CN102039596A - 控制操纵器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制操纵器，特别是机器人的方法，该方法包括以下步骤：确定操纵器的额定轨迹(q(s))(S10，S20)；确定用于所述额定轨迹的运动参数(v(s))(S70)；可选择地，利用运动参数(v(s)＝vc)的预设曲线确定轨迹段([s_A，s_E])(S50)，并以所述轨迹段上的允许运动参数(v_max_RB，v_max_vg)为基础，自动确定所述运动参数(S60)。

Description

控制操纵器的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制操纵器(Manipulator)、特别是机器人的一种方法和一种装置，其中，确定操纵器的额定轨迹(Soll-Bahn)以及该额定轨迹的运动参数。

背景技术

特别是例如在由专利文献EP 1117020 B1提出的工业机器人中公知的是：通过示教或离线编程预先设定作为要实施的机器人姿势的顺序的额定轨迹，该额定轨迹通过样条函数(Spline-Function)、即按区域定义的多项式进行插值得出。

例如，由F.Pfeiffer，E.Reithmeier的“Roboterdynamik”，Teubner 1987已知一种方法：基于机器人的动态模型，在保持对轴速或TCP速度以及电动机力矩的限制的情况下，为这样的额定轨迹确定最佳的速度特性。其中特别描述了一种用以确定时间最优的速度特性的有效方法，根据这种方法，在利用机器人的驱动限制并保持其TCP的笛卡尔速度上限的条件下，可以使机器人尽可能快地驶入预先设定的额定轨迹。

另一方面，有些工作流程要求沿着额定轨迹的速度特性的预设值。例如，如果机器人利用热胶枪，以恒定的粘合剂给出量均匀地涂抹粘合剂，则需要机器人以恒定的速度行驶在计划的粘合轨迹(Klebebahn)上。但是当手动选择这个恒定速度时，通常无法充分发挥机器人的潜能。

发明内容

因此，本发明的目的在于改进对操纵器的控制。

为了实现这个目的，本发明提出了一种方法，用于确定操纵器的额定轨迹以及该额定轨迹的运动参数，该方法利用运动参数的预设曲线可选择地确定轨迹段，并以在该轨迹段上的允许的运动参数为基础，自动确定该额定轨迹的运动参数。本发明还提出了一种执行根据本发明方法的装置，以及相应的计算机程序及计算机程序产品，特别是一种数据载体或存储器介质。

为了控制操纵器、特别是机器人，根据本发明，确定操纵器的额定轨迹。为此，例如可以通过引导(“示教”)或者例如基于工件数据(例如待加工部件的轮廓)的离线编程来预先设定特定于操纵器的参考点或参考系统，特别是工具参考系统(“工具中心点”)在工作空间中的位置，即地点和/或方向；和/或在关节坐标空间(“配置空间”)中的关节坐标，特别是关节角或电机角，内插器从中例如以功能或表格的形式产生连续或离散的额定轨迹。在此，优选至少按区域地基于样条函数确定额定轨迹，由此，可以较小的振动激励实现多重连续过渡

同样，还可以通过离线编程，例如通过预先给定相应的、对轨迹参数进行参数化的函数，在工作空间和/或关节坐标空间中直接确定额定轨迹。

对该额定轨迹事先或在运行中确定一个或多个运动参数。运动参数尤其可以包括操纵器的参考点或参考系统和/或一个或多个运动轴的速度、加速度、根据时间的高阶导数。因此，特别是可以预先设定沿额定轨迹的速度特性，而后通过相应的按时钟节拍的前移调节等变换为对操纵器的控制。例如，当加速度特性或振动特性(Ruckprofil)、即坐标的三阶时间导数的变化对于将要处理的过程是合适的时，则根据积分或微分的关系，同样也可以预先给定加速度特性或振动特性。

因此，根据本发明，现在可以有选择地确定一个或多个轨迹段，每个轨迹段都具有预先设定的运动参数曲线，并且根据该轨迹段上的允许的运动参数自动确定这些运动参数。通过这种方式，操纵器例如同样可以实现所希望的速度曲线，而另一方面还能保持对诸如最大允许TCP速度或轴速度的限定、对转矩的限制等等。

