DE102008057142A1

DE102008057142A1 - Verfahren zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters

Info

Publication number: DE102008057142A1
Application number: DE102008057142A
Authority: DE
Inventors: Winfried Lurz; Werner Dr. Neubauer; Manfred Schönborn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: US8660694B2; US20090271035A1; DE102008057142B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters (1), bei dem eine Trajektorie für die Bewegung eines dem Roboter (1) zugeordneten Raumpunkts in einem ortsfesten Koordinatensystem (K) geplant wird. Erfindungsgemäß werden die Raumpositionen aus einer Vielzahl von Raumpositionen des Raumpunkts (P) in jeweilige Konfigurationspositionen in einem Konfigurationsraum des Roboters (1) basierend auf inverser Kinematik umgerechnet, wobei eine jeweilige Konfigurationsposition durch Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (A1, ..., A6) des Roboters (1) beschrieben wird. Die jeweiligen Konfigurationspositionen werden auf Kollisionen überprüft und es wird eine Trajektorie entlang von Raumpositionen des Raumpunkts (P) gebildet, deren jeweilige Konfigurationspositionen kollisionsfrei sind. Durch eine Planung der Bewegung des Roboters in einem ortsfesten Koordinatensystem wird die Effizienz des Planungsverfahrens verbessert und die geplante Bewegung entspricht mehr den Erwartungen der Personen bzw. des Bedienpersonals im Umfeld des Roboters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters.
Die Bewegungsplanung robotischer Systeme hat zum Ziel, eine kollisionsfreie Bewegung des robotischen Systems zwischen einer entsprechenden Start- und Zielposition sicherzustellen. Dabei wird mit geeigneten Planungsverfahren eine kollisionsfreie Bewegungstrajektorie entlang einer Vielzahl von Zwischenpositionen ermittelt, welche untereinander über Trajektionsstücke verbunden sind.
In bekannten Bewegungsplanungsverfahren werden die einzelnen Zwischenpunkte bzw. Trajektorienstücke im sog. Konfigurationsraum geplant. Der Konfigurationsraum wird dabei durch Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen des robotischen Systems beschrieben. Bei bekannten Verfahren wird somit eine kollisionsfreie Trajektorie im Konfigurationsraum berechnet. Die Überprüfung einer Konfigurationsposition auf Kollisionsfreiheit läuft dabei derart ab, dass basierend auf der bekannten Vorwärtskinematik des robotischen Systems die Geometrie des Systems in einem ortsfesten, sich nicht mit dem Roboter bewegenden Basiskoordinatensystem berechnet wird und auf Kollisionen mit entsprechend gespeicherten Objekten im Basiskoordinatensystem überprüft wird.
In herkömmlichen Planungsverfahren sind die Trajektorienstücke zwischen den kollisionsfreien Positionen im Konfigurationsraum im Regelfall Geraden. Hieraus ergibt sich das Problem, dass gerade Bewegungen im Konfigurationsraum in dem ortsfesten Basiskoordinatensystem insbesondere bei Knickarmkinematiken des robotischen Systems oft stark gekrümmt sind.
Bei gekrümmten Bewegungen treten mit einer deutlich höheren Wahrscheinlichkeit Kollisionen auf als bei einer geraden Bewegung in dem ortsfesten Basiskoordinatensystem. Deshalb sind der Planungsaufwand und die Planungszeiten in herkömmlichen Planungsverfahren sehr hoch, da eine Vielzahl von Konfigurationspositionen überprüft werden müssen, bis eine kollisionsfreie Trajektorie gefunden wird. Darüber hinaus ist eine gekrümmte Bewegung im ortsfesten Basiskoordinatensystem für Personen bzw. Bedienpersonal im Umfeld des robotischen Systems nicht sehr eingängig und findet deshalb wenig Akzeptanz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungsplanung eines Roboters zu schaffen, das die Rechenzeit für eine kollisionsfreie Bewegungs-trajektorie eines Roboters verkürzt.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 oder die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Trajektorie für die Bewegung eines dem Roboter zugeordneten Raumpunkts in einem ortsfesten Koordinatensystem geplant, wobei das ortsfeste Koordinatensystem das bereits oben genannte Basiskoordinatensystem darstellt. Dieses Koordinatensystem wird häufig auch als Weltkoordinatensystem bezeichnet. Zur Berechnung einer derartigen Trajektorie werden Raumpositionen aus einer Vielzahl von Raumpositionen des Raumpunkts in jeweilige Konfigurationspositionen in dem Konfigurationsraum des Roboters basierend auf inverser Kinematik umgerechnet. Wie bereits oben erwähnt, wird eine jeweilige Konfigurationsposition durch eine Achsposition bzw. Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen des Roboters beschrieben.
