CN116133804A - 用于使用被动折叠真空夹持器进行物体处理的系统和方法 - Google Patents

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CN116133804A CN202180060691.2A CN202180060691A CN116133804A CN 116133804 A CN116133804 A CN 116133804A CN 202180060691 A CN202180060691 A CN 202180060691A CN 116133804 A CN116133804 A CN 116133804A
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A·罗斯
G·尼尔森
M·T·马森
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Abstract

公开一种用于可编程运动装置的末端执行器。所述末端执行器包括主体，所述主体包括接触部分，所述主体提供敞开内部，真空能够通过所述敞开内部提供至所述接触部分，并且所述主体包括至少一个特征件，所述至少一个特征件适于在抓取时促进所述接触部分变为基本非平面。

Description

用于使用被动折叠真空夹持器进行物体处理的系统和方法
优先权
本申请要求于2020年7月22日提交的序列号为63/054,856的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的公开内容据此以全文引用方式并入。
背景技术
本发明总体上涉及可编程运动系统，并且具体涉及用于可编程运动装置(即机器人系统)的末端执行器，该末端执行器用于物体处理，诸如物体筛分和物体分配。
例如，在某些应用中，用于机器人系统的末端执行器可用以选择并抓取物体，并且随后非常快速地将所获取的物体移动到新的位置。应用可能包括从物品箱中拣选物品，以及随后将物体放入另一个箱中或其他位置。在许多应用中，为了增加合适应用的范围，机器人拣选系统必须能够拣选非常大范围的类型的物体。因此，需要使臂端工具能够夹持尽可能多的不同类型的物体。
有许多种用于抓取物品的臂端工具，包括平行夹持器或基于指状物的夹持器，以及在袋子内部使用流化床概念的通用夹持器或卡住(jamming)夹持器、电粘附夹持器以及真空夹持器。真空夹持器采用真空压力来获取并固定物体，以通过铰接臂进行运输或后续操作。然而，真空夹持器一般需要与物体具有良好密封，但确保良好密封有时需要选择特定吸盘以对应于被抓取的物体。另外，抓取某些物体(诸如塑料袋子)可能需要特定类型的末端执行器，以确保塑料袋子不会从末端执行器剥离或者在末端执行器的力下塌缩，从而破坏袋子和/或密封。此外，提升力可能受到与真空系统中吸盘的接触面积成比例的量的限制，并且真空本身可能损坏一些物体。
用于获取和固定物体的其他技术采用静电吸引、磁吸引、用于穿透诸如织物的物体的针、挤压物体的指状物、接合和提升物体的突出特征件的钩，以及在物体的开口中膨胀的夹头以及其他技术。例如，抓握式夹持器或指状夹持器有时用于抓取物体，但这类系统在某些应用中也面临挑战。这类系统一般需要呈相对形式的两个相对表面来抓取物体，并且指状夹持器在机械上较复杂，通常需要多个零件以及致动机构来闭合和打开指状物。
末端执行器一般被设计为单个工具，诸如夹持器、焊接机或喷漆头，并且该工具通常被设计成用于特定的一组需求。仍然需要一种可编程运动系统中的末端执行器，该末端执行器可以容易且可靠地选择并抓取物体，并且随后非常快速地将所获取的物体移动到新的位置。仍然还需要一种末端执行器夹持器，该末端执行器夹持器能够夹持具有各种不同材料和质地的广泛范围的物体，其中合适的抓取姿态是丰富的；能够提升超过吸力式夹持器可达到的极限的负载；不会损坏被提升的物体；在机械上较简单；以及较小且紧凑，并且不会无意地抓住多个物品。
发明内容
根据一方面，本发明提供一种用于可编程运动装置的末端执行器。所述末端执行器包括主体，所述主体包括接触部分，所述主体提供敞开内部，真空能够通过所述敞开内部提供至所述接触部分，并且所述主体包括至少一个特征件，所述至少一个特征件适于在抓取时促进所述接触部分变为基本非平面。
根据另一方面，本发明提供一种用于可编程运动装置的末端执行器。所述末端执行器包括主体，所述主体包括接触部分，并且所述主体提供敞开内部，真空能够通过所述敞开内部提供至所述接触部分。所述主体还包括至少一个特征件，所述至少一个特征件适于在抓取时促进所述接触部分沿至少一个弯曲路径弯曲。
根据另外的方面，本发明提供一种使用末端执行器抓取物体的方法，所述末端执行器包括主体，所述主体提供联接到真空的敞开内部。所述方法包括使所述主体的接触部分与所述物体接触；通过所述接触部分向所述物体施加真空，以通过所述接触部分与所述物体之间的张力来主要接合所述物体；以及准许所述主体的所述接触部分在抓取所述物体时沿至少一个弯曲路径弯曲，使得所述接触部分变为主要经由比所述接触部分与所述物体之间的所述张力更大的剪切力来与所述物体接合。
附图说明
参考附图可以进一步理解以下描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的一方面的包括具有末端执行器的可编程运动装置的物体处理系统的说明性图解视图；
图2示出了图1的感知系统的说明性图解底侧视图；
图3示出了来自图1的感知系统的待处理的物体箱的说明性图解视图；
图4示出了根据本发明的一方面的图1的被动折叠真空夹持器末端执行器的说明性图解前视图；
图5示出了沿图4的线5-5截取的图4的末端执行器的说明性图解侧视图；
图6示出了沿图5的线6-6截取的图5的末端执行器的说明性图解截面图；
图7示出了图6的处于夹持位置的末端执行器的说明性图解截面图；
图8示出了图4的末端执行器的说明性图解正视等距视图；
