CN115175791A - 机器人装置 - Google Patents
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Abstract
本文描述的某些示例提供了一种控制机器人装置的方法，该机器人装置包括主体、通过一个或多个关节联接到主体的末端执行器、以及驱动一个或多个关节以控制机器人装置的状态的推进系统。示例方法包括对机器人装置应用阻抗控制；确定末端执行器的参考轨迹；检测机器人装置上的导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩；计算要施加到一个或多个关节中的一个或多个关节的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩；以及使用所计算的调整来控制一个或多个关节，以致动末端执行器并恢复末端执行器的参考轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制机器人装置的方法、配置为执行该方法的控制器以及包括该控制器的机器人装置。
背景技术
阻抗控制是控制机器人装置的已知方法。例如，阻抗控制可以用于控制机器人装置，该机器人装置包括具有末端执行器的机械臂，该末端执行器配置为执行某些任务，例如抓取、提升和操纵物体，或者例如在板上书写或擦拭表面。在这种情况下，阻抗控制允许基于施加在末端执行器上的力与末端执行器的位置之间的关系来控制末端执行器。通过阻抗控制，力输出与运动输入的比率实际上可以通过将机械臂建模为质量-弹簧-阻尼器系统来控制。在人类环境中执行此类任务时，阻抗控制可能特别有用。具体而言，例如，阻抗控制在希望由人与机械臂交互产生的力与机械臂应当移动多快有关的情况下可能是有用的。然而，阻抗控制也可以应用于在非人类环境的其他环境中控制机器人，例如，在避免机器人装置损坏环境中存在的物体很重要的情况下，例如在工厂设置中。
在与环境的某些交互过程中，未知负载可能会作用在机器人装置上。例如，如上所述，机械臂可以通过使用适当的末端执行器承担起提升物体的任务。在某些情况下，被提升物体的质量可能是未知的，因此作用在末端执行器上的负载可能是未知的。在典型的阻抗控制方案中，这种未知负载可能会导致末端执行器的期望位置出现误差，而未知负载会改变用作质量-弹簧-阻尼器系统的末端执行器的平衡位置。这在本文中也可以称为导致末端执行器偏离其“参考轨迹”的负载。这可能是不希望的，尤其是在需要对末端执行器的位置进行密切控制的情况下，例如执行特定任务时。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种控制机器人装置的方法，该机器人装置包括主体、通过一个或多个关节联接到主体的末端执行器、以及驱动一个或多个关节以控制机器人装置的状态的推进系统，该方法包括：对机器人装置应用阻抗控制；确定末端执行器的参考轨迹；检测机器人装置上导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩；计算要施加到一个或多个关节中的一个或多个的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩；以及使用所计算的调整来控制一个或多个关节，以致动末端执行器并恢复末端执行器的参考轨迹。
根据本发明的示例方法可以用于施加外力和/或扭矩的效果，同时通过使用阻抗控制方案继续控制末端执行器。例如，可以在不影响机器人装置的阻抗控制行为的情况下补偿外力和/或扭矩。例如，机器人装置的运动的感知刚度可以保持不变，而由外力和/或扭矩导致的末端执行器的位置相对于参考轨迹的静态误差被“校正”。本发明的其他优点将从本公开的其余部分变得明显。
该方法可以进一步包括估计由施加的外力和/或扭矩引起的施加到一个或多个关节的关节力和/或扭矩。因此，可以估计外力和/或扭矩对机器人装置的相对于一个或多个关节的影响，从而可以计算补偿该影响的适当调整。
调整可以是施加到一个或多个关节的关节力和/或扭矩。例如，可以施加关节扭矩来提供调整。在一些示例中，该调整可以作为施加到关节的“预加载”扭矩和/或力，允许在通过应用阻抗控制继续控制末端执行器的同时补偿施加的外力和/或扭矩。
检测到的施加的外力和/或扭矩可能是由于作用在末端执行器上的外力造成的。因此，在一些示例中，该方法可以补偿施加在末端执行器处的外力的影响。
计算要施加到一个或多个关节以补偿施加的外力和/或扭矩的调整可以包括确定沿着轴线作用在末端执行器上的施加的外力和/或扭矩的一个或多个分量，并且将调整确定为要施加到一个或多个关节以补偿沿着轴线的外力和/或扭矩的一个或多个分量的关节扭矩和/或力。例如，该轴线可以基本上是垂直轴线。在一些示例中，这可以允许调整来补偿沿着特定轴线作用的外力和/或扭矩的影响，同时滤除不沿着特定轴线作用的外力和/或扭矩的分量。例如，在轴线基本上是垂直轴线的情况下，可以补偿作用在末端执行器上的负载的重量，同时滤除不是由于负载的重量引起的其他影响。