Umrechnungen basierend auf inverser Kinematik sind hinlänglich aus der Robotik bekannt. Durch die inverse Kinematik wird eine Raumposition eines dem Roboter zugeordneten Raumpunkts in Weltkoordinaten in entsprechende Konfigurationspositionen im Konfigurationsraum umgerechnet. Im Unterschied zur inversen Kinematik wird mit der bereits oben erwähnten Vorwärtskinematik aus einer Konfigurationsposition im Konfigurationsraum eine entsprechende Position des Roboters im Basiskoordinatensystem errechnet.
Erfindungsgemäß werden die jeweiligen umgerechneten Konfigurationspositionen auf Kollisionen überprüft und basierend darauf wird eine Trajektorie entlang von Raumpositionen des Raumpunkts gebildet, deren jeweilige Konfigurationspositionen kollisionsfrei sind. Die Überprüfung auf Kollisionsfreiheit erfolgt dabei wiederum mit an sich bekannten Verfahren. Insbesondere wird mit der Vorwärtskinematik des Roboters die Geometrie des Roboters im Basiskoordinatensystem berechnet und dann bestimmt, ob Kollisionen mit gespeicherten Objekten im Basiskoordinatensystem auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die Planung einer Trajektorie im ortsfesten Basiskoordinatensystem in geringer Rechenzeit erfolgen kann, da Teiltrajektorienstücke im Basiskoordinatensystem mit höherer Wahrscheinlichkeit kollisionsfrei sind. Darüber hinaus können Trajektorien geplant werden, welche den Erwartungen eines Benutzers im Hinblick auf einen kollisionsfreien Weg zwischen zwei Punkten entsprechen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der dem Roboter zugeordnete Raumpunkt dessen Tool-Center-Point. Der Tool-Center-Point ist ein hinlänglich aus der Robotik bekannter Begriff und betrifft den Endeffektor eines Roboters, d. h. das letzte Element der kinematischen Kette eines Roboters.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das ortsfeste Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem mit orthogonalen Achsen und/oder die Bewegung des Roboters wird im dreidimensionalen Raum geplant.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die geplante Trajektorie durch gerade Trajektorienstücke zwischen den Raumpositionen des Raumpunkts gebildet. Hierdurch wird eine besonders recheneffiziente Berechnung der Trajektorie im ortsfesten Koordinatensystem erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle, dass zu einer Raumposition des Raumpunkts basierend auf der inversen Kinematik keine Konfigurationsposition im Konfigurationsraum ermittelbar ist, diese Raumposition bei der Bewegungsplanung nicht berücksichtigt. Auf diese Weise findet eine geeignete Behandlung von aufgrund der Kinematik des Roboters nicht erreichbaren Raumpositionen statt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle, dass basierend auf der inversen Kinematik für eine Raumposition des Raumpunkts eine mehrdeutige Konfiguration umfassend mehrere, für die Raumposition mögliche Konfigurationspositionen gefunden wird, eine der Konfigurationspositionen aus der mehrdeutigen Konfiguration nach vorbestimmten Kriterien ausgewählt und zur Kollisionsprüfung verwendet. Die vorbestimmten Kriterien können verschieden ausgestaltet sein, gegebenenfalls kann zufällig eine der Konfigurationspositionen ausgewählt werden.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird bei Auftreten einer mehrdeutigen Konfiguration diejenige Konfiguration aus der mehrdeutigen Konfigurationsposition ausgewählt, deren Abstand zu der Konfigurationsposition des zuvor auf der Trajektorie liegenden Raumpunkts am geringsten ist.
