用于控制机械手的方法和装置的制造方法
【专利说明】
[000。 本申请是申请日为2010年12月08日，申请号为201080057807. 9,发明名称为"用 于控制机械手的方法和装置"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及一种用于控制机械手、特别是机器人的方法和装置，W及一种用于根 据本发明使用的机械手的保持工具。
【背景技术】
[0003] 此外，工业机器人应该用于装配零件。在此，特别地，应与由机器人所持的工件装 配在一起的被送到指定地点的工件的位置公差使得自动化变得困难。
[0004] 除了结构的灵活性，例如灵活的机器人或灵活的末端执行器连接，例如通过所谓 的顺应性远程中屯、（RCC)，在研究中已经提出运种所谓的螺栓孔问题的若干理论方法，例如 通过额外的力传感器来检测接触力，并且基于该接触力来确定正确的装配轨迹。然而由于 各种问题，运些方法至今几乎没有在实践中实施。
【发明内容】
[0005] 本发明的任务是，改善对机械手的控制。
[0006] 该任务将通过具有权利要求1、6或8的特征的方法来解决。权利要求10、11保护 一种装置，权利要求12保护一种计算机程序产品，特别是用于执行根据本发明的方法的存 储介质或数据载体。从属权利要求设及有利的改进方案。
[0007] 提供根据本发明的方法或装置特别用于单轴或多轴、例如六轴或冗余机器人，例 如工业机器人或轻型机器人，例如申请人的轻型机器人"LBR"。
[0008] 在此，控制也可W理解为调节，即基于预定的参考值和获取的额定值的预定控制 值。
[0009] 根据本发明的第一方面，基于实际的驱动力和机械手动态模型的驱动力来测量接 触力。
[0010] 在此为了实现更紧凑的图示，将力矩（即不平行的力偶）概括地表示为力，因此将 接触力的测量理解为在一个或多个方向上、特别是在笛卡尔空间方向或关节轴线上测量力 分量和/或力矩分量，且同样地将例如电动机的驱动力矩表示为驱动力。
[0011] 可W例如直接地、例如借助于在机械手的轴或驱动装置上的力传感器来测量实际 驱动力，和/或间接地、例如基于驱动装置的输入功率或输出功率来测量实际驱动力。
[0012] 通常，动态模型描述了运动学值、特别是关节坐标q，-速度dqMt和-加速度d2q/ 化2,和力、特别是驱动力、重力和摩擦力之间的关系，例如W如下带有质量矩阵Μ和广义力 h的形式：
[001引Md2q/dt2+h(q,dq/dt) =τMndeii
[0014] 如果运动学值W及重力和摩擦力是已知的，除了模型误差和测量误差之外，模型 的驱动力TModell和实际驱动力τ之间的差由在模型中不会引发预先设定接触力，因此 该接触力可基于实际测量的和模型驱动力之间的差来获得：
[001 引Fknntakt=F(ΤModel1-Τ)
[0016] 基于实际驱动力和动态模型驱动力，对机械手和工件之间的接触力的测量节约了 额外的力传感器，且W有利的方式在顺应控制中实现W下描述的测量、装配检测和/或转 换。
[0017] 根据本发明第一方面的一个角度，特别地为了测量或装配工件，凭借刚性控制的 机械手来起动一个或多个姿势。将刚性控制特别地理解为位置控制，例如参考点（例如 TC巧的笛卡尔位置的或在机械手关节坐标中的比例、微分和/或积分控制。
[0018] 在此，连续地或在离散时间点中测量一个或多个接触力，该接触力在与驶来的工 件接触时作用在机械手上。
[0019] 如果测量的接触力超过特别是可W为0的预定值，必要时考虑相应的公差，则根 据本发明转换到顺应控制。优选地，运样的转换在发生接触后的最多毫3秒内进行，优选在 最多1. 5毫秒内。
[0020] 可例如由此实现顺应控制或转换成顺应控制，即减小P-控制或PD-控制的调节系 数，和/或取消PID-控制的整数部分，因此机械手即使在额定姿势和实际姿势之间的调节 偏差或循迹误差较大时也不会带来高驱动力。额外地或可替换地，驱动力也可局限于优选 较低的最大值，因此即使在循迹误差更大时也不会产生高驱动力。在优选的实施方式中J顿 应控制实施为所谓的阻抗控制、特别为W力为基础的阻抗控制。通常，当前特别将每个控制 都表示为与刚性控制相反的顺应控制，在刚性控制中机械手的驱动力是运样产生的，即在 与工件接触时既不损伤该工件又不损伤机械手，即使预定的额定姿势需要机械手进一步贯 穿到工件中。
