CN106041971B - 具有可重组端部操作器组件的机器人系统 - Google Patents

具有可重组端部操作器组件的机器人系统 Download PDF

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Abstract

机器人系统包括机器人、配置在主臂末端的端部操作器组件、可旋转的平行框架横杆，以及工具支撑分支。工具组件连接到工具支撑分支并可相对于各自的分支轴旋转/移动。配置工具具有通过机器人的腕部接合的控制块和工具。控制器指挥机器人使用工具通过调节框架横杆和/或工具支撑分支或工具组件自动配置端部操作器组件，回应于识别的工作任务做这个。指挥腕部和工具变换器的接合并使用端部操作器组件执行识别的工作任务。配置架自动翻转端部操作器组件到配置位置，指挥腕部与工具变换器的接合，并配置端部操作器组件。

Description

具有可重组端部操作器组件的机器人系统
技术领域
本公开涉及具有可重组端部操作器组件的机器人系统。
背景技术
多轴工业机器人包括通过肩关节连接的铰接臂。每一部分通过一个或多个关节电机驱动。典型的工业机器人相对于六个不同的控制轴控制。共同地，这些控制轴能够实现机器人相对于固定的或移动的基部的旋转、第一臂的伸出/缩回、和第二臂的升/降以及肩关节旋转和设置在第二臂末端的腕部的旋转/平移。另外的臂可根据设计用在连续布置中，而连接到腕部的端部操作器可被操纵以执行想要的工作任务。
术语“端部操作器”指特定的端部联杆机构或组成部分，其根据机器人的设计，可安全地抓紧、传送、定向、以及释放工件或工具。一些端部操作器组件由网格阵列的延伸梁和横杆形成，在其上附接有一组工具模块，例如用于在生产设备中移动金属板或方格玻璃类型的吸盘或抓爪。在执行特定的工作任务之前，单独的工具模块可由操作员手动调节到预定的结构。虽然这种类型的阵列端部操作器组件在制造/材料处理环境中有用，但目前的设计在适应性和整体空间使用方面不是最优的。
发明内容
本文公开了一种机器人系统，其包括多轴机器人、端部操作器组件、配置工具、以及控制器。该机器人、端部操作器组件、以及配置工具一起解决了上面提到的与现有端部操作器设计相关的问题的一些。本文公开的端部操作器组件可响应于控制器发出的控制信号由机器人快速重组，并之后在处理诸如具有异形形状的车身板件或平板方格玻璃等不同部件时，用于材料处置或其他目的。代替传统自锁离合器或卡钳，每一工具模块自动松开夹持、移动、并使用构造为一组线性和/或线性/旋转关节锁的螺丝夹钳机构重新夹持，其通过配置工具选择地调整。相对于现有系统，本设计可提供一些成本和重量优势。
在可能的实施方式中，端部操作器组件包括具有多个正交布置的工具支撑分支的双平行框架横杆，其全部由机器人自动重新定位并设置在延伸的主臂上。双向离合器组件具有适于相对于主臂的轴铰接框架横杆的杠杆臂。该双向离合器组件在一些实施方式中可气动地锁定或解锁，而管道可围绕双向旋转离合器组件布线到各个工具模块以根据应用提供要求的气动功率或真空。
本文公开的配置工具可包括诸如转矩扳手或螺帽扳手的工作工具、以及刀头和适于在控制的配置阶段接合关节锁定机构的配对特征部的定位销。在这样的控制阶段中，端部操作器组件可由机器人放置在配置架上，无论是悬在地板或机柱上方或者安装在其上，从而为配置提供已知的参考系。主臂包括允许主臂与机器人和配置架同时接合的双侧工具变换器。
本文公开了一种机器人系统，其包括具有臂和腕部的多轴机器人。该系统包括具有主臂的端部操作器组件、设置在主臂末端的工具变换器组件、相对于主臂正交布置并相对于主臂的轴可旋转的平行框架横杆、相对于平行框架横杆正交布置的多个工具支撑分支、以及多个工具模块。这些工具模块连接到工具支撑分支的相应一个，且可相对于分支的相应一个的轴旋转和平移。该系统还包括配置工具，配置工具包括通过腕部可选择地接合的设置在配置工具的一个末端的控制块，以及设置在配置工具的另一末端的工作工具。
作为系统的部分，控制器被编程以响应于识别的工作任务通过使用配置工具调整工具模块、平行横杆、以及工具支撑分支的至少一个来命令机器人自动配置端部操作器组件，以及之后命令腕部与工具变换器接合，以及使用配置的端部操作器组件执行识别的工作任务。
配置架可作为系统的零件被包括。这样的配置架为端部操作器组件的配置提供已知的参考系和校准坐标。工具变换器组件包括配置成与机器人接合的第一工具变换器和配置成同时与配置架接合的第二工具变换器。
根据本发明的一方面，提供一种机器人系统包括：
多轴机器人，具有臂和腕部；
端部操作器组件，具有主臂、设置在主臂一末端的工具变换器组件、相对于主臂正交布置并相对于主臂轴可旋转的平行框架横杆、相对于平行框架横杆正交布置的多个工具支撑分支以及连接到工具支撑分支中的相应一个上的多个工具模块，其中工具模块可相对于分支中的相应一个的轴旋转和平移；
配置工具，具有设置在配置工具一末端的控制块以及设置在配置工具另一末端的工作工具，所述控制块可通过工具变换器组件选择地接合；以及
