CN113276153A - 具有夹持机构的机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有夹持机构的机器人系统。该机器人系统可以包括：末端执行器，其被配置为抓握物品；传感器单元，其监测从接触极限传感器接收到的接触信息；以及控制器，其联接至传感器单元。末端执行器可以包括：吸盘组件，用于接合物品；以及接触极限传感器，用于检测与在吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，其中当接触极限传感器检测到压力超过接触阈值时，该接触极限传感器发送接触信息。控制器可执行操作以用于基于接收到的接触信息控制末端执行器以限制末端执行器向物品移动以防止损坏物品。

Description

具有夹持机构的机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月20日提交的临时美国专利申请第62/979413号的优先权，该临时美国专利申请的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及机器人系统，并且更具体地涉及具有夹持机构的系统。

背景技术

许多机器人(例如，被配置为自动/自主执行物理动作的机器)随着其性能的不断提高和成本的降低，现已广泛应用于许多领域。例如，机器人可用于在制造和/或组装、打包和/或包装、运输和/或运送等行业中执行各种任务(例如，操纵或转移物品通过空间)。在执行任务时，机器人可以复制人类的动作，从而替代或减少执行危险或重复性任务所需的人类参与。

然而，尽管技术进步，但是机器人常常缺乏复制执行更大和/或更复杂的任务所需的人类交互所必需的复杂性。例如，现有技术的系统不能检测由夹具或操纵器施加的力是否接近或超过与安全地夹持和/或拾取物品而不损坏物品相关联的阈值。在这种情况下，机器人可能会在没有意识到夹持力已超过安全阈值的情况下损坏易碎物品。因此，仍然需要用于管理机器人和被操纵的物品之间的操作和/或交互的改进技术和系统。

发明内容

本发明的各个方面可以包括机器人系统。该机器人系统可以包括：末端执行器，其被配置为抓握物品；传感器单元，其监测从接触极限传感器接收到的接触信息；以及控制器，其联接到传感器单元。末端执行器可以包括：吸盘组件，其被配置为接合物品；以及接触极限传感器，其被配置为检测与在吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，其中当接触极限传感器检测到压力超过接触阈值时，该接触极限传感器发送接触信息。控制器可以被配置为执行操作，该操作用于基于接收到的接触信息来控制末端执行器以限制末端执行器朝向物品的移动以防止损坏物品。

本发明的其他各方面可以包括一种物品搬运单元，该物品搬运单元包括：机器人臂；以及末端执行器，其被配置为抓握物品。末端执行器可以包括：吸盘组件，其被配置为接合物品；以及接触极限传感器，其被配置为检测与在吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，其中当接触极限传感器检测到压力超过接触阈值时，所述接触极限传感器发送接触信息，并且其中所发送的接触信息使得末端执行器朝向物品的移动能够受到限制以防止损坏物品。

本发明的其他各方面可以包括一种用于物品搬运系统的夹具附件，该夹具附件包括末端执行器，其被配置为抓握物品。末端执行器可包括吸盘组件，其被配置为接合物品和接触极限传感器。吸盘组件可以包括：壳体；第一吸盘，其被配置为联接到真空压力源，其中该第一吸盘能相对于壳体进行位移；以及第二吸盘，其联接到真空压力源，其中该第二吸盘相对于壳体独立于第一吸盘可移动。接触极限传感器被配置为基于第一吸盘和第二吸盘相对于壳体的位移而检测与在吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，其中当接触极限传感器检测到压力超过接触阈值时，接触极限传感器发送接触信息，并且其中所发送的接触信息使得末端执行器朝向物品的移动能够受到限制以防止损坏物品。

本发明的某些实施例具有除上述那些步骤或组成部分之外或代替上述那些步骤或组成部分的其他步骤或组成部分。通过参考附图阅读下面的详细描述，那些步骤或组成部分对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

将基于以下附图详细描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是根据本发明的示例性实施例的机器人系统在其中的示例性环境的图示；

图2是示出根据本发明示例实施例的机器人系统的框图；

图3A和3B示出了根据本发明示例实施方式的机器人臂；

图4A-4E示出了根据本发明的示例性实施方式的机器人臂的末端执行器的各种视图；

图5示出了沿线V-V'截取的图4A的末端执行器的截面图；

图6A-6F是根据本发明的示例性实施方式的末端执行器的透视图；以及

图7示出了根据本发明示例实施方式的机器人臂的透视图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的透彻理解。在其他实施例中，可以在没有这些具体细节的情况下实践这里介绍的技术。在其他情况下，未详细描述诸如特定功能或例程之类的众所周知的特征，以避免不必要地使本公开不清楚。在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用意味着所描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在本说明书中这些短语的出现不一定全都指同一实施例。另一方面，这样的引用也不一定是互斥的。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定的特征、结构、材料或特性。

应该理解，附图中所示的各种实施例仅仅是说明性的代表。此外，示出系统实施例的附图是半示意性的，并且不是按比例绘制的，特别是一些尺寸仅仅是为了清楚表示，并且在附图中被夸大地示出。类似地，尽管为了便于描述，附图中的视图通常示出了相似的定向，但是在附图中的这种描绘在大多数情况下是任意的。通常，本发明可以在任何定向上进行操作。

为了清楚起见，在下面的描述中没有阐述描述众所周知的并且经常与机器人系统和子系统相关联的结构或过程的一些细节，但是这些细节可能不必要地使所公开的技术的一些重要方面模糊不清。此外，尽管以下公开阐述了本技术的不同方面的几个实施例，但是几个其他实施例可以具有与本节中所描述的那些配置或部件不同的配置或部件。因此，所公开的技术可以具有其他实施例，它们具有附加组成部分或不具有以下描述的组成部分中的几个。

