CN105818144A - 协同性机器人系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于机器人和人类协作的系统。所述系统包括：机器人，具有用于机器人的运动的程序化路径；和控制器，其与机器人通信。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，用于在检测到机器人和物体之间的意外接触时要采取的动作的指令被记录在该存储器上。控制器被编程以在检测到意外接触时经由处理器从存储器执行指令，使得机器人停止在程序化路径上的运动，并进入到推离模式。在推离模式下，人能够施加具有推力方向的推力，以命令机器人在推力方向上移动。

Description

协同性机器人系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于机器人和人类协作的系统和方法。
背景技术
协同性机器人设计成与人类一起工作或者靠近人类工作，以执行各种任务。例如，机器人和人类可以一起工作或者可以靠近地工作以执行车辆制造和组装任务。人类可以在工作区中或附近工作，而机器人及其相联末端执行器或者工具以及被夹持部分(如果有)能够在工作区中移动。现有的协同性机器人在检测到意外接触时停止移动，并且具有受限的力和速度能力。再现性、精度、有效负载和到达能力也会是受限的。这些限制可使得现有协同性机器人对于许多制造和组装操作是低效率的。
对于协同性机器人可能有益的是，在检测到意外接触时进入推离(pushaway)模式。推离模式允许人类容易地推离协同性机器人。同样可能有益的是，如果检测到意外接触，则协同性机器人沿着它们的程序化路径退开(backaway)然后再进入推离模式。在检测到意外接触时使用退开操作和/或推离模式可以允许使用更高力和速度能力的协同性机器人，并且还可以提高协同性机器人的再现性、精度、有效负载和到达能力。
发明内容
本发明公开了一种用于机器人和人类协作的系统，所述系统包括：机器人，其具有用于所述机器人的运动的程序化路径；以及控制器，其与所述机器人通信，并且包括处理器和有形的、非暂时性的存储器，用于在检测到所述机器人和物体之间的意外接触时要采取的动作的指令被记录在该存储器上；其中，所述控制器被编程以在检测到所述意外接触时经由所述处理器从所述存储器执行所述指令，所述指令用于：停止所述机器人在所述程序化路径上的运动；并且进入推离模式，其中人类施加具有推力方向的推力，以命令所述机器人在所述推力方向上移动。
优选地，所述系统进一步包括力传感器。其中，所述控制器进一步被编程为接收来自所述力传感器的力信号，并且在所述力信号指示接触力时检测所述意外接触。
优选地，其中在所述接触力大于预定接触力时，检测到所述意外接触。
优选地，其中所述预定接触力在5磅到20磅范围内。
优选地，其中所述控制器进一步编程为接收来自所述力传感器的力信号以检测所述推力。
优选地，其中所述机器人具有软的外罩。
优选地，其中用以移动所述机器人的推力大于预定推力。
优选地，其中所述预定推力小于10磅。
优选地，其中所述控制器进一步编程为：在停止所述机器人在所述程序化路径上的运动之后，并且在进入所述推离模式之前，使所述机器人在所述程序化路径上沿相反方向移动预定距离。
优选地，所述系统进一步包括力传感器。其中，所述控制器被进一步编程为接收来自所述力传感器的力信号，并且在所述力信号指示接触力时检测所述意外接触。
优选地，其中在所述接触力大于预定接触力时，检测到所述意外接触。
优选地，其中所述控制器进一步编程为接收来自所述力传感器的力信号以检测所述推力。
优选地，其中所述机器人具有软的外罩。
优选地，其中用以移动所述机器人的推力大于预定推力。
本发明还公开了一种用于在环境中操作机器人的方法，所述包括：检测所述机器人和环境中物体之间的意外接触；经由控制器停止所述机器人在程序化路径上沿向前方向的运动；以及经由所述控制器进入推离模式，其中人类施加具有推力方向的推力以命令所述机器人在所述推力方向上移动。
优选地，所述方法进一步包括在停止所述机器人在所述程序化路径上沿向前方向的运动之后，并且在进入所述推离模式之前，经由所述控制器命令所述机器人在所述程序化路径上沿相反方向移动预定距离。
优选地，其中检测所述意外接触包括使用力传感器。
优选地，所述方法进一步包括用力传感器检测所述推力。
优选地，所述方法进一步包括在所述机器人中使用伺服马达以使所述机器人在所述推力方向上移动。
