DE112021001104T5

DE112021001104T5 - Bewegungsplanungsverfahren mit kollisionsvermeidung für industrieroboter

Info

Publication number: DE112021001104T5
Application number: DE112021001104.9T
Authority: DE
Inventors: Changhao Wang; Hsien-Chung Lin; Tetsuaki Kato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2023-01-12
Also published as: US11813753B2; US20210252707A1; WO2021165745A1; JP2023513841A; CN115605328A

Abstract

Bewegungsplanungsverfahren mit Kollisionsvermeidung für Roboter unter Verwendung von Suche und Optimierung eines schlechtesten Zustands. Das Bewegungsplanungsverfahren beginnt mit einer geometrischen Definition von Hindernissen, Start- und Zielpunkten und einer Anfangsmenge von Wegpunkten, die spärlich im Abstand angeordnet sein können. Ein Mittelpunkt-Interpolationsverfahren wie linear oder Spline vorausgesetzt, kann eine kontinuierliche Bewegungsbahn als eine Funktion der Wegpunkte und eines Bogenlängenparameters beschrieben werden. Die Suche nach dem schlechtesten Zustand wird anschließend durchgeführt, die einen Position zwischen jedem benachbarten Paar von Wegpunkten mit einem schlechtesten Abstandszustand zum Hindernis aufweist, indem alle Teile des Roboters und Werkzeugs berücksichtigt werden. Unter Verwendung von Positionen schlechtesten Zustands wird eine Kollisionsvermeidungsnebenbedingung definiert und anschließend eine Optimierung der Wegpunktpositionen durchgeführt, um die schlechtesten Zustände zu verbessern, bis alle Kollisionen ausgeschlossen und Mindestabstandskriterien der Hindernisvermeidung erfüllt sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen des Prioritätsdatums der am 19. Februar 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 62/978 654 , mit dem Titel BEWEGUNGSPLANUNGSVERFAHREN MIT KOLLISIONSVERMEIDUNG FÜR INDUSTRIEROBOTER.
HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Offenlegung betrifft das Gebiet der Bewegungssteuerung von Industrierobotern und spezieller ein Bewegungsplanungsverfahren für Roboter mit Kollisionsvermeidung, das mit einer Definition von Hindernissen und einer Anfangsmenge von Wegpunkten beginnt, die spärlich im Abstand angeordnet sein können, eine Position zwischen jedem benachbarten Paar von Wegpunkten mit schlechtestem Zustand des Abstands zum Hindernis findet, dann eine Optimierung der Positionen von Wegpunkten durchführt, um die schlechtesten Zustände zu verbessern, bis Mindestabstandskriterien der Hindernisvermeidung erfüllt sind.
Erörterung des Standes der Technik
Der Einsatz von Industrierobotern zur Durchführung eines breiten Bereichs von Herstellungs-, Montage- und Materialbewegungsoperationen ist ein Begriff. In vielen Arbeitsbereichsumgebungen von Robotern sind Hindernisse vorhanden und können sich in der Bahn der Roboterbewegung befinden. Die Hindernisse können feste Anordnungen und Einbauten sein. Die Hindernisse können auch ein Werkstück sein, das weiterbearbeitet wird, oder ein Behälter, in den Teile gelegt werden, wobei der Roboter sich in dem Werkstück oder um den Behälter bewegen muss, während ein Arbeitsgang durchgeführt wird. Kollisionen zwischen dem Roboter und einem beliebigen Hindernis müssen unbedingt vermieden werden.
Verfahren im Stand der Technik zur Roboterbewegungsplanung mit Kollisionsvermeidung sind verbunden mit der Festlegung einer Menge von Wegpunkten entlang einer Bewegungsbahn und Prüfung auf Kollisionen oder übermäßig kleine Freiräume bei durch jeden der Wegpunkte dargestellten diskreten Zuständen. Bei diesen Verfahren ist es möglich, dass bei der Bewegungsplanung Kollisionen mit dünnwandigen Hindernissen übersehen werden können, falls es vorkommt, dass das dünnwandige Hindernis zwischen den vorher festgelegten Wegpunkten vorhanden ist. Die einzige zuverlässige Möglichkeit zu gewährleisten, dass dünnwandige Hindernisse nicht übersehen werden, ist, eine dichte Menge von Wegpunkten zu definieren, bei denen der Abstand zwischen den Wegpunkten nicht groß genug ist, den ein dünnwandiges Hindernis einnehmen kann.
Einen dichten Wegpunktabstand zu verwenden, wie es bei Verfahren im Stand der Technik nötig ist, schafft wiederum andere Probleme. Ein Problem mit dichtem Wegpunktabstand ist, dass es die Berechnungszeit der Bewegungsplanung erhöht, weil für jeden Wegpunkt Berechnungen der Roboterkonfiguration mit inverser Kinematik und Optimierungsberechnungen der Kollisionsvermeidung durchgeführt werden müssen. Ein weiteres Problem mit dichtem Wegpunktabstand ist, dass es oftmals eine ungleichmäßige oder ruckartige Roboterbewegung verursacht, weil oft Verlangsamungen zum Bogenverlauf in der Nähe zu jedem Wegpunkt notwendig sind.
Angesichts der oben beschriebenen Umstände besteht Bedarf an einem verbesserten Optimierungsverfahren für Roboterbewegungen, welches keinen dichten Abstand von Wegpunkten erfordert, aber dennoch jegliche Kollisionen oder Verletzungen des Mindestabstandsschwellenwertes entlang der Bewegungsbahn des Roboters zuverlässig erkennt und automatisch behebt.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend der technischen Lehre der vorliegenden Offenlegung wird ein Bewegungsplanungsverfahren mit Kollisionsvermeidung für Roboter mittels Suche und Optimierung des schlechtesten Zustands offengelegt. Das Bewegungsplanungsverfahren beginnt mit einer geometrischen Definition von Hindernissen, Start- und Zielpunkten und einer Anfangsmenge von Wegpunkten, die spärlich im Abstand angeordnet sein können. Mit einem Mittelpunkt-Interpolationsverfahren wie linear oder Spline vorausgesetzt, kann eine kontinuierliche Bewegungsbahn als eine Funktion der Wegpunkte und eines Bogenlängenparameters beschrieben werden. Dann wird eine Suche nach dem schlechtesten Zustand durchgeführt, die eine Position zwischen jedem benachbarten Paar von Wegpunkten mit schlechtestem Zustand des Abstands zum Hindernis unter Berücksichtigung aller Teile von Roboter und Werkzeug findet. Unter Verwendung der Positionen schlechtesten Zustands wird eine Kollisionsvermeidungsnebenbedingung definiert und dann eine Optimierung der Positionen der Wegpunkte durchgeführt, um die schlechtesten Zustände zu verbessern, bis alle Kollisionen ausgeschlossen und Mindestabstandskriterien der Hindernisvermeidung erfüllt sind.
Zusätzliche Merkmale der gegenwärtig offengelegten Vorrichtungen und Verfahren erschließen sich aus der folgenden Beschreibung und den in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachteten, angefügten Ansprüchen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines in der Nähe von Hindernissen arbeitenden Industrieroboters, wobei herkömmliche Bewegungsplanungsverfahren mit Koalitionsvermeidung versagen könnten, um eine Hinderniskollision zu erkennen, falls kein ausreichend dichter Abstand von Wegpunkten verwendet wird.
