CN117279748A - 用于控制夹具的方法 - Google Patents

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卢卡·菲奥里奥
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Abstract

一种用于控制借助夹具对物体的抓取的方法，提供了用于计算被抓取的物体相对于与夹具集成的参考系统的参考位置，监视被抓取的物体的位置，并且，如果检测到被抓取的物体相对于参考位置的位移，命令夹具增大抓取力。

Description

用于控制夹具的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制用于抓取物体的夹具的方法，特别是用于机器人应用。
背景技术
适合于抓取和携带物体的自动夹具是公知的。通常，夹具包括夹具主体和至少两个夹具指状物，在技术术语中也称为“夹爪”，其相对于夹具主体在空闲的打开位置和的用于抓取物体闭合位置之间是可移动的。
自动夹具面临的问题之一是及时地检测被抓取的物体在夹爪之间的滑移，从而防止其在运输过程期间丢失或以其他方式被释放而不在其预期的确切位置。
为此目的，已经提出了配备有传感器的夹具。
发明内容
在20世纪60年代后半期首次考虑了将滑移测量添加到人工手中的想法。在1967年的医学与生物工程(Medical and biological engineering)，L.L.Salisbury和A.B.Colman的一种具有抓握的自动比例控制的机械手(A mechanical hand withautomatic proportional control of prehension)中描述了压电晶体在机械手拇指中的集成。Baits等人之后立即在二维夹具上复制该设备(J.Baits等，一种人工抓握自适应控制方案的可行性(The Feasibility of an Adaptive Control Scheme for ArtificialPrehension)，机械工程师学会学报(Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers),1968年)。
在这两种情况下，其目的是检测由于滑移引起的振动并将对应的信号输入到操纵器控制环路中。然而，没有进行实验研究来证明如此安装有传感器的这种系统检测滑移的能力。
在随后的几十年中提出了许多其他方法，如M.Francomano等人所报告的滑移的人工感测——综述(Artificial sense of slip–A review)，IEEE传感器(IEEE Sensors)，2013年。这些方法包括一种利用压力中心(center of pressure，CoP)的方法。压力中心可以从压阻式压力传感器(E.Holweg等，通过触觉传感器进行的滑移检测：算法和实验结果(Slip detection by tactile sensors:algorithms and experimental results)，ICRA1996年)或电容式传感器(X.Zhang和R.Liu，通过阵列式压力传感器进行的针对抓取任务的滑移检测(Slip detection by array-type pressure sensor for a grasp task)，ICMA2012年)的阵列中重建，并且然后通过诸如快速傅立叶变换(Fast FourierTransform，FFT)或功率谱等技术在频域中进行分析，以评估滑移的发生。可替选地，CoP可以通过还提供被施加在其上的总负载的特定传感器来测量(D.Gungji等，基于使用触觉传感器的滑移检测的多指机器人手的抓取力控制(Grasping force control of multi-fingered robot hand based on slip detection using tactile sensor)，日本机器人学会杂志(Journal of the Robotics Society of Japan)，2007年)。传感器的电压输出被馈送到夹具的控制电路中：如果检测到该电压的显著下降，则夹具增加所施加的力。这种方法已经与测量要由夹具抓取的物体的位置的接近度传感器集成在一起(H.Hasegawa等，使用接近度、接触和滑移感测的智能机器人手的研制(Development of Intelligent RobotHand using Proximity,Contact and Slip sensing)，ICRA2010年)。
