CN116061172A - 机器人系统 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及机器人系统。一种机器人，其包括底座和相对于底座的可移动的端部执行器；以及端部执行器，在至少一个优选方向上驱动加工目标，其特征在于加工目标至少临时地且至少在优选方向上相对于底座移动。

Description

机器人系统

技术领域

本发明涉及一种机器人系统，该机器人系统具有可通过铰接臂或龙门架移动的端部执行器，以及由端部执行器进行加工的加工目标。

背景技术

如果这种机器人系统要在人类也可以进入的空间内操作，则必须采取预防措施，以将机器人受伤的风险降至最低，例如，将人类附近机器人的最高允许速度设置得足够低，以便机器人在接触人类之前能够安全停止。例如，因为人类走过机器人时没有与机器人互动，因此当人类和机器人只是偶尔接近时，这种方法是可行的。然而，如果两者必须长时间接近，例如在工件上一起工作时，则相关联的近距离和人类在机器人附近停留的长时间会对相当长一段时间内的最大速度施加严格限制。在许多情况下，与之相关的低生产率使得人类与机器人之间的协作工作不经济。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种机器人系统，该机器人系统确保在协作工作期间有效保护人类，即使机器人的最大速度没有严格限制，特别是当机器人在人类与机器人之间发生接触之前没有停止，但机器人移动时也允许接触。

该目标是在机器人系统中实现的，该机器人系统包括

机器人，包括底座和相对于底座可移动的端部执行器，以及

加工目标，可由端部执行器在至少一个优选方向上接近，

加工目标至少临时地且至少在优选方向上相对于底座可移动地安装。

如果人类无法从机器人的撞击中撤退，而是被卡在机器人和障碍物之间，那么与机器人接触而受伤的风险尤其高。虽然机器人工作所不需要的物体形式的障碍物可以从机器人的环境中移除，从而消除人类被卡在它们和机器人之间的风险，但机器人的加工目标(例如工件)显然不是这样。由于在任何时候机器人附近的加工目标的数量通常都很小，因此可以通过可管理的努力，以合规安装的形式采取安全措施。特别是，如果加工目标的惯性低于机器人的惯性，则可以高度有效地降低在端部执行器减速且加工目标加速的同时临时作用在人体部位的力。

特别是，加工目标可以包括工件夹持器，也可能包括工件。在本发明的背景下，工件夹持器可以是一个容器，其中工件被积极固定、夹紧或以其他方式临时固定，以及一个容器或支架，工件松散地放置在该容器或支架上，并且可以被端部执行器夹持，也可以被端部执行器放下。

致动器可以被连接到加工目标，以抵消加工目标在优选方向上的偏离，从而防止加工目标在正常操作期间(即，未采取临时安全措施保护机器人附近的人员时)从端部执行器后退。

致动器可以不受控制，例如，其可以弹性变形，因此反作用力是抵消致动器变形的反作用力。反作用力应足够低，以与ISO/TS15066:2016中规定的人体部位瞬时或准静态作用力的极限值兼容，例如手部280N或140N。例如，为了不超过准静态作用力的极限值，致动器的预载和弹簧常数必须与制动距离(从而与端部执行器的最大允许速度)相匹配，这样，如果加工目标被端部执行器偏离，身体部位夹在中间，则从夹紧开始到端部执行器停止，反作用力将保持在极限值以下。

为了在不使加工目标被推回的情况下由端部执行器执行加工，弹性致动器在其静止位置相对于优选方向对加工目标施加的反作用力必须大于加工期间端部执行器在优选方向上施加的力。为此，可以预加载弹性致动器，并且在静止位置使其保持加工目标紧贴挡块。

这种预加载不可避免地缩短了在致动器的反作用力超过极限值之前可以将加工目标推回的距离。为了避免这一缺点，致动器可以在薄弱点处支撑，当超过负载极限(优选地低于极限值)时，该薄弱点产生屈服，从而允许致动器放松。

备选地，可以控制致动器，以根据需要改变反作用力，阻止加工目标与静止位置偏离。

为此，致动器可能具有含有流体的至少一个工作腔室，并且可以提供构件以通过改变流体的压力来改变反作用力。

机器人系统还可以包括固定摩擦表面和可与加工目标一起移动的摩擦表面，并且致动器可以被布置为通过施加在摩擦表面上的接触压力来控制反作用力。

备选地，可以通过使加工目标与其静止位置偏离(例如通过提供工作腔室的活塞，该活塞与加工目标耦接并与目标一起移动)来压缩工作腔室。

当端部执行器接近加工目标时，控制单元可以与致动器相互作用，以将反作用力设置为低值，因为只有这样，身体部位才有可能卡在端部执行器与加工目标之间。不必针对每次接近移动减小反作用力；作为附加条件，可以提供端部执行器与加工目标之间的距离低于适合有被卡住风险的身体部位(特别是手)的尺寸的极限距离。

