动态运动规划系统技术方案

一种用于工业机器人的动态碰撞避免运动规划的方法和系统。障碍物避开运动优化例程接收规划的路径和障碍物检测数据作为输入，并且计算避开任何检测到的障碍物的命令的机器人路径。机器人控制器使用遵循工具中心点路径的机器人关节运动来命令机器人运动。规划和优化计算在与控制器反馈回路解耦的反馈回路中执行，控制器反馈回路基于实际机器人位置计算机器人命令。两个反馈回路实时执行规划、命令和控制计算，包括响应可能存在于机器人工作空间中的动态障碍物。优化计算包括安全函数，其有效地并入障碍物相对于机器人的相对位置和相对速度。对速度。对速度。

【技术实现步骤摘要】
动态运动规划系统


[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，涉及用于在存在动态障碍物的情况下进行机器人运动规划的方法和系统，其中障碍物避开运动优化计算与机器人反馈运动控制器解耦，并且其中运动优化计算包括障碍物避开约束，其有效地并入障碍物相对于机器人的相对位置和相对速度两者。

技术介绍

[0002]使用工业机器人来执行各种各样的制造、组装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，障碍物存在并且可能在机器人运动的路径中。障碍物可以是永久性结构，例如机器和固定装置，由于它们的静态性质，机器人可以容易地避开这些永久性结构。障碍物还可以是随机地移动进入或通过机器人工作空间的动态对象。动态对象必须由机器人控制器在实时计算中考虑，其中机器人必须在执行操作的同时围绕对象操纵。必须绝对避免机器人和任何障碍物之间的碰撞。
[0003]用于动态碰撞避免运动规划的现有技术包括在机器人控制器运动规划器和物理机器人系统之间的碰撞避免安全函数计算。在这种计算布置中，机器人的实际运动以及障碍物的检测和避开都包含在单个闭环反馈系统中。尽管这种布置在逻辑上有意义，但是实际上，由于输入和反馈回路的高度耦合且通常冲突的性质，系统表现出反馈延迟。
[0004]此外，现有的动态运动规划系统使用复杂的安全函数公式来避免碰撞。这些系统表现出各种缺点，包括数值不稳定性问题、对静态障碍物的不灵敏性、导致运动规划计算缓慢的计算复杂性、以及在机器人
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障碍物碰撞避免计算中不能考虑除臂端工具之外的机器人部件(即，机器人臂)。
[0005]鉴于上述情况，需要一种用于工业机器人的改进的动态运动规划系统，其高效且有效地并入静态和移动障碍物的碰撞避免。

