CN112192600B

CN112192600B - 顺应式机器人末端执行器及其控制方法

Info

Publication number: CN112192600B
Application number: CN202011037954.1A
Authority: CN
Inventors: 骆煜东; 奚伟
Original assignee: Beijing Jingdong Shangke Information Technology Co Ltd; JD com American Technologies Corp
Current assignee: Beijing Jingdong Shangke Information Technology Co Ltd; JD com American Technologies Corp
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: US11285621B2; US20210094190A1; CN112192600A

Abstract

一种用于机器人臂的末端执行器。该末端执行器包括：角度补偿器，用于附接吸盘；真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管，其沿着中心轴线顺序地连接并流体连通；以及真空传感器，其连接到真空控制阀以用于测量真空；近程传感器，其附接到延伸管121以用于确定水平补偿器的位置。当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空。水平补偿器沿着中心轴线提供补偿。

Description

顺应式机器人末端执行器及其控制方法

技术领域

本公开总体上涉及机器人技术，更具体地，涉及适于在有限空间中操纵对象的顺应式机器人末端执行器。

背景技术

本文所提供的背景描述是为了总体上呈现本发明的背景。在此背景技术部分中描述的范围内，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能不构成现有技术的描述方面，既未明确地也未隐含地被承认为是针对本发明的现有技术。

在物流自动化应用中，已广泛采用机器人臂来进行材料装卸和操纵。在许多应用当中，由于仓中的有限空间以及仓中要拾取的对象的各种形状和配置，仓拾取给机器人臂抓取器设计带来挑战。传统抓取器在长延伸杆的末端应用吸盘。当前设计存在三个主要缺点：(1)抓取器顺应所拾取的对象表面的法线方向的能力有限。如果传感器感知结果不准确，则很可能导致所拾取的对象的碰撞和损坏。(2)市售的力/扭矩传感器通常昂贵，这阻碍了其大规模采用。(3)由于空气管道长，真空生成和释放花费时间，这使每拾取操作的循环时间劣化。

因此，本领域中仍需要解决上述缺陷和不足。

发明内容

在某些方面，本公开提供了用于与机器人臂一起使用的末端执行器的一种紧凑、经济的设计。该末端执行器包括角度补偿器和水平补偿器以提供三自由度(DOF)表面法线方向顺应性；并且包括近程传感器和测距传感器以提供低成本位置感测，其可用作反馈信号以控制在接触要拾取的对象时机器人的响应。

在某些方面，本公开涉及一种用于机器人系统的末端执行器。在某些实施例中，该末端执行器包括：角度补偿器，吸盘附接在其上；真空控制阀，其与角度补偿器连接并流体连通；真空生成器，其与真空控制阀连接并流体连通；水平补偿器，其与真空生成器连接并流体连通；延伸管，其与水平补偿器连接并流体连通；真空传感器，其连接到真空控制阀并且被配置为测量真空控制阀中的真空；以及近程传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定水平补偿器的位置。

角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管沿着中心轴线基本上对准。当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时，生成真空。水平补偿器沿着中心轴线提供补偿。

在某些实施例中，末端执行器还包括测距传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定水平补偿器的位置。在某些实施例中，测距传感器是光学传感器。在某些实施例中，当吸盘被置于对象上并且真空高于阈值真空时，末端执行器开始对象的操纵，并且当近程传感器与水平补偿器之间的距离小于阈值距离时或者当测距传感器所检测的力大于阈值力时，末端执行器停止对象的操纵。

在某些实施例中，角度补偿器是无源球窝接头角度补偿器。在某些实施例中，末端执行器还包括电子调节器，其控制真空控制阀的打开和关闭。在某些实施例中，真空生成器是真空喷射器。在某些实施例中，近程传感器是电感传感器和电磁传感器中的至少一个。

在某些实施例中，延伸管具有通孔以用于容纳近程传感器，使得近程传感器的一部分进入延伸管中以用于准确地确定水平补偿器的位置。

在某些实施例中，延伸管具有封闭结构，并且近程传感器附接到延伸管的外表面。

在某些实施例中，末端执行器还包括附接到延伸管的外表面的校准板以用于校准末端执行器的位置。

在某些方面，本公开涉及一种机器人系统。在某些实施例中，该机器人系统包括末端执行器、机器人装置和控制器。

末端执行器包括：吸盘；角度补偿器，吸盘附接在其上；真空控制阀，其与角度补偿器连接并流体连通；真空生成器，其与真空控制阀连接并流体连通；水平补偿器，其与真空生成器连接并流体连通；延伸管，其与水平补偿器连接并流体连通；真空传感器，其连接到真空控制阀以用于测量真空控制阀中的真空；近程传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定近程传感器与水平补偿器之间的距离；以及测距传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定水平补偿器的变形力。角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管沿着中心轴线基本上对准，当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空，并且水平补偿器沿着中心轴线提供补偿。

机器人装置连接到末端执行器并且被配置为控制末端执行器的操作。控制器连接到机器人装置、真空传感器和近程传感器。

控制器被配置为在接收到来自真空传感器的真空、来自近程传感器的距离和来自测距传感器的力时，控制机器人装置以当真空高于阈值真空时开始对象的操纵，并且当距离小于阈值距离或者力大于阈值力时停止对象的操纵。

