CN108453728A - 具有多模式控制框架的冗余欠驱动机器人 - Google Patents

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Abstract

机器人系统包括连接机构、位置传感器和控制器。所述机构具有末端执行器，并且进一步包括主动控制的关节和与主动控制的关节冗余的被动关节。位置传感器可操作用于测量被动关节的关节位置。控制器与位置传感器通信，并且被编程为执行一种方法，以使用力控制和/或机器人机构的建模阻抗而响应于测量的关节位置来选择性地控制主动控制的关节。阻抗控制中的可能控制模式包括操作员不与末端执行器物理交互的自主模式以及操作员与末端执行器物理交互的协作控制模式。

Description

具有多模式控制框架的冗余欠驱动机器人
引言
本发明涉及具有机器人和相关联的控制器的机器人系统，该控制器被配置成通过物理交互与操作人员协作工作，例如被设计成在操作员定位有效载荷时支撑有效载荷重量的升降辅助装置。机器控制可以响应于电子控制信号来实现，例如来自自动化系统的人-机界面或机器-机器界面。在一些机器配置中，操作员手动操作任务负载，同时执行灵巧的操作，同时机器支持并大致定位负载。可以设想其它配置，其中机器人自主地移动负载而不需要操作员与负载的直接物理交互。
发明内容
本文公开了一种系统和相关联的控制框架，该系统和相关联的控制框架用于涉及机器人机构的任务，该机器人机构被配置成作用于对象或周围环境。如本文所使用，术语“机器人系统”是指具有冗余自由度(DOF)的欠驱动连接机构。本发明中的“欠驱动”是指一种连接机构，其中并非该机构的所有关节都被致动，即一些关节是被动的或未被致动的。“冗余”是指一种连接机构，其具有多于基于连接机构的末端执行器的笛卡尔DOF所需的最小关节数量的关节，其中末端执行器是指连接机构的应用点，例如，抓住对象的特定结构由操作员保持，或者将调节的力施加到对象或环境，或者其位置受到任务关注的点。换句话说，连接机构具有在相同的笛卡尔DOF中产生运动的额外关节。基本上，被动关节对于一组主动关节将是冗余的，并且将相对于这组主动关节位于远侧(例如，远离并在这组主动关节下游)。末端执行器可以被配置成使得操作员能够与末端执行器或者连接机构的其它部分以及外部对象或者表面进行物理交互，以执行手动工作任务，这与连接机构协作地进行。
本文公开的控制框架可以使用控制器，在一些实施例中，该控制器调节力和/或控制末端执行器的位置，并且可以应用于不同的操作模式。当连接机构旨在与操作员物理交互以与连接机构的受控操作协作完成任务时，可以使用本文称为协作模式的第一模式。当连接机构旨在独立完成任务而不需要操作员与末端执行器的直接物理交互时，使用本文称为自主模式的第二模式。关于本文使用的术语“阻抗”，该术语是指系统提供的抵抗运动的力。因此，阻抗控制是指机器人系统的主动控制，以便以不同阶来抵抗这种运动，其中刚度是对位置的阻力，阻尼是对速度的阻力，而惯性是对加速度的阻力，从而导致质量弹簧阻尼器系统的二阶响应特性。
在示例性实施例中，控制器被特别编程为在上述两个不同的控制模式之一(即，协作控制模式或自主模式)中视情况操作连接机构。可选地，可以在任一控制模式下使用力控制以使末端执行器能够将特定的调节力施加到环境。在协作控制模式下，操作员和连接机构都在物理上作用于末端执行器。在自主模式下，操作员不与终端效应器物理交互。更确切地说，控制器自主地控制连接机构的位置，或者更具体地，控制末端执行器的位置。当增加力控制选项时，末端执行器能够将调节的外力施加到对象或周围环境。
本方法的一个方面的核心在于控制器的编程操作功能，其控制连接机构，就好像连接机构被具体实施为经典的质量弹簧阻尼器系统。以这种方式，控制器精确地严格调节连接机构如何响应特定的力和特性响应，诸如欠阻尼或过阻尼，因为这种术语在本领域中是已知的。建模机构的刚度和/或阻尼参数可以经由控制器来操纵，其中上限可能设定为施加到对象或环境的静态力。例如，建模的弹簧力或调节的力将具有它们的值的上限。因此，稳态力不会超过界限。
