CN110524579A - 机械手和移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手和移动机器人。提供了一种机械手，包括：联杆；接头单元，该接头单元被配置为旋转联杆；以及距离传感器，该距离传感器被配置为检测进入监视空间中的障碍物，该监视空间被确定为使得至少包括联杆的旋转方向侧，该距离传感器被安装为使得感测方向面向与联杆的表面平行的方向。此外，提供了包括前述的机械手的移动机器人。

Description

机械手和移动机器人

技术领域

本公开涉及一种机械手(manipulator)和移动机器人。

背景技术

一种用于检测接近操作诸如机器人手臂和机器人手的机械手的操作空间的人和障碍物的技术是已知的(例如，参见日本未经审查专利申请公开No.H7-49711)。

发明内容

尽管现有技术对于检测接近机械手的整个操作空间的障碍物是优异的，但是其不适合于单独地监视每个联杆的本地操作空间的目的。分析能够由相机获得的图像，以便检测包括本地操作空间的障碍物是可能的。然而，存在分析处理的负荷增加或者生产成为盲点的操作空间的问题。

本公开提供一种能够利用更简单的传感器配置精确地监视进入每个联杆的操作空间的障碍物中的机械手和包括该机械手的移动机器人。

第一示例性方面是一种机械手，包括：联杆；接头单元，该接头单元被配置为旋转联杆；以及距离传感器，该距离传感器被配置为检测进入监视空间中的障碍物，该监视空间被确定为使得至少包括联杆的旋转方向侧，该距离传感器被安装为使得感测方向面向与联杆的表面平行的方向。利用这种配置，能够精确地监视进入在联杆的旋转方向上设置的局部监视空间中的障碍物。此外，因为能够相对容易地使用距离传感器，所以即使当为这些联杆中的每一个联杆安装距离传感器时，处理负荷也很小并且能够降低安装成本。

在上述机械手中，距离传感器优选地被安装，使得感测方向与联杆的纵向方向相对应。当以这种方式安装时，能够用较少数目的距离传感器监控较大的监控空间。此外，距离传感器优选地被安装在联杆的末端处。如果其被安装在联杆的末端处，则能够减少成为用于距离传感器的盲点的空间。

此外，在上述机械手中，距离传感器优选地包括：光发射单元，该光发射单元被配置为发射调制的投射光；和光接收单元，该光接收单元被配置为接收由障碍物反射的投射光。具有这种配置的距离传感器能够利用相对简单的电路配置来计算距离测量结果，并且因此在安装大量距离传感器时是合适的。此外，优选的是，为旋转的所述联杆中的每一个联杆安装一个所述距离传感器，并且调节各个所述距离传感器的所述投射光以便彼此不同。当为这些联杆中的每一个联杆安装一个距离传感器时，存在来自在另一联杆中安装的距离传感器的投射光到达在另一个联杆中安装的距离传感器的光接收单元的可能性。这种情况导致错误检测。然而，如果各个距离传感器的所述投影光被调制为使得彼此不同，则能够通过检查投影光和反射光之间的相关性来防止这种错误检测。

此外，距离传感器优选地是三角形距离测量系统的传感器。该三角距离测量系统的传感器可以检测反射光的位置，并且因此传感器配置能够是简单的。此外，距离传感器的投射光优选为红外光。如果使用红外辐射作为投射光，则不会打扰在周围区域工作的工人。

此外，可以使用多个距离传感器来检测进入一个监视空间中的障碍物。通过并行安装多个距离传感器，能够根据规范扩展监视空间的大小。当为一个监视空间安装多个距离传感器时，优选的是，将各个距离传感器的所述投射光调制为以便彼此不同。当距离传感器的相应的投影光被调制为以便彼此不同时，能够通过检查投影光和反射光之间的相关性来防止这种错误检测。

另一示例性方面是包括前述机械手的移动机器人。因为用于监视在每个联杆中设置的局部监视空间的传感器配置不影响移动机器人的移动操作中的空间识别，所以当同时执行机械手和移动机器人的操作时，这种配置是方便的。

