WO2017129352A1 - Method and system for the path planning of a redundant robot - Google Patents
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- WO2017129352A1 WO2017129352A1 PCT/EP2017/000054 EP2017000054W WO2017129352A1 WO 2017129352 A1 WO2017129352 A1 WO 2017129352A1 EP 2017000054 W EP2017000054 W EP 2017000054W WO 2017129352 A1 WO2017129352 A1 WO 2017129352A1
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Definitions
- the present invention relates to a method and a system for path planning of a redundant robot and to a computer program product for carrying out the method.
- WO 2013/004329 A1 optionally takes into account energy optimality as well as a distance to singular, desired and previous poses.
- the object of the present invention is to further improve the path planning of a redundant robot.
- Claims 7, 13 provide a system or computer program product
- a method for partially or fully automated path planning of a multi-axis robot comprises the step of resolving a redundancy of the robot with respect to one in one
- Quality criterion which, in particular proportionally, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of a minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection limits for axle forces of the robot Robot is detectable, is minimal or is or under or by minimizing a mixed quality criterion, which, in particular proportionate, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection Limits for
- Axes forces of the robot is detectable or under or by means of minimization, in particular combined or Pareto minimization, both an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot , It is thus proposed in an embodiment, in addition to the minimization of the effective mass, which is known from the above-mentioned WO 2013/004329 AI, to the correspondingly incorporated additional reference and the content of which is expressly fully made the subject of the present disclosure, at least one Collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot to
- the mixed quality criterion in addition to the effective mass and the amount of minimum collision force may include other cost functions or shares, in another development, it is only (proportionately) from the effective mass and the amount of minimum collision force.
- axis coordinates qe 5R dof be described, in particular by its joint or drive in particular engine positions, in particular angle.
- a path z (s) e R b or individual points z, e 9? b the web by means of a one or more, in particular three-dimensional position x and / or a one or more, in particular Three-dimensional orientation a of a robot-fixed reference, in particular a TCPs of the robot, are given or be.
- the robot is redundant with respect to the predetermined path in the workspace.
- This may in particular be a so-called kinematic redundancy if the robot has seven or more axes. Likewise, a robot having six or fewer axes may be redundant with respect to a pathway
- the redundancy may be due to a one- or multi-dimensional so-called
- Redundancy parameter r reduced, in particular eliminated, be or be. If, for example, an axis coordinate, in particular a joint angle, is specified for a seven-axis robot, this robot is no longer redundant with respect to a path prescribed in the working space six-dimensionally - except for singular poses. reduces or eliminates its redundancy or the dimension of its null space to zero.
- the determination of the minimum coordinates or of the redundancy parameter is thus present in particular for position, in particular positional and / or orientation coordinates, predetermined in the working space of the robot.
- the robot in particular a robot-fixed reference, in particular its TCPs understood (z -> q or z -> r).
- One or the effective mass m u of the robot is or is defined or determined in an embodiment in WO 2013/004329 A1, to which reference is additionally made, in particular according to:
- Jacobi matrix J or J v of the translation the mass matrix M and the kinetic
- One or the collision force r k of the robot is or is defined or determined in one embodiment, in particular on the basis of a linear mapping of the path tangent or direction u, wherein the linear mapping in a development based on a pseudoinverse J * des Robot is defined or determined is, in particular by the pseudoinverse can be defined: wherein the pseudo inverses in one embodiment in accordance with the usual
- J * , J T y (4) can be defined or determined with the weighting matrix A, which can be the mass matrix or the unit matrix in a further development.
- Achs can thus be in particular torques acting in or on axes, in particular joints (s) or drives, in particular motors, of the robot.
- axle forces especially axis-specific, detection limit values for axle forces to be predefined or be:
- a predetermined limit value t dii indicates from which value on an axis / ' a collision is detected on the basis of a force acting in the robot-fixed reference.
- this can be the limiting value, in particular, for which a safety reaction of the robot, for example a STOP 0, STOP 1 or STOP 2 or a retraction, in particular on the track, is triggered or predetermined.
- Collision (unit) force (at least) must be multiplied, so that in
- the amount f of the minimum collision force of the robot which is detectable on the basis of predetermined detection limits for axial forces of the robot, in particular be determined or defined by the fact that the amount, starting from an initial value is increased inter-operatively until, for the first time or within the framework of an iteration precision in (at least) one axis: t ki ,> T d , j.
- the amount f of the minimum collision force and the effective mass m u of the robot are or are in one embodiment in the form of a mixed quality criterion, in a development in particular in the form of a weighted sum G of the effective mass and the amount of minimum collision force and possibly other cost functions G , determines or minimizes:
- Redundancy parameter r be reduced or be. Accordingly applies in one
- Redundancy parameter values ⁇ respectively determined values of the mixed quality criterion and then each of the pose or the redundancy parameter value are selected for the or the quality criterion has the smallest value.
- a search or permissible value range for the redundancy parameter in an embodiment for a subsequent path point in each case starting from a preceding or current redundancy parameter value, advantageously a variation of the redundancy parameter can be limited in one embodiment and a particularly advantageous path can be planned , Accordingly, in one embodiment, the redundancy is generally such or below
- predetermined variation limit is or remains.
