推断让机器人系统运动的操作者的意图的方法
【专利摘要】推断让机器人系统运动的操作者的意图的一种方法，包括通过控制器监视操作者的意图。操作者的意图被推断为期望加速度和期望度的减速中的一个。操作者的意图还为期望速度。导纳参数作为推断的加速度、减速度和速度中至少一个的函数被修改。
【专利说明】推断让机器人系统运动的操作者的意图的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及推断让机器人系统运动的操作者的意图的一种方法。
【背景技术】
[0002]高架桥式起重机广泛地用于提升大的有效载荷和使其重新定位。通常，拾取和放置操作中的移位涉及三个平移自由度和一个沿垂直轴线的旋转自由度。该组运动(被称为选择顺应性装配机器手臂(“SCARA”)运动或“Scl治iiflies”运动)被广泛地用在工业中。桥式起重机允许沿两个水平轴线的运动。通过适当的节点，可以增加垂直的平移轴线和垂直的旋转轴线。沿水平轴线的第一运动通过让桥在固定轨道上运动而获得，而沿第二水平轴线的运动通过让吊车沿桥运动而获得，所述运动垂直于固定轨道的方向。沿垂直轴线的平移使用垂直滑动节点或通过使用传动带获得。沿垂直轴线的旋转通过使用绕垂直轴线旋转的枢轴而获得。
[0003]存在至少部分地机动化形式的高架桥式起重机，其通过人力操作者而沿水平轴手动地移位和沿垂直轴线手动地旋转，但是其包括机动化的提升机，以便应对沿垂直方向的重力。还有，一些桥式起重机可被手动地沿所有轴移位，但是通过平衡装置对有效载荷的重量进行补偿，以便减轻操作者的负担。这种桥式起重机有时被称为辅助装置。平衡常通过加压空气系统获得。这些系统需要经压缩的空气，以便维持压力或真空——根据使用的原则一这需要很大的动力。还有，因为压缩空气汽缸中的摩擦，移位非常不是很平滑，甚至是弹跳(bouncy)的。平衡可使用平衡配重获得，这给系统增加很大的惯性。虽然对于垂直运动是有帮助的甚至是必要的，但是附接到桥式起重机的吊车的这种系统由于让这些系统的质量体运动而增加了与水平运动有关的很大的惯性。在基于平衡配重的平衡系统的情况下，增加的质量会非常大，甚至大于有效载荷本身。如果水平行进速度很大，则增加到系统的惯性成为了主要缺陷。
[0004]还存在完全机动化形式的这种桥式起重机，其要求大功率的促动器，尤其对于支撑有效载荷重量的垂直轴线的运动来说。这些促动器通常附接到吊车或桥，并其随后进入运动。垂直平移促动器有时通过类似于塔式起重机中使用的系统而附接到桥和链接到吊车。
【发明内容】
[0005]一种推断让机器人系统运动的操作者的意图的方法，包括通过控制器监视操作者的意图。操作者的意图被推断为期望加速度和期望减速度中的一个。还将操作者的意图推断为期望速度。导纳参数被作为推断的加速度、减速度和速度中至少一个的函数而被修改。
[0006]机器人系统包括吊车、传感把手和控制器。吊车配置为用于沿第一轴线运动。传感把手操作性地连接到吊车且配置为被操作者抓持，从而传感把手测量操作者和机器人系统之间的力。控制器操作性地连接到传感把手。控制器配置为确定操作者期望的吊车的运动，从而期望加速度和期望减速度中的一个被作为测量的力(其让吊车沿第一轴线运动)的函数而被推导出来。
[0007]—种让机器人系统沿第一轴线运动的方法，包括通过控制器监视操作者的意图。操作者的意图被推导为期望加速度和期望减速度中的一个。导纳参数被作为期望加速度和期望减速度的量值中一个的函数而被调整。当推导出加速意图时减小导纳参数。当推导出减速意图时增加导纳参数。作为操作者的期望意图的函数的功率被传递到电动机，以而让吊车沿第一轴线运动。
[0008]在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]现在参见附图，其是示例性实施例且其中相同的元件被相似地标记:
[0010]图1是安装到支撑结构的机器人系统的示意性透视图；
[0011]图2是用于操作机器人系统的控制方案的示意性视图；
[0012]图3是用于推断让机器人系统运动的操作者意图的可变导纳控制方案的示意性图解视图；
[0013]图4A是针对沿X轴线的机器人系统运动的稳定性限制的示意性图解表示；
[0014]图4B是针对沿Y轴线的机器人系统运动的稳定性限制的示意性图解表示；
[0015]图5是针对沿X轴线运动的虚拟质量对虚拟缓冲的比的示意图，所述比为虚拟缓冲的函数。
【具体实施方式】
