EP3408061A1 - Verfahren und system zur bahnplanung eines redundanten roboters - Google Patents

Verfahren und system zur bahnplanung eines redundanten roboters

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Publication number
EP3408061A1
EP3408061A1 EP17700889.3A EP17700889A EP3408061A1 EP 3408061 A1 EP3408061 A1 EP 3408061A1 EP 17700889 A EP17700889 A EP 17700889A EP 3408061 A1 EP3408061 A1 EP 3408061A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
redundancy
path
quality criterion
predetermined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17700889.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Josef Jakob
Reinhard NEUREITER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Systems GmbH
Original Assignee
KUKA Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Systems GmbH filed Critical KUKA Systems GmbH
Publication of EP3408061A1 publication Critical patent/EP3408061A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1656Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B25J9/1666Avoiding collision or forbidden zones
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1628Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1643Programme controls characterised by the control loop redundant control
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
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    • G05B2219/39086Reduce impact effect by impact configuration of redundant manipulator
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    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/40Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40465Criteria is lowest cost function, minimum work path

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for path planning of a redundant robot and to a computer program product for carrying out the method.
  • WO 2013/004329 A1 optionally takes into account energy optimality as well as a distance to singular, desired and previous poses.
  • the object of the present invention is to further improve the path planning of a redundant robot.
  • Claims 7, 13 provide a system or computer program product
  • a method for partially or fully automated path planning of a multi-axis robot comprises the step of resolving a redundancy of the robot with respect to one in one
  • Quality criterion which, in particular proportionally, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of a minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection limits for axle forces of the robot Robot is detectable, is minimal or is or under or by minimizing a mixed quality criterion, which, in particular proportionate, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection Limits for
  • Axes forces of the robot is detectable or under or by means of minimization, in particular combined or Pareto minimization, both an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot , It is thus proposed in an embodiment, in addition to the minimization of the effective mass, which is known from the above-mentioned WO 2013/004329 AI, to the correspondingly incorporated additional reference and the content of which is expressly fully made the subject of the present disclosure, at least one Collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot to
  • the mixed quality criterion in addition to the effective mass and the amount of minimum collision force may include other cost functions or shares, in another development, it is only (proportionately) from the effective mass and the amount of minimum collision force.
  • axis coordinates qe 5R dof be described, in particular by its joint or drive in particular engine positions, in particular angle.
  • a path z (s) e R b or individual points z, e 9? b the web by means of a one or more, in particular three-dimensional position x and / or a one or more, in particular Three-dimensional orientation a of a robot-fixed reference, in particular a TCPs of the robot, are given or be.
  • the robot is redundant with respect to the predetermined path in the workspace.
  • This may in particular be a so-called kinematic redundancy if the robot has seven or more axes. Likewise, a robot having six or fewer axes may be redundant with respect to a pathway
  • the redundancy may be due to a one- or multi-dimensional so-called
  • Redundancy parameter r reduced, in particular eliminated, be or be. If, for example, an axis coordinate, in particular a joint angle, is specified for a seven-axis robot, this robot is no longer redundant with respect to a path prescribed in the working space six-dimensionally - except for singular poses. reduces or eliminates its redundancy or the dimension of its null space to zero.
  • the determination of the minimum coordinates or of the redundancy parameter is thus present in particular for position, in particular positional and / or orientation coordinates, predetermined in the working space of the robot.
  • the robot in particular a robot-fixed reference, in particular its TCPs understood (z -> q or z -> r).
  • One or the effective mass m u of the robot is or is defined or determined in an embodiment in WO 2013/004329 A1, to which reference is additionally made, in particular according to:
  • Jacobi matrix J or J v of the translation the mass matrix M and the kinetic
  • One or the collision force r k of the robot is or is defined or determined in one embodiment, in particular on the basis of a linear mapping of the path tangent or direction u, wherein the linear mapping in a development based on a pseudoinverse J * des Robot is defined or determined is, in particular by the pseudoinverse can be defined: wherein the pseudo inverses in one embodiment in accordance with the usual
  • J * , J T y (4) can be defined or determined with the weighting matrix A, which can be the mass matrix or the unit matrix in a further development.
  • Achs can thus be in particular torques acting in or on axes, in particular joints (s) or drives, in particular motors, of the robot.
