專利名稱：用于工業(yè)機器人的無碰撞軌跡規(guī)劃的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
1.本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機器人的無碰撞軌跡規(guī)劃的方法。 2.
背景技術(shù)：
3.工業(yè)機器人是工作機器，其可以裝備用于對對象進行自動處理和/或加工的工具，并可以對多個運動軸，例如就方向、位置和工作流程進行編程。工業(yè)機器人通常包括具有多個軸的機器人臂以及可編程控制器(控制裝置)，控制器在運行中控制或調(diào)整工業(yè)機器人的運動過程。4.為了實現(xiàn)運動，控制器可以通過軌跡規(guī)劃來計劃這種運動。5.在工業(yè)機器人的運行中，希望工業(yè)機器人不與物體發(fā)生碰撞。正如在物流應(yīng)用中所發(fā)生的情況，如果利用工業(yè)機器人移動負載，那么所移動的負載也應(yīng)該不與障礙物發(fā)生碰撞。因此應(yīng)該對工業(yè)機器人的運動進行相應(yīng)的規(guī)劃。6. P. Adolphs等人在“時變環(huán)境中的無碰撞實時路徑規(guī)劃”以及“ 1992年 IEEE/RSJ關(guān)于智能機器人與系統(tǒng)的國際會議的會議紀要，7-10，1992年7月，445到452 頁，，("Collision-free real-time path-planning in time varyingenvironment "Proceedings of the 1992 IEEE/RSJ International Conference onlntelligent Robots and Systems, 7. -10. Juli 1992，Seiten 445 bis 452，，)中公開了一種在可曲臂工業(yè)機器人的三維配置空間中對運動對象建模的方法。這種方法建立在查閱表格的基礎(chǔ)上，所述表格包括工作空間內(nèi)的對象和相應(yīng)的配置空間中的無碰撞區(qū)域之間的關(guān)系。配置空間在圓柱形坐標系中加以描述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種改進的用于無碰撞軌跡規(guī)劃的方法。本發(fā)明的這一目的通過一種用于工業(yè)機器人的無碰撞軌跡規(guī)劃的方法得以實現(xiàn)， 工業(yè)機器人包括控制裝置和利用控制裝置運動的機器人臂，對象固定在機器人臂上，并在工業(yè)機器人的工作空間中設(shè)置至少一個障礙物，該方法具有以下步驟-基于具有模型化的障礙物的工作空間的三維CAD模型，在工業(yè)機器人的工作空間的圓柱形坐標中建立三維模型，其中，在三維模型中通過至少一個空心圓柱形的第一分段(kgment)對模型化的障礙物進行模型化，-將三維模型中沒有被第一分段占據(jù)的區(qū)域分解為多個空心圓柱形和/或圓柱形的第二分段，并-確定軌跡，工業(yè)機器人應(yīng)該在該軌跡上將對象從起點運動到終點，使該對象僅在第二分段內(nèi)運動。本發(fā)明的另一方面涉及一種工業(yè)機器人，其具有控制裝置和利用控制裝置移動的機器人臂，在機器人臂上固定有對象，并且在工業(yè)機器人的工作空間中設(shè)置至少一個障礙物，其中，將控制裝置設(shè)置為，使機器人臂運動，從而使對象沿軌跡從起點運動到終點，還將控制裝置設(shè)置成，根據(jù)本發(fā)明的方法來確定軌跡。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法首先建立以圓柱形坐標描述的三維模型，也就是以坐標系為基礎(chǔ)，其中，坐標系包括角度軸、半徑軸和高度軸，或者該坐標系與坐標角度(V)、半徑 (R)和高度(H)相對應(yīng)。