2 ist eine Darstellung eines in der Nähe einer Fahrzeugkarosseriestruktur arbeitenden Industrieroboters, wobei das Fahrzeugkarosseriewerkstück selbst ein Hindernis darstellt, dem ausgewichen werden muss, und wobei herkömmliche Bewegungsplanungsverfahren mit Kollisionsvermeidung wiederum einen dichten Abstand von Wegpunkten nutzen müssen;
3 ist eine Darstellung einer Folge von Wegpunkten durch eine Hindernisumgebung, wobei die Suche nach dem schlechtesten Zustand eine Position auf einer Bewegungsbahn zwischen jedem Paar von Wegpunkten mit einem Abstand des schlechtesten Zustands relativ zu den Hindernissen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung ermittelt;
4 ist eine Darstellung der anfänglichen Wegpunkte und Bewegungsbahn von 3, wobei eine Optimierung des schlechtesten Zustands die Positionen der Wegpunkte bewegt, um die schlechtesten Zustände zu verbessern, bis Kriterien der Kollisionsvermeidung erfüllt sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
5 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens der Bewegungsplanung von Robotern mit Kollisionsvermeidung unter Verwendung einer Suche nach dem schlechtesten Zustand und einer Wegpunktoptimierung basierend auf den schlechtesten Zuständen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung; und
6 ist eine Darstellung eines Roboterbewegungsplanungssystems mit Kollisionsvermeidung, das zur Verwendung des Verfahrens von 5 ausgelegt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Offenlegung, die auf ein Bewegungsplanungsverfahren mit Kollisionsvermeidung für Roboter mittels Suche nach dem schlechtesten Zustand und Optimierung des schlechtesten Zustands gerichtet ist, ist lediglich beispielhaft und in keiner Weise beabsichtigt, offengelegte Vorrichtungen und Verfahren oder ihre Anwendungen oder Einsätze zu beschränken.
Es ist bekannt, Industrieroboter für eine Vielzahl von Herstellungs-, Montage- und Materialbewegungsoperationen zu nutzen. In vielen Arbeitsbereichsumgebungen von Robotern sind Hindernisse vorhanden, die sich in der Roboterbewegungsbahn befinden können, das heißt, die Hindernisse können zwischen der aktuellen Position des Roboters und der Bestimmungsposition des Roboters angeordnet sein. Die Hindernisse können Strukturen wie Maschinen, Einbauten und Tische sein, wobei ein Werkstück, das weiter zu bearbeiten ist, oder ein Behälter, der sich um den Roboter herum befindet, selbst ein Hindernis sein können, wenn der Roboter im Werkstück oder um den Behälter manövrieren muss, während ein Arbeitsgang durchgeführt wird. An sich wurden Verfahren zur Berechnung von Roboterbewegungen entwickelt, sodass das Werkzeug einer Bahn folgt, während eine Kollision des Roboters mit einem beliebigen Hindernis vermieden wird.
1 ist eine Darstellung eines in der Nähe von Hindernissen arbeitenden Industrieroboters, wo übliche Bewegungsplanungsverfahren mit Kollisionsvermeidung versagen könnten, eine Kollision mit Hindernissen zu erkennen, falls kein genügend dichter Wegpunktabstand verwendet wird. Ein Roboter 100 führt einen Arbeitsgang durch, der so einfach sein kann wie das Bewegen von Werkstücken von einem ersten Behälter 110 zu einem zweiten Behälter 120. Zwischen den Behältern 110 und 120 befindet sich eine Trennwand 130. Die Seitenwände der Behälter 110 und 120 und die Trennwand 130 stellen alle Hindernisse dar, denen von allen Teilen des Roboters 100 einschließlich aller Roboterarme, dem Werkzeug (welches ein Fingergreifer oder ein Saugkopfgreifer sein könnte) und dem Werkstück selbst, welches bewegt wird, ausgewichen werden muss.
Ein Startpunkt 140 und ein Zielpunkt 142 stellen jeweils die Anfangs- und Endpunkte auf einer von einem Werkstück zu durchlaufenden Bahn dar. Bei einem Bestückungseinsatz für Werkstücke des oben beschriebenen Typs ist es üblich, dass ein Sichtsystem (Kamera oder anderer Sensor - nicht gezeigt) eine Position in dem Behälter 110 eines zu bewegenden nächsten Werkstücks erkennt. Es ist außerdem üblich, dass die Bestimmungsposition des Werkstücks sich von einem Stück zum nächsten unterscheidet, weil Abteilungen innerhalb des Behälters 120 einzeln befüllt werden. So werden sowohl der Startpunkt 140 als auch der Zielpunkt 142 für jedes zu bewegende Werkstück eindeutig erkannt, was bedeutet, dass für jedes Werkstück eine eindeutige Bahn berechnet werden muss. Der Startpunkt 140 und der Zielpunkt 142 werden zusammen mit einer geometrischen Definition der Hindernisse (die Behälter 110 und 120 und die Trennwand 130) als Eingabe für Berechnungen der Bewegungsplanung bereitgestellt.
Es ist bekannt, eine Anzahl von Wegpunkten längs der Bahn des Werkstücks festzulegen, wobei die anfänglichen Bezugspositionen der Wegpunkte entlang einer geraden Linie vom Startpunkt 140 zum Zielpunkt 142 zum Beispiel gleichmäßig verteilt sein können. Bei Bewegungsplanungssystemen im Stand der Technik wird der Roboterzustand an jedem Wegpunkt berechnet und werden Berechnungen der Kollisionsvermeidung in jedem Wegpunktzustand durchgeführt. Wenn die Wegpunkte spärlich im Abstand angeordnet sind, ist es jedoch möglich, dass Systeme der Bewegungsplanung einen Behinderungszustand, der zwischen den Wegpunkten vorhanden ist, nicht erkennen könnten. Diese Situation wird in der folgenden Erörterung, immer noch auf 1 gerichtet, dargestellt.
Eine Bewegungsbahn 150 wird als eine gerade Linie zwischen dem Startpunkt 140 und dem Zielpunkt 142 festgelegt. Zusätzlich zum Startpunkt 140 und Zielpunkt 142 werden zwei Wegpunkte definiert, ein Wegpunkt 152 und ein Wegpunkt 154. Bei üblichen auf Optimierung basierenden Bewegungsplanungsverfahren wird eine anfängliche Bezugsbahn festgelegt, werden Zustände und Behinderungen von Robotern berechnet und wird eine neue Bahn definiert, wobei dies iterativ wiederholt wird, bis eine Bahn gefunden ist, bei der an beliebigen Wegpunkten entlang der Strecke keine Kollision vorhanden sind. Jedoch kann im Fall der Bewegungsbahn 150 bestimmt werden, dass weder am Wegpunkt 152 noch am Wegpunkt 154 Kollisionen auftreten, und das Bewegungsplanungssystem würde rückschließen, dass die geradlinige Bewegungsbahn 150 eine geeignete Bahn vom Startpunkt 140 zum Zielpunkt 142 ist. Dies ist offensichtlich keine akzeptable Lösung, weil der äußere Arm und/oder das Werkzeug des Roboters mit der Seitenwand des Behälters 110, der Trennwand 130 und der Seitenwand des Behälters 120 kollidieren würden.
Die oben beschriebene Situation tritt ein, weil Bewegungsplanungssysteme im Stand der Technik nur die durch die Wegpunkte dargestellten diskreten Zustände berücksichtigen und nicht auf Kollisionen hin prüfen, die zwischen den Wegpunkten auftreten können. Um eine fehlerhafte Lösung wie oben beschrieben zu vermeiden, ist es üblich, dass Benutzer von Bewegungsplanungssystemen des Stands der Technik eine dichte Menge von Wegpunkten festlegen. Zum Beispiel wird anstelle von vier Punkten, wie bei Verwendung der Bewegungsbahn 150 (dem Startpunkt 140, dem Zielpunkt 142 und zwei dazwischen liegenden Wegpunkten) eine Bewegungsbahn 160 definiert, die eine Gesamtmenge von zehn Punkten (dem Startpunkt 140, dem Zielpunkt 142 und acht dazwischen liegenden Wegpunkten) verwendet. Selbst wenn die dazwischen liegenden Wegpunkte (162, 164, 166, usw.) am Anfang in einer geraden Linie zwischen dem Startpunkt 140 und dem Zielpunkt 142 angeordnet sind, werden bei einigen der diskreten Wegpunktzustände Kollisionen ermittelt, und die Optimierungsroutine wird bewirken, dass sich die Wegpunkte nach oben bewegen, bis sie sich der Bewegungsbahn 160 annähern, die sich nach oben und über alle Hindernisse zwischen dem Startpunkt 140 und dem Zielpunkt 142 wölbt.
