操纵装置轨迹的控制制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于从当前状态（ａａｃｔ）到目标状态（ａｔａｒｇｅｔ）控制操纵装置轨迹的方法。首先该轨迹的恒定控制参数被确定。操纵装置轨迹随之被表示在不含恒定控制参数的任务描述中。操纵装置轨迹基于该任务描述被控制。本发明专利技术进一步涉及用于控制操纵装置轨迹的方法，其中该操纵装置轨迹通过将增量从控制参数空间映射到配置空间被计算。配置空间与控制参数空间的维数差留下零空间冗余自由度。使用不含恒定控制参数的任务描述来增加零空间自由度。本发明专利技术进一步涉及各个计算机软件程序产品、机械手、被驱动的相机系统、包括一个或者多个机械手的机器人以及配备有驾驶员支持系统的汽车。

Control of the operating device trajectory

The present invention relates to a method for controlling the trajectory of an operating device from the current state (AACT) to the target state (atarget). First, the trajectory of the constant control parameter is determined. The manipulator trajectory is then represented in a task description that does not contain constant control parameters. The control device trajectory is controlled based on the task description. The invention further relates to a method for controlling the trajectory of an operator, wherein the manipulator trajectory is calculated by mapping the increment from the control parameter space to the configuration space. The dimension difference between the configuration space and the control parameter space leaves the zero space redundancy degree of freedom. Zero space freedom is increased by using task descriptions that do not contain constant control parameters. The invention further relates to each computer software program product, manipulator, driven camera system, robot comprising one or more robot hands, and a vehicle equipped with a driver support system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对从当前状态到目标状态的操纵装置的轨迹以及单独的计算机软件程序、机械手、驱动照相系统、包括一个或者多个机械手的机器人或者配备驾驶员支持系统的车辆的控制。
技术介绍
当控制诸如机器人之类的操纵装置(effector)的轨迹时，必须定义目标状态。目标状态例如由通过操纵机器人手臂进行处理的对象来定义。通常，可以用三个参数来描述对象的位置。除了对象位置，有必要描述由Kardan或者欧拉(Euler)角确定的空间定向。为了执行机器人操纵装置的运动，通常通过将增量从控制参数空间映射到配置空间来生成轨迹。控制参数空间或者任务空间是指令元素空间。控制参数空间包括指令元素。指令(也称为“目标”或者“任务”)元素是各个指令矢量的元素。这些元素定义应被控制的东西的有用描述，例如手的位置或者头部的倾斜。配置空间是可控自由度的空间。配置空间可以包括机器人的独立关节和/或可以对其分配可控自由度的更复杂的运动学机构。映射可以分为如下三种不同的情况第一，配置空间维数(或者关节空间维数)对应于控制参数空间维数(任务空间维数)。在此种情况下，映射大多数是唯一的。第二，任务空间维数超过关节空间维数。在此种情况下，通常将不存在映射解，因为不能基于任务空间执行操作。第三组代表当关节空间的维数高于任务空间的维数的情况。这造成代表关节空间与任务空间之间的维数差别的所谓“零空间(Null space)”。零空间包含冗余自由度，其中可以在不影响任务空间运动的情况下执行运动。零空间的数学定义可以在互联网上找到(见http://www-robotics.cs.umass.edu/Research/Glossary/null_space.html)零空间线性算子的一组自变量，使相应的函数值为零。冗余系统具有可以被用于确定第二目标的(本地)零空间，例如在不干扰主要任务的情况下进行运动学调整。因此，具有留下零空间的任务的机器人有时被称为“冗余机器人”，“运动学冗余机械手(manipulator)”等。在诸如机器人的机械手领域中，例如为了避免障碍而使用零空间是众所周知的。已知的操纵装置轨迹生成方法的问题在于未考虑许多问题具有对称性质，因此不需要对象位置与空间定向的六参数描述。
