TWI839696B - 多模式機器人末端執行器 - Google Patents

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羅伯特 莫雷諾
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Abstract

本發明揭示一種多模式機器人末端執行器。在各種實施例中，一多模式機器人末端執行器包含一第一組結構，其等經組態以在一第一操作模式中抓取物件；一回縮機構，其經組態以回應於一回縮命令而將該第一組結構回縮至與一第二操作模式相關聯之一收起位置；及一第二組結構，其等經組態以在一第二操作模式中抓取物件。

Description

多模式機器人末端執行器
本申請案係關於一種多模式機器人末端執行器。
一機械臂通常配備機器人用於抓取物件之一「末端執行器」，諸如一基於吸力或夾持器類型之末端執行器。例如，一機械臂可配備基於一吸力蓋或基於發泡體吸盤之末端執行器。一機器人控制系統在機器人控制下施加一真空以由吸力抓取物件。或，替代地，可提供且使用一基於夾持器或其他夾緊力之末端執行器來抓取一物件，諸如藉由使用足以在不滑動之情況下提升物件而不損壞物件之力之量自兩個或更多個側對物件施加力。
一些物件比其他物件更容易使用吸力抓取。例如，具有平滑、規則(例如扁平)表面之紙板盒比具有不太規則表面形貌之物件且特定言之較重物件更容易由吸力抓取。例如，圍封於縮膜包裝中之水瓶或其他重型物品可太重及/或具有太不規則之一頂部或其他抓取表面而無法使用吸力抓取。相反，一吸取型末端執行器可比另一類型之末端執行器更適於抓取其他物品，諸如具有一扁平表面之相對較輕物件。
本申請案提供一種多模式機器人末端執行器，其包括：一第一組結構，其等經組態以在一第一操作模式中抓取物件；一回縮機構，其經組態以回應於一回縮命令而將該第一組結構回縮至與一第二操作模式相關聯之一收起位置；及一第二組結構，其等經組態以在一第二操作模式中抓取物件。
其他申請案之交叉參考 本申請案主張2021年3月18日申請之名稱為「MULTI-MODE ROBOTIC END EFFECTOR」之美國臨時專利申請案第63/162,875號的優先權，該案為了所有目的係以引用的方式併入本文中。
本發明可以多種方式實施，包含作為一程序；一設備；一系統；一物質之組成；體現在一電腦可讀儲存媒體上之一電腦程式產品；及/或一處理器，諸如經組態以執行儲存於及/或由耦合至處理器之一記憶體提供之指令之一處理器。在本說明書中，此等實施方案或本發明可採取之任何其他形式可指稱技術。一般而言，在本發明之範疇內，可改變所揭示之方法之步驟之順序。除非另有說明，否則被描述為經組態以執行一任務之諸如一處理器或一記憶體之元件可被實施為臨時經組態以在一給定時間執行任務之一一般組件或被製造為執行任務之一特定組件。如本文所使用，術語「處理器」係指一個或多個經組態以處理資料之裝置、電路及/或處理核心，諸如電腦程式指令。
下文提供本發明一個或多個實施例之一詳細描述，及說明本發明之原理之附圖。結合此等實施例描述本發明，但本發明不受限於任何實施例。本發明之範疇僅受申請專利範圍限制且本發明包涵蓋許多替代方案、修改及等效物。為提供對本發明之一透徹理解，在以下描述中闡述許多具體細節。此等細節係為實例之目的而提供，且可根據請求項實施本發明而不需要部分或全部此等具體細節。為清楚起見，尚未詳細描述在與本發明相關之技術領域中已知之技術材料使得本發明未不必要地模糊。
揭示一種多模式機器人末端執行器。在各種實施例中，一多模式機器人末端執行器包含兩種或更多種操作模式。在一些實施例中，一多模式機器人末端執行器包含一第一操作模式，其中吸力用於抓取一物件，及一第二操作模式，其中夾緊(或其他抓取)力用於抓取一物件。
揭示一種使用一多模式機器人末端執行器之機器人系統。系統自主選擇使用末端執行器抓取一物件之一操作模式。系統在選定之操作模式中使用末端執行器來抓取物件。例如，本文所揭示之機器人系統可判定待抓取之物件之一個或多個屬性(例如使用攝影機、重量感測器及/或其他感測器)，且可選擇涉及使用末端執行器之一個或多個模式抓取物件之一抓取策略。機器人系統將機器人末端執行器置於(若干)選定操作模式且根據選定抓取策略使用末端執行器來抓取物件。
在各種實施例中，本文所揭示之機器人系統可使用電腦視覺、重量感測器及/或其他感測器來感知及判定待抓取之一物件之屬性，且選擇抓取策略及對應末端執行器操作之(若干)模式來抓取物件。例如，被判定具有含一平滑、不易滲透及/或不易變形之表面之一曝露/可接取表面之一物件，其大至足以在吸取操作模式中使用多模式夾持器抓取，這可導致選擇在吸取模式中使用多模式夾持器之抓取策略。相反，若物件之屬性被判定為使吸取模式不太理想及/或可成功，例如物件具有不平整之一表面，包括或容易變形或改變形狀之材料組成或包裝，係可需要一更完整之密封及更強真空以由使用吸取抓住之一較重物件等。可(更可能)選擇在一夾緊操作模式中使用多模式夾持器之一抓取策略。
