CN108472814A - 用于获取并移动物体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于机器人系统的末端执行器系统，该末端执行器系统包括主要获取系统和辅助保持系统，主要获取系统包括主要末端执行器，辅助保持系统基本上环绕主要获取系统的至少一部分，其中主要获取系统的至少一部分可以向上拖拉到辅助保持系统的至少一部分内，使得主要末端执行器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且辅助保持系统可以用来固定该物体以便快速地输送到输出目的地。

Description

用于获取并移动物体的系统和方法
优先权
本申请要求2016年1月8日提交的美国临时专利申请序列号62/276,653的优先权，其公开内容以引用方式完全并入本文。
背景
本发明总地涉及可编程运动系统，并且具体涉及用于在诸如物体分类的物体处理中使用的可编程运动装置(即，机器人系统)的末端执行器。
用于机器人系统的末端执行器例如可以在某些应用中用来选择并夹紧物体，并然后将所获取的物体非常迅速地移动到新的位置。被设计为在移动过程中极为牢固地夹紧物体的末端执行器可以具有关于它们可以如何迅速且容易地从一堆不同的物体中选择并夹紧物体的限制。相反，可以从一堆不同的物体中选择并夹紧选定物体的末端执行器可以具有关于它们可以在快速移动、尤其是快速加速和减速(角度和线性两者)过程中如何牢固地夹紧获取的物体的限制。
许多末端执行器采用用于获取并固定物体的真空压力用于通过铰接臂部的输送或随后的操作。用于获取并固定物体的其它技术采用静电吸引、磁性吸引、用于刺穿诸如织物的的物体的针、挤压物体的指状物、接合并提升物体的突出特征的钩状物、以及在物体的开口中膨胀的筒夹及其它技术。典型地，末端执行器被设计为例如夹持器、焊接设备或喷漆器头的单个工具，并且该工具典型地被设计用于一组特定的需要。
因此，仍然存在对于可编程运动系统中的可以选择并夹紧物体、并然后将所获取的物体非常迅速地移动到新的位置的末端执行器的需要。
概述
根据一实施例，本发明提供了一种用于机器人系统的末端执行器系统。该末端执行器系统包括主要获取系统和辅助(secondary)保持系统，该主要获取系统包括主要末端执行器，辅助保持系统则基本上环绕主要获取系统的至少一部分，其中主要获取系统的至少一部分可以向上拖拉到辅助保持系统的至少一部分内，使得主要末端执行器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且辅助保持系统可以用来固定物体以便快速地输送到输出目的地。
根据另一实施例，本发明提供了一种用于机器人系统的末端执行器系统。该末端执行器系统包括主要获取系统和辅助保持系统，该主要获取系统包括主要末端执行器，辅助保持系统则位于主要夹持器系统附近，使得主要末端执行器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且辅助保持系统可以用来保持物体以便快速地输送到输出目的地。
根据又一实施例，本发明提供了一种使用机器人系统接合并移动物体的方法。该方法包括以下步骤：用主要获取系统的主要末端执行器接合物体，朝向辅助保持系统移动物体，用辅助保持系统保持物体，以及将物体输送到输出目的地。
附图简介
以下描述可以参考附图来进一步理解，其中：
图1示出了根据本发明一实施例的系统的图解说明图；
图2示出了图1所示系统的末端执行器部分的图解说明图；
图3A–3C示出了根据一实施例的包括管状环形件的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图4A–4D示出了根据另一实施例的包括卡挤夹持器的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图5A–5C示出了根据又一实施例的包括真空杯状物的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图6A–6D示出了根据又一实施例的包括夹持保持致动器的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图7A和7B示出了根据又一实施例的包括保持护罩的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图8A和8B示出了根据一实施例的包括夹持保持致动器的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图9A和9B示出了根据一实施例的包括真空杯状物的又一布置的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图10A和10B示出了根据一实施例的包括保持稳定衬垫的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图11示出了根据本发明的又一实施例的包括保持托盘的系统的图解说明图；
