CN103958133A - 抗冲击结构 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及机器人和自动化的技术领域。具体地，本发明涉及用于改善机器人或其他定位系统的抗冲击能力的结构。更具体地，本发明公开一种用于增加机器人的抗冲击能力的安装元件结构。安装元件结构包括第一表面(201)和朝着机器人工具元件的第二表面(202)，其中第一表面(201)和第二表面(202)被构造成与绳组件(203)连接。绳组件被构造成在暴露于超过预定水平的外力时通过使绳组件(203)的形状变形来减小该力造成的损害。

Description

抗冲击结构
技术领域
本发明总体涉及机器人和自动化的技术领域。具体地，本发明涉及用于改进机器人或其他定位系统的抗冲击能力的结构。
背景技术
机器人广泛地使用在不同类型的工业应用中，通常使用在精度起到重要作用并且连续重复相同操作的应用中。这种操作的例子是制造电路板，其中机器人装备有可应用的抓持元件，其抓持部件并使其准确地放置到电路板以便制造的下个步骤。
对于机器人的要求按照其所使用的环境变化。具体环境是其中重载荷被提升并且机器人容易受到冲击(例如撞击和碰撞)以及机器人在不整洁的条件下工作的环境。
一种这样的环境是废弃物工业，其中废弃物例如从输送带分拣。机器人被编程以根据废弃物的性质收集和再循环废弃物。清楚的是分拣废弃物不是简单的任务，不仅由于废弃物物品的质量和性质变化的事实，而且因为废弃物在输送带上的流动经常变化。在这种分拣中，对于机器人的一个需求(除了速度之外)在于机器人必须在操作过程中不容易受到冲击的影响。自动化废弃物分拣站的空闲时间的成本很可观，并因此希望进行布置以便在操作过程中使预期冲击的效果最小化。
在机器人中最容易受到冲击影响的结构通常是工具，例如抓持器。输送带上的物品的尺寸和重量变化，并且在操作过程中会移位或滚动。与输送带上的物品碰撞或收集物品的惯性会对于机器人造成冲击。另外，多个机器人可围绕输送带部署，并且两个或更多机器人及其未知形状的承载载荷会出于任何原因碰撞，对于机器人造成严重损害。
具有多种现有技术方法来防止这种对于机器人的损害。通常，这些是例如屈服或破坏部件的结构布置，或者用于防止损害的操作方法，例如通过采用一些类型的传感器布置识别可能的碰撞。
在这种结构布置中，机器人部件(例如铰接的机器人臂)布置成至少部分柔性的。这例如通过选择臂内的材料来实现。例如一些弹性材料可以布置在两个部件(例如臂和抓持器)之间，允许部件在冲击状况下相对于彼此弯曲。另一例子是基于弹簧的臂的方案，其同样被设计成在冲击情况下使可能的损害最小化。用于防止损害的现有技术方案的第三类是包括在冲击状况下超过预定力时屈服或破坏的部件的结构。
根据现有技术方案，用于防止损害的操作方法的例子是机器人的操作通过传感器监视并且如果检测到损害状况例如通过停止机器人来改变以避免损害的布置。
现有技术方案的一些缺陷在于它们实施起来很昂贵，例如基于检测器的操作方法，或者它们难以在被构造成在例如废弃物分拣设施的挑战性环境下操作的机器人中实施。此外，基于破坏部件(例如夹具)的现有技术方案不能在许多环境下使用，在这些环境中，基本上不能在修理机器人的同时使得整个系统空闲。同样，由于现有技术方案的复杂性，修理花费很长时间，再次在例如系统空闲造成操作者的很大成本的机器人方案中是不能接受的。
发明内容
本发明的目的在于在机器人的结构中提供一种布置，该布置即使在机器人接收冲击时也减小机器人损害的危险。另外，本发明的目的在于在机器人结构中实施一种布置，该布置足够刚性，以便在精度起到重要作用的环境中采用。
