CN107683190A - 用于进行机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法。本发明包括记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕(公式I)的第一单元(101)，与第一单元(101)和致动器ACTm连接的调节器(102)，该调节器(102)包括为力调节器的第一调节器R1、以及与调节器(102)连接并且为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器或巡航控制器的第二调节器R2，其中调节器(102)确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助操纵变量um(t)被致动，以使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕(公式II)作用在物体上；其中，um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)，其中第一调节器R1呈现和配置为，使得操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积或函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：um,R1(t)＝S(v(t))um,R1(t)*或um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*)；(

Description

用于进行机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法，其中m＝1、2、……M。进一步地，本发明涉及一种具有数据处理装置的计算机系统，一种数字存储介质，一种计算机程序产品和一种计算机程序。
背景技术
已知的是，机器人机械手在处理可重复速度和精度的任务上的表现可超越人类。但是，就力和顺从性(compliancy)的灵敏度运用而言，对于实际应用中首先变得显而易见的、需要灵敏地进行物体的操纵或组装的任务，人类仍然优于机器人机械手。后者需要接触力和移动顺序的复杂配合。
本文中已知机器人机械手的“阻抗控制”。机器人机械手阻抗控制的概念旨在通过机器人机械手的主动控制，例如基于外部动画(animated)质量弹簧阻尼器模型模仿人类行为。
通常，机器人机械手的预期顺从性可通过主动控制，通过向机器人机械手插入顺从部件或两者的组合而产生。此外，已知不能仅仅借助解耦弹性关节(Fischer、Schreiber、Schoeppe&Hirzinger，2004)产生任意笛卡尔(Cartesian)顺从性，机器人机械手的被动顺从性总是需要与主动控制相结合，以避免这个问题。这样，可以避免目标模型/表面模型中的不准确性，可向环境施加定义的功率，和/或可操纵物体。
此外，已知“主动交互控制”。主动交互控制可分为“直接”和“间接”力控制(Villani&De Schutter，2008)。近来，这种力调节器具有引入了虚拟位置的变体(Lutscher&Cheng，2014以及Lee&Huang，2010)。此外，已知在不同空间中，预定的强制性条件下的功率、位置、和/或阻抗控制。
尽管在机器人机械手控制领域已经取得了显著的进步，以下缺点仍然存在。
例如，纯阻抗控制的机器人机械手基于纯前馈控制或者基于机器人机械手的执行器的实质期望位置的相应位移来产生期望的力。因此，这种调节器没有明确考虑外力，然而如果用足够的精度向环境/物体/工件等施加机器人机械手的执行器的预定力/力矩，则需要考虑外力。此外，需要在其几何形状和的顺从性特性方面用足够的精度对环境进行建模，以使该调节器能够工作。然而，这与阻抗控制在未建模环境中工作的基本理念是相悖的。
如果借助机器人机械手的执行器经由前馈控制向物体(环境)施加预定较大的力，则对纯阻抗控制的机器人机械手额外不利的是，在执行器和物体之间脱离接触的情况下，机器人机械手会执行具有潜在危险的瞬时且较大的移动(关于行进的执行器路径、速度和加速度)。该情况出现于脱离接触时，执行器的实质期望位置远离执行器的实际位置。
此外，已知机器人机械手的“纯力控制”。机器人机械手的力控制提供了足以与环境交换外力的基础，从而能精确地操纵物体或其表面。这种能力在机器人机械手的工业应用中是基本必须的。因此，相当不精确的阻抗控制不能替代力控制。这些问题导致了多样化的所谓的混合位置力控制方法(Raibert&Craig，1981)。这些混合位置力控制基于将所谓的“任务空间”划分为互补力和位置空间的想法，使得能够在其单独的空间中施加和控制力或扭矩和移动。
已知的混合力控制的缺点在于，相对于机器人机械手和环境的脱离接触，其鲁棒性低。此外，在这种情况下，同样需要对环境精确建模，以确保良好的控制性能，然而，足够品质的控制性能很少存在。
为了显示这种调节器的稳定性，环境通常被建模为简单的弹簧阻尼器系统。不同力调节器的综述，包括关于其稳定性分析的评论，参见(Zeng&Hemami，1997)。对这种调节器的非常普遍的批判详见(Duffy，1990)，因为经常对度量或坐标系进行错误的选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法，其中m＝1、2、……M，在很大程度上避免了上述缺点。具体地，避免了末端执行器和物体之间脱离接触之后机器人机械手的较大移动。
