[发明专利]在腱驱动的机器人手指内的张力分配

说明书

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在“NASA太空行动协议”编号SAA-AT-07-003下利用政府资助完成。政府可在本发明中享有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月30日提交的美国临时申请No.61/174316的权益和优先权。

技术领域

本发明涉及在腱驱动操纵器中的转矩控制内的张力分配。

发明背景

机器人是能够使用一系列联接件来操纵物体的自动装置，这些联接件又经由一个或多个机器人关节相互连接。典型机器人中的每个关节都表示至少一个独立的控制变量，即，自由度(DOF)。诸如手、手指、或者拇指这样的末端执行器被最终致动以执行手边的任务，例如抓握加工工具或者物体。因此，机器人的精确运动控制可以由任务规格的等级来加以组织，包括物体级控制、末端执行器级控制和关节级控制。各种控制级共同实现所需的机器人的运动性、灵活性、以及和工作任务相关的功能性。

腱传动系统通常被用于机器人系统中，例如，在对高自由度(DOF)的手中的机器人手指的致动中。对于给定的腱驱动手指的力控制而言，手指上的期望转矩必须被转换成腱上的张力。因为腱仅能以张力来传递力，即，以拉拽布置(pull-pull arrangement)的方式，所以腱的数量和致动器的数量必须超过DOF，以便实现对腱驱动手指的完全确定的控制。为了变得完全确定，手指仅需要比DOF数多一个的腱，这已知为n+l布置。

对于给定的一组期望的关节转矩，对应的腱张力存在有无限组的解。然而，任何将负张力值指定给腱的解都不是物理有效的。这是由于腱的单向性本质的缘故，即，腱能够抵抗延伸而不能抵抗压缩。关于该问题的现有方法提供了确保所有腱的张力都大于或等于零的解。然而，当达到饱和上限时(例如，当遭遇硬件的最大张力限制时)，所获得的关节转矩可能变得不可预测，并且可能引入不期望的耦合。

发明内容

因此，在本文中提供了一种转矩控制方法和系统，用于由腱驱动的机器人操纵器中的张力分配。该方法在上界和下界内将张力指定或分配给操纵器的每个腱。所分配的张力满足下界，同时最小化所施加的内部张力。同时，所分配的张力还满足上界，并且消除了饱和的耦合效应。由此，提供平滑和可预见的操纵器转矩控制。

该方法在机器人系统中的腱驱动手指的n+l个腱中分配张力，其中手指本身的特征在于n个自由度。该方法包括确定n+l个腱中每一个的最大功能性张力和最小功能性张力，并且使用控制器以在n+l个腱中自动分配张力。每个腱都被指定张力值，该张力值小于该腱对应的最大功能性张力并且大于或者等于该腱对应的最小功能性张力。

当腱超出上界时，该方法提供了关节转矩的线性比例化，从而使得该上界得以满足。该线性比例化允许张力饱和，不会有跨关节转矩的耦合效应。该方法总是将最小张力值指定成等于下界。这确保了结构上的内部张力最小化。该方法还被示出最多需要该解的一次迭代。因此，该方法不必伴有无终止的迭代过程，就像该问题的数学本质所另外具有的那样。该特性对于实时应用是很重要的。

一种机器人系统，其包括机器人，该机器人具有：特征在于n个自由度和n+l个腱的至少一个腱驱动手指，和具有用于控制n+l个腱的算法的控制器。该算法适合确定n+l个腱中每个腱的最大功能性张力和最小功能性张力，并且自动地在n+l个腱中分配张力，从而使每个腱都被指定张力值，该张力值小于该腱对应的最大功能性张力并且大于或等于该腱对应的最小功能性张力。

一种提供给腱驱动的机器人手指的控制器，该控制器包括这样的算法：该算法适合于确定该腱驱动手指中每个腱的最大功能性张力和最小功能性张力，并且自动地在n+l个腱中分配张力，如上所述那样。

本发明还提供了以下方案：

方案1：一种用于在机器人系统中的腱驱动手指的n+l个腱中分配张力的方法，所述手指的特征在于n个自由度，所述方法包括：

确定最大功能性张力和最小功能性张力；和

使用控制器在所述n+l个腱中自动分配张力，使得每个腱都被指定张力值，所述张力值小于所述最大功能性张力并且大于或等于所述最小功能性张力。

方案2：如方案1所述的方法，其中，使用控制器自动分配张力包括：使用所述控制器计算所述腱驱动手指的多个关节中每个的关节转矩的线性比例，以便获得比例化的解。

方案3：如方案1所述的方法，进一步包括：如果给定腱的张力值中的任意张力值超过了所述腱的对应的最大功能性张力，则对所述比例化的解进行迭代。

方案4：如方案1所述的方法，其中n＝3