滑移也可以使用光学传感器来推断。例如，所述传感器被集成到连接到移动机器人平台(TUM-Rosie)的右臂的机器人手(DLR/HIT)的指尖中(A.Maldonado等，通过指尖感知改进机器人操纵(Improving robot manipulation through fingertip perception)，IROS2012年)。传感器由微型相机和激光发射器组成。如此配备的指尖被允许在被抓取的物体的表面相对于传感器目标移动时识别滑移事件。
在US8515579B2中，提供了一种具有操纵被抓取的物体的仪器的夹具。该夹具具有传感器，以基于在被抓取的物体上的不同位置处测量的空间分布的数据及时确定向量场。然而，在抓取动作之前物体的位置未被评估。
因此，正确且及时地检测由夹具抓取的物体的滑移的问题还没有被完全解决。
因此，本发明的目的是提出一种用于控制夹具(特别是用于机器人应用的夹具)的方法，该方法能够解决这个问题。
所述目的是通过根据权利要求1所述的用于控制借助夹具对物体的抓取的方法以及借助根据权利要求9所述的夹具来实现的。
从属权利要求描述了控制方法和夹具的优选或有利实施例。
根据一般实施例，控制方法包括以下步骤：
a)命令夹具用预定的抓取力(F1)抓取物体；
b)测量有效抓取力(Fm)；
c)当预定抓取力和有效抓取力之间的差小于预定阈值(ThF)时，计算被抓取的物体相对于与夹具集成的参考系统的参考位置；
d)监视被抓取的物体的位置；
e)如果检测到被抓取的物体相对于参考位置的位移，则命令夹具增大抓取力。
在一个实施例中，在步骤e)之后，该方法从步骤d)重复。
在一个实施例中，参考位置通过至少一个位置传感器和/或至少一个压力中心传感器来检测。
根据实施例，参考位置被计算为在预定时间间隔内从至少一个位置传感器和/或从至少一个压力中心传感器获得的一组测量值的平均值。
在一些实施例中，如果从至少一个位置传感器获得的位置基准与参考位置之间的差大于预定阈值和/或如果从至少一个压力中心传感器获得的位置基准与参考位置之间的差大于预定阈值，则检测被抓取的物体相对于参考位置的位移。
根据本发明的一般方面，提出了一种夹具，包括：
-夹具主体；
-至少两个夹具夹爪，其相对于夹具主体在空闲打开位置和用于抓取物体的闭合位置之间是可移动的；
-至少一个接近度传感器，适合于检测在至少一个接近度传感器的视场内的待抓取的物体的存在；
-抓取力传感器，适合于测量由夹爪施加在物体上的抓取力；
-至少一个压力中心传感器，适合于在夹爪对物体施加抓取力时检测夹爪之间的压力中心的坐标；
-处理单元，其被编程为执行用于控制夹具的方法，该方法包括以下步骤：
a)命令夹具用预定的抓取力(F1)抓取物体；
b)通过抓取力传感器测量有效抓取力(Fm)；
c)当预定抓取力和有效抓取力之间的差低于预定阈值(ThF)时，使用从至少一个位置传感器和/或从至少一个压力中心传感器接收到的测量值来计算被抓取的物体相对于与夹具集成的参考系统的参考位置；
d)监视被抓取的物体的位置；
e)如果检测到被抓取的物体相对于参考位置的位移，则命令夹具增大抓取力。
在一个实施例中，处理单元被编程为在执行步骤e)之后从步骤d)开始重复控制方法。
在一个实施例中，处理单元被编程为将参考位置计算为在预定时间间隔内从至少一个位置传感器和/或至少一个压力中心传感器获得的一组测量值的平均值。
附图说明
根据本发明的控制方法和夹具的进一步的特征和优点应从以下参考附图对其优选实施例的描述中显而易见，这些描述纯粹通过非限制性示例的方式提供，其中：
图1示意性地示出了夹具；
图2示出了具有两个接近度传感器的变型实施例中的图1的夹具；
图3是根据本发明的用于控制物体的抓取的方法的流程图；
