这提供了与先前(例如在段落[0055]至段落[0061]中)所描述的相同的效果和优点，并且确保用户在自由驱动操作模式下已经移动机器人臂之后具有一定时间来重启机器人臂的移动(例如)以便允许用户改变机器人臂的抓握。
[0134]
在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0135]
·
由所述机器人控制器在自由驱动模式信号到期时开启保持自由驱动时间段和重启自由驱动时间段中的至少一者。
[0136]
这提供了与先前(例如在段落[0062]中)所描述的相同的效果和优点，并且确保在用户已经停止建立自由驱动模式信号之后，机器人臂可在保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段内保持在自由驱动操作模式下。
[0137]
在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0138]
·
由用户建立重启自由驱动模式信号；
[0139]
·
由所述机器人控制器基于所述重启自由驱动模式信号来重启所述保持自由驱动时间段或所述重启自由驱动时间段中的至少一者。
[0140]
这提供了与先前(例如在段落[0063]、段落[0056]中)所描述的相同的效果和优点，并且确保用户在自由驱动操作模式期间的任何时间都可手动重启保持自由驱动时间段或重启自由驱动时间段。
[0141]
在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0142]
·
由所述机器人控制器在接收到自由驱动去激活信号时离开所述自由驱动操作模式。
[0143]
这提供了与先前(例如在段落[0066]中)所描述的相同的效果和优点，并且确保用户在机器人臂的操作期间的任何时间都能够返回到与自由驱动操作模式不同的操作模式。
[0144]
在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，该方法包括以下步骤：
[0145]
·
由所述机器人控制器向所述用户提供机器人反馈，其中基于所述预定保持自由驱动时间段的剩余部分和所述重启保持自由驱动时间段的剩余部分中的至少一者来提供所述机器人反馈。
[0146]
这提供了与先前(例如在段落[0067]中)所描述的相同的效果和优点，并且确保可以向用户通知保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段将要到期和/或向用户通知保持自由驱动时间段和/或重启自由驱动时间段还剩下多长时间。
[0147]
本发明的第三方面
[0148]
关于现有技术的上述限制或现有技术的其他问题也由根据本发明的第三方面的机器人控制器、机器人臂和方法解决。
[0149]
根据第三方面，本发明涉及一种用于控制机器人臂的机器人控制器，所述机器人控制器能够从当前操作模式切换到自由驱动操作模式，其中处于所述自由驱动操作模式下的所述机器人控制器被配置成：
[0150]
·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
[0151]
·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，允许所述机器人臂的姿势变化；
[0152]
其中所述自由驱动操作模式能够由用户建立到所述机器人控制器的自由驱动模式信号来激活，其中
[0153]
所述机器人控制器被配置成在接收到所述自由驱动模式信号时切换到所述自由驱动操作模式，并且所述机器人控制器处于所述自由驱动操作模式下，所述机器人控制器被配置成：
[0154]
·
监测至少一个关节传感器参数的值，以及
[0155]
·
将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值进行比较；
[0156]
其中所述机器人控制器被配置成如果所述至少一个关节传感器参数的所述值不超过所述至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值，则用于将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下，其中所述自由驱动操作关节传感器参数阈值被限定为围绕所述机器人臂的一部分的虚拟三维几何形状，并且如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在自由驱动安全时段内不超过围绕所述机器人臂的一部分的所述虚拟三维几何形状，则所述机器人控制器被配置成用于将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下。
[0157]
虚拟三维几何形状可为限定围绕机器人臂的一部分的边界的任何形状，其中允许机器人臂的该部分在自由驱动安全时间段内移动。这是有利的，因为其具有以下效果：在自由驱动安全时段内的自由驱动操作模式下的机器人臂的一部分仅可在虚拟三维几何形状内移动。因为机器人臂的部分仅可在有限空间内移动，因此可避免机器人臂的该部分以不安全的方式移动的情况。因此，由于机器人控制器可被配置成在机器人的该部分在自由驱动安全时段内超过虚拟维度几何形状的情况下离开自由驱动操作模式，因此可避免由向机器人控制器错误地输入的有效载荷引起的危险移动。然而，用户将能够以受控方式在虚拟三维空间内手动移动机器人臂的部分。自由驱动安全时间段可为允许机器人臂的该部分在不产生危险情况的情况下在虚拟三维空间内移动的任何时间段。可例如基于机器人臂的姿势来预定义和/或动态地配置自由驱动安全时段。虚拟三维几何形状可围绕工具凸缘并且限定边界，其中允许工具凸缘在自由驱动安全时间段期间移动。应当理解，虚拟三维几何形
状可具有任何形状，例如球体、椭圆体、立方体、长方体、圆柱体、锥体、多面体或任何任意三维形状。可例如基于机器人臂的姿势来预定义和/或动态地配置虚拟三维几何形状。在一个实施方案中，由虚拟三维形状围绕的机器人臂的该部分可布置在虚拟三维几何形状的中心处，因为这允许机器人臂的该部分在虚拟三维几何形状内对称地移动；然而，需注意，机器人臂的该部分可布置在虚拟三维形状内的任何位置处。用户从而可以安全方式在利用双手的情况下并且在不需要(例如)通过推动按钮连续建立自由驱动信号的情况下在自由驱动操作模式下操纵机器人臂。
[0158]
根据本发明的第三方面的实施方案，虚拟三维几何形状的位置在机器人控制器切换到所述自由驱动操作模式时相对于参考点进行固定。当机器人控制器切换到自由驱动操作模式时，虚拟三维几何形状因此可相对于参考点进行固定，然后允许机器人臂的该部分在相对于参考点限定的三维空间内移动，其中三维空间由虚拟三维空间限定。参考点可为相对于机器人臂的任何点，并且可例如相对于机器人臂的移动部分(诸如工具凸缘、腕关节、弯头关节、肩部关节、机器人连杆)进行限定；机器人臂的固定部分(诸如基座关节)，该固定部分相对于机器人臂的周围环境或机器人臂的周围环境中的固定点(诸如桌子、工作站、拾取点、输送机等)进行固定。
[0159]
根据本发明的第三方面的实施方案，该机器人控制器被配置成基于所述机器人臂的一部分相对于固定点的位置来限定虚拟三维几何形状相对于参考点的位置。这使得可以基于由虚拟三维几何形状围绕的机器人臂的部分的位置来限定虚拟三维几何形状相对于固定点的位置。例如，虚拟三维空间可围绕机器人臂的工具凸缘，并且可基于工具凸缘相对于机器人基座的位置来限定三维几何形状的位置，其中机器人基座构成固定点。
[0160]
根据本发明的第三方面的实施方案，在所述自由驱动操作模式期间重新限定虚拟三维几何形状相对于机器人臂的参考点的位置。因此可在自由驱动操作模式期间重新限定虚拟三维几何形状相对于参考点的位置。因此，可以在自由驱动操作模式期间重新限定三维空间相对于参考点的位置，这使得可以在机器人臂的周围环境中逐步或逐渐地移动机器人臂的该部分。参考点可为相对于机器人臂的任何点，并且可例如在自由驱动操作模式期间的任何时间被限定为机器人臂的一部分相对于固定点的位置。例如，虚拟三维空间可围绕机器人臂的工具凸缘，并且可在自由驱动操作模式期间的任何时间相对于工具凸缘相对于机器人基座的位置进行固定。虚拟三维几何形状相对于参考点的位置的时间可例如由重新限定位置时间段限定。重新限定位置时间段可例如限定在机器人控制器切换到自由驱动操作模式时开启或在虚拟三维几何形状相对于参考点的位置已经被重新限定时开启的时间段。重新限定位置时间段可例如具有与自由驱动安全时间段相同的长度，并且机器人控制器因此可被配置成在自由驱动安全时段到期时并且在至少一个关节传感器参数的值在自由驱动安全时段内尚未超过围绕机器人臂的一部分的虚拟三维几何形状的情况下重新限定虚拟三维几何形状相对于机器人臂的参考点的位置。这使得可以逐步或逐渐地将机器人臂的该部分移动到超过由虚拟三维几何形状限定的初始边界的位置中，因为如果机器人臂的该部分在自由驱动安全时间段内尚未超过虚拟三维空间的边界，则可重新限定虚拟三维空间的位置。换句话说，允许机器人臂的部分移动的三维空间的位置可相对于参考点逐步或逐渐地移动。
[0161]
根据本发明的第三方面的实施方案，该机器人控制器被配置成基于机器人臂的部
分相对于固定点的多个位置来限定虚拟三维几何形状相对于参考点的位置，其中已经在不同时间点获得机器人臂的部分的多个位置。这使得可以确保视觉三维几何形状的位置可逐步或逐渐地在自由驱动操作模式期间移动。因此，用户可逐步或逐渐地将机器人臂的部分移动到在切换到自由驱动操作模式时位于由虚拟三维空间限定的边界外部的位置。例如，虚拟三维几何形状的位置可被限定为机器人臂的一部分在平均位置时间段内的平均位置，其中已经基于在平均位置时间段内获得的机器人臂的部分的多个位置获得了机器人臂的部分的平均位置。
[0162]
根据本发明的第三方面的实施方案，该机器人控制器被配置成在确定至少一个关节传感器参数的值是否在与虚拟三维几何形状相关的反馈值内时向用户提供机器人反馈。这使得可以在用户已经将机器人臂的部分移动到由虚拟三维空间限定的边界附近的位置时向用户提供机器人反馈，从而使得关节传感器参数的值将要超过所述虚拟三维几何形状。机器人反馈可被提供为能够由用户感知的任何信号，诸如音频信号、视觉信号、触觉反馈、一个或多个关节的预定姿势、一个或多个关节的预定移动或它们的组合。因此，将警告用户，机器人臂已经接近边界移动，并且接近于机器人控制器将离开自由驱动操作模式的位置，并且用户然后可通过停止在朝向边界的方向上移动机器人臂来应对这种情况。这可通过将至少一个关节传感器参数的值与同虚拟三维几何形状相关的反馈值进行比较来实现，其中反馈值可被提供为具有比自由驱动操作关节传感器参数阈值更低的值的阈值。
[0163]
根据本发明的第三方面的实施方案，机器人反馈被提供为由机器人臂的一部分提供的机器人力，其中在远离虚拟三维几何形状的方向上提供机器人力。因此，用户可感测机器人臂的部分正在接近由虚拟三维形状限定的边界，作为机器人臂的移动阻力的增加。这可通过将机器人配置成控制提供给关节马达的马达扭矩来实现。在关节传感器参数的值接近虚拟维度几何形状时，机器人控制器也可有助于增加机器人力的大小。因此，机器人臂距离由虚拟三维形状限定的边界越近，用户将感测到更大的阻力。
[0164]
此外，根据第三方面，本发明涉及一种机器人臂，该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；所述机器人关节中的每一个机器人关节包括：
[0165]
·
输出凸缘，所述输出凸缘能够相对于机器人关节主体旋转，
[0166]
·
关节马达，所述关节马达被配置成使所述输出凸缘旋转，
[0167]
·
至少一个关节传感器，所述至少一个关节传感器提供传感器信号，所述传感器信号指示所述输出凸缘的角位置、所述关节马达的轴的角位置、所述关节马达的马达电流中的至少一者。
[0168]
该机器人臂包括至少一个机器人控制器，该机器人控制器被配置成通过基于传感器信号控制由关节马达提供的马达扭矩来控制机器人关节，并且机器人控制器进一步配置为如段落[0075]至段落[0083]中的任何一个段落中所描述和/或如附图所示和附图的对应描述所说明。
[0169]
此外，根据第三方面，本发明涉及一种在自由驱动操作模式下操作机器人臂的方法，其中机器人控制器的机器人臂已经在机器人控制器接收到由用户建立的自由驱动激活信号时切换到自由驱动操作模式，其中自由驱动操作模式包括以下步骤：
[0170]
·
当仅有重力作用于所述机器人臂上时，将所述机器人臂保持在静态姿势；
[0171]
·
当向所述机器人臂施加不同于重力的外力时，改变所述机器人臂的姿势；
[0172]
·
由所述机器人控制器监测至少一个关节传感器参数的值；
[0173]
·
由所述机器人控制器将所述至少一个关节传感器参数的所述值与至少一个自由驱动操作关节传感器参数阈值进行比较；其中所述自由驱动操作关节传感器参数阈值被限定为围绕所述机器人臂的一部分的虚拟三维几何形状；
[0174]
·
如果所述至少一个关节传感器参数的所述值在自由驱动安全时段内不超过围绕所述机器人臂的一部分的所述虚拟三维几何形状，则由所述机器人控制器将所述机器人臂保持在所述自由驱动操作模式下。
[0175]
这提供了与先前(例如在段落[0076]至段落[0077]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得可以避免机器人臂的一部分以不安全的方式移动的情况。因此，由于机器人控制器可被配置成在机器人的该部分在自由驱动安全时段内超过虚拟维度几何形状的情况下离开自由驱动操作模式，因此可避免由向机器人控制器错误地输入的有效载荷引起的危险移动。用户从而可以安全方式在利用双手的情况下并且在不需要(例如)通过推动按钮连续建立自由驱动信号的情况下在自由驱动操作模式下操纵机器人臂。
[0176]
根据本发明的第三方面的实施方案，该方法包括在接收到自由驱动模式信号时固定虚拟三维几何形状相对于参考点的位置的步骤。而且，该方法可包括以下步骤：在自由驱动操作模式期间，相对于参考点重新限定虚拟三维几何形状的位置。这提供了与先前(例如在段落[0078]至段落[0081]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得用户可以逐步或逐渐地将机器人臂移动到超过由虚拟三维几何形状限定的初始边界的位置。
[0177]
根据本发明的第三方面的实施方案，该方法包括机器人控制器在确定至少一个关节传感器参数的值是否在与虚拟三维几何形状相关的反馈值内时向用户提供机器人反馈的步骤。向用户提供机器人反馈的步骤可包括由机器人臂的至少一部分提供机器人力的步骤，其中在远离虚拟维度几何形状的方向上提供机器人力。而且，提供机器人力的步骤可包括随着关节传感器参数的值接近虚拟维度几何形状而增加机器人力的步骤。这提供了与先前(例如在段落[0082]至段落[0083]中)所描述的相同的效果和优点，并且使得可以向用户提供机器人臂将要离开自由驱动操作模式的反馈。
[0178]
