CN115023321A - 对机器人机械手在与人接触时的控制 - Google Patents

对机器人机械手在与人接触时的控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制机器人机械手(1)的方法，其具有以下步骤：‑提供(S1)具有人的身体区域的数据库，其中，身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；‑确定(S2)机器人机械手(1)与人的当前或未来接触事件并且确定人的所接触的身体区域；‑确定(S3)相对于人的身体固定的参考位置，其中，参考位置指示在与人的接触事件中人的组织压入的位置路线的起点；以及‑以阻抗调节的方式控制(S4)机器人机械手(1)，使得所确定的参考位置用作机器人机械手(1)的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。

Description

对机器人机械手在与人接触时的控制
技术领域
本发明涉及一种用于控制机器人机械手的方法和一种用于控制机器人机械手的控制单元。
发明内容
本发明的目的是在机器人机械手和人之间发生接触事件的情况下改进机器人机械手的行为并且尤其是使该行为更安全。
本发明产生于独立权利要求的特征。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
本发明的第一方面涉及一种用于控制机器人机械手的方法，其具有以下步骤：
-提供具有人的身体区域的数据库，其中，身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；
-确定机器人机械手与人的当前或未来接触事件并且确定人的所接触的身体区域；
-确定相对于人的身体固定的参考位置，其中，参考位置指示在与人的接触事件中人的组织压入的位置路线的起点；以及
-以阻抗调节的方式控制机器人机械手，使得所确定的参考位置用作机器人机械手的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
身体区域尤其包括人的身体表面上的区域，例如在大腿、小腿、手、脚、腹部、胸部、上背部、下背部、脸部和/或脸部部分例如眼、鼻等处的区域。替代地，优选使用与这些身体部位分开的身体区域。身体区域，如存储在数据库中的身体区域那样，优选地通常对人有效，从而这些身体区域不限于特定个人。然而，尤其是当特定人群例如儿童与机器人机械手接触时，符合目的的是提供具有专门为该人群限定的身体区域的各自专用的数据库。
这些身体区域中的每一个具有根据数据库的所属值，该所属值指示相应身体区域处的最大允许接触压力。在这里，接触压力尤其限定在身体区域的表面的法线方向上。接触压力是指从外部作用于人体的压力。在这里，术语“接触压力”和“接触力”原则上是可以互换的，因为压力是通过单位面积的力来限定的。在这里，在一个实施方式中，术语“接触压力”在上面和下面始终由术语“接触力”替换。优选地，除了接触压力的每个值之外，数据库还具有剪切应力的相应值作为作用在相应身体区域上的力和/或作用力矩的切向分量。
确定接触事件优选地通过预测来进行，尤其是借助模拟来进行。为此，需要关于机器人机械手的姿势、尤其是机器人机械手的未来姿势、以及人的姿势、尤其是人的未来姿势的持续的信息。为了从机器人机械手或人的当前姿势推断机器人机械手或人的未来姿势，尤其使用机器人机械手的指定目标运动路径和/或机器人机械手的速度和/或加速度，以便预测机器人机械手的运动路径。优选地，也对人执行类似操作。在人的情况下，通常不会从人的计划轨迹开始，因为首先人的意志不一定是已知的，此外，人的运动顺序也会经常无意地尤其是通过反射被控制。优选地，取而代之，人的当前姿势和/或人的运动(尤其是速度/加速度)尤其是通过相机被检测，并且从人的当前姿势和/或当前运动推断人的可能的未来姿势。
在当前识别的接触事件的情况下，不需要预测或模拟，因为当前接触事件也可以通过常见的碰撞检测来进行，例如通过基于在关节中由机器人机械手的扭矩传感器检测到的关节扭矩矢量确定外力旋量来进行。
不依赖于当前或未来接触事件的识别类型，通过这种识别尤其还提供关于在数据库中限定的人的身体区域中的哪个或哪些身体区域实际受到或将受到接触事件影响的信息。由于根据数据库的信息为身体区域中的每一个分配了自身单独的最大允许接触压力值，因此依赖于机器人机械手与人体接触事件的位置，应从接触事件产生的最大允许接触压力也是已知的。
根据本发明考虑到这一点。为此，限定了参考位置，该参考位置相对于人、尤其是相对于人体表面被认为以主体固定的方式布置在人上。因此，该主体固定的参考位置自然地与人可以感觉到机器人机械手接触的人的表面上的位置一致。在机器人机械手以非零法向运动分量相对于人体表面运动的进一步过程中，进行人的组织压入，人将该压入感知为接触压力。人的组织天然具有粘性阻尼并且也至少部分地具有弹性(并且可能至少部分地暂时具有塑性，而这不代表永久性损伤导致组织的不可逆变形)。
