在指根处具有多力感测的机器人抓持装置制造方法
【专利摘要】一种机器人抓持装置（10），其具有第一手指（20）、第二手指（30）和致动器（40）。第一手指具有第一指尖（22）、第一指根（24）和第一致动器接合端部（26）。第一手指的第一夹持表面（21）位于第一指尖和第一指根之间。类似地，第二手指具有第二指尖（32）、第二指根（34）、第二致动器接合端部（36）。第二手指的第二夹持表面（31）位于第二指尖和第二指根之间。致动器（40）与第一致动器接合端部和第二致动器接合端部机械接合，以打开和闭合手指。第一力传感器（28）布置在第一手指的指根上，以测量第一手指上的第一操作力，并且第二力传感器（38）布置在所述第二手指的指根，以测量第二手指上的第二操作力。
【专利说明】在指根处具有多力感测的机器人抓持装置
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及一种机器人抓持装置。更加具体地，本发明涉及一种这样的机器人抓持装置，所述机器人抓持装置具有用于触觉反馈系统的改进的感测能力。
【背景技术】
[0002]远程控制机器人系统日益广泛地应用在这样的领域，在这些领域中，人类可能会承受危险或者其它令人不愉快的工作环境。机器人系统的一个重要部件是抓持装置或者夹持件，其用于抓持待被提升、移动或者搬运的物体。通常，抓持装置包括一根或多根机器人手指，能够通过致动器使机器人手指运动，以执行这些抓持操作。提供了用户接口，以允许操作者控制机器人手指的运动。
[0003]一些机器人系统包括触觉接口，所述触觉接口依赖来自机器人的传感器数据，以在用户接口处产生触觉反馈力。触觉反馈力旨在向用户提供有利于控制机器人系统的操作的触觉反馈。例如，在抓持装置的情况下，传感器能够测量由机器人手指施加于物体的力。这个关于力的信息传递给控制系统，在所述控制系统处，该信息被用于确定待在用户接口处给出的触觉反馈力。
[0004]一些抓持装置通过测量致动器作用力来估计由机器人手指施加的力。例如在美国专利N0.7，168，748中公开了这种系统。然而，这种布置方案所存在的一个问题是，其不能感测施加的力的方向。例如在美国专利N0.5，092，645中公开的其它系统在机器人手指上设置了触觉垫来测量由机器人手指施加的力。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种机器人抓持装置和用于测量施加到机器人抓持装置的力的方法。抓持装置包括至少第一和第二机器人手指，每根所述机器人手指均具有细长形式。机器人手指中的每一根均具有:近端，在所述近端处所述机器人手指接合致动器；和远端，所述远端包括夹持表面。致动器响应一个或多个控制信号，用于施加致动器力，所述致动器力使机器人手指根据抓持行为运动。例如，抓持行为能够减小相对的第一和第二夹持表面之间的距离。第一力传感器在近端和远端之间布置在第一机器人手指上且毗邻近端。第一力传感器构造成用于感测施加到第一机器人手指的远端的操作力。在一些实施例中，第一力传感器构造成用于感测关于至少三个空间方向的操作力。空间方向中的至少一个能够基本与第一机器人手指的细长长度对准。
[0006]第二力传感器在近端和远端之间布置在第二机器人手指上并且毗邻近端。在这个实施例中，第一力传感器和第二力传感器分别感测施加到第一和第二机器人手指的第一和第二操作力。根据本发明的一个方面，通过第一和第二力传感器中的每一个沿着至少三个空间方向测量这些力。更加具体地，第一力传感器相对于第一坐标系感测第一操作力，而第二力传感器相对于不同的第二坐标系感测第二操作力。第一坐标系的至少一根轴基本与第一手指的细长长度对准。第二坐标系的至少一根轴基本与第二手指的细长长度对准。[0007]来自第一和第二传感器的信息传递到数据处理系统。数据处理系统使用代表第一和第二操作力的数据来确定由抓持装置施加的夹持力。夹持力信息用于产生触觉反馈控制信号，以在用户接口处产生触觉响应。