专利名称：用于控制机器人组的方法和控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于计算机支持地控制具有至少两个机器人的机器人组的方法和一种控制装置。
背景技术：
在具有两个或多个机器人的机器人组中，协作过程与合作过程的区别在于在合作过程中，机器人如同虚拟的超级机器人的轴同步作用，使得例如由这些机器人承载的有效负荷共同运动，而在机器人协作运行中，机器人独立于其他的机器人先验地执行部分任务。在此为了避免发生碰撞，根据企业内部的实际情况将过程划分为过程段，这些过程段首先必须由所有有碰撞危险的机器人完成后，才允许开始后续的过程段。如果例如有两个机器人在同一个工作空间中交替地使有效负荷运动，则可以通过使一个机器人从工作空间中退出来预先设定这样的过程段，从而使另一个机器人在后续的过程段中才被允许进入现在是空的工作空间中。但是，通常对各个机器人的工作流程、特别是运动时间优化地进行控制，S卩，使机器人在最短可能的时间内完成工作流程，这例如可能是由驱动力和驱动转矩、关节速度和关节加速度和/或参考点(例如TCP)的笛卡尔速度的限制造成的。这导致在上述以过程段为节拍的协作过程中，一个或多个较快的机器人、即以更少的最短时间完成相应过程段的机器人在过程段结束时要等待最慢的机器人，并因此在其时间优化的工作流程中消耗很多不必要的能源。专利文献DE 19625637A1提出，为了在多机器人运行中避免碰撞，将碰撞区域投影在共同的关节坐标的空间中，并在那里设计时间优化的无碰撞轨迹。在此较快的机器人的结束时间将根据较慢的机器人的结束时间按比例决定，以便能够同步地到达关节坐标空间中的相同点。
发明内容
本发明的目的在于改进对具有至少两个机器人的机器人组的控制。本发明的目的通过一种具有权利要求I特征的方法实现。权利要求9提出了一种控制装置，权利要求11提出了一种计算机程序产品，特别是一种机械可读的数据载体或存储介质，用于受保护地执行根据本发明的方法，在此，本发明思想中的装置同样可以硬件技术和/或软件技术地构成，即，特别包括相应的加工、计算、存储和/或数据传输装置和/或程序、程序模块等等。优选的扩展方案由从属权利要求给出。本发明的基本思想是利用机器人组的最慢机器人完成过程段所需的时间和机器人组的较快的机器人在时间优化的运行中所需的时间之间的时间差，对较快的机器人的工作流程进行优化，特别是在考虑能源消耗的情况下进行优化。相对于纯粹地使较快机器人的最短结束时间与较慢机器人的最短结束时间相匹配，在此通过优化可以产生显著的节能效果。根据本发明的方法通常包括首先确定一个或多个过程段点(Prozessabschnittspunkte)ο在此,优选将要由机器人组执行的整个过程划分成两个或多个子过程或过程段(Prozessabschnitt)。这些子过程特别是可以在避免碰撞的框架下给出，例如通过要求始终只能有一个机器人在共有的、优选为可变的工作区域内工作。附加或替代地，过程段点还可以是同步点，在该点上此时两个或多个机器人必须在同一时间采取特定的配置，例如传递有效负荷或者对由一个机器人固定的工件通过另一个机器人引导的工具进行处理。过程段点例如可以由与机器人组共同作用的输送机的输送时钟(R甘dertakt)给出。为了更紧凑地说明，在本发明的意义下也可以将整个过程无分割地视为一个过程段，这样，其唯一的过程段点构成整个过程的终点。在本发明的意义下，通常特别是将过程段点理解为描述机器人组的两个或多个机器人的状态、特别是机器人的姿势的点，例如在加工过程或传送运动结束时的姿势。如果机器人组的机器人i的工作流程通过其关节坐标Qi关于过程状态参数S0 ^ s ^ sE的变化过程进行描述，而整个过程则相应地通过机器人组的机器人的关节坐标 q(s) = Lq1(S), q2(S), ...]描述，则过程段点例如可以通过过程状态参数s的值或所属的关节坐标或机器人姿势给出。过程段点可以手动地(例如通过点击过程的图形显示或在过程示教期间输入)和/或自动地(例如以预设的过程状态参数的间隔)确定。然后需要为各个过程段点确定过程段时间。