機器人抓取自動化控制軟件
2010/7/20 15:15:00
機器人抓取自動化控制軟件
Energid Technologies Corporation, One Mifflin Place, Suite 400, Cambridge, MA 02138
為了使機器人專家容易掌握機器人抓取技術，Energid正在開發一個圖形用戶界面（GUI）的工具和可重復使用的軟件工具箱，該工具箱包括輕松地創作抓取和快速搜索抓取算法。該方法是通用的，可以應用于任何機器人的手，所有類型機械臂和移動式平臺。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。成功的抓取和參數存儲在數據庫中供以后實時應用。本文介紹了如何用Energid的系統軟件和方便的人機界面創作抓取動作，用新的方式來約束機器人的手，和實時仿真的抓取的過程。特別強調的是，在創作抓取得過程中，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。特別強調的還有基于視覺的跟蹤，提供物體識別和從數據庫中抓取的自動選擇。該視覺系統還提供3維跟蹤引導抓取的過程。模擬和硬件驗證的研究使用的是Schunk的SDH的手和LWA手臂。
如圖1所示，Energid的軟件，針對特定的機器人手，任何種類的物體，用數據庫儲存抓取的算法。通過模擬的方法，可以容易地創建，編輯，模擬測試抓取的序列。這個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存到數據庫中。抓取的動作可以離線創作和編輯。當給機器人一個物體，類似的抓取可以根據物體的相似性，從數據 庫中進行搜索。相似性度量可以根據物體的形狀，表面特性，鉸接運動學（有關節的物體）等等。我們已經開發了一種，三維物體識別算法－－形狀匹配的算法。通過力的控制，機器人可以容納接觸位置誤差，實現兼容的抓取。視覺系統用于跟蹤物體的方位進行實時定位。整個抓取的系統可以通過模擬進行測試，和編輯。
雖然許多技術已經開發，其中大部分對用戶和機器人專家并不容易使用。一個通用的和可重復使用的機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一個機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， 任何數目的機器人手，任何類型的機械臂，以及固定和移動系統。它適應不同的剛度和表面性質不同的物體。
1:抓取系統簡圖
對于一個給定的物體，如果相應的手爪的抓取動作序列在數據庫中存在的話，類似的抓取很容易被搜索到。使用機器視覺系統，抓取的軟件工具可以用于在非結構化環境。該軟件包括一個用于仿真和實時硬件控制的圖形用戶界面GUI。該系統也可以和視覺系統整合跟蹤物體的位置，方向，和發音。該視覺系統利用Energid的Selection視覺工具包。 該運動控制系統利用Energid的機器人控制工具包Actin。
1.創建數據庫
機器人抓取的數據庫的方法，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作和進行準確的動態模擬。數據庫建成樹狀結構。根據物體的形狀，關節，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作。每一個節點包含一種特定的物體相似性的算法。每一個節點都可以執行快速的計算，一旦理想的相似的物體被搜索到。可以略去下面的搜索計算。系統的輸入是一個物體的描述。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專利的運動控制和高逼真度的動態仿真測試和改進。
2.1 抓取的創作
抓取和操作的創作可以通過圖形界面移動附加在機器手上的點和框架， 或改變關節的角度。 然后可以通過移動手指尖接觸物體進一步改進抓取動作。在創作過程中，會用到具體的手臂和手，或只有手。抓取的動作序列的創作過程是視覺化的創作，編輯和記錄。 圖2所示的是使用抓取創作工具創作用Schunk公司的手臂和手抓取和操作一個杯子的序列。
2: 視覺化的創作用Schunk的手臂和手抓取一個杯子的動作。抓取的動作序列被顯示在這個工具的底部。
抓取創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器人要經過的點。
2. 更新框架按鈕：用戶可以通過移動機器 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存 為日后的執行文件。
4. 測試序列按鈕：執行抓取動作。
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強大的功能是能夠儲存抓取動作序列。手臂和手的逆運動學可以用Energid開發的Actin工具包來控制。和機器視覺軟件整合，機器視覺系統提供物體的方位給機器人，因此一套抓取動作序列可以用于在一個較大范圍內抓取物體。
這一創作靈巧的抓取工具，方便易用。用鼠標和其他輸入設備移動手和手指接觸物體，手的運動路徑可以記錄下來。然而，如果只用位置控制，不可能實現所有目的的抓取。因為當手指接觸物體的表面時會產生不定的力。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
通過仿真測試和驗證，進行力的控制下的抓取和操作是這一抓取動作設計的一個重要過程。適當的力和接觸路徑被儲存在數據庫中。力的控制系統通過圖形用戶界面（GUI），很容易配置，測試和編輯。
力的控制框架
力的控制 框架設計主要有以下要求：
· 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際的機器人和傳感器。
· 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的力控制（PBFC），也被稱作內位置環力控制，即位置控制用來執行力控制。PBFC 力控制不要求直接控制執行器的扭矩， 因此被廣泛應用于工業機器人。PBFC 力控制。如圖3所示， 外環的力通過調節器（Modifier）為內環力控制提供參考位置。調節器用理想的力（Fd）和力反饋 (F) 修改理想的軌跡 (xd)， 然后傳遞指令位置(xc)給運動學的控制器。算出關節
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