针对卫星服务兼容机器人的行为

1介绍

空间机器人技术的操作一直是一个推动力。维护任务往往需要复杂的操作和实时适应性人类所擅长的。不幸的是,这些任务也使宇航员暴露在危险环境和浪费他们的极其宝贵的时间。理想情况下,机器人应该执行危险任务的监督下地面操作符。在实践中,传输延迟和干扰极其困难。一个健壮的和自适应的控制方案来克服这些挑战是必要的。

本文考虑的前提下的空间机器人监控从地球上执行必要的但有挑战性的任务。这些可以包括:充填和获取工具,执行peg-in-hole交配(或sleeve-on-peg)操作,执行snap-fit操作,捕捉一个浮动的物体,停泊捕获的对象,操纵铰链门/板,插入插头或交配连接器组装盖板和其他扩展对象。在这项研究中,假定操作员命令和反馈从远程机器人将经历可能很大延迟。我们的目的是评估“软流动”的使用作为一种适用于上述操作实现机器人的行为。此外,监控界面可操作符应该简单,自然和有效的。

在地面应用程序、安全、效率和协同能力通常可以通过配对与机器人人类操作员。能力通常可以增加紧密耦合远程任务操作员的操作和感官。例如,在第一个视图(废票)无人驾驶赛车,经营者戴着护目镜,流直接从无人机视频直播与眼睛的关系。这有助于让操作员;让他们觉得他们是驾驶无人机从驾驶舱。结合模拟远程控制器上的操纵杆,废票允许操作员快速反应障碍和自然适应变量风力条件(收,2022)。

不幸的是,在很多情况下融入式远程监控是不切实际的,甚至适得其反。之间如果延迟执行一个操作和观察结果的1次方秒,操作员可体验到恶心Stauffert et al。(2020)。大量的时间延迟也有可能导致不稳定柯里和孔雀(2002)。当操作员执行一个动作,不立即看到结果,他们可能会夸大他们的输入来弥补没有反应。经验丰富的操作符通常可以学会适应大量延误,但这是有代价的速度和效率。与大的延迟,运营商被迫一个任务分解成一组小运动被暂停。任务完成时间线性增长延迟法瑞尔(1965)。

为了解决这些问题,法瑞尔和谢里丹(1967)介绍了监控。而不是依靠人类操作员反应和运动技能的实时控制,远程机器人操作相对自治的最低水平和响应高级指令从人类“主管”。对于鲁棒性,远程计算机应该能够安全地处理可能出现的任何意外事故而无需人工干预。这可能意味着,远程计算机只能处理相对较短的运动。效率和速度,然而,人类操作员干预应该尽可能经常。对于一个给定的任务和延迟,存在一个相对甜点来平衡人类控制的水平与自主权。与一个更健壮的和独立自主子系统,需要人工干预少,可以更快地完成任务。

即使在地面应用程序没有传输延迟、监控可以是非常有用的。身临其境的网真系统是昂贵和复杂,监控大大促进操作任务,否则需要极其复杂和精确的命令。例如,研究人员在2015年DARPA操纵机器人挑战发现监控是必不可少的任务。对于已知的操作任务,如将阀(纽曼et al ., 2014)和穿过一堵墙(Chong et al ., 2015),这是更可靠和更快的操作员启动预定义的技能,而不是直接的精细运动运动。

为了实现鲁棒性,机器人应该能够应对它的实时情况。最重要的事件之一是接触。如果机器人使接触的环境,无法调整其运动响应,它可以很容易地破坏本身或其环境。最简单的方法之一,一个机器人可以应对接触是“谨慎的举动。“看守下移动机器人进行运动,直到接触力超过某个阈值,此时运动终止。许多工业机器人有这种功能构建到他们的控制器在一个非常低的水平,并将关闭如果驱动器电流过高。谨慎是很安全,自己也很少接触后继续任务。

一个更有效的方法是动态调整的运动反应部队。这是表面上类似于人类使用触感来完成操作任务(Flash和霍根,1985年;罗森鲍姆,2010;Enoka Duchateau, 2017)。当机器人这样做时,它通常属于兼容的伞运动控制(也称为“力的控制”)。

