CN112752634A - 用于高效地交换端部执行器工具的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在可编程运动设备上更换工具的方法。该方法包括以下步骤：在连续运动中移动可编程运动设备的端部执行器的附连部分；在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，接合以下中的一个：端部执行器的附连部分与工具、或者附连到端部执行器的附连部分的工具与交换系统，以及在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，在连续运动中继续移动端部执行器的附连部分，以改变端部执行器的附连部分的连接状态。

Description

用于高效地交换端部执行器工具的系统和方法
优先权
本申请要求2018年10月1日提交的美国临时专利申请序列号62/739,5622的优先权，以及2018年7月27日提交的美国临时专利申请序列号62/711,087的优先权，它们的公开内容以其全文以参见的方式纳入本文。
背景技术
本发明总体上涉及可编程运动系统，并且特别地涉及用于可编程运动设备(例如，机器人系统)的端部执行器，其用于诸如物体分类之类的物体处理。
用于机器人系统的端部执行器例如可以在某些应用中用于选择和抓持物体，然后非常快地将获取的物体移动到新位置。这样的端部执行器应当设计为从混杂的相似或不相似的物体中快速、轻松地选择和抓持物体，并且应当设计为在移动期间牢固地抓持物体。某些端部执行器在不同物理尺寸、重量和材料的不同物体上使用时，在快速移动期间，尤其是快速加速和减速(角向和线性两者)期间，在它们如何可以牢固地抓持所获取的物体方面可能具有限制。
许多端部执行器利用真空压力来获取和固定物体，以通过铰接臂进行运送和/或后续操作。用于获取和固定物体的其它技术包括涉及静电吸引、磁性吸引、用于刺穿诸如织物之类的物体的针、挤压物体的指状件、接合并抬升物体的突出特征的钩子以及在物体的开口中扩展的夹头、以及其它技术。通常，将端部执行器设计为诸如例如夹持器、焊接机或喷漆头的单个工具，并且该工具通常设计成用于特定的成组需求。
在许多应用中，期望可编程运动设备自动更换工具。为此，存在自动工具更换器，比如北卡罗莱纳州埃佩克斯镇(Apex)的ATI工业自动化公司和德国的雄克公司(SchunkGmbH&Co.)提供的自动工具更换器(每个都使用径向锁定承载件)。可用的工具更换器通常设计为适应广泛的应用，包括那些工具可能是复杂、笨重或沉重的应用。一些工具可能还需要用于压缩空气、电信号或真空的直通通道。工具更换器还可以在端部执行器上提供工具的刚性高精度安装，因此不会影响机器人的负载和精度规格。
工具更换器通常还需要工具架，该工具架保持工具并便于从端部执行器安装和拆卸工具。工具更换器和工具架通常假定通过将工具移入机架中，通过机架接合工具，致动闩锁机构以释放工具，然后将端部执行器从工具上移开来进行拆卸。安装工具的过程与此相反——端部执行器移动以与工具更换设备的两半匹配，工具被机架释放，闩锁被致动，然后端部执行器将工具移出机架。这些安装和拆卸运动通常精确而缓慢，符合工具更换器的精确公差。
商业上可获得的工具更换器的缺点是它们很慢。长时间延迟的引入会降低自动化解决方案的价值，在某些情况下甚至会降低自动化解决方案的可行性。因此，需要实现更高速度的工具更换器，并且需要通过为那些具有更自由要求的应用设计工具更换器来实现该速度。因此，对于端部执行器系统仍然存在进一步的需求，其允许可编程运动系统快速且有效地更换端部执行器工具。
发明内容
根据一实施例，本发明涉及一种在可编程运动设备上更换工具的方法。该方法包括以下步骤：在连续运动中移动可编程运动设备的端部执行器的附连部分；在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，接合以下中的一个：端部执行器的附连部分与工具、或者附连到端部执行器的附连部分的工具与交换系统，以及在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，在连续运动中继续移动端部执行器的附连部分，以改变端部执行器的附连部分的连接状态。
根据另一个实施例，本发明涉及一种在可编程运动设备上交换工具的方法。该方法包括以下步骤：在连续运动中移动端部执行器的附连部分；在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，从端部执行器的附连部分移除第一工具；以及在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，将第二工具附连到端部执行器的附连部分。
根据又一个实施例，本发明涉及一种在可编程运动设备上更换工具的方法。该方法包括以下步骤：使可编程运动设备的端部执行器的附连部分在线性运动中移动，在端部执行器的附连部分在线性运动中移动的同时，接合以下中的一个：端部执行器的附连部分与工具、或者附连到端部执行器的附连部分的工具与交换系统，以及在端部执行器的附连部分在线性运动中移动的同时，在线性运动中继续移动端部执行器的附连部分，以改变端部执行器的附连部分的连接状态。
根据另外的实施例，本发明涉及一种用于在可编程运动设备上更换工具的系统。该系统包括接合系统，该接合系统用于使可编程运动设备的端部执行器的附连部分在连续运动中移动，并且在附连部分移动的同时，使工具与端部执行器的附连部分之一或者交换工位接合，从而在端部执行器的附连部分在连续运动中移动的同时，改变端部执行器的附连部分的连接状态。
附图说明
参考附图可进一步理解以下的描述，附图中：
图1A和1B示出了可编程运动设备的端部执行器的示意图，该端部执行器脱开第一工具(图1A)并接合第二工具(图1B)；
图2A-2E根据现有技术示出了图1A和图1B的端部执行器朝向脱开工位移动(图2A)、将端部执行器从脱开工位移开(图2B)、离开第一工具并朝向第二工具移动(图2C)、将端部执行器朝向第二工具移动(图2D)、以及并接合和移除第二工具(图2E)的说明性详细示意图；
图3A和3B示出了根据本发明的实施例的可编程运动设备的端部执行器的示意图，该端部执行器脱开第一工具(图3A)并接合第二工具(图3B)；
图4示出了根据本发明实施例的包括用于更换端部执行器工具的系统的可编程运动设备系统的说明性示意图；
图5示出了来自图4的系统的初级感知系统的图像的说明性示意图，示出了到具有叠加在图像上的抓持位置的箱中的视图；
图6示出了图4的系统的次级感知系统的说明性示意图，示出了多个次级感知单元；
图7示出了在根据本发明的另一个实施例的系统中使用的可编程运动设备的说明性示意图，其包括包括线性力适应系统的联接系统和获取单元；
图8示出了图7的系统的端部执行器的说明性放大示意图；
图9示出了根据本发明的实施例的可编程运动设备的端部执行器系统的说明性分解示意图；
图10示出了包括图9的工具的端部执行器的说明性示意图，其示意性地示出了部件之间的吸引磁力；
图11示出了图9的端部执行器系统的说明性示意图，其中连接的部件示出了通过其中的真空；
图12示出了图9的端部执行器系统的说明性示意图，其中真空接合物体；
图13示出了图9的端部执行器系统的说明性示意图，示出了克服真空力的移除力；
图14示出了根据另一个实施例的端部执行器系统的说明性示意图，该端部执行器系统包括电磁体；
图15A和15B示出了图14的端部执行器系统的性侧视图，其中部件被连接(图15A)以及部件未被连接(图15B)；
图16是根据本发明的实施例的端部执行器工具交换设备的示意图，该端部执行器工具交换设备包括辊；
图17A-17D示出了包括多个端部执行器工具交换设备的端部执行器交换系统的说明性示意图，其中，第一端部执行器工具被第一交换设备接纳(图17A)、第一端部执行器工具与端部执行器脱开(图17B)、然后端部执行器接合第二端部执行器工具(图17C)、然后端部执行器联接到第二端部执行器工具(图17D)；
图18示出了根据本发明另一实施例的端部执行器交换设备的示意图，该端部执行器交换设备涉及接合轮组。
