專利名稱：分級(jí)的機(jī)器人控制系統(tǒng)和用多個(gè)操縱器對(duì)選擇的物體自由度進(jìn)行控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制具有多個(gè)關(guān)節(jié)和多自由度的一個(gè)或多個(gè)類人機(jī)器人的系統(tǒng) 和方法。
背景技術(shù)：
機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)相 互連接的聯(lián)接物來(lái)操縱物體的自動(dòng)裝置。典型機(jī)器人中的每個(gè)關(guān)節(jié)都代表至少一個(gè)獨(dú)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(wù)，例如，抓握工作 工具或其他物體。因此，可通過(guò)任務(wù)說(shuō)明的等級(jí)來(lái)組織機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)控制物體級(jí)控制 (其描述了機(jī)器人在單次或協(xié)同抓握中對(duì)被抓握或保持的物體的行為進(jìn)行控制的能力)、 末端執(zhí)行器控制和關(guān)節(jié)級(jí)控制。各種控制級(jí)共同實(shí)現(xiàn)了所要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性、靈活性和 與工作任務(wù)相關(guān)的功能性。類人機(jī)器人是一種特定類型的機(jī)器人，其無(wú)論整個(gè)身體、軀干和/或四肢都具有 近似于人的結(jié)構(gòu)或外觀，類人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性很大程度上取決于所要執(zhí)行的工作任務(wù) 的性質(zhì)。在需要與為人類使用而特制的設(shè)備或系統(tǒng)直接相互作用的情況下，可優(yōu)選使用類 人機(jī)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(jī)器人，因?yàn)榭梢詫?duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 編程以便接近人的運(yùn)動(dòng)，使得協(xié)同操作的人類伙伴能理解任務(wù)隊(duì)列。由于期待由類人機(jī)器人完成的工作任務(wù)范圍很廣，所以可能同時(shí)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(duì)給定的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和/或 各種抓握類型所應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩或力的控制上，都必須應(yīng)用精確控制。在組裝工作線中部署類 人機(jī)器人需要能夠與未組織的環(huán)境互動(dòng)并且能夠?qū)嵤┒鄻踊膽?yīng)用的能力。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本文提供了一種機(jī)器人控制系統(tǒng)和方法，用于通過(guò)下面將進(jìn)行描述的控制 框架來(lái)控制一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人的復(fù)雜控制，例如對(duì)具有多個(gè)DOF (諸如在一個(gè)具 體實(shí)施例中超過(guò)42個(gè)D0F)的類人機(jī)器人的控制，可針對(duì)多個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的和可相互依賴 運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)以及物體末端執(zhí)行器或操縱器來(lái)提供，或者關(guān)于同時(shí)對(duì)物體應(yīng)用了協(xié)同 抓握的多于一個(gè)的機(jī)器人的操縱器來(lái)提供。本文公開的框架基于多優(yōu)先級(jí)任務(wù)，從而實(shí)質(zhì)上是分級(jí)的。主要任務(wù)限定在控制的物體級(jí)，例如，使用“閉鏈(closed chain)" Jacobian 變換和/或“閉鏈”抓握矩陣，下面會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明。這提供了這樣的任務(wù)，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(gè)獨(dú)立的機(jī)器人操縱器(例如手、多個(gè)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(jí)任務(wù)可限定在控制的關(guān)節(jié)級(jí)，即，在關(guān) 節(jié)空間中。這種多優(yōu)先級(jí)的控制框架提供了用于協(xié)同組裝應(yīng)用的極大的功能性，特別是使 用了本文所描述類型的高復(fù)雜度類人機(jī)器人時(shí)。 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，控制器在多種機(jī)器人抓握類型期間提供了內(nèi)力的自動(dòng)參數(shù) 化。作為示例，這種抓握類型可包括對(duì)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(xué)的方式詳細(xì)描述。 具體地，本文提供一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括控制器和一個(gè)或多個(gè)操縱器，該一個(gè)或 多個(gè)操縱器可以是單個(gè)機(jī)器人的也可是多個(gè)機(jī)器人的，并且共同適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間 使用多種抓握類型中的一種來(lái)抓握物體。控制器電連接至(一個(gè)或多個(gè))機(jī)器人，并且在 主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制(一個(gè)或多個(gè))操縱器?？