CN107024933B - 包括传感器阵列的用于机器人的缓冲器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种机器人缓冲器组合件(108)，其包含缓冲器主体(107)、第一传感器阵列(120a)及第二传感器阵列(120b)。所述第一传感器阵列沿着所述缓冲器主体的前向部分(110)的外围安置且在轮廓上与所述外围相符，且在沿着所述缓冲器主体的所述外围前向部分的所述轮廓的位置处感测与外部环境的接触。所述第二传感器阵列沿着机器人主体的所述前向部分的顶部(109)的外围安置且在轮廓上与所述外围相符。所述顶部是成角度斜升的。所述第二传感器阵列在沿着所述缓冲器主体的所述成角顶部的所述外围的位置处感测与外部环境的接触。

Description

包括传感器阵列的用于机器人的缓冲器
本申请是申请日为2013年3月14日、申请号为“201380014378.0”、发明名称为“包括传感器阵列的用于机器人的缓冲器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于使机器人与其物理环境交互从而允许所述机器人检测与物体的碰撞且确定所述碰撞的程度或碰撞力、所述碰撞的位置及/或所述碰撞的方向的工具。本发明还提供用于保护机器人免受此类碰撞的缓冲器。
背景技术
历史上，机器人触摸传感器并入到机器人缓冲器组合件中。此类缓冲器组合件为与机器人底盘间隔开且从机器人底盘悬吊下来的刚性、可移动缓冲器。通常，此类缓冲器包含刚性外壳，所述刚性外壳通过一系列硬件(例如，枢轴/缓冲器臂及盘簧)从机器人底盘悬吊下来。所述弹簧吸收碰撞能量，但需要高碰撞力，即要求缓冲器在触发开关以指示已发生碰撞事件之前偏转若干毫米以吸收所述能量。刚性缓冲器相对于机器人的刚性底盘的偏转不仅需要容积排量来致动而且在外部上产生可视缝隙及夹点。所述臂及弹簧的使用需要产生机械安装复杂性且可能导致机械故障的许多移动部件。缓冲器与机器人之间的距离产生尘埃及碎片可在其中聚集的空间。
检测碰撞的位置受到可经济地并入到机器人的机械几何形状中的开关及悬挂点的数目的限制。对于许多机器人，使用两个开关，即左开关及右开关。这最多允许三个检测区，即右、左及中间检测区(如果两个开关均触发)。使用此类开关时的几何限制妨碍机器人检测其何时从上方(例如在楔入情形中)接收到压力的能力。类似地，机器人无法确定碰撞程度或碰撞力。
不采用复杂机械安装的替代缓冲器设计利用围绕机器人的前部定位的碳球类型的接触件。此结构具有若干缺陷。举例来说，碳球缓冲器结构的重量较大并改变机器人的重心。此外，碳球缓冲器结构造价昂贵且所述缓冲器的外观不均匀，使其在美学上对消费者来说较不悦目。
发明内容
本发明的一个方面提供一种机器人缓冲器组合件，其包含缓冲器主体及第一及第二传感器阵列。所述第一传感器阵列沿着缓冲器主体的前向部分的外围安置且在轮廓上与所述外围相符。所述第一传感器阵列在沿着缓冲器主体的前向部分的外围的轮廓的位置处感测与外部环境的接触。所述第二传感器阵列沿着机器人主体的前向部分的顶部的外围安置且在轮廓上与所述外围相符。所述顶部成角度地向上斜升。所述第二传感器阵列在沿着缓冲器主体的成角顶部的外围的位置处感测与外部环境的接触。
本发明的实施方案可包含以下特征中的一或多者。所述第一传感器阵列可沿着缓冲器主体的前向部分的高度垂直延伸。在一些实例中，所述机器人缓冲器进一步包含沿着缓冲器主体的前向部分的外围安置且在轮廓上与所述外围相符的第三传感器阵列。所述第三传感器阵列在沿着缓冲器主体的前向部分的外围的轮廓的位置处感测与外部环境的接触。所述第三传感器可沿着缓冲器主体的前向部分与所述第一传感器阵列垂直间隔开。所述第一及第二传感器阵列可为压敏的。此外或替代地，所述第二传感器阵列可沿着缓冲器主体的成角顶部的高度垂直延伸。在一些实例中，所述成角顶部是弯曲的。
在一些实施方案中，所述机器人缓冲器进一步包含第四传感器阵列。所述第四传感器阵列可沿着缓冲器主体的前向部分的成角顶部的外围邻近所述第二传感器阵列而安置。此外，所述第四传感器阵列可在轮廓上与所述成角顶部的表面相符且可在沿着缓冲器主体的成角顶部的外围的位置处感测与外部环境的接触。所述缓冲器主体可界定实质上圆形的外围或至少部分正方形的外围。
在一些实例中，所述机器人缓冲器组合件可包含安置在缓冲器主体的前向部分上的非接触式传感器阵列。所述非接触式传感器阵列可垂直间隔在所述第一传感器阵列与所述第二传感器阵列之间。所述第一及第二传感器阵列可为膜片开关，所述膜片开关具有由分隔层分隔的第一及第二导电层。
本发明的另一方面提供一种机器人，所述机器人包含机器人底盘，所述机器人底盘具有界定机器人底盘的外围的侧边缘及上边缘。所述机器人包含用于感测机器人底盘与外部环境之间的碰撞的膜片开关及用于将来自所述机器人底盘与外部环境之间的碰撞的能量传输到所述膜片开关的力传输层。
在一些实施方案中，所述膜片开关感测所述机器人底盘的侧边缘及上边缘上的碰撞。此外，所述膜片开关可沿着机器人底盘的侧边缘具有第一灵敏度且可沿着机器人底盘的上边缘具有第二灵敏度。所述第一灵敏度可大于所述第二灵敏度。此外或替代地，所述膜片开关围绕机器人底盘的整个外围延伸。所述机器人底盘可具有近似圆形的外围或局部正方形的外围。在一些实例中，所述膜片开关包含由分隔层分隔的第一及第二导电层。