- a system for at least partially automated path planning of a multi-axis robot in particular hardware and / or software, in particular programmatically, for implementing a method described herein and / or has means for resolving a redundancy of the robot with respect to a in a working space of the robot predetermined path such that a mixed quality criterion, which includes an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot is minimal on.
- the system includes means for resolving the redundancy such that a variation of a redundancy parameter to reduce the redundancy of the robot along the path is less than a predetermined variation limit; Means for determining the based on predetermined detection limits
- a means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules.
- the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
- a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
- the program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods and thus, in particular, plan the lane.
- the system can control the robot on the basis of the path planned in this manner or in such a way that it travels once or several times, or for this purpose, in particular hardware and / or software, in particular program technology.
- FIG. 1 shows, in a simplified embodiment for explanation, to which reference is additionally made to WO 2013/004329 A1, a three-armed robot 1 with a rocker mounted on a fixed base 1.1, an arm 1.2 hinged thereto and one at the swing away End hinged hand 1.3 with the TCP. All three hinges have parallel, on the plane of Fig. 1 perpendicular axes of rotation.
- FIG. 2 shows the sequence of a method according to an embodiment of the present invention, which executes a controller 2 of the robot 1:
- a first step S10 the controller 2 discretizes the web B into individual Stauer- Track points (x, y) i (x, y) n .
- the controller 2 determines, for the initial support or track point (x, y) i, for a given search or value range, respectively
- Redundancy parameter r in the exemplary embodiment purely exemplary of
- Tangent unit vector to the path B in the initial support or track point (x, y ⁇ must be multiplied at least to allow its projection in the
- a mixed quality criterion for this pose the value of the weighted sum of effective mass and this factor f is determined.
- the controller 2 selects that pose as the starting pose or start redundancy parameter value defining it
- a step S40 the controller 2 determines the values of the quality criterion for different poses or redundancy parameter values for a subsequent support or track point (x, y) in an analogous manner. This is or is the search or
- Redundancy parameter (s) s compared to the previous support point (x, y) i-i is less than a predetermined variation threshold. This can advantageously an undesirable significant reorientation of the
- Robot 1 can be prevented along the track.
- a step S50 the controller 2 selects, for the support or track point (x, y) j in an analogous manner as a pose or start redundancy parameter value defining that pose or redundancy parameter value for which this quality criterion is minimal or will.
- the controller checks whether an end support point (x, y) n has been reached. As long as this is not the case (S60: "N"), the controller 2 repeats the steps S40 - S60 in an analogous manner, otherwise (S60: "Y”), the path planning is completed.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Verfahren und System zur Bahnplanung eines redundanten Roboters Method and system for path planning of a redundant robot
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bahnplanung eines redundanten Roboters sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. The present invention relates to a method and a system for path planning of a redundant robot and to a computer program product for carrying out the method.
Aus der eigenen WO 2013/004329 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Own WO 2013/004329 A1 discloses a method for controlling a
humankollaborierenden Roboters bekannt, bei dem zur Auflösung einer Redundanz des Roboters bei einer Bahnplanung eine effektive Masse des Roboters minimiert wird. Hierdurch kann die Gefahr bei einer Kollision auf der Bahn bereits vorteilhaft reduziert werden. human-collaborating robot, in which an effective mass of the robot is minimized to resolve a redundancy of the robot in a path planning. As a result, the risk can already be advantageously reduced in a collision on the web.
Außer der effektiven Masse berücksichtigt die WO 2013/004329 A1 optional eine Energieoptimalität sowie einen Abstand zu singulären, Soll- und vorhergehenden Posen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bahnplanung eines redundanten Roboters weiter zu verbessern. In addition to the effective mass, WO 2013/004329 A1 optionally takes into account energy optimality as well as a distance to singular, desired and previous poses. The object of the present invention is to further improve the path planning of a redundant robot.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7, 13 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur This object is achieved by a method having the features of claim 1. Claims 7, 13 provide a system or computer program product
Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Implementation of a method described here under protection. The subclaims relate to advantageous developments.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur teilweise oder vollständig automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters den Schritt: Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem According to an embodiment of the present invention, a method for partially or fully automated path planning of a multi-axis robot comprises the step of resolving a redundancy of the robot with respect to one in one
Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn derart, dass ein gemischtes Workspace of the robot predetermined pathway such that a mixed
Gütekriterium, das, insbesondere anteilig, eine effektive Masse des Roboters und, insbesondere anteilig, einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist bzw. wird bzw. unter bzw. mittels Minimierung eines gemischten Gütekriteriums, das, insbesondere anteilig, eine effektive Masse des Roboters und, insbesondere anteilig, einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Quality criterion, which, in particular proportionally, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of a minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection limits for axle forces of the robot Robot is detectable, is minimal or is or under or by minimizing a mixed quality criterion, which, in particular proportionate, an effective mass of the robot and, in particular proportionate, an amount of minimum collision force of the robot comprises, based on predetermined detection Limits for
Achskräfte des Roboters detektierbar ist bzw. unter bzw. mittels Minimierung, insbesondere kombinierter bzw. Pareto-Minimierung, sowohl einer effektiven Masse des Roboters als auch eines Betrags einer minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist. Somit wird in einer Ausführung vorgeschlagen, zusätzlich zu der Minimierung der effektiven Masse, die aus der eingangs erläuterten WO 2013/004329 AI bekannt ist, auf die entsprechend ergänzend Bezug genommen und deren Inhalt ausdrücklich vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird, wenigstens auch eine Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, zu Axes forces of the robot is detectable or under or by means of minimization, in particular combined or Pareto minimization, both an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot , It is thus proposed in an embodiment, in addition to the minimization of the effective mass, which is known from the above-mentioned WO 2013/004329 AI, to the correspondingly incorporated additional reference and the content of which is expressly fully made the subject of the present disclosure, at least one Collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot to
berücksichtigen bzw. gemeinsam mit der effektiven Masse zu minimieren. take into account or together with the effective mass to minimize.
