[发明专利]基于动态系统的机器人速度控制

说明书

技术领域

本发明涉及基于动态系统的机器人速度控制。

背景技术

机器人一般包括经由电机驱动的机器人关节互连的一系列连杆。每个机器人关节代表一个或多个独立控制变量/自由度。诸如机器人的手或夹钳的端部执行器在给定工作任务(诸如抓取和移动物体)的执行中是直接作用在物体上的串行机器人中的特定的端部连杆。复杂的程序和运动控制技术以多种方式使用以获得所需水平的机器人活动性、灵活性和工作任务相关的功能性。端部执行器根据特定的路径或轨迹接近或远离特定的目标位置。这样的路径使用多种方法逻辑地规划。然而，传统的端部执行器路径规划在某些情况下可能不是鲁棒性最优的，如下描述。

发明内容

本文公开了机器人控制系统和方法，其适用于控制机器人的端部执行器。虽然常规机器人一般通过门或其他屏障而与周围的工作环境隔离，但是期望通过一些更复杂的新兴的灵巧机器人设计，在机器人和生产线操作者和/或位于机器人工作环境中的物体之间进行直接交互。然而，有时仍然可能发生与这种机器人的端部执行器的不期望的接触，这反之会导致端部执行器的扰动。这些扰动可能导致端部执行器运动脱离规划的路径，并且因此需要更鲁棒的控制过程功能性。

当前的控制框架意图经由组合速度控制模块的功能与动态系统的功能的控制系统的使用来解决这样的特定控制问题。如本领域已知的，端部执行器控制一般涉及将控制器以预定方法和在给定的任务空间中(例如，参考笛卡尔参考系)的出发轨迹编程。随着端部执行器朝向特定的目标位置运动或运动远离该特定的目标位置，端部执行器的位置和速度被实时测量和控制。动态系统提供了一种替代方法。在动态系统中，端部执行器的运动轨迹没有预限定。替代地，该轨迹在给定的端部执行器的运动期间经由控制器自动生成。与在连续的闭环控制中(与上述的编程强度大的控制方案不同)，仅在动态系统中明确规定较少的控制命令。微分方程最终生成相应的运动轨迹。

动态运动基元(DMP)框架可用于实施这种动态系统。在DMP框架中，前述的微分方程适于生成给定的运动。总之，这些微分方程可形成所谓的“运动基元”的库。然而，常规的端部执行器控制技术可能仍然低于最优鲁棒性，特别是当沿着规划的轨迹运动时遭遇诸如由端部执行器受到的外力导致的扰动的时候。

本文公开的控制系统最后生成用于端部执行器的运动命令，很有可能响应于之前操作者示范的工作任务来这样做。动态系统模块产生期望的速度命令用于端部执行器的运动，经由流向量场而这样做。端部执行器在自由空间中的实际位置被测量并且作为控制输入传递至动态系统模块。本文公开的控制系统允许相对于主流技术更多样或更灵活的机器人运动，机器人能够更好地在线或实时地适应新设定的目标位置和/或在机器人的工作环境中遭遇到动态或静态的障碍物。

在示例性实施例中，机器人系统包括端部执行器和控制系统。与端部执行器通讯的控制系统包括处理器、动态系统模块(DSM)和速度控制模块(VCM)，其中术语“模块”这里用于指专用于执行如下描述的相关功能的控制系统的硬件和软件部分。特别地，DSM处理一组输入并且应用流向量场，然后输出控制速度命令。这组输入可包括端部执行器的测量位置或实际位置、端部执行器的期望目标位置、和可选的端部执行器的操作者示范参考路径(例如，经由端部执行器的远程操作或反向驱动示范的路径)。VCM接收或计算端部执行器的实际速度和控制速度命令作为输入，并且最终生成电机转矩命令至端部执行器作为输出命令。

控制系统采用预定的一组微分方程，以实时地生成端部执行器的运动轨迹。运动轨迹近似于示范的参考路径。控制系统编程为响应于端部执行器的运动所经受的扰动，经由VCM而实时地适应或修改端部执行器的运动。

DSM可包括路径变换模块和路径混合模块，所述路径变换模块编程为变换流向量场的参考系，所述路径混合模块将可调线性插值项合并入微分方程中。可调线性插值项将从开始位置向前绘制的端部执行器的路径与从目标位置向后绘制的路径混合在一起。

控制系统将流向量场函数附加变换，其中流向量场函数限定了上述的流向量场。该变换旋转了流向量场的参考系，以将示范路径的取向与新起点和目标位置的取向相匹配。

VCM可以至少高于DSM的循环速率的5倍(5X)的循环速率操作。例如，DSM可以约20-40Hz操作，且VCM可以约100-1000Hz操作，使得微分方程以更高的频率更新。