CN103648732A - 用于运动和定位抓持单元的方法和设备以及设置有抓持单元的机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于运动和定位抓持单元(3；23；43)的方法和设备，在该方法中，抓持单元借助于缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)运动和定位，使得抓持单元的至少一个自由度通过将抓持单元机械紧固(4；24；44)到支承结构来移除。本发明还涉及一种设置有这种设备的机器人(1；21；41)。

Description

用于运动和定位抓持单元的方法和设备以及设置有抓持单元的机器人

技术领域

本发明涉及运动和定位机器人的抓持单元。更准确地，本发明涉及借助于缆线运动和定位机器人抓持单元。

背景技术

多种机器人在不同工业任务中的使用从现有技术中已知。机器人例如用于多种组装任务中，通常用于必须非常准确重复的任务中，例如电路板的制造。在这种情况下，机器人通常设置有抓持待组装部件并将其准确地放置在待组装产品的正确位置的抓持元件。一种用于机器人使用的重要应用是焊接，其中机器人根据其中编程的逻辑程序同样特别是在困难地点快速和准确地进行焊接操作。包装工业也使用多种不同的机器人，例如用于包装物品的堆垛机器人。

特别是在包装工业中开发的用于应对小和重量轻物品的机器人是德耳塔机器人，其由在下端附接到同一基础主体或平面的三个臂形成，使得所述臂支承工作表面。德耳塔机器人的操作依赖于基于平行四边形控制，其中机器人在四个不同自由度上受到控制，即三个平移自由度(X，Y和Z)和一个转动自由度。德耳塔机器人的优势在于加速快，达到30g，以及相当高的速度，高达10m/s。

设置有操纵器的机器人的一个操作原理在于借助于缆线连接，以便控制操纵器。这种机器人的例子是Robocrane式机器人。Robocrane式机器人的操纵器通过六条缆线和与缆线连接的伺服绞盘控制，使得操纵器可以在所有六个不同自由度上运动，即三个平移自由度和三个转动自由度。

在此说明书中，术语“伺服绞盘”指的是设置有用于卷绕缆线的适当装置的伺服马达，例如在最简单的情况下是通过伺服马达转动的缆线卷筒。

其中例如抓持单元的操纵器借助于缆线控制的其它机器人的例子是Fraunhofer机构的单向控制缆线机器人，例如IPAnema，其借助于八条缆线控制。

设置有通过多条缆线控制的抓持单元的这些机器人的问题例如有抓持单元的振动，来自不同方向的缆线使其难以限定机器人的工作空间，以及所需伺服绞盘的数量和每条缆线所需的控制增加了机器人的制造成本。除此之外，所需控制逻辑和影响运动性能是复杂的。

即使常规工业机器人已经用于许多不同的工业领域，它们不能很好适用于其中机器人及其操纵器(例如抓持单元)例如受到冲击并需要与连续改变的目标一起工作的任务。

这种类型的工业领域之一是废弃物分拣，其中废弃物材料被连续馈送以便例如在输送带上分拣。在这种情况下，分拣的物体的形状不同，并且材料流的形式连续改变。这种分拣工作中，同样需要机器人快速工作运动，这进一步增加了已知机器人在极有可能碰撞的情况下损坏的可能性。此外，现有技术机器人极为精密，实际上使得机器人的成本很高，特别是在例如废弃物分拣的活动中不需要这种高精度时。此外，已知机器人过于缓慢，而不有效进行废弃物分拣，并且可能的速度增加(由于传统的沉重结构)造成过高的转矩，这特别在碰撞情况下会是灾难性的。

发明内容

通过根据本发明的用于运动和定位机器人抓持单元的解决方案，借助于缆线实现了抓持单元的快速和准确的控制系统，其中使得与抓持单元碰撞相关的可能问题最小化。该解决方案基于抓持单元紧固中使用的机械紧固布置，由此抓持单元的至少一个或多个自由度被移除，使得相应的抓持单元控制可以通过较少的缆线和所连接的伺服绞盘来实现。这种机械紧固布置在使用抓持单元的同时还提供用于导引和连接所需钢丝/缆线的有利排布，例如到抓持单元的电气和数据缆线或气动或液压管。

因此根据本发明的抓持单元的结构简化的运动和定位显著简化了控制抓持单元时所采用的可编程逻辑，以及使用抓持单元的整个机器人的结构。这种简化的结构使得根据本发明的布置特别耐用和轻质，这意味着其操作中所采用的速度可以增加。

在特别有利的解决方案中，根据本发明的布置可适用于用于分拣废弃物的机器人。在这种情况下，通过机器人操作的物体重量通常为0.1-5kg，但是在根据本发明的布置中，在需要时，最大重量可以通过简单的结构调节升高到几十或甚至几百千克。

