監(jiān)測(cè)機(jī)器人傳感器的一致性的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求在2012年8月28日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/693, 981的優(yōu)先權(quán)， 其所有內(nèi)容通過參引并入本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及機(jī)器人操作的安全，特別地涉及在傳感器失效狀態(tài)下的機(jī)器人操作的 安全。
【背景技術(shù)】
[0004] 工業(yè)機(jī)器人通常具有移動(dòng)大型和重型物體的強(qiáng)有力的致動(dòng)器，該致動(dòng)器在傳感器 測(cè)量值（例如來自編碼器、位置傳感器、扭矩傳感器等）的反饋下進(jìn)行控制。如果傳感器失 效，這機(jī)器人失去控制，其會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的快速且危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)地，檢測(cè)任何傳感器失 效以啟動(dòng)適當(dāng)?shù)氖ПＵ铣绦?、并且如果需要啟?dòng)機(jī)器人停機(jī)是重要的。
[0005] 傳感器會(huì)以多種不同方式失效，其中一些（例如超出傳感器值的范圍）相對(duì)容易 檢測(cè)，然而另一些（例如傳感器值似乎合理的卻是錯(cuò)誤的）難以發(fā)現(xiàn)。目前為止，采用兩種 主要的方法檢測(cè)潛在的傳感器錯(cuò)誤：針對(duì)難以置信的傳感器值（其通常是錯(cuò)誤的）進(jìn)行監(jiān) 測(cè)，和冗余感測(cè)。第一種方法使用針對(duì)傳感器狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其識(shí)別某些失效狀況，例如 傳感器值超出期望范圍、在物理上不可能或基本不太可能的傳感器值的變化率，或者傳感 器數(shù)據(jù)的丟失或損壞。如果觀測(cè)到任何這些狀況，系統(tǒng)啟動(dòng)安全保障程序。該方法固有地 受限于其僅對(duì)有限數(shù)量的具體失效模式進(jìn)行保護(hù)；如果這些模式不涵蓋所有可能的失效狀 況（實(shí)際上很難做到），則這些類型的傳感器失效會(huì)不被注意到。例如，針對(duì)超出范圍值的 檢測(cè)無助于識(shí)別在范圍內(nèi)（因此似乎合理）但是錯(cuò)誤的傳感器值。
[0006] 在第二方法中，傳感器及其相應(yīng)的處理電路是重復(fù)的；通常對(duì)每個(gè)測(cè)量量提供兩 個(gè)或更多個(gè)傳感器。多個(gè)傳感器的輸出彼此相互比較，如果其不符合一定的允許偏差，則發(fā) 出傳感器失效旗標(biāo)。該旗標(biāo)能夠用來啟動(dòng)失效保障程序。傳感器重復(fù)不一定具有兩個(gè)或更 多個(gè)測(cè)量相同物理量的相同的傳感器，而是可以包括多個(gè)不同的傳感器通過不同方式測(cè)量 相同量的配置。盡管不針對(duì)特定的傳感器失效模式，冗余感測(cè)方法也具有各種限制。第一， 其由于重復(fù)傳感器和相關(guān)的處理硬件和軟件從而增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。第二，由于各 種現(xiàn)實(shí)原因，例如物理設(shè)計(jì)約束或缺少空間，可能無法或不便增加冗余傳感器。第三，確保 冗余傳感器的真實(shí)獨(dú)立性實(shí)際上可能是困難的，即，一些失效狀況可能以同樣的方式影響 冗余傳感器，因此模糊了不正確的讀數(shù)。冗余傳感器可能受到相同錯(cuò)誤的影響，不是因?yàn)槠?都有故障，而是因?yàn)樗鶞y(cè)量的量的表現(xiàn)都受連累。例如，冗余的并行位置傳感器可能均測(cè)量 到彈簧的偏轉(zhuǎn)以確定彈簧的壓縮力。如果彈簧的材料屬性改變，例如由于過度的屈服或硬 化，所有傳感器會(huì)給出相同的但是錯(cuò)誤的力的測(cè)量值。
[0007] 相應(yīng)地，需要檢測(cè)傳感器失效的替代方法，其具有較少的誤報(bào)（傳感器讀數(shù)實(shí)際 上正確而被檢測(cè)為失效）和漏報(bào)（傳感器失效沒有被檢測(cè)到），并且避免或降低與傳感器冗 余相關(guān)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供基于一個(gè)或多個(gè)約束針對(duì)相互一致性監(jiān)測(cè)與不同的測(cè) 量量相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人傳感器讀數(shù)的系統(tǒng)和方法。