CN111699446A

CN111699446A - 以机器人驶过预先设定的工作轨迹

Info

Publication number: CN111699446A
Application number: CN201880088830.0A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·布尔卡特; 曼弗雷德·许滕霍弗; R·施赖特米勒; 京特·韦德曼
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-09-22
Also published as: DE102017011334A1; WO2019110244A1; EP3721306A1

Abstract

一种根据本发明的、用于基于针对预先设定的工作轨迹所规划的速度曲线以机器人(1)驶过(S100)该工作轨迹的方法，利用预先设定的曲线参数($ACC₁，$VEL₁)规划(S10)速度曲线，并且，如果在利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线中预测到对速度、力或加速度的预先设定的边界的超过，则在所述驶过之前修改(S85，S95)该速度曲线。

Description

以机器人驶过预先设定的工作轨迹

技术领域

本发明涉及到用于以机器人驶过预先设定的工作轨迹的一种方法和一种控制器，一种具有所述机器人和控制器的机器人单元，和一种用于执行所述方法的计算机程序产品。

背景技术

根据企业内部实践已知，为机器人预先设定工作轨迹，并提前以预先设定的曲线参数为机器人规划速度曲线。

因此，例如可以在工作空间中预先设定机器人TCP的线性轨迹，并在工作空间中为其规划梯形的速度曲线，该速度曲线的加速度和恒定行驶速度可以通过预先规定相应的曲线参数来提供，在此，根据轨迹的长度可能会达不到恒定行驶速度。

在以规划的速度曲线实际驶过预先设定的工作轨迹时，可能会发生不可接受的高的轴负载、轴速度和/或轴加速度，到目前为止，这是需要对预先设定的曲线参数进行繁琐的再调整，或者需要对其进行不必要的、被动的初始选择。

发明内容

本发明的目的在于更好地以机器人驶过预先设定的工作轨迹。

本发明的目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。权利要求13至15请求保护用于执行在此所述方法的一种控制器或一种计算机程序产品或者一种具有在此所述控制器的机器人单元。优选的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明的一种实施方式，在以机器人基于针对工作轨迹所规划的速度曲线驶过预先设定的工作轨迹的方法中，在行驶之前利用预先设定的曲线参数来规划速度曲线，如果在利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线中，预测到速度、力或加速度会超过预先设定的边界，则在行驶之前修改速度曲线。

由此，在一种实施方式中，可以降低在驶过预先设定的工作轨迹时发生不可接受的高的轴载荷、轴速度和/或轴加速度的风险，特别是避免了繁琐的再调整。在一种实施方式中，由此可以主动地选择预先设定的曲线参数，使得该方法自动地修改相应的速度曲线，从而(预估地)遵守预先设定的边界。

为了更紧凑地说明，在本发明的意义下，也将反平行力偶或转矩概括地称为力。

在一种实施方式中，机器人具有多轴的、特别是至少三轴的，在一种实施方式中为至少六轴的、特别是至少七轴的机器人臂。本发明的方法特别适用于这种机器人。

在一种实施方式中，为了修改速度曲线，根据所预测的对预先设定边界的超过，在一种实施方式中则是与该预测的超过成比例地，修改利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线，特别是沿横坐标、特别是时间轴的方向延长和/或沿纵坐标、特别是速度轴的方向压缩。

附加地或替代地，特别是为此目的，在一种实施方式中，为了修改速度曲线，利用所修改的速度曲线、特别是根据所预测的对预先设定边界的超过所修改的速度曲线、在一种实施方式中则是与该预测的超过成比例地修改的速度曲线，特别是减小的速度曲线，重新规划曲线参数，在一种实施方式中则是以与利用预先设定的曲线参数规划的速度曲线相同的方式重新规划曲线参数。

由此，在一种实施方式中，可以有利地、特别是在计算技术方面修改速度曲线，特别是可以改善迭代修改的收敛性。附加地或替代地，在一种实施方式中，由此可以使速度曲线的(几何或基本)形状并因此使所希望的或所期望的机器人在驶过轨迹时的行为原则上保持不变。

在一种实施方式中，在减弱由预先设定的固定的基本运动和/或静态载荷所引起的和/或不是由(因为)驶过预先设定的工作轨迹(而产生的动态载荷)所引起的那一部分速度、力或加速度减弱的情况下，对所预测的超过进行预测。