与已知缆线机器人相比，通过使用根据本发明的抓持单元的机械紧固，容易实现用于抓持单元的圆形或弯曲路径，这是只通过缆线实现的最容易出问题的运动形式，并且在控制缆线的紧固点之间需要长的距离。

与已知门式机器人，即借助于控制轨道控制的机器人相比，基于缆线和抓持单元的机械紧固的根据本发明的布置的使用造成更简单的结构和显著改善的碰撞耐用性。

有利地，根据本发明的抓持单元的机械紧固移除了运动抓持单元中的三个自由度。消除了抓持单元的三个自由度的所述紧固布置的例子是例如从台灯的支承结构已知的两部分支承臂，其中支承臂的每个元件包括在接头处相互连接的两个相邻和平行的臂。但是，由于支承臂可以相对于其紧固点转向，抓持单元的运动范围形成柱形坐标系统。通过这种支承臂实现的抓持单元紧固布置使得抓持单元在XYZ平面上运动，但是它防止在支承臂的端部处的转动运动。因此，在根据此例子的布置中，抓持单元的所有三个转动自由度被消除。

如上所述消除了抓持单元的三个自由度的这种布置可以容易地改变，以只消除运动抓持单元中的一个或两个自由度。例如通过在抓持单元及其机械支承结构之间添加竖直、铰链状接头，使得抓持单元可以相对于铰链的竖直轴线转向，这种布置移除了运动抓持单元中的仅两个自由度。除了第一竖直铰链状接头之外，通过分别向系统添加例如设置在水平平面上的第二铰链状接头，使得抓持单元还可以围绕所述第二铰链的水平轴线转向，实现了移除运动抓持单元中的仅一个自由度的布置。

通过根据本发明的抓持单元紧固，也可以移除运动抓持单元中的四个自由度。这种布置在相关说明书中参考图2所示的实施方式描述。

因此，从以上描述中清楚，在根据本发明的布置中，通过抓持单元的机械紧固，可以移除运动抓持单元中的一个、两个、三个或四个自由度。但是，指出的是在根据本发明的布置中，抓持单元仅借助于伺服绞盘和连接缆线运动，也可以借助于重力运动。

抓持单元的转动自由度的这种减小或完全消除可以使用具有小于运动抓持单元时通常的精度的伺服绞盘。因此，在根据本发明的布置中，可以使用更简单和更牢固的伺服绞盘，继而使得该布置更加经济有利。

在根据本发明的布置中，在运动抓持单元的所有缆线中有利地形成拉伸力，改善了控制和监视抓持单元的状况。所述拉伸力在缆线中例如通过与伺服绞盘相结合布置的制动元件引起，或者例如替代地通过控制伺服绞盘的逻辑引起，例如通过在一部分伺服绞盘中使用转矩控制。

有利地，根据本发明的布置可以通过运动抓持单元的四条缆线和操作缆线的伺服绞盘实现，在这种情况下，伺服绞盘以形成四面体的型式设置。

作为替代，根据本发明的布置可以得到实现，使得机械地附接到支承结构的抓持单元通过三个伺服绞盘控制，所有三个所述伺服绞盘定位在抓持单元上方。在这种情况下，抓持单元从伺服绞盘缆线“悬吊”，并且除了伺服绞盘之外，借助于重力，实现抓持单元的向下定向运动。

优选地，根据本发明的布置还设置有基于计算机显示和/或伺服绞盘控制的装置，以限定抓持单元的位置。例如，与伺服绞盘相结合安装的编码器或其它传感器可以用于监视伺服绞盘的位置以及抓持单元的位置。能够购买到的伺服马达通常包括作为标准特征的这种可读取的位置数据。为了限定抓持单元的位置，还可以利用抓持单元的机械紧固中的接头的位置，其可以例如通过与其相结合地安装编码器或观察接头的转动的其它相应传感器来监视。在利用抓持单元的机械紧固来限定抓持单元的位置时，伺服绞盘的结构可以简化，因为具有更多的抓持单元位置的可用数据，并因此缆线控制不需要很精确。

在根据本发明的布置中，伺服绞盘优选地通过计算机程序控制。在这种情况下，计算机的操作有利地包括至少一个伺服绞盘的位置的限定，所述位置对应于抓持单元的希望的新位置；所述至少一个伺服绞盘到限定位置的引导；以及其它伺服绞盘的控制，以保持每条连接的缆线内的设置拉伸力。

根据本发明的布置可有利地用于机器人，特别是被设计用于分拣废弃物的机器人。

更准确地，根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分给出的特征，并且根据本发明的设备的特征在于权利要求8的特征部分给出的特征，并且根据本发明的机器人的特征在于权利要求15的特征部分给出的特征。

