生成用于机器人机械手的控制程序的制作方法

1.本发明涉及一种用于基于在通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于第二机器人机械手的控制程序的方法以及一种具有用于执行该方法的第一控制单元和第二控制单元的机器人系统。


技术实现要素：

2.本发明的目的是简化用于通过机器人机械手执行任务的控制程序的生成。
3.本发明产生于独立权利要求的特征。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
4.本发明的第一方面涉及一种用于基于在通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于第二机器人机械手的控制程序的方法，具有以下步骤：
[0005]-通过第一机器人机械手执行预给定应用程序；
[0006]-在执行预给定应用程序期间：借助第一机器人机械手的关节角度传感器确定轨迹数据的时间序列和/或通过第一机器人机械手的用于检测力和/或力矩的传感器单元确定力旋量数据的时间序列，并且将已确定的时间序列存储在存储器单元中，其中，轨迹数据包括与第一机器人机械手的参考点有关或与第一机器人机械手的关节角度有关的运动学数据，并且其中，力旋量数据包括作用在第一机器人机械手和来自周围环境的物体之间的力和/或力矩；
[0007]-从已存储的时间序列确定机器人命令并将已确定的机器人命令存储在存储器单元中，其中，机器人命令是在不参考第一机器人机械手的结构条件的情况下用于相应机器人机械手的控制程序的基本元素；以及
[0008]-基于已存储的机器人命令并基于第二机器人机械手的结构条件来生成用于第二机器人机械手的控制程序。
[0009]
优选地，还执行步骤：
[0010]-通过第二机器人机械手、尤其是通过第二机器人机械手的第二控制单元执行用于第二机器人机械手的控制程序。
[0011]
第一机器人机械手和第二机器人机械手的构造不一定相似或相同，而也可以具有不同的技术解决方案和结构方式。第一机器人机械手尤其地与这样的(第一)控制单元连接，该控制单元实施用于执行第一控制程序，以便执行预给定应用程序。该第一控制程序尤其针对第一机器人机械手进行了优化，即，它考虑了第一机器人机械手的技术条件和结构解决方案，从而应用程序可以由第一机器人机械手完全执行，其中，第一控制程序尤其针对第一机器人机械手的结构条件也进行了优化。优选地，在这里，根据本发明的第一方面的方法的所有步骤由第一控制单元执行。替代地，优选地，生成用于第二机器人机械手的控制程序是由不同于第一控制单元的第二控制单元执行。
[0012]
在根据本发明的第一方面的方法的第一步骤中，预给定应用程序由第一机器人机
械手执行。可能的应用程序尤其是，将物体从一个位置移动到另一个位置，仅抓取物体，从大量物体中选择一个物体，抓取已选择的物体，处理工件的表面，或者对机器人机械手来说典型的其他任务。
[0013]
在这样通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间，轨迹数据的时间序列尤其由第一控制单元确定。这是基于第一机器人机械手的关节角度传感器的传感器值来进行。这些关节角度传感器尤其实施成检测并输出第一机器人机械手的通过共同关节相互连接的两个连杆之间的相应角度。这尤其以离散时间步长和以高频率重复进行，从而第一机器人机械手的离散关节角度数据的时间序列可用。因此，第一机器人机械手的姿势随时通过所有关节角度的总和获知，由此可以在笛卡尔坐标系中，尤其是相对于第一固定坐标系，确定第一机器人机械手的参考点的路径曲线。
[0014]
优选地，第一机器人机械手的参考点假想布置在第一机器人机械手的远端部处，并且尤其优选地在端部执行器处。术语轨迹还包含路径曲线，即纯粹关于关节角度或(也)关于第一机器人机械手的参考点的笛卡尔路径的运动的纯几何信息。可选地，术语轨迹还包含时间信息，从而也为几何路径曲线的每个位置分配时间，并且通过路径曲线的几何走向的信息也可以知道在沿该几何路径曲线移动期间参考点的速度和/或加速度。
[0015]
作为关节角度信息的补充或替代，在这样通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间检测路径曲线或轨迹的基于关节角度信息的笛卡尔信息以及尤其是作用在第一机器人机械手和来自机器人机械手的周围环境的物体之间的一个或多个力和/或力矩。后者尤其是通过用于检测力和/或力矩的传感器单元、优选为关节中的扭矩传感器或机器人结构上的应变计来进行，从而由此记录在第一机器人机械手和周围环境之间的与力相关的相互作用的时间序列。
[0016]
因此，关于力/力矩的运动学数据和/或信息在通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间可供使用。这些数据分别按时间序列来存储，从而在应用程序执行期间的历史是已知的。
