用於確定機器人臂的可能的位置的方法與流程

2023-10-11 10:08:29

本發明涉及一種用於確定機器人臂的可能的位置的方法。

背景技術：
專利文獻US5550953公開了一種移動機器人和一種用於運行該移動機器人的方法。該移動機器人包括機器人臂和承載車輛，其中，機器人臂具有多個可彼此相對運動的節肢，並且機器人臂被固定在承載車輛上。機器人臂的位置例如可以通過承載車輛改變。

技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種改進的方法，用於確定機器人臂的可能的位置。本發明的目的通過一種用於確定機器人的機器人臂的可能的位置的方法實現，在此，機器人臂包括支架、多個依次設置且關於軸可彼此相對運動的節肢和用於使節肢運動的驅動器，該方法具有以下步驟：設定與機器人臂或固定在機器人臂上的末端執行器相對應的工具中心點在空間中的目標位置和目標方向，該工具中心點對應於具有極坐標的參考坐標系，確定機器人臂的支架的基於機器人臂的幾何形狀而在空間中以及在參考坐標系的極坐標中的潛在的可能的位置，從而使工具中心點能夠處於設定的目標位置和目標方向上。藉助於根據本發明的方法，可以例如在機器人室的內部找到或規劃機器人臂的例如可能的安裝地點或安裝位置。為此，根據本發明確定機器人臂或固定在機器人臂上的末端執行器的工具中心點的目標位置和目標方向，即目標地點或目標姿勢。然後通過對應於工具中心點的參考坐標系在平面（2D）中的位置的極坐標或在空間（例如在三軸門座中）中的位置的球坐標，確定支架的潛在的可能位置，例如機器人臂的潛在的可能安裝地點。機器人臂的潛在的可能位置特別是位於球體內部，球體的中心點是在其目標位置上的工具中心點。優選極坐標是球坐標。工具中心點的目標位置和目標方向可以首先以靜態世界坐標系的坐標來設定。一般情況下，機器人臂不能被放置在所有潛在的可能位置上。在根據本發明方法的一種實施方式中，該方法還具有以下步驟：根據所確定的潛在的可能位置和至少一個限定支架的潛在可能位置的邊界條件，確定機器人臂的支架的可能位置。該可能位置例如是描述潛在可能位置的球體內部與至少一個限定邊界條件的交集。用於限定支架的潛在的可能位置的邊界條件例如是機器人臂的支架可能被固定在其上或其上方的區域。例如，該區域例如是機器人室的地板，機器人臂通過其支架固定在地板上。機器人還可以包括至少一個線性軸，機器人臂的支架可以通過該線性軸線性運動。限定支架的潛在的可能位置的邊界條件可以通過線性軸的一個或多個擴展獲得。因此，例如可以在例如機器人室中更好地規划具有線性軸的機器人臂的安裝。例如可以藉助於所謂的門座實現多個線性軸，該門座例如被固定在天花板上。機器人臂通過其支架固定在門座上。藉助於該門座特別是可以使機器人臂的支架沿著天花板關於兩個線性軸行進。附加的還可以這樣實現門座：使機器人臂也可以與其支架一起沿著垂直於天花板取向的線性軸上下運動。機器人還可以被設計為移動機器人，其具有移動承載裝置，該移動承載裝置具有用於使其運動的驅動器，機器人臂通過支架固定在該承載裝置上。限定支架的潛在的可能位置的邊界條件例如描述了承載裝置的可能的位置或地點。優選將移動承載裝置設計為具有車輪的承載車輛，在此，移動承載裝置的驅動器設計用於使車輪運動。根據本發明的移動機器人也可以被設計為類人機器人，並將其移動承載裝置設計為機器人腿。在常規的移動機器人中，整個系統的特定平臺的運動冗餘通過世界坐標系的坐標在2D平面上實現。