Hierdurch kann eine vorteilhafte Bahn geplant werden, insbesondere besser, insbesondere früher, auf eine Kollision auf der Bahn reagiert bzw. eine Reaktionszeit reduziert werden. In einer Weiterbildung kann das gemischte Gütekriterium neben der effektiven Masse und dem Betrag der minimalen Kollisionskraft noch weitere Kostenfunktionen bzw. Anteile umfassen, in einer anderen Weiterbildung besteht es nur (anteilig) aus der effektiven Masse und dem Betrag der minimalen Kollisionskraft. In this way, an advantageous path can be planned, in particular better, in particular earlier, responds to a collision on the web or a reaction time can be reduced. In a further development, the mixed quality criterion in addition to the effective mass and the amount of minimum collision force may include other cost functions or shares, in another development, it is only (proportionately) from the effective mass and the amount of minimum collision force.
Wie bereits in der WO 2013/004329 A1 , auf die ergänzend Bezug genommen wird, erläutert, kann eine Pose eines Roboters eindeutig durch seine Minimal-, As already explained in WO 2013/004329 A1, to which reference is additionally made, a pose of a robot can be clearly distinguished by its minimal,
insbesondere Achskoordinaten q e 5Rdof beschrieben werden, insbesondere durch seine Gelenk- bzw. Antriebs- insbesondere Motorstellungen, insbesondere -Winkel. in particular axis coordinates qe 5R dof be described, in particular by its joint or drive in particular engine positions, in particular angle.
In einem, insbesondere kartesischen, Arbeitsraum des Roboters können eine Bahn z(s) e Rb bzw. einzelne Punkte z, e 9?b der Bahn mittels einer ein- oder mehr-, insbesondere dreidimensionalen Lage x und/oder einer ein- oder mehr-, insbesondere dreidimensionalen Orientierung a einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines TCPs des Roboters, vorgegeben werden bzw. sein. In a, in particular Cartesian, working space of the robot, a path z (s) e R b or individual points z, e 9? b the web by means of a one or more, in particular three-dimensional position x and / or a one or more, in particular Three-dimensional orientation a of a robot-fixed reference, in particular a TCPs of the robot, are given or be.
Übersteigt die Anzahl dof der Freiheitsgrade bzw. Achsen des Roboters die If the number dof of the degrees of freedom or axes of the robot exceeds the
Dimension ö der Bahn bzw. Bahnpunkte (dof > b), so ist der Roboter bezüglich der im Arbeitsraum vorgegebenen Bahn redundant. Dimension ö of the track or track points (dof> b), the robot is redundant with respect to the predetermined path in the workspace.
Dies kann insbesondere eine sogenannte kinematische Redundanz sein, wenn der Roboter sieben oder mehr Achsen aufweist. Gleichermaßen kann auch ein Roboter mit sechs oder weniger Achsen bezüglich einer Bahn redundant sein, deren This may in particular be a so-called kinematic redundancy if the robot has seven or more axes. Likewise, a robot having six or fewer axes may be redundant with respect to a pathway
Dimension kleiner als die Achsanzahl ist, was als Aufgabenredundanz bezeichnet wird. Wird beispielsweise wie im Ausführungsbeispiel der WO 2013/004329 AI , auf die ergänzend Bezug genommen wird, für einen ebenen dreiachsigen Roboter nur die zweidimensionale Lage seines TCPs vorgegeben, nicht jedoch seine Orientierung, ist dieser Roboter bezüglich dieser Bahn (aufgaben)redundant. Dimension is less than the number of axes, which is called task redundancy. If, for example, as in the exemplary embodiment of WO 2013/004329 A1, to which reference is additionally made, only the two-dimensional position of its TCPs is specified for a flat three-axis robot, but not its orientation, this robot is redundant with respect to this path.
