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1、(10)申请公布号 CN 103419190 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103419190 A *CN103419190A* (21)申请号 201310179903.6 (22)申请日 2013.05.15 102012208094.5 2012.05.15 DE B25J 9/00(2006.01) (71)申请人 库卡实验仪器有限公司 地址 德国奥格斯堡 (72)发明人 克里斯蒂安朔伊雷尔 乌韦E齐默尔曼 S沙马 (74)专利代理机构 隆天国际知识产权代理有限 公司 72003 代理人 时永红 黄艳 (54) 发明名称 用于确定机器人臂的可能的位置的方法 (57。
2、) 摘要 本发明涉及一种用于确定机器人 （1， 31） 的机 器人臂 （7） 的可能的位置的方法。机器人臂 （7） 包括支架 （9） 、 多个依次设置且关于轴 （A1-A6） 可 彼此相对运动的节肢 （9-13） 和用于使这些节肢 （9-13） 运动的驱动器。首先， 设定与机器人臂 （7） 或固定在机器人臂 （7） 上的末端执行器相对应的 工具中心点 （8）在空间中的目标位置和目标方 向， 该工具中心点对应于具有极坐标 （1， 2） 的参考坐标系 （K参考） 。 随后， 根据机器人臂的几何 形状确定机器人臂的支架在空间中以及在参考坐 标系 （K参考） 的极坐标 （1， 2） 中的潜在的可能 位。
3、置， 从而使工具中心点 （8） 能够处于设定的目 标位置和目标方向上。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103419190 A CN 103419190 A *CN103419190A* 1/1 页 2 1. 一种用于限制机器人 （1， 31） 的机器人臂 （7） 的可能的位置的方法， 其中， 所述机器 人臂 （7） 包括支架 （9） ， 多个依次设置并关于轴 （A1-A6） 可彼此相对运动的节肢 （9-13）。
4、 ， 和 用于使所述节肢 （9-13） 运动的驱动器， 该方法具有以下步骤 ： 设定与所述机器人臂 （7） 或固定在所述机器人臂 （7） 上的末端执行器相对应的工具中 心点 （8） 在空间中的目标位置和目标方向， 该工具中心点对应于具有极坐标 （1， 2） 的 参考坐标系 （K参考） ， 确定所述机器人臂 （7） 的支架 （9） 的基于所述机器人臂 （7） 的几何形状而在空间中以 及在所述参考坐标系 （K参考） 的极坐标 （1， 2） 中的潜在的可能的位置， 从而使所述工具 中心点 （8） 能够处于设定的目标位置和目标方向上。 2. 如权利要求 1 所述的方法， 还包括步骤 ： 以静态世界坐标。
5、系 （K世界） 的坐标设定所述 工具中心点 （8） 目标位置和目标方向。 3. 如权利要求 1 或 2 所述的方法， 其中， 所述潜在的可能的位置位于球体 （17） 的内部， 该球体的中心点是位于其目标位置的所述工具中心点 （8） 。 4. 如权利要求 1 至 3 中任一项所述的方法， 还包括步骤 ： 根据所确定的潜在的可能的位置和在至少一个限定所述支架 （9） 的潜在的可能位置的 边界条件， 确定所述机器人臂 （7） 的支架 （9） 的可能位置。 5. 如权利要求 4 所述的方法， 其中， 所述至少一个限定所述支架 （9） 的潜在的可能位置 的边界条件是所述机器人臂的支架 （9） 要固定在其。