本发明在独立权利要求的特征中变得明显。有利的进一步发展和实施例是从属权利要求的主题。从下文描述以及示出于本发明附图的示例性实施例的说明，本发明的进一步特征、应用可能性和优点将变得明显。
根据第一方面，该目的借助一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置来解决，其中m＝1、2、……M。术语“致动器”应被广义地理解，包括例如电动机、线性电动机、多相电动机、压电致动器等。
装置进一步包括：记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕(winder)的第一单元，其中： 为此，第一单元有利地具有记录外力卷绕的传感器系统和/或估计外力卷绕的估计器。传感器系统有利地包括一个或多个力传感器和/或扭矩传感器。估计器有利地包括运行程序以估计力卷绕的处理器。
此外，提出的装置包括与第一单元和致动器ACTm连接的调节器。调节器继而包括具体为力调节器的第一调节器R1、以及与其连接并且具体为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器、巡航控制器(cruise control)或其组合的第二调节器R2，其中调节器确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助操纵变量um(t)而可被致动的方式为：使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕公式作用在该物体上，其中：
um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t) (1)
其中，um,R1(t)：＝第一调节器R1的操纵变量的比值，um,R2(t)：＝第二调节器R2的操纵变量的比值，以及t：＝时间。预定的力卷绕来自于提供给机器人的物体。
这样，第一调节器R1被具体化和配置的方式为：使得操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积或为函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：
um,R1(t)＝S(v(t))um,R1(t)* (2a)
um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*) (2b)
v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)] (3b)
v∈[va,ve] (4a)
v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe] (4b)
其中，um,R1*(t)：＝由第一调节器R1确定的操纵变量，用于生成预定的力卷绕 S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*在Q个单独分量(individual component)[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)]每一个中的影响是基本上单调递减的，[va,ve]：＝变量v(t)的预定定义区，[v1a,v1e],[v2a,v2e],….,[vQa,vQe]：＝维度Q的矢量v*(t)的逐分量(component-wise)定义区。
因而，在一个替代方案中，本发明特征，常规确定的力调节器R1的操纵变量的比值um,R1(t)乘以单调递减函数(所谓的“成形函数”)，当与末端执行器的环境脱离接触时，其共同排除机器人机械手的较大移动。如果um,R1(t)被确定为函数S*(v(t),um,R1(t)*)，“成形”效果也可以替代方式实现。这样，对于力调节器的不能在数学上表示为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积的所有配置，可实现根据本发明的“成形”效果。例如，PID调节器的单独分量可具有不同的、分别为单调递减的成形函数S*1(v*1(t))，S*2(v*2(t))，……
函数S(v(t))优选具有值域[1，0]，其中如果末端执行器与环境(正常操作)接触时，S(v(t))＝1。如果末端执行器与环境脱离接触时，调节器发生较大的负偏差S(v(t))优选被致动成使得负偏差越大且末端执行器要施加的力卷绕越大，函数v(t)从1到0减小得越快。这类似地适用于S*(v*(t))。
提出的装置的进一步改进的特征在于，如果物体(末端执行器与其接触并向其施加力卷绕)是弹性的并且其表面是柔性的，调节器当确定操纵变量um(t)时考虑物体的预定弹性性质。
提出的装置的进一步改进的特征在于，提供第二单元，用作调节器钝化(passivation)的能量存储器，并根据预定的能量存储动力学系统(dynamics)存储来自调节器的能量T1，并将能量T2传递给调节器，其中第二单元和调节器形成闭环，具有能量T0的单元的初始化取决于用于执行机器人机械手的当前任务的确定的或预定的能量消耗EExpenditure。这样，第二单元所存储的能量E为虚拟或物理能量。在第一种情况下，虚拟能量仅是一个操作数。在第二种情况下，能量为物理能量(例如，电能)，其中第二单元包括对应的物理能量存储器(例如，电池)。进一步改进的第二种情况不但有助于机器人机械手的改进的(即钝化的)开环和闭环控制，而且同时降低了在机器人机械手操作期间的能量消耗。
