DE102011117094A1

DE102011117094A1 - Robuster betrieb von sehnengetriebenen roboterfingern unter verwendung von kraft- und positionsbasierten steuergesetzen

Info

Publication number: DE102011117094A1
Application number: DE102011117094A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Abdallah; Robert J. Platt Jr.; Matthew J. Reiland; Brian Hargrave; Myron A. Diftler; Philip A. Strawser; Chris A. Ihrke
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: DE102011117094B4; JP5406893B2; US20120109379A1; US8489239B2; JP2012096349A

Abstract

Ein Robotersystem enthält einen sehnengetriebenen Finger und ein Steuersystem. Das System steuert den Finger über ein kraftbasiertes Steuergesetz, wenn ein Spannungssensor verfügbar ist, und über ein positionsbasiertes Steuergesetz, wenn ein Sensor nicht verfügbar ist. Mehrere Sehnen können jeweils einen entsprechenden Sensor aufweisen. Das System gibt selektiv einen Nachgiebigkeitswert in das positionsbasierte Steuergesetz ein, wenn nur einige Sensoren verfügbar sind. Ein Steuersystem umfasst eine Hostmaschine und ein nicht transitorisches computerlesbares Medium mit einem Steuerprozess, der von der Hostmaschine ausgeführt wird, um den Finger über das kraft- oder positionsbasierte Steuergesetz zu steuern. Ein Verfahren zum Steuern des Fingers umfasst, dass die Verfügbarkeit eines oder mehrerer Spannungssensoren bestimmt wird und dass der Finger unter Verwendung des Steuersystems selektiv über das kraft- oder positionsbasierte Steuergesetz gesteuert wird. Das Positionssteuergesetz ermöglicht, dass das Steuersystem Störungen widersteht, während es den anfänglichen Zustand interner Sehnenspannungen nominell beibehält.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH VOM BUND GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement mit der Nummer SAA-AT-07-003 durchgeführt. Die hier beschriebene Erfindung kann von oder für die US-Regierung für Zwecke der US-Regierung (d. h. nicht kommerzielle Zwecken) hergestellt und verwendet werden, ohne dass darauf oder dafür Gebühren zu entrichten sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines robusten Betriebs von sehnengetriebenen Roboterfingern in einem Robotersystem.
HINTERGRUND
Roboter sind automatisierte Vorrichtungen, die in der Lage sind, Objekte unter Verwendung einer Reihe von Gliedern zu manipulieren. Die Glieder sind durch ein oder mehrere stellgliedgetriebene Robotergelenke miteinander verbunden. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuervariable oder einen Freiheitsgrad dar. Greiforgane sind die speziellen Manipulatoren, die zum Durchführen einer anstehenden Aufgabe verwendet werden, wie etwa dem Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs. Daher trägt eine präzise Bewegungssteuerung der verschiedenen Robotermanipulatoren dazu bei, die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität zu erreichen.
Geschickte Roboter können dort verwendet werden, wo eine direkte Interaktion mit Vorrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für die menschliche Verwendung konstruiert sind, d. h. Vorrichtungen, die zur korrekten Manipulation menschenähnliche Geschicklichkeitsniveaus benötigen. Die Verwendung geschickter Roboter kann auch dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit menschlichen Bedienern notwendig ist, da die Bewegung des Roboters so programmiert werden kann, dass sie eine menschliche Bewegung annähert. Derartige Roboter können eine Vielzahl von Fingern enthalten, die unter Verwendung von Sehnen aus der Ferne betätigt werden können, wodurch die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Roboters verringert wird. Derartige Sehnen müssen jederzeit innerhalb eines kalibrierten Spannungsniveaus straff gehalten werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend werden hier ein Steuersystem und Verfahren zum Steuern eines sehnengetriebenen Fingers eines geschickten Roboters offenbart. Durch Ausführen des Verfahrens, wie es hier offenbart ist, erreicht das vorliegende Steuersystem eine aktive Nachgiebigkeit im Finger, sodass der Finger ein Objekt in seiner Umgebung sicher kontaktieren kann, während es außerdem den Betrieb des Fingers bei Bedingungen mit einem verschlechterten Sensor ermöglicht. Dies wird durch eine flexible zweistufige Steuerarchitektur erreicht, in der ein oberer Steuerkreis entweder ein kraftbasiertes oder ein positionsbasiertes Steuergesetz für einen gegebenen Finger verwendet. Ein positionsbasiertes Steuergesetz wiederum kann selektiv eine aktive Nachgiebigkeit für beliebige Sehnen enthalten, die es steuert.
Das Steuergesetz, das gewählt wird, hängt davon ab, ob alle, keine oder einige einer Anzahl von Spannungssensoren im Finger während eines gegebenen Manövers verfügbar sind. Ein Steuergesetz für sehnengetriebene Finger benötigt typischerweise eine Spannungsrückmeldung, um die interne Spannung der Sehnen aufrecht zu erhalten. Das hier präsentierte Positionssteuergesetz hält die interne Spannung nominell aufrecht, indem es die zweistufige Steuerarchitektur mit einer Zielraumbeschränkung [engl.: range-space constraint] wie hier offenbart implementiert.
Die Begriffe ”kraftbasiertes Steuergesetz” und ”positionsbasiertes Steuergesetz” bezeichnen, so wie sie hier verwendet werden, die Steuerung eines Roboters beruhend auf jeweiligen Kraft- oder Positionsbefehlen und Rückmeldungssignalen, wie auf dem Gebiet verstanden wird. Das flexible Steuerschema ist fingerspezifisch, d. h. die verschiedenen sehnengetriebenen Finger an einer gegebenen Roboterhand können ein Steuergesetz aufweisen, das in jedem Moment für diesen Finger im Vergleich mit den anderen Fingern anders arbeitet.
