CN108349090B - 用于在铰接臂中提供接触检测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了铰接臂的感测操纵器。所述感测操纵器包括顺应性部分和沿着所述顺应性部分的第一方向设置的移动检测系统，使得所述顺应性部分沿着所述第一方向和横向于所述第一方向的至少一个方向的移动可由所述移动检测系统检测。

Description

用于在铰接臂中提供接触检测的系统和方法

优先权

本申请要求2015年8月26日提交的美国临时专利申请序列号No.62/210,235的优先权，该申请的公开内容通过引用结合于此。

背景技术

本发明大体涉及机器人和其他分拣系统，并且更具体地涉及用于分拣系统中的铰接臂系统。

已知使用机械顺应性来提高在抓取和操纵期间的机器人性能的系统和方法。商业上存在专用的顺应元件，其用作安全防护装置，例如由瑞典的ABB自动化技术产品公司销售的位置传感器。这些设备可以包括磁性分离元件或弹簧元件，当机器人与环境之间产生接触时，这些元件会发生偏转。此外，这些设计还可以包括分离状态的基本开/关感测，其通常用作机器人控制器的停止信号。

工业界和学术界的更多现代机器人系统已经将柔性元件和变形传感器结合到机器人手臂的关节中(例如见由马萨诸塞州波士顿的Rethink Robotics公司出售的Baxter机器人以及由德国的航空航天中心机器人与力学研究所开发的DLR轻型机器人III)。通过组合感测每个关节处的变形，可以推断末端执行器处的力的近似值。然而，这样的实施方式在某些应用中是不希望的(例如，由于可能降低末端执行器的位置准确度的不必要地增加的顺应性，增加的机械复杂性和成本以及降低的机器人系统的有效负载能力)，其具有增加的复杂性，即机器人手臂上的任何高度柔性的末端执行器都会导致传递到关节的负载相当小并难以可靠地测量。

力传感器也已知用于机器人操纵系统。典型的力传感器由装备有若干微型变形传感器(诸如应变仪)的刚性板构成。该板通常被放置在机器人末端执行器和机器人手臂之间，用于感测作用于末端执行器的力和扭矩。这些传感器趋向于昂贵且难以准确地校准，因为它们在非常小的尺度上测量偏转或应变。此外，安装在末端执行器和机器人臂之间的力传感器遭受关节传感器的上述问题，即末端执行器上的高度柔性元件不会在力传感器处产生显著的力以便检测。

因此仍然需要用于机器人和其他分拣系统的改进的感测系统。

概述

根据实施例，本发明提供了一种铰接臂的感测操纵器。感测操纵器包括顺应部分和沿着顺应部分的第一方向设置的移动检测系统，使得顺应部分沿着第一方向和横向于所述第一方向的至少一个方向的移动都可由移动检测系统检测。

根据另一个实施例，感测操纵器包括提供顺应部分在至少两个自由度上的移动的顺应部分和提供关于顺应部分在所述至少两个自由度上的移动的输出数据的移动检测系统。

根据进一步实施例，本发明提供了一种感测由机器人系统的末端执行器处的操纵器保持的物体的位置取向的方法。该方法包括以下步骤：将物体接合在机器人系统的工作环境中，感知移动检测系统的初始位置，克服重力提升物体，以及相对于移动检测系统的初始位置感知物体的负载、俯仰、翻滚和偏航中的至少两个。

附图说明

参考附图可以进一步理解以下描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的包括感测操纵器系统的机器人系统的说明性图解功能框图；

图2A和图2B示出了用于本发明的各种实施例中的顺应性接口的说明性示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的感测操纵器的说明性图解等距视图；

图4示出了根据本发明的另一个实施例的感测操纵器的说明性图解视图；

图5A和5B示出了本发明实施例的系统中的末端执行器接合相对较轻的物体的说明性示意图；

图6A和6B示出了本发明实施例的系统中的末端执行器接合相对较重的物体的说明性示意图；

图7A和7B示出了本发明实施例的系统中的末端执行器与呈现不平衡负载的物体接合的说明性示意图；

图8示出了根据本发明的另一实施例的感测操纵器处于伸展状态(未接合物体)的说明性图解等距视图；

图9示出图8的感测操纵器处于接合状态(接合物体)的说明性图解等距视图；

图10示出了根据本发明的另一个实施例的感测操纵器包括夹持器的说明性图解视图；

图11示出了根据本发明的另一个实施例的感测操纵器包括感测钳口的的说明性图解视图；以及

图12示出了图11的感测操纵器的一部分的说明性图解放大图。

仅出于说明的目的而示出附图。

具体实施方式

根据实施例，本发明提供了一种新颖感测操纵器，其跟踪机器人末端执行器在它与环境(包括环境内的物体)接触时的物理变形。许多机器人末端执行器设计依赖于柔性被动式顺应元件，这些元件变形以适应环境。该顺应性用于提高抓取和操纵期间接触的质量和可靠性，并减少接触期间施加于机器人和物体的冲击负载。

