DE102010018746B4

DE102010018746B4 - Momentensteuerung von unteraktuierten sehnengetriebenen Roboterfingern

Info

Publication number: DE102010018746B4
Application number: DE102010018746.1A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Abdallah; Chris A. Ihrke; Matthew J. Reiland; Charles W. Wampler II; Myron A. Diftler; Robert J. Platt Jr.; Lyndon Bridgwater
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: 2010-04-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: US8483882B2; DE102010018759A1; US8565918B2; CN101947787B; US20100280663A1; CN101947786A; US20100280659A1; JP2010260173A; CN101947787A; CN102029610B; JP5180989B2; CN102145489B; DE102010018438A1; US20100280661A1; DE102010018854B4; DE102010018440A1; CN102029610A; DE102010018746A1; US20100280662A1; DE102010018759B4

Abstract

Robotersystem, das umfasst: einen Roboter mit einer Gesamtanzahl von Freiheitsgraden (DOF), die gleich mindestens n ist; einen unteraktuierten sehnengetriebenen Finger, der unter Verwendung einer Kraftsteuerung durch n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens eine Sehne, über mindestens ein Stellglied angetrieben wird und n DOF aufweist, wobei der sehnengetriebene Finger mindestens zwei Gelenke aufweist; eine Vielzahl von Sensoren, die jeweils zum Messen einer Spannung an einer entsprechenden der Sehnen ausgestaltet sind; und einen Controller, der in elektrischer Verbindung mit den Sensoren und dem Roboter steht und ausgelegt ist, um die von den Sensoren gemessenen Spannungen zu empfangen und zu verarbeiten sowie um eine Betätigung des Fingers über das mindestens eine Stellglied zu steuern; wobei der Controller die befohlenen Gelenkmomente und/oder die Befehlsgelenkverhaltensweisen in geeignet berechnete Sehnenspannungen umsetzt und das mindestens eine Stellglied steuert, um die berechneten Sehnenspannungen in den Sehnen zu erreichen.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH VOM BUND GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement Nummer SAA-AT-07-003. Die Regierung kann gewisse Rechte an der Erfindung besitzen.
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 61/174,316, die am 30. April 2009 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Struktur und die Steuerung eines sehnengetriebenen Roboterfingers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zur Manipulation von Objekten unter Verwendung einer Reihe von Gliedern, welche wiederum über ein oder mehrere Robotergelenke miteinander verbunden sind, in der Lage sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuerungsvariable, d. h. einen Freiheitsgrad (DOF) dar. Letztendlich werden Greiforgane, wie etwa Hände, Finger oder Daumen betätigt, um eine vorliegende Aufgabe auszuführen, z. B. das Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters kann daher durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung organisiert werden, welche eine Steuerung auf Objektebene, auf Greiforganebene und auf Gelenkebene umfasst. Die verschiedenen Steuerungsebenen erreichen gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters.
Insbesondere werden Sehnenübertragungssysteme bei Robotersystemen häufig verwendet, die Roboterhände mit relativ hohem DOF aufweisen, größtenteils aufgrund eines begrenzten Einbauraums. Da Sehnen nur Spannungskräfte, d. h. bei Zug-Zug-Anordnungen, übertragen können, muss die Anzahl der Stellglieder die Anzahl der DOF überschreiten, um eine vollständig bestimmte Steuerung eines gegebenen Roboterfingers zu erreichen. Der Finger benötigt nur eine Sehne mehr als die Anzahl der DOF, was als eine n + 1-Anordnung bekannt ist. Bei korrekter Anordnung können die n + 1 Sehnen die n DOF unabhängig steuern, während immer positive Spannungen beibehalten werden. In diesem Sinn ist ein Finger mit n DOF mit nur n Sehnen unteraktuiert und die Fingerstellung ist unterbestimmt. Diese Situation schafft einen Nullraum, in welchem die Fingerstellung unkontrolliert ist. Mit anderen Worten kann der Finger eine gewünschte Position nicht halten und wird in den Nullraum fallen. Über eine verringerte Anzahl von Stellgliedern zu verfügen, kann jedoch ein Vorteil sein. Bei Roboterhänden mit hohem DOF können Raum- oder Leistungsbeschränkungen wesentlich sein. Jedes zusätzliche Stellglied und Sehnenübertragungssystem erhöht den Raumbedarf und Wartungsanforderungen wesentlich.
Die US 7 221 120 B2 offenbart eine Roboterhand mit sehnengetriebenen Fingern, wobei für jedes Fingergliedgelenk ein Stellmotor vorgesehen ist, der das zugehörige Fingergliedgelenk über eine Riemenscheiben/Sehnen-Kombination in zwei Richtungen, z. B. Öffnen und Schließen, bewegen kann.
