CN103492133A - 具有运动冗余臂的工业机器人和用于控制该机器人的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人，其具有含冗余数量的关节并且提供有工具接口和相对于该工具接口所限定的工具中心点的机器人臂，以及用于在示教模式期间控制该机器人的方法，该方法包括：接收来自用户操作控制设备的有关用户指示移动的信息，将该指示移动分成多个增量，通过对每个增量实行插值步骤而针对每个该增量确定该机器人臂的关节角度，包括基于该指示移动针对每个增量计算关节角度，基于该计算出的关节角度和对于该关节的限度值，检查是否任何该机器人臂的关节接近其关节限度，并且如果是这样的话，在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置增加到该关节限度的距离而不改变该工具中心点，用该新的关节配置的关节角度取代该计算出的关节角度，以及-基于该确定的关节角度移动该机器人。

Description

具有运动冗余臂的工业机器人和用于控制该机器人的方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，其包括具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度移动的工具接口的机器人臂，其具有相对于该工具接口所限定的工具中心点，以及该工业机器人还包括用于在示教模式期间手动控制该工具中心点的移动的用户操作控制设备。本发明进一步涉及一种用于控制具有运动冗余臂的机器人的方法。

背景技术

在示教模式期间，机器人操作者手动地沿着路径移动机器人到多个点从而示教机器人所期望的机器人路径。当操作者移动机器人时，可能因为关节中的一个接近其关节限度而使得机器人停止。因为达到了关节限度，在示教模式期间机器人经常停止。为使得不离开现在的工具中心点位置而脱离关节限度，用户必须切换到臂-角度微动(jogging)并且随后再次返回笛卡尔微动。在臂-角度微动期间，机器人操作者必须手动地将机器人从关节限度移开并且试图将机器人重新配置到避免关节限度的新的配置。

对将运动冗余机器人用于商业应用存在越来越大的兴趣，并且若干机器人公司在它们的产品组合里都有多于6个自由度(DOF)的机器人产品。当使用冗余机械手时具有额外的自由度最重要的优点是可以实现更灵活的到达。由于冗余自由度所获得的被称为自运动使得这是可能的。在例如具有7个驱动关节的臂机器人中，自运动使获得臂运动来避免障碍而不改变工具的位置和方向成为可能。

对于运动冗余机器人而言，在关节空间中没有唯一的路径用于在笛卡尔空间中沿着给定路径移动工具中心点。通常而言有无限多个实现所期望的工具中心点路径的关节空间路径。由于未确定的冗余机器人的逆运动学的问题，通常其被转换为优化问题。因此，应当追随工具中心点路径，而与此同时最大化目标函数。该目标函数可以涉及从远离关节限度到避免奇点或者物理障碍的任何方面。

US5,430,643公开了具有末端执行器的7个自由度的机器人臂，该末端执行器由使用了用于按照关节的旋转角度限定末端执行器的位置和方向的6x7的雅可比矩阵的处理器所控制。冗余关节被用于确定避免了奇点、关节限度和物理障碍的轨迹。这通过使用以附加行延伸的6x7的矩阵而完成，该附加行取决于要避免哪个障碍，例如关节限度、奇点或者物理障碍。基于该矩阵的优化实行对新的关节角度的搜索。在伺服控制器中关于机器人控制单元中的伺服回路执行该优化。这意味着每次运行伺服回路就实行该优化，其需要许多计算能力。

此外，在机器人的运行时期间使用这样的优化方法有若干问题。在运行时期间下面的特征是所期望的：

机器人路径必须是完全可预测的，

如果机器人从一个点向后移动，在机器人程序中机器人必须再次回到起点，即，从A到B的路径应当与从B到A的路径相同。因此，当将机器人从一个位置移动到另一个位置时，对于操作者而言一定可以预测机器人的运动。

从点A1到B的移动和从点A2到B的移动应当导致在点B的相同的配置。

因此，对于运动冗余机器人不易在运行时采取优化方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减轻了上述问题的包括运动冗余臂的改进的工业机器人。

