CN116475649A - 用于移动装配线的欠致动联结系统 - Google Patents

Abstract

一种用于移动装配线的欠致动联结系统包括具有被致动接头的机器人、铰接顺应性机构和控制器。该机构的末端执行器连接到连杆和联结工具，未致动接头使这些连杆互连，并且位置传感器测量这些未致动接头的接头位置。响应于接头位置，控制器调节被致动接头的位置以引起顺应性机构顺应地跟随装配线。这在工具保持与正在沿着装配线运输的工件接合时发生。一种方法包括：在由装配线运输工件时将工具与工件接合；使用位置传感器来测量未致动接头的接头位置；以及控制活动接头的位置，以引起顺应性机构沿着装配线顺应地跟随工件。

Description

用于移动装配线的欠致动联结系统

背景技术

引言

自动化制造任务常常需要在工件上执行联结操作。传统上，操作者将支撑适合于应用的联结工具，同时手动定位工件上的目标区域，例如铆钉或紧固件头部、接头缝或要使用联结工具来联结的另一区域。在操作者支撑、定位和操作联结工具时，操作者通常在整个联结操作中经历任务负荷。结果，已在现代工作场所采用各种自动化解决方案，以减少操作者任务负荷并改进制造效率和吞吐量。

在示例性汽车制造和装配环境中，在自动化装配线设备的协助下执行联结操作和其他工作任务。例如，可使用高架或地面安装式输送机系统将车辆底盘运输通过制造工厂。在沿着装配线的不同工作站处，一个或多个串联机器人可执行各种操作，这些操作中的许多操作传统上一直是由人类操作者执行的。尽管如此，操作者仍然参与制造和装配过程，并且有时可能需要与工件交互。因此，现代装配线的协作性质为改进相关装配线设备的整体结构和功能做好准备。

发明内容

本文中公开了一种欠致动（underactuated）联结系统，其可操作以用于在经由移动装配线将工件运输通过制造设施时联结工件的表面。欠致动联结系统的构造最终允许联结工具以顺应的或非刚性方式跟随移动的工件。如本文中所使用的，“顺应的”、“顺应性”和“顺应地”是指使用旋转、平移或万向接头作为柔性/非刚性接头，或者使用可能地其他接头构造（诸如，球形或平行四边形/四边形接头），从而共同地实现力和运动的传递以实现本文中所描述的以下动作，特别是当连接处于运动中的两个刚性本体时。该有益结果通过本文中所描述的方法产生，该方法还适应与联结工具或连接到联结工具的末端执行器的直接“动手（hands-on）”物理人类交互。

为了说明的清楚性起见，工件在本文中被描述为单个物品，但在不同的实施例中可涵盖多个工件或工作表面。同样，仅为了说明的清楚性起见，欠致动联结系统与移动装配线是分开识别的，其中在实际实施例中欠致动联结系统可能地包括移动装配线设备的整体集合，该移动装配线设备可能地包括一个或多个机器人。附加地，如贯穿本公开所使用的汽车装配线旨在代表本教导的仅一种可能的实施方式。换言之，经由本文中所描述的欠致动联结系统而被操作的特定工件可在本公开的范围内变化。

在可能的实施例中，欠致动联结系统包括机器人、铰接顺应性机构、联接到铰接顺应性机构的末端执行器的联结工具、以及与机器人通信的控制器。可选地，如本文中所设想的机器人可被实施为多轴串联机器人，诸如但不限于6轴工业机器人、高架龙门或本领域中很好理解的类型的高架动力轨道系统。因而，机器人包括多个主动控制/致动的接头，且因此包括对应的多个主动自由度（DOF）。

与机器人形成对比，铰接顺应性机构具有多个被动/未致动（unactuated）接头，其中一组位置传感器共同地被构造成测量未致动接头的接头位置并将测得的接头位置作为电子信号输出。在最低限度，顺应性机构的每个DOF使用一个位置传感器。连接到末端执行器的联结工具被构造成在由移动装配线运输工件时在工件上形成接头，其中联结工具的示例性构型包括螺母驱动器、铆钉枪、焊枪/焊炬等。在该特定实施例中，控制器与铰接顺应性机构的位置传感器通信。响应于测得的接头位置以及可能地各种未致动接头相对于被致动（actuated）接头的数量、类型和/或构型，控制器选择性地控制机器人的活动接头的位置，例如由活动接头联结的组成连杆的旋转位置或铰接角度。该动作引起联结工具接合工件（诸如，通过示例性螺母驱动器的尖端与紧固件头部的接合）并且顺应地与移动装配线一起跟随或跟踪移动装配线。

