扫掠体变形的制作方法

1.本公开涉及工业机器人运动控制领域，并且更具体地，涉及一种机器人干涉检查运动规划技术，所述技术在开始点和目标点之间生成随机样本节点，计算到下一样本节点的路径段的运动规划，并且如果沿着路径段存在干涉，则使用所述段的扫掠体来确定干涉的严重性，并且计算所述段的解决非严重的干涉的修正的运动规划。


背景技术：

2.使用工业机器人来执行各种各样的制造、组装和材料移动操作是众所周知的。在许多机器人工作空间环境中，障碍物存在并且可能在机器人运动的路径中。障碍物可以是诸如机器和固定装置的永久性结构，或者障碍物可以是临时的或可移动的。由机器人对其操作的大型工件自身可能是障碍物，因为机器人在执行诸如焊接的操作时必须在工件中或工件周围操纵。在多机器人工作空间环境中，每个机器人对于其他机器人来说都是潜在的障碍物。必须绝对避免机器人的任何部分和任何障碍物之间的碰撞。
3.已知在机器人运动规划例程中包括干涉检查算法，包括在实时运动/路径规划期间。在障碍物密集型机器人环境中使用的已知路径规划技术是快速探索随机树(rrt)，其生成随机采样点以最终将开始点连接到目标点，其中每个“点”实际上是完整的机器人姿势。rrt技术通过确定从当前可行点到下一个采样点的机器人运动段是否是无碰撞的来检查每个采样点的可行性。如果运动段不是无碰撞的，则丢弃该采样点，并且随机生成并评估新的采样点。如果运动段是无碰撞的，则将采样点添加到树，并且随机生成新的采样点。
4.尽管rrt技术在查找从开始点到目标点的无碰撞的路径方面是有效的，但是由于到所建议的采样点的运动段是无碰撞的的概率低，所以它在障碍物密集型机器人环境中可能是低效的。因为传统的rrt实现不考虑沿着所建议的运动段的机器人-障碍物碰撞的严重性，所以丢弃了许多仅具有较小干涉状况的采样点，这导致树或者增长非常缓慢，或者在低效方向上增长。
5.鉴于上述情况，需要一种改进的机器人干涉检查路径规划技术，其考虑机器人-障碍物碰撞的严重性，并且修改运动段以解决较小的干涉，而不是丢弃所建议的采样点。


技术实现要素：

6.本公开描述了一种使用扫掠体变形的机器人干涉检查运动规划技术。快速探索随机树(rrt)算法在开始点和目标点之间生成随机样本节点。每个样本节点通过检查沿着到该节点的路径段的机器人-障碍物干涉而被评估。如果沿着路径段存在干涉，则使用该段的扫掠体来识别干涉最大的危险姿态，并且使用障碍物干涉点来限定施加到机器人连杆的虚拟力，以修改路径段来减轻干涉状况。计算并评估修改的路径段的扫掠体。如果修改的扫掠体是无碰撞的并且修改的路径段运动规划满足机器人关节范围准则，则将修改的路径段和样本节点添加到整个机器人运动程序中。
7.结合附图，根据以下描述和所附权利要求，当前公开的装置和方法的附加特征将
变得显而易见。
附图说明
8.图1是在其自身是障碍物的车身工件上执行操作的工业机器人的图示；
9.图2a和2b是rrt路径规划过程的图示，其中到所建议的样本节点的运动段分别遇到主要障碍和次要障碍；
10.图3是伸出通过车身门开口以执行操作的机器人的等距视图，其描绘了用于例示本公开的扫掠体变形路径规划方法的情况；
11.图4是由图3的伸出通过车身门开口以执行操作的机器人创建的扫掠体的侧视图，其描绘了本公开的方法中的一个步骤；
12.图5a是根据本公开实施例的图4的扫掠体的轮廓的图示，其示出了静态障碍物和机器人的扫掠体之间的干涉状况；图5b是根据本公开实施例的图5a的扫掠体的轮廓的图示，其示出了干涉状况的机器人临界姿态和扫掠体需要避开的区域；图5c是根据本公开实施例的解决图5a的干涉状况的变形的扫掠体的轮廓的图示；
