用于为机器人确定运动序列的方法和装置与流程

因而，根据本发明的方法用来特别地但非排它地给轻型构造的机器人系统进行编程。

这种轻型机器人系统以这样的方式设计，以致于除了必要的六个自由度之外，它们还具有允许跨越所谓的零空间的一个或多个自由度。

为了使机器人系统能够在随后的活动过程中执行期望的操作并且为此而采取对应的姿势，必须可关于末端执行器处的运动序列和力施加或传输进行自由编程。在抽象的含义下，机器人系统初始代表可关于若干轴线或在若干轴线中自由编程的基于状态的机器。

用于这种类型的机器人系统的常见在线(即，几乎实时的)编程方法为所谓的“示教”方法，在该方法中，接近期望轨迹的各个支撑点，然后借助于集成在机器人系统中的编码器检测执行器的相应位置，并且将将这些相应位置存储在控制单元中。

特别在轻型机器人系统中使用所谓的直接“示教”方法，在该直接示教方法中，由操作员手动地直接引导和移动执行器或操纵器或机械臂，也就是说，将所需要的运动序列预先示范给操纵器。

一方面如果机械臂只具有该机械臂仍然能够由操作员移动的重量和/或对应的灵敏性，并且另一方面如果在机械臂的各个连杆或臂构件之间没有强传输并因而自锁的齿轮机构或者如果为了使用具有高传动比的齿轮而设置对应扭矩控制，这才是可能的。

因此，对于以上提到的直接“示教”方法，还已知在机器人系统的重力补偿状态下引导该机器人系统，其中所测量的扭矩被反馈到各个连杆之间的由此活动的驱动器，这意味着机器人系统的净重和齿轮机构的任何自锁都没有考虑，因此，该机器人系统只能根据操作员在手动引导过程中施加的外力移动。其它解决方案包括考虑到用于摩擦补偿的指定方案或程序关于各个马达对扭矩进行直接目标控制。

在“示教”过程中执行的运动由已经存在于机械臂的各个连杆之间的驱动机构和接头的区域中的传感器来测量，这些传感器既能够检测扭矩，又能够检测平移力。扫描/采样时间的对应选择因而导致大量路径点，这些路径点随后确定机械臂将跟随或穿越的轨迹。因此，这些并不是通过分析描述的，而是是通过操作员的手动引导并因而通过空间中的路线而唯一确定的。现有的传感器能够检测沿着机械人系统的整个结构的力和扭矩。

因此，由于设置大量自由度而具有高度灵活性的机器人系统几乎无法实现或者只能通过相当的编程努力才能实现为能够被设计成在所有自由度上都完全可追踪的系统，而这又会导致这种机器人系统的操纵器的手动引导具有若干缺点这一事实。

轻型机器人的操纵器通常关于其移动性提供七个自由度。然而，供机器人执行一个或多个操作的工作或任务空间的定义限于六个维度，例如，当使用笛卡尔空间时，对操纵器来说存在一个附加自由度，该附加自由度通常被称为零空间。然而，这导致如下事实：在用户进行“示教”编程过程中几乎无法管理操纵器的运动，这是因为操纵器也能够在坐标(这些坐标与预期任何毫不相关)中运动，并且这纯粹是巧合的。除了机器人的这种行为基本不是令人期望的并且几乎无法由不熟悉这种机器人系统的编程的操作员正确地解释这一事实之外，这种行为还被证明在对机器人系统进行编程时效率非常低。

因为操纵器本身由于其相对于在其接头中的运动的非常被动行为而无法对在所分配的空间的正确坐标内的运动主动做出贡献，因此显然在工作空间中高精度定位操纵器并因此高精度定位执行器实现起来非常困难。

机器人系统通常具有位于机械臂的区域中的输入装置，通过该输入装置，例如能够启动或停止机器人系统的重力补偿模式，以执行“示教”程序。

结果，操作员需要一只手操作输入装置启动重力补偿模式，并需要另一只手手动地引导执行器。这意味着当将执行器引导到期望位置时不再可能具体地影响不起作用的那些自由度，对于高精度“示教”过程来说这将是有利的。换言之，用户总是需要两只手实现准确定位。