在各種實施例中，如本文所揭示之一多模式機器人末端執行器包含可在機器人控制下操作之結構以將與末端執行器操作之第一模式相關聯之一第一組結構移動至收起位置，例如將末端執行器組態以在一第二操作模式中使用。例如，與一吸取操作模式相關聯之結構可回縮、旋轉、平移及/或以其他方式移動至一收起位置以避免在一第二操作模式中干擾末端執行器之操作及使用，例如，使用一夾緊力及相關聯之結構抓取、移動及放置物品。相反，與夾緊操作模式相關聯之結構可放置與一收起位置而可部署及使用與第一(例如吸取)操作模式相關聯之結構。
圖1係繪示在機器人之一自主操作模式中使用一多模式末端執行器之一程序之一實施例之一流程圖。在各種實施例中，圖1之程序100係由一個或多個電腦及/或硬體處理器執行。例如，一機器人控制系統可執行程序100。
在圖中所展示實例中，於102處，判定待抓取之下一物件的一個或多個屬性。例如，電腦視覺可用於判定一物件識別及/或類型，且可基於識別來判定物件之一個或多個屬性。例如，可讀取一條碼或其他光學碼，及/或(例如)在物件之一影像中偵測及解碼物件名稱、編號或其他識別符。在一些實施例中，資料來源可用於識別物件及/或類型，(例如)藉由查找自物件上之一標籤讀取之一數字或其他識別符及/或藉由交叉參考來自其他源之資訊，例如一艙單、發票、訂單或預期由機器人系統接收及/或處理之物件之其他記錄或清單。在一些實施例中，三維(3D)影像可用於判定物件之尺寸及其方向、法向量等。在一些實施例中，電腦視覺、機器學習及其他技術可用於判定物件之屬性，例如物件之一個或多個曝露表面是否相對平坦或更不規則，包裝或其他包裝是否為剛性或柔性，及/或此類外部材料是否緊密捆綁或包裹，諸如縮膜包裝，或更鬆散地包裹或黏附至物件，諸如一塑膠袋。
在104處，其中使用多模式末端執行器抓取物件之一模式係由機器人系統自主判定。在一些實施例中，系統至少部分基於物件屬性(例如重量、大小、表面規則性、材料性質等)來選擇一較佳操作模式。在一些實施例中，系統考量一個或多個抓取策略，其中各策略在一個或多個對應操作模式中使用末端執行器，且選擇要用於在一個或多個對應操作模式中使用末端執行器來抓取物件的抓取策略。
在106處，於104處選擇或以其他方式判定的操作模式中使用多模式末端執行器來抓取物件且執行一相關聯的任務，諸如將其移動至一目的地位置且將其放置於目的地位置處，諸如一托板或其他容器上之一判定特定位置。對於連續物件重複步驟102、104及106，直至系統在108處判定已完成(目前)，例如已放置需要抓取及移動之所有物件。
圖2係繪示判定一抓取策略及(若干)相關聯之末端執行器操作模式之一程序之一實施例之一流程圖。在各種實施例中，執行圖2之程序以實施圖1之程序100的步驟104。在所展示之實例中，於202處，系統判定跨末端執行器操作模式之可用抓取策略。在各種實施例中，系統經組態以使用機器學習來學習、評估及評級策略，以在各種末端執行器操作模式中抓取物件。在各種實施例中，系統使用機器學習來學習基於一特定環境中之給定物件，基於物件之大小、尺寸、重量、剛度、表面規則性(或不規則性)等因數，連同評估給定抓取策略成功之可能性，及上下文資料，例如物件之方向，及物件相對於工作空間中之其他物件的位置及定向(例如靠近一壁或其他障礙物，部分被其他物件阻擋或糾纏，等等)。在一些實施例中，藉由觀察一人類操作員及/或機器人控制系統在各種操作模式中使用末端執行器及/或在一些實施例中在各種操作模式組合中使用末端執行器，至少部分地訓練系統以抓取具有屬性之一範圍之多種物件。
在204處，系統為各可行之抓取策略指派一對應分數及/或成本。例如，系統可將相關之成功概率指派至各抓取策略，例如，基於對該策略抓取相同或類似物件之成功之隨時間的觀察。在各種實施例中，系統可向可用抓取策略之至少一子集之各者分配使用該策略抓取物件之相應成本。例如，對於具有大於臨限值之成功概率之各判定的抓取策略，系統可藉由向使用該策略抓取物件所需之時間；能量；記憶體或其他系統資源的計算來指派值以判定相應的成本。例如，考慮到與將末端執行器轉換至另一操作模式相關之成本(時間、功率等)，在末端執行器已經組態以使用之操作模式中使用末端執行器的抓取策略可被指派比要求將末端執行器置於不同操作模式之策略更低的成本。
在206處，系統使用204處判定之分數及/或成本來選擇待使用之一抓取策略及相關聯之末端執行器模式。例如，系統可選擇具有至少一臨限分數(例如成功之概率)之最低成本抓取策略。
在各種實施例中，於202、204及/或206(或等效步驟)，系統考量可用之策略來抓取一個以上物件及/或物件之不同排列、序列及組合。例如，若可在一工作空間中抓取多個物件，則系統可考量不同序列來抓取及移動其等，包含藉由考量在相同操作模式中使用末端執行器連續地抓取兩個或更多個物件來實現的效率。例如，系統可判定在吸取操作模式中使用末端執行器來連續抓取及移動N個物品，接著轉換至一夾緊操作模式來抓取及移動接下來之M個物品。依此方式，系統可最小化末端執行器模式之間轉換的總成本，例如，若系統待逐個判定N+M物件之末端執行器模式及抓取策略，則可發生此情況，而不考量末端執行器已處於及/或最有助於抓取下一物件之模式。
在一些實施例中，使用一階層式排程器。一較低層級排程器可判定、評估及選擇關於給定一下一待抓取之物件的抓取策略，而較高級別之調度器可根據指示進行干預，例如，重新排列將抓取之物件之順序以最小化末端執行器模式轉換。
