CN101898358B - 用于控制机械手的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的用于控制机械手，特别是机器人(10)的方法，通过轨迹产生装置(1.1，1.2，1.3)预先给出机械手的预定轨迹(z1(t))，通过轨迹转换设备(2)基于预定轨迹自动确定控制轨迹(z2(t))，以及通过机械手控制器(3)利用机械手起始控制轨迹，在此轨迹转换设备(2)基于预定轨迹的曲率信息(a_ij；t1(t_i))确定控制轨迹的曲率信息(a_ij；t2(t_i))。

Description

用于控制机械手的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制机械手，特别是机器人，的方法和装置，在此机械手的预定轨迹通过轨迹发生装置而预先给出，基于预定轨迹的控制轨迹通过轨迹转换装置而自动确定和控制轨迹利用机械手通过机械手的控制器而起始(abgefahren)。

背景技术

迄今为止，机械手，例如机器人，的运动通常通过姿势的序列而预先给出。在此单个的姿势例如起动和由此“训练了的(geteacht)”，或在计算机程序中离线通过用于参考坐标系的坐标如工具中心点(TCP)或通过运动轴定义。然后机械手相继作出该姿势。

在此机械手控制器在姿势之间插入例如线性或弓形控制轨迹。为了形成平滑的控制轨迹，除了已知的叠加(überschleifenden)线性插值或圆形插值外，还可通过样条插值(即函数，在基点之间分段定义)得到连续的姿势。

EP 1 117 020 B1提出，只有在基点处没有尖角时才通过样条-线段(Spline-Abschnitte)插值。由US 2007/0030271 A1获知的是，机器人控制器在考虑基点处正切矢量的长度和角度下确定样条，以避免封闭叠加(geschlossene Schleifen)。US 7,295,891 B2提出了相同的目标，位置、方向和附加轴彼此离散地参数化。由DE 102006022483 A1获知，由基点处轨迹切线以及垂直于轨迹切线的方向箭头指示。通过基点沿着轨迹切线或其方向箭头移动而实现基点的移动。EP 0 312544 B1说明了一种有效地计算用于机器人臂的单个轴的样条的中间值的方法。

例如，当存在待由机器人加工的零件的CAD模型时，所期望的笛卡尔轨迹已经以函数形式，特别是样条或贝塞尔曲线，形成在离散姿势位置处。然而现在的机械手控制器不允许这样的预定轨迹直接作为控制轨迹应用。换而言之，预定轨迹首先在基点处离散，并且机械手控制器作为预期姿势预先给出，然后在它的一侧进行插值并开始形成控制轨迹。自然地当机械手控制器通过样条对预期姿势进行插值时，不能保证所形成的轨迹以此再次产生初始样条。如图1所示，在基点z₁,….z₆中通过二个不同的样条z1(t),z2(t)进行插值，其在基点处是其本身值和一阶导数，通过切线t1(t),t2(t)描述，根据用于次序插值的样条的度和自由度显示。从而假如例如CAD工具产生预定轨迹z1(t)，那么其在基点z₁,…,z₆离散，机械手控制器以不期望方式对预定轨迹z1(t)进行插值，从而得到不规则的控制轨迹z2(t)。

发明内容

本发明的目的是，提供一种改善的用于控制机械手的方法。

该目的通过利用一种改善的用于控制机械手的方法来实现。并且本发明进一步提供一种装置和一种计算机程序或计算机程序产品，特别是存储介质或数据载体，用于实施控制机械手的方法。

基于该思想，本发明在确定控制轨迹的曲率信息时考虑预定轨迹的附加曲率信息。而迄今为止，如与图1有关的上文中所描述的那样，在确定控制轨迹z2(t)时，不考虑曲率信息，预定轨迹z1(t)在基点z₁,….z₆离散，然后插值，和控制轨迹z2(t)在基点z₁,....z₆之间趋向部分地巨大地偏离预定轨迹z1(t)，本发明使得领先于预定轨迹的精确起始成为可能。

在此首先通过轨迹产生装置预先给出机械手的预定轨迹。轨迹产生装置可例如包括CAD(“计算机辅助设计”)工具、轨迹优化器和/或一个用于预先给出轨迹的基点、轨迹处的切线的(特别是图形的)输入装置或类似装置。

