CN110709215B - 用于工具适配器板的快速松脱机构和配置其的机器人 - Google Patents

Abstract

一种可互换的终端执行器组件，其与机器人系统共同使用，所述机器人系统包括机器人主体、机器人手臂、机器人控制器以及终端执行器，所述终端执行器组件包括：工具板；和快速松脱机构，其中所述工具板包括：存储数据的非易失性存储器；通信接口；处理器；以及能够与所述第一连接器配合的第二连接器，所述处理器被配置为在所述第一连接器和所述第二连接器配合时使数据传输至所述机器人控制器。

Description

用于工具适配器板的快速松脱机构和配置其的机器人

相关申请

本申请要求于2017年4月7日提交的美国临时专利申请号62/482,958的权益和优先权，其整个申请在此通过引用并入本文。

技术领域

在各个实施例中，本发明涉及机器人配置和操作。

背景技术

工业机器人执行涉及物理对象的移动和操纵的各种任务。典型的工业机器人例如可以具有装配有夹持器的一个或多个手臂，其允许机器人拾取特定位置处的对象，将它们运送到目的位置，并根据特定的坐标将它们放下，从而例如将它们堆叠或放置在存在于目的位置处的纸板盒内。

机器人可以操纵不同类型的对象，还能执行除了简单地移动对象之外的许多任务-例如，焊接、联接、施加紧固件等。因此，已经开发了许多不同的“终端执行器”用于部署在机器人附肢上。这些终端执行器中的一些(例如夹持器)可用于一系列任务，而另外一些(诸如焊接枪)被设计为执行单一的、专业的任务。为了促成多功能化，商业机器人可以适配不同的终端执行器。例如，不同的终端执行器可以共享共同的联接设计，其允许终端执行器被可更换地安装至机器人手臂的套箍或手腕。使机器人可操作地适配终端执行器是更困难的。经常地，用于机器人的终端执行器的选择在系统集成或组装期间进行，并且基本上是永久的。操作所选择的终端执行器所必需的程序被写成用于机器人的控制器代码。在一些机器人中，终端执行器可以在操作期间被动态地改变，但是典型地，这发生在任务执行的预编程阶段。也就是，当监控下一任务的代码期望更换时，机器人的控制器代码表明需要新的终端执行器。换言之，当机器人执行任务时或当机器人被配备用于新任务时，响应于机器人的预期甚至会发生机器人的终端执行器中的动态变化。

因此，需要更通用的方法来热插拔终端执行器以允许操作者进行任意的更换并且由机器人来动态地适配。例如，操作者在操作期间可能发现，相对于夹持器的当前配置所允许的，由机器人所执行的任务出乎意料地需要更精细的控制。在这种情况下，操作者将会想用更合适的终端执行器来替换现有的夹持器，而不重写机器人的任务执行代码。

发明内容

本发明涉及能够适应终端执行器的动态更换的机器人，以及与终端执行器相关联的软件和硬件，其促成与机器人的通信以在不改变主控制程序的情况下动态地加载和运行允许操作终端执行器的软件。这种执行器专用的程序设计在本文中一般称作“驱动程序”。当检测到相应的终端执行器时，在程序执行期间，驱动程序可被动态地链接和运行。典型地，机器人控制器将存储驱动程序的库，并且当检测到新的终端执行器时，加载适当的驱动程序。该过程在本文中被称作“自配置”。然而，控制器代码本身可以发送通用指令，其不与任何特定的驱动程序相关联，而与被编码进行响应的适当的驱动程序关联。这避免了为了适配不同的终端执行器而在控制器代码级别上做出改变的需要。

术语“配置数据”或“配置信息”指标识或有助于实例化(例如，选择和参数化)用于特定终端执行器的适当驱动程序的信息。因而，配置数据可以是实际的驱动程序、用来给特定终端执行器设计通用的驱动程序的参数、或者只是用于所需的驱动程序类型的标识符。术语“标识符”或“标识数据”指标识终端执行器的信息，其可以与用于终端执行器的适当的配置信息组合或用来查找用于终端执行器的适当的配置信息。如下文所解释的，根据设计优先级和偏好，驱动程序、配置数据和标识符可以被不同地分布于系统的构件之间。

在各个实施例中，终端执行器并非直接连接至机器人的附肢，而是连接至可拆卸地安装于机器人附肢末端的“工具板”。工具板机械地容置终端执行器并且可以向其供电，并且在某些情况下向其提供数据信号。在终端执行器和工具板之间可以分配各种类型和程度的功能，并且工具板可以适配不止一种类型的终端执行器。这种布置由于最佳地适合于特定机器人的架构而促成了性能的灵活部署，例如，一个构件可能是“非智能的”(例如，不能通信或数据处理)而另外的构件是“智能的”(例如，能够与机器人通信并执行数据处理的操作)。因而，一种实施方式以“非智能的”终端执行器和“智能的”工具板为特征。智能的工具板可以检测多种类型的可连接终端执行器中的哪一种已被附接至该工具板(例如，基于终端执行器的连接器的电气性能或机械配置)，并将其报告给加载适当驱动程序的机器人控制器。可选地，智能的工具板可以仅适配单一类型的终端执行器，在这种情况下，它只需要将自身的标识报告给机器人控制器，因为这足以确定适当的驱动程序。

另一实施方式以“智能的”终端执行器和“非智能”工具板为特征，在这种情况下，工具板仅促成终端执行器的板上处理器或控制器与机器人控制器之间的通信。终端执行器将它的标识符以有线或无线的方式报告给机器人控制器。在该配置中，工具板例如可以用作机器人附肢与机械上不兼容的终端执行器之间的适配器。如下文所解释的，“报告”可以是主动的(“智能的”构件本身可发起与机器人控制器的通信并发送信息)或被动的(“智能的”构件可以响应于来自于机器人控制器的轮询信号或其他的通信，其中该机器人控制器已检测到附接)。