有利地，为上述进一步的改进定义了能量上限G1，其中第二单元被具体化和配置成使得对于存储在第二单元中的能量E，E≤G1总是成立的。此外，有利地定义了能量下限G2，其中0<G2<G1，第二单元被具体化为，如果：对于存储在第二能量单元中的能量E，G2<E≤G1是成立的，第二单元耦合到调节器，以及如果E≤G2是成立的，第二单元从调节器上解耦。
本发明的另一方面涉及一种具有由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手并具有本文所说明的装置的机器人，其中m＝1、2、……M。
本发明的另一方面涉及一种用于由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的方法，其中m＝1、2、……M，具有以下步骤：记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕其中： 借助包括是具体为调节器的第一调节器R1，以及与其连接并且具体为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器、巡航控制器或其组合的第二调节器R2的调节器，确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助操纵变量um(t)而被致动的方式为：使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕作用在该物体上；其中：
um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t) (1)
其中um,R1(t)：＝第一调节器R1的操纵变量的比值，以及um,R2(t)：＝第二调节器R2的操纵变量的比值，其中第一调节器R1被具体化和配置的方式为：使得操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积或为函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：
um,R1(t)＝S(v(t))·um,R1(t)* (2a)
um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*) (2b)
v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)] (3b)
v∈[va,ve] (4a)
v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe] (4b)
其中：um,R1*(t)：＝由第一调节器R1确定的操纵变量，用于生成预定的力卷绕 S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*在Q个单独分量[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)]每一个的影响是基本上单调递减的，[va,ve]：＝变量v(t)的预定定义区，以及[v1a,v1e],[v2a,v2e],….,[vQa,vQe]：＝维度Q的矢量v*(t)的逐分量定义区。
优选地，如果物体是弹性的并且其表面是柔性的，在操纵变量um(t)的确定期间，在调节器的方法中，考虑物体的预定弹性性质。
进一步优选地，提供第二单元，用作调节器钝化的能量存储器，并根据预定的能量存储动力学系统存储来自调节器的能量T1，并将能量T2传递给调节器，其中第二单元和调节器形成闭环，具有能量T0的单元的初始化取决于用于执行机器人机械手的当前任务的确定的或预定的能量消耗EExpenditure。
提出的方法的优点和优选的进一步改进产生于有关所提出的装置的上述说明的类似和必要的修正。
本发明的另一方面涉及一种具有数据处理装置的计算机系统，其中数据处理装置被设计成使得上文说明的方法能够在该数据处理装置上运行。
本发明的另一方面涉及一种具有电子可读控制信号的数字存储介质，其中控制信号可与可编程计算机系统交互，使得上文说明的方法能够运行。
本发明的另一方面涉及一种具有程序代码的计算机程序产品，如果程序代码在数据处理装置上运行，该程序代码存储在机器可读载体上以实施上文说明的方法。
本发明的另一方面涉及一种具有程序代码的计算机程序，如果程序代码在数据处理装置上运行，以实施上文说明的方法。为此，数据处理装置可被设计为本领域已知的任何计算机系统。
提出的用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法因此基于鲁棒、被动的方法，将力控制与阻抗控制(参照图1)和能量罐(energy tank)相结合，其中m＝1、2、……M。本发明有助于接受任意的被动环境，因而没有必要改变具有相当非鲁棒性能的实质期望位置。本发明允许机器人机械手对环境的鲁棒、顺从和稳定的操纵，而不必在力或阻抗控制中选择。此外，避免了力和阻抗控制的所述固有缺点，并尽可能最好地结合力控制和阻抗控制的优点。具体地，避免了末端执行器和环境脱离接触时导致的机器人机械手的危险移动。
