在腱驱动的机器人手指内的张力分配制造技术

本发明专利技术涉及在腱驱动机器人手指内的张力分配。具体地，提供了一种用于在机器人系统中的腱驱动手指的腱之间分配张力的方法，其中手指的特征在于ｎ个自由度和ｎ＋１个腱。该方法包括：确定手指每个腱的最大功能性张力和最小功能性张力，然后使用控制器在腱中分配张力，使得每个腱都被指定张力值，该张力值小于最大功能性张力并且大于或等于最小功能性张力。该方法满足最小功能性张力，同时最小化机器人系统中的内部张力，并且该方法满足最大功能性张力，而不将耦合干扰引至关节转矩。一种机器人系统，其包括：具有至少一个腱驱动手指的机器人，该手指的特征在于ｎ个自由度和ｎ＋１个腱；以及具有如上所述对腱进行控制的算法的控制器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在腱驱动操纵器中的转矩控制内的张力分配。
技术介绍
机器人是能够使用一系列联接件来操纵物体的自动装置，这些联接件又经由一个 或多个机器人关节相互连接。典型机器人中的每个关节都表示至少一个独立的控制变量， 即，自由度(DOF)。诸如手、手指、或者拇指这样的末端执行器被最终致动以执行手边的任 务，例如抓握加工工具或者物体。因此，机器人的精确运动控制可以由任务规格的等级来加 以组织，包括物体级控制、末端执行器级控制和关节级控制。各种控制级共同实现所需的机 器人的运动性、灵活性、以及和工作任务相关的功能性。腱传动系统通常被用于机器人系统中，例如，在对高自由度(DOF)的手中的机器 人手指的致动中。对于给定的腱驱动手指的力控制而言，手指上的期望转矩必须被转换成 腱上的张力。因为腱仅能以张力来传递力，即，以拉拽布置(pull-pull arrangement)的 方式，所以腱的数量和致动器的数量必须超过D0F，以便实现对腱驱动手指的完全确定的控 制。为了变得完全确定，手指仅需要比DOF数多一个的腱，这已知为n+1布置。对于给定的一组期望的关节转矩，对应的腱张力存在有无限组的解。然而，任何将 负张力值指定给腱的解都不是物理有效的。这是由于腱的单向性本质的缘故，即，腱能够抵 抗延伸而不能抵抗压缩。关于该问题的现有方法提供了确保所有腱的张力都大于或等于零 的解。然而，当达到饱和上限时(例如，当遭遇硬件的最大张力限制时)，所获得的关节转矩 可能变得不可预测，并且可能引入不期望的耦合。
技术实现思路
因此，在本文中提供了一种转矩控制方法和系统，用于由腱驱动的机器人操纵器 中的张力分配。该方法在上界和下界内将张力指定或分配给操纵器的每个腱。所分配的张 力满足下界，同时最小化所施加的内部张力。同时，所分配的张力还满足上界，并且消除了 饱和的耦合效应。由此，提供平滑和可预见的操纵器转矩控制。该方法在机器人系统中的腱驱动手指的n+1个腱中分配张力，其中手指本身的特 征在于η个自由度。该方法包括确定n+1个腱中每一个的最大功能性张力和最小功能性张 力，并且使用控制器以在n+1个腱中自动分配张力。每个腱都被指定张力值，该张力值小于 该腱对应的最大功能性张力并且大于或者等于该腱对应的最小功能性张力。当腱超出上界时，该方法提供了关节转矩的线性比例化，从而使得该上界得以满 足。该线性比例化允许张力饱和，不会有跨关节转矩的耦合效应。该方法总是将最小张力 值指定成等于下界。这确保了结构上的内部张力最小化。该方法还被示出最多需要该解的 一次迭代。因此，该方法不必伴有无终止的迭代过程，就像该问题的数学本质所另外具有的 那样。该特性对于实时应用是很重要的。一种机器人系统，其包括机器人，该机器人具有特征在于η个自由度和n+1个腱 的至少一个腱驱动手指，和具有用于控制n+1个腱的算法的控制器。该算法适合确定n+1 个腱中每个腱的最大功能性张力和最小功能性张力，并且自动地在n+1个腱中分配张力， 从而使每个腱都被指定张力值，该张力值小于该腱对应的最大功能性张力并且大于或等于 该腱对应的最小功能性张力。一种提供给腱驱动的机器人手指的控制器，该控制器包括这样的算法该算法适 合于确定该腱驱动手指中每个腱的最大功能性张力和最小功能性张力，并且自动地在n+1 个腱中分配张力，如上所述那样。本专利技术还提供了以下方案方案1 一种用于在机器人系统中的腱驱动手指的n+1个腱中分配张力的方法，所 述手指的特征在于η个自由度，所述方法包括确定最大功能性张力和最小功能性张力；和使用控制器在所述n+1个腱中自动分配张力，使得每个腱都被指定张力值，所述 张力值小于所述最大功能性张力并且大于或等于所述最小功能性张力。