在某些实施例中，机器人系统还包括视觉传感器，其连接到控制器并且被配置为捕获末端执行器的图像。

在某些实施例中，角度补偿器是无源球窝接头角度补偿器，真空生成器是真空喷射器，近程传感器是电感传感器和电磁传感器中的至少一个，测距传感器是光学传感器。

在某些实施例中，延伸管包括通孔以用于容纳近程传感器，使得近程传感器的一部分进入延伸管中以用于准确地确定水平补偿器的位置。

在某些实施例中，延伸管具有封闭结构，近程传感器附接到延伸管的外表面，并且测距传感器被置于延伸管内部远离水平补偿器的末端中。

在某些方面，本公开涉及一种控制机器人系统的方法。在某些实施例中，机器人系统包括末端执行器、机器人装置和控制器。

末端执行器包括：吸盘；角度补偿器，吸盘附接在其上；真空控制阀，其与角度补偿器连接并流体连通；真空生成器，其与真空控制阀连接并流体连通；水平补偿器，其与真空生成器连接并流体连通；延伸管，其与水平补偿器连接并流体连通；真空传感器，其连接到真空控制阀并且被配置为测量真空控制阀中的真空；近程传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定近程传感器与水平补偿器之间的距离；以及测距传感器，其附接到延伸管并且被配置为确定水平补偿器的变形力。角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管基本上沿着中心轴线对准，当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空，并且水平补偿器沿着中心轴线提供补偿。

该方法包括：由控制器接收来自真空传感器的真空、来自近程传感器的距离以及来自测距传感器的力；控制机器人装置以当真空高于阈值真空时开始对象的操纵；以及当距离小于阈值距离或者力大于阈值力时停止对象的操纵。

本发明的这些和其它方面将从以下结合附图及其说明文字进行的优选实施例的描述变得显而易见，尽管在不脱离本发明的新颖概念的精神和范围的情况下，可影响其中的变化和修改。

附图说明

从具体实施方式和附图将更充分地理解本发明。这些附图示出本发明的一个或更多个实施例，并且与所撰写的说明书一起用于说明本发明的原理。只要可能，贯穿附图使用相同的标号来表示实施例的相同或相似的元件，并且其中：

图1示意性地描绘了根据本公开的某些实施例的机器人系统。

图2示意性地示出根据本公开的某些实施例的控制机器人装置的方法的流程图。

图3示意性地示出根据本公开的某些实施例的末端执行器。

图4示意性地示出根据本公开的某些实施例的末端执行器。

图5示意性地示出根据本公开的某些实施例的末端执行器。

图6示意性地描绘了根据本公开的某些实施例的机器人控制器。

具体实施方式

在以下示例中更具体地描述本发明，这些示例旨在仅为示例性的，因为其中的众多修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。现在详细描述本发明的各种实施例。参照附图，相似的标号(如果有的话)贯穿视图指示相似的组件。另外，下面更具体地定义本说明书中使用的一些术语。

在本发明的上下文内并且在使用各个术语的特定上下文中，本说明书中使用的术语通常具有其在本领域中的普通含义。下面或在本说明书中别处讨论用于描述本发明的某些术语，以向从业者提供关于本发明的描述的附加指导。将理解，同一事物可按不止一种方式提及。因此，针对本文所讨论的术语中的任一个或更多个可使用替代语言和同义词，术语是否在本文中阐述或讨论也没有任何特殊意义。提供某些术语的同义词。列举一个或更多个同义词并未排除其它同义词的使用。本说明书中任何地方使用的示例(包括本文所讨论的任何术语的示例)仅是示例性的，绝非限制本发明或任何举例说明的术语的范围和含义。同样，本发明不限于本说明书中给出的各种实施例。

除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。在冲突的情况下，以本文献(包括定义)为准。

如在本文的描述中以及贯穿随后的权利要求使用的，除非上下文清楚地另外规定，否则冠词的含义包括复数引用。另外，如在本文的描述中以及贯穿随后的权利要求使用的，除非上下文清楚地另外规定，否则“在...中”的含义包括“在...中”和“在...上”。此外，本文中可使用诸如“下”或“底”、“上”或“顶”以及“左”和“右”的相对术语来描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。将理解，除了附图中所描绘的取向之外，相对术语旨在涵盖装置的不同取向。

如本文中所使用的，“多个”意指两个或更多个。如本文中所使用的，术语“包括”、“承载”、“具有”、“包含”、“涉及”等将被理解为开放式的，即，意指包括但不限于。

如本文中所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为意指使用非排他逻辑OR的逻辑(A或B或C)。应该理解，在不改变本发明的原理的情况下，方法内的一个或更多个步骤可按不同的次序(或同时)执行。

如本文中所使用的，术语“模块”可指下列项，是下列项的一部分，或者包括下列项：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享的、专用的或组)；提供所描述的功能的其它合适的硬件组件；或者上述中的一些或全部的组合(例如，系统芯片中)。术语模块可包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或组)。

如本文中所使用的，术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，并且可指程序、例程、函数、类和/或对象。如上面所使用的，术语共享意指来自多个模块的一些或全部代码可使用单个(共享)处理器执行。另外，来自多个模块的一些或全部代码可由单个(共享)存储器存储。如上面所使用的，术语组意指来自单个模块的一些或全部代码可使用一组处理器执行。另外，来自单个模块的一些或全部代码可使用一组存储器存储。