优选地所述方法进一步包括：经由所述控制器检测恢复按钮的按压；以及经由所述控制器恢复所述机器人在所述程序化路径上沿所述向前方向的运动。
本文公开了一种用于机器人和人类协作的系统，以及使用该系统的相关方法。该系统包括：协同性机器人，其具有用于机器人的运动的程序化路径；和控制器，其与机器人通信。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，用于在检测到机器人和物体之间的意外接触时要采取的动作的指令记录在该存储器上。控制器被编程以在检测到意外接触时经由处理器执行来自存储器的指令，以停止机器人在程序化路径上的运动，并进入推离模式。在推离模式中，人类能够施加具有推力方向的推力，以命令机器人在推力方向上移动。
用于机器人和人类协作的系统的另一实施例包括：机器人，其具有用于机器人的运动的程序化路径：和控制器，其与机器人通信。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，用于在检测到机器人和物体之间的意外接触时要采取的动作的指令记录在存储器上。控制器被编程以在检测到意外接触时经由处理器执行来自存储器的指令，以停止机器人在程序化路径上的向前运动，使得机器人在程序化路径上向后移动预定距离，并进入到推离模式。在推离模式中，人类能够施加具有推力方向的推力，以命令机器人在推力方向上移动。
一种用于在检测到机器人和环境中物体之间的意外接触时操作协同性机器人的方法包括：经由控制器停止机器人在程序化路径上的向前运动，并使机器人进入推离模式。在推离模式，人类能够施加具有推力方向的推力，以命令机器人在推力方向上移动。该方法可以包括：在机器人停止在程序化路径上向前运动之后并且在进入推离模式之前，经由控制器命令机器人在程序化路径上向后移动预定距离。
本文公开的用于机器人和人类协作的系统和方法可以提高协同性机器人和人类之间的相互作用。它可以允许使用高力和速度能力的协同性机器人，并且也可以提高协同性机器人的再现性、精度、有效负载和到达能力。该系统和方法可用在车辆的制造和组装中。但是，本公开应用于机器人和人类协作的任何应用。非限制性示例包括制造、客户服务、公用服务和客户应用。
本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点根据如下结合附图关于执行本教导的最佳方式的详细说明易于明显。
附图说明
图1是用于机器人和人类协作的系统的示意性透视图。
图2是描绘使用图1所示系统的机器人和人类协作的示例方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中同样的附图标记指代同样部件，图1示出了用于机器人和人类协作的系统10。系统10包括机器人12。机器人12可以是电气机器人(如所示的)，或者可以是任何其它类型机器人。机器人12可具有6个运动自由度(如所示的)，或者具有任何其它合适数目的运动自由度，如本领域技术人员清楚的。机器人12可具有底座13。底座13可以安装到地板(如所示的)，或者可以安装到固定结构(未示出)、一件移动设备(未示出)，或者任何其它合适的安装面或者结构。末端执行器14可以附接到机器人12，以允许机器人12夹紧、移动和释放被夹持部件16，或者执行包括但不限于装入部件、卸载部件、组装、调节、焊接和检查的任务。虽然末端执行器14在图1中示出为轮子抓取器，但末端执行器14(如果有)不局限于任何特定抓取器、工具或装置。类似地，虽然被夹持部件16在图1中显示为车轮，但被夹持部件16(如果有)不局限于任何具体部件、组件或部件。
机器人12可以包括在程序化路径PP上的用于移动机器人12的一个或多个伺服马达18、连接的末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)。视情况可使用其它类型的马达。程序化路径PP具有标准或向前方向FD，以及与向前方向FD相反的相反方向RD。例如，在向前方向FD上，程序化路径PP可以穿过点A，然后通过点B，然后通过点C，其中点A、B、C是二维或三维空间中的点。相反地，在相反方向RD上，程序化路径PP可以穿过点C，然后通过点B，然后通过点A。类似地，如本领域技术人员理解的，程序化路径PP可以包括在机器人12沿向前方向FD移动时以及在其沿相反方向RD移动时的机器人12的角位置改变。