计算要施加的调整可以包括确定作用在末端执行器上的施加的外力和/或扭矩在向量子空间中的投影，并将调整确定为要施加到一个或多个关节的关节扭矩和/或力，以补偿外力在向量子空间中的投影。这可以允许补偿外力和/或扭矩在任何特定子空间中的分量，而不补偿外力和/或扭矩的其他分量。
施加的外力和/或扭矩可能是由于末端执行器承载的负载的重量。因此，该调整可以补偿由末端执行器承载的重量引起的对参考轨迹的偏离。
参考轨迹可以定义机器人装置将负载放置在表面上的轨迹，并且该方法可以包括当负载放置在表面上并且作用在末端执行器上的负载的重量减小时，细化调整以保持参考轨迹。这可以允许负载从末端执行器平滑地传递到表面。
估计关节力和/或扭矩可以包括使用来自机器人装置的一个或多个本体感受传感器的数据。因此，在某些示例中，不需要能够确定作用在机器人装置上的外力和/或扭矩的附加传感器。
估计关节力和/或扭矩可以包括使用动量观测器方法。动量观测器方法的使用可以允许在不使用测量的关节加速度的情况下估计施加的外部关节力和/或扭矩，例如如果使用直接估计方法则在估计中使用测量的关节加速度。
该方法可以包括确定计算的调整用于控制一个或多个关节的速率，并且使用计算的调整来控制一个或多个关节以恢复末端执行器的参考轨迹可以包括以所确定的速率调整阻抗控制。这可以允许提供延迟，该延迟允许在补偿外力和/或扭矩的同时更有效地保持由阻抗控制法则提供的弹性效果。
确定计算的调整用于控制一个或多个关节的速率可以包括对与检测到的施加的外力和/或扭矩相关的信号应用低通滤波器。低通滤波器可以提供用于处理信号的便利手段，以提供上述延迟，并且还可以滤除检测到的施加的外力和/或扭矩中的噪声，使得该噪声不会被调整所补偿。
该方法还可以包括确定施加到一个或多个关节的重力补偿扭矩，以补偿由于机器人装置的重量而作用在机器人装置上的扭矩；以及使用确定的重力补偿扭矩来调整阻抗控制，以控制一个或多个关节来补偿由于机器人装置的重量而作用在机器人装置上的扭矩。因此，除了外力和/或扭矩之外，本文的示例方法可以补偿机器人装置的重量的影响。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制机器人装置的控制器，该机器人装置包括主体、通过一个或多个关节联接到主体的末端执行器、以及驱动一个或多个关节以控制机器人装置的状态的推进系统，该控制器配置为执行根据本发明第一方面的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一组机器可读指令，当由机器人装置的控制器执行时，这些指令使根据本发明第一方面的方法被执行。
根据本发明的第四方面，提供了一种机器可读介质，包括根据本发明第三方面的一组机器可读指令。
根据本发明的第五方面，提供了一种机器人装置，包括：主体；通过一个或多个关节联接到主体的末端执行器；驱动一个或多个关节以控制机器人装置的状态的推进系统；以及控制器，配置为：对机器人装置应用阻抗控制；确定末端执行器的参考轨迹；检测导致偏离参考轨迹的施加在机器人装置上的外力和/或扭矩；计算要施加到一个或多个关节中的一个或多个的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩；以及使用计算的调整来控制一个或多个关节，以致动末端执行器并恢复末端执行器的参考轨迹。
本发明的其他特征和优点将从以下参照附图对本发明优选实施例的描述中变得明显，实施例仅作为示例给出。
附图说明
图1是控制机器人装置的示例方法的流程图表示；
图2A至2C是示出应用根据本文所述示例的控制方法的示例机器人装置的示意图；
图3是本文描述的示例控制方法的示意图；和
图4是示出示例机器人装置的示例控制部件的示意图。
具体实施方式
本发明的示例涉及对配置为使用阻抗控制的机器人装置的控制。这种机器人装置可以配置为在人类环境中与人类交互。然而，本发明的示例可以在其他领域中找到应用，例如旨在在非人类(例如，工厂)环境中操作的商业机器人。本发明的某些示例配置为当由于末端执行器加载有例如未知重量的物体而将外部扭矩施加到末端执行器时恢复参考轨迹。然而，本文描述的相同控制方法可以类似地用于补偿施加在机器人装置上的其他类型的力。在任何情况下，现在将通过示例描述控制机器人装置的方法。
图1示出了控制机器人装置的示例方法1000的流程图表示，该机器人装置包括主体(也可以称为基部连杆)、通过一个或多个关节联接到主体的末端执行器、以及驱动一个或多个关节以控制机器人装置状态的推进系统。驱动一个或多个关节以控制机器人装置的状态可以包括向关节施加关节扭矩以控制关节的旋转。在一些示例中，机器人装置还可以包括允许线性运动的一个或多个关节。允许线性运动的关节可以通过推进系统施加的关节力来控制。方法1000包括在框1002对机器人装置应用阻抗控制。应用阻抗控制通常包括应用控制法则，该控制法则考虑了例如由一个或多个传感器测量的机器人装置的状态和参考轨迹，并确定将由推进系统施加到一个或多个关节的扭矩。下面更详细地描述示例阻抗控制法则。