在此特别将过程段时间理解为机器人组在机器人组的机器人完成相应过程段的情况下到达过程段点所需要的时间。为此，在一种优选的实施方式中，为机器人组的两个或多个机器人、特别是所有的机器人确定各机器人完成它们各自的过程段所需要的最小段时间。优选该最小段时间可以在考虑最大允许驱动力和驱动力矩、关节速度和关节加速度和/或参考点、特别是TCP的笛卡尔速度的情况下，在时间优化地设计的工作流程中实现。这样，可以基于该最小段时间来确定过程段时间，特别是作为最大的最小段时间。同样，也可以基于其他过程因子确定过程段时间，例如使工件达到使着色剂、密封剂或粘合剂干燥所需的预设温度所需的时间，或者工具机或注模机处理工件所需要的时间。一般可以将机器人、工具、工件和/或其他的处理装置(例如工具机、输送机等等)分别到达过程段点最小需要的时间中的最长的时间确定为过程段时间。在一种优选的扩展方案中，可以将由最小时间确定的过程段时间提高一个预定值，以便为最慢的处理装置也提供裕度(Reserve )而不增加其负担。为此还可以相同的方式将各个处理装置的各自的最小时间提高一个预定的、优选为个性化的值。现在根据过程段时间，为机器人组的一个或多个机器人、优选只为其最小段时间不决定过程段时间的机器人预先给定段时间。特别是可以将过程段时间本身作为段时间来预先给定。同样为了也不增加最慢的处理装置的负担，可以相对于过程段时间将段时间例如提高一个预定的值。段时间例如可以被设定为各个机器人完成过程段的处理所需要的全部时间，或者也可以作为相对于事先确定的最小段时间的时间差来预先给定。然后根据预先设定的段时间对一个或多个机器人的工作流程进行优化。在此，可以预先设定机器人i的轨迹曲线，该轨迹曲线例如可以通过其关于轨迹参数s的关节角度Qi的预设值来描述，以便在预设的笛卡尔轨迹上引导例如TCP，并由此例如避免碰撞、进行焊接或沿预设的涂覆轨迹涂覆粘合剂或着色剂。在此情况下，可以对机器人利用其在预设的轨迹上行驶的轨迹速度特征(Bahngeschwindigkeitsprofil) s (t)进行优化。如果由于例如利用边界条件只预先确定了用于拿起和放下有效负荷的初始姿势和结束姿势而没有预先设定机器人的轨迹曲线，在尚能自由选择在这两种姿势之间的运输轨迹时，则也可以对轨迹曲线本身进行优化。为此，例如可以在优化程序中使用支持点(Stiitzpunkte)或其他通常用于描述轨迹曲线的参数(例如样条函数(Spline)的系数等)作为可变的优化参数。附加或替代地在此还可以对轨迹速度特征实施优化，特别是在描述轨迹曲线相对于时间的关系的一阶方法(einstufigenVerfahren)中。在本发明的意义下，特别是将优化理解为对工作流程的预先设定，例如轨迹曲线和/或轨迹速度特征，对于该优化一个或多个质量标准达到极值，特别是最小值。可以对多个质量标准一起进行帕累托(pareto)优化，优选作为加权和进行帕累托优化。对于经优化的工作流程，一个或多个质量标准不必在全局达到极值，特别是当确定不能完成或需要较高的数值开销时。相应地，在一种优选的实施方式中对工作流程进行优化，其中，对于(一起)确定工作流程的参数(如上述支持点)的至少两个不同的参数值，优选数值地模拟工作流程，并将其中一个或多个质量标准具有最小值的工作流程确定为最优工作流程。
优选优化的质量标准是机器人的能量参数。在此，其特别可以是机器人的能源消耗或与此相对应的量，例如机器人的驱动器的驱动功率的平方或绝对值的积分。由此可以看出在本发明的意义下，能量参数不必具有能量或工作的物理量纲。优选待优化的能量参数还可以包括机器人的能量供应中的能量消耗，例如变频器、中间电路等中的损耗。附加或替代地，优选质量标准描述机器人的负荷，例如特别是在关节、驱动器等中出现的最大的力或力矩。用于机器人振动的度量(例如弹性振动的振幅等等)也可以构成质量标准。其他的质量标准可以被附加或替代地考虑。为了在模拟(共同)确定机器人的工作流程的不同参数值时确定一个或多个上述质量标准的值，在本发明的一种优选的实施方式中，借助动态模型、特别是刚体模型或弹性多体模型来模拟其工作流程。机器人的工作流程可以包括处理段和/或运输段。