机器人系统动态速度修改的方法技术方案

一种用于机器人运动规划的方法和系统，其执行动态速度衰减以避免机器人与静态或动态对象碰撞。该技术通过向跟踪控制器提供计算的减速比率的反馈使得路径计算总是与当前机器人速度同步，即使在需要减速时也保持规划的机器人工具路径。该技术使用机器人

【技术实现步骤摘要】
机器人系统动态速度修改的方法


[0001]本公开一般涉及工业机器人运动规划领域，并且更具体地涉及用于机器人运动规划的方法和系统，其执行动态速度衰减以避免与静态或动态对象碰撞，同时即使在需要减速时也维持规划的工具路径。

技术介绍

[0002]使用工业机器人来执行各种各样的制造、装配和材料移动操作是众所周知的。在许多机器人工作空间环境中，障碍物存在并且有时可能存在在机器人的运动的路径中。障碍物可以是永久对象，诸如建筑物结构和固定装置，由于对象的静态性质，机器人能够利用预先规划的运动来容易地避开这些永久对象。障碍物还可以是动态对象，其有时随机地移动进入或通过机器人工作空间。动态对象必须由运动规划系统在实时计算中考虑，其中机器人必须调整其运动以在执行操作时避开对象。必须绝对避免机器人的任何部分和任何障碍物之间的碰撞。
[0003]已经开发了各种技术来检测机器人的工作空间中的对象，并且如果需要的话调整机器人运动以避免机器人与对象的碰撞或近似碰撞。一种这样的现有技术简单地当在阈值距离内检测到对象时停止机器人。然而，在大多数应用中，在工作空间存在障碍物的情况下停止机器人不是令人满意的解决方案。另一种通常与工业机器人一起使用的技术是定义“安全区域”，在该安全区域中人类操作员或其他动态对象可以安全地存在，因为机器人被预编程以禁止机器人移动到安全区域中。安全区域是有效的，但是需要额外的预编程努力，并且通常对机器人运动过度限制—包括消耗比必要的工作空间体积更多的几何形状的禁止区域，以及即使在禁止安全区域未被障碍物占据时也强制执行禁止安全区域。
[0004]用于机器人碰撞避免运动规划的另一技术基于检测到的对象实时调整机器人的速度。该技术基于机器人
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障碍物距离、最大障碍物速度和作为关节速度的函数的计算的停止时间来确定适当的机器人关节速度限制。然而，该技术允许跟踪控制计算与命令的机器人运动不同步，使得机器人工具能够偏离编程的路径
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特别是当编程的路径是弯曲的时，并且存在维持安全的机器人
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障碍物距离所需的大量减速。
[0005]鉴于上述情况，需要一种改进的用于机器人的动态运动规划技术，其在必要时降低机器人速度以避开障碍物，同时忠实地遵循编程的机器人工具路径。