更具体地，本文中所公开的控制策略可根据需要以两种不同模式中的一种操作：（1）自主模式，以及（2）跟随模式。自主模式使得所公开的欠致动系统能够在没有来自操作者或工件/机器的外部物理输入的情况下起作用，而跟随模式通过与操作者或工件/机器（例如，与联结工具和/或联接到其的末端执行器）的物理接触而以至少某种程度的外部输入操作。如本文中所使用的，“跟随”是指当外力或接触使布置在末端执行器处的联结工具移动时欠致动系统的响应性跟随动作。接触可以是操作者或机器（即，移动装配线）的接触。

给定与工件或操作者的外部接触，机器人可跟随末端执行器的运动。响应于铰接顺应性机构中的位移，控制器命令机器人进行特定运动以便起消除（close）位移的作用且此后将铰接顺应性机构保持在其运动范围的中心。这进而引起系统再次以如上所述的非刚性/顺应的方式跟随或跟踪移动线。当操作者握住联结工具时，同样的原理允许顺应性机构跟随人类操作者。

在本公开的一些方面，铰接顺应性机构被构造成在联结工具不与工件接合时返回到平衡位置。例如，铰接顺应性机构可使用重力或弹簧力作为恢复力。

在一个或多个实施例中，控制器可被构造成消除铰接顺应性机构的未致动接头相对于参考位置的位移。该动作经由控制机器人的被致动接头（或更准确地说，通过控制连接到被致动接头的对应的接头致动器）而实时发生。

欠致动联结系统的可选构型包括与控制器通信的机器视觉系统。机器视觉系统可生成指示工件上的目标区域的位置信号，例如，要由联结工具形成的焊接或紧固件接头的特定位置。在这种实施例中，控制器可响应于位置信号的接收而自动地将联结工具与工件接合。

未致动接头中的至少一些可包括相应的锁定装置，该锁定装置被构造成响应于锁定信号而接合或锁定。在这种实施例中，控制器可被构造成选择性地生成锁定信号以减少欠致动联结系统的DOF的数量。例如，锁定信号可锁住一个或多个未致动接头以建立联结工具相对于工件的期望姿态或倾斜角。

本公开的另一方面包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被构造成检测在欠致动联结系统的预定近程（proximity）内操作者的存在。通过使用这种人存在传感器，控制器可响应于在欠致动联结系统的预定近程内检测到操作者而选择性地阻止机器人的运动。

本文中还公开了一种相关联的方法，其实施例包括：在由移动装配线运输工件时将联结工具与工件接合。如上所述，联结工具连接到具有未致动接头的铰接顺应性机构，其中铰接顺应性机构进而连接到机器人。该方法可包括：使用位置传感器来测量未致动接头中的每个相应未致动接头的对应接头位置。

响应于对应接头位置，控制器选择性地控制机器人的被致动接头的位置，由此引起铰接顺应性机构在由移动装配线运输工件时顺应地跟随工件。可选地，本方法的实施例可被编码为计算机可读介质上的指令并由控制器或另一合适的计算机装置的一个或多个处理器执行，以引起处理器执行上文所概述的方法。

根据又另一实施例的方法包括：将铰接顺应性机构连接到机器人，其中机器人具有多个被致动接头，并且其中顺应性机构包括通过多个未致动接头互连的多个连杆。该方法还包括：将联结工具连接到铰接顺应性机构。在该方法的该特定实施方式中，联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者。附加地，该方法包括：在车身由移动装配线运输时将联结工具与车身接合、以及在车身由移动装配线运输时使用一组位置传感器来测量未致动接头的对应接头位置。

然后，响应于对应接头位置，控制器选择性地控制被致动接头的位置，包括经由控制机器人的被致动接头来实时消除铰接顺应性机构的未致动接头的位移。该动作引起铰接顺应性机构在由移动装配线运输工件时顺应地跟随工件。该方法进一步包括：当联结工具从车身脱离时，使铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。

本发明至少包括如下方案：

方案1. 一种供与由移动装配线运输的工件一起使用的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统包括：