图19A-19D示出了根据本发明的另一实施例的包括多个端部执行器交换设备的端部执行器交换系统的说明性示意图，其中，第一端部执行器工具接近第一交换设备(图19A)、第一端部执行器工具由交换系统接合(图19B)、端部执行器工具与端部执行器脱开(图19C)、并且端部执行器工具与端部执行器完全脱开(图19D)；
图20A和20B示出了根据本发明的另一实施例的包括多个端部执行器交换设备的端部执行器交换系统的说明性示意图，其中，具有第一端部执行器工具的端部执行器接近它从其脱开的第一交换设备(图20A)，并且端部执行器随后接合第二端部执行器工具(图20B)；
图21示出了根据本发明另一实施例的端部执行器交换设备的说明性示意图，该端部执行器交换设备涉及端部执行器的非线性运动；
图22A-22D示出了根据本发明的另一实施例的包括多个端部执行器交换设备的端部执行器交换系统的说明性示意图，该系统涉及单个交换设备，其中，第一端部执行器工具接近第一交换设备(图22A)、第一端部执行器工具由交换系统接合(图22B)、端部执行器工具与端部执行器脱开(图22C)、并且端部执行器工具与端部执行器完全脱开(图22D)；
图23A-23D示出了根据本发明的又一实施例的包括多个端部执行器交换设备的端部执行器交换系统的说明性示意图，该系统涉及单个轨道、单个交换设备，其中，第一端部执行器工具接近第一交换设备(图23A)、第一端部执行器工具由交换系统接合(图23B)、端部执行器工具与端部执行器脱开(图23C)、并且端部执行器工具与端部执行器完全脱开(图23D)；
图24A和24B示出了包括端部执行器推进机构的端部执行器交换系统的部分的说明性示意图；
图25A示出了端部执行器的说明性示意图，该端部执行器包括用于附连到端部执行器工具的非磁性联接件；
图25B示出了图25A的端部执行器的说明性示意侧视图；
图25C示出了联接到端部执行器工具的图25A和图25B的端部执行器的说明性侧剖视图；
图26A示出了包括非磁性联接件的端部执行器的说明性示意图，该端部执行器包括用于附连到端部执行器工具的球窝中的球；
图26B示出了图26A的端部执行器的说明性示意侧视图；
图26C示出了联接到端部执行器工具的图26A和图26B的端部执行器的说明性侧剖视图；
图27A示出了端部执行器的说明性示意图，该端部执行器包括用于附连到端部执行器工具的非磁性摩擦配合联接件；
图27B示出了图27A的端部执行器的说明性示意侧视图；
图27C示出了联接到端部执行器工具的图27A和图27B的端部执行器的说明性侧剖视图；
图28示出了端部执行器系统的说明性示意图，该端部执行器系统包括连接到端部执行器工具的附连机构；
图29A-29D示出了图28的端部执行器和工具的说明性侧视图，其接近(图29A)端部执行器工具交换系统并且进入(图29B)端部执行器工具交换系统、使端部执行器工具脱开(图29C)并将端部执行器工具留在端部执行器工具交换系统中(图29D)；
图30A-30D示出了图28的端部执行器的说明性侧视图，其接近(图30A)端部执行器工具交换系统并接合(图30B)端部执行器工具、联接到端部执行器工具(图30C)并将执行器工具交换系统留在(图30D)端部执行器工具中；
图31示出了根据本发明的另一实施例的接合支架的端部执行器系统的说明性示意图；
图32示出了图31的端部执行器系统的说明性示意侧视图；
图33A-33E示出了图31的端部执行器系统的说明性性侧视图，该系统使用支架来脱开端部执行器工具，其中，端部执行器和工具接近支架(图33A)、接合支架(图33B)、开始脱开工具(图33C)、进一步脱开工具(图33D)、以及与工具分离(图33E)；
图34A-34E示出了图31的端部执行器系统的说明性性侧视图，该系统使用支架来接合端部执行器工具，其中，端部执行器接近被托架保持的工具(图34A)、开始接合该工具(图34B)、进一步接合工具(图34C)、完全接合工具(图34D)，以及从支架上带走附连的工具(图34E)；
图35示出了图31的端部执行器系统的说明性侧剖视图，示出了插入深度；
图36示出了根据本发明另一实施例的端部执行器系统的说明性示意图，该端部执行器系统包括分离的端部执行器和具有旋转接合/脱开交换系统的工具；
图37示出了图36的端部执行器系统的说明性示意图，该端部执行器系统包括通过旋转接合/脱开交换系统联接在一起的端部执行器和工具；
图38示出了图36的系统的说明性侧视图；
图39示出了图37的系统的说明性侧视图；
图40A-40F示出了端部执行器和工具的说明性示意图，其接近图36的交换系统(图40A)、最初接合交换系统(图40B)、进一步接合交换系统(图40C)、开始将端部执行器工具与端部执行器分离(图40D)、进一步将端部执行器工具与端部执行器分离(图40E)以及示出与端部执行器分离的端部执行器工具；
图41A-41E示出了端部执行器和工具的说明性俯视图，其接近图36的交换系统(图41A)、最初接合交换系统(图41B)、进一步接合交换系统(图41C)、开始将端部执行器工具与端部执行器分离(图41D)、进一步将端部执行器工具与端部执行器分离(图41E)以及示出与端部执行器分离的端部执行器工具；
图42A-42E示出了端部执行器和工具的说明性侧视图，其接近图36的交换系统(图42A)、最初接合交换系统(图42B)、进一步接合交换系统(图42C)、开始将端部执行器工具与端部执行器分离(图42D)、进一步将端部执行器工具与端部执行器分离(图42E)以及示出与端部执行器分离的端部执行器工具；
图43示出了根据本发明实施例的包括端部执行器系统的可编程运动系统的说明性俯视图；
图44A和44B示出了根据本发明的实施例的端部执行器工具交换系统的说明性示意图，该系统包括多个交换装置，其中端部执行器接近第一工具(图44A)并且离开不同的第二工具(图44B)；
图45示出了与端部执行器的旋转移动一起使用的端部执行器交换系统的说明性示意图；以及
图46示出了图45的端部执行器交换系统的说明性性侧视图，示出了端部执行器的旋转运动。
示出的附图仅用于说明目的。
具体实施方式
申请人已经发现，在许多应用中，工具要比在某些精密制造的可编程运动系统上使用的工具简单和轻便得多，并且此外，在这样的其它应用中，可以放松对工具更换器的要求。例如，在诸如处理运输或电子商务订单履行的项目之类的某些物流应用中，可能有必要将真空杯从一种尺寸更换为另一种尺寸。典型的真空杯除了真空外，不需要电气、气动或液压通道。此外，安装的精度不需要很高。即使在制造应用中，在某些情况下，待交换的工具也很简单，并且放宽了对工具更换器的要求。
在可编程运动设备中，有时需要在处理期间(在移动物体之间)更换端部执行器工具。更换端部执行器工具的过程通常可以涉及(参照图1A)将包含工具12的可编程运动设备的端部执行器10朝向存储区域14移动。存储区域14还可以包括另一个工具16，该工具可以代替端部工具12被取回，如图1B所示。然而，将工具12更换为工具16的过程可能需要大量步骤。
例如(并且参考图2A-2E)，该过程可以涉及至少在如图2A中以A大致示出的第一方向上移动包含附连工具12的执行器的附连部分10。一旦第一工具12从执行器的附连部分10释放，该过程随后可涉及在如图2B中以B大致示出的第二方向上移动执行器的附连部分10。然后，该过程可以涉及在如图2C中以C和D大致示出的至少两个另外的方向上移动执行器的附连部分10。最后，该过程可能涉及再次更换方向，并在如图2D中以E大致示出的方向上移动执行器的附连部分10，直到该附连部分10到达其准备好用于进一步处理的位置。
因此，这种典型的工具更换运动涉及拆卸工具12的精细的竖直进出运动，以及安装工具16的进一步的精细的竖直进出运动。每个精细运动都包括反转，并且还有安装和拆卸运动之间的进一步的反转，因此该过程涉及多次反转和精细运动，导致非常耗时的操作。这种布置是典型的，但不是普遍的。在某些情况下，接近的运动可能是水平的，而离开的运动可能是竖直的，反之亦然。即使这样的移动不是反转的，它也存在同样的问题。该路径包括尖角，只能通过停止或接近停止来产生该尖角，这是费时的精细运动。
参照图2A-2E描述的上述过程不仅涉及许多方向更换以及精细运动控制，该过程还涉及使工具12和工具16从执行器的附连部分10分离/接合到该附连部分10的许多步骤，以及接合到存储区域14/从存储区域14分离的许多步骤，同时执行器停止。例如，如图2B所示，工具12必须从附连部分10脱开，并由存储区域14接合。与图2D中所示，该过程还可以涉及使工具16与存储区域14脱开并且通过执行器的附连部分10接合工具16。