Die Redundanz kann durch einen ein- oder mehrdimensionalen sogenannten The redundancy may be due to a one- or multi-dimensional so-called
Redundanzparameter r reduziert, insbesondere eliminiert, werden bzw. sein. Wird beispielsweise bei einem siebenachsigen Roboter eine Achskoordinate, insbesondere ein Gelenkwinkel, vorgegeben, so ist dieser Roboter bezüglich einer im Arbeitsraum sechsdimensional vorgegebenen Bahn - bis auf singulare Posen - nicht mehr redundant, d.h. seine Redundanz bzw. die Dimension seines Nullraums auf Null reduziert bzw. eliminiert. Redundancy parameter r reduced, in particular eliminated, be or be. If, for example, an axis coordinate, in particular a joint angle, is specified for a seven-axis robot, this robot is no longer redundant with respect to a path prescribed in the working space six-dimensionally - except for singular poses. reduces or eliminates its redundancy or the dimension of its null space to zero.
Somit kann in einer Ausführung einer Bahn z(s) bzw. einem Bahnpunkt z, und einem entsprechenden Wert eines Redundanzparameters r(s) bzw. r, ein entsprechender Vektor von Minimal-, insbesondere Achskoordinaten q(s) bzw. q, des Roboters zugeordnet werden bzw. sein: g = g(z, r) (1 ) Thus, in one embodiment of a path z (s) or a path point z, and a corresponding value of a redundancy parameter r (s) or r, a corresponding vector of minimum, in particular axis coordinates q (s) and q, of the robot be assigned or be: g = g (z, r) (1)
Unter einer Bahnplanung wird somit vorliegend insbesondere die Ermittlung der Minimalkoordinaten oder des Redundanzparameters zu im Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Positions-, insbesondere Lage- und/oder Orientierungskoordinaten, des Roboters, insbesondere einer roboterfesten Referenz, insbesondere seines TCPs, verstanden (z -> q bzw. z -> r). Under path planning, the determination of the minimum coordinates or of the redundancy parameter is thus present in particular for position, in particular positional and / or orientation coordinates, predetermined in the working space of the robot. of the robot, in particular a robot-fixed reference, in particular its TCPs understood (z -> q or z -> r).
Eine bzw. die effektive Masse mu des Roboters ist bzw. wird in einer Ausführung in der WO 2013/004329 A1 , auf die ergänzend Bezug genommen wird, erläutert definiert bzw. ermittelt, insbesondere gemäß: One or the effective mass m u of the robot is or is defined or determined in an embodiment in WO 2013/004329 A1, to which reference is additionally made, in particular according to:
mit dem Richtungsvektor der Bahn bzw. Tangenteneinheitsvektor u = an die with the direction vector of the track or tangent unit vector u = to the
Bahn, der insbesondere durch γ-*- ^ approximiert sein bzw. werden kann, der dx Orbit, which can be approximated by γ - * - ^, the dx
Jacobi-Matrix J bzw. Jv der Translation— , der Massenmatrix M und der kinetischen Jacobi matrix J or J v of the translation, the mass matrix M and the kinetic
dq dq
1 T 1 T
Energie— q M q des Roboters. Energy q M q of the robot.
Eine bzw. die Kollisionskraft rk des Roboters ist bzw. wird in einer Ausführung insbesondere auf Basis einer linearen Abbildung einer bzw. der Bahntangente bzw. Richtung u definiert bzw. ermittelt, wobei die lineare Abbildung in einer Weiterbildung auf Basis einer Pseudoinversen J* des Roboters definiert bzw. ermittelt ist bzw. wird, insbesondere durch die Pseudoinversen definiert sein kann: wobei die Pseudoinversen in einer Ausführung in fachüblicher Weise gemäß One or the collision force r k of the robot is or is defined or determined in one embodiment, in particular on the basis of a linear mapping of the path tangent or direction u, wherein the linear mapping in a development based on a pseudoinverse J * des Robot is defined or determined is, in particular by the pseudoinverse can be defined: wherein the pseudo inverses in one embodiment in accordance with the usual
J* . JTy (4) mit der Gewichtungsmatrix A definiert bzw. ermittelt werden bzw. sein kann, welche in einer Weiterbildung die Massenmatrix oder die Einheitsmatrix sein kann. Die J * , J T y (4) can be defined or determined with the weighting matrix A, which can be the mass matrix or the unit matrix in a further development. The
Pseudoinverse kann somit (mit A = 1) insbesondere die sogenannte Moore-Penrose- Pseudoinverse sein: Pseudo inverse can thus be (with A = 1) in particular the so-called Moore-Penrose pseudoinverse:
Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass eine vom Roboter (beim Abfahren der Bahn) auf ein potentielles Hindernis ausgeübte Kollisionskraft in der roboterfesten Referenz, insbesondere dem TCP, in Richtung der Bahnrichtung bzw. -geschwindigkeit bzw. des Tangenteneinheitsvektors wirkt. Entsprechend projiziert Gleichung (3) diese This is based on the consideration that a collision force exerted on a potential obstacle by the robot in the robot-fixed reference, in particular the TCP, acts in the direction of the web direction or speed or of the tangent unit vector. Accordingly, equation (3) projects them
(Kollisionskraft)Richtung auf die Minimalkoordinaten, insbesondere die Achsen bzw. Gelenke, des Roboters. (Collision force) Direction to the minimum coordinates, in particular the axes or joints of the robot.
