机器人控制制造技术

本发明专利技术涉及机器人控制。一种用于控制机械系统的方法，机械系统具有通过多个驱动接头互连的多个部件，该方法包括：测量驱动接头周围或驱动接头处的转矩或者力，形成代表测量的转矩或者力的负荷信号；接收代表系统的期望状态的运动要求信号；根据运动要求信号和负荷信号执行阻抗控制算法，以形成指示用于每个驱动接头的目标构造的目标信号；测量每个驱动接头的构造，形成代表测量构造的状态信号；以及通过对于每个接头比较由目标信号指示的该接头的目标构造与由状态信号指示的该接头的测量构造，来形成用于接头的一组驱动信号。来形成用于接头的一组驱动信号。来形成用于接头的一组驱动信号。

【技术实现步骤摘要】
机器人控制
[0001]本申请是申请号为201780019183.3(国际申请号为PCT/GB2017/050814)、国际申请日为2017年03月22日并且专利技术名称为“机器人控制”专利技术申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及一种用于诸如机器人臂的机器的驱动系统的控制。

技术介绍

[0003]典型机器人操纵器包括通过接头联接在一起的一系列刚性元件。所述元件可以串联接合以形成臂。接头能够被驱动以便引起刚性元件的相对运动。刚性元件可以起源于基座并且终止于末端执行器。因而接头处的运动能够用于将末端执行器定位在期望位置。每个接头可以提供旋转运动或者线性运动。接头可以由任何合适的装置驱动，例如电动机或者液压致动器。
[0004]当机器人在操作中，需要引起末端执行器移动至一些期望位置。例如，机器人需要使用末端执行器拾起物体。这将需要末端执行器移动至物体所在的地方。为了实现此，需要接头的一些运动组合。计算这些运动是机器人的控制系统的作用。
[0005]通常，机器人设置有位置传感器，每个位置传感器感测相应的一个接头的构造。该位置信息供给至控制系统。
[0006]用于控制系统的公知策略如下：
[0007]1、接收指示末端执行器的期望位置的信息。
[0008]2、确定机器人的接头的一组目标构造，这将导致末端执行器处于该位置。这公知为逆向运动学。
[0009]3、接收指示每个接头在机器人中的当前构造的信息，比较这些当前构造与目标构造，计算每个接头处所需的一组转矩或力以降低相应接头的当前位置与目标位置之间的误差。
[0010]4、发送驱动信号至机器人中的致动器以在相应接头处施加转矩或者力。
[0011]重复执行这一系列步骤，使得一段时间之后机器人的运动符合目标构造。与指示末端执行器的位置相反或者另外，输入至系统的信息将指示机器人的另一部分的期望位置。例如，如果需要机器人臂来避免靠近臂的中间点的外部障碍物，这可以适用。
[0012]替代方式公知为阻抗控制。阻抗控制涉及调整(i)转矩/力和(ii)位置、速率以及加速度之间的关系。
[0013]在特定应用中，控制末端执行器的阻抗比仅控制位置更有利。例如，在末端执行器需要通过小孔口(例如端口)插入长杆(例如内视镜)的应用中，末端执行器具有有限硬度是有利的，使得能够适应端口和内视镜之间的稍微不对准。
[0014]图1图示了执行用于机器人操纵器的阻抗控制的一种方式。在该方法中，以下输入供给至阻抗控制块：
[0015]‑
来自于命令源的p
d
(期望位置向量)、R
d
(期望旋转矩阵)、v
d
(期望速率)和v
’
d
(期
望加速度)；
[0016]‑
p
c
(顺应体系中的位置向量)、R
c
(顺应体系中的旋转矩阵)和v
c
(顺应体系中的速率)，它们通过直接运动学块中的正向运动学得到；以及
[0017]‑
h
c
(测量的末端执行器转矩/力)。
[0018]阻抗控制块基于这些输入来执行阻抗控制模型以在接头空间中生成要求加速度(α)。要求加速度表示为向量其中，q
d
是命令的接头运动q。然后这些被逆运动学块调整以生成一组用以驱动机器人操纵器的驱动转矩或者力τ。应理解的是，在该方法中在末端执行器处合成阻抗。这具有的劣势为，应该测量在末端执行器处的接触转矩/力(h
c
)，在一些情形下这是困难的或者甚至不可能的：例如一些手术机器人应用，并且涉及额外成本和潜在不可靠性。该方法的另一问题是，该方法依赖模型化逆向动力学。这要求持续不断计算操纵器的加速度，并且使控制性能对于机器人操纵器的模型的准确度敏感，在其质量、惯性、损失等数据方面其是不精确的。另一问题为，阻抗控制方法对于模型范围之外的外部干扰敏感，诸如驱动摩擦以及不期望的物理障碍。这些将导致定位追踪误差。
[0019]图2示出了执行阻抗控制的第二方式。在该方法中，提供了一种内部运动控制环路。该方案的目的是使操纵器坚硬，使得当通过阻抗控制块计算时其如实地追踪顺应体系中的要求位置p
c
和旋转R
c
。要求值p
d
、R
d
、v
d
以及v
’
d
与测量的h
c
一起提供至阻抗控制块。阻抗控制块对于v
dc
和v
’
dc
通过求解二阶动态方程合成末端执行器的期望机械阻抗：
[0020][0021]在该方程中，K
M
代表弹簧常数的矩阵，v
dc
代表要求参考坐标系和顺应体系之间的位置的差。顺应体系中的期望位置、旋转、速度以及加速度传递至位置和方位控制块。该块是控制器，其基于从阻抗控制块确定的值和通过直接运动学确定的值之间的差设定系统的追踪性能。位置和方位控制块的输出是一组输出转矩或者力α的设定，代表接头空间中的要求加速度，它们如在图1的方案一样被处理。图2的方案可以有助于求解图1的方案中的位置追踪问题，但是其具有多个其他劣势。第一，在末端执行器的笛卡尔参考坐标系(h
c
代表沿x、y、z的力以及沿三个旋转维度的转矩)中计算阻抗。在一些应用中，期望使用其他坐标系统。第二，图2的系统将逆运动学问题带入位置和方位的控制中。这是有问题的，由于典型地逆运动学问题被认为难以求解。关于此的一个原因是能够有多个方案(即，能够有多组接头角度，这将给予特定末端执行器位置)。另一原因是操纵器的特定姿势会变得单一，意味着不能够沿所有方向以有限接头速率进行执行器的后续移动。由于这些原因，将逆向运动学方案嵌入反馈环路内使得其显著更困难，以整体上使算法的任何潜在失败情形生效。最终，正如利用图1的系统，提议的是，将在末端执行器处测量转矩/力，正如以上讨论的，这会是不切实际的，会引入额外成本和不可靠性。
[0022]需要一种用于机械系统的改进控制系统，诸如机器人操纵器。

