CN110914020B - 具有机器人的操纵装置以及方法和计算机程序 - Google Patents

具有机器人的操纵装置以及方法和计算机程序 Download PDF

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Abstract

具有多条臂的机器人越来越多地用在工业生产中。提出一种操纵装置，该操纵装置：具有机器人（2），其中所述机器人（2）具有多条运动链（4a、4b），其中每条运动链（4a、4b）能够在工作空间中运动，其中所述工作空间中的至少两个工作空间具有重叠部，其中每条运动链（4a、4b）构造用于实施做功运动，具有控制模块，该控制模块用于操控所述运动链（4a、4b），以用于实施总运动，其中所述总运动能够通过所述运动链（4a、4b）的做功运动来产生，其中所述控制模块构造用于在轨迹函数（q1、q2）的基础上操控所述运动链，用于实施所述做功运动；具有轨迹确定模块和重新参数化模块，其中所述轨迹确定模块构造用于为所述运动链（4a、4b）的每种做功运动分别确定作为轨迹函数（q1、q2）的最小时间轨迹（q1(τ1)、q2(τ2)），其中所述重新参数化模块构造用于对基于所述最小时间轨迹（q1(τ1)、q2(τ2)）的轨迹函数（q1、q2）进行重新参数化，使得所述总运动无碰撞。

Description

具有机器人的操纵装置以及方法和计算机程序
技术领域
提出一种操纵装置，该操纵装置具有机器人，其中所述机器人具有多条运动链，其中运动链中的每条运动链能够在工作空间中运动，其中所述工作空间中的至少两个工作空间具有重叠部，其中运动链中的每条运动链都构造为用于实施做功运动；具有控制模块，所述控制模块用于操控运动链，用于实施总运动，其中所述总运动能够通过运动链的做功运动来表示。此外，提出一种用于操控机器人的方法和一种计算机程序。
背景技术
从现有技术中已知在过程自动化中并且特别是在工业制造中使用机器人。
文献DE 10 2013 014 287 Al可能构成最新的现有技术，该文献描述了一种用于通过激光焊接来连接精密机械构件的方法，所述方法具有以下步骤：用在第一机器人臂部上所设置的第一抓具从第一料盒区域抓取第一构件；用在第二机器人臂部上所设置的第二抓具从第二料盒区域抓取第二构件，以便用第一抓具保持所述第一构件；并且用第二抓具将第二构件相对于彼此并且相对于激光装置保持在第一装配位置中；激活激光装置并且借助于第一焊接连接在第一装配位置中将第一构件和第二构件彼此连接起来以便组装；借助于第一抓具将所述组装放置在存放区域中。
发明内容
提出一种具有权利要求1的特征的、具有机器人的操纵装置。此外，提出一种具有权利要求11的特征的用于操控机器人、尤其是操纵装置的机器人的方法和一种具有权利要求12的特征的计算机程序。其它优点和作用由下面的说明的从属权利要求得出。
提出一种具有机器人的操纵装置。尤其所述操纵装置是工业自动化技术的装置。所述操纵装置例如是机器人工作场地、制造场地和/或装配场地。所述机器人优选构造用于实施装配步骤和/或制造步骤。尤其所述机器人是单臂机器人、双臂机器人或多臂机器人。此外，所述机器人能够是关节臂机器人。尤其所述机器人构造为多轴机器人。尤其所述操纵装置能够具有多个机器人。
所述机器人具有多条运动链。尤其所述机器人具有恰好两条或两条以上的运动链。尤其所述机器人能够具有五条以上和/或十条以上的运动链。优选所述机器人在运动链的末端具有末端执行器。运动链中的每条运动链都能够在工作空间中运动。尤其所述末端执行器能够在工作空间中运动。所述工作空间尤其是三维空间。优选所述工作空间的每个点都能够通过运动链并且/或者通过末端执行器来到达。所述工作空间中的至少两个工作空间具有重叠部。所述重叠部能够完全包括一个和/或两个工作空间。
所述运动链构造用于实施做功运动。所述做功运动例如用于实施生产和/或装配步骤。所述做功运动例如能够是用末端执行器接近一个点和/或一个坐标。
所述操纵装置和/或机器人具有用于对运动链进行操控的控制模块。尤其所述控制模块构造用于独立地操控运动链。对于运动链的操控尤其是用于实施做功运动。总运动能够通过运动链的做功运动来表示。尤其所述总运动是运动链的做功运动的先后执行的结果和/或组合的结果。所述总运动能够是运动链的同步运动、例如双臂的提升或无设备的装配。作为替代方案，所述总运动是运动链的异步运动、例如用不同的运动链依次抓取不同的工件。