以下说明针对下列主题详细说明了本发明：A)机器人建模，B)调节器设计，C)脱离接触的稳定，以及D)柔性和强顺从的物体的处理。
A机器人建模
A1刚体动力学系统
具有n个关节(自由度，DOF)的机器人机械手的已知动力学系统给出为：
其中为关节位置。质量矩阵给出为科氏力(Coriolis)和离心力矢量为重力矢量为系统的控制输入为电动机扭矩其中包括所有的外刻(engraved)扭矩。这样，为了简化描述，忽略摩擦。笛卡尔空间中的外力由表示力-扭矩矢量的矢量给出。所述矢量可借助转置雅克比(Jacobian)矩阵JT(q)通过被描绘成外关节扭矩。
A2柔性关节的动力学系统
对于轻量化设计的或在关节中具有弹簧的机器人机械手，假定(5)不够精确，以能够描述传动装置等柔性结构的存在而产生的固有动力学系统。因此，假定这种结构为具有弹性关节的机器人机械手的(降阶)模型。(Spong，1987)
其中为电动机位置。等式(6)和(7)各自描述输出侧和驱动端动力学系统。等式(8)借助被假定为线性弹簧扭矩的关节扭矩来耦合(6)和(7)。本领域技术人员容易地扩展至非线性关节弹簧。这样，由于该扩展是微不足道的，因此在本文中不被考虑，可忽略关节中的阻尼。矩阵和均是恒定的、正定的对角矩阵，其各自描述了关节的刚度和电动机的惯性。输出侧和驱动端动力学系统在本文中也不被考虑。
B调节器设计
B1笛卡尔阻抗调节器
可借助系统的巧妙钝化实现具有弹性关节的机器人机械手的稳定阻抗控制。例如，通过将位置反馈作为函数而不是函数和q来实现。为此，q用其借助隐函数的收缩而在数值上实现的统计等效代替，其中qe为平衡点的输出侧位置。在弱假设条件下，可用作q的估计器。关于隐函数ζ以及基础理论的更多细节参照(Ott&Hirzinger，“用于柔性关节机器人的位置、扭矩和阻抗控制的基于统一钝化的控制框架”(A Unified Passivity-based Control Frameworkfor Position,Torque and Impedance Control of Flexible Joint Robots)，2007)。现在，具有柔性关节的机器人机械手用于阻抗控制的基于钝化的数学控制法则可用公式表示如下：
B2笛卡尔力调节器
调节器设计基于笛卡尔力调节器：
其中和各自是调节器的微分和积分比的对角、正定矩阵。描述了单位矩阵，并且矩阵被选择，使得Kp-I也是对角和正定的。向环境施加的期望的力由用户或对应的计划者预定义。为了提高后续的可读性，进一步定义为 Fext可借助力传感器或观察者获得(Haddadin，“对于安全机器人：阿西莫夫第一定律探讨”(Towards Safe Robots:Approaching Asimov's 1st Law)，2013)。如果将力调节器应用于刚性机器人，对于具有柔性关节的机器人，将代入(5)和(7)。
B3统一的力和阻抗调节器
上述力和阻抗调节器的简单组合可产生以下数学控制法则：
然而，这种法则不能保证稳定性。因此，调节器需要增加能量罐(参照图2)，从而保障了钝化，继而保障系统的稳定性。因而，产生了新的数学控制法则：
其中，xt为能量罐的状况，被定义为：
能量罐的动力学系统可被描述为：
能量罐的输入在此被描述为ut。二元标量总是保证整个系统的稳定性。
B4基于任务的初始化
为了计算任务能量，使用力的统计平衡其中fI＝Kx,t(p-ps)和fW＝KW,t(pw-pw,0)各自为针对阻抗刚度和环境反作用力的力。借助物体的表面产生的反作用力在此被建模为刚度的线性函数，而不考虑阻尼。在力被调节之后，通过求解pw，获得表面的位置。移动该表面需要的工作可以计算如下：
此处，仅考虑平移能量。当然，需要用于转动情况的扩展，其对于本领域技术人员来说是显而易见的。
对于特定的控制情况fd＝konst，任务能量计算如下：
任务能量被对应地初始化。
C脱离接触的稳定
对于任何可想到的情况，保证进行机器人机械手的开环和闭环控制的稳定性，但是这并不自动地意味着机器人机械手排他地进行安全移动。末端执行器与物体表面意料之外的脱离接触仍会导致具有机器人机械手的机器人试图调节力，直到能量罐是空的。取决于能量罐中的剩余能量，这也会导致机器人机械手较大、较快和特别不期望的移动。
为了避免这一点，可以建议一旦不再检测到末端执行器和环境/物体之间的接触，调节器就被简单地去激活。然而，这会导致基于，例如传感器噪声的不期望的切换行为。
为了避免这一点，本文提出了基于鲁棒位置的方法，其使用被集成到调节器的调节器成形函数此处，如下所示：
由平移比和转动比组成，各自定义如下：
以及
falls＝如果
sonst＝否则
本示例中函数ρ(ψ)对应上述函数S(v)。ψ对应调节器偏差
机器人姿态由平移比p和适当的转动表示，例如，欧拉(Euler)角组成。
为已知矢量，从末端执行器指向实质期望位置，为已知期望的六维力卷绕(参照图2)。一旦和fd包括大于的角，调节器就应当被去激活。
为了保证平滑过渡，选择插值到用户定义区dmax的插值函数对于转动比四元数被致动为非奇异表示。单位四元数k＝(k0,kv)表示当前取向，四元数ks＝(k0,s,kv,s)为期望取向。
