專利名稱：一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)，特別是涉及控制所述系統(tǒng)以達(dá)到某種結(jié)果的方法，以及實(shí)施所述控制方法的控制系統(tǒng)。本發(fā)明描述了機(jī)械裝置(例如機(jī)器人)的控制方法，但本發(fā)明并不僅限于此。
背景技術(shù)：
由于其特定任務(wù)設(shè)計(jì)，機(jī)器人，特別是在本領(lǐng)域中被稱為“機(jī)械手”的機(jī)器人子類，主要局限于硬件自動(dòng)應(yīng)用(hard automation applications)(如在裝配線上將金屬板焊接在一起)。傳統(tǒng)的集中式控制模型依賴于與周圍環(huán)境和特定任務(wù)要求有關(guān)的預(yù)編程知識(shí)。
由于對(duì)與周圍環(huán)境有關(guān)的預(yù)編程知識(shí)的需求，做復(fù)雜移動(dòng)的機(jī)器人通常在面對(duì)不熟悉情況時(shí)無法適應(yīng)變化的環(huán)境或者無法成功完成任務(wù)。
因此，機(jī)器人局限于待執(zhí)行的任務(wù)需要重復(fù)操作、準(zhǔn)確移動(dòng)和高速的應(yīng)用。但是，隨著對(duì)自動(dòng)化要求的提高，為機(jī)器人提供愈加復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)以使機(jī)器人裝置能夠在動(dòng)態(tài)的和難以預(yù)計(jì)的情況下成功完成任務(wù)的需求不斷增加。
此外，具有多個(gè)相互依賴單元的機(jī)器人通常采用復(fù)雜的算法以確定從一個(gè)位置到另一個(gè)位置合適的移動(dòng)。因?yàn)樵谝粋€(gè)具有多個(gè)相互依賴單元(亦即，以諸如被物理連接或控制的某種方式相互約束的多個(gè)單元)以及多個(gè)自由度的機(jī)器人中，從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置有多個(gè)可能的方案，因此復(fù)雜的算法是必要的。換而言之，為將機(jī)器人移動(dòng)到期望位置，需試圖求解確定各單元應(yīng)該如何移動(dòng)的方程，從而產(chǎn)生多個(gè)冗余的方案。
所以，必須使用復(fù)雜的算法來確定應(yīng)該采用多個(gè)可能的方案中的哪個(gè)方案。這通常會(huì)涉及到應(yīng)用人工邊界條件以限制機(jī)器人的自由度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)以達(dá)到某一結(jié)果的方法，該方法包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置預(yù)期結(jié)果，以及針對(duì)所述結(jié)果為每個(gè)單元設(shè)置不依賴于其它單元的預(yù)期動(dòng)作的預(yù)期動(dòng)作。
根據(jù)本發(fā)明的第二技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)以達(dá)到某一結(jié)果的方法，該方法包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置預(yù)期結(jié)果，以及針對(duì)所述結(jié)果為每個(gè)單元設(shè)置預(yù)期動(dòng)作，其中根據(jù)所述系統(tǒng)的至少一個(gè)參考部分的相對(duì)于該參考部分期望位置的當(dāng)前位置，設(shè)置所述單元的預(yù)期動(dòng)作。
所述單元的預(yù)期動(dòng)作可以包括計(jì)算所述參考部分的當(dāng)前位置與所述參考部分的預(yù)期位置之間的差值，并利用所述差值設(shè)置所述預(yù)期動(dòng)作。
換而言之，在至少一個(gè)實(shí)施例中，為每個(gè)單元提供關(guān)于預(yù)期結(jié)果(“目標(biāo)”)的一些信息并提供參考位置。然后，每個(gè)單元設(shè)法計(jì)算某一數(shù)值，該數(shù)值指示單元達(dá)到目標(biāo)必須進(jìn)行的預(yù)期動(dòng)作。所述數(shù)值在某些實(shí)施例中可以是參考位置和預(yù)期位置之間的差值。
該方法可進(jìn)一步包括如下步驟為每個(gè)單元設(shè)置操作動(dòng)作；并指示每個(gè)單元啟動(dòng)其操作動(dòng)作。
該方法可進(jìn)一步包括如下步驟重復(fù)所述方法步驟以更新操作動(dòng)作，重復(fù)的速率既可在所述系統(tǒng)中保持一致，也可在系統(tǒng)的多個(gè)單元之間存在變化。
至少部分所述單元的操作動(dòng)作為預(yù)期動(dòng)作。在大多數(shù)情況下，所述預(yù)期動(dòng)作是有助于所述單元達(dá)到預(yù)期目標(biāo)所要采取的最佳動(dòng)作。但是，個(gè)別環(huán)節(jié)(link)可能受到約束，例如，障礙物或者其他環(huán)節(jié)的故障。
在上述情況下，該方法可進(jìn)一步包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置約束因素，以及根據(jù)所述約束因素為至少一個(gè)單元設(shè)置約束動(dòng)作。所述約束動(dòng)作可替代所述預(yù)期動(dòng)作，或所述約束動(dòng)作和所述預(yù)期動(dòng)作可以進(jìn)行比較并尋求折衷。
換而言之，已被設(shè)置約束動(dòng)作的單元的操作動(dòng)作為所述約束動(dòng)作。
在設(shè)置所述約束動(dòng)作時(shí)，可僅利用單元的約束因素為所述單元設(shè)置所述約束動(dòng)作。
但是，在另一方式中，可利用與至少一個(gè)單元相關(guān)的約束因素為另一單元設(shè)置所述約束動(dòng)作。
該方法也可能被應(yīng)用于控制更為復(fù)雜的動(dòng)作，如機(jī)械手在限定路徑上的移動(dòng)，或機(jī)械手與移動(dòng)目標(biāo)的交叉。在上述情況下，該方法可進(jìn)一步包括設(shè)置用以達(dá)到所述預(yù)期目標(biāo)的多個(gè)中間結(jié)果步驟。
在存在多個(gè)中間結(jié)果的情況下，所述單元的預(yù)期動(dòng)作可以分別根據(jù)各個(gè)中間結(jié)果而設(shè)置。
所述方法步驟可以重復(fù)，以隨時(shí)間推移為每個(gè)單元設(shè)置多個(gè)預(yù)期動(dòng)作，從而根據(jù)多個(gè)中間結(jié)果設(shè)置所述預(yù)期動(dòng)作。
除應(yīng)用于復(fù)雜的動(dòng)作，該方法也可以應(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)。換而言之，在所述系統(tǒng)包括一系列子系統(tǒng)、其中每個(gè)子系統(tǒng)包括多個(gè)相互依賴的單元中的至少一個(gè)單元的情況下，該方法可進(jìn)一步包括如下步驟為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置所述中間結(jié)果，由此每個(gè)單元的所述預(yù)期動(dòng)作是根據(jù)與其相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的中間結(jié)果而設(shè)置的。
換而言之，每個(gè)子系統(tǒng)用作自包含(self-contained)系統(tǒng)，以中間結(jié)果為其直接目標(biāo)，其中所述中間結(jié)果與作為整體的系統(tǒng)的預(yù)期結(jié)果相協(xié)調(diào)。
應(yīng)該理解，所述結(jié)果可依賴于所述系統(tǒng)的空間關(guān)系，而且，所述結(jié)果也可為所述系統(tǒng)相對(duì)于預(yù)期位置的預(yù)定空間關(guān)系。
所述結(jié)果也可以是與時(shí)間相關(guān)的。
所述預(yù)期動(dòng)作包括調(diào)整所述單元的空間位置。在沒有約束因素的情況下，所述結(jié)果可能是決定預(yù)期位置的唯一因素。
所述調(diào)節(jié)可能通過移動(dòng)所述單元和/或伸張或收縮所述單元而實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第三技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種控制多個(gè)相互依賴的單元的方法，包括如下步驟為每個(gè)單元獨(dú)立獲得操作動(dòng)作，所述操作動(dòng)作響應(yīng)于起始信息而產(chǎn)生。
