CN110587595A - 运行机器人的方法、数据存储器、机器人和机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运行机器人的方法、数据存储器、机器人和机器人系统。为了将工具(4)定位在目标姿态，使用不同的坐标系和其相对于彼此的关系。特别是，预先给定具有处于机器人(10)的机器人底座(11)上的原点的位置固定的参考坐标系{0}和具有处于工具(4)上的原点的目标坐标系{r}。在此，目标坐标系{r}的z轴对应于工具(4)的预先给定的轴。通过预先给定的轴(15)的朝向和与轴(15)不平行的、参考坐标系{0}的坐标轴的方向向量的第一叉积，以及通过第一叉积的结果和预先给定的轴(15)的朝向的第二叉积，计算目标坐标系{r}的x轴和y轴的朝向。

Description

运行机器人的方法、数据存储器、机器人和机器人系统

技术领域

本发明涉及一种运行机器人的方法、具有相应的程序代码的数据存储器、相应的机器人和相应的机器人系统。

背景技术

在许多技术和工业领域中，具有可移动的机器人臂的机器人目前日益广泛地得到应用。这些机器人例如可以将部件或者工具以预先给定的朝向或者取向、即以预先给定的姿态，定位在空间中的预先给定的位置处。这一般是6D问题，即具有6个维度或者6个维度内的问题。这是针对位置的3个点坐标或者空间坐标以及针对朝向的3个角度。如果相应的部件或者工具在两个不同的姿态之间移动，则因此通常伴随着机器人或者工具的旋转或者旋转运动。这可能导致布置在部件或者工具上或者布置在机器人上的标记(标记可以以本身已知的方式用于跟踪(Tracking)部件或者工具或者机器人)，移动到相应的检测装置(例如照相机)的检测范围之外，或者例如被机器人遮挡。

然而，如果要移动的部件或者工具围绕特定的预先给定的轴的旋转，对于工具的应用或者功能不重要，则6D问题减少一个维度，成为5D问题，因为围绕相应的预先给定的轴的旋转，对于部件或者工具在预先给定的姿态的正确布置，没有有效的作用。可以有利地利用这种情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，使得能够实现机器人对工具或者部件的定位以及改善的可跟踪性。

根据本发明，上述技术问题通过本发明的主题来解决。在下面的描述中给出本发明的有利的设计方案和扩展方案。

根据本发明的方法用于运行机器人，以便将特别是围绕预先给定的轴在功能上旋转对称的工具定位在目标姿态。在此，机器人具有机器人底座和连接到机器人底座的可移动的机器人臂，在机器人臂的远端端部上，即在背对或者远离机器人底座的端部上，布置有机器人凸缘，在机器人凸缘上直接或非直接地、即至少间接地保持工具。在此，机器人底座例如相对于机器人所处的空间的固定的空间坐标系，和/或相对于工件或者目标物体，固定或者刚性地定位。也就是说，机器人、特别是工具相对于该工件或者目标物体定位，例如以便与工件或者目标物体集成，或者以便使得能够以预先给定的方式与工件或者目标物体相互作用。机器人臂相对于机器人底座、因此特别是也相对于目标物体可移动。为此，机器人臂优选可以具有例如通过相应的关节和/或旋转轴实现的至少6个自由度。因该，机器人例如可以是常规的工业机器人或者医疗机器人，特别是轻型机器人。

在此，术语“工具”可以非常宽泛地解释，并且原则上可以包括由机器人保持或者引导的任意物体，即例如也包括工件或者半成品等。在优选的应用情况下，目标物体例如可以是患者。然后，工具例如可以是用于针、注射器等的引导套(NGS，英语：“Needle-GuideSheath(针引导套)”)。然后，可以预先给定该引导套的目标姿态，使得通过布置在目标姿态的引导套引导针或者注射器，然后针或者注射器可以沿预先给定的移动方向或者从预先给定的移动方向到达患者上的预先给定的目标点。在该示例中，可以特别直观地理解，围绕引导套的纵向轴的旋转不重要，也就是说，在针或者注射器沿着该纵向轴被引导通过引导套时，对于引导套的应用或者功能没有影响。在本发明的范围内，机器人和工具的相应的定位特别是完全在患者外部进行，特别是在与患者没有接触的情况下进行。因此，根据本发明的方法的应用明显不是外科手术步骤。然而，也可以想到其它应用，例如用于组装复杂的组件和/或用于材料加工等。在后一种情况下，例如在定位钻头等时出现的围绕其纵向轴的旋转不重要，因为在应用钻头时，钻头本来就围绕该纵向轴旋转。

也就是说，一般来说，根据本发明的方法可以特别有利地用于定位如下工具，即，该工具是旋转对称的，和/或该工具的功能、应用或者使用与在定位时关于至少一个轴的旋转或者转动位置无关，或者不受旋转或者转动位置影响或者损害。因此，相应的轴在几何方面和/或在功能方面可以是对称轴。也就是说，在下面可能使用的术语“对称轴”不应当单纯地理解为几何对称轴。例如在旋转方面，也可以围绕该轴给出离散的对称，也就是说，使得仅特定的离散角度值的旋转导致工具的相应的位置的几何对应。机器人、特别是在机器人凸缘上，也可以以围绕相应的轴可旋转或者可转动的方式保持工具。然后，在将工具定位在预先给定的目标姿态之后，例如使用者或者应用者可以将工具手动地移动到希望的旋转位置或者转动位置。