在工作空间中执行限定操作的机器人系统的另一个缺点是，对于每个单独操作都必须执行独立的编程或“示教”程序，虽然这些操作可能在本质上相同，但是也必须在工作空间中的不同位置处执行。因此，可以想到，类似操作包括将诸如壳体部件的两个元件连接至彼此，例如螺接在一起。由于所使用的螺钉和壳体部件上的螺纹孔的尺寸都相同，诸如此类的螺接操作将是相同的，其中螺纹孔的位置沿着壳体部件分布。如果使用现有技术的编程或“示教”过程，则必须关于用于螺接过程的每个单独螺纹孔重复这些。这需要一定量的时间，因此是成本密集型编程。

基于此，本发明的目的是提供一种机器人系统和用于对这种机器人系统进行编程的方法，该机器人系统和方法可以消除上述的缺点。此外，本发明的目的是在该背景下提供一种用于定义机器人系统的限定的运动序列的方法和装置，该方法和装置允许通过这些运动序列实现操作的简单可重现性和可转移性。

该目的通过根据权利要求1的方法、根据权利要求20的机器人系统以及根据权利要求21的装置来解决。

因而本发明涉及一种用于确定机器人系统的多轴线操纵器的运动序列的方法，该操纵器包括形成多个不同旋转轴线的多个构件和用于与执行器相配合的末端构件，其中所述执行器将在工作空间或任务空间中执行至少一个任意操作，并且其中所述操纵器的所述末端构件将关于所述工作空间被转换至任意目标姿势，以便执行所述至少一个任意操作，所述方法的特征在于，

-在若干步骤中移动所述操纵器，从而使所述末端构件接近所述目标姿势；

其中对于每个步骤，关于形成与所述操纵器相关联的坐标系的轴线的至少一个轴线确定至少一个限定的阻抗模式和/或导纳模式。

通常将由若干轴线构件构成的轻型机器人的操纵器进行建模并且作为刚性体、弹性和/或粘弹性元件例如弹簧质量系统进行控制。这种弹簧质量系统具有弹簧刚度和/或阻抗，其中所述弹簧刚度能够通过控制环进行改变，并因而能够相对于任务空间来确定阻抗行为。这种弹簧刚度能够通过控制布置在两个轴线连杆之间的接头中的各个驱动单元而被具体地影响和充分地阻尼，这在原理上允许实现限定的柔顺模式。换言之，能够在整体上具体地影响所述操纵器的运动和相互作用行为。

根据本发明，现在利用这种可能性在对操纵器的期望运动序列编程时或者在“示教”过程中将限定的阻抗模式和/或导纳模式应用于同一个坐标系或不同坐标系的各个轴线。以最简单的模式，这些是限定的柔顺模式。

根据本发明，这可以是与所述操纵器的轴线构件中的至少一个轴线构件、所述操纵器的轴线构件中的另一个轴线构件、两个轴线构件之间的一个或多个接头(所述两个轴线构件通过这些接头可移动地连接至彼此)、位于操纵器的末端构件上的执行器和/或所述执行器在其中执行一个或多个操作的工作空间直接相关联的任意坐标系。还可以有不同的任意坐标系。另外，它还可以是这样的坐标系，该坐标系的轴线能够例如参照流形(manifold)自动地识别，也就是说，用于执行所述方法的系统在每种情况下自动地得知哪个坐标系可能是最合适的坐标系。

另外，本发明可以设置成通过执行器的类型、将要采取的姿势和/或将要执行的操作的类型来确定所述任意坐标系。例如，如果所述执行器即螺丝起子将要执行旋拧操作，则在这种情况下可以将所述任意坐标系限定为极坐标系。还可能是这样的，即：如果例如所述操纵器必须遵循预定运动以执行预期操作(例如，该预期操作由在工作空间的区域中沿着机器人移动的传送带确定)，则所述任意坐标系可以被设计成随着时间改变。

