CN114945448A - 夹持设备、机器人以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人的用于夹持物体(7；19)的夹持设备，其中，夹持元件(9；15)以能够旋转的方式安装在夹持设备的夹持指状件(8；13)上。

Description

夹持设备、机器人以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于夹持物体的夹持设备，特别是用于机器人和操纵器的夹持设备，还涉及使用该夹持设备的机器人以及借助于机器人的夹持设备用于夹持物体的控制方法。

背景技术

在各种设计中已知夹持设备，例如具有两个可线性移动的夹持器或指状元件的平行夹持器、具有至少三个指状元件的同心夹持器或具有以偏移方式夹持的夹持器的有角度夹持器。夹持设备也可以被设计为使得它们能够实现线性夹持或爪式夹持，其中，物体仅在两个单独的点处被夹持设备的夹持器夹持，或者使得它们能够实现利用夹持器基本上完全包围物体的夹持或空间夹持，其中夹持设备的夹持器或指状元件在必要时适应于待夹持的物体的轮廓。

例如，WO 2013/075245 A1中已知一种夹持设备，其可被设计为平行或同心的夹持器，其中，夹持器设计为双臂，以实现具有平行四边形导向件的准传动或齿轮。这使得一方面可以通过夹具朝向彼此的线性运动来保持物体，或者另一方面通过允许夹具的上部远端围绕物体倾斜而以部分封闭的方式夹持弯曲物体。最终使用哪种类型的夹持取决于待夹持的物体的尺寸和形状以及由于设计(即，传动)而建立的指状元件之间的平衡平面。原则上，这使得能够柔软且适应性地夹持物体，尽管柔软和适应性能力受到设计的显著限制。具有杠杆元件、旋转接头、弹簧、和致动器的传动装置或传动装置的机械设计是复杂且易受影响的，并且还导致整个夹持设备的高重量。

在WO 2016/141266 A1中公开了用于夹持设备的类似机械设计，其中，指状件的杆元件可以由柔软材料一件式地制成，可能具有嵌入的触觉传感器。

具有类似于平行四边形齿轮的用于指状元件的引导件的夹持设备是已知的，例如参见WO 2016/037288 A1和美国专利号9,533,419。在该美国专利中示出的夹持设备还具有指状元件，其中，面向物体的内表面由可相对于彼此移动的单独链节的链条构成，从而允许柔软夹持和能够适应于待夹持物体的轮廓的夹持。

DE 10 2009 015 975 B4中已知一种夹持设备，其中，指状元件或夹持器被设计为所谓的翼梁元件，翼梁元件具有两个弯曲灵活的面，这些面在其自由端部上彼此连接并且彼此间隔地固定在夹持器基座上，以形成三角形布置。这两个表面通过多个彼此平行延伸的薄片彼此连接，每个薄片在其端部区域以铰接或材料互锁的方式弹性地连接到这些表面，使得当物体被夹持时，这些表面与物体的表面一致，因为这些表面可通过薄片相对于彼此移动。然而，这种夹持设备的柔软特性受到设计的限制。此外，为了夹持，必须使指状元件作为整体致动，并因此以可变形的方式移动指状元件，从而导致另外的扭矩和力作用在机构上。

然而，上述夹持设备本身都不能夹持细线(filigree)而非刚性的平坦物体，特别是固有柔软或弹性的物体，例如布料、织物、箔、纸等，使得已知夹持技术(其中，夹持指状件在物体上竖直向下移动然后横向移动(平行夹持))是不适合的。如果存在，如前所述的这种夹持设备的固有弹性仅设计用于这种类型的平行夹持。然而，这种类型的夹持对于平坦的、柔软的物体通常失败，因为物体存在于平行接近的手指上方的部分不能被其牢固地夹持。此外，还存在这样的问题，即，当夹持指状件平行移动并以其前端搁置在平坦的柔软物体上时，物体本身位移，但不能被夹持指状件上的夹爪夹持，从而它们实际上能够被提升。此外，存在物体被压碎和撕裂的风险。在控制技术方面，不能通过平行的夹持器或者即使有的话也只能以不成比例的高努力来实现柔软平坦物体的安全的、非破坏性的夹持。