Wie insbesondere aus Gleichung (3) ersichtlich, werden vorliegend zur kompakteren Darstellung auch antiparallele Kräftepaare bzw. (Dreh)Momente verallgemeinernd als Kräfte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Achskräfte können somit insbesondere Drehmomente sein, die in bzw. auf Achsen, insbesondere Gelenke(n) bzw. Antrieben, insbesondere Motoren, des Roboters wirken. As can be seen in particular from equation (3), antiparallel pairs of forces or (rotational) moments are generally referred to as forces in the sense of the present invention for a more compact representation. Achskräfte can thus be in particular torques acting in or on axes, in particular joints (s) or drives, in particular motors, of the robot.
Entsprechend können in einer Ausführung in den Minimalkoordinaten auch, Accordingly, in an implementation in the minimum coordinates, too,
insbesondere achsspezifisch, Detektions-Grenzwerte für Achskräfte vorgegeben sein bzw. werden: especially axis-specific, detection limit values for axle forces to be predefined or be:
In einer Ausführung gibt ein vorgegebener Grenzwert tdii (jeweils) an, ab welchem Wert in einer Achse /' eine Kollision auf Basis einer in der roboterfesten Referenz wirkenden Kraft detektiert wird. Dies kann in einer Weiterbildung der, insbesondere achsspezifische, Grenzwert sein, ab dem eine Sicherheitsreaktion des Roboters, beispielsweise ein STOP 0, STOP 1 oder STOP 2 oder ein Rückzug, insbesondere auf der Bahn, ausgelöst wird bzw. vorgegeben ist. In einer Ausführung ist ein bzw. der Betrag einer bzw. der minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, derjenige Faktor f, mit dem der Tangenteneinheitsvektor, insbesondere mindestens, multipliziert werden muss, so dass die Projektion des Tangenteneinheitsvektors auf die Minimalkoordinaten, insbesondere mittels einer Pseudoinversen, insbesondere der Moore-Penrose-Pseudoinversen, in, insbesondere wenigstens oder genau, einer Komponente den achsspezifischen vorgegebenen Grenzwert xd,i betragsmäßig überschreitet: f = Mm{f \ 3 rk i > Td<l } (6) In Worten: der Betrag f ist der minimale Faktor, mit dem die (in die Minimalkoordinaten projizierte bzw. durch eine Einheitskraft in Bahntangentenrichtung auf die körperfeste Referenz des Roboters in den Achsen des Roboters induzierte) In one embodiment, a predetermined limit value t dii (in each case) indicates from which value on an axis / ' a collision is detected on the basis of a force acting in the robot-fixed reference. In a further development, this can be the limiting value, in particular, for which a safety reaction of the robot, for example a STOP 0, STOP 1 or STOP 2 or a retraction, in particular on the track, is triggered or predetermined. In one embodiment, the amount of or the minimum collision force of the robot, which is detectable on the basis of predetermined detection limits for axial forces of the robot, the factor f, with which the tangent unit vector, in particular at least, must be multiplied, so that the projection of the tangent unit vector onto the minimum coordinates, in particular by means of a pseudoinverse, in particular the Moore-Penrose pseudoinverse, in, in particular at least or precisely, a component exceeds the axis-specific predetermined limit value x d , i in magnitude: f = Mm {f \ 3 r ki > T d <l} (6) in words: f the amount is the minimum factor by which the (projected in the minimum coordinates or induced by a unit force in the path tangent direction of the body-fixed reference of the robot in the axes of the robot)
Kollisions(einheits)kraft (wenigstens) multipliziert werden muss, so dass in Collision (unit) force (at least) must be multiplied, so that in
wenigstens/genau einer Achse der Detektions-Grenzwerte für diese Achse erreicht bzw. überschritten wird. at least / exactly one axis of the detection limits for this axis is reached or exceeded.
Entsprechend kann in einer Ausführung der Betrag f einer bzw. der minimalen Kollisionskraft des Roboters, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, insbesondere dadurch bzw. so ermittelt bzw. definiert sein bzw. werden, dass der Betrag, ausgehend von einem Startwert, interativ erhöht wird, bis erstmals bzw. im Rahmen einer Iterationsgenauigkeit in (wenigstens) einer Achse gilt: tki, > Td,j. Accordingly, in one embodiment, the amount f of the minimum collision force of the robot, which is detectable on the basis of predetermined detection limits for axial forces of the robot, in particular be determined or defined by the fact that the amount, starting from an initial value is increased inter-operatively until, for the first time or within the framework of an iteration precision in (at least) one axis: t ki ,> T d , j.