6、上或在其上方的可能的区域。 6. 如权利要求 4 所述的方法， 其中， 所述机器人 （1） 包括至少一个线性轴， 通过该线性 轴可以使所述机器人臂 （7） 的支架 （9） 线性运动， 从而可以通过所述至少一个线性轴的一 个或多个扩展来确定所述限定所述支架 （9） 的潜在的可能位置的边界条件。 7. 如权利要求 4 所述的方法， 其中， 将所述机器人设计为移动机器人 （31） ， 其具有移动 承载装置 （2） ， 该移动承载装置具有用于使该承载装置运动的驱动器， 所述机器人臂 （7） 通 过其支架 （9） 固定在该承载装置上， 以及所述用于限定所述支架的潜在的可能位置的边界 条件描述该承载装置 。
7、（2） 的可能的位置或地点。 8. 如权利要求 7 所述的方法， 其中， 将所述移动承载装置设计为具有车轮 （4） 的承载车 辆 （2） ， 该移动承载装置的驱动器设计用于使所述车轮 （4） 运动。 9. 如权利要求 4 至 8 中任一项所述的方法， 还包括步骤 ： 基于所述参考坐标系 （K参考） 的极坐标 （1， 2） ， 以所述静态世界坐标系 （K世界） 的坐标确定所述支架 （9） 的潜在的可能 位置。 权 利 要 求 书 CN 103419190 A 2 1/5 页 3 用于确定机器人臂的可能的位置的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种用于确定机器人臂的可能的位置的方法。 背景技术 。
8、0002 专利文献 US5550953 公开了一种移动机器人和一种用于运行该移动机器人的方 法。 该移动机器人包括机器人臂和承载车辆， 其中， 机器人臂具有多个可彼此相对运动的节 肢， 并且机器人臂被固定在承载车辆上。机器人臂的位置例如可以通过承载车辆改变。 发明内容 0003 本发明的目的在于提出一种改进的方法， 用于确定机器人臂的可能的位置。 0004 本发明的目的通过一种用于确定机器人的机器人臂的可能的位置的方法实现， 在 此， 机器人臂包括支架、 多个依次设置且关于轴可彼此相对运动的节肢和用于使节肢运动 的驱动器， 该方法具有以下步骤 ： 0005 设定与机器人臂或固定在机器人臂上的末。
9、端执行器相对应的工具中心点在空间 中的目标位置和目标方向， 该工具中心点对应于具有极坐标的参考坐标系， 0006 确定机器人臂的支架的基于机器人臂的几何形状而在空间中以及在参考坐标系 的极坐标中的潜在的可能的位置， 从而使工具中心点能够处于设定的目标位置和目标方向 上。 0007 借助于根据本发明的方法， 可以例如在机器人室的内部找到或规划机器人臂的例 如可能的安装地点或安装位置。为此， 根据本发明确定机器人臂或固定在机器人臂上的末 端执行器的工具中心点的目标位置和目标方向， 即目标地点或目标姿势。然后通过对应于 工具中心点的参考坐标系在平面 （2D） 中的位置的极坐标或在空间 （例如在三轴门。
10、座中） 中 的位置的球坐标， 确定支架的潜在的可能位置， 例如机器人臂的潜在的可能安装地点。 0008 机器人臂的潜在的可能位置特别是位于球体内部， 球体的中心点是在其目标位置 上的工具中心点。优选极坐标是球坐标。 0009 工具中心点的目标位置和目标方向可以首先以静态世界坐标系的坐标来设定。 0010 一般情况下， 机器人臂不能被放置在所有潜在的可能位置上。在根据本发明方法 的一种实施方式中， 该方法还具有以下步骤 ： 0011 根据所确定的潜在的可能位置和至少一个限定支架的潜在可能位置的边界条件， 确定机器人臂的支架的可能位置。 该可能位置例如是描述潜在可能位置的球体内部与至少 一个限定边。
