CN103180106B - 用于监控并限制工业机器人的速率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控并限制具有包括多个手臂部分和机器人手的手臂的工业机器人的速率的方法和设备，所述手臂部分和机器人手可以绕多个关节相对于彼此进行移动，并且所述关节的移动由多个电动机驱动。该方法包括反复地：-针对该机器人的选定电动机子群组中的每个电动机确定与该电动机角速度相关的参数，-基于所确定的电动机相关参数确定所允许的手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足，其中所述标准关于所述电动机子群组的电动机的最大允许角速度进行定义，并且-在任意标准未被满足的情况下降低该子群组中的一个或多个电动机的速度。

Description

用于监控并限制工业机器人的速率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于监控并限制具有包括多个手臂部分和机器人手的手臂的工业机器人的速率的方法和装置，所述手臂部分和机器人手可以绕多个关节相对于彼此进行移动，并且所述关节的移动由多个电动机驱动。

背景技术

工业机器人包括操控器以及用于对该操控器进行自动操作的控制系统。该操控器包括至少一个手臂，该手臂具有可绕多个关节相对于彼此进行移动的手臂部分。外部手臂部分支持可绕一个或多个关节旋转的手。该手包括也被称作转盘的工具附件，其适于附接至机器人所抓握的对象，诸如工具或工作对象。关节的移动由安装在每个关节上或与之接近的电动机驱动。每个关节由一个电动机驱动。关节的速度和加速度由机器人的控制系统控制，所述控制系统生成到电动机的控制信号。该控制系统包括驱动单元，其依据控制信号通过将DC电流转化为可变的交变电流来控制电动机。电动机配备有诸如编码器或解算器(resolver)的位置检测器以向控制系统提供位置反馈信号。该位置检测器测量电动机的角速度。出于安全原因，机器人手抓握对象的速率必须受到监控，并且如果对象速率超过某个阈值，则需要限制对象速率的动作。由于不同应用之间的对象大小有所不同，并且由于对象是由顾客添加因而是未知的，所以难以对对象速率进行监管。而是，对机器人手的转盘速率进行监管是更为便利的。

US2009/0088898公开了一种用于对配备有机器人手部的机器人进行控制的机器人控制器，其包括用于计算机器人手部在针对机器人控制器设置的矩形坐标系的坐标轴上的移动速率的速率计算器件，用于将所计算出的移动速率与针对该矩形坐标系的轴线的阈值进行比较的比较器器件，以及用于在任何移动速率高于对应阈值的情况下停止机器人的停止器件。该速率计算器件基于来自电动机的位置传感器的位置数据以及机器人的运动学模型来计算机器人手的速率。该方法的缺陷在于，由于其过于缓慢且完全依赖于软件因此并不安全。需要时间将位置数据传输至机器人控制系统并且计算机器人手的速率是耗时的。如果机器人手的速率变得过高，则立即采取行动停止机器人或者至少降低其速率是非常重要的。另外，例如当操控器在协同模式下使用时，由于会危及其运行状况的软件缺陷而存在出现故障的风险。

针对该问题的解决方案是使用测量机器人手臂的速率的传感器，如US7,468,594中所示。然而，额外的传感器增加了机器人的成本。

发明内容

本发明的目标是针对以上所提及的问题提供一种解决方案。

根据本发明的一个方面，该目标通过以下方法得以实现。

该方法包括反复地：对该机器人的选定电动机子群组中的每个电动机确定与电动机角速度相关的参数，基于所确定的电动机相关参数确定所允许的机器人手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足，其中所述标准关于所述电动机子群组的电动机的最大允许角速度进行定义，并且在任意标准未被满足的情况下降低该子群组中的一个或多个电动机的速度。所述参数为电动机的角速度或者电动机的频率。