本发明的各个实施例的特征在于工具板，该工具板具有“机器人侧”或“机器人部分”以及“工具侧”或“工具部分”，该机器人侧配置有自身固定至机器人附肢的端部或“套箍”的快速松脱机构，工具侧与机器人侧対置，用于容置一种或多种终端执行器。通常情况下，机器人侧(以及由此快速松脱机构)固定安装(例如螺栓连接)至机器人手臂；由此本文提及的“工具板”可统一表示为机器人侧和工具侧或仅为工具侧。工具板的工具侧可固定安装(例如螺栓连接)至一种或多种终端执行器，虽然在工具侧采用的(多个)终端执行器可被互换(例如通过使用构成了部分工具侧的可拆卸的适配器板；该适配器板和/或该终端执行器可被移除和替换)。这种布置不仅使得终端执行器而且使得工具板或其部分通过机械固定但是无需工具、气压或电子致动地被方便地互换或者联接至另一个机器人(通过附接其上的另一个机器人侧部分)。在各个实施例中，快速松脱机构包括根据可轴向滑动的保持环的位置而径向向内或向外移动的系留的球形轴承滚珠，其被容置在工具板的工具侧内的互补凹孔中。滑动环的内表面可是缩窄的，从而滑动环的轴向运动引起了轴承滚珠的径向移动并且将它们固定在凹孔内。为了将工具板的工具侧从机器人侧处释放，将滑动环手动移位以允许轴承滚珠径向朝外移动，由此释放工具板。可采用可移除的固定轴套以防止这种滑动移动，并且由此保持工具板沿轴向且可转动地固定至机器人。

一方面，本发明的实施例的特征在于与机器人系统联用的可互换的终端执行器组件，所述机器人系统包括、基本由或由以下内容构成：机器人主体、连接至所述机器人主体且具有包括第一连接器的远端的机器人手臂、用于控制所述机器人手臂以及通过第一连接器连接至所述机器人手臂的终端执行器的机器人控制器。所述终端执行器组件包括、基本由或由以下内容构成：其可拆卸地连接至所述机器人手臂的工具板和用于可拆卸地保持所述工具板紧靠于所述机器人手臂的快速松脱机构。其中所述工具板包括：(1)存储和/或被配置成存储数据的非易失性存储器，该数据包括、基本由或由标识信息和/或配置信息构成，(2)通信接口，(3)处理器；和(4)能够与所述第一连接器配合的第二连接器，用于经由所述通信接口在所述处理器和所述机器人控制器之间建立双向通信。所述处理器被配置为在所述第一连接器和所述第二连接器配合时将数据传输至所述机器人控制器。

本发明的实施例可以各种组合中的任何一种包括以下一个或多个。所述工具板可包括、基本由或由突起部分构成，所述突起部分具有围绕其侧壁沿周向布置的一系列凹孔。快速松脱机构包括、基本由或由以下内容构成：用于容置所述工具板的突起部分的凹部、围绕所述凹部并且能够沿着与其同心的轴线滑动的环以及围绕所述滑动环的内表面沿周向布置的多个轴承滚珠。所述环沿第一方向的轴向移动将所述轴承滚珠锁定在所述工具板的所述突起部分的凹孔内，从而保持所述工具板位于所述快速松脱机构内，所述环沿与所述第一方向相反的第二方向的轴向移动将所述轴承滚珠从所述凹孔中释放，从而使所述工具板从所述快速松脱机构脱出。所述滑动环具有缩窄的内表面，其用于在所述环沿第一方向进行轴向移动期间将所述轴承滚珠平移入所述凹孔。终端执行器组件或快速松脱机构可包括弹簧加载的、可回缩的保持环。所述保持环可防止在静止位置的轴承滚珠径向向内移动，当所述保持环响应于所述工具板的所述突起部分的进入而克服弹簧载荷回缩时，允许所述轴承滚珠移入所述凹孔。所述保持环通过压缩波形弹簧被弹簧加载。终端执行器组件或快速松脱机构可包括可拆卸的固定轴套，其被配置为靠近所述滑动环与所述快速松脱机构结合，从而防止了所述滑动环沿所述第二方向的轴向移动。终端执行器可具有第三连接器。工具板包括可拆卸的适配器板，所述适配器板具有与所述第三连接器配合的第四连接器。所述适配器板与所述工具板的第二连接器对向布置。

另一方面，本发明的实施例的特征在于一种机器人系统，其包括、基本由或由以下内容构成：机器人主体、连接至所述机器人主体的机器人手臂、机器人控制器、可拆卸地连接至所述机器人手臂的工具板、连接至所述工具板的终端执行器和用于可拆卸地保持所述工具板紧靠于所述机器人手臂的快速松脱机构。所述机器人手臂具有包括第一连接器的远端。所述机器人控制器控制机器人手臂以及通过第一连接器连接至所述机器人手臂的终端执行器。所述工具板包括：(1)存储和/或被配置成存储数据的非易失性存储器，该数据包括、基本由或由标识信息和/或配置信息中构成，(2)通信接口，(3)处理器，和(4)能够与所述第一连接器配合的第二连接器，用于经由所述通信接口建立所述处理器和所述机器人控制器之间的双向通信，所述处理器被配置为在所述第一连接器和所述第二连接器配合时将数据传输至所述机器人控制器。

本发明的实施例可以各种组合中的任何一种包括以下一个或多个。所述机器人控制器可适用于基于数据进行自配置并且基于所述自配置控制所连接的终端执行器的移动。所述数据包括、基本由或由标识信息和配置信息两者构成。所述数据不包括配置信息。所述机器人系统可包括数据库，所述数据库包括将终端执行器的标识信息与终端执行器的配置信息相关联的记录。所述机器人控制器还适用于采用标识信息来查询数据库以获得对应的配置信息并且基于该配置信息进行自配置。所述数据可包括配置信息。所述配置信息指定用于控制所述终端执行器的驱动程序。所述配置信息可包括、基本由或由驱动程序、用于设计针对于所述终端执行器的通用驱动程序的一个或多个参数和/或指定驱动程序类型的标识符构成。

所述工具板可包括、基本由或由突起部分构成，所述突起部分具有围绕其侧壁沿周向布置的一系列凹孔。快速松脱机构可包括、基本由或由以下内容构成：用于容置所述工具板的所述突起部分的凹部，围绕所述凹部并且能够沿着与其同心的轴线滑动的环，以及围绕所述滑动环的内表面沿周向布置的多个轴承滚珠。所述环沿第一方向的轴向移动将所述轴承滚珠锁定在所述工具板的所述突起部分的凹孔内，从而保持所述工具板位于所述快速松脱机构内，所述环沿与所述第一方向相反的第二方向的轴向移动使所述轴承滚珠从所述凹孔中脱出，从而使所述工具板从所述快速松脱机构脱出。所述滑动环具有缩窄的内表面，其用于在所述环沿第一方向轴向移动期间将所述轴承滚珠平移入所述凹孔内。终端执行器组件或快速松脱机构可包括弹簧加载的、可回缩的保持环。该保持环可用于防止在静止位置的轴承滚珠径向向内移动，当所述保持环响应于所述工具板的所述突起部分的进入而克服弹簧载荷回缩时，可允许所述轴承滚珠移入所述凹孔内。所述保持环通过压缩波形弹簧被弹簧加载。终端执行器组件或快速松脱机构可包括可拆卸的固定轴套，其被配置为靠近所述滑动环与所述快速松脱机构接合，由此防止了所述滑动环沿所述第二方向的轴向移动。终端执行器可具有第三连接器。所述工具板包括可拆卸的适配器板，所述适配器板具有与所述第三连接器配合的第四连接器。所述适配器板与所述工具板的第二连接器相对布置。

另一方面，本发明的实施例的特征在于一种机器人系统，其包括、基本由或由以下内容构成：机器人主体、连接至所述机器人主体的机器人手臂、机器人控制器、通过与所述机器人器连接器配合的第一工具板连接器而可拆卸地连接至所述机器人手臂的工具板、用于可拆卸地保持所述工具板紧靠于所述机器人手臂的快速松脱机构、以及可拆卸地连接至所述机器人手臂的终端执行器。所述机器人手臂具有包括机器人连接器的远端。所述机器人控制器控制机器人手臂以及连接至该机器人手臂的终端执行器。工具板包括与第一工具板连接器対置的第二工具板连接器。所述终端执行器包括：(1)存储和/或被配置成存储数据的非易失性存储器，该数据包括、基本由或由标识信息和/或配置信息构成，(2)通信接口，(3)处理器，和(4)能够与所述第二工具板连接器配合的终端执行器连接器，用于经由所述通信接口在所述处理器和所述机器人控制器之间建立双向通信。所述处理器被配置为在所述终端执行器和所述工具板与所述机器人手臂配合时将数据传输至所述机器人控制器。

本发明的实施例可以各种组合中的任何一种包括以下一个或多个。所述数据不包括配置信息。所述工具板包括存储配置信息的非易失性存储器和用于基于所述数据查找响应所述终端执行器的配置信息的电路。所述机器人控制器适用于基于数据进行自配置并且基于所述自配置控制所连接的终端执行器的移动。所述数据包括、基本由或由标识信息和配置信息两者构成。所述机器人系统可包括数据库，所述数据库包括将终端执行器的标识信息与终端执行器的配置信息相关联的记录。所述机器人控制器还适用于使用标识信息来查询数据库以获得相应的配置信息并且基于该配置信息进行自配置。所述数据包括配置信息。所述配置信息指定用于控制所述终端执行器的驱动程序。所述配置信息可包括、基本由或由以下内容构成：驱动程序、用于设计针对于所述终端执行器的通用驱动程序的一个或多个参数和/或指定所述驱动程序类型的标识符。

所述工具板可包括、基本由或由突起部分构成，所述突起部分具有围绕其侧壁沿周向布置的一系列凹孔。快速松脱机构可包括、基本由或由以下内容构成：用于容置所述工具板的所述突起部分的凹部，围绕所述凹部并且能够沿着与其同心的轴线滑动的环，以及围绕所述滑动环的内表面沿周向布置的多个轴承滚珠。所述环沿第一方向的轴向移动将所述轴承滚珠锁定在所述工具板的所述突起部分的凹孔内，从而保持所述工具板位于所述快速松脱机构内，所述环沿与所述第一方向相反的第二方向的轴向移动使所述轴承滚珠从所述凹孔中脱出，从而使所述工具板从所述快速松脱机构中脱出。所述滑动环具有缩窄的内表面，其用于在所述环沿第一方向轴向移动期间将所述轴承滚珠平移入所述凹孔内。终端执行器组件或快速松脱机构可包括弹簧加载的、可回缩的保持环。该保持环可防止在静止位置的轴承滚珠径向向内移动，当所述保持环响应于所述工具板的所述突起部分的进入而抵抗弹簧载荷回缩时，可允许所述轴承滚珠移入所述凹孔内。所述保持环通过压缩波形弹簧被弹簧加载。终端执行器组件或快速松脱机构可包括可拆卸的固定轴套，其被配置为靠近所述滑动环与所述快速松脱机构接合，由此防止所述滑动环沿所述第二方向的轴向移动。所述工具板包括可拆卸的适配器板，所述第二工具板连接器被布置在所述适配器板上。

另一方面，本发明的实施例的特征在于一种快速松脱机构，其包括用于容置将被锁定其上的物体的凹部。所述快速松脱机构包括、基本由或由包围所述凹部并且能够沿着与其同心的轴线滑动的环、以及围绕所述滑动环的内表面沿周向布置的多个轴承滚珠构成。所述环的沿第一方向的轴向移动将所述轴承滚珠锁定在所述物体内的互补凹孔中，从而使物体保持位于所述快速松脱机构内。所述环的沿与第一方向相反的第二方向的轴向移动使所述轴承滚珠从所述凹孔处脱出，从而使所述物体从所述快速松脱机构处脱出。

