CN209207531U - 用于机器人的抓爪系统 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于机器人的抓爪系统(10)，包括用于传送物体的第一抓爪元件(100)。第一抓爪元件包括具有用于支承物体的支承平面(111)的抓爪手(110)，以及与支承平面相对的抓爪拇指(120)。此外，第一抓爪元件包括抓爪手与抓爪拇指之间的槽口(130)，槽口(130)用于部署物体的至少一部分，使得其被被动地装固以免倾斜。该抓爪系统在到处移动，传送制品松弛地定位在其上的物体如托盘或板时尤其有利。

Description

用于机器人的抓爪系统
技术领域
本发明涉及一种用于包括用于传送物体的抓爪元件的机器人的抓爪系统，以及包括此类抓爪系统的机器人。这些类型的抓爪系统使用在用于人类的个人护理机器人中。
背景技术
在现有技术中，用于机器人系统的抓持工具在许多不同变体方面早已为人所知。已知的抓持工具通常包括两个抓爪指，其均具有一个夹爪，夹爪中的各个具有一个抓爪末端。例如，夹爪可以可移动地紧固于线性引导件，并且它们可朝向和远离彼此可移动地构造。结果，附接于其的两个夹爪还可以以如下方式朝向和远离彼此精确地移动，使得物体可特定地被抓持、移动至另一个位置并且再次放下。此类抓爪系统对本领域技术人员而言在用语"平行抓爪"下是已知的。例如，用于抓持工件的此类系统从EP02231B1, EP0993916B1或EP2548706A1获知。
存在例如在WO02/086637A1中描述的所谓"屈曲臂机器人"，其应用为更加灵活的，并且经常特别有利地用于移动机器人系统。
现今的抓爪指经常不但是机械抓持工具，而且是高度复杂的系统，其包含电子构件和不同类型的传感器，如，光学相机、超声传感器或其它声学超感器，如，麦克风或热传感器、力传感器等。借助于此类传感器，对应的机器人系统可利用抓爪指"感觉"其环境，或者检测对于机器人系统的功能而言必需的其环境的性质。
因此，例如，此类机器人系统可独立地识别待抓持的物体是否是软物体，如，塑料瓶，或是硬物体，如，玻璃瓶，并且其接着可独立且灵活地将抓爪指抓持物体所需的力调整到最佳值。取决于现有的传感器，机器人系统还可识别物体的类型，或者例如，其可区分待抓持的物体是死物体还是活物体。现今的此类机器人系统可识别和分析多个其它性质。具体而言，已知甚至智能机器人系统，其可从由传感器记录的环境数据独立地学习，并且结果，例如它们可适应于最初未知的环境或最初未知的待抓持的物体的要求。
如果此类机器人系统用于执行具有非常不同的构件的精密组件，或者如果例如应当在各种日常活动中支持人类，则这是特别重要的。在此类机器人系统与人类直接交互的情况下，当然，高度灵敏的传感器技术出于安全性的简单原因是最重要的。
抓爪指的抓爪末端是特别重要的，因为一方面对于抓持待移动的物体而言，抓爪末端必须与该物体触摸接触，并且另一方面，抓爪末端经常包含对于识别环境和识别待抓持的物体的性质而言必要的传感器。出于该原因，在许多应用中，抓爪末端必须在每种情况下针对分别为待具体执行的任务和工作环境的性质，以及因此最终待抓持和移动的物体的具体性质来独立地调整。
为了使用同一个机器人系统来用于多个不同任务，已知的方法是设计可互换的抓爪末端。例如，可提供一组不同的抓爪末端，其可例如在它们的抓持几何形状、材料、表面光洁度、传感器技术等方面不同，每个抓爪末端最佳地适于待执行的某些任务。因此，非常不同的任务可由同一个机器人系统仅通过替换抓爪指的抓爪末端来执行。
在机器人与人，尤其是老人交互的情况下，一个此类任务可为提供如一杯水或药物的制品。作为私人管家，机器人可通过在物体如托盘或板上传送它们来提供此类制品。由于制品通常松弛地放置在托盘上，故具体的技术挑战在于使机器人以如下方式与物体交互，使得制品在到处移动的同时在托盘上保持稳定。
发明内容
本发明具有如下目的：提供阐述的类型的抓爪系统，其使得机器人能够走来走去，同时保持支承松弛地放置的制品的托盘。该目的以根据本发明的第一方面的抓爪系统实现。