技术实现思路

[0006]根据本公开的教导，提供了一种用于机器人运动规划的方法和系统，其执行动态速度衰减以避免机器人与静态或动态对象的碰撞。该技术通过向跟踪控制器提供计算的减速比率的反馈使得路径计算总是与当前机器人速度同步，即使在需要减速时也保持规划的机器人工具路径。该技术使用机器人
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障碍物距离和相对速度两者来确定何时应用速度衰减，并且基于机器人
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障碍物距离、最大障碍物速度和作为关节速度的函数的计算的停止时间来计算关节速度限制向量。公开了两种不同的控制结构实现，这两种实现都向运动规划
器提供减速比率的反馈以在需要时进行忠实路径遵循。还提供了一种在多机器人系统中建立速度衰减优先级的方法。
[0007]结合附图，根据以下描述和所附权利要求，当前公开的系统和方法的附加特征将变得显而易见。
附图说明
[0008]图1是示出如何以本领域已知的方式根据机器人关节速度以及最大关节加速度和加加速度约束来计算机器人停止时间的曲线图；
[0009]图2是本领域已知的动态运动优化技术的框图图示，其中在存在工作空间障碍物的情况下机器人速度可以被降低；
[0010]图3是在图2的现有技术中当速度降低时命令的工具路径位置如何能够偏离规划的参考路径的图示；
[0011]图4是根据本公开的实施例的动态运动优化系统的框图图示，其中机器人速度可以在存在工作空间障碍物的情况下被降低，并且减速因子作为反馈从在线速度修改(OVM)模块被提供给跟踪控制器；
[0012]图5是根据本公开的实施例的在图4的系统中如何将由内插点的序列组成的规划参考路径参数化到由弧长s限定的连续路径中的图示；
[0013]图6是根据本公开的实施例的具有相交路径的双机器人系统的图示，其中仿真结果示出当图4的在线速度修改技术在多个机器人的一个中实现时如何防止碰撞；
[0014]图7是根据本公开的实施例的在线速度修改控制结构的第一实现架构的框图图示；
[0015]图8是根据本公开的实施例的在线速度修改控制结构的第二实现架构的框图图示；
[0016]图9是根据本公开的实施例的用于基于机器人
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障碍物距离和相对速度触发在线速度修改计算的方法的流程图；
[0017]图10是根据本公开的实施例的用于建立在多机器人系统中的每个机器人的优先级并且基于所述优先级执行在线速度修改计算的方法的流程图；
[0018]图11是根据本公开的实施例的具有交叉路径的双机器人系统的图示，其中仿真结果示出了图10的OVM优先级逻辑如何影响第一运动场景；
[0019]图12是根据本公开的实施例的图11的双机器人系统的图示，其中仿真结果示出了图10的OVM优先级逻辑如何影响第二运动场景；
[0020]图13是根据本公开的实施例的叠加在参考路径上的实际工具中心点路径的图，描绘了即使在急弯中以及当机器人速度被降低以避开障碍物时实际工具中心点路径如何遵循参考路径；以及
[0021]图14是根据本公开实施例的标绘机器人
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障碍物距离和相对速度相对于时间并且还示出所得的OVM速度超控百分比或减速比率的图集。
具体实施方式
[0022]以下对本公开的实施例的讨论涉及用于机器人系统动态速度修改的方法和系统，
其本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制所公开的设备和技术或它们的应用或使用。
[0023]众所周知，使用工业机器人进行各种制造、装配和材料移动操作。这些操作包括喷漆、焊接、零件拾取和放置任务以及许多其它操作。在许多机器人工作空间环境中，障碍物可能存在，并且有时可能在机器人的运动的路径上。即，在没有自适应运动规划的情况下，当机器人从其当前位置移动到目的地位置时，机器人的一些部分可能与障碍物的一些部分碰撞。障碍物可以是静态结构，例如固定装置和桌子，或者障碍物可以是动态(移动)对象，例如人、叉车、其它机器人和其它机器。当动态对象可能存在时，必须针对每个控制循环实时规划机器人的运动。
[0024]在一些机器人应用中，机器人的路径能够被调整以在障碍物周围移动。然而，在许多应用中，机器人(工具中心)必须沿着规划的参考路径移动以便适当地完成任务。在这些限定路径的应用中，当障碍物阻碍机器人的路径时的唯一求助是减慢或停止机器人。已经开发了用于响应于障碍物的存在而修改机器人的速度的技术。然而，这些技术遭受各种缺点，包括在障碍物存在的情况下过于频繁地停止机器人，以及当机器人的速度降低时偏离规划的参考路径。
