DE102010018440A1

DE102010018440A1 - Hierarchisches Robotersteuerungssystem und -Verfahren zum Steuern ausgewählter Freiheitsgrade eines Objekts unter Verwendung mehrerer Manipulatoren

Info

Publication number: DE102010018440A1
Application number: DE102010018440A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Houston Abdallah; Robert Houston Platt; Charles W. Birmingham Wampler II
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: Usa As Represented By Administrator Us; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: DE102010018759A1; CN102145489B; DE102010018438A1; DE102010018746B4; US8565918B2; US20100280661A1; JP5180989B2; US20100280659A1; US8412376B2; JP2010262927A; US8033876B2; CN101947786A; DE102010018759B4; JP5002035B2; DE102010018854B4; US20100280662A1; CN102145489A; DE102010018854A1; CN101947787B; US20100280663A1

Abstract

Ein Robotersystem umfasst einen Roboter mit Manipulatoren zum Greifen eines Objekts unter Verwendung eines einer Vielzahl von Grifftypen während einer primären Aufgabe, und einen Controller. Der Controller steuert die Manipulatoren während der primären Aufgabe unter Verwendung einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben und parametriert die internen Kräfte des Systems für jeden Grifftyp in Ansprechen auf ein Eingabesignal automatisch. Die primäre Aufgabe ist durch eine Steuerung auf Objektebene definiert, z. B. unter Verwendung einer Transformation mit geschlossener Kette, so dass nur gewählte Freiheitsgrade für das Objekt befohlen werden. Ein Steuerungssystem für das Robotersystem weist eine Hostmaschine und einen Algorithmus zum Steuern der Manipulatoren unter Verwendung der vorstehenden Hierarchie auf. Ein Verfahren zum Steuern des Systems umfasst, dass das Eingabesignal unter Verwendung der Hostmaschine empfangen und verarbeitet wird, was umfasst, dass die primäre Aufgabe bei der Steuerung auf Objektebene definiert wird, z. B. unter einer Verwendung einer Definition mit geschlossener Kette, und dass die internen Kräfte für jeden Grifftyp parametrisiert werden.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH VON DER REGIERUNG GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement Nummer SAA-AT-07-003 getätigt. Die Regierung kann einige Rechte an der Erfindung besitzen.
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 61/174,316, die am 30. April 2009 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern eines oder mehrerer humanoider Roboter, die eine Vielzahl von Gelenken und mehrere Freiheitsgrade aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zum Manipulieren von Objekten unter Verwendung von Manipulatoren, z. B. Händen, Fingern, Daumen etc. und einer Reihe von Gliedern, die über Robotergelenke verbunden sind, in der Lage sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuerungsvariable, d. h. einen Freiheitsgrad (DOF) bereit. Greiforgane oder Manipulatoren werden verwendet, um die spezielle vorliegende Aufgabe auszuführen, z. B. das Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines anderen Objekts. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung organisiert sein: eine Steuerung auf Objektebene, welche die Fähigkeit zum Steuern des Verhaltens eines Objekts beschreibt, das entweder mit einem einzigen oder einem zusammenwirkenden Griff eines Roboters gegriffen oder gehalten wird, eine Greiforgansteuerung und eine Steuerung auf Gelenkebene. Zusammen erreichen die verschiedenen Steuerungsebenen die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und auf die Arbeitsaufgabe bezogene Funktionalität des Roboters.
Humanoide Roboter sind ein spezieller Robotertyp, der eine annähernd menschliche Struktur oder Erscheinung aufweist, sei es als vollständiger Körper, als Torso und/oder eine Gliedmaße, wobei die strukturelle Komplexität des humanoiden Roboters zum großen Teil von der Natur der Arbeitsaufgabe abhängt, die ausgeführt wird. Die Verwendung humanoider Roboter kann bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit Einrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für den menschlichen Gebrauch gefertigt sind. Die Verwendung humanoider Roboter kann auch dort bevorzugt sein, wo eine Interaktion mit Menschen benötigt wird, da die Bewegung programmiert werden kann, um eine menschliche Bewe gung derart anzunähern, dass die Aufgabenfolgen von dem zusammenarbeitenden menschlichen Partner verstanden werden.
Aufgrund des weiten Spektrums von Arbeitsaufgaben, mit denen ein humanoider Roboter konfrontiert werden kann, kann es sein, dass verschiedene Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen Steuerungsräumen, die vorstehend erwähnt sind, angewandt werden, sowie eine Steuerung über das aufgebrachte Drehmoment oder die aufgebrachte Kraft eines gegebenen motorgetriebenen Gelenks, einer Gelenkbewegung und/oder der verschiedenen Grifftypen. Der Einsatz humanoider Roboter bei Montagelinienaufgaben erfordert eine Fähigkeit zur Interaktion mit unstrukturierten Umgebungen und zur Implementierung diverser Anwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend werden hier ein Robotersteuerungssystem und -verfahren bereitgestellt, um einen Roboter oder mehrere Roboter über eine Steuerungsgrundstruktur zu steuern, wie nachstehend offen gelegt wird. Eine komplexe Steuerung über einen Roboter, z. B. einen humanoiden Roboter mit mehreren DOFs, wie etwa über 42 DOF bei einer speziellen Ausführungsform, kann über die vielen unabhängig beweglichen und abhängig beweglichen Robotergelenke und Objektgreiforgane oder Manipulatoren, oder über Manipulatoren von mehr als einem Roboter, die gleichzeitig einen zusammenwirkenden Griff auf ein Objekt aufbringen, bereitgestellt werden. Die hier offenbarte Grundstruktur beruht auf Aufgaben mit mehreren Prioritäten und ist daher hierarchisch. Die primäre Aufgabe wird bei der Steuerung auf Objektebene definiert, z. B. unter Verwendung einer Jacobi-Transformation ”mit geschlossener Kette” und/oder einer Griffmatrix ”mit geschlossener Kette”, wie hier im Detail erläutert wird. Dies stellt eine Aufgabe bereit, die nur ausgewählte Freiheitsgrade (DOF) für das Objekt befiehlt, was ermöglicht, dass die anderen DOF frei oder ohne Einschränkung bleiben. Dies wiederum schafft einen integrierten Nullraum, der nicht nur die redundanten DOF jedes einzelnen Robotermanipulators, z. B. einer Hand, mehrerer Finger/Daumen, usw. umfasst, sondern auch die freien DOF des Objekts, das von den verschiedenen Manipulatoren gemeinsam genutzt wird. Andererseits kann die sekundäre Aufgabe bei der Steuerung auf Gelenkebene, d. h. im Gelenkraum, definiert sein. Diese Steuerungsgrundstruktur mit mehreren Prioritäten bietet eine großartige Funktionalität für kooperative Montageanwendungen, speziell unter Verwendung eines hochgradig komplexen humanoiden Roboters des hier beschriebenen Typs.
