CN114559428A - 用于提供动态机器人控制***的***和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种铰接臂***,包括具有末端执行器的铰接臂和机器人臂控制***,该机器人臂控制***包括:用于感测所述铰接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的至少一个传感器;和用于提供所述铰接臂的计算控制的主控制器;以及用于响应于所述至少一个传感器提供直接控制所述铰接臂的至少一部分的运动信号的机载控制器。
Description
本申请是PCT国际申请号为PCT/US2016/049935、国际申请日为2016 年9月1日、中国国家申请号为201680064037.8、题为“用于提供动态机 器人控制***的***和方法”的申请的分案申请。
优先权
本申请要求2015年9月1日提交的美国临时专利申请号No. 62/212,697以及2015年9月22日提交的美国临时专利申请号No. 62/221,976,该申请的公开内容通过引用整体结合于此。
背景技术
本发明大体涉及机器人,并且具体地涉及机器人控制***,该机器 人控制***被设计为适应各种各样的意外情况和负载。
大多数工业机器人***以自上而下的方式操作,一般如下:控制器 对多种传感器采样,然后同一控制器上的逻辑计算是否采取行动。这个逻 辑流(通常被称为“轮询”)的优点是所有的控制逻辑在相同的位置。缺 点是在实际机器人***中,信号通常被采样得很慢。并且,所有传感器必 须连接至控制箱,导致长且易出错的电缆走线。
这个传统结构的具体示例通常由传统的机器人供应商实现,诸如由密 歇根州奥本山的ABB机器人公司、德国的库卡机器人有限公司、密歇根州 罗彻斯特山的Fanuc美国公司或它们的顶级集成商之一出售的那些机器人。 所有这些供应商通常鼓励相同的架构,并具有相似的外形因素。例如:在 汽车设施中使用的焊接电池可以具有ABB IRC5控制箱、ABBIRB2600 1.85m达到6自由度机器人、通过工业总线(设备网/CAN总线)连接到IRC5 的米勒GMAW焊接电源、用于安装GMAW焊炬的内场工具包(例如,特 雷克斯焊枪)。所有编程都是在IRC5上完成的,而末端执行器不了解世界, 只能在IRC5上观察或阻止事件,例如崩溃,末端执行器本身非常有限。
然而,再一次,在这样的***中,信号经常被相对慢地采样,并且传 感器通常必须被连接至控制箱。因此,仍然存在对于能够有效且可靠地提 供对机器人环境中的状况的动态控制和响应的机器人控制***的需求。
概述
根据一个实施例,本发明提供了一种铰接臂***,其包括具有末端执 行器的铰接臂和机器人臂控制***,该机器人臂控制***包括:用于感测 铰接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的至少一个传感器;和用于提 供铰接臂的计算控制的主控制器;以及用于响应于至少一个传感器提供直 接控制铰接臂的至少一部分的运动信号的机载控制器。
根据另一个实施例,本发明提供了一种铰接臂***,其包括具有末端 执行器的铰接臂和铰接臂控制***,该铰接臂控制***包括:用于感测铰 接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的至少一个传感器;和用于提供 铰接臂的计算控制的主控制器;以及用于响应于至少一个传感器向主控制 器提供控制信号的机载控制器。
根据另一个实施例,本发明提供了一种为铰接臂的末端执行器提供控 制信号的方法。该方法包括以下步骤:从主控制器向铰接臂的末端执行器 提供主控制信号,从位于末端执行器附近的至少一个传感器接收传感器输 入信号,以及响应于传感器输入信号至少部分地修改主控制信号。
根据进一步实施例,本发明提供了一种为铰接臂的末端执行器提供控 制信号的方法。该方法包括以下步骤:从主控制器向铰接臂的末端执行器 提供主控制信号,从位于末端执行器附近的至少一个传感器接收传感器输 入信号,以及响应于传感器输入信号超驰主控制信号。
附图说明
