CN102216037A - 用于优化工业机器人的编程移动路径的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于优化工业机器人(1)的编程移动路径(5)的装置和方法，该工业机器人(1)在作业周期期间握持着工具(3)以沿着该路径实施作业，其中该移动路径包括关于工具在移动路径上多个目标点(7)处位置和取向的信息。该方法对于所述目标点其中至少一个包括下述步骤：接收该工具在该目标点中的取向的公差区间(α)；对于该公差区间内的多个不同工具取向，确定机器人在该目标点和该路径上一个或多个其它目标点之间的移动；基于所确定的机器人的移动以及针对使周期时间最小化，选择所述不同工具取向其中之一作为该目标点的工具取向；以及基于所选择的、该工具在该目标点处的取向，生成机器人程序。

Description

用于优化工业机器人的编程移动路径的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于优化工业机器人的编程移动路径的装置和方法。本发明适合于其中工具取向不太重要的任何类型的机器人自动化过程，比如激光焊接、激光切割、水射流切割、弧焊和铣削。

背景技术

工业机器人通常用于工业自动化。机器人被编程从而在机器人在作业周期期间实施作业的同时遵循移动路径。机器人程序具有关于机器人应该做什么以及应按什么顺序沿着路径执行任务的信息。机器人程序具有关于移动路径上所有目标点的信息。通过教导机器人位置和移动路径上目标点的取向，可以手动地在线执行机器人编程。通过在比如PC的外部计算机上运行的离线编程和仿真工具，也可以创建机器人程序。典型地，机器人目标为位置目标，这意味着该目标包括限定工具的位置的笛卡尔值(x，y，z)以及关于工具在该目标处应具有的取向的信息。关于工具取向的信息可以以不同形式来描述，例如描述为四元法(quartions)、旋转矩阵、或者描述为滚转角(roll angle)、俯仰角和偏航角。如果目标点为位置目标，则需要一些计算以将位置目标转换为机器人的轴的联合(joint)值。该转换是通过机器人的运动学模型执行。为了将值从笛卡尔空间转换到联合空间，使用了逆运动学。

几乎所有机器人应用的一个重要参数是周期时间。周期时间是指机器人实施作业周期所花费的时间。重要的是使机器人程序尽可能优化，从而减小周期时间。在维持质量的情况下减小周期时间致使生产成本减小。

发明内容

本发明的目的是优化工业机器人的编程移动路径，从而减小周期时间。

根据本发明的一个方面，该目的是通过如权利要求1限定的方法来实现的。

这种方法包括，对于所述目标点其中至少一个：接收该工具在该目标点中取向的公差区间；对于该公差区间内的多个不同工具取向，确定机器人在该目标点和该路径上一个或多个其它目标点之间的移动；基于所确定的机器人的移动以及针对使周期时间最小化，选择所述不同工具取向其中之一作为该目标点的工具取向；以及基于所选择的、该工具在该目标点处的取向，生成机器人程序。

存在一些其中工具的取向不太重要的机器人应用，例如，薄材料中的激光焊接和水射流切割。对于工具的倾斜以及围绕工具的对称轴的旋转，可以允许工具取向改变。如果对于路径上的特定目标点该工具取向是任意的，或者如果允许在公差区间内改变工具取向，则对于逆运动学而言存在冗余。这意味着有满足给定约束的若干种可能的机器人配置，即工具取向的给定工具位置和公差区间。根据本发明，工具角度的公差被用于优化机器人移动从而减小周期时间。

公差区间例如由形成围绕工具的编程取向或者围绕默认工具取向的锥体的角限定。该公差区间例如由机器人编程器选择，并且可以从工具的任意取向改变为仅仅允许工具的小的倾斜。本发明使得可能对于移动路径上的所有目标点具有相同的公差区间，或者对于移动路径上的不同目标点具有不同公差区间。如果工具取向在移动路径的某些部分不太重要而在移动路径的其它部分非常重要，则后一种替换方案是合适的。对于路径的部分上此处确切取向非常重要的一个或多个目标点，也可能将公差区间设置为零。

可以对于编程目标点其中一些或者对于路径上的所有目标点，进行优化。对于每个待优化的目标点，对于在给定公差区间内的多个不同工具取向，确定机器人的移动，以及在目标点中的工具的最优取向是在针对使周期时间最小化的不同工具取向之中选择的。当针对目标点确定了工具的最优取向时，基于编程的工具位置和所确定的最优工具取向而生成机器人程序。如果对于某些目标，工具取向未被优化，则基于编程的工具取向生成机器人程序。

