DE102010018759B4 - Spannungsverteilung in einem sehnengetriebenen Roboterfinger - Google Patents
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Abstract
ein Controller (22) verwendet wird, der einen Algorithmus (100) zum Steuern der n + 1 Sehnen umfasst und eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung der n + 1 Sehnen des Roboterfingers (19) bestimmt, um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist;
wobei der Controller (22) eine Sehnenabbildung verwendet, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger (19) abbilden;
wobei der Algorithmus (100) des Controllers (22) ferner ausgelegt ist, um die Spannung unter Verwendung der Sehnenabbildung automatisch zu verteilen.
Description
- AUSSAGE BEZÜGLICH VON DER REGIERUNG GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
- Diese Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement Nummer SAA-AT-07-003. Die Regierung kann gewisse Rechte an der Erfindung besitzen.
- QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
- Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 61/174,316, die am 30. April 2009 eingereicht wurde.
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Spannungsverteilung in der Momentensteuerung eines sehnengetriebenen Manipulators.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zum Manipulieren von Objekten unter Verwendung einer Reihe von Gliedern in der Lage sind, welche wiederum über ein oder mehrere Robotergelenke verbunden sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuerungsvariable dar, d. h. einen Freiheitsgrad (DOF). Greiforgane, wie etwa Hände, Finger oder Daumen werden letztendlich betätigt, um eine vorliegende Aufgabe auszuführen, z. B. das Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung organisiert sein, welche eine Steuerung auf Objektebene, Greiforganebene und Gelenkebene umfasst. Die verschiedenen Steuerungsebenen erreichen gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters.
- In Robotersystemen werden oft Sehnenübertragungssysteme verwendet, z. B. bei der Betätigung von Roboterfingern in Händen mit einem hohen Freiheitsgrad (DOF). Zur Kraftsteuerung eines gegebenen sehnengetriebenen Fingers müssen die gewünschten Momente am Finger in eine Spannung an den Sehnen umgesetzt werden. Da Sehnen nur Zugkräfte übertragen können, d. h. eine Zug-Zug-Anordnung, muss die Anzahl der Sehnen und die Anzahl der Stellglieder den DOF überschreiten, um eine vollständig bestimmte Steuerung des sehnengetriebenen Fingers zu erreichen. Um ein vollständig bestimmter Finger zu werden, braucht der Finger nur eine Sehne mehr als die Anzahl von DOF, was als eine n + 1-Anordnung bekannt ist.
- Wenn ein gewünschter Satz von Gelenkmomenten gegeben ist, existiert ein unendlicher Satz von Lösungen für entsprechende Sehnenspannungen. Jedoch ist jede Lösung, die einer Sehne einen negativen Spannungswert zuordnet, physikalisch nicht gültig. Dies liegt an der in eine Richtung wirkenden Natur der Sehnen, d. h. Sehnen können einer Ausdehnung widerstehen, nicht aber einer Kompression. Für dieses Problem existierende Verfahren stellen Lösungen bereit, die sicherstellen, dass alle Sehnenspannungen größer oder gleich Null sind. Wenn jedoch obere Sättigungsgrenzen erreicht werden, z. B. wenn die Maximalspannungsgrenze der Hardware erreicht ist, kann es sein, dass die resultierenden Gelenkmomente nicht vorhersagbar werden und ein nicht gewünschtes Koppeln eingebracht wird.
- Die
US 7 341 295 B1 offenbart ein Verfahren zum Verteilen von Spannungen auf n + 1 Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem, wobei der Finger durch n Freiheitsgrade gekennzeichnet ist, wobei das Verfahren einen Controller verwendet, um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen. - In der
US 7 221 120 B2 ist eine Roboterhand offenbart, die sehnengetriebene Finger sowie Bewegungsmittel enthält und damit in der Lage ist, ein ergriffenes Objekt in der Roboterhand zu bewegen oder zu drehen. - Die
US 2007/0 118 252 A1 - In der
US 6 918 622 B2 ist eine Roboterhand mit Fingern offenbart, die aus vier Gliedern bestehen und unter Verwendung von Antriebseinheiten über Zahnradsätze so angetrieben werden, dass sie entweder eine Hakenbewegung oder eine horizontale Bewegung der Finger ausführen. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spannung, die auf die Sehnen eines sehnengetriebenen Roboterfingers aufgebracht werden soll, automatisch so zu berechnen und aufzubringen, dass minimale und maximale funktionale Spannungen der Sehnen nicht überschritten werden.
- Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Folglich werden hier ein Momentensteuerungsverfahren und -system zur Spannungsverteilung in einem von Sehnen getriebenen Robotermanipulator bereitgestellt. Das Verfahren ordnet jeder Sehne des Manipulators eine Spannung innerhalb einer unteren und oberen Grenze zu oder verteilt diese. Es hält die untere Grenze ein, während es die aufgebrachte interne Spannung minimiert. Gleichzeitig hält es die obere Grenze ein, während es die Kopplungseffekte einer Sättigung beseitigt. Somit wird eine gleichmäßige und vorhersagbare Momentensteuerung des Manipulators bereitgestellt.
- Das Verfahren verteilt Spannung auf n + 1-Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem, wobei der Finger selbst durch n Freiheitsgrade gekennzeichnet ist. Das Verfahren umfasst, dass eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder der n + 1 Sehnen bestimmt wird und dass ein Controller verwendet wird, um Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen. Jeder Sehne wird ein Spannungswert zugeordnet, der kleiner als ihre entsprechende maximale funktionale Spannung und größer oder gleich ihrer entsprechenden minimalen funktionalen Spannung ist.
- Wenn die obere Grenze von einer Sehne überschritten wird, stellt das Verfahren eine lineare Skalierung der Gelenkmomente bereit, sodass die obere Grenze eingehalten wird. Diese lineare Skalierung ermöglicht eine Spannungssättigung ohne Koppeleffekte über die Gelenkmomente. Das Verfahren ordnet immer den minimalen Spannungswert zu, der gleich der unteren Grenze ist. Dies stellt sicher, dass die interne Spannung an der Struktur minimiert ist. Das Verfahren ist so gezeigt, dass es maximal eine Iteration der Lösung benötigt. Es zieht daher keinen iterativen Prozess mit offenem Ende nach sich, wie es die mathematische Natur des Problems andernfalls nach sich ziehen würde. Diese Eigenschaft ist für Echtzeitanwendungen wichtig.
- Ein Robotersystem umfasst einen Roboter mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger, der durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist, und einen Controller mit einem Algorithmus zum Steuern der n + 1 Sehnen. Der Algorithmus ist ausgelegt, um eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder der n + 1 Sehnen zu bestimmen und um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, sodass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als ihre entsprechende maximale funktionale Spannung und größer oder gleich ihrer entsprechenden minimalen funktionalen Spannung ist.
- Für den sehnengetriebenen Roboterfinger wird auch ein Controller bereitgestellt, wobei der Controller einen Algorithmus umfasst, der ausgelegt ist, um eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder Sehne des sehnengetriebenen Fingers zu bestimmen und um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, wie vorstehend angemerkt ist.
- Die vorstehenden Merkmale und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Robotersystems gemäß der Erfindung; -
2 ist eine Veranschaulichung eines sehnengetriebenen Fingers gemäß der vorliegenden Erfindung; und -
3 ist ein Flussdiagramm, der einen Algorithmus beschreibt, der die jeder Sehne zugeordnete Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung verteilt. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, und mit
1 beginnend, ist ein Robotersystem11 gezeigt, das einen Roboter10 aufweist, z. B. einen geschickten humanoiden Roboter, wie gezeigt, oder einen beliebigen Teil davon, der über ein Steuerungssystem oder einen Controller (C)22 gesteuert wird. Der Controller22 umfasst einen Algorithmus100 zum Steuern eines oder mehrerer sehnengetriebener Finger, wie nachstehend erläutert wird. Der Controller22 ist mit dem Roboter10 elektrisch verbunden und ist ausgelegt, um die verschiedenen Manipulatoren des Roboters10 zu steuern, welche einen oder mehrere sehnengetriebene Finger19 umfassen, wie nachstehend mit Bezug auf2 und3 im Detail beschrieben ist. - Der Roboter
