CN112292238B - 机器人的末端执行器在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间转移的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的用于使机器人的末端执行器(14)在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间转移的方法，特别是根据控制‑操作模式的激活，对于机器人的至少一个轴(q₁)，特别是提前地，针对在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间的转移以及在一末端执行器姿势与一系列其它的末端执行器姿势之间的多个转移，预先设定(S30)该轴的位置的相同的、统一的进程(q₁(s))。对于机器人的至少一个另外的轴(12，13)，特别是在转移过程中，对于在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间的转移以及在一末端执行器姿势与至少一个另外的末端执行器姿势之间的转移，命令(S50)该另外的轴的位置的不同进程。

Description

机器人的末端执行器在一末端执行器姿势与另一末端执行器 姿势之间转移的方法和系统

技术领域

本发明涉及使用于机器人的末端执行器在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间转移的方法和系统，以及一种用于执行该方法的计算机程序产品。

背景技术

机器人任务通常会包括将机器人的末端执行器从一初始末端执行器姿势转移到一目标末端执行器姿势，通常是沿着预定的末端执行器轨迹或按照预定的末端执行器姿势的顺序进行。

如果机器人在此具有比预定的姿势更多的自由度或轴，则必须解决(任务)冗余问题，以便确定机器人的相应轴位置。

为此，在文献中已知各种考虑了附加条件的方法。

不利之处在于，一末端执行器姿势的微小变化在此就可能引起明显不同的并且是相应无法预期的轴位置变化。

发明内容

本发明的目的在于改善机器人的末端执行器在两个末端执行器姿势之间的转移。

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9、10请求保护一种用于执行在此所述方法的系统或计算机程序产品。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，为了实现机器人的末端执行器在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间的转移，在一种实施方式中是根据对控制-操作模式的激活，特别是手动地激活，特别是(仅)一旦激活了一控制-操作模式，则针对机器人的一个或多个轴(这些轴在下文中不失一般性地也被称为第一轴或冗余轴)，在一种实施方式中是提前或者说是在转移之前，特别是离线地，为在该一末端执行器姿势与该另一末端执行器姿势之间的转移以及在该一末端执行器姿势与一系列其它的末端执行器姿势之间的多个转移，设定该一个或多个(第一或冗余的)轴的位置的相同的、统一的进程。

在一种实施方式中，该一末端执行器姿势是初始末端执行器姿势，并且该另一末端执行器姿势是目标末端执行器姿势。同样地，在一种实施方式中，该一末端执行器姿势也可以是目标末端执行器姿势，而该另一末端执行器姿势是初始末端执行器姿势。因此，为了更紧凑、统一地表示，不失一般性地也将该一末端执行器姿势称为第一末端执行器姿势，而将该另一末端执行器姿势称为第二末端执行器姿势，因此在一种实施方式中，第一末端执行器姿势可以是初始末端执行器姿势或目标末端执行器姿势，相反，第二末端执行器姿势可以相应地是目标末端执行器姿势或初始末端执行器姿势。在此，初始末端执行器姿势和目标末端执行器姿势也可以是(长)轨迹的中间姿势。

在一种实施方式中，所述(第一或第二)末端执行器姿势中的至少一个被预先设定，在一种扩展方案中是基于用户输入和/或轨迹规划。因此，本发明意义下的目标末端执行器姿势可以特别是所规划的(机器人)末端执行器轨迹的中间点或终点。在一种实施方式中，上述的一系列包括至少两个、特别是至少10个、优选至少20个、在一种实施方式中为(理论上)(可能)无限的其它末端执行器姿势或者说第二末端执行器姿势。

由此，在一种实施方式中，可以避免该(第一或冗余的)轴的位置的进程发生意外的、强烈的变化，并且因此在一种扩展方案中改善了机器人的安全性和/或可操作性。通过在第一末端执行器姿势与第二末端执行器姿势之间的转移之前进行设定或离线设定，可以有利地减少转移期间的计算负荷、特别是计算时间。

