專利名稱：分級的機器人控制系統(tǒng)和用多個操縱器對選擇的物體自由度進行控制的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制具有多個關節(jié)和多自由度的一個或多個類人機器人的系統(tǒng) 和方法。
背景技術：
機器人是能夠使用操縱器(例如，手、手指、拇指等)和一系列經(jīng)由機器人關節(jié)相 互連接的聯(lián)接物來操縱物體的自動裝置。典型機器人中的每個關節(jié)都代表至少一個獨立的 控制變量，即自由度(DOF)。末端執(zhí)行器或操縱器用于執(zhí)行手邊的特定任務，例如，抓握工作 工具或其他物體。因此，可通過任務說明的等級來組織機器人的精確運動控制物體級控制 (其描述了機器人在單次或協(xié)同抓握中對被抓握或保持的物體的行為進行控制的能力)、 末端執(zhí)行器控制和關節(jié)級控制。各種控制級共同實現(xiàn)了所要求的機器人運動性、靈活性和 與工作任務相關的功能性。類人機器人是一種特定類型的機器人，其無論整個身體、軀干和/或四肢都具有 近似于人的結構或外觀，類人機器人的結構復雜性很大程度上取決于所要執(zhí)行的工作任務 的性質(zhì)。在需要與為人類使用而特制的設備或系統(tǒng)直接相互作用的情況下，可優(yōu)選使用類 人機器人。在需要與人相互作用的情況下，也可優(yōu)選使用類人機器人，因為可以對運動進行 編程以便接近人的運動，使得協(xié)同操作的人類伙伴能理解任務隊列。由于期待由類人機器人完成的工作任務范圍很廣，所以可能同時需要不同的控制 模式。例如，在上述的不同控制空間內(nèi)以及在對給定的電動機驅(qū)動式關節(jié)、關節(jié)運動和/或 各種抓握類型所應用的轉(zhuǎn)矩或力的控制上，都必須應用精確控制。在組裝工作線中部署類 人機器人需要能夠與未組織的環(huán)境互動并且能夠?qū)嵤┒鄻踊膽玫哪芰Α?br>
發(fā)明內(nèi)容
因此，本文提供了一種機器人控制系統(tǒng)和方法，用于通過下面將進行描述的控制 框架來控制一個或多個機器人。對機器人的復雜控制，例如對具有多個DOF (諸如在一個具 體實施例中超過42個D0F)的類人機器人的控制，可針對多個可獨立運動的和可相互依賴 運動的機器人關節(jié)以及物體末端執(zhí)行器或操縱器來提供，或者關于同時對物體應用了協(xié)同 抓握的多于一個的機器人的操縱器來提供。本文公開的框架基于多優(yōu)先級任務，從而實質(zhì)上是分級的。主要任務限定在控制的物體級，例如，使用“閉鏈(closed chain)" Jacobian 變換和/或“閉鏈”抓握矩陣，下面會有詳細說明。這提供了這樣的任務，即只指令選擇的 物體自由度(DOF)，而允許其他DOF保持自由或不受約束。這又產(chǎn)生了一體的零空間，該零 空間不僅包括每個獨立的機器人操縱器(例如手、多個手指/拇指等)的冗余D0F，還包括 物體在各種操縱器上共享的自由DOF。另一方面，次級任務可限定在控制的關節(jié)級，即，在關 節(jié)空間中。這種多優(yōu)先級的控制框架提供了用于協(xié)同組裝應用的極大的功能性，特別是使 用了本文所描述類型的高復雜度類人機器人時。 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，控制器在多種機器人抓握類型期間提供了內(nèi)力的自動參數(shù) 化。作為示例，這種抓握類型可包括對物體的協(xié)同性雙手抓握和協(xié)同性三手指抓握。這兩 者的可行性都將在本文中以數(shù)學的方式詳細描述。 具體地，本文提供一種機器人系統(tǒng)，其包括控制器和一個或多個操縱器，該一個或 多個操縱器可以是單個機器人的也可是多個機器人的，并且共同適于在主要任務執(zhí)行期間 使用多種抓握類型中的一種來抓握物體?？刂破麟娺B接至(一個或多個)機器人，并且在 主要任務執(zhí)行期間使用多任務控制分級結構來控制(一個或多個)操縱器?？刂破黜憫?輸入信號自動地將機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于每種抓握類型，其中，主要任務被限 定于物體級控制，例如，在一個實施例中使用閉鏈運動變換的方式來實施。還提供了一種用于上述機器人系統(tǒng)的控制器?？刂破靼娺B接至(一個或多 個)機器人的主機和由主機執(zhí)行的算法。當被執(zhí)行時，該算法適于使用多任務控制分級結 構來控制多個操縱器。