优选定性地确定运动参数的预设曲线。例如，它可以是线性的，特别可以是恒定的。因此，例如对于所确定的轨迹段，可以预先设定TCP的速度或加速度在相应的轨迹段上是恒定的，或者是应该线性上升或下降的。

然后，自动地定量确定该运动参数，使其不会超过或低于某些允许的运动参数，例如允许的TCP和/或轴的速度和/或加速度、驱动转矩等等。特别是该自动确定的运动参数可以是极值，也就是在轨迹段内允许的运动参数的最小值或最大值，因此，例如可以基于在轨迹段内的最大允许运动参数中的最小值和/或基于在轨迹段内的最小允许运动参数中的最大值来自动确定运动参数。

举例来说，可以为各个轴预先设定最大的轴速度、轴加速度、轴振动等等。然后可以借助运动学模型基于这些允许的运动参数分别确定一个最大允许的笛卡尔TCP-速度。附加地或替代地，还可以为各个轴预先给定最大驱动力矩，即电动机力矩和/或传动力矩等等。然后，可以借助动态模型基于这些允许的运动参数分别确定一个最大允许的笛卡尔TCP-加速度。

例如，如果现在对于一个轨迹段预先给定，在此处速度应为恒定的，则优化程序可以将以上所述的最大允许TCP-速度的最小值或利用以上所述的最大允许TCP-加速度所达到的TCP-速度的最小值确定为自动确定的速度。然后，操纵器在选出的轨迹段上以最大恒定速度行驶，而该最大恒定速度根据所有与驱动速度、驱动加速度、驱动转矩等相关的限定是允许的。

为额定轨迹确定的运动参数(这些运动参数的变化曲线已经预先设定)和/或在自动确定这些参数时需要考虑的允许的运动参数可以具有相同的值。例如，可以定量地为轨迹段预先设定恒定的TCP-速度曲线，基于在该段上的最大允许TCP-速度，可以定量地自动确定该恒定速度，并在最大恒定TCP-速度的基础上，预先给定沿额定轨迹的TCP-速度特性。

同样，上述运动参数中的两个或三个也可以具有不同的值。因此，例如可以定量地为轨迹段预先设定恒定的TCP-速度曲线，但可以基于在该段上的最大允许轴加速度来定量地自动确定该恒定速度，然后在该最大恒定TCP-速度的基础上预先设定沿额定轨迹的轴速度特性。

作为操纵器的动态模型，特别是指其运动方程形式的数学描述，例如对于关节坐标q，有如下形式的运动方程：Md²q/dt²+h(q，dq/dt)＝τ，其中，M是质量矩阵，h是力向量，τ是驱动力矩向量。操纵器的动态模型特别包括操纵器的运动学模型，其例如根据关节坐标q及轨迹参数s来描述TCP的位置。

在一种优选实施方式中，利用额定轨迹的点来预先给出轨迹段，其中，优选能够预先给定相对于这些点的偏移。例如，如果利用工作空间中的起始位置和结束位置来定义粘合轨迹，则优选在考虑沿该粘合轨迹的偏移的情况下，通过这些点来预先给出粘合轨迹段，在该段上，TCP应以恒定速度运行，以确保均匀地涂抹粘合剂。因此，轨迹段的输入不仅可以包括预先给定运动参数曲线的信息，而且还可以包括该曲线应延伸到哪里的信息。

根据本发明，在自动确定运动参数时考虑的允许的运动参数可能会出现自动确定的运动参数不能达到所期望的定量值的情况。因此，用户例如可能希望，操纵器在其被预先给定恒定的TCP-速度的区域内始终以最大允许速度(例如250mm/s)行驶。但是由于驱动限制使这有时是不可能的。根据本发明，例如确定最大允许恒定速度。这样，就可以有利地告知用户，在该轨迹段上自动确定的恒定速度与预先给定的最大速度存在偏差。优选该输出仅可选地出现在装置运行中，因为其在自动运行中不会出现误差，而是有意识地以在这里基于所受限制最大但仍可能是恒定的速度行驶。