Der Betrag f der minimalen Kollisionskraft und die effektive Masse mu des Roboters werden bzw. sind in einer Ausführung in Form eines gemischten Gütekriteriums, in einer Weiterbildung insbesondere in Form einer gewichteten Summe G der effektiven Masse und des Betrags der minimalen Kollisionskraft und gegebenenfalls weiterer Kostenfunktionen G,, ermittelt bzw. minimiert: The amount f of the minimum collision force and the effective mass m u of the robot are or are in one embodiment in the form of a mixed quality criterion, in a development in particular in the form of a weighted sum G of the effective mass and the amount of minimum collision force and possibly other cost functions G ,, determines or minimizes:
G = a■ mu + b■ f\ + (7)G = a ■ m u + b ■ f \ + (7)
wobei vorzugsweise l; a,b(,Cj ) > gWt preferably l; a, b (, Cj )> gWt
Wie vorstehend erläutert, kann die Redundanz des Roboters durch einen As explained above, the redundancy of the robot by a
Redundanzparameter r reduziert werden bzw. sein. Entsprechend gilt in einer Redundancy parameter r be reduced or be. Accordingly applies in one
Ausführung: Execution:
G = a - mMz, r))+ b - f{q(z, r) ^ cj - Gj = G{q{z, r)) {T) G = a - mmz, r)) + b - f {q (z, r) ^ c j - G j = G {q {z, r)) {T)
Somit können in einer Ausführung für einen oder mehrere Bahnpunkte z, und Thus, in one embodiment, for one or more track points z, and
Redundanzparameterwerte η jeweils Werte des gemischten Gütekriteriums ermittelt und dann jeweils die Pose bzw. der Redundanzparameterwert ausgewählt werden, für die bzw. den das Gütekriterium den kleinsten Wert aufweist. Insbesondere, indem in einer Ausführung für einen nachfolgenden Bahnpunkt jeweils ausgehend von einem vorhergehenden bzw. aktuellen Redundanzparameterwert ein Such- bzw. zulässiger Wertebereich für den Redundanzparameter vorgegeben wird, kann in einer Ausführung vorteilhaft eine Variation des Redundanzparameters beschränkt und so eine besonders vorteilhafte Bahn geplant werden. Entsprechend wird in einer Ausführung allgemein die Redundanz derart bzw. unter der Redundancy parameter values η respectively determined values of the mixed quality criterion and then each of the pose or the redundancy parameter value are selected for the or the quality criterion has the smallest value. In particular, by specifying a search or permissible value range for the redundancy parameter in an embodiment for a subsequent path point, in each case starting from a preceding or current redundancy parameter value, advantageously a variation of the redundancy parameter can be limited in one embodiment and a particularly advantageous path can be planned , Accordingly, in one embodiment, the redundancy is generally such or below
Nebenbedingung aufgelöst, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein Secondary condition resolved that a variation of a redundancy parameter to reduce the redundancy of the robot along the track smaller than one
vorgegebener Variations-Grenzwert ist bzw. bleibt. predetermined variation limit is or remains.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist Mittel zum Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal ist, auf. In einer Ausführung weist das System Mittel zum Auflösen der Redundanz derart, dass eine Variation eines Redundanzparameters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters längs der Bahn kleiner als ein vorgegebener Variations-Grenzwert ist; Mittel zum Ermitteln der auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte According to one embodiment of the present invention, a system for at least partially automated path planning of a multi-axis robot, in particular hardware and / or software, in particular programmatically, for implementing a method described herein and / or has means for resolving a redundancy of the robot with respect to a in a working space of the robot predetermined path such that a mixed quality criterion, which includes an effective mass of the robot and an amount of minimum collision force of the robot, which is detectable based on predetermined detection limits for axial forces of the robot is minimal on. In one embodiment, the system includes means for resolving the redundancy such that a variation of a redundancy parameter to reduce the redundancy of the robot along the path is less than a predetermined variation limit; Means for determining the based on predetermined detection limits
detektierbaren Kollisionskraft auf Basis einer linearen Abbildung einer Bahntangente; Mittel zum Ermitteln der linearen Abbildung auf Basis einer Pseudoinversen des Roboters; Mittel zum Ermitteln des gemischten Gütekriteriums auf Basis einer gewichteten Summe der effektiven Masse und des Betrags der minimalen detectable collision force based on a linear image of a track tangent; Means for determining the linear mapping based on a dummy inverse of the robot; Means for determining the blended quality score based on a weighted sum of the effective mass and the amount of the minimum
Kollisionskraft und/oder Mittel zum Ermitteln des Werts des gemischten Collision force and / or means for determining the value of the mixed
Gütekriteriums für wenigstens einen Punkt der in dem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn für wenigstens zwei Posen im Nullraum des Roboters, insbesondere für wenigstens zwei Werte eines Redundanzparameters des Roboters zur Reduzierung der Redundanz des Roboters, und Mittel zum Planen der Bahn auf Basis der Pose bzw. des Redundanzparameters, für die bzw. den das gemischte Gütekriterium den kleineren Wert aufweist. Quality criterion for at least one point of the path predetermined in the working space of the robot for at least two poses in the null space of the robot, in particular for at least two values of a redundancy parameter of the robot for reducing the redundancy of the robot, and means for planning the path based on the pose or of the redundancy parameter for which the mixed quality criterion has the smaller value.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder A means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules. The CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Bahn planen kann. Output signals to a data bus. A storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media. The program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods and thus, in particular, plan the lane.
