专利名称：在腱驱动的机器人手指内的张力分配的制作方法
技术领域：
本发明涉及在腱驱动操纵器中的转矩控制内的张力分配。
背景技术：
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。
发明内容
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。本发明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发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述特征 以及其他特征和优点将变得相当明显。
图1是依照本发明的机器人系统的示意图；图2是依照本发明的腱驱动手指的图示；和图3是依照本发明的流程图，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的部件，参考 图1，机器人系统11被示出为具有机器人10 (例如，如图所示的灵活的类人型机器人或者其 任何部分)，其经由控制系统或者控制器(C) 22控制。控制器22包括用来控制一个或多个 腱驱动手指19的算法100，如以下将详述的那样。控制器22电连接到机器人10，并且适合 于控制机器人10的各种操纵器，包括一个或多个腱驱动手指19，如以下参照图2和图3详 细描述的那样。
机器人10适合于以多个自由度(DOF)来执行一种或多种自动化任务，并且适合于 执行其他交互任务，或者控制其他集成的系统部件，例如，夹紧设备、照明设备、继电器，等 等。根据一个实施例，机器人10被配置成如图所示的类人机器人，其具有超过42D0F的自由 度，但是在不脱离本发明所设想的范围的情况下，也可以使用具有更少DOF的其他机器人 设计，和/或使用仅具有带至少一个腱驱动手指19的手18的其他机器人设计。图1中的 机器人10具有多个独立和相互依赖的可运动的操纵器，例如，手18、手指19、拇指21，等等， 其包括各种机器人关节。这些关节可包括但不限于，肩关节(其位置大致由箭头A指示)、 肘关节(箭头B)、腕关节(箭头C)、颈关节(箭头D)、和腰关节(箭头E)，以及在每个机器 人手指的指骨之间的指关节(箭头F)。每个机器人关节可具有一个或多个D0F，这依赖于任务的复杂性而变化。每个机 器人关节可包含一个或多个致动器，并且可由该一个或多个致动器内部驱动，例如，关节电 机、线性驱动器、旋转致动器等等。机器人10可包括类人的部件，比如头12、躯干14、腰15、 和臂16，以及手18、手指19、和拇指21，上述各种关节被布置在这些部件内或者被布置在这 些部件之间。取决于机器人的特定应用或设想用途，机器人10还可包括适合任务的固定装 置或者底座(未示出)比如腿，支撑板(treads)，或者其他可运动或固定的底座。电源13 可一体地安装至机器人10，以便给各关节提供足够的电能，用于所述各关节的运动，该电源 例如是携带或穿戴在躯干14的背部上的可再充电的电池组或其他合适的能量供给部，或 者电源可以通过拴系线缆被远程地附接。还参照图1，控制器22可包括多个数字计算机或者数据处理装置，其中每一个 都具有一个或多个微处理器或者中央处理器(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、和任何需要的输入/输出(I/O)电路和装置，以及信号调节和缓冲电子器件 (或电子线路)。由此，驻留在控制器22内的或者易于访问的独立的控制算法可存储在ROM 中，并且以一个或多个不同的控制级自动执行，从而提供相应的控制功能。控制器22可包括服务器或者主机17，其配置成分布式控制模块或者中央控制 模块，并且具有以期望的方式执行机器人10的所有需要的控制功能所必需的控制模块和 能力。此外，控制器22被配置成通用数字计算机，该计算机总体上包括微处理器或者或 者中央处理单元、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)电路和数模转换(D/A)电路、输入/输出电路和装置 (I/O)、以及合适的信号调节和缓冲电子器件(或电子线路)。任何算法都驻留在控制器22 内或可通过控制器22访问，包括用于在如下所述的操纵器(例如，手指19)的腱中分配张 力的算法100和如下所述的腱映射50，算法100和腱映射50都可以被存储在ROM中并且按 照需要被访问或执行，以便提供相应的功能。参见图2，腱驱动手指19可以和图1的机器人10 —起使用，或者与需要对物体应 用抓握力的任意其他机器人一起使用。在腱驱动手指的转矩控制中，期望的关节转矩必须 首先被转换成腱张力。该问题被称作张力分配，并且张力分配必须确保每个张力值部是非 负的。本发明确保了每个张力都落入界定的范围[fmin，fmax]内，其中fmin≥0。该张力分配 将最低的张力值设置成等于fmin，由此最小化内部张力。只要最高张力值超过fmax，该张力分 配便求解出所需转矩的线性比例以满足该界限，同时最小化内部张力。
手指19包括腱34和多个关节32，其中一些关节是独立的关节，由箭头^、12和 τ 3指示。手指19具有η个独立的关节(nDOF)和n+1个腱34。图2中所示的手指19具 有3个D0F，因此在该特定实施例中腱的数量等于4，但是在不脱离本发明设想的范围的情 况下，也可以使用更多或更少的腱和/或D0F。要注意的是，末端关节被机械耦接到邻近的 关节，即，中间关节；因此，末端关节不是独立的D0F。而且，手指19的控制是完全确定的， 正如该术语在本领域中所被理解的那样，因此腱34的数量是n+1，或者在图2所示的特定实 施例中等于4。如上所述，每个独立关节32的特征在于关节转矩τ。η个腱34中的每一个 的特征都在于张力f，在图2中表示为fi; f2，f3和f4，或总的表示fx到fn+1。对于具有η个自由度和n+1个腱34的腱驱动手指19而言，转矩控制策略由算法 100确定，该算法自动在n+1个腱中分配张力，从而使得每个相应的腱被指定到fn+1中相 应的张力，该张力小于最大功能性张力fmax，并且大于或等于最小功能性张力fmin。当需要 时，通过对关节转矩进行线性比例化，从而将张力&到4吣都配置在范围[fmin，fmax]内。因此，在腱驱动手指19中，腱张力的矢量f被配置成使得从到fn+1的每个张力 都落入范围[fmin，fmax]内。由于腱34的单向性本质，所以fmin彡0。在η个关节转矩τ和 n+1个腱张力fx到fn+1之间的关系是
权利要求
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者等于所述最小功能性张力。
2.如权利要求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。
3.如权利要求1所述的方法，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。
4.如权利要求1所述的方法，其中n= 3。
5.如权利要求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。
6.如权利要求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。
7.如权利要求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。
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n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。
9.如权利要求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。
10.一种用于具有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n+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。
全文摘要
本发明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。
文档编号B25J13/00GK102145489SQ20101022400
公开日2011年8月10日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者C·W·万普勒二世, M·E·阿布达拉, R·J·小普拉特 申请人:美国宇航局, 通用汽车环球科技运作公司