在这些任意坐标系内，本发明于是设置成这样，即：为了应用所述阻抗模式和/或导纳模式而选择的轴线(多个轴线)将涉及平移取向或旋转取向。换言之，编程因而可以关于操纵器的部分或全部平移运动应用目标阻抗行为和/或导纳行为并且/或者关于操纵器的部分或全部旋转运动应用阻抗行为和/或导纳行为。

在根据本发明的方法的优选实施方式中，设置成这样，即：

-对于一步骤，关于轴线，以平移取向或方位确定限定的阻抗模式和/或导纳模式；并且

-对于另外的步骤，关于轴线，以旋转取向或方位确定限定的阻抗模式和/或导纳模式。

因此可以重复这些步骤(以偶数或奇数)，直到到达所述目标姿势。在这些重复中，因而可以将已经针对之前步骤限定的相同阻抗模式和/或导纳模式用于每个单独步骤，或者能够在步骤之间改变阻抗模式和/或导纳模式。

根据本发明的方法的特征因此在于，能够通过在若干步骤中接近最终姿势而在若干步骤或循环中对期望运动序列进行编程。

步骤的数量可以任意地选择或者根据空间环境选择。因而，可能的是，为了在工作空间中实现同一个姿势，通过手动引导可以从不同的编程过程得到不同获得运动序列。如果在根据本发明的“示教”过程中所述操纵器移动的空间没有障碍，则可以在仅仅几个步骤中差不多直接将操纵器引导至目标。如果必须考虑到障碍物，例如，工作空间处被设计成用于人机配合的位置，则可以在若干步骤中在这些障碍物周围将操纵器引导至期望目标。

根据本发明，所述阻抗模式和/或导纳模式被设计成在步骤中是恒定的、随时间改变的和/或依赖于状态的。

为了执行根据本发明的方法，具有提供多个自由度的操纵器的机器人系统可以具有控制单元和用于对该机器人系统进行编程的输入装置，其中所述控制单元和所述输入装置以如下方式设计，即：在对所述机器人系统进行编程的过程中，将至少一个阻抗模式和/或导纳模式应用于坐标系的轴线。这意味着，多个自由度中的至少一个自由度关于该自由度的固有移动性是可以控制的。

所述控制单元以如下方式设计，即：该控制单元根据以上提到的参数预先确定所述坐标系或多个坐标系，然后选择似乎最适合于所需用途的类型的坐标系。除了优选的笛卡尔坐标系之外，还可以想到柱面坐标系、球面坐标系或者由流形限定的坐标系。

本发明的机器人系统或方法使得操作员能够按照需要向机器人系统的各个接头施加限定的阻抗模式和/或导纳模式，以用于编程目的，例如通过限定的柔顺模式进行阻尼，并因而选择性地影响机器人系统的自由度，以便在机器人系统的编程过程中为将要进行的运动设置自由度的可移动程度。这样，如前所述，可以考虑到之前限定的坐标系在旋转取向和/或平移取向方面限定运动。

伴随本发明的优点是，不是在“示教”过程中反复地启动或停止重力补偿模式，而是提供了一种多阶段的可选择性编程的控制方法，在该方法中，机器人系统中存在的多个自由度的仅部分自由度能够在任何时间通过外力而改变，即通过施加所限定的阻抗模式和/或导纳模式诸如例如柔顺模式而选择性地阻尼和/或阻挡。结果，这同样意味着操作员能够在机器人系统的编程过程中针对将要进行的运动减少机器人系统的可用的多个自由度的数量，该运动由手动引导产生。这是这样实现的，即：通过选择性地并且分别地阻尼或阻挡一个或多个自由度，使得运动被限于未被阻挡的自由端，特别是在与环境相互作用方面。在这种情况下，不能将“阻挡”理解为绝对阻挡的含义，优选地，一个接头经受极其硬的阻尼，这意味着这种高刚度最终导致该接头被阻挡，其中最小轻度运动仍然可能，同时另一个接头经受极其软的阻尼，这意味着这种低刚度导致该接头变松。