参考附图可以进一步理解以下描述,其中:
图1示出了根据本发明的实施例的用于机器人***的末端执行器的 说明性图解视图;
图2示出了用于图1的末端执行器的机载控制器的说明性图解视图;
图3示出了根据本发明的实施例的由机器人***使用的处理步骤的 说明性图解视图;
图4示出了根据本发明的实施例的铰接臂***;
图5示出根据本发明的实施例的机器人控制***的说明性框图;
图6A和6B示出了由图5的机器人控制***使用的说明性处理步骤 的说明性图解视图;
图7示出了图4的铰接臂***的末端执行器旋转180度的说明性图解 视图。
图8A和图8B示出了用于本发明的进一步实施例中的末端执行器的说 明性图解视图。
仅出于说明的目的而示出附图。
具体实施方式
根据实施例,本发明提供了用于机器人末端执行器的架构,其允许 末端执行器改变机器人的状态。根据某些实施例,末端执行器可以以非常 高的频率观察环境并将本地传感器数据和观察结果与一组公式或触发事件 相比较。这允许机器人不可知的低等待时间运动原始程序,诸如,例如移 动直到吸力和移动直到力,而不需要机器人主控制器的全部响应时间。因 此提供了机器人末端执行器,其可以改变机器人的状态,并且还可以基于 各种控制策略在运行期间修改机器人末端执行器。根据进一步实施例,本 发明提供了一种多面夹持器设计策略,该策略也已经被开发用于无工具更 换器的多模式夹持。
大多数工业机器人***仅在一个地方——在机器人控制器中执行它们 的编程逻辑控制。这些***中的机器人控制器通常是一个大型的传统控制 器,具有模糊的(并且有时功能不佳)编程语言。相比之下,大多数现代 和新兴的机器人***包含分布在机器人控制器和运行现代操作***和软件 堆栈的多个工作站计算机之间的逻辑,诸如由Isle ofMan的Canonical Ltd 出售的Ubuntu操作***,由加利福尼亚州旧金山的Linux基金会提供的 Linux操作***和由加利福尼亚州旧金山的开源机器人基金会提供的ROS 机器人操作环境。
这些架构的一个积极方面是,它们提供了巨大的,甚至是任意的计算 力的量,可以针对诸如运动规划、本地化、计算机视觉等问题。这种架构 的缺点主要在于经历诸如ROS的高级中间件会增加显著的等待时间,并且 在循环中评估控制策略可以看到100ms以上的往返时间。
作为这个问题的统一解决方案,一种夹持器控制***已被开发有机载 电子装置、传感器和致动器,高级逻辑在运行时向这些装置上载一组“触 发器”。这些是控制策略,诸如当观察到高于X牛顿的力时停止机器人, 或当深度传感器观察到物体时减慢轨迹。末端执行器然后可以在kHz级别 本地评估策略,并且触发夹持器应该采取行动的情况的动作。
图1示出铰接臂组件的部分,该铰接臂组件包括力传感器***1、机 载控制电子装置2、真空末端执行器3、三维深度传感器***4、输入压力 传感器5、输出压力传感器6、和另一个真空末端执行器7。因此,铰接臂 包括机载控制电子装置2以及多个末端执行器3、7。在某些实施例中,铰 接臂可以包括与末端执行器3相似与末端执行器3相邻的另一端末端执行 器(因此在图1中未示出)。
图2示出了机载控制电子装置2,其包括用于力传感器的连接器11, 用于机器人的连接器12,用于压力传感器的连接器13,用于诸如RGB LED 的LED的连接器14,以及用于具有串联连接和无线连接的微控制器的连接 器15。
根据实施例,本发明提供了一种铰接臂***,其包括具有末端执行器 的铰接臂,用于感测铰接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的至少一 个传感器,以及用于提供铰接臂的计算控制的主控制器和用于响应于至少 一个传感器向主控制器提供控制信号的机载控制器。
图3例如示出了预先编程的机器人控制例程,其开始(步骤300), 执行第一批处理程序(步骤302),轮询用于输入的传感器(步骤304), 执行第二批处理程序(步骤306),再次轮询用于输入的传感器(步骤308), 执行第三批处理程序(步骤310),然后结束(步骤312)。如果***依靠 传感器输入来引起程序的改变(例如,由于力传感器的读数而停止),则 ***必须等待该传感器被轮询。另一方面,根据本发明的实施例,中断信 号可以被提供给主机器人控制器以引起预定义的特定响应。如图3所示, 这种中断信号可以在任何时间被接收并立刻被处理。