控制器，被编程以响应于识别的工作任务命令机器人通过使用配置工具调整工具模块、平行横杆、和工具支撑分支中的至少一个，以及之后命令腕部与工具变换器接合并使用配置的端部操作器组件执行识别的工作任务。
优选地，其中工具模块是气动吸盘或抓爪。
优选地，其中端部操作器组件包括多个线性/旋转锁定机构，其将工具模块连接到分支中的相应一个。
优选地，其中多个线性/旋转锁定机构中的每一个限定空气通道，空气通道配置成为吸盘或抓爪施加真空。
优选地，所述机器人系统进一步包括双向离合器组件，其配置成相对于主臂锁定或释放平行的框架横杆。
优选地，所述机器人系统进一步包括配置架，其中工具变换器组件包括构造成接合机器人的第一工具变换器和构造成同时接合配置架的第二工具变换器。
优选地，其中配置架包括具有转子轴的电机，且其中控制器被编程以命令机器人自动将端部操作器组件的工具变换器组件与配置架的第二工具变换器接合从而实现配置架的加载位置，相对于转子轴自动翻转端部操作器组件180度到配置架的配置位置，命令腕部和配置工具接合，以及配置端部操作器组件以使用配置工具执行识别的工作任务。
优选地，其中控制器进一步被编程以自动检测端部操作器组件的配置何时完成，并在之后相对于转子轴将端部操作器组件翻转180度回到加载位置。
优选地，其中配置架进一步包括线性致动器，其可操作以在通过电机旋转端部操作器组件之前将端部操作器组件倾斜到校准倾斜角度。
优选地，所述机器人系统进一步包括多个斜摆臂，其将线性/旋转锁定机构连接到工具模块，
其中配置工具具有一对定位销，而斜摆臂每一个具有一对配置成接收该定位销的配合定位孔。
根据本发明另一方面，提供一种机器人系统包括：
多轴机器人，具有臂和腕部；
端部操作器组件，具有主臂、设置在主臂一末端的工具变换器组件、相对于主臂正交布置并相对于主臂轴可旋转的平行框架横杆、相对于平行框架横杆正交布置的多个工具支撑分支以及连接到工具支撑分支的相应一个的多个工具模块，其中工具模块可相对于分支中的相应一个的轴旋转和平移，其中端部操作器组件包括多个线性/旋转锁定机构，其将工具模块连接到分支中的相应一个；
配置工具，具有设置在配置工具一末端的控制块以及配置在配置工具另一末端的工作工具，所述控制块可通过腕部选择地接合；
配置架，为端部操作器组件的配置提供已知的参考系，其中工具变换器组件包括配置成接合机器人的第一工具变换器和配置成同时接合配置架的第二工具变换器；以及
控制器，被编程以响应于识别的工作任务命令机器人通过使用配置工具调整工具模块、平行横杆、和工具支撑分支中的至少一个，以及之后命令腕部与工具变换器接合并使用配置的端部操作器组件执行识别的工作任务。
优选地，其中工具模块为气动吸盘或抓爪。
优选地，其中多个线性/旋转锁定机构中的每一个限定空气通道，所述空气通道配置成为吸盘或抓爪提供真空。
优选地，所述机器人系统进一步包括双向离合器组件，其配置成相对于主臂锁定或释放平行框架横杆。
优选地，其中配置架包括具有转子轴的电机，且其中电机可操作以相对于转子轴翻转端部操作器组件。
优选地，其中控制器被编程以命令机器人自动接合端部操作器组件的工具变换组件和配置架的第二工具变换器，以由此实现配置架的加载位置，相对于转子轴自动翻转端部操作器组件180度到配置架的配置位置，命令腕部与配置工具的接合，以及配置端部操作器组件以使用配置工具执行识别的工作任务。
优选地，其中控制器进一步编程以自动检测端部操作器组件的配置何时完成，并之后相对于转子轴翻转端部操作器180度回到加载位置。
优选地，其中配置架进一步包括线性致动器，其可操作以在通过电机旋转端部操作器组件之前，将端部操作器组件倾斜到校准倾斜角度。
优选地，所述机器人系统进一步包括多个斜摆臂，其将线性/旋转锁定机构连接到工具模块，
其中配置工具具有一对定位销，而斜摆臂每一个具有一对配置成接收定位销的配合定位孔。
本公开的上述和其他特征及优点通过下面对实行限定在所附权利要求中的本公开的一些最优模式，如果已知的话，以及其他实施方式的详细描述，在结合附图理解时而变得明显。
附图说明
图1是这里描述的示例机器人系统的示意性透视图。
图2A和2B是可与图1中示出的机器人系统一起使用的阵列端部操作器组件的两个可能示例结构的示意性透视图。
图3是图1-2B中示出的端部操作器组件的示意性透视图。
图4是图1-3中示出的端部操作器组件的示意性部分切除透视图。
图5是可作为图1中示出的机器人系统的零件使用的示例配置工具的示意性透视图。
图6是图5的配置工具的处于控制的配置阶段接合的部分示意性透视图。
图7是用于图6中示出的示例工具模块的可调整线性/旋转锁定机构的示意性部分切除透视图。
图8是描述控制图1中示出的机器人系统的示例方法的流程图。
图9是处于配置位置和装载位置的端部操作器组件和单轴配置架的示意性平面图。
图10A-C是图8的端部操作器组件在其在加载位置和配置位置之间旋转和翻转时的透视图。