很多研究工作已在过去的50年里致力于设计顺应运动与力反馈控制器。机器人控制等设计的挑战包括延迟、链接和传输的灵活性,和伺服控制器带宽。这些问题是加剧了在太空机器人,因为他们通常必须轻(因此更灵活),和space-rated计算组件更强大的比国内电子元器件(因此加剧控制器带宽限制)。

虽然这些都是重大的挑战,他们在这里并没有涉及。相反,本课程始于一个可行的顺应运动控制器的假设,而是专注于下一层compliantly-controlled abstraction-manipulation行为通过监督控制的机器人。在我们的实验中,我们使用一种“导纳控制”(类似于阻抗控制)。准入控制是一种柔性机器人的运动控制是驱动的行为定义的机械导纳(机械阻抗的倒数)。理想情况下,一个导纳控制器应该最大化的运动响应一个作用力,同时维持稳定。这是特别有用的人机交互,因为它允许机器人很容易应用控制的力量Keemink et al。(2018)。控制器可以用于被动地与环境交互,保证稳定性Dohring和纽曼(2003)。这是空间应用程序非常有用,因为不稳定可能导致不可恢复的损害设备在轨道上。重要的是,使用一个导纳控制器提供实现虚拟流动和虚拟扳手,本研究决定。

使用顺应运动控制和软流动提供了安全、温和的互动的机会。鉴于这样一个潜在的系统,考虑的是下一层的抽象,应该如何合规参数(刚度、阻尼)和柔软的吸引子轨迹生成执行有用的任务吗?帮助应对这一挑战,提出了三参数化的“行为”,这些行为都证明是有效地执行各种交互任务。这些行为可以调用监控下增量。此外,他们构成有效的构建块构造状态机,实现更高水平的自主权。

行为曾装配任务在过去取得了极佳的效果。行为之上的运动控制器特别成功(纽曼et al ., 2006)。在我们的研究中,我们总结出各种兼容行为为更小但仍然非常强大的组的行为。

2方法

2.1概述

机器人的控制体系结构是由几层增加抽象。在最低层,机器人关节速度由高速伺服控制回路。指定的关节速度是一个导纳控制器下一层。导纳控制器从传感器接收力输入串联机器人的工具法兰和虚拟力计算的虚拟吸引子。这个虚拟的姿势吸引子是由各种行为原语将吸引子的方式定义的一些参数。一旦越过一个力阈值或达到所需的姿势,行为终止并返回一个退出条件。在最高一层,一个操作员或自动状态机选择行为原语和适当的参数。hlThe运营商选择这些行为原语之间使用一个图形用户界面(GUI)鼠标和键盘。虽然操纵杆或其他模拟运动控制是有用的在生活环境中,我们的行为意味着相对缓慢的健壮的性质,单击控制兼容的监督控制是完全足够的。用户界面的屏幕截图中可以看到图1。在一个状态机的情况下,随后返回的状态取决于出口条件的行为。行为原语按顺序执行,直到任务完成。此体系结构了图2一个。

2.1.1导纳控制和虚拟吸引子

导纳控制器的目标是通过虚拟动力学环境力量“承认”。在我们的实现中,这是通过使用一个“虚拟吸引子。”

虚拟流动得到了霍根的概念,基于理论和实验感觉运动控制在灵长类动物(见,例如,霍奇森和霍根(2000),霍奇森和霍根(1992))。这项工作启发研究者的上下文中使用虚拟流动机器人控制机械装配和力敏互动任务(见例如,纽曼et al . 124 (2003))。

吸引子包含所需的虚拟刚度的一起构成一个矩阵。吸引子是连接到机器人通过“虚拟弹簧”在“交互,港”,这是最方便的框架force-torque传感器,如所示图2 b。在一起,这些都是用于生成虚拟力量与力量的竞争force-torque传感器。

