高精度的机器人安放和操纵制造技术

在无需专用的或任务专属的部件的情况下提供精确的机器人操作的系统和方法在一个实施方式中采用了与机器人机械手(102)物理分开的空间调节系统(100)，该空间调节系统支承目标工件(108)且与机器人机械手(102)合作工作以便以高的空间精度执行任务。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关领域的交叉引用本申请要求于2013年10月11日提交的美国专利号61/889,630的优先权及权益，其所有公开内容被援引纳入本文。
本专利技术的实施例总体涉及机器人系统，尤其涉及高精度的机器人安放和操纵。
技术介绍
机器人已在许多工业和生产环境中被有效利用来促进可靠性和成本节约。例如机器人臂可以移动物体以执行包括组装、包装、检测等在内的任务。机械手通常被放置在延伸的机器人臂上，从而操纵点可被容易调节。然而，通过延伸的机器人臂准确控制机械手可能是挑战性的。例如机械手通常具有较大质量；为了直至机器人根关节地都以期望的精度支承这种负荷，在臂与根关节之间的运动链中的各关节须在位置误差的极严格的容差范围内来操作。换句话说，运动链中的所有关节须以与在目标处的期望精度一样的或更高的精度来操作。位于臂根部处的马达角度精度例如需要在0.03度以内，以保证位于两米长的机器人臂的端部的机械手在目标位置的1毫米范围内。这样的严格要求造成复杂性和高成本。另外，机器人系统需要施加大的力来阻尼整体臂运动的任何可能的动态作用。即使对于搬运轻型目标的简单任务来说，以亚微米或亚角度的精度传送目标仍是困难的。例如在简单的组装任务中，在两米长的机器人臂的端部，螺钉重量可能仅有几毫克重；而用于传送螺钉的机器人装置必须能在保持在每个接头处的精确位置的情况下完全伸展的同时支承自身(包括所有马达、齿轮箱和电子装置)，还补偿该运动链中的侧隙、弯曲、滑动和累积误差。这又在显著增大了机器人系统的设计复杂性和生产成本。过去，能执行高精度目标操纵的机器人系统使用了专用于特定任务的部件和技术。这不仅要求专门的严谨设计且由此增加了系统复杂性和成
本，而且限制机器人系统的通用适用性。因此，人们需要一种在无需专用的或任务专属的部件或技术情况下提供精确的目标操纵的机器人系统。
技术实现思路
在各实施例中，本专利技术涉及用于在无需专用的或任务专属的部件情况下提供精确的机器人操作的系统和方法。在一个实施方式中，与机器人机械手物理分开的空间调节系统支承工件且与机器人机械手合作工作以便以高的空间精度执行任务。在操作期间，机器人系统首先使机器人机械手粗略移向目标附近。在空间调节系统内的或与空间调节系统合作的跟踪系统能准确检测机器人机械手的位置且向控制器传输信息。该控制器随后命令空间调节系统中的一个或多个致动器来基于所检测的机器人机械手位置调节目标位置。因为空间调节系统能以高的空间精度使目标工件与机器人机械手对准，故不需要在机器人臂和根关节之间的运动链中的所有机器人关节在位置误差的有限容差范围内操作地准确执行任务。因此，本专利技术提供了用于可容易经济地制造的机器人系统的准确的目标操纵。因此，一方面，本专利技术涉及用于操纵目标的机器人系统。在各实施例中，该系统包括机器人机械手、与机器人机械手物理分开的用于支承和移动目标的定位系统、用于检测机器人机械手的位置的跟踪系统和响应于跟踪系统的控制器，该控制器被构造成控制该定位系统以便至少在一定程度上基于由跟踪系统所检测的机器人机械手的位置来调节该目标的位置。在各实施例中，该定位系统包括用于支承目标的可移动平台和响应于控制器的用于移动平台以调节目标位置的至少一个致动器。例如机器人机械手可以包括光源，且跟踪系统可以包括成像装置；在一些实施方式中，光源产生人眼可见光谱范围外的光(如红外波段)。定位系统可包括使目标在第一方向平移的第一致动器和使目标在第二方向平移的第二致动器，第二方向与第一方向不同(如相互垂直)。在一些实施例中，定位系统还包括使目标在第三方向平移的第三致动器，第三方向与第一和第二方向不同(如垂直于第一和第二方向)。其中一个或多个所述致动器可以是平移致动器，且其中一个或多个所述致动器可以是转动致动器。如果需要，可将更多的致动器增加至系统。例如在一些实施例中，为了实现平移调节和转动调节，可共同使用三个平移致动器和三个转动致动器。控制器还可被构造成调节目标位置以使目标与机器人机械手对准。另一方面，本专利技术涉及通过机器人操纵目标的方法。在各实施例中，该方法包括的步骤有：确定目标位置；使机器人机械手粗略移动向目标位置；检测机器人机械手的位置；至少在一定程度上基于所检测到的机器人机械手的位置来调节目标位置。在各实施例中，该方法还包括确定用于机器人机械手粗略移向目标位置的最佳路径。“最佳”通常是指最有效的如浪费最少的运动。例如最佳路径可以至少在一定程度上基于机器人机械手在运动前的位置和目标位置来确定，且还可能导致存在将由机械手达到的多个目标。目标位置的调节速度可基于目标与机器人机械手的检测位置之间的距离来确定。目标位置可被调节以使目标与机器人机械手对准。又一方面，本专利技术涉及用于在工件上执行任务的机器人系统。在各实施例中，该系统包括具有用于操纵工件的机器人机械手的机器人；与机器人物理分开的助手系统，该助手系统包括用于感测工件、包含工件的空间区域和/或机器人机械手的状况的感测系统和响应于感测系统且被构造成操作该助手系统以帮助机器人执行任务的控制器。