CN103659821B - 用于将触觉反馈提供到示教器的装置及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将触觉反馈提供到示教器的装置及相关方法，该装置包括具有壳体以及布置在其中的处理器的示教器。处理器与机器人控制器信号通信并且构造为监视并且控制机器人。在示教器上布置至少一个触觉装置。触觉装置与处理器信号通信并且构造为当发生触觉事件时通过示教器将触觉反馈提供到用户。

Description

用于将触觉反馈提供到示教器的装置及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月6日提交的美国临时专利申请序列号No.61/697,600的优先权，其整体内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及用于机器人(或自动装置)的示教器。更具体地说，本发明涉及一种用于在示教器上提供触觉反馈以警示操作者系统的某些状态的装置与方法。

背景技术

已知的是在外科手术与机器人遥控领域中利用作用力反馈形式的触觉装置。通常，触觉装置是由操作者握持以引导机械手运动的操纵杆或相似装置形式。由于操作者所握持的控制装置的物理位置直接与致动装置的运动相关，因此操作者直接感觉到触觉反馈。

美国专利No.8,095,200描述了将触觉装置用于电脑辅助外科手术的系统与方法。该触觉装置用作输入装置，允许信息从用户传送到电脑辅助外科手术系统。其可以用于限定解剖参考几何、操纵虚拟植入件的位置和/或定向、操纵外科手术接近轨迹的位置和/或定向、操纵骨切除术的位置和/或定向、以及任何其它解剖或外科手术特征的选择或布置。触觉装置是利用诸如触碰、作用力、速度、位置和/或转矩的感觉信息与用户互动和通信的机械或机电装置。

触觉装置通过触碰为用户提供信息并且已经被结合到呼机中并且适用于现代智能手机。这些装置通过不同强度、频率、与模式的振动安静地通知用户事件或其它发现。通过触碰为用户提供信息的其它现有技术的触觉装置包括触觉转矩扳手、作用力反馈触觉教导装置、振动握持条形码阅读器、以及具有“双震”的电子游戏控制器。

现有技术不包括触觉装置在工业机械人环境中的使用并且通常不涉及通过按压键以控制机器人运动的示教器的操作。现有技术不涉及机器人与设备接触、或者命令机器人进行过度过激移动时、或者当示教器作出进入错误时的通知。现有技术不涉及接近干扰区、用于焊接的机器人的焊枪角、或者达到特定定向或位置的其它工具角的通知。

用于工业机器人的通知装置包括音响报警，该音响报警在嘈杂工厂环境中很难听到。此外，目视报警信号也用于工业机器人。然而，除非用户直接观察示教器，否则目视警报信号不被用户所察觉。漏掉事件或环境的通知可能导致包括质量降低、生产延迟增加、以及成本增加在内的生产能力的降低。

因此，需要一种装置和方法来提供用于工业机器人的触觉反馈用以改进用户与它们的示教器之间的互动以提高生产能力与质量并且减小延迟与成本。

发明内容

根据当前公开，惊奇地揭示了在示教器上提供触觉反馈的改进的装置与方法。

在本发明的实施方式中，公开了一种用于将触觉反馈提供到示教器的装置。该装置包括：具有壳体与布置在其中的处理器的示教器，处理器与自动装置控制器信号通信(通过信号通信)，机器人控制器构造为监视并且控制机械人；布置在示教器上的至少一个触觉装置，该触觉装置与处理器信号通信并且构造为当发生触觉事件时将触觉反馈通过示教器提供到用户；以及与所述触觉装置信号通信的触觉软件。

在本发明的另一个实施方式中，用于将触觉反馈提供到示教器的装置包括：示教器，其具有壳体与布置在其中的处理器，处理器与机械人控制器信号通信，机械人控制器构造为监视并且控制机械人；布置在示教器上的至少一个触觉装置，触觉装置与处理器信号通信并且构造为当发生触觉事件时将触觉反馈提供到用户；以及与所述触觉装置信号通信的触觉软件程序，所述用于执行触觉软件程序的装置具有触觉事件监视器、触觉事件处理器、以及触觉效果发生器，其中触觉事件处理器在发生触觉事件时接收来自触觉事件监视器的信号并且将信号提供到触觉效果发生器以将信号提供到至少一个触觉装置。

在本发明的另一个实施方式中，公开了一种用于在示教器上提供触觉反馈的方法。该方法包括步骤：通过构造为与机械人控制器通信的触觉软件程序检测至少一个触觉事件，机器人控制器构造为控制并且监视机器人；将信号发送到布置在示教器上的触觉装置，该信号与至少一个触觉事件相对应；以及通过触觉装置通过示教器产生触觉反馈，触觉反馈基于触觉装置接收到的信号。