Im Umfang der Erfindung stellt der Controller eine automatische Parametrierung interner Kräfte während vieler Robotergrifftypen bereit. Derartige Grifftypen können als Beispiel einen kooperativen Zweihandgriff und einen kooperativen Dreifingergriff eines Objekts umfassen. Beide Möglichkeiten werden mathematisch im Detail hier beschrieben.
Insbesondere wird hier ein Robotersystem bereitgestellt, das einen oder mehrere Manipulatoren, entweder von einem einzigen Roboter oder von mehreren Robotern, die kollektiv ausgelegt sind, um ein Objekt unter Verwendung eines einer Vielzahl von Grifftypen während einer Ausführung einer primären Aufgabe zu ergreifen, und einen Controller umfasst. Der Controller ist mit dem oder den Robotern elektrisch verbunden und steuert den oder die Manipulatoren während der Ausführung der primären Aufgabe unter Verwendung einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben. Der Controller parametriert interne Kräfte des Robotersystems für jeden der Grifftypen in Ansprechen auf das Eingabesignal auf automatische Weise, wobei die primäre Aufgabe bei der Steuerung auf Objektebene definiert ist, z. B. bei einer Ausführungsform unter Verwendung einer Bewegungstransformation mit geschlossener Kette.
Es wird auch ein Controller für das oben angegebene Robotersystem bereitgestellt. Der Controller umfasst eine Hostmaschine, die mit dem oder den Robotern elektrisch verbunden ist, und einen Algorithmus, der von der Hostmaschine ausgeführt werden kann. Der Algorithmus ist ausgelegt, um bei einer Ausführung die Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben zu steuern. Eine Ausführung des Algorithmus parametriert interne Kräfte des Robotersystems für jeden einer Vielzahl von Grifftypen des oder der Roboter auf automatische Weise, wobei die primäre Aufgabe auf einer Objektebene definiert ist.
Ein Verfahren zum Steuern des Robotersystems, wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst, dass das Eingabesignal über die Hostmaschine empfangen wird, und dass das Eingabesignal über eine Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben unter Verwendung der Hostmaschine verarbeitet wird, um dadurch die Vielzahl von Manipulatoren während der Ausführung der primären Aufgabe zu steuern. Das Verarbeiten des Eingabesignals umfasst: Definieren der primären Aufgabe bei der Steuerung auf Objektebene und automatisches Parametrieren interne Kräfte des Robotersystems für jeden der Vielzahl von Grifftypen in Ansprechen auf das Eingabesignal.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Robotersystems mit einem Roboter, der unter Verwendung einer hierarchischen Steuerungsgrundstruktur mit mehreren Aufgaben gemäß der Erfindung steuerbar ist; und
2 ist eine schematische Veranschaulichung der verschiedenen Kräfte und Koordinaten mit Bezug auf ein Objekt, das von einem Roboter ergriffen werden kann, etwa einem des Typs, der in 1 gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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 11 gezeigt, das einen Roboter 10 aufweist, z. B. einen geschickten humanoiden Roboter, der über ein Steuerungssystem oder einen Controller (C) 22 gesteuert wird. Obwohl ein Roboter 10 gezeigt ist, kann das System 11 mehr als einen Roboter umfassen, wie nachstehend offen gelegt ist. Der Controller 22 ist mit dem Roboter 10 elektrisch verbunden und ist ausgelegt, um die verschiedenen Greiforgane oder Objektmanipulatoren des Roboters 10 wie nachstehend beschrieben unter Verwendung eines oder mehrerer Algorithmen 100 zu steuern, die zum Implementieren einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben geeignet sind. Bei dieser Steuerungshierarchie kann eine Impedanzbeziehung bei einigen Ausführungsformen in einem Nullraum der Steuerung auf Objektebene arbeiten, obwohl die Hierarchie nicht auf eine Impedanzsteuerung begrenzt ist. Der Controller 22 parametriert interne Kräfte des Systems 11 für mehrere Grifftypen des Roboters 10 in Ansprechen auf Eingabesignale (Pfeil i_C) an den Controller 22 und/oder auf Signale, die von dem Controller oder außerhalb von diesem erzeugt wurden, auf automatische Weise. Eine Jacobi-Bewegungstransformation mit geschlossener Kette oder eine Aufgabendefinition, wie sie ebenfalls nachstehend beschrieben ist, kann verwendet werden, um bei einer Ausführungsform eine primäre Aufgabe des Roboters 10 bei der Steuerung auf Objektebene zu definieren.