机器人，所述机器人具有多个被致动接头；

联接到所述机器人的铰接顺应性机构，所述铰接顺应性机构包括：多个连杆；末端执行器，所述末端执行器连接到所述多个连杆并且被构造成连接到联结工具；多个未致动接头，其使所述连杆互连；以及一个或多个位置传感器，所述位置传感器共同地被构造成测量所述未致动接头的对应接头位置；以及

与所述位置传感器通信的控制器，其中，所述控制器被构造成响应于所述对应接头位置而选择性地控制所述被致动接头的相应位置并由此引起在所述联结工具保持与所述工件接合时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件。

方案2. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括所述联结工具。

方案3. 根据方案2所述的欠致动联结系统，其中，所述联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者。

方案4. 根据方案3所述的欠致动联结系统，其中，所述工件是通过所述螺母驱动器、所述焊枪、所述焊炬或所述铆钉枪而被操作的车身。

方案5. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在所述联结工具不与所述工件接合时返回到平衡位置。

方案6. 根据方案5所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在使所述铰接顺应性机构返回到所述平衡位置时使用重力作为恢复力。

方案7. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述控制器被构造成经由控制所述机器人的所述被致动接头来实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头相对于参考位置的位移。

方案8. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括与所述控制器通信的机器视觉系统，其中，所述机器视觉系统被构造成生成指示所述工件上的目标区域的位置信号，并且其中，所述控制器被构造成响应于所述位置信号而自动地将所述联结工具与所述工件接合。

方案9. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述未致动接头中的至少一些包括相应的锁定装置，所述锁定装置被构造成响应于锁定信号而接合，并且其中，所述控制器被构造成选择性地生成所述锁定信号以由此减少所述欠致动联结系统的自由度的数量。

方案10. 根据方案9所述的欠致动联结系统，其中，所述锁定信号被构造成改变所述联结工具相对于所述工件的姿态或倾斜角。

方案11. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被构造成在所述欠致动联结系统的预定近程内检测操作者，其中，所述控制器被构造成响应于在所述欠致动联结系统的所述预定近程内检测到所述操作者而选择性地阻止所述机器人的运动。

方案12. 一种方法，所述方法包括：

在由移动装配线运输工件时将欠致动联结系统的联结工具与所述工件接合，所述联结工具连接到具有多个未致动接头的铰接顺应性机构，其中，所述铰接顺应性机构连接到具有多个被致动接头的机器人；

使用一组位置传感器来测量所述未致动接头的对应接头位置；以及

响应于所述对应接头位置，经由与所述位置传感器通信的控制器来选择性地控制所述被致动接头的位置，由此引起在由所述移动装配线运输所述工件时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件。

方案13. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：使用所述联结工具在所述工件的目标区域上形成接头。

方案14. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：当所述联结工具不与所述工件接合时，使所述铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。

方案15. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：经由所述控制器经由控制所述机器人的所述被致动接头来实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头的位移。

方案16. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：

经由机器视觉系统来生成位置信号，所述位置信号指示要在所述工件上形成的接头的位置；以及

响应于所述位置信号而经由由所述控制器控制所述被致动接头来自动地将所述联结工具与所述工件接合。

方案17. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括使用粗略定位器装置来将所述联结工具引导到所述工件的所述目标区域。

方案18. 根据方案12所述的方法，其中，所述未致动接头中的至少一些包括锁定装置，所述锁定装置被构造成响应于锁定信号而锁定，所述方法进一步包括：选择性地生成所述锁定信号以减少所述欠致动联结系统的自由度的数量。

方案19. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：响应于在所述欠致动联结系统的预定近程内检测到操作者而选择性地阻止所述机器人的运动。

方案20. 一种方法，所述方法包括：

将铰接顺应性机构连接到具有多个被致动接头的机器人，其中，所述铰接顺应性机构包括通过多个未致动接头互连的多个连杆；

将联结工具连接到所述铰接顺应性机构，其中，所述联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者；

在由移动装配线运输车身时将所述联结工具与所述车身接合；

在由移动装配线运输所述车身时，使用一组位置传感器来测量所述未致动接头的对应接头位置；

响应于所述对应接头位置，经由与所述位置传感器通信的控制器来选择性地控制所述被致动接头的位置，以实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头的位移，由此引起在由所述移动装配线运输所述工件时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件；

当所述联结工具从所述车身脱离时，使所述铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。

当结合附图和所附权利要求书理解时，从对用于实施本公开的（一个或多个）实施例和（一个或多个）最佳模式的以下详细描述中，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将容易显而易见。

