通过演示对机器人进行编程的制作方法

  机器人设备可用于多种应用，诸如制造、医疗、安全、军事、勘探、老人护理、医疗保健和/或其它应用。一些现有的机器人设备(例如，制造组件和/或包装机器人)可被编程以执行各种期望的功能。一些机器人设备(例如，外科机器人)可由人类远程控制。一些机器人设备可通过探索学习怎么样操作。

  对机器人进行编程可能是昂贵的，并且由人类操作者远程控制可能会引起延迟和/或要求操作者高度熟练。此外，机器人模型和/或环境中的变化可能需要对编程代码进行更改。远程控制通常依赖于用户的经验和/或敏捷性，当控制管理系统和/或环境的动力学(例如，意外的障碍物出现在远程受控车辆的路径上)快速变化时，用户的经验和/或敏捷性可能不足。

  自动化行业最近经历了从大型、危险、复杂的机器人到协作式机器人的演变。这种新型机器人易于装配，在人类旁边操作安全，并且即使经验不足的用户也能轻松编程。这大幅度的降低了部署机器人的成本并缩短了机器人的投资回报时间，使得中小企型业能够在自己的生产工厂装配机器人。

  这些协作式机器人利用重力补偿模式和动觉指导，允许用户通过手动将机器人移动到所需的笛卡尔空间位置并使用通常位于示教器上的图形用户界面(gui)记录通过点向机器人示教通过点。

  虽然使用数字编程比传统方法更加直观，但过程需要大量时间，尤其是对于更复杂的移动和较大的程序，其中机器人必须顺序地移动通过多个点，同时通过示教器或gui来配置适当的动作。

  在本领域中用于引导示教方法的改进包括使用很多类型的示教手柄(未示出)，用于辅助操作者引导机器人完成期望的运动。示教手柄提高了操作者相比机器人的机械优势，然而操作者仍需要操控和准确地控制机器人完成期望的运动，同时保持在三个或更多个维度上的控制。

  演示编程(pbd)领域为通过传统方法或利用gui或示教器来对机器人编程的复杂性和时间要求提供了替代方案。它的目的是将编程简化到对于任何最终用户都是直观的程度，无论用户以前对于使用机器人的经验水平如何。使用各种感测装置捕获用户对机器人任务执行的期望结果的演示，然后尝试从所捕获的数据提取关于任务的一般机器人程序说明，就可以实现这一点。

  为此，最主流的技术之一是动觉示教，由此用户利用自己的手来操作处于重力补偿模式的机器人。用户随后拖拽机器人完成期望的程序运动。所提议的其它捕获装置包含视觉系统、全身感测套装、感测手套、磁性跟踪设备或前述设备的组合。

  然而，大多数pbd方法的问题是，它们需要对相同任务进行太多用户演示才能提取可用的程序表示，它们的抽象对于用户而言太复杂而无法被理解，因而无法控制它们的喜好，或者它们需要用户利用外部硬件解决方案，如可为磁性、手套、相机、全身感测套装，或前述装置的任何组合，因此大幅度提升了在真实工业环境中部署此类解决方案的成本和复杂性。

  离线编程方法要求提供可用于工件的计算机模型，并提供准确的校准设备和程序以将模拟设置中的程序数据转换为机器人设置中的程序数据。因此，假如没有计算机模型或校准准确度不足以满足过程要求，则不可以使用此方法。

  因此，需要一种方法和装置，允许操作者在实际设置中用最小努力对机器人运动编程，使得过程要求和运动路径一起呈现并且操作者可对编程机器人中的任何细节提供及时的现场判断。此外，希望机器人与工件之间的空间关系从始至终保持，且不给操作者造成任何负担。此外，也希望即使在需要密切接触的应用中机器人和工件也不碰撞。此外，希望操作者在编程操作期间无需针对复杂路径中的所有程序点在三个维度上费力引导机器人，以降低对机器人的期望运动编程的复杂性。此外，示教操作的简化允许对机器人运动进行更有效和自动化的示教，使得针对小批作业对可编程机器人的频繁编程在经济方面是可行的。

  本发明提供相比于现存技术方法的显著进展，主要在于它使用动觉示教作为演示输入模式，并且不要安设或用任何外部感测或数据捕获模块。它需要单个用户演示来提取程序的表示，并且向用户呈现一系列易于控制的参数，允许他们修改或约束任务的提取程序表示的参数。

  根据本发明的第一方面，提供一种方法，由此在演示模式下操作机器人以示教机器人执行特定过程或任务。在一个实施方案中，这通过在重力补偿动觉指导模式下手动操作机器人来实现。在此类情况下，机器人具有双重用途，不仅用作致动器，还用作测量设备，由此使用感测设备(例如机器人关节编码器)记录关节位置和速度，并且使用机器人状态变量值或类似的程序将其它机器人操作变量，诸如其输入/输出接口的状态、数字输入和输出以及其它通信信号，直接记录在机器人内部。机器人还可通过gui或其它控制机构(不单单是手动)做相关操作来编程。另外，机器人不一定必须处于重力补偿模式。它可为力控制或一些其它形式的控制，或者也可通过操作关节中的断裂释放然后四处拖动机器人。另外，代替动觉指导，它可为另一种形式的控制，例如用操纵杆或用gui箭头遥控操作。

  根据本发明，用户抓住并引导机械臂完成整个期望的运动，同时致动所需的设备(例如，打开和闭合夹持器、触发输出等)来达成目标。用于致动这些设备的装置通过机器人gui或其它方式提供，例如位于机械臂上的致动按钮阵列。

  具体地讲，本发明因此提供一种对执行特定过程的机器人进行编程的方法，该方法有以下步骤：

  ·提供机器人，诸如具有机械臂的机器人，该机械臂具有用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器，所述传感器置于机器人内部并且使用机器人状态变量值进行感测；

  ·限定机器人的移动路径，例如通过允许用户抓住机械臂并引导它通过整个期望的路径，同时致动相关联的设备；

  在本发明的一个优选实施方案中，使用选自机器人关节编码器的感测设备和其它机器人操作变量，诸如其输入/输出接口的状态、数字输入和输出以及其它通信信号，来记录关节位置和速度。另外优选的是，用于致动感测设备的装置通过机器人通用(或图形)用户界面(gui)或其它方式提供，诸如位于机械臂上的致动按钮阵列。

  在本发明的第二方面，提供一种用于对机器人进行编程的计算机程序产品，所述机器人设置有机械臂，该机械臂具有用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器，所述传感器置于机器人内部，所述计算机程序产品体现了本发明的方法，从而通过允许用户抓住机械臂并引导其通过整个期望的路径来登记机器人的移动路径。

  作为记录设备的机器人记录用户对任务的演示。此动作序列还可由用户使用若干配置参数进行微调，可调整例如移动的精度、速度、移动是点到点移动还是连续移动，以及程序是否应被简化为更简单的结构表示等其它可能性。在一个优选的实施方案中，本发明允许用户选择是否应直接再现所记录的动作序列。在这种情况下，机器人将简单地执行由用户演示的移动和动作的精确模拟。这使得用户可验证机器人的记录内容并相应地修改其演示。这可通过读取所记录的关节位置数据和执行机器人上与所记录的移动参数相同的一系列移动命令而实现。

  如果不直接再现，用户可如所述的那样配置若干参数来控制输出程序。在这种情况下，机器人将对所记录的数据应用一系列算法。使用连续曲线简化方法或类似的方法提取能最好地表示用户所演示的连续运动的一系列通过点。可使用步骤过滤器或其它类似的机构来检测输入和输出变化。输出是一系列动作事件或等同抽象,在高层次上代表示教给机器人的任务。

  可随后将先前所述的动作事件列表内部转换为可由机器人直接读取和执行的机器人特定程序格式。该转换受到由用户配置的参数的影响，如先前所详述。程序文件可随后在机器人上再现。通过观察，用户可随后使用gui、通过对要修正的片段进行部分重新演示或通过其它方式来迭代地编辑演示的部分(动作或轨迹片段)。

  另外，前述程序可使用模拟机器人实现，在这种情况下，将该模拟机器人同时用作记录工具和致动器。在这种情况下，用户不动觉引导重力补偿机器人，而是转而使用gui或类似的输入机构来模仿模拟机器人的移动。

  在任何情况下，在模拟机器人的情况下，交互过程等同于实体机器人经历的交互过程。用户可再次选择直接再现所记录的演示，或者设置多个配置参数以影响动作提取和后续程序转换例程的行为。当随后将模拟机器人置于模拟致动器模式时，模拟机器人将通过gui或其它适当的表示方式呈现所学习的程序执行的模拟表示。

  前述模拟系统的输出在任何情况下都等同于前述实体机器人系统的输出，即，可由机器人以其特定编程语言执行的机器人程序。也就是说，机器人程序可在模拟系统和实体系统之间移植。此外，程序可在两个系统的任何一个中编辑，可保存，可随后在其它系统中进一步编辑。

  受权利要求书保护的本发明还可利用另外记录的演示数据来进一步调整输出机器人程序。例如，可使用来自所记录的用户演示的速度信息来调整系统的精度约束，具体方式为：当用户在机器人处于重力补偿模式时动觉地引导机器人到达某个位置时，更快的移动将指示具有较低精度要求的动作点之间的过渡位移，而更慢更慎重的移动传达了当前机器人位置或移动将以更严格的精度约束执行。这通过在前述连续曲线简化算法或任何类似的实施方式中调整ε参数来实现，该算法控制两个轨迹点必须被分开的距离以便添加到程序通过点的列表中。该目标也可通过不同方式实现。

  此外，系统还可能使用各种各样的人机交互程序完成，由此系统在适当的时间询问用户有关其意图以及迄今所提取程序表示的正确性。这样一些问题可包括但不限于是否应将任务一般化为另一个所选位置，用户是否试图演示任何循环或分支结构，或其它类似询问。

  图1示出了具有传感器的机械臂的关节，其中传感器用于测量其要用于机器人示教的每个关节的关节位置和速度。

  以下示出了适用于本发明的机械臂的一部分(关节)。对于本发明的示教方法而言，最重要的是用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器。这些传感器在图1中示出为位置传感器132,133。在该图中示出了根据本发明的一个实施方案的关节的剖视图。该关节包括互相连接的机械、机电、电子和光学元件，这些元件直接经由电连接器耦接到其他元件，或者无线耦接(例如，光学耦接)到其他元件。为了确认和保证这些元件最简单且直接的安装与连接，有利的是将这些元件中尽可能多的元件设置在一个印刷电路板131(pcb)上。图示为可以用在六轴机器人中的关节的一个实施例的剖视图，但应理解，此关节也可以与其他机器人一起使用。在所示的实施方案中，还示出实现了安全制动134,135，然而，这不是决定性特征。

  用于确定电机(角取向)的位置(轴/转子的角取向)的传感器133安装在pcb131的后表面处。图1所示的电机包括定子部件136和转子部件137。

  用于确定关节的输出轴138或输出法兰139的角取向的传感器132安装在pcb的前表面上，或者安装在pcb131的前表面上的插槽中。优选地，使用高清晰度传感器，并且空心轴138与传感器之间距离较近是重要的，以便实现传感器和编码器盘相对于彼此的适当定位。为了可以通过关节来感测pcb131处的输出法兰139的移动(旋转)，将编码器盘140安装在空心轴138上，电连接和气动连接141通过空心轴被引导穿过该关节，而且空心轴138连接到输出法兰139。