圖3A係繪示包括一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，系統及環境300A包括具有一多模式末端執行器304之一機械臂302。在此實例中，定位機械臂302及多模式末端執行器304，以自一輸送機306拾取物件，且將其放置在托板(或其他容器) 308上。機械臂302及多模式末端執行器304係由一控制電腦310在一自主模式中操作。在各種實施例中，控制電腦310實施圖1及圖2之程序之一或兩者。
在圖3A中所展示之實例中，控制電腦310與機械臂302及末端執行器304及攝影機312 (且，在一些實施例中，圖3A中未展示之其他感測器)進行無線通信。控制電腦310經由無線通信向機械臂302及末端執行器304發送命令。例如，控制電腦310可發送無線通信，以將機械臂302移動至適當之位置，以自輸送機306抓取物件。控制電腦310可經由無線通信向末端執行器304發送命令，例如，使末端執行器304在操作模式(例如吸取與夾緊)之間轉換及/或啟動一選定模式(例如向吸取元件施加真空以在吸取模式中使用末端執行器304)。
在圖3A中所展示之狀態下，若干盒314已堆放在托板308上。歸因於盒314之規則、平坦表面，在各種實施例中，末端執行器304可在一吸取操作模式中用於自輸送機306拾取盒314且將其堆疊在托板308上，如圖中所展示。
在圖3A中所展示之實例中，控制電腦310已(例如)基於經由無線(或其他)通信自攝影機312接收之影像判定，不規則形狀之物件(諸如物件316、318)在本實例中係瓶裝水或其他液體，正在輸送機306上出現。在如圖中所展示之實例及狀態中，末端執行器304已被置於一夾緊操作模式，使得能夠藉由夾緊物件318之側來抓取物件318。在各種實施例中，耦合軸環320中之力感測器可用於定位靠近物件318之末端執行器304，且閉合夾緊機構以抓取物件318，如圖中所展示。在各種實施例中，軸環320中之力感測器可用於偵測物件318已被成功抓取及/或偵測物件318自末端執行器304之抓取範圍內之任何滑動。
圖3B係繪示包括一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一圖。在圖3B中所展示之實例中，系統及環境300B顯示為兩箱瓶已添加至托板308中之一狀態，且末端執行器304已藉由延伸轉換為一吸取操作模式，吸取機構322已藉由剪刀連桿組324延伸以使用吸力抓取一盒326。在各種實施例，吸取機構322包括一個或多個發泡體型吸取元件及/或一個或多個矽膠或其他柔韌吸盤，及歧管及/或一個或多個軟管，用於向吸取元件施加吸力(即，一真空)。在所展示實例中，如圖中所展示，末端執行器304左側之可移動夾緊面板已移動至收起位置以允許吸取機構322伸出，藉此允許使用吸力接合一盒326。
如圖3A及3B中所展示，本文所揭示之一自主機器人系統在各種實施例中，根據抓取一給定物件之需要，在模式之間切換(在此實例中在一吸取模式與一夾緊模式之間切換)一多模式末端執行器。
圖4A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，展示多模式末端執行器400準備轉換至一吸取操作模式。多模式末端執行器400包含經組態以經由一配備力感測器之耦合器/軸環404附接至一機械臂之一橫樑402。末端執行器400包括與一夾緊操作模式相關聯之側板406及408。在此實例中，側板406靜態地耦合至橫樑402，而側板408可移動。例如，側板408可由位於橫樑402中之一個或多個線性致動器(圖4A中未展示)移動。在如圖4A中所展示之狀態下，側板408已移動至一收起或完全打開之位置，如圖中所展示，向左移動，為與待部署之吸取操作模式相關之結構騰出空間，在此實例中，吸取歧管或本體410及發泡體吸盤412經組態以藉由延伸剪刀連桿組414來部署以使一盒416能夠在吸取模式中接合。
圖4B係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在如圖4B中所展示之狀態下，藉由操作(在機器人控制下)剪刀連桿組414，例如使用安裝在橫樑402中之致動器(圖4B中未顯示)，吸取機構410、412已被延伸。例如，藉由向襯墊412施加一真空來啟動吸取機構410、412，以接合且抓取盒416。
圖4C係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖4C中所展示之實例及狀態中，吸取機構410、412已回縮至如圖中所展示之收起位置，例如，藉由使用容置於橫樑402中之致動器(圖4C中未展示)操作(在機器人控制下)剪刀連桿組414。機械臂(圖中未展示)已被移動以將靜止側板406定位在鄰近於物件420之一第一側之位置。可移動側板408向右移動，如圖4C中之箭頭中所展示，以在夾緊運動中接合物件420之相反側。例如，基於軸環404中之感測器感測之力之力控制可用於定位末端執行器400，使得末端執行器400之側板406與物件420之第一側接合，如圖中所展示。
圖4D係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖4D中所展示之實例及狀態中，吸取機構410、412保持回縮狀態，提供間隙，以便藉由夾持末端執行器400之側板406、408來抓取物件420。
