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AUSSAGE HINSICHTLICH VOM BUND GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Die hier beschriebene Erfindung kann von der oder für die U.S.-Regierung für Zwecke der U.S.-Regierung (d. h. nicht kommerzielle Zwecke) hergestellt und verwendet werden, ohne dass darauf oder dafür Gebühren zu zahlen sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Kalibrieren der Sehnen in einem sehnengetriebenen Manipulator und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer In-Vivo Kalibrierung der Sehnenspannung für einen sehnengetriebenen Manipulator, welche die Spannungen gegeneinander kalibrieren, ohne eine externe Kraftreferenz zu benötigen.
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2. Erörterung des Standes der Technik
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Geschickte Robotersysteme umfassen typischerweise Roboterarme und Hände, die betrieben werden, um Objekte oder Teile während einer Montage oder bei anderen Anwendungen zu ergreifen und zu manipulieren. Der Begriff „Robotermanipulator“ wird verwendet, um einen oder mehrere Roboterarme und Hände insgesamt oder einen Teil davon zu beschreiben. Sehnengetriebene Robotermanipulatoren werden unter Verwendung von Sehnen oder Seilen betätigt, die ein Anordnen der Stellglieder außerhalb des Teils des Manipulators, der gesteuert wird, ermöglichen. Sehnenübertragungen werden häufig verwendet, um distale Gelenke in Robotermanipulatoren zu betätigen. Sie können Verhältnisse von Stärke zu Gewicht verbessern, indem sie es ermöglichen, dass Stellglieder näher an der Basis des Manipulators angeordnet werden können. Sie geben dem Mechanikkonstrukteur darüber hinaus mehr Flexibilität bei der Stellgliedauswahl und der Manipulatorgröße. Wenn der Manipulator beispielsweise ein sehnengetriebener Finger in einer humanoiden Roboterhand ist, sind die Stellglieder typischerweise im Unterarmbereich des Roboterarms angeordnet. In diesem Fall erstrecken sich Sehnen von den Unterarmstellgliedern zu den Fingern, an denen sie angebracht sind.
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Eine Kraft- und Impedanzsteuerung von sehnengetriebenen Manipulatoren wird durch genaue Sehnenspannungsmesswerte verbessert. Diese vertraut auf eine konsistente Sensorausgabe und eine genaue Kalibrierung der Ausgabe. Die Ausgabe des Sensors für eine spezielle Spannung kann jedoch im Lauf der Zeit und mit der Temperatur variieren, was als Sensordrift bekannt ist. Außerdem können diskrete Ereignisse plötzliche Veränderungen bei den Sensormesswerten verursachen, etwa externe Zusammenstöße. Folglich müssen die Sensoren von Zeit zu Zeit kalibriert werden, um diese Veränderungen zu kompensieren.
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Da der sehnengetriebene Manipulator bei einem derartigen redundanten Netzwerk mehr Sehnen als Gelenke benötigt, kann die Spannung an jeder einzelnen Sehne nicht ausschließlich aus externen Referenzkräften ermittelt werden. Stattdessen muss eine Referenzkraft an jede Sehne unabhängig angelegt werden, wobei jeder Sensor im Manipulator daraus entfernt werden muss und mit einem Spannungstestgerät gekoppelt werden muss. Mit anderen Worten können die Sensoren nicht unter Verwendung des Testgeräts kalibriert werden, während sie sich im Manipulator befinden, weil es mehrere Sehnen gibt, die jedes Gelenk steuern. Daher gibt es interne Kräfte zwischen den Sehnen, die extern nicht erfasst werden können. Gleichzeitig ist ein Zerlegen des Manipulators immer dann, wenn eine Kalibrierung benötigt wird, nicht praktikabel.