[0016]参见附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，在图1中显示了配置用于让有效载荷22沿多个方向运动的辅助装置或机器人系统20。机器人系统20安装至配置为支撑机器人系统20和有效载荷22的静止支撑结构24。支撑结构24包括但不限于一对平行的轨道26或行进道。
[0017]继续参考图1，机器人系统20可以包括桥式起重机28、吊车30，和末端执行器32。桥式起重机28是包括至少一个梁34的结构，所述至少一个梁跨过该一对平行的轨道26。桥式起重机28适于沿X轴线36承载有效载荷22。吊车30可动地附接到桥式起重机28的梁34，从而吊车30适于沿Y轴线38承载有效载荷22，所述Y轴线通常与X轴线36为垂直关系。Z轴线40沿垂直方向42相对于地面44延伸。Z轴线40限定在X轴线36和Y轴线38的交叉点之间。末端执行器32从吊车30沿Z轴线40操作性地延伸。垂直滑动件46操作性地设置在末端执行器32和吊车30之间，从而末端执行器32可沿垂直方向42运动。垂直滑动件46的垂直运动可以通过气动汽缸、电汽缸等获得。另外，旋转节点48可以设置在末端执行器32和吊车30之间，从而末端执行器32可绕Z轴线40旋转。然而，应理解，辅助或机器人系统20并不限于高架桥式起重机28。
[0018]末端执行器32包括支撑部分50和传感把手52。支撑部分50配置为支撑有效载荷22。传感把手52可以操作性地附接到支撑部分50且配置为被操作者54抓持。操作者54抓持传感把手52且沿或绕X、Y和/或Z轴线36、38、40引导机器人系统20。传感把手52包括力传感器56，所述力传感器配置为测量操作者54和机器人系统20之间的力fH。[0019]机器人系统20通过电动机58推进。更具体地，机器人系统20包括至少一个电动机58，所述电动机配置为沿和/或绕目的X、Y和/或Z轴线36、38、40驱动或以其他方式推进机器人系统20。每一个电动机58包括编码器62和电动机驱动器60。轨道26包括霍尔效应传感器64。编码器62和霍尔效应传感器64配置为测量和校准机器人系统20沿X、Y和/或Z轴线36、38、40的位置。
[0020]机器人系统20提供物理的人-机器人交互(pHRI)。pHRI通过直接地将机器人的力量与人的技巧接合而扩展了机器人的能力，即“人的增效”。针对PHRI提供可变导纳控制方案，通常在图3的66处不出，从而机器人系统20被人操作者54操作，而机器人系统20又将操作者54的意图推断为期望加速度和/或期望速度。推断操作者54意图的方式可以取决于期望加速度.?，其对操作者54是直观的。另外，期望速度Xf) Ik可以被考虑。作为推断的操作者54意图的函数，机器人系统20的虚拟缓冲c和虚拟质童m 二者都变化。虚拟质量是通过操作者54被移动的质量的模拟，与操作者54将经历的实际质量相对。因此，由于操作者54实际经历的质量被极大地减小到虚拟质量，如果实际质量(而不是虚拟质量)必须被移动，则操作者54将不必经历其通常遇到的实际很大的质量。这为操作者54提供了改进的人体工学特征。另外，在改变虚拟缓冲和虚拟质量的参数时，机器人系统20的稳定性限制被考虑。
[0021]参见图1，机器人系统20可以包括4个自由度(4-dof)的智能辅助装置(IAD)，其允许沿所有方向(即沿X、Y、Z轴线36、38、40)的平移，和/或绕Z轴线40的旋转0。通过非限制性的例子，总的运动质量沿X轴线36的方向大约为500kg且沿Y轴线38大约为325kg。另外，有效载荷22可以在0到113kg之间变化。水平工作空间为3.3mX 2.15m，而沿Z轴线的垂直运动范围为0.52m。绕Z轴线(垂直轴线)的旋转范围为120°。可以进行三种不同的控制模式:自主运动、无动力的手动运动和交互运动(即合作)。然而，应理解，也可以使用具有更多或更少自由度的机器人系统20。
[0022]控制器68操作性地连接到机器人系统20，如图1和2所示。控制器68可以包括一个或多个整合的电路，其可以通过各种电`子装置增强，所述各种电子装置例如电压调节器、电容器、驱动器、晶体定时器(timing crystals)、通信端口等。控制器68可以是微控制器，其使用有限的功率和有限只读存储器(ROM)、随机访问存储器、和/或电可编程只读存储器(EPROM)和任何所需的输入/输出(I/O)电路装置，以及信号调节和缓冲电路。处理器70用于提供所需的处理功率。驻存于控制器68中或易于借以访问的各控制算法，包括推断操作者54的意图所需的任何算法(一个或多个)或代码，可以存储在存储器(例如ROM)中，且自动地被执行以提供所请求的控制功能。控制器68还经由传感把手52、编码器62和霍尔效应传感器64获取来自传感器56、64的输入，如上所述，以接收力、位置、速度等。控制器68处理该数据且计算期望的输出72。期望的输出72传递到电动机驱动器60，所述电动机驱动器又将功率发送到电动机58，从而以期望速度驱动相应的电动机58。