从以下给出的详细描述和仅通过图示给出的附图中将更全面地理解本公开的上述和其他目的、特征和优点，并且因此不应被视为限制本公开。

附图说明

图1是根据实施例的机械手的外部立体视图；

图2是示出距离传感器的配置的框图；

图3是示出生成PN码的示例的图；

图4是示出其处执行相关性计算的时刻的图；

图5是示出距离测量的过程的流程图；

图6是根据修改示例的机械手的外部立体视图；

图7是根据修改示例的机械手的外部立体视图；以及

图8是根据修改示例的机械手的外部立体视图。

具体实施方式

图1是根据这个实施例的机械手100的外部立体视图。机械手100主要包括接头单元(第一接头单元111、第二接头单元112、和第三接头单元113)、联杆(第一联杆121和第二联杆122)、手110和距离传感器(L₁距离传感器200a、R₁距离传感器200b、L₂距离传感器200c、和R₂距离传感器200d)。

由基座(未示出)支撑的第一接头单元111合并用于使第一联杆121围绕旋转轴Ax₁旋转的马达，并且还以以可旋转的方式支撑第一联杆121。第一联杆121在相对于作为其纵向方向的旋转轴Ax₁的辐射方向上具有从第一接头111延伸的盒形状，并且在其尖端处支撑第二接头112。

第二接头单元112合并用于使第二联杆122围绕旋转轴Ax₂旋转的马达，并且还以可旋转的方式支撑第二联杆122。第二联杆122在相对于作为其纵向方向的旋转轴Ax₂的辐射方向上具有从第二接头112延伸的盒形状，并且在其尖端处支撑第三接头113。第三接头113合并用于实现其中手110抓握目标对象的运动的抓握马达，并且还以可旋转的方式支撑手110。

用于监视障碍物进入的监视空间SR分别被设置在第一联杆121和第二联杆122的旋转方向侧上。例如，在第一联杆121的逆时针旋转方向侧上设置的监视空间SR通过由虚线包围的大致长方体的空间进行指示，如图1中所示。L₁距离传感器200a监视由虚线包围的此监视空间SR，并且检测进入其中的障碍物。L₁距离传感器200a能够检测障碍物的感测区域包括监视空间SR。L₁距离传感器200a被安装在第一联杆121的基座端部附近和逆时针旋转方向侧上。

L₁距离传感器200a是三角距离测量系统的传感器，其通过利用聚光透镜收集其中通过投影透镜221朝着监视空间SR透射的投射光被障碍物反射并返回的反射光来检测到障碍物的距离。L₁距离传感器200a被安装，使得投射光的投射方向面向与第一联杆121的表面平行的方向。即，L₁距离传感器200a被安装，使得感测方向与第一联杆121的纵向方向相对应。注意的是，在本实施例中，尽管第一联杆121具有盒形状，但是对于联杆表面来说不必是平面的。能够认为的是，因为投射光的投射方向是与联杆表面平行的方向，所以投射光的投射方向是与联杆的移动方向正交的方向。

R₁距离传感器200b、L₂距离传感器200c、和R₂距离传感器200d是与L₁距离传感器200a相同的三角距离测量系统的距离传感器。R₁距离传感器200b被安装在第一联杆121的基座端部附近在其顺时针旋转方向侧上。类似地，L₂距离传感器200c被安装在第二联杆122的基座端部附近在其逆时针旋转方向侧上，并且R₂距离传感器200d被安装在第二联杆122基座端部附近在其顺时针旋转方向侧上。距离传感器分别被安装，使得投射光的投射方向面向与联杆的每个表面平行的方向，并且监视在旋转方向侧上设置的监视空间SR并检测进入其中的障碍物。

当检测到进入监视空间中的障碍物时，距离传感器分别将检测结果发送到控制单元(未示出)。该控制单元根据该检测结果停止旋转操作或保持抓握状态。利用这样的配置，能够精确地监视进入在这些联杆中的每一个联杆的旋转方向上设置的局部监视空间SR中的障碍物。此外，因为距离传感器分别被安装，使得感测方向与这些联杆中的每一个联杆的纵向方向相对应，所以能够用少数目的距离传感器监视相对大的监视空间。此外，因为距离传感器被安装在联杆的末端中，所以存在较少的空间，其变成其中不能够检测到进入监视空间中的障碍物的盲点。