该目的由权利要求1中所限定的工业机器人实现。

该工业机器人包括：机器人臂，其具有运动冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度移动的工具接口以及相对于该工具接口所限定的工具中心点，用于在示教模式期间手动控制该工具中心点的移动的用户操作控制设备，并且其适于生成有关用户指示的针对该工具中心点的移动的信息，以及控制单元，其适于从用户操作控制设备接收有关指示移动的该信息，并且基于该信息在该示教模式期间控制该机器人臂的移动，其中该控制单元包括运动规划器，其适于通过实行包括多个插值步骤的该指示移动的插值而确定该机器人臂应当怎样移动从而能够执行该指示移动，每个插值步骤包括针对该指示移动的增量计算该机器人臂的关节角度，以及优化模块，其适于在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置增加到该关节限度的距离而不改变该工具中心点。根据本发明，该运动规划器适于每个插值步骤以检查是否任何该机器人臂的关节均接近其关节限度，以及如果是这样的话，运行该优化模块并且用该新的关节配置的关节角度取代针对该增量所计算出的关节角度。

当机器人在示教模式被手动移动(微动)时该运动规划器检查每个插值步骤是否有任何该机器人的关节接近其关节限度。如果是这样的话，在该冗余机器人的零空间中实行对新的配置的搜索，该新的配置增加到该关节限度的距离而不改变该机器人的工具中心点。至少该工具中心点的位置是不变的。优选地，该工具中心点的方向也是不变的。随后该机器人被移动到该新的配置。具有零空间意味着对于该关节空间移动，该工具中心点的位置以及优选地也包括方向都是不变的。

根据本发明，该优化通过该运动规划器做出。每个增量的该关节角度被优化。增量是该指示移动路径的一小部分。这意味着该优化仅须实行与增量的次数相同多的次数。这意味着比起现有技术，实行该优化的次数明显更少，并且相应地需要更少计算能力。在该动作规划器中而不是在伺服控制器中实行该优化的进一步的优点是该优化被更早地完成，其提供了对路径更好的跟随。这是由于在路径生成中所有接下来的步骤都会考虑到该修改过的路径。

作为终止步骤，当该路径在伺服控制器中被修改时，如现有技术中描述的，可能就太迟而不能避免诸如关节限度之类的障碍。例如，如果该运动规划器检测到该机器人在其与物理障碍碰撞的途中，本发明保障了在碰撞发生之前停止该机器人。如果如现有技术般在伺服回路中检测到碰撞，可能就太迟而不能在该碰撞发生之前停止该机器人。

当在示教模式期间该机器人接近关节限度时，做出避免该关节限度而不改变该工具中心点的位置和方向的针对新的机器人配置的自动搜索。进一步地，该机器人臂被自动地移到该新的臂配置。由于增强的用户体验该机器人的用户从此获益，因为他不必如当今的情况中那样频繁地在不同微动模式之间切换了。该机器人操作者不需要担心关节限度并且可以继续在所期望的方向移动该机器人而不须停止该机器人。这方便了该机器人操作者在该示教模式期间使该机器人微动。本发明减小了用于示教该机器人以机器人路径所需的时间。