優選將承載車輛設計為可全向移動的承載車輛（完整平臺（holonomePlattform）。因此，優選將承載車輛的車輪設計為全向輪。全向輪的一個例子是為本領域技術人員所公知的Mecanum輪。這種全向輪可以使得根據本發明的移動機器人或其承載車輛能夠在空間中自由運動。因此，這種承載車輛不僅可以向前、向後或側向運動，而且還可以例如圍繞垂直取向的軸轉動。在根據本發明方法的另一種變形中，該方法另外還包括：基於參考坐標系的極坐標以靜態世界坐標系的坐標確定支架的潛在的可能位置。根據本發明的方法具有以下優點：可以給出關於零空間解的有目的的迭代，因為可以返回用於冗餘的解區間在考慮待執行的任務時，可以找到用於在機器人室中安裝機器人臂的解，即工具中心點的目標地點。相應地還可以在移動機器人中找到承載車輛或移動承載裝置的定位。如果有必要，可以在逆運動學（inversenKinematik）中以最小和最大線性軸位置給出線性軸位置或門座位置，以替代給出線性軸/門座的整個值域。可以根據機器人系統來確定冗餘的區間邊界（Intervallgrenzen）。在這裡，冗餘涉及局部參考系統、特別是工具中心點坐標系或者一般地涉及任務坐標系（Aufgabenkoordinatensystem）。附圖說明在附圖中示例性地示出了本發明的實施例。其中，圖1示出了可藉助於線性軸運動的機器人臂，其對應於工具中心點，圖2用圖闡明了機器人臂對於其工具中心點的相同姿勢的不同位置，圖3示出了移動機器人，其包括承載車輛和固定在承載車輛上的機器人臂，圖4示出了全向輪，以及圖5示出了用於確定承載車輛的地點的圖。具體實施方式圖1示出了機器人1，其具有機器人臂7。在本實施例中，機器人臂7包括多個依次設置並通過關節連接的節肢。在這些節肢中特別包括支架9，機器人臂7通過支架9固定在車輛基體3上。機器人臂7還具有另外的節肢，例如相對於支架9特別是圍繞垂直延伸的軸A1可轉動地安裝的轉盤10。在本實施例中，機器人臂7的其它節肢包括搖臂11、懸臂12和優選為多軸的機器人手13，機器人手13具有例如設計為法蘭的固定裝置6，用於固定末端執行器或工具。搖臂11在下端部、例如在未詳細示出的搖臂軸承頭上圍繞優選為水平的軸A2可擺動地支承在轉盤10上。在搖臂11的上端部上圍繞同樣優選為水平的軸A2可擺動地支承懸臂12。懸臂12在端部擁有機器人手13，其具有例如三個轉動軸（軸A4-A6）。但機器人手13也可以只有兩個轉動軸。機器人臂7還包括與機器人1的控制裝置5連接的驅動器。該驅動器在本實施例中是電驅動器，特別是可調節的電驅動器。在圖1中僅示出了該電驅動器的幾個電動馬達14。在本實施例中，機器人1包括例如設置在地板上的縱向軌道15，機器人臂7通過其支架9沿雙箭頭16的方向可移動地支承在該縱向軌道上。因此，縱向軌道15表示線性軸，機器人臂7可以沿著該軌道特別是通過控制裝置5可控地並藉助於另一未詳細示出的驅動器在雙箭頭16的方向上移動。該驅動器優選是電驅動器，特別是可調節的電驅動器。在機器人1的運行中，控制裝置5這樣控制驅動器：使固定裝置6或配屬於固定裝置6或固定在固定裝置6上的末端執行器的所謂工具中心點8在空間中處於預先設定的目標地點或目標姿勢，即目標位置和目標方向上。為此，機器人臂7在控制裝置5的控制下沿著縱嚮導軌15到達與目標姿勢相符的位置上，並且機器人臂7的軸A1-A6也被帶到相應的軸位置或角位置θ1-θ6中。在本實施例中，機器人1是冗餘機器人，即，對於工具中心點8的同一個姿勢，可能潛在地存在機器人臂7的多個軸位置或角位置θ1-θ6和機器人臂7的支架9的多個位置。