In der US 6 668 678 B1 ist ein Manipulator offenbart, an dessen Gelenken Riemenscheiben befestigt sind, die mit Hilfe von in flexiblen Röhren geführten Endlossehnen bzw. Sehnenschlaufen durch Motoren angetrieben werden. Jedes Gelenk wird von einem separaten Motor angetrieben, sodass die Gelenke voneinander unabhängig bewegt werden können.
Die US 5 200 679 A offenbart eine künstliche Hand mit mehreren künstlichen Fingern, die jeweils mehrere Fingerglieder aufweisen. An jeder Fingerspitze sind zwei Sehnen voneinander beabstandet befestigt und durch Führungsvorrichtungen zu einem gemeinsamen Motor verlegt, der vorwärts und rückwärts betrieben werden kann, um den jeweiligen Finger zu strecken oder zu krümmen.
In der US 5 062 673 A ist eine Gelenkhand mit mindestens drei Fingermodulen offenbart, die mindestens drei voneinander unabhängig bewegbare Gelenke aufweisen. Die Gelenke werden von Motoren über Riemenscheiben und Sehnen angetrieben.
Die US 4 921 293 A offenbart eine Roboterhand mit mehreren Fingern, deren Gelenke mit Hilfe von Sehnen und Riemenscheiben durch abgesetzt angeordnete Aktoren betätigt werden. Die Sehnen sind ummantelt und werden aus Platzgründen nicht durch das Handgelenk der Roboterhand hindurch geführt.
In der US 4 865 376 A sind mechanische Finger mit drei Gelenken und zwei Aktoren offenbart, die eine Folge von Riemenscheiben und Sehnen verwenden, um zwei Gelenke so zu koppeln, dass deren Bewegungen relativ zueinander nicht unabhängig sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem Roboterfinger mit n Freiheitsgraden die Anzahl der Stellglieder und Sehnen auf n oder weniger zu verringern, um Platz zu sparen und den Wartungsaufwand zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird hier ein Robotersystem bereitgestellt, das einen sehnengetriebenen Finger mit n Freiheitsgraden (DOF) aufweist, der mit n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens einer Sehne, betrieben werden kann. Ein derartiges System kann ein effektives Mittel zum Bereitstellen inhärent kompatibler sekundärer Greiffinger in einer geschickten Roboterhand mit einer verringerten Anzahl von Stellgliedern ermöglichen. Die verringerte Anzahl von Stellgliedern und Übertragungen bewahren einen begrenzten Einbauraum und verringern Wartungsanforderungen. Die vorliegende Erfindung stellt einen unteraktuierten sehnengetriebenen Finger mit n oder weniger Sehnen, der unter Verwendung einer Kraftsteuerung anstelle einer Positionssteuerung mit effektivem Verhalten betrieben werden kann, und ein Steuerungsverfahren desselben bereit. Gewünschte Gelenkmomente können dem Roboterfinger in einem reduzierten Parameterraum ohne das Problem, dass der Finger in einen Nullraum fällt, wie in der Technik verstanden wird und oben angemerkt wurde, befohlen werden. Das Moment wird den Finger entweder an die Gelenkgrenzen drücken oder ihn um externe Objekte herumwickeln.
Zudem werden bei einer Ausführungsform an dem Roboterfinger asymmetrische Gelenkradien eingeführt, um zu ermöglichen, dass die Gelenkmomente innerhalb eines Lösungsbereichs unabhängig befohlen werden können. Wenn sie in einen sehnengetriebenen Fingerentwurf eingebaut sind, ermöglichen asymmetrische Gelenkradien, dass das System innerhalb eines Raums oder Bereichs möglicher Lösungen ein vollständig bestimmtes wird. Obwohl der Finger bei einer Positionssteuerung unterbestimmt bleibt, wird der Finger bei einer Kraftsteuerung vollständig bestimmt. Durch das Verwenden einer Kraftsteuerung anstelle einer Positionssteuerung kann daher ein unteraktuierter sehnengetriebener Finger mit einer guten Funktionalität und mit einer verringerten Anzahl von Sehnen und Stellgliedern gesteuert werden. Somit kann der Finger mit relativ niedrigeren Kosten bereitgestellt werden und einen Vorteil bei Anwendungen mit beschränktem Raum bereitstellen.
Insbesondere wird hier ein Robotersystem bereitgestellt, das einen Roboter mit einer Gesamtanzahl von Freiheitsgraden (DOF), die gleich mindestens n ist, und einen unteraktuierten sehnengetriebenen Finger aufweist, der n DOF aufweist und von n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens einer Sehne, getrieben wird. Der Finger weist mindestens zwei Gelenke auf, welche bei einer Ausführungsform durch einen oder mehrere asymmetrische Gelenkradien gekennzeichnet sein können. Das System umfasst auch einen Controller und eine Vielzahl von Sensoren, um Spannungen in jeder Sehne zu messen, und um diese gemessenen Spannungen dem Controller zuzuführen. Der Controller steht in elektrischer Verbindung mit dem Roboter und die Sensoren sind auf die verschiedenen Sehnen ausgerichtet.
Der Controller ist ausgelegt, um eine Betätigung des sehnengetriebenen Fingers unter Verwendung einer Kraftsteuerung über mindestens ein Stellglied zu steuern, z. B. einen Gelenkmotor und eine Riemenscheibe usw., um Spannungswerte an den Sehnen zu regeln. Der Controller wandelt befohlene Gelenkmomente unter Verwendung einer Rückkopplung in der Form der gemessenen Spannungen in geeignete berechnete Spannungen um und steuert das oder die Stellglieder, um die berechneten Spannungen an den Sehnen zu erreichen. Dies beseitigt einen unbeschränkten Schlupfraum, der andernfalls existieren würde, wenn nur eine Position der Sehnen gesteuert wird. Wenn asymmetrische Gelenkradien eingeführt sind, verwendet der Controller die asymmetrischen Gelenkradien, um Gelenkmomente für die Gelenke unabhängig zu befehlen.
Es wird auch ein unteraktuierter sehnengetriebener Finger zur Verwendung mit dem vorstehend angeführten Robotersystem bereitgestellt. Der Finger weist n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens eine Sehne, n DOF und mindestens zwei Gelenke auf, wobei der Finger bei einer Ausführungsform durch eine asymmetrische Gelenkradiuskonfiguration gekennzeichnet ist. Wenn er vorhanden ist, kann der asymmetrische Gelenkradius von dem Controller verwendet werden, um Gelenkmomente für die Gelenke unabhängig zu befehlen, wodurch ein Fallen in den Nullraum des sehnengetriebenen Fingers beseitigt wird.
Ein Verfahren zum Steuern des unteraktuierten sehnengetriebenen Fingers unter Verwendung einer Kraftsteuerung und von Sehnensensoren wird ebenfalls bereitgestellt und umfasst, dass Gelenkmomente für die mindestens zwei Gelenke über den Controller unabhängig befohlen werden.
Die vorstehenden Merkmale und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Robotersystems gemäß der Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung eines sekundären sehnengetriebenen Fingers, der mit dem in 1 gezeigten Roboter verwendet werden kann;
3A ist eine schematische Veranschaulichung eines Schlupfraums, der durch zwei Beschränkungen und Gelenkgrenzen begrenzt ist;
3B ist eine schematische Veranschaulichung des Schlupfraums von 3A, wie er bei einem symmetrischen Entwurf erscheint; und
4 ist ein Vektordiagramm, das den Raum möglicher Gelenkmomente des in 2 gezeigten Fingers veranschaulicht.
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, z. B. einen geschickten humanoiden Roboter wie gezeigt oder einen beliebigen Teil davon aufweist, der über ein Steuerungssystem oder einen Controller (C) 22 gesteuert wird. Der Controller 22 ist mit dem Roboter 10 elektrisch verbunden und er ist mit einem Algorithmus 100 zum Steuern der verschiedenen Manipulatoren des Roboters 10 ausgelegt, welche einen oder mehrere sehnengetriebene Finger 19 umfassen, wie nachstehend mit Bezug auf 2 und 3 im Detail beschrieben ist. Einige der Finger 19 sind, wie hier beschrieben ist, unteraktuiert und einige sind vollständig aktuiert, wobei die unteraktuierten Finger die vollständig aktuierten Finger beim Ergreifen eines Objekts 20 unterstützen. Die vorliegende Erfindung steuert die unteraktuierten Finger unter Verwendung von Spannungssensoren, wie nachstehend offen gelegt ist, über eine Kraftsteuerung und bei einigen Ausführungsformen unter Verwendung asymmetrischer Gelenkradien. Ein unbeschränkter Schlupfraum, der unter Verwendung einer Positionssteuerung andernfalls existieren würde, wird beseitigt, wie nachstehend im Detail offen gelegt ist.
Der Roboter 10 ist zum Ausführen einer oder mehrerer automatisierter Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) und zum Ausführen anderer interaktiver Aufgaben oder zur Steuerung anderer integrierter Systemkomponenten, z. B. Einspannen, Beleuchtung, Relais usw. ausgelegt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter 10 wie gezeigt als ein humanoider Roboter mit über 42 DOF ausgestaltet, obwohl andere Roboterentwürfe, die weniger DOF aufweisen und/oder nur eine Hand 18 aufweisen, verwendet werden können, ohne den beabsichtigen Umfang der Erfindung zu verlassen. Der Roboter 10 von 1 weist eine Vielzahl unabhängig und voneinander abhängig bewegbarer Manipulatoren auf, z. B. die Hände 18, Finger 19, Daumen 21, usw., welche verschiedene Robotergelenke umfassen. Die Gelenke können ein Schultergelenk, dessen Position durch einen Pfeil A allgemein 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 Gliedern jedes Roboterfingers umfassen, sind aber nicht unbedingt darauf beschränkt.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere DOF aufweisen, was in Abhängigkeit von der Aufgabenkomplexität variiert. Jedes Robotergelenk kann ein oder mehrere Stellglieder 90 (siehe 2) enthalten und durch diese 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 die Hände 18, Finger 19 und Daumen 21 umfassen, wobei die vorstehend erwähnten verschiedenen Gelenke in oder zwischen diesen Komponenten angeordnet sind. Der Roboter 10 kann auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder feste Basis in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters. Eine Leistungsversorgung 13 kann an dem Roboter 10 fest angebracht sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der an dem Rücken des Torsos 14 gehalten oder getragen wird, oder eine andere geeignete Energieversorgung, oder die durch ein Verbindungskabel abgesetzt angebracht sein kann, um ausreichend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen.