图9示出了图4的末端执行器的说明性图解仰视图；
图10示出了根据本发明的各个方面的末端执行器在静止时的说明性图解代表性截面图；
图11示出了图10的末端执行器在抓取可变形物体时的说明性图解代表性截面图；
图12示出了图10的末端执行器在抓取刚性物体时的说明性图解代表性截面图；
图13示出了试图抓取可变形物体的刚性杯状末端执行器的说明性图解代表性截面图；
图14示出了图10的末端执行器在抓取图13的可变形物体时的说明性图解代表性截面比较图；
图15示出了根据本发明的另一方面的末端执行器的说明性图解正视等距视图，该末端执行器包括末端执行器的接触表面中的弯曲特征件；
图16示出了图15的末端执行器的说明性图解仰视图；
图17示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解正视等距视图，该末端执行器包括与接触表面相关联的三个指状部分；
图18示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解正视等距视图，该末端执行器包括三个指状部分以及围绕三个指状部分的护罩；
图19示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解前视图，该末端执行器包括三个指状部分，其中主体包括弯曲特征件以促进接触表面的弯曲；
图20示出了图19的末端执行器的说明性图解仰视图；
图21示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解等距视图，该末端执行器包括三个指状部分，其中主体包括结节(nodule)以促进接触表面的弯曲；
图22示出了图21的末端执行器的说明性图解仰视图；
图23示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解等距视图，该末端执行器包括三个指状部分，其中主体大致为圆柱形并且包括收缩(pinched)区域以促进接触表面的弯曲；
图24示出了图23的末端执行器的说明性图解仰视图；
图25示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解等距视图，该末端执行器包括两个指状部分，其中主体大致为圆柱形并且包括凹痕特征件以促进接触表面的弯曲；
图26示出了图25的末端执行器在抓取时的说明性图解视图；
图27示出了图25的末端执行器的说明性图解仰视图；
图28示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解等距视图，该末端执行器包括可塌缩圆顶和护罩；
图29示出了图28的末端执行器在抓取时的说明性图解视图；
图30示出了图28的末端执行器的说明性图解侧视图；
图31示出了图28的末端执行器的说明性图解仰视图；
图32示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解侧视图，该末端执行器包括可塌缩圆顶以及具有扇形边缘的护罩；
图33示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解侧视图，该末端执行器包括护罩以及在抓取之前延伸超出护罩的可塌缩圆顶；
图34示出了图28的末端执行器在抓取时的说明性图解侧视图；
图35示出了图34的末端执行器的说明性图解仰视图；
图36示出了图28的末端执行器在抓取可变形物体时的说明性图解侧视图；
图37示出了图28的末端执行器在抓取刚性物体时的说明性图解侧视图；
图38示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解侧视图，该末端执行器包括具有较少孔的可塌缩圆顶、护罩和延伸区域；
图39示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解侧视图，该末端执行器包括具有较少孔的可塌缩圆顶、护罩、延伸区域和额外支架；
图40示出了根据本发明的另外的方面的末端执行器的说明性图解侧视图，该末端执行器包括附接到柔性主体的联接器；
图41示出了具有内周向支撑肋的图40的柔性主体的说明性图解截面侧视图；
图42示出了具有轴向延伸的支撑肋的图40的柔性主体的说明性图解截面侧视图；
图43示出了具有止动构件的图40的柔性主体的说明性图解正视等距视图；并且
图44示出了图43的柔性主体和止动构件的说明性图解侧视图。
附图仅出于例示性目的而示出。
具体实施方式
根据一方面，本发明提供一种用于可编程运动装置的末端执行器，其中末端执行器包括由支撑壳体支撑的接触表面，该支撑壳体用于柔性地支撑接触表面，使得支撑壳体适于在抓取时促进接触表面变为非平面。
末端执行器可与物体处理系统中的可编程运动装置一起使用。例如，图1示出了物体处理系统10，该物体处理系统包括物体处理站12，该物体处理站位于运送馈入箱14的馈入输送器16与运送目的地容器18的目的地输送器20之间。物体处理站12包括可编程运动装置(例如铰接臂22)，该可编程运动装置具有附接的末端执行器24以及相关联的感知系统26。感知系统26被定位成感知所选馈入箱14′中的物体(和/或相关联标记)，该物体由分流器17分流(选择)以沿所选馈入输送器16′移动。感知系统26也被定位成感知在目的地输送器20的处理目的地输送器区段20′上提供的目的地容器18′。系统的操作由一个或多个计算机处理系统100控制，该一个或多个计算机处理系统与输送器16、16′、分流器17、输送器20、可编程运动装置22(包括末端执行器24)和感知系统26通信。