如本文中所使用的，术语“接口”通常是指在组件之间的交互点处用于执行组件之间的数据通信的通信工具或手段。通常，接口可在硬件和软件两个层面适用，并且可以是单向或双向接口。物理硬件接口的示例可包括电连接器、总线、端口、线缆、端子以及其它I/O装置或组件。与接口通信的组件可以是例如计算机系统的多个组件或外围装置。

本发明涉及计算机系统。如附图中所描绘的，计算机组件可包括作为实线框示出的物理硬件组件以及作为虚线框示出的虚拟软件组件。本领域普通技术人员将理解，除非另外指示，否则这些计算机组件可按软件、固件或硬件组件或其组合的形式实现，但不限于此。

本文所描述的设备、系统和方法可由一个或更多个处理器所执行的一个或更多个计算机程序实现。计算机程序包括存储在非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括存储的数据。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁存储和光学存储。

现在将在下文中参照附图更充分地描述本公开，附图中示出本发明的实施例。然而，本发明可按许多不同的形式具体实现，不应解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本发明将彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

图1示意性地描绘了根据本公开的某些实施例的机器人系统100，其中机器人系统100的末端执行器110顺应小空间中的操作并且具有低成本。如图1所示，机器人系统100包括末端执行器110、机器人装置150、控制器170和视觉传感器190。

从用于接触要操纵的对象的前端到连接到机器人装置150的机器人臂的后端，末端执行器110包括吸盘111、角度补偿器113、真空控制阀115、真空生成器117、水平补偿器119、延伸管121、凸缘123和压缩空气软管125。这些组件基本上沿着中心轴线140对准，并且顺序地流体连通。真空传感器127附接到真空控制阀115以用于测量真空。电调节器(未示出)连接到真空控制阀115并且被配置为在经由线缆129接收到电子信号时无级地调节真空控制阀115(或控制其打开和关闭)。近程传感器131和测距传感器133附接到延伸管121的不同部分，并且被配置为测量水平补偿器119的位置。校准板135附接到延伸管121以用于校准末端补偿器110。

吸盘111也称为真空吸盘或真空抓取器吸盘。吸盘111具有用于接触对象的表面的前端以及用于与真空通道连通的后端。通常在前端和后端之间存在通孔，并且吸盘111的前端优选大于吸盘111的后端。吸盘111被配置为与机器人臂(具体地，抓取器的前端或末端执行器110)一起工作。当吸盘111沿着法线方向被置于对象表面上并且提供真空时，吸盘111的前端利用通过真空生成的吸力牢固地抓取对象，并根据指令使对象移动。通过吸盘111移动对象可包括使对象向上移动、使对象从一个位置水平移动到另一位置、将对象放下、将对象翻转等。在某些实施例中，移动被编程在控制器170中并由机器人装置150的机器人臂操作。在某些实施例中，吸盘的前端由能够一定程度地变形同时足够强以保持对象稳定的柔性材料制成。

角度补偿器113具有前端和后端。角度补偿器113的前端连接到吸盘111的后端，并且该连接是气密的。在某些实施例中，角度补偿器113具有紧凑的结构。角度补偿器113被配置为补偿吸盘111与吸盘111所接触的对象之间的角度差异。在某些实施例中，角度补偿器113是基于球窝接头的无源补偿器。在某些实施例中，角度补偿器113也可以是基于万向节或基于柔性材料变形的类似无源补偿器，或者通过控制电机和空气压力来实现角度补偿的有源补偿器。

真空控制阀115具有前端和后端。真空控制阀115的前端连接到角度补偿器113的后端，并且该连接是气密的。在某些实施例中，真空控制阀115具有紧凑的结构。在某些实施例中，真空传感器127与真空控制阀115一体地形成，真空传感器127的一部分插入到真空控制阀115的内通道中以实时测量真空控制阀115中的真空，并且真空传感器127的另一部分与控制器170通信以报告所测量的真空。在某些实施例中，电子调节器(未示出)与真空控制阀115一体地形成或者安装到真空控制阀115上，以与电信号成比例地无级控制空气/真空压力，或者简单地控制真空控制阀115的开和关。电缆129连接到电子调节器，并且被配置为接收控制器170所指示的电信号，以调节电子调节器。当需要真空时，电子调节器120将门控制为打开状态，使得从真空控制阀115经由吸盘111建立真空。当不再需要真空时，电子调节器120将门控制为关闭状态，使得从真空控制阀115通过吸盘111释放真空。在某些实施例中，电子调节器经由电缆129与控制器170电连接，以使得控制器170可根据指令控制电子调节器。在某些实施例中，代替控制门打开和关闭，电子调节器也可控制门部分地打开，以对真空控制阀115中的真空提供更准确调节。

真空生成器117具有前端和后端。真空生成器117的前端连接到真空控制阀115的后端，并且该连接是气密的。在某些实施例中，真空生成器117具有紧凑的结构。在某些实施例中，真空生成器117是基于气动原理的喷射器型真空生成器。具体地，当从水平补偿器119向真空生成器117供应压缩空气，并且压缩空气穿过喷嘴或排气口118时，从真空生成器117的前端抽吸空气，以在真空控制阀中形成真空。在某些实施例中，真空生成器117也可以是基于机电生成真空的小型鼓风机或电子真空泵。