虽然有很多admittance-control实现变化,下面的方法用于实验报告如下。它是高度相关的控制器所描述的枫树和贝克(1986)和被动分析描述Balajepalli (2020)。

在上面的,w_{英国《金融时报》}是由环境施加的力/力矩扳手机器人的交互端口。这被认为是相同的力/力矩测量。条款 ${\tilde{\mathbf{w}}}_{ft,K}$ 和 ${\tilde{\mathbf{w}}}_{ft,B}$ 是虚拟扳手,计算基于虚拟刚度和虚拟阻尼分配的(理想)的交互端口。虚拟扳手由于虚拟弹簧天平与虚拟吸引子之间的伸展姿势每轨迹生成的特定任务(定义)和港口的实际构成交互(通过正运动学实时计算)。由于阻尼尺度虚拟扳手的转折(6自由度速度)交互端口,t_{英国《金融时报》},这个量也实时计算基于测量关节速度和机器人的雅克比矩阵。合规控制器(实现)试图实现旋转向量t_{英国《金融时报》,des}这是符合定义的物理和虚拟交互扳手。这是通过不断验算t_{英国《金融时报》,des}和使用解决运动控制器(使用雅可比矩阵的逆)将这个工作空间速度转换为联合发送给机器人内部伺服运动。这个子系统示意图所示图2 c。

这种控制方案是有用的机器人运动在空间通畅时,当执行任务。在自由空间中,机器人只会遵循虚拟尽快吸引子B_des允许。这消除了需要小心二阶轨迹规划,随着阻尼将确保机器人永远不会太快。联系,机器人仍然试图按照位置命令,但它永远不会允许接触力太高了。必要时,更高的力量可以很容易通过简单的吸引子远在所需的方向上移动。

2.2行为

不管具体的顺应运动控制器实现,目的是提供一个基础执行互动任务,必须施加接触扳手,监管和解释。利用一个底层顺应运动控制器,随后的抽象层可以定义,形容这里的“行为”。

行为是一个机器人可以执行的行动没有操作员干预。简单的行为可以非常可靠和健壮的,这些行为可以直接调用,在监控下,或者在状态机链接在一起来创建高水平的自主权。

我们发现了三个具体的行为,相当有能力和灵活的。它将表明,这三种行为可以被利用来执行各种各样的操作任务而表现出显著的鲁棒性。这三种行为进行了优化和广义版本的描述Haberbusch (2020),能够用更少的步骤执行相同的功能。这简化了遥操作和状态机的设计。

2.2.1 PTWL

PTWL生成运动吸引子是一个简单的方案。PTWL被定义为少数几个参数:1)所需的位移的吸引子,2)吸引子的持续时间移动,3)力/力矩阈值,4)一个姿势宽容,5)刚度矩阵、阻尼矩阵,和7)看门狗定时器。一旦PTWL开始,吸引子是在一个恒定的速度移向所需的姿势在指定的时间内。这将继续下去,直到达到所需的姿势在宽容,或力/力矩超过阈值,或看门狗定时器耗尽。一旦任何退出条件得到满足,吸引子立即冻结,保持静止,直到另一个命令。

一般来说,所有这些参数保持不变对于一个给定的任务,除了所需的位移。这使得运营商关注策划所需的机械臂的运动完成这个任务。PTWL提供了非常直观的控制位置和力量。这允许它适用于范围广泛的操作任务,包括精细控制力量和运动。

2.2.2 RWE

的行为“莱茵集团”,“重置扳手平衡”,将吸引子与港重合的交互。因此,虚拟扳手(刚度和阻尼)定义设置为0,,只有感觉(身体)扳手有助于所需的转折。通过合规所需的转折,控制器,收敛于零接触扳手驱动为零。这使接触力没有明显改变机器人位姿。RWE PTWL之间移动很有用,特别是如果力/力矩的行动终止阈值。如果PTWL没有RWE操作员或使用状态机,它可以卡住每次力阈值了。RWE允许运营商轻松缓解接触的努力没有大幅移动机器人末端执行器。

