CN1067517A

CN1067517A - 机器人程序的编制方法

Info

Publication number: CN1067517A
Application number: CN 91103807
Authority: CN
Inventors: 国井利泰; 孙立宁
Original assignee: RELIGION HOUJIN KONGOUZEN SOUHONZAN SHOURINJI
Current assignee: RELIGION HOUJIN KONGOUZEN SOUHONZAN SHOURINJI
Priority date: 1991-06-01
Filing date: 1991-06-01
Publication date: 1992-12-30

Abstract

本发明涉及应用动力学编制机器程序方法，用加在分析得到的人体实际动作得到的关节上的力和力矩，设计新动作的程序，由动力学、约束条件和逆动力学三阶段组成，在第一阶段，区别机械各要素动力学方程取出其动作，在第二阶段，校验包含要素相互结合关系和各动作范围的约束条件，在第三阶段用动力学方程计算依据这些约束条件被校验的动作和力，表示其结果，可编出用传统的编机器人程序方法无法编出的新动作程序。

Description

本发明涉及对于用计算机控制，模仿人或动物动作的机器，把作为模仿对象的人或动物的动作输入机器人的机器人程序编制方法。

近来，在各行各业都开始使用机器人代替人进行作业。为了让这些机器人代替人进行工作，有必要预先进行所谓示教操作，即教给机器人人的动作。对此示教方法中有把人的动作直接教给机器人的示教再现的所谓联机编程序方法，以及另外采用计算机通过模拟人的动作对机器人的动作编程序的脱机编程序方法。

其中的示教·再现法就是人用手动控制使机器人按照操作程序动作，从而把动作有储的示教方法，因其操作简单而在产业用机器人上得到广泛应用，然而，在示教之际有必使机器人中断进行中的操作。此外，脱机编程序法是使和机器人分开进行编程序的方法，由于即使在机器人进行操作中也能进行编程序，故这种方法对于要求动作作率高的机器人或尽可能不中断操作的机器人特别有效。

通常，在此脱机编程序方法中，用环境模型、采用机器人语言记下计划轨道或动作内容，再用动作模拟对内容确认后，在作业现场进行微调整。因此，脱机编程序作业复杂。此外，在此环境模型中包含作业对象物或外围设计的形状或尺寸、位置和姿态等的几何信息和材料或重量等物理信息以及功能或用途、使用方法等技术信息、程序设计员利用此环境模型进行作业计划。

而且，为了使机器人替代人进行作业，有必要基于从分析人的动作结果得到的知识来设计动作，然而，由于以往是使用依靠分析者的直觉得到的不正确的知识，因此使得到的机器人的动作很难说一定合理。此外，由于，用于进行动作分析和设计的力学也是依据仅使用了位置、速度和加速度的运动学，因此要设计新动作很困难。

此外，尽管在用计算机进行机器人的动作设计中有必要采用由容易使用的对话形式进行实时应答的方法，但如上述在以往的脱机编程序方法中，由于在对动作模拟的动作进行确认以及在作业现场进行微调整时必然存在试行错误，故而不是用对话形式进行实时应答。

作为论述物体运动的方法，除了利用位置、速度和加速度的运动学外，还有用其和力的关系论述物体运动的所谓动力学方法。若将此方法用于编制机器人程序，能用较少的操作编出复杂动作的程序。此外，根据应用此动力学的编制机器人程序方法的另一大优点是能设计出应用运动学的编制机器人程序方法所不可能设计出的新动作。

但是，应用动力学编制机器人动作的程序时需要有难于计量的惯性力矩、重心，关节的摩擦以及肌肉或韧带弹性等数据，如缺少这些数据，则会产生和应用运动学场合同样不合理动作。因此，根据以往应用动力学的机器人程序编制方法，不能使人体的动作完全再现。

此外，由于此方法在把n作为人体动作的最小单位数时的计算量O（f（n））是n⁴的函数O（n⁴），因而计算量多，因计算机的计算量高而没有实用性。

另一方面，也有采用计算量为n的函数O（n）的计算的动力学方法，然而，此方法仅在不发生绕轴回转时成立。因此存在绕轴回转时不能应用此方法。

这样，迄今为止的机器人程序编制方法，是根据试行错误进行的，因此不是根据对话形式的实时应答。

因此，本发明提出利用动力学、对复杂作业也能编程序的新的机器人程序编制方法。

本发明提出能利用通过对实际的人的动作进行动力学分析得到的有关人的动作的知识编制机器人的新动作的新的机器人程序编制方法。也就是本发明的课题是提出不根据试行错误或程序设计人的直觉，而利用计算机和采用对话形式编制机器人程序的方法。

为解决上述课题，在本发明机器人程序编制方法中，首先对人的基本动作进行分析，把包含在人体的各个关节上发生的力和力矩的动参数的数据作为关于基本动作的知识向数据库输入。

接着，程序员向数据库存取，把得到的数据进行加工，计算机把约束条件以受约束动作形式、把逆（再应用）动力学结果以力的形式实时地向程序员反馈，并反复进行该过程直到获得满意结果为止，从而用对话形式设计动作。

由于此运动分析方法的计算量是n的函数O（n），从而解决了计算机计算费用高的问题。此外，由于不依赖试行错误或程序直觉，能用对话形式编制自然的机器人动作。

实施例

以下，参照附图对本发明实施例进行说明。

图1表示本发明流程图，此流程图是由1编成人体模型，2.输入人的实际动作，3.分析输入的动作，4.设计动作，5.应用动力学，6.应用约束条件，7.应用逆动力学，8.表示结果的各阶段组成。