数据处理系统能够将第一操作力(第一坐标系的第一操作力)和第二操作力(第二坐标系的第二操作力)转化到共用的第三坐标系。因此，如果抓持装置附接到机器人臂，则能够确定机器人臂上的工作力。第三坐标系能够包括基本与机器人臂的细长长度对准的轴。数据处理系统能够使用工作力信息，以产生其它触觉反馈控制信号，以用于在用户接口处产生触觉响应。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]将参照以下附图描述实施例，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:
[0009]图1是机器人抓持装置的实施例的透视图；
[0010]图2A是图1中示出的机器人抓持装置的实施例的透视图，其中，移除了手指，以便图解指根和力传感器的位置；
[0011]图2B是图2A的由虚线环绕的部分的细节图；
[0012]图3是图1中示出的机器人抓持装置的实施例的透视图，其示出了用于机器人抓持装置的多种部件的力线图；
[0013]图4图解了应用图3的机器人抓持装置的无人地面车辆(UGV)；
[0014]图5图解了应用由通过图4的UGV测量的操作力数据获得的触觉反馈数据的控制器；
[0015]图6是示出了控制器的其它特征的详细的方块图。
【具体实施方式】
[0016]参照附图描述本发明的多个实施例，其中，相同的附图标记在所有附图中用于表示相似或者等效元件。没有按照比例绘制附图，并且所述附图仅仅用于图解本发明的实施例。在下文中参照示例性应用描述本发明的若干方面，用于解释。应当理解的是，所陈述的多个具体细节、关系和方法是为了全面理解本发明。然而，相关领域中的普通技术人员将易于认识到的是，能够在没有特定细节中的一个或多个的前提下或者利用其它方法实施本发明。在其它示例中，没有详细示出众所周知的结构或者操作，以避免使本发明不明显。本发明不受行为或者事件的图解顺序的限制，因为某些行为能够以不同的顺序和/或与其它行为或者事件同时发生。而且，并非所有阐释的行为或者事件均需要实施根据发明的方法。
[0017]本发明涉及具有一根或多根机器人手指的机器人抓持装置。更加具体地，本发明涉及在机器人手指根部处的多轴力感测。多轴力感测提供了确定作用在每根机器人手指上的操作力的方法。优选地，操作力测量包括沿着至少三个空间方向测量作用在机器人手指上的力，所述至少三个空间方向能够相对于关于手指的坐标系来限定。结果，在机器人手指上的所有接触力均能够被测量，其包括反作用力(由夹持产生)、作用在指尖的外力(例如通过掠过或者撞击表面)、被夹持物体的重量等等。而且，这种力感测不需要致动器作用力(actuator effort sensing)感测或在抓持装置自身的基部(腕关节)处测量力。将传感器放置在手指的指根处避免由振动、重型抓持装置或者两者在传统力/力矩传感器输出中能够产生噪声所引发的问题。特别地，当传感器位于传统位置时，例如当传感器位于附接有抓持装置的机器人臂时，能够产生这种噪声。将传感器放置在手指的指根处避免了这个问题，由此提供低噪声数据。
[0018]低噪声操作手指力数据能够转化为对于手处的应用最有用的格式。例如，能够计算整个手的夹持力，能够计算致动器臂上的工作力，并且还能够计算相对于机器人抓持装置的基部的力。这些计算出的力的值能够转化成用于操作者的高保真度的触觉反馈，以确保对机器人抓持装置实施精确控制。使用操作力数据计算触觉信息，以提供关于手指的夹持强度和臂上的工作力的力反馈信息。
[0019]图1是机器人抓持装置10的透视图。抓持装置10包括第一手指20和第二手指30。第一手指20和/或第二手指30能够联接到致动器40，所述致动器40容纳在夹持件基部11中，所述夹持件基部11连接到机器人臂12，所述机器人臂12支撑机器人抓持装置
