在机器人的运动规划中有用的机器人操作环境的数字表示制造技术

从操作环境的表示中过滤机器人的至少一部分的超大表示(例如，对于完全位于超大表示内的任何对象，体素被设置为未被占据)，这提供了例如可以用于机器人的运动规划的操作环境的数字模型。超大表示超过了机器人的至少一部分(例如附件)的物理尺寸，以有利地考虑所附接的并且延伸超出机器人的外部尺寸的线缆和其他特征。超大表示的具体尺寸可以基于多种因素，例如可以进行建模的线缆的几何形状、机器人附件的取向或位置、线缆相对于机器人附件的取向或位置、附件的速度、线缆的松弛等。线缆的松弛等。线缆的松弛等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在机器人的运动规划中有用的机器人操作环境的数字表示


[0001]本公开内容总体上涉及一个或更多个机器人在其中操作的操作环境的数字表示，并且涉及采用操作环境的数字表示的机器人运动规划，例如使用根据传感器收集的感知数据而生成的数字表示执行碰撞检测以产生驱动机器人等的运动计划的系统和方法。

技术介绍

[0002]相关技术的描述
[0003]运动规划是机器人控制和机器人技术中的基本问题。运动计划完全指定了机器人通常在与操作环境中的任何障碍物不发生碰撞或发生碰撞的概率降低的情况下从起始状态到目标状态可以遵循的路径，该操作环境通常是三维操作环境。运动规划面临的挑战包括快速执行运动规划的能力，即使3D操作环境的特征发生变化时也快速执行运动规划的能力。例如，三维操作环境中的一个或更多个障碍物的诸如位置或形状的特征可能会随时间而改变。
[0004]通常，一个或更多个传感器捕获关于一个或更多个机器人可以在其中操作的三维操作环境的信息。例如，三维操作环境可以采取一个或更多个机器人在其中操作的工作单元的形式。例如，机器人可以各自具有带有末端执行器或臂末端工具的相应可移动机器人附件，并且可以与一个或更多个工件交互。捕获的传感器信息用于生成三维操作环境的数字表示或模型，其中三维环境的各个部分被表示为未被占据或被可能位于三维操作环境中的一个或更多个对象占据。对象可以采取要避开的障碍物的形式，或者机器人要与之交互的目标的形式。数字表示可以用于执行运动规划以生成用于驱动机器人的运动计划，同时避免与三维操作环境中的各种障碍物发生碰撞。<br/>
技术实现思路