根据本发明的一种实施方式，对于机器人的一个或多个另外的轴(其在下文中也被不失一般性地称为第二轴或相关轴)，在一种实施方式中是根据对控制-操作模式的激活，或者(仅)一旦激活了一控制-操作模式，和/或在转移过程中或者在线地，针对在该一或者说第一末端执行器姿势与该另一或者说第二末端执行器姿势之间的转移以及在该一或者说第一末端执行器姿势与该系列中的一个或多个另外的或者说第二末端执行器姿势之间的转移，命令该另外的轴的位置的不同的进程。

由此，在一种实施方式中，可以有利地充分利用机器人的冗余。

在一种实施方式中，基于或根据预先设定的统一的进程，命令至少一个轴或者说第一轴的位置，在一种实施方式中特别是在转移过程中或在线地确定该至少一个或第一轴的位置。附加地或替代地，在一种实施方式中，基于或根据预先设定的统一的进程，命令该至少一个另外的轴或者说第二轴的位置，在一种实施方式中特别是在转移过程中或在线地确定该至少一个另外的轴或者说第二轴的位置。

由此，在一种实施方式中，可以有利地(进一步)减少在转移期间的计算负荷、特别是计算时间和/或有利地(进一步)充分利用机器人的冗余。

在一种实施方式中，基于或根据预先设定的末端执行器姿势，命令至少一个轴或者说第一轴的位置，在一种实施方式中，该预先设定的末端执行器姿势是基于或根据操作者输入和/或特别是笛卡尔轨迹规划而预先设定。换句话说，在一种实施方式中，一个或多个末端执行器姿势分别对应于至少一个轴或者说第一轴的相应的位置。

附加地或替代地，在一种实施方式中，特别是紧接着，基于或根据预先设定的至少一个轴或者说第一轴的位置和/或基于或根据预先设定的(一个或多个)末端执行器姿势，命令至少一个另外的轴或者说第二轴的位置。因此，在一种实施方式中，对于预先设定的一个或多个末端执行器姿势，首先特别是基于预先设定的该一个轴的位置的统一的进程，(分别)确定至少一个轴或者说第一轴的位置，随后确定至少一个另外的轴或者说第二轴的位置，以使末端执行器在这样确定的该至少一个轴或者说第一轴的位置上处于(相应预先设定的)末端执行器姿势。

在一种实施方式中，基于或根据用户选择，预先设定或者可选择至少一个轴或者说第一轴。

由此，在一种实施方式中，用户可以有针对性地避免某些所选择的轴的位置的进程发生意外、强烈的变化。由此，在一种扩展方案中，可以(进一步)改善机器人的安全性和/或可操作性。

在一种实施方式中，为至少一个轴或者说第一轴的位置的统一进程确定允许范围，在一种扩展方案中是基于或根据预先设定的一维或多维的限制来确定，并且在该允许范围内预先设定统一进程，或者如下地或者说按如下条件来预先设定统一进程：即，使统一进程位于允许范围内。在一种实施方式中，预先设定的限制包括对至少一个轴或者说第一轴的单侧或双侧调节路径限制和/或用于避免机器人自身碰撞和/或机器人与其工作空间中的一个或多个障碍物的碰撞的限制。

由此，在一种实施方式中，可以有利地、特别是简单地和/或可靠地遵守预先设定的限制，特别是避免(自身)碰撞或超过调节路径限制。

在一种实施方式中，基于或根据另外的或者说第二末端执行器姿势的极值来确定允许范围，在一种扩展方案中是基于或根据(允许的)另外的或者说第二末端执行器姿势的预先设定的范围的凸包络线，和/或基于或根据在一或者说第一末端执行器姿势与该极值之间的虚拟转移，和/或基于或根据每一另外的或者末端执行器姿势的允许个体范围的交集、特别是每一极值的允许个体范围的交集，来确定。

由此，在一种实施方式中，可以特别有利地、特别是(更)简单和/或(更)可靠地遵守预先设定的限制。

附加地或替代地，在一种实施方式中，基于预先设定的一维或多维的质量标准来预先设定统一进程。由此，在一种实施方式中，可以特别有利地和/或自动地预先设定在允许范围内的统一进程。