所述控制模块构造用于在轨迹函数的基础上操控运动链以实施做功运动。所述轨迹函数尤其是矢量值函数。例如，运动链包括数量为n个的能运动的关节，其中所属的轨迹函数是具有n个条目的矢量，其中每个条目说明所属的关节的角位置。此外，所述轨迹函数除了角度位置之外也能够包括关节的调节速度和调节加速度。所述控制模块优选构造用于以离散的形式用作用于运动链和/或关节的目标值产生器。
所述操纵装置包括轨迹确定模块和重新参数化模块。尤其所述轨迹确定模块和所述重新参数化模块能够是所述控制模块的一部分。所述控制模块、所述轨迹确定模块和/或所述重新参数化模块例如是计算机单元、处理器或微芯片。
所述轨迹确定模块构造用于为机器人的做功运动中的每个做功运动和/或运动链的每个做功运动分别确定作为轨迹函数的最小时间轨迹。尤其所述轨迹确定模块构造用于：为机器人的运动链中的每条运动链在不取决于机器人的其他运动链的情况下确定最小时间轨迹。
所述重新参数化模块构造用于在最小时间轨迹的基础上的轨迹函数进行重新参数化。尤其所述重新参数化的轨迹函数构造用于使所述运动链如此执行做功运动，使得所述总运动无碰撞。优选所述控制模块构造用于在重新参数化的轨迹函数的基础上操控运动链。
本发明基于如下考虑，即：提供一种具有机器人的自动化的操纵装置，所述机器人能够无碰撞地执行其任务。相对于现有技术的优点例如是，能够在较高的抽象层面上使用象征性的规划。此外，能够取消所述运动链的易出错的并且费时的手动协调。通过所述控制模块的使用，保证了机器人的所计划的运动和/或过程无碰撞。尤其优点是，固有异步的运动不必事先人为地同步。
在本发明的一种可能的设计方案中规定，一条运动链、多条运动链和/或所有运动链分别构造为机器人臂部和/或操纵器。所述机器人臂部构造用于实施机械工作。例如，能够借助于机器人臂部来执行操纵任务、例如焊接、分割或其他制造方法。尤其所述机器人臂部构造用于实施定位任务和/或测量任务。例如，所述机器人臂部包括作为末端执行器的抓具。优选所述机器人臂部包括多根旋转轴和/或推力轴，以用于实施做功运动。
特别优选的是，所述最小时间轨迹是需要最少时间来执行做功运动的轨迹函数。尤其所述最小时间轨迹是以下轨迹函数，所述轨迹函数对于给定的路径来说在考虑到机器人和/或运动链的动力学（kinodynamisch）限制的情况下如此用函数来进行重新参数化，从而在总体上对于做功运动来说产生最小的执行持续时间。
可选地规定，所述轨迹确定模块构造用于：在运动链和/或关节之一的有限的最大加速度和/或有限的最大速度的基础上确定最小时间轨迹。尤其将所述运动链和/或关节的有限的调节速度和/或有限的调节加速度理解为动力学限制。
在本发明的一种可能的设计方案中规定，所述重新参数化模块构造用于用全局时间曲线对总运动进行重新参数化。在此尤其规定，对于具有数目为x的运动链的机器人来说，所述全局时间曲线是x维空间中的曲线、特别是在Rx中的曲线。所述全局时间曲线尤其能够借助于点元（Punktetupel）来描述，其中这个点元中的每个条目对应于运动链的最小时间轨迹上的一个时刻。在此，所述点元尤其将不同的最小时间轨迹上的时刻和/或位置分配给彼此。
在本发明的一种特别优选的设计方案中规定，通过所述轨迹确定模块分别借助于固有时间来描述所述最小时间轨迹。尤其所述固有时间从开始时刻延伸到结束时刻，其中所述固有时间确定，所述运动链在开始时刻和结束时刻之间的最小时间轨迹上处于何处。
所述重新参数化模块包括检查函数。该检查函数具有作为函数自变量的最小时间轨迹。所述检查函数在函数自变量的基础上作为输出尤其分配“运动链的碰撞”或“运动链的无碰撞性”。例如，所述检查函数在运动链的碰撞时作为函数值输出数值a，其中a例如是1，其中所述检查函数在运动链无碰撞时作为函数值输出数值b，其中b例如是0。所述重新参数化模块构造用于将子空间划分为碰撞空间和有效空间。所述子空间由所述运动链的固有时间撑开。例如所述机器人具有数目为x的运动链，其中所述子空间是x维子空间。在此，所述重新参数化模块尤其构造用于：如果已经探测到运动链的碰撞并且/或者所述检查函数输出数值a就将所述子空间中的点分配给所述碰撞空间。
