CN103250109A - 用于控制机器人的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对机器人进行编程的用户友好方法，其中，该方法包括将机器人放置在周围环境中的给定位置P0处，并且使用机器人的部分或点P(例如，工具在机器人的使用期间被附着到的点)来相对于机器人的周围环境定义一个或多个几何特征，并且建立该几何特征与机器人相关坐标系统的第一坐标之间的关系，由此，随后能够通过参考所述一个或多个几何特征来命令机器人执行机器人的指定部分相对于所述周围环境的移动。用这些手段，对于不擅长机器人编程以对机器人进行编程和使用的用户而言变得容易。根据本发明，可以将该几何特征存储在存储装置中并随后也在除在其中进行编程的特定设置之外的其他设置中使用。

Description

用于控制机器人的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及可编程机器人领域，并且更具体地涉及用于此类机器人的编程方法。
背景技术
购买工业机器人的客户一般希望能够控制或操纵机器人，并相对于机器人周围环境中的各种对象和边界对机器人进行编程，所述对象和边界诸如机器、对象或空白处、固定装置、传送机、棘爪或视觉系统。传统上，这是通过定义使得机器人的内部坐标系统(基础坐标系统)与相关对象的坐标系统相关的“框架”(坐标系)完成的。可以对机器人的“工具坐标”和“基础坐标”两者进行参考。
此类框架存在的问题是要求一定水平的数学知识以便能够定义此类坐标系，并且还花费相当多的时间执行这项任务，即使是对于机器人编程和安装领域的技术人员而言也是如此。这项任务常常涉及4×4矩阵的计算。特别地，取向的表示对于缺少所需经验的任何人而言要理解这个问题是复杂的。
客户常常问的问题是例如：
(i)“有可能使机器人远离我的计算机化数控(CNC)机器的爪移动4cm吗？”
(ii)“有可能使机器人的工具相对于工作台旋转45度吗？”
(iii)“我们能使机器人与对象一起垂直地向下移动，释放物体对象，并且然后使机器人再次向上移动吗？”
此类和类似问题的意义对于意图使用机器人的普通客户而言是非常简单的，例如在生产厂中的各种站位处，并且其在将被告知可能不存在对此类相关问题的简单答案的客户看来可能是令人苦恼且不能理解的。难以对此类问题给出简单答案的原因尤其是：
(i)并未清楚地定义CNC机器的坐标系相对于机器人被如何定位和定向。
(ii)并未明确地定义例如“45度”的给定旋转意味着什么。可以相对于旋转轴来定义旋转，并且可以使此轴在空间中沿着无穷多个方向定向。并且，旋转的起始点(对应于例如0度)可以在360度间隔内的任何地方。
(iii)术语“垂直”的意义并未被明确定义，因为其取决于机器人的定位。其可能例如意指“垂直于将被机器人操纵的对象被放置在其上面的工作台”。
以上几个示例表明需要一种用户能够用来在用户不具有关于坐标系、旋转矩阵/变换矩阵等的知识的情况下且通过应用在操作员看来清楚且明确定义的用户自己的术语而命令机器人如何移动的方法。
发明内容
通过提供具有独有特征的可编程机器人来获得以上及其他目的和优点，所述独有特征能够通过手动地使机器人上、例如机器人臂(诸如工具将被附着到的臂的部分)上的定义部分或点P来回移动至机器人的周围环境中的对于手边的特定任务而言相关的不同位置。此特征对于可被非专家用户编程以执行甚至非常复杂的任务的机器人是非常必要的。根据本发明，利用此特征以使得用户能够定义与机器人的直接周围环境有关的“几何特征”或“几何信息”。定义此类几何特征可以例如通过以下各项进行：
(a)将机器人臂上的点P移动至周围环境中的第一点A并登记此点的空间位置，然后将点P移动至周围环境中的第二点B并登记其空间位置。这两个点A和B、即其各自的空间位置现在定义轴AB，并且随后可以命令机器人使点P(例如拾取工具)沿着此轴在从A朝向B或从B朝向A的方向上移动。