这是基于这样的想法：修改速度曲线只是能够降低驶过预先设定的工作轨迹时所引起的速度、力或加速度(以低于边界)。相应的，在一种实施方式中提出，在修改时也仅考虑速度、力或加速度的该部分。

为此，在一种实施方式中，不仅是利用在以所规划的速度曲线驶过预先设定的工作轨迹时所得到的速度、力或加速度，而且还是在假设速度曲线恒等于零的情况下，来分析机器人的动力学模型。后者对应于预先设定的固定的基本运动或静态载荷，从而能够通过求差来确定基于驶过预先设定的工作轨迹所引起的那一部分。

在一种实施方式中，工作轨迹是通过特定于机器人的参照物在机器人的工作空间、特别是笛卡尔工作空间中的一个或多个姿势来预先确定的。在此，姿势可以包括一维、二维或三维的位置和/或一维、二维或三维的方向，特别可以是一维、二维或三维的位置和/或一维、二维或三维的方向。该特定于机器人的参照物可以特别是包括机器人的TCP，特别可以是机器人的TCP。

在一种实施方式中，工作轨迹是利用一个或多个姿势通过编程指令来预先设定和/或具有预先设定的几何形状，该工作轨迹可以特别是包括线性运动和/或圆形运动和/或至少一个样条，特别可以是线性运动和/或圆形运动和/或至少一个样条。

附加地或替代地，在一种实施方式中，速度曲线包括特定于机器人的参照物在机器人的工作空间中的平移速度的曲线和/或一个或多个旋转速度的曲线。

因此，在一种实施方式中，定义或者说预先设定或者说规划在机器人或特定于机器人的参照物的工作空间中的工作轨迹和/或速度曲线。

由此，在一种实施方式中，可以实现所希望的或所期望的机器人在驶过轨迹时的行为。

预先设定的边界可以包括机器人的一个或多个轴、特别是电机和/或传动装置的速度，力、特别是转矩和/或加速度的边界，特别可以是机器人的一个或多个轴、特别是电机和/或传动装置的速度，力、特别是转矩和/或加速度的边界。

换句话说，在一种实施方式中，针对在机器人或特定于机器人的参照物的工作空间中所定义的工作轨迹和速度曲线，考虑了在机器人的轴空间中的速度边界、加速度边界和/或力边界、特别是转矩边界。

在一种实施方式中，由此可以降低电机和/或传动装置过载的风险。

在一种实施方式中，曲线参数包括预先设定的速度、特别是最小速度、最大速度和/或平均速度、特别是恒定速度，和/或预先设定的加速度、特别是最小加速度、最大加速度和/或平均加速度、特别是恒定加速度。因此，在一种实施方式中，曲线参数可以是多维的，并且特别是以已知的方式包括针对加速和减速阶段(在一种实施方式中，它们是对称的)、特别是加速和减速斜坡的加速度，和/或梯形曲线的恒定行驶速度，其中，该恒定行驶速度可能会达不到。

相应地，速度曲线可以包括、特别可以是初始加速阶段、最终减速阶段和/或恒定行驶阶段，特别是梯形或三角形曲线。

这在机器人技术中是非常普遍的，因此在一种实施方式中，可以有利地简单地使用现有的控制(算法)。

在一种实施方式中，基于机器人的运动学模型和/或动力学模型和/或在离散的曲线点上、特别是在加速度变化的点上，预测对预先设定边界的超过。

在一种实施方式中，借助机器人的运动学模型，可以针对在工作空间中所定义的工作轨迹和速度曲线的某些点，确定相应的轴速度和轴加速度，并由此检测对相应边界的超过。因此，通过本发明意义下的运动学模型，使工作空间中的特定于机器人的参照物的轴坐标和/或其时间导数与姿势和/或其时间导数相互变换。

在一种实施方式中，借助于机器人的动力学模型，可以针对在工作空间中所定义的工作轨迹和速度曲线的某些点，确定相应的轴力，特别是电机力矩和/或传动力矩，并由此检测对相应边界的超过。因此，本发明意义下的动力学模型一方面对应于轴坐标和/或其时间导数，另一方面对应于轴力。