2 ist eine Darstellung eines in der Nähe einer Fahrzeugkarosseriestruktur arbeitenden Industrieroboters, wobei das Fahrzeugkarosseriewerkstück selbst ein Hindernis darstellt, dem ausgewichen werden muss, und übliche Verfahren der Bewegungsplanung mit Kollisionsvermeidung wieder einen dichten Wegpunktabstand verwenden müssen. Der Roboter 200 führt einen Arbeitsgang wie Punktschweißen an einer Fahrzeugkarosseriestruktur 210 durch. Der Startpunkt 220 für den Roboter 200 eine Ausgangsposition, und der Zielpunkt 222 ist die Position, an der die Schweißung durchzuführen ist (an einem Teil, das zum Beispiel im Innern der Karosseriestruktur 210 angeordnet ist). Eine Dachschiene 212 der Karosseriestruktur 210 nimmt eine Position direkt zwischen dem Startpunkt 220 und dem Zielpunkt 222 ein.
Auf der Basis der Erörterung von 1 oben ist es leicht sich vorzustellen, wie eine geradlinige Bewegungsbahn 230 bestimmt werden könnte, um kollisionsfrei zu sein. Auch wenn die Bewegungsbahn 230 mit einer mäßigen Anzahl von dazwischen liegenden Wegpunkten (wie etwa fünf) zwischen dem Startpunkt 220 und dem Zielpunkt 222 definiert ist, ist es sehr denkbar, dass Systeme der Bewegungsplanung des Stands der Technik eine Kollision nicht detektieren würden, weil Berechnungen einer Kollisionsvermeidung nur bei diskreten Wegpunktzuständen durchgeführt werden und der dünne Dachlängsträger 212 zwischen den Wegpunkten hindurch gehen kann.
Falls eine genügend hohe Anzahl von Wegpunkten festgelegt ist, werden Bewegungsplanungssysteme im Stand der Technik eine mögliche Kollision mit dem Dachlängsträger 212 erkennen. Die Kollisionsvermeidungsnebenbedingung wird bewirken, dass die Optimierungsroutine unterschiedliche Positionen für die Wegpunkte testet und die Wegpunkte sich möglicherweise einer Bewegungsbahn 240 annähern werden, die um die Außenseite der Karosseriestruktur 210 herum (zwischen dem Unterteil des Roboters 200 und der Karosseriestruktur 210) verläuft und sich zu dem Zielpunkt 222 zurück krümmt.
Der dichte Abstand von Wegpunkten, der bei Bewegungsplanungssystemen im Stand der Technik für eine zuverlässige Kollisionsvermeidung benötigt wird, ist aus zwei Gründen problematisch. Erstens werden Optimierungsberechnungen (die eine Berechnung der Roboterkonfiguration mit inverser Kinematik und eine Berechnung der Behinderungsprüfung einschließen) zunehmend komplex und zeitaufwendig, weil die Anzahl von Wegpunkten zunimmt. Zweitens ist eine laufruhige Bewegung des Roboterwerkzeugs mit einem dichten Abstand von Wegpunkten schwierig oder unmöglich zu erzielen, weil Bahnabschnittsübergänge an jedem Wegpunkt typischerweise Verlangsamungen des Werkzeugarbeitspunktes wegen der an den Übergängen benötigten Wölbungen verursachen.
Das Folgende ist eine Erörterung eines Bewegungsplanungsverfahrens mit Kollisionsvermeidung, welches keinen dichten Abstand von Wegpunkten erfordert, sondern zuverlässig Kollisionen zwischen Wegpunkten entlang einer kontinuierlichen Bewegungsbahn erkennt und anschließend Wegpunktpositionen optimiert, um eine Bewegungsbahn zur Verfügung zu stellen, die kollisionsfrei ist und Voraussetzungen eines Mindestabstands zur Hindernisvermeidung erfüllt. Gemäß der technischen Ausführungen der vorliegenden Offenlegung umfasst dieses Verfahren eine zweistufige Suche nach dem schlechtesten Zustand zur Erkennung der Positionen auf der kontinuierlichen Bewegungsbahn mit schlechtesten Behinderungsbedingungen, der sich eine zweistufige Optimierung des schlechtesten Zustands anschließt, welche die Wegpunkte zur Verbesserung der schlechtesten Zustände bewegt, bis Voraussetzungen einer Kollisionsvermeidung erfüllt sind.
3 ist die Darstellung einer Folge von Wegpunkten durch eine Hindernisumgebung, bei der eine Suche nach dem schlechtesten Zustand eine Position auf einer Bewegungsbahn zwischen jedem Paar von Wegpunkten erkennt, die einen Abstand des schlechtesten Zustands im Verhältnis zu den Hindernissen aufweisen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. 3 ist zusammen mit der nachstehend erörterten 4 der Deutlichkeit halber einfach als zweidimensional (2D) dargestellt. In einer aktuellen Umsetzung sind die Hindernisse und die Koordinaten des Start- und Zielpunktes, der Wegpunkte und der Punkte schlechtesten Zustands alle in drei Dimensionen festgelegt und alle Berechnungen werden entsprechend gehandhabt. Der Einfachheit und Deutlichkeit halber sind Roboter und Werkstück von 3 und 4 ebenfalls weggelassen. Es soll verständlich werden, dass die Bewegungsbahnen und Wegpunkte von 3 und 4 durch einen Roboter unmittelbar genutzt werden, um einen Arbeitsgang durchzuführen, wobei die endgültige Bewegungsbahn die Bahn ist, die von dem Werkzeugarbeitspunkt des Roboters in der in 1 und 2 gezeigten Art und Weise genommen wird.
In 3 stellen die Hindernisse 310, 312 und 314 einen beliebigen Objekttyp dar, denen von dem Roboter und dem Werkstück ausgewichen werden muss. Wie es oben bezüglich 1 und 2 erörtert wurde, könnten die Hindernisse 310/312/314 Strukturen, Werkzeuge, Einbauten oder ein großes Werkstück selbst sein. Außerdem könnte sich eine Bedienperson in einem Roboterarbeitsbereich in einer Sicherheitszone befinden, die als ein Hindernis definiert ist.
Es sind ein Startpunkt 320 und ein Zielpunkt 322 festgelegt. Die Koordinaten jedes in 3 und 4 dargestellten Punkts sind entweder im Kartesischen Raum in einem gemeinsamen festgelegten Koordinatenrahmen, beispielsweise dem Koordinatenrahmen einer Roboterarbeitszelle, oder bezüglich der Positionen von Robotergelenken definiert, wie es weiter unten erörtert wird. Die Koordinaten des Startpunkts 320 und des Zielpunkts 322 stellen Voraussetzungen für den durchzuführenden Arbeitsgang dar, wie die Positionen, aus denen und in die ein Teil bewegt werden soll, weshalb die Positionen des Startpunkts 320 und des Zielpunkts 322 daher nicht verändert werden können. So werden die Positionen des Startpunkts 320 und des Zielpunkts 322 bei den unten erörterten Optimierungsberechnungen als Gleichheitseinschränkungen behandelt. Eine Anfangsmenge von Wegpunkten (332, 334 und 336) ist an Positionen im Allgemeinen zwischen dem Startpunkt 320 und dem Zielpunkt 322 festgelegt. Die Anfangspositionen der Wegpunkte 332/334/336 können in beliebiger geeigneter Weise festgelegt werden, was die Definition durch die eine Vorrichtung wie ein Handprogrammiergerät verwendende Bedienperson, eine automatische Auswahl durch einen Computer basierend auf einer zuvor berechneten Bahn mit ähnlichen Start- und Zielpunkten, usw., einschließt.