特别地，存在称为笛卡尔轨迹的参数函数，其函数值说明了诸如TCP的机械手的参照系的位置和/或方向。假如例如TCP的位置或机械手的其他的参考坐标原点通过三个坐标(x,y,z)描述，即在基本坐标系中相对于基本坐标体系的距离，它的方向通过四元数q₀+i×q₁+j×q₂+k×q₃描述，即，相对于基本坐标体系的参考坐标的三个欧拉角或三个万向角(α，β，γ)，因此笛卡尔轨迹可以用轨迹参数t(特别是运行时间)表示，参数化为：

z(t)＝[x(t),y(t),z(t),α(t),β(t),γ(t)]^T   (1)

这个函数例如可以是分段的，特别是基点z₁＝z(t₁),z₂＝z(t₂),...之间所定义的函数，特别是g次的多项式函数，

$z\left(t\right)=\underset{j=0}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{(t-t_i)}^j\⇔t\∈[t_i,t_{i+1}]---\left(2\right)$

即所谓的样条。g＝3的样条为立方样条，g>3的样条相应地称作高次样条。预定轨迹和/或控制轨迹也可预先给出或确定为B-样条，例如在Carl de Boor的“A practical guide to splines”，Springer Verlag,1978(《样条实用指南》，施普林格出版社，1978)中所描述的那样。其优点是系数的改变只是局部的，也即不在所有基点之间起作用。

轨迹转换装置基于预定轨迹自动确定控制轨迹，然后以已知的方式通过具有机械手的机械手控制器开始，例如，通过机械手控制器对控制轨迹采样，并且所采集的点在考虑预先给出的例如速度梯形轮廓的速度或加速度轮廓下起始。

由此，只要预定轨迹在基点是分散的，并且只通过控制轨迹插值，根据本发明的控制轨迹的曲率信息基于预定轨迹的曲率信息确定。

在本发明的意义中，曲率信息可特别包括针对某轨迹参数对预定轨迹和/或控制轨迹进行一阶和/或更高阶微分。笛卡尔轨迹以参数函数的形式给出，则基于针对轨迹参数t1，对预定轨迹进行一阶和/或更高阶微分

$\frac{\mathrm{dz}1}{\mathrm{dt}1},\frac{d^{2}z1\left(t1\right)}{{\mathrm{dt}1}^2},...\left(4\right)$

确定针对轨迹参数t2，对控制轨迹进行的一阶和/或更高阶微分

$\frac{\mathrm{dz}2\left(t2\right)}{\mathrm{dt}2},\frac{d^{2}z2\left(t2\right)}{{\mathrm{dt}2}^2},...\left(3\right)$

其中，t1和t2可以是相同的。

同样地，在本发明的意义中，曲率信息包括轨迹的正切方向和/或其变型。

$t\left(t_i\right)=\frac{\mathrm{dz}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=t_i}---\left(5\right)$

描述了基点z_i＝z(t_i)处的正切矢量和

$\frac{\mathrm{dt}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},\frac{d^{2}t\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2},...\left(6\right)$

或法线矢量和副法线矢量，即其变型，则可根据预定轨迹的正切方向及其变型确定控制轨迹的正切方向及其变型。

轨迹的正切方向和/或其变型可以有利地在轨迹的基点z_i的局部坐标系中定义。

同样地，在本发明的意义中，曲率信息可以包括多项式系数，特别是一次或更高次的多项式系数。从(2)在(3)至(6)的使用显示出特别是微分和正切(变型)也可通过多项式，例如样条的多项式系a_ij等价地描述。

同样地，轨迹可预先给出或确定为贝塞尔曲线。则曲率信息可包括所谓的控制点。

在优选实施方式中，在选择优选的线段方式，特别是在基点之间，在考虑预定轨迹的曲率信息的情况下确定和仅仅基于基点，例如线性或圆形插值或任意样条插值，的情况下确定之间时，轨迹转换装置根据预定轨迹的曲率信息选择地或随意地确定控制轨迹的曲率信息。以这种方式，特别是线段方式，可强取预定轨迹的精确起始点，在此需要的是，在其他的部分中可利用常规的、快速的工具产生控制轨迹。