根据本发明，与机器人的一些电动机的角速度相关的参数被用来对机器人手臂的速率进行监管。其中与电动机角速度相关的参数意味着角速度自身或者取决于电动机速度的参数，诸如电动机频率，其直接与电动机的角速度成比例。基于已经关于电动机的最大允许角速度以及关于机器人手臂的最大允许速度进行定义的一些预定标准，对机器人手臂的速率进行监管。如果那些标准没有被满足则采取动作以限制电动机的速度。这省去了使用机器人的运动学模型计算机器人手臂速率的耗时步骤。而且，本发明使得能够以接近于功率电子设备的硬件实现监控和限制功能。因此，使得监控和限制独立于控制回路中使用的软件。由此，安全性有所提高。这降低了由于软件缺陷而出现故障的风险。另外，监控以及速率限制变得快捷。另一种优势在于，无需额外的传感器来监控机器人手臂的速率。

基于手臂速率的预先确定的最大值，已经事先设置了所允许的机器人手臂速率的标准。例如，已经基于预先确定的转盘的最大允许速率和/或机器人肘部的最大允许速率而设置该标准。该标准包括对该子群组中的每个电动机的参数的至少一个预定义阈值。例如，基于针对机器人手臂，例如机器人手和/或机器人的TCP，的较差情形的速率的离线计算而预先确定该阈值。如果任意标准没有被满足，则一个或多个电动机的速度就受到限制。优选地，电动机的速度降低为零。

限制手臂速率可以以不同方式来进行，例如，一个或多个选定电动机的速度被限制，或者对机器人的所有电动机的供电被中断并且机器人被停机。例如，通过对功率电子设备去激励而中断对所有关节的供电。

如果驱动机器人关节的所有电动机都包括在子群组中，则机器人的性能将被显著降低。为了实现机器人有可接受的性能，子群组中电动机的数量应当小于机器人的关节总数。优选地，该子群组包括少于驱动机器人关节的电动机总数的至少两个电动机，以提高机器人的性能。对于至少一些机器人类型而言，对于诸如转盘速率之类的机器人手臂速率的影响在机器人关节之间有所不同。优选地，选择要被监控的关节以及相应地子群组的电动机是看其对转盘速率的主导影响以及相应地对机器人所抓握对象的速率的主导影响。选择对机器人转盘速率贡献最大的关节，并且选择驱动那些关节的电动机进行监管。

根据本发明的实施例，每个所述电动机被提供有可变的交变电力，并且该方法包括针对所述选定电动机子群组中的每个电动机测量提供至该电动机的可变交变电力的变量，并且基于所测得的变量确定所述电动机相关参数。该变量是所提供电力的电压或电流。基于提供至电动机的电力的测得变量确定参数的优势在于使测量不依赖于向控制系统提供位置反馈信号的位置检测器。该解决方案是廉价的，原因在于能够使用已有测量单元来测量所提供电力的电流或电压。

根据本发明的实施例，该方法包括测量提供至子群组中的每个电动机的可变电力的变量，基于所测得的变量确定提供至电动机的电力的频率，基于所确定的频率计算电动机的角速度，并且基于所确定的角速度以及电动机角速度的预定义阈值确定所述预定义标准是否被满足。提供至电动机的电力的频率能够通过硬件而轻易测量，例如使用过零检测器或锁相环(PLL)。因此，能够使用标准硬件以及已有测量单元而容易地实现本发明的该实施例。

根据本发明的另一个方面，该目标通过根据以下装置实现。

该装置适于反复地确定与该机器人的选定电动机子群组中的每个电动机的电动机角速度相关的参数，基于所确定的电动机相关参数确定所允许的手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足，其中所述标准关于所述电动机子群组的电动机的最大允许角速度进行定义，并且在任意标准未被满足的情况下限制该子群组中的一个或多个电动机的速度。

根据本发明的实施例，该装置包括测量系统，其被配置为测量对所述选定电动机子群组中的电动机的供电的变量，并且该装置适于基于所测得的变量确定所述电动机相关参数。到电动机的电力一般通过三相提供。为了获得冗余，该测量系统被配置为测量所提供电力的至少两相。