(b)例如在工作台上如上所述地定义轴，并且随后命令机器人使P绕着此轴旋转。
(c)使点P移动至例如工作台上的三个点并因此定义包含这三个点的平面。随后命令机器人使点P沿着垂直于此平面的线移动，并且因此至工作台的表面。
可以将如上文举例说明的那样定义的几何特征存储在机器人中的存储装置中或与机器人相连以供后续使用。根据本发明，此外可以将几何特征组合以定义更复杂的几何特征，其再次可能被用于创建甚至更复杂的几何特征。因此，根据本发明，机器人本身可以用来定义几何特征的分级结构，其第一级包括简单的基本特征，诸如线和平面，并且其中，特征的第二和较高级例如包括空间中的各种3D对象。并且可以且常常确实有必要指定此类特征的取向，例如线上的正方向、绕着轴的正旋转、平面的正法向矢量等。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种对机器人进行编程的方法，该方法包括步骤(i)使用机器人的部分或点P来相对于机器人的周围环境定义一个或多个几何特征，(ii)用特定名称或标记来指定此类特征并将这些特征存储在存储装置中以供后续检索，并且(iii)建立所述几何特征与机器人相关坐标系之间的关系，由此，随后可以命令机器人通过参考所述一个或多个几何特征来执行机器人的指定部分相对于所述周围环境的移动。
根据根据本发明的方法的有利实施例，可以将由如所述的机器人移动定义的上述几何特征视为(且标记和存储为)“简单”或“低级”特征。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制可编程机器人的方法，其中，该方法包括步骤：(i)将机器人放置在操作现场处的预定义位置P0，该预定义位置先前已被用于定义表征机器人上的点P和/或周围环境中的操作相关对象的移动的几何特征，以及(ii)通过参考所述几何特征相对于机器人在周围环境中的移动来命令机器人。
根据本发明的实施例，在命令机器人期间从在机器人中或与机器人相关联的存储装置检索所述几何特征。根据第二方面，本发明涉及用于定义机器人周围环境中的对象和机器人上的至少一个特定点的一个或多个移动路径并用被存储且随后在机器人的编程期间使用的几何特征来表征这些对象和路径以指定机器人和周围环境中的相关对象的移动的机器人的使用。
根据本发明的第三方面，提供了一种可编程机器人，其包括用于定义几何特征并可选地用于将此类特征组合以定义更复杂的几何特征、以及用于将此类特征翻译成能够被机器人控制系统用来控制机器人的移动的信息的装置。
在根据本发明的方法/机器人中应用被用于控制电动机/机器人关节以便定义几何特征的相同传感器是有利的。替换地，可能将一个或多个专用传感器用于定义几何特征。
总而言之，本发明根据第一方面涉及用于对机器人进行编程的方法，该方法包括将机器人放置在机器人周围环境中的给定位置Po处并使用机器人上的部分或点P来相对于机器人周围环境中的对象定义一个或多个几何特征并建立所述几何特征与机器人相关坐标系的第一坐标之间的关系，由此，随后能够命令机器人通过参考所述一个或多个几何特征来执行机器人的特定部分相对于所述周围环境的移动。
根据本发明的实施例，所述机器人包括多关节型机器人臂，并且其中，点P的所述部分位于多关节型机器人臂上。根据本发明的另一实施例，该机器人包括能够经历平移位移的一个或多个部分。
根据本发明的实施例，所述第一坐标被转换成表征机器人被放置在其中的周围环境的坐标系的第二坐标。
根据本发明的实施例，该方法包括步骤：
(i)借助于多关节型机器人臂来定义机器人的周围环境中的多个点，由此，机器人自动地向所述多个点中的每一个分配坐标；
(ii)针对所述点中的每一个和相应的分配坐标，提供表征点的名称或标记并将每个点、即相应的坐标和名称或标记作为低级几何特征存储在存储装置中的记录中，使得随后能够从存储装置检索所述低级几何特征。