下文描述的本公开的许多实施例或方面可以采取计算机可执行或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解，可以在除了下面示出和描述的那些计算机或控制器之外的计算机或控制器系统上实践所公开的技术。本文描述的技术可以实施在专用计算机或数据处理器中，该专用计算机或数据处理器被特定地编程、配置或构造为执行以下描述的一个或多个计算机可执行指令。因此，本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持式设备，包括掌上型计算机、可穿戴计算机、蜂窝电话或移动电话、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费类电子产品、网络计算机、小型计算机等。这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在任何合适的显示介质(包括液晶显示器(LCD))上。用于执行计算机或控制器可执行任务的指令可以存储在任何合适的计算机可读介质(包括硬件、固件或硬件与固件的组合)中或之上。指令可以包含在任何合适的存储设备(包括例如闪存驱动器、USB设备和/或其他合适的介质)中。

术语“联接”和“连接”及其派生词可在本文中用于描述部件之间的结构关系。应该理解，这些术语并不旨在彼此等同。相反，在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或更多个组成部分彼此直接接触。除非在上下文中另外变得不明显，否则术语“联接”可用于表示两个或多个组成部分直接或间接(彼此之间具有其他居间组成部分)相互接触，或者两个或多个组成部分彼此合作或交互(例如存在因果关系，例如用于信号发送/接收或用于功能调用)或两者。

充分详细地描述以下实施例，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。应当理解，基于本公开，其他实施例将是显而易见的，并且可以在不脱离本发明实施例的范围的情况下进行系统、过程或机械改变。

现在参考图1，其中示出了示例环境，具有物品搬运机构的机器人系统100可在该环境中操作。机器人系统100的操作环境可以包括被配置为执行一种或多种任务的一种或多种结构，例如机器人或机器人设备。本文所示的物品搬运机构的各方面可以通过各种结构来实践或实现。

在图1所示的示例中，机器人系统100可包括位于仓库、分发中心或运送中心中的卸载单元102、转移单元104、传输单元106、装载单元108或它们的组合。机器人系统100中的每个单元可以被配置为执行一种或多种任务。可以按顺序组合任务以执行实现一个目标的操作，例如，从诸如卡车、拖车、货车或火车之类的车辆上卸载物品以存储在仓库中，或将物品从存储位置中取出并装载到车辆上以便运送。在另一示例中，任务可以包括将物品从一个位置(例如容器、柜子、笼子、篮子、货架、平台、托盘或传送带)移动到另一位置。每个单元可以被配置为执行一系列动作，例如操作其中的一个或多个部件来执行任务。

在一些实施例中，任务可以包括与目标物品112的交互，诸如物品的操纵、移动、重新定向或其组合。目标物品112是将由机器人系统100搬运的物品。更具体地，目标物品112可以是作为机器人系统100的操作或任务的目标的许多物品中的特定物品。例如，目标物品112可以是机器人系统100已经选择以便于或当前正在被搬运、操纵、移动、重新定向或其组合的物品。作为示例，目标物品112可以包括盒子、箱子、管子、包裹、捆包、各种单品或可以由机器人系统100搬运的任何其他物品。

作为示例，任务可以包括将目标物品112从物品源114转移到任务位置116。物品源114是用于存储物品的贮藏器。物品源114可以包括多种配置和形式。例如，物品源114可以是在其上可以放置或堆叠物品的具有或不具有壁的平台，诸如托盘、货架或传送带。作为另一示例，物品源114可以是能够在其中放置物品的具有壁或盖的可部分或完全封闭的贮藏器，例如柜子、笼子或篮子。在一些实施例中，物品源114的壁可以是部分或完全封闭的，可以是透明的，也可以包括各种尺寸的开口或间隙，使得容纳在其中的物品的一些部分可以通过壁可见或部分可见。

图1示出了由机器人系统100的各个单元在搬运目标物品112时可以执行的可能功能和操作的示例，并且应当理解，环境和条件可以与下文所述的不同。例如，卸载单元102可以是车辆卸载机器人，其被配置为将目标物品112从诸如卡车之类的运载器中的某个位置转移至传送带上的某个位置。而且，诸如码垛机器人之类的转移单元104可以被配置为将目标物品112从传送带上的某个位置转移至传输单元106上的某个位置，诸如用于将目标物品112装载在位于传输单元106中的托盘上。在另一示例中，转移单元104可以是分拣机器人，其被配置为将目标物品112从一个容器转移到另一容器。在完成操作时，传输单元106可以将目标物品112从与转移单元104相关联的区域转移到与装载单元108相关联的区域，并且装载单元108可以例如通过携带有目标物品112的托盘来将目标物品112从转移单元104转移到存储位置，例如货架上的某个位置。下面介绍有关任务和相关联的动作的详细信息。

为了说明的目的，在运送中心的情景下描述了机器人系统100。然而，应当理解，机器人系统100可以被配置为在其他环境中或出于其他目的(例如用于制造、组装、包装、医疗保健或其他类型的自动化)而执行任务。还应该理解，机器人系统100可以包括其他单元，例如操纵器、服务机器人或模块化机器人，其在图1中未示出。例如，在一些实施例中，机器人系统100可以包括：卸垛单元，用于将物品从笼子、推车或托盘中转移到传送器或其他托盘上；容器交换单元，用于将物品从一个容器转移到另一个容器；包装单元，用于包装物品；分类单元，用于根据物品的一个或多个特性分组物品；分拣单元，用于根据物品的一个或多个特性或其组合来不同地操纵物品(例如分类、分组和/或转移)。