物体处理站12包括馈入输送器区段16′，该馈入输送器区段使用分流器17使供应箱14′循环往返于馈入输送器16。可编程运动装置22的末端执行器24被编程为从供应箱14′中抓取物体，并且通过将物体放入或使物体落入目的地输送器装载区域20′处的目的地容器18′中来移动物体，以将其递送到目的地输送器装载区域20′上的所需目的地箱18。供应箱14′随后可返回到输入输送器16，并且可选地可以被带到另一处理站。因此，在处理站12处，一个或多个供应商供应箱14被导引到输入区域，并且可编程运动装置22被致动以从箱14′中抓取物体，并且将物体放置到所选目的地容器18′中。被处理的供应商箱14′随后返回到输送器16上的公共输入流，并且目的地容器18′进一步沿目的地输送器20移动。
系统10还可包括位于馈入输送器16上或附近的一个或多个感知单元19，以用于识别箱14中的每个箱外部的标记，提供可从中识别箱的内容物的感知数据，并且随后知晓其在输送器16上的相对位置，跟踪其位置。根据一方面，假设物体箱在其外部上的一个或多个位置标记有视觉区分标记，诸如条形码(例如提供UPC码)、QR码或射频识别(RFID)标签或邮寄标签，使得它们可足以被扫描仪识别以进行处理。标记的类型取决于所使用的扫描系统的类型，但可能包括1D或2D码符号。可以采用多种符号或标记方法。假定采用的扫描仪类型与标记方法兼容。例如通过条形码、RFID标签、邮寄标签或其他手段的标记对识别标记(例如符号串)进行编码，该识别标记通常是一串字母和/或数字。该符号串唯一地将供应商箱与特定的一组均质物体相关联。基于馈入箱14′上的识别码，系统可准许箱14沿馈入输送器16继续前进，或者使用分流器17，可将所选箱14′引导到所选馈入输送器16′上。
在物体处理站12处的所选馈入输送器16′上，感知系统26辅助(使用中央控制系统100——例如一个或多个计算机处理系统)包括末端执行器24的可编程运动装置22定位并抓取馈入箱14′中的物体。根据另外的方面，每个物体还可被标记有视觉区分标记，同样诸如条形码(例如提供UPC码)、QR码或射频识别(RFID)标签或邮件标签，使得它们可足以被扫描仪识别以进行处理。标记的类型取决于所使用的扫描系统的类型，但可能包括1D或2D码符号。同样，可对每个物体采用多种符号或标记方法。
参考图2，在物体处理站12中向下看的感知系统26感知来自所选馈入输送器16′上的所选馈入箱14′内的一个或多个物体的感知数据。感知系统26靠近铰接臂22的基部安装在待处理物体箱上方，向下看向箱14′。例如并且如图2中所示，感知系统26可包括(在其底侧)相机26、深度传感器28和灯30。获取2D和3D(深度)数据的组合。深度传感器28可以提供深度信息，所述深度信息可以与相机图像数据一起使用以确定关于视图中的各种物体的深度信息。灯30可以用于去除阴影并促进识别物体的边缘，并且可以在使用期间全部开启，或者可以根据期望的顺序被点亮以帮助识别物体。所述系统使用图像和各种算法来为箱中的物体生成一组候选抓取位置，如下面更详细讨论的。
图3示出了来自感知系统26的箱14′的视图。图像视图示出了箱14′(例如在输送器16′上)，并且箱14′含有物体32、34、36和38，其中一些物体35、36和38被提供在诸如袋子的柔性包装中，并且可以包括可能松散地位于袋子35内的一个或多个较重(例如)物体37。另外，提供在袋子中的某些物体(例如36)可使袋子的一些部分折叠在袋子的其他部分上方。虽然在某些系统中，每个馈入箱中的物体可以是均质的，但在其他系统中，诸如图3中所示，物体可以是非均质的。该系统将识别一个或多个物体上的候选抓取位置，并且可能不会试图识别被其他物体部分遮挡的物体的抓取位置。可以使用机器人末端执行器的3D模型来指示候选抓取位置，所述机器人末端执行器放置在实际末端执行器将用作抓取位置的位置。抓取位置可能被认为是好的，例如，在它们靠近物体的质心以在抓取和运输期间提供较大的稳定性的情况下，和/或在它们避免放置在可能无法获得良好真空密封的物体(诸如盖子、接缝等)上的情况下。
如果物体不能由检测系统完全感知到，则感知系统认为该物体是两个不同的物体，并且可提出对这两个不同物体的多于一次候选抓取。如果系统在这些不良抓取位置中的任一位置处执行抓取，则可能会出现许多错误。抓取可能由于其中将不会出现真空密封的不良抓取点而不能获取物体，或者抓取将在非常远离物体质心的抓取位置处获取物体(并且从而在任何所尝试的运输期间引起很大的不稳定性)。这些结果中的每种结果都是不理想的。
如果经历了不良的抓取位置，则系统可以记住相关联物体的所述位置。通过识别良好的抓取位置和不良的抓取位置，在2D/3D图像中的特征与良好的抓取位置或不良的抓取位置的概念之间建立关联性。使用该数据与这些关联性作为机器学习算法的输入，系统最终可针对呈现给它的每个图像来学习在哪里最好地抓取物体，以及在哪里避免抓取物体。
同样，上文描述的系统的操作与中央控制系统100协调，该中央控制系统同样与铰接臂22、感知单元19、26、28和30以及馈入输送器16、16′、分流器17和目的地输送器20通信(例如无线地)。该系统从符号串中确定与供应商箱相关联的UPC，以及每个物体的出站目的地。中央控制系统100由一个或多个工作站或中央处理单元(CPU)组成。例如，UPC或邮寄标签与出站目的地之间的对应关系由中央控制系统在称为清单的数据库中进行维护。中央控制系统通过与仓库管理系统(WMS)通信来维护清单。清单为每个入站物体提供出站目的地。
图1的末端执行器24联接到可编程运动装置22的末端执行器安装区段40。如图4中所示，末端执行器24提供被动折叠的真空夹持器，该真空夹持器被动地折叠需要抓握夹持的诸如非刚性物品(例如袋子)或较小圆柱形物品(例如钢笔)的物品周围的部分(例如爪或指状物)，但在其他方面对于平坦刚性物品(例如盒子)充当吸盘。该被动折叠的真空夹持器自动适应物品，除了真空源的切换之外没有任何致动；其在需要多指手时充当多指手，并且在需要充当吸盘时充当吸盘。