[0005]机器人可以采取多种形式，通常包括基座、附件和位于附件远端的末端执行器或臂末端工具。基座可以是固定的或可移动的。附件可相对于基座移动，并且可以包括经由一个或更多个关节(joint)耦合的一个或更多个连杆，其中各种致动器(例如，电动马达、步进马达、螺线管、电磁体、活塞和带有相关阀和加压流体储存器的气缸)被耦合并进行操作以驱动连杆围绕关节旋转。末端执行器可以采取多种形式中的任何一种，例如夹持器、一对可对置手指、旋转钻头、螺丝刀或螺栓驱动器、焊头、传感器等。
[0006]很多时候，一些结构可能从机器人的一部分向外延伸。例如，机器人可以物理地耦合到一个或更多个线缆，或者可以使一个或更多个线缆附接到机器人的各个部分。例如，一个或更多个线缆可以在机器人的基座和附件之间延伸。附加地或替选地，一个或更多个线缆可以在附件的各个连杆之间或在附件和末端执行器之间延伸。线缆可以采取多种形式。例如，一个或更多个线缆可以用于向一个或更多个致动器供应电力或提供加压流体(例如，液压、气动)。又例如，一个或更多个线缆可以用于路由通信信号，例如路由来自一个或更多个安装在机器人上的传感器(例如，相机、位置或旋转编码器、接近传感器)的通信信号。线
缆可以在沿着机器人的各个点或位置处附接至机器人，例如在沿着附件或沿着附件的连杆的几个点处附接，通常相对于附件、连杆或机器人的其他部分的边缘向外延伸。在一些情况下，线缆的一个或更多个部分可能至少在机器人的一些位置和取向上从机器人的一部分下垂、下沉或悬挂。在一些情况下，线缆的一个或更多个部分可以在机器人的一部分移动时例如在惯性力作用在线缆或其一部分上时，改变相对于机器人的该部分的相对位置或取向。其他结构(例如，传感器、三轴加速度计)也可以附接到机器人的一个或更多个部分，相对于机器人的附件、连杆或其他部分的边缘向外延伸。
[0007]在基于传感器或感知数据生成三维操作环境的数字表示时，将机器人本身从数字表示中“过滤”掉以防止给定的机器人在执行运动规划时阻止其自己可能是有利的。因此，将被机器人占据的三维操作环境的一部分显示为在三维操作环境的数字表示中未被占据可能是有利的。
[0008]例如，可以通过机器人的数字表示或模型来指定由机器人占据的体积，这可以考虑在任何给定时间机器人的一个或更多个关节位置。该数字表示或模型可以非常准确地表示机器人的外部尺寸，包括附件和末端执行器。然而，该数字表示或模型未能考虑可能附接到机器人各部分的各种结构，例如未能考虑附接到机器人的一个或更多个部分并随机器人的一个或更多个部分移动的一个或更多个线缆。
[0009]如本文所描述的，从三维操作环境的表示中过滤机器人的至少一部分的超大(oversized)或“扩张”表示。所得“经过滤”表示提供了三维操作环境的数字模型，其例如可以用于给定机器人的运动规划。超大表示超过机器人的至少一部分(例如附件)的一个或更多个物理尺寸，以有利地考虑附接到机器人并可能延伸超出机器人的外部尺寸的线缆和其他特征。超大表示的具体尺寸可以基于多种因素，例如线缆的几何形状、机器人附件的取向或位置、线缆相对于机器人附件的取向或位置、附件的速度、线缆的松弛、下垂或张力。例如，从表示中过滤机器人可以包括对于完全位于机器人或其部分的超大表示内的任何对象，将一个或更多个体素的占据值设置为未被占据。以这种方式，从三维操作环境的数字表示中滤除三维操作环境中的每个机器人及附接至其的结构(例如，线缆)，该数字表示可以用于同一机器人的运动规划。三维操作环境中的其他机器人(如果有的话)在给定机器人的运动规划时构成障碍物，因此不会从用于给定机器人的运动规划的数字表示中滤除。
[0010]因此，可以确定机器人的至少一部分的超大或“扩张”表示，其被选择或生成为足够大以包含机器人和从机器人或其部分延伸的相关结构(例如，线缆)。例如，过大的量可以基于一组试探法，其可以在预运行建模期间确定。
[0011]在实践中，完全位于对应于超大或“扩张”表示的区域内的任何对象表示可以被指示为未被占据，例如通过将相关体素的占据值从被占据改变为未被占据。完全位于该区域之外或跨越该区域的任何对象表示可以被指示为被占据，例如通过将相关体素的占据值保留为被占据。
附图说明
[0012]在附图中，相同的附图标记标识相似的元件或动作。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度不是按比例绘制的，并且这些元件中的一些元件被任意放大和定位，以提高绘图的易读性。此外，所描绘的元件的特定形状并不旨
在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且仅是为了便于在附图中识别而选择的。
[0013]图1是根据一个图示实现方式的一个或更多个机器人在其中操作的操作环境、包括各种传感器和环境建模计算机系统的环境建模系统、以及可选的运动规划器和可选的机器人控制系统的示意图。
[0014]图2是根据一个图示实现方式的图1的环境建模系统的功能框图。
[0015]图3是示出根据一个图示实现方式的图1的环境建模系统的高级操作方法的流程图。
[0016]图4是示出根据一个图示实现方式的图1的环境建模系统的低级操作方法的流程图。
[0017]图5是示出根据一个图示实现方式的图1的环境建模系统的低级操作方法的流程图。
[0018]图6是示出根据一个图示实现方式的图1的环境建模系统的低级操作方法的流程图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：至少一个处理器；至少一个非暂时性处理器可读介质，其通信地耦合到所述至少一个处理器并且存储处理器可执行指令，所述处理器可执行指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：在三维操作环境的数字表示中识别表示位于所述三维操作环境中的一个或更多个物理对象的一个或更多个元素；确定所述三维操作环境的数字表示中表示的物理对象中的哪些物理对象——如果有的话——完全位于超大体积的三维表示内，所述超大体积包含至少第一机器人的附件，所述超大体积的至少一部分延伸超出至少所述第一机器人的附件的对应外围尺寸以包含物理耦合到所述第一机器人的附件的一个或更多个线缆；以及对于被确定为完全位于所述超大体积的三维表示内的任何物理对象，在所述三维操作环境的数字表示中设置一个或更多个占据值以将与相应物理对象对应的体积表示为未被占据，从而提供所述三维操作环境的经过滤的表示，在所述经过滤的表示中，包含至少所述第一机器人的机器人附件和至少一个线缆的超大体积未被指示为障碍物。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器还：使用所述三维操作环境的经过滤的表示来执行所述第一机器人的运动规划。