In einer Ausführung werden einer oder mehrere der hier beschriebenen Schritte, insbesondere durch das System bzw. dessen Mittel, teilweise oder vollständig automatisiert durchgeführt. Das System kann in einer Ausführung den Roboter auf Basis der in hier beschriebener weise geplanten Bahn bzw. derart steuern, dass er diese ein- oder mehrfach abfährt, bzw. hierzu, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, eingerichtet sein. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,: In one embodiment, one or more of the steps described herein, in particular by the system or its means, partially or fully automated. In one embodiment, the system can control the robot on the basis of the path planned in this manner or in such a way that it travels once or several times, or for this purpose, in particular hardware and / or software, in particular program technology. Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized ,:
Fig. 1 : einen aufgabenredundanten Roboter in verschiedenen Posen; und 1 shows a task-redundant robot in various poses; and
Fig. 2: den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt in einem zur Erläuterung vereinfachten Ausführungsbeispiel, zu dem ergänzend auf die WO 2013/004329 A1 Bezug genommen wird, einen dreigelenkigen Roboter 1 mit einer an einer festen Basis gelagerten Schwinge 1.1 , einem daran gelenkig befestigten Arm 1.2 und einer an dessen schwingenfernen Ende gelenkig gelagerten Hand 1.3 mit dem TCP. Alle drei Drehgelenke weisen parallele, auf der Zeichenebene der Fig. 1 senkrecht stehende Drehachsen auf. 2 shows the sequence of a method according to an embodiment of the present invention. 1 shows, in a simplified embodiment for explanation, to which reference is additionally made to WO 2013/004329 A1, a three-armed robot 1 with a rocker mounted on a fixed base 1.1, an arm 1.2 hinged thereto and one at the swing away End hinged hand 1.3 with the TCP. All three hinges have parallel, on the plane of Fig. 1 perpendicular axes of rotation.
Besteht die Aufgabe des Roboters 1 darin, mit seinem TCP ohne Berücksichtigung von dessen Orientierung eine im (ebenen) Arbeitsraum des Roboters vorgegebene Bahn B in der Zeichenebene abzufahren, ist der Roboter mit seinen drei If the task of the robot 1 is to start a path B in the plane of the drawing with its TCP, regardless of its orientation, in the drawing plane, the robot is with its three
Freiheitsgraden q = (q q2 bezüglich der vorgegebenen Position z = x = (x y)T redundant: man erkennt, dass zu derselben kartesischen TCP-Position (x, y) auf der Bahn B in der Zeichenebene der Fig. 1 bzw. dem Arbeitsraum des Roboters unterschiedliche, redundante Posen existieren, von denen in Fig. 1 exemplarisch drei dargestellt sind. Degrees of freedom q = (qq 2 with respect to the given position z = x = (xy) T redundant: it can be seen that at the same Cartesian TCP position (x, y) on the path B in the drawing plane of FIG. 1 or the working space of the robot different, redundant poses exist, of which three are shown by way of example in FIG.
Fig. 2 zeigt den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das eine Steuerung 2 des Roboters 1 ausführt: 2 shows the sequence of a method according to an embodiment of the present invention, which executes a controller 2 of the robot 1:
In einem ersten Schritt S10 diskretisiert die Steuerung 2 die Bahn B in einzelne Stützbzw. Bahnpunkte (x, y)i (x, y)n. In einem zweiten Schritt S20 ermittelt die Steuerung 2 für den Anfangs-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)i für einen vorgegebenen Such- bzw. Wertebereich eines In a first step S10, the controller 2 discretizes the web B into individual Stützbzw. Track points (x, y) i (x, y) n . In a second step S20, the controller 2 determines, for the initial support or track point (x, y) i, for a given search or value range, respectively
Redundanzparameters r, im Ausführungsbeispiel rein exemplarisch des Redundancy parameter r, in the exemplary embodiment purely exemplary of
Gelenkwinkels qi der Schwinge 1.1 , jeweils den Wert des Gütekriteriums G gemäß obiger Gleichungen (1) bis (7'). Es wird also für verschiedene, durch den Joint angle qi of the rocker 1.1, respectively the value of the quality criterion G according to the above equations (1) to (7 '). So it is for different, by the
Redundanzparameter definierbare, Posen des Roboters 1 in dessen Nullraum jeweils seine effektive Masse mu sowie der Faktor f ermittelt, mit dem der Redundancy parameter definable, poses of the robot 1 in whose zero space each determines its effective mass m u and the factor f, with the
Tangenteneinheitsvektor an die Bahn B im Anfangs-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y^ mindestens multipliziert werden muss, damit seine Projektion in die Tangent unit vector to the path B in the initial support or track point (x, y ^ must be multiplied at least to allow its projection in the
Minimalkoordinaten q = (oj q2 jf3)T mittels der Moore-Penrose-Pseudoinversen in einem Freiheitsgrad den hierfür bzw. achsspezifisch vorgegebenen Detektions- Grenzwert überschreitet, und als Wert eines gemischten Gütekriteriums für diese Pose der Wert der gewichteten Summe aus effektiver Masse und diesem Faktor f ermittelt wird. In einem Schritt S30 wählt die Steuerung 2 als Startpose bzw. diese definierenden Start-Redundanzparameterwert diejenige Pose bzw. denjenigen Minimum coordinates q = (oj q 2 jf 3 ) T using the Moore-Penrose pseudo-inverses in one degree of freedom exceeds the detection limit specified for this and axis, and the value of a mixed quality criterion for this pose the value of the weighted sum of effective mass and this factor f is determined. In a step S30, the controller 2 selects that pose as the starting pose or start redundancy parameter value defining it
Redundanzparameterwert, für die bzw. den dieses Gütekriterium minimal ist bzw. wird. Redundancy parameter value for which this quality criterion is or becomes minimal.