在根据本发明的方法中，预先给定工具的如下的相应的轴，即，如所描述的，围绕该轴的旋转不重要。此外，在根据本发明的方法中，预先给定笛卡尔参考坐标系{0}，其原点处于机器人底座上或者中。因此，该参考坐标系{0}具有3个分别两两相互垂直的坐标轴，在下文中将坐标轴表示为x₀,y₀和z₀，并且该参考坐标系{0}与机器人底座成预先给定的固定的或者恒定的空间位置关系。此外，预先给定笛卡尔目标坐标系{r}，其原点处于工具的一个点上，优选处于工具的尖端上，并且目标坐标系{r}具有与工具的预先给定的轴对应的z轴以及相应的x轴和y轴，x轴和y轴具有首先不确定的朝向。此外，作为工具的目标姿态的一部分，预先给定分别在参考坐标系{0}中表示的工具的点的3D空间坐标⁰t_r和预先给定的轴的朝向。随后，计算在参考坐标系{0}中表示的目标坐标系{r}的x轴和y轴的朝向。

为此，计算第一叉积和第二叉积。由预先给定的轴的预先给定的朝向，即目标坐标系{r}的z轴的朝向或者方向，和与其不平行或者与其不共线的参考坐标系{0}的坐标轴的方向向量，计算第一叉积。由第一叉积的结果，和在参考坐标系{0}中表示的预先给定的轴、即目标坐标系{r}的z轴的预先给定的朝向，计算第二叉积。随后，由分别在参考坐标系{0}中表示的目标坐标系{r}的坐标轴的朝向，并且由同样在参考坐标系{0}中表示的工具的点的3D空间坐标，以及由附加的1×4的行向量，产生4×4的矩阵，该矩阵定义目标坐标系{r}相对于参考坐标系{0}的姿态⁰H_r。该附加的1×4的行向量特别是可以具有(0,0,0,1)的形式，并且用于补足矩阵，使得矩阵获得方阵的形式。在此，数学对象⁰H_r可以是4×4的矩阵本身。该矩阵也称为相应的齐次矩阵或者完全齐次矩阵。

例如可以通过从提供的数据存储器调取相应的数据，和/或通过手动输入(例如通过图形用户界面)，来进行不同的预先给定。

在本发明的意义上，如在机器人技术领域常见的，姿态意为空间位置和朝向或者方向的组合。在此，朝向可以通过相应的向量、例如单位向量或者方向向量来给出或者定义。

在此，通过示例简短地说明这里使用的具有前置的上标和后置的下标的表示法。根据这种表示法，^AR_B表示坐标系{B}相对于坐标系{A}的朝向或者旋转，或者在坐标系{A}中表示的坐标系{B}的朝向或者旋转，其中，R可以是旋转矩阵。相应的内容例如适用于平移向量t，于是描述为^At_B，并且适用于齐次矩阵H，于是描述为^AH_B。根据这种表示法，在坐标系{A}中表示的坐标系{B}的坐标轴因此被描述为^Ax_B，^Ay_B，^Az_B。

换言之，也就是说，提出了一种确定或者计算目标坐标系{r}相对于位置固定的参考坐标系{0}的朝向或者取向的方法。因为目标坐标系{r}的z轴通过工具的预先给定的轴或者对称轴预先给定，因此本发明对于机器人控制技术领域的核心贡献在于，确定目标坐标系{r}的x轴和y轴或者确定其朝向或者取向。本发明的特别的特征和明显的优点在于，在将根据本发明的方法应用于机器人的运行时，得到工具的最小旋转。也就是说，本发明最终避免了工具的不必要的旋转运动。例如，如果在工具上或者在工具的区域中布置有用于跟踪工具或者机器人的标记，则这是特别有利的。通过由本发明产生的工具或者机器人的固有的最小旋转运动，可以有利地实现标记的改善的或者更可靠的可见性，因此可以实现工具或者机器人的改善的更可靠并且更安全的可跟踪性。特别有利地，通过本发明，这可以以解析的方式、即以唯一方式，以特别低的计算开销，在没有附加的部件开销的情况下实现。也就是说，可以有利地使用已有的硬件来实现本发明。本发明的意义上的标记是如下对象，即，该对象被设计为，可以从任意视角唯一地确定其在空间中的朝向。标记例如可以是光学或者电磁标记，其相应地例如可以使用照相机或者相应的传感器来检测。根据应用，例如可以使用可见光、红外光、射频、X射线等。

在本发明的有利的扩展方案中，通过第一叉积，作为下式来计算目标坐标系{r}的y轴的朝向⁰y_r：

⁰y_r＝⁰z_r x x₀。

通过第二叉积，作为下式来计算目标坐标系{r}的x轴的朝向⁰x_r：

⁰x_r＝⁰y_r x ⁰z_r。

这至少适用于如下情况，即，⁰z_r、即目标坐标系{r}的z轴、因此工具的预先给定的轴或者对称轴与参考坐标系{0}的x轴x₀不共线。

对于与工具的预先给定的轴对应的目标坐标系{r}的z轴、即z_r或者⁰z_r与参考坐标系{0}的x轴x₀平行或者共线的情况，通过第一叉积和第二叉积，作为下式来计算朝向⁰x_r和⁰y_r：