根据本发明，在这里，机器人机械手至少从接触事件期间人的组织压入的位置路线的起点以阻抗调节的方式被驱动。因此，一方面，人的组织具有弹性元件，另一方面，机器人机械手的阻抗调节包括人工弹簧分量，该人工弹簧分量虚拟地从参考点开始至少在人体表面上的法向分量中建立增加的恢复力并因此至少在该法向分量的方向上减少动能。
在这里，阻抗调节尤其基于参考位置和机器人机械手上的预限定位置之间的相对位置来执行。在这里，该位置矢量的长度值尤其决定了偏转，通过该偏转借助人工弹簧分量产生与偏转相关的阻力。
优选地，阻抗调节基于以双通道方式确定的相对位置从机器人机械手上的位置相对于人的参考位置的当前位置开始来执行。在这里，双通道功能尤其通过机器人自身的传感器组来实现，该传感器组一方面尤其包括关节角度传感器，另一方面包括外部传感器单元，优选为相机单元。还可以使用两个或更多的相机单元。这种双通道功能尤其导致至少从两个源获得位置信息，这些位置信息然后尤其通过比较单元来检查数据一致性。如果两个源之间存在不一致，则传感器单元中的至少一个出现故障，并且无法再保证机器人机械手的安全操作。在这种情况下，优选地发出警告和/或立即停止机器人机械手的操作。
优选地，参考位置径向对称地用作用于阻抗调节的零位，尤其是用于阻抗调节的人工弹簧分量的零位。在这种情况下，从零位开始的每次偏转都由阻抗调节同等对待，而不依赖于偏转的方向。替代地，优选地，阻抗调节从作为零位的参考位置开始以方向相关的方式执行，尤其是阻抗调节的人工弹簧分量。在这里，优选地，阻抗调节的人工弹簧分量仅针对人的受影响身体区域的表面上的法线方向即以成直角方式来应用，其中，在远离法向分量的其他方向上优选地应用标称调节，机器人机械手在应用阻抗调节之前已应用该标称调节直到到达参考位置。一方面，这可以是阻抗调节本身，另一方面，可以是力调节、位置调节、导纳调节或现有技术中已知的其他调节形式。
优选地，除了人工弹簧分量以外，机器人机械手的阻抗调节还包括人工阻尼分量，该人工阻尼分量自然地根据定义产生与速度相关的阻力。
此外，根据本发明，由机器人机械手施加在人上的力(/压力)受到限制，使得不超过用于受接触事件影响的身体区域的最大允许接触压力值。这尤其是在机器人机械手的致动器的带宽的可能性内进行，该带宽通常足够高，以便足够快速地确保这种反应。
因此，本发明的有利效果是，在机器人机械手和人之间发生接触事件的情况下，机器人机械手的运动一方面以弹性的方式且尤其是也以阻尼的方式减少，使得人在动量传递的情况下只感觉到软撞击。通过限制由机器人机械手本身产生的接触压力，还有利地避免受伤。另一方面，如果机器人机械手没有动能但由于人的动能而进行动量传递，则除了机器人机械手沿相反方向从阻抗调节的零位偏转之外，存在与上述相同的效果，其中，在这里，保持动量传递的弹性以及尤其还有阻尼特性。即使在人和机器人机械手之间的准静态力传递中，与机器人机械手的主观软接触对人来说也是有利的，因为阻抗调节引起从人体表面上的参考位置开始的与偏转相关的阻力。
根据一个有利实施方式，该方法还具有以下步骤：
-确定机器人机械手上与人接触的位置的边缘几何形状，其中，依赖于所确定的边缘几何形状确定或适配最大允许接触压力。
优选地，数据库针对身体区域中的每一个具有值集，其中，来自值集的元素中的每一个分配给机器人机械手上与人接触的位置的特定边缘几何形状或至少近似地分配给该边缘几何形状。因此，有利地，不仅考虑人的身体区域的敏感性，而且还考虑针对与身体区域接触的边缘几何形状的敏感性。因此，薄而尖锐的轮廓自然地更容易造成伤害，即使与具有钝表面的接触事件相比接触压力没有增大时也是如此。优选地作为数据库的值集的替代方案，依赖于所确定的边缘几何形状适配数据库中每个身体区域的固定值。这优选地通过乘以反映边缘几何形状的逆锐度的因子来进行，从而与恒定的最大允许接触压力相比，更锋利的边缘与更高的实际接触压力相关联。
根据另一有利实施方式，当执行阻抗调节直到最大允许接触压力时，依赖于机器人机械手的与人接触的位置相对于人的速度来确定或以减小的方式适配最大允许接触压力。该实施方式有利地考虑到人的组织的快速压入运动感觉比慢速压入运动更令人不快的情况。因此，与前述的实施方式类似，在机器人机械手和人之间发生接触事件的情况下考虑速度而不是边缘几何形状。同样，数据库中可以存在各种条目，根据该实施方式，这些条目适用于有限数量的速度或近似于这些速度。替代于此，尤其是通过一个因子或另一函数相应地适配各自唯一的数据库条目。
根据另一有利实施方式，以阻抗调节的方式控制机器人机械手如此进行，使得在人的组织压入过程中不超过指定制动距离。在这里，制动距离尤其依赖于机器人机械手和人的组织之间的动量传递并且与机器人机械手的对人组织的压入深度相关。根据制动距离的极限值确保的是，人的组织不会被压入超过指定极限值。这尤其通过机器人机械手的致动器的相应控制来进行，从而机器人机械手在达到极限值时执行缩回运动。
根据另一有利实施方式，指定制动距离是通过预测在人的组织压入过程中距参考位置何种距离达到最大允许接触压力来确定的。因此，有力地，实际施加的接触压力与最大允许接触压力一致并且同时与制动距离中的极限值相关，从而机器人机械手的对人来说尽可能自然作用的行为在整个允许范围内得到利用。
