本發(fā)明涉及一種機(jī)器人系統(tǒng)，適于通過由用戶引導(dǎo)通過來學(xué)習(xí)移動(dòng)。

背景技術(shù)：

1、引導(dǎo)通過是一種教導(dǎo)機(jī)器人它想要復(fù)制的移動(dòng)的方便且高效的方式。在引導(dǎo)通過模式下，當(dāng)用戶抓住機(jī)器人機(jī)械手的可移動(dòng)部分并且使它位移時(shí)，相關(guān)聯(lián)的控制器將記錄機(jī)械手經(jīng)過的坐標(biāo)或姿勢(shì)，以便稍后在生產(chǎn)模式下復(fù)制移動(dòng)時(shí)沿這些坐標(biāo)或姿勢(shì)移動(dòng)它。

2、實(shí)施引導(dǎo)通過模式時(shí)要克服的困難是，機(jī)械手的關(guān)節(jié)一定不能變得無力，但是必須保持足夠的“緊張”，以保持其姿勢(shì)，同時(shí)不被用戶操縱。另一方面，機(jī)械手應(yīng)當(dāng)容易屈服于用戶所施加的力。控制器基于機(jī)械手的關(guān)節(jié)坐標(biāo)計(jì)算作用于機(jī)械手的每個(gè)關(guān)節(jié)的重力引起的轉(zhuǎn)矩，并且控制與每個(gè)關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的馬達(dá)以生成補(bǔ)償重力引導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩所需的精確量的轉(zhuǎn)矩，因此可以滿足第一要求。為了使機(jī)械手位移，用戶然后仍然必須克服機(jī)械手的內(nèi)部摩擦，在大型工業(yè)機(jī)器人的情況下，這可能是身體上的挑戰(zhàn)。因此，有必要實(shí)施某種伺服機(jī)構(gòu)，該伺服機(jī)構(gòu)將檢測(cè)用戶敦促機(jī)械手進(jìn)入某個(gè)方向，并且將控制馬達(dá)以使其向那個(gè)方向移動(dòng)，從而克服內(nèi)部摩擦。

3、這樣做的一種方式在本領(lǐng)域中被稱為基于導(dǎo)納的控制。此處，控制器檢測(cè)由用戶施加到可移動(dòng)部分的向量力，并且控制機(jī)械手，使得可移動(dòng)部分在力的方向上并且以取決于力的大小的速度來移動(dòng)。利用這種方法，用戶必須一直施加非零力，直到可移動(dòng)部分到達(dá)其目標(biāo)位置，這樣體力消耗最多只能減少，但不能避免。進(jìn)一步地，事實(shí)上，類似于當(dāng)移動(dòng)勺子通過粘稠液體時(shí)，用戶必須克服的力往往越強(qiáng)，可移動(dòng)部分就移動(dòng)得越快，使在引導(dǎo)通過中進(jìn)行迅速的移動(dòng)變得困難。

4、這就是為什么機(jī)器人系統(tǒng)通常對(duì)引導(dǎo)通過使用基于阻抗的控制。在基于阻抗的控制中，檢測(cè)到的是移動(dòng)部分的參考位置和實(shí)際位置之間的偏差。當(dāng)參考位置落后于實(shí)際位置，并且用戶使移動(dòng)部分以恒定的速度移動(dòng)時(shí)，這種滯后將傾向于調(diào)整，使得控制器最終以用戶所期望的速度驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部分。用戶所感受到的阻力可以設(shè)置為接近于零，這樣就可以毫不費(fèi)力地教導(dǎo)快速且遙遠(yuǎn)的移動(dòng)。

5、然而，當(dāng)涉及到精確定位時(shí)，基于阻抗的控制具有其局限性。當(dāng)用戶試圖使移動(dòng)部分位移一小段距離時(shí)，參考位置與實(shí)際位置之間的偏差也很小，并且控制器為支持預(yù)期位移而施加的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩最初可能太小而無法克服機(jī)械手的靜摩擦。一旦該馬達(dá)轉(zhuǎn)矩變得足夠大以克服靜摩擦，機(jī)械手很可能會(huì)抽搐，最終停在超出用戶所預(yù)期的位置。

6、傳統(tǒng)上，通過僅對(duì)其中精度并不重要的移動(dòng)或移動(dòng)的部分使用引導(dǎo)通過，并且通過機(jī)械手外部的某些輸入裝置使用微動(dòng)控制進(jìn)行精細(xì)定位，已經(jīng)解決了這個(gè)問題。微動(dòng)控制往往是耗時(shí)的，因?yàn)橛脩舨荒芟闰?yàn)地告知輸入到外部輸入裝置的微動(dòng)步長(zhǎng)將如何轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的移動(dòng)。試圖通過例如在應(yīng)用坐標(biāo)中限定微動(dòng)動(dòng)作來克服這個(gè)問題的方法仍然受到這一限制，即這些坐標(biāo)必須首先與現(xiàn)實(shí)世界精確地匹配。用戶還必須將注意力分散在機(jī)械手和輸入設(shè)備之間，這使得過程不太直觀。

7、因此，本發(fā)明的目的是提供一種不僅快速地、毫不費(fèi)力地，而且以高精度在引導(dǎo)通過模式下進(jìn)行教導(dǎo)的機(jī)器人系統(tǒng)，以及用于這種機(jī)器人系統(tǒng)的控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，這個(gè)目的是在包括機(jī)械手和控制器的機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，其中控制器支持引導(dǎo)通過操作模式的基于阻抗的控制，控制器可在引導(dǎo)通過模式的基于阻抗的控制和基于導(dǎo)納的控制之間切換。因此，基于阻抗的控制可以用于向系統(tǒng)教導(dǎo)移動(dòng)的長(zhǎng)途部分，不是精確地達(dá)到目標(biāo)位置，而是接近某個(gè)位置，并且必須精確到達(dá)目標(biāo)位置的最終短途部分可以在導(dǎo)納控制下完成。對(duì)于最終部分，在導(dǎo)納控制下，機(jī)械手總是表現(xiàn)出一定的阻力來位移，這一點(diǎn)并不重要，一方面是因?yàn)槲灰频木嚯x很短，另一方面是因?yàn)樵谛枰_定位的地方，用戶將使機(jī)械手緩慢地位移，而且位移越慢，阻力往往就越小。

2、系統(tǒng)可以包括手動(dòng)操作的開關(guān)，該手動(dòng)操作的開關(guān)用于在引導(dǎo)通過模式的基于阻抗的控制和基于導(dǎo)納的控制之間進(jìn)行切換。

3、在大多數(shù)實(shí)際實(shí)施例中，開關(guān)將是手動(dòng)操作的，但是語音或手勢(shì)控制也是可想象的。

4、為了方便處理，手動(dòng)操作的開關(guān)可以設(shè)置在機(jī)械手的可移動(dòng)部分中，理論上靠近末端執(zhí)行器，即它與末端執(zhí)行器之間不應(yīng)有多于一個(gè)關(guān)節(jié)。

5、在機(jī)械手具有手柄部分以被握在引導(dǎo)通過模式下引導(dǎo)機(jī)械手的用戶的手中的情況下，開關(guān)可以位于或靠近手柄部分，以便可由握著手柄部分的手操作。

6、相同的開關(guān)也可以用于在機(jī)器人系統(tǒng)的引導(dǎo)通過模式和生產(chǎn)模式之間進(jìn)行切換，例如給定時(shí)間間隔內(nèi)開關(guān)的單次操作可能會(huì)導(dǎo)致引導(dǎo)通過模式和生產(chǎn)模式之間的切換，而在引導(dǎo)通過模式下，開關(guān)的雙次操作會(huì)導(dǎo)致基于阻抗的控制和基于導(dǎo)納的控制之間的切換。

