專利名稱：用于優化工業機器人的編程移動路徑的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于優化工業機器人的編程移動路徑的裝置和方法。本發明適合于其中工具取向不太重要的任何類型的機器人自動化過程，比如激光焊接、激光切割、水射流切割、弧焊和銑削。
背景技術：
工業機器人通常用于工業自動化。機器人被編程從而在機器人在作業周期期間實施作業的同時遵循移動路徑。機器人程序具有關于機器人應該做什么以及應按什么順序沿著路徑執行任務的信息。機器人程序具有關于移動路徑上所有目標點的信息。通過教導機器人位置和移動路徑上目標點的取向，可以手動地在線執行機器人編程。通過在比如PC的外部計算機上運行的離線編程和仿真工具，也可以創建機器人程序。典型地，機器人目標為位置目標，這意味著該目標包括限定工具的位置的笛卡爾值(x，y，z)以及關于工具在該目標處應具有的取向的信息。關于工具取向的信息可以以不同形式來描述，例如描述為四元法(quartions)、旋轉矩陣、或者描述為滾轉角(roll angle)、俯仰角和偏航角。如果目標點為位置目標，則需要一些計算以將位置目標轉換為機器人的軸的聯合(joint)值。該轉換是通過機器人的運動學模型執行。為了將值從笛卡爾空間轉換到聯合空間，使用了逆運動學。幾乎所有機器人應用的一個重要參數是周期時間。周期時間是指機器人實施作業周期所花費的時間。重要的是使機器人程序盡可能優化，從而減小周期時間。在維持質量的情況下減小周期時間致使生產成本減小。

發明內容
本發明的目的是優化工業機器人的編程移動路徑，從而減小周期時間。根據本發明的一個方面，該目的是通過如權利要求1限定的方法來實現的。這種方法包括，對于所述目標點其中至少一個接收該工具在該目標點中取向的公差區間；對于該公差區間內的多個不同工具取向，確定機器人在該目標點和該路徑上一個或多個其它目標點之間的移動；基于所確定的機器人的移動以及針對使周期時間最小化，選擇所述不同工具取向其中之一作為該目標點的工具取向；以及基于所選擇的、該工具在該目標點處的取向，生成機器人程序。存在一些其中工具的取向不太重要的機器人應用，例如，薄材料中的激光焊接和水射流切割。對于工具的傾斜以及圍繞工具的對稱軸的旋轉，可以允許工具取向改變。如果對于路徑上的特定目標點該工具取向是任意的，或者如果允許在公差區間內改變工具取向，則對于逆運動學而言存在冗余。這意味著有滿足給定約束的若干種可能的機器人配置， 即工具取向的給定工具位置和公差區間。根據本發明，工具角度的公差被用于優化機器人移動從而減小周期時間。公差區間例如由形成圍繞工具的編程取向或者圍繞默認工具取向的錐體的角限定。該公差區間例如由機器人編程器選擇，并且可以從工具的任意取向改變為僅僅允許工具的小的傾斜。本發明使得可能對于移動路徑上的所有目標點具有相同的公差區間，或者對于移動路徑上的不同目標點具有不同公差區間。如果工具取向在移動路徑的某些部分不太重要而在移動路徑的其它部分非常重要，則后一種替換方案是合適的。對于路徑的部分上此處確切取向非常重要的一個或多個目標點，也可能將公差區間設置為零。可以對于編程目標點其中一些或者對于路徑上的所有目標點，進行優化。對于每個待優化的目標點，對于在給定公差區間內的多個不同工具取向，確定機器人的移動，以及在目標點中的工具的最優取向是在針對使周期時間最小化的不同工具取向之中選擇的。當針對目標點確定了工具的最優取向時，基于編程的工具位置和所確定的最優工具取向而生成機器人程序。