CN109922930B - 用于确定***状态的可能转换的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在具有带离散代理状态的多个代理(60，70)的工业***(10)中确定***状态的可能转换的方法。该方法包括定义多个规则(R)的步骤，每个规则(R)包括要改变的至少一个代理状态的前置条件、该至少一个代理状态的后置条件、以及导致至少一个代理状态的相应转换的一个或多个动作(130)。该方法还包括定义多个节点(90)的步骤，每个节点(90)包括***状态。该方法还包括针对多个节点(90)对评估在给定规则(R)的情况下该节点对是否能够借助于边(100)而被直接连接的步骤，其中每个节点对中的一个节点(90)充当前置条件节点(90)以及每个节点对中的另一节点(90)充当后置条件节点(90)。每个边缘(100)包括针对相应的前置条件***状态和后置条件***状态之间的转换所需的一个或多个动作(130)。通过确定离线的***状态之间可能的直接转换，允许***控制器进行快速的运行时的判定。

Description

用于确定***状态的可能转换的方法
技术领域
本发明涉及对工业***的控制，该工业***包括具有离散代理(agent)状态的多个代理(agent)。
背景技术
为包括工业机器人的工业***创建程序是非常困难的并且耗费时间。一个主要原因是存在数量巨大的需要处置的错误状态，使得机器人程序可以继续，而不会中断。
今天，这项工作具有反复性，难以做到，并且对于包括若干代理的机器人***(诸如具有多个协作机器人的单元)而言是不可能的。当构造这种类型的任何程序时，无法确定它是否会处置所有可能的错误情况。
US2014088763公开了一种用于确定有效机器人基座(robot-base)位置的方法，该机器人基座位置在起始节点和末端节点之间具有最短、无冲突机器人路径。该方法包括为有效机器人基座位置生成提供多个机器人路径的相应有向图的步骤。机器人***为相应的有效机器人基座位置生成有向图。有效机器人基座位置被定义为这样的机器人基座位置：臂的末端可以从该机器人基座位置到达目标以执行预定的任务，而不会引起冲突。有向图提供多个机器人路径，该多个机器人路径具有多个节点，其包括起始节点和末端节点、以及连接节点的多个定向连接器。基于有序位置来布置节点，并且定向连接器具有相应权重因子。节点表示有序位置处的机器人关节配置，并且权重因子表示机器人关节从源移动到目标所需的工作量。机器人***使用有向图确定有效机器人基座位置的起始节点与末端节点之间的最短路由。基于连接节点的定向连接器的权重因子来确定最短机器人路径。
由于运动路径是连续的，US2014088763的机器人***具有无限数目的状态。随机确定多个点或状态，并且这些点或状态存储为图中的节点。因此，所选择的点不是最佳的，并且每当确定节点时，不同的点会与节点相关联。由于无限数目的点，所以机器人***的所有状态永远不会被确定。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于在具有带离散代理状态的多个代理的工业***中确定***状态的可能转换的改进方法。
本发明的另一个目的是提供改进的机器人***。
这些目的通过根据所附权利要求1所述的设备和根据所附权利要求7所述的方法来实现。
本发明基于以下认识：通过确定离线的***状态之间可能的直接转换，允许***控制器进行快速的运行时的判定。
根据本发明的第一方面，提供了在具有带离散代理状态的多个代理的工业***中确定***状态的可能转换的方法。该方法包括以下步骤：定义多个规则，每个规则包括要改变的至少一个代理状态的前置条件、该至少一个代理状态的后置条件、以及导致该至少一个代理状态的对应转换的一个或多个动作；定义多个节点，每个节点包括***状态；并且针对多个节点对，评估在给定规则的情况下节点对是否能够借助于边而直接连接，其中每个节点对中的一个节点充当前置条件节点以及每个节点对中的另一节点充当后置条件节点，每个边包括针对相应前置条件***状态与后置条件***状态之间的转换所需的一个或多个动作。
根据本发明的一个实施例，多个节点包括存在于相应工业***中的所有节点。
根据本发明的一个实施例，方法包括借助于边而直接连接多个节点对的步骤。
根据本发明的一个实施例，方法包括定义多个节点中所有节点对之间的所有可用边的步骤。
根据本发明的一个实施例，方法包括通过在可能转换中确定优选转换链来优化转换的步骤。
根据本发明的一个实施例，方法包括将优化后的转换收集到查找表中的步骤。
根据本发明的第二方面，提供了机器人***，该机器人***包括具有机器人控制器的工业机器人。机器人控制器被配置为执行根据前述实施例中任一实施例的方法。
附图说明
参考附图，对本发明进行更详细的解释。
图1示出了根据本发明的一个实施例的机器人***；
图2a示出了说明图1的机器人***中不同***状态之间的潜在转换的有向图；