In einem Schritt S40 ermittelt die Steuerung 2 für einen nachfolgenden Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y), in analoger Weise die Werte des Gütekriteriums für unterschiedliche Posen bzw. Redundanzparameterwerte. Dabei wird bzw. ist der Such- bzw. In a step S40, the controller 2 determines the values of the quality criterion for different poses or redundancy parameter values for a subsequent support or track point (x, y) in an analogous manner. This is or is the search or
Wertebereich, innerhalb dessen der Redundanzparameter bzw. die hierdurch definierte Pose variiert wird, dadurch begrenzt, dass eine Variation des Range of values, within which the redundancy parameter or the pose defined thereby is varied, thereby limiting that a variation of
Redundanzparameter(wert)s gegenüber dem vorhergehenden Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)i-i kleiner als ein vorgegebener Variations-Grenzwert ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine unerwünschte signifikante Umorientierung des Redundancy parameter (s) s compared to the previous support point (x, y) i-i is less than a predetermined variation threshold. This can advantageously an undesirable significant reorientation of the
Roboters 1 längs der Bahn verhindert werden. Robot 1 can be prevented along the track.
Dann wählt die Steuerung 2 in einem Schritt S50 für den Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)j in analoger Weise als Pose bzw. diesen definierenden Start- Redundanzparameterwert diejenige Pose bzw. denjenigen Redundanzparameterwert, für die bzw. den dieses Gütekriterium minimal ist bzw. wird. In einem Schritt S60 prüft die Steuerung, ob ein End-Stütz- bzw. Bahnpunkt (x, y)n erreicht ist. Solange dies nicht der Fall ist (S60:„N"), wiederholt die Steuerung 2 die Schritte S40 - S60 in analoger Weise, andernfalls (S60:„Y") ist die Bahnplanung beendet. Auf diese Weise plant die Steuerung 2 die Bahn des Roboters in Form der Abfolge der Posen bzw. diese definierenden Redundanzparameterwerte rx = Qu (/ = 1 ,... ,n) längs der im Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn B und löst so dessen Redundanz bezüglich der Bahn B derart auf, dass einerseits - durch die Minimierung der effektiven Masse - die Gefährdung bei einer potentiellen Kollision reduziert und zugleich - durch die gleichzeitige Pareto-Minimierung des Betrags f der minimalen Kollisionskraft, die auf Basis der vorgegebenen Detektions-Grenzwerie für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, eine potentielle Kollision möglichst sensitiv bzw. Then, in a step S50, the controller 2 selects, for the support or track point (x, y) j in an analogous manner as a pose or start redundancy parameter value defining that pose or redundancy parameter value for which this quality criterion is minimal or will. In a step S60, the controller checks whether an end support point (x, y) n has been reached. As long as this is not the case (S60: "N"), the controller 2 repeats the steps S40 - S60 in an analogous manner, otherwise (S60: "Y"), the path planning is completed. In this way, the controller 2 plans the path of the robot in the form of the sequence of poses or these defining redundancy parameter values r x = Qu (/ = 1,..., N) along the path B predetermined in the working space of the robot and thus triggers it Redundancy with respect to the path B such that on the one hand - by minimizing the effective mass - reduces the risk of a potential collision and at the same time - by the simultaneous Pareto minimization of the amount f of the minimum collision force, based on the predetermined detection limit value for Achskräfte of the robot is detectable, a potential collision sensitive or
frühzeitig detektierbar ist, so dass entsprechende Sicherheitsreaktionen rasch eingeleitet werden können. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen can be detected early, so that appropriate safety reactions can be initiated quickly. Although exemplary embodiments have been explained in the foregoing description, it should be understood that a variety of modifications are possible. It should also be noted that it is the exemplary
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die The explanations are merely examples of the scope of protection
Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Applications and the structure should in no way limit. Rather, the expert is by the preceding description a guide for the
Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Implementation of at least one exemplary embodiment given, wherein various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the described components, can be made without departing from the scope, as it is apparent from the claims and these equivalent
Merkmalskombinationen ergibt. Bezuqszeichenliste Feature combinations results. LIST OF REFERENCES
1 Roboter 1 robot
1 .1 Schwinge 1 .1 swingarm
1 .2 Arm 1 .2 arm
1 .3 Hand 1 .3 hand
2 Steuerung 2 control
B im Arbeitsraum vorgegebene Bahn B predetermined path in the work space
TCP Tool Center Point TCP Tool Center Point
u Tangenteneinheitsvektor u Tangent unit vector
Claims
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