[发明专利]机器人的碰撞处理

说明书

本发明涉及一种用于机器人(1)的碰撞处理方法，所述机器人(1)具有包括至少一个运动链的运动链结构，其中所述运动链结构包括：基座；链节；连接所述链节、致动器和至少一个末端效应器的关节；在运动链中的至少一个的最远端链节中的传感器，用于测量/估计力/力矩；以及传感器S_i，用于测量/估计本体感受数据，其中传感器S_i沿着运动链结构任意地定位，该方法包括以下步骤：提供(S1)描述机器人(1)的动态的模型，用传感器S_distal.i测量和/或估计(S2)运动链中的至少一个的最远端链节中的力/力矩F_{ext，s.distal.i}，用传感器S_i测量和/或估计(S3)本体感受数据：基座和机器人广义坐标q(t)及其时间导数(I)、广义关节运动力(II)、外力F_s、基座方位和基座速度(III)，使用动量观测器(3)基于本体感受数据和模型中的至少一个生成(S4)广义外力(V)的估计值(IV)，基于(VIII)和(II)生成(S5)基座和机器人广义坐标的二阶导数(VII)的估计值(VI)，基于(VI)估计(S6)运动链结构上D点的笛卡尔加速度(IX)，以基于(IX)的刚体动态效应以及以重力效应补偿(S7)外力F_S，以获得估计的外部力旋量(X)，以雅克比行列式(XI)转换的F_{ext，S.distal.i}补偿(S8)(IV)，以获得源自意外碰撞的广义关节力的估计值(XII)，基于给定的阈值(XIII)检测(S9)碰撞。其中：(II)τ_m；(V)τ_ext；(XIII)如果和/或如果和F_S.i，thresh。

技术领域

本发明涉及一种用于机器人的碰撞处理方法，并且涉及一种被设计和设置用于执行该方法的机器人。

背景技术

执行操纵任务的人形机器人在几个接触点而与其环境接触。机器人在脚部处(经由地面接触点)以及用于执行所需的操作任务的手部处与其周围的环境接触。为了正确应对不期望的碰撞(例如与膝盖处的碰撞物体发生不必要的接触)，机器人必须具有检测碰撞、分析接触情况并相应作出反应的能力。总之，必须检测、隔离和识别碰撞。存在几种解决机械手(manipulators)的碰撞检测问题的方法。在[22]、[19]中，将基于模型的参考力矩与通过电机电流测得的致动器力矩进行比较。[12]使用与自适应阻抗控制器类似的方法。[20]观察在每个关节基点上的扰动力矩，而忽略了关节之间的耦合。以上所有方法均采用时间不变阈值进行碰撞检测。可以在[17]、[16]中找到一种基于估计的建模错误的时变阈值方法，其中使用基于广义动量的观测器来估计关节中的扰动力矩，并且还限制了建模错误。所有前述方法的缺点在于它们需要加速度测量，这通常会引入高噪声。通常，找到接触位置(碰撞隔离)的方法是利用触觉皮肤[2]、[11]、[10]、[18]。使用合适的触觉皮肤，可以精确而牢固地找到接触位置。然而，期望能够仅使用本体感受的感测而无需额外的传感器来做到这一点。碰撞识别的目的是找到外部接触力旋量F_ext和外部广义关节力τ_ext。[6]中提出了具有固定基座的串行连接机器人的外部关节力矩估计，然后在[3]中将其扩展到了具有DLR(德国航空航天中心)轻型机器人的柔性关节机器人并对其进行了验证。这是同时检测碰撞、找到接触位置并估计外部力矩的第一种方法，即解决碰撞处理问题的前三个阶段。该方法利用了基于广义动量的干扰观测器[4]、[9]的去耦特性，该特性不依赖于加速度的测量。通常在力/力矩传感器的帮助下确定接触力旋量。[14]使用基于广义动量的干扰观测器，其中直接排除了测得的脚力，以仅仅估计人形机器人TORO操纵产生的外部关节力矩。为了估计接触力，假定了手部处的接触点。在[8]中，基于理想的总施加力，采用最佳负载分配方法估计了人形机器人脚部处的地面接触力。对于NASA机器人“Valkyrie”，这些是通过位于脚踝[15]中的力/力矩传感器进行测量的。

发明内容

本发明的任务是提供一种更有效的检测，以识别和隔离机器人、尤其是人形机，的碰撞。