专利名称：用于类人机器人自动控制的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制具有多个关节和多自由度的类人机器人的系统和方法。
背景技术：
机器人是能够利用一系列联接物操纵物体的自动装置，这些联接物又通过机器人 的关节相互连接。典型机器人中的每个关节都代表至少一个独立的控制变量，即自由度 (DOF)。末端执行器是用于完成手边任务(例如抓握工具或物体)的特定联接物。因此， 可根据任务说明的等级来组织机器人的精确运动控制，任务说明的等级包括物体级控制 (这描述了机器人在单次或协同抓握中对被保持的物体的行为进行控制的能力)、末端执 行器控制和关节级控制。各种控制级共同实现所要求的机器人运动性、灵活性和与工作任 务相关的功能性。类人机器人是一种特定类型的机器人，其无论整个身体、躯干和/或四肢都具有 近似于人的结构或外观，类人机器人的结构复杂性很大程度上取决于所要执行的工作任务 的性质。在需要与为人类使用而特制的设备或系统直接相互作用的情况下，可优选使用类 人机器人。在需要与人相互作用的情况下，也可优选使用类人机器人，因为可以对运动进行 编程以便接近人的运动，使得协同操作的人类伙伴能理解任务队列。由于期待由类人机器 人完成的工作任务范围很广，所以可能同时需要不同的控制模式。例如，在上述的不同控制 空间内以及在对给定的电动机驱动式关节、关节运动和各种机器人抓握类型所应用的转矩 或力的控制上，都必须应用精确控制。
发明内容
因此，本文提供了一种机器人控制系统和方法，用于经由以下详细说明的基于阻 抗的控制框架来控制类人机器人。该控制框架允许基于功能的图形用户界面(GUI)，以便对 大量机器人操作模式的实施进行简化。在一个具体实施例中，可以通过单个GUI来提供对 具有多个DOF(例如，超过42个D0F)的机器人的复杂控制。利用启动不同操作模式的控制 逻辑层，GUI可用于对控制器的算法进行驱动，以便借此对许多可独立运动的和可相互依赖 运动的机器人关节提供多样化控制。在物体级控制中，作用在被抓握物体上的内力被自动参数化，以便实时地允许多 种机器人抓握类型。利用所述框架，用户通过GUI提供基于功能的输入，然后该控制和中间
4逻辑层通过应用正确的控制目标和操作模式对该进入GUI的输入进行解读。例如，通过选 择待施加在所述物体上的期望的力，控制器在解耦空间内自动应用位置/力控制的混合策 略。在本发明的范围内，该框架利用了具有分级多任务的基于物体阻抗的控制规则， 以便提供机器人的物体级控制、末端执行器级控制和/或关节级控制。通过用户实时选择 被启用节点和机器人抓握类型(即，刚性接触、点接触等)两者的能力，预定的或标定的阻 抗关系主导了物体空间、末端执行器空间和关节空间。当物体节点或末端执行器节点启用 时，关节空间阻抗被自动转换到零空间，否则关节空间将如本文所阐述的那样主导整个控 制空间。特别地，一种机器人系统，包括具有多个关节的类人机器人，该多个关节适于施 加力控制；具有直观的GUI的控制器，该GUI适于接收来自用户、来自预编程的自动装置、或 来自网络连接或其它外部控制机构的输入信号。控制器电连接到GUI，GUI为用户提供了 对控制器的直观或图形的编程访问。该控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制多个关 节，该框架又响应于输入到GUI的输入信号提供了类人机器人的物体级、末端执行器级和/ 或关节空间级控制。用于控制具有如上所述类人机器人、控制器和GUI的机器人系统的方法包括利用 GUI接收来自用户的输入信号，然后利用主机处理该输入信号，以通过基于阻抗的控制框架 控制多个关节。该框架提供了类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和/或关节空 间级控制。本发明还提供了以下方案方案1. 