1.本技术涉及与被动顺从性的机械臂的特征相关和与用于被动顺从性的机械臂的特征相关的实施例，并且涉及相关方法。
背景技术：
：：2.被动顺从性的机械臂对由外部施加的载荷所导致的挠曲具有相对低的抵抗力。因此，被动顺从性的机械臂特别适合于在与人类共享的环境中工作，在该环境中，可能发生人类和机械臂之间的意外接触。3.stoelen,m.等人已经探索了“共同探索可打印机械臂中的致动器对抗和仿生控制(co‑exploringactuatorantagonismandbio‑inspiredcontrolinaprintablerobotarm)”中的发展，来自关于自适应行为的模拟的国际会议，sab2016：2016年出版的《从动物到牲畜(fromanimalstoanimats)》卷14中的244页至255页。本技术的重点是改进被动顺从性的机械臂的硬件和工作以允许实现使用中的灵活性和坚固性。技术实现要素：4.整体来说，本发明的第一方面提供了模块化机械臂，其中，相应的关节模块和/或端部执行器模块可以被更换或交换为替换模块。模块通过成对的互锁特征互连，该互锁特征可以容易且可重复地互锁和分离。5.因此，本发明的第一方面提供了一种模块化机械臂，该模块化机械臂包括第一关节模块和第二模块，第一关节模块包括：第一关节和第一刚度可变的致动器，第一关节能够移动以导致刚性的第一联接件和刚性的第二联接件之间的移动，第一联接件或第二联接件包括第一互锁特征；第一刚度可变的致动器具有一个或多个弹性构件，该一个或多个弹性构件能够致动以使第一关节移动；第二模块包括配置成与第一模块的第一互锁特征互锁的第二互锁特征，其中，机械臂具有操作模式和重新配置模式，在操作模式中，第二互锁特征与第一互锁特征互锁以从而将第二模块以能操作的方式连接到第一模块，在重新配置模式中，第二互锁特征与第一互锁特征分离以从而使得第一模块或第二模块能够被更换为替换模块，并且其中，在操作配置中，一个或多个弹性构件不与第二模块接合。6.这种模块化布置使得机械臂的模块能够、例如由于计划维护或服务中维修、被直接且可重复地移除和替换，以减少臂的停机时间。此外，一个或多个模块可以替换为具有不同工作特性的模块。例如，端部执行器模块可以选自具有不同端部执行器类型的一系列端部执行器模块，不同端部执行器类型具有不同能力。类似地，关节模块可以替换为具有不同性能特性、例如不同的速度对扭矩输出特性、的等效关节模块。7.此外，这种模块化布置可以在不对第一关节模块的任何特征进行任何修改的情况下实现，因为刚度可变的致动器被包含在单个模块内，一个或多个弹性构件不以任何方式与第二模块接合。也就是说，一个或多个弹性构件并不穿过第一互锁特征和第二互锁特征之间的结合处。换句话说，一个或多个弹性构件在操作模式中并不在互锁的第一互锁特征和第二互锁特征上延伸。8.当第一互锁特征和第二互锁特征在操作模式中互锁时，互锁优选地提供了第一模块和第二模块之间的刚性连接，使得在第一互锁特征和第二互锁特征之间的结合处不允许第一模块和第二模块之间的相对移动。9.在优选实施例中，第二模块包括：端部执行器模块或者第二关节模块，端部执行器模块包括布置成操纵物体的端部执行器；第二关节模块包括第二关节和第二刚度可变的致动器，第二关节能够移动以导致刚性的第三联接件和刚性的第四联接件之间的移动，第三联接件或第四联接件包括第二互锁特征，第二刚度可变的致动器具有一个或多个弹性构件，一个或多个弹性构件能够致动以使第二关节移动。10.在一些实施例中，第一联接件包括第一互锁特征，第二联接件包括第三互锁特征，并且机械臂包括具有第四互锁特征的第三模块，第四互锁特征布置成在操作模式中与第一模块的第三互锁特征互锁，第三互锁特征和第四互锁特征在重新配置模式中被分离以使得第一模块或第三模块能够被更换为替换模块。11.优选地，第一互锁特征和第二互锁特征中的一者包括凹形元件并且第一互锁特征和第二互锁特征中的另一者包括凸形元件，凸形元件布置成嵌套在凹形元件内以从而将第一互锁特征和第二互锁特征互锁在一起。这提供了机械上简单的互锁布置。此外，这种布置提供了每个模块相对于其相邻模块的可重复地准确的方位。12.第一互锁特征和第二互锁特征可以经由滑动连接而互锁。这种布置对于使用并且还对于制造而言特别直接。13.第一互锁特征和第二互锁特征优选地经由摩擦接合而互锁。这使得能够实现互锁特征之间的紧密配合，并且因此实现了模块相对于彼此的准确定位。14.第一互锁特征和第二互锁特征可以经由一步式连接而互锁。也就是说，连接优选地使得第一互锁特征和第二互锁特征可以通过将特征互锁并将第一模块和第二模块连接在一起的单个移动互连。如果需要，可以包括后续步骤以保护连接或提供故障安全备用连接。15.第一互锁特征和第二互锁特征优选地在没有附加紧固装置的情况下互锁。