用于模块化机器人的防碰撞安全措施

技术领域

本公开涉及用于避免涉及模块化机器人的碰撞的措施。确切地说，本公开涉及自动避免涉及已重新配置的模块化机器人的碰撞。

背景技术

US 2017/0348856 A1教示一种涉及几何模型的碰撞避免程序。当几何模型确定干涉禁入区域时，虚拟地生成用于从禁入区域的干涉部分排斥几何模型的干涉部分的排斥力，计算其中通过排斥力将模型的干涉部分从禁入区域推动到操作区域中的状态中的姿态，且将所计算的姿态用作路径点。

发明内容

本发明提供一种用于模块化机器人的防碰撞安全装置和方法。每当模块被移除或添加到机器人时，所述防碰撞安全装置和方法可自动导出机器人的新的/经更新的几何模型。

防碰撞安全装置被配置成将机器人的模块指派到运动链的元件，且基于描述所指派模块的几何结构的数据确定运动链的元件的几何模型。所述装置可接着基于所确定的几何模型、环境的模型以及运动链的至少一个元件的目标位置和/或定向来计算运动链的元件的无碰撞移动。

防碰撞安全装置的这些动作可由机器人已重新配置的指示触发，机器人已重新配置即：模块(例如，关节模块或链节模块)已被移除或添加到机器人。

在此方面，如在整个描述和权利要求书中所使用的术语“关节模块”尤其是指通过一个或多个可致动关节彼此连接的两个或更多个刚性主体的链。可致动关节允许相对于可致动关节的近端处的另一刚性主体来控制可致动关节的远端处的刚性主体的位置。关节模块的远端相对于关节模块的近端的运动可被限制到一个、两个或三个(乃至更多个)自由度。此外，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“链节模块”尤其是指单个刚性主体。关节模块和链节模块两者包括近端和远端，其中至少近端可附接到另一模块。因此，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“模块化机器人”或“机器人”尤其是指在其近端/远端处连接的关节模块和任选地一个或多个链节模块的组合件。模块可视为由提供受限(或所要)运动的可致动关节连接的刚性主体的运动链。

此外，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“几何模型”尤其是指可由相对于彼此布置在共同坐标系内的一个或多个几何图元限定的刚性主体(形状)链。此外，如整个描述和权利要求书中所使用的表述“运动链的元件的无碰撞移动”尤其是指避免与由机器人执行的所要对象操纵相反的不合需要的(危险)碰撞。此外，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“运动链的元件”尤其是指表示机器人的一个或多个模块的刚性主体。

通过在模块(例如，关节模块或链节模块)已被移除或添加到机器人时(自动)导出运动链的新的/经更新的几何模型，碰撞风险可降低，且机器人安全性可提高。

防碰撞安全装置可进一步被配置成从所指派模块检索描述所指派模块的几何结构的数据。所述数据可限定所述模块中的一个或多个的不同形状(虚拟刚性主体)(即，每一模块可具有指派到其的至少一个形状)。所述不同形状可在保真度方面不同(例如，高、低等)。

举例来说，每一模块可以具备持久性存储器，且关于模块的几何结构的数据可存储于所述存储器中。此外，关于近似几何结构的形状的数据可存储于所述存储器中。所述形状的大小和细节关注度可不同，其中较小形状可包括比近似几何细节的较大形状更多的所述几何细节。

防碰撞安全装置可进一步被配置成从所述数据提取用于所指派模块的变换。所述变换中的每一个可对应于一个模块，且使所述模块的近端与所述模块的远端相关。

防碰撞安全装置可进一步被配置成基于所提取的变换确定运动链的几何模型。

所述变换允许确定机器人内部的每一模块的位置且因此使得能够自动生成几何模型。此外，所述变换可用于确定运动模型(经由生成Denavit-Hartenberg参数)和/或动态模型。使用变换，可独立于每一模块的几何结构的复杂性生成几何模型。

防碰撞安全装置可进一步被配置成经由有线或无线电接口更新存储于模块中的所述数据。

举例来说，近似几何结构的形状可以用另一形状代替，或可将新形状添加到存储于存储器中的形状。

防碰撞安全装置可进一步被配置成针对机器人的模块中的每一个规划动态环境中的既定路径的第一部分，所述既定路径的所述第一部分避开其中可能发生碰撞的区。防碰撞安全装置可进一步被配置成针对机器人的模块中的每一个规划既定路径的第一部分的末端处的故障防护操纵，所述故障防护操纵避开其中可能发生碰撞的区。