約束通過正被監(jiān)測(cè)的物理系統(tǒng)的模型（或 模型組）表示，并且每個(gè)約束體現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)物理量之間的關(guān)系，這些物理量的測(cè)量值 必須相應(yīng)地符合這些約束。該方法避免了對(duì)傳感器冗余的需要，消除了與相同量的多個(gè)相 互依賴的傳感器讀數(shù)相關(guān)的漏報(bào)，并且有助于基于與其它傳感器讀數(shù)的不一致性檢測(cè)不正 確的傳感器讀數(shù)，無論其各自是否顯得合理。另外，其能夠檢測(cè)所監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)本身有關(guān)的問 題，盡管傳感器正常工作，這種問題仍可能造成約束違規(guī)。
[0009] 在各實(shí)施方式中，約束從要被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)（例如機(jī)器人、其附器、諸如多接頭鏈節(jié) 或臂、或附器的單個(gè)接頭）的物理模型得出。系統(tǒng)行為可以利用通常包括表征各系統(tǒng)部件 的內(nèi)在物理特性的模型參數(shù)的數(shù)學(xué)方程（例如代數(shù)方程或微分方程）解析建模。替代地， 系統(tǒng)行為可以例如基于通過實(shí)驗(yàn)確定的、由傳感器監(jiān)測(cè)的物理量之間的定量關(guān)系而數(shù)值地 表達(dá)。在一些實(shí)施方式中，函數(shù)模型通過將數(shù)學(xué)函數(shù)與數(shù)值數(shù)據(jù)相配合從而由這些實(shí)驗(yàn)確 定的關(guān)系得出。在其它實(shí)施方式中，來自多個(gè)傳感器的數(shù)值數(shù)據(jù)僅用來基于實(shí)驗(yàn)區(qū)分系統(tǒng) 的正常狀態(tài)與故障狀態(tài)（例如使用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法），而沒有系統(tǒng)部件或其相互作用 的基礎(chǔ)模型。
[0010] 為監(jiān)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)（例如機(jī)器人整體），通常使用多個(gè)約束。在另一方面，在一些實(shí) 施方式中，更簡單的系統(tǒng)或子系統(tǒng)可以允許在單獨(dú)的約束內(nèi)獲得所有要被監(jiān)測(cè)的物理量。 在各實(shí)施方式中，復(fù)雜系統(tǒng)利用取自系統(tǒng)行為的根本不同方面（例如系統(tǒng)部件之間的電 的、機(jī)械的、機(jī)電的、和/或熱的關(guān)系）的多個(gè)約束進(jìn)行建模。例如，在一實(shí)施方式中，對(duì)機(jī)器 人接頭進(jìn)行操作的串聯(lián)彈性致動(dòng)器利用以下約束進(jìn)行建模，即，與致動(dòng)器的馬達(dá)和串聯(lián)彈 簧相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、與馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和負(fù)載（例如由接頭支承的機(jī)器人部件）的位置 相關(guān)的扭矩生成約束、與進(jìn)入馬達(dá)的電流和由馬達(dá)產(chǎn)生的角速度相關(guān)的電壓-速度約束、 與馬達(dá)的溫度和傳遞至馬達(dá)的功率相關(guān)的熱反應(yīng)約束、與負(fù)載的角位置和施加至負(fù)載的扭 矩相關(guān)的負(fù)載-動(dòng)力學(xué)約束或上述約束的其中兩個(gè)或更多個(gè)的任意組合。
[0011] 在機(jī)器人操作期間，當(dāng)約束超出相關(guān)的指定閥值而違規(guī)時(shí)，則證實(shí)傳感器的不一 致性，表示約束中的至少一個(gè)傳感器讀數(shù)是錯(cuò)誤的或者被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)（或子系統(tǒng)）本身出 現(xiàn)故障。物理模型的逼真度和準(zhǔn)確度越高，能夠設(shè)定的違規(guī)閥值通常越嚴(yán)格。另外，閥值可 以改變以在敏感度范圍內(nèi)將錯(cuò)誤檢測(cè)調(diào)整至期望的敏感度，例如，從只檢測(cè)嚴(yán)重錯(cuò)誤（或 只對(duì)其起作用）改變到檢測(cè)更細(xì)微的不一致性。一旦已經(jīng)檢測(cè)到傳感器不一致性，則機(jī)器 人啟動(dòng)適當(dāng)?shù)氖ПＵ铣绦?。在一些?shí)施方式中，自動(dòng)地啟動(dòng)安全停機(jī)。在另一些實(shí)施方 式中，機(jī)器人操作僅暫時(shí)的停止，并且當(dāng)所有約束再次符合要求時(shí)重新開始。在一些實(shí)施方 式中，使用自校準(zhǔn)程序?qū)鞲衅鬟M(jìn)行重新校準(zhǔn)，并且之后重新開始機(jī)器人的工作。在一些實(shí) 施方式中，機(jī)器人工作根本不中斷，而是向用戶發(fā)出警告；如果約束違規(guī)不是關(guān)鍵的（例如 不具有嚴(yán)重的安全隱患），則該響應(yīng)是合適的。
