工業(yè)機器人和用于控制工業(yè)機器人的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)機器人，其包括機械手和機械手的控制單元。本發(fā)明是具體針對人類操作者與這樣的工業(yè)機器人之間的協(xié)同操作的問題而研發(fā)的。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)機器人一般能在手動模式和至少一種自動模式下操作，通常在機械手的控制單元上可以選擇模式。要給機器人設(shè)計程序，需要選擇手動操作模式，在這種模式下，可以經(jīng)由操作者手動施加的命令來操控機械手；在自動操作模式下，改為完全由機械手的控制單元來管理機械手的移動。
[0003]給機器人設(shè)計多種自由度這個活動，基本上在于教導(dǎo)機器人一條路徑，這條路徑是它的機械手的一個點在正常工作步驟過程中為了執(zhí)行某項操作必須自動重復(fù)的路徑。這個點通常由所謂的“工具中心點(Tool Center Point，TCP)”構(gòu)成，其識別機械手的末端執(zhí)行器的活動部分的位置，這里，末端執(zhí)行器是表示機械加工工具，或者由抓取設(shè)備和對應(yīng)的移動的零件所構(gòu)成的一個整體。程序設(shè)計時間大部分是用于手動地管理機器人，以便識別TCP的移動路徑的最佳點，并且存儲最佳點的對應(yīng)坐標。為此目的，可以使用一種便攜式程序設(shè)計終端，也稱為“教導(dǎo)盒(teach pendant)”，或者一種手動導(dǎo)引設(shè)備，直接安裝在機械手的可移動結(jié)構(gòu)上。還已知用離線模式對工業(yè)機器人進行程序設(shè)計(離線程序設(shè)計(Off-Line programming), 0LP)，為此目的使用CAD類型的合適程序，其模擬機械手的工作單元，并且能實現(xiàn)機械加工必要的移動的設(shè)置。與前面的情況不同的是，這種類型的程序設(shè)計基本上是用遙控方式執(zhí)行的，即，不是在機械手的緊鄰區(qū)域執(zhí)行。
[0004]為了手動地管理機械手的姿勢變化，操作者使用教導(dǎo)盒的具體按鈕，稱為柄式按鈕或柄式按鍵(jog button或jog key)，其管理機器人的一個或更多個軸的移動。通過對教導(dǎo)盒的柄式按鈕執(zhí)行操作，可以使TCP在操作者從多個可能的參考系中選出的一個參考系內(nèi)在具體正負方向上移動。例如，在具有六種自由度的擬人機器人中，典型地至少提供“接點”、“底座”和“工具”這些參考系，其中，接點這個系統(tǒng)是指機器人的接點(這個系統(tǒng)中的向量表示接點中的每一個的角位置)，而底座和工具這些系統(tǒng)是笛卡爾參考系，底座系統(tǒng)是指機器人的底座，而工具系統(tǒng)是指機器人的端部凸緣上設(shè)置的末端執(zhí)行器。
[0005]較之于教導(dǎo)盒，手動導(dǎo)引設(shè)備能使機器人的程序設(shè)計活動更加符合直覺，這是因為，這些手動導(dǎo)引設(shè)備基本上由與機械手的可移動結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的某種手柄構(gòu)成，在程序設(shè)計階段，程序設(shè)計人員對這種手柄執(zhí)行操作，從而讓機械手本身執(zhí)行期望的移動?？偟膩碚f，與上述手柄相關(guān)聯(lián)的是力傳感器，其使得控制單元能夠辨別程序設(shè)計人員期望的位移方向(例如參照US 6212443 A)。作為力傳感器的替代或補充，可以設(shè)置控制桿設(shè)備(例如參照 US8412379 B)。
[0006]在大部分已知的解決方案中，機器人的控制單元能夠根據(jù)三種不同模式或狀態(tài)操作，即程序設(shè)計模式、自動模式和遙控模式。
[0007]在程序設(shè)計模式中，如上文所解釋，操作者就在機械手附近執(zhí)行操作，以便通過教導(dǎo)盒或手動導(dǎo)引設(shè)備管理機械手的操作，存儲程序設(shè)計步驟，并且對操作活動進行程序設(shè)
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[0008]顯然，機器人的程序設(shè)計步驟可能給操作者造成的風險會比較大，因為操作者必須緊跟著TCP以便在視覺上檢驗TCP的定位，在機械手周圍持續(xù)地移動。因為這個原因，在程序設(shè)計模式中，一般會激活對機械手移動速度的限制。在使用教導(dǎo)盒的情況下，操作者自己手上于是有一個緊急停止按鈕和一個啟動設(shè)備，這兩個設(shè)備都存在于終端上。在實踐中，如果在程序設(shè)計階段，操作者沒有手動地使啟動設(shè)備保持活動，則機械手不能執(zhí)行任何移動。在手動導(dǎo)引設(shè)備的情況下，手柄本身構(gòu)成一種啟動設(shè)備，因為操作者釋放手柄，就會使得機器人的移動中止。然而，優(yōu)選的是在手動導(dǎo)引設(shè)備中也提供緊急停止設(shè)備和啟動設(shè)備。
[0009]在自動模式下，機器人執(zhí)行自己的操作程序(其獲得方式如上所述)，可能配合其它機器人或自動設(shè)備一起操作，通常是在防止人員進入的單元內(nèi)操作，但是受到操作者的視覺控制。
[0010]在遙控模式下，機器人也是在一般防止人員進入的單元中執(zhí)行自己的操作程序，但是在這種情況下，程序執(zhí)行的啟動是由單元監(jiān)視裝置(諸如PLC)發(fā)出的，這個單元監(jiān)視裝置例如既能控制機器人，又能控制單元本身存在的其它自動設(shè)備。