因此，改变可编程运动设备的执行器的工具的过程涉及执行器的方向的许多更改，以及工具12、16从执行器的附连部分10和存储区域14脱开以及接合到附连部分10和存储区域14的许多复杂的精细控制接合和脱开步骤。
根据本发明的各个实施例(并且参考图3A和3B)的交换系统可以例如与可编程运动系统一起使用，该可编程运动系统用于移动物体以进行处理，比如分类和订单履行。交换系统50包括交换设备52，该交换设备52可以包含端部执行器工具54。当可编程运动设备的执行器56的附连部分在如图3A中的F所示的方向上移动时，附连到执行器56的附连部分的端部执行器工具58将与执行器的附连部分脱开，并且在其位置中，端部执行器工具54将如图3B所示附连到附连部分执行器56，而同时附连部分在F所示的方向上移动。在各种实施例中，该移动可以是线性的和/或可以是连续的。如图3A和3B所示，执行器移动通过串联成对保持器。随着它通过第一半，拆卸当前工具58。随着它通过第二半，安装新工具54。
在各种实施例中，本发明总体上提供了一组机构和方法，以实现工具的快速交换。先前的工具交换设备需要可编程运动设备进行至少两个精细运动，即缓慢运动和精确运动。第一精细运动接近保持器并卸下当前工具。第二精细运动接近并安装期望的工具。
本发明消除了可编程运动设备的精细运动。替代地，包括执行器的可编程运动设备保持基本均匀的运动，并且随着其由保持器飞越，相对于执行器完成工具卸载和工具安装运动。术语“工具”是指系统中要交换的可移动部分。术语“执行器”是指工具安装在其上的可编程运动设备的远侧链接部。术语“保持器”是指保持工具并促进工具交换过程的机构。术语“机架”是指布置为单元的若干保持器，用于保持各种工具以供可编程运动设备选择。
本发明的某些实施例的多种工具和交换系统可以与多种可编程运动设备一起使用，这些可编程运动设备用于多种目的，比如，物体订单的履行或用于材料处理和运输的物体分类。
本发明的工具更换系统可以与各种各样的可编程运动系统和应用一起使用。本文公开的系统和应用绝不限制可以从本发明中受益的系统和应用。例如，在诸如订单履行之类的应用中，物体被收集到异类组中，并且需要被处理成适当的分组。特别地，需要识别各个物体(例如，通过感知系统)，然后将其路由到物体特定的位置。所描述的系统通过采用机器人臂和通用抓持系统，可靠地自动抓持和移动此类物体。感知单元(例如摄像机或扫描仪)可以寻找诸如标记之类的各种代码，例如条形码、QR码、射频标签、库存单位(SKU)码、通用包裹码(UPC)、低波长IR(LWIR)以及不可见的条形码和诸如Digimarc DWCode之类的数字水印等。例如，用于订单履行的分类是用于从异类物体流中自动识别物体的一种应用。条形码扫描仪具有用途广泛，包括识别商品的库存单位或跟踪包裹。
这样的订单履行系统结合机器人拾取和放置系统，并且特别是抓持和携带物体的步骤，使部分分类过程自动化。诸如机器人臂之类的可编程运动设备例如从箱子中拾取物体，将该物体放置在扫描仪的前面(或将物体放入扫描仪中)，然后，已经从该物体获取标识信息(比如条形码、QR码、UPC码、其它识别码、从物体上的标签读取的信息、或者尺寸、重量和/或形状信息)，通过移动物体本身或将物体放置在输送系统中或输送系统上，将物体朝向适当的箱子或货架路由。由于某些扫描仪采用摄像机或激光仪来扫描印在附于物体的标签上的一维或二维符号，条形码对于扫描器的传感器必须是可见的，以便成功扫描，以便自动识别异类的任意物体流中的物品，如在箱子中发现的一组混乱物体中的物品。本发明的抓持系统的其它应用包括针对各种应用的分类，包括订单履行、用于运输的物体的收集以及用于库存目的的物体的收集等。
一个重要方面是能够通过使用诸如机械人臂之类可编程运动设备识别物体的标识或邮寄信息(比如条形码、QR码、UPC码、其它标识码、从物体上的标签读取的信息或尺寸、重量和/或形状信息)的能力，以便拾取单个物体并将它们放置在一个或多个扫描仪的前面，或者将物体投入或放置到扫描仪中。根据其它实施例，可编程运动设备可以包括平行臂机器人(Delta型臂)或线性分度拾取和放置系统。例如，某些常规的扫描系统可能无法看到以不暴露或不可见此信息的方式呈现的物体上的标签或条形码。本发明的工具更换系统可以与诸如铰接臂、平行臂机器人(Delta型臂)或线性分度拾取和放置系统之类的可编程运动设备一起使用。
图4示出了包括本发明的工具更换系统的自动化处理系统的重要部件。图4示出了包括铰接臂62的可编程运动系统60，该铰接臂62包括具有工具72的端部执行器64和铰接部段66、68和20。端部执行器64能够接近工具更换系统52，并且本发明规定端部执行器可以通过移动通过工具更换系统52来将工具72更换为例如73的另一工具，如下面更详细讨论的。
通常，铰接臂62从诸如输送器22之类的输入区域中选择在输送器22上的箱中或者在输送器本身上的物体。立架24包括从输送器22上方朝向输送器引导的附连的感知单元26。感知单元26可以包括例如2D或3D摄像机，或诸如激光反射率扫描仪的扫描仪、或其它类型的条形码读取器或射频ID扫描仪。感知单元26定位成获取关于设置在输送器22上或在输送器22上的箱中的物体的感知数据。基于感知数据，系统60确定物体中的一个或多个抓持位置，并且引导在铰接臂62上的端部执行器64以抓持物体。
可以将由感知单元26拍摄的图像显示在触摸输入屏幕28上，使得环境中的人可以与系统60交互，例如，通过确认、拒绝或建议物体上可能的抓持位置，系统60基于该位置可以进行关于物体的机器学习(例如，在处理器34中)。例如，图5示出了输送器22上的箱子48中的物体40-47。与每个物体相关联的是夹持器可以用来抓持物体的可能的抓持位置和取向。尽管某些抓持位置49是好的，但是诸如59之类的其它抓持位置则由于各种原因而不是好的抓持位置，比如，该物体当前被其它物体阻挡。在有提示或没有提示的情况下，人员可以通过交互式触摸输入屏幕输入提议有关系统建议的抓持位置好、系统建议的抓持位置不好和/或系统不建议的抓持位置的信息。
系统60设置成当铰接臂62的端部执行器64已经抓持物体时，端部执行器64可以将物体呈现给感知工位29。如图6进一步所示，感知工位29包括多个光源31(例如LED或荧光灯、磷光灯或白炽灯)，以及多个感知单元33(例如扫描仪或摄像机)，用于读取条形码、射频标签、库存单位(SKU)码、通用包裹码(UPC)、低波长IR(LWIR)信息或不可见的条形码和数字水印。尽管感知单元26在抓持计划时可能已经检测到任何这种标签或码，如果该标签或码面向感知单元26的话，但当端部执行器64将物体定位在感知工位29内时，感知工位29处的其它感知单元33提供物体的所有剩余侧部的视图。
识别出码或标记后，处理系统34然后提取有关物体的路由信息，然后铰接臂62使用端部执行器64将物体移动到一排分类位置30的适当位置32。端部执行器64还包括用于接触和抓持物体的获取单元工具72(比如例如真空杯的真空单元)。在实施例中，获取单元工具72可以呈柔性波纹管的形式，并且可以包括附连到端部执行器64的真空管线80，用于在柔性波纹管的口处提供真空源。
如图7和8进一步所示，获取单元工具72联接到管道84，其另一端82联接到真空管线80(如图4所示)。管道84适于相对少量地线性地滑入和滑出端部执行器基座85。端部执行器64通过管道将真空提供给获取单元工具72。端部执行器64经由包括阻尼臂92的联接机构90附连到铰接臂。可滑动锚固件94附连到管道84，使得随着管道84滑入和滑出端部执行器基座85，锚固件沿着轨道96移动。当锚固件94(和管道84)朝向基座85移动时，上部弹簧87被压缩，然后锚固件94远离基座85移动，下部弹簧89被压缩。从而，端部执行器64允许端部获取单元工具72在任一方向上抵抗弹簧力朝向和远离基座85移动，以适应在使用期间施加到获取单元工具72的轴向力。联接机构90包括用于联接到机器人臂的附连板95。联接机构还可以包括用于监控获取单元工具72上的负载力的低轮廓负载板。