本发明的实施例可以各种组合中的任何一种包括以下一个或多个。所述滑动环具有缩窄的内表面，其用于在所述环沿第一方向轴向移动的过程中将所述轴承滚珠平移入所述凹孔。快速松脱机构可包括弹簧加载的、可回缩的保持环。该保持环可防止轴承滚珠在静止位置处径向向内移动。当所述保持环响应于物体的进入而抵抗弹簧载荷回缩时，可允许所述轴承滚珠移入所述凹孔。所述保持环通过压缩波形弹簧被弹簧加载。快速松脱机构可包括可拆卸的固定轴套，其被配置为靠近所述滑动环与所述快速松脱机构接合，由此防止了所述滑动环沿所述第二方向轴向移动。

在又一个方面中，本发明的实施例的特征为与机器人系统联用的可互换的工具板，所述机器人系统包括、基本由或由以下内容构成：机器人主体、连接至所述机器人主体且具有包括机器人连接器的远端的机器人手臂、用于控制所述机器人手臂的机器人控制器以及连接至所述机器人手臂的远端的快速松脱机构。所述工具板包括、基本由或由以下内容构成：与所述快速松脱机构的内凹部分配合的突起部分，以及被配置为当所述突起部分被容置在所述快速松脱机构内时接合于互补电连接器的电连接器。所述突起部分包括围绕其侧壁沿周向布置的多个凹孔。所述凹孔的尺寸和形状被设计为可锁定地容置所述快速松脱机构的轴承滚珠以将所述工具板可拆卸地保持在所述快速松脱机构内。

本发明的实施例可以各种组合中的任何一种包括以下一个或多个。所述工具板可包括用于容置终端执行器的、与所述突起部分对置的工具板连接器。所述工具板可包括可拆卸的适配器板，所述工具板连接器被布置在所述适配器板上。所述工具板可包括存储和/或配置为存储数据的非易失性存储器。所述机器人控制器适用于基于数据进行自配置并且基于所述自配置控制连接至所述工具板的终端执行器的移动。所述数据包括、基本由或由标识信息和/或配置信息构成。所述数据包括、基本由或由标识信息和配置信息构成。所述数据不包括配置信息。所述机器人系统可包括数据库，所述数据库包括将终端执行器的标识信息与终端执行器的配置信息相关联的记录。所述机器人控制器可适用于使用标识信息来查询数据库以获得相应的配置信息并且基于该配置信息进行自配置。所述数据可包括、基本由或由配置信息构成。所述配置信息指定用于控制与所述工具板配合的终端执行器的驱动程序。所述配置信息可包括、基本由或由驱动程序，设计针对于所述终端执行器的通用驱动程序的一个或多个参数，和/或指定驱动程序类型的标识符构成。工具板可包括处理器和通信接口，所述通信接口用于在所述机器人控制器和所述处理器之间进行双向通信。所述处理器可被配置为在所述电连接器与所述互补电连接器配合时将数据传输至所述机器人控制器。所述工具板可包括可拆卸固定轴套，其用于将所述工具板锁定至所述快速松脱机构。所述固定轴套呈圆形或半圆形。

这些和其他目的以及在本文中公开的本发明的优势和特征将通过参照下文说明、附图和权利要求书而变得更加清晰。另外，应理解的是，本文描述的各个实施例的特征并不互斥，而是可以各种组合和置换存在。如本文所用，术语“接近”、“约”和“基本上”表示±10％，在一些实施例中为±5％。该术语“基本由......构成”表示排除其他有助于功能的材料，除非在本文中另有限定。尽管如此，这样的其他材料可整体地或单独地微量存在。

附图说明

在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常表示相同的部件。同样，附图不一定按比例回执，而是将重点放在示出本发明的原理上。在下文描述中，参照下图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1A是根据本发明的各个实施例的机器人的立体图；

图1B示意性地示出了在图1A中示出的机器人的内部和外部构件；

图2A和2B为根据本发明的各个实施例的工具板的立体图；

图3A和3B分别为示出了根据本发明的各个实施例的工具板与机器人手臂的端部的配合方式的立体图和平面图；

图4示意性地示出了根据本发明的各个实施例的包括机器人手臂、工具板、一对终端执行器的交互系统；

图5是根据本发明的各个实施例的工具板与机器人手臂的端部配合的立体图；

图6是根据本发明的各个实施例的彼此脱离接合的图5的工具板的各个构件的立体图；

图7是根据本发明的各个实施例的图5的工具板的各个构件的分解视图；

图8是根据本发明的各个实施例的工具板的机器人侧的快速松脱机构的分解视图；

图9是根据本发明的各个实施例的工具板的横截面视图；

图10是根据本发明的各个实施例的图9的横截面的局部放大视图，其中工具板的工具侧和机器人侧处于脱离接合的形态；和

图11是根据本发明的各个实施例的图9的横截面的局部放大视图，其中工具板的工具侧和机器人侧处于接合形态。

具体实施方式

首先，参照图1A和图1B，其分别示出典型的机器人100的透视图和详述各个内部操作构件的原理图。机器人100包括至少一个机器人手臂105-如图1B中所示，机器人可以具有不止一个手臂-其终止于用于操纵对象的一个或多个终端执行器110。手臂105具有由合适的(且传统的)转动关节所提供的几个自由度(例如，7个)。每个关节理想地采用一系列弹性致动器，使机器人能够感知施加至它的外力，例如，由意外碰撞所产生的力。在图1A示出的实施例中，允许机器人抓住、举起和移动对象的平行爪夹持器110被安装在手臂105的端部。如下文所解释的，夹持器110仅是许多可能的终端执行器中的一个。机器人100还具有头状屏幕112，其可显示一双眼睛或其他输出以向附近的人员强化机器人的方位或通告其状态。在一些实施例中，屏幕110可围绕竖向通道旋转并围绕平行于屏幕110的长轴延伸的水平轴摆动。