10。尽管仅示出了两根手指20、30，但是应当理解的是，能够提供其它手指。每根手指20、30均包括:位于每根手指20、30的相应近端处的致动器接合端部26、36、也位于每根手指的近端处的手指指根24、34、和位于每根手指的远端处的指尖22、32。每根手指20、30的夹持表面21、31布置在相应的指尖22、32和指根24、34之间。力传感器28、38设置在致动器接合端部26、36和夹持表面21、31之间。
[0020]致动器40机械连接到致动器接合端部26、36中的每一个，以帮助打开和闭合抓持装置10。响应于特定的控制信号，致动器40构造成致使指尖22、32在致动器40操纵致动器接合端部26、36时朝向和远离彼此运动。
[0021]致动器40能够包括一个或多个直流电动机(未示出)，用于提供驱动力，以使手指
20、30运动。适当的控制电路还能够设置用于操作直流电动机。电动机能够联接到包括齿轮、凸轮或者其它适当的部件的传动系统，以便致使手指20、30响应电动机轴的旋转而朝向或远离彼此运动。而且，本发明在这一方面并不受到限制，并且其它的致动器布置方案也是可行的。例如，替代使用直流电动机，致动器还能够包括一个或多个液压或者气动致动器，以提供用于驱动手指20、30的驱动力。而且，应当理解的是，本发明并不局限于任何特定的致动器布置方案。替代地，能够使用任何适当的机械、机电、液压、气动等布置方案实现机器人手指的抓持运动。
[0022]现在参照图2A、图2B和图3，第一力传感器28测量第一手指20承受的第一操作力F1，而第二力传感器38测量第二手指30承受的第二操作力F2。操作力测量能够包括测量沿着一个、两个或者三个空间方向作用在手指上的力。能够相对于关于手指的坐标系来限定这些空间方向。例如，坐标系的一根轴线首先能够基本与沿着每根手指的细长长度延伸的轴线对准。
[0023]在某些实施例中，可能必须在每根手指中使用多于一个的力传感器，以沿着三个空间方向实施力测量。因此，力传感器28能够实际上由两个或更多个单独的力传感器构成。类似地，力传感器38还能够包括两个或更多个单独的力传感器，以沿着至少三个空间方向测量作用在手指上的力。
[0024]在一些实施例中，每根手指的力传感器28、38能够位于每根手指的指根24、34和有用的夹持表面21、31之间。在其它实施例中，力传感器28、38能够形成手指指根24、34的一部分。在本发明的优选的实施例中，每个力传感器28、38例如均能够是力测量单元，所述力测量单元物理地布置在手指指根24、34上。提供了每根手指20、30的相应夹持表面21、31的手指夹持件25、35刚性附接到手指指根24、34。在一些实施例中，力传感器28、38实施为粘合到手指指根24、34的表面上的应变计。为了在力施加到手指时获得手指指根的充分弯曲，手指指根24、34优选为薄壁结构，这是力感测应用的典型情况。由于应变计的易碎性质，因此，优选的是，手指夹持件25、35在被附接时在手指指根24、34上滑动并且完全覆盖手指指根24、34，以保护力传感器28、38免于损坏，如图2B所示。还期望的是，在手指夹持件25和手指指根24之间存在空气间隙27，使得手指夹持件25在手指指根24由于力Fl和F2而挠曲时不会接触到手指指根24 (除了在附接端部之外)。应变计28、38的电连接件连接到夹持件基部11内的电子设备，所述电子设备实施必要的信号调节和处理，以产生手指接触力Fl和F2的测量结果。
[0025]再次参照图3，其提供了机器人抓持装置10的透视图，图解了操作力的多个分力的力线图。当致动器40致使手指20、30握紧物体I时产生所示出的力。更加具体地，当手指20、30握紧物体I时，由手指20、30施加在物体I上的力将产生对应的反作用力Fik和F2k，所述反作用力Fik和F2k分别施加在手指20、30上。其它力也可以作用在手指20、30上。例如，由手指20、30抓持的物体将具有一定的重量，并且该重量将产生施加在手指20、30上的力。而且，在某些情况下，手指20、30能够接触或者运动通过产生作用在手指20、30上的阻力或者拖曳力的物体或者材料。这些力将共同地产生施加在第一手指20上并由第一力传感器28检测的操作力匕。类似地，操作力F2将施加在第二手指20上，并且该第二力将由第二力传感器38检测。
