CN114762973A - 模块化机器人装置和用以操作模块化机器人装置的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种模块化机器人装置。该模块化机器人装置包括：机器人基座；以及机器人操纵器，其连接到机器人基座并且可操作以铰接工具装置，该工具装置连接到机器人操纵器的端部。机器人操纵器包括多个模块化刚性段，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括关节部分并且每一个均可操作以可选择地连接到机器人操纵器。所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

Description

模块化机器人装置和用以操作模块化机器人装置的方法

技术领域

本公开总体上涉及一种模块化机器人装置和一种用以操作模块化机器人装置的方法。

背景技术

机器人臂对执行众多任务有用。在一个实施例中，机器人臂可在制造环境方面有用，其中机器人臂对被制造的产品执行一项或多项任务。示例性机器人臂可包括涂料喷头、焊接附件或钻头附件。

被制造的产品可能相对大或相对小，其中在被制造的产品中具有不同程度的复杂度。在示例中，机动车辆可包括组装到车身或车辆底盘的数千个零件。机器人臂可被派有如下任务：在车内制动踏板附近安装保险丝盒，其中，机器人臂可通过敞开窗口进入、围绕座椅和方向盘导航、以及调节保险丝盒的角度和旋转以匹配它将要安装的车内位置和取向。机器人臂可包括铰接的能力，或者可包括有用的自由度数以实现期望的任务。

发明内容

提供了一种模块化机器人装置。该模块化机器人装置包括：机器人基座；以及机器人操纵器，其连接到机器人基座并且可操作以铰接工具装置，该工具装置连接到机器人操纵器的端部。机器人操纵器包括多个模块化刚性段，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括关节部分并且每一个均可操作以可选择地连接到机器人操纵器。所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

在一些实施例中，所述多个模块化刚性段包括第一刚性段，该第一刚性段包括第一关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第二刚性段，该第二刚性段连接到第一关节部分并且包括连接到第二刚性段的第二关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第三刚性段，该第三刚性段连接到第二关节部分并且包括连接到第三刚性段的第三关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第四刚性段，该第四刚性段连接到第三关节部分并且包括连接到第四刚性段的第四关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第五刚性段，该第五刚性段连接到第四关节部分并且包括连接到第五刚性段的第五关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第六刚性段，该第六刚性段连接到第五关节部分并且包括连接到第六刚性段的第六关节部分。所述多个模块化刚性段进一步包括第七刚性段，该第七刚性段连接到第六关节部分。

在一些实施例中，模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过该模块化刚性段来传输数据和电力中的一者的一条连接电缆。

在一些实施例中，模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过该模块化刚性段来传输数据和电力的多条连接电缆。

在一些实施例中，关节部分中的至少一个可操作以改变所述多个模块化刚性段中的第一个的纵向轴线相对于所述多个模块化刚性段中的第二个的纵向轴线的角度。

在一些实施例中，关节部分中的至少一个可操作以使所述多个模块化刚性段中的第一个相对于所述多个模块化刚性段中的第二个旋转，同时维持所述多个模块化刚性段中的第一个和所述多个模块化刚性段中的第二个之间的公共纵向轴线。

在一些实施例中，机器人基座是可移动的，并且可操作以在移动工件旁边移动，机器人装置可操作以对该移动工件执行工作，使得机器人操纵器可对该移动工件执行任务。

在一些实施例中，模块化机器人装置进一步包括计算机化控制系统，该计算机化控制系统包括用以进行如下操作的编程：在工件的背景下对机器人操纵器的操作进行建模，机器人装置可操作以对该工件执行工作；以及产生对在工件的背景下操作机器人操纵器有用的所确定的最小自由度数。机器人操纵器可操作以包括所确定的最小自由度数。

在一些实施例中，对机器人操纵器的操作进行建模包括：定义包括初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态在内的多种状态，机器人操纵器可通过所述多种状态转变以完成对工件的操作。

根据替代性实施例，公开了一种模块化机器人装置。该模块化机器人装置包括：机器人基座；以及机器人操纵器，其连接到机器人基座并且可操作以铰接工具装置，该工具装置连接到机器人操纵器的端部。机器人操纵器包括多个模块化刚性段，每个模块化刚性段包括一个关节部分并且每一个均可操作以可选择地连接到机器人操纵器以及从机器人操纵器断开。模块化机器人装置进一步包括计算机化控制系统，该计算机化控制系统包括用以进行如下操作的编程：在工件的背景下对机器人操纵器的操作进行建模，机器人装置可操作以对该工件执行工作；以及产生对在工件的背景下操作机器人操纵器有用的所确定的最小自由度数。模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过该模块化刚性段传输数据和电力中的一者的一条连接电缆。机器人操纵器可操作以包括所确定的最小自由度数。所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

在一些实施例中，模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过该模块化刚性段传输数据和电力的多条连接电缆。

在一些实施例中，关节部分中的至少一个可操作以改变所述多个模块化刚性段中的第一个的纵向轴线相对于所述多个模块化刚性段中的第二个的纵向轴线的角度。关节部分中的至少一个可操作以使所述多个模块化刚性段中的第一个相对于所述多个模块化刚性段中的第二个旋转，同时维持所述多个模块化刚性段中的第一个和所述多个模块化刚性段中的第二个之间的公共纵向轴线。

在一些实施例中，机器人基座是可移动的，并且可操作以在移动工件旁边移动，机器人装置可操作以对该移动工件执行工作，使得机器人操纵器可对该移动工件执行任务。

在一些实施例中，对机器人操纵器的操作进行建模包括：定义包括初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态在内的多种状态，机器人操纵器可通过所述多种状态转变以完成对工件的操作。