所述起始信息選自由預(yù)期結(jié)果、預(yù)期動(dòng)作、約束動(dòng)作和參考位置構(gòu)成的集合。
根據(jù)本發(fā)明的第四技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種控制多個(gè)相互依賴的單元的移動(dòng)以達(dá)到某一結(jié)果的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括控制器，所述控制器設(shè)置為實(shí)施根據(jù)本發(fā)明第一技術(shù)方案的控制方法。
根據(jù)本發(fā)明的第五技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序，所述程序被設(shè)置為當(dāng)被裝載在一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)上時(shí)，執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第一技術(shù)方案的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第六技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該介質(zhì)存儲(chǔ)有根據(jù)本發(fā)明第四技術(shù)方案的計(jì)算機(jī)程序。


以下僅以示例的方式，參照附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施例的特點(diǎn)，其中在附圖中圖1a和1b是依照本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械手的單一環(huán)節(jié)(link)的示意圖；圖2a是示出依照本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械手的示意圖，而圖2b是示出依照本發(fā)明另一實(shí)施例的機(jī)械手的示意圖；圖3a到圖3c是描述依照本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械手的模擬移動(dòng)的系列圖表；圖4a到圖4f是描述依照本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械手的每個(gè)環(huán)節(jié)致動(dòng)角度(其作為時(shí)間函數(shù))的系列圖表；圖5a到圖5h是描述依照本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械手的障礙物避開過程(其作為時(shí)間函數(shù))的系列圖表；圖6a是描述相對(duì)于依照本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械手基座的參考環(huán)節(jié)位置的圖表；圖6b是描述相對(duì)于依照本發(fā)明實(shí)施例機(jī)械手最終位置的誤差值的圖表；圖7a是描述機(jī)械手沿某一路徑移動(dòng)的圖表，圖7b，7c和7d是機(jī)械手與移動(dòng)目標(biāo)相交的示意圖；圖8a是描述當(dāng)各單元在物理上并非相互依賴時(shí)依照本發(fā)明實(shí)施例的方法的使用示意圖，而圖8b到圖8g是描述圖8a所示示例的MATLAB仿真的圖表，圖8h是描述圖8a所示方法的使用的另一示意圖；圖9a到圖9f是描述依照本發(fā)明實(shí)施例采用分散式控制方法的做“狗”行走動(dòng)作的多機(jī)械手系統(tǒng)的MATLAB仿真圖表；圖10a到圖10d是當(dāng)采用依照本發(fā)明實(shí)施例的分散式控制方法控制機(jī)械手環(huán)節(jié)的方位時(shí)的MATLAB仿真圖表；
圖11a到圖11f是當(dāng)采用依照本發(fā)明實(shí)施例的分散式控制方法控制分叉的機(jī)械手模塊時(shí)的MATLAB仿真圖表，該機(jī)械手模塊包括兩個(gè)臂和一個(gè)基座；以及圖12是描述集中式控制和分散式控制方法之間轉(zhuǎn)換的MATLAB仿真的圖表。
具體實(shí)施例方式
概述本發(fā)明公開一種控制方法，該方法使得多個(gè)相互依賴的單元協(xié)同但相互獨(dú)立地工作以達(dá)到一個(gè)預(yù)期結(jié)果。這通過采用一種分散式控制系統(tǒng)及方法來實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)單元利用起始信息設(shè)置并啟動(dòng)一個(gè)操作動(dòng)作，該起始信息可根據(jù)任意一個(gè)或多個(gè)預(yù)期結(jié)果以及約束因素而獲得。該操作動(dòng)作通常是旨在達(dá)到預(yù)期結(jié)果的預(yù)期動(dòng)作，但在約束因素存在的情況下可能是約束動(dòng)作。操作動(dòng)作一經(jīng)確定，該單元即啟動(dòng)該動(dòng)作。重復(fù)上述過程，在每次重復(fù)中更新操作動(dòng)作直至達(dá)到預(yù)期結(jié)果。該控制方法可應(yīng)用于多個(gè)不同領(lǐng)域。但是，一個(gè)最普通的應(yīng)用就是在機(jī)器人(尤其是機(jī)器人機(jī)械手)控制中的應(yīng)用。
在本說明書中，預(yù)期結(jié)果通常是基于位于空間中的預(yù)期固定位置的參考部分的位置。但是，應(yīng)該理解該預(yù)期位置可以因設(shè)置多個(gè)中間結(jié)果而隨著時(shí)間(即在過程重復(fù)期間)變化。因此，預(yù)期結(jié)果可以是沿直線或曲線的移動(dòng)。
在本說明書中，術(shù)語相互依賴是指組成部分無需有物理連接，但是以諸如空間相關(guān)之類的某種形式彼此約束。相互依賴系統(tǒng)的實(shí)例是機(jī)器人臂，在本領(lǐng)域中通常稱為“機(jī)械手”。
在應(yīng)用機(jī)械手的實(shí)例中，機(jī)械手的每個(gè)單元通常被稱為機(jī)械手模塊、機(jī)械手環(huán)節(jié)或機(jī)械手部分。
實(shí)例機(jī)械手模塊以下僅以示例方式描述一個(gè)合適的機(jī)械手模塊實(shí)例。參見圖1a和圖1b，圖1a和圖1b示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械手模塊100。機(jī)械手模塊100包括主體部分102，主體部分102可以容納(housing)接合結(jié)構(gòu)104，設(shè)置接合結(jié)構(gòu)104以使得該模塊可提供兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
該機(jī)械手模塊100還包括附加裝置106，該附加裝置106是板狀的基本平面結(jié)構(gòu)。這些板使得該模塊與另一個(gè)模塊(未顯示)相互連接。應(yīng)當(dāng)理解在某些實(shí)施例中，一些模塊可能與其它模塊整體成形，由此省略附加裝置的需求。
主體部分102還設(shè)置為用于接收致動(dòng)器108。致動(dòng)器108與接合結(jié)構(gòu)104相連以提供接合結(jié)構(gòu)104的相對(duì)移動(dòng)。
致動(dòng)器108包括發(fā)動(dòng)機(jī)110，發(fā)動(dòng)機(jī)110驅(qū)動(dòng)齒輪頭(未顯示)。該齒輪頭驅(qū)動(dòng)皮帶傳動(dòng)器112，皮帶傳動(dòng)器112進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠(ball screw)式的線性致動(dòng)器(未顯示)。該線性致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)張力傳動(dòng)器(tension drive)，在本實(shí)施例中，張力傳動(dòng)器包括纜繩(cable)。該纜繩連接接合結(jié)構(gòu)104的一端，另一端連接一個(gè)滑輪以便雙向控制該接合結(jié)構(gòu)。
換而言之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其將驅(qū)動(dòng)齒輪頭，齒輪頭進(jìn)而驅(qū)動(dòng)線性致動(dòng)器，致使纜繩傳動(dòng)器移動(dòng)，從而使接合結(jié)構(gòu)移動(dòng)角度θ。應(yīng)該理解可將相似的致動(dòng)器同時(shí)用于兩個(gè)弧形部分，從而為接合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)自由度提供驅(qū)動(dòng)控制。
