用于冗余优化地规划移动式机器人的操作的方法与流程

本发明涉及一种用于冗余优化地规划移动式机器人的操作的方法。

背景技术：

专利文献us5550953公开了一种移动式机器人和一种操作该移动式机器人的方法。该移动式机器人包括机器人臂和承载车辆，机器人臂具有多个可相对于彼此运动的肢节，机器人臂被固定在承载车辆上。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种更好的用于规划移动式机器人的运动的方法。

本发明的目的通过一种用于冗余优化地规划冗余的移动式机器人的操作的方法来实现，该机器人具有：移动式承载车辆；机器人臂，具有多个肢节，这些肢节通过关节连接并且被关于转动轴可转动地安装；驱动器，用于使肢节相对于彼此运动；和电子控制装置，其被设计为，操控用于肢节的驱动器和用于移动式机器人的运动的承载车辆，该方法具有以下方法步骤：

-使用与工具中心点相对应的笛卡尔tcp坐标系，该工具中心点配属于机器人臂，该坐标系具有第一tcp坐标轴、第二tcp坐标轴和第三tcp坐标轴，

-使用笛卡尔世界坐标系，其具有第一世界坐标轴、第二世界坐标轴和第三世界坐标轴，其中，第一世界坐标轴和第二世界坐标轴撑开一平面，移动式机器人在该平面上运动，工具中心点相对于该平面的高度对应于第三世界坐标轴，并且tcp坐标轴中的一个与该平面围成一角度，

-创建至少一个图，在该图中冗余被表示为高度和角度的函数，冗余是对移动式机器人的取决于高度和角度的可能的配置的度量(maβ)，和

-借助于该至少一个图来规划移动式机器人的操作。

这种移动式机器人是一种冗余的移动式机器人，对其而言，对于工具中心点在空间中的各个位置和方向，这种移动式机器人通常有多个可能的配置。移动式机器人的配置是指：对于工具中心点的各个位置和方向，机器人臂有多个可能的姿态，并且承载车辆在平面上有多个可能的位置和方向。通过各个肢节相对于彼此的角位置来获得机器人臂的姿态。

因此，针对工具中心点在空间中的各个位置和方向，移动式机器人通常具有冗余的配置。可以例如在世界坐标系中表示这些位置和方向。也可以在tcp坐标系的坐标中表示工具中心点的方向。

根据本发明的一种优选的实施方式，机器人臂包括正好五个自由度并因此包括第一肢节、第二肢节、第三肢节、第四肢节、第五肢节和第六肢节作为肢节，包括第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、第四转动轴和第五转动轴作为转动轴。在这种情况下，移动式机器人具有特别是8个自由度，因为承载车辆包括三个自由度。

优选地，第一转动轴、第二转动轴和第四转动轴水平地延伸，而第五转动轴竖直地延伸。特别地，第二肢节被安装为，相对于第一肢节关于第一转动轴是可转动的；紧随第二肢节的是第三肢节，该第三肢节被安装为，相对于第二肢节关于第二转动轴是可转动的；第四肢节被安装为，相对于第三肢节关于垂直于第二转动轴延伸的第三转动轴是可转动的，并且包括用于固定工具的固定装置或工具；第六肢节被静止地固定在承载车辆上或者体现为承载车辆；第五肢节被安装为，相对于第六肢节关于第五转动轴是可转动的；并且第一肢节被安装为，相对于第五肢节关于第四转动轴是可转动的。优选地，第三tcp坐标轴沿第三转动轴的方向延伸并与平面围成一角度。

机器人臂还可以具有正好四个自由度。据此，该机器人臂包括作为肢节的第一肢节、第二肢节、第三肢节、第四肢节和第五肢节，以及作为转动轴的第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴和第四转动轴。特别地，第一转动轴、第二转动轴和第四转动轴水平地延伸。特别地，第二肢节被安装为，相对于第一肢节关于第一转动轴是可转动的；紧随第二肢节的是第三肢节，该第三肢节被安装为，相对于第二肢节关于第二转动轴是可转动的；第四肢节被安装为，相对于第三肢节关于垂直于第二转动轴延伸的第三转动轴是可转动的，并且包括用于固定工具的固定装置或工具；第五肢节被静止地固定在承载车辆上或体现为承载车辆。优选地，第三tcp坐标轴沿第三转动轴的方向延伸并与平面围成一角度。