根据一个替代性实施例，公开了一种用以操作模块化机器人装置的方法。该方法包括在计算机化处理器内操作编程以：监控描述工件的几何形状和约束以及要对工件执行的操作；以及确定多种状态，模块化机器人装置可基于受监控的几何形状和约束来移动通过这些状态以实现要执行的操作。该方法进一步包括在计算机化处理器内操作编程以：分析多种状态，以确定模块化机器人装置的机器人操纵器中的最小自由度数；以及产生推荐的机器人操纵器配置，该机器人操纵器配置包括要使用的刚性段的数量和要使用的关节部分的类型。

在一些实施例中，该方法进一步包括：基于推荐的机器人操纵器配置，将多个模块化刚性段组装到机器人基座，所述多个模块化刚性段中的每一个包括关节部分。

在一些实施例中，产生包括要使用的关节部分的类型的推荐的机器人操纵器配置包括：确定包括使模块化机器人装置的机器人操纵器弯曲的操作、以及确定包括使机器人操纵器旋转的操作。

本发明提供以下技术方案：

1. 一种模块化机器人装置，其包括：

机器人基座；以及

机器人操纵器，其连接到所述机器人基座并且可操作以铰接工具装置，所述工具装置连接到所述机器人操纵器的端部，所述机器人操纵器包括多个模块化刚性段，每个模块化刚性段包括关节部分并且每个模块化刚性段均可操作以可选择地连接到所述机器人操纵器；以及

其中，所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

2. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段包括：

第一刚性段，其包括第一关节部分；

第二刚性段，其连接到所述第一关节部分并且包括连接到所述第二刚性段的第二关节部分；

第三刚性段，其连接到所述第二关节部分并且包括连接到所述第三刚性段的第三关节部分；

第四刚性段，其连接到所述第三关节部分并且包括连接到所述第四刚性段的第四关节部分；

第五刚性段，其连接到所述第四关节部分并且包括连接到所述第五刚性段的第五关节部分；

第六刚性段，其连接到所述第五关节部分并且包括连接到所述第六刚性段的第六关节部分；以及

第七刚性段，其连接到所述第六关节部分。

3. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力中的一者的一条连接电缆。

4. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力的多条连接电缆。

5. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述关节部分中的至少一个可操作以改变所述多个模块化刚性段中的第一个的纵向轴线相对于所述多个模块化刚性段中的第二个的纵向轴线的角度。

6. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述关节部分中的至少一个可操作以使所述多个模块化刚性段中的第一个相对于所述多个模块化刚性段中的第二个旋转，同时维持所述多个模块化刚性段中的所述第一个和所述多个模块化刚性段中的所述第二个之间的公共纵向轴线。

7. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其中，所述机器人基座是可移动的，并且可操作以在移动工件旁边移动，所述模块化机器人装置可操作以对所述移动工件执行工作，使得所述机器人操纵器能对所述移动工件执行任务。

8. 根据方案1所述的模块化机器人装置，其进一步包括计算机化控制系统，所述计算机化控制系统包括用以进行如下操作的编程：

在工件的背景下对所述机器人操纵器的操作进行建模，所述模块化机器人装置可操作以对所述工件执行工作；以及

产生对在所述工件的背景下操作所述机器人操纵器有用的所确定的最小自由度数；并且

其中，所述机器人操纵器可操作以包括所确定的最小自由度数。

9. 根据方案8所述的模块化机器人装置，其中，对所述机器人操纵器的操作进行建模包括：定义多种状态，所述多种状态包括初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态，所述机器人操纵器将通过所述多种状态转变以完成对所述工件的操作。

10. 一种模块化机器人装置，其包括：

机器人基座；

机器人操纵器，其连接到所述机器人基座并且可操作以铰接工具装置，所述工具装置连接到所述机器人操纵器的端部，所述机器人操纵器包括多个模块化刚性段，每个模块化刚性段包括关节部分并且每个模块化刚性段均可操作以可选择地连接到所述机器人操纵器以及从所述机器人操纵器断开；以及

计算机化控制系统，其包括用以进行如下操作的编程：

在工件的背景下对所述机器人操纵器的操作进行建模，所述机器人装置可操作以对所述工件执行工作；以及

产生对在所述工件的背景下操作所述机器人操纵器有用的所确定的最小自由度数；并且

其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力中的一者的一条连接电缆；

其中，所述机器人操纵器可操作以包括所确定的最小自由度数；并且

其中，所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

11. 根据方案10所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力的多条连接电缆。

12. 根据方案10所述的模块化机器人装置，其中，所述关节部分中的至少一个可操作以改变所述多个模块化刚性段中的第一个的纵向轴线相对于所述多个模块化刚性段中的第二个的纵向轴线的角度；并且

其中，所述关节部分中的至少一个可操作以使所述多个模块化刚性段中的第一个相对于所述多个模块化刚性段中的第二个旋转，同时维持所述多个模块化刚性段中的所述第一个和所述多个模块化刚性段中的所述第二个之间的公共纵向轴线。

13. 根据方案10所述的模块化机器人装置，其中，所述机器人基座是可移动的，并且可操作以在移动工件旁边移动，所述模块化机器人装置可操作以对所述移动工件执行工作，使得所述机器人操纵器能对所述移动工件执行任务。

14. 根据方案10所述的模块化机器人装置，其中，对所述机器人操纵器的操作进行建模包括：定义多种状态，所述多个状态包括初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态，所述机器人操纵器将通过所述多种状态转变以完成对所述工件的操作。

15. 一种操作模块化机器人装置的方法，所述方法包括：

在计算机化处理器内操作编程以：

监控描述工件的几何形状和约束以及要对所述工件执行的操作；

确定多种状态，所述模块化机器人装置基于受监控的几何形状和约束来通过所述多种状态移动以实现要执行的操作；

分析所述多种状态，以确定所述模块化机器人装置的机器人操纵器中的最小自由度数；以及

产生推荐的机器人操纵器配置，所述机器人操纵器配置包括要使用的刚性段的数量和要使用的关节部分的类型。

16. 根据方案15所述的方法，其进一步包括：

基于推荐的机器人操纵器配置，将多个模块化刚性段组装到机器人基座，所述多个模块化刚性段中的每一个包括关节部分。

17. 根据方案15所述的方法，其中，监控描述所述工件的几何形状和约束以及要对所述工件执行的操作包括：监控移动机器人基座的操作和所述工件的对应的移动。

18. 根据方案15所述的方法，其中，产生包括要使用的关节部分的类型的推荐的机器人操纵器配置包括：确定包括使所述模块化机器人装置的机器人操纵器弯曲的操作、以及确定包括使所述机器人操纵器旋转的操作。

