用于機器人裝置的碰撞檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于機器人裝置的碰撞檢測系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)包括：用于包裹機器人裝置一部分的軟性覆蓋構件（10），其界定了一個可容納氣體的內部空間；用于測量內部空間氣體壓強和軟性覆蓋構件（10）外部壓強之間差壓的至少一個傳感器（12）；和一個監(jiān)測單元（13），其用于接收至少一個傳感器（12）的測量信號，基于測量信號執(zhí)行分析以檢測差壓的突然變化，并且當檢測到這種差壓變化時，向機器人裝置發(fā)射一個停止信號。
【專利說明】用于機器人裝置的碰撞檢測系統(tǒng)
[0001]發(fā)明背景。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于機器人裝置的碰撞檢測系統(tǒng)。
[0003]本發(fā)明還涉及一種裝配有至少一個上述碰撞檢測系統(tǒng)的機器人裝置。
【背景技術】
[0004]眾所周知，當一個機器人與一個或者多個操作員處在同一個工作空間時，對于操作員和機器人的保護是絕對優(yōu)先的。
[0005]實際上，該機器人實現(xiàn)一個動作時，例如旋轉一個機械臂，可能會打到位于這個機械臂運動范圍內的一個操作員身上。如果打擊過于激烈的話，被碰到的操作員可能會受傷。
[0006]為了確保操作員的安全，經(jīng)常會使用物理隔離，例如安全籠，或非物理隔離，例如光學系統(tǒng)。
[0007]然而，這些隔離通過設立限制進入?yún)^(qū)域，放置眾多的視覺標識，如地面標記或者甚至添加額外的構件以確保物體在機器人專屬區(qū)域和操作員專屬區(qū)域之間的傳遞，這些隔離會引起工作空間的變化。
[0008]另外，嘈雜的聲學警報也同樣可以被用來警告操作員機器人正在啟動或者操作員闖入了機器人專屬區(qū)域。
[0009]所有的這些隔離都很昂貴且安裝時很繁瑣。再者，這些隔離限制了操作員的工作空間。
[0010]我們也知道一些靈敏的表層，其中這些表層基于能夠探測到接觸動作的靈敏的觸覺傳感器的陣列分布。
[0011]然而這些傳感器的制造相對復雜且耗費巨大，同時也只能使用在較小的區(qū)域。
[0012]我們還知道一些含有兩種導電或電阻材料的可觸摸表層，其通過測量電阻率來檢測接觸動作。
[0013]然而，這些傳感器的制造相對復雜且耗費巨大，尤其是得到的測量結果可能會不一致因而不可靠。
[0014]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術中的這些不同缺陷，提供用于機器人的一種碰撞檢測系統(tǒng)，其在設計和操作方面簡單，經(jīng)濟合算，并且擁有很高的靈敏度，可用于測量甚至很輕微的碰撞。
[0015]本發(fā)明的另外一個目的在于這樣的一種檢測系統(tǒng)能夠可靠且快速地檢測碰撞點的位置。

【發(fā)明內容】

[0016]為此，本發(fā)明涉及一種用于機器人的碰撞檢測系統(tǒng)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，該檢測系統(tǒng)包括: -一個軟性覆蓋構件，其用于覆蓋或者包裹該機器人設備的一部分，該軟性覆蓋構件界定了一個可容納氣體的內部空間，
-至少一個傳感器，其用于測量內部空間的壓強和軟性覆蓋構件的外部壓強之間的差壓，
-一個檢測單元，其經(jīng)配置后用于接收該至少一個傳感器的測量信號，基于該測量信號執(zhí)行分析以檢測該差壓的突然變化，并且當檢測到這種差壓變化時，向機器人裝置發(fā)射一個停止信號。
[0018]上述壓強的“突然變化”在此處意為該壓強的一個高頻率變化，例如軟性覆蓋構件被碰撞之后生成的在該內部空間內傳播的一個聲波所引起的壓強變化。
[0019]典型地，該軟性覆蓋構件的外部壓強是機器人裝置所處于的一個區(qū)域內的主要壓強，如一個房間或者大廳。因此，該外部壓強一般但并非必然是大氣壓強。
[0020]該機器人裝置的該被覆蓋的一部分是可以運動的，為了不限制其運動，軟性覆蓋構件的厚度以小于15毫米為佳，且更好的是其能小于10毫米。
