CN111032292A

CN111032292A - 配备有多距离检测的功能头的机器人

Info

Publication number: CN111032292A
Application number: CN201880055959.1A
Authority: CN
Inventors: 迪迪埃·罗齐埃; 阿兰·库特维尔
Original assignee: Fogale Nanotech SA
Current assignee: Fogale Nanotech SA
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-04-17
Also published as: WO2019042785A1; EP3676061A1; FR3070293B1; FR3070293A1

Abstract

本发明涉及一种包括功能头(104)和电容性检测装置的机器人(100)，该电容性检测装置包括：‑至少一个电绝缘体(106₁)，用于使所述功能头(104)电绝缘；‑至少一个电极化装置，用于使所述功能头(104)在不同于接地电势的被称为工作电势的交流电势(V)下电极化，使得所述敏感部分用作电容性检测电极；‑至少一个电气保护装置(108)；所述机器人(100)还包括称为接近传感器的至少一个传感器(112)，所述至少一个传感器是非电容性的，并且具有比由所述功能头(104)的敏感部分形成的电容性检测电极更大的检测范围。

Description

配备有多距离检测的功能头的机器人

技术领域

本发明涉及一种具有物体多距离检测周围物体的功能的机器人，其允许同时进行轨迹适应和接触检测。

本发明的领域是但不限于机器人技术领域，特别是工业机器人或服务机器人领域，例如医疗或家用机器人、甚至是协作的机器人，也称为“协作机器人”。

背景技术

工业或家用机器人、特别是协作机器人，通常包括在其上固定有功能头的主体，该功能头呈工具或工具保持器的形式以允许它们完成一个或更多个任务。

为了能够在包括人和/或物体的环境中使用或开发机器人或协作机器人、例如机器臂，需要为其配备检测能力，允许一方面避免与周围物体/人发生碰撞，另一方面尽早检测物体/人以适应其轨迹。

特别地，需要为机器人提供碰撞检测和轨迹适应的能力，以避免周围物体/人与功能头之间的碰撞，所述功能头可能是特别危险的部件。

已知小尺寸且低成本的第一类传感器，例如电容式传感器，用于配备机器人。这些传感器的范围很小，并且不允许足够早地进行物体检测以实现轨迹适应。

还已知更大和更昂贵的、提供更大的检测范围第二类传感器，例如飞行时间传感器、光学传感器等。然而，这些传感器具有相对较小的检测孔径，最大约为60°，从而留下了盲区。为了减少这些盲区，必须增加传感器的数量，考虑到这些传感器的成本和体积，这是不可能的。另外，由于传感器的测量范围，这些传感器不允许在非常短的距离或在接触时检测物体。因此，由于存在盲区和检测限制，这些传感器不适用于防撞安全应用。

因此，如果需要一个允许同时实现轨迹适应和接触检测的完整的检测功能，则机器人将需要配备第一类和第二类传感器的组合，可以是昂贵、体积大且复杂的。

本发明的目的是提出一种具有更好的物体检测功能、同时又具有可接受的成本、体积和复杂性的机器人。

本发明的另一个目的是提出一种具有更便宜、体积更小和更简单的检测功能的机器人，其允许在具有较少的盲区或甚至没有盲区的情况下同时检测近处和远处的物体。

本发明的另一个目的是提出一种具有更便宜、体积更小和更简单的物体检测功能的机器人，其同时允许在具有足够的检测安全性的情况下在机器人附近和特别是在功能头附近实现物体检测，以能够用作防撞安全装置。

本发明的又一个目的是提出一种具有检测功能的机器人，其同时允许轨迹适应和接触检测，同时更便宜、体积更小和更简单。

发明内容

这些目的中的至少一个目的是通过一种机器人实现的，该机器人包括主体，特别地以可移除或可拆除的方式或者甚至可互换的方式安装在该主体上安装有形成工具或工具保持器的功能头，所述机器人还包括电容性检测装置，所述电容性检测装置包括：

-至少一个电绝缘体，用于将所述功能头的称为敏感部分的至少一部分与所述机器人的其余部分电隔离；

-至少一个电极化装置，用于使所述敏感部分在与接地电势不同的、称为工作电势的交流电势下电极化，从而使所述敏感部分形成电容性检测电极；和

-至少一个电气保护装置，其在称为工作频率的频率下在与所述工作电势相同或基本相同的被称为保护电势的交流电势下极化，用于电气保护所述敏感部件；

所述机器人还包括称为接近传感器的至少一个传感器，其至少在一个方向上实施更大的检测范围的非电容性检测技术，所述电容性检测电极由所述功能头的所述敏感部分形成。

接近传感器尤其可以在对应于其测量轴的方向上具有比电容性检测电极更大的检测范围。

电容性检测装置还可以包括称为检测电子器件的至少一个电子器件，用于测量与所述敏感部分和周围物体之间的称为电极-物体电容的耦合电容有关的信号。

因此，根据本发明的机器人通过提出不同范围的两种类型的传感器(即至少一个非电容性接近传感器和由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极)来实现特别地在功能头附近的物体检测。

与电容性检测电极相比，通常昂贵且大体积的至少一个接近传感器以更大的距离实现物体检测，并且允许轨迹适应。

范围通常较短的电容性检测电极(由功能头的敏感部分形成)允许一方面在更短的距离下覆盖未被一个或更多个接近传感器覆盖的盲区，另一方面以安全快速的方式实现接触检测，例如触发紧急停止或避开，甚至改变机器人的顺从性或执行触摸控制。

根据本发明的机器人的检测功能与用作防碰撞安全装置所需的检测安全性要求兼容，特别是针对在机器人附近操作的操作人员。

此外，由功能头的全部或部分形成的电容性检测电极通常不允许了解物体或操作人员的接近方向。根据本发明，该信息可以由至少一个接近传感器来提供，该接近传感器通常仅在确定的立体角内并因此在一个或更多个确定的空间方向上检测物体。因此，接近方向的了解允许有效的轨迹适应。

