[发明专利]约束冗余机械手的方法和具有冗余机械手的机器人

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年9月17日提交的美国临时申请No.61/701,900的优先权和权益，其所有内容通过援引并入本申请。

技术领域

本发明涉及用于约束具有冗余自由度的机械手的运动的系统和方法，特别地涉及通过其末端执行机构引导这种冗余机械手的方法。

背景技术

工业机器人执行与物品运动和操作相关的多种任务。典型的工业机器人例如可以具有配备夹持部或其他末端执行机构的一个或更多个臂(或者，更广一点说，是附器)，该夹持部或其他末端执行机构允许机器人按照特定的坐标拾取位于特定位置的物体，将其输送至目的地，并将其放下。现有工业机器人的控制器通常以规定机器人臂(多个机器人臂)的确切位置和轨迹的语言编程。在程序任务的执行期间，机器人臂使与其最远侧的链节相关联的参考坐标沿确切的规定轨迹移动至确切的规定新位置。近来的工业机器人的程序系统具有允许用户来教导机器人位置和轨迹的输入层，其通过简单地抓住机器人的末端执行机构并将其引导至机器人的工作空间内的相关位置来实现的。该方法对用户而言是直观的，并且因为机器人能够感受其自身状态(接头角度、力等)，其允许复杂的任务或运动容易演示、感受并记录。

为促成对机器人臂进行手动引导，通常会使用两种通用方法之一：在第一种方法中，机器人被构造成通过感受臂的端点处的力或扭矩并控制机器人的运动以使这些力最小化从而“接受”用户指引的运动。为实现该目的，“接受装置”要求可例如通过安装至末端执行机构的力/扭矩载荷单元提供的高精确度的力感受能力，以及针对机器人平台的精确的动态模型和控制方案。然而传感器是易损件，使其对于进行重度使用的机器人来说是不切实际的。另外，对于大批生产的机器人，传感器和需要实施精确动态模型和控制方案的硬件是昂贵的，通常令人望而却步。

在第二种方法中，机器人被设计成仅最低限度地“阻滞”用户期望的动作。低机械阻滞能够原则上通过降低机器人的运动部件的质量和惯性实现，但这对于意于携载重载的、其自身最好较大且较重的机器人来说是不切实际的。替代地，低阻滞装置可有效地对接头施加力和扭矩从而允许用户自由地控制臂的位置。例如，机器人可按以下模式操作：即，在接头处内部施加的力准确地补偿因构成机器人臂的链节的质量而产生的重力。如果在各个接头处内部施加的扭矩与下游链节的重力达到平衡，则臂将是浮动的且便于用户移动，会感到臂如同处于低重力或零重力。补偿中的任何细微误差通常会导致臂在空间中浮动或漂浮，然而如果人保持住臂，则容易克服该漂浮。

对于有六个或少于六个运动自由度的机器人臂来说，最远侧链节的位置和方向(其能够表达为规定例如远侧链节的空间坐标x,y,z以及在欧拉表示法中的绕x轴旋转(roll)、绕y轴旋转(pitch)和绕z轴旋转(yaw)的六维向量)唯一地确定机器人的所有链节的设定。然而如果机器人具有多于六个自由度，则在相同端点处产生链节和接头的许多不同配置，并且需要对臂的期望姿势的进一步规范来消除任何歧义性。这种通常被称为的“冗余”是希望有的，因为其为机器人提供更高的灵巧度。对于冗余机器人(即具有比通过端点的位置和取向可唯一规定的机器人有更多自由度的机器人)，可根据任务选择优选的姿势以便例如躲避障碍、降低接头扭矩、使运动最少化等。相比之下，不具有冗余自由度的机器人一旦规定了端点则这不再有考虑这种附加标准的灵活性。词语“姿势”的意思是臂或其他机械手或者其多个元件的位置和取向。姿势可以在任何方便的参考系中规定，例如，姿势可以通过对应于机械手的自由度的、共同规定其至少一些元件的空间位置和取向的一组坐标值规定，或者通过直接对应于三维空间位置和取向的一组坐标值(例如相对于机器人或相对于机器人操作的空间)规定。

缺点是冗余意味着用户不能完全控制(至少不能用一只手控制)臂的姿势，因为端点的位置不完全约束其他部分的运动。例如，对于具有与人的手臂相似的运动学特性的机器人臂，不可能通过移动末端执行机构(或机器人的“手”)使肘部运动。尽管用户能够用其双手驱动机器人臂的姿势(例如通过使手和肘部同时运动)，通常优选的是用户能够用单手控制臂从而解放其另一只手，例如按下按钮、在别的界面进行工作等。对于低阻滞的冗余机械手，另一问题(可能是更重要的问题)是施加在接头处的力和/或扭矩的任何误差会造成臂的冗余部分无法控制地漂浮，这是不实用且有潜在危险的(例如其造成臂与机器人的其他部分碰撞或与在机器人的环境中的人和物体碰撞)。