优选地，控制轨迹在预先给出的相对于预定轨迹的最大偏离下进行近似。例如控制轨迹的基点数量可相对于预定轨迹的基点数量改变，特别是减少。因为具有较少基点的控制轨迹在使用上述插值方法时通常不能精确地复制预定轨迹，为了减少基点，可允许偏离直至预先给出的最大偏离。

在优选的实施方式中，已经预定的轨迹或控制轨迹在二个现有的基点之间补充至少一个基点，而没有实质性地改变控制轨迹。假如例如应用B样条，这样的改变只是局部性地起作用。后来补充到预定轨迹或控制轨迹中的基点例如可以是开关点，例如用于激活工具或使工具无效。通过考虑曲率信息，从而阻止了预定轨迹和控制轨迹之间的偏离，后来的附加基点的插入也不导致预定轨迹和控制轨迹之间的偏离。

如上所述，预定轨迹和/或控制轨迹可说明诸如TCP的机械手参照系的位置和/或方向。在此位置和方向例如可各以样条或其他的曲线描述的形式离散地给出，例如以用于位置的三个笛卡尔坐标x,y,z的三维样条和另一个用于四元数，优选为标准四元数q₀ ²+q₁ ²+q₂ ²+q₃₂＝1，方向的欧拉角或万向角的三维样条。同样地，位置和方向例如以高维样条一起给出，例如由三个位置坐标和三个方向坐标，DENAVIT-HARTENBERG坐标等构成的矢量。预定轨迹和/或控制轨迹也可包括一个或多个冗余机械手的附加轴。对于笛卡尔位置和方向坐标所表示的位置，预定轨迹和/或控制轨迹也可称为参数化函数，它的函数值给出机械手的关节坐标，特别是关节角度q_i。

附图说明

其他的优点和特征由实施例给出。在此部分地示意性地示出：

图1：根据现有技术的经预定的和控制轨迹的部分视图；和

图2：根据本发明的实施方式用于控制机器人的装置。

图例说明表

1.1 CAD工具

1.2   轨迹优化器

1.3   图形输入装置

2   轨迹转换装置

3   机械手控制器

10   机器人

z(t)   轨迹

z1(t)   预定轨迹

z2(t)   控制轨迹

z(t_i)   基点

t(t_i)   正切矢量

具体实施方式

图1示出了预定轨迹z1(t)的部分视图，例如由CAD工具预先给出。根据现有离散技术，诸如立方样条的轨迹转换装置根据(2)在基点z₁,…,z₆预先给出预定轨迹z1(t)。因为没有考虑曲率数据，特别是预定轨迹z1(t)在基点z₁,…,z₆处的切线t1(t_i)，机械手控制器同样以立方样条z2(t)形式对控制轨迹进行插值，尽管显示为相同的基点z₁,…,z₆，但如图1所示，其基点间的趋势与预定轨迹z1(t)的不同。不利的是，机械手控制器根据现有技术也不沿预定轨迹z1(t)，而是在此明显地沿不规则的控制轨迹z2(t)起始运行。

图2示出了根据本发明的实施方式的用于实施控制机器人10的方法的一种装置。

形式为CAD工具1.1、轨迹优化器1.2或图形输入装置1.3的轨迹产生装置根据预先给出的、许可的点和图形的切线，预先设定机器人10的TCP的预定轨迹z1(t)，例如，如图2所示，通过预先给出基点z1(t_i)及此处的切线t1(t_i)。在未图示的变型中，预定轨迹的轨迹产生装置也通过预先给出的样条的多项式系数或贝塞尔曲线的控制点而预先设定。

轨迹转换装置2基于预定的轨迹z1(t)自动确定控制轨迹z2(t)。在此其不只是确定它的基点z2(t_i)，而且还确定曲率信息，例如如图2中所示，样条的多项式系数a_ij或在未图示的变型中的基点z2(t_i)的切线t2(t_i)或贝塞尔曲线的控制点。这种曲率信息由预定轨迹的曲率信息，例如基点z1(t_i)的切线t1(t_i)决定，其与基点z1(t_i)一起由轨迹产生装置输出。对于样条或贝塞尔曲线，可通过基点及基点处的切线进行等价转换。

在未图示的变型中，轨迹转换装置2减少控制轨迹的基点z2(t_i)的数量，以减少计算费用。因为这样的控制轨迹通常不能准确地描绘预定轨迹，在轨迹转换装置中预先给出最大距离从而确定控制轨迹，即它对于预定轨迹的距离不超过这个最大距离。如果预定轨迹与控制轨迹不能相互表示，也可实施或者可能需要更高的计算费用。