图11A-E是具有双轴序列的替代配置架的示意性侧视图。
图12是描述使用图9-10C中示出的配置架的示例方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中在所有多个附图中相似的附图标记指代相似的部件，在图1中示意性示出机器人系统10。该机器人系统10包括多轴工业机器人12、在图5和6中最优示出的配置工具20、以及下面参考图2A-4和7详细描述的可重组端部操作器组件30。机器人系统10的整体操作控制可通过控制器(C)50经由方法100的执行实现，其一个示例实施方式在图8中示出。机器人系统10可包括在图9-11E中详细描述的配置架75、175，使用配置架75、175的方法200在图12中示出。
图1的机器人12可实施为示出的传统6轴工业机器人，并因此可包括固定的或移动的基部13和多个机器人关节J，其至少一些在图1中示出。多个关节J连接机器人12的组成部分或连续联杆机构，包括下臂14、上臂15、以及腕部16，且共同地提供想要的移动范围和执行分配的工作任务需要的控制自由度的数量。
如下面参考其余附图所解释的，这样的工作任务的例子包括金属板或方块玻璃的夹持、举、定位、以及放置，以及诸如喷漆和焊接等许多其他可能任务。关节位置传感器SJ可相对于每一关节J定位并构造成测量并向控制器50报告测量到的关节位置(箭头θJ)。额外地，一个或多个力量传感器(未示出)还可相对于关节J，例如腕部16定位，并用于向控制器50提供力或转矩反馈，这可避免在方法100的执行过程中在工件或端部操作器组件30上的过大的力。
特别的关于端部操作器组件30，这个结构可包括主臂18和网格状端部操作器阵列19。描述的实施方式中的端部操作器阵列19包括相对于主臂18的纵轴A18正交布置的平行的框架横杆23。工具支撑分支25可如所示相对于框架横杆23悬臂式伸出，并因此自框架横杆23径向向外延伸。多个工具支撑分支25滑动附接到框架横杆23的相应一个/可沿其平移。单独的工具模块35，在多个附图中以示例真空吸盘或抓爪示出，自工具支撑分支25悬挂。每一框架横杆23通过本领域已知类型的传统双向离合器组件60顺次连接到主臂18，双向离合器组件60的示例实施方式最优在图4中示出。
主臂18包括具有分开的第一和第二工具变换器21A和21B的双面工具变换器组件21，第一和第二工具变换器21B和21A在图2A和2B中示出。如本领域熟知的，术语“工具变换器”指能够快速改变机器人端部操作器的手动或自动组件。这样的装置通常根据运行末端工具36的需要包括集成的电源和通讯端口、连接器等。然而，与传统工具变换器不同，工具变换器组件21特别地构造成提供主臂18与机器人12和配置架75两者的同时接合，其中配置架75在图1中示意性示出。配置架75更详细的示例实施方式在图9-10C中图示并在下面参考图9-10C讨论。替代的双轴配置架175在图11A-E中示出。
为了本公开的目的，图1的配置架75可相对于地板85固定或自诸如机柱或壁的竖直表面悬挂。配置架75在卡笛尔(例如XYZ)参考系中具有预定的位置，并因此在端部操作器组件30的重组期间为机器人的零位调整提供校准参考点。例如，当自图2A中示出的第一结构转换为图2B中示出的另一结构时，机器人12将第一工具变换器21B连接到配置架75并释放第二工具变换器21A。当机器人12重组端部操作器30时，由于在由配置架75提供的参考系中的已知位置，下面描述的每一关节锁定机构在自由空间中的位置对控制器50而言是已知的。在端部操作器30的结构在操作中变成未知的情况下，例如由于撞击事件或动力故障，端部操作器组件30，在自配置架75悬挂时，可以手动调节到校准设定，其中多个工具模块36的位置是已知的，之后的结构自已零位调整的设定开始。
如下面特别参考图2A-4描述的，具有附接的工具模块35的工具支撑分支25由机器人12使用配置工具20根据方法100和由控制器50执行的指令自动重新定位，并因此可根据需要布置以允许工具模块35，或更精确地工具模块35的单独的端部工具36，附接到或以其他方式与给定的工件相互作用。在非限制性的车身板件例子中，例如，对应的端部工具36，如在多个附图中所示出的，配置为通常用于不损坏装饰外观表面地固定或移动汽车或其他车身板件类型的气动吸盘或抓爪。然而，在本发明的预期范围内的其他端部工具36可被容易地想到，例如夹锭钳、夹子、喷嘴等等，且因此端部工具36的特定结构可以改变。
机器人系统10的整体控制由控制器50提供。控制器50可配置为主机，例如数字计算机，其特别地编程以执行方法100的步骤。为了那个目的，控制器50包括充足的硬件以执行要求的方法步骤，即，具有充足的存储器(M)、处理器(P)、以及诸如高速时钟、模数和/或数模转换电路、定时器、输入/输出电路和相关装备、信号调制和/或信号缓冲电路等其他相关硬件。存储器(M)包括诸如磁或光只读存储器、闪存等充足的有形非瞬时存储器、以及随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等。