[0023]参见图2，控制器68是导纳控制器68，其配置为接收通过力传感器56测量的力fH作为通过操作者54做出的输入，且又输出末端执行器32的位移72。一维导纳等式可以数学地表达为:
[0024]fH = m(x — x0) + c(x — x0) + k (x — X0)[0025]其中fH为相互作用力，即通过操作施加的力，m是虚拟质量，c是虚拟缓冲，k是虚拟刚度，X0是平衡点，x、k、X分别是位置、速度69和加速度，x0,X0.X0分别是期望的位置、期望速度和期望加速度。因为期望模拟自由运动，所以刚度k以及期望的位置Xtl、期望速度X0期望加速度X0被设为零。应理解，尽管显示和描述了一维导纳等式，如果X是向量(x、y、z、0等)，则该导纳等式可以是多维的。导纳等式可以接下来数学地表达为:
[0026]fH = mx + CX
[0027]机器人系统20要遵循的轨迹可以被描述为期望的位置或期望速度。对于速度控制，期望速度可数学地表达为:
[0028]Xd (S) =Fh(S)H(S)
[0029]其中X (S)是X的拉普拉斯变换，Fh (S)是fH的拉普拉斯变换，s是拉普拉斯变量。使用速度控制。
[0030]离散化的期望速度通过零阶保持器获得，但是也可以使用双线性离散化。离散的期望速度可以数学地表达为:.,
【权利要求】
1.一种推断让机器人系统运动的操作者的意图的方法，该方法包括: 通过控制器监视操作者的意图； 推断操作者的意图为期望加速度和期望减速度中的一个； 推断操作者的意图为期望速度；和 修改作为推断的加速度、减速度和速度中至少一个的函数的导纳参数。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括: 选择用于导纳参数的默认值；和 在未推导出期望加速度和期望减速度时应用默认值。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述监视被进一步限定为确定期望加速度的方向和量值。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述监视被进一步包括检测通过操作者施加以让机器人系统运动的力。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括: 确定机器人系统的当前速度；和 取当前速度的绝对值以确定期望速度的量值； 其中，修改作为推断的加速度、减速度和速度中至少一个的函数的导纳参数进一步被限定为:修改作为推断的加速度、减速度、和期望速度的量值中的至少一个的函数的导纳参数。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括将期望速度的方向与期望加速度的方向比较； 其中在期望加速度和期望速度沿相同方向时推导出加速；和 其中在期望加速度和期望速度沿相反方向时推导出减速。
7.如权利要求1所述的方法，其中在未推导出操作者意图时导纳参数运动到默认值。
8.如权利要求1所述的方法，其中监视操作者期望的机器人系统的运动被进一步限定为 感应通过操作者在机器人系统上施加的力；和 确定操作者期望的机器人系统的运动为加速和减速中的一个以及速度，所述加速或减速为感测的力的函数。
9.一种机器人系统,包括: 吊车，配置为用于沿第一轴线运动； 传感把手，操作性地连接到吊车且配置为被操作者抓持，从而传感把手测量操作者和机器人系统之间的力； 控制器，操作性地连接到传感把手； 其中控制器配置为确定操作者期望的吊车的运动，从而期望加速度和期望减速度中的一个作为测量的让吊车沿第一轴线运动的力的函数而被推导出来。
10.如权利要求10所述的机器人系统，其中传感把手包括至少一个力传感器，其配置为测量操作者和机器人系统之间的力。
【文档编号】B66C13/22GK103496633SQ201310091152
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】A.勒库尔斯, B.迈耶-圣-翁奇, C.戈斯林, D.高 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司, 拉瓦尔大学