Der Roboter 10 ist ausgelegt, um eine oder mehrere automatisierte Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) auszuführen, und um andere interaktive Aufgaben oder eine Steuerung anderer integrierter Systemkomponenten auszuführen, z. B. Einspannen, Beleuchten, Relais usw. Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter 10 wie gezeigt als ein humanoider Roboter ausgestaltet, wobei bei einer Ausführungsform über 42 DOF möglich sind. Der Roboter 10 weist eine Vielzahl unabhängig und abhängig beweglicher Manipulatoren auf, z. B. Hände 18, Finger 19, Daumen 21, usw., die verschiedene Robotergelenke enthalten. Die Gelenke können umfassen, sind aber nicht unbedingt begrenzt auf ein Schultergelenk, dessen Position allgemein durch einen Pfeil A angezeigt ist, ein Ellbogengelenk (Pfeil B), ein Handgelenk (Pfeil C), ein Halsgelenk (Pfeil D) und ein Taillengelenk (Pfeil E) sowie die Fingergelenke (Pfeil F) zwischen den Fingergliedern jedes Roboterfingers.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere DOF aufweisen. Zum Beispiel können einige konforme Gelenke, wie etwa das Schultergelenk (Pfeil A) und das Ellbogengelenk (Pfeil B) mindestens zwei DOF in der Form von Nicken und Rollen aufweisen. Gleichermaßen kann das Halsgelenk (Pfeil D) mindestens drei DOF aufweisen, während die Taille und das Handgelenk (Pfeile E bzw. C) einen oder mehrere DOF aufweisen können. In Abhängigkeit von der Komplexität der Aufgabe kann sich der Roboter 10 mit über 42 DOF bewegen, wie vorstehend angemerkt wurde. Jedes Robotergelenk kann ein oder mehrere Stellglieder enthalten und dadurch intern angetrieben werden, z. B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, rotatorische Stellglieder und dergleichen.
Der Roboter 10 kann menschenähnliche Komponenten, wie etwa einen Kopf 12, einen Torso 14, eine Taille 15 und Arme 16 sowie gewisse Manipulatoren, d. h. Hände 18, Finger 19 und Daumen 21 umfassen, wobei die verschiedenen vorstehend angeführten Gelenke innerhalb oder zwischen diesen Komponenten angeordnet sind. Der Roboter 10 kann auch eine für die Aufgabe geeignete Aufnahmevorrichtung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis, in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters. Eine Leistungsversorgung 13 kann an den Roboter 10 angebaut sein, z. B. ein wieder aufladbarer Batteriestapel, der auf dem Rücken des Torsos 14 getragen oder angelegt ist, oder eine andere geeignete Energieversorgung, oder die durch ein Verbindungskabel abgesetzt angebracht sein kann, um genügend elektrische Energie an die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben zu liefern.
Der Controller 22 stellt eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters 10 bereit, einschließlich einer Steuerung über die feinen und groben Bewegungen, die zum Manipulieren eines Objekts 20 über die vorstehend erwähnten Manipulatoren benötigt werden. Das heißt, dass das Objekt 20 von den Fingern 19 und dem Daumen 21 von einer oder mehreren Händen 18 ergriffen werden kann. Der Controller 22 ist in der Lage, jedes Robotergelenk und andere integrierte Systemkomponenten isoliert von den anderen Gelenken und Systemkomponenten unabhängig zu steuern, sowie eine Anzahl der Gelenke in gegenseitiger Abhängigkeit zu steuern, um die Aktionen der mehreren Gelenke bei der Ausführung einer relativ komplexen Arbeitsaufgabe vollständig zu koordinieren.
Noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 22 mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen löschbaren elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen (E/A-Schaltungen) und Einrichtungen sowie eine Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Einzelne Steuerungsalgorithmen, die sich im Controller 22 befinden oder für diesen leicht zugänglich sind, können im ROM gespeichert sein und bei einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
Der Controller 22 kann einen Server oder eine Hostmaschine 17 umfassen, der bzw. die als ein verteiltes oder zentrales Steuerungsmodul ausgestaltet ist und Steuerungsmodule und Fähigkeiten derart aufweist, wie es zur Ausführung der gesamten benötigten Steuerungsfunktionalität des Roboters 10 auf die gewünschte Weise notwendig sein kann. Zudem kann der Controller 22 als ein digitaler Universalcomputer ausgestaltet sein, der allgemeinen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen) und Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (E/A) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfasst. Beliebige Algorithmen, die im Controller 22 vorhanden sind oder für diesen zugänglich sind, welche einen Algorithmus 100 zum Ausführen der hierarchischen impedanzbasierten Steuerungsgrundstruktur, die nachstehend im Detail beschrieben ist, umfassen, können im ROM gespeichert sein und ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen.
Der Controller 22 kann mit einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) 24 elektrisch verbunden sein, welche einen intuitiven Zugriff auf den Controller bereitstellt. Die GUI 24 kann einem Bediener oder Programmierer einen Steuerungszugriff auf ein weites Spektrum primärer und sekundärer Arbeitsaufgaben bereitstellen, d. h. die Fähigkeit zur Steuerung einer Bewegung in der Objektebene, der Greiforganebene und/oder der oder den Gelenkraumebenen des Roboters 10. Die GUI 24 kann vereinfacht und intuitiv sein, um es einem Anwender durch einfache graphische oder icongesteuerte Eingaben zu ermöglichen, den Roboter 10 durch Eingabe eines Eingabesignals (Pfeil i_C) zu steuern, z. B. eine gewünschte Kraft oder ein gewünschtes Drehmoment, das von einem oder mehreren der vorstehend erwähnten Manipulatoren auf das Objekt 20 ausgeübt wird, oder eine gewünschte Aktion des Roboters zu steuern.
Um einen Bereich von Manipulationsaufgaben unter Verwendung des Roboters 10 oder mehrerer Roboter auszuführen, wird ein weiter Bereich an funktionaler Steuerung über den oder die Roboter benötigt. Diese Funktionalität umfasst eine hybride Kraft/Positionssteuerung, eine Steuerung auf Objektebene mit verschiedenen kooperierenden Grifftypen, eine Greiforgansteuerung im kartesischen Raum, d. h. eine Steuerung im kartesischen XYZ-Koordinatenraum, und eine Gelenkraum-Manipulatorsteuerung, und mit einer hierarchischen Priorisierung der mehreren Steuerungsaufgaben. Die Erfindung stellt einen parametrierten Raum von internen Kräften zur Steuerung eines derartigen kooperativen Griffs bereit. Bei einer Ausführungsform stellt sie auch eine sekundäre Gelenkraumimpedanzbeziehung bereit, die im Nullraum des Objekts 20 arbeitet, wie nachstehend mathematisch erläutert wird.
