CN111093909A - 机械臂 - Google Patents

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Abstract

概括地说，本发明提供了一种被动顺从性机械臂，其具有一个或多个变刚度关节，该一个或多个变刚度关节可以由可以独立操作的第一双向致动器和第二双向致动器控制。每个双向致动器可以以第一构造操作以沿第一方向推动关节，以及以第二构造操作以沿与第一方向相反的第二方向推动关节。双向致动器可以在配合模式(高扭矩模式)下操作，在该配合模式下，双向致动器协同工作(即，都处于第一构造或第二构造)，以将可用扭矩输出加倍。双向致动器也可以(或可替代地)在高刚度模式(对抗模式)下操作，在高刚度模式下，双向致动器通过操作使得它们彼此反作用而彼此抵抗(即，一个双向致动器处于第一构造，而另一个双向致动器处于第二构造)。高扭矩模式可以用于运动轨迹的最初部分，而对抗模式可以用于运动轨迹的最终部分。高刚度/对抗模式下的相对较高的刚度是由第一弹性构件和第二弹性构件的非线性力‑挠曲关系的结合作用引起的。弹性构件可以各自包括弹性元件、腱或其他弹性构件，其可以被拉伸(伸长)以增加其中的张力从而推动关节运动。

Description

机械臂
技术领域
本申请涉及被动顺从性机械臂(robotic arm，机器臂)的实施例，以及控制这种机械臂的方法。
背景技术
被动顺从性机械臂对由外部施加的载荷引起的挠曲具有相对较低的抵抗力。这样，已知被动顺从性机械臂特别适合在与人共享的环境中操作，在这些环境中可能会发生人与机械臂之间的意外接触。
Stoelen，M.等人探讨了“Co-exploring actuator antagonism and bio-inspired control in a printable robot arm(可打印机械臂中的共同开采致动器对抗和双激励控制)”中的一些发展，International Conference on Simulation of AdaptiveBehavior，SAB 2016：From Animals to Animats 14pp 244-255,2016。本申请的焦点是对被动顺从性机械臂的硬件和控制的改进，以提供快速和精确的关节运动，而无需过于复杂的控制。
发明内容
概括地说，本发明的第一方面和第二方面提供了一种被动顺从性机械臂，其具有一个或多个变刚度关节，该一个或多个变刚度关节可以由可以独立操作的第一双向致动器和第二双向致动器控制。每个双向致动器可以以第一构造操作以沿第一方向推动关节，并且以第二构造操作以沿与第一方向相反的第二方向推动关节。
双向致动器可以在配合模式(高扭矩模式)下操作，在该配合模式下，双向致动器协同工作(即，都处于第一构造或第二构造)，以将可用扭矩输出加倍；这种布置提供了相对较低的关节刚度和相对较高的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较低的抵抗力)。双向致动器也可以(或可替代地)在高刚度模式(对抗模式)下操作，在高刚度模式下，双向致动器通过操作彼此对抗而使得它们彼此抵抗(即，一个双向致动器处于第一构造，而另一个双向致动器处于第二构造)；这种布置提供了相对较高的关节刚度和相对较低的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较高的抵抗力)。
第一双向致动器和第二双向致动器各自包括第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件中的张力的增加(即，以第一构造操作)导致关节沿第一方向运动，而第二弹性构件中的张力的增加(即，以第二构造操作)导致关节沿与第二方向相反的第二方向运动。第一弹性构件和第二弹性构件各自具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系。
高刚度/对抗模式下的相对较高的刚度是由第一弹性构件和第二弹性构件的非线性力-挠曲关系的结合作用引起的。弹性构件可以各自包括弹性元件、腱或其他弹性构件，弹性构件可以被拉伸(伸长)以增加其中的张力从而推动关节运动。
在第一方面，本发明提供了一种机械臂，该机械臂包括：关节，该关节允许第一连接件和第二连接件之间的运动；以及第一双向致动器和第二双向致动器，各自包括第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动关节沿第一方向运动，第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动关节沿与第一方向相反的第二方向运动，双向致动器中的每一者能够控制成增加第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力，其中，第一弹性构件和第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
类似地，本发明的第一方面提供了一种控制机械臂的方法，该机械臂包括：关节，该关节允许第一连接件和第二连接件之间的运动；以及第一双向致动器和第二双向致动器，第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者包括第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动关节沿第一方向运动，第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动关节沿与第一方向相反的第二方向运动，其中，第一弹性构件和第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料，该方法包括以下步骤：控制第一双向致动器以增加第一双向致动器的第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力；以及控制第二双向致动器以增加第二双向致动器的第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力。
以这种方式，第一双向致动器和第二双向致动器可以独立地操作以实现对关节的完全控制。特别地，双向致动器可以操作成使得它们协同工作或使得它们彼此抵抗。弹性构件的复合材料为弹性构件提供了特别合适的形式，因为大体弹性部分能够实现高伸长度，而相对刚性部分对可能的伸长提供了限制。重要的是，弹性部分还提供了固有阻尼。这种阻尼减小了由该关节的运动引起的关节振动的幅度。
大体弹性部分可以表现出一种或多种弹性特性，诸如在施加的张力下变形(例如伸长)的能力，反之亦然，以及在移除张力后恢复其原始形状和尺寸的能力。大体弹性部分可以表现出一种或多种橡胶弹性的特性，诸如交联聚合物链，该交联聚合物链允许大体弹性部分的伸长但是提供用于在移除施加的力时将大体弹性部分推向其未伸长的构造的回复力。
相对刚性部分也可以在施加的张力下伸长。优选地，相对刚性部分的刚度(即，其抗伸长性)随着伸长而增加。因此，相对刚性部分随着弹性构件的伸长而提供了相应的弹性构件的刚度的增加。
结合了伸长和施加的力(张力)之间的关系，大体弹性部分和相对刚性部分一起为弹性构件提供了在施加的张力下伸长并在移除张力时恢复其原始长度的能力，在伸长和施加的力(张力)之间的该关系中，弹性构件的刚度(即其抗伸长性)随着弹性构件的伸长而增加。
弹性构件为关节提供了可控制程度的被动顺从性。也就是说，可以控制关节对于由外部施加的扭矩引起的挠曲的整体抵抗力。因此，要求保护的布置被认为特别适合在具有不可靠的感觉信息的非结构化或部分非结构化的环境中操作。
这种环境的示例是选择性地机器人收割水果和蔬菜以供新鲜消费。在这样的环境中，由于环境的不受控制的性质(例如，由于风、雨等导致的移动目标)和环境的固有嘈杂性质(例如，变化的日光量)，感觉信息通常是快速变化的。
在优选的实施例中，第一双向致动器和第二双向致动器能够控制成在高扭矩模式下操作，在该高扭矩模式下，第一双向致动器和第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力。在这种配合模式下，双向致动器协同工作，以将可用扭矩输出加倍；这种布置提供了相对较低的关节刚度和相对较高的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较低的抵抗力)。
第一双向致动器和第二双向致动器还(或可替代地)优选地能够控制成在对抗模式下操作，在该对抗模式下，第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。在这种高刚度模式下，双向致动器通过操作彼此反作用而使得它们彼此抵抗；这种布置提供了相对较高的关节刚度和相对较低的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较高的抵抗力)。对抗模式可以提供从0％(最大被动顺从性)到100％(最小被动顺从性)的整体关节刚度。
第一双向致动器和第二双向致动器可以进一步控制成在高扭矩模式和对抗模式之间的浮动范围内操作。也就是说，在高扭矩模式和对抗模式之间移动时，在扭矩输出和关节刚度之间进行权衡。例如，从高扭矩模式，第一双向致动器可以减小其第一弹性构件中的张力水平，而第二双向致动器逐渐增加其第二弹性构件中的张力水平，以逐渐增加关节的整体刚度，但不一定会引起关节运动。类似地，在高扭矩模式下，还可以控制第一双向致动器和/或第二双向致动器的第二弹性构件中的张力，以便提供一定程度的整体关节刚度。
这种浮动范围操作是由于以下特征引起的：双向致动器中的每一者能够控制成增加第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力。此外，第一弹性构件和第二弹性构件中的每一者中的张力可以被控制在最小张力和最大张力之间；理想地，每个弹性构件总是处于一定张力下。
在优选的实施例中，复合材料以如下方式构造：随着弹性构件伸长，弹性部分最初承担大部分载荷，但是随着伸长的增加，相对刚性部分逐渐承担更高比例的载荷，以提供对进一步伸长的增加的抵抗力。
