DE102010018759A1

DE102010018759A1 - Spannungsverteilung in einem sehnengetriebenen Roboterfinger

Info

Publication number: DE102010018759A1
Application number: DE102010018759A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Houston Abdallah; Robert J. Cambridge Platt Jr.; 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: 2010-04-29
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: DE102010018854B4; US20100279524A1; JP2010262927A; JP5002035B2; US20100280663A1; CN101947787A; JP2010260173A; DE102010018746A1; CN102145489A; CN102145489B; DE102010018854A1; US20100280661A1; CN101947787B; US8364314B2; DE102010018746B4; JP5180989B2; US20100280662A1; US8033876B2; CN101947786B; US8412376B2

Abstract

Es wird ein Verfahren bereitgestellt, um eine Spannung auf Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem zu verteilen, wobei der Finger durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist. Das Verfahren umfasst, dass eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung jeder Sehne des Fingers bestimmt werden und dann ein Controller verwendet wird, um eine Spannung auf die Sehnen so zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist. Das Verfahren hält die minimale funktionale Spannung ein, während die interne Spannung in dem Robotersystem minimiert wird, und es hält die maximale funktionale Spannung ein, ohne eine gekoppelte Störung an den Gelenkmomenten einzuführen. Ein Robotersystem umfasst einen Roboter mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger, der durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist, und einen Controller mit einem Algorithmus zum Steuern der Sehnen wie vorstehend offengelegt.

Description

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 Spannungsverteilung in der Momentensteuerung eines sehnengetriebenen Manipulators.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zum Manipulieren von Objekten unter Verwendung einer Reihe von Gliedern in der Lage sind, welche wiederum über ein oder mehrere Robotergelenke verbunden sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuerungsvariable dar, d. h. einen Freiheitsgrad (DOF). Greiforgane, wie etwa Hände, Finger oder Daumen werden letztendlich betätigt, um eine vorliegende Aufgabe auszuführen, z. B. das Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung organisiert sein, welche eine Steuerung auf Objektebene, Greiforganebene und Gelenkebene umfasst. Die verschiedenen Steuerungsebenen erreichen gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters.
In Robotersystemen werden oft Sehnenübertragungssysteme verwendet, z. B. bei der Betätigung von Roboterfingern in Händen mit einem hohen Freiheitsgrad (DOF). Zur Kraftsteuerung eines gegebenen sehnengetriebenen Fingers müssen die gewünschten Momente am Finger in eine Spannung an den Sehnen umgesetzt werden. Da Sehnen nur Zugkräfte übertragen können, d. h. eine Zug-Zug-Anordnung, muss die Anzahl der Sehnen und die Anzahl der Stellglieder den DOF überschreiten, um eine vollständig bestimmte Steuerung des sehnengetriebenen Fingers zu erreichen. Um ein vollständig bestimmter Finger zu werden, braucht der Finger nur eine Sehne mehr als die Anzahl von DOF, was als eine n + 1-Anordnung bekannt ist.
Wenn ein gewünschter Satz von Gelenkmomenten gegeben ist, existiert ein unendlicher Satz von Lösungen für entsprechende Sehnenspannungen. Jedoch ist jede Lösung, die einer Sehne einen negativen Spannungswert zuordnet, physikalisch nicht gültig. Dies liegt an der in eine Richtung wirkenden Natur der Sehnen, d. h. Sehnen können einer Ausdehnung widerstehen, nicht aber einer Kompression. Für dieses Problem existierende Verfahren stellen Lösungen bereit, die sicherstellen, dass alle Sehnenspannungen größer oder gleich Null sind. Wenn jedoch obere Sättigungsgrenzen erreicht werden, z. B. wenn die Maximalspannungsgrenze der Hardware erreicht ist, kann es sein, dass die resultierenden Gelenkmomente nicht vorhersagbar werden und ein nicht gewünschtes Koppeln eingebracht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich werden hier ein Momentensteuerungsverfahren und -system zur Spannungsverteilung in einem von Sehnen getriebenen Robotermanipulator bereitgestellt. Das Verfahren ordnet jeder Sehne des Manipulators eine Spannung innerhalb einer unteren und oberen Grenze zu oder verteilt diese. Es hält die untere Grenze ein, während es die aufgebrachte interne Spannung minimiert. Gleichzeitig hält es die obere Grenze ein, während es die Kopplungseffekte einer Sättigung beseitigt. Somit wird eine gleichmäßige und vorhersagbare Momentensteuerung des Manipulators bereitgestellt.
Das Verfahren verteilt Spannung auf n + 1-Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem, wobei der Finger selbst durch n Freiheitsgrade gekennzeichnet ist. Das Verfahren umfasst, dass eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder der n + 1 Sehnen bestimmt wird und dass ein Controller verwendet wird, um Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen. Jeder Sehne wird ein Spannungswert zugeordnet, der kleiner als ihre entsprechende maximale funktionale Spannung und größer oder gleich ihrer entsprechenden minimalen funktionalen Spannung ist.
Wenn die obere Grenze von einer Sehne überschritten wird, stellt das Verfahren eine lineare Skalierung der Gelenkmomente bereit, sodass die obere Grenze eingehalten wird. Diese lineare Skalierung ermöglicht eine Spannungssättigung ohne Koppeleffekte über die Gelenkmomente. Das Verfahren ordnet immer den minimalen Spannungswert zu, der gleich der unteren Grenze ist. Dies stellt sicher, dass die interne Spannung an der Struktur minimiert ist. Das Verfahren ist so gezeigt, dass es maximal eine Iteration der Lösung benötigt. Es zieht daher keinen iterativen Prozess mit offenem Ende nach sich, wie es die mathematische Natur des Problems andernfalls nach sich ziehen würde. Diese Eigenschaft ist für Echtzeitanwendungen wichtig.
Ein Robotersystem umfasst einen Roboter mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger, der durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist, und einen Controller mit einem Algorithmus zum Steuern der n + 1 Sehnen. Der Algorithmus ist ausgelegt, um eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder der n + 1 Sehnen zu bestimmen und um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, sodass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als ihre entsprechende maximale funktionale Spannung und größer oder gleich ihrer entsprechenden minimalen funktionalen Spannung ist.
Für den sehnengetriebenen Roboterfinger wird auch ein Controller bereitgestellt, wobei der Controller einen Algorithmus umfasst, der ausgelegt ist, um eine maximale und eine minimale funktionale Spannung jeder Sehne des sehnengetriebenen Fingers zu bestimmen und um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, wie vorstehend angemerkt ist.
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 Veranschaulichung eines sehnengetriebenen Fingers gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ist ein Flussdiagramm, der einen Algorithmus beschreibt, der die jeder Sehne zugeordnete Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung verteilt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, und mit 1 beginnend, ist ein Robotersystem 11 gezeigt, das einen Roboter 10 aufweist, z. B. einen geschickten humanoiden Roboter, wie gezeigt, oder einen beliebigen Teil davon, der über ein Steuerungssystem oder einen Controller (C) 22 gesteuert wird. Der Controller 22 umfasst einen Algorithmus 100 zum Steuern eines oder mehrerer sehnengetriebener Finger, wie nachstehend erläutert wird. Der Controller 22 ist mit dem Roboter 10 elektrisch verbunden und ist ausgelegt, um die verschiedenen Manipulatoren des Roboters 10 zu steuern, welche einen oder mehrere sehnengetriebene Finger 19 umfassen, wie nachstehend mit Bezug auf 2 und 3 im Detail beschrieben ist.
Der Roboter 10 ist zum Ausführen einer oder mehrerer automatisierter Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) ausgelegt, und um andere interaktive Aufgaben auszuführen oder andere integrierte Systemkomponenten zu steuern, z. B. Einspannen, Beleuchten, Relais usw. 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 mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger 19 aufweisen, auch verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Der Roboter 10 von 1 verfügt über eine Vielzahl unabhängig und abhängig voneinander bewegbarer Manipulatoren, z. B. die Hände 18, Finger 19, Daumen 21, usw., welche verschiedene Robotergelenke umfassen. Die Gelenke können umfassen, sind aber nicht unbedingt beschränkt auf ein Schultergelenk, dessen Position allgemein durch Pfeil A angezeigt ist, ein Ellbogengelenk (Pfeil B), ein Handgelenk (Pfeil C), ein Halsgelenk (Pfeil D), und ein Hüftgelenk (Pfeil E) sowie die Fingergelenke (Pfeil F) zwischen den Gliedern jedes Roboterfingers.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere DOF aufweisen, was in Abhängigkeit von der Aufgabenkomplexität variiert. Jedes Robotergelenk kann ein oder mehrere Stellglieder, z. B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, rotatorische Stellglieder und dergleichen enthalten und intern dadurch angetrieben sein. 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 angeführten verschiedenen Gelenke innerhalb 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 den Roboter 10 fest angebaut sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der auf dem Rücken des Torsos 14 mitgeführt oder getragen wird, oder eine andere geeignete Energiezufuhr, oder die entfernt durch ein Verbindungskabel angebracht ist, um genügend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen.
Immer 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 (I/O-Schaltungen) und Einrichtungen sowie Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Einzelne Steuerungsalgorithmen, die im Controller 22 vorhanden oder für diesen leicht zugänglich sind, können im ROM gespeichert sein und automatisch bei einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
Der Controller 22 kann einen Server oder eine Host-Maschine 17 umfassen, der bzw. die als ein verteiltes oder zentrales Steuerungsmodul ausgestaltet ist und Steuerungsmodule und Fähigkeiten derart aufweist, wie es notwendig sein kann, um alle geforderten Steuerungsfunktionalitäten des Roboters 10 auf die gewünschte Weise auszuführen. Zudem kann der Controller 22 als ein universeller digitaler Computer ausgestaltet sein, der allgemein 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 (I/O-Schaltungen) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfasst. Beliebige Algorithmen, die im Controller 22 vorhanden oder für diesen zugänglich sind, welche einen Algorithmus 100 zur Verteilung von Spannung auf Sehnen eines Manipulators wie nachstehend erläutert, z. B. einen Finger 19, und eine Sehnenabbildung 50 wie nachstehend erläutert umfassen, können im ROM gespeichert sein und nach Bedarf zugänglich sein und ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen.
Mit Bezug auf 2 kann ein sehnengetriebener Finger 19 mit dem Roboter 10 von 1 oder mit einem beliebigen anderen Roboter verwendet werden, der die Anwendung einer Greifkraft auf ein Objekt benötigt. Bei der Momentensteuerung von sehnengetriebenen Fingern müssen die gewünschten Gelenkmomente zuerst in Sehnenspannungen umgesetzt werden. Dieses Problem wird als Spannungsverteilung bezeichnet und sie muss sicherstellen, dass jeder Spannungswert nicht negativ ist. Die vorliegende Erfindung stellt sicher, dass jede Spannung in einen begrenzten Bereich [f_min, f_max] fällt, wobei f_min ≥ 0. Sie setzt den niedrigsten Spannungswert gleich f_min und minimiert somit die interne Spannung. Immer, wenn der höchste Spannungswert f_max überschreitet, löst sie nach der linearen Skalierung der Momente auf, die benötigt werden, um die Grenzen einzuhalten, während die interne Spannung minimiert wird.
Der Finger 19 enthält Sehnen 34 und eine Vielzahl von Gelenken 32, von denen einige unabhängige Gelenke sind, die durch Pfeile τ₁, τ₂ und τ₃ angezeigt sind. Der Finger 19 weist n unabhängige Gelenke (nDOF) und n + 1 Sehnen 34 auf. Der in 2 gezeigte Finger 19 weist drei DOF auf, daher ist die Anzahl der Sehnen bei dieser speziellen Ausführungsform = 4, obwohl mehr oder weniger Sehnen und/oder DOF ebenfalls verwendet werden können, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen. Es wird angemerkt, dass das distale Gelenk mit dem benachbarten Gelenk mechanisch gekoppelt ist, d. h. mit dem mittleren Gelenk; das distale Gelenk ist daher kein unabhängiger DOF. Auch ist die Steuerung des Fingers 19 vollständig bestimmt, so wie dieser Ausdruck in der Technik verstanden wird, und daher beträgt die Anzahl von Sehnen 34 bei der in 2 gezeigten speziellen Ausführungsform n + 1 oder 4. Wie vorstehend angegeben, ist jedes unabhängige Gelenk 32 durch ein Gelenkmoment τ gekennzeichnet. Jede der n Sehnen 34 ist durch eine Spannung f gekennzeichnet, die in 2 als f₁, f₂, f₃ und f₄ oder allgemein als f₁ bis f_n+1 dargestellt sind.
Für einen sehnengetriebenen Finger 19 mit n Freiheitsgraden und n + 1 Sehnen 34 wird die Momentensteuerungsstrategie durch einen Algorithmus 100 bestimmt, welcher eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart verteilt, dass jeder jeweiligen Sehne eine jeweilige Spannung f₁ bis f_n+1 zugeordnet wird, die kleiner als die maximale funktionale Spannung f_max und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung f_min ist. Die Spannungen f₁ bis f_n+1 werden innerhalb des Bereichs [f_min, f_max] zugeteilt, indem die Gelenkmomente falls notwendig linear skaliert werden.
Daher wird bei dem sehnengetriebenen Finger 19 der Vektor der Sehnenspannungen f derart zugeteilt, dass jede Spannung f₁ bis f_n+1 in den Bereich [f_min, f_max] fällt. Aufgrund der in eine Richtung gerichteten Natur der Sehnen 34 ist f_min ≥ 0. Die Beziehung zwischen den n Gelenkmomenten τ und den n + 1 Sehnenspannungen f₁ bis f_n+1 ist:
wobei t als die interne Spannung definiert ist.
ist die Sehnenabbildung 50, die in 1 schematisch gezeigt ist, welche die Gelenkradiusdaten enthält, die Sehnenspannungen f in Gelenkmomente τ abbilden. w ist eine Matrix mit n + 1 Zeilen, die nicht im Bereichsraum von R liegt. Es ist zu beachten, dass die Sehnenabbildung (R) 50 einen vollständig positiven Nullraum aufweisen muss, damit das System durch Sehnen steuerbar ist. Die ”interne Spannung” ist daher eine gewichtete Summe aller Spannungen; folglich zeigt eine kleinere interne Spannung kleinere Spannungen zwischen den Sehnen und eine kleinere Nettokraft an der Struktur an.
Die Inverse der Sehnentransformation in (1) kann wie folgt unterteilt werden:
A =
und
sind Konstanten, die vorausberechnet werden können und als kalibrierte Werte gespeichert werden können und w wird so gewählt, dass sie orthogonal zu R ist (Rw^T = 0). Unter dieser Bedingung: A = R⁺, a = w⁺. (3)
Die Hochstellung (⁺) zeigt die Pseudoinverse an. Wie angemerkt, muss der Nullraum der Sehnentransformation ein positiver Vektor sein. a ist somit auch immer positiv, da die Pseudoinverse eines positiven Vektors auch positiv ist.
Mit Bezug auf 3 kann ein Algorithmus 100 von dem Controller 22 von 1 ausgeführt werden, um die Steuerungsstrategie der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Der Algorithmus 100 beginnt bei Schritt 102, bei dem die Gelenkmomente und Spannungsgrenzen des Fingers 19 bestimmt und als ein Satz von Eingängen an den Algorithmus 100 bereitgestellt werden. Nach der Bereitstellung geht der Algorithmus zu Schritt 104 weiter und der Controller 22 berechnet die minimale interne Spannung des Fingers 19. Schritt 104 erfordert die Verteilung der Spannungen f₁ bis f_n+1 derart, dass der minimale Wert gleich f_min ist. In Gleichung (4) nachstehend stellt A_i die i-te Zeile von A dar und a_i die i-te Zeile von a, wobei a_i alle positive Elemente sind: f_i = A_iτ + a_it ≥ f_min (4)
Dies liefert die folgende Lösung für die interne Spannung t₀:
Weitergehend zu Schritt 106 wird der interne Spannungswert t₀ dann in die Gleichung (2) für die Spannungsverteilung substituiert, d. h.:
Danach bestimmt der Controller 22, ob irgendeiner der Spannungswerte f₁ bis f_n+1 die obere Grenze f_max überschreitet. Wenn keiner der Spannungswerte f₁ bis f_n+1 die obere Grenze f_max überschreitet, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter, die Spannungswerte f₁ bis f_n+1 werden ihren jeweiligen Sehnen 34 zugeordnet und der Algorithmus 100 ist beendet. Wenn bei Schritt 106 ermittelt wird, dass irgendeiner der Spannungswerte f₁ bis f_n+1 die obere Grenze f_max überschreitet, geht der Algorithmus zu Schritt 110 weiter, bei dem eine skalierte Lösung berechnet wird. i sei das Element mit der minimalen Spannung und j sei das Element mit der maximalen Spannung. Unter der Annahme, dass f_j > f_max werden die Momente linear skaliert:
und es wird die Lösung gefunden, bei der f_i = f_min und f_j = f_max. α ist ein positiver Skalar. Die exakte Lösung folgt:
Diese Lösung garantiert unter zwei Bedingungen, dass f ∈ [f_min, f_max]: wenn f_min = 0 oder der Finger 19 eine ausgeglichene Konfiguration aufweist. Ein Finger mit einer ausgeglichenen Konfiguration zeigt keine Nettomomente, wenn die Spannungen alle gleich sind (sodass die Elemente von w alle gleich sind). In einem dieser zwei Fälle kann der Algorithmus unmittelbar zu Schritt 108 weitergehen und enden. Andernfalls garantiert die Lösung nicht, dass alle Elemente innerhalb der gewünschten Grenzen liegen, und die Ergebnisse müssen mit der Möglichkeit einer zweiten Iteration überprüft werden. Wenn keiner Spannungswerte f₁ bis f_n+1 die obere Grenze f_max überschreitet, dann werden die Spannungswerte f₁ bis f_n+1 bei Schritt 114 ihren jeweiligen Sehnen 34 zugeordnet.
