CN105473289A - 操纵器的能量优化配置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于配置操纵器进程的方法，该操纵器进程具有预设运动阶段(9)和可变运动阶段(10)，根据该方法在可变运动阶段(10)中设定操纵器进程的运动学参量，以减少能量参量。

Description

操纵器的能量优化配置

技术领域

本发明涉及一种用于配置操纵器进程、特别是机器人进程的方法和一种用于配置操纵器进程的配置装置。

背景技术

工业应用中的操纵器、特别是机器人通常执行重复的、结构化的任务。为此，大多数情况下需要提前通过操纵器控制器和相应的编程装置来预先给定操纵器的轨迹。

这样的轨迹通常由多个不同的轨迹区段组成。例如，如果应该通过操纵器所引导的粘合剂分配器在工件上产生多个粘接迹线，其中，粘接迹线在几何形状上被设置为，每个粘接迹线均构成由粘接迹线所限定的矩形的一侧，则每个粘接迹线均对应于一预设的轨迹区段，该轨迹区段在对应的预设运动阶段被驶入。

在两个相邻的预设运动阶段之间，操纵器必须相应地调整其运动方向，以便例如能够进入下一个粘接迹线。

一般情况下，整个轨迹上的不同的预设运动阶段不仅具有不同的运动方向，而且关于操纵器的其他状态、特别是关于运动学参量也可以是有差别的。这种运动学参量特别可以是操纵器的位置、速度和/或加速度。在粘接进程的上述示例中，这样的差别可以涉及到例如操纵器以之设置粘接迹线并用于调整粘接迹线厚度的速度。这样的粘接迹线例如可以通过预设的操纵器的恒定速度来实现，从而使得粘接迹线获得恒定的厚度。

相应地，为了从一个预设运动阶段转换到另一个预设运动阶段，除了调整方向之外，在大多数情况下还需要调整操纵器的一个或多个其他的运动学参量。

根据企业内部的实际情况，这种调整目前是以下述方式进行的：操纵器在开始新的预设运动阶段之前被制动并相应地调节其位置，特别是使工具升高或下降，然后再对操纵器加速。这些调整大多关系到能量接收和/或能量消耗。

在此，并非总是必须或可能在两个预设运动阶段之间的过渡点上才调整操纵器的状态。例如，在两个预设运动阶段之间的过渡点上(其定义了轨迹的方向变换)，允许操纵器与将发生这种过渡的预设轨迹区段之间存在位置偏差。在此已知的是，操纵器在这些区域中是通过所谓的“飞越”或“拖拽(Verschleifen)”从一个轨迹区段转换到下一个轨迹区段，因此操纵器在过渡期间的运动会偏离预设的轨迹区段。由此可以在上述示例中避免：当在两个彼此相接的预设运动阶段之间进行方向变换时，在对应的预设轨迹区段之间的过渡点上必须位置准确地驶过所存在的拐角。在这种情况下，操纵器进程包括预设运动阶段和可变运动阶段，而两个预设运动阶段之间的过渡通过该可变运动阶段来表述。

因此，例如专利文献EP0706104B1教导了一种用于在已编程轮廓中拖拽非相切区域的方法，特别是应用于数控工具机控制器中。在此需要近似地确定机器轴在飞越元件内部的走向。其目的是由此来设计一种用于在已编程轮廓中拖拽非连续区域的方法，以便能够限制会因此而有条件地发生在机器轴中的轴速度跃变和在此基础上的加速度冲量(Beschleunigungsimpulse)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的操纵器进程。

本发明的目的通过一种具有权利要求1所述特征的、用于配置操纵器进程的方法来实现。权利要求11要求保护一种配置装置，权利要求12要求保护一种用于执行相应方法的计算机程序，权利要求13要求保护一种相应的计算机程序产品。根据本发明的优选扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的用于配置操纵器进程的方法可以特别用于配置由一个或多个特别是协作式机器人执行的机器人进程。