附图说明

图1是可与移动装配线一起使用的欠致动联结系统的图示，其中该欠致动联结系统如本文中所阐述的那样来构建。

图2是图1中所示的欠致动联结系统的代表性实施例的示意性图示。

图3是描述用于控制图1的欠致动联结系统的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

本公开的若干实施例在附图中图示。在附图和支持的描述中使用相同或类似的附图标记来指代相同或类似的结构。附图以简化形式提供，并且除非另有说明，否则不按比例绘制。为了方便和清晰起见，可相对于附图来使用诸如顶部、底部、左、右、上、上面、上方、下方、下面、后和前之类的方向术语。这些和类似的方向术语将不被解释为限制本公开的范围。

本文中所提供的解决方案部分地基于欠致动原理。如本文中所使用的，欠致动机器人系统需要使用串联机构，其中主动控制的机器人与被动/未致动机构串联联接，其中该机器人系统的少于全部的集合（collective）自由度（DOF）是被致动DOF。在本构造中，铰接顺应性机构包括经由被动旋转和/或线性接头联结在一起的连杆，其中这种接头以没有相关联的接头致动器为特征。因此，与铰接顺应性机构相关联的接头和DOF在本文中分别被称为未致动接头和未致动DOF，这是为了清晰起见以及为了区分这种接头的被动产生的运动与机器人的被致动接头的被命令的被驱动响应。附加地，铰接顺应性机构的未致动接头被认为对于机器人的被致动接头是冗余的，并且相对于其位于远侧。

可在本公开的范围内使用的合适铰接顺应性机构的代表性示例包括但不限于以下各者中所公开的那些：美国专利申请序列号16/773,388，“Redundant UnderactuatedRobot with Multi-Mode Control Framework”（“具有多模式控制框架的冗余欠致动机器人”），现在公开为US2020/0156245A1；2020年9月1日发行的美国专利号10,759,634，“Electromechanical System for Interaction with an Operator”（“用于与操作者交互的机电系统”）；以及2020年4月21日发行的美国专利号10,626,963，“ArticulatedMechanism for Linear Compliance”（“用于线性顺应性的铰接机构”），以上各者的内容通过引用以其全文并入本文。可在本公开的范围内设想其他实施例。

现在参考图1，在经由移动装配线14主动运输工件12时，欠致动联结系统10被构造成用于与工件12一起使用。在图1中所图示的非限制性示例性场景中，工件12是车身120的表面（诸如，面板或支撑梁）或连接到车身120的部件。在所描绘的实施例中，使用装配线设备15沿箭头FF的方向运输车身120，例如经由分别位于车身120下方或上方的地面轨道16或高架轨道160。在高架构型中，车身120可经由托架18或其他各种其他适合于应用的输送机设备而悬挂，如本领域中所了解的。特定的工件12和移动装配线14可随应用而变化，且因此图1的构型旨在代表和说明本教导。

在移动装配线14将工件12运输通过设施时，与移动装配线14搭配或与其集成的机器人20在工件12上执行预定的联结操作。机器人20可在本公开的范围内以各种方式实施，包括被实施为机器人20的所图示的多轴工业实施例。替代地，机器人20可被构造为高架动力轨道系统200，其中水平轨道202由竖直和/或成角度的梁204支撑，其中马达驱动的小车（cart）201可沿箭头AA和B的方向（正交于梁202的轴线）平移以实现两个平移自由度。取决于最终用途，用于此目的的联结工具22可以以各种方式被实施为螺母扳手、焊枪、铆钉枪等。所预想的联结过程需要响应于工件12的运动而对机器人20的粗略和精细移动进行实时运动控制和协调。以同样的方式，本公开提供了基于硬件和软件的解决方案来优化所图示的联结操作的性能，无论是作为代表性汽车制造过程的一部分还是作为另一操作（其中由移动装配线14运输以不同方式实施的工件12）的一部分。仅为了说明的一致性，下文中将使用汽车制造用例，而不将本教导限制到工件12的特定实施例，如上所述。

如本领域中所了解的，机器视觉能力常常与移动装配线一起使用以促进零件定位、识别、跟踪和其他功能。然而，本文中认识到，一旦联结工具22已接合工件12，传统的视觉系统就不能准确地检测和报告相对运动的误差。附加地，联结工具22与工件12的接合导致两个刚性本体连接，其二者都处于运动中：（1）机器人20和联结工具22串联布置，以及（2）工件12与联结工具22接合。如果运动不完全同步，则刚性本体的这种连接将导致相对运动和可能的撞击，这进而可能需要关闭移动装配线14或执行其他缓解性控制动作。