在框1004，该方法包括确定末端执行器的参考轨迹。参考轨迹可以定义末端执行器在机器人装置100所在的环境中在三维空间中遵循的路径。例如，参考轨迹可以定义末端执行器的速度、位置和/或取向以及加速度。在一些示例中，参考轨迹可以是末端执行器遵循的轨迹以允许末端执行器执行任务，例如携带物体或执行书写任务或擦拭表面。在其他示例中，参考轨迹可以包括旨在将末端执行器保持在固定位置的静止轨迹。
在框1006，方法1000包括检测作用在机器人装置上并导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩。施加的外力和/或扭矩是作用在机器人装置上的外力和/或扭矩，其可以例如是由于作用在末端执行器上的外力。例如，施加的外力和/或扭矩可以是由于末端执行器承载的负载的重量而作用在末端执行器上的力。外力和/或扭矩可替代地或附加地可以是由于施加到末端执行器的扭矩，例如通过用户的手的扭转效应。在一些示例中，外力和/或扭矩可以是在末端执行器之外的点处施加到机器人装置的力/扭矩。施加的外力和/或扭矩可能导致末端执行器偏离参考轨迹。
在一些示例中，可以估计由施加的外力和/或扭矩引起的施加到一个或多个关节的关节力和/或扭矩。这在本文中可以称为施加的关节力和/或扭矩或外部关节力和/或扭矩。关节力和/或扭矩可以根据指示机器人装置状态的数据(例如由一个或多个传感器测量)来估计。机器人装置的状态可以根据一个或多个关节的相应位置、速度和加速度来定义。数据可能来自一个或多个本体感受传感器。例如，本体感受传感器可以检测一个或多个关节的关节角度和/或扭矩。在一个或多个关节允许线性运动的示例中，一个或多个本体感受传感器可以检测允许线性运动的关节的关节位置和/或关节力。这在本文中可以被称为使用“无传感器”估计方法来估计施加的关节力和/或扭矩，因为在估计过程中没有使用除了本体感受传感器之外的传感器。使用无传感器方法可以消除对能够确定作用在末端执行器上的负载的附加传感器的需要，这可能具有诸如降低生产机器人装置的成本之类的好处。可以在本文描述的示例中使用的无传感器估计方法的一个示例是“动量观测器”方法，例如，如在“Sensorless robot collision detection and hybrid force/motioncontrol”，A.De Luca和R.Mattone，在2005年IEEE机器人和自动化国际会议论文集中所描述的，其通过引用结合于此。在其他示例中，可以使用估计施加的关节力和/或扭矩的其他无传感器方法。例如，可以直接估计施加的关节力和/或扭矩，例如使用A.De Luca，D.Schroder和M.Thummel在2007年IEEE机器人和自动化国际会议论文集中的“Anacceleration-based state observer for robot manipulators with elastic joints”中描述的方法。在另一个示例中，可以使用“关节速度观测器”方法，例如如S.Haddadin的Towards Safe Robots；Approaching Asimov’s 1st Law,Springer Tracts in AdvancedRobotics,2014中描述的。在又一个示例中，可以使用“能量观测器”方法，例如A.De Luca、A.AlbuSchaffer、S.Haddadin和G.Hirzinger在2006年IEEE/RSJ智能机器人和系统国际会议“Collision detection and safe reaction with the DLR-III lightweightmanipulator arm”中所述的。所有前述文件均通过引用并入本文。
在框1008，计算调整以施加到一个或多个关节中的一个或多个以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩。在一些示例中，计算要施加的调整包括确定作用在末端执行器上的外力和/或扭矩在特定矢量子空间中的分量。例如，施加的外力和/或扭矩可以是外力，并且可以确定外力沿特定轴线的投影。因此，例如可以计算调整以补偿沿轴线作用的外力。例如，该方法可以用于补偿由于作用在末端执行器上的外部负载的重量而作用在末端执行器上的力。在这样的示例中，轴线可以基本上是垂直轴线。确定调整然后可以包括确定调整以补偿外部负载的重量对末端执行器的作用。这可以通过沿垂直轴线投影检测到的施加的外力和/或扭矩来完成。因此，外部负载的重量可以被补偿，而滤除且不补偿不是由于外部负载的重量的对施加的外力和/或扭矩的贡献。下面将更详细地描述其示例。
在一些示例中，方法可以进一步包括确定计算的调整用于控制一个或多个关节的速率。可以施加该调整而以确定的速率恢复末端执行器的参考轨迹。这可以提供一延迟，该延迟允许保留由阻抗控制法则提供的弹性效应。例如，由于施加的关节力和/或扭矩的估计可以在少量时间内获得，所以施加的外力和/或扭矩可以通过将估计的关节力和/或扭矩直接添加到要施加以控制关节的阻抗控制力和/或扭矩来补偿。然而，在某些示例中，这种方法可以使阻抗控制提供的“弹簧”效应忽略不计。通过以确定的速率调整阻抗控制来引入延迟可以防止这种情况发生。确定施加调整的速率可以包括对与检测到的施加的外力和/或扭矩相关的信号施加低通滤波器。例如，可以将低通滤波器应用于表示检测到的施加的外力和/或扭矩的信号。可以根据需要调整低通滤波器以提供所需的延迟。此外，使用低通滤波器还可以滤除检测到的施加的外力和/或扭矩中的噪声，使得该噪声不被调整补偿，噪声被调整补偿可能是不期望的。