為了避免在通過工業(yè)機器人使對象從起點向終點運動期間發(fā)生碰撞并避開障礙物，運動軌跡以工業(yè)機器人的工作空間的三維模型為基礎(chǔ)。在此，工作空間是這樣的一種空間，即工業(yè)機器人可以利用其機器人臂駛向該空間，即，在該空間內(nèi)部工業(yè)機器人可以移動對象。在工作空間內(nèi)存在至少一個障礙物，對象在其運動中不應(yīng)該與障礙物發(fā)生碰撞。 為了防止發(fā)生碰撞，根據(jù)本發(fā)明將障礙物在三維模型中近似為至少一個空心圓柱形分段。 這種近似是基于CAD模型發(fā)生的，其中，CAD模型特別比較準確地模型化了工業(yè)機器人的工作空間，并因此也對障礙物進行模型化。特別將第一分段或多個第一分段的尺寸設(shè)定為，使其包圍整個障礙物。然后將沒有被障礙物所占據(jù)的圓柱形模型的區(qū)域分解為多個第二分段。由于這些區(qū)域沒有被障礙物占據(jù)，因此現(xiàn)在有可能在第二分段內(nèi)改變工業(yè)機器人移動對象的軌跡。因此，根據(jù)本發(fā)明的無碰撞軌跡規(guī)劃發(fā)生在特別是6軸工業(yè)機器人的圓柱形工作空間中，并因此而較好地應(yīng)用于物流(堆垛/卸垛)、加工以及其他取放任務(wù)的領(lǐng)域中。與模型的圓柱形坐標相對應(yīng)的圓柱形坐標系的原點優(yōu)選位于工業(yè)機器人的中心。所使用的工業(yè)機器人的機器人臂優(yōu)選包括機架(Gestell)、關(guān)于機架圍繞垂直伸展的軸可轉(zhuǎn)動地安裝的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤、搖臂、懸臂以及特別是具有法蘭的多軸機器人手，對象至少間接地、例如通過固定在法蘭上的夾持器固定在法蘭上。對應(yīng)于模型的圓柱形坐標的圓柱形坐標系的高度軸可以優(yōu)選位于機器人臂的軸中。通常將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤圍繞轉(zhuǎn)動的軸標記為軸1。根據(jù)本發(fā)明的方法的這種變形的優(yōu)點在于，可以利用特別盡可能短的周期時間規(guī)劃機器人軌跡，因為圓柱形搜索空間(三維模型)優(yōu)選由軸1的運動進行解釋。此外，在這種方式中，在6軸機器人中可以放棄所謂的堆垛方式，因為對移動對象的調(diào)整可以提前規(guī)劃，甚至可以包含對象的任何傾斜運動。這種靈活性在堆垛時允許正確的、新的可能性，例如在還沒有搬空的底架上的垂直包裹貨架，并且例如有利于搬運應(yīng)用的自動規(guī)劃。為了在對象運動期間即使不能完全排除，但至少能夠減少機器人臂與障礙物碰撞的危險，根據(jù)本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式，還附加地具有以下步驟在三維模型中針對與第二分段相對應(yīng)的對象的位置對機器人臂的姿勢進行模擬，在三維模型中確定存在機器人臂與障礙物的碰撞的第二分段，以及將該第二分段歸類為已對其確定出機器人臂與障礙物的碰撞的第三分段。由此尋找這樣的第二分段，即三維模型中未被障礙物“占據(jù)”的分段，在對象穿過過程中，機器人臂與障礙物發(fā)生碰撞。如果這些分段(即第三分段)被確定，那么它們將不會用于軌跡規(guī)劃，因為軌跡規(guī)劃僅以第二分段為基礎(chǔ)。為了確定所述第二分段是否能夠?qū)?yīng)機器人臂/障礙物的碰撞，也就是被歸類為第三分段，可以使用例如基于采樣的方法或自適應(yīng)方法(adaptivesVerfahren)。在用于碰撞檢測的兩個方法中，例如在目前自由的分段(即第二分段)中為對象確定多個位置，而后將這些位置送入例如在工業(yè)機器人的控制裝置中運行的模擬中。