如果對于某些目標，工具取向未被優化，則基于編程的工具取向生成機器人程序。本發明可以用于在線以及離線編程的目標點上。然而，本發明對于離線編程目標點是特別有優勢的，因為工具取向的優化可以使用與對目標點編程所使用的計算機和仿真工具相同的計算機和仿真工具來進行。優選地，本發明的優化算法是與目標點的離線編程直接有聯系地運行。如果根據本發明的方法是在機器人的離線編程期間使用，則可以在所有的笛卡爾目標點或其子集被限定時進行優化。可以在比如PC的外部計算機上進行優化，或者直接在機器人控制器上進行優化。根據本發明的實施方式，該方法包括基于所確定的機器人的移動，確定對于不同工具取向該機器人在目標點之間移動所花費的時間，以及針對使機器人在目標點之間移動所花費的時間最小化，選擇在目標點中的工具取向。例如，通過基于機器人的運動學和動態模型而仿真移動路徑，確定對于不同工具取向，機器人在目標點之間移動所花費的時間。由機器人在路徑上所有目標點之間移動所花費的時間來確定周期時間。通過減小機器人在一個或多個目標點之間移動所花費的時間，相應減小周期時間。考慮到所實現的周期時間的減小，此實施方式使得可能實現對工具取向的精確優化。根據本發明的實施方式，借助路徑插值器進行仿真，該路徑插值器為機器人的路徑插值器的副本。此實施方式實現對機器人的真實仿真，并且因此實現針對周期時間對路徑的精確優化。根據本發明的實施方式，對于不同工具取向，通過計算機器人的軸的移動來確定機器人的移動，以及針對使機器人的軸其中至少一個的移動最小化的取向，選擇工具取向。 為了減小周期時間，該軸被選擇為與機器人的其它軸的性能相比具有較差性能的軸。所選擇的軸可以是線性軸或旋轉軸。通過基于機器人的運動學模型，將在目標點處的工具的位置和取向轉換為機器人的軸的位置，來計算機器人的軸的移動。通常，機器人的不同軸的性能不同。因而，為了減小周期時間，具有較差性能的軸應盡可能少地移動。根據本發明的此實施方式，通過選擇使具有較差性能的軸的移動最小化的工具取向，來減小周期時間。此實施方式對于不同軸的性能大不相同的機器人類型尤為有用。此實施方式的優勢在于快速， 因為不需要查看機器人軸的動態性能。根據本發明的實施方式，機器人包括布置成附接到基底的基座、布置成圍繞第一軸相對于基座可移動的第一臂、布置成圍繞第二軸相對于第一臂可移動的第二臂、以及布置成圍繞第三軸相對于第二臂可旋轉地移動的第三臂，并且工具在目標點中的最優取向被確定為使機器人的第一、第二和第三軸其中任何一個或任何組合的移動最小化的取向。例如，如果機器人為六軸機器人，通常機器人的第一、第二和第三軸具有比機器人的其它軸差的性能。因此有利的是，通過使機器人的第一、第二和第三軸的任何一個或全部的移動最小化來進行優化。根據本發明另一方面，該目的是通過如權利要求9限定的用于優化編程移動路徑的裝置來實現。這種裝置包括數據存儲裝置，其配置成存儲工具在移動路徑上的目標點處的取向的公差區間；計算單元，其配置成對于在公差區間之內的多個不同工具取向，確定機器人在路徑上的目標點之間的移動，并且基于所確定的機器人的移動，針對使周期時間最小化， 選擇目標點的工具取向；以及機器人程序生成器，其配置成基于該工具在目標點處的位置和所選擇的取向，生成機器人程序。


現在將通過描述本發明的不同實施方式并且參考附圖來更仔細地解釋本發明。圖1示出握持著工具沿著移動路徑實施作業的工業機器人的實例。圖2示出該工具在目標點中的取向的公差區間的實例。圖3示出根據本發明實施方式的用于優化編程移動路徑的裝置。圖4示出根據本發明實施方式的方法的流程圖。圖5示出使用適合于由本發明優化的工業機器人的焊接系統。