图2b示出了说明图1的机器人***中的现有转换的有向图；以及
图2c示出了说明图1的机器人***中的优化后的转换的有向图。
具体实施方式
参考图1，形式为其上可以应用本发明的机器人***10的工业***的示例包括工业机器人20、左进给器30、右进给器40、以及废物箱50。机器人20的两个臂60、70均被定义为具有离散代理状态的代理，机器人***10由此包括形式为左臂(LA)60的第一代理、以及形式为右臂(RA)70的第二代理。机器人***10被配置为重复执行以下任务。左臂60从左进给器30拾取第一物品80并以允许右臂70接收第一物品80的第一方式将第一物品80移交给右臂70。右臂70以第一方式接收第一物品80。左臂60还从左进给器30拾取第二物品80并以允许右臂70接收第二物品80以使第二物品80连接到第一物品80的第二方式将第二物品80移交给右臂70。右臂70以第二方式接收第二物品80，使得第二物品80连接到第一物品80。右臂70将第一物品80和第二物品80的组合设置在右供给器40上。
因此，左臂60和右臂70都具有离散代理状态：由数字0表示的“空”和由数字1表示的“持有物品”。更进一步地，右臂70具有由数字2表示的代理状态“持有两个物品的组合”。如果假设机器人***10总是完美地工作，则不需要其他代理状态来连续执行给定任务。然而，为了提供更具说明性的示例，作为替代，假设左臂60有时错误拾取物品80，并且右臂70有时错误接收物品80，使得左臂60和右臂70两者还具有由数字3表示的代理状态“错误地持有物品”。机器人***10被配置为通过相应臂分别将相应物品80投入废物箱50并且拾取或接收新物品80来校正代理状态3(错误地持有物品)。左臂60和右臂70还可以具有附加的代理状态，但是出于本示例的目的，不必考虑它们。假设机器人***10包括传感器，该传感器允许标识每个所考虑的代理状态，使得在每个时间点，所有代理的代理状态都是已知的。
***状态可以表达为机器人***10的所有代理状态的组合。可以例如借助于节点90(参见图2a至图2c)表达***状态，每个节点90包括针对每个代理的分量，每个分量的值与相应代理的代理状态相对应。因为由于先前假设，所有代理状态在每个时间点都是已知的，所以***状态也始终是已知的。在本示例中，节点90具有两个分量，第一分量表示左臂60，并且第二分量表示右臂70。第一分量可以至少获得值0、1和3(“空”、“持有物品”和“错误地持有物品”)，并且第二分量可以至少获得值0、1、2和3(“空”、“持有物品”、“持有两个物品的组合”以及“错误地持有物品”)，并且机器人***10由此可以获得如表1和图2a至图2c所示的十二个唯一的***状态(0，0)、(0，1)、(0，2)、(0，3)、(1，0)、(1，1)、(1，2)、(1，3)、(3，0)、(3，1)、(3，2)和(3，3)。
Figure BDA0002027531850000051
表1
为了在不同***状态之间进行转换，机器人***10需要执行改变一个或多个代理的状态的一个或多个动作130(参见图2a至图2c)。可用动作130取决于机器人***10的配置。在本示例中，左臂60被配置为执行以下动作130：由“P”表示的“拾取”、由“H1”表示的“以第一方式交出”、由“H2”表示的“以第二方式交出”、以及由“TL”表示的“左投掷”；并且右臂70被配置为执行以下动作130：由“R1”表示的“以第一方式接收”、由“R2”表示的“以第二方式接收”，由“S”表示的“设置”、以及由“TR”表示的“右投掷”。熟悉机器人***10的配置并且还熟悉要由机器人***10执行的任务的程序员定义规则R(R1，R2，...)，规则R(R1，R2，...)确定在某些前置条件下要采取的适当动作130，以便达到预期的后置条件。每个规则R包括要改变的至少一个代理状态的前置条件、至少一个代理状态的后置条件、以及导致至少一个代理状态的对应转换的一个或多个动作130。
Figure BDA0002027531850000052
表2
在本示例中，定义了根据表2的六个规则R。第一规则R1确定无论何时左臂60具有代理状态0(空)时，适当动作130是P(拾取)，并且在动作130之后的预期左臂代理状态是1(持有物品)。当左臂代理状态从0变为1时，右臂70的代理状态和动作130都是无意义的，因此，表2中的对应单元格用“x”标记。在规则R4、R5和R6中可以找到类似的无意义的代理状态和动作130。然而，根据规则R2和R3，左臂代理状态在没有右臂70的互动的情况下不能从1变为0，同样，右臂代理状态在没有左臂60的互动的情况下不能从0变为1或从1变为2。当然，机器人***10的硬件配置可能允许左臂代理状态在没有右臂70的互动的情况下从1变为0，即，通过执行动作130TR(左投掷)，但是，反映要由机器人***10执行的给定任务的规则R不允许这样做，因为将物品80投进废物箱50不能服务执行给定任务的目的。另一方面，因为假设右臂70不能靠其自身达到来自左进给器30的物品80，硬件配置不允许右臂代理状态在没有左臂60的互动的情况下从0变为1或从1变为2。