  此外，根据本发明的此实施例的关节被设计成使得相邻关节可以不使用另外的元件便附接到彼此。借由输出法兰139和关节的外壳146上的连接部分145来将关节附接到相邻关节或连接构件(例如，薄壁管)。除此之外，根据本发明的机器人关节可以由适当的构件(例如薄壁管)耦接在一起，薄壁管因具有最佳刚度/重量比而成为优先选择。此外，根据本发明的此实施例的关节包括：外壳146与输出法兰139之间的密封件147；靠在设于外壳146中的倾斜内表面部分(轴承表面)155上的主轴承148；密封轴承149；传动装置150；用于从相邻关节或连接构件的连接的至少一个通道151；当输出构件138、139旋转时用于滑环和用于扭转电线，例如，铝板或其他合适的材料，用于安装pcb131并且也用于充当关节中的电力电子设备的散热器。

  虽然可根据本发明设想演示编程(pbd)的许多不同方法，但本发明人已在图2和图3中提供了两种可能的方法。对这些特定方法，由用户进行演示，并且基于表示由用户所演示的连续运动的一系列通过点的提取将机器人的移动记录为通用程序代码(ur)。在本发明的一个实施方案中，机器人具有机械臂，该机械臂具有用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器，以便监测来自传感器的信号并记录操作参数。然而，在另选的实施方案中，可采用没有机械臂的机器人。另外，代替测量关节位置/速度，也可在笛卡尔/任务空间或任何其它坐标系中完成。传感器还可在外部并且不位于关节上，例如用于移动式机器人的视觉系统或gps。

  随后，处理操作参数生成机器人控制程序以应用过程。这样，程序可生成对由用户所演示的移动和动作的模拟。

  1.一种对用于执行特定过程的机器人进行编程的方法，所描述的方法包括以下步骤：

  ·提供图形用户界面(gui)或同等设备，允许用户定义机器人程序，并且允许模拟机器人；

  ·提供机器人，诸如具有机械臂的机器人，所述机械臂具有用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器；

  ·监测来自所述传感器的信号并记录操作参数，或者另选地通过所述机器人模拟完成；

  ·允许所述用户编辑任务，例如通过提供部分重新演示，或利用gui或同等设备以修改所述生成的程序，包括由所述演示生成的代码。

  2.依据权利要求1所述的方法，其中使用选自机器人关节编码器的感测设备和其它机器人操作变量，诸如其输入/输出接口的状态、数字输入和输出以及其它通信信号，来记录所述关节位置和速度。

  3.根据权利要求1或2所述的方法，其中用于致动所述感测设备的装置通过所述机器人通用用户界面(gui)或其它方式提供，诸如位于所述机械臂上的致动按钮阵列。

  4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括配置参数以通过对所记录的数据应用一系列算法来控制所述输出程序的步骤。

  5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对用于执行特定过程的所述机器人进行编程通过在重力补偿动觉指导模式下进行手动操作来实现。

  6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器置于所述机器人内部并且使用所述机器人状态变量值进行感测。

  7.根据权利要求5或6所述的方法，其中限定所述路径通过允许用户抓住所述机械臂并引导其通过整个期望的路径，同时致动相关联的设备来执行。

  8.一种用于对机器人进行编程的计算机程序产品，所述机器人设置有机械臂，所述机械臂具有用于测量其每个关节的关节位置和速度的传感器，所述传感器置于所述机器人内部，所述计算机程序产品体现了根据权利要求1至4中任一项所述的方法，从而通过允许用户抓住所述机械臂并引导其通过整个期望的路径来登记所述机器人的移动路径。

  技术研发人员：埃斯本·H·厄斯特高;伊尼戈·伊图拉特;蒂乌修斯·拉吉特·萨瓦里穆图

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  对工业机器人编程以相对于对象上的限定位置移动、包括表面扫描程序生成的方法和系统的制作的过程