根据某些实施例，本文讨论的新颖的感测操纵器跟踪多种变形模式，并提供此信息用于更高级的自动化软件以确定关于与环境接触的末端执行器的状态的重要细节。该感测模式消除了传统用于感测力或对机器人系统的增加顺应性的额外复杂机械元件的需求，同时最小化地改变现有硬件的刚度和惯性。根据实施例，将传感器放置成尽可能靠近接触位点，确保其能够获得与通过机器人结构的传输动力学未改变的操纵任务相关的信号。

根据某些实施例，本发明的感测操纵器可具有若干主要特征，这些特征具有许多辅助优点、在此概述并在下面更详细地讨论。

位置变形传感器设计方法提供了：A)感测策略,可以同时感测顺应元件沿着多个轴线的变形，B)感测系统，可以应用于各种预先存在的顺应元件，并且消除了沿着机械臂的串行链的新机械复杂性的需要，C)传感器解决方案，其最低程度地影响现有顺应元件的刚度或惯性，以及D)传感器，靠近末端执行器接触表面放置以获得高度敏感且不受机器人力传递的动力学影响的数据。

本发明的某些实施例的新颖软件和算法进一步提供了A)软件策略，其使用传感器信息来检测与世界的接触的存在或不存在，以及B)软件策略，其检测由于对象的外部负载和抓取配置而施加在末端执行器上的力和扭矩的量。

下面通过几个例子说明偏转感测的一般方法和应用于处理结果数据的算法。最初可以通过考虑图1所示的偏转传感器设计的简化图来理解设计和方法。图1示出了根据本发明的实施例的变形传感器应用图，其中变形传感器定位在环境附近，使得图1的偏转传感器的感测发生在与环境接触的点处。

具体而言，机器人系统10包括移动检测系统12，诸如设置有用于接合环境16的顺应性接口14(诸如真空杯)的偏转传感器。移动检测系统12和顺应性接口14耦接到附接到机器人系统的机器人质量块20的末端执行器18。顺应性接口可以通过使用柔性材料形成为管状或圆锥形波纹管的形状，如图2A和2B中的14和14a所示。注意，顺应性接口不仅可以如A所示的方向移动，而且还可以沿与第一方向横向的B(如图所示)和D(进入和离开页面)所示的第二方向移动，以及如C所示的与第一方向部分横向的方向移动。也注意，顺应性接口不一定是偏转传感器本身的一部分，但在某些实施例中可以是操纵系统的自然部分。

变形传感器可以应用于变形没有严格限制而是提供多轴感测的系统，这意味着变形可以线性地、旋转地或沿着复杂的路径发生。允许和感测这种复杂变形的能力是与现有技术系统的关键区别。可以应用多种技术来为顺应性接口提供传感器。重要的是，这种感应不会限制或阻碍顺应性运动，或增加显著的惯性或质量。可以应用若干传感器来测量变形，包括但不限于：柔性传感器(诸如弯曲敏感电阻器或电容式传感器)，磁场传感器(诸如指南针或霍尔效应传感器)或电位计。

图3示出了根据本发明另一实施例的感测操纵器30，其中感测操纵器包括移动检测系统32。移动检测系统32包括静态3轴磁场传感器34，该静态3轴磁场传感器34通过环40抵靠附接到顺应性杯38的中心部分的磁体36并与磁体36对准。在顺应性杯38的开口端46处提供真空。随着顺应性杯38移动，环40也移动。当围绕杯的环40移动时，支架42以及磁体46也移动，相对于附接到铰接臂44的磁传感器44检测该移动，以从杯的平移/翻滚/俯仰感测真空杯的轴向弯曲。当使用磁场传感器时，系统不仅可以确定偏转传感器相对于铰接臂的伸长方向(x)上的移动，而且可以确定横向于偏转传感器的伸长方向的方向(y和z)以及部分横向于偏转传感器的伸长方向的方向上的移动。

参考图4，根据另一个实施例，系统可以包括附接末端执行器82的铰接臂80，同样，末端执行器82可以是管状或圆锥形波纹管。末端执行器82还包括传感器84，其包括波纹管上的附接带86以及附接到磁场传感器84的支架88，并且磁体92安装在铰接臂80上。当波纹管沿三个方向中的任何一个方向移动时(例如，如图中A所示朝向和远离铰接臂，如B所示横向于方向A的方向，以及如C所示部分横向于方向A的方向。磁场传感器84可以与控制器90通信(例如，无线地)，控制器90还可以与流量监控器94通信以确定物体的高流量抓取是否足以继续抓取和传送，如下面进一步讨论的。在某个实施例中，例如，如果气流不足以承载负载，则系统可以返回物体，或者可以增加气流以安全地维持负载。