通过这种预测，特别是仅在离散的曲线点处的预测，可以点状地并因此在计算技术上有效地检查速度曲线。

在此，可以特别是考虑或研究加速度变化的点，因为在这里会出现特别重要的速度、力和加速度。附加地或替代地，在一种实施方式中，也可以在其它的离散曲线点上，特别是在等距地位于加速度变化点之间的点等处，预测超过。

在一种实施方式中，如果在(之前)已修改的速度曲线中也预测到对预先设定边界的超过，则在驶过之前再次修改已修改过的速度曲线，必要时可以多次进行这种修改。换句话说，在一种实施方式中，可以迭代地修改速度曲线，特别是直到不再预测到对预先设定边界的超过或者满足另一中断条件为止。

相应地，在一种实施方式中，为了再次修改已修改过的速度曲线，根据在该已修改过的速度曲线中所预测的对预先设定边界的超过、特别是与其成比例地，以前述的方式再次修改该已修改过的速度曲线，或者说为了再次修改已修改过的速度曲线，利用已修改过的曲线参数、特别是根据所预测的对预先设定边界的超过已修改过的曲线参数，再次规划已修改过的速度曲线，特别是以与利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线相同的方式再次规划已修改过的速度曲线。

如果在工作轨迹的至少一个点上，当针对该点在速度曲线中假设恒定速度等于零时，预测到对预先设定边界的超过，则在一种实施方式中是发出报错信号，并且在一种扩展方案中是中断所述方法，或者停止、特别是阻止驶过预先设定的工作轨迹。

这是基于这样的想法：在这种情况下，修改速度曲线已经不足以避免对预先设定边界的超过，因为该边界已经由于预先设定的基本运动和/或静态载荷而被超过。

根据本发明的一种实施方式，将控制器设计为特别是硬件技术和/或软件技术地、特别是编程技术地用于执行在此所述的方法，和/或具有：用于利用预先设定的曲线参数来规划速度曲线的装置；和用于在利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线中预测到对速度、力或加速度的预先设定边界的超过的情况下，在驶过之前对该利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线进行修改的装置。

在一种实施方式中，所述控制器或其装置包括：

-用于根据所预测的对预先设定边界的超过，特别是与该所预测的对预先设定边界的超过成比例地，修改利用预先设定的曲线参数所规划的或者所修改的速度曲线的装置，以便(再次)修改利用预先设定的曲线参数所规划的或已修改过的速度曲线；

-用于利用修改过的曲线参数、特别是根据所预测的对预先设定边界的超过修改过的曲线参数，特别是以与利用预先设定的曲线参数所规划的速度曲线相同的方式，重新规划速度曲线的装置，以便(再次)修改利用预先设定的曲线参数所规划的或已修改过的速度曲线；

-用于在预测所述超过时，减弱由预先设定的固定基本运动和/或静态载荷所引起的和/或不是由驶过预先设定的工作轨迹时所引起的那一部分速度、力或加速度的装置；

-用于基于机器人的运动学模型和/或动力学模型和/或在离散的曲线点上、特别是在加速度变化的点上预测对预先设定边界的超过的装置；

-用于如果在已修改过的速度曲线中也预测到对预先设定边界的超过的情况下，在驶过之前对已修改过的速度曲线再次进行修改的装置；

-用于如果在工作轨迹的至少一个点上，针对该点在速度曲线中假设恒定速度等于零的情况下，预测到对预先设定边界的超过，则发出报错信号的装置。

本发明意义下的装置可以硬件技术和/或软件技术地构成，特别是具有：优选与存储系统和/或总线系统进行数据连接或信号连接的处理单元，特别是数字处理单元，特别是微处理器单元(CPU)；和/或一个或多个程序或程序模块。为此，CPU可以被设计为：执行被实现为存储在存储系统中的程序的指令；从数据总线采集输入信号，和/或将输出信号发送至数据总线。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质，特别是光学的、磁的、固体的和/或其它非易失性的介质。程序可以是这样的：其能够体现或者说执行在此所述的方法，从而使得CPU能够执行该方法的步骤，并由此特别是能够控制或操作机器人。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或者具有其上存储有程序的存储介质，其中，执行该程序能够使得系统或控制器、特别是计算机执行在此所述的方法或该方法的一个或多个步骤。