水平补偿器119具有前端和后端。水平补偿器119的前端连接到真空生成器117的后端，并且该连接是气密的。在某些实施例中，水平补偿器119具有紧凑的结构。水平补偿器119被配置为补偿吸盘111与对象之间的高度差异。在某些实施例中，水平补偿器119基于无源补偿机制并且具有内置弹簧。当末端执行器110朝着对象被推动太多时，水平补偿器119的内置弹簧被压缩，并且水平补偿器119变短。当末端执行器110朝着对象被推动得不够近时，内置弹簧的延伸和整个水平补偿器119的随后延伸确保吸盘111与对象接触。在某些实施例中，水平补偿器119也可使用基于弹性变形的无源补偿，或者基于力反馈线性致动器、液压/气压致动器或智能材料(例如，形状记忆合金)的有源补偿。

延伸管121具有前端和后端。延伸管121的前端连接到水平补偿器119的后端，并且该连接是气密的。延伸管121用于适应水平补偿器119的变形，同时维持紧凑的结构。在某些实施例中，延伸管121还被配置为方便近程传感器131、测距传感器133以及可选地校准板135的安装。

在某些实施例中，延伸管121是非封闭延伸管或杆，其方便使用侵入/有创近程传感器131以获得最优测量结果。

在某些实施例中，延伸管121是封闭延伸管或杆，其形成耐压密封缓冲器以防止用于输送压缩空气的压缩空气软管125直接连接到水平补偿器的末端，从而防止软管125影响水平补偿器119。

请注意，基于吸盘111与对象之间的力和角度，水平补偿器119沿着中心轴线140的长度是灵活的。在某些实施例中，水平补偿器119的前端固定到真空生成器117，而补偿器119的后端可在延伸管121内部移动。

凸缘123具有前端和后端。凸缘123的前端连接到延伸管121的后端，并且凸缘123的后端与机器人臂匹配，以使得末端执行器110可容易地安装在机器人装置150的机器人臂上。压缩空气软管125穿过凸缘123进入延伸管121中。在某些实施例中，凸缘123是同轴版本，并且末端执行器110和机器人臂在一个轴线上对准。在其它实施例中，凸缘123也可以是偏轴的，末端执行器110和机器人装置150的机器人臂连接在凸缘123的相反侧，而未在同一轴线上对准。

压缩空气软管125被配置为向延伸管121提供压缩空气。由于延伸管121、水平补偿器119和真空生成器117流体连通，所以压缩空气一直到达真空生成器117。具体地，压缩空气通过压缩空气软管125进入末端执行器110并从喷嘴118离开末端执行器110。在某些实施例中，当延伸管121是非封闭延伸管时，压缩空气软管125可延伸到水平补偿器119的内部，以使得压缩空气与延伸管121的内部空间隔离。当延伸管121是封闭延伸管时，压缩空气软管125可仅经过凸缘123进入延伸管121的内部。这样，延伸管121的内部填充压缩空气，延伸管121中的压缩空气与水平补偿器119流体连通，并且不需要从压缩空气软管125和水平补偿器119的方向连接。

中心轴线140是用于指示角度补偿器113、真空控制阀115、真空生成器117、水平补偿器119和延伸管121基本上从前到后对准以实现紧凑设计的虚拟轴线。

真空传感器127与真空控制阀115安装或一体地形成。真空传感器127被配置为确定吸盘111与对象之间的抓取性能以确保抓取的成功率和效率。由于真空控制阀115靠近吸盘111，并且真空传感器127被恰好置于真空控制阀115处，所以真空传感器127能够在最短时间内感测真空(并经由电子调节器120调节真空)以减少拾取和释放对象所需的时间。在某些实施例中，所测量的真空由相对于大气的负气压表示并且称为P_a，较小读数(例如，-10Hg)的真空指示比较大读数(例如，-5Hg)的真空更强的真空。另选地，测量真空也可表示为正压。

电子调节器被配置为根据从控制器170接收的指令来控制或调节真空控制阀115。如上所述，由于真空控制阀115靠近吸盘111和对象，所以真空控制阀115中的真空的感测和调节确保吸盘111对对象的操作的短响应时间。

近程传感器131附接到延伸管121并被配置为测量水平补偿器119的位置，并且将测量报告给控制器170。近程传感器131用作位置/力开关以避免当吸盘111拾取对象时损坏对象。具体地，当吸盘111以强力推或吸对象时，水平补偿器119可被压缩很多。由于过度压缩导致的水平补偿器119的过短长度可由近程传感器131测量。响应于该测量，控制器170可指示机器人臂停止末端执行器110的操作，并且监测真空控制阀115中的真空以确定下一动作，或释放吸盘111。在某些实施例中，所测量的接近度由近程传感器131与水平补偿器119的后端之间的距离表示并且称为S_p，越小的S_p指示水平补偿器119的弹簧变形越大，即，水平补偿器119的后端进入延伸管121中越多。在某些实施例中，水平补偿器119通过压缩补偿并且仅测量水平补偿器119的压缩。在某些实施例中，水平补偿器119被配置为被压缩或延伸，并且测量压缩和延伸二者。