Insbesondere enthält ein Robotersystem einen Roboterfinger, der von einer Sehne angetrieben wird, einen Spannungssensor und ein Steuersystem. Die Sehne wird durch ein Stellglied gesteuert. Das Steuersystem steuert den Finger selektiv über ein kraftbasiertes Steuergesetz, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts verfügbar ist, und über ein positionsbasiertes Steuergesetz, wenn der Spannungssensor nicht verfügbar ist.
Es kann eine Vielzahl von Sehnen verwendet werden, von denen jede einen entsprechenden Spannungssensor aufweist. Wenn nur einige der Spannungssensoren verfügbar sind, kann das Steuersystem selektiv einen Nachgiebigkeitswert in das positionsbasierte Steuergesetz eingeben. Der Nachgiebigkeitswert kann eine Funktion eines Spannungsfehlers sein, der als die Differenz zwischen einer gewünschten Spannung und einer tatsächlichen Spannung einer der Sehnen bestimmt werden kann.
Ein Steuersystem für einen durch eine Sehne angetriebenen Roboterfinger enthält einen Spannungssensor und eine Hostmaschine. Der Spannungssensor ist so positioniert, dass er einen Spannungswert der Sehne misst, und die Hostmaschine ist ausgestaltet, um die Verfügbarkeit des Spannungssensors zum Messen des Spannungswerts zu bestimmen. Außerdem ist die Hostmaschine ausgestaltet, um den Finger selektiv über ein kraftbasiertes Steuergesetz, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts verfügbar ist, und über ein positionsbasiertes Steuergesetz zu steuern, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts nicht verfügbar ist.
Es wird auch ein Verfahren bereitgestellt, um einen sehnengetriebenen Finger in einem Robotersystem zu steuern. Das Verfahren umfasst, dass die Verfügbarkeit eines Spannungssensors zum Messen eines Spannungswerts der Sehne bestimmt wird und dann der Finger mit Hilfe eines Steuersystems selektiv unter Verwendung eines kraftbasierten Steuergesetzes, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts verfügbar ist, und unter Verwendung eines positionsbasierten Steuergesetzes, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts nicht verfügbar ist, gesteuert wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Robotersystems, das einen Roboter mit sehnengetriebenen Fingern aufweist, die wie hier offengelegt gesteuert werden;
2 ist eine Darstellung in schematischer perspektivischer Ansicht einer Unterarmanordnung für den in 1 gezeigten Roboter, wobei die Armanordnung eine Vielzahl sehnengetriebener Roboterfinger enthält;
3 ist eine Darstellung in schematischer perspektivischer Ansicht einer Sehne und eines Stellglieds, die zum Steuern der in 2 gezeigten Roboterfinger verwendet werden können;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines sehnengetriebenen Roboterfingers;
5 ist eine schematische Darstellung einer zweistufigen Steuerarchitektur zum Steuern des in 2 und 4 gezeigten sehnengetriebenen Roboterfingers; und
6 ist ein Flussdiagramm, das das vorliegende Verfahren zum Steuern des in 2 und 4 gezeigten sehnengetriebenen Roboterfingers beschreibt.
BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen und mit 1 beginnend ist ein Robotersystem 10 gezeigt, das einen geschickten Roboter 11 und ein Steuersystem 12 umfasst. Der Roboter 11 enthält verschiedene Manipulatoren, welche eine Vielzahl sehnengetriebener Finger 14 umfassen. Das Steuersystem 12 für den Roboter 11 arbeitet mit Hilfe einer zweistufigen Steuerhierarchie oder -architektur. Der Begriff ”zweistufig” bedeutet, so wie er hier verwendet wird, dass ein erster Controller oder ein Controller für eine Steuerung auf der oberen Stufe, der in 1 als ein Gelenkcontroller 80 gezeigt ist, auf einer höheren hierarchischen Ebene arbeitet als ein zweiter Controller oder Controller für ein Steuergesetz einer unteren Stufe, der in 1 als ein Stellgliedcontroller 90 gezeigt ist. Die Controller 80 und 90 können als zwei verschiedene Prozessoren und zugehörige Hardwarevorrichtungen ausgeführt sein oder alternativ als verschachtelte softwarebasierte Steuerkreise, die jeweils in einer einzelnen oder in einer verteilten Hardwarevorrichtung vorhanden sind und von einem oder mehreren Prozessoren automatisch ausgeführt werden.
Der Gelenkcontroller 80 verwendet entweder kraft- oder positionsbasierte Steuergesetze in einem oberen Kreis, um die Position verschiedener Fingergelenke (siehe 4) in Abhängigkeit davon zu steuern, welches Steuergesetz gewählt wird. Die Wahl des speziellen Steuergesetzes durch das Steuersystem beruht auf der Verfügbarkeit der Spannungssensoren 58 (siehe 3), die in einem gegebenen Finger 14 verfügbar sind, d. h. online und vollständig funktionierend. Der Stellgliedcontroller 90 verwendet die positionsbasierte Steuerung in einem unteren Kreis, um die Position einer Sehne 50 (siehe 3) eines gegebenen Fingers 14 zu steuern.
