机器人机械手的运动监测

技术领域

本发明涉及一种用于监测机器人机械手的运动的方法和一种用于监测机器人机械手的运动的装置。

背景技术

从现有技术中已知，使通过几何形状限定的有限体积与相应机器人连杆一起移动，并借助这些体积对相应机器人连杆的体积膨胀进行建模。因此，EP1901151A1涉及一种用于避免工业机器人与至少一个其他移动物体之间发生碰撞的方法。

发明内容

本发明的目的是简化机器人机械手关于未许可位置或区域的运动监测并且在计算上更有效地实现该运动监测。在此，未许可位置可以在要避免的自碰撞的背景下也分配给机器人机械手自身。

本发明产生于独立权利要求的特征。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。

本发明的第一方面涉及一种用于监测机器人机械手的运动的方法，其具有以下步骤：

-为所述机器人机械手限定不允许位置；

-用一维行程坐标s限定沿所述机器人机械手伸展的曲线，其中，所述曲线的所有位置的至少一个子集与所述机器人机械手的当前姿势一起移动；以及

-确定当前和/或预测曲线的位置与所述不允许位置之间的距离d。

机器人机械手尤其是具有布置在其远端部处的末端执行器的多关节机器人臂。机器人臂的连杆优选地可通过铰接关节或旋转关节相对于彼此移动。可以连接到传动装置的致动器，尤其是电动机，产生相应的力和力矩，用于使连杆围绕相应关节相对于彼此移动。

机器人机械手的不允许位置是尤其是机器人连杆或布置在机器人机械手的远端部处的末端执行器最终不应到达的位置。然而，有利地，根据本发明的第一方面的运动监测不必限于机器人机械手和/或末端执行器的实际尺寸，因为通过距离d的确定而存在与对所确定的距离d的反应有关的所有自由度，如在以下的实施方式中所示。根据本发明的第一方面，有利地不存在建模体积的固定几何形状的依赖性。

在当前情况下，术语“姿势”根据DIN EN ISO 8373来理解。因此，机器人机械手的姿势是机器人机械手在三维空间中的局部位置和局部取向的组合。

行程坐标是一维的，因为只有一个坐标s必须用其相应符号来表示，以便清楚地表示曲线上的位置。而曲线本身一般通过三维空间伸展，尤其是通过机器人机械手的工作区域伸展，这依赖于机器人机械手的当前姿势。

沿机器人机械手伸展的具有一维行程坐标s的曲线通过物理空间的走向基本上由机器人机械手的当前姿势确定。优选地，曲线至少部段地通过机器人机械手的相应部段的几何中心，这就是说也通过相应机器人连杆的几何中心伸展。当曲线在其曲率半径上受到限制时，会产生与几何中心的偏差。有利地，与高阶多项式曲线相比，低阶多项式曲线更容易在分析上以及在数值上进行处理。而在低阶曲线的情况下，曲线走向的设计自由度以及因此其曲率半径在其行程坐标s上的可变性受到限制，从而会不大精确地跟踪机器人机械手在其当前姿势下的走向。

优选地，所述半径r(s)在所述一维行程坐标s上恒定。

所述距离d的确定优选地通过所述曲线的离散化来实现，这就是说，考虑了解析限定的曲线上的有限位置集。然后，尤其地，从当前和/或预测曲线和不允许位置的有限位置集来确定位置之间的距离集。从如此确定的距离集来优选地确定所有距离中的最短距离。根据另一有利的实施方式，代替选择所有距离中的最短距离，发生至少一个另外的迭代步骤，其中，选择曲线上具有两个最短距离的两个位置，并且选择位于曲线上具有两个最短距离的两个位置之间的第三位置，然后确定该第三位置与不允许位置之间的距离d。从曲线上具有两个最短距离的两个位置和第三位置之间的距离尤其选择具有最短距离的那个位置并将其限定为唯一要确定的距离d。在另外的迭代步骤中曲线上的第三位置和另外位置的选择尤其使用黄金分割法或其他方法来确定，如从例如在非线性优化方法中使用的线搜索方法中已知的方法。

优选地，所述方法还具有以下步骤：

-当所述距离d低于预定的极限值时，导入所述机器人机械手的安全反应。所述安全反应可以是：输出警告信号；将所述机器人机械手移动到安全姿势；停止所述机器人机械手；中断所述机器人机械手的驱动器的电源；改变所述机器人机械手的计划路径等。