可能与静态和动态障碍物两者发生碰撞。值得注意的是，可预测动态障碍物的轨迹。

防碰撞安全装置可进一步被配置成针对机器人的模块中的每一个规划动态环境中的既定路径的第二部分。防碰撞安全装置可进一步被配置成针对机器人的至少那些在到达第一部分的末端之前无法确认第二部分避开其中可能发生碰撞的区的模块，执行所述故障防护操纵。

故障防护操纵可旨在使机器人在所规划的故障防护操纵结束时或之前静止。

防碰撞安全装置可进一步被配置成在恢复操纵变得可用从而避开其中可能发生碰撞的区的情况下中止故障防护操纵。

相比于遵循故障防护操纵，恢复操纵可使模块回到既定路径上或至少较接近既定路径。

安全装置可进一步被配置成基于在向模块提供所述数据时近似所述模块的几何结构来确定几何模型。

即，安全装置可(自动)减小几何模型的复杂性以减小计算负担。

安全装置可进一步被配置成识别已添加到模块化机器人的模块，且访问存储描述所述模块的几何结构的数据的数据库。

举例来说，关节模块和/或链节模块可以具备存储制造商和零件识别(ID)的存储器元件，所述制造商和零件识别(ID)使安全装置能够搜索和检索描述所述模块的几何结构的数据。

举例来说，制造商可提供可经由因特网访问的数据库，且可在新的关节模块/链节模块变得可用的情况下有规律地更新数据库。在另一实例中，数据可存储于存储器元件内，借此允许安全装置(自动)从关节模块或链节模块检索数据。值得注意的是，将数据存储在关节模块或链节模块内降低了数据窜改的风险且因此进一步提高总体安全性。

安全装置可进一步被配置成通过经由有线或无线连接从模块接收控制信号来识别已添加到模块化机器人的所述模块。

举例来说，所添加的模块可本身集成到通信网络中且经由网络将控制信号传输到所述装置。举例来说，安全装置可充当向网络元件轮询数据的主装置，或所述元件可经由网络广播信号(例如，作为初始化或启动例程的一部分)。

安全装置可被配置成通过经由总线接口从模块接收控制信号来识别已添加到模块化机器人的所述模块。

举例来说，模块化机器人的模块可形成菊花链或逻辑环网络，且来自安全装置的控制帧(即，具有识别主体中的控制数据的标头的控制消息)可沿着链循环(从模块到模块)，其中每一元件将识别数据添加到控制帧使得安全装置通过评估控制帧来学习机器人的结构。在另一实例中，模块可识别自身和其相邻者。

安全装置可进一步被配置成通过评估来自安全装置的传感器的信号来识别已添加到模块化机器人的模块。

举例来说，安全装置可以具备RFID传感器，其扫描附近以寻找附接到模块的RFID标签。因此，每当检测到新RFID标签时，安全装置可假定新模块(如RFID标签所识别)已添加到模块化机器人。为了进一步提高安全性，可向用户描绘(增长的)运动链，且用户可在必要时采取校正动作。

安全装置可被配置成通过分析模块的至少一部分的图像或通过激活射频识别(RFID)标签读取器来识别已添加到模块化机器人的模块。

举例来说，模块可以具备传达允许识别模块的信息的条形码、矩阵码、字母、数字(或其它图形码)。在另一实例中，安全装置可基于使模块的形状与多个可能形状中的一个匹配来识别所述模块。

安全装置可进一步被配置成通过接收手动用户输入来识别已添加到模块化机器人的模块。

举例来说，用户可以具备用户终端(连接到安全装置)，其允许组装/重新配置虚拟模块化机器人，其中虚拟模块化机器人的布局是为了反映物理机器人的结构(对所述结构的改变)。值得注意的是，安全装置可以是控制机器人的操作(且具体来说，运动)的控制系统/设备的一部分或集成到所述控制系统/设备中。