当结合附图理解时，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点容易从用于实施本公开的最佳模式的以下详细描述显而易见。

附图说明

图1示意性地图示了根据本公开的用于控制实际机器人装置的示例性控制系统；

图2是图示根据本公开的用以确定第一状态和第二状态之间的中间点的方法的流程图；

图3是图示根据本公开的由马达控制模块发出命令的流程图；

图4示意性地图示了根据本公开的包括两个相邻的关节部分的示例性机器人操纵器，这两个相邻的关节部分可操作以在彼此旋转90度角度的参考平面中使机器人操纵器弯曲；

图5示意性地图示了根据本公开的具有刚性段和关节部分的示例性机器人操纵器，所述刚性段和关节部分的尺寸沿着机器人操纵器的长度减小；

图6示意性地图示了根据本公开的包括模块化刚性段和关节部分的示例性机器人操纵器，所述模块化刚性段和关节部分对根据机器人操纵器的期望总长度和机器人操纵器中的期望自由度来选择性地组装机器人操纵器是有用的；

图7示意性地图示了根据本公开的提供实际机器人装置的模拟操作的操作员界面的显示屏；

图8示意性地图示了根据本公开的图7的显示屏，其中，可利用模拟机器人装置的被请求的附加任务来定义新的机器人配置并将命令输入到模拟机器人装置；

图9示意性地图示了根据本公开的示例性实际机器人装置，该实际机器人装置可操作以在移动工件旁边移动，使得实际机器人装置可对移动工件执行任务；

图10图示了根据本公开的示例性刚性段，该刚性段与附接的关节部分整体地形成并且在每个端部处包括机械、电力和信号连接件；

图11图示了根据本公开的示例性刚性段，该刚性段与关节部分分开提供，其中每一个均被选择性地附接并且每一个均包括机械、电力和信号连接件；

图12-14图示了根据本公开的附加的示例性第一刚性段和关节部分，该关节部分可操作以使第二附接的刚性段相对于第一刚性段弯曲；

图15-17图示了根据本公开的附加的示例性第一刚性段和关节部分，该关节部分可操作以使第二附接的刚性段相对于第一刚性段旋转；

图18是图示根据本公开的控制软件和逆运动学求解器模块化方法的流程图；

图19示意性地图示了根据本公开的图1的马达控制模块；以及

图20是图示根据本公开的用以操作模块化机器人装置的示例性方法的流程图。

具体实施方式

提供了一种用于多自由度、灵活且模块化的蛇形机器人臂的系统和方法。一种制造方法可包括一组定义的约束条件。基于这些定义的约束条件，可定义机器人臂实现制造方法的最小自由度数。基于定义的约束条件和最小自由度数，可选择机器人臂以实现该制造方法。

机器人臂可包括包括第一刚性区段的第一段以及包括第二刚性区段的第二段。关节可用于将第一段联结到第二段。关节可包括弯曲铰链部分，该弯曲铰链部分使得第二段能够相对于第一段改变角度。弯曲铰链部分可比作人的肘关节并且可包括在单个平面中的操作，其中被操纵的段可绕固定轴线改变第二段的角度或以单自由度改变第二段的角度。关节可替代地包括旋转部分，其中，第二段可绕与第一段的纵向轴线重合的固定轴线旋转或以单自由度旋转。关节可替代地包括二自由度万向节部分，类似于人的肩关节，该万向节部分使得第二段能够相对于第一段绕两条轴线改变角度。本文中所公开的机器人装置可以是模块化的，这意味着基于所分配的工作任务的细节，可选择性地构建机器人，其中可根据需要添加或去除附加的模块化刚性段和关节部分。机器人装置可类似地独立于所附接的若干个模块化刚性段而操作，其中每个附加的模块化刚性段增加了机器人装置可运用的自由度数。

图1示意性地图示了用于控制实际机器人装置30的示例性计算机化控制系统。该控制系统将操作员输入转变为用于实际机器人装置30的指令。控制系统的第一部分包括计算机化界面10，其中操作员创建实际机器人装置30可执行的命令。控制系统的第二部分包括马达控制模块20，该马达控制模块将命令变换为实际机器人装置30的移动操作。实际机器人装置30包括包括多个刚性段的机器人操纵器或机器人臂，这些段中的每一个通过可操纵的关节部分连接到至少一个其他刚性段。

计算机化界面10向操作员提供控制台以将操作员输入提供到马达控制模块20。马达控制模块20通过为联接到机器人操纵器的一个或多个工具确定中间点、关节和执行器的速度、移动类型、以及命令来将操作员输入转变为移动命令。由操作员输入的命令以一种称为虚拟状态的格式保存在计算机化编程中。通过界面，人们可利用通过数学建模创建的虚拟机器人或模拟机器人装置来模仿实际机器人装置30。附加地，通过计算机化界面10，由实际机器人装置30所工作的工件的计算机化模型可用于通过以下方式来选择实际机器人装置30的配置选项：启用模拟机器人装置的模拟配置，例如确定对于模拟机器人装置围绕障碍物巧妙地移动并完成已编程的任务有用的模拟机器人装置的最小自由度数。此功能用作实际机器人装置的数字副本，以协助确定连接由操作员提供的机器人移动路径点的轨迹。通过该方法，记录要由实际机器人装置30的马达控制模块20遵循的坐标和移动指令的列表。