13.图6a是根据本公开的实施例的机器人的静态虚拟力和几何形状图，其示出了施加到机器人连杆的虚拟力以避免与障碍物的干涉，并且图6b是根据本公开实施例的图6a的机器人的几何形状图，其示出了机器人姿势如何由于虚拟力而改变以避免与障碍物的干涉；
14.图7是根据本公开的实施例的、在使用图6所示的技术修改图3的机器人的运动规划之后由图3的机器人创建的变形的扫掠体的侧视图；以及
15.图8是根据本公开的实施例的用于使用扫掠体变形进行机器人干涉检查路径规划的方法的流程图。
具体实施方式
16.以下对涉及使用扫掠体变形的机器人干涉检查路径规划的本公开的实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制所公开的装置和技术或它们的应用或使用。
17.使用工业机器人进行各种制造、组装和材料移动操作是众所周知。在许多机器人工作空间环境中，障碍物存在并且可能在机器人运动的路径中，即，障碍物可能位于机器人当前所处的位置和机器人的目的地位置之间。障碍物可以是诸如机器和固定装置的永久性结构，或者障碍物可以是临时的或可移动的。由机器人操作的大型工件自身可能是障碍物，因为机器人在执行诸如焊接的操作时必须在工件中或工件周围操纵。工作空间中的一个机器人也可能是另一个机器人的潜在障碍物。
18.图1是在其自身是障碍物的车身工件120上执行操作的工业机器人100的图示。在图1的工作空间中，机器人100在工件120的各个位置上执行点焊任务。点焊包括在车身内部的位置，其需要机器人100伸出至门开口内部。在这个申请中，车身工件120自身是机器人100的运动的障碍物。机器人100在车身工件120上和车身工件120周围的操作需要对所有规划的运动执行干涉检查计算。
19.机器人100通常经由电缆与控制器102通信。如本领域所公知的，控制器102提供关节电机控制信号以命令机器人根据定义的运动程序移动。控制器102还命令固定到机器人100的工具(诸如图1中所示的点焊机工具)的操作。可以提供计算机130来计算特别是在由
于移动的障碍物、移动的工件等的存在而必须实时计算每个机器人移动的环境中的、机器人100的每个即将到来的移动的运动程序。
20.在本领域中已经开发了用于计算机器人运动的技术，使得工具遵循避免机器人的任何部分与任何障碍物碰撞的路径。这种技术通常涉及两个部分-定义所建议的机器人运动程序，以及在沿着运动程序的路径点处检查机器人-障碍物干涉。
21.可以使用各种方法来执行离散路径点处的干涉检查计算。一种方法将机器人连杆表示为几何图元(球体、圆柱体等)以降低计算复杂度，但以精度为代价。另一种方法使用由计算机辅助设计(cad)数据定义的机器人连杆的实际形状来表示机器人连杆，该方法由于计算量大而精确。还存在用于机器人运动规划中的干涉检查的其他技术，包括带符号的距离场技术和轴对准包围框树技术。下面进一步讨论使用被转换为1d索引的点集的另一种干涉检查方法。
22.不管用于干涉检查计算的方法如何，都需要定义将机器人移动到一个位置(目标点或姿势)以执行操作的机器人运动程序。在障碍物密集环境中，已知使用快速探索随机树(rrt)方法来创建运动程序，所述运动程序通过构建中间节点的树来将机器人从开始点移动到目标点，其中在将随机样本节点添加到运动程序之前，针对碰撞避免评估随机样本节点。
23.图2a和2b是rrt路径规划过程的图示，其中到所建议的样本节点的运动段分别遇到主要障碍物和次要障碍物。为了清楚起见，图2a和2b以二维(2d)绘制，但是应当理解，所有公开的机器人运动规划都是在三维(3d)中进行的。具体地，障碍物是3d物体，例如图1所示的门框，并且开始、目标和样本“点”实际上是3d机器人姿势，包括工具的位置和取向以及相应的完整的机器人关节位置的集合。
24.在图2a中，rrt计算的目的是查找从开始点210到目标点220的无碰撞的路径。障碍物232和234存在于机器人工作环境中。在现实世界应用中，可能存在更多障碍物。如本领域所公知的，rrt方法连续地建议随机样本节点，并且评估从当前位置(树分支的末端)到所建议的样本节点的路径。从开始点210开始，先前建议了样本节点240，并且发现从开始点210到样本节点240的路径是可行的(无碰撞的)。因此，将可行节点240添加到树。
25.现在建议新的随机样本节点250，并且评估从可行节点240到样本节点250的路径。发现从可行节点240到样本节点250的路径被障碍物234阻挡；因此，从节点240到节点250的直接路径是不可行的。障碍物234是从节点240到节点250的路径的主要障碍物，因为路径穿过障碍物234的大范围部分。使用传统的rrt方法，在这种情况下可以做的最好的是查找从节点240到达可行的中间节点260，并且将节点260添加到树。
26.在图2b中，所建议的样本节点250被丢弃，并且建议新的随机样本节点270。还示出了新的障碍物236，因为它与到节点270的路径规划相关。发现从可行节点240到样本节点270的路径被障碍236阻挡；因此，从节点240到节点270的直接路径是不可行的。使用传统的rrt方法，节点270将被丢弃，并且从节点240到达可行的中间节点(未示出)可以被识别并被添加到树。然而，传统的rrt方法不能区分主要障碍物和次要障碍物。
27.在比图2a/2b的简单2d路径示例复杂得多的机器人路径规划中，一种干涉检查技术使用每个所建议的运动段的扫掠体来确定在运动段期间机器人的任何部分是否干涉任何障碍物。在图2b中可以看出，因为路径穿过障碍物236的小尖端，所以障碍物236是从节点
240到节点270的路径的次要障碍物。本公开提供了一种技术，用于使用所建议的路径的扫掠体来确定任何机器人-障碍物干涉的严重性，并且将变换应用于机器人运动段，其以解决次要障碍物的方式使扫掠体“变形”。下面详细讨论该技术。
28.图3是伸出通过车身320的门开口310以执行操作的机器人300的等距示图，其描绘了用于例示本公开的扫掠体变形路径规划方法的情况。在类似于图1的场景中，机器人300将工具302移动到规定位置和取向以执行点焊操作，然后继续移动到下一位置。在图3的配置中，点焊操作在车身320的内部上的某处，因此机器人300已经伸出工具302通过门开口310以执行操作。车身320被示出为由支撑固定装置330保持，因为这是在所公开的方法的验证中使用的配置。这种设置用于以下讨论的示例中。
29.图4是由图3的伸出通过车身320的门开口310(在图4中不可见)的机器人300创建的扫掠体400的侧视图。扫掠体400是在机器人300的运动期间由机器人300(包括工具302)占据的累积体。图4的扫掠体400捕获机器人从车身320外部的位置到目标位置的运动，在目标位置处工具302和机器人外臂在车身320内部。
30.如前所述，各种干涉检查机器人运动的方法是已知的。使用被转换为1d索引的点集的优选方法在2021年12月6日提交的、标题为点集干涉检查的、序列号为17/457,777的美国专利申请中公开，其与本技术共同转让并且通过引用将其全部内容并入本文的。上述申请在下文中称为“'777申请”。'777申请的点集干涉检查技术提供了一种使用实际机器人连杆3d几何结构来计算机器人运动段的扫掠体的准确且有效的方法。
31.扫掠体400在大致示出为在圆410内的区域中与车身320干涉。这种干涉示出了本公开的技术能够用于创建新的机器人运动程序的情况，所述程序沿着到达目标位置的路径将工具302移动到相同的最终目标位置，但使用不同的机器人姿势。使用修改的运动程序，扫掠体以避免机器人与车身320碰撞的方式“变形”。在以下提供的修改方法的讨论之后，在随后的图中示出变形的扫掠体。
