CN106573371A - 仿人形机器人中的抗干扰系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿人形机器人使用的安全性。仿人形机器人包括两个元件(2、3)以及连接所述两个元件的具有至少一个自由度的关节(11)，两个元件中的每个元件包括界定外表面的皮肤(22、23)，关节(11)允许在给定范围内的运动，两个元件(2、3)中的第一元件用于在所述范围的末端基本上与两个元件中的第二元件的皮肤(22、23)的区域(25、26)接触。根据本发明，区域(25、26)是柔性的从而允许所述区域利用小于给定力的力以给定距离变形。第一元件(3)通过穿过柔性区域(26)连接到第二元件(2)。

Description

仿人形机器人中的抗干扰系统

技术领域

本发明涉及仿人形机器人使用的安全。

背景技术

从机器人拥有人类外貌和功能的某些特征(诸如头、躯干、双臂、双手、双腿或双脚)那一刻起，机器人可标定为仿人形。仅具有身体高度的一些机器人也可认为是类人型。仿人形机器人能够在配置有轮子的平台上行走或四处移动、利用四肢或头做姿势。它们能够执行的姿势的复杂性不断增加。

这些机器人用于和人类互动且所述机器人需要避免机器人的一些姿势能够伤害到它们周围的人。更特别地，在机器人某些关节的运动中，所述机器人可能夹持位于所述机器人附近的人的手指。例如，当机器人的手臂接近所述机器人的躯干时，存在夹在手臂和躯干之间的危险。更一般地，夹住的风险存在于机器人两个相互铰接的元件之间。

已经研发出一些方案以降低夹住或限制所述夹住的后果的风险。为了避免发生任何夹住，可以通过止动构件限制关节的行程，使得可以在通过所涉及的关节连接的元件之间保持充分的间隙。这个方案通过防止机器人的某些运动，限制所述运动的可能性。机器人的拟人性则会降低。

作为限制夹住的后果，可能减小通过移动所涉及的关节的致动器产生的力。这个力减小也限制机器人的可能性，例如不再能够举起重载荷。当两个元件彼此接近时，可以仅在行程的末端限制致动器的力。这个限制带来致动器的复杂驱动。这个驱动执行起来是昂贵的，且可能成为机器人可靠性降低的缘由。

发明内容

本发明旨在通过完全被动的方案提高机器人的操作安全性，所述方案使机器人能够在关节行程的结尾处限制夹紧力。

为了这个目的，本发明的主题为一种仿人形机器人，机器人包括两个元件和连接所述两个元件的具有至少一个自由度的关节，所述两个元件中的每个元件包括界定外表面的皮肤，关节允许给定范围内的运动，所述两个元件中的第一元件适于在所述范围的结尾处与所述两个元件中的第二元件的皮肤的区域基本上接触。所述区域是柔性的，从而允许所述区域利用小于给定力的力在给定距离内的变形，以及第一元件通过穿过柔性区域接附到第二元件。

柔性区域构造成保持与关节接触、或与第一元件接触。

机器人可包括属于两个元件中的一个的止动件。在所述范围的末端，两个元件中的另一个与止动件接触。

两个元件的皮肤大体上是刚性的，有利地，至少一个柔性区域与皮肤刚性区域以连续方式布置。

柔性区域在封闭线内是不连续的。第一元件通过柔性区域的不连续部分以及沿着封闭线环绕柔性区域的皮肤刚性区域穿过皮肤。

附图说明

在阅读通过示例方式给出的本发明实施方式的详细描述的情况下，本发明会得到更好的理解，且其他优势也变得清楚，这些描述在附图中示出，其中：

图1a和1b示出执行本发明的机器人的两个实施例；

图2a和2b示出图1b的机器人的肩部；

图3示出图1b的机器人的手臂；

图4示出图1b的机器人的臀部。

为了清晰，在不同的附图中同样的元件使用同样的附图标记。

具体实施方式

图1a和1b示出由ALDEBARAN ROBOTICS^TM公司研制的仿人形机器人的两个实施例。图1a中示出的仿人形机器人10包括头部1、躯干2、双臂3、双手4、双腿5以及双脚6。图1b中示出的机器人10’，包括头1、躯干2、双臂3、双手4和下摆7。这两个机器人包括多个关节，允许机器人不同肢体的相对移动以复制人类的形态及运动。机器人10和10’包括例如躯干2和每个手臂3之间的关节11。形成机器人肩部的关节11围绕两个旋转轴机动化以使所述关节能够以人类手臂的可能运动方式相对于躯干2移动手臂3。