另外，在根据本发明的机器人中，电容性检测电极由功能头本身的一部分或全部形成，而无需添加附加的电容性电极，因此降低了与使用这些附加的电容性电极相关的成本和复杂性。实际上，在根据本发明的机器人中，敏感部分形成也称为测量电极的电容性检测电极，所述测量电极的耦合电容对应于在所述测量电极与环境之间产生的电容。在这些条件下，可以用工具容易地检测物体或人的接近和触摸。

此外，本发明的另一个优点是可以使用功能头所携带的物体，例如用作电极的功能头的延伸。实际上，功能头和被运输物体之间的紧密接触在它们之间产生重要的电容耦合。自然可以在相似的电势下发现功能头和该功能头所携带的物体。所运输的物体不需要是良好的电导体，以在电容性检测方面作为功能头的延伸。例如介电常数大于3的塑料或聚合物材料的电介质足以成为功能头的延伸。然后，被运输的物体成为敏感功能头的一部分。

在本申请中，“物体”是指可能在机器人的环境中的任何物体或人。

在本申请中，当两个交流电势各自包括在给定频率下相同的交流分量时，所述两个交流电势在该频率下是相同的。因此，在所述频率下相同的两个电势中的至少一个可以进一步包括直流分量和/或频率不同于所述给定频率的交流分量。

同样，当两个交流电势在工作频率下没有相同的交流分量时，所述两个交流电势在该工作频率下不同。

在本申请中，为了避免繁琐措辞，术语“接地电势”或“一般接地电势”表示电子器件或机器人的参考电势，该参考电势例如可以是电接地或接地电势。该接地电势可以对应于地电势，或者对应于与地电势连接或不连接的其它电势。

还应记得，通常，如果与特定电势没有直接电接触的物体(电气漂浮物体)与其周围环境中存在的其他物体(例如地面或电极)之间的重叠表面足够大，那么这些物体往往会通过电容耦合物体到环境中存在的其他物体而极化。

有利地，至少一个、特别是每个接近传感器可以被设置在功能头上。

特别地，至少一个接近传感器可以被设置在功能头的敏感部分上。

替代地或另外，至少一个接近传感器可以设置在功能头的敏感部分上以外的其他地方。

替代地或另外，至少一个接近传感器可以设置在机器人的主体上。

替代地或另外，至少一个接近传感器可以设置在位于机器人主体与功能头之间的机械接口上。

特别地，根据本发明的机器人可以包括设置在功能头的两侧的多个接近传感器。

根据非限制性的实施例，机器人可以包括由围绕功能头的几个、特别是四到六个接近传感器形成的环。

机器人可以特别地包括一个或更多个接近传感器，所述一个或更多个接近传感器的轴线或测量方向相对于功能头的延伸方向垂直、平行或倾斜，或者朝向功能头的端部定向。

功能头的伸长方向可以定义为功能头在其上在与机器人的连接界面与其自由端之间延伸的方向。

根据有利的特征，至少一个接近传感器可以在至少等于30cm的距离、特别地至少等于50cm的距离下实现物体的检测。

根据所实施的技术，接近传感器可以例如在几厘米的最小距离与几十厘米或几米的最大距离之间的距离下实现物体检测。通常，在最小距离以下检测到物体或至少测量其距离是不可能的。

因此，接近传感器可以在物体距离机器人相对较远时检测到所述物体，这使机器人有时间修改/调整其轨迹以避开所述物体，同时继续执行例如它正在执行的任务。

根据另一有利特征，至少一个接近传感器可以在至少等于10Hz的频率下实现检测。理想情况下，接近传感器可以在高达100Hz或更高的频率下实现检测。

当物体远离机器人时，用于检测物体的这种测量频率足以调整/改变机器人的轨迹。

根据本发明，至少一个接近传感器可由以下传感器中的任一个形成或包括以下传感器中的任一个：

-光学或声学的飞行时间传感器或测距仪，

-飞行时间相机(3D)，

-立体光学装置和/或结构化光投影装置，或

-光学成像装置。

因此，作为非限制性示例，至少一个接近传感器可以至少由以下各项形成或至少包括以下各项：

-超声波飞行时间传感器(SODAR)。这种传感器具有厘米级的分辨率，并且可以在最小距离(例如20cm)和最大距离(例如1m或更大)之间测量到在传感器轴上在检测锥(例如50度角)中存在的物体的距离；

-飞行时间光学传感器(LIDAR)。该传感器还具有厘米级的分辨率，并且可以在最小距离(例如，10cm)和最大距离(可能约为几米)之间测量到在传感器轴上在检测锥(例如，从几度到几十度的角度)中存在的物体的距离；

-飞行时间相机，其采用与成像传感器相同的飞行时间检测光学原理。该传感器在最小距离(例如50cm)和最大距离(可以约为几米)之间可以测量到传感器轴中在视场(例如几十度的角度)中存在的物体的距离；

-使用结构化光投影的光学传感器，或基于立体视觉的传感器。这两种传感器原理具有允许测量到在照明光束与视场或两个视场之间的相交区域中存在的物体的距离的能力。

-图像传感器，其允许通过图像分割来识别物体在其视场中的存在。

电容性检测装置可以实现直到至少等于10cm、或者甚至等于20cm或30cm的物体检测。因此，与接近传感器相比，所述电容性检测装置提供了一系列互补的距离测量范围，以及减小的体积和成本。

另外，电容性检测装置可以以至少等于100Hz、或者理想地至少等于500Hz或1000Hz的频率实现检测。

这样的测量频率特别适合于检测非常靠近机器人和功能头的物体，同时留出足够的时间以使机器人在碰撞之前停止。

该测量频率足以在使用可接受的成本和体积的传感器的同时确保机器人的防撞安全性。

在优选实施例中，至少一个、特别地每个接近传感器可以优选地参考保护电势。

因此，该接近传感器或每个接近传感器不会被由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极检测到，并且不会干扰电容性检测。

为此，可以设置电气转换器，其被布置用于：

-接收称为输入信号的至少一个电信号，例如参考接地电势并用于至少一个接近传感器的电源或控制信号，并使所述输入信号参考保护电势(V_G)；和/或

-接收由所述至少一个接近传感器发出的称为输出信号的至少一个电信号，并使所述输出信号参考其所用于的控制器的电接地电势。

因此，接近传感器通常参考保护电势，并且因此不会干扰由功能头的敏感部分形成的电容式传感器。

根据示例性实施例，这种电气转换器可以包括以下元件中的至少一个：

-至少一个电流隔离电源，例如DC/DC转换器，特别地用于为至少一个接近传感器生成电源输入信号；

-电容式或使用光耦合器的无电接触的至少一个电接口，用于至少一个控制输入信号或至少一个输出信号；和/或

-一个或更多个高阻抗电感器，用于接收和发送至少一个输入信号或至少一个输出信号。

该转换器可以被设置在功能头中，或者在机器人的主体中，或者在位于功能头和机器人的主体之间的接口中，或者甚至被设置在所述机器人的外部。

另外，至少一个接近传感器可以被定位成使得其检测区域与由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极的检测区域至少部分地重叠。

在该实施例中，在接近传感器和由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极之间不存在盲区，这进一步改善了物体检测。

优选地，根据本发明的机器人可以包括多个接近传感器。在这种情况下，至少两个接近传感器可以定位为使得它们的检测区域至少部分地彼此重叠。

至少两个接近传感器还可以定位为使得：

-它们的检测区域彼此重叠，例如超过覆盖距离，并且

-它们的检测区域的公共部分与由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极的检测区域重叠；

并且在至少一个方向上，特别是在连接所述两个接近传感器的方向上。

在该实施例中，如果适用，在接近传感器之间没有盲区，或者在重叠距离之外至少没有盲区。

功能头可以包括用作分离的电容性电极的几个不同的敏感部分，并且被检测电子器件顺序地或并行地问询。

只要这些敏感部分在工作频率下在相同的交流电势(V_g)下极化，它们分别构成彼此的保护元件，因此不会互相干扰。这些不同的敏感部分可以是例如抓持工具的指部。

根据一个实施例，功能头可以包括由整个所述功能头形成的单个敏感部分。

在这种情况下，当功能头是工具保持器或工具时，则是工具保持器的整体，或者是工具的整体，然后将其用作电容性检测电极。

根据本发明的机器人可以包括铰接或不铰接的机械接口，所述机械接口使功能头与机器人的其余部分分开。特别地，电气接口可以设置在功能头和机器人的主体之间。

根据特定实施例，电绝缘体和/或电气保护装置可以设置在所述机械接口处，特别是集成在所述机械接口中。

例如，当整个功能头形成敏感部分时，绝缘体和保护装置可以被设置、并且特别地集成在将所述功能头与机器人的其余部分分开的机械接口中。

绝缘体可以设置在功能头侧，也可以设置在机器人的主体侧。

保护装置可以设置在功能头侧，也可以设置在机器人主体侧。

根据替代实施例，功能头的仅一部分可以是敏感的。在这种情况下，绝缘体和保护装置可以远离机械接口设置在所述工具头中。

根据替代实施例，功能头可以包括多个敏感部分。在这种情况下，所述功能头也可以包括将这些敏感部分隔开的绝缘体或绝缘部分。

在实施例中，功能头的敏感部分或功能头可以包括至少一个电气部件，例如传感器、致动器、电动机和/或相关联的电子器件(调节器、驱动器)等。

这种电气部件可以包括电线，或者与电线相关联，所述电线将输入/输出信号传输到所述电气部件/从所述电气部件传输输入/输出信号。

例如，功能头可以使用或配备有夹具。这通常由机器人通过用于供电的两条电源线和用于命令和信息反馈的两条串行通讯线来管理。

但是，默认情况下，这些电气部件参考一般接地电势，因此存在被用作电容性电极的功能头的敏感部分检测到的风险。

为了避免这种干扰，可以有利地使至少一个、特别地每个电气部件参考保护电势。

为此，根据一个实施例，根据本发明的机器人可以包括围绕至少一个电气部件、特别地每个电气部件设置并在工作频率下在保护电势(V_G)下极化的保护装置的体积或壁。

根据另一实施例，根据本发明的机器人还可以包括至少一个电气转换器，其被布置用于：

-接收称为输入信号的至少一个电信号，例如用于所述电气部件的电源或控制信号，并使所述输入信号参考保护电势(V_G)；和/或

-接收由所述电气部件发出的称为输出信号的至少一个电信号，并使所述输出信号参考其所用于的控制器的电接地电势。

因此，电气部件通常参考保护电势，并且因此不会干扰电容性检测。

该实施例的优点是体积较小，成本较低并且易于安装，这是因为它不需要修改功能头或改变其设计。

因此，转换器可以被布置为接收参考一般接地电势或控制器的接地电势的输入信号，并在输出处将其转换为参考保护电势的信号，反之亦然。

应当注意，只要在工作频率下进行电容耦合的检测，与功能头的电气部件有关的电输入/输出信号(或者，如前所述，与参考保护电势的接近传感器有关的电输入/输出信号)不会干扰耦合电容的测量，这是因为所述电输入/输出信号会被电容性检测电子器件拒绝或滤波。在对由检测电子器件测量的信号进行同步解调的情况下，这更加有效。