操纵器进程具有一个或多个预设运动阶段和一个或多个可变运动阶段。预设运动阶段特别可以基于加工和/或运输任务被预先设定或是被预先设定的，例如基于由一个或多个机器人驶过的加工或运输轨迹，例如粘接、焊接或喷漆轨迹或者从输送带接收或放置在输送带上。本发明意义上的可变运动阶段特别可以是一个或多个机器人的自由转移轨迹，这种自由转移轨迹使一个或多个机器人从一个预设状态转换到另一个预设状态中，特别是还有静止状态中，而不需要例如基于由一个或多个机器人驶过的加工或运输轨迹来预先设定。可变运动阶段特别也可以是不实行加工进程(例如粘接、焊接或喷漆)的轨迹。在此情况下，这些预设状态的过渡特别是可以发生在前一运动阶段的终点和下一个预设运动阶段的开头。在本发明中，优选将预设运动阶段与可变运动阶段之间或可变运动阶段与预设运动阶段之间发生变换的时间点称为过渡。

相应地，在可变运动阶段与前一预设运动阶段和/或后一预设运动阶段之间的过渡上预先设定操纵器进程的运动学参量。例如，粘接带末端上的位置和速度和接下来将要驶过的粘接带开始时的位置和速度可以根据粘接进程来设定，也就是说，对粘接进程的设定在预设运动阶段中具有粘接带的形状，在可变运动阶段中具有去往下一个粘接带的转移轨迹的形状，并从该可变运动阶段到紧接着的运动阶段中的过渡开始又再次具有粘接带的形状。

根据本发明的一个方面，在一个或多个可变运动阶段中，特别是完全在一个或多个可变运动阶段期间自动地预先设定一运动学参量，以降低一能量参量。

由此，例如可以在操纵器支持的粘接进程中，有利地使机器人在一粘接迹线末端上的动能能够被用于使机器人行进到下一个粘接迹线开始的地方，而无需使机器人完全停止并且机器人的动能在此也没有在未被利用的情况下转换成热量。

本发明意义下的操纵器进程可以是由操纵器组目的明确地执行的过程，特别是粘接进程、焊接、挤压链接进程、焊接电流(Schweiβstrom)、轴或其他驱动器的运行。在此，操纵器组特别可以包括一个或多个操纵器、特别是机器人，但是也可以包括其他的装置，例如附加轴、输送带、工具等。操纵器进程可以包括以算法运行的信息处理。进程特别可以是通过程序来控制的过程，这样的程序特别是为了实施而需要处理器，该处理器优选由控制装置提供。

本发明意义下的运动阶段特别是指操纵器进程的使操纵器进程的状态具有确定的值的时间区段或轨迹区段。操纵器进程的状态在下文中特别是指参与操纵器进程的一个或多个装置、特别是一个或多个操纵器的物理状态，也就是操纵器组的状态。在运动阶段期间，这样的状态具有确定的值。例如，一个或多个操纵器可以具有确定的位置、速度、加速度等。这些确定的位置、速度、加速度至少部分可以被预先设定或是被预先设定的。操纵器进程的状态同样可以根据操纵器进程的或者说参与操纵器进程的装置的预设状态和/或辅助条件来获得。例如，一个或多个操纵器、特别是其中一部分操纵器可以具有确定的势能和/或动能，和/或操纵器进程的一个或多个状态特别是在一定的界限之内可以是变化的。

本发明意义下的设定可以包括特别是自动的设定，这种设定特别可以通过配置装置来进行。优选地，设定与操纵器进程的状态、特别是操纵器组的一个或多个操纵器的状态和/或操纵器组的一个操纵器的一个或多个工具的状态有关。设定可以与操纵器组的一个或多个工件有关。附加地或替换地，设定可以通过与操纵器组配合作用的装置进行通讯。