马达控制模块20为实际机器人装置30产生指令或命令。马达控制模块20可在同步的方法中或以同步的顺序产生命令。例如，控制移动速度的命令和与机器人操纵器的每个关节部分的角度相关的命令，以便在机器人操纵器中提供期望的一连串移动。附加地，可将数据从位于机器人操纵器上的传感器提供到马达控制模块20。可利用提供到马达控制模块20的该数据以通过期望的一连串移动来提供对机器人操纵器的反馈控制。

将操作员的输入转变为对通过期望的一连串移动来控制机器人操纵器有用的命令可包括操作员提供初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态，这一连串状态包括对控制机器人操纵器的移动和/或姿势有用的位置和取向信息。输入与一连串状态中的每一个相关的信息可包括为这些状态中的每一个确定多个控制参数。这些控制参数可包括操纵器的每个关节部分的当前角度、附接到机器人操纵器的端部的工具装置的坐标、中间点是否将维持当前取向、被命令的移动类型、由监控机器人操纵器的传感器提供的反馈数据、以及已编程的参考系统。已编程的参考系统包括命令中所使用的坐标的参考值。已编程的参考系统可以是静态的，例如，参考示例性地表面点，或者是动态的，例如，参考沿组装线向下移动的产品。角度和坐标对通过期望的一连串移动对于一连串状态中的每一个重新创建机器人操纵器的期望姿势有用。

机器人操纵器从一连串状态中的第一个到一连串状态中的第二个的移动可包括线性或直线运动。例如，操作员可命令附接到机器人操纵器的端部的工具沿直线从一个位置移动到另一个位置。在另一个示例中，操作员可命令工具从一个位置移动到另一个位置，同时通过移动维持机器人操纵器的关节部分中的一个的位置和取向。在另一个示例中，操作员可通过从一种状态到另一种状态的移动来独立地命令机器人操纵器的关节部分中的每一个的移动。两种状态之间的路径可被离散化或细分为多个较小的移动，例如以引起机器人操纵器导航通过机器人操纵器附近的障碍物或围绕机器人操纵器附近的障碍物导航。通过多种状态或细分对机器人操纵器的控制可被描述为通过多个中间点或交叉点来控制机器人操纵器。

来自监控机器人操纵器的传感器的控制参数和反馈提供了机器人操纵器的状态的确定性，直到下一个中间点。

提供了四种示例性信息组合，以产生机器人操纵器的不同移动类型。

*欧拉约定-偏航：围绕x轴的旋转；俯仰：围绕y轴的旋转；滚转：围绕z轴的旋转；

表1：向机器人操纵器命令的示例性运动类型。

表1图示了机器人操纵器的可被命令的不同移动类型的四个示例。计算复杂度自顶到底渐进地增加，其中类型1具有示例中的最低计算复杂度，并且其中类型4具有示例中的最高计算复杂度。计算复杂度描述了数学可解性的增加的限制和问题。计算复杂度可替代地被描述为计算量（computational load）。计算复杂度随着诸如刚性段数量/关节数量和每个关节的最大速度之类的变量的增加而增加。如果计算包括运动学的使用，则机器人操纵器从一种状态到下一种状态的移动可能是复杂的或具有挑战性的，并且用中间点对移动的离散化可能是有用的。

类型1运动可包括机器人操纵器从一个笛卡尔坐标到另一个笛卡尔坐标的简单平移。类型1运动不包括在移动期间对机器人操纵器的取向的控制或对操纵器的轨迹的控制。类型2运动可包括机器人操纵器从一个笛卡尔坐标到另一个笛卡尔坐标的平移，并且附加地包括对机器人操纵器的初始和最终取向的控制。在一个实施例中，在类型2运动中，可既不控制沿着轨迹的取向，也不控制轨迹本身。例如，类型3运动可包括对机器人操纵器的轨迹的控制，以便执行线性、圆形和样条轨迹。类型3运动不包括在移动期间对机器人操纵器的取向的控制。类型4运动可包括在移动期间对机器人操纵器的轨迹的控制和对机器人操纵器的取向的控制。因此，类型4运动可用于通过复杂的操作（诸如，喷涂料或焊接）来控制机器人操纵器的运动、以及控制运动以避开机器人操纵器的环境中的障碍物。

（逆）运动学模块负责将由用户输入的信息转变为关节的角度值，以用于控制移动运型3和/或4。使用工具中心点的初始和最终目的地以及要在它们之间进行的运动类型作为输入，将所规定的路径划分成小段（中间点）。在每个中间点之间，机器人必然地以连续的方式执行类型1和/或2的运动，直到实现由用户通知的目标位置和取向。中间点使得能够实现在位置和取向方面的可接受的轨迹误差。

当一种状态和下一种状态之间的距离相对大时，该方法可包括将移动分解成中间点或外推操作员的指令以包括子步骤。例如，如果在机器人操纵器的端部处的工具被命令沿直线移动，但该直线长于机器人操纵器通过一对关节的命令可以实现的长度，则可将该命令分解成到两对关节的增量式命令。该系统可包括对实现复杂或困难的命令有用的子步骤库。