如圖所示，該機(jī)械手模塊尺寸相對(duì)緊湊，而且完全自包含(亦即，所有的驅(qū)動(dòng)部分都包括在該機(jī)械手模塊中)，而且附加板(attachment plate)使得該機(jī)械手模塊可以輕易地連接到另一個(gè)模塊上。在另一實(shí)施例中，該機(jī)械手模塊可能被整體成形，從而接合結(jié)構(gòu)與該接合結(jié)構(gòu)兩端的一個(gè)或兩個(gè)組件整體成形。
機(jī)械手模塊可包括通信裝置，該通信裝置可采用電子接口的方式(即電子總線)，該電子接口將發(fā)動(dòng)機(jī)連接到控制裝置。該控制裝置在手動(dòng)控制機(jī)械手模塊的情況下可能是控制面板(例如操作桿)，在可編程機(jī)械手模塊的情況下可能是計(jì)算裝置(例如微控制器或電腦)。在其它實(shí)施例中，通信裝置和微控制器(或等效裝置)可被完全包含在每個(gè)模塊中，因此每個(gè)模塊可獨(dú)立于其它模塊而進(jìn)行操作。
機(jī)械手模塊也可包括適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，這些傳感器可能需要感知周圍環(huán)境，以避開障礙物或者提供關(guān)于外部條件的信息，例如溫度、濕度等。在一特定實(shí)施例中，該傳感器可為一個(gè)光學(xué)編碼器，該光學(xué)編碼器可用于測(cè)量障礙物的接近程度(proximity)。另一可能的傳感器可以是一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器可用于確定該機(jī)械手模塊是否已經(jīng)與一個(gè)外部對(duì)象發(fā)生接觸。
簡(jiǎn)單的多單元機(jī)械手參見圖2a和2b，圖2a和2b描述裝配后的機(jī)械手的示意圖。該機(jī)械手包括一系列相互依賴的單元，即環(huán)節(jié)或模塊200a到200e，每個(gè)環(huán)節(jié)均與下一環(huán)節(jié)相連并具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，即在任意“x”和“y”平面可旋轉(zhuǎn)。該機(jī)械手由一個(gè)分散式控制機(jī)構(gòu)控制，該機(jī)構(gòu)允許獨(dú)立控制多個(gè)相互依賴單元的每個(gè)環(huán)節(jié)。
機(jī)械手具有一個(gè)控制系統(tǒng)，設(shè)置該控制系統(tǒng)以使得該機(jī)械手的每個(gè)環(huán)節(jié)都具有單獨(dú)的嵌入式處理器，所述處理器響應(yīng)特定的輸入信息的提供，獨(dú)立控制特定環(huán)節(jié)的移動(dòng)，該輸入信息就是預(yù)期結(jié)果(即機(jī)械手的目標(biāo)移動(dòng)位置)以及參考位置(即參考環(huán)節(jié)的位置，詳見后述)。該輸入信息還可包括障礙物的存在信息(該信息由接近程度傳感器(proximity sensor)提供)。
應(yīng)該理解，盡管該特定實(shí)施例為每個(gè)環(huán)節(jié)配置單獨(dú)的處理器，但在多任務(wù)模式下，可采用中央處理器為每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的計(jì)算。換而言之，盡管一個(gè)處理器進(jìn)行所有的計(jì)算，但是對(duì)于每個(gè)環(huán)節(jié)而言所述計(jì)算是獨(dú)立和唯一的。
為每個(gè)環(huán)節(jié)提供關(guān)于參考位置的信息的方式可以是變化的。在以下所述的實(shí)例中，為每個(gè)環(huán)節(jié)提供關(guān)于相鄰環(huán)節(jié)相對(duì)于參考位置(即參考環(huán)節(jié)的位置)的位置信息。但是，該方式并非在環(huán)節(jié)之間傳遞所述信息的唯一方式。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)環(huán)節(jié)都可能具有傳感器，該傳感器為該環(huán)節(jié)提供關(guān)于參考位置的信息。因此，每個(gè)環(huán)節(jié)都可以獨(dú)立于其它環(huán)節(jié)而操作。但是，為簡(jiǎn)便起見，作為實(shí)現(xiàn)該實(shí)施例的成本有效選擇，此處描述的實(shí)施例依賴于從一個(gè)環(huán)節(jié)到下一環(huán)節(jié)傳遞的信息。
換而言之，雖然如圖2a和圖2b所示的實(shí)施例的物理布局在本質(zhì)上是連續(xù)的，所以信息分布也以連續(xù)的方式進(jìn)行，但是每個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)控制方法是獨(dú)立于其它環(huán)節(jié)的。可通過樹、網(wǎng)或平行結(jié)構(gòu)而達(dá)到該控制(亦即，信息從一個(gè)環(huán)節(jié)流向另一個(gè)環(huán)節(jié))。
在圖2a中，輸入每個(gè)環(huán)節(jié)中的信息未經(jīng)處理而從每個(gè)環(huán)節(jié)中輸出的信息可在傳遞給下一環(huán)節(jié)前經(jīng)過處理。但是，應(yīng)該理解，在其它實(shí)施例中，如圖2b公開的實(shí)施例中，輸入每個(gè)環(huán)節(jié)的信息和由每個(gè)環(huán)節(jié)輸出的信息皆可經(jīng)過某種適當(dāng)方式的處理。上述信息處理可能是有益的，因?yàn)樾畔⒌牟糠洲D(zhuǎn)換可優(yōu)選地最小化環(huán)節(jié)之間的信息傳遞。而且，通過減少各環(huán)節(jié)間的信息傳遞量，每個(gè)環(huán)節(jié)所接收到的數(shù)據(jù)量也必然相應(yīng)減少。這可以降低對(duì)于環(huán)節(jié)間寬數(shù)據(jù)總線的需求并加快反應(yīng)時(shí)間。
本實(shí)施例中，多個(gè)環(huán)節(jié)以連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)置，因此所述機(jī)械手特別適合收集以隨機(jī)方式排列的物體(例如，樹上或藤上的水果)。應(yīng)該理解，此處所述的方法并非局限于連續(xù)結(jié)構(gòu)，而可應(yīng)用于控制相互依賴單元的任何結(jié)構(gòu)。
該實(shí)施例的機(jī)械手以如下的方式操作。
由該機(jī)械手的參考環(huán)節(jié)識(shí)別預(yù)期結(jié)果(即預(yù)期位置)。該預(yù)期位置可通過任意合適的裝置(例如立體視覺模塊或類似裝置)確定，或者可由操作者設(shè)置或預(yù)編程在機(jī)械手中。預(yù)期位置nXd一經(jīng)確認(rèn)，該預(yù)期位置將被提供給每個(gè)環(huán)節(jié)，而且每個(gè)環(huán)節(jié)都將被編程，從而每個(gè)環(huán)節(jié)的首要目標(biāo)是將參考部分(在一個(gè)實(shí)施例中為機(jī)械手的末端環(huán)節(jié))定位于該預(yù)期位置。
將兩個(gè)本地輸入(信息)值i+1Xa、i+1Xd提供給每個(gè)模塊“i”，i+1Xa和i+1Xd分別代表相鄰環(huán)節(jié)(i+1)的實(shí)際位置和該相鄰環(huán)節(jié)(i+1)的預(yù)期位置。作為結(jié)果，i+1Xa和i+1Xd是初始參考位置和預(yù)期位置的轉(zhuǎn)換值。但是，應(yīng)該理解，每個(gè)環(huán)節(jié)可利用初始值并采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換方式為每個(gè)環(huán)節(jié)在其自身參考系內(nèi)獲得預(yù)期動(dòng)作。
利用上述輸入信息以及公式1和2(見下)，可確定每個(gè)環(huán)節(jié)的預(yù)期動(dòng)作，因此也可在特定環(huán)節(jié)的參考系中確定該環(huán)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。
xa‾=f2‾(xa‾,θxi+1,θyi+1,lii)i---(1)]]>xd‾=f3‾(xd‾,θxi+1,θyi+1,lii)i---(2)]]>每個(gè)環(huán)節(jié)的預(yù)期位置一經(jīng)確定，在其參考系中，每個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差可利用公式3和4(見下)計(jì)算得到。