11、界条件的交集。 0012 用于限定支架的潜在的可能位置的边界条件例如是机器人臂的支架可能被固定 在其上或其上方的区域。 例如， 该区域例如是机器人室的地板， 机器人臂通过其支架固定在 地板上。 0013 机器人还可以包括至少一个线性轴， 机器人臂的支架可以通过该线性轴线性运 动。 限定支架的潜在的可能位置的边界条件可以通过线性轴的一个或多个扩展获得。 因此， 说 明 书 CN 103419190 A 3 2/5 页 4 例如可以在例如机器人室中更好地规划具有线性轴的机器人臂的安装。 例如可以借助于所 谓的门座实现多个线性轴， 该门座例如被固定在天花板上。机器人臂通过其支架固定在门 座上。借助于。
12、该门座特别是可以使机器人臂的支架沿着天花板关于两个线性轴行进。附加 的还可以这样实现门座 ： 使机器人臂也可以与其支架一起沿着垂直于天花板取向的线性轴 上下运动。 0014 机器人还可以被设计为移动机器人， 其具有移动承载装置， 该移动承载装置具有 用于使其运动的驱动器， 机器人臂通过支架固定在该承载装置上。限定支架的潜在的可能 位置的边界条件例如描述了承载装置的可能的位置或地点。 0015 优选将移动承载装置设计为具有车轮的承载车辆， 在此， 移动承载装置的驱动器 设计用于使车轮运动。根据本发明的移动机器人也可以被设计为类人机器人， 并将其移动 承载装置设计为机器人腿。 0016 在常规的移。
13、动机器人中， 整个系统的特定平台的运动冗余通过世界坐标系的坐标 在 2D 平面上实现。 0017 优 选 将 承 载 车 辆 设 计 为 可 全 向 移 动 的 承 载 车 辆 （完 整 平 台 （holonome Plattform） 。因此， 优选将承载车辆的车轮设计为全向轮。全向轮的一个例子是为本领域 技术人员所公知的 Mecanum 轮。这种全向轮可以使得根据本发明的移动机器人或其承载车 辆能够在空间中自由运动。因此， 这种承载车辆不仅可以向前、 向后或侧向运动， 而且还可 以例如围绕垂直取向的轴转动。 0018 在根据本发明方法的另一种变形中， 该方法另外还包括 ： 基于参考坐标系的。
14、极坐 标以静态世界坐标系的坐标确定支架的潜在的可能位置。 0019 根据本发明的方法具有以下优点 ： 0020 可以给出关于零空间解的有目的的迭代， 因为可以返回用 于冗余的解区间 0021 在考虑待执行的任务时， 可以找到用于在机器人室中安装机器人臂的解， 即工具 中心点的目标地点。相应地还可以在移动机器人中找到承载车辆或移动承载装置的定位。 0022 如果有必要， 可以在逆运动学 （inversen Kinematik） 中以最小和最大线性轴位置 给出线性轴位置或门座位置， 以替代给出线性轴 / 门座的整个值域。 0023 可以根据机器人系统来确定冗余的区间边界 （Intervallgre。
15、nzen） 。 0024 在这里， 冗余涉及局部参考系统、 特别是工具中心点坐标系或者一般地涉及任务 坐标系 （Aufgabenkoordinatensystem） 。 附图说明 0025 在附图中示例性地示出了本发明的实施例。其中， 0026 图 1 示出了可借助于线性轴运动的机器人臂， 其对应于工具中心点， 0027 图 2 用图阐明了机器人臂对于其工具中心点的相同姿势的不同位置， 0028 图 3 示出了移动机器人， 其包括承载车辆和固定在承载车辆上的机器人臂， 0029 图 4 示出了全向轮， 以及 0030 图 5 示出了用于确定承载车辆的地点的图。 说 明 书 CN 1034191。