最后，在框1010，方法1000包括使用计算的调整来控制一个或多个关节以致动末端执行器以恢复末端执行器的参考轨迹。在一些示例中，使用框1010处的调整可以包括将计算的预加载扭矩添加到由阻抗控制法则确定的用于控制末端执行器的关节扭矩。在一个示例中，除了根据阻抗控制法则确定的关节扭矩之外，调整因此可以包括要施加到关节的扭矩。在一个或多个关节是线性关节的情况下，调整可以另外包括要施加到线性关节的关节力。通过施加调整，可以施加预加载力和/或扭矩，其允许恢复参考轨迹以补偿施加的外力和/或扭矩，同时通过应用阻抗控制继续控制末端执行器。因此，该方法可以被认为是在力空间中补偿末端执行器的位置和/或取向的误差的方法，而不是在笛卡尔空间中补偿的方法。这是因为施加调整以恢复参考轨迹，而不是例如试图直接校正末端执行器相对于期望位置的位置的方法。
阻抗控制的调整可以是动态的，从而可以补偿施加的外力和/或扭矩的变化。例如，机器人装置可以配置为抓握和举起物体，然后将物体放下。当物体被抓住时，物体的重量开始作用在末端执行器上。此时，计算用于补偿检测到的由于物体施加的外力和/或扭矩的调整，并且使用计算的调整调节阻抗控制以恢复参考轨迹。当将物体放置在表面上的过程开始时，检测到物体与表面之间的接触。当物体被放下时，末端执行器上的负载会减少，直到当物体放置在表面上并且不再对末端执行器施加重量时它达到零。因此，在一些示例中，用于补偿物体重量的调整，例如预加载扭矩，可能会随着物体放置在表面上而逐渐减小到零。一旦计算出的调整达到零，末端执行器对物体的抓握就可以被释放。这可以允许物体从末端执行器平滑地转移到表面。
某些示例方法还包括确定重力补偿扭矩以补偿由于机器人装置的重量而作用在机器人装置上的扭矩。在这种方法中，阻抗控制可以以已知方式使用重力补偿扭矩来调整。以与如何通过重力补偿方法补偿机器人装置的重量类似的方式，某些示例方法也可以补偿作用在机器人装置上的其他影响，例如科里奥利效应(Coriolis effect)。
因此，在某些示例中，本文描述的方法可以被认为是用于校正由于作用在末端执行器上的未知负载而导致的末端执行器的位置相对于参考轨迹的静态误差的手段。可以估计由于未知负载而作用在机器人装置的关节上的施加的关节力和/或扭矩，例如，通过无传感器方式，并且可以通过“预加载”受阻抗控制法则控制的关节来补偿。这意味着可以在不影响机器人装置的阻抗控制行为的情况下补偿外部施加的负载。也就是说，可以校正由施加的外力和/或扭矩引起的静态位置误差，而无需修改期望位置或笛卡尔阻抗。相反，机器人的力-位移曲线被预加载力/扭矩抵消，而机器人装置运动的感知“刚度”可能保持不变。除了其他优点之外，这可以允许机器人装置使用末端执行器以在未知负载施加到末端执行器时继续执行需要具有位置精度的阻抗控制的任务。
图2A示出了示例机器人装置100的简化表示，该示例机器人装置100配置为执行上述示例控制方法。图2A示出了示例机器人装置100的侧视图。示例机器人装置100包括致动的机械臂105，该机械臂105包括主体102(如上所述，主体102也可称为基部连杆)、末端执行器112和多个关节。机器人装置100还包括用于致动一个或多个关节的推进系统(未示出)。在一些示例中，关节是动力关节，并且推进系统包括一组关节马达，其中该一组关节马达中的一个关节马达控制一个关节。控制一个或多个关节的位置以控制末端执行器112在笛卡尔空间内的位置和/或取向，使得末端执行器112可以在机器人装置100所在的环境中移动。例如，在末端执行器112的位置和取向由关节控制的情况下，末端执行器112的位置和取向，在一些示例中可以称为末端执行器112的“姿态”，可以在6维空间中被控制。
在示例机器人装置100中，致动的机械臂105包括6个关节114a-114f，这些关节114a-114f配置为允许以例如六个自由度定位末端执行器112。机器人装置100可以被称为6R机器人。在另一个示例中，机器人装置100可以具有另一数量的自由度，例如七个自由度。致动机械臂105的关节114a-114f通过机械联动装置或“连杆”联接。图2A示出了将第一关节114a机械联接到第二关节115b的第一连杆115a。第二连杆115b将第二关节114b机械联接到第三关节114c。机械臂105还包括第三连杆115c、第四连杆115d和第五连杆115e，它们分别将第三关节114c机械联接到第四关节114d、将第四关节114d机械联接到第五关节114e、并将第五关节114e机械联接到第六关节114f。机器人装置100可以包括图中未示出的另外的关节和/或连杆。例如，如上所述，在一些示例中，除了允许旋转运动的关节之外，机器人装置还可以包括允许平移即线性运动的一个或多个关节。每个连杆可以包括刚性细长构件。每个连杆可以是单个单元或多个联接的子单元。每个连杆可以具有实心和/或空心部分。在一种情况下，连杆可以包括中空管和/或刚性材料框架，例如钢、铝或碳纤维。在一些示例中，工具(图中未示出)可以机械地联接到末端执行器112。