接着，转动错误被定义为和表示鲁棒性的用户定义区可以用角度表示，该角度表示了借助与四元数的标量分量的关系。从稳定性的角度分析，该成形函数可以被解释为的成形，仅缩放(scale)了组合力和阻抗调节器的力调节器。因此，被新定义为并且再次保证了稳定性。在本文中，的乘法是逐个分量进行的。
D)柔性和强顺从的物体的处理
正如前面章节中引入的，如果基于位置的方法用于控制，必须考虑到柔软且可变形的材料需要特定的处理。为了考虑实质期望位置的计划，而不需要环境的顺应或变形，在某些情况下，会引起力调节器非本意地去激活或缩放的问题。这是由当前基于顺从性的事实来调节的，与不存在顺从性的情况相比，存在另一个当前位置。因此，引入校正的实质期望位置以便为这种柔性和强顺从材料调节调节器的实质期望位置。下文中，Kmat表示待处理的表面或物体的假定(但不必是已知的)刚度。因此，准静态数学校正法则为：
或，更简要地说，可以看出，实质期望位置被移位，从而相应地校正软弹性材料造成的偏差(参照图4)。当然，对于该方法，环境刚度必须是已知的或至少是估计的。但是，从等式(18)可以直观地得到，对于实现了前面的情况。当然，该法则也可以被扩展成也考虑环境的阻尼。但是，这增加了计算。
参考文献：
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附图说明
进一步的优点、特征和细节从下面的描述中体现，其中，必要时，参照附图详细描述了至少一个示例性实施例。相同、相似和/或起相同作用的部件用相同的附图标记表示。
附图中：
图1a至图1c为用来说明具有阻抗调节器和力调节器的所提出的混合调节器的概念简化示图，
图2为用于进行与环境交互的机器人机械手的开环和闭环控制的模型系统的示图，
图3a示意性地示出了具有末端执行器EFF和预定平移鲁棒性区dmax的阻抗控制的机器人机械手，
图3b示出了平移情况下的调节器成形函数ρ(ψ)＝S(v(t))，
图4为平移情况下弹性材料借助末端执行器所施加的压力的变形曲线图，
图5为所提出的装置的示意流程图，以及
图6为所提出的方法的示意流程图。
具体实施方式
图1为用来说明具有阻抗调节器和力调节器的所提出的混合调节器的概念简化图。为了清楚起见，没有示出阻尼器。图1a示出了具有末端执行器EFF的纯阻抗控制的机器人机械手。阻抗控制用图示的弹簧表示。图1b示出了具有用预定的力Fd抵靠物体表面(阴影线)按压的末端执行器EFF的纯力调节的机器人机械手。图1c示出了根据本发明图1a和图1b的力调节器和阻抗调节器的组合。
图2为用于进行与环境/物体/工件交互的具有末端执行器的本发明的机器人机械手的开环和闭环控制的模型系统的示图。以功能块表示的环境(＝：“环境”)，与机器人机械手(＝：“刚体动力学系统”)和致动器(＝：“电动机动力学系统”)交互。借助可耦合能量罐(＝：“能量罐”)的调节器(＝：“力/阻抗调节器”)来实现致动器的控制和调节。用对应的输入/输出和交换量示出彼此互连的块的连接和反馈连接。在违反调节器的钝化的情况下，通过从能量罐上解耦调节器，取消外力的反馈。
图3a示意性地示出了具有末端执行器EFF和预定平移鲁棒性区dmax的阻抗控制的机器人机械手。Δp＝ps–p表示矢量，从末端执行器位置p指向设定点ps，其中fd表示预定的力卷绕。
图3b示出了平移情况下的调节器成形函数ρ(ψ)＝S(v(t))。关于函数ρ(ψ)的更详细的说明可以在上述说明(参照：部分“C脱离接触的稳定”)中找到。
图4为平移情况下弹性材料借助末端执行器EFF所施加的压力的变形曲线图，更详细地示出了上述说明(参照：部分“D柔性和强顺从的物体的处理”)。
图5为用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的所提出的装置的示意流程图，其中m＝1、2、3。该装置包括第一单元记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕的第一单元101，其中： 与第一单元101和致动器ACTm相连的调节器102，其包括具体为力调节器的第一调节器R1，以及与其连接并且具体为阻抗调节器的第二调节器R2，其中调节器102确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助该操纵变量um(t)而被致动的方式为：使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕作用在该物体上；其中：um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)， um,R1(t)：＝第一调节器R1的操纵变量的比值，以及um,R2(t)：＝第二调节器R2的操纵变量的比值，其中第一调节器R1被具体化和配置的方式为：使得操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积，其中：um,R1(t)＝S(v(t))um,R1(t)*， v∈[va,ve]，其中：um,R1*(t)：＝第一调节器R1确定的操纵变量，以生成预定的力卷绕 以及[va,ve]：＝变量v(t)的预定定义区。