平行夹持器主要设计用于夹持刚性物体。原则上，使用吸盘来提升这些物体同时短时间产生真空是可能的，但是这需要额外的介质管线，其产生成本和维护并且必须沿着操纵器布线，通常在外部，并且还限制机器人的移动性。

发明内容

基于这一点，本发明的目的是提供一种改进的夹持设备，特别是用于轻型构造的机器人的夹持设备，其易于操作、用途多样。此外，制造成本低廉，并且特别地，其允许夹持主要是平坦的并且形状方面柔软的物体。

该目的通过根据权利要求1所述的夹持设备以及根据权利要求14所述的方法来解决。

因此，本发明提出了一种用于夹持物体的夹持设备，其包括至少两个夹持单元，夹持单元分别具有夹持指状件并且能够通过在释放位置和夹持物体的夹持位置之间的受控制的运动而转变，其中，夹持单元分别包括夹持元件，夹持元件在夹持位置中能够与待夹持的物体接触，并且其中，夹持元件以能可旋转的方式安装在夹持指状件的远端处。

特别地，根据本发明的夹持设备被设置用于从平坦基部夹持非固定或非刚性的物体。

在本发明的意义上，非刚性的物体在此应理解为本身柔韧或弹性的并且具有平面延伸的物体，例如任何种类的织物、织物网、塑料膜、纸片、绝缘材料等。

夹持元件作为独立元件，即，所谓的一种旋转爪，被设置在夹持指状件上，由此根据本发明的可旋转支撑件允许当夹持元件与待夹持的物体接触时，这些物体与支撑件本身一起用作一种支座，夹持元件可在中间存储或物体的夹持下抵靠该支座滚动，其中待夹持的物体通常从诸如传送带之类的平坦的支撑件上拾取。

在夹持作用下的力(即，夹持指状件经由额外的夹持元件作用在物体或支撑件上的力)以及夹持指状件朝向彼此的横向移动，由于物体和夹持元件之间的摩擦效应，导致这些夹持元件的旋转移动，可以以优选的方式通过阻抗受控且因此灵敏的机器人来执行，特别是轻质设计的机器人。这种机器人的控制行为能够被调整为这种功能，使得能够无损地夹持诸如织物的软材料。特别地，机器人能够“感觉”夹持元件是否适当地搁置在这样的物体上以及物体是否能够实际上借助于在抓具指朝向彼此平行移动的过程中旋转的夹持元件来夹持。

在夹持设备的一个实施例中，夹持元件被配置为，当夹持元件在到达夹持位置的条件下相互接触时，朝向彼此和远离待夹持的物体旋转。

在夹持设备的优选实施例中，夹持元件具有第一区段，该第一区段的外轮廓相对于其旋转轴线被配置为，在夹持元件已经朝向彼此移动之后，持元件之间以直线的方式的接触。

根据本发明，第一区段的外轮廓相对于其旋转轴线部分地遵循数学螺旋的形状，其特征在于，相互接触点位于由两个夹持元件的旋转轴线占据的公共平面上方，例如阿基米德螺旋(Archimedes spiral)。

另外，根据本发明的夹持元件可包括第二区段，该第二区段的外轮廓相对于其旋转轴线被设计，在完全处于所述夹持位置的条件下防止夹持元件的进一步旋转，特别是在完全处于所述夹持位置的条件下，夹持元件至少部分地以平面方式彼此相对，与物体接合。

为了在与物体接触时在预期的旋转方向上支持旋转运动，夹持元件可以被偏置。此外，夹持元件可包括被布置为防止夹持元件在不接触时旋转的设备。该设备还可以被布置为当夹持元件之间不再接触时使夹持元件远离彼此旋转，以帮助释放被夹持的物体，并且还使夹持元件返回到其初始位置。

可以想到与机械止动件或类似机构结合的扭力弹簧，以确保在夹持元件相互接触之前不会开始旋转运动，即，基本上防止了例如在与工作表面或被夹持物体碰撞的情况下的意外旋转。

在根据本发明的另一替代实施例中，至少一个夹持元件被设计为能够由致动器以能够旋转的方式驱动。这样，通过夹持元件与平坦物体的摩擦接合，可以通过主动施加的旋转使平坦物体相对于例如相对的夹持元件移动并因此升高平坦物体，然后相对的夹持元件作为用于此目的的支座。