第一方法包括：通过从模块化机器人移除第一链节和/或关节模块中的一个或多个且将一个或多个第二链节和/或关节模块添加到模块化机器人来重新配置机器人；基于描述所述一个或多个第二链节和/或关节模块的几何结构的数据确定机器人的几何模型；以及在操作机器人的同时，使用所述几何模型来规划剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块的无碰撞路径。

所述数据可包括对应于所述剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块的一系列变换，且可通过应用所述系列的变换直至对应于所述剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块中的一个的变换来给定所述剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块中的所述一个在参考系中的位姿。

确定机器人的几何模型可包括确定所述一个或多个第二链节和/或关节模块在由几何模型表示的运动链中的位置。

剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块可包括有线通信网络的节点。

确定所述一个或多个第二链节和/或关节模块在运动链中的位置可包括识别与包括在所述一个或多个第二链节和/或关节模块中的节点相邻的一个或多个节点。

确定所述一个或多个第二链节和/或关节模块在运动链内的位置可包括获取机器人的一个或多个图像，以及确定所述一个或多个图像中检测到的剩余的第一以及一个或多个第二链节和关节模块的类型。

确定所述一个或多个第二链节和/或关节模块在运动链内的位置可包括扫描机器人以寻找附接到所述一个或多个第二链节和/或关节模块或嵌入到所述一个或多个第二链节和/或关节模块中的射频识别(RFID)标签。

第一方法可进一步包括从所述剩余的第一以及一个或多个第二链节和/或关节模块收集所述数据，和/或经由有线或无线连接更新所述数据。

确定机器人的几何模型可包括将机器人的两个或更多个相邻链节和/或关节模块近似为表示运动链的元件的单个虚拟主体。

将机器人的两个或更多个相邻链节和/或关节模块近似为单个虚拟主体可涉及在不同近似水平之间进行选择。

几何模型可包括虚拟主体链，其中每一虚拟主体表示运动链的元件。

第一方法可进一步包括：从第一和第二链节和关节模块确定多个链节和关节配置；针对所述配置中的每一个确定所述配置是否使机器人能够执行任务的子任务集合；针对使机器人能够执行子任务集合的每一配置确定所述配置是否使机器人能够执行所述任务；针对使机器人能够执行所述任务的每一配置根据成本度量通过基于几何模型实行模拟来确定指示执行所述任务的成本的值；以及使用所确定的值来选择使机器人能够执行所述任务的配置。

第一方法可进一步包括：向将由机器人执行的任务指派类别，其中所述类别选自由具有给定工具路径的任务、具有部分给定工具路径的任务和具有给定工作空间内的待限定工具路径的任务组成的群组，其中确定所述配置是否使机器人能够执行所述任务包括确定所述配置是否分别实现给定工具路径、部分给定工具路径和工作空间内的任何位姿。

第二方法包括：通过将链节模块和/或关节模块添加到机器人和/或从机器人移除链节模块和/或关节模块来重新配置机器人；基于描述在所述重新配置之后安装到框架的模块的几何结构的数据来确定机器人的几何模型；以及当操作机器人时使用所述几何模型来实现碰撞避免。

在此方面，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“框架”尤其是指机器人的在整个操作中保持静止且可含有控制关节的致动的控制逻辑的部分。对于移动机器人，如整个描述和权利要求书中所使用的术语“框架”尤其是指机器人的运动链的元件附接到的部分，借此形成从框架延伸的机器人的一个或多个肢体。

确定机器人的几何模型可包括识别机器人的布局以及访问数据库以用于检索所述数据。

如上文所描述，链节模块或关节模块可以具备存储器元件，其保持允许安全装置搜索和检索描述所述元件的几何结构的数据的制造商和零件识别(ID)。举例来说，制造商可提供可经由因特网访问的数据库，且可在新的链节模块/关节模块变得可用的情况下有规律地更新数据库。在另一实例中，数据可存储于存储器元件内，从而允许安全装置(自动)从链节模块或关节模块检索数据。

确定机器人的几何模型可包括近似覆盖机器人的两个或更多个相邻模块的运动链的一个或多个元件。

举例来说，无法或不会相对于彼此移动的相邻模块可通过表示运动链的相应元件的单个虚拟主体来建模(近似)。在另一实例中，可相对于彼此移动的相邻模块可通过表示覆盖可发生的所有移动的运动链的元件的单个虚拟主体来建模(近似)。