仿人形机器人10还包括多个关节，特别是能够连接到臀部的关节，在躯干和每条大腿之间的关节，连接到膝盖的关节，在大腿和小腿之间的关节，以及在腿和脚之间的连接到脚踝的关节，用于移动机器人的双腿和复制行走运动。机动化关节的多个形式得以实施，根据旋转的一个或多个自由度驱动其中一个肢体移动。

仿人形机器人10’具有不同的关节。为了提高稳定性并降低机器人的中心，机器人不包括腿但包括下摆7，在所述下摆的基部包括能够移动机器人的三脚架14。下摆7还包括小腿7a和大腿7b之间的类似于膝盖的关节12。类似于臀部的第二关节13连接躯干2和大腿7b。这两个关节12和13为围绕旋转轴线机动化的枢转连接。关节12的旋转轴线Xa和关节13的旋转轴线Xb基本上平行于连接机器人双肩的轴线，使得能够向前或向后倾斜机器人。

图2a和2b更详细地示出机器人10’的肩部11。在这些手指上，已经利用具有代表可能被夹持在躯干2和手臂3之间的人类手指的圆形截面示出物体20。物体20在两个手指上均以截面示出。实际上，物体20可为代表人类手指的标准计量器。这个计量器必须不能被过分强力地夹持在机器人的两个元件之间。更特别地，机器人必须不能在计量器上施加大于给定力的力。

在图2a中，物体20在机器人10’腋窝内布置在手臂3下。手臂3往往沿着躯干2折回，将物体20在手臂3和躯干2之间夹持在腋窝下。在图2a中示出的实施例中，关注点在于关节11围绕相对于机器人10’的前平面成直角的水平轴线21的旋转。前平面平行于图2a中的平面，水平轴线21与图中的平面成直角。关节11允许在给定范围内围绕轴线21的角程。手臂3可具有大约180°的行程。这里，当手臂3沿着躯干2在范围的端部达到行程结尾时，本发明使能够限制夹持物体20的影响。当然应当理解的是，本发明还应用于围绕轴线21的旋转范围的另一末端，如使用图2b能够看到的，对于围绕竖直轴线的关节11的其他旋转轴线的旋转以及总体地对于关节11的两个旋转的任意组合移动。

躯干2和手臂3的外表面形成皮肤，分别为22和23。在行程的末端，当手臂3沿着躯干2延伸时，手臂3的皮肤23和躯干2的皮肤22基本上彼此接触。更特别地，对于每个皮肤，存在一个区域，在所述区域中，两个皮肤之间的间隙小于物体20的截面。这个区域具有用于手臂3的皮肤23的附图标记25以及用于躯干2的皮肤22的附图标记26。根据本发明，区域25、26中的适于接触的一个或两个区域是柔性的，从而允许所述一个或两个区域利用小于给定力的力以给定距离变形。给定距离是物体20的截面。给定距离是例如约5mm，代表儿童手指的直径。给定力代表夹持物体20允许的最大力。

所涉及的皮肤的一个或多个区域25、26的变形在所述一个或多个区域各自的柔性区域完成，从而在手臂3离开其相对于躯干2的行程末端的位置时，恢复所述一个或多个区域的原始形态。在不存在物体20时，在皮肤22和23的区域25和26之间可能存在小间隙，在区域25和26之间不存在力的或存在很轻微压力的接触。

这些柔性区域25和26的存在允许机器人接近人类形态。皮肤的柔性区域25和26可由通过人造橡胶材料(例如基于硅或橡胶的材料)制成的膜形成。

关节11的行程的末端可通过允许关节11移动的致动器驱动或通过布置在关节11内的机械止动件产生。

在示出的实施例中，柔性区域25在限制其的封闭线27内是连续的。皮肤23的刚性区域28围绕沿着封闭线27的柔性区域25。对于手臂3，皮肤23大体上是刚性的。一个或多个柔性区域25布置在皮肤23上。这些区域23位于手臂3的可能基本上与机器人10’的另一元件接触的点处，所述另一元件在这种情况下为躯干2。