算法的執(zhí)行自動地將機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于(一個或 多個)機器人的多種抓握類型中的每一種。一種用于控制上述機器人系統(tǒng)的方法，包括通過主機接收輸入信號，并使用主機 通過多任務控制分級結構處理輸入信號，從而在主要任務執(zhí)行期間控制多個操縱器。處理 輸入信號包括將主要任務限定在控制的物體級，以及響應于該輸入信號自動地將機器人 系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于多種抓握類型中的每一種。本發(fā)明還提供了以下方案方案1. 一種機器人系統(tǒng)，包括具有多個操縱器的機器人，所述多個操縱器共同適于在主要任務執(zhí)行期間使用多 種抓握類型中的一種來抓握物體；和電連接至所述機器人的控制器，所述控制器適于在所述主要任務執(zhí)行期間使用多 任務控制分級結構來控制所述多個操縱器；其中，所述控制器響應于輸入信號自動地將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便 用于所述多種抓握類型中的每一種，所述主要任務被限定在控制的物體級，具有僅選擇所 述物體所有可用自由度的子組的能力。方案2.如方案1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述機器人是至少具有42個自由度的 類人機器人。方案3.如方案1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述主要任務在所述控制的物體級的 限定包括使用“閉鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個。方案4.如方案1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述多任務控制分級結構利用了在所 述控制的物體級的零空間中操作的阻抗關系。
方案5.如方案1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述控制器適于在所述機器人的協(xié)同 抓握中使用所述多個操縱器中的至少一些來僅控制所述物體所有可用自由度的子組。方案6.如方案5所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述控制器還適于在所述控制的物體 級執(zhí)行所述零空間中的次級任務，所述零空間包括所述物體的至少一個自由的自由度。方案7. —種用于機器人系統(tǒng)的控制器，所述機器人系統(tǒng)包括至少一個機器人，每 個機器人均具有適于在主要任務執(zhí)行期間抓握物體的至少一個操縱器，所述控制器包括電連接至所述至少一個機器人的主機；和能夠由所述主機執(zhí)行的算法，所述算法適于使用多任務控制分級結構來控制所述 至少一個機器人的所述至少一個操縱器；其中，所述算法的執(zhí)行響應于輸入信號自動地將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化， 以便用于所述至少一個機器人的多種抓握類型中的每一種，所述主要任務被限定在物體 級，具有僅選擇所述物體所有可用自由度的子組的能力。方案8.如方案7所述的控制器，其中，所述至少一個機器人包括具有至少42個自 由度的類人機器人。方案9.如方案7所述的控制器，其中，所述控制器適于在所述至少一個機器人的 協(xié)同抓握中使用所述多個操縱器中的至少一些來僅控制所述物體所有自由度的子組，同時 在所述控制的物體級執(zhí)行所述零空間中的次級任務，所述零空間包括所述物體的至少一個
自由的自由度。方案10.如方案7所述的控制器，其中，所述主要任務在所述控制的物體級的限定 使用“閉鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個。方案11. 一種用于控制機器人系統(tǒng)的方法，所述機器人系統(tǒng)具有包含多個操縱器 的機器人和電連接至所述機器人的控制器，所述多個操縱器共同適于在主要任務執(zhí)行期間 使用多種抓握類型中的一種來抓握物體，所述控制器適于在所述主要任務的執(zhí)行期間控制 所述多個操縱器，所述方法包括經(jīng)由所述控制器的主機接收輸入信號；使用所述主機并經(jīng)由多任務控制分級結構處理所述輸入信號，從而在所述主要任 務執(zhí)行期間控制所述多個操縱器；其中，處理所述輸入信號包括將所述主要任務限定在所述控制的物體級；和響應于所述輸入信號自動將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于所述多種抓 握類型中的每一種。