本发明可以用于在线以及离线编程的目标点上。然而，本发明对于离线编程目标点是特别有优势的，因为工具取向的优化可以使用与对目标点编程所使用的计算机和仿真工具相同的计算机和仿真工具来进行。优选地，本发明的优化算法是与目标点的离线编程直接有联系地运行。

如果根据本发明的方法是在机器人的离线编程期间使用，则可以在所有的笛卡尔目标点或其子集被限定时进行优化。可以在比如PC的外部计算机上进行优化，或者直接在机器人控制器上进行优化。

根据本发明的实施方式，该方法包括：基于所确定的机器人的移动，确定对于不同工具取向该机器人在目标点之间移动所花费的时间，以及针对使机器人在目标点之间移动所花费的时间最小化，选择在目标点中的工具取向。例如，通过基于机器人的运动学和动态模型而仿真移动路径，确定对于不同工具取向，机器人在目标点之间移动所花费的时间。由机器人在路径上所有目标点之间移动所花费的时间来确定周期时间。通过减小机器人在一个或多个目标点之间移动所花费的时间，相应减小周期时间。考虑到所实现的周期时间的减小，此实施方式使得可能实现对工具取向的精确优化。

根据本发明的实施方式，借助路径插值器进行仿真，该路径插值器为机器人的路径插值器的副本。此实施方式实现对机器人的真实仿真，并且因此实现针对周期时间对路径的精确优化。

根据本发明的实施方式，对于不同工具取向，通过计算机器人的轴的移动来确定机器人的移动，以及针对使机器人的轴其中至少一个的移动最小化的取向，选择工具取向。为了减小周期时间，该轴被选择为与机器人的其它轴的性能相比具有较差性能的轴。所选择的轴可以是线性轴或旋转轴。通过基于机器人的运动学模型，将在目标点处的工具的位置和取向转换为机器人的轴的位置，来计算机器人的轴的移动。通常，机器人的不同轴的性能不同。因而，为了减小周期时间，具有较差性能的轴应尽可能少地移动。根据本发明的此实施方式，通过选择使具有较差性能的轴的移动最小化的工具取向，来减小周期时间。此实施方式对于不同轴的性能大不相同的机器人类型尤为有用。此实施方式的优势在于快速，因为不需要查看机器人轴的动态性能。

根据本发明的实施方式，机器人包括布置成附接到基底的基座、布置成围绕第一轴相对于基座可移动的第一臂、布置成围绕第二轴相对于第一臂可移动的第二臂、以及布置成围绕第三轴相对于第二臂可旋转地移动的第三臂，并且工具在目标点中的最优取向被确定为使机器人的第一、第二和第三轴其中任何一个或任何组合的移动最小化的取向。例如，如果机器人为六轴机器人，通常机器人的第一、第二和第三轴具有比机器人的其它轴差的性能。因此有利的是，通过使机器人的第一、第二和第三轴的任何一个或全部的移动最小化来进行优化。

根据本发明另一方面，该目的是通过如权利要求9限定的用于优化编程移动路径的装置来实现。

这种装置包括：数据存储装置，其配置成存储工具在移动路径上的目标点处的取向的公差区间；计算单元，其配置成对于在公差区间之内的多个不同工具取向，确定机器人在路径上的目标点之间的移动，并且基于所确定的机器人的移动，针对使周期时间最小化，选择目标点的工具取向；以及机器人程序生成器，其配置成基于该工具在目标点处的位置和所选择的取向，生成机器人程序。

附图说明

现在将通过描述本发明的不同实施方式并且参考附图来更仔细地解释本发明。

图1示出握持着工具沿着移动路径实施作业的工业机器人的实例。

图2示出该工具在目标点中的取向的公差区间的实例。

图3示出根据本发明实施方式的用于优化编程移动路径的装置。

图4示出根据本发明实施方式的方法的流程图。

图5示出使用适合于由本发明优化的工业机器人的焊接系统。

具体实施方式

图1示出工业机器人1的实例，该工业机器人握持着工具3并且沿着包括多个编程目标点7的移动路径5实施作业。可以通过教导机器人目标点来在线编程目标点，或者使用离线编程和仿真工具来离线编程目标点。机器人程序包括关于该工具在目标点中的位置和取向的信息。机器人1为典型的六轴机器人，并且包括布置成附接到基底的基座9。该基底例如是建筑物的地板、墙壁或天花板。机器人还包括第一臂10，该第一臂10相对于基座9围绕第一轴可旋转。在第一臂10的顶端，第二机器人臂11相对于第一臂围绕第二轴可旋转地安装。在第二臂11的外端，第三臂12相对于第二臂围绕第三轴可旋转地安装。在此实例中，第三臂11包括两个部分并且外部部分相对于内部部分围绕第四轴可旋转。第三臂12在其外端支持所谓的机器人手13，该机器人手13围绕第五轴可旋转。机器人还包括工具附接物，该工具附接物相对于机器人手围绕第六轴可旋转。对于这种类型的机器人，第一、第二和第三轴的性能差于其它轴。具体地，由于第一轴性能较差，因此应避免围绕第一轴的移动。

