CN204868885U - 用于操控工件的机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于操控工件的机器人系统，其中，工件的三维位置由三个独立的坐标给出。在此，机器人系统包括照相机系统和多轴的关节臂机器人，其中，设有至少一个具有至少一个传感器的关节，该传感器用于检测作用在所述至少一个关节上的力和/或转矩。

Description

用于操控工件的机器人系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于操控工件的机器人系统和一种用于对工件进行定位(Positionsbestimmung)和操控的方法。

背景技术

小型部件(例如螺丝或螺栓)典型地是以杂乱的散装货物的形式来运输。在进一步使用小型部件之前，必须使它们与散装货物分离。为此例如可以使用振动分离器或分级传送器。

将机器人用于分离装置是有利的，因为机器人相比于固定的输送系统具有更高的灵活性。机器人，特别是工业机器人是可自由编程的机器，其既可以固定地安装，也可以运动地安装。企业内部已知的方法是：为了分离散装货物，将工业机器人与照相机一起使用，照相机用于识别各个小型部件的空间(三维)位置。随后，工业机器人抓取小型部件并将其放下，以便进一步地使用。已经证实该方法的成本是较高的，因为该方法还需要进行昂贵的3D图像处理。此外，在进一步使用之前需要在后续步骤中使小型部件对齐。另外，上述方法不适于实现安全的人-机器人协作(MRK)。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的在于提出一种有MRK能力的散装货物分离器，特别是光感的散装货物分离器。本实用新型的另一目的在于提出一种用于散装货物分离的、经济、低成本的系统。本实用新型的目的还在于提出用于操控散装货物和使散装货物定向的一种系统和一种方法。

本实用新型的这些目的和其他目的通过一种用于操控工件的机器人系统来实现，其中，工件的三维位置由三个独立的坐标给出，该机器人系统具有：照相机系统，用于检测工件的第一坐标和第二坐标，第一坐标和第二坐标描述了工件在第一维和第二维中的位置；和多轴的关节臂机器人，在此，设有至少一个具有至少一个传感器的关节，传感器用于检测作用在至少一个关节上的力和/或转矩，在此，将机器人系统设计为，在关节臂机器人利用移位组件沿着第三维移位期间，通过至少一个传感器的监控来确定工件的第三坐标。

在本实用新型的一种实施方式中，关节臂机器人的末端执行器为免于使用定位用传感器的执行器。

在本实用新型的一种实施方式中，照相机系统包括2D照相机。

在本实用新型的一种实施方式中，三个独立的坐标是笛卡尔坐标。

在本实用新型的一种实施方式中，至少一个传感器是力和力矩传感器，并且被集成在关节臂机器人的至少一个关节中。

在本实用新型的一种实施方式中，关节臂机器人的所有关节都具有力和力矩传感器。

在本实用新型的一种实施方式中，机器人具有至少四个轴，优选具有至少五个轴，并更优选具有至少六个轴。

在本实用新型的一种实施方式中，关节臂机器人的关节具有力和力矩传感器，关节臂机器人具有用于操控工件的末端执行器，末端执行器的三维位置由三个独立的坐标给出，机器人系统还具有控制装置，该控制装置被设计为，利用照相机系统检测工件的第一坐标和第二坐标，在此，工件的第一坐标和第二坐标描述了工件在第一维和第二维中的位置，末端执行器在初始位置中被定位为，使末端执行器的第一坐标和第二坐标与检测到的工件的第一坐标和第二坐标相符，末端执行器的第三坐标对应于预设的值，使得末端执行器和工件具有空间距离，并且在定位之后，末端执行器利用移位组件沿着移位方向在第三维中进行移位，力和力矩传感器被监控，并且在移位期间确定：利用力和力矩传感器检测到的力和力矩沿着移位方向是否超过预设的边界值，并且响应于所述确定来终止移位。

在本实用新型的一种实施方式中，控制装置还被设计为，在结束移位时基于末端执行器的位置确定工件的第三坐标。

在本实用新型的一种实施方式中，控制装置还被设计为，在移位期间确认不沿着移位方向起作用的力和力矩是否超过预设的边界值，并且响应于所述确认来中断移位。

根据本实用新型的机器人系统适用于操控工件，在此，工件的三维位置由三个独立的坐标给出。在三维的各个维(Dimensionen)中的位置分别由三个坐标中的各个坐标来表示。由此可以在一个坐标系中绘出工件的空间位置，该坐标系由具有三个独立的线性基向量的基准(Basis)给出。这些坐标优选在正交坐标系中给出，进一步优选在笛卡尔坐标系中给出。

根据本实用新型的机器人系统具有用于检测第一坐标和第二坐标的照相机系统，在此，这些坐标表明了工件在第一维和第二维中的位置。在此，第一维和第二维构成二维平面。优选照相机系统包括2D照相机。通过分析所接收到的图像，可地点分散地确定拍摄或录制对象的二维位置，还可以有利地确定其方向。