16、90 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0031 图 1 示出了机器人 1， 其具有机器人臂 7。在本实施例中， 机器人臂 7 包括多个依 次设置并通过关节连接的节肢。 在这些节肢中特别包括支架9， 机器人臂7通过支架9固定 在车辆基体 3 上。 0032 机器人臂 7 还具有另外的节肢， 例如相对于支架 9 特别是围绕垂直延伸的轴 A1 可 转动地安装的转盘 10。在本实施例中， 机器人臂 7 的其它节肢包括摇臂 11、 悬臂 12 和优选 为多轴的机器人手 13， 机器人手 13 具有例如设计为法兰的固定装置 6， 用于固定末端执行 器或工具。摇臂 11 在下端部、 例如在未详细示出的。
17、摇臂轴承头上围绕优选为水平的轴 A2 可摆动地支承在转盘 10 上。在摇臂 11 的上端部上围绕同样优选为水平的轴 A2 可摆动地 支承悬臂 12。悬臂 12 在端部拥有机器人手 13， 其具有例如三个转动轴 （轴 A4-A6） 。但机器 人手 13 也可以只有两个转动轴。 0033 机器人臂 7 还包括与机器人 1 的控制装置 5 连接的驱动器。该驱动器在本实施例 中是电驱动器， 特别是可调节的电驱动器。在图 1 中仅示出了该电驱动器的几个电动马达 14。 0034 在本实施例中， 机器人1包括例如设置在地板上的纵向轨道15， 机器人臂7通过其 支架 9 沿双箭头 16 的方向可移动地支承在。
18、该纵向轨道上。因此， 纵向轨道 15 表示线性轴， 机器人臂7可以沿着该轨道特别是通过控制装置5可控地并借助于另一未详细示出的驱动 器在双箭头 16 的方向上移动。该驱动器优选是电驱动器， 特别是可调节的电驱动器。 0035 在机器人1的运行中， 控制装置5这样控制驱动器 ： 使固定装置6或配属于固定装 置 6 或固定在固定装置 6 上的末端执行器的所谓工具中心点 8 在空间中处于预先设定的目 标地点或目标姿势， 即目标位置和目标方向上。为此， 机器人臂 7 在控制装置 5 的控制下沿 着纵向导轨 15 到达与目标姿势相符的位置上， 并且机器人臂 7 的轴 A1-A6 也被带到相应的 轴位置或。
19、角位置 1-6 中。 0036 在本实施例中， 机器人1是冗余机器人， 即， 对于工具中心点8的同一个姿势， 可能 潜在地存在机器人臂7的多个轴位置或角位置1-6和机器人臂7的支架9的多个位置。 对此在图 2 中进行了说明。 0037 在本实施例中， 工具中心点对应于一坐标系， 即参考坐标系K参考， 这在图2中示出。 参考坐标系 K参考的原点特别是位于工具中心点 8 上。 0038 在本实施例中， 现在确定一区域， 理论上可以基于机器人臂 7 的几何形状将机器 人臂 7 或其支架 9 定位在该区域中， 从而可以使工具中心点 8 对准目标姿势， 即目标位置和 目标方向。但是， 机器人臂 7 的支。
20、架 9 的这些潜在的可能位置不是以静态世界坐标系 K世界 的坐标来描述， 而是首先以参考坐标系 K参考的极坐标来描述的。 0039 因此在本实施例中， 以上所述的区域， 即潜在的可能位置， 出现在球体 17 的内部， 其中心点是用于工具中心点 8 的目标姿势的参考坐标系 K参考的原点。 0040 在本实施例中， 机器人臂 7 可以借助于纵向轨道 15 线性运动。因此， 可以不将机 器人臂 7 的支架 9 定位在整个球体 17 的内部， 而是只定位在冗余区域 18 的内部， 该冗余区 域的长度与机器人臂 7 的可借助于纵向轨道 15 纵向移动的路程相符。由于对应于纵向轨 道 15 的、 机器人臂。
21、 7 与其支架 9 一起关于该线性轴沿着双箭头 16 移动的线性轴， 使支架 9 的潜在的可能位置受到限制。因此， 纵向轨道 15 成为限定支架 9 的潜在的可能位置的边界 说 明 书 CN 103419190 A 5 4/5 页 6 条件。 0041 例如， 如果线性轴或纵向轨道 15 沿世界坐标系 K世界的 x 轴的方向取向， 即， 支架 9 沿世界坐标系 K世界的 x 轴的方向移动， 则可以获得冗余值区域 18， 其具有最小冗余值 19 和 最大冗余值 20， 机器人臂 7 可以在它们之间移动， 并可以调整轴位置或角位置 1-6， 从 而使工具中心点能够处于目标姿势。 0042 机器人臂。
