專利名稱：用于規(guī)劃和/或控制機(jī)器人應(yīng)用的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃和/或控制 的方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人的工作過程部分是基于過程模型和/或機(jī)器人模型離 線地進(jìn)行規(guī)劃，并在運(yùn)行中基于諸如調(diào)節(jié)器系數(shù)和經(jīng)校正的模型參數(shù)的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行 控制。迄今為止，對(duì)這樣的系統(tǒng)參數(shù)和過程參數(shù)是分開管理的，例如，一部分在路徑規(guī)劃系 統(tǒng)中，一部分在全系統(tǒng)控制器中，還有一部分是在各個(gè)機(jī)器人控制器中。這使得對(duì)機(jī)器人應(yīng) 用的規(guī)劃和/或控制變得困難，特別是使對(duì)其的優(yōu)化和對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人的替換和去除以及添 加諸如其它機(jī)器人工具、其它機(jī)器人等新的應(yīng)用組件變得困難。專利文獻(xiàn)WO 0025185 Al提出一種分層的知識(shí)庫，用以將工件樣本與過程樣本、也 就是所謂的模板相關(guān)聯(lián)。專利文獻(xiàn)DE 10206903 Al提出一種樹結(jié)構(gòu)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(英 語“Manufacturing Execution System”，MES)，在該系統(tǒng)中，將傳感器對(duì)象、執(zhí)行器對(duì)象和 SPS對(duì)象彼此相關(guān)聯(lián)。但是采用圖結(jié)構(gòu)管理機(jī)器人應(yīng)用的系統(tǒng)參數(shù)和過程參數(shù)并非源于該 面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的規(guī)劃和/ 或控制。本發(fā)明的目的通過一種基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃和/ 或控制的方法得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還提出了一種基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用 進(jìn)行規(guī)劃和/或控制的裝置和一種計(jì)算機(jī)程序或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，特別是一種數(shù)據(jù)載體或 存儲(chǔ)介質(zhì)，用以執(zhí)行本發(fā)明所提出的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法或裝置用以在系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人應(yīng) 用進(jìn)行規(guī)劃和/或控制。在此，在本發(fā)明意義下的機(jī)器人應(yīng)用特別是包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人、優(yōu)選是工業(yè) 機(jī)器人的組成和/工作過程。對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的規(guī)劃相應(yīng)地可以特別包括一方面是對(duì)至少 一個(gè)機(jī)器人、機(jī)器人操作的工具和/或機(jī)器人控制裝置的選擇、確定大小、配置和/或參數(shù) 化；另一方面是過程規(guī)劃、特別是軌跡規(guī)劃并優(yōu)選對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的控制可以 相應(yīng)地特別是包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人以及其他諸如機(jī)器人操作的工具、傳輸裝置等應(yīng)用 組件的工作流程、特別是運(yùn)動(dòng)流程的控制。在此，為了更緊湊地顯示，也將調(diào)整(Regelung)、 也就是在反饋傳感器值的情況下向執(zhí)行器的調(diào)整參數(shù)的輸出稱為本發(fā)明意義下的控制。對(duì)于應(yīng)用基于所存儲(chǔ)的系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)來規(guī)劃或控制。