作为方法100的部分，控制器50自位置传感器(SJ)接收并记录测量到的关节位置(箭头θJ)，且还监视在配置端部操作器30过程中以及在给定工件上操作时由端部操作器组件30施加的或施加到端部操作器组件30上的力。控制器50产生或接收告知控制器50关于需要执行的工作任务并识别对应的工件的输入信号(箭头11)，并向机器人12输出控制信号(箭头111)以命令由机器人进行的要求动作。
在图2A和2B中分别示意性示出两个非限制性示例工件80和90。工件80和90相对于彼此以及其他工件(未示出)具有不同的尺寸、形状、和/或表面轮廓，或者它们可由不同的材料构成。因此，图2A中工件80的设计示出比图2B的工件90的设计大得多并更均匀，从而要求相同工具模块35的不同配置。在给定的制造操作中可遇到任意可能数量的工件，且因此端部操作器组件30可由图1的机器人12重组以根据需要单独在它们中的任意一个上操作。
也就是说，图1的控制器50通过输入信号(图1的箭头11)被告知要在其上进行操作的特定工件，例如通过操作员的手动选择、RFID标签的检测、或任意其他合适的识别工艺。然后控制器50从它的存储器(M)中自动选择对应的结构。在端部操作器组件30已经悬挂在配置架75上并旋转到配置位置之后，机器人12在合适的工作站(未示出)将图5的配置工具20附接到其腕部16或其他合适的端部连杆机构并配置端部操作器组件30。虽然为了视图的简明而从图中省略，这样的工作站可实施为支架，其允许配置工具20被保持在校准位置，即腕部16容易接近的位置。所有这些在端部操作器组件30保持捕获在配置架75上时发生。
一旦端部操作器30已经使用配置工具20为即将进行的任务完全配置，机器人12自动将配置工具20放置在其工作站，从腕部16拆卸配置工具20，通过接合工具变换器组件21拾取现在配置的端部操作器组件30，从配置架75去除端部操作器组件30，并在工件80或90上开始操作。虽然为了视图简明在图2A和2B中仅示出两个示例工件80和90，但是本领域技术人员将知道这样的工件的可能范围可根据正在执行的特定的工作需要的那样大或那样小。换句话说，机器人12重组端部操作器30的能力允许它的使用跨大范围的可能工件。
参考图3，端部操作器组件30包括一对框架横杆23A、23B，如上面所指出的，其正交于主臂18的轴A18布置，多个工具模块35相对于径向延伸的工具支撑分支25连接。在端部工具36为气动抓爪的示例实施方式中，气动管76可沿着主臂18布线并引导到多个端部工具36。
当由图2中示出的配置工具20调节，并在下面参考图5详细描述时，平行框架横杆23A和23B可如相应箭头R1和R2所指示的那样相对于对应的框架横杆轴A23A或A23B旋转。相似地，工具模块35可相对于对应的线性/旋转锁定机构38的线性/旋转锁定轴A38旋转，如由箭头R3所指示的。该线性/旋转锁定轴A38相对于在其上布置有线性/旋转锁定机构38的特定工具支撑分支25的分支轴A25正交。工具模块35沿着给定分支轴A25的平移由箭头T1和T4指示。另外，每一工具支撑分支25可沿着框架横杆23A或23B中的一个平移，如由相应的箭头T2和T3所指示的。以这种方式，工具模块35的任意数量的不同构造可由机器人12响应于来自控制器50的命令(箭头111)根据需要设定。
图4是图3中示出的端部操作器组件30的部分的透视图。框架横杆23A和23B具有相应的平行横杆轴A23A和A23B。主臂18通过双向离合器组件60连接到框架横杆23A和23B。每一工具支撑分支25通过线性锁定机构40连接到框架横杆23A和23B中的一个。每一工具模块35通过线性/旋转锁定机构38连接到对应的工具支撑分支25，线性/旋转锁定机构38还限定/用作空气通道，如下面参考图7进一步详细描述的。
双向离合器组件60的对应杠杆47的调整，如所示的叉状杠杆臂的经由图5中示出的配置工具20的调整销127的旋转，重新定位解锁的或松开的框架横杆23A或23B中的一个。即，框架横杆23A或23B可使用机器人12如图3中由箭头R1和R2所指示的那样旋转，从而以围绕对应的框架横杆轴A23A或A23B的圆弧驱动调整销127。在一个实施方式中，要求到双向离合器组件60的气动压力，以通过向在双向离合器组件60的一侧的腔室(未示出)提供气压气动地从平行框架横杆23A和23B解锁双向离合器组件60。相反地，通过向在双向离合器组件60的相反侧的腔室(未示出)提供气压，可气动锁定双向离合器组件60。线性/旋转锁定机构38在充分松开时允许在其下方悬挂的工具模块35沿轴A25中的一个平移，如由箭头T1或T4所指示的，以及如由箭头R3所指示的围绕轴A38旋转。
同样，线性锁定机构40的调整允许工具支撑分支25沿着框架横杆轴A23A或A23B平移，如由箭头T2和T3所指示的。再一次，通过使用针对给定工件的框架横杆23和工具支撑分支25的所要求的所有位置和取向来编程控制器50，可命令图1的机器人12配置和多个不同工件一起使用的端部操作器30，这通过双向离合器组件60、线性/旋转锁定机构38、和/或需要时线性锁定机构40的自动调整进行。
