CN110069063B - 在调试运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法 - Google Patents

Abstract

在调试运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法。本发明涉及用于在调试机器的运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法，其中：提供用户界面，用户能经由用户界面来规定运动规划器的参数化数据，其中参数化数据包括机器模型和周围环境模型；基于经由用户界面规定的参数化数据来确定在配置空间中机器的无碰撞的和有碰撞的运动空间，其中配置空间是位置矢量的空间，位置矢量分别表示所述机器的空间方位；确定关于无碰撞的和/或有碰撞的运动空间的一个或多个特征；针对特征的至少一部分中的一个相应的特征，检查预先给定的合理性检查标准，其中在不满足合理性检查标准的情况下，经由用户界面来产生以报警的形式的输出。

Description

在调试运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在调试机器的运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品和一种计算机程序。

背景技术

在很多技术领域，使机器自动化地运动，用来执行某些任务。这种机器的示例是工业机器人、医疗设备或机床。通常，在机器的自动化的运动的情况下使用运动规划器，所述运动规划器是如下程序，所述程序确定机器的适当的运动轨迹，使得在该机器的构件或周围之间不出现碰撞。

运动规划器通常是一般性的程序，这些一般性的程序可以被用于不同的机器类型和空间环境。为了使运动规划器与当前的现实情况适配，在对其进行调试时，由用户经由用户界面对参数化数据进行规定。这些参数化数据包括机器模型和周围环境模型。机器模型尤其描述了机器的几何尺寸，而周围环境模型包含该机器应该在其中运行的周围环境的几何尺寸。

在对运动规划器的参数化之后，在将该运动规划器用于控制相对应的机器的情况下，计算无碰撞的运动轨迹（只要存在），这些无碰撞的运动轨迹分别在机器的配置空间中的由用户规定的初始配置与目标配置之间延伸。按照相应的轨迹来控制该机器，使得该机器沿着该轨迹在空间内运动。

在对运动规划器的参数化结束之后，常常确定出：针对多个初始配置与目标配置的规划询问需要很长的计算时间来确定无碰撞的轨迹或完全不能找到无碰撞的轨迹。寻找缓慢的或失败的规划询问的原因困难而且如今需要专业知识。因此值得期望的是，在运动规划器的参数化的范围内对该运动规划器进行调试时识别参数化数据是否有错误或有问题，使得在稍后使用该运动规划器时避免问题。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于在调试机器的运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的方法，利用该方法来给用户关于在运动规划器的参数化数据中的可能的错误或问题的信息。

该任务通过按照专利权利要求1的方法或按照专利权利要求10的设备或按照专利权利要求14的计算机程序产品或通过按照专利权利要求15的计算机程序来解决。本发明的扩展方案在从属权利要求中限定。

按照本发明的方法用于在调试机器的运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助。在此，运动规划器是规划程序，该规划程序可以通过适当的计算机来实施而且用于确定机器在空间内的无碰撞的运动。在此，机器的概念应该宽泛地来理解而且在这种情况下可以涉及任意的技术设备或技术系统，该技术设备或技术系统被设置用于实施自动化的运动。该机器尤其可包括工业机器人或医疗设备、尤其是成像设备，诸如X光机或核磁共震成像仪。同样，该机器可包括机床。

在按照本发明的方法的范围内，提供如下用户界面，用户可以经由该用户界面来规定运动规划器的参数化数据。在一个变型方案中，该规定可以通过经由用户界面、例如借助于键盘和/或计算机鼠标直接输入参数化数据来实现。同样，参数化数据可以事先已经数字地寄存在相对应的存储器上，使得用户在这种情况下通过经由用户界面说明相对应的数字数据来对参数化数据进行规定。

在按照本发明的方法的范围内使用的用户界面可以不一样地来设计而且可包括不同的输入和输出装置。优选地，用户界面拥有可视的显示设备、诸如显示器，借助于该显示设备来规定参数化数据而在该显示设备上显示更下面描述的报警。

