【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及机器人操纵，并且更特别地，涉及用于可以被用于在机器人组装过程期间重新定向部件的枢转操纵的鲁棒优化的方法。
技术介绍
1、接触在所有机器人操纵任务中起着核心作用。虽然接触的选择性使用可以允许机器人推理和操纵其环境，但是基于接触的推理和控制往往是极具挑战性的。接触模型在分析、算法以及计算方面具有挑战性。结果，在用于基于模型的操纵的原理化技术方面取得了很少的进展。摩擦相互作用的潜在混合动力学以及与摩擦参数相关联的不确定性使得基于模型的控制器的高效设计对于操纵具有挑战性。
2、机器人系统对于在结构化环境中执行拾取和放置操作来说是非常良好的，在该结构化环境中，机器人系统总是以已知的取向进给部件，并且机器人系统需要做的一切就是通常通过施加一定量的力来抓住物体并将物体移动到已知位置。然而，如果机器人必须与这些物体进行接触以操纵或者在为系统创建的结构中存在不确定性，那么这些系统就非常脆弱。
3、在现有技术水平的组装线中，总是将部件以期望姿势提供给机器人，然后可以由组装机器人拾取和放置，以匹配相应部件来进行组装。这通过使用专门设计的机构来实现，该机构可以通过设计来实现部件的被动控制。然而，这些是非常专业化的，并且在这些系统的设计和试运行方面涉及大量成本。与此相反，我们想设计如下模块化组装系统，即，该系统可以在没有专门设计的任何部件进给器的帮助下执行部件的期望操纵。这可以通过设计机器人系统来实现，该机器人系统可以使用规划和控制，以按照对特别设计的夹具和固定装置的最低要求，在组装期间对不同的部件进行重新定向
4、本专利技术涉及一种这样的基本操纵方法的设计，即，机器人系统可以用于在组装或包装期间重新定向部件。特别地，本专利技术提出了具有与环境的两个外部接触点(externalcontact)的枢转操纵。虽然之前已经研究了枢转操纵，但是在公开文献中提出的所有先前分析都考虑了与外部环境的粘附接触(sticking contact)。与此相反，我们提出了需要与外部环境持续滑动(slipping)接触的枢转操纵。在存在不确定性的情况下对滑动接触的控制是具有挑战性的，因为这导致不适定(ill-posed)的优化问题，并由此，本专利技术提出了一种优化公式，该优化公式可以被用于通过利用摩擦来执行鲁棒枢转。
技术实现思路
1、一些实施方式的目的是，提供一种机器人系统，该机器人系统被配置为通过在操纵物体的同时优化作用在该物体上的控制力序列，来优化由该机器人系统正在操纵的物体的运动轨迹。
2、本公开的一些实施方式基于这样的实现，即，大多数现有技术水平的组装系统使用精心设计的部件取向和进给系统。
3、一些实施方式基于这样的认识，即，机器人可以使用外部接触点来获得机器人操纵其环境中的物体的姿势的附加灵巧性。这些操纵问题在许多应用中是重要的，在这些应用中，假定机器人在不同的初始条件下操纵部件以实现期望的任务。
4、一些实施方式基于这样的认识，即，假定机器人在这些操纵任务期间与新的工件相互作用。在没有这种能力的情况下，操纵算法在存在不确定性的情况下将是脆弱的，并且这种系统将不能够推广到几何形状与针对其设计控制器的物体的几何形状不同的物体。当前，很少有技术可以允许对具有未知特性的物体进行姿势操纵，从而将这些算法的使用限制到很少的受控环境。
5、一些实施方式基于这样的实现，即，机器人可以使用枢转操纵作为基本基元(basic primitive)，以通过利用外部接触点来操纵用于潜在任务的物体的姿势。然而，由于在存在不确定性的情况下的独特接触约束，致使在存在不确定性的情况下的枢转操纵是复杂的操纵问题。目前，还没有已知的技术能够对可以被用于执行可靠且鲁棒的操纵的外部接触点的操纵来执行鲁棒优化。这使得在存在参数不确定性的情况下对机器人操纵的优化和控制变得困难。
6、为此，本公开提出了一种用于操纵期间的鲁棒轨迹优化的优化方法。为了解决潜在操纵问题，提出了一种在存在不确定参数的情况下生成轨迹的双层(bilevel)轨迹优化方法。所提出的公式化引入了摩擦稳定性的新概念，该概念被定义为参数不确定性的量，该参数不确定性可以通过接触力的重新分布来适应，以维持操纵期间在特定接触配置(configuration)下的稳定性。
7、在一些实施方式中，考虑在存在外部接触点的情况下正被操纵的物体的静态平衡来计算摩擦稳定性。关键的观点是接触力可以在多个接触位置处重新分布，并因此提供稳定性裕度，以补偿重力和力矩的不确定性。估计该裕度将允许我们生成对正被操纵的物体的参数中的不确定性具有鲁棒性的轨迹。
8、一些实施方式基于这样的实现，即，机器人需要沿着规划的轨迹将物体维持在静态平衡，以确保操纵任务的稳定性。两个外部接触点处的接触力取决于机器人在物体与该机器人之间的接触点处施加的控制力。因此，摩擦稳定性裕度将取决于物体的特定静态平衡姿势，并因此将在整个操纵轨迹上发生变化。
9、所提出的公开的一些实施方式基于这样的实现，即，在枢转操纵期间，物体需要在两个外部接触点处维持滑动接触。因此，在操纵轨迹期间摩擦力总是停留在摩擦锥(friction cone)的边界上。这导致对于潜在操纵问题的鲁棒优化问题的独特的等式约束。等式约束的存在导致生成用于操纵的鲁棒轨迹的不适定的优化问题。因此，需要一种新颖的优化方法，以用于生成鲁棒控制轨迹来补偿两点枢转操纵期间的不确定性。
10、本公开的一些实施方式基于这样的实现，即，由于摩擦稳定性在两点枢转期间沿着操纵轨迹改变，因此可以估计操纵期间的最小裕度。为了最大化该操纵的稳定性裕度，我们可以最大化该最小裕度，以使我们可以确保在存在正被操纵的物体的参数的不确定性的情况下进行操纵。这导致可以进行求解以计算鲁棒操纵轨迹的新的双层优化问题。
11、根据本专利技术的一些实施方式，提供了一种用于操纵期间通过机器人系统的操纵器(manipulator)使用物体的外部接触点来对物体进行重新定向的操纵控制器。该操纵控制器可以包括：接口控制器，该接口控制器被配置成从布置在机器人系统上的传感器获取测量数据；至少一个处理器；以及存储器，该存储器被配置为存储包括非线性规划模块、非线性优化解算器和优化模块以及表示关于预定物体的接触力与移动之间的输入-输出关系的非线性静态模型的计算机实现方法，其中，所述方法使用与存储实现该方法的指令的存储器联接的所述至少一个处理器，其中，该指令在由所述至少一个处理器执行时，执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：从布置在机器人系统上的视觉传感器和力传感器获取测量数据；基于表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于通过机器人系统的操纵器使用物体与工作台的一部分的外部接触点，对所述工作台上的所述物体进行重新定向来执行期望操纵的计算机实现的操纵的方法，其中，所述方法使用与存储实现所述方法的指令的存储器联接的处理器，其中，所述指令在由所述处理器执行时执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工作台的所述一部分被布置为与所述物体的至少两个外部接触点接触。
3.根据权利要求1所述的方法，在给定所述物体与所述工作台的接触配置的情况下，进一步生成用于估计所述摩擦稳定性的位置关系。
4.根据权利要求1所述的方法，使用卡罗需-库恩-塔克条件KKT条件和上镜图技巧，进一步将所述双层优化问题转换成单层、大规模非线性规划问题。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器包括力扭矩传感器F/T传感器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不确定性值包括不正确的摩擦系数。
7.根据权利要求1所述的方法，所述操纵器是六自由度6DoF操纵器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述求解所述双层优化问题计算所述物体的摩擦稳定性裕度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双层优化问题由两个下层优化问题组成。
11.一种用于在操纵期间通过机器人系统的操纵器使用物体的外部接触点来对所述物体进行重新定向的操纵控制器，所述操纵控制器包括：
12.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述控制器在给定所述物体与环境的接触配置的情况下，进一步生成用于估计所述摩擦稳定性的位置关系。
13.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述控制器使用KKT条件和上镜图技巧进一步将所述双层优化问题转换成单层、大规模非线性规划问题。
14.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述工作台的一部分被布置为与所述物体的至少两个外部接触点接触。
15.根据权利要求11所述的控制器，在给定所述物体与所述工作台的接触配置的情况下，进一步生成用于估计所述摩擦稳定性的位置关系。
16.根据权利要求11所述的控制器，使用卡罗需-库恩-塔克条件KKT条件和上镜图技巧，进一步将所述双层优化问题转换成单层、大规模非线性规划问题。
17.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述传感器包括力扭矩传感器F/T传感器。
18.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述不确定性值包括不正确的摩擦系数。
19.根据权利要求11所述的控制器，所述操纵器是六自由度6DoF操纵器。
20.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述操纵器包括伺服电动机和夹具。
21.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述求解所述双层优化问题计算所述物体的摩擦稳定性裕度。
22.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述双层优化问题由两个下层优化问题组成。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于通过机器人系统的操纵器使用物体与工作台的一部分的外部接触点，对所述工作台上的所述物体进行重新定向来执行期望操纵的计算机实现的操纵的方法，其中，所述方法使用与存储实现所述方法的指令的存储器联接的处理器，其中，所述指令在由所述处理器执行时执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工作台的所述一部分被布置为与所述物体的至少两个外部接触点接触。
3.根据权利要求1所述的方法，在给定所述物体与所述工作台的接触配置的情况下，进一步生成用于估计所述摩擦稳定性的位置关系。
4.根据权利要求1所述的方法，使用卡罗需-库恩-塔克条件kkt条件和上镜图技巧，进一步将所述双层优化问题转换成单层、大规模非线性规划问题。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器包括力扭矩传感器f/t传感器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不确定性值包括不正确的摩擦系数。
7.根据权利要求1所述的方法，所述操纵器是六自由度6dof操纵器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操纵器包括伺服电动机和夹具。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述求解所述双层优化问题计算所述物体的摩擦稳定性裕度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双层优化问题由两个下层优化问题组成。
11.一种用于在操纵期间通过机器人系统的操纵器使用物体的外部接触点来对所述物体进行重新...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·贾，白井有树，A·拉格胡娜汉，D·罗梅雷斯，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：
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