此外，所述重新参数化模块尤其构造用于：如果没有探测到运动链的碰撞并且/或者所述检查函数输出数值b就将所述子空间中的点分配给所述有效空间。所述重新参数化模块优选构造用于作为全局时间曲线确定所述有效空间中的曲线。尤其所述全局时间曲线在碰撞空间中没有点。
可选地规定，所述总运动在始点处开始并且在终点处结束。所述始点优选是工作空间中的点，其中能够为所述子空间中的始点分配时间坐标。所述子空间中的始点的时间坐标尤其相应于所述子空间中的运动链的最小时间轨迹的零点。所述终点优选是所述工作空间中的一个点，其中能够为所述子空间中的终点分配时间坐标。所述子空间中的终点的时间坐标尤其是对应于所述子空间中的运动链的最小时间轨迹的终点。所述重新参数化模块构造用于：作为全局时间曲线确定所述始点的时间坐标与所述终点的时间坐标之间的最短连接。
作为替代方案和/或补充方案而规定，通过所述重新参数化模块作为全局时间曲线来确定所述始点的时间坐标与所述终点的时间坐标之间的最快的连接。
特别优选的是，所述控制模块构造用于：为了操控机器人而借助于逆运动学机构来换算重新参数化的最小时间轨迹。尤其所述机器人或机器人的控制机构完全基于逆运动学。
本发明的一种特别优选的设计方案规定，所述总运动包括至少两条运动链的异步的做功运动。所述异步的做功运动例如是用两条不同的机器人臂部和/或运动链来按顺序地抓取工件。
一种用于操控机器人的方法形成本发明的另一个主题。尤其所述方法构造用于用根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置来操控机器人。该方法规定，为所述机器人的每条运动链确定最小时间轨迹。所述最小时间轨迹尤其构造用于描述运动链的做功运动。根据该方法，如此对基于最小时间轨迹的轨迹函数进行重新参数化，使得所述运动链的总运动无碰撞。
一种具有程序代码段的计算机程序形成本发明的另一个主题，所述程序代码段用于当在计算机或操纵装置上执行所述计算机程序时实施前面所描述的方法。
附图说明
本发明的其他特征、优点和作用由以下对本发明的优选的实施例所作的说明以及附图中得出。在此：
图1示出了作为第一实施例的操纵装置；
图2示出了子空间的一种实施例；
图3示出了具有碰撞空间和有效空间的子空间；
图4示出了具有全局时间曲线的子空间；
图5示出了具有全局时间曲线和所勾画出的轨迹函数的子空间。
具体实施方式
图1作为本发明的一种实施例示出了具有机器人2的操纵装置1。所述操纵装置1是生产设备的安装场地。所述机器人2构造用于加工并且/或者装配对象3、例如工件。在此，所述机器人2能够抓住、运送并且加工对象3。
所述机器人2具有第一运动链4a和第二运动链4b。所述第一和第二运动链4a、4b分别被构造为机器人臂部。所述第一运动链4a具有多个关节5a并且所述第二运动链4b具有多个关节5b。所述关节5a和5b的角位置可变，从而借助于所述关节5a和5b所述运动链能够分别在工作空间中运动。尤其所述关节5a和5b能以调节速度和调节加速度操控以进行运动，其中所述关节5a和5b具有最大速度和最大加速度。在所述运动链4a和4b的自由端部上分别布置有末端执行器6a、6b，其中所述末端执行器6a和6b分别构造为用于抓住工件3的抓具。
所述运动链4a和4b能够在工作空间中运动。所述末端执行器6a能够借助于运动链4a从始点沿着运动路径s1（t）运动到终点。所述末端执行器6b能够借助运动链4b从始点沿着运动路径s2（t）运动到终点。
所述操纵装置1包括控制模块，该控制模块用于操控运动链4a和4b，以便用末端执行器6a和6b关于路径s1（t）和s2（t）行进。在此，在轨迹函数q1的基础上操控运动链4a，其中在轨迹函数q2的基础上操控运动链4b。所述轨迹函数q1和q2分别是矢量值的函数，其分别具有与所述运动链4a、4b所具有的关节6a、6b的数目一样多的条目。例如，所述第一运动链4a具有三个关节，其中所属的轨迹函数q1例如能够通过q1（φ1、φ2、φ3）来描述，其中φ1、φ2、φ3分别是一个关节的角位置。此外，可能的是，所述轨迹函数包括关节的调节速度和调节加速度并且例如能够描述为 。