對于利用基于采樣的方法的碰撞檢測，例如預(yù)先給定對象在相關(guān)的第二分段內(nèi)部的多個位置，并模擬相應(yīng)的機器人臂姿勢。如果在這些位置的至少一個位置上發(fā)生機器人臂與障礙物的碰撞，那么可以將該第二分段歸類為第三分段。否則，該第二分段仍舊是第二分段。在自適應(yīng)方法中使用距離信息(Distanzinformationen)，用以將第二分段中的一部分標記為最大可能確保無碰撞的。這樣持續(xù)很久，直至證明全部有疑問的第二分段都是無碰撞的，或者剩余地保留一部分分段片(kgmentstilck)，對這些分段片不再進行劃分 (實施細則)，并因此將這些分段片稱為可造成碰撞的。為了獲得軌跡，可以首先確定與軌跡相對應(yīng)的、鄰近的第二分段的分段路徑，并在分段路徑的基礎(chǔ)上計算軌跡。例如，軌跡規(guī)劃以三維模型內(nèi)部的所謂的A*-搜索(A*-Suche)為基礎(chǔ)，以便在起點和終點之間尋找例如最短或最經(jīng)濟的分段路徑。根據(jù)本發(fā)明的一種變形，隨后可以由該分段路徑計算軌跡，例如使用點對點計算。這種基于模型的計算確保對象沿軌跡無碰撞地運動。為了由分段路徑計算軌跡，還可以使用循環(huán)(iiberschleifen )，以便獲得例如盡可能大的循環(huán)輪廓(ijberschleifkontiir)。對象可以以不變的方向沿軌跡運動，其中，模型與該方向相對應(yīng)。根據(jù)對象的方向可以對該方向進行不同的空間調(diào)整，特別由此產(chǎn)生第三分段的不同分布。正如根據(jù)本發(fā)明方法的一種變形中所設(shè)置的那樣，如果對象沿軌跡首先以第一方向運動，然后再以與第一方向不同的第二方向運動，則根據(jù)本發(fā)明方法的另一種變形，可以建立兩個三維模型，其中第一模型對應(yīng)于第一方向，第二模型對應(yīng)于第二方向。由此能夠使對象在運動期間無碰撞地轉(zhuǎn)動。為了確保對象在從第一方向進入第二方向的對象轉(zhuǎn)動期間不與障礙物發(fā)生碰撞， 在工作空間中的一區(qū)域內(nèi)使對象從第一方向轉(zhuǎn)動到第二方向，該區(qū)域?qū)?yīng)于一個第二分段或多個相關(guān)聯(lián)的第二分段，該區(qū)域足夠大，使得對象在該第二分段或多個第二分段內(nèi)從第一方向轉(zhuǎn)動到第二方向時不會離開相關(guān)的第二分段或多個第二分段。


在附圖中示例性地描述了本發(fā)明的實施例。圖1示出了具有控制裝置和機器人泵的工業(yè)機器人，圖2示出了建立模型期間工業(yè)機器人的工作空間的圓柱形模型的截面，圖3示出了圓柱形模型的分段，圖4示出了圓柱形模型在另一個建立步驟中的另一個截面，圖5示出了圓柱形模型的三維視圖，圖6示出了圓柱形模型在另一個建立步驟中的三維視圖，圖7-圖9示出了模型的分段，圖10示出了流程圖，圖11示出了工業(yè)機器人的工作空間的另一個圓柱形模型的三維視圖。
具體實施例方式圖1以透視圖示出了具有機器人臂2的工業(yè)機器人1。在當(dāng)前的實施例中，機器人臂2包括多個依次設(shè)置且通過關(guān)節(jié)連接的肢體。在這些肢體中特別涉及到靜止的或可移動的機架3以及相對于機架圍繞垂直伸展的軸Al (也可標記為軸1)可轉(zhuǎn)動地安裝的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤4。在當(dāng)前的實施例中，機器人臂2的其他肢體是搖臂5、懸臂6和優(yōu)選為多軸的機器人手7，機器人手7具有法蘭8。搖臂5圍繞優(yōu)選為水平的軸A2 (也標記為軸2、可擺動地支承在例如位于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤4上未示出的擺動軸承體的下端部上。另一方面，搖臂5的上端部圍繞懸臂6的同樣優(yōu)選為水平的軸A3可擺動地支承。