用于交互系统的通信系统技术方案

一种用于在物理环境内执行交互的系统，该系统包括：机器人，其具有经历相对于环境的运动的机器人底座和安装到机器人底座的机器人臂，机器人臂包括安装在其上的末端执行器；通信系统，其包括现场总线网络；跟踪系统，其包括跟踪底座和跟踪目标，跟踪底座被定位于环境中并连接到现场总线网络，跟踪目标安装到机器人的部件，其中跟踪底座被配置为检测跟踪目标，以允许跟踪目标相对于跟踪底座的定位和/或定向被确定；以及控制系统，其经由现场总线网络与跟踪系统通信，以确定跟踪目标的相对定位和/或定向，并根据跟踪目标的相对定位和/或定向控制机器人臂。

Communication system for interactive system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于交互系统的通信系统专利技术背景本专利技术涉及用于在物理环境内执行交互的系统和方法，且特别是涉及用于使用具有被安装在经历相对于环境的运动的机器人底座上的机器人臂的通信系统以允许在环境内执行交互的系统和方法。现有技术的描述在本说明书中对任何现有的出版物(或来源于其的信息)或对已知的任何内容的提及不被视为并且不应被视为对现有的出版物(或来源于其的信息)或已知的内容形成本说明书涉及的奋斗领域中的公知常识的一部分的承认或允许或任何形式的暗示。已知提供了其中安装在移动机器人底座上的机器人臂用于在物理环境内执行交互的系统。例如，WO2007/076581描述了一种用于由多个砖块建造建筑物的自动砌砖系统，其包括设置有砌砖和粘合剂施加头的机器人、测量系统和向机器人提供控制数据以在预定位置处铺设砖块的控制器。测量系统实时测量头部的定位，并为控制器产生定位数据。控制器基于定位数据和头部的预定或预编程定位之间的比较产生控制数据，以在关于建造中的建筑物的预定定位处铺设砖块。控制器可以控制机器人以逐层(coursebycourse)方式建造建筑物，其中砖块顺序地铺设在它们相应的预定定位处，并且其中在为下一层铺设砖块之前，为整个建筑物铺设完整一层的砖块。激光跟踪器(例如US-4,714,339和US-4,790,651中描述的激光跟踪器)可用于测量装配到对象的目标的定位和定向。在2008年7月21-25日的CMSC：Charlotte-Concord中，Kyle描述了一种用于测量具有六个自由度的目标的定位和定向的激光跟踪器极坐标测量系统(lasertrackerpolarmeasurementsystem)。制造商API(Radian和OT2与STS(智能跟踪传感器))、Leica(AT960和Tmac)和Faro提供了激光跟踪器系统，其中一些可以测量目标的定位和定向。这些系统以300Hz或1kHz或2kHz(取决于装备)测量定位。(关于STS和Tmac的)定向测量依赖于使用以当前最大的100Hz进行测量的2D相机的相应的视觉系统。加速度计数据，例如来自倾斜传感器或INS(惯性导航系统)的加速度计数据，可用于以高达1000Hz确定或预测或内插定向测量结果，但对于已知系统，定向精度可能被降低至0.01度。这样的激光跟踪器可用于对机器人臂上的末端执行器进行精确的定位测量。从激光跟踪器和主动目标获得的等同于位于末端执行器上的或末端执行器附近的主动目标的定位和可选的定向的数据被用于至少控制末端执行器的定位，并且优选地还控制末端执行器的定向，且因而稳定末端执行器。现有的激光跟踪器和主动目标装备，例如APIRadian和SmartTrackSensor(STS)或APIOmnitrack和SmartTrackSensor或LeicaAT960XR和Tmac，需要激光跟踪器和主动目标之间有硬连线连接。在工业机器人上，这需要沿着机器人臂布线且可能到达末端执行器、且也可能到达激光跟踪器的专用电缆。在大型建筑机械上，例如在申请人描述的砌砖机上，专用电缆必须从激光跟踪器延伸到交通工具，然后延伸通过铰接的多级伸缩吊臂到被安装在铺设头上的主动目标(智能跟踪传感器)。这种电缆需要多个插头和插座连接器以用于组装和维护的目的。激光跟踪器和主动目标系统作为一个从端到端的完整系统被提供，其带有专用电缆和控制装置以及与外部装备的单一接口。这些系统从多个传感器(例如空气温度传感器、湿度传感器、以及编码器、干涉仪和ADM(自动测距仪)以及内部温度传感器)获得输入。当前的制造商希望在内部管理他们的控制系统，并将他们的控制和校准算法保留为嵌在内部软件内的知识产权。LeicaAT960XR激光跟踪器在用Ethercat选件将其连接到工业现场总线网络的情况下是可用的。这允许激光跟踪器向控制网络提供数据；然而，AT960XR需要单独的专用电缆来将其连接到Tmac主动目标。APIOmnitrac和APIRadian跟踪器在通过无线通信连接到其专用控制PC的情况下是可用的。然而，这种无线连接引入了时间延迟或延时，这使得跟踪器不能用作控制实时动态运动的反馈传感器。如果APIOmnitrac或Radian硬连线连接到专用跟踪器控制PC，则该专用跟踪器控制PC必须连接到机器控制PC，并且这些附加连接引入了小的通信开销和小的延时，这对于可接受用于补偿运动的实时控制是不理想的，例如对于申请人的砌砖机。在某些机器上，期望或必须使用多个激光跟踪器和或多个主动目标。在这种情况下，必须使用多条专用电缆来连接部件。这增加了大量不期望的插头、电缆、重量和成本，并降低了可靠性(这与电缆数量和插头数量成反比)。