例如，可通过例如机械臂的各个连杆之间的接头机构进行的相对运动将以定向方式进行阻尼，其中阻尼程度针对不同接头进行不同的调节和改变。这可以相应地通过控制布置在接头点中的驱动机构来实现。

在简单的情况下，例如，可以采用三步骤过程，其中首先将操纵器转换到重力补偿(和/或离心力和/或科里奥力和/或惯性补偿)状态，以便使操纵器大致进入期望姿势附近。然后，仅关于与末端执行器相关的坐标系施加旋转轴，以对末端执行器取向进行第一校正。然后，将这些旋转轴几乎阻挡，即设有极其高的刚度，并且仅相对于该坐标系释放平移轴线，从而设置末端执行器的最终位置。这些步骤可以在一个或多个循环中重复，直到在精细调节的意义上到达最终期望姿势。

这使得编程更为容易，其原因在于，对于任务无关的自由度，操作员也能够更为容易地改变具有执行器的多接头机器人系统，并且还能够设置机器人系统的姿势，借助于此，能够限定轨迹，该轨迹考虑到了之前已知的障碍物，诸如在稍后操作中紧邻机器人系统的工人的工作区域。

所述输入装置可以优选地在末端执行器的区域中位于机器人系统的构件上，或者它可以是外部平板电脑，从而允许操作员利用一只手实时地手动地启动或停止期望的柔顺模式，并且在操纵器的各个接头之间进行区分。

根据本发明的编程方法还方便对具有零空间的七轴线操纵器进行单手引导，这进一步减少了设置时间，同时降低了设置成本。

在特别优选的实施方式中，根据本发明的方法的进一步特征在于，在执行所有单独步骤之后产生关于目标姿势限定的运动的全阻抗模式和/或全导纳模式，在维持阻抗行为和/或导纳行为的架构内的公共目标取向的同时，将全阻抗模式和/或全导纳模式应用于至少一个另外的目标姿势，其中所述至少一个另外的目标姿势的位置或平移在公共平面内相对于原始目标姿势的位置或平移偏移和/或相对于其成角度。

这使得一旦通过“示教”方法确定就可以重复地使用所述机械臂的目标取向并因此重复地使用所述执行器的目标取向，以例如确定位于一个水平上的平行物体。一旦已经设置姿势的目标取向，则维持该目标取向，并且仅改变其相应位置。例如，当将壳体罩与分布在该壳体罩上的螺钉引导件的若干位置拧在一起时，对于螺丝刀元件，相对于相应螺纹孔的位置，示教了末端执行器的仅目标位置或平移，同时保持从将要执行的螺钉运动得到的目标取向。因此能够进一步减少编程时间。

根据本发明的方法提供了用于对机器人系统(特别是轻型设计的机器人系统)的多轴线操纵器进行编程或确定的新构思，该方法的特征在于，选择不同的柔顺模式或阻抗配置文件来关于工作空间限制运动。相对于该工件确定操纵器的总体柔顺行为，以便关于特定任务或操作进行调节。如果一方面不同的坐标系以及另一个不同的柔顺行为对于期望相互作用来说确实变得必要的话，则可以在“示教”过程期间特别地通过在机器人处直接输入而以简单方式在各个阻抗配置文件和/或导纳配置文件之间来回地切换。

从如所附附图所示的实施方式的描述，本发明的进一步的优点和特征将变得清楚。

图1是机器人系统的多轴线操纵器的示例性图示，其中示意性地表示了用于根据本发明的方法的可能坐标系；

图2是示出了根据本发明的方法的实施方式的必要步骤的流程图；

图3a是示出了与已知方法比较时根据本发明的渐进方法的图；以及

图3b是各个柔顺模式(compliancepattern)的可能共同相互关系的方案，其中仅提供了刚度。

图1示出了具有操纵器m的机器人系统的示例，该操纵器m由通过接头g连接至彼此的若干轴线连杆或构件a构成。在操纵器m的末端处，设有执行器e，该执行器将在工作空间或任务空间r中执行一定操作。