图6为用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的所提出的方法的示意流程图，其中m＝1、2、……M。该方法包括下列步骤。在第一步骤201中，记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕其中： 确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助操纵变量um(t)而被致动的方式为：使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕作用在该物体上，第二步骤202借助包括具体为力调节器的第一调节器R1、以及与其连接并且具体为阻抗调节器的第二调节器R2的调节器102；其中，um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)，其中：um,R1(t)：＝第一调节器R1的操纵变量的比值，以及um,R2(t)：＝第二调节器R2的操纵变量的比值，其中第一调节器R1确定操纵变量um,R1(t)为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积，其中：um,R1(t)＝S(v(t))·um,R1(t)*， 以及v∈[va,ve]，其中：um,R1*(t)：＝由第一调节器R1确定的操纵变量，用于生成预定的力卷绕 以及[va,ve]：＝变量v(t)的预定定义区。
尽管通过优选的示例性实施例更详细地说明和解释了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的前提下，从中得到其他变化。因此，应理解的是，存在多种变化可能性。还应理解的是，示例性说明的实施例确实仅表示示例，不应以任何方式解释为限制，例如，本发明的保护范围、应用可能性或配置。相反，前面的描述和附图说明使得本领域技术人员能够明确地实现示例性实施例，本领域技术人员已知本发明公开的思想的情况下，可以在不脱离由权利要求书及其法律等同物，例如在说明书中的进一步解释限定的保护范围的前提下实现例如，关于在示例性实施例中提到的各个元件的功能或布置的各种变化。

Claims (14)

1.一种用于对由M个致动器ACTm驱动的并具有末端执行器的机器人机械手进行开环和闭环控制的装置，其中m＝1、2、……M，包括：
-第一单元(101)，记录和/或提供作用于所述末端执行器上的外力卷绕其中：
＝作用于所述末端执行器上的外力；
＝作用于所述执行器上的外部扭矩；
-与所述第一单元(101)和所述致动器ACTm连接的调节器(102)，所述调节器(102)包括为力调节器的第一调节器R1，以及与所述第一调节器R1连接并且为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器或巡航控制器的第二调节器R2，其中所述调节器(102)确定操纵变量um(t)，所述致动器ACTm借助所述操纵变量um(t)被致动，以使得当与物体的表面接触时，所述末端执行器以预定义的力卷绕作用在所述物体上；其中，
(1)um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)，
其中：
＝预定义的力；
＝预定义的扭矩，
um,R1(t)：＝所述第一调节器R1的操纵变量的比值，并且
um,R2(t)：＝所述第二调节器R2的操纵变量的比值，
其中所述第一调节器R1呈现和配置为使得所述操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*与函数S(v(t))的乘积或为Q维函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：
(2a)um,R1(t)＝S(v(t))·um,R1(t)*
(2b)um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*)
(3a)
(3b)v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)]
(4a)v(t)∈[va,ve]
(4b)v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe]
其中：
um,R1*(t)：＝由所述第一调节器R1确定的操纵变量，以生成所述预定义的力卷绕
＝所述调节器(104)提供的负偏差，
S(v(t))：＝取决于和的v(t)的单调递减函数，
S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*的影响是单调递减的，
[va,ve]：＝变量v(t)的预定义的定义区
[v1a,v1b,],...：＝Q维变量v*(t)的逐分量预定义的定义区。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，如果所述物体是弹性的并且其表面是柔性的，当确定所述操纵变量um(t)时，所述调节器(102)考虑所述物体的预定弹性性质。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，设置有第二单元，用作钝化所述调节器(102)的能量存储器，并根据预定义的能量存储动力学存储来自所述调节器(102)的能量T1，并将能量T2传递给所述调节器(102)，其中所述第二单元和所述调节器(102)形成闭环，并且具有能量T0的所述第二单元的初始化取决于用于执行所述机器人机械手的当前任务的确定的或预定义的能量消耗EExpenditure。