本发明的目的通过在机器人和工具元件之间布置柔性安装元件结构来实现。柔性安装元件结构通过在具有预定距离的两个安装表面之间布置绳组件来实现，使得安装元件结构的结构大致是刚性的，直到超过预定水平的外力影响结构，并因此结构变得至少部分柔性，并因此防止对于机器人的主要损害。
在本发明的一些实施方式中，延伸元件布置在所述两个安装表面之间，使得延伸元件在致动时造成所述绳组件的反作用力，并因此整个结构变得更加刚性。
在本发明的一些实施方式中，延伸元件是弹簧。在本发明的另一实施方式中，延伸元件是液压缸或气压缸。
在本发明的实施方式中，所述第一安装表面和第二安装表面的形状是方形的，在一些其他实施方式中，所述第一安装表面和第二安装表面的形状是具有切角的三角形。
根据本发明的优点在于它是非常简单的布置，因此制造和修理廉价。另外，修理快速实现，并因此在机器人损坏的情况下空闲时间相对短。根据本发明的结构还包括在变形时没有滞后，允许机器人即使在冲击状况下也得到控制。
在此专利申请中描述的本发明的示例性实施方式不解释为对于所附权利要求的适用性提供限制。动词“包括”在此专利申请中用作开放式限定，不排除其他未引用特征的存在。从属权利要求中引用的特征能够相互自由组合，除非另外明确说明。
认为是本发明的特性的新颖特征特别在从属权利要求中给出。然而在与附图结合阅读时，本发明本身(对于其构造及其操作方法以及另外目的和优点)将从以下的具体实施方式的描述中最佳理解。
附图说明
图1示出根据现有技术的机器人臂方案；
图2a-b示出本发明的实施方式；
图3a-b示出本发明的另一实施方式；
图4示出本发明的进一步实施方式；以及
图5示出本发明的进一步实施方式。
具体实施方式
通过参考以上附图，下面描述本发明的一些优选实施方式。
图1示出通常已知的机器人臂方案。机器人臂以其最广义形式公开主要部件，本发明的描述中，它们也是相关的。机器人包括臂(即机器人臂101)。在此示例性图示中，机器人臂101由彼此铰接的两个部件形成。机器人臂101通过用通常已知的接头结构来使其安装而连接到抓持元件102，与机器人臂101内的任何铰接元件一起，使得抓持器在三维空间内运动。根据一种常见方法，机器人臂及其部件通过中央控制单元控制，其将控制信号传递到机器人的马达，从而实现希望的运动和抓持。同样，抓持元件102可通过适用于在机器人环境中采用的任何工具元件代替。
图2a示出本发明的实施方式，其中机器人包括类似于图1公开的机器人臂101和抓持元件102。
另外，根据本发明，在所述机器人臂101和所述抓持元件102之间布置包括第一安装表面201的安装元件结构，第一安装表面201被构造成能够与机器人臂101连接。该连接例如通过铰链布置或球-承窝接头实现，使得安装表面201相对于机器人臂101的运动可以是三维的。在一些实施方式中，安装表面201能够贴靠机器人臂102转动。这可以通过适当的转动连接器(例如转动轴线或球和承窝接头)以及所需马达实现，马达将所需力施加到安装表面201以实现转动运动。
根据本发明的一些实施方式，安装元件结构包括第二安装表面202，其被构造成通过采用绳组件203以距第一安装表面201预定距离d的方式安装。第二安装表面提供抓持元件102连接其中的表面。根据本发明的例子，抓持元件102固定到第二安装表面202。根据本发明的一些其他实施方式，抓持元件102可转动地连接到第二安装表面202。这可以通过例如可控可动轴承布置实现，使得抓持元件102可以转动并以有效方式与待抓持的物品对准。
所述第一安装表面和所述第二安装表面之间的距离以及绳的几何结构被有利地选择，从而在冲击状况时安装元件结构的柔性可根据需要应用，例如根据抓持器的重量、待抓持和运动的物品的重量和/或机器人臂101和/或抓持元件102所暴露的可能外部冲击力。调节安装表面之间的距离调节使结构柔曲所需的力的大小。