[0026]每个传感器28、38均能够应用相应的第一和第二参考系29、39，并且由传感器28、38检测到的作用在每根手指20、30上的操作力FpF2能够在参考系29、39中分解成对应的分力向量。因此，第一手指20承受的第一力F1在第一参考系Xl、Y1, Zl29中能够通过第一传感器28分解成三个对应的第一分力向量Fxl、Fyl、Fzl,而第二手指30承受的第二力F2在第二参考系x2、y2、z239中能够通过第二传感器38分解成三个对应的分力向量Fx2、Fy2、Fz2。
[0027]在本发明的一些实施例中，限定了第一和第二参考系29、39中的每一个，并且每个传感器28、38均例如参照基本沿着手指指根24、34的长轴延伸的向量(未示出)定向。该向量能够限定与由传感器28、38检测到的操作力的X分力对准的X轴的方向。本领域技术人员将理解的是，一些实施例中的X轴能够选择为沿着任意方向。能够参照从手指20、30的顶部表面延伸并且正交于X分力的z轴来限定操作力向量的z分力。y分力能够与y轴对准，所述I轴被限定为相对于X和z轴形成右手坐标系。当然，能够应用任何其它方法来限定每根手指20、30的相应的第一和第二参考系29、39，并且前述示例仅仅为示例性的。
[0028]每个力传感器28、38均能够将对应于由传感器28、38测量到的操作力F1' F2的操作力数据发送到致动器处理电路。在某些实施例中，致动器处理电路能够容纳在机器人抓持装置10中。可替代地，致动器处理电路能够布置在机器人臂12中，或者布置在附接有机器人臂12的无人地面车辆(UGV)中，或者布置在远程控制处理器单元中。可替代地，致动器处理电路能够分布在若干这样的位置处。当然，能够应用任何适当的方法来将关于操作力FpF2的信息发送到该致动器处理电路。例如，数字信号或者使用电压或者电流的模拟信号能够用于此目的。在一些实施例中，第一力传感器28能够通过机器人臂接口将第一操作力数据(编码操作力F1的三个力向量分量Fxl、Fyl、Fzl)发送到致动器处理电路。类似地，第二力传感器38能够通过该接口将第二操作力数据(编码操作力F2的三个力向量分量Fx2、Fy2、Fz2)发送到致动器处理电路。所述接口可以是适于传递模拟数据或者数字数据的任何适当的电子、光学或者电子光学接口。
[0029]在本发明的一些实施例中，由相应力传感器28、38产生的限定操作力F1 (Fxl、Fyl、Fzl)和PF2 (Fx2、Fy2、Fz2)的向量数据能够被处理，以分别被表示为第三参考系(xw、yw、zw)卿，工作参考系19)中的Fiw和F2W。这个处理能够由上述致动器处理电路实施。因此，如果Rl是将向量从Xpypzpg映射到工作参考系xw、yw、zw19的旋转矩阵，并且如果R2是将向量从x2> Y2> z239映射到工作参考系xw、yw、zw19的旋转矩阵，则由以下表达式给出Fiw和F2w:
[0030]
【权利要求】
1.一种用于测量机器人抓持装置受到的力的方法，所述方法包括: 在细长的第一机器人手指和第二机器人手指中的至少一个的近端处施加致动器力，以减小相对的第一夹持表面和第二夹持表面之间的间隔，所述第一夹持表面和第二夹持表面布置成毗邻所述第一机器人手指和第二机器人手指的相应远端； 使用第一力传感器感测施加到所述第一机器人手指的第一操作力，所述第一力传感器在近端和远端之间布置在所述第一机器人手指上，并且位于所述第一夹持表面之外的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括使用第二力传感器感测施加到所述第二机器人手指的第二操作力，所述第二力传感器在近端和远端之间布置在所述第二机器人手指上，并且位于所述第二夹持表面之外的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括相对于至少三个空间方向测量所述第一操作力和第二操作力。