本发明的另一方面提供一种机器人缓冲器，所述机器人缓冲器包含力吸收层、膜片开关层(其具有多个电接触件)及力传输层，所述力传输层包括经配置以将力传输到所述开关层的多个力传输元件。在一些实例中，所述膜片开关层包含具有多个电触点的第一薄片及具有多个电触点的第二薄片。所述开关层可进一步包括分隔层，所述分隔层定位在所述第一薄片与所述第二薄片之间且用于防止所述第一及第二薄片上的多个电触点之间的意外或偶然接触。此外或替代地，第一薄片上的电触点形成第一图案且第二薄片上的电触点形成第二图案。在一些实例中，所述第一图案与所述第二图案相同。
在一些实施方案中，每一薄片上的多个电触点形成多个区，每一区对应于缓冲器的外表面上的碰撞点。此外，每一电触点可形成个别区。
在一些实例中，所述力传输层定位在所述力吸收层与所述膜片开关层之间。所述缓冲器可与机器人底盘的形状共形。
本发明的目的及优点将在以下描述中部分陈述，且将从所述描述部分明白或可通过实践本教示来习得。本发明的目的及优点可通过在所附权利要求书中特别指出的元件及组合来实现及获得。
应理解，如所主张，以上一般描述及以下详细描述仅为示范性及解释性的且不限制本教示。
并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本教示的示范性实施例且与所述描述一起用于解释那些教示的原理。
附图说明
图1A为示范性机器人的前俯视透视图。
图1B为图1A中展示的机器人的后仰视透视图。
图1C为图1A中展示的机器人的分解视图。
图1D为示范性机器人的示意图。
图2A为示范性缓冲器组合件的分解横截面图。
图2B为另一示范性缓冲器组合件的分解横截面图。
图3说明机器人上的示范性缓冲器组合件的分解透视图。
图4A为缓冲器的膜片开关组合件的示范性第一导电层的前视图。
图4B为缓冲器的膜片开关组合件的示范性第二导电层的前视图。
图4C为缓冲器的膜片开关组合件的示范性分隔层的侧视图。
图4D为分隔第一及第二导电层的膜片开关组合件的示范性分隔层的透视图。
图4E为分隔第一及第二导电层的膜片开关组合件的示范性分隔层的透视图。
图5A为膜片开关组合件的示范性导电层及缓冲器组合件的力传输层的透视图。
图5B及5C为膜片开关组合件的示范性导电层的示意图。
图6A为缓冲器的示范性膜片开关组合件的透视图。
图6B为缓冲器的示范性膜片开关组合件的截面图。
图7为缓冲器组合件的示范性力传输层的透视图。
图8A到8D为具有缓冲器的示范性机器人底盘的示意性俯视图。
图9A为膜片开关组合件的示范性导电层的示意图。
图9B为施加到圆柱体的示范性膜片开关组合件层的透视图。
图9C为具有施加到操纵器的圆柱体臂部分的膜片开关组合件层的示范性操纵器的透视图。
图9D为在不同机器人应用中应用膜片开关组合件的示意图。
图10为机器人的示范性部分及其上的传感器阵列的示意侧视图。
相同参考符号在各种视图中指示相同元件。
具体实施方式
参考图1A到1D，在一些实施方案中，机器人100包含由驱动系统128支撑的主体104，驱动系统128可基于(例如)由控制器200发布的驱动命令(其具有x、y及θ分量)跨越地板表面10操纵机器人100。机器人主体104具有由主体104承载的前向部分112及后向部分114。驱动系统128包含右及左驱动轮模块128a、128b。轮模块128a、128b沿着由主体104界定的横轴X实质上对置且包含驱动相应轮124a、124b的相应驱动电机122a、122b。驱动电机122a、122b可可释放地连接到主体104(例如，经由紧固件或免工具连接)，其中驱动电机122a、122b任选地实质上定位在相应轮124a、124b上方。轮模块128a、128b可可释放地附接到底盘104且通过相应弹簧迫使其与清洁表面10啮合。机器人100可包含脚轮126，其经安置以支撑机器人主体104的前向部分112。机器人主体104支撑用于为机器人100的任何电组件提供电力的电源103(例如，电池)。
机器人100可通过相对于由主体104界定的三个相互垂直轴(横轴X；前后轴Y；及中央垂直轴Z)的运动的各种组合而跨越表面10移动。沿着前后轴Y的前向驱动方向标示为F(在下文中有时称为“前向”)，沿着前后轴Y的后驱动方向标示为A(在下文中有时称为“后向”)。横轴X实质上沿着由轮模块128a、128b的中心点界定的轴在机器人100的右侧R与左侧L之间延伸。
在一些实施方案中，机器人100包含用于清洁或处理地板表面10的清洁系统300。清洁系统300可包含干式清洁系统300a及/或湿式清洁系统300b。
用户接口102可安置在主体104的顶部上及接收一或多个用户命令且/或显示机器人100的状态。用户接口102与机器人控制器200通信，使得由用户接口102接收的一或多个命令可起始机器人100执行清洁例行程序。
机器人控制器200(例如，在计算处理器上执行)可执行致使机器人100采取行动的行为，例如以沿壁方式、地板洗涤方式操纵或在检测到障碍物时改变其行进方向。机器人控制器200可通过独立控制每一轮模块128a、128b的旋转速度及方向而跨越表面10在任何方向上操纵机器人100。举例来说，机器人控制器200可在前向F方向、逆向(后向)A方向、右向R方向及左向L方向上操纵机器人100。当横穿清洁表面10时机器人控制器200可在实质上随机(例如，伪随机)路径上引导机器人100。机器人控制器200可响应于围绕机器人100安置的一或多个传感器(例如，碰撞传感器、接近传感器、墙壁传感器、阻塞传感器及峭壁传感器)。机器人控制器200可响应于从所述传感器接收的信号来重新引导轮模块128a、128b，从而在操纵表面10时致使机器人100规避障碍物及杂物。如果机器人100在使用期间被卡住或缠住，那么机器人控制器200可通过一系列逃脱行为引导轮模块128a、128b，使得机器人100可逃脱并恢复正常清洁操作。