10 ist zum Ausführen einer oder mehrerer automatisierter Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) ausgelegt, und um andere interaktive Aufgaben auszuführen oder andere integrierte Systemkomponenten zu steuern, z. B. Einspannen, Beleuchten, Relais usw. Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter10 wie gezeigt als ein humanoider Roboter mit über42 DOF ausgestaltet, obwohl andere Roboterentwürfe, die weniger DOF aufweisen, und/oder nur eine Hand18 mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger19 aufweisen, auch verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Der Roboter10 von1 verfügt über eine Vielzahl unabhängig und abhängig voneinander bewegbarer Manipulatoren, z. B. die Hände18 , Finger19 , Daumen21 , usw., welche verschiedene Robotergelenke umfassen. Die Gelenke können umfassen, sind aber nicht unbedingt beschränkt auf ein Schultergelenk, dessen Position allgemein durch Pfeil A angezeigt ist, ein Ellbogengelenk (Pfeil B), ein Handgelenk (Pfeil C), ein Halsgelenk (Pfeil D), und ein Hüftgelenk (Pfeil E) sowie die Fingergelenke (Pfeil F) zwischen den Gliedern jedes Roboterfingers. - Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere DOF aufweisen, was in Abhängigkeit von der Aufgabenkomplexität variiert. Jedes Robotergelenk kann ein oder mehrere Stellglieder, z. B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, rotatorische Stellglieder und dergleichen enthalten und intern dadurch angetrieben sein. Der Roboter
10 kann menschenähnliche Komponenten, wie etwa einen Kopf12 , einen Torso14 , eine Taille15 und Arme16 sowie die Hände18 , Finger19 und Daumen21 umfassen, wobei die vorstehend angeführten verschiedenen Gelenke innerhalb oder zwischen diesen Komponenten angeordnet sind. Der Roboter10 kann auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder feste Basis in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters. Eine Leistungsversorgung13 kann an den Roboter10 fest angebaut sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der auf dem Rücken des Torsos14 mitgeführt oder getragen wird, oder eine andere geeignete Energiezufuhr, oder die entfernt durch ein Verbindungskabel angebracht ist, um genügend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen. - Immer noch mit Bezug auf
1 kann der Controller22 mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen löschbaren elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen (I/O-Schaltungen) und Einrichtungen sowie Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Einzelne Steuerungsalgorithmen, die im Controller22 vorhanden oder für diesen leicht zugänglich sind, können im ROM gespeichert sein und automatisch bei einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen. - Der Controller
22 kann einen Server oder eine Host-Maschine17 umfassen, der bzw. die als ein verteiltes oder zentrales Steuerungsmodul ausgestaltet ist und Steuerungsmodule und Fähigkeiten derart aufweist, wie es notwendig sein kann, um alle geforderten Steuerungsfunktionalitäten des Roboters10 auf die gewünschte Weise auszuführen. Zudem kann der Controller22 als ein universeller digitaler Computer ausgestaltet sein, der allgemein einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen) und Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Einrichtungen (I/O-Schaltungen) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfasst. Beliebige Algorithmen, die im Controller22 vorhanden oder für diesen zugänglich sind, welche einen Algorithmus100 zur Verteilung von Spannung auf Sehnen eines Manipulators wie nachstehend erläutert, z. B. einen Finger19 , und eine Sehnenabbildung50 wie nachstehend erläutert umfassen, können im ROM gespeichert sein und nach Bedarf zugänglich sein und ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen. - Mit Bezug auf
2 kann ein sehnengetriebener Finger19 mit dem Roboter10 von1 oder mit einem beliebigen anderen Roboter verwendet werden, der die Anwendung einer Greifkraft auf ein Objekt benötigt. Bei der Momentensteuerung von sehnengetriebenen Fingern müssen die gewünschten Gelenkmomente zuerst in Sehnenspannungen umgesetzt werden. Dieses Problem wird als Spannungsverteilung bezeichnet und sie muss sicherstellen, dass jeder Spannungswert nicht negativ ist. Die vorliegende Erfindung stellt sicher, dass jede Spannung in einen begrenzten Bereich [fmin, fmax] fällt, wobei fmin ≥ 0. Sie setzt den niedrigsten Spannungswert gleich fmin und minimiert somit die interne Spannung. Immer, wenn der höchste Spannungswert fmax überschreitet, löst sie nach der linearen Skalierung der Momente auf, die benötigt werden, um die Grenzen einzuhalten, während die interne Spannung minimiert wird. - Der Finger