机器人100包括一个或多个摄像机115。在图1A中，摄像机115被示出在屏幕112的上方。机器人100还可包括在附肢105的手腕117中的一个或多个距离传感器，并且在一些实施例中，一个或多个声纳传感器检测环境中的移动对象。除了用于在视觉上和/或听觉上检测对象的这些传感器之外，机器人100可以包括在手臂105上的许多机械件和触敏传感器，其促成了与人(例如，训练者)的机械交互。例如，机器人100可包括一组旋钮和按钮118(“导航器”)，其允许使用者响应屏幕112上显示的信息(例如，通过选择菜单项、在训练模式和执行模式之间切换)并通过数字旋钮输入数字(例如，指示将多少行和列的对象包装到盒中)或者文字(例如，密码或对象和任务的名称)。

当然，上述机器人100仅是根据本发明的多个可能的机器人实施例之一，上面所描述的各个特征仅是代表性的而不是限制性的。可以采用对于本领域技术人员来说显而易见的方式来修改各个构件和特征。例如，机器人通常可具有任何数量的手臂(或者，更一般地，附肢)，并且每个手臂可具有任何数量的自由度。手臂的链节不需要由仅提供一个自由度的旋转关节(例如，诸如枢纽关节)来连接，而是例如可以包括提供两个旋转自由度的球窝式关节或促成平移运动的轨道系统。

机器人操作由机器人控制器125来监控，其监视和改变机器人的位置、运动学、动力学和力量；控制关节级的致动器，以按照机器人控制器的指示移动机器人和/或其移动部件；以及高级别的计算功能，其促成了图像处理、用户交互等。机器人控制器125通常可以在通用或专用计算机上以硬件、软件或两者的结合来实现，通用或专用计算机包括双向的系统总线128，通过系统总线128，中央处理单元(CPU)130、存储器133和存储设备136互相通信，并与内部或外部的输入/输出设备通信，内部或外部的输入/输出设备诸如屏幕112、摄像机115、导航器118、手腕套箍(wrist cuff)以及任何其他的输入设备和/或外部传感器。传统的通信接口138促成了通过网络的通信，诸如互联网和/或任意其他的陆基或无线通讯网络或系统。存储设备136存储终端执行器数据库140，如下文更详细地解释的，终端执行器数据库140保存与可以与机器人100关联的各种类型的终端执行器110相关的信息。可以采用任何合适的编程语言来编写各个模块，包括但不限于：诸如C、C++、C#、Ada、Basic、Cobra、Fortran、Java、Lisp、Perl、Python、Ruby或Object Pascal的高级语言或者低级汇编语言。机器人控制器125可通过硬件、软件或两者的结合来实现。

终端执行器110经由工具板150连接至机器人手臂105，工具板150可以同时适配不止一种类型的终端执行器110，以及在一些实施例中，同时适配不止一个终端执行器。通过这种方式，工具板150用作“通用的”连接器，其经由机器人手臂105被机械和电气地连接至机器人100，并且容置来自终端执行器的机械和电连接器。此外，工具板150协助机器人控制器125查找和安装用于特定终端执行器110的适当的驱动程序。在各种实施例中，当终端执行器已被移除并用不同(但兼容)的终端执行器替换时，工具板150可以提供允许控制器125实时地查找、加载和运行适当的新驱动程序的信息，来警示机器人控制器。工具板150可以是几种不同配置的工具板之一，每一个具有用于与机器人手臂105配合的相同的机械和电连接器，但是具有用于容置不同的终端执行器的不同的接纳部。相对于单个工具板所能物理支持的接纳部的数量，通过这种方式能够适配更多的终端执行器，并且还促成了系统的可扩展性：当开发了具有不同连接器配置的新型终端执行器时，不必更换整个机器人100或者甚至不必更换机器人手臂105；更确切地说，调换工具板150的能力意味着只需要设计新的工具板。就这一点而言，下文所描述的工具板的特征提供了灵活性。

如下文更加详细的描述，在各个实施例中，工具板150包括、基本由或由两个不同部分构成。具体地，工具板150的第一部分可附接至且可保持固定至机器人手臂105，工具板150的第二部分可以机械可拆卸地与第一部分接合。工具板150的第二部分可固定安装至终端执行器并且甚至可配置有用于连接终端执行器的可拆卸的适配器板。以此方式，工具板150的整个第二部分或者适配器板可在必要情况下被换出以容纳其他类型的终端执行器。工具板150的第一部分可如下文另外详细描述配置有快速松脱机构，其促成了工具板150的第二部分的附接和脱离接合。

图2A和图2B示出根据本发明的各个实施例的工具板150的两个面，图3A和图3B描述了工具板150与机器人手臂的端部的附接。面205包括具有环形周界的凹部210和在凹部210中心突起的平台215，在平台215中是10个弹簧加载的插针(例如弹簧针)220，用于建立与互补的接纳部的可移除的电连接。多个孔225延伸通过工具板150并允许螺栓穿过，用于加固与机器人手臂的附接。在示出的实施例中，朝向执行器的面230包括具有暴露出孔225的缺口240的突起的环形脊235。在一些实施例中，这些缺口240与进入终端执行器(未示出)上的环形凹部中的互补扩展部分互锁，该环形凹部容纳脊235。沿着脊235顶面的一系列螺栓孔245允许终端执行器被紧固至工具板150。在示出的实施例中，终端执行器与工具板150(例如与面230)的附接仅产生机械连接。电信号和电力通过一个或多个(例如一对)电连接器(例如，M8工业连接器)被传递至所安装的终端执行器，该一对电连接器通过合适的电缆连接至终端执行器。如下文所详细解释的，电信号和电力通常来自于机器人控制器并经由插针连接器220被工具板150接收。工具板150可包括电路，该电路将从机器人接收的信号和/或电力转换为用于机器人上安装的终端执行器的不同的形式。

参照图2A和图3A，工具板150与机器人手臂105的端面305接触，并且在端面305上突起的环形脊310被容置在工具板150的互补的凹部210中。一系列螺栓孔315与穿过工具板的孔225对齐，允许工具板150以螺栓连接或其它方式被机械地紧固至机器人手臂105。然而，在一些实施例中，使用快速释放闩锁代替螺栓。当工具板150和机器人手臂105呈现图3B中所示出的匹配配置时，插针连接器220被容置在接纳部320中。

图4中示出了工具板150的操作和关键内部构件。工具板包括存储器405、支持电路410以及控制元件415，控制元件415可以是微处理器、微控制器或其他合适的构件。控制元件415的性能取决于分配给工具板150的功能，如下文所描述的。工具板与一种或多种终端执行器420机械和电气地匹配，其中两种被典型地示出在420₁、420₂；也就是说，工具板150具有两种接纳部，一种接纳部用于终端执行器420中的一种，并且每种接纳部包含适当的特征以促成与其的机械和电气匹配。如上文所指出的，工具板150可同时适配不止一种终端执行器420和/或可替换地适配不同类型的终端执行器。例如，与图1所示的具有包围对象的手指的夹持器不同，终端执行器420可包括吸式夹持器或者保持或操纵对象的其他装置。替代地或补充地，终端执行器可以是工具(诸如钻、锯、焊机等)、测量设备(诸如天平、量规等)或其他实现功能的设备。

当与机器人手臂105机械和电气地匹配时，工具板150接收电力并建立与机器人控制器125的通信(参见图1B)。典型地，这经由诸如接口425和本地电机控制器430的中间硬件产生。接口将电力从机器人供应至工具板150，并经由例如RS-485的串口通信协议来支持与工具板150的双向数据通信。工具板150的支持电路410包含补充的通信构件。本地电机控制器430从机器人控制器125接收指令(例如，通过诸如以太网的链路层协议)并且驱动与机器人手臂105的一个或多个附近关节关联的电机，以使指令产生作用。在示出的实施方式中，本地控制器430也从机器人控制器125接收操作终端执行器420的指令。它经由接口425(例如使用RS-485)将这些指令传送至工具板150，并且工具板150经由数字输出线将指令发布(或提供电能)给被寻址的终端执行器。指令典型地是专用于终端执行器的低级别指令。也就是说，尽管工具板150可以被配置为从机器人控制器125接收高级别的通用指令并将这些指令转换成执行器专用的信号，但通常不这样做。而是，在更典型的实施方式中，机器人控制器125已经“自配置”以传送执行器专用的指令。下文解释其实现方式。还应强调的是，机器人手臂105本身可包括能够执行高级别任务的处理器。因此，尽管处理器415可作为“主机”以控制与机器人手臂125的通信，但是它也可以相反地作为机器人手臂中处理器的“从机”(例如，机器人手臂中处理器可以轮询工具板150并发送数据至机器人控制器)。

当终端执行器420与工具板150匹配时，发生各种通信，其最终结果是提供电力至终端执行器420并实现机器人控制器125和终端执行器420之间的通信，但是也能够使机器人控制器进行自配置以操作终端执行器。在一个典型的实施方式中，终端执行器是“非智能的”设备，不具有提供给机器人控制器的板上信息。工具板150由于其接纳部配置(例如，它被设计为接收单一类型的终端执行器)、或者从其机械或电气特性、或者由于工具板仅适配一种类型的终端执行器，来识别终端执行器。在示出的实施例中，存储器405存储用于两种可能的终端执行器420₁、420₂中的每一种的标识符。当控制元件415检测到特定终端执行器的附接时，它经由机器人手臂105将相应的标识符传送至机器人控制器125。机器人控制器使用所传送的标识符以在数据库140中(参见图1B)查找用于终端执行器的配置信息。数据库140可包含配置信息(例如，驱动程序或到存储在别处的驱动程序的指针)的库，并且当基于接收的终端执行器的标识符选择驱动程序信息时，机器人控制器125进行自配置，即，加载并安装适当的驱动程序。由于工具板150可以检测终端执行器的安装和移除，这些终端执行器可被实时的“热插拔”而无需断电和重新启动机器人。经由电路410，控制元件415将提醒机器人控制器125新的终端执行器已被附接，并提供用于新的终端执行器的标识符。

通过工具板150或者通过机器人控制器125(例如，如果终端执行器被直接附接至机器人手臂105)检测终端执行器的附接可以以主动的或被动的方式发生。例如，终端执行器或工具板可以发起与机器人控制器或工具板的通信。可选地，在附接时，终端执行器或工具板可以发射特征信号，该信号由轮询该信号的机器人控制器检测。在每种情况下，机器人控制器125(或者在一些实施方式中，机器人手臂105)发送指令到终端执行器或工具板，其通过数据做出回应(取决于指令，该数据为I/O或状态数据或存储的配置/标识数据)。

在一些实施例中，配置信息被存储在工具板150的存储器405中，并且在检测到终端执行器的附接时，控制元件415在存储器405中查找相应的配置信息并将其发送至机器人控制器125。再次提到，配置信息可以是使机器人控制器125能够在进行自配置之前加载驱动程序的最新版本的驱动程序本身或到驱动程序的指针，或者是使机器人控制器125能够针对特定终端执行器来参数化通用驱动程序的信息。存储器405还可以存储终端执行器的专用度量，诸如循环计数和操作时间，当它们接近其额定的循环限度时，允许诸如更换吸盘和/或其他构件的预防性的维护。