图5A和图5B示出了由包括图4的负载检测设备的末端执行器82从表面162提升的物体160。在接合物体160时，系统记录检测设备的位置。一旦物体160被提升(图5B)，系统就记录传感器输出的变化。在该示例中，由物体160提供的负载相对较轻。然而，图6A和6B示出提升重的物体的末端执行器。

图6A和图6B示出了由包括图4的负载检测设备的末端执行器82从表面172提升的物体170。在接合物体170时，系统记录检测设备的位置。一旦物体170被提升(图6B)，系统就记录检测设备的位置的变化。如上所述，在该示例中，物体170较重，呈现较高的负载。

系统也可以检测负载是否不足以平衡。图7A和图7B示出了由包括图4的负载检测设备的末端执行器82从表面182提升的物体180。在接合物体180时，系统记录检测设备的位置。一旦物体180被提升(图7B)，系统就记录检测设备的位置的变化。在该示例中，物体180呈现不平衡的负载。顺应性元件因此可能经历实质的平移和角度变形。

各种进一步平台应用程序包括以下内容。变形传感器概念被设计为与机器人末端执行器的现有无源和有源顺应性部件集成。在上述实施例中，吸杯被用作顺应性部件的示例。然而，可以基于所选的末端效应器使用许多不同的顺应性元件。根据进一步的实施例，本发明提供了包括力敏电阻器的移动检测系统。例如，图8和图9示出了感测操纵器200以及真空杯202，其中移动检测系统包括用于感测真空杯的轴向弯曲的检测器204的阵列(例如三个)，从该轴向弯曲可以推断出杯的平移/翻滚/俯仰。具体而言，力敏电阻器可以包括印刷在表面上的导电聚合物，其中当力被施加到表面时导电聚合物以可预测的方式改变其电阻。感测操纵器200可以通过安装元件208(其耦接到在检测器204中的两个之间穿过的机器人臂安装件)附接到机器人臂。可以在真空杯202的开口端206提供真空以接合物体210(如图9所示)。

另一种这样的可替换的顺应性元件示例是在腕(如图10所示)或指尖上使用双指机器人夹持器。通常，顺应性建立在指尖或夹持器的腕的正后方。偏转传感器可以容易地适于适应相似的替代设计。具体而言，图10示出了根据本发明的进一步实施例的感测操纵器220，其被附接到机器人臂222。感测操纵器220包括顺应性部分224和包括双指夹持器末端执行器228的感测部分226。如在D和E所示，感测部分226可以例如通过磁或电容式感测来提供末端执行器228相对于机器人臂222的位置和取向。

图11示出了附接到机器人臂232的感测操纵器230。感测操纵器230包括具有两个钳口236的夹持器234。在一个或两个钳口上设置顺应性元件238，并且在顺应性元件238上设置磁体242。进一步参考图12(其示出了一个钳口236的部分的放大图)，在钳口上设置相应的磁传感器240。当顺应性元件238处于负载下时(如F所示的力所示)，传感器242将相对于传感器240移动，从而提供位置和取向感测数据。

顺应性材料的刚度和灵敏度也是重要的考虑因素。从图1中注意到，感测的位置沿着机器人系统先前存在的顺应性结构。与现有技术的解决方案不同，这允许使用变形传感器的系统保持其原始刚度和顺应性性能。另外需要注意的是系统中变形传感器的目标位置。传感器越远，它离交互点越近，机器人的非线性复杂影响就越小。

该软件可以包括高级自动化软件，其使用来自变形的数据输出来做出如下一系列重要决定。

接触状态

传感器最直接的应用是对来自传感器的变形值进行阈值，以检测何时与世界发生接触。如果任何变形轴移动到正常水平之外，那么可以停止机器人的移动并且可以执行适当的夹持策略运动(诸如根据需要或多或少地推动环境)。

预抓取调整

当为了抓取接近物体时，机器人臂通常会首先通过推动到物体来与物体接触(有意或无意)。顺应性通常被用于机器人系统中，通过弯曲抵靠接触点使末端执行器被动地重新调整环境。通过使用变形传感器来感测该偏转角度，然后主动控制机器人通过重新定位自身来重新调整和补偿偏转，可以使得抓取更加可靠并且以物体为中心。