  • axle forces especially axis-specific, detection limit values for axle forces to be predefined or be:
  • a predetermined limit value t dii indicates from which value on an axis / ' a collision is detected on the basis of a force acting in the robot-fixed reference.
  • this can be the limiting value, in particular, for which a safety reaction of the robot, for example a STOP 0, STOP 1 or STOP 2 or a retraction, in particular on the track, is triggered or predetermined.
  • Collision (unit) force (at least) must be multiplied, so that in
  • the amount f of the minimum collision force of the robot which is detectable on the basis of predetermined detection limits for axial forces of the robot, in particular be determined or defined by the fact that the amount, starting from an initial value is increased inter-operatively until, for the first time or within the framework of an iteration precision in (at least) one axis: t ki ,> T d , j.
  • the amount f of the minimum collision force and the effective mass m u of the robot are or are in one embodiment in the form of a mixed quality criterion, in a development in particular in the form of a weighted sum G of the effective mass and the amount of minimum collision force and possibly other cost functions G , determines or minimizes:
  • Redundancy parameter r be reduced or be. Accordingly applies in one
  • Redundancy parameter values ⁇ respectively determined values of the mixed quality criterion and then each of the pose or the redundancy parameter value are selected for the or the quality criterion has the smallest value.
  • a search or permissible value range for the redundancy parameter in an embodiment for a subsequent path point in each case starting from a preceding or current redundancy parameter value, advantageously a variation of the redundancy parameter can be limited in one embodiment and a particularly advantageous path can be planned , Accordingly, in one embodiment, the redundancy is generally such or below
  • predetermined variation limit is or remains.
  • a system for at least partially automated path planning of a multi-axis robot in particular hardware and / or software, in particular programmatically, for implementing a method described herein and / or has means for resolving a redundancy of the robot with respect to a in a working space of the robot predetermined path such that a mixed quality criterion, which includes an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot is minimal on.
  • the system includes means for resolving the redundancy such that a variation of a redundancy parameter to reduce the redundancy of the robot along the path is less than a predetermined variation limit; Means for determining the based on predetermined detection limits
  • a means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules.
  • the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
  • a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods and thus, in particular, plan the lane.
  • the system can control the robot on the basis of the path planned in this manner or in such a way that it travels once or several times, or for this purpose, in particular hardware and / or software, in particular program technology.
  • FIG. 1 shows, in a simplified embodiment for explanation, to which reference is additionally made to WO 2013/004329 A1, a three-armed robot 1 with a rocker mounted on a fixed base 1.1, an arm 1.2 hinged thereto and one at the swing away End hinged hand 1.3 with the TCP. All three hinges have parallel, on the plane of Fig. 1 perpendicular axes of rotation.
  • FIG. 2 shows the sequence of a method according to an embodiment of the present invention, which executes a controller 2 of the robot 1:
  • a first step S10 the controller 2 discretizes the web B into individual Stauer- Track points (x, y) i (x, y) n .
  • the controller 2 determines, for the initial support or track point (x, y) i, for a given search or value range, respectively
  • Redundancy parameter r in the exemplary embodiment purely exemplary of
  • Tangent unit vector to the path B in the initial support or track point (x, y ⁇ must be multiplied at least to allow its projection in the
  • a mixed quality criterion for this pose the value of the weighted sum of effective mass and this factor f is determined.
  • the controller 2 selects that pose as the starting pose or start redundancy parameter value defining it
  • a step S40 the controller 2 determines the values of the quality criterion for different poses or redundancy parameter values for a subsequent support or track point (x, y) in an analogous manner. This is or is the search or
  • Redundancy parameter (s) s compared to the previous support point (x, y) i-i is less than a predetermined variation threshold. This can advantageously an undesirable significant reorientation of the
  • Robot 1 can be prevented along the track.
  • a step S50 the controller 2 selects, for the support or track point (x, y) j in an analogous manner as a pose or start redundancy parameter value defining that pose or redundancy parameter value for which this quality criterion is minimal or will.
  • the controller checks whether an end support point (x, y) n has been reached. As long as this is not the case (S60: "N"), the controller 2 repeats the steps S40 - S60 in an analogous manner, otherwise (S60: "Y”), the path planning is completed.