技术实现思路
本专利技术的目标是简化操纵装置的操作，并且能够应用另外的控制约束。上述问题由根据权利要求1或者权利要求8的控制操纵装置的轨迹的方法和根据权利要求13的单独的计算机软件程序来解决。权利要求14至17要求保护单独的机械手、驱动照相系统、机器人和配备驾驶员支持系统的汽车。应用本专利技术具有可以被表达在物理实体中的现实世界的效果，例如，可以提高机器人控制的鲁棒性，其功耗最终可以更加高效等。根据本专利技术，从当前状态到目标状态的操纵装置轨迹被控制，以考虑恒定的控制参数。为此，确定轨迹的恒定控制参数。恒定控制参数是不要求的控制参数，但是不干扰实现指定的任务。如稍后将在下文详述的那样，这例如可以是关于圆柱形对象的对称轴的手旋转。接下来在任务描述中表示操纵装置轨迹，该任务描述缺少恒定控制参数。由于任务描述不包含恒定控制参数，零空间的维数增加。增加的零空间维数的优点在于冗余也增加。这允许应用冗余控制技术或者其它另外的控制准则。基于不包含恒定控制参数的任务描述，控制操纵装置轨迹。根据本专利技术的另一方面，通过将增量从控制参数空间映射到配置空间来计算操纵装置轨迹。由配置空间与控制参数空间之间的维数差所产生的零空间自由度增加。因此，确定轨迹的恒定控制参数。零空间自由度的增加基于缺乏恒定控制参数的任务描述的使用。如已经解释的，零空间自由度的此种增加带来应用冗余控制技术或者其它控制准则的可能性。因此有必要确定恒定控制参数，并且随之在任务描述中表示操纵装置轨迹，由此通过不包含恒定控制参数而使得该任务描述在维数上减少。优选实施例在从属权利要求中被要求保护。附图说明优选实施例在附图中被示出，并且将被详细描述。更多的优点将通过描述而变得明显。附图示出图1为机器人运动学模型；图2为所考虑的第一对称方面的图示；图3为关于图2的第一对称方面的任务描述的图示；图4为在球体的圆周上生成的轨迹的图示；图5为用于控制操纵装置轨迹的方法的方框图。具体实施例方式首先解释图1中所示类人机器人的运动学模型。应该注意，本专利技术可以等同地为其它机器人、自动操纵设备或者车辆发现应用。机器人1的当前状态由包括代表配置空间中21个自由度的坐标在内的状态矢量q来定义。状态矢量包括配置空间元素。用于推导状态矢量q的基础是惯性的全局固定坐标系(coordinate frame)2。机器人1相对于惯性系2的位置通过定义脚踵(heel)坐标系统3关于惯性系2的位置和旋转来描述。脚踵系3的位置和方向由具有3坐标的矢量表示。这些坐标描述X和Y方向的平移和关于惯性系2的竖直轴的旋转。其次，必须关于脚踵系3的位置和方向描述上体。相对于脚踵系3定义上体系4的位置和方向。该位置由三个位置坐标描述，并且空间方向由代表相对于脚踵系3的旋转的三个角度来描述。机器人手臂的姿态由五个角度描述。这些角度的中三个代表肩5，肘部由第四个角度代表，并且最后腕部由手臂的第五个角度代表。每个角度描述通过各个关节连接的连接物之间的关系。考虑到机器人1的右臂也包括五个关节，并且头部具有用于头部摇动和倾斜的另外两个自由度，对状态矢量q的21个自由度进行解释。为了移动机器人1，有必要改变单个坐标的值。这由任务或者指令矢量来实现。使用正向运动学(direct kinematics)，基于状态矢量q来计算任务或者指令矢量x＝f(q)由于机器人1的树状结构，随着描述机器人1的单个系3、5、8的位置和方向由惯性系2逐步发展而来，可以递归地执行指令矢量x的计算。进一步，该计算可以分成两个单独的步骤。第一个步骤是坐标系旋转的计算。为了计算特定系相对于基础的方向，例如上体系4相对于脚踵系3，使用三段旋转矩阵AX、AY和AZ。这些旋转矩阵用来描述绕x、y和z轴正方向的相对旋转。如前所述，脚踵系3仅关于竖直轴旋转。因此，用于脚踵系3的旋转矩阵由方程式来定义Ah1-I＝Az(z，h1)AI＝Az(z，h1)(AI＝E；E是惯性系2的单位矩阵)。旋转矩阵Ah1-I的系数代表从系统I(惯性系)进入系统h1(脚踵系3)的旋转。初始坐标系是未被加速的参考坐标系。在机器人术语中，通常也被称为“全局坐标系(World coordinate frame)”。由于图1所示的运动学模型，上体系4可以关于所有的三个轴x、y、z旋转。因此，用于上体的旋转矩阵如下Aub-I＝Az(z，ub)Ay(y，ub)Ax(x，ub)Ah1-I按照相同方式，可以计算由三个肩关节5以及头部摇动和倾斜关节构建的坐标系的旋转矩阵。除了旋转矩阵，有必要计算坐标系原点。类似于旋转矩阵的计算，可以在惯性系2中从脚踵系3的原点矢量Irh1开始计算坐标系原点矢量。因此，脚踵系3在惯性系2(I)中的原点矢量Irh1为Irh1＝(xh1yh10)在机器人1的惯性位置中，上体系4的原点经历关于z轴的旋转，由此，上体系4在惯性系坐标中的原点矢量Irub为Irub＝Irh1+ATz(z，h1)h1rub其它系的原点矢量被分别地计算。机器人1的当前状态因此由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从当前状态（ａ↓［ａｃｔ］）到目标状态（ａ↓［ｔａｒｇｅｔ］）控制操纵装置轨迹的方法，该方法包括以下步骤：确定该轨迹的恒定控制参数，在不含所述恒定控制参数的任务描述中表示该操纵装置轨迹，以及基于该任务描述控制 该操纵装置轨迹。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔杰恩格，
申请(专利权)人：本田汽车研究学院欧洲股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]