在各種實施例中，本文所揭示之機器人系統可已將末端執行器400置於圖4C及4D中所展示之夾緊模式，例如，藉由使用影像及/或其他感測器資訊來判定使用圖4C及4D中所展示之夾緊模式(與圖4A及4B中所展示之吸取模式相反)最能抓取物件420。例如，在一些實施例中，機器人系統可已偵測至物件420頂面之不規則拓撲，及/或可已基於物件420之一個或多個屬性(諸如其重量)判定應使用夾緊操作模式。
圖5A繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器500包含一橫樑502及耦合軸環504以將末端執行器耦合至機械臂(圖中未展示)。末端執行器包含側板506及508，側板506及508以圖5A中所展示之狀態收起於一打開位置中以允許藉由操作致動器516 (諸如一氣動或其他活塞)來延伸剪刀連桿組514，以為吸取機構本體510及(若干)發泡體吸盤512留出空間。
圖5B繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖5B中所展示之狀態下，活塞桿518已自氣缸516伸出，例如藉由向氣缸516內之活塞之相反側(上)施加氣動壓力，導致吸取機構體510及發泡體吸盤512降低，且剪刀連桿組514伸出，如圖中所展示。在所展示狀態下，吸盤512延伸至面板506、508之底部邊緣下方，使得物件之表面(圖5B中未顯示)能夠藉由吸盤接合。
圖6A係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器500之吸取模式相關元件510、512、514已回縮收起位置，如圖中所展示。圖6A包含橫樑502之一部分剖視圖，其揭示在所展示之實施例中，橫樑502包含一線性致動器602及經組態以沿一導軌606移動側板508以(例如)在機器人控制下執行一夾緊操作之相關聯之可回縮桿604。線性致動器602之實例包含(但不限於)一氣動活塞、一齒條及齒輪機構、一線性軸承及/或其他機械、機電、液壓、氣動及/或壓電線性致動器。
圖6B係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖6B中所展示之一狀態下，末端執行器500顯示為使用線性致動器602、604相對於圖6B中所展示之位置向右移動側板508之狀態，例如，在一夾緊操作模式中抓取一物件(圖中未展示)。在各種實施例中，耦合至側板508之力感測器可用於監測藉由夾緊施加至物件上之力，且在機器人控制下控制線性致動器602、604，以施加所需之力。在各種實施例中，計算所要力以確保側板506、508與物件之間有足夠之摩擦力，以使物件能夠在不打滑之情況下提升及移動，同時避免施加可損壞物件之過度夾緊力。在各種實施例中，足以提升物件但不至於造成損壞之夾緊力由機器人系統動態判定，例如，基於物件之識別及/或分類，例如基於影像及/或其他感測器資訊判定之識別及/或分類。
圖7A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器700包含一頂部構件702及一側板704。圖7A中所展示之處於與一吸取操作模式相關聯之一部署位置之一吸取機構706在吸取機構706之底面上包含一個或多個吸取元件，諸如發泡體吸取元件。吸取機構706包括及/或具有與之相關聯之結構，以向包括吸取機構706之吸取元件施加一真空，諸如電控制閥及空氣軟管(圖7A中未展示)。
進一步參考圖7A，末端執行器700包含支撐吸取機構706之結構及經組態以將吸取機構706延伸至如圖7A中所展示位置之結構，或者，將吸取機構706回縮至與末端執行器700之夾緊操作模式相關聯之收起位置之結構，如下文更完全描述。支撐結構包含一支架708及一銷710。吸取機構706藉由銷710可旋轉地機械耦合至支架708。支架708在相對於頂部構件702之一固定位置中機械地耦合至頂部構件702。
圖7A中所展示之延伸/回縮結構包含之一連桿組，包括由銷714可旋轉地耦合至吸取機構之一直連桿712，及一「L」形連桿716，藉由銷718可旋轉地連接至連桿712且由銷720可旋轉地耦合至支架708。「L」形連桿716之遠端藉由銷722可旋轉地耦合至包括線性致動器726之一桿之遠端上之連接器724。在各種實施例中，線性致動器726可為任何線性致動器，例如，如上文所提及，且在各種實施例中，在機器人控制下操作，以將末端執行器經組態以在吸取操作模式中操作，例如，如圖7A中所展示，或改為將末端執行器700經組態以在一夾緊操作模式中操作，如下所描述。
圖7B係繪示之一多模式機器人末端執行器之一實施例中之一組連桿組結構之操作之一圖。在圖7B之左側，圖7A中所展示之延伸/回縮結構，即連桿712、716及銷714、718、722，展示在與吸取機構706之部署及使用相關聯之相對位置，如圖7A中所展示。在圖7B之右側，當吸取機構706處於與夾緊操作模式相關之直立/收起位置時，相同之結構顯示在其等之相對位置。例如，為將連桿組結構置於如圖7B右側中所展示之位置，在各種實施例中，線性致動器726可在機器人控制下操作，導致桿724自線性致動器726之本體/氣缸伸出，繼而引起「L」形連桿716圍繞銷720旋轉至如圖中所展示之位置，其繼而引起連桿組之其他元件被拉/旋轉至如圖中所展示之位置。