IMPEDANZGESETZ: Der erste Schritt der hier offenbarten Steuerungsgrundstruktur besteht darin, das dynamische Verhalten des Objekts 20, auf den durch den Roboter 10 oder durch zwei oder mehrere Roboter, welche das gleiche Objekt greifen, eingewirkt wird, zu charakterisieren. Diese Sektion stellt die Regelkreisdynamik dar, wobei die passive Dynamik hier später beschrieben wird. Das gewünschte Regelkreisverhalten kann durch die folgende Impedanzbeziehung definiert werden, d. h. Gleichung (1):
In dieser Formel sind M_o, B_o und K_o die Matrizen der befohlenen Trägheit, Dämpfung bzw. Steifigkeit, wobei alle ∈ R^6×6 sind. ν ist die lineare Geschwindigkeit des Schwerpunkts des Objekts 20, während ω die Winkelgeschwindigkeit des Objekts ist. Beide sind mit Bezug auf den Massenreferenzrahmen gemessen. F und F* stellen die tatsächliche und gewünschte externe Nettoverwindung an dem Objekt dar. Δy ist der Positionsfehler (y – y*). Ohne die Allgemeingültigkeit zu verlieren, wird die Orientierungskomponente von y durch eine Winkel-Achsen-Darstellung ausgedrückt, wie nachstehend in Gleichung (12) gezeigt ist. Bei einem Gleichgewicht, bei dem y .. = y . = 0, gibt die Impedanzbeziehung an, dass die interne Kraft F gleich der Summe der Nennkraft F* und der Federkraft K_oΔy sein sollte. Wenn es gewünscht ist, dass in einige Richtungen eine reine Kraftsteuerung stattfindet, kann dies erreicht werden, indem die Steifigkeit dieser Richtungen in K_o auf Null gesetzt wird. Durch Setzen einiger Richtungen auf eine reine Kraftsteuerung und durch Setzen der komplementären Komponenten von F* auf Null, verfügt man über ein ”hybrides” Kraft- und Bewegungssteuerungsschema in orthogonalen Richtungen.
Die Redundanz der Manipulatoren ermöglicht, dass eine sekundäre Aufgabe im Nullraum der Objektimpedanz arbeitet. Zugunsten dieser sekundären Aufgabe wird ein Gelenkraum-Impedanzgesetz wie folgt in Gleichung (2) definiert: Mjq .. + Bjq . + KjΔq = τf
In der vorstehenden Gleichung (2) sind hier M_j, B_j und K_j die Matrizen der befohlenen Trägheit, Dämpfung bzw. Steifigkeit für den Gelenkraum. q ist die Spaltenmatrix der Gelenkwinkel für alle Manipulatoren im System. Δq ist der Gelenkpositionsfehler. τ_f stellt die Spaltenmatrix von Gelenkdrehmomenten dar, die von Kräften erzeugt werden, die auf den Manipulator wirken. Diese zwei Impedanzgesetze führen zu den folgenden Aufgabenzielen für den Controller: y ..* ≐ M–1o (F – F* – Boy . – KoΔy) q ..*ns ≐ M–1j (τf – Bjq . – KjΔq)d. h. Gleichungen (3), wobei y ..* die gewünschte Objektbeschleunigung ist und q ..*ns die gewünschte Gelenkbeschleunigung für den Nullraum (ns) ist.
KINEMATIK MIT OFFENER KETTE: Mit Bezug auf 2 sind die baustatische Skizze 25 des Objekts 20 und das Koordinatensystem gezeigt, wobei N und B den Masse- bzw. Körperreferenzrahmen darstellen. r_i ist der Positionsvektor vom Schwerpunkt zu einem Kontaktpunkt i, wobei i = 1,..., n. f_i und t_i stellen die Kontaktkraft bzw. das Kontaktmoment von Punkt i dar. Die kinematische Standardbeziehung für Beschleunigungen starrer Körper kann definiert werden als: ν .i = ν . + ω . × ri + ω × (ω × ri) + 2ω × νreli + areli ω .i = ω . + areli d. h. Gleichungen (4).ν_reli und a_reli sind als die erste bzw. zweite Ableitung von r_i im Objektrahmen definiert, wie in Gleichungen (5) gezeigt ist: νreli ≐ Bddt ri, areli ≐ Bddt νreli,
Diese Beziehungen können in Matrixform als die geläufige Griffabbildung ausgedrückt werden. x . soll die Spaltenmatrix von Greiforgangeschwindigkeiten darstellen, die durch den Kontakt begrenzt werden; die genaue Form derselben wird in Kürze folgen. Mit dieser Definition folgt die Abbildung für Beschleunigungen als Gleichung (6): x .. = Gy .. + h
G ist als die Griffmatrix bekannt, welche die Abbildung für die Kontaktinformation bereitstellt. h ist eine Spaltenmatrix von zentripetalen, Coriolis- und Relativbeschleunigungen. Die Formen von G und h hängen vom Grifftyp ab, wie nachstehend erörtert wird. Um x .. in den Manipulatorraum abzubilden, werden die folgenden Jacobimatrizen eingeführt. Die lineare und rotatorische Jacobimatrix J_νi bzw. J_ωi sind wie folgt in Gleichungen (7) definiert: νi = Jνiq ., ωi = Jωiq .
Wenn diese Untermatrizen in eine zusammengesetzte Jacobimatrix J zusammengefasst werden, wobei x . = Jq ., kann die Griffabbildung von Gleichung (6) als die folgende Transformation zwischen Gelenk- und Objektbeschleunigungen ausgedrückt werden in Gleichung (8): Jq .. + J .q . = Gy .. + h
GRIFFTYPEN: Bei dieser Transformation hängen die Strukturen von J, G und h vom Grifftyp ab. Zur Veranschaulichung werden zwei Grifftypen betrachtet: ein Zweihandgriff und ein Dreifingergriff. Ein Handgriff stellt einen festen Kontakt dar, der sowohl beliebige Kräfte als auch Momente übertragen kann. Er beschränkt daher sowohl die lineare als auch die Winkelbewegung des Greiforgans. Der Fingerkontakt stellt einen rutschfreien Punktkontakt dar, der nur Kräfte übertragen kann. Er beschränkt daher nur die lineare Bewegung des Greiforgans. Entsprechend nehmen die Matrizen für jeden Typ die folgende Form an.