根据本发明的一个实施例，该控制单元适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且该运动规划器适于检查该控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且仅当该控制单元在示教模式时运行该优化模块以及当该机器人在运行时模式时省略该优化模块。进一步地，如果该控制单元在示教模式，该运动规划器适于仅检查是否该机器人臂的任何关节均接近其关节限度，并且如果该控制单元在运行时模式，该运动规划器不检查是否该机器人臂的任何关节均接近其关节限度。如从上面问题的列表所见，对于运动冗余机器人不易在运行时采取优化方法。然而，该情况在示教模式有所不同。在示教模式，速度慢并且该生成的移动指令太短以至于对整个段的优化是可行的。进一步地，在示教模式期间，上面所列的需求不须被满足。因此，在示教模式期间对该逆运动学的优化是可行的。在该示教模式期间，该机器人控制程序被确定，并且该程序之后在运行时模式期间被执行。如果该程序后来没有被改变，该移动路径将关于关节限度和诸如奇点以及与物理物体碰撞之类的其它障碍在该运行时期间保持被优化。由此，在运行时期间使用优化方法的问题得到解决。相应地，有可能满足上面所列的在运行时期间所需的要求。根据本发明，仅在示教模式期间实行该优化并且在运行时模式期间关掉该优化。当切换到运行时模式时，该机器人在关节空间中跟随的该路径由起点位置和终点位置唯一地确定。因此，该机器人在运行时是完全可预测的，同时在示教中易于起作用。

根据本发明的一个实施例，该机器人具有七个自由度，并且该优化模块一起使用优化方法和7x7雅可比矩阵来搜索该臂的零空间。例如，该优化方法是牛顿-拉普森方法。该7x7雅可比矩阵为该机器人臂提供了关节速度和笛卡尔速度之间的关系。搜索新的关节配置使用该优化方法来基于该7x7雅可比矩阵来优化该机器人臂的臂-角度。

根据本发明的一个实施例，该优化模块适于在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置在保持到该关节限度的安全距离的同时增加到该关节限度的距离。到该关节限度的距离给该关节限度留出了安全余量。本实施例保障了该关节角度保持在该关节限度之外，即使仅优化了每个路径增量的端点。

根据本发明的一个实施例，该优化模块适于在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置增加到奇点的距离而不改变该工具中心点，并且该运动规划器适于每个插值步骤以检查该控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且如果该控制单元在示教模式，检查该机器人臂是否接近于奇点，以及如果是这样的话，运行该优化模块以及用该新的关节配置的关节角度取代针对该增量所计算出的关节角度。

根据本发明的一个实施例，该优化模块适于在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置增加到该机器人的工作空间内的物理障碍的距离而不改变该工具中心点，并且该运动规划器适于每个插值步骤以检查该控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且如果该控制单元在示教模式，检查该机器人臂是否接近于该机器人的工作空间中的物理障碍，以及如果是这样的话，运行该优化模块以及用该新的关节配置的关节角度取代针对该增量所计算出的关节角度。如果该优化将潜在的与物理物体的碰撞纳入考虑，该机器人将历练为更加灵活。用户可以将注意力集中在手头的工作上而不是担心与什么东西发生碰撞。例如，这在很多可利用的工作空间非常有限的情况都是有益的。

当该机器人在示教模式被手动地移动(微动)时，该运动规划器检查每个插值步骤是否该机器人的轴接近它们的关节限度，或者该机器人接近奇点，或者接近工作空间中的障碍。如果是这样的话，在该冗余机器人的零空间中搜索新的配置，该新的配置增加到关节限度、奇点或物理障碍的距离而不改变该工具中心点。

根据本发明的另一方面，如权利要求9所限定的，该目的通过用于控制工业机器人的方法被实现，该机器人包括具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度移动的工具接口的机器人臂，以及相对于该工具接口所限定的工具中心点，以及用于在示教模式期间手动控制该工具中心点的移动的用户操作控制设备。

该方法包括：

-接收来自该用户操作控制设备的有关用户指示移动的信息，

-将该指示移动分成多个增量，

-通过对每个增量实行插值步骤而针对每个该增量确定该机器人臂的关节角度，每个插值步骤包括基于该指示移动针对该增量计算关节角度，以及

-基于该确定的关节角度控制该机器人臂的运动。根据本发明，该插值步骤包括下面的优化步骤：

-基于该计算出的关节角度和对于该关节的限度值，检查是否任何该机器人臂的关节均接近其关节限度，并且如果是这样的话，

-在该冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，该新的关节配置增加到该关节限度的距离而不改变该工具中心点，以及