本专利技术的概述在一个宽泛形式中，本专利技术的方面寻求提供一种用于在物理环境内执行交互的系统，该系统包括：机器人，该机器人具有：机器人底座，机器人底座经历相对于环境的移动；机器人臂，该机器人臂被安装到机器人底座，机器人臂包括安装在机器人臂上用于执行所述交互的末端执行器；通信系统，该通信系统包括现场总线网络；跟踪系统，该跟踪系统包括：跟踪底座，跟踪底座被定位于环境中并连接到现场总线网络；以及，跟踪目标，跟踪目标被安装到机器人的部件，其中，跟踪底座被配置为检测跟踪目标，以允许跟踪目标相对于跟踪底座的定位和/或定向被确定；以及，控制系统，该控制系统：经由现场总线网络与跟踪系统通信，以确定跟踪目标相对于跟踪底座的定位和/或定向；以及，根据跟踪目标相对于跟踪底座的定位和/或定向控制机器人臂。在一个实施例中，现场总线网络还被耦合到：机器人臂致动器；机器人底座致动器；一个或更多个末端执行器致动器；以及，一个或更多个传感器。在一个实施例中，通信系统包括：现场总线主设备；以及，一个或更多个现场总线从设备，该一个或更多个现场总线从设备连接到现场总线主设备。在一个实施例中，控制系统作为现场总线主设备连接到现场总线网络，并且其中，跟踪系统作为至少一个现场总线从设备连接到现场总线网络。在一个实施例中，跟踪系统是激光跟踪系统。在一个实施例中：跟踪底座包括：跟踪头，该跟踪头具有：辐射源，辐射源被布置成向跟踪目标发送辐射束；底座传感器，底座传感器感测反射的辐射；以及，头部角度传感器，头部角度传感器感测跟踪头的定向；以及，跟踪目标包括反射器，反射器将辐射束反射到跟踪底座。在一个实施例中，该控制系统：经由现场总线网络从跟踪底座接收指示来自底座传感器和头部角度传感器的测量结果的传感器数据；并且，使用传感器数据确定跟踪目标相对于跟踪底座的定位和/或定向。在一个实施例中，对于控制系统的每个时钟周期，该控制系统：从跟踪底座接收传感器数据；确定跟踪目标的定位和/或定向；并且，至少部分地基于所确定的定位向机器人臂发送控制信号。在一个实施例中，跟踪底座包括至少一个跟踪头致动器，该至少一个跟踪头致动器控制跟踪头定向，并且其中，控制系统响应于跟踪目标的移动来控制该至少一个跟踪头致动器，使得跟踪头跟踪跟踪目标。在一个实施例中，跟踪目标连接到现场总线网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在物理环境内执行交互的系统，所述系统包括：/na)机器人，所述机器人具有：/ni)机器人底座，所述机器人底座经历相对于所述环境的移动；/nii)机器人臂，所述机器人臂被安装到所述机器人底座，所述机器人臂包括安装在所述机器人臂上用于执行所述交互的末端执行器；/nb)通信系统，所述通信系统包括现场总线网络；/nc)跟踪系统，所述跟踪系统包括：/ni)跟踪底座，所述跟踪底座被定位于所述环境中并连接到所述现场总线网络；以及，/nii)跟踪目标，所述跟踪目标被安装到所述机器人的部件，其中，所述跟踪底座被配置为检测所述跟踪目标，以允许所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向被确定；以及，/nd)控制系统，所述控制系统：/ni)经由所述现场总线网络与所述跟踪系统通信，以确定所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向；以及，/nii)根据所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向控制所述机器人臂。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170817 AU 20179033121.一种用于在物理环境内执行交互的系统，所述系统包括：
a)机器人，所述机器人具有：
i)机器人底座，所述机器人底座经历相对于所述环境的移动；
ii)机器人臂，所述机器人臂被安装到所述机器人底座，所述机器人臂包括安装在所述机器人臂上用于执行所述交互的末端执行器；
b)通信系统，所述通信系统包括现场总线网络；
c)跟踪系统，所述跟踪系统包括：
i)跟踪底座，所述跟踪底座被定位于所述环境中并连接到所述现场总线网络；以及，
ii)跟踪目标，所述跟踪目标被安装到所述机器人的部件，其中，所述跟踪底座被配置为检测所述跟踪目标，以允许所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向被确定；以及，
d)控制系统，所述控制系统：
i)经由所述现场总线网络与所述跟踪系统通信，以确定所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向；以及，
ii)根据所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向控制所述机器人臂。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述现场总线网络还被耦合到：
a)机器人臂致动器；
b)机器人底座致动器；
c)一个或更多个末端执行器致动器；以及，
d)一个或更多个传感器。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述通信系统包括：
a)现场总线主设备；以及，
b)一个或更多个现场总线从设备，所述一个或更多个现场总线从设备连接到所述现场总线主设备。