3 stellt zwei Schritte des offengelegten Verfahrens dar: Parametrisierung eines Zustands und Suche nach dem schlechtesten Zustand. Jeder dieser zwei Schritte wird nachstehend erörtert. Zustandsparametrisierung ist mit einer Definition einer kontinuierlichen Bewegungsbahn 330 als eine Funktion des Startpunkts 320, des Zielpunkts 322 und der Wegpunkte 332/334/336 verbunden. Eine gewisse Terminologie wird wie folgt eingerichtet. Die gesamte Menge aller Punkte, durch welche die Bewegungsbahn 330 verläuft, ist als q^r definiert. Das heißt, q^r enthält die Start- und Zielpunkte 320/322 und die Wegpunkte 332/334/336. Mit anderen Worten ist q^r = {q₀, q₁, q₂, q₃, q₄}, wobei jeweils q₀ der Startpunkt 320, q₄ der Zielpunkt 322 und q₁, q₂, q₃ die Wegpunkte sind. Jeder der Punkte, wie etwa q₁, ist entweder im Kartesischen Raum (x/y/z-Koordinaten und Rollen/Nicken/Gieren) oder im Gelenkraum (J₁,J₂, ... ,J_nr, wobei n_r der Freiheitsgrad des Roboters ist) festgelegt.
Die kontinuierliche Bewegungsbahn 330 wird anschließend als eine Funktion g(q^r, α) definiert, wobei α ∈ [0,1] ein Bogenlängenparameter ist und q^r die Menge aller Endpunkte und Wegpunkte {q₀, q₁, q₂, q₃, q₄}, wie oben beschrieben, ist. Der Exponent r steht für „Bezug“, der einen anfänglichen oder vorherigen Wert in den nachstehend erörterten Optimierungsberechnungen angibt. Gemäß 3 sind die Wegpunkte entlang der kontinuierlichen Bewegungsbahn 330 gleichmäßig im Abstand angeordnet, sodass α = 1/4 bei q₁, α = 2/4 bei q₂, α = 3/4 bei q₃, und α = 4/4 bei q₄ ist. Um die Funktion g zu definieren, muss ein Interpolationsverfahren der Bewegungsbahn ausgewählt werden. Zum Beispiel könnte die Bewegungsbahn 330 als lineare Interpolation festgelegt werden, wobei die Bewegungsbahn in Form einer geraden Linie von q₁ bis q₂, einer weiteren geraden Linie von q₂ bis q₃, usw. besteht. Die Auswahl eines Interpolationsverfahrens für eine Menge von Wegpunkten ist auf dem Gebiet der Bewegungsprogrammierung von Robotern bekannt.
Im Fall von linearer Interpolation der Bewegungsbahn 330 wird die Funktion g im Abschnitt von q₁ bis q₂ geschätzt durch: $g (q^{r}, α) = (1 - α) q_{1} + α q_{2}$
in der oben alle Variablen definiert wurden. Die Funktion g kann auf ähnliche Art und Weise in allen anderen Abschnitten (von q₂ bis q₃, usw.) der Bewegungsbahn 330 geschätzt werden.
Ein weiteres Interpolationsverfahren der Bewegungsbahn, welches verwendet werden kann, ist Spline-Interpolation. In einem Beispiel von Spline-Interpolation der Bewegungsbahn 330 wird die Funktion g im Abschnitt von q₁ bis q₂ geschätzt durch: $g (q^{r}, α) = (k_{3} a^{3} + k_{2} a^{2} k_{1} a + 1) q_{1} + (m_{3} a^{3} + m_{2} a^{2} + m_{1} a) q_{2}$
wobei k und m Konstanten sind, welche die Form der Spline-Bewegungsbahn beeinflussen, und wiederum kann die Funktion g in einer ähnlichen Art und Weise in allen anderen Abschnitten (von q₂ bis q₃, usw.) der Bewegungsbahn 330 geschätzt werden. Andere Arten von Interpolationsverfahren der Bewegungsbahnen neben linearen und Spline können ebenfalls ausgewählt werden, wie es dem Fachmann verständlich wäre.
Die vorstehende Erörterung schließt den Schritt der Zustandsparametrisierung im offengelegten Verfahren ab. Zusammenfassend kann, das Interpolationsverfahren (linear, Spline, usw.) und die Wegpunkte q^r vorgegeben, die kontinuierliche Bewegungsbahn 330 durch die Funktion g(q^r, α) beschrieben werden, wobei α ein Bogenlängenparameter ist.
Der nächste Schritt im Prozess, ebenfalls in 3 dargestellt, ist die Suche nach dem schlechtesten Zustand. Eine Suche nach dem schlechtesten Zustand ist mit dem Auffinden der Position längs der Bewegungsbahn 330 zwischen jedem benachbarten Paar der Wegpunkte q^r mit dem Abstand des schlechtesten Zustands relativ zu den Hindernissen verbunden, was die schlechteste Behinderungsgröße mit einem der Hindernisse 310/312/314 oder der kleinste Abstand zu einem der Hindernisse 310/312/314 sein könnte. Für die Bewegungsbahn 330 sind Punkte 352, 354, 356 und 358 schlechtesten Abstands jeweils die schlechtesten Zustände für den ersten, zweiten, dritten und vierten Abschnitt der Bewegungsbahn 330. Jeder der Punkte des schlechtesten Zustands ist als q_worst,i bezeichnet, wobei i = (1, ... ,4) ist.
Um die schlechtesten Zustände aufzufinden, sind die Wegpunkte q^r festgelegt, und ein Minimierungsproblem von Dimensionen kann wie folgt formuliert werden: $a_{i}^{*} = min_{a \in [a_{l b, i} a_{u b, i}]} D i s t (g (q^{r}, a), O b s)$
wobei $a_{i}^{*}$
die Position α im Abschnitt i ist, wo der schlechteste Zustand auftritt, und die Abstandsfunktion Dist(g(q^r, α), Obs) geschätzt wird, indem ein Mindestabstand (oder maximale Behinderung) berechnet wird zwischen allen Teilen des Roboters und der Hindernisse 310/312/314 für einen speziellen Punkt α auf der durch die Funktion g definierten Bewegungsbahn 330, wobei α im Bereich von einer unteren Grenze (lb) des Abschnitts i zu einer oberen Grenze (ub) des Abschnitts i liegen kann. Das Minimierungsproblem nähert sich somit der Position $a_{i}^{*}$
im Abschnitt i, wo der schlechteste Zustand auftritt. Der Mindestabstand (oder maximale Behinderung) zwischen allen Teilen des Roboters und den Hindernissen 310/312/314 kann an jedem Punkt der Bewegungsbahn 330 berechnet werden, indem eine beliebige geeignete Methode verwendet wird, wie zum Beispiel Einrichten von geometrischen Primitiven um jeden der Roboterarme und das Werkzeug herum und Berechnen von Abständen aus den Primitiven zu den Hindernissen.
Das in Gleichung (3) definierte Minimierungsproblem wird für jeden der Bewegungsbahnabschnitte gelöst. Für die Bewegungsbahn 330 von 3 wird für jeden der Abschnitte i = (1, ...,4) ai gefunden. In 3 nutzt die Funktion g Spline-Interpolation, wie es durch die signifikante Krümmung der Bewegungsbahn 330 zu beobachten ist.
Dann werden die schlechtesten Zustände für eine gegebene Anfangsmenge von Wegpunkten q_r ermittelt, indem die Funktion g an den Punkten $a_{i}^{*}$
wie folgt geschätzt wird: $q_{w o r s t, i} = g (q^{r}, a_{i}^{*})$
wobei q_worst,i der Punkt mit dem schlechtesten Zustand im Abschnitt i ist und alle anderen Variablen in Gleichung (4) oben beschrieben wurden.