识别布局可包括识别链节模块或关节模块在运动链内的位置。

链节模块和/或关节模块可形成菊花链或逻辑环网络，且识别链节模块或关节模块在运动链内的位置可包括识别链节模块或关节模块在网络内的位置。

如上文所描述，来自安全装置的控制帧可沿着模块化机器人循环(从模块到模块)，其中每一模块将识别数据添加到控制帧使得安全装置通过评估控制帧来学习机器人的结构。在另一实例中，元件可识别自身和其相邻者。

在又一实例中，识别链节模块或关节模块在运动链内的位置可包括获取机器人的模块的图像。

如上文所描述，所述模块可以具备传达允许识别模块的信息的条形码、矩阵码、字母和/或数字。在另一实例中，安全装置可基于使模块的形状与多个可能形状中的一个匹配来识别所述模块。

在操作机器人时使用几何模型来实现碰撞避免可包括基于几何模型计算用于移动一个或多个模块的无碰撞路径，其中所述几何模型包括可相对于彼此移位的近似虚拟刚性主体链。

应了解，所公开的方法的特征和伴随的优点可通过所公开的装置来实现，且反之亦然。此外，应注意，在整个描述中，括号内的特征应视为任选的。

附图说明

在结合附图时，通过参考以下详细描述，将更容易了解前述方面和许多伴随的优点，其中除非另外指定，否则在各个视图中相同参考标号指代相同部分。

图1示出选择可重新配置的模块化机器人的配置的过程；

图2示出用于在正重新配置模块化机器人时更新表示可重新配置的模块化机器人的运动链的几何模型的程序；

图3示出用于识别模块化机器人的模块的示例性程序；

图4示出用于识别模块化机器人的模块的另一示例性程序；

图5示出用于识别模块化机器人的模块的又一示例性程序；

图6示出用于检索描述模块的几何结构的数据的示例性程序；

图7示出用于规划无碰撞路径的示例性程序；以及

图8展示用于避免可重新配置的模块化机器人与机器人的环境中的障碍物及本身之间的碰撞的程序的流程图。

值得注意的是，图式不是按比例绘制，并且除非另外指明，否则它们仅仅意图在概念上说明本文中所描述的结构和程序。

具体实施方式

图1示出选择用于可重新配置的模块化机器人10的配置的过程。过程在步骤1处通过确定多个不同配置而开始。举例来说，配置可在运动链中模块的位置和/或配置中使用的模块的类型方面不同。在步骤2处，通过针对配置中的每一个确定所述配置是否使机器人10能够执行任务的子任务集合来继续所述过程。举例来说，可检查在应用配置时是否可到达工作空间中的某些位置，且可以不考虑不能实现到达所述位置的配置以减小搜索空间。

在步骤4处，过程通过针对使机器人能够执行子任务集合的每一配置确定所述配置是否使机器人10能够执行所述任务而继续。即，已经通过先前测试的那些配置可被进一步测试以查看是否可执行所有子任务(例如，是否可到达所有所需位置)。在步骤6处，通过针对使机器人10能够执行所述任务的每一配置根据成本度量确定指示执行任务的成本的值来继续所述过程。这可通过基于表示配置的几何模型实行模拟来实现。在步骤8处，使用所确定的值来选择使机器人10能够执行所述任务的配置。

图2示出具备防碰撞安全装置12的模块化机器人10可在已选择合适的配置之后如何重新配置。机器人10包括竖立在坚实地面上的框架14。机器人10进一步包括通过第一关节模块18a附接到框架14的第一链节模块16a。第一关节模块18a允许第一链节模块16a围绕第一水平轴(未图示)和竖直轴线A旋转。机器人10进一步包括(以可移除方式)附接到第一链节模块16a的远端的第二链节模块16b(如展示重新配置之前的模块化机器人10的图1的上部部分中所描绘)。