在一些实施方案中，为实现可靠且稳健的自主移动，机器人100包含传感器系统500，传感器系统500由机器人主体104支撑且具有一或多种类型的传感器505，传感器505可用于产生对机器人的环境的感知，所述感知足以允许机器人100做出关于在所述环境中应采取的行动的明智决定。传感器系统500可包含障碍物检测障碍物规避(ODOA)传感器、通信传感器、导航传感器等等。这些传感器可包含但不限于接近传感器、接触传感器、相机(例如，体积点云成像、三维(3D)成像或深度图传感器、可见光相机及/或红外相机)、声纳、成像声纳、雷达、LIDAR(光检测及测距，其可承担测量散色光的性质以发现远距离目标的距离/或其它信息的光学远程感测)、LADAR(激光检测及测距)、测距声纳传感器、激光扫描仪等等。
主体104的前向部分112承载缓冲器组合件108，举例来说，当轮模块128a、128b在清洁例行程序期间跨越清洁表面10推进机器人100时，缓冲器组合件108检测(例如，经由一或多个传感器)机器人100的驱动路径中的一或多个事件。机器人100可通过响应于由缓冲器组合件108检测到的事件(例如，障碍物、峭壁、墙壁)来控制轮模块128a、128b以操纵机器人100(例如，远离障碍物)而对所述事件做出响应。缓冲器组合件108提供感测能力且因此在机器人与外部环境物理接触时提供反馈。此外，缓冲器组合件108保护机器人100的元件免受由此物理接触引起的碰撞力。虽然一些传感器在本文中描述为布置在缓冲器组合件108上，但此外或替代地这些传感器可布置在机器人100上的各种不同位置中的任何者处。
参考图2A，缓冲器组合108可包含安置在彼此之上的若干层。所述层包含最内层110(也称为内部框架层)、感测层120(也称为膜片开关组合件层)、力传输层185(也称为激活层)、力吸收层188(也称为震动吸收层)及外部层190(也称为外保护层)。缓冲器组合件108可不包含所有以上层或替代地以上层中的元件中的一些可并入到单个层中。感测系统500可包含膜片开关组合件层120，其可向控制器200提供接触信号。
如图2A中所展示，最内层110(也称为机器人主体107的前向部分)可为由机器人100的底盘104(其上耦合或安装缓冲器组合件108)形成的缓冲器组合件108的内固体壁110或可为缓冲器组合件108的单独组件。壁110可由刚性塑料(例如，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)材料)制成且可经形成以提供感测层120可抵靠其定位的光滑表面。ABS为一种类型的聚合物，其在达到特定温度时变得可弯曲。当ABS冷却时，其返回到其固体状态。所述表面的光滑性减少了感测层120的错误致动的可能性。仅最内层110将与感测层120接触的部分提供用于定位邻近感测层120的光滑表面。举例来说，如果机器人底盘104在接纳缓冲器组合件108的区域中包含窗口或开口106，那么最内层110及缓冲器组合件108的任何额外层(例如感测层120)可包含对应于底盘开口104的开口106，如图3中所展示。
再次参考图1，在一些实施方案中，感测或膜片开关组合件层120包含三个层，即第一导电层130、第二导电层140及定位在第一及第二导电层130、140之间的介入分隔层150。第一及第二导电层130、140以及分隔层150中的每一者可由柔性材料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或氧化铟锡(ITO))制成。
参考图4A到4E，每一导电层130、140可形成分别包含多个电接触件160a、160b的柔性衬底。如图5A到5C及图7中所展示，电接触件160a、160b可形成提供在每一柔性导电层130、140上的电路165的部分。包含每一导电层130、140上的电接触件160a、160b的电路165可为印刷在柔性衬底130、140上的电路。举例来说，每一导电层130、140可包含以导电墨水(例如铜、银或石墨)丝网印刷的聚酯薄膜。如此领域中已知的适合用于印刷电路的其它类型的材料可用于形成第一及第二导电层130、140。
在一些实施方案中，分隔层150为电介质墨水层。电介质墨水层150可直接印刷在导电层130、140中的一者上以充当两个导电层130、140之间的绝缘体。这基于所印刷的电介质墨水层的厚度及数目在第一及第二导电层130、140之间产生可控间隙C。将电介质墨水作为分隔层150消除了使用绝缘薄膜来产生间隙的需要。可调节电介质墨水层的位置、间隔、形状及厚度以调整缓冲器组合件108的各种区域中的开关的激活力。
如图4D及6A中所展示，形成在第一及第二导电层130、140上的电接触件160a、160b可在由分隔层150分隔的情况下彼此面对。当使第一导电层130上的电接触件160a与第二导电层140上的电接触件160b接触时，开关“闭合”且当接触被破坏时，开关“断开”。膜片开关组合件120可连接到且将信号传输到控制器200(例如，计算处理器)以指示在何时及何处检测到碰撞。控制器200可经配置以检测及辨识碰撞的大小、位置及数目。可通过区域(例如，前部、后部、侧部、顶部等等)或通过矩阵识别碰撞。
再次参考图2A及4C，在一些实施方案中，第一导电层130上的电接触件160a通过分隔层150与第二导电层140上的电接触件160b分隔。分隔层150可界定多个开口170，可通过开口170使第一导电层130上的电接触件160a与第二导电层140上的电接触件160b接触。