所述操纵装置1包括用于分别确定用于运动链4a和4b的最小时间轨迹q1和q2的轨迹确定模块。所述最小时间轨迹分别是用于生成运动链4a和4b的运动的轨迹函数，其需要最短的时间来实施运动。为了实施所述最小时间轨迹q1所述运动链4a需要时间T1。为了实施所述最小时间轨迹q2，所述运动链4a需要时间T2。使最小时间轨迹参数化的参数分别是固有时间τ1、τ2，其中所述最小时间轨迹q1例如以来得出并且所述最小时间轨迹是q2(τ2) 。
所述操纵装置1包括重新参数化模块，其中该重新参数化模块借助于全局时间曲线tR如此对最小时间轨迹q1和q2进行重新参数化，使得所述运动链4a和4b的总运动无碰撞。所述控制模块尤其构造用于基于并且/或者借助于重新参数化的最小时间轨迹来操控运动链4a和4b，以用于实施做功运动。在此，所述控制模块将重新参数化的最小时间轨迹用作轨迹函数。在下面的附图中示出，所述重新参数化模块如何对最小时间轨迹进行重新参数化，使得所述总运动无碰撞。
图2示出了由固有时间τ1和τ2撑开的子空间7。该图的子空间是用于图1的操纵装置1的子空间的实例。固有时间τ1和τ2尤其形成所述子空间7的正交归一化的基础。所述运动链4a的固有时间τ1形成横坐标，其中所述运动链4b的固有时间τ2形成纵坐标。在横坐标下方用图形示出了所述最小时间轨迹q1（τ1）的时间变化曲线。在纵坐标的左侧用图形示出了最小时间轨迹q2（τ2）的时间变化曲线。同样，在子空间中给出了时间坐标τS和τE，其中时间坐标τS对应于总运动开始的固有时间，而时间坐标τE则对应于总运动结束的固有时间。
图3示出了以下图示，在所述图示中图2的子空间7已经通过重新参数化模块被划分为有效空间8和碰撞空间9。为此，所述参数化模块包括检查函数c。所述检查函数c作为自变量具有最小时间轨迹q1（τ1）和q2（τ2），从而c（q1（τ1），q2（τ2）） 。所述检查函数c构造用于检查，所述运动链4a和4b对于给定的最小时间轨迹q1（τ1）和q2（τ2）来说是否具有碰撞。对于如下情况、即所述检查函数确定，对于给定的最小时间轨迹q1（τ1）和q2（τ2）来说在特定的时刻（τ1、τ2）不存在碰撞，将所述子空间7中的所属的点（τ1、τ2）算为有效空间8。对于如下情况、即所述检查函数确定，对于给定的最小时间轨迹q1（τ1）和q2（τ2）来说在特定的时刻（τ1、τ2）存在碰撞，则将所述子空间7中的所属的点（τ1、τ2）算为碰撞空间9。在此，所述重新参数化模块构造用于为所有的时刻（τ1、τ2）实施这种针对碰撞和/或无碰撞性的检查。
图4示出了图3的子空间7，其具有由重新参数化模块确定的全局时间曲线tR。所述全局时间曲线tR将始点的时间坐标与终点的时间坐标连接起来。所述全局时间曲线tR在此代表着这两个点之间的最短连接，但是具有如下条件，即：所述全局时间曲线tR仅仅在有效空间8中伸展，并且不是穿过碰撞空间9来伸展。所述全局时间曲线tR能够以tR=（τ1,R、τ2,R）的形式作为参数化的曲线来示出。
图5示出，所述控制模块如何在全局时间曲线tR的基础上操控运动链4a、4b，以执行无碰撞的总任务。在此，根据所述最小时间轨迹q1（τ1）和q2（τ2）来如此操控运动链4a和4a，从而仅仅以组合方式来操控τ1和τ2，对于所述组合方式来说适用（τ1 τ2）=tR=（τ1,R、τ2,R）。

Claims (12)

1.操纵装置：具有机器人(2)，
其中所述机器人(2)具有多条运动链(4a、4b)，其中，运动链中的每条运动链(4a、4b)能够在工作空间中运动，其中所述工作空间中的至少两个工作空间具有重叠部，
其中每条运动链(4a、4b)构造用于实施做功运动，
具有控制模块，所述控制模块用于操控所述运动链(4a、4b)，用于实施总运动，其中所述总运动能够通过所述运动链(4a、4b)的做功运动来表示，
其中所述控制模块构造用于在轨迹函数(q1、q2)的基础上操控所述运动链，用于实施所述做功运动，
其特征在于轨迹确定模块和重新参数化模块，
其中所述轨迹确定模块构造用于为所述运动链(4a、4b)的做功运动中的每种做功运动分别确定作为轨迹函数(q1、q2)的最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))，
其中所述重新参数化模块构造用于对基于所述最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))的轨迹函数(q1、q2)进行重新参数化，使得所述总运动无碰撞，
