專利名稱：工業機器人和對工業機器人編程的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于對工業機器人編程的方法和一種工業機器人。
背景技術：
工業機器人是執行機器，其裝備有特定的工具，并可對多個運動軸、特別是關于方 向、位置和工作流程編程，以自動地處理對象。對工業機器人編程的方法(編程方法)可以 理解為用于生成應用程序的有計劃的過程。一種普遍公知的編程方法是所謂的回放法(Play-Back Verfahren)，其中，通過 沿所希望的空間曲線手動引導工業機器人來對工作過程進行編程。在此，將位置實際值 (Lage-Ist Werte)，也就是工業機器人在定義的時間柵格或路徑柵格中的TCP位置(工具 中心點位置)，接受到應用程序中。專利文獻EP 1508396A1公開了 一種控制由工業機器人引導的焊把 (Schweisszange)的彈壓力(Andruckskraft)的方法。在焊接期間測量作用在焊把上的力 并調整機器人，使得作用在焊把上的力等于預先給定的額定力。
發明內容
本發明的目的在于提出一種用于對工業機器人編程的方法，該方法使工業機器人 的操作人員能以相對簡單的方式對工業機器人編程，使得工業機器人在執行相應的應用程 序時具有預設的力特性和/或力矩特性。本發明的另一個目的在于提出一種相應的工業機器人。本發明的目的通過一種用于對工業機器人編程的方法實現，該方法包括以下步 驟在空間的虛擬平面上手動引導工業機器人，在到達該虛擬平面時，使對工業機器 人的控制不再通過手動引導，確定作用在工業機器人上的力和/或轉矩，如果試圖在到達虛擬平面的情況下繼 續手動引導工業機器人的話，以及存儲力和/或轉矩。本發明的目的還通過一種工業機器人實現，該工業機器人設置成能夠手動引導并 具有機器人臂，其具有法蘭和多個可通過驅動裝置運動的軸，控制裝置，其設置為，控制驅動裝置以使軸運動，以及在手動引導工業機器人時， 在到達空間中的虛擬平面時控制所述驅動裝置，使得所述工業機器人不再通過手動引導， 以及用于確定力和/或轉矩的裝置，該裝置設置用于在到達所述虛擬平面時試圖繼續 手動引導所述工業機器人的情況下確定作用在所述工業機器人上的力和/或轉矩，在此， 控制裝置設置用于存儲力和/或轉矩。
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根據本發明的工業機器人設置用于執行根據本發明的方法。根據本發明的工業機器人可以設置為手動引導。通過手動弓丨導能夠對工業機器人 的運動、例如工業機器人的法蘭的運行軌跡進行編程，其中，沿軌跡引導法蘭并保存軌跡的 至少幾個點。例如，通過至少間接地牽拉法蘭實現手動引導。在工業機器人的運行中，可以將工 具例如固定在法蘭上。如果工業機器人處于手動引導模式，則可以將法蘭設置為，將替代工 具的手柄固定在法蘭上，利用手柄可以手動引導工業機器人。通過牽拉手柄間接地牽拉法 蘭。手柄也可以具有輸入裝置，例如按鍵，通過操作按鍵將法蘭的當前位置和/或方向或者 軸的狀態存儲在控制裝置中。但是，根據本發明的工業機器人還可以設置為，利用手動引導替代或附加地對適 用于工業機器人的力和/或適用于工業機器人的轉矩編程。為此設置了虛擬平面，當到達 虛擬平面時，工業機器人的控制裝置控制驅動裝置，使工業機器人不再通過手動引導運動。 如果仍試圖繼續手動引導工業機器人，即試圖例如繼續沿虛擬平面的方向牽拉工業機器 人，則繼續牽拉法蘭或手柄(一般的手動引導)會引起作用在工業機器人上的力和/或轉 矩，利用用于確定力和/或轉矩的裝置可以確定作用在工業機器人上的力和/或轉矩。還 可以利用工業機器人的當前位置和/或方向存儲施加在工業機器人上的力和/或施加在工 業機器人上的轉矩，從而在工業機器人的其中控制裝置控制工業機器人的驅動裝置以自動 運動的運行中，使工業機器人將存儲的力和/或存儲轉矩施加在例如工件上。用于確定力和/或轉矩的裝置例如可以是工業機器人內部的力傳感器和/或轉矩 傳感器，它們被設置在例如法蘭上、在手柄/工具和法蘭之間或者在法蘭和其余機器人臂 之間，并測量直接作用在法蘭上的力和/或直接作用在法蘭上的轉矩。但是，也可以通過確 定由工業機器人的驅動裝置所引發的轉矩來實現用于確定力和/或轉矩的裝置。