现在参考图2，其中示出了图示根据本发明的一个或多个实施例的机器人系统100的框图。在一些实施例中，例如，机器人系统100可以包括电子设备、电气设备或其组合，诸如控制单元202、存储单元204、通信单元206、系统接口208、一个或多个致动设备212、一个或多个运输车辆214、一个或多个传感器单元216或它们的组合，它们彼此联接、与以上在图1中所描述的一个或多个单元或机器人或其组合集成或联接。

控制单元202可以以多种不同方式来实现。例如，控制单元202可以是处理器、专用集成电路(ASIC)、嵌入式处理器、微处理器、硬件控制逻辑、硬件有限状态机(FSM)、数字信号处理器(DSP)或其组合。控制单元202可以执行软件210以提供机器人系统100的智能。

控制单元202可以包括控制接口240。控制接口240可以用于在控制单元202与机器人系统100中的其他功能单元之间的通信。控制接口240也可以用于与机器人系统100外部的通信。控制接口240可以从其他功能单元或外部源接收信息，或者可以将信息发送到其他功能单元或外部目的地。外部源和外部目的地是指机器人系统100外部的源和目的地。

控制接口240可以以不同的方式实现，并且可以取决于哪个功能单元或外部单元与该控制接口240对接而包括不同的实现方式。例如，控制接口240可以利用压力传感器、惯性传感器、微机电系统(MEMS)、光学电路、波导、无线电路、有线电路，应用程序编程接口或其组合来实现。

存储单元204可以存储软件210、主数据246或其组合。为了说明的目的，存储单元204被示出为单个元件，但是应当理解，存储单元204可以是存储元件的分布。同样出于说明性目的，机器人系统100被示出为具有作为单个分层存储系统的存储单元204，尽管可以理解的是，机器人系统100可以具有不同配置的存储单元204。例如，存储单元204可以用形成包括不同级别的缓存、主存储器、旋转介质或离线存储器的存储器分层系统的不同存储技术来形成。

存储单元204可以是易失性存储器、非易失性存储器、内部存储器、外部存储器或它们的组合。例如，存储单元204可以是诸如非易失性随机存取存储器(NVRAM)之类的非易失性存储器、闪存、磁盘存储器或诸如静态随机存取存储器(SRAM)之类的易失性存储器。作为另一示例，存储单元204可以是包括非易失性存储器的非暂时性计算机介质，例如硬盘驱动器、NVRAM、固态存储设备(SSD)、光盘(CD)、数字视频盘(DVD)或通用串行总线(USB)闪存设备。可以将软件210存储在非暂时性计算机可读介质上，以由控制单元202执行。

存储单元204可以包括控制接口240。控制接口240可以用于在存储单元204与机器人系统100中的其他功能单元之间的通信。控制接口240也可以用于与机器人系统100外部的通信。控制接口240可以从其他功能单元或外部源接收信息，或者可以将信息发送到其他功能单元或外部目的地。外部源和外部目的地是指机器人系统100外部的源和目的地。

控制接口240可以包括不同的实现方式，这取决于哪些功能单元或外部单元正与存储单元204对接。控制接口240可以利用与控制接口240的实现方式相似的技术来实现。

在一个实施例中，存储单元204可以用于进一步存储并提供对处理结果、预定数据、阈值或其组合的存取。例如，存储单元204可以存储主数据246，该主数据246包括一个或多个目标物品104的描述，例如盒子、盒子类、箱子、箱子类、产品或其组合。在一个实施例中，主数据246可以包括用于期望由机器人系统100操纵的一个或多个目标物品104的尺寸、形状(例如关于潜在姿势的模板或用于识别不同姿势下的一个或多个目标物品104的计算机生成的模型)、配色方案、图像、识别信息(例如条形码)、快速响应(QR)码、徽标、预期位置、预期重量或它们的组合。

在一个实施例中，主数据246还可包括关于机器人系统100可能遇到或搬运的一个或多个物品的与操纵有关的信息。例如，物品与操纵有关的信息可包括：在每个物品上的重心位置、预期的传感器测量值(例如对应于一个或多个动作、操作或其组合的力、扭矩、压力或接触测量值)。

通信单元206可以使得机器人系统100能够与外部通信。例如，通信单元206可以使得机器人系统100能够通过诸如有线或无线网络之类的通信路径218与其他机器人系统或单元、外部设备(例如外部计算机、外部数据库、外部机器、外部外围设备或其组合)进行通信。

通信路径218可以跨越并表示各种网络和网络拓扑。例如，通信路径218可以包括无线通信、有线通信、光通信、超声通信或其组合。例如，卫星通信、蜂窝通信、蓝牙、红外数据协会标准(lrDA)、无线保真(WiFi))以及全球微波互联接入(WiMAX)是可包含在通信路径218中的无线通信的示例。线缆、以太网、数字用户线路(DSL)、光纤线路、光纤到户(FTTH)和普通老式电话服务(POTS)是可以包含在通信路径218中的有线通信的示例。此外，通信路径218可以遍历许多网络拓扑和距离。例如，通信路径218可以包括直接连接、个人局域网(PAN)、局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)或其组合。机器人系统100可以通过通信路径218在各个单元之间发送信息。例如，可以在控制单元202、存储单元204、通信单元206、系统接口208、致动设备212、运输车辆214、传感器单元216或其组合之间发送信息。

通信单元206还可以用作通信集线器，以允许机器人系统100充当通信路径218的一部分，并且不限于作为通信路径218的端点或终端单元。通信单元206可以包括用于与通信路径218交互的有源和无源部件，例如微电子设备或天线。