为此，系统60除了端部执行器工具72之外，还可以设有适合于抓持不同的物体的多个端部执行器工具。在某些实施例中，端部执行器工具是提供真空通过其中的通路的真空杯。作为示例，不同的端部执行器可以各自具有不同的尺寸，并且适合于抓持具有不同尺寸的平坦区域的不同物体(用于抓持)。
因此，根据某些实施例，本发明提供了包括动态端部执行器系统的可编程运动系统。动态端部执行器系统包括多个获取单元和联接装置。在可编程运动设备可接近的区域内的交换工位处提供了多个获取工具。联接装置用于将多个获取工具中的任意个联接到可编程运动设备的端部执行器，使得可以从交换工位自动选择任何获取工具，并且由可编程运动设备使用，而无需交换工位进行任何激活或致动，并且无需人工干预。虽然人工可以将新的致动工具放到交换系统中，然后可以通知系统哪个致动单元放置在系统中以及放置在何处，这不是必需的。该系统可以最初设置为使得该系统被编程为知道哪些致动工具在哪个位置开始(然后经由交换跟踪任何运动)。在其它实施例中，真空杯工具可具有可由交换工位或端部执行器检测到的独特的物理或磁性特征。因此，可编程运动系统可以处理物体，并且在移动物体之间，系统可以根据需要快速且有效地与新的端部执行器工具交换当前的端部执行器工具。
本发明的某些实施例的系统规定诸如真空杯(例如，柔性波纹管型真空杯)之类的获取工具可以通过可编程的真空设备在使用期间与另一个真空杯交换，将高真空设计成流过该获取工具。特别地，并且参考图9，可以提供高流量真空以从基座110向上穿过开口108流过获取单元工具100。当联接到包括联接单元102(具有磁体104)、套环106和端部执行器112的管道的端部执行器时，通过端部执行器，尤其是通过管道112的内部114，保持高流量真空。再次，联接单元102通过使由磁体104产生的磁场将工具100的铁磁顶部116拉向联接单元104，使端部执行器112联接到工具100，使得当工具100与端部执行器112接合时，端部执行器的套环106接合在获取单元工具100的内部。在联接之前和之后，如图所示，允许高流量真空(Vh)流过这些单元。
经由磁体将不同的真空杯联接到端部执行器，也对提升动力学的限制较小。特别地，并且参考图10-13，附连到管道112的联接单元104通过磁场Fm被拉向真空杯100的铁磁顶部116，如图10所示。因为物体在提升时没有悬挂自真空杯(而是被真空Vh吸引)，所以磁场强度不是由抓持和提升的负荷决定。特别地，并且参照图11和图12，通过真空(例如，高流量真空)Vh的力来提升物体，该真空如上所述地流过真空杯100和管道112。用于抓持物体118的是真空Vh，如图12所示。虽然抓持不直接依赖于磁场Fm，如果物体118的重量(或由于加速度产生的有效移动力)与由真空力Vh产生的提升力紧密匹配，则磁场Fm的强度可能成为因素，以提升物体118。这是由于大气压力既施加到物体又施加到真空杯(并特别是施加到任何径向向外延伸的凸缘)，而杯子内部却存在真空。调节磁场强度可以使这种情况最小化。由于如图所示的真空杯的张开形状，因此存在大气压，该大气压用作使真空杯与端部执行器分离。只要磁性力足以平衡大气压、杯子惯性的重量和动态负载，那么如果物体的重量对于由真空力Vh产生的提升力来说太大，则该物体根本不会被提升。调节真空杯的形状还可以例如通过提供平行壁的杯子或包括朝向物体接合表面径向向内倾斜的壁的杯子来帮助使其最小化。
根据本发明的其它实施例，可能期望设计真空杯，使得在试图提升太大的重量的情况下，真空杯与物体之间的任何密封都会受到损害(保护磁性联接器不受到破坏或保护铰接臂不会超载)。这样的真空杯可能会例如，允许杯子的一些部分打开或以其它方式打开杯子和物体之间的密封，从而从真空杯释放物体。
根据一实施例，本发明提供一种涉及使用电磁体或其它致动器的线性拆卸运动，其提供了原动力，从而允许执行器或保持器中的其它机械元件约束工具运动。在图14中示出了另一实施例，该实施例采用永磁体作为无动力的保持力，并结合了电磁体，该电磁体能够超过永磁体的磁场并释放工具。
特别地，图14、15A和15B以120示出了本发明的实施例，该实施例包括端部执行器122的附连部分，该端部执行器122包括电磁体124。系统120还包括工具126，该工具126包括永磁体128。由于磁体定位成在它们的接口处具有相反极性，因此，当电磁体被激励时，工具126保持牢固地抵靠执行器122(如图15A所示)，并且当电磁体未被激励时，工具126从执行器122释放(如图15B所示)。
在其它实施例中，工具126可以在电磁体未被激励的情况下保持牢固地抵靠执行器122(由于电磁体中的金属接合永磁体128)。此外，可以通过主动地反转电磁体的极性以将永磁体128和工具126推离执行器122来实现工具126的释放。
工具和端部执行器之间的磁性附件的使用可以与各种各样的工具交换系统一起使用。此外，存在若干可能的机制来产生期望的相对运动，比如机械约束、磁场和各种组合。最佳组合会因工具的性质、应用、以及将工具保持在执行器上的机构而改变，不管该机构是磁性的、卡口安装式的或一些其它类型。
例如，该工具可以包括诸如两组轮的突起，用于接合固定的交换保持器。例如，图16示出了交换系统130，该交换系统130包括具有成对开槽臂134的保持器132，并且每个开槽臂134均包括狭槽136。每个狭槽均包括狭槽开口以及较深的内部部段138，工具在放入该内部部段138中。特别地，包括附连有工具144的执行器142的夹持器组件140可包括在工具144上的辊(或轮子或引导件)146。当夹持器组件140定位在部段138上方时，如上所述，电磁体远离执行器142释放(或推动)工具144。然后，执行器142继续在臂134之间移动并移出交换系统130。
已经识别了许多方案来布置工具相对于执行器的期望运动。图17A-17D示出了一种方案，其中采用电磁体将工具放入交换工位或从交换工位取下工具。在另外的实施例中，如下所述，可以通过刚性地附连到保持器的活动部分来发生工具运动。
特别地，并且如图17A-17D所示，夹持器组件的执行器142与工具144一起移动。该移动(如以G所示)可以是线性的，并且可以是不连续的或者(较佳地)连续的。如图17A所示，可编程运动设备构造成将夹持器组件朝向交换系统130移动，以使轮子146(或引导件)对齐，以沿狭槽136上部的下侧行进。当执行器142在更深的内部部段138的上方时，电磁体将工具144从执行器142释放，并且工具142落下(如以H所示)，使得轮子(或引导件)146卡在狭槽136的下部上，如图17B所示。由此，工具142被执行器142脱开，而被交换工位132保持在脱开状态。
然后，执行器142继续在如以G所示的方向上移动，并且当执行器142定位在新工具164上方时，然后再次激励电磁体，并且工具164被拉向执行器142并沿着执行器142的行进方向被拉动。特别地，由于狭槽136的下侧在行进方向G上倾斜，因此工具144的上部的前缘升高(如图17C所示)，并在其前缘处接触执行器142。工具144的其余部分然后如以I所示的快速地与执行器142接合。工具144附连到执行器142，以用于如上所述的抓持目的，如图17D所示。
图18示出了根据本发明另一个实施例的另一个系统170。系统170包括交换设备172，该交换设备172包括成对开槽臂174，每个开槽臂174包括细长的狭槽176，狭槽的一个部段178向下弯曲。包括附连有工具184的执行器182的夹持器组件180包括在工具184上的辊(或轮子或引导件)186。当夹持器组件180使工具184在如以J示出的方向上移动通过交换设备172时，辊186进入狭槽176并由狭槽176引导。当辊186被引导通过弯曲部段178时，工具184被从执行器182拉开。然后，执行器182继续在臂174之间移动并移出交换系统170。
再次，该工具具有两对引导轮，它们与保持器上的弯曲狭槽接合。保持器是固定的。随着执行器移动通过保持器，弯曲狭槽迫使工具向下倾斜，从而将其从执行器释放。安装工具的运动将是相反的。可以提供其它机构，以确保工具完成其行程并从执行器干净利落地释放。在图19A-19D中更详细地示出了该实施例。在这种方案中，工具的分离通过与保持器接触来迫使，但是保持器是不动的。
特别地，图19A示出了夹持器组件在方向J上朝向交换设备172移动，使得轮子186与交换设备172的开槽臂174的狭槽176对准。图19B示出了夹持器组件轮186进入狭槽176中。如图19C所示，当轮子186被弯曲部段178向下拉时，工具184被拉离执行器182。如图19D所示，执行器182继续在方向J上移动，并且此后没有工具184，该工具184保留在交换设备172中。