出于同样的原因，如果由于存在直流分量或不同于工作频率的频率，用作电极的功能头的敏感部分的电势与保护装置的电势不同，那么不会在测量中产生重大干扰。

这种电气转换器可以包括以下元件中的至少一个：

-至少一个电流隔离电源，例如DC/DC转换器，特别地用于为至少一个电气部件生成电源输入信号；

-一个或更多个高阻抗电感器，用于接收和发送至少一个输入信号或至少一个输出信号：例如，这些电感器可以缠绕在共有铁磁芯上，以通过互感效应进一步增加其阻抗。

该电气转换器可以被设置在功能头中，或者在机器人的主体中，或者在位于功能头和机器人的主体之间的接口中，或者甚至在所述机器人的外部。

该电气转换器可以与用于使接近传感器参考保护电势的电气转换器相同。

根据一个实施例，机器人可以包括由导电材料层实现的保护装置，该导电材料层特别是薄且柔性的，特别是沉积在所述机器人的部件上。

替代地或另外，机器人可以包括由机器人的金属部分实现的保护装置，该保护装置设置在主体和功能头的敏感部分之间，在两侧均电隔离并且在保护电势下极化。

因此，无需向机器人添加附加的元件。

替代地或另外，机器人可以包括由在保护电势下极化的根据本发明的机器人的主体的至少一部分或全部实现的保护装置。

实际上，可以使机器人的主体的大部分或整个主体在保护电势下极化。当机器人是机器臂时，可以使臂的大部分、甚至全部在保护电势下极化并将其用作保护装置。

在这种情况下，被称为接口电路的转换器电子电路被连接在机器人的保护装置下极化的该部分的电路与参考总接地的机器人其余部分的电路之间。该接口电路产生参考保护装置的电容性电子器件的激励，并提供在机器人的保护装置下极化的所述部分的电子器件与机器人的其余部分的参考接地的电子器件(电源、通信设备)之间的接口。该接口电路可以容纳在参考机器人的保护装置的部分处，或参考机器人的接地电势的部分处。

当机器人的一部分或全部覆盖有附加的电容性电极，并且机器人的支撑这些电极的部分参考保护电势时，由于不需要在机器人和这些附加的电容性电极之间插入附加的保护装置，因此该部分处的机器人的结构可以简化。这些附加的电极和功能头也可以参考相同的保护电势，从而避免了任何干扰。

根据一个实施例，机器人可以包括部分地覆盖功能头的敏感部分的保护装置。这允许将该敏感部分的检测能力限制在其暴露的表面上。

根据另一实施例，机器人可以包括由添加到机器人上的插入件形成的保护装置。

有利地，这种部件可以是套筒的形式，该套筒沿着所述机器人特别地在逃逸或与功能头的敏感部分相反的方向上以非零距离延伸。

这种形状允许更好地保护用作电容性电极的功能头的敏感部分，从而改善电容性检测。

根据有利的特征，根据本发明的机器人可以包括至少一个附加的电容式传感器，其设置在敏感部分之外的其他地方或功能头上之外的其他地方。

特别地，根据本发明的机器人可以包括一组附加的电容式传感器，该组附加的电容式传感器以电容性皮肤或电容性涂层的形式集成到或附接到根据本发明的机器人的至少一部分，特别地在机器人的主体上。

根据本发明的机器人还可以包括至少一个附加的接近传感器，所述至少一个附加的接近传感器被设置在敏感部分之外的其他地方或功能头上的其他地方。

所述机器人尤其可以包括至少一个附加的接近传感器，该接近传感器设置成靠近或集成到电容性皮肤或电容性涂层，所述电容性皮肤或电容性涂层集成或附接在根据本发明的机器人的至少一部分上，特别地在机器人的主体上。在这种情况下，一个或更多个附加的接近传感器可以参考这些附加的电容式传感器的保护电势。

在这种情况下，电容性检测电子器件可以与所述至少一个附加的电容式传感器、特别地电容性皮肤的电容性检测电子器件至少部分地共用。同样，用于检测接近传感器的电子器件可以与用于检测附加的接近传感器的电子器件至少部分地共用。

另外，可以在工作频率下使至少一个附加的电容式传感器在与工作电势相同的交流电势下极化。

这种特征允许避免用作电容性电极的功能头的敏感部分与附加的传感器之间的任何干扰，并且还可以将这些电容式传感器用作保护装置。

替代地，用于功能头的敏感部分和附加电容式传感器的激励电势在工作频率下可以是不同的，并且特别地可以对应于不同的工作频率。在这种情况下，功能头的敏感部分可以将其他电容性电极检测为物体，该物体耦合到或接近于一般接地电势。

同样地，机器人可以包括多个功能头(例如，以独立的臂的形式安装在主体上，并与同一底座集成在一起)，或者分别配备有一个或更多个功能头的多个机器人可以共享相同的空间。因此，这些不同的功能头可以以协作的方式用于执行任务。

一个或更多个机器人可以包括功能头，所述功能头具有在相同的工作频率下在相同的激励电势下被激励的敏感部分，以用于所有这些敏感部分的电容性检测。在这种情况下，由于每个敏感部分对其他敏感部分来说均表现为保护电势，因此这些敏感部分未检测到。

一个或更多个机器人还可以包括功能头，所述功能头的敏感部件在不同的激励电势下被激励，以用于在不同的工作频率下进行电容性检测，或者通过使用标量乘积意义上的正交激发电势(因此零点积)。在这种情况下，敏感部分例如像具有接地电势的任何其他元件一样分别检测其他部分。