一种用于机器人的抓爪系统，包括用于传送物体的第一抓爪元件，其中第一抓爪元件包括具有用于支承物体的支承平面的抓爪手、与支承平面相对的抓爪拇指，以及用于部署物体的部分的在抓爪手与抓爪拇指之间的槽口。因此，本发明提供了抓爪系统，其中抓爪手和抓爪拇指设计成被动地装固物体(包括其传送的任何制品)以免倾斜和掉到地面或地板上。被动在此处意思是不需要供应至系统的任何外部功率，以便在单个抓爪元件关于物体适当定位之后，防止物体掉落。在物体延伸超过抓爪手时，重力产生关于抓爪手的末端的移动。有利地，拇指作用为锁，用于防止槽口内的物体的边沿向上倾斜，并且因此防止物体(包括其传送的制品)从抓爪手的支承平面掉落。相比于现有技术，抓爪系统教导了提供第一指和第二指来在指之间主动地挤压物体，因此教导将功率供应至系统用于在抓住物体之后保持指适当挤压。
在实施例中，抓爪手和/或抓爪拇指包括布置成提供第一控制信号的传感器。有利地，控制信号可用于第一抓爪元件关于物体的定向目的，和/或用于控制第二抓爪元件的接合力，以便将物体装固在第一抓爪元件与第二抓爪元件之间。
根据本发明的实施例，传感器包括光电发射器和接收器组合，并且第一控制信号指示物体的存在。有利地，传感器允许产生控制信号来确定托盘是否正确地定位在槽口中。因此，控制信号向机器人的控制系统提供反馈来使抓爪系统重新定向。
在另一个实施例中，传感器包括力传感器，并且第一控制信号指示物体的负载。有利地，力传感器检测由于槽口内的托盘的最小倾斜而引起的托盘(包括其支承的制品)在其上施加的压力。较大负载的控制信号可由机器人控制系统使用来使第二抓爪元件以朝托盘的顶侧的较大的力适当地接合，用于将其装固在第一抓爪元件与第二抓爪元件之间。
在又一个实施例中，抓爪系统还包括第二抓爪元件，其与第一抓爪元件协作，用于将物体装固在第一抓爪元件与第二抓爪元件之间。有利地，第二抓爪元件可改进装固物体。
在实施例中，第二抓爪元件包括间隔开用于装固物体的两个抓爪指。在实施例中，第一抓爪元件的抓爪拇指包括用于接合在间隔开的抓爪指之间的叉。有利地，间隔开的指与叉协作，该叉从抓爪拇指延伸，并且确定尺寸成与间隔开的指一致。有利地，接合指和叉改进了防止物体侧向倾斜，即，防止围绕抓爪系统的长度轴线倾斜。
在实施例中，抓爪指均包括指末端，其包括用于提供第二控制信号的力传感器。有利地，第二控制信号允许确定是否稳定地抓住物体。稳定抓住条件可仅在由传感器检测到的力高于预定最小值时满足。在实施例中，控制信号指示相应抓爪指中检测到的力之间的差异。有利地，由相应的指中的传感器检测到的力的(动态)差异提供关于托盘的侧向稳定性的信息。尤其是在其中机器人在于托盘的顶部上传送制品时从一个位置移动到另一个的情形下，此类差异控制信号可提供传送托盘的牢固操作和支承的制品的稳定位置的反馈。
在又一个实施例中，第一抓爪元件和第二抓爪元件包括外表面，其包括力传感器用于与制品的碰撞检测。有利地，外表面中的该力传感器提供控制信号，允许机器人校正和转向开，因此避免碰撞事件。
根据另一个方面，本发明提供了一种机器人系统，具体是用于支持人的工业机器人或服务机器人，包括根据本发明的第一方面的抓爪系统。
在实施例中，机器人系统还包括控制系统，其布置成可控制地操作驱动器来使第一抓爪元件与第二抓爪元件接合，用于将物体装固在元件之间。在实施例中，控制系统的控制信号输入基于由第一抓爪元件或第二抓爪元件中的传感器提供的第一控制信号和/或第二控制信号。
本发明的这些和其它方面将参照下文中描述的实施例为显而易见的和阐明。然而，认识到，这些实施例可不解释为限制本发明的保护范围。它们可独立地以及组合地使用。
附图说明
示例性和优选实施例的以下描述结合附图公开了本发明的另外的细节、特征和优点。
图1A和B示意性地示出了使用根据本发明的抓爪系统传送托盘和板的机器人的图示。
图2A和B图解地示出了根据本发明的抓爪系统的第一抓爪元件和第二抓爪元件的实施例。
图3A和B示出了根据本发明的第一抓爪元件的实施例的侧视图和正视图。
图4示出了根据本发明的第二抓爪元件的实施例的透视图。
图5示出了根据本发明的用于控制抓爪系统的机器人的控制系统。
图6示出了抓爪系统的另一个实施例。