刂破黜憫?yīng)于 輸入信號(hào)自動(dòng)地將機(jī)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(wù)被限 定于物體級(jí)控制，例如，在一個(gè)實(shí)施例中使用閉鏈運(yùn)動(dòng)變換的方式來(lái)實(shí)施。還提供了一種用于上述機(jī)器人系統(tǒng)的控制器?？刂破靼娺B接至(一個(gè)或多 個(gè))機(jī)器人的主機(jī)和由主機(jī)執(zhí)行的算法。當(dāng)被執(zhí)行時(shí)，該算法適于使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié) 構(gòu)來(lái)控制多個(gè)操縱器。算法的執(zhí)行自動(dòng)地將機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便用于(一個(gè)或 多個(gè))機(jī)器人的多種抓握類型中的每一種。一種用于控制上述機(jī)器人系統(tǒng)的方法，包括通過(guò)主機(jī)接收輸入信號(hào)，并使用主機(jī) 通過(guò)多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)處理輸入信號(hào)，從而在主要任務(wù)執(zhí)行期間控制多個(gè)操縱器。處理 輸入信號(hào)包括將主要任務(wù)限定在控制的物體級(jí)，以及響應(yīng)于該輸入信號(hào)自動(dòng)地將機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，包括具有多個(gè)操縱器的機(jī)器人，所述多個(gè)操縱器共同適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多 種抓握類型中的一種來(lái)抓握物體；和電連接至所述機(jī)器人的控制器，所述控制器適于在所述主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多 任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制所述多個(gè)操縱器；其中，所述控制器響應(yīng)于輸入信號(hào)自動(dòng)地將所述機(jī)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(wù)被限定在控制的物體級(jí)，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(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人是至少具有42個(gè)自由度的 類人機(jī)器人。方案3.如方案1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述主要任務(wù)在所述控制的物體級(jí)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(gè)。方案4.如方案1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)利用了在所 述控制的物體級(jí)的零空間中操作的阻抗關(guān)系。
方案5.如方案1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述控制器適于在所述機(jī)器人的協(xié)同 抓握中使用所述多個(gè)操縱器中的至少一些來(lái)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(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述控制器還適于在所述控制的物體 級(jí)執(zhí)行所述零空間中的次級(jí)任務(wù)，所述零空間包括所述物體的至少一個(gè)自由的自由度。方案7. —種用于機(jī)器人系統(tǒng)的控制器，所述機(jī)器人系統(tǒng)包括至少一個(gè)機(jī)器人，每 個(gè)機(jī)器人均具有適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間抓握物體的至少一個(gè)操縱器，所述控制器包括電連接至所述至少一個(gè)機(jī)器人的主機(jī)；和能夠由所述主機(jī)執(zhí)行的算法，所述算法適于使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制所述 至少一個(gè)機(jī)器人的所述至少一個(gè)操縱器；其中，所述算法的執(zhí)行響應(yīng)于輸入信號(hào)自動(dòng)地將所述機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化， 以便用于所述至少一個(gè)機(jī)器人的多種抓握類型中的每一種，所述主要任務(wù)被限定在物體 級(jí)，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(gè)機(jī)器人包括具有至少42個(gè)自 由度的類人機(jī)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(gè)機(jī)器人的 協(xié)同抓握中使用所述多個(gè)操縱器中的至少一些來(lái)僅控制所述物體所有自由度的子組，同時(shí) 在所述控制的物體級(jí)執(zhí)行所述零空間中的次級(jí)任務(wù)，所述零空間包括所述物體的至少一個(gè)