如果該驅 動裝置是電驅動裝置，則可以例如通過分析電驅動裝置的電動機電流來確定驅動裝置的轉 矩。根據本發明方法的一種實施方式，虛擬平面是基于要利用工業機器人處理的工件 的計算機模型的虛擬環境模型的一部分。為此，根據本發明的工業機器人可以例如用于自 動處理工件。為了進行自動處理，必須對所給定的力和/或轉矩的特征(profil)進行編 程。根據這種變形，例如可以沿虛擬環境模型手動引導工業機器人，以例如對工業機器人的 位置和/或方向、但是也可以對所施加的力和/或轉矩進行編程。虛擬環境模型尤其包括 有關在利用工業機器人進行自動處理期間工件所處的位置和/或方向的信息。通過使用虛 擬環境模型和不使用真實工具進行編程，可以通過牽拉法蘭(或手柄等)對所施加的力和 /或轉矩編程。在利用按照本發明的工業機器人對工件自動處理期間所施加的力和/或轉 矩等于在編程期間通過牽拉(手動引導)作用在工業機器人上的力(轉矩)。但是，如果將真實的工件(或者真實的虛擬工件)用于對工業機器人的編程，則在 接觸工件并同時進一步牽拉工業機器人時無法測量到力，因為力被真實的工件吸收了。根據本發明的方法或根據本發明的工業機器人的另一種實施方式，在空間中對準 虛擬平面，使得虛擬平面至少部分覆蓋利用工業機器人待處理的工件，從而使工業機器人 在接觸到工件之前停止基于手動引導實施的運動。通過這種變形使操作人員能夠觀察到在 利用工業機器人進行自動處理期間工件所處的位置和/或方向。通過使虛擬平面至少部分地覆蓋工件，根據本發明的工業機器人在手動引導期間快速停止在工件之前而不接觸工 件。此外，仍然有可能確定在繼續手動牽拉法蘭時作用在工業機器人上的力或轉矩。根據本發明的工業機器人可以被手動引導。為了方便操作人員手動引導，可以對 根據本發明的工業機器人進行重力平衡。為了實現重力平衡，根據本發明的工業機器人的 每個關節都配備轉矩傳感器，并且為了平衡動態和靜態的力，尤其是重力，根據本發明的工 業機器人具有相應的規則和相應的模型。通過所使用的虛擬平面，根據本發明的工業機器人在編程期間并不接觸真實的部 件。因此，為了采集“虛擬”的環境力可以使用根據本發明的工業機器人的開放的運動學 (Kinematik)，該“虛擬”的環境力對應于通過牽拉工業機器人所產生的力。為了能夠實現上述目的，應該計算在利用根據本發明的工業機器人自動處理部件 期間發生在真實部件上的力，并按照操作人員的實施方式加以表示。利用已知的方法基于 觸覺可以實現這個子目的(Teilaufgabe)。對此還可以運用算法，該算法由例如CAD數據 形式的計算機模型和當前的機器人位置計算出相應的作用力。現在可以使用該作用力來調 整工業機器人的轉矩，使得操作人員感覺到相應的阻力。在這里，當基于位置計算相應的力 時，還存在一種公知的方法，該方法根據使用者的力量計算相應的位置。在此操作人員也感 覺到相應的接觸力。對所確定的力和/或轉矩尤其可以時間相關地或位置相關地進行存儲。所記錄的 對應于力或轉矩的數據可以在發生演變(Abspielen)(生成應用程序)之前通過數據處理 加以改變(數據縮減，樣條(Spline)，優化)。在演變應用程序時，所存儲的數據可以對機器 人運動施加任意的影響。這意味著無論是力(轉矩)還是位置都被記錄下來。一般來說不 會同時調整兩個條件。因此，任何調整概念都是在獲得數據的基礎上實現的(例如Hypride 調整、阻抗調整)。
下面根據附圖對本發明的實施例進行說明。圖1示出了工業機器人，圖2和圖3示出了用于手動引導工業機器人的夾鉗，以及圖4示出了說明對工業機器人編程的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了一種具有機器人臂M的工業機器人，在本實施例中將機器人臂M固定 在基座S上。工業機器人的機器人臂M具有多個軸1-6、多個杠桿7-10和法蘭26，在法蘭26上 固定有工具例如夾鉗18。在本實施例中每個軸1-6都通過電驅動裝置運動，每個電驅動裝 置均具有電動機11-16。電驅動裝置以未示出的方式與控制計算機17連接，以便于控制計 算機17或在控制計算機17上運行的計算機程序可以控制電驅動裝置，從而基本上可以在 空間中自由地調整法蘭26的位置和方向，并因此可以在空間中自由地調整固定在工業機 器人上的工具。