本领域的技术人员将认识到，附图中的元件为了简单和清楚而示出，并且不必按比例绘制。例如，附图中的元件中的一些的尺寸可关于其它元件扩大，以有助于改进对本发明的各种实施例的理解。此外，本文中的用语"第一"、"第二"等(如果有)尤其用于在相似元件之间区分，并且不一定用于描述顺序或时间次序。此外，说明书和/或权利要求中的用语"前部"、"后部"、"顶部"、"底部"、"上"、"下"、"上方"、"下方"、"近侧"、"远侧"等(如果有)大体上用于描述性目的，并且不一定用于全面描述排他性的相对位置。另外，用语"接合特征"还可构成"解除接合特征"。因此，本领域技术人员将理解，如此使用的前述用语中的任一个可在适当情况下互换，使得本文中所述的本发明的各种实施例例如能够以除了明确示出或以其它方式描述的那些之外的其它构造和/或定向来操作。
具体实施方式
图1示出了包括臂的机器人1，该臂包括在其远端处的抓爪系统10。在典型的使用情况中，服务机器人1执行个人护理职务，如，典型地管家任务，以使人如老人受益。一个此类任务是向人提供用于消费的制品(未指示)，例如，饮料、食品、药物、或使用的制品，例如，笔、明信片、游戏等。这些制品可提供在托盘或板2的顶部上。通常，这些制品将松弛地定位在托盘上，用于允许人在其自身方便时取用它们。尤其是当机器人1在远程的位置采集制品时，其将需要朝个人移动来服务他们。在机器人1朝个人移动时，其抓爪系统10可以以如下方式牢固保持托盘2，使得制品即使在到处移动时也在托盘的顶部上保持稳定。
为此，如图2A,3A和3B中所示，抓爪系统10包括第一抓爪元件100。典型地，第一抓爪元件包括抓爪手110，其提供用于支承物体2如托盘或板的支承平面111。在物体2将在实际情形下延伸超过支承表面111时，后者仅在其侧部或边沿附近支承前者。为了防止物体2围绕抓爪手110的末端112倾斜，尤其是当制品定位在顶部上时，第一抓爪元件100还包括抓爪拇指120，其定位成使得其与支承平面111相对。抓爪拇指120设计成被动地装固物体2以免倾斜，即，不需要外部功率。为此，抓爪拇指120在支承平面111之上延伸，使得槽口130产生在拇指与平面之间。槽口130具有适于容纳物体2的至少一部分的宽度和深度。当插入物体2时，或相反地，当机器人1操作来将其抓爪系统10定位成抓住物体2时，至少一个侧部或边沿将进入槽口130至如下程度：当第一抓爪元件100升高时，将由面对支承平面111的抓爪拇指120的底面121阻止物体2倾斜。
为了确定第一抓爪元件100是否关于物体2适当定位，第一抓爪元件可包括第一传感器150。在实施例中，传感器150包括光电发射器151和接收器152组合，如，(红外)光发射二极管和光电二极管。发射器151可在抓爪拇指120的底面121附近定位在槽口130内，而接收器153可在支承平面111附近定位成与发射器151相对。当物体2插入到槽口130中时，其将中断从发射器151发射至接收器152的光，因此控制信号155可指示物体2以适当深度定位在槽口130内。直到控制信号155提供适合的反馈，机器人1才可通过控制系统300和驱动器400(见图5)使抓爪系统100关于物体2再定位。在另一个实施例中，传感器150可包括力传感器153，力传感器153定位在抓爪拇指120的底面121附近，用于检测物体2压靠其的力。在该情况下，控制信号155可由力传感器153生成，控制信号155的静止部分指示托盘(包括其顶部上的任何制品)的负载。控制信号155的动态部分可提供托盘(一旦由抓爪系统10抓住)的稳定性的信息，尤其是在其中机器人在传送托盘2的同时到处移动的情形下。在又一个实施例中，第一抓爪元件100包括力传感器153和光电发射器151和接收器152组合两者。
最后，抓爪拇指120可包括叉122，其出于将在下面论述的原因从抓爪拇指120延伸。优选地，叉122平行于支承平面111向外延伸。