如上所述，当延伸管121是非封闭延伸管时，近程传感器131可从延伸管121的表面上的通孔(例如，通过将其拧入孔中)安装。近程传感器131的在延伸管121内部的部分用于测量，该测量因为该部分靠近水平补偿器119而是准确的。近程传感器131的在延伸管121外部的部分例如是连接到控制器170以报告测量的线缆。当延伸管121是封闭延伸管时，近程传感器131可附接在延伸管121的外表面上，这将不会影响延伸管121的密封结构。在某些实施例中，近程传感器131使用3D打印安装适配器而安装在延伸管121上。

在某些实施例中，近程传感器131是电感或电磁传感器，其中诸如磁环的磁组件可附接到水平补偿器119的前端。在其它实施例中，近程传感器131也可以是光电传感器、超声传感器或电容传感器。

测距传感器133附接到延伸管121，并且被配置为通过测量到水平补偿器119的后端的距离来估计水平补偿器119的变形。在某些实施例中，测距传感器133可使用声波(例如，超声波)或使用光(例如，激光)来检测距离。在某些实施例中，测距传感器133将距离转换为力信息，以使得所检测的力可用于机器人臂力反馈控制。在某些实施例中，测距传感器133被置于延伸管121内部。在某些实施例中，测距传感器133也可被置于延伸管121的外表面上。在某些实施例中，测距传感器133所转换的力表示水平补偿器119的弹簧的恢复力并且称为F_c，越大的F_c指示水平补偿器119的弹簧的变形越大，即，水平补偿器119的后端进入延伸管121中越多。

真空传感器127确定吸盘111与对象之间的抓取性能以确保抓取的成功率和效率。近程传感器131用作位置/力开关以避免损坏对象。测距传感器133估计水平补偿器119的变形并转换为用于机器人臂力反馈控制的力信息。在某些实施例中，P_a用于确定接触条件，S_p和F_c用于以不同的技术方法在不确定的工作条件下保护系统以增加可靠性。在某些实施例中，测距传感器133(F_c)的分辨率高于近程传感器131(S_p)，但近程传感器131更稳健。通过将来自三个传感器的信息组合，控制器170能够以高可靠性来准确地且高效地控制末端执行器，以满足有限空间中的对象操作(例如，拾取仓)的要求。在某些实施例中，末端执行器110可仅与近程传感器131和测距传感器133之一附接。

在某些实施例中，末端执行器110还可包括用于校准末端执行器110的位置和姿态的校准板135。在某些实施例中，通过指示视觉传感器190以捕获校准板135的图像，并且基于校准板135相对于末端执行器110的位置计算末端执行器110的位置和姿态，来执行校准。在某些实施例中，校准板135附接到延伸管121的外表面。

机器人装置150具有机器人臂以附接有末端执行器110，并且根据来自控制器170的指令操作末端执行器110的移动。机器人装置150可具有六个移动自由度，并通过真空控制阀115控制真空的调节。

控制器170被配置为接收来自真空传感器127的真空压力、来自近程传感器131的位置信息、来自测距传感器133的力以及可选地由视觉传感器190捕获的图像。控制器170还被配置为在接收到上述信息中的一些或全部时，指示机器人装置150通过其机器人臂操作末端执行器110。

视觉传感器190被配置为捕获机器人装置150和环境的图像，并将图像发送到控制器170。在某些实施例中，视觉传感器190包括一个相机。在其它实施例中，视觉传感器可包括两个或更多个相机。控制器170可被配置为分析所捕获的图像以重建机器人装置110、环境和对象的三维信息。通过该分析，确定对象在环境中的位置以用于辅助对象的操作。在某些实施例中，该分析还可基于对象数据库提供对象的表面信息和材料。

图2示意性地示出根据本公开的某些实施例的基于自适应末端的操作流程和算法。如图2所示，当机器人装置150的机器人臂到达位置和取向以拾取目标对象102时，水平和角度补偿开始工作。具体地，测距传感器133通过检测测距传感器133与水平补偿器119的后端之间的距离，计算水平补偿器119中的弹簧的变形，并基于弹簧的压缩率将该变形转换为压缩力，来估计水平补偿器119的变形。该力被称为接触力F_c。近程传感器131检测近程传感器131与水平补偿器119的后端之间的距离，并且该距离或接近度被称为S_p。真空传感器127测量真空控制阀115中的真空，其与对象102与吸盘111之间的抓取性能对应。如上所述，所测量的真空由相对于大气的负气压表示并且称为P_a，较小的读数(例如，-10Hg)指示比较大的读数(例如，-5Hg)更强的真空。在某些实施例中，在操作中控制器170一直监测真空传感器127、水平补偿器119和测距传感器133的测量。

当控制器170确定要拾取的对象102的位置和目标表面时，控制器170指示机器人装置150的机器人臂移动末端执行器110，沿着目标表面的法线方向放置吸盘111以接触目标表面，并且通过将真空控制阀115打开以允许建立真空来开启真空。在此期间，P_a≥P_thrd，即，P_a下的真空不如真空P_thrd强。在某些实施例中，P_a≥P_thrd指示吸盘111与对象102之间的接触不足，或者如果无法建立真空，则对象102的接触表面损坏。在某些实施例中，如果P_a≥P_thrd，则可能发生隆起或损坏，控制器170可提供警告标志并停止机器人装置150的所有操作。