x‾erri=f4‾(x‾ai,x‾di)---(3)]]>[θxi,θyi]errT=f5‾(x‾erri)---(4)]]>其中fj是一個(gè)適用于環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)及環(huán)節(jié)間相互連接關(guān)系的特定函數(shù)。在計(jì)算出每個(gè)環(huán)節(jié)的預(yù)期動(dòng)作之后，將為每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置一個(gè)操作動(dòng)作。換而言之，預(yù)期動(dòng)作被轉(zhuǎn)化為以適當(dāng)?shù)姆绞揭苿?dòng)環(huán)節(jié)的指令。然后，每個(gè)環(huán)節(jié)中的每個(gè)致動(dòng)器將依據(jù)該操作動(dòng)作操作以移動(dòng)該環(huán)節(jié)。該過程將隨輸入信息和操作動(dòng)作的更新而被重復(fù)執(zhí)行。該過程持續(xù)進(jìn)行直到計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差降低到零，從而表示已達(dá)到預(yù)期結(jié)果。
因此，通過使得機(jī)械手中的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)期局部動(dòng)作，并通過給每個(gè)環(huán)節(jié)提供關(guān)于預(yù)期結(jié)果和參考位置的信息來使得每個(gè)單一環(huán)節(jié)將該信息轉(zhuǎn)化為預(yù)期動(dòng)作，來操作該機(jī)械手，該預(yù)期動(dòng)作與預(yù)期結(jié)果協(xié)調(diào)一致并有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。這有利于使得每個(gè)環(huán)節(jié)獨(dú)立于其它環(huán)節(jié)做出局部決定，并仍有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。在存在一個(gè)或多個(gè)單個(gè)環(huán)節(jié)伴隨有一個(gè)障礙物或一系列無法預(yù)見的障礙物的情況下，或如果多個(gè)環(huán)節(jié)中的一個(gè)環(huán)節(jié)停止操作時(shí)，上述機(jī)械手的操作方式尤其有利。障礙物的存在和環(huán)節(jié)的停止操作都可以被建模為約束因素(即約束至少一個(gè)模塊的移動(dòng)的動(dòng)作)。約束因素一經(jīng)得知(例如，通過使用傳感器)，即可考慮該約束因素，并可在局部和全體范圍內(nèi)設(shè)置約束動(dòng)作?；蛘?，若一個(gè)單元停止操作，在未為該單元的故障設(shè)置約束因素的系統(tǒng)中其他單元可能忽略這種情況。其他單元可繼續(xù)操作，因?yàn)樗鼈兙?dú)立于其它單元各自設(shè)置其操作動(dòng)作。
換而言之，當(dāng)單個(gè)環(huán)節(jié)探測(cè)出或得知障礙物時(shí)，以將該機(jī)械手移動(dòng)到最終位置為主要目的，該環(huán)節(jié)可能調(diào)節(jié)其路徑及移動(dòng)以避開障礙物，同時(shí)調(diào)整約束動(dòng)作(即避開該障礙物)?；蛘撸鶕?jù)約束的類型，可進(jìn)行代替預(yù)期動(dòng)作的約束動(dòng)作。即當(dāng)約束因素存在的情況下，預(yù)期動(dòng)作并不自動(dòng)轉(zhuǎn)換為操作動(dòng)作，其中的操作可能為約束動(dòng)作或該預(yù)期動(dòng)作和該約束動(dòng)作的某種組合或平均。
在特定實(shí)施例中，每個(gè)環(huán)節(jié)也可能夠發(fā)送廣播信息給其他環(huán)節(jié)，從而使得所有環(huán)節(jié)預(yù)先得知障礙物，并幫助采取正確動(dòng)作以避開障礙物。換而言之，可利用一個(gè)單元的相關(guān)約束因素為其它單元設(shè)置約束動(dòng)作。這將提高該機(jī)械手的避免碰撞的能力。
此外，如果一個(gè)環(huán)節(jié)出故障或不可操作，相鄰的環(huán)節(jié)可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)其約束動(dòng)作以達(dá)到補(bǔ)償問題環(huán)節(jié)的目的。換而言之，該分散式控制方法提供了冗余機(jī)械手控制，所以一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)中的故障不一定導(dǎo)致機(jī)械手停止操作。由此推知，在無需對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行重新編程的情況下，額外的環(huán)節(jié)也可以被加到該機(jī)械手上。
換而言之，至少一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例可采用動(dòng)態(tài)可重新配置機(jī)械手。這在該機(jī)械手的長(zhǎng)度可能需要臨時(shí)改變的情況下(例如，在水果采摘應(yīng)用中，額外的環(huán)節(jié)可能被安裝到機(jī)械手上以補(bǔ)償環(huán)境因素的變化，如樹木生長(zhǎng)、樹葉增密等)尤其有利。
作為優(yōu)點(diǎn)，該機(jī)械手可以動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑，這在任務(wù)無需重復(fù)的應(yīng)用中很重要。
以下參照?qǐng)D3和圖4描述依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)實(shí)例。
利用MATLAB Simulink軟件程序進(jìn)行仿真，以論證此處所述該機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。該仿真中，每個(gè)環(huán)節(jié)都得知其各自的角度偏移、形態(tài)和從參考位置到預(yù)期結(jié)果位置的距離。
雖然其功能相互獨(dú)立且并行工作以達(dá)到該預(yù)期結(jié)果，但是所述環(huán)節(jié)在物理上串聯(lián)連接。仿真布局被設(shè)置為在該機(jī)械手中使信息沿從限定的參考環(huán)節(jié)通向基座環(huán)節(jié)的方向流動(dòng)。
環(huán)節(jié)的特性包括每個(gè)環(huán)節(jié)具有兩個(gè)自由度，使得每個(gè)環(huán)節(jié)可在球面上移動(dòng)。相鄰環(huán)節(jié)與單個(gè)環(huán)節(jié)上的嵌入式芯片之間的通信以與圖2a和圖2b所示的機(jī)械手同樣的方式進(jìn)行。
仿真中采用的機(jī)械手包括六個(gè)100單位長(zhǎng)的環(huán)節(jié)(“單位”為任意長(zhǎng)度測(cè)量單位)。在仿真中，保持預(yù)期結(jié)果(即參考部分環(huán)節(jié)的預(yù)期最終位置)相對(duì)于基座位置恒定。
以下將描述變化并控制機(jī)械手結(jié)構(gòu)以達(dá)到預(yù)期結(jié)果的兩個(gè)實(shí)例。請(qǐng)注意，經(jīng)過環(huán)節(jié)的重新配置之后，無需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行重新編程。
圖3a顯示了一個(gè)常規(guī)機(jī)械手的一個(gè)正常的成功移動(dòng)，該機(jī)械手被指令從初始狀態(tài)(-600，0，0)到設(shè)定在(300，300，350)的最終位置的移動(dòng)。
第一仿真證明了當(dāng)環(huán)節(jié)改變時(shí)機(jī)械手的動(dòng)態(tài)能力。距離基座的第三環(huán)節(jié)的初始長(zhǎng)度為100個(gè)單位，其被不同長(zhǎng)度的環(huán)節(jié)所替代，當(dāng)前長(zhǎng)度為300個(gè)單位。通過保持所有其他參數(shù)不變而且不通知其他環(huán)節(jié)該變化，該機(jī)械手被指令達(dá)到目標(biāo)最終位置(300，300，350)。圖3b描述了該機(jī)械手的最終移動(dòng)軌跡。如圖所示，該機(jī)械手可成功到達(dá)同樣的最終位置。