图2是图示用以确定第一状态和第二状态之间的中间点的方法的流程图。方法100在步骤102处开始。在步骤104处，计算当前机器人位置和目的地机器人位置之间的距离。当前机器人位置和目的地机器人位置可以是连接到机器人操纵器的端部的工具的位置。在另一个实施例中，例如，在控制机器人操纵器进入或退出工件的情况下，当前机器人位置和目的地机器人位置可包括在机器人操纵器中间的关节部分的位置，其中可转变位置以实现进入或退出。在步骤106中，当前机器人位置和目的地机器人位置之间的距离可被离散化或分解成子部分，使得可在当前机器人位置和目的地机器人位置之间的离散步长中定义该距离。离散步长可共同地被描述为机器人操纵器的命令的运动。在步骤108处，定义离散步长中的一个并且确定实现该离散步长的机器人操纵器移动。在步骤110处，确定该离散步长是否满足线性度和取向准则或局限性。如果离散步长不满足线性度和取向准则，则该方法返回到步骤108，在该步骤中，以在确定（determinations）中包括的线性度和取向准则的增加的变化裕度来确定离散步长。如果离散步长确实满足线性度和取向准则，则该方法前进到步骤112，在该步骤中，保存该离散步长，并且该方法前进到步骤114。在步骤114处，确定最近保存的离散步长是否实现机器人操纵器的目的地位置。如果最近保存的离散步长未实现目的地位置，则该方法返回到步骤108，在该步骤中，确定下一步长，并且重复执行步骤108至114。如果最近保存的离散步长确实实现了目的地位置，则该方法前进到步骤116，在该步骤中，所保存的步骤被保存为机器人操纵器的命令的运动。在步骤118处，方法100结束。设想了许多附加的或替代性方法步骤，并且方法100并不旨在限于所提供的示例性步骤。

用以确定图2的交互的时间根据移动复杂度和参数的分配而变化，以维持取向、轨迹中的线性度和关节数量。算法的不同实施例使得能够使用不同的参数。算法可以是灵活的，例如，输入或监控机器人操纵器中存在的当前关节数量和硬件能力。

一旦产生并保存用以使机器人操纵器移动通过一系列状态的指令的列表，马达控制模块就可利用这些指令来命令设置在机器人操纵器上的电动马达、命令安装在机器人操纵器的端部上的工具、以及附加地命令与由实际机器人装置执行的操作相关联的附加设备。

图3是图示由马达控制模块发出命令的流程图。方法200在步骤202处开始。在步骤204处，马达控制模块监控输入（诸如，来自操作员的输入）和传感器数据（例如，描述等待使用机器人操纵器的工件到达工作站）。在步骤206处，确定是否满足向机器人操纵器命令移动的条件。如果不满足命令移动的条件，则该方法返回到步骤204。如果满足向机器人操纵器命令移动的条件，则该方法前进到步骤208，在该步骤中，马达控制模块向机器人操纵器命令移动。在步骤210处，马达控制模块将数据提供到计算机化界面以将反馈提供到操作员。在步骤212处，确定附加的命令的运动是否有用。如果更多的命令的运动有用，则该方法返回到步骤208。如果更多的命令的运动没有用，则该方法前进到步骤214，在该步骤中，确定机器人操纵器的操作是否完成。如果机器人操纵器的操作未完成，则该方法返回到步骤204。如果机器人操纵器的操作完成，则该方法前进到步骤216，在该步骤中，该方法结束。设想了许多附加的或替代性方法步骤，并且方法200并不旨在限于所提供的示例性步骤。

图3的方法可线性地运行。在另一个示例中，该方法可重复地运行，或者可以以响应于新输入的方式运行。例如，该方法可在步骤208、210和212之中，基于所提供的数据来运行命令。然而，在这些步骤之中来自操作员的新输入可被运行通过步骤204和206，例如，其中操作员指示机器人操纵器重新开始该方法。在一个示例中，看着机器人操纵器给零件上涂料的检查员可按下按钮，从而指示机器人操纵器对工件涂上一层新涂料，其中机器人操纵器从开始或初始状态重新开始其操作。

机器人操纵器的关节部分可包括：致动器，例如，被体现为可操作以利用电力在机器人操纵器中产生移动的电动马达；控制器或计算机化装置，其对控制致动器有用；以及齿轮减速器，其对将致动器的输出扭矩变换为附接到关节部分的刚性段的期望移动有用。

图4图示了包括两个相邻的关节部分的示例性机器人操纵器300，这两个相邻的关节部分可操作以在彼此旋转90度角度的参考平面中使机器人操纵器弯曲。机器人操纵器300包括第一刚性段310和第二刚性段330。刚性段310连接到关节部分320或与其整体地形成，该关节部分可操作以绕轴线324弯曲。关节部分320包括机械连接部分322。刚性段330连接到关节部分340或与其整体地形成，该关节部分可操作以绕轴线344弯曲。刚性段330通过紧固件、铆钉或通过其他连接器连接到机械连接部分322，使得当关节部分320弯曲时，它改变刚性段330相对于刚性段310的角度。关节部分340包括机械连接部分342，该机械连接部分可连接到另一个刚性段或者连接到要附接到机器人操纵器300的端部的工具。

轴线324可沿与轴线344不同的方向定向。在一个实施例中，轴线324可相对于轴线344旋转90度。在这种配置中，关节部分320和关节部分340可在三个维度上共同地使机器人操纵器300弯曲。进一步地，可利用几个刚性段和关节部分的交替模式来创建具有有用的灵活性和机动性的机器人操纵器300。

在一个实施例中，机器人操纵器可包括通过多个关节部分连接的多个刚性段。更靠近机器人基座的刚性段和关节部分可经受比更靠近机器人操纵器的端部的刚性段和关节部分显著更高的力或扭矩。在一个实施例中，更靠近基座的刚性段和关节部分的尺寸和负载处理能力可大于更靠近机器人操纵器的端部的刚性段和关节部分。在一个实施例中，刚性段和对应的关节部分的相对尺寸可在机器人操纵器的长度上渐缩，其从基座附近以相对大的尺寸开始并且在机器人操纵器的长度上尺寸逐步地减小。图5示意性地图示了具有刚性段和关节部分的示例性机器人操纵器400，所述刚性段和关节部分的尺寸沿着机器人操纵器的长度减小。图示了可固定到静止表面的机器人基座410。关节部分415被图示为附接到机器人基座410，并且可操作以改变所连接的刚性段420相对于机器人基座410的角度。连接电缆402被图示为在机器人基座410和刚性段420之间提供电力、通信信号和其他连接性通信。图示了一系列刚性段，包括刚性段430、刚性段440、刚性段450和刚性段460，其中，该系列中的每个刚性段随着刚性段离机器人基座410更远而尺寸渐进地更小。类似地，图示了一系列关节部分，包括关节部分425、关节部分435、关节部分445、关节部分455和关节部分465。关节部分455被图示为包括旋转关节，从而使得刚性段460能够绕刚性段450的纵向轴线旋转。关节部分465被图示为包括万向节关节，从而使得能够相对于刚性段460以两个自由度调节工具装置470。图示了类似于连接电缆402的连接电缆，包括连接电缆422、连接电缆432、连接电缆442和连接电缆452。所述多个模块化刚性段可以是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装，例如，其中刚性段420可选地被省略并且刚性段430安装在其位置，或者在另一个示例中，其中刚性段430附接到机器人基座410并且刚性段420附接到刚性段430。