圖7C係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在各種實施例中，如圖7C中所展示，包括末端執行器700之結構之位置對應於如圖7B右側中所展示之連桿組結構之相對位置，其中一些相關結構在如圖7C中所展示之視圖中由支架708遮擋。
在各種實施例中，在機器人控制下致動致動器726，使吸取機構706及相關結構旋轉至圖7C中所展示之位置，以將末端執行器700置於一夾緊操作模式。在該實例中，處於圖7C中所展示位置之吸取機構706用作為一非移動側板以執行一夾緊操作，其中在側板704與吸取機構706之相對表面之間夾緊物件(圖7C中未展示)。
圖7D係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖7D中所展示之狀態下，側板704已由一延伸器/推動器結構730延伸，例如，藉由操作位於頂部構件702內之一個或多個致動器(圖中未展示)。例如，可在機器人控制下將側板704推至圖7D中所展示之「打開」位置，以打開側板704與吸取機構706之相對表面之間的距離，如圖中所展示，諸如產生一足夠大之開口以容納在夾緊操作模式中使用末端執行器700抓取之一盒或其他物件。
圖8A係繪示包括用於一夾緊操作模式中之摩擦墊之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器800包含一耦合軸環802、一橫樑804、經可移動地安裝至橫樑804之一可移動側板806，及經固定地安裝至橫樑804之一固定側板808。在圖中所展示狀態下，一吸取機構810展示於一回縮/收起位置。末端執行器800包含經安裝在側板806、808之內表面上之摩擦墊812、814。摩擦墊812、814包括具有相對較高摩擦係數之材料，例如相對於側板806、808之表面。在各種實施例中，摩擦墊812、814之相對較高之摩擦係數允許在一夾緊模式中抓取物件(諸如物件816)，同時允許施加比實現安全提升及移動物件816所需之摩擦力更小量之一夾緊力。
圖8B係繪示包括用於一夾緊操作模式中之摩擦墊之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖8B中所展示之狀態下，可移動側板806已向右移動，如圖中所展示，例如，藉由在橫樑804 (圖中未展示)中之致動器之機器人控制下操作，以將物件816夾在側板806、808及安裝在其上之摩擦墊812、814之間。
圖9A係繪示包括向內傾斜以促進一夾緊操作模式中之抓取之夾緊元件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器900包含耦合軸環902、橫樑904及側板906及908。一吸取機構910被顯示在回縮/收起位置，以使物件916能夠在一夾緊操作模式中被抓取。在圖中所展示之實例中，側板908及910係以向內指向之角度安裝在橫樑904上，以在夾緊操作模式中接合物件，諸如物件916。在一些實施例中，側板906、908之傾斜使物件916最初及/或更基本地與物件916之下側接合，對於給定物件，其可呈現一更規則、剛性、穩定，及/或其他更可抓取之表面，如所展示實例中所示。在一些實施例中，側面板906、908之傾斜使得物件916能夠接合在面板906、908之下端，同時在上端之面板906、908之間留有更多空間，其等被安裝在橫樑904上，其在一些實施例中允許更多空間避免與吸取機構910接觸。
圖9B係繪示包括向內傾斜以促進一夾緊操作模式中之抓取之夾緊元件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，側板906已向右移動，以將物件916夾在側板906、908之間。在該實例中，側板906、908係由柔性材料製成，例如具有規定成分及厚度之金屬板，選擇為具有足夠之強度而不過度重量且允許一所要撓性程度，(例如)使向內傾斜之側板906、908在施加更大力之情況下稍微向內彎曲，如圖中所展示，可控地增加(例如視需要避免或停止滑動)側板906、908與物件916之間的接合表面積。
圖10A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖中所展示之實例中，末端執行器1000包含一橫樑1002及安裝點1004。在圖中所展示之狀態下，末端執行器1000經組態於一吸取操作模式中，其中吸盤1006、1008被用於抓取物件1010。在所展示狀態下，藉由在機器人控制下操作線性軸承(或其他動力/致動器) 1014，包括一水平夾緊機械介面1012B之一夾緊構件1012被抬起且移開。
圖10B係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖10B中所展示之狀態下，線性軸承1014已被操作以降低夾緊構件1012，以允許藉由在橫樑1002及吸盤1006之下表面與夾緊構件1012之水平夾緊機械介面1012B部分之上表面之間夾緊物件1020來抓取物件1020。
