用于进行机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法。本发明专利技术包括记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕(

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于进行机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法
本专利技术涉及一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法，其中m＝1、2、……M。进一步地，本专利技术涉及一种具有数据处理装置的计算机系统，一种数字存储介质，一种计算机程序产品和一种计算机程序。
技术介绍
已知的是，机器人机械手在处理可重复速度和精度的任务上的表现可超越人类。但是，就力和顺从性(compliancy)的灵敏度运用而言，对于实际应用中首先变得显而易见的、需要灵敏地进行物体的操纵或组装的任务，人类仍然优于机器人机械手。后者需要接触力和移动顺序的复杂配合。本文中已知机器人机械手的“阻抗控制”。机器人机械手阻抗控制的概念旨在通过机器人机械手的主动控制，例如基于外部动画(animated)质量弹簧阻尼器模型模仿人类行为。通常，机器人机械手的预期顺从性可通过主动控制，通过向机器人机械手插入顺从部件或两者的组合而产生。此外，已知不能仅仅借助解耦弹性关节(Fischer、Schreiber、Schoeppe&Hirzinger，2004)产生任意笛卡尔(Cartesian)顺从性，机器人机械手的被动顺从性总是需要与主动控制相结合，以避免这个问题。这样，可以避免目标模型/表面模型中的不准确性，可向环境施加定义的功率，和/或可操纵物体。此外，已知“主动交互控制”。主动交互控制可分为“直接”和“间接”力控制(Villani&DeSchutter，2008)。近来，这种力调节器具有引入了虚拟位置的变体(Lutscher&Cheng，2014以及Lee&Huang，2010)。此外，已知在不同空间中，预定的强制性条件下的功率、位置、和/或阻抗控制。尽管在机器人机械手控制领域已经取得了显著的进步，以下缺点仍然存在。例如，纯阻抗控制的机器人机械手基于纯前馈控制或者基于机器人机械手的执行器的实质期望位置的相应位移来产生期望的力。因此，这种调节器没有明确考虑外力，然而如果用足够的精度向环境/物体/工件等施加机器人机械手的执行器的预定力/力矩，则需要考虑外力。此外，需要在其几何形状和的顺从性特性方面用足够的精度对环境进行建模，以使该调节器能够工作。然而，这与阻抗控制在未建模环境中工作的基本理念是相悖的。如果借助机器人机械手的执行器经由前馈控制向物体(环境)施加预定较大的力，则对纯阻抗控制的机器人机械手额外不利的是，在执行器和物体之间脱离接触的情况下，机器人机械手会执行具有潜在危险的瞬时且较大的移动(关于行进的执行器路径、速度和加速度)。该情况出现于脱离接触时，执行器的实质期望位置远离执行器的实际位置。此外，已知机器人机械手的“纯力控制”。机器人机械手的力控制提供了足以与环境交换外力的基础，从而能精确地操纵物体或其表面。这种能力在机器人机械手的工业应用中是基本必须的。因此，相当不精确的阻抗控制不能替代力控制。这些问题导致了多样化的所谓的混合位置力控制方法(Raibert&Craig，1981)。这些混合位置力控制基于将所谓的“任务空间”划分为互补力和位置空间的想法，使得能够在其单独的空间中施加和控制力或扭矩和移动。已知的混合力控制的缺点在于，相对于机器人机械手和环境的脱离接触，其鲁棒性低。此外，在这种情况下，同样需要对环境精确建模，以确保良好的控制性能，然而，足够品质的控制性能很少存在。为了显示这种调节器的稳定性，环境通常被建模为简单的弹簧阻尼器系统。不同力调节器的综述，包括关于其稳定性分析的评论，参见(Zeng&Hemami，1997)。对这种调节器的非常普遍的批判详见(Duffy，1990)，因为经常对度量或坐标系进行错误的选择。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置和方法，其中m＝1、2、……M，在很大程度上避免了上述缺点。具体地，避免了末端执行器和物体之间脱离接触之后机器人机械手的较大移动。本专利技术在独立权利要求的特征中变得明显。有利的进一步发展和实施例是从属权利要求的主题。从下文描述以及示出于本专利技术附图的示例性实施例的说明，本专利技术的进一步特征、应用可能性和优点将变得明显。根据第一方面，该目的借助一种用于进行由M个致动器ACTm驱动并具有末端执行器的机器人机械手的开环和闭环控制的装置来解决，其中m＝1、2、……M。术语“致动器”应被广义地理解，包括例如电动机、线性电动机、多相电动机、压电致动器等。装置进一步包括：记录和/或提供作用于末端执行器上的外力卷绕(winder)的第一单元，其中：为此，第一单元有利地具有记录外力卷绕的传感器系统和/或估计外力卷绕的估计器。传感器系统有利地包括一个或多个力传感器和/或扭矩传感器。估计器有利地包括运行程序以估计力卷绕的处理器。此外，提出的装置包括与第一单元和致动器ACTm连接的调节器。调节器继而包括具体为力调节器的第一调节器R1、以及与其连接并且具体为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器、巡航控制器(cruisecontrol)或其组合的第二调节器R2，其中调节器确定操纵变量um(t)，致动器ACTm借助操纵变量um(t)而可被致动的方式为：使得当与物体的表面接触时，末端执行器用预定的力卷绕公式作用在该物体上，其中：um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)(1)其中，um,R1(t)：＝第一调节器R1的操纵变量的比值，um,R2(t)：＝第二调节器R2的操纵变量的比值，以及t：＝时间。预定的力卷绕来自于提供给机器人的物体。