2.2.3发抖

在一些实验中,一些吸引子序列运动往往会多次出现在不同的上下文中。这些序列提供足够的工具来保证自己的单独行为。一个例子是“抖动”,吸引子的振荡,同时在指定的方向移动,通常为了摆脱一个卡的位置。犹豫不决是特别有用的紧密度容限sleeve-on-peg任务,下面描述,任何偏差都可能导致套管变成住在的地方。为了驱逐,袖子需要搬到一个特定的方向取决于确切的方式提出。RWE往往是不够的,因为它只会把吸引子,直到部队正在减少,这并不一定解决这个问题。然而,犹豫不决,摆动吸引四面八方,直到找到正确的试验和错误。

创建几个高频振动模式来处理各种情况下他们发现有用的。这些分为扭转和平移抖动模式。在扭转模式下,吸引子指定轴的旋转,同时保持它的起源在轴上。在平移模式下,吸引子的方向是固定的,而它的起源是拖在圈子里指定的轴。这两个模式进一步划分为推拉模式,吸引子的要么是沿着指定轴向前或向后移动。与其他行为原语,抖动模式可以被激活的自由裁量权人类操作员或可以通过一个特定的接触触发事件在一个状态机。

2.3任务

空间机器人技术的一个潜在的应用就是延长生命现有卫星的捕获和加油。这个操作需要几个不同的阶段。首先,在捕获阶段的机器人必须解决卫星。面临被动态互动,还需要机器视觉或其他形式的跟踪Strube et al。(2012)。导纳控制提出了和测试作为机器人卫星捕捉到一个适当的控制方案吴et al。(2017)。捕获的效果我们的控制器是目前实验测试与空气轴承三自由度(x - y平移和z旋转)的零重力模拟。

卫星捕获后,它必须停泊。这包括操纵卫星的位置,这样它可以被固定在地方举行的帖子在维修车辆。一旦成功地停泊,维修阶段就可以开始了。这可能涉及到多个服务的任务,如切割、加油、交流的工具。

对于每一个任务,在实验室里创建一个地面模拟环境大致模拟涉及的几何和力量。这是一个有效的测试方法,尽管实验室之间的内在差异和空间环境和在许多方面优于纯虚拟仿真(佳丽et al ., 2014)。陆地的任务进行模拟,以确定合适的参数和控制策略。这些类似物都是3 d印刷使用解放军和/或使用常见的材料建造。对于那些复制设置感兴趣,为3 d CAD文件印刷部分可以发现(阮,2021)。用于实验的机器人是一个由ABB IRB120制造。

其他空间机器人应用程序涉及到各种各样的的不可预见的操作。预计PTWL这里开发和兼容的行为足够多用途解决几乎任何静态操作任务。为了说明这一点,几个任务,可能是有用的维修、组装或制造进行了测试。

2.3.1停泊

正如上面所讨论的,停泊涉及操纵卫星送入一个特定的位置,这样就可以在服务的地方。对于地面实验,6-degree-of-freedom卫星建模用三自由度平面空气轴承。轴承固定在一个细长的雪橇和权重分布,转动惯量大,重心明显抵消从交互的港口,作为机器人外部可能会是这样的一个大型卫星公共汽车。

空气轴承是从头构建使用3 d印刷贝壳和多孔石墨妖精以类似的方式(Preiss 2019),是由一个60 psi压缩氮气槽。雪橇和控制是由铝和木材使用手工具。

三自由度仿真的有效载荷是操纵结合两个职位。机器人控制载荷的处理使用气动三爪卡盘,限制了所有三个自由度的有效载荷。这些组件标签图3一。此外,虚拟刚度吸引子将接近于零的自由度受到飞机(z,ϕ_x和ϕ_y)。这可能会引起的问题,减轻了轻微错位的机器人基础载荷(模拟卫星)平面,如取消或倾斜。