7、當(dāng)機(jī)械手具有上述手柄部分時(shí)，開關(guān)還可以是傳感器，該傳感器對(duì)手柄部分被觸摸的方式敏感。例如，壓力傳感器可以對(duì)手柄部分被握住的牢固性敏感，例如通過檢測(cè)施加到手柄部分的相對(duì)側(cè)的壓力。當(dāng)用戶的手從相對(duì)側(cè)按壓或壓力超過給定閾值時(shí)，用戶很可能希望在移動(dòng)手柄部分后使其減速，這表明他打算進(jìn)行最好應(yīng)在基于阻抗的控制下執(zhí)行的長(zhǎng)距離移動(dòng)，而輕微的壓力或從一側(cè)輕推手柄部分僅表明用戶旨在進(jìn)行精細(xì)定位，這應(yīng)在基于導(dǎo)納的控制下執(zhí)行。

8、如果控制器適于掃描用戶針對(duì)預(yù)定形式到手柄部分中的輸入并且當(dāng)在輸入中檢測(cè)到形式時(shí)，從基于阻抗的控制和基于導(dǎo)納的控制之間的一種切換到另一種，則可以省去開關(guān)。

9、這種形式可以是輸入的方向的突然變化。因此，在移動(dòng)開始時(shí)，用戶可能會(huì)“抖松”機(jī)械手，以便使其在基于阻抗的控制下易于位移。

10、另一方面，當(dāng)用戶正試圖在長(zhǎng)移動(dòng)結(jié)束時(shí)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)位置時(shí)，在速度持續(xù)下降之前很可能發(fā)生方向變化。在這種情況下，通過自動(dòng)切換到基于導(dǎo)納的控制，可以促進(jìn)精細(xì)定位。

11、應(yīng)當(dāng)提供指示器，通過指示器，用戶可以在任何時(shí)間告知機(jī)械手在哪種類型的控制下。

12、控制器通過將參考參數(shù)的連續(xù)值傳輸給機(jī)械手的馬達(dá)來控制機(jī)械手的移動(dòng)。通常，參考參數(shù)指定馬達(dá)要輸出的轉(zhuǎn)矩。通常，這些值將根據(jù)機(jī)械手是在阻抗控制下還是在導(dǎo)納控制下而有所不同。因此，應(yīng)當(dāng)注意避免發(fā)送給馬達(dá)的參考參數(shù)值的突然變化，其可能導(dǎo)致機(jī)械手在切換的事件中抽搐。因此，在控制器包括用于在阻抗控制和導(dǎo)納控制中的第一控制下依次輸出參考參數(shù)值的第一控制回路以及用于在阻抗控制和導(dǎo)納控制中的另一個(gè)控制下依次輸出參考參數(shù)值的第二控制回路的情況下，在從基于阻抗的控制和基于導(dǎo)納的控制中的第一控制切換到另一個(gè)控制的事件中，第二控制回路應(yīng)進(jìn)行初始化，以輸出與在切換前的最后一次迭代中由第一控制回路輸出的值相差不超過預(yù)定量的值，作為切換后的第一次迭代的參考參數(shù)值。在最簡(jiǎn)單的情況下，初始化可以導(dǎo)致切換后的第一次迭代的參考參數(shù)值與切換前的最后一次迭代的參考參數(shù)值相同。

13、目的還通過用于在引導(dǎo)通過模式下控制機(jī)器人系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人系統(tǒng)具有機(jī)械手和控制器，其中用戶引導(dǎo)機(jī)械手的移動(dòng)部分移動(dòng)到目標(biāo)位置，方法包括以下步驟：

14、a)控制器在阻抗控制下支持移動(dòng)的初始階段，以及

15、b)控制器在導(dǎo)納控制下支持移動(dòng)的最終階段。