[0017]
然后，从时间序列中的这些信息形成机器人命令。无论第一机器人机械手的结构条件如何，这种机器人命令反映了这样的功能信息：预给定应用程序通常如何被执行，基于此，该预给定应用程序如何专门由第一机器人机械手执行。因此，这些机器人命令不包含通过对第一机器人机械手有效的雅可比矩阵或其(伪)逆矩阵的转换，也就是说，没有考虑如何通过控制致动器相互关联来具体执行物体从第一位置到第二位置的移动。因此，机器人命令是控制程序的抽象功能块，这些抽象功能块原则上应不依赖于当前使用的机器人机械手的体系结构来执行。因此，机器人命令基本上对应于在执行控制程序时相应机器人机械手的调节器的最外环的命令。
[0018]
然后，基于这些抽象信息生成用于第二机器人机械手的具体控制程序，其中，用于第二机器人机械手的完整控制程序考虑了第二机器人机械手的结构条件，尤其是第二机器人机械手具有多少个关节，它是冗余的还是唯一的第二机器人机械手，什么类型的抓取器或通用类型的端部执行器当前布置在第二机器人机械手上，等。
[0019]
因此，本发明的有利效果是，针对第二机器人机械手，基于在通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间获得的经验数据提供一种控制程序，该控制程序已经包含机器人命令形式的功能基本信息，并且从而针对第二机器人机械手并针对通过第二机器人机械
手及其控制程序要执行的应用程序不需要另外的传感器，尤其是以便检测第二机器人机械手的周围环境的物体，并且一般来说，将用于第二机器人机械手的控制程序适配于当前情况。更确切地说，应用程序的执行是基于已提供的机器人命令来进行，该机器人命令包含在通过第一机器人机械手执行应用程序期间以经验方式确定的信息。因此，有利地，用于第二机器人机械手的控制程序的生成显着得到加速和简化，因为该第二机器人机械手可以利用已经进行的应用程序执行的信息，无论第一机器人机械手是否与第二机器人机械手结构相同，或者这两个机器人机械手在结构上或在其配置方面或在其软件方面是否不同。
[0020]
根据一个有利实施方式，机器人命令包括以下类别中的至少一个：
[0021]-相应机器人机械手的参考点的预给定路径曲线，从所述路径曲线的预给定起点到预给定终点；
[0022]-参考点在路径曲线上的速度；
[0023]-参考点在路径曲线上的加速度；
[0024]-相应机器人机械手的参考点施加到来自相应机器人机械手的周围环境的物体上的力和/或力矩；
[0025]-相应机器人机械手的旋转致动器的额定扭矩。
[0026]
根据另一有利实施方式，至少两个连续的机器人命令是从不同类别确定的，其中，两个连续的类别不同的机器人命令之间的平滑过渡被确定。平滑过渡尤其使得选出的机器人命令在平滑过渡中相互传递。这对应于直觉的人类行为，其中例如视觉和触觉相互结合以进行触觉和视觉协调动作。例如，阻抗调节和所谓的“视觉伺服(visual servoing)”(光导路径)的过渡是通过平滑的没有跳跃的功能曲线作为加权函数来生成的。
[0027]
根据另一有利实施方式，平滑过渡通过连续的且在过渡时间上依赖于时间的预给定函数曲线进行。这种连续的函数曲线尤其是没有跳跃和扭结，并且尤其是在过渡的持续时间中具有严格单调下降或上升曲线。有利地，这种函数曲线在机器人命令的应用程序之间提供了特别平滑的过渡。
[0028]
根据另一有利实施方式，从已存储的时间序列确定机器人命令是通过非线性优化进行。在非线性优化的情况下，尤其使用成本函数，该成本函数反映在通过选出的命令假设执行的时间序列与实际执行的时间序列之间的差异。然后，这种成本函数通过非线性优化方法、尤其是基于梯度的方法、进化方法、遗传算法、二次优化方法等来最小化，从而尤其选出那些以反向计算方式导致也对应于实际时间序列的时间序列的机器人命令。因此，选出最合适的机器人命令。
[0029]
根据另一有利实施方式，从已存储的时间序列确定机器人命令是通过使用预给定人工神经网络进行，其中，人工神经网络的输入变量是已存储的时间序列，并且人工神经网络的输出变量是从大量至少结构预给定的机器人命令中分别选出的机器人命令，其中，从预给定机器人命令中分别选出的机器人命令的参数基于已存储的时间序列来适配。人工神经网络的优点是很大的灵活性和可以由人工神经网络映射的广泛的函数类别。
[0030]
根据另一有利实施方式，确定轨迹数据的时间序列还通过相机单元进行。相机单元优选地布置在机器人机械手本身上。此外，优选地，相机单元是立体相机单元，从而有利地由相机单元检测关于机器人机械手的参考点的路径曲线和/或轨迹的空间信息。优选地，相机单元的信息与来自关节角度传感器的信息合并或补充给来自关节角度传感器的信息。
[0031]