這些參數(shù)特別是 可以包括應(yīng)用組件的、尤其是機(jī)器人或機(jī)器人組件的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型或動(dòng)態(tài)模型的模型參數(shù)， 例如質(zhì)量(η)、重心位置(η)、慣性力矩(e)、剛度(en)、衰減(en)、摩擦系數(shù)(en)、幾何尺寸(η)(如軸位置(η)和一個(gè)或多個(gè)軸距)、傳動(dòng)比(en)、控制參數(shù)(例如調(diào)節(jié)器系數(shù))和/或 諸如工件參數(shù)、接觸剛度(en)、材料粘度(en)等環(huán)境參數(shù)和過程參數(shù)。例如，可以基于動(dòng)態(tài) 模型的參數(shù)對(duì)因彈性變形或溫度引起的變形而引起的機(jī)器人TCP的位置和/或方向的偏離 進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)這樣的參數(shù)、優(yōu)選對(duì)所有在規(guī)劃或控制時(shí)考慮的應(yīng)用的參數(shù)，利用 圖結(jié)構(gòu)(Graphenstruktur)、優(yōu)選利用中央圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，特別是進(jìn)行存儲(chǔ)。在此，在本發(fā)明的意義下，圖結(jié)構(gòu)特別是包括一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)被分別賦 予一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，并且在這些節(jié)點(diǎn)之間存在單射、滿射和雙射關(guān)系，這些關(guān)系在圖論中也 稱為線或邊。圖結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為有方向或沒有方向的、有多條邊或沒有多條邊以及多重圖 或超圖，并優(yōu)選具有樹結(jié)構(gòu)，在樹結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都恰好對(duì)應(yīng)一個(gè)前輩(VorgSnger)。優(yōu)選在中央圖結(jié)構(gòu)中對(duì)參數(shù)進(jìn)行管理，這使得可以對(duì)參數(shù)值進(jìn)行更有效地存儲(chǔ)和 訪問，以例如在(再)校準(zhǔn)、參數(shù)識(shí)別或優(yōu)化時(shí)對(duì)這些參數(shù)值賦值。此外，還可以保證應(yīng)用 的參數(shù)的一致性。特別是可以針對(duì)各個(gè)具體應(yīng)用或應(yīng)用組件來個(gè)性化地調(diào)整參數(shù)值。因此，可以例 如在更換組件后進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)的機(jī)器人當(dāng)中，對(duì)所更換組件的參數(shù)有目的地進(jìn)行識(shí)別和/ 或更新。還可以針對(duì)應(yīng)用或應(yīng)用組件來個(gè)性化地調(diào)整圖結(jié)構(gòu)。因此，例如可以針對(duì)應(yīng)用的 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和/或傳感技術(shù)來調(diào)整圖結(jié)構(gòu)。然后，可以借助圖結(jié)構(gòu)由這些參數(shù)連續(xù)地、例如動(dòng)態(tài)地建立諸如機(jī)器人模型或過 程模型這樣的應(yīng)用或應(yīng)用組件的模型。這可以確保始終利用當(dāng)前的參數(shù)值進(jìn)行規(guī)劃或調(diào) 整。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)參數(shù)進(jìn)行叢(geclustert)管理。在這里，可以將兩 個(gè)或更多的參數(shù)(例如只能共同識(shí)別或只在其整體效果中識(shí)別的參數(shù))組合成一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 這有利地減少了圖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并更好地描述了物理接口。優(yōu)選從存儲(chǔ)的參數(shù)或設(shè)置在圖結(jié)構(gòu)中的參數(shù)中選擇用于規(guī)劃和/或控制應(yīng)用的 各相關(guān)參數(shù)。例如，可以在驅(qū)動(dòng)器中設(shè)置用于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)(Momentenripple)補(bǔ)償或齒槽 (Cogging)補(bǔ)償?shù)膮?shù)，但這些僅適用于早期的緩慢的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。因此，為了規(guī)劃和控制 快速的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，就有目的地不選擇這些不相關(guān)的參數(shù)，這又降低了圖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并 簡(jiǎn)化了優(yōu)化。