在优选的实施例中，弹性部分包括复合材料的芯，并且相对刚性部分包括外部环绕部分。相对刚性部分优选地具有响应于纵向伸长而表现出横向收缩的构造。这种布置特别适合于提供最初的低抗伸长性，和随着伸长增加而逐渐增加的抗伸长性。也就是说，当弹性构件受到伸长力时，相对刚性部分的相应产生的纵向伸长导致其横向收缩。该横向收缩被复合材料的芯处的弹性部分抵抗，并且正是这种抵抗力和弹性部分的相应产生的变形引起抗伸长性的逐渐增加。作为这种构造的示例，相对刚性部分可以包括围绕弹性部分的盘旋材料。可替代地，相对刚性部分可以包括网状护套或其他类似的结构。
弹性部分优选地包括弹性体，诸如热塑性弹性体。相对刚性部分优选地包括聚合物，诸如热塑性聚合物。
在优选的实施例中，机械臂包括多个关节，每个关节可以由根据本发明的第一双向致动器和第二双向致动器控制。
在一些实施例中，关节允许第二连接件相对于第一连接件绕位于第二连接件的第一锚固点和第二锚固点之间的关节的枢转轴线枢转，其中，在第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者中，第一弹性构件在第一锚固点和第一连接件之间延伸，以及第二弹性构件在第二锚固点和第一连接件之间延伸。
本发明的第二方面提供了一种机械臂，该机械臂包括：第一连接件；第二连接件；关节，该关节允许第二连接件相对于第一连接件绕位于第二连接件的第一锚固点和第二锚固点之间的关节的枢转轴线枢转；以及第一双向致动器和第二双向致动器，第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者包括在第一锚固点和第一连接件之间延伸的第一弹性构件和在第二锚固点和第一连接件之间延伸的第二弹性构件，其中，第一弹性构件和第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的非线性关系，并且每个双向致动器能够控制成增加第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力。
类似地，第二方面提供了一种控制机械臂的方法，该机械臂包括：第一连接件；第二连接件；关节，该关节允许第二连接件相对于第一连接件绕位于第二连接件的第一锚固点和第二锚固点之间的关节的枢转轴线枢转；以及第一双向致动器和第二双向致动器，第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者包括在第一锚固点和第一连接件之间延伸的第一弹性构件和在第二锚固点和第一连接件之间延伸的第二弹性构件，其中，第一弹性构件和第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的非线性关系，该方法包括以下步骤：控制第一双向致动器以增加第一双向致动器的第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力；以及控制第二双向致动器以增加第二双向致动器的第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力。
像第一方面一样，这种布置使得第一双向致动器和第二双向致动器能够独立地操作以实现对关节的完全控制。特别地，双向致动器可以操作成使得它们协同工作或使得它们彼此抵抗，或者在它们之间的浮动范围内操作，以在这些极端值之间提供一系列行为。
通过将弹性构件中的每一者布置在第一连接件和第二连接件上的相应锚固点之间，可以容易地控制第二连接件相对于第一连接件的运动。此外，这种布置使第一连接件上由关节的运动引起的任何弯矩最小化，或甚至消除。也就是说，第一双向致动器和第二双向致动器各自通过将张紧的第一弹性构件和第二弹性构件束缚在关节的枢转轴线的两侧而提供张拉整体或张紧完整性。
另一优点是，每个双向致动器可以仅包括一个马达；该马达可以安装在第一连接件上，并且布置成能够控制第一弹性构件和第二弹性构件两者中的张力。以这种方式，与双向致动器相关联的物质位于远离关节的位置，从而进一步提高了关节的效率并减少了所需的马达输出。
因此，机械臂的每个双向致动器可以包括构造成控制第一弹性构件和第二弹性构件两者中的张力的马达(优选地，单个马达)。
在优选的实施例中，第一双向致动器和第二双向致动器能够控制成在高扭矩模式下操作，在该高扭矩模式下，第一双向致动器和第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力。在这种配合模式下，双向致动器协同工作，以将可用扭矩输出加倍；这种布置提供了相对较低的关节刚度和相对较高的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较低的抵抗力)。
第一双向致动器和第二双向致动器还(或可替代地)优选地能够控制成在对抗模式下操作，在该对抗模式下，第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。在这种高刚度模式下，双向致动器通过操作彼此反作用而使得它们彼此抵抗；这种布置提供了相对较高的关节刚度和相对较低的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较高的抵抗力)。对抗模式可以提供从0％(最大被动顺从性)到100％(最小被动顺从性)的整体关节刚度。
第一双向致动器和第二双向致动器可以进一步控制成在高扭矩模式和对抗模式之间的浮动范围内操作。也就是说，在高扭矩模式和对抗模式之间移动时，在扭矩输出和关节刚度之间进行权衡。例如，从高扭矩模式，第一双向致动器可以减小其第一弹性构件中的张力水平，而第二双向致动器逐渐增加其第二弹性构件中的张力水平，以逐渐增加关节的整体刚度，但不一定会引起关节运动。类似地，在高扭矩模式下，还可以控制第一双向致动器和/或第二双向致动器的第二弹性构件中的张力，以便提供一定程度的整体关节刚度。
这种浮动范围操作是由于以下特征引起的：双向致动器中的每一者能够控制成增加第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力。此外，第一弹性构件和第二弹性构件中的每一者中的张力可以被控制在最小张力和最大张力之间；理想地，每个弹性构件总是处于一定张力下。
在第一方面和第二方面的优选的实施例中，第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者包括在第一锚固点和第二锚固点之间延伸的连续致动连接件，该致动连接件包括第一弹性构件和第二弹性构件。致动连接件优选地包括柔性伸长构件。它可以是包括弹性构件的多个组成部分的组件，或者是其中一体地形成有弹性构件的单件构件。
以这种方式，弹性构件中的一者中的张力增加自动导致弹性构件中的另一者中的张力减小。此外，每个双向致动器能够仅包括一个马达，该马达构造成与致动连接件接合以控制第一弹性构件和第二弹性构件内的相对张力。
在这样的实施例中，致动连接件优选地包括在第一弹性构件和第二弹性构件之间的大体不可延伸的部分。以这种方式，马达可以构造成与致动连接件的不可延伸的部分接合(配合)。这样的布置通过消除由致动连接件和驱动马达之间的相互作用引起的任何不想要的张力变化来提高控制精确度。
在第一方面和第二方面的优选的实施例中，第一双向致动器和第二双向致动器中的每一者包括固定到第一连接件的滑轮，该滑轮布置成与致动连接件配合，使得滑轮的旋转导致第一弹性构件和第二弹性构件中的一者中的张力增加，以及第一弹性构件和第二弹性构件中的另一者中的张力减小。
这种布置提供了一种控制弹性构件中的张力的相对简单的方式。滑轮可以是从动滑轮。每个致动器可以包括布置成驱动滑轮的马达。滑轮可以布置成与致动连接件的大体不可延伸的部分配合。
第一方面和第二方面的任何特征可以单独地或以任何组合彼此结合。例如，第一方面或第二方面的机械臂可以用于操作第一方面或第二方面中的任一者的方法。此外，第二方面的弹性构件可以如关于第一方面所述地构造，和/或第一方面的双向致动器可以如关于第二方面所述地构造。
类似地，第一方面和/或第二方面的任何特征可以与以下描述的第三方面或第四方面的任何特征结合。例如，第三方面或第四方面的方法可以包括一种控制根据第一方面和/或第二方面的机械臂的方法，或者可以根据第三方面或第四方面的方法来控制第一方面和/或第二方面的机械臂。第三方面或第四方面的致动器可以包括第一方面和/或第二方面的第一双向致动器和第二双向致动器。
概括地说，本发明的第三方面提供了一种被动顺从性机械臂，其具有一个或多个变刚度关节，每个变刚度关节可以由变刚度致动器控制。变刚度致动器可以在低刚度模式下操作，在该低刚度模式下，关节对于由外部施加的扭矩引起的挠曲具有相对较低的抵抗力。
在第三方面的一些实施例中，变刚度致动器可以包括本发明的第一方面和/或第二方面的第一双向致动器和第二双向致动器，并且包括本文描述的那些双向致动器的任何功能或结构特征。在这样的实施例中，低刚度模式可以经由第一方面和/或第二方面的高扭矩模式(配合模式)来实现。类似地，高刚度模式可以经由第一方面和/或第二方面的高刚度模式(对抗模式)来实现。
变刚度致动器可以包括第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件中的张力的增加(即，以第一构造操作)导致关节沿第一方向运动，而第二弹性构件中的张力的增加(即，以第二构造操作)导致关节沿与第二方向相反的第二方向运动。第一弹性构件和第二弹性构件可以各自具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系。
高刚度/对抗模式下的相对较高的刚度是由第一弹性构件和第二弹性构件的非线性力-挠曲关系的结合作用引起的。弹性构件可以各自包括弹性元件、腱或其他弹性构件，其可以被拉伸(伸长)以增加其中的张力从而推动关节运动。
本发明的第三方面提供了一种控制机械臂以与对象接合(例如，抓住、抓握、切割或以其他方式接合以使得能够对对象进行操作)的方法，该机械臂包括端部执行器和至少一个关节，至少一个关节包括变刚度致动器，变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动，变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在低刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低，而在高刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高，该方法包括以下步骤：(a)通过在低刚度模式下控制变刚度致动器来使至少一个关节运动，以使端部执行器运动到对象附近的临近位置；然后(b)通过在高刚度模式下控制变刚度致动器来使至少一个关节运动，以使端部执行器运动到最终位置，在最终位置，端部执行器能够与对象接合。