根据本发明的实施例，在该方法的第一步骤(i)中，从所述存储装置检索所述存储的低级几何特征中的所述两个或更多，并且其中，所述低级几何特征中的至少两个被组合而形成更高级几何特征，此类特征是由相应低级特征的各坐标表征的；在该第一步骤之后，这样定义的更高级特征中的每一个在第二步骤(ii)中被提供表征该特征的名称或标记，其后面是步骤(iii)，其将各更高级几何特征中的每一个、即，相应的一组坐标和相应的名称或标记存储在存储装置中的记录中，使得随后能够从存储装置检索更高级几何特征。
根据本发明的方法的实施例，可以从存储装置检索所存储的几何特征并用来提供机器人及其周围环境的表示，例如包括机器人上的点P通过周围环境和周围环境中的对象的运动路径的用户接口上的图形显示。
根据本发明的方法的实施例，可以从存储装置检索存储的几何特征，并且通过表示不同检索的几何特征的坐标的转换，由此例如可以修改机器人上的点P的运动路径和几何特征，诸如已存储几何特征所表示的对象的大小、形状、取向。
根据本发明的第二方面涉及一种控制机器人的方法，该方法包括步骤：
(i)将机器人放置在操作现场处的预定义位置P0处，该预定义位置先前已被用于定义表征机器人上的点P和/或周围环境中的操作相关对象的移动的几何特征，以及
(ii)参考所述结合特征相对于机器人在周围环境中的移动来命令机器人。
根据控制方法的实施例，所述几何特征在命令机器人期间被从在机器人中或与机器人相关联的存储装置检索。
根据第三方面，本发明涉及一种可编程机器人，其提供有用于执行如上所述的根据本发明的方法的装置，该机器人包括用于定义几何特征以供在机器人的编程期间使用且用于随后在机器人的操作期间控制机器人的传感器装置。
根据根据本发明的机器人的优选实施例，所述传感器装置包括被用于控制机器人的电动机/关节的传感器。
根据本发明的特定实施例，所述可编程机器人包括底座部、多个臂部、经由关节连接在一起的两个相邻臂部和在各相应关节中提供以感测各关节的旋转的传感器装置，该机器人此外提供有用于基于来自所述传感器装置的信号对几何特征进行定义和命名的装置或者与该装置进行数据通信，并且其中，机器人此外提供有存储装置或与之进行数据通信以便将各几何特征存储在例如数据记录中，该数据记录包括表征各几何特征的一组或多组坐标和指定各几何特征的关联名称或标记。
该机器人此外提供有控制系统，该控制系统基于从所述存储装置检索的几何特征，能够通过向机器人的所述关节中的驱动装置提供控制信号来控制机器人的移动。
根据本发明的实施例，该机器人此外包括用户接口或者与之进行数据通信，该用户接口提供有能够在其上面显示至少所述几何特征的显示器。
根据第四方面，本发明涉及用于定义机器人周围环境中的对象和机器人上的至少一个特定点的一个或多个移动路径并用被存储且随后在机器人的编程期间使用的几何特征来表征这些对象和路径以指定机器人和周围环境中的相关对象的移动的机器人的使用。
附图说明
参考结合附图的本发明实施例的以下详细描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：
图1示出了根据本发明的可编程机器人以及在几何特征的定义、机器人的编程和机器人的实际使用期间的机器人控制期间所使用的主要功能块的示意性表示。
具体实施方式
下面将给出包括在每个关节电动机上具有编码器的机器人的本发明的特定实施例的详细描述，其中，能够通过手动地移动机器人的所选部分、诸如工具附着构件或通过使机器人微动至不同位置来向机器人教授给定位置。机器人使用其关节编码器来测量不同位置处的关节角，并且控制软件使用机器人的运动模型来将这些关节角转换成姿势。然后可以将机器人编程成依次穿过这些位置，其中，机器人正在使用相同编码器以到达已编程姿势，如用被来测量姿势。
参考图1，示出了根据本发明的实施例的可编程机器人的示意性表示以及在几何特征定义、机器人编程和机器人的实际使用期间的机器人控制期间所使用的主要功能块。