32.图5a是图4的扫掠体400的轮廓510的图示，其示出了静态障碍物和机器人300的扫掠体之间的干涉状况。图5a中的干涉状况发生在由与图4的圆410对应的圆520表示的区域中。
33.图5b是根据本公开实施例的扫掠体400的轮廓510的图示，其示出了干涉状况的机器人危险姿态和扫掠体需要避开的区域。危险姿态530(以阴影线示出)是机器人300的干涉状况处于其最大值的姿态。能够通过分析如图4所示的障碍物和扫掠体之间的干涉来确定危险姿态530，以识别机器人运动程序中干涉最大的步。也可以适当地使用其他类似的查找危险姿态530的技术。
34.图5b中的540处示出的是在机器人运动的修改的扫掠体中要避开的区域。考虑到当机器人臂移动通过其运动程序时干涉点的移动，区域540通常由障碍物与扫掠体510的干涉来限定。
35.图5c是根据本发明实施例的解决图5a的干涉状况的变形的扫掠体的轮廓550的图示。在图5c中再现了指示图5a的干涉状况的圆520。如箭头560所示，变形的扫掠体的轮廓550避免了较早的干涉状况。这是因为根据本公开的技术，机器人运动程序已经被修改以将机器人臂移动远离碰撞点。在后面的图中示出了与图5c的轮廓550相对应的修改的运动程序的完整扫掠体。
36.图6a是根据本公开的实施例的机器人600的静态虚拟力和几何形状图，其示出了施加到机器人连杆以避免与障碍物干涉的虚拟力。机器人600包括机器人底座602、内臂连杆604、中间臂连杆606和外臂连杆608。应理解，仅为了附图和讨论的清楚起见，机器人600以简单的设计示出。所公开的机器人姿势修改技术可应用于任何关节型机器人，诸如图3中所示的类型。
37.障碍物610被示出为具有与机器人600的连杆606的干涉状况。图6a中所示的机器人600的配置表示前面参照图5b-5c讨论的危险姿态。根据当前公开的技术，可以执行基于一个或多个障碍物与一个或多个机器人连杆之间的干涉来修改危险姿态的计算。
38.碰撞表面s
col
是障碍物的表面的穿透机器人连杆的表面的部分。碰撞表面s
col
根据多个离散的重叠点pi来定义，其中四个重叠点在图6a中示出，编号为622-628。为了改变危险姿态以远离障碍物，定义了作用在与障碍物610具有干涉的机器人臂linkj上的虚拟或虚假力δpj。在这种情况下，linkj是中间臂连杆606。
39.中间臂连杆606具有中心线636。虚拟力δpj被定义为垂直于linkj(连杆606)的中心线636而作用。重叠点pi622-628中的每个基于该点穿透进入机器人臂的距离对虚拟力贡献一数量。例如，最左边的重叠点622几乎不接触linkj(连杆606)的表面，因此重叠点622将具有小的力分量，其被定义为沿着从点622到中心线636的法线作用。类似地，最右边的重叠点628几乎不接触linkj(连杆606)的表面，因此重叠点628也将具有小的力分量，其被定义为沿着从点628到中心线636的法线作用。中间的两个重叠点624-626具有进入到连杆606中的更大的穿透，因此它们将具有更大的力分量，也沿着到中心线636的相应法线作用。
40.如果相同的障碍物或不同的障碍物干涉一个或多个其他机器人连杆，则虚拟力也将被计算并施加到那些连杆中的每个。
41.如框650所示，虚拟力计算如下：其中δpj为作用在linkj上的虚拟力，且(p
i-linkj)/‖p
i-linkj‖是从linkj至pi的单位向量，其对碰撞表面s
col