具体地说，末端执行器24包括用于联接到末端执行器安装区段40的连接部分44(也在图1中示出)。末端执行器24还包括主体50，该主体包括接触部分52，以及联接到连接部分44的上部部分54和联接到接触部分52的下部部分56。主体50还包括一对特征件58(也如图5、图8和图9中所示)，该一对特征件促进接触部分52变为非平面，如下文进一步论述。图5示出了末端执行器24的侧视图，其示出了内凹特征件58。图6示出了沿图5的线6-6截取的末端执行器24的截面视图。如图6中所示，接触部分52包括在接触部分52的内表面53上呈V形凹槽形式的特征件60、62、64，如图所示。
参考图7，当物体由末端执行器24抓取时，主体50被准许根据所抓取的物体来改变其形状。夹持器因其形状而折叠指状物。当吸盘的端口被密封时，夹持器的壁的形状和厚度以及敞开内部空腔的抽空致使夹持器的指状物朝内折叠。致使夹持器折叠的机械驱动是被动的，并且仅通过真空来实现。没有采用致使指状物折叠的马达、齿轮或其他机构，然而被动机械致动在需要时提供多指手多指手，并且在需要吸盘时提供吸盘。
接触部分包括孔68，该孔通过主体50的敞开内部向接触部分52的外表面提供真空。一般来说，通过至如图1中所示的真空源43的软管41穿过连接部分44和安装区段40中的开口从孔68提供真空。
根据某些方面，真空源43可以是可切换的，以改变为正气压源，该正气压从源43被推动到孔68，以推动物体远离接触表面52，并且向远侧推动接触表面。根据另外的方面，除了由柔性材料形成以外，主体还可由提供所需弹簧常数的材料和形状形成。所需弹簧常数可使得主体50被偏置到图4和图5中所示的形状，使得当变形(如本文中所论述)时，主体50将抵抗任何变形，从而至少部分地辅助致使主体50回到其原始形状(同样如图4和图5中所示)。
图8示出了接触部分52的外表面，其示出了孔68以及接触部分52的内表面上的(以虚线形式)V形通道特征件60、62、64。进一步参考图9，V形通道特征件60在相对的特征件58之间延伸，并且促进接触部分52沿接触部分的中心弯曲，如大致在A处所指示。V形通道特征件62、64促进接触部分52在下部部分56附近弯曲，如大致在B和C处所指示。在图4至图9的示例中，特征件58、60、62和64协作以向主体50提供充足柔性，使得末端执行器可以如上文所论述那样在抓取柔性物体时通过折叠来做出响应。这种移动和弯曲准许接触部分52变为非平面，并且在该过程中侧面61、63被拉向彼此。根据另外的实施方案，可采用特征的各种组合(甚至某些特征单独地)来促进接触表面的弯曲。接触表面的这种弯曲改变了物体(例如柔性袋子)与末端执行器之间的粘附动力学，如下文更详细地论述。
图10示出了处于静止的末端执行器70，该末端执行器包括具有接触部分74的主体72。接触部分74包括孔76(通过所述孔提供真空)，以及类似于V形通道特征件60、62、64的V形通道80、82、84。主体72还包括通道特征件86，该通道特征件促进主体72在变形抓取期间变窄。例如，图11示出了使用通过接触部分74中的孔76施加的真空来抓取可变形物体78的末端执行器70。通道特征件80、82、84、86使得末端执行器70在抓取可变形物体78时更容易致使接触部分74在真空下弯曲。参考图12，当抓取不可变形(例如刚性)物体79时，末端执行器不弯曲，而是末端执行器的接触部分74与刚性物体79保持在一起。对于刚性物品，夹持器不折叠。夹持器的面部可包括许多小孔，所述小孔的大小和分布可以变化。也可以在接触部分的中心提供较大的孔，以准许更大体积的空气行进穿过接触部分的中心，以便在刚性物体的情况下辅助平衡任何折叠力。
因此，根据各个方面，本发明提供一种被动折叠的真空夹持器，该真空夹持器牢固地夹持袋装物体，牢固地夹持刚性物体(甚至是具有弯曲表面的刚性物体)，并且减轻了传统真空夹持器可能对物体造成的损坏。
例如，针对松散包装的塑料袋子中的袋装物品，当孔被松散的塑料袋子阻塞时，夹持器的内部体积被抽空，并且夹持器壁和配合表面如上文所描述那样朝内弯曲。通常，具有小孔的刚性吸盘不能容易地夹持松散的袋子，因为塑料膜容易剥离。例如，图13示出了包括主体的刚性真空杯末端执行器90，该主体具有带有真空孔96的接触部分94。当刚性真空杯用以试图提升不稳定的袋子98时，袋子在接触区域周边的一个或多个部分可能容易从接触部分在袋子与末端执行器之间的接触角小于180度的地方剥离。拉动该膜容易克服包装的其余部分上的较小真空力；这导致在每个孔处的一连串夹持失败。
在双指夹持器(如上文所论述)的情况下，折叠吸盘将袋子拉入保持袋子的收缩折痕中。在三指夹持器(如下文所论述)的情况下，当膜被拉成圆锥形时，随着膜在折叠吸盘的表面上拖动，其部分地通过摩擦力保持。另外，呈其圆锥形状的塑料膜不太可能从吸盘上剥离，因为圆锥的边缘形成大于180度的角度，并且摇摆往往不会使此角度低于180度。
例如，图14示出了使用通过接触部分74中的孔76施加的真空来抓取可变形物体78的夹持器70。通道特征件80、82、84、86使得末端执行器70在抓取可变形物体78时更容易致使接触部分74在真空下弯曲。值得注意的是，袋子与末端执行器之间的保持力不限于任何真空粘附的拉伸强度，而是另外依赖于由倾斜接触部分提供的剪切力来抵抗袋子相对于接触部分的任何朝下滑动。这提供了显著更稳定的抓取。
对于平坦刚性物体(诸如盒面)，在必要时，末端执行器可以类似于传统真空盘的方式在刚性表面(即没有形状改变)上操作。具体地说，当夹持器与平坦表面配合时，被夹持物品的刚性防止夹持器改变形状或折叠，并且所有孔将真空暴露于平坦表面。可选择端口大小的分布，使得中心的力(例如在下文论述的三指夹持器的情况下的中心三角形)平衡折叠力，使得整个表面保持与物品接触。对于弯曲的刚性物体(诸如泡罩包装)和较小圆柱形物体(诸如钢笔)，折叠动作允许指状物缠绕小物品。本发明的各个方面的末端执行器还通过为包装材料提供支撑来减轻传统真空夹持造成的损坏。
当真空源关闭时，已弯曲的表面回到其原始状态——即夹持器展开到其原始形状。经由使用末端执行器相对于各种特征件的移动来被动实现形状改变，该移动是由夹持器孔在处于真空下时的阻塞触发的。在某些应用中，可通过将真空管线切换到正压空气源来提供正气压源，以促进从末端执行器推动物体以及/或者更快地致使末端执行器回到其夹持前形状。