一种机器人系统，包括类人机器人，其具有适于向物体施加力的多个机器人关节；图形用户界面(GUI)，其适于接收来自用户的输入信号，所述信号至少描述了将要 施加到所述物体的期望输入力；和控制器，其电连接到所述图形用户界面(GUI)，其中所述图形用户界面(GUI)向所 述用户提供了对所述控制器的编程访问；其中，所述控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述多个机器人关节，所 述框架响应于所述输入信号提供了所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关 节空间级控制中的至少一个。方案2.如方案1所述的系统，其中，所述图形用户界面(⑶I)图形化地显示了每 一个笛卡尔空间的输入和每一个关节空间的输入，所述每一个笛卡尔空间的输入和每一个 关节空间的输入用于所述类人机器人的左侧节点和右侧节点中的每一个。方案3.如方案1所述的系统，其中，所述控制器适于在所述物体级控制中对所述 类人机器人的预定组的内力进行参数化，由此实时地允许多种抓握类型，所述多种抓握类 型至少包括刚性接触抓握类型和点接触抓握类型。方案4.如方案1所述的系统，其中，所述输入信号还描述了定性的阻抗级，并且其 中所述控制器适于用所述定性的阻抗级来控制所述多个机器人关节。方案5.如方案1所述的系统，其中，所述⑶I是基于功能的装置，其利用一组直观 输入和一个解释逻辑层以便通过用于所述物体级、所述末端执行器级和所述关节空间级中的至少一个的一组阻抗命令来命令所述类人机器人中的所有关节。方案6.如方案1所述的系统，其中，所述控制器适于通过响应于所述期望输入力 来自动解耦的力和位置的方向，从而在所述笛卡尔空间中执行混合的力和位置的控制。方案7. —种用于机器人系统的控制器，所述系统包括具有多个机器人关节的类 人机器人和电连接到所述控制器的图形用户界面(GUI)，所述机器人关节适于相对于由所 述类人机器人作用的物体进行力控制，所述图形用户界面(GUI)适于接收来自用户的输入 信号，所述控制器包括主机；和算法，所述算法可由所述主机执行并且适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述 多个关节；其中，所述算法的执行响应于进入到所述图形用户界面(GUI)的所述输入信号提 供所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制中的至少一个，所 述输入信号至少包括将要施加到所述物体的期望输入力。方案8.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于执行中间逻辑层，以便解读通 过所述图形用户界面(⑶I)输入的所述输入信号。方案9.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于在所述用户输入所述期望的 输入力时自动解耦所述类人机器人的力方向和位置控制方向，并且其中所述位置控制方向 在所述算法的执行期间被自动地正交投影到零空间。方案10.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于在物体级控制中将所述类人 机器人的预定组的内力参数化，由此允许多种抓握类型，所述多种抓握类型至少包括刚性 接触抓握类型和点接触抓握类型。方案11.如方案7所述的控制器，其中，所述主机适于记录由所述用户输入到所述 图形用户界面(GUI)的定性的阻抗级，并适于将所述定性的阻抗级应用到所述多个机器人关节。方案12.如方案7所述的控制器，其中，所述控制器适于在将二阶力跟踪器应用到 所述力控制方向的同时将二阶位置跟踪器应用到所述位置控制方向。方案13.如方案7所述的控制器，其中，所述用户选择待所述机器人的期望末端执 行器以便启用，并且其中所述控制器22响应于此为每个末端执行器产生线性的和旋转的 Jacobian 矢巨方案14.如方案7所述的控制器，其中，所述控制器适于在所述用户通过所述图形 用户界面(⑶I)提供参考外力时在位置控制模式和力控制模式之间切换，并且适于在所述 用户通过所述图形用户界面(⑶I)选择末端执行器的期望组合时在将阻抗控制应用于所 述物体级、所述末端执行器级和/或所述关节级中的一个之间切换。