在一种实施方式中，所述方法的一个或多个、特别是所有步骤被全部或部分自动化地执行，特别是通过所述控制器或其装置来执行。

附图说明

其它的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。为此局部示意性示出了：

图1为根据本发明一种实施方式的具有机器人和控制器的机器人单元；

图2为梯形曲线；

图3为根据本发明一种实施方式的用于控制机器人的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一种实施方式的机器人单元，其具有机器人1和(机器人)控制器2。

该机器人应该在其工作空间中以其TCP驶过预先设定的工作轨迹，在该实施例中，则是示例性地在一固定的或者例如随输送带等移动的坐标系中将预先设定的、例如示教的姿势彼此直线地连接，这些姿势分别定义了TCP在工作空间中的、特别是在从初始方向转换至最终方向的情况下的一直线上的三维位置和方向。

为此，在步骤S10中，基于针对平移或旋转所预先设定的、用于初始的加速斜坡或者说加速阶段和最后的与该加速斜坡或者说加速阶段对称的减速斜坡或减速阶段的加速度$ACC_k(k＝1：平移速度；k＝2，3：旋转速度)以及基于针对平移或旋转所预先设定的、用于所述加速阶段和减速阶段之间的恒定行驶阶段的速度$VEL_k，规划速度曲线，该速度曲线包括用于TCP沿着轨迹的平移速度v的梯形曲线以及用于其围绕两个轴的旋转速度的类似的梯形曲线，如图2所示，在图2中除了平移速度v之外，还用双点划线示出了相应的加速度a。

在步骤S20中，针对点P0(加速阶段的开始)、P1(加速阶段的结束)、P12(恒定行驶阶段的中点)、P2(减速阶段的开始)和P3(减速阶段的结束)，借助于从工作空间到轴空间的逆变换和数值积分或微分，确定轴坐标q及其一阶和二阶导数dq/dt、d²q/dt²。

在步骤S30中，利用该轴坐标、轴速度和轴加速度，使用以下形式的机器人动力学模型，

M(q)·d²q/dt²+h(q，dq/dt)＝T

确定在所规划的梯形曲线中出现在点P0-P3中的总轴力矩T_tot，其中，M为质量矩阵，h为静态和动态载荷的矢量，T为轴力矩。

附加地，在步骤S40中，使用该动力学模型，确定针对dq/dt＝d²q/dt²＝0在点P0-P3中出现的基本载荷轴力矩T_sta。

在步骤S50中，检查：在点P0-P3中的至少一个点上，基本载荷轴力矩T_sta的至少一个分量是否(已经)超过针对相应的轴所预先设定的允许最大力矩，或者至少一个轴的轴速度是否(已经)超过为相应的轴所预先设定的允许最大速度。

如果是(S50：“Y”)，则输出报错信息并中断规划(S55)。

如果不是(S50：“N”)，则在步骤S60中，针对点P1-P2，分别确定在所规划的梯形曲线中存在的轴速度dq_i(P_j)/dt除以针对相应的轴i所预先设定的允许最大速度的比值FVEL_i,j。

附加地，在步骤S60中，针对点P0-P3，分别确定速度曲线-轴力矩T_dyn＝T_tot-T_sta，以及在所规划的梯形曲线中存在的速度曲线-轴力矩T_j(P_j)/dt除以针对相应的轴i所预先设定的允许最大力矩的比值FACC_i,j。

在步骤S70中，确定比值FVEL_i,j的最大值FVEL(FVEL＝Max{FVEL_i,j})和比值FACC_i,j的最大值FACC(FACC＝Max{FACC_i,j})。

如果值FVEL大于1(S80：“Y”)，则在步骤S85中，针对恒定行驶阶段，将预先设定用于平移或旋转的速度$VEL_k减小该系数：

$VEL_k→$VEL_k/FVEL

如果值FACC大于1(S90：“Y”)，则在步骤S95中，针对加速和减速阶段，将预先设定用于平移或转动的加速度$ACC_k减小该系数：

$ACC_k→$ACC_k/FACC

如果值FVEL、FACC中有至少一个大于1(S80：“Y”或S90：“Y”)，则所述方法返回到步骤S10，并利用该减小的加速度$ACC_k或速度$VEL_k，分别确定一新的用于平移或旋转的梯形曲线。