图4根据本发明的实施例示出机器人***20,其中,图1的铰接臂部 分(包括力传感器***1、机载控制电子装置2、真空末端执行器3、三维 深度传感器***4、输入压力传感器5、输出压力传感器6、和其他真空末 端执行器7)被附接到进一步的铰接臂部分22、24、26、28和30。铰接臂 部分30被附接到机器人底座32,其通过连接器缆线36耦合至主机器人控 制器34。中断信号可以从机载控制电子装置2通过直接导线连接或无线地 提供给主机器人控制器34。
这个解决方法传达了几个巨大的优点:首先,只要计算机遵从相对简 单的API,就可以将产生的高级行为添加到任何机器人中。第二,可以避 免从末端执行器到机器人控制箱(通常安装在距工作单元一定距离处)的 细微信号的长距离电缆运行。第三,可以以本地控制循环的速度响应于环 境变化,通常比专门通过高级逻辑和中间件快数千倍。第四,可以在运行 时改变这些策略,从移动直到抽吸切换到抽吸以停止抽吸损耗,以及链接 策略。
根据进一步实施例,本发明提供了改变或超驰从主控制器到末端执行 器的控制信号的方法。参考图5,***可以
例如,图5示出了机载控制电子装置2的实施方式。电子装置2在40 接收来自主机器人控制器34(图4中示出)的控制信号,这使得铰接臂的 电机M1、M2、M3(42、44和46所示)和真空(48所示)移动。电机可 以控制例如铰接臂的肘部、腕部和夹持器电机。在没有来自环境的任何反 馈信号的情况下,控制信号40根据主控制器中的程序被路由到用于控制铰接臂的适当电机。
然而,电子装置2还耦合到包括压力传感器50、52和54,相机56, 力/扭矩传感器58、60偏转/变形传感器62和流量传感器63的输入传感器。 这些传感器耦合到机载控制器64,该机载控制器64确定是否向主机器人控 制器发送中断信号,并且通过超驰到电机M1-M3的任何输出信号和真空来 确定是否立即采取行动。这通过使机载控制器64耦合以控制信号42、44、 46和48的控制路径中的接合点66、68、70和72来实现。
例如,机器人可以在非常混乱的动态环境中工作。为了在这些条件下 操作物体,需要比典型的、更结构化的开环机器人***更多的感测。因此 夹持器配备了绝对压力传感器、3D RGBD相机、力矩传感器和吸盘偏转感 测。通过微控制器直接在手腕上感测和处理传感器数据,硬件中断可以被 立即(数百/千赫兹)设置(通过数字输入)。另一种将传感器数据传回主 机器人控制器进行分析的方法存在更多的开销,这将会明显变慢。这允许 人们可以显著更快地修改机器人的运动/执行,从而可以使机器人显著更快 的移动,并以其他方式不可能的速度进行调整。在这些动态和不可预测的 环境中,快速适应并提供恢复至关重要。
例如,压力传感器可以提供二进制夹持/不夹持,以及阈值比较(>夹 持压力,<需要的收缩压力,<下降压力)。压力传感器还可以将材料属性/ 选定的抓握物映射到预期的压力读数,并实时修改轨迹执行(速度,约束), 以确保成功运输。压力传感器还可以提供对上游压力(来自压力源的压力) 的实时监测,以确保预期的空气压力可用,并相应地修改来自下游的预期 吸力测量。
相机可以是一台RGBD相机,可提供有关环境注册的数据,自动定位 预期环境组件(传送带、出货架、出库堆栈)以消除手动调节以及环境中 的预期/意外物体/障碍,并相应地修改轨迹执行。
力-扭矩传感器可以提供脉冲中断。当遇到不寻常的或意外的力量或扭 矩时,我们可以停止轨迹执行并恢复,在此之前机器人将继续其运动与该 物体碰撞而导致对物体或机器人的损坏。力-扭矩传感器还可以提供质量 /COM估计,诸如模型自由质量估计,可以通知轨迹执行速度减慢,因为可 能会在端点处理更高的质量和惯性,而这些更可能由于扭矩关闭。基于模 型的质量估计也可用于确保COM上方的抓握质量,确保正确的物品被抓住,物品被分离,物品不被损坏(意外的质量)。