根据应用的需要，可以静态或动态地使用这两种配置(通过随时间改变敏感部分的激励电势)。

电极化装置可以有利地包括振荡器，该振荡器产生交流激励电压，以使敏感部分在第一交流电势下极化。

该交流激励电压也可以用作保护电势，以极化至少一个保护装置。

极化装置可以设置在功能头中，或在机器人的主体中，或者在将功能头与机器人的其余部分分开的接口中，或者甚至布置在机器人外部。

如上所述，根据本发明的机器人可以包括电容性检测电子器件。

检测电子器件可以有利地包括具有电流或电荷放大器的电路。这种放大器可以由运算放大器和反馈电容实现。

根据优选的实施例，可以将检测电子器件、特别是运算放大器提供给参考保护电势的电势。

根据其他实施例，可以将检测电子器件提供给参考总接地电势的电势。

检测电子器件另外可以包括调节器或调节装置，所述调节器或调节装置允许获得代表所寻求的电极-物体电容和/或物体的存在或接近的信号。

该调节器可以例如包括同步解调器，用于在工作频率下相对于载波对信号进行解调。

调节器还可以包括异步解调器或幅度检测器。

该调节器当然可以以模拟和/或数字的形式(微处理器)实现，并且包括任何必要的滤波、转换、处理等方式。

电容性检测电子器件可以位于功能头中，或机器人的主体中，或将功能头与机器人其余部分分开的接口中，或者机器人外部。

然后，可以通过软件或管理模块来处理电容性测量信号，特别是来自调节器(如有需要的话)的信号以及来自一个或更多个接近传感器的测量信号，从而可以管理检测接近检测和触摸，特别地根据机器人的使用环境来使用此信息，例如生成适应的轨迹。

这种软件或计算模块可以例如被集成到机器人的计算机或控制器中。

例如，当功能头正在抓住桌子上的物体时，可以停用电容性检测，以免意外触发碰撞检测。相反，在这种情况下，则可以使用接近传感器来例如定位要抓住的物体。

另一方面，当机器人将物体从点A移到点B时，可以激活电容性检测以及接近检测(利用接近传感器)，以便能够检测到意外的障碍物，并绕过它或执行紧急停止或全部其他适当的操作。特别地，接近传感器的信息可用于确定要避开的物体的接近方向(这不是由电容性检测提供的)，并相应地计算避开轨迹。

在某些应用中，功能头还可以用作交互命令：功能头的触摸(或接近传感器对近距离范围内的物体的检测)例如可以触发机器人的减速。

可以实时配置用于检测物体的接近或触摸的触发阈值，以考虑可能影响所测量电容的环境。

功能头可以包括以下各项或由以下各项形成：

-夹持物体的装置，例如钳子或虎钳；

-处理物体的装置，例如砂光机、钻头、喷漆器等；和/或

-检查物体的装置，例如照相机、干涉仪头等。

电容性检测装置、特别是极化装置，和/或电绝缘体，和/或保护装置和/或检测电子器件可以部分或全部设置在功能头中、在将功能头与机器人其余部分分开的接口中、甚至在独立的壳体中。

根据绝非限制性的实施例，根据本发明的机器人可以是任何机器人系统，特别是机器臂。

所述机器人例如还可以是或者包括例如在轮子上的车辆，例如配备有臂或操纵系统的手推车，或人形机器人或具有诸如肢体之类的位移部件的机器人。

根据本发明的另一方面，提出了一种以工具或工具保持器形式的装置，该装置设置用于形成根据本发明的机器人的功能头，并且包括所述机器人的电容性检测装置和至少一个接近传感器。

功能头可以具有上述特征的任意组合，以用于：

-电容性检测装置，特别用于极化装置，用于电绝缘体，用于保护装置和用于检测电子器件的；和

-接近传感器。

为了简洁起见，此处不再赘述。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于根据本发明的机器人的连接接口，该连接接口设置用于连接功能头和机器人的其余部分，其特别地设置在所述功能头和所述机器人的主体之间，所述连接接口包括所述机器人的电容性检测装置和至少一个接近传感器。

这种连接接口允许使用检测功能，而不必修改所述功能头或机器人的主体。因此，这种连接接口允许以简单、快速且不是非常复杂的方式为现有机器人和/或为现有机器人设置的功能头或工具提供多距离检测功能。

这种连接接口可以被铰接或不被铰接。

这种连接接口可以从以下各项获取：

-机器人的功能头侧：至少一个机械连接器和/或机械接口，和/或至少一个电连接器和/或电接口，其类似于提供在机器的主体上的那些；和

-机器人的主体侧：至少一个机械连接器和/或机械接口，和/或至少一个电连接器和/或电接口，其类似于提供在机器人的功能头上的那些。

根据本发明的连接接口可以具有上述特征的任意组合，用于：

-电容性检测装置，特别地用于极化装置，用于电绝缘体、用于保护装置和用于检测电子器件；和

-接近传感器。

为了简洁起见，此处不再赘述。

根据本发明的另一方面，提出了一种根据本发明的用于机器人的轨迹控制的方法，所述方法包括根据以下各项生成或修改所述机器人的至少一部分的轨迹的步骤：

-由至少一个接近传感器提供的至少一个信号，以及

-由功能头的敏感部分形成的电容性检测电极提供的至少一个信号。

当通过接近传感器检测到未被电容性检测所检测到的物体时，这意味着该物体足够远，可以执行避开。在这种情况下，全局地和/或以优化的方式生成/修改机器人(或功能头)的轨迹，以避开所述物体。

当通过电容检测检测到物体时，这意味着该物体离机器人非常近，并且不再有时间来进行避开。在这种情况下，修改机器人的轨迹以使机器人停止或近距离避开。如果接近传感器也检测到该物体，则该信息可用于计算避开轨迹。另一方面，如果物体没有被任何接近传感器检测到物体，则在这种情况下停止机器人更安全。