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(wù)在所述控制的物體級(jí)的限定 使用“閉鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個(gè)。方案11. 一種用于控制機(jī)器人系統(tǒng)的方法，所述機(jī)器人系統(tǒng)具有包含多個(gè)操縱器 的機(jī)器人和電連接至所述機(jī)器人的控制器，所述多個(gè)操縱器共同適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間 使用多種抓握類型中的一種來(lái)抓握物體，所述控制器適于在所述主要任務(wù)的執(zhí)行期間控制 所述多個(gè)操縱器，所述方法包括經(jīng)由所述控制器的主機(jī)接收輸入信號(hào)；使用所述主機(jī)并經(jīng)由多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)處理所述輸入信號(hào)，從而在所述主要任 務(wù)執(zhí)行期間控制所述多個(gè)操縱器；其中，處理所述輸入信號(hào)包括將所述主要任務(wù)限定在所述控制的物體級(jí)；和響應(yīng)于所述輸入信號(hào)自動(dòng)將所述機(jī)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(wù)包括使用“閉 鏈” Jacobian變換和“閉鏈”抓握矩陣中的至少一個(gè)。方案14.如方案11所述的方法，其中，所述零空間包括所述機(jī)器人在所述控制的 物體級(jí)的多個(gè)未被指定的自由度。通過(guò)下面對(duì)實(shí)施本發(fā)明的最優(yōu)模式的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述特征和 優(yōu)點(diǎn)以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得相當(dāng)明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有機(jī)器人的機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖，通過(guò)使用分級(jí)的、多任 務(wù)控制框架，該機(jī)器人是可控制的；和圖2是與可被諸如圖1所示類型的機(jī)器人抓握的物體相關(guān)的多個(gè)力和坐標(biāo)的示意 圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，在所有幾幅附圖中，相似的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部件，從圖1開 始，示出了一種機(jī)器人系統(tǒng)11，機(jī)器人系統(tǒng)11具有例如靈巧的類人機(jī)器人這樣的機(jī)器人 10，機(jī)器人10是通過(guò)控制系統(tǒng)或控制器(C)22可控的。雖然僅示出了一個(gè)機(jī)器人10，但系 統(tǒng)11可如下面將描述的那樣包括多于一個(gè)的機(jī)器人?？刂破?2電連接至機(jī)器人10，并且 適于如下所述那樣使用適于執(zhí)行多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)的(一個(gè)或多個(gè))算法100來(lái)控制機(jī) 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(jí)結(jié)構(gòu)中，阻抗(impedance)關(guān) 系在某些實(shí)施例中可操作在位于控制的物體級(jí)的零空間中，但是該分級(jí)結(jié)構(gòu)并不限于阻抗 控制。響應(yīng)于輸入到控制器22的輸入信號(hào)(箭頭和/或由控制器產(chǎn)生或來(lái)自控制器外 部的信號(hào)，控制器22使系統(tǒng)11的內(nèi)力自動(dòng)參數(shù)化，以便用于機(jī)器人10的多抓握類型。在 一個(gè)實(shí)施例中，同樣如下所述，閉鏈Jacobian運(yùn)動(dòng)變換或任務(wù)定義可用于將機(jī)器人10的主 要任務(wù)限定在控制的物體級(jí)。機(jī)器人10適于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)具有多自由度(DOF)的自動(dòng)化任務(wù)，并且適于執(zhí)行 其他交互任務(wù)或控制其它集成系統(tǒng)部件，例如，夾緊裝置、照明設(shè)備、繼電器等。根據(jù)一個(gè)實(shí) 施例，機(jī)器人10設(shè)置為所示的類人機(jī)器人，在一個(gè)實(shí)施例中其可能具有超過(guò)42個(gè)D0F。機(jī) 器人10具有多個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并且可相互依賴運(yùn)動(dòng)的操縱器，例如，手18、手指19、拇指21 等，并且還包括多個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)可包括但是不必限于，肩關(guān)節(jié)(其位置大體上由箭頭 A指示)、肘關(guān)節(jié)(箭頭B)、腕關(guān)節(jié)(箭頭C)、頸關(guān)節(jié)(箭頭D)和腰關(guān)節(jié)(箭頭E)，以及位 于每個(gè)機(jī)器人手指指骨之間的指關(guān)節(jié)(箭頭F)。每個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)可具有一個(gè)或多個(gè)D0F。例如，某些柔順關(guān)節(jié)(例如，肩關(guān)節(jié)(箭 頭A)和肘關(guān)節(jié)(箭頭B))可具有至少兩個(gè)俯仰和滾轉(zhuǎn)形式的D0F。相同地，頸關(guān)節(jié)(箭頭 D)可具有至少三個(gè)D0F，并且腰部和腕部(分別為箭頭E和C)可具有一個(gè)或多個(gè)D0F。如 上所述，基于任務(wù)的復(fù)雜性，機(jī)器人10可以以超過(guò)42個(gè)DOF進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。每個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)可 包含一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器并且可由該一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，這些致動(dòng)器例如是關(guān)節(jié)電 動(dòng)機(jī)、線性致動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器等等。機(jī)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(guān)節(jié)被置于這些部件內(nèi)或置于這 些部件之間。根據(jù)機(jī)器人的特定應(yīng)用或期望用途，機(jī)器人10還可包括適于任務(wù)的固定裝置 或底座(未示出)，諸如腿、支撐面(tread)、或另一種可運(yùn)動(dòng)或固定的底座。