冗余机器人机械手中的力测量和力生成的制作方法

1.本发明涉及一种机器人系统，其具有机器人机械手，该机器人机械手具有通过关节彼此连接的大量连杆，这些连杆具有至少部分彼此冗余的自由度，并且本发明涉及一种用于操作这种机器人机械手的方法。


技术实现要素：

2.本发明的目的是改进在机器人机械手的远端部上的沿选定方向作用的力和/或力矩的施加和测量。
3.本发明产生于独立权利要求的特征。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
4.本发明的第一方面涉及一种机器人系统，其具有：机器人机械手，用于机器人机械手的控制单元，以及操作单元，其中，机器人机械手具有通过关节彼此连接的大量连杆，所述连杆具有至少部分彼此冗余的自由度，从而机器人机械手的连杆的至少一个子集可以在零空间中移动而不改变机器人机械手的远端部的位置和/或取向，其中，操作单元实施用于检测用户关于在机器人机械手的远端部上的力和/或力矩的至少一个选定方向的输入并将已检测输入发送到控制单元，其中，控制单元实施成如此在零空间中针对机器人机械手的远端部的预给定位置和/或取向确定雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量，使得基于分量的第一度量满足以下标准之一：不等于零，大于预给定极限值，最大值；以及其中，控制单元实施成控制机器人机械手在零空间中移动连杆的子集，以便根据雅可比矩阵的转置的已确定分量采取姿势。
5.优选地，控制单元实施成在根据雅可比矩阵的转置的已确定分量达到姿势之后确定在机器人机械手的远端部上作用于环境的外力和/或力矩和/或控制机器人机械手的致动器从机器人机械手的远端部向环境施加外力和/或力矩。
6.尤其地，控制单元与机器人机械手连接并且优选地是机器人机械手本身的控制单元，也就是说，控制单元优选地布置在机器人机械手上。操作单元还与控制单元连接，从而可以将数据从操作单元发送到机器人机械手的控制单元。在这里，控制单元尤其用于控制机器人机械手的致动器，以便能够实现机器人机械手的相应运动。
7.机器人机械手的连杆的子集可以在零空间中移动，而不改变机器人机械手的远端部的位置和/或取向。这意味着在机器人机械手上设置有具有彼此冗余自由度的相应大量关节，从而在保持机器人机械手的远端部的位置和/或取向的同时，连杆中的至少两个可以相对于地固坐标系移动。通常，这种冗余通过机器人机械手的相应可移动的肘关节来实现。优选地，机器人机械手在其关节上具有扭矩传感器，这些扭矩传感器尤其实施成检测相应关节上的相应力矩。根据机器人机械手的关节上的整个已检测力矩以及通过对机器人机械手的当前姿势的了解，可以确定外力旋量。在这里，术语“姿势”描述了连杆相对于彼此的位置，即相对位置以及尤其还有连杆相对于彼此的相对取向。
8.取决于连杆的子集在该零空间中处于何种姿势，这可能会更好，也可能会更糟。在
所谓的奇异姿势中，机器人机械手的关节上的扭矩传感器都无法确定相应力矩，因为作用在机器人机械手的远端部上的外力呈直线地通过连杆通过关节被导出到机器人机械手的基座或底座中，而无需在关节周围产生杠杆臂。相反的情况是，力垂直于连杆的公共纵向轴线作用在机器人机械手的远端部，从而该力以最大杠杆臂在机器人机械手的相应关节处产生力矩。机器人机械手的远端部尤其地由机器人机械手的最远端连杆处的参考点或替代地优选地在机器人机械手的端部执行器处的参考点限定。
9.关节处的扭矩传感器可以选自现有技术中已知的大量扭矩传感器。尤其地，扭矩传感器是机械扭矩传感器，在这些机械扭矩传感器中检测例如在相应扭矩传感器的辐条中的柔性、弹性材料的拉伸，其中，通过了解材料常数可以推断作用力矩。此外，尤其能够测量存在于电动机中的电流强度并由此推断存在于关节中的力矩。所测量的力矩通常由大量原因构成。力矩的第一部分产生于运动力和力矩，特别是科里奥利加速度和离心加速度。所测量的力矩的另一部分应算作重力影响。当在关节处通过扭矩传感器测量所检测的力矩时，这些力矩由于重力影响和运动学引起的力和力矩而导致预期的力矩。这意味着，依赖于当前运动速度以及机器人机械手的当前加速度，这些力矩理论上可以与对机器人机械手的重力影响一起被确定，并从相应扭矩传感器处的所测量的力矩中被减去。这通常在脉冲观察器中件，其结果是外力矩。
10.为了从如此确定的外力矩推断具有任何参考的外力旋量，需要变换后的雅可比矩阵的伪逆。当机器人机械手是冗余机械手时，也就是说，当将连杆中的至少两个连接的关节具有彼此冗余的自由度时，伪逆(而不是逆本身)尤其必要。在冗余机器人机械手中，尤其是机器人机械手的连杆可以在机器人机械手的端部执行器的取向和位置不移动的情况下移动。雅可比矩阵基本上将关节处的角速度与任意点处、尤其是机器人机械手的远端部处的平移和旋转速度相关联。然而，原则上，是否实际考虑速度是无关紧要的；因此，雅可比矩阵也可以用于关节处的力矩与相应任意点处的力和力矩之间的关系。