⁰x_r＝y₀ x ⁰z_r并且⁰y_r＝⁰z_r x ⁰x_r。

在此，以向量的形式，x₀和y₀分别给出了参考坐标系{0}的x轴和y轴，并且⁰x_r,⁰y_r,⁰z_r给出了在参考坐标系{0}中表示的目标坐标系{r}的坐标轴。换言之，对于工具的预先给定的轴随机地与参考坐标系的x轴x₀平行地取向的情况，代替x轴x₀，可以使用参考坐标系{0}的y轴y₀作为基准或者参考，来计算目标坐标系的x轴和y轴的朝向。可以推导出⁰z_r和x₀之间的角度，因为参考坐标系{0}的取向或者朝向是固定的并且是已知的。由此，在任意情况下，可以有利地实现旋转最小、即在可跟踪性和可见性方面特别可靠的工具到目标姿态的移动。然后，也就是说，特别有利地，这可以与工具的预先给定的轴的朝向无关地以相同的特别小的计算开销来实现。

在本发明的另一个有利的设计方案中，由给出工具的点、即例如工具的尖端和机器人凸缘之间的空间位置关系的预先给定的校准(Kalibrierung)，确定与姿态⁰H_r或者与目标坐标系{r}的相应的齐次矩阵对应的并且在目标坐标系{r}中表示的机器人凸缘的姿态或者齐次矩阵^rH_f。在此，指标f表示机器人凸缘或者机器人凸缘的笛卡尔坐标系，该坐标系的原点因此处于机器人凸缘中或者机器人凸缘上，并且可以直接在该坐标系中描述机器人凸缘的姿态。

校准例如可以在上面描述的方法步骤之前和/或例如在机器人每次启动或者每次投入使用时和/或例如在更换工具时执行一次。工具可以是可更换的，从而同一个机器人因此可以保持或者引导不同的工具。与此相对，机器人凸缘是机器人的整体组成部分。如果机器人凸缘处于姿态^rH_f，则由此确保工具处于预先给定的目标姿态。在此，工具的目标姿态到机器人凸缘的对应的姿态^rH_f的换算是特别有利的，因为其于是可以与使用什么工具或者工具相对于机器人凸缘以什么空间位置关系安装无关地，作为一般本来就存在的机器人的基于模型的控制或者运动学特性(Kinematik)的直接输入参量或者目标参量来使用。也就是说，由此，可以在对已有的机器人或者机器人控制器进行最小的修改的情况下，使用根据本发明的方法。

在本发明的有利的扩展方案中，为了进行校准，在工具上或者在机器人上，相对于工具的点以预先给定的位置关系布置标记、特别是光学标记。然后，借助相对于机器人底座以预先给定的位置关系布置的检测装置，在原点处于工具的点上的辅助坐标系{e}中，并且相对于首先具有不确定的朝向的目标坐标系{r}，检测光学标记。然后，由标记的相应的检测数据，确定辅助坐标系相对于机器人凸缘的空间位置关系、即朝向。然后，由在参考坐标系{0}中表示的目标坐标系{r}的轴的朝向和预先给定的机器人的前向运动学特性，利用目标坐标系{r}和辅助坐标系{e}的原点相同，确定机器人凸缘的姿态^rH_f。也就是说，标记可以以首先任意的空间位置关系和朝向布置。辅助坐标系{e}优选可以通过标记的相应的朝向，即依据标记的相应的朝向来预先给定或者确定。由此，使得能够有利地特别简单并且灵活地进行校准。

在本发明的有利的扩展方案中，由姿态⁰H_r和^rH_f，作为下式，相对于参考坐标系{0}或者以在参考坐标系{0}中表示的方式，确定与所确定的目标坐标系{r}的姿态⁰H_r对应的机器人凸缘的姿态⁰H_f：

⁰H_f＝⁰H_r ^rH_f。

在此，H相应地给出了对应的齐次4×4矩阵。换言之，也就是说，确定必须如何相对于参考坐标系{0}或者以在参考坐标系{0}中表示的方式定位机器人凸缘，以便使工具达到预先给定的目标姿态。这有利地使得能够特别简单地控制机器人，因为机器人凸缘总是与位置固定的机器人底座成已知的位置关系，并且例如通过机器人的预先给定的模型或者预先给定的运动学特性模型化。

在本发明的另一个有利的设计方案中，由所确定的参量和机器人的预先给定的运动学模型自动产生用于机器人的控制信号，通过控制信号使机器人从其相应的当前的姿态开始移动，使得工具达到或者转变到针对其预先给定的目标姿态。换言之，也就是说，本发明不仅例如用于理论上的或者基于模型的应用，而且用于机器人的实际运行。由此，也就是说，在实践中可以实现所描述的通过在控制机器人时应用根据本发明的方法而得到的优点。

在本发明的另一个有利的设计方案中，根据机器人的预先给定的运动学模型，自动检查机器人是否可以达到针对工具预先给定的目标姿态。在此，例如可能由于机器人的环境中的机械约束、机器人的关节的移动范围的限制、运动学模型中的奇点和/或其它原因而出现制约，这些制约可能阻止机器人达到预先给定的目标姿态。如果机器人不能达到或者调节到针对工具预先给定的目标姿态，则将目标坐标系{r}、即所确定的目标坐标系{r}的朝向，围绕其z轴交替地在正方向和负方向上，旋转预先给定的、逐渐增加的角度值，直至处于可达到的目标姿态为止。在此，对于每次旋转或者旋转运动，相对于相应的先前的旋转或者旋转运动，改变旋转方向，并且相应地接着使用比先前的角度值更大的角度值。也就是说，按照预先给定的序列设置、特别是增加旋转的角度(在其量值和其方向方面)。此外，在每次旋转或者旋转运动之后，重新执行是否可达到作为结果的目标姿态的检查。也就是说，同样可以在目标坐标系{r}的相应的旋转之后，确定机器人凸缘的相应的新的对应的姿态⁰H_f。作为角度增量，优选可以预先给定、即使用小的角度，例如最大15°的角度或者角度值，优选例如5°的角度或者角度值。