附图说明

当根据附图考虑时，通过下面优选实施方式的详细描述，对于本领域的技术人员来说，本发明的上述以及其它优点将变得显而易见。

图1示出了根据本发明的实施方式的示例性示教器的主视图；

图2示出了结合有图1的示教器的机器人系统的示意图；

图3a-图3c示出根据本发明的实施方式的示例性机器人状态的示意图，其中具有触觉装置的示教器用于提供反馈；以及

图4示出了用于提供触觉反馈的方法的流程图。

具体实施方式

下面的详细描述与附图描述并且示出了本发明的多个示例性实施方式。描述与附图用于使本领域中的技术人员能够制造并使用本发明，并且不旨在以任何方式限定本发明的范围。关于公开的方法，示出的步骤本质上是示例性的，并且因此，步骤的顺序不是必要的或严格的。

本发明涉及一种装置和方法，当发生某些情况时，该装置和方法通过机器人示教器将触觉反馈提供给程序员或用户。在图1和图2中示出了根据本发明实施方式的示教器10。示教器10是构造为控制或给机器人30下指令以移动的用户界面并且包括能够操作示教器10的处理器12。示教器10的处理器12连接到用于输入数据的输入装置14、用于编程以及数据存储的存储器16、以及将反馈提供到用户的显示器18。输入装置14可以是键盘。然而，应该理解的是输入装置14可以是诸如触摸屏的交互式显示器，其允许用户与示教器10或者为示教器10提供输入的任何其它装置进行互动。图1中示出的示教器10是手持装置。然而，应该理解的是，示教器10可以是构造为控制诸如便携式或台式电脑的机器人30的任何用户界面装置。

如图2中所示，示教器10构造为与机器人控制器32有线或无线通信。机器人控制器32包括处理器34以及存储器36，用于编程与数据存储。机器人控制器32连接到机器人30以主动地控制并且监视机器人活动。在操作中，用户可以将指令或数据输入到示教器10的输入装置14中。该指令传送到机器人控制器32，其然后根据输入的指令控制机器人30。机器人控制器32与示教器10传送机器人30的状态与位置信息。此信息可以提供在示教器10的显示器18上。

在图1中示出的实施方式中，示教器10包括布置在其上的触觉装置22。触觉装置22是诸如致动器的触觉振动装置，其响应于电刺激产生机械运动以将作用力或振动施加到使用者可以感触的装置。触觉装置22结合到示教器10中并且构造为提供示教器10所能传送的足够振动。因此，尽管振动源可能不位于用户所握持的示教器10区域正下方，但是当示教器10被致动(或触发)以为用户提供触碰感觉时，该振动通过示教器的壳体传送。

在示出的实施方式中，触觉装置22a可以布置在示教器10的条带50中的示教器10上，以在发生事件时产生到用户的触碰感觉。条带50连接到示教器10以方便其操作。此外，示教器10包括构造为保持示教器10的内部构件(未示出)的壳体24。触觉装置22b可以布置在示教器10的壳体24内。然而，应该理解的是，触觉装置22可以设置在示教器10上任何位置处以便为用户产生足够的触碰感觉。在非限制实例中，触觉装置22可以布置在示教器10壳体24的外部或者随意地布置在示教器10上任何位置处。此外，示教器10还可以包括任何数量的触觉装置22。

触觉装置22构造为警报器，其接收控制信号来触发触觉装置22以将感受到的感觉提供给直接握持示教器10的用户。在可能听不到音响警报但是通常能感受到振动警报的嘈杂的环境中，示教器10的触觉装置22允许用户注视机器人30。例如，触觉装置22可以是偏心旋转质量电机(ERM)、线性谐振器(LRA)、多功能致动器(MFA)、或构造为将振动提供到用户界面装置的任何其它致动器或电机。

如图2中所示，机器人控制器32存储构造为监控用户特定条件的机器人30活动并且将反馈提供到触觉装置22的触觉软件程序40。在本发明的实施方式中，用于执行触觉软件程序40的装置可以包括触觉事件监视器42、触觉事件处理器44、以及触觉效果发生器46。在操作中，例如，示教器10将触觉系统初始信号提供到触觉软件程序40以开始监视触觉事件。触觉事件监视器42检测触觉事件的发生(其可以是机器人30的预定移动或者用户通过输入装置14输入的特定数据)，并且将信号提供到触觉事件处理器44，该处理器将信号提供到触觉效果发生器46。触觉效果发生器46通过机器人控制器32提供信号，以触发触觉装置22以便被握持示教器10的用户感觉到。应该理解的是，触觉软件程序40或者触觉软件程序40的一部分也能够存储在示教器10上。