[0021]有利地，上述這樣的一種碰撞檢測系統(tǒng)能夠非常顯著地改善機器人的安全性，并且因此能夠準許更安全地在操作員附近使用這些機器人。
[0022]事實上，該檢測系統(tǒng)能夠:
-檢測各種碰撞并且在不可逆的傷害發(fā)生之前使機器人停止運動，和
-通過使接觸力分散在一個大的表面上和/或通過使用軟性材料，減小碰撞的影響。
[0023]有利的是，這樣的一種檢測系統(tǒng)所包括的一個或者多個傳感器，沒有像現(xiàn)有技術中的裝置那樣分布在整個表層，而是位于表層的邊緣位置，因此需要較少的傳感器，并且這些傳感器的布線也更加容易。
[0024]在該檢測系統(tǒng)不同的【具體實施方式】中，每種【具體實施方式】都有其具體的優(yōu)點且會是眾多不同技術方案的合理組合:
-該檢測系統(tǒng)包括至少兩個傳感器用于測量差壓。
[0025]在一個傳感器失靈/發(fā)生故障的情況下，使用至少兩個傳感器確保了必要的冗余度。
[0026]使用三個或者更多的傳感器時，即至少三個傳感器，能夠利用三角測量法確定碰撞的位置。
[0027]在高精度地確定了碰撞的位置后，就可以用最好的方法調整機器人的反應，并且甚至也可以利用這個信息簡化機器人的操縱。
[0028]-該覆蓋構件包括一種透氣的柔性材料，在這種材料的至少一側覆蓋有一個不透氣層。
[0029]最好的是，該覆蓋構件包括兩個柔性層，這兩個柔性層的邊緣密封地連接，并且這兩個柔性層之間界定了一個內部空間，柔性材料位于該內部空間中。
[0030]僅僅為了說明，該不透氣柔性層由柔性塑料材料或者橡膠材料制成。
[0031]有利的是，該透氣的柔性材料選自包括一種泡沫、一種開孔泡沫、一種纖維填充物、至少一種彈性成分、和它們的組合物組成的組。
[0032]-該軟性覆蓋構件形成了一個自充氣軟墊，
-該檢測單元包括，對應于每一個傳感器，檢測單元包括:含有一級阻抗匹配的一個電路，在該級阻抗匹配的輸出端連接兩個電阻以將該級阻抗匹配輸出的信號分為兩個信號，該兩個信號分別被發(fā)送至一個比較器的不同的輸入端，能夠用于測量該比較器的輸出信號的一個檢測器，該輸出信號與在時間△ t內的壓強變化量相關。
[0033]該電子系統(tǒng)也可以替換為完全模擬的系統(tǒng):傳感器的信號經(jīng)過數(shù)字濾波得到相同的結果。
[0034]-該系統(tǒng)包括用于放置在該軟性覆蓋構件和該被包裹的機器人裝置的一部分之間的一個安全分界面，該安全分界面能夠檢測作用于其自身的壓強，并向一個控制單元發(fā)送一個警報信號，當該控制單元收到這樣一個警報信號時，該控制單元向機器人裝置發(fā)送一個停止?目號。
[0035]僅僅為了說明，該安全分界面可以由一種靈敏的表層制成，該表層的中間包含分開放置的兩種導電材料，當由于碰撞使這兩個導電材料接觸時，這兩種導電材料之間會傳遞一個信號。
[0036]-該至少一個傳感器用來直接安裝于機器人裝置，或者，安裝于遠離軟性覆蓋構件的位置以避免在軟性覆蓋構件上形成硬點，
-該系統(tǒng)包括用于測量內部空間壓強的一個探頭，
-包括用于保持該內部空間恒定壓強Pf的一個充氣裝置。
[0037]有利的是，為了確保該碰撞檢測系統(tǒng)對碰撞的高靈敏度，該恒定壓強的量級為3至4個bar壓強。
[0038]本發(fā)明同樣涉及到一個機器人成套設備，其包括一個機器人裝置和一個上述檢測系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0039]參照附圖，下述的不具有任何限制性的描述體現(xiàn)出了本發(fā)明的其他優(yōu)勢，目的和特征，其中附圖:
圖1示意性地呈現(xiàn)了本發(fā)明的用于機器人的碰撞檢測系統(tǒng)的一種【具體實施方式】；
圖2為圖1系統(tǒng)中的檢測單元的示意圖；
圖3示意性地呈現(xiàn)了配備有圖1系統(tǒng)中的兩個傳感器的表層；
圖4示意性地呈現(xiàn)了一個機器人，在其活動的機械臂的一部分上覆蓋有如圖1示意性呈現(xiàn)的表層。
【具體實施方式】
[0040]首先，需要注意的是這些附圖不是按實際比例呈現(xiàn)出來的。
[0041]圖1至圖3描述了本發(fā)明的用于機器人的一個碰撞檢測系統(tǒng)的一種【具體實施方式】。該機器人被放置于具有大氣壓強Pratm。的建筑物中。