方案15. —种用于控制机器人系统的方法，所述系统包括具有适于向物体施加力 的多个关节的类人机器人、控制器、和电连接到所述控制器并适于接收输入信号的图形用 户界面(GUI)，所述方法包括通过所述图形用户界面(⑶I)接收所述输入信号；和利用主机处理所述输入信号以控制所述多个关节；其中，处理所述输入信号包括利用基于阻抗的控制框架提供所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制。方案16.如方案13所述的方法，其中，所述输入信号是施加到所述物体的期望输 入力，并且其中处理所述输入信号包括在所述用户通过所述图形用户界面(⑶I)输入所述期望的输入力时自动解耦力 控制方向和位置控制方向，并且将所述位置控制方向正交投影到零空间。方案17.如方案13所述的方法，进一步包括利用所述主机将二阶位置跟踪器应 用到所述位置控制方向并且将二阶力跟踪器应用到所述力控制方向。方案18.如方案13所述的方法，进一步包括在物体级控制中使所述类人机器人 的预定组的内力参数化，由此实时地允许多种抓握类型，所述多种抓握类型至少包括刚性 接触抓握类型和点接触抓握类型。方案19.如方案13所述的方法，进一步包括在所述用户通过所述图形用户界面 (GUI)提供所述期望输入力时，在位置控制模式和力控制模式之间自动切换，并且在所述用 户通过所述图形用户界面(GUI)选择所述类人机器人的末端执行器的期望组合时，在所述 物体级、所述末端执行器级和/或所述关节级中的一个上的阻抗控制之间自动切换。通过以下对实现本发明的最佳模式的具体描述并结合附图，容易明了本发明的上 述特征和优点以及其它特征和优点。
图1是具有类人机器人的机器人系统的示意图，该类人机器人可利用根据本发明 的基于物体阻抗的控制框架来控制；图2是与物体相关的力和坐标的示意图，该物体可被图1示出的机器人作用；图3是一张表，其描述了根据图1示出的机器人所使用的特定接触类型的子矩 阵；图4是一张表，其描述了用于图形用户界面(⑶I)的输入；图5A是根据一个实施例的⑶I的示意图，该⑶I可用于图1的系统；和图5B是根据另一实施例的⑶I的示意图。
具体实施例方式参照附图，在所有这几个附图中相似的附图标记表示相同或相似的部件，并由图1 开始，示出的机器人系统11具有机器人10，此处所示的机器人10为灵活的类人机器人，通 过控制系统或控制器(C) 22来控制该机器人10。控制器22借助算法100(即，下面描述的 基于阻抗的控制框架)提供对机器人10的运动控制。机器人10适于以多个自由度(DOF)执行一个或多个自动任务，并适于执行其它交 互任务或控制其它集成的系统部件，例如夹紧装置、照明装置、继电器等。根据一个实施例， 机器人10构造成带有多个可独立运动的和可相互依赖运动的机器人关节，例如但不限于 肩关节(其位置大致由箭头A指示)、肘关节(大致由箭头B指示)、腕关节(箭头C)、颈关 节(箭头D)和腰关节(箭头E)，以及定位于每个机器人手指19的指骨之间的各个指关节 (箭头F)。每个机器人关节可具有一个或多个D0F。例如，某些诸如肩关节(箭头A)和肘关节(箭头B)这样的柔顺关节可具有至少两个俯仰和滚转形式的D0F。同样地，颈关节(箭 头D)可具有至少三个D0F，而腰关节和腕关节(分别是箭头E和C)可具有一个或多个D0F。 根据任务的复杂性，机器人10可以以超过42个DOF进行运动。每个机器人关节包含一个 或多个致动器并由该一个或多个致动器内部驱动，这些致动器例如是关节电动机、线性致 动器、旋转致动器等。机器人10可包括诸如头部12、躯干14、腰15、手臂16、手18、手指19和拇指21 这样的部件，上述的各种关节置于这些部件内或置于这些部件之间。根据机器人的特定应 用或期望用途，机器人10还可包括适于任务的固定装置或底座(未示出)，例如腿、支撑面 (tread)、或另外的可运动或固定的底座。电源13可一体地安装到机器人10以向各种关节 提供充足的电能用于其运动，电源例如是携带或穿在躯干14后背上的可再充电电池组或 其它适合的电源；或者电源可通过栓系电缆来远程地附接。控制器22提供对机器人10的精确运动控制，包括对操作物体20所需要的精细运 动和粗略运动的控制，物体20可由一个或多个手18的手指19和拇指21进行抓握。