根据本发明的实施例，安全单元包括诸如锁相环(PLL)或过零检测器之类的多个硬件设备，其适于接收提供至该子群组的每个电动机的可变电力的变量的测量结果，基于所测得的变量确定提供至电动机的电力的频率，基于所确定的频率计算电动机的角速度，并且基于所确定的角速度以及电动机角速度的预定义阈值确定所述预定义标准是否被满足。本发明的该实施例以硬件实施而并不包含任何软件。

附图说明

现在将通过对本发明不同实施例的描述并且参考附图对本发明进行更为详细地描述。

图1示出了根据本发明第一实施例的用于监控并限制工业机器人的速率的装置。

图2示出了根据本发明第二实施例的用于监控并限制工业机器人的速率的装置。

图3示出了根据本发明第三实施例的用于监控并限制工业机器人的速率的装置。

具体实施方式

工业机器人包括操控器和用于对该操控器进行自动操作的控制系统。该操控器包括一个或多个手臂。每个手臂包括可绕多个关节相对于彼此进行移动的多个手臂部分和手。一种常见类型的工业机器人包括具有六个关节的一条手臂。在该示例中，操控器包括通常被称作机器人的基座的固定足，所述固定足支撑第一手臂部分，所述第一手臂部分可绕第一关节进行旋转。第一手臂部分支撑可绕第二关节进行旋转的第二手臂部分。第二手臂部分支撑可绕第三关节进行旋转的第三手臂部分。第三手臂支撑可绕第四、第五和第六关节旋转的手。机器人手包括名为转盘的工具附件，其适于抓握工具或工作对象，在所述转盘中定义有被称作TCP(工具中心点)的操作点。关节的移动由安装在关节附近的电动机驱动。出于安全原因，机器人手的工具中心点或转盘的速率必须要被监控，并且如果该速率超过了某个阈值则执行对机器人速率进行限制的动作。根据本发明，不是监控机器人手臂的实际速率诸如TCP或转盘的速率，而是对机器人的一些电动机的角速度进行监管。一般来讲，电动机的角速度测量为RPM(每分钟转数)。机器人手臂的速率一般以m/s为单位进行测量。

由于对所有电动机进行监管显著限制了机器人的性能，所以仅对一些电动机进行监管。对于具有六个或更多关节的机器人而言，通过根据手臂部分的长度而仅对驱动关节的三个或四个电动机进行监管而实现令人满意的结果。因此，在第一步骤中，必须要确定要对哪些电动机进行监管。这是通过确定每个电动机对手臂速率的影响并且选择对机器人手臂速率具有最主导影响的电动机来完成的。例如，这是通过机器人的离线仿真来完成的。例如，对于具有六个关节的常规机器人而言，选择关节1、2、3的电动机以及可能地关节4的电动机进行监管。关节5和6对于机器人手臂的速率几乎没有影响并且因此没有选择驱动那些关节的电动机。

在第二步骤中，必须要确定所要监管的参数的阈值。该参数必须与电动机的角速度相关并且基于选定电动机的最大允许角速度来确定该参数的阈值。因此，必须要确定选定电动机的最大允许角速度。这例如是通过对最差情况下的机器人速率的离线计算和仿真来完成的。

在第三步骤中，设置允许的机器人手臂速率的一个或多个预定义标准。该标准关于所述电动机子群组中的电动机的最大允许角速度而定义。该标准包括该子群组中的电动机的参数的预定义阈值。该标准可以包括对个体电动机以及电动机组合的阈值。在下文中，列出了针对以上所提到的具有六个关节的机器人的标准的一些示例：