机器人装置100定位在限定x-y平面的表面170上。x-y平面可以是水平平面，使得z轴是垂直轴线。但是，并非在所有示例中都是这种情况。末端执行器112相对于该三维坐标系的位置和/或取向可以通过控制关节114a-114f中的一个或多个的旋转来控制。关节114a-114f中的每一个配置为围绕至少一个轴线旋转以允许末端执行器112在特定自由度内移动。例如，在机器人装置100的给定配置中，关节114a-114f中的一个或多个可以围绕平行于z轴的轴线旋转，以允许控制末端执行器112在x-y平面内的位置。此外，关节114a-114f中的一个或多个可以配置为旋转以控制末端执行器112沿z轴的位置。在一些示例中，关节114a-114f中的一个或多个可以包括允许围绕平行于z轴和y轴的轴线分别旋转的球关节或双关节组件。
致动机械臂105的关节114a-114f可以通过向关节114a-114f施加相应的关节扭矩来旋转。关节扭矩由执行控制方法的控制器(图2A-C中未示出)计算，如本文所述。计算的关节扭矩由推进系统施加到关节，推进系统可以包括一个或多个电子马达。例如，推进系统可以包括多个电子马达并且电子马达之一可以位于关节114a-114f中的每一个处。机器人装置100还包括一个或多个传感器(未示出)，用于检测机器人装置100的状态并将其馈送到控制器以用于控制方法中。例如，传感器可以检测关节114a-114f的相应关节角度和/或测量施加到关节114a-114f的扭矩。
控制器配置为应用控制方法来控制末端执行器112沿参考轨迹160的位置和取向。参考轨迹160可以包括将在末端执行器112处实现的一组位置和速度。参考轨迹可以定义末端执行器112的移动路径，例如，以执行诸如携带物体之类的任务。在其他示例中，参考轨迹可以是定义末端执行器112的固定预期位置的静止轨迹。图2A示出了示例参考轨迹160，其包括空间中的线，末端执行器112被控制沿该线移动。参考轨迹160由图2A-2C中的虚线表示。
转向图2B，图2A的机器人装置100被显示为在末端执行器112处保持物体250。例如，物体250可以是由末端执行器112保持的负载，并且参考轨迹160可以定义期望末端执行器112沿着该路径移动以承载物体250的路径。图2B示出了末端执行器112加载了物体250之后的示例机器人装置100。在图2B中，机器人装置100处于这样的状态，其中由于物体250在末端执行器112上的重量，末端执行器112已经从参考轨迹160向下偏离。机器人装置100的传感器可以检测到由于物体250而导致偏离参考轨迹160的外部施加力。来自传感器的输入可以用于估计由于物体250而作用在机械臂105的一个或多个关节114a-114f上的施加的外部关节扭矩。
从图2B所示的位置，控制器继续执行控制方法以应用调整以补偿负载250的影响。图2C示出了一旦应用了调整并且参考轨迹160恢复后的示例机器人装置100。也就是说，可以看到末端执行器112的位置在保持负载250的同时已经返回参考轨迹160。从该位置开始，机器人装置100可以继续致动末端执行器112以沿着参考轨迹160移动，同时应用阻抗控制法则。例如，所应用的控制方法可以使得由阻抗控制法则的参数定义的机器人装置的刚度由于负载250的存在而没有改变。这可能意味着，在图2C所示的配置中，与机械臂105的任何额外的外部相互作用，例如随机碰撞，例如与人的碰撞，可以感受到机械臂105在空载时具有的相同刚度(即，如图2A所示)。
机器人装置100恢复末端执行器112的参考轨迹160所花费的时间，即从图2B所示的配置到图2C所示的配置，可以由控制器在信号路径中应用的低通滤波器的参数来确定，如上所述，并且将在下面更详细地描述。
图3示出了代表机器人装置100的示例控制方案300的示意流程图。控制方案300包括应用阻抗控制来控制机器人装置100的移动以与环境304交互。控制方案300的阻抗控制块310表示阻抗控制方法的实现，以基于机器人装置100的状态和参考轨迹160来确定用于控制要提供给关节的关节扭矩的控制信号。状态块320表示控制方案300中机器人装置100的状态。阻抗控制块310从状态块320和参考轨迹160接收机器人装置100的状态作为输入。阻抗控制块310以已知方式应用阻抗控制法则。例如，阻抗控制块310可以计算以下形式的阻抗控制法则：
其中xdes和
分别是由参考轨迹160定义的位置和速度，xrobot(q)和
分别是从机器人装置100的状态q计算的末端执行器112的位置和速度。
控制方案300还包括调整块330，调整块330配置成应用调整来补偿施加的外力和/或扭矩对机器人装置100的影响，如现在将描述的。