附图说明和具体实施方式

通过阅读非限制性示例的详细说明以及附图，其他优点和特性将显现，其中：

-图1a和1b是根据本发明的机器人的实施例的局部示意图；

-图2是可以与图1a和1b的机器人一起使用的电子器件的实施例的示意图；

-图3是根据本发明的机器人的另一实施例的局部示意图；

-图4是可以与图3的机器人一起使用的电子器件的实施例的示意图；和

-图5和图6是根据本发明的机器人的其他实施例的局部示意图。

应当理解，下面将描述的实施例绝不是限制性的。特别地，可以设想本发明的变型，其仅包括下文所述的与所描述的其他特征的分离的特征的选择，如果该特征的选择足以赋予技术优势或使本发明与现有技术区别开。该选择包括至少一个特征、优选地是没有结构细节或者仅具有结构细节的部分的功能性特征，如果该部分结构细节本身就足以赋予技术优势或使本发明与现有技术区分开。

特别地，可以将所描述的所有变型和所有实施例彼此组合，如果在技术方案上没有任何反对该组合。

在附图中，几个附图共有的元素使用相同的附图标记。

图1a和1b是根据本发明的机器人的非限制性实施例的局部示意图。

机器人100在图1a中以侧视图示出，在图1b中以正视图示出。

机器人100包括主体102和功能头104。

机器人的主体102未完整示出，使得在图1a中，仅机器人的主体的远端部分是可见的。

功能头104为电夹具的形式呈现，包括两个指部104₁和104₂，用于抓握或操纵物体。

功能头104通过第一电绝缘体106₁和第二电绝缘体106₂与机器人100的主体102分隔开，在所述第一电绝缘体和第二电绝缘体之间设置有例如由导电板形成的电气保护装置108。在图1所示的示例中，绝缘体106₁和106₂以及电气保护装置108被设置在布置在功能头104与主体102之间的机械接口110中。电绝缘体106₁将功能头104与电气保护装置108电隔离，并且电绝缘体106₂将电气保护装置108与机器人100的主体102电隔离。

在使用中，功能头104在不同于一般接地电势的称为工作电势的交流电势V下极化。就其本身而言，电气保护装置108至少在工作频率下在与工作电势V相同或基本相同的称为保护电势的交流电势V_G下极化。特别地，V＝V_G。

在这些条件下，功能头104的行为类似于电容性电极或测量电极。因此，功能头104可以用作临近传感器。通过测量与被功能头104看到的称为电极-物体的电容有关的信号来实现物体的检测。该检测原理是众所周知的，因此在此将不详细描述。

另外，为了避免可能构成干扰的泄漏电容或寄生电容，功能头104由电气保护装置108保护，从而形成用于功能头104的保护平面。

用作电容性检测电极或临近传感器的功能头104例如实现了最大距离约为25-30cm的物体检测。功能头104的检测频率约为1000Hz。

另外，机器人100包括一个或更多个非电容性接近传感器112。接近传感器112可以固定到功能头104或机械接口110，或者甚至固定到机器人的主体104。

接近传感器112设置在功能头104的两侧。特别地，机器人100可以包括由围绕功能头104的几个、尤其是四个接近传感器112形成的环，例如如图1b所示。

与由功能头104形成的电容性检测电极相比，接近传感器102具有更大的检测范围。

每个接近传感器112可以选自以下传感器：

-光学或声学的飞行时间传感器或测距仪，

-飞行时间相机(3D)，

-立体光学装置和/或结构化光投影装置，或

-光学成像装置。

当然，可以使用上面列出的传感器的任何组合，使得接近传感器112是这些传感器的任何组合。

根据优选实施方式，接近传感器112可以是光学飞行时间(准时)传感器。

接近传感器112实现了物体的检测，该物体的检测的距离至少为50cm，甚至更大直至几米。这些传感器的检测频率通常约为一百赫兹。

在图1a和1b所示的示例中，每个接近传感器112具有圆锥形的检测区域，其顶点在接近传感器112处。每个接近传感器112的圆锥的孔径角度约为几十度，并且尤其是约50°或60°。由于这些接近传感器不能以小于最小距离(例如10厘米)的距离检测物体，因此它们的检测区域实际上是截锥形的形状。

在图1a中，功能头104具有标记为114的检测区域，并且每个接近传感器112具有标记为116的检测区域。

从一定距离起，至少两个接近传感器112的检测区域116重叠。然而，在接近传感器112之间还存在未被接近传感器112覆盖的区域118。如果物体处于该未被覆盖的区域118中，则任何接近传感器112都不会检测到该物体。

功能头104位于接近传感器112之间，其检测区域114与每个接近传感器112的检测区域116重叠。因此，功能头104检测该区域118中是否存在未被接近传感器112覆盖的物体。

优选地，在至少一个方向上，两个接近传感器112之间的距离被选择为使得功能头104的检测区域116覆盖未被接近传感器112覆盖的区域118的大部分，以及优选全部。在图1a所示的示例中，存在区域120，在该区域处以下部分重叠：

-接近传感器112的检测区域116，以及

-功能头104的检测区域114。

因此，不存在在其中位于功能头104附近的物体未被检测到的盲区。

因此，机器人100配备有多距离物体检测功能。

当物体远离功能头102时，接近传感器112实现对物体的检测，而当物体靠近功能头104并且特别地在未被接近传感器112覆盖的区域中时，功能头104实现了物体的电容性检测。

在功能头104用作电容性电极的情况下，接近传感器112特别有用，这是因为所述接近传感器提供关于物体到达的方向的信息，而功能性头104所形成的电容性电极没有提供这些信息。因此，如果通过接近传感器112检测到物体，则可以执行回避轨迹。另一方面，如果物体在未被接近传感器112覆盖的区域中接近，则该物体仍被由功能头形成的电容性电极及时检测到，以使机器人100停止并避免碰撞。

图2是可以在根据本发明的机器人中实施/与该机器人一起实施的电子器件的示例的示意图，该机器人例如是图1a和1b的机器人100。

在图2所示的示例中，电子器件200包括参考总接地204的振荡器202，该振荡器产生表示为V_G的交流激励电压，以用于极化用作电容性检测电极的工作头104，并且还用作用于极化电气保护装置108的保护电势。