接下来，详细地描述距离传感器200。图2是示出距离传感器200的配置的框图。距离传感器200包括传输侧电路Tc，其生成用于测量距离的投射光；和接收侧电路Rc，其通过接收其中投射光被障碍物反射并返回的反射的光来执行各种处理。距离传感器200使用三角距离测量系统中的IR光通过投影光测量到障碍物的距离。投射光从光发射器件207投射，该光发射器件207例如是输出IR光的红外LED。从光发射器件207投射的投射光被投影透镜221转换成基本上平行的光，该基本上平行的光被发射到监视空间SR。

PN码生成周期生成单元202生成周期信号以生成PN码，并将所生成的周期信号传送到PN码生成单元204。PN码生成单元204通过使用从PN码生成周期生成单元202接收到的周期信号作为触发器来生成PN码，并且将所生成的PN码传送到叠加单元205。PN码包括伪噪声(PN)信号。

具有自相关特性的二进制码的M序列被使用用于生成PN码。PN码生成单元204包括逻辑电路，该逻辑电路由n位移位寄存器和一个或多个半加法器组成，用于产生M序列。M序列是具有2n-1的周期(比特长度)的代码串。在本实施例中，例如，如图3所示，n＝7的127位M序列。

再次参考图2，继续进行解释。传输载波周期生成单元203生成了具有恒定频率的载波频率，并将所生成的载波频率传送到叠加单元205。该叠加单元205将从PN码生成单元204接收到的PN码叠加在从传输载波周期生成单元203接收到的载波频率上，以生成光发射样式(pattern)，并且然后将所生成的光发射样式传送到发送单元206。发送单元206根据从叠加单元205接收到的光发射样式使光发射器件7进行闪烁，以使光发射器件7投射投射光。

当监视空间SR中不存在障碍物时，不返回反射光。即使当反射光从监视空间SR的外部返回时，光接收器件208也不接收反射光。可替选地，即使接收到反射光，也在后续阶段处通过电路执行误差处理。

当在监视空间SR中存在障碍物时，由障碍物反射的投射光被聚光透镜222收集。所收集的投射光穿过IR滤光器223，该IR滤光器223使红外光选择性地穿过，并且然后到达光接收器件208。该光接收器件208是例如PSD(位置敏感检测器)装置，并且与到障碍物的距离相对应的光电二极管检测反射光。来自光接收器件208的输出被发送到接收单元209，作为包括光接收位置信息的光接收样式。接收单元209将接收到的光接收样式转换成接收信号，并将该接收信号传送到相关性计算单元210。

相关性计算单元210计算从接收单元209接收到的接收信号的光接收样式与由叠加单元205生成的光发射样式之间的相关性。具体地，相关性计算单元210计算重合程度，其指示了光发射样式和光接收样式之间的重合的程度。图4是示出其处执行相关性计算的时刻的图。

通过将针对预定相关性计算时刻的每个比特的光发射样式的闪烁样式与光接收样式进行比较来计算重合程度。例如，当使用7位移位寄存器时，对于127个相关性操作时序中的每一个，其中光发射样式和光接收样式重合的闪烁被计数。在其中光发射样式和光接收样式重合的闪烁的情况下，计数器C递增，并且在其中光发射样式和光接收样式不重合的闪烁的情况下，计数器C保持不变。

当光发射样式和光接收样式全部重合时，计数器C指示127。重合程度是通过将计数器C除以127而获得的值，并且当此值等于或大于预定阈值时，相关性计算单元210确定了反射光是其中返回从光发射器件207投射的投射光的反射光。另一方面，当重合程度小于预定阈值时，相关性计算单元210确定了反射光是不由从光发射器件207投射的投射光产生的入射光。

再次参考图2，继续进行解释。距离计算单元211计算当重合程度等于或大于预定阈值时的距离。距离计算单元211使用光接收器件208的光接收位置信息，以基于三角距离测量的原理计算到障碍物的距离，并将计算的距离传送到输出单元212。注意的是，当光接收器件208不接收反射光时，或者当接收到其中重合程度小于预定阈值的入射光时，距离计算单元211将指示没有障碍的信号传送到输出单元212。输出单元212向控制单元(未示出)输出检测结果，该检测结果示出不存在由距离计算单元211计算的距离或者不存在障碍物。控制单元根据此检测结果控制机械手100。

