CN115319788A - 用于有效地移动各种物体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于有效地移动各种物体的系统和方法。公开了一种可编程运动系统，其包括动态末端执行器系统。动态末端执行器系统包括末端执行器，末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动系统，其中动态联接器使得末端执行器的至少一部分可相对于末端执行器的另一部分旋转。

Description

用于有效地移动各种物体的系统和方法
本申请是申请号为201880016699.7，申请日为2018年3月5日，发明名称为“用于有效地移动各种物体的系统和方法”的分案申请。
相关申请
本申请要求2017年3月6日递交的美国临时专利申请系列No.62/467,509的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及可编程运动系统，尤其涉及用于诸如物体分类的物体处理的可编程运动装置(例如，机器人系统)的末端执行器。
背景技术
例如，用于机器人系统的末端执行器可以在某些应用中用于选择和抓取物体，然后非常快速地将所获取的物体移动到新的位置。设计用来在移动期间牢固地抓住物体的末端执行器可能存在限制，该限制关于它们如何快速且容易地从混杂的不同物体中选择和抓取物体。相反，可以快速且容易地从混杂的不同物体抓住所选物体的末端执行器可能存在限制，该限制关于它们在快速移动期间如何牢固地抓住所获取的物体，特别是在快速加速和减速(包括角度的和线性的)期间。尽管运动系统可以采用任何抓握规划，但是有时会发生，例如，物体从一个点被抬起，在这个点上，该物体最终在末端执行器上呈现不平衡负载。例如，如果物体有不均匀的重量分布，这可能出现，该不均匀的重量分布从物体的目测中看不出来。
许多末端执行器采用真空压力来获取和固定物体，以便通过铰接臂运输或后续操作。用于获取和固定物体的其他技术采用静电吸引、磁吸引、用于穿透例如织物物体的针、挤压物体的指状物、勾住和提升物体突出部分的钩子、以及在物体的开口中扩张的夹头及其他技术。通常，末端执行器被设计为单个工具，例如夹具、焊接机或喷漆头，并且该工具通常是为满足特定需求而设计的。
然而，仍然需要一种可编程运动系统中的末端执行器，其可以选择并抓住各种各样的物体中的任何一个，然后当初始抓握呈现不平衡负载时，将所获取的物体非常快速地移动到新位置。
发明内容
根据实施例，本发明提供了一种可编程运动系统，其包括动态末端执行器系统。动态末端执行器系统包括末端执行器，末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动系统，其中动态联接器设置为末端执行器的至少一部分可相对于末端执行器的另一部分旋转。
根据另一个实施例，本发明提供了一种可编程运动系统，其包括动态末端执行器系统，该动态末端执行器系统包括末端执行器，该末端执行器包括连接到可编程运动系统的第一部分，以及通过动态联接器联接到第一部分的第二部分，使得末端执行器在所持物体的负载下，末端执行器的第二部分可以相对于末端执行器的第一部分旋转。
根据另一实施例，本发明提供了一种提供可编程运动系统的方法，该可编程运动系统包括用于抓取和移动物体的动态末端执行器系统。该方法包括以下步骤：提供动态末端执行器，其包括联接到可编程运动系统的第一部分，以及通过动态联接器联接到第一部分的第二部分；获得物体；并且在末端执行器在所持物体的负载下，允许末端执行器的第二部分相对于末端执行器的第一部分旋转。
附图说明
参考附图可以进一步理解以下描述，其中：
图1示出了根据本发明实施例的可编程运动系统的说明性示意图；
图2示出了根据本发明实施例的动态末端执行器系统的说明性示意图；
图3示出了图2的动态末端执行器系统的分解图的说明性示意图；
图4A-4H示出了各种实施例的用于本发明的动态末端执行器系统的旋转轴承系统的说明性示意图；
图5示出了根据本发明另一个实施例的动态末端执行器系统的说明性示意图；
图6示出了根据本发明另一实施例的动态末端执行器系统的说明性示意端视图；
图7示出了图6沿着其线7-7截取的动态末端执行器系统的示意性侧视剖视图；
图8A-8D示出了根据本发明的一个实施例的动态末端执行器系统在位于末端执行器上吸住、提升和允许末端执行器上的负载旋转的不同阶段说明性示意图；
图9A和9B示出了根据本发明另一个实施例的动态末端执行器系统在允许末端执行器上的负载旋转的不同阶段的说明性示意图；和
图10示出了根据本发明进一步实施例的动态末端执行器系统的部分的说明性示意图。
示出的附图仅用于说明目的。
具体实施方式
如果抓住并抬起的物体有不均匀重量分布，特别是从物体的目测中看不出来的，则在移动时，物体与末端执行器分离的可能性将会更高。虽然某些解决方案可能包括将物体放回原位并将末端执行器重新定位在物体上，但这些步骤需要花费一些时间来处理。其他系统可能使用运动规划系统(例如，机器人系统)将末端执行器和物体一起移动到试图减小末端执行器上的负载的位置，但是这样的系统通常需要复杂的传感器系统来快速检测何时负载不平衡，以及何时负载平衡。