可部分通过提供在第一及第二导电层130、140上的电接触件160a、160b的密度来控制感测或膜片开关组合件层120的灵敏度。如图4A及4B中展示，每一导电层130、140可包含相同数目的电接触件160a、160b或不同数目的电接触件160a、160b。电接触件160a、160b可在第一及第二导电层130、140上相同地图案化或可具有不同的图案、大小及形状。第一导电层130上的电接触件160a与第二导电层140上的电接触件160b接触的机会数目越多，膜片开关组合件120就越灵敏。类似地，分隔层150中的开口170的大小、形状及位置控制导电层130上的电接触件160a与第二导电层140上的电接触件160b发生接触的地方(或机会)的数目。分隔层150中的每一开口170提供第一导电层130上的电接触件160a与第二导电层140上的电接触件160b接触的机会。
在一些实施方案中，第一及第二导电层130、140(例如，印刷电路板(PCB))为以银印刷电路丝网印刷的热稳定聚酯薄膜。第一及第二导电PCB层130、140为0.127mm厚。分隔层150(在其中具有开口170)为具有0.0254mm的厚度的膜片开关间隔物。三个层(第一及第二导电层130、140及分隔层150)中的每一者界定用于使它们相对于彼此对准的对准孔。最内导电层130可胶合到最内层110(例如，塑料壁)且感测层120的三个层130、140、150可使用双面胶带附着。还可将两个导电层(PCB)130、140及分隔层150制造为密封单元。
将第一及第二导电层130、140压缩在一起在电接触件160a、160b彼此接触时产生电连接。当第一及第二导电层130、140压缩在一起时进行的接触的程度或数目可表示外部环境对缓冲器组合件的碰撞的大小或力。可通过接触点160a、160b或通过区域132a到132n、142a到142n确定接触量。举例来说，如图5A及5B中展示，第一及第二导电层130、140各自包含电接触件160a、160b，其经相同地定位且分成六个不同区域132a到132f、142a到142f。替代地，如果电接触件160a、160b在一个导电层130上垂直连接(例如，六个区域132a到132f)且在其它导电层140上水平连接(例如，六个区域142a到142f)，那么发生接触的潜在区域(例如，36个区域)的简单x-y图是可能的而电接触件160a、160b的数目没有任何增加。这允许碰撞点的更精细定位。所述概念还可经实施使得多个区域132a到132f、142a到142f被同时读取，从而允许缓冲器组合件108充当多触摸传感器且用作同时触发的所述数目的区域132a到132f、142a到142f的碰撞力的度量。在一些实例中，导体层130、140的区域132a到132f、142a到142f各自具有1.8英寸的高度。此外，第一区域132a、142a及第六区域132f、142f可各自具有3.5英寸的宽度。第二区域132b、142b及第五区域132e、142e各自具有4.2英寸的宽度。最终，第三区域132c、142c及第四区域132d、142d可各自具有3.05英寸的宽度。
在一些实施方案中，参考图4D，分隔层150由压阻材料制成。当压力施加到压阻材料上时，压阻材料经历阻力变化。此阻力变化引起原子间间隔变化，使导电带更容易传导电子。电子的移动导致压阻材料的电阻率的变化。压阻电阻率基于以下等式测量：
Figure BDA0001240066600000081
其中ρσ为压阻率，δρ为电阻率的变化，ρ为原始电阻率且为ε为应变。两个导电层130、140夹置形成分隔层150的压阻材料。在一些实例中，由橡胶或氯丁橡胶制成的外部震动或力吸收层188用于分散力及限制集中的碰撞。可使用的压阻材料包含但不限于3M的Velostat及Caplinq的Linqstat。由于分隔层150辅助确定施加到缓冲器组合件108的特定区域的压力；需要较少的机械行程，因此压阻材料是可校准的且可较少受机械疲劳影响。
邻近于膜片开关组合件层120且在膜片开关组合件层120外部的是力传输层180或激活层180。力传输层180可由经设计以抵抗永久压缩形变的聚氨酯泡沫材料制成。合适材料的实例为
Figure BDA0001240066600000091
聚氨酯泡沫。力传输层180可具有在约5/16"与约3/16"之间变化的厚度，且可具有大约0.5mm的厚度。如图2A、图3、图5及图7中展示，力传输层180包含多个力传输元件185。力传输元件185为从力传输层180的表面182延伸的小突起且邻近于膜片开关组合件层120而定位。力传输元件185的大小及形状可根据需要变化以经由力传输元件185通过力传输层180将施加到缓冲器组合件108的力传输到膜片开关组合件层120。此外，可增大或减小组成力传输层180及元件185的泡沫的刚性以进一步改变膜片开关组合件层120的灵敏度。泡沫的刚性及力传输层元件185的尺寸的此类变化可用于校准致动膜片开关组合件层120所必需的力的量。举例来说，可通过在约0.5lbs与约0.151lbs之间的力来致动膜片开关组合件层120。例如0.25lbs的较小力足以指示与外部环境的碰撞但不会因为与(例如)床裙的意外接触而使机器人100停止，但可基于膜片开关层120的能力将力灵敏度调整得更高或更低。