在各种实施方式中，接纳部420的任何一种可以适配不止一种类型的终端执行器。在这种情况下，在与新安装的终端执行器建立通信时，终端执行器可存储被提供至工具板150(或由工具板150取回)的标识符。在该情况下，工具板150将标识符传送至机器人控制器125，或者，在一些实施例中，使用标识符来从存储器405取回配置信息并将该信息发送至机器人控制器125。优化的信息分配-即，是将配置信息存储在工具板150上还是存储在机器人自身的非易失性存储器中-代表设计选择。存储在工具板150上的信息越多，机器人越通用，但是工具板150将需要更多的存储器。另一考虑是更新信息或编程的需要。例如，如果配置数据随时间改变，可能期望在存储器405中仅存储不变的信息，诸如，终端执行器的标识符。当上电时或检测到新的机器人手臂的安装时，机器人控制器125可以验证它具有最新的驱动程序。当然，工具板150可能包含如下功能：在将配置信息提供至机器人之前，能够使工具板150检查存储的配置信息是否更新，但是这种能力需要板上连通性或者需要通过机器人访问网络(例如，经由互联网)资源的能力。

在终端执行器是“智能的”的情况下，即包含自身的配置信息，该信息可以被工具板150取回并提供至机器人控制器125。工具板150甚至可能使用合适的板上无线接口与终端执行器和/或机器人控制器125进行无线通信。在另一方面，如果机器人控制器125不能查找合适的驱动程序，它可以在驱动程序的远程(例如，托管的)存储库中搜索驱动程序或者可以自主地进行适当驱动程序的互联网搜索，以在实际上允许机器人被正常操作之前经由工具板150安装并测试适当的操作和功能。

如上文所指出的，根据工具板所执行的功能，工具板150的控制元件415可以是任何合适的微处理器或微控制器。例如，控制元件415可以是专门设计的用于嵌入式操作的可编程微控制器，或者是一个或多个常规处理器，诸如加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司制造的奔腾或赛扬系列处理器。存储器405可存储与上述操作相关的程序和/或数据。存储器405可包括存在于常用硬件上的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、和/或闪存存储器，常用硬件诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)或可编程逻辑器件(PLD)。

在本发明的各个实施例中，如图5所示，工具板150可具有“机器人侧”500和“工具侧”520，该机器人侧配置有自身固定至机器人附肢105的端部或“套箍”510的快速松脱机构，与机器人侧500对置的工具侧容置一种或多种终端执行器。通常情况下，机器人侧500固定安装(例如螺栓连接)至机器人附肢105。工具板150的工具侧520可固定安装(例如螺栓连接)至一种或多种终端执行器。例如，工具侧520可包括可互换的适配器板525，其被配置为机械联接至一种或多种类型的终端执行器。这种布置不仅使终端执行器还使工具板150或其部分(例如工具侧520或适配器板525)通过机械固定而无需工具、气压或电子致动地被方便地互换或者连接至另一个机器人(通过附接其上的另一个机器人侧部分)。在各个实施例中，机器人侧500可通过下文详述的快速松脱机构快速且容易地从工具侧520处拆下。如图5所示，快速松脱机构可配置有可拆卸的固定轴套530，如图5所示，其在接合时能够将工具侧520并且由此将工具板150沿轴向并且可转动地固定至机器人。图6示出了通过移除固定轴套530，工具板150的工具侧520与机器人侧500脱离接合。如图所示，机器人侧500可保持固定至机器人附肢的套箍510。

图7为图5和图6的工具板150的分解视图。如图所示，配置有快速松脱机构(下文详述)的机器人侧500可通过一个或多个螺栓700或其他紧固件被固定至机器人附肢的套箍510。工具板150的工具侧520可包括适配器板525，其可根据所采用的(多种)终端执行器进行更换并且可通过一个或多个螺栓710或其他紧固件被附接至工具侧520。根据本发明的各个实施例，工具侧520的突起部分720包括一系列沿周向分布(并且通常等距)的凹孔，其中一个凹孔以730代表示出。如将看到，这些凹孔容置轴承滚珠，轴承滚珠在锁定状态中将工具侧520锁定至机器人侧500。

具体地，在各个实施例中，机器人侧500的快速松脱机构包括系留的球形轴承滚珠，该球形轴承滚珠根据可轴向滑动的保持环的位置而径向向内或向外移动并且被容置在工具板150的工具侧520内的互补凹孔730中。滑动环的内表面是缩窄的，从而滑动环的轴向运动引起轴承滚珠的径向移动并且将它们固定在凹孔730内。这样放置，轴承滚珠防止了工具板150的工具侧520的轴向移动。为了将工具板150的工具侧520从机器人侧500处释放，将滑动环手动移位以允许轴承滚珠径向朝外移动，由此释放工具板150的工具侧520。可采用可拆卸的固定轴套530以防止这种滑动运动，并且由此保持工具板150沿轴向且可转动地固定至机器人。虽然该凹孔730被示出为半球形(即横截面或周界呈圆形)，但是在各个实施例中，一个或多个(或者甚至所有)凹孔730可具有其他形状(例如，横截面或周界呈椭圆形、卵形、多边形)，其不一定适形于球形轴承滚珠的形状，但是却能够有效地将轴承滚珠固定其中并且由此防止工具板150的工具侧520沿轴向运动。

工具板150的机器人侧500的快速松脱机构的各个构件在图8的分解视图中示出。这些构件包括上保持环800、多个压缩弹簧805、滑动环810(其轴向运动控制快速松脱机构的运行)、滚珠止挡环815、压缩波形弹簧820、轴承保持件825以及多个轴承滚珠830。该滑动环810可包括在移动该环时用户可手动接合的唇边或凸缘。压缩波形弹簧820(或在其他实施例中，另一种类型的压缩弹簧，比如卷簧)抵靠在滑动环810的内脊的上表面上，提供了辅助力以用于使滑动环810沿轴向运动并且使轴承滚珠830随之接合在互补凹孔730内，如下文详述。该滑动环810和该轴承保持件825可包括、基本由或由一种或多种金属构成，该金属例如为不锈钢和/或耐火金属材料比如钛、钨、铪、钽和/或铌。