根据多个实施例，本发明提供了一种可编程运动系统，其包括动态末端执行器系统。动态末端执行器系统包括末端执行器，末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动系统，其中动态联接器设置末端执行器可相对于可编程运动系统自由旋转。例如，末端执行器在所持物体的负载下，并且在没有关于可编程运动系统的任何有源电机的帮助下，末端执行器可以相对于可编程运动系统旋转。
例如，图1示出了根据本发明实施例的可编程运动系统10，其包括机器人系统，该机器人系统具有基座12、铰接臂部分14和动态末端执行器系统11，动态末端执行器系统11包括附接的末端执行器18。如图2进一步所示，动态末端执行器系统11可借助附接机构20附接到可编程运动系统10的铰接臂14，该附接机构诸如螺纹、弹簧保持器扣环或例如球窝装置的弹簧负载附接构件。根据本发明的各种实施例，动态末端执行器系统包括旋转轴承系统和第二部分16，该旋转轴承系统旋转地连接第一部分22(其相对于附接到铰接臂的附接机构20保持固定)，该第二部分16允许相对于第一部分22旋转。
特别地，动态末端执行器系统11的第二部分16可以如A所示旋转，并且在某些实施例中，即使动态末端执行器系统的第一部分22沿如B所示的相反方向旋转，第二部分也可以相对于动态末端执行器系统的第一部分22自由旋转。当动态末端执行器系统的第二部分16旋转时，通过轴24联接到动态末端执行器系统的下部的末端执行器18也旋转，该轴24例如可以向末端执行器18提供真空源。
参考图3，末端执行器系统11的第一部分22和第二部分16可以通过旋转轴承系统28连接在一起，该旋转轴承系统28例如可以包括任何径向深沟球轴承、四触点球轴承、圆锥滚子轴承对、圆柱滚子轴承或实心衬套等。旋转轴承系统28可包括轴承30，并且在其内部27处附接到如第一部分22上的柱26，使得动态末端执行器系统16的下部的内部部分32可以连接到旋转轴承系统28的外部29。末端执行器的部分16可以相对于末端执行器的部分22自由且连续地旋转，或者在下面讨论的某些实施例中，可以包括线性或非线性阻尼。
参考图4A-4H，在各种实施例中，旋转轴承系统28可采用许多形式。例如并参考图4A，系统可以由围绕轴35的实心衬套34提供。末端执行器的吸盘固定到衬套的外侧，并且旋转的吸盘可以与图中的轴连接在同一位置。这种联接器相对便宜，但比其他类型的轴承有更高的摩擦力和失效匹配。这种实心衬套的磨损速度也比滚子轴承更快。然而，在本发明的实施例中提供的最小负载下，对于本发明的大多数系统，这种轴承可以持续足够的时间量。
参考图4B，该系统可以由深沟径向轴承提供，该轴承包括在槽37内的滚珠轴承36。末端执行器的吸管固定到衬套的外侧，并且旋转的吸盘连接到轴承的内部。这种深沟径向槽轴承设计有效且简单，但通常不用在轴向(如通过吸盘上的负载施加的轴向轴线)的负载上，但是这种轴承有足够的内径(约1.5英寸)以清除气流，即使在非理想的轴向负载布置下，足够高的最大负载也许是足够的。参考图4C，该系统可以由四个接触点轴承提供，所述四个接触点轴承包括在点接触表面39内的滚珠轴承38。吸管固定在轴承的外侧，旋转的吸盘连接到轴承的内部。虽然这种轴承可能相对昂贵，但它专门设计用于径向与轴向负载的组合。
参考图4D，该系统可以由围绕轴41的圆柱形轴承40提供，其中气缸轴承40包括气缸滚子42。参考图4E，该系统可以由圆柱形轴承提供，该圆柱形轴承包括围绕轴41的圆柱形辊42'。因为气缸圆柱可沿其自身轴线自由滑动(而不是滚动)，这种推力(轴向)加径向配置的圆柱形轴承提供了圆柱形轴承的不同配置，该不同配置可能是沿轴向和径向方向处理负载所必需的。在各种实施例中，这种轴承组合对于处理径向负载和轴向负载可能是必要的。吸管固定在43所示的板上，并且旋转的吸盘与轴连接在同一位置，如图4E所示。
参考图4F和4G，该系统可以由围绕轴41的圆锥滚子轴承对44提供。圆锥滚子轴承对可以在特定方向上接受组合的径向负载和信任负载。因此，为了完全限制输出，需要这些轴承对来处理所有可能方向上的负载。吸管固定在45所示的板上，并且旋转的吸盘与轴连接在同一位置，如图4G所示。
参考图4H，系统可以由围绕轴41的轴承结构47提供，其中轴承结构包括吸盘48，其中轴承结构47通过驱动器46和皮带连接到电机49。电机49通过传动皮带连接到吸盘的移动侧，并且可用于给旋转运动提供阻尼力。
参考图5，根据一个实施例的旋转轴承系统，可以包括圆柱形轴承系统50，该圆柱形轴承系统50包括圆柱形轴承52和可以在内环开口54处连接到末端执行器系统的第一部分22的柱26，该系统通过附接机构20附接到可编程运动装置。同样，并且类似于图3的实施例，因此，可以设置圆柱形轴承50，使得内环开口54与旋转轴承系统20连接，而外部部分56连接到动态末端执行器系统11第二部分16的内部部分32。
根据本发明另一实施例，图6和图7分别示出了动态末端执行器系统的端视图和侧视图；动态末端执行器系统60包括具有开口64的末端执行器波纹管62，该波纹管通过开口64提供真空以吸住物体。动态末端执行器系统60还可以包括在某些实施例中的感知单元，例如用于检查输入区域以及被抓取物体的照相机或扫描仪。如图7中进一步所示，动态末端执行器系统还包括下部66，下部66通过旋转轴承70联接到上部68(其连接到可编程运动装置)。如上所述，旋转轴承70允许下部66相对于上部68自由旋转。