如上所述，机械手100包括四个这样的距离传感器200(L₁距离传感器200a、R₁距离传感器200b、L₂距离传感器200c和R₂距离传感器200d)。相应的距离传感器使用彼此不同的PN码，并且因此其光发射样式彼此不同。也就是说，距离传感器的相应的投射光被调制以便彼此不同。因此，即使当来自距离传感器的投射光反射的光意外地到达另一距离传感器的光接收单元时，由相关性计算单元210计算的重合程度变小，并且因此不会错误地确定存在障碍物。此外，距离传感器200使用不可见的红外光，并且因此不会打扰在周围区域中工作的工人。

接下来，使用流程图描述用于距离测量的处理过程。图5是示出距离测量的过程的流程图。

在步骤S100中，PN码生成单元204基于由PN码生成周期生成单元202生成的PN码周期生成PN码。在步骤S101中，叠加单元205叠加PN码和由传输载波周期产生单元203生成的载波频率，以生成光发射样式。在步骤S102中，发送单元206根据光发射样式使光发射器件207闪烁，以使其投射出投射光。

在步骤S103中，当已经从光接收器件208接收到光接收样式时，接收单元209将接收到的光接收样式转换成接收信号，并且将接收信号传送到相关性计算单元210。当已经传送接收信号时，过程进入到步骤S104。当尚未从光接收器件208接收到光接收样式时，过程进入到步骤S108。

在步骤S104中，相关性计算单元210根据接收信号的光接收样式和由叠加单元205生成的光发射样式来计算重合程度。然后，过程进入到步骤S105，并且确定重合程度是否等于或大于预定阈值。当重合程度等于或大于预定阈值时，过程进入到步骤S106，并且当重合程度小于预定阈值时，过程进入到步骤S108。

在步骤S107中，距离计算单元211使用光接收器件208的光接收位置信息，以基于三角距离测量的原理来计算到障碍物的距离，并且将所计算的距离传送到输出单元212。然后，输出单元212将由距离计算单元211计算的距离作为检测结果输出到控制单元。然后，过程进入到步骤S109。

当过程已经从步骤S103或步骤S105进入到步骤S108时，距离计算单元211将示出监视空间SR中不存在障碍物的检测结果输出到控制单元。然后，过程进入到步骤S109。在步骤S109中，当接收到停止命令时，距离传感器200的每个块停止其功能并结束一系列过程。当没有接收到停止命令时，过程返回到步骤S102，并且重复一系列过程。注意的是，例如，以10毫秒的周期，重复步骤S102至步骤S108中的过程。

图6是机械手101的外部立体视图，其是机械手100的修改示例。除了与机械手100的L₁距离传感器200a相对应的配置之外，机械手101与机械手100相同。因此，省略对相同配置的解释。

机械手101将要被设置在第一联杆121的逆时针旋转方向侧上的监视空间SR'设置得比上述监视空间SR更宽。在如上所述将监视空间被设置得更宽的情况下，安装了多个距离传感器。例如，如图6所示，通过将三个距离传感器200a1、200a2和200a3彼此各自沿一侧连接，能够在旋转方向上加宽监视空间。

也就是说，能够根据例如联杆121的旋转速度和假定的障碍物的移动速度来确定监视空间的大小，并且要安装的距离传感器的数目和安装位置能够根据所确定的大小进行调整。在这种情况下，用于监视相同监视空间的多个距离传感器优选地使用彼此不同的PN码。也就是说，距离传感器的相应的投射光被调制，以便彼此不同。当距离传感器的相应的投射光被调制以便彼此不同时，即使当多个投射光投射在同一监视室中时，也不存在将会错误地检测到障碍物的可能性。

图7是机械手102的外部立体视图，其是机械手100的修改示例。机械手102与机械手100的不同之处在于，第一联杆121'比机械手100的第一联杆121更长，并且因此加宽针对第一联杆121'的监视空间100。省略与机械手100的配置相同的配置的说明。

因为第一联杆121'在纵向方向上较长，如图7中所示，所以要设置在其顺时针旋转方向侧上的监视空间和要设置在其逆时针旋转方向上的监视空间通过分别在纵向上将它们分成两个部分来设置。例如，如图7中所示，两个监视空间SR1和SR2被设置为要在逆时针旋转方向上设置的监视空间。此外，分别监视监视空间SR1和SR2的距离传感器200a1和200a2被安装以便在第一联杆121'的侧表面的中心的附近背靠背。如果以这种方式安装距离传感器200a1和200a2，则不存在由相应的距离传感器投射的投射光将会相交的可能性。显然的是，即使当以这种方式安装距离传感器200a1和200a2时，也可以调制距离传感器的相应的投射光，以便彼此不同。