4.根据权利要求3所述的装置，
其中所存储的能量E为虚拟或物理能量。
5.根据权利要求3或4所述的装置，
其中定义了能量上限G1，所述第二单元呈现和配置成使得对于存储在所述第二单元中的能量E而言，E≤G1总是成立的。
6.根据权利要求5所述的装置，
其中能量下限G2被定义为0<G2<G1，并且所述第二单元呈现为，如果：
-对于存储在所述第二能量单元中的能量E而言，G2<E≤G1是成立的，则所述第二单元耦合到所述调节器(102)，以及
-对于存储在所述第二能量单元中的能量E而言，E≤G2是成立的，则所述第二单元从所述调节器(102)解耦。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，
其中所述第一单元(101)具有记录所述外力卷绕的传感器系统和/或估计所述外力卷绕的估计器。
8.一种机器人，具有由M个致动器ACTm驱动的并具有末端执行器的机器人机械手、并具有根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中m＝1、2、……M。
9.一种用于对由M个致动器ACTm驱动的并具有末端执行器的机器人机械手进行开环和闭环控制的方法，其中m＝1、2、……M，包括以下步骤：
-记录和/或提供(201)作用于所述末端执行器上的外力卷绕其中：
＝作用于所述末端执行器上的外力；
＝作用于所述末端执行器上的外部扭矩；
-借助包括为力调节器的第一调节器R1、以及与所述第一调节器R1连接的并且为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器或巡航控制器的第二调节器R2的调节器(102)，确定(202)操纵变量um(t)，所述致动器ACTm借助所述操纵变量um(t)被致动，以使得当与物体的表面接触时，所述末端执行器以预定义的力卷绕作用在所述物体上；其中，
(1)um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)，
其中：
＝预定义的力；
＝预定义的扭矩，
um,R1(t)：＝所述第一调节器R1的操纵变量的比值，并且
um,R2(t)：＝所述第二调节器R2的操纵变量的比值，
其中所述第一调节器R1确定所述操纵变量um,R1(t)为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积或为函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：
(2a)um,R1(t)＝S(v(t))·um,R1(t)*
(2b)um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*)
(3a)
(3b)
v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)]
(4a)v(t)∈[va,ve]
(4b)v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe]
其中：
um,R1*(t)：＝由所述第一调节器R1确定的操纵变量，用于生成所述预定义的力卷绕
＝所述调节器(104)提供的负偏差，
S(v(t))：＝取决于和的v(t)的单调递减函数，
S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*的影响是单调递减的，
[va,ve]：＝可变变量v(t)的预定义的定义区，
[v1a,v1b,],...：＝Q维变量v*(t)的逐分量预定义的定义区。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，如果所述物体是弹性的并且其表面是柔性的，当确定所述操纵变量um(t)时，所述调节器(102)考虑所述物体的预定义的弹性性质。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
其中，设置有第二单元，用作钝化所述调节器(102)的能量存储器，并根据预定义的能量存储动力学存储来自所述调节器(102)的能量T1，并将能量T2传递给所述调节器(102)，其中所述第二单元和所述调节器(102)形成闭环，并且具有能量T0的第二单元的初始化取决于用于执行所述机器人机械手的当前任务的确定的或预定义的能量消耗EExpenditure。
12.一种具有数据处理装置的计算机系统，其中所述数据处理装置被设计成使得根据前述权利要求9至11中任一项所述的方法能够在所述数据处理装置上运行。
13.一种具有电子可读控制信号的数字存储介质，其中所述控制信号可与可编程计算机系统交互，使得根据前述权利要求9至11中任一项所述的方法能够运行。
14.一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读载体上，如果所述程序代码在数据处理装置上运行，可实施根据前述权利要求9至11中任一项所述的方法。
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