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters (1 ), umfasst den Schritt: Auflösen (S20, S40, S50) einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn (B) derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist

Description

Beschreibung
Verfahren und System zur Bahnplanung eines redundanten Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bahnplanung eines redundanten Roboters sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der eigenen WO 2013/004329 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines
humankollaborierenden Roboters bekannt, bei dem zur Auflösung einer Redundanz des Roboters bei einer Bahnplanung eine effektive Masse des Roboters minimiert wird. Hierdurch kann die Gefahr bei einer Kollision auf der Bahn bereits vorteilhaft reduziert werden.
Außer der effektiven Masse berücksichtigt die WO 2013/004329 A1 optional eine Energieoptimalität sowie einen Abstand zu singulären, Soll- und vorhergehenden Posen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bahnplanung eines redundanten Roboters weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7, 13 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur
Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur teilweise oder vollständig automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters den Schritt: Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem
Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn derart, dass ein gemischtes
Gütekriterium, das, insbesondere anteilig, eine effektive Masse des Roboters und, insbesondere anteilig, einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist bzw. wird bzw. unter bzw. mittels Minimierung eines gemischten Gütekriteriums, das, insbesondere anteilig, eine effektive Masse des Roboters und, insbesondere anteilig, einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für
Achskräfte des Roboters detektierbar ist bzw. unter bzw. mittels Minimierung, insbesondere kombinierter bzw. Pareto-Minimierung, sowohl einer effektiven Masse des Roboters als auch eines Betrags einer minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist. Somit wird in einer Ausführung vorgeschlagen, zusätzlich zu der Minimierung der effektiven Masse, die aus der eingangs erläuterten WO 2013/004329 AI bekannt ist, auf die entsprechend ergänzend Bezug genommen und deren Inhalt ausdrücklich vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird, wenigstens auch eine Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, zu
berücksichtigen bzw. gemeinsam mit der effektiven Masse zu minimieren.
Hierdurch kann eine vorteilhafte Bahn geplant werden, insbesondere besser, insbesondere früher, auf eine Kollision auf der Bahn reagiert bzw. eine Reaktionszeit reduziert werden. In einer Weiterbildung kann das gemischte Gütekriterium neben der effektiven Masse und dem Betrag der minimalen Kollisionskraft noch weitere Kostenfunktionen bzw. Anteile umfassen, in einer anderen Weiterbildung besteht es nur (anteilig) aus der effektiven Masse und dem Betrag der minimalen Kollisionskraft.
Wie bereits in der WO 2013/004329 A1 , auf die ergänzend Bezug genommen wird, erläutert, kann eine Pose eines Roboters eindeutig durch seine Minimal-,
insbesondere Achskoordinaten q e 5Rdof beschrieben werden, insbesondere durch seine Gelenk- bzw. Antriebs- insbesondere Motorstellungen, insbesondere -Winkel.
In einem, insbesondere kartesischen, Arbeitsraum des Roboters können eine Bahn z(s) e Rb bzw. einzelne Punkte z, e 9?b der Bahn mittels einer ein- oder mehr-, insbesondere dreidimensionalen Lage x und/oder einer ein- oder mehr-, insbesondere dreidimensionalen Orientierung a einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines TCPs des Roboters, vorgegeben werden bzw. sein.
Übersteigt die Anzahl dof der Freiheitsgrade bzw. Achsen des Roboters die
Dimension ö der Bahn bzw. Bahnpunkte (dof > b), so ist der Roboter bezüglich der im Arbeitsraum vorgegebenen Bahn redundant.
Dies kann insbesondere eine sogenannte kinematische Redundanz sein, wenn der Roboter sieben oder mehr Achsen aufweist. Gleichermaßen kann auch ein Roboter mit sechs oder weniger Achsen bezüglich einer Bahn redundant sein, deren
Dimension kleiner als die Achsanzahl ist, was als Aufgabenredundanz bezeichnet wird. Wird beispielsweise wie im Ausführungsbeispiel der WO 2013/004329 AI , auf die ergänzend Bezug genommen wird, für einen ebenen dreiachsigen Roboter nur die zweidimensionale Lage seines TCPs vorgegeben, nicht jedoch seine Orientierung, ist dieser Roboter bezüglich dieser Bahn (aufgaben)redundant.