为了那个目的，图1的欠致动联结系统10包括铰接顺应性机构24，该铰接顺应性机构连接到机器人20或连接到替代性高架动力轨道系统200或机器人20的其他合适的实施例。虽然为了简单起见在图1中示意性地示出，但铰接顺应性机构24可使用各种机构（例如，三脚架或平行四边形布置）从小车201悬挂，如本领域中所了解的。联结工具22可经由末端执行器25连接到铰接顺应性机构24，该末端执行器在图1和图2中被示为示例性延伸杆（road）以用于抓握和支撑联结工具22。在操作中，在工件12处于运动中时，控制器50（为简单起见被示为机器人20的固定或可移动基座28的一部分，但以各种方式实施，如下文参考图2所阐述的）校正否则将由相互接合的刚性本体造成的上述相对运动和由此产生的位置误差。

通过使用控制器50的所描述的编程功能，联结工具22能够在由移动装配线14运输工件12时自动地跟随或跟踪工件12。相同的功能使得人类操作者能够选择性地按需控制联结工具22，例如当将联结工具22引导到螺栓头、铆钉头、焊接接头/接缝位置等时，其中该引导或定位动作可能由粗略定位器装置38协助，如图2中所示。粗略定位器装置38在本文中被定义为工具、固定装置或其他物理部件，其用于将联结工具22粗略地定位在要在工件12上操作的（多个）特定点的近似区域内。例如，粗略定位器装置38可被实施为漏斗状物，其被构造成将联结工具22引导到工件12上的一个或多个这种点，如本领域中所了解的，其中该漏斗状物朝向这种点逐渐变细。可在本公开的范围内预想定位器装置38的其他可能的构造，例如，块引导件、栓钉、斜坡等，且因此示例性漏斗状物仅是一种可能的实施方式。因此，本教导允许操作者根据需要与铰接顺应性机构24进行情景交互，并且达到由其他工作场所限制（诸如，防止操作者进入到机器人20运动范围的特定部分的通达障碍物）所准许的范围内。

现在参考图2，示意性地示出且未按比例绘制的欠致动联结系统10包括机器人20、铰接顺应性机构24和控制器（C）50。如本文中所设想的机器人20可被实施为任何适合于应用的具有多个被致动接头30的串联或其他动力装置。被致动接头30中的每个相应被致动接头由对应的接头致动器32提供动力，诸如电动、液压或气动旋转致动器或马达。图1的非限制性示例实施方式中的机器人20是具有六个或更多个致动自由度（DOF）的多轴工业机器人，其中特定所图示的实施例具有安装成接近移动装配线14的基部31，例如在图1的基座28或另一合适的地面、墙壁或天花板安装式支撑结构上。替代地，机器人20可被实施为图1的高架动力轨道系统200（如上文所描述的和本领域中所了解的）或者高架龙门，并使用驱动马达或者皮带驱动或链条驱动的驱动机构来提供动力。因此，机器人20的特定构造不受限制，条件是机器人20被构造成提供如本文中所阐述的必需的被致动DOF。

铰接顺应性机构24联接到机器人20，并且包括多个连杆34（例如，线性或曲线的杆段或梁），其中这些连杆34通过多个未致动接头35互连。因此，围绕未致动接头35的旋转、滑动、枢转和/或其他运动为铰接顺应性机构24提供了未致动DOF。末端执行器25可连接到多个连杆34中的一个或多个（例如，连接到如图所示的箱形托架350），并且被构造成使用夹具、紧固件或其他合适的器件（未示出）连接到联结工具22。

在一些实施例中，未致动接头35中的至少一些可包括相应的锁定装置（L）39，该锁定装置被构造成响应于来自控制器50的锁定信号（箭头LL）而接合。虽然为了说明的简单起见在图2中示意性地示出了单个锁定装置39，但本领域技术人员将了解，每个未致动接头35可包括或可连接到对应的锁定装置39。适合于该目的的实施例包括夹具、卡钳、摩擦制动器、锁定销等，其进而可被构造成以阻止或限制未致动接头35中的给定一个的运动的方式接合铰接顺应性机构24的相邻结构。因此，由给定的锁定装置39接收锁定信号（箭头LL）减少了欠致动联结系统10的DOF的数量，在这种情况下，通过减少铰接顺应性机构24的未致动DOF的数量来实现。