4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制系统作为现场总线主设备连接到所述现场总线网络，并且其中，所述跟踪系统作为至少一个现场总线从设备连接到所述现场总线网络。


5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统是激光跟踪系统。


6.根据权利要求5所述的系统，其中：
a)所述跟踪底座包括：
i)跟踪头，所述跟踪头具有：
(1)辐射源，所述辐射源被布置成向所述跟踪目标发送辐射束；
(2)底座传感器，所述底座传感器感测反射的辐射；以及，
ii)头部角度传感器，所述头部角度传感器感测所述跟踪头的定向；以及，
b)所述跟踪目标包括反射器，所述反射器将所述辐射束反射到所述跟踪底座。


7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制系统：
a)经由所述现场总线网络从所述跟踪底座接收指示来自所述底座传感器和头部角度传感器的测量结果的传感器数据；以及，
b)使用所述传感器数据确定所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，对于所述控制系统的每个时钟周期，所述控制系统：
a)从所述跟踪底座接收所述传感器数据；
b)确定所述跟踪目标的定位和/或定向；和
c)至少部分地基于所确定的定位向所述机器人臂发送控制信号。


9.根据权利要求6至8中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪底座包括至少一个跟踪头致动器，所述至少一个跟踪头致动器控制跟踪头定向，并且其中，所述控制系统响应于所述跟踪目标的移动来控制所述至少一个跟踪头致动器，使得所述跟踪头跟踪所述跟踪目标。


10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述跟踪目标连接到所述现场总线网络。


11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述跟踪目标被配置成跟踪所述跟踪底座。


12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述跟踪底座和跟踪目标中的至少一者作为现场总线从设备经由所述现场总线网络被连接。


13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述跟踪目标包括：
a)目标传感器，所述目标传感器感测所述辐射束；以及，
b)目标角度传感器，所述目标角度传感器感测所述目标的定向。


14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制系统：
a)经由所述现场总线网络从所述跟踪目标接收指示来自所述目标传感器和目标角度传感器的测量结果的传感器数据；以及，
b)使用所述传感器数据确定所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定向。


15.根据权利要求14所述的系统，其中，对于所述控制系统的每个时钟周期，所述控制系统：
a)从所述跟踪目标接收所述传感器数据；
b)确定所述跟踪目标的定向；和
c)至少部分地基于所确定的定向来向所述机器人臂发送控制信号。


16.根据权利要求11至15中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪目标包括至少一个跟踪目标致动器，所述至少一个跟踪目标致动器控制跟踪目标定向，并且其中，所述控制系统响应于所述跟踪目标的移动来控制所述至少一个跟踪目标致动器，使得所述跟踪目标跟踪所述跟踪底座的头部。


17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述跟踪系统还包括跟踪系统控制器，所述跟踪系统控制器作为另一现场总线从设备连接到所述现场总线网络。


18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述跟踪系统控制器使用从来自所述一个或更多个跟踪底座传感器和所述一个或更多个跟踪目标传感器的信号导出的数据来：
a)控制所述跟踪底座和跟踪目标执行相互跟踪；以及，
b)确定所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和/或定向，并且其中，所述跟踪系统控制器经由所述现场总线网络与所述跟踪底座和跟踪目标中的至少一者通信。