图1 5示出了根据本发明的另一方面的末端执行器100，该末端执行器仅在主体的接触部分上包括弯曲特征件。具体地说，末端执行器100包括主体108，该主体具有用于联接到末端执行器安装区段40(在图1所示)的连接部分114。主体110还包括接近下部部分106的接触部分102，以及接近连接部分114的上部部分104。除了末端执行器100在部分104、106中不包括(图8的)特征件58并且在接触部分102中不包括(图8的)V形通道特征件60、62、64之外，末端执行器100类似于图8中所示的末端执行器。在图15的末端执行器的情况下(并且进一步参考图16)，促进接触表面弯曲的特征件包括孔108的特定布局。
孔组120形成大致以D-D指示的线，并且使得接触表面将有利于沿大致以D-D指示的线弯曲。孔组122也形成大致以E-E指示的线(但较短)，并且使得接触表面将有利于沿大致以E-E指示的线弯曲。孔组124也形成大致以F-F指示的短线，并且使得接触表面将有利于沿大致以F-F指示的线弯曲。孔120的线被设计成准许末端执行器的接触部分沿线D-D弯曲到敞开内部(类似于末端执行器接触部分52沿通道60的弯曲)，并且孔122、124的线被设计成准许接触部分沿线E-E和F-F弯曲(类似于末端执行器接触部分52沿通道62、64的弯曲)。这种移动和弯曲准许接触部分102变为非平面，并且在该过程中侧面126、128被拉向彼此。
上文描述的末端执行器一般可被称为两个指状(或爪状)末端执行器，因为两个部分在抓取时彼此靠近。也如上文所指出，这类技术也可与三个或更多个指状末端执行器一起使用。例如，图17示出了三指末端执行器130，该三指末端执行器包括：主体132，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分135；以及用于接触待抓取物体的接触区段134。接触区段134大致可包括在中心区域146中接合的三个延伸区段140、142、144。三个延伸区段可包括具有固定较小大小的孔136，而中心区域146可包括位于三个延伸区段中心的较大孔138和最大孔148，如图所示。当接合平坦刚性表面时，中心区域中的孔的较大大小促进中心区域保持平坦。末端执行器130使得沿每个延伸区段的邻近中心区域146的线的孔137提供了促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的特征件。由于孔136沿延伸区段成排提供，因而每个后一排也可以提供促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的额外特征件。
图18示出了包括护罩或裙部的另一种三指末端执行器。末端执行器150包括：主体152，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分155；以及用于接触待抓取物体的接触区段154。接触区段154大致可包括在中心区域166中接合的三个延伸区段160、162、164。三个延伸区段可包括具有固定较小大小的孔156，而中心区域166可包括位于三个延伸区段中心的较大孔168，如图所示。末端执行器150的主体152还包括护罩158，该护罩包围接触部分的延伸区段，并且在接触部分下方稍微延伸，这有助于维持与物体的真空接触。末端执行器150还使得沿每个延伸区段的邻近中心区域166的线的孔157提供了促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的特征件。由于孔156沿延伸区段成排提供，因而每个后一排也可以提供促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的额外特征件。
图19和图20示出了三指末端执行器，该三指末端执行器包括具有一个或多个弯曲特征件的主体。末端执行器170包括：主体172，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分175；以及用于接触待抓取物体的接触区段174。主体172包括呈主体的表面的收缩区域形式的一个或多个(例如三个)弯曲特征件171，以及护罩178中的一个或多个(例如三个)弯曲特征件173，当抓取非刚性物体时，这两者都可以促进接触部分的弯曲。接触区段174大致可包括在中心区域186中接合的三个延伸区段180、182、184。三个延伸区段可包括具有固定较小大小的孔176，而中心区域186可包括位于三个延伸区段中心的较大孔188，如图所示。末端执行器170还包括护罩178，该护罩包围接触部分的延伸区段，并且在接触部分下方稍微延伸，这有助于维持与物体的真空接触。
末端执行器170还使得沿每个延伸区段的邻近中心区域186的线的孔177提供了促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的特征件。由于孔176沿延伸区段成排提供，因而每个后一排也可以提供促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的额外特征件。此外，主体172可包括一个或多个(例如三个)特征件173，该一个或多个特征件使主体172的外部部分收缩，这也向近侧(朝向连接部分175)如178所指示那样拉动护罩的一部分。这些特征件173、177还促进相应延伸区段相对于中心区域的弯曲。末端执行器170还可包括额外孔190，以及用于将护罩178固定到主体172的支架192。