尽管可以通过机械联接件来提供某些工具和执行器附件(如下文参考图25A-30D所述)，但在磁性联接件的情况下，保持器施加的磁场会将工具从执行器拉开，随着执行器继续前进，其保留在执行器正下方的固定装置中。安装操作使用相反的运动，并且磁场用于将工具和/或执行器拉向彼此。磁场是由永磁体和电磁体的组合产生的，永磁体和电磁体中的任何一个都可以安装在工具、执行器或保持器上，如图14所示的实施例中那样。磁分流器也可以与永磁体组合使用。
通过在相反的方向上移动执行器，可以实现将工具安装到执行器上。特别地，并且参考图20A和20B，夹持器组件180在如以J所示的方向上移动，并且随着夹持器组件移动通过交换设备172，工具184被从执行器182移除(如图20A所示)，并且如上所述保留在交换设备172中(如图20B所示)。还如图20A所示，包括另一个交换设备192的另一个交换系统190可以邻近交换设备172定位，使得执行器182将朝向另一个工具204移动，该工具定位在交换设备192的开槽臂194的狭槽196内。参考图20B，当执行器182在工具204上方移动时，工具204被拉到执行器204(由于上面讨论的其中采用磁性联接件的任意磁性附连过程)。尽管执行器182的运动在一些实施例中是连续的，但是在其它实施例中其不必是线性的。
例如，图21示出了系统198，其中夹持器组件180在如以J所示的方向上移动，并且随着夹持器组件移动通过交换设备172，工具184被从执行器182移除(如图20A所示)，并且如上所述保留在交换设备172中。然而，在系统198中，执行器182可以如以K所示那样反转方向(而不停止)，并朝向交换设备192引导。随着执行器182然后在如以L所示的方向上行进通过交换设备192(如上所述)，执行器182将接合工具204并附连到工具204(如上所述)。
分开的单元132、152、172、192的使用允许不同的工具(和单元)在处理期间动态地彼此相邻地组装。这允许人们可以使用新的工具(和单元)，从而使可编程运动系统能够选择新制的可用单元。单元还可以例如通过锁188可释放地固定在它们各自的位置，该锁可以用在任意上面和下面公开的系统中。还可以采用系统来跟踪和识别哪些单元(和工具)位于各种交换位置中的哪个位置中。
总而言之，本文讨论的实施例示出了若干方案：第一方案，其中保持器是固定的，但仍机械地接合工具；第二方案，其中通过磁场迫使工具远离执行器；以及第三方案(如下所述)，其中保持器的活动元件机械地接合工具。这些方案的组合也是可能的。例如，可以采用磁场来促进或致动方案一或方案二的运动，并且交换设备可以采用工具装载和卸载方案的任何组合。本发明的系统的有效性部分地取决于保持器如何组合到机架中以及机架如何放置在工作空间中，以最小化与更换工具相关的延迟。
图22A-22D示出了串联布置并安装在单个交换设备上的成对工具保持器，以便全部在一次运动中拆卸一个工具并安装另一个工具。执行器212带有安装在其上的工具214到达，而带有安装在其上的工具224离开。特别地，系统200涉及夹持器组件210，该夹持器组件在如图22A所示的以M所示的方向上移动，并且随着夹持器组件移动通过交换设备202，工具214从执行器212移除(如图22B所示)，并如上所述保留在交换设备202中(如图22C所示)。如图22D进一步所示，交换设备202的另一部分包括在狭槽206的弯曲部分208中的另一个工具224，该工具由轮子226悬挂，使得随着执行器212朝向定位在开槽臂204的狭槽206内的工具224移动(如图22C所示)，执行器212接合并拾取工具224(如图22D所示)。到执行器212的附连是由于以上讨论的任何磁性附连过程，或者是通过以下讨论的机械附连过程。该串联对布置(以及先前关于图17A-17D、20A和20B所讨论的系统)提供了图3A和3B所示的功能。在许多情况下，这将是理想的布置，不需要通过执行器的反转运动。
图23A-23D示出了系统230，该系统涉及夹持器组件240，该夹持器组件在如图23A所示的以M所示的方向上移动，并且随着夹持器组件移动通过交换设备232，工具214从执行器242移除(如图22B所示)，并如上所述保留在交换设备232中(如图22C所示)。如图23D进一步所示，交换设备232的另一部分包括在狭槽238的弯曲部分236中的另一个工具256，该工具由轮子254悬挂，使得随着执行器242朝向定位在开槽臂236的狭槽234内的工具254移动(如图23C所示)，执行器242接合并拾取工具254(如图23D所示)。到执行器242的附连是由于以上讨论的任何磁性附连过程，或者是通过以下讨论的机械附连过程。该串联对布置(以及先前关于图17A-17D、20A、20B和22A-22D所讨论的系统)提供了图3A和3B所示的功能。
再次，在某些应用中，执行器可能需要在更换工具后返回到其原始姿势，因此无论如何都需要反转运动。在那种情况下，两个保持器可以平行安装，在拆卸和安装之间会发生反转，如图21所示。可以将类似的布置竖直安装，其中，对于某些应用，可能更适合工作空间约束以及可编程运动设备的较佳运动。
上面讨论的零反转实施例非常适合于在相反的方向上发生连续的工具更换的任务，这可以描述为往复任务运动。例如，如果机器人在工作区A和工作区B之间移动，而工作区A需要工具A，工作区B需要工具B，则可以将机架放置在两个工作区之间，并且每次工具更换将是笔直的运动。
然而，在其它应用中，可能希望使每个工具更换都在相同方向上发生，例如，总是在从工作区A到达工作区B时发生。上述某些实施例可能不支持这种情况。一半的工具更换将需要进行成对反转，以使执行器以正确的方向飞过机架。在某些应用中，图22A-22D的交换设备202和图23A-23D的交换设备232可构造成绕着它们的中心沿竖直轴线旋转。在其它应用中，工具本身可以从交换设备的一侧移动到另一侧。
例如，图24A和24B示出了允许所有工具交换运动在相同方向上发生的实施例。它类似于上述的串联成对保持器，除了在工具交换过程完成之后，使保持的工具从后保持器前进到前保持器。图24A示出了可能的前进机构，该前进机构涉及连杆机构250。特别地，连杆机构250包括L形杆252，该L形杆252联接到成对旋转的连杆构件254，该成对旋转的连杆构件254使L形杆252抵靠工具244的轮子246以便将工具244从交换设备232的前弯曲部分移动到交换设备232的后弯曲部分。
根据本发明的各种实施例的系统可以包括如上所述和如下所述的工具到端部执行器的磁性联接，或工具到端部执行器的机械联接。例如，图25A-25C和26A-26C以及27A-27C示出了采用机械联接件的本发明的三个不同实施例。图25A、26A和27A示出了脱离的部件的立体图，图25B、26B和27B示出了脱离的部件的侧视图，图25C、26C和27C示出了脱离的部件的侧剖视图。
图25A-25B示出了使用接合弯曲表面的保持夹的实施例。特别地，执行器260可以包括向内弯曲的表面264，该向内的弯曲的表面264可以接合工具262上的多个弯曲的保持夹266。工具262还可以具有安装表面268，捕获机构可以附连在安装表面268上，如下面进一步讨论的那样。根据另外的实施例，执行器260可以包括保持夹，并且工具262可以包括弯曲表面，保持夹可以抵靠该弯曲表面接合。
图26A-26C示出了使用接合弯曲表面的弹簧偏置球的实施例。特别地，执行器270可以包括向内弯曲的表面274，该向内弯曲的表面274可以接合工具272上的多个位置偏置球276(例如，由弹簧277偏置)。工具272还可以具有安装表面278，捕获机构可以附连在安装表面268上，如下面进一步讨论的那样。根据另外的实施例，执行器270可以包括位置偏置球，并且工具272可以包括弯曲表面，位置偏置球可以抵靠该弯曲表面接合。
图27A-27C示出了使用执行器260与工具262之间的摩擦配合的实施例。特别地，执行器280可以包括内壁284，该内壁284设计成接合工具282上的柔性密封件286。特别地，内壁284具有的直径可以稍小于柔性密封件286的外径。执行器280和工具282的套环部分287可以由诸如金属的刚性材料形成，并且密封件286可以由诸如塑料之类的柔性材料形成，该柔性材料刚好足以顺应内壁284并形成密封件。工具282还可以具有安装表面288，捕获机构可以附连在安装表面268上，如下面进一步讨论的那样。根据另外的实施例，执行器280可以包括柔性密封件，并且工具282可以包括内表面，密封件可以抵靠该内表面接合。
图28示出了图25A-25C的执行器260和工具262，其中附连机构290附连到工具262。附连机构290包括可在轴上自由旋转的多个(例如，四个)辊292。附连机构可以附连到工具262、272、282的安装表面268、278、288中的任一个；为了说明的目的，在图28-30D中示出了附连机构。
图29A-29D示出了与工具262脱开的执行器260。特别地，图29A示出了执行器260，其中附连的工具262接近类似于图21的交换设备的交换设备295，其中，该交换设备包括成对开槽臂296，每个开槽臂294包括具有向下倾斜部分298的狭槽294(图29A-29D中示出了一个这样的臂)。执行器260在如以L1所示的方向上移动(图29A)，并且附连机构290上的辊292接合在开槽臂296的狭槽294中(图29B)。执行器260继续在线性方向L1上移动，随着工具进入向下倾斜部分298，工具262从执行器260脱开(图29C)。执行器260仍继续在线性方向L1上移动，并且工具262保持在狭槽294的部分298内(图29D)。
通常可以通过反转方向来提供将不同的执行器261附连到工具262(或将执行器260附连到不同的工具)的过程。特别地，图30A示出了执行器261在如以L2所示的线性方向上接近交换设备296。交换设备295可以或者被转向(来自图29A-29D)，或者方向L2可以与方向L1相反。然后，执行器261接合工具262(图30B)，并且在附连到工具262的同时继续在方向L2上移动(图30C)。然后，执行器261仍在方向L2上移动的同时离开交换设备296，其中该工具262附连到执行器261(图30D)。因此，执行器可以在线性方向上连续移动的同时接合工具，并且可以在线性方向上连续移动的同时脱开工具。
本发明的某些实施例的重要部件是保持器的机构，该机构接合工具并安装或拆卸工具。图31-34E所示的另外的实施例使用具有腰部(以W示出)的工具304，该腰部接合是保持器的部分的支架312。图31以斜视图示出了工具304和支架312。图32以侧视图示出了工具304和支架312。工具304是安装在圆柱体上的真空杯，其腰部308环绕圆柱体。工具304具有止动凹槽308，其接合支架312上的止动球307。在图31中，支架312是水平的，如同止动球307将要接合凹槽308。在图32中，支架312倾斜并且止动球307已经安置到止动凹槽308中。支架312包括其上设置有止动球307的臂部306，以及支架辊310，随着工具朝支架312移动，该支架辊310接合腰部W。
在工具拆卸过程期间，约束支架的运动以迫使阶段，如图33A-33E所示。首先，工具304滑入支架中(如图33A所示)，通过被动的悬挂机构进行小的校正运动。支架辊310安置到腰部中(如图33B所示)。随着执行器302和工具304继续向前，支架312围绕支架枢轴314枢转，并且支架的臂部306围绕支架辊310枢转，直到止动球307接合止动凹槽308(如图33C所示)，使支架牢固地附连到工具304。随着执行器302继续在直线上移动(如以P所示)，支架312和工具304作为联接的单元移动，围绕支架枢轴314枢转(如以R所示)，工具304的后缘与执行器302接触(如图33D所示)。最后，支架312达到其行程的极限，并且工具304已经倾斜到执行器304继续在方向P上行进的程度，同时工具仍留在保持器中(如图33A-33D所示)。
工具安装过程仅与该运动相反。例如，图34A-34E示出了执行器302朝向新工具324移动(如图34A所示)，接合工具324的前边缘(如图34B所示)，然后使支架312围绕支架枢轴314旋转(如图34C和34D中以R所示)。然后，工具324的向前运动P的力迫使止动球307从凹槽308释放，并且臂部306绕支架辊310枢转(如图34D所示)，以从支架312释放工具324。然后，执行器302继续在方向P上移动，带有附连到其上的新工具324(如图34E所示)。
通常重要的是工具和执行器之间的接触力要小，以利于执行器的平稳不间断的运动。在包括图31-34E所示的实施例的一些实施例中，同样重要的是，该机构确保工具和执行器之间的正接触力，以确保支架的完整行程和工具的干净利落的释放。所有这些都可以通过调整设计参数以及通过被动或主动元件来解决。所示的支架约束机构可以建模为两个四连杆机构，但是存在用于约束支架的运动的许多不同的设计。
以上讨论的许多实施例假定执行器在工具中的插入深度较浅。图35示出了其剖视图，其中执行器302的端部320(该端部进入工具304中)在外表面322上以半径r倒圆。令r比工具内径小一些余量。然后，如果执行器的倒角轮廓落在对中在图35中以Q所示的枢轴点处的直径r的圆内部，则保证了拆卸过程中的安装间隙。如上所述，浅插入设计的优点是该工具能够在拆卸过程中枢转离开执行器，并留在原处作为安装过程的目标。然而，在某些应用中，可能期望更深的插入，例如，对于不平衡的负载。
在图36-42F的系统400中，线性运动与沿着螺纹轴的旋转移动相结合，以将工具笔直地向上或向下拉出执行器，这在某些情况下可能是更合适的安装和拆卸动作。随着执行器在线性运动中飞越，这样的系统相对于执行器产生直线向上或向下的拉动运动。图36示出了保持器系统的某些元件的斜视图，其包括螺纹轴410和分开式叉架构件412、414。图38示出了如图36所示的系统400的侧视图，包括与工具404接合的执行器402。如下面参考图40A-40F、41A-41F和42A-42F进一步讨论的，随着执行器402沿着线性路径行进，分开式叉架构件412、414接合工具404，并且构件412、414与接合的工具一起旋转。特别地，一个叉架构件412沿着螺纹构件410的螺纹行进并且将工具404拉离执行器402。可变位置锁定构件416保持叉架构件414与叉架构件412对齐。如图37(斜视图)和图39(侧视图)所示，一个叉架构件412沿着螺纹构件410行进足够远，以将工具404抬离执行器402。工具404由此与执行器402分离。安装过程将需要相反的步骤。
图40A-40F是该过程的斜视图。图40A示出了联接到工具404的执行器402，并且图40F示出了执行器402。如图40B-40E所示，随着执行器402在线性运动中移动(如以S所示)，叉架构件412沿螺纹轴410旋转，以将工具404抬升远离执行器402，从而使执行器与工具脱开。
图41A-41F示出了图40A-40F所示的系统的俯视图，其中图41A示出了联接到工具404的执行器402，而图41F示出了与工具分离的执行器402。如在图41A-41F中可以看到的，执行器的运动(如以S所示)保持线性。再次，保持器采用了分开式叉架，并且顶部叉架412在螺纹轴410上枢转，从而其随着枢转而升高，而底部叉架的414运动是在水平面中的简单枢转。当执行器接合保持器时，随着执行器被分开式叉架飞越而被迫枢转，顶半部412向上抬升并迫使工具离开执行器，而底半部414接合执行器并帮助平衡抬升运动。图42A-42F示出了图40A-40F所示的系统的侧视图，其中图42A示出了联接到工具404的执行器402，而图42F示出了与工具分离的执行器402。如还在图42A-42F中可以看到的，执行器的运动(如以S所示)保持线性。
图43示出了根据本发明实施例的系统60的示意性抽象图，从上方示出了的部件的抽象表示以示出了部件的布局。系统60包括可编程运动设备62(比如机器人单元)，该可编程运动设备62包括用于抓持和移动物体的端部执行器72。可编程运动设备62上的端部执行器72可具有如以450总体示出的弧线的最远范围。在此范围450内，可编程运动设备62的端部执行器72可以到达目的箱30、可以到达感知工位29、可以到达输送器22和目的箱56、并且可以到达工具交换工位52。工具交换工位52可以是以上(或下面)的交换工位中的任何一个。该系统还可以包括如上所述的触摸输入屏幕23。该系统还设置成可编程运动设备可以识别箱子56中的物体(使用感知单元26或通过将物体移动到感知工位29)，从交换工位52选择合适的获取设备，从交换工位52获取所选择的获取设备，然后在箱子56中抓持识别的物体以移动到目的箱30。因此，该系统设置成可编程运动设备不仅可以接近要处理的物体和目的箱，而且也可以接近真空杯更换器工位，在该工位处可以基于由感知单元26或感知单元29检测到的物体识别信息在处理期间更换真空杯。