[0012] 在一方面，本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括串聯(lián)彈性致動(dòng)器 (具有馬達(dá)、齒輪箱和連接至負(fù)載的串聯(lián)彈簧），和針對(duì)傳感器失效與所述致動(dòng)器相關(guān)的多 個(gè)傳感器；所述傳感器通過測(cè)量多個(gè)各自的物理量監(jiān)測(cè)所述機(jī)器人的狀態(tài)或動(dòng)作（例如利 用不同的傳感器測(cè)量不同的物理量）。所述方法包括：建立使所述多個(gè)傳感器的讀數(shù)彼此 相關(guān)的至少一個(gè)約束（例如相互獨(dú)立的約束），并且針對(duì)所述約束的違規(guī)監(jiān)測(cè)傳感器的讀 數(shù)。在不同的實(shí)施方式中，約束包括：與馬達(dá)和串聯(lián)彈簧相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、與馬達(dá)產(chǎn)生的 扭矩和負(fù)載的位置相關(guān)的扭矩生成約束、與進(jìn)入馬達(dá)的電流和由馬達(dá)產(chǎn)生的角速度相關(guān)的 電壓-速度約束、與馬達(dá)的溫度和傳遞至馬達(dá)的功率相關(guān)的熱反應(yīng)約束、與負(fù)載的角位置 和施加至負(fù)載的扭矩相關(guān)的負(fù)載-動(dòng)力學(xué)約束或上述約束的任意組合；一些實(shí)施方式使用 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、扭矩生成約束、以及電壓-速度約束。建立約束可以包括對(duì)機(jī)器人的至少一子 系統(tǒng)進(jìn)行建模。約束可以是或者包括測(cè)量的物理量中的一些物理量或所有物理量之間的一 個(gè)或更多個(gè)解析關(guān)系（例如代數(shù)方程、微分方程或積分方程）或測(cè)量的物理量中的一些物 理量或所有物理量之間的一個(gè)或更多個(gè)數(shù)值（例如通過實(shí)驗(yàn)建立的）關(guān)系。
[0013] 針對(duì)約束的違規(guī)監(jiān)測(cè)傳感器讀數(shù)可以包括：針對(duì)每一個(gè)約束設(shè)定違規(guī)閥值，基于 傳感器讀數(shù)計(jì)算與約束相關(guān)的至少一個(gè)值（或多個(gè)值），過濾至少一個(gè)值（例如通過計(jì)算時(shí) 間平均值），將過濾的值與各自的違規(guī)閥值進(jìn)行比較；當(dāng)針對(duì)任何約束有超過所述違規(guī)閥 值時(shí)，聲明這約束違規(guī)。違規(guī)閥值可以至少部分基于所期望的對(duì)錯(cuò)誤的敏感度設(shè)定和/或 基于所述模型的逼真度設(shè)定。在任何約束違規(guī)的情況下可以啟動(dòng)安全停機(jī)程序。替代地， 機(jī)器人工作可以（暫時(shí)地）停止，多個(gè)傳感器可以被重新校準(zhǔn)，并且/或者向機(jī)器人的用戶 警告違規(guī)。
[0014] 在另一方面，本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，其包括：串聯(lián)彈性致動(dòng)器（其具有馬達(dá)、齒 輪箱和連接至負(fù)載的串聯(lián)彈簧），測(cè)量與所述串聯(lián)彈性致動(dòng)器相關(guān)的多個(gè)各自的物理量 (不同傳感器通常測(cè)量不同的物理量）從而監(jiān)測(cè)所述機(jī)器人的狀態(tài)或動(dòng)作的多個(gè)傳感器， 及其針對(duì)傳感器失效監(jiān)測(cè)所述機(jī)器人的計(jì)算裝置。所述計(jì)算裝置針對(duì)一個(gè)或更多個(gè)約束 (例如彼此相互獨(dú)立的多個(gè)約束）的違規(guī)來監(jiān)測(cè)所述多個(gè)傳感器的讀數(shù)，所述一個(gè)或更多 個(gè)約束使所述多個(gè)傳感器的讀數(shù)彼此相關(guān)；約束包括：與所述馬達(dá)和所述串聯(lián)彈簧相關(guān)的 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、與所述馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和所述負(fù)載的位置相關(guān)的扭矩生成約束、與進(jìn)入所述 馬達(dá)的電流和由所述馬達(dá)產(chǎn)生的角速度相關(guān)的電壓-速度約束、與所述馬達(dá)的溫度