图1图示出放置在被用于定义周围环境和机器人上的点P(例如机器人上的工具所在处的点)相对于周围环境的移动的xyz坐标系的原点处的机器人。所示的示例性机器人包括基础部2、壁部3、4、5和将相邻臂部连接的关节6、7、8。可以将工具(未示出)附着于机器人的端部9。在机器人的周围环境中，示出了工作台10和容器11作为示例。
功能块与在成对功能块之间和功能块与机器人1上的元件之间所指示的通信线路仅仅描述本发明的一个实施例，并且编程和控制系统的总体架构在实际实施方式中可以具有另一结构。并且，诸如几何特征的命名的功能特征(参考标号20、21和22)被示为单独功能块，但是其可以也已经被结合在控制系统块24中或用户接口25中。在实际实施方式中，对应于图1中所示的单独功能块的各种软件功能将可能被集成到还包括在图1中指示为方框23的存储装置的一个完整软件功能中，虽然当然也可以使用单独的存储装置。
图1中所示的本发明的实施例包括机器人1，上文描述了其组成。各关节6、7、8包括用来指示关节的旋转的单独驱动电动机和传感器，所述旋转即为一个臂部与特定关节的相邻臂部之间的角。这些传感器(在图中未示出)可以用于双重目的以控制机器人并从机器人向转换装置16提供信息，转换装置16将机器人坐标转换成在周围环境中使用的坐标，例如通过其可以用来指定点、线或平面的xyz坐标。用将机器人与坐标转换装置16相连的具有双箭头12、13、14、15的线来指示传感器双重功能。
可以通过使机器人上的点P移动至周围环境中的点A来定义几何特征，即点A，该点在本示例中对应于工作台10的一个拐角。当机器人被安装在周围环境中的特定位置处时—在所示示例中在xyz坐标系的原点处，将点P定位于机器人上的点A处导致机器人中的传感器获得某些值(机器人坐标系中的(□□□□□□□□□□))，该机器人坐标被转换装置16转换成xyz坐标。点A的特定xyz坐标经由线路39被传输至功能块17，其中，定义了低级几何特征“点A”并被经由命名功能20给定适当的名称或标记。如线32所指示的，可以将此低级特征作为包括名称和坐标的记录存储在存储装置23中。应注意的是如果机器人相对于周围环境的位置和取向是先验已知的，则将可以简单地将机器人坐标连同特征名称一起存储在存储装置中且因此无需坐标转换装置16。
该图进一步示出了几何特征到低级特征、中级特征和高级特征的细分，但是应理解的是还可能使用替换细分。并且，在不会从而脱离本发明的基本概念的情况下，将可以根本避免对几何特征进行细分。可以如功能块20、21和22所示地对低级特征、中级特征和高级特征中的每一个给定名称，并且存储在存储装置23中的适当记录中。
此外，机器人提供有控制机器人(如用线27示意性地所示)并与用户接口25相交互的控制系统24。经由线26，控制系统24可以从存储装置23检索数据并向其提供数据。虽然在图1中未示出，但控制系统可以与其他功能块相交互，并且在实际实施方式中，这些中的某些或全部可以实际上形成控制系统的整体部分。
在机器人的实际使用期间，可以定义和使用不同水平的几何特征：
(a)简单(低级)几何特征，简单地包括借助于使机器人上的点P移动至空间中的点(A、B、C)而指定的所述空间中的点。这些点被适当地(例如：A、B、C)或按名称(例如：“拾取点”、“中间站”、“受体点”)或者可能按其坐标((XA，YA，ZA)或(RA，θA，ΦA).....))而标记。然后可以将标记的点存储于在机器人中或与机器人相关联的存储装置中。
(b)更复杂的(中级)几何特征，借助于机器人本身或者借助于先前存储的几何特征，定义更复杂的几何特征，例如，通过使机器人上的点P从线上的一个点A移动至线上的另一点B并随后对这样定义的线AB给定适当名称来定义直线，并将定义的线AB存储在存储装置中，如上所述。以这种方式，可以定义有限长度AB的线，但是还可以通过将AB视为所述线上的矢量来定义半无限或无限长的线(A至∞；∞至A或“-∞至+∞”)。还可以以这种方式来定义其他相对简单的几何形状，诸如(有限或无限延伸的)平面。