换言之，也就是说，对于第一次旋转，例如可以将目标坐标系{r}沿正方向旋转5°。如果还不能达到于是作为结果的目标姿态，则可以沿负方向旋转目标坐标系{r}。在此，可以将沿负方向的旋转的角度值增加一个角度增量，即于是例如增加到10°。由此，在该旋转之后，于是相对于沿正方向旋转之前的原始朝向，将目标坐标系{r}沿负方向旋转5°。如果也不能达到作为其结果的目标姿态，则可以从该新的位置出发，将目标坐标系{r}又沿相反方向，即沿正方向，旋转例如15°等。

通过这种方式，可以有利地自动特别可靠地找到如下目标姿态，该目标姿态以特别大的可能性进一步使得能够实现可见性或者可跟踪性，或者以尽可能低的程度限制可见性或者可跟踪性。因为工具相对于目标坐标系{r}的z轴是旋转对称的，和/或工具围绕该轴的旋转不重要，也就是说，对于机器人的控制或者运行可以忽略和/或不产生限制，因此目标坐标系{r}的旋转有利地对工具最终所采取的目标姿态没有实际影响。也就是说，目标坐标系{r}围绕其z轴的旋转，仅与用于调节或者驶近工具或者机器人凸缘的目标姿态的机器人臂的移动相关。在此明显可以看出，原来的定位问题如所说明的实际上是5D问题。

本发明的另一方面是具有程序代码的数据存储器，程序代码对根据本发明的方法的至少一个实施方式的方法步骤进行编码，或者表示根据本发明的方法的至少一个实施方式的方法步骤。也就是说，程序代码是处理器装置可执行的计算机程序产品，这又在自动实施或者执行根据本发明的相应的方法时产生。在此，程序代码可以以不同的编程语言编写。根据具体要求，例如可以使用C、C++、Java、Python、Octavia、MATLAB、Fortran等。

本发明的另一方面是具有用于控制机器人的控制装置的机器人。在此，该控制装置包括根据本发明的数据存储器和与数据存储器连接的处理器装置，处理器装置用于执行存储或者保存在数据存储器中的程序代码。此外，控制装置或者机器人具有用于接收预给定参数的接口。通过该接口，例如可以预先给定参考坐标系{0}、目标坐标系{r}和/或工具的目标姿态。接口因此可以是数据接口，数据接口可以与其它电子装置连接，例如与其它数据存储器、其它控制装置和/或用户接口连接。根据本发明的机器人因此可以被配置为用于执行或者实施根据本发明的方法，并且相应地根据本发明的机器人因此特别是可以是结合根据本发明的方法提到的机器人。根据本发明的机器人相应地也可以具有结合根据本发明的方法提到的特征和/或部件或者装置。

本发明的另一方面是机器人系统，该机器人系统包括根据本发明的机器人和用于检测布置在机器人上的至少一个标记的检测装置，检测装置与机器人耦合，并且以与该机器人成预先给定的位置关系的方式布置。在此，根据本发明的机器人系统被配置为，根据检测装置提供的标记的检测数据，自动确定标记的朝向、即标记的空间布置和位置。特别是，机器人系统被配置为，为了运行机器人或者在机器人运行时，使用所确定的标记的朝向，来例如进行结合根据本发明的方法说明的校准。换言之，也就是说，根据本发明的机器人系统被配置为实施或者执行根据本发明的方法的至少一个实施方式。根据本发明的机器人系统的检测装置和标记因此特别是相应地可以是结合根据本发明的方法提到的检测装置或者照相机，或者结合根据本发明的方法提到的标记，特别是光学标记。

迄今为止并且在下文中给出的根据本发明的方法的特征和扩展方案以及相应的优点，同样可以相应地转用于本发明的其它方面，即根据本发明的数据存储器、根据本发明的机器人和根据本发明的机器人系统和/或用于或者可用于执行根据本发明的方法的部件和装置，反之亦然。也就是说，本发明的各个方面的如下扩展方案也属于本发明，这些扩展方案具有这里例如仅针对这些方面中的一个和/或在相应的组合中未明确描述的设计方案。

附图说明

本发明的其它特征、细节和优点从下面对优选实施例的描述中以及根据附图得到。在此：

图1示出了用于说明根据现有技术的工具定位方法的示意图；

图2示出了用于说明工具定位方法的机器人系统的示意性透视图；

图3示出了相应的定位方法的示例性的示意性流程图。

具体实施方式

下面说明的实施例是本发明的优选实施方式。在这些实施例中，所描述的实施方式的部件分别是本发明的应当视为彼此独立的各个特征，这些特征相应地也彼此独立地扩展本发明，由此也可以单独或者在与所示出的组合不同的组合中视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以通过本发明的已经描述的特征中的其它特征来补充。

在附图中，相同、功能相同或者相互对应的部件或者元素可能相应地用相同的附图标记表示。

图1示出了用于说明根据现有技术的机器人定位方法的示意图。这里示出了处于开始姿态2和终止姿态3的常规机器人1。在此，在常规机器人1的端部处保持有工具4。在此，在常规机器人1的相对的端部处，即在常规机器人1的底座或者基座处，示出了基准坐标系5，基准坐标系5具有x轴x₀和以与其垂直的方式布置的另外两个坐标轴。在工具4的尖端上布置有另一个坐标系，该另一个坐标系具有x轴x_r和与x轴x_r垂直地布置的第二轴6。该另一个坐标系的第三轴沿着工具的如下预先给定的轴延伸，该预先给定的轴在此特别地是工具4的主延伸轴或对称轴。