通信单元206可以包括通信接口248。通信接口248可以用于在通信单元206与机器人系统100中的其他功能单元之间的通信。通信接口248可以从其他功能单元或外部来源接收信息，也可以将信息发送到其他功能单元或外部目的地。外部源和外部目的地是指机器人系统100外部的源和目的地。

通信接口248可以包括不同的实现方式，这取决于哪些功能单元正在与通信单元206接口对接。通信接口248可以利用与控制接口240的实现方式相似的技术来实现。

I/O设备208可以包括输入设备和输出设备。I/O设备208的输入设备的示例可以包括小键盘、触摸板、软键、键盘、麦克风、用于接收远程信号的传感器、用于接收移动命令的相机或其任何组合以提供数据和通信输入。输出设备的示例可以包括显示界面210。显示界面210可以是任何图形用户界面，例如显示器、投影仪、视频屏幕或其任何组合。

控制单元202可以操作I/O设备208以呈现或接收由机器人系统100生成的信息。控制单元202可以操作用户界面216以呈现由机器人系统100生成的信息。202也可以执行用于机器人系统100的其他功能的软件210。控制单元202还可以执行软件210，以经由通信单元206与通信路径218进行交互。

机器人系统100可包括物理或结构构件，例如机器人操纵器臂，其在关节处连接以进行移动，例如旋转位移、平移位移或其组合。结构构件和关节可形成动力链，该动力链被配置为根据机器人系统的使用或操作来操纵诸如夹具之类的末端执行器以执行一种或多种任务，例如夹持、旋转或焊接。机器人系统100可以包括被配置为对在相应关节处或其周围的结构构件进行驱动、操纵、位移、重新定向或其组合的致动设备212，例如马达、致动器、导线、人造肌肉、电活性聚合物或其组合。在一些实施例中，机器人系统100可以包括被配置为将相应单元从一个地方运输到另一个地方的运输车辆214。

机器人系统100可以包括传感器单元216，该传感器单元216被配置为获取用于执行任务和操作的信息，例如用于操纵结构构件或用于运输机器人单元。传感器单元216可以包括被配置为检测或测量机器人系统100的一个或多个物理属性的设备，例如一个或多个结构构件或关节的状态、条件、位置，关于物品或周围环境的信息，或它们的组合。作为示例，传感器单元216可包括成像设备222、系统传感器224、接触传感器226或它们的组合。

在一些实施例中，传感器单元216可以包括一个或多个成像设备222。成像设备222是被配置为检测周围环境的设备。例如，成像设备222可以包括二维相机、3维相机，这两者都可以包括视觉和红外能力的组合，LIDARS，RADARS，其他测距设备和其他成像设备。成像设备222可以生成所检测到的环境的表示，例如数字图像或点云，其用于实现机器/计算机视觉以进行自动检查、机器人引导或其他机器人应用。如以下进一步详细描述的那样，机器人系统100可以经由控制单元202处理数字图像、点云或其组合来识别图1的目标物品112、目标物品112的姿势或其组合。为了操纵目标物品112，机器人系统100可以捕获并分析指定区域(例如卡车内部、容器内部或传送带上物品的拾取位置)的图像，以识别目标物品112及其在图1中的物品源114。类似地，机器人系统100可以捕获并分析另一指定区域(例如用于将物品放置在传送带上的放置位置、用于将物品放置在容器内的位置或用于堆叠目的的托盘上的位置)的图像，以识别图1的任务位置116。

在一些实施例中，传感器单元216可以包括系统传感器224。系统传感器224是用于监测机器人单元的设备。例如，系统传感器224可以包括用于检测和监测诸如机器人臂和末端执行器之类的结构构件的位置、机器人单元的相应关节或其组合的单元或设备。作为另一示例，机器人系统100可以在任务执行期间可以使用系统传感器224来跟踪结构构件和关节的位置、定向或其组合。系统传感器224的示例可以包括加速度计、陀螺仪或位置编码器。

在一些实施例中，传感器单元216可包括接触传感器226，例如压力传感器、力传感器、应变仪、压阻/压电传感器、电容传感器、弹性传感器、扭矩传感器、线性力传感器或其他触觉式传感器，其被配置为测量与在多个物理结构或表面之间的直接接触相关联的特性。例如，接触传感器226可以测量与末端执行器在目标物品112上的夹持相对应的特性，也可以测量目标物品112的重量。相应地，接触传感器226可以输出表示量化量度的接触量度，例如所测得的与夹具和目标物品112之间的接触或附着程度相对应的力或扭矩。例如，接触量度可以包括与由末端执行器施加到目标物品112上的力相关联的一个或多个力或扭矩读数。

图3A和3B示出了根据本发明的示例性实施方式的具有包括末端执行器332的夹具附件328的机器人臂330。在示例实施方式中，机器人臂330可以被配置为操纵物品，诸如从容器中拾取物品或将物品放置在诸如传送带或另一个容器之类的目的地。图1和图2的机器人系统100包括机器人臂330，该机器人臂330具有包括末端执行器332的夹具附件328。末端执行器332是机器人臂330的一部分，其包括被配置为接触、操纵、保持或抓握物品或其任何组合的部件。末端执行器332与物品接触的部分可以称为夹具头。

夹具附件328包括将夹具附件328联接到机器人臂330的偏移托架338。偏移托架338可以在夹具附件328和机器人臂330之间提供机械联接。在一些示例实施方式中，偏移托架338还可以提供电联接，以允许在机器人臂330和夹具附件328之间交换电信号。例如，可以在机器人臂330与位于夹具附件328上的传感器和其他部件之间交换电信号。

机器人臂330可以使用一个或多个致动设备(例如，图2所示的致动设备212)旋转并致动偏移托架338。致动设备212可提供旋转致动、扭转致动、线性致动或本领域普通技术人员显而易见的任何其他类型的致动。

偏移托架338可以连接至偏移板334，该偏移板334在机器人臂330和末端执行器332之间提供侧向偏移。换句话说，偏移板334在机器人臂330的轴线3与安装在偏移板334上的末端执行器332的轴线4之间提供侧向偏移。偏移板334可以由被选择为末端执行器332提供结构支撑的材料形成。在一些示例性实施方式中，偏移板334可以由诸如钢合金、铝合金或本领域普通技术人员可能显而易见的任何其他合金之类的金属形成。在其他示例实施方式中，取决于末端执行器332的预期应用或预期用途，偏移板344可以由聚合物材料、复合材料或陶瓷材料形成。

末端执行器332通过力矩托架340连接至偏移板334，该力矩托架340可包括力矩传感器336。力矩传感器336可测量末端执行器332上的力以感测当前保持或操纵的物品的重量，并感测在操作过程中由末端执行器332遇到的阻力或障碍物引起的任何力。偏移板334和偏移托架338以及力矩托架340可提供内部连接，以提供用于导线的管子/气道和布线路径，以允许在机器人臂330和末端执行器332之间进行电连接。

在一些示例性实施方式中，诸如图2所示的致动设备212，力矩托架340还可以使用一个或多个致动设备相对于偏移托架338旋转和致动末端执行器332。致动设备212可提供旋转致动、扭转致动、线性致动或本领域普通技术人员显而易见的任何其他类型的致动。

力矩托架340可以连接至头部连接器342，该头部连接器342连接至支撑末端执行器332的吸盘块组件346的头部延伸器344。头部延伸器344可以是从力矩托架340延伸出来以增加机器人臂330与吸盘块组件346之间的长度的结构构件。头部延伸器344可以使得末端执行器332能够定位吸盘块组件346以在容器中存取物品，同时为机器人臂330提供间隙以在不与容器或与容器相邻的物品发生碰撞的情况下进行操控。

头部连接器342和头部延伸器344可以由被选择为末端执行器332提供结构支撑的材料形成。在一些示例实施方式中，头部连接器342和头部延伸器344可以由金属(例如钢合金、铝合金或任何其他对本领域普通技术人员显而易见的合金)制成。在其他示例实施方式中，取决于末端执行器332的预期应用或预期用途，头部连接器342和头部延伸器344可以由聚合物材料、复合材料或陶瓷材料形成。

偏移板334还包括与从机器人臂330供应的空气连接的管托架348，并提供管连接器350以将空气分布到吸盘块组件346。管连接器350可以连接至联接到吸轴接口354的空气供应管356，其延伸通过与末端执行器部件346的吸盘块组件346相关联的接触极限传感器装置352。更具体地，作为示例，吸盘块组件346可包括接触极限传感器装置352。该管托架348可以在机器人臂330的操作过程中约束和定位空气供应管356，以防止空气供应管356的卷曲或破碎。接触极限传感器装置352可以是能够防止末端执行器332施加可能通过接触而潜在地损坏物品的接触压力的传感器。下面将讨论关于接触极限传感器装置352的细节。

在一些示例性实施方式中，管连接器350可以连接至一个或多个真空源(未示出)，以向末端执行器332的吸盘块组件346的吸轴接口354提供吸力。例如，管连接器350可以连接至一个或多个真空喷射器，该真空喷射器使用压缩空气产生真空压力。例如，真空喷射器可以允许压缩空气通过被成形为形成低压区域的喷嘴，其向吸盘块组件346提供真空压力。

产生的真空压力可以通过空气供应管356从管连接器350提供到吸轴接口354。提供给吸轴接口354的真空压力可以提供给吸盘块组件346，以提供吸力以夹持和释放物品，或者将物品固定到末端执行器332或从末端执行器332释放。吸盘块组件346的操作将在下面更详细地讨论。

末端执行器332可通过操作诸如图2的连接至机器人臂330的结构构件、机器人臂330的关节以及托架(例如偏移托架338、力矩托架336)或其组合的那些致动设备212的致动设备来操纵。可通过操作与末端执行器332的一个或多个部分相关联或附接至该末端执行器332的一个或多个部分的一个或多个致动设备212来操作末端执行器332以夹持或释放物品。末端执行器332可使用提供给吸盘块组件346的真空压力来夹持和释放物品，从而将物品固定到末端执行器332或从末端执行器332释放。

图4A-4E示出了根据本发明的示例性实施方式的机器人臂330的末端执行器332的各种视图。在各种视图中，图4A示出了末端执行器332的正视图，而图4B示出了末端执行器332的俯视图。此外，图4C示出了末端执行器332的仰视图，而图4D示出了末端执行器332的侧视图。图4E示出了沿线IVE-IVE'截取的图4A的末端执行器332的截面图。

如图所示，管托架348可以位于偏移板334上与力矩托架340和力矩传感器336相对的一侧上。图3A和3B的空气供应管356在图4A-4E中被省略，以便更好地可视化管连接器350和吸轴接口354。如图所示，管连接器350从管托架348向前延伸。

力矩托架340可以机械地联接到头部连接器342，以将任何力或扭矩从头部延伸器344转移到力矩传感器336。在一些示例实施方式中，力矩传感器336可以是一种类似于图2的接触传感器226的接触传感器。