当在自主模式下操作时，如果末端执行器碰巧接触周围环境中的结构或操作员，则控制器可自动启动适当的响应，诸如切换或转换到协作控制模式或执行紧急停止(紧急停机)动作。位置传感器可以与末端执行器的每个被动关节结合使用，其中控制器可选地被配置成基于测量的关节位置与预期位置的偏差(即基于已知的运动学/动态关系)而经由力传感器或使用其它合适的方法来检测与系统的接触。
在某些实施例中，连接机构可以包括相对大的“宏观机构”，其包括连接机构的所有主动驱动(致动器驱动)关节。这种宏观机构可以放置在较小的、相对轻量级的“迷你”机构近侧。迷你机构可以仅具有被动关节，该被动关节可以是在各个方向上和/或在旋转方向上呈线性/平移的，并且其接着可以仅通过由操作员输入到末端执行器的力或者通过与环境产生接触来调整。被动关节使用例如来自弹簧或重力的被动回复力而恢复到平衡位置。
连接机构可以在功能上被表示为具有用作回复力(即，将末端执行器返回到平衡位置的力)的重力或弹簧的经典车摆系统。这种系统的动态可以在本文描述的控制器中建模，其中自主模式和协作控制模式被编程为控制器或操作员根据情况指示而可用的两种不同的操作模式。阻抗控制可以用作两种控制模式的单个控制框架，这有利于可用控制模式之间的自主转换。然后由控制器实时地对机器人或宏观机构遵循的最佳行为进行控制决策。
在特定实施例中，用于执行工作任务的机器人系统包括连接机构、关节位置传感器和控制器。连接机构具有多个主动控制的关节和多个被动关节，被动关节与主动控制的关节冗余。连接机构还包括末端执行器，该末端执行器连接到被动关节并且相对于被动关节布置在远侧，即，定位于或位于距被动关节一段距离处。控制器与位置传感器通信，并且被编程为使用机器人机构的建模阻抗而响应于测量的关节位置来选择性地控制主动控制的关节。控制器以多个控制模式进行，包括自主模式和协作控制模式。操作员在自主模式下执行工作任务时不与末端执行器进行物理交互，并且在协作控制模式下与末端执行器进行物理交互。
用于控制机器人系统的方法包括使用多个位置传感器测量被动关节的关节位置，然后将测量的关节位置传送到用机器人机构的建模阻抗编程的控制器。此外，该方法包括使用建模阻抗而响应于在多个控制模式下的测量的关节位置来选择性地控制主动控制的关节。如上所述，控制模式包括自主模式和协作控制模式。
在另一实施例中，机器人系统包括具有多个主动控制的关节和多个被动关节的连接机构，连接到被动关节并且定位在被动关节的远侧的末端执行器，以及可操作用于测量被动关节的关节位置的多个位置传感器。机器人系统进一步包括与位置传感器通信的控制器。在该实施例中，控制器被编程为响应于测量的关节位置来选择性地控制主动控制的关节的位置，从而经由末端执行器施加调节的力。在上述类型的阻抗控制框架中，力控制可以单独使用或与自主和协作控制模式结合使用。
从下面结合附图和所附权利要求的用于执行本发明的实施例和最佳模式的具体实施方式中，将显而易见本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的利用具有冗余欠驱动机构的控制器的机器人系统的示意图。
图2是可与图1的机器人系统结合使用或作为可选的力控架构的一部分的示例性单一自由度(DOF)冗余欠驱动机构的示意图。
图3A和图3B分别是图1中所示的机器人系统的线性和非线性单一自由度模型，其中图1的阻抗控制器可以使用任一个或两个模型。
图4是如图3B中所示的末端执行器的代表性车摆模型的速度响应的时距曲线，其中在纵轴上描绘增益幅度而在横轴上描绘时间。
图5是描绘了本文描述的阻尼对于连接机构的动态影响的时距曲线，其中在纵轴上绘制阻尼响应的百分比而在横轴上绘制时间。
具体实施方式
在附图中示出了本发明的几个实施例。在附图和描述中使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的结构。附图是简化的形式，并不按规定比例绘制。为了方便和清楚的目的，可以相对于附图使用诸如顶部、底部、左、右、上、上方、上面、下面、下方、后面和前面的方向术语。这些和类似的方向性术语不被解释为限制本发明的范围。
图1中示出了示例机器人系统10，其被配置成与操作人员20H(为简单起见，仅示出其手)协作以支撑和控制有效载荷、作业工具或其它对象25的位置。机器人系统10包括连接机构12，其包含所有关节，并且因此包含机器人系统10的所有可用的控制自由度(DOF)。在一些实施例中，连接机构12可以包括相对较大的“宏观”机构，例如如图所示的多轴机器人，其接着可连接到被动“迷你”机构14以形成宏观迷你机器人机构。迷你机构14可以包括末端执行器14H，该末端执行器可以是用作给定任务的应用点的连接机构12的特定部分，例如，抓住对象25的连接机构12的特定结构由操作员20H保持，或者将力施加到对象25的环境。因此，连接机构12为机器人系统10提供多个控制DOF，其中一些被主动控制(“主动DOF”)，并且其中一些可以响应于来自操作员或环境的力而自由移动，即“被动DOF”。
在图1中所示的非限制性实施例中，连接机构12包括具有主动/致动线性定位机构的架空支撑梁22，例如可能分别由垂直和成角度支撑梁26和28支撑的两个线性DOF台架或架空桥式起重机。在这个实施例中，连接机构12沿着架空支撑梁22在箭头AA的方向上的运动可以经由马达、链条、皮带等(未示出)致动，使得末端执行器14H和对象25能够根据需要沿着架空支撑梁22平移。类似地，围绕垂直于平移方向(箭头AA)的轴BB的旋转运动可以由类似设备提供。连接机构12可以包括多个其它轴，例如CC、DD和EE，其中在典型的三维笛卡尔XYZ坐标系内发生线性和/或旋转运动。
在图1中示出了其非限制性示例并且在2016年3月10日提交的美国申请第15/284,043号(其以引用方式并入本文中)中公开的迷你机构14是提供一个或多个被动DOF的示例性配置。每个被动DOF，或者更确切地说，其运动范围对应于给定被动DOF的每个关节都包括对应的关节位置传感器15P，该对应关节位置传感器被配置成测量迷你机构14的对应的平移和/或旋转关节的位置，并以关节位置(箭头θ)的形式输出数据来作为机器人系统10的正在进行的功能的一部分，其中为了简单说明，图1中示出了一个这种关节位置传感器15P。生成不同类型的数据的可选附加传感器可以包括检测或测量力数据(箭头F)的力传感器15F和/或检测或测量视觉数据(箭头V)的视觉传感器15V，例如经由一个或多个数码相机、视频记录等捕获的基于图像的位置数据。
机器人系统10包括控制器(C)50，在一些实施例中，该控制器是下述类型的阻抗控制器。控制器50可以被编程为在手动工作任务期间接收这种数据，并且使用接收的数据来识别错误的发生或手动任务的完成。控制器50可以具体实施为具有处理器(P)和存储器(M)的一个或多个数字计算机。存储器(M)包括足够数量的有形非暂时性存储器，例如只读存储器、闪存、光和/或磁存储器、电可编程只读存储器等。存储器(M)还包括足够的瞬态存储器，诸如随机存取存储器、电子缓冲器。控制器50的硬件可以包括高速时钟、模拟－数字和数字－模拟电路，以及输入/输出电路和设备，以及适当的信号调节和缓冲电路。
存储器(M)可以用计算机可读指令100编程，使得控制器50能够根据需要控制机器人系统10的主动关节、制动器和/或锁定机构以在上述可用的控制模式(箭头CM)之间执行和切换，即，自主模式和协作控制模式，其中力控制模式也是可用的，或者在图2的示例实施例中，单独可用。可以使用例如人机的界面52(诸如触摸屏或逻辑上的机器－机器)来有利于例如由手动选择控制模式之一的操作员确定控制模式(箭头CM)或者控制器50可以基于检测到的与末端执行器14H的交互作用实时地确定和选择最佳控制模式。如下所述，控制器50可以接收期望的位置(箭头x2)，产生指令位置(x1)并将其传输到机器人系统10，并且在机器人系统10的整体控制中接收测量的关节位置(箭头θ)作为位置反馈。