在此，处理段特别可以包括在处理过程(例如机器人控制的焊接、粘接、涂漆、切削或无切削处理，等等)中机器人的工具控制或工件控制。与此相反，运输段特别可以具有预设的机器人的初始姿势和结束姿势，其中，必要时在考虑边界条件(例如碰撞自由性；驱动力和驱动力矩、速度和/或加速度的最大值等)情况下，可以自由选择在两个姿势之间的机器人轨迹。典型情况下为处理段预先设定轨迹曲线和轨迹速度特征，以例如在预定的涂覆速率下以所期望的粘接涂覆或涂漆涂覆在粘接或涂漆轨迹上行驶。故而对于这样的段不可能在不影响待执行的过程的情况下实现优化。因此，在一种优选的实施方式中，将过程段划分为一个或多个运输段和/或一个或多个处理段，并只对一个或多个运输段进行优化，从而也能对整个过程段的实现优化。因此，通常特别是将一个过程段或过程段的一部分理解为运输段，其中，轨迹曲线和/或轨迹速度特征是可变的。通常将对机器人组的控制分开在此，在各机器人控制器控制各个机器人期间，例如在预设的(支持)姿势之间内插轨迹期间，例如通过预先给定机器人组的机器人待进入的姿势或待行驶的轨迹曲线，由一个全局过程控制器或单元控制器来实现对整个过程的控制。
同样，可以通过单元控制器、一个或多个机器人控制器或通过单元控制器和机器人控制器分开地执行根据本发明的方法。在此，特别可以通过机器人组的控制器来实现预先设定用于机器人组的机器人的段时间，机器人组的控制器可以附加或替代地确定过程段点并确定过程段时间。附加或替代地，除了根据时间优化的规划的机器人轨迹确定最小段时间之外，优选可以通过相应机器人的控制器实现对机器人的工作流程的优化，特别是对其工作流程的模拟，以确定一个或多个用于确定工作流程的不同参数值的质量标准。为此，在一种优选的实施方式中，在相应机器人的控制器中执行模拟和优化程序。根据本发明的方法可以至少部分地事先离线地进行和/或在工作流程期间在线地进行。这是计算机支持的，其中，至少一个上述步骤至少部分地通过计算机、特别是单元控制器或机器人控制器自动地执行。因此，特别是可以通过执行相应的数值方法(numerischer Verfahren)实现模拟和优化，同样还有为时间优化的工作流程确定最小段时间、确定过程段时间，等等。
本发明其他的优点和特征由实施例给出。为此，部分示意性地示出·图I示出根据本发明的实施方式的机器人组的过程；图2示出根据本发明的实施方式的方法流程。
具体实施例方式图I在上行中从左向右依次示出了具有两个机器人1、2的机器人组在按照本发明的一种实施方式进行控制的过程中的状态。对于图I上行中示出的过程，在图I的下行中示出了不同状态参数、特别是关节坐标及其时间导数关于时间t的变化。在该过程中，两个机器人1、2相互交替地放置在图I中以被填充或阴影化符号化表示的有效负荷3或4。为了更好地理解，在非常简化的实施例中，位于图I上部的自动化单元中的机器人I包括两个具有平行的垂直(垂直于图I)转动轴的转动关节，其将摇臂
1.2与基座I. I相连接，或将臂I. 3与摇臂I. 2相连接，其状态(Stellung)通过关节坐标或基座和摇臂之间的角度qu或摇臂与臂之间的角度q12来描述，该状态可以被综合为矢量Q10其一阶时间导数或关节速度用Oui=ClqliiAlt (i=l，2)表示，二阶时间导数或关节加速度相应地用ClCo1, i/dt表示。在臂I. 3上固定用于保持有效负荷3的夹钳I. 4。第二机器人以类似的方式具有固定在基座2. I上的臂2. 3，臂2. 3具有用于保持有效负荷4的夹钳
2.4，其相对于基座的关节角度用角q2表示。零值和方向由图I的上行和下行的组合视图(Zusammenschau)给出，即，对于在图I左栏中示出的姿势,关节角q!= (qh ^ qh2)和q2取O值，并以逆时针方向为正向计数。根据本发明，将通过机器人1、2交替地拿起有效负荷3、4及其在设置于两个机器人之间的堆上彼此交替地堆叠成垛的过程划分为交替的、相继的过程段。在第一过程段[t0,T]中，机器人2从其将有效负荷4放置到堆上的堆放姿势转变为从传送带(未示出)上拿起另一个有效负荷4的拿起姿势。第一机器人I在该第一过程段中将有效负荷3从另一个传送带(未示出)运输到堆上并将其堆放在那里。