19 enthält Sehnen34 und eine Vielzahl von Gelenken32 , von denen einige unabhängige Gelenke sind, die durch Pfeile τ1, τ2 und τ3 angezeigt sind. Der Finger19 weist n unabhängige Gelenke (n DOF) und n + 1 Sehnen34 auf. Der in2 gezeigte Finger19 weist drei DOF auf, daher ist die Anzahl der Sehnen bei dieser speziellen Ausführungsform = 4, obwohl mehr oder weniger Sehnen und/oder DOF ebenfalls verwendet werden können, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen. Es wird angemerkt, dass das distale Gelenk mit dem benachbarten Gelenk mechanisch gekoppelt ist, d. h. mit dem mittleren Gelenk; das distale Gelenk ist daher kein unabhängiger DOF. Auch ist die Steuerung des Fingers19 vollständig bestimmt, so wie dieser Ausdruck in der Technik verstanden wird, und daher beträgt die Anzahl von Sehnen34 bei der in2 gezeigten speziellen Ausführungsform n + 1 oder 4. Wie vorstehend angegeben, ist jedes unabhängige Gelenk32 durch ein Gelenkmoment τ gekennzeichnet. Jede der n Sehnen34 ist durch eine Spannung f gekennzeichnet, die in2 als f1, f2, f3 und f4 oder allgemein als f1 bis fn+1 dargestellt sind. - Für einen sehnengetriebenen Finger
19 mit n Freiheitsgraden und n + 1 Sehnen34 wird die Momentensteuerungsstrategie durch einen Algorithmus100 bestimmt, welcher eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart verteilt, dass jeder jeweiligen Sehne eine jeweilige Spannung f1 bis fn+1 zugeordnet wird, die kleiner als die maximale funktionale Spannung fmax und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung fmin ist. Die Spannungen f1 bis fn+1 werden innerhalb des Bereichs [fmin, fmax] zugeteilt, indem die Gelenkmomente falls notwendig linear skaliert werden. - Daher wird bei dem sehnengetriebenen Finger
19 der Vektor der Sehnenspannungen f derart zugeteilt, dass jede Spannung f1 bis fn+1 in den Bereich [fmin, fmax] fällt. Aufgrund der in eine Richtung gerichteten Natur der Sehnen34 ist fmin ≥ 0. Die Beziehung zwischen den n Gelenkmomenten τ und den n + 1 Sehnenspannungen f1 bis fn+1 ist: wobei t als die interne Spannung definiert ist. R ist die Sehnenabbildung50 , die in1 schematisch gezeigt ist, welche die Gelenkradiusdaten enthält, die Sehnenspannungen f in Gelenkmomente τ abbilden. w ist eine Matrix mit n + 1 Zeilen, die nicht im Bereichsraum von R liegt. Es ist zu beachten, dass die Sehnenabbildung (R)50 einen vollständig positiven Nullraum aufweisen muss, damit das System durch Sehnen steuerbar ist. Die ”interne Spannung” ist daher eine gewichtete Summe aller Spannungen; folglich zeigt eine kleinere interne Spannung kleinere Spannungen zwischen den Sehnen und eine kleinere Nettokraft an der Struktur an. -
-
- Die Hochstellung (+) zeigt die Pseudoinverse an. Wie angemerkt, muss der Nullraum der Sehnentransformation ein positiver Vektor sein. a ist somit auch immer positiv, da die Pseudoinverse eines positiven Vektors auch positiv ist.
- Mit Bezug auf
3 kann ein Algorithmus100 von dem Controller22 von1 ausgeführt werden, um die Steuerungsstrategie der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Der Algorithmus100 beginnt bei Schritt102 , bei dem die Gelenkmomente und Spannungsgrenzen des Fingers19 bestimmt und als ein Satz von Eingängen an den Algorithmus100 bereitgestellt werden. Nach der Bereitstellung geht der Algorithmus zu Schritt104 weiter und der Controller22 berechnet die minimale interne Spannung des Fingers19 . Schritt104 erfordert die Verteilung der Spannungen f1 bis fn+1 derart, dass der minimale Wert gleich fmin ist. In Gleichung (4) nachstehend stellt Ai die i-te Zeile von A dar und ai die i-te Zeile von a, wobei ai alle positive Elemente sind:fi = Aiτ + ait ≥ fmin (4) -
-
- Danach bestimmt der Controller