参数化数据包括机器模型和周围环境模型，其中机器模型尤其包含机器的几何尺寸。与此相应地，周围环境模型描述了机器应该在其中运行的周围环境的几何尺寸。

在按照本发明的方法的范围内，基于经由用户界面规定的参数化数据来确定在配置空间中机器的无碰撞的和有碰撞的运动空间，其中该配置空间是位置矢量的空间，所述位置矢量分别表示机器的空间方位。这些位置矢量的录入项尤其包含机器的相应的轴的可能的位置。因此，该配置空间是与位置矢量中的录入项的数目相对应的多维空间。该配置空间通过机器模型来得出。

无碰撞的运动空间能被理解为配置空间中的如下区域，在该区域内在机器的组成部分之间或者与其它对象没有出现碰撞。不同于此，有碰撞的运动空间描述了配置空间中的如下这种位置，在所述位置处，在机器的部分之间或与其它对象存在碰撞。对无碰撞的和有碰撞的运动空间的相对应的确定本身已知而且因此没有进一步予以描述。

在确定无碰撞的和有碰撞的运动空间之后，确定关于该无碰撞的和/或有碰撞的运动空间的一个或多个特征。紧接着，针对特征的至少一部分中的一个相应的特征，检查预先给定的合理性检查标准，其中在不满足该合理性检查标准的情况下，经由用户界面来产生以报警的形式的输出。

特征的概念这里以及在下文应该宽泛地来理解。尤其是，一个特征不是必须由单个值组成，而是该特征也可以描述复杂的关系并且为此也可包括多个变量值。

按照本发明的方法的特点在于：在对运动规划器进行调试时，参数化数据被分析，以便识别出可能的弱点并且向用户指明所述可能的弱点。因此，在不请教规划专家的情况下，就可以识别出在参数化中的问题而且可以在将规划用于控制真实的机器之前进行适当的适配。

本发明所基于的知识在于：通过关于无碰撞的或有碰撞的运动空间的特征可以非常好地识别出利用相对应的运动规划器的稍后的运动规划是否可能导致问题。

在一个优选的变型方案中，按照本发明的方法与运动规划器相结合地来使用，该运动规划器能用不同的规划算法来运行，其中这些规划算法必要时可以经由用户界面来规定。在此，报警包括针对这些规划算法中的如下至少一个规划算法的推荐，该至少一个规划算法最适合于所规定的参数化数据。相对应的推荐的示例在详细的描述中给出。

在另一优选的变型方案中，确定无碰撞的运动空间的体积与配置空间或者有碰撞的运动空间的体积的比例，作为（经检查的）特征，其中当该比例超过预先给定的阈值时，满足合理性检查标准。在这种情况下，利用了如下知识：无碰撞的运动空间的小的体积常常导致运动规划的失败或导致计算时间长。

在按照本发明的方法的另一设计方案中，确定在配置空间中单独的连贯的无碰撞的区域的数目以及必要时也包括其方位和/或体积，作为（经检查的）特征，其中当只有一个连贯的区域时，满足该合理性检查标准。在一个连贯的区域内，每对两点都可以通过运动轨迹到达，而不离开该区域。该变型方案基于如下知识：在有多个单独的连贯的无碰撞的区域的情况下，运动规划常常失败，因为在对初始配置和目标配置的选择不利的情况下，每个运动轨迹必须总是穿过两个单独的连贯的无碰撞的区域之间的有碰撞的区域。

在按照本发明的方法的另一设计方案中，经由用户界面输出的报警包括机器模型和/或周围环境模型可能有错误的提示。该变型方案优选地与之前描述的两个实施方式相结合。尤其是当上述合理性检查标准有关作为特征的无碰撞的运动空间的体积的比例被检查时，输出如下提示：机器模型可能有错误。与此相应地，在经检查的特征包括在配置空间中的单独的连贯的无碰撞的区域的数目的情况下，优选地输出如下提示：周围环境模型可能有错误。该提示例如可能在于：机器的组件可能会过于粗略（也就是说详细程度不足）地来建模或错误地放置。该提示同样可能在于：对象、诸如人为障碍物可能过大地建模。在详细的描述中，再次提到了相对应的提示的具体的设计方案。

