[发明专利]实时的机器人抓取规划

说明书

技术领域

本公开内容涉及实时的机器人抓取规划。

背景技术

机器人末端执行器在工作任务的执行中直接作用于物体。示例性的末端执行器包括机器人抓取器或手。这样的末端执行器例如可用来抓取和操纵在给定任务空间中的物体。典型的末端执行器的设计复杂性可以是相对简单的，例如在二指的平行抓取器的情况下，或者是非常先进的，例如具有五指的灵巧的拟人的机器人手。在这些复杂性的极端情况之间，存在着其他的抓取器设计，例如三指的或四指的手，以及许多其他的末端执行器设计。

与机器人抓取器有关的任务随着抓取器设计、被抓取的物体的几何复杂性以及障碍或其他环境约束的存在而改变。用于给定抓取姿态的抓取规划通常涉及具有预定的末端执行器路径轨迹的控制器的大量的编程。在这些预定轨迹内，末端执行器位置和速度可随着末端执行器朝向指定目标位置运动而被连续测量和以闭环控制。替代地，在被称为演示教学的过程中，操作员可通过物理地(physically)使末端执行器经过预定运动而人工地对机器人反向驱动和/或自动地指令演示运动和抓取姿态。

发明内容

在此公开了一种系统和方法，其共同提供了上述那些类型的机器人抓取规划的替代方法。所述系统包括具有末端执行器的机器人，所述末端执行器被配置为抓取三维的物体。所述系统还包括控制器，该控制器自动地规划和选择末端执行器的最佳抓取姿态，用于针对给定任务抓取物体。控制器将物体的已知的尺寸和形状用作一组控制输入的一部分。控制输入经由控制器处理，以确定最佳的机器人抓取姿态(从抓取位置和抓取取向两个方面)。

具体地说，作为本方法的中心，如在此确定的最佳抓取姿态是最好地在静平衡中平衡任务扭转(task wrench)的具体抓取姿态。如在本控制上下文中使用的术语“扭转(wrench)”指的是力和扭矩的连结(concatenation)，一个在静力学中众所周知的概念。如在现有技术中还众所周知的，多个力和扭矩系统可在数学上被减小到等效的单个力和扭矩系统，从而根据潘索定理(Poinsot’s theorem)合扭矩平行于合力。本方法的执行具有这样的预期结果：自动地放置并对准末端执行器，以便最佳地平衡抓取扭转和任务扭转，即，由于抓取本身的执行而作用于物体上的扭转(抓取扭转)和由于要实施的任务而作用于物体上的扭转(任务扭转)。在此使用的例子是示例性的门把手的三指抓取形式的抓取，随后抓取的门把手运动到门板用于安装。

在具体的实施例中，一方法在任务执行中确定由机器人的末端执行器对物体的最佳抓取姿态。所述方法包括经由控制器接收一组输入，包括物体描述性参数，具有参照系的任务扭转，和被命令的末端执行器抓取力。所述方法还包括计算任务扭转的参照系中的抓取扭转，然后经由控制器使抓取姿态旋转和移位，直到任务扭转和抓取扭转最佳地平衡，即，如在此所解释的当任务扭转和抓取扭转的总和被最小化时。另外地，控制器在存储器中记录最佳抓取姿态作为抓取扭转和任务扭转平衡时的抓取姿态，然后经由控制器利用最佳抓取姿态执行控制动作。

所述方法可包括选择末端执行器对物体的初始抓取姿态作为通过一组抓取接触点来抓取物体的任意(arbitrary)接近抓取姿态，并计算初始抓取姿态的合成的抓取扭转。

末端执行器可包括手掌和多个手指，末端执行器的抓取姿态由两个部分组成：手掌位置和取向，以及所有手指关节位置。计算抓取姿态可包括例如使用已知的末端执行器的运动学特征(kinematics)和物体的已知尺寸和位置，通过每个手指的牢固的抓取接触点来计算手掌的位置和取向和/或手指关节位置。计算抓取姿态可包括计算从末端执行器到物体的途径矢量(approach vector)、方向或轨迹并且使用该途径矢量、方向或轨迹来通过在物体上的牢固的抓取接触点来计算手掌的位置和取向和/或手指关节位置。计算抓取姿态可包括任何相关的环境约束，例如限制手掌或手指关节位置的某些位置或取向的平面限制。

使末端执行器的抓取姿态旋转和移位可包括，仅将末端执行器的手掌位置和取向旋转和移位，然后计算用于抓取接触点的所有的手指关节位置。旋转和移位抓取姿态可以基于垂直和平行于力的正交分解扭矩分量。