Der Controller 22 stellt eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters 10 bereit, welche eine Steuerung der feinen und groben Bewegungen umfasst, die zum Manipulieren eines Objekts 20 über die Finger 19 wie vorstehend angemerkt benötigt werden. Das heißt, dass das Objekt 20 unter Verwendung der Finger 19 von einer oder mehreren Händen 18 ergriffen werden kann. Der Controller 22 ist zur unabhängigen Steuerung jedes Robotergelenks der Finger 19 und anderer integrierter Systemkomponenten isoliert von den anderen Gelenken und Systemkomponenten in der Lage, sowie zur voneinander abhängigen Steuerung einer Anzahl der Gelenke, um die Aktionen der vielen Gelenke beim Ausführen einer relativ komplexen Arbeitsaufgabe vollständig zu koordinieren.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 22 einen Server oder eine Hostmaschine 17 umfassen, die als ein verteiltes oder zentrales Steuerungsmodul ausgestaltet ist und Steuerungsmodule und Fähigkeiten derart aufweist, wie sie zum Ausführen der gesamten benötigten Steuerungsfunktionalität des Roboters 10 auf die gewünschte Weise notwendig sein können. Der Controller 22 kann mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), Festwertspeicher (ROM), Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), löschbare elektrisch programmierbare Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen (I/O-Schaltungen) und Einrichtungen sowie Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Einzelne Steuerungsalgorithmen, die im Controller 22 vorhanden sind oder für diesen leicht zugänglich sind, wie etwa der Algorithmus 100, können im ROM gespeichert sein und bei einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
Mit Bezug auf 2 können einige der Finger 19 von 1 als sekundäre Finger ausgestaltet sein, wie in der Technik verstanden wird. Während primäre Finger vollständig aktuiert und vollständig steuerbar sein müssen, muss ein sekundärer Finger, wie etwa der Finger 19A, der in 2 gezeigt ist, einfach Objekte mit einer variablen Stärke flexibel ergreifen. Daher reicht ein DOF aus, um entweder die Griffstärke anzugeben oder den Finger vollständig auszustrecken. Es ist zu beachten, dass der Finger 19A unteraktuiert ist und nur mit einer Kraftsteuerung gesteuert werden kann; er kann keine Position halten. Die befohlenen Gelenkmomente bedeuten, dass der Finger 19A entweder an seinen Gelenkgrenzen zum Halten kommt oder sich um ein externes Objekt wickelt, wobei Gelenkmomente durch einen einzigen Parameter skaliert werden. Gemäß einer Ausführungsform kann ein unteraktuierter sekundärer Finger 19A durch Einführen asymmetrischer Gelenkradien an dem Finger 19A und Verwenden einer Kraftsteuerung, wie nachstehend erläutert wird, vollständig gesteuert werden.
Der Finger 19A kann mit einer Roboterhand verwendet werden, z. B. den Händen 18, die in 1 gezeigt sind, um ein Objekt zu ergreifen, entweder als Teil eines hochkomplexen humanoiden Roboters oder als Teil eines weniger komplexen Robotersystems. Die Hand 18 von 1 kann mehrere unteraktuierte Finger 19A aufweisen, wobei die Sehnen 34, 36 desselben entweder jeweils ein dezidiertes Stellglied 90 aufweisen oder ein Stellglied 90 gemeinsam nutzen, um eine gemeinsame Betätigung bereitzustellen, wobei der Controller 22 von 1 nach Bedarf, und soweit es die gemeinsam genutzte Betätigung zulässt, Gelenkmomente befiehlt.