在另一个未图示的变型中，在确定控制轨迹之前在预定轨迹的二个基点z1(t_i),z1(t_i+1)之间插入另一个点，例如用于激活机器人10的工具的开关点。附加地或替代地，已经确定的控制轨迹也可在二个基点z2(t_i),z2(t_i+1)之间补充其他的点。因为在根据预定轨迹确定控制轨迹时也考虑曲率信息，从而允许或禁止预定轨迹与控制轨迹之间的偏差，有利地，插入一个或多个其他的点不会导致控制轨迹的改变。

在另一未图示的变型中，控制轨迹只是线段式的，例如在预定轨迹的基点z1(t₂)和z1(t₅)之间在考虑曲率信息的情况下确定，而在线段[t₁,t₂]和[t₅,t₆]中通过线性插值确定。

机械手控制器3沿机器人10的TCP的控制轨迹运行，根据控制轨迹z2(t)确定六个关节坐标q₁至q₆的预期增量Δq，进而相应地控制机器人10的触发或调整。与上述相关地，预定轨迹和控制轨迹都是笛卡尔轨迹，其描述了机器人10的TCP的空间位置和方向。

预定轨迹和/或控制轨迹也可以例如以计算机程序的形式预先给出或编辑。例如下述形式

LIN(x1,y1,z1,α1,β1,γ1)

SPLINE(x2,y2,z2,α2,β2,γ2)，TANGENT1(x,y,z)，TANGENT2(Δx,Δy,Δz)

:

进行，根据基点z(t₁)而线性起动及由此通过基点z(t₂)而设置样条，在该处具有通过切点(x,y,z)和方向矢量(Δx,Δy,Δz)而预先给出的切线。

Claims (18)

1.一种用于控制机械手的方法，其具有下列步骤：

通过轨迹产生装置(1.1,1.2,1.3)预先给出机械手的预定轨迹(z1(t))；

通过轨迹转换装置(2)基于预定轨迹自动确定控制轨迹(z2(t))；和

通过机械手控制器(3)利用机械手而使控制轨迹起始，

其特征在于，所述轨迹转换装置(2)基于预定轨迹的曲率信息(a_ij；t1(t_i))确定控制轨迹的曲率信息(a_ij；t2(t_i))；

其中，通过考虑所述预定轨迹的曲率信息和所述控制轨迹的曲率信息，从而限制或者阻止所述预定轨迹和所述控制轨迹之间的偏离。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述曲率信息包括对轨迹参数(t)进行轨迹的一阶和/或更高阶的微分

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述曲率信息包括轨迹的正切方向(t(t_i))和/或其变型

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，在轨迹的基点的局部坐标体系中定义所述轨迹的正切方向和/或其变型。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲率信息包括多项式系数(a_ij)。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述多项式系数(a_ij)是一次或更高次的多项式系数。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲率信息包括控制点。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定轨迹和/或控制轨迹预先设定为样条或确定为样条。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述样条是立方的或更高次的样条或者B-样条。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述预定轨迹和/或控制轨迹预先设定或确定为贝塞尔曲线。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述轨迹转换装置基于所述预定轨迹的曲率信息，选择性地和/或逐段地确定所述控制轨迹的曲率信息。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述控制轨迹在预先给出的相对于所述预定轨迹的最大偏离下进行近似。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制轨迹的基点数量相对于所述预定轨迹的基点数量而改变。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述控制轨迹的基点数量相对于所述预定轨迹的基点数量而减少。

15.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定轨迹和/或控制轨迹包括机械手的参照系(TCP)的笛卡尔轨迹。

16.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定轨迹或控制轨迹补充至少一个基点，而不改变所述控制轨迹的形状。

17.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述机械手是机器人(10)。

18.一种用于控制机械手的装置，其具有：

用于预先给出机械手的预定轨迹(z1(t))的轨迹产生装置(1.1,1.2,1.3)；

用于基于预定轨迹自动确定控制轨迹(z2(t))的轨迹转换装置(2)，以及

用于利用机械手起始控制轨迹的机械手控制器(3)；

其特征在于，所述轨迹转换装置用于实施根据上述权利要求之一的方法。