圖11A係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。如同圖10A及10B中所展示之實例，圖11A之末端執行器1100包含用於在水平構件之間夾緊一物件之結構。在此實例中，末端執行器1100包含橫樑1102及附接點1104。自圖11A中所展示之角度可看見一第一吸盤1106A。末端執行器1100亦包括具有水平夾緊機械介面1108B之夾緊構件1108。在圖11A中所展示之狀態下，夾緊構件1108已在直線軸承1110之機器人控制下移動至操作中所展示之位置。在一些實施例中，於機器人控制下操作線性軸承1110，以向物件1112施加一夾緊力以將物件1112向上壓入摩擦墊1106A。
圖11B係繪示之一多模式機器人末端執行器之一實施例之吸取元件及一夾緊元件之一仰視圖之一圖。在圖中所展示之實例及視圖中，末端執行器1100包含兩個發泡體吸盤1106A及1106B，隔開足夠寬之間隙以容納夾緊構件1108之水平夾緊機械介面1108B。
圖11C係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。在圖11C中所展示之狀態下，線性軸承1110已在機器人控制下操作，以向上提升夾緊構件1108，以導致夾緊構件1108之水平夾緊機械介面1108B被升起，且進入發泡體吸盤1106A、1106B之間的間隙，如圖中所展示，在吸取操作模式中，使用末端執行器1100使墊接合物件1120之上表面以抓取物件1120。
圖12係繪示經組態以自主性使用一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一方塊圖。在圖中所展示之實例中，圖3A及圖3B之控制電腦310被顯示為包含經耦合至一感知模組1204、一控制模組1208、一條件模組1210及一機器學習模組1218之一通信介面1202，諸如一無線或其他網路通信介面。在各種實施例中，一控制電腦(諸如控制電腦310)可包括比圖12之感知模組1204、控制模組1208、條件模組1210及機器學習模組1218更多或更少之模組。在各種實施例中，圖12之感知模組1204、控制模組1208、條件模組1210及機器學習模組1218中之各者可包括至少部分藉由在包括控制電腦310之一個或多個處理器上執行相關聯之電腦指令而提供的一個或多個功能處理實體。
在圖中所展示實例中，感知模組1204經由通信介面1202接收感測器資料(例如來自一個或多個攝影機之影像資料)，且建構工作空間之一三維視圖，其中由控制電腦310控制之機器人系統實際存在且運行。感知模組1204執行電腦視覺處理，例如分割，以識別工作空間中之物件，且使用物件知識庫1206將一物件識別為包括一特定物件及/或物件之類型，及/或判定物件之一個或多個相關聯之屬性，例如物件尺寸、剛度、脆弱性、重量，外部包裝材料及/或包裝屬性及其類似者。
在各種實施例中，控制模組1208使用條件模組1210識別之高級目標，及感知模組1204感知之工作空間及其中物件之一動態更新及演進視圖以判定及更新計畫及策略，以在工作空間內抓取、移動及放置物品，以實現高級目標。條件模組1210使用條件資料儲存1212中之資料(例如艙單、訂單、發票或其他資料集)來判定及滿足條件。
為執行特定之組件任務，例如抓取、移動及放置給定物件，控制模組1208使用狀態資訊(例如工作空間及其中物件之視圖、機械臂或其他機器人之當前位置及姿勢等)及機器人之一模型1214 (例如其幾何結構、運動範圍、可實現之姿勢、自當前姿勢移動至所需或目標姿勢及/或末端執行器位置之命令或命令序列、操作模式及定向等)連同抓取一般及/或特定物件或物件之類型之抓取策略之一資料儲存1216。
在本實例中，抓取策略1216由機器學習模組1218動態學習及/或更新(例如連續、定期等)。例如，機器學習模組1218可用於「訓練」抓取策略模型或儲存在抓取策略資料儲存1216中之學習之抓取策略之其他表示。在不同末端執行器操作模式中，經觀察之抓取一組物件之不同策略之成功或失敗(例如在操作之一學習或訓練階段)可用於一稍後操作模式，以在給定之上下文中選擇一個或多個抓取策略來抓取給定之物件，且評估使用該策略成功抓取之概率之一或兩者，及與使用該策略在該上下文中抓取該物件相關之一組或多個成本。在各種實施例中，控制模組1208考量上述資訊，以選擇且使用一抓取策略，試圖在一相關聯之末端執行器操作模式中抓取物件，如圖1及圖2之程序中所展示。
在各種實施例中，本文所揭示之技術用於高效且有效地拾取及放置具有不同屬性之多種物件，包含藉由在操作模式(最適合)下使用一多模式末端執行器來抓取一給定物件之任務，例如如由本文所揭示之一機器人控制系統在一完全自主模式中判定。
儘管為清楚理解，已對前述實施例進行一些詳細描述，但本發明不受限於所提供之細節。存在實施本發明之許多替代方式。所揭示之實施例係繪示性而非限制性。
100:程序 102:判定待抓取之下一物件之一個或多個屬性 104:其中使用多模式末端執行器來抓取物件之一模式係由機器人系統自主判定 106:在104處選擇或以其他方式判定之操作模式下，使用多模式末端執行器抓取物件且執行一相關聯之任務，諸如將其移動至一目的地位置且將其放置於目的地位置處，諸如一托板或其他容器上之一判定特定位置 108:判定是否完成 202:系統判定跨末端執行器操作模式之可用抓取策略 204:系統將一對應分數及/或成本指派至各可行抓取策略 206:系統使用204處判定之分數及/或成本來選擇待使用之一抓取策略及相關聯之末端執行器模式 300A:系統及環境 300B:系統及環境 302:機械臂 304:多模式末端執行器 306:輸送機 308:托板 310:控制電腦 312:攝像機 314:盒 316:物件 318:物件 320:耦合軸環 322:吸取機構 324:剪刀連桿組 326:盒 400:多模式末端執行器 402:橫樑 404:配備力感測器之耦合器/軸 406:側板 408:側板 410:吸取歧管或本體/吸取機構 412:發泡體吸盤/吸取機構 414:剪刀連桿組 416:盒 420:物件 500:末端執行器 502:橫樑 504:耦合軸環 506:側板 508:側板 510:吸取機構本體/吸取模式相關元件 512:發泡體吸盤/吸取模式相關元件 514:/吸取模式相關元件 516:剪刀連桿組/氣缸 518:活塞桿 602:線性致動器 604:線性致動器 606:導軌 700:末端執行器 702:頂部構件 704:側板 706:吸取機構 708:支架 710:銷 712:直連桿 714:銷 716:「L」形連桿 718:銷 720:銷 722:銷 724:連接器 726:線性致動器 730:延伸器/推動器結構 800:末端執行器 802:耦合軸環 804:橫樑 806:可移動側板 808:固定側板 810:吸取機構 812:摩擦墊 814:摩擦墊 816:物件 900:末端執行器 902:耦合軸環 904:橫樑 906:側板 908:側板 910:吸取機構 916:物件 1000:末端執行器 1002:橫樑 1004:安裝點 1006:吸盤 1008:吸盤 1010:物件 1012:夾緊構件 1012B:水平夾緊機械介面 1014:線性軸承 1020:物件 1100:末端執行器 1102:橫樑 1104:附接點 1106A:第一吸盤 1106B:發泡體吸盤 1108:夾緊構件 1108B:水平夾緊機械介面 1110:線性軸承 1112:物件 1120:物件 1202:通信介面 1204:感知模組 1206:物件知識庫 1208:控制模組 1210:條件模組 1212:條件資料儲存 1214:模型 1216:資料儲存/抓取策略 1218:機器學習模組
本發明之各種實施例在以下詳細描述及附圖中揭示。
圖1係繪示在機器人之一自主操作模式中使用一多模式末端執行器之一程序之一實施例之一流程圖。
圖2係繪示判定一抓取策略及(若干)相關聯之末端執行器操作模式之一程序之一實施例之一流程圖。
圖3A係繪示包括一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一圖。
圖3B係繪示包括一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一圖。
圖4A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖4B係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖4C係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖4D係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖5A繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖5B繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖6A係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖6B係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖7A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖7B係繪示之一多模式機器人末端執行器之一實施例中之一組連桿組結構之操作之一圖。
圖7C係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖7D係繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖8A係繪示包括用於一夾緊操作模式中之摩擦墊之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖8B係繪示包括用於一夾緊操作模式中之摩擦墊之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖9A係繪示包括向內傾斜以促進一夾緊操作模式中之抓取之夾緊元件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖9B係繪示包括向內傾斜以促進一夾緊操作模式中之抓取之夾緊元件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖10A係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖10B繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖11A繪示經組態以在一夾緊操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖11B係繪示之一多模式機器人末端執行器之一實施例之吸取元件及一夾緊元件之一仰視圖之一圖。
圖11C係繪示經組態以在一吸取操作模式中抓取一物件之一多模式機器人末端執行器之一實施例之一圖。
圖12係繪示經組態以自主性使用一多模式機器人末端執行器之一機器人系統之一實施例之一方塊圖。
500:末端執行器
502:橫樑
504:耦合軸環
506:側板
508:側板
510:吸取機構本體/吸取模式相關元件
512:發泡體吸盤/吸取模式相關元件
602:線性致動器
604:線性致動器
606:導軌

Claims (22)

  1. 一種多模式機器人末端執行器，其包括：一第一組結構，其等經組態以在一第一操作模式中抓取物件；一回縮機構，其經組態以回應於一回縮命令而將該第一組結構回縮至與一第二操作模式相關聯之一收起位置；及一第二組結構，其等經組態以在一第二操作模式中抓取物件；其中該第一組結構使用吸力以抓取物件，而該第二組結構係使用夾緊力以抓取物件，且當該末端執行器被使用於將僅被夾持於該第二操作模式中的一物件自一拾取位置移動至一放置位置時，該第一組結構保持回縮在該收起位置內而不被使用。
  2. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，進一步包括經組態以致動該回縮機構來回應於該回縮命令而將該第一組結構回縮至該收起位置之一操作模式控制器。
  3. 如請求項2之多模式機器人末端執行器，其中該回縮命令包括自一控制電腦接收之自該第一操作模式轉換至該第二操作模式之一命令。
  4. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該第一操作模式包括一吸取操作模式且第一組結構包含經組態以使用吸力抓取物件之一個或多個吸取元件。
  5. 如請求項4之多模式機器人末端執行器，其中該一個或多個吸取元件包含一發泡體型吸盤。
  6. 如請求項4之多模式機器人末端執行器，其中該一個或多個吸取元件包含一組一個或多個吸盤。
  7. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該第一操作模式包括一吸取操作模式且該第二操作模式包括一夾緊操作模式。
  8. 如請求項7之多模式機器人末端執行器，其中該第二組結構包含一組兩個或更多個夾持器，且在該第二操作模式中，藉由將一目標物件夾在該兩個或更多個夾持器之間來抓取該目標物件。
  9. 如請求項8之多模式機器人末端執行器，其中該兩個或更多個夾持器包括兩個扁平面板。
  10. 如請求項9之多模式機器人末端執行器，其中該等面板係由一撓性金屬片材料製成。
  11. 如請求項7之多模式機器人末端執行器，其中在該夾緊操作模式中，藉由在經包含於該第二組結構中之一面板與經包含於該第一組結構中之一結構之間夾緊一目標物件來抓取該目標物件。
  12. 如請求項11之多模式機器人末端執行器，其中包含於該第一組結構中之該結構包括一發泡體型吸盤。
  13. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該第一操作模式包括一夾緊操作模式，且該第二操作模式包括一吸取操作模式。
  14. 如請求項13之多模式機器人末端執行器，其中該第一組結構包含一夾緊結構。
  15. 如請求項14之多模式機器人末端執行器，其中該夾緊結構具有一水平定向之夾緊介面。
  16. 如請求項14之多模式機器人末端執行器，其中該夾緊結構由該回縮機構回縮至位於包括該第二組結構之兩個或更多個吸取元件之間的一收起位置。
  17. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該回縮機構包含一連桿組。
  18. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該回縮機構包含一線性致動器。
  19. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該回縮機構將該第一組 結構旋轉至實質上垂直於該第一組結構經放置於其中以在該第一操作模式中操作該末端執行器之一部署位置之一收起位置。
  20. 如請求項19之多模式機器人末端執行器，其中當處於該收起位置中時，第一組結構與經包含於該第二組結構中之一夾緊元件係相對且實質上平行。
  21. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，其中該第二組結構包含兩個或更多個夾緊元件，各具有經安置於其上之具有一相關聯之摩擦係數之一摩擦墊。
  22. 如請求項1之多模式機器人末端執行器，該第二組結構包含向內朝向該末端執行器之一中心垂直軸線傾斜的兩個或更多個夾緊元件。
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