方案12.如方案11所述的方法，其中，所述多種抓握類型包括協(xié)同抓握類型。方案13.如方案11所述的方法，其中，限定所述主要任務包括使用“閉 鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個。方案14.如方案11所述的方法，其中，所述零空間包括所述機器人在所述控制的 物體級的多個未被指定的自由度。通過下面對實施本發(fā)明的最優(yōu)模式的詳細描述并結合附圖，本發(fā)明的上述特征和 優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點將變得相當明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有機器人的機器人系統(tǒng)的示意圖，通過使用分級的、多任 務控制框架，該機器人是可控制的；和圖2是與可被諸如圖1所示類型的機器人抓握的物體相關的多個力和坐標的示意 圖。
具體實施例方式參照附圖，在所有幾幅附圖中，相似的附圖標記指示相同或相似的部件，從圖1開 始，示出了一種機器人系統(tǒng)11，機器人系統(tǒng)11具有例如靈巧的類人機器人這樣的機器人 10，機器人10是通過控制系統(tǒng)或控制器(C)22可控的。雖然僅示出了一個機器人10，但系 統(tǒng)11可如下面將描述的那樣包括多于一個的機器人?？刂破?2電連接至機器人10，并且 適于如下所述那樣使用適于執(zhí)行多任務控制分級結構的(一個或多個)算法100來控制機 器人10的各種末端執(zhí)行器或者物體操縱器。在這種控制分級結構中，阻抗(impedance)關 系在某些實施例中可操作在位于控制的物體級的零空間中，但是該分級結構并不限于阻抗 控制。響應于輸入到控制器22的輸入信號(箭頭和/或由控制器產(chǎn)生或來自控制器外 部的信號，控制器22使系統(tǒng)11的內(nèi)力自動參數(shù)化，以便用于機器人10的多抓握類型。在 一個實施例中，同樣如下所述，閉鏈Jacobian運動變換或任務定義可用于將機器人10的主 要任務限定在控制的物體級。機器人10適于執(zhí)行一個或多個具有多自由度(DOF)的自動化任務，并且適于執(zhí)行 其他交互任務或控制其它集成系統(tǒng)部件，例如，夾緊裝置、照明設備、繼電器等。根據(jù)一個實 施例，機器人10設置為所示的類人機器人，在一個實施例中其可能具有超過42個D0F。機 器人10具有多個可獨立運動并且可相互依賴運動的操縱器，例如，手18、手指19、拇指21 等，并且還包括多個機器人關節(jié)。關節(jié)可包括但是不必限于，肩關節(jié)(其位置大體上由箭頭 A指示)、肘關節(jié)(箭頭B)、腕關節(jié)(箭頭C)、頸關節(jié)(箭頭D)和腰關節(jié)(箭頭E)，以及位 于每個機器人手指指骨之間的指關節(jié)(箭頭F)。每個機器人關節(jié)可具有一個或多個D0F。例如，某些柔順關節(jié)(例如，肩關節(jié)(箭 頭A)和肘關節(jié)(箭頭B))可具有至少兩個俯仰和滾轉(zhuǎn)形式的D0F。相同地，頸關節(jié)(箭頭 D)可具有至少三個D0F，并且腰部和腕部(分別為箭頭E和C)可具有一個或多個D0F。如 上所述，基于任務的復雜性，機器人10可以以超過42個DOF進行運動。每個機器人關節(jié)可 包含一個或多個致動器并且可由該一個或多個致動器內(nèi)部驅(qū)動，這些致動器例如是關節(jié)電 動機、線性致動器、旋轉(zhuǎn)致動器等等。機器人10可包括類似于人的部件(諸如頭部12、軀干14、腰15和手臂16)，以及某 些操縱器(即，手18、手指19和拇指21)，其中上述的各種關節(jié)被置于這些部件內(nèi)或置于這 些部件之間。根據(jù)機器人的特定應用或期望用途，機器人10還可包括適于任務的固定裝置 或底座(未示出)，諸如腿、支撐面(tread)、或另一種可運動或固定的底座。電源13可一體 地安裝到機器人10以向各種關節(jié)提供充足的電能用于其運動，電源例如是攜帶或穿在軀 干14后背上的可再充電電池組或其它適合的電源；或者電源可通過栓系電纜(tethering cable)來遠程地附接。控制器22提供對機器人10的精確運動控制，包括對通過上述操縱器操作物體20所需要的精細運動和粗略運動的控制。也就是說，物體20可被一個或多個手18的手指19 和拇指21抓握?？