[發(fā)明專利]機(jī)器人系統(tǒng)及其任務(wù)規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310613292.1
• 申請日: 2013-11-27
• 公開（公告）號: CN104049573B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S.W.哈特;J.D.亞莫科斯基;B.J.懷特曼;D.P.戴恩;D.R.古丁
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司;美國國家航空和宇宙航行局
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所11105
• 代理人: 王景剛

關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明在美國航空航天局太空行動協(xié)議第SAA-AT-07-003號下由政府支持進(jìn)行。美國政府可能擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及用于自動機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃的系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種可用于這種任務(wù)規(guī)劃的具有可擴(kuò)展的編程環(huán)境的機(jī)器人任務(wù)指揮器(commander)。

背景技術(shù)

機(jī)器人是能夠使用一系列機(jī)械鏈接來操縱物件的自動化裝置。這些鏈接經(jīng)由電機(jī)/致動器驅(qū)動的機(jī)器人關(guān)節(jié)而互相連接。典型機(jī)器人中的每個關(guān)節(jié)代表一種獨(dú)立的控制變量，即自由度。末端執(zhí)行器是位于機(jī)器人機(jī)械手末端的特殊裝置，機(jī)械手用于執(zhí)行手邊的任務(wù)，比如抓住工作工具或捕捉物件的3D圖像。因此，對機(jī)器人的精確控制可由任務(wù)規(guī)格的級別統(tǒng)籌：物件級控制(即控制由機(jī)器人的單個或協(xié)作抓握而保持的物件的行為的能力)、末端執(zhí)行器控制和關(guān)節(jié)級控制。總的來說，各種控制級別協(xié)作以獲得機(jī)器人移動性、靈活性和與工作任務(wù)相關(guān)的功能性的所需水平。

機(jī)器人的復(fù)雜性從常規(guī)的3軸或6軸機(jī)器人手臂變化至高度復(fù)雜的仿人機(jī)器人，即具有類人結(jié)構(gòu)或外形的機(jī)器人，不論是否作為完整本體、軀干和/或附屬物。仿人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性主要取決于所執(zhí)行的工作任務(wù)的性質(zhì)。通常，每個機(jī)器人具有其自身專用的編程環(huán)境，其中，專家用戶根據(jù)特殊的任務(wù)序列對必須執(zhí)行的各種任務(wù)編程。然后編譯程序碼，每當(dāng)新的外圍裝置和其它硬件元件添加到機(jī)器人時，重寫通信協(xié)議。結(jié)果，某些任務(wù)編程效率底下可能存在于本領(lǐng)域中，尤其存在于利用不同設(shè)計和/或相對復(fù)雜性差異懸殊的機(jī)器人的大網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容

本文公開了一種系統(tǒng)，其包括機(jī)器人任務(wù)指揮器(RTC)。RTC旨在用于開發(fā)分布式機(jī)器人應(yīng)用級軟件，即并非實時關(guān)鍵的軟件，如在本領(lǐng)域中眾所周知的那樣。RTC可體現(xiàn)為在一個或多個計算機(jī)裝置上運(yùn)行的一組程序，包括具有圖形用戶界面(GUI)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)和構(gòu)造成充當(dāng)相應(yīng)腳本引擎的一個或多個程序。GUI用作RTC的圖形“前端”，允許專家或非專家用戶以直觀的方式與腳本引擎配合。GUI還使用戶能夠觀察運(yùn)行時間診斷信息，以構(gòu)成可存儲在存儲器中并經(jīng)由圖形文件瀏覽器可訪問的新腳本，以及將作為“代碼庫塊”的這種存儲的腳本“拖放”進(jìn)新序列中。任務(wù)序列同樣存儲在存儲器中，用于在附加序列中作為“任務(wù)序列塊”分等級地再次使用。

GUI允許用戶將作為“應(yīng)用”的任務(wù)序列塊配置給腳本引擎。反過來，腳本引擎充當(dāng)RTC的計算“后端”。應(yīng)用內(nèi)的子塊可分配給特定的腳本引擎，該特定的腳本引擎必須隨后以指定的順序解譯和執(zhí)行這些特定塊。因此，腳本引擎在系統(tǒng)內(nèi)用于將程序序列數(shù)據(jù)傳輸給其它腳本引擎，以及用于將診斷反饋傳送給GUI。如本文中使用的診斷反饋可采取兩種形式：GUI中的文字窗口和“塊高亮”，使得當(dāng)應(yīng)用被配置給腳本引擎時，GUI中的相應(yīng)塊可變成不同的顏色，例如，綠色指示正常執(zhí)行，紅色指示錯誤或故障等。

使用如本文所公開的RTC便于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行自動化機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃，其中，一個或多個機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層(NTL)由多個計算裝置控制。RTC設(shè)計成支持多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)、ZeroMQ、TCP/IP、UDP等，以實施不同腳本引擎、RTC GUI和一個或多個機(jī)器人/外圍裝置之間的網(wǎng)絡(luò)通信，而不會獨(dú)屬于任何特定協(xié)議。因為應(yīng)用可包括通過使用這些協(xié)議而分布在多個腳本引擎的寬網(wǎng)絡(luò)上的多個塊的任務(wù)序列，所以可能存在網(wǎng)絡(luò)延遲。然而，這種延遲在RTC的預(yù)期應(yīng)用級軟件開發(fā)作用的范圍內(nèi)是完全可以接受的。

RTC所使用的腳本引擎可位于網(wǎng)絡(luò)上的不同計算機(jī)上。每個腳本引擎可發(fā)送“觸發(fā)命令”給其它腳本引擎，例如作為并行執(zhí)行的一組協(xié)調(diào)的狀態(tài)機(jī)器。在這種環(huán)境中，GUI允許用戶立刻精確地理解各分布式腳本引擎內(nèi)正在發(fā)生什么。此外，例如在傳感器/圖像熔合或圖像處理算法的情況下，如果特定庫腳本或序列塊(下文中統(tǒng)稱為“代碼庫塊”)特別密集，則分布式方法允許在整個網(wǎng)絡(luò)上的計算負(fù)載平衡。

在可能的方法中，給定的腳本引擎可專用于網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)的機(jī)器人。類似地，每個任務(wù)序列和代碼庫塊可在不同計算機(jī)上的不同腳本引擎上運(yùn)行。總的來說，每個塊的配置在配置之前可由用戶在GUI中設(shè)定，或者通過標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度算法(比如“循環(huán)”等)自動地分配給網(wǎng)絡(luò)上的腳本引擎，如本領(lǐng)域中眾所周知的那樣。連接各個塊的特定觸發(fā)事件通過NTL發(fā)送，從而允許RTC恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮作用，即使在寬廣分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中也如此。任務(wù)序列本身不需要是線性的。即，單個觸發(fā)命令可同時觸發(fā)執(zhí)行代碼的多個塊，從而開始并發(fā)或并行處理管線等等。