[发明专利]具有距离场的快速机器人运动优化

说明书

使用距离场约束函数的机器人避撞运动优化技术。将描绘机器人工作区中的障碍物的CAD或传感器数据转换为体素，并且创建体素占据的三维二进制矩阵。然后计算相应的距离映射矩阵，其中距离映射矩阵中的每个单元包含到最近被占据单元的距离。距离映射矩阵用作运动规划优化问题中的约束函数，其中优化问题被凸化，然后被迭代地求解以产生避开障碍物并最小化诸如行进距离的目标函数的机器人运动轮廓。距离场优化技术被快速计算，并且具有与障碍物的数量无关的计算时间。所公开的优化技术易于建立，因为它不需要创建几何图元来近似机器人和障碍物形状。

技术领域

本发明涉及工业机器人运动控制领域，尤其涉及一种机器人避撞运动规划技术，该技术将障碍物数据转换为体素，创建已占据和未占据体素的三维二进制矩阵，并计算其中每个单元包含到最近被占据单元的距离映射，然后使用该距离映射作为运动优化计算中的约束，以计算避开障碍物的最有效的机器人臂路径。

背景技术

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。在许多机器人工作区环境中，障碍物存在并且可能在机器人运动的路径中。障碍物可以是永久性结构，例如机器和固定装置，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本身可能是障碍物，因为机器人在执行诸如焊接的操作时必须在工件中或围绕工件操纵。必须绝对避免机器人和任何障碍物之间的碰撞。

用于机器人避撞运动规划的现有技术涉及限定围绕机器人的每个臂和围绕每个障碍物的几何图元，诸如球体、圆柱体等。使用几何图元以便将避撞运动优化计算的复杂度降低到可管理的水平。然而，在每个障碍物和每个机器人臂周围限定几何图元是冗长且耗时的过程。此外，一些物体，例如由机器人焊接或喷漆的车身，不能很好地适于使用几何图元进行近似。

用于避撞机器人运动规划的现有技术的另一个问题是优化问题的计算时间随着障碍物的数量而显著增加。如果在机器人的工作空间中存在多于几个障碍物，则在机器人操作时必须实时执行避撞计算的环境中，运动规划计算花费太长时间而不实用。

鉴于上述情况，需要一种改进的机器人运动优化技术，其易于建立并且无论机器人工作空间中障碍物的数量如何都快速地计算避撞机器人运动。

发明内容

根据本公开的教导，公开了一种使用距离场约束函数的机器人避撞运动优化技术。将描绘机器人工作区中的障碍物的CAD或传感器数据转换为体素，并且创建体素占据的三维(3D)二进制矩阵。然后计算对应的3D距离场矩阵，其中距离场矩阵中的每个单元包含到障碍物体素占据的最近单元的距离。距离场矩阵用作为运动规划优化问题中的约束函数，其中优化问题被凸化然后被迭代地求解，得到避开障碍物、最小化如行走距离的目标函数的机器人运动轨迹。距离场优化技术被快速计算，并且具有与障碍物的数量无关的计算时间。所公开的优化技术易于建立，因为它不需要创建几何图元来近似机器人和障碍物形状。

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

图1是在障碍物附近工作的工业机器人的示意图，其中机器人和障碍物具有限定并且用于避撞计算的对应几何图元，如在本领域中已知的技术中使用的那样，；

图2是在车身附近工作的工业机器人的示意图，其中机器人具有如图1所示的对应几何图元，但是车身不容易按照几何图元来建模，如在本领域中已知的技术中所使用的那样；

图3A是根据本公开的实施例的限定为CAD数据的机器人工作区中的障碍物的示意图；

图3B是根据本公开的实施例的被转换成体积元素(体素)的图3A的障碍物的示意图；

图4是示出根据本公开的实施例的用于将障碍物CAD或传感器数据转换成体素、然后转换成体素占据的二进制矩阵、并且最后转换成距离场矩阵的数据流的框图；

图5是根据本公开的实施例的在由图4的距离场矩阵表示的工作空间中操作的机器人的示意图；