图4是实施该控制方法的状态机的图；以及
图5是图4的状态机的图的变型。
具体实施方式
在所述附图中，根据本发明的用于抓取物体的夹具已经整体地用附图标记1示意性地表示。
夹具1包括夹具主体10和相对于夹具主体10在空闲打开位置和闭合物体-抓取位置之间可移动的至少两个夹具夹爪12。
夹爪12可以通过电动、液压、气动致动器或其组合来移动。
夹具1被设置有至少一个接近度传感器14，该至少一个接近度传感器14适合于检测待抓取的物体在接近度传感器14的视场14’内的存在。
例如，接近度传感器14被定位为将视场14’(呈圆锥形状)引导在两个夹爪12之间。
在图2的实施例中，夹具1被设置有两个接近度传感器14，以便扩大夹具的视场。
夹具1进一步被设置有抓取力传感器16(“FS”)，适合于测量由夹爪12施加在物体上的抓取力，以及至少一个压力中心传感器18(“CoP”)，适合于检测当夹爪在物体上施加力时夹具的夹爪12之间的压力中心(“CoP”)的坐标。
在一个实施例中，力传感器16和压力中心传感器18重合。
夹具1由可操作地连接到接近度传感器14、抓取力传感器16、压力中心传感器18和夹爪致动器装置12的处理单元20控制，并且处理单元20被编程为基于从传感器接收到的信息执行用于控制夹具的方法。
处理单元20可以位于夹具主体10内，但也可以位于夹具1的外部。
以下描述的控制方法使得夹具1能够稳定地抓取物体并且避免当夹具在其夹爪之间夹持所述物体时出现滑移现象。
以下定义将用于本说明书的其余部分：
Fm：用抓取力传感器测量的抓取力；
F1、F2：期望抓取力的预定值；
-ThF：抓取力的阈值，低于该阈值的抓取可以被认为是稳定的；
-ThPos1、ThPos2：由接近度传感器检测到的位置的阈值；
-ThCoP：压力中心的阈值。
如上所述，在一个实施例中，至少一个压力中心传感器18与抓取力传感器16重合。在这种情况下，有效抓取力(Fm)传感器也能够测量扭矩。实际上，考虑到如图中所描绘的X、Y和Z轴，处理单元20被编程为将压力中心的CoPX和CoPY坐标计算为：
其中MX和MY分别是有效抓取力传感器(Fm)沿X轴和Y轴的测量力矩，如图所示，并且其中|FZ|是有效抓取力(Fm)沿Z轴的模量。
在一个实施例中，接近度传感器14是超声波传感器或红外传感器。
在一个实施例中，力传感器16和/或压力中心传感器18由诸如电容型的传感器单元阵列制成，以便提供触觉皮肤，和/或由力/扭矩传感器制成。
参考图3中的流程图，在一个实施例中，用于控制夹具的方法包括以下步骤。
夹具通过一个或多个接近度传感器14监视抓取区域以检测待抓取的物体的存在(步骤100)。
一旦已经检测到物体，就在待抓取的物体的位置(Pos)和预定抓取位置(Pos1)之间进行比较(步骤102)。预定抓取位置可以被定义为物体为了被正确抓取而必须假定的位置。
当物体位置(Pos)与抓取位置(Pos1)之间的距离小于预定阈值(ThPos1)时，命令夹具用预定的抓取力F1抓取物体(步骤104)。
然后测量有效抓取力(Fm)(步骤106)。抓取力传感器16可以被用于测量实际抓取力(Fm)。
然后在预定抓取力(F1)和有效抓取力(Fm)之间进行比较(步骤107)。
当预定抓取力(F1)和有效抓取力(Fm)之间的差小于预定阈值(ThF)时，计算被抓取的物体相对于与夹具集成的参考系统的参考位置(或“零”位置)(步骤108)。
然后随着物体被从拾取点运输到释放点而监视被抓取物体的位置(步骤110)。
如果检测到物体从参考位置的位移(步骤112)，则命令夹具增大抓取力(步骤114)，例如增大到第二预定抓取力值(F2)。
在一些应用中，监视抓取区域以及将待抓取的物体的位置(Pos)与预定抓取位置(Pos1)进行比较可能甚至不是必需的。在这些情况下，作为第一步骤，控制方法提供用预定的抓取力F1直接抓取物体(步骤104)。
在一个实施例中，在增大抓取力之后，再次监视物体的参考位置。如果检测到另一个位移，则进一步增大抓取力。这种闭环控制然后可以重复几次，直到夹具已经到达物体的释放位置为止。
在一些实施例中，抓取力的增大是被连续执行的，诸如通过PID型控制。在这些实施例中，例如，夹具包括可以由处理单元控制的比例控制装置，以连续地控制抓取力。