机器人系统还具有多轴的关节臂机器人，在此设置至少一个关节，该关节具有至少一个用于检测作用在该至少一个关节上的力和/或转矩的传感器。在此，为关节臂机器人的各个关节配设关节轴或轴，从而使传感器同样可用于检测作用在轴上的力和/或转矩。在此，优选该至少一个传感器是力和力矩传感器，其集成在关节臂机器人的该至少一个关节中。进一步优选关节臂机器人的所有关节具有力和/或力矩传感器，这些力和/或力矩传感器被设置用于检测作用在关节臂机器人的关节上的力和/或转矩。进一步优选关节臂机器人具有用于操控工件的末端执行器。末端执行器例如可以是夹持器、真空夹持器、磁性夹持器或钳形夹持器。

在此将根据本实用新型的机器人系统设置为，在关节臂机器人利用移位组件沿着第三维移位期间，通过至少一个传感器的监控来确定工件的第三坐标。在此，关节臂机器人或关节臂机器人的末端执行器沿移位方向利用移位组件沿与第一维和第二维正交的第三维移位。第三坐标表明了工件沿第三维的位置，照相机系统不检测第三维。在此，可以优选通过监控沿移位方向、即平行于移位向量起作用的力和/或转矩来确定工件的第三坐标。优选关节臂机器人的末端执行器的位置仅沿着第三维变化。

因此，根据本实用新型的机器人系统能够有效、准确地识别工件并检测工件的空间位置。这又使得能够实现对工件的操控或抓取。使用照相机可以精确地确定工件的二维位置并且费用低廉。此外，可以通过监控起作用的力和/或转矩来检测工件的三维位置，而不需要费用昂贵地对所拍摄的图像进行3D分析。

优选根据本实用新型的机器人系统的关节臂机器人的末端执行器没有用于定位的传感器。因此，末端执行器特别是不具有用于定位的主动元件，例如基于雷达的测距仪。由此可以在没有昂贵的、用于定位末端执行器的模块的情况下实现对工件的检测。

优选关节臂机器人具有至少四个、优选至少五个并进一步优选至少六个关节或轴。由此可以有利地实现对工件的抓取并沿所要求的方向放下或继续传递。另外，优选关节臂机器人具有冗余的轴，以便通过关节臂机器人由此引起的高灵活性来实现对工件的精确再处理。

此外，本实用新型还提出了一种利用多轴的关节臂机器人对工件进行定位的方法。在此，关节臂机器人的关节具有力和力矩传感器；关节臂机器人还具有用于操控工件的末端执行器，在此，工件和末端执行器的三维位置分别由三个独立的坐标给出。此外，机器人系统具有控制装置。

在此将控制装置设计为，利用照相机系统检测工件的第一坐标和第二坐标，在此，工件的第一坐标和第二坐标描述了工件在第一维和第二维中的位置。由此可以识别工件的二维位置。

进一步将控制装置设计用于将末端执行器定位在初始位置中，从而使末端执行器的第一坐标和第二坐标与所检测到的工件的第一坐标和第二坐标相符。在此，末端执行器的第三坐标对应于一预设的值，从而使末端执行器和工件具有一空间距离。本领域技术人员应当理解的是：应该根据工件和周围环境来设定该预设值，以避免碰撞。由此使得末端执行器在初始位置中偏置(Offset)或沿第三维相对于工件错移一定的距离。

进一步将控制装置设计为，在定位之后使末端执行器移位。在此，末端执行器沿着移位方向利用移位组件在第三维中移位。优选事先设定的末端执行器的第一坐标和第二坐标不改变，而是只改变用于描述末端执行器在第三维中的位置的第三坐标。

此外将控制装置设计为，对力和力矩传感器进行监控。由此就可以对利用力和力矩传感器所检测到的作用于关节臂机器人或关节臂机器人的关节上的力和力矩进行监控。

此外将控制装置设计为，在移位期间确定沿着移位方向的力和转矩是否超过预设的边界值。在此主要是检查或确定，超越预设的值的力是否对移位起到相反作用。需要对本领域技术人员指出的是，预设的边界值应该根据工件来选择，以避免损坏工件和关节臂机器人。由此可以通过这种确定例如来确认：关节臂机器人的末端执行器是直接压在工件上或是沿着工件滑落。

进一步将控制装置设计为，响应于这种确定来终止移位。关节臂机器人或末端执行器已经有利地到达工件。优选工件现在可以通过末端执行器来抓取。

另外，优选将控制装置设计为，在终止移位时基于末端执行器的位置来确定工件的第三坐标。在此，末端执行器的位置对应于工件的位置，在此，在对工件进行定位时优选考虑到末端执行器的尺寸和形状。

优选将控制装置进一步设计为，在移位期间确认不沿着移位方向起作用的力和力矩是否超过预设的边界值，并响应于该确认来中断移位。因此，例如可以对由机器人与人的碰撞所引起的垂直于移位方向作用在关节臂机器人上的力进行分析。这种由于发生碰撞而中断移位使得能够实现安全的MRK。