在一种实施方式中，基于或根据运行参数，在一种扩展方案中是基于或根据末端执行器坐标或者末端执行器姿势或轨迹区段长度的坐标，对统一进程进行参数化、特别是离散化。

由此，在一种实施方式中，可以特别有利地、特别是简单地和/或可靠地确定至少一个轴或者说第一轴和/或至少一个另外的轴或者说第二轴的位置。

根据本发明的一种实施方式，提供一种系统，特别是被硬件技术和/或软件技术地、特别是编程技术地设计用于执行在此所述的方法，和/或具有：

-用于预先设定(用于)机器人的至少一个轴的位置的相同的、统一的进程的装置，特别是根据控制-操作模式的激活和/或提前，针对该轴

-在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间的转移，以及

-在一末端执行器姿势与一系列其它的末端执行器姿势之间的多个转移；

和

-用于命令机器人的至少一个另外的轴的位置的不同进程的装置，特别是在转移过程中，

-针对在一末端执行器姿势和另一末端执行器姿势之间的转移，以及

-针对在一末端执行器姿势与至少一个另外的末端执行器姿势之间的转移。

在一种实施方式中，该系统或其装置包括：

-用于基于统一的进程来命令至少一个轴和/或至少一个另外的轴的位置的装置；和/或

-用于基于预先设定的末端执行器姿势来命令至少一个轴的位置的装置；和/或

-用于基于至少一个轴的预先设定的位置和/或预先设定的末端执行器姿势来命令至少一个另外的轴的位置的装置；和/或

-用于基于用户选择来预先设定至少一个轴的装置；和/或

-用于，特别是基于预先设定的限制，确定至少一个轴的位置的统一进程的允许范围和预先设定在该允许范围内的统一进程的装置；和/或

-用于基于另外的末端执行器姿势的极值，特别是另外的末端执行器姿势的预先设定范围的凸包络线，一末端执行器姿势与该极值之间的虚拟转移和/或基于每个另外的末端执行器姿势的允许个体范围的交集来确定允许范围的装置；和/或

-用于基于预先设定的质量标准来预先设定统一进程的装置；和/或

-用于基于运行参数、特别是末端执行器坐标或轨迹区段长度对统一进程进行参数化、特别是离散化的装置。

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。CPU可以为此被设计为：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。程序可以被提供为，其能够体现或执行在此所述的方法，使得CPU能够执行该方法的步骤，并由此可以特别是控制或调节机器人。在一种实施方式中，计算机程序产品可以具有、特别可以是特别是非易失性的、用于存储程序的存储介质或其上存储有程序的存储介质，其中，该程序的执行使得系统或控制器、特别是计算机能够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，该方法的一个或多个步骤，特别是所有的步骤被全部或部分地自动化执行，特别是通过该系统或其装置。在一种实施方式中，该系统具有机器人。

在一种实施方式中，机器人，在一种扩展方案中为机器人臂，具有至少三个、特别是至少六个、在一种实施方式中为至少七个(运动)轴或关节，特别是转动轴。附加地或替代地，在一种实施方式中，机器人具有可移动的基座，特别是行驶机构，和/或一个或多个线性轴，在一种扩展方案中，机器人臂被布置在该线性轴上。

本发明可以特别有利地用于这种机器人中。

在一种实施方式中，姿势具有一维、二维或三维的位置和/或一维、二维或三维的方向，姿势可以特别是由它们成或由此定义。

在一种特别有利的应用中，机器人是患者定位机器人(“PPR”)，其具有特别是六轴的机器人臂，机器人臂布置在线性轴上，其中在一种实施方式中，线性轴是第一轴，特别是被选择为第一轴；和/或第一和第二末端执行器姿势仅在围绕辐射单元(Bestrahlungseinheit)的参考方向的方向或转动位置上不同，特别是基于该方向或转动位置对统一进程进行参数化、特别是离散化。在一种实施方式中，线性轴的位置仅在该方向或转动位置改变时改变，并且在其它末端执行器坐标、特别是其围绕横向于辐射单元的参考方向的轴的位置和/或方向的全部变化中，均有利地保持恒定。

