针对机器人的致动器和控制的联合设计的系统和方法与流程

本公开总体上涉及机器人设计，并且更具体地，涉及联合地设计针对机器人操纵器的致动器和控制的系统和方法。

背景技术：

1、机器人设计涉及加权决策变量（诸如结构尺寸、操纵器连杆的长度/形状和惯量、传动系（齿轮箱和电动机）的选择、运动（关节移动的轨迹）和控制器），使得机器人在成本有效的同时满足期望的需求。通常通过以独特域语言制定的设计目标（诸如运动学、重量、能量消耗、任务完成时间和工作空间最大化）来获得期望的需求。约束主要对应于：工作空间；系统运行条件，诸如末端执行器力的范围、期望的速度和加速度以及应力/力旋量限制；以及动态倾翻稳定性。涉及结构力学、运动学、动力学、热力学、电子学等的多学科性质使其成为高度复杂的问题，这在过去几十年中进一步推动了大量研究工作。

2、机器人设计的最新进展可以概括为两个明显的趋势：针对性能和成本效益的硬件和软件的协同设计；以及定制设计，即，在机器人设计期间对应用信息进行编码。协同设计是被常规设计单独地执行域特定子系统设计并忽略它们的依赖性的这种认识启发的；因此利用子系统之间的联接来提高系统性能。定制设计范例回应以下事实：给定机器人设计是否最优取决于如何/在何处使用/部署机器人。

3、针对机器人操纵器的现有协同设计工作受到有限的设计自由度的影响，或者没有明确地考虑高级应用相关用户规范。虽然一些方法已尝试将所得协同设计制定为优化问题，但是已证明这种方法在计算上是被禁止的，并且通常是不可能的。

4、因此，亟需研究协同设计问题的解决方案，其中，针对一个或更多个特定应用同时优化具有n个自由度的机器人操纵器的运动（轨迹）和电机两者。

技术实现思路

1、一些实施方式涉及用于高效地解决多任务协同设计问题的解决方案。一些实施方式的目的是提供一种顺序协同设计策略，其结合了用于联合地计算轨迹和基于效率设计电机的概率方法。一些实施方式通过针对多个任务逐个地优化运动和电机来识别多个电机设计，然后协调它们以确定最终电机设计，从而解决协同设计问题。一些实施方式利用磁等效电路建模来建立从电机设计参数到动力学模型参数的分析映射，这使得能够实现高效的可微分模拟器。此外，一些实施方式提供了电机和机械臂动力学的基于直接配点的可微分模拟器，以平衡计算复杂度和数值稳定性，从而允许基于梯度的优化。

2、若干实施方式的认识在于，至少部分地由于机械子系统和控制子系统的固定和解耦设计，所以常规运动控制系统具有缺乏灵活性和不令人满意的性能的缺点。在这种系统的运行期间，难以或甚至不可能改变那些参数中的至少一些参数，即，系统具有固定的机电设计。因此，用于优化这种运动控制系统的运行的可用选项很少并且主要限于在控制模块中运行以命令这种系统的可控致动器的常规控制方法。

3、一些实施方式的认识在于，优化运动控制机器的运行取决于针对机器的不同设计可以更好地优化的机器的不同任务的理解。但是机器的设计通常是独立于机器将执行的特定未来任务而预确定的。然而，一些实施方式基于以下认识：在若干现实世界应用中，可能期望针对不同任务或准则在线重新设计机械子系统和控制子系统。就这一点而言，虽然一些方法集中于硬件和软件的协同设计以实现性能和成本效益，但是也进行了一些尝试，以提供在机器人设计期间对应用信息进行编码的定制设计。

4、通过广泛的研究和实验，一些实施方式认识到，由多个任务表征的特定应用的协同设计中的主要挑战之一是繁重的计算负担。因此，不难理解，大多数普遍的协同设计工作会对轴的数量或电机设计自由度施加限制。若干实施方式认识到大多数现有工作仅考虑在机器人设计期间对电机质量和惯量进行选择，这也佐证了上述情况。

5、因此，一些实施方式提出了针对

n自由度（dof）机器人操纵器的运动（关节轨迹）、电机和反馈控制补偿器的协同设计，以在明确地编码应用信息的同时实现最佳系统性能。应用可以由任务集合来表征，该组任务又可以由用户预定义或指定。运动的设计变量是机器人随时间推移的控制输入；电机的设计变量是通过表示电机永磁体厚度、齿宽、槽开口、齿高等的参数化的关键几何参数；并且反馈控制补偿器的设计变量是恒定控制器增益。