在一个实施例中，参考位置由一个或多个位置传感器检测，诸如所述接近度传感器14和/或压力中心传感器18。
在一个实施例中，参考位置被计算为在例如一秒或两秒的预定时间间隔内从至少一个位置传感器和/或至少一个压力中心传感器获得的一组测量值的平均值。
例如，如果从至少一个位置传感器获得的位置基准与参考位置之间的差大于预定阈值，和/或如果从至少一个压力中心传感器获得的位置基准与参考位置之间的差大于预定阈值，则检测物体相对于参考位置的位移。
在一个实施例中，上述控制方法是用有限状态机实施的，其状态图如图4和图5所示。
五种状态如下：
-状态1-空闲(IDLE)。夹具的夹爪12打开并且不执行任何操作。接近度传感器14不断地监视抓取区域以检测待抓取的物体。
-状态2-抓取(GRASP)。处理单元20生成期望的力水平F1。夹具抓取物体但尚未获得稳定的抓取，即|F1-Fm|>ThF。
-状态3-计算零(COMPUTE ZERO)。计算物体的参考位置(零)。
-状态4-保持(HOLD)。夹具抓取物体并检查抓取是否稳定。
-状态5-紧固(TIGHTEN)。由处理单元20生成期望的力水平F2。夹具增大施加在物体上的力以防止其滑移。
在图4中所示的一个实施例中，状态之间的过渡条件如下所述：
-检测到物体(OBJECT DETECTED)。物体在夹爪之间的位置低于某个阈值，使得Pos<ThPos1。在一些实施例中，也可以评估其它参数(例如，Pos量的方差)。
-稳定抓取(STABLE GRASP)。抓取力被认为是稳定的，即|F1-Fm|<ThF。
-计算零(ZERO COMPUTED)。当抓取力稳定时，计算“零”位置。在一些实施例中，零位置是在预定的时间间隔内(诸如一秒或两秒)从接近度传感器和/或压力中心传感器获得的多个样本的平均值。
-检测到物体移动(OBJECT MOTION DETECTED)。当物体位置和/或CoP向量的范数远离“零”参考位置时，即：(Pos-Zero)>ThPos2和/或(||CoP||-Zero)>ThCoP时，检测到被抓取物体的移动。
-请求释放(RELEASE REQUESTED)。夹具被命令释放物体。当抓取操作完成时会发生这种情况。这种情况甚至可以在不涉及状态4的情况下发生，即没有检测到物体从参考位置的位移的情况。
在图5的实施例中，还示出了以下附加的过渡条件：
-稳定抓取失败(STABLE GRASP FAILURE)：如果抓取力被认为是不稳定的，即|F1-Fm|>ThF，则状态机返回空闲状态1；
-零计算失败：如果“零”位置的计算未被成功完成，抓取设备将不会继续抓取和移动工件的动作。抓取操作将不得不重新开始。用户可以手动地重新启动它，或者机器人系统可以被编程为通过从空闲状态1重新启动来自动地重新启动抓取操作。例如，零的成功计算需要控制监视器上的指示灯亮起。如果所述灯在用户可定义的时间段(诸如10秒)内保持熄灭，则抓取操作从头重新开始。
因此，抓取控制算法允许：
-识别物体何时处于用于抓取的正确位置；
-识别被抓取物体何时被适当地保持在夹爪之间；
-识别被抓取物体是否在移动，以防止其滑移。
该算法因此从检查夹具的夹爪之间是否存在物体的步骤开始，并且因此甚至在开始实际的抓取操作之前就控制着夹具，直到完成所述抓取操作。
在IDEL状态下，夹具什么也不做并“等待”开始抓取操作。当物体的位置被认为是正确的，即接近度传感器输出处于允许范围内时，夹具被命令抓取物体。
在移动到下一状态之前，检查抓取的稳定性。通过控制测量的力来确保稳定性，测量的力必须接近期望的力(F1)。
当物体被稳定地抓取在抓爪之间的这种情况发生时，计算参考位置。为此目的，在预定的时间间隔(诸如几秒钟)内观察物体的位置。参考位置或“零”可以被计算为所采用的对应数量的测量值的平均值。参考位置然后在“保持”状态下被使用，并且可能在“紧固”状态下被使用。
实际上，在“保持”状态下，物体相对于由此计算的零参考位置的任何移动将通过将抓取力增大到第二水平F2来补偿。为此目的，可以采用闭环力控制算法。