在按照本发明的方法的另一变型方案中，在确定无碰撞的和有碰撞的运动空间的范围内，对配置空间进行采样，而且针对每个采样值确定该采样值（也就是说在配置空间中的相对应的位置矢量）是否导致碰撞。因此，基于采样地来确定这些运动空间的体积和方位。

在刚才描述的实施方式的一个优选的变型方案中，在对配置空间的采样的范围内，关于采样值的总数来确定相应的机器组件在有碰撞的配置空间中出现的频率，作为（经检查的）特征。在此，当至少一个机器组件的出现的频率超过预先给定的阈值时，不满足合理性检查标准，其中针对其频率超过预先给定的阈值的每个机器组件的报警都包含如下提示：该机器组件可能不恰当（例如过大或过于粗略）地建模。以这种方式，借助于报警来输出关于有问题的机器组件的详细信息。

在按照本发明的方法的另一设计方案中，经由用户界面还能规定具有在配置空间中机器的初始配置和目标配置的规划询问，其中基于所确定的规定在配置空间中单独的连贯的无碰撞的区域的方位和体积的特征来确定该规划询问是否能解答，其中在不能解答该规划询问的情况下，经由用户界面输出报错。特别是，当初始配置和目标配置在不同的单独的连贯的无碰撞的区域内时或当初始配置和/或目标配置在单独的连贯的无碰撞的区域之外时，不能解答该规划询问。

在本发明的其中经由用户界面同样能规定具有机器的初始配置和目标配置的规划询问的另一设计方案中，在对所规定的规划询问进行处理的范围内，计算在初始配置与目标配置之间的多个运动轨迹，直至找到在无碰撞的运动空间中的运动轨迹或者中断标准被满足。在此，针对所计算的运动轨迹，关于所计算的运动轨迹的总数确定相应的机器组件在有碰撞的运动空间中出现的频率，而针对其频率超过预先给定的极限值的机器组件，经由用户界面来输出报警提示。用户以这种方式获得对可能过大或过于粗略地建模的机器组件的提示。

除了上面描述的方法之外，本发明还涉及一种用于在调试机器的运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的设备，其中该设备被设立用于执行按照本发明的方法或按照本发明的方法的一个或多个优选的变型方案。

本发明还涉及一种机器，该机器能通过运动规划器来控制，其中该机器包括刚才描述的按照本发明的用于在调试该运动规划器时进行计算机辅助式的用户辅助的设备。

本发明还包括一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有存储在机器可读载体上的程序代码，用于当该程序代码在计算机上实施时执行按照本发明的方法或按照本发明的方法的一个或多个优选的变型方案。本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序具有程序代码，用于当该程序代码在计算机上实施时执行按照本发明的方法或按照本发明的方法的一个或多个优选的变型方案。

附图说明

随后，本发明的实施例依据随附的附图进一步予以描述。

其中：

图1示出了具有基于本发明的一个实施方式的用于进行用户辅助的设备的医疗设备的示意图；而

图2示出了阐明执行按照本发明的方法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

随后，按照本发明的方法的一个变型方案示例性地依据以C形臂的形式的医疗设备的运动规划来阐述。

图1示出了具有前面的C形的X光装置1a的C形臂1，该前面的C形的X光装置1a可通过铰链装置1b移动到关于未示出的患者的多个位置，以便对患者身体的某些区域进行X光检查。为了C形臂实施不导致与自己或周围的对象的碰撞的运动，使用以程序的形式的运动规划器BP，该程序在计算机2中实施。运动规划器被设计用于针对不同类型的C形臂使用而且在不同的空间环境中使用。因此，必须针对运动规划器来规定参数化数据。这些参数化数据经由用户界面3来输入而且被寄存在运动规划器BP中。为此，用户界面包括以屏幕4的形式的可视的显示装置以及键盘5。