需注意，如先前所描述的本发明的各个方面的实施方案可以任何顺序或组合进行组合。因此，可提供其他优点和效果。例如，本发明的第一方面和本发明的第二方面的实施方案的组合产生以下效果：用户可在机器人臂处直接激活自由驱动操作模式，以便使用双手在自由驱动操作模式下操纵机器人臂。本发明的第一方面和本发明的第三方面的实施方案的组合产生以下效果：用户可在机器人臂处直接激活自由驱动操作模式以便操纵机器人臂，并且在自由驱动操作模式下，在没有(例如)由于在自由驱动操作模式期间改变有效载荷而导致的危险移动的风险的情况下安全地移动机器人。本发明的第二方面和本发明的第三方面的实施方案的组合产生以下效果：用户可在没有(例如)由于在自由驱动操作模式期间改变有效载荷而导致的危险移动的风险的情况下使用双手在自由驱动操作模式下移动机器人臂。本发明的第一方面、第二方面和第三方面的实施方案的组合产生以下事实：机器人臂可设置有安全且用户友好的自由驱动操作模式，其中用户安全地激活自由驱动操作模式，此后使用双手以安全可靠的方式移动机器人臂。
[0179]
在本发明的具体实施方式中可描述本发明的其他和附加优点和益处。
附图说明
[0180]
为了更完整地理解本公开，现在参考结合附图和具体实施方式进行的以下简要描述：
[0181]
图1示出了根据本发明的机器人臂；
[0182]
图2示出了机器人臂的简化结构图；
[0183]
图3示出了改变机器人臂的姿势的方法的流程图；并且
[0184]
图4示出了在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势的方法的流程图。
具体实施方式
[0185]
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。
[0186]
图1示出了机器人臂101，该机器人臂包括多个机器人关节102a、102b、102c、102d、102e、102f，该多个机器人关节连接机器人基座103和机器人工具凸缘104。基座关节102a被配置成使机器人臂绕基座轴线105a(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106a所示；肩部关节102b被配置成使机器人臂绕肩部轴线105b(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106b所示；肘部关节102c被配置成使机器人臂绕肘部轴线105c(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106c所示，第一腕关节102d被配置成使机器人臂绕第一腕轴线105d(示出为指示轴线的十字)旋转，如旋转箭头106d所示，并且第二腕关节102e被配置成使机器人臂绕第二腕轴线105e(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106e所示。机器人关节102f是包括机器人工具凸缘104的工具关节，该机器人工具凸缘能够围绕工具轴线105f(以短划虚线示出)旋转，如旋转箭头106f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，具有六个旋转机器人关节，然而，应当注意，本发明可以提供于包括更少或更多机器人关节以及其他类型的机器人关节，诸如提供机器人臂的部分的平移例如线性平移的棱柱机器人关节的机器人臂中。
[0187]
机器人工具凸缘参考点(也称为tcp)107在机器人工具凸缘处指示，并且限定工具凸缘坐标系的原点，该坐标系限定三个坐标轴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经被布置在工具凸缘轴线105f上，其中一个轴(z
凸缘
)与工具凸缘轴线平行，并且另一个轴x
凸缘
、y
凸缘
与机器人工具凸缘104的外表面平行。此外，基座参考点108与限定三个坐标轴x
基座
、y
基座
、z
基座
的机器人基座坐标系的原点重合。在所示实施方案中，机器人基座坐标系的原点已经被布置在基座轴线105a上，其中一个轴(z
基座
)与基座轴线105a轴平行，并且另一个轴x
基座
、y
基座
与机器人基座的底面平行。与机器人臂相关的重力方向109也由箭头指示，并且应当理解，机器人臂可布置在与重力相关的任何位置和取向，仅受机器人关节的操作自由度的限制。
[0188]
机器人臂包括至少一个机器人控制器110，该机器人控制器被配置成控制机器人臂101并且可被提供为包括界面设备111的计算机，使得用户能够对机器人臂进行控制和编程。控制器可被提供为如图1所示的外部设备或集成到机器人臂中的设备或它们的组合。界面设备可例如被提供为工业机器人领域中已知的示教器，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112和多个输入设备113，诸如按钮、滑块、触摸板、操纵杆、轨迹球、手势识别设备、键盘等。显示器可被提供为既充当显示器又充当输入设备的触摸屏。界面设备还可被提供为外部设备(该外部设备被配置成与机器人控制器通信)，例如智能电话、平板电脑、pc、膝上型计算机等。界面设备可为与机器人控制器有线通信或无线通信的示教器或柄部或智能电话。
[0189]
机器人工具凸缘104包括集成到该机器人工具凸缘104中的力-扭矩传感器114(有时简称为力传感器)。力-扭矩传感器114提供工具凸缘力信号，该工具凸缘力信号指示在机器人工具凸缘处提供的力-扭矩。在所示实施方案中，力-扭矩传感器被集成到机器人工具凸缘中，并且被配置成指示相对于机器人工具凸缘参考点107施加到机器人工具凸缘的力和扭矩。力-扭矩传感器114提供力和扭矩信号，该力和扭矩信号指示在工具凸缘处提供的力和扭矩。在所示实施方案中，力-扭矩传感器被集成到机器人工具凸缘中，并且被配置成指示相对于参考点107和工具凸缘坐标系施加到机器人工具凸缘的力-扭矩。然而，力-扭矩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-扭矩。在一个实施方案中，力-扭矩传感器被提供为六轴力-扭矩传感器，该六轴力-扭矩传感器被配置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，力-扭矩传感器可被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wo2014/110682a1、us4763531、us2015204742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凸缘的扭矩。需注意，力-扭矩传感器可被提供为布置在机器人工具凸缘上或省略的外部设备提供。
[0190]
加速度传感器115布置在机器人工具关节102f处，并且被配置成感测机器人工具关节102f的加速度和/或机器人工具凸缘104的加速度。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102f的加速度和/或机器人工具凸缘104的加速度。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，并且被配置成指示机器人工具坐标系中机器人工具关节的加速度。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)。需注意，加速度传感器可被提供为布置在机器人工具凸缘上或省略的外部设备。
[0191]