标准的第一示例：

V1<V_T1且V2<V_T2且V3<V_T3且V4<V_T4

标准的第二示例：

V1+V2+V3+V4<V_T

具有六个关节的机器人的标准的第三示例：

V1<V_T1且V2<V_T2且V3+V4<V_T

其中V_i是电动机i的角速度，V_Ti是电动机i的角速度的阈值，V_Tij是电动机组合的角速度的阈值。

如果参数是电动机频率，则该标准包括选定电动机的角频率的阈值。

标准的第四示例：

f1<f_T1且f2<f_T2且f1+f2+f3+f4<f_T

其中f_i是电动机i的频率，f_Ti是电动机i的频率的阈值，f_T是电动机组合的频率的阈值。

所有标准都必须被满足以允许机器人以目前的手臂速率继续工作。在任何标准没有被满足的情况下，必须通过降低机器人的一个或多个电动机的速度来限制手臂速率。

工具中心点TCP的速度例如可以借助于Denavit-Hartenberg，D-H变换来计算。对于链路i的D-H变换为

A_i＝Rot_z,i Trans_z,di Trans_x,ai Rot _x,ái

四个量a_i、á_i、d_i和_i是链路长度、链路转角(link twist)、链路偏移量和关节角度，并且是描述链路i和关节i的参数。从关节i到j的变换因此为T_i ^j＝A_i*A_j。

通过计算最大TCP速率并且分析哪个关节需要被限制以确保TCP低于所要求的限制，将针对每个关节而知晓最大的允许机械角速度。该机械角速度随后被重新计算为电动机的电角速度。电动机的机械RPM和电RPM之间的关系取决于极对pp的数目。

电RPM＝机械RPM*pp

电动机的最大允许RPM因此被事先知晓并且能够被用作阈值水平。如果需要，可添加裕量以对测量的不准确性进行补偿。已知最大电角速度，就能够计算正弦波的两个过零点之间的最小允许时间。这是使用电动机相位的过零点来监控电动机角速度时的示例。如果频率已知，则以RPM计的角速度通过120*f/poles＝rpm来计算。

其中poles是电动机极的数目。

正弦波的过零点的频率因此与电动机的实际速度成比例。事先即离线计算用于调查的频率，并且其被用作针对负责监控并限制速度的硬件的阈值。例如，通过测量过零点之间的时间，可以检测电动机是否比所允许的运行得更快，并且如果检测到这样的超速则必须激活速度限制。例如，这可以利用针对电压转换器的正常频率来进行。甚至可增加个体电压以利用离散的模拟部件进行更为复杂的监管。另一种解决方案可以通过可编程逻辑或者其组合。

图1示出了根据本发明第一实施例的用于监控并限制工业机器人的速率的装置1。在该示例中，机器人具有六个关节并且包括用于驱动该六个关节的六个电动机M1-M6。四个电动机M1-M4已经被选择并且那些电动机包括在要监控的电动机子群组中。装置1包括测量系统，其被配置为测量与电动机的角速度相关的参数，诸如角速度自身或者电动机频率。如果测量频率，则RPM可以被确定为rpm＝2*f*60/poles。该测量系统包括针对每个电动机M1-M4的一个测量单元2，其适于对电动机参数进行连续测量。测量单元2可以是用于测量电动机频率或速度的多种已知类型的任一种，诸如相机、加速度计、霍尔部件、编码器或解算器。也可以基于来自电动机模型的反电动势、MRA(模型参考适应)、开环模型、观察者模型、所采用的各异向性、转子槽谐波、主电感饱和、人造突起或转子槽漏来确定电动机频率或者电动机速度。

该装置进一步包括逻辑单元3，其适于从测量单元2接收所测量参数的数值并且基于所测得的参数来确定所允许机器人手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足。逻辑单元3可以包括离散的的模拟部件，诸如滤波器、放大器、比较器、诸如FPGA的可编程逻辑或者其组合。该装置还包括数据存储器4，诸如闪存、RAM、ROM、DRAM、EEPROM等，或者诸如用于存储或设置参数的阈值的模拟电平。该阈值例如存储在查找表中。来自逻辑单元3的输出是用于在任意标准没有被满足的情况下限制机器人速率的一个或多个信号。因此，可检测一个或多个电动机是否比所允许的运行得更快，并且如果检测到这样的超速则激活速率降低。速率的降低可以通过使门驱动无效，关闭到DC总线的电力，使电动机断开连接或者与制动器接合，向门驱动添加PWM模式而以最大允许速度继续或者平滑地停止电动机等来实现，其中使得门驱动无效时安全的扭矩断开。在所有情况下，电动机速度将在电动机对于对象速率的贡献超出所要求限制之前而受到限制。