类似地，第三方面提供了一种机械臂，该机械臂包括：端部执行器，该端部执行器布置成与对象接合；以及至少一个关节，该至少一个关节包括变刚度致动器，变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动，变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在低刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低，在高刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高，其中，变刚度致动器布置成使端部执行器最初在低刚度模式下并最终在高刚度模式下朝向待接合的对象运动。
这种布置使得最初运动能够以低关节刚度(高被动顺从性)快速地执行，从而确保了在该相对较高的速度/低刚度阶段期间，臂和外部本体之间的冲击可以被吸收，而不会损坏臂或外部本体。由于低关节刚度，在低刚度模式下必然牺牲了关节位置的精确度，但是在高刚度模式下的后续运动可以提供关节的精确运动，从而使端部执行器运动到其最终位置。
要求保护的布置特别适用于水果和蔬菜的收获应用。这种应用处于具有多种危害的相对不受控制的环境中，这些危害可能导致臂与诸如人、果树、灌木或藤条或支撑结构之类的外部本体之间发生碰撞。此外，在水果或蔬菜采摘应用中可用的可用传感器数据必然是不完整的或变化的，因为水果或蔬菜将运动或被叶子等遮挡。另外，期望采摘快速进行。本发明满足了所有这些需求，因为在低刚度模式下的最初运动可以快速进行，其中由不良或不完整的传感器数据引起的任何碰撞由于臂在该运动阶段的高被动顺从性不会对臂造成损坏，而在高刚度模式下的最终运动提供了精确的最终采摘步骤。
在低刚度模式下，变刚度致动器具有相对较高的被动顺从性，从而响应于在关节处的外部施加的扭矩而提供了关节的相对较高的被动挠曲。类似地，在高刚度模式下，变刚度致动器具有相对较低的被动顺从性，从而响应于在关节处的外部施加的扭矩而提供了关节的相对较低的被动挠曲。
在优选的实施例中，机械臂包括多个关节，每个关节包括变刚度致动器，变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动，变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在低刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低，在高刚度模式下，一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高，其中，变刚度致动器布置成使端部执行器最初在低刚度模式下并最终在高刚度模式下朝向待接合的对象运动。
在变刚度致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件的实施例中，低刚度模式下的相对较低的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的张力与第二弹性构件中的张力相近，使得它们的合成张力较低。类似地，高刚度模式下的相对较高的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的张力与第二弹性构件中的张力明显不同，使得它们的合成张力相对较高。
在变刚度致动器包括根据第一方面和/或第二方面的第一双向致动器和第二双向致动器的实施例中，低刚度模式下的相对较低的合成张力可以通过以下布置来提供：双向致动器的第一弹性构件中的组合合成张力与双向致动器的第二弹性构件中的组合合成张力相近，使得它们的整体合成张力相对较低。类似地，高刚度模式下的相对较高的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的组合合成张力与第二弹性构件中的组合合成张力明显不同，使得它们的整体合成张力相对较高。
在优选的实施例中，在步骤(a)中，变刚度致动器经由开环控制来控制。类似地，在低刚度模式下，变刚度致动器可以优选地经由开环控制来控制。
以这种方式，端部执行器可以在最初运动(掷出阶段)中相对快速地运动。此外，运动可以相对平稳，而无需与闭环控制相关联的轨迹内校正和复杂处理。由于开环控制，还可以在最初运动中改变关节刚度；由于变刚度致动器的非线性性能，这用闭环控制很难顺利地做到。
在步骤(b)中，变刚度致动器优选地经由闭环反馈控制来控制。类似地，在高刚度模式下，可以优选地经由闭环反馈控制来控制变刚度致动器。
通过提供经由闭环反馈控制来控制关节运动的最终接近阶段，可以使该接近的精确度最大化。此外，与闭环控制相关联的复杂处理和轨迹内校正可以被限制在最终接近阶段，在该最终接近阶段中，精确度是需要的，而在最初运动阶段中关节位置的精确度不是关键的。
闭环反馈控制优选地包括通过将所需关节位置与当前关节位置进行比较来控制变刚度致动器。类似地，在高刚度模式下，变刚度致动器可以优选地通过将所需关节位置与当前关节位置进行比较经由闭环反馈控制来控制变刚度致动器。
在特别优选的实施例中，步骤(b)包括重复以下步骤：感测对象的感测位置；通过在高刚度模式下控制变刚度致动器来使至少一个关节运动，以使端部执行器运动到感测位置，直到端部执行器处于最终位置。类似地，在高刚度模式下，变刚度致动器可以优选地通过重复以下步骤来控制：感测待由端部执行器接合的对象的感测位置；以及通过在高刚度模式下控制变刚度致动器来使至少一个关节运动，以使端部执行器运动到感测位置，直到端部执行器处于最终位置。
这种布置允许在最终接近中考虑对象的最初感测位置的误差和/或对象的位置的变化。在此传感器控制阶段，可以经由开环控制或闭环控制来控制关节位置。由于响应于传感器数据的校正提供了事实反馈环路，因此开环关节控制(即，其中当前关节角度不经由反馈环路与所需关节角度进行比较的控制)是优选的。
可以将端部执行器的位置与对象的感测位置进行比较。类似地，变刚度致动器的控制可以包括另外的步骤：将端部执行器的位置与对象的感测位置进行比较。例如，端部执行器相对于传感器的位置可以是已知的，或者端部执行器的位置可以由传感器感测。
在优选的实施例中，感测位置由构造成与端部执行器协同运动的传感器感测。类似地，臂可以包括一个或多个传感器，其构造成与端部执行器协同运动，一个或多个传感器中的至少一者构造成确定对象的感测位置。
通过对传感器(一个或多个)进行定位使得它们相对于端部执行器具有固定的关系(位置和取向)，可以在同一局部坐标系中计算出待采摘的对象的感测位置与端部执行器的当前位置之间的差异。如果没有这样的布置，则有必要克服在估计安装在其他位置的传感器、臂的端部执行器和目标的准确相对姿势(取向和位置)中的误差。
一个或多个传感器优选地包括布置成获取对象的图像的摄像机，并且该方法可以包括优选地通过识别图像中的预定颜色或图案来识别图像中的对象。类似地，一个或多个传感器优选地包括第二传感器，第二传感器优选地包括摄像机，诸如彩色摄像机，第二传感器布置成在由第二传感器捕捉的图像中优选地通过识别图像中的预定颜色或图案来识别待由端部执行器接合的对象。
因此，图像识别技术和/或软件可以用于自动识别由摄像机获得的图像中的目标对象。此外，可以分析所识别的目标对象以确定其是否满足预定标准。例如，在水果采摘应用中，可以对图像进行分析以确定目标水果是否成熟和/或有瑕疵，并因此确定是否应该采摘该目标水果。
一个或多个传感器可以包括第二摄像机，优选地为第二立体摄像机，并且该方法可以包括使用第二摄像机来获取对象的感测位置。类似地，一个或多个传感器可以包括第三传感器，该第三传感器优选地包括摄像机，诸如立体摄像机，第三传感器布置成识别待由端部执行器接合的对象的感测位置。
立体摄像机提供对于所识别的目标对象的精确位置。当立体摄像机“受控”安装时，即与端部执行器处于固定关系时，则该精确度会进一步提高。
步骤(b)优选地包括最初的关节控制阶段和随后的传感器控制阶段，在该最初的关节控制阶段中，经由闭环控制来控制变刚度致动器，在该闭环控制中，将当前关节位置与所需关节位置进行比较；在随后的传感器控制阶段中，基于对象的感测位置来控制变刚度致动器。类似地，在高刚度模式下，变刚度致动器优选地构造成最初经由最初的关节控制阶段并随后经由传感器控制阶段操作，在该最初的关节控制阶段中，变刚度致动器能够基于对象的感测位置来控制，在该传感器控制阶段中，变刚度致动器能够基于对象的感测位置来控制。
以这种方式，通过在最终接近阶段使用传感器数据来校正端部执行器位置，可以减轻变刚度关节的定位和控制中固有的不精确度。此外，可以在最终接近中考虑对象的最初感测位置的误差和/或对象的位置的变化。
在步骤(a)中，优选地控制变刚度致动器以将一个或多个弹性构件中的合成张力从相对较低的合成张力增加到在运动的末端处的相对较高的合成张力。类似地，在低刚度模式下，变刚度致动器优选地构造成将一个或多个弹性构件中的合成张力从相对较低的合成张力增加到在运动的末端处的相对较高的合成张力。
因此，在高刚度模式阶段的开始，关节刚度处于相对较高的水平，并且不需要增加刚度的耗时的单独中间阶段。此外，在开环控制期间进行刚度增加是特别有利的，因为由于变刚度致动器的非线性性能，刚度增加在闭环控制下很难顺利地进行。
该方法优选地包括另外的步骤：在步骤(a)之前，感测对象的最初估计位置，并且在步骤(a)中，临近位置位于最初估计位置附近。另外的步骤可以包括：使用第一摄像机，优选地使用第一立体摄像机，以获得对象的最初估计位置。类似地，臂可以包括第一传感器，该第一传感器优选地包括摄像机，诸如立体摄像机，第一传感器布置成感测对象的最初估计位置，其中，第一传感器优选地定位成使得其能够看到端部执行器的所有可能位置。