图12A–12F示出了根据一实施例的包括保持托盘的末端执行器部分在物体的获取、保持和释放期间的图解说明剖视图；
图13示出了根据本发明的又一实施例的包括保持支撑件的系统的图解说明图；
图14A和14B示出了根据一实施例的包括保持支撑件的末端执行器部分在物体的获取、保持和释放期间的图解说明剖视图；
图15示出了接近一堆物体的图13所示末端执行器系统的图解说明图；
图16A和16B示出了根据图15所示实施例的包括保持支撑件的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；
图17示出了根据本发明又一实施例的包括多个真空杯状物的系统的图解说明图；
图18A和18B示出了根据一实施例的包括多个真空杯状物的末端执行器部分在物体的获取和保持期间的图解说明剖视图；以及
图19A和19B示出了根据本发明又一实施例的采用正空气压力在末端执行器处产生真空的末端执行器部分的图解说明剖视图。
示出附图仅出于图示性目的。
详述
根据各种实施例，本发明提供了包括两个部件的末端执行器系统，其中一个部件用于获取，而一个部件则用于输送期间的固定保持。获取部件可以专门解决获取的挑战，其可以包括期望的物体的感知、将物体与支撑或周围物体分开、以及将物体转移到适于输送的位置和取向。
固定保持部件可以专门解决输送的挑战，其可以包括不论重力、高速加速、离心力和与周围物体的接触的输送期间的安全性和稳定性。
通常地并且在某些实施例中，本发明提供了一种用于机器人系统的末端执行器系统，机器人系统例如是铰接臂机器人系统或Delta(δ)、机架、球形、SCARA或圆柱形机器人系统中的任一个。末端执行器系统包括主要获取系统和辅助保持系统，该辅助保持系统基本上环绕主要夹持器系统的至少一部分。在某些实施例中，主要获取系统的至少一部分可以向上拖拉到辅助保持系统的至少一部分内，使得主要夹持器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且辅助保持系统可以用来固定物体以便快速地输送到输出目的地。
更通常地，并且根据又一实施例，本发明提供了一种使用机器人系统接合并移动物体的方法。该方法包括以下步骤：用主要获取系统的主要末端执行器接合物体，朝向辅助保持系统移动物体，用辅助保持系统保持物体，以及将物体输送到输出目的地。
图1示出了根据本发明实施例的机器人系统10，该机器人系统10包括位于底座14上的铰接臂部12、及末端执行器系统16。如在图2中进一步示出的，末端执行器系统可以通过与位于铰接臂部12上的接合特征相配合的接合特征18(诸如螺纹、弹簧加载的扣钩或球窝接合)附接到铰接臂部12，并且进一步地，末端执行器系统可以包括主要夹持器系统及如在下面更详细地讨论的辅助保持系统24，该主要夹持器系统包括位于延伸器20的末端上的夹持器22。由于获取部件和固定保持部件中的每一个可以改变，因而可以有许多不同的实施例。每个实施例中的夹持器例如可以是真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等中的任一个。
图3A–3C图解性地示出了根据本发明实施例的末端执行器系统30的剖视图，该末端执行器系统30包括主要夹持器系统，该主要夹持器系统包括位于延伸器34末端上的夹持器32。该末端执行器系统30还包括辅助保持系统，该辅助保持系统包括柔性环面体(toroid)36。
柔性环面体是流体填充的或粉末填充的(并且可选地弹性的)柔性膜，当它被拖入支撑结构的中心时，该柔性膜被压缩并反转。此类装置由以环面体或环形件形式的连续织物片形成，该环面体或环形件沿着延伸通过该环形件的中心的方向延伸。
如在图3A中示出的，柔性环面体36的外表面的一部分如在40处示出的那样附接到壳体38的内表面，并且弹性环面体的内表面的一部分在41处附接到延伸器。该环面体能够在外圈部(collar)与内延伸器之间上下移动(通过滚动)。
参考图3B，延伸器34可以沿如A处指示的方向移动，使得真空夹持器32接合所要夹紧的物体42。通过供应通过延伸器34的真空源，可以接合物体。如在图3B中进一步示出的，当延伸器34沿如A处指示的方向移动时，其拖拉弹性环面体的内表面与它一起，使得弹性环面体的一端在其自身沿方向A向内滚动，而同时弹性环面体的相对端则将向外滚动。当弹性环面体36经历这种外翻过程时，它在附接40处保持附接到壳体38。
如在图3C中示出的，当所接合的物体被拉入到弹性环面体中时，物体牢固地接合以供输送或其它处理操作。通过如上所述的那样控制弹性环面体的移动，末端执行器可以用来将物体42拖拉到弹性环面体内并将其保持在弹性环面体内，直至线性致动器沿与A处指示的方向相反的方向移动(并且物体42得以释放)为止。弹性环面体由可以适形于正被夹紧的物体42的形状的柔性材料形成。弹性环面体内的流体(或粉末)可以是水(或塑料颗粒)，或者可以选择为具有特定的粘度。