11.在外力旋量f
ext
与已确定的外扭矩τ
ext
之间介导的雅可比矩阵j的转置即j
t
如下：
12.τ
ext
＝j
tfext
13.在该等式中可以看出，通常在相对于地固笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标中具有用于外平移力的三个分量和用于外力矩的三个另外的分量的外力旋量通过与雅可比矩阵的转置的相应矩阵乘法被映射到外扭矩的向量上，其中，外力矩的向量分别与机器人机械手的关节中的力矩有关。有利地，通过本发明的第一方面实现的是，外力旋量f
ext
的选定方向在它们通过雅可比矩阵j
t
的变换映射到关节力矩的向量上时不会被映射到零，这在上面说明的这种奇异姿势中就是这种情况。然后，雅可比矩阵的转置的与相应方向相关联的相应列总体上为零或者该相应列的至少一个向量范数等于零或接近于零。因此，在该选定方向上的外力旋量根据上面的等式被映射到关节力矩的向量中的对应的零值。然而，通过第一度量的可能条件中的每一个，即“不等于零，大于预给定限值，或最大值”，对该映射到零进行阻止或优化，这取决于第一度量的条件。
14.因此，本发明的有利效果是，由用户选择的力和力矩的方向被检测，并且机器人机械手在其零空间中的姿势如此取向，使得可以正是在这些方向上从机器人机械手在其远端部处更好地向机器人机械手的周围环境施加力或力矩，并且同时，可以在该相应选定方向上更好地确定从周围环境向机器人机械手的远端部施加的外力或外力矩，尤其是通过确定
机器人机械手的关节处的扭矩。
15.根据一个有利实施方式，雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量列出在雅可比矩阵的转置的相应列中，其中，第一度量是相应列的向量范数。2-范数优选地用作向量范数。向量范数的形成有利地为雅可比矩阵的转置的相应列中列出的分量的量度提供了快速计算和直观可理解的特征数，该特征数将外力旋量的分量准确地映射到关节力矩的向量上并因此映射到相对于关节的外扭矩(参见上面的τ
ext
)的向量上。
16.根据另一有利实施方式，控制单元实施成在基于梯度的搜索的基础上确定雅可比矩阵的转置的相应分量，其中相应向量范数作为逆成本函数。逆成本函数也可以称为目标函数，因为该逆成本函数应被最大化，与实际成本函数不同，该实际成本函数通常应在优化中被最小化。因此，本实施方式的目的是使用基于梯度的搜索来使与相应选定方向相关联的相应向量范数最大化。基于梯度的搜索迭代地在逆成本函数的不同搜索点处确定梯度，其中，每下一搜索点由最陡上升意义上的梯度来确定。这种基于梯度的搜索是非线性优化领域的经典方法并且代表一种针对无法立即解析解决的优化问题的迭代方法。有利地，使用基于梯度的搜索实施一种简单的算法，以便以足够的收敛性达到一种相应的解决方案。
17.根据另一有利实施方式，控制单元实施成确定用户是否在操作单元上做出了选择，并且在用户没有做出选择的情况下如此在零空间中确定雅可比矩阵的转置的所有分量，使得基于雅可比矩阵的转置的所有分量的第二度量满足以下标准之一：不等于零，大于预给定极限值，最大值。根据该实施方式，本发明的第一方面被扩展为检查是否完全由用户做出了关于这种方向的选择。如果用户做出了这种选择，则雅可比矩阵的转置的与这些方向相关联的相应列的相应分量可以在距零的相应距离内选择。然而，如果没有语给定方向，则需要整体优化雅可比矩阵的转置，并且根据该实施方式，如此整体优化，使得尽可能完全排除机器人机械手的奇异姿势，并且沿所有方向将外力或外力矩充分地映射到关节力矩的向量上，以便通过机器人机械手的关节中的扭矩传感器可靠地检测来自外力旋量的外力矩或外力。
18.根据另一有利实施方式，控制单元实施成在基于梯度的搜索的基础上确定雅可比矩阵的转置的相应分量，其中由雅可比矩阵和雅可比矩阵的转置构成的矩阵乘积的行列式作为逆成本函数。优选地，搜索方向从以下项的梯度、即根据关节角度的局部导数来确定：
[0019][0020]
替代地优选地，搜索方向从项的梯度来确定，或者进一步替代地优选地从项‖j
t
‖的梯度来确定，即从雅可比矩阵的转置范数来确定。
[0021]
根据另一有利实施方式，控制单元实施成控制机器人机械手在零空间中移动连杆的子集，以便在机器人机械手的远端部达到预给定位置和/或取向时或之后根据雅可比矩阵的转置的已确定分量采取姿势。根据该实施方式，机器人机械手的远端部首先被移动到预给定位置和/或取向，然后连杆的子集在其零空间中根据雅可比矩阵的转置的相应已确定分量被取向。