Im Umfang der Erfindung weist der Finger 19A n Gelenke und n Sehnen auf. Der Finger 19A umfasst Gelenke 30, 32 und Sehnen 34, 36. Wie in 2 veranschaulicht ist, weist der Finger 19A zwei DOF auf, daher ist n = 2 und die Anzahl von Sehnen 34, 36 d. h. zwei ist gleich n, d. h. dem DOF. Daher ist die Steuerung des Fingers 19A so, wie diese Ausdrücke hier verwendet werden, unterbestimmt und die Sehnen 34, 36 sind unteraktuiert. Sehnensensoren (S) 33 sind im Pfad der Sehnen 34, 36, z. B. im Finger 19A, der Hand 18, dem Unterarm usw. positioniert und ausgelegt, um Spannungen, d. h. die Größe und Richtung an jeder Sehne 34, 36 zu messen und an den Controller 22 von 1 zurückzumelden. Der Controller 22 wendet eine Logik an, um berechnete Spannungen zu bestimmen, die geeignete Werte aufweisen, z. B. nicht negative Werte.
Die Gelenke 30, 32 sind durch ihre jeweiligen Winkel q₁ und q₂ gekennzeichnet. Die Sehnen 34, 36 sind jeweils durch eine jeweilige Position x gekennzeichnet, die in 2 als x₁ und x₂ dargestellt ist. Die Sehnen 34, 36 enden an dem zweiten Gelenk 32 bei Punkten A bzw. B. Alle Gelenkradien sind konstant und gleich r₁ mit der einen Ausnahme, die als r₂ beschriftet ist, welche einen asymmetrischen Gelenkradius schafft. Eine quasi-statische Analyse des Fingers 19A enthüllt die folgende Beziehung zwischen Gelenkmomenten (τ, entspricht q in 2) und Sehnenspannungen (f, entspricht x in 2):
R in Gleichung (2) ist die Sehnenabbildungsmatrix für den Finger 19A mit mindestens einer ganz positiven Zeile und mindestens einer ganz negativen Zeile. Diese Beziehung nimmt eine unwesentliche Reibung und keinerlei externe Kräfte an. Aufgrund der asymmetrischen Gelenkradien ist R eine nichtsinguläre Matrix. Folglich können unabhängige Gelenkmomente erreicht werden. Da die Sehnen 34, 36 nur unter Spannung arbeiten können, gibt es einen eingeschränkten Raum mit gültigen Lösungen für τ.
In der gesamten vorliegenden Anmeldung ist ein asymmetrischer Entwurf einer, der zu einer Matrix R mit vollem Zeilenrang führt, wie in der Technik verstanden wird. Es wird angenommen, dass die Position der Sehnen 34, 36 anstelle ihrer Spannungen gesteuert werden soll. Durch das virtuelle Standardarbeitsargument kann die Bewegung von Gelenk und Stellglied durch eine parallele Beziehung mit der Gleichung τ = Rf als x . = R^Tq . in Beziehung stehen, wobei q der Satz der Gelenkwinkel ist. Die Gleichung ist nur gültig, wenn die Sehnen 34, 36 gespannt bleiben. Es ist genauer, eine Zwischenvariable y einzuführen, welche die Sehnenausdehnung darstellt, die die Sehnen gespannt hält, während x die tatsächliche Ausdehnung der Sehnenstellglieder ist. Wenn man mit einer beliebigen Konfiguration startet, bei welcher die Sehnen 34, 36 anfänglich gespannt sind, d. h. x = y, dann ist das Folgende gültig: x . ≤ y . = R^Tq .
Diese Notation soll ausdrücken, dass die Ungleichheit für jede Zeile des Matrixausdrucks gilt.
Selbst wenn die Stellglieder stationär gehalten werden, x . = 0 , kann sich der Finger 19A mit y . in dem positiven Quadranten bewegen: y .₁ ≥ 0, y .₂ ≥ 0 . Derartige Bewegungen betreten die Schlupfregion, d. h. eine begrenzte Region, in welcher sich der Finger 19A frei bewegen kann, obwohl die Stellglieder stationär gehalten werden. Die Schlupfregion wird durch Ungleichheiten auf der Positionsebene beschrieben. Die Ungleichheiten tauchen auf, wobei deren Grenzlinien die Sehnenbeschränkungslinien 34A, 36A von 3A und 3B sind, wie nachstehend erläutert wird. Angenommen, alle Größen werden von einer Anfangsposition x = y = q = 0 aus gemessen, in welcher die Sehnen 34, 36 gespannt sind. Unter der Annahme nicht elastischer Sehnen wird die Gelenkbewegung durch die Länge der Sehnen beschränkt: x ≤ y = R^Tq
Insbesondere haben wir für den Finger 19A in 2 x₁ ≤ r₁q₁ + r₃q₂ und x₂ ≤ –r₂q₁ – r₄q₂. Im Allgemeinen besteht die Vereinigung dieser Ungleichheiten aus einem Keil, der die Schlupfregion definiert. Die Schlupfregion oder der Schlupfraum bezeichnet daher die Region, in welcher der Finger frei fallen kann, obwohl die Riemenscheiben oder andere Stellglieder stationär gehalten werden.