第二链节模块16b的远端连接到第二关节模块18b(铰链关节)，其允许通过第二关节模块18b附接到第二链节模块16b的第三链节模块16c围绕第二水平轴(未图示)旋转。第三链节模块16c连接到工具20(例如，卡爪或另一机械手)。当工具20将要移动到目标位置时，防碰撞安全装置12确保模块16a-16c、18a、18b或工具20都不会与环境中的障碍物22碰撞。为了减小此任务的计算复杂性，防碰撞安全装置12可过度近似模块16a-16c、18a、18b和工具20的几何结构(如图2的右侧部分中所示出)。举例来说，防碰撞安全装置12可将第一和第二链节模块16a、16b及关节模块18a、18b(的若干部分)建模为表示运动链的第一元件24a和第三链节模块16c的第一单个虚拟刚性主体的一部分，将关节模块18b(的一部分)和工具20建模为表示运动链的第二元件24b的第二单个虚拟刚性主体的一部分。

防碰撞安全装置12可仅在第一和第二虚拟刚性主体24a、24b的相应移动不会导致与障碍物22碰撞的情况下允许模块16a-16c、18a、18b和工具20移动。举例来说，可基于模拟(简化的)几何模型26的虚拟刚性主体24a、24b在环境的模型内(或作为环境模型的部分)的相应移动来验证模块16a-16c、18a、18b和工具20的移动(或移动序列)。举例来说，防碰撞安全装置12可以具备单声道或立体声相机系统、激光扫描仪、激光雷达(lidar)、超声波距离装置等，其辨识/跟踪机器人10的范围内的(静态和/或动态)障碍物(包含人类)22。

当防碰撞安全装置12接收到机器人10已重新配置的指示时，其可检查是否必须更新几何模型26。举例来说，如图2的下部部分中所示出，第四链节模块16d可添加在第一链节模块16a和第二链节模块16b之间，且允许使工具20围绕第三水平轴B旋转(即，与第三链节模块16c同轴地)的第三关节模块18c可添加在第三链节模块16c和工具20之间。

通过向几何模型26所基于的运动链的元件24a、24b指派机器人10的链节模块16a-16d和关节模块18a-18c，防碰撞安全装置12可评估结构改变且确定运动链的元件的新的/经更新的几何模型28。值得注意的是，机器人10已重新配置的指示可通过机器人10的自检引起，或可手动地输入，如将参看图3-图5更详细阐述。

举例来说，如展示图2中展示的机器人10的简化版本的图3中所示出，链节模块16a-16d、关节模块18a-18c和/或工具20可以具备电子电路30a-30d，所述电子电路经启用以识别它们安装到的元件。为了评估机器人10的结构，防碰撞安全装置12可因此沿着运动链以往返的方式发送控制帧。

也就是说，防碰撞安全装置12可将空的控制帧传输到安装到第一关节模块18a的电子电路30a。在接收到控制帧后，电子电路30a可将其ID和/或描述第一关节模块18a的形状的几何数据添加到控制帧，且将(经修改的)控制帧传输到相邻链节模块16d中的电子电路30b，所述电子电路30b执行同样的动作。当控制帧已通过电子电路3oa-30c时，其由工具20的电子电路30d(其是链中的电子电路30a-30d中的最后一个)接收。

因为电子电路30d不具有位于其远端处的相邻的元件，所以其可附加其ID和/或描述工具20的形状的几何数据，且将(经如此修改的)控制帧沿着电子电路3oa-3od的链传输回到防碰撞安全装置12。防碰撞安全装置12可接着通过分析控制帧中的条目的序列来导出机器人10的布局。在另一实例中，仅链节模块16a-16d或仅关节模块18a-18c可以具备电子电路，条件是(例如)它们可分别提供关于它们连接到的关节模块18a-18c和链节模块16a-16d的数据。换句话说，运动链的所有元件24a、24b应被至少一个电子电路覆盖，但一个电子电路可覆盖一个以上元件24a、24b。

此外，代替于沿着菊花链或逻辑环传输控制帧，每一电子电路30a-30d可传输其ID和/或描述模块形状的几何数据和/或关于其连接到防碰撞安全装置12所利用的模块的信息。举例来说，电子电路30a-30d可连接到总线或以无线方式传输数据。在图4中展示的另一实例中，防碰撞安全装置12可连接到相机32，所述相机捕获识别运动链的元件的标记AAA、BBB、CCC、DDD的图像。值得注意的是，相机32还可用于辨识/跟踪机器人10的范围内的(静态和/或动态)障碍物(包含人类)22。

在图5中展示的另一实例中，防碰撞安全装置12可连接到用户终端/接口34，其允许将物理机器人10的结构映射到虚拟机器人的布局。举例来说，用户终端/接口34可包括(触摸)屏幕，其展示(例如，经由拖放)可彼此附接的链节模块16a-16d和关节模块18a-18c的图形表示。在又一实例中，用户终端/接口34可用于允许用户检查(和确认)已正确地辨识物理机器人10的结构。一旦物理机器人10的结构已由防碰撞安全装置12正确地辨识，就可开始机器人10的操作。

图6示出用于检索描述模块16d、18a和18b的几何结构的数据的示例性程序。数据存储于模块16d、18a和18b的存储器17中，且防碰撞安全装置12经由无线电接口12a从所指派模块16d、18a和18b检索数据。数据可限定所指派模块16d、18a和18b的不同形状，其中所述不同形状在保真度方面不同。

防碰撞安全装置12还可从所述数据提取用于所指派模块16d、18a和18b的变换。每一变换可对应于模块16d、18a和18b中的一个，且使所述模块16d、18a或18b的近端与所述模块16d、18a或18b的远端相关。所述变换可用于自动计算几何模型。此外，防碰撞安全装置12可经由无线电接口12更新存储于存储器17中的数据。

图7示出用于规划用于模块16d、18a和18b中的一个的无碰撞路径的示例性程序。如图7的顶部部分中所展示，防碰撞安全装置12在时间T1处规划避开其中可能发生碰撞的区42的动态环境中的既定路径的第一部分36a。此外，防碰撞安全装置12在既定路径的第一部分36a的末端处规划故障防护操纵38a，其中故障防护操纵38a避开其中可能发生碰撞的区42。可通过在动态对象周围添加安全距离来确定其中可能发生碰撞的区42。随着预测范围由于移动的不确定性而随时间增加，安全距离可稳定地增长。

随着模块16d、18a和18b沿着第一部分36a行进，防碰撞安全装置12可规划既定路径的第二部分36b和第二部分36b的末端处的故障防护操纵38b。如果在T2处到达第一部分36a的末端之前无法确认第二部分36b避开其中可能发生碰撞的区42，则防碰撞安全装置12可执行故障防护操纵38a，如图7的底部部分中所展示。故障防护操纵38a致使机器人10静止。如果恢复操纵40变得可用从而避开其中可能发生碰撞的区42，则防碰撞安全装置12中止故障防护操纵38a。

图8展示用于避免可重新配置的模块化机器人10与机器人10的环境中的障碍物22之间的碰撞的程序的流程图。程序在步骤44处开始：通过根据限定运动链的元件之间的关系的布局将链节模块16a-16d和/或关节模块18a-18c添加到机器人10和/或从机器人10移除链节模块16a-16d和/或关节模块18a-18c来重新配置机器人10。所述程序接着在步骤46处继续：基于描述安装到框架14的链节模块16a-16d和关节模块18a-18c的几何结构的数据确定运动链的几何模型26、28。可接着在步骤48处在操作机器人10时使用几何模型26、28来实现碰撞避免。值得注意的是，相对于程序描述的所有方面也涉及防碰撞安全装置12，且反之亦然。

参考标号列表

1 过程步骤

2 过程步骤

4 过程步骤

6 过程步骤

8 过程步骤

10 机器人

12 安全装置

12a 无线电接口

14 框架

16a 链节模块

16b 链节模块

16c 链节模块

16d 链节模块

17 存储器

18a 关节模块

18b 关节模块

18c 关节模块

20 工具

22 障碍物

24a 元件(运动链)

24b 元件(运动链)

26 几何模型

28 几何模型

30a 电子电路

30b 电子电路

30c 电子电路

30d 电子电路

3oe 电子电路

32 相机

34 用户终端/接口

36a 第一部分(既定路径)

36b 第二部分(既定路径)

38a 故障防护操纵

38b 故障防护操纵

40 恢复操纵

42 区(其中可能发生碰撞)

44 过程步骤

46 过程步骤

48 过程步骤

A 轴

B 轴