如图所示，头部延伸器344可以通过夹紧装配联接到头部连接器342。然而，在其他示例实施方式中，头部延伸器344可通过压接装配、螺钉装配、焊接、粘合剂或本领域普通技术人员显而易见的任何其他机械联接机构联接到头部连接器342。

头部延伸器344可以机械地联接至末端执行器332，以将任何力或扭矩从末端执行器332的吸盘块组件346转移至力矩传感器336。如图所示，头部延伸器344可通过附接螺钉370联接至吸盘块组件346。然而，在其他示例性实施方式中，头部延伸件344可通过压接装配、夹紧装配、焊接、粘合剂或任何方式联接至吸盘块组件346。对于本领域普通技术人员而言显而易见的其他机械联接机构。因此，吸盘块组件346承受的任何力或扭矩都通过力矩托架340、头部连接器342和头部延伸器344转移到力矩传感器336。

可以包括靠近力矩托架340、头部连接器342和/或头部延伸器344的力矩传感器336的结构可以允许将对吸盘块组件346的冲击或碰撞转移到力矩传感器336以提供反馈到机器人臂330。力矩传感器336还可以测量被吸盘块组件346抓握或保持的物品(例如图1的目标物品112)的重量以及物品随着吸盘块组件346正被移动或定位的重量变动。

此外，在一些示例实施方式中，末端执行器332还可包括一个或多个附加传感器单元。例如，图2的一个或多个接触传感器226可以附接到末端执行器332上或集成在末端执行器332内。在一些示例实施方式中，除了附接到偏移板334的与偏移托架338相对的端部上的力矩传感器336之外，接触传感器226可以是附接到末端执行器332或与末端执行器332集成在一起的力、压力、扭矩和/或其他触觉传感器。在另一示例实施方式中，接触传感器226可以包括被配置为测量由吸盘块组件346保持或支撑的物品(例如图1的目标物品112)的重量的单独线性力传感器。下面将讨论传感器单元(例如图6的接触极限传感器366)的其他示例。

该吸盘组件346可包括多个吸轴接口354，其从接触极限传感器装置352向上延伸。每一个吸轴接口354连通地联接到吸盘358或吸盘360中的任何一个。在一些实施方式中，吸盘358可以具有比吸盘360更大的相对直径。具有两种不同尺寸的吸盘358和360可以允许在通过吸盘组件346夹持或抓握物品时更灵活。例如，较小相对尺寸的吸盘360可以更好地夹持较小或形状不规则物品(因为其尺寸较小)。此外，由于夹持力是真空压力和吸盘表面积的乘积，所以较大相对尺寸的吸盘358可以实现用于夹持和操纵较大物品的更高夹持强度。

在所示的实施方式中，吸盘组件346被示出为具有四个总吸盘(358和360)，四个吸盘具有两种不同的相对尺寸。然而，本发明的示例实施方式可以包括多于四个的总吸盘或少于四个的总吸盘。类似地，在一些示例性实施方式中，可以提供两种以上的不同相对尺寸的吸盘。可替代地，可以提供单一尺寸的吸盘。

图5示出了沿线V-V'截取的图4A的末端执行器332的截面图。如图所示，末端执行器332包括将吸盘块组件346联接到偏移板334的头部延伸器344。如上所述，吸盘块组件346包括从接触极限传感器装置352向上延伸的多个吸轴接口354，每个吸轴接口354连通地联接到吸盘358或吸盘360。在一些示例实施方式中，吸盘358可具有比吸盘360更大的相对直径。

如图5中所示，吸盘块组件346还包括吸轴362，该吸轴362与吸轴接口354连通地联接至吸盘358和360之一。当吸轴接口354通过空气供应管356连接至真空压力源时，将来自空气供应管356的真空压力通过吸轴362传递到达吸盘358和360，从而产生足够的吸力来拾取物品。在一些示例性实施方式中，吸轴362、吸盘358/360和吸轴接口354可相对于接触极限传感器装置352移动。例如，接触极限传感器装置352可包括壳体368，吸轴362可沿竖直方向滑动穿过壳体368，以允许位于壳体368下方的吸盘(358/360)和位于壳体368上方的吸轴接口354相对于壳体368移动，如箭头370所示。

此外，吸盘块组件346还可以包括位移恢复机构364，该位移恢复机构提供偏压力以在相对于吸盘块组件346的壳体368的位移之后将吸盘358和360、吸轴362和吸轴接口354恢复到默认位置。在一些示例实现方式中，位移恢复机构364可以是弹簧，例如压缩弹簧、锥形弹簧、气体弹簧或对本领域普通技术人员可能显而易见的其它偏压机构。位移恢复机构364可被定位或容纳在吸轴362的外壳372(例如外管)的内部。因此，位移恢复机构364可以使得吸盘358/360在由于在操作过程中接触物品或障碍物而位移之后返回到默认位置。

吸轴362和/或位移恢复机构364中的每一个都可以被引导通过接触极限传感器装置352。在一些实施例中，吸轴362通过接触极限传感器装置352的路径可以相对于彼此固定吸轴362和吸盘385/360的水平位置。

图6A-6F是末端执行器332的透视图，其示出了根据本发明的示例性实施方式的末端执行器332的吸盘358/360的位移。图6A描绘了从默认位置向上位移的吸盘之一(吸盘360A)。图6B描绘了从默认位置位移的两个吸盘(吸盘360A和360B)。图6C描绘了从默认位置位移的全部四个吸盘(吸盘360A、360B、358A和358B)。图6D描绘了接触极限传感器装置352的位移。图6E是图6B的末端执行器332的背面的视图，其描绘了从默认位置位移的两个吸盘(吸盘360A和360B)。图6F是图6E的末端执行器332，但其中接触极限传感器装置352被示出为透明的。