以这种方式，生成了对象位置数据，该对象位置数据用于生成实现最初/掷出运动阶段(步骤(a))中的所需轨迹所需的关节运动。传感器可以生成三维点云，该三维点云包括潜在目标对象的多个最初估计位置。传感器可以定位成使得其相对于臂的基座具有固定的位置和取向。类似地，可以在坐标系中确定最初估计位置(一个或多个)，其中坐标系的参考点/原点相对于臂的基座具有固定的关系。
该方法可以包括另外的步骤：在最终位置抓住/抓握对象；以及通过在低刚度模式下控制变刚度致动器以使端部执行器沿着脱离轨迹远离最终位置运动来使至少一个关节运动。类似地，变刚度致动器可以布置成在端部执行器已经与对象接合之后使端部执行器沿着低刚度模式下的分离轨迹运动。
这种布置特别适用于水果或蔬菜采摘应用，在这种应用中，在已经抓住水果或蔬菜后，端部执行器的运动轨迹导致水果或蔬菜从其树、藤蔓、藤条、茎、灌木或类似物上脱离。通过在该分离阶段以低刚度模式控制关节，可以快速地进行运动，并且由于该模式中固有的高被动顺从性，对臂或其周围环境造成损坏的风险很小。
另外，一个或多个弹性构件中的合成张力优选地迅速减小，以将变刚度致动器切换到低刚度模式。类似地，变刚度致动器优选地布置成在端部执行器已经抓住对象之后迅速减小一个或多个弹性构件中的合成张力，以将变刚度致动器切换到低刚度模式。
关节刚度的这种迅速减小可以提供由预张紧的弹性构件的迅速释放引起的端部执行器的爆发性运动。这种爆发性运动可以帮助将水果或蔬菜从其树、藤蔓、藤条、茎、灌木或类似物上脱离。
臂可以包括一个或多个光源，该一个或多个光源布置成照亮待由端部执行器接合(例如抓住)的对象，该一个或多个光源优选地构造成与端部执行器协同运动。类似地，该方法可以包括：优选地使用构造成与端部执行器协同运动的光源来照亮待由端部执行器接合的对象。
以这种方式，无论环境光照条件如何，都可以维持视觉传感器数据的质量。
概括地说，本发明的第四方面提供了一种布置，通过该布置，机械臂可以经由多阶段运动而运动到所需位置。臂的端部执行器最初运动到最初估计位置附近的位置，随后使用传感器数据使端部执行器运动到最终感测位置。
在第四方面的一些实施例中，可以通过使一个或多个关节运动来控制端部执行器的位置。一个或多个关节中的每一者的运动可以由变刚度致动器控制，诸如包括本发明的第一方面和/或第二方面的第一双向致动器和第二双向致动器的变刚度致动器或根据本发明的第三方面的变刚度致动器，并且变刚度致动器包括本文所述那些致动器的任何功能或结构特征。在这样的实施例中，最初运动可以在低刚度模式下经由第一方面和/或第二方面的高扭矩模式(配合模式)来实现。类似地，最终运动可以在高刚度模式下经由第一方面和/或第二方面的高刚度模式(对抗模式)来实现。
本发明的第四方面提供了一种控制机械臂以使机械臂的端部执行器运动到对象的方法，该机械臂具有至少一个关节，该至少一个关节能够运动以引起端部执行器的运动，该方法包括以下步骤：选择性地使用第一感测装置来感测对象的最初估计位置；使至少一个关节运动以使端部执行器运动到最初估计位置附近的临近位置；使用构造成与端部执行器协同运动的第二感测装置来感测对象的最终感测位置；以及使至少一个关节运动以使端部执行器运动到最终感测位置。
类似地，本发明的第四方面提供了一种机械臂，该机械臂包括：端部执行器，该端部执行器布置成与对象接合；至少一个关节，该至少一个关节包括致动器，该致动器能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动；以及第一感测装置，该第一感测装置布置成感测对象的最初估计位置；第二感测装置，该第二感测装置布置成感测对象的最终感测位置，第二传感器布置成与端部执行器协同运动，其中，致动器布置成使端部执行器最初运动到最初估计位置并最终运动到最终感测位置。
这种布置使得最初运动能够快速地执行，其中，最初运动之后端部执行器位置的所需精确度和来自第一感测装置的传感器信息的所需精确度都相对较低。随后的运动提供了关节的最终精确运动，从而使端部执行器运动到其最终位置。
通过对第二感测装置进行定位使得其相对于端部执行器具有固定的关系(位置和取向)，可以在同一局部坐标系中计算出目标对象的感测位置与端部执行器的当前位置之间的差异。如果没有这样的布置，则有必要克服在估计安装在其他位置的传感器、臂的端部执行器和目标的准确相对姿势(取向和位置)中的误差。
此外，通过使用与对象位置有关的传感器数据来指引关节的运动(从而指引端部执行器的运动)，可以保持对移动对象的追踪，并相应地改变端部执行器的轨迹。
要求保护的布置特别适用于水果和蔬菜的采摘应用。这种应用处于相对不受控制的环境中，在这些环境中，可用的传感器数据必然是不完整的或变化的，因为水果或蔬菜可以运动或暂时地被叶子等遮挡。另外，期望水果和蔬菜的采摘快速地进行。本发明满足了这些需求，因为可以基于不需要特别精确的传感器信息快速地进行最初运动，而即使在水果或蔬菜运动时，最终运动也提供了精确的最终采摘步骤。
在优选的实施例中，步骤(b)包括：优选地对于端部执行器朝向最初估计位置的运动轨迹的至少初始部分，经由开环控制来控制关节的运动。类似地，机械臂的致动器优选地布置成经由开环控制使端部执行器最初朝向最初估计位置运动。
以这种方式，端部执行器可以在最初运动(掷出阶段)中相对快速地运动。此外，运动可以相对平稳，而无需与闭环控制相关联的轨迹内校正和复杂处理。在关节运动由变刚度致动器控制的实施例中，由于开环控制，还可以在最初运动中改变关节刚度；由于变刚度执行器的非线性性能，这用闭环控制很难顺利地做到。
步骤(b)优选地包括：优选地对于端部执行器朝向最初估计位置的运动轨迹的至少最终部分，经由闭环反馈控制来控制关节的运动。类似地，机械臂的致动器优选地布置成经由闭环反馈控制使端部执行器最终朝向最初估计位置运动。
通过经由闭环反馈控制为关节运动被控制的最初估计位置提供最终接近阶段，可以使该接近的精确度最大化。此外，与闭环控制相关联的复杂处理和轨迹内校正可以被限制在最终接近阶段，在该最终接近阶段中，精确度是需要的，而在最初运动阶段中的关节位置的精确度不是关键的。
闭环反馈控制优选地包括通过将所需关节位置与当前关节位置进行比较来控制致动器。
在特别优选的实施例中，该方法包括重复另外的步骤：使用第二感测装置来感测对象的感测位置；以及使至少一个关节运动以使端部执行器运动到感测位置，直到感测位置对应于最终感测位置。类似地，致动器优选地可以通过重复以下步骤来控制：使用第二感测装置来感测对象的感测位置；以及使至少一个关节运动以使端部执行器运动到感测位置，直到感测位置对应于最终感测位置。
这种布置允许在最终接近中考虑对象的最初感测位置的误差和/或对象的位置的变化。在此传感器控制阶段，可以经由开环控制或闭环控制来控制关节位置。由于响应于传感器数据的校正提供了事实反馈环路，因此开环关节控制(即，其中当前关节角度不经由反馈环路与所需关节角度进行比较的控制)是优选的。
可以将端部执行器的位置与对象的感测位置进行比较。类似地，致动器的控制可以包括另外的步骤：将端部执行器的位置与对象的感测位置进行比较。例如，端部执行器相对于传感器的位置可以是已知的，或者端部执行器的位置可以由传感器感测。
在步骤(a)中，使用第一感测装置优选地包括：使用第一摄像机，优选地使用第一立体摄像机，以获得对象的最初估计位置。类似地，在机械臂中，第一感测装置优选地包括摄像机，诸如立体摄像机，该第一感测装置优选地定位成使得其能够看到端部执行器的所有可能位置。
以这种方式，生成了对象位置数据，该对象位置数据用于生成实现最初/掷出运动阶段(步骤(b))中的所需轨迹所需的关节运动。第一感测装置的传感器(一个或多个)可以生成三维点云，该三维点云包括潜在目标对象的多个最初估计位置。第一感测装置可以定位成使得其相对于臂的基座具有固定的位置和取向。类似地，可以在坐标系中确定最初估计位置(一个或多个)，其中坐标系的参考点/原点相对于臂的基座具有固定的关系。
该方法可以包括另外的步骤：在最终位置抓住/抓握对象；以及通过控制致动器以使端部执行器沿着脱离轨迹远离最终位置运动来使至少一个关节运动。类似地，致动器可以布置成在端部执行器已经抓住对象之后使端部执行器沿着分离轨迹运动。
这种布置特别适用于水果或蔬菜采摘应用，在这种应用中，在已经抓住水果或蔬菜后，端部执行器的运动轨迹导致水果或蔬菜从其树、藤蔓、藤条、茎、灌木或类似物上脱离。
在关节运动由变刚度致动器控制的实施例中，在该分离阶段中，关节可以在低刚度模式下被控制，使得可以快速地进行运动，并且由于该模式中固有的高被动顺从性，对臂或其周围环境造成损坏的风险很小。另外，在这样的实施例中，一个或多个弹性构件中的合成张力优选地迅速减小，以将变刚度致动器切换到低刚度模式。类似地，其中变刚度致动器优选地布置成在端部执行器已经抓住对象之后迅速减小一个或多个弹性构件中的合成张力，以将变刚度致动器切换到低刚度模式。关节刚度的这种迅速减小可以提供由预张紧的弹性构件的迅速释放引起的端部执行器的爆发性运动。这种爆发性运动可以帮助将水果从其树、藤蔓、藤条、灌木或类似物上脱离。
臂可以包括一个或多个光源，该一个或多个光源布置成照亮待由端部执行器接合的对象，该一个或多个光源优选地构造成与端部执行器协同运动。类似地，该方法可以包括：优选地使用构造成与端部执行器协同运动的光源来照亮待由端部执行器接合的对象。
以这种方式，无论环境光照条件如何，都可以维持视觉传感器数据的质量。
在步骤(c)中，使用第二感测装置优选地包括：使用摄像机来获得对象的图像，以及优选地通过识别图像中的预定颜色或图案来识别图像中的对象。类似地，在机械臂中，第二感测装置优选地包括摄像机，诸如彩色摄像机，该第二感测装置优选地布置成在由第二感测装置捕捉的图像中优选地通过识别图像中的预定颜色或图案来识别待由端部执行器接合的对象。
因此，图像识别技术和/或软件可以用于自动识别和追踪由摄像机获得的图像中的目标对象。此外，可以分析所识别的目标对象以确定其是否满足预定标准。例如，在水果采摘应用中，可以对图像进行分析以确定目标水果是否成熟和/或有瑕疵，并因此确定是否应该采摘该目标水果。
在步骤(c)中，使用第二感测装置优选地包括：使用第二摄像机，优选地使用第二立体摄像机，以获得对象的最终感测位置。类似地，第二感测装置优选地包括第二摄像机，优选地为第二立体摄像机，其布置成感测所识别对象的最终感测位置。
立体摄像机提供对于所识别的目标对象的精确位置。当立体摄像机“受控”安装时，即与端部执行器处于固定关系时，则该精确度会进一步提高。