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Die
US 6 566 834 B1 offenbart einen seilgetriebenen hängenden Manipulator bzw. eine „Stewart-Plattform“, der kalibriert werden kann, indem Seile von Winden des Manipulators auf Anfangsseillängen abgewickelt werden, sodass die Plattform auf dem Boden steht, Seilspannungen so eingestellt werden, dass eine angegebene Kraft nicht überschritten wird, und dann die Seile gespannt werden, bis die Plattform vom Boden abhebt.
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In der
DE 10 2007 010 067 B3 ist ein singularitätsbasiertes Maschinenprüf- und Kalibrierverfahren für eine parallelkinematische Maschine offenbart, bei dem einer der Antriebe der Maschine als aktiver Antrieb bestimmt wird und mit verschiedenen Massen- oder Trägheitsparametern durch eine Singularitäts-Stellung hindurch bewegt wird, um eine experimentelle Singularitäts-Stellung zu ermitteln. Dann werden Fehlerparameter so ermittelt, dass eine Abweichung zwischen der experimentell ermittelten Singularitäts-Stellung und einer errechneten Singularitäts-Stellung minimiert wird.
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Die
DE 198 21 873 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Industrieroboters, bei denen im Arbeitsraum des Roboters Referenzmesspunkte angeordnet sind, die von dem Roboter angefahren werden, wobei die aktuellen Daten der Referenzmesspunkte verarbeitet werden, um Positionierfehler des Roboters zu korrigieren.
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In der
DE 600 31 687 T2 sind ein Antrieb aus einer Formgedächtnislegierung und ein Steuerungsverfahren offenbart, bei denen zur Bestimmung der Position eines Aktuators dessen Leitfähigkeit erfasst wird, da diese proportional zur Position verläuft, wenn die Formgedächtnislegierung des Aktuators von der Martensitphase in die Austenitphase wechselt.
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Die
US 2005/ 0 024 331 A1 offenbart eine haptische Vorrichtung für eine Mensch/Maschine-Schnittstelle, bei der ein Werkzeug, das an vier Seilzügen befestigt ist, von einem Bediener bewegt werden kann. Zur Kalibrierung der Länge der Seilzüge beim Einschalten der Vorrichtung werden die Seilzüge nacheinander in eine Nullposition gefahren.
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In der
US 2007/0 299 427 A1 ist ein chirurgischer Manipulator mit einer rechtwinkligen Antriebseinheit offenbart, die vier Riemen mit Riemenscheiben zur Kraftübertragung um einen Winkel von 90 Grad verwendet. Die Riemen werden durch Spannschrauben oder Spannfedern vorgespannt.
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Die
US 2008/ 0 302 200 A1 offenbart einen modularen Roboterschlangenarm mit aneinander gestapelten Scheiben oder Plattformen, die durch jeweilige Aktuatoren relativ zueinander mechanisch verstellt werden können. Die Position der Scheiben kann aus Impulsgebern eines Drehantriebsmotors auf den Scheiben und Impulsgebern eines benachbarten Chassis bestimmt werden, ohne dass Referenzbewegungen erforderlich sind.
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In der
US 4 620 436 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren der Transformationsmatrix eines Kraftsensors offenbart, bei denen der zwischen Handgelenk und Hand eines Roboters angeordnete Kraftsensor kalibriert wird, indem ein Standardgewicht von der Hand des Roboters ergriffen und die Position der Hand sequentiell verstellt wird. Mit den erfassten Kraftsensorsignalen, den Positionsinformationen, der bekannten Geometrie und dem bekannten Gewicht des Standardgewichts kann die Transformationsmatrix kalibriert werden.
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Die
DE 37 31 704 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Eichung eines an der Hand eines Industrieroboters montierten Sensors, bei denen der zu eichende Sensor in eine Anzahl von Punkten gefahren wird, die mit einem Eichgegenstand verbunden sind, dessen Lage im Roboter-Koordinatensystem bekannt ist. Auf der Grundlage von in diesen Punkten durchgeführten Messungen werden Transformationen bestimmt, welche die vom Sensor gemessenen Werte in Messpunktpositionen im Roboter-Koordinatensystem transformieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Kalibrierung von Spannungssensoren für Sehnen in einem sehnengetriebenen Manipulator ohne ein Zerlegen des Manipulators und ohne externe Kraftreferenzen offenbart. Das Verfahren kalibriert die Sehnen gegeneinander, um Ergebnisse zu erzeugen, die kinematisch konsistent sind. Die Ergebnisse können möglicherweise nicht absolut genau sein, jedoch sind sie bezüglich einer anfänglichen oder Nennkalibrierung optimiert. Das Verfahren umfasst, dass veranlasst wird, dass die Sehnen eine Nullspannung aufweisen und dass Sensorwerte von Sensoren aufgezeichnet werden, welche die Spannung an den Sehnen messen. Das Verfahren umfasst ferner, dass der Manipulator so positioniert wird, dass er mit keinem Hindernis in Kontakt steht und sich keines der Gelenke im Manipulator an seiner Grenze oder seinem Anschlag befindet. Das Verfahren legt dann eine Spannung an die Sehnen an und zeichnet Sensorspannungswerte von den Sensoren auf, wenn eine Spannung an den Sehnen anliegt. Das Verfahren verwendet diese zwei Datenpunkte und einen Regressionsprozess, um die Sensorkalibrierungsparameter zu bestimmen. Der Regressionsprozess findet diejenige Lösung, welche die Beschränkung mit Nulldrehmoment erfüllt, während der Fehler im Vergleich zu der anfänglichen oder Nennkalibrierung minimiert wird.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterfingermanipulators, der eine Vielzahl von sehnengetriebenen Gelenken umfasst; und
- 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Kalibrierungsprozess für die Sehnen in dem in 1 gezeigten Manipulator zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Kalibrieren der Sehnen in einem sehnengetriebenen Manipulator gerichtet ist, ist rein beispielhaft und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken.
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Wie nachstehend im Detail erörtert wird, schlägt die vorliegende Erfindung eine Technik zum Kalibrieren der Sensoren in einem sehnengetriebenen Manipulator vor, ohne dass die Sensoren aus dem Manipulator entfernt werden müssen. Der Prozess umfasst allgemein, dass mit einer Nennverstärkung für jeden der Sensoren im Manipulator auf der Grundlage von vorherigen Kalibrierungsdaten gestartet wird. Der Prozess zeichnet die Sensorlesewerte bei zwei Datenpunkten auf. Der erste Punkt betrifft das Entspannen der Sehnen, sodass sie alle schlaff sind und somit eine Nullspannung daran aufweisen. Der zweite Punkt betrifft ein Spannen aller Sehnen, sodass sie straff sind [engl.: taught] und der Manipulator nicht gegen irgendwelche externen Kräfte gedrückt wird. Somit summieren sich alle Sehnenspannungen derart, dass sie ein Nettodrehmoment von Null an den Gelenken erzeugen. Diese Situation wird hier als eine „ausgeglichene“ Konfiguration oder die „Nulldrehmoment“-Beschränkung bezeichnet. An diesen zwei Datenpunkten wird dann eine Regression ausgeführt, um eine Kalibrierung zu finden, die sowohl die NulldrehmomentBeschränkung erfüllt als auch die Ergebnisse erzeugt, die so nahe wie möglich (im Sinne der kleinsten Quadrate) bei Nennkalibrierungswerten liegen. Das Verfahren kalibriert die Spannungen gegeneinander, um Ergebnisse zu erzeugen, die kinematisch konsistent sind. Dies erzeugt nicht unbedingt kalibrierte Werte, die relativ zu einer absoluten Referenz genau sind; jedoch werden sie relativ zueinander genau sein. Diese relative Genauigkeit zwischen den Sehnen verbessert das Verhalten des Manipulatorcontrollers.
