TWM577790U - 用於機器人的夾具系統 - Google Patents

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洪 武
大森隼人
大衛 特魯塞爾
盧卡斯 沃斯
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大陸商中瑞福寧機器人（瀋陽）有限公司
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Abstract

本案提出了一種用於機器人的夾具系統(10)，包括用於承載物體的第一夾具元件(100)。第一夾具元件包括一個夾具手(110)具有用於支撐物體和夾具拇指(120)相對的所述支撐平面的支撐平面(111)。此外，第一夾具元件包括位於夾具手和夾具拇指之間的槽(130)，用於分配物體的至少一部分，使得其被動地固定而不會傾斜。這種夾具系統在攜帶物體(例如鬆散地定位在該物品上的托盤或板)周圍移動時特別有利。

Description

用於機器人的夾具系統
本新型涉及一種用於機器人的夾具系統，包括用於承載物體的夾具元件，以及包括這種夾具系統的機器人。這些類型的夾具系統使用於人類的個人護理機器人。
用於機器人系統的夾具工具在現有技術中早已為許多不同的變化所知。已知的夾具工具通常包括二個夾具指，每個夾具指具有一個夾爪，每個夾爪具有一個夾具指尖。夾爪可以例如可移動地固定到線性引導件上，並且它們可以可移動地朝向彼此和遠離彼此而構建。結果，附接到其上的二個夾爪也可以精確地朝向和遠離彼此移動，使得物體可以被特別地抓住、移動到另一個地方並再次放下。這種夾具系統在本領域技術人員的術語「平行夾持器」下是已知的。這種用於抓取工件的系統例如從EP02231B1、EP0993916B1或EP2548706A1中得知。 　　例如在WO02/086637A1中描述的所謂的「屈曲臂機器人」的機器人，其應用更加靈活並且通常特別有利地用於移動機器人系統。 　　如今夾具指通常不僅是機械夾具工具，而是包含電子元件和不同類型感測器的高度複雜系統，例如光學相機、超聲波感測器或其他聲學感測器，例如麥克風、熱感測器、力感測器等。在這種感測器中，相應的機器人系統可以用夾具指「感覺」其環境或檢測其環境的特性，這對於機器人系統的功能是不可缺乏的。 　　因此，這種機器人系統可以例如獨立地識別待抓取的物體是否是軟物體，例如塑膠瓶，或者是硬物體，例如玻璃瓶，然後它可以獨立且靈活地調節所需的用於夾具指以抓住物體的力到最佳值。根據現有的感測器，機器人系統還可以識別物體的類型，或者它可以例如區分待抓取的物體是死物體還是活物體。如今，這種機器人系統可以識別和分析多個其他屬性。特別地，甚至已知智慧機器人系統可以獨立於感測器記錄的環境資料而學習，因此，它們可以例如適應最初未知環境或最初未知的待抓取物體的要求。 　　如果這種機器人系統用於執行具有非常不同的部件的精密組件，或者例如，如果在日常活動中應該支援人類，則這是特別重要的。在這種直接與人類互動的機器人系統情況下，對於安全的簡單原因，高靈敏度的感測器技術當然是最重要的。 　　特別重要的是夾具指的夾具指尖，因為一方面用於抓住要移動的物體，夾具指尖必須與該物體接觸，另一方面夾具指尖通常包含所需的感測器，以識別環境並識別要抓取的物體的屬性。出於這個原因，在許多應用中，夾具指尖必須分別根據要具體執行的任務和工作環境的特性單獨調整，從而最終分別調整到要抓取及移動的物體的特定屬性。 　　為了將一個和相同的機器人系統用於多個不同的任務，設計可更換的夾具指尖是已知的方法。