简要参考图2，示例性的连接机构220可以与图1的阻抗控制器50和/或如图2中所示的力控制器(CF)150结合使用，其中如同图1中的控制器50，力控制器150具有存储器(M)和处理器(P)。还如同图1的连接机构12，图2的连接机构220可以包括多个主动关节，如图2中所描绘的是旋转接头J1和J2，其在箭头FF的方向上旋转，并且在需要时在相反的方向上旋转，以便移动皮带41或其它合适的驱动机构。附接到皮带41上的是推车30，其可以经由主动自由度的受控操作而相对于表面44平移。具有平行臂40和横向构件42的被动单或双平行四边形装置形式的迷你机构140连接到平行臂40，可以附接到推车30并从推车30悬挂。末端执行器45例如辊子可以由操作员20H移动并且被配置成施加力(箭头FA)，诸如在用于从面板组件(未示出)中扩散和排出粘合剂材料的类型的滚动操作中的滚动力的示例中。
在这个实施例中，控制器150可以从对应的位置传感器15P接收关节位置信号(箭头θ)，并使用记录的指令200执行导致输出信号(箭头CCO)的防错操作。通过示例，一些操作需要手动施加力，诸如上述示例面板粘合操作。经由致动器45施加的力的变化可能导致围绕这种面板的周边的粘附质量的差异。通过将具有迷你机构140的连接机构220的力控制用作为替代图1的机器人系统10的冗余欠驱动的机器人系统，单独使用或结合图1的阻抗控制器50使用图2的结构，可能可以验证施加到面板的力，将这些力与校准的力阈值进行比较，从而防止操作错误，同时还帮助操作员执行大部分手动任务。在这个实施例中，输出信号(箭头CCO)可以启用信号灯，产生指示来自校准的力的施加的力的潜在变化的位置和量的消息等。在这种动作期间，控制器50也可以基于测量的关节运动与期望关节运动的偏差来检测与对象25或环境的接触。如在本文中所使用，术语关节运动可以包括位置、速度和/或加速度。此后可以响应于检测到的接触执行自动控制动作，诸如切换到协作控制模式或执行紧急停止(紧急停机)动作。
现在将特别参考3A到图4来描述，图1的示例阻抗控制器50被配置成提供单一的直观控制公式，以与冗余欠驱动机器人机构(诸如图1的连接机构12)或图2中所示的替代连接机构220结合使用。控制器50可以使用末端执行器14H和对象25的线性或车摆模型来实现其编程的功能，其中参考图3A描述线性方法并参考图3B描述车摆方法。
移动的车摆系统可以作为图1和图2的架空配置的示例。如图1中所示，作为本方法的一部分，控制器50可以接收或确定适当的控制模式(箭头CM)，并且还确定输入到末端执行器14H的力(箭头F)和对象25的期望位置(箭头x2).控制器50可以将命令位置(箭头x1)作为电子信号输出到机器人系统10的关节致动器/关联的关节马达控制处理器。测量的位置(θ)，例如机器人系统10的各个关节角度被反馈到阻抗控制器50。然后，控制器50执行下面具体实施为指令100的控制逻辑，以实现期望的控制目标。
阻抗控制律
机器人系统10的行为可以在图1的阻抗控制器50的逻辑中建模为产生所需的二阶行为的线性质量弹簧阻尼器系统。在这种质量弹簧阻尼器系统中，可以向质量(m)施加力，其中这种建模机器人系统10的末端执行器的受控动态表示为：
其中Δx是响应于力的变化(ΔF)的质量(m)的位置(x)的变化。因此，使用图1的控制器50的阻抗控制，相互作用的刚度可以在控制器50的逻辑中被指定。例如，阻抗可以被建模为具有刚度和阻尼参数的弹簧质量阻尼器系统，其中控制器50被编程为通过操纵刚度和/或阻尼参数来控制连接机构12，如下所述。
本方法基于计算机技术公式，因此适用于控制器50的两种控制模式，而不需要力的线性化或估计。而且，本方法直接在图1的末端执行器14H的操作空间中操作，而不是在关节空间中操作，从而利于与操作员交互的动态分析。相同的方法利于末端执行器14H的简单位置控制，而不需要加速命令的双重整合。