其中，通过所述轨迹确定模块分别借助于固有时间(τ1、τ2)来描述所述最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))，其中所述重新参数化模块具有用于对所述运动链的碰撞进行检查的检查函数(c(q1(τ1)、q2(τ2))，并且所述重新参数化模块构造用于将由固有时间(τ1、τ2)撑开的子空间(7)划分为碰撞空间(9)和有效空间(8)，其中所述碰撞空间(9)通过所述子空间(7)中的点来限定，对于所述子空间中的点来说所述检查函数c确定所述运动链(4a、4b)的碰撞，并且所述有效空间(8)通过所述子空间(7)中的点来限定，对于所述子空间中的点来说所述检查函数确定运动链(4a、4b)的无碰撞性，其中所述重新参数化模块构造用于作为全局时间曲线tR确定所述有效空间(8)中的曲线。
2.根据权利要求1所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述运动链(4a、4b)分别是机器人臂部。
3.根据权利要求1或2所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))是轨迹函数(q1、q2)，所述轨迹函数为了执行做功运动而需要最少的时间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述轨迹确定模块构造用于在有限的最大加速度和/或有限的最大速度的基础上确定所述最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))。
5.根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述重新参数化模块构造用于用全局时间曲线tR对所述总运动进行重新参数化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述机器人(2)具有n条运动链(4a、4b)，其中所述全局时间曲线tR是在n维空间中的曲线。
7.根据权利要求1所述的操纵装置(7)，其特征在于，所述总运动在始点处开始并且在终点处结束，其中能够为所述子空间(7)中的始点分配时间坐标(τs)并且能够为所述终点分配时间坐标(τE)，其中所述重新参数化模块构造用于作为所述有效空间(7)中的终点和始点的时间坐标之间的最短连接来确定所述全局时间曲线tR。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述总运动在始点处开始并且在终点处结束，其中能够为所述子空间(7)中的始点分配时间坐标(τS)并且能够为所述终点分配时间坐标(τE)，其中所述重新参数化模块构造用于作为所述有效空间(7)中的始点和终点的时间坐标之间的最快的连接来确定所述全局时间曲线tR。
9.根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述控制模块构造用于，为了操控所述机器人(2)而借助于逆运动学机构来换算重新参数化的最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))。
10.根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置(1)，其特征在于，所述总运动包括两条运动链(4a、4b)的异步的做功运动。
11.用于用根据前述权利要求中任一项所述的操纵装置来操控机器人(2)的方法，其特征在于，为所述机器人(2)的每条运动链(4a、4b)确定最小时间轨迹(q1、q2)，其中如此对基于所述最小时间轨迹(q1(τ1)、q2(τ2))的轨迹函数(q1、q2)进行重新参数化，使得所述运动链(4a、4b)的总运动没有碰撞。
12.具有用于实施的程序代码段的计算机程序，其特征在于，在所述计算机程序在计算机或所述操纵装置(1)上被执行时，实施根据权利要求11所述的方法。
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