本发明的一个有利效果是，省去了对虚拟布置在机器人连杆处的用于对相应机器人连杆的尺寸建模的人工体积的数值复杂建模，而是使用数学上非常容易可限定的曲线，其中，所述曲线上的每个位置均由单个坐标限定。

根据一个有利的实施方式，所述方法还具有以下步骤：

-限定围绕所述曲线的半径r(s)，其中，所述半径r(s)表示要在所述曲线与所述不允许位置之间保持的安全距离；和

-检查所述当前和/或预测曲线的所述位置与所述不允许位置之间的所述距离d是否低于所述半径r(s)。

表达式r(s)限定有限或无限的点集，这取决于r(s)的哪个值密度是通过原则上连续伸展的坐标s限定的。因此，如果对r(s)使用解析函数，则除了在所有计算机器中发生的离散化和量化之外，还为坐标为s的连续曲线上的每个位置限定相应r(s)。在最简单的情况下，限定了r(s)＝c，这就是说，半径r(s)在所述曲线上的所有位置上都有单个始终恒定的值c。坐标s上的半径r(s)的简单解析函数的另一种可能性是r(s)＝k*s+r0，其中，r

根据另一有利的实施方式，所述曲线通过插值基于所述机器人机械手上的有限数量的预定位置作为支撑点来限定。

插值算法从支撑点的相应位置的信息，针对支撑点之间的位置生成所述曲线的位置。优选地，使用多项式插值。在此，从该算法搜索通过支撑点伸展的相应多项式。支撑点优选地借助位置传感器，尤其是布置在所述机器人机械手的关节和/或致动器处的位置传感器来确定。固有不可移动部分例如刚性机器人连杆的已知几何形状可以用作确定支撑点位置的信息。

根据另一有利的实施方式，所述曲线作为贝塞尔曲线基于所述机器人机械手上的有限数量的预定位置作为支撑点来限定。

贝塞尔曲线的特征在于特别容易的数学可处理性。至少地，所述曲线上的第一位置被限定为起点并且所述曲线上的第二位置被限定为贝塞尔曲线的终点。所述曲线的其他位置可以限定为支撑点，其中，支撑点数量的增加使贝塞尔曲线的数学可处理性恶化并增加复杂性并因此增加计算工作量。

根据另一有利的实施方式，从所述机器人机械手在所述相应预定位置处的相应取向确定三次贝塞尔曲线的相应切线。在这里，相应切线的长度的量度优选地根据相应机器人连杆的长度来限定，也就是说，一般根据所述机器人机械手的位于所述曲线的限定切线所在的相应位置处的刚体部段的长度来限定。所述机器人机械手的刚体部段越长，支撑点处的切线就越长，因此该位置区域内一维行程坐标s上的曲率半径的变化率就越低。

与二次贝塞尔曲线不同，三次贝塞尔曲线具有两个各自独立的用于切线形成的自由度，每个自由度位于贝塞尔曲线的起点和终点。然而，有利地，使用高阶贝塞尔曲线以通过所述机器人机械手的姿势来限定多个位置，而不仅仅是贝塞尔曲线的起点和终点。有利地，为此限定了另外的支撑点，并且所述曲线优选地由多个部段组成，其中，每个部段本身代表三次贝塞尔曲线。在所述曲线上的某些位置处用于完整或分段限定的贝塞尔曲线的切线限定的所述机器人机械手的取向尤其通过所述机器人机械手的所考虑部段相对于地固参考坐标系的一组尤其完整的位置角度来描述。

根据另一有利的实施方式，所述曲线由有限数量的笔直伸展的线段组成。有利地，有限数量的线段中的至少一些线段之间的交点位于相应铰接关节的运动学轴线上。进一步有利地，有限数量的线段中的至少一些线段至少部段地沿相应旋转关节的旋转轴线伸展。与允许两个连杆相对于彼此倾斜的铰接关节相比，旋转关节允许两个连杆围绕至少一个连杆的纵向轴线朝向彼此旋转。

根据另一有利的实施方式，多项式曲线或贝塞尔曲线的切线与机器人机械手的两个连杆之间的旋转关节的旋转轴线叠合，替代地，优选地，多项式曲线或贝塞尔曲线的切线与机器人机械手的两个连杆之间的旋转关节的旋转轴线叠合。