在优选的实施例中，关节包括变刚度致动器，该变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动，并且步骤(b)包括：在低刚度模式下控制变刚度致动器，在低刚度模式下，一个或多个弹性构件中的生成张力相对较低。类似地，关节可以包括变刚度致动器，该变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动成使关节运动从而使端部执行器运动，并且步骤(d)可以包括：在高刚度模式下控制变刚度致动器，在高刚度模式下，一个或多个弹性构件中的生成张力相对较高。
在低刚度模式下，变刚度致动器具有相对较高的被动顺从性，从而响应于在关节处的外部施加的扭矩而提供了关节的相对较高的被动挠曲。类似地，在高刚度模式下，变刚度致动器具有相对较低的被动顺从性，从而响应于在关节处的外部施加的扭矩而提供了关节的相对较低的被动挠曲。
变刚度致动器可以包括第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件中的张力的增加(即，以第一构造操作)导致关节沿第一方向运动，而第二弹性构件中的张力的增加(即，以第二构造操作)导致关节沿与第二方向相反的第二方向运动。第一弹性构件和第二弹性构件可以各自具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系。
在变刚度致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件的实施例中，低刚度模式下的相对较低的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的张力与第二弹性构件中的张力相近，使得它们的合成张力较低。类似地，高刚度模式下的相对较高的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的张力与第二弹性构件中的张力明显不同，使得它们的合成张力相对较高。
高刚度/对抗模式下的相对较高的刚度是由第一弹性构件和第二弹性构件的非线性力-挠曲关系的结合作用引起的。弹性构件可以各自包括弹性元件、腱或其他弹性构件，其可以被拉伸(伸长)以增加其中的张力从而推动关节运动。
在变刚度致动器包括根据第一方面和/或第二方面的第一双向致动器和第二双向致动器的实施例中，低刚度模式下的相对较低的合成张力可以通过以下布置来提供：双向致动器的第一弹性构件中的组合合成张力与双向致动器的第二弹性构件中的组合合成张力相近，使得它们的整体合成张力相对较低。类似地，高刚度模式下的相对较高的合成张力可以通过以下布置来提供：第一弹性构件中的组合合成张力与第二弹性构件中的组合合成张力明显不同，使得它们的整体合成张力相对较高。
第四方面的任何特征可以应用于第三方面，反之亦然。例如，与对象的感测和关节运动的相应控制有关的特征在这些方面中可以交换。类似地，与端部执行器运动期间关节刚度的调节有关的特征在这些方面中可以交换。
此外，第三方面和第四方面的关节可以由如关于第一方面和第二方面所限定的第一双向致动器和第二双向致动器来致动。高扭矩模式通常对应于低刚度模式，而对抗模式通常对应于高刚度模式。
在相关方面，本发明可以提供一种用于采摘水果或蔬菜的系统，其包括支撑根据第一、第二、第三或第四方面的一个或多个机械臂的可移动基座。该系统可以包括安装在基座上的冷却室，用于接收由一个或多个机械臂采摘的水果或蔬菜。
在本申请的整个说明书和权利要求书中，单词“包括”和“包含”及这些单词的变体，例如“具有”和“包括有”，意味着“包括但不限于”，并且不排除其他部件、整体或步骤。此外，除非上下文另外要求，否则单数包含复数：特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另外要求，否则本申请应理解为考虑了复数以及单数。本发明每个方面的优选特征可以如关于任何其他方面所描述的那样。在本申请的范围内，明确的意图是，在前面的段落、权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案，尤其是其各个特征可以独立地或以任何组合来采用。也就是说，除非这些特征是矛盾的，否则可以以任何方式和/或组合来组合所有实施例和/或任何实施例的特征。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考随附附图描述本发明的一个或多个实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的机械臂的侧视图；
图2示出了图1的机械臂的轴测图；
图3示出了适用于本发明的实施例的弹性构件的实施例；
图4A和图4B分别示意性地示出了由根据本发明的实施例的机械臂的端部执行器执行的轨迹，以及在该轨迹中运动期间该臂内的一个或多个关节的刚度的变化；
图5A和图5B示出了用于根据本发明的实施例的机械臂的一个或多个关节的运动的掷出阶段(图5A)和闭环关节控制阶段(图5B)的控制架构的实施例；以及
图6A、图6B和图6C示出了结合有多个根据本发明的实施例的机械臂的水果采摘系统。
具体实施方式
图1和图2分别示出了根据本发明的实施例的机械臂100的侧视图和轴测图。臂包括基座10，臂100可以经由基座10安装到结构上，并且臂可以经由基座10接收电力供应(未示出)。
臂100具有多个铰接关节，包括肩关节20和肘关节30。每个关节提供六个自由度的运动；在笛卡尔(Cartesian)空间中，这对应于沿x、y和z轴线的位移以及绕x、y和z轴线中的每个轴线的旋转。关节的运动控制端部执行器50的位置和取向，该端部执行器在该实施例中包括两个相对的刚性指状构件52，该刚性指状构件52在其自由端部具有柔性垫54。指状构件52以钳形构造运动，以将对象(未示出)夹持在柔性垫54之间。
肩关节20和肘关节30均包括变刚度关节，该变刚度关节使得关节的被动顺从性(即，对由外部施加的力/扭矩引起的挠曲的抵抗力)能够被控制。下面将关于肘关节30描述变刚度关节的原理，然而技术读者将容易理解可以如何将这些原理应用于肩关节20或机械臂100中的任何其他关节。
肘关节30是可控制的，以在朝向肩关节20延伸的刚性第一连接件32与朝向端部执行器50延伸的刚性第二连接件34之间提供相对运动。第二连接件34绕枢转轴线33相对于第一连接件32枢转。
第一连接件和第二连接件之间的相对运动由第一双向致动器40a和第二双向致动器40b控制，该第一双向致动器40a和第二双向致动器40b一起使得肘关节30能够成为变刚度关节。每个双向致动器40a、40b包括驱动安装在第一连接件32上的滑轮42a、42b的马达(在图1和图2中不可见)，每个滑轮与柔性致动连接件44a、44b接合。致动连接件44a、44b各自包括长形绳，该长形绳的一个端部被束缚到第二连接件34上的第一锚固点36a、36b，而另一端部被束缚到第二连接件34上的第二锚固点38a、38b，第一锚固点和第二锚固点位于枢转轴线33的两侧。每个致动连接件具有：与滑轮接合的大体不可延伸的部分45a、45b，在滑轮和第一锚固点之间延伸的第一腱部分46a、46b(也称为第一弹性构件46a、46b)，以及在滑轮和第二锚固点之间延伸的第二腱部分48a、48b(也称为第二弹性构件48a、48b)。
第一腱部分46a、46b和第二腱部分48a、48b各自具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系。也就是说，随着施加的力的增加，抗伸长性(刚度)增加。
第一腱部分46a、46b和第二腱部分48a、48b的实施例在图3中示出。每个腱部分包括长形弹性芯47，围绕该长形弹性芯47缠绕有螺旋形或盘旋形的加强部分49。弹性芯47具有圆形横截面并且由弹性体材料形成，该弹性体材料在受到张力时能够提供显著的伸长度(例如，长度增加多达700％)，并且在张力被移除时能够恢复其原始形状和尺寸。用于弹性芯47的合适的材料是TPE热塑性弹性体，诸如由Recreus生产的FilaflexTM。相反，用于制造加强部分49的材料通常是非弹性的；适当的材料是尼龙。
当对腱中的每一者施加伸长拉伸力时，加强部分49的盘旋形状意味着加强部分49在纵向方向(施加力的方向)上变得更长而在横向方向(垂直于纵向方向)上变得更窄。该横向收缩受到弹性芯47的抵抗，并且弹性部分的该抵抗力和相应变形导致随着施加的力的增加，抗伸长性逐渐增加。以这种方式，随着腱伸长，弹性部分最初承担大部分载荷，但是随着伸长的增加，相对刚性部分逐渐承担更高比例的载荷，以提供对进一步伸长的增加的抵抗力。
在使用中，每个双向致动器40a、40b能够提供肘关节30沿第一方向的运动(第二连接件34相对于第一连接件32的顺时针运动，如图1和图2所示)和沿与第一方向相反的第二方向的运动。沿第一方向的运动是通过操作马达来转动滑轮42a、42b(沿顺时针方向)以增加第一腱46a、46b中的张力而引起的，从而缩短第一锚固点36a、36b与滑轮之间的距离，同时延长第二锚固点38a、38b与滑轮之间的距离。类似地，沿第二方向的运动是通过操作马达来转动滑轮42a、42b(沿逆时针方向)以增加第二腱48a、48b中的张力而引起的，从而缩短第二锚固点38a、38b与滑轮之间的距离，同时延长第一锚固点36a、36b与滑轮之间的距离。
以这种方式，双向致动器40a、40b中的每一者可以以第一构造操作以沿第一方向推动肘关节30，并且以第二构造操作以沿第二方向推动关节。通过经由第一双向致动器40a和第二双向致动器40b两者的独立控制来控制关节的运动，可以在控制关节的位置的同时改变关节的刚度(对外部施加的力的抵抗力)。
也就是说，在高扭矩模式(配合模式)下，双向致动器40a、40b中的每一者可以被操作成协同工作(即，以第一构造或第二构造)以使可用扭矩输出最大化。在这种模式下，关节具有相对较低的刚度和相对较高的被动顺从性。在范围(spectrum)的另一端部处，双向致动器40a、40b可以在高刚度模式(对抗模式)下操作，在该高刚度模式下，双向致动器40a、40b彼此反作用(即，一个双向致动器处于第一构造，另一个双向致动器处于第二构造)。在这种模式下，关节具有相对较高的刚度和相对较低的被动顺从性。
双向致动器40a、40b还可以在高扭矩模式和高刚度模式之间的连续范围上的任何点处操作，使得随着关节的刚度降低，可用扭矩输出可以增加，反之亦然。以这种方式，当需要较低的关节刚度时(诸如在下面描述的掷出阶段的运动期间)，可以使关节的扭矩输出最大化。