当真空建立并且P_a＜P_thrd，即，吸盘111具有强的内部真空，因此以强吸力接触对象102时，认为正在拾取对象102，并且后续操作可开始。此时，控制器170一直监测S_p和F_c，并且如果S_p＜S_thrd或F_c＞F_thrd，则停止操作。在某些实施例中，基于S_p和S_thrd之间或F_c和F_thrd之间的差异，控制器170可减慢操作，将操作暂停一会儿，或停止操作。由于水平补偿器119的变形能力，所以不需要将吸盘111非常准确地放置到目标对象的目标表面上。例如，常见机器人臂的吸盘可能需要被放置成使得吸盘与目标表面之间的距离准确地为约0；相反，本公开的吸盘111可被放置成使得吸盘与目标表面之间的距离大致为约0，或者优选大致约预定义的负距离(例如，-0.5cm)，以确保吸盘111与目标表面之间的接触。负距离由水平补偿器119补偿，这意味着水平补偿器119的弹簧的变形使得水平补偿器119能够进入延伸管121中约0.5cm，并且吸盘111与目标表面之间的距离准确地为0，即，吸盘111很好地接触目标对象的目标表面。

图3示意性地示出根据本公开的某些实施例的具有非封闭延伸管的末端执行器。如图3所示，延伸管121具有穿过延伸管121的上表面的若干通孔。各个通孔可用于容纳诸如侵入式近程传感器131的结构。在图3所示的实施例中，侵入式近程传感器131被拧入延伸管121的顶表面上的对应通孔中。由于延伸管121未被密封，所以压缩空气软管125进入延伸管121中并一直延伸以与水平补偿器119的后端连接。压缩空气软管125与水平补偿器119之间的连接是气密的。换言之，压缩空气穿过压缩空气软管125进入水平补偿器119的内通道，而不会泄漏到延伸管121。

图4示意性地示出根据本公开的某些实施例的具有封闭延伸管的末端执行器。如图4所示，延伸管121具有与水平补偿器119连接并连通的前端以及安装到凸缘123上的后端，并且压缩空气软管125与穿过凸缘123上的安装孔的延伸管121的后端连接并连通。否则，延伸管121被很好地密封。非侵入式近程传感器132的传感器主体1312附接到延伸管121的外表面，并且非侵入式近程传感器132的信号线缆1314沿着延伸管121的外表面延伸。在这种类型的设计中，不需要将压缩空气软管125直接连接到水平补偿器119，不需要在延伸管121上具有开孔以安装其它结构组件(例如，传感器)，并且延伸管121的密封良好。压缩空气从压编空气软管125经由延伸管121的内部行进到水平补偿器119的通道。

图5示意性地示出根据本公开的某些实施例的同轴末端执行器。如图5所示，凸缘123沿着中心轴线设置并与整个末端执行器110很好地对准。然后，末端执行器110可直接通过凸缘123附接到机器人臂。由于同轴设计，所以末端执行器比图3和图4所示的偏轴版本占据更小的空间。

在某些实施例中，角度补偿器113是由SCHMALZ以零件号10.01.03.00109提供的球窝接头补偿器，或者由SCHMALZ以零件号10.01.03.00152提供的柔性补偿器。在某些实施例中，真空控制阀115是由SCHMALZ以零件号10.05.01.00173提供的直列阀。在某些实施例中，真空生成器117是由SCHMALZ以零件号10.02.01.00077提供的直列喷射器。在某些实施例中，水平补偿器119是由Piab以零件号01.24.951提供的LC16-F1820水平补偿器。在某些实施例中，近程传感器131是由AutomationDirect提供的MAE-AP-1A磁性近程传感器。在某些实施例中，近程传感器131是由AutomationDirect提供的气缸位置开关CPS9H-AN-A。在某些实施例中，根据不同应用的不同范围要求，测距传感器133是OPT Short Range(CMOS)系列光电传感器(例如，由AutomationDirect提供的OPT200X之一)。在某些实施例中，测距传感器133是OPT2003。

末端执行器110的组件不限于本公开中描述的结构，并且本公开的目的在于提供一种具有准确的控制机制的紧凑设计。在某些实施例中，末端执行器110的直径小于10cm，优选小于5cm，并且长度为15-100cm左右，优选介于30-50cm之间。在一个实施例中，末端执行器110的直径小于5cm，并且长度根据应用为30cm至50cm左右。利用新设计的末端执行器，算法简化，因为我们可承受15度和2cm高度误差，由于与拾取的对象的足够接触可减少真空传感器的假触发，拾取成功率也增加。

总之，拾取每单个对象，我们可节省2-3秒。在不使用力/扭矩传感器的情况下，末端执行器的成本便宜得多。此外，由于系统的容错能力得到改进，所以视觉相机的要求以及甚至机器人本身的质量降低，这进一步节省了成本。

图6示出根据本公开的某些实施例的控制器。控制器170可以是计算装置，其可以是通用计算机、专用计算机、服务器或任何其它类型的计算装置。控制器170可独立地工作，或者与通过无线或其它类型的连接通信的其它装置一起工作。因此，控制器170的一个或更多个组件可被置于机器人装置150内部，或者单独放置，或者远程放置。