如在图4A–4C(其示出了图解剖视图)中示出的，根据本发明另一实施例的末端执行器系统50包括主要夹持器系统，该主要夹持器系统包括位于延伸器54的末端上的夹持器52。该末端执行器系统50还包括辅助保持系统，该辅助保持系统包括具有一个或多个真空附接端口58的卡持式夹持器56。通常，该卡持式夹持器包围流体或具有极小尺寸的颗粒(例如，粉末)的体积，以便当向端口58提供真空源时，该卡持式夹持器56减小其体积并抓紧位于其外部边缘内的任何物体。该卡持式夹持器56还如在62处示出的那样附接到壳体60的内部。
如在图4B中示出的，延伸器54可以延伸，允许夹持器54接合物体64，并且如在图4C中示出的，当物体被向上拖拉到卡持式夹持器56附近或内部时，该卡持式夹持器接合物体64的外表面的至少一部分。如在图4D中示出的，当真空源被施加至卡持式夹持器56时，该夹持器56适形于物体64的表面，从而固定物体56以供输送或其它处理操作。
在图3A–4D所示的每个实施例中，辅助保持系统可能具有从输入区域接合物体的困难，但是当与主要夹持器系统结合时，末端执行器系统可以获取物体并随后牢固地保持物体，即便当末端执行器系统经历快速的线性和角度加速或减速时。
如在图5A–5C(其示出了图解剖视图)中示出的，根据本发明另一实施例的末端执行器系统70包括主要夹持器系统，该主要夹持器系统包括位于延伸器74的末端上的夹持器72。该夹持器72可以是真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等中的任一个。末端执行器系统70还包括辅助保持系统，该辅助保持系统包括环绕延伸器74的大面积夹持器76(例如，真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等)。如在图5B中示出的，当夹持器72延伸到(包括例如物体80、82、84)的杂乱环境中时，夹持器72可以接合物体82，并朝向大面积夹持器76拖拉物体，该大面积夹持器76进而环绕夹持器72。大面积夹持器76接着在快速的输送或进一步的处理操作过程中被采用。
图6A–6D示出了根据本发明另一实施例的末端执行器系统90的图解剖视图，该末端执行器系统90包括主要夹持器系统，该主要夹持器系统包括位于延伸器94的末端上的夹持器92。该夹持器92可以是真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等中的任一个。末端执行器系统90还包括辅助保持系统，该辅助保持系统包括两个或更多个压紧致动器96(例如，夹捏(pinch)夹持器)，两个或更多个压紧致动器96可以相对于枢转位置98旋转，使得每个致动器96的一部分可以接合物体的一部分，从而固定物体。
具体地，如在图6B中示出的，致动器92可以延伸以接合诸如包括松散物品102的袋状物100之类的物体。如在图6C和6D中示出的，袋状物100可以由夹持器92获取，并且压紧致动器96进而可以旋转以将袋状物100固定在末端执行器系统90内。
图7A和7B示出了根据本发明另一实施例的末端执行器110，该末端执行器110包括具有真空杯状物的第一部分112，该真空杯状物可以致动以接合物体114，并接着可以撤回以护罩形式的第二部分116内的被夹紧的物体。在各种实施例中，第一部分112可以朝向物体移动，而同时护罩116保持固定，或者在其它实施例中，第一部分可以是固定的，而一旦夹紧，护罩116就可被致动以朝向物体114移动。
图8A和8B示出了根据本发明又一实施例的末端执行器120，该末端执行器120包括具有真空杯状物的第一部分122，该真空杯状物可被致动以接合物体124，并接着可以撤回被夹紧的物体124。包括两个或更多个桨状物128的第二部分126进而如在A处示出的那样径向向内移动以固定被夹紧的物体124。
图9A和9B示出了根据本发明又一实施例的末端执行器130，该末端执行器130包括具有真空杯状物的第一部分132，该真空杯状物可被致动以接合物体134。该物体134接着朝向第二部分136撤回，该第二部分136包括一个或多个额外的真空杯状物138(示出为三个)以在输送过程中固定物体134。根据进一步的实施例，第一部分132可相对于铰接臂部固定，并且第二部分136可下降到物体134上。
图10A和10B示出了根据本发明又一实施例的末端执行器140，该末端执行器140包括具有真空杯状物的第一部分142，该真空杯状物可被致动以接合物体144。该物体144接着朝向第二部分146撤回，该第二部分146包括一个或多个顺应性衬垫148以在输送过程中固定物体144。根据进一步的实施例，第一部分142可相对于铰接臂部固定，并且第二部分146可下降到物体144上。
图11示出了根据本发明进一步的实施例的机器人系统210，该机器人系统210包括位于底座114上的铰接臂部212、及末端执行器系统216。该末端执行器系统可以包括主要夹持器系统、以及如在下面参考图12A–12F更详细地讨论的辅助保持系统224，该主要夹持器系统包括位于延伸器220的末端上的夹持器222。由于获取部件和输送部件中的每一个可以改变，因而可有许多不同的实施例。每个实施例中的夹持器例如可以是真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等中的任一个。