在一些应用中，工具的取向并不重要。例如，工具3相对于目标点7的角度可以如图2所示围绕工具在锥形16内变化。锥形的角度α限定了该工具在目标点中的取向的公差区间。另外，在许多应用中，比如激光喷射切割和激光焊接，工具围绕其对称轴的旋转可以是任意的。根据本发明，通过在给定公差区间内优化工具的取向，优化机器人路径。该优化是针对使周期时间最小化来进行的，并且因此减小生产成本。

图3示出根据本发明实施方式的用于优化编程移动路径的装置20。装置20为包括用户接口22的计算机，例如PC，该用户接口22比如为显示器屏幕、键盘和鼠标。装置20包括比如中央处理单元(CPU)的用于处理数据所需的硬件，数据存储装置，以及用于与外部设备(例如与机器人控制器)进行通信的通信装置。装置20还包括用于实施根据本发明的方法的软件。装置20包括计算单元24，其配置成接收工具在编程移动路径上目标点处的取向的公差区间。这些公差区间例如是由用户通过用户接口22输入的。装置20还包括用于存储编程移动路径的数据存储装置26，该编程移动路径包括关于在路径的目标点处的工具位置和工具取向a的信息。计算单元24还配置成将所接收的目标点处的公差区间存储在数据存储装置26中。

计算单元24还配置成：对于在所接收的工具区间内的多个不同工具取向，确定机器人在编程的路径上的目标点之间的移动，以及基于所确定的机器人的移动且针对使周期时间最小化，选择目标点的新的工具取向。优选地，计算单元包括优化算法，其配置成针对使周期时间最小化，查找工具在目标点处在公差区间内的最优取向。装置20还包括机器人程序生成器28，其配置成基于在目标点中的编程的工具位置以及在目标点处的新优化工具取向，生成新的机器人程序。

如果离线编程和仿真工具与优化装置20提供在相同的计算机上，则这是有利的。在这种情况下，机器人编程器使用离线编程和仿真工具30创建机器人程序。编程目标点存储在数据存储装置26中。接着，通过初始化计算单元24而开始工具取向的优化。在优化期间，将新的工具取向存储在数据存储装置26中。当计算单元24执行优化时，基于在目标点处新的优化取向，程序生成器28生成新的机器人程序。优化的机器人程序被传递到机器人控制器32，该机器人控制器下载优化的机器人程序。接着，机器人系统准备运行优化的机器人程序。当所有目标点都如上所述被编程时，或者当目标点的子集已被编程时，可以执行该优化。

图3示出根据本发明实施方式的方法的流程图。应当理解，流程图的每个方框可以通过计算机程序指令来实施。

接收关于编程目标点的信息，块40。例如从数据存储装置26检索得到目标点。该信息包括路径上目标点的编程的笛卡尔工具位置和工具取向。

用户输入关于工具在目标点处的取向的公差区间的信息，块42。用户可以输入一个公差区间以用于路径上所有目标点的，或者输入不同的公差区间以用于路径的不同点。用户不必输入路径上所有目标点的公差区间。对于某些目标点，工具取向可以是固定的因此不能变化。对于那些目标点，保持编程的工具取向且不进行优化。

该方法对于路径上的每个目标点逐步进行，块44。对于每个目标点，判定是否存在针对该目标点的公差区间，块46。如果公差区间为零，则与不存在针对该目标点的公差区间是相同情形。如果不存在针对该目标点的公差区间，则检索路径上的下一个目标点，块44。如果存在针对该目标点的公差区间，则运行优化算法以搜寻使周期时间最小化的工具取向，块48。对于每个待优化的目标点，需要检索关于针对至少该目标点、路径上的前一个目标点和路径上的下一个目标点的编程的工具位置、工具取向和工具公差区间的信息。对优化算法的约束为目标点和周围目标点的位置以及围绕编程取向的公差区间。