第二仿真模擬了一個(gè)環(huán)節(jié)在移動(dòng)中的故障。該機(jī)械手試圖到達(dá)一個(gè)指定的最終位置，但是在仿真過程中的某點(diǎn)，一個(gè)環(huán)節(jié)失效。圖3c顯示了當(dāng)向最終位置移動(dòng)時(shí)，該機(jī)械手避免故障的能力。在該示例中，與參考環(huán)節(jié)最接近的環(huán)節(jié)被導(dǎo)致花費(fèi)一些時(shí)間才進(jìn)入目標(biāo)搜尋程序。圖3c顯示了在再一次成功到達(dá)既定目標(biāo)位置的過程中該機(jī)械手的最終移動(dòng)軌跡。
如圖3a到圖3c所示，通過在每個(gè)環(huán)節(jié)中改變時(shí)間常量，不需要進(jìn)行機(jī)械手的移動(dòng)軌跡的優(yōu)化。
在到達(dá)最終位置的過程中使用冗余機(jī)械手的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該機(jī)械手避開障礙物的能力。參見圖4，該圖描述了六個(gè)環(huán)節(jié)12自由度的機(jī)械手在避開兩個(gè)障礙物的同時(shí)接近最終位置(150，0，500)。該機(jī)械手的起始狀態(tài)將參考環(huán)節(jié)置于如圖4a所示的(-450，0，386)。所用障礙物為坐標(biāo)為(-200，-300≤y≤300，300)和(0，-300≤y≤300，150)的兩個(gè)條狀物。
為了避開障礙物，當(dāng)一個(gè)障礙物進(jìn)入一個(gè)假想的以每個(gè)環(huán)節(jié)的軸為中心的半徑為50個(gè)單位的柱狀殼體時(shí)，每個(gè)環(huán)節(jié)的接近程度傳感器被激活。該環(huán)節(jié)可能提供一個(gè)致動(dòng)動(dòng)作(一個(gè)約束動(dòng)作)從而以最短的可能路徑(即通過離開該障礙物的方式)避開障礙物。在仿真中應(yīng)用于避開障礙物的函數(shù)是[θxi,θyi]errnewT=2·(q-0.5)·[θxi,θyi]errT---(5)]]>其中，當(dāng)接近程度傳感器空閑時(shí)，q＝1；當(dāng)接近程度傳感器激活時(shí)，q＝0。
在該仿真中，該機(jī)械手動(dòng)作的探索式優(yōu)化是通過改變每個(gè)環(huán)節(jié)的第一順序響應(yīng)的時(shí)間常量(即響應(yīng)速度)而實(shí)現(xiàn)的。為距離參考環(huán)節(jié)最近的環(huán)節(jié)設(shè)定最短的時(shí)間常量(或“最快”的響應(yīng)速度)，而其后的每個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間常量以因數(shù)(factor)2逐步增加。
圖3顯示了該分散式控制方法的重新配置能力，其中根據(jù)應(yīng)用要求可通過引入具有不規(guī)則特性的環(huán)節(jié)來改變機(jī)械手設(shè)計(jì)。所述環(huán)節(jié)包括自依賴(self-reliant)數(shù)據(jù)，用作機(jī)械手上的即插即用組件。該機(jī)械手的冗余特性還允許圖3c所示的容錯(cuò)。如果環(huán)節(jié)發(fā)生故障，剩下的環(huán)節(jié)分別調(diào)整適應(yīng)變化，以動(dòng)態(tài)地提供達(dá)到目標(biāo)的方式。機(jī)械手的路徑直觀看來對(duì)于各種情形都接近最佳，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以適應(yīng)系統(tǒng)變化。
圖4示出機(jī)械手成功避開兩個(gè)障礙物并到達(dá)既定目標(biāo)的移動(dòng)軌跡。如圖4a所示，該機(jī)械手從開始就面臨障礙物，而如圖4b到4g所示，該機(jī)械手中的每個(gè)環(huán)節(jié)都調(diào)整其相對(duì)于兩障礙物的位置以成功繞過所述障礙物，直到達(dá)到最終預(yù)期位置(圖4h)。
圖4所示的障礙物避開情形描述了該機(jī)械手如何避開障礙物而成功到達(dá)最終位置。應(yīng)該注意，該分散控制算法允許參考環(huán)節(jié)在避開障礙物時(shí)暫時(shí)離開最終位置。
機(jī)械手的連續(xù)布局還提供一種確定環(huán)繞障礙物的移動(dòng)的方法。在障礙物靠近機(jī)械手的基座的情況下，多個(gè)環(huán)節(jié)試圖通過環(huán)繞該障礙物定位而達(dá)到最終位置。但是，如果障礙物距離該機(jī)械手的基座相當(dāng)遠(yuǎn)，所述環(huán)節(jié)將通過縮回參考環(huán)節(jié)而不是環(huán)繞該障礙物，來驅(qū)動(dòng)該機(jī)械手越過該障礙物。
關(guān)于該機(jī)械手的時(shí)間常量的試驗(yàn)表明距離參考環(huán)節(jié)最近的環(huán)節(jié)相對(duì)于距離參考環(huán)節(jié)較遠(yuǎn)的環(huán)節(jié)響應(yīng)更為迅速的特性是有利的。該特性使得參考環(huán)節(jié)能夠在遠(yuǎn)離該參考環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)有受影響的機(jī)會(huì)之前傳輸?shù)阶罱K位置，以有利于產(chǎn)生該參考環(huán)節(jié)相對(duì)于最終位置的輕微移動(dòng)線。
圖5示出每個(gè)環(huán)節(jié)的單獨(dú)移動(dòng)，由圖5可見當(dāng)多個(gè)環(huán)節(jié)在避開障礙物時(shí)其預(yù)期移動(dòng)均受妨礙。環(huán)節(jié)4、5和6依次避開位于(-200，-300≤y≤300，300)處的障礙物是通過在各自的移動(dòng)軌跡上的非單調(diào)致動(dòng)速率來顯示的。這些過程是聯(lián)接的，例如環(huán)節(jié)4和環(huán)節(jié)5同時(shí)避開該障礙物。
類似地，環(huán)節(jié)2和環(huán)節(jié)3避開位于(0，-300≤y≤300，150)處的障礙物同樣采用了非單調(diào)致動(dòng)速率。
圖6示出了相對(duì)于基座和相對(duì)于最終位置的參考環(huán)節(jié)位置。雖然某些個(gè)別致動(dòng)移動(dòng)特性是明顯的，但是導(dǎo)出所需的各環(huán)節(jié)的移動(dòng)并不明顯。圖6b所示的參考環(huán)節(jié)誤差，用于驅(qū)動(dòng)所述環(huán)節(jié)，并顯示了顯著的非單調(diào)行為，該行為通常只在復(fù)雜的集中式控制系統(tǒng)中發(fā)生。這可通過分散移動(dòng)控制來容易地實(shí)現(xiàn)。
在第一不理想情況時(shí)，例如環(huán)節(jié)6角度回歸到接近其初始值時(shí)，可能出現(xiàn)如圖5所示的發(fā)動(dòng)機(jī)方向上的變化。參見圖4所示的整體移動(dòng)，該行為在尋找一條環(huán)繞障礙物而到達(dá)最終位置的平滑路徑時(shí)很有利。
因此，本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例提供了一種用于控制可重新配置的冗余機(jī)械手的系統(tǒng)和方法。
該系統(tǒng)和方法能夠容易地適應(yīng)系統(tǒng)可重新配置性，動(dòng)態(tài)地調(diào)整移動(dòng)以及利用整個(gè)機(jī)械手的靈活性。分散式控制方法的性能包括冗余控制、可重新配置模塊設(shè)計(jì)、容錯(cuò)移動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃以及實(shí)時(shí)避開障礙物的能力。
應(yīng)該理解，盡管此處描述的實(shí)施例以機(jī)械手以及該機(jī)械手向空間中的限定點(diǎn)的移動(dòng)為例，但是該分散式控制方法可應(yīng)用于任意包括多個(gè)相互依賴單元的系統(tǒng)。
沿限定路徑移動(dòng)，和/或與一移動(dòng)目標(biāo)交叉例如，預(yù)期結(jié)果無需局限于指向空間中的固定點(diǎn)的移動(dòng)?？臻g點(diǎn)可隨時(shí)間變化，允許沿限定路徑移動(dòng)或者允許該機(jī)械手與移動(dòng)目標(biāo)的路徑交叉。換而言之，該結(jié)果可能具有與時(shí)間相關(guān)的部分。
由于每個(gè)模塊中的運(yùn)算可以重復(fù)，控制方法保持不變，因此在每個(gè)重復(fù)過程中，預(yù)期結(jié)果可被修改，從而使機(jī)械手不斷向預(yù)期結(jié)果移動(dòng)。這可以有效地產(chǎn)生類似于機(jī)械臂沿限定路徑移動(dòng)或者跟蹤移動(dòng)物體的移動(dòng)。圖7a到圖7d給出上述移動(dòng)的實(shí)例。如圖所示，尤其如圖7a所示，可以在機(jī)械臂接近預(yù)期結(jié)果時(shí)僅改變?cè)擃A(yù)期結(jié)果，編程機(jī)械手以使其沿限定路徑移動(dòng)。在圖7a中，該機(jī)械手沿由公式(x，y)＝(-300+mt，400)定義的路徑移動(dòng)，其中mt在集合(0，600)內(nèi)。