Mit Bezug auf 3A verlieren die Sehnen 34, 36 innerhalb einer Schlupfregion 48 die Spannung, während an jeder Grenze eine Sehne 34 gespannt ist, während die andere Sehne 36 schlaff ist. Mit Bezug auf 3B werden die Einschränkungen bei symmetrischen Entwürfen parallel. In diesem Fall sind die Sehnen 34, 36 einander perfekt entgegengesetzt, so dass sie gespannt werden können, wobei ihre Beschränkungen im Gelenkraum in eine einzige Linie aufeinander zusammenfallen, die dem Nullraum von R^T entspricht. Sehnenbeschränkungslinien 34A, 36A stellen derartige Grenzen dar. Obwohl die Sehnen 34, 36 gespannt bleiben, können sie einer Bewegung entlang dieser Linie keinen Widerstand leisten.
Daher ist dieser unteraktuierte Finger 19A bei einer Positionssteuerung unterbestimmt, während er bei einer Kraftsteuerung in einem Bereich möglicher Momente vollständig bestimmt ist. Obwohl das System von Finger 19A bei einer Kraftsteuerung theoretisch vollständig bestimmt ist, sind aufgrund des unidirektionalen Wesens der Sehnen 34, 36 nicht alle Gelenkmomente möglich, was eine Bestimmung des Raums gültiger Gelenkmomente notwendig macht.
Es wird wieder 3A betrachtet, d. h. der unsymmetrische Entwurf. Die Sehnenbeschränkungslinien 34A und 36A stellen die Bewegungsgrenzen dar, die durch die Sehnen 34 bzw. 36 auferlegt sind. Die Sehnenbeschränkungen können durch ein Bewegen des Sehnenstellglieds verschoben werden. Durch Ziehen an den Sehnen 34A, 36A kann die Schlupfregion 48 zuerst zu einem kleinen Dreieck geschrumpft werden, dann schließlich zu einem einzigen Punkt auf der Gelenkgrenzenbeschränkung. Ein einzelner Punkt bedeutet, dass sich die Gelenke nicht bewegen können, so dass die Position des Fingers 19A stabilisiert ist. Im Gegensatz dazu verschiebt ein Ziehen an den Sehnen 34, 36 des symmetrischen Entwurfs die Sehnenbeschränkungen 34A und 36A, bis sie zusammenfallen. In diesem Fall ist die Schlupfregion 48 auf ein Liniensegment verringert, das sich von einem Rand der Gelenkgrenzenbox zum anderen erstreckt. Eine Bewegung entlang dieses Liniensegments ist das ”Fingerfallen”.
Die einzigen Stellen, bei denen dieses Liniensegment zu einem Punkt schrumpft, liegen dann vor, wenn die Sehnen den Finger 19A zum vollständigen Ausstrecken treiben, d. h. die obere rechte Ecke der Gelenkgrenzenbox, oder zur vollständigen Biegung (untere linke Ecke der Gelenkgrenzenbox). Dann ist ersichtlich, dass der asymmetrische Entwurf bei der veranschaulichten Ausführungsform eine Positionssteuerung des Fingers 19A entlang des gesamten unteren Rands oder entlang des gesamten rechten Rands der Gelenkgrenzenbox ermöglicht. Somit kann eine wiederholbare Trajektorie zwischen dem vollständigen Abbiegen und dem vollständigen Ausstrecken beschafft werden, während eine Schlupfregion beibehalten wird, die ein einziger Punkt ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform biegt diese Trajektorie von dem vollen Ausstrecken aus zuerst das Basisgelenk q1 an seine obere Grenze, und biegt dann das distale Gelenk q2 an seine obere Grenze, wobei man bei vollständiger Biegung ankommt.
3A und 3B zeigen die Beschränkungen nicht, die von einem Objekt innerhalb der Reichweite des Fingers 19A dargestellt werden. Wenn die vorstehend erwähnte wiederholbare Trajektorie mit einer Momentensteuerung implementiert ist und das Objekt 20 derart angeordnet ist, dass das innere Fingerglied zuerst kontaktiert, dann wird das äußere Fingerglied mit dem Biegen fortfahren und der Finger 19A wird sich um das Objekt wickeln.
Es ist zu verstehen, dass die in 2 gezeigte Asymmetrie nicht der einzige Weg zum Erreichen einer nichtsingulären Sehnenabbildungsmatrix R ist. Wenn ein beliebiger der vier Momentenarme, die die Einträge in R sind, unterschiedlich ist, während die drei anderen gleich sind, dann wird R nicht singulär. Es sind auch allgemeinere Radienauswahlen möglich. Die Radien bestimmen die Steigungen der Sehnenbeschränkungslinien und beeinflussen somit die Gestalt der Schlupfregion und bestimmen auch, welche Gelenkgrenzen stabil sind. Die gezeigte Ausführungsform ist einfach und weist die wünschenswerte Eigenschaft auf, dass die vorstehend beschriebene entsprechende wiederholbare Trajektorie das innere Gelenk vor dem äußeren Gelenk biegt, was bei Greifbewegungen nützlich ist.