可以将若干坐标系分配给将采取姿势xi的操纵器m，在本文中，所述坐标系在图1中示意性地示出为笛卡尔坐标系。然而，还可想到其它坐标系，例如，与流形(manifold)相关的坐标系。

第一坐标系ca可以例如参照轴线元素a中的一个轴线元素，并且具有位于该坐标系ca内的对应轴线aa，所述对应轴线aa限定该坐标系ca。

第二坐标系ce与执行器e直接相关并且因而具有限定该坐标系ce的轴线ae。

第三坐标系cg可以直接参照单个接头g并且因而由轴线ag限定。

第四坐标系统cr可以是参照工作空间r的坐标系，该坐标系通过对应的轴线ar限定。

在根据本发明的“示教”方法中，通过使操纵器m的执行器e或末端构件(操纵器m承载该执行器e或末端构件)接近最终姿势xi而在若干个步骤si、sj(参见图2和图3a)中将操纵器m转移成姿势xi，其中姿势xi起因于工作空间r本身(该工作空间r对应于将在该工作空间r例如组装工作站中进行的操作位置)和将要进行的操作类型(例如，螺接运动)。然而，它也可以是简单地执行器e定位在不是直接从任务得到的空间中。

对于每个步骤si、sj，限定至少一个限定的阻抗模式(impedancepattern)和/或导纳模式，在当前示例中为从阻抗或刚度矩形kx得到的柔顺模式。

根据本发明，所述阻抗模式和/或导纳模式应该这样设计，以致于它们涉及所选坐标系的至少一个轴线，例如，一个或多个轴线构件a的坐标系ca的至少一个轴线aa、一个或多个接头g的坐标系cg的至少一个轴线ag、执行器的坐标系ce的至少一个轴线ae和/或一个或多个工作或任务空间r的坐标系的至少一个轴线ar。

图2示意性地示出了根据本发明的方法的执行示例的流程图，该方法可以由操作员在机器人系统上手动执行以对其进行编程。

在第一步骤10中，将操纵器m设置为补偿模式。为此，通过接头g中的驱动单元的对应控制产生对应的反作用力和反作用扭矩，以抵消重力，并且可能地抵消离心力和/或科里奥力和或初始惯性力，由此取消操纵器m的净重并因此取消操纵器m的惯性以及齿轮或接头的任何自锁，从而使得操纵器m能够首先表现出可排斥行为。

操作员现在能够使机械臂或执行器e近似进入期望姿势和/或使其移动到期望位置。

例如，如果考虑笛卡尔坐标系作为相关的坐标系，则在分离情况下限定平移和旋转笛卡尔刚度的可能笛卡尔任务相关的刚度元素的结果为：

如果操纵器m能够在一定方向上自由移动，则分配给该操纵器m的第nt个刚度元素限定为：

kx,i＝0

为此，通过指定或选择阻尼配置文件或柔顺模式为被限制为6-nt的方向选择具体的笛卡尔任务相关阻尼dx,i。

应该提及，在实践中，不应该关于零空间详细地指定衰减或阻止，以便在真实条件下排出与任务或操作的相互作用(例如，由于传感器噪音引起)。然而，还可以设置成这样，即：在根据本发明的方法的架构内，给零空间分配独立的柔顺模式(例如，可能时变的柔顺模式)。