根据另一有利实施方式，以阻抗调节的方式控制机器人机械手是通过相对于地固坐标系的阻抗调节来进行，使得在机器人机械手上与人接触的位置和人的当前参考位置之间的相对位置矢量被确定为地固坐标系中的连接矢量。地固坐标系尤其是笛卡尔坐标系。
根据另一有利实施方式，该方法还具有以下步骤：
-确定机器人机械手上与人接触的位置的硬度和/或弹性模量，其中，依赖于所确定的硬度和/或弹性模量确定或适配最大允许接触压力。硬度决定了对身体穿透的阻力并且优选地以维氏单位来表示。另一方面，弹性模量描述了一个应力常数，该应力常数表明机器人机械手的材料在何种应力下发生了何种程度的拉伸。有利地，根据该实施方式，通过数据库中的数据值集或通过适配来自数据库的相应有效值、尤其是通过乘以一个因子或另一函数来考虑机器人机械手的与人接触的位置的这种材料特性或这些材料特性，因为这种(这些)材料特性对人如何主观感知接触事件有重大影响。
根据另一有利实施方式，该方法还具有以下步骤：
-确定具有机器人机械手上与人接触的位置的结构元件的温度，其中，依赖于所确定的温度确定或适配最大允许接触压力。机器人机械手上与人接触的那个位置的结构元件的温度也对人与机器人机械手的接触事件的主观感知有相应的影响。在极端温度下，人认为接触事件相当不愉快。同样，对于不同的温度，可以将不同的值存储在用于相应身体区域的数据库中，或者相应地适配数据库分别针对每个身体区域的单独值。
根据另一有利实施方式，阻抗调节具有非线性人工弹簧分量，使得随着偏转增加，随偏转成过大比例上升的反作用力作用在机器人机械手上。由于人体组织尤其还具有非线性机械特性(因此，血液是一种非牛顿流体，当肌腱和/或骨骼和/或韧带受到撞击时，组织压入时的阻力会突然增大)，因而人体的这种特性尤其也由阻抗调节来反映。由此，有利地，机器人机械手在接触事件时的行为有利地被人感知为明显更愉快。
本发明的另一方面涉及一种用于控制机器人机械手的控制单元，其具有：到具有人的身体区域的数据库的接口，其中，身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；和计算单元，其中，计算单元实施用于：确定机器人机械手与人的当前或未来接触事件并且确定人的所接触的身体区域；确定相对于人的身体固定的参考位置，其中，参考位置指示在与人的接触事件中人的组织压入的位置路线的起点；以及以阻抗调节的方式控制机器人机械手，使得所确定的参考位置用作机器人机械手的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
所提出的控制单元的优点和优选的改进方案产生于对与所提出的方法相关联做出的上述实施方案的类似和符合意义的转移。
进一步的优点、特征和细节产生于以下描述，其中，在必要时参照附图，详细描述了至少一个实施例。相同、相似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的用于控制机器人机械手的方法；和
图2示出了用于执行根据图1的方法的控制单元。
附图中的图示是示意性的而不是按比例绘制的。
具体实施方式
图1示出了用于控制机器人机械手1的方法。该方法在控制单元3上被执行。因此，下面所示的方法步骤也可以转移到图2并且可以应用图2的附图标记。该方法具有以下步骤：
-提供S1具有人的身体区域的数据库，其中，身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；
-确定S2机器人机械手1与人的当前或未来接触事件并且确定人的所接触的身体区域；
-确定S3相对于人的身体固定的参考位置，其中，参考位置指示在与人的接触事件中人的组织压入的位置路线的起点；
-确定S5机器人机械手1上与人接触的位置的边缘几何形状，其中，依赖于所确定的边缘几何形状适配最大允许接触压力；
-确定S6机器人机械手1上与人接触的位置的硬度和/或弹性模量，其中，依赖于所确定的硬度和/或弹性模量适配最大允许接触压力；
-确定S7具有机器人机械手1上与人接触的位置的结构元件的温度，其中，依赖于所确定的温度适配最大允许接触压力；以及
-以阻抗调节的方式控制S4机器人机械手1，使得所确定的参考位置用作机器人机械手1的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
图2示出了用于控制机器人机械手1的控制单元3，其具有：到具有人的身体区域的数据库的接口5，其中，身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；和计算单元7，其中，计算单元7用于确定机器人机械手1与人的当前或未来接触事件并且确定人的所接触的身体区域。此外，计算单元7确定相对于人的身体固定的参考位置，其中，参考位置指示在与人的接触事件中人的组织压入的位置路线的起点。这是通过外推不仅人而且机器人机械手1的当前运动过程来模拟未来运动过程来进行。此外，计算单元7以阻抗调节的方式控制机器人机械手1，使得所确定的参考位置用作机器人机械手1的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
尽管已经通过优选的实施例更详细地图示和说明了本发明，但本发明不受公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变型例。因此，显而易见的是，存在多种可能的变型例。还显而易见的是，以示例方式引用的实施方式实际上仅代表示例，不应以任何方式将其理解为例如对本发明的保护范围、可能的应用或构造的限制。相反，前面的描述和附图的描述使得本领域技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下，可以在不脱离由权利要求及其合法等效物例如说明书中的进一步解释所限定的保护范围的情况下，例如针对在示例性实施方式中提到的各个元件的功能或布置进行各种变更。
附图标记说明：
1 机器人机械手
3 控制单元
5 接口
7 计算单元
S1 提供
S2 确定
S3 确定
S4 确定
S5 确定
S6 确定
S7 确定

Claims (10)

1.一种用于控制机器人机械手(1)的方法，其具有以下步骤：
-提供(S1)具有人的身体区域的数据库，其中，所述身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；
-确定(S2)所述机器人机械手(1)与所述人的当前或未来接触事件并且确定所述人的所接触的身体区域；
-确定(S3)相对于所述人的身体固定的参考位置，其中，所述参考位置指示在与所述人的接触事件中所述人的组织压入的位置路线的起点；以及
-以阻抗调节的方式控制(S4)所述机器人机械手(1)，使得所述所确定的参考位置用作所述机器人机械手(1)的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
2.根据权利要求1所述的方法，其还具有以下步骤：
-确定(S5)所述机器人机械手(1)上与所述人接触的位置的边缘几何形状，其中，依赖于所述所确定的边缘几何形状确定或适配所述最大允许接触压力。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当执行阻抗调节直到所述最大允许接触压力时，依赖于所述机器人机械手(1)的与所述人接触的位置相对于所述人的速度来确定或以减小的方式适配所述最大允许接触压力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以阻抗调节的方式控制所述机器人机械手(1)如此进行，使得在所述人的组织压入过程中不超过指定制动距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述指定制动距离是通过预测在所述人的组织压入过程中距所述参考位置何种距离达到所述最大允许接触压力来确定的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以阻抗调节的方式控制所述机器人机械手(1)是通过相对于地固坐标系的阻抗调节来进行，使得在所述机器人机械手(1)上与所述人接触的位置和所述人的当前参考位置之间的相对位置矢量被确定为所述地固坐标系中的连接矢量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还具有以下步骤：
-确定(S6)所述机器人机械手(1)上与所述人接触的位置的硬度和/或弹性模量，其中，依赖于所述所确定的硬度和/或弹性模量确定或适配所述最大允许接触压力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还具有以下步骤：
-确定(S7)具有所述机器人机械手(1)上与所述人接触的位置的结构元件的温度，其中，依赖于所述所确定的温度确定或适配所述最大允许接触压力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，阻抗调节具有非线性人工弹簧分量，使得随着偏转增加，随偏转成过大比例上升的反作用力作用在所述机器人机械手(1)上。
10.一种用于控制机器人机械手(1)的控制单元(3)，其具有：到具有人的身体区域的数据库的接口(5)，其中，所述身体区域中的每一个分配有相应最大允许接触压力值；和计算单元(7)，其中，所述计算单元实施用于：确定所述机器人机械手(1)与所述人的当前或未来接触事件并且确定所述人的所接触的身体区域；确定相对于所述人的身体固定的参考位置，其中，所述参考位置指示在与所述人的接触事件中所述人的组织压入的位置路线的起点；以及以阻抗调节的方式控制所述机器人机械手(1)，使得所述所确定的参考位置用作所述机器人机械手(1)的阻抗调节的人工弹簧分量的零位并且最大允许接触压力作为极限值不予超过。
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