具體實施例方式圖1示出工業機器人1的實例，該工業機器人握持著工具3并且沿著包括多個編程目標點7的移動路徑5實施作業。可以通過教導機器人目標點來在線編程目標點，或者使用離線編程和仿真工具來離線編程目標點。機器人程序包括關于該工具在目標點中的位置和取向的信息。機器人1為典型的六軸機器人，并且包括布置成附接到基底的基座9。 該基底例如是建筑物的地板、墻壁或天花板。機器人還包括第一臂10，該第一臂10相對于基座9圍繞第一軸可旋轉。在第一臂10的頂端，第二機器人臂11相對于第一臂圍繞第二軸可旋轉地安裝。在第二臂11的外端，第三臂12相對于第二臂圍繞第三軸可旋轉地安裝。 在此實例中，第三臂11包括兩個部分并且外部部分相對于內部部分圍繞第四軸可旋轉。第三臂12在其外端支持所謂的機器人手13，該機器人手13圍繞第五軸可旋轉。機器人還包括工具附接物，該工具附接物相對于機器人手圍繞第六軸可旋轉。對于這種類型的機器人， 第一、第二和第三軸的性能差于其它軸。具體地，由于第一軸性能較差，因此應避免圍繞第一軸的移動。在一些應用中，工具的取向并不重要。例如，工具3相對于目標點7的角度可以如圖2所示圍繞工具在錐形16內變化。錐形的角度α限定了該工具在目標點中的取向的公差區間。另外，在許多應用中，比如激光噴射切割和激光焊接，工具圍繞其對稱軸的旋轉可以是任意的。根據本發明，通過在給定公差區間內優化工具的取向，優化機器人路徑。該優化是針對使周期時間最小化來進行的，并且因此減小生產成本。
圖3示出根據本發明實施方式的用于優化編程移動路徑的裝置20。裝置20為包括用戶接口 22的計算機，例如PC，該用戶接口 22比如為顯示器屏幕、鍵盤和鼠標。裝置20 包括比如中央處理單元(CPU)的用于處理數據所需的硬件，數據存儲裝置，以及用于與外部設備(例如與機器人控制器)進行通信的通信裝置。裝置20還包括用于實施根據本發明的方法的軟件。裝置20包括計算單元M，其配置成接收工具在編程移動路徑上目標點處的取向的公差區間。這些公差區間例如是由用戶通過用戶接口 22輸入的。裝置20還包括用于存儲編程移動路徑的數據存儲裝置26，該編程移動路徑包括關于在路徑的目標點處的工具位置和工具取向a的信息。計算單元M還配置成將所接收的目標點處的公差區間存儲在數據存儲裝置沈中。計算單元M還配置成對于在所接收的工具區間內的多個不同工具取向，確定機器人在編程的路徑上的目標點之間的移動，以及基于所確定的機器人的移動且針對使周期時間最小化，選擇目標點的新的工具取向。優選地，計算單元包括優化算法，其配置成針對使周期時間最小化，查找工具在目標點處在公差區間內的最優取向。裝置20還包括機器人程序生成器觀，其配置成基于在目標點中的編程的工具位置以及在目標點處的新優化工具取向，生成新的機器人程序。如果離線編程和仿真工具與優化裝置20提供在相同的計算機上，則這是有利的。 在這種情況下，機器人編程器使用離線編程和仿真工具30創建機器人程序。編程目標點存儲在數據存儲裝置沈中。接著，通過初始化計算單元M而開始工具取向的優化。在優化期間，將新的工具取向存儲在數據存儲裝置26中。當計算單元M執行優化時，基于在目標點處新的優化取向，程序生成器觀生成新的機器人程序。優化的機器人程序被傳遞到機器人控制器32，該機器人控制器下載優化的機器人程序。接著，機器人系統準備運行優化的機器人程序。當所有目標點都如上所述被編程時，或者當目標點的子集已被編程時，可以執行該優化。圖3示出根據本發明實施方式的方法的流程圖。