图5图示了配置工具20的示例实施方式，其先前参考图1描述，配置工具20示出为正附接到机器人12的腕部16。配置工具20包括布置在配置工具20的相对末端E1和E2并通过轴向延伸支撑横杆24结合在一起的轴向延伸工具组件22和控制块26。工具组件22可包括平行的板122，每一个形成为矩形或多边形，且每一个安装在第一端板31和第二端板131，并自第一端板31朝向第二端板131延伸。端板31和131两者形状均可为矩形，其中第一端板31面积比第二端板131大以利于在配置端部操作器组件30中的使用。调整销127可安装到平行的板122中的一个并配置成与杠杆47接合，如上面指出在图4中示出的。
螺帽扳手33，例如围绕配置工具20的轴A20可旋转的扭矩扳手，自第二端板131延伸并用于调整线性/旋转锁定机构38和/或线性锁定机构40，如上面指出且图3和4中示出的。在末端E2，控制块26可包括电接口27和额外的工具变换器29，即允许机器人12拾取配置工具20的机械联接件，以及使机器人12能够接合配置工具20和腕部16的导销28或其他合适的联接装置。电接口27引导必须的电功率和控制信号，以通过螺帽扳手33的驱动电机59运转螺帽扳手33。一旦联接到腕部16，配置工具20锁定在位且电和/或气动功率在需要时提供给螺帽扳手33以旋转驱动头133，例如六角头。小电机控制模块150可存在于配置工具20上，以协同控制器50提供配置工具20对操作的就地控制，例如对扭矩设定等的就地控制。
参考图6，工具组件22的操作与工具模块35的调节相关地示出。如示出的，端部工具36螺栓连接到斜摆臂42的末端E3，且如所示，还可通过弹簧和所示的转节组件49悬挂以实现对工件的不同高度和轮廓(例如图2A和2B的80或90)的最优适应。为了调整线性/旋转锁定机构38，其附接到摆臂42或与其一体形成，图1的机器人12首先将自端板131向外延伸的定位销P1和P2与摆臂42的另一末端E4内的配合定位孔41对准。该定位销P1和P2可为接收在定位孔41内的圆形形状或弹状，该定位孔41如最优在图7的部分切除视图中示出的，由斜摆臂42的材料或插入件53限定。
一旦适当对准，图6的螺帽扳手33可与线性/旋转锁定机构38的紧固件52接合。通过松开紧固件52，线性/旋转锁定机构38自由地沿工具支撑分支25的轴平移，和/或工具模块35自由地围绕图3的线性/旋转锁定轴A38中的一个或等同地，螺帽扳手轴A20旋转。然后在移动到端部操作器组件30上的下一个调整位置之后，机器人12可将线性/旋转锁定机构38拧紧到位。
图7图示了图6的线性/旋转锁定机构38和连接到线性/旋转锁定机构38的斜摆臂42的一部分的部分剖视图。该线性/旋转锁定机构38在一个实施方式中不仅构造成相对于给定的工具支撑分支25锁定/解锁，还用作向端部工具36提供气动功率的歧管或空气通道。因此，在线性/旋转锁定机构38的主体54内形成空气进口56，主体54在图6示出的示例实施方式中为在所有侧面围绕工具支撑分支25且沿工具支撑分支25的轴向槽37平移的盒。空气出口58在平行于分支轴A25的方向上定向。图3中示出类型的用于向双向离合器组件60或端部工具36施加真空或传送空气的气动导管76可盘绕在框架横杆23和工具支撑分支25上，以在端部工具36由机器人12重新定位时提供需要的松驰。
以这种方式，图3的气动导管76的一些可布线到线性/旋转锁定机构38，传导空气或真空通过主体54和空气出口58，并最终连接到端部工具36。紧固件52的拧紧最终将线性/旋转锁定机构38夹持到工具支撑分支25以防止主体54沿着分支轴A25和摆臂42围绕线性/旋转锁定轴A38的平移，而松开紧固件52使线性/旋转锁定机构38沿分支轴A25自由平移。在一个示例实施方式中，线性/旋转锁定机构38可包括在主体54上或围绕其构建的母和公锥形托架63和65，母锥形托架63如所示由摆臂42限定。在这个结构中，空气通道67将空气入口56连接到空气出口58。在预期的发明范围内，提供特定夹持功能需要的任意其他合适的内部结构可用作替代。
参考图8，方法100的一个示例实施方式以步骤S102开始。在这个步骤中，控制器50选择由机器人12执行的工作任务。例如，控制器50被通过输入信号(箭头11)通知机器人12需要夹持并移动图2A中示出的工件80。控制器50之后可从其存储器(M)选取执行要求的工作任务需要的端部操作器结构。一旦控制器50知道要执行的任务而且该结构被加载在存储器(M)内，方法100进行到步骤S104。
在步骤S104，控制器50指示机器人12拾取配置工具20，这通过传输图1的控制信号(箭头111)进行。机器人12响应于机器人控制信号(箭头111)移动其腕部16使之与图5的块26接合并在图1示出的配置架75处调整端部操作器组件30。随着这个步骤进行，方法100进行到步骤S106。