控制方案300包括外力和/或扭矩补偿块340。外力和/或扭矩补偿块340配置成确定作用在机器人装置上并导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩。外力和/或扭矩补偿块340包括外部关节扭矩估计块342，其将机器人装置100的状态作为来自状态块320的输入。外部关节扭矩估计块342估计由于外力和/或扭矩而作用在机器人装置100的一个或多个关节上的关节扭矩。在示例中，外部关节扭矩估计块342根据从块320接收的机器人状态来估计施加的外部关节扭矩。如上所述，这可以被描述为使用无传感器方法，即仅依赖于机器人装置100的本体感受传感器并且不使用例如从外部感受负载传感器或其他传感器获得的数据的方法。可以在外力和/或扭矩估计块340处用于估计施加的外部关节扭矩的无传感器方法的一个示例是动量观测器方法。在一些示例中，使用动量观测器方法可能是有利的，因为它可以允许在不使用直接估计方法可能需要的测量的关节加速度的情况下估计施加的外部关节扭矩。这可能是期望的，因为获得关节加速度可能需要计算关节编码器测量的二阶导数，这可能受到噪声的影响。此外，动量观测器方法不需要计算质量矩阵的逆矩阵，这使得它可能比速度观测器方法在计算上更有效，速度观测器方法通常需要在获得对施加的外部关节扭矩的收敛所涉及的多次迭代的每一次迭代中计算质量矩阵的逆矩阵。
在外部关节扭矩估计块342处估计的外部施加的关节扭矩被提供给调整块330以施加调整，例如预加载扭矩，从而补偿估计的施加的外部关节扭矩。然而，在某些示例中，在将估计的施加的外部关节扭矩提供给调整块330以用于调整阻抗控制方法之前执行进一步的步骤。例如，在图3所示的示例中，外力和/或扭矩补偿块340还包括投影块344。在投影块344，估计的外部关节扭矩可以用于计算作用在末端执行器上的施加的外力和/或扭矩，这可以称为末端执行器112上的动作。然后确定作用在末端执行器上的施加的外力和/或扭矩或动作在特定子空间中的投影。例如，动作被投影到的子空间可以定义特定的轴线。例如，这允许补偿沿特定轴线作用在末端执行器112上的负载，同时排除末端执行器112上的其他外部影响。在示例中，投影块344配置为将估计的施加的外力和/或扭矩投影到笛卡尔空间中，并由此估计末端执行器112上的6维动作。6维动作包括力的3个笛卡尔分量和3个动量。一旦投影到笛卡尔空间中，末端执行器处的估计动作可以沿着预定轴线投影。例如，投影块344可以配置为确定作用在末端执行器112上的负载沿垂直轴线的投影。这可以允许外力和/或扭矩补偿块340补偿作用在末端执行器112上的外部负载的重量，同时排除沿其他方向的力。因此，可以考虑由于负载的重量而对末端执行器112的作用，而过滤掉其他外部影响。
在图3中，外力和/或扭矩补偿块340包括滤波器块346。滤波器块346配置为通过引入延迟控制控制方案300补偿施加的外力和/或扭矩的速率。示例中的滤波器块346包括利用低通滤波器处理指示要补偿的检测到的施加的外力和/或扭矩的信号。可以调谐低通滤波器以在调整施加的外力/扭矩时提供所需的响应性。低通滤波器还可以用于滤除检测到的施加的外力/扭矩信号中的噪声，从而使预加载补偿动作平滑。
滤波器块346在图3中示出为在外力和/或扭矩补偿块340的信号路径中跟随投影块334。然而，在其他示例中，滤波器块346可以放置在信号路径中的不同位置。例如，滤波器块346可以定位在信号路径中的投影块344之前，使得投影块344投影已经过滤的施加的外力和/或扭矩。
外力和/或扭矩补偿块340计算要进行的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩，如上所述，该外力和/或扭矩可以被过滤和/或沿着给定的轴线投影，并将其提供给调整块330。调整块330然后将调整应用于阻抗控制方法。例如，调整块330可以将预加载扭矩形式的调整添加到由阻抗控制块310输出的关节扭矩中，用于控制机器人装置100的一个或多个关节。因此，某些示例中的方法300可以被认为是向阻抗控制方法添加“预加载”扭矩的方法。如上所述，这意味着可以补偿外部施加的负载，而不会改变质量-弹簧-阻尼器的“刚度”。因此，本文描述的示例方法可以允许保留在控制施加在末端执行器112上和由末端执行器112施加的力以及控制末端执行器112的位置时应用阻抗控制的益处，同时补偿由作用在末端执行器上的未知负载引入的位置误差。因此，可以恢复末端执行器112的参考轨迹，例如，允许末端执行器112执行由参考轨迹编码的任务，同时恢复位置精度。
在一些示例中，控制方案300还可以包括重力补偿块350。重力补偿块350配置为计算重力补偿扭矩以补偿机器人装置100的重量。在示例中，重力补偿块350用于向调整块330提供前馈项。重力补偿扭矩可以基于由状态块320提供的机器人装置100的状态来计算。然后可以在调整块330处使用重力补偿扭矩来调整阻抗控制并提供阻抗控制不受由于机器人装置100的重量引起的误差的影响。如上所述，在一些示例中，可以以与重力补偿块350如何操作类似的方法来补偿诸如科里奥利效应的附加效应。
现在将更详细地描述示例方法300中的外力和/或扭矩补偿块340所采用的原理。在块342处由无传感器施加关节扭矩估计过程估计的外部关节扭矩可以被标记为
表示施加在机器人装置100的末端执行器112处的外力和/或扭矩的矢量
可以从
根据下式计算：
其中，
表示机器人装置100的雅可比矩阵的转置的摩尔-彭罗斯伪逆。