简单来说，这得到笛卡尔刚度矩形：

其中

反应了平移和旋转对角的明确限定的刚度矩阵。

于是，在上述近似的第一步骤si中，在平移方位中相对于笛卡尔坐标系的一个轴线(例如坐标系ca的轴线aa)限定柔顺模式。于是得到对应的刚度矩阵：

单次执行该步骤si就能够已经足够达到目标姿势xi(图2中的步骤20)。然而，步骤si也可以重复一次或多次(图2中的步骤30’)。

在该近似的进一步步骤sj中，于是关于该坐标系的轴线aa限定旋转取向中的限定柔顺模式。得到如下的对应刚度矩阵：

根据本发明的“示教”过程的这些步骤根据需要经常重复，但不必交替地重复(图2中的步骤30’、30”)，直到最终达到姿势xi(图2中的步骤40)。

因此，这些步骤(其中仅聚焦于平移方位一次，并且仅聚焦于旋转方位一次)本身实质上是简化的“示教”步骤。

根据本发明的方法可以优选地用来将一次确定的设置姿势xi转换至另一个目标姿势xj，该目标姿势xj与姿势xi的不同仅在于不同的位置，但是具有共同的目标取向或方位(图2中的步骤50)。

例如，在姿势xi中，由一螺钉，该螺钉将由操纵器m的执行器e拧入部件中。在该部件的另一个位置处，由s-1个螺钉，这些螺钉也要拧入。

在转换至例如重力补偿模式之后，如上所述那样在平移状态和旋转状态之间改变。通过选择柔顺模式由用户限定刚度矩阵，即：

如果达到姿势xi，则将其作为参考存储起来。

之后，系统切换至将操纵器m引导至进一步螺钉的进一步s-1位置处，并且因而取向相同而仅保存该位置。对应的矩阵因而为：

对于每个进一步姿势xj，因此有：

变得清楚的是，通过使用由刚度矩阵限定的之前柔顺模式，能够以系统化方式对任何数量的进一步姿势xi、xj…xs进行编程。

图3a以示例性方式示出了根据本发明的方法与已知“示教”方法相比的优点。该图3a示出了其中操纵器m的执行器e在工作空间r中的特定目标点b处采取姿势的各个步骤的过程。

应该强调的是，不能将该目标点(最终将在该目标点处执行操纵器m的执行器e的操作)称为用于对操纵器m为此目的而将遵循的运动序列进行编程的输入变量或参数。

操纵器m的运动将在位置a处从初始状态开始，该位置a可以是空间中的任何点，该空间与位置b所在的工作空间r完全分离并解耦。

通过纯运动编程(虚线)，具有其执行器e的操纵器m将在任何点b’终止，该位置b’必然不能与期望位置匹配，这是因为它或者不是已知的，或者仅仅是不充分地已知。由于b不是预先已知的或者仅仅是不充分地已知，而是仅仅通过将要实现的结果(姿势、点b处的操作)暗含地已知，不能产生能够用于纯运动编程的任何环境模式。

在“示教”编程(其中，仅在重力补偿状态(虚线)下引导操纵器m)中，执行器e总是终止于过于不精确的位置b”，因此即使只是最小程度地，但是还是从期望位置b偏离。然而，最小偏移已经足以确保诸如在螺纹中拧螺钉之类的期望操作无法以可靠的可重复方式没有误差地执行。另外，该“示教”过程，即操纵器的最终引导证明在当前请情况下更难以执行得多。

根据本发明，因此将操纵器m的引导分成若干步骤s1至s4，这些步骤可以具有不同持续时间，并且没有步骤因而被分配均限定柔顺模式的刚度矩阵k1至k4。这样，执行器e能够精确地接近位置b(实线)，以便确保期望操作所需的姿势xb。

当使用不同的刚度矩阵k1至k4(同时可能对重力、惯性、离心力和/或科里奥力进行补偿)时，这些又可以借助于步骤s1至s4彼此进行协调，即如图3b所示，所得到的各个柔顺模式都与彼此相互关联。

变得清楚的是，一方面通过定向选择步骤数量，另一方面在最简单的柔顺模式中通过定向选择阻抗模式和/或导纳模式，逐步地实现期望姿势变得可能，由于缺乏认知，这没有被预先包括在运动序列的编程中。