Die Redundanz kann durch einen ein- oder mehrdimensionalen sogenannten
Redundanzparameter r reduziert, insbesondere eliminiert, werden bzw. sein. Wird beispielsweise bei einem siebenachsigen Roboter eine Achskoordinate, insbesondere ein Gelenkwinkel, vorgegeben, so ist dieser Roboter bezüglich einer im Arbeitsraum sechsdimensional vorgegebenen Bahn - bis auf singulare Posen - nicht mehr redundant, d.h. seine Redundanz bzw. die Dimension seines Nullraums auf Null reduziert bzw. eliminiert.
Somit kann in einer Ausführung einer Bahn z(s) bzw. einem Bahnpunkt z, und einem entsprechenden Wert eines Redundanzparameters r(s) bzw. r, ein entsprechender Vektor von Minimal-, insbesondere Achskoordinaten q(s) bzw. q, des Roboters zugeordnet werden bzw. sein: g = g(z, r) (1 )
Unter einer Bahnplanung wird somit vorliegend insbesondere die Ermittlung der Minimalkoordinaten oder des Redundanzparameters zu im Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Positions-, insbesondere Lage- und/oder Orientierungskoordinaten, des Roboters, insbesondere einer roboterfesten Referenz, insbesondere seines TCPs, verstanden (z -> q bzw. z -> r).
Eine bzw. die effektive Masse mu des Roboters ist bzw. wird in einer Ausführung in der WO 2013/004329 A1 , auf die ergänzend Bezug genommen wird, erläutert definiert bzw. ermittelt, insbesondere gemäß:
mit dem Richtungsvektor der Bahn bzw. Tangenteneinheitsvektor u = an die
Bahn, der insbesondere durch γ-*- ^ approximiert sein bzw. werden kann, der dx
Jacobi-Matrix J bzw. Jv der Translation— , der Massenmatrix M und der kinetischen
dq
1 T
Energie— q M q des Roboters.
Eine bzw. die Kollisionskraft rk des Roboters ist bzw. wird in einer Ausführung insbesondere auf Basis einer linearen Abbildung einer bzw. der Bahntangente bzw. Richtung u definiert bzw. ermittelt, wobei die lineare Abbildung in einer Weiterbildung auf Basis einer Pseudoinversen J* des Roboters definiert bzw. ermittelt ist bzw. wird, insbesondere durch die Pseudoinversen definiert sein kann: wobei die Pseudoinversen in einer Ausführung in fachüblicher Weise gemäß
J* . JTy (4) mit der Gewichtungsmatrix A definiert bzw. ermittelt werden bzw. sein kann, welche in einer Weiterbildung die Massenmatrix oder die Einheitsmatrix sein kann. Die
Pseudoinverse kann somit (mit A = 1) insbesondere die sogenannte Moore-Penrose- Pseudoinverse sein:
Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass eine vom Roboter (beim Abfahren der Bahn) auf ein potentielles Hindernis ausgeübte Kollisionskraft in der roboterfesten Referenz, insbesondere dem TCP, in Richtung der Bahnrichtung bzw. -geschwindigkeit bzw. des Tangenteneinheitsvektors wirkt. Entsprechend projiziert Gleichung (3) diese
(Kollisionskraft)Richtung auf die Minimalkoordinaten, insbesondere die Achsen bzw. Gelenke, des Roboters.
Wie insbesondere aus Gleichung (3) ersichtlich, werden vorliegend zur kompakteren Darstellung auch antiparallele Kräftepaare bzw. (Dreh)Momente verallgemeinernd als Kräfte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Achskräfte können somit insbesondere Drehmomente sein, die in bzw. auf Achsen, insbesondere Gelenke(n) bzw. Antrieben, insbesondere Motoren, des Roboters wirken.