技术实现思路

[0023]根据本专利技术，提供了一种用于控制机械系统的方法，机械系统具有通过多个驱动接头互连的多个部件，该方法包括：测量驱动接头周围或驱动接头处的转矩或者力，并且形成代表测量的转矩或者力的负荷信号；接收代表系统的期望状态的运动要求信号；根据运
动要求信号和负荷信号执行阻抗控制算法，以形成指示用于每个驱动接头的目标构造的目标信号；测量每个驱动接头的构造，并且形成代表测量构造的状态信号；以及通过比较由目标信号指示的该接头的目标构造与由状态信号指示的该接头的测量构造，为每个接头形成用于该接头的一组驱动信号。
[0024]该方法可以包括根据相应的驱动信号驱动每个驱动接头。每个驱动接头可以设置有相应的电动机，用于接头处的驱动运动。每个驱动信号可以施加至相应的电动机。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于控制机械系统的方法，所述机械系统具有通过多个驱动接头互连的多个部件，所述方法包括：接收代表所述机械系统的一部分的期望物理位置的运动要求信号；以及测量每个所述驱动接头的构造，并且形成代表测量构造的状态信号；其中，所述方法的特征在于，所述方法包括：测量所述驱动接头周围或所述驱动接头处的转矩或者力，并且形成代表测量转矩或者力的负荷信号；执行阻抗控制算法(52；60)，执行所述阻抗控制算法包括：求解常微分方程以确定所述机械系统的所述一部分的目标物理位置，所述运动要求信号、所述负荷信号以及阻抗参数是所述常微分方程的输入，所述阻抗参数是所述状态信号的函数；执行逆向运动学计算以确定每个所述驱动接头的、适于将所述机械系统的所述一部分定位在所述期望物理位置处的构造；以及形成目标信号，以指示那些构造作为用于每个所述驱动接头的所述目标构造；以及通过对于每个接头比较由所述目标信号指示的该接头的所述目标构造与由所述状态信号指示的该接头的所述测量构造，来形成用于多个接头的一组驱动信号。2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括根据相应的驱动信号驱动每个所述驱动接头。3.根据权利要求2所述的方法，该方法包括重复地执行第二个测量步骤、形成步骤和驱动步骤，其中，形成一组驱动信号的步骤在比形成目标信号的步骤更高的频率下执行。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，执行所述阻抗控制算法包括：接收代表用于第一坐标空间中的物理系统的期望阻抗特性的数据；对于每个驱动接头将该数据转换为相应的质量、减震器以及弹簧系数；以及根据每个驱动接头的所述相应的质量、减震器以及弹簧系数来求解所述常微分方程。5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，该方法包括：指定用于指示所述机械系统的期望构造的额外信息(61)；并且执行逆向运动学计算的步骤被执行，以便确定每个所述驱动接头的、适合于将所述机械系统的所述一部分定位在所述目标物理位置处且满足由所述额外信息指定的所述期望构造的构造。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一坐标空间是：(i)非笛卡尔坐标空间；(ii)拓扑空间；或者(iii)向量空间。7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在接头空间中执行所述阻抗控制算法。8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，该方法包括：将所述驱动接头周围或者所述驱动接头处的测量转矩或者力转换(64)到与所述测量转矩或者力被测量的空间不同的第一坐标空间，以便形成所述负荷信号。9.根据权利要求1至3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：CMR外科有限公司，
类型：发明
国别省市：