刂破?2能夠以與其它關節(jié)和系統(tǒng)部件隔離的方式對每個機器人關節(jié)和 其它集成的系統(tǒng)部件獨立地進行控制，還能相互依賴地控制數(shù)個關節(jié)以在執(zhí)行相對復雜的 工作任務時全面協(xié)調(diào)多個關節(jié)的動作。仍然參照圖1，控制器22可包括多個數(shù)字計算機或數(shù)據(jù)處理裝置，每個數(shù)字計算 機或數(shù)據(jù)處理裝置都具有一個或多個微處理器或中央處理單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、 隨機訪問存儲器(RAM)，電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、高速時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D) 電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)電路、和任何所需的輸入/輸出(I/O)電路和裝置，以及信號調(diào)整和 緩沖電子設備。由此，駐存在控制器22內(nèi)的或可易于訪問的單獨控制算法可存儲在ROM中 并自動地在一個或多個不同的控制級上被執(zhí)行，以提供相應的控制功能?？刂破?2可包括服務器或主機17，服務器或主機17構造為分布的或中央的控制 模塊，并且具有以期望方式執(zhí)行機器人10所有要求的控制功能所必需的控制模塊和能力。 另外，控制器22可被構造為通用數(shù)字計算機，其一般包括微處理器或中央處理單元、只讀 存儲器(ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、高速時鐘、模 數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)電路、和輸入/輸出電路和裝置(1/0)，以及合適的信號 調(diào)整和緩沖電路。由此，駐存在控制器22中的或可訪問的任何算法(包括如下所述的用于 執(zhí)行分級的、基于阻抗的控制框架的算法100在內(nèi))可存儲在ROM中并被執(zhí)行以提供相應 的功能。控制器22可電連接至圖形用戶界面(⑶1)24，⑶I 24提供到控制器的直觀訪問。 GUI 24能夠向操作者或程序員提供范圍廣泛的主要和次級工作任務的控制訪問，S卩，能夠 對機器人10的物體級、末端執(zhí)行器級和/或關節(jié)空間級中的一個或多個中的運動進行控制 的能力。GUI 24可以是簡化且直觀的，允許使用者利用簡單圖形或圖標驅(qū)動的輸入，從而通 過輸入輸入信號(箭頭ie)來控制機器人10，例如，通過一個或多個前述的操縱器施加到物 體20上的期望力或轉(zhuǎn)矩，或者機器人的期望動作。為了利用機器人10或多個機器人來執(zhí)行多種操作任務，需要對(一個或多個)機 器人進行范圍寬廣的功能控制。該功能包括混合的力/位置控制、帶有多種協(xié)同抓握類型 的物體級控制、末端執(zhí)行器的笛卡爾空間控制(即，在XYZ笛卡爾坐標空間內(nèi)的控制)、和關 節(jié)空間操縱器控制，以及對多個控制任務的分級優(yōu)先化。本發(fā)明提供了內(nèi)力的參數(shù)化空間 以控制這種協(xié)同抓握。在一個實施例中還提供了操作在物體20的零空間中的次級關節(jié)空 間阻抗關系，正如下面數(shù)學地詳述的那樣。阻抗規(guī)則本文所述的控制框架的第一步是，描繪物體20的動力學行為特性，該 物體僅受到機器人10的作用，或者由抓握相同的物體的兩個或多個機器人作用。本節(jié)采用 本文下面將要描述的被動動力學給出了閉環(huán)動力學。期望的閉環(huán)行為可由下面阻抗關系限 定，即，方程式(1)
權利要求
一種機器人系統(tǒng)，包括具有多個操縱器的機器人，所述多個操縱器共同適于在主要任務執(zhí)行期間使用多種抓握類型中的一種來抓握物體；和電連接至所述機器人的控制器，所述控制器適于在所述主要任務執(zhí)行期間使用多任務控制分級結構來控制所述多個操縱器；其中，所述控制器響應于輸入信號自動地將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于所述多種抓握類型中的每一種，所述主要任務被限定在控制的物體級，具有僅選擇所述物體所有可用自由度的子組的能力。
2.如權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述機器人是至少具有42個自由度的類人 機器人。