根据另一有利的实施方式，所述半径r(s)通过所述一维行程坐标s基于以下依赖性中的至少一项变化：

-时间的依赖性：r(s,t)；

-所述机器人机械手(1)的局部直径的依赖性：r(s)；

-所述机器人机械手(1)的远端部处的抓手的打开状态的依赖性：r(s)；

-当前路径速度的依赖性：r(v(s))；

-所述机器人机械手(1)的操作模式和/或环境的依赖性。

所述当前路径速度的依赖性，这就是说r(v(s))尤其有利地用于考虑在所述机器人机械手的较高速度下的延长的制动距离。

根据另一有利的实施方式，所述不允许位置布置在所述机器人机械手上的一位置处并且在所述机器人机械手运动时一起移动。

根据该实施方式，可以有利地防止所述机器人机械手的自碰撞。尤其地，所述不允许位置位于所述曲线本身上。

根据另一有利的实施方式，所述曲线通过所述机器人机械手的铰接关节的旋转轴线伸展。这就是说，所述曲线在一点处与所述相应铰接关节的尤其运动学旋转轴线相交。有利地，所述曲线在交点处以直角与所述旋转轴线相交。

根据另一有利的实施方式，所述距离d是所述当前和/或预测曲线与所述不允许位置之间的最短距离。

本发明的另一方面涉及一种用于监测机器人机械手的运动的装置。在此，所述装置具有计算单元，所述计算单元实施成：为所述机器人机械手限定不允许位置；用一维行程坐标s限定沿所述机器人机械手伸展的曲线，其中，所述曲线的所有位置的至少一个子集与所述机器人机械手的当前姿势一起移动；以及确定当前和/或预测曲线的位置与所述不允许位置之间的距离d。

所提出的方法的优点和优选的改进方案产生于对与所提出的装置相关联做出的上述实施方案的类似和符合意义的转移。

进一步的优点、特征和细节产生于以下描述，其中，在必要时参照附图，详细描述了至少一个实施例。相同、相似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种用于监测机器人机械手的运动的装置；和

图2示出了根据本发明的另一实施例的一种用于监测机器人机械手的运动的方法。

图中的图示是示意性的而不是按比例绘制的。图1和图2在此相互补充。因此，尤其是在图2的描述中，还可以使用图1以便更好理解。

具体实施方式

图1示出了一种用于监测机器人机械手1的运动的装置10，其具有计算单元7，该计算单元7实施成：为机器人机械手1限定不允许位置3；用一维行程坐标s限定沿机器人机械手1伸展的曲线5，其中，曲线5的所有位置的至少一个子集与机器人机械手1的当前姿势一起移动；以及确定当前和/或预测曲线5的位置与不允许位置3之间的距离d，其中，距离d是当前和/或预测曲线5与不允许位置3之间的最短距离。在此，曲线5作为贝塞尔曲线基于机器人机械手1上的有限数量的预定位置作为支撑点来限定。在图1中示出了三次贝塞尔曲线作为具有五个支撑点的曲线5，该五个支撑点均位于机器人机械手1的两个连杆之间的关节的旋转轴线上以及在基点处和在机器人机械手的末端执行器上的一点处。在这些支撑点中也限定贝塞尔曲线的相应切线。在一维行程坐标s上基于当前路径速度的依赖性：r(v(s))限定半径r(s)。

图2示出了一种用于监测机器人机械手1的运动的方法，其具有以下步骤：

-为机器人机械手1限定S1不允许位置3；

-用一维行程坐标s限定S2沿机器人机械手1伸展的曲线5，其中，曲线5的所有位置的至少一个子集与机器人机械手1的当前姿势一起移动；

-确定S3当前和/或预测曲线5的位置与不允许位置3之间的距离d；

-限定S4围绕曲线5的半径r(s)，其中，半径r(s)表示要在曲线5与不允许位置5之间保持的安全距离；以及

-检查S5当前和/或预测曲线5的位置与不允许位置3之间的距离d是否低于半径r(s)。

尽管已经通过优选的实施例更详细地图示和说明了本发明，但本发明不受公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变型例。因此，显而易见的是，存在多种可能的变型例。还显而易见的是，以示例方式引用的实施方式实际上仅代表示例，不应以任何方式将其理解为例如对本发明的保护范围、可能的应用或构造的限制。相反，前面的描述和附图的描述使得本领域技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下，可以在不脱离由权利要求及其合法等效物例如说明书中的进一步解释所限定的保护范围的情况下，例如针对在示例性实施方式中提到的各个元件的功能或布置进行各种变更。

附图标记说明：

1 机器人机械手

3 不允许位置

5 曲线

7 计算单元

10 装置

S1 限定

S2 限定

S3 确定

S4 限定

S5 检查