OBJECT MOTION DETECTED过渡可以发生多次并且可以通过迭代“TIGHTEN”状态来补偿，即使具有相对于第二力水平F2更大的多个力水平。
在一个实施例中，“零”位置被计算如下：
其中CoPk是在时刻k包含CoP的两个分量的向量，而n是在固定时间间隔内所累积的CoPk值的总数，也是用户可定义的。无论由CoP的k个范数值组成的观测窗口的长度如何，抓取设备都将必须等待这些值被收集，以便计算零位置。因此，零位置随着每次新的抓取操作而更新。
一旦零位置可用，算法就提供工件的抓取(HOLD)。只有在这一点上，抓取设备的处理单元才会在每个时刻评估工件的可能滑移。
在一个实施例中，对照预定义阈值评估CoP和零位置之间的差向量的范数D。在公式中，这将是：
D＝||zero-CoPi||，其中
Zero＝[x0,y0]
CoPi＝[xi,yi]
CoPi被定义为CoP在计算零位置之后在第i时刻的值。当且仅当D超过预定义阈值时，OBJECT MOTION DETECTED过渡才会由于检测到被抓取的工件滑移而发生。
所提出的控制方法达到预期目的。
现有技术的抓取系统不检查被抓取物体是否被稳定地抓取。物体被拾取并保持而不知道所施加的力是否与期望的力相匹配(参见，例如，Costanzoet等，2020年)。根据本发明的控制方法通过代替地检查有效抓取力是否接近预定抓取力(STABLE GRASP过渡：|F1-Fm|<ThF)来解决这个问题。
现有技术的抓取系统并不计算被抓取物体的参考位置(例如，在Hasegawa等中，2010年)。这可能会导致抓取的不确定性。本发明通过计算物体被稳定抓取时的参考位置来解决这个问题。一旦计算参考位置，该位置在夹具的操作期间不改变。
在现有技术的抓取系统中，当压力中心被用于检测滑移现象时，通过具有电压输出的附加传感器来测量压力中心(参见例如Hasegawa等，2010年)。在优选实施例中，本发明解决了这个问题，因为抓取力和压力中心(CoP)两者都由同一传感器测量。
根据本发明的控制方法使得能够识别物体何时处于要被抓取的正确位置。
通过检测压力中心，能够知道所施加的压力集中在哪里。
根据所提出的控制方法，只有当物体被稳定地抓取时，才计算被抓取物体的参考位置，然后检测相对于该参考位置的任何位移。
根据本发明的方法识别物体何时从参考位置移动并相应地应用力校正。
本领域技术人员可以对根据本发明的用于控制物体的抓取的方法的实施例和夹具的实施例进行多种改变、调整、改编和替换，以便满足偶然的需要，而不背离以下权利要求的范围。被描述为属于可能实施例的特征中的每一个可以独立于其它所描述的实施例而获得。

Claims (16)

1.一种用于控制借助夹具对物体的抓取的方法，包括以下步骤：
a)命令所述夹具用预定抓取力(F1)抓取所述物体；
b)测量有效抓取力(Fm)；
c)当所述预定抓取力和所述有效抓取力之间的差低于预定阈值(ThF)时，计算被抓取的物体相对于与所述夹具集成的参考系统的参考位置；
d)监视所述被抓取的物体的位置；
e)如果检测到所述被抓取的物体相对于所述参考位置的位移，则命令所述夹具增大抓取力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤e)之后，所述方法从步骤d)被重复。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述参考位置通过至少一个位置传感器和/或至少一个压力中心传感器来检测。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述参考位置被计算为在预定时间间隔内由所述至少一个位置传感器和/或由所述至少一个压力中心传感器获得的一组测量值的平均值。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，如果由所述至少一个位置传感器获得的位置基准与所述参考位置之间的差在预定阈值以上和/或如果由所述至少一个压力中心传感器获得的位置基准与所述参考位置之间的差在预定阈值以上，则检测所述被抓取的物体相对于所述参考位置的位移。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，如果所述参考位置是使用至少一个压力中心传感器计算的，则用于检测所述有效抓取力的传感器被用作所述压力中心传感器，所述用于检测所述有效抓取力的传感器适合执行扭矩测量，压力中心的CoPX和CoPY坐标被计算为：