Auf diese Weise wird ein sprunghafter Wechsel zwischen verschiedenen Konfigurationspositionen vermieden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bewegungsplanung mit einem probabilistischen Planungsverfahren oder mit einem regelbasierten Planungsverfahren oder mit einem Planungsverfahren basierend auf der Potentialfeldmethode. Beim probabilistischen Planungsverfahren werden zufällige Raumpositionen aufeinander folgend ausgewählt und hierdurch die Trajektorie gebildet. Beim regelbasierten Planungsverfahren sind verschiedene Regelsätze vorgegeben, auf deren Basis eine Veränderung der Roboterposition erfolgen soll. Bei der Potentialfeldmethode wird um Objekte im ortsfesten Basiskoordinatensystem ein abstoßendes Potentialfeld modelliert, um hierdurch Kollisionen mit diesen Objekten zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für beliebige robotische Systeme eingesetzt werden. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist die Planung der Bewegung einer robotischen medizinischen Vorrichtung, insbesondere einer bildgebenden medizinischen Vorrichtung. Vorzugsweise ist die medizinische Vorrichtung ein robotergesteuerter C-Bogen, mit dem Patienten geröntgt werden. Röntgeneinrichtungen in der Form von C-Bögen sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise wird dabei die Bewegung im Hinblick auf das Isozentrum des C-Bogens geplant. Das Isozentrum stellt dabei den Tool-Center-Point des C-Bogens dar.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters, wobei im Betrieb der Vorrichtung eine Trajektorie für die Bewegung eines dem Roboter zugeordneten Raumpunkts in einem ortsfesten Koordinatensystem geplant wird. Die Vorrichtung umfasst hierzu ein Mittel zur Umrechnung von Raumpositionen aus einer Vielzahl von Raumpositionen des Raumpunkts in jeweilige Konfigurationspositionen in einem Konfigurationsraum des Roboters basierend auf inverser Kinematik, wobei eine jeweilige Konfigurationsposition durch Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen des Roboters beschrieben wird. Darüber hinaus beinhaltet die Vorrichtung ein Mittel zur Überprüfung der jeweiligen Konfigurationspositionen auf Kollisionen und ein Mittel zum Bilden einer Trajektorie entlang von Raumpositionen des Raumpunkts, deren jeweilige Konfigurationspositionen kollisionsfrei sind.
Die Vorrichtung ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass jede Variante des oben beschriebenen Planungsverfahrens mit der Vorrichtung durchführbar ist.
Die Erfindung umfasst ferner einen Roboter, insbesondere eine robotische medizinische Vorrichtung, welche die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten 1 detailliert beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung einer robotergesteuerten Röntgeneinrichtung, deren Bewegung basierend auf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geplant wird.
Die in 1 dargestellte robotergesteuerte Röntgeneinrichtung 1 umfasst ein Grundgestell 2, das beispielsweise am Boden eines Operationssaals fest montiert sein kann. Auf dem Grundgestell befindet sich ein (nicht detailliert dargestelltes) Karussell, welches eine Bewegung eines Systems aus Armen und Gelenken um eine vertikal verlaufende Achse A1 ermöglicht. Das System aus Armen und Gelenken umfasst eine Schwinge 3, welche um eine zweite Drehachse A2 geschwenkt werden kann. An der Schwinge 3 ist drehbar um eine dritte Drehachse A3 ein Arm 4 befestigt. Am Ende des Arms 4 ist drehbar um eine vierte Drehachse A4 eine Roboterhand 5 angebracht, welche eine Schnittstelle 6 zur Ankopplung eines sog. C-Bogens 7 aufweist. Der C-Bogen ist dabei über die Schnittstelle 6 um eine Rotationsachse A6 rotierbar und um eine senkrecht dazu verlaufende fünfte Drehachse A5 schwenkbar.
Der C-Bogen 7 umfasst an seinen vorderen Enden jeweils einen Röntgendetektor 7a sowie eine entsprechende Röntgenquelle 7b. Der Mittelpunkt zwischen Röntgendetektor 7a und Röntgenquelle 7b stellt das Isozentrum P des C-Bogens dar und bildet den Endeffektor bzw. Tool-Center-Point des Roboters 1. Zum Röntgen wird der Tool-Center-Point P des Roboters 1 an ein zu röntgendes Organ eines Patienten auf dem Patiententisch 8 bewegt und anschließend werden mehrere zweidimensionale Röntgenaufnahmen mit Hilfe des Röntgendetektors 7a und der Röntgenquelle 7b aufgezeichnet. Dabei werden die Röntgenaufnahmen in unterschiedlichen Positionen des C-Bogens um die längs des Patiententischs 8 verlaufende Achse A7 erzeugt.