优选地，移动式承载车辆包括车轮和用于驱动车轮的驱动器。优选地，将电子控制装置设计为，操控用于车轮的驱动器，使承载车辆运动。

承载车辆也可以有腿或被设计成磁悬浮运输车辆。

优选地，将承载车辆设计为可全向运动的承载车辆(完整(holonome)平台)。因此，承载车辆的车轮优选被设计为全向车轮。全向轮的一个例子是为本领域技术人员所熟知的麦克纳姆轮。由于这种全向车轮，使得根据本发明的移动式机器人或者说其承载车辆能够在空间中自由地运动。因此，该承载车辆不仅能够向前、向后或侧向运动或曲线地行进，而且还能够例如围绕垂直取向的轴线转动。

根据本发明使用了至少一个图，在该图中冗余被表示为高度和角度的函数，冗余是对移动式机器人取决于高度和角度的可能的配置的度量。由此，能够使移动式机器人另外针对工具中心点的高度的可能的配置相对简单地实现可视化，这简化了对移动式机器人的操作的规划。

该至少一个图例如是第一图，其中，高度、角度和冗余构成三维的笛卡尔坐标系，在该坐标系中，冗余作为高度和角度的函数被构造为第一图。由此产生了一个图像上的山，在该山中，能够相对容易地读取针对工具中心点的不同高度和角度的冗余。

优选地，第一图中的冗余被不同颜色地或者通过灰度级来标记。

在根据本发明方法的一种优选的实施方式中，该至少一个图是第二图，其中，高度被表示为角度的函数，而冗余在该第二图中被不同地、特别是不同颜色地标记或通过灰度级来标记，以便将冗余表示为高度和角度的函数。第二图是二维图，其中，优选沿着相应的坐标轴绘制高度和角度，这些坐标轴相互垂直。

第二图特别示出了作为角度的函数的高度。为了直观地说明冗余，第二图被不同地标记，通过例如以彩色或通过不同的灰度级来直观地说明冗余的方式。第二图特别是第一图的俯视图。在第二图中，可以相对简单地确定可能的(z；β)对或具有相对较高的冗余的(z；β)对。

根据本发明的方法可以附加地包括以下方法步骤：

-在六维空间中规划工具中心点应沿其自动运动的轨迹的曲线(verlaufs)，

-将所规划的轨迹的曲线转换到两维的子空间中，由此得到转换后的轨迹的曲线，在此，该子空间以高度和角度表示所规划的工具中心点的位置和方向，

-将经过转换的所规划的轨迹的曲线与第二图相叠加，

-基于该经过转换的轨迹与第二图叠加后的曲线，确定所规划的轨迹是否可以由移动式机器人执行。

这种在六维空间中的规划特别是在世界坐标系的坐标(世界坐标)中进行，必要时附加地在tcp坐标系中进行。

如果所规划的轨迹不能由移动式机器人执行，则可以执行以下方法步骤：

-在所叠加的第二图的内部改变经过转换的所规划轨迹的曲线，从而形成一被改变的经过转换的所规划轨迹的曲线，该曲线能够由移动式机器人来执行，并且

-基于该经过转换的所规划轨迹的被改变的曲线，在六维空间中创建被改变的所规划轨迹。

根据本发明的方法还可以包括以下方法步骤：

-设定工具中心点的高度，

-借助第一图和/或第二图确定可能的角度值，

-确定对应于最高冗余的角度值，并且

-使用所确定的角度值来规划移动式机器人的运动。

替代地，根据本发明的方法可以包括以下方法步骤：

-设定一角度，

-借助第一图和/或第二图来确定可能的高度值，

-确定对应于最高冗余的高度值，并且

-使用所确定的高度值来规划移动式机器人的运动。

在确定对应于最高冗余的角度值或高度值时，还可以考虑至少一个其他的辅助条件，例如，避免移动式机器人与对象的碰撞、或者移动式机器人相对于对象的安全距离。

借助于至少一个图还可以为移动式机器人规划下述任务：移动式机器人应该以其被设计为夹持器的工具抓住工件并又放置在另一个位置。借助于该至少一个图，可以确定用于该任务的合适位置。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示例性和示意性地示出。其中：