在使用期间，可允许动态末端执行器系统的末端执行器部分旋转以平衡负载。例如，图8A示例性地示出了任何上述公开的实施例的动态末端执行器系统80，其接近物体82，使得末端执行器84(例如，真空末端执行器)吸住物体(如图8B所示)。如图8C所示，当物体最初被抬起时(例如，以所示的角度)，物体82和末端执行器84如图8D中的C所示自由旋转。以这种方式，在末端执行器84上方没有那么多的重量(或质心)，物体上的负载变得不那么不平衡。
类似地，图9A和9B示出了接近物体92的任何上述公开实施例的动态末端执行器系统90，使得末端执行器94(例如，一对夹持器末端执行器)抓住物体。如图9A所示，当物体最初被抬起时(例如，以所示的角度)，物体92和末端执行器94如图9B中的D所示自由旋转。以这种方式，在末端执行器94上方没有那么多的重量(或质心)，物体上的负载变得不那么不平衡。
根据本发明的另一实施例的系统，可以提供上述的动态旋转，并且还可以包括阻尼力的阻尼源100，以阻止末端执行器的端部无任何约束地旋转。例如，该系统可以包括轴102的一部分，该轴102包括部分由缠绕线圈104围绕的磁芯。当轴旋转时，线圈发电，并且由系统100提供的旋转反馈力将有效地非线性地抑制轴102的旋转运动。在进一步的实施例中，可以提供线性阻尼。此外，如果需要，控制器106可以连接到线圈，使得它们可以驱动，例如，移动之后将轴返回到所需的位置。另外，可以采用位置传感器108，使得系统可以一直监测轴的位置。
本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上面公开的实施例进行多种修改和变化。

Claims (64)

1.一种用于可编程运动装置的动态末端执行器系统，所述动态末端执行器系统包括末端执行器，所述末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动装置，其中，动态联接器包括旋转轴承，并且使得末端执行器的至少第一部分能够相对于末端执行器的第二部分旋转360度，其中，末端执行器在其抓取端部包括末端执行器开口，通过所述末端执行器开口提供真空压力以吸住物体，其中，第一部分在其内部包括第一部分轴，第二部分在其内部包括第二部分轴，并且第一部分轴和第二部分轴共线。
2.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器的旋转轴承包括径向深沟球轴承。
3.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述末端执行器包括柔性波纹管。
4.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器开口与远离末端执行器的真空源耦合。
5.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一部分轴提供给末端执行器开口。
6.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器使得末端执行器的第一部分能够相对于末端执行器的第二部分自由旋转。
7.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器包括阻尼源以用于提供阻尼力，所述阻尼力阻止末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分旋转。
8.根据权利要求7所述的动态末端执行器系统，其中，阻尼源还设置为主动控制末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
9.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述系统还包括位置检测系统，所述位置检测系统用于监测末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
10.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器的旋转轴承包括四触点球轴承。
11.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器的旋转轴承包括圆锥滚子轴承对。
12.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器的旋转轴承包括圆柱滚子轴承。
13.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器的旋转轴承包括实心衬套。
14.根据权利要求5所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一部分轴和第二部分轴提供给末端执行器开口。
15.根据权利要求1所述的动态末端执行器系统，其中，真空吸盘与第一部分轴连接。
16.一种用于可编程运动装置的动态末端执行器系统，所述动态末端执行器系统包括末端执行器，所述末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动装置，其中，动态联接器包括径向深沟球轴承、四触点球轴承、圆锥滚子轴承对、圆柱滚子轴承，或实心衬套中的任一种，并且所述动态联接器使得末端执行器的至少第一部分能够相对于末端执行器的第二部分旋转360度，其中，末端执行器在其抓取端部包括末端执行器开口，通过所述末端执行器开口提供真空压力以吸住物体，其中，第一部分在其内部包括第一部分轴，第二部分在其内部包括第二部分轴，并且第一部分轴和第二部分轴共线。