在接下来的第二过程段[T，2T ^ t0]中，机器人2反向地将有效负荷4从传送带运输到堆上，而此时机器人I从堆放姿势转变为拿起姿势，以便拿起另一个有效负荷3。随后又进行第一过程段，等等。由此将确保两个机器人1、2在共同的工作空间中不会在堆上相互碰撞。这种划分例如可以在规划整体过程期间手动地或自动地进行。现在，例如事先在过程流程规划期间为每个过程段(即上述第一过程段和第二过程段)分别通过机器人控制器确定各个机器人i=l，2的时间优化的工作流程或时间优化的运动(t)。在本实施例中，对于 机器人2，给出在如图I下行所示的其关节角度q2及其关于时间t的一阶时间导数dq2/dt或二阶时间导数dco2/dt的变化曲线。在此如图I中的点划线所示，机器人2在该过程段的第一半部分中以其最大允许驱动转矩限定的加速度加速，并在第二半部分中以绝对值相等的负加速度通过相应的反向转矩再次被制动至停止状态，由此给出在轨迹规划中常用的相应的速度梯形特征(Geschwindigkeitstrapezprof iI),其在本实施例中衰减成速度三角形特征(Geschwindigkeitsdreiecksprofil)并在图I中以虚线示出。由此得出在机器人2的时间优化的工作流程中所需要的最少时间，该时间对于这两个过程段是相等的并分别表示为最小段时间T2。对于机器人1，可以通过相同的方式确定最小段时间T1，在本实施例中，例如基于更大的驱动力矩和/或更小的质量并因此而更大的允许加速度，该最小段时间T1小于机器人2的最小段时间T2。各个机器人i=l，2的机器人控制器Ri首先例如在拿起姿势和堆放姿势的示教之后，例如通过模拟和数值优化来确定上述最小段时间Ti,并将其传输到单元控制器Z (见图2)。然后，在单元控制器Z中确定最小段时间Ti中的最大值作为过程段时间T(T=MAX(I^T2)=T2)以及该过程段时间T和各最小段时间Ti之间的差」Ti=T - Ti,并将其传输给各个机器人i=l，2 (见图2)。在各个机器人控制器Ri中将各个过程段划分为一个或多个运输段Sa和/或一个或多个处理段Sb，其在图I中表示为段“a”和“b”。在本实施例中，两个短的处理段b用于通过闭合或张开夹钳来拿起或放下有效负荷，其中，各个机器人的工作流程、特别是运动不能发生变化。在处理段b之间是运输段a，其中，可以自由选择机器人在拿起姿势和放下姿势之间的工作流程、特别是运动并进行优化。机器人I的控制器R1现在在边界条件下对机器人在该运输段a中的工作流程、在此是运动进行优化，使该工作流程在T1+」T1之后结束，即将时间差添加到运输运动中(T(sa；E) — T(sa，E)+ Zl T1) ο 下标“E”表示终点位置。在本实施例中，机器人控制器R1可以针对运输段a对运动qi (t)，即轨迹曲线qi (S)和轨迹速度特征s (t)进行优化。作为质量标准，将机器人I所需能量的特征值(例如关于其驱动力矩的平方的积分)在辅助条件下最小化，从而使该运动必须在可用的时间内完成。由此可以得出机器人I首先使其臂I. 3向内转动，以使围绕基座I. I的转动轴的惯性力矩达到最小，然后将基座偏转180°，最后再使臂I. 3向外转动，以达到放下姿势。反之，如果例如为了避免与未示出的障碍物的碰撞而预先设定运输段的轨迹曲线Q1 (s)，则对于该轨迹曲线可以基于使机器人I所需能源E最小的条件(E=Emin)对轨迹速度特征s(t)进行优化，并因此而再次降低能源消耗。
原则上也可以对机器人2实施上述能源优化。然而，这会影响在最初业已确定的经时间优化的工作流程，因为只有通过这个工作流程才能够遵守预先设定的段时间。因此，在一个优选的实施方式中，通常只对那些其最小段时间不决定过程段时间的机器人进行优化。过程段时间不必是最大的最小段时间。例如在上面的实施例中，可以将根据机器人2的最小段时间确定的过程段时间增加一个预定的值，以通过不断地在时间优化的轨迹上行驶来降低机器人2的负荷。在一种优选的扩展方案中，这可以只对两个交替的过程段中的一个实施，其中，例如可以根据次最大负荷来冷却机器人2的驱动电机。附图标记列表1，2机器人1.1，2. I 基座·I. 2 摇臂I. 3,2. 3 #I. 4，2. 4 夹钳3，4有效负荷I1基座-摇臂的关节角度(机器人I)q,2摇臂-臂的关节角度(机器人I)q2基座-臂的关节角度(机器人2)d/dt时间t的导数T过程段时间a运输段b处理段Z单元控制器R1，R2机器人控制器。