如图9所示，工具侧520的突起部分720被容置在轴承保持件825和滑动环810的内部。作用机理可参见图9至图11。在工具侧520的突起部分720被容置在轴承保持件825的内部之前，滚珠止挡环815靠近轴承保持件825的内表面同心布置，这防止了轴承滚珠830向内移行。此种构型通过压缩弹簧805抵靠于滚珠止挡环815的凸块835得到保持。随着突起部分720进入轴承保持件825，其迫使滚珠止挡环815抵抗压缩弹簧805并进入轴承保持件825的下凹部分内。由此，球形止挡环815提供了推动-接触功能，其在用户将工具侧520的突起部分720推入快速松脱机构内时对应地致动锁定机构；用户例如无需为了连接工具板150而抬高该滑动环810。

在图10中示出的脱离接合的位置处，轴承滚珠830松配合地位于工具侧520的突起部分的凹孔730与滑动环810的内脊1000的斜坡边缘之间。工具侧520可自由离开，压缩弹簧805将推动滚珠止挡环815，使得其跟随工具侧520并且防止轴承滚珠830向内移行，如图10所示。

当滑动环810在压缩波形弹簧820的辅助下沿轴向(向下如图11所示)移动时，呈斜面状(例如以约2°至约20°，例如约5°)的脊1000的内表面使轴承滚珠830径向向内平移，从而使它们位于埋头凹孔730中，滑动环810本身阻止向外移动。压缩波形弹簧820的弹簧力作用以将滑动环810保持在这个接合位置；但是，固定轴套530可被布置就位以防止滑动环810向上移动。该轴承滚珠830牢固地保持工具侧520与机器人侧500接合。在各个实施例中，快速松脱机构采用了六个轴承滚珠830，其可以但不一定围绕轴承保持件825的周长彼此等距间隔地分布。轴承滚珠的最佳数量取决于负载，在典型的应用中可少达3个或者多达8个，或者甚至更多。类似地，滚珠止挡环815的凸块835的数量和对应弹簧805的数量可从少达3个或者多达8个或者甚至更多变化。

本文采用的术语和语句被用作说明书的术语和语句而不是用于限制，并且在使用该术语和语句时，没有排除所展示和描述的特征或其部分的任何等价物的意图。此外，在描述了本发明的某些实施例后，对于本领域普通技术人员来说是显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可使用包含本文公开的概念的其他实施例。因此，无论从哪一方面，所描述的实施例仅被认为仅是示意性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种快速松脱机构，其包括用于容置待锁定在其上的物体的凹部，所述机构包括：

滑动环，其包围所述凹部并且能够沿着与其同心的轴线滑动；和

多个轴承滚珠，其围绕所述滑动环的内表面沿周向布置，由此所述滑动环沿第一方向的轴向移动将所述轴承滚珠锁定在物体内的互补凹孔中，从而使物体保持位于所述快速松脱机构内，并且所述环沿与第一方向相反的第二方向的轴向移动使所述轴承滚珠从所述凹孔处脱出，从而使所述物体从所述快速松脱机构处脱出；

弹簧加载的、可回缩的保持环，其用于防止在静止位置处的轴承滚珠径向向内移动，当所述保持环响应于物体的进入而克服弹簧载荷回缩时，允许所述轴承滚珠移入所述凹孔；和

可拆卸的固定轴套，其被配置为靠近所述滑动环地与所述快速松脱机构结合，从而防止了所述滑动环沿所述第二方向的轴向移动。

2.根据权利要求1所述的快速松脱机构，其中所述滑动环具有缩窄的内表面，其用于在所述环沿第一方向的轴向移动的过程中将所述轴承滚珠平移入所述凹孔。

3.根据前述权利要求中任一项所述的快速松脱机构，其中所述保持环通过压缩波形弹簧被弹簧加载。

4.根据权利要求1所述的快速松脱机构，其中所述固定轴套呈半圆形。

5.一种机器人系统，包括

机器人主体；

连接至所述机器人主体的机器人手臂，所述机器人手臂具有远端；

机器人控制器，其用于控制所述机器人手臂；

工具板，其包括(i)引入快速松脱机构并且构造为固定安装至机器人手臂的远端的机器人侧和(ii)构造为容置一种或多种终端执行器的工具侧，

其中所述机器人侧通过所述机器人侧的快速松脱机构可拆卸地连接至所述工具侧，其中所述快速松脱机构被构造为包括系留的球形轴承滚珠，所述球形轴承滚珠根据可轴向滑动的保持环的位置而径向向内或向外移动并且构造为容置在工具侧内的互补凹孔中，并且其中所述快速松脱机构还配置有可拆卸的固定轴套，所述固定轴套被构造为将所述工具侧沿轴向且可转动地固定至所述机器人侧，

并且其中终端执行器连接至所述工具板。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，所述工具板还包括：

存储数据的非易失性存储器，该数据包括标识信息或配置信息中的至少一项；

通信接口；

处理器；和

其中工具板的机器人侧能够与所述工具板的工具侧配合，以用于经由所述通信接口在所述处理器和所述机器人控制器之间建立双向通信，所述处理器被配置为在所述机器人侧和所述工具侧配合时将数据传输至所述机器人控制器。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述机器人控制器适用于基于所述数据进行自配置并且基于所述自配置控制所连接的终端执行器的移动。

8.根据权利要求6或7所述的机器人系统，其中所述数据包括标识信息和配置信息两者。

9.根据权利要求6或7所述的机器人系统，其中所述数据不包括配置信息。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中所述机器人系统还包括数据库，所述数据库包括将终端执行器的标识信息与终端执行器的配置信息关联的记录，所述机器人控制器还适用于用标识信息来查询数据库以获得对应的配置信息并且基于该配置信息进行自配置。

11.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述数据包括配置信息。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中所述配置信息确定用于控制所述终端执行器的驱动程序。

13.根据权利要求12所述的机器人系统，其中所述配置信息包括驱动程序。

14.根据权利要求12所述的机器人系统，其中所述配置信息包括可用于设计针对于所述终端执行器的通用驱动程序的一个或多个参数。

15.根据权利要求12所述的机器人系统，其中所述配置信息包括确定所述驱动程序类型的标识符。