對此在圖2中進行了說明。在本實施例中，工具中心點對應於一坐標系，即參考坐標系K參考，這在圖2中示出。參考坐標系K參考的原點特別是位於工具中心點8上。在本實施例中，現在確定一區域，理論上可以基於機器人臂7的幾何形狀將機器人臂7或其支架9定位在該區域中，從而可以使工具中心點8對準目標姿勢，即目標位置和目標方向。但是，機器人臂7的支架9的這些潛在的可能位置不是以靜態世界坐標系K世界的坐標來描述，而是首先以參考坐標系K參考的極坐標來描述的。因此在本實施例中，以上所述的區域，即潛在的可能位置，出現在球體17的內部，其中心點是用於工具中心點8的目標姿勢的參考坐標系K參考的原點。在本實施例中，機器人臂7可以藉助於縱向軌道15線性運動。因此，可以不將機器人臂7的支架9定位在整個球體17的內部，而是只定位在冗餘區域18的內部，該冗餘區域的長度與機器人臂7的可藉助於縱向軌道15縱向移動的路程相符。由於對應於縱向軌道15的、機器人臂7與其支架9一起關於該線性軸沿著雙箭頭16移動的線性軸，使支架9的潛在的可能位置受到限制。因此，縱向軌道15成為限定支架9的潛在的可能位置的邊界條件。例如，如果線性軸或縱向軌道15沿世界坐標系K世界的x軸的方向取向，即，支架9沿世界坐標系K世界的x軸的方向移動，則可以獲得冗餘值區域18，其具有最小冗餘值19和最大冗餘值20，機器人臂7可以在它們之間移動，並可以調整軸位置或角位置θ1-θ6，從而使工具中心點能夠處於目標姿勢。機器人臂7或其支架可以採取的冗餘值特別是可以通過對應於線性軌道15的線性軸與球體17的相交得到。如果例如還找尋縱向軌道15在例如地板上的放置，則球體17與地板的相交會給出地板上的一個圓面。在與球體17相交之前，優選將球體17轉換成世界坐標系K世界的坐標。在本實施例中，機器人臂具有六個軸A1-A6。因此存在多達八種不同的可能性（狀態）使工具中心點8到達位置。但這並不描述連續、連通的零空間。通過與縱向軌道15相對應的線性軸，可以使整個機器人1獲得更多的自由度，也就是另外的冗餘度，利用該冗餘度可以實現零空間運動。由此給出附加的運動學冗餘，其也是連續的和連通的，並且附加地限定了冗餘值區域（最小冗餘值19，最大冗餘值20）。在此，該最小冗餘值19和最大冗餘值20位於整個線性軸的有效邊界的內部。如果不考慮軸邊界，則對於整個冗餘值區域18存在分析表述的逆運動學的解。還可以設置多個線性軸，它們例如可以所謂的門座或龍門架的形式實現。門座例如固定在天花板上。機器人臂7通過其支架固定在門座上。藉助於門座，機器人臂7的支架9可以沿著天花板關於兩個線性軸行進。附加地還可以這樣實現門座：使機器人臂7也可以與其支架9一起沿著垂直於天花板取向的線性軸上下運動。所描述的方法還可用於確定可以放置機器人臂7的支架9的區域，以便使工具中心點8可以處於目標姿勢。因此，這種可能的區域（例如其上可以放置支架的地板）描述了限定支架9的潛在的可能位置的邊界條件。圖3示出了另一種機器人31。除非特別說明，否則在圖3中示出的機器人31的、與如圖1所示機器人1的組件結構和功能基本相同的組件具有相同的參考標記。如圖3所示的機器人31與如圖1所示的機器人1的主要不同之處在於，在圖3中示出的機器人31沒有縱向軌道15。為此，將如圖3所示的機器人31設計為移動機器人31，其在本實施例中具有可全向運動的承載車輛2。該承載車輛例如包括車輛基體3和多個可轉動地設置在車輛基體3上的車輪4，車輪4特別是被設計為全向車輪。