权利要求
1.一种用于计算机支持地控制具有至少两个机器人(1，2)的机器人组的方法，具有下述步骤 确定至少一个过程段点(q^ q2；E); 为所述过程段点确定过程段时间(T)； 根据所述过程段时间(T)为所述机器人组的至少一个机器人(I)预先设定段时间(T); 根据预先设定的段时间(T1+」T)对该机器人(I)的工作流程(qi(s(t))进行优化。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据预先设定的段时间对机器人的工作流程进行优化，其中，根据机器人的能量参数(E)确定所述优化的质量标准。
3.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为了优化工作流程，特别是利用机器人的动态模型，针对至少部分地确定该工作流程的参数的至少两个不同的参数值模拟该工作流程。
4.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为了根据所述预先设定的段时间优化机器人的工作流程，确定轨迹速度特征(s (t))和/或轨迹曲线U1(S))。
5.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，确定机器人工作流程(Q1(S))中的运输段(a)并进行优化。
6.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为所述机器人组的至少两个机器人(i=l，2)确定最小段时间(Ti),并根据该最小段时间(Ti)确定所述过程段时间(T)。
7.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，对机器人的工作流程的优化至少部分地通过该机器人的控制器(Ri)实现。
8.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过所述机器人组的控制器(Z)预先设定机器人的段时间。
9.一种用于计算机支持地控制具有至少两个机器人(1，2)的机器人组的控制装置(Z，Ri),其具有 过程段点装置(Z)，用于确定至少一个过程段点(qi,E，q2，E)； 过程段时间装置(Z，Ri),用于为所述过程段点确定过程段时间(T)； 段时间装置(Z)，用于根据所述过程段时间(T)为所述机器人组的至少一个机器人(I)预先设定段时间(T);以及 优化装置(Ri),用于根据所述预先设定的段时间对该机器人的工作流程(qi(S(t))进行优化， 其特征在于，该控制装置被设计用于执行如前面任一项权利要求所述的方法。
10.如权利要求9所述的控制装置，其特征在于，该控制装置的一个装置至少部分地在所述机器人组的一个机器人的控制器(Ri)中和/或在所述机器人组的控制器(Z)中实现。
11.一种计算机程序产品，具有存储在其中的、用于执行如权利要求I到8中任一项所述的方法的计算机程序。
全文摘要
本发明涉及一种用于计算机支持地控制具有至少两个机器人(1，2)的机器人组的方法，具有步骤确定至少一个过程段点(q1,E，q2,E)；为该过程段点确定过程段时间(T)；根据过程段时间(T)为机器人组的至少一个机器人(1)预先设定段时间(T)；并根据预先设定的段时间(T1+⊿T)对机器人(1)的工作流程(q1(S(t))进行优化。
文档编号B25J9/16GK102905859SQ201180025278
公开日2013年1月30日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年11月23日
发明者克里斯蒂安·松纳, 彼得·克吕格尔, 约翰内斯·库尔特, 曼弗雷德·许滕霍夫尔 申请人:库卡罗伯特有限公司