具有运动冗余臂的工业机器人和用于控制该机器人的方法

1.一种工业机器人，包括：
-机器人臂(1)，具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度中移动的工具接口(7)，以及相对于所述工具接口所限定的工具中心点(TCP)，
-用户操作控制设备(12)，其用于在示教模式期间手动控制所述工具中心点的移动，以及
-控制单元(10)，适于在示教模式期间从所述用户操作控制设备接收有关指示的移动的信息，并且基于所述有关指示的移动的信息控制所述机器人臂的移动；其中所述控制单元包括运动规划器(26)，所述运动规划器(26)适于通过实行指示的移动的插值，包括多个插值步骤，来确定所述机器人臂应当怎样移动，并且对于每个插值步骤对于指示的移动的增量为所述机器人臂计算关节角度，并且适于检查是否任何所述机器人臂的所述关节接近其关节限度，以及如果是这样的话，使用冗余数量的关节以避免关节限度而工具中心点不变；其特征在于：
-所述用户操作控制设备适于向控制单元发送针对所述工具中心点的有关指示的移动的信息；
-所述控制单元适于在所述示教模式和运行时模式之间切换，并且在所述示教模式期间基于来自所述用户操作控制设备的有关指示的移动的信息控制所述机器人臂的移动，并且在运行时期间根据来自控制程序的有关指示的移动的信息控制所述机器人臂的移动；
-所述控制单元包括优化模块(27)，其适于在具有冗余数量的关节的所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述关节限度的距离而不改变所述工具中心点；并且
-所述运动规划器(26)适于当所述控制单元处于所述示教模式时检查是否任何所述机器人臂的所述关节接近其关节限度，以及如果是这样的话，运行所述优化模块并且用所述新的关节配置的关节角度代替针对增量的计算的关节角度，并且当所述控制单元处于运行时模式时省略所述优化模块。
2.根据权利要求1所述的工业机器人，其中所述运动规划器(26)适于如果所述控制单元在运行时模式，所述运动规划器不检查是否所述机器人臂的任何所述关节接近其关节限度。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的工业机器人，其中所述机器人臂(1)具有七个自由度，并且所述优化模块一起使用优化方法和7x7雅可比矩阵来搜索所述臂的零空间。
4.根据权利要求3所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置使得在保持到所述关节限度的安全距离的同时增加到所述关节限度的距离。
5.根据权利要求1-2中任意一项所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到奇点的距离而不改变所述工具中心点，所述控制单元(10)适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且对于每个插值步骤所述运动规划器(26)适于检查所述控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且，如果所述控制单元在示教模式，检查所述机器人臂是否接近于奇点，以及如果是这样的话，运行所述优化模块以及用所述新的关节配置的关节角度取代针对所述增量所计算出的关节角度。
6.根据权利要求1-2中任意一项所述的工业机器人，其中所述优化模块(27)适于在所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述机器人的工作空间内的物理障碍的距离而不改变所述工具中心点，所述控制单元(10)适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且对于每个插值步骤所述运动规划器(26)适于检查所述控制单元是在示教模式还是在运行时模式，并且如果所述控制单元在示教模式，检查每个插值步骤所述机器人臂是否接近于所述机器人的工作空间中的物理障碍，以及如果是这样的话，运行所述优化模块以及用所述新的关节配置的关节角度取代针对所述增量所计算出的关节角度。
7.根据权利要求6所述的工业机器人，其中所述控制单元(10)包括用于存储关于所述机器人的工作空间中的障碍的位置和形状信息的数据存储器，并且所述运动规划器适于基于所述计算出的关节角度确定所述机器人臂的位置，以及通过将所述机器人的位置与所述工作空间中的障碍的位置比较而确定所述机器人臂是否接近于所述工作空间中的障碍。
8.一种用于控制工业机器人的方法，所述工业机器人包括具有冗余数量的关节并且提供有可在多个自由度移动的工具接口(7)的机器人臂(1)，其具有相对于所述工具接口所限定的工具中心点(TCP)，用于在示教模式期间手动控制所述工具中心点的移动的用户操作控制设备(12)，并且所述机器人适于在示教模式和运行时模式之间切换，并且在所述示教模式期间基于从所述用户操作控制设备接收的移动指示控制所述机器人臂的移动，并且在运行时期间根据来自控制程序的移动指示控制所述机器人臂的移动，其中所述方法包括：
–接收移动指示，
–将所述指示的移动分成多个增量，
–通过对每个增量实行插值步骤而针对每个所述增量确定所述机器人臂的关节角度，包括基于所述指示的移动针对所述增量计算关节角度，以及
–基于所述确定的关节角度控制所述机器人臂的运动，其特征在于所述插值步骤包括检查所述机器人是处于示教模式还是运行时模式，并且如果所述机器人处于示教模式，则执行如下优化步骤：–基于所述计算出的关节角度和对于所述关节的限度值，检查是否任何所述机器人臂的所述关节接近其关节限度，并且如果是这样的话，
–在具有冗余数量的关节的所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述关节限度的距离而不改变所述工具中心点，以及
–用所述新的关节配置的关节角度取代所述计算出的关节角度，并且当所述机器人处于运行时模式时省略所述优化步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述搜索是针对在保持到所述关节限度的安全距离的同时增加到所述关节限度的距离的新的关节配置所做出的。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述优化步骤进一步包括：
–检查所述机器人臂是否接近于奇点，并且如果是这样的话，以及
–在所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述奇点的距离而不改变所述工具中心点。
11.根据权利要求8–9中任意一项所述的方法，其中所述优化步骤进一步包括：
–检查所述机器人臂是否接近于所述机器人的工作空间中的物理障碍，并且如果是这样的话，在所述机器人臂的零空间中搜索新的关节配置，所述新的关节配置增加到所述障碍的距离而不改变所述工具中心点。
12.根据权利要求8–9中任意一项所述的方法，其中在所述机器人臂的零空间中搜索的所述步骤包括使用优化方法来优化所述机器人臂的臂-角度。
13.根据权利要求8–9中任意一项所述的方法，其中所述机器人臂具有七个自由度，并且所述优化模块一起使用优化方法和7x7雅可比矩阵，所述雅可比矩阵为所述机器人提供了关节速度和笛卡尔速度之间的关系以搜索所述臂的所述零空间。

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