为了使常规机器人1或者工具4从开始姿态2自动移动到终止姿态3，需要进行一些计算。为此，在迄今为止使用的已知方法中，张成平面7，使得工具4的对称轴以及基准坐标系5的原点处于或者包含在该平面7内。然后，可以定义x轴x₀或者第二轴6，使得其垂直于平面7延伸。

为了使常规机器人1或者工具4从开始姿态2移动到终止姿态3，尤其提供这里通过箭头示出的旋转8。在这里示出的示例中，在开始姿态2和终止姿态3，工具4的对称轴例如相对于基准坐标系5和/或相对于如下外部照相机具有相同的朝向，该外部照相机相对于基准坐标系5位置固定地布置。明显可以看到，终止姿态3的x轴x_r和第二轴6的朝向，与开始姿态2的x轴x_r和第二轴6的相应的朝向完全不同。其原因是，用于确定终止姿态3的工具4的朝向的工具4的尖端处的相应的坐标系，与平面7一起并且对应地与工具4一起旋转。在此，这在旋转后的平面9的位置处可以看到，平面9对应于旋转8之后的平面7。通过该旋转以及伴随其的x轴x_r和第二轴6的朝向从开始姿态2到终止姿态3的改变，固定在工具4上的标记以高的可能性可能落在被设置为用于跟随标记的照相机的视野之外。也就是说，这种常规方法是固有地基于旋转的，因此一般取决于明显的旋转运动。这在通过尽可能可以连续地看到相应的标记而可以进行可靠并且安全的跟踪的意义上是不希望的。为了避免这种情况，在此，提供另一种方法来确定终止姿态3的布置在工具4的尖端上的坐标系的朝向，下面说明这种方法。

图2示出了具有机器人10的机器人系统的示意性透视图。机器人10包括静止、即位置固定的机器人底座11。在此，机器人底座11相对于布置机器人10的周围空间是位置固定的。机器人10还包括可移动的机器人臂12，机器人臂12从机器人底座11开始延伸。在机器人臂12的远端处，即在背对机器人底座11的端部处，布置有机器人10的机器人凸缘13。在此，在该机器人凸缘13上又布置有用于保持工具4的连接元件14。在此，工具4围绕在此示意性地示出的预先给定的旋转轴或者对称轴15是旋转对称的。然而，代替旋转对称的工具4，也可以以相同的方式使用其它工具或者物体，这些工具或者物体也不需要是旋转对称的。然后，可以简单地预先给定或者定义特定的相应的轴。然后，围绕该轴的旋转被认为或者视为是无关的。

此外，在此，在工具4上布置有光学标记16。以本身已知的方式设计该标记16，使得从任意外部视角，即从每个任意的角度观察时，可以唯一地确定其朝向或者姿态。在此，为了检测标记16或者标记16的朝向或者姿态，即最终为了跟踪标记16，因此跟踪工具4，设有照相机17。因此，总是可以根据相应地通过照相机17拍摄的标记16的图像数据，来确定标记16的朝向，由此跟踪工具4或者机器人10。为此，特别是以与工具4、特别是与工具4的尖端成预先给定的空间位置关系的方式布置标记16。此外，在此，示出了与机器人10并且与照相机17连接的用于控制机器人10的控制装置18。机器人10、控制装置18和照相机17可以一起形成机器人系统或者机器人系统的一部分。控制装置18也可以是机器人10的一部分，然后例如可以将控制装置18集成到机器人10中。

图3示出了用于运行机器人系统的方法的示意性的示例性流程图18，所述方法用于将工具4定位在终止姿态3或者预先给定的目标姿态。现在，参考图2说明这种方法。

所述方法在方法步骤S1中开始。在此，例如可以激活机器人系统。在此，也可以预先给定或者提供机器人10的运动学模型，即，例如机器人10的基于模型的前向运动学特性

在方法步骤S2中，预先给定或者定义笛卡尔参考坐标系{0}和笛卡尔目标坐标系{r}。在此，参考坐标系{0}位置固定地布置在机器人底座11上。在此，参考坐标系{0}的原点和参考坐标系{0}的坐标轴x₀,y₀,z₀或者其朝向，总体而言即参考坐标系{0}的姿态，在机器人10运行时，特别是在机器人臂12移动时，保持不变。