-用该新的关节配置的关节角度取代该计算出的关节角度。

附图说明

现将通过本发明的不同实施例的描述并参考附图更周密地解释本发明。

图1示出了在示教模式期间运动冗余机器人的示例。

图2示出了机器人控制单元的示例的框图。

图3示出了在路径的插值期间将机器人路径分成多个增量的示例。

图4示出了说明根据本发明的用于控制运动冗余机器人的方法的示例的流程图。

图5示出了说明根据本发明的用于控制运动冗余机器人的方法的另一示例的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种包括具有冗余数量的关节的机器人臂1的工业机器人。在该示例中，机器人臂具有七个关节。在该示例中，机器人臂1具有三个主轴、三个腕轴和一个第七轴2，该第七轴2使得在两个相反的侧面方向倾斜机器人成为可能。通常被称为机器人的底座的固定脚3支撑可围绕第一轴旋转的支架4。该支架支撑可围绕第二轴旋转的第一臂部件5。该第一臂部件支撑第二臂部件6，其可围绕第三轴旋转。该第二臂部件支撑可围绕第四、第五和第六轴旋转的工具接口7。工具接口7支撑工具，其中相对于该工具接口限定了被称为工具中心点(TCP)的操作点。整个机器人臂可围绕穿过机器人的基座的第七轴2旋转。机器人臂1的移动由机器人控制器10所控制。机器人也包括用于在对机器人进行示教和编程期间手动控制该工具中心点的移动的用户操作控制设备12。

工业机器人被编程以沿着操作路径实行工作。用于编程机器人的现行惯例包括通过便携用户操作控制设备12在线示教机器人一系列工作点，该便携用户操作控制设备通常被表示为示教器单元(TPU)。该示教器单元包括诸如操纵杆、球或者一组按键的操作者控制器件，机器人操作者使用该控制器件来指示机器人移动。手动移动机器人通常被称为微动机器人。当微动机器人时，通常使用包括具有三个或更多轴的操纵杆的操作设备用于控制机器人运动。示教器单元进一步包括可视显示单元，以及包括使动设备和紧急停止按钮的安全装置。为了在在线编程期间示教机器人，沿着所期望的操作路径将机器人操纵到多个位置和方向。这些位置和方向作为指令存储在控制单元的存储器中。基于特定的位置和方向，生成机器人程序。

工业机器人可以在两种不同的模式下被操作：示教模式和运行时模式。当机器人在示教模式时，机器人的移动由便携控制设备12所控制。当机器人在运行时模式时，根据控制程序的指令控制机器人的移动。机器人操作者使用用于手动控制机器人的移动的操作设备，例如，来对机器人示教或者编程以跟随操作路径。控制单元提供有用于在示教模式和运行时模式之间切换的开关14。控制设备12适于生成有关用户指示的针对工具中心点的移动的信息并且将有关指示移动的信息发送到控制单元10。控制单元10适于从用户操作控制设备12接收有关指示的移动的信息，并且基于该信息在示教模式期间控制机器人臂的移动。

图2示出了机器人控制单元10的示例的框图。控制单元包括用于存储机器人控制程序的程序存储器20，该机器人控制程序包括程序指令，该程序指令包括对于操作器的移动指令，用于从用户操作控制设备12接收移动指令的通信模块22，以及适于执行所存储的机器人程序指令和从控制设备12接收到的移动指令的执行器24。

控制单元10进一步包括运动规划器26，其适于接收来自程序执行器17的指令并且基于该指令确定操作器应当怎样移动从而能够执行针对机器人的移动指令。运动规划器经常被表示为路径规划器。运动规划器26适于执行机器人臂3的移动的插值。运动规划器26基于从执行器24接收到的指令确定机器人路径，并且生成参考值，该参考值包括对于致动机器人臂关节的移动的电机的位置、速度和加速度的期望值。运动规划器规划应当怎样通过实行移动的插值来执行指示的移动。插值包括将指示的移动分成多个小的增量，并且针对每个增量计算对于机器人的所有轴的关节角度。关节角度意味着机器人臂的轴的角度。在该实施例中，运动规划器计算针对增量的结束位置的关节角度。然而，在另一实施例中，计算增量的另一位置的关节角度是可能的，例如，计算增量的中间位置的关节角度。