结果，图2中以实线示出的梯形曲线在时间轴t的方向上被拉伸并在速度轴v的方向上被压缩，但是保持其梯形的基本形状。

否则(S80：“N”和S90：“N”)，规划结束，并且在步骤S100中，机器人以所规划的具有所规划的梯形曲线的速度曲线驶过预先设定的工作轨迹。

虽然在前面的描述中已经阐释了示例性的实施方式，但是需要指出的是，还可能有很多的变型。

因此可以根据具有端部止动的线性运动来说明该实施例。其也可以用于其它的工作轨迹，例如圆形轨迹等。附加地或替代地，工作轨迹也可以通过飞跃

过渡到其它工作轨迹，如图2中以虚线示出的用于另一线性运动的梯形曲线和以点划线示出的用于飞跃运动的三角形曲线。

附加地或替代地，也可以使用轴加速度本身来代替轴力矩，即取消动力学模型或使其退化为T＝d²q/dt²。

此外还应指出的是，这些示例性的实施方式仅仅是举例，其不应对保护范围、应用和构造形成任何限制。相反，通过前面的描述能够赋予本领域技术人员实现对至少一个示例性实施方式进行转换的教导，其中，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以实现特别是关于所述部件的功能和布置的各种变化，例如可以从权利要求和等效的特征组合获得。

附图标记列表

1 机器人

2 控制器

TCP 工具中心点

$ACC₁，$VEL₁ 曲线参数

P0-P3 曲线点。

Claims

1.一种用于使机器人(1)基于针对预先设定的工作轨迹所规划的速度曲线驶过(S100)所述工作轨迹的方法，其中，利用预先设定的曲线参数($ACC₁，$VEL₁)规划(S10)所述速度曲线，并且，如果在利用所述预先设定的曲线参数所规划的速度曲线中预测到对速度、力或加速度的预先设定的边界的超过，则在所述驶过之前修改(S85，S95)所述速度曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了修改所述速度曲线，根据所预测的对所述预先设定的边界的超过，特别是与所预测的对所述预先设定的边界的超过成比例地，修改利用所述预先设定的曲线参数所规划的速度曲线。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了修改所述速度曲线，利用修改过的曲线参数，特别是利用根据所预测的对所述预先设定的边界的超过而修改过的曲线参数，特别是以与利用所述预先设定的曲线参数所规划的速度曲线一样的方式，重新规划所述速度曲线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在减弱由预先设定的固定的基本运动和/或静态载荷所引起的和/或不是由驶过预先设定的工作轨迹所引起的那一部分速度、力或加速度的情况下，对所预测的超过进行预测。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作轨迹通过特定于机器人的参照物在机器人的工作空间中的至少一个姿势来预先设定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述速度曲线包括特定于机器人的参照物在机器人的工作空间中的平移速度的曲线和/或至少一个旋转速度的曲线。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预先设定的边界包括机器人的至少一个轴的速度、力和/或加速度的边界。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲线参数包括预先设定的速度和/或加速度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述速度曲线包括初始的加速阶段、最后的减速阶段和/或恒定行驶阶段，特别是梯形或三角形曲线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于机器人的运动学模型和/或动力学模型，和/或在离散的曲线点(P0-P3)上、特别是加速度变化的点上，预测对所述预先设定的边界的超过。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果在已修改过的速度曲线中也预测到对所述预先设定的边界的超过，则在驶过之前再次对已修改过的速度曲线进行修改。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果在工作轨迹的至少一个点上，在针对该点在速度曲线中假设恒定速度等于零时，预测到对所述预先设定的边界的超过，则发出报错信号(S55)。

13.一种用于基于针对预先设定的工作轨迹所规划的速度曲线以机器人(1)驶过该工作轨迹的控制器(2)，其中，所述控制器被设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，和/或具有：用于利用预先设定的曲线参数来规划所述速度曲线的装置；和用于在利用所述预先设定的曲线参数所规划的速度曲线中预测到对速度、力或加速度的预先设定的边界的超过的情况下，在驶过之前对该利用所述预先设定的曲线参数所规划的速度曲线进行修改的装置。

14.一种机器人单元，具有机器人(1)和根据前述权利要求所述的、用于控制该机器人的控制器(2)。

15.一种计算机程序产品，具有程序代码，该程序代码存储在能由计算机读取的介质上，所述计算机程序产品用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。