更具體地，由單獨(dú)的ith模塊觀察該預(yù)期結(jié)果是點(diǎn)ixg。該點(diǎn)無需被局限為空間中的固定點(diǎn)。該點(diǎn)可為與時(shí)間相關(guān)的，以允許臨界點(diǎn)bxe沿與時(shí)間相關(guān)的預(yù)期結(jié)果軌跡移動(dòng)。這可通過在將該信息傳遞給下一模塊之前重新限定如最終模塊nxg所觀察到的預(yù)期結(jié)果來完成。這可由以下的公式(6)描述。
nxg(t)＝fgoal(nxg(t-1)，t) (6)由于每個(gè)模塊中利用該結(jié)果進(jìn)行的運(yùn)算是重復(fù)的，該控制方法保持不變。機(jī)械手的與時(shí)間相關(guān)的移動(dòng)中所含的另一能力是該機(jī)械手通過各路徑點(diǎn)(waypoint)的近似移動(dòng)。這將引入一個(gè)附加的參數(shù)，該參數(shù)確定了由最終模塊nxg觀察到的預(yù)期結(jié)果(參見公式7)。
nxg(t)＝fgoal(nxg(t-1)，t，r1(t-1)) (7)該附加參數(shù)r1引入了例如當(dāng)結(jié)果處于始于某臨界點(diǎn)的某一指定范圍時(shí)改變結(jié)果的機(jī)械手能力，該臨界點(diǎn)由公式8限定。
r1(t-1)=xn(t-1)g2+yn(t-1)g2+zn(t-1)g2---(8)]]>
下例中，臨界點(diǎn)bxe沿由公式9限定的與時(shí)間相關(guān)目標(biāo)的軌跡，其中t∈0，100；nxg(0)＝-300，nyg(0)＝400nxg(t)＝nxg(t-1)+6t (9)nyg(t)＝nyg(t-1)該機(jī)械手移動(dòng)中所含的另一能力是與移動(dòng)物體路徑的交叉。這重新限定了參數(shù)r1，該參數(shù)限定了由終端模塊nxg觀察到的預(yù)期結(jié)果(參見公式10)。
nxg(t)＝fgoal(nxg(t-1)，t，q)·r2(t-1)(10)參數(shù)r2引入了例如當(dāng)預(yù)期結(jié)果處于始于由公式11限定的臨界點(diǎn)的指定范圍q時(shí)機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的能力。
r2(t-1)=xn(t-1)g2+yn(t-1)g2+zn(t-1)g2≤q=1xn(t-1)g2+yn(t-1)g2+zn(t-1)g2>q=0---(11)]]>以下描述機(jī)械手捕捉作為預(yù)期結(jié)果的球的實(shí)例，其中范圍q＝200。調(diào)整基于質(zhì)心的平臺(tái)(斯圖爾特(Stewart)平臺(tái))的中心此外，單元間的關(guān)系無須局限于機(jī)械手的模塊間的物理連接。圖8a示出兩個(gè)機(jī)器人機(jī)械手交互作用而將非剛性物體的質(zhì)心定位于指定空間位置點(diǎn)的情況。每個(gè)機(jī)器人機(jī)械手可能被視為該系統(tǒng)(即斯圖爾特平臺(tái))的一個(gè)子系統(tǒng)。雖然預(yù)期結(jié)果現(xiàn)在以該物體的質(zhì)心為特征，但是控制方法仍保持不變，其中鏡頭當(dāng)前觀察到該物體的質(zhì)心位置和目標(biāo)位置，如前述將其在模塊間傳遞。圖8b到圖8g描述了這種裝置的變換(permutations)的仿真。
交互作用上例中兩個(gè)關(guān)聯(lián)的機(jī)械手的臨界點(diǎn)是梁的中點(diǎn)，該臨界點(diǎn)為(θa，xa) (12)該臨界點(diǎn)以每個(gè)機(jī)械手為導(dǎo)向，因此該臨界點(diǎn)向預(yù)期點(diǎn)移動(dòng)并定向(θd，xd) (13)如圖8h所示。每個(gè)子系統(tǒng)(亦即，每個(gè)機(jī)械手臂)繼續(xù)有一個(gè)預(yù)期結(jié)果(即質(zhì)心)，但是由于每個(gè)機(jī)械手臂獨(dú)立于其它機(jī)械手臂工作，每個(gè)機(jī)械手臂現(xiàn)在有個(gè)一個(gè)中間結(jié)果。
復(fù)雜多分支系統(tǒng)當(dāng)然，該方法也可以延伸到更復(fù)雜的移動(dòng)，例如模仿狗的行走。對(duì)角的交替雙腿被用于保持主體的方向同時(shí)驅(qū)使其以相似于前例的方式前進(jìn)。
同時(shí)，另一對(duì)角的交替雙腿使用其各自主體連接作為基座以抬起腳(最短的環(huán)節(jié)長(zhǎng)度)并使其向前移動(dòng)。這些移動(dòng)將被重復(fù)變換以產(chǎn)生行走移動(dòng)，如圖9a到圖9f所示。
在狗行走示例中，該控制方法被應(yīng)用于控制每條腿相對(duì)于其他腿的移動(dòng)，而且腿的每部分都與該腿的其他部分有關(guān)。換而言之，所述“單元”可被限定為與另一條腿相關(guān)的一條腿，并且在腿中的每個(gè)環(huán)節(jié)都分別與其它環(huán)節(jié)相關(guān)。所以，該控制方法可應(yīng)用于兩種不同的方式，以執(zhí)行兩個(gè)不同的任務(wù)。兩個(gè)任務(wù)同時(shí)發(fā)生但互不影響。換而言之，再一次強(qiáng)調(diào)，預(yù)期結(jié)果是使狗行走。該結(jié)果已經(jīng)被分解為很多中間結(jié)果，也就是每?jī)蓷l腿之間的相對(duì)移動(dòng)。通過利用一系列“嵌套”的結(jié)果，對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)(也就是說一條腿中的每個(gè)環(huán)節(jié)的移動(dòng)，以及作為一個(gè)整體的每條腿相對(duì)于其他各條腿的移動(dòng))，一個(gè)非常復(fù)雜的預(yù)期結(jié)果是可以達(dá)到的。
分叉(以及其他多臂)系統(tǒng)可應(yīng)用該方法的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例是具有一個(gè)共同基座的分叉(或n元組(n-tuple))機(jī)械手。
如圖11a到圖11f所示實(shí)例，設(shè)置三個(gè)相連的機(jī)械手，每個(gè)機(jī)械手包括三個(gè)環(huán)節(jié)并組裝成Y形。該分叉機(jī)械手可以視為“系統(tǒng)”，三個(gè)機(jī)械手中的每一個(gè)均形成子系統(tǒng)。
預(yù)期結(jié)果可以是將所述兩個(gè)機(jī)械手臂都放置于一個(gè)預(yù)期位置。這可被分為兩個(gè)終端受動(dòng)器(end effector)，所述兩個(gè)終端受動(dòng)器具有不同的中間結(jié)果。在實(shí)例中，左側(cè)終端受動(dòng)器希望移動(dòng)到點(diǎn)(-400，200)而右側(cè)的終端受動(dòng)器希望移動(dòng)到點(diǎn)(100，300)。
各上部分分別使用不變的控制方法以達(dá)到其相應(yīng)的目的nxg1和mxg2。
基座部分包括三個(gè)環(huán)節(jié)，并且也有與移動(dòng)所述兩個(gè)終端受動(dòng)器中的每一個(gè)到其各自位置的預(yù)期結(jié)果協(xié)調(diào)一致的中間結(jié)果。在確定第三環(huán)節(jié)的中間結(jié)果時(shí)基座部分使用源自兩個(gè)頂端部分的組合信息。換而言之，通過取各單獨(dú)的機(jī)械手臂的中間結(jié)果的“平均值”，該基座部分設(shè)計(jì)出其自身的中間結(jié)果，該中間結(jié)果允許兩個(gè)機(jī)械手臂達(dá)到他們的中間結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到作為整體的系統(tǒng)的預(yù)期結(jié)果(假設(shè)有如公式14和公式15所示的足夠長(zhǎng)度)。
x‾gi=x‾g1i+1+x‾g2i+12---(14)]]>x‾ei=x‾e1i+1+x‾e2i+12---(15)]]>所述基座部分的第一個(gè)和第二個(gè)環(huán)節(jié)使用如針對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械手實(shí)例所述的控制方法，從所需的相應(yīng)模塊中接收i+1xg和i+1xe。如圖11a到11f所示，Y形使每個(gè)機(jī)械手臂成功達(dá)到了中間結(jié)果，由此實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。該基座部分自我導(dǎo)向，以在達(dá)到預(yù)期結(jié)果中提高移動(dòng)的速度。
