约束具有冗余自由度的机械手的制作方法
【专利说明】约束具有冗余自由度的机械手
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年9月17日提交的美国临时申请N0.61/701，900的优先权和权益，其所有内容通过援弓I并入本申请。
技术领域
[0003]本发明涉及用于约束具有冗余自由度的机械手的运动的系统和方法，特别地涉及通过其末端执行机构弓I导这种冗余机械手的方法。
【背景技术】
[0004]工业机器人执行与物品运动和操作相关的多种任务。典型的工业机器人例如可以具有配备夹持部或其他末端执行机构的一个或更多个臂(或者，更广一点说，是附器)，该夹持部或其他末端执行机构允许机器人按照特定的坐标拾取位于特定位置的物体，将其输送至目的地，并将其放下。现有工业机器人的控制器通常以规定机器人臂(多个机器人臂)的确切位置和轨迹的语言编程。在程序任务的执行期间，机器人臂使与其最远侧的链节相关联的参考坐标沿确切的规定轨迹移动至确切的规定新位置。近来的工业机器人的程序系统具有允许用户来教导机器人位置和轨迹的输入层，其通过简单地抓住机器人的末端执行机构并将其引导至机器人的工作空间内的相关位置来实现的。该方法对用户而言是直观的，并且因为机器人能够感受其自身状态(接头角度、力等)，其允许复杂的任务或运动容易演示、感受并记录。
[0005]为促成对机器人臂进行手动引导，通常会使用两种通用方法之一:在第一种方法中，机器人被构造成通过感受臂的端点处的力或扭矩并控制机器人的运动以使这些力最小化从而“接受”用户指引的运动。为实现该目的，“接受装置”要求可例如通过安装至末端执行机构的力/扭矩载荷单元提供的高精确度的力感受能力，以及针对机器人平台的精确的动态模型和控制方案。然而传感器是易损件，使其对于进行重度使用的机器人来说是不切实际的。另外，对于大批生产的机器人，传感器和需要实施精确动态模型和控制方案的硬件是昂贵的，通常令人望而却步。
[0006]在第二种方法中，机器人被设计成仅最低限度地“阻滞”用户期望的动作。低机械阻滞能够原则上通过降低机器人的运动部件的质量和惯性实现，但这对于意于携载重载的、其自身最好较大且较重的机器人来说是不切实际的。替代地，低阻滞装置可有效地对接头施加力和扭矩从而允许用户自由地控制臂的位置。例如，机器人可按以下模式操作:即，在接头处内部施加的力准确地补偿因构成机器人臂的链节的质量而产生的重力。如果在各个接头处内部施加的扭矩与下游链节的重力达到平衡，则臂将是浮动的且便于用户移动，会感到臂如同处于低重力或零重力。补偿中的任何细微误差通常会导致臂在空间中浮动或漂浮，然而如果人保持住臂，则容易克服该漂浮。
[0007]对于有六个或少于六个运动自由度的机器人臂来说，最远侧链节的位置和方向(其能够表达为规定例如远侧链节的空间坐标X，y, z以及在欧拉表示法中的绕X轴旋转(roll)、绕y轴旋转(pitch)和绕z轴旋转(yaw)的六维向量)唯一地确定机器人的所有链节的设定。然而如果机器人具有多于六个自由度，则在相同端点处产生链节和接头的许多不同配置，并且需要对臂的期望姿势的进一步规范来消除任何歧义性。这种通常被称为的“冗余”是希望有的，因为其为机器人提供更高的灵巧度。对于冗余机器人(即具有比通过端点的位置和取向可唯一规定的机器人有更多自由度的机器人)，可根据任务选择优选的姿势以便例如躲避障碍、降低接头扭矩、使运动最少化等。相比之下，不具有冗余自由度的机器人一旦规定了端点则这不再有考虑这种附加标准的灵活性。词语“姿势”的意思是臂或其他机械手或者其多个元件的位置和取向。姿势可以在任何方便的参考系中规定，例如，姿势可以通过对应于机械手的自由度的、共同规定其至少一些元件的空间位置和取向的一组坐标值规定，或者通过直接对应于三维空间位置和取向的一组坐标值(例如相对于机器人或相对于机器人操作的空间)规定。
[0008]缺点是冗余意味着用户不能完全控制(至少不能用一只手控制)臂的姿势，因为端点的位置不完全约束其他部分的运动。例如，对于具有与人的手臂相似的运动学特性的机器人臂，不可能通过移动末端执行机构(或机器人的“手”)使肘部运动。尽管用户能够用其双手驱动机器人臂的姿势(例如通过使手和肘部同时运动)，通常优选的是用户能够用单手控制臂从而解放其另一只手，例如按下按钮、在别的界面进行工作等。对于低阻滞的冗余机械手，另一问题(可能是更重要的问题)是施加在接头处的力和/或扭矩的任何误差会造成臂的冗余部分无法控制地漂浮，这是不实用且有潜在危险的(例如其造成臂与机器人的其他部分碰撞或与在机器人的环境中的人和物体碰撞)。
[0009]相应地，为获得从末端执行机构手动引导冗余机械手的有效解决方案，机械手需要容易移动，以消除或至少减少无法控制的漂浮的方式受约束、并且优选当需要时可对其姿势重新构型。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的任务是提供用于约束冗余机械手的姿势和/或运动的系统和方法，使得机械手能够容易地用单手从其端点引导，而当在重力补偿模式下操作时不会发生无法控制的运动。根据各实施方式，低阻滞机器人的冗余自由度被弱约束，即，不是降低机器人臂的自由度，而是在机器人接头处内部地施加约束力和/或约束扭矩从而将机器人臂驱向特定的优选构造一一下文用“标准姿势”表达。通过这些约束力和/或约束扭矩，机器人臂在其运动自由度覆盖的空间内(即，其可能姿势的空间)运动，如同在标准姿势处其潜能具有最小值。
[0011]约束力和/或约束扭矩通常根据机械手的计算模型确定，并且被加至补偿重力的扭矩或力。例如，约束力或扭矩可作为由“虚拟弹簧”(即仅用于计算目的且通常不对应于机械手的任何实际部件的弹簧)施加的(回复)力进行建模。在一些实施方式中，虚拟弹簧是连接至一个或多个关键性地选择的接头的扭转弹簧，其通过大小上取决于接头自其标准位置的转动位移的回复力将接头朝其各自的标准转动位置(即接头呈现其标准构造的转动位置)拉回。在其他实施方式中，在笛卡尔(即xyz)空间而非“接头空间”施加约束。即，标准位置关于机器人臂的一个或多个关键性地选择的点的笛卡尔空间坐标被限定，而非关于选择的接头的角度(即转动角度)限定。例如，机器人的“肘部”可被约束为特定的(“标准”)高度。笛卡尔约束能够通过对附接在臂上的选定的点与三维空间中的固定位置之间的虚拟弹簧建模而得以实现，弹簧施加取决于关键点与各固定位置之间的(线性)位移的回复力。在此，“关键性”选择机器人臂上的接头和/或点的意思是施加在选择的接头或点上的约束对机器人臂运动具有有效影响，即，与在其他接头或机器人点上施加约束相比能特别好地约束冗余。
[0012]施加在接头处的约束力和扭矩通常通过臂传导以在末端执行机构处施加力，如果用户保持末端执行机构静止则可能由用户施加反作用力在该末端执行器上。然而在一些实施方式中，约束力和/或约束扭矩从开始即施加于机器人的“零空间”，其定义为机器人链节能够在不使端点运动的情况下运动的空间，零空间通常取决于端点的瞬时位置和取向，并且在零空间内避免了在末端执行机构上的力。在这种情况下，力和/或扭矩的计算可涉及标准姿势和当前姿势向(瞬时的)零空间的映射。
[0013]在一些实施方式中，标准姿势能由用户实际设定。例如，用户可以将机器人臂置于期望的姿势并随后按下开关以使标准姿势初始化为当前姿势。在其他实施方式中，标准姿势被数字化地设定(例如通过编程或通过利用传统的用户界面对接头的角位置或其他姿势参数的用户规定)。标准姿势不一定是单一的固定姿势，而是可以例如作为在工作空间中的机器人的位置和取向或者机器人部分的相对位置和取向(例如端点的位置或机器人的肩部相对于机器人本体的取向)的函数动态地改变。例如，当机器人臂位于前方时，标准姿势可以是肘部指向后方和侧方、而当机器人臂位于后方时，标准姿势会保持肘部指向前方和侧方。然而在任何瞬间，标准姿势都是固定的。
[0014]在一个方案中，本发明涉及一种约束冗余机械手的方法，所述冗余机械手包括多个接头并且在补偿重力的模式下进行操作。所述方法包括:(使用处理器)计算用于将机械手的姿势推向标