Die Punkte schlechtesten Zustands aus Gleichung (4), q_worst,i, für i = (1, ...,4) sind die in 3 gezeigten und oben erörterten Punkte schlechtesten Zustands 352, 354, 356 und 358. Der Punkt 352 schlechtesten Zustands q_worst,i weist eine maximale Behinderung mit dem Hindernis 310 auf. Der Punkt 354 schlechtesten Zustands besitzt einen Mindestabstand zu dem Hindernis 312. Die Punkte 356 und 358 schlechtesten Zustands haben beide Mindestabstände zu dem Hindernis 314.
3 und die vorhergehende Erörterung werden wie folgt zusammengefasst. Im Schritt der Zustandsparametrisierung wird, das Interpolationsverfahren (linear, Spline, usw.) und die Wegpunkte q^r vorgegeben, die kontinuierliche Bewegungsbahn 330 durch die Funktion g(q^r, α) beschrieben, in der α der Bogenlängenparameter ist. Dann werden im Suchschritt des schlechtesten Zustands die schlechtesten Zustände in der kontinuierlichen Bewegungsbahn mittels Gleichungen (3) und (4) gefunden.
4 ist eine Darstellung der Wegpunkte q^r und der Bewegungsbahn 330 von 3, in der eine Optimierung des schlechtesten Zustands die Positionen der Wegpunkte bewegt, um die schlechtesten Zustände zu verbessern, bis Kriterien einer Kollisionsvermeidung erfüllt sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Die Optimierung des schlechtesten Zustands besteht aus zwei Schritten: Auffinden der Relation zwischen Kollisionsvermeidungsnebenbedingung und den Positionen der Wegpunkte, dem sich die Optimierung des schlechtesten Zustands selbst anschließt. Beide dieser Schritte sind in 4 dargestellt und werden nachstehend erörtert.
Mit den vorgegebenen Werten von q_worst,i aus Gleichung (4) kann mit den festgelegten Positionen $a_{i}^{*}$
die Ungleichheitseinschränkung am Punkt q_worst,i des schlechtesten Zustands geschrieben werden als: $D i s t (q_{w o r s t, i}, O b s) = D i s t (g (q, a_{i}^{*}), O b s) \geq d_{s a f e}$
wobei d_safe ein vorbestimmtes Schwellenwertkriterium der Kollisionsvermeidung (zuverlässiger Mindestsicherheitsabstand - etwa 50 mm) ist, und die einzige Variable die neue Menge von Wegpunktpositionen q ist.
Das Ziel der Optimierung des schlechtesten Zustands ist es, die Wegpunkte von ihren Anfangspositionen q^r zu einer neuen Menge von Positionen q zu bewegen. Die ersten und letzten Wegpunkte, q₀ und q₄, können, wie früher erörtert, nicht bewegt werden. Es können nur dazwischen liegende Wegpunkte zur Verbesserung der schlechtesten Zustände bewegt werden. Um das Optimierungsproblem vorzubereiten, muss die Beziehung zwischen Kollisionsvermeidungsnebenbedingung und den Wegpunktpositionen q weiter verfeinert werden. Die partielle Ableitung des schlechtesten Zustands über andere Wegpunkte wird berechnet, um die Beziehung zwischen dem schlechtesten Zustand und allen der Wegpunkte zu bestimmen.
Mittels einer Taylor-Entwicklung erster Ordnung mit Kettenregel kann die Kennzahl des schlechtesten Zustands als eine Linearkombination jedes Wegpunktes approximiert werden. Daher wird die Beziehung zwischen dem schlechtesten Zustand und jedem der Wegpunkte durch die partielle Ableitung der Kollisionskennzahl wie folgt approximiert: $D i s t (q_{w o r s t, i}) \approx D i s t (q_{w o r s t, i}^{r}) + \sum_{j = 0}^{n} \frac{\partial D i s t (q_{w o r s t, i})}{\partial g (q)} \frac{\partial g (q)}{\partial q_{j}} (q_{j} - q_{j}^{r}),$
wobei die Funktion Dist und die Funktion g oben beschrieben wurden und die Schreibweise für die unterschiedlichen Beispiele von q einschließlich des Exponenten r, der einen Bezugswert aus der vorhergehenden Iteration bezeichnet, ebenfalls oben erörtert wurde.
Gleichung (5) oben stellt eine Kollisionsvermeidungsnebenbedingung bezüglich der an den Positionen $a_{i}^{*}$
gefundenen schlechtesten Zustände und einer neuen Menge von Wegpunktpositionen q her. Gleichung (6) gleicht die Kollisionsvermeidungsnebenbedingung in eine zur numerischen Lösung in einer Optimierungsroutine geeignete Form an.
Im Optimierungsschritt des schlechtesten Zustands wird ein Optimierungsproblem formuliert, das eine Zielfunktion und eine oder mehrere Randbedingungen aufweist. Die Zielfunktion wird typischerweise gewählt, um bestimmte Charakteristiken der Bewegungsbahn zu erreichen, wie etwa Mindestabstand und/oder Laufruhe. Ein Beispiel einer Zielfunktion ist: $min_{q} w_{1} ‖ q - q^{r} ‖ + w_{2} ‖ \nabla q ‖ + w_{3} ‖ \nabla^{2} q ‖$
wobei die Werte w Bewertungsfaktoren sind, der Term ||q - q^r|| die Abstandsgröße zwischen den neuen Wegpunkten und den Bezugswegpunkten darstellt, der Term ||∇q|| für eine Annäherung der Bahnlänge durch die Wegpunkte steht, und der Term ||∇²q|| für eine Bogenlauf- oder Laufruhekennzahl steht. Andere Zielfunktionen können als für eine spezielle Anwendung geeignet definiert werden.
Für das Optimierungsproblem können mehrere Beschränkungsfunktionen definiert werden. Eine bei der Bewegungsoptimierung von Robotern verwendete typische Beschränkung ist, dass die Robotergelenke in bekannten Grenzen von Gelenkpositionen bleiben müssen, wenn das Werkzeug längs der Bewegungsbahn bewegt wird. Gelenkpositionsgrenzen können als Ungleichheitseinschränkungen definiert werden. Eine weitere Beschränkung ist, dass die Start- und Zielpunkte der Bewegungsbahn, welche die Punkte 320 und 322 sind, an den vorgeschriebenen Positionen bleiben müssen. Positionen von Start- und Zielpunkten können als Gleichheitseinschränkungen definiert werden. Zusätzlich kann, wie oben erörtert, die in Form der partiellen Ableitung in Gleichung (6) dargestellte Kollisionskennzahl des schlechtesten Zustands als eine Ungleichheitseinschränkung der Kollisionsvermeidung wie folgt definiert werden: $\begin{array}{l} D i s t (q_{w o r s t, i}) \approx \\ D i s t (q_{w o r s t, i}^{r}) + \sum_{j = 0}^{n} \frac{\partial D i s t (q_{w o r s t, i})}{\partial g (q)} \frac{\partial g (q)}{\partial q_{j}} (q_{j} - g_{j}^{r}) \geq d_{s a f e} \\ \forall i = 1, \dots, n \end{array}$
wobei in der obigen Entwicklung der Taylor-Reihe j Werte von 0 bis n annimmt, während i Werte von 1 bis n annimmt, weil j die Wegpunkte darstellt und i für die Bewegungsbahnabschnitte steht. Zum Beispiel gibt es in 3 und 4, n = 4, fünf Wegpunkte und vier Bewegungsbahnabschnitte.
Mit dem entsprechend der vorhergehenden Erörterung der Zielfunktion und der Beschränkungen definierten Optimierungsproblem des schlechtesten Zustands können verschiedene Aktualisierungsregeln der Optimierung angewandt werden, um die Positionen der Wegpunkte zu aktualisieren. Mögliche Aktualisierungsregeln der Optimierung enthalten Algorithmen beispielsweise SQP (sequenzielle quadratische Programmierung), Trust-Region der SQP oder CHOMP (Kovariante Hamilton-Optimierung für die Bewegungsplanung). Wenn die Optimierungsberechnung konvergent verläuft, wird sich daraus die neue Menge von Wegpunktpositionen q ergeben.