如图2a的有向图所图示的，当设置规则R时，可以定义不同***状态之间的潜在转换。各对节点90借助于其间的边100而被连接，每对中的一个节点90用作前置条件节点90，并且每对中的另一节点90用作后置条件节点90。每个边100包括在相应的前置条件***状态与后置条件***状态之间直接转换所需的一个动作或多个动作130。边100用设有相应动作130的实线箭头图示。重点要注意的是，并非节点90的所有节点对都可以借助于边100而直接连接，并且可以借助于边100连接的节点对只能在一个方向上连接，而不能在相反方向上连接。由于可用动作130的限制而不能实现的第一潜在连接110的示例用设有十字的实线箭头图示。对于可用动作130是可能的、但不满足规则R的第二潜在连接120的示例用设有相应动作130的虚线箭头图示。例如，机器人***10不能执行从***状态(1，0)到(1，1)的直接转换，因为机器人***10的硬件配置确定右臂70只能从左臂60接收物品80。如果右臂70能够靠其自身达到来自左进给器30的物品80，并且如果机器人***10包括对应动作130，则情况会有所不同。机器人***10没有被配置为执行从***状态(1，1)到(1，0)的直接转换，因为这种转换不满足规则R。
如之前所建立的，并非节点90的所有节点对都可以借助于边100而直接连接。另一方面，在本示例中，所有节点90可以经由间接转换而与所有剩余节点90连接，该间接转换涉及要连接的该对节点90之间的一个或多个节点。注意，例如在尽管代理状态3(错误地持有物品)可能发生，但是动作130TL和TR未被确定的情况下，则可能不是这样。可能以缺乏策略来离开以继续执行给定任务的***状态而结束的工业***10存在卡住的风险。本发明允许提前(即，在工业***10的调试之前离线)检测这种***状态。
在图2a中，图示了给定示例中的机器人***10的所有现有的边100，总共十八个，但是没有图示出所有的潜在连接110、120。应当注意，在具有12个节点90的给定示例的非常简单的机器人***10中，边100和潜在连接110、120(两个方向上的、节点90的所有节点对之间)的总数已经变高，总共132(Z*(Z-1)，其中Z是节点90的数目)，并且对于更复杂的工业***10，人们不能容易地人工检测边100。根据本发明，通过针对节点90中的多个节点对评估在给定规则R的情况下节点对是否能够借助于边100而被直接连接，来自动检测边100。优选地，对存在于相应工业***10中的节点90中的所有节点对进行评估。
为此，确定要考虑的所有节点90，并且对于每个节点90，评估它是否可以借助于边100直接连接到剩余节点90中的每个节点。参见表3、4和5，这是通过为每个节点90(充当前置条件节点90，其分量表示相应代理状态的前置条件)与剩余节点90中的每个节点(充当后置条件节点90，其分量表示相应代理状态的后置条件)组合创建单独的表来完成的。每个表有2*n列和m行，其中n是代理的数目，以及m是规则R的数目。每行表示相应规则R，第一行表示第一规则R1，第二行表示第二规则R2，依此类推。每列表示节点90的分量，前n列表示前置条件节点90的分量，后n列表示后置条件节点90的分量。在表中***值，其首先指示相应分量对于相应规则R是否是有意义，并且其次指示有意义的分量是否满足相应规则R。在每个表中，表示无意义的分量的单元格用破折号标记，表示满足规则R的分量的单元格被赋予值1，表示不满足规则R的分量的单元格被赋予值0。
Figure BDA0002027531850000081
表3
继续前文所解释的示例，练习被执行以评估具有分量(0，2)的前置条件节点90是否可以借助于边100直接连接到具有分量(1，0)的后置条件节点90，见表3。对应的表具有四列(n＝2)和六行(m＝6)。关于第一规则R1，首先确立前置条件节点和后置条件节点90的第二分量是无意义的，并且对应单元格用破折号标记。其次确立前置条件节点和后置条件节点90的第一分量是有意义的并且满足第一规则R1，因为第一规则R1的前置条件和后置条件两者都被满足。因此，对应单元格被赋予值1。关于第二规则R2和第三规则R3，确立前置条件节点和后置条件节点90的两个分量都是有意义的，但是它们不满足第二规则R2或第三规则R3，因为第二规则R2或第三规则R3的前置条件和后置条件都没有被满足。因此，对应单元格被赋予值0。关于第四规则R4，首先确立前置条件节点和后置条件节点90的第一分量是无意义的，并且对应单元格用破折号标记。其次确立前置条件节点和后置条件节点90的第二分量是有意义的并且满足第四规则R4，因为第四规则R4的前置条件和后置条件两者都被满足。因此，对应单元格被赋予值1。关于第五规则R5和第六规则R6，首先确立前置条件节点和后置条件节点90的、针对第五规则R5的第二分量以及针对第六规则R6的第一分量分别是无意义的，并且对应的单元用破折号标记。其次确立前置条件节点和后置条件节点90的、针对第五规则R5的第一分量和针对第六规则R6的第二分量分别是有意义的，但是它们不满足第五规则R5或第六规则R6，因为第五规则R5或第六规则R6的前置条件和后置条件均没有被满足。因此，对应单元格被赋予值0。