控制 器22能够以与其它关节和系统部件隔离的方式对每个机器人关节和其它集成的系统部件 独立地进行控制，还能相互依赖地控制许多个关节以在执行相对复杂的工作任务时全面协 调多个关节的动作。仍然参照图1，控制器22可包括多个数字计算机或数据处理装置，每个数字计算 机或数据处理装置都具有一个或多个微处理器或中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、 随机访问存储器(RAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、高速时钟、模数转换(A/D) 电路、数模转换(D/A)电路、和任何所需的输入/输出(I/O)电路和装置，以及信号调整和 缓冲电子设备。由此，驻存在控制器22内的或可易于访问的单独控制算法可存储在ROM中 并自动地在一个或多个不同的控制级上执行，以提供相应的控制功能。控制器22可包括服务器或主机17，服务器或主机17构造为分布的或中央的控制 模块，并且具有以期望方式执行机器人10的所有要求的控制功能所必需的控制模块和能 力。另外，控制器22可被构造为通用数字计算机，其一般包括微处理器或中央处理单元、只 读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、高速时钟、 模数转换(A/D)电路、数模转换(D/A)电路和输入/输出电路和装置(1/0)，以及合适的信 号调整和缓冲电路。由此，驻存在控制器22中的或因此可访问的任何算法(包括用于执行 下面所具体描述的框架的算法100在内)可存储在ROM中并被执行以提供相应的功能。控制器22电连接到图形用户界面(⑶I) 24，以使用户能访问该控制器。⑶I 24 对任务的宽广范围提供了用户控制，即能够对在机器人10的物体级、末端执行器级和/或 关节空间级的一个或多个中的运动进行控制的能力。GUI 24是简化且直观的，经由简单的 输入，允许用户通过输入输入信号(箭头ic)(例如，期望施加给物体20的力)以不同的 直观方式来控制手臂和手指。GUI 24也能够保存模式变化，使得以后能按顺序执行这些模 式变化。GUI 24还可接受外部控制触发器以处理模式变化，例如，经由外部附接的示教器 (teach-pendant)，或经由通过网络连接控制自动流程(flow of automation)的PLC。GUI24 的各种实施例都可能在本发明的范围内，而下面参考图5A和5B描述了两个可能的实施例。为了利用机器人10执行多种操作任务，需要对机器人进行范围宽广的功能控制。 该功能包括混合的力/位置控制、阻抗控制、带有多种抓握类型的协调物体控制、末端执行器笛卡尔空间控制(即，在XYZ坐标空间内的控制)和关节空间操纵器控制，以及对多个控 制任务的分级优先化。因此，本发明将工作空间阻抗规则及解耦的力和位置应用到对机器 人10的末端执行器的控制，并应用到当物体20被机器人的一个或多个末端执行器(例如， 手18)抓握、接触或以其它方式作用时对物体20的控制。本发明提供了内力的参数化空间 以控制这种抓握。还提供了如下所述的操作在物体20的零空间中的次级关节空间阻抗关 系。 仍然参照图1，控制器22提供了至少两种抓握类型，即刚性接触和点接触，并且还 允许混合的抓握类型。刚性接触由任意的力和力矩的传递来描述，例如，用攥紧的手抓握。 点接触仅传递力，例如，手指尖。物体20的期望闭环行为可由下面阻抗关系限定
权利要求
一种机器人系统，包括类人机器人，其具有适于向物体施加力的多个机器人关节；图形用户界面，其适于接收来自用户的输入信号，所述信号至少描述了将要施加到所述物体的期望输入力；和控制器，其电连接到所述图形用户界面，其中所述图形用户界面向所述用户提供了对所述控制器的编程访问；其中，所述控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述多个机器人关节，所述框架响应于所述输入信号提供了所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制中的至少一个。