[0022]
根据另一有利实施方式，控制单元实施成控制机器人机械手在零空间中移动连杆的子集，以便在机器人机械手的远端部移动到预给定位置和/或取向时根据雅可比矩阵的转置的已确定分量采取姿势。虽然根据前述实施方式在机器人机械手的远端部移动到预给
定位置和/或取向与随之出现的路径规划和连杆的子集在其零空间中的取向之间进行明显的分开，但根据该实施方式，连杆的子集在其零空间中的取向包含在路径规划中，从而机器人机械手的所有连杆，即那些可以在冗余自由度中相对移动的连杆，都被相应控制。有利地，机器人机械手以及尤其是连杆的子集在其零空间中处于这样的姿势，使得当机器人机械手的远端部到达预给定位置和/或取向时就可以以优化的方式检测或施加外力或力矩。
[0023]
根据另一有利实施方式，控制单元实施成通过由连杆的子集在零空间中按大量姿势移动，并通过确定对相应姿势来说当前的雅可比矩阵的相应转置，并通过将雅可比矩阵的转置针对大量姿势相互比较，并通过根据第一量度或第二量度选定雅可比矩阵的转置之一来确定雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量。该实施方式对应于一种经验方法，在该经验方法中，通过物理搜索方法主动搜索相应姿势，对于这些姿势中的每一个计算雅可比矩阵的转置，对雅可比矩阵的相应转置就其对应列(与选定方向相关联)方面的第一度量或第二度量进行检查，并使用有利的第一度量或有利的第二度量来选择姿势。
[0024]
根据另一有利实施方式，控制单元实施成通过在零空间中模拟连杆的子集的大量姿势，并通过确定对相应姿势来说当前的雅可比矩阵的相应转置，并通过将雅可比矩阵的转置针对大量姿势相互比较，并通过根据第一量度或第二量度选定雅可比矩阵的转置之一来确定雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量。与连杆的子集实际上在其零空间中移动的先前实施方式不同，根据该实施方式仅发生这种过程的模拟，从而可以有利地在更短的时间内找到对应姿势。
[0025]
本发明的另一方面涉及一种用于操作机器人机械手的方法，所述机器人机械手具有通过关节彼此连接的大量连杆，所述连杆具有至少部分彼此冗余的自由度，从而机器人机械手的连杆的至少一个子集可以在零空间中移动而不改变机器人机械手的远端部的位置和/或取向，所述方法具有以下步骤：
[0026]-通过与控制单元连接的操作单元检测用户关于在机器人机械手的远端部上的力和/或力矩的至少一个选定方向的输入并将已检测输入发送到控制单元；
[0027]-如此在零空间中针对机器人机械手的远端部的预给定位置和/或取向确定雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量，使得基于分量的第一度量满足以下标准之一：不等于零，大于预给定极限值，最大值；以及
[0028]-通过控制单元控制机器人机械手在零空间中移动连杆的子集，以便根据雅可比矩阵的转置的已确定分量采取姿势。
[0029]
优选地，所述方法还具有以下步骤：
[0030]-在根据雅可比矩阵的转置的已确定分量达到姿势之后：确定在机器人机械手的远端部上作用于环境的外力和/或力矩，和/或控制机器人机械手的致动器，以从机器人机械手的远端部向环境施加外力和/或力矩。
[0031]
所提出的方法的优点和优选的改进方案产生于对与所提出的机器人系统相关联做出的上述实施方案的类似和符合意义的转移。
[0032]
进一步的优点、特征和细节产生于以下描述，其中，在必要时参照附图，详细描述了至少一个实施例。相同、相似和/或功能相同的部分设有相同的附图标记。
附图说明
[0033]
图1示出了根据本发明的一实施例的机器人系统；和
[0034]
图2示出了根据本发明的另一实施例的方法。
[0035]
附图中的图示是示意性的而不是按比例绘制的。
具体实施方式
[0036]
图1示出了机器人系统1，其具有机器人机械手3和操作单元7，其中，机器人机械手3具有控制单元5。机器人机械手3具有通过关节彼此连接的大量连杆9，这些连杆9具有部分彼此冗余的自由度。因此，机器人机械手3的连杆9的子集可以在零空间中移动，也就是说，不对机器人机械手3的远端部11的位置进行改变。操作单元7是用户计算机，该用户计算机与机器人机械手3的控制单元5连接并用于检测用户关于作用在机器人机械手3的远端部11上的力或力矩的至少一个选定方向的输入并将已检测的输入发送到控制单元5。控制单元5如此在零空间中针对机器人机械手3的远端部11的预给定位置确定雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量，使得基于分量的第一度量满足标准：“大于预给定极限值”。在机器人机械手3的关节处布置有扭矩传感器，该扭矩传感器整体检测机器人机械手3上的关节力矩向量。从该向量的分量确定与外部扭矩的向量相关联的比例；这是通过减去预期力矩、尤其是由机器人机械手3上的来自加速度的重力或动态力矩产生的力矩来进行。在这里，外扭矩可以来自机器人机械手3的远端部上的外力，也可以来自机器人机械手3的远端部上的外力矩。为了也可以在扭矩传感器上检测相应力矩，这种力矩也必须存在于机器人机械手3的相应关节上。在这里，以下关系示出了如何将外力旋量f