例如，一組不同的夾具指尖能夠提供的可以不同(如在它們的夾持幾何形狀、材料、表面光潔度、感測器技術等)而各個被最佳地適應某些被執行的任務。因此，僅透過更換夾具指的夾具指尖，可以由一個和相同的機器人系統執行非常不同的任務。 　　一個如此的任務，在機器人與人類，尤其是老年人互動的情況下，可以提供諸如一杯水或藥物之類的物品。作為個人管家，機器人可以透過將物品放在諸如托盤或盤子之類的物體上來提供這種物品。由於物品通常鬆散地放置在托盤上，因此使機器人與物體互動是一種特殊的技術挑戰，使得物品即使在移動時也能在托盤上保持穩定。
本新型的目的是提供一種所述類型的夾具系統，其能夠使機器人在保持支撐鬆散放置的物品的托盤的同時移動。該目的透過根據如請求項1所限定的本新型的第一方面的夾具系統來實現。 　　一種用於機器人的夾具系統，包括用於承載物體的第一夾具元件，其中第一夾具元件包括具有用於支撐物體的支撐平面的夾具手，與支撐平面相對的夾具拇指，以及夾具手之間的槽和夾具拇指用於分配物體的一部分。因此，本新型提供了一種夾具系統，其中夾具手和夾具拇指被設計成被動地固定物體(包括其攜帶的任何物品傾斜並落在地面或地板上)。這裡被動意味著不需要向系統提供任何外部電源，以便在單個夾具元件相對於物體適當定位之後防止物體掉落。當物體越過夾具手時，重力會相對於夾具手的尖端產生力矩。有利地，拇指功能作為鎖，用於防止槽內的物體的邊緣向上傾斜，從而防止物體(包括其攜帶的物品)從夾具手的支撐平面落下。相反地，現有技術的夾具系統教示提供第一手指和第二手指以主動擠壓手指之間的物體，從而教示向系統供電以在抓住物體之後保持手指被適當地擠壓。 　　在一個實施例中，夾具手和/或夾具拇指包括感測器，該感測器設置成提供第一控制信號。有利地，控制信號可以用於第一夾具元件相對於物體的定向目的和/或用於控制第二夾具元件的接合力，以便將物體固定在第一夾具元件和第二夾具元件之間。 　　根據本新型的實施例，感測器包括光電發射器和接收器組合，並且第一控制信號指示物體的存在。有利地，感測器允許產生控制信號以確定托盤是否正確地定位在槽中。控制信號因此向機器人的控制系統提供反饋，以重新定向夾具系統。 　　在另一個實施例中，感測器包括力感測器，並且第一控制信號指示物體的負載。有利地，力感測器檢測托盤的壓力，托盤包括其支撐的物品，由於托盤內的托盤的最小傾斜而在托盤上進行訓練。機器人控制系統可以使用較大的負載控制信號，以使第二夾具元件以較大的力朝向托盤的頂側適當地接合，以將其固定在第一夾具元件和第二夾具元件之間。 　　在又一個實施例中，夾具系統還包括第二夾具元件，該第二夾具元件與第一夾具元件配合，用於將物體固定在第一和第二夾具元件之間。有利地，第二夾具元件可以改善物體的固定。 　　在一個實施例中，第二夾具元件包括二個間隔開的夾具指，用於固定物體。在一個實施例中，第一夾具元件的夾具拇指包括用於接合間隔開的夾具指的叉。有利地，間隔開的指與從夾具拇指延伸的叉配合並且尺寸設定成與間隔開的指一致。有利地，指和叉接合提高預防該物體的向側面傾斜，即防止周圍的夾具系統的長度軸線傾斜。 　　在一個實施例中，每個夾具指包括指尖，該指尖包括用於提供第二控制信號的力感測器。有利地，第二控制信號允許確定是否穩定地抓取物體。只有當感測器檢測到的力高於預定的最小值時，才能滿足穩定的抓握條件。在一個實施例中，控制信號指示在各個夾具指中檢測到的力之間的差異。有利地，由各個指中的感測器檢測到的力的(動態)差異提供了關於托盤的側向穩定性的資訊。特別是在機器人在托盤頂部攜帶物品的同時從一個位置移動到另一個位置的情況下，這種差異控制信號可以為攜帶托盤的安全操作和所支撐物品的穩定位置提供反饋。 　　