6、一些实施方式提供了一种迭代且顺序的协同设计框架，其中，在每次迭代期间，从电机设计开始，基于机器人的理想动力学模型求解参考轨迹规划以逐个获得所有任务的参考轨迹或，通过评估轨迹跟踪性能来确定反馈控制策略，其中，指示非理想可微分机器人模拟器遵循参考轨迹，并且根据非理想可微分机器人模拟器的测得的（或真实）轨迹、来更新电机设计。

7、一些实施方式基于“运行概率分布”的原理，即，扭矩-速度平面中的每个电机的运行数据的概率分布，以基于多个任务的规范表示用户特定应用的特性。该构思避免了一次求解所有任务的轨迹规划，因此降低了计算复杂度。此外，它允许将电机设计与轨迹规划和反馈控制策略设计解耦，并且电机设计步骤产生独特的电机设计。基于非理想可微分机器人模拟器的输出真实轨迹，可以构建速度-扭矩平面上的每个轴的每个电机的运行数据的概率分布（运行概率分布）。电机设计是通过最大化电机的运行概率分布与效率分布（效率图）之间的交叠来搜索最佳电机设计变量。这里，速度由表示，并且扭矩由表示。电机设计的成本函数是：，其中，是电机设计变量的向量，、分别是电机速度的上限和下限，并且、分别是电机扭矩的上限和下限。为了在电机设计期间实现高效优化，一些实施方式结合了如下建模方法，该建模方法允许在每个工作点处将电机效率建模为设计变量的分析函数。电机效率的分析建模允许自动微分工具基于符号计算来计算梯度和海森，这有助于将基于梯度的优化求解器用于该问题。

8、一些实施方式还使得基于包含诸如等的模型参数的电机的动力学模型建立作为分析函数的电机效率。一些实施方式还采用磁等效电路建模，其将表示电机几何设计参数的映射到电机动力学模型的参数。

9、一些实施方式认识到，与从产品目录选择电机并针对单个运动任务评估设计的现有技术相比，更好且更高效的方法可以涉及针对由任务集合表征的应用的电机几何和运动的设计。与不采用应用信息或协同设计构思的常规最坏情况设计相比，这种方法针对特定应用实现了更高的性能。

10、为此，一些示例实施方式的目的是提供用于生成操纵器的设计数据的系统、方法和计算机程序产品。设计数据可以用于选择合适的控制规则来控制操纵器。根据一些实施方式，设计数据可以用于重新设计操纵器以执行一个或更多个给定任务。

11、因此，一些示例实施方式提供了一种工程系统，该工程系统包括存储器以及至少一个处理器，存储器上存储有指令，至少一个处理器被配置为执行指令，以使系统收集由包括电机的一个或多个致动器驱动的操纵器的多个任务。处理器还被配置为联合地并且彼此相互依赖地确定电机的结构参数、电机用于驱动操纵器执行多个任务的多条参考轨迹以及操纵器的反馈控制策略的参数。电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略的参数被联合地确定，以增加根据多条真实轨迹中的不同真实轨迹运行的电机的运行数据的值的概率分布与电机的在电机的运行数据的域中定义的效率分布之间的交叠。处理器还被配置为输出电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略。

12、在又一示例实施方式中，提供了一种联合地设计针对机器人操纵器的致动器和控制的计算机实现的方法。所述方法包括以下步骤：收集由包括电机的一个或多个致动器驱动的操纵器的多个任务。所述方法还包括以下步骤：联合地并且彼此相互依赖地确定电机的结构参数、电机用于驱动操纵器执行多个任务的多条参考轨迹以及操纵器的反馈控制策略的参数。电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略的参数被联合地确定，以增加根据多条真实轨迹中的不同真实轨迹运行的电机的运行数据的值的概率分布与电机的在电机的运行数据的域中定义的效率分布之间的交叠。所述方法还包括以下步骤：输出电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略。

13、在又一些其它示例实施方式中，提供了一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令执行联合地设计针对机器人操纵器的致动器和控制的方法。所述方法包括以下步骤：收集由包括电机的一个或多个致动器驱动的操纵器的多个任务。所述方法还包括以下步骤：联合地并且彼此相互依赖地确定电机的结构参数、电机用于驱动操纵器执行多个任务的多条参考轨迹以及操纵器的反馈控制策略的参数。电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略的参数被联合地确定，以增加根据多条真实轨迹中的不同真实轨迹运行的电机的运行数据的值的概率分布与电机的在电机的运行数据的域中定义的效率分布之间的交叠。所述方法还包括以下步骤：输出电机的结构参数、多条参考轨迹以及反馈控制策略。

14、将参考以下附图进一步解释当前公开的实施方式。所示附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在例示当前公开的实施方式的原理上。