现在回到图2B和4，抓爪系统10可包括第二抓爪元件200，其关于第一抓爪元件100定位成使得其允许与第一抓爪元件协作，用于将物体装固在第一抓爪元件与第二抓爪元件之间。有利地，第二抓爪元件200改进了由机器人1传送托盘2的稳定操作，尤其是在机器人的自动移动下。"在途中"的情形，如，穿过门槛或任何其它不平，可导致使得无法确保稳定操作的量级的托盘2的动态行为。为了防止托盘2上传送的制品掉落或溢出，第二抓爪元件200可通过在物体的底侧w由第一抓爪元件100的支承平面111支承时与物体2的顶侧接合来提供附加稳定性。为此，第二抓爪元件200可包括沿第二抓爪元件的长度轴线延伸的两个抓爪指210a,b。有利地，抓爪指210a,b沿垂直于长度轴线的方向，即，沿抓爪系统10的宽度方向间隔开。叉122和间隔开的指210a,b可尺寸一致，以使在使第二抓爪元件200朝第一抓爪元件100接合时，指和叉协作，以便防止托盘2围绕抓爪系统10的长度轴线倾斜。因此，在第二抓爪元件200的闭合抓持位置，叉122紧密配合在抓爪指210a,b之间，以使产生单个锁定表面来防止托盘2围绕长度轴线旋转。
在实施例中，抓爪指210a,b中的至少一个，以及优选地两个指包括传感器253。有利地，由传感器253生成的第二控制信号255允许确定是否稳定抓住物体。稳定抓持条件可仅在由(多个)传感器检测到的力高于预定最小值时满足。低于此类最小值，机器人1的控制系统300(见图5)可控制驱动器400来使抓爪元件100,200关于彼此或抓爪系统10关于物体2再定位。
在实施例中，两个抓爪指210a,b包括传感器253a,b，并且它们布置成提供指示由相应抓爪指检测到的力之间的差异的控制信号255。有利地，由相应的指中的传感器253a,b检测到的力的(动态)差异提供关于托盘的侧向稳定性的信息。尤其是在其中机器人在于托盘的顶部上传送制品时从一个位置移动到另一个的情形下，此类差异控制信号可提供传送托盘的牢固操作和支承的制品的稳定位置的反馈。再次，控制系统300可通过驱动器400操作抓爪系统10，以改进第一抓爪元件100和第二抓爪元件200的接合，并且因此使传送板2稳定。备选地，控制系统300可影响机器人的线性或旋转速度，以便使在托盘2上传送的制品稳定。
在抓爪系统10可物理地确定尺寸至适合大小来执行特定任务时，在管家职务，如，传送托盘的情况下，抓爪手110的长度在5到15cm的范围中，如，7cm。接着，抓爪手宽度典型地在4到12cm的范围中，如，6cm。槽口130可适当选择成配合待传送的物体的高度。在托盘的情况下，1到2cm的槽口宽度是合适的。抓爪拇指120可从第一抓爪元件110的基部在抓爪手110之上或上方延伸，使得槽口130的深度在1到5cm的范围中，如，2cm。第一抓爪元件100从其基部到抓爪手110的末端的总长度因此典型地为大约12cm。第一抓爪元件100从抓爪手的底部/后侧到抓爪拇指120的顶侧的总厚度由于待传送的物体2的尺寸的设计考虑而产生，但是对于托盘而言，典型地为大约5到7cm。第二抓爪元件200的大小与第一抓爪元件100的大小相称。例如，其总长度可为大约8cm，并且其总宽度可为6cm。抓爪指210可间隔开1到2cm，而抓爪拇指120的叉122可确定尺寸成与间隔开的指一致。抓爪指210可包括弯部，使得指的远侧部分关于第二抓爪元件200的长度轴线成角，如，在110°到120°之间。有利地，这允许改进将物体2装固在第一抓爪元件与第二抓爪元件之间。类似地，第一抓爪元件100的支承平面111可关于第一抓爪元件的长度轴线成角，如，在10°到30°之间。有利地，这允许使抓爪元件关于待抓住的物体2的物体表面适当定向。
在实施例中，第一抓爪元件100和第二抓爪元件200的基部可连接于相应连接元件140,240(见图2)，用于实现将抓爪系统可交换地连接于机器人1的远侧臂端。
第一抓爪元件100和第二抓爪元件200可包括由软衬里包绕的构造芯部。作为实例，芯部可包括硬ABS塑料，实现在传送物体2时适应张力和应力。此外，芯部可将电连接分配至传感器150,250。作为又一实例，软衬里可包括聚氨酯支柱(shore)，提供用于人机交互的优选触觉性质。为了提供与物体和人类的安全交互，第一抓爪元件(100)和第二抓爪元件(200)的外边缘可为圆形的。此外，抓爪系统100的外表面，如第一抓爪元件100的底面和侧面160和第二抓爪元件200的顶部和侧部260(见图6)上的软衬里可包括柔性力传感器，其布置成提供指示与物体或人类的碰撞事件的控制信号。结果，机器人1的控制系统300可基于控制信号使抓爪系统10沿如下方向转向来避免碰撞事件。