根据一个实施例，机器人操纵器可被配置成包括多达特定数量的刚性段，但是用连接到机器人操纵器的某个最小数量的刚性段就可以是可操作的。例如，机器人操纵器用连接到实际机器人装置的基座的第一刚性段和通过关节部分连接到第一刚性段的第二刚性段可以是可操作的。其他刚性段可模块化地选择性地组装到机器人操纵器，以选择性地增加机器人操纵器的长度和可用自由度两者。图6示意性地图示了包括模块化刚性段和关节部分的示例性机器人操纵器500，所述模块化刚性段和关节部分对根据机器人操纵器500的期望总长度和机器人操纵器500中的期望自由度来选择性地组装机器人操纵器500有用。机器人操纵器被图示为包括机器人基座510和一系列刚性段，该系列刚性段包括刚性段530、刚性段531、刚性段532、刚性段533、刚性段534、刚性段535、刚性段536和刚性段537。这些刚性段中的每一个用关节部分520连接到邻近的刚性段。这些刚性段中的每一个和所连接的关节部分520是模块化的，这意味着它们可从彼此断开并重新连接到其他刚性段以创建机器人操纵器500的替代性配置。相对较大的刚性段538和相对较小的刚性段539被图示为与机器人操纵器500分开。刚性段538和刚性段539可选择性地安装到机器人操纵器500，以增加机器人操纵器500的长度并增加机器人操纵器500可在其中操作的自由度数。工具装置540被图示为包括对于将物体放置在工件上有用的真空夹持装置。模块化刚性段和关节部分520可使得能够对机器人操纵器500进行模块化组装。图6图示了七个刚性段，每个刚性段用至少一个关节部分（连接到这些刚性段中的另一个）连接到另一个刚性段。机器人操纵器可构造有许多个交替的刚性段和关节部分。

所公开的机器人操纵器可包括多个关节部分和多个刚性段，其中这些关节部分的对齐和重复使得机器人操纵器能够使刚性段移动成大量配置。增加关节部分的数量在机器人操纵器中实现了更多的自由度。可分析要执行的特定工作任务以确定要执行该任务的最小自由度数，并且可创建机器人操纵器以匹配或超过所确定的最小自由度数。图7示意性地图示了提供实际机器人装置的模拟操作的计算机化界面的显示屏600。图示了模拟机器人装置620，其包括多个刚性段622和多个关节部分624。工件610被图示在显示屏600上。计算机化界面可用模拟机器人装置620的能力和局限性进行编程，包括受关节部分624的总数和类型驱使的能力和局限性。计算机化界面可监控描述工件610的几何形状和约束，并且可监控由模拟机器人装置620要对工件610执行的操作。监控要执行的操作可包括监控移动机器人基座的操作和工件610的对应的移动。可分析模拟机器人装置620的移动，例如以确定对将模拟机器人装置620移入和移出工件610有用的自由度数以及确定对通过转变616将模拟机器人装置620从第一位置612移动到第二位置614有用的可操作性。对模拟机器人装置620的分析可附加地包括对工件610的几何形状的分析以及对模拟机器人装置620的一部分是否曾经是不许可地接触工件610的确定。

图8示意性地图示了图7的显示屏600，其中，可利用模拟机器人装置620的被请求的附加任务来定义新的机器人配置并将命令输入到模拟机器人装置620。操作员可定义模拟机器人装置可进一步被派有如下任务：通过转变619而附加地从工件610的第三位置617移动到第四位置618。作为用于移动模拟机器人装置的所添加的参数的结果，可模拟对模拟机器人装置进行的修改以创建修改后的模拟机器人装置620’。

可利用移动的实际机器人装置以在复杂环境中执行工作。在一个示例中，移动参考系统可与和移动工件一起移动的实际机器人装置一起被利用，以实现对该移动工件的任务。图9示意性地图示了示例性实际机器人装置810，该实际机器人装置可操作以在移动工件870旁边移动，使得实际机器人装置810可对移动工件870执行任务。实际机器人装置810安装到位于第一轨道止挡件832和第二轨道止挡件834之间的示例性轨道装置830，使得实际机器人装置810可沿着轨道装置830移动到一个位置。移动工件870被图示为安装到安装在轨道装置860上的移动货盘850。当移动工件870沿着轨道装置860移动时，实际机器人装置810可包括移动机器人基座并且可被控制为类似地沿着轨道装置830移动，使得实际机器人装置810的机器人操纵器820可用于通过工件870中的开口872来移动工具822。

刚性段和相关联的关节部分的模块化构造可包括许多种变型。图10图示了包括示例性刚性段910的配置900，该刚性段与附接的关节部分920整体地形成并且在每个端部处包括机械、电力和信号连接件。刚性段910被图示为包括阴型机械连接件912、电力电缆914和数据电缆916。关节部分920被图示为包括阳型机械连接件922、电力电缆924和数据电缆926。多个刚性段910可串联连接，其中机械、电力和数据或信号连接件以链条形式连接每个刚性段910以形成机器人操纵器的一部分。

