[发明专利]用于指示机器人的系统和方法

说明书

本公开涉及一种用于指示机器人的系统(1)和方法。该系统(1)包括沉浸式触觉界面，使得操作者与主机器人手臂(2)的交互作用由布置成与工件(4)交互作用的从机器人手臂(3)来反映。从机器人手臂(3)的交互作用被反映回主机器人手臂(2)作为对操作者的触觉反馈。动力学系统不断地提前模拟，并且新命令被计算以用于主机器人手臂和从机器人手臂。

技术领域

本公开涉及机器人技术，并且尤其涉及用于通过力交互作用(forceinteraction)以直观的方式指示机器人的方法和系统。操作者可以以沉浸方式(immersivemanner)基于多个手臂的触觉和控制使用直观的命令来定义机器人的任务，例如机器人移动末端执行器与工件接触。

背景

最常见的情况是，机器人运动是使用明确定义的交互作用力，在与环境物理接触的情况下进行的。在特定配置中，如何指定和控制这种运动是众所周知的。然而，对灵活性和生产率的需求也要求运动定义在物理布置和设备选择方面是可移植的(portable)，并且需要直观的命令，从而允许非专家的操作者，而不需要对每个特定应用进行合资质的(qualified)工程设计。

机器人在这里被定义为具有一个或数个手臂的可编程操纵器，每个手臂任选地装备有一个或数个末端执行器，并且一个或更多个手臂的关节由控制器控制。机器人已经在许多工业领域中得到了广泛的应用。一些工业领域涉及对人类健康有害的劳动或在人类不可能承受的条件下进行的劳动。其它工业领域涉及重复的任务，这些重复的任务可以由机器人更有效、更精确地完成。

机器人供应商可以使用一些计算机编程语言在系统级(system level)对机器人进行编程。通常，系统或控制器的一部分是用户程序的解释器，这些程序是以由解释器定义的一些机器人编程语言编写的。这些最终用户程序被称为机器人程序。机器人程序由可以被解释的指令组成。和以下内容是等效的：可以编译机器人程序，以及可以利用系统级程序和用户级程序的不同组合。

机器人程序可以用纯文本手工编写，它们可以在图形3D环境中被定义，它们可以由CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)系统来生成，它们可以使用操纵器的人工指南(manual guidance)被指示，或者通过这些技术和任何其它可能技术的某种组合被指示。组合是合适的，因为某些类型的指令可能更容易用特定的技术来定义。对于机器人的有效使用而言，执行结果是物理效果(例如末端执行器运动)的指令尤其重要。

对于力交互作用，例如在装配应用中，所需要的运动通常取决于操作机器人的生产工程师最好地观察/体验到的未建模的物理行为。一段时间以来，如何将基于操作者经验的意图转移到相应的机器人指令集中一直受到广泛的研究。理想地，机器人程序定义机器人待执行的预期任务。实际上现今，机器人执行编程指令导致调用控制器的控制机器人关节的功能，使得末端执行器执行实际运动作为任务的部分，但是程序需要特别(ad-hoc)修改，因为控制器的可用指令集主要提供次级效果(secondary effects)的手段。

这种次级效果可以是隐式编程的位置偏差，该位置偏差产生需要的末端执行器力而不是用表达操作者意图的指令参数直接执行力控制的运动。这种令人遗憾的状况的一个原因是，机器人编程和控制功能传统上基于位置控制的运动，这些运动在自由空间中或在末端执行器与工件接触的情况下操作。也就是说，即使在机器人与其环境之间所需要的接触力的情况下，运动定义也是基于编程的位置，由此产生的力是来自使物体相互接触的位置的次级效果。运动是基于控制的用户级或系统级的位置的优点在于，控制功能更容易作为封装的控制特征来提供和支持，这些控制特征可以在没有环境细节(例如力接触的刚度)的情况下被验证。缺点可能是作为次级效果的力可能更难指定和用合理的带宽来控制。

为了实现对接触力的适当控制，已经开发了多种控制方案。力传感器和力估计技术正成为有助于这种控制的常见技术。已经特别注意到了接触状况和非接触状况之间的过渡。对机器人操纵器的运动结构的依赖也是工业应用的障碍，但是在过去十年中，市场上出现了能够达到6D力/扭矩控制的末端执行器运动的数种产品。