为此，可以想到的是，夹持指状件具有用于驱动夹持元件的齿轮机构，例如在夹持指状件内被引导的带驱动装置。

原则上，如果夹持器元件的外表面具有摩擦增强涂层和/或结构，例如橡胶涂层，可能具有小块、薄片等，则有利于夹持光滑物体，例如织物或光滑膜。

本发明还涉及一种机器人，其包括根据上述实施例中的一个的夹持设备，优选地具有用于人机协作(HRC)过程中的轻型结构。

在这种情况下，本发明还涉及一种借助于机器人用于夹持优选固有地易弯的物体的控制方法，该机器人包括根据上述实施例中任一个的夹持设备，该控制方法包括以下步骤：

-通过机器人将夹持设备朝向物体移动，直到夹持元件被放置在物体上；

-使夹持指状件朝向彼此移动，直到夹持元件相互接触；以及

-进一步使夹持指状件朝向彼此移动，使得夹持元件在夹持物体的条件下进行旋转。

由于根据本发明的夹持器元件包括这样的形状和在夹持指状件的远端处的这样的支撑，使得它们在接触时自动地朝向彼此旋转，夹持指状件朝向彼此的缓慢线性运动足以在无需付出较大努力下而在旋转的旋转爪之间拾取物体，缓慢线性运动能够根据待夹持的物体的重量来调节。对于具有主动驱动的设计，尤其是当旋转爪接触时，可以控制夹持指状件朝向彼此的移动以获得阻抗，该控制相应地与引导夹持设备的机器人的进一步控制相协调。

该方法可以包括另外的步骤：

-进一步使将夹持指状件朝向彼此移动，直到夹持元件在物体的接合下以其区段抵接，该区段被配置为不允许夹持元件的进一步旋转。

特别地，根据本发明的方法的特征在于，步骤可以通过受阻抗控制和/或灵敏度控制的机器人来执行，在这方面相应地设置所述机器人相对于待使用的夹持设备的控制。

根据本发明的解决方案是基于对待夹持的物体的柔软性质的利用。通过旋转的摩擦密集表面“拉动”在夹持设备的指状件的夹持元件之间的物体，该机构确保了正确的、尤其是非破坏性的夹持。

为了实现旋转运动，机器人夹持器的夹持元件可以围绕它们的轴线枢转，轴线彼此平行并且平行于物体所位于的平面。与柔软物体接触的夹持元件的相应表面的外轮廓遵循数学螺旋的形状，例如阿基米德螺旋，其接触点位于两个轴线的公共平面上方。一旦夹持器的线性运动被激活并且指状件闭合，旋转的夹持元件或旋转爪便接触并且超过该力。机械杠杆使旋转爪沿相反的方向绕它们各自的轴线旋转。在指状件之间，物体变型为支撑件，并且通过控制夹持力来确保正确的夹持。在旋转一定角度之后，优选地旋转半圈，达到平坦形状的垂直接触表面，并且自动停止旋转爪的旋转。

附图说明

本发明的进一步特征和优点将从附图所示的实施例的描述中变得明显，其中：

图1示例性示出了根据现有技术的夹持设备；

图2至5示出了根据本发明的夹持设备的第一实施例，每个附图表示根据本发明的方法的夹持步骤；

图6示意性示出了根据本发明的夹持设备的第二实施例；以及

图7a和图7b示例性示出了借助于第二实施例的夹持过程。

具体实施方式

图1示出了现有技术的夹持设备的示例，该夹持设备可以附接到受阻抗控制的机器人的多连杆操纵器的远端。

夹持设备包括基座1，在该基座1中设置有用于夹持指状件4的驱动机构和引导件，具有用于附接到未示出的机器人臂的凸缘2，以及用于控制夹持指状件4的驱动的连接件3，夹持指状件4能够朝向彼此地线性移动并且在其远端处包括夹爪5。如所看到的，这些夹持指状件4仅允许平行夹持，但利用平行夹持不能夹持布置在平坦表面上的平面的柔软物体，例如织物。