机器人12可以包括力传感器20。力传感器20可以位于机器人12的底座13附近，或者视情况可以位于机器人12的其它区域中。机器人12可以包括可位于机器人12的多于一个区域中的多于一个力传感器20。力传感器20可以是六自由度载荷传感器、安装在机器人的一个或多个外表面上的力传感器、基于马达转矩监测的力传感器，或者任何其它适当的力传感器。
操作员40可以与机器人12一起工作或在机器人12附近工作。操作员40具有手部42或其它身体部分。更具体地，人类40可以在机器人12的工作包络面或者环境17中或附近工作。如本领域技术人员已知的，机器人的工作包络面或者环境17包括有机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)可接触过穿过的任意空间点。机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)可接触工作包络面或者环境17中的物体19。物体19可以是人类40的部分(如所示的)，或者可以是环境17中的任何其它物体，例如部件、工具或设备。机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)之一与物体19的接触会是预期的或者意外的。预期接触会在机器人12的正常操作期间发生。而意外接触会发生在物体19意外进入工作包络面或者环境17中时，或者不在其在工作包络面或者环境17中的正常位置时。机器人12可以包括恢复按钮22，用于人类40按压以命令机器人12恢复在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动。恢复按钮22可以位于机器人12上或附近，并且可以是机械按钮(如所示的)、触敏屏幕(未示出)上的区域，或者任何其它合适的按钮、传感器或者开关。
机器人12可具有软的外罩24。软的外罩24可以由橡胶、塑料、硅酮或者任何其它合适的软材料制成。软的外罩24可以覆盖机器人12的金属或者硬式外表面的全部或一部分，并且可以减少因机器人12与工作包络面或者环境17中的物体19的意外接触产生的峰值力或者压力。
仍参考图1，系统10包括与机器人12通信的控制器(C)50。控制器50可以实施为具有处理器(P)52和存储器(M)54的计算装置。体现方法100的指令被记录在存储器54上，并且由处理器52选择性地执行以便控制器50被编程来执行方法100的全部必要步骤。用于操作协同性机器人的方法100参考图2描述如下。在可能的实施例中，机器人12经由响应于传输到控制器50的或者以其它方式由控制器50接收到的输入信号(箭头58A-C)而经由服务器马达控制信号(箭头56)受到控制。
输入信号(箭头58A-C)驱动控制器50执行的控制步骤，可例如在方法100(箭头58A)执行中由控制器50在内部产生，可以包括感测信息，例如，如来自力传感器20的力信号(箭头58B)中的感测信息，和/或可以包括来自人类40的指令，例如，在来自恢复按钮22的信号(箭头58C)中的指令。存储器54可以包括有形的非暂时性计算机可读介质，诸如只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、光学和/或磁性介质、闪存等待。这些存储器是相对持久的，由此可用以保持处理器52随后访问需要的值。存储器54还可以包括为随机存取存储器(RAM)形式的足够量暂时性存储器，或任何其它非暂时性介质。存储器54还可以包括任何需要的位置控制逻辑，诸如比例-积分(PI)控制逻辑或者比例-积分-微分(PID)控制逻辑、一个或多个高速时钟、定时器、模数(A/D)电路、数模(D/A)电路、数字信号处理器，以及必要的输入输出(I/O)装置和其它信号调节和/或缓冲电路。
在操作中，机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)可意外接触工作包络面或者环境17中的物体19。可以由力传感器20或者由包括但不局限于接触式传感器、视觉传感器、雷达传感器和声纳传感器的其它传感器检测。存储器54包括用于在检测到意外接触时要采取的动作的被记录指令。控制器50被编程以在检测到意外接触时经由处理器42执行来自存储器54的指令，以使机器人12在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动停止，并进入推离模式。在推离模式下，人类40可以施加具有推力方向(箭头PF)的推力(箭头PF)，以命令机器人12在推力方向(箭头PF)上移动。推力(箭头PF)可施加到机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)中的一个或多个。