控制器170可包括(但不限于)处理器172、存储器174和存储装置176。在某些实施例中，控制器170可包括其它硬件组件和软件组件(未示出)以执行其对应任务。这些硬件和软件组件的示例可包括(但不限于)其它所需的存储器、接口、总线、输入/输出(I/O)模块和外围装置。处理器172被配置为控制控制器170的操作，并且可以是一个或更多个中央处理单元(CPU)或其它类型的处理器。存储器174可以是一个或更多个易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM))，以用于在控制器170的操作期间存储数据和信息。在某些实施例中，存储器174通过系统总线(未示出)与处理器172通信。存储装置176是用于存储操作系统(OS)(未示出)和控制器170的其它应用的数据存储介质。存储装置176的示例可包括诸如闪存、存储卡、USB驱动器、硬盘驱动器或任何其它类型的数据存储装置的非易失性存储器。

如图6所示，存储装置176存储机器人控制应用180。机器人控制应用180包括用于操作末端执行器110的计算机可执行代码。如图6所示，机器人控制应用180包括图像模块181、真空模块182、近程模块183、测距模块184、控制模块185和操纵模块186等。在某些实施例中，机器人控制应用180的各个模块还可包括一个或更多个子模块。另选地，在某些实施例中，机器人控制应用180的一些或全部模块可共同形成单个模块。

图像模块181被配置为控制视觉传感器190捕获末端执行器110、对象和环境(例如，包含对象的仓)的一个或一系列图像，并处理图像以确定末端执行器110位于环境中的何处以及对象在哪里102。在某些实施例中，所处理的信息是末端执行器110、对象102、仓以及可选地关注视图中的其它对象的空间信息。在某些实施例中，空间信息是三维(3D)地图。在某些实施例中，可存在校准板135以准确地且快速地定位末端执行器110。在某些实施例中，图像模块181的操作基于来自控制模块185的指令，并且图像模块181还被配置为将所处理的空间信息发送到控制模块185。

真空模块182被配置为遵循来自控制模块185的指令以安排经由真空传感器127监测真空控制阀115中的真空水平，收集并发送真空信号给控制模块185。近程模块183被配置为遵循来自控制模块185的指令以安排经由近程传感器131测量近程传感器131与水平补偿器119的后端之间的距离，收集并发送真空信号给控制模块185。测距模块184被配置为遵循来自控制模块185的指令以安排经由测距传感器133测量水平补偿器119的变形力，收集并发送真空信号给控制模块185。

控制模块185被配置为指示图像模块181、真空模块182、接近模块183和范围模块184安排各种测量，实时接收从那些测量收集的数据，使用所接收的数据来执行逻辑推理，并向图像模块181、真空模块182、近程模块183和测距模块184提供指令，并向操纵模块186提供指令以操纵机器人装置150的机器人臂。

操纵模块186被配置为基于来自控制模块185的指令来操作机器人装置150的机器人臂，使得具有吸盘111的末端执行器110可操纵诸如工件、产品或包装的对象。

在某些方面，本发明涉及一种存储计算机可执行代码的非暂时性计算机可读介质。在某些实施例中，计算机可执行代码可以是如上所述存储在存储装置176中的机器人控制应用180。当执行时，计算机可执行代码可执行如上所述的操作(例如，使用不同的传感器监测系统、进行决策以及操纵机器人臂)。在某些实施例中，非暂时性计算机可读介质可包括(但不限于)如上所述的控制器170的存储装置176或者控制器170的任何其它存储介质。

总之，根据某些实施例，本公开提供一种用于物流系统中的复杂环境的低成本、高可靠性、紧凑的环境自适应末端执行器。该末端执行器位于机器人装置的末端，并且具有紧凑的物理结构。这是在具有较大深度和有限操作空间的物料仓中使用的理想解决方案。集成的水平和角度补偿机制可适于物料仓内的复杂环境。靠近吸盘的紧凑真空生成、监测和控制装置被设计为减少操作时间并提高效率。这允许适应和补偿物料仓内的复杂环境，同时优化真空的生成、监测和控制，改进操作效率，保护货物和设备，并且减小对复杂算法和昂贵硬件的依赖以降低成本。

除了别的以外，本公开的某些实施例具有以下有益优点：(1)本公开沿着要操纵的对象的表面法线方向提供三自由度(3-DOF)顺应性补偿：使用水平补偿器的宽范围z轴(沿着工具轴线)补偿以及通过角度补偿器的全向角度补偿。(2)本公开利用多传感器设计的组合来向机器人装置提供抓取器工具尖端的位置感测信号，以使得机器人装置响应地操作机器人臂。(3)本公开在装箱操作期间提供靠近吸盘的紧凑真空生成器。(4)本公开在装箱操作期间提供靠近吸盘的紧凑真空阀。(5)不同功能模块可被集成到环境自适应末端执行器的紧凑结构上。(6)本公开为复合环境提供基于自适应末端执行器的操纵器操作流程和算法。

仅出于例示和描述的目的呈现了本发明的示例性实施例的以上描述，并非旨在为穷尽性的或将本发明限于所公开的精确形式。可鉴于以上教导进行许多修改和变化。

选择和描述实施例以便说明本发明的原理及其实际应用，以使得本领域技术人员能够利用本发明和各种实施例以及适合于可以想到的特定用途的各种修改。在不脱离其精神和范围的情况下，替代实施例对于本发明所属领域的技术人员而言将变得显而易见。因此，本发明的范围由所附权利要求限定，而非以上描述和本文所描述的示例性实施例。

