[发明专利]用于减少工业机器人的能量消耗的方法和工业机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少被配置为在工作周期期间执行工作的工业机器人的能量消耗的方法。此外，本发明涉及一种包括机器人的工业机器人系统，所述机器人包括操纵器和用于存储定义将在工作周期期间由机器人执行的工作的控制程序的程序存储器。

背景技术

工业机器人一般地被用于工业自动化。机器人被编程为在机器人在工作周期期间执行工作的同时遵循移动路径。机器人控制程序具有关于机器人应做什么和应按照哪个顺序沿着该路径执行任务的信息。控制程序包括以机器人编程语言编写的一系列机器人程序指令。控制程序具有关于移动路径上的所有目标点的信息。机器人编程可以通过教授机器人在移动路径上的目标点的位置和取向来手动地联机完成。还可以由在诸如PC的外部计算机上运行的脱机编程和模拟工具来产生控制程序。

工业机器人系统包括操纵器，其具有可相对于彼此绕着多个轴移动的多个臂和用于对轴的移动进行致动的电动机，以及具有用于操作操纵器的机器人控制器。机器人控制器包括用于存储用于控制操纵器的移动的一个或多个控制程序的存储单元。控制程序包括程序指令，该程序指令包括用于操纵器的移动指令。控制程序指定在机器人执行工作时将遵循的几何路径。该程序还可以指定对沿着路径的速度和加速度的限制。可以以关节角或笛卡尔坐标来表示该几何路径。关节角与笛卡尔坐标之间的关系是由机器人的运动模型确定的。该几何路径指定机器人的位置而不是速度。

机器人控制器包括被配置为执行控制程序并基于移动指令向路径规划器提供指令的程序解释器。路径规划器从程序解释器接收指令并基于此来确定操纵器应如何移动以便能够执行移动指令。路径规划器生成包括几何路径和沿着该路径的速度分布的轨迹。路径规划器通过执行移动的内插来规划应如何执行所指示的移动。该内插包括将所指示的移动划分成多个小的增量，并计算针对每个增量的用于机器人的所有轴的关节角。该关节角随后被转换成用于电动机的基准值。路径规划器将计算的电动机基准传送至驱动单元，该驱动单元通过根据该电动机基准将DC电流转换成可变交流电流来控制电动机。

用于几乎所有机器人应用的一个重要参数是周期时间。周期时间意指机器人执行工作周期所花费的时间。重要的是使控制程序尽可能是时间最优的以便减小周期时间。因此，正常路径规划算法是基于最优化问题的解，其被定义为使经受客户约束和机器人约束的周期时间最小化，其中，客户约束可以是例如由用户指定的速度和加速度值。机器人约束的某些示例是最大变速箱转矩、最大可用电动机转矩和最大电动机速度。这意味着在每个离散时间步长中使用所有可用电动机功率，只要不违反客户或机器人约束即可。

现在，在工业应用的几乎所有分支中到处都使用工业机器人。特别地作为优点，机器人例如由于其能量消耗而对工厂的总体环境影响有所贡献。工作周期的能量消耗取决于机器人的移动，诸如机器人在工作周期期间的实际路径、速度和加速度。因此，存在减少机器人所消耗的能量的目的。

Andre R Hirakawa和Atsuo Kawamura在1996年10月6日1996IEEE应用会议的会议记录第3卷、第1626-1632页中的论文“Trajectory generation for redundant manipulators under optimization of consumed electrical energy”公开了一种用于针对具有冗余自由度的机器人使具有固定时间长度的轨迹能量最优化的方法。D1利用由于冗余运动而引起的内部自我移动来进行能量最优化并使与给定笛卡尔轨迹的偏差最小化。此方法的一个缺点是仅在一定准确度内遵循几何路径。此外，如果应用于非冗余机器人，则要最优化的唯一自由是与笛卡尔轨迹的偏差。在其中遵循给定几何路径很重要的应用中，这种方法将具有非常小的减少能量消耗的可能性。

EP 1705541显示可以对工作周期的时间关键部分进行时间最优化并在工作周期的非时间关键部分期间减小机器人的速度，以便降低能量消耗。在工作周期的非时间关键部分期间，机器人根据确定的最大允许时间段以尽可能低的速度行进。然而，减小速度不一定减少由于摩擦和重力而消耗的能量。

发明内容

本发明的目的是进一步减少机器人在遵循指定几何路径时所消耗的能量。

根据本发明的一方面，由在权利要求1中定义的方法来实现此目的。

此类方法包括：