Mit Bezug auf 4 in Verbindung mit dem Finger 19A von 2 stellt die schattierte Region des Vektordiagramms 50 den Raum möglicher Gelenkmomente dar. Region (I) zeigt an, wenn beide Gelenke gebogen sind. Region (III) zeigt an, wenn beide Gelenke gestreckt sind. Wenn f_i die Spannung an der Sehne i darstellt, darf f_i nicht negativ sein. Da f nicht negativ ist, entspricht der Raum möglicher Gelenkmomente der Spanne der positiven Spaltenvektoren von R. R_i soll den i-ten Spaltenvektor von R darstellen. 3 zeigt die positive Spanne der zwei Spaltenvektoren an. Es wird angenommen, dass r₂ größer als r₁ ist. Es ist angemessen, den Betrieb des Fingers 19A auf die Bedingung einzuschränken, dass beide Gelenkmomente die gleiche Richtung aufweisen. Mit anderen Worten befinden sich die Gelenke 30, 32 beide entweder in Biegung oder in Streckung. Wenn sich die Gelenke 30, 32 beide entweder in Biegung oder Streckung befinden, ist das Verhalten des Fingers 19A zum Greifen entworfen. Die Regionen von 4, die dieser Bedingung entsprechen, sind Regionen I und III. Bei einer Biegung gilt daher τ₂ ≤ (r₁/r₂)τ₁, während bei der Streckung τ₂ ≤ τ₁ ist.
Während τ in der gültigen Region überall arbeiten kann, kann es optional eingeschränkt werden, um entlang der vorrangigen Vektoren (R_i) zu arbeiten. Die Gelenkmomente werden somit durch einen einzigen DOF parametriert. Die vorrangigen Vektoren bieten den Vorteil, dass sie sich entweder beide in Biegung oder beide in Streckung befinden. Ein derartiges Steuerungsschema, das von dem Controller 22 von 1 ausgeführt werden kann, ist für Hände 18 mit sekundären Finger 19A gut geeignet, die zur Unterstützung von primären Finger beim Greifen von Objekten entworfen sind, z. B. dem Objekt 20, das von den Händen 18 in 1 ergriffen wird. Die sekundären Finger 19A brauchen nur Objekte mit variabler Stärke flexibel zu ergreifen. Daher reicht ein DOF aus, um entweder die Griffstärke anzugeben oder den Finger 19A vollständig zu strecken. Es wird angemerkt, dass der Entwurf des Fingers dieses wünschenswerte Verhalten sicherstellen sollte.
Durch Einführen asymmetrischer Gelenkradien und Verwenden einer Kraftsteuerung kann ein unteraktuierter Finger 19A vollständig gesteuert werden. Die Fingergelenke 30, 32 können unabhängige Gelenkmomente innerhalb eines plausiblen Lösungsbereichs erreichen. Die Steuerung kann weiter vereinfacht werden, indem eine Linie im Steuerungsraum identifiziert wird, die beide Gelenke entweder biegt oder streckt.
Das Verwenden einer Kraftsteuerung anstelle einer Positionssteuerung zum Betreiben des Fingers 19A beseitigt das unterbeschränkte ”Schwappen” der Fingerstellung des Fingers, während es ermöglicht, dass sich der Finger mit einer variablen Kraft sowohl biegt als auch streckt. Der Controller ist in der Lage, befohlene Gelenkmomente in berechnete Sehnenspannungen umzusetzen und die Stellglieder 90 zu steuern, um die berechneten Spannungen in den Sehnen zu erreichen, wie hier offen gelegt ist. Dies beseitigt den unbeschränkten Schlupfraum, der andernfalls existieren würde, wenn nur eine Position der Sehnen gesteuert wird. Das Steuerungsverfahren stellt auch das Verhalten und die Funktionalität bereit, die für einen Greiferfinger erforderlich ist. Wenn der Controller den Raum zulässiger Gelenkmomente mit einem einzigen DOF parametriert, der den Finger entweder vollständig streckt oder vollständig biegt, wird ein Greiferfinger bereitgestellt, der sich mit einer variablen Stärke vollständig öffnen oder vollständig schließen kann. Der Finger 19A wird entweder bei seinen Gelenkgrenzen halten oder sich um ein externes Objekt mit Gelenkmomenten wickeln, die durch einen einzigen Parameter skaliert sind.
