監(jiān)測機器人傳感器的一致性的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求在2012年8月28日提交的美國臨時申請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。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及機器人操作的安全，特別地涉及在傳感器失效狀態(tài)下的機器人操作的 安全。
【背景技術(shù)】
[0004] 工業(yè)機器人通常具有移動大型和重型物體的強有力的致動器，該致動器在傳感器 測量值（例如來自編碼器、位置傳感器、扭矩傳感器等）的反饋下進行控制。如果傳感器失 效，這機器人失去控制，其會導致機器人的快速且危險的運動。相應地，檢測任何傳感器失 效以啟動適當?shù)氖ПＵ铣绦颉⒉⑶胰绻枰獑訖C器人停機是重要的。
[0005] 傳感器會以多種不同方式失效，其中一些（例如超出傳感器值的范圍）相對容易 檢測，然而另一些（例如傳感器值似乎合理的卻是錯誤的）難以發(fā)現(xiàn)。目前為止，采用兩種 主要的方法檢測潛在的傳感器錯誤：針對難以置信的傳感器值（其通常是錯誤的）進行監(jiān) 測，和冗余感測。第一種方法使用針對傳感器狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其識別某些失效狀況，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。如果觀測到任何這些狀況，系統(tǒng)啟動安全保障程序。該方法固有地 受限于其僅對有限數(shù)量的具體失效模式進行保護；如果這些模式不涵蓋所有可能的失效狀 況（實際上很難做到），則這些類型的傳感器失效會不被注意到。例如，針對超出范圍值的 檢測無助于識別在范圍內(nèi)（因此似乎合理）但是錯誤的傳感器值。
[0006] 在第二方法中，傳感器及其相應的處理電路是重復的；通常對每個測量量提供兩 個或更多個傳感器。多個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。該旗標能夠用來啟動失效保障程序。傳感器重復不一定具有兩個或更 多個測量相同物理量的相同的傳感器，而是可以包括多個不同的傳感器通過不同方式測量 相同量的配置。盡管不針對特定的傳感器失效模式，冗余感測方法也具有各種限制。第一， 其由于重復傳感器和相關(guān)的處理硬件和軟件從而增加系統(tǒng)的成本和復雜性。第二，由于各 種現(xiàn)實原因，例如物理設(shè)計約束或缺少空間，可能無法或不便增加冗余傳感器。第三，確保 冗余傳感器的真實獨立性實際上可能是困難的，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誤的影響，不是因為其 都有故障，而是因為所測量的量的表現(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，所有傳感器會給出相同的但是錯誤的力的測量值。
[0007] 相應地，需要檢測傳感器失效的替代方法，其具有較少的誤報（傳感器讀數(shù)實際 上正確而被檢測為失效）和漏報（傳感器失效沒有被檢測到），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)明的任務是提供基于一個或多個約束針對相互一致性監(jiān)測與不同的測 量量相對應的機器人傳感器讀數(shù)的系統(tǒng)和方法。約束通過正被監(jiān)測的物理系統(tǒng)的模型（或 模型組）表示，并且每個約束體現(xiàn)兩個或更多個物理量之間的關(guān)系，這些物理量的測量值 必須相應地符合這些約束。該方法避免了對傳感器冗余的需要，消除了與相同量的多個相 互依賴的傳感器讀數(shù)相關(guān)的漏報，并且有助于基于與其它傳感器讀數(shù)的不一致性檢測不正 確的傳感器讀數(shù)，無論其各自是否顯得合理。另外，其能夠檢測所監(jiān)測的系統(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] 在各實施方式中，約束從要被監(jiān)測的系統(tǒng)（例如機器人、其附器、諸如多接頭鏈節(jié) 或臂、或附器的單個接頭）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驗確定的、由傳感器監(jiān)測的物理量之間的定量關(guān)系而數(shù)值地 表達。在一些實施方式中，函數(shù)模型通過將數(shù)學函數(shù)與數(shù)值數(shù)據(jù)相配合從而由這些實驗確 定的關(guān)系得出。在其它實施方式中，來自多個傳感器的數(shù)值數(shù)據(jù)僅用來基于實驗區(qū)分系統(tǒng) 的正常狀態(tài)與故障狀態(tài)（例如使用傳統(tǒng)的機器學習算法），而沒有系統(tǒng)部件或其相互作用 的基礎(chǔ)模型。