22、 7 或其支架可以采取的冗余值特别是可以通过对应于线性轨道 15 的线 性轴与球体 17 的相交得到。如果例如还找寻纵向轨道 15 在例如地板上的放置， 则球体 17 与地板的相交会给出地板上的一个圆面。 0043 在与球体 17 相交之前， 优选将球体 17 转换成世界坐标系 K世界的坐标。 0044 在本实施例中， 机器人臂具有六个轴 A1-A6。因此存在多达八种不同的可能性 （状 态） 使工具中心点 8 到达位置。但这并不描述连续、 连通的零空间。 0045 通过与纵向轨道 15 相对应的线性轴， 可以使整个机器人 1 获得更多的自由度， 也 就是另外的冗余度， 利用该冗余度可以实现零空。
23、间运动。 由此给出附加的运动学冗余， 其也 是连续的和连通的， 并且附加地限定了冗余值区域 （最小冗余值 19， 最大冗余值 20） 。在此， 该最小冗余值19和最大冗余值20位于整个线性轴的有效边界的内部。 如果不考虑轴边界， 则对于整个冗余值区域 18 存在分析表述的逆运动学的解。 0046 还可以设置多个线性轴， 它们例如可以所谓的门座或龙门架的形式实现。门座例 如固定在天花板上。机器人臂 7 通过其支架固定在门座上。借助于门座， 机器人臂 7 的支 架 9 可以沿着天花板关于两个线性轴行进。附加地还可以这样实现门座 ： 使机器人臂 7 也 可以与其支架 9 一起沿着垂直于天花板取向的线。
24、性轴上下运动。 0047 所描述的方法还可用于确定可以放置机器人臂 7 的支架 9 的区域， 以便使工具中 心点 8 可以处于目标姿势。因此， 这种可能的区域 （例如其上可以放置支架的地板） 描述了 限定支架 9 的潜在的可能位置的边界条件。 0048 图 3 示出了另一种机器人 31。除非特别说明， 否则在图 3 中示出的机器人 31 的、 与如图 1 所示机器人 1 的组件结构和功能基本相同的组件具有相同的参考标记。 0049 如图 3 所示的机器人 31 与如图 1 所示的机器人 1 的主要不同之处在于， 在图 3 中 示出的机器人31没有纵向轨道15。 为此， 将如图3所示的机器人31。
25、设计为移动机器人31， 其在本实施例中具有可全向运动的承载车辆 2。该承载车辆例如包括车辆基体 3 和多个可 转动地设置在车辆基体 3 上的车轮 4， 车轮 4 特别是被设计为全向车轮。在本实施例中， 承 载车辆 2 具有四个全向车轮 4。至少其中一个车轮 4、 优选为全部的车轮 4 由一个或多个驱 动器驱动。 优选该未详细示出的驱动器是电驱动器， 特别是可调节的电驱动器， 并与例如设 置在车辆基体 3 中或其上的控制装置 5 相连接， 控制装置 5 被设计为， 通过相应地控制车轮 4 的驱动器使承载车辆 2 运动。 0050 全向轮的一个举例是所谓的 Mecanum 轮。在图 4 中以前视图。
26、示出了移动机器人 1 或其承载车辆 2 的、 被构造为全向轮的车轮 4。 0051 在本实施例中， 构造为全向轮或 Mecanum 轮的车轮 4 具有两个彼此刚性连接的轮 盘 21， 多个滚体 22 关于其纵轴 23 可转动地安装在轮盘之间。这两个轮盘 21 可以关于转动 轴 24 可转动地安装， 并通过承载车辆 2 的一个驱动器加以驱动， 从而使这两个轮盘关于转 动轴 24 转动。 说 明 书 CN 103419190 A 6 5/5 页 7 0052 在本实施例中， 滚体 22 被均匀地间隔开并安装在轮盘 21 上， 使其滚面从轮盘 21 的圆周向外突出。此外， 滚体 22 也被这样安装在。