附加地或替代地，为了确定在轨迹段内的最大或者最小运动参数，还可以基于允许的运动参数在轨迹段之外对额定轨迹的运动参数进行优化。例如，操纵器可以在行进中或离开粘合路线时，以可变的、时间最优的速度行驶。

附图说明

更多的优点和特征将在实施例中给出。为此，部分示意性地示出了：

图1：根据图2的受控机器人的轨迹速度v(s)；和

图2：根据本发明的实施方式控制机器人的方法的流程图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的实施方式控制机器人(未示出)的方法的流程图。

首先在第一步骤S10中，例如以指令列表的形式预先给出不同的机器人额定位置P_i，例如根据笛卡尔坐标r_i和TCP相对于参考系统(如机器人基座参考系统)的变换矩阵T_i(P_i＝[r_i，T_i])。

由此在步骤S20中产生额定轨迹曲线q(s)，其中，例如以未详细示出的方式通过样条函数进行内插，并将其转换为机器人驱动电机的额定电机角度曲线。在此，插值可以通过额定位置列表中的指令预先给定。因此，例如图2中的指令“SPL P_i”表示，点P_i应该从在前的位置P_i-1出发按照样条曲线行进。

为了将TCP的笛卡尔速度例如限制在标准的最大值250mm/s，可以逐段地或为整个轨迹预先给定允许的最大速度v_max_vg(s)，其在图1中作为恒定值以双点划线示出。

另一方面，根据机器人的姿势q，各个轴上的转速限制也可能导致更低的TCP允许速度。因此，借助机器人的动态模型，在步骤S30中可以为用于轨迹的轨迹参数值s配置根据这样的边界条件允许的最大速度v_max_RB(s)。v_max_RB(s)在图1中通过轨迹参数s以点划线示出，并且如所示出的，根据轨迹参数s而变化。

如果现在机器人应在轨迹的一个特定的段内以恒定的速度运动，以保证例如机器人控制的热胶枪以恒定的粘合剂施放量均匀地涂抹粘合剂，为此可以在步骤S40中，例如通过预先给定的额定位置列表中的相应指令激活相应的选项(S40：“J”)。

在这个实施例中，指令“CONST VEL START＝+100”表示：恒定速度区域应在点P_i后100毫米处开始；指令“CONST VEL END＝-50”表示：该区域应该在点P_i前50毫米处结束。由此可在步骤S50中确定图1中用虚线示出的轨迹参数值s_A、s_E，它们在恒定速度下，分别相当于相对于P_i沿行进方向移动100mm的轨迹段的开始和相对于P_i沿与行进方向相反的方向移动50mm的轨迹段的结束。

然后在步骤S60中，作为对于该轨迹段[s_A，s_E]的最大恒定速度v_maxkonst确定所有在此基于边界条件的允许速度v_max_RB(s)和所有基于预设值的允许速度v_max_vg(s)的最小值：

v_maxkonst＝Min_{s∈[s_A，s_E]}{v_max_RB(s)，v_max_vg(s)}，

也就是说，所有基于边界条件和基于预设值的允许速度v_max_RB(s_A≤s≤s_E)、v_max_vg(s_A≤s≤s_E)的最小值处于所选出的轨迹段[s_A，s_E]内：

v_maxkonst≤v_max_RB(s)，。

如果在步骤S70中确定了沿轨迹的速度，则可以将这些值预设为用于该轨迹段的额定速度v(s)。

如果对于一个轨迹段来说选项没有被激活(S40：“N”)，则例如可以通过优化程序来确定此处的额定速度v(s)。由图1可见，在区域[s_A，s_E]之外，所计划的速度v(s)(在图1中以实线示出)部分地相应地达到允许的边界值v_max_RB，即，在此例如充分利用了驱动限制，以快速启动开始涂抹胶粘剂。

在上述简化的实施例中，为了更好地进行说明，除了前面所述的最大允许速度v_max_vg之外，只需考虑最大允许速度v_max_RB(s)，其利用与电机角q的TCP-速度v＝v(q，dq/dt)的相关性，直接由转速限制