17.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一部分轴提供给末端执行器开口。
18.根据权利要求17所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一部分轴和第二部分轴提供给末端执行器开口。
19.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述末端执行器包括柔性波纹管。
20.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器开口与远离末端执行器的真空源耦合。
21.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括联接到第一部分轴的径向深沟球轴承。
22.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括联接到第一部分轴的四触点球轴承。
23.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括联接到第一部分轴的圆锥滚子轴承对。
24.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括联接到第一部分轴的圆柱滚子轴承。
25.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括联接到第一部分轴的实心衬套。
26.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，真空吸盘与第一部分轴连接。
27.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器使得末端执行器的第一部分能够相对于末端执行器的第二部分自由旋转。
28.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器包括阻尼源以用于提供阻尼力，所述阻尼力阻止末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分旋转。
29.根据权利要求28所述的动态末端执行器系统，其中，阻尼源还设置为主动控制末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
30.根据权利要求16所述的动态末端执行器系统，其中，所述系统还包括位置检测系统，所述位置检测系统用于监测末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
31.一种用于可编程运动装置的动态末端执行器系统，所述动态末端执行器系统包括末端执行器，所述末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动装置，其中，动态联接器使得末端执行器的至少第一部分能够相对于末端执行器的第二部分旋转360度，其中，末端执行器在其抓取端部包括末端执行器开口，通过所述末端执行器开口提供真空压力以吸住物体，其中，第一部分包括在其内部的第一部分轴，第二部分包括在其内部的第二部分轴，并且第一部分轴和第二部分轴共线，并且其中所述动态联接器包括阻尼源以用于提供阻尼力，所述阻尼力阻止末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分旋转。
32.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括旋转轴承。
33.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括径向深沟球轴承。
34.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括四触点球轴承。
35.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括圆锥滚子轴承对。
36.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括圆柱滚子轴承。
37.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括实心衬套。
38.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述末端执行器包括柔性波纹管。
39.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器开口与远离末端执行器的真空源耦合。
40.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一端部轴提供给末端执行器开口。