其他移動(dòng)類型應(yīng)該理解，同樣的技術(shù)可適用于其他類型的移動(dòng)，如轉(zhuǎn)動(dòng)。圖12a到圖12d所述的仿真證明了終端受動(dòng)器的方向控制(即終端受動(dòng)器可在何處轉(zhuǎn)動(dòng))。對(duì)平面機(jī)械手而言，通過將方向控制任務(wù)分配給機(jī)械手的終端環(huán)節(jié)，并使用公式16，可達(dá)到該仿真的效果Σi=1nθi=θd---(16)]]>其中，θ·n=f(Σi=1nθi,θd)---(17)]]>盡管本發(fā)明的實(shí)施例涉及到使用分散式控制方法，但是應(yīng)該理解，分散式控制方法也與傳統(tǒng)集中式控制方法相結(jié)合使用。在一些情況下，單獨(dú)使用分散式控制方法并不合適。例如，在當(dāng)搜尋一個(gè)目標(biāo)時(shí)利用機(jī)械手進(jìn)行環(huán)境的整體系統(tǒng)測(cè)繪(mapping)的情況下，采用混合的策略就很有益。
換而言之，在機(jī)械手測(cè)繪(即以系統(tǒng)的方式掃描一個(gè)具有限定邊界的區(qū)域)時(shí)使用集中式控制方法更合適。但是，機(jī)械手一旦收到關(guān)于預(yù)期結(jié)果的信息(即其探測(cè)到目標(biāo)并被指示向該目標(biāo)移動(dòng))，則分散式控制更為合適。
圖12示出分散式和集中式控制的混合，描述一種仿真，其中機(jī)械手環(huán)節(jié)開始被鎖定以僅提供兩個(gè)自由度(從而使系統(tǒng)無冗余)，并且還允許該系統(tǒng)容易在限定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的移動(dòng)。當(dāng)要求更為詳細(xì)的預(yù)期結(jié)果時(shí)，該機(jī)械手將轉(zhuǎn)換至分散式控制，解除對(duì)環(huán)節(jié)的鎖定而引入冗余(六個(gè)自由度)，以增加靈活性。
在一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)于每個(gè)環(huán)節(jié)的角度信息都被傳輸?shù)揭粋€(gè)中央處理器(CPU)。為集中控制該雙自由度系統(tǒng)，兩個(gè)固定環(huán)節(jié)通過公式18和公式19給出l1=x421+y421---(18)]]>其中1x4是在第一環(huán)節(jié)的參考系的基座中的第四環(huán)節(jié)的基座；以及l(fā)2=xe24+ye24---(19)]]>其中4xe是在第四環(huán)節(jié)的參考系的基座中的終端受動(dòng)器的位置。
變量θ2，θ3，θ5，θ6對(duì)于集中式控制模式都是固定的。兩個(gè)變量θ1，θ4由公式20控制θ·1θ·41=J‾-1·x·ey·e1---(20)]]>在給出的示例中，初始移動(dòng)僅集中于兩個(gè)自由度，使該機(jī)械手成為一個(gè)無冗余系統(tǒng)。移動(dòng)過程中，可能要求取消致動(dòng)器的限制，從而給該機(jī)械手的移動(dòng)引入冗余(六個(gè)自由度)以及靈活性。
當(dāng)引入冗余時(shí)，根據(jù)該實(shí)施例的分散式控制方法是更適合的，因?yàn)槠浣鉀Q了與冗余系統(tǒng)相關(guān)的問題。
應(yīng)該理解，上述機(jī)械手和機(jī)器人并不限定于任何特定的范圍。該方法對(duì)大型工業(yè)機(jī)械手和機(jī)器人以及用于專門應(yīng)用的小型機(jī)器人同等適用。例如，該方法可被用于采摘蔬菜的機(jī)器人，或者從室外或工廠地面定位并移除廢棄物的機(jī)器人。同樣，該方法也可以被用于一個(gè)智能外科儀器，該儀器可在患者身體里自驅(qū)動(dòng)以到達(dá)預(yù)先指定位置。
該方法尤其適用于精密工作，因?yàn)槠渚哂泻芏噙m合此類工作的特性。
上述特性包括探測(cè)陌生道路的能力、避開障礙物的能力，即使機(jī)械手的一部分發(fā)生故障也能繼續(xù)工作的能力、以及無需改變方法而為不同應(yīng)用而重新配置機(jī)械手的能力。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的所有修改和變化均被視為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)以達(dá)到某一結(jié)果的方法，包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置預(yù)期結(jié)果，以及針對(duì)所述結(jié)果為每個(gè)單元設(shè)置不依賴于其它單元的預(yù)期動(dòng)作的預(yù)期動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述系統(tǒng)的至少一個(gè)參考部分的相對(duì)于所述參考部分預(yù)期位置的當(dāng)前位置，設(shè)置所述單元的預(yù)期動(dòng)作。
3.一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)以達(dá)到某一結(jié)果的方法，包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置預(yù)期結(jié)果，以及針對(duì)所述結(jié)果為每個(gè)單元設(shè)置預(yù)期動(dòng)作，其中，根據(jù)所述系統(tǒng)的至少一個(gè)參考部分的相對(duì)于所述參考部分預(yù)期位置的當(dāng)前位置，設(shè)置所述單元的預(yù)期動(dòng)作。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述單元的預(yù)期動(dòng)作包括計(jì)算所述參考部分的當(dāng)前位置和所述參考部分的預(yù)期位置之間的差值，以及利用所述差值設(shè)置所述預(yù)期動(dòng)作。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟為每個(gè)單元設(shè)置操作動(dòng)作；以及指示每個(gè)單元啟動(dòng)其操作動(dòng)作。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟重復(fù)所述方法步驟以更新所述操作動(dòng)作。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，重復(fù)的速率在整個(gè)系統(tǒng)中保持一致。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，重復(fù)的速率在所述系統(tǒng)的多個(gè)單元之間存在變化。
9.如權(quán)利要求5-8中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，至少部分所述單元的操作動(dòng)作為預(yù)期動(dòng)作。
10.如權(quán)利要求5-9中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟為所述系統(tǒng)設(shè)置約束因素，以及根據(jù)所述約束因素為至少一個(gè)單元設(shè)置約束動(dòng)作。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，已被設(shè)置約束動(dòng)作的單元的操作動(dòng)作為所述約束動(dòng)作。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，僅利用單元的約束因素為該單元設(shè)置約束動(dòng)作。
13.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，利用與至少一個(gè)單元相關(guān)的約束因素為另一單元設(shè)置所述約束動(dòng)作。