懸臂6在端側(cè)優(yōu)選利用其三個軸A4、A5、A6支承機器人手7。為了使工業(yè)機器人1或其機器人臂2運動，機器人臂2包括以公知的方式連接控制裝置9的驅(qū)動器，該驅(qū)動器特別是電驅(qū)動器。在圖1中僅示出了這些驅(qū)動器的幾個電機 10。在當(dāng)前的實施例中，在工業(yè)機器人1的法蘭8上固定有以未示出的方式連接控制裝置9的夾持器10。因此在工業(yè)機器人運行時，控制裝置9或在控制裝置9中運行的計算機程序可以控制驅(qū)動器和夾持器10，使得法蘭8并因此使夾持器10執(zhí)行預(yù)先給定的運動， 并利用夾持器10抓取對象11，而后借助于工業(yè)機器人1例如沿軌跡C從位置A移動到位置 B，并放在第二個位置B上。在當(dāng)前的實施例中，在工業(yè)機器人1的工作領(lǐng)域中存在至少一個障礙物12，對象 11在其通過工業(yè)機器人1運動期間應(yīng)該不與障礙物12發(fā)生碰撞。還應(yīng)該這樣完成工業(yè)機器人1的運動，使工業(yè)機器人1的機器人臂2不與障礙物12碰撞在一起。工業(yè)機器人1的工作空間是這樣一個空間，工業(yè)機器人1通過其夾持器10至少理論上可以到達該空間。在當(dāng)前的實施例中。在控制裝置9上運行計算機程序，該計算機程序利用軌跡規(guī)劃設(shè)定工業(yè)機器人1的運動并隨后加以執(zhí)行。在當(dāng)前的實施例中，設(shè)置控制裝置9，用于建立工業(yè)機器人1的工作空間的三維模型13。該建模過程如下首先，在工業(yè)機器人1的具有坐標x、y、ζ (基本坐標系)的笛卡爾工作空間中，圍繞工業(yè)機器人1或其基礎(chǔ)坐標系的中心建立在圖2中以截面示出的圓柱形搜索空間22，搜索空間22具有維數(shù)22或坐標φ (角度)、r (半徑)和h (高度)。在當(dāng)前的實施例中，圓柱形坐標系的坐標h特別與軸Al相吻合，也就是圍繞其可轉(zhuǎn)動地安裝轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的軸。圓柱形坐標系或圓柱形搜索空間22的角度坐標φ和半徑坐標r在圖2中示出。在圓柱形搜索空間22中，通過利用圓柱形坐標系的圓柱形坐標所描述的空心圓柱形或單元格(kllen)、扇形區(qū)域或分段20來描述障礙物12以及其他可能的障礙物。在圖3中示出了近似于障礙物12的分段20的三維視圖。在當(dāng)前的實施例中，工業(yè)機器人1與障礙物12以及其他可能的障礙物或?qū)ο笠黄鸨荒Ｐ突癁槿S的CAD模型，也就是與工業(yè)機器人1相對應(yīng)的所謂機器人單元以CAD模型的形式存在。因此，能夠?qū)⒃贑AD模型中所模型化的障礙物12模型化為在圓柱形坐標系中所描述的具有分段20的搜索空間22，其中特別將分段20選擇為，使其完全包圍CAD模型中所模型化的障礙物12。也可以通過多個空心圓柱形或圓柱形分段20來描述障礙物12。因此在圓柱形搜索空間22中可以獲得一個或多個分段20，這說明了由障礙物12所占據(jù)的空心圓柱形或圓柱形的扇形區(qū)域或單元格。搜索空間22的其余區(qū)域21沒有被障礙物12占據(jù)，其包括同樣為空心圓柱形或圓柱形的自由的單元格、扇形區(qū)域或分段23。圖如到圖如示出了在圓柱形搜索空間22的自由分段23中對自由區(qū)域21的可能的分解。在圖如到圖如所示出的搜索空間20中都描述了兩個分段20，這兩個分段20分別對應(yīng)搜索空間22的被障礙物12所占據(jù)的區(qū)域。自由區(qū)域21在圖如中被分解為七個分段23。在圖如所示出的實施例中，對自由區(qū)域21的分解沿圓柱形坐標系的角度坐標ρ發(fā)生。自由區(qū)域21在圖4b中被分解為多個分段23。在圖4b所示出的實施例中，對自由區(qū)域21的分解沿圓柱形坐標系的半徑坐標r發(fā)生。