图11图示了示例性刚性段1000，该刚性段与关节部分1050分开提供，其中每一个均被选择性地附接并且每一个均包括机械、电力和信号连接件。除了刚性段1000和关节部分1050分别在表面1020和1056处被选择性地连接之外，刚性段1000和关节部分1050类似于图10的刚性段910和关节部分920。螺栓孔1054和螺栓孔1022对齐，并且可操作以接收使得能够连接刚性段1000和关节部分1050的带螺纹的螺栓紧固件。刚性段1000包括电力电缆1002和数据电缆1004。刚性段1000进一步包括辅助连接件1006，例如将加压空气流、涂料、水或单独的电力连接件提供到机器人操纵器的端部上的工具装置。表面1020包括电力连接件1024、数据连接件1026和辅助连接件1028，这些连接件通过表面1056上的配合连接件而匹配。刚性段1000进一步包括在前表面和后表面两者上的机械连接器表面1010，每个表面均包括六个示例性螺栓孔1012。

关节部分1050包括伺服马达1060，该伺服马达被配置成使机械连接器部分1070相对于轴环1052旋转。在替代性实施例中，弯曲的关节部分可代替关节部分1050。机械连接器部分1070可操作以连接到另一个刚性段上的类似于机械连接器表面1010的机械连接器表面。关节部分1050进一步包括电力电缆1074、数据电缆1076和辅助连接器1078。机械连接器部分1070包括与螺栓孔1012匹配的多个螺栓孔1072，从而使机械连接器部分1070能够串联连接到包括类似于螺栓孔1012的螺栓孔的相同或类似的刚性段。

图12-14示意性地图示了包括附加的示例性第一刚性段1110和关节部分1120的配置1100，该关节部分可操作以使第二附接的刚性段相对于第一刚性段1110弯曲。第一刚性段1110被图示为包括计算机化控制器装置1112和伺服马达1114。计算机化控制器装置1112从马达控制模块接收命令并提供命令伺服马达1114提供输出扭矩的电力和/或通信信号。齿轮传动装置1130被图示为被配置成利用伺服马达1114的输出扭矩以使机械连接部分1140绕轴线1122旋转。图12以透视图图示了第一刚性段1110和关节部分1120。图13以前视图图示了第一刚性段1110和关节部分1120。图14以顶视图图示了第一刚性段1110和关节部分1120。

图15-17示意性地图示了包括附加的示例性第一刚性段1410和关节部分1420的配置1400，该关节部分可操作以使第二附接的刚性段相对于第一刚性段1410旋转。第一刚性段1410被图示为包括计算机化控制器装置1412和伺服马达1414。计算机化控制器装置1412从马达控制模块接收命令并提供命令伺服马达1414提供输出扭矩的电力和/或通信信号，该输出扭矩用于使关节部分1420相对于刚性段1410绕轴线1430转动。图15以透视图图示了第一刚性段1410和关节部分1420。图16以前视图图示了第一刚性段1410和关节部分1420。图17以顶视图图示第一刚性段1410和关节部分1420。

图18是图示控制软件和逆运动学求解器模块化方法1700的流程图。方法1700在步骤1702处开始。在步骤1704处，操作员定义包括要在模拟机器人装置中利用的关节部分的数量或类型的机器人操纵器配置。在步骤1706处，确定输入配置是否有效。如果输入配置无效，则该方法返回到步骤1704，在该步骤中，提供错误消息并且操作员可纠正该错误。如果输入配置有效，则该方法前进到步骤1708，在该步骤中，计算机化系统编译关于模拟机器人装置的可用数据。在步骤1710处，确定是否已产生新的控制指令（directive），该新的控制指令可包括所产生的关于模拟机器人装置和/或在该装置的环境内所模拟的物体和/或要由该装置执行的任务的局限性和能力的信息。如果还没有产生新的控制指令，则该方法返回到步骤1708。如果已产生了新的控制指令，则该方法前进到步骤1712，在该步骤中，确定编程是否已初始化和加载该新的控制指令。如果编程没有初始化和加载该新的控制指令，则该方法返回到步骤1708。如果编程已初始化和加载该新的控制指令，则该方法前进到步骤1714，在该步骤中，产生校验和。在步骤1716处，打开或访问控制编程。在步骤1718处，确定开放式编程是否适应于新指令。如果开放式编程不适应于新指令，则该方法返回到步骤1708。如果开放式编程已适应于新指令，则该方法前进到步骤1720，在该步骤中，可据称该编程包括机器人读取界面。在步骤1722处，该方法结束。设想了许多附加的或替代性方法步骤，并且方法1700并不旨在限于所提供的示例性步骤。

图19示意性地图示了图1的马达控制模块。马达控制模块20可包括被配置成操作计算机化编程的处理装置1810。在图示所公开的系统的可选特征的图示性实施例中，马达控制模块20包括处理装置1810、输入/输出界面1830、通信装置1820和存储器装置1840。注意，马达控制模块20可包括其他部件，并且在一些实施例中一些部件可能不存在。

处理装置1810可包括：存储器（例如，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）），其存储处理器可执行指令；以及一个或多个处理器，其执行处理器可执行指令。在处理装置1810包括两个或更多个处理器的实施例中，这些处理器可以以并行或分布式方式操作。处理装置1810可执行马达控制模块20的操作系统。处理装置1810可包括一个或多个模块，所述模块执行包括可执行步骤的编程代码或者计算机化过程或方法。所图示的模块可包括单个物理装置或横跨多个物理装置的功能。在图示性实施例中，处理装置1810还包括下文更详细描述的工件几何形状和约束分析模块1812、机器人状态建模模块1814和推荐的机器人配置模块1816。

输入/输出界面1830是允许用户与马达控制模块20交互的装置。虽然示出了一个输入/输出界面1830，但术语“用户界面”可包括但不限于触摸屏、物理键盘、鼠标、麦克风、扬声器和本领域中的其他用户界面装置。附加地，输入/输出界面1830可包括对于马达控制模块将命令提供到被控制的机器人装置和从被控制的机器人装置接收数据反馈有用的硬件。