方案2 如方案1所述的方法，其中，使用控制器自动分配张力包括使用所述控制 器计算所述腱驱动手指的多个关节中每个的关节转矩的线性比例，以便获得比例化的解。方案3 如方案1所述的方法，进一步包括如果给定腱的张力值中的任意张力值 超过了所述腱的对应的最大功能性张力，则对所述比例化的解进行迭代。方案4 如方案1所述的方法，其中η = 3方案5 如方案1所述的方法，其中，所述最小功能性张力大于0，并且其中通过确 保所指定的最低张力值等于所述最小功能性张力，从而使所述腱驱动手指的内部张力最小 化。方案6 如方案1所述的方法，其中，使用控制器自动分配张力包括使用腱映射， 所述腱映射包含有将腱张力映射到所述腱驱动手指内关节转矩的力矩臂数据。方案7 如方案1所述的方法，其中，在不会将耦合干扰引入到所述腱驱动手指的 多个关节中每一个的关节转矩中的情况下，满足所述最大功能性张力。方案8 一种机器人系统，包括具有至少一个腱驱动手指的机器人，所述腱驱动手指的特征在于η个自由度和 n+1个腱；和具有用于控制所述n+1个腱的算法的控制器；其中，所述算法适于确定所述腱驱动手指的最大功能性张力和最小功能性张力；和在所述n+1个腱中自动分配张力，使得每个腱都被指定张力值，所述张力值小于 所述最大功能性张力并且大于或等于所述最小功能性张力。方案9 如方案8所述的机器人系统，其中，所述机器人是具有至少42个自由度的 类人机器人。方案10 如方案8所述的机器人系统，其中，所述算法适于这样自动分配张力，即 通过计算所述腱驱动手指的多个关节中每一个的关节转矩的线性比例，以便获得比例化 的解。方案11 如方案10所述的机器人系统，进一步包括如果给定腱的所述张力值中 的任意张力值超过所述腱的对应的最大功能性张力，则对所述比例化的解进行迭代。方案11 如方案8所述的机器人系统，其中η = 3。方案12 如方案8所述的机器人系统，其中，所述控制器包括腱映射，所述腱映射 包含将腱张力映射到所述腱驱动手指内的关节转矩的力矩臂数据，并且其中所述算法还适 于使用所述腱映射来自动分配张力。方案13 —种用于具有η个自由度的腱驱动机器人手指的控制器，所述腱驱动手 指包括η+1个腱，其中所述控制器包括算法，所述算法适于确定所述腱驱动手指的最大功能性张力和最小功能性张力；和在所述η+1个腱中自动分配张力，使每个腱都被指定张力值，所述张力值小于所 述最大功能性张力并且大于或等于所述最小功能性张力。方案14 如方案14所述的控制器，其中，所述算法适于这样自动分配张力，即通 过计算所述腱驱动手指的多个关节中每个的关节转矩的线性比例，以便获得比例化的解。方案15 如方案15所述的控制器，进一步包括如果所述张力值超过所述最大功 能性张力，那么对所述比例化的解进行迭代。方案16 如方案14所述的机器人系统，其中η = 3。方案17 如方案14所述的机器人系统，其中，所述控制器包括腱映射，所述腱映射 包含将腱张力映射到所述腱驱动手指内的关节转矩的力矩臂数据，并且其中所述算法还适 于使用所述腱映射来自动分配张力。结合附图，并且由以下对实施本专利技术的最佳模式的详细描述，本专利技术的上述特征 以及其他特征和优点将变得相当明显。附图说明图1是依照本专利技术的机器人系统的示意图；图2是依照本专利技术的腱驱动手指的图示；和图3是依照本专利技术的流程图，其描述了将指定的张力分配给每个腱的算法。 具体实施例方式参见附图，在全部的若干视图中，相同的附图标记表示相同或者相似本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于在机器人系统中的腱驱动手指的ｎ＋ｌ个腱中分配张力的方法，所述手指的特征在于ｎ个自由度，所述方法包括：确定最大功能性张力和最小功能性张力；和使用控制器在所述ｎ＋ｌ个腱中自动分配张力，使得每个腱都被指定张力值，所述张力值小于所述最大功能性张力并且大于或者等于所述最小功能性张力。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：ME阿布达拉，RJ小普拉特，CW万普勒二世，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，美国宇航局，
类型：发明
国别省市：US[美国]