上的所有重叠点i求和。常数k(基本上是弹簧常数)乘以总和。沿着从点pi到连杆中心线636的法线施加虚拟力δpj，使得虚拟力用于推动连杆远离障碍物。
42.同样，尽管在图6a/6b中将机器人臂绘制成简单的圆柱形几何图元，但是优选地使用实际的机器人臂几何结构(诸如根据cad模型)来计算干涉和穿透距离。可以使用上述'777申请的点集干涉检查方法容易地计算干涉和扫掠体。而且，所有机器人姿势几何形状、重叠点位置、力矢量等本质上都是三维的。
43.图6b是根据本公开的实施例的图6a的机器人600的几何形状图，其示出了机器人姿势如何由于虚拟力而改变以避免与障碍物的干涉。
44.如框670中所示，作为所施加的虚拟力的结果而发生的机器人姿势改变被计算如下：其中δq是机器人配置的关节空间变化，δpj是如在方程(1)中计算的作用在linkj上的虚拟力，其中j＝1，...，4(对于四个连杆602-608)，尽管在这个示例中仅连杆606(j＝3)由于障碍物穿透而具有虚拟力，并且是机器人配置q处的已知雅可比矩阵的伪逆(使用伪逆，因为雅可比矩阵的真逆可能不能直接计算)。如上所述，如果存在多个干涉状况，则可以将虚拟力δpj施加到j个连杆中的多于一个连杆。
45.如图6b所示，在连杆606中，机器人位置的关节空间变化δq是明显的，其中(来自危险姿态的，图6a)原始连杆中心线636以虚线字体示出，并且修改的连杆中心线636a以实线示出。能够看出，作为根据障碍物穿透点计算出的虚拟力δpj的结果，连杆606远离障碍物610向下旋转。机器人位置的变化δq可以包括作为所施加的虚拟力δpj的结果的多个机器人关节的位置的变化。
46.在图6b中很明显，机器人外臂连杆608的端部在姿势改变后处于与其在危险姿态(图6a)时不同的位置。这是可接受的状况，因为修改的危险姿态在规划路径的中间的某处，并且不是路径结束的目标点。在计算了修改的危险姿态之后，这个修改的姿态被用作中间路径点，用于计算新的机器人运动程序。换句话说，规划从开始点(或先前的可行节点)到目标点(或所建议的样本节点)的新的路径，同时经过导致路径变形远离障碍物的修改的危险姿态姿势。
47.图7是根据本公开的实施例的、在使用图6所示的技术修改图3的机器人300的运动规划之后由图3的机器人创建的变形的扫掠体700的侧视图示。具体地，机器人运动规划已经被修改为经过修改的危险姿态，其中，计算修改的危险姿态以避免在圆410内的区域中与车身接触。在机器人运动规划经过修改的危险姿态的情况下，与图4的扫掠体400相比，扫掠体700“变形”远离该区域以避开。
48.图3-7示出了一个示例，其中通过修改具有干涉状况的中间路径点而不是丢弃它，本公开的技术已经被证明能够比传统rrt方法可靠且更有效地产生无碰撞的机器人运动程序。
49.图8是根据本公开的实施例的用于使用扫掠体变形进行机器人干涉检查路径规划的方法的流程图800。在框802处，计算路径段的运动规划。一般而言，在rrt路径查找方法中，路径段从先前计算的可行节点延伸到所建议的随机样本节点。然而，所述路径段可以是从开始点到目标点的完整机器人路径。开始点、目标点和中间节点是六自由度(dof)机器人工具中心点姿势，包括三个位置值和三个旋转(定向)值；运动规划自身是完整的机器人运动规划，其根据沿运动规划的许多点处的关节位置来定义机器人姿势。
50.在框804处，计算路径段运动规划的扫掠体。扫掠体限定机器人及其工具在沿着路径段的运动期间占据的累积空间。在判断菱形806处，确定扫掠体是否与任何障碍物(如图3中的工件自身，或者机器人工作单元中的任何其它障碍物)重叠(干涉)。如果不重叠，则在框808处，将样本节点和路径段保存到机器人运动程序。也就是说，如果在扫掠体和任何障碍物之间没有干涉，则路径段是无碰撞的并且可以不加修改地使用。