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Diese Erfindung spricht somit das Problem an, wie eine relative Kalibrierung zwischen den Sehnen des Robotermanipulators bereitgestellt werden kann. Der Kalibrierungsprozess verbessert das Verhalten des Manipulatorcontrollers, obwohl der tatsächliche Wert der kalibrierten Lesewerte möglicherweise nicht genau ist. Auf der Grundlage der Nennkalibrierung wird der Kalibrierungsprozess die Lösung mit minimalem Fehler finden, die eine Bedingung mit einem externen Nulldrehmoment am Manipulator erfüllt.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterfingers 10 für einen Roboterarm, wobei der Finger 10 durch Sehnen 28 angetrieben wird. Obwohl diese Ausführungsform einen Roboterfinger zeigt, ist der Kalibrierungsprozess der vorliegenden Erfindung auf einen beliebigen sehnengetriebenen Manipulator anwendbar. Der Roboterfinger 10 umfasst drei Fingerglieder, nämlich eine Spitzensektion 12, eine Mittelsektion 14 und eine Basissektion 16. Die Spitzensektion 12 umfasst einen Ballen 18, die Mittelsektion 14 umfasst einen Ballen 20 und die Basissektion 16 umfasst einen Ballen 22, die es dem Finger 10 ermöglichen, ein (nicht gezeigtes) spezielles Teil effektiv zu ergreifen. Die Fingersektionen 12, 14 und 16 und die Ballen 18, 20 und 22 können aus einem beliebigen für eine spezielle Anwendung geeigneten Material bestehen, wie etwa Aluminium. Die Spitzensektion 12 dreht sich relativ zu der Mittelsektion 14 an einer Welle 24 und die Mittelsektion 14 dreht sich relativ zu der Basissektion 16 an einer Welle 26.
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Die Gelenke des Fingers 10 werden von den Sehnen 28 auf eine Weise manipuliert, die in der Technik gut verstanden wird. Jede Sehne 28 ist mit einem Sehnensensor 44 typischerweise im Unterarmbereich des Roboterarms gekoppelt. Die Sehnensensoren 44 stellen ein Signal der Spannung in den Sehnen 28 bereit, das eine Anzeige der Kraft am Finger 10 bereitstellt. Die Sehnen 28 stellen eine Zugkraft bereit, die von einem geeigneten Stellglied betätigt wird.
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Unter der Annahme, dass alle Gelenke im Finger 10 Drehgelenke sind, kann die Beziehung zwischen Sehnenspannungen und Gelenkdrehmomenten beschrieben werden durch:
wobei τ der Vektor aus n Gelenkdrehmomenten ist und f ein Vektor von m ≥ n + 1 Sehnenspannungen ist.
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Es wird angemerkt, dass durch Invertieren dieser Beziehung ein Satz von Sehnenspannungen, der ein spezifiziertes Drehmoment erzeugt, berechnet werden kann zu:
wobei R
+ die Pseudoinverse von R ist und N (R) der Nullraum von R ist. λεR
m-n ist ein Vektor von willkürlichen Spannungen, die in den Nullraum abgebildet sind. Diese Nullraumkomponente stellt den Satz der Spannungen dar, die ein Nettodrehmoment von Null an dem Finger 10 erzeugen. Mit anderen Worten stellen sie die internen Kräfte zwischen den Sehnen dar.
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Unter der Annahme, dass eine lineare Approximation auf den Sensor 44 zutrifft, ist es erforderlich, dass jeder Sensorlesewert s
i unter Verwendung von zwei Parametern kalibriert wird, nämlich einer Verstärkung mi und einem Versatz b
i. Für jede Sehne 28 ist die Beziehung für den Spannungssensorlesewert gegeben durch:
wobei f
i die Spannung an der Sehne i ist.
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Für den ganzen Satz aus n Sehnen können die n Gleichungen in der folgenden Zweimatrizenform ausgedrückt werden.