附图说明

下面参考附图通过例子更详细描述本发明，其中：

图1是设置有抓持单元的根据本发明的布置的示意图，

图2是设置有抓持单元的根据本发明的布置的替代实施方式的示意图；以及

图3是设置有抓持单元的根据本发明的布置的另一替代实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示意示出的根据本发明的布置描述一种用于处理建筑废弃物的分拣机器人1，该机器人布置成与输送建筑废弃物的输送器2相结合工作。

分拣机器人1包括抓持单元3、将抓持单元紧固到支承结构的机械支承臂4以及四个伺服绞盘5、6、7和8，其借助于缆线9、10、11和12连接到抓持单元3。

抓持单元3的机械紧固臂4具有两个元件，并且紧固臂4的每个元件由两个平行杆或轴13和14形成，两者经由其自己的枢转接头铰接到连接件15。因此，在借助于伺服绞盘5、6和7并通过XYZ平面上的缆线10、11和12运动抓持单元3时，抓持单元不能相对于机械紧固臂4进行转动运动。机械紧固臂4通过铰链16附接到支承结构，允许紧固臂相对于铰链的竖直轴线转向，使得抓持单元的运动范围形成柱形坐标系统。因此，通过使用这种机械紧固4，移除了运动抓持单元3的所有三个转动自由度。

但是，这里指出的是抓持单元3本身设置有使其抓持器相对于抓持单元的竖直轴线转动到适当位置以抓持物体的装置。

在使用图1的分拣机器人1时，建筑废弃物在机器人的操作范围内在输送器2上作为连续材料流输送。从输送器2，确定通过分拣机器人1分拣的物体被识别，并且它们在输送器上的位置通过多种分析装置分析，这可例如基于计算机显示。这些物体的数据被传输到机器人1的控制逻辑，控制逻辑借助于伺服绞盘5、6、7和8并通过连接的缆线9、10、11和12控制抓持单元3在工作区域内的操作和位置。

分拣机器人1的抓持单元3的位置可以通过设置在伺服绞盘5、6、7和8内的装置限定，例如微型开关或编码器，或者通过基于计算机显示的识别装置，或者通过这些组合限定。编码器还可以连接到机械紧固臂4及其紧固布置，以便限定抓持单元3的位置，或用于在此限定过程中起到帮助作用。

在根据本发明的布置中，分拣机器人1的伺服绞盘5、6、7和8保持缆线9、10、11和12连续拉紧，以便能够经由伺服绞盘限定抓持单元3的位置，并更好地控制抓持单元3的动作。这种拉伸例如通过编程实现，使得每个伺服绞盘总是被限定成通过预定力拉动缆线，或者通过伺服绞盘的结构，在这种情况下，缆线的拉伸力可以例如通过基于弹簧或材料弹性的布置产生。

这种保持缆线9、10、11和12拉伸也可以得到实现，使得所述四个伺服绞盘5、6、7和8中的三个通过位置控制来控制，并且伺服绞盘中的一个通过力控制来控制。换言之，三个位置控制的伺服绞盘限定抓持单元的位置，并且力控制伺服绞盘保持所有缆线拉紧。在可以购买到的伺服马达中，位置和力控制是常见、容易安装的特征。

在根据本发明的布置中，如图1所示，伺服绞盘5、6、7和8被相互定位，使其形成四面体形状的型式，并且伺服绞盘定位在四面体的尖端。采用这种型式，实现了受控抓持单元的最佳控制，并且另外基于位置和力控制的所述伺服绞盘控制有利于载荷加速朝着四面体的具有作为尖端的位置控制伺服绞盘的面定向的情况，在这种情况下，位置控制伺服绞盘从转矩控制伺服绞盘拉动缆线。

通过利用图1所示的机器人布置，获得牢固和耐用的机器人，其不敏感于与待分拣的建筑废弃物碰撞。用于图1所示的布置的抓持单元的适当操作变量例如是：最大加速3g、最大速度4m/s以及精度+/-0.5cm。

在本发明的替代实施方式中，如图2所示，布置成在废弃物输送器22上方操作的分拣机器人21设置有机械紧固臂24，其将抓持单元23紧固到支承结构。

机械紧固臂24具有两个元件，使得臂与支承结构的紧固以及臂元件的相互紧固通过铰链状铰接部25实现，其允许臂及其元件仅在水平平面上运动。附接到紧固臂24的端部的抓持单元23借助于缆线29、30和31通过三个伺服绞盘26、27和28在水平平面上运动。在这种情况下，伺服绞盘26、27和28基本上附接在相同水平平面上。