步骤S106包括确定端部操作器组件30是否已经为目前的工作任务完全配置。当所有的框架横杆23和工具支撑分支25已经被调整，且当所有的工具模块35根据需要被定位且牢固地锁在位时，方法100进行到步骤S108。
在步骤S108，机器人12，之前已经在步骤S106确定配置完成，将配置工具20放置在合适的工作站。虽然为了视图简明而从图中省略，但是这样的工作站可实施为支架，其允许配置工具20保持在校准位置，即腕部16容易接近的位置。然后机器人12从配置架75拾取新调整的端部操作器30。步骤S108可包括将工具变换器21A与腕部16的配合结构(未示出)对准，并将工具变换器21A锁定在位，例如通过快速连接配件和类似物。然后方法100进行到步骤S110。
步骤S110包括执行分派的工作任务，例如使用吸力拾取图2A的工件80并将工件放置在目标位置，例如车体或集结区域。在关于工件的操作完成后方法100进行到步骤S112。
步骤S112包括确定针对当前工作任务关于所有相似工件的操作是否完成。例如，如果一批预定数量的工件被举起并放置在组装线上，则控制器50可在步骤S112确定关于所有预定数量的工件的工作是否完成。当该批完成时，方法100进行到步骤S114。
在步骤S114，控制器50确定机器人12是否将要执行另一工作任务，例如涉及举起并放下图2B的替代工件90的任务。如果是这样，方法100进行到步骤S116。否则，方法100进行到步骤S115。
步骤S115，在当前的工作任务完成而机器人12没有要剩余工作任务要完成时到达该步骤，包括将端部操作器组件30加载到图1的配置架75上，并命令机器人12执行待用或关闭状态，因此机器人12等待进一步的指令。方法100之后在步骤S102重新开始。
在步骤S116，机器人12接下来将端部操作器30加载到图1的配置架75上，将配置工具20固定到固定架(未示出)，并进行到步骤S102。之后方法100如上面参考步骤S102-S114所讨论的进行。
参考图9，端部操作器组件30示出处于两个位置：加载位置(I)和配置位置(II)。在给定的时间两个位置中的仅一个是可能的，如下面参考图10A-C详细描述的，且因此配置位置(II)以虚线示出。
在可能的实施方式中，上面参考图1指出的配置架75可为单轴旋转架，并因此可包括具有旋转轴A66的架电机66。该架电机66可为可操作以围绕轴A66从加载位置(I)到配置位置(II)并再回来将端部操作器30翻转180度的任意电机或其他旋转致动器。当处于加载位置(I)中时，端部操作器组件30定位为使得主臂18的轴A18如图10A所示相对于地板85水平并相对于轴A66成45度布置。工具变换器组件21，在图9中不可见，与邻近架电机66定位于轴A66上的配合工具变换器221接合。
工具变换器组件21与配合工具变换器221的成功驳接可被自动检测，例如通过本领域已知的开关传感器(未示出)，并通信给控制器50。控制器50可之后命令机器人12从工作站或固定架(未示出)取回图5的配置工具20。当机器人12取回配置工具20时，架电机66在箭头X1的方向围绕轴A66自动旋转。该旋转使端部操作器组件30相对于该45度倾斜轴A66翻转180度，使得该端部操作器组件30如图10C所示在配置架75内垂直定向，因此实现图9中的配置位置(II)。在相反方向的旋转通过箭头X2指示。在配置位置(II)，图1的机器人12能够使用配置工具20开始端部操作器组件30的重组。
作为本设计的部分，扭矩/力传感器SF可定位于架电机66上，例如夹在工具变换器221和架电机66之间。这样的扭矩/力传感器SF可检测配置阶段期间潜在的过载扭矩/力(箭头F0)并将该检测到的值通信到控制器50，控制器50使用超过阈值力的扭矩/力来停止该过程或采取其他校正动作。这样的设计特征的优点是配置工具20和线性锁定机构40或线性/旋转锁定机构38之间的小的阻力被在扭矩/力传感器SF上放大到更可读的载荷，以保护端部操作器组件30、配置架75、和机器人12不受到过大应力或应变。
图10A-C共同图示出端部操作器组件30在其从图10A中示出的加载位置翻转，经过中间位置(图10B)，并最终到配置位置(图10C)的进程。图9-10C的示例实施方式中的配置架75可相对于机柱88或其他垂直表面垂直定向。
在图10A中，端部操作器组件30定向为使得主臂18的轴A18相对于地板85的平面水平，其还在图9中以加载位置I示出。在图10A的加载位置中，端部工具36如由箭头R指示的背离机器人12，因此表现为相对于机器人12面向后定向。在图10B中，端部操作器组件30已经通过旋转移动经过其围绕轴A66的运动范围的约一半，该旋转开始将工具模块35暴露给机器人12。图10C图示出配置位置，即图9的位置II。一旦实现图10C的配置位置，工具36如由箭头F指示的暴露给机器人12，表现为相对于机器人12面向前定向。然后机器人12可使用配置工具20根据要执行的工作任务依据需要调整端部操作器30。因此，整体顺序允许端部操作器组件30在加载位置和配置位置之间以节约空间的方式锁定和翻转。