在又一個實施例中，第一夾具元件和第二夾具元件包括外表面，該外表面包括用於與物品進行碰撞檢測的力感測器。有利地，外部表面中的力感測器提供控制信號，允許機器人校正和轉向，從而避免碰撞事件。 　　根據另一方面，本新型提供了一種機器人系統，特別是用於支援人類的工業機器人或服務機器人，包括根據本新型第一方面的夾具系統。 　　在一個實施例中，機器人系統還包括控制系統，該控制系統配置成可控制地操作驅動器以使第一夾具元件與第二夾具元件接合，以將物體固定在元件之間。在一個實施例中，控制系統的控制信號輸入基於由第一夾具元件和第二夾具元件中的感測器提供的第一控制信號和/或第二控制信號。 　　參考下文描述的實施例，本新型的這些和其他方面將變得顯而易見並得以闡明。然而應理解，這些實施例不能被解釋為限制針對本新型的保護範圍。它們可以單獨使用，也可以組合使用。
圖1示出了機器人1，其包括臂，該臂包括位於其遠端的夾具系統10。在典型的使用案例中，服務機器人1執行個人護理職責，例如典型的管家任務，以使人類(例如老年人)受益。一個這樣的任務是提供人類消耗品(未示出)，例如飲料、食品、藥品，或是使用的物品，例如筆、明信片、遊戲等。這些物品可以在托盤或板2的頂部提供。通常這些物品會鬆散地放置在托盤上，以允許人們在他們自己的方便時收集它們。特別是當機器人1在遠端位置收集物品時，它將需要朝向人員移動以便為他們提供服務。當機器人1朝向人移動時，其夾具系統10可以牢固地保持托盤2，使得物品即使在移動時也保持穩定在托盤的頂部。 　　為此，如圖2A、3A和3B所示，夾具系統10包括第一夾具元件100。通常，第一夾具元件包括夾具手110，夾具手110提供支撐平面111，用於支撐物體2(例如托盤或板)。由於物體2在實際情況下將延伸超出支撐平面111，後者僅在其側面或邊緣附近支撐成形器。為了防止物體2圍繞夾具手110的尖端112傾斜，尤其是當物品定位在頂部時，第一夾具元件100還包括定位成使得其與支撐平面111相對的夾具拇指120。夾具拇指120設計成被動地保護物體2免於傾斜，即不需要外部動力。為此，夾具拇指120在支撐平面111上延伸，使得在拇指和平面之間形成槽130。槽130的寬度和深度適於容納物體2的至少一部分。當插入物體2時，或者相反地，當機器人1操作以將其夾具系統10定位到抓取物體2時，至少一側或邊緣將進入槽130一段延伸，當第一夾具元件100被抬起時，物體2將透過面向支撐平面111的夾具拇指120的底表面121阻止其傾斜。 　　為了確定第一夾具元件100是否相對於物體2適當地定位，第一夾具元件可包括第一感測器150。在一個實施例中，感測器150包括光電發射器151和接收器152的組合，例如(紅外)發光二極體和光電二極體。發射器151可以定位在靠近夾具拇指120的底表面121的槽130內，而接收器153可以定位在靠近支撐平面111的發射器151的對面。當物體2插入槽130中時，它將中斷從發射器151傳輸到接收器152的光，因此控制信號155可以指示物體2被定位在槽130內具有適當的深度。在控制信號155提供適當的反饋之前，機器人1可以透過控制系統300和驅動器400相對於物體2重新定位夾具系統100(參見圖5)。在另一個實施例中，感測器150可以包括位於夾具拇指120的底表面121附近的力感測器153，用於檢測物體2壓靠在其上的力。在這種情況下，控制信號155可以由力感測器153產生，力感測器153的靜態部分指示托盤的負載，包括在其頂部的任何物品。控制信號155的動態部分可以提供關於一旦被夾具系統10抓住時托盤的穩定性的資訊，尤其是在機器人1在攜帶托盤2的同時移動的情況下。在又一個實施例中，第一夾具元件100包括力感測器153和光電發射器151和接收器152的組合。 　　最後，夾具拇指120可包括從其延伸的叉122，其原因將在下面討論。優選地，叉122平行於支撐平面111向外延伸。 　　現在回到圖2B和4，夾具系統10可包括第二夾具元件200，第二夾具元件200相對於第一夾具元件100定位，使得其允許與第一夾具元件配合以將物體固定在第一和第二夾具元件之間。有利地，第二夾具元件200透過機器人1改善了承載托盤2的穩定操作，尤其是在機器人的車載移動下。「在途中」的情況，例如穿過門階或任何其他不平坦，可能導致托盤2的動態行為，其大小使得不能確保穩定的操作。為了防止托盤2上承載的物品掉落或溢出，當物體w的底側由第一夾具元件100的支撐平面111支撐時，第二夾具元件200可透過與物體2的頂側接合而提供額外的穩定性。為此，第二夾具元件200可包括沿第二夾具元件的長度軸線延伸的二個夾具指210a，b。有利地，夾具指210a，b在垂直於長度軸線的方向上，即在夾具系統10的寬度方向上間隔開。叉122和間隔開的指210a，b可以是同餘尺寸，使得接合第二夾具元件200朝第一夾具元件100時，手指和叉配合，進而防止托盤2繞著夾具系統10的長度軸線傾斜。因此，在第二夾具元件200的閉合抓握位置，叉122緊緊地配合在夾具指210a，b之間，從而形成單個鎖定表面，防止托盤2圍繞長度軸線旋轉。
在一個實施例中，夾具指210a，b中的至少一者，優選地，二個指包括感測器253。有利地，由感測器253產生的第二控制信號255允許確定是否穩定地抓取物體。只有當感測器檢測到的力高於預定的最小值時，才能滿足穩定的抓取條件。在這樣的最小值以下，機器人1的控制系統300(參見圖5)可以控制驅動器400，以相對於彼此或相對於物體2的夾具系統10重新定位夾具元件100，200。
在一個實施例中，二個夾具指210a，b包括感測器253a，b，並且它們被設置成提供控制信號255，該控制信號255指示由相應的夾具指檢測到的力之間的差。有利地，由相應指狀物中的感測器253a，b檢測到的力的(動態)差異提供了關於托盤的側向穩定性的資訊。特別是在機器人在托盤頂部攜帶物品的同時從一個位置移動到另一個位置的情況下，這種差異控制信號可以為攜帶托盤的安全操作和所支撐物品的穩定位置提供反饋。同樣，控制系統300可以透過驅動器400操作夾具系統10，以改善第一夾具元件100和第二夾具元件200的接合，從而穩定承載板2。或者，控制系統300可以影響機器人的線性或旋轉速度，以穩定托盤2上承載的物品。
雖然夾具系統10的實體尺寸可以適合於執行特定任務的適當尺寸，但是在諸如攜帶托盤之類的管家工作的情況下，夾具手110的長度在5至15cm範圍內，例如7cm。然 後，夾具手寬通常在4至12cm範圍內，例如6cm。可以適當地選擇槽130以適合待攜帶物體的高度。以托盤的情況，1至2cm的槽寬度是合適的。夾具拇指120可以從第一夾具元件110的基部在夾具手110之上方延伸，使得槽130的深度在1至5cm範圍內，例如2cm。
因此，第一夾具元件100從其基部到夾具手110的尖端的總長度通常約為12cm。從夾具手110的底側/後側到夾具拇指120的頂側的第一夾具元件100的總厚度源於要攜帶的物體2的尺寸的設計考慮因素，但是對於托盤通常為約5至7cm。第二夾具元件200的尺寸與第一夾具元件100的尺寸相當。例如，其總長度可以是大約8cm，並且其總寬度是6cm。夾具指210a，b可以間隔開1至2cm，而夾具拇指120的叉122的尺寸可以設定為與間隔開的指同餘。夾具指210a，b可包括彎曲部，使得指的遠端部分相對於第二夾具元件200的長度軸線成例如在110°和120°之間的角度。有利地，這允許改進第一夾具元件和第二夾其元件之間的固定物體2。類似地，第一夾具元件100的支撐平面111相對於第一夾具元件的長度軸線成例如在10°和30°之間的角度。有利地，這允許相對於待抓取的物體2的物體表面適當地定向夾具元件。