目标坐标系{r}的原点布置在工具4的尖端上。目标坐标系{r}的z轴z_r与工具4的预先给定的对称轴15重合。

在此，目的是，最终确定或者计算机器人凸缘13的6D或者6-DoF姿态(DoF:“Degreeof Freedom”，自由度)，使得在达到该6D或者6-DoF姿态时，工具4的尖端在空间中处于预先给定的3D目标位置，并且对称轴15也沿预先给定的朝向或者方向延伸。在这里的示例中，工具4是用于针的引导套(NGS)。如果机器人凸缘13并且因此工具4处于相应的目标姿态，则于是可以将相应的针引导通过引导套，即通过工具4，以便从预先给定的方向，到达在此未图示的目标物体、例如患者的特定的预先给定的位置。工具4的准确的定位在医学领域可能特别重要，例如为了能够在没有伤害的情况下对患者进行治疗。然而，在其它应用领域，准确的定位当然也是重要和希望的。由于对称轴15的相应的预先给定，或者在此由于工具4关于预先给定的对称轴15的旋转对称性，很明显，通过工具4引导的针可以与工具4围绕对称轴15旋转了多大的角度无关地，从预先给定的方向到达预先给定的目标位置。这与严格来说破坏了工具4的纯粹的几何旋转对称性的工具4的详细构造无关，例如固定或者保持装置的布置、标记和/或等等。在此，工具4具有至少一个旋转对称的内部空间，相应的针可以与针围绕对称轴15的旋转位置无关地以相应地相同的方式被引导通过该内部空间。因此，工具4围绕对称轴15的旋转或者相应的角度是随意的，即可以在定位机器人凸缘13时任意选择或者调节。由此，将工具4定位在预先给定的目标姿态的问题因此实际上是5D问题。然而，为了尽可能持久并且连续地将标记16保持在照相机17的视野内，希望最小化或者甚至避免工具4围绕对称轴15的旋转。

就首先仅确定在工具4的目标姿态下要达到或者给定的目标坐标系{r}的姿态而言，将目标坐标系{r}的原点布置在工具4的尖端上，并且目标坐标系{r}的z轴z_r对应于工具4的对称轴15或者与其重合。

对于所述方法，假设或者假定可以在参考坐标系{0}中或者相对于参考坐标系{0}表示使用的任意笛卡尔坐标系，尤其是即目标坐标系{r}。

然后，在方法步骤S3中，作为在参考坐标系{0}中表示的目标坐标系{r}的z轴⁰z_r，并且作为同样在参考坐标系{0}中表示的工具4的尖端的目标点的3D空间坐标或者点坐标⁰t_r(对应于目标坐标系{r}的原点)，预先给定工具4的目标姿态。

在方法步骤S4中进行校准，以确定工具4的尖端和机器人凸缘13之间的空间位置关系。在下文中将详细说明这种校准。

在方法步骤S5中，计算迄今为止尚未确定的目标坐标系{r}的x轴和y轴的朝向⁰x_r和⁰y_r。为此，首先检查在预先给定的目标姿态下，对称轴15、即目标坐标系{r}的z轴，是否与参考坐标系{0}的x轴x₀平行或者共线。如果不是这种情况，则作为下式计算目标坐标系{r}的x轴和y轴：

⁰y_r＝⁰z_r x x₀并且⁰x_r＝⁰y_r x ⁰z_r (1)，

其中，x表示叉积或者向量积。

对于对称轴15、即z_r或者⁰z_r与参考坐标系{0}的x轴x₀平行或者共线的情况，则作为下式计算目标坐标系{r}的x轴和y轴：

⁰x_r＝y₀x ⁰z_r并且⁰y_r＝⁰z_r x ⁰x_r (2)。

然后，在此，例如可以作为列向量x₀＝(1 0 0)^T,y₀＝(0 1 0)^T和z₀＝(0 0 1)^T，给定或者定义参考坐标系{0}的坐标轴x₀,y₀,z₀。

然后，可以将目标坐标系{r}的坐标轴综合成旋转矩阵⁰R_r，即

⁰R_r＝[⁰x_r ⁰y_r ⁰z_r]

的列向量，旋转矩阵⁰R_r给出了目标坐标系{r}相对于参考坐标系{0}的目标朝向。

然后，在方法步骤S6中，由旋转矩阵⁰R_r、作为另一个列向量的三个空间坐标⁰t_r和(0,0,0,1)形式的附加的1×4的行向量，生成齐次矩阵⁰H_r。齐次矩阵⁰H_r因此是4×4的矩阵，其相对于参考坐标系{0}定义目标坐标系{r}的姿态。

在方法步骤S7中，计算齐次矩阵⁰H_f，齐次矩阵⁰H_f相对于参考坐标系{0}，给出与在方法步骤S6中计算的目标坐标系{r}的目标姿态对应的机器人凸缘13的目标姿态。在此，满足

⁰H_f＝⁰H_r ^rH_f，

其中，^rH_f给出了机器人凸缘13相对于目标坐标系{r}的相应的姿态。

在此，可以在方法步骤S4中的校准过程中确定^rH_f。假设{e}是笛卡尔辅助坐标系，其原点处于工具4的尖端上。在此，辅助坐标系{e}首先可以具有任意的朝向。有利地，可以通过校准元件来定义辅助坐标系{e}。该校准元件可以是光学指示器，例如针形或者针状的辅助工具，该辅助工具具有布置在其上的光学标记。然后，可以像所提到的针一样，将该辅助工具引导通过工具4，使得辅助工具的尖端与工具4的尖端重合。在此，辅助工具的大小或者尺寸是已知的，从而通过检测相对于辅助工具的尖端以预先给定的位置关系布置在辅助工具上的光学标记，可以确定辅助工具的尖端的相应的当前的位置，由此在这种情况下可以确定工具4的尖端和目标坐标系{r}的原点以及辅助坐标系{e}的原点。为此，可以通过照相机17检测布置在辅助工具上的光学标记，其中，为了确定标记的姿态，通过控制装置18处理相应地由照相机17提供的检测数据，即照相机数据或者图像数据。