多轴设计可以存在作为图9和10A-C中示出的单轴电机66的替代。例如，可使用两阶段法。在该过程开始时，第一致动器可倾斜并举起端部操作器组件30经过沿倾斜轴翻转180度的范围，例如相对于垂直线经过30度。之后，端部操作器组件30可向后倾斜，使得端部操作器组件30保持垂直固定，多个工具模块35面对机器人12。在配置阶段之后，端部操作器组件30可倾斜、翻转、并再次翻转，使得工具模块35再次面对机柱88。在本发明范围内可设想这些和其他实施方式。
图11A-E共同图示了替代配置架175，其提供替代的双轴配置顺序。在这个实施方式中，配置架175包括线性致动器95，例如汽缸和活塞、滚珠丝杠、或其他具有纵轴A95的合适的线性致动器。图11A示出处于加载结构的端部操作器组件30，在工具变换器部件21和配置架175的工具变化器221(见图9)接合之后，其相对于机柱88垂直悬挂。
一旦端部操作器组件30成功驳接，如图10B所示，致动器95倾斜端部操作器组件30通过校准倾斜角度(θT)，例如通过在箭头96的方向收回活塞臂以使主臂18对应倾斜。该校准倾斜角度(θT)可在约25-35度的示例范围内，或在另一实施方式中为30度，其实际范围取决于可用空间。端部工具36保持远离机器人12(未示出)定向，如由箭头R指示的。一旦主臂18的轴已经倾斜到图11C中示出的校准倾斜轴(θT)，电机66如上面参考图9-10C所解释的，旋转端部操作器组件30。
图11D图示了端部操作器组件30已经翻转180度时的端部操作器组件组件30，使得端部工具36现在如箭头F所指示的面对机器人12。此时，如图11E所示，线性致动器95在箭头98的方向延伸以如所示将端部操作器组件30返回到垂直定向。因此，图11E图示出上面提到的配置位置，而图11A图示出加载位置。与单轴设计不同，在单轴设计中主臂18在加载位置水平定向，图11A-E的双轴设计要求主臂18在加载和配置位置两者中均垂直定向。
参考图12，操作图9-10C的配置架75或图11A-E的替代配置架175的示例方法200在步骤S202开始，其中端部操作器组件30在加载位置定位在配置架75,175上。步骤S202可包括以本领域已知的通用工具变换器结构和接合技术，接合在主臂18的端部处的工具变换器组件21与定位于配置架75上的工具变换器221。然后该方法可进行到步骤S204。
在步骤S204，图1的控制器50确定端部操作器组件30是否牢固地在配置架75或175上就位，例如使用开关传感器或其他合适的器件。重复步骤S202和S204直到控制器50已经证实端部操作器组件30在加载位置，例如图9的位置I或图11A示出的位置牢固地锁定在位。然后方法200进行到步骤S206。
步骤S206包括将机器人腕部16从端部操作器组件30分离，命令机器人12从合适的工作站(未示出)拾取配置工具20，以及使用上面描述的单轴或双轴法从加载位置朝向配置位置翻转或倾斜和翻转新捕获的端部操作器组件30。
步骤S208包括确定配置工具20是否已经附接到机器人腕部16以及端部操作器组件30已经获得图10C或11E的配置位置以及。如果没有，则方法200重复上面提出的步骤S206。当已经获得该配置位置时，方法200进行到步骤S210。
在步骤S210，控制器50接下来命令机器人12使用如图5中示意性示出的配置工具20配置端部操作器组件30。方法200随后同时进行到步骤S212和S213。
步骤S212包括确定控制的配置阶段是否完成。继续循环步骤S210和S212直到端部操作器组件30已经适当地配置，且之后进行到步骤S214。
步骤S213包括使用扭矩/力传感器SF测量配置工具20和/或配置架75，175的其他结构和工具变换器221之间的扭矩/力，并将测量到的扭矩/力与校准的阈值扭矩或力比较。在配置位置中扭矩/力传感器SF的使用使控制器50能够确定可重组部件的任意一个是否已经具有过大的阻力或者以不能自由移动。如果这样，则机器人12可能损坏端部操作器组件30，并因此控制器50采取控制动作以避免这发生。通过在端部操作器组件30的顶部处的工具变换器21处放置扭矩/力传感器SF，即使小拉力也将在传感器SF上放大到更容易读取的载荷。更高的分辨率将帮助提供更少的错误读数。当没有超过阈值扭矩或力时，方法200进行到步骤S212，且替代地，当超过阈值扭矩或力时，进行到步骤S215。
在步骤S214，图1的机器人12接下来拆卸配置工具20并将配置工具20放置在合适的工作站(未示出)。当这发生时，架电机66将新配置的端部操作器组件30旋转回到图10A的加载位置，有效地颠倒了参考步骤S202-S214描述的操作。方法200进行到步骤S216。
步骤S215包括响应于在步骤S213检测到的阈值力执行控制动作。可能的示例控制动作包括停止机器人12的配置运动或将配置运动颠倒到适合重新零位调整或维修的默认/自动防故障位置。