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In dieser Notation bezeichnen großgeschriebene Symbole Diagonalmatrizen für die jeweiligen Elemente und fettgedruckte Symbole bezeichnen Spaltenmatrizen. Zum Beispiel:
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Auf der Grundlage der Konstruktion des Fingers 10 folgt die Beziehung zwischen den Drehmomenten τ an den Gelenken und den Spannungen f an den Sehnen 28 als:
wobei R als ein Sehnenkennfeld bekannt ist, das die Gelenkradiusdaten enthält und Sehnenspannungen auf Gelenkdrehmomente abbildet.
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2 ist ein Flussdiagramm 30, das einen Kalibrierungsprozess zum Kalibrieren der Sehnen 28 im Finger 10 wie vorstehend erörtert zeigt. Der Prozess startet bei Kästchen 32, bei dem die Sehnen 28 entspannt werden, sodass keine Kraft an den Sehnen 28 anliegt, d. h. die Sehnen 28 sind schlaff. Speziell werden alle (nicht gezeigten) Stellglieder, die die Sehnen 28 steuern, vorwärts bewegt, sodass die Sehnen 28 schlaff sind und jede Sehne 28 eine Nullspannung wahrnimmt. Der Algorithmus zeichnet den Sensorlesewert °s bei Kästchen 34 auf, wenn sich die Sehnen 28 in der schlaffen [engl.: stack] Position befinden.
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Unter Verwendung dieser Daten wird der Versatz b für jeden Sensor 44 im Manipulator 10 ermittelt. Diese Werte werden aufgelöst als:
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Der nächste Schritt besteht darin, alle Sehnen 28 zu spannen, wobei sichergestellt wird, dass der Finger 10 nicht an irgendwelchen Gelenkanschlägen oder externen Kräften anliegt. Somit verursacht der Algorithmus bei Kästchen 36, dass der Finger 10 an einer Stelle positioniert wird, an der er von irgendwelchen Hindernissen entfernt ist, die eine Kraft auf den Finger ausüben könnten und sich keines der Gelenke im Finger 10 an einer Gelenkgrenze bzw. einem Anschlag befindet. Dies stellt sicher, dass alle Gelenkdrehmomente null sind. Der Kraftbetrag an den Sehnen 28 ist nicht wichtig, sofern nur eine Kraft an den Sehnen 28 anliegt. Wenn sich der Finger 10 in dieser Position befindet, sollte ein Nulldrehmoment an jedem Gelenk im Finger 10 vorhanden sein, da die Zugkraft an beiden Seiten des Gelenks gleich sein wird. Der Algorithmus zeichnet dann die Sensormesswerte
1s auf. Die Gelenkdrehmomente und Spannungen in diesem Moment werden mit der Vor-Hochstellung 1 bezeichnet:
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Der Algorithmus verwendet dann bei Kästchen 42 die Versatzwerte und einen Regressionsprozess, um Sensorparameter zu bestimmen, welche die Nulldrehmomentbeschränkung erfüllen. Die tatsächliche Lösung sollte im Nullraum von R liegen. Der Algorithmus nimmt den Kraftlesewert auf der Grundlage der Nennkalibrierung der Verstärkungen
nm und bildet ihn orthogonal in den Nullraum R ab. Mit Bezug auf die zweite Form der Kalibrierungsgleichung (5) ist dieser Nennkraftlesewert:
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Nach dem Abbilden dieses minimalen Lesewerts in den Nullraum R kann nach der Kalibrierungsverstärkung m aufgelöst werden als:
wobei I die Identitätsmatrix ist und R
+ die Pseudoinverse von R ist.
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Alternativ kann nach den einzelnen Elementen der Verstärkung m wie folgt aufgelöst werden:
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Der Algorithmus minimiert speziell den Fehler zwischen dem, was der spezielle Sensor anfänglich liest, und dem, was er lesen sollte. Die Regressionsoperation kann ein beliebiger geeigneter Prozess sein, etwa eine Approximationsoperation der kleinsten Quadrate. Die Approximationsoperation der kleinsten Quadrate wird für alle Sensordifferenzwerte gleichzeitig durchgeführt.
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Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass darin verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