然而本发明当然不局限于此，而是能够有利地应用于特别是抓取对象在输送装置上的位置和/或其放置地点发生变化，在构件、特别是车身上的特别是彼此远离的点(其位置因构件而异)上进行加工等情况下，以及应用于其它的机器人部件，但不仅限于此。

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，部分示意性示出了：

图1为根据本发明一种实施方式的系统，其具有机器人，该机器人具有线性轴和布置在该线性轴上的机器人臂，机器人臂具有末端执行器；

图2为线性轴的位置的统一进程的允许范围；和

图3为根据本发明一种实施方式的、用于使末端执行器在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间转移的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一种实施方式的系统，该系统具有机器人，该机器人具有：基座11，该基座可以在具有调节路径限制21、22的线性轴上移动；机器人臂10，其具有转动关节12，该转动关节布置在基座11上的另一转动关节13中并且具有末端执行器14；和机器人控制器15。

末端执行器14应该从预先设定的初始范围A内部的任意初始末端执行器姿势x转移到相同的目标末端执行器姿势中，而不与障碍物H发生碰撞，其中，这些姿势分别是(通过)末端执行器14在图1的图像平面中的二维位置(来定义)，并且具有两个转动关节12、13和线性轴或者说这三个轴的机器人关于该任务是冗余的。

在第一离线步骤S10中，预先设定初始范围A，围绕该范围A放置一凸出包络线U，并且在考虑到调节路径限制21、22和避免与障碍物H发生碰撞的情况下，由该包络线的所有四个角点E1-E4(它们构成一系列可能的或允许的初始末端执行器姿势的极值)，规划在极值与目标末端执行器姿势之间的虚拟转移B1-B4。

为了清楚起见，在图1中，机器人被示例性地以其线性轴的两个位置绘出，在这些位置上，机器人的末端执行器处于或者说具有末端执行器姿势x_B1(s＝0.1)或x_B1(s＝1)。

在第二离线步骤S20中，对于每一个虚拟转移B1-B4或极值E1-E4，分别确定用于线性轴位置的允许个体范围。

为此，在图1中，针对运行参数的归一化轨迹区段长度0≤s≤1形式的两个值s＝0.1、s＝1，示出了转移B1或者说从极值E1到目标末端执行器姿势的允许范围的边界q_1,min,q_1,max。

在图2中，这些边界以虚线示出在运行参数s上方，用于其它转移B2-B4或者说从极值E2-E4到目标末端执行器姿势的允许个体范围的相应边界则是以虚线、点划线或双点划线示出。它们以离散的步长ds＝0.1来确定。

随后，在步骤S20中，将线性轴的位置q₁(s)的统一进程的允许(总)范围确定为允许个体范围的交集，这在图2中用阴影表示。

接着，在第三离线步骤S30中，基于预先设定的质量标准来预先设定统一进程q₁(s)，例如使得与允许(总)范围的边界的平均距离最大等。

如果现在要将末端执行器14从允许初始末端执行器姿势A系列中的任何一个转移到目标末端执行器姿势，则在第一在线步骤S40中要为此规划一轨迹，并利用运行参数0≤s≤1进行参数化(x(s))。

在第二在线步骤S50中，对于该运行参数的离散的步长ds，分别由预先设定的统一进程q₁(s)来确定线性轴的相应位置，由该线性轴的位置和相应的末端执行器姿势x(s)来确定两个转动关节12、13的位置并命令这些位置。

通过这种方式，确保了对于从任意一个初始末端执行器姿势A到目标末端执行器姿势的每个转移，线性轴都具有相同的、可预测的或可再现的行为。此外，可以通过离线地预先设定统一进程q₁(s)来降低计算负荷。