如上所述，在一些示例中，末端执行器112处的力和/或扭矩矢量可以投影到子空间中，例如垂直轴线上。在投影沿着垂直轴线的示例中，所确定的施加的外力和/或扭矩
沿着垂直轴线的投影可以表示为
与
相关，并且由以下表达式表示，其中Pv是沿着垂直轴线的投影。
在某些示例中，垂直轴线与z轴对齐。在这样的示例中，沿垂直轴线的投影与沿z轴的投影一致，并且以下表达式为真。
在其他示例中，沿垂直轴线的投影可能与沿z轴的投影不一致。例如，机器人装置100可以相对于表面170倾斜，因此机器人装置100的框架可能不与由表面170限定的笛卡尔坐标系对齐。在这样的示例中，可以使用更通用的投影，如下。其中A是线性空间的基础，点b在线性空间上的投影p可以计算为：
p＝A(ATA)-1ATb＝PAb (5)
其中，线性空间A上的投影PA定义如下。
PA＝A(ATA)-1AT (6)
可以注意到，误差e描述了与线性空间A正交的b的分量，其中
e＝b-PAb＝(I-PA)b (7)
其中，(I-PA)是AT的零空间中的投影，它与A的列空间正交。
也可以使用与上述类似的符号来描述在滤波器块346处应用的滤波器，如
在公式(8)中，
表示应用于向量
的低通滤波操作。但是，应当注意的是，Lfilt在技术上不是线性算子。为了清楚起见，我们在下面的描述中保留了这个符号。
在该示例中，
是表示末端执行器112处要补偿的有效接触力的实际矢量。为了确定要施加到关节上以提供预加载补偿的预加载扭矩，通过使用下面的表达式将
投影回机器人装置100的关节扭矩空间。
因此，用于获得预加载扭矩的过程可以用以下表达式来概括，该表达式可从上述等式获得。
图4示出了用于机器人装置100的示例控制系统400，用于实施本文描述的示例方法。示例控制系统400包括内部主体部件410，该内部主体部件410可以作为机器人装置的主体的一部分来提供(例如，可以安装在主体上或主体中，例如，在设备的基部连杆和/或其他连杆中)。内部主体部件410包括控制器420和一组关节控制系统440至444。在图4中，这一组关节控制系统440至444包括第一关节控制系统440和一组第n关节控制系统442至444，第一关节控制系统440可以例如控制安装在机器人装置的基部连杆上的第一关节114a，第n关节控制系统442至444可以控制机器人装置主体外部的多个关节，例如先前描述的机器人装置100的第二至第六关节114b-114f。该一组关节控制系统440至444可以以本领域已知的多种方式联接，包括串联菊花链式布置或并联联接。这由图4中的虚线箭头表示。驱动控制系统440至444可以响应于从控制器420接收到的信号来控制由布置在关节处的一个或多个马达施加的扭矩。
控制器420可以包括一个或多个处理器，包括一个或多个微处理器、中央处理单元和/或图形处理单元，以及存储器(或多个存储器)。控制器420通信地联接到示例控制部件以控制机器人装置的动作。在图4中，这种联接是通过系统总线460实现的。可以提供不同级别的控制，例如，在一种情况下，控制器420可以提供期望的关节扭矩，该关节扭矩由一组关节控制系统440至444转换成关节致动器命令，或者在另一种情况下，控制器420可以提供关节致动器命令本身，然后由一组关节控制系统440至444实现。
如上所述，尽管上面的某些示例描述了沿垂直轴线投影的施加的外力和/或扭矩，以便考虑外部负载的重量。在其他示例中，投影可以在另一个向量子空间中，例如沿着任何其他轴线。例如，本文所述的方法可以用于补偿沿不同方向的外力或围绕不同轴线的扭矩，其中这些外力/扭矩与重力无关。例如，施加的外部扭矩可以是由于在特定方向上作用在末端执行器上的偏压力。在这种情况下，预定的投影轴线可以与偏置力作用的方向对齐。
尽管上面的某些示例描述了补偿机器人装置的末端执行器上的动作，但是这里描述的方法可以用于补偿设备上另一点处的动作，例如设备和外部物体之间的接触点处的动作。
本文描述的某些示例被描述为包括致动的机械臂。在这些示例中，术语“致动”用于指示机械臂的一个或多个关节可以通过推进系统移动。例如，推进系统可以包括一个或多个致动器，例如关节马达或电活性聚合物。因此，被致动的机械臂被配置为在其环境中移动。尽管在一些示例中可以使用术语“臂”，但机械臂可以是能够在空间内移动末端执行器的任何形式的关节肢体或机械组件。应当注意，致动的机械臂可能与图2A-C中所示的不同，但仍为环境中的末端执行器提供多个自由度。例如，电活性聚合物可以布置在枢转关节周围并由电流控制。根据关节的致动类型，可以使用不同类型的传感器来提供对机器人装置状态的测量。例如，用于致动关节的电流的测量可以提供设备状态的指示。在某些情况下，相机装置可以设置在机器人装置上以实现末端执行器在三维空间内的位置的视觉反馈。
应当注意，示例机器人装置100只是具有致动机器人臂的机器人装置的许多潜在配置之一。至少设想了不同的关节布置和不同的主体布置。
上述示例应理解为说明性的。可以设想更多的示例。关于任何一个示例描述的任何特征可以单独使用或与所描述的其它特征组合使用，并且还可以与任何其他示例或其他示例的任何组合的一个或多个特征组合使用。此外，在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面未描述的等同物和修改。