$\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}\≤{\left(\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\max }$

得出。原则上还可以相同的方式考虑其他的动态边界条件。由此，例如根据关系式

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{ds}}\left({\left(\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}\right)}^2\right),$

利用机器人的动态模型

$M\frac{d^{2}q}{{\mathrm{dt}}^2}+h(q,\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}})=\mathrm{\τ},$

对驱动力矩的限制将会导致对v(s)的曲线坡度的限制，其中，M是质量矩阵，h是广义力向量。在上述实施例的变换中，例如可以通过计算将用于段[s_A，s_E]的最大恒定速度v_maxkonst选作最大恒定速度，该最大恒定速度还满足可在动态模型基础上分析的边界条件

${\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{ds}}\right)}_{\min }\≤\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{ds}}\≤{\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{ds}}\right)}_{\max }\∀s$

或遵守驱动电机中的转矩限制。为此在图1中以双点划线示例性示出了这样计划的速度特性v′(s)，其中，TCP在恒定的轨迹速度的区域内以基于其驱动转矩限制的最大加速度驶入该区域、又从该区域中驶出，这导致在轨迹段[s_A，s_E]上的最大恒定速度降低。

如果将最大允许速度v_max_vg必要时按区域预先给定，使得它低于在此处基于边界条件的最大允许速度v_max_RB，则可以简单的方式直接预先给定希望的笛卡尔额定速度。否则，在执行根据如图2所示的方法计划的运动时，机器人在此会以下述速度行进：该速度根据动态条件、特别是根据在驱动力矩、驱动速度、驱动加速度等方面的限制可能是最大的。

附图标记列表

q-关节坐标(例如电机角或轴角)

s-轨迹参数

v-速度(例如ds/dt)

Claims (14)

1.一种用于控制操纵器、特别是机器人的方法，该方法具有以下步骤：

确定所述操纵器的额定轨迹(q(s))(S10，S20)；以及

确定该额定轨迹的运动参数(v(s))(S70)；

其特征在于，包括步骤：

利用运动参数(v(s)＝vc)的预设曲线可选择地确定轨迹段([s_A，s_E])(S50)，以及

基于在该轨迹段上的允许的运动参数(v_max_RB，v_max_vg)自动确定所述运动参数(S60)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，运动参数包括所述操纵器的参考点或参考系统(TCP)和/或至少一个运动轴(q)的速度(v)、加速度和/或高阶时间导数。

3.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述运动参数的预设曲线是线性的，特别是恒定的。

4.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，作为自动确定的运动参数确定运动参数的极值。

5.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，基于在所述轨迹段内的最大允许运动参数中的最小值和/或基于在所述轨迹段内的最小允许运动参数中的最大值自动地确定运动参数。

6.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据所述操纵器的运动学模型或动态模型

确定所述轨迹段中的允许的运动参数。

7.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述操纵器的工作空间或关节坐标空间内确定所述额定轨迹。

8.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，基于样条函数确定所述额定轨迹。

9.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，基于所述额定轨迹的预先给定的点(P_i，P_j)确定所述轨迹段([s_A，s_E])。

10.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，当所述自动确定的运动参数偏离预先给定的运动参数时，可以特别可选地产生输出。

11.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，基于允许的运动参数对在所确定的轨迹段([s_A，s_E])之外的额定轨迹的运动参数(v(s))进行优化。

12.一种用于控制操纵器、特别是机器人的装置，其具有：用于确定所述操纵器的额定轨迹(q(s))的装置；和用于确定该额定轨迹的运动参数(v(s))的装置；其特征在于，所述用于确定所述额定轨迹的运动参数的装置被设置用来执行如前面任一项权利要求所述的方法。

13.一种计算机程序，当该程序在如权利要求12所述的装置中运行时，执行如权利要求1到11之一所述的方法。

14.一种具有程序代码的计算机程序产品，其存储在机器可读的载体上并包括如权利要求13所述的计算机程序。

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