在各实施例中，控制器被构造成操作助手系统以操纵工件。例如控制器可被构造成操作助手系统以改变包含工件的空间区域内的状况和/或与机器人机械手互动。当然，除定位外，目标操纵还包括例如锯切、拧上盖、密封袋、施力、用力保持等，这些均落入本专利技术的范围。附图说明从以下结合附图对本专利技术的详细说明中将更易理解以上讨论，其中：图1示例性示出根据本专利技术的实施例的机器人系统；图2是描述根据本专利技术实施例的代表性的机器人机械手训练方法的流程图；图3A-3C示例性示出本专利技术的实施例的操作；图4是描述根据本专利技术实施例的代表性的任务执行方法；图5示例性示出根据本专利技术实施例的控制器。具体实施方式首先参见图1，其示出与机器人系统协同工作以提供高精度机器人操作的空间调节系统100的实施例，该机器人系统例如是具有机器人机械手102的机器人101。机器人系统101例如可以是如都于2012年9月17日
提交的美国序列号13/621,658和13/621,657所述的机器人，上述两份专利的全部公开内容被援引纳入本文。在各实施例中，空间调节系统100包括用于检测机器人机械手102的位置的跟踪系统104和用于支承并移动目标108的定位系统106。在一个实施方式中，跟踪系统104包括两个传感器，即用于检测x轴位置的传感器104x和用于检测y轴位置的传感器104y。传感器104检测机器人臂102或其部分的变化位置。传感器104的取向允许其检测范围重叠并包含至少与定位系统106同延伸的工作区域。传感器104可检测由位于机器人机械手102上的工具尖标识110所传输或反射的信号，随后将测得信息(如信号幅度)提供给控制器112以用于确定机器人机械手102的位置。传感器104可以是传统的光传感器、声传感器、超声传感器或能捕获由工具尖标识110所产生的信号并以数据形式表现信号的或者能用传统图像采集和识别软件来光学检测和识别工具尖标识110的任何类型的装置。在一些实施例中，定位系统106包括用于支承目标108的可移动平台114和一个或多个用于移动该平台以便动态调节目标位置的致动器116(如步进马达或无刷马达)。例如致动器116可以使平台分别沿x轴和y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操纵目标的机器人系统，所述系统包括：机器人机械手；与所述机器人机械手物理分开的用于支承和移动该目标的定位系统；用于检测所述机器人机械手的位置的跟踪系统；和响应于所述跟踪系统的控制器，所述控制器被构造成控制所述定位系统以至少在一定程度上基于由所述跟踪系统检测到的所述机器人机械手的位置来调节该目标的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.11 US 61/8896301.一种用于操纵目标的机器人系统，所述系统包括：机器人机械手；与所述机器人机械手物理分开的用于支承和移动该目标的定位系统；用于检测所述机器人机械手的位置的跟踪系统；和响应于所述跟踪系统的控制器，所述控制器被构造成控制所述定位系统以至少在一定程度上基于由所述跟踪系统检测到的所述机器人机械手的位置来调节该目标的位置。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定位系统包括：用于支承该目标的可移动平台；和响应于所述控制器的用于移动所述平台来调节该目标位置的至少一个致动器。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述机器人机械手包括光源，所述跟踪系统包括成像装置。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光源产生在人眼可见光谱范围外的光。5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述定位系统包括用于使所述目标在第一方向上平移的第一致动器和用于使所述目标在第二方向上平移的第二致动器，所述第二方向与所述第一方向不同。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述定位系统还包括用于使所述目标在第三方向上平移的第三致动器，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均不同。7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个致动器是多个致动器，至少其中一个所述致动器是平移致动器，且至少其中一个所述致动器是转动致动器。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被构造成调节所述目标位置以使所述目标与所述机器人机械手对准。9.一种通过机器人操纵目标的方法，该方...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·伊万诺夫，罗德尼·布鲁克斯，
申请(专利权)人：睿信科机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US