每个机器人关节包括机器人关节主体以及能够相对于该机器人关节主体旋转或平移的输出凸缘，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，该关节马达被配置成例如经由传动装置或直接连接至马达轴来相对于该机器人关节主体旋转或平移输出凸缘。机器人关节主体可(例如)形成为关节外壳，并且关节马达可布置在该关节外壳内，并且输出凸缘可延伸出该关节外壳。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：输出凸缘的角位置和/或线性位置、关节马达的马达轴的角位置和/或线性位置、关节马达的马达电流或试图旋转输出凸缘或马达轴的外力和/或扭矩。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。关节传感器还可被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。还需注意，一些机器人关节可包括能够由关节致动器旋转和/或平移的多个输出凸缘，例如，机器人关节中的一个机器人关节可包括第一输出凸缘，该第一输出凸缘相对于机器人关节旋转/平移机器人臂的第一部分；以及第二输出凸缘，该第二输出凸缘相对于机器人关节旋转/平移机器人臂的第二部分。如上面所指示，关节传感器也可被提供为力和/或扭矩传感器或加速度传感器。这种力和/或扭矩和加速度传感器可为如图1所指示的最外部关节的一部分，然而机器人臂的其他部分也可包括力/扭矩传感器。
[0192]
机器人控制器被配置成通过基于机器人臂的动态模型、重力做功方向109和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臂的运动。
[0193]
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102a、102b和102f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102c、102d、102e和连接机器人关节的机器人连杆。此外，机器人关节以单独元件形式示出；然而，应当理解，这些机器人关节直接互相连接或如图1所示经由机器人连杆互相连接。机器人关节包括输出凸缘216a、216b、216f和关节马达217a、217b、217f或另一种致动器，其中输出凸缘216a、216b、216f能够相对于机器人关节主体旋转。关节马达217a、217b、217f分别被配置成经由输出轴218a、218b、218f旋转输出凸缘216a、216b、216f。应当理解，关节马达或关节致动器可被配置成经由诸如齿轮(未示出)的传输系统旋转输出凸缘。在该实施方案中，工具关节123f的输出凸缘216f构成工具凸缘104。至少一个关节传感器219a、219b、219f提供传感器信号220a、220b、220f，这些传感器信号指示相应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
。关节传感器参数可例如指示姿态参数，该姿态参数指示输出凸缘相对于机器人关节主体的位置和取向，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。关节传感器参数选自包括以下项的列表：速度、加速度、扭矩、马达扭矩、力和位置。关节传感器参数可为从传感器获得的测量值或从这些传感器值导出的值。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。马达电流可由电流传感器获得和指示。
[0194]
机器人控制器110包括处理器221和存储器222，并且被配置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配置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关节马达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222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
进行调整。例如，关节马达可被提供为多相电动马达，并且机器人控制器可被配置成通过调节通过多相马达的相位的电流来调整由关节马达提供的马达
扭矩，如马达调节领域中已知的。
[0195]
机器人工具关节102f包括提供工具凸缘力-扭矩信号224的力-扭矩传感器114，该工具凸缘力-扭矩信号指示提供给工具凸缘的力-扭矩ft
flange
。例如，力信号-扭矩ft
凸缘
可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的力矢量和扭矩矢量
[0196]
等式1
[0197]
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。
[0198]
扭矩可被指示为机器人工具凸缘坐标系中的扭矩矢量：
[0199]
等式2
[0200]
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。需注意，力矢量和扭矩矢量可被提供为单独信号，并且可提供单独的力传感器和/或扭矩传感器。
[0201]
机器人工具关节102f可包括加速度传感器115，该加速度传感器提供指示机器人工具凸缘的加速度的加速度信号225，其中加速度可相对于工具凸缘坐标系进行指示。
[0202][0203]
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。
[0204]
在加速度传感器被提供为组合加速度计/陀螺仪(例如，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
[0205]
等式3
[0206]
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。
[0207]
所示实施方案的力-扭矩传感器和加速度传感器布置在机器人工具关节102f处；然而，应当理解，力-扭矩传感器和加速度传感器可布置在机器人臂的任何部分处，并且在一些实施方案中被省略。
[0208]
机器人控制器能够切换到自由驱动操作模式，其中处于该自由驱动操作模式的该机器人控制器被配置成：
[0209]
·
当仅有重力109作用于机器人臂上时，将机器人臂保持在静态姿势；
[0210]
·
当向机器人臂施加不同于重力的外力时，允许机器人臂的姿势变化。
[0211]
当仅有重力作用于机器人臂时，机器人控制器可被配置成通过在关节马达提供足够的马达扭矩以克服重力而不移动机器人臂的部件的状态下驱动关节马达来将机器人臂保持在静态姿势。机器人控制器可被配置成基于处于静态姿势的机器人臂的动态模型来确定足够的马达扭矩。静态姿势可(例如)由关节传感器指示，该关节传感器被提供为指示输出凸缘的角位置的输出编码器和/或指示马达轴的角位置的输入编码器。静态姿势也可以作为姿势存储在控制软件中，例如通过定义处于静态姿势的机器人关节的关节角度。在存储机器人臂的静态姿势的情况下，所存储的姿势可被称为机器人臂在机器人程序中操作时返回或移动到/通过的路点姿势。
[0212]
当向机器人臂施加不同于重力的外力时，机器人控制器可以通过用允许用户旋转机器人关节的输出凸缘的马达扭矩驱动关节马达来允许姿势变化。例如，机器人控制器可被配置成以足以将机器人臂保持在静态姿势的马达扭矩来驱动马达，并且因此施加到机器人臂的附加的力和/或扭矩将克服该足够的马达扭矩，由此关节的输出凸缘将由于该附加的力和/或扭矩而旋转。在机器人臂的姿势改变期间，机器人控制器可被配置成基于姿势的改变来调节该足够的马达扭矩，从而导致以下效果：当附加外力减小时，机器人臂将保持在新的静态姿势。
[0213]