为了在实际实施运动规划器来操控C形臂1之前确定在参数化数据中的可能的错误，使用在下文描述的用于进行用户辅助的方法，该方法通过在计算机2中的程序代码来实现。在此应注意：该方法不一定必须在用于控制真实的机器的计算机上运行。更确切地说，该用于进行用户辅助的方法也可以与所要控制的机器无关地在计算机上结合用户界面来实施，该计算机具有存储在那里的运动规划器。接着，在借助于该用于进行用户辅助的方法对运动规划器进行参数化之后，该规划器必须被传输到相对应的计算机上用来控制机器。

按照图2的方法，对已经由用户经由用户界面3输入的参数化数据PD进行处理。这种参数化数据本身已知而且包括机器模型MM和周围环境模型UM。机器模型MM尤其描述了相对应的机器的几何尺寸，该机器在图1的示例中是C形臂。周围环境模型UM描述了在机器周围的空间的现实情况、尤其是在机器所处的空间内的墙壁和天花板以及其它对象的位置。替代经由用户界面来直接输入参数化数据，用户也可以以其它方式来规定这些数据，例如其方式是该用户经由用户界面来规定应该从中读出参数化数据的文件。

在读入参数化数据PD之后，在图2的步骤S1中，确定在配置空间KO中机器的无碰撞的运动空间KF和有碰撞的运动空间KB，其中该配置空间是位置矢量的空间，这些位置矢量包含机器的相应的轴的可能的位置，作为录入项。在此，针对录入项中的每个录入项都存在值域，该值域描述了可能的轴值。这些值对于铰链轴来说是角度说明而对于伸缩轴来说是长度说明。

配置空间KO通过机器模型MM来给出。在配置空间KO中，无碰撞的运动空间KF描述了如下区域，在所述区域内，在机器组件之间或在机器与其它对象之间不可能发生碰撞。与此相应地，在配置空间KO中，有碰撞的运动空间KB描述了如下区域，在所述区域中，在机器组件之间或在机器与其它对象之间发生碰撞。

在确定运动空间KF和KB之后，在图2的步骤S2中，确定关于无碰撞的或有碰撞的运动空间的一个或多个特征ME。针对这些特征中的一个或多个特征，在步骤S3中，检查预先给定的合理性检查标准PK，其中在不满足该合理性检查标准的情况下，经由用户界面来输出报错WA。

在下文给出了特征ME以及基于这些特征ME的报警WA的示例。在一个变型方案中，可以确定无碰撞的配置空间的相对体积、也就是说无碰撞的运动空间与整个配置空间的比例，作为特征ME。在这种情况下，合理性检查标准PK是针对该体积的阈值，在低于该阈值时，不满足该标准。换言之，通过合理性检查标准来指出：无碰撞的运动空间很小并且因此碰撞的危险高。在所描述的场景下，在不满足该合理性检查标准时输出如下报警WA，该报警通知用户在机器模型中可能有错误而机器的各个组件可能会过于粗略（也就是说细微性不足）地建模或者错误地放置。

如果在规划器BP的情况下使用不同的规划算法应该会是可能的，则在输出报警WA的范围内必要时也可以根据无碰撞的配置空间的相对体积来给出对于适当的规划器的建议。在此，通过报警提示，在体积较小时建议具有对称的搜索的规划器，而在体积较大时推荐基于采样的规划器。所提到的类型的规划器对于本领域技术人员来说充分已知。

在另一实施方式中，确定在配置空间中的单独的连贯的无碰撞的区域的数目，作为特征ME。在此，在一个连贯的区域内，每对两点都可以通过运动轨迹到达，而不离开该区域。在这种情况下，合理性检查标准PK被设计为使得该合理性检查标准只在单一的单独的连贯的无配置的区域的情况下满足。如果存在多个单独的连贯的无碰撞的区域，则这表明在周围环境模型UM中有错误。因此，在这种情况下，输出如下报警WA，该报警指出：对象、诸如出于安全原因加入的人为障碍物可能建模得过大或建模在错误的位置。

在一个优选的实施方式中，如果将刚才描述的变型方案与其中能使用不同的规划算法的运动规划器相结合，则通过报警在单独的连贯的区域的数目较多时推荐基于树的规划算法，而在连贯的区域较少时建议基于路线图（Roadmap）的规划算法。所提到的类型的规划器对于本领域技术人员来说充分已知。