总的来说，结构的柔性通过绳组件的几何结构以及使安装表面分离的力来确定。安装表面在静置位置附近相对于彼此的可能速度可以认为是六维空间，对应于安装表面的六个运动自由度(三维的速度以及三维的角速度)。在此空间内，每个绳构成将可能速度空间分成两半的五维平面。
使安装表面分开的力使该表面分开直到满足每个维度上的限制，造成结构采取静置位置。由于具有六个运动自由度，在稳定的静置位置上，至少六个绳是拉紧的。静置位置可以认为是位于通过相交的限定平面成形的势阱内。为了改变此位置，即力使得结构在一些方向上变形，变形力必须足够强，从而将该位置从势阱“提升”。
势阱的形状是本发明的重要方面。简单的弹簧可用作抗冲击结构，为此势阱与x^2成比例，x表示位移。这种布置以连续方式变形，即任何力使结构在任何大小的力下至少略微变形，使其非刚性、不稳定和不准确。相比之下，根据本发明的布置的势阱与|x|(位移的绝对值)成比例，即形状“尖锐”。因此该结构根本不变形，直到变形力超过一定阈值，使得结构在正常操作过程中刚性。根据绳组件的几何结构，力的阈值可以在不同方向上是不同的，并且通过分离力的大小线性缩放。
在本发明的一些实施方式中，绳材料假设是大致非弹性的，即绳不拉伸，但构成连接的安装表面点之间的距离的刚性极限。因此，只要它充分非弹性，绳材料就不影响系统的刚性。
本发明的一些实施方式的重要方面在于绳组件内的每个绳不连接到其他绳，即因此它们不在安装点上形成任何连续部分。每个绳通过一些常见方法(例如通过适当的绳结和/或通过适当的固定元件)固定到安装点。
图2b示出根据本发明的实施方式的安装元件的三维结构的例子。除了所述安装表面201、202之外，安装元件结构包括图2b所公开的绳组件。所述安装表面201、202通过绳从第一安装表面201的角部连接到第二安装表面202的相应角部，如图2b中的附图标记203a所公开。另外，第一安装表面201的角部通过图2b所公开的交叉绳203b连接到第二安装表面202的角部。相同的绳布置布置到第一安装表面201和第二安装表面202的每个角部。因此，这种绳组件203总共包括12个绳部分。通过这种绳组件布置，该结构没有弹性，即不干扰机器人的正常操作，但是在外力对于机器人造成冲击并且该力超过预定水平(通过绳组件的特性限定)时，绳组件以减小对于机器人造成损害的危险的方式变为弹性、屈服并吸收外力。
即使图2b示出安装表面201、202是方形形状，这不限制本发明适用于具有其他形状的表面。
图3a公开本发明的另一例子，其中安装表面成形为具有切角的三角形。再次，第一安装表面301通过绳组件连接到第二安装表面302。根据本发明的实施方式的绳组件通过用绳将第一安装表面301的每个角部连接到第二安装表面302的相应角部来建立。因此，根据图3a的整个绳组件中的得到的线如下：A-A’、B-B’、C-C’、D-D',E-E’和F-F’。
6绳组件是优选的，因为这是覆盖系统的所有六个运动自由度所需的最少绳的数量。因此，不需要仔细调节绳的张紧和长度，因为每个绳在系统中必须拉紧和有效。根据图3a所示的本发明的实施方式，安装表面301、302被构造成以如下方式安装，即使得表面301、302在绳组件形状变形的过程中至少部分交错。这在图3b中示出，其中示出安装表面的角部交错。交错角部的优点在于在外力造成的冲击状况下使得安装结构的运动范围更广。换言之，在机器人接收冲击时，与例如图2a和2b所示的安装结构中相比，安装表面的交错角部使得运动范围更广，以屈服于冲击力，并因此更大地减小对于机器人、工具或安装结构造成的损害的危险。