41.根据权利要求40所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一端部轴和第二端部轴提供给末端执行器开口。
42.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，真空吸盘与第一部分轴连接。
43.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器使得末端执行器的第一部分能够相对于末端执行器的第二部分自由旋转。
44.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，阻尼源还设置为主动控制末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
45.根据权利要求31所述的动态末端执行器系统，其中，所述系统还包括位置检测系统，所述位置检测系统用于监测末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
46.一种用于可编程运动装置的动态末端执行器系统，所述动态末端执行器系统包括末端执行器，所述末端执行器通过动态联接器联接到可编程运动装置，其中，动态联接器使得末端执行器的至少第一部分能够相对于末端执行器的第二部分旋转360度，其中，末端执行器在其抓取端部包括末端执行器开口，通过所述末端执行器开口提供真空压力以吸住物体，其中，第一部分包括在其内部的第一部分轴，第二部分包括在其内部的第二部分轴，并且第一部分轴和第二部分轴共线，并且其中所述系统还包括位置检测系统，所述位置检测系统用于监测末端执行器的第一部分相对于末端效应器的第二部分的旋转位置。
47.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括旋转轴承。
48.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括径向深沟球轴承。
49.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括四触点球轴承。
50.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括圆锥滚子轴承对。
51.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括圆柱滚子轴承。
52.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述动态联接器包括实心衬套。
53.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，所述末端执行器包括柔性波纹管。
54.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器开口与远离末端执行器的真空源耦合。
55.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一端部轴提供给末端执行器开口。
56.根据权利要求55所述的动态末端执行器系统，其中，真空压力通过第一端部轴和第二端部轴提供给末端执行器开口。
57.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，真空吸盘与第一部分轴连接。
58.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器使得末端执行器的第一部分能够相对于末端执行器的第二部分自由旋转。
59.根据权利要求46所述的动态末端执行器系统，其中，动态联接器包括阻尼源以用于提供阻尼力，所述阻尼力阻止末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分旋转。
60.根据权利要求59所述的动态末端执行器系统，其中，阻尼源还设置为主动控制末端执行器的第一部分相对于末端执行器的第二部分的旋转位置。
61.一种将末端执行器连接至铰接臂的动态末端执行器系统，其包括：
第一联接部分，其具有将第一联接部分刚性地连接至铰接臂的臂附接区域；
末端执行器；和
第二联接部分，其可旋转地将末端执行器连接至第一联接部分，使得末端执行器能够围绕旋转轴不受约束且不受主动控制地自由旋转360度，
其中，末端执行器在其抓取端部限定末端执行器开口，通过所述末端执行器开口提供真空以吸住物体，并且第一联接部分在其中心处具有第一部分开口，第二联接部分在其中心处具有第二部分开口，并且沿着通过第一部分开口和第二部分开口到末端执行器开口的路径提供真空。
62.根据权利要求61所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器包括沿纵向轴线延伸的波纹管，其中，纵向轴线平行于旋转轴线。
63.根据权利要求61所述的动态末端执行器系统，其中，末端执行器开口位于抓取端部的中心，通过所述末端执行器开口提供真空以吸住物体。
64.根据权利要求63所述的动态末端执行器系统，其中，第一部分开口和第二部分开口分别相对于第一联接部分和第二联接部分中的每一个位于中心。
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