51.如果在扫掠体和任何障碍物之间存在干涉，则在框810处确定危险姿态。危险姿态可以被定义为干涉穿透距离最大的机器人姿势。临界姿态可以替代地以一些其他合适的方式来定义-诸如在相同数量的较早和较晚机器人运动步中发生干涉的机器人姿势。
52.在框812处，如图5b-5c中概念性地示出并参考图6a-6b详细描述的，将变形应用于危险姿态。通过计算和施加虚拟力δpj，获得修改的危险姿态，在修改的危险姿态中受影响
的机器人连杆已经远离障碍物移动以减少或消除干涉状况。
53.在框814处，使用修改的危险姿态来重新生成对于路径段的运动规划，并且针对修改的运动规划来计算扫掠体。如图7所示，修改的扫掠体将具有在要避开的区域中变形远离障碍物的形状。
54.在判断菱形816处，评估修改的运动规划以确定其是否满足所有标准。一个标准是修改的扫掠体不与任何障碍物干涉。另一个标准是机器人运动规划不违反任何机器人机械约束-例如关节位置范围以及关节速度和加速度限制。如果修改的运动规划满足所有标准，则在框808处，将样本节点和修改的路径段保存到机器人运动程序。
55.干涉的严重性或程度也可以被检查，并且危险姿势修改方法仅应用于较小干涉状况的情况。干涉严重性检查可以在判断菱形816中应用(如果修改的路径不是无碰撞的)，或者在框810之前应用。
56.如果在框808处保存的路径段到达目标点(机器人工具目的地)，则该过程终止。如果路径段在rrt路径规划算法中的中间样本节点处结束，则在框818处，在正在进行的rrt路径查找算法中生成新的随机样本节点，并且过程返回到框802，在此计算针对到新的样本节点的路径段的运动规划。
57.上面公开的扫掠体变形技术能够提供rrt路径规划的效率的显著改进。然而，该技术不需要在rrt算法中使用，而是能够用于必须识别无碰撞的路径的任何类型的机器人路径规划中，因为所公开的扫掠体变形方法计算偏离障碍物碰撞的修改的机器人路径。
58.图8所示的方法的所有步骤以及路径规划和扫掠体计算和修改都被编程在软件应用和模块中的算法中，所述软件应用和模块在具有处理器和存储器的一个或多个计算机上运行。这可以包括机器人控制器102或以上关于图1讨论的单独的计算机130。一种使用扫掠体变形来执行干涉检查路径规划方法的系统包括至少一个机器人及其对应的机器人控制器，并且可选地可以包括另一计算机。
59.如上所述，所公开的使用扫掠体变形进行机器人干涉检查路径规划的技术提供了一种用于机器人路径规划的改进的干涉检查和碰撞避免方法。当在rrt路径查找算法中使用时，所公开的技术特别有益，其中具有干涉状况的路径点可以通过扫掠体变形来修改而不是被丢弃，这导致无碰撞的机器人路径的更有效计算。
60.虽然上面已经讨论了使用扫掠体变形的机器人干涉检查路径规划技术的多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其修改、置换、添加和子组合。因此，所附权利要求和此后引入的权利要求旨在被解释为包括在它们的真实精神和范围内的所有这些修改、置换、添加和子组合。

技术特征：
1.一种用于机器人碰撞避免运动规划的方法，所述方法包括：在具有处理器和存储器的计算机上计算用于机器人沿着路径段移动的运动规划的扫掠体；确定所述扫掠体是否与任何障碍物干涉；当所述扫掠体与任何障碍物干涉时，根据所述扫掠体确定干涉的危险姿态；计算修改的危险姿态，包括计算在所述危险姿态处推开每个机器人连杆以防止障碍物穿透的虚拟力，以及在雅可比矩阵计算中使用所述虚拟力计算所述修改的危险姿态；计算对于所述路径段的修改的运动规划的变形的扫掠体，所述修改的运动规划包括所述修改的危险姿态；以及验证所述变形的扫掠体是无碰撞的并且所述修改的运动规划满足机器人关节运动约束。