实验,机器人控制增量的监督下命令来实现停泊,从而证明泊位通过之前开发兼容的行为是完全可以实现的,PTWL和RWE。这个过程中说明了图3 c(红绿轴代表虚拟吸引子)的位置。卫星大约与停泊的帖子1),虚拟吸引子是走向和过去的帖子,直到卫星联系和压在他们2)。由于最初的定位是不完美的,这一步通常离开了卫星倾斜,与一个夹触摸一个帖子和其他帖子只是触摸身体的卫星2)。看着相机视图中,可以看到这篇文章是在接触,在哪个方向移动卫星正确对齐。为了校正,RWE首次对消除接触力。随后,吸引子是流离失所的诱导侧漏同时仍然保持在适当的方向向前压3)。最后,一旦第二篇文章与第二夹,向前移位(积极的吸引子y方向),吸引卫星停泊姿势,满足多个物理约束。

任务被证明可能监督控制后,状态机设计自动执行的任务。状态机所使用的过程非常类似于人类使用的操作符,但是略微修改唯一依赖力反馈没有补充视觉线索。具体地说,系统需要确定负载是否与职位,如果不是,在哪个方向它需要移动到正确对齐。

这个决心可以用扭矩测量在步骤1.5图3 b。如果卫星是错位的第一次接触发生时,机器人就会测量大量扭矩。如果这个扭矩是正的,那么它需要移动正x方向的正确对齐。相反,如果扭矩是负的(图中),那么负载需要- x方向移动(图中右边)。

这个扭矩测量后,机器人可以继续奋力向前,直到帖子都压在卫星(步骤2)。接下来,机器人幻灯片的卫星的方向由转矩测量在步骤1.5。同时,它继续向前应用压力,以及轻微的扭矩为了保持接触这两个帖子。一旦环接触第二个帖子(步骤3),卫星水平对齐和停泊可以通过简单地完成紧迫的前进。图3 c是这个算法流程图总结。在流程图中,τ_z转矩的吗z轴,F_x力沿着吗x轴,F_打接触力阈值参数,(这些实验15 n)和τ_打是接触扭矩阈值。PTWL(x,y,z,ϕ_x,ϕ_y,ϕ_z)取代指定的端口交互的虚拟吸引子维度。RWE移动吸引子回港的交互,消除接触力。这个状态机是能够成功地甚至持续泊位卫星存在显著的扰动。

2.3.2工具交流

积载湾(见图4)是一个设备工具的变化。这个海湾在SolidWorks设计全阮从解放军和3 d打印。多个海湾可能用于存储额外的工具,然后可以检索和收藏的机器人。积载湾有一组三个锁由弹簧关闭举行。每个锁着一条腿的工具来保护它。为了装载工具,机器人解锁湾底部工具在其室,然后锁前湾再次释放的工具。检索,海湾必须解锁,然后从海湾的工具。可以看到演示的积载波克(2021 d)和检索波克(2021 c)。

这个任务有元素的扳手限制PTWL将协助在决定是否湾是完全解锁。使用合规协助工具的校准,保证正确的方向和适合海湾。

PTWL和RWE行为被发现适合监控工具的变化。重要的是,这些行为被发现适合于构建一个状态机自动工具的变化。因为工具的变化可以频繁的操作,自动工具改变尤其有吸引力。使用这个状态机,检索和充填过程的工具可以用按的按钮。这种自动化被用来成功地完成100年连续试验的检索和积载没有一个失败,证明的健壮性和可靠性的状态机和行为是由(波克,2022)。

2.3.3工具检索

完成一个工具检索需要几个步骤。首先,机器人必须底部接触工具之前抓手抓取工具。一旦该工具已经被保护,积载湾锁之前必须旋转打开提取工具。任务完成后删除工具装载湾。遵循这些步骤,操作员在每个试验取得成功,包括例长时间通信延迟。

一个注释的示例工具检索中可以看到图5图上的每个转折点,标签。测试结果中可以看到表1在下面。

可以看到一些相对较大的力和力矩在检索工具。这是由气动夹具的影响当工具存储在积载湾。爪是连接到一个空气供给70 psi,夹持动作迅速。由于不完美的爪和负载之间的对齐,大部队/爪驱动扭矩可以快速生成。与机器人位置控制下,这些努力可能是大的和持续的。下的运动控制,机器人本身执行罚款调整减少接触力。爪后,RWE行为用于精细调整吸引子的位置,进一步消除部队。