ext
的分量通过雅可比矩阵j
t
的转置映射到外扭矩τ
ext
的向量上：
[0037]
τ
ext
＝j
tfext
[0038]
如果用户现在选择关于与外力旋量的向量的第五分量相对应的力的y方向，则必须相应地优化雅可比矩阵的转置的第五列并应将第五列的范数作为用于该第五列的第一量度保持成尽可能远离零，也就是说，将第五列的范数最大化。在这里，用户可以设置是使用二范数还是无穷范数作为范数。因此，由上述等式得到：
[0039][0040]
此外，如果用户选择x方向和z方向作为力的相应感兴趣方向，其中，机器人机械手3的远端部上的力的x方向和z方向占据外力旋量的向量的第四分量和第六分量，则应相应地使雅可比矩阵的转置的第四列和第六列最大化：
[0041][0042]
在这里，控制单元5在基于梯度的搜索的基础上确定雅可比矩阵的转置的相应分量，其中相应向量范数作为逆成本函数。
[0043]
图2示出了一种用于操作机器人机械手3的方法，该机器人机械手3具有通过关节彼此连接的大量连杆9，这些连杆9具有至少部分彼此冗余的自由度，从而机器人机械手3的连杆9的至少一个子集可以在零空间中移动而不改变机器人机械手3的远端部11的位置和/或取向，该方法具有以下步骤：
[0044]-通过与控制单元5连接的操作单元7检测s1用户关于在机器人机械手3的远端部11上的力和/或力矩的至少一个选定方向的输入并将已检测输入发送到控制单元5；
[0045]-如此在零空间中针对机器人机械手3的远端部11的预给定位置和/或取向确定s2雅可比矩阵的转置的与相应选定方向相关联的分量，使得基于分量的第一度量满足以下标准之一：不等于零，大于预给定极限值，最大值；以及
[0046]-通过控制单元5控制s3机器人机械手3在零空间中移动连杆9的子集，以便根据雅可比矩阵的转置的已确定分量采取姿势。
[0047]
尽管已经通过优选的实施例更详细地图示和说明了本发明，但本发明不受公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变型例。因此，显而易见的是，存在多种可能的变型例。还显而易见的是，以示例方式引用的实施方式实际上仅代表示例，不应以任何方式将其理解为例如对本发明的保护范围、可能的应用或构造的限制。相反，前面的描述和附图的描述使得本领域技术人员能够具体地实施示例性实施方式，其中，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下，可以在不脱离由权利要求及其合法等效物例如说明书中的进一步解释所限定的保护范围的情况下，例如针对在示例性实施方式中提到的各个元件的功能或布置进行各种变更。
[0048]
附图标记说明：
[0049]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
机器人系统
[0050]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
机器人机械手
[0051]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制单元
[0052]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
操作单元
[0053]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连杆
[0054]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
机器人机械手的远端部
[0055]
s1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
检测
[0056]
s2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定
[0057]
s3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
控制