[0025]本公开提供了方法和系统，其适应性地响应于机器人工作空间中障碍物的存在，仅在必要时减慢机器人以允本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于自适应机器人速度修改的方法，所述方法在一个或多个计算设备上执行并且包括：提供机器人参考路径，所述机器人参考路径定义了对于要由机器人执行的任务的机器人移动；提供障碍物数据，所述障碍物数据表征机器人工作空间中的多个障碍物；当被所述障碍物数据指示时执行机器人速度修改计算，其包括：确定所述机器人中的每个关节的关节速度限制，以及将机器人减速比率计算为每个关节的速度限制除以最大速度的在所有关节中的最小值；使用所述机器人减速比率和期望的机器人运动来计算命令的机器人运动；使用所述机器人减速比率来计算沿着所述机器人参考路径的新位置，并且使用沿着所述机器人参考路径的所述新位置来计算用于下一机器人控制循环的所述期望的机器人运动；以及将所述命令的机器人运动提供给控制所述机器人的运动的控制器模块。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的机器人运动和所述命令的机器人运动是包括在机器人关节坐标中多个关节的每个关节的值的向量，并且所述机器人参考路径是在笛卡尔空间中定义的工具中心点路径或在关节空间中定义的机器人运动。3.根据权利要求1所述的方法，其中，当被所述障碍物数据指示时执行机器人速度修改计算包括：仅当机器人
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障碍物最小距离小于预定阈值且同时机器人
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障碍物相对速度小于零时执行所述机器人速度修改计算。4.根据权利要求1所述的方法，其中，执行机器人速度修改计算包括执行优化计算，所述优化计算具有目标函数和不等式约束，所述目标函数最小化计算的机器人运动与所述期望的机器人运动的偏差，所述不等式约束规定计算的关节速度的大小小于或等于所述机器人中的每个关节的关节速度限制。5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用包括机器人停止时间以及机器人关节速度、加速度和加加速度的预定最大值的方程来计算所述机器人中的每个关节的所述关节速度限制，并且每个关节的所述关节速度限制被定义为具有最小值零。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述机器人停止时间被计算为所述障碍物数据和机器人性能数据的函数。7.根据权利要求1所述的方法，其中，提供障碍物数据包括通过感知系统提供所述障碍物数据，所述感知系统包括配置为检测所述工作空间中的任何障碍物的一个或多个相机或传感器。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述用于自适应机器人速度修改的方法由在所述机器人工作空间中具有重叠的运动包络的两个或更多个机器人使用，其中，每个机器人的控制器将其状态数据传送到所有其他机器人控制器以用作所述障碍物数据，并且其中，所述两个或更多个机器人中的每个机器人在每个机器人控制循环被分配用于其速度修改计算的优先级顺序。9.根据权利要求8所述的方法，其中，基于所述两个或更多个机器人中的每个机器人与路径重叠区域的距离来分配所述优先级顺序，其中，到所述重叠区域的较小距离对应于较高优先级，或者基于所述两个或更多个机器人的加速/减速能力来分配所述优先级顺序，或
者基于用户定义的偏好来分配所述优先级顺序。10.根据权利要求8所述的方法，其中，以从最高优先级机器人开始的递减优先级顺序，依次为所述两个或更多个机器人中的每个机器人执行所述机器人速度修改计算，并且其中，每个机器人的机器人减速比率的值被限定为小于或等于紧接较高优先级机器人的机器人减速比率的值。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人速度修改计算由计算机中的处理器执行，其中所述机器人减速比率作为反馈被提供给在所述计算机上运行的跟踪模块，所述跟踪模块计算用于所述下一机器人控制循环的所述期望的机器人运动，并且所述命令的机器人运动从所述计算机提供给机器人控制器，所述机器人控制器执行所述机器人的所述运动的闭环反馈控制。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人速度修改计算由机器人控制器中的处理器执行，其中所述机器人减速比率被提供被在所述机器人控制器上运行的运动系统，其中所述运动系统使用所述机器人减速比率计算用于所述下一机器人控制循环的所述期望的机器人运动，并且所述运动系统使用所述机器人减速比率和所述期望的机器人运动来计算所述命令的机器人运动，并且将所述命令的机器人运动提供给所述机器人控制器的伺服控制模块，所述伺服控制模块执行所述机器人的所述运动的闭环反馈控制。13.一种用于自适应机器人速度修改的方法，所述方法在一个或多个计算设备上执行并且包括：提供机器人参考路径，所述机器人参考路径定义了对于要由机器人执行的任务的机器人移动；提供障碍物数据，所述障碍物数据表征机器人工作空间中的多个障碍物；当被所述障碍物数据指示时执行机器人速度修改计算，其包括：确定所述机器人中的每个关节的关节速度限制，以及将机器人减速比率计算为每个关节的速度限制除以最大速度的在所有关节中的最小值，其中所述机器人速度修改计算包括优化计算，所述优化计算具有目标函数和不等式约束，所述目标函数最小化计算的机器人运动与期望的机器人运动的偏差，所述不等式约束规定计算的关节速度的大小小于或等于所述机器人中的每个关节的关节速度限制，并且使用包括机器人停止时间以及机器人关节速度、加速度和加加速度的预定最大值的方程来计...

【专利技术属性】
技术研发人员：林显仲，加藤哲朗，
申请(专利权)人：发那科株式会社，
类型：发明
国别省市：