在圖如所示出的實施例中，自由區(qū)域21不僅沿圓柱形坐標系的角度坐標P，而且還沿圓柱形坐標系的半徑坐標r被分解。通過加入高度坐標h形成三維單元格，即分段23，它們的鄰域關(guān)系 (Nachbarschaftsbeziehung)可以歸納在一幅圖中。在該鄰域關(guān)系中還可以考慮到軸邊界以及被用戶先天(priori)禁止的單元格/笛卡爾空間。此外，任何信息都可以包含在里面， 并在以后的規(guī)劃中加以考量。圖5以透視圖示出了具有被障礙物12所占據(jù)的單元格或分段23的搜索空間22 的舉例。除了那些由障礙物12所占據(jù)的分段20之外，可以不考慮保留圓柱形搜索空間22 的下述分段或單元格，即具有被夾持器10所抓取的對象11的工業(yè)機器人1不能到達的分段或單元格。為了進一步完善圓柱形搜索空間22，在當(dāng)前的實施例中執(zhí)行以下步驟隨后，通過在控制裝置9上運行的計算機程序?qū)ο率銮闆r進行模擬具有對象11的工業(yè)機器人1可以經(jīng)過自由分段23，但機器人臂不與任一個障礙物12發(fā)生碰撞。這種模擬以具有已被占據(jù)的分段20的搜索空間22為基礎(chǔ)。根據(jù)這種模擬獲得障礙物12會與機器人臂2發(fā)生碰撞的分段對。由此產(chǎn)生的模型是模型13，如圖6所示。在當(dāng)前的實施例中，根據(jù)模型13借助于在控制裝置9上運行的計算機程序規(guī)劃工業(yè)機器人1的運動。隨后工業(yè)機器人1根據(jù)規(guī)劃移動，使得對象11沿軌跡C從第一位置A 運動到第二位置B。在當(dāng)前的實施例中，在搜索空間22或模型13內(nèi)部的所謂A*-搜索的基礎(chǔ)上對路徑C進行規(guī)劃，以便找到最短或最經(jīng)濟的單元格路徑或分段路徑。隨后由該單元格路徑或分段路徑計算軌跡C，例如使用點對點計算。因此，這種基于模型13的計算可以確保對象 11沿軌跡C無碰撞地運動。為了由單元格路徑或分段路徑計算軌跡C，還可以使用循環(huán)，以便獲得例如盡可能大的循環(huán)輪廓。因此，在當(dāng)前的實施例中，單元格或分段22、23、M在搜索空間22或模型13中可以具有以下五種狀態(tài)根據(jù)機器人臂2的實施方式，搜索空間22的單元格、扇形區(qū)域或分段不是可到達的(“無法到達”(“0UT_0F_REACH”))。單元格被障礙物12占據(jù)(分段20)。機器人臂2會與障礙物12碰撞在一起(分段24)。
單元格或分段可以被進一步分割。這是可選的。單元格沒有被占據(jù)或是自由的(分段23)。因此在當(dāng)前的實施例中，在碰撞測試中對對象11與障礙物12的碰撞和機器人臂2 與障礙物12的碰撞之間加以區(qū)分。特別在對象11/障礙物12的碰撞測試中確定，有疑問的分段23是否能夠完全容納對象12。特別對此進行幾何形狀地解決，如圖7所示。當(dāng)對機器人臂21/障礙物12進行碰撞測試時，還可以使用下列方法基于采樣的方法和自適應(yīng)方法。在兩個用于碰撞檢測的方法中，例如在目前自由的分段23中為對象11確定多個位置，并送入例如在控制裝置9上運行的模擬中。基于采樣的方法如圖8所示。為了進行碰撞檢測，預(yù)先給定對象11在相關(guān)分段23 內(nèi)部的多個位置，并模擬相應(yīng)的機器人臂姿勢。如果在這些位置25的至少一個位置上發(fā)生機器人臂2與障礙物12的碰撞，則將相應(yīng)的自由分段23標記為單元格或分段M，其中，在對象11經(jīng)過時引起機器人臂2與障礙物12的碰撞。對于基于采樣的方法，特別對機器人臂姿勢進行模擬，使得對象11占據(jù)模擬的位置25。例如，借助于碰撞識別庫(Kollisionserkennungsbibliothek)可以將碰撞測試特別作為布爾碰撞測試來執(zhí)行。