在示教模式期间，对于每个插值步骤，运动规划器适于检查是否任何计算出的机器人臂的关节角度接近其关节限度。这例如通过将针对增量的结束位置计算出的关节角度与对于机器人轴的关节角度的限度值相比较并且检查是否任何关节角度超过了关节限度预定限度值来完成。例如，预定限度值为两度。限度值为关节限度留出了安全余量。控制单元也包括优化模块27，其适于根据来自运动规划器的命令来在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到关节限度的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。

优选地，优化模块适于搜索增加到关节限度的距离而保持到关节限度的安全距离的新的关节配置。安全距离适合在1-3度之间。到关节限度的安全距离给关节限度留出了安全余量。所需的安全距离取决于增量的长度。增量越长，安全距离就必须越大。例如，选择如前面所述的预定限度值的距离。到优化模块的输入是计算出的关节角度并且从优化模块的输出是取代了计算出的关节角度的新的关节角度。如果任何计算出的关节角度接近其关节限度，运动规划器适于运行优化模块，并且用从优化模块接收的新的关节角度取代针对增量所计算出的关节角度。

可选地，运动规划器适于在示教模式期间检查机器人臂是否接近奇点，并且如果是这样的话，运行优化模块。在该情况下，优化模块适于根据来自运动规划器的命令在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到奇点的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。优选地，优化模块适于搜索增加到奇点的距离同时保持到奇点的安全距离的新的关节配置。

可选地，运动规划器适于在示教模式期间检查机器人臂是否接近机器人的工作空间中的物理障碍，并且如果是这样的话，运行优化模块。在该情况下，优化模块适于根据来自运动规划器的命令在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到机器人的工作空间中的物理障碍的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。优选地，优化模块适于搜索增加到物理障碍的距离同时保持到障碍的安全距离的新的关节配置。例如，控制单元包括用于存储有关机器人的工作空间中的障碍的位置和形状的信息的数据存储器，并且运动规划器适于基于计算出的关节角度确定机器人臂的位置，以及通过将机器人的位置与工作空间中的障碍的位置相比较来确定机器人臂是否接近工作空间中的障碍。

当机器人在示教模式时，若需要，运动规划器适于运行优化模块。然而，当机器人在运行时模式时，运动规划器适于不对是否机器人臂接近关节限度、奇点或者物理障碍实行任何检查，并且相应地，不运行优化模块。因此，优化模块仅在示教模式期间运行并且从不在运行时模式期间运行。

当运动规划器确定了针对增量的机器人臂的关节角度，确定了的关节角度被转换为电机参考。如果机器人在示教模式，确定了的关节角度被存储并且基于所存储的关节角度生成机器人控制程序。运动规划器将计算出的电机参考传递到伺服控制器28。机器人控制单元10包括多个伺服控制器28，其根据从运动规划器接收的参考值调节机器人关节的位置。机器人控制单元10也包括多个驱动设备30。机器人控制单元包括一个伺服控制器和一个针对机器人的每个关节的驱动设备。机器人的每个关节提供有致动关节的移动的电机M，和用于测量关节的角度的诸如解角器R的设备。来自解角器R的输出信号被送回到伺服控制器28。伺服控制器28将来自运动规划器26的参考值与从解角器R接收的测量到的角度值相比较并且基于此生成对驱动设备30的控制信号。

机器人控制器包括软件和诸如输入和输出装置的硬件，处理器单元包括一个或更多中央处理器(CPU)用于处理机器人控制器的诸如执行机器人控制程序、运行路径规划、为机器人的驱动单元提供关于操作器移动的指令之类的主要功能。