优化可以以不同方式执行。在下文中，将描述优化的两个实例。进行优化的第一方式是找到使机器人在两个或更多个目标点之间移动所花费的时间最小化的工具取向。进行优化的第二方式是找到当机器人在两个或更多个目标点之间移动时使机器人的某些预定义轴的移动最小化的工具取向。

第一优化过程针对机器人的全动态和运动学属性进行搜寻。通过使用机器人的动态和运动学模型以及机器人控制器所使用的路径插值器的副本，来进行优化。路径插值器确定应如何通过实施对移动的插值来执行行编程的移动。插值包括将编程的移动分割为多个小的增量，以及对于每个增量计算机器人的所有轴的角度。基于机器人的动态和运动学模型并借助机器人控制器的路径插值器的副本，来仿真机器人路径。待解决的优化问题是利用严格定义的约束来使特定移动的时间最小化，即使机器人在两个或更多个目标点之间移动所花费的时间。所述约束为目标点的编程的笛卡尔位置、编程的工具取向以及工具取向的公差区间。必须进行大量的仿真从而找到使该路径的周期时间最小化的在公差区间内的工具取向。为了减小实施优化的时间，在开始优化算法时可以自动地执行良好的初始猜测。该初始猜测将是基于机器人目标的顺序以及它们各自的笛卡尔位置和编程的工具取向。

实施优化的第二方式不考虑机器人轴的动态性能。不需要仿真。仅仅考虑在每个目标点的静态联合解。搜寻问题是最小化一个或多个预定义轴的移动。通常这应是性能最差的轴。优化算法的约束为目标点的编程的笛卡尔位置以及它们的编程的工具取向和公差区间。该方法基于机器人的运动学模型而计算对于不同工具取向的机器人的轴的移动。优化的输出是在目标点中的笛卡尔工具位置以及在目标点中的优化的工具取向。优化使用运动学模型发现每个目标点的轴配置，该轴具有使两个或更多个目标点之间的预定义轴的移动最小化的公差。可以按照与第一方式相同的方式执行初始猜测。

机器人的动态和运动学模型的使用在本领域中是公知的，并且例如在John J.Craig，2005，ISBN 0-13-123629-6的题为″Introduction to robotics mechanics and control″的书籍中有所描述。

可以通过测试许多可能的解来进行上述两个优化过程。所选择的解是根据应被优化的内容(即时间或预定义轴的移动)最佳的那个解。如果搜寻解析度应是高的，则这种执行优化的方式可能非常耗时。存在可以用于找到这类问题的最优结果的许多已知优化方法，例如基于梯度的优化方法。

所找到的优化的工具取向被存储为目标点的工具取向，块50。对于路径上的每个目标点重复该方法的步骤44-52。当已经循环经过目标上的所有点时，基于目标点的笛卡尔位置以及已经为其给出公差区间的目标点的新的优化的工具取向，生成新的机器人程序，块54。对于未接收到公差区间的目标点，保持原始编程的工具取向，并且基于那些目标点的原始编程的工具取向生成新的机器人程序。

根据本发明的方法可以在比如PC的外部计算机上实施，或者直接在机器人控制器内实施。

图5示出具有四轴的机器人焊接系统，根据本发明的方法可以在该机器人焊接系统上有利地使用。参考图5描述的运动学可以用于使用激光的焊接和切割。图5所示系统包括激光器60、透镜62和反射镜64。激光束66穿过透镜62并且在反射镜64内被反射。关于激光束66限定坐标系x、y、z。坐标系的x轴与由激光器生成的激光束66一致。机器人系统的第一轴J1提供透镜62沿着坐标系x方向的线性运动。第二轴J2提供反射镜在x方向上的线性运动。第三轴J3提供反射镜64围绕坐标系的y方向的旋转移动。第四轴J4提供反射镜64围绕坐标系的x方向的旋转。激光束的焦点作为工具中心点(TCP)，系统设置如图5所示。

与其它三个轴J1、J3-J4相比，轴J2的性能较差。只要取向不重要，则有可能到达在反射镜周围有限体积内的任意笛卡尔点而不移动轴J2。如果目标点具有确定的位置和取向，则必须涉及所有轴。优化的问题于是为在所有期望目标点之间移动的同时最小化轴J2的移动。

适合使用根据本发明的方法的应用的另一个实例为使用定位器作业的机器人。机器人定位器通常用于握持与机器人一起进行作业的物体。定位器方便机器人从不同方向到达该对象。定位器可具有一个或多个轴。如果机器人的工具取向是任意的或者在指定限制内是任意的，则定位器的轴也会涉及结果取向的优化。

Claims (15)