这样，第一调节器R1被具体化和配置的方式为：使得操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*和函数S(v(t))的乘积或为函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：um,R1(t)＝S(v(t))um,R1(t)*(2a)um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*)(2b)v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)](3b)v∈[va,ve](4a)v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe](4b)其中，um,R1*(t)：＝由第一调节器R1确定的操纵变量，用于生成预定的力卷绕S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*在Q个单独分量(individualcomponent)[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)]每一个中的影响是基本上单调递减的，[va,ve]：＝变量v(t)的预定定义区，[v1a,v1e],[v2a,v2e],….,[vQa,vQe]：＝维度Q的矢量v*(t)的逐分量(component-wise)定义区。因而，在一个替代方案中，本专利技术特征，常规确定的力调节器R1的操纵变量的比值um,R1(t)乘以单调递减函数(所谓的“成形函数”)，当与末端执行器的环境脱离接触时，其共同排除机器人机械手的较大移动。如果um,R1(t)被确定为函数S*(v(t),um,R1(t)*)，“成形”效果也可以替代方式实现。这样，对于力调节器的不能在数学上表示为操纵变量um,R1(t)*和函本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对由M个致动器ACTm驱动的并具有末端执行器的机器人机械手进行开环和闭环控制的装置，其中m＝1、2、……M，包括：‑第一单元(101)，记录和/或提供作用于所述末端执行器上的外力卷绕

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.24 DE 102015102642.21.一种用于对由M个致动器ACTm驱动的并具有末端执行器的机器人机械手进行开环和闭环控制的装置，其中m＝1、2、……M，包括：-第一单元(101)，记录和/或提供作用于所述末端执行器上的外力卷绕其中：＝作用于所述末端执行器上的外力；＝作用于所述执行器上的外部扭矩；-与所述第一单元(101)和所述致动器ACTm连接的调节器(102)，所述调节器(102)包括为力调节器的第一调节器R1，以及与所述第一调节器R1连接并且为阻抗调节器、导纳调节器、位置调节器或巡航控制器的第二调节器R2，其中所述调节器(102)确定操纵变量um(t)，所述致动器ACTm借助所述操纵变量um(t)被致动，以使得当与物体的表面接触时，所述末端执行器以预定义的力卷绕作用在所述物体上；其中，(1)um(t)＝um,R1(t)+um,R2(t)，其中：＝预定义的力；＝预定义的扭矩，um,R1(t)：＝所述第一调节器R1的操纵变量的比值，并且um,R2(t)：＝所述第二调节器R2的操纵变量的比值，其中所述第一调节器R1呈现和配置为使得所述操纵变量um,R1(t)被确定为操纵变量um,R1(t)*与函数S(v(t))的乘积或为Q维函数S*(v*(t),um,R1(t)*)，其中：(2a)um,R1(t)＝S(v(t))·um,R1(t)*(2b)um,R1(t)＝S*(v*(t),um,R1(t)*)(3a)(3b)v*(t)＝[v1*(t),v2*(t),…,VQ*(t)](4a)v(t)∈[va,ve](4b)v1*(t)∈[v1a,v1e],v2*(t)∈[v2a,v2e],…,vQ*(t)∈[vQa,vQe]其中：um,R1*(t)：＝由所述第一调节器R1确定的操纵变量，以生成所述预定义的力卷绕＝所述调节器(104)提供的负偏差，S(v(t))：＝取决于和的v(t)的单调递减函数，S*(v*(t),um,R1(t)*)：＝函数，其中um,R1(t)*的影响是单调递减的，[va,ve]：＝变量v(t)的预定义的定义区[v1a,v1b,],...：＝Q维变量v*(t)的逐分量预定义的定义区。2.根据权利要求1所述的装置，其中，如果所述物体是弹性的并且其表面是柔性的，当确定所述操纵变量um(t)时，所述调节器(102)考虑所述物体的预定弹性性质。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，设置有第二单元，用作钝化所述调节器(102)的能量存储器，并根据预定义的能量存储动力学存储来自所述调节器(102)的能量T1，并将能量T2传递给所述调节器(102)，其中所述第二单元和所述调节器(102)形成闭环，并且具有能量T0的所述第二单元的初始化取决于用于执行所述机器人机械手的当前任务的确定的或预定义的能量消耗EExpenditure。4.根据权利要求3所述的装置，其中所存储的能量E为虚拟或物理能量。5.根据权利要求3或4所述的装置，其中定义了能量上限G1，所述第二单元呈现和配置成使得对于存储在所述第二单元中的能量E而言，E≤G1总是成立的。6.根据权利要求5所述的装置，其中能量下限G2被定义为0<G2<G1，并且所述第二单元呈现为，如果：-对于存储在所述第二能量单元中的能量E而言，G2<E≤G1是成立的，则所述第二单元耦合到所述调节器(102)，以及-对于存储在所述第二能量单元中的能量E而言，E≤G2是成立的，则所述第二单元从所述调...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨米·哈达丁，
申请(专利权)人：卡斯坦宁堡有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE