機(jī)器人抓取自動(dòng)化控制軟件
2010/7/20 15:15:00
機(jī)器人抓取自動(dòng)化控制軟件
Energid Technologies Corporation, One Mifflin Place, Suite 400, Cambridge, MA 02138
聯(lián)系方式：李英，yl@energid.com, 網(wǎng)站：www.energid.com
為了使機(jī)器人專家容易掌握機(jī)器人抓取技術(shù)，Energid正在開發(fā)一個(gè)圖形用戶界面（GUI）的工具和可重復(fù)使用的軟件工具箱，該工具箱包括輕松地創(chuàng)作抓取和快速搜索抓取算法。該方法是通用的，可以應(yīng)用于任何機(jī)器人的手，所有類型機(jī)械臂和移動(dòng)式平臺。視覺，位置控制，力控制，避免碰撞算法，綜合自然地融入抓取過程中。成功的抓取和參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中供以后實(shí)時(shí)應(yīng)用。本文介紹了如何用Energid的系統(tǒng)軟件和方便的人機(jī)界面創(chuàng)作抓取動(dòng)作，用新的方式來約束機(jī)器人的手，和實(shí)時(shí)仿真的抓取的過程。特別強(qiáng)調(diào)的是，在創(chuàng)作抓取得過程中，整合使用了力的控制。力的控制包括各種控制算法，這些算法可適用于不同種類的力/力矩傳感器。特別強(qiáng)調(diào)的還有基于視覺的跟蹤，提供物體識別和從數(shù)據(jù)庫中抓取的自動(dòng)選擇。該視覺系統(tǒng)還提供3維跟蹤引導(dǎo)抓取的過程。模擬和硬件驗(yàn)證的研究使用的是Schunk的SDH的手和LWA手臂。
如圖1所示，Energid的軟件，針對特定的機(jī)器人手，任何種類的物體，用數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存抓取的算法。通過模擬的方法，可以容易地創(chuàng)建，編輯，模擬測試抓取的序列。這個(gè)模擬工具也包括了抓取力和位置的控制。所需的抓取力也可以通過圖形界面指定，編輯和測試。將成功的抓取路徑和力儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。抓取的動(dòng)作可以離線創(chuàng)作和編輯。當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)物體，類似的抓取可以根據(jù)物體的相似性，從數(shù)據(jù) 庫中進(jìn)行搜索。相似性度量可以根據(jù)物體的形狀，表面特性，鉸接運(yùn)動(dòng)學(xué)（有關(guān)節(jié)的物體）等等。我們已經(jīng)開發(fā)了一種，三維物體識別算法－－形狀匹配的算法。通過力的控制，機(jī)器人可以容納接觸位置誤差，實(shí)現(xiàn)兼容的抓取。視覺系統(tǒng)用于跟蹤物體的方位進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。整個(gè)抓取的系統(tǒng)可以通過模擬進(jìn)行測試，和編輯。
雖然許多技術(shù)已經(jīng)開發(fā)，其中大部分對用戶和機(jī)器人專家并不容易使用。一個(gè)通用的和可重復(fù)使用的機(jī)器人抓取工具是迫切需要的。我們工作正是為了滿足這種需求。我們一直專注于開發(fā)一個(gè)機(jī)器人的研究和最終用戶的工具。該工具可用于幾乎任何類型， 任何數(shù)目的機(jī)器人手，任何類型的機(jī)械臂，以及固定和移動(dòng)系統(tǒng)。它適應(yīng)不同的剛度和表面性質(zhì)不同的物體。
1:抓取系統(tǒng)簡圖
對于一個(gè)給定的物體，如果相應(yīng)的手爪的抓取動(dòng)作序列在數(shù)據(jù)庫中存在的話，類似的抓取很容易被搜索到。使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，抓取的軟件工具可以用于在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。該軟件包括一個(gè)用于仿真和實(shí)時(shí)硬件控制的圖形用戶界面GUI。該系統(tǒng)也可以和視覺系統(tǒng)整合跟蹤物體的位置，方向，和發(fā)音。該視覺系統(tǒng)利用Energid的Selection視覺工具包。 該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)利用Energid的機(jī)器人控制工具包Actin。
1.創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫
機(jī)器人抓取的數(shù)據(jù)庫的方法，適用于所有的類型的物體。通過圖形界面，用戶可以修改抓取的動(dòng)作和進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬。數(shù)據(jù)庫建成樹狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)物體的形狀，關(guān)節(jié)，軟硬程度，和表面特性等物體的特征用來搜索相似的物體及其抓取動(dòng)作。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一種特定的物體相似性的算法。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以執(zhí)行快速的計(jì)算，一旦理想的相似的物體被搜索到。可以略去下面的搜索計(jì)算。系統(tǒng)的輸入是一個(gè)物體的描述。輸出是抓取的路徑和力。該工具包支持力控制的整合，并且抓取的路徑和力可以通過Energid專利的運(yùn)動(dòng)控制和高逼真度的動(dòng)態(tài)仿真測試和改進(jìn)。
2.1 抓取的創(chuàng)作
抓取和操作的創(chuàng)作可以通過圖形界面移動(dòng)附加在機(jī)器手上的點(diǎn)和框架， 或改變關(guān)節(jié)的角度。 然后可以通過移動(dòng)手指尖接觸物體進(jìn)一步改進(jìn)抓取動(dòng)作。在創(chuàng)作過程中，會(huì)用到具體的手臂和手，或只有手。抓取的動(dòng)作序列的創(chuàng)作過程是視覺化的創(chuàng)作，編輯和記錄。 圖2所示的是使用抓取創(chuàng)作工具創(chuàng)作用Schunk公司的手臂和手抓取和操作一個(gè)杯子的序列。
2: 視覺化的創(chuàng)作用Schunk的手臂和手抓取一個(gè)杯子的動(dòng)作。抓取的動(dòng)作序列被顯示在這個(gè)工具的底部。
抓取創(chuàng)作工具按鍵功能分別如下：
1. 添加框架按鈕：把序列的每一幀作為機(jī)器人要經(jīng)過的點(diǎn)。
2. 更新框架按鈕：用戶可以通過移動(dòng)機(jī)器 人編輯抓取的每一幀。
3. 保存序列按鈕：用戶可以將抓取序列儲(chǔ)存 為日后的執(zhí)行文件。
4. 測試序列按鈕：執(zhí)行抓取動(dòng)作。
5. 清除序列按鈕：移除所有的抓取的幀，重新開始。
6. 編輯序列按鈕：啟用的抓取順序編輯功能。
抓取和操作工具的一個(gè)強(qiáng)大的功能是能夠儲(chǔ)存抓取動(dòng)作序列。手臂和手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以用Energid開發(fā)的Actin工具包來控制。和機(jī)器視覺軟件整合，機(jī)器視覺系統(tǒng)提供物體的方位給機(jī)器人，因此一套抓取動(dòng)作序列可以用于在一個(gè)較大范圍內(nèi)抓取物體。
這一創(chuàng)作靈巧的抓取工具，方便易用。用鼠標(biāo)和其他輸入設(shè)備移動(dòng)手和手指接觸物體，手的運(yùn)動(dòng)路徑可以記錄下來。然而，如果只用位置控制，不可能實(shí)現(xiàn)所有目的的抓取。因?yàn)楫?dāng)手指接觸物體的表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生不定的力。對于易碎的物體，手需要輕輕地和物體接觸， 因此需要如下面的所述力的控制的整合，
2.2 力控制
通過仿真測試和驗(yàn)證，進(jìn)行力的控制下的抓取和操作是這一抓取動(dòng)作設(shè)計(jì)的一個(gè)重要過程。適當(dāng)?shù)牧徒佑|路徑被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。力的控制系統(tǒng)通過圖形用戶界面（GUI），很容易配置，測試和編輯。
力的控制框架
力的控制 框架設(shè)計(jì)主要有以下要求：
· 必須能夠容納不同的力控制算法，并允許新的用戶定義的算法。
· 能夠容納不同類型的力量/力 矩傳感器。
· 必須適合模擬的和實(shí)際的機(jī)器人和傳感器。
· 必須很好地與位置控制框架整合。
3: 力的控制框架
力的控制框架支持位置為基礎(chǔ)的力控制（PBFC），也被稱作內(nèi)位置環(huán)力控制，即位置控制用來執(zhí)行力控制。PBFC 力控制不要求直接控制執(zhí)行器的扭矩， 因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。PBFC 力控制。如圖3所示， 外環(huán)的力通過調(diào)節(jié)器（Modifier）為內(nèi)環(huán)力控制提供參考位置。調(diào)節(jié)器用理想的力（Fd）和力反饋 (F) 修改理想的軌跡 (xd)， 然后傳遞指令位置(xc)給運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制器。算出關(guān)節(jié)
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