力传输元件185的数目可与第一及第二导电层130、140之间的潜在电触点160a、160b的数目相同。可调整力传输元件的大小及位置以与膜片开关组合件层120的第一及第二导电层130、140上的每一电接触件160a、160b对准。举例来说，力传输元件185可为圆的且具有与电接触件160a、160b的直径相等的直径。举例来说，力传输元件185可具有8mm的直径及1.25mm的高度。因此，力传输元件185用于将碰撞能的一部分传送到膜片开关组合件层120的触点。当此能量传输到膜片开关组合件层120且足以使第一导电层130的至少一个电接触件160a与第二导电层140的至少一个电接触件160b接触时，膜片开关在所述接触的持续时间期间是“闭合”的。
与力传输层180类似，震动或力吸收层188可由经设计以抵抗永久压缩形变的聚氨酯泡沫材料制成。合适材料的实例为
Figure BDA0001240066600000092
聚氨酯泡沫。额外的示范性材料包含EVA泡沫(核心材料)、聚氨酯弹性体。震动吸收层188可具有适于吸收来自缓冲器108与外部环境的碰撞的力的显著部分的厚度以保护机器人100的底盘104。特定来说，当机器人100以1英尺/秒的最高速度移动时，缓冲器108应吸收冲撞的全部碰撞以保护机器人100免受碰撞力，且其应减少及/或消除来自此碰撞的噪声。在一些实例中，震动或力吸收层188可与力传输层180整合。
在一些实例方案中，缓冲器组合件108的外部具备外保护层或涂层190。外保护层190可形成耐磨皮，其用于保护缓冲器组合件108免受磨损、切割及穿刺。可使用任何合适的弹性材料，例如增强乙烯基材料。外保护层190可具有(例如)约1mm的厚度。外保护层190可与震动或力吸收层188整体形成。在此类实施方案中，震动或力吸收层188可由聚氨酯泡沫制成且以聚氨酯皮覆盖。适当材料的实例为由
Figure BDA0001240066600000101
制造及使用的聚氨酯。
参考图2A及6B，在一些实施方案中，感测层120的第一导电层130包含位于光滑表面110(即，机器人主体107的前向部分)上的若干行接触件160。第一导电层130位于分隔层150上。分隔层150包含开口170。如先前论述，可在直径方面调节开口170以调节膜片开关组合件层120的灵敏度且因此调节缓冲器组合件108的灵敏度。第二导电层140可包含开关矩阵，其在与第一导电层130接触的情况下闭合开关。邻近于第二导电层140的是力传输层180或激活层180。力传输层180或激活层180可包含通过吻切及冲模附着到第一导电层130的两个层。所述第一层包含力传输元件185。所述第二层包含表面182。在一些实例中，操纵传输元件185的高度以调节缓冲器组合件108的灵敏度。传输元件185可为吻切的。吻切为不切割元件支撑而仅围绕元件进行切割从而产生突起(例如，传输元件185)的工艺。表面182可为冲切的。冲切切割元件的形状。冲切及吻切两者使用冲模来切割元件的形状。所述冲模通常依元件的特定要求定制。表面182接合到第二导电层140且围绕传输元件185。表面182提供传输元件185与电接触件160之间的间隔物。表面182及传输元件185可由比用于在缓冲器组合件108受到碰撞时变形的震动吸收层188中的泡沫更硬的材料制成。震动吸收层188提供缓冲器108的形状且在缓冲器受到碰撞时压缩。压缩传输通过震动吸收层188的泡沫且移动传输元件185，这接着闭合第一导电层130中的开关。在一些实例中，外部层190用作外保护层且提供皮，可调节所述皮的手感而无需考虑震动吸收层188中使用的泡沫的手感。外部层190归因于其向膜片开关组合件120提供的保护而增加缓冲器组合件190的寿命。
如图3及图8A到8D中展示，缓冲器组合件108可用于形成仅覆盖机器人底盘104b、104c的一部分的缓冲器108b、108c或围绕机器人底盘104a、104d的缓冲器108a、108d。缓冲器组合件108是充分柔性的以与机器人底盘104a、104b的圆轮廓(图8A、图8B)共形且可呈正方形形式(图8C、图8D)以与机器人底盘104c、104d共形。类似地，缓冲器组合件108的柔性允许膜片开关组合件120延伸超过底盘104的侧且延伸到机器人底盘104的上边缘109(图1A)上。沿着机器人底盘104的上边缘提供膜片开关组合件层120允许检测向下推动到机器人的底盘上或楔入机器人的底盘的力。当机器人100处于其中其可在低垂物体下行进的环境中时这是特别有用的。可为合意的是，使定位在机器人底盘104的顶部上的膜片开关组合件层120比定位在机器人底盘104的边缘上的膜片开关组合件层120较不灵敏。如上文论述，可通过调节电接触件160a、160b的大小、间隔及位置，分隔层150中的开口170的大小、形状及间隔及力传输层180的泡沫的刚性以及力传输元件185的大小及形状来改变膜片开关组合件层120的部分的灵敏度。
缓冲器组合件108可使用先前缓冲器要求的物理体积的大约三分之一。其不具有移动部件，从而消除机械安装复杂性、可视接缝及夹点。如所描述的缓冲器组合件108提供实际上不限数目的检测区域以用于碰撞点的大规模优良定位，且将允许通过计数所检测到的接触点的数目来近似碰撞的力。最终，缓冲器组合件108可用作全环绕缓冲器，其可检测来自前部、侧部及后部的碰撞且还可检测来自上方的楔入力。
参考图9A到9C，在一些实施方案中，感测或膜片开关组合件层120可施加到圆柱体400。圆柱体400可在机器人中实施以用于检测施加到所述机器人具有膜片开关组合件层120的部分的任何撞击或压力。在一些实例中，机器人100可包含用于操纵及移动物体的机器人臂600。机器人臂600可包含由膜片开关组合件层120围绕的圆柱体400。如较早描述，感测或膜片开关组合件层120可包含第一导电层130、第二导电层140及介入分隔层150。第一导电层130水平延伸且包含导电区域132a到132f(例如，导电条带)，第二导电层140垂直延伸从而与第一导电层130形成栅格图案。在一些实例中，第一及第二层130、140相互垂直。此外，分隔层150延伸水平第一导电层130的长度。分隔层150可为定位在第一及第二导电层130、140之间的单个薄片。