图1示出了一种移动式机器人，其包括承载车辆和固定在该承载车辆上的机器人臂，

图2示出了世界坐标系和tcp坐标系，

图3和图4分别示出了一图，

图5和图6示出了对所规划轨迹的曲线的检查；

图7示出了对所规划轨迹的曲线的改变；和

图8示出了对移动式机器人的配置的规划。

具体实施方式

图1示出了移动式机器人1，在本实施例的情况下，其具有可全向运动的承载车辆2。该承载车辆包括例如车辆基体3和多个可转动地设置在车辆基体3上的车轮4，这些车轮被设计为全向车轮。在本实施例的情况下，承载车辆2具有四个全向车轮4。优选地，所有的车轮4分别由驱动器来驱动。这些未详细示出的驱动器优选是电驱动器、特别是可调节的电驱动器，并与例如设置在车辆基体3中或之上的控制装置5相连接，该控制装置被设计为，通过对用于车轮4的驱动器的相应操控来使承载车辆2运动。

全向轮的一个例子就是所谓的麦克纳姆轮。在本实施例中，被设计为全向轮或者麦克纳姆轮的每个车轮4具有两个彼此刚性连接的轮盘，多个滚动体关于其纵轴线可转动地安装在这两个轮盘之间。这两个轮盘可以关于一转动轴可转动地安装并借助承载车辆2的驱动器中的一个被如下地驱动：即，这两个轮盘关于该转动轴转动。

由于全向车轮4，使得移动式机器人1或其承载车辆2能够在一个平面上或未详细示出的地板上自由地运动。因此，承载车辆2不仅可以向前、向后或侧向运动，或者曲线地行进，而且还能够围绕任何竖直取向的轴线转动。

移动式机器人1包括机器人臂6，该机器人臂被构造为串联运动机构并具有多个相继设置的肢节，这些肢节通过关节连接，使得各个肢节被关于转动轴相对于彼此可转动地安装。

在本实施例的情况下，机器人臂6具有五个自由度并包括第一肢节11、第二肢节12、第三肢节13、第四肢节14、第五肢节15以及第六肢节16和第一转动轴21、第二转动轴22、第三转动轴23、第四转动轴24和第五转动轴25。

在本实施例的情况下，第一转动轴21和第二转动轴22水平地延伸。第二肢节12特别是悬臂并相对于第一肢节11关于第一转动轴21可转动地被安装。

第三肢节13紧随第二肢节12。第三肢节13相对于第二肢节12关于第二转动轴22可转动地被安装。

在本实施例的情况下，第四肢节14相对于第三肢节13关于第三转动轴23可转动地被安装。第三转动轴23垂直于第二转动轴22延伸。第四肢节14可以包括用于固定工具7的固定装置。但是在本实施例的情况下，工具7是第四肢节14的组成部分。第四肢节14是机器人臂6的端部中的一个。

还有一种可能是，机器人臂6不包含第四肢节14，并且第三肢节13包括固定装置或工具7。在这种情况下，第三肢节13构成机器人臂6的端部中的一个。

第一肢节11特别是机器人臂6的摇臂，其位于第五肢节15之前。第一肢节11相对于第五肢节15关于第四转动轴24可转动地被安装。第四转动轴24水平地延伸。

第六肢节16特别是机器人臂6的机座，机器人臂6通过该机座固定在车辆基体3上。该机座体现了机器人臂6的端部中的一个。但是也有可能是承载车辆2构成机座，即，构成第六肢节16。

第五肢节15特别是相对于机座围绕第五转动轴25可转动地安装的转盘。第五转动轴25竖直地延伸。

在本实施例的情况下，承载车辆2是可全向运动的，因此承载车辆2也能够围绕第五转动轴25转动。也可以设置为：第一肢节11直接紧跟机座，即，相对于机座关于第四转动轴24可转动地被安装。在这种情况下，机器人臂6不包括转盘。

移动式机器人1还包括与控制装置5相连接的驱动器。在本实施例的情况下，该驱动器是电驱动器，特别是可调节的电驱动器。至少该电驱动器的电机被设置在机器人臂6中或之上。

在机器人1的操作过程中，控制装置5如下地操控移动式机器人1的驱动器，即，操控用于使机器人臂6的肢节运动的驱动器和用于使车轮4运动的驱动器：使得对应于机器人臂6的所谓工具中心点8占据预先给定的额定位置、必要时还有在空间中的额定方向，或者说工具中心点8在预先给定的轨迹上自动运动。