当表格完全被填充时，对表示后置条件不同于前置条件的分量的列中的单元格值进行求和。如果所有这样的和的值≥1，则确定对应前置条件节点90可以借助于边100直接连接到对应后置条件节点90，即，可以执行从前置条件节点90的***状态到后置条件节点90的***状态的直接转换。如果至少一个这样的和的值为0，则确定对应前置条件节点90不能借助于边100直接连接到对应后置条件节点90。对于表示后置条件和后置条件相同的分量的列，不对单元格值进行求和，但是作为替代，和用破折号标记。这暗示不需要动作130来保持代理状态相同。
Figure BDA0002027531850000091
表4
Figure BDA0002027531850000101
表5
表3、4和5的列之和表示直接转换(0，2)到(1，0)以及(0，2)到(1，2)是可能的，而直接转换(0，0)到(1，1)则是不可能的。
如图2b的有向图所图示的，所得到的可用转换允许机器人***10快速判定所要采取怎样的一个动作或多个动作130，以便继续进行给定任务。它可以例如容易看出机器人***10具有三个备选方案来执行转换(0，2)到(1，0)，并且由于这些备选方案已经离线确定，所以机器人***10避免在运行时进行对应的耗时评估。更进一步地，可以通过确定优选转换链来优化可用转换列表。为此，诸如Dijkstra的算法的搜索算法可以用于找到优选转换链，该优选转换链以最具成本效益的方式执行期望转换。如图2c的有向图所图示的，所得到的优化后的转换可以被收集到查找表中，以允许机器人***10进行更快的、运行时的判定。
本发明不限于上文所示的实施例，但是本领域技术人员可以在由权利要求限定的本发明的范围内以多种方式对它们进行修改。

Claims (10)

1.一种用于在工业***(10)中确定***状态的可能转换的方法，所述工业***(10)具有多个代理(60，70)，所述多个代理(60，70)具有离散代理状态，其中所述方法包括以下步骤：
-定义多个规则(R)，每个规则(R)包括要被改变的至少一个代理状态的前置条件、所述至少一个代理状态的后置条件、以及导致所述至少一个代理状态的对应转换的一个或多个动作(130)；
-定义多个节点(90)，每个节点(90)包括***状态；以及
-针对多个节点(90)对，评估在给定所述规则(R)的情况下所述节点对是否能够借助于边(100)而被直接连接，其中每个节点对中的一个节点(90)充当前置条件节点(90)，以及每个节点对中的另一节点(90)充当后置条件节点(90)，每个边(100)包括针对相应的前置条件***状态与后置条件***状态之间的转换所需的一个或多个动作(130)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个节点(90)包括存在于相应的所述工业***(10)中的所有节点(90)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括借助于边(100)而直接连接多个节点(90)对的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法包括定义在所述多个节点(90)当中的所有节点(90)对之间的所有可用边(100)的步骤。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法包括定义在所述多个节点(90)当中的所有节点(90)对之间的所有可用边(100)的步骤。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法包括通过在所述可能转换当中确定优选转换链来优化转换的步骤。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法包括通过在所述可能转换当中确定优选转换链来优化转换的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法包括将优化后的所述转换收集到查找表中的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法包括将优化后的所述转换收集到查找表中的步骤。
10.一种机器人***(10)，包括具有机器人控制器的工业机器人(20)，
其特征在于，
所述机器人控制器被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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