Wenn irgendeiner der Spannungswerte f₁ bis f_n+1 bei Schritt 112 die obere Grenze f_max überschreitet, dann wird bei Schritt 116 die vorstehende Gleichung (8) iteriert, nachdem der Index i bzw. j dem neuen Extremelement zugeordnet wurde. Aufgrund des Wesens der Sehnentransformation sollte der Bedarf zum Iterieren nur selten auftreten. Beispielsweise kann er bei einem typischen Entwurf bei weniger als 2% der befohlenen Momentwerte auftreten. Zudem ist eine zweite Iteration effektiv ausreichend, um die zuzuordnenden Spannungswerte vollständig zu bestimmen, und der Algorithmus kann bei dieser Iteration gekappt werden.
Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen bei mindestens zwei Schlüsselpunkten. Erstens tritt die Verteilung von Sehnenspannungen mit einem recheneffizienten Algorithmus auf, d. h. dem Algorithmus 100, der keine lineare Programmierung benötigt. Zweitens wird die maximale Spannung mit einer linearen Skalierung der gewünschten Gelenkmomente gekappt oder begrenzt, wodurch die Kopplung und die gekoppelten Störungen beseitigt werden, die gewöhnlich durch eine Sättigung verursacht werden, was eine gleichmäßige und lineare Momentsteuerung erzeugt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, welche Spannungen aufweisen, die mechanisch gesättigt werden, um gekoppelte und nicht vorhersagbare Momente zu erzeugen. Zusätzlich setzt der Algorithmus 100 die niedrigste Spannung gleich der unteren Grenze oder Begrenzung, wodurch die interne Spannung minimiert wird.
Die aus Gleichung (8) resultierende skalierte Lösung schiebt nur selten ein anderes Element über die Grenzen hinaus, das heißt über f_max. Dieses Ergebnis kann auch analytisch auf der Grundlage der Natur von R erläutert werden. Zuerst wird angemerkt, dass α ein Skalar ist, sodass α ∈ (0, 1). Das Ergebnis ist intuitiv und der Beweis folgt. Die Lösung für α in (8) wird betrachtet. Da f_j = f_min und f_j > f_max: f_ix = A_iτ + α_it₀f_max < A_jτ + α_jt₀ (9)
Das Substituieren in Gleichung (8) zeigt, dass α < 1. Gleichzeitig ist es trivial zu zeigen, dass α > 0.
Die Parameter (⁰f, t₀) sollen die anfängliche Gleichung (6) bezeichnen, während (¹f, t₁) die erste Iteration der skalierten Lösung für Gleichung (8) bezeichnen soll. Es kann gezeigt werden, dass die zwei Lösungen wie folgt in Verbindung stehen. Zur Erinnerung bezeichnen i und j die Elemente mit den niedrigsten bzw. höchsten Werten:
Der erste Ausdruck auf der rechten Seite ist der linear skalierte Abschnitt des Ergebnisses. Dieser Ausdruck behält die Reihenfolge der Elemente bei. Der zweite Ausdruck jedoch stellt eine Abweichung von der linearen Verteilung dar. Wenn daher f_min = 0, fällt der Ausdruck heraus und die skalierte Lösung hält die relativen Größen der Elemente vollständig aufrecht. Dies garantiert, dass f ∈ [0, f_max].
Wenn f_min ≠ 0 ist, kann sich die relative Reihenfolge der Elemente verändern und ein anderes Element kann die Grenze überspringen. Es wird der Fall betrachtet, bei dem ein weiteres Element k das Element j überschreitet, sodass ¹f_k > ¹f_j. Von Gleichung (10) aus gesehen beträgt die Differenz nach der ersten Iteration:
Durch die Definition von Element j ist der erste Ausdruck kleiner als Null. Hinsichtlich des zweiten Ausdrucks sind die Elemente von a bei einer ausgeglichenen Konfiguration gleich. Daher kann in diesem Fall ¹f_k niemals größer als ¹f_j sein. Dies tritt immer dann auf, wenn sich die Spalten von R zu Null aufsummieren. Typischerweise werden Finger 19, wenn sie nicht ausgeglichen sind, nicht in großem Maß von einer ausgeglichenen Konfiguration abweichen. Folglich wird die relative Differenz zwischen den Elementen von a klein sein und daher wird ein drittes Element die gewünschten Grenzen nach der ersten Iteration in Gleichung (8) selten überschreiten. Daher muss Schritt 116 nur einmal ausgeführt werden.
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

Verfahren zum Verteilen von Spannung auf n + 1 Sehnen eines sehnengetriebenen Fingers in einem Robotersystem, wobei der Finger durch n Freiheitsgrade gekennzeichnet ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung bestimmt werden; und ein Controller verwendet wird, um eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden eines Controllers, um eine Spannung automatisch zu verteilen, umfasst, dass eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten jedes einer Vielzahl von Gelenken des sehnengetriebenen Fingers unter Verwendung des Controllers berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die minimale funktionale Spannung größer als Null ist und wobei eine interne Spannung des sehnengetriebenen Fingers minimiert wird, indem sichergestellt wird, dass ein niedrigster zugeordneter Spannungswert gleich der minimalen funktionalen Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden eines Controllers zur automatischen Verteilung von Spannung umfasst, dass: eine Sehnenabbildung verwendet wird, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger abbilden.
Robotersystem, das umfasst: einen Roboter mit mindestens einem sehnengetriebenen Finger, der durch n Freiheitsgrade und n + 1 Sehnen gekennzeichnet ist; und einen Controller mit einem Algorithmus zum Steuern der n + 1 Sehnen; wobei der Algorithmus ausgelegt ist, um: eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung des sehnengetriebenen Fingers zu bestimmen; und eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen derart zu verteilen, dass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist.
Robotersystem nach Anspruch 5, wobei der Algorithmus ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch zu verteilen, indem: eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten von jedem einer Vielzahl von Gelenken des sehnengetriebenen Fingers berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden.
Robotersystem nach Anspruch 5, wobei der Controller eine Sehnenabbildung umfasst, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger abbilden, und wobei der Algorithmus ferner ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch unter Verwendung der Sehnenabbildung zu verteilen.
Controller für einen sehnengetriebenen Roboterfinger mit n Freiheitsgraden, wobei der sehnengetriebene Finger n + 1 Sehnen umfasst, wobei der Controller einen Algorithmus umfasst, der ausgelegt ist, um: eine maximale funktionale Spannung und eine minimale funktionale Spannung des sehnengetriebenen Fingers zu bestimmen; und eine Spannung automatisch auf die n + 1 Sehnen zu verteilen, sodass jeder Sehne ein Spannungswert zugeordnet wird, der kleiner als die maximale funktionale Spannung und größer oder gleich der minimalen funktionalen Spannung ist.
Controller nach Anspruch 8, wobei der Algorithmus ausgelegt ist, um eine Spannung automatisch zu verteilen, indem: eine lineare Skalierung von Gelenkmomenten jedes einer Vielzahl von Gelenken des sehnengetriebenen Fingers berechnet wird, um eine skalierte Lösung zu finden.
Controller nach Anspruch 8, wobei der Controller eine Sehnenabbildung umfasst, die Momentarmdaten enthält, welche Sehnenspannungen auf Gelenkmomente in dem sehnengetriebenen Finger abbilden, und wobei der Algorithmus ferner ausgelegt ist, um eine Spannung unter Verwendung der Sehnenabbildung automatisch zu verteilen.