Bei diesen Gleichungen ist λ_i ≐ ω × (ω × r_i) + 2ω × ν_reli + a_reli. In der Praxis werden die relativen Geschwindigkeiten als vernachlässigbar angesehen und die relativen Beschleunigungen bestehen aus geregelten Servos, um die internen Kräfte zu regeln. I_k stellt die k×k-Identitätsmatrix dar und rxi stellt das schiefsymmetrische Matrixäquivalent für das Kreuzprodukt von r_i dar, oder:
KINEMATIK MIT GESCHLOSSENER KETTE: Der nächste Schritt der vorliegenden Steuerungsgrundstruktur besteht darin, den Endpunkt-DOF in den Manipulatorraum abzubilden. Für diesen Zweck wird die Jacobimatrix mit geschlossener Kette eingeführt. Diese Transformation definiert eine Aufgabe, die nur gewählte DOF des Objekts befiehlt. Die nicht befohlenen DOF werden in den Nullraum der primären Aufgabe aufgenommen. Dies ermöglicht, dass die sekundäre Aufgabe in einem Raum optimiert wird, der nicht nur die redundanten DOF jedes individuellen Manipulators des Roboters 10 umfasst, sondern auch die freien DOF des Objekts, das von den Manipulatoren gemeinsam genutzt wird. Dies ermöglicht auch, dass die primäre Aufgabe in einem erweiterten Arbeitsbereich arbeitet. Dies kann einen beträchtlichen Steuerungsvorteil bereitstellen, da das Objekt 20 nun auf die Vereinigung mehrerer Arbeitsräume begrenzt ist.
Um diese Jacobimatrix mit geschlossener Kette abzuleiten, werden die Bewegungszwangsbedingungen zwischen den Greiforganen und dem Objekt 20 betrachtet. Diese Bewegungs- oder holonomen Zwangsbedingungen stellen die Kopplung zwischen dem Objekt-DOF und dem Manipulator-DOF bereit. Bei einem Punktkontakt treffen diese Zwangsbedingungen nur auf die Position zu, ähnlich wie bei einem sphärischen Gelenk. Bei einem starren Kontakt treffen die gleichen Zwangsbedingungen auf alle sechs DOF des Greiforgans zu, unter der Annahme, dass kein Rutschen auftritt. Unter der Vorgabe des vollen Satzes von Bewegungszwangsbedingungen können die nicht befohlenen DOF des Objekts 20 explizit beseitigt werden, um nach dem reduzierten unabhängigen Satz von Bewegungszwangsbedingungen aufzulösen. Diese Technik erzeugt relativ einfache Ergebnisse, die zur Herleitung keine zusätzliche Berechnung in Echtzeit benötigen.
z . soll die p DOF des Objekts darstellen, die von der primären Aufgabe befohlen werden sollen. Zu diesem Zweck kann eine konstante p×6-Matrix S eingeführt werden, welche die zu steuernden Richtungen herausholt. Die Beziehung zwischen den vollen und reduzierten DOF-Sätzen sowie deren Inverse folgt: z .. = Sy .. (11) y .. = S+z .. + S⊥μ (12)
Hier ist S⁺ die Pseudoinverse von S, S^⊥ ist eine 6×(6 – p)-Matrix, die den Nullraum von S überspannt, und μ ∈ R^6-P ist willkürlich. Die Transformation in Gleichung (8) stellt den vollständigen Satz der Bewegungszwangsbedingungen zwischen dem Objekt und den Greiforganen oder Manipulatoren dar, und diese Zwangsbedingungen enthalten freie Parameter. Um diesen Satz auf einen minimalen Satz von Zwangsbedingungen zu reduzieren, können die freien Parameter μ beseitigt werden, um die freien Parameter in den Nullraum der Aufgabe zu verschieben, wo sie für die sekundäre Aufgabe des Roboters 10 verfügbar werden.
Ein Einsetzen von Gleichung (12) in Gleichung (8) leitet Gleichung (13) ab: Jq .. + J .q . = G(S+z .. + S⊥μ) + h (13)
Um μ zu eliminieren, wird eine Matrix E mit vollem Rang gesucht, so dass EGS^⊥ = 0, d. h. Gleichung (14), wobei E ∈ R^(6n+p-6)×6n.
Ein Multiplizieren von Gleichung (13) mit E liefert den reduzierten Satz: EJq .. + EJ .q . = EGS+z .. + Eh = EGS+Sy .. + Eh (15)
Die Matrix EJ spielt in der Kinematik mit geschlossener Kette eine ähnliche Rolle, wie sie die Jacobimatrix gewöhnlich in der Kinematik mit offener Kette spielt. Daher können die folgenden Matrizen hergeleitet werden:
Dies ermöglicht die Definition einer endgültigen Transformation mit geschlossener Kette:
Ĵ und Ĝ sind als die Jacobimatrix bzw. Griffmatrix ”mit geschlossener Kette” definiert.
Es werden drei Aufgabentypen betrachtet:

1. Vollständige Posensteuerung, wobei S = I₆, S⁺ = I₆, S^⊥ = 0.
2. Reine Orientierungssteuerung, wobei:
3. Reine Positionssteuerung, wobei:

ZWEIHANDGRIFF:
Vollständige Pose: Da dieses Szenario keine Reduktion der DOF bewirkt, bleiben die Ausdrücke mit geschlossener Kette unverändert, und: Ĵ = J, Ĝ = G, ĥ = h (18)
Reine Orientierung: Die folgende Matrix ist ein gültiger Annulator für dieses Szenario:
Wenn diese Matrix E gegeben ist, führen die Definitionen mit geschlossener Kette von Gleichungen (16) zu den folgenden Matrizen für eine reine Orientierungssteuerung eines Zweihandgriffs:
Bei allen diesen Szenarien folgt die Form für
direkt Ĵ, wobei die Jacobi-Untermatrizen einfach durch deren Ableitungen ersetzt werden.