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，將參數(shù)值預(yù)設(shè)為標(biāo)稱值。這使得可以在無需首先確定 和存儲(chǔ)這些參數(shù)的個(gè)別值的情況下進(jìn)行規(guī)劃和控制。同樣，例如可以通過預(yù)先給定零標(biāo)稱 值而將相應(yīng)的參數(shù)作為非相關(guān)參數(shù)不再選擇。附加地或替代地，參數(shù)值可以特別是可選擇的、可變的，以便能夠例如將它們與機(jī) 器人個(gè)別地相匹配。這種可變性是可選的，特別可以是特定于授權(quán)或特定于用戶的。因 此，例如可以設(shè)定只有制造商的服務(wù)人員才允許改變與安全相關(guān)的參數(shù)，例如涉及到緊急 情況的參數(shù)；運(yùn)營商的有資質(zhì)的調(diào)試人員可以重新配置調(diào)整參數(shù)和預(yù)先給定附加軸參數(shù) (Zusatzachsparameter)，而普通操作人員例如可以記錄工具參數(shù)。附加地或替代地，可以 對(duì)可變參數(shù)預(yù)先給出允許的(邊界)值或值域。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，特別是為了能夠跟蹤客戶問題，而且也為了能夠簡(jiǎn)單地恢復(fù)先前的或原始的配置，在變化之前應(yīng)對(duì)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)值進(jìn)行保護(hù)。這例如可以通 過在變化之前將可變參數(shù)的值存儲(chǔ)到圖結(jié)構(gòu)及其參數(shù)值的副本中、例如存儲(chǔ)到機(jī)器人控 制器或單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理裝置中來實(shí)現(xiàn)。同樣，反之亦然，可以基于更新的、原始圖結(jié)構(gòu)及其 參數(shù)值的副本進(jìn)行規(guī)劃或控制，在此，該副本具有已改變的參數(shù)值，并因此具有當(dāng)前的系統(tǒng) 狀態(tài)。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，當(dāng)對(duì)應(yīng)用組件進(jìn)行替換、修改、添加和/或去除時(shí)，自 動(dòng)地對(duì)對(duì)應(yīng)的參數(shù)或參數(shù)值進(jìn)行匹配。優(yōu)選為應(yīng)用組件、例如另一機(jī)器人工具提供特定于 組件的、包含各參數(shù)值的數(shù)據(jù)組。優(yōu)選將對(duì)應(yīng)的參數(shù)值存儲(chǔ)在組件本身，并在其與整個(gè)系統(tǒng) 連接時(shí)，例如在將工具連接到機(jī)器人上時(shí)，以即插即用技術(shù)來將參數(shù)值傳輸?shù)綀D結(jié)構(gòu)中。


在以下的描述中給出了本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征。為此，部分示意性地示出了 圖1 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有控制器的機(jī)器人；圖2 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在圖1所示的控制器中的圖結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的六軸曲臂機(jī)器人1，其具有與其連接的機(jī) 器人控制器2。機(jī)器人1的驅(qū)動(dòng)器Al到A6以及夾具W的驅(qū)動(dòng)器A7通過填為黑色的矩形表 示，并以箭頭表示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可能性。機(jī)器人1具有基座B、轉(zhuǎn)盤(Karussell)K、搖臂S、手臂Ar和腕Sl(Zentralhand)。在控制器2中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型，動(dòng)態(tài)模型例如能夠?qū)C(jī)器人的剛體運(yùn)動(dòng)和/或彈 性運(yùn)動(dòng)以及作用于機(jī)器人上的驅(qū)動(dòng)力矩彼此映射，并由此能夠?qū)崿F(xiàn)基于模型的調(diào)整或者 軌跡優(yōu)化。該模型包括系統(tǒng)參數(shù)，特別是電流-轉(zhuǎn)矩?fù)Q算因子或電壓-轉(zhuǎn)矩?fù)Q算因子
Ml,......，M7 ；七個(gè)驅(qū)動(dòng)器Al，......，A7的傳動(dòng)摩擦系數(shù)和傳動(dòng)比Gl，......，G7 ；基座、