图3a-图3c示出了实例性机器人状况，其可以包括具有触觉装置22的触觉示教器10。在微动或程序化操作过程中，可以根据机器人速度与机器人定位安全监视系统使用具有触觉装置22的示教器10。如图3a中所示，具有触觉装置22的示教器10可以被用于具有机器手38的机器人30并且编程为在干扰区20内操作。干扰区20是机器人30局限在其中进行操作的编程区域，并且如果机器人30在干扰区20的外部操作，那么机器人30将减速或者切断机器人30的电机电源。当根据此操作使用时，当机器人30在特定距离内接近干扰区20的任何外部界限时，可以触发示教器10的触觉装置22。例如，在干扰区20的任何外部界限内如果机器手38达到2英尺的特定距离那么便可以触发触觉装置22。然而，应该理解的是，该特定的距离可以是大于或小于2英尺的任何距离。在示出的实施方式中，机械手38是用于焊接操作的手臂工具的端部。然而，例如，机械手38可以是用于诸如材料操作、机械加工、喷涂、夹板装载、或任何工业机器人操作的任何机器人操作的任何工具。

触觉装置22还可以用于促进检测过度过激的机器动作，诸如，如果机器人30超过特定速度范围就被触发。具体地说，如果机器人的任何电机速度超过特定速度极限，那么将切断机器人的电机电源。可以根据限定开关、二维扫描机、光幕、接近传感器、压力垫、安全继电器、以及其它速度与位置监视装置使用具有触觉装置22的示教器10，从而，当机器人接近系统界限时触发该示教器。

在本发明的另一个实施方式中，当机械手38在特定方向的公差范围内，可以触发触觉装置22。在如图3b中示出的非限定实例中，当机械手38定位在世界坐标或用户框架轴X、Y、Z的特定方向内时，诸如当机械手38的接近矢量V平行于世界坐标轴或用户框架轴时，可以触发触觉装置22。在另一个非限定实例中(未示出)，当与焊接机械手结合使用时可以触发触觉装置22，从而，当焊接操作过程中定位焊接机械手以形成特定焊枪角时触发触觉装置22。

可以根据任何机器速度与所期望的定位应用来触发触觉装置22。例如，在图3c中示出的实施方式中，当机器人30与部件48或设备之间发生接触时可以触发触觉装置22。在图中示出的部件48是车体。然而，部件48可以是在任何制造过程、加工过程、包装过程或利用机器人的任何其它过程中机器人可以进行接触的任何部件或设备。在其它非限定实例(未示出)中，当工具中心点(TCP)在特定位置附近或在特定位置处时，或者机器人30完成单步运动(single-step motion)时，或者机器人30处于运动中时，能够触发触觉装置22。

触觉装置22还可以根据要求为用户提供触觉反馈的所期望的任何其它事件、状况、或情形而被触发。在其它实例中，当用户将不恰当或不正确的示教器登陆(entry)到输入装置14中或根据用户限定的警报发生时触觉装置22可以被触发。

触觉装置22是可编程的以产生振动或作用力模式的触觉效果，以根据发生的一个或多个触觉事件形成定制的触觉感觉。该模式可以包括触觉装置22的诸如振幅、振动持续时间以及振动频率等特征的不同输出以及所期望的触觉装置22的任何其它输出特征。触觉软件程序40允许每个触觉事件分配定制的触觉模式。可以通过触觉软件程序40由机器人控制器32指示一个或多个触觉装置22，以提供定制的触觉模式。在非限定实例中，根据过度激进的机器人30运动，一个或多个触觉装置22可以输出一个定制触觉模式，然而根据机器人30接近干扰区20的外部界限，触觉装置22可以输出不同的定制触觉模式。然而，应该理解的是，所期望的任模式都可以分配到任何触觉事件。

如图4中所示，提供了根据实施方式提供触觉反馈的方法。如步骤100中示出的，用户对触觉装置22进行编程以通过将触觉反馈模式分配到触觉事件通过示教器10来提供反馈。通过触觉软件程序40提供触觉反馈模式到触觉事件的分配。触觉事件是可选定事件、位置或状况中的任一个，诸如机械手接近干扰区或机器人界限、过度激进的机器人运动的检测、在特定方向公差内的机械手的定向探测、接近特定位置的工具中心点的检测、机器人与部件或设备之间的接触、机器人单步运动的完成、任何机器人运动的发生、机器人在可接受程序范围外的操作的检测、不恰当或不正确的示教器输入、发生用户限定警报的指示，或者是可能要求触觉反馈的任何其它事件、位置、或状况。