應當理解，流程圖的每個方框可以通過計算機程序指令來實施。接收關于編程目標點的信息，塊40。例如從數據存儲裝置沈檢索得到目標點。該信息包括路徑上目標點的編程的笛卡爾工具位置和工具取向。用戶輸入關于工具在目標點處的取向的公差區間的信息，塊42。用戶可以輸入一個公差區間以用于路徑上所有目標點的，或者輸入不同的公差區間以用于路徑的不同點。 用戶不必輸入路徑上所有目標點的公差區間。對于某些目標點，工具取向可以是固定的因此不能變化。對于那些目標點，保持編程的工具取向且不進行優化。該方法對于路徑上的每個目標點逐步進行，塊44。對于每個目標點，判定是否存在針對該目標點的公差區間，塊46。如果公差區間為零，則與不存在針對該目標點的公差區間是相同情形。如果不存在針對該目標點的公差區間，則檢索路徑上的下一個目標點，塊 44。如果存在針對該目標點的公差區間，則運行優化算法以搜尋使周期時間最小化的工具取向，塊48。對于每個待優化的目標點，需要檢索關于針對至少該目標點、路徑上的前一個目標點和路徑上的下一個目標點的編程的工具位置、工具取向和工具公差區間的信息。對優化算法的約束為目標點和周圍目標點的位置以及圍繞編程取向的公差區間。優化可以以不同方式執行。在下文中，將描述優化的兩個實例。進行優化的第一方式是找到使機器人在兩個或更多個目標點之間移動所花費的時間最小化的工具取向。進行優化的第二方式是找到當機器人在兩個或更多個目標點之間移動時使機器人的某些預定義軸的移動最小化的工具取向。第一優化過程針對機器人的全動態和運動學屬性進行搜尋。通過使用機器人的動態和運動學模型以及機器人控制器所使用的路徑插值器的副本，來進行優化。路徑插值器確定應如何通過實施對移動的插值來執行行編程的移動。插值包括將編程的移動分割為多個小的增量，以及對于每個增量計算機器人的所有軸的角度。基于機器人的動態和運動學模型并借助機器人控制器的路徑插值器的副本，來仿真機器人路徑。待解決的優化問題是利用嚴格定義的約束來使特定移動的時間最小化，即使機器人在兩個或更多個目標點之間移動所花費的時間。所述約束為目標點的編程的笛卡爾位置、編程的工具取向以及工具取向的公差區間。必須進行大量的仿真從而找到使該路徑的周期時間最小化的在公差區間內的工具取向。為了減小實施優化的時間，在開始優化算法時可以自動地執行良好的初始猜測。該初始猜測將是基于機器人目標的順序以及它們各自的笛卡爾位置和編程的工具取向。實施優化的第二方式不考慮機器人軸的動態性能。不需要仿真。僅僅考慮在每個目標點的靜態聯合解。搜尋問題是最小化一個或多個預定義軸的移動。通常這應是性能最差的軸。優化算法的約束為目標點的編程的笛卡爾位置以及它們的編程的工具取向和公差區間。該方法基于機器人的運動學模型而計算對于不同工具取向的機器人的軸的移動。優化的輸出是在目標點中的笛卡爾工具位置以及在目標點中的優化的工具取向。優化使用運動學模型發現每個目標點的軸配置，該軸具有使兩個或更多個目標點之間的預定義軸的移動最小化的公差。可以按照與第一方式相同的方式執行初始猜測。機器人的動態和運動學模型的使用在本領域中是公知的，并且例如在John J. Craig, 2005, ISBN 0-13-123629—6 的題為"Introduction to robotics mechanics and control"的書籍中有所描述。可以通過測試許多可能的解來進行上述兩個優化過程。所選擇的解是根據應被優化的內容(即時間或預定義軸的移動)最佳的那個解。如果搜尋解析度應是高的，則這種執行優化的方式可能非常耗時。