第一双向致动器40a和第二双向致动器40b之间的关系可以通过第一滑轮42a和第二滑轮42b的差分位置p来描述。也就是说，在高扭矩模式下，差分位置可以具有极大值“1”，在高刚度模式下，差分位置可以具有极大值“-1”，并且在“1”和“-1”之间的值可以表示在这些极值之间的范围中的差分位置。
在替代实施例中，双向致动器40a、40b中的每一者可以由单向致动器(未示出)代替。例如，第一单向致动器40a可以仅包括第一腱46a而没有第二腱，并且第二单向致动器40b可以仅包括第二腱48b而没有第一腱。以这种方式，肘关节30沿第一方向的运动可以通过操作第一单向致动器40a的滑轮42a以增加第一腱46a中的张力来实现，以及肘关节30沿第二方向的运动可以通过操作第二单向致动器40b的滑轮42b以增加第二腱48b中的张力来实现。此外，第一单向致动器和第二单向致动器可以一起操作，以便以与上文关于双向致动器实施例的高刚度模式(对抗模式)所描述的方式类似的方式控制肘关节30的整体刚度。
臂100的关节中的每一者，包括肩关节20，可以具有如上文关于肘关节30所描述的变刚度关节。肘关节30仅被描述为臂100中的任何变刚度关节的示例。
机械臂100还包括安装在臂的端部连接件上的彩色摄像机70和传感器控制阶段立体摄像机60，使得立体摄像机60和彩色摄像机70与端部执行器协同运动。以这种方式，传感器控制阶段立体摄像机60和彩色摄像机提供了端部执行器50的柔性垫54之间的区域以及端部执行器50周围的环境的有限部分的连续图像。传感器控制立体摄像机60和彩色摄像机70用于机械臂100的运动的传感器控制(最终接近)阶段，如下文所进一步描述的。
每个机械臂100还具有关联的关节控制阶段立体摄像机(图6A至图6C中为250；图1和图2中未示出)，该关节控制阶段立体摄像机相对于基座10定位于固定位置，并提供包括该臂100的端部执行器50可接近的所有点的图像。
在使用中，机械臂100控制成通过控制包括肘关节30和肩关节20的关节中的每一者的位置，同时控制那些关节中的每一者的刚度，来控制端部执行器50的位置。
图4A和图4B示出了本发明的实施例，其中，机械臂100经由四阶段运动来控制。该四阶段运动被认为特别适合于通过端部执行器50抓住对象的应用，诸如水果采摘应用。
图4A示出了用于水果采摘运动的示例性轨迹，而图4B示意性示出了在该轨迹上肘关节30(或肩关节20或其他关节)处的关节刚度的变化。端部执行器50从t0开始，并在掷出阶段行进经过t1和t2到达t3。从t3到t4的轨迹表示闭环关节控制阶段，而从t4到t6的轨迹表示传感器控制阶段。在t6，端部执行器50抓住水果，并且从t6到t7的轨迹表示分离阶段，在分离阶段，水果从其生长的茎、藤条、灌木、藤蔓、茎或树上分离。
用于掷出阶段和闭环关节控制阶段的控制架构分别在图5A和图5B中示出。
掷出阶段(图5A)具有所需关节角度θd和所需关节刚度c作为输入。逆向关节模型用于基于所需关节角度和所需关节刚度将所需关节角度和所需关节刚度映射到滑轮42a、42b的相应的差分位置p。然后，使用平衡方程来确定第一双向致动器40a的滑轮42a的角位置α1和第二双向致动器40b的滑轮42b的角位置α2，该平衡方程将实现差分位置p和所需关节刚度c两者。
关节控制的掷出阶段的输出在t3时为关节角度θ，该关节角度θ接近θd，优选大于θd的50％，理想情况下为θd的60％、70％、80％或85％或更多。因此，掷出阶段使端部执行器50运动到待采摘的水果的最初估计位置附近的邻近位置，如下文所进一步描述的。
闭环关节控制阶段(图5B)还具有所需关节角度θd和所需关节刚度c作为输入。当前关节角度θ被反馈到控制器，以确定当前关节角度θ和所需关节角度θd之间的关节角度差值Δθ，从而减小该差值Δθ。反馈控制规律步骤基于关节角度差值Δθ确定差分位置的变化Δp，这将减小关节角度差值Δθ。然后将关节角度差值Δθ转换为差分位置p，平衡方程使用该差分位置p来确定第一双向致动器40a的滑轮42a的角位置α1和第二双向致动器40b的滑轮42b的角位置α2，该平衡方程将实现差分位置p和所需关节刚度c两者。
关节控制的闭环关节控制阶段的输出在t4时为关节角度θ，该关节角度θ甚至更接近θd，优选恰好是θd。然而，由于臂100的关节不是刚性的，而是或多或少地顺从性的，因此实现所需关节角度θd可能不会使得端部执行器精确地位于正确的位置来抓住水果。此外，目标可能正在运动(例如通过风的作用)和/或由关节控制阶段立体摄像机提供的位置数据可能是不准确的。传感器控制阶段在轨迹的末端(从t4到t6)校正这些误差。
现在将通过在使用中如何控制臂的示例来描述通过图4A的轨迹的运动。
在t0时，掷出阶段立体摄像机用于生成三维点云，该三维点云包含待采摘的水果的目标位置(或其他应用中的其他目标位置)。每个目标在笛卡尔坐标系中都有位置，该笛卡尔坐标系的原点或参考点位于臂100的基座10处或附近。一旦从点云中选择了兴趣点，就产生了到t3的掷出阶段轨迹，并且使用上文关于图5A描述的控制架构来计算在t1、t2和t3中的每一者处的第一双向致动器40a的滑轮42a的角位置α1和第二双向致动器40b的滑轮42b的角位置α2。
然后，通过控制双向致动器40a、40b到达计算出的角位置，使关节从t1运动到t2，然后到达t3，从而确保在掷出阶段轨迹的每个点处滑轮42a、42b的相对位置使得关节具有带有所需刚度水平的所需关节姿势。
从图4B可以看出，关节的刚度在掷出阶段期间相对较低，但是在接近闭环关节控制阶段时从t3到t4增加。在该阶段期间，关节运动相对较快，开环控制通过减少所需的控制步骤的数量来进一步加快到达t3的速度。这种利用有限控制的快速运动有可能导致臂100与外部本体(诸如人或结构)之间发生碰撞。然而相对较低的关节刚度确保了臂100在掷出阶段期间具有相对较高的被动顺从性水平，结果是这种碰撞不会对臂100或外部本体造成损坏。在掷出阶段期间可以利用高扭矩模式以使可用于使关节运动的扭矩最大化。
在t3处，闭环关节控制阶段开始。上文关于图5B描述的控制架构用于计算减小关节角度差值Δθ所需的滑轮42a的角位置α1和滑轮42b的角位置α2的每个变化。通过控制双向致动器40a、40b到达计算出的角位置，并重复直到关节角度差值Δθ为零或在零的可允许的裕度之内，关节逐渐朝向t4运动。
从图4B中可以看出，在闭环关节控制阶段中，关节的刚度从t4到t5继续增加，达到关节刚度相对较高的水平。因此，在这种高刚度模式下的被动顺从性降低了，但关节位置的精确度却提高了。
在传感器控制阶段中，从t4到t6维持高刚度模式。在该阶段期间，关节的运动是基于由传感器控制阶段立体摄像机60和彩色摄像机70获得的视觉数据来控制的。分析由彩色摄像机70获得的图像以使用图像识别算法识别待采摘的水果。例如，某个颜色范围或某个图案中的像素簇可以指示水果的存在。还可以对图像进行分析以确定所识别的水果是否成熟和/或是否有瑕疵，并因此确定是否应该采摘该水果。
一旦已经识别出水果，就对接近阶段立体摄像机60获得的图像进行分析，以确定所识别的水果在局部对于端部执行器的笛卡尔坐标系中的感测位置。
将所确定的感测位置与端部执行器50的已知位置进行比较，并且计算端部执行器50要行进的轨迹。确定用于实现沿所计算的轨迹运动所需的关节位置所需的滑轮42a、42b的角位置，并且使关节运动以使端部执行器运动到感测位置。随着从摄像机60、70获得新数据，感测位置可以随着时间改变。例如，水果可能在轻微运动，或者随着端部执行器越来越靠近水果，所确定的位置的精确度可能会提高。因此，可以重复该过程，直到端部执行器50到达最终位置，在该最终位置，端部执行器50能够抓住水果。
通过使用相对于端部执行器位于固定位置(即能够与端部执行器协同运动)的传感器(立体摄像机60和彩色摄像机70)，可以计算端部执行器在传感器控制阶段中在局部坐标系内要行进的轨迹，这减少了计算必要的关节运动所需的处理步骤，从而使端部执行器在传感器控制阶段中的运动速度最大化。
此外，在传感器控制阶段期间，可以通过开环控制或闭环控制来控制关节的位置(角度)。优选开环控制，因为这将导致更少的控制命令，更快的处理以及关节的更快运动。
在从t6到t7的分离阶段，端部执行器50迅速向下运动以分离水果。经由开环控制，以与掷出阶段的方式类似的方式控制在该阶段的关节运动。从图4B可以看出，在该阶段，接头刚度迅速降低到最小刚度水平。关节刚度的迅速下降可能是由双向致动器40a、40b中高度预张紧的腱的迅速释放引起的。这种迅速释放在分离阶段的初始部分提供了爆发性的能量释放，这可能有助于将水果从其茎上分离出来。
图6A、图6B和图6C示出了根据本发明的水果或蔬菜采摘系统的实施例。该系统包括多臂移动平台200，该多臂移动平台200可以通过轮210或可替代地通过轨道或龙门式系统(未示出)移动。平台200支撑四个根据上述第一实施例的彼此竖向地堆叠的机械臂100，并且每个机械臂100经由其基座10安装到平台200的竖向支撑件220。每个机械臂100将采摘的水果(或蔬菜)输送到专用的水果储存容器230，诸如篮子或托盘。平台200还支撑冷却储存单元240，将水果储存容器230一旦装满就放置在该冷却储存单元240中，以使水果的保存期限最大化。
每个机械臂100都具有关联的掷出阶段立体摄像机250，该掷出阶段立体摄像机250提供包括该臂100的端部执行器50可接近的所有点的图像。每个臂100还包括LED光源(未示出)，该LED光源安装在臂上以便相对于端部执行器50具有固定位置，以及照亮由彩色摄像机70和接近阶段立体摄像机60捕捉的图像所涵盖的区域。这种照明使得能够在黑暗条件下(诸如在夜间)采摘水果或蔬菜，并且还有助于控制光照条件，以防止由于环境光照质量的变化而导致数据质量的波动。

Claims (54)

1.一种机械臂，包括：
关节，所述关节允许第一连接件和第二连接件之间的运动；以及
第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，所述双向致动器中的每一者能够控制成增加所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力，