在本實施例中，工業機器人設置為，不僅使得法蘭26或固定在法蘭26上的夾鉗18在設定的軌跡上運動，而且還在法蘭26或夾鉗18上施加設定的力和/或設定的轉矩，從而 使該力(轉矩)作用在要利用工具進行處理的工件上。例如當工業機器人通過設定的力和 /或設定的轉矩將利用夾鉗18抓緊的塞19 (Kolben)接合在金屬塊20的裂縫21中時，上述 設置是必要的。為了使處于運行中的工業機器人R可以使法蘭F如所期望的那樣運動，尤其是將 所期望的力和/或所期望的轉矩例如位置相關地或時間相關地施加在法蘭26上，在控制計 算機17上運行有適合于控制工業機器人的計算機程序。在本實施例中通過手動引導工業機器人生成計算機程序。在手動引導期間將工業 機器人或它的法蘭26帶到所希望的位置，其中，例如在圖1中未示出的人員將法蘭26拉到 所希望的位置并在那里如所期望的那樣進行對準。在圖2中示出的、用于替代夾鉗18的手 柄G固定在法蘭26上，該手柄具有為清楚起見未示出的輸入工具，例如按鍵，在按壓按鍵時 為所述計算機程序存儲工業機器人的當前位置。圖4概括了借助于流程圖生成計算機程序 的步驟。在本實施例中，利用存儲在控制計算機17中的塊20的計算機模型22對由工業機 器人所期望的位置相關或時間相關地施加的力和/或轉矩進行編程。計算機模型22例如 是按照1 1的比例模型化的、塊20的CAD模型。另外，計算機模型22還包括有關空間中 的位置的信息，即對塊20的位置和方向同樣進行模型化。現在為了對所期望的施加的力或轉矩編程，控制計算機17對工業機器人的電驅 動裝置進行控制，使得利用手柄G引導工業機器人的操作人員只能將手柄G移動到虛擬平 面25，該虛擬平面25通過塊20的計算機模型22確定。換句話說，可以如同塊20是真實存 在的那樣引導工業機器人，使得在工業機器人到達虛擬平面25時操作人員(操作人員的手 在圖2中使出)不能再移動工業機器人，此為流程圖的步驟A。在本實施例中，虛擬平面25是對應于計算機模型22或塊20的虛擬環境模型22a 的一部分，該部分模擬了塊20。如果手柄G到達虛擬環境模型22a或虛擬平面25，則操作 人員就不再沿虛擬環境模型22a的方向移動工業機器人。盡管如此，如果操作人員想要繼 續移動工業機器人，則力F沿虛擬環境模型22a的方向作用在工業機器人上。力F例如可 以通過力傳感器23來測量，力傳感器23例如固定在法蘭26上并測量作用在法蘭26或手 柄G上的力，此為流程圖的步驟B。力傳感器23以未示出的方式連接控制計算機17，并將對應于所測量的力的信號 傳遞到控制計算機17。在本實施例中，力傳感器23測量沿手柄G的縱軸線以及垂直于手柄 G的縱軸線的力。在本實施例中，控制計算機17連接顯示器24，從而可以將利用力傳感器23測量到 的力并因此將當前所施加的力告知操作人員。相應的，在編程期間例如通過激活手柄G的 未示出的輸入裝置，操作人員可以根據對工業機器人的手動引導將在工業機器人運行期間 施加在塊20上的力位置相關和/或時間相關地存儲在控制計算機中，此為流程圖的步驟C。在對工業機器人編程期間所記錄的數據可以在工業機器人運行之前(此時工業 機器人移動夾鉗18)通過數據處理(例如數據縮減，樣條，優化)加以改變。所保存的數據 在工業機器人運行時可以對機器人的運動施加任意的影響。這意味著，在本實施例中，在編 程時無論是力F還是位置都被記錄下來。
為了方便手動引導工業機器人，工業機器人可以具有在圖中未示出但是為專業人 員所普遍公知的、附屬于工業機器人的關節的轉矩傳感器。借助于工業機器人的相應的規 則和模型，可以在手動引導期間對工業機器人的動態和靜態的力進行平衡，尤其是重力。另外，還可以借助于由工業機器人施加并且指向力F的相反方向的反作用力FR來 確定在對工業機器人編程期間作用在工業機器人上的力F，其中，例如對由工業機器人或它 的電動機11-16所施加的轉矩進行分析。例如，通過分析電動機11-16的電流來確定工業 機器人施加的轉矩。在圖2所示出的以及上面所描述的實施例中，操作人員可以根據塊或虛擬環境模 型22a的計算機模型22，或者根據虛擬平面25對工業機器人使用的力F編程。圖3示出了 另一個實施例，其中，基于計算機模型22的虛擬環境模型22a虛擬地覆蓋塊22，從而當在沿 塊20的方向手動引導工業機器人時，使工業機器人根據虛擬環境模型22a在即將與塊20 接觸之前停止。由此同樣可以通過沿塊20的方向繼續牽拉手柄G在法蘭26上施加力F。