偏转/变形传感器可以观察吸盘与环境的接触(通常当人们想要中断运 动时),因为波纹管被偏转并且没有改变压力读数,并且还没有显示出明 显的力脉冲。最简单的偏转传感器将用于中断运动,以避免机器人强制保 护停止,因为它是最早的接触测量。偏转/变形传感器还可以测量拾取的松 软度,这允许实时地再次修改轨迹执行,减慢或约束运动以确保成功运输, 或者如果松软度超出该物品可以安全运输的阈值则将其重新放回箱子中。
与预期的空气流量值或变化相比,流量传感器可以检测到气流量的变 化。例如,在抓住物体时,预计气流会减少。一旦物体被抓住并被携带或 刚刚握住,空气流量的突然增加可能表明抓握已被破坏或物体掉落。也可 以使用与空气流量结合的重量监测,特别是当使用高流量真空***时。
参考图6A,通过将末端执行器应用于选定抓握位置处的物体(步骤 602),程序开始(步骤600)。将真空施加到末端执行器(步骤604), 并且轮询传感器(步骤606)。响应于传感器输入,***确定它是否应该尝 试拾取物体(步骤608)。例如,如果检测到太多的真空流量,则***可以 确定抓握不足以拾取物体。在这种情况下,***将确定(停止610)是否已经有太多尝试拾取这个特定物体(可能涉及主控制器)。如果还没有太多 的重试,则***可以为该物体选择另一个抓握位置(步骤612)并返回到上 面的步骤602。如果***确定已经有太多重试,***将选择新的物体和新的 相关联的抓握位置(步骤614)并返回到上面的步骤602。
如果***确定应该拾取物体(步骤608),则***然后将抬起物体(步 骤616),然后读取传感器(步骤618)。如果需要调整末端执行器的定向, 则***调整末端执行器的定向(步骤620),例如以使得重物由末端执行器 保持张紧(垂直),而不是会导致剪切力被施加的垂直和水平抓握的组合。 在另一个示例中,***可以选择通过垂直和水平抓握的组合来保持更轻的 物体,以适应高速旋转运动,使得当物体被移动时,离心力将被施加在与 物体的抓握对准的方向。一旦选择了末端执行器的定向(步骤620),*** 将选择轨迹路径(步骤622),然后开始执行轨迹,例如批处理程序N(步 骤624)。
参照图6B,批处理程序N的执行可以开始于轮询用于输入的一个或多 个传感器入(步骤626)。如果没有任何输入超过主控制命令的定义的阈值 (步骤628),例如,移动到某个向量中,那么***将继续执行批处理程序 (步骤630)直到完成(因此***返回到步骤614)。如果批处理程序未完 成,则***返回至步骤626,轮询用于输入的一个或多个传感器。如果来自 传感器的任何输入确实超过阈值(步骤628),则***将确定是否应该改变 主控制命令(例如,移动减慢或路径改变)(步骤632),并且如果是,程 序将如此改变主控制命令(步骤634)。如果主控制命令未被改变,则*** 将确定是否应该超驰主控制命令(步骤636),例如,应当停止末端执行器 的移动或者为了新的抓握尝试放下物体,或者该物体已经被掉落,在这种 情况下,***将继续拾取新的物体并发信号以便人类清理已经掉落的物体。 在任何示例情况下,程序将如此超驰主控制命令(步骤638)。在任何情况 下,***然后返回执行批处理程序作为修改或超驰,返回到步骤626直到 完成。如果批处理程序的主控制信号发生改变(改变或重写),则会迅速 通知主控制器。
根据一个实施例,本发明提供了一种铰接臂***控制***,其包括具 有末端执行器的铰接臂,用于感测铰接臂的位置、移动或加速度中的至少 一个的至少一个传感器,以及用于提供铰接臂的计算控制的主控制器和用 于响应于至少一个传感器提供直接控制铰接臂的至少一部分的运动信号的 机载控制器。
例如,图7示出了图4的机器人***20,除了图1的铰接臂部分相对 于铰接臂部分22旋转,使得真空末端执行器3现在定位成接合工作环境, 而真空末端执行器7移开。
铰接臂的独特贡献是其用于多模式夹持的多个面,例如,以这样的方 式将多个夹持器封装在单个末端执行器上,使得机器人可以通过将机器人 的末端夹持器不同地定向以使用不同的夹持器。这些面可以组合使用,也 可以单独使用。其他更常用的方法是工具变换器,它可以在货架上使用不 同的工具换出单个工具。与工具变换器相比,本发明的多模式夹持显著缩 短了周期时间,并且能够结合单个末端执行器的多个方面来拾取独特的物 体。