Reine Position: Die folgende Matrix ist ein gültiger Annulator für dieses Szenario:
Wenn diese Matrix E gegeben ist, führen die Definitionen mit geschlossener Kette von Gleichungen (16) zu den folgenden Matrizen zur reinen Positionssteuerung eines Zweihandgriffs:
DREIFINGERGRIFF: Bei einem Dreifingergriffszenario beschäftigt man sich mit Punktkontakten und die Bewegungszwangsbedingungen treffen nur auf die Position der Endpunkte zu.
Vollständige Pose: Da dieses Szenario keine Reduktion der DOF bewirkt, bleiben die Ausdrücke mit geschlossener Kette unverändert, und: Ĵ = J, Ĝ = G, ĥ = h (21)
Reine Orientierung: Die folgende Matrix ist ein gültiger Annulator für dieses Szenario:
Wenn diese Matrix E gegeben ist, führen die Definitionen mit geschlossener Kette von Gleichungen (16) zu den folgenden Matrizen für eine reine Orientierungssteuerung eines Dreifingergriffs:
Reine Position: Dieses Szenario stellt eine größere Herausforderung dar wegen der Schwierigkeit, die freie Variable ω . aus dem Satz von Bewegungszwangsbedingungen explizit zu eliminieren. Für dieses Szenario:
Wobei α, β und γ Skalare sind, nach denen Gleichung (23) aufgelöst werden muss.
E kann dann hergeleitet werden als:
BEWEGUNGSGLEICHUNG: Es wird wieder die baustatische Skizze von 2 betrachtet. f_i und t_i stellen die Kontaktkraft bzw. das Kontaktmoment von Kontakt i dar. Die Bewegungsgleichung kann ausgedrückt werden als:
F_ma stellt die Trägheitskräfte dar, wobei m die Masse des Objekts 20 ist und I_G das Trägheitsmoment um den Schwerpunkt G herum ist. a_G ist die Beschleunigung von G und r_G ist der Positionsvektor vom Bezugspunkt zu G. f ist die Spaltenmatrix der Kontaktverwindungen; ihre Form spiegelt die Form von x . wieder, welche vorstehend in Gleichungen (9) und (10) gezeigt ist. g ist der Schwerkraftvektor.
INTERNE KRÄFTE: Wie in dieser Bewegungsgleichung zu sehen ist, sind die Kontaktkräfte durch die Transponierte der Griffmatrix in den Objektraum abgebildet. Folglich sind die internen Kräfte an dem Objekt 20 durch den Nullraum von G^T definiert. Um die Steuerung von internen Kräften anzuwenden, sind zwei Qualitäten gewünscht. Erstens soll der Nullraum mit physikalisch relevanten Parametern parametrisiert sein. Zweitens sollen die Parameter im Nullraum von beiden Grifftypen liegen. Diese Anforderungen werden durch das Konzept der Interaktionskräfte erfüllt. Wenn man eine Linie zwischen zwei Kontaktpunkten zieht, ist die Interaktionskraft die Differenz zwischen den zwei Kontaktkräften, die auf diese Linie projiziert sind, wie in der Technik bekannt ist. Folglich können die internen Kräfte des Systems 10 mit den verschiedenen Interaktionskomponenten parametriert werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Ausdrücke der relativen Beschleunigung verwendet werden, um die internen Kräfte zu steuern. Um sicherzustellen, dass diese relativen Beschleunigungen nur die internen Kräfte und nicht die externe Dynamik betreffen, müssen auch diese im Nullraum von G^T liegen. Wenn x ..rel die Spaltenmatrix der relativen Beschleunigungen ist, ist diese Bedingung erfüllt, wenn:
Folglich werden die relativen Beschleunigungen verwendet, um einen Servokreis um die Interaktionskräfte herum zu schließen. Definiert man u_ij als den Einheitsvektor, der von Kontakt i zu Kontakt j zeigt, folgt die Größe der Interaktionskraft f_ij zwischen diesen zwei Kontakten.
Die Interaktionsbeschleunigung a_ij wird als ein PI-Regler auf diese Kräfte eingeführt, wobei k_P und k_I konstante Verstärkungen sind. aij ≐ kP(fij – f*ij) – kI∫(fij – f*ij)dt (27)
Mit der Kenntnis, dass u_ij = –u_ji und a_ij = a_ji, kann die interne Beschleunigung für drei Kontakte wie folgt zusammengefasst werden. Für den Fall mit zwei Kontakten wird einfach a_i3 = 0 gesetzt. arel1 = a12u12 + a13u13 arel2 = –a12u12 + a23u23 arel3 = –a13u13 – a23u23 (28)
Da gewählt wurde, dass keine Rotationskomponente gesteuert werden soll, ist a_reli = 0 für alle i.
STEUERUNGSGESETZ: Unter Verwendung dieser Impedanzaufgaben, Bewegungstransformationen und internen Kräfte kann das Steuerungsgesetz dargestellt werden. Zuerst wird mit dem Modellieren der Bewegungsgleichungen für das vollständige System von Manipulatoren gestartet: Mq .. + c – τf = τ. (29)
M ist die Gelenkraumsträgheitsmatrix. c ist die Spaltenmatrix der verallgemeinerten Coriolis-, Zentripetal- und Gravitationskräfte und τ ist die Spaltenmatrix der Gelenkmomente. Unter der Annahme, dass Kräfte nur am Greiforgan auf den Manipulator wirken, gilt τf = –JTf. (30)
Zur Vorbereitung für das Steuerungsgesetz werden einige nicht erfasste Größen für das Objekt 20 geschätzt. Zuerst wird die externe Verwindung (F) aus den anderen Kräften auf das Objekt 20 geschätzt. Mit Bezug auf Gleichung (25) kann eine quasi-statische Approximation der Kräfte verwendet werden. F = –GTf – mg ^ (31)
Obwohl es hier umfasst ist, kann das Objektgewicht auch in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Zudem kann die Objektgeschwindigkeit mit der folgenden Fehlerschätzung der kleinsten Quadrate des Systems als starrer Körper geschätzt werden: y . = G+Jq ., (32)wobei die Hochstellung (+) die Pseudoinverse der jeweiligen Matrix anzeigt.