图2示出了驱动机器人的关节之一的三相电动机M1。DC/AC转换器6依据来自控制单元7的控制信号而将DC电流转换为可变的交变电流。该可变的交变电流具有三个相并且被提供至电动机M1。电动机速度取决于所提供的交变电流的频率。在该示例中为解算器R的测量设备测量电动机的角位置。测量结果被传输至伺服单元8，其使用该测量结果控制电动机的速度。布置了换能器9以测量提供至电动机M1的可变交变电流。利用换能器9提供至少两相电。换能器9用于对提供至电动机M1的电流进行监管。提供了断路器10以用于断开提供至DC/AC转换器6的DC电流。

另外，图2示出了根据本发明实施例的用于监控并限制机器人速率的装置的部分11。机器人的每个选定电动机具有类似部分11。部分11包括确定单元12，其被配置为从至少两个换能器9接收电流测量结果，并且确定要用于监管电动机的参数诸如电动机的角速度或频率。来自至少两相的电流测量结果被用来确定该参数。这给出了冗余并且确保了监管和限制将不会在丢失单个通道的情况下失败。确定单元12例如包括PLL(锁相环)或过零检测器。例如，确定单元包括用于基于所测得的电流确定电动机频率的硬件以及用于将所确定的频率转换为要用于监管电动机的电动机角速度的硬件。

部分11包括比较器14以及用于存储参数的阈值的存储器16。在模拟实施例中，阈值可以是模拟电压水平。在该示例中，参数是以RPM为单位的电动机角速度并且标准是所测得的电动机速度V1必须低于阈值V_T1：V1<V_T1。如果该标准没有被满足，则比较器生成到断路器10的信号，所述断路器中断对DC/AC转换器1的DC供电。

图3示出了根据本发明第三实施例的用于监控并限制包括至少四个关节的工业机器人的速率的装置21。该图示出了三个电动机M1-M3，它们已经被选择包括在所要监管的电动机子群组中。电动机M1-M3的最大允许角速度已经事先被确定，并且被用作该标准的阈值。如果需要，则可以向阈值增加裕量以对测量的不准确性进行补偿。已知最大电角速度，可变供电的正弦波的两个过零点之间的时间可以被计算为：

120*f/poles＝rpm

正弦波的过零点的频率因此与电动机的实际速度成比例。事先即离线计算用于调查的频率并且其被用作针对负责监控并降低速率的硬件的阈值。通过测量过零点之间的时间，可检测电动机是否比所允许的运行得更快，并且如果检测到这样的超速则激活减速。

图3所示的装置包括测量单元20，其被配置为测量诸如提供至电动机M1-M3的可变交变电流的电流或电压之类的变量，并且提供与电动机频率成比例的输出。该测量单元例如包括PLL或过零点检测器。过零点检测器测量提供至电动机的可变交变电流并且检测该电流的过零点。PLL测量电流的频率。该装置还包括部件22，其适于将来自测量单元的输出转换为电动机机械频率。部件22例如为计数器或计时器。可替换地，部件22可适于将来自测量单元的输出转换为电动机速度。在该情况下，阈值为电动机的最大允许速度。

在该实例中，标准为f1<f_T1且f1+f2+f3<f_Tsum

针对频率的预先确定的阈值f_T1和f_Tsum存储在数据存储器24中。频率之和f1+f2+f3在列累加器26中进行计算。第一比较器27将所测得的频率f1与来自数据存储器24的阈值f_T1进行比较，并且如果标准f1<f_T1没有被满足，则生成用于限制机器人手臂的速率的信号。第二比较器28将所测得的频率之和f1+f2+f3与来自数据存储器24的阈值f_Tsum进行比较，并且如果标准f1+f2+f3<f_Tsum没有被满足，则生成用于降低机器人手臂的速率的信号。