如果感知单元29识别出需要与当前附连到端部执行器的真空杯不同的真空杯的物体，则端部执行器可以将该物体放回箱子中，以便可以再次抓持该物体，但是通过新附连的获取设备。在某些实施例中，感知单元26可以充分地识别下一个物体，并且如果需要改变端部执行器上的真空杯，则系统可以将当前的真空杯交换为期望的真空杯，已知该期望的真空杯是用于抓持箱子56中识别出的物体的更好的获取单元。
该系统还可以试图识别出箱子56中的所有物体，可以将每个物体与最佳的真空杯相关联，然后可以在改变端部执行器上的真空杯之前试图一次一个地抓持与普通真空杯相关的每个物体。在这些实施例的每个中，系统本身识别需求以更换获取单元，然后在正常操作过程中自行改变获取单元。
图44A和44B示意性地示出了多个交换工位480(例如，以上公开的实施例中的任何一个)，其被定位成使得执行器482可以移动通过任何工位480，并且在连续或线性运动中将工具484(图44A)交换为另一工具486(图44B)。图44A和44B示出并排形成工具架的保持器的布置，以容纳若干工具的选择。所示的布置是串联成对的。如果期望的话，整个机架可以安装在一个转盘上，以适应工具更换运动的较佳方向。和/或可能致动整个机架，以将期望的保持器切换到执行器的计划路径中。
其它变型包括悬架机构，以允许在位置出现小变化时允许平滑的机械相互作用。进一步的变型将解决工具和执行器之间的可能的闩锁机构或止动机构，比如球形止动部和卡口安装部。
以上实施例已经使用了执行器的直线运动，但是本发明可以适应于其它期望的运动。图45和图46利用适应端部执行器的旋转运动的实施例示出了这一点。例如，图45示出了交换系统500，该交换系统500包括安装到基座506的成对保持臂部段508。工具504可以在腰部段510处保持在臂部段508之间，如图45所示。图46示出了随着执行器移动经过交换工位工具504如何通过旋转移动与执行器502分离的示意图。
特别地，工具的腰部510将被臂部段508接合，并且执行器的连续移动(如以T所示)将导致执行器502被从与工具504拉开的方式几乎与从执行器中拉出工具的方式或先前公开的实施例相同。这种运动可能适用于具有少的接头、不能形成直线的可编程运动设备，或者旋转运动比直线快的情况。该实施例以示意图形式示出。随着执行器绕在附图的顶部处示出的水平枢轴枢转，工具接合工具保持器，并被约束沿切线水平移动。如前面的实施例所示，存在接合和约束工具的运动的多种方式。
根据各种实施例，本发明提供一种工具交换机构，该工具交换机构包括执行器接口、工具接口和保持器机构，其中，执行器、工具和保持器的相互作用产生相对于连续移动的执行器的工具安装和拆卸运动。工具接口到执行器接口的联接可以是磁性的。工具接口到执行器接口的联接可以是机械的，比如通过球形止动部或卡口安装部。保持器可包括附连到工具的称为支架的活动件。支架的连接可以是机械的或磁性的。可以约束支架的运动，以产生工具的安装或拆卸运动。保持器可以包括接合工具的固定机械特征，并且机械特征可以约束工具的运动以产生安装或拆卸运动。保持器可以包括永久磁场，以便安装或拆卸工具，并且可以包括采用磁分流器、永磁体和/或电磁体的一些组合的切换磁场。该系统可以包括附加的活动件，该附加的活动件机械地接合执行器，同时抵抗用于拆卸工具的力支撑执行器。
根据一实施例，本发明可以提供成对串联布置的工具保持器机构，使得执行器的单次平滑运动将通过两个机构，从而拆卸一个工具并安装另一个工具。在另外的实施例中，两个或更多个工具保持器机构彼此相邻地布置，使得执行器可以选择性地穿过一个保持器以拆卸工具，然后转动并穿过另一个保持器以安装不同的工具。根据另外的实施例，一个或多个工具保持器机构可以被致动以旋转以适应执行器的期望的运动，或者一个或多个工具保持器机构被致动以将期望的工具或工具保持器呈现给执行器。根据另外的实施例，该系统可以包括将工具从一个保持器推进到另一保持器的附加机构。根据另外的实施例，工具和执行器可以设计成使得在安装时，一件以一定深度和轮廓插入另一件中，使得能够通过围绕接触点中的一个枢转来拆卸该工具，而不会产生碰撞。
在某些实施例中，可以将工具和执行器设计成使得当安装时，一件以一定深度和这种轮廓插入到另一件中，使不能通过围绕接触点中一个枢转而拆卸该工具，而必须基本上笔直地拉动。
本领域技术人员将意识到，可以对以上公开的实施例进行许多修改和变型，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (58)

1.一种在可编程运动设备上更换工具的方法，所述方法包括以下步骤：
在连续运动中移动可编程运动设备的端部执行器的附连部分；
在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，接合以下中的一个：
所述端部执行器的所述附连部分与所述工具，或者
附连到所述端部执行器的所述附连部分的所述工具与交换系统；
以及
在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，继续在所述连续运动中移动所述端部执行器的所述附连部分以改变所述端部执行器的所述附连部分的连接状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合步骤涉及使所述端部执行器的所述附连部分与所述工具接合，从而将所述工具附连到所述端部执行器的所述附连部分。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合步骤涉及使附连到所述端部执行器的所述附连部分的所述工具与所述交换系统接合，从而使所述工具与所述端部执行器的所述附连部分脱开。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是线性的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是弯曲的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交换系统包括在所述工具上的捕获特征，所述捕获特征接合所述交换系统上的控制特征。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的突起。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的至少一个凹部。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括所述交换设备上的导轨。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括在所述交换设备上的抓持机构。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述抓持机构接合所述工具上的至少一个凹部。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过旋转将所述工具与所述端部执行器的所述附连部分分离。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过线性运动将所述工具与所述端部执行器的所述附连部分分离。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具能通过磁性联接件附连到所述附连部分。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具能通过机械联接件附连到所述附连部分。
16.一种在可编程运动设备上交换工具的方法，所述方法包括以下步骤：
在连续运动中移动端部执行器的附连部分；