Die in den Optimierungsberechnungen enthaltene Ungleichheitseinschränkung der Kollisionsvermeidung bewirkt, dass der Optimierungslöser die schlechtesten Zustände von den Hindernissen 310/312/314 weg „schiebt“, wie es in 4 durch die Pfeile dargestellt ist. Das hat eine resultierende Wirkung auf die Positionen der neuen Menge von Wegpunktpositionen q, die sich ebenfalls stufenweise in einer Richtung bewegen, was die schlechtesten Zustände zu mindern unterstützt, um die Kollisionskennzahl zu verbessern.
Die in Gleichungen (7) und (8) beschriebenen Optimierungsberechnungen ergeben eine neue Menge von Wegpunktpositionen q, welche die Situation der Vermeidung von Hindernissen relativ zu den für die Bezugswegpunkte bestimmten schlechtesten Zuständen verbessern. Obwohl die neue Bewegungsbahn bezüglich einer Hindernisvermeidung besser als die vorherige Bewegungsbahn sein wird, kann die neue Bewegungsbahn die Kriterien einer Kollisionsvermeidung nicht erfüllen. Der Prozess setzt daher zum Anfang zurück, sodass die neue Menge Wegpunktpositionen q als Eingaben von Bezugswegpunkten für die Interpolation der Bewegungsbahn und früher erörterten Suchschritten nach dem schlechtesten Zustand genutzt wird. Diese Schleife wird wiederholt, bis eine Menge von Wegpunktpositionen q bestimmt ist, welche die Kriterien einer Kollisionsvermeidung erfüllen - das heißt, die Abstände des schlechtesten Zustands überschreiten alle den Mindestschwellenwert d_safe der Kollisionsvermeidung.
In 4 ist die neue Menge von Wegpunktpositionen q nach einer letzten Annäherung zur Erfüllung der Kollisionsvermeidungskriterien dargestellt. Die endgültige Bewegungsbahn 360 beginnt am Startpunkt 320, endet am Zielpunkt 322 und verläuft durch neue Wegpunkte 362, 364 und 366. Es wird ersichtlich, dass die endgültige Bewegungsbahn 360 ganz frei von den Hindernissen 310/312/314 verläuft. Es wird wiederum betont, dass die oben beschriebenen Berechnungen alle auf einer dreidimensionalen Geometrie (nicht zweidimensionalen, wie in 3 und 4 gezeigt) beruhen, und die Berechnungen der Kollisionsvermeidung alle Teile des Roboters berücksichtigen (d. h., Roboterarme und Werkzeug, nicht nur die Bahn des Werkzeugarbeitspunktes, die durch die endgültige Bewegungsbahn 360 dargestellt wird).
5 ist ein Ablaufdiagramm 500 eines Verfahrens zur Bewegungsplanung mit Kollisionsvermeidung von Robotern unter Verwendung der Suche nach dem schlechtesten Zustand und einer Optimierung von Wegpunkten basierend auf den schlechtesten Zuständen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Beim Kästchen 502 wird eine Initialisierung durchgeführt. Die Initialisierung umfasst das Festlegen der Position des Roboters, von Start- und Zielpunkten sowie von Hindernissen in einem gemeinsamen Koordinatenrahmen beispielsweise einem Arbeitszellen-Koordinatenrahmen. Die Initialisierung umfasst außerdem das Berechnen der Start- und Zielkonfigurationen des Roboters mittels inverser Kinematik (Rückwärtstransformation) basierend auf den Positionen der Start- und Zielpunkte.
In einem Interpolationsschritt beim Kästchen 504 werden Bezugswegpunkte vom Startpunkt zum Zielpunkt bereitgestellt, wobei die Roboterkonfiguration an jedem Wegpunkt mittels inverser Kinematik berechnet wird. Im ersten Prozessdurchlauf sind die Bezugswegpunkte Anfangsbezugswegpunkte (die eine gerade Linie vom Start- zum Zielpunkt oder Wegpunkte von einer zuvor geplanten Bahn mit ähnlichen Start- und Zielpunkten oder Punkten sein können, die von einer zum Beispiel ein Handprogrammierhandgerät verwendenden Bedienperson vermittelt werden).
Im Kästchen 506 wird eine Zustandsparametrisierung gemäß der früheren Erörterung durchgeführt. Die Zustandsparametrisierung umfasst das Festlegen einer kontinuierlichen Bewegungsbahn als eine Funktion des Startpunkts, des Zielpunkts und der dazwischen liegenden Wegpunkte. Die kontinuierliche Bewegungsbahn wird durch die Wegpunkte auf der Basis eines Interpolationsverfahrens (linear, Spline, usw.) festgelegt, und es wird ein Bogenlängenparameter α in der Länge der Bewegungsbahn definiert. Im Kästchen 508 wird die Suche nach dem schlechtesten Zustand gemäß der früheren Erörterung durchgeführt. Die Suche nach dem schlechtesten Zustand umfasst das Auffinden der Position längs der Bewegungsbahn, zwischen jedem benachbarten Paar der Wegpunkte, die den Abstand des schlechtesten Zustands relativ zu den Hindernissen aufweisen. Die Suche nach dem schlechtesten Zustand findet mittels Gleichung (3) die Position α in jedem Abschnitt der Bewegungsbahn, in dem der schlechteste Zustand auftritt, und mittels Gleichung (4) den aktuellen Punkt des schlechtesten Zustands in jedem Abschnitt der Bewegungsbahn.
Die Zustandsparametrisierung von Kästchen 506 und die Suche nach dem schlechtesten Zustand von Kästchen 508 machen zusammen die zwei Schritte des gesamten Suchprozesses nach dem schlechtesten Zustand aus, der im Kästchen 510 enthalten ist und bei 3 aufgezeigt wurde.
Beim Kästchen 512 wird das Auffinden der Beziehung zwischen der Kollisionsvermeidungsnebenbedingung und den Wegpunktpositionen unter Verwendung der schlechtesten Zustände entsprechend der früheren Erörterung durchgeführt. Das Auffinden der Beziehung umfasst die Verwendung der oben erörterten Gleichungen (5) und (6). Beim Kästchen 514 wird die Optimierung des schlechtesten Zustands entsprechend der früheren Erörterung durchgeführt. Optimierung des schlechtesten Zustands umfasst das Formulieren eines Optimierungsproblems mit Zielfunktion wie das in Gleichung (7) gezeigte Beispiel, und einer oder mehreren Randbedingungen. Die Randbedingungen enthalten eine Ungleichheitseinschränkung des Mindestabstands der Kollisionsvermeidung basierend auf der Beziehung der schlechtesten Zustände zur Position von Wegpunkten gemäß Gleichung (8). Die Optimierung des schlechtesten Zustands ergibt eine neue Menge von Wegpunkten, welche die Kollisionsvermeidungskennzahl verbessern.
Das Auffinden der Beziehung von Kästchen 512 und die Optimierung des schlechtesten Zustands von Kästchen 514 machen zusammen die beiden Schritte des gesamten Optimierungsprozesses des schlechtesten Zustands aus, der im Kästchen 516 enthalten ist und bei 4 aufgezeigt wurde.
Im Anschluss an die Optimierung des schlechtesten Zustands wird bei der Entscheidungsraute 518 bestimmt, ob die Bewegungsbahn durch die letzte Menge von Wegpunkten die Kriterien des Mindestabstands der Kollisionsvermeidung erfüllt. Wenn die Kriterien des Mindestabstands erfüllt sind, dann wird die Bewegungsbahn durch die letzte Menge Wegpunkte als endgültige oder optimale Bewegungsbahn beim Kästchen 520 verwendet. Die endgültige oder optimale Bewegungsbahn wird durch die Steuereinheit des Roboters zur Steuerbewegung des Roboters verwendet, um den gewünschten Arbeitsgang (z. B. Bewegung eines Werkstücks) auszuführen. Wenn die Mindestabstandskriterien nicht erfüllt sind, dann setzt die Prozessschleife von der Entscheidungsraute 518 zum Interpolationskästchen 504 zurück, wo die letzte Menge von Wegpunkten als Bezugswegpunkte genutzt wird, um wieder mit der Zustandsparametrisierung zu beginnen.