存在可以用于找到這類問題的最優結果的許多已知優化方法，例如基于梯度的優化方法。所找到的優化的工具取向被存儲為目標點的工具取向，塊50。對于路徑上的每個目標點重復該方法的步驟44-52。當已經循環經過目標上的所有點時，基于目標點的笛卡爾位置以及已經為其給出公差區間的目標點的新的優化的工具取向，生成新的機器人程序， 塊M。對于未接收到公差區間的目標點，保持原始編程的工具取向，并且基于那些目標點的原始編程的工具取向生成新的機器人程序。根據本發明的方法可以在比如PC的外部計算機上實施，或者直接在機器人控制器內實施。圖5示出具有四軸的機器人焊接系統，根據本發明的方法可以在該機器人焊接系統上有利地使用。參考圖5描述的運動學可以用于使用激光的焊接和切割。圖5所示系統包括激光器60、透鏡62和反射鏡64。激光束66穿過透鏡62并且在反射鏡64內被反射。 關于激光束66限定坐標系x、y、z。坐標系的χ軸與由激光器生成的激光束66 —致。機器人系統的第一軸Jl提供透鏡62沿著坐標系χ方向的線性運動。第二軸J2提供反射鏡在 χ方向上的線性運動。第三軸J3提供反射鏡64圍繞坐標系的y方向的旋轉移動。第四軸 J4提供反射鏡64圍繞坐標系的χ方向的旋轉。激光束的焦點作為工具中心點(TCP)，系統設置如圖5所示。與其它三個軸J1、J3_J4相比，軸J2的性能較差。只要取向不重要，則有可能到達在反射鏡周圍有限體積內的任意笛卡爾點而不移動軸J2。如果目標點具有確定的位置和取向，則必須涉及所有軸。優化的問題于是為在所有期望目標點之間移動的同時最小化軸J2 的移動。適合使用根據本發明的方法的應用的另一個實例為使用定位器作業的機器人。機器人定位器通常用于握持與機器人一起進行作業的物體。定位器方便機器人從不同方向到達該對象。定位器可具有一個或多個軸。如果機器人的工具取向是任意的或者在指定限制內是任意的，則定位器的軸也會涉及結果取向的優化。
權利要求
1.一種用于優化工業機器人(1)的編程移動路徑(5)的方法，所述工業機器人(1)在作業周期期間握持著工具(3)以沿著所述路徑實施作業，其中所述移動路徑包括關于所述工具在所述移動路徑上的多個目標點(7)處的位置和取向的信息，以及所述方法包括，對于所述目標點其中至少一個接收在所述目標點中所述工具的取向的公差區間(α )，對于所述公差區間內的多個不同工具取向，確定機器人在所述目標點和所述路徑上的一個或多個其它目標點之間的移動，基于所確定的機器人的移動以及針對使周期時間最小化，選擇所述不同工具取向其中之一作為所述目標點的工具取向，以及基于所選擇的、所述工具在所述目標點處的取向，生成機器人程序。
2.根據權利要求1的方法，其中所述方法包括基于所確定的機器人的移動，確定對于所述不同工具取向所述機器人在所述目標點之間移動所花費的時間，以及針對使機器人在所述目標點之間移動所花費的時間最小化，來選擇在目標點中的工具取向。
3.根據權利要求2的方法，其中通過基于所述機器人的運動學和動態模型來仿真移動路徑，確定對于不同工具取向，所述機器人在所述目標點之間移動所花費的時間。
4.根據權利要求3的方法，其中借助路徑插值器進行所述仿真，所述路徑插值器為所述機器人的路徑插值器的副本。
5.根據權利要求1的方法，其中所述機器人圍繞多個軸可移動；通過計算對于不同工具取向所述機器人的軸的移動來確定所述機器人的移動；以及針對使所述機器人的軸其中至少一個的移動最小化的工具取向，選擇工具取向。
6.根據權利要求5的方法，其中所述軸被選擇為與機器人的其它軸的性能相比具有較差性能的軸。