技术实现思路

[0006]根据本公开的教导，描述并示出了用于工业机器人的动态碰撞避免运动规划的方法和系统。障碍物避开运动优化例程接收规划的路径和障碍物检测数据作为输入，并且计算避开任何检测到的障碍物的命令机器人路径。机器人控制器使用遵循工具中心点路径的机器人关节运动来命令机器人运动。规划和优化计算在与控制器反馈回路解耦的反馈回路中执行，控制器反馈回路基于实际机器人位置计算机器人命令。两个反馈环实时执行规划、命令和控制计算，包括响应可能存在于机器人工作空间中的动态障碍物。优化计算包括安全函数，其有效地并入障碍物相对于机器人的相对位置和相对速度。
[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额外特征将变得显而易见。
附图说明
[0008]图1是如本领域已知的在机器人控制器运动计算和物理机器人之间并入了碰撞避免安全过滤器的闭环动态运动规划系统的框图图示；
[0009]图2是根据本公开的实施例的动态运动规划系统的框图图示，该动态运动规划系统包括与机器人反馈控制回路解耦的碰撞避免运动规划回路；
[0010]图3A和3B是根据本公开的实施例的两个不同的机器人
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障碍物运动场景和针对每个场景的所得安全函数公式的图示；
[0011]图4是根据本公开的实施例的用于动态机器人运动规划的方法的流程图；
[0012]图5是根据本公开的实施例的在机器人工作空间中不存在障碍物的情况下以及在障碍物移动通过工作空间的情况下在三维空间中的机器人工具中心点路径的曲线图；以及
[0013]图6是根据本公开的实施例的三维空间中的多个机器人工具中心点路径的图，其中每个路径表示不同的机器人速度，并且机器人被配置为避开工作空间中的静态障碍物。
具体实施方式
[0014]以下针对动态运动规划系统的本公开的实施例的讨论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。
[0015]使用工业机器人进行各种制造、组装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，障碍物可能存在，并且有时可能在机器人运动的路径中。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或接近障碍物的一些部分。障碍物可以是静态结构，例如机器、固定装置和桌子，或者障碍物可以是动态(移动)对象，例如人、叉车和其它机器。
[0016]在本领域中已经开发了用于计算机器人运动的技术，使得工具遵循到达目的地位置的路径，同时避免机器人与任何障碍物的碰撞。然而，这些系统表现出各种缺点，包括数值不稳定性问题、对静态障碍物的不灵敏性、导致运动规划计算缓慢的计算复杂性以及在机器人
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障碍物碰撞避免计算中不能考虑除臂端工具之外的机器人部件(即，机器人臂)。
[0017]图1是如本领域中已知的在机器人控制器运动计算和物理机器人之间并入了碰撞避免安全过滤器的闭环动态运动规划系统的框图图示。机器人控制器110以本领域已知的方式基于输入的目标(目的地)位置计算机器人运动命令。运动命令被指定为u
des
(X),其中u
des
是定义“设计”机器人运动的笛卡尔空间中的工具中心点加速度向量。控制器110不是将运动命令直接提供给机器人，而是将运动命令提供给安全过滤器模块120。
[0018]安全过滤器模块120还接收从感知模块130输入的障碍物数据。感知模块130包括一个或多个相机或传感器，其被配置为提供关于可能存在于机器人工作空间中的障碍物的数据。障碍物数据通常包括最小机器人
‑
障碍物距离，并且还可包括关于任何障碍物的位置(包括空间形状)和速度的其他数据。基于障碍物数据，安全过滤器模块120计算修改的运动命令u
mod
并且将修改的运动命令提供给机器人系统140。如果机器人工作空间中不存在障碍物，则修改的运动命令u
mod
将与设计运动命令u
des
相同。
[0019]机器人系统140包括机器人，其通过物理移动来响应修改的运动命令u
mod
。实际机器人状态向量X表示在笛卡尔空间或关节空间中的当前控制周期时间步处的机器人位置和速度。实际机器人状态向量X在反馈回路150上被提供给控制器110和安全过滤器模块120，
其中它被分别用于针对下一个控制周期时间步的设计运动命令u
des
和修改的运动命令u
mod
的新值的反馈控制计算。
[0020]图1所示的现有技术系统的反馈控制布置在逻辑上是有意义的，因为控制器110计算理想运动命令，并且安全滤波器120基于障碍物数据在必要时修改理想运动，并且这两个计算都包括实际机器人系统状态的反馈。然而，实际上，由于输入和反馈回路的高度耦合且经常冲突的性质，系统呈现反馈延迟。另外，图1中所描绘的类型的现有动态运动规划系统经常在安全过滤器模块120中使用复杂的安全函数公式。这些安全函数公式加剧了慢动作规划计算的问题，并且导致如前所述的其他问题。
[0021]本公开的动态运动规划系统通过将运动规划和障碍物避开计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于工业机器人的动态运动规划系统，所述系统包括：感知模块，其包括配置为检测所述机器人的工作空间中的障碍物的至少一个传感器或相机；规划模块，其在具有处理器和存储器的第一计算装置上执行，所述规划模块配置为基于附接到所述机器人的工具上的工具中心点的目标位置来计算设计机器人运动；运动优化模块，其在所述第一计算装置上执行且从所述感知模块接收障碍物数据，所述运动优化模块配置为基于所述设计机器人运动和所述障碍物数据计算命令的机器人运动，其中所述命令的机器人运动作为反馈被提供到所述规划模块以用于计算下一控制周期的所述设计机器人运动；以及机器人控制模块，其在所述第一计算装置或第二计算装置上执行，所述机器人控制模块基于所述命令的机器人运动来计算机器人控制命令，将所述机器人控制命令提供给所述机器人，以及从所述机器人接收实际机器人状态数据作为反馈。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一计算装置是机器人控制器，所述机器人控制器执行所述规划模块、所述运动优化模块和所述机器人控制模块中的全部，并且向所述机器人提供所述机器人控制命令。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一计算装置执行所述规划模块和所述运动优化模块，并且所述第二计算装置是与所述第一计算装置通信的机器人控制器，其中，所述机器人控制器执行所述机器人控制模块并且向所述机器人提供所述机器人控制命令。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述命令的机器人运动根据需要偏离所述设计机器人运动，以在所述机器人与存在于所述障碍物数据中的任何障碍物之间提供间隙空间。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动优化模块使用具有目标函数和一个或多个不等式约束的迭代优化计算来计算所述命令的机器人运动。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述目标函数使与所述设计机器人运动的偏差最小化，并且所述不等式约束包括将机器人关节位置保持在预定义的关节位置范围内、将机器人关节速度保持在预定义的关节速度极限以下以及将机器人关节加速度保持在预定义的关节加速度极限以下。7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述不等式约束包括从安全函数计算的安全约束，其中，所述安全函数是基于机器人
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障碍物最小距离和机器人
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障碍物相对速度来确定的。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述安全约束是所述安全函数的变化率必须大于或等于所述安全函数的负数乘以一系数。9.根据权利要求7所述的系统，其中，当所述机器人
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障碍物相对速度大于零时，所述安全函数等于所述机器人
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障碍物最小距离，并且当所述机器人
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障碍物相对速度小于或等于零时，所述安全函数等于所述机器人
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障碍物最小距离减去附加的安全余量距离，所述附加的安全余量距离是所述机器人
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障碍物相对速度的函数。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述设计机器人运动是笛卡尔空间中的工具中心点加速度，并且所述命令的机器人运动包括所述机器人中的所有关节的机器人关节旋转加速度。11.一种用于工业机器人的动态运动规划系统，所述系统在一个或多个计算装置上执
行并且包括：规划模块，其配置为基于机器人工具中心点的目标位置来计算设计机器人运动；运动优化模块，其配置为基于所述设计机器人运动和从...

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