机器人系统的硬件模块和机械联接器的制作方法

本发明涉及模块化机器人的领域。它涉及机器人系统的硬件模块，以及如对应的独立权利要求的前序部分所述的机械联接器。

背景技术：

如今，在制造环境中，机械手被分配给特定任务，并且在移动自由度、几何形状或执行其它类型任务的机械/物理能力方面不容易适应。由于成本压力，机器人或机械手在生产中被广泛使用，并且公司希望在购买机器人时最大程度地提高它们的roi(投资回报率)。有需要使机器人在性能或动作方面更加灵活。

通过组合硬件模块组装而成的模块化机器人已在学术和实验环境中得到证明。然而，它们不能在生产性工业环境中使用。

us9475199b2公开一种机器人臂。所述臂包括：关节，其可经由通用配合适配器以免工具方式附接和/或拆卸；传感器，其测量如工具性能和诊断的信息；控制器，其从传感器获得数据；和控制板，其将由传感器获取的数据存储和交换到系统中存在的不同关节和工具。通用配合适配器包括存储和传达参数配置的机制和能力，从而可重新布置关节以用于臂的立即操作，而无需进一步重新编程、重新编译或其它软件干预。然而，臂的这些部分不包含嵌入式控制器，并且它们的历史记录也不在本地存储。

us20100180711a1公开一种机器人末端执行器系统。末端执行器包括控制器，所述控制器接收由附接到末端执行器的传感器聚集的反馈信息，并与机器人系统的各个部分通信。控制器还包含内存存储设备。末端执行器可快速附接到机器人或从机器人上移除，以便更换到不同的工件。在更换附接到机器人的末端执行器时，将执行器控制系统与机器人控制系统通信，所述机器人控制系统为备用末端执行器提供程序和指令。这允许机器人快速重新分配任务。然而，本公开限于执行器，并且不考虑由若干可插拔模块构成的机械手。状态和操作数据不由执行器的嵌入式控制器收集。

ep1287868a2公开一种机器人模块的集合，每个机器人模块具有内存能力、致动器、关节位置传感器、通信装置和处理单元。来自多个模块的多个处理单元被视为构成分布式控制单元。

us6636781b1描述了系统中自治代理的分布式控制和协调。一组代理系统的成员将进行自我配置并同步它们的动作，以便作为一个组完成任务。

技术实现要素：

本发明的目的是创建一种机器人系统的硬件模块，以及最初提到的类型的机械联接器，所述机械联接器可用来组装可按更灵活方式使用的机器人臂或机械手。

这些目的通过根据权利要求的机器人系统的硬件模块和机械联接器来达到。

根据本发明的第一方面，提供了如下所述的硬件模块。这类硬件模块可与根据第二方面的硬件模块的一个或多个元件组合实现，和/或与根据第三方面的机械联接器组合实现，或者按完全独立的方式实现。

机器人系统的硬件模块包含测量硬件模块的内部属性的至少一个传感器、与其它硬件模块通信的通信单元、数据存储单元和嵌入式控制器，

嵌入式控制器被配置成收集收集的数据，收集的数据包含

-表示硬件模块的当前状态的状态数据；和

-表示硬件模块的使用情况的操作数据；

其中收集的数据的至少部分根据来自至少一个传感器的传感器数据确定，并且至少执行以下中的至少一项

●将收集的数据存储在数据存储单元上，和

●经由通信单元传输收集的数据。

被传输的传感器数据可在未被存储在数据存储单元中的情况下被传输，或者它可首先被存储在数据存储单元中，然后从存储器中检索，然后被传输。

由传感器测量的硬件模块的内部属性是，例如，硬件模块的关节的相对位置，或致动器的位置，或硬件模块内部的温度，硬件模块的部分的伸长率(例如由应变仪测量)，作用在硬件模块上的力和扭矩，在硬件模块操作期间发生的振动等。这类内部属性中的一些可在硬件模块本身中用于控制硬件模块的操作，如关节位置测量用来控制对应的关节致动器。内部属性可用来检测故障、需要维护的关键条件或调节校准参数等。内部属性中的一些可被存储和/或传输，而无需由嵌入式控制器用于硬件模块本身的操作。

硬件模块可被视为智能可插拔模块。可插拔模块意指可它借助于标准化接口在硬件层和在软件或通信层两者上进行连接。智能模块意指它包含具有数据存储和数据处理元件的计算单元，所述数据存储和数据处理元件允许硬件模块例如执行数据处理，并且具有与其它硬件模块通信的通信元件。可借助于从控制计算机上的嵌入式控制器到基于云的处理单元的各种硬件实体来实施计算单元。

硬件模块可被配置成接收软件更新和/或配置更新，以便维持与其它硬件模块的兼容性。

硬件模块可被配置成接收软件升级以添加新功能。这可为传感器的数据处理软件，例如相机的图像分析软件，或者机械手模块的新电动机控制算法。

硬件模块可为

●机械手模块。

●传感器模块，其包含至少一个传感器和作为计算单元的嵌入式控制器，用于处理由传感器获取的原始传感器数据并与其它硬件模块通信，特别是用于将处理后的传感器数据传输到其它硬件模块。

包含例如旋转或平移移动的关节和致动器的硬件模块被称为有源模块。具有固定几何形状或固定几何配置的硬件模块被称为无源模块。传感器模块通常是无源模块。扩展器模块(其例如扩展机器人臂的长度，但没有关节)是无源模块。