6 ist eine Darstellung eines Bewegungsplanungssystems mit Kollisionsvermeidung für Roboter, ausgelegt, um die Suche nach dem schlechtesten Zustand und das Optimierungsverfahren von 5 zu nutzen. In einem Arbeitsbereich 602 mit einem oder mehreren Hindernissen 610 arbeitet ein Roboter 600. Eine Steuereinheit 620 kommuniziert mit dem Roboter 600, wie es gezeigt ist, typischerweise über eine festverdrahtete Kabelverbindung. Die Steuereinheit 620 steuert die Bewegung des Roboters 600, indem Gelenkmotorbefehle an den Roboter 600 gesendet werden und Positionsdaten des Gelenkmotors von Gelenkkodierern im Roboter 600 empfangen werden, wie es an sich bekannt ist.
Ein optionaler Computer 630, im Informationsaustausch mit der Steuereinheit 620, kann für zahlreiche unterschiedliche Aufgaben einschließlich der Bereitstellung von Geometriedaten des Hindernisses in Form von Volumen- oder Flächenmodellen in CAD verwendet werden. Der Computer 630 kommuniziert bei Verwendung mit der Steuereinheit 620 über eine geeignete drahtlose oder drahtgebundene Netzwerkverbindung. Als Alternative zur Verwendung von CAD-Daten zur Definition der Hindernisse 610 können ein oder mehrere Sensoren wie etwa der Sensor 604 verwendet werden. Der Sensor (die Sensoren) 640 können eine Kamera oder ein beliebiger Typ eines Objektsensors sein, die imstande sind, eine dreidimensionale Geometrie der Hindernisse 610 im Arbeitsbereich 602 zur Verfügung zu stellen. Der Sensor (die Sensoren) 640 könnten eine oder mehrere 3D-Kameras oder eine Vielzahl von 2D-Kameras sein, deren Daten zu dreidimensionalen Hindernisdaten kombiniert werden. Der Sensor (die Sensoren) 640 könnten auch andere Gerätetypen wie etwa Radar, LiDAR und/oder Ultraschall einschließen. Der Sensor (die Sensoren) 640 kommunizieren außerdem mit der Steuereinheit 620 und/oder dem Computer 630 über eine beliebige geeignete drahtlose oder drahtgebundene Netzwerkverbindung.
In einer Ausführungsform empfängt die Steuereinheit 620 Geometriedaten des Hindernisses von entweder vom Computer 630 oder dem Sensor (den Sensoren) 640. Die Geometriedaten des Hindernisses definieren die dreidimensionalen Formen aller Hindernisse 610, die im Arbeitsbereich 602 vorhanden sind. Die Steuereinheit 620 bestimmt außerdem den Start- und Zielpunkt für den anstehenden Arbeitsgang aus Sensordaten oder anderweitig. Die Steuereinheit 620 fährt anschließend fort, um die restlichen Schritte des Ablaufdiagramms 500 einschließlich einer Interpolation der Roboterbewegung für eine Anfangsmenge von Wegpunkten durchzuführen und die Suche nach dem schlechtesten Zustand und Optimierungsberechnungen des schlechtesten Zustands durchzuführen, bis Kollisionsvermeidungskriterien erfüllt sind. Die Steuereinheit 620 berechnet dann Bewegungsbefehle für die endgültige Bewegungsbahn und stellt die Befehle dem Roboter 600 bereit.
In einer weiteren Ausführungsform führt der Computer 630 die meisten der Berechnungen einschließlich Empfang von Hindernisdaten und Start-/Zielpunkten, Interpolation von anfänglichen Wegpunkten und Durchführung der Suche nach dem schlechtesten Zustand und Optimierungsberechnungen des schlechtesten Zustands durch, bis Kriterien der Kollisionsvermeidung erfüllt sind. In dieser Ausführungsform stellt der Computer 630 die endgültige optimale Bewegungsbahn und Wegpunkte für die Steuereinheit 620 bereit und die Steuereinheit 620 berechnet die entsprechenden Bewegungsbefehle und liefert die Befehle an den Roboter 600. Die Kompetenzen der Berechnung können in jeder geeigneten Weise zwischen dem Computer 630 und der Steuereinheit 620 aufgeteilt werden.
In der vorhergehenden Erörterung sind durchweg verschiedene Computer und Steuereinheiten beschrieben und einbezogen. Es soll verständlich werden, dass die Softwareanwendungen Module dieser Computer und Steuereinheiten auf einem oder mehreren Rechengeräten mit einem Prozessor und einem Speichermodul abgearbeitet werden. Insbesondere umfasst dies einen Prozessor jeweils in der Robotersteuereinheit 620 und dem Computer 630 (falls verwendet) wie oben erörtert. Speziell ist der Prozessor in der Steuereinheit 620 und/oder dem Computer 630 (falls verwendet) so ausgelegt, um die Bahnplanungsberechnung mit Kollisionsvermeidung unter Verwendung der Suche nach dem schlechtesten Zustand und einer Optimierung des schlechtesten Zustands in der Weise durchzuführen, wie es durchweg in der vorhergehenden Offenlegung beschrieben ist.
Wie es oben kurz dargestellt wurde, stellen die offengelegten Verfahren zur Bewegungsoptimierung mit Kollisionsvermeidung für Roboter unter Verwendung der Suche nach dem schlechtesten Zustand und einer Optimierung des schlechtesten Zustands bedeutende Vorteile gegenüber Verfahren im Stand der Technik bereit. Die offengelegte Suche nach dem schlechtesten Zustand/Optimierungsverfahren des schlechtesten Zustands ermöglicht eine spärliche Anordnung von Wegpunkten und findet und schließt dennoch mögliche Behinderungen zwischen den Wegpunkten, selbst Beeinträchtigungen mit dünnen Hindernissen aus, was bei Verfahren im Stand der Technik übersehen werden könnte.