在自由驱动操作模式下，机器人控制器可在一个实施方案中被配置成基于来自力-扭矩传感器114的力信号224来控制关节马达的马达扭矩。这使得用户可以在不操纵每个机器人关节的情况下移动工具凸缘(例如通过推动、拉动或旋转机器人工具凸缘)。另外，在根据本发明的自由驱动操作模式下，用户还可选择操纵各个机器人关节，以改变机器人臂的姿势。因此，当在自由驱动操作模式下改变机器人臂的姿势时，为用户提供了更大的灵活性和更多选项。
[0214]
用于控制机器人臂101的机器人控制器110可被配置成执行图3至图4所示的方法。
[0215]
图3示出了根据本发明的控制机器人臂的方法的流程图。该方法包括初始化330步骤，该步骤包括获得机器人臂的动态模型d
机器人
，该动态模型可基于机器人臂的先验知识kor，诸如机器人关节和机器人连杆的尺寸和重量；关节马达特性；与附接到机器人臂的最终有效载荷、机器人臂相对于重力的取向等相关的信息。机器人臂的动态模型可被限定并且预先存储在控制器的存储器中，并且在一些实施方案中，可允许用户(例如)通过提供附接到机器人臂的有效载荷的有效载荷信息或限定机器人臂相对于重力的取向来修改机器人臂的动态模型。
[0216]
步骤340是评估用户输入以确定机器人控制器是否应将当前操作模式改变为自由驱动操作模式的步骤。步骤341是将机器人控制器的当前操作模式改变为教导模式的任选步骤，如果尚未处于教导模式下，则如在一些实施方案中，机器人控制可以仅被配置成在处于教导操作模式下时进入自由驱动操作模式。然而，应注意，自由驱动操作模式可从其他当前操作模式(诸如运行/操作模式)进入，然而通常将从教导模式进入。在步骤342中，机器人臂的用户例如基于用户输入ui来建立所谓的自由驱动激活信号，并且在步骤345中确定激活机器人臂的自由驱动操作模式的过程是否应开启(参见步骤350)。通常，例如为了允许用户手动改变机器人臂的姿势，例如为了在机器人程序期间限定机器人臂的路点/姿势，在机器人臂的编程期间激活自由驱动操作模式。
[0217]
可基于指示机器人控制器激活自由驱动操作模式的用户输入来激活自由驱动操作模式。因此，步骤340可接收激活自由驱动操作模式的用户输入ui并且如果接收到这种用户输入并且这种用户输入经过验证，则进入自由驱动操作模式，如拇指向上的图标所指示。如果未接收到进入自由驱动操作模式的用户指令，那么机器人控制器将如拇指向下的图标所示，不进入自由驱动操作模式。可通过能够接收用户输入的任何输入设备(例如按钮、操纵杆、触摸屏、手势识别设备、滑块、机器人臂上的传感器等)接收用户输入。在一个实施方案中，基于力-扭矩信号来激活自由驱动操作模式，从而产生以下事实：用户可简单地通过向机器人臂施加力和/或扭矩来直接在机器人臂处激活自由驱动操作模式。例如，力-扭矩信号可被提供为由附接到图1至图2所示的机器人臂的机器人工具凸缘的力-扭矩传感器114提供的力-扭矩信号224。一旦机器人控制器已经进入自由驱动操作模式(参见步骤360)，用户输入就可指示机器人控制器应使机器人臂脱离自由驱动操作模式。使机器人臂脱离自由驱动模式可在所限定的时间段到期时或基于用户输入ui自动发生。
[0218]
如所提及，在步骤342中，机器人臂的用户建立所谓的自由驱动激活信号。通过用户向机器人臂或用户界面施加力来将自由驱动激活信号从用户提供到机器人控制器。可向用户界面的按钮或触摸屏或机器人臂的关节或传感器施加力。不管力如何以及在何处施加到机器人臂或用户界面，都建立到机器人控制器的输入，该输入称为自由驱动激活信号。
[0219]
在实施方案中，为了激活自由驱动操作模式，必须在所谓的激活时间段内由机器人控制器连续地接收自由驱动激活信号。激活时间段通常大于零秒并且通常小于10秒至15秒，合适的持续时间取决于例如用户，但在许多情况下将在0.25秒与5秒之间，诸如0.25秒、0.5秒、1秒或2秒。在此情况下，如果例如在参数的两个存储值之间进行简单比较，则可将时间段设置为零(或在零秒与0.25秒之间)。替代地，自由驱动激活信号可由机器人控制器在预定模式下作为离散信号接收。这主要是为了确保自由驱动激活信号未被错误地建立。因
此，该时间段应长到足以如此识别非用户激活，并且仅记录来自用户的激活。
[0220]
在实施方案中，自由驱动激活信号是通过推动用户界面的按钮而提供的逻辑“1”或“0”。在替代实施方案中，自由驱动激活信号是关节传感器参数的测量值或该测量值的导数，诸如力、扭矩、温度、电势等。因此，可为机器人控制器预定建立自由驱动激活信号所需的关节传感器参数的类型，以能够识别自由驱动激活信号。替代地，连接到机器人控制器的i/o模块的特定输入地址可用于识别自由驱动激活信号。
[0221]
在实施方案中，在步骤342中，用户向机器人关节或力传感器施加力以建立自由驱动激活信号。在此实施方案中，可通过在空间中的预定取向上推动力传感器来施加力。预定取向可为例如垂直于或平行于关节轴线105f的取向。在预定取向垂直于关节轴线的情况下，也可建立所施加的垂直力的角度。为所施加的力建立角度促使机器人控制器能够识别在预定方向上施加的力作为潜在自由驱动激活信号。如所指示，原则上可使用空间中的任何移动，然而，相对于关节轴线105f提及的垂直或平行移动被认为是有利的，因为这些移动更容易被用户记住和应用。
[0222]
因此，不仅可以将自由驱动激活信号限制于特定类型的关节传感器参数(诸如由力传感器测量的力)，而且还将自由驱动激活信号限制于在预定激活时间段内保持的这种力的特定方向。基于在预定激活时间段内在指定方向上(即，例如以可相对于机器人基座或机器人臂的另一部分限定的角度)施加的力来建立自由驱动激活信号降低了机器人控制器将不旨在建立自由驱动激活信号的力与旨在建立自由驱动激活信号的力混淆的风险。
[0223]
建立自由驱动激活信号的替代方法是在针对特定机器人臂不自然的方向上施加力。其实例可为在(例如)马达电流的任何变化不由机器人控制器施加的情况下测量力变化(增加或减少)的情况和/或没有与有效载荷相关的变化被记录的情况。
[0224]
建立自由驱动激活信号的又一替代方法是向扭矩传感器施加扭矩。通常，例如，在机器人臂处于静态姿势的情况下并且在向马达施加了静态马达电流的情况下，扭矩也将是非自然力。这种扭矩可由用户使用单手或双手施加以使扭矩传感器扭曲。
[0225]
在步骤345中，将施加到机器人臂的力或扭矩的测量值(量值/大小)与预定义阈值进行比较。如果测量值在预定激活时间段内高于阈值，则指示机器人控制器得出结论：用户将要激活自由驱动操作模式。在步骤345中可执行的附加测试是所测量的力的方向正如预期的情况和/或另一关节传感器参数的值低于另一预定阈值的情况。
[0226]
该另一阈值可低于第一阈值，因为预期在许多情况下施加力的用户也将施加小扭矩。因此，如果在施加相对较小的扭矩的同时施加相对较高的力(或反之亦然)，则这是来自用户的冲击的指示。这可通过将力(关节传感器参数)和扭矩(另一关节传感器参数)的测量值与相应阈值进行比较来评估。从而建立了另一过滤器，以确保仅有用户的所施加的意向力被机器人控制器解释为自由驱动激活信号。
[0227]
替代地，如果第一关节传感器参数是在第一方向上的力，则另一关节传感器参数可为在不同于第一方向的第二方向上施加的力。
[0228]
第一阈值和其他阈值通常由例如力/扭矩的量值/大小的上限值或下限值限定，但也可被限定为在端点之间的范围。待由用户施加以建立自由驱动激活信号的适当的力可低于50n，诸如5n、10n、15n或20n。该力必须足够大以免被(例如)用户所引起的碰撞混淆，并且必须足够小以供用户能够向机器人臂施加力。
[0229]
