基于動態(tài)系統(tǒng)的機器人速度控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于動態(tài)系統(tǒng)的機器人速度控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 機器人一般包括經(jīng)由電機驅(qū)動的機器人關(guān)節(jié)互連的一系列連桿。每個機器人關(guān)節(jié) 代表一個或多個獨立控制變量/自由度。諸如機器人的手或夾鉗的端部執(zhí)行器在給定工作 任務（諸如抓取和移動物體）的執(zhí)行中是直接作用在物體上的串行機器人中的特定的端部 連桿。復雜的程序和運動控制技術(shù)以多種方式使用以獲得所需水平的機器人活動性、靈活 性和工作任務相關(guān)的功能性。端部執(zhí)行器根據(jù)特定的路徑或軌跡接近或遠離特定的目標位 置。這樣的路徑使用多種方法邏輯地規(guī)劃。然而，傳統(tǒng)的端部執(zhí)行器路徑規(guī)劃在某些情況 下可能不是魯棒性最優(yōu)的，如下描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本文公開了機器人控制系統(tǒng)和方法，其適用于控制機器人的端部執(zhí)行器。雖然常 規(guī)機器人一般通過門或其他屏障而與周圍的工作環(huán)境隔離，但是期望通過一些更復雜的新 興的靈巧機器人設計，在機器人和生產(chǎn)線操作者和/或位于機器人工作環(huán)境中的物體之間 進行直接交互。然而，有時仍然可能發(fā)生與這種機器人的端部執(zhí)行器的不期望的接觸，這反 之會導致端部執(zhí)行器的擾動。這些擾動可能導致端部執(zhí)行器運動脫離規(guī)劃的路徑，并且因 此需要更魯棒的控制過程功能性。
[0004] 當前的控制框架意圖經(jīng)由組合速度控制模塊的功能與動態(tài)系統(tǒng)的功能的控制系 統(tǒng)的使用來解決這樣的特定控制問題。如本領(lǐng)域已知的，端部執(zhí)行器控制一般涉及將控制 器以預定方法和在給定的任務空間中（例如，參考笛卡爾參考系）的出發(fā)軌跡編程。隨著 端部執(zhí)行器朝向特定的目標位置運動或運動遠離該特定的目標位置，端部執(zhí)行器的位置和 速度被實時測量和控制。動態(tài)系統(tǒng)提供了一種替代方法。在動態(tài)系統(tǒng)中，端部執(zhí)行器的運 動軌跡沒有預限定。替代地，該軌跡在給定的端部執(zhí)行器的運動期間經(jīng)由控制器自動生成。 與在連續(xù)的閉環(huán)控制中（與上述的編程強度大的控制方案不同），僅在動態(tài)系統(tǒng)中明確規(guī) 定較少的控制命令。微分方程最終生成相應的運動軌跡。
[0005] 動態(tài)運動基元（DMP)框架可用于實施這種動態(tài)系統(tǒng)。在DMP框架中，前述的微分 方程適于生成給定的運動?？傊?，這些微分方程可形成所謂的"運動基元"的庫。然而，常 規(guī)的端部執(zhí)行器控制技術(shù)可能仍然低于最優(yōu)魯棒性，特別是當沿著規(guī)劃的軌跡運動時遭遇 諸如由端部執(zhí)行器受到的外力導致的擾動的時候。
[0006] 本文公開的控制系統(tǒng)最后生成用于端部執(zhí)行器的運動命令，很有可能響應于之前 操作者示范的工作任務來這樣做。動態(tài)系統(tǒng)模塊產(chǎn)生期望的速度命令用于端部執(zhí)行器的運 動，經(jīng)由流向量場而這樣做。端部執(zhí)行器在自由空間中的實際位置被測量并且作為控制輸 入傳遞至動態(tài)系統(tǒng)模塊。本文公開的控制系統(tǒng)允許相對于主流技術(shù)更多樣或更靈活的機器 人運動，機器人能夠更好地在線或?qū)崟r地適應新設定的目標位置和/或在機器人的工作環(huán) 境中遭遇到動態(tài)或靜態(tài)的障礙物。
[0007] 在示例性實施例中，機器人系統(tǒng)包括端部執(zhí)行器和控制系統(tǒng)。與端部執(zhí)行器通訊 的控制系統(tǒng)包括處理器、動態(tài)系統(tǒng)模塊（DSM)和速度控制模塊（VCM)，其中術(shù)語"模塊"這里 用于指專用于執(zhí)行如下描述的相關(guān)功能的控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分。特別地，DSM處理 一組輸入并且應用流向量場，然后輸出控制速度命令。這組輸入可包括端部執(zhí)行器的測量 位置或?qū)嶋H位置、端部執(zhí)行器的期望目標位置、和可選的端部執(zhí)行器的操作者示范參考路 徑（例如，經(jīng)由端部執(zhí)行器的遠程操作或反向驅(qū)動示范的路徑）。VCM接收或計算端部執(zhí)行 器的實際速度和控制速度命令作為輸入，并且最終生成電機轉(zhuǎn)矩命令至端部執(zhí)行器作為輸 出命令。
[0008] 控制系統(tǒng)采用預定的一組微分方程，以實時地生成端部執(zhí)行器的運動軌跡。運動 軌跡近似于示范的參考路徑?？刂葡到y(tǒng)編程為響應于端部執(zhí)行器的運動所經(jīng)受的擾動，經(jīng) 由VCM而實時地適應或修改端部執(zhí)行器的運動。
[0009] DSM可包括路徑變換模塊和路徑混合模塊，所述路徑變換模塊編程為變換流向量 場的參考系，所述路徑混合模塊將可調(diào)線性插值項合并入微分方程中?？烧{(diào)線性插值項將 從開始位置向前繪制的端部執(zhí)行器的路徑與從目標位置向后繪制的路徑混合在一起。
[0010] 控制系統(tǒng)將流向量場函數(shù)附加變換，其中流向量場函數(shù)限定了上述的流向量場。 該變換旋轉(zhuǎn)了流向量場的參考系，以將示范路徑的取向與新起點和目標位置的取向相匹 配。
[0011] VCM可以至少高于DSM的循環(huán)速率的5倍（5X)的循環(huán)速率操作。例如，DSM可以 約20-40HZ操作，且VCM可以約ΙΟΟ-ΙΟΟ0Hz操作，使得微分方程以更高的頻率更新。
[0012] 相關(guān)的方法包括經(jīng)由具有預定流向量場的DSM處理一組輸入。該組輸入包括機器 人系統(tǒng)的端部執(zhí)行器的實際位置、端部執(zhí)行器的期望目標位置、和端部執(zhí)行器的示范的參 考路徑。處理包括使用預定的一組微分方程實時地生成端部執(zhí)行器的運動軌跡，以近似于 示范的參考路徑。該方法還包括經(jīng)由DSM輸出控制速度命令，并且經(jīng)由VCM接收和處理來 自于DSM的控制速度命令和端部執(zhí)行器的實際速度。該方法可進一步包括經(jīng)由VCM生成電 機轉(zhuǎn)矩命令，并且將該命令傳遞至端部執(zhí)行器，以由此響應于端部執(zhí)行器的運動的擾動而 實時地適應或修改端部執(zhí)行器的運動。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種機器人系統(tǒng)，包括：
[0014] 端部執(zhí)行器，和
[0015] 與所述端部執(zhí)行器通訊的控制器系統(tǒng)，包括：
[0016] 處理器；
[0017] 動態(tài)系統(tǒng)模塊（DSM)，其經(jīng)由流向量場處理一組輸入，并且輸出控制速度命令，其 中該組輸入包括所述端部執(zhí)行器的實際位置、所述端部執(zhí)行器的期望目標位置、和所述端 部執(zhí)行器的示范的參考路徑；和
[0018] 速度控制模塊（VCM)，其與所述動態(tài)系統(tǒng)模塊通訊，其中所述速度控制模塊接收所 述端部執(zhí)行器的實際速度和所述控制速度命令作為輸入，并且生成電機轉(zhuǎn)矩命令至所述端 部執(zhí)行器作為輸出命令；
[0019] 其中所述控制系統(tǒng)采用預定的一組微分方程，以實時地生成所述端部執(zhí)行器的運 動軌跡，所述運動軌跡近似于示范的參考路徑，并且其中所述控制系統(tǒng)編程為響應于所述 端部執(zhí)行器的運動的擾動，經(jīng)由所述速度控制模塊而實時地適應或修改所述端部執(zhí)行器的 運動。
[0020] 優(yōu)選地，其中所述動態(tài)系統(tǒng)模塊包括路徑變換模塊和路徑混合模塊，其中所述路 徑變換模塊編程為變換流向量場的參考系，而所述路徑混合模塊將可調(diào)線性插值結(jié)合到微 分方程中，以將從開始位置向前繪制的所述端部執(zhí)行器的路徑與從目標位置向后繪制的路 徑混合在一起。
[0021] 優(yōu)選地，其中所述控制系統(tǒng)可操作為向限定流向量場的流向量場函數(shù)附加旋轉(zhuǎn)所 述流向量場函數(shù)的參考系的變換，以將示范的路徑的取向與新起點和目標位置的取向相匹 配。
[0022] 優(yōu)選地，其中所述端部執(zhí)行器為機器人夾鉗。
[0023] 優(yōu)選地，其中所述速度控制模塊以至少高于所述動態(tài)系統(tǒng)模塊的循環(huán)速率的5倍 (5X)的循環(huán)速率操作。
[0024] 優(yōu)選地，其中所述動態(tài)系統(tǒng)模塊的循環(huán)速率為20-40HZ，而所述速度控制模塊的循 環(huán)速率為ΙΟΟ-ΙΟΟ0Hz。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種方法，包括：
[0026] 經(jīng)由具有預定流向量場的動態(tài)系統(tǒng)模塊（DSM)處理一組輸入，該組輸入包括機器 人系統(tǒng)的端部執(zhí)行器的實際位置、所述端部執(zhí)行器的期望目標位置、和所述端部執(zhí)行器的 示范的參考路徑，所述處理包括使用預定的一組微分方程實時地生成所述端部執(zhí)行