Das Steuersystem 12 von 1 hält automatisch genügend Spannung in den in 3 gezeigten Sehnen 50 aufrecht. Typischerweise wird ein kraftbasiertes Steuergesetz verwendet, um Sehnenspannungen zu regeln, etwa über eine Kraftrückmeldung in einem geschlossenen Regelkreis. Die physikalischen Sensoren, die zum Messen der Spannung verwendet werden, können jedoch eine suboptimale Robustheit aufweisen. Als Folge können alle oder einige der Spannungssensoren, die in oder entlang eines Fingers 14 des Roboters 11 positioniert sind, in einem beliebigen speziellen Moment zur Verwendung verfügbar sein oder auch nicht. Das Steuersystem 12 ist daher ausgestaltet, um jeden der Finger 14 unter Verwendung der Gelenk- und Stellgliedcontroller 80 bzw. 90 gemäß Kraft- oder Positionssteuergesetzen und mit oder ohne eine selektive Nachgiebigkeit wie nachstehend erläutert automatisch und individuell zu steuern. Innerhalb des Gelenkcontrollers 80 wird das spezielle Steuergesetz, das angewendet wird, d. h. Kraft oder Position, auf eine Weise gewählt, die von der Anzahl verfügbarer Spannungssensoren für einen gegebenen Finger 14 abhängt.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann der in 1 gezeigte Roboter 11 mit einem menschenähnlichen Erscheinungsbild und mit menschenähnlichen Geschicklichkeitsebenen in dem Maß ausgestaltet sein, das zum Durchführen einer gegebenen Arbeitsaufgabe notwendig ist. Humanoide und andere geschickte Roboter können dort verwendet werden, wo eine direkte Interaktion mit Vorrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für die menschliche Verwendung konstruiert sind, zum Beispiel beliebige Vorrichtungen, die menschenähnliche Geschicklichkeitsniveaus erfordern, um ein Objekt 30 korrekt zu manipulieren. Die Verwendung eines Humanoiden wie etwa des Roboters 11, der in 1 dargestellt ist, kann dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion zwischen dem Roboter und menschlichen Bedienern notwendig ist, da die Bewegung des Roboters so programmiert werden kann, dass sie eine menschliche Bewegung genau annähert. Die Finger 14 des Roboters 11 werden durch Hardwarekomponenten des Steuersystems 12, z. B. durch eine Hostmaschine, einen Server, oder ein Netzwerk aus derartigen Vorrichtungen während der Ausführung eines beliebigen Manövers oder einer beliebigen Arbeitsaufgabe, bei dem bzw. der der Roboter auf das Objekt 30 einwirkt, über einen Satz von Steuersignalen 55 direkt gesteuert.
Der in 1 gezeigte Roboter 11 kann so programmiert sein, dass er automatisierte Aufgaben mit vielen Freiheitsgraden (DOF) durchführt und dass er andere interaktive Aufgaben durchführt oder dass er andere integrierte Systemkomponenten steuert, z. B. Einspannen, Beleuchten, Relais, usw. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann der Roboter 11 eine Vielzahl unabhängig und voneinander abhängig bewegbarer stellgliedgetriebener Robotergelenke aufweisen, von denen einige sich überschneidende Bewegungsbereiche aufweisen. Zusätzlich zu den verschiedenen Gelenken 23 der Finger 14, welche die verschiedenen Fingerglieder derselben trennen und bewegen, können die Robotergelenke des Roboters 11 ein Schultergelenk, dessen Position in 1 allgemein durch Pfeil 13 angezeigt ist, ein Ellenbogengelenk (Pfeil 15), ein Handgelenk (Pfeil 17), ein Nackengelenk (Pfeil 19) und ein Taillengelenk (Pfeil 21) umfassen.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann jedes Robotergelenk einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Zum Beispiel können bestimmte nachgiebige Gelenke wie etwa das Schultergelenk (Pfeil 13) und das Ellenbogengelenk (Pfeil 15) mindestens zwei Freiheitsgrade in der Form von Knicken und Drehen aufweisen. Auf ähnliche Weise kann das Nackengelenk (Pfeil 19) mindestens drei Freiheitsgrade aufweisen, während die Taille und das Handgelenk (Pfeil 21 bzw. 17) einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen können. In Abhängigkeit von der Komplexität der Aufgabe kann sich der Roboter 11 mit über 42 Freiheitsgraden bewegen. Jedes Robotergelenk enthält ein oder mehrere Stellglieder, zum Beispiel Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, rotatorische Stellglieder und dergleichen, und wird durch diese intern angetrieben.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Roboter 11 nur die in 2 gezeigte Unterarmanordnung 75 umfassen. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Roboter 11 zusätzliche menschenähnliche Komponenten, wie etwa einen Kopf 16, einen Torso 18, eine Taille 20, Arme 22, Hände 24, Finger 14 und diesen gegenüberstellbare Daumen 26 umfassen, wobei die verschiedenen vorstehend erwähnten Gelenke innerhalb dieser oder zwischen diesen Komponenten angeordnet sind. Wie bei einem Menschen können beide Arme 22 und andere Komponenten Bewegungsbereiche aufweisen, die sich bis zu einem gewissen Grad überschneiden. Der Roboter 11 kann auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) enthalten, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegbare oder feststehende Basis in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters. Eine Stromversorgung 28 kann am Roboter 11 einstückig montiert sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel oder eine andere geeignete Energieversorgung, die auf dem Rücken des Torsos 18 mitgeführt oder getragen wird, oder die durch ein Spannseil abgesetzt verbunden sein kann, um genügend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen.
Das Steuersystem 12 und jeder der Controller 80 und 90 desselben können, wie vorstehend irgendwo erwähnt, jeweils als Server oder Hostmaschine ausgeführt sein, d. h. als ein oder mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungsvorrichtungen, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Vorrichtungen (I/O-Schaltungen und Vorrichtungen) sowie Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen.
Obwohl sie der Einfachheit und Klarheit halber in 1 als eine einzige Vorrichtung gezeigt sind, können die verschiedenen Elemente des Steuersystems 12 über so viele verschiedene Hardware- und Softwarekomponenten verteilt sein, wie es notwendig ist, um den Roboter 11 optimal zu steuern. Die im Steuersystem 12 vorhandenen oder dafür leicht zugänglichen individuellen Steueralgorithmen können im ROM oder in einer anderen geeigneten konkreten Speicherstelle und/oder Speichervorrichtung gespeichert sein und von zugehörigen Hardwarekomponenten des Steuersystems automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerfunktionalität bereitzustellen.
Mit Bezug auf 2 kann eine Unterarmanordnung 75 als Teil des in 1 gezeigten Roboters 11 verwendet werden. Jede Unterarmanordnung 75 enthält eine Hand 24 mit einer Vielzahl sehnengetriebener Finger 14 und einem sehnengetriebenen Daumen 26. Der Begriff ”sehnengetrieben” wird nachstehend mit Bezug auf 3 erläutert. Die Unterarmanordnung 75 enthält eine Vielzahl von Fingerstellgliedern 40, die jeweils zum selektiven Ziehen an und Freigeben einer oder mehrerer Sehnen 50 (siehe 3) in einem Finger 14 oder in einem Daumen 26 ausgestaltet sind. Die Unterarmanordnung 75 enthält ferner eine Vielzahl von Handgelenkstellgliedern 38 zum Bewegen des Handgelenks (Pfeil 17). Anordnungen aus gedruckten Leiterplatten (PCBA) 39 für die Fingerstellglieder 40 und/oder die Handgelenkstellglieder 38 können an oder in der Unterarmanordnung 75 zur effizienten Verpackung wie gezeigt positioniert sein. Die Unterarmanordnung 75 kann an einem Kraftaufnehmer 32 angebracht sein, der zum Verbinden der Unterarmanordnung mit dem Rest des Arms 22 des in 1 gezeigten Roboters 11 verwendet wird.
Mehrere Fingerstellglieder 40 können jedem Finger 14 und dem Daumen 26 entsprechen. Im Allgemeinen wird ein Fingerstellglied 40 für jeden verfügbaren Freiheitsgrad plus ein zusätzliches Fingerstellglied verwendet. Daher benötigt jeder Finger 14, der drei Freiheitsgrade aufweist, vier Fingerstellglieder 40, während jeder Finger, der zwei Freiheitsgrade aufweist, drei Fingerstellglieder benötigt usw.
Mit Bezug auf 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer möglichen Ausführungsform des Fingerstellglieds 40 bereitgestellt. Das Fingerstellglied 40 kann einen Motor 44, ein Zahnradgetriebe 46, ein Stellgliedgehäuse 48, eine Sehne 50 und einen Sehnenabschluss 52 enthalten. Die Sehne 50 verläuft vom Stellgliedgehäuse 48 und durch einen der Finger 14 hindurch, wobei sie am Ende des Fingers endet. Die Sehne 50 ist innerhalb des Fingers 14 in einer nicht zentrierten Position dargestellt, da mehr als eine Sehne innerhalb eines gegebenen Fingers verlaufen kann. Der Motor 44, das Zahnradgetriebe 46 und das Stellgliedgehäuse 48 können alle in der Unterarmanordnung 75 angeordnet sein, um den in den Fingern 14 und im Daumen 26 benötigten Einbauraum zu minimieren und um zu ermöglichen, dass die größeren Komponenten des Fingerstellglieds 40, wie etwa das Stellgliedgehäuse 48, mit Bezug auf die Finger und den Daumen entfernt eingebaut werden.
Die Sehne 50 kann durch eine Hülle oder Leitungsverkleidung 54 geschützt sein, die innerhalb einer schützenden Außenleitung 56 positioniert ist. Der Spannungssensor 58 misst die Kompressionskraft an der Leitung 56, um den Spannungsbetrag zu bestimmen, der auf der Sehne 50 platziert ist. Die Spannung in den Sehnen 50 kann vom in 1 gezeigten Steuersystem 12 verwendet werden, um die Gelenkdrehmomente zu berechnen, die an den verschiedenen Gelenken eines gegebenen Fingers 14 erzeugt werden oder auftreten, welche wiederum vom Steuersystem verwendet werden können, um die Finger und Daumen 26 einer gegebenen Hand 24 zu steuern.
Wenn das Fingerstellglied 40 die Sehne 50 bewegt, verschiebt sich die Sehne relativ zum Spannungssensor 58. Die Sehne 50 endet im Finger 14 am Sehnenabschluss 52. Eine Bewegung der Sehne 50 bewirkt eine Relativbewegung des Sehnenabschlusses 52, wodurch der Finger 14 bewegt wird. Eine Kraft kann auf den Sehnenabschluss 52 entweder intern, d. h. durch eine Bewegung des Fingerstellglieds 40, oder extern, d. h. auf den Finger 14 durch das Objekt 30 von 1 aufgebracht werden, welche bewirkt, dass die Sehne 50 eine Kraft auf das Stellgliedgehäuse 48 ausübt.
Mit Bezug auf 4 wird das Steuersystem 12 von 1 wie hier offengelegt verwendet, um jeden Finger 14 mit Bezug auf einen beliebigen anderen Finger einer gegebenen Hand 24 individuell zu steuern. Bei der Drehmomentsteuerung eines sehnengetriebenen Fingers müssen die gewünschten Gelenkdrehmomente zuerst in Sehnenspannungswerte übersetzt werden. Dieses Problem wird als Spannungsverteilung bezeichnet, und diese muss sicherstellen, dass alle Spannungswerte nicht negativ sind. Der Finger 14 weist eine Vielzahl von Fingergelenken 23 auf, von denen einige unabhängige Gelenke sind, wobei die Gelenkpositionen und Gelenkdrehmomente jedes Fingergelenks durch die Pfeile τ₁, τ₂ und τ₃ angezeigt sind. Der Finger 14 weist n unabhängige Gelenke (n Freiheitsgrade) und n + 1 Sehnen 50 auf.
Der in 4 gezeigte Finger 14 weist drei Freiheitsgrade auf, daher gibt es bei dieser speziellen Ausführungsform vier Sehnen 50, obwohl auch mehr oder weniger Sehnen und/oder Freiheitsgrade verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Es wird darauf hingewiesen, dass das distale Gelenk mit dem benachbarten Gelenk, d. h. dem Mittelgelenk, mechanisch gekoppelt ist; folglich ist das distale Gelenk kein unabhängiger Freiheitsgrad. Außerdem ist die Steuerung des Fingers 14 vollständig bestimmt, so wie der Begriff auf dem Gebiet verstanden wird, und daher ist die Anzahl der Sehnen 50 gleich n + 1, oder in der in 4 gezeigten speziellen Ausführungsform gleich 4. Jedes unabhängige Gelenk 23 ist durch ein Gelenkdrehmoment τ und eine Gelenkposition q gekennzeichnet. Jede der Sehnen 50 ist durch eine Spannung f gekennzeichnet, die in 4 als f₁, f₂, f₃ und f₄ dargestellt sind, oder allgemein als f₁ bis f_n+1. Die Sehnen 50 weisen jeweils eine bestimmbare Position (x) auf, d. h. x₁ – x₄.
Die Beziehung zwischen den n Gelenkdrehmomenten und m Sehnenspannungen, wobei m > n, wird als τ = Rf dargestellt. Die Variable R ∊
is als Sehnenkennfeld bzw. Sehnenabbildungsmatrix bekannt und sie enthält die verschiedenen Gelenkradiusdaten, die zum Abbilden von Sehnenspannungen auf Gelenkdrehmomente benötigt werden. Damit ein System durch Sehnen steuerbar ist, muss das Sehnenkennfeld R eine Matrix mit vollem Zeilenrang sein, und es muss eine vollständig positive Spaltenmatrix w geben, sodass R^Tw = 0. Die ”interne Spannung” ist eine gewichtete Summe aller Spannungen in einem Finger 14; folglich zeigt eine kleinere interne Spannung kleinere Spannungen zwischen den verschiedenen Sehnen 50 und eine kleinere Nettokraft an.
Umgekehrt folgt die Lösung für die Spannung f, wobei R⁺ die Pseudoinverse von R ist, I die Identitätsmatrix ist und λ ein willkürlicher Wert ist: f = R⁺τ + f_int f_int ≐ (I – R⁺R)λ wobei f_int die internen Spannungen darstellt, die im Nullraum von R liegen und Nettodrehmomente von Null erzeugen. Die Matrix [I – R⁺R] stellt den Abbildungsoperator in den Nullraum von R bereit. Bei gegebenen quasistatischen Bedingungen ist immer dann f = f_int, wenn externe Kräfte von Null auf den Finger 14 wirken.
Die gleiche Matrix R drückt die Beziehung zwischen einer Sehne 50 und Gelenkgeschwindigkeiten aus. Auf der Grundlage der Prinzipien der virtuellen Arbeit ist der Beitrag der Gelenkbewegung zu der Sehnengeschwindigkeit gleich R^Tq . . Unter der Annahme eines konstanten Werts für R ist die Nettoverschiebung einer Sehne 50 eine Summe aus dem Gelenkbeitrag plus der Veränderung der Länge l dieser Sehne oder: Δx = R^TΔq + Δl.
Es wird nun ein Modell einer Sehne 50 als lineare Feder bereitgestellt und angenommen, dass die Sehne straff bleiben wird. Es wird auch angenommen, dass die in einem Finger 14 verwendeten Sehnen 50 den gleichen Steifigkeitswert k_t aufweisen, da der Unterschied bei den Sehnenlängen nicht ausreicht, um einen signifikanten Unterschied bei der Steifigkeit zu gewährleisten. Die folgende Analyse setzt die Veränderung bei der Länge (Δl) in Beziehung mit einer Veränderung bei Sehnenspannungen und Gelenkdrehmomenten: Δf = k_tΔl Δτ = RΔf k_tRΔl folglich,
Der Wert (Δl_int), der die Längenänderung im Nullraum von R darstellt, d. h. die Längenänderung, die nur die internen Spannungen und nicht die Gelenkdrehmomente beeinflusst, kann geschrieben werden als: Δl_int ≐ (I – R⁺R)δ, wobei der Wert der Variable δ willkürlich ist. Die endgültige Beziehung für die Sehnenverschiebung kann geschrieben werden als:
In Abwesenheit einer Spannungsrückmeldung, z. B. wenn einige oder alle Spannungssensoren 58 von 3 zur Verwendung innerhalb eines gegebenen Fingers 14 nicht verfügbar sind, stellen die vom Steuersystem 12 von 1 verwendeten Positionsgesetze ein schnelles Steuerverhalten auf der Grundlage der Position, einen geringen Fehler und kein Überschwingen bereit, während gleichzeitig die interne Spannung der Sehnen 50 im Finger aufrechterhalten wird. Um die interne Spannung konstant zu halten, wird der Wert Δl_int aus der unmittelbar vorstehenden Gleichung eliminiert.
Mit Bezug auf 5 zeigt eine schematische Darstellung des Steuersystems 12 von 1 das erwähnte zweistufige Steuerschema. Das Steuersystem 12 enthält einen oberen Steuerkreis und einen unteren Steuerkreis, d. h. den Gelenkcontroller 80 bzw. den Stellgliedcontroller 90. Der Gelenkcontroller 80 verarbeitet Signale, die einen Vektor der Gelenkposition (q), der als Pfeil 31 dargestellt ist, und eine gewünschte oder Referenzgelenkposition (q_d) beschreiben, die als Pfeil 131 dargestellt ist, über einen Verarbeitungsknoten 60, um dadurch einen Gelenkpositionsfehler (q – q_d), d. h. Pfeil 35, zu berechnen. Auf ähnliche Weise ist eine Sehnenkraft (f) als Pfeil 37 gezeigt und eine Sehnenposition (x) ist als Pfeil 33 gezeigt. Ein weiterer Verarbeitungsknoten 60 nimmt die befohlene Sehnenposition (x_d), die als Pfeil 133 gezeigt ist, berechnet den Sehnenpositionsfehler (x – x_d) 233 und sendet ihn in den unteren Kreis des Stellgliedcontrollers 90 hinunter.
Der Stellgliedcontroller 90 besteht aus einem einfachen Positionscontroller für die Stellgliedposition; er wird zuerst zum Maximieren der Leistung mit einem Antwortverhalten erster Ordnung abgestimmt, um ein Überschwingen zu vermeiden. Der Gelenkcontroller 80 kann entweder aus einem kraftbasierten Controller für die Fingergelenke, wie in der Technik verstanden wird, oder einem positionsbasierten Controller bestehen.
Es wird hier ein neuer Positionscontroller offengelegt, der eine diskrete Version eines Geschwindigkeitscontrollers implementiert, wobei die aktuellen Positionen der Stellglieder kontinuierlich zurückgemeldet werden und auf der Grundlage der Gelenkfehler mit einem Deltavektor kombiniert werden. Auf der Grundlage der vorstehenden kinematischen Beziehungen kann die befohlene Sehnenposition (x_d), d. h. Pfeil 133, geschrieben werden als x_d = x – k_pR^TΔq, wobei Δq den Gelenkpositionsfehler (q – q_d), d. h. Pfeil 35 wie in 5 gezeigt, darstellt und k_p eine skalare konstante Verstärkung ist. Dieses Steuergesetz setzt die Verschiebung im Nullraum der vorherigen Gleichung auf Null.
Dieses Steuergesetz erzeugt eine schnelle Antwort, die den stationären Fehler aufhebt und ein überkritisch gedämpftes [engt.: over-damped] Verhalten beibehält. Jedoch beschränkt es Stellgliedpositionen nicht aktiv auf den Zielraum [engl.: range-space]. Folglich können Störungen unproportionale Veränderungen bei den Stellgliedpositionen verursachen, welche die internen Spannungen verändern. Dies kann durch die Tatsache verschärft werden, dass die in 3 gezeigte Sehne 50 einer Kompression keinen Widerstand leisten kann. Um dies zu lösen, wird die Ausgabe in den Zielraum des Fingers 14 abgebildet, was ermöglicht, dass der untere Kreis den Zielraum aktiv einstellt. Dies stellt das endgültige Steuergesetz für den oberen Kreis bereit: x_d = R⁺Rx – k_pR^TΔq. Die Zielraumbeschränkung dieser Gleichung erfordert die in 5 gezeigte zweistufige Hierarchie. Diese Zielraumbeschränkung ermöglicht, dass das System einer Bewegung im Nullraum widersteht und folglich, dass es die anfänglichen internen Spannungen, die auf die Sehne ausgeübt werden, nominell beibehält.
Ein alternatives Schema für das Positionssteuergesetz beruht auf einer Proportional-Integral-Kompensationsvorrichtung (PI-Kompensationsvorrichtung). Dieses Gesetz implementiert einen Optimalwertausdruck für die endgültige Position jedes der Stellglieder, der mit einem PI-Ausdruck verwendet wird, um einen stationären Fehler zu beseitigen. Wenn das System derart initialisiert wird, dass die anfängliche Sehnenposition x und die anfängliche Gelenkposition q Null sind, dann sind die Stellgliedpositionen, die mit den gewünschten Gelenkpositionen (q_d), Pfeil 131, übereinstimmen, ohne die Länge der Sehne 50 von 3 zu verändern, gegeben durch R^Tq_d. Da das kinematische Modell möglicherweise nicht perfekt ist, wird eine PI-Kompensationsvorrichtung verwendet, um irgendwelche Fehler zu beseitigen.
Somit ist die befohlene Position (x_d), Pfeil 133, aus der Optimalwertsteuerung wie folgt: x_d = –R^T(k_pΔq + ki∫Δqdt).
Dieser Optimalwertausdruck führt zu einer schnellen Anstiegszeit, während der PI-Ausdruck zu einem stationären Fehler von Null führt.
Wenn einige, aber nicht alle einer Gesamtanzahl verfügbarer Spannungssensoren für den Finger 14 verfügbar sind, kann das Steuersystem 12 selektiv eine Positionssteuerung für diesen Finger in Verbindung mit einer selektiven Nachgiebigkeit für die Sehnen anwenden, wodurch die Positionssteuerfähigkeiten des Steuersystems 12 ergänzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Finger 14 an einer gegebenen Hand 24 (siehe 2) gleichzeitig unter Verwendung unterschiedlicher Controller oder Steuergesetze gesteuert werden können, z. B. mit einer kraftbasierten Steuerung eines Fingers und einer positionsbasierten Steuerung eines anderen.
Ein selektiver Nachgiebigkeitswert (Pfeil 57) kann als k(f – f_d)s definiert sein, wobei k eine skalare Konstante ist und (f – f_d) der Spannungsfehler ist. Der Ausdruck s ist eine Wahlvariable mit einem Element für jede Sehne, z. B. mit einem Wert von 1, um die Nachgiebigkeit einzuschalten, und 0, um die Nachgiebigkeit auszuschalten. Folglich kann der selektive Nachgiebigkeitswert 57 unterstromig des Stellgliedcontrollers 90 von der Ausgabe 51 des Stellgliedcontrollers subtrahiert werden, wobei s vom Steuersystem 12 in einer Weise gewählt wird, die davon abhängt, ob die selektive Nachgiebigkeit gewünscht ist (d. h. 1) oder nicht gewünscht ist (d. h. 0). Die Steuersignale (Pfeil 55), die auch in 1 gezeigt sind, werden schließlich an den Roboter 11 als ein Motorbefehl übertragen, der die Gelenkpositionen (q) (Pfeil 31), die Sehnenpositionen (x) (Pfeil 33) und die Sehnenspannungen (f) (Pfeil 37) zurückmeldet.
Wenn in einem gegebenen Finger 14 alle Spannungssensoren verfügbar sind, verwendet das Steuersystem 12 von 1 das kraftbasierte Steuergesetz zum Steuern dieses speziellen Fingers. Das folgende beispielhafte Steuergesetz entkoppelt die Bewegung im Gelenkraum des Fingers 14. Es gilt die folgende Gleichung für eine gewünschte Sehnenposition (x_d): x_d = x – k_dx . – P^TK_p(T – T _d), wobei T = Pf, und P eine Matrix ist, die R und w^T übereinander verknüpft. Die Werte k_p und k_d sind anwenderdefinierte proportionale bzw. integrale Verstärkungen.
Mit Bezug auf 6 und mit Bezugnahme auf die in den vorhergehenden Figuren gezeigte Struktur beginnt das vorliegende Verfahren 100 gemäß einer möglichen Ausführungsform bei Schritt 102, bei dem das Steuersystem 12 die Anzahl verfügbarer Spannungssensoren in einem Finger 14, der gesteuert wird, bestimmt. Schritt 102 kann umfassen, dass ein Eingangssignal empfangen wird, das den Status jedes der Spannungssensoren 58 in einem gegebenen Finger 14 anzeigt, z. B. indem die Spannungssensoren automatisch mit einem Statusanfragebefehl oder einem ”Ping” abgefragt werden und immer dann ein Status aufgezeichnet wird, der anzeigt, dass der Spannungssensor verfügbar ist, d. h. online und korrekt funktionierend, wenn der abgefragte Spannungssensor auf den Ping erfolgreich antwortet.
Alternativ können vom Spannungssensor 58 in kalibrierten Intervallen Signale periodisch übertragen werden, wobei die Unterbrechung oder fehlende Fortsetzung der Übertragung derartiger Signale die Nichtverfügbarkeit eines speziellen Sensors anzeigt. Zusätzliche Ausführungsformen können umfassen, dass der Spannungssensor 58 fehlerhafte Werte relativ zu kalibrierten Schwellenwerten liest, dass eine manuelle Eingabe des Nichtverfügbarkeitsstatus eines gegebenen Sensors in das Steuersystem 12 durch einen Programmierer oder Anwender aufgezeichnet wird, dass Sensorfehlercodes oder -merker verarbeitet werden usw.
Bei Schritt 104 bestimmt das Steuersystem 12 von 1, ob alle Spannungssensoren 58 für einen speziellen Finger 14 verfügbar sind, z. B. indem eine bekannte Gesamtanzahl von Spannungssensoren mit der Anzahl verfügbarer Sensoren verglichen wird, die bei Schritt 102 bestimmt wurde. Wenn alle Spannungssensoren 58 für einen Finger 14 verfügbar sind, geht das Verfahren 100 zu Schritt 108 weiter. Andernfalls geht das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter.
Bei Schritt 106 bestimmt das Steuersystem 12, ob zumindest einige der Spannungssensoren 58 für den Finger 14, der bewertet wird, verfügbar sind. Wenn dies zutrifft, geht das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter. Andernfalls geht das Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter.
Nachdem das Steuersystem 12 bei Schritt 104 zuvor bestimmt hat, dass alle der Gesamtanzahl von Spannungssensoren 58 in einem Finger 14 zur Verwendung in diesem Finger verfügbar sind, steuert das Steuersystem von 1 bei Schritt 108 den Finger, indem es alleine das kraftbasierte Steuergesetz verwendet, wie vorstehend offengelegt ist. Das Verfahren 100 wiederholt dann Schritt 102 in einer Schleife, um zu bestimmen, ob es eine Veränderung bei der Anzahl verfügbarer Spannungssensoren 58 gegeben hat.
Nachdem das Steuersystem 12 bei Schritt 106 bestimmt hat, dass nur einige der Spannungssensoren 58 in einem gegebenen Finger 14 zur Verwendung in diesem Finger verfügbar sind, steuert das Steuersystem von 1 bei Schritt 110 den Finger unter Verwendung des positionsbasierten Steuergesetzes in Verbindung mit der selektiven Nachgiebigkeit, wie vorstehend offengelegt ist. Das Verfahren 100 wiederholt dann Schritt 102 in einer Schleife, um zu bestimmen, ob es eine Veränderung bei der Anzahl verfügbarer Spannungssensoren 58 gegeben hat.
Nachdem das Steuersystem 12 von 1 bei Schritt 106 bestimmt hat, dass keiner der Spannungssensoren 58 zur Verwendung in dem Finger 14 verfügbar ist, der gesteuert wird, steuert das Steuersystem von 1 bei Schritt 112 den Finger unter Verwendung allein des positionsbasierten Steuergesetzes, wie vorstehend offengelegt ist. Das Verfahren 100 wiederholt dann Schritt 102 in einer Schleife, um zu bestimmen, ob es eine Veränderung bei der Anzahl verfügbarer Spannungssensoren 58 gegeben hat.
Folglich stellt das Steuersystem 12 von 1 eine Kraftsteuerung, um die Sehnen eines gegebenen Fingers 14 zu schützen, in Kombination mit einer Robustheit mit Bezug auf den Ausfall von Spannungssensoren bereit. Eine effektive Kontrolle über jeden Finger 14 wird bereitgestellt, ohne dass eine Spannungserfassung erforderlich ist. Wenn die Spannungserfassung nicht verfügbar ist, stellt das Steuergesetz mit seiner zweistufigen Steuerarchitektur, die vorstehend mit Bezug auf 5 beschrieben ist, eine Positionssteuerung bereit, die schnell und ohne Überschwingen ist, während Nennniveaus der internen Spannung an dem Finger aufrecht erhalten werden. In Verbindung mit der Positionssteuerung ist eine Nachgiebigkeit verfügbar, um die Sehnen zu schützen, selbst wenn ein vollständiger Satz von Spannungssensoren nicht verfügbar ist. Somit ist der Roboter 11 von 1 in der Lage, auf einem höheren Leistungsniveau mit verbesserter Robustheit zu arbeiten.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Robotersystem, umfassend: einen von einer Sehne getriebenen Roboterfinger; und ein Steuersystem, das ausgestaltet ist, um zu bestimmen, ob ein Spannungssensor in dem Finger verfügbar ist, um den Finger selektiv über ein kraftbasiertes Steuergesetz, wenn ein Spannungssensor im Finger verfügbar ist, um den Spannungswert zu messen, und über ein positionsbasiertes Steuergesetz zu steuern, wenn der Spannungssensor im Finger nicht verfügbar ist, um den Spannungswert zu messen.
Robotersystem nach Anspruch 1, ferner eine Vielzahl der Sehnen umfassend, wobei jede Sehne einen entsprechenden Spannungssensor aufweist, wobei das Steuersystem ausgestaltet ist, um den Finger selektiv über das kraftbasierte Steuergesetz, wenn alle Spannungssensoren verfügbar sind, und über das positionsbasierte Steuergesetz, wenn keiner der Spannungssensoren verfügbar ist, zu steuern.
Robotersystem nach Anspruch 2, wobei das Steuersystem ferner ausgestaltet ist, um selektiv einen Nachgiebigkeitswert in das positionsbasierte Steuergesetz einzugeben, wenn nur einige der Spannungssensoren verfügbar sind.
Robotersystem nach Anspruch 3, wobei der Nachgiebigkeitswert eine Funktion eines Spannungsfehlers ist, der als eine Differenz zwischen einer gewünschten Spannung und einer tatsächlichen Spannung einer der Sehnen bestimmt wird.
Robotersystem nach Anspruch 1, ferner ein Stellglied zum Bewegen der Sehne umfassend, wobei das Steuersystem eine zweistufige Architektur oder Hierarchie verwendet, bei der ein Gelenkcontroller einen oberen Steuerkreis bildet und ein Stellgliedcontroller einen unteren Steuerkreis in der zweistufigen Architektur bildet, und wobei: der Gelenkcontroller ausgestaltet ist, um das kraftbasierte Steuergesetz und das positionsbasiertes Steuergesetz auszuführen, um dadurch jeweils die Kraft und die Position der Gelenke des Roboterfingers zu steuern; und der Stellgliedcontroller ausgestaltet ist, um nur das positionsbasierte Steuergesetz auszuführen, um dadurch die Position des Stellglieds zu steuern.
Robotersystem nach Anspruch 5, wobei beliebige befohlene Stellgliedpositionen für das Stellglied, die an den Stellgliedcontroller hinabgesandt werden, auf den Zielraum des Fingers beschränkt sind.
Robotersystem nach Anspruch 1, das ferner eine Hand mit einer Vielzahl der Finger umfasst, wobei jeder Finger eine Vielzahl der Sehnen aufweist, und wobei jede Sehne einen entsprechenden Spannungssensor aufweist, wobei jeder Finger mit Bezug auf die anderen Finger in einer Weise unabhängig steuerbar ist, die von der Anzahl verfügbarer Spannungssensoren in dem Finger abhängt, der unabhängig gesteuert wird.
Robotersystem nach Anspruch 1, ferner ein Stellglied zum Bewegen der Sehne umfassend, wobei das Steuersystem eine zweistufige Architektur mit einem unteren und einem oberen Steuerkreis verwendet, und wobei der untere Steuerkreis eine Stellgliedposition des Fingers aktiv einstellt, um zu ermöglichen, dass der Finger einer Bewegung im Nullraum einer Sehnenabbildungsmatrix für den Finger widersteht, während auch eine anfängliche interne Spannung an der Sehne nominell beibehalten wird.
Steuersystem für einen von einer Sehne getriebenen Roboterfinger, wobei das Steuersystem umfasst: eine Hostmaschine; und ein nicht transitorisches computerlesbares Medium, auf dem ein Steuerprozess aufgezeichnet ist, der eine zweistufige Steuerarchitektur zum Steuern des Fingers bereitstellt; wobei die Hostmaschine ausgestaltet ist, um den Steuerprozess auszuführen, um dadurch die Verfügbarkeit eines Spannungssensors, der zum Messen eines Spannungswerts geeignet ist, in dem Finger zu bestimmen, und um den Finger: über ein kraftbasiertes Steuergesetz, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts verfügbar ist; und über ein positionsbasiertes Steuergesetz, wenn der Spannungssensor zum Messen des Spannungswerts nicht verfügbar ist, selektiv zu steuern.
Steuersystem nach Anspruch 9, wobei der Finger eine Vielzahl von Sehnen enthält, die jeweils einen entsprechenden Spannungssensor aufweisen, und wobei die Hostmaschine ausgestaltet ist, um den Finger selektiv über das kraftbasierte Steuergesetz, wenn alle der Vielzahl von Spannungssensoren im Finger verfügbar sind, und über das positionsbasierte Steuergesetz, wenn keiner der Vielzahl von Spannungssensoren verfügbar ist, zu steuern.