電源13可一體 地安裝到機(jī)器人10以向各種關(guān)節(jié)提供充足的電能用于其運(yùn)動(dòng)，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(guò)栓系電纜(tethering cable)來(lái)遠(yuǎn)程地附接。控制器22提供對(duì)機(jī)器人10的精確運(yùn)動(dòng)控制，包括對(duì)通過(guò)上述操縱器操作物體20所需要的精細(xì)運(yùn)動(dòng)和粗略運(yùn)動(dòng)的控制。也就是說(shuō)，物體20可被一個(gè)或多個(gè)手18的手指19 和拇指21抓握?？刂破?2能夠以與其它關(guān)節(jié)和系統(tǒng)部件隔離的方式對(duì)每個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)和 其它集成的系統(tǒng)部件獨(dú)立地進(jìn)行控制，還能相互依賴地控制數(shù)個(gè)關(guān)節(jié)以在執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的 工作任務(wù)時(shí)全面協(xié)調(diào)多個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。仍然參照?qǐng)D1，控制器22可包括多個(gè)數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理裝置，每個(gè)數(shù)字計(jì)算 機(jī)或數(shù)據(jù)處理裝置都具有一個(gè)或多個(gè)微處理器或中央處理單元(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、 隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)，電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、高速時(shí)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(hào)調(diào)整和 緩沖電子設(shè)備。由此，駐存在控制器22內(nèi)的或可易于訪問(wèn)的單獨(dú)控制算法可存儲(chǔ)在ROM中 并自動(dòng)地在一個(gè)或多個(gè)不同的控制級(jí)上被執(zhí)行，以提供相應(yīng)的控制功能?？刂破?2可包括服務(wù)器或主機(jī)17，服務(wù)器或主機(jī)17構(gòu)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(jī)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(gòu)造為通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，其一般包括微處理器或中央處理單元、只讀 存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、高速時(shí)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(hào) 調(diào)整和緩沖電路。由此，駐存在控制器22中的或可訪問(wèn)的任何算法(包括如下所述的用于 執(zhí)行分級(jí)的、基于阻抗的控制框架的算法100在內(nèi))可存儲(chǔ)在ROM中并被執(zhí)行以提供相應(yīng) 的功能?？刂破?2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(wèn)。 GUI 24能夠向操作者或程序員提供范圍廣泛的主要和次級(jí)工作任務(wù)的控制訪問(wèn)，S卩，能夠 對(duì)機(jī)器人10的物體級(jí)、末端執(zhí)行器級(jí)和/或關(guān)節(jié)空間級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 的能力。GUI 24可以是簡(jiǎn)化且直觀的，允許使用者利用簡(jiǎn)單圖形或圖標(biāo)驅(qū)動(dòng)的輸入，從而通 過(guò)輸入輸入信號(hào)(箭頭ie)來(lái)控制機(jī)器人10，例如，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)前述的操縱器施加到物 體20上的期望力或轉(zhuǎn)矩，或者機(jī)器人的期望動(dòng)作。為了利用機(jī)器人10或多個(gè)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行多種操作任務(wù)，需要對(duì)(一個(gè)或多個(gè))機(jī) 器人進(jìn)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(jí)控制、末端執(zhí)行器的笛卡爾空間控制(即，在XYZ笛卡爾坐標(biāo)空間內(nèi)的控制)、和關(guān) 節(jié)空間操縱器控制，以及對(duì)多個(gè)控制任務(wù)的分級(jí)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(gè)實(shí)施例中還提供了操作在物體20的零空間中的次級(jí)關(guān)節(jié)空 間阻抗關(guān)系，正如下面數(shù)學(xué)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(dòng)力學(xué)行為特性，該 物體僅受到機(jī)器人10的作用，或者由抓握相同的物體的兩個(gè)或多個(gè)機(jī)器人作用。本節(jié)采用 本文下面將要描述的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)給出了閉環(huán)動(dòng)力學(xué)。期望的閉環(huán)行為可由下面阻抗關(guān)系限 定，即，方程式(1)
權(quán)利要求