Um nunmehr Kollisionen des Roboters 1 mit beliebigen Objekten im Raum zu vermeiden, wird die auszuführende Bewegung des Roboters vorab geplant. Dabei wird eine Vielzahl von Positionen des Roboters im Raum dahingehend überprüft, ob in den einzelnen Positionen Kollisionen auftreten. Schließlich werden kollisionsfreie Positionen zu einer Trajektorie zusammengesetzt, entlang der sich der Roboter dann zwischen einer vorgegebenen Start- und Zielposition bewegen kann.
In herkömmlichen Verfahren zur Bewegungsplanung erfolgt die Planung der Bewegung im sog. Konfigurationsraum, der durch die einzelnen Achswinkel der Achsen A1 bis A6 gemäß 1 beschrieben ist. Gegebenenfalls kann der Konfigurationsraum neben rotatorischen Achspositionen auch translatorische Achspositionen umfassen. Beispielsweise kann der C-Bogen auch translatorisch in der durch den C-Bogen aufgespannten Ebene an der Schnittstelle 6 nach oben bzw. unten verschoben werden. Bei der Planung der Bewegung des C-Bogens im Konfigurationsraum werden für eine Vielzahl von Positionen in diesem Konfigurationsraum Kollisionsrechnungen durchgeführt, bis ei ne Trajektorie im Konfigurationsraum gefunden wird, welche eine vorgegebenen Start- und Zielposition ohne Kollisionen miteinander verbindet. Dabei wird für jede Position im Konfigurationsraum aus den Achspositionswerten des Roboters mit Hilfe der Vorwärtskinematik, welche durch eine Matrizenmultiplikation beschrieben werden kann, die Geometrie des Roboters und die Position des Tool-Center-Points P berechnet. Die Robotergeometrie und die Position des Tool-Center-Points wird in Bezug auf ein ortsfestes, sich nicht mit dem Roboter bewegendes kartesisches Weltkoordinatensystem angegeben, wobei ein solches Koordinatensystem beispielhaft in 1 mit K bezeichnet ist und die Achsen x, y und z umfasst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Planung der Bewegung des Roboters nunmehr nicht in dem Konfigurationsraum der Achspositionen A1 bis A6, sondern in dem Weltkoordinatensystem K. Dabei wird direkt die Bewegung des Tool-Center-Points P geplant. Insbesondere werden für eine Vielzahl von Positionen des Tool-Center-Points P im Weltkoordinatensystem K entsprechende Kollisionsrechnungen durchgeführt. Hierzu werden mit Hilfe der inversen Kinematik des Roboters aus jeder Position des Tool-Center-Points P die entsprechenden Achspositionen A1 bis A6 im Konfigurationsraum errechnet, um hierfür eine Kollisionsrechnung durchzuführen.
Gegebenenfalls können Mehrdeutigkeiten bei der Umrechnung der Position des Tool-Center-Points in Achspositionen des Konfigurationsraums auftreten, da aufgrund der Knickarmkinematik des Roboters 1 unter Umständen mehrere Armpositionen für die gleiche Position des Tool-Center-Points möglich sind. Es wird dann nach bestimmten Kriterien eine Konfiguration ausgewählt. Im einfachsten Fall kann die Konfiguration zufällig gewählt sein. Es sollte jedoch sichergestellt sein, dass bei der Veränderung des Tool-Center-Points von einer Position zur nächsten die entsprechenden Konfigurationen im Konfigurationsraum nicht sprunghaft gewechselt werden.
Darüber hinaus kann bei der Planung der Bewegung im Koordinatensystem K der Fall auftreten, dass eine Position des Tool-Center-Points P im Konfigurationsraum nicht erreichbar ist. In diesem Fall wird die entsprechende Position des Tool-Center-Points als eine Position behandelt, welche zu Kollisionen führt, so dass diese Position bei der Bewegungsplanung nicht mehr berücksichtigt wird.