图12A–12F图解性地示出了根据本发明实施例的末端执行器系统216的视图，该末端执行器系统216包括主要夹持器系统，该主要夹持器系统包括位于延伸器224的末端上的夹持器222。辅助保持系统224包括悬挂的杯状物226，该悬挂的杯状物226可以安装在致动构件228上，以使得杯状物226的悬挂点可以相对于末端执行器系统216的底座移动。
如在图12A和12B中示出的，夹持器222可以接合并获取物体230，并且朝向悬挂的杯状物226带动物体230。如在图12C和12D中示出的，末端执行器216进而可以旋转，使得悬挂的杯状物移动至物体230下方。在图12E中示出的，物体230然后可以掉落到悬挂的杯状物226内。在某些应用中，机器人系统可以在输送之前获取并将许多这样的物体放置到杯状物内。在输送到输出目的地后，在某些实施例中，杯状物226可以包括可释放底部232，该可释放底部232可被致动以使一个或多个物体掉落到输出目的地中。
图13示出了包括位于底座254上的铰接臂部252以及末端执行器部分256的系统250。该末端执行器部分256包括主要获取部分258和辅助保持系统260。如在图14A和14B中进一步示出的，主要获取系统包括位于致动器轴264上的真空杯状物，该致动器轴264穿过位于臂部266内的可致动磁性线圈。辅助保持系统260包括用于一旦夹紧就支撑物体262的托盘，如在图14B中示出的。如在图15中示出的，此类末端执行器部分256还可以用来从多个物体272中选择性地拉动一个物体(例如，270)。如在图16A和16B中示出的，主要获取系统258可以获取物体270，并且辅助保持系统接着可以支撑所保持的物体270。
根据进一步的实施例，并且如在图17中示出的，本发明的系统300可以提供包括主要获取系统302和辅助保持系统304的末端执行器系统，主要获取系统302和辅助保持系统304中的每一个包括真空杯状物和枢转接头。当主要获取系统302接合物体306时(如在图18A中示出的)，末端执行器进而旋转(如在图18B中示出的)，以使得辅助保持系统304也夹紧物体306，以便其接着可被提升和移动(如在图18C中示出的)。
再者，每个实施例中的附接到可编程运动延伸器的夹持器可以是真空夹持器、静电夹持器或磁性夹持器等中的任一个。在其它实施例中，主要夹持器系统和辅助保持系统两者皆可涉及各种各样的获取和保持系统。例如，根据进一步的实施例，上面公开的系统中的每一个可以在末端执行器处提供有真空源，其中真空由末端执行器处的文丘里管(Venturi)开口来提供。图19A和19B示出了主要保持系统310的范例(其可以与上面公开的实施例中的任一个一起使用)，并且包括用于选择性地为末端执行器318提供处于正压力的空气的管道314。该管道(其提供在如上面讨论的第二保持系统312内)包括直径受限区域316以及文丘里管开口320。当提供正空气压力时(如在图19B中示出的)，空气从管道的末端吹出来并且在开口320处产生真空源，从而允许末端执行器318获取物体322。再者，此类正空气压力和用于提供真空的文丘里管系统可以与上面的实施例中的每一个一起使用。
本领域技术人员应意识到，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。
专利申请范围：

Claims (29)

1.一种用于机器人系统的臂部的末端执行器系统，所述末端执行器系统包括：
主要获取系统，所述主要获取系统包括主要末端执行器；以及
辅助保持系统，所述辅助保持系统基本上环绕所述主要获取系统的至少一部分，其中所述主要获取系统的至少一部分可以向上拖拉到所述辅助保持系统的至少一部分内，使得所述主要末端执行器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且所述辅助保持系统可以用来固定所述物体以便快速地输送到输出目的地。
2.根据权利要求1所述的末端执行器系统，其特征在于，所述主要获取系统包括处于除大气压力之外的压力以便于在所述主要末端执行器处提供真空压力的空气的管道。
3.根据权利要求2所述的末端执行器系统，其特征在于，所述空气处于正压力，并且提供给所述末端执行器处或附近的文丘里管开口。
4.根据权利要求1所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括基本以弹性环面体形式的柔性膜，所述柔性膜在该膜内包含流体或粉末。
5.根据权利要求1所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括卡持式夹持器。
6.根据权利要求2所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括耦接到辅助真空源的辅助末端执行器。
7.根据权利要求1所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括至少一个压紧致动器，所述至少一个压紧致动器从第一位置移动到第二位置，在所述第一位置中物体可以位于所述至少一个压紧致动器附近，在所述第二位置中所述物体正由所述至少一个压紧致动器保持。