在實施例中，第一夾具元件100和第二夾具元件200的基部可以連接到相應的連接元件140,240(參見圖2)，以便能夠將夾具系統可更換地連接到機器人1的遠端臂端。
第一夾具元件100和第二夾具元件200可包括由軟襯裡圍繞的結構核心。作為示例，核心可以包括硬ABS塑料，其能夠在承載物體2時適應張力和應力。此外，核心可以分配電連接給感測器150, 250。作為另一個示例，軟襯裡可以包括聚氨酯支撐部，適應用於人機互動的優選觸覺特性。為了適應與物體和人的安全互動，第一(100)和第二(200)夾具元件的外邊緣可以是圓形的。此外，夾具系統10的外表面上的軟襯裡，例如第一夾具元件100的底部和側表面160以及第二夾具元件200的頂部和側面260(參見圖6)可以包括柔性力感測器，其配置成提供控制信號指示與物體或人的碰撞事件。結果，機器人1的控制系統300可以基於控制信號在這樣的方向上將夾具系統10轉向以避免碰撞事件。 　　儘管已經參考上述實施例闡明了本新型，但是顯然可以使用替代實施例來實現相同的目的。因此，本新型的範圍不限於上述實施例。 　　作為示例，感測器150可以包括光電發射器151和接收器152組合，其中發射器定位在支撐平面111附近的槽130內，而接收器定位在靠近夾具拇指120的底表面121的槽130內。作為另一個示例，感測器150可以包括在單個整合單元中的光電發射器和接收器組合，使得該單元在槽130中靠近支撐平面11或靠近底表面121定位。在這種情況下，感測器150可以以反射模式而不是透射模式操作。在該模式中，由於物體2和夾具系統10的表面反射特性的差異，可以透過接收的光的減少來檢測物體2。或者，可以基於由感測器150發射和接收的光脈衝的飛行時間檢測來確定物體2的存在。在又一個示例中，第一夾具元件100可包括槽130內的二個或多個感測器150，以用於檢測物體2的存在。優選地，至少二個感測器定位在槽130的相對側邊緣處(例如圖3B中所示)以便確定物體2在槽130內的適當分配。由於只有板或托盤的邊緣進入槽130，因此可能需要調整第一夾具元件100的定向，使得槽130的後部基本平行於托盤邊緣，以最佳地將物體2固定在夾具系統10中。作為又一個示例，控制系統300還可以使用由夾具元件100中的感測器150提供的控制信號155的動態部分，以改善夾具系統10中的夾具元件100，200的接合和/或影響機器人1的車載特性，例如其線性或旋轉速度。
1‧‧‧機器人
2‧‧‧物體/托盤/板
10‧‧‧夾具系統
100‧‧‧第一夾具元件
110‧‧‧夾具手
111‧‧‧支撐平面
112‧‧‧尖端
120‧‧‧夾具拇指
121‧‧‧底表面
122‧‧‧叉
130‧‧‧槽
150‧‧‧第一感測器
151‧‧‧光電發射器
152‧‧‧接收器
153‧‧‧力感測器
155‧‧‧控制信號
300‧‧‧控制系統
400‧‧‧驅動器
w‧‧‧物體
210a, b‧‧‧夾具指
253、253a, b‧‧‧感測器
255‧‧‧第二控制信號
140、240‧‧‧連接元件