自工具装载设备在一个已知的、可重复的姿势对机器人基地,机器人可以吩咐一个相当精确的掌握使用位置控制构成。然而,即使一个精确的方法是不足以保证低爪时相互作用力驱动(形成闭链约束)。为了解决这个问题,机器人首先发送给一个精确的把握姿势,那么它的控制器切换到兼容运动前与爪。这从位置控制过渡到顺应运动控制是“无扰”的方式通过设置吸引子构成等于机器人的姿势。(无扰的过渡也采用机器人接触零部队时,需要计算的初始吸引子位移远离机器人的当前姿态)。

通过使合规与夹之前,系统能够做出反应和调整的一些负载,与任何剩余负荷减少一次RWE的工具是安全的。通过实验,本系列的命令的频率大大降低紧急关闭机器人由于负载过高,以及降低系统的最大负载。

在监控下,PTWL被发现是最常用的行为工具检索试验。RWE调用时由于扳手违反行为终止。

PTWL允许大型命令的功能是发布安全,减少行为的总数必须完成检索工具。当移动机器人接触的工具方法构成,一个大型虚拟吸引子位移命令将保证接触而扳手限制将确保负载在操作范围内。同样适用于旋转打开积载。运营商变得更精通这项任务随着时间的推移,和观察人类熟练的使用这些行为通知自治状态机的设计工具的变化。

2.3.4工具装载

工具装载任务比工具检索更复杂,因为它需要更多的命令来完成这个任务。工具装载需要接触的上停止装载湾,旋转锁打开,在积载湾触底,然后充填工具旋转锁关闭。然后夹释放工具离开前海湾地区。任务是完成当工具完全收藏在积载湾和锁都关得紧紧的。每个试验都成功地完成了监控下使用PTWL和RWE,与审判的一个例子图6。这些试验的结果中可以看到表2在下面。

积载的试验工具进行结合的检索工具,因为这些任务是互补的。到对应的任务工具检索相比,最大力量和扭矩工具装载期间小。工具装载不涉及瞬时从钳子扳手驱动。相反,该工具已经抓住之前与装载湾交互。

的试验工具装载主管控制与低延迟、PTWL独家使用。显著延迟添加时,使用RWE是必要的。类似工具检索行为能够连续使用和状态机是基于训练有素的操作员使用的步骤完成这个任务。PTWL允许更少的命令的功能和更大的运动,有一个命令所需的每一步的过程。RWE的行为是安全的和可靠的,很少需要减少力量的限制PTWL保持系统所需的操作范围内。

2.3.5袖钉上

的配件一套简单的任务挂钩的逆常见peg-in-hole任务。sleeve-on-peg任务增加了一些额外的复杂性,peg-in-hole任务可能没有东西可以按内部或外部套管的工具。此外,这个任务是一个抽象的其他有用的任务,就像在螺栓装配工具删除它或附加在喷油器喷嘴。这个抽象的任务可能需要频繁的各种任务,从而创建一个非常紧密的间隙是故意挑战为了显示兼容的行为的有效性。铝衬套的外径2”和内部直径1.0035”。钢钉板有一系列不同的挂钩,为0.5”,0.75”,最后1”见挂钩图7。间隙较大的挂钩与监控和PTWL容易处理。最大的困难给出的低级别的挂钩,因此这种情况下探索更充分。这间隙实施严格的方位限制,因为工具是容易受到干扰。盯住美元的做法是一种安装在装载工具,它添加了一个额外的一层困难,因为这延长了抓住套筒进一步从机器人的手腕。

sleeve-on-peg任务是最苛刻的任务了。严格审查,如果有即使是很小的偏差的插入轴,套筒将果酱挂钩。尽管如此,兼容的行为通常能顺利插入袖钉只有一个命令。试验中可以看到一个示例图8,只有两个命令是必需的。试验的结果表3在下面。监控只使用三个描述行为是成功的低和高通信延迟。

试图插入一个有意的偏差时,套管本身常常变得堵塞,会违反与每个PTWL扳手限制。当使用一个RWE,负载将会减少,但干扰后仍会出现PTWL被送。这不管发生了新的命令。在这些情况下,犹豫不决是有用的进一步插入或收回并尝试重新插入新的结盟。

RWE的变化被发现是有用的:一些互动的努力可能被保留,其余组件被扑灭。这种变化可以被使用,例如,维持一个插拔力,同时减轻负载。

2.3.6快速断开连接

在这个任务中,气动快式耦合操作(snap-fit插入)。插入快式耦合有一些属性类似于普通peg-in-hole任务,与添加的复杂性要求最少的插拔力。这个例子中耦合是一个传统的设备常用的气动和液压系统。通过安装两个耦合组件之一,这个任务可以完成手动单手,或与单个机器人机械臂。男性部分,抓住的机器人,必须插入到插座,最低25和30 N之间正确连接。这些部分可能出现图9。这对一个方位限制,连接部分的插拔力要求。

足够精确的初始对准,单个PTWL命令通常成功地执行任务。试图插入一个有意的偏差时,套管本身常常变得堵塞,会违反与每个PTWL扳手限制。当使用一个RWE,负载将会减少,但干扰后仍会出现PTWL被送。这不管发生了新的命令。在这些情况下,犹豫不决是必要进一步插入或收回并尝试重新插入新的结盟。RWE和插拔力保存还发现是有益的。

2.3.7插头插入

这个任务涉及美国插座插头插入标准的监控之下。这个例子是代表一个共同的需要进行连接,同时也方便熟悉作为一个手动操作所需的对齐和努力。也相对容易的机器人位置控制下如果出口的确切位置。没有这些信息,但是,它对机器人很容易错过出口并生成大的接触力。这些接触力可以大大减少使用监控与底层顺应运动控制。首先,运营商基本一致的插头插座,并朝着表面。一旦接触了,运营商可以清楚地看到向洞的方向偏移。大约这个方向移动的插座,同时保持向下的力,直到达到洞,此时可以插入插头。

发现此处展示的行为足以执行该任务监控下使用柔软的吸引子。首先,吸引子放置插座表面以下的地方,直到接触检测。下一个吸引子搬到仅略低于表面(保持适度接触力)和翻译的方向出口,直到力量y方向穿过联系阈值。然后吸引子可以放置深入套接字,拉塞到订婚。

图10说明了插头插入的步骤。上部轴代表港的交互和较低的轴是吸引子的姿势。这个过程是极其宽容的空间误差和时间不精确,因为任务的不同阶段由离散事件的联系。图10 b插头插入过程中显示了一个屏幕截图了。

2.3.8关紧的门打开和关闭

对于这个任务,模拟的一个小门的报道完全是捏造事实组成的内阁铰链,胶合板,门,门闩。打开门,机器人必须抓住门把手,转动手柄,去了门闩,雪花飘飘,然后翻译,通过围绕弧门铰链轴旋转。把门关上是相似的,但是在逆转。这个任务是代表kinematically-constrained操纵任务。

就像插头,这个任务可以在严格的位置控制,只要铰链和锁的几何精确已知。这个任务将另外需要精确的非线性轨迹的生成,特别是爪运动精确的6自由度空间圆弧。任何错误都会导致力/力矩的交互变得过度。根据合规,任务大大简化和直观。机器人操作符必须只知道大致方向的门把手,门铰链。手柄可以被强加了一个柔软的吸引子的转动位移。随后,门可以打开设置所有虚拟平移刚度接近零,然后施加一个吸引子旋转大致平行于门铰链。

图11说明了这一战略。左轴在每一步是吸引子和一个机器人交互的港口。自从平动刚度几乎为零,机器人适应与翻译是必要的,以减少交互工作。因此,机器人符合铰链的运动学约束而打开了大门。