相反，至少在端部执行器与加工目标接触时，控制单元应将反作用力设置为高值，因此在端部执行器与加工目标之间不能出现任何身体部位，但与此同时，加工目标的高反作用力可能是预期加工所必需的。

为了最小化剪切力造成的损伤风险，如果端部执行器与加工目标之间的距离低于极限距离，则可以设置控制单元以限制端部执行器进一步接近加工目标的方向与优选方向的偏差。

为了提供有效的保护，即使在加工目标的高惯性情况下，例如，如果其包括重工件(例如汽车车身)，也可以设置致动器以驱动加工目标在优选方向上的移动。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从参考附图的以下实施例描述中可见。

图1示出了根据本发明的具有不受控致动器的机器人系统的第一实施例；

图2示出了第一实施例的增加细节；

图3示出了备选增加细节；

图4示出了具有受控致动器的机器人系统的第二实施例；以及

图5和图6分别示出了第二实施例的修改细节。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的机器人系统。端部执行器1位于机器人臂2的自由端，其具有多个连杆4，每个连杆由关节3连接。提供控制单元5以控制端部执行器1的移动，并且与关节3处的角度传感器(未示出)连接，以使端部执行器1的位置能够在相对于机器人臂的底座6固定的坐标系中计算。

在本文中，机器人的加工目标7包括板8，其上松散地放置工件9，并且机器人臂2在此加工目标7处执行的加工通过端部执行器1抓取工件9。下文参考此示例解释的本发明原理可直接转移到其他加工目标、加工操作和端部执行器。

一个或多个导轨10限定了优选方向11，在该方向上，加工目标7可以在从外部施加的力下移动，例如由人或机器人臂2移动；在此处考虑的情况下，优选方向11是向下的，垂直于板8的表面。板8的移动自由度在优选方向11上受到桌面12的限制，机器人臂的底座6也安装在桌面12上；并通过挡块13与优选方向相反。执行器在此处以螺旋弹簧14的形式与优选方向11相反向板8施加力，并且在其静止位置使其紧贴挡块13。

控制单元5被布置为在知道板8的静止位置和(如有必要)其上工件9的尺寸的情况下计算边界表面15，其方式是在其与工件9之间至少有供人的手16使用的空间，优选地在手与边界表面15之间保持ISO 13854中限定的最小距离100mm。只要端部执行器1位于边界表面15背向加工目标7的一侧，就不可能夹住手16；因此，控制单元5可以移动端部执行器1的方向不受任何限制。然而，一旦端部执行器1通过边界表面15，控制单元5即允许移动，使端部执行器1仅在优选方向11或与之有有限角度偏差的情况下更接近加工目标7，为了保护手16在加工目标7不能跟随端部执行器1的移动的横向上不受剪切力的影响，以防手16实际上被卡在端部执行器1与加工目标7之间。

此外，在接口15之外，控制单元7将端部执行器1的速度限制为端部执行器1的制动距离不超过加工目标7沿导轨10的移动自由度的值，以便当手16位于端部执行器1与板8之间时，如图1所示，机器人臂2可以在板8撞击桌面12之前使端部执行器1停止。

与本领域通常一样，机器人臂2配备有传感器，该传感器允许控制单元5从外部检测作用在机器人臂2上的力。如果手16位于端部执行器1与待拾取的工件9之间，并且在端部执行器1向工件9移动的过程中被夹紧，则控制单元5可以根据机器人臂2要克服的阻力的意外增加来识别这一点；控制单元5可以通过启动机器人臂2的立即制动来考虑这一点。尽管后者不会因其惯性而立即停止，但加工目标7可以在优选方向11上屈服这一事实意味着手16在减速过程中受到的力可以限制在允许的无害水平。由于端部执行器1在加工目标的自由移动耗尽之前停止，因此在停止期间作用的力也可以限制在无害水平；此外，人有可能将加工目标7进一步偏离到其自由移动的端部，以便在其与端部执行器1之间创建使手16自由所需的自由空间。

