本发明专利技术涉及用于类人机器人自动控制的方法和装置。具体地，提供一种机器人系统，包括：具有多个机器人关节的类人机器人，这些关节适于对由机器人作用的物体进行力控制；用于从用户接收输入信号的图形用户界面ＧＵＩ；和控制器。ＧＵＩ向用户提供对控制器的直观编程访问。控制器利用基于阻抗的控制框架控制关节，该框架响应于输入信号提供对机器人的物体级控制、末端执行器级控制和／或关节空间级控制。一种控制机器人系统的方法包括通过ＧＵＩ接收输入信号（例如期望力），然后利用主机处理输入信号以通过基于阻抗的控制框架控制关节。控制框架提供对机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制，并允许基于功能的ＧＵＩ简化多种操作模式的实施。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于控制具有多个关节和多自由度的类人机器人的系统和方法。
技术介绍
机器人是能够利用一系列联接物操纵物体的自动装置，这些联接物又通过机器人 的关节相互连接。典型机器人中的每个关节都代表至少一个独立的控制变量，即自由度 (DOF)。末端执行器是用于完成手边任务(例如抓握工具或物体)的特定联接物。因此， 可根据任务说明的等级来组织机器人的精确运动控制，任务说明的等级包括物体级控制 (这描述了机器人在单次或协同抓握中对被保持的物体的行为进行控制的能力)、末端执 行器控制和关节级控制。各种控制级共同实现所要求的机器人运动性、灵活性和与工作任 务相关的功能性。类人机器人是一种特定类型的机器人，其无论整个身体、躯干和/或四肢都具有 近似于人的结构或外观，类人机器人的结构复杂性很大程度上取决于所要执行的工作任务 的性质。在需要与为人类使用而特制的设备或系统直接相互作用的情况下，可优选使用类 人机器人。在需要与人相互作用的情况下，也可优选使用类人机器人，因为可以对运动进行 编程以便接近人的运动，使得协同操作的人类伙伴能理解任务队列。由于期待由类人机器 人完成的工作任务范围很广，所以可能同时需要不同的控制模式。例如，在上述的不同控制 空间内以及在对给定的电动机驱动式关节、关节运动和各种机器人抓握类型所应用的转矩 或力的控制上，都必须应用精确控制。
技术实现思路
因此，本文提供了一种机器人控制系统和方法，用于经由以下详细说明的基于阻 抗的控制框架来控制类人机器人。该控制框架允许基于功能的图形用户界面(GUI)，以便对 大量机器人操作模式的实施进行简化。在一个具体实施例中，可以通过单个GUI来提供对 具有多个DOF(例如，超过42个D0F)的机器人的复杂控制。利用启动不同操作模式的控制 逻辑层，GUI可用于对控制器的算法进行驱动，以便借此对许多可独立运动的和可相互依赖 运动的机器人关节提供多样化控制。在物体级控制中，作用在被抓握物体上的内力被自动参数化，以便实时地允许多 种机器人抓握类型。利用所述框架，用户通过GUI提供基于功能的输入，然后该控制和中间4逻辑层通过应用正确的控制目标和操作模式对该进入GUI的输入进行解读。例如，通过选 择待施加在所述物体上的期望的力，控制器在解耦空间内自动应用位置/力控制的混合策 略。在本专利技术的范围内，该框架利用了具有分级多任务的基于物体阻抗的控制规则， 以便提供机器人的物体级控制、末端执行器级控制和/或关节级控制。通过用户实时选择 被启用节点和机器人抓握类型(即，刚性接触、点接触等)两者的能力，预定的或标定的阻 抗关系主导了物体空间、末端执行器空间和关节空间。当物体节点或末端执行器节点启用 时，关节空间阻抗被自动转换到零空间，否则关节空间将如本文所阐述的那样主导整个控 制空间。特别地，一种机器人系统，包括具有多个关节的类人机器人，该多个关节适于施 加力控制；具有直观的GUI的控制器，该GUI适于接收来自用户、来自预编程的自动装置、或 来自网络连接或其它外部控制机构的输入信号。控制器电连接到GUI，GUI为用户提供了 对控制器的直观或图形的编程访问。该控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制多个关 节，该框架又响应于输入到GUI的输入信号提供了类人机器人的物体级、末端执行器级和/ 或关节空间级控制。用于控制具有如上所述类人机器人、控制器和GUI的机器人系统的方法包括利用 GUI接收来自用户的输入信号，然后利用主机处理该输入信号，以通过基于阻抗的控制框架 控制多个关节。该框架提供了类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和/或关节空 间级控制。本专利技术还提供了以下方案方案1. 