附图说明

下面参照附图对本实用新型的实施例进行说明。其中：

图1示出了根据本实用新型的机器人系统，和

图2示出了根据本实用新型的方法的流程示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本实用新型的机器人系统，其包括操纵器或机器人10和照相机系统12。机器人10为多轴的关节臂机器人10。示例性示出的机器人10为轻型结构机器人，其可以七个轴运动。机器人10在其关节中具有传感器，用于检测作用在关节或轴上的力和转矩。机器人10还具有末端执行器11，末端执行器被设计为夹持器11并可以由此实现对对象的操控。

照相机系统12包括2D照相机13，2D照相机能够拍摄二维图像。这些二维图像可以通过照相机系统12或其他的系统(例如机器人控制器)进行分析，以便从所拍摄的图像中获取二维信息。将2D照相机13定位为，使其能够在x-y平面中拍摄地点分散的图像。由此可以根据所拍摄的图像来确定所拍摄的对象的x-y位置。

图1还示出了对象盒14，许多对象或小型部件(未示出)位于该对象盒中。在此，这些小型部件可以是散装货物。对象盒14被定位在2D照相机13的下方，从而使得2D照相机13可以拍摄小型部件的二维图像。通过分析这些图像可以获得小型部件的二维信息或x-y坐标。

所示出的机器人10与照相机系统12相连接(未示出)。由此使得机器人10可以利用由2D照相机所拍摄的图像对位于对象盒14中的对象进行定位和操控。

图2示例性示出了检测部件的位置并随后操控部件的方法的流程。该方法可以例如由图1所示的机器人系统来执行并以步骤20开始。在步骤21中开始建立连接，在此，机器人控制器或系统控制器与照相机或照相机系统相连接。在随后的步骤22中进行图像拍摄并检测对象/或构件。在此，通过照相机拍摄图像并随后对图像进行分析。在分析过程中检测对象或构件。这可以例如通过对比所拍摄的图像与存储在数据库中的构件的样本来实现。为检测到的构件确定对应的二维位置。在步骤23中，将所确定的待抓取构件的二维位置(例如相应的x-y坐标)传输给机器人或机器人控制器。

在步骤24中，机器人驶向所传输的x-y位置或所确定的x-y坐标，以使末端执行器的x-y位置或工具中心点(toolcenterpoint，TCP)的x-y位置与检测到的构件的x-y坐标相符。在第三维中，所驶向的末端执行器的z坐标与预设的值相符，将该值选择为，能够使末端执行器在第三维中相对于待抓取的构件偏置。因此在初始位置中，末端执行器仅在第三维中，即沿z方向相对于待抓取的构件错移。

在随后的步骤25中，机器人移位，以使末端执行器沿z方向靠近待抓取的构件。在该移位期间检测沿移位方向作用于末端执行器并由此作用于机器人上的力。在判断步骤26中检查这些检测到的力是否超过预设的边界值。本领域技术人员应当理解的是：可以根据待抓取的构件来选择该边界值。当检查到步骤26为肯定时，机器人已经到达待抓取的构件。由此到达构件的z坐标并已知。在随后的步骤27中拿起构件。这可例如通过抓取构件来实现。

在拿起构件之后，在步骤28中将继续用到构件。因此，例如可以在步骤28中将构件装到机器中。替代地，还可以将分离出的构件存放，用于以后的应用。另外，在步骤28中可以利用由机器人使构件对齐。通过对所拍摄的2D图像的分析得知构件的方向，从而使得机器人可以将构件带入所要求的方向中。

该方法结束于步骤29。如图2所示，还可以在步骤22至步骤28期间进行碰撞监控。在该碰撞监控的过程中，还可以监控不沿着移位方向作用于机器人上的力和/或转矩并对其进行分析。在此，假如确认机器人与周围环境发生碰撞，则可以中断机器人的运动以避免或减少损坏。因此，该种碰撞监控能够实现安全的MRK。

Claims (10)

1.一种用于操控工件的机器人系统，其中，所述工件的三维位置由三个独立的坐标给出，所述机器人系统具有：

照相机系统，用于检测所述工件的第一坐标和第二坐标，所述第一坐标和第二坐标描述了所述工件在第一维和第二维中的位置，和

多轴的关节臂机器人，其中，设有至少一个具有至少一个传感器的关节，所述传感器用于检测作用在所述至少一个关节上的力和/或转矩，

其特征在于，所述机器人系统被设计为，在所述关节臂机器人利用移位组件沿着第三维移位期间，通过所述至少一个传感器的监控来确定所述工件的第三坐标。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人的末端执行器是免于使用定位用传感器的执行器。

3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述照相机系统包括2D照相机。

4.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述三个独立的坐标是笛卡尔坐标。

5.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述至少一个传感器是力和力矩传感器，并且被集成在所述关节臂机器人的至少一个关节中。

6.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人的所有关节都具有力和力矩传感器。

7.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人具有至少四个轴。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人具有至少五个轴。

9.根据权利要求7所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人具有至少六个轴。

10.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，所述关节臂机器人的关节具有力和力矩传感器，所述关节臂机器人具有用于操控所述工件的末端执行器，所述末端执行器的三维位置由三个独立的坐标给出，所述机器人系统还具有利用照相机系统检测所述工件的第一坐标和第二坐标的控制装置。