在一些实施方案中，第一导电层130与机器人控制器200通信，机器人控制器200可包含模/数转换器(ADC)210。ADC 210为用于将连续物理量转换成数字的装置。连续物理量可为电压且数字表示物理量的幅值。机器人控制器200可激活第一导电层130的单个区域132a到132f(例如，允许/接受在所述区域132a到132f中产生的信号)而不激活所述层130的其它区域132a到132f。此外，垂直第二导电层140也可连接到机器人控制器200。当机器人控制器200激活第一导电层130的水平区132a到132f时，ADC 210读取与经激活的水平区域132a到132f交叉的垂直区域142a到142f中的每一者的数据。所收集的ADC数据指示施加在由第一及第二导电层130、140形成的区域矩阵上的特定点处的压力。
参考图9D，在一些实施方案中，感测或膜片开关组合件层120可具有若干应用，例如用于代理手或手指的机器人前臂600或皮620。在一些实例中，感测或膜片开关组合件层120可安置在用于感测围绕基座602的负载分布的基座602上。
参考图10，在一些实施方案中，机器人100包含缓冲器组合件108，其具有承载一或多个离散放置的障碍物传感器120a、120c及一或多个离散放置的楔入传感器120b、120d的缓冲器主体107。传感器120a到120d可为用于指示接触的任何开关，例如但不限于上文描述的膜片开关组合件层120的实施方案、具有定位在两个电容器层之间的可压缩电介质层的电容器/电介质开关或任何二进制开关中的任何者。在图10中展示的实例中，传感器120a、102b为撞击及楔入位置中的相同类型的阵列，撞击位置定位在缓冲器组合件108在前向行进方向F上定位的壁部分110上且楔入位置定位在缓冲器主体107的顶部表面109或“顶部斜面部分109”上，其可如所指示般成角度。此处，描述符“成角度”包含弯曲表面轮廓。在一些实例中，障碍物传感器阵列120a、120b及任选楔入传感器阵列120c、120d可经预成型以与缓冲器主体107的壁部分110及顶部斜面部分109的轮廓匹配。此外，预成型传感器阵列120a到120d可具有上文描述的压阻膜片开关组合件类型。
第一传感器阵列120a可沿着在行进方向F上面向前的缓冲器主体107或缓冲器组合件108的壁部分110的轮廓安置。术语“阵列”最初表示沿着轮廓的不同感测位置。任选地，阵列120a还针对沿着缓冲器主体107的壁部分110的高度的不同感测位置垂直延伸。这可通过提供连续传感器阵列120a或定位在沿着缓冲器108的轮廓(即，沿着外围缓冲器轮廓)的离散高度处的两个或两个以上离散传感器阵列120a、120b来实现。在此后一实施方案中，两个离散传感器阵列120a、120c由非接触式ODOA传感器阵列505分隔。分隔离散撞击传感器阵列120a、120c留下缓冲器主体107的壁部分110的未占据部分以用于在其上及/或其中定位一或多个额外传感器而不阻断从其开始的视场。在具有沿着壁部分110的高度离散定位的两个或两个以上撞击传感器阵列120a、120c的实施方案中，这些传感器120a、120c在沿着壁部分110的高度的离散位置处的放置使得机器人100能够感测在撞击到通常遇到的物体(例如，墙壁、椅子腿、脚尖等等)中的沿着机器人100的位置范围中的接触。
在一些实施方案中，第二传感器阵列120b沿着缓冲器主体107的前向轮廓的顶部斜面部分109安置，缓冲器主体107的部分在远离前向行进方向F的方向上向后成角度。术语“阵列”最初表示沿着轮廓(即，沿着外围缓冲器轮廓)的不同感测位置。任选地，阵列120b也针对沿着缓冲器主体107的斜面部分109的高度的不同感测位置垂直延伸。这可通过提供连续传感器阵列120b或定位在沿着缓冲器主体107的轮廓(即，沿着缓冲器组合件108的外围)的离散高度处的两个或两个以上离散传感器阵列120b、120d来实现。
两个或两个以上离散撞击传感器阵列120a、120c及两个或两个以上离散楔入传感器阵列120b、120d使得机器人100能够辨出碰撞的高度。机器人100可使用撞击及楔入传感器阵列120a、120b及任选撞击及楔入传感器阵列120c、120d来比较从沿着壁部分110及顶部斜面部分109的不同阵列位置输出的信号的定时，以确定由机器人100接触的障碍物是否在移动(例如，撞击移动的鞋对静止的椅子腿)。
如上文描述，可将障碍物传感器阵列120a、120c及任选楔入传感器阵列120b、120d调节到用于检测某个范围的障碍物(例如但不限于，软障碍物、移动障碍物、墙壁及家具对墙壁)的感测阈值。机器人可使用障碍物传感器阵列120a、120b及任选楔入传感器阵列120c、120d来比较可连续或离散改变的压力以确定被碰撞材料(例如，窗帘)的特性。
在一些实例中，机器人100使用沿着缓冲器主体107的前向轮廓的顶部斜面部分109的楔入传感器阵列120b、120d来比较可连续或离散改变的压力以确定悬伸表面的特性。举例来说，机器人100可因为检测接触的传感器阵列120b、120d的垂直位置从机器人的顶部109向下延伸而检测到增加的楔入风险，或因为检测接触的传感器阵列120b、120d的垂直位置向上延伸而检测到降低的楔入风险。此外或替代地，机器人100可因为接触楔入传感器阵列120b、120d的楔入悬伸的表面区域较宽及/或柔软而检测到高楔入风险，或机器人100可因为接触楔入传感器阵列120b、120d的楔入悬伸的表面区域较窄及/或硬而检测到低楔入风险。