MX和MY分别是有效抓取力传感器(Fm)根据X轴和Y轴的测量力矩，|FZ|是所述有效抓取力(Fm)沿Z轴的模数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤a)之前是以下步骤：
-监视抓取区域以检测待抓取的物体的存在；
-将所述待抓取的物体的位置与预定抓取位置进行比较，所述预定抓取位置是物体必须假定要被抓取的位置；
并且其中，步骤a)是在所述物体的位置和抓取位置之间的距离低于预定阈值时执行的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤e)期间，所述抓取力的增大是连续执行的。
9.一种夹具，包括：
-夹具主体；
-相对于所述夹具主体在空闲打开位置和用于抓取物体的闭合位置之间可移动的至少两个夹具夹爪；
-至少一个接近度传感器，适合于检测在所述至少一个接近度传感器的视场内待抓取的物体的存在；
-抓取力传感器，适合于测量由所述夹爪对所述物体施加的抓取力；
-至少一个压力中心传感器，适合于在所述夹爪对所述物体施加抓取力时检测所述夹具夹爪之间的压力中心的坐标；
-处理单元，所述处理单元被编程为执行用于控制所述夹具的方法，所述方法包括以下步骤：
a)命令所述夹具用预定抓取力(F1)抓取所述物体；
b)通过所述抓取力传感器测量有效抓取力(Fm)；
c)当所述预定抓取力和所述有效抓取力之间的差低于预定阈值(ThF)时，使用从至少一个位置传感器和/或所述至少一个压力中心传感器接收到的测量值来计算被抓取的物体相对于与所述夹具集成的参考系统的参考位置；
d)监视所述被抓取的物体的位置；
e)如果检测到所述被抓取的物体相对于所述参考位置的位移，则命令所述夹具增大抓取力。
10.根据根据权利要求9所述的夹具，其中，所述处理单元被编程为在已经执行步骤e)之后从步骤d)开始重复控制方法。
11.根据权利要求9或10所述的夹具，其中，所述处理单元被编程为计算在预定时间间隔内由所述至少一个位置传感器和/或由所述至少一个压力中心传感器获得的一组测量值的平均值。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的夹具，其中，所述至少一个压力中心传感器与所述抓取力传感器重合，所述抓取力传感器适合于执行扭矩测量，所述处理单元被编程为将压力中心的CoPX和CoPY坐标计算为：
MX和MY分别是有效抓取力传感器(Fm)根据X轴和Y轴的测量力矩，|FZ|是所述有效抓取力(Fm)沿Z轴的模数。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的夹具，其中，所述接近度传感器是超声波传感器或红外传感器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的夹具，其中，力传感器和/或所述压力中心传感器由传感器单元阵列例如电容型的传感器单元阵列制成，以提供触觉皮肤，和/或由力/扭矩传感器制成。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的夹具，其中，所述处理单元还被编程为：
-通过所述至少一个接近度传感器监视抓取区域，以检测所述待抓取的物体的存在；
-将所述待抓取的物体的位置与预定抓取位置进行比较，所述预定抓取位置是所述物体必须假定要被抓取的位置；
以及在所述物体的位置与抓取位置之间的距离低于预定阈值时，命令所述夹具用所述预定抓取力(F1)抓取所述物体。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的夹具，包括比例控制装置，所述比例控制装置能够被所述处理单元命令为连续地控制所述抓取力。
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