[0011]同樣在自動或遙控模式下經(jīng)由工業(yè)機器人執(zhí)行的機械加工操作的情況下，可能事實證明，操作者接近機械手的工作區(qū)域或者在其范圍內(nèi)移動(例如)以便視覺上控制機械手執(zhí)行的某些操作的精確性或有效性，這是有用的，或者是必要的。
[0012]針對這些情況，已知提供一些合適的系統(tǒng)，其設(shè)計成檢測機械手的工作區(qū)域或其附近是否存在操作者。這些系統(tǒng)可以例如基于使用圖像采集和比較設(shè)備，或者可以使用激光掃描儀或光障，其設(shè)計成檢測操作者進入機械手的工作區(qū)域的情況?？偟膩碚f，檢測到之后，監(jiān)視系統(tǒng)就中止機器人的操作。監(jiān)視區(qū)域也可以分成不同關(guān)鍵程度的區(qū)域:在這種情況下，操作者如果移動到相對靠近機械手的區(qū)域里但是仍然在機械手移動范圍外部，就會接收到視覺或聽覺警告；如果操作者進入對應(yīng)于上述移動范圍的第二區(qū)域，則機械手停止移動。
[0013]這種方法能確保操作者的高度安全性，但是往往會導(dǎo)致生產(chǎn)流程不必要地中斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明的目的是提供一種工業(yè)機器人和工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)，其將在人類操作者與自動操作的工業(yè)機器人之間實現(xiàn)高度的協(xié)同操作，還不會破壞必要的安全要求。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，通過具有隨附權(quán)利要求書中說明的特性的工業(yè)機器人和工業(yè)機器人控制方法，可以實現(xiàn)下文將清楚呈現(xiàn)的上述和其它目的。權(quán)利要求書構(gòu)成本文中相對于本發(fā)明提供的技術(shù)教導(dǎo)的整體部分。
【附圖說明】
[0016]通過下面的說明，并且通過附圖，將清楚地得知本發(fā)明的更多目標、特性和優(yōu)點，說明和附圖純粹是通過闡釋性的非限制性示例提供的，附圖中:
-圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的工業(yè)機器人的部分示意性透視圖； -圖2是圖1的工業(yè)機器人在第一工作條件下的部分示意性透視圖；
-圖3是圖1的工業(yè)機器人在第二工作條件下的部分示意性透視圖；
-圖4是用于表達根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于控制工業(yè)機器人的可能的邏輯的簡化框圖；
-圖5、圖6和圖7是根據(jù)本發(fā)明的更多實施例的工業(yè)機器人的部分示意性透視圖；以及
-圖8是根據(jù)本發(fā)明的變體實施例的工業(yè)機器人的部分示意性透視圖。
【具體實施方式】
[0017]在本說明書的框架下，凡提到“一實施例”或“一個實施例”，是意在表示至少一個實施例中包括關(guān)于該實施例說明的具體配置、結(jié)構(gòu)或特性。因此，本說明書的各個部分中出現(xiàn)的，諸如“在一實施例中”或“在一個實施例中”等等之類的短語，不一定全都指同一個實施例。此外，在一個或更多個實施例中，可以用任何合適的方式組合這些具體配置、結(jié)構(gòu)或特性。下文使用的標號，只是為了方便而提供，并不是要限定實施例的保護領(lǐng)域或范圍。
[0018]而且，需指出的是，本說明書的下文中，將只對有助于理解本發(fā)明的元件予以說明，我們理所當然的假設(shè)，根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人包括所有操作方式本身已經(jīng)眾所周知的元件。
[0019]圖1中示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的工業(yè)機器人，其包括具有多個自由度的機械手1，機械手I設(shè)有機械結(jié)構(gòu)2，機械結(jié)構(gòu)2包括多個可移動部分。在圖解的示例中，機器人是具有六個自由度的擬人機器人，其設(shè)有固定底座3和柱體4，柱體4圍繞豎直地取向的第一軸線Al可旋轉(zhuǎn)地安裝在底座。5表示的是圍繞水平地取向的第二軸線A2振蕩式安裝在柱體4上的臂。6表示的是手肘，安裝在臂5上，以便圍繞第三軸線A3 (也是水平地取向的)旋轉(zhuǎn)，手肘6支撐前臂7，前臂7設(shè)計成圍繞其軸線A4旋轉(zhuǎn)，軸線A4因此構(gòu)成機械手I的第四移動軸線。前臂7的端部配有手腕8，安裝成根據(jù)兩個軸線A5和A6移動。與手腕8的凸緣相關(guān)聯(lián)的是末端執(zhí)行器，通過9表示，其在所述示例中表示為一個用于抓取通用部件10的設(shè)備。如本說明書的導(dǎo)言部分中所解釋，末端執(zhí)行器9和/或其承載的零件10表示所謂的工具中心點(TCP)。
[0020]末端執(zhí)行器9可以是任何其它類型的執(zhí)行器，并且能夠執(zhí)行本領(lǐng)域已知的任何其它功能，例如焊炬或?qū)訆A鉗、噴漆槍、或密封膠噴槍、鉆床主軸或磨削主軸等等。
[0021]可移動部分4-8通過接點11、12、13和14連接在一起，利用對應(yīng)的減速齒輪變速箱，相應(yīng)的電動機11’、12’、13’和14’與這些接點相關(guān)聯(lián)。圖中為了更清晰起見，并未圖解手腕8的接