根据另一有利实施方式，相机单元是外部相机单元。外部相机单元优选地与第一机器人机械手物理分离地布置在第一机器人机械手的周围环境的框架上或另一承载件上。因此，有利地，非机器人固有的传感器的信息也可供使用，这些信息可以用机器人固有的传感器最佳地补充以形成整体上更可靠的数据源。
[0032]
根据另一有利实施方式，第一机器人机械手和/或第二机器人机械手的结构条件包括以下中的至少一项：
[0033]-相应机器人机械手的关节之间的距离；
[0034]-相应机器人机械手的关节的数量；
[0035]-相应机器人机械手的旋转致动器的最大可施加的扭矩；
[0036]-相应机器人机械手的端部执行器的类型和配置；
[0037]-相应机器人机械手的调节器的虚拟刚度，尤其是调节器、尤其是阻抗调节器中的虚拟弹簧的刚度；
[0038]-相应机器人机械手的连杆和/或关节的材料刚度；
[0039]-相应机器人机械手的几何最大可能工作空间；
[0040]-相应机器人机械手的致动器的时间常数和/或带宽；
[0041]-相应机器人机械手的安全级别和/或当前安全配置和/或剩余风险；
[0042]-相应机器人机械手的通信接口的物理存在和/或配置；
[0043]-相应机器人机械手的机器人臂的数量；
[0044]-相应机器人机械手的部件、尤其是连杆的质量和/或惯性。
[0045]
本发明的另一方面涉及一种机器人系统，具有第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元和所述第二控制单元一起用于基于在通过机器人系统的第一机器人机械手执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于机器人系统的第二机器人机械手的控制程序，其中，用于控制第一机器人机械手的第一控制单元实施用于执行预给定应用程序，并且实施成在执行预给定应用程序期间借助第一机器人机械手的关节角度传感器确定轨迹数据的时间序列和/或借助第一机器人机械手的传感器单元确定力旋量数据的时间序列，并且将已确定的时间序列存储在存储器单元中，其中，轨迹数据包括与第一机器人机械手的参考点有关或与第一机器人机械手的关节角度有关的运动学数据，并且力旋量数据包括作用在第一机器人机械手和来自周围环境的物体之间的力和/或力矩，并且其中，第一控制单元实施用于从已存储的时间序列确定机器人命令并将已确定的机器人命令存储在存储器单元中，其中，机器人命令是在不参考第一机器人机械手的结构条件的情况下用于相应机器人机械手的控制程序的基本元素，并且其中，第二控制单元实施用于基于已存储的机器人命令并基于第二机器人机械手的结构条件来生成用于第二机器人机械手的控制程序。
[0046]
所提出的机器人系统的优点和优选的改进方案产生于对与所提出的方法相关联做出的上述实施方案的类似和符合意义的转移。
[0047]
进一步的优点、特征和细节产生于以下描述，其中，在必要时参照附图，详细描述了至少一个实施例。相同、相似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。
附图说明
[0048]
图1示出了根据本发明的实施例的一种用于基于在通过第一机器人机械手执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于第二机器人机械手的控制程序的方法；和
[0049]
图2示出了一种用于执行根据图1的方法的机器人系统。
[0050]
附图中的图示是示意性的而不是按比例绘制的。
具体实施方式
[0051]
图1示出了一种用于基于在通过第一机器人机械手1执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于第二机器人机械手2的控制程序的方法。该方法的以下描述还涉及图2的机器人系统10。因此，为了更好地理解，可以参考这两个图，尤其是下面提到的附图标记既涉及图1，也可选地涉及图2。在第一步骤中，通过第一机器人机械手1执行s1预给定应用程序。该应用程序涉及将一个尖锐物体从圆柱形箱子中取出。为此，设置有用于第一机器人机械手1的控制程序，该控制程序适配于第一机器人机械手1的结构条件，尤其是适配于关节的数量、连杆的几何形状以及具有其抓取器的配置。在执行应用程序期间，在另一步骤中，借助第一机器人机械手1的关节角度传感器3确定s2轨迹数据的时间序列并通过第一机器人机械手1的传感器单元5确定s2力旋量数据的时间序列，其中，关节角度传感器3与用于检测力和力矩的传感器单元5的扭矩传感器一起容纳在第一机器人机械手1的相应关节中。这些已确定的时间序列被存储在存储器单元7中。在这里，轨迹数据具有关于第一机器人机械手1的与第一机器人机械手1的参考点有关的路径曲线的数据，在该第一机器人机械手1中，关节角度借助变换被变换成第一机器人机械手1的端部执行器上的参考点的笛卡尔位置曲线。