在步骤350中，激活自由驱动操作模式。在步骤351中，所谓的激活序列时间段开启，在步骤352中，测量一个或多个关节传感器参数，并且在步骤355中，将一个或多个关节传感器参数的值的变化与容许变化进行比较。因此，如果这些变化在整个激活序列时间段内在容许范围内，则假设有效载荷的重量是正确的并且激活自由驱动操作模式，如拇指向上所指示，而如果这些变化在整个激活序列时间段内不在容许范围内，则机器人控制器切换到(例如)非自由驱动操作模式(诸如保护停止模式)或保持在当前操作模式下，如拇指向下所指示。
[0230]
如所提及，在步骤351中，激活序列时间段开启。在实施方案中，该时间段在0.25秒与5秒之间，诸如0.25秒、0.5秒、1秒或2秒。在此情况下，如果例如在参数的两个存储值(半秒与10秒至15秒(或甚至更多秒))之间进行简单比较，则可将该时间段设置为零(或在零秒与0,25秒之间)。如果一个或多个关节传感器参数在该时间段内的变化没有超过所允许的变化，则进入自由驱动操作模式。
[0231]
所允许的变化可由限定最大速度、加速度、位移、位置、力、扭矩、电流等的自由驱动激活关节传感器参数阈值限定。这些阈值可为预定的固定值。然而，这些阈值就此意义而言也可为动态的：如果(例如)机器人臂在激活序列时间段内的加速度较高，则(例如)机器人臂的位移或允许这种加速度的时间的阈值较低，而如果加速度低，则位移或时间的阈值更高。
[0232]
自由驱动激活关节传感器参数阈值可限定所谓的虚拟墙或虚拟窗口，该虚拟墙或虚拟窗口限定围绕工具凸缘的中心的范围，在该范围内允许工具凸缘移动；例如，在空间、立方体、球体或其他3d形状中的取向上的平面。在(例如)有效载荷重量误差的情况下，机器人工具凸缘(或有效载荷)可向下移动，直到该机器人工具凸缘“撞击”虚拟墙为止，在该虚拟墙处，该机器人工具凸缘将停止并且例如进入正常模式操作。可以说，虚拟墙由用户重置，例如将工具凸缘移动(提升、降低、移位)预定距离。用户可例如将机器人工具凸缘远离虚拟窗口移动预定距离。由此，现在相对于工具凸缘的中心的新位置重新建立虚拟墙。通过例如通过移动(提升、降低、移位)工具凸缘来施加外力，机器人控制器知道该外力是用户施加的力，因此允许重新建立虚拟墙。以这种方式，工具凸缘可在后续步骤中向下移动到机器人单元的地板。如果到达虚拟墙(例如因为有效载荷脱离夹持器工具)，则夹持器将撞击虚拟墙的上部部分并且停留在那里，因为机器人臂在自由驱动操作模式下尝试补偿重力对“缺失有效载荷”的影响，并且虚拟墙将不会被重新建立。在后一个实例中，如果不存在虚拟墙，则当夹持器撞击虚拟墙的例如以笔直姿态向上站立的上部位置时，夹持器将会冒着首先停止的风险。用户然后可通过降低工具凸缘来将工具凸缘向下移动到机器人单元的地板，由此控制器建立新虚拟墙。相反，如果有效载荷重量超过机器人控制器已知的有效载荷重量，则机器人工具凸缘将在重力方向上向下移动，直到该机器人工具凸缘撞击虚拟墙的下部位置或机器人单元的地板为止。这可通过虚拟窗口来防止，因为夹持器将撞击虚拟墙的下部部分并且停留在那里，并且虚拟墙将不会被重新建立。用户然后可通过将工具凸缘抬离虚拟窗口的下部部分来将工具凸缘移动到期望位置，由此控制器建立新虚拟墙。
[0233]
关节传感器参数阈值可为动态的，这取决于机器人臂的移动的不同方面。因此，最大速度可取决于自移动开启以来的时间。即，如果机器人臂在基本上相同的方向上移动超过x秒，则减少最大速度阈值以避免机器人臂的漂移。
[0234]
此外，有效载荷可限定速度和加速度的阈值。即，如果用户已经记录了较大有效载荷(大小或重量)，则减少最大速度和/或加速度阈值以防止用户获得危险情况或帮助操纵重机器人。
[0235]
速度和加速度可受到由用户施加到机器人的力(或有效载荷)的限制。即，如果用户在机器人或有效载荷变化重量中用力拉，则可将机器人限制于缓慢移动以保护用户和/或有效载荷。对于扭矩同样如此，因此如果机器人经受大扭矩，则可降低最大角速度以防止离轴有效载荷，该离轴有效载荷促进工具凸缘的意外快速旋转/加速。
[0236]
因此，在步骤352中，获得或建立一个或多个预定关节传感器参数的值。如所提及，关节传感器参数可包括速度、加速度、扭矩、马达扭矩、力等，但也包括它们的导数，诸如机器人臂在空间中的位置和位移。在实施方案中，在工具凸缘处测量力和扭矩。随时间推移从多个关节接收到的来自加速度计的另一输出用于计算或导出工具凸缘的角速度、角加速度、速度和/或加速度。在多个关节(例如到关节马达的电源)中测量另一电流和/或电压。
[0237]
不管自由驱动操作模式的意图如何，这些关节传感器参数的值和该值的导数可在没有附加力(附加马达扭矩t
附加
)被用户施加到机器人臂的情况下改变，如果(例如)有效载荷的重量不正确，则传感器未被正确校准或传感器随时间推移而漂移。因此，本发明解决的一个问题是来自传感器(诸如力扭矩传感器)的测量随时间推移或由于温度变化而漂移，并且因此可以不是可信的。相反，来自扭矩/力传感器的意外(来自机器人控制器的视野点)测量是更可信的。
[0238]
作为实例，可提及的是，如果有效载荷的重量低于提供给机器人控制器(例如由用户)的重量，则由机器人控制器计算以保持静态姿势的静态马达扭矩(t
静态
)过高，从而导致机器人臂向上移动。为了避免这种移动引起材料的损坏或人员的损伤，机器人控制器在这种情况下停止机器人臂的移动。可例如通过将操作模式改变为保护或硬停止模式来发起停止。在步骤350中，在激活序列时间段内进行停止，并且因此不进入自由驱动操作模式。
[0239]
替代地，可通过以下步骤来完成：通过将马达电流减小到一个或多个关节马达来补偿移动，直到例如经由关节传感器参数记录机器人臂的静态姿势为止。
[0240]
应提及，在一些实施方案中，关节/力传感器可仅指示由用户施加的旨在进入自由驱动模式的力，并且不直接记录该力。例如，输入编码器与输出编码器之间的编码器位置的差异可用于指示向机器人臂施加外力。
[0241]
在步骤355中进行所测量的关节传感器参数的评估。如所提及，评估可被实施为关节传感器参数的测量值与限定测量值的容许变化的自由驱动激活关节传感器参数阈值的比较。如所提及，这些自由驱动激活关节传感器参数阈值可为预定的固定值，然而这些自由驱动激活关节传感器参数阈值也可被实施为动态值并且响应于例如所测量的关节传感器参数的值的变化速度而改变。通过这种评估，确保了只有在这不会导致机器人臂以在自由驱动激活关节传感器参数阈值之外的关节传感器参数的值或该值的导数移动时才进入自由驱动操作模式，这可导致用户、机器人臂和该机器人臂的周围环境的危险情况。导致将操作模式改变为自由驱动操作模式的肯定评估由拇指向上指示，而导致(例如)保持在当前操作模式(通常为教导模式)下或保护停止的否定评估由拇指向下指示。
[0242]
在步骤360中，机器人臂在自由驱动操作模式下操作，并且因此用户可以通过向机器人臂的一个或多个部分施加力来操纵机器人臂的姿势。
[0243]
在步骤361中，在导致将操作模式改变为自由驱动操作模式的上述肯定评估后，自由驱动时间段由机器人控制器开启。在步骤362中，测试用户是否操纵了机器人臂。如果用户没有操纵机器人臂，则在自由驱动模式时间段到期之后，机器人控制器将操作模式改变为非自由驱动操作模式。在实施方案中，操作模式改变回教导模式。
[0244]
然而，如果用户对机器人臂进行了一些操纵，则在步骤363中，机器人控制器重置自由驱动模式时间段，或在期望不同时间段的情况下开启重启自由驱动模式时间段。此处的操纵包括记录诸如路点的位置。注意，图3示出了开启重启自由驱动模式时间段的实施方案，而不排除简单地重置自由驱动模式时间段的实施方案。再次，在步骤364中，测试用户是否操纵了机器人臂。如果用户没有操纵机器人臂，则在重启自由驱动模式时间段到期之后，机器人控制器改变操作模式。
[0245]
自由驱动时间段和重启自由驱动时间段在长度上可相等，即，他们都可为例如3秒。通常，这些时间段在0.5秒至15秒的范围内，通常在1秒至5秒的范围内，并且通常为2秒、3秒或4秒。在此情况下，如所提及，这些时段在长度上不必相等。