(c)仍更复杂的(高级)几何特征；如果需要的话，可以从存储器检索所存储低级几何特征并用来定义复杂几何特征(高级特征)，或者可以将此类先前存储的低和/或高级特征与新测量特征的组合用来定义所述复杂特征，并随后为已定义高级特征提供名称，并将这些特征存储于在机器人中或与机器人相关联的存储装置中。例如，可以借助于五个先前定义并存储的平面来定义方框(表示例如用于生产线中的某些已生产部件的容器)。
在根据本发明的机器人中使用或与该机器人相关联的基本软件包至少包括：
能够将名称关联到存储位置的软件。
能够根据这些已命名位置来构造特征的软件。两个位置定义线或矢量。这些位置可以形成平面。
在从用户接收到适当指令时能够使机器人相对于这些几何特征移动的软件。
作为示例，考虑工作台10。可以使机器人(例如机器人上的点P)移动至工作台的一个拐角，位置“A”，其坐标被机器人登记且随后被用户命名。其后，P移动至工作台的下一个拐角，该位置被称为“B”。现在可以构造中级几何特征，矢量AB，可以将其称为“short_side(短边)”。根据本发明的机器人的软件现在提供用于控制机器人的更多选项。通过选择用户接口上的“short_side”特征，诸如教导盒(teaching pendant)上的微动接口，操作员现在可以命令机器人沿着工作台的“short_side”移动例如20mm，或者使机器人相对于此矢量“微动”。
同样地，可以将机器人上的点P定位于工作台第三拐角处，可以将其标记为“C”，并且可以定义另一中级特征“long_side(长边)”，其是由矢量AC定义的。现在，根据本发明的机器人的软件允许操作员定义平面，在本示例中可以将其视为高级几何特征，该平面是由点“ABC”给定的。可以将平面ABC例如命名为“table_plane(工作台平面)”。
在用户接口(微动)面板上，现在提供了用于使机器人移动的多个选项。用户可以选择“short_side”、“long_side”或“table_plane”。如果选择了“table_plane”，则现在可以使机器人朝着工作台移动例如2mm，或者可以将其选择为使机器人移动至与工作台平面精确地相距30mm的最近位置，例如，如图1中的点D和E所指示的。还可以命令机器人使机器人上的工具从与工作台的平面平行的平面中的点E移动至直接在容器11之上的点F，例如在拾取和放置操作期间。
这种编程具有两个独有特征：
—程序员/操作员不需要知道常常要求以便执行机器人编程的关于4×4矩阵或其他类型的姿势变换的任何事。
—用来测量位置的编码器可以是且优选地是用来使机器人移动的相同编码器。这消除了对特征空间与机器人工作区之间的校准的需要。

Claims (16)

1.一种用于对机器人进行编程的方法，该方法包括将机器人放置在机器人周围环境中的给定位置Po处并使用机器人上的部分或点P来相对于机器人周围环境中的对象定义一个或多个几何特征，并建立所述几何特征与机器人相关坐标系的第一坐标之间的关系，由此，随后能够命令机器人通过参考所述一个或多个几何特征来执行机器人的特定部分相对于所述周围环境的移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人包括多关节型机器人臂，并且其中，点P的所述部分位于所述多关节型机器人臂上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人包括能够经历平移位移的一个或多个部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一坐标被转换成表征机器人被放置在其中的周围环境的坐标系的第二坐标。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括步骤：
(i)借助于所述多关节型机器人臂来定义机器人的周围环境中的多个点，由此，机器人自动地向所述多个点中的每一个分配坐标；