本发明意义下的装置可以通过硬件技术和/或软件技术地实现。该装置特别可以是优选与存储系统和/或总线系统进行数据或信号连接的处理单元，特别是数字处理单元，尤其是微处理器单元(CPU)，和/或可以具有一个或多个程序或程序模块。CPU可以被设计用于：执行被设计为存储在存储系统中的程序的指令，检测数据总线的输入信号和/或将输出信号输送到数据总线上。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质，特别是光学、磁性、固体和/或其他非易失性的介质。程序可以被设计为能够体现或实施在此描述的方法，从而使CPU能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够对操纵器进程进行配置或设定。

配置装置特别可以具有用于一个或多个机器人的机器人控制器，特别可以是用于一个或多个机器人的机器人控制器。配置装置同样可以是与机器人控制器配合作用的装置，特别是优选与输入接口相连的PC。配置装置特别可以被设置用于通过网络、特别是互联网对操纵器进程进行配置。

本发明意义下的运动学参量可以是操纵器进程的状态。优选运动学参量描述了点或本体在空间中的位置和/或运动，特别是操纵器组的一个或多个组件的位置和/或运动。因此，运动学参量可以是位置、速度、加速度和/或这些参量的时间导数。运动学参量也可以包括动态参量，特别是操纵器组和/或操纵器进程的模型的参数，特别是微分方程的和/或传递函数的参数。运动学参量特别是还可以包括力或力矩。运动学参量可以是一维或多维的。

本发明意义下的能量参量特别是包括描述了系统、场和/或其中部件的能量状态的参量。在本发明意义下，能量参量可以包括任何能够与机器相关联地出现的能量，特别是动能和/或势能。此外，能量参量可以包括能量损失，特别可以是能量损失。附加地或替代地，能量参量可以包含电能或热能。能量参量也可以包括另一能量参量的导数和/或积分，因此能量参量特别可以是功率。能量参量可以是能量、特别是动能和/或势能的映射(Abbildung)或者说函数。这样的映射特别可以是优化问题、尤其是最小化问题的性能泛函数或性能函数。

通过根据本发明的对运动学参量的设定来降低可变运动阶段内的能量参量，可以更好地、有利于能量优化地预先设定特别是两个预设运动阶段之间的过渡阶段。由此可以有利地使操纵器进程更有效地运行。附加地或替代地，还可以由此使操纵器进程更准确和更安全地运行，因为通过对运动学参量进行相应的能量优化设定，还可以有利地使操纵器组中的机械冲击(例如振动)最小化，或者说特别是只在机械冲击(例如振动)不与操作者设定的或需要遵循的辅助条件相冲突的地方允许这种机械冲击(例如振动)。

在一种优选的扩展方案中，操纵器进程具有两个或多个预设运动阶段。在此，第一预设运动阶段优选刚好在根据本发明预设的可变运动阶段开始之前终止。在一种实施方式中，第一预设运动阶段的结束点和可变运动阶段的开始点在时间上重合。附加地或替代地，第二预设运动阶段优选刚好在可变运动阶段之后结束。在一种实施方式中，可变运动阶段的结束点和第二预设运动阶段的开始点在时间上重合。由此可以有利地使两个由操作者预先设定的运动阶段(对应于这两个运动阶段的预设轨迹区段彼此无关)彼此交错地进行。

优选操纵器进程包括多个可变运动阶段。这些可变运动阶段特别可以分别通过预设运动阶段来分开。例如，用于矩形粘接的进程可以包括四个预设运动阶段，在这些预设运动阶段之间设有四个可变运动阶段。优选预设运动阶段和可变运动阶段构成一个周期性操纵器进程。由此可以有利地实现对特别是分段式的周期性操纵器进程的简单配置。

在本方法的一种实施方式中，将基于多个运动阶段来设定一运动学参量。这些运动阶段特别可以包括预设运动阶段，特别可以是预设运动阶段。附加地或替代地，这些运动阶段可以包括可变运动阶段，特别可以是可变运动阶段。在一种实施方式中，一可变运动阶段中的运动学参量将基于操纵器进程的所有其余的可变运动阶段和/或所有的预设运动阶段来设定。在一种实施方式中，将基于所有其他的运动阶段来设定一运动学参量。特别是可以基于动态编程来实现对运动学参量的设定，在此特别是要考虑到整个操纵器轨迹、也就是所有的运动阶段。例如，可以将具有四个预设运动阶段和四个可变运动阶段的一个粘接进程期间的速度设定为，能够使能量存储器所提供的能量被优化地用于运动。由此可以有利地在包含整体性辅助条件的情况下实现对可变运动阶段的简单配置。

在本方法的一种优选的扩展方案中，选择性地设定不同的运动学参量。特别是在可变运动阶段中，可以首先设定加速度，然后再设定速度或位置。还可以选择性地和/或交替地设定加速度、速度和/或力。特别是可以在可变运动阶段期间设定操纵器的停止。特别是可以在可变运动阶段期间、优选实时地执行对预设运动学参量的转换，由此可以确保这种转换在一定的预设时间内结束。优选提前规定好各种运动学参量之间的顺序转换。特别是可以规定好优先权，以便能够在不同的运动学参量之间选择出应当被转换的。由此可以有利地实现对可变运动阶段的灵活设定。

在一种优选的扩展方案中，基于对能量参量的最小化来设定运动学参量。例如可以使操纵器粘接进程所需的电能最小化。特别可以通过优选为性能矢量函数的性能函数来描述能量参量，该性能函数包括运动学参量。替代地可以将能量参量描述为性能泛函数，该性能泛函数包含一个或多个运动学参量的多个函数。附加地或替代地，可以将运动学参量设定为，使得运动学参量可以能量参量优化问题的辅助条件被遵循。优选将运动学参量设定为极值参量这样的极值参量特别可以包括确定的位置或位置的函数，最大速度和/或最大加速度或者说延迟，其特别是不可以被某个操纵器的轴超过。

这样的极值参量特别还可以是由操纵器组的操纵器施加在对象上的最大力，该最大力不允许被超过。除了最大值之外，运动学参量作为极值参量也可以包括最小值，特别是不能被低于的速度。由此可以有利地将能量参量减少到局部最小值或整体性最小值，特别是在遵循预先设定的最大值和/或最小值的情况下。

在一种优选的扩展方案中，运动学参量包括用于执行操纵器进程的一个或多个操纵器的一个或多个轴的时间导数，特别是速度和/或加速度。由此可以有利地减少操纵器的某个轴和/或附加轴或整个操纵器的能量参量。本发明意义下的操纵器的轴特别可以包括优选具有电机、制动器和/或传感装置的驱动系统。此外，操纵器的轴也可以包括机器人的结构元件，特别是臂、摇臂和/或工具。轴特别也可以涉及到操纵器组的能量存储器。具有类似于特别是与操纵器配合作用的结构的轴可以表示操纵器的附加轴。

在一种优选的扩展方案中，基于操纵器的待运动的轴的柔性、阻尼、摩擦和/或惯性来设定运动学参量。在此，运动学参量特别可以基于阻抗来设定，在此，本发明意义下的阻抗包括力和速度的商这样的机械参量。特别可以将操纵器组中固有的能量存储器描述为阻抗，其特别是包含有可以基于运动学参量来描述和/或可以被能量参量所包括并能够从中减去的能量。因此可以有利地使用在轻型机器人中由于弹性而结构性存在的能量存储器。

在一种优选的扩展方案中，基于一个或多个与另外的一个或多个操纵器相耦合的操纵器的一个或多个能量产生阶段(generatorischerPhasen)来设定运动学参量。在此，能量产生阶段可以是预设运动阶段的部分或可变运动阶段的部分。能量产生阶段优选包括由于操纵器的电机制动所导致的延迟。在此产生的能量可以被用于另一轴的运动，特别是另一机器人的轴的运动，在此，两个机器人优选特别是通过中间回路来电耦合。提供能量的操纵器特别可以是操纵器进程的操纵器组的组件，或者可以在另一操纵器组中运行。优选将运动学参量设定为，使得由能量产生阶段提供的电能特别能够在可变运动阶段期间完全被转换成机械能，特别是被转换成动能和/或势能。由此可以有利地降低操纵器在操纵器进程期间的能量需求。此外，还可以因此有利地减少机械能到热能的消耗。

在一种优选的扩展方案中，基于能量存储器中的可支配能量来设定运动学参量。本发明意义下的能量存储器特别可以包括电能存储器，优选包括电池、蓄电池和/或电容器。本发明意义下的能量存储器也可以是机械能量存储器，其存储动能和/或势能。能量存储器特别可以是操纵器组的一部分。能量存储器也可以被理解为操纵器的一个或多个轴和/或附加轴。特别是可以将能量存储在旋转的电机中。优选将运动学参量设定为，能够使操纵器在可变运动阶段期间接收和/或发出一定的能量。由此可以有利地将可变运动阶段的运动设定为，能够减少或避免从外部电源接收能量。

在一种优选的扩展方案中，优选可以将前述扩展方案的特征彼此组合。

附图说明

下面将参照附图给出本发明的其它扩展方案以及优点、特征和可能的应用。这些附图局部示意性地示出：

图1：根据本发明一种实施方式的用于配置操纵器进程的方法；和

图2：根据本发明另一种实施方式的用于配置操纵器进程的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一种实施方式的用于配置操纵器进程的方法。图中示出了操纵器组1，其具有工件2和操纵器，该操纵器具有两个线性轴3、4，这两个线性轴可以彼此正交地运动，在此，一个轴根据其工具中心点(TCP)来引导打胶枪5。通过操纵器组执行的操纵器进程的目的在于，在工件2上设置直线式的粘接迹线6(图1中的虚线)，以便将工件2接合在另一工件(未示出)上。为了对操纵器3、4、5的用于产生粘接迹线6的轨迹进行编程，首先对由矩形7构成的轨迹进行辅助性配置。然后配置辅助条件，这些辅助条件代表为了产生所期望的粘接迹线6而与轨迹有关的其它要求。首先，将矩形轨迹7上的区段9定义为关于特定位置8的辅助条件，该区段9可以通过操纵器轨迹来遵循。对于在此所示出的根据本方法的实施方式，对操纵器在四个分别通过相应的位置8所定义的直线轨迹区段上的运动的设定对应于四个应设置粘接迹线6的预设运动阶段9。

在这些预设运动阶段9之间进行的在角部轨迹区段上的运动代表可变运动阶段10，在这些可变运动阶段期间，轨迹特别可以被自由地选择且仅由位置辅助条件来决定，以使彼此相继的粘接迹线6或预设运动阶段9的结束点和开始点8彼此连接，或使打胶枪5在该结束点和开始点之间转移。

可以将不能被低于的最小速度v_min设定为整体性辅助条件，其不仅在预设运动阶段9期间被遵循，而且在可变运动阶段10期间也被遵循。

在考虑到这些辅助条件的情况下，通过对可变运动阶段的改变，使作为能量参量的操纵器进程总能量最小化。如果该优化问题的技术方案取得了一个以上的针对四个可变运动阶段10的技术方案，那么就应用另一标准，以便将这些可选择的技术方案合并成一个唯一的技术方案。在该实施例中所选择的是可以利用整个进程的最高平均速度来实现的技术方案。作为该方法的结果就是针对可变运动阶段10分别产生弧形的操纵器轨迹，该弧形的操纵器轨迹在预设运动阶段9与可变运动阶段10之间的过渡8处，特别是在位置、移动方向、速度和加速度上是一致的，从而特别是在过渡期间不会例如由于驱动信号中的跃变而使操纵器产生机械冲击。该技术方案的另一部分是获得操纵器的轴3、4的速度迹线作为运动学参量，该速度迹线在任何时间点上均不低于所设定的最小速度v_min。由此使得操作者能够简单地对粘接迹线6进行配置，并通过该操纵器进程来高品质地产生该粘接迹线。