例如，在操作中，程序化路径PP可穿过点A，然后通过点B，然后通过点C。在点C处，可以检测到意外接触。当检测到意外接触时，控制器50使机器人12在点C处停止在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动，或者暂停在点C处。控制器50然后使机器人12进入推离模式。如果人类40用手部42或者用任何其它身体部分对机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件(如果有)中的一个或多个施加推力(箭头PF)，则控制器50使机器人12在推力方向(箭头PF)上移动，直至推力(箭头PF)线束。这会导致机器人12移动到点D，或者移动到其中人类40推动机器人12的任何其它点。
在另一实施例中，在机器人12在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动停止之后且在进入推离模式之前，控制器50导致机器人12在程序化路径PP上沿相反方向RD移动预定距离。例如，在操作中，程序化路径PP可穿过点A，然后通过点B，然后通过点C。在点C处，可以检测到意外接触。当检测到意外接触时，控制器50使机器人12在点C处停止在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动，或者暂停在点C处。控制器50然后使机器人12在程序化路径PP上沿相反方向RD移动预定距离至点B，或者依赖于所述预定距离在程序化路径PP上沿相反方向RD移动到任何其它点。控制器50然后导致机器人12进入推离模式。如果人类40用手部42或者用任何其它身体部分对机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件(如果有)中的一个或多个施加推力(箭头PF)，则控制器50使机器人12在推力方向(箭头PF)上移动，直至推力(箭头PF)线束。这会导致机器人移动到点E，或者移动到其中人类40推动机器人12的任何其它点。
控制器50可以编程为从力传感器20接收力信号58B，并且在力信号58B指示接触力(箭头CF)检测意外接触。例如，当机器人12操作并且未发生意外接触时，力传感器20可以检测到预期力。预期力可由于机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)的质量、位置、运动、预期接触和其它因素而引起。如果发生意外接触，则接触力(箭头CF)可被添加到力传感器20检测的预期力。控制器50可以编程为在力信号(箭头58B)因添加的接触力(箭头CF)指示不同于预期力的力时检测意外接触。当接触力(箭头CF)大于预定接触力时，可以检测到意外接触。在示例实施例中，预定接触力可能小于20磅。在另一示例实施例中，预定接触力可以在5磅到20磅范围内。其它预定接触力可适当地使用。
控制器50可以编程为从力传感器20接收力信号(箭头58B)，以检测推力(箭头PF)。例如，当机器人12停止时，力传感器20可以检测预期力。预期力可能由于机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)的质量、位置和其它因素引起。控制器50可以编程为在力信号(箭头58B)指示不同于机器人12停止或暂停时的预期力的力时检测推力(箭头PF)。用以移动机器人12的推力(箭头PF)可以大于预定推力。在示例实施例中，预定推力可能小于10磅。在另一示例实施例中，预定推力可以是8磅。其它的预定推力可以适当地使用。预定推力可以与预定接触力相同，或者可以不同于预定接触力，视情况而定。
现在参考图2，用于操作协同性机器人12的上述示例方法以步骤102开始。机器人12沿正常或者向前方向FD在程序化路径PP上移动，如上所述。在步骤102处，检测在机器人12和工作包络面或者环境17中的物体19之间的意外接触，同时仍继续在程序化路径PP上沿向前方向FD行进。意外接触可以由力传感器20检测(如上所述)，或者可以由包括但不局限于接触式传感器、视觉传感器、雷达传感器和声纳传感器的其它传感器检测。