在本实施例的情况下，机器人臂6具有五个自由度。因此，整个移动式机器人1具有八个自由度，因为承载车辆2具有三个自由度。

可以在图2所示的世界坐标系kw的坐标中确定工具7或工具中心点8的位置。世界坐标系kw是具有世界坐标轴xw、yw、ww和原点uw的笛卡尔坐标系。世界坐标系kw是静止的。

在本实施例的情况下，世界坐标系kw被设定为，其世界坐标xw和yw撑开一平面exy，移动式机器人1在该平面中运动。由此，世界坐标轴zw的坐标给出了工具中心点8相对于移动式机器人1在其上运动的平面exy的高度z。

可以通过世界坐标系kw的角坐标来确定工具中心点8的方向。

工具7或工具中心点8对应于同样地在图2中所示的tcp坐标系ktcp，其原点位于工具中心点8处。tcp坐标系ktcp是具有tcp坐标轴xtcp、ytcp和ztcp的笛卡尔坐标系。ztcp-tcp-坐标轴垂直于第二转动轴22或者沿第三转动轴23的方向延伸，也就是近似沿工具7的“冲击方向”延伸。

借助于tcp坐标系ktcp，还可以确定工具中心点8关于世界坐标系kw的方向。

在本实施例的情况下，tcp坐标轴ztcp和平面exy围成一角度β。

在本实施例的情况下，例如工具7或工具中心点8在由世界坐标系kw的世界坐标xw和yw所确定的平面exy中的一个固定位置上沿着高度z的自动运动优选被离线地规划。高度z相应于世界坐标系kw的世界坐标zw。

在本实施例的情况下，为了实现上述规划，工具中心点8关于世界坐标系kw的位置和方向被转换到两维的子空间中，该子空间的坐标是工具中心点8的高度z和角度β。

如上所述，移动式机器人1具有八个自由度。也就是，该移动式机器人1是冗余的移动式机器人，对该机器人而言，针对工具中心点8在空间中的各个位置和方向，移动式机器人1通常有多种可能的配置，也就是，机器人臂6的多个可能的姿态和承载车辆2在平面exy中的多个可能的位置和方向。通过各个肢节相对于彼此的角位置来获得机器人臂6的姿态。

因此可实现，工具中心点8在空间中的各个方向和位置对应于用于移动式机器人1取决于高度z和角度β的可能的配置的度量。这在下面被称为冗余p。也就是，所确定的(z；β)对，可以分别对应一个冗余p。

在本实施例的情况下，借助于至少一个图规划移动式机器人1的操作，在该图中，冗余p是高度z和角度β的函数。

高度z、角度β和冗余p特别是能构成在图3中示出的三维笛卡尔坐标系30，其中，冗余p作为高度z和角度β的函数被构造为第一图。第一图g1是三维图。冗余p的值越大，移动式机器人1的可能的配置就越多，在这些配置中，工具中心点8能够以特定的角度β占据特定的高度z。高度z可以例如作为标准值被输入，其中，z＝1.0是工具中心点8由于移动式机器人1的几何上的维度而能够达到的最大高度。

为了更多地阐释第一图g1，可以将该第一图标记为彩色的，其中，具有较高冗余p的(z；β)对相比于具有较低冗余p的(z；β)对被标记不同的颜色，对于例如由于移动式机器人1的空间上的维度而没有可能的配置的(z；β)对可以用其他的颜色标记。

高度z、角度β和冗余p也可以被绘制为如图4所示的二维图(第二图g2)。第二图g2示出了作为角度β的函数的高度z。为了阐释冗余p，第二图g2被不同地标记，例如以彩色或通过不同的灰度级来说明冗余p。

第二图g2特别是第一图g1的俯视图。在第二图g2中，可以相对简单地确定可能的(z；β)对或者具有相对较高的冗余p的(z；β)对。

例如，第二图g2包括：第一区域41，对于其所对应的(z；β)对，移动式机器人1没有可能的配置；第二区域42，对于其所对应的(z；β)对，移动式机器人1的可能的配置具有相对较低的冗余p；第三区域43，对于其所对应的(z；β)对，移动式机器人1的可能的配置具有相对较高的冗余p。