在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，将第一工具从所述端部执行器的所述附连部分移除；
以及
在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，将第二工具附连到所述端部执行器的所述附连部分。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，将附连到所述端部执行器的所述附连部分的所述第一工具与交换系统接合。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，将所述端部执行器的所述附连部分与在所述端部执行器的所述附连部分处的所述第二工具接合。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是线性的。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是圆形的。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述交换系统包括在所述工具上的捕获特征，所述捕获特征接合所述交换系统上的控制特征。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的突起。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的至少一个凹部。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括所述交换设备上的导轨。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括在所述交换设备上的抓持机构。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述抓持机构接合所述工具上的至少一个凹部。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过旋转将所述工具与所述附连部分分离。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过线性运动将所述工具与所述附连部分分离。
29.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述工具能通过磁性联接件附连到所述附连部分。
30.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述工具能通过机械联接件附连到所述附连部分。
31.一种在可编程运动设备上更换工具的方法，所述方法包括以下步骤：
在线性运动中移动所述可编程运动设备的端部执行器的附连部分；
在所述端部执行器的所述附连部分在所述线性运动中移动的同时，接合以下中的一个：
所述端部执行器的所述附连部分与所述工具，或者
附连到所述端部执行器的所述附连部分的所述工具与交换系统；
以及
在所述端部执行器的所述附连部分在所述线性运动中移动的同时，继续在所述线性运动中移动所述端部执行器的所述附连部分以改变所述端部执行器的所述附连部分的连接状态。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述接合步骤涉及使所述端部执行器的所述附连部分与所述工具接合，从而将所述工具附连到所述端部执行器的所述附连部分。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述接合步骤涉及使附连到所述端部执行器的所述附连部分的所述工具与所述交换系统接合，从而使所述工具与所述端部执行器的所述附连部分脱开。
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述交换系统包括在所述工具上的捕获特征，所述捕获特征接合所述交换系统上的控制特征。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的突起。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的至少一个凹部。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括所述交换设备上的导轨。
38.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述控制特征包括在所述交换设备上的抓持机构。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述抓持机构接合所述工具上的至少一个凹部。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过旋转将所述工具与所述附连部分分离。
41.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述抓持机构通过线性运动将所述工具与所述附连部分分离。
42.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述工具能通过磁性联接件附连到所述附连部分。
43.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述工具能通过机械联接件附连到所述附连部分。
44.一种用于在可编程运动设备上更换工具的系统，所述系统包括接合装置，所述接合装置用于在连续运动中移动所述可编程运动设备的端部执行器的附连部分，并且在所述附连部分移动的同时，使所述工具与所述端部执行器的附连部分之一或者交换工位接合，从而在所述端部执行器的所述附连部分在所述连续运动中移动的同时，改变所述端部执行器的所述附连部分的连接状态。
45.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是线性的。
46.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述端部执行器的所述附连部分的所述连续运动是圆形的。
47.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述交换系统包括在所述工具上的捕获特征，所述捕获特征接合所述交换系统上的控制特征。
48.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的突起。
49.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述捕获特征包括在所述工具上的至少一个凹部。
50.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述控制特征包括所述交换设备上的导轨。
51.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述控制特征包括在所述交换设备上的抓持机构。
52.如权利要求51所述的系统，其特征在于，所述抓持机构接合所述工具上的至少一个凹部。
53.如权利要求52所述的系统，其特征在于，所述抓持机构通过任何旋转将所述工具与所述附连部分分离。
54.如权利要求52所述的系统，其特征在于，所述抓持机构通过线性运动将所述工具与所述附连部分分离。
55.如权利要求54所述的系统，其特征在于，所述抓持机构包括隔板。
56.如权利要求55所述的系统，其特征在于，随着所述隔板沿着所述交换系统的螺纹部分前进，所述隔板与所述工具一起从所述附连部分移开。
57.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述工具能通过磁性联接件附连到所述附连部分。
58.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述工具可通过机械联接件附连到所述附连部分。
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