2.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述变形的扫掠体是无碰撞的并且所述修改的运动规划满足所述机器人关节运动约束时，通过机器人控制器控制所述机器人遵循所述修改的运动规划。3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定干涉的危险姿态包括将所述危险姿态定义为与任何障碍物进入所述扫掠体的最大穿透相对应的机器人姿态。4.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述虚拟力包括，对于在所述危险姿态处具有障碍物穿透的每个机器人连杆，计算虚拟力矢量，所述虚拟力矢量正交于所述机器人连杆的中心线并且具有通过将多个障碍物表面点进入所述机器人连杆的穿透距离求和并且乘以弹簧常数而计算的大小。5.根据权利要求4所述的方法，其中，计算所述修改的临界姿态包括对于具有障碍物穿透的每个机器人连杆，将所述虚拟力矢量乘以在所述危险姿态处的将关节速度与连杆速度相关联的雅可比矩阵的伪逆。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器人关节运动约束包括关节角度范围以及关节速度和加速度限制。7.根据权利要求1所述的方法，其中，计算扫掠体并确定所述扫掠体是否与任何障碍物干涉包括使用点集方法，所述点集方法将3d点转换为指示占用空间的3d索引，将所述3d索引转换为1d索引并将所述1d索引存储为每个对象和每个时间步的集合，通过对于给定时间步的集合的交叉来执行干涉检查计算，以及通过横跨多个时间步的集合的联合来执行扫掠体计算。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述路径段是在基于采样的路径规划算法中从可行节点到随机样本节点的所建议的段。9.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定所述扫掠体与任何障碍物之间的干涉的严重性，并且仅在所述干涉的严重性低于预定阈值时计算所述修改的危险姿态和所述变形的扫掠体。10.一种用于机器人碰撞避免运动规划的方法，所述方法包括：在具有处理器和存储器的计算机上运行基于采样的路径规划算法，以查找用于机器人从开始点移动到目标点的无碰撞的路径；在所述路径规划算法中定义随机样本节点以及计算从可行节点到所述随机样本节点
的路径段；计算对于所述路径段的运动规划的扫掠体；确定所述扫掠体是否与任何障碍物干涉；当所述扫掠体与任何障碍物干涉时，根据所述扫掠体确定干涉的危险姿态；计算修改的危险姿态，包括计算在所述危险姿态处推开每个机器人连杆以防止障碍物穿透的虚拟力，以及在雅可比矩阵计算中使用所述虚拟力计算所述修改的危险姿态；计算对于所述路径段的修改的运动规划的变形的扫掠体，所述修改的运动规划包括所述修改的危险姿态；验证所述变形的扫掠体是无碰撞的并且所述修改的运动规划满足机器人关节运动约束；添加所述样本节点和所述修改的运动规划作为所述无碰撞的路径的可行元素；以及在所述路径规划算法中定义新的随机样本节点。11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定干涉的危险姿态包括将所述危险姿态定义为与任何障碍物进入所述扫掠体的最大穿透相对应的机器人姿态。12.