Die soeben beschriebene Bewegungsplanung des Tool-Center-Points P im ortsfesten Koordinatensystem K weist den Vorteil auf, dass die Trajektorie in einem für den Benutzer sichtbaren Raum geplant wird, so dass die berechnete Trajektorie der Bewegungsplanung für den Benutzer eingängig ist und auch den Erwartungen des Benutzers entspricht. Darüber hinaus sind die einzelnen Teiltrajektorien der geplanten Bewegungstrajektorie mit höherer Wahrscheinlichkeit kollisionsfrei, als wenn die Trajektorie im Konfigurationsraum geplant wird.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters (1), bei dem eine Trajektorie für die Bewegung eines dem Roboter (1) zugeordneten Raumpunkts (P) in einem ortsfesten Koordinatensystem (K) geplant wird, wobei: – Raumpositionen aus einer Vielzahl von Raumpositionen des Raumpunkts (P) in jeweilige Konfigurationspositionen in einem Konfigurationsraum des Roboters (1) basierend auf inverser Kinematik umgerechnet werden, wobei eine jeweilige Konfigurationsposition durch Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (A1, ..., A6) des Roboters (1) beschrieben wird; – die jeweiligen Konfigurationspositionen auf Kollisionen überprüft werden und eine Trajektorie entlang von Raumpositionen des Raumpunkts (P) gebildet wird, deren jeweilige Konfigurationspositionen kollisionsfrei sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Raumpunkt (P) der Tool-Center-Point des Roboters (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das ortsfeste Koordinatensystem (K) ein kartesisches Koordinatensystem ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Bewegung des Roboters (1) im dreidimensionalen Raum geplant wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trajektorie durch gerade Trajektorienstücke zwischen den Raumpositionen des Raumpunkts (P) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Falle, dass zu einer Raumposition des Raumpunkts (P) basierend auf der inversen Kinematik keine Konfigurationsposi tion im Konfigurationsraum ermittelbar ist, diese Raumposition (P) bei der Bewegungsplanung nicht berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Falle, dass basierend auf der inversen Kinematik für eine Raumposition des Raumpunkts (P) eine mehrdeutige Konfiguration umfassend mehrere, für die Raumposition mögliche Konfigurationspositionen gefunden wird, eine der Konfigurationspositionen aus der mehrdeutigen Konfiguration nach vorbestimmten Kriterien ausgewählt und zur Kollisionsüberprüfung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei Auftreten einer mehrdeutigen Konfiguration diejenige Konfigurationsposition aus der mehrdeutige Konfigurationsposition ausgewählt wird, deren Abstand zu der Konfigurationsposition des zuvor auf der Trajektorie liegenden Raumpunkts (P) am geringsten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewegungsplanung mit einem probabilistischen Planungsverfahren oder mit einem regelbasierten Planungsverfahren oder mit einem Planungsverfahren basierend auf der Potentialfeldmethode erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewegung einer robotischen medizinischen Vorrichtung geplant wird, insbesondere einer bildgebenden medizinischen Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die robotische medizinische Vorrichtung ein robotergesteuerter C-Bogen ist, wobei der Raumpunkt insbesondere das Isozentrum des C-Bogens ist.
Vorrichtung zur rechnergestützten Bewegungsplanung eines Roboters (1), wobei im Betrieb der Vorrichtung eine Trajektorie für die Bewegung eines dem Roboter (1) zugeordneten Raum punkts (P) in einem ortsfesten Koordinatensystem (K) geplant wird, wobei die Vorrichtung umfasst: – ein Mittel zur Umrechnung von Raumpositionen aus einer Vielzahl von Raumpositionen des Raumpunkts (P) in jeweilige Konfigurationspositionen in einem Konfigurationsraum des Roboters (1) basierend auf inverser Kinematik, wobei eine jeweilige Konfigurationsposition durch Achspositionen von einer oder mehreren rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (A1, ..., A6) des Roboters (1) beschrieben wird; – ein Mittel zur Überprüfung von jeweiligen Konfigurationspositionen auf Kollisionen; – ein Mittel zum Bilden einer Trajektorie entlang von Raumpositionen des Raumpunkts (P), deren jeweilige Konfigurationspositionen kollisionsfrei sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, welche derart ausgestaltet ist, dass mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 durchführbar ist.
Roboter, insbesondere robotische medizinische Vorrichtung, umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13.