一種機(jī)器人系統(tǒng)，包括具有多個(gè)操縱器的機(jī)器人，所述多個(gè)操縱器共同適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多種抓握類型中的一種來(lái)抓握物體；和電連接至所述機(jī)器人的控制器，所述控制器適于在所述主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制所述多個(gè)操縱器；其中，所述控制器響應(yīng)于輸入信號(hào)自動(dòng)地將所述機(jī)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(wù)被限定在控制的物體級(jí)，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(quán)利要求1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器人是至少具有42個(gè)自由度的類人 機(jī)器人。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述主要任務(wù)在所述控制的物體級(jí)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(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)利用了在所述控 制的物體級(jí)的零空間中操作的阻抗關(guān)系。
5.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述控制器適于在所述機(jī)器人的協(xié)同抓握 中使用所述多個(gè)操縱器中的至少一些來(lái)僅控制所述物體所有可用自由度的子組。
6.如權(quán)利要求5所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述控制器還適于在所述控制的物體級(jí)執(zhí) 行所述零空間中的次級(jí)任務(wù)，所述零空間包括所述物體的至少一個(gè)自由的自由度。
7.一種用于機(jī)器人系統(tǒng)的控制器，所述機(jī)器人系統(tǒng)包括至少一個(gè)機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人 均具有適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間抓握物體的至少一個(gè)操縱器，所述控制器包括電連接至所述至少一個(gè)機(jī)器人的主機(jī)；和能夠由所述主機(jī)執(zhí)行的算法，所述算法適于使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制所述至少 一個(gè)機(jī)器人的所述至少一個(gè)操縱器；其中，所述算法的執(zhí)行響應(yīng)于輸入信號(hào)自動(dòng)地將所述機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)力參數(shù)化，以便 用于所述至少一個(gè)機(jī)器人的多種抓握類型中的每一種，所述主要任務(wù)被限定在物體級(jí)，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(quán)利要求7所述的控制器，其中，所述至少一個(gè)機(jī)器人包括具有至少42個(gè)自由度 的類人機(jī)器人。
9.如權(quán)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(gè)機(jī)器人的協(xié)同 抓握中使用所述多個(gè)操縱器中的至少一些來(lái)僅控制所述物體所有自由度的子組，同時(shí)在所 述控制的物體級(jí)執(zhí)行所述零空間中的次級(jí)任務(wù)，所述零空間包括所述物體的至少一個(gè)自由 的自由度。
10.一種用于控制機(jī)器人系統(tǒng)的方法，所述機(jī)器人系統(tǒng)具有包含多個(gè)操縱器的機(jī)器人 和電連接至所述機(jī)器人的控制器，所述多個(gè)操縱器共同適于在主要任務(wù)執(zhí)行期間使用多種 抓握類型中的一種來(lái)抓握物體，所述控制器適于在所述主要任務(wù)的執(zhí)行期間控制所述多個(gè) 操縱器，所述方法包括經(jīng)由所述控制器的主機(jī)接收輸入信號(hào)；使用所述主機(jī)并經(jīng)由多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)處理所述輸入信號(hào)，從而在所述主要任務(wù)執(zhí) 行期間控制所述多個(gè)操縱器；其中，處理所述輸入信號(hào)包括將所述主要任務(wù)限定在所述控制的物體級(jí)；和響應(yīng)于所述輸入信號(hào)自動(dòng)將所述機(jī)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(jí)機(jī)器人控制系統(tǒng)和用多個(gè)操縱器對(duì)選擇物體自由度進(jìn)行控制的方法。具體地，提供了一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括控制器和具有操縱器的機(jī)器人，操縱器在主要任務(wù)期間使用多種抓握類型中的一種來(lái)抓握物體。控制器在主要任務(wù)期間使用多任務(wù)控制分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制操縱器，并且響應(yīng)于輸入信號(hào)自動(dòng)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(wù)限定在控制的物體級(jí)，使得僅指定物體的選定自由度。用于機(jī)器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有主機(jī)和使用上述分級(jí)結(jié)構(gòu)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(jī)接收并處理輸入信號(hào)，包括例如使用閉鏈限定將主要任務(wù)限定在控制的物體級(jí)，并將用于每種抓握類型的內(nèi)力參數(shù)化。
文檔編號(hào)B25J13/00GK101947787SQ20101017022
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者C·W·萬(wàn)普勒二世, M·E·阿布達(dá)拉, R·J·小普拉特 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司;美國(guó)宇航局