轉(zhuǎn)盤、搖臂、包括手臂Ar和腕Sl的機(jī)械手以及工具B1、K1、S1、H1及Wl的幾何慣性值和剛 度值；機(jī)器人控制器的調(diào)整參數(shù)Rl和力傳感器(未示出)的參數(shù)Si，如校準(zhǔn)系數(shù)；以及過 程參數(shù)，如用于為工具W和工件之間的聯(lián)系建模的環(huán)境剛度Ul。在控制器2中借助于圖2中所繪出的圖結(jié)構(gòu)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行集中管理。該圖結(jié) 構(gòu)與機(jī)器人應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)學(xué)相匹配，并相應(yīng)地具有樹結(jié)構(gòu)，在該樹結(jié)構(gòu)中，例如將電機(jī)參數(shù)
Ml,......，M7與連接相應(yīng)電機(jī)的傳動(dòng)裝置的參數(shù)G1，......，G7相關(guān)聯(lián)，而這些又與相應(yīng)
的機(jī)器人組件B、K、S、Ar+ZH及W的參數(shù)Bi、Kl、Sl及Hl相關(guān)聯(lián)。因此，例如將驅(qū)動(dòng)器A2 的傳動(dòng)裝置的參數(shù)G2以及通過它的相關(guān)的電機(jī)的參數(shù)M2與驅(qū)動(dòng)器A2設(shè)置在其上的轉(zhuǎn)盤 的參數(shù)Kl相關(guān)聯(lián)。舉例來說，由于例如只能測(cè)量整個(gè)驅(qū)動(dòng)器Al的摩擦阻抗，因此將驅(qū)動(dòng)器Al的電機(jī) 參數(shù)Ml和傳動(dòng)參數(shù)Gl集群為子系統(tǒng)A，如圖2中的虛線所示。該子系統(tǒng)A可以相應(yīng)地作為 圖結(jié)構(gòu)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)來管理，并因此形成物理接口。例如，如果只更換驅(qū)動(dòng)器Al的電機(jī)，則 必須相應(yīng)地重新識(shí)別整個(gè)子系統(tǒng)A的參數(shù)。所有參數(shù)M1，......，Ul都由制造商預(yù)設(shè)為標(biāo)稱值。為此，例如可以提前對(duì)機(jī)器人
進(jìn)行校準(zhǔn)或進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。由此可以為所有的參數(shù)賦予具體機(jī)器人的個(gè)性值。
不同的用戶群體可以在預(yù)先給定的界限內(nèi)部分地改變這些參數(shù)。因此，例如調(diào)試 人員可以調(diào)整PID調(diào)整器的比例增益P、積分增益I和微分增益D，其中，這些參數(shù)必須大于 0。這在圖2中用虛線雙箭頭示出。普通用戶可以按例如圖2中的虛線箭頭所示出的那樣 調(diào)整例如剛度值c，該剛度值描述了環(huán)境的接觸剛度，并且例如會(huì)在機(jī)器人的力調(diào)整的接合 中被考慮。在這兩種情況中，在將由用戶預(yù)先給定的新值P、I、D或c寫入?yún)?shù)Rl或Ul之 前，應(yīng)該例如將以前的值保護(hù)到已賦值的圖結(jié)構(gòu)的副本中，以便能夠進(jìn)行變化跟蹤和變化恢復(fù)。由在圖結(jié)構(gòu)中管理的參數(shù)可以為相應(yīng)的應(yīng)用選擇相關(guān)的參數(shù)，并例如連續(xù)地 (sukzessive)由這些參數(shù)相應(yīng)于描述運(yùn)動(dòng)學(xué)的圖結(jié)構(gòu)建立觀察模型，以估計(jì)不可觀察的狀 態(tài)變量，例如機(jī)器人組件的彈性變形。例如，為了對(duì)快速的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)建模，就要忽視那些 描述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)或齒槽的參數(shù)Ml，......，M7，例如，將其設(shè)置為零。當(dāng)機(jī)器人主要以其標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷工作時(shí)，通常針對(duì)這種情況來優(yōu)化調(diào)整參數(shù)Rl。如果 現(xiàn)在要以更小的負(fù)荷來運(yùn)行機(jī)器人，則例如可以將該負(fù)荷作為環(huán)境參數(shù)Ul預(yù)先給定。然 后，一方面可以為此在過程規(guī)劃或軌跡規(guī)劃中優(yōu)化調(diào)整參數(shù)R1。另一方面，控制器2可以 在運(yùn)行中讀取這些已改變的、在圖2所示的圖結(jié)構(gòu)中集中管理的參數(shù)，并因此優(yōu)化地控制應(yīng)用。特別可以在例如過程服務(wù)器或控制PC的計(jì)算裝置中實(shí)現(xiàn)集中管理，以減少讀取 時(shí)間和數(shù)據(jù)傳送。