线性模型
参考图3A，质量(m)可以表示为经由具有弹簧常数(ks)的弹簧20连接到推车120，其中示意性推车120对应于机器人系统10的连接机构12或宏观机构。表示为在这个模型中连接到固定构件46和推车120的中心点(Cp)的弹簧20也具有阻尼系数(b)。力(箭头F)可能施加到质量(m)。上述Δx因此等于图3A中的x2-x1。图1的机器人系统在当质量(m)，即图1中的对象25被释放时将重力用作为用于回复力的一种单摆。因此，末端执行器的期望的阻抗关系可以被建模或表示为：
其中m是末端执行器14H的质量，b是期望的阻尼系数，k是期望的刚度，即主动控制的有效刚度，并且是质量(m)的参考位置。F是质量(m)上来自操作员的外力，而F*是来自控制器50的命令力。因此稳态力FSS如等式(2)中所述在自主模式和协作控制模式下不同地确定。
在图3A的末端执行器14上的力分析提供下面的运动等式而忽略摩擦：
其中ks是模型中使用的弹簧20的实际物理刚度(常数)。假定连接机构12/推车120采用一阶位置控制器：
其中kp是比例增益并且与推车120/机器人12的位置误差成比例。根据等式(1)和(2)求解，用于期望的宏位置的控制规律遵循如下：
闭环动态
假设完美的一阶控制器，连接机构12的动态如下：
其中在自主模式下，闭环动态可以由拉普拉斯域中的等式(3)、(5)和(6)提供，如下所示：
ms2x2＝F-ks(x2-x1)
当在自主模式下操作时，控制器50参与末端执行器14的位置。因此，假设F＝0，则接下来的转移函数遵循：
随着连接机构12加速，即随着α变小，等式(8)的转移函数接近期望的二阶响应行为。
如上所述，阻抗控制提供了模拟主动系统的行为的机会，类似于简单质量弹簧阻尼器系统的行为，以获得期望的二阶响应行为。这种质量弹簧减振器系统的动态响应在图5的响应曲线70中示意性地示出。在垂直轴上作为输入百分比(Resp％)描绘位置，并且在横轴上绘制时间(t)。阻尼系数ζ描述了当ζ处于0到大约0.75的范围内，例如如图所示的0.1、0.25、0.5和0.75时的欠阻尼状态，其中由箭头SS指示稳态阻尼响应。ζ＝1.0表示临界阻尼状态。ζ＝1.5表示过阻尼状态。因此，将上述系统10建模和控制为质量弹簧阻尼器系统允许经由控制器50实现期望的控制响应。例如，控制器50可以被编程为控制处于自主模式下的连接机构12，使得末端执行器14H或连接到连接机构12的被动关节并远离其定位的另一末端执行器不会展现出欠阻尼振荡。
在协作控制模式中，控制的直观性是图1的控制器50的主要关注点。这需要评估给定输入力的运动响应。因此下面的转移函数如下，其中F*＝0：
在这种情况下，随着连接机构12加速，响应接近1阶响应。没有质量(m)或末端执行器14H的振荡的这种一阶行为是有针对性的行为，从而导致协作操作的最直观的交互作用。加速连接机构12减小了过阻尼行为的振荡的严重性而不减少响应时间。
参考图4，示出了图1的机器人系统10的示例步骤响应，其中m＝1且ks＝100。增加控制器50的增益消除了响应而不减慢响应。没有振荡的这种行为使得操作员对对象25的操作更直观。这个响应还表示对位置的脉冲响应。另外，具有较大振幅(A)的比例增益kp增加了稳态增益，图4中描绘了kp＝5，kp＝20和kp＝40的示例。机器人系统10的稳态增益可以被表示为因此，增加kp的值也增加了机器人系统10的低频增益。换句话说，需要较小的力来实现相同的速度。
考虑到上面所示的一阶位置跟随器行为，期望使连接机构12尽可能快地响应。连接机构12可以响应得越快，与操作员的交互将越直观，并且需要更少的努力。在自主模式下，阻尼系数b增加阻尼以减少振荡，这可能是期望的。在协作模式下，阻尼系数b增加了响应的有效刚度。因此增加了振荡的趋势，这通常是不期望的。这也降低了稳态增益，如下所述，这可能是有益的。可以展示出存在阻尼窗，其允许两个控制模式在相同的b值下过阻尼。否则，每个控制模式都可以使用不同的值。