图3示出了所指示的移动A-B的示例。在移动的插值期间，所指示的移动被分成多个小的增量I₁、I₂、I₃-I_n。增量是所指示的移动的一小部分。运动规划器适于对每个增量实行插值步骤。插值步骤包括针对增量的结束位置40计算机器人臂的关节角度。

图4示出了根据本发明的用于控制包括具有冗余数量关节的机器人臂的机器人的方法的示例的流程图。所理解的是，每个流程图的框可以被计算机程序指令所实施。

在框40，移动指令被接收。在示教模式期间，接收来自用户操作控制设备12的移动指令。在运行时模式期间，接收来自程序存储器20的移动指令。执行器24处理移动指令并且进一步基于所指示的移动提供指令到路径运动规划器。在框42，执行器24将针对移动的指令发送到运动规划器26。运动规划器接收来自执行器24的指令并且启动所指示的移动的插值。在框44，所指示的移动被分成多个较小的增量，并且在框46-56，对每个增量实行插值步骤。在框46，插值步骤包括计算对于增量的结束位置的关节角度。存储计算出的关节角度。在框48，运动规划器检查机器人是在示教模式还是在运行时模式。如果机器人在运行时模式，在框56，基于所存储的针对第一增量的关节角度生成用于伺服控制器28的参考值。对每个增量重复步骤46和56，直到最后的增量在框60被处理。

在框48，如果机器人在示教模式，在框50，运动规划器通过将计算出的关节角度与对于关节的限度值相比较来检查是否任何针对增量的结束位置所计算出的关节角度接近其关节限度。如果没有关节接近其关节限度，在框56，基于所存储的针对增量的关节角度生成用于伺服控制器28的参考值。如果任何关节接近其关节限度，在框52，运行优化模块27。优化模块在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到关节限度的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。该搜索能够怎样被实行将在下文中以更多细节所描述。在框54，运动规划器用从优化模块接收的新的关节角度取代前面所计算出的关节角度，并且在框56，基于新的关节角度生成用于伺服控制器的参考值。在框46-56，对所有增量重复插值循环，直到最后的增量在框60被处理。根据所确定的关节角度移动机器人。

图5示出了说明根据本发明的用于控制运动冗余机器人的方法的另一示例的流程图。在该示例中，该方法包括附加的步骤：在框70，检查机器人臂是否接近奇点，以及如果是这样的话，在框52，运行优化模块，其在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到奇点的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。进一步地，该方法包括附加步骤：在框72，检查机器人臂是否接近机器人的工作空间中的物理障碍，以及如果是这样的话，运行优化模块并且在冗余机器人臂的零空间中搜索增加到障碍的距离而不改变工具中心点的新的关节配置。

对于如图1所示的运动冗余7自由度的机器人，当机器人臂的肘部15被移动时，可以将工具中心点TCP的位置和机器人臂的基座3上的位置保持不动。这导致被称为“自运动”的物理现象，其是关节的连续运动而使得机器人手以及相应地工具接口不运动。肘部位置的一个自然的表示是机器人臂的“臂角度”。可以以许多不同的方式执行在零空间中的机器人配置的优化。一个示例公开在专利文件US5,430,643中。US5,430,643教导了一种优化机器人的臂-角度的方法。在US5,430,643中很好地限定了运动冗余机器人的臂角度。接下来，对如何执行7自由度的机器人的优化的另一示例进行描述。

在该示例中，使用牛顿-拉普森优化方法来优化机器人臂的臂-角度，从而目标函数f达到所期望的目标值f_des。

在一个维度，牛顿-拉普森更新看起来像

$X_{i+1}=X_i-\frac{(f\left(X_i\right)-f_{\mathrm{des}})}{f^{\′}\left(X_i\right)}$