图2示出了根据本方法另一种实施方式的流程图，该流程图用于执行焊接应用。在此，首先在步骤S10中关于[s_ges]设定一个范围，焊接机器人不得离开该范围。此外，通过对将由机器人拉出的各种焊缝进行配置，在机器人的笛卡尔坐标系x、y、z中定义预设运动阶段s_vor(x,y,z)。这些焊缝在此具有一定的形状，并且为了形成均匀的焊缝，这些焊缝必须以同样预设的速度拉出。

在随后的步骤S20中定义了辅助条件，该辅助条件可以适用于整个焊接进程或仅适用于一个或多个可变运动阶段。

在此，针对可变运动阶段设定轨迹区段，这些轨迹区段分别使两个预设运动阶段的对应轨迹区段彼此连接。围绕每个轨迹区段定义一软管形的变化区域。该变化区域分别定义了各个轨迹区段的容许偏差x、y、z，这些偏差在可变运动阶段内是允许的。除此之外，附加或替代地可以关于轨迹区段的各个轨迹点相应地定义一球形的变化区域。

然后在步骤S30中将功率P定义为能量参量。该功率为机器人所实现的笛卡尔速度和引导焊钳所必需的力的乘积。从现在起，运动学参量位置、速度和加速度在可变运动阶段期间被自动地确定为，使功率最小化。

通过该优化控制问题的技术方案，可以确定焊接进程的变化阶段s_var(x,y,z)。其结果是在步骤S40中针对可变运动阶段的运动学参量获得这样的迹线：这些迹线使操纵器进程的功率吸收最小化。

最后，在步骤S50中，通过预设运动阶段和可变运动阶段定义整个操纵器进程s_ges，并将其载入到焊接机器人的控制器上(未示出的)。

附图标记列表

1操纵器组

2工件

3操纵器轴

4操纵器轴

5具有打胶枪的TCP

6粘接迹线

7矩形辅助轨迹

8位置辅助条件

9预设运动阶段中的轨迹

10可变运动阶段中的轨迹。

Claims (13)

1.一种用于对操纵器进程、特别是机器人进程进行配置的方法，所述操纵器进程具有：

至少一个预设运动阶段(9)和

至少一个可变运动阶段(10)，

其中，关于在所述预设运动阶段中的一个预设运动阶段与所述可变运动阶段中的一个可变运动阶段之间的过渡，设定所述操纵器进程的运动学参量，并且

其中，在所述可变运动阶段(10)中自动地将所述运动学参量设定为，使得能量参量减少。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操纵器进程包括至少两个预设运动阶段(9)，其中，第一预设运动阶段在一个可变运动阶段(10)之前终止，并且第二预设运动阶段在该可变运动阶段(10)之后开始。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于多个运动阶段(9、10)、特别是整个操纵器进程来设定所述运动学参量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，选择性地和/或分段地设定不同的运动学参量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于对所述能量参量的最小化来设定所述运动学参量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动学参量包括用于执行所述操纵器进程的操纵器和/或操纵器组的至少一个轴(3，4)的时间导数，特别是速度和/或加速度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于时间导数的极值参量和/或基于力和/或力矩的极值参量来设定所述运动学参量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述操纵器的待运动的轴(3、4)的柔性、阻尼、摩擦和/或惯性来设定所述运动学参量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于至少两个能量耦合的操纵器中的其中一个操纵器的至少一个能量产生阶段来设定所述运动学参量。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于能量存储器中的能量来设定所述运动学参量。

11.一种用于配置操纵器进程的配置装置，其特征在于，将该装置设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

12.一种计算机程序，当所述计算机程序在根据前面权利要求所述的配置装置中运行时，所述计算机程序执行根据前面任一项权利要求所述的方法。

13.一种计算机程序产品，其具有程序代码，所述程序代码被存储在可机读的载体上并包括根据前面权利要求所述的计算机程序。