7.根據權利要求5或6的方法，其中計算所述機器人的軸的移動包括基于所述機器人的運動學模型，將所述工具在所述目標點處的位置和取向轉換為所述機器人的軸的位置。
8.根據權利要求5-7中任意一項的方法，其中所述機器人包括布置成將被附接到所述基底的基座、布置成圍繞第一軸相對于所述基座可移動的第一臂、布置成圍繞第二軸相對于所述第一臂可旋轉移動的第二臂以及布置成圍繞第三軸相對于第二臂可旋轉移動的第三臂，以及所述工具在目標點中的最優取向被確定為使機器人的第一、第二和第三軸中任何一個或任何組合的移動最小化的取向。
9.一種用于優化工業機器人(1)的編程移動路徑(7)的裝置，所述工業機器人(1)在作業周期期間握持工具(7)以沿著所述路徑實施作業，其中所述移動路徑包括關于所述工具在所述移動路徑上的多個目標點(7)處的位置和取向的信息，以及所述裝置包括數據存儲裝置(26)，其配置成存儲所述工具在移動路徑上目標點處的取向的公差區間 (α),計算單元(M)，其配置成對于在所述公差區間內的多個不同工具取向，確定機器人在所述路徑上的目標點之間的移動，以及基于所確定的機器人的移動，針對使周期時間最小化，選擇目標點的工具取向，以及機器人程序生成器( )，其配置成基于所述工具在目標點處的位置以及所選擇的取向，生成機器人程序。
10.根據權利要求9的裝置，其中所述裝置包括用戶接口(22)，其配置成接收所述工具在所述目標點中的取向的公差區間以及將所述公差區間(α)存儲在數據存儲裝置06) 中。
11.根據權利要求9或10的裝置，其中所述計算單元04)配置成基于所確定的機器人的移動，對于不同工具取向，確定所述機器人在路徑上目標點之間移動所花費的時間，以及針對使所述機器人在所述目標點之間移動所花費的時間最小化，選擇所述目標點處的工具取向。
12.根據權利要求11的裝置，其中所述計算單元04)配置成基于所述機器人的運動學和動態模型，仿真機器人路徑，以及所述計算單元配置成基于所仿真的機器人路徑，對于不同工具取向，確定所述機器人在所述路徑上目標點之間移動所花費的時間。
13.根據權利要求9的裝置，其中所述機器人圍繞多個軸可移動，以及所述計算單元 (26)配置成對于不同工具取向，計算所述機器人的軸的移動，并且針對使所述機器人的軸其中至少一個的移動最小化的取向，選擇工具取向。
14.根據權利要求13的裝置，其中所述至少一個軸與機器人的其它軸的性能相比具有較差性能。
15.根據權利要求13或14的裝置，其中所述計算單元06)配置成基于所述機器人的運動學模型，將所述工具在所述目標點處的位置和取向轉換為所述機器人的軸的位置。
全文摘要
本發明涉及一種用于優化工業機器人(1)的編程移動路徑(5)的裝置和方法，該工業機器人(1)在作業周期期間握持著工具(3)以沿著該路徑實施作業，其中該移動路徑包括關于工具在移動路徑上多個目標點(7)處位置和取向的信息。該方法對于所述目標點其中至少一個包括下述步驟接收該工具在該目標點中的取向的公差區間(α)；對于該公差區間內的多個不同工具取向，確定機器人在該目標點和該路徑上一個或多個其它目標點之間的移動；基于所確定的機器人的移動以及針對使周期時間最小化，選擇所述不同工具取向其中之一作為該目標點的工具取向；以及基于所選擇的、該工具在該目標點處的取向，生成機器人程序。
文檔編號B25J9/16GK102216037SQ200880131978
公開日2011年10月12日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者P·E·埃利亞森 申請人:Abb技術公司