躯干2的柔性区域26在限定所述柔性区域的封闭线30内是不连续的。手臂3通过柔性区域26的不连续部分穿过躯干的皮肤22。皮肤22的刚性区域31围绕沿着封闭线30的柔性区域26。换言之，躯干2的皮肤22像手臂3的皮肤那样大体上是刚性的。柔性区域26沿着封闭线30固定到刚性区域30上。柔性区域26形成固定到刚性区域22并围绕躯干2到手臂3的接附部分的下摆。通过完全围绕手臂3，柔性区域26允许手臂3在关节11的旋转的所有组合中接近躯干2。此外，由于呈下摆形式，柔性区域26能够限制不想要的物体穿进关节11内。为了这个目的，柔性区域26构造成保持与手臂3到躯干2的接附部分接触。柔性区域26保持与关节11接触、或与手臂3接触。柔性区域26特别地能保护关节11不受周围灰尘侵袭。柔性区域26还能够限制机器人内部可能发生的所有故障。这例如可为与电性故障相关的失火以及在机器人内部保持所有破碎的机械部件。

图2b示出基本上垂直向上延伸的手臂3。手臂3在其旋转范围的末端位于其围绕轴线21的行程的末端，与所述末端相对的端部在图2a中示出。手臂3的皮肤23的刚性区域28被轻微压进躯干2的皮肤22的柔性区域26内。这个凹陷在箭头32的高度上是可见的。在这个图中，物体20已经示出夹在肩部和手臂3之间。为了限制夹持物体20的后果，手臂3可包括第二柔性区域25。在躯干2上，物体20被压进躯干2的柔性区域26内。

更一般地，躯干2和/或手臂3使得尽可能多的柔性区域定位在手臂3相对于躯干3的不同运动中能够彼此接触或甚至冲突的这两个元件(躯干2和手臂3)的点或皮肤上。手臂3和躯干2的皮肤大体上是刚性的。形成在所述皮肤上的一个或多个柔性区域25、26与刚性区域以连续方式布置，所述刚性区域分别为28和31。

图3示出连接到机器人10的前臂35的手臂3。确保围绕与图3的平面成直角的轴线27的旋转机动性的肘部36连接手臂3和前臂35。在手臂3上，存在呈下摆形式的柔性区域26，肘部36延伸穿过所述柔性区域。在前臂35上，柔性区域38跟随前臂35的皮肤40的刚性区域39。柔性区域38可完全围绕前臂35并跟随所述前臂的封闭线。可替代地，柔性区域38可仅部分地遵循限定刚性区域39的封闭线。然后柔性区域38为唇的形式，布置在肘部36在第一旋转方向的旋转中，前臂35最接近手臂3的高度。在与第一方向相对的方向的旋转中，前臂35基本上与手臂3对齐。在肘部36的后部，可能在前臂35上分配任意柔性区域。手臂3的柔性区域26能够避免由于夹持而产生的任意损伤。使柔性区域完全围绕肘部36是有利的，即，使肘部36仅具有单一旋转自由度。柔性区域26的一部分没有抗夹功能但保留所述部分的保护抵抗外来身体的保护以及在机器人内抑制故障的功能。

图4更详细地示出机器人10’的臀部13。臀部13具有躯干2和下摆7之间的一个或两个自由度。在具有双腿5的机器人10内具有和臀部相似的结构。臀部13的角程的范围例如可小于90°。对于这样的角程，通过臀部连接的机器人的其中一个元件的皮肤上的柔性区域能够满足。在示出的实施例中，区域26形成躯干2的基部。对于肩部11或肘部36，区域26在这里围绕躯干2的垂直轴线环绕所述躯干。

Claims (4)

1.一种仿人形机器人，包括两个元件(2、3、7、35)以及连接所述两个元件的具有至少一个自由度的关节(11、13、36)，所述两个元件中的每个元件包括界定外表面的皮肤(22、23、40)，关节(11、13、36)允许给定范围内的运动，所述两个元件(2、3、7、35)中的第一元件适于在所述范围的末端和两个元件中的第二元件的皮肤(22、23、40)的区域(25、26、38)基本接触，其特征在于，区域(25、26、38)是柔性的从而允许所述区域利用小于给定力的力以给定距离变形，以及第一元件(3、7、35)通过穿过柔性区域(26)连接到第二元件(2、3)。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，柔性区域(26)构造成保持与关节(11、13、36)接触、或与第一元件(3、7、35)接触。

3.根据前述权利要求任一项所述的机器人，其特征在于，所述机器人包括属于所述两个元件(2、3、7、35)中的一个元件的止动件，以及所述两个元件(2、3、7、35)中的另一个元件在所述范围的末端与所述止动件接触。

4.根据前述权利要求任一项所述的机器人，其特征在于，所述两个元件(2、3、7、35)的皮肤主要是刚性的，以及至少一个柔性区域(25、26、38)与皮肤(22、23、40)的刚性区域(28、31、39)以连续方式布置。