1.一种用于优化工业机器人(1)的编程移动路径(5)的方法，所述工业机器人(1)在作业周期期间握持着工具(3)以沿着所述路径实施作业，其中所述移动路径包括关于所述工具在所述移动路径上的多个目标点(7)处的位置和取向的信息，以及所述方法包括，对于所述目标点其中至少一个：

接收在所述目标点中所述工具的取向的公差区间(α)，

对于所述公差区间内的多个不同工具取向，确定机器人在所述目标点和所述路径上的一个或多个其它目标点之间的移动，

基于所确定的机器人的移动以及针对使周期时间最小化，选择所述不同工具取向其中之一作为所述目标点的工具取向，以及

基于所选择的、所述工具在所述目标点处的取向，生成机器人程序。

2.根据权利要求1的方法，其中所述方法包括：基于所确定的机器人的移动，确定对于所述不同工具取向所述机器人在所述目标点之间移动所花费的时间，以及针对使机器人在所述目标点之间移动所花费的时间最小化，来选择在目标点中的工具取向。

3.根据权利要求2的方法，其中通过基于所述机器人的运动学和动态模型来仿真移动路径，确定对于不同工具取向，所述机器人在所述目标点之间移动所花费的时间。

4.根据权利要求3的方法，其中借助路径插值器进行所述仿真，所述路径插值器为所述机器人的路径插值器的副本。

5.根据权利要求1的方法，其中所述机器人围绕多个轴可移动；通过计算对于不同工具取向所述机器人的轴的移动来确定所述机器人的移动；以及针对使所述机器人的轴其中至少一个的移动最小化的工具取向，选择工具取向。

6.根据权利要求5的方法，其中所述轴被选择为与机器人的其它轴的性能相比具有较差性能的轴。

7.根据权利要求5或6的方法，其中计算所述机器人的轴的移动包括：基于所述机器人的运动学模型，将所述工具在所述目标点处的位置和取向转换为所述机器人的轴的位置。

8.根据权利要求5-7中任意一项的方法，其中所述机器人包括布置成将被附接到所述基底的基座、布置成围绕第一轴相对于所述基座可移动的第一臂、布置成围绕第二轴相对于所述第一臂可旋转移动的第二臂以及布置成围绕第三轴相对于第二臂可旋转移动的第三臂，以及所述工具在目标点中的最优取向被确定为使机器人的第一、第二和第三轴中任何一个或任何组合的移动最小化的取向。

9.一种用于优化工业机器人(1)的编程移动路径(7)的装置，所述工业机器人(1)在作业周期期间握持工具(7)以沿着所述路径实施作业，其中所述移动路径包括关于所述工具在所述移动路径上的多个目标点(7)处的位置和取向的信息，以及所述装置包括：

数据存储装置(26)，其配置成存储所述工具在移动路径上目标点处的取向的公差区间(α)，

计算单元(24)，其配置成对于在所述公差区间内的多个不同工具取向，确定机器人在所述路径上的目标点之间的移动，以及基于所确定的机器人的移动，针对使周期时间最小化，选择目标点的工具取向，以及

机器人程序生成器(28)，其配置成基于所述工具在目标点处的位置以及所选择的取向，生成机器人程序。

10.根据权利要求9的装置，其中所述装置包括用户接口(22)，其配置成接收所述工具在所述目标点中的取向的公差区间以及将所述公差区间(α)存储在数据存储装置(26)中。

11.根据权利要求9或10的装置，其中所述计算单元(24)配置成：基于所确定的机器人的移动，对于不同工具取向，确定所述机器人在路径上目标点之间移动所花费的时间，以及针对使所述机器人在所述目标点之间移动所花费的时间最小化，选择所述目标点处的工具取向。

12.根据权利要求11的装置，其中所述计算单元(24)配置成基于所述机器人的运动学和动态模型，仿真机器人路径，以及所述计算单元配置成基于所仿真的机器人路径，对于不同工具取向，确定所述机器人在所述路径上目标点之间移动所花费的时间。

13.根据权利要求9的装置，其中所述机器人围绕多个轴可移动，以及所述计算单元(26)配置成对于不同工具取向，计算所述机器人的轴的移动，并且针对使所述机器人的轴其中至少一个的移动最小化的取向，选择工具取向。

14.根据权利要求13的装置，其中所述至少一个轴与机器人的其它轴的性能相比具有较差性能。

15.根据权利要求13或14的装置，其中所述计算单元(26)配置成基于所述机器人的运动学模型，将所述工具在所述目标点处的位置和取向转换为所述机器人的轴的位置。

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