图21和图22示出了另一种三指末端执行器，该三指末端执行器包括具有多个结节作为弯曲特征件的主体。末端执行器200包括：主体202，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分205；以及用于接触待抓取物体的接触区段204。接触区段204大致可包括在中心区域226中接合的三个延伸区段210、212、214。三个延伸区段可包括具有固定较小大小的孔216，而中心区域226可包括位于三个延伸区段中心的较大孔228，如图所示。主体还包括与延伸区段210、212、214配准的三个结节203，并且结节203促进接触部分在抓取非刚性物体时变为非平面。末端执行器200还包括护罩208，该护罩包围接触部分的延伸区段，并且在接触部分下方稍微延伸，这有助于维持与物体的真空接触。
末端执行器200还使得沿每个延伸区段的邻近中心区域226的线的孔207提供了促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的特征件。由于孔216沿延伸区段成排提供，因而每个后一排也可以提供促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的额外特征件。此外，主体202可包括一个或多个(例如三个)凹痕特征件，所述凹痕特征件限定了使主体202的外部部分收缩的每个结节203，这导致所述特征件朝向真空的路径的中心轴线的轴向限制。这些特征件203、207还促进相应延伸区段相对于中心区域的弯曲。末端执行器200还可包括接近中心区域226的额外孔228，以促进在末端执行器处于真空下时，大量空气沿中心路径移动。
图23和图24示出了另一种三指末端执行器，该三指末端执行器包括大致圆柱形主体，该大致圆柱形主体具有呈主体的表面的收缩区域形式的多个弯曲特征件。末端执行器230包括：主体232，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分235；以及用于接触待抓取物体的接触区段234。接触区段234大致可包括在中心区域226中接合的三个延伸区段240、242、244。三个延伸区段可包括具有固定较小大小的孔21 6，而中心区域246可包括位于三个延伸区段中心的较大孔248，如图所示。主体还包括呈主体的表面的收缩区域形式的一个或多个(例如三个)弯曲特征件233，该一个或多个弯曲特征件与延伸区段240、242、244配准，并且结节233促进接触部分在抓取非刚性物体时变为非平面。末端执行器230还包括护罩238，该护罩包围接触部分的延伸区段，并且在接触部分下方稍微延伸，这有助于维持与物体的真空接触。
末端执行器230还使得沿每个延伸区段的邻近中心区域246的线的孔237提供了促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的特征件。由于孔256沿延伸区段成排提供，因而每个后一排也可以提供促进每个延伸区段相对于中心区域弯曲的额外特征件。同样，主体232可包括一个或多个(例如三个)收缩特征件233，这导致所述特征件朝向真空的路径的中心轴线的轴向限制。这些特征件233、237还促进相应延伸区段相对于中心区域的弯曲。末端执行器230还可包括接近中心区域246的较大直径的孔248，以促进在末端执行器处于真空下时，大量空气沿中心路径移动。
图25至图27示出了一种双指末端执行器，该双指末端执行器包括具有壁的圆柱形主体，该壁包括凹陷或变薄区域以提供弯曲特征件。末端执行器260包括：主体262，该主体具有用于联接到铰接臂22(在图1中示出)的安装区段40的连接部分265；以及用于经由真空通过孔263(在图27中示出)接触待抓取物体的接触区段264。接触区段264大致可包括两个延伸区段266、268(在图26中示出)。末端执行器260还使得沿大致以图27中的G-G所指示的线的孔267提供促进接触区段弯曲的特征件。此外，主体262可包括一个或多个(例如两个)凹痕特征件273，该一个或多个凹痕特征件准许主体262的外部部分的部分塌缩，这导致所述特征件朝向真空的路径的中心轴线的轴向限制。这些特征件267、273还促进相应延伸区段相对于中心区域的弯曲。因此，末端执行器260可提供更圆柱形的主体，当其接触部分处于如施加到物体的真空下时，该主体适于改变形状，以如上文所论述那样折叠以通过接触部分264更好地抓取物体。
图15至图27的末端执行器中的每个末端执行器都准许接触表面通过如上文参考图4至图14所论述那样弯曲而变为非平面，从而准许外表面至少部分地利用摩擦力抓取物体，以促进在移动期间维持对非刚性物体的保持。
参考图28，根据本发明的另一方面的末端执行器300包括附接到末端执行器基部304的柔性主体部分302，该末端执行器基部联接到用于安装到可编程运动装置(诸如图1的可编程运动装置)的联接器306。主体302包括可塌缩圆顶308以及护罩310。可塌缩圆顶308包括多个孔312以及中心孔314。柔性主体302还包括接近可塌缩圆顶308的大致圆形基部322安装在护罩310的内表面31 8上的多个支架316。
护罩310可以是大致截头圆锥形，并且护罩310的外边缘324可包括交替的延伸区域322(例如可以是例如扇形)。根据一方面，护罩310的外边缘324可以是平面的(例如平坦)，如图30中所示；或者可以是大致平面的，如图32中所示。参考图29，当通过可塌缩圆顶308中的多个开口312、314中的任一开口抽真空时，柔性主体(例如可塌缩圆顶308以及可选地护罩310的至少一部分)的接触表面可能被拉入末端执行器的敞开内部中。图29示出了被拉入末端执行器内的可塌缩圆顶308以及护罩310的部分，其示出了护罩310的外侧320，其中交替的延伸区域322被居中拉动以辅助抓取物体。
图30示出了图28的末端执行器300的侧视图，其以虚线示出了护罩310内的可塌缩圆顶308，并且图31示出了末端执行器300的底侧，其示出了护罩310的底侧318上的孔312、314以及支架316。图32示出了包括末端执行器基部304以及柔性主体302′的末端执行器300′，该末端执行器基部联接到用于安装到可编程运动装置的联接器306。柔性主体302′包括护罩310′，该护罩具有外边缘324′，该外边缘为非平面，但在接合平面物体时(当交替的延伸区域322′在接合物体时平坦化时)变为平面。相反，在图28至图31的末端执行器中，护罩310的外边缘324形成包括交替的延伸区域322的平面表面。交替的延伸区域322之间的区域可提供准许挠曲和/或弯曲的多个特征件以促进抓取物体。