22 , ob irgendeiner der Spannungswerte f1 bis fn+1 die obere Grenze fmax überschreitet. Wenn keiner der Spannungswerte f1 bis fn+1 die obere Grenze fmax überschreitet, geht der Algorithmus100 zu Schritt108 weiter, die Spannungswerte f1 bis fn+1 werden ihren jeweiligen Sehnen34 zugeordnet und der Algorithmus100 ist beendet. Wenn bei Schritt106 ermittelt wird, dass irgendeiner der Spannungswerte f1 bis fn+1 die obere Grenze fmax überschreitet, geht der Algorithmus zu Schritt110 weiter, bei dem eine skalierte Lösung berechnet wird. i sei das Element mit der minimalen Spannung und j sei das Element mit der maximalen Spannung. Unter der Annahme, dass fj > fmax werden die Momente linear skaliert: und es wird die Lösung gefunden, bei der fi = fmin und fj = fmax. α ist ein positiver Skalar. Die exakte Lösung folgt: - Diese Lösung garantiert unter zwei Bedingungen, dass f ∊ [fmin, fmax]: wenn fmin = 0 oder der Finger
19 eine ausgeglichene Konfiguration aufweist. Ein Finger mit einer ausgeglichenen Konfiguration zeigt keine Nettomomente, wenn die Spannungen alle gleich sind (sodass die Elemente von w alle gleich sind). In einem dieser zwei Falle kann der Algorithmus unmittelbar zu Schritt108 weitergehen und enden. Andernfalls garantiert die Lösung nicht, dass alle Elemente innerhalb der gewünschten Grenzen liegen, und die Ergebnisse müssen mit der Möglichkeit einer zweiten Iteration überprüft werden. Wenn keiner Spannungswerte f1 bis fn+1 die obere Grenze fmax überschreitet, dann werden die Spannungswerte f1 bis fn+1 bei Schritt114 ihren jeweiligen Sehnen34 zugeordnet. - Wenn irgendeiner der Spannungswerte f1 bis fn+1 bei Schritt
112 die obere Grenze fmax überschreitet, dann wird bei Schritt116 die vorstehende Gleichung (8) iteriert, nachdem der Index i bzw. j dem neuen Extremelement zugeordnet wurde. Aufgrund des Wesens der Sehnentransformation sollte der Bedarf zum Iterieren nur selten auftreten. Beispielsweise kann er bei einem typischen Entwurf bei weniger als 2% der befohlenen Momentwerte auftreten. Zudem ist eine zweite Iteration effektiv ausreichend, um die zuzuordnenden Spannungswerte vollständig zu bestimmen, und der Algorithmus kann bei dieser Iteration gekappt werden. - Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen bei mindestens zwei Schlüsselpunkten. Erstens tritt die Verteilung von Sehnenspannungen mit einem recheneffizienten Algorithmus auf, d. h. dem Algorithmus
100 , der keine lineare Programmierung benötigt. Zweitens wird die maximale Spannung mit einer linearen Skalierung der gewünschten Gelenkmomente gekappt oder begrenzt, wodurch die Kopplung und die gekoppelten Störungen beseitigt werden, die gewöhnlich durch eine Sättigung verursacht werden, was eine gleichmäßige und lineare Momentsteuerung erzeugt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, welche Spannungen aufweisen, die mechanisch gesättigt werden, um gekoppelte und nicht vorhersagbare Momente zu erzeugen. Zusätzlich setzt der Algorithmus100 die niedrigste Spannung gleich der unteren Grenze oder Begrenzung, wodurch die interne Spannung minimiert wird. - Die aus Gleichung (8) resultierende skalierte Lösung schiebt nur selten ein anderes Element über die Grenzen hinaus, das heißt über fmax. Dieses Ergebnis kann auch analytisch auf der Grundlage der Natur von R erläutert werden. Zuerst wird angemerkt, dass α ein Skalar ist, sodass α ∊ (0, 1). Das Ergebnis ist intuitiv und der Beweis folgt. Die Lösung für α in (8) wird betrachtet. Da fi = fmin und fj > fmax:
fmin = Aiτ + αit0 fmax < Ajτ + αjt0 (9) - Das Substituieren in Gleichung (8) zeigt, dass α < 1. Gleichzeitig ist es trivial zu zeigen, dass α > 0.
- Die Parameter (0f, t0) sollen die anfängliche Gleichung (6) bezeichnen, während (1f, t1) die erste Iteration der skalierten Lösung für Gleichung (8) bezeichnen soll. Es kann gezeigt werden, dass die zwei Lösungen wie folgt in Verbindung stehen. Zur Erinnerung bezeichnen i und j die Elemente mit den niedrigsten bzw. höchsten Werten:
- Der erste Ausdruck auf der rechten Seite ist der linear skalierte Abschnitt des Ergebnisses. Dieser Ausdruck behält die Reihenfolge der Elemente bei. Der zweite Ausdruck jedoch stellt eine Abweichung von der linearen Verteilung dar. Wenn daher fmin = 0, fällt der Ausdruck heraus und die skalierte Lösung halt die relativen Größen der Elemente vollständig aufrecht. Dies garantiert, dass f ∊ [0, fmax].