图2至5示出了根据本发明的夹持设备的第一实施例，使用该夹持设备可以以简单的方式实现对这类物体的夹持。

在图2中，示出了根据本发明的第一实施例的夹持设备，其中，示出了夹持设备被放置到待夹持的柔软物体上的状态，如竖直箭头所示。

待夹持的柔软且平坦的物体7(织物)被放置在平坦的支撑件6上。

夹持设备还包括两个夹持指状件8，这两个夹持指状件8可以彼此平行地移动，如水平箭头所示。

两个夹持指状件8在它们的远端各自包括以能够旋转的方式安装的、呈旋转爪9形式的夹持元件，在旋转爪9的用于与物体7接触的外表面上设置有摩擦增强涂层10。

为了防止旋转爪9在它们由于夹持指状件8的平行移动而朝向彼此移动时已经开始旋转，提供了防止旋转的装置11，该装置被设计为例如适当尺寸的单向弹簧。

可以看出，旋转爪9朝向彼此的运动导致物体7由于挤压而在它们之间略微堆起。

通过机器人系统(未示出)在垂直方向上施加力并且闭合旋转爪9，柔软物体7已经被挤压并在旋转爪9之间堆积。在这种状态下，两个扭力弹簧11防止旋转爪9的旋转。

如在所有图2至图5中可以看到的，旋转爪9的第一区段9.1中的外轮廓遵循阿基米德螺旋线，从而随着线性运动的进行，旋转爪9在点K处相互接触，该点K位于由旋转爪9的轴承的枢转点D形成的公共平面上方。

根据本发明，如图3所示，一旦旋转爪9在点K处彼此接触，旋转爪9便开始旋转，并且因此，由于摩擦和粘附，随着旋转爪9继续旋转，物体7的越来越多的材料在旋转爪9之间被拾取，并且在物体7的中间支撑条件下，旋转爪9的区段9.1朝向彼此滚动，如图4所示，这是由夹持指状件8朝向彼此的进一步线性运动所引起的。

图5示出了夹持指状件8已经最终到达其闭合位置并且旋转爪9已经到达其最终夹持位置的状态。在旋转方向上观察，旋转爪9在其第一区段9.1之后包括设计为直线型的第二区段9.2，如图4所示。

在最终的夹持位置中，区段9.2彼此相对地平放，在该点处包围物体7。这导致了具有增加的摩擦接合的二维负载，由此可以牢固地保持物体7。在该夹持位置中，现在可以借助于机器人提升物体7并且将物体7转移到目标位置，在该目标位置处，使得夹持指状件8线性地远离彼此移动并且旋转爪9在必要时由弹簧装置11支撑的条件下沿相反的方向上旋转回到其起始位置。

所示出的根据本发明的夹持设备的夹持机构利用了物体7的柔性。其不依赖于精确的夹持位置，并因此在例如额外的光学传感器与机器人结合使用的情况下更坚固，以防止视觉误差。根据本发明，主要通过相对于夹持指状件8的线性运动的力控制来实现任意的、优选平面设计的柔软物体的正确和非破坏性的夹持。

然而，替代地，也可以设置为，在夹持指状件的远端处的夹持元件被主动地致动。为此，图6至7b示意性示出了根据本发明的第二实施例。

在此，使用齿轮和驱动机构12，其可以以任何期望的方式设计在至少一个夹持指状件13和夹持设备的基座14内。

例如，如图6所示，旋转爪15可由设置在夹持指状件13内的带驱动装置16致动，该带驱动装置16又由在基座14内的齿条18上滚动的齿轮17致动，从而当夹持指状件13自身朝向彼此或远离彼此线性移动时使其旋转。

如图7a和7b所示，夹持指状件13朝向彼此的线性运动以及旋转爪15的同时旋转运动(如在每种情况下由箭头所示)使得柔软物体19在相应点处堆积并在旋转爪15之间被向上拉动，从而被夹持。夹持设备的这种设计适合于这种类型的较重的物体19，其中，夹持设备本身也可以相应地被设计为更大的尺寸。