非线性模型
参考图3B，可以将车摆模型用于重力提供回复力的迷你机构14。车摆系统的运动等式可以表示如下，其中g是引力常数：
这里，l是图3B中所示的单摆的长度。为了解决控制规律，术语可以被认为是微不足道的。认为存在小角度或小加速度。这允许控制器50使用连接机构12的位置如下控制迷你机构14的阻抗：
由于lsinθ＝x2-x1，所以可以从上述阻抗关系(1)中找到期望的加速度。解决控制律：
其中因此与上述关系(5)的平行是显而易见的。
具体实施方式和附图或图式是对本发明的支持和描述，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种机器人系统，包括：
连接机构，其具有多个主动控制的关节和与所述主动控制的关节冗余的多个被动关节；
末端执行器，其连接到所述被动关节并且相对于所述被动关节布置在远侧；
多个位置传感器，其可操作用于测量所述被动关节的关节位置；以及
控制器，其与所述位置传感器通信，并且被编程为使用所述机器人机构在多个控制模式下的建模阻抗而响应于所述测量的关节位置来选择性地控制所述主动控制的关节，所述多个控制模式包括在所述机器人机构的操作期间操作员不与所述末端执行器物理交互的自主模式，以及在所述机器人机构的操作期间所述操作员与所述末端执行器物理交互的协作控制模式。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器被编程为在所述自主模式和所述协作控制模式中的一者或两者中对所述末端执行器执行力控制，从而调节由所述末端执行器施加的力。
3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中所述控制器被配置成限制由所述末端执行器施加的静态力。
4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器被配置成当在所述自主模式下操作时检测与所述机器人系统的接触，并且响应于所述检测到的接触自动启动控制动作。
5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述控制动作是从所述自主模式到所述协作控制模式的自动转换。
6.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述控制器被编程为基于测量的关节运动与预期的关节运动的偏差来检测所述接触。
7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器被编程为在所述自主模式下控制所述连接机构，使得所述末端执行器不呈现欠阻尼振荡。
8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述建模的阻抗被建模为具有刚度和阻尼参数的弹簧质量阻尼器系统，并且其中所述控制器被编程为通过操纵所述刚度参数和所述阻尼参数中的至少一个来控制所述连接机构。
9.一种机器人系统，包括：
连接机构，其具有多个主动控制的关节和多个被动关节；
末端执行器，其连接到所述被动关节并且相对于所述被动关节定位在远侧并被配置成将调节的力施加到对象；
多个位置传感器，其可操作用于测量所述被动关节的关节位置；以及
控制器，其与所述位置传感器通信，并且被编程为响应于所述测量的关节位置来选择性地控制所述主动控制的关节的位置，从而命令经由所述末端执行器将所述调节的力施加到所述对象。
10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中所述控制器被编程为在所述工作任务期间接收数据，并且使用所述接收的数据来识别所述工作任务发生错误或完成。
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