權利要求
一種用于對工業機器人編程的方法，該方法包括以下步驟 在空間的虛擬平面(25)上手動引導工業機器人，在到達該虛擬平面(25)時，使對所述工業機器人的控制不再通過手動引導， 如果試圖在到達所述虛擬平面(25)的情況下繼續手動引導所述工業機器人，確定作用在所述工業機器人上的力(F)和/或轉矩，以及 存儲所述力(F)和/或轉矩。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述虛擬平面(25)是虛擬環境模型(22a)的一 部分，該虛擬環境模型(22a)基于要利用所述工業機器人處理的工件(20)的計算機模型 (22)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，在空間中調整所述虛擬平面(25)，使該虛擬平 面(25)至少部分覆蓋要利用所述工業機器人處理的工件(20)，從而使所述工業機器人在 接觸到該工件(20)之前停止基于手動引導實施的運動。
4.如權利要求1到3中任一項所述的方法，包括作為手動引導至少間接牽拉所述工 業機器人的法蘭(26)。
5.如權利要求1到4中任一項所述的方法，包括利用以下來確定所述力(F)和/或 轉矩-所述工業機器人內部的力傳感器和/或轉矩傳感器(23)，和/或-由所述工業機器人的驅動裝置(11-16)施加的轉矩。
6.如權利要求1到5中任一項所述的方法，還包括存儲在施加力(F)和/或施加轉 矩的時間點的所述工業機器人的位置和/或方向。
7.—種工業機器人，該工業機器人設置成能夠手動引導并具有-機器人臂(M)，其具有法蘭(26)和多個能夠通過驅動裝置(11-16)運動的軸(1-6)，-控制裝置(17)，其設置為，控制所述驅動裝置(11-16)以使所述軸(1-6)運動，以 及在手動引導所述工業機器人時，在到達空間中的虛擬平面(25)時控制所述驅動裝置 (11-16)，使得所述工業機器人不再通過手動引導，以及_用于確定力和/或轉矩的裝置(23)，該裝置(23)設置用于在到達所述虛擬平面(25) 時試圖繼續手動引導所述工業機器人的情況下確定作用在所述工業機器人上的力(F)和/ 或轉矩，在此，所述控制裝置(17)設置用于存儲所述力(F)和/或轉矩。
8.如權利要求7所述的工業機器人，其中，所述虛擬平面(25)是虛擬環境模型(22a) 的一部分，所述虛擬環境模型(22a)基于要利用所述工業機器人處理的工件(20)的計算機 模型(22)。
9.如權利要求7或8所述的工業機器人，其中，在空間中調整所述虛擬平面(25)，使得 所述虛擬平面(25)至少部分覆蓋要利用所述工業機器人處理的工件(20)，從而使所述工 業機器人在接觸到所述工件(20)之前停止基于手動引導實施的運動。
10.如權利要求7到9中任一項所述的工業機器人，通過至少間接牽拉所述工業機器人 的法蘭(26)來手動引導所述工業機器人。
11.如權利要求7到10中任一項所述的工業機器人，其中，所述用于確定力和/或轉矩 的裝置(23)具有內部力傳感器和/或轉矩傳感器(23)，和/或確定所述驅動裝置(11-16) 所施加的轉矩。
12.如權利要求7到11中任一項所述的工業機器人，其控制裝置(17)還設置用于，存 儲在施加力(F)和/或施加轉矩的時間點的所述工業機器人的位置和/或方向。
全文摘要
本發明涉及一種工業機器人和一種用于對工業機器人編程的方法，為此在空間中的虛擬平面(25)上手動引導工業機器人，在到達該虛擬平面(25)時，使對該工業機器人的控制不再通過手動引導。然后如果試圖在到達虛擬平面(25)的情況下繼續手動引導工業機器人，確定并存儲作用在工業機器人上的力(F)和/或轉矩。
文檔編號B25J9/16GK101903838SQ200880121902
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月10日 優先權日2007年12月21日
發明者烏韋·齊默爾曼 申請人:庫卡羅伯特有限公司