电子器件200包括由电流或电荷放大器组成的检测电子器件206，所述电流或电荷放大器由运算放大器208和反馈电容210表示。在所示的实施例中，该电荷放大器在输出处提供与在由功能头104形成的测量电极和附近物体之间的表示为C_eo的耦合电容成比例的电压。

检测电子器件206另外包括调节器212，其允许获得代表所寻求的耦合电容C_eo和/或主体的物体的存在或接近的信号。该调节器212可以例如包括同步解调器，用于在工作频率下相对于载波对信号进行解调。调节器212还可包括异步解调器或幅度检测器。当然，该调节器212可以以模拟和/或数字形式(微处理器)实现，并且包括任何必要的滤波、转换、处理等方式。

在图2所示的配置中，功能头104通过运算放大器208被极化。特别地，振荡器202连接到运算放大器208的正输入，并且形成电容性检测电极的功能头104连接到运算放大器208的负输入。

电气保护装置108连接到运算放大器208的负输入。

检测电子器件200或至少其与电荷放大器206的敏感部分可以参考保护电势V_G(或由参考电源供电)，以最大程度地减小寄生电容。

检测电子器件200也可以更常规地参考接地电势204。

接近传感器112由控制器214供电/控制。该控制器214可以是专用于传感器112的控制器，或者是专用于物体检测的控制器，甚至是机器人的控制器。

该控制器214传送参考不同于保护电势V_G的一般接地电势204的信号(电源或控制信号)。在没有预防措施的情况下，由于存在接地电势204，因此此类信号以及因此接近传感器112可能会触发用作电容性检测电极的功能头104的部分的不及时检测。

为了避免这种情况，电子器件200包括设置在控制器214和每个接近传感器112之间的转换器216，并具有以下功能：

-接收由控制器214发出并用于接近传感器112的称为输入信号的至少一个电信号，例如电源或控制信号，并使所述输入信号参考保护电势V_G；和

-接收由所述接近传感器112发出并用于控制器214的称为输出信号的至少一个电信号，并使所述输出信号参考所述控制器214的电接地电势204。

因此，每个接近传感器112以及与之相关的连接器和电子器件均由参考保护电势V_G的信号供电，并且不会干扰由功能头104形成的电容性检测电极。

图3是根据本发明的机器人的另一实施例的局部示意图。

图3的机器人300包括图1a和1b的机器人100的所有元件。

在图3的机器人300中，功能头104还包括用于移动电夹具的指部104₁和104₂的电动机302。

该电动机302由控制器供电和控制，该控制器可以是专用于或不专用于所述电动机302的控制器，并且参考与保护电势V_G不同的机器人或机器人的电子器件的接地电势。

在没有预防措施的情况下，由于存在接地电势，这种电动机302可能会触发用作电容性检测电极的功能头104的不及时检测。

为了避免这种情况，可以使电动机302参考保护电势V_G。

图4是可以在图3的机器人300中实施/与该机器人一起实施的电子器件的示例的示意图。

图4中的电子器件400包括图2中的电子器件200的所有元件。

另外，电子器件400在电动机302和控制所述电动机302的控制器402之间包括具有以下功能的转换器404：

-接收由控制器402发出并用于电动机302的称为输入信号的至少一个电信号，例如电源或控制信号，并使所述输入信号参考保护电势V_G；和

-接收由所述电动机302发出并用于控制器402的称为输出信号的至少一个电信号，并使所述输出信号参考控制器的电接地电势。

因此，电动机302以及与其关联的连接器和电子器件均由参考保护电势V_G的信号供电，并且不会干扰由功能头104形成的电容性检测电极。

当然，相同的电气转换器可以同时用于：

-电动机302，并且更一般地，用于参考保护电势V_G的任何电气部件；和

-接近传感器112。

在所描述的示例中，为更清楚起见，分别示出了每个电子器件200和400。每个电子器件200和400可以部分地或完全地集成在功能头中，或在机器人的主体中，或在将头与机器人其余部分分开的接口中，或在独立的壳体中。

每个电子器件200和400可以部分地或全部地以模拟或数字方式、或者甚至通过模拟和数字元件的组合来实现。

图5是根据本发明的机器人的另一非限制性实施例的局部示意图。

图5中部分地示出的机器人500包括图3中的机器人300的所有元件。

与机器人300不同，机器人500包括套筒形式的保护装置502，该保护装置设置在主体102上并且在与功能头104相对的主体102上延伸。因此，相对于机器人500的主体102，功能头104被更好地电气保护。

机器人500包括在保护装置502与主体102之间的第二电绝缘体504，所述第二电绝缘体也呈套筒的形式，设置在保护装置502与主体102之间，并在与功能头104相对的主体102上延伸。

无论实施例如何，除了用作电容性检测电极的功能头104之外，根据本发明的机器人还可以包括附加的电容性电极。图5的机器人500包括例如这种电容性电极，该电容性电极标记为506并且设置在具有中间绝缘层的保护装置502上。

优选地，这些附加的电容性电极可以由与用于电容头104的电子器件相同的电子器件管理和/或在工作频率下使用相同的交流电势。替代地，这些附加的电容性电极可以由单独的电子器件管理，和/或使用不同的交流电势。

这些附加的电容性电极可以是电容性皮肤的形式，其以可移除或可拆除的方式设置在机器人的主体102上，或者被集成到机器人的主体102的外层中。

无论实施例如何，根据本发明的机器人还可以在机器人的主体上包括附加的接近传感器。

图5的机器人500包括例如这种附加的接近传感器，该附加的接近传感器标记为512，并且设置在机器人102的主体上(或者在示例中呈现在放置在机器人的主体102上的保护装置502上)。