其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其中，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器能够控制成在高扭矩模式下操作，在所述高扭矩模式下，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力。
3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器能够控制成在对抗模式下操作，在所述对抗模式下，所述第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而所述第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的机械臂，其中，所述相对刚性部分随着所述弹性构件的伸长而提供了相应的所述弹性构件的刚度的增加。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的机械臂，其中，所述弹性部分包括所述复合材料的芯，并且所述相对刚性部分包括外部环绕部分。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的机械臂，其中，所述相对刚性部分包括围绕所述弹性部分的盘旋式材料。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的机械臂，其中，所述弹性部分包括弹性体，诸如热塑性弹性体。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的机械臂，其中，所述相对刚性部分包括聚合物，诸如热塑性聚合物。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的机械臂，其中，所述关节允许所述第二连接件相对于所述第一连接件绕位于所述第二连接件的第一锚固点和第二锚固点之间的所述关节的枢转轴线枢转，其中，在所述第一双向致动器和所述第二双向致动器中的每一者中，所述第一弹性构件在所述第一锚固点和所述第一连接件之间延伸，以及所述第二弹性构件在所述第二锚固点和所述第一连接件之间延伸。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的机械臂，所述机械臂还包括：
端部执行器，所述端部执行器布置成与对象接合，所述关节的运动引起所述端部执行器的运动；
第一感测装置，所述第一感测装置布置成感测所述对象的最初估计位置；和
第二感测装置，所述第二感测装置布置成感测所述对象的最终感测位置，所述第二传感器布置成与所述端部执行器协同运动，
其中，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器布置成使所述端部执行器最初优选地在所述高扭矩模式下运动到所述最初估计位置，并最终优选地在所述对抗模式下运动到所述最终感测位置。
11.根据权利要求3至10中的任一项所述的机械臂，所述机械臂还包括端部执行器，所述端部执行器布置成与对象接合，所述关节的运动引起所述端部执行器的运动，其中，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器能够控制成使所述端部执行器最初在所述高扭矩模式下并最终在所述对抗模式下朝向待接合的对象运动。
12.一种控制机械臂的方法，所述机械臂包括：关节，所述关节允许第一连接件和第二连接件之间的运动；以及第一双向致动器和第二双向致动器，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器中的每一者包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料，
所述方法包括以下步骤：
控制所述第一双向致动器以增加所述第一双向致动器的所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力；以及
控制所述第二双向致动器以增加所述第二双向致动器的所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括以下步骤：通过增加所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自的第一弹性构件中的张力并减小所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自的第二弹性构件中的张力，来控制所述第一双向致动器和所述第二双向致动器在高扭矩模式下操作。
14.根据权利要求12或13所述的方法，所述方法包括以下步骤：通过在所述第一双向致动器中增加所述第一弹性构件中的张力并减小所述第二弹性构件中的张力，而同时在所述第二双向致动器中增加所述第二弹性构件中的张力并减小所述第一弹性构件中的张力，来在对抗模式下控制所述第一双向致动器和所述第二双向致动器。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，所述机械臂包括根据权利要求1至10中的任一项所述的机械臂。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，所述方法包括：控制所述机械臂以使所述机械臂的端部执行器运动到对象，所述方法包括以下另外的其他步骤：
a)使用第一感测装置来感测所述对象的最初估计位置；
b)优选地通过控制所述第一双向致动器和所述第二双向致动器在所述高扭矩模式下操作，来使至少一个所述关节运动以使所述端部执行器运动到所述最初估计位置附近的临近位置；
c)使用构造成与所述端部执行器协同运动的第二感测装置来感测所述对象的最终感测位置；以及
d)优选地通过在所述对抗模式下控制所述第一双向致动器和所述第二双向致动器，来使所述至少一个关节运动以使所述端部执行器运动到所述最终感测位置。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，所述方法包括：控制所述机械臂以使所述机械臂的端部执行器运动到对象，所述方法包括：控制所述第一双向致动器和所述第二双向致动器以使所述端部执行器最初在所述高扭矩模式下并最终在所述对抗模式下朝向所述对象运动。
18.一种用于采摘水果或蔬菜的系统，包括支撑一个或多个根据权利要求1至11中的任一项所述的机械臂的可移动基座。
19.一种控制机械臂以使所述机械臂的端部执行器运动到对象的方法，所述机械臂具有至少一个关节，所述至少一个关节能够运动以引起所述端部执行器的运动，所述方法包括以下步骤：
a)使用第一感测装置来感测所述对象的最初估计位置；
b)使所述至少一个关节运动以使所述端部执行器运动到所述最初估计位置附近的临近位置；
c)使用构造成与所述端部执行器协同运动的第二感测装置来感测所述对象的最终感测位置；以及
d)使所述至少一个关节运动以使所述端部执行器运动到所述最终感测位置。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，步骤(b)包括：对于所述端部执行器朝向所述最初估计位置的运动轨迹的至少初始部分，经由开环控制来控制所述关节的运动。
21.根据权利要求书19或20所述的方法，其中，步骤(b)包括：对于所述端部执行器朝向所述最初估计位置的运动轨迹的至少最终部分，经由闭环反馈控制来控制所述关节的运动。
22.根据权利要求19至21中的任一项所述的方法，其中，在步骤(a)中，使用所述第一感测装置包括：使用第一摄像机，优选地使用第一立体摄像机，以获得所述对象的所述最初估计位置。
23.根据权利要求19至22中的任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中，使用所述第二感测装置包括：使用摄像机来获得所述对象的图像，以及优选地通过识别所述图像中的预定颜色或图案来识别所述图像中的所述对象。
24.根据权利要求19至23中的任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中，使用所述第二感测装置包括：使用第二摄像机，优选地使用第二立体摄像机，以获得所述对象的所述最终感测位置。
25.根据权利要求19至24中的任一项所述的方法，所述方法包括重复以下另外的步骤：使用所述第二感测装置来感测所述对象的感测位置；以及使所述至少一个关节运动以使所述端部执行器运动到所述感测位置，直到所述感测位置对应于所述最终感测位置。
26.根据权利要求19至25中的任一项所述的方法，其中，所述关节包括变刚度致动器，所述变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，所述一个或多个弹性构件能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动，并且步骤(b)包括：在低刚度模式下控制所述变刚度致动器，在所述低刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低。
27.根据权利要求19至26中的任一项所述的方法，其中，所述关节包括变刚度致动器，所述变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，所述一个或多个弹性构件能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动，并且步骤(d)包括：在高刚度模式下控制所述变刚度致动器，在所述高刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高。
28.根据权利要求19至27中的任一项所述的方法，其中，所述关节能够由第一双向致动器和第二双向致动器移动，每个双向致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，所述双向致动器中的每一者能够控制成增加所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力，其中：
步骤(b)在高扭矩模式下进行，在所述高扭矩模式下，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力；以及