如果所有模擬的位置25都是無碰撞的，則得出如下結(jié)論整個分段23是無碰撞的。但是對此不能絕對保證，因為有可能錯過例如相對較小的障礙物12?；诓蓸拥姆椒ǖ膬?yōu)點在于其相對快速的實行，因為，例如沒有密集計算的距離計算，而是僅僅必須在一定距離(步長)上進行碰撞測試。但是在這種情況下不能百分之百地保證無碰撞，而不管對單元格或分段23的采樣多么密集。與之相反的是，在自適應(yīng)方法中使用距離信息，用以將分段23的一部分標記為保證無碰撞的。，由此一直進行，直至證明全部的分段23都是無碰撞的，或者剩余地保留一部分分段片(kgmentstilck)，對這些分段片不再進行劃分(實施細節(jié))，并因此將這些分段片稱為可造成碰撞的。如圖9所示。對于自適應(yīng)方法，首先對機器人臂姿勢進行模擬，使對象11位于點Pl。然后，在搜索空間22中確定機器人幾何結(jié)構(gòu)和一個或多個障礙物12之間的最小距離。對象11特別是所模擬的機器人幾何結(jié)構(gòu)的一部分。例如可以使用碰撞計算庫/距離計算庫。機器人幾何結(jié)構(gòu)上的每個點現(xiàn)在可以在這個最小距離上做最大的運動，這在圖9中作為用于三維應(yīng)用的圓圈或球K被概要示出。分段23的封閉面23a是無碰撞的。對分段23的進一步細分產(chǎn)生子分段(Untersegmente) 2 、23c和23d，現(xiàn)在以同樣的方式對這些子分段進行進一步研究(具有斷裂條件(Abbructibedingung)的重復(fù)過程)。在建立完整的單元格結(jié)構(gòu)或分段結(jié)構(gòu)之后，即模型13位于如圖6所示的圓柱形坐標中，并在必要時將鄰域關(guān)系列入單元格圖形/分段圖形中，即可在此基礎(chǔ)上應(yīng)用圖形算法，例如通過圖形確定特別是成本最佳的路徑的A*算法，在此已將成本分配到圖形邊緣。 對于沿著邊緣的成本，可以定義例如任意的啟發(fā)式函數(shù)，另外，可以沿圓柱形坐標(r，h，cp) 實現(xiàn)作為成本函數(shù)的笛卡爾距離以及用于計量點對點運動的曼哈頓距離。A*搜索的結(jié)果就是自由分段23通過分段結(jié)構(gòu)的順序(kquenz)，工業(yè)機器人1可以根據(jù)該分段結(jié)構(gòu)移動對象11。這個順序稱為單元格路徑或分段路徑，并用于獲得軌跡C。在當(dāng)前的實施例中，在接下來的計算步驟中由所發(fā)現(xiàn)的單元格路徑或分段路徑為工業(yè)機器人1構(gòu)成點對點路徑。該點對點路徑就是軌跡C，對象11應(yīng)該在軌跡C上運動。 因此，在當(dāng)前的實施例中將確保對象11在其沿軌跡C運動期間沒有放棄自由的分段23，以防止與障礙物12相撞。為了計算軌跡C，還可以使點對點路徑在后處理步驟中變得平滑，其中，例如跳過沒有必要經(jīng)過的單元格、扇形區(qū)域或分段，并將其從路徑中刪除。例如，如果沿φ方向經(jīng)過兩個相鄰的分段23，那么這與圍繞軸Al的點對點運動相符；在沿r方向和/或h方向的方法中則相應(yīng)地是通過軸A2和A3的點對點運動。因此，在當(dāng)前的實施例中，機器人手7的軸A4-A6這樣運行，使用于對象11的首選方向被準確地保持，即對象11在沿軌跡C運動期間只改變其位置，但不會改變其方向。例如，如果將曼哈頓距離作為成本函數(shù)使用，可能沒有足夠的點來計算每個軌跡 C，從而在這種情況下可能附加地通過計算例如最大循環(huán)距離，以便關(guān)于周期時間做進一步的改善。還可以使所確定的用于軌跡C的點對點路徑循環(huán)。由此可以增加周期時間并因此更快地穿過軌跡C。但是，在這種情況下應(yīng)該采取措施使軌跡C保持為無碰撞的，即無論是對象11還是機器人臂2與障礙物12碰撞在一起。還可以推遲比較耗時的碰撞測試，直到它是絕對必要的。