本文中描述的系统及技术的各种实施方案可以数字电子及/或光学电路、集成电路、特定设计的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件及/或其组合来实现。这些各种实施方案可包含一或多个计算机程序中的实施方案，所述计算机程序可在包含至少一个可编程处理器(其可为专用或通用的)的可编程系统上执行及/或解译，所述可编程处理器经耦合以从存储系统、至少一个输入装置及至少一个输出装置接收数据及指令及将数据及指令传输到存储系统、至少一个输入装置及至少一个输出装置。
为提供与用户的交互，本发明的一或多个方面可在计算机上实施，所述计算机具有显示装置(例如，CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示器)监视器、或触摸屏(其用于向用户显示信息))及(任选地)键盘及指向装置(例如，鼠标或轨迹球)，用户可通过所述键盘及指向装置向计算机提供输入。其它种类的装置也可用于提供与用户的交互；举例来说，向用户提供的反馈可为任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；且来自用户的输入可以任何形式接收，包含声音输入、语音输入、触觉输入。此外，计算机可通过将文档发送到由用户使用的装置及从所述装置接收文档来与用户交互；举例来说，通过响应于从网页浏览器接收的请求将网页发送到用户的客户端装置上的网页浏览器。
虽然此说明书含有许多特性，但这些特性不应被理解为对本发明的范围或可主张的内容的限制，而是应理解为对本发明的特定实施方案特有的特征的描述。本说明书中在单独实施方案的背景下描述的某些特征也可在单个实施方案中以组合实施。相反，在单个实施方案的背景中描述的各种特征也可在多个实施方案中单独实施或以任何合适子组合实施。此外，虽然若干特征可在上文描述为以某些组合起作用且甚至最初如此主张，但来自所主张的组合的一或多个特征在一些情形中可从所述组合切除，且所主张组合可针对子组合或子组合的变型。
已描述若干实施方案。然而，将理解，可在不脱离本发明的精神及范围的情况下做出各种修改。因此，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。举例来说，所附权利要求书中引述的动作可以不同次序执行且仍实现所要结果。

Claims (28)

1.一种用于机器人的机器人缓冲器组合件，所述机器人缓冲器组合件包括：
缓冲器主体；
下方传感器阵列(120a)，其包括一或多个传感器，所述下方传感器阵列(120a)沿着所述缓冲器主体的外围的第一部分安置且在轮廓上与所述缓冲器主体的外围的第一部分相符，所述下方传感器阵列(120a)的一或多个传感器经配置以感测沿着所述缓冲器主体的外围的第一部分的轮廓的接触；及
上方传感器阵列(120c)，其包括一或多个传感器，所述上方传感器阵列(120c)沿着所述缓冲器主体的外围的第二部分安置且在轮廓上与所述缓冲器主体的外围的第二部分相符，所述上方传感器阵列(120c)的一或多个传感器经配置以感测沿着所述缓冲器主体的外围的第二部分的轮廓的接触；
其中所述上方传感器阵列(120c)与所述下方传感器阵列(120a)垂直间隔开。
2.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其中所述缓冲器主体的外围的第一部分包括向前部分。
3.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其中所述缓冲器主体的外围的第二部分包括向前部分。
4.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其进一步包括覆盖所述下方传感器阵列和所述上方传感器阵列的力吸收层。
5.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其中所述下方传感器阵列和所述上方传感器阵列均包括至少一个压力传感器。
6.根据权利要求5所述的机器人缓冲器组合件，其中所述下方传感器阵列和所述上方传感器阵列中的至少一个压力传感器经配置以向控制器提供表示所检测到的压力的信号。
7.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其进一步包括非接触式传感器，所述非接触式传感器安置在所述缓冲器主体的向前部分上，且垂直地间隔在所述下方传感器阵列和所述上方传感器阵列之间。
8.根据权利要求7所述的机器人缓冲器组合件，其中所述非接触式传感器包括障碍物检测传感器、障碍物规避传感器、通信传感器和导航传感器中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其中所述缓冲器主体的外围为基本上圆形或基本上方形。
10.根据权利要求1所述的机器人缓冲器组合件，其中所述缓冲器主体的外围的第一部分和所述缓冲器主体的外围的第二部分定位于向前地朝向所述机器人的横轴。
11.根据权利要求4所述的机器人缓冲器组合件，其进一步包括覆盖所述下方传感器阵列和所述上方传感器阵列的弹性外部保护层。
12.根据权利要求11所述的机器人缓冲器组合件，其中所述弹性外部保护层与所述力吸收层一体成型。