- Wenn fmin ≠ 0 ist, kann sich die relative Reihenfolge der Elemente verändern und ein anderes Element kann die Grenze überspringen. Es wird der Fall betrachtet, bei dem ein weiteres Element k das Element j überschreitet, sodass 1fk > 1fj. Von Gleichung (10) aus gesehen beträgt die Differenz nach der ersten Iteration:
- Durch die Definition von Element j ist der erste Ausdruck kleiner als Null. Hinsichtlich des zweiten Ausdrucks sind die Elemente von a bei einer ausgeglichenen Konfiguration gleich. Daher kann in diesem Fall 1fk niemals größer als 1fj sein. Dies tritt immer dann auf, wenn sich die Spalten von R zu Null aufsummieren. Typischerweise werden Finger
19 , wenn sie nicht ausgeglichen sind, nicht in großem Maß von einer ausgeglichenen Konfiguration abweichen. Folglich wird die relative Differenz zwischen den Elementen von a klein sein und daher wird ein drittes Element die gewünschten Grenzen nach der ersten Iteration in Gleichung (8) selten überschreiten. Daher muss Schritt116 nur einmal ausgeführt werden. - Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
Claims (8)
- Verfahren zum Verteilen von Spannung auf n + 1 Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers (
19 ) in einem Robotersystem (11 ), wobei der Finger (19 ) durch n Freiheitsgrade gekennzeichnet ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Controller (22 ) verwendet wird, der einen Algorithmus (100 ) zum Steuern der n + 1 Sehnen umfasst und eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung der n + 1 Sehnen des Roboterfingers (19 ) bestimmt, um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist; wobei der Controller (22 ) eine Sehnenabbildung verwendet, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger (19 ) abbilden; wobei der Algorithmus (100 ) des Controllers (22 ) ferner ausgelegt ist, um die Spannung unter Verwendung der Sehnenabbildung automatisch zu verteilen. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden eines Controllers (
22 ), um eine Spannung automatisch zu verteilen, umfasst, dass eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten jedes einer Vielzahl von Gelenken (32 ) des sehnengetriebenen Fingers (19 ) unter Verwendung des Controllers (22 ) berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die minimale funktionale Spannung größer als Null ist und wobei eine interne Spannung des sehnengetriebenen Fingers (
19 ) minimiert wird, indem sichergestellt wird, dass ein niedrigster zugeordneter Spannungswert gleich der minimalen funktionalen Spannung ist. - Robotersystem (
11 ), das umfasst: einen Roboter (10 ) mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger (19 ), der durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist; und einen Controller (22 ) mit einem Algorithmus (100 ) zum Steuern der n + 1 Sehnen; wobei der Algorithmus (100 ) ausgelegt ist, um: eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung der n + 1 Sehnen des sehnengetriebenen Fingers (19 ) zu bestimmen; eine Sehnenabbildung zu verwenden, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger (19 ) abbilden; und eine Spannung unter Verwendung der Sehnenabbildung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist. - Robotersystem (
11 ) nach Anspruch 4, wobei der Algorithmus (100 ) ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch zu verteilen, indem: eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten von jedem einer Vielzahl von Gelenken (32 ) des sehnengetriebenen Fingers (19 ) berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden. - Robotersystem (
11 ) nach Anspruch 4, wobei der Controller (22 ) eine Sehnenabbildung umfasst, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger (19 ) abbilden, und wobei der Algorithmus (100 ) ferner ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch unter Verwendung der Sehnenabbildung zu verteilen. - Controller (
22 ) für einen sehnengetriebenen Roboterfinger (19 ) mit n Freiheitsgraden, wobei der sehnengetriebene Finger (19 ) n + 1 Sehnen umfasst, wobei der Controller (22 ) einen Algorithmus (100 ) umfasst, der ausgelegt ist, um: eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung der n + 1 Sehnen des sehnengetriebenen Fingers (19 ) zu bestimmen; eine Sehnenabbildung zu verwenden, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger (19 ) abbilden; und eine Spannung unter Verwendung der Sehnenabbildung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, sodass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist. - Controller (
22 ) nach Anspruch 7, wobei der Algorithmus (100 ) ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch zu verteilen, indem: eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten jedes einer Vielzahl von Gelenken (32 ) des sehnengetriebenen Fingers (19 ) berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden.
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