在实施例中，硬件模块例如在其数据存储单元中存储对硬件模块的物理特性的描述。此描述包含机械、电气和部件参数中的一个或多个，如：

-几何尺寸；

-重量；

-致动器类型；

-由致动器生成的力或扭矩；

-致动器的移动速度；

-传感器类型；

-传感器分辨率；

-传感器精度；

和这类参数的容差范围。

物理特性一般由硬件模块及其部件的物理结构确定。它们可随时间的流逝保持不变，也可改变。通过硬件模块本身中的传感器，或者通过硬件模块与其它硬件模块(可为机械手模块和/或传感器模块)的交互，特别是通过执行校准例程，可检测变化。对于每个参数，可存储当前值，并且还任选地存储具有先前值的历史数据。这表示参数随时间的变化。

在实施例中，对硬件模块的当前状态的描述包含以下中的一项或多项：

-硬件模块的内部状态；

-硬件模块物理连接到的其它硬件模块的列表；这可表示仅附接到硬件模块本身的相邻硬件模块(而不是仅经由其它模块间接连接的硬件模块)；

-这类连接的参数；

-硬件模块上当前安装的软件模块的列表；

-硬件模块的地理位置；这可表示存储设施或工厂位置，并且可用于评估模块的可用性以及将模块运输到要使用的位置的运输时间和工作量；

-硬件模块被配置成与之通信或协作的其它硬件模块的列表；

-硬件模块被配置成与之通信或与之相关联的软件模块的列表。

当前状态表示状态数据，因此状态数据包含例如内部状态数据、硬件模块物理连接到的其它硬件模块等。内部状态可为硬件模块内部的温度、作为硬件模块的部分的关节的位置，在这种情况下可为机械手模块等。

与硬件模块相关联的软件模块显然可为在硬件模块上执行的软件，但它们也可为“相关的”，因为它们处理由硬件模块(例如硬件相机的图像处理软件)获取的数据，或者因为它们确定在硬件模块(例如计算校准参数的校准软件)的操作中使用的数据(从由同一硬件模块确定的校准数据，或者从由其它硬件模块(特别是传感器)获得的数据)。

在实施例中，硬件模块例如在其数据存储单元中存储表示硬件模块的使用情况的历史数据。

在实施例中，操作数据和历史数据包含以下中的一项或多项：

-总操作时间；

-操作数据的记录值；

-操作数据的统计值；

-执行的周期数；

-故障类型；

-故障统计；

-消除故障的时间和/或成本；

-由故障导致的停机时间；

-如何消除特定故障；

-从其它历史数据得出的统计值和其它值；

-维护操作日志。

历史数据可从操作数据中得出，并且数据可包含关于硬件模块或硬件模块的部件何时操作以及操作多长时间的数据，以及在它们的操作中使用的参数。举例来说，操作数据可说明设备(例如电动机)何时被打开、它以什么功率操作以及它何时被关闭。操作数据可包含物理属性的值，特别是机械或电气属性。机械属性可为力、扭矩、速度、行进路径等。电气属性可为电流、电压、功率等。操作数据可由嵌入式控制器(对于由嵌入式控制器本身控制的参数)或者从至少一个传感器获得的传感器数据来确定。

历史数据还可包含部分或全部由人生成的条目，如如何消除特定故障，或者具有维护动作的数量、日期、频率以及维护期间采取的各个步骤的维护动作日志。可自动生成关于故障的信息。如果由于维修或维护而更换硬件模块，则它将由具有由系统自动或手动记录的不同标识的类似硬件模块替换。如果硬件模块已修复但仍在原位，则记录在其历史记录中。

在实施例中，硬件模块是机械手模块，所述机械手模块包含由关节连接的两个机械连杆、设定关节的位置并由此设定连杆的相对位置的致动器。

这将有源硬件模块(具有关节)与无源模块(没有关节但可包含零个、一个或多个传感器、嵌入式控制器、数据存储单元和通信单元)区分开。这类无源模块可检测其联接到相邻硬件模块的取向，并且可在其数据存储单元中包含关于其几何形状的校准参数。

在实施例中，硬件模块是机械手模块，所述机械手模块包含由旋转关节连接的两个机械连杆，每个连杆包含适于将其连接到另一硬件模块的接口的接口，并且其中当关节处于第一位置时，两个接口彼此平行，并且当关节处于相对于第一位置旋转180°的第二位置时，两个接口彼此成直角。

更详细地，这意指可为第一接口分配与第一接口处于固定空间关系的第一平面，并且可为第二接口分配与第二接口处于固定空间关系的对应的第二平面。然后，当关节处于第一位置时，两个平面彼此平行，并且当关节处于第二位置时，两个平面彼此成直角。

一组至少两个硬件模块(第一和第二硬件模块)可配置它们的接口，使得通过相同的接口，第一和第二硬件模块可在至少两个不同的相对空间位置中的一个上彼此连接，两个不同的位置通过硬件模块中的一个相对于另一个旋转180°和/或90°而相关。