这些附加的接近传感器512可以如图5所示放置在附加的电容性电极506附近。在这种情况下，如上所述，一个或更多个附加的接近传感器512可以参考这些附加的电容性电极506的保护电势，以免干扰它们。

图6是根据本发明的机器人的另一非限制性实施例的局部示意图。

图6中部分地示出的机器人600包括图3的机器人300的所有元件，除了保护元件108和第二绝缘元件106₂。

事实上，与机器人300不同，在机器人600中，保护装置由机器人600的主体102的部分或全部实现。提供保护装置的主体102的这一部分或全部在保护电势V_G下极化。

在这种情况下，为了避免在保护电势V_G下极化的主体102(或主体102的一部分)与参考一般接地电势的机器人600的电子器件之间产生任何干扰，使用电势转换器，例如，电势转换器216或404。该电势转换器的目的是使去往设置在保护电势V_G下的主体102中的电气部件的信号以及来自这些电气部件的信号参考一般接地电势。

如前所述，机器人可以包括设置在主体102上的附加的电容性电极。这些附加的电容性电极可以是以可移除或可拆除的方式设置在机器臂的主体102上的电容性皮肤的形式，或者集成在机器人的主体102的外层中。在该实施例中，没有必要在机器人的主体102和这些附加的电容性电极之间插入保护装置。

同样，如前所述，机器人还可以包括设置在主体102上的附加的接近传感器。如上所述，这些附加的接近传感器可以参考保护电势V_G。

在所描述的所有示例中，接口110可以是功能头104或机器人102的主体的组成部分。所述接口也可以以单独的可拆卸或可移动元件的形式来实现。在后一种情况下，接口110从以下各项获取：

-功能头侧，位于机器人主体上的一个或更多个机械和/或电气连接接口；和

-机器人主体侧，位于功能头上的机械和/或电气连接接口。

当然，本发明不限于刚刚描述的示例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对这些示例进行多种修改。

Claims

1.一种机器人(100；300；500；600)，其包括主体(102)，特别地以可移除或可拆除的方式或者甚至可互换地方式在该主体上安装有形成工具或工具保持器的功能头(104)，所述机器人(100；300；500；600)还包括电容性检测装置，该电容性检测装置包括：

-至少一个电绝缘体(106₁)，用于将所述功能头(104)的称为敏感部分的至少一部分与所述机器人(100；300；500；600)的其余部分电隔离；

-至少一个电极化装置(202)，用于使所述敏感部分在与接地电势(204)不同的被称为工作电势的交流电势(V)下电极化，从而使所述敏感部分形成电容性检测电极；和

-至少一个电气保护装置(108；502)，其在称为工作频率的频率下在与所述工作电势相同或基本相同的被称为保护电势的交流电势(V_G)下极化，用于电气保护所述敏感部分；

所述机器人(100；300；500；600)还包括称为接近传感器的至少一个传感器(112)，其至少在一个方向上实施更大检测范围的非电容性检测技术，所述电容性检测电极由所述功能头(104)的所述敏感部分形成。

2.根据权利要求1所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，至少一个接近传感器(112)设置在所述功能头(104)上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，至少一个接近传感器(112)在达到至少等于30cm的距离下、特别是达到至少等于50cm的距离下实现物体检测。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，至少一个接近传感器(112)由以下各项形成或包括以下各项：

-光学或声学的飞行时间传感器或测距仪，

-飞行时间相机(3D)，

-立体光学装置和/或结构化光投影装置，或

-光学成像装置。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，至少一个、特别地每个接近传感器(112)参考所述保护电势(V_G)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，至少一个接近传感器(112)被定位成使得其检测区域(116)与由功能头(104)的敏感部分形成的电容性检测电极的检测区域(114)至少部分地重叠。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，所述机器人包括多个接近传感器(112)，所述接近传感器(112)中的至少两个被定位为使得它们的检测区域(116)至少部分地彼此重叠。

8.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，所述机器人包括铰接或不铰接的机械接口(110)，所述机械接口使功能头(104)与机器人(100；300；500；600)的其余部分分开，所述电绝缘体(106₁)和/或电气保护装置(108)设置在所述接口(110)处。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(300；500；600)，其特征在于，所述功能头(104)包括参考保护电势(V_G)的至少一个电气部件(302)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，所述机器人包括由以下各项实现的保护装置(108；502)：

-导电材料层，其特别是薄而柔软的，特别地沉积在所述机器人的部件上；或

-所述机器人的金属部分，其设置在所述主体(102)和功能头(104)的敏感部分之间，在两侧上电隔离并且在保护电势(V_G)下极化；或

-所述机器人(600)的主体(102)的至少一部分或全部，在保护电势(V_G)下极化。

11.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，所述功能头(104)包括以下各项或由以下各项形成：

-捕获物体的装置；

-处理物体的装置；和/或

-检查物体的装置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)，其特征在于，所述机器人为机器臂的形式。

13.一种呈工具或工具保持器形式的装置(104)，所述装置设置为形成根据前述权利要求中任一项所述的机器人(100；300；500；600)的功能头，并包括所述机器人的电容性检测装置和至少一个接近传感器(112)。

14.一种用于根据权利要求1至12中任一项所述的机器人(100；300；500；600)的连接接口(110)，所述连接接口设置在所述机器人(100；300；500；600)的功能头(104)与主体(102)之间，所述连接接口(110)包括所述机器人(100；300；500；600)的电容性检测装置和至少一个接近传感器(112)。

15.一种用于根据权利要求1至12中任一项所述的机器人(100；300；500；600)的轨迹控制方法，所述方法包括根据以下各项产生或修改所述机器人的至少一部分的轨迹的步骤：

-由至少一个接近传感器(112)提供的至少一个信号，以及

-由功能头(104)的敏感部分形成的电容性检测电极提供的至少一个信号。