图33示出了包括末端执行器基部304以及柔性主体302″的末端执行器300″，该末端执行器基部联接到用于安装到可编程运动装置的联接器306，该柔性主体包括延伸超出护罩310的外边缘324的可塌缩圆顶308′。在图28至图33的末端执行器中的每个末端执行器中，可塌缩圆顶可形成柔性主体的接触表面的部分，并且在图33的末端执行器中，可塌缩圆顶可提供最初接触物体的接触表面。
图34和图35示出了柔性主体302，其中可塌缩圆顶308处于塌缩位置，交替的延伸区域322被居中引导以接合物体。同样，当通过柔性主体302的真空被物体堵塞时，柔性主体改变到图34(侧视图)和图35(仰视图)的位置。图36示出了已接合物体330(例如具有低姿态权限(authority)的物体，诸如含有物品的塑料袋子)的末端执行器300。袋子330的一部分332与可塌缩圆顶308一起被拉入柔性主体302中。护罩310被居中拉动，并且护罩310的内表面用以容纳物体330的至少一部分。另外，护罩310的内表面提供表面，如果物体要滑出末端执行器，则物体330的部分332必须沿该表面滑动。与物体的这种接合另外通过由成角度的接触部分提供的剪切力抵抗袋子相对于接触部分的任何朝下滑动来保持物体。
类似地，图37示出了已接合物体334(例如具有高姿态权限的物体，诸如矩形盒子)的末端执行器300。盒子334的一部分336与可塌缩圆顶308一起被拉入柔性主体302中。护罩310被居中拉动，并且护罩31 0的内表面用以容纳物体334的至少一部分。另外，护罩310的内表面提供表面，如果物体要滑出末端执行器，则物体334的部分336必须沿该表面滑动。同样，与物体的这种接合另外通过由成角度的接触部分提供的剪切力抵抗袋子相对于接触部分的任何朝下滑动来保持物体。物体(330、334)可通过移除真空或提供正气压中的任一者来释放。
参考图38并且根据本发明的另外的方面，末端执行器340可包括具有较少孔352、354(中心孔)的可塌缩圆顶348，以及具有内表面358和外表面以及延伸区域362的护罩350，如上文所论述。参考图39并且根据本发明的另外的方面，末端执行器370可包括具有较少孔382、384(中心孔)的可塌缩圆顶378以及护罩380。护罩380可包括如上文所论述的内表面388和外表面以及延伸区域392，并且具有比图30和图37的末端执行器的支架更小的额外支架356。根据各个方面，支架(316、356)可在物体被保持时促进向物体的更多外表面提供真空力。
根据另外的方面并且参考图40，末端执行器400可包括末端执行器基部404以及柔性主体402，该末端执行器基部联接到用于安装到可编程运动装置的联接器406。柔性主体402包括具有外边缘424的护罩410，并且参考图41，柔性主体的内表面可包括提供刚性以抑制柔性主体402的过度塌缩的一个或多个内周向支撑肋450。参考图42，柔性主体402′的内表面可包括提供刚性以抑制柔性主体402′的过度塌缩的一个或多个轴向支撑肋452。
如图43进一步所示，图40的末端执行器400的末端执行器基部404还可包括止动构件440，以用于限制可塌缩圆顶向末端执行器中的移动。止动构件440可包括凸起部分442，该凸起部分中包括一个或多个孔444，以准许处于不同于大气压的压力(例如真空)的空气从中流过。进一步参考图44，凸起部分442限制可塌缩圆顶408向末端执行器中的移动，同时准许处于不同于大气压的压力(例如真空)的大量空气从中流过。
根据上文参考图4至图44论述的本发明的各个方面，当物体由末端执行器抓取时，主体被准许根据所抓取的物体来改变其形状。夹持器由于夹持器主体和任何特征件的形状而折叠。当吸盘的端口被密封时，夹持器的壁的形状和厚度以及敞开内部空腔的抽空致使夹持器的指状物朝内折叠。致使夹持器折叠的机械驱动是被动的，并且仅通过真空来实现。没有采用致使指状物折叠的马达、齿轮或其他机构，然而被动机械致动在需要时提供多指手多指手，并且在需要吸盘时提供吸盘。接触部分包括孔，该孔通过主体的敞开内部向接触部分的外表面提供真空。一般来说，通过至真空源的软管穿过连接部分和安装区段中的开口从孔提供真空，如上文所论述。本文中公开的末端执行器中的每个末端执行器可与图1的物体处理系统中的图1的可编程运动装置一起使用，以用于抓取和移动物体。
根据某些方面，真空源可以是可切换的，以改变为正气压源，该正气压从源被推动到孔，以推动物体远离接触表面，并且向远侧推动接触表面。根据另外的方面，除了由柔性材料形成以外，主体还可由提供所需弹簧常数的材料和形状形成。所需弹簧常数可使得主体被偏置到原始形状，使得当变形(如本文中所论述)时，主体将抵抗任何变形，从而至少部分地辅助致使主体回到其原始形状。
因此，根据各个方面，本发明提供了允许夹持表面折叠的铰接。这致使最初的整体夹持从张紧夹持转变到剪切夹持。该折叠经由夹持表面中的铰接件(活动铰接件(经由柔性材料)或机械铰接件(具有支承表面))来实现。铰接致使夹持器有利地折叠，使得相邻叶部(lobe)的夹持表面最终彼此面对，从而将所夹持的材料收集在它们之间。根据各个方面和/或各种半径的折叠，还提供可在夹持表面中产生相对尖锐的折痕或折叠的铰接。这允许使所夹持的材料收缩，从而进一步增强整体抓取性能。也可以提供两个或更多个柔性叶部，以有助于保持夹持表面处于剪切状态。根据某些方面，夹持表面可由高摩擦材料制成，或者涂覆有高摩擦材料。叶部可以能够卡住并且通过可渗透的且柔性的流化床使真空持续，并且可提供保持在展开状态以夹持平坦刚性表面的能力。根据另外的方面，末端执行器可包括在夹持表面的周边上的护罩或适形的弹性裙部，以在展开或折叠状态下或在两者之间的折叠位置阻止气流。根据另外的方面，末端执行器可提供铰接的中央空气通道，当流动被阻止时，该通道向上致动——从而拉动叶部闭合。