本发明的一些实施方式还包括用于增加将第一安装表面和第二安装表面保持在彼此隔开预定距离内的力的延伸元件。本发明的一种这样的实施方式在图4中示出。图4示出具有图2已经公开的绳组件的类似的机器人臂结构。相应元件在这里未公开。除了这些元件，图4的实施方式公开延伸元件401，该延伸元件在此例子中是弹簧结构。弹簧被调节，使其在通过绳组件安装在第一安装表面和第二安装表面之间时处于有效模式，即受到应力。换言之，弹簧至少部分造成与绳组件中的力相反的力。这种布置的总体结果在于整个安装元件结构变得更加刚性，并且因此可以通过控制延伸元件的压缩力来调节使得绳组件形状变形的力的预定水平。
在安装结构中采用延伸元件的一个附加优点在于整个机器人臂能够在多种不同位置操作，例如可以将机器人臂转动成使抓持器侧向或甚至向上指向。这增加了本发明在多种机器人环境中的可用性。
在本发明的一些例子中，延伸元件401是将延伸力施加到第一安装表面和第二安装表面的液压缸。类似效果可以例如通过压缩弹簧、气压缸、螺线圈和/或伺服调节螺杆状延伸元件以及风箱式驱动器或其他空气弹簧来实现。
延伸元件有利地定位在安装结构的中间，以实现对称效果。替代地，在该结构可以采用多个延伸元件，例如分别用于安装表面的每个角部。根据本发明的一些实施方式，至少一个延伸元件的位置根据最可能的屈服方向来选择。这可以进行绳组件屈服所需的力的预定水平的调节。在本发明的一些进一步实施方式中，延伸元件与绳组件成一体。另外或替代地，液压缸或气压缸或弹簧可以代替绳来安装，使其形成与绳类似的限制，但是也可用作延伸元件。这种安装包括铰链、球-承窝接头、一段绳或可位于延伸元件的端部和安装表面之间的其他柔性安装机构。
另外，安装结构也可在机器人臂之外的其他类型机器人中应用。例如，通过安装在例如墙壁的支承结构内的控制缆线控制的机器人工具可采用图5所示的安装元件结构。图5公开机器人工具，类似于抓持元件102，其通过臂101安装到支承结构501。机器人的控制通过由例如伺服马达的相应马达驱动的控制缆线502布置。另外，两个安装表面201、202以及包括绳组件203(例如在讨论图2a时说明)的安装元件结构适用于这种类型的机器人。同样，安装结构适用于已知的笛卡尔或台架机器人或其他类型的机器人。
传感器可安装到安装表面或绳。传感器通常连接到控制机器人的系统，从而使用例如A/D转换器或接着连接到机器人控制系统的其他传感器接口部件，对于传感器数值采样。来自测量安装表面之间的距离的传感器的读数可用来监视结构对准。控制系统可接着被构造成例如停止系统和/或产生故障信号，以避免对于机器人的损害。控制系统还可采用传感器读数来通过考虑抓持器位置计算准确抓持位置，或者在抓持物体之后实时地计划或制定更准确的运动。传感器读数也可用来计算抓持物体的重量。传感器可例如是红外距离传感器、照相机、编码器或如上所述监视用作延伸元件或绳的液压缸或气压缸或空气弹簧内的压力的传感器。测量影响绳或安装表面的力的传感器也可以相同方式使用。这种传感器可例如是应变计或装备弹簧的电位计。
在本发明的一些实施方式中，可以通过控制相应绳的长度来调节安装表面的对准，从而实现最佳对准。这种方案需要在对准表面时采用一个或多个马达。一种这样的方案包括调节螺钉，例如索具螺钉或螺旋螺钉。
根据本发明的一些实施方式，绳组件直接连接到机器人臂的表面和/或抓持元件的表面，而没有任何特定安装表面。此外，即使在以上说明的实施方式中公开了第一安装表面朝着机器人臂安装，这种安装可以一些其他方式实现。例如，所需数量的钢丝可连接到第一安装表面，钢丝通过例如伺服马达控制，以实现系统对于抓持器的适用运动控制。
本文中的术语绳不以任何方式限制其材料或形式。因此，绳可以认为是绳索、缆绳、带等，其具有在这里描述的应用中采用的适用特性。由绳材料制成的柱形或管形插口状结构可以通过将柱形结构的每个端部处的边缘附接到每个安装表面而用作绳布置；该结构接着用作具有大量几乎平行的绳的绳组件。有利地，绳材料是非弹性的，即它在外力造成绳组件的形状变形时基本上不拉伸。同样，耐用性是在废弃物分拣中使用的机器人中应用的绳材料的重要总体要求。