Schließlich wird das Steuerungsgesetz auf der Grundlage der folgenden Formulierung der inversen Dynamik [12] dargestellt. τ = Mq ..* + c – τf (33)
q ..* ist in diesem Ausdruck die befohlene Gelenkbeschleunigung. Sie kann aus der befohlenen Objektbeschleunigung y ..* gemäß Gleichung (17) abgeleitet werden.
N_Ĵ bezeichnet den orthogonalen Projektionsoperator für den Nullraum von Ĵ und q ..*ns ist der Beschleunigungsvektor, der in diesen Nullraum projiziert ist. Unter Verwendung dieser Jacobimatrix mit geschlossener Kette wird die zweite Aufgabe daher in einem Raum optimiert werden, der die freien DOF des Objekts umfasst. Die zwei befohlenen Beschleunigungen y ..* und q ..*ns werden aus den Impedanzaufgaben in Gleichung (3) herausgefunden.
Das explizite Steuerungsgesetz kann aus den Gleichungen (33), (34) und (3) abgeleitet werden. Durch Einbringen der Kraftschätzungen in den Gleichungen (30) und (31) folgt das endgültige Steuerungsgesetz als Gleichung (35):
Um das wahre Verhalten des Systems zu verstehen, wird die folgende Regelkreisanalyse betrachtet. Durch Beachten, dass N2Ĵ = NĴ und N_ĴĴ⁺ = 0, erhält man die folgende unabhängige Regelkreisdynamik sowohl für den Bereichsraum als auch den Nullraum des Systems. S[y .. + M–10 (Boy . + KoΔy – ΔF)] = S[M–1o Fma] (36) NĴ⌊q .. + M–1j (Bjq . + KjΔq – τf)⌋ = 0 (37)
Die erste Beziehung offenbart die gewünschte Objektimpedanzaufgabe, welche auf die durch S gewählten DOF angewandt wird. Wenn die Impedanzmatrizen diagonal sind, werden die Aufgabenräume entkoppelt bleiben. Die rechte Seite dieser Beziehung stellt eine Störung von Objektbeschleunigungen aufgrund der quasi-statischen Schätzung von F dar. Diese Störung beeinflusst die internen Kräfte nicht. Die zweite Beziehung zeigt, dass die gewünschte zweite Impedanzaufgabe mit einer minimalen Fehlerprojektion in den Nullraum implementiert ist.
Dieses Steuerungsgesetz war zur Beseitigung des Bedarfs für die Objektdynamik durch zwei Merkmale in der Lage. Zuerst führte es die Rückkopplung an den Greiforgankräften ein. Zweitens führte es die Transformation vom Objektraum in den Greiforganraum unter Verwendung von Beschleunigung statt von Kräften durch. Dieses Verfahren wird die internen Kräfte mit einer größeren Integrität beibehalten als andere Steuerungsgesetze, die sich auf Schätzwerte der Objektträgheit und -beschleunigung stützen. Obwohl die externe Dynamik die vorstehend erwähnte Störung erfahren wird, sind nach unserer Meinung die internen Kräfte der kritische Faktor bei einer kooperativen Manipulation.
NULLKRAFTRÜCKKOPPLUNG: Unglücklicherweise wird eine Krafterfassung nicht immer an jedem Greiforgan verfügbar sein. Dieser Abschnitt wird daher eine Version des Steuerungsgesetzes vorstellen, welche den Bedarf für die Kraftrückkopplung beseitigt. Die hier dargestellte Lösung weist jedoch nicht den vollen Bereich von Fähigkeiten auf. Sie kann nur auf ein Szenario angewendet werden, bei dem eine Steuerung mit vollständiger Pose auf den Zweihandgriff angewandt wird. Die Kraftrückkopplungsausdrücke in dem Steuerungsgesetz (35) können durch die geeignete Wahl der aktiven Trägheiten M_o und M_j beseitigt werden. Die Rückkopplung wird beseitigt, wenn sich die Koeffizienten von f zu Null summieren: JT – MĴ + ĜM–1o GT – MNĵM–1j JT = 0. (38)
Ein Auflösen dieser Beziehung führt zu den folgenden zwei Bedingungen: M–1o = Ĝ#(ĴM–1JT)GT# (39) Mj = M (40)
Die Hochstellung (#) bezeichnet eine verallgemeinerte Inverse der jeweiligen Matrix, welche G^#G = I erfüllt, wie etwa die Klasse der gewichteten Pseudoinversen. Die erste Bedingung erfordert, dass Ĝ den vollen Spaltenrang aufweist. Diese Lösung ist daher nur auf den Fall einer Steuerung mit vollständiger Pose anwendbar. Wenn eine Steuerung mit vollständiger Pose gegeben ist, kann man die Tatsache verwenden, dass Ĝ = G und Ĵ = J. A kann als die Greiforganraumträgheit eingeführt werden, wobei A^–1 ≐ JM^–1J^T. Diese Resultate können als die aktiven Trägheiten, die zu der passiven Trägheit passen, interpretiert werden. Mit anderen Worten beseitigt das Beibehalten der natürlichen Trägheit des Systems den Bedarf für eine Kraftrückkopplung.
Es zeigt sich, dass diese zwei Bedingungen die internen Kraftkomponenten an dem Objekt nicht berücksichtigen. Folglich wird eine dritte Bedingung eingeführt, um die internen Kräfte auf Null zu setzen. Für den inter nen Raum kann eine Pseudoinverse für G^T verwendet werden, die durch A^–1 gewichtet ist. Die gewichtete Pseudoinverse und ihre zugehörige Nullraumprojektionsmatrix sind wie folgt definiert:
Die gewichtete Pseudoinverse verhindert, dass die Objektbewegung den internen Raum stört. Die dritte Bedingung wird folglich zu: N_G ^Tf = 0. Aufgrund dieser Bedingung kann dieses Steuerungsgesetz nur für starre Griffe angewendet werden, da sie keine internen Kräfte benötigen, um den Griff aufrechtzuerhalten. Folglich wird in Gleichung (39)
gesetzt.