In diesem Fall benötigt der Finger 19A keine asymmetrischen Gelenkradien. Der Finger 19A kann mit gleichen Gelenkradien, d. h. mit r₂ = r₁, unter Verwendung eines verringerten Parameterraums effektiv im Momentenraum gesteuert werden. Mit dieser Idee des Parametrierens der Fingersteuerung kann der Finger 19A mit gewünschten Verhaltensweisen betrieben werden, wobei z. B. ein Befehl zum Schließen des Fingers von dem Controller 22 in geeignete Sehnenspannungen auf der Grundlage des parametrierten Raums umgesetzt würde.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Robotersystem, das umfasst: einen Roboter mit einer Gesamtanzahl von Freiheitsgraden (DOF), die gleich mindestens n ist; einen unteraktuierten sehnengetriebenen Finger, der unter Verwendung einer Kraftsteuerung durch n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens eine Sehne, über mindestens ein Stellglied angetrieben wird und n DOF aufweist, wobei der sehnengetriebene Finger mindestens zwei Gelenke aufweist; eine Vielzahl von Sensoren, die jeweils zum Messen einer Spannung an einer entsprechenden der Sehnen ausgestaltet sind; und einen Controller, der in elektrischer Verbindung mit den Sensoren und dem Roboter steht und ausgelegt ist, um die von den Sensoren gemessenen Spannungen zu empfangen und zu verarbeiten sowie um eine Betätigung des Fingers über das mindestens eine Stellglied zu steuern; wobei der Controller die befohlenen Gelenkmomente und/oder die Befehlsgelenkverhaltensweisen in geeignet berechnete Sehnenspannungen umsetzt und das mindestens eine Stellglied steuert, um die berechneten Sehnenspannungen in den Sehnen zu erreichen.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei der Finger durch eine asymmetrische Konfiguration gekennzeichnet ist, bei welcher sich mindestens ein Gelenkradius von den anderen unterscheidet und wobei der Controller die asymmetrische Konfiguration bei der Kraftsteuerung der Sehnen verwendet.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei eine Konfiguration der Sehnen eine Sehnenabbildung R mit mindestens einer ganz positiven Zeile und mindestens einer ganz negativen Zeile erzeugt.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei der Controller den Raum der zulässigen Gelenkmomente mit einem einzigen DOF parametriert, der den Finger entweder vollständig ausstreckt oder vollständig abbiegt, wodurch ein Greiferfinger bereitgestellt wird, der sich mit einer variablen Stärke vollständig öffnen oder vollständig schließen kann.
Unteraktuierter sehnengetriebener Finger zur Verwendung mit einem Robotersystem mit einer Gesamtanzahl von Freiheitsgraden (DOF), die gleich mindestens n ist, und mit einem Controller, der zum Steuern einer Betätigung des sehnengetriebenen Fingers unter Verwendung einer Kraftsteuerung über mindestens ein Stellglied ausgelegt ist, wobei der sehnengetriebene Finger umfasst: n oder weniger Sehnen, jedoch mindestens eine Sehne, und n DOF; und mindestens zwei Gelenke; wobei der Controller Spannungswerte der Sehnen von einer Vielzahl von Sehnensensoren verwendet, um das mindestens eine Stellglied zu steuern und um befohlene Gelenkmomente in geeignet berechnete Sehnenspannungen umzusetzen.
Finger nach Anspruch 5, wobei der Finger durch eine asymmetrische Konfiguration gekennzeichnet ist, bei der sich mindestens ein Gelenkradius von den anderen unterscheidet, und wobei der Controller die asymmetrische Konfiguration bei der Kraftsteuerung der Sehnen verwendet.
Finger nach Anspruch 5, wobei der Controller den Raum der zulässigen Gelenkmomente mit einem einzigen DOF parametriert, der den Finger entweder vollständig ausstreckt oder vollständig abbiegt, wodurch ein Greiferfinger bereitgestellt wird, der sich mit einer variablen Stärke vollständig öffnen oder vollständig schließen kann.
Finger nach Anspruch 5, wobei der Finger zur Verwendung als Teil einer Roboterhand mit vollständig aktuierten Fingern und zur Unterstützung der vollständig aktuierten Finger beim Ergreifen eines Objekts ausgelegt ist.
Verfahren zum Steuern eines unteraktuierten sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem mit einer Gesamtanzahl von Freiheitsgraden (DOF), die gleich mindestens n ist, wobei der sehnengetriebene Finger mindestens zwei Gelenke, n Sehnen und n DOF aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Spannung an jeder der Sehnen unter Verwendung einer Vielzahl von Spannungssensoren gemessen wird; ein geeignet berechneter Spannungswert für jede Sehne unter Verwendung der gemessenen Spannung auf der Grundlage entweder eines gewünschten Gelenkverhaltens oder eines gewünschten Gelenkmomentwerts bestimmt wird; und der Finger über mindestens ein Stellglied unter Verwendung sowohl der berechneten als auch der gemessenen Spannungswerte gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die mindestens zwei Gelenke durch einen asymmetrischen Gelenkradius gekennzeichnet sind, und wobei der Controller den asymmetrischen Gelenkradius verwendet, um unabhängige Gelenkmomente zu befehlen.