Entsprechend können in einer Ausführung in den Minimalkoordinaten auch,
insbesondere achsspezifisch, Detektions-Grenzwerte für Achskräfte vorgegeben sein bzw. werden:
In einer Ausführung gibt ein vorgegebener Grenzwert tdii (jeweils) an, ab welchem Wert in einer Achse /' eine Kollision auf Basis einer in der roboterfesten Referenz wirkenden Kraft detektiert wird. Dies kann in einer Weiterbildung der, insbesondere achsspezifische, Grenzwert sein, ab dem eine Sicherheitsreaktion des Roboters, beispielsweise ein STOP 0, STOP 1 oder STOP 2 oder ein Rückzug, insbesondere auf der Bahn, ausgelöst wird bzw. vorgegeben ist. In einer Ausführung ist ein bzw. der Betrag einer bzw. der minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, derjenige Faktor f, mit dem der Tangenteneinheitsvektor, insbesondere mindestens, multipliziert werden muss, so dass die Projektion des Tangenteneinheitsvektors auf die Minimalkoordinaten, insbesondere mittels einer Pseudoinversen, insbesondere der Moore-Penrose-Pseudoinversen, in, insbesondere wenigstens oder genau, einer Komponente den achsspezifischen vorgegebenen Grenzwert xd,i betragsmäßig überschreitet: f = Mm{f \ 3 rk i > Td<l } (6) In Worten: der Betrag f ist der minimale Faktor, mit dem die (in die Minimalkoordinaten projizierte bzw. durch eine Einheitskraft in Bahntangentenrichtung auf die körperfeste Referenz des Roboters in den Achsen des Roboters induzierte)
Kollisions(einheits)kraft (wenigstens) multipliziert werden muss, so dass in
wenigstens/genau einer Achse der Detektions-Grenzwerte für diese Achse erreicht bzw. überschritten wird.
Entsprechend kann in einer Ausführung der Betrag f einer bzw. der minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, insbesondere dadurch bzw. so ermittelt bzw. definiert sein bzw. werden, dass der Betrag, ausgehend von einem Startwert, interativ erhöht wird, bis erstmals bzw. im Rahmen einer Iterationsgenauigkeit in (wenigstens) einer Achse gilt: tki, > Td,j.
Der Betrag f der minimalen Kollisionskraft und die effektive Masse mu des Roboters werden bzw. sind in einer Ausführung in Form eines gemischten Gütekriteriums, in einer Weiterbildung insbesondere in Form einer gewichteten Summe G der effektiven Masse und des Betrags der minimalen Kollisionskraft und gegebenenfalls weiterer Kostenfunktionen G,, ermittelt bzw. minimiert:
G = a mu + b f\ + (7)
wobei vorzugsweise l; a,b(,Cj ) > gWt
Wie vorstehend erläutert, kann die Redundanz des Roboters durch einen
Redundanzparameter r reduziert werden bzw. sein. Entsprechend gilt in einer
Ausführung:
G = a - mMz, r))+ b - f{q(z, r) ^ cj - Gj = G{q{z, r)) {T)
Somit können in einer Ausführung für einen oder mehrere Bahnpunkte z, und
Redundanzparameterwerte η jeweils Werte des gemischten Gütekriteriums ermittelt und dann jeweils die Pose bzw. der Redundanzparameterwert ausgewählt werden, für die bzw. den das Gütekriterium den kleinsten Wert aufweist. Insbesondere, indem in einer Ausführung für einen nachfolgenden Bahnpunkt jeweils ausgehend von einem vorhergehenden bzw. aktuellen Redundanzparameterwert ein Such- bzw. zulässiger Wertebereich für den Redundanzparameter vorgegeben wird, kann in einer Ausführung vorteilhaft eine Variation des Redundanzparameters beschränkt und so eine besonders vorteilhafte Bahn geplant werden. Entsprechend wird in einer Ausführung allgemein die Redundanz derart bzw. unter der
Nebenbedingung aufgelöst, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein
vorgegebener Variations-Grenzwert ist bzw. bleibt.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist Mittel zum Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist, auf. In einer Ausführung weist das System Mittel zum Auflösen der Redundanz derart, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein vorgegebener Variations-Grenzwert ist; Mittel zum Ermitteln der auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte
detektierbaren Kollisionskraft auf Basis einer linearen Abbildung einer Bahntangente; Mittel zum Ermitteln der linearen Abbildung auf Basis einer Pseudoinversen des Roboters; Mittel zum Ermitteln des gemischten Gütekriteriums auf Basis einer gewichteten Summe der effektiven Masse und des Betrags der minimalen
Kollisionskraft und/oder Mittel zum Ermitteln des Werts des gemischten
Gütekriteriums für wenigstens einen Punkt der in dem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn für wenigstens zwei Posen im Nullraum des Roboters, insbesondere für wenigstens zwei Werte eines Redundanzparameters des Roboters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters, und Mittel zum Planen der Bahn auf Basis der Pose bzw. des Redundanzparameters, für die bzw. den das gemischte Gütekriterium den kleineren Wert aufweist.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder
Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Bahn planen kann.