Während oben eine Anzahl beispielhafter Aspekte und Ausführungsformen des Bewegungsoptimierungsverfahren mit Kollisionsvermeidung für Roboter unter Verwendung der Suche nach dem schlechtesten Zustand und einer Optimierung des schlechtesten Zustands erörtert wurde, wird der Fachmann Modifizierungen, Umsetzungen, Ergänzungen und Unterkombinationen davon erkennen. Es ist daher beabsichtigt, dass die folgenden angefügten Ansprüche und hiernach bekannt gemachte Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle diese Modifizierungen, Umsetzungen, Ergänzungen und Unterkombinationen, wie sie in ihrem wahren Geist und Geltungsbereiches bestehen, einschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/978654 [0001]

Claims

Verfahren zur Planung einer Bahn eines Industrieroboters, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen von Hindernisdaten, die Hindernisse in einem Arbeitsbereich des Roboters definieren; Festlegen einer Menge von Wegpunkten, die einen Startpunkt und einen Zielpunkt für die Bahn und einen oder mehrere dazwischen liegende Wegpunkte einschließen; Berechnen einer Bewegungsbahn über die Menge von Wegpunkten basierend auf dem Interpolationsverfahren einer definierten Bahn, wobei ein Bewegungsbahnabschnitt als ein Teil der Bewegungsbahn zwischen benachbarten Wegpunkten definiert ist; Definieren eines Bogenlängenparameters als ein Abstand entlang der Bewegungsbahn; Durchführen einer Suche nach dem schlechtesten Zustand, um einen Punkt schlechtesten Zustands in jedem Bewegungsbahnabschnitt, der eine schlechteste Kennzahl der Kollisionsvermeidung aufweist, zu ermitteln; Durchführen einer Optimierung des schlechtesten Zustands unter Verwendung der Punkte schlechtesten Zustands, um eine neue Menge von Wegpunkten festzulegen; Zurückkehren zur Berechnung einer Bewegungsbahn unter Verwendung der neuen Menge von Wegpunkten, wenn die Kollisionsvermeidungskennzahl vorbestimmte Kriterien nicht erfüllt; und Verwenden der neuen Menge von Wegpunkten und einer zugehörigen optimalen Bewegungsbahn durch eine Robotersteuereinheit, zur Steuerung der Bewegung des Roboters, wenn die Kollisionsvermeidungskennzahl die Kriterien erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bereitstellen von Hindernisdaten das Bereitstellen der Hindernisdaten von einem System rechnergestützter Konstruktion (CAD) oder das Bereitstellen der Hindernisdaten von einem oder mehreren Sensoren umfasst, die zum Detektieren der Hindernisse im Arbeitsbereich ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Startpunkt und der Zielpunkt einen Beginn und ein Ende der Bahn eines Werkzeugmittelpunktes des Roboters definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bahninterpolationsverfahren eins von linearer Interpolation, Spline-Interpolation oder eines anderen Typs von nicht-linearer Interpolation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bogenlängenparameter am Startpunkt einen Wert von null und am Zielpunkt einen Wert von eins aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kollisionsvermeidungskennzahl ein Mindestabstand von einem beliebigen Teil des Roboters zu einem der Hindernisse ist, und die Kriterien ein sicherer Mindestabstand sind, den die Kennzahl überschreiten muss.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Durchführen einer Suche nach dem schlechtesten Zustand das Auffinden des Punktes schlechtesten Zustands entlang jedes Bewegungsbahnabschnittes umfasst, wo ein Abstand von einem beliebigen Teil des Roboters zu jedem der Hindernisse ein Minimum ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Durchführen der Optimierung des schlechtesten Zustands das Definieren einer Beziehung zwischen der Kennzahl der Kollisionsvermeidung und Positionen der Wegpunkte basierend auf den Punkten schlechtesten Zustands umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Beziehung als Entwicklung einer Taylor-Reihe der Kennzahl der Punkte schlechtesten Zustands als eine Linearkombination jedes der Wegpunkte angeglichen wird, wobei jeder Wegpunktterm in der Reihe eine partielle Ableitung der Kollisionskennzahl bezüglich der als eine Funktion der Wegpunkte definierten Bewegungsbahn enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Durchführen der Optimierung des schlechtesten Zustands das Definieren einer zu minimierenden Zielfunktion und Nutzen der Beziehung zum Definieren einer Ungleichheitseinschränkung der Kollisionsvermeidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zielfunktion eine gewichtete Kombination von Termen des Änderungsabstands von Wegpunkten, der Länge und Form der Bewegungsbahn umfasst, wobei jeder der Gewichtungsfaktoren null sein kann, und die Optimierung des Weiteren eine den Start- und Zielpunkt festlegende Gleichheitseinschränkung umfasst.
Verfahren zur Planung einer Bahn eines Industrieroboters, wobei das Verfahren das Berechnen einer Bewegungsbahn über eine Menge von Wegpunkten umfasst, wobei ein Bewegungsbahnabschnitt ein Teil der Bewegungsbahn zwischen benachbarten Wegpunkten ist, Definieren eines Bogenlängenparameters als einen Abstand entlang der Bewegungsbahn, Durchführen einer Suche nach dem schlechtesten Zustand zur Ermittlung eines Punktes schlechtesten Zustands in jedem Bewegungsbahnabschnitt, der eine schlechteste Kennzahl der Kollisionsvermeidung aufweist, Durchführen einer Optimierung des schlechtesten Zustands unter Verwendung der Punkte schlechtesten Zustands, um eine neue Menge von Wegpunkten festzulegen, und Rückführen zum Berechnen einer Bewegungsbahn mittels der neuen Menge von Wegpunkten, bis die Kollisionsvermeidungskennzahl vorbestimmte Kriterien erfüllen.
Bahnplanungssystem für einen Industrieroboter, wobei das System umfasst: Mittel zur Bereitstellung von Hindernisdaten, die Hindernisse in einem Arbeitsbereich des Roboters definieren; und einen Computer im Informationsaustausch mit dem Roboter und den Mitteln zur Bereitstellung von Hindernisdaten, wobei der Computer einen Prozessor und einen Speicher aufweist, die ausgeführt sind zum: Definieren einer Menge von Wegpunkten einschließlich eines Startpunktes und eines Zielpunktes für die Bahn und eines oder mehrerer dazwischen liegender Wegpunkte; Berechnen einer Bewegungsbahn über die Menge von Wegpunkten mittels einer Bahninterpolationsfunktion, wobei der Bewegungsbahnabschnitt als ein Teil der Bewegungsbahn zwischen benachbarten Wegpunkten definiert ist; Definieren eines Bogenlängenparameters als einen Abstand entlang der Bewegungsbahn; Durchführen einer Suche nach dem schlechtesten Zustand zur Ermittlung eines Punktes schlechtesten Zustands in jedem Abschnitt der Bewegungsbahn mit einer schlechtesten Kollisionsvermeidungskennzahl; Durchführen einer Optimierung des schlechtesten Zustands unter Verwendung der Punkte schlechtesten Zustands, um eine neue Menge von Wegpunkten festzulegen; Zurückkehren zur Berechnung einer Bewegungsbahn unter Verwendung der neuen Menge von Wegpunkten, wenn die Kollisionsvermeidungskennzahl vorbestimmte Kriterien nicht erfüllt; und Verwenden der neuen Menge von Wegpunkten und einer zugehörigen optimalen Bewegungsbahn zur Steuerung der Bewegung des Roboters, wenn die Kollisionsvermeidungskennzahl die Kriterien erfüllt.
System nach Anspruch 13, wobei die Mittel zur Bereitstellung von Hindernisdaten ein System rechnergestützter Konstruktion (CAD) oder einen oder mehrere Sensoren umfassen, die zum Erkennen der Hindernisse im Arbeitsbereich ausgeführt sind, wobei der eine oder mehrere Sensoren eine oder mehrere Kameras, Radarsensor, LiDAR-Sensor, Ultraschallsensor oder Infrarotsensor enthalten.
System nach Anspruch 13, wobei der Bogenlängenparameter am Startpunkt einen Wert von null und am Zielpunkt einen Wert von eins aufweist.
System nach Anspruch 13, wobei die Kollisionsvermeidungskennzahl ein Mindestabstand von einem beliebigen Teil des Roboters zu einem der Hindernisse ist, und die Kriterien ein sicherer Mindestabstand sind, den die Kennzahl überschreiten muss.
System nach Anspruch 13, wobei Durchführen einer Suche nach dem schlechtesten Zustand das Auffinden des Punktes schlechtesten Zustands entlang jedes Bewegungsbahnabschnitts umfasst, wo ein Abstand von jedem Teil des Roboters zu jedem der Hindernisse ein Minimum ist.
System nach Anspruch 13, wobei Durchführen der Optimierung des schlechtesten Zustands das Definieren einer Beziehung zwischen der Kollisionsvermeidungskennzahl und Positionen der Wegpunkte basierend auf den Punkten schlechtesten Zustands umfasst.
System nach Anspruch 18, wobei die Beziehung als Entwicklung einer Taylor-Reihe der Kennzahl der Punkte schlechtesten Zustands als eine Linearkombination jedes der Wegpunkte angeglichen wird, wobei jeder Wegpunktterm in der Reihe eine partielle Ableitung der Kollisionskennzahl bezüglich der Bewegungsbahn enthält, die als eine Funktion der Wegpunkte definiert ist.
System nach Anspruch 18, wobei Durchführen der Optimierung des schlechtesten Zustands das Definieren einer zu minimierenden Zielfunktion und Verwenden der Beziehung umfasst, um eine Ungleichheitseinschränkung der Kollisionsvermeidung zu definieren.