CN106029309A - 用于机器人装置的碰撞检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人装置的碰撞检测系统。根据本发明，该系统包括：用于包裹机器人装置一部分的软性覆盖构件（10），其界定了一个可容纳气体的内部空间；用于测量内部空间气体压强和软性覆盖构件（10）外部压强之间差压的至少一个传感器（12）；和一个监测单元（13），其用于接收至少一个传感器（12）的测量信号，基于测量信号执行分析以检测差压的突然变化，并且当检测到这种差压变化时，向机器人装置发射一个停止信号。

Description

用于机器人装置的碰撞检测系统

发明背景。

技术领域

本发明涉及一种用于机器人装置的碰撞检测系统。

本发明还涉及一种装配有至少一个上述碰撞检测系统的机器人装置。

背景技术

众所周知，当一个机器人与一个或者多个操作员处在同一个工作空间时，对于操作员和机器人的保护是绝对优先的。

实际上，该机器人实现一个动作时，例如旋转一个机械臂，可能会打到位于这个机械臂运动范围内的一个操作员身上。如果打击过于激烈的话，被碰到的操作员可能会受伤。

为了确保操作员的安全，经常会使用物理隔离，例如安全笼，或非物理隔离，例如光学系统。

然而，这些隔离通过设立限制进入区域，放置众多的视觉标识，如地面标记或者甚至添加额外的构件以确保物体在机器人专属区域和操作员专属区域之间的传递，这些隔离会引起工作空间的变化。

另外，嘈杂的声学警报也同样可以被用来警告操作员机器人正在启动或者操作员闯入了机器人专属区域。

所有的这些隔离都很昂贵且安装时很繁琐。再者，这些隔离限制了操作员的工作空间。

我们也知道一些灵敏的表层，其中这些表层基于能够探测到接触动作的灵敏的触觉传感器的阵列分布。

然而这些传感器的制造相对复杂且耗费巨大，同时也只能使用在较小的区域。

我们还知道一些含有两种导电或电阻材料的可触摸表层，其通过测量电阻率来检测接触动作。

然而，这些传感器的制造相对复杂且耗费巨大，尤其是得到的测量结果可能会不一致因而不可靠。

本发明目的在于克服现有技术中的这些不同缺陷，提供用于机器人的一种碰撞检测系统，其在设计和操作方面简单，经济合算，并且拥有很高的灵敏度，可用于测量甚至很轻微的碰撞。

本发明的另外一个目的在于这样的一种检测系统能够可靠且快速地检测碰撞点的位置。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于机器人的碰撞检测系统。

根据本发明，该检测系统包括：

-一个软性覆盖构件，其用于覆盖或者包裹该机器人设备的一部分，该软性覆盖构件界定了一个可容纳气体的内部空间，

-至少一个传感器，其用于测量内部空间的压强和软性覆盖构件的外部压强之间的差压，

-一个检测单元，其经配置后用于接收该至少一个传感器的测量信号，基于该测量信号执行分析以检测该差压的突然变化，并且当检测到这种差压变化时，向机器人装置发射一个停止信号。

上述压强的“突然变化”在此处意为该压强的一个高频率变化，例如软性覆盖构件被碰撞之后生成的在该内部空间内传播的一个声波所引起的压强变化。

典型地，该软性覆盖构件的外部压强是机器人装置所处于的一个区域内的主要压强，如一个房间或者大厅。因此，该外部压强一般但并非必然是大气压强。

该机器人装置的该被覆盖的一部分是可以运动的，为了不限制其运动，软性覆盖构件的厚度以小于15毫米为佳，且更好的是其能小于10毫米。

有利地，上述这样的一种碰撞检测系统能够非常显著地改善机器人的安全性，并且因此能够准许更安全地在操作员附近使用这些机器人。

事实上，该检测系统能够：

- 检测各种碰撞并且在不可逆的伤害发生之前使机器人停止运动，和

-通过使接触力分散在一个大的表面上和／或通过使用软性材料，减小碰撞的影响。

有利的是，这样的一种检测系统所包括的一个或者多个传感器，没有像现有技术中的装置那样分布在整个表层，而是位于表层的边缘位置，因此需要较少的传感器，并且这些传感器的布线也更加容易。

在该检测系统不同的具体实施方式中，每种具体实施方式都有其具体的优点且会是众多不同技术方案的合理组合：

- 该检测系统包括至少两个传感器用于测量差压。

在一个传感器失灵／发生故障的情况下，使用至少两个传感器确保了必要的冗余度。

使用三个或者更多的传感器时，即至少三个传感器，能够利用三角测量法确定碰撞的位置。

在高精度地确定了碰撞的位置后，就可以用最好的方法调整机器人的反应，并且甚至也可以利用这个信息简化机器人的操纵。

-该覆盖构件包括一种透气的柔性材料，在这种材料的至少一侧覆盖有一个不透气层。

最好的是，该覆盖构件包括两个柔性层，这两个柔性层的边缘密封地连接，并且这两个柔性层之间界定了一个内部空间，柔性材料位于该内部空间中。

仅仅为了说明，该不透气柔性层由柔性塑料材料或者橡胶材料制成。

有利的是，该透气的柔性材料选自包括一种泡沫、一种开孔泡沫、一种纤维填充物、至少一种弹性成分、和它们的组合物组成的组。

-该软性覆盖构件形成了一个自充气软垫，

-该检测单元包括，对应于每一个传感器，检测单元包括：含有一级阻抗匹配的一个电路，在该级阻抗匹配的输出端连接两个电阻以将该级阻抗匹配输出的信号分为两个信号，该两个信号分别被发送至一个比较器的不同的输入端，能够用于测量该比较器的输出信号的一个检测器，该输出信号与在时间Δt内的压强变化量相关。