其中f’是f关于X的导数。函数f由下列之一选出：

1.到最近关节限度的距离

2.机器人和障碍之间的距离

3.到奇点的距离

因为仅有一个冗余的自由度，在同一时间仅可能关于一个准则进行优化。接下来，假设关节限度距离是生效的准则。因此，f为下面的函数：

f(θ)＝min{θ_i-β_i，min，β_i，max-θ_i}

其中i＝1，...，7并且β_i，min和β_i，max是对于关节i的下关节限度和上关节限度。如果f为负数，那么违反了关节限度。为了具有一些对于关节限度的余量，距离应当至少为β_des度。现在，计算f关于臂-角度的导数。臂-角度是全部七个关节的高非线性函数。使用机器人臂的雅可比矩阵来表达关节速度和笛卡尔速度之间的线性关系：

$\stackrel{\·}{X}=J\left(\mathrm{\θ}\right)\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}$

在上面的等式中，

是关节速度

到

的矢量，以及

是由工具中心点(TCP)线速度和旋转速度以及臂-角度速度

构成的矢量。构建矢量使得

是最后的分量。

现在，我们想搜索关节角度调整Δθ，其保持TCP位置和方向，但允许臂-角度改变。因此，

$\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=J\left(\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{\Δ\θ}$

给出了用于臂-角度的单位变化所需的关节-角度调整的等式。所注意的是，该等式是在配置θ₁的机器人运动的线性化，所以其仅在θ附近的小邻域内有效。我们会通过在每次臂-角度的更新之后再次解逆运动而进行补偿。解上面的矩阵等式给了我们针对牛顿-拉普森更新所需的导数：

$f^{\′}={\left(\begin{array}{c}{J}^{-1}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right]\end{array}\right)}_k$

其中k是最接近关节限度的关节的标号。针对臂-角度的更新步骤现在看起来像：

${\mathrm{\α}}_{i+1}={\mathrm{\α}}_i-\frac{f({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{des}})}{f^{\′}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}$

给定新的臂-角度，对所期望的TCP位置和方向再次解逆运动。继续更新循环直到下面之一为止：

1.|f(θ)-β_des|＜ε，即，我们得到收敛

2.J变得奇异，在该情况下没有能增加到针对关键关节的

关节限度的距离的零空间运动。

相反，如果到附近障碍或者奇点的距离正在限制机器人的运动，那么以相似的方式实行优化。可以以类似于上面示例的方式获得函数f和其导数而有着不改变工具中心点的约束。

Claims (15)

1.一种工业机器人，包括：

-机器人臂(1)，具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度中移动的工具接口(7)，以及相对于所述工具接口所限定的工具中心点(TCP)，

-用户操作控制设备(12)，其用于在示教模式期间手动控制所述工具中心点的移动，并且适于生成有关用户指示的针对所述工具中心点的移动的信息，以及

-控制单元(10)，适于从所述用户操作控制设备接收有关指示的移动的所述信息，并且基于所述信息在所述示教模式期间控制所述机器人臂的移动，其中所述控制单元包括运动规划器(26)，所述运动规划器适于通过实行包括多个插值步骤的所述指示的移动的插值而确定所述机器人臂应当怎样移动从而能够执行所述指示的移动，每个插值步骤包括针对所述指示的移动的增量计算所述机器人臂的关节角度，以及优化模块(27)，其适于在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述关节限度的距离而不改变所述工具中心点，其特征在于对于每个插值步骤所述运动规划器适于检查是否任何所述机器人臂的所述关节接近其关节限度，以及如果是这样的话，运行所述优化模块并且用所述新的关节配置的关节角度取代针对所述增量所计算出的关节角度。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其中所述控制单元(10)适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且所述运动规划器(26)适于检查所述控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且仅当所述控制单元在示教模式时运行所述优化模块以及当所述机器人在运行时模式时省略所述优化模块。