Claims

1.一种用于机器人系统的末端执行器，包括：

角度补偿器，吸盘附接在其上；

真空控制阀，所述真空控制阀与角度补偿器连接并流体连通；

真空生成器，所述真空生成器与真空控制阀连接并流体连通；

水平补偿器，所述水平补偿器与真空生成器连接并流体连通；

延伸管，所述延伸管与水平补偿器连接并流体连通；

真空传感器，所述真空传感器连接到真空控制阀并被配置为测量真空控制阀中的真空；

近程传感器，所述近程传感器附接到延伸管并被配置为确定水平补偿器的位置；以及

测距传感器，所述测距传感器附接到延伸管并被配置为确定水平补偿器的位置，

其中，角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管基本上沿着中心轴线对准；

其中，当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空；并且

其中，水平补偿器沿着中心轴线提供补偿，

其中，当吸盘被置于对象上并且真空高于阈值真空时，末端执行器开始对象的操纵，并且当近程传感器与水平补偿器之间的距离小于阈值距离时或者当测距传感器所检测的力大于阈值力时，末端执行器停止对象的操纵。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，测距传感器是光学传感器。

3.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，角度补偿器是无源球窝接头角度补偿器。

4.根据权利要求1所述的末端执行器，还包括控制真空控制阀的打开和关闭的电子调节器。

5.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，真空生成器是真空喷射器。

6.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，近程传感器是电感传感器和电磁传感器中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，延伸管包括用于容纳近程传感器的通孔，使得近程传感器的一部分进入延伸管中以用于准确地确定水平补偿器的位置。

8.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，延伸管包括封闭结构，并且近程传感器附接到延伸管的外表面。

9.根据权利要求1所述的末端执行器，还包括附接到延伸管的外表面以用于校准末端执行器的位置的校准板。

10.一种机器人系统，包括：

末端执行器，包括：吸盘、附接有吸盘的角度补偿器、与角度补偿器连接并流体连通的真空控制阀、与真空控制阀连接并流体连通的真空生成器、与真空生成器连接并流体连通的水平补偿器、与水平补偿器连接并流体连通的延伸管、连接到真空控制阀并被配置为测量真空控制阀中的真空的真空传感器、附接到延伸管并被配置为确定近程传感器与水平补偿器之间的距离的近程传感器以及附接到延伸管并被配置为确定水平补偿器的变形力的测距传感器，其中，角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管基本上沿着中心轴线对准，当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空，并且水平补偿器沿着中心轴线提供补偿；

机器人装置，连接到末端执行器并被配置为控制末端执行器的操作；以及

控制器，连接到机器人装置、真空传感器和近程传感器，

其中，控制器被配置为在接收到来自真空传感器的真空、来自近程传感器的距离以及来自测距传感器的力时，控制机器人装置以当真空高于阈值真空时开始对象的操纵，并且当距离小于阈值距离或者力大于阈值力时停止对象的操纵。

11.根据权利要求10所述的机器人系统，还包括连接到控制器并被配置为捕获末端执行器的图像的视觉传感器。

12.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，角度补偿器是无源球窝接头角度补偿器，真空生成器是真空喷射器，近程传感器是电感传感器和电磁传感器中的至少一个，并且测距传感器是光学传感器。

13.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，延伸管包括用于容纳近程传感器的通孔，使得近程传感器的一部分进入延伸管中以用于准确地确定水平补偿器的位置。

14.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，延伸管包括封闭结构，近程传感器附接到延伸管的外表面，并且测距传感器被置于延伸管内部远离水平补偿器的末端。

15.一种控制机器人系统的方法，

其中，机器人系统包括：

末端执行器，所述末端执行器包括：吸盘、附接有吸盘的角度补偿器、与角度补偿器连接并流体连通的真空控制阀、与真空控制阀连接并流体连通的真空生成器、与真空生成器连接并流体连通的水平补偿器、与水平补偿器连接并流体连通的延伸管、连接到真空控制阀并被配置为测量真空控制阀中的真空的真空传感器、附接到延伸管并被配置为确定近程传感器与水平补偿器之间的距离的近程传感器以及附接到延伸管并被配置为确定水平补偿器的变形力的测距传感器，其中，角度补偿器、真空控制阀、真空生成器、水平补偿器和延伸管基本上沿着中心轴线对准，当压缩空气沿着中心轴线经过延伸管、水平补偿器和真空生成器时生成真空，并且水平补偿器沿着中心轴线提供补偿；

控制器，连接到机器人装置、真空传感器和近程传感器，

其中，该方法包括：

由控制器接收来自真空传感器的真空、来自近程传感器的距离以及来自测距传感器的力；

控制机器人装置以当真空高于阈值真空时开始对象的操纵；以及

当距离小于阈值距离或力大于阈值力时，停止对象的操纵。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，角度补偿器是无源球窝接头角度补偿器，真空生成器是真空喷射器，近程传感器是电感传感器和电磁传感器中的至少一个，并且测距传感器是光学传感器。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，延伸管包括用于容纳近程传感器的通孔，使得近程传感器的一部分进入延伸管中以用于准确地确定水平补偿器的位置。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，延伸管包括封闭结构，近程传感器附接到延伸管的外表面，并且测距传感器被置于延伸管内部远离水平补偿器的末端。