在步骤S216，机器人12拾取端部操作器组件30并使用新配置的端部操作器组件30开始在工件上的工作。在工作任务完成时，方法200返回到步骤S202。
因此，方法200允许机器人12在材料处置结束处将端部操作器组件30加载到配置架75或175上，锁定并翻转端部操作器组件30到可重组位置，从工具站或固定架拾取配置工具20，并开始配置端部操作器组件30。在配置阶段结束处，配置架75或175翻转并释放端部操作器组件30回到加载位置。机器人12然后可从配置架75或175拾取端部操作器组件30并重新开始材料处置或其他操作。
详细描述和图或附图支持并描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了实行本申请的最优模式，如果已知的话，和其他实施方式，但是仍存在实践如所附的权利要求中限定的本公开的多种替代设计和实施方式。
与相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时申请No.61/142,748和美国临时申请No.62/142,751的权益，两者均在2015年4月3日提交，且该两者在此通过引用以其全文并入。

Claims (10)

1.一种机器人系统包括：
多轴机器人，具有臂和腕部；
端部操作器组件，具有主臂、设置在主臂一末端的工具变换器组件、相对于主臂正交布置并相对于主臂轴可旋转的平行框架横杆、相对于平行框架横杆正交布置的多个工具支撑分支以及连接到工具支撑分支中的相应一个上的多个工具模块；
配置工具，具有设置在配置工具一末端的控制块以及设置在配置工具另一末端的工作工具，所述控制块可通过工具变换器组件选择地接合；以及
控制器，被编程以响应于识别的工作任务命令机器人通过使用配置工具调整工具模块、平行横杆、和工具支撑分支中的至少一个，以及之后命令腕部与工具变换器接合并使用配置的端部操作器组件执行识别的工作任务，其中工具模块可相对于分支中的相应一个的轴旋转和平移。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中工具模块是气动吸盘或抓爪。
3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中端部操作器组件包括多个线性/旋转锁定机构，其将工具模块连接到分支中的相应一个。
4.根据权利要求3的所述的机器人系统，其中多个线性/旋转锁定机构中的每一个限定空气通道，空气通道配置成为吸盘或抓爪施加真空。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，进一步包括双向离合器组件，其配置成相对于主臂锁定或释放平行的框架横杆。
6.根据权利要求1所述的机器人系统，进一步包括配置架，其中工具变换器组件包括构造成接合机器人的第一工具变换器和构造成同时接合配置架的第二工具变换器。
7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中配置架包括具有转子轴的电机，且其中控制器被编程以命令机器人自动将端部操作器组件的工具变换器组件与配置架的第二工具变换器接合从而实现配置架的加载位置，相对于转子轴自动翻转端部操作器组件180度到配置架的配置位置，命令腕部和配置工具接合，以及配置端部操作器组件以使用配置工具执行识别的工作任务。
8.根据权利要求7所述的机器人能系统，其中控制器进一步被编程以自动检测端部操作器组件的配置何时完成，并在之后相对于转子轴将端部操作器组件翻转180度回到加载位置。
9.根据权利要求6所述的机器人系统，其中配置架进一步包括线性致动器，其可操作以在通过电机旋转端部操作器组件之前将端部操作器组件倾斜到校准的倾斜角度。
10.一种机器人系统包括：
多轴机器人，具有臂和腕部；
端部操作器组件，具有主臂、设置在主臂一末端的工具变换器组件、相对于主臂正交布置并相对于主臂轴可旋转的平行框架横杆、相对于平行框架横杆正交布置的多个工具支撑分支以及连接到工具支撑分支的相应一个的多个工具模块；
配置工具，具有设置在配置工具一末端的控制块以及配置在配置工具另一末端的工作工具，所述控制块可通过腕部选择地接合；
配置架，为端部操作器组件的配置提供已知的参考系；以及
控制器，被编程以响应于识别的工作任务命令机器人通过使用配置工具调整工具模块、平行横杆、和工具支撑分支中的至少一个，以及之后命令腕部与工具变换器接合并使用配置的端部操作器组件执行识别的工作任务，
其中工具模块可相对于分支中的相应一个的轴旋转和平移，
其中端部操作器组件包括多个线性/旋转锁定机构，其将工具模块连接到分支中的相应一个，并且
其中工具变换器组件包括配置成接合机器人的第一工具变换器和配置成同时接合配置架的第二工具变换器。
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