抓持单元23的竖直运动通过形成线性运动的适当致动器32获得，由此抓持单元连接到紧固臂24。作为替代，产生线性运动的致动器可以形成抓持单元23的部分。

对于图2所示的实施方式，可以消除产生竖直运动的伺服绞盘和缆线，简化该布置的结构和控制逻辑。根据图2的实施方式的机械紧固臂24移除了运动抓持单元的四个自由度。

在图3所示的实施方式中，布置成在废弃物输送器42上方操作的分拣机器人41设置有机械紧固臂44，其将抓持单元23紧固到支承结构。在结构上，机械紧固臂44的所有主要部件对应于结合图1描述的机械紧固臂4，但是它在比图1的机械紧固臂4高的平面上附接到支承结构。

在图3的实施方式中，抓持单元43通过三个伺服绞盘45、46和47以及由此操作的缆线48、49和50控制和定位。图3的实施方式中的关键点在于所有三个伺服绞盘45、46和47在水平平面上附接到支承结构，所有平面基本上定位在抓持单元43的水平平面的上方，同样优选地高于抓持单元43的工作区域的上表面，或者至少基本上位于与该工作区域的所述上表面相同的水平。

在此实施方式中，在向下移位抓持单元43时，伺服绞盘45、46和47向外释放其缆线，使得抓持单元由于重力的效果向下移位。

通过伺服绞盘45、46和47以根据图3的型式定位，伺服绞盘的缆线48、49和50被移位离开抓持单元43的工作区域，使其不接触待分拣的废弃物材料。

虽然上面参考例子和仅在附图中描述的实施方式说明了本发明，根据本发明的布置不局限于所述解决方案。以本领域普通技术人员明白的方式可以在所附权利要求限定的范围内进行多种替代实施方式及其变型。

Claims (15)

1.一种用于运动和定位抓持单元(3；23；43)的方法，在所述方法中，抓持单元借助于附接到支承结构的缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)运动和定位，其特征在于，抓持单元(3；23；43)的至少一个自由度通过借助于臂(4；24；44)将抓持单元机械地紧固到支承结构来移除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过抓持单元(3；23；43)的机械紧固(4；24；44)，移除运动抓持单元中的两个、三个或四个自由度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，抓持单元(3；23；43)通过改变至少一条缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)的长度并同时保持其它缆线中的拉伸力来运动和定位。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，运动抓持单元(3)的缆线(9，10，11，12)的数量是四个，并且每条缆线借助于伺服绞盘(5，6，7，8)操作，所述伺服绞盘以形成四面体的型式定位。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，运动抓持单元(43)的缆线(48，49，50)的数量是三个，并且每条缆线借助于伺服绞盘(45，46，47)操作，每个所述伺服绞盘定位在水平平面上，每个所述水平平面定位在抓持单元的水平平面上方。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在所述方法中：

限定用于至少一个伺服绞盘(5，6，7，8；26，27，28；45，46，47)的新位置，所述新位置对应于抓持单元(3；23；43)的希望新位置，

所述至少一个伺服绞盘在限定位置中引导；并且

其它伺服绞盘被设置成保持每条缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)中的预定拉伸力。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，抓持单元(3；23；43)的运动和定位通过计算机程序实现。

8.一种用于运动和定位抓持单元的设备，所述设备包括抓持单元(3；23；43)、连接到支承结构以便运动和定位抓持单元的缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)以及用于每条缆线的操作伺服绞盘(5，6，7，8；26，27，28；45，46，47)，其特征在于，所述设备包括借助于臂(4；24；44)使得抓持单元(3；23；43)与支承结构的机械紧固，以便移除抓持单元的至少一个自由度。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，形成抓持单元(3；23；43)的机械紧固(4；24；44)，以便在运动抓持单元中移除两个、三个或四个自由度。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述设备包括与操作每条缆线(9，10，11，12；29，30，31；48，49，50)以便在每条缆线中产生拉伸力的伺服绞盘(5，6，7，8；26，27，28；45，46，47)相结合布置的装置和/或程序装置。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有相应伺服绞盘(5，6，7，8)以便运动和定位抓持单元(3)的四条缆线(9，10，11，12)，所述四个伺服绞盘以形成四面体的型式定位。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有相应伺服绞盘(45，46，47)以便运动和定位抓持单元(43)的三条缆线(48，49，50)，所有三个所述伺服绞盘都定位在水平平面内，每个所述水平平面定位在抓持单元的水平平面的上方。

13.根据权利要求8-12任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于控制伺服绞盘(5，6，7，8；26，27，28；45，46，47)的计算机程序。

14.根据权利要求11-13任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括基于计算机显示和/或连接到伺服绞盘(5，6，7，8；26，27，28；45，46，47)和/或连接到机械紧固(4；24；44)的铰接部(15；25)的装置，以便限定抓持单元(3；23；43)的位置。

15.一种机器人(1；21；41)，特别是被设计用于处理废弃物的机器人，其特征在于，所述机器人包括根据权利要求8-14任一项所述的设备。

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