同樣，也可以分布式實(shí)現(xiàn)集中管理，其中，例如將計(jì)算裝置中的結(jié)構(gòu)、通過 其管理的參數(shù)本身存儲(chǔ)到一個(gè)或多個(gè)其他計(jì)算裝置中。附圖標(biāo)記列表1機(jī)器人2控制器Α，Α1，"·，Α7 驅(qū)動(dòng)器(s 參數(shù))Ml, ...，M7 電機(jī)參數(shù)Gl,…，G7傳動(dòng)裝置參數(shù)B(I)基座(參數(shù))K(I)轉(zhuǎn)盤(參數(shù))S(I)搖臂(η 參數(shù))H(I)手(參數(shù))W(I)工具(參數(shù))Ul環(huán)境參數(shù)Rl調(diào)整參數(shù)Fl力傳感器參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)(Ml，…，M7，G1，…，G7，B1，K1，S1，H1，W1，F(xiàn)1，Ul, Rl)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用(1)進(jìn)行規(guī)劃和/或控制的方法，具有如下步驟 存儲(chǔ)參數(shù)值；以及基于所存儲(chǔ)的參數(shù)值對(duì)所述應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃和/或控制， 其特征在于，利用圖結(jié)構(gòu)管理參數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)參數(shù)進(jìn)行集中管理和/或叢管理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，針對(duì)應(yīng)用或應(yīng)用組件個(gè)性化地調(diào)整所述 參數(shù)和/或圖結(jié)構(gòu)。
4.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，選擇相關(guān)參數(shù)，用于對(duì)所述應(yīng)用進(jìn) 行規(guī)劃和/或控制。
5.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將參數(shù)值預(yù)設(shè)為標(biāo)稱值和/或特 別是可選擇的、可變的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在變化前對(duì)參數(shù)值進(jìn)行保護(hù)。
7.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在對(duì)應(yīng)用組件進(jìn)行替換、修改、添 加和/或去除時(shí)，自動(dòng)地匹配對(duì)應(yīng)的參數(shù)或參數(shù)值。
8.一種基于系統(tǒng)參數(shù)和 / 或過程參數(shù)(Ml, ...M7，Gl, ...G7，Bi，Kl，Si，Hl，Wl，F(xiàn)l， ULR1)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用(1)進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃和/或控制的裝置O)，其特征在于，該裝置設(shè)置用 于執(zhí)行如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法。
9.一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)其在如權(quán)利要求8所述的裝置中運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行如權(quán)利要求1到7 中任一項(xiàng)所述的方法。
10.一種具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其存儲(chǔ)在機(jī)器可讀的載體上，并包括如權(quán)利 要求9所述的計(jì)算機(jī)程序。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)(M1，…，M7，G1，…，G7，B1，K1，S1，H1，W1，F(xiàn)1，U1，R1)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用(1)進(jìn)行規(guī)劃和/或控制的方法，具有如下步驟存儲(chǔ)參數(shù)值；基于所存儲(chǔ)的參數(shù)值對(duì)所述應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃和/或控制，其中，利用圖結(jié)構(gòu)(圖2)管理參數(shù)值。
文檔編號(hào)B25J13/00GK102069500SQ20101054972
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者克勞斯·斯利奇肯里德, 德克·雅各布, 托馬斯·科勒, 湯瑪斯·邦加特, 馬丁·魏斯 申請(qǐng)人:庫卡羅伯特有限公司