在这里公开的实施方式中，示出了在机器人臂和抓持器之间采用根据本发明的安装结构。在本发明的其他实施方式中，安装结构可以固定到机器人的其他部件，例如在机器人的两个臂元件之间。安装结构的位置的选择可以例如基于经验以找出机器人的哪个部件最容易受到外部冲击的影响和/或安装结构的哪个位置对于机器人臂的损害提供最佳保护。此外，本发明的应用不只局限于抓持元件，因为本发明可适用于现有的任何类型的机器人工具。工具的例子包括用于抓持磁性材料的磁体和/或用于特定需要的特定工具，例如切削工具。

Claims (16)

1.一种用于增加机器人的抗冲击能力的安装元件结构，其特征在于，安装元件结构包括：
第一表面(201)；以及
第二表面(202)，其朝着机器人工具元件；以及
其中所述第一表面(201)和第二表面(202)能够与绳组件(203)连接；以及
绳组件(203)被构造成在暴露于超过预定水平的外力时通过使绳组件(203)的形状变形来减小该力造成的损害。
2.根据权利要求1所述的安装元件结构，其特征在于，安装元件结构还包括用于调节造成绳组件变形形状的力的预定水平的至少一个延伸元件(401)。
3.根据权利要求2所述的安装元件结构，其特征在于，造成绳组件变换形状的力的预定水平的调节通过控制延伸元件(401)的压缩力来实现。
4.根据权利要求2或3所述的安装元件结构，其特征在于，延伸元件(401)是以下元件的至少一种：弹簧、液压缸、气压缸、螺线圈、伺服马达调节的螺杆状延伸构件、空气弹簧。
5.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，延伸元件(401)与绳组件成一体。
6.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，第一表面(201)和第二表面(202)能够在绳组件的形状变形的过程中至少部分交错。
7.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，形成绳组件(203)的每个绳(203a、203b)被拉紧调节。
8.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，绳组件(203)内的绳(203a、203b)不彼此连接。
9.根据权利要求7或8所述的安装元件结构，其特征在于，绳组件(203)内的每个绳(203a、203b)安装到第一表面(201)和第二表面(202)。
10.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，绳组件(203)包括六个绳。
11.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，绳组件的绳材料是基本上非弹性的。
12.根据上述权利要求任一项所述的安装元件结构，其特征在于，该结构包括用于监视结构对准的至少一个传感器。
13.根据权利要求12所述的安装元件结构，其特征在于，传感器是激光或红外距离传感器、照相机、编码器、应变计、电位计或监视液压缸或气压缸或空气弹簧内的压力的传感器。
14.根据权利要求12或13所述的安装元件结构，其特征在于，故障信号能够基于通过至少一个传感器测量的结构对准产生。
15.根据权利要求12-14任一项所述的安装元件结构，其特征在于，包括安装元件结构的系统能够响应于来自传感器的读数停止。
16.根据权利要求12-15任一项所述的安装元件结构，其特征在于，被抓持物体的重量能够基于传感器读数计算。
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