27、轮盘 21 上 ： 使其纵轴 23 与转动轴 24 形成 角度 ， 其例如为 45。 0053 由于全向轮 4 的存在， 使得移动机器人 31 或其承载车辆 2 可以在空间中自由运 动。因此， 承载车辆 2 不仅可以向前、 向后或侧向运动或曲线行进， 而且还可以围绕任意垂 直取向的轴 （例如机器人臂的轴 A1） 转动。 0054 移动机器人31还包括机器人臂7， 其特别是固定在承载车辆2或其车辆基体3上。 在本实施例中， 承载车辆 2 由于全向轮 4 而被看作是机器人臂 7 的完整平台。但是， 承载车 辆 2 也可以被构造为用于机器人臂 7 的非完整平台。由此使得承载车辆 2 起到移动承载装 。
28、置的作用， 而机器人臂 7 被固定在该承载装置上。如果移动机器人被设计为例如类人机器 人或类昆虫机器人， 则该承载装置例如也可以被设计为多个机器人腿， 机器人可以通过这 些机器人腿运动。 0055 在移动机器人 31 的运行中， 通过控制装置 5 控制机器人臂 7 和车轮 4 的驱动器， 使得固定装置6或工具中心点8处于预设的目标地点或目标姿势， 即， 在空间中处于目标位 置和目标方向上。为此， 根据该目标姿势并通过控制装置 5 的控制将承载车辆 2 带到某个 位置上并在空间中沿某个方向取向， 并将机器人臂 7 的轴 A1-A6 带到相应的轴位置或角位 置 1-6 中。 0056 在本实施例中。
29、， 机器人臂 7 在理论上可以根据其几何形状安装在该区域中， 从而 使工具中心点8可以处于目标姿势中的区域是球体17内部的区域， 其中心点是用于工具中 心点 8 的目标姿势的参考坐标系 K参考的原点。 0057 在本实施例中， 机器人臂 7 可以借助于承载车辆 2 运动。因此， 机器人臂 7 的支架 9 不能被定位在整个球体 17 的内部， 而只能被定位在冗余值区域内， 该冗余值区域通过球 体 17 与穿过承载车辆可以在其上运动的地板的平面的相交来确定。由此可以将在地板上 给出的圆形面作为可能的冗余值区域。 0058 因此在本实施例中， 还可以将承载车辆2的可能地点， 即为了使工具中心点8处于。
30、 其目标姿势而承载车辆 2 可能采取的位置和方向， 通过参考坐标系 K参考的极坐标 1、 2 来表示。 0059 因此可以确定一个三变量组 (1， 2， 3)， 其在本地参考坐标系 K参考中通过极 坐标 1、 2 来描述承载车辆 2 的可能地点。 0060 在此， 极坐标1， 2以二维极坐标描述了关于参考坐标系K参考的位置， 附加地还 有承载车辆 2 的转动 3。 0061 也就是说， 极坐标1描述了承载车辆2与参考坐标系K参考的原点的距离， 极坐标 2 描述了承载车辆 2 在半径为 1 的测距圆 K 上的行进方向， 转动 3 描述了承载车辆 2 关于参考坐标系 K参考的方向。优选承载车辆坐标系 K载体的原点位于对应于机器人臂 7 的坐 标系的原点上， 因此优选承载车辆 2 的转动轴与机器人臂 7 的轴 A1 重合， 在此， 转盘 10 关 于轴 A1 相对于支架 9 是可转动的。 说 明 书 CN 103419190 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103419190 A 8 2/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103419190 A 9 3/3 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103419190 A 10 。