3.如權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述主要任務在所述控制的物體級的限定 包括使用“閉鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個。
4.如權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述多任務控制分級結構利用了在所述控 制的物體級的零空間中操作的阻抗關系。
5.如權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述控制器適于在所述機器人的協(xié)同抓握 中使用所述多個操縱器中的至少一些來僅控制所述物體所有可用自由度的子組。
6.如權利要求5所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述控制器還適于在所述控制的物體級執(zhí) 行所述零空間中的次級任務，所述零空間包括所述物體的至少一個自由的自由度。
7.一種用于機器人系統(tǒng)的控制器，所述機器人系統(tǒng)包括至少一個機器人，每個機器人 均具有適于在主要任務執(zhí)行期間抓握物體的至少一個操縱器，所述控制器包括電連接至所述至少一個機器人的主機；和能夠由所述主機執(zhí)行的算法，所述算法適于使用多任務控制分級結構來控制所述至少 一個機器人的所述至少一個操縱器；其中，所述算法的執(zhí)行響應于輸入信號自動地將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便 用于所述至少一個機器人的多種抓握類型中的每一種，所述主要任務被限定在物體級，具 有僅選擇所述物體所有可用自由度的子組的能力。
8.如權利要求7所述的控制器，其中，所述至少一個機器人包括具有至少42個自由度 的類人機器人。
9.如權利要求7所述的控制器，其中，所述控制器適于在所述至少一個機器人的協(xié)同 抓握中使用所述多個操縱器中的至少一些來僅控制所述物體所有自由度的子組，同時在所 述控制的物體級執(zhí)行所述零空間中的次級任務，所述零空間包括所述物體的至少一個自由 的自由度。
10.一種用于控制機器人系統(tǒng)的方法，所述機器人系統(tǒng)具有包含多個操縱器的機器人 和電連接至所述機器人的控制器，所述多個操縱器共同適于在主要任務執(zhí)行期間使用多種 抓握類型中的一種來抓握物體，所述控制器適于在所述主要任務的執(zhí)行期間控制所述多個 操縱器，所述方法包括經(jīng)由所述控制器的主機接收輸入信號；使用所述主機并經(jīng)由多任務控制分級結構處理所述輸入信號，從而在所述主要任務執(zhí) 行期間控制所述多個操縱器；其中，處理所述輸入信號包括將所述主要任務限定在所述控制的物體級；和響應于所述輸入信號自動將所述機器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于所述多種抓握類 型中的每一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及分級機器人控制系統(tǒng)和用多個操縱器對選擇物體自由度進行控制的方法。具體地，提供了一種機器人系統(tǒng)，其包括控制器和具有操縱器的機器人，操縱器在主要任務期間使用多種抓握類型中的一種來抓握物體?？刂破髟谥饕蝿掌陂g使用多任務控制分級結構來控制操縱器，并且響應于輸入信號自動將用于每種抓握類型的系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化。使用諸如閉鏈變換將主要任務限定在控制的物體級，使得僅指定物體的選定自由度。用于機器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有主機和使用上述分級結構控制操縱器的算法。用于控制該系統(tǒng)的方法包括使用主機接收并處理輸入信號，包括例如使用閉鏈限定將主要任務限定在控制的物體級，并將用于每種抓握類型的內(nèi)力參數(shù)化。
文檔編號B25J13/00GK101947787SQ20101017022
公開日2011年1月19日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者C·W·萬普勒二世, M·E·阿布達拉, R·J·小普拉特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司;美國宇航局