每个接口包含作为机械和电气以及通信连接元件的接口元件。电气接口元件可传输功率，并且还可操作或用作通信接口。

在实施例中，接口通常位于模块的末端处，或者位于机器人组件的基本硬件模块上。每个硬件模块至少具有一个且最多具有五个接口。接口是平坦的或成角度的，优选以45°取向，从而允许进行笔直或直角的连接。它们包含确保每个模块之间机械和电气连接功能的物理装置。每个接口可以至少两个不同的取向插入，因此包含至少两组对称布置的连接装置。接口可确保硬件模块的精确定位和牢固固定。此功能由单一类型的元件完成，或者使用两种不同类型的元件拆分：

●使用单一类型的元件进行机械连接的实例是但不限于：螺纹连接、夹紧连接、偏心孔连接。

●分离式机械连接的实例：磁性连接：确保/引导物理连接――应与机械连接组合

基本硬件模块可包含加速度传感器。这允许它能够确定其空间取向，这可取决于例如它是安装在地板、墙壁还是天花板上。此信息可用来调整附接到基本硬件模块的硬件模块的运动控制。

电气连接可实施

●感应电源连接：来自第(n-1)个智能模块或来自机器人组件的基本硬件模块的功率通过感应联接器发送到第n个硬件模块，所述第n个硬件模块可使用该能量运行。

●功率线通信：plc/pln/pdsl-dc总线可用于通过与电源相同的物理连接进行数据传输。这降低了空间需求和接口成本。

在实施例中，硬件模块包含第一接口和第二接口，以及通过硬件模块的内部从第一接口传递到第二接口的通道。

这类通道可用来引导电线、缆线、纤维、流体或可流动物质等通过一个硬件模块或一系列连接的硬件模块。

通常，这类通道可在硬件模块的外部(可见)或内部，优选是内部或内通道，并且更优选具有进入模块的中心位置。通道的功能使机器人系统或组件的定制成为可能：可添加缆线，或者通道可用来传导流体(如胶水、树脂、油、空气、真空……)，用于分配和/或抽吸这类流体。在外部通道的情况下，一旦凭借导向系统安装了机器人组件，就可将其固定在外部。在内部通道的情况下，它可由机器人的材料(钢、不锈钢、铝……)制成，并且可加衬，以便对流体具有化学耐受性，或者使流体更好地流动或缆线更容易地通过成为可能。缆线可为电缆、光纤、传送3d打印细丝等。

在实施例中，数据存储单元存储表示关节和两个连杆的相对位置和取向的校准数据。

特别地，此校准数据可表示关节和第一接口之间以及连杆和第二接口之间的相对位置和取向，以及与关节本身相关的校准数据，反映出关节中与标称值的误差或偏差。通常，校准数据可依据绝对值或依据相对于参考值的偏差或误差表示。

对于不包含连杆的无源硬件模块，校准数据可表示第一和第二连杆接口之间的相对位置和取向。

校准数据还可限定根据影响硬件模块的条件调整校准参数的程序。这类条件可包含温度，如环境温度和内部温度、作用在硬件模块上的负载等。

校准数据可在硬件模块制造完成之后和/或稍后，借助于在测试设定中对硬件模块执行的专用校准程序来确定。在硬件模块与其它硬件模块组合安装的情况下，也可借助于专用校准程序或基于硬件模块正常或生产性操作期间获取的传感器数据的程序来执行校准。

在实施例中，致动器包含电动机，其经由传动装置驱动关节的位置，和第一位置传感器，其测量传动装置的输入侧处(传动装置由电动机驱动的位置处)的致动器位置，和第二位置传感器，其测量传动装置的输出侧处(传动装置驱动关节的位置处)的致动器位置，和负载估计器，其被布置成从传动装置的输入侧和输出侧处的致动器位置估计作用在关节上的负载。

在实施例中，这通过负载估计器将传动装置的输入侧和输出侧的致动器位置缩放到公共比例，并从缩放后的致动器位置的差异和表示传动装置的回弹力的弹簧刚度(通常，位置是旋转位置)来估计负载而完成。换句话说，关节上的负载致使传动装置挠曲，由此其挠曲的程度取决于负载以及传动装置的弹性或回弹力。它挠曲的程度产生传动装置输入端和输出端处位置的不同。当确定此差异时，必须考虑传动比。这通过缩放位置或位置变化而完成。举例来说，传动装置输入端处的位置乘以传动比，从而在传动装置输出端处产生对应的缩放位置。如果此缩放位置与在输出端处测量的位置不同，则此差异是由于关节上的负载而致使传动装置屈曲。

测量关节上的负载可用来感测作用在机械手上的外力。这进而可用于碰撞检测，并控制机器人遵守外力。这进而对于遵守协作式人机布置的安全要求可能是必需的。

在实施例中，硬件模块包含被布置成抑制关节的移动的制动器，制动器是摩擦制动器。

制动器可被配置成在硬件模块断电和/或紧急停止时施加制动力或扭矩。摩擦制动器可被配置成以预定力或扭矩保持关节，所述预定力或扭矩对应于预定最大制动扭矩。这进而允许即使在硬件模块断电时，用户也通过手动施加较大的扭矩来移动关节。协作人机系统可能需要此移动机器人臂的能力，如例如iso/ts15066中所规定。

在实施例中，硬件模块包含被布置成抑制关节的移动的制动器，制动器被布置成建立抑制关节的移动的机械形式装配。

制动器可被配置成在硬件模块断电和/或紧急停止时锁定关节的移动。

在实施例中，制动器允许预定量的反冲。如果是此情况，即使在硬件模块断电时，用户也可通过手动向关节施加扭矩而在对应于此反冲的范围内移动关节。反冲可对应于例如1°或2°或5°或10°或15°或20°的接合角。

根据本发明的第二方面，提供了如下所述的硬件模块。这类硬件模块可与根据第一方面的硬件模块的一个或多个元件组合实现，和/或与根据第三方面的机械联接器组合实现，或者按完全独立的方式实现。

这类机器人系统的硬件模块包含两个机械连杆，其由旋转关节和柔性导管连接，

和圆柱形导管引导空间，其由内圆柱体壁和外圆柱体壁之间的中空空间限定，两个圆柱体壁从中空空间的第一端延伸到第二端，并且彼此同轴且与关节的轴线同轴，

导管在第一端处附接到第一连杆并从那里被引导到中空空间的第一端处的中空空间中，并且

导管在第二端处附接到第二连杆并从那里被引导到中空空间的第二端处的中空空间中，

第一端和第二端之间的导管的长度允许第一连杆和第二连杆之间至少180°或至少270°或至少360°或至少720°的相对旋转。

这允许将导管保持封闭在硬件模块内部。相邻硬件模块的导管之间的连杆可被实施为硬件模块的接口的部分，结果是，硬件模块之间的所有连接均经由接口进行。这产生完全模块化的硬件模块，而无需在组装硬件模块之后安装导管、缆线等。此外，避免了滑环的使用及它们的缺点。

在实施例中，内圆柱体壁包围关节的另外的元件，特别是致动器、嵌入式控制器、数据存储单元和通信单元中的至少一个。

因此，中空空间可被布置在关节的外部处，允许相对大的直径，这进而允许导管的大弯曲半径。

导管可被布置成承载功率和/或通信的电缆。导管本身可为这类缆线。导管可被布置成承载可流动物质。

关节轴线可与第一接口和/或第二接口相交。

关节轴线可与相应接口的第一接口平面和/或第二接口平面成45°角。

根据本发明的第三方面，提供了如下所述的机械联接器。这类硬件模块可与根据第一方面的硬件模块的一个或多个元件和/或根据第二方面的硬件模块的一个或多个元件组合实现，或者按完全独立的方式实现。

一种机械联接器，优选用于联接如本文所述的硬件模块，所述机械联接器包含具有第一接口平面的第一接口和具有第二接口平面的第二接口，

第一接口和第二接口被设计成通过将第一接口平面抵靠第二接口平面放置而联接，

机械联接器包含一个或多个弹簧加载锁定联接器和一个或多个定位联接器，

其中，当建立联接器时，锁定联接器将第一和第二接口平面拉靠彼此，并且用平行于第一和第二接口平面作用的力将定位联接器的接触表面推靠彼此。

由于锁定联接器是弹簧加载的，因此第一接口和第二接口之间的所得的稳定相对位置和取向

●由第一和第二接口平面限定，限制两个接口之间的一个平移和两个旋转自由度，并且

●通过定位联接器的接触表面，限制其余两个平移和一个旋转自由度。

更详细地，在一个或多个定位联接器的每一个处，定位联接器的第一定位联接器元件的第一接触表面被推靠在定位联接器的第二定位联接器元件的第二接触表面上。第一定位联接器元件可为锁定销，并且第二定位联接器元件可为具有固定凸轮的锁定孔，反之亦然。

第一和第二接触表面的法线向量通常平行于相应的第一和第二接口平面。因此，这些接触表面不会在垂直于接口平面的方向上限制联接器伙伴的相对位置。这些接触表面可在垂直于接口平面的方向上彼此滑动，在接口平面上的投影中看到的联接器伙伴的相对位置保持不变。当这些接触表面推靠彼此时，所得的接触力向量平行于接口平面。

通常，接口平面被加工为单片材料(通常为金属)上的单个表面。然而，它们可另选地各自包含若干个单独但共面的表面。

在实施例中，机械联接器包含至少两个锁定联接器和至少一个定位联接器，至少两个锁定联接器被布置成在第一接口和第二接口之间施加扭矩，并且至少一个定位联接器通过将相应接触表面由扭矩压靠彼此来限定第一接口和第二接口的相对位置。

在实施例中，机械联接器包含至少两个锁定联接器和至少两个定位联接器，至少两个锁定联接器被布置成在第一接口和第二接口之间施加扭矩，并且至少两个定位联接器通过对于至少一个或对于每个定位联接器，将相应接触表面由扭矩压靠彼此来限定第一接口和第二接口的相对位置和取向。

此布置允许关于联接在一起的物体或模块的相对角度(或相对取向)具有高精度的可重复性。两个角度通过将接口平面彼此接触而以高精度限定。对应于围绕垂直于接口平面的轴线的旋转的其余角度由定位联接器限定。

在实施例中，定位联接器中的一个包含中心定位销和定位孔。这限定了接口平面中的相对位置。围绕中心定位销的接口中的相对取向由另一定位联接器限定，所述另一定位联接器包含偏心定位销和对应的定位孔，它们的接触表面由扭矩压靠彼此。

在实施例中，两个定位联接器均包含偏心定位销和对应的定位孔。接口中的相对位置和相对取向均由它们的接触表面由扭矩压靠彼此来限定。

在实施例中，机械联接器包含四个锁定联接器和两个定位联接器，四个锁定联接器被布置成在第一接口和第二接口之间施加扭矩，并且两个定位联接器通过对于每个定位联接器，将相应接触表面由扭矩压靠彼此来限定第一接口和第二接口的相对位置和取向。

在此，定位联接器中的一个也可为中心联接器而另一个为偏心联接器，或者两者均可为偏心联接器。

此布置允许关于联接在一起的物体或模块的相对角度(或相对取向)具有高精度的准最佳重复性。角度如前述实施例中所限定。四个锁定联接器可按对称方式布置，从而也按对称方式生成围绕垂直于接口平面的轴线的旋转的扭矩。

在实施例中，由至少两个锁定联接器施加并平行于第一和第二接口平面作用的力由作用在定位联接器的接触表面推靠彼此的位置处的力平衡，并且以下中的至少一个保持：

●在定位联接器中的一个或多个或所有处，作用在定位联接器的接触表面之间的力至少近似垂直于接触表面；

●锁定联接器限定了锁定联接器的中心点，并且定位联接器中的每一个到锁定联接器的中心点的距离相同；

●锁定联接器和定位联接器的配置允许在至少两个不同的相对空间位置联接接口，两个不同的位置通过接口中的一个相对于另一个围绕垂直于第一和第二接口平面的轴线旋转180°和/或90°而相关。

如果恰好有两个锁定联接器，则它们的中心点可为两者之间的中点。如果有三个或更多个，则中心点可为以锁定联接器作为其顶点的凸多边形的重心。

每个锁定联接器到中心点的距离也可与定位联接器中的每一个到中心点的距离相同。

在实施例中，第一接口包含连接器插头，并且第二接口包含至少第一和第二连接器插座，并且第一接口和第二接口可在至少第一相对位置和第二相对位置彼此联接(第一接口平面抵靠第二接口平面放置)，在第一相对位置，连接器插头接合第一连接器插座，在第二相对位置，连接器插头接合第二连接器插座。

然后，包含第二接口的硬件模块可通过确定哪个连接器插座与连接器插头接合来确定第一接口和第二接口的相对位置。嵌入式控制器可被配置成确定这一点。

在实施例中，自动确定机器人系统的计算模型可包含以下步骤

●通过为机器人系统的每个硬件模块确定以下内容来自动确定机器人系统的物理配置，

○相关联的硬件模块描述，其包含对硬件模块物理特性的描述；

○其与一个或多个相邻硬件模块的几何关系；

○一个或多个相邻硬件模块的标识。

硬件模块描述可从与硬件模块分开或者如存储在硬件模块本身中的数据库(即库存)中检索。

硬件模块与一个或多个相邻硬件模块的几何关系；可从硬件模块的接口之间的空间关系来确定。连同每个硬件模块的关节位置，确定由硬件模块形成的运动学连杆的完整配置。

物理特性可至少包含由硬件模块形成的运动学连杆的参数，如denavit-hartenberg参数。这些对于运动轨迹规划是足够的。物理特性还可包含硬件模块的近似或精确3d主体模型。这些可被组合以形成机器人系统的3d模型，所述3d模型可实施作为运动轨迹规划的部分的碰撞避免。

将机械手模块插入模块化机器人系统可向中央计算和命令单元(ccc)提供至少两种类型的信息，如：

所述模块相对于所述组件的位置和功能；

●所述模块的物理特性及其对那些物理特性的容差，其中所述物理特性可包含所述模块的重量或速度范围或力范围或长度范围。

●历史记录：维护、使用情况、执行的周期数；

●由模块本身传输到模块清单的信息：有源/更新的库。

在实施例中，操作机器人系统的方法包含，用于自动确定硬件模块与一个或多个相邻硬件模块的几何关系，确定两个相邻硬件模块在若干个可能的相对空间位置中的哪个位置的步骤，

●来自嵌入在连接相邻硬件模块的至少一个接口中的传感器；或

●来自用户输入。

在实施例中，操作机器人系统的方法包含自动确定一个或多个相邻硬件模块的标识的以下步骤：

●传感器，其被布置成观察确定一个或多个硬件模块的标识的硬件模块。

根据从属专利权利要求，另外的实施例是显而易见的。

附图说明

以下文本中将参考附图中图示的实例性实施例更详细地说明本发明的主题，附图示意性地示出：

图1机器人系统的各元件；

图2机械手模块；

图3处于不同关节位置的机械手模块；

图4a处于不同关节位置处的另一机械手模块；

图4b具有组合旋转和线性关节的机械手模块；

图5机器人系统或组件的物理结构；

图6机器人系统或组件的接口结构；

图7a-b对应的接口；

图8a-c接口的锁定联接器；和

图9a-b通过硬件模块被引导的导管。

原则上，相同的部分在附图中提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地给出了机器人系统的元件的概观，其包含硬件模块3和软件模块4，统称为“模块”。在现实世界中，硬件模块3被组合并被配置成作为致动器和传感器工作。硬件模块3可被物理连接以形成机械手，如机器人臂。

硬件模块3可为机械手模块33，并且连接到基本硬件模块3b的一组连接的机械手模块33形成机器人系统或机器人组件3c。

硬件模块

硬件模块3可为例如机械手模块33、基本硬件模块3b、中央计算和命令单元(ccc)10或传感器模块3s，或者为通过兼容单元或转换器3a连接和控制的旧式设备。

机械手模块33，除了具有作为其它类型的硬件模块3的计算单元之外，还包含致动器39。

图2示意性地示出了具有嵌入式控制器35的机械手模块33，所述嵌入式控制器35被布置成控制致动器39，从一个或多个传感器38读取传感器数据，例如对于由机械手模块生成或作用在机械手模块上的力和扭矩，将数据存储到本地数据存储单元36和从本地数据存储单元36检索数据，以及通过通信单元37与其它硬件模块3和/或中央控制单元通信。

致动器39包含驱动传动装置394的电动机393，所述传动装置进而驱动关节34，即设定由关节34连接的连杆的相对位置。第一位置传感器391被布置成测量致动器39在电动机393和传动装置394之间(即在传动装置394的输入侧处)的(角)位置。第一位置传感器391被布置成测量致动器39在传动装置394和关节34之间(即在传动装置394的输出侧处)的(角)位置。

第一位置传感器391可为增量式传感器，并且可用来控制电动机393。第二位置传感器392可为绝对值传感器，并且可用来测量关节34的位置，特别是在给硬件模块3通电时。通过此组合，增量式第一位置传感器391的精度由第二位置传感器392确定关节位置的能力来补充，而不必将关节移动到为增量式传感器建立参考的参考位置。同样，一旦硬件模块3通电，来自两个传感器的读数的差异，结合关于传动装置394的弹性或回弹力的信息就可用来确定作用在关节34上的负载。负载估计器395被配置成基于来自第一位置传感器391和第二位置传感器392的读数来确定这类负载。

制动器396被布置成抑制关节34的运动。它防止硬件模块3和形成机器人臂的硬件模块3的组合在断电时在其自己的重量下移动。制动器可被布置成在硬件模块3断电或以受控方式关闭时自动激活。制动器396可为摩擦制动器，并且可使其制动力受限，使得关节34可被操作者使用。另选地，制动器396可建立机械形式装配，所述机械形式装配锁定关节中的相对移动。在这种情况下，制动器396可允许一定的反冲，再次以便允许操作者移动关节34至少到一定程度。

通道345从第一接口31通向第二接口32。它至少在关节34的区域中与关节34的轴线同轴地延伸。通道345可包含通过流体密封连接彼此滑动的两个管区段。以这种方式，在两个或多个硬件模块3通过它们的接口联接的情况下，创建通过这些硬件模块3的通道。

机械手模块33的计算单元通常是嵌入式控制器35。机械手模块可借助于一个、两个或多个物理连接或接口31、32物理连接到其它机械手模块，所述其它机械手模块一起形成模块化机械手系统或组件。物理连接或接口31、32通常包含具有将机械手模块连接到其它机械手模块的机械连接元件的机械接口，以及具有通信和功率链路的电气连接元件的电气接口。机械手模块33能够与这些其它机械手模块通信，以确定它们的标识并与它们以及任选地与ccc单元交换其标识和参数。通过致动致动器39，可设定两个或多个机械接口31、32之间的几何关系。为简洁起见，可依据机械手模块的关节位置来描述这类关系。如果机械手模块实施旋转关节，则关节位置由角度来描述，并且机械接口之间的几何关系可由此角度以及关节和机械接口中的每一个之间的几何关系来确定。

嵌入式控制器35的主要功能任务可为：

●标识硬件模块3的特性：几何形状、物理数据……

●由中央计算和命令单元10确定模块在机器人组件内的相对或绝对位置；

●数据转移到中央计算和命令单元10；

●从中央计算和命令单元10接收、理解并转换为动作命令；

●驱动和调节一个或多个致动器39；

●向其自己的软件添加新功能；

●升级其软件以保持与中央计算和命令单元10的软件的兼容性；

●从传感器读取、收集过程和存储解释数据；

●收集、列出、传达和存储数据――例如，为维护和校准目的建立历史记录数据

每个硬件模块3均知道其特性并能够描述自己。每个模块的特性在于至少两种类型的参数，其间

i)其在机器人组件中的位置，

ii)其功能(有源或无源)，并且在有源功能的情况下，确切功能：关节、执行器、用于处理、胶合的伸缩臂……

iii)其几何特性：重量、惯性、长度、直径、外部尺寸、通道尺寸，――机械属性取决于零件和材料的质量――

iv)机械属性/阻力：速度、力、扭矩、移动尺寸、反应性……

v)其关于每个参数的容差给出每个模块的操作窗口。每个智能可插拔模块均是唯一的并具有其自己的控制回路，

vi)其历史记录：周期数。维护日期和措施、与传感器相关的历史数据……

vii)其校准数据

每个硬件模块3可理解并实施来自中央计算和命令单元10的命令，并且可将其转化为动作。动作可为移动，但也可为等待、睡眠、转移数据等。

传感器38由模块的嵌入式智能或嵌入式控制器35驱动。它们的功能可为以下三种类型中的一种：

●定位：基于位置传感器反馈来驱动致动器(一个或多个)；

●系统控制：支持动作的实现或给出对动作结果的指示；

●维护/可靠性：

○给出关于模块本身的老化情况的指示；

○给出对位于附近并由传感器(一个或多个)观察到的其它硬件模块的指示；

传感器读数可通过基于有线或无线的信道传输到嵌入式控制器35。由传感器测量的属性实例包含温度、湿度、加速度计、振动、声音信号等。

机械手模块33包含两个机械连杆，第一连杆31a和第二连杆32a，这些连杆之间的相对位置可通过致动器39控制。第一连杆31a包含第一接口31，并且第二连杆32a包含第二接口32。接口31、32中的每一个包含作为机械和电气及通信连接元件的接口元件31b、32b。