4.根据权利要 求3所述的方法，所述方法还包括使用表示所述第一操作力和所述第二操作力的数据确定由所述机器人抓持装置施加到物体的夹持力。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括使用所述夹持力产生触觉反馈控制信号，用于在用户接口处产生触觉响应。
6.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括:相对于第一坐标系测量所述第一操作力，相对于与所述第一机器人手指的细长长度基本对准的直线轴限定所述第一坐标系；相对于不同的第二坐标系测量所述第二操作力，相对于与所述第二机器人手指的细长长度基本对准的直线轴限定所述第二坐标系；和将所述第一坐标系的所述第一操作力和所述第二坐标系的所述第二操作力转换到共同的第三坐标系，以计算所述机器人手臂上的接触力。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括使用所述接触力产生触觉反馈控制信号，用于在用户接口处产生触觉响应。
8.一种用于测量机器人抓持装置受到的力的系统，所述系统包括: 第一机器人手指和第二机器人手指，所述第一机器人手指和第二机器人手指中的每一个均具有细长形式，并且均具有近端和布置成毗邻其相应的远端的夹持表面； 致动器，所述致动器联接到所述第一机器人手指和第二机器人手指中的至少一个的近端; 至少第一力传感器，所述第一力传感器在所述近端和所述远端之间布置在第一机器人手指上，并且位于所述夹持表面之外的位置； 其中，所述致动器响应一个或多个控制信号，将致动器力施加到所述第一机器人手指和第二机器人手指中的至少一个的所述近端，以减小相对的第一夹持表面和第二夹持表面之间的间隔。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一力传感器构造成用于感测施加到所述第一机器人手指的第一操作力。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一力传感器构造成用于相对于至少三个空间方向感测所述第一操作力。
11.根据权利要求8所述的系统，所述系统还包括至少第二力传感器，所述至少第二力传感器在所述近端和所述远端之间布置在所述第二机器人手指上，并且位于所述夹持表面之外的位置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一力传感器和所述第二力传感器分别构造成用于感测分别施加到所述第一机器人手指和第二机器人手指的第一操作力和第二操作力。
13.根据权利要求12所述的系统，所述系统还包括数据处理系统，所述数据处理系统构造成根据表示所述第一操作力和第二操作力的数据确定由所述机器人抓持装置施加到物体的夹持力。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述数据处理系统还构造成用于使用表示所述夹持力的信息产生触觉反馈控制信号，用于在用户接口处产生触觉响应。
15.根据权利要求12所述的系统,其中，所述第一力传感器构造成相对于第一坐标系感测所述第一操作力，相对于与所述第一机器人手指的细长长度基本对准的直线轴限定所述第一坐标系，所述第二力传感器构造成相对于不同的第二坐标系感测所述第二操作力，相对于与所述第二机器人手指的细长长度基本对准的直线轴限定所述第二坐标系，并且所述系统还包括数据处理系统，所述数据处理系统构造成用于将所述第一坐标系的所述第一操作力和所述第二坐标系的所述第二操作力转换到共同的第三坐标系，以计算所述机器人臂上的接触力。`
【文档编号】B25J13/08GK103442859SQ201280013671
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月2日 优先权日:2011年3月17日
【发明者】M·D·萨莫, P·M·波斯彻, L·J·韦尔金森 申请人:哈里公司