[0042]該系統(tǒng)包括一個柔性覆蓋構件10，例如是靈敏的表層，用于覆蓋該機器人的一部分，如一個機械臂(圖中未示)，該機械臂在運動時可能會與一個物體或者一個人發(fā)生碰撞。
[0043]該柔性覆蓋構件10在此處是一個自動充氣軟墊，其包括袋裝于一個密封塑料包里的一袋泡沫。該柔性自動充氣軟墊10限定了內部壓強為Prind9—個可容納氣體的內部空間
Ilo
[0044]該覆蓋構件10是柔性的且處于充氣狀態(tài)，有利的是，其形成了能夠吸收輕微撞擊的一個保護隔離。
[0045]另外，有利的是，該覆蓋構件10在自動地保持其形狀時不需要充氣裝置，因此該覆蓋構件始終是能夠工作的。
[0046]如圖1所示，該系統(tǒng)同時還包括兩個傳感器12，這些傳感器安裝于該覆蓋構件10兩端的位置以避免在該構件的外表面形成硬點。
[0047]這些傳感器12測量由該覆蓋構件10所限定的可容納氣體的內部空間11的壓強Print和大氣壓強Pratm之間的差壓。
[0048]因此可以測量到該覆蓋構件10內的空氣壓強的變化。
[0049]然而，當該覆蓋構件10發(fā)生碰撞時，一個壓力波13在由該自動充氣軟墊10所界定的內部空間中傳播，并引起可以被這兩個傳感器12檢測到的壓強波動。
[0050]這些測量結果然后被發(fā)送至經(jīng)配置后用于接收這些傳感器12的測量信號的一個檢測單元13，對于每一個信號，該檢測單元都進行分析以檢測壓強的突然變化，并且當檢測到這樣的變化時，向機器人發(fā)送一個停止信號。
[0051]如圖2所示，對應于每一個傳感器12，該檢測單元13包括只與該傳感器相關的一個電路，包括一個第一運算放大器14，其輸出端連接兩個電阻15，16，這兩個電阻分別連接到一個第二運算放大器17的兩個不同的輸入端，并且這兩個電阻的阻值完全相同或者盡可能地接近。
[0052]該第二運算放大器17的反相輸入端171經(jīng)由一個電容器18與地線相連，同時，在該第二運算放大器17的反相輸入端171，電阻16和電容器18共同組成了一個低通濾波器。
[0053]在運算放大器17的反相輸入端171，電容器18和電阻16阻止了所有的高頻率信號，同時只容許低頻率信號通過。
[0054]在運算放大器17的正相輸入端172，所有頻率的信號都能通過，尤其是由覆蓋構件10的碰撞引起的表示壓強變化的信號。
[0055]該第二運算放大器17被連接成一個比較器，在整個壓強變化期間△t，當一個壓強變化發(fā)生時，該比較器輸出端的信號為1(高位信號)。因而可以用一個單片機(圖中未示)測量該第二運算放大器輸出端的信號。
[0056]連接于該第二傳感器輸出端的電阻19為輸出信號增加了一個延遲，當該第二運算放大器的兩個輸入端的信號非常接近時，該延遲效果能阻止震蕩的發(fā)生。
[0057]另外，通過位于該第二運算放大器17的反相輸入端和地線之間的電容實現(xiàn)了平滑化。這個電路還包括一個上拉電阻20，這能夠避免比較器被正相輸入端的噪音觸發(fā)。
[0058]這個電路有利地檢測到極小的壓強變化，具有很強的反應能力和很短的反應時間。僅僅為了說明，電路反應時間在此處的量級為100納秒。
[0059]該電路的一個分支包括能導致延遲的一個電容，故該分支電路只能緩慢地變化，因此兩個分支發(fā)送至比較器17的信號是不相同的。另外，一個上拉電阻能夠輕微地使電壓上升，以使得源于傳感器的噪聲信號并不能引起錯誤的檢測結果。至于該電路的第二個分支，其變化很快。
[0060]有利的是，該檢測系統(tǒng)能夠確定該覆蓋構件表面的碰撞位置。
[0061 ]另外，值得注意的是，即使發(fā)生輕微漏氣，該檢測系統(tǒng)也能夠運行。
[0062]同樣觀察到，覆蓋構件的外部壓強如大氣壓強的變化很慢、基本始終如一，例如由氣象條件或者甚至因迅速關門而引起的大氣壓強變化，都不會引起檢測系統(tǒng)的反應。
[0063]在檢測過程中使用多個傳感器12以保證冗余度，使該檢測系統(tǒng)更可靠。同時，使用三角測量的方法處理這些傳感器12發(fā)送的信號，能夠估算該覆蓋構件的表面的接觸位置。
[0064]在一個具體的實施方式中，該系統(tǒng)包括用于測量差壓的三個傳感器C^C2,和C3，假設傳感器&是第一個檢測到壓強波動的傳感器，傳感器(:2是第二個檢測到壓強波動的傳感器，傳感器C3是第三個檢測到壓強波動的傳感器。那么，測量時間的間隔分別是(ts-ti)和