尽管已经参照上述实施例阐明了本发明，但是明显的是备选实施例可用于实现相同的目的。因此，本发明的范围不限于上述实施例。
作为实例，传感器150可包括光电发射器151和接收器152组合，其中发射器在支承平面111附近定位在槽口130内，而接收器在抓爪拇指120的底面121附近定位在槽口130内。作为另一实例，传感器150可包括呈单个集成单元的光电发射器和接收器组合，使得该单元在支承平面11附近或底面121附近定位在槽口130内。在该情况下，传感器150可以以反射模式，而非发射模式操作。在该模式中，由于物体2和抓爪系统10的表面反射性质的差异，故物体2可由接收到的光的减少来检测。备选地，物体2的存在可基于由传感器150发射和接收的光脉冲的飞行时间检测来确定。在又一个实施例中，第一抓爪元件100可包括用于检测物体2的存在的槽口130内的两个或更多个传感器150。优选地，至少两个传感器定位在槽口130的相对侧边缘处，如图3B中指示的，以便确定槽口130内的物体2的适当部署。在仅板或托盘的边沿进入槽口130时，第一抓爪元件100的定向可需要调整，以使槽口130的后部大致平行于托盘边沿，用于将物体2最佳地装固在抓爪系统10中。作为又一个实例，由抓持元件100中的传感器150提供的控制信号155的动态部分还可由控制系统300使用，以改进抓爪系统10中的抓爪元件100,200的接合，并且/或者影响机器人1的自动特征，如其线性或旋转速度。

Claims (9)

1.一种用于机器人(1)的抓爪系统(10)，包括用于传送物体(2)的第一抓爪元件(100)，其中所述第一抓爪元件包括具有用于支承所述物体的支承平面(111)的抓爪手(110)、与所述支承平面相对的抓爪拇指(120)，以及用于部署所述物体的部分的在所述抓爪手与所述抓爪拇指之间的槽口(130)，所述抓爪系统还包括第二抓爪元件(200)，其与所述第一抓爪元件(100)协作，用于将所述物体装固在所述第一抓爪元件与所述第二抓爪元件之间，其中所述第二抓爪元件(200)包括间隔开用于装固所述物体的两个抓爪指(210a,b)，并且其中所述第一抓爪元件(100)的所述抓爪拇指(120)包括用于接合在间隔的抓爪指(210)之间的叉(122)。
2.根据权利要求1所述的抓爪系统(10)，其特征在于，所述抓爪手(110)和/或抓爪拇指(120)包括布置成提供第一控制信号(155)的第一传感器(150)。
3.根据权利要求2所述的抓爪系统(10)，其特征在于，所述第一传感器(150)包括光电发射器(151)和接收器(152)的组合，并且所述第一控制信号(155)指示所述物体(2)的存在。
4.根据权利要求2所述的抓爪系统(10)，其特征在于，所述第一传感器(150)包括力传感器(153)，并且所述第一控制信号(155)指示所述物体的负载。
5.根据权利要求1所述的抓爪系统(10)，其特征在于，所述抓爪指(210a,b)均包括指末端(211a,b)，其包括用于提供第二控制信号(255)的第二传感器(253a,b)。
6.根据权利要求1所述的抓爪系统，其特征在于，所述第一抓爪元件(100)和所述第二抓爪元件(200)包括外表面(160,260)，其包括用于与制品的碰撞检测的力传感器。
7.一种机器人系统(1)，具体是用于支持人的工业机器人或服务机器人，包括根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的抓爪系统(10)。
8.根据权利要求7所述的机器人系统(1)，其特征在于，所述机器人系统(1)还包括控制系统(300)，其布置成可控制地操作驱动器(400)，以使第一抓爪元件(100)与第二抓爪元件(200)接合用于将物体(2)装固在所述元件之间。
9.根据权利要求8所述的机器人系统(1)，其特征在于，控制系统(300)的控制信号输入基于第一控制信号(155)和/或第二控制信号(255)。
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