该电子系统也可以替换为完全模拟的系统：传感器的信号经过数字滤波得到相同的结果。

-该系统包括用于放置在该软性覆盖构件和该被包裹的机器人装置的一部分之间的一个安全分界面，该安全分界面能够检测作用于其自身的压强，并向一个控制单元发送一个警报信号，当该控制单元收到这样一个警报信号时，该控制单元向机器人装置发送一个停止信号。

仅仅为了说明，该安全分界面可以由一种灵敏的表层制成，该表层的中间包含分开放置的两种导电材料，当由于碰撞使这两个导电材料接触时，这两种导电材料之间会传递一个信号。

-该至少一个传感器用来直接安装于机器人装置，或者，安装于远离软性覆盖构件的位置以避免在软性覆盖构件上形成硬点，

-该系统包括用于测量内部空间压强的一个探头，

-包括用于保持该内部空间恒定压强P_{fonctionnement}的一个充气装置。

有利的是，为了确保该碰撞检测系统对碰撞的高灵敏度，该恒定压强的量级为3至4个bar压强。

本发明同样涉及到一个机器人成套设备，其包括一个机器人装置和一个上述检测系统。

附图说明

参照附图，下述的不具有任何限制性的描述体现出了本发明的其他优势，目的和特征，其中附图：

图1示意性地呈现了本发明的用于机器人的碰撞检测系统的一种具体实施方式；

图2为图1系统中的检测单元的示意图；

图3示意性地呈现了配备有图1系统中的两个传感器的表层；

图4示意性地呈现了一个机器人，在其活动的机械臂的一部分上覆盖有如图1示意性呈现的表层。

具体实施方式

首先，需要注意的是这些附图不是按实际比例呈现出来的。

图1至图3描述了本发明的用于机器人的一个碰撞检测系统的一种具体实施方式。该机器人被放置于具有大气压强Pr_atmo的建筑物中。

该系统包括一个柔性覆盖构件10，例如是灵敏的表层，用于覆盖该机器人的一部分，如一个机械臂（图中未示），该机械臂在运动时可能会与一个物体或者一个人发生碰撞。

该柔性覆盖构件10在此处是一个自动充气软垫，其包括袋装于一个密封塑料包里的一袋泡沫。该柔性自动充气软垫10限定了内部压强为Pr_int的一个可容纳气体的内部空间11。

该覆盖构件10是柔性的且处于充气状态，有利的是，其形成了能够吸收轻微撞击的一个保护隔离。

另外，有利的是，该覆盖构件10在自动地保持其形状时不需要充气装置，因此该覆盖构件始终是能够工作的。

如图1所示，该系统同时还包括两个传感器12，这些传感器安装于该覆盖构件10两端的位置以避免在该构件的外表面形成硬点。

这些传感器12测量由该覆盖构件10所限定的可容纳气体的内部空间11的压强Pr_int和大气压强Pr_atm之间的差压。

因此可以测量到该覆盖构件10内的空气压强的变化。

然而，当该覆盖构件10发生碰撞时，一个压力波13在由该自动充气软垫10所界定的内部空间中传播，并引起可以被这两个传感器12检测到的压强波动。

这些测量结果然后被发送至经配置后用于接收这些传感器12的测量信号的一个检测单元13，对于每一个信号，该检测单元都进行分析以检测压强的突然变化，并且当检测到这样的变化时，向机器人发送一个停止信号。

如图2所示，对应于每一个传感器12，该检测单元13包括只与该传感器相关的一个电路，包括一个第一运算放大器14，其输出端连接两个电阻15，16，这两个电阻分别连接到一个第二运算放大器17的两个不同的输入端，并且这两个电阻的阻值完全相同或者尽可能地接近。

该第二运算放大器17的反相输入端171经由一个电容器18与地线相连，同时，在该第二运算放大器17的反相输入端171，电阻16和电容器18共同组成了一个低通滤波器。

在运算放大器17的反相输入端171，电容器18和电阻16阻止了所有的高频率信号，同时只容许低频率信号通过。

在运算放大器17的正相输入端172，所有频率的信号都能通过，尤其是由覆盖构件10的碰撞引起的表示压强变化的信号。

该第二运算放大器17被连接成一个比较器，在整个压强变化期间Δt，当一个压强变化发生时，该比较器输出端的信号为1（高位信号）。因而可以用一个单片机（图中未示）测量该第二运算放大器输出端的信号。