In einer Ausführung werden einer oder mehrere der hier beschriebenen Schritte, insbesondere durch das System bzw. dessen Mittel, teilweise oder vollständig automatisiert durchgeführt. Das System kann in einer Ausführung den Roboter auf Basis der in hier beschriebener weise geplanten Bahn bzw. derart steuern, dass er diese ein- oder mehrfach abfährt, bzw. hierzu, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, eingerichtet sein. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,:
Fig. 1 : einen aufgabenredundanten Roboter in verschiedenen Posen; und
Fig. 2: den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt in einem zur Erläuterung vereinfachten Ausführungsbeispiel, zu dem ergänzend auf die WO 2013/004329 A1 Bezug genommen wird, einen dreigelenkigen Roboter 1 mit einer an einer festen Basis gelagerten Schwinge 1.1 , einem daran gelenkig befestigten Arm 1.2 und einer an dessen schwingenfernen Ende gelenkig gelagerten Hand 1.3 mit dem TCP. Alle drei Drehgelenke weisen parallele, auf der Zeichenebene der Fig. 1 senkrecht stehende Drehachsen auf.
Besteht die Aufgabe des Roboters 1 darin, mit seinem TCP ohne Berücksichtigung von dessen Orientierung eine im (ebenen) Arbeitsraum des Roboters vorgegebene Bahn B in der Zeichenebene abzufahren, ist der Roboter mit seinen drei
Freiheitsgraden q = (q q2 bezüglich der vorgegebenen Position z = x = (x y)T redundant: man erkennt, dass zu derselben kartesischen TCP-Position (x, y) auf der Bahn B in der Zeichenebene der Fig. 1 bzw. dem Arbeitsraum des Roboters unterschiedliche, redundante Posen existieren, von denen in Fig. 1 exemplarisch drei dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das eine Steuerung 2 des Roboters 1 ausführt:
In einem ersten Schritt S10 diskretisiert die Steuerung 2 die Bahn B in einzelne Stützbzw. Bahnpunkte (x, y)i (x, y)n. In einem zweiten Schritt S20 ermittelt die Steuerung 2 für den Anfangs-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)i für einen vorgegebenen Such- bzw. Wertebereich eines
Redundanzparameters r, im Ausführungsbeispiel rein exemplarisch des
Gelenkwinkels qi der Schwinge 1.1 , jeweils den Wert des Gütekriteriums G gemäß obiger Gleichungen (1) bis (7'). Es wird also für verschiedene, durch den
Redundanzparameter definierbare, Posen des Roboters 1 in dessen Nullraum jeweils seine effektive Masse mu sowie der Faktor f ermittelt, mit dem der
Tangenteneinheitsvektor an die Bahn B im Anfangs-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y^ mindestens multipliziert werden muss, damit seine Projektion in die
Minimalkoordinaten q = (oj q2 jf3)T mittels der Moore-Penrose-Pseudoinversen in einem Freiheitsgrad den hierfür bzw. achsspezifisch vorgegebenen Detektions- Grenzwert überschreitet, und als Wert eines gemischten Gütekriteriums für diese Pose der Wert der gewichteten Summe aus effektiver Masse und diesem Faktor f ermittelt wird. In einem Schritt S30 wählt die Steuerung 2 als Startpose bzw. diese definierenden Start-Redundanzparameterwert diejenige Pose bzw. denjenigen
Redundanzparameterwert, für die bzw. den dieses Gütekriterium minimal ist bzw. wird.
In einem Schritt S40 ermittelt die Steuerung 2 für einen nachfolgenden Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y), in analoger Weise die Werte des Gütekriteriums für unterschiedliche Posen bzw. Redundanzparameterwerte. Dabei wird bzw. ist der Such- bzw.