[0246]
在将操作模式改变为(例如)停止或教导模式之后，如果用户期望再次进入自由驱动操作模式，则该用户将再次跳转到步骤342并且建立自由驱动激活信号。应提及，如果机器人臂已经处于停止操作模式下，则可能需要重置或重启机器人臂。
[0247]
图4示出了在自由驱动操作模式下运行机器人臂的步骤460的一个实施方案，并且包括获得使机器人臂保持静态姿势的静态马达扭矩t
静态
的步骤466、获得(例如)从用户施加的附加马达扭矩t
附加
的步骤467，将该静态马达扭矩和该附加马达扭矩组合成组合马达扭矩t
组合
的步骤468以及基于该组合马达扭矩来控制关节马达的步骤469。
[0248]
在步骤466中获得的静态马达扭矩t
静态
可基于机器人臂的实际姿势p
机器人
和机器人臂的动态模型d
机器人
来获得，其中机器人臂的动态模型限定了机器人臂的姿势与在重力的影响下将机器人臂保持在静态姿势所需的马达扭矩之间的关系。静态马达扭矩指示为了在重力影响下将机器人臂保持在静态姿势关节马达需要提供的马达扭矩。可基于关节输出编码器获得机器人臂的实际姿势p
机器人
，该关节输出编码器指示机器人关节的每个输出凸缘的角位置，并且静态马达扭矩t
静态
可被提供为矢量或阵列，其中为每个关节马达提供静态马达扭矩t
静态，n
，其中n表示机器人关节的数量，其中机器人马达将提供所获得的第n个静态马达扭矩。用产生静态马达扭矩的电流来驱动马达关节产生以下效果：机器人臂在仅受重力影响时保持处于静态姿势。用户可通过操纵机器人关节(例如通过推动、拉动和/或旋转机器人臂的部件，从而向机器人臂施加外力/扭矩)来移动机器人臂的部件。如果这种外力/扭矩超过机器人关节的静态马达扭矩，则关节马达将不能防止机器人臂姿势的修改，从而用户可改变机器人臂的姿势。
[0249]
在步骤467中获得的附加马达扭矩t
附加
基于提供给工具凸缘并且由力-扭矩传感器114指示的力-扭矩ft
凸缘
、机器人臂的动态模型d
机器人
和机器人臂的实际姿势p
机器人
来获得。力-扭矩ft
凸缘
由力-扭矩传感器在机器人工具凸缘处提供。附加马达扭矩指示响应于提供给机器人工具凸缘并且由力-扭矩传感器获得的力/扭矩，关节马达需要提供的用来移动和/或旋转机器人工具凸缘的马达扭矩。例如，在给定方向上提供给机器人工具凸缘的力可导致机器人工具凸缘在该方向上的移动，并且力的大小可指示移动的期望的加速度。类似地，在给定方向上提供给机器人工具凸缘的扭矩可导致机器人工具凸缘在该扭矩的方向上旋转，
并且扭矩的大小可指示旋转的期望角加速度。附加马达扭矩t
附加
可作为矢量提供，其中为每个关节马达提供附加马达扭矩t
附加，n
，其中n表示将提供所获得的静态马达扭矩的机器人马达的关节数。用产生附加马达扭矩的电流来驱动马达关节产生以下效果：机器人工具凸缘可在提供给该机器人工具凸缘的力和/或扭矩的方向上移动和/或旋转。在所示实施方案中，附加马达扭矩指示为了移动机器人臂，除静态扭矩之外还需要提供的马达扭矩。
[0250]
在步骤468中获得的组合马达扭矩t
组合
通过将静态马达扭矩t
静态
和附加马达扭矩t
附加
组合成组合马达扭矩t
组合
来获得。在该实施方案中，这通过添加静态马达扭矩和附加马达扭矩来实现：
[0251]
等式4 t
组合
＝t
静态
t
附加
[0252]
因此，组合马达扭矩t
组合
指示为了基于提供给机器人工具凸缘的力-扭矩同时克服重力并移动/旋转机器人工具凸缘，需要由关节马达提供的总马达扭矩。
[0253]
基于组合马达扭矩来控制关节马达的步骤包括：向关节马达中的每一个关节马达提供指示每个关节马达的马达扭矩t
马达，n
的多个控制信号，其中n指示将提供马达扭矩的机器人马达的关节数。关节马达的马达扭矩可通过改变流过关节马达的电流来调节，如马达调节领域已知的那样。
[0254]
如上所述，在步骤361中，当用户停止操纵机器人臂时，开启自由驱动时间段，并且在步骤362中，评估用户是否操纵了机器人臂。如果用户在该时间段到期之前没有操纵机器人臂，则机器人控制器改变由拇指向下指示的操作模式。另一方面，如果用户操纵机器人臂，则机器人控制器跳转到步骤466，以响应于由用户施加的力而改变机器人的姿势。
[0255]
此外，只要机器人臂在自由驱动模式下操作，机器人控制器就评估关节传感器参数或该关节传感器参数的导数。此评估未在图3或图4中示出。此评估类似于相对于步骤350描述的评估，即，如果机器人臂执行意外移动，诸如不是由用户所施加的力发起的移动。用户未发起的移动通常将处于垂直平面中，因为如果(例如)力传感器随时间推移而漂移或有效载荷重量随时间推移而改变(如果(例如)有效载荷对温度变化敏感，或使用或去除有效载荷的部分)，则重力将拉入有效载荷中。如果(例如)有效载荷脱离抓握工具，则机器人控制器将使工具凸缘向上移动。这是有利的，因为有效载荷下降；此评估将确保机器人控制器将操作模式例如改变为停止模式。
[0256]
机器人臂在自由驱动操作模式下的移动速度在垂直取向上受到限制，以确保在有效载荷下降的情况下，机器人臂速度不会加速。然而，在水平取向上，下降的有效载荷将不会影响机器人臂的速度，因此与在垂直取向上的速度相比，这受到的限制更少。
[0257]
可简单地通过让自由驱动时间段到期、通过推动按钮、超过关节参数阈值(诸如速度或加速度)等来进行自由驱动操作模式的去激活。
[0258]
关节传感器参数用作机器人臂的移动的指示符。因此，基于对机器人控制器的输入导出的任何一个或多个传感器值都可被视为关节传感器参数。因此，关节传感器参数包括至少速度、加速度、扭矩、马达扭矩、力和位置的信息。在本发明的实施方案中，基于关节编码器来检查工具凸缘和由此机器人臂的移动。关节编码器包括指示关节马达轴的角位置的输入编码器和指示输出凸缘的角位置(因此在齿轮之后)的输出编码器。如所指示，工具凸缘和由此机器人臂的移动也可从来自一个或多个关节(诸如来自加速度计115、电流传感器等)的输入指示或导出。
[0259]
机器人臂可以不同操作模式控制。机器人臂在被编程时可在教导模式下操作，当编程完成时，机器人臂可在运行模式下操作，并且当违反安全功能时，机器人臂可进入停止模式。用户可从这些操作模式中的任何操作模式激活自由驱动模式，然而，在此情况下，机器人臂在进入自由驱动操作模式之前的当前操作模式通常是教导操作模式。
[0260]
在实施方案中，可限定在自由驱动操作模式下允许操作的预定义区域。这些区域可用于保护机器人臂免于与物理物体碰撞、限定工作空间等。在自由驱动操作模式下操作时，机器人控制器可向用户传达机器人臂正在靠近这种区域的边界。这种信息可经由用户界面在视觉上传送给用户。替代地，该信息可通过以下操作传送给用户：增加马达电流并且由此增加由关节马达提供的马达扭矩，使得用户在继续施加操纵力从而导致机器人臂朝向边界移动时将经受来自机器人臂的阻力。
[0261]
从机器人控制器传达给用户的替代方式是通过所谓的触觉反馈。触觉反馈可由机器人控制器用于(例如)向用户通知进入自由驱动操作模式、边界正在靠近等。触觉反馈可被呈现为使得用户能够将触觉反馈信号的含义彼此区分开的不同序列或模式。如果使用触觉反馈，则优选的是，在较长时段内不“振动”在相同的两个位置之间的关节(改变位置)。该时段的持续时间不应导致滚珠轴承的滚珠之间的润滑剂不润滑滚珠。因此，如果在比可防止这种情况更长的时间段内需要触觉反馈，则将优选的是，首先在一个方向上将机器人臂移动一点，稍后在另一个方向上使机器人臂向后移动，从而使得机器人臂最终处于其起始位置中以确保滚珠的润滑。
[0262]