13.一种机器人，其包括：
机器人底盘；
缓冲器主体，其安置在所述机器人底盘上；及
膜片开关层，其安置在所述缓冲器主体上，且包括：
第一导电层，其沿着所述缓冲器主体在第一方向上延伸，所述第一导电层包含多个第一导电区域；
第二导电层，其沿着所述缓冲器主体在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，所述第二导电层包含多个第二导电区域，所述多个第二导电区域经布置以与所述多个第一导电区域重叠，以允许基于至少一个第一导电区域与至少一个第二导电区域之间形成的电连接来识别所述膜片开关层所接收的压力在所述缓冲器主体上的位置及/或区域；及
分隔层，其安置在所述第一导电层与所述第二导电层之间。
14.根据权利要求13所述的机器人，其中所述分隔层包括压阻材料。
15.根据权利要求13所述的机器人，其中每一导电区域界定实质上直线条形状，所述多个第一导电区域沿着所述第一方向形成第一条纹图案，且所述多个第二导电区域沿着所述第二方向形成第二条纹图案。
16.根据权利要求15所述的机器人，其中所述第一方向实质上与所述第二方向垂直。
17.根据权利要求13所述的机器人，其进一步包括：
力吸收层；及
力传输层，其安置在所述力吸收层与所述膜片开关层之间，所述力传输层包括经配置以将力传输到所述膜片开关层的多个力传输元件。
18.根据权利要求13所述的机器人，其进一步包括与所述膜片开关层通信的机器人控制器，所述机器人控制器包括模/数转换器ADC，且经配置以：
当所述机器人控制器激活所述至少一个第一导电区域时，所述ADC读取与经激活的所述至少一个第一导电区域交叉的所述至少一个第二导电区域的每一者的数据；所收集的ADC数据指示施加在由所述第一导电层及所述第二导电层形成的区域矩阵上的特定点处的压力；及
检测及辨识碰撞的大小、位置及数目。
19.根据权利要求18所述的机器人，其中所述机器人控制器通过识别所述第一导电层的哪一个至少一个第一导电区域电连接至所述第二导电层的哪一个至少一个第二导电区域，来确定所述所接收压力在所述缓冲器主体上的所述位置及/或区域，每一导电区域在所述膜片开关层上具有已知的位置。
20.根据权利要求19所述的机器人，其中所述机器人控制器通过以下方式来确定所述所接收压力在所述缓冲器主体上的所述位置及/或区域：
识别一或多对电连接的第一导电区域及第二导电区域，其中每一导电区域界定实质上直线条形状，且所述多个第一导电区域沿着所述第一方向形成第一条纹图案，且所述多个第二导电区域沿着所述第二方向形成第二条纹图案；及
识别的每一对电连接的第一导电区域及第二导电区域的交叉处为所述缓冲器主体上所述所接收压力的所述位置及/或区域。
21.根据权利要求20所述的机器人，其中所述机器人控制器基于一个导电层的多个导电区域与其它导电层的一或多个导电区域电连接，来确定所述碰撞的大小及/或力。
22.一种使机器人与物理环境交互的方法，其包括：
将电流输送到膜片开关层的一或多个导电区域，所述膜片开关层安置在缓冲器主体上，且包括：
第一导电层，其沿着所述缓冲器主体在第一方向上延伸，所述第一导电层包含多个第一导电区域；
第二导电层，其沿着所述缓冲器主体在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，所述第二导电层包含多个第二导电区域，所述多个第二导电区域经布置以与所述多个第一导电区域重叠；及
分隔层，其安置在所述第一导电层与所述第二导电层之间；且
响应于所述膜片开关层所接收到的压力，检测至少一个第一导电区域与至少一个第二导电区域之间的电连接。
23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括通过识别所述第一导电层的哪一个至少一个第一导电区域电连接至所述第二导电层的哪一个至少一个第二导电区域，来识别所述所接收压力在所述膜片开关层上的位置及/或区域，每一导电区域在所述膜片开关层上具有已知的位置。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括：
识别一或多对电连接的第一二导电区域及第二导电区域，其中每一导电区域界定实质上直线条形状，且所述多个第一导电区域沿着所述第一方向形成第一条纹图案，且所述多个第二导电区域沿着所述第二方向形成第二条纹图案；及
识别的每一对第一导电区域及第二导电区域的交叉处为所述缓冲器主体上所述所接收压力的所述位置及/或区域。
25.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括基于一个导电层的多个导电区域与其它导电层的一或多个导电区域电连接，来确定碰撞的大小及/或力。
26.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括依次且单独地将电流输送到所述膜片开关层的每一导电区域。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述分隔层包括压阻材料。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述膜片开关层进一步包括：
力吸收层；及
力传输层，其安置在所述力吸收层与所述膜片开关层之间，所述力传输层包括经配置以将力传输到所述膜片开关层的多个力传输元件。
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