作为该辅助工具的附加或者替换，如果光学标记16相对于工具4的尖端以预先给定的、特别是恒定的位置关系布置在工具4上，则可以使用光学标记16。然后，可以根据所确定的标记16或者布置在辅助工具上的光学标记的姿态，以及相应的进行该校准的时刻的机器人凸缘13的相应的当前的姿态，来确定齐次矩阵^fH_e。该齐次矩阵^fH_e相对于机器人凸缘13的笛卡尔坐标系{f}，给出了进行校准的时刻的辅助坐标系{e}的当前的姿态。在此，作为^ft_e，给出了齐次矩阵^fH_e的平移分量。也就是说，^ft_e是辅助坐标系{e}和机器人凸缘13的坐标系{f}之间的距离或者平移向量。机器人凸缘13的坐标系{f}可以在不进行进一步的坐标变换的情况下描述其姿态或者用于描述其姿态。例如可以将该机器人凸缘13的坐标系{f}的原点，布置在机器人凸缘13的中心。总是可以从机器人10的机器人控制，即，例如根据测量的相应的当前的关节坐标或者关节位置，以及机器人10的运动学模型或者前向运动学特性，来确定或者知道机器人凸缘13的当前的姿态。

因为目标坐标系{r}和辅助坐标系{e}二者各自的原点都处于工具4的尖端上，因此满足

^ft_r＝^ft_e (3)。

此外，根据检测到的标记16或者布置在辅助工具上的标记的姿态，可以推导出进行校准的时刻的辅助工具或者工具4的方向，即对称轴15的方向。其尤其是在参考坐标系{0}中表示为⁰z_r。等式(1)和(2)的相应的应用得到相关联的旋转矩阵⁰R_r，并且最终得到

^fR_r＝⁰R_f ^{T 0}R_r，

其中，⁰R_r相对于参考坐标系{0}或者相应的齐次矩阵，给出机器人凸缘13或者机器人凸缘13的坐标系的姿态的旋转分量，并且如所描述的，其可以从机器人10的机器人控制或者前向运动学特性知道或者确定。

然后，根据结果^fR_r和关系(3)来确定齐次矩阵^rH_f，从而完全确定齐次矩阵⁰H_f。

然后，在方法步骤S8中，例如根据机器人10的模型，检查是否可以达到针对工具4的预先给定的目标位置确定的相关联的机器人凸缘13的目标姿态⁰H_f。在此，考虑机器人10的当前的姿态，以及可能存在的机器人10的技术限制，和/或由于机器人10的当前的环境而产生的限制。如果不能达到或者产生机器人凸缘13的姿态⁰H_f，则所述方法跟随路径20至方法步骤S9。

在方法步骤S9中，根据预先给定的序列，从所确定的目标姿态的朝向开始，旋转目标坐标系{r}。在此，作为序列，给出序列(Θ,-Θ,2Θ,-2Θ,…,kΘ,-kΘ,…)，其中，Θ是相对小的角度，在此示例性地为5°，符号给出旋转方向，并且k是正整数。由此，进行所需要的目标坐标系{r}的最小旋转。在每次这种旋转之后，所述方法跟随路径21至方法步骤S10。

在方法步骤S10中，对于目标坐标系{r}的相应的当前的旋转后的姿态或者朝向，确定相关联的作为结果的机器人凸缘13的目标姿态⁰H_f。

随后，跟随路径22，重新检查是否可以达到机器人凸缘13的新的、即相应的当前的目标姿态⁰H_f。也就是说，为此，可以循环地或者迭代地执行方法步骤S8、S9和S10，直至找到机器人10可以达到或者可以产生的机器人凸缘13的目标姿态⁰H_f为止。

一旦找到可以达到的机器人凸缘13的目标姿态⁰H_f，则所述方法跟随路径23至方法步骤S11。

在方法步骤S11中，控制装置18产生用于机器人10的控制信号，通过控制信号，可以使机器人凸缘13从机器人10的当前的姿态移动到或者转变到所确定的目标姿态⁰H_f。

随后，在方法步骤S12中，将该控制信号传输到机器人10，并且相应地将机器人凸缘13定位在所确定的目标姿态⁰H_f，由此使工具4达到预先给定的目标姿态。

与前面根据图1描述的常规方法不同，在此描述的方法对于终止状态3提供与在开始姿态2下相同的x轴x_r和第二轴6的朝向。因为在所示出的示例中，z轴⁰z_r，即工具4的对称轴15，在开始姿态2和终止姿态3下相同，因此例如根据公式(1)确定的目标坐标系{r}的x轴和y轴，对于开始姿态2和终止姿态3或者在这两个姿态2、3之间相同，即对于从开始姿态2至终止姿态3的运动相同。这意味着，工具4在从开始姿态2向终止姿态3的移动或者移位时，保持相同的朝向，从而不出现工具4的旋转运动。由此，标记16在开始姿态2下并且在终止姿态3下，或者在这两个姿态2、3之间保持可见，这有利地能够实现改善的可跟踪性，并且最终能够实现机器人10自己的更安全的运行。

Claims (10)

1.一种用于运行机器人(10)的方法(19)，用于将工具(4)定位在目标姿态，其中，机器人(10)具有机器人底座(11)和连接到所述机器人底座的可移动的机器人臂(12)，在所述机器人臂的远端端部上布置有机器人凸缘(13)，在所述机器人凸缘上保持所述工具(4)，所述方法具有如下方法步骤：