Claims (17)
1.一种控制机器人装置的方法，所述机器人装置包括主体、通过一个或多个关节联接到所述主体的末端执行器、以及驱动所述一个或多个关节以控制机器人装置的状态的推进系统，所述方法包括：
对机器人装置施加阻抗控制；
确定末端执行器的参考轨迹；
检测机器人装置上的导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩；
计算要施加到所述一个或多个关节中的一个或多个的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩；和
使用计算的调整来控制所述一个或多个关节，以致动末端执行器并恢复末端执行器的参考轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括估计由施加的外力和/或扭矩引起的施加到所述一个或多个关节的关节力和/或扭矩。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述调整是要施加到所述一个或多个关节的关节力和/或扭矩。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述检测到的施加外力和/或扭矩是由于作用在所述末端执行器上的外力引起的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，计算要施加到所述一个或多个关节以补偿施加的外力和/或扭矩的调整包括确定作用在末端执行器上的施加的外力和/或扭矩沿着一轴线的一个或多个分量，以及将调整确定为要施加到所述一个或多个关节以补偿外力和/或扭矩沿着该轴线的一个或多个分量的关节扭矩和/或力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述轴线是基本上垂直的轴线。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，施加的外力和/或扭矩是由于所述末端执行器承载的负载的重量引起的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述参考轨迹限定了机器人装置将负载放置在表面上的轨迹，并且其中，所述方法包括当将负载放置在表面上并且作用在末端执行器上的负载的重量减少时，细化该调整以保持参考轨迹。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，估计关节力和/或扭矩包括使用来自机器人装置的一个或多个本体感受传感器的数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，估计所述关节力和/或扭矩包括使用动量观测器方法。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括确定计算的调整用于控制所述一个或多个关节的速率，并且使用计算的调整控制所述一个或多个关节以恢复末端执行器的参考轨迹包括以所确定的速率调整阻抗控制。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定计算的调整用于控制所述一个或多个关节的速率包括对与检测到的施加的外力和/或扭矩相关的信号应用低通滤波器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
确定要施加到所述一个或多个关节的重力补偿扭矩，以补偿由于机器人装置的重量而作用在机器人装置上的扭矩；和
使用确定的重力补偿扭矩调整阻抗控制，以控制所述一个或多个关节从而补偿由于机器人装置的重量而作用在机器人装置上的扭矩。
14.一种用于控制机器人装置的控制器，所述机器人装置包括主体、通过一个或多个关节联接到所述主体的末端执行器、以及驱动所述一个或多个关节以控制所述机器人装置的状态的推进系统，所述控制器配置为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一组机器可读指令，当由机器人装置的控制器执行时，导致执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
16.一种机器可读介质，包括根据权利要求15所述的一组机器可读指令。
17.一种机器人装置，包括：
主体；
末端执行器，通过一个或多个关节联接到所述主体；
推进系统，用于驱动所述一个或多个关节以控制所述机器人装置的状态；和
控制器，配置为：
对所述机器人装置施加阻抗控制；
确定所述末端执行器的参考轨迹；
检测机器人装置上的导致偏离参考轨迹的施加的外力和/或扭矩；
计算要施加到所述一个或多个关节中的一个或多个的调整，以补偿检测到的施加的外力和/或扭矩；和
使用计算的调整来控制所述一个或多个关节，以致动末端执行器并恢复末端执行器的参考轨迹。
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