作为所公开的解决方案的一部分，位置传感器40设置成接近未致动接头35中的每一个或设置在未致动接头35中的每一个上，其中仅为了说明的清楚性起见，位置传感器40在图2中被示为与未致动接头35分开。位置传感器40（例如，旋转编码器或其他合适的传感器构型）被构造成测量未致动接头35中的每个相应未致动接头的对应接头位置（θ₃₅）、以及输出指示接头位置（θ₃₅）的电子信号。类似的一组位置传感器40可用于测量机器人20的各个被致动接头30的接头位置（θ₃₀）、以及输出指示测得的接头位置（θ₃₀）的电子信号。因此，如下文所阐述的，对被致动接头30的协调的运动控制和对未致动接头35中的一个或多个的可能锁定最终影响了联结工具22和工件12的相对位置，包括联结工具22围绕其工具轴线22A的工具取向。

在本公开的范围内，通过有线或无线路径（未示出）与位置传感器40通信的控制器50被构造成通过根据需要调整被致动接头30中的每个相应被致动接头的相应位置来响应于铰接顺应性机构24的共同的一组接头位置θ₃₅。如上文中别处所规定的，该控制动作可部分地基于未致动接头35相对于被致动接头30的数量、类型和构型而发生。即，给定的运动范围对于特定布置和构型的被致动接头30来说可能是可用的，使得一组不太广泛（extensive）和/或不太具有运动范围能力（range-of-motion-capable）的未致动接头35相对于各种图中所示的一组更广泛或更有能力的未致动接头35可能需要被致动接头30的不同的控制响应。以这种方式，控制器50引起铰接顺应性机构24顺应地或非刚性地跟随工件12，而联结工具22自身保持与其刚性地接合。工件12和机器人20之间的运动链中增加的顺应性进而解决了处于运动中的相互接合的刚性本体的上述问题，其中在没有本解决方案的情况下，联结工具22到工件12的原本刚性的连接可能会断裂或分离。

虽然为了说明的清楚性和简单起见在图2中将控制器50示意性地描绘为单一装置，但控制器50的所实施的实施例可包括多个分布式数字计算机，每个分布式数字计算机具有存储器（M）52和处理器（P）54。存储器52包括足够量的有形的、非暂时性存储器，例如只读存储器、快闪存储器、光学和/或磁性存储器、电可编程只读存储器等。存储器52还包括足够的瞬态存储器，诸如随机存取存储器和电子缓冲器。除了别的之外，控制器50的硬件部件可包括高速时钟、模数与数模电路、和输入/输出电路与装置、以及适当的信号调节和缓冲电路。

欠致动联结系统10的实施例包括机器视觉系统（MVS）60，该MVS自身可操作以用于检测工件12的预定图案或特征并输出描述其位置的位置信号600。此后，控制器50可使用定位信号600来帮助定位工件12上的感兴趣区域，诸如螺纹紧固件或铆钉的头部。总的来说，控制器50及与之通信的外围设备的硬件和软件构型使得处理器54能够执行实施方法100的计算机可读指令。执行如下文阐述的方法100最终引起控制器50生成电子输出信号（CC_O），该电子输出信号被传递到机器人20以实时（即，在由装配线设备15运输图1的工件12时）改变其接头位置（θ₃₀）中的一个或多个。

参考图3，用于使用图1和图2的欠致动联结系统10来执行自动化联结过程的方法100的示例性实施例以框B102（“移动（12）；接合（22）”）开始，其中工件12经由图1的移动装配线14来移动。在沿着移动装配线14的路径的特定工作站或位置处，工件12将移动到机器人20的工作近程中，如上文所公开的，该机器人可经由上文所描述的铰接顺应性机构24的末端执行器25连接到图2的联结工具22。

在工件12已移动到机器人20的工作近程中（即，移动到机器人20的预定的运动范围内）之后，将联结工具22手动地和/或机器引导朝向工件12并与其接合。在框B102的可能的实施方式中，直接与联结工具22或末端执行器25交互的人类操作者可手动地促使联结工具22与工件12接合。替代地，图2的机器视觉系统60可使用常驻相机和图像处理/视觉软件来辨识工件12上的特定图案、形状、尺寸或其他识别特征，如本领域中所了解的。