连接于该第二传感器输出端的电阻19为输出信号增加了一个延迟，当该第二运算放大器的两个输入端的信号非常接近时，该延迟效果能阻止震荡的发生。

另外，通过位于该第二运算放大器17的反相输入端和地线之间的电容实现了平滑化。这个电路还包括一个上拉电阻20，这能够避免比较器被正相输入端的噪音触发。

这个电路有利地检测到极小的压强变化，具有很强的反应能力和很短的反应时间。仅仅为了说明，电路反应时间在此处的量级为100纳秒。

该电路的一个分支包括能导致延迟的一个电容，故该分支电路只能缓慢地变化，因此两个分支发送至比较器17的信号是不相同的。另外，一个上拉电阻能够轻微地使电压上升，以使得源于传感器的噪声信号并不能引起错误的检测结果。至于该电路的第二个分支，其变化很快。

有利的是，该检测系统能够确定该覆盖构件表面的碰撞位置。

另外，值得注意的是，即使发生轻微漏气，该检测系统也能够运行。

同样观察到，覆盖构件的外部压强如大气压强的变化很慢、基本始终如一，例如由气象条件或者甚至因迅速关门而引起的大气压强变化，都不会引起检测系统的反应。

在检测过程中使用多个传感器12以保证冗余度，使该检测系统更可靠。同时，使用三角测量的方法处理这些传感器12发送的信号，能够估算该覆盖构件的表面的接触位置。

在一个具体的实施方式中，该系统包括用于测量差压的三个传感器C₁，C₂，和C₃，假设传感器C₁是第一个检测到压强波动的传感器，传感器C₂是第二个检测到压强波动的传感器，传感器C₃是第三个检测到压强波动的传感器。那么，测量时间的间隔分别是（t₂-t₁）和（t₃-t₁）。

碰撞发生点和传感器C₁的之间距离是r，可以推导出碰撞发生点与传感器C₂和C₃的之间距离分别是r +c×(t₂ – t₁)和r +c×(t₃ – t₁)，其中c是气压波在该覆盖构件的内部空间内的传播速度。

对于弯曲的构件，认为气压波沿着一个虚拟的中间面（mid-surface）传播。

通过选取距离r附近的一个间距值Δr得到的曲线之间有一个交点，利用一个循环迭代算法，能够在极短时间内且很高精度地利用该交点得到碰撞发生点的位置。

Claims (9)

1.用于机器人装置的碰撞检测系统，其特征在于包括：

一个软性覆盖构件（10），其用于包裹所述机器人装置的一部分，该软性覆盖构件（10）界定了一个可容纳气体的内部空间；

至少一个传感器（12），其用于测量所述内部空间的气体压强和所述软性覆盖构件（10）的外部压强之间的差压；

一个检测单元（13），其经配置后用于接收所述至少一个传感器（12）的测量信号，并基于所述测量信号执行分析以检测所述差压的突然变化，并且当检测到这种差压变化时，向所述机器人装置发射一个停止信号，且其中

所述软性覆盖构件（10）包括一种透气的柔性材料，在所述透气材料的至少一侧覆盖有一层不透气层，所述软性覆盖构件（10）形成了一个自充气软垫。

2.如权利要求1所述的碰撞检测系统，其特征在于其包括至少两个传感器（12）用于测量所述差压。

3.如权利要求1或2所述的碰撞检测系统，其特征在于所述透气的柔性材料选自包括一种泡沫、一种开孔泡沫、一种纤维填充物、至少一种弹性成分、和它们的组合物组成的组。

4.如权利要求1至3中任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，对应于每一个所述传感器（12），所述检测单元（13）包括：含有一级阻抗匹配（14）的一个电路，在该级阻抗匹配（14）的输出端连接两个电阻（15，16）以将该级阻抗匹配（14）输出的信号分为两个信号，这两个信号分别被发送至一个比较器（17）不同的输入端，能够用于测量该比较器（17）的输出信号的一个检测器，该输出信号与在时间Δt内的压强变化量相关。

5.如权利要求1至4中任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于其包括一个安全分界面，其放置在所述软性覆盖构件（10）和所述被包裹的机器人装置的一部分之间，所述安全分界面能够检测作用于其自身的压强，并向一个控制单元发送一个警告信号，当所述控制单元收到这样一个警告信号时，所述控制单元向所述机器人装置发送一个停止信号。

6.如权利要求1至5中任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述至少一个传感器（12）直接安装于所述机器人装置，或安装于远离所述软性覆盖构件（10）的位置，以避免在所述软性覆盖构件（10）上形成硬点。

7.如权利要求1至6中任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于包括用于测量所述内部空间的空气压强的一个探头。

8.如权利要求1至7中任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于包括用于使所述内部空间的空气保持在一个恒定压强P_{fonctionnement}的一个充气装置。

9.机器人成套设备，其包括一个机器人装置和一个如权利要求1至8中任一项所述的碰撞检测系统。