如在步骤110中示出的，触觉软件程序40的触觉事件监视器42用于监视选定触觉事件的发生。当如在步骤112所示发生触觉事件时，触觉事件监视器42检测触觉事件并且与触觉事件处理器44通信以处理分配到触觉事件监视器42所检测的相应触觉事件的触觉反馈模式。在步骤114中，触觉事件处理器44与触觉效果发生器46通信以通过机器人控制器32将信号发送到触觉装置22以产生通过示教器10到用户的触觉反馈。触觉效果发生器46根据与触觉事件相应的所分配的触觉反馈模式产生触觉反馈，因此用户能够感觉到振动并且识别已经发生的触觉事件。

在本发明的实施方式中，触觉反馈的发生可以包括附加信号，诸如所期望的听觉信号与视觉信号或者任何其它类型的感觉信号，以将反馈提供到用户。信号可以结合到示教器10中。例如，视觉信号可以显示在示教器10的显示器18上并且从示教器10产生听觉信号。应该理解的是信号可以是显示或产生在任何地方的任何感觉信号(诸如警报、光、在电脑上的显示)或者是将反馈提供到用户的所期望的任何其它感觉信号。

根据专利法的规定，已经在被认为代表本发明的优选实施方式中对本发明进行了描述。然而，应该指出的是在不偏离本发明的精神与范围的情况下，除了具体示出与描述的以外，可以另外实施本发明。

Claims (11)

1.一种用于将触觉反馈提供到示教器的装置，包括：

示教器，具有壳体和布置在所述壳体中的处理器，所述处理器与机器人控制器信号通信，所述机器人控制器构造为监视并控制机器人；

布置在所述示教器上的至少一个触觉装置，所述至少一个触觉装置与所述处理器信号通信并且构造为当发生触觉事件时将触觉反馈提供到所述示教器的用户；以及

触觉软件程序，通过所述处理器与所述机器人控制器中的至少一个执行所述触觉软件程序，以控制所述处理器与所述机器人控制器之间的所述信号通信以及所述处理器与所述至少一个触觉装置之间的所述信号通信；

其中，用于执行所述触觉软件程序的装置包括触觉事件监视器、触觉事件处理器、以及触觉效果发生器；

其中，所述触觉事件处理器在发生所述触觉事件时接收来自所述触觉事件监视器的信号并且将信号提供到所述触觉效果发生器以将信号提供到所述至少一个触觉装置；

其中，所述触觉事件是以下项目之一：

机械手接近干扰区；

机械手接近机器人界限；

机械手的定向位于特定定向公差内；

所述机器人与一部件之间的接触；

所述机器人的单步运动的完成；

所述机器人的运动的发生；

能接受程序范围外的机器人操作的探测；

不正确的示教器输入登录；以及

用户限定的警报的发生。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个触觉装置是致动器与振动电机中的一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述触觉软件程序存储在所述机器人控制器与所述示教器中的一个中。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述示教器将触觉装置启动信号提供到所述触觉软件程序。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个触觉装置通过对待由用户感知的所述示教器产生所述触觉反馈来响应所述触觉效果发生器所提供的信号。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个触觉装置布置在所述示教器的条带中。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个触觉装置布置在所述示教器的所述壳体内。

8.根据权利要求2所述的装置，其中所述触觉软件程序存储在所述机器人控制器与所述示教器中的一个中。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个触觉装置通过根据预定触觉反馈模式将所选的触觉反馈产生到待由用户感知的所述示教器来响应触觉效果发生器提供的信号。

10.一种用于在示教器上提供触觉反馈的方法，包括以下步骤：

通过构造为与机器人控制器通信的触觉软件程序检测至少一个触觉事件，所述机器人控制器构造为控制并监视机器人；

将信号发送到布置在所述示教器上的触觉装置，所述信号与所述至少一个触觉事件相对应；以及

由所述触觉装置产生触觉反馈通过所述示教器，所述触觉反馈基于所述触觉装置接收到的所述信号；

其中，用于执行所述触觉软件程序的装置包括触觉事件监视器、触觉事件处理器、以及触觉效果发生器，其中所述触觉事件处理器在发生至少一个触觉事件时接收来自所述触觉事件监视器的信号并且将信号提供到所述触觉效果发生器以将信号提供到所述触觉装置；

其中，所述触觉事件是以下项目中的至少一个：

机械手接近干扰区；

机械手接近机器人界限；

机械手的定向位于特定定向公差内；

所述机器人与一部件之间的接触；

所述机器人的单步运动的完成；

所述机器人的运动的发生；

能接受程序范围外的所述机器人操作的检测；

不正确示教器输入登录；以及

用户限定的警报的发生。

11.根据权利要求10所述的方法，包括通过所述触觉软件程序将触觉反馈模式分配到所述至少一个触觉事件的步骤。