3.根据权利要求2所述的工业机器人，其中所述运动规划器(26)适于如果所述控制单元在示教模式，检查是否所述机器人臂的任何所述关节接近其关节限度，并且如果所述控制单元在运行时模式，所述运动规划器不检查是否所述机器人臂的任何所述关节接近其关节限度。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的工业机器人，其中所述机器人臂(1)具有七个自由度，并且所述优化模块一起使用优化方法和7x7雅可比矩阵来搜索所述臂的零空间。

5.根据权利要求4所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置使得在保持到所述关节限度的安全距离的同时增加到所述关节限度的距离。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到奇点的距离而不改变所述工具中心点，所述控制单元(10)适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且对于每个插值步骤所述运动规划器(26)适于检查所述控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且，如果所述控制单元在示教模式，检查所述机器人臂是否接近于奇点，以及如果是这样的话，运行所述优化模块以及用所述新的关节配置的关节角度取代针对所述增量所计算出的关节角度。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述机器人的工作空间内的物理障碍的距离而不改变所述工具中心点，所述控制单元(10)适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且对于每个插值步骤所述运动规划器(26)适于检查所述控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且如果所述控制单元在示教模式，检查每个插值步骤所述机器人臂是否接近于所述机器人的工作空间中的物理障碍，以及如果是这样的话，运行所述优化模块以及用所述新的关节配置的关节角度取代针对所述增量所计算出的关节角度。

8.根据权利要求7所述的工业机器人，其中所述控制单元(10)包括用于存储关于所述机器人的工作空间中的障碍的位置和形状信息的数据存储器，并且所述运动规划器适于基于所述计算出的关节角度确定所述机器人臂的位置，以及通过将所述机器人的位置与所述工作空间中的障碍的位置比较而确定所述机器人臂是否接近于所述工作空间中的障碍。

9.一种用于控制工业机器人的方法，所述工业机器人包括具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度移动的工具接口(7)的机器人臂(1)，其具有相对于所述工具接口所限定的工具中心点(TCP)，以及用于在示教模式期间手动控制所述工具中心点的移动的用户操作控制设备(12)，其中所述方法包括：

-接收来自所述用户操作控制设备的有关用户指示的移动的信息，

-将所述指示的移动分成多个增量，

-通过对每个增量实行插值步骤而针对每个所述增量确定所述机器人臂的关节角度，包括基于所述指示的移动针对所述增量计算关节角度，以及

-基于所述确定的关节角度控制所述机器人臂的运动，其特征在于所述插值步骤包括下面的优化步骤：

-基于所述计算出的关节角度和对于所述关节的限度值，检查是否任何所述机器人臂的所述关节接近其关节限度，并且如果是这样的话，

-在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述关节限度的距离而不改变所述工具中心点，以及

-用所述新的关节配置的关节角度取代所述计算出的关节角度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括检查所述机器人是在示教模式还是在运行时模式，并且当所述机器人在示教模式时执行所述优化步骤以及当所述机器人在运行时模式时省略所述优化步骤。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述搜索是针对在保持到所述关节限度的安全距离的同时增加到所述关节限度的距离的新的关节配置所做出的。

12.根据权利要求9-11中任意一项所述的方法，其中所述优化步骤进一步包括：

-检查所述机器人臂是否接近于奇点，并且如果是这样的话，以及

-在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述奇点的距离而不改变所述工具中心点。

13.根据权利要求9-12中任意一项所述的方法，其中所述优化步骤进一步包括：

-检查所述机器人臂是否接近于所述机器人的工作空间中的物理障碍，并且如果是这样的话，在所述冗余机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述障碍的距离而不改变所述工具中心点。

14.根据权利要求9-13中任意一项所述的方法，其中在所述冗余机器人臂的零空间中搜索的所述步骤包括使用优化方法来优化所述机器人臂的所述臂-角度。

15.根据权利要求9-14中任意一项所述的方法，其中所述机器人臂具有七个自由度，并且所述优化模块一起使用优化方法和7x7雅可比矩阵，所述雅可比矩阵为所述机器人提供了关节速度和笛卡尔速度之间的关系以搜索所述臂的所述零空间。

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