[0010] 為監(jiān)測復雜系統(tǒng)（例如機器人整體），通常使用多個約束。在另一方面，在一些實 施方式中，更簡單的系統(tǒng)或子系統(tǒng)可以允許在單獨的約束內(nèi)獲得所有要被監(jiān)測的物理量。 在各實施方式中，復雜系統(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、機械的、機電的、和/或熱的關(guān)系）的多個約束進行建模。例如，在一實施方式中，對機器 人接頭進行操作的串聯(lián)彈性致動器利用以下約束進行建模，即，與致動器的馬達和串聯(lián)彈 簧相關(guān)的運動學約束、與馬達產(chǎn)生的扭矩和負載（例如由接頭支承的機器人部件）的位置 相關(guān)的扭矩生成約束、與進入馬達的電流和由馬達產(chǎn)生的角速度相關(guān)的電壓-速度約束、 與馬達的溫度和傳遞至馬達的功率相關(guān)的熱反應約束、與負載的角位置和施加至負載的扭 矩相關(guān)的負載-動力學約束或上述約束的其中兩個或更多個的任意組合。
[0011] 在機器人操作期間，當約束超出相關(guān)的指定閥值而違規(guī)時，則證實傳感器的不一 致性，表示約束中的至少一個傳感器讀數(shù)是錯誤的或者被監(jiān)測的系統(tǒng)（或子系統(tǒng)）本身出 現(xiàn)故障。物理模型的逼真度和準確度越高，能夠設(shè)定的違規(guī)閥值通常越嚴格。另外，閥值可 以改變以在敏感度范圍內(nèi)將錯誤檢測調(diào)整至期望的敏感度，例如，從只檢測嚴重錯誤（或 只對其起作用）改變到檢測更細微的不一致性。一旦已經(jīng)檢測到傳感器不一致性，則機器 人啟動適當?shù)氖ПＵ铣绦颉Ｔ谝恍嵤┓绞街?，自動地啟動安全停機。在另一些實施方 式中，機器人操作僅暫時的停止，并且當所有約束再次符合要求時重新開始。在一些實施方 式中，使用自校準程序?qū)鞲衅鬟M行重新校準，并且之后重新開始機器人的工作。在一些實 施方式中，機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 不具有嚴重的安全隱患），則該響應是合適的。
[0012] 在一方面，本發(fā)明涉及一種監(jiān)測機器人的方法，所述機器人包括串聯(lián)彈性致動器 (具有馬達、齒輪箱和連接至負載的串聯(lián)彈簧），和針對傳感器失效與所述致動器相關(guān)的多 個傳感器；所述傳感器通過測量多個各自的物理量監(jiān)測所述機器人的狀態(tài)或動作（例如利 用不同的傳感器測量不同的物理量）。所述方法包括：建立使所述多個傳感器的讀數(shù)彼此 相關(guān)的至少一個約束（例如相互獨立的約束），并且針對所述約束的違規(guī)監(jiān)測傳感器的讀 數(shù)。在不同的實施方式中，約束包括：與馬達和串聯(lián)彈簧相關(guān)的運動學約束、與馬達產(chǎn)生的 扭矩和負載的位置相關(guān)的扭矩生成約束、與進入馬達的電流和由馬達產(chǎn)生的角速度相關(guān)的 電壓-速度約束、與馬達的溫度和傳遞至馬達的功率相關(guān)的熱反應約束、與負載的角位置 和施加至負載的扭矩相關(guān)的負載-動力學約束或上述約束的任意組合；一些實施方式使用 運動學約束、扭矩生成約束、以及電壓-速度約束。建立約束可以包括對機器人的至少一子 系統(tǒng)進行建模。約束可以是或者包括測量的物理量中的一些物理量或所有物理量之間的一 個或更多個解析關(guān)系（例如代數(shù)方程、微分方程或積分方程）或測量的物理量中的一些物 理量或所有物理量之間的一個或更多個數(shù)值（例如通過實驗建立的）關(guān)系。
[0013] 針對約束的違規(guī)監(jiān)測傳感器讀數(shù)可以包括：針對每一個約束設(shè)定違規(guī)閥值，基于 傳感器讀數(shù)計算與約束相關(guān)的至少一個值（或多個值），過濾至少一個值（例如通過計算時 間平均值），將過濾的值與各自的違規(guī)閥值進行比較；當針對任何約束有超過所述違規(guī)閥 值時，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錯誤的敏感度設(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)的情況下可以啟動安全停機程序。替代地， 機器人工作可以（暫時地）停止，多個傳感器可以被重新校準，并且/或者向機器人的用戶 警告違規(guī)。
[0014] 在另一方面，本發(fā)明涉及一種機器人，其包括：串聯(lián)彈性致動器（其具有馬達、齒 輪箱和連接至負載的串聯(lián)彈簧），測量與所述串聯(lián)彈性致動器相關(guān)的多個各自的物理量 (不同傳感器通常測量不同的物理量）從而監(jiān)測所述機器人的狀態(tài)或動作的多個傳感器， 及其針對傳感器失效監(jiān)測所述機器人的計算裝置。所述計算裝置針對一個或更多個約束 (例如彼此相互獨立的多個約束）的違規(guī)來監(jiān)測所述多個傳感器的讀數(shù)，所述一個或更多 個約束使所述多個傳感器的讀數(shù)彼此相關(guān)；約束包括：與所述馬達和所述串聯(lián)彈簧相關(guān)的 運動學約束、與所述馬達產(chǎn)生的扭矩和所述負載的位置相關(guān)的扭矩生成約束、與進入所述 馬達的電流和由所述馬達產(chǎn)生的角速度相關(guān)的電壓-速度約束、與所述馬達的溫度