力感测

给定顺应性元件在负载下如何偏转的模型，变形的变化可以映射到末端执行器上的力和扭矩。这可以允许多种力量感测策略，诸如力引导插入和抓取，以及表面上物体的力引导放置。

抓取后中心点感测和调整

与上述两点类似，抓取物体并提升后，重力作用会导致机器人末端执行器在负载下偏转。取决于抓取点相对于物体的质心的位置，这可以导致末端执行器的顺应性元件中的各种变形。并且，重物上的抓取位置选择不当可以导致顺应性部件和物体之间的振荡。变形传感器将能够感测这两种效应，并且可以被用于引导机器人接受或拒绝抓取并给出有关错位方向的重要信息。

人类和机器人安全

由于向心效应，末端执行器通常是移动机器人手臂上最危险的点。在期望没有环境相互作用的运动期间，可以监测变形传感器的变化并且当意外事件发生时停止机器人。由于它被设计在机器人的低惯量低质量端点中，所以变形比机器人上更传统的关节或腕级安全防护装置具有优势，并且具有在对机器人、环境或人类障碍造成任何破坏之前响应的潜能。

本文呈现的变形感测策略提供了框架，其允许机器人与其环境之间的接触的敏感的高分辨率感测，同时最小程度地改变机器人顺应性的物理属性。给定模型或适当调整的启发式，传感器可被用于解决机器人决策制定的重要信息，以提高操纵任务性能。

本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上面公开的实施例进行许多修改和变化。

Claims (20)

1.一种铰接臂的感测操纵器，所述感测操纵器包括：

末端执行器部分，所述末端执行器部分具有以管形或圆锥形波纹管的形状形成的顺应性部分，所述顺应性部分用于接合物体；和

移动检测系统，所述移动检测系统用于当所述顺应性部分接合物体并且所述感测操纵器移动所述物体时检测所述顺应性部分在至少两个自由度上的移动，

其中所述铰接臂的所述末端执行器部分设置有在所述管形或圆锥形波纹管的开口处的真空，所述管形或圆锥形波纹管与真空源连通。

2.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述顺应性部分的移动可以由所述移动检测系统在三个自由度上检测。

3.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述顺应性部分被设置为在所述铰接臂的所述末端执行器部分处的真空杯。

4.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述开口被设置在接触所述物体的边缘处并且其中所述移动检测系统检测所述开口处的所述顺应性部分在所述至少两个自由度上的移动。

5.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括至少一个力敏电阻器。

6.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括至少三个移动检测器。

7.如权利要求6所述的感测操纵器，其中，所述移动检测器每个包括力敏电阻器。

8.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括磁场传感器。

9.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括在所述顺应性部分周围的附接带。

10.如权利要求1所述的感测操纵器，其中，所述顺应性部分的移动在三个自由度中的每一个自由度中被检测。

11.一种铰接臂的感测操纵器，所述感测操纵器包括：

末端执行器部分，所述末端执行器部分具有以管形或圆锥形波纹管的形状形成的顺应性部分，所述顺应性部分用于接合物体，所述顺应性部分提供在至少两个自由度上的移动；以及

移动检测系统，所述移动检测系统用于当所述顺应性部分接合所述物体时检测所述顺应性部分在所述顺应性部分的所述至少两个自由度上的移动，并且用于提供关于所述顺应性部分在所述至少两个自由度上的移动的输出数据，

其中所述铰接臂的所述执行器部分设置有在所述管形或圆锥形波纹管的开口处的真空，所述管形或圆锥形波纹管与真空源连通。

12.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述顺应性部分被设置在所述铰接臂的所述末端执行器部分处。

13.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述开口被设置在接触所述物体的边缘处并且其中所述移动检测系统检测所述开口处的所述顺应性部分在所述至少两个自由度上的移动。

14.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述至少两个自由度包括负载、俯仰、翻滚和偏航中的至少两个。

15.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括至少三个移动检测器。

16.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括力敏电阻器。

17.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括磁场传感器。

18.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述移动检测系统包括在所述顺应性部分周围的附接带。

19.如权利要求11所述的感测操纵器，其中，所述顺应性部分的所述移动在三个自由度中的每一个自由度中被检测。

20.一种确定由可编程运动系统的末端执行器保持的物体的位置和取向的方法，所述方法包括以下步骤：

通过使用所述末端执行器的顺应性部分将所述物体接合在所述可编程运动系统的工作环境中，使得所述顺应性部分直接接合所述物体，其中所述顺应性部分被设置为管形或圆锥形波纹管；

感知移动检测器的初始位置；

克服重力提升所述物体；

感知所述移动检测器的随后的位置；以及

响应于所述移动检测器的所述初始位置和所述移动检测器的所述随后的位置确定所述物体的负载、俯仰、翻滚和偏航中的至少一个。

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