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器还：生成所述超大体积的三维表示，所述超大体积包含至少所述第一机器人的附件，所述超大体积的至少一部分延伸超出所述第一机器人的附件的对应外围尺寸以包含物理耦合到所述第一机器人的附件的一个或更多个线缆。4.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：修改所述第一机器人的附件的三维表示，以至少在所述附件上的一个位置处增加所述附件的至少一个尺寸。5.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：修改所述第一机器人的附件的三维表示以沿着所述附件的一部分增加所述附件的至少一个尺寸，所述至少一个线缆沿着所述附件的所述一部分延伸。6.根据权利要求5所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：不增加所述至少一个线缆未沿着其延伸的所述附件的任何部分在所述第一机器人的附件的三维表示中的任何尺寸。7.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：至少部分地基于在考虑到重力的情况下所述至少一个线缆相对于所述第一机器人的附件的至少一部分的位置来生成超大体积的三维表示。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：至少部分地基于在考虑到重力的情况下所述第一机器人的附件的至少一部分的取向和至少一个线缆的松弛量来生成超大体积的三维表示。9.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：基于所述第一机器人的附件的尺寸集合以及基于边界缓冲规范集合来生成边界框表示。10.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：至少部分地基于所述第一机器人的当前关节位置集合来生成超大体积的三维表示。11.根据权利要求3所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：生成包含所述第一机器人的基座、所述第一机器人的至少两个附件、所述第一机器人的末端执行器以及被耦合以随附件中的一个或更多个移动的至少两个线缆的超大体积的三维表示。12.根据权利要求3至11中任一项所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：至少部分地基于所述至少一个线缆的几何形状来生成超大体积的三维表示。13.根据权利要求12所述的系统，其中，为了生成超大体积的三维表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：至少部分地基于所述第一机器人的附件的至少一部分的速度来生成超大体积的三维表示。14.根据权利要求1所述的系统，还包括：至少一个传感器，其在操作中捕获所述三维操作环境的一个或更多个物理特性。15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器还：根据所捕获的由所述至少一个传感器感测的所述三维操作环境的一个或更多个物理特性来生成所述三维操作环境的数字表示。16.根据权利要求14所述的系统，其中，为了生成所述三维操作环境的数字表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：生成点云、体素网格、表面图、格网、占据网格、k叉树、欧几里得距离场表示、分层数据结构或非分层数据结构中的至少一个。17.根据权利要求14所述的系统，其中，为了生成所述三维操作环境的数字表示，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：将所述三维操作环境表示为多个体素，其中，每个体素包括至少一个相应的占据值，所述至少一个相应的占据值将所述三维操作环境的占据状况表示为被占据或未被占据中的至少一个。18.根据权利要求1所述的系统，其中，为了在所述三维操作环境的数字表示中识别表
示位于所述三维操作环境中的一个或更多个物理对象的一个或更多个元素，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：在所述三维操作环境的数字表示中识别一组或更多组体素，所述一组或更多组体素是连续的并且各自具有表示被占据的占据状况的相应占据值。19.根据权利要求18所述的系统，其中，为了确定所述三维操作环境的数字表示中表示的物理对象中的哪些物理对象——如果有的话——完全位于超大体积的三维表示内，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：对于已经被识别为表示物理对象的所述三维操作环境的数字表示中的所述一组或更多组体素中的每一组体素，判断该组体素是否跨越所述超大体积的三维表示的边界。20.根据权利要求18所述的系统，其中，为了在所述三维操作环境的数字表示中设置一个或更多个占据值以将与相应物理对象对应的体积表示为未被占据，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：对于所述三维操作环境的数字表示中的、与所述三维操作环境的数字表示中所表示的完全位于所述超大体积的三维表示内的对象中的任一对象对应的每个体素，将相应体素的相应占据值设置为表示未被占据。21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：在预运行时间段期间，重复地移动至少所述第一机器人的具有至少一个线缆的一部分；捕获表示在所述第一机器人的所述一部分的每次移动期间由所述至少一个线缆占据的体积的数据；以及生成至少所述至少一个线缆的数字模型。22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：确定所述三维操作环境的数字表示中表示的物理对象中的哪些物理对象——如果有的话——完全位于超大体积的三维表示内，所述超大体积包含至少第二机器人的附件，所述超大体积的至少一部分延伸超出至少所述第二机器人的附件的对应外围尺寸以包含物理耦合到所述第二机器人的附件的一个或更多个线缆；以及对于被确定为完全位于所述超大体积的三维表示内的物理对象中的任一个，在所述三维操作环境的数字表示中设置一个或更多个占据值以将与相应物理对象对应的体积表示为未被占据，从而提供所述三维操作环境的经过滤的表示，在所述经过滤的表示中，包含至少所述第二机器人的机器人附...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿卡什，
申请(专利权)人：实时机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：