涉及使用多达三个真空吸盘的上述实施例中的夹持器设计可以具体地 被设计为用于从杂物中拾取小于一定重量的物品,诸如2.2磅,并且用于抓 握和操纵提供物体的箱子。
真空抓握末端执行器的仪器的相同方法也可应用于任何任意配置的真 空吸盘。例如,如果机器人***需要处理诸如可以用于装运物品的箱子, 则可以创建抽吸单元的任意NxM布置以处理这种包装的重量范围。例如, 图8A示出了末端执行器70,其包括末端执行器部分72的3×3阵列,每 个末端执行器部分72包括真空吸盘74。每个末端执行器部分72可以包括 如上所述的压力传感器,并且每个真空吸盘74可以包括能够检测沿三个维 度中的任何维度的变形的变形传感器。末端执行器部分72被安装到共同的 基部76,共同的基部76包括用于附接到铰接臂的耦合件78。
图8B示出了末端执行器80,其包括末端执行器部分82的6×6阵列, 每个末端执行器部分72包括真空吸盘84。再一次,每个末端执行器部分 82可以包括如上所述的压力传感器,并且每个真空吸盘84可以包括能够检 测沿三个维度中的任何维度的变形的变形传感器。末端执行器部分82被安 装到共同的基部86,共同的基部76包括用于附接到铰接臂的耦合88。
例如,可以处理高达19.8磅包装的3x3阵列和可处理高达79.2磅的 6x6阵列。末端执行器部分的这种缩放可以做得任意大,并且可以是任意形 状(例如,如果已知的待处理物体具有特定形状而不是通常的方形/矩形)。
重要的是,通过将标准真空单元外推到任意大小/形状,这种仪器化末 端执行器可以被设计用于与上述实施例共享这种仪器的所有益处的任何给 定物体或物体类别。
本领域技术人员将会理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下, 可以对上面公开的实施例进行许多变化和修改。
Claims (30)
1.一种铰接臂***,包括:
铰接臂,所述铰接臂包括末端执行器;以及
铰接臂控制***,所述铰接臂控制***包括:
所述末端执行器附近的至少一个传感器,用于感测所述铰接臂的位置、移动和加速度中的至少一个;
主控制器,所述主控制器被配置成提供控制所述铰接臂的位置、移动和加速度的至少一个主控制信号;以及
机载控制器,所述机载控制器被安装在所述铰接臂上靠近所述末端执行器并被耦合至所述至少一个传感器,其中所述机载控制器被配置成轮询所述至少一个传感器以及响应于所述至少一个传感器的输出,向所述主控制器自动提供用于改变所述铰接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的中断信号。
2.如权利要求1所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过直接有线连接被提供给所述主控制器。
3.如权利要求1所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过无线连接被提供给所述主控制器。
4.如权利要求1所述的铰接臂***,其中,所述铰接臂控制***包括多个传感器。
5.如权利要求4所述的铰接臂***,其中,所述多个传感器包括流量传感器、压力传感器、相机、扭矩传感器和变形传感器中的任何一个。
6.如权利要求1所述的铰接臂***,其中,所述中断信号导致所述主控制器向所述末端执行器发送用于停止移动的主控制命令。
7.如权利要求1所述的铰接臂***,其中,所述末端执行器包括多个末端夹持器,所述多个末端夹持器中的每一个包括真空吸盘。
8.如权利要求7所述的铰接臂***,其中,所述多个末端夹持器中的每一个包括至少一个压力传感器。
9.如权利要求7所述的铰接臂***,其中,所述多个末端夹持器以有序的阵列设置。
10.一种铰接臂***,包括:
铰接臂,所述铰接臂包括真空末端执行器;以及
铰接臂控制***,所述铰接臂控制***包括:
安装在所述真空末端执行器的腕部处的至少一个传感器,用于感测所述铰接臂的位置、移动加速度、或真空中的至少一个;