门的快照机器人执行任务所示图11 b。

2.3.9宽,浅盖安装

这个任务涉及广泛的磁盘集中到一个洞,模拟把锅上盖上盖子。虽然在原则上sleeve-on-peg类似任务,这是完全不同的。在sleeve-on-peg任务,最大的挑战是实现正确的垂直方向,防止堵塞。在平底锅的任务,水平位置更重要。

在图12的外半径较小的盖子r₁和内半径较大的平底锅嘴唇r₂被夸大了显示轻微失调的结果。在这个实验中,盖子应该适合在平底锅上的唇。盖的外半径r₁平底锅内半径的唇r₂。如果偏移量d中心的盖子与锅之间小于r₂- - - - - -r₁,那么盖子可以插入垂直向下没有任何调整。否则,盖子将在两点的时候联系唇压下降。如果d小于 $d_{米\mathrm{一个}x}=\sqrt{(r_{22}-r_{12})}$ ,然后会产生一个扭矩轴穿过这两点,导致盖倾斜向中心。这个可以测量倾斜和用于计算的方向偏移量。如果d大于d_马克斯,那么不会产生转矩垂直接触力,因为盖子的中心外的轴通过接触点,并将压扁的嘴唇。

创建一个状态机将盖子盖上锅后内保持一致d_马克斯。首先,吸引子是移过去的唇盘,导致盖接触嘴唇和略有倾斜。当时吸引子的方向倾斜,滑盘的中心,直到发现横向联系与对方的嘴唇。这种接触后,吸引子是重置为水平和按向下直到盖子水平和坚定。图12 b说明了盖子安装过程中的步骤。同样,这里展示的简单行为足以强劲执行该任务,监督控制还是自主通过一个状态机。

2.3.10套筒扳手插入

最后一项任务这里介绍消费者使用套筒扳手换刀系统组成的柄和插座,如所示图13。柄由square-keyed轴弹簧球棘爪,套接字是一个交配的方孔。没有棘爪,任务是equivalend方形钉在方孔插入任务。挂钩插入一个洞时紧公差,略有偏差可以产生接触力,往往会放大原始失调,直到挂钩卡住了。在波(2022),这是证明一个sleeve-on-peg任务可以执行远程中心没有任何合规通过应用犹豫不决(小横向扰动)时发生堵塞,以减轻摩擦。

即使在完美对齐,柄插入时,球将套接字的边缘接触。垂直接触力主导这种交互。因为它是抵消轴的作用力,一会儿是诱导,倾斜整个柄(图中顺时针方向),直到它是卡住了。由于制动在柄上的位置是预先知道,这种干扰是可以预测的,可以缓解每次都以同样的方式,不加区分地抖动不必要的。

通过倾斜柄(图中逆时针),球制动可以沮丧。一旦沮丧,唯一的垂直力抗插入来自摩擦,和向下插入就变得微不足道了。

再一次,这才发现这个操作可以执行使用这里提供的简单行为。

3结论

这些实验表明,这三种简单而强大的行为满足各种静态任务,甚至一些动态的任务(例如,泊位)。相比之下更直接的实现力控制或遥控操作,观察PTWL能够执行各种操作任务安全、强劲,内部监督控制和自治的状态机。这些技术将使机器人能够有效地达到要求的任务目标服务,装配和制造在严酷的环境下,通信延迟和中断。

它是未知的额外的低级,顺应运动行为可能有价值的监控或自主操作涉及操纵任务。目前,这里所描述的三个行为被发现是非常能干,多才多艺。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入号码可以找到(s)如下:https://www.youtube.com/watch?v=ALYjr_WGz7M&list=PLxDJ3XzZwbw3KdwHAJfbJLMin-bL7g0VXl。

作者的贡献

这项工作由作者进行协作,JC, RP, WN凯斯西储大学。所有作者的文章和批准提交的版本。

确认

这项工作建立在之前的努力前CWRU研究生马特Haberbusch和Surag Balajepalli。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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