在步骤104中，机器人12在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动经由控制器50被停止或者暂停，如上所述。机器人12在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动可以在检测到意外接触之后立即停止。在步骤106处，控制器50可以命令机器人12在程序化路径PP上沿相反方向RD移动预定距离。在示例实施例中，如果接触力(箭头CF)比预定接触力大了至少第一预定阈值力，则步骤106可以包括在方法100中。
在步骤108处，经由控制器50进入推离模式。在推离模式中，人类40能够施加具有推力方向(箭头PF)的推力(箭头PF)至机器人12、末端执行器14(如果有)和被夹持部件16(如果有)中的一个或多个，以命令机器人12在推力方向(箭头PF)上移动。在步骤110处，由力传感器20或者由包括但不局限于接触式传感器、视觉传感器、雷达传感器和声纳传感器的其它传感器检测到推力(箭头PF)。在步骤112处，机器人12中的一个或多个伺服马达18使得机器人12在推力方向(箭头PF)移动，直至推力(箭头PF)结束。
在步骤114处，控制器50可以恢复按钮22的按压，如上所述。恢复按钮22可以由人类40在其准备使机器人12恢复在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动时按压。在一些示例中，控制器50可以命令机器人12恢复在程序化路径PP上沿着向前方向FD的运动，而不用人类40按压恢复按钮22。例如，如果接触力(箭头CF)比预定接触力大不多于第二预定阈值力，则控制器50可以在意外接触之后的预定时间上未再检测到接触力(箭头CF)时命令机器人12恢复在程序化路径PP上沿向前方向FD的运动。在步骤116处，机器人12恢复在程序化路径PP上沿着向前方向FD的运动。
尽管已经详细描述了用于执行本教导许多方面的最佳方式，但熟悉本教导所涉及领域人员将认识到在所附权利要求范围内的用于实践本教导的各种替代方面。

Claims (10)

1.一种用于机器人和人类协作的系统，包括：
机器人，其具有用于所述机器人的运动的程序化路径；和
控制器，其与所述机器人通信，并且包括处理器和有形的、非暂时性的存储器，用于在检测到所述机器人和物体之间的意外接触时要采取的动作的指令被记录在该存储器上；
其中，所述控制器被编程以在检测到所述意外接触时经由所述处理器从所述存储器执行所述指令，所述指令用于：
停止所述机器人在所述程序化路径上的运动；以及
进入推离模式，其中人类施加具有推力方向的推力，以命令所述机器人在所述推力方向上移动。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：力传感器；
其中，所述控制器进一步被编程为接收来自所述力传感器的力信号，并且在所述力信号指示接触力时检测所述意外接触。
3.根据权利要求2所述的系统，其中在所述接触力大于预定接触力时，检测到所述意外接触。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述预定接触力在5磅到20磅范围内。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器进一步编程为接收来自所述力传感器的力信号以检测所述推力。
6.根据权利要求5所述的系统，其中用以移动所述机器人的推力大于预定推力。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述预定推力小于10磅。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步编程为：在停止所述机器人在所述程序化路径上的运动之后，并且在进入所述推离模式之前，使所述机器人在所述程序化路径上沿相反方向移动预定距离。
9.一种用于在环境中操作机器人的方法，包括：
检测所述机器人和环境中物体之间的意外接触；
经由控制器停止所述机器人在程序化路径上沿向前方向的运动；以及
经由所述控制器进入推离模式，其中人类施加具有推力方向的推力以命令所述机器人在所述推力方向上移动。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在停止所述机器人在所述程序化路径上沿向前方向的运动之后，并且在进入所述推离模式之前，经由所述控制器命令所述机器人在所述程序化路径上沿相反方向移动预定距离。
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