在此同样利用了待夹持的物体具有柔软特性的优点。通过具有高摩擦的旋转表面拉动在夹持指状件的旋转爪之间的物体，该机构确保正确且无损的夹持。旋转爪15的旋转运动与夹持指状件13的线性运动耦接，因此不需要额外的马达。物体19在旋转爪15之间变形，并且实际的夹持力由夹持指状件13的线性运动控制。通过控制夹持指状件13之间的距离，可以容易地检测失败的夹持尝试并对此做出响应。

夹持设备的上述实施例特别适合于与HRC机器人一起使用，该HRC机器人具有阻抗控制，该阻抗控制实现了通过夹持设备和机器人实施例如平坦的、精致的物体的这种“感测”夹持。

Claims (16)

1.一种用于夹持物体(7；19)的夹持设备，所述夹持设备包括至少两个夹持单元，所述夹持单元分别包括夹持指状件(8；13)并且能够通过在释放位置和夹持所述物体(7；19)的夹持位置之间的受控制的运动而转变，其中，所述夹持单元分别包括夹持元件(9；15)，所述夹持元件(9；15)在所述夹持位置中能够与待夹持的所述物体(7；19)接触，其特征在于，

所述夹持元件(9；15)以能够旋转的方式安装在所述夹持指状件(8；13)的远端处。

2.根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9)被配置为：当所述夹持元件(9)在到达所述夹持位置的条件下相互接触时，朝向彼此并且远离待夹持的所述物体(7)旋转。

3.根据权利要求2所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9)包括第一区段(9.1)，所述第一区段(9.1)的外轮廓相对于其旋转轴线(D)被配置为以直线形的方式实现所述夹持元件(9)之间的接触。

4.根据权利要求2或3所述的夹持设备，其中，所述第一区段(9.1)的外轮廓相对于所述旋转轴线(D)部分地遵循数学螺旋的形状。

5.根据权利要求3或4所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9)包括第二区段(9.2)，所述第二区段(9.2)的外轮廓相对于其旋转轴线(D)被设计为，在完全处于所述夹持位置时防止所述夹持元件(9)的进一步旋转。

6.根据权利要求5所述的夹持设备，其中，在完全处于所述夹持位置时，所述夹持元件(9)在接合所述物体(7)的条件下至少部分平坦地彼此相对放置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9)被偏压。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9)包括装置(11)，所述装置(11)被配置为在所述夹持元件(9)彼此不接触时防止所述夹持元件(9)旋转。

9.根据权利要求8所述的夹持设备，其中，所述装置(11)还被配置为在所述夹持元件(9)之间不再接触时使得所述夹持元件(9)远离彼此旋转。

10.根据权利要求1所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(15)中的至少一个能够以能够旋转的方式驱动。

11.根据权利要求10所述的夹持设备，其中，所述夹持指状件(13)包括用于驱动所述夹持元件(15)的齿轮机构(12)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的夹持设备，其中，所述夹持元件(9；15)的外表面包括摩擦增强涂层(10)和/或结构。

13.一种机器人，包括根据权利要求1至12中任一项所述的夹持设备。

14.一种借助于机器人用于夹持物体(7)的方法，所述机器人具有根据权利要求1至9中任一项所述的夹持设备，其特征在于以下步骤：

-通过所述机器人使所述夹持设备朝向所述物体(7)移动，直到所述夹持元件(9)被放置在所述物体(7)上；

-使所述夹持指状件(8)朝向彼此移动，直到所述夹持元件(9)相互接触；以及

-进一步使所述夹持指状件(8)朝向彼此移动，使得所述夹持元件(9)在夹持所述物体(7)的同时进行旋转。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

-进一步使所述夹持指状件(8)朝向彼此移动，直到所述夹持元件(9)在所述物体(7)的接合条件下以所述夹持元件(9)的区段(9.2)抵接，所述区段(9.2)被配置为不允许所述夹持元件(9)的进一步旋转。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述步骤由受阻抗控制和/或灵敏度控制的机器人执行。

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