[0021] 在优选的实施方式中，在顺应控制下装配工件，和/或基于测量的接触力在多级 的方法中测量其位置。W运种方式，尤其结合惯性较小的轻型机器人可有利地减小周期，因 为从现在起可在刚性控制下快速、精确地起动测量基础姿势或装配基础姿势，而不会存在 在测量或装配中损伤工件或机械手的危险，因为在接触时立刻转换到顺应控制。
[0022] 根据本发明第一方面的另一角度，在顺应控制下装配工件，且基于测量的接触力 来监测工件的装配状态。通过监测接触力，例如基于显著的上升或下降，能够例如识别出在 弹性或塑性变形下装配的工件的咬合，且因此识别出正确的装配流程。例如在装配时在弹 性变形下首先增大特别是与装配方向相反的接触力。当工件松弛时，例如在越过凸缘之后， 该接触力显著下降。同样地，例如从将已装配的螺丝作为根据第一方面测量的接触力施加 到机械手上的力矩中，来检查并确定螺丝的张力状态，螺钉是否梓紧、其头部是否梓转或螺 钉是否基于安装而在螺纹中过松。
[0023] 额外地或可替换地，可基于机械手的在顺应控制下达到的末端姿势来监测工件的 装配状态。通过顺应控制，可使机械手不再继续在装配方向移动工件，而与额定装配末端姿 势的抵达无关。如果在顺应控制下达到的末端姿势与可例如通过机器人的教导而确定的额 定装配末端姿势相比，则可确定是否正确实施了装配流程。
[0024] 进一步额外地或可替换地，也可基于在顺应控制下出现的机械手姿势的时间上的 变化、特别是基于速度来监测工件的装配状态。如果例如TCP或机械手装配工件的速度在 装配方向低于极限值，则可确定工件是正确装配的。
[0025] 如果不是运种情况，因为例如要装配的工件受干扰轮廓的阻碍，通过例如尝试在 向初始的装配基础位置偏置的新起始位置装配螺栓，可改变装配策略、特别是装配位置。
[0026] 根据优选的实施方式，在顺应控制下装配工件时，既预定一个或多个额定力，也预 定一个或多个额定位移。如果顺应控制例如通过W力为基础的阻抗控制来实现，此时例如 驱动力τ将根据
[0027] τ = jT[c(Xs0ii_x)]
[0028] 通过借助于在关节坐标空间中的转置雅克比矩阵、例如借助于关节型机器人的旋 转角而投射的虚拟弹黃的弹性力与弹黃常数C在例如TCP的笛卡尔额定位置和实际位置 XsDii或X之间确定，额定位移可根据
[002引 τ=jT[c(Xwii_x)+F]
[0030] 添加在笛卡尔空间中定义的力。运优选可选择地，例如根据已经发生的装配流程 或装配策略而对于各工件实现。额定力例如预定为不变的、斜坡形的、交替的或振荡的、特 别是正弦变化的，从而在装配时克服例如粘滑现象、毛刺或较小的弹性公差。
[0031] 特别地，为了互相装配工件，必须相对于机械手识别出一个位置，即工件（例如基 体）的位置和/或方位，该机械手固定由此要装配的工件，例如螺栓、夹子或类似物。在此 根据本发明的第二方面，借助于机械手在多级的方法中测量工件的位置，其中该第二方面 优选与已前面描述的第一方面组合。
[0032] 根据该第二方面，通过测量机械手的姿势W及作用在其上的接触力，来确定工件 的优选至少两个错位的轮廓（特别是边缘_的位置。如果当采取一种姿势时接触力显著上 升，因为机械手的卡错与工件的轮廓相接触，则可从机械手的所属的姿势来确定接触位置。
[0033] 如果W运种方式大致得知工件相对于机械手的位置，则能够可靠地驶向工件的参 考点，此参考点可例如通过凹处、特别是孔来限定。当卡错与参考点接触时，例如当卡错滑 进凹处时，则由于抵抗卡错进一步移动的相应接触力的上升可确定参考点的位置。可基于 该参考点来确定工件坐标系统，该系统与驶向大致方向的轮廓相反使得可W精确确定例如 装配位置和类似位置。
[0034] 优选地，凭借卡错干扰性地（pertubierend)驶向参考点，即机械