在本实例中，关节34是旋转关节，并且第一接口31和第二接口32位于与旋转关节34的旋转轴线基本上成45°角的平面中。这允许将两个接口从如图2所示的它们彼此平行的位置旋转到如图3所示的它们成直角的位置。

图4a示出了处于不同关节位置的另一机械手模块33。图3中示意性地示出的元件被封装或容纳在第一连杆31a和第二连杆32a的相应壳体内。

图4b示出了具有组合旋转和线性关节的另一机械手模块33。第二接口32可为基本的，因为它仅包含机械连接元件。第二接口32附接到细长圆柱形元件，所述细长圆柱形元件可沿其圆柱体轴线线性地或平移地移动并且可围绕此轴线旋转。

图5示意性地示出了机器人系统或组件的物理结构，机械手模块33被连接以形成从基本硬件模块3b开始的顺序结构。在未示出的其它实施例中，多于一个序列的机械手模块33可基于相同的基本硬件模块3b。在未示出的其它实施例中，机械手模块33或硬件模块3通常具有多于两个接口，并且因此树状结构可与它们组装在一起。所述图还象征性地示出了硬件模块3的不同大小和对应的接口类型，在此实例中，范围从“大”(l)到“中”(m)到“小”(s)。通常，对于远离基座3b的硬件模块3，大小和接口类型变得更小。

图6示意性地示出了机器人系统或组件的接口结构：电源线路31p和通信线路31c从中央计算和命令单元10开始循序地通过机械手模块33运行。通信线路31c可为往返于中央计算和命令单元10的两个通信方向的物理上分开的线路，或者两个通信方向可穿过相同的物理线路，例如通信总线。在实施例中，相同的通信线路31c和在这些线路上运行的通信协议被用于控制硬件模块3(的关节34)的移动、传输传感器数据以及用于读取或写入状态数据、操作数据、历史数据等。

通信

通信确保通过机器人系统或组件的机械手模块33以及与中央计算和命令单元10的通信信号传输。它可使用穿过机械手模块33的总线，如以太网、以太网、(iso15745)can、基于光纤的或无线通信装置，例如，lte、lte-advanced、wi-fi、bluetooth、nfc或它们的组合。通信可用广播或用点对点协议进行。

数据可连续交换或存储，直到动作的实施方式需要为止。

每个模块至少具有一个发送器和一个接收器端口，用于与其邻居通信。当硬件模块3具有两个或n个邻居时，则模块可配备两个或n个发送器以及两个或n个接收器。

图7a和7b各自示意性地示出了一对配合接口中的一个。这些图各自示意性地示出了第一接口31。被配置成联接到第一接口的配合第二接口32看起来基本上相同，除了它可具有两个连接器插座323，其中第一接口仅示出一个连接器插头313和一个空矩形。此外，将锁定和定位销及孔分配给两个配合接口的各种配置是可能的，如下面进一步说明。因此，这些图示出了销和孔的位置，并且销或孔到特定接口的分配可变化。从相应硬件模块的外部看，这些接口示出在相应接口平面的视图中。

第一接口31包含多个锁定销311和定位销312，以及连接器插头313。这些元件被布置成从原本平坦的或平面的第一接口平面310突出。第二接口32包含对应的锁孔321和定位孔322，以及两个连接器插座323。连接器插头313和连接器插座323可被弹性地或有回弹力地安装，以便补偿它们的相对位置的不精确性，而不会在电气连接器上(在接口平面上)施加不适当的侧向负载。

当接口联接时，

●锁定销311与对应的锁定孔321配合，每对锁定销311和锁定孔321形成锁定联接器。

●定位销312与对应的定位孔322配合，每对定位销312和定位孔322形成定位联接器。

●连接器插头313与连接器插座323中的一个配合。

通常，第二接口32被布置在更靠近由一组这类硬件模块3组装的机械手的基座的硬件模块3上。

包含与两个连接器插座323的接口的硬件模块3可确定其连接器插座323中的哪个被插入到连接器插头313中。由此，可确定两个硬件模块3在两个可能的两个相对取向(旋转180°)中的哪个取向上联接在一起。

为了联接两个配合的接口，选择两个可能的相对取向中的一个，并且第一接口平面310和第二接口平面320抵靠彼此放置，其中锁定销311装配到锁定孔321中，并且定位销312装配到定位孔322中。其中，定位销和孔可为中心的或偏心的。如下面关于图8a-c进一步说明，锁定连接器包含凸轮元件3210，所述凸轮元件3210被旋转，从而首先将接口平面拉靠彼此，然后对接口施加平行于接口平面的相对力。这些单独的锁定力相加，以创建围绕垂直于接口平面的轴线的锁定扭矩。此扭矩将定位联接器312、322的接触表面推靠彼此。也就是说，第一定位销312的接触表面被推靠在对应的第一定位孔322的接触表面上，并且第二定位销312的接触表面被推靠在对应的第二定位孔322的接触表面上。这些接触表面的位置限定了两个接口围绕垂直于接口平面的轴线的相对取向或旋转。它还限定了平行于接口平面的二维中的相对平移。因此，通过精确地加工这些接触表面，可确保两个硬件模块3的相对位置和取向的可重复性。