在當(dāng)前的實施例中，這是指對機器人臂2的碰撞測試，即確定扇形區(qū)域M。對分段M的確定也可以首先進行，即使待測試的且目前自由的分段23應(yīng)該出現(xiàn)在分段路徑中并可能被經(jīng)過，其中，當(dāng)對象穿過分段M時機器人臂2與障礙物12會發(fā)生碰撞。這些都被一起歸納到圖10中。因此在這種變形中，沒有在預(yù)處理步驟中計算搜索空間20的完整的單元格分解或分段分解，而是首先利用與分段23的無碰撞性相關(guān)的信息在分段路徑中逐步更新。在當(dāng)前的實施例中，對象11的方向在其沿軌跡C運動期間保持不變。此外，根據(jù)對象11的實際方向確定被占據(jù)的分段20、24。在本發(fā)明的一種實施方式中還可以設(shè)置為，使工業(yè)機器人1在對象沿軌跡C運動期間改變對象的方向。在這種情況下，對于兩個方向或者當(dāng)設(shè)置超過兩個方向時，對于對象 11的每個方向都確定對應(yīng)于每個方向的搜索空間20，并隨后確定相應(yīng)的分段M，分段M對應(yīng)于機器人臂2/障礙物12的碰撞。在如圖1所示的實施例中，調(diào)整對象11，使其在水平方向的偏轉(zhuǎn)大于垂直方向。與對象11的這個方向相對應(yīng)的模型13在圖6中示出。如果現(xiàn)在對象11在其沿軌跡C運動期間轉(zhuǎn)動例如90°，則控制裝置9可以例如確定下一個模型13'，模型13'根據(jù)模型13生成，但也反映了對象11的變化的方向。然后獲得搜索空間22的另一種分段劃分并與模型13'相符，如圖11所示。在另一個方向上對對象11的方向重新定向可以在足夠大且自由的分段23中進行。為此，例如在兩個分段分解中，這些分段23通過邊緣在搜索圖中彼此連接。也可以考慮借助于中間位置逐級地重新定向，例如，對從位于第一地點A的起點到達位于第二地點B的終點的對象11直接重新定向是不可能的。為此可能需要計算多個單元格結(jié)構(gòu)，即對每個對象坐標軸的每一級都進行正確地分解。利用對象11的對稱性也許能夠省去分解。特別將對象11設(shè)置為，在其沿軌跡C運動期間在自由分段23中對其重新定向，分段23可容納一個球體，其尺寸，即半徑選擇如此之大，以致于分段23完全包圍對象11。而后在這個分段中能夠?qū)崿F(xiàn)對對象11的任意重新定向，并因此可以在規(guī)劃期間在每次分解時躍升。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)機器人(1)的無碰撞軌跡規(guī)劃的方法，所述工業(yè)機器人(1)具有控制裝置(9)和能夠借助該控制裝置(9)運動的機器人臂O)，對象(11)固定在所述機器人臂 (2)上，在所述工業(yè)機器人(1)的工作空間中至少有一個障礙物(12)，該方法具有以下步驟基于具有模型化的障礙物(12a)的所述工作空間的三維CAD模型，在所述工業(yè)機器人(I)的工作空間的圓柱形坐標(r，h，q>)中建立三維模型(13，13')，其中，在所述三維模型 (13，13')中通過至少一個空心圓柱形的第一分段00)對所述模型化的障礙物(12a)進行模型化，將所述三維模型(13，13')中沒有被該第一分段00)占據(jù)的區(qū)域分解為多個空心圓柱形和/或圓柱形的第二分段，以及確定軌跡(C)，所述工業(yè)機器人(1)應(yīng)該在該軌跡(C)上將所述對象(11)從起點(A) 運動到終點(B)，使得所述對象(11)僅在所述第二分段內(nèi)運動。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟將與所述模型(13，13')的圓柱形坐標(r，h， Φ)相對應(yīng)的圓柱形坐標系的原點設(shè)置在所述工業(yè)機器人(1)的中心。