另一方面，力旋量数据包括作用在第一机器人机械手1和尖锐物体之间的力和力矩。另外，从已存储的时间序列确定s3机器人命令并将已确定的机器人命令存储在存储器单元7中，其中，机器人命令是在不参考第一机器人机械手1的结构条件的情况下用于相应机器人机械手的控制程序的基本元素。组成后的机器人命令包括第一机器人机械手1的参考点从箱子到预给定终点的预给定路径曲线，此时是参考点在路径曲线上的加速度、以及由端部执行器在参考点处对尖锐物体施加的力和力矩。这些机器人命令在它们的组成中得出应用程序的功能序列，该功能序列不依赖于第一机器人机械手1的上述结构条件。机器人命令是这样通过使用人工神经网络来确定的，即，所有时间序列都作为输入变量被提供给人工神经网络，并且通过执行人工神经网络来组合机器人命令作为输出。然后，基于已存储的机器人命令并基于第二机器人机械手2的结构条件来生成s4用于第二机器人机械手2的控制程序。对此的进一步说明可以在图2的描述中找到。
[0052]
图2示出了一种机器人系统10，具有第一控制单元11和第二控制单元12，用于基于在通过机器人系统10的第一机器人机械手1执行预给定应用程序期间获得的经验数据来生成用于机器人系统10的第二机器人机械手2的控制程序。在这里，机器人机械手1是一种常规的没有冗余自由度的单臂机器人机械手。另一方面，第二机器人机械手2是一种具有两个机器人臂的双臂系统。因此，两个机器人机械手1、2的结构条件彼此不同。第一控制单元11布置在第一机器人机械手1上并且用于控制第一机器人机械手1执行s1预给定应用程序，以及在执行预给定应用程序期间借助第一机器人机械手1的关节角度传感器3确定轨迹数据的时间序列并借助第一机器人机械手1的传感器单元5确定力旋量数据的时间序列，并且将
已确定的时间序列存储在存储器单元7中。另外，第一控制单元11从已存储的时间序列确定机器人命令并将该已确定的机器人命令存储在存储器单元7中，该存储器单元7是第一控制单元11的一部分。第二控制单元12布置在第二机器人机械手2上并且用于基于已存储的机器人命令并基于第二机器人机械手2的结构条件来生成用于第二机器人机械手2的控制程序。
[0053]
尽管已经通过优选的实施例更详细地图示和说明了本发明，但本发明不受公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变型例。因此，显而易见的是，存在多种可能的变型例。还显而易见的是，以示例方式引用的实施方式实际上仅代表示例，不应以任何方式将其理解为例如对本发明的保护范围、可能的应用或构造的限制。相反，前面的描述和附图的描述使得本领域技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下，可以在不脱离由权利要求及其合法等效物例如说明书中的进一步解释所限定的保护范围的情况下，例如针对在示例性实施方式中提到的各个元件的功能或布置进行各种变更。
[0054]
附图标记说明：
[0055]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一机器人机械手
[0056]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二机器人机械手
[0057]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
关节角度传感器
[0058]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器单元
[0059]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储器单元
[0060]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
机器人系统
[0061]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一控制单元
[0062]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二控制单元
[0063]
s1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
执行
[0064]
s2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定
[0065]
s3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定
[0066]
s4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
生成