根据简化的变体，如果加工目标7配备有指示其与静止位置偏离的开关17，则可以免除在端部执行器1接近加工目标7时对作用在其上的力的监测。此开关17一响应，即指示端部执行器1与加工目标7之间有异物，这导致控制单元5停止端部执行器1的移动。

螺旋弹簧14对加工目标7施加的反作用力随着其与静止位置偏离而增加。这是不利的，因为ISO/TS 15066:2016对端部执行器1停止后准静态状态下作用的夹紧力的限制比初始接触或减速期间作用的力更严格，而弹簧上的张力随着端部执行器1减速而继续增加。其次，在端部执行器1停止后必须施加在加工目标7上以释放手16的力大于在静止状态下保持加工目标紧贴挡块13的力。为了解决这个问题，可以提供图2中所示的弹簧组件18作为致动器，而不是每个简单的螺旋弹簧14：此处，螺旋弹簧14容纳在两个伸缩套筒19、20中；螺旋弹簧的一端作用于加工目标7(未示出)，另一端作用于内套筒19的底部。内套筒的楔形表面21与伸入外套筒20的弹簧加载凸起22相互作用。

当弹簧14的张力超过极限时，其迫使凸起22后退；套筒19滑过凸起22，弹簧14放松。如果在端部执行器1仍在减速时发生这种情况，则当端部执行器1停止时，弹簧14将大幅度放松，较小的力将足以迫使加工目标7进一步靠回弹簧14并释放手。

根据图3的变体，致动器23包括与压力源25连接的气缸24和支撑加工目标7的活塞26。定向控制阀27设置在压力源25与气缸24之间的管路上，并由作用在气缸24的工作腔室28中的压力控制：如果此压力超过限制，则定向控制阀断开与压力源25的连接，并通过泄压阀28将工作腔室连接到大气压力。只要定向控制阀27保持在这个位置，致动器23就不会对加工目标7施加任何反作用力，手夹在加工目标7与端部执行器1之间，为了创造释放手所需的移动自由度，就足以克服工作腔室28中的静水压，这与活塞26的排量无关。

图4示出了根据本发明的第二实施例的机器人系统的示意性表示。机器人臂2和加工目标7可以与图1的机器人臂和加工目标相同。通过管路31与压力源25连接的气缸被提供为如图3中的致动器23。同样，提供开关17以响应加工目标7的偏离，并且定向控制阀30将压力源25连接到执行器23。然而，与图3的情况不同，此方向控制阀30由控制单元5而不是压力进行电气控制。如图1所示，边界表面15的定义是，其与工件9之间至少有一个人的手16的空间。只要端部执行器1位于边界表面15背向加工目标7的一侧，控制单元5就可以将定向控制阀30保持在图中所示的位置，其中气缸与压力源25连通，以便气缸中存在高压。一旦端部执行器1穿过边界表面15朝向加工目标7，控制单元5就将定向控制阀30切换到其第二位置，其中气缸中的压力由泄压阀29确定。在异物夹在加工目标7与端部执行器1之间的情况下，此压力足够低，以将夹紧力限制在符合ISO/TS15066:2016的低值。

第二边界表面32延伸到如此接近加工目标7的位置，以至于在其与用于人的手或手指的加工目标之间没有空间。当端部执行器1穿过此边界表面32而没有使加工目标7偏离(即开关17没有响应)时，不再有身体部位被卡住的危险，并且定向控制阀30可以返回到第一位置。这对于所示的示例情况没有什么意义，其中加工操作为夹紧工件，并且基本上不对板8施加力；在沿优选方向对工件施加力的加工操作(例如钻孔操作)的情况下，这确保工件不会屈服于钻头的压力。

图5示出了根据图3的结构修改的致动器33的气缸。气缸具有两个工作腔室34、35。定向控制阀36在此具有第一位置，其中压力源25与背向加工目标7的工作腔室34连通，而面向加工目标7的工作腔室34保持在环境压力下。因此，工作腔室34中的过压使加工目标7在与优选方向11相反的方向上紧贴其挡块。当加工单元检测到外力阻碍端部执行器1在优选方向上的移动时，它不仅触发端部执行器1的减速，而且同时将定向控制阀36移动到第二位置，在该位置中，工作腔室35从源25以高压加压，并且工作腔室34被设置为环境压力。因此，在外力是由夹在端部执行器1与加工目标7之间的异物(例如人的手)引起的情况下，压力源25驱动加工目标主动缩回。由于驱动缩回的力不需要从端部执行器1传递到加工目标7，或者仅部分传递，因此中间的手受到保护以免受伤。