Durch Anwenden dieser drei Bedingungen auf Gleichung (35) kann ein Nullkraftrückkopplungssteuerungsgesetz hergeleitet werden:
Dieser Ausdruck wurde vereinfacht, indem bemerkt wurde, dass
Eine Regelkreisanalyse dieses Steuerungsgesetzes offenbart zwei unabhängige Dynamikbeziehungen für das Objekt, die erste im externen Raum und die zweite im internen Raum.
Die erste Beziehung offenbart die gewünschte Objektimpedanz in Gleichung (1) unter Voraussetzung einer Trägheit, die zu der passiven Trägheit passt. Für die zweite Beziehung kann gezeigt werden, dass N_GT(AG) = 0 aufgrund der gewichteten Pseudoinverse. Folglich filtert die gewichtete Pseudoinverse die Objektbeschleunigungen aus dem internen Raum heraus und erzeugt wiederum interne Nullkräfte an dem Objekt 20.
Obwohl die besten Arten zum Ausführung der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

Robotersystem, das umfasst: einen Roboter mit einer Vielzahl von Manipulatoren, die kollektiv zum Greifen eines Objekts unter Verwendung eines von einer Vielzahl von Grifftypen während einer Ausführung einer primären Aufgabe ausgelegt sind; und einen Controller, der mit dem Roboter elektrisch verbunden ist und zur Steuerung der Vielzahl von Manipulatoren während der Ausführung der primären Aufgabe unter Verwendung einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben ausgelegt ist; wobei der Controller interne Kräfte des Robotersystems für jeden der Vielzahl von Grifftypen in Ansprechen auf ein Eingabesignal automatisch parametriert, wobei die primäre Aufgabe bei einer Steuerung auf Objektebene mit der Fähigkeit zur Wahl nur einer Untermenge aller verfügbaren Freiheitsgrade des Objekts definiert ist.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Definition der primären Aufgabe bei einer Steuerung auf Objektebene umfasst, dass eine Jacobi-Transformation ”mit geschlossener Kette” und/oder eine Griffmatrix ”mit geschlossener Kette” verwendet werden.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben eine Impedanzbeziehung verwendet, die in einem Nullraum der Steuerung auf Objektebene arbeitet.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei der Controller zur Steuerung nur einer Untermenge aller verfügbarer Freiheitsgrade (DOF) des Objekts unter Verwendung von wenigstens einigen der Vielzahl von Manipulatoren in einem kooperativen Griff des Roboters ausgelegt ist.
Robotersystem nach Anspruch 4, wobei der Controller ferner ausgelegt ist, um eine sekundäre Aufgabe in dem Nullraum bei der Steuerung auf Objektebene auszuführen, wobei der Nullraum mindestens einen freien DOF des Objekts umfasst.
Controller für ein Robotersystem, wobei das Robotersystem mindestens einen Roboter umfasst, der jeweils mindestens einen Manipulator aufweist, der zum Greifen eines Objekts während der Ausführung einer primären Aufgabe ausgelegt ist, wobei der Controller umfasst: eine Hostmaschine, die mit dem mindestens einen Roboter elektrisch verbunden ist; und einen Algorithmus, der durch die Hostmaschine ausgeführt werden kann und zur Steuerung des mindestens einen Manipulators des mindestens einen Roboters unter Verwendung einer Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben ausgelegt ist; wobei eine Ausführung des Algorithmus automatisch interne Kräfte des Robotersystems für jeden einer Vielzahl von Grifftypen des mindestens einen Roboters in Ansprechen auf ein Eingabesignal automatisch parametriert, wobei die primäre Aufgabe auf einer Ob jektebene mit einer Fähigkeit zum Wählen nur einer Untermenge aller verfügbaren Freiheitsgrade des Objekts definiert ist.
Controller nach Anspruch 6, wobei der Controller zur Steuerung nur einer Untermenge aller Freiheitsgrade (DOF) des Objekts unter Verwendung wenigstens einiger der Vielzahl von Manipulatoren in einem kooperativen Griff des mindestens einen Roboters ausgelegt ist, während er eine sekundäre Aufgabe im Nullraum bei der Steuerung auf Objektebene ausführt, wobei der Nullraum mindestens einen freien DOF des Objekts umfasst.
Controller nach Anspruch 6, wobei die Definition der primären Aufgabe bei der Steuerung auf Objektebene eine Jacobi-Transformation ”mit geschlossener Kette” und/oder eine Griffmatrix ”mit geschlossener Kette” verwendet.
Verfahren zum Steuern eines Robotersystems, wobei das Robotersystem einen Roboter mit einer Vielzahl von Manipulatoren, die kollektiv zum Greifen eines Objekts unter Verwendung eines einer Vielzahl von Grifftypen während der Ausführung einer primären Aufgabe ausgelegt sind, und einen Controller aufweist, der mit dem Roboter elektrisch verbunden ist, wobei der Controller zur Steuerung der Vielzahl von Manipulatoren während der Ausführung der primären Aufgabe ausgelegt ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Eingabesignal über eine Hostmaschine des Controllers empfangen wird; das Eingabesignal über eine Steuerungshierarchie mit mehreren Aufgaben unter Verwendung der Hostmaschine verarbeitet wird, um dadurch die Vielzahl von Manipulatoren während der Ausführung der primären Aufgaben zu steuern; wobei das Verarbeiten des Eingabesignals umfasst, dass: die primäre Aufgabe bei der Steuerung auf Objektebene definiert wird; und interne Kräfte des Robotersystems für jeden der Vielzahl von Grifftypen in Ansprechen auf das Eingabesignal automatisch parametriert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Definieren der primären Aufgabe umfasst, dass eine Jacobi-Transformation ”mit geschlossener Kette” und/oder eine Griffmatrix ”mit geschlossener Kette” verwendet wird, und wobei der Nullraum eine Vielzahl nicht befohlener Freiheitsgrade des Roboters bei der Steuerung auf Objektebene umfasst.