在按照本发明的方法的另一变型方案中，通过在配置空间中的采样来确定有碰撞的和无碰撞的运动空间。在此，以适当的方式（例如随机地）在配置空间中对多个位置矢量进行采样，其中针对这些矢量确定机器的机器组件是否处在有碰撞的配置空间中或机器的哪些机器组件处在有碰撞的配置空间中。据此，通过如下方式来确定相应的机器组件在有碰撞的配置空间中的相对频率：将对于被采样的位置矢量来说机器组件在有碰撞的配置空间中出现的次数除以被采样的位置矢量的总数。

在刚才描述的实施方式中，合理性检查标准PK被设计为使得：当至少一个机器组件的相对频率超过预先给定的阈值时，输出报警WA。在这种情况下，在该报错中也说明了哪些机器组件已经超过该阈值。用户还获得如下提示：这些机器组件在机器模型中可能会过大或过于粗略地建模。

在图2的方法的范围内确定的特征ME必要时也可以被用于分析向运动规划器BP提出的规划询问。在这种情况下，经由用户界面3也可以输入或规定以在机器的配置空间中的初始配置和目标配置的形式的规划询问。接着，通过单独的连贯的无碰撞的区域的方位和体积的特征，可以确定：初始配置和目标配置是否处在不同的无碰撞的区域内或者初始配置和/或目标配置是否处在无碰撞的区域之外。如果情况如此，则对于机器来说不存在无碰撞的运动轨迹。在这种情况下，经由用户界面来输出报错，该报错表明该规划询问不能解答。

在另一变型方案中，如果运动规划器BP应该被设计为使得该运动规划器为了确定在初始配置与目标配置之间的适当的运动轨迹而有关有无碰撞来测试多个轨迹，则在处理规划询问时也可以确定相应的机器组件对于被测试的运动轨迹来说有多频繁地处在有碰撞的运动空间内。换言之，针对相应的机器组件，求对于被测试的运动轨迹来说相应的机器组件在有碰撞的运动空间中出现的次数与轨迹的总数之商。如果该频率应该超过针对一个或多个机器组件预先确定的极限值，则经由用户界面针对这些机器组件中的每个机器组件来输出如下信息：该机器组件可能建模得过大或过于粗略。

本发明的在前面描述的实施方式具有一系列优点。尤其是，在调试运动规划器时向用户自动化地给出关于在运动规划器的参数化中的可能的错误的提示，而为此不需要专家的帮助。这使规划器的调试加速并且降低了请教规划专家的成本。此外，按照本发明的方法必要时也可以在规划询问方面对用户进行辅助而且向用户指出不能实施的规划询问或在运动模型或周围环境模型中的可能的错误。

Claims (15)

1.一种用于在调试机器（1）的运动规划器（BP）时进行计算机辅助式的用户辅助的方法，其中：

- 提供用户界面（3），用户能经由所述用户界面来规定所述运动规划器（BP）的参数化数据（PD），其中所述参数化数据（PD）包括机器模型（MM）和周围环境模型（UM），其中所述机器模型（MM）包含所述机器（1）的几何尺寸而所述周围环境模型（UM）包含所述机器（1）应该在其中运行的周围环境的几何尺寸；

- 基于经由所述用户界面（3）规定的参数化数据（PD）来确定在配置空间（KO）中所述机器（1）的无碰撞的和有碰撞的运动空间（KF、KB），其中所述配置空间（KO）是位置矢量的空间，所述位置矢量分别表示所述机器（1）的空间方位；