Wertebereich, innerhalb dessen der Redundanzparameter bzw. die hierdurch definierte Pose variiert wird, dadurch begrenzt, dass eine Variation des
Redundanzparameter(wert)s gegenüber dem vorhergehenden Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)i-i kleiner als ein vorgegebener Variations-Grenzwert ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine unerwünschte signifikante Umorientierung des
Roboters 1 längs der Bahn verhindert werden.
Dann wählt die Steuerung 2 in einem Schritt S50 für den Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)j in analoger Weise als Pose bzw. diesen definierenden Start- Redundanzparameterwert diejenige Pose bzw. denjenigen Redundanzparameterwert, für die bzw. den dieses Gütekriterium minimal ist bzw. wird. In einem Schritt S60 prüft die Steuerung, ob ein End-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)n erreicht ist. Solange dies nicht der Fall ist (S60:„N"), wiederholt die Steuerung 2 die Schritte S40 - S60 in analoger Weise, andernfalls (S60:„Y") ist die Bahnplanung beendet. Auf diese Weise plant die Steuerung 2 die Bahn des Roboters in Form der Abfolge der Posen bzw. diese definierenden Redundanzparameterwerte rx = Qu (/ = 1 ,... ,n) längs der im Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn B und löst so dessen Redundanz bezüglich der Bahn B derart auf, dass einerseits - durch die Minimierung der effektiven Masse - die Gefährdung bei einer potentiellen Kollision reduziert und zugleich - durch die gleichzeitige Pareto-Minimierung des Betrags f der minimalen Kollisionskraft, die auf Basis der vorgegebenen Detektions-Grenzwerie für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, eine potentielle Kollision möglichst sensitiv bzw.
frühzeitig detektierbar ist, so dass entsprechende Sicherheitsreaktionen rasch eingeleitet werden können. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die
Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die
Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten
Merkmalskombinationen ergibt. Bezuqszeichenliste
1 Roboter
1 .1 Schwinge
1 .2 Arm
1 .3 Hand
2 Steuerung
B im Arbeitsraum vorgegebene Bahn
TCP Tool Center Point
u Tangenteneinheitsvektor

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines
mehrachsigen Roboters (1), mit dem Schritt:
Auflösen (S20, S40, S50) einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn (B) derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Redundanz derart aufgelöst wird, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein vorgegebener
Variations-Grenzwert ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte detektierbare
Kollisionskraft auf Basis einer linearen Abbildung einer Bahntangente ermittelt wird.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Abbildung auf Basis einer Pseudoinversen des Roboters ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemischte Gütekriterium auf Basis einer gewichteten Summe der effektiven Masse und des Betrags der minimalen Kollisionskraft ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens einen Punkt der in dem Arbeitsraum des Roboters
vorgegebenen Bahn für wenigstens zwei Posen im Nullraum des Roboters, insbesondere für wenigstens zwei Werte eines Redundanzparameters des
Roboters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters, der Wert des
gemischten Gütekriteriums ermittelt und die Bahn auf Basis der Pose bzw. des Redundanzparameters geplant wird, für die bzw. den das gemischte Gütekriterium den kleineren Wert aufweist.
7. System zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines
mehrachsigen Roboters (1), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder Mittel (2) zum Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des
Roboters vorgegebenen Bahn (B) derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen
Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions- Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist, aufweist.
8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum Auflösen der
Redundanz derart, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur
Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein vorgegebener Variations-Grenzwert ist.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum Ermitteln der auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte
detektierbaren Kollisionskraft auf Basis einer linearen Abbildung einer
Bahntangente.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum Ermitteln der linearen Abbildung auf Basis einer Pseudoinversen des Roboters.
1 1. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum Ermitteln des gemischten Gütekriteriums auf Basis einer gewichteten Summe der effektiven Masse und des Betrags der minimalen Kollisionskraft.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum Ermitteln des Werts des gemischten Gütekriteriums für wenigstens einen Punkt der in dem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn für wenigstens zwei Posen im Nullraum des Roboters, insbesondere für wenigstens zwei Werte eines Redundanzparameters des Roboters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters, und Mittel zum Planen der Bahn auf Basis der Pose bzw. des
Redundanzparameters, für die bzw. den das gemischte Gütekriterium den kleineren Wert aufweist.
13. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP17700889.3A 2016-01-26 2017-01-18 Verfahren und system zur bahnplanung eines redundanten roboters Withdrawn EP3408061A1 (de)

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