图形用户界面在实施方案中被实施为示教器的屏幕。经由该界面，用户能够与机器人控制器进行通信，并且机器人控制器能够与用户进行通信。机器人控制器可传送给用户的一条信息是上述不同时间段的剩余时间。因此，机器人控制器可从屏幕的区域对激活时间段、激活序列时间段、自由驱动时间段、重启自由驱动时间段等进行倒计时或进行计时。因此，用户始终通过查看屏幕得知时间段的剩余时间。屏幕或显示器可被划分成旨在传达(例如)机器人臂的移动的不同方面的段。关节的姿势的可视化、机器人工具(例如)相对于虚拟墙的位置和如何将机器人工具移动回这种墙的正确侧上，仅提及图形用户界面的一些功能。
[0263]
此外，机器人控制器可经由界面设备向用户呈现导致非自愿地离开自由驱动模式的事件的根本原因以及关于如何(例如，哪些关节如何移动)使机器人臂回到空间中的起始位置、姿势或期望位置/取向的指导。
[0264]
此外，可能会发生将满足激活自由驱动操作模式并且使机器人控制器进入自由驱动模式的要求的意外事件出现。为了避免这种事件不会重复地使机器人控制器进入自由驱动模式，可引入需要在机器人控制器可再次进入自由驱动模式之前到期的时间段。
[0265]
根据上文可清楚，以安全方式进行将操作模式从当前操作模式改变为自由驱动操作模式，从而确保(例如)机器人控制器所包括的有效载荷重量信息中的误差不会导致危险情况。该问题通过用户建立自由驱动激活信号(诸如高于对应阈值的力)来解决。在实施方案中，持续激活时间段。通过这种测试，确保了用户的意图是进入自由驱动模式。
[0266]
随后，机器人控制器切换操作模式，通常从正常操作模式切换到自由驱动模式。最初，在进入自由驱动操作模式时，在激活时间段内监测一个或多个关节传感器参数值，并且将该关节传感器参数值与对应阈值进行比较。通过这种测试，确保有效载荷的重量是正确
的。如果不正确，则所监测的关节传感器参数值中的一个或多个关节传感器参数值将超过对应阈值。在发生这种情况的情况下，机器人控制器将操作模式(例如)改变为停止模式或非自由驱动操作模式。如果正确，则用户能够根据需要在自由驱动操作模式下移动/操纵机器人臂。
[0267]
如果用户在给定自由驱动时间段/重启自由驱动时间段内没有向机器人臂施加力，则机器人控制器将此解释为用户希望切换回教导模式(或另一模式)。
[0268]
本发明解决的另一问题是可以在改变机器人臂的姿势(有时称为操纵、移动或施加力)时使用双手。这是有利的，例如在机器人工具必须非常精确地定位的情况下(例如螺钉上方的螺纹接合工具)或在机器人臂在物理上又大又重并且只用单手进行操纵的情况下。
[0269]
本发明解决的另一问题是如果力和扭矩传感器已经漂移，并且因此正在向机器人控制器提供与有效载荷的重量相关的错误信息，没有机器人臂的意外危险移动将在所限定的阈值之外发生。
[0270]
在本发明的实施方案中，在由扭矩/力传感器(关节传感器)记录高于力阈值的力时开启时间段，其中如果所记录的力在所确定的力时间段内保持高于力阈值并且由扭矩/力传感器记录的扭矩在所确定的扭矩时间段内保持低于扭矩阈值，则将力分类为有意冲击力。
[0271]
这是有利的，因为其具有以下效果：可分选出意外冲击力。这是因为由(例如)人类提供的有意冲击力在没有随附或有限扭矩的情况下提供。这与例如来自碰撞或保持操作的意外冲击力相反，其中力/扭矩传感器将配准扭曲，从而记录扭矩。因此，无论机器人臂正在哪种操作模式下操作，都能够记录有意的冲击力，并且基于此来(例如)改变操作模式、软件程序的状态、准备好接收特定输入等。
[0272]
在实施方案中，机器人控制器和用户经由所施加的力和机器人反馈进行通信，并且基于此，机器人控制器进入自由驱动。首先，用户向机器人臂施加外力。所施加的外力可为在空间中的任何取向上施加的任何类型的力。因此，当机器人控制器(例如)在正常操作模式下操作机器人臂时，用户(例如)在空间中的诸如垂直于关节轴线105f的预定取向上施加力。由用户提供的力的方向或强度不需要被机器人控制器知道。在记录了外力后，机器人控制器将提供机器人反馈作为响应。机器人反馈可为触觉反馈，并且当用户观察到这种触觉反馈时，用户向机器人臂施加在预定模式或强度下的预定力。这种预定力是机器人控制器已知的，并且如果在由机器人控制器检测到的所施加的预定力与预期的预定力之间存在匹配，则机器人控制器确定用户有意地希望进入自由驱动模式并且因此正将操作模式改变为自由驱动模式。
[0273]
由用户施加的预定力可为在特定时间段内在特定方向上的简单力。这只需要是机器人控制器已知的，从而为预定的。在该实施方案中的预定力应被理解为模式、机器人关节的移动序列等。
[0274]
可在记录外力之后立即提供机器人反馈，但也可在与记录外力的时间相隔0.5秒至5秒(诸如1秒、1.5秒、2秒或2.5秒)内提供机器人反馈。类似地，在提供机器人反馈之后立即提供预定力，但也可在与提供机器人反馈的时间相隔0.5秒至5秒(诸如(例如)1秒、1.5秒、2秒或2.5秒)内提供预定力。这些时间段是基于对于用户来说方便的内容来确定的，并
且将确保与(例如)在机器人反馈停止之后1分钟施加的预定力类似的意外外力将不会发起对自由驱动操作模式的改变。在本发明的此实施方案中，在机器人和用户“通信”的情况下，激活序列时间段优选地设置为零秒或接近零秒，即，低于1秒。这具有以下效果：机器人臂在激活序列时间段期间(例如)由于机器人控制器中的有效载荷重量的错误记录而导致的不受控制的移动被减少或完全消除。
[0275]
最后，应注意，所施加的力可为施加到界面设备上的一个或多个不同输入设备的力。这些输入设备可为按钮、麦克风、触摸屏、加速度计/陀螺仪等。
[0276]
附图参考的简要说明
[0277]
101：机器人臂
[0278]
102a至102f：机器人关节
[0279]
103：机器人基座
[0280]
104：机器人工具凸缘
[0281]
105a至105f：机器人关节轴线
[0282]
106a至106f：机器人关节的旋转箭头
[0283]
107：机器人工具凸缘参考点
[0284]
108：基座参考点
[0285]
109：重力方向
[0286]
110：机器人控制器
[0287]
111：界面设备
[0288]
112：显示器
[0289]
113：输入设备
[0290]
114：力-扭矩传感器
[0291]
115：加速度传感器
[0292]
216a、216b、216f：输出凸缘
[0293]
217a、217b、217f：关节马达
[0294]
218a、218b、218f：输出轴
[0295]
219a、219b、219f：关节传感器
[0296]
220a、220b、220f：关节传感器信号
[0297]
221：处理器
[0298]
222：存储器
[0299]
223a、223b、223f：马达控制信号
[0300]
224：力-扭矩信号
[0301]
225：加速度信号
[0302]
330：初始化
[0303]
340：评估用户输入
[0304]
341：正常模式
[0305]
342：自由驱动模式信号
[0306]
345：激活自由驱动？
[0307]
350：激活自由驱动
[0308]
351：开启激活序列时间段
[0309]
352：建立关节传感器参数
[0310]
355：将关节传感器参数与容许变化进行比较
[0311]
360、460：自由驱动操作模式
[0312]
361：开启自由驱动时间段
[0313]
362：用户操纵机器人臂
[0314]
363：开启重启自由驱动模式时间段
[0315]
364：用户操纵在时间内？
[0316]
466：获得静态马达扭矩
[0317]
467：获得附加马达扭矩
[0318]
468：组合静态马达扭矩和附加马达扭矩
[0319]
469：基于组合扭矩来控制关节马达