在图7a的实施例中，两个定位联接器各自由对应的偏心定位销312和定位孔322实现。

在图7b的实施例中，定位联接器中的一个由偏心定位销312和定位孔322实现，而另一个由中心定位销312和定位孔322实现。后者可为中空的，通向管状定位销312。定心环可被布置在中心定位销312和中心定位孔322之间。

存在将销和孔分配给两个接口的不同的可能配置。锁定以及定位联接器均是这种情况。

举例来说，在具有四个锁定联接器的图7a中，两个在直径上相对的锁定联接器在一个接口中具有它们的锁定销311，而另一个锁定联接器在另一接口中具有它们的锁定销311。这允许配合接口的两个位置，在接口平面中相对于彼此旋转180°。

举例来说，在具有两个偏心定位联接器的图7a中，如果一个在一个接口中具有其第一定位销312，而在另一个接口中具有第二定位销312，则仅有一个可配合接口的位置。如果有相对于彼此旋转了180°的两个位置，则两个定位销312必须在同一接口中，并且两个定位孔322必须在另一个接口中，或者总共必须仅有一个定位销312。在后一种情况下，应有一个中心定位销和孔，如图7b所示，以便完全限定相对位置和取向。

图8a-c示意性地示出了锁定联接器311、321的操作。锁定销311包含锁定凹部3110，所述锁定凹部3110具有基本上垂直于第一接口平面310的第一锁定表面3111和相对于第一接口平面310倾斜的第二锁定表面3112。如图所示，这两个锁定表面可为圆柱形表面的单独区段。锁定销311借助于有回弹力的锁定悬架3113安装在第一接口31上。锁定悬架允许锁定销311抵抗一个或多个锁定弹簧元件的力而平行于第一接口平面310且垂直于第一接口平面310移动。在本实例中，锁定悬架3113是一堆弹簧垫圈。在其它实施例中，它可包含弹性体弹簧。

凸轮元件3210按围绕基本上平行于第二接口平面320的轴线可旋转的方式布置在第二接口32中。它包含凸轮鼻3211，当凸轮元件3210旋转时，所述凸轮鼻3211与存在于锁定孔321中的锁定销311相互作用。

在配合和联接接口之前，凸轮元件3210借助于速动机构被保持在限定的解锁位置。在此位置，如图8a所示，可将锁定销311插入锁定孔321中，而不受凸轮元件3210的阻碍。

通过对准和配合锁定和定位联接器并将第一接口平面310和第二接口平面320抵靠彼此放置来配合接口。由此限定了两个相对旋转和一个相对平移。然后，通过在每个锁定联接器中旋转相应的凸轮元件3210来实现接口的联接，这致使以下情况发生：

●克服了速动机构的保持力。

●凸轮鼻3211接触第一锁定表面3111并在平行于第一接口平面310和第二接口平面320的方向上推动锁定销311，如图8b所示。当定位联接器312、322的接触表面接触时，移动停止。由此，在接口平面中限定了两个其余的相对平移和一个相对旋转。由于弹性悬架3113，锁定销311可在平行于接触表面的方向上让位，从而允许凸轮元件3210进一步旋转。凸轮元件3210的外圆柱形表面保持与第一锁定表面3111接触，从而维持定位联接器上的力。

●凸轮鼻3211接触第二锁定表面3112并在垂直于接口平面310、320的方向上拉动锁定销311，如图8c所示。这将接口平面310、320拉靠彼此。再次，由于弹性悬架3113，锁定销311现在可在垂直于接触表面的方向上让位，从而允许凸轮元件3210进一步旋转。锁定销311的外表面区段在垂直于接触表面的方向上沿锁定孔321的内边缘3114滑动。此内边缘3114在其接触所述外表面的一个或多个点处限定了平行于接触表面的轴线，锁定销311在让位的同时围绕所述接触表面旋转。凸轮元件3210的外圆柱形表面与第二锁定表面3112接触，从而维持将接口310、320拉靠彼此的力。凸轮元件3210的外圆柱形表面仍在平行于第一接口平面310的方向上施加力，从而维持定位联接器上的力。

●相同或不同的速动机构将凸轮元件3210保持在所得的锁定位置。

图9a示意性地示出了被引导通过机械手模块33的导管343。导管343的一端附接到第一连杆31a，并且另一端附接到第二连杆32a。导管343在内圆柱形壁341和外圆柱形壁342之间的圆柱形中空空间内被引导(在图9a中示出移除，参见图4a)。这些圆柱体与关节34同轴。当关节34旋转时，连杆31a、32a相对于彼此旋转，并且随导管343附接到连杆31a、32a的点移动，导管343在中空空间内挠曲。图9b示意性地示出了在关节34的不同相对位置处导管343的轨迹的平面投影。这些不同的位置由表示第一和第二连杆的上下线的不同相对水平位置示意性地示出。

尽管已在当前实施例中描述了本发明，但应清楚地理解，本发明不限于此，而是可在权利要求的范围内以其它方式不同地体现和实践。