(t3_tl) ο
[0065]碰撞發(fā)生點和傳感器Ci的之間距離是r，可以推導出碰撞發(fā)生點與傳感器C2和C3的之間距離分別是r +cX (t2 - tO和r +cX(t3 _ t!)，其中c是氣壓波在該覆蓋構件的內部空間內的傳播速度。
[ΟΟ??] 對于彎曲的構件，認為氣壓波沿著一個虛擬的中間面(mid-surf ace)傳播。
[0067]通過選取距離r附近的一個間距值Ar得到的曲線之間有一個交點，利用一個循環(huán)迭代算法，能夠在極短時間內且很高精度地利用該交點得到碰撞發(fā)生點的位置。
【主權項】
1.用于機器人裝置的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于包括: 一個軟性覆蓋構件(10)，其用于包裹所述機器人裝置的一部分，該軟性覆蓋構件(10)界定了一個可容納氣體的內部空間； 至少一個傳感器(12)，其用于測量所述內部空間的氣體壓強和所述軟性覆蓋構件(10)的外部壓強之間的差壓； 一個檢測單元(13)，其經(jīng)配置后用于接收所述至少一個傳感器(12)的測量信號，并基于所述測量信號執(zhí)行分析以檢測所述差壓的突然變化，并且當檢測到這種差壓變化時，向所述機器人裝置發(fā)射一個停止信號，且其中 所述軟性覆蓋構件(10)包括一種透氣的柔性材料，在所述透氣材料的至少一側覆蓋有一層不透氣層，所述軟性覆蓋構件(10)形成了一個自充氣軟墊。2.如權利要求1所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于其包括至少兩個傳感器(12)用于測量所述差壓。3.如權利要求1或2所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于所述透氣的柔性材料選自包括一種泡沫、一種開孔泡沫、一種纖維填充物、至少一種彈性成分、和它們的組合物組成的組。4.如權利要求1至3中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于，對應于每一個所述傳感器(12)，所述檢測單元(13)包括:含有一級阻抗匹配(14)的一個電路，在該級阻抗匹配(14)的輸出端連接兩個電阻(15，16)以將該級阻抗匹配(14)輸出的信號分為兩個信號，這兩個信號分別被發(fā)送至一個比較器(17)不同的輸入端，能夠用于測量該比較器(17)的輸出信號的一個檢測器，該輸出信號與在時間A t內的壓強變化量相關。5.如權利要求1至4中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于其包括一個安全分界面，其放置在所述軟性覆蓋構件(10)和所述被包裹的機器人裝置的一部分之間，所述安全分界面能夠檢測作用于其自身的壓強，并向一個控制單元發(fā)送一個警告信號，當所述控制單元收到這樣一個警告信號時，所述控制單元向所述機器人裝置發(fā)送一個停止信號。6.如權利要求1至5中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個傳感器(12)直接安裝于所述機器人裝置，或安裝于遠離所述軟性覆蓋構件(10)的位置，以避免在所述軟性覆蓋構件(10)上形成硬點。7.如權利要求1至6中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于包括用于測量所述內部空間的空氣壓強的一個探頭。8.如權利要求1至7中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)，其特征在于包括用于使所述內部空間的空氣保持在一個丨旦定壓強Pfom:ti_ement的一個充氣裝置。9.機器人成套設備，其包括一個機器人裝置和一個如權利要求1至8中任一項所述的碰撞檢測系統(tǒng)。
【文檔編號】B25J19/00GK106029309SQ201480076246
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月23日
【發(fā)明人】阿道弗·蘇亞雷斯-羅斯
【申請人】空中客車集團簡化股份公司