19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述跟踪系统控制器在以下中的一项中被提供：
a)所述跟踪底座；
b)所述跟踪目标；以及，
c)控制箱，所述控制箱远离所述跟踪系统。


20.根据权利要求18或权利要求19所述的系统，其中，所述跟踪系统控制器：
a)接收目标传感器数据；
b)接收指示以下项的底座传感器数据：
i)所述跟踪头的定向；以及，
ii)在所述目标和所述跟踪底座之间的距离；
c)使用所述底座传感器数据和所述目标传感器数据来计算所述跟踪目标相对于所述跟踪底座的定位和定向；以及，
d)经由所述现场总线网络向所述控制系统提供指示所述目标定位和定向的定位和定向数据。


21.根据权利要求1至20中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统和控制系统的操作是经由所述现场总线网络时间同步的。


22.根据权利要求1至21中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统以以下频率中的至少一个频率测量所述目标定位和/或定向：
a)至少10Hz；
b)至少20Hz；
c)至少30Hz；
d)至少100Hz；
e)至少300Hz；
f)至少1kHz；
g)至少2kHz；以及，
h)至少10kHz。


23.根据权利要求1至22中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统以以下中的至少一个精度测量所述目标定位：
a)优于10mm；
b)优于2mm；
c)优于1mm；
d)优于0.2mm；
e)优于0.02mm；
f)优于0.01mm；以及，
g)优于5μm。


24.根据权利要求1至23中的任一项所述的系统，其中，所述控制系统以以下频率中的至少一个频率操作：
a)至少10Hz；
b)至少20Hz；
c)至少30Hz；
d)至少100Hz；
e)至少300Hz；
f)至少1kHz；
g)至少2kHz；以及，
h)至少10kHz。


25.根据权利要求1至24中的任一项所述的系统，其中，所述控制系统和跟踪系统以相同的频率操作。


26.根据权利要求1至25中的任一项所述的系统，其中，在所述控制系统和所述跟踪系统之间经由所述现场总线网络的通信具有以下延时中的至少一个延时：
a)小于100ms；
b)小于10ms；
c)小于5ms；
d)小于2ms；以及，
e)小于1ms。


27.根据权利要求1至26中的任一项所述的系统，其中，在测量所述目标定位和/或定向与响应于所述测量至少控制所述机器人臂之间的延时是以下中的至少一个：
a)小于100ms；
b)小于20ms；
c)小于15ms；
d)小于10ms；
e)小于5ms；以及，
f)小于1ms。


28.根据权利要求1至27中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统以以下精度中的至少一种精度测量跟踪头和跟踪目标中的至少一者的定向：
a)优于1度；
b)优于0.1度；
c)优于0.01度；
d)优于0.002度；
e)优于0.001度；以及，
f)优于0.0001度。


29.根据权利要求1至28中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪系统测量整个工作包络中的所述目标定位和/或定向，所述工作包络具有以下中的一个半径：
a)至少2m；
b)至少5m；
c)至少10m；
d)至少20m；
e)至少40m；以及
f)至少80m。


30.根据权利要求1至29中的任一项所述的系统，其中，所述机器人臂能够以以下精度中的至少一种精度定位所述末端执行器：
a)优于2mm；
b)优于1mm；
c)优于0.2mm；
d)优于0.02mm；
e)优于0.01mm；以及，
f)优于5μm。


31.根据权利要求1至30中的任一项所述的系统，其中，所述机器人臂能够以以下速度中的至少一种速度移动所述末端执行器：
a)大于0.01ms-1；
b)大于0.1ms-1；
c)大于0.5ms-1；
d)大于1ms-1；
e)大于2ms-1；
f)大于5ms-1；以及，
g)大于10ms-1。


32.根据权利要求1至31中的任一项所述的系统，其中，所述机器人臂能够以以下加速度中的至少一种加速度来加速所述末端执行器：
a)大于1ms-2；
b)大于10ms-2；以及；
c)大于20ms-2。


33.根据权利要求1至32中的任一项所述的系统，其中，所述机器人底座是可移动机器人底座，并且所述系统包括相对于所述环境移动所述机器人底座的机器人底座致动器。


34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述机器人底座致动器能够以以下精度中的至少一种精度来定位所述机器人底座：

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·约瑟夫·皮瓦茨，
申请(专利权)人：快砖知识产权私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU