控制机器人的两臂的方法 |
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| 申请号 | CN201310167971.0 | 申请日 | 2013-05-09 | 公开(公告)号 | CN103862470B | 公开(公告)日 | 2017-08-25 |
| 申请人 | 现代自动车株式会社; | 发明人 | 徐正镐; 梁佑诚; | ||||
| 摘要 | 一种控制 机器人 的两臂的方法，包括：确定步骤，确定一条臂的端部与另一条臂的端部在轴向上的 位置 差；生成步骤，基于已确定的位置差在所述另一条臂的所述端部生成虚拟 力 ；以及换算步骤，利用雅克比矩阵将所生成的虚拟力换算成所述另一条臂的关节的驱动力矩。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种控制机器人的两臂的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 控制机器人的两臂的方法技术领域背景技术[0002] 在工业领域中，可穿着的肌力辅助机器人用于使穿着者在穿上机器人时提举或移动物体。 [0003] 当根据穿着者的意图用双臂提举重物时，可穿着式肌力辅助机器人可以帮助提举重物，因为穿着者的力量被传递给机器人，并且该传递的力量通过机器人被放大。 [0005] 当现有的可穿着式肌力辅助机器人在用两臂提举重物时，通过分别将穿着者的意图反映给双臂而使双臂同时移动。 [0006] 在利用机器人的两臂提举重物同时使两臂保持水平时，穿着者必须通过单独移动两臂来保持两臂水平，这样使穿着者会感到非常疲劳。 [0007] 此外，当重物倾向一侧时，机器人的平衡可能很快被打破。本公开即使在这种情况下也可以使两臂同步，从而使重物不向一侧倾斜，因此可被认为是对工业领域非常有用。 [0008] 在现有技术中，在发明名称为“A friction compensation method,a friction compensator,and a motor control device(摩擦补偿方法，摩擦补偿器及电动机控制装置)”的KR10-2008-0079590A中，实际定位器21响应于位置信号估测移动物体的实际位置并生成实际位置信号，微分器22通过对实际位置信号求微分而获得速度信号，积分器24通过对速度信号求积分而生成移动物体的移动方向发生改变的位置的位移信号，绝对值计算器25确定绝对值，摩擦性质估测器26确定摩擦力或摩擦力矩对于位移的变化率，乘法器27通过将位移的变化率乘以速度信号来确定时间的变化率，积分器28通过求变化率对时间的积分来估算摩擦力或摩擦力矩。 [0009] 然而，在现有技术中尚没有提出一种使提举重物的两臂同步的方法，因此需要一种即使在这种情况下也能够进行控制的控制方法。 [0010] 以上提供的作为本发明相关技术的说明，仅仅是为了帮助理解本发明的背景，而不应将其理解为包含在本领域技术人员公知的相关技术中。 发明内容[0011] 本发明的目的在于提供一种用于控制机器人的两臂的方法，该方法可以容易地在控制可穿着式机器人利用两臂提举重物时使两臂保持水平。 [0012] 根据本发明示例性实施方式的控制机器人的两臂的方法，包括：确定步骤，确定一条臂的端部与另一条臂的端部在轴向上的位置差；生成步骤，基于已确定的位置差在另一条臂的端部生成虚拟力；以及换算步骤，利用雅克比矩阵将所生成的虚拟力换算成另一条臂的关节的驱动力矩。 [0013] 确定步骤可以确定两臂的端部之间在X轴、Y轴和Z轴上的位置差。 [0014] 生成步骤可以通过另一条臂的端部的虚拟弹簧-阻尼器模型，生成虚拟的反作用力。 [0015] 换算步骤可以利用雅克比矩阵的转置，将所生成的虚拟力换算成另一条臂的关节的驱动力矩。 [0016] 该方法还可以包括施加步骤，将驱动力矩施加给关节的驱动单元。 [0017] 生成步骤可以基于两臂的端部之间的位置差，在一条臂和另一条臂的各端部生成虚拟力，且换算步骤可以利用雅克比矩阵，将所生成的虚拟力换算成一条臂和另一条臂的关节的驱动力矩。 [0019] 现在参考在附图中示出的某些示范性实施方式来详细描述本发明的上述和其它的特征，仅仅以示例性的方式给出下文中的附图，因此其不构成对本发明的限制，其中： [0020] 图1-3是示出根据本发明示例性实施方式的控制机器人的两臂的方法中机器人两臂的状态的视图；和 [0021] 图4是示出根据本发明示例性实施方式的控制机器人的两臂的方法的流程图。 [0022] 应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。 [0023] 在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同部件。 具体实施方式[0024] 下面将参照附图对根据本发明示例性实施方式的用于控制机器人两臂的方法进行详细描述。 [0025] 图1-3是示出根据本发明示例性实施方式的用于控制机器人的两臂的方法中机器人的两臂的状态的视图，图4是示出根据本发明示例性实施方式的用于控制机器人的两臂的方法的流程图。 [0026] 用于控制机器人的两臂的方法的示例性实施方式可包括：确定步骤S100，确定一条臂的端部与另一条臂的端部在轴向上的位置差；生成步骤S200，基于已确定的位置差在另一条臂的端部生成虚拟力(virtual force)；以及换算步骤S300，利用雅克比矩阵将生成的虚拟力换算成用于另一条臂的关节的驱动力矩。 [0027] 图1示出机器人两臂之间的X-轴间隙ΔX，图2示出Y-轴间隙ΔY，而图3示出Z-轴间隙ΔZ。 [0028] 在本发明中示例说明的机器人可以是具有两臂的可穿着式机器人，该机器人即使是在驱动一条臂时必须驱动另一条臂的情况下，其也能够容易地调节两臂的高度。 [0029] 在确定穿着者的移动之后，可穿着式机器人操作电动机，该电动机是用于驱动机器人的关节的驱动单元，因此穿着者在被控制提举重物过程中两臂失去平衡的情况下，穿着者在试图使两臂保持平衡时可能要使用较大的力且感到疲劳。 [0030] 此外，物体越重，机器人在两臂不保持水平时越容易失去平衡，因此导致安全事故的可能性更大。 [0031] 本发明的目的在于在两臂之间的距离存在差异时，通过在一条臂上生成反作用力从而使两臂保持水平，从而帮助防止发生上述情形。 [0032] 为此，示例性方法首先执行确定步骤S100，其可以确定一条臂的端部与另一条臂的端部的轴向位置差。 [0033] 如图所示，虚拟力控制器布置在机器人的两臂的各端部。 [0034] 可以通过以下等式进行说明： [0035] [等式1] [0036] [0037] 如等式所示，机器人的左臂(left-arm)设有用于机器人关节的转动角的虚拟弹簧-阻尼器模型。这是为了防止机器人的突然控制并利用弹簧生成反作用力。电动机接收由弹簧-阻尼器模型控制的输入，并驱动关节。 [0038] 此外，在机器人的端部添加虚拟的弹簧-阻尼器模型。也就是说，机器人的端部的运动可被计算成力，然后通过雅克比矩阵的转置换算成施加给关节的力矩。 [0039] 因此，可以通过各个单元关节力矩 和根据机器人端部的运动计算并换算成用于关节的力矩以及重力补偿的力矩 来控制机器人。 [0040] 此外，可以根据左臂与右臂之间的位移差而另外地给出用于使左臂和右臂同步的力矩。 [0041] 力矩还可通过被称为虚拟链(virtual chain)的虚拟弹簧-阻尼器模型而给出。也就是说，弹簧-阻尼器的虚拟链分别设置在左臂和右臂的端部，然后左臂或右臂与另一条臂同步。 [0042] 等式1示出通过利用虚拟链而使左臂与右臂同步的示例性方法。 [0043] 因此，例如，可以对左臂施加关节力矩+机器人端部的虚拟力产生的力矩+重力补偿+因与右臂的位移差产生的虚拟力矩 [0044] 为此，左臂和右臂的端部之间的位移差可分别由直角坐标系中的ΔXR、ΔYR和ΔZR表示，并且可以给出虚拟的弹簧-阻尼器模型，从而确定因各轴上的位移差而产生的虚拟反作用力。此外，可以通过雅克比矩阵的转置，通过将反作用力分配给关节而将反作用力的力矩提供给关节。 [0045] 本发明的示例性方法执行以下步骤：确定步骤S100，确定一条臂的端部与另一条臂的端部在轴向上的位置差；生成步骤S200，基于已确定的位置差，在另一条臂的端部生成虚拟力；以及换算步骤S300，利用雅克比矩阵将生成的虚拟力换算成用于驱动另一臂的关节的驱动力矩。 [0046] 此外，该方法还可以执行施加步骤S400，将驱动力矩施加给关节的驱动单元。 [0047] 同时，确定步骤S100可以根据关节的转动角来确定两臂的端部的位置，并可以以机械方式确定两臂之间的位置差。 [0048] 此外，确定步骤S100可通过确定两臂在X轴、Y轴和Z轴上的位置差，而在各个轴上生成虚拟的反作用力，且生成步骤S200可以通过另一条臂端部的虚拟的弹簧-阻尼器模型生成虚拟的反作用力。 [0049] 此外，换算步骤S300可以通过雅克比矩阵的转置，将生成的虚拟反作用力换算成另一条臂的关节的驱动力矩，并将它们加起来。 [0050] 以下等式示出使右臂与左臂保持同步的方法： [0051] [等式2] [0052] [0053] 从该等式可知，右臂(right arm)基本上还接收来自关节处的弹簧-阻尼器模型的力矩，并通过将来自右臂的端部的弹簧-阻尼器模型的力进行换算并将它们加起来从而驱动右臂，来反映穿着者的意图。 [0054] 此外，可以通过关节的力矩来执行重力补偿，并将左臂的相对位移输入到虚拟的弹簧-阻尼器模型中，计入反作用力，换算成右臂的关节的力矩并把它们加起来，从而驱动关节。 [0055] 此外，生成步骤S200可基于两臂端部之间的位置差，在一条臂和另一条臂的各端部生成虚拟力，且换算步骤S300可利用雅克比矩阵，将生成的虚拟力换算成一条臂和另一条臂的关节的驱动力矩。在该示例性方法中，左臂和右臂都可以与彼此同步，其中可以利用每个等式。 [0056] 根据用于控制具有上述结构的机器人的两臂的方法，可以在控制可穿着式机器人用两臂提举重物时容易地使两臂保持水平。 [0057] 此外，可以通过执行对用两臂提举重物的可穿着式机器人的两臂进行控制的算法，使穿着者在用两臂提举较重物体时疲劳度最小并增大稳定性。 [0058] 此外，与现有的可穿着式机器人的控制方法相比，利用用于控制可穿着式机器人运转的方法，按照穿着者的意图并根据环境，可以控制可穿着式机器人以反映穿着者的意图，而无需额外安装传感器，并同时控制两臂而不论是否知道存在重物或重量为多少。 [0059] 上面已经参考本发明的优选实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员应该能够理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下还可以对这些实施方式做出改变或改进，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。 |
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