14.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟設(shè)置用以達(dá)到預(yù)期結(jié)果的多個(gè)中間結(jié)果。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述單元的預(yù)期動(dòng)作分別根據(jù)各個(gè)中間結(jié)果而設(shè)置。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一系列子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包括所述多個(gè)相互依賴的單元中的至少一個(gè)單元，該方法還包括如下步驟為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置所述中間結(jié)果，由此每個(gè)單元的所述預(yù)期動(dòng)作根據(jù)與其相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的中間結(jié)果而設(shè)置。
17.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述方法步驟是可重復(fù)的，以隨時(shí)間推移為每個(gè)單元設(shè)置多個(gè)預(yù)期動(dòng)作，并根據(jù)所述多個(gè)中間結(jié)果設(shè)置所述預(yù)期動(dòng)作。
18.如上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述結(jié)果依賴于所述系統(tǒng)的空間關(guān)系。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述結(jié)果是所述系統(tǒng)相對(duì)于預(yù)期位置的預(yù)定空間關(guān)系。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述結(jié)果也是與時(shí)間相關(guān)的。
21.如權(quán)利要求18-20中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述預(yù)期動(dòng)作包括調(diào)整所述單元的空間位置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整是通過移動(dòng)所述單元和/或伸張或收縮所述單元而實(shí)現(xiàn)。
23.如當(dāng)引用權(quán)利要求2或3時(shí)權(quán)利要求18-22中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述結(jié)果決定所述預(yù)期位置。
24.一種控制多個(gè)相互依賴的單元的方法，包括如下步驟為每個(gè)單元獨(dú)立獲得操作動(dòng)作，所述操作動(dòng)作響應(yīng)于起始信息而產(chǎn)生。
25.如權(quán)利要求24所述的控制多個(gè)相互依賴的單元的方法，其特征在于，所述起始信息是選自由預(yù)期結(jié)果、預(yù)期動(dòng)作、約束動(dòng)作和參考位置構(gòu)成的集合。
26.一種可控制多個(gè)相互依賴的單元移動(dòng)以達(dá)到某一結(jié)果的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括控制器，其用以實(shí)施如權(quán)利要求1-23中任一權(quán)利要求所述的控制方法。
27.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，關(guān)于存在約束因素的信息是由傳感器收集的。
28.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述移動(dòng)是由致動(dòng)裝置執(zhí)行的。
29.如權(quán)利要求24-26中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)相互依賴的單元均為機(jī)器人的組成部分。
30.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)組成部分均為機(jī)器人機(jī)械手中的模塊。
31.如權(quán)利要求24-28中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制裝置，其能夠?qū)⑺鱿到y(tǒng)的控制方法轉(zhuǎn)換為集中式控制方法。
32.一種計(jì)算機(jī)程序，其設(shè)置為當(dāng)裝載在計(jì)算系統(tǒng)上時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求1所述的方法。
33.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其存儲(chǔ)有如權(quán)利要求30所述的計(jì)算機(jī)程序。
34.一種計(jì)算機(jī)程序，其設(shè)置為當(dāng)裝載在計(jì)算系統(tǒng)上時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求3所述的方法。
35.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其存儲(chǔ)有如權(quán)利要求34所述的計(jì)算機(jī)程序。
36.一種系統(tǒng)，包括多個(gè)單元，所述單元相互依賴并能夠彼此相對(duì)移動(dòng)，至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠移動(dòng)所述單元，以及控制系統(tǒng)，其能夠向至少一個(gè)致動(dòng)器發(fā)送用以移動(dòng)所述單元的指令，其中所述控制器使用如權(quán)利要求1-23中任一權(quán)利要求所述的控制方法。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述單元以預(yù)定的空間關(guān)系相互依賴。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述單元是相互連接的。
39.如權(quán)利要求36-38中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括多個(gè)控制器，所述控制器分別位于相應(yīng)的單元中，每個(gè)控制器能夠向所述至少一個(gè)致動(dòng)器發(fā)送用以移動(dòng)與其相關(guān)聯(lián)的單元的指令，其中所述控制器使用如權(quán)利要求1-23中任一權(quán)利要求所述的方法。
40.如權(quán)利要求36-39中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)單元均為機(jī)器人的組成部分。
41.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)組成部分均為機(jī)器人機(jī)械手中的模塊。
42.一種系統(tǒng)，包括多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包括多個(gè)單元，所述單元相互依賴并能夠彼此相對(duì)移動(dòng)；至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠移動(dòng)每個(gè)子系統(tǒng)中的所述單元；以及控制系統(tǒng)，其能夠使用如權(quán)利要求1-23中任一權(quán)利要求所述的方法，向所述至少一個(gè)致動(dòng)器發(fā)送指令。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于，為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置用以達(dá)到預(yù)期結(jié)果的中間結(jié)果，其中所述控制系統(tǒng)通過調(diào)整每個(gè)子系統(tǒng)的中間結(jié)果來調(diào)整所述子系統(tǒng)的移動(dòng)。
全文摘要
一種控制由多個(gè)相互依賴的單元構(gòu)成的系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)由多個(gè)相互依賴的單元(200A)－(200E)構(gòu)成，通過為每個(gè)單元設(shè)置與結(jié)果相關(guān)的預(yù)期動(dòng)作，控制該系統(tǒng)而達(dá)到該結(jié)果，其中每個(gè)單元的預(yù)期動(dòng)作不依賴于其它單元的預(yù)期動(dòng)作。該控制方法尤其適合應(yīng)用于機(jī)器人機(jī)械手。
文檔編號(hào)B25J9/08GK1886236SQ200480035562
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者蒂莫西·拉姆福德·維托, 理查德·阿德里安·維爾格斯 申請(qǐng)人:新南創(chuàng)新有限公司