(ii)针对所述点和相应分配坐标中的每一个，提供表征该点的名称或标记并将每个点、即相应的坐标和名称或标记作为低级几何特征存储在存储装置中的记录中，使得随后能够从存储装置检索所述低级几何特征。
6.根据权利要求5所述的方法，其中
(i)从所述存储装置检索所述已存储低级几何特征中的两个或更多个，并且其中，所述低级几何特征中的至少两个被组合而形成更高级几何特征，此类特征是用相应低级特征的各坐标表征的；
(ii)这样定义的更高级几何特征中的每一个被提供表征该特征的名称或标记；
(iii)将各更高级几何特征中的每一个、即相应的一组坐标和相应的名称或标记存储在存储装置中的记录中，使得随后能够从存储装置检索所述更高级几何特征。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，可以从存储装置检索所存储几何特征并用来提供机器人及其周围环境的表示，例如包括机器人上的点P通过周围环境和周围环境中的对象的运动路径的用户接口上的图形显示。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，可以从存储装置检索存储的几何特征，并且通过表示不同检索几何特征的坐标的转换，由此例如可以修改机器人上的点P的运动路径和几何特征，诸如已存储几何特征所表示的对象的大小、形状、取向。
9.一种控制机器人的方法，该方法包括步骤：
(i)将机器人放置在操作现场处的预定义位置P0处，该预定义位置先前已被用于定义表征机器人上的点P和/或周围环境中的操作相关对象的移动的几何特征，以及
(ii)参考所述几何特征相对于机器人在周围环境中的移动来命令机器人。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述几何特征在命令机器人期间被从在机器人中或与机器人相关联的存储装置检索。
11.一种提供有用于执行根据前述权利要求1至10中的任一项所述的方法的装置的可编程机器人，该机器人包括用于定义几何特征以供在机器人的编程期间使用且用于随后在机器人的操作期间控制机器人的传感器装置。
12.根据权利要求11所述的可编程机器人，其中，所述传感器装置包括被用于控制机器人的电动机/关节的传感器。
13.一种可编程机器人，包括底座部(2)、多个臂部(3、4、5)、经由关节(6、7、8)连接在一起的两个相邻臂部和在各相应关节中提供以感测各接头的旋转的传感器装置，该机器人此外提供有用于基于来自所述传感器装置的信号对几何特征进行定义(17、18、19)和命名(20、21、22)的装置或者与该装置进行数据通信，并且其中，机器人此外提供有存储装置(23)或与之进行数据通信以便将各几何特征存储在例如数据记录中，该数据记录包括表征各几何特征的一组或多组坐标和指定各几何特征的关联名称或标记。
14.根据权利要求13所述的可编程机器人，其中，该机器人此外提供有控制系统，该控制系统基于从所述存储装置(23)检索的几何特征，能够通过向机器人的所述关节(6、7、8)中的驱动装置提供控制信号来控制机器人的移动。
15.根据前述权利要求11至14中的任一项所述的可编程机器人，其中，所述机器人此外包括用户接口或者与之进行数据通信，该用户接口提供有能够在其上面显示至少所述几何特征的显示器。
16.用于定义机器人周围环境中的对象和机器人上的至少一个特定点的一个或多个移动路径并用被存储且随后在机器人的编程期间使用的几何特征来表征这些对象和路径以指定机器人和周围环境中的相关对象的移动的机器人的使用。
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PCT/EP2011/070228 WO2012066025A1 (en) 2010-11-16 2011-11-16 Method and means for controlling a robot

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