-预先给定所述工具(4)的轴(15)，

-预先给定笛卡尔参考坐标系{0}，其原点处于所述机器人底座(11)上，

-预先给定笛卡尔目标坐标系{r}，其具有处于所述工具(4)的点上的原点、与所述工具(4)的轴(15)对应的z轴以及朝向首先不确定的相应的x轴和y轴，

-作为所述工具(4)的目标姿态的一部分，预先给定分别在所述参考坐标系{0}中表示的所述工具(4)的点的3D空间坐标和所述轴(15)的朝向，

-通过如下参量计算在所述参考坐标系{0}中表示的所述目标坐标系{r}的x轴和y轴的朝向：

-预先给定的所述轴(15)的朝向和与所述轴(15)不平行的所述参考坐标系{0}的坐标轴(x₀,y₀,z₀)的方向向量的第一叉积，以及

-所述第一叉积的结果和在所述参考坐标系{0}中表示的预先给定的所述轴(15)的朝向的第二叉积，

-根据分别在所述参考坐标系{0}中表示的所述目标坐标系{r}的坐标轴(⁰x_r,⁰y_r,⁰z_r)的朝向，和所述工具(4)的点的3D空间坐标(⁰t_r)，以及根据附加的1×4的行向量，产生4×4的矩阵，所述矩阵相对于所述参考坐标系{0}定义所述目标坐标系{r}的姿态⁰H_r。

2.根据权利要求1所述的方法(19)，其特征在于，通过所述第一叉积，作为下式计算所述目标坐标系{r}的y轴的朝向⁰y_r：

⁰y_r＝⁰z_r x x₀

并且通过所述第二叉积，作为下式计算所述目标坐标系{r}的x轴的朝向⁰x_r：

⁰x_r＝⁰y_r x ⁰z_r，其中，

对于与所预先给定的所述工具(4)的轴(15)对应的所述目标坐标系{r}的z轴，与所述参考坐标系{0}的x轴x₀平行的情况，通过所述第一和第二叉积，作为下式计算朝向⁰x_r和⁰y_r：

⁰x_r＝y₀ x ⁰z_r并且⁰y_r＝⁰z_r x ⁰x_r，

其中，以向量的形式，x₀和y₀分别给出所述参考坐标系{0}的x轴和y轴，并且⁰x_r,⁰y_r,⁰z_r给出在所述参考坐标系{0}中表示的所述目标坐标系{r}的坐标轴。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(19)，其特征在于，由预先给定的校准，确定与所述目标坐标系{r}的姿态⁰H_r对应并且在所述目标坐标系{r}中表示的所述机器人凸缘(13)的姿态^rH_f，所述校准给出所述工具(4)的点和所述机器人凸缘(13)之间的空间位置关系。

4.根据权利要求3所述的方法(19)，其特征在于，

-为了进行校准，在所述工具(4)上或者在所述机器人(10)上，以与所述工具(4)的点成预先给定的位置关系的方式，布置标记、特别是光学标记，并且通过检测装置(17)在辅助坐标系{e}中，并且相对于朝向首先不确定的所述目标坐标系{r}，检测所述标记，所述检测装置以与所述机器人底座(11)成预先给定的位置关系的方式布置，所述辅助坐标系{e}具有处于所述工具(4)的点上的原点，

-根据所述检测装置(17)提供的所述标记的相应的检测数据，确定所述辅助坐标系{e}相对于所述机器人凸缘(13)的空间位置关系，以及

-根据在所述参考坐标系{0}中表示的所述目标坐标系{r}的轴(⁰x_r,⁰y_r,⁰z_r)的朝向，和所述机器人(10)的预先给定的前向运动学特性，利用所述目标坐标系{r}和所述的辅助坐标系{e}的原点相同，确定所述机器人凸缘(13)的姿态^rH_f。

5.根据权利要求3和4中任一项所述的方法(19)，其特征在于，由姿态⁰H_r和^rH_f，作为下式确定与所确定的所述目标坐标系{r}的姿态⁰H_r对应的、所述机器人凸缘(13)相对于所述参考坐标系{0}的姿态⁰H_f：

⁰H_f＝⁰H_r ^rH_f。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(19)，其特征在于，根据所确定的参量和所述机器人(10)的预先给定的运动学模型，自动生成用于所述机器人(10)的控制信号，通过所述控制信号，所述机器人(10)从其相应的当前的姿态开始移动，使得所述工具(4)转变到针对所述工具(4)预先给定的目标姿态。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(19)，其特征在于，根据所述机器人(10)的预先给定的运动学模型，自动检查通过所述机器人(10)是否能够达到针对所述工具(4)预先给定的目标姿态，并且如果不是这种情况，则将所述目标坐标系{r}围绕其z轴，交替地沿正方向和负方向，旋转预先给定的逐渐增加的角度值，直至找到能够达到的目标姿态为止，其中，

-对于每一次旋转，相对于相应的先前的旋转，改变旋转方向，并且使用预先给定的角度值中的相应的接着更大的预先给定的角度值，以及

-在每一次旋转之后，重新执行检查。

8.一种数据存储器，所述数据存储器具有程序代码，所述程序代码对根据前述权利要求中任一项所述的方法(19)的方法步骤进行编码。

9.一种机器人(10)，所述机器人具有控制装置(18)，所述控制装置用于控制所述机器人(10)，所述控制装置包括根据权利要求8所述的数据存储器和与所述数据存储器连接的处理器装置，所述处理器装置用于执行程序代码，并且所述机器人具有用于接收预给定参数的接口。

10.一种机器人系统(10,12,16,17,18)，所述机器人系统包括根据权利要求9所述的机器人(10)和检测装置(17)，所述检测装置与所述机器人耦合，并且以与所述机器人成预先给定的位置关系的方式布置，所述检测装置用于检测布置在所述机器人(10)上的标记(16)、特别是光学标记，其中，所述机器人系统(10,12,16,17,18)被配置为，根据所述检测装置(17)提供的检测数据，自动确定所述标记(16)的朝向。