8.一种用于机器人系统的臂部的末端执行器系统，所述末端执行器系统包括：
主要获取系统，所述主要获取系统包括主要末端执行器；以及
辅助保持系统，所述辅助保持系统位于所述主要夹持器系统附近，使得所述主要末端执行器系统可以用来从多个物体中选择一物体，并且所述辅助保持系统可以用来保持所述物体以便快速地输送到输出目的地。
9.根据权利要求8所述的末端执行器系统，其特征在于，所述主要获取系统包括处于除大气压力之外的压力以便于在所述主要末端执行器处提供真空压力的空气的管道。
10.根据权利要求9所述的末端执行器系统，其特征在于，所述空气处于正压力，并且提供给末端执行器处或附近的文丘里管开口。
11.根据权利要求10所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括基本以弹性环面体形式的柔性膜，所述柔性膜在该膜内包含流体或粉末。
12.根据权利要求8所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括卡持式夹持器。
13.根据权利要求9所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括耦接到辅助真空源的辅助末端执行器。
14.根据权利要求8所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括至少一个压紧致动器，所述至少一个压紧致动器从第一位置移动到第二位置，在所述第一位置中物体可以位于所述至少一个压紧致动器附近，在所述第二位置中所述物体正由所述至少一个压紧致动器保持。
15.根据权利要求8所述的末端执行器系统，其特征在于，所述辅助保持系统包括用于容纳所述物体的保持区域。
16.根据权利要求15所述的末端执行器系统，其特征在于，所述保持区域由包括至少一个壁和底部的保持箱限定。
17.根据权利要求16所述的末端执行器系统，其特征在于，所述底部可以打开以释放所述物体。
18.一种使用机器人系统接合并移动物体的方法，所述方法包括以下步骤：
用主要获取系统的主要末端执行器接合所述物体；
朝向辅助保持系统移动所述物体；
用所述辅助保持系统保持所述物体；以及
将所述物体输送到输出目的地。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括一旦所述物体由所述辅助保持系统保持就从所述主要获取系统释放所述物体的步骤。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述主要获取系统包括处于除大气压力之外的压力以便于在所述主要末端执行器处提供真空压力的空气的管道。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述空气处于正压力，并且其中所述辅助保持系统基于上环绕所述空气的管道。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述空气处于正压力，并且提供给末端执行器处或附近的文丘里管开口，并且其中所述辅助保持系统基于上环绕所述空气的管道。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述辅助保持系统包括耦接到辅助真空源的辅助末端执行器。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辅助保持系统包括基本以弹性环面体形式的柔性膜，所述柔性膜在该膜内包含流体或粉末。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辅助保持系统包括卡持式夹持器。
26.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，用所述辅助保持系统保持所述物体的步骤包括将至少一个压紧致动器从第一位置移动到第二位置的步骤，在所述第一位置中物体可以位于所述至少一个压紧致动器附近，在所述第二位置中所述物体由所述至少一个压紧致动器保持。
27.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辅助保持系统包括位于所述主要夹持器系统附近的保持箱，并且其中用所述辅助保持系统保持所述物体的步骤包括将所述物体从所述主要末端执行器转移到所述保持箱的步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括当所述保持箱移动到所述输出目的地时将所述物体从所述保持箱转移到所述输出目的地的步骤。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，将所述物体从所述保持箱转移到所述输出目的地的步骤涉及将所述物体从所述保持箱掉落到所述输出目的地中。
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