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述图形用户界面图形化地显示了每一个笛卡尔 空间的输入和每一个关节空间的输入，所述每一个笛卡尔空间的输入和每一个关节空间的 输入用于所述类人机器人的左侧节点和右侧节点中的每一个。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器适于在所述物体级控制中对所述类人 机器人的预定组的内力进行参数化，由此实时地允许多种抓握类型，所述多种抓握类型至 少包括刚性接触抓握类型和点接触抓握类型。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述输入信号还描述了定性的阻抗级，并且其中所 述控制器适于用所述定性的阻抗级来控制所述多个机器人关节。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述图形用户界面是基于功能的装置，其利用一组 直观输入和一个解释逻辑层以便通过用于所述物体级、所述末端执行器级和所述关节空间 级中的至少一个的一组阻抗命令来命令所述类人机器人中的所有关节。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器适于通过响应于所述期望输入力来自 动解耦的力和位置的方向，从而在所述笛卡尔空间中执行混合的力和位置的控制。
7.一种用于机器人系统的控制器，所述系统包括具有多个机器人关节的类人机器人和 电连接到所述控制器的图形用户界面，所述机器人关节适于相对于由所述类人机器人作用 的物体进行力控制，所述图形用户界面适于接收来自用户的输入信号，所述控制器包括主机；和算法，所述算法可由所述主机执行并且适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述多个 关节；其中，所述算法的执行响应于进入到所述图形用户界面的所述输入信号提供所述类人 机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制中的至少一个，所述输入信号 至少包括将要施加到所述物体的期望输入力。
8.如权利要求7所述的控制器，其中，所述算法适于执行中间逻辑层，以便解读通过所 述图形用户界面输入的所述输入信号。
9.如权利要求7所述的控制器，其中，所述算法适于在所述用户输入所述期望的输入 力时自动解耦所述类人机器人的力方向和位置控制方向，并且其中所述位置控制方向在所 述算法的执行期间被自动地正交投影到零空间。
10.一种用于控制机器人系统的方法，所述系统包括具有适于向物体施加力的多个关 节的类人机器人、控制器、和电连接到所述控制器并适于接收输入信号的图形用户界面，所 述方法包括CN 101947786 A_权 禾丨J 要求书_2/2页通过所述图形用户界面接收所述输入信号；和 利用主机处理所述输入信号以控制所述多个关节；其中，处理所述输入信号包括利用基于阻抗的控制框架提供所述类人机器人的物体级 控制、末端执行器级控制和关节空间级控制。
全文摘要
本发明涉及用于类人机器人自动控制的方法和装置。具体地，提供一种机器人系统，包括具有多个机器人关节的类人机器人，这些关节适于对由机器人作用的物体进行力控制；用于从用户接收输入信号的图形用户界面GUI；和控制器。GUI向用户提供对控制器的直观编程访问。控制器利用基于阻抗的控制框架控制关节，该框架响应于输入信号提供对机器人的物体级控制、末端执行器级控制和/或关节空间级控制。一种控制机器人系统的方法包括通过GUI接收输入信号(例如期望力)，然后利用主机处理输入信号以通过基于阻抗的控制框架控制关节。控制框架提供对机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制，并允许基于功能的GUI简化多种操作模式的实施。
文档编号B25J13/00GK101947786SQ201010170210
公开日2011年1月19日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者A·M·桑德斯, C·W·瓦姆普勒二世, M·E·阿布达拉, M·J·赖兰, R·J·小普拉特 申请人:通用汽车环球科技运作公司;美国宇航局