主控制器,所述主控制器位于远离所述铰接臂处并被配置成提供至少部分地控制所述铰接臂的运动的至少一个主控制信号;以及
机载控制器,所述机载控制器被安装在所述铰接臂上处于所述真空末端执行器的腕部处并被耦合至所述至少一个传感器,其中所述机载控制器被配置成轮询所述至少一个传感器以及响应于所述至少一个传感器的输出,向所述主控制器自动提供用于改变所述铰接臂的运动的中断信号。
11.如权利要求10所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过直接有线连接被提供给所述主控制器。
12.如权利要求10所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过无线连接被提供给所述主控制器。
13.如权利要求10所述的铰接臂***,其中,所述铰接臂控制***包括多个传感器。
14.如权利要求13所述的铰接臂***,其中,所述多个传感器包括流量传感器、压力传感器、相机、扭矩传感器和变形传感器中的任何一个。
15.如权利要求10所述的铰接臂***,其中,所述中断信号导致所述主控制器向所述真空末端执行器发送用于停止移动的主控制命令。
16.如权利要求10所述的铰接臂***,其中,所述真空末端执行器包括多个末端执行器夹持器,所述多个末端执行器夹持器中的每一个包括真空吸盘。
17.如权利要求16所述的铰接臂***,其中,每个末端执行器夹持器包括至少一个压力传感器。
18.如权利要求16所述的铰接臂***,其中,所述多个末端执行器夹持器以有序的阵列设置。
19.一种控制铰接臂的末端执行器的方法,所述方法包括:
从主控制器提供控制所述铰接臂的位置、移动和加速度的主控制信号;
由耦合至至少一个传感器的机载控制器轮询所述至少一个传感器,所述至少一个传感器和所述机载控制器被定位成靠近所述铰接臂的末端执行器;
由所述机载控制器接收所述至少一个传感器的输出,所述至少一个传感器的所述输出包括与所述铰接臂的位置、移动和加速度中的至少一个有关的信息;以及
由所述机载控制器响应于所述至少一个传感器的输出,向所述主控制器自动提供用于改变所述铰接臂的位置、移动或加速度中的至少一个的中断信号。
20.如权利要求19所述的方法,其中,所述中断信号通过直接有线连接被提供给所述主控制器。
21.如权利要求19所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过无线连接被提供给所述主控制器。
22.如权利要求19所述的方法,其中,所述方法进一步包括接收多个传感器的输出。
23.如权利要求22所述的方法,其中,所述多个传感器包括流量传感器、压力传感器、相机、扭矩传感器和变形传感器中的任何一个。
24.如权利要求19所述的方法,其中,所述中断信号导致所述主控制器向所述末端执行器发送用于停止移动的主控制命令。
25.一种控制铰接臂的真空末端执行器的方法,所述方法包括:
从主控制器提供用于至少控制所述铰接臂的运动的主控制信号;
由耦合至至少一个传感器的机载控制器轮询所述至少一个传感器,所述至少一个传感器和所述机载控制器被定位在所述铰接臂的真空末端执行器的腕部处;
由所述机载控制器接收所述至少一个传感器的输出,所述至少一个传感器的所述输出包括与所述铰接臂的位置、移动、加速度或由所述真空末端执行器提供的真空有关的信息;以及
由所述机载控制器响应于所述至少一个传感器的输出,向所述主控制器自动提供用于改变所述铰接臂的运动的中断信号。
26.如权利要求25所述的方法,其中,所述中断信号通过直接有线连接被提供给所述主控制器。
27.如权利要求25所述的铰接臂***,其中,所述中断信号通过无线连接被提供给所述主控制器。
28.如权利要求25所述的方法,其中,所述方法进一步包括接收多个传感器的输出。
29.如权利要求28所述的方法,其中,所述多个传感器包括流量传感器、压力传感器、相机、扭矩传感器和变形传感器中的任何一个。
30.如权利要求25所述的方法,其中,所述中断信号导致所述主控制器向所述末端执行器发送用于停止移动的主控制命令。
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