在“编制人体模型”的第一阶段中，把人体分解成动作的最小单位，基于这些各部分固有的性质、相互关系以及关节活动范围等的约束条件编成人体模型，且作为数据库向输入计算机。

在“输入人的实际动作”的第二阶段中，把成为分析象的动作输入电视图象的帧单位或胶片图象的象差单位进行、在此场合，若采用从多方向同时进行摄影的图象，能更具体地进行下一阶段的分析。

在“分析输入的动作”的第三阶段中，应用逆动力学对在第二阶段输入的动作进行计算，对各部分的重心，作用有关节上的力和力矩，全体的重心，作用在重心的力和力矩进行分析，把此分析结果数据向数据库输入。

以下对利用上述分析结果编制机器人新动作程序的场合进行说明。

在“设计动作”的第四阶段中，使程序员最初从数据库选择基本动作。此数据由例如图2所示的控制线图表示。该控制线图是根据数据库将人体左时的动作进行编制的控制线图。在此控制线图中，其横轴表示时间，纵轴是把各关节上发生的力用x、y和z的三根轴来表示的。此外，当然，在同一关节上发生的两个力其大小相等而方向相反。此外，用多个控制线图表示复杂的动作。

基于此控制线图，编制机器人程序，然而为了和处理物的大小、材料以及机器人的动作范围等相对应，需进行包含使控制线图的轴放大或缩小的物理变量的变更。

在“应用动力学”的第五阶段中，由程序员基于指定的力和动力学方程式对机器人各要素的动作进行计算。在此场合，原来各要素处于相互结合关系，然而，为了减少计算量，各要素和其它要素分开，暂时不考虑各要素的相互结合关系和有关动作范围的约束条件。

为了对各要素的动作进行计算，在本发明中，用牛顿方程求线加速度，用欧拉方程求角加速度，求出线加速度和角加速度后，对这些进行积分求出速度，再进行积分求出位置。

在“应用约束条件”的第六阶段中，对于各要素动作的计算结果，进行各要素相互结合关系和动作范围这样两个物理约束条件的校验。该处理是从基本要素开始，使其下位的各要素按位置排列方向依次进行校验。这时，对下位要素是否经常和上位要素连接，以及对各要素的动作是否超过被决定范围这样两个条件进行校验。

根据其结果，在下位要求和上位要求不连接场合，为了使下位要素和上位要素连接，而使下位要素并行移动，在各要素动作超过一定范围的场合，使其回转，调整到使此要素动作落在范围内。

在“应用逆动力学”的第七阶段，用表示力和动作关系的拉格朗日方程计算在各要素连接点上发生的力。

在对新动作进行编程序场合，在尚未得到可满意结果的场合，反复进行从第五阶段到第七阶段为止的过程，用对话形式进行新动作的设计。

在“表示结果”的第八阶段中，把在编程序过程中或编程序终了时的新动作表示在图象上。

本发明中，如图1所示那样采用单纯的算法线回归，使为进行逆动力学计算的计算量是n的函数O（n）。

此外，本发明可不根据试行错误或设计者的直觉，用计算机以对话形式设计人体动作。

如上所述，本发明的应用动力学编制机器人程序方法是由对人的实际的基本动作进行分析和编成新的动力学机器人程序的两个过程组成。而且对人的基本动作的分析按编制人体模型，输入实际动作，分析输入的动作这三个阶段进行，应用动力学编制机器人程序是按动力学、约束条件和逆动力学三阶段进行，在动力学阶段，把机械分成分别独立的要素，用牛顿方程式和欧拉方程式，使其和其它要素的动作分开来计算各要素的动作。在约束条件阶段，校验要素的相互结合关系及动作的范围。在运动力学的阶段根据约束条件，对产生修正的新动作的力进行计算。在此场合的全体计算量为O（n）。

图1为编制机器人程序方法的流程图，

图2为表示作用在关节上力的例子的控制线图。

Claims

1、机器人程序编制方法，是有关基于人的动作编制机器人动作程序的机器人程序编制方法，其特征在于包括把人体分解成形成动作最小单位的部分，基于这些各部分的固有性质、相互关系以及关节动作范围等的约束条件编制人体模型向数据库输入的阶段，输入人的实际动作的阶段，应用逆动力学对输入的动作进行计算，计算各部分重心，作用在各关节上的力和力矩，全体重心，作用在重心上的力和力矩的阶段，从上述数据库选择基本动作，变更其物理变量的阶段，使人体各部分和其它部分分开，不考虑在关使上述实际动作相到结合关系和关节动作范围的约束条件，仅基于指定的力和动力学方程式计算新动作的阶段，基于该计算结果，通过对相互结合关系和关节活动范围的物理约束条件进行校验和修正的阶段，以及用上述计算结果在图象上表示机器人动作的阶段。

2、机器人程序编制方法，是有关基于人的动作编制机器人动作程序的机器人程序编制的方法，其特征在于包括把人体分解成形成动作最小单位的部分，基于这些各部分的固有性质，相互关系以及关节的活动范围等的约束条件编制人体模型、向数据库输入的阶段，输入人的实际动作的阶段，应用逆动力学计算输入动作、计算各部分重心、作用在各关节上的力和力矩，全体重心，作用在重心上的力和力矩的阶段，从上述数据库选择基本动作、变更物理变量的阶段，通过使人体的各部分和其它部分分开，不考虑有关使上述实际动作相互结合关系和关节活动范围的约束条件，仅按照指定的力和动力学方程式计算新动作的阶段，基于此计算结果对相互结合关系和关节活动范围的物理约束条件进行校验和修正的阶段，应用逆动力学计算力和动作关系的阶段，使根据上述动力学计算的动作和根据逆动力学计算的力和重心进行合成，然后在图象上进行表示的阶段。