本领域技术人员应该理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对上述所公开的实施方案作出许多修改和变化。

Claims (43)

1.一种用于可编程运动装置的末端执行器，所述末端执行器包括主体，所述主体包括接触部分，所述主体提供敞开内部，真空能够通过所述敞开内部提供至所述接触部分，并且所述主体包括至少一个特征件，所述至少一个特征件适于在抓取时促进所述接触部分变为基本非平面。
2.如权利要求1所述的末端执行器，其中述至少一个特征件被提供作为所述接触部分的铰接件部分。
3.如权利要求2所述的末端执行器，其中所述主体包括至少两个铰接件部分。
4.如权利要求3所述的末端执行器，其中所述主体包括至少三个铰接件部分。
5.如权利要求2所述的末端执行器，其中每个铰接件部分在所述接触部分中包括促进弯曲的凹部。
6.如权利要求5所述的末端执行器，其中所述凹部形成在所述接触部分的面向所述敞开内部的内表面中。
7.如权利要求1所述的末端执行器，其中所述至少一个特征件被提供作为所述接触部分中的一系列孔。
8.如权利要求7所述的末端执行器，其中所述一系列孔以直线提供，所述直线限定所述接触部分的弯曲部分。
9.如权利要求1所述的末端执行器，其中所述至少一个特征件被提供作为结节。
10.如权利要求9所述的末端执行器，其中所述主体包括多个结节。
11.如权利要求l所述的末端执行器，其中所述主体包括顺应性材料。
12.如权利要求l所述的末端执行器，其中所述接触部分包括比在其周边处的开口面积更大的在其中心区域处的开口面积。
13.如权利要求l所述的末端执行器，其中接触表面包括多个开口。
14.如权利要求13所述的末端执行器，其中与所述接触部分的所述周边处的孔直径相比，所述接触部分在其中心区域处包括更大直径的开口。
15.如权利要求l所述的末端执行器，其中所述接触部分的所述周边大致为三角形。
16.一种可编程运动装置，其包括如权利要求l所述的末端执行器。
17.一种物体处理系统，其包括如权利要求16所述的可编程运动装置。
18.一种用于可编程运动装置的末端执行器，所述末端执行器包括主体，所述主体包括接触部分，所述主体提供敞开内部，真空能够通过所述敞开内部提供至所述接触部分，并且所述主体包括至少一个特征件，所述至少一个特征件适于在抓取时促进所述接触部分沿至少一个弯曲路径弯曲。
19.如权利要求18所述的末端执行器，其中述至少一个特征件被提供作为所述接触部分的铰接件部分。
20.如权利要求19所述的末端执行器，其中所述主体包括至少两个铰接件部分。
21.如权利要求19所述的末端执行器，其中所述主体包括至少三个铰接件部分。
22.如权利要求20所述的末端执行器，其中每个铰接件部分在所述接触部分中包括促进弯曲的凹部。
23.如权利要求22所述的末端执行器，其中所述凹部形成在所述接触部分的面向所述敞开内部的内表面中。
24.如权利要求18所述的末端执行器，其中所述至少一个特征件被提供作为所述接触部分中的一系列孔。
25.如权利要求24所述的末端执行器，其中所述一系列孔以直线提供，所述直线限定所述接触部分的弯曲部分。
26.如权利要求18所述的末端执行器，其中所述至少一个特征件被提供作为结节。
27.如权利要求26所述的末端执行器，其中所述主体包括多个结节。
28.如权利要求18所述的末端执行器，其中所述主体包括顺应性材料。
29.如权利要求18所述的末端执行器，其中所述接触部分包括比在其周边处的开口面积更大的在其中心区域处的开口面积。
30.如权利要求18所述的末端执行器，其中接触表面包括多个开口，并且其中与所述接触部分的所述周边处的孔直径相比，所述接触部分在其中心区域处包括更大直径的开口。
31.一种可编程运动装置，其包括如权利要求18所述的末端执行器。
32.一种物体处理系统，其包括如权利要求31所述的可编程运动装置。
33.一种使用末端执行器抓取物体的方法，所述末端执行器包括主体，所述主体提供联接到真空的敞开内部，所述方法包括：
使所述主体的接触部分与所述物体接触；
通过所述接触部分向所述物体施加真空，以通过所述接触部分与所述物体之间的张力来主要接合所述物体；以及
准许所述主体的所述接触部分在抓取所述物体时沿至少一个弯曲路径弯曲，使得所述接触部分变为主要经由比所述接触部分与所述物体之间的所述张力更大的剪切力来与所述物体接合。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述至少一个特征件被提供作为所述接触部分的铰接件部分。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述主体包括至少两个铰接件部分。
36.如权利要求34所述的方法，其中所述主体包括至少三个铰接件部分。
37.如权利要求34所述的方法，其中每个铰接件部分在所述接触部分中包括促进弯曲的凹部。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述凹部形成在所述接触部分的面向所述敞开内部的内表面中。
39.如权利要求37所述的方法，其中所述弯曲路径被提供作为所述接触部分中的一系列孔。
40.如权利要求37所述的方法，其中所述接触部分包括比在其周边处的开口面积更大的在其中心区域处的开口面积。
41.如权利要求33所述的方法，其中接触表面包括多个开口。
42.如权利要求41所述的方法，其中与所述接触部分的所述周边处的孔直径相比，所述接触部分在其中心区域处包括更大直径的开口。
43.如权利要求33所述的方法，其中所述接触部分的所述周边大致为三角形。
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