图8是机械手103的外部立体视图，该机械手103是机械手100的修改示例。如图8中所示，除了机械手100的配置之外，机械手103还包括在第一联杆121的上侧表面上的距离传感器200e和下侧表面上的距离传感器200f，以及第二联杆122的上侧表面上的距离传感器200g和下侧表面上的距离传感器200h。省略与机械手100相同的配置的说明。

例如，在第一联杆121的上侧表面上设置的距离传感器200e监视由虚线围绕的监视空间SR。如上所述，在这些联杆中的每一个联杆中，如果还监视与不在旋转方向上的上侧表面和下侧表面相邻的空间，则能够形成监视空间，使得所有联杆作为整体被覆盖。以这种方式形成的监视空间不仅检测由于联杆的操作而与联杆碰撞的障碍物，而且还能够检测由于其自身接近于监视空间而与联杆碰撞的障碍物。因此，能够更安全地执行联杆控制。

如上所述，尽管已经描述了这些机械手中的每个机械手的实施例，但是要安装的距离传感器可以不是使用三角形距离测量系统的红外光的距离传感器。能够采用任何距离传感器，其能够检测进入局部监视空间中的障碍物并且能够被安装使得感测方向面向与联杆的表面平行的方向，以便于较少影响其他控制系统，该局部监视空间被确定以便至少包括联杆的旋转方向侧。例如，可以使用TOF距离传感器，并且能够使用超声波传感器。在许多情况下，因为距离传感器能够相对容易且低成本地使用，所以即使当为这些联杆中的每一个安装距离传感器时，处理负荷也很小并且还能够降低安装成本。

此外，在上述实施例中，尽管已经描述了其中在臂部上安装距离传感器的示例，但是与构成手的联杆部件上安装与示例相同的距离传感器，因此对于手的运动具有与用于臂的运动相同的有利效果。当将与示例相同的距离传感器应用于手时，其不仅能够被用于检测障碍物的功能，还能够用于抓握要抓握的物体。

此外，上述相应的机械手适合于安装在移动机器人上。因为用于监视为这些联杆中的每一个联杆设置的局部监视空间的传感器配置不影响移动机器人的移动操作中的空间识别，所以当同时执行机械手和移动机器人的操作时，这种配置是方便的。

根据如此描述的公开内容，将会显而易见的是，本公开的实施例可以以多种方式变化。不应将这些变化视为脱离本公开的精神和范围，并且对于本领域的技术人员来说显而易见的是，所有这些修改旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种机械手，包括：

联杆；

接头单元，所述接头单元被配置为旋转所述联杆；以及

距离传感器，所述距离传感器被配置为检测进入监视空间中的障碍物，所述监视空间被确定为至少包括所述联杆的旋转方向侧，所述距离传感器被安装为使得感测方向面向与所述联杆的表面平行的方向。

2.根据权利要求1所述的机械手，其中，

所述距离传感器被安装为使得所述感测方向与所述联杆的纵向方向相对应。

3.根据权利要求1或2所述的机械手，其中，

所述距离传感器被安装在所述联杆的末端处。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的机械手，其中，所述距离传感器包括：

光发射单元，所述光发射单元被配置为发射被调制的投射光；和

光接收单元，所述光接收单元被配置为接收由所述障碍物反射的所述投射光。

5.根据权利要求4所述的机械手，其中，

对于旋转的所述联杆中的每一个联杆安装一个所述距离传感器，并且将各个所述距离传感器的所述投射光调制为彼此不同。

6.根据权利要求4或5所述的机械手，其中，

所述距离传感器是三角形距离测量系统的传感器。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的机械手，其中，

所述距离传感器的所述投射光是红外光。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的机械手，其中，

使用多个距离传感器来检测进入所述监视空间中的障碍物。

9.根据权利要求4至8中的任一项所述的机械手，其中，

对于一个监视空间安装多个所述距离传感器，并且将各个所述距离传感器的所述投射光调制为彼此不同。

10.一种移动机器人，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的机械手。