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述機器人臂(2)具有機架(3)、相對于該機架(3)圍繞垂直延伸的軸(Al)可轉(zhuǎn)動地支承的轉(zhuǎn)動盤、搖臂(5)、懸臂(6)以及具有法蘭(8)的特別是多軸的機器人手(7)，所述對象(11)至少間接地固定在所述法蘭(8)上，該方法具有如下步驟將與所述模型(13，13')的圓柱形坐標(r，h，(p)相對應(yīng)的圓柱形坐標系的高度軸設(shè)置在所述機器人臂O)的軸(Al)中。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項所述的方法，還具有以下步驟在所述三維模型(13，13')中針對與所述第二分段相對應(yīng)的所述對象(11)的位置對所述機器人臂O)的姿勢進行模擬，在所述三維模型(13，13')中確定存在所述機器人臂( 與所述障礙物(1 的碰撞的第二分段(23)，并且將該第二分段歸類為已對其確定出所述機器人臂( 與所述障礙物(1 的碰撞的第三分段04)。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項所述的方法，包括步驟確定與所述軌跡(C)相對應(yīng)的相鄰的第二分段的分段路徑，并在該分段路徑的基礎(chǔ)上計算所述軌跡(C)。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項所述的方法，其中，所述對象(11)以不變的方向沿所述軌跡(C)運動，并且所述模型(1 與該方向相對應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1到5中任一項所述的方法，其中，所述對象(11)首先以第一方向、然后再以與該第一方向不同的第二方向沿所述軌跡(C)運動。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，包括步驟建立兩個三維模型(13，13')，其中第一模型 (13)對應(yīng)于所述第一方向，第二模型(13')對應(yīng)于所述第二方向。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，包括步驟在所述工作空間中的一區(qū)域內(nèi)使所述對象(II)從所述第一方向轉(zhuǎn)動到所述第二方向，該區(qū)域?qū)?yīng)于一個第二分段或多個相關(guān)聯(lián)的第二分段(23)，該區(qū)域足夠大，使得所述對象(11)在該第二分段或多個第二分段 (23)內(nèi)從所述第一方向轉(zhuǎn)動到所述第二方向時不會離開相關(guān)的第二分段或多個第二分段(23)。
10. 一種工業(yè)機器人，其具有控制裝置(9)和可以借助該控制裝置(9)運動的機器人臂 O)，對象(11)固定在所述機器人臂(2)上，并且在所述工業(yè)機器人的工作空間中設(shè)置有至少一個障礙物(12)，其中，所述控制裝置(9)設(shè)置為，使所述機器人臂( 運動，從而使所述對象(11)沿軌跡(C)從起點㈧運動到終點(B)，以及，所述控制裝置(9)設(shè)置成，根據(jù)如權(quán)利要求1到9中任一項所述的方法來確定所述軌跡(C)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機器人(1)的無碰撞軌跡規(guī)劃的方法，工業(yè)機器人(1)具有控制裝置(9)和利用控制裝置(9)運動的機器人臂(2)，對象(11)固定在機器人臂(2)上，以及，在工業(yè)機器人(1)的工作空間中設(shè)置有至少一個障礙物(12)。
文檔編號B25J9/16GK102152308SQ20111003772
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者烏韋·齊默爾曼, 克里斯蒂安·朔伊雷爾 申請人:庫卡實驗儀器有限公司