在方法100的执行期间，图1和图2的控制器50能够选择性地阻止机器人20的运动。例如，控制器50可响应于在欠致动联结系统10的预定近程或运动范围内检测到操作者而决定阻止机器人20的运动，例如，使用红外或其他人类存在检测器、压力垫、激光传感器或其他适合于应用的传感装置。同样，当与联结工具22交互时，不管上述操作者动作的可能性如何，紧急停止选项仍然是可能的。

作为说明性示例，机器视觉系统60可在视觉上获取螺栓头的二维或三维识别特征，在视觉系统坐标系中定位该特征，将视觉系统坐标系转换为由机器人20使用的机器人运动坐标系，且此后生成图2的位置信号600，其中位置信号600指示在这种情况下的螺栓头的位置，或者指示要在工件12上形成的另一接头的位置。此后，控制器50可响应于位置信号600而仅经由控制机器人20的被致动接头30来自动地将联结工具22与工件12接合。作为框B102的一部分，可使用图2的可选的粗略定位器装置38以便于将联结工具22引导到要在工件12上形成的接头的位置。一旦联结工具22已接合工件12，方法100就然后继续到框B104。

框B104（“测量θ₃₅”）包括使用上文所描述的一组位置传感器40来测量铰接顺应性机构24的未致动接头35的对应接头位置（θ₃₅）。铰接顺应性机构24的代表性示例构造在图2中被示为呈在联结工具22的操纵中提供两个未致动/被动DOF的被动式平行四边形布置的形式。替代性构造可用于实现竖直旋转和/或平移DOF或者更少或更多的旋转和/或水平DOF，且因此图2的示例性构造仅是本教导的一种可能的实施方式。当接头位置（θ₃₅）已被测量并报告给控制器50时，方法100继续到框B106。

方法100的框B106（“Δd”）包括计算铰接顺应性机构24的各个未致动接头35以及引申开来通过未致动接头35彼此互连的各个连杆34的位移（Δd）。即，控制器50被编程为具有预期的取向和位置，该取向和位置对应于其中联结工具22与工件12适当地接合的状态。因此，在该上下文中，位移是指与预期的位置和姿态的偏差。

此外，联结工具22的预期的取向和位置可改变，例如当控制器50经由图2的（一个或多个）锁定装置39的操作使联结工具22倾斜或以其他方式相对于工件12操纵联结工具22时。与框B104一样，框B106是实时执行的，其中在给定工作站处计算给定工件12的位移（Δd），且然后在工件12完成联结操作时沿着移动装配线14移动到下游工作站时，该位移被归零。然后，方法100进行到框B107。

在框B107（“消除Δd”）处，并且响应于指示从框B106检测到的位移（Δd）的对应接头位置（θ₃₅）中的持续变化，控制器50可间接地通过控制机器人20的被致动接头30来调整未致动接头35的位置。机器人20的运动进而将通过调整铰接顺应性机构24的各个未致动接头35的位置来消除位移（Δd）。然后，方法100继续到框B108。

在框B108（“跟随”）处，控制器50选择性地控制活动接头的位置（θ₃₀）以尽可能接近地保持零位移。该动作引起铰接顺应性机构24在由移动装配线14运输工件12时顺应地跟随工件12和移动装配线14。同时，机器人20使用联结工具22在工件12上形成接头，其中该动作经由控制器50或机器人20的常驻控制模块（未示出）的操作发生。然后，方法100进行到框B110。

在框B110（“完成”）处，控制器50确定联结过程是否完成。取决于正在形成的特定接头的性质，可为此目的使用各种标准。例如，控制器50可确认通过了预定量的联结时间、扭矩水平或其他参数，可能但不一定通过图2的机器视觉系统60的操作来确认。方法100在联结操作仍持续时重复框B106，并且替代地在联结过程完成时进行到框B112。

图3的框B112（“脱离”）包括再次经由机器人20及其被致动接头30的动态控制使联结工具22从工件12脱离，这进而引起联结工具22从工件12拉回。随着现在已完成的工件12离开机器人20常驻在其中的工作站，机器人20可返回到默认“就绪”位置以期待下一工件12的到达。然后，方法100返回到框B102。