在本實施例中，承載車輛2具有四個全向車輪4。至少其中一個車輪4、優選為全部的車輪4由一個或多個驅動器驅動。優選該未詳細示出的驅動器是電驅動器，特別是可調節的電驅動器，並與例如設置在車輛基體3中或其上的控制裝置5相連接，控制裝置5被設計為，通過相應地控制車輪4的驅動器使承載車輛2運動。全向輪的一個舉例是所謂的Mecanum輪。在圖4中以前視圖示出了移動機器人1或其承載車輛2的、被構造為全向輪的車輪4。在本實施例中，構造為全向輪或Mecanum輪的車輪4具有兩個彼此剛性連接的輪盤21，多個滾體22關於其縱軸23可轉動地安裝在輪盤之間。這兩個輪盤21可以關於轉動軸24可轉動地安裝，並通過承載車輛2的一個驅動器加以驅動，從而使這兩個輪盤關於轉動軸24轉動。在本實施例中，滾體22被均勻地間隔開並安裝在輪盤21上，使其滾面從輪盤21的圓周向外突出。此外，滾體22也被這樣安裝在輪盤21上：使其縱軸23與轉動軸24形成角度α，其例如為45°。由於全向輪4的存在，使得移動機器人31或其承載車輛2可以在空間中自由運動。因此，承載車輛2不僅可以向前、向後或側向運動或曲線行進，而且還可以圍繞任意垂直取向的軸（例如機器人臂的軸A1）轉動。移動機器人31還包括機器人臂7，其特別是固定在承載車輛2或其車輛基體3上。在本實施例中，承載車輛2由於全向輪4而被看作是機器人臂7的完整平臺。但是，承載車輛2也可以被構造為用於機器人臂7的非完整平臺。由此使得承載車輛2起到移動承載裝置的作用，而機器人臂7被固定在該承載裝置上。如果移動機器人被設計為例如類人機器人或類昆蟲機器人，則該承載裝置例如也可以被設計為多個機器人腿，機器人可以通過這些機器人腿運動。在移動機器人31的運行中，通過控制裝置5控制機器人臂7和車輪4的驅動器，使得固定裝置6或工具中心點8處於預設的目標地點或目標姿勢，即，在空間中處於目標位置和目標方向上。為此，根據該目標姿勢並通過控制裝置5的控制將承載車輛2帶到某個位置上並在空間中沿某個方向取向，並將機器人臂7的軸A1-A6帶到相應的軸位置或角位置θ1-θ6中。在本實施例中，機器人臂7在理論上可以根據其幾何形狀安裝在該區域中，從而使工具中心點8可以處於目標姿勢中的區域是球體17內部的區域，其中心點是用於工具中心點8的目標姿勢的參考坐標系K參考的原點。在本實施例中，機器人臂7可以藉助於承載車輛2運動。因此，機器人臂7的支架9不能被定位在整個球體17的內部，而只能被定位在冗餘值區域內，該冗餘值區域通過球體17與穿過承載車輛可以在其上運動的地板的平面的相交來確定。由此可以將在地板上給出的圓形面作為可能的冗餘值區域。因此在本實施例中，還可以將承載車輛2的可能地點，即為了使工具中心點8處於其目標姿勢而承載車輛2可能採取的位置和方向，通過參考坐標系K參考的極坐標ρ1、ρ2來表示。因此可以確定一個三變量組(ρ1，ρ2，ρ3)，其在本地參考坐標系K參考中通過極坐標ρ1、ρ2來描述承載車輛2的可能地點。在此，極坐標ρ1，ρ2以二維極坐標描述了關於參考坐標系K參考的位置，附加地還有承載車輛2的轉動ρ3。也就是說，極坐標ρ1描述了承載車輛2與參考坐標系K參考的原點的距離，極坐標ρ2描述了承載車輛2在半徑為ρ1的測距圓K上的行進方向，轉動ρ3描述了承載車輛2關於參考坐標系K參考的方向。優選承載車輛坐標系K載體的原點位於對應於機器人臂7的坐標系的原點上，因此優選承載車輛2的轉動軸與機器人臂7的軸A1重合，在此，轉盤10關於軸A1相對於支架9是可轉動的。