图5和图6示出了如何根据第二图g2可检查：移动式机器人1是否能够执行为工具中心点8所规划的轨迹的曲线。

首先，在六维空间中规划工具中心点8应沿其自动运动的轨迹的曲线51。该六维空间中的轨迹的曲线51例如在世界坐标中或世界和tcp坐标中被规划，并且包括关于工具中心点8在空间中的位置和方向的曲线的参数。

然后，借助于转换器52将所规划轨迹的曲线51转换到二维子空间中，由此产生被转换的轨迹，可以用图表示所转换的轨迹的曲线53。

然后，将转换后的所规划轨迹的图曲线53叠加在第二图g2上。

如果该所规划轨迹的曲线51可以由移动式机器人1来执行，则转换后的所规划轨迹的曲线53位于第二图g2的下述区域中：对于其所对应的(z；β)对，移动式机器人1具有可能的配置。这种情况在图5中示出。

如果该所规划轨迹的曲线51不能由移动式机器人1执行，则转换后的所规划轨迹的曲线53至少部分地位于第二图g2的下述区域中：对于其所属的(z；β)对，移动式机器人1没有可能的配置。这种情况在图6中示出。

如果该所规划轨迹的曲线51不能由移动式机器人1执行，则可以对转换后的所规划轨迹的曲线53进行修改，从而获得该转换后的所规划轨迹的一修改曲线73，该修改曲线可由移动式机器人1执行。这种情况在图7中示出。转换后的所规划轨迹的被修改的曲线53在上述被叠加的第二图g2中被修改，以便能够立即识别该转换后的所规划轨迹的所修改的曲线73是否能够由移动式机器人1执行。可以例如借助于光标来进行对转换后的轨迹的曲线的修改。

随后，借助于逆转换器72将转换后的所规划轨迹的所修改曲线73从二维子空间转换回六维空间中，由此产生一经过修改的所规划轨迹，其曲线在图7中被标记为71(所规划轨迹的被修改的曲线71)。基于该经过修改的所规划轨迹，可以对移动式机器人1进行相应地编程。

图8示出了对移动式机器人1的配置进行规划的举例，其中，工具中心点8处于预定的高度z。由于冗余p，在这个高度z上会出现多个角度β。在图8中示出了针对移动式机器人1的三种配置的移动式机器人1，其中，工具中心点8分别处于相同的高度z，但是分别具有不同的角度β。

在如图8所示的举例中，对于移动式机器人1的两种配置，承载车辆2处于相同的位置和方向，机器人臂6的肢节的角位置相对于彼此是不同的。在移动式机器人1的这两种配置中，承载车辆2用实线表示，移动式机器人1的第一种配置中的机器人臂6同样用实线表示，而移动式机器人1的第二种配置中的机器人臂6则用虚线表示。

对于移动式机器人1的第三种配置，用点划线示出移动式机器人1。

对于移动式机器人1的第一种配置，角度β获得值β1；对于移动式机器人1的第二种配置，角度β获得值β2；对于移动式机器人1的第三种配置，角度β获得值β3。这些值β1、β2、β3在图8中同样在第一图g1和第二图g2中被示出，由此针对每一个角度β都可以读取到相应的冗余p。

在所设定的、用于利用被设计为夹持器的工具7抓取工件的高度z上，产生多个用于该抓取位置的角度β。由于移动式机器人1的冗余，会得到移动式机器人1的较合适的和较不合适的配置，这些配置被赋予一定的角度β。借助于图g1和g2，可以针对预先设定的关于冗余p的高度z来比较角度β的不同值。

因此，借助图g1和/或g2，可以执行以下方法：

首先，为工具中心点8设定高度z。

然后，借助于第一图g1和/或第二图g2来确定角度β的可能的值β1、β2、β3。这也可以自动完成。

然后，确定对应于最高冗余p的角度β的值β1、β2、β3。由此，获得用于规划移动式机器人1的运动的(z；β)对。

替代地，也可以预先给定角度β，以便针对该角度β确定对应于最高冗余p的高度z。由此，获得用于规划移动式机器人1的运动的(z；β)对。

借助于图g1和g2，也可以规划移动式机器人1的下述任务：移动式机器人1应该以其被设计为夹持器的工具7抓住工件并放置在另一个位置。借助于图g1和/或g2，可以确定该任务的合适位置。