图6示意性地示出了示意性横截面中另外修改的细节。截面平面通过导轨10横向延伸至优选方向，该导轨10引导加工目标7的移动。可与加工目标7一起移动的导轨10的部件被指定为37，并且与桌面12(未未出)连接的部件被指定为38。为防止卡住，可在部件37、38之间提供滚柱轴承39。可移动部件37的侧面被形成为摩擦表面40，该摩擦表面为由安装在桌面12上的致动器41致动的表面摩擦表面42。

当端部执行器1位于边界表面15和32之间时，控制单元保持摩擦表面40、42彼此间隔，或彼此轻贴，以至于加工目标7很容易屈服于向优选方向施加的压力；否则，执行器41向部件37施加高制动压力，使得加工目标7在加工期间甚至不屈服于由端部执行器1施加的压力。

附图标记

1 端部执行器

2 机器人臂

3 关节

4 连杆

5 控制单元

6 底座

7 加工目标

8 板

9 工件

10 导轨

11 优选方向

12 桌面

13 挡块

14 螺旋弹簧(致动器)

15 边界表面

16 手

17 开关

18 弹簧组件

19 内套筒

20 外套筒

21 楔形表面

22 凸起

23 致动器

24 气缸

25 压力源

26 活塞

27 定向阀

28 工作腔室

29 泄压阀

30 定向阀

31 管路

32 边界表面

33 致动器

34 工作腔室

35 工作腔室

36 定向阀

37 可移动部件

38 连接部件

39 滚柱轴承

40 摩擦表面

41 致动器

42 摩擦表面

Claims (14)

1.一种机器人系统，包括

-机器人(2)，包括底座(6)和相对于所述底座(6)可移动的端部执行器(1)，以及

-加工目标(7)，能够由所述端部执行器(1)在至少一个优选方向(11)上接近，

其特征在于，所述加工目标(7)至少临时地且至少在所述优选方向(11)上相对于所述底座(6)可移动地安装。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述加工目标(7)包括工件夹持器。

3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，致动器(14，18，23)被连接到所述加工目标(7)，用于利用反作用力阻止所述加工目标(7)在所述优选方向(11)上的偏离。

4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述致动器(14)是弹性变形的，并且所述反作用力是抵消所述致动器(14)的所述变形的反应力。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其特征在于，在加工期间，由所述弹性致动器(14)在所述加工目标(7)的静止位置，特别是在由挡块(13)限定的静止位置处施加的所述反应力大于由所述端部执行器(1)在所述优选方向(11)上在所述加工目标上施加的力。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的机器人系统，其特征在于，所述致动器(14)在薄弱点(21)处受到支撑，所述薄弱点在超过负载极限时产生屈服。

7.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述致动器(23，33，41)是可控的，以从静止位置改变阻止所述加工目标(7)的所述偏离的反作用力。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中所述致动器(33，41)包括含有流体的至少一个工作腔室(28，34)，并且所述流体的压力是可变的以改变所述反作用力。

9.根据权利要求7或8所述的机器人系统，具有在所述优选方向上固定的摩擦表面(42)以及能够利用所述加工目标(7)替换的摩擦表面(40)，所述致动器(41)被布置为控制所述摩擦表面(40，42)彼此之间的接触压力。

10.根据权利要求8所述的机器人系统，其中所述工作腔室(28，34)能够通过所述加工目标(7)与所述静止位置的偏离而压缩。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的机器人系统，其中控制单元(5)与所述致动器(23，33，41)协作以至少在所述端部执行器(1)接近所述加工目标时将所述反作用力设置为低值，和/或至少在所述端部执行器(1)接触所述加工目标(7)时将所述反作用力设置为高值。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的机器人系统，其中控制单元(5)与所述端部执行器(1)和/或所述加工目标(7)上的力传感器或偏离传感器(17)协作，以在所述端部执行器(1)和所述加工目标(7)彼此间隔的状态下，检测阻止所述端部执行器(1)和所述加工目标(7)接近的外力或所述加工目标(7)的偏离，并且在检测到所述外力或所述偏离时将所述致动器的所述反作用力(23，33，41)设置为低值。

13.根据前述权利要求中任一项所述的机器人系统，其中当所述端部执行器(1)与所述加工目标(7)之间的距离低于极限距离(15)时，控制单元(5)适用于限制进一步接近的方向与所述优选方向(11)的偏差。

14.根据前述权利要求中任一项所述的机器人系统，其中致动器(33)适用于驱动所述加工目标(7)在所述优选方向(11)上的移动。

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