通信装置1820可包括与总线装置的通信/数据连接，该总线装置被配置成将数据传送到系统的不同部件，并且该通信装置可包括用于执行无线通信的一个或多个无线收发器。

存储器装置1840是存储由马达控制模块20产生或接收的数据的装置。存储器装置1840可包括但不限于硬盘驱动器、光盘驱动器和/或快闪存储器驱动器。

工件几何形状和约束分析模块1812包括被配置成进行如下操作的编程：对与机器人装置相关联的工件进行建模和提供对其的分析，以及提供关于机器人操纵器可如何移动以实现对工件的工作任务的细节。

机器人状态建模模块1814包括被配置成进行如下操作的编程：利用关于工件和要执行的工作任务的细节以定义多种状态，机器人操纵器可通过所述多种状态转变以实现工作任务。

推荐的机器人配置模块1816包括被配置成进行如下操作的编程：利用可用信息来确定对将机器人装置移动通过由机器人状态建模模块1814定义的所述多种状态有用的最小自由度数和/或推荐的机器人操纵器配置。

马达控制模块20被提供作为能够执行编程代码以操作模块化机器人装置的示例性计算机化装置。设想了马达控制模块20、附接到其的装置和可在其中操作的模块的许多个不同实施例，并且本公开并不旨在限于本文中所提供的示例。

图20是图示用以操作模块化机器人装置的计算机化方法1900的流程图。方法1900在步骤1902处开始。在步骤1904处，输入几何形状和其他系统约束，其描述工件和要对工件执行的操作。在步骤1906处，根据本文中所公开的方法，定义用于操作机器人的多种状态并且用图绘制各种状态之间的转变。在步骤1908处，分析所述多种状态和所述多个转变，并且确定模块化机器人装置的机器人操纵器中的自由度数。在步骤1910处，提供或使用所确定的自由度数以产生推荐的机器人操纵器配置，该机器人操纵器配置包括要使用的刚性段的数量和要使用的关节部分的类型。在步骤1912处，产生或提供被确定为通过所述多种状态来命令推荐的机器人操纵器配置的步骤以供根据推荐的机器人操纵器配置来配置的实际机器人装置使用。在步骤1914处，方法1900结束。方法1900是示例性的，设想了许多个附加的或替代性步骤，并且本公开并不旨在限于本文中所提供的特定示例。

尽管已详细描述了用于实施本公开的最佳模式，但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内的用于实践本公开的各种替代性设计和实施例。

Claims (10)

1. 一种模块化机器人装置，其包括：

机器人基座；以及

机器人操纵器，其连接到所述机器人基座并且可操作以铰接工具装置，所述工具装置连接到所述机器人操纵器的端部，所述机器人操纵器包括多个模块化刚性段，每个模块化刚性段包括关节部分并且每个模块化刚性段均可操作以可选择地连接到所述机器人操纵器；以及

其中，所述多个模块化刚性段是可互换的，并且可操作以以各种组合进行组装。

2.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段包括：

第一刚性段，其包括第一关节部分；

第二刚性段，其连接到所述第一关节部分并且包括连接到所述第二刚性段的第二关节部分；

第三刚性段，其连接到所述第二关节部分并且包括连接到所述第三刚性段的第三关节部分；

第四刚性段，其连接到所述第三关节部分并且包括连接到所述第四刚性段的第四关节部分；

第五刚性段，其连接到所述第四关节部分并且包括连接到所述第五刚性段的第五关节部分；

第六刚性段，其连接到所述第五关节部分并且包括连接到所述第六刚性段的第六关节部分；以及

第七刚性段，其连接到所述第六关节部分。

3.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力中的一者的一条连接电缆。

4.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述多个模块化刚性段中的每一个包括可操作以通过所述模块化刚性段来传输数据和电力的多条连接电缆。

5.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述关节部分中的至少一个可操作以改变所述多个模块化刚性段中的第一个的纵向轴线相对于所述多个模块化刚性段中的第二个的纵向轴线的角度。

6.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述关节部分中的至少一个可操作以使所述多个模块化刚性段中的第一个相对于所述多个模块化刚性段中的第二个旋转，同时维持所述多个模块化刚性段中的所述第一个和所述多个模块化刚性段中的所述第二个之间的公共纵向轴线。

7.根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其中，所述机器人基座是可移动的，并且可操作以在移动工件旁边移动，所述模块化机器人装置可操作以对所述移动工件执行工作，使得所述机器人操纵器能对所述移动工件执行任务。

8. 根据权利要求1所述的模块化机器人装置，其进一步包括计算机化控制系统，所述计算机化控制系统包括用以进行如下操作的编程：

在工件的背景下对所述机器人操纵器的操作进行建模，所述模块化机器人装置可操作以对所述工件执行工作；以及

产生对在所述工件的背景下操作所述机器人操纵器有用的所确定的最小自由度数；并且

其中，所述机器人操纵器可操作以包括所确定的最小自由度数。

9.根据权利要求8所述的模块化机器人装置，其中，对所述机器人操纵器的操作进行建模包括：定义多种状态，所述多种状态包括初始状态、一种或多种中间状态以及最终状态，所述机器人操纵器将通过所述多种状态转变以完成对所述工件的操作。

10.一种操作模块化机器人装置的方法，所述方法包括：

在计算机化处理器内操作编程以：

监控描述工件的几何形状和约束以及要对所述工件执行的操作；

确定多种状态，所述模块化机器人装置基于受监控的几何形状和约束来通过所述多种状态移动以实现要执行的操作；

分析所述多种状态，以确定所述模块化机器人装置的机器人操纵器中的最小自由度数；以及

产生推荐的机器人操纵器配置，所述机器人操纵器配置包括要使用的刚性段的数量和要使用的关节部分的类型。

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