作为方法100的一部分，当联结工具22不与工件12接合时，图1和图2的铰接顺应性机构24可返回到预定的平衡位置。例如，铰接顺应性机构24可被构造成使用重力或弹簧力作为恢复力。在可能的实施例中，这种平衡位置可单独使用重力作为恢复力来实现，例如其中铰接顺应性机构24仅由于各个未致动接头35上的重力就使其自身定心（center）在平衡位置处。替代地，弹簧（未示出）可供应这种返回力，或者可协助重力。本领域技术人员将了解，可根据需要来辅助重力恢复力，例如经由布置在铰接顺应性机构24的至少一些连杆34上的弹簧或其他弹性构件（未示出）。

鉴于前述公开内容，本领域技术人员将了解，可在本公开的范围内预想方法100的其他实施方式。例如，替代性方法可包括：将铰接顺应性机构24连接到具有所述多个被致动接头30的机器人20，其中本文中所描述的铰接顺应性机构24包括通过所述多个未致动接头35互连的所述多个连杆34。该方法可包括：将联结工具22连接到铰接顺应性机构24、在由移动装配线14运输图1的车身120时将联结工具22与车身120接合、以及使用一组位置传感器40来测量未致动接头35的对应接头位置（θ₃₅）。这是在由移动装配线14运输车身120时发生的。

在这种方法中，并且响应于对应接头位置（θ₃₅），控制器选择性地控制被致动接头30的位置，这具有实时消除铰接顺应性机构24的未致动接头35的位移的效果。该动作进而引起铰接顺应性机构24在由移动装配线14运输车身120时顺应地跟随车身120。该方法的实施例可包括：当联结工具22从车身120脱离时，使铰接顺应性机构24返回到预定的平衡位置。

如上文详细描述的本教导可扩展到需要在移动线上进行自动化刚性本体联结的各种装配线和制造过程，两者都具有与人类操作者的可能的物理协作并且呈完全自动化的实施方式。所公开的解决方案在自动化制造或装配领域使用顺应的DOF以及相关联的仪器和控制算法，以允许以顺应的和可靠的方式完成联结任务，由此防止在非正常情况期间（可能地包括紧急停止或当将联结工具22与工件12接合时）对机器人20或联结工具22造成损坏。鉴于前述公开内容，本领域技术人员将容易了解本教导的这些和其他伴随的益处。

详细描述和附图或图支持并且描述本公开，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已详细地描述了用于实施要求保护的本公开的最佳模式和其他实施例中的一些，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代性设计和实施例。

Claims (10)

1.一种供与由移动装配线运输的工件一起使用的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统包括：

机器人，所述机器人具有多个被致动接头；

联接到所述机器人的铰接顺应性机构，所述铰接顺应性机构包括：多个连杆；末端执行器，所述末端执行器连接到所述多个连杆并且被构造成连接到联结工具；多个未致动接头，其使所述连杆互连；以及一个或多个位置传感器，所述位置传感器共同地被构造成测量所述未致动接头的对应接头位置；以及

与所述位置传感器通信的控制器，其中，所述控制器被构造成响应于所述对应接头位置而选择性地控制所述被致动接头的相应位置并由此引起在所述联结工具保持与所述工件接合时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件。

2.根据权利要求1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括所述联结工具。

3.根据权利要求2所述的欠致动联结系统，其中，所述联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者。

4.根据权利要求3所述的欠致动联结系统，其中，所述工件是通过所述螺母驱动器、所述焊枪、所述焊炬或所述铆钉枪而被操作的车身。

5.根据权利要求1所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在所述联结工具不与所述工件接合时返回到平衡位置。

6.根据权利要求5所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在使所述铰接顺应性机构返回到所述平衡位置时使用重力作为恢复力。

7.根据权利要求1所述的欠致动联结系统，其中，所述控制器被构造成经由控制所述机器人的所述被致动接头来实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头相对于参考位置的位移。

8.根据权利要求1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括与所述控制器通信的机器视觉系统，其中，所述机器视觉系统被构造成生成指示所述工件上的目标区域的位置信号，并且其中，所述控制器被构造成响应于所述位置信号而自动地将所述联结工具与所述工件接合。

9.根据权利要求1所述的欠致动联结系统，其中，所述未致动接头中的至少一些包括相应的锁定装置，所述锁定装置被构造成响应于锁定信号而接合，并且其中，所述控制器被构造成选择性地生成所述锁定信号以由此减少所述欠致动联结系统的自由度的数量。

10.根据权利要求9所述的欠致动联结系统，其中，所述锁定信号被构造成改变所述联结工具相对于所述工件的姿态或倾斜角。