在以下結合圖式的示例性和優選實施例的描述中公開了本新型的進一步細節、特徵和優點。 　　圖1A和B示意性地示出了根據本新型使用夾具系統以承載托盤和板的機器人的圖。 　　圖2A和B示意性地示出了根據本新型的夾具系統的第一夾具元件和第二夾具元件的實施例。 　　圖3A和B示出了根據本新型的第一夾具元件的實施例的側視圖和正視圖。 　　圖4示出了根據本新型的第二夾具元件的實施例的透視圖。 　　圖5示出了根據本新型用於控制的夾具系統的機器人的控制系統。 　　圖6示出了夾具系統的另一個實施例。 　　本領域技術人員將理解，圖式中的元件是為了簡單和清楚而示出的，並且不一定按比例繪製。例如，圖式中的一些元件的尺寸可能相對於其他元件被誇大，以幫助改進對本新型的各種實施例的理解。此外，這裡的術語「第一」、「第二」等(如果有的話)尤其用於區分相似的元素，而不一定用於描述順序或時間順序。此外，說明書中的術語「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「上」、「下」、「近端」、「遠端」等(如果有的話)在說明中和/或在申請專利範圍中通常用於描述目的，而不一定用於全面描述獨佔的相對位置。而且，術語「接合特徵」也可以構成「脫離特徵」。因此，技術人員將理解，如此使用的任何前述術語可以在適當的情況下互換，使得本文描述的本新型的各種實施例例如能夠以除了明確示出或以其他方式描述的那些之外的其他配置和/或取向操作。

Claims (9)

  1. 一種用於機器人(1)的夾具系統(10)，包括：用於承載物體(2)的第一夾具元件(100)，其中該第一夾具元件包括具有用於支撐該物體的支撐平面(111)的夾具手(110)，與該支撐平面相對的夾具拇指(120)，以及在該夾具手和該夾具拇指之間用於分配該物體的一部分的槽(130)，該夾具系統還包括與該第一夾具元件(100)配合的第二夾具元件(200)，用於將該物體固定在該第一夾具元件和該第二夾具元件之間，其中該第二夾具元件(200)包括二個間隔開的夾具指(210a，b)，用於固定該物體，且其中該第一夾具元件(100)的該夾具拇指(120)包括叉(122)，用於在該等間隔開的夾具指(210a，b)之間接合。
  2. 根據請求項1所述的夾具系統(10)，其中該夾具手(110)和/或該夾具拇指(120)包括第一感測器(150)，該第一感測器(150)配置成提供第一控制信號(155)。
  3. 根據請求項2所述的夾具系統(10)，其中該第一感測器(150)包括光電發射器(151)和接收器(152)的組合，並且該第一控制信號(155)指示該物體(2)的存在。
  4. 根據請求項2所述的夾具系統(10)，其中該第一感測器(150)包括力感測器(153)，並且該第一控制信號(155)指示該物體的負載。
  5. 根據請求項1所述的夾具系統(10)，其中該夾具指(210a，b)各者包括指尖(211a，b)，該等指尖包括用於提供第二控制信號(255)的第二感測器(253a，b)。
  6. 根據請求項1所述的夾具系統，其中該第一夾具元件(100)和該第二夾具元件(200)包括外表面(160，260)，該等外表面包括用於與物品進行碰撞檢測的力感測器。
  7. 一種機器人系統(1)，特別是工業機器人或用於支援人類的服務機器人，包括根據請求項1至6中任一項所述的夾具系統(10)。
  8. 根據請求項7所述的機器人系統(1)，還包括控制系統(300)，該控制系統(300)配置成可控制地操作驅動器(400)以使第一夾具元件(100)與第二夾具元件(200)接合，以將物體(2)固定在該等元件之間。
  9. 根據請求項8所述的機器人系統(1)，其中控制系統(300)的控制信號輸入基於第一控制信號(155)和/或第二控制信號(255)。
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