本发明并不限于所公开的实施例，而是可以在以下权利要求的范围内进行变换和修改。例如，机器人的关节数目以及所监管的电动机的数目可以有所变化。

Claims (11)

1.一种用于监控并限制工业机器人的速率的方法，所述工业机器人具有包括多个手臂部分和机器人手的手臂，所述手臂部分和所述机器人手可绕多个关节相对于彼此进行移动，并且所述关节的移动由多个电动机驱动，每个电动机被提供可变交变电力，其特征在于，所述方法包括反复地：

-确定提供给所述机器人的选定的电动机子群组的每个电动机的电力的频率，

-基于所述确定的频率，确定用于允许的手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足，其中所述标准关于所述电动机子群组的所述电动机的最大允许角速度进行定义，并且

-在任意标准未被满足的情况下，降低所述子群组中的一个或多个所述电动机的速度；

其中所述标准包括所述频率的预定义阈值，并且基于所述确定的频率和所述频率的所述阈值，确定所述标准是否被满足。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

针对所述选定的电动机子群组中的每个电动机测量提供到所述电动机的所述可变交变电力的变量，并且基于所述测量的变量确定所述频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中基于对所述机器人的所述手臂的预先确定的最大允许速率的离线计算，预先确定所述阈值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述子群组包括至少两个电动机，所述至少两个电动机少于所述机器人的电动机总数，并且基于所述电动机驱动的关节对所述机器人手臂速率的影响来选择所述电动机。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述方法包括：

-测量提供至所述子群组中的每个所述电动机的可变电力的变量，

-基于所述测得的变量，确定提供至所述电动机的所述电力的频率，

-基于所述确定的频率，计算所述电动机的角速度，并且

-基于所述计算的角速度以及所述电动机的角速度的预定义阈值，确定所述预定义标准是否被满足。

6.一种用于监控并限制工业机器人的速率的装置(1；11；21)，所述工业机器人具有包括多个手臂部分和机器人手的手臂，所述手臂部分和所述机器人手可绕多个关节相对于彼此进行移动，并且所述关节的移动由多个电动机(M1-M6)驱动，每个电动机被提供可变的交变电力，

其特征在于，所述装置适于反复地确定提供给所述机器人的选定的电动机子群组的每个电动机的电力的频率，基于所述确定的频率，确定针对允许的手臂速率的一个或多个预定义标准是否被满足，其中所述标准关于所述电动机子群组的所述电动机的最大允许角速度进行定义，并且在任意标准未被满足的情况下，限制所述子群组中的一个或多个所述电动机的速度；

其中其包括数据存储器(4；16；2)以用于存储所述频率的阈值，并且所述装置适于基于所述确定的频率和所述存储的所述频率的阈值来确定所述标准是否被满足。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述装置包括测量系统(9)，其被配置为测量提供至所述选定电动机子群组中的所述电动机的所述电力的变量，并且所述装置适于基于所述测得的变量确定所述电力的频率。

8.根据权利要求7所述的装置，其中通过至少两相电提供到所述电动机的电力，并且所述测量系统被配置为测量所述至少两相电的电压或电流。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其中所述子群组包括至少两个电动机，所述至少两个电动机少于所述机器人的电动机总数。

10.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其中所述装置适于在任意标准没有被满足的情况下，生成信号以中断所述电动机子群组中的至少一个所述电动机的供电。

11.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其中所述装置包括硬件设备(2，3；12，14；20，22，26，24，27，28)，其适于接收提供至所述子群组的每个电动机的可变电力的变量的测量结果，基于所述测得的变量，确定提供至所述电动机的电力的频率，基于所述确定的频率，计算所述电动机的角速度，以及基于所述计算的角速度以及所述电动机角速度的预定义阈值，确定所述预定义标准是否被满足。