尽管在前面的描述中已经对示例性实施方式进行了说明，但是应该指出的是，还可能有许多的变型。此外还应该指出的是，这些示例性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，本领域技术人员能够通过前面的描述获得将至少一个示例性实施方式进行转换的教导，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，例如可以根据权利要求和等效的特征组合获得。

附加地或替代地，例如可以在预先设定的目标范围内设置任意的目标末端执行器姿势。

替代归一化的轨迹区段长度s，也可以有利地直接使用末端执行器坐标，例如患者定位机器人的末端执行器围绕辐射单元的参考方向的所谓的击打角(kickwinkel)。

在一种实施方式中，可以类似于离线地预先设定患者定位机器人的线性轴的位置的统一进程，如前面参照S10–S30所阐述的那样；然后，规划末端执行器包括该踢角在内的六个自由度的轨迹，如前面参照S40所阐述的那样；随后，对于该轨迹或踢角，分别由预先设定的线性轴的位置的统一进程，针对离散的踢角变化，分别确定线性轴的相应位位置并据此确定患者定位机器人的臂的位置或其轴位置，并发出命令。

附图标记列表

10 机器人臂

11 机器人基座

12，13机器人臂转动关节(另外的轴或者说第二轴)

14 末端执行器

15 机器人控制器

21，22线性轴-调节路径限制

A 初始区域

B1-B4 虚拟转移

E1-E4 极值

H 障碍物

U 包络线

x末端执行器的2D位置(末端执行器姿势)

s轨迹区段长度(运行参数)

q₁第一或线性轴的位置。

Claims (10)

1.一种用于使机器人的末端执行器(14)在一个末端执行器姿势与另一个末端执行器姿势之间转移的方法，其中，

对机器人的至少一个轴(q₁)为-在该一个末端执行器姿势与该另一个末端执行器姿势之间的转移，以及

-在该一个末端执行器姿势与一系列其它的末端执行器姿势之间的多个转移

预先设定(S30)该轴的位置的相同的、统一的进程(q₁(s))，并且-对机器人的至少一个另外的轴(12，13)，

-针对在该一个末端执行器姿势与该另一个末端执行器姿势之间的转移，以及

-针对在该一个末端执行器姿势与至少一个另外的末端执行器姿势之间的转移

命令(S50)该另外的轴的位置的不同的进程，

其特征在于，针对该至少一个轴的位置的统一的进程确定(S20)允许范围，并且在该允许范围内预先设定所述统一的进程，并且

-基于另外的末端执行器姿势的极值(E1-E4)，

-在该一末端执行器姿势与所述极值之间的虚拟转移(B1-B4)；和/或

-基于每一个另外的末端执行器姿势的允许个体范围的交集，确定所述允许范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述统一的进程，命令该至少一个轴和/或该至少一个另外的轴的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预先设定的末端执行器姿势，命令该至少一个轴的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于该至少一个轴的预先设定的位置和/或预先设定的末端执行器姿势，命令该至少一个另外的轴的位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，基于用户选择预先设定该至少一个轴。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，

-基于预先设定的质量标准来预先设定所述统一的进程。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，基于运行参数，对所述统一的进程进行参数化。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述运行参数是末端执行器坐标或轨迹区段长度，并且所述参数化是离散化。

9.一种用于使机器人的末端执行器(14)在一末端执行器姿势与另一末端执行器姿势之间转移的系统，该系统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：

-用于针对所述机器人的至少一个轴(q₁)对于

-在该一末端执行器姿势与该另一末端执行器姿势之间的转移，以及

-在该一末端执行器姿势与一系列其它的末端执行器姿势之间的多个转移，

预先设定该轴的位置的相同的、统一的进程(q₁(s))的装置；和-用于命令所述机器人的至少一个另外的轴(12，13)的位置的不同进程的装置，

-针对在该一末端执行器姿势和该另一末端执行器姿势之间的转移，以及

-针对在该一末端执行器姿势与至少一个另外的末端执行器姿势之间的转移。

10.一种能由计算机读取的介质，其上存储有计算机程序产品的程序代码，所述计算机程序产品用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。