- 确定关于无碰撞的和/或有碰撞的运动空间（KF、KR）的一个或多个特征（ME）；

- 针对所述特征（ME）的至少一部分中的一个相应的特征（ME），检查预先给定的合理性检查标准（PK），其中在不满足所述合理性检查标准（PK）的情况下，经由所述用户界面（3）来产生以报警（WA）的形式的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述运动规划器（BP）能用不同的规划算法来运行，其中所述报警（WA）包括针对所述规划算法中的如下至少一个规划算法的推荐，所述至少一个规划算法最适合于所规定的参数化数据（PD）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定无碰撞的运动空间（KF）的体积与配置空间（KO）或者有碰撞的运动空间（KB）的体积的比例，作为特征（ME），其中当所述比例超过预先给定的阈值时，满足所述合理性检查标准。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定在所述配置空间（KO）中的单独的连贯的无碰撞的区域的数目，作为特征（ME），其中当只有一个单独的连贯的无碰撞的区域时，满足所述合理性检查标准（PK）。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述报警（WA）包括所述机器模型（MM）和/或所述周围环境模型（UM）可能有错误的提示。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在确定所述无碰撞的和有碰撞的运动空间（KF、KB）的范围内，对所述配置空间（KO）进行采样，而且针对每个采样值来确定所述采样值是否导致碰撞。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在对所述配置空间（KO）的采样的范围内，相应的机器组件关于采样值的总数在有碰撞的配置空间（KB）中出现的频率被确定为特征，而且当至少一个机器组件的出现的频率超过预先给定的阈值时，不满足所述合理性检查标准，其中针对其频率超过预先给定的阈值的每个机器组件的报警（WA）都包含如下提示：所述机器组件可能不恰当地建模。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中经由所述用户界面（3）还能规定具有所述机器（1）的初始配置和目标配置的规划询问，其中基于所确定的规定在所述配置空间（KO）中单独的连贯的无碰撞的区域的方位和体积的特征来确定所规定的规划询问是否能解答，其中在不能解答所述规划询问的情况下，经由所述用户界面（3）来输出报错。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中经由所述用户界面（3）还能规定具有所述机器（1）的初始配置和目标配置的规划询问，而且在对所规定的规划询问进行处理的范围内，计算在初始配置与目标配置之间的多个运动轨迹，直至找到在无碰撞的运动空间（KF）中的运动轨迹或者中断标准被满足，其中针对所计算的运动轨迹，关于所计算的运动轨迹的总数确定相应的机器组件在有碰撞的运动空间（KB）中出现的频率，而针对其频率超过预先给定的极限值的机器组件，经由所述用户界面（3）来输出报警提示。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述机器（1）包括工业机器人或医疗设备或者机床。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述机器（1）包括成像设备。

12.一种用于在调试机器（1）的运动规划（BP）时进行计算机辅助式的用户辅助的设备，所述设备包括：

用户界面（3），用户能经由所述用户界面来规定所述运动规划器（BP）的参数化数据（PD），其中所述参数化数据（PD）包括机器模型（MM）和周围环境模型（UM），其中所述机器模型（MM）包含所述机器（1）的几何尺寸而所述周围环境模型（UM）包含所述机器（1）应该在其中运行的周围环境的几何尺寸；

计算装置（2），所述计算装置被设立用于

- 基于经由所述用户界面（3）规定的参数化数据（PD）来确定在配置空间（KO）中所述机器（1）的无碰撞的和有碰撞的运动空间（KF、KB），其中所述配置空间（KO）是位置矢量的空间，所述位置矢量分别表示所述机器（1）的空间方位；

- 确定关于无碰撞的和/或有碰撞的运动空间（KF、KR）的一个或多个特征（ME）；

- 针对所述特征（ME）的至少一部分中的一个相应的特征（ME），检查预先给定的合理性检查标准（PK），其中在不满足所述合理性检查标准（PK）的情况下，所述计算装置（2）触发经由所述用户界面（3）以报警（WA）的形式的输出。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备被设立用于执行根据权利要求2至11之一所述的方法。

14.一种机器，所述机器能通过运动规划器（BP）来控制，其中所述机器（1）包括根据权利要求12或13所述的用于在调试所述运动规划器（BP）时进行计算机辅助式的用户辅助的设备。

15.一种机器可读载体，其上存储有程序代码，用于当所述程序代码在计算机上实施时执行根据权利要求1至11之一所述的方法。

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