如图所示，末端执行器332可以在默认位置包括吸盘358/360。每个吸盘358/360的默认位置可以共享公共水平面。如上所述，末端执行器332可以被配置为允许每个吸盘358/360相对于接触极限传感器装置352从默认位置彼此独立地位移。例如，当一个或多个吸盘358/360接触物品时，每个吸盘358/360可由于在吸盘358/360上的压力或力而位移。每个吸盘358/360可以独立于其他吸盘358/360位移。图6A示出了相对于其他吸盘358/360独立地位移的吸盘360A。图6B示出了相对于吸盘358独立地位移的吸盘360A和360B。图6C示出了全部位移的所有四个吸盘(360A、360B、358A和358C)。位移方向可以是沿着吸轴362的轴线374(例如，垂直于吸盘358/360的端部/轴筒的基部)。图6E示出了从背面看到的图6B的两个吸盘(吸盘360A和360B)的位移，而图6F示出了图6B的两个吸盘(吸盘360A和360B)的相同位移，其中接触极限传感器装置352被示出为透明的。

换句话说，每个吸盘(即图6C的360A、360B、358A和358C)的独立位移可以使得每个吸盘358/360处于彼此不同的相对位置。独立的位移可使得末端执行器332能够容纳或吻合具有变化的表面轮廓(即，不均匀/不规则的表面)的物品，例如袋子和其他柔性容器。

在一些示例实施方式中，接触极限传感器装置352也可以被位移。例如，接触极限传感器装置352可以从图6A-6C所示的初始位置位移到图6D所示的接触极限位置。在一些实施例中，接触极限传感器装置352从图6A-6C的初始或默认位置到图6D的接触极限位置的位移可以由一个或多个吸盘358/360的位移而引起。在一些示例实施方式中，由一个或多个吸盘358/360的位移而导致的接触极限传感器装置352到接触受限位置的位移可以对应于吸盘358/360向物品施加压力超过可能会潜在地损坏物品的接触阈值(也称为接触极限)。

接触极限传感器装置352的位移量可以由接触极限传感器366记录，该接触极限传感器366将信号(例如接触信息)发送到图2的控制单元202，以防止末端执行器332在达到接触阈值时在物品上进一步施加压力。可以防止末端执行器332在接触极限传感器366检测到已经达到接触阈值(例如接触极限)时进一步朝向物品移动。通过提供具有接触极限传感器装置352的末端执行器332，可以实现以下优点：仅单个传感器可以确定末端执行器332是否已经由于吸盘358/360中的任何一个引起接触极限传感器装置352位移到接触极限位置的位移而导致超过在物品上的接触极限。

在一些示例性实施方式中，如图6a-6f所示，具有较小相对尺寸的吸盘360(例如，前一对吸盘)可用于夹持较小物品或易损物品(例如易碎物品)，而具有较大相对尺寸的吸盘358(例如，后一对吸盘)可用于夹持较大物品或不太可能损坏的物品。

此外，在一些示例性实施方式中，接触极限传感器装置352的壳体368可包括偏移台阶376，该偏移台阶376为较大相对尺寸的吸盘358(也称为较大吸盘)提供比用于较小相对尺寸的吸盘360(也称为较小吸盘)的位移距离更大的位移距离。例如，由于较小吸盘可用于易碎物品，因此在达到接触极限之前应施加较小力或压力以防止损坏。因此，较小吸盘可以先于较大吸盘到达接触极限位置，这可以通过接触极限传感器装置352中的偏移台阶376来实现。

图7示出了根据本发明示例实施方式的机器人臂330的透视图。如图所示，机器人手臂330包括联接到夹具附件328的末端执行器332的压缩空气供应源705。具体地说，压缩空气供应源705可通过流体供应管710联接到管托架348。压缩空气供应源705可用于向管托架348提供真空压力，而该管托架348将真空压力提供给吸盘块组件346的吸盘358/360。

如图所示，夹具组件328的偏移托架338可以通过致动器715附接到机器人臂330，该致动器715允许夹具组件328通过在水平面中的旋转来致动。致动器715可以联接至第二致动器720，该第二致动器720允许夹具组件328通过在竖直平面中的旋转来致动。第三致动器725可以联接到第二致动器720，以允许夹具组件328的进一步致动。总的来说，致动器715、720和725可以允许机器人臂330操纵夹具附件328的末端执行器332以抓握物品730，以便可以拾取、重新定位或移动物品730。

本发明的所得方法、过程、装置、设备、产品和/或系统是成本有效的、高度通用的、精确的、灵敏的和有效的，并且可以通过使已知的部件适应现成有效且经济的制造、应用和利用的方式来实现。本发明的一个实施例的另一个重要方面是，它可有效地支持和服务于降低成本、简化系统和提高性能的历史趋势。

因此，本发明的一个实施例的这些和其他有价值的方面将技术状态进一步提升到至少下一个水平。

尽管已经示出和描述了一些示例实施例，但是提供这些示例实施例是为了将本文所述的主题传达给熟悉该领域的人们。应该理解，本文描述的主题可以以各种形式实现而不限于所描述的示例实施例。可以在没有那些具体限定或描述的主题的情况下，或者在没有描述的其他或不同组成部分或主题的情况下实践本文描述的主题。熟悉本领域的人员将理解，可以在不脱离如所附权利要求及其等同物所限定的本文所述主题的情况下，对这些示例实施例进行改变。

Claims (20)