根据权利要求10所述的方法，其中，计算所述虚拟力包括，对于在所述危险姿态处具有障碍物穿透的每个机器人连杆，计算虚拟力矢量，所述虚拟力矢量正交于所述机器人连杆的中心线并且具有通过将多个障碍物表面点进入所述机器人连杆的穿透距离求和并且乘以弹簧常数而计算的大小，并且其中，计算所述修改的危险姿态包括对于具有障碍物穿透的每个机器人连杆，将所述虚拟力矢量乘以在所述危险姿态处的将关节速度与连杆速度相关联的雅可比矩阵的伪逆。13.根据权利要求10所述的方法，还包括：确定所述扫掠体与任何障碍物之间的干涉的严重性，并且仅在所述干涉的严重性低于预定阈值时计算所述修改的危险姿态和所述变形的扫掠体。14.一种具有碰撞避免运动规划的机器人系统，所述系统包括：机器人，其配置为对工件执行操作；控制器，其具有处理器和存储器并控制机器人；以及在所述控制器上或在单独的计算机上运行的运动规划器软件模块，其中所述运动规划器软件模块配置成；计算用于所述机器人沿着路径段移动的运动规划的扫掠体；确定所述扫掠体是否与任何障碍物干涉；当所述扫掠体与任何障碍物干涉时，根据所述扫掠体确定干涉的危险姿态；计算修改的危险姿态，包括计算在所述危险姿态处推开每个机器人连杆以防障碍物穿透的虚拟力，以及在雅可比矩阵计算中使用所述虚拟力计算所述修改的危险姿态；计算对于所述路径段的修改的运动规划的变形的扫掠体，所述修改的运动规划包括所述修改的危险姿态；以及验证所述变形的扫掠体是无碰撞的并且所述修改的运动规划满足机器人关节运动约束。15.根据权利要求14所述的系统，还包括当所述变形的扫掠体是无碰撞的并且所述修改的运动规划满足包括关节角度范围以及关节速度和加速度极限的机器人关节运动约束
时，通过所述控制器控制所述机器人遵循所述修改的运动规划。16.根据权利要求14所述的系统，其中，确定干涉的危险姿态包括将所述危险姿态定义为与任何障碍物进入所述扫掠体的最大穿透相对应的机器人姿态。17.根据权利要求14所述的系统，其中，计算所述虚拟力包括，对于在所述危险姿态处具有障碍物穿透的每个机器人连杆，计算虚拟力矢量，所述虚拟力矢量正交于所述机器人连杆的中心线并且具有通过将对多个障碍物表面点进入所述机器人连杆的穿透距离求和并且乘以弹簧常数而计算的大小。18.根据权利要求17所述的系统，其中，计算所述修改的危险姿态包括对于具有障碍物穿透的每个机器人连杆，将所述虚拟力矢量乘以在所述危险姿态处的将关节速度与连杆速度相关联的雅可比矩阵的伪逆。19.根据权利要求14所述的系统，其中，计算扫掠体并确定所述扫掠体是否与任何障碍物干涉包括使用点集方法，所述点集方法将3d点转换为指示占用空间的3d索引，将所述3d索引转换为1d索引并将所述1d索引存储为每个对象和每个时间步的集合，通过对于给定时间步的集合的交叉来执行干涉检查计算，以及通过横跨多个时间步的集合的联合来执行扫掠体计算。20.根据权利要求14所述的系统，其中，所述路径段是在基于采样的路径规划算法中从可行节点到随机样本节点的所建议的段。

技术总结
一种使用扫掠体变形的机器人干涉检查运动规划技术。快速探索随机树(RRT)算法在开始点和目标点之间生成随机样本节点。每个样本节点通过检查沿着到该节点的路径段的机器人-障碍物干涉而被评估。如果沿着路径段存在干涉，则使用该段的扫掠体来识别干涉最大的危险姿态，并且使用障碍物干涉点来限定施加到机器人连杆的虚拟力，以修改路径段来减轻干涉状况。计算并评估修改的路径段的扫掠体。如果修改的扫掠体是无碰撞的并且修改的路径段运动规划满足机器人关节范围准则，则将修改的路径段和样本节点添加到整个机器人运动程序中。样本节点添加到整个机器人运动程序中。样本节点添加到整个机器人运动程序中。


技术研发人员：林显仲 加藤哲朗
受保护的技术使用者：发那科株式会社
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/9/20