一种机器人系统，包括类人机器人，其具有适于向物体施加力的多个机器人关节；图形用户界面(GUI)，其适于接收来自用户的输入信号，所述信号至少描述了将要 施加到所述物体的期望输入力；和控制器，其电连接到所述图形用户界面(GUI)，其中所述图形用户界面(GUI)向所 述用户提供了对所述控制器的编程访问；其中，所述控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述多个机器人关节，所 述框架响应于所述输入信号提供了所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关 节空间级控制中的至少一个。方案2.如方案1所述的系统，其中，所述图形用户界面(⑶I)图形化地显示了每 一个笛卡尔空间的输入和每一个关节空间的输入，所述每一个笛卡尔空间的输入和每一个 关节空间的输入用于所述类人机器人的左侧节点和右侧节点中的每一个。方案3.如方案1所述的系统，其中，所述控制器适于在所述物体级控制中对所述 类人机器人的预定组的内力进行参数化，由此实时地允许多种抓握类型，所述多种抓握类 型至少包括刚性接触抓握类型和点接触抓握类型。方案4.如方案1所述的系统，其中，所述输入信号还描述了定性的阻抗级，并且其 中所述控制器适于用所述定性的阻抗级来控制所述多个机器人关节。方案5.如方案1所述的系统，其中，所述⑶I是基于功能的装置，其利用一组直观 输入和一个解释逻辑层以便通过用于所述物体级、所述末端执行器级和所述关节空间级中的至少一个的一组阻抗命令来命令所述类人机器人中的所有关节。方案6.如方案1所述的系统，其中，所述控制器适于通过响应于所述期望输入力 来自动解耦的力和位置的方向，从而在所述笛卡尔空间中执行混合的力和位置的控制。方案7. —种用于机器人系统的控制器，所述系统包括具有多个机器人关节的类 人机器人和电连接到所述控制器的图形用户界面(GUI)，所述机器人关节适于相对于由所 述类人机器人作用的物体进行力控制，所述图形用户界面(GUI)适于接收来自用户的输入 信号，所述控制器包括主机；和算法，所述算法可由所述主机执行并且适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述 多个关节；其中，所述算法的执行响应于进入到所述图形用户界面(GUI)的所述输入信号提 供所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制中的至少一个，所 述输入信号至少包括将要施加到所述物体的期望输入力。方案8.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于执行中间逻辑层，以便解读通 过所述图形用户界面(⑶I)输入的所述输入信号。方案9.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于在所述用户输入所述期望的 输入力时自动解耦所述类人机器人的力方向和位置控制方向，并且其中所述位置控制方向 在所述算法的执行期间被自动地正交投影到零空间。方案10.如方案7所述的控制器，其中，所述算法适于在物体级控制中将所述类人 机器人的预定组的内力参数化，由此允许多种抓握类型，所述多种抓握类型至少包括刚性 接触抓握类型和点接触抓握类型。方案11.如方案7所述的控制器，其中，所述主机适于记录由所述用户输入到所述 图形用户界面(GUI)的定性的阻抗级，并适于将所述定性的阻抗级应用到所述多个机器人关节。方案12.如方案7所述的控制器，其中，所述控制器适于在将二阶力跟踪器应用到 所述力控制方向的同时将二阶位置跟踪器应用到所述位置控制方向。方案13.如方案7所述的控制器，其中，所述用户选择待所述机器人的期望末端执 行器以便启用，并且其中所述控制器22响应于此为每个末端执行器产生线性的和旋转的 Jacobian 矢巨方案14.如方案7本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种机器人系统，包括：类人机器人，其具有适于向物体施加力的多个机器人关节；图形用户界面，其适于接收来自用户的输入信号，所述信号至少描述了将要施加到所述物体的期望输入力；和控制器，其电连接到所述图形用户界面，其中所述图形用户界面向所述用户提供了对所述控制器的编程访问；其中，所述控制器适于利用基于阻抗的控制框架来控制所述多个机器人关节，所述框架响应于所述输入信号提供了所述类人机器人的物体级控制、末端执行器级控制和关节空间级控制中的至少一个。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：ME阿布达拉，RJ小普拉特，CW瓦姆普勒二世，MJ赖兰，AM桑德斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，美国宇航局，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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