1.一种机器人系统，包括：

末端执行器，其被配置为抓握物品，该末端执行器包括：

吸盘组件，其被配置为接合物品；以及

接触极限传感器，其被配置为检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，其中当所述接触极限传感器检测到所述压力超过接触阈值时，所述接触极限传感器发送接触信息；

传感器单元，其监测从所述接触极限传感器接收到的接触信息；和

控制器，其联接到所述传感器单元，并且被配置为执行操作，所述操作用于基于接收到的接触信息而控制所述末端执行器以限制所述末端执行器朝向物品的移动以防止损坏物品。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述吸盘组件包括：

壳体；

第一吸盘，其联接到真空压力源，其中所述第一吸盘能相对于所述壳体进行位移；并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘相对于壳体的位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中所述吸盘组件还包括：

第二吸盘，其联接至真空压力源，其中所述第二吸盘能相对于壳体独立于所述第一吸盘进行位移；并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘和/或所述第二吸盘相对于壳体的位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述第一吸盘具有相对于所述第二吸盘的尺寸的较小尺寸。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述壳体包括偏移台阶，其被配置为允许所述第二吸盘相对于所述壳体的位移大于所述第一吸盘的允许位移，并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘和/或所述第二吸盘的允许位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

6.根据权利要求2所述的机器人系统，其中所述吸盘组件还包括：

吸轴，其延伸穿过壳体，其中所述第一吸盘连通地联接到所述吸轴和真空压力源，并且

其中所述吸轴能相对于壳体移动。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述吸盘组件还包括：

位移恢复机构，其被配置为将所述吸轴偏压到相对于壳体的默认位置，并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于用以克服由所述位移恢复机构提供的偏压的压力而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

8.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括力矩传感器，所述力矩传感器被配置为测量由所述末端执行器施加的力。

9.一种物品搬运单元，包括：

机器人臂；以及

末端执行器，其被配置为抓握物品，所述末端执行器包括：

吸盘组件，其被配置为接合物品；和

接触极限传感器，其被配置为检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，

其中当所述接触极限传感器检测到所述压力超过接触阈值时，所述接触极限传感器发送接触信息，并且

其中所发送的接触信息使得所述末端执行器朝向物品的移动受到限制以防止损坏物品。

10.根据权利要求9所述的物品搬运单元，所述吸盘组件包括：

壳体；

第一吸盘，其联接到真空压力源，其中所述第一吸盘能相对于壳体进行位移；并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘相对于壳体的位移而检测与所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

11.根据权利要求10所述的物品搬运单元，其中所述吸盘组件还包括：

第二吸盘，其连接至真空压力源，其中所述第二吸盘能相对于壳体独立于所述第一吸盘进行位移；并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘和/或所述第二吸盘相对于壳体的位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

12.根据权利要求11所述的物品搬运单元，其中所述第一吸盘具有相对于所述第二吸盘的尺寸的较小尺寸。

13.根据权利要求12所述的物品搬运单元，其中所述壳体包括偏移台阶，其被配置为允许所述第二吸盘相对于所述壳体的位移大于所述第一吸盘的允许位移，并且

其中所述接触极限传感器被配置为基于所述第一吸盘和/或所述第二吸盘的允许位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

14.根据权利要求10所述的物品搬运单元，其中所述吸盘组件还包括：

吸轴，其延伸穿过壳体，其中所述第一吸盘连通地联接到所述吸轴和真空压力源，

其中所述吸轴能相对于壳体移动。

15.根据权利要求14所述的物品搬运单元，其中所述吸盘组件还包括：

位移恢复机构，其被配置为将所述吸轴偏压到相对于壳体的默认位置，

其中所述接触极限传感器被配置为基于用以克服由所述位移恢复机构提供的偏压的压力而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

16.根据权利要求9所述的物品搬运单元，还包括力矩传感器，其被配置为测量所述末端执行器的力。

17.一种用于物品搬运系统的夹具附件，包括：

末端执行器，其被配置为抓握物品，所述末端执行器包括：

吸盘组件，其被配置为接合物品，所述吸盘组件包括：

壳体；

第一吸盘，其被配置为联接至真空压力源，其中所述第一吸盘能相对于壳体进行位移；和

第二吸盘，其联接至真空压力源，其中所述第二吸盘能相对于壳体独立于所述第一吸盘进行位移；和

接触极限传感器，其被配置为基于所述第一吸盘和所述第二吸盘相对于壳体的位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力，

其中当所述接触极限传感器检测到所述压力超过接触阈值时，所述接触极限传感器发送接触信息，并且

其中所发送的接触信息使得所述末端执行器朝向物品的移动受到限制以防止损坏物品。

18.根据权利要求17所述的夹具附件，其中所述第一吸盘具有相对于所述第二吸盘的尺寸的较小尺寸。

19.根据权利要求18所述的夹具附件，其中所述壳体包括偏移台阶，其被配置为允许所述第二吸盘相对于所述壳体的位移大于所述第一吸盘的允许位移，并且

其中接触传感器被配置为基于所述第一吸盘和所述第二吸盘的允许位移而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

20.根据权利要求19所述的夹具附件，其中所述吸盘组件还包括：

吸轴，其延伸穿过壳体，其中所述第一吸盘连通地联接到所述吸轴和真空压力源，并且其中所述吸轴能相对于壳体移动；以及

位移恢复机构，其被配置为将所述吸轴偏压到相对于壳体的默认位置，

其中接触传感器被配置为基于用以克服由所述位移恢复机构提供的偏压的压力而检测与在所述吸盘组件和物品之间的接合相关联的压力。

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