步骤(d)在对抗模式下进行，在所述对抗模式下，所述第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而所述第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
30.一种采摘水果或蔬菜的方法，包括根据权利要求19至29中的任一项所述的控制机械臂的方法，其中，所述对象包括水果或蔬菜。
31.一种机械臂，包括：
端部执行器，所述端部执行器布置成与对象接合；
至少一个关节，所述至少一个关节包括致动器，所述致动器能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动；以及
第一感测装置，所述第一感测装置布置成感测所述对象的最初估计位置；
第二感测装置，所述第二感测装置布置成感测所述对象的最终感测位置，所述第二传感器布置成与所述端部执行器协同运动，
其中，所述致动器布置成使所述端部执行器最初运动到所述最初估计位置并最终运动到所述最终感测位置。
32.根据权利要求31所述的机械臂，其中，所述致动器布置成经由开环控制使所述端部执行器最初朝向所述最初估计位置运动。
33.根据权利要求书31或33所述的机械臂，其中，所述致动器布置成经由闭环反馈控制使所述端部执行器最终朝向所述最初估计位置运动。
34.根据权利要求31至33中的任一项所述的机械臂，其中，所述第一感测装置优选地包括摄像机，诸如立体摄像机，所述第一感测装置定位成使得其能够看到所述端部执行器的所有可能位置。
35.根据权利要求31至34中的任一项所述的机械臂，其中，所述第二感测装置优选地包括摄像机，诸如彩色摄像机，所述第二感测装置布置成在由所述第二感测装置捕捉的图像中优选地通过识别所述图像中的预定颜色或图案来识别待由所述端部执行器抓住的对象。
36.根据权利要求31至35中的任一项所述的机械臂，其中，所述第二感测装置包括第二摄像机，优选地为第二立体摄像机，所述第二感测装置布置成感测所识别对象的所述最终感测位置。
37.根据权利要求31至36中的任一项所述的机械臂，其中，所述致动器包括变刚度致动器，所述变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，所述一个或多个弹性构件能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动，所述变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在所述低刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的张力相对较低，在所述高刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的张力相对较高，其中，所述变刚度致动器布置成使所述端部执行器最初在所述低刚度模式下并最终在所述高刚度模式下朝向待接合的对象运动。
38.根据权利要求31至37中的任一项所述的机械臂，其中，所述致动器包括第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，所述双向致动器中的每一者能够控制成增加所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力，其中：
所述第一双向致动器和所述第二双向致动器能够控制成在高扭矩模式下操作，在所述高扭矩模式下，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力，以使所述端部执行器最初运动到所述最初估计位置；以及
所述第一双向致动器和所述第二双向致动器能够控制成在对抗模式下操作，在所述对抗模式下，所述第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而所述第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力，以使所述端部执行器最终运动到所述最终感测位置。
39.根据权利要求38所述的机械臂，其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
40.一种用于采摘水果或蔬菜的系统，包括支撑一个或多个根据权利要求31至39中的任一项所述的机械臂的可移动基座。
41.一种控制机械臂以与对象接合的方法，所述机械臂包括端部执行器和至少一个关节，所述至少一个关节包括变刚度致动器，所述变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，所述一个或多个弹性构件能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动，所述变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在所述低刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低，而在所述高刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高，所述方法包括以下步骤：
a)通过在所述低刚度模式下控制所述变刚度致动器来使所述至少一个关节运动，以使所述端部执行器运动到所述对象附近的临近位置；然后
b)通过在所述高刚度模式下控制所述变刚度致动器来使所述至少一个关节运动，以使所述端部执行器运动到最终位置，在所述最终位置，所述端部执行器能够与所述对象接合。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，在步骤(a)中，控制所述变刚度致动器以将所述一个或多个弹性构件中的所述合成张力从相对较低的合成张力增加到在所述运动的末端处的相对较高的合成张力。
43.根据权利要求41或42所述的方法，其中，所述方法包括以下另外的步骤：在所述最终位置抓住所述对象；以及通过在所述低刚度模式下控制所述变刚度致动器以使所述端部执行器沿着脱离轨迹远离所述最终位置运动来使所述至少一个关节运动。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，在所述对象被抓住之后，所述一个或多个弹性构件中的所述合成张力迅速减小，以将所述变刚度致动器切换到所述低刚度模式。
45.根据权利要求41至44中的任一项所述的方法，其中，所述变刚度致动器包括第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，所述双向致动器中的每一者能够控制成增加所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力，其中：
在所述低刚度模式下，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力；以及
在所述高刚度模式下，所述第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而所述第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
47.一种采摘水果或蔬菜的方法，包括根据权利要求41至46中的任一项所述的控制机械臂的方法，其中，所述对象包括水果或蔬菜。
48.一种机械臂，包括：
端部执行器，所述端部执行器布置成与对象接合；以及
至少一个关节，所述至少一个关节包括变刚度致动器，所述变刚度致动器具有一个或多个弹性构件，所述一个或多个弹性构件能够致动成使所述关节运动从而使所述端部执行器运动，所述变刚度致动器能够在低刚度模式下和高刚度模式下操作，在所述低刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较低，而在所述高刚度模式下，所述一个或多个弹性构件中的合成张力相对较高，
其中，所述变刚度致动器布置成使所述端部执行器最初在所述低刚度模式下并最终在所述高刚度模式下朝向待接合的对象运动。
49.根据权利要求48所述的机械臂，其中，在所述低刚度模式下，所述变刚度致动器构造成将所述一个或多个弹性构件中的所述合成张力从相对较低的合成张力增加到在所述运动的末端处的相对较高的合成张力。
50.根据权利要求48或49所述的机械臂，其中，所述变刚度致动器布置成在所述端部执行器已经抓住对象之后使所述端部执行器在所述低刚度模式下沿着分离轨迹运动。
51.根据权利要求50所述的机械臂，其中，所述变刚度致动器布置成在所述端部执行器已经抓住对象之后迅速减小所述一个或多个弹性构件中的所述合成张力，以将所述变刚度致动器切换到所述低刚度模式。
52.根据权利要求48至51中的任一项所述的机械臂，其中，所述变刚度致动器包括第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括第一弹性构件和第二弹性构件，所述第一弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿第一方向运动，所述第二弹性构件能够通过增加张力来致动成推动所述关节沿与所述第一方向相反的第二方向运动，所述双向致动器中的每一者能够控制成增加所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的一者中的张力，同时减小所述第一弹性构件和所述第二弹性构件中的另一者中的张力，其中：
在所述低刚度模式下，所述第一双向致动器和所述第二双向致动器各自在其各自的第一弹性构件中提供张力；以及
在所述高刚度模式下，所述第一双向致动器在其第一弹性构件中提供张力，而所述第二双向致动器在其第二弹性构件中提供张力。
53.根据权利要求52所述的机械臂，其中，所述第一弹性构件和所述第二弹性构件具有施加的力和产生的伸长之间的单调增加的非线性关系，并且包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。
54.一种用于采摘水果或蔬菜的系统，包括支撑一个或多个根据权利要求48至53中的任一项所述的机械臂的可移动基座。
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