也就是说，优选地不需要附加的紧固件来将第一互锁特征和第二互锁特征互锁。这种紧固件可以作为故障安全或备用连接而被包括，但是对于提供刚性互锁接合并不需要。16.在特别优选的实施例中，第一互锁特征和第二互锁特征包括相配合的滑动燕尾榫特征。17.第三互锁特征和第四互锁特征可以包括如本文所限定的第一互锁特征和第二互锁特征中的任何特征。18.第一刚度可变的致动器和/或第二刚度可变的致动器可以包括一个或多个弹性构件中的第一弹性构件和一个或多个弹性构件中的第二弹性构件，第一弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在第一方向上移动，第二弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在与第一方向相反的第二方向上移动。19.第一刚度可变的致动器和/或第二刚度可变的致动器可以包括第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括一个或多个弹性构件中的第一弹性构件和一个或多个弹性构件中的第二弹性构件，第一弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在第一方向上移动，第二弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在与第一方向相反的第二方向上移动。20.第一刚度可变的致动器和/或第二刚度可变的致动器可以在低刚度模式和高刚度模式中工作，在低刚度模式中，一个或多个弹性构件中的所产生的张力相对低，在高刚度模式中，一个或多个弹性构件中的所产生的张力相对高。21.一个或多个弹性构件优选地均连接到第一联接件和第二联接件。连接可以是直接连接，或者可以是间接连接。例如，一个或多个弹性构件可以包括致动联接件中的由安装在第一联接件或第二联接件上的滑轮驱动的部分，致动联接件以其他方式连接到第一联接件或第二联接件中的另一者。22.第一刚度可变的致动器和/或第二刚度可变的致动器可以包括一个或多个致动器，每个致动器包括第一滑轮、第二滑轮和致动联接件，第一滑轮能够相对于第一联接件旋转并且能够与第二联接件相配合地旋转，第二滑轮能够相对于第一联接件旋转，致动联接件在第一滑轮和第二滑轮之间延伸，致动联接件包括一个或多个弹性构件中的至少一个弹性构件，至少一个弹性构件在第一滑轮和第二滑轮之间延伸，由此第一滑轮或第二滑轮的旋转导致关节的移动。23.本发明还提供了一种由部件组成的套件，该套件包括根据第一方面的机械臂和替换第二模块，替换第二模块包括布置成与第一模块的第一互锁特征互锁的另外的第二互锁特征，其中，在操作配置中，第二模块或替换第二模块可以以能操作的方式连接到第一模块。24.本发明还提供了一种操作根据第一方面的机械臂的方法，该方法包括以下步骤：使第一互锁特征和第二互锁特征断开连接；将第一模块或第二模块替换为包括另外的互锁特征的替换模块；以及将第一互锁特征或第二互锁特征与另外的互锁特征互锁以将机械臂布置在操作模式中。25.该方法还可以包括在操作模式中操作机械臂以收获水果或蔬菜的步骤。类似地，本发明提供了一种用于收获水果或蔬菜的系统，该系统包括支撑一个或多个根据第一方面的机械臂的可移动基部。26.整体来说，本发明的第二方面提供了一种装置，借助于该装置可以控制机械臂中的关节的扭矩对速度输出。也就是说，对关节进行致动的刚度可变的致动器可以被修改以提供期望的扭矩对速度特性。这种修改通过变更与致动联接件枢转相关的致动距离来实现。27.因此，本发明的第二方面提供了一种机械臂，该机械臂包括：关节和刚度可变的致动器，关节能够移动以导致第一联接件和第二联接件之间的相对移动；刚度可变的致动器包括致动联接件和与致动联接件接合的致动构件，致动联接件包括一个或多个弹性构件，致动构件能够移动以使致动联接件围绕轴线沿由距轴线的致动距离限定的弧线移动，以从而更改一个或多个弹性构件中的张力以导致关节的移动，其中，致动距离能够变化以变更关节移动的一个或多个参数。28.这种布置使得关节的能力能够根据臂正在用于的特定应用而进行调整。例如，在需要相对高的扭矩输出的情况下，致动距离可以相对高，并且在需要相对高的关节移动速度的情况下，致动距离可以相对低。29.在一些实施例中，致动构件包括能够围绕轴线旋转的滑轮，滑轮具有轨道，该轨道用于沿由致动距离限定的弧线与致动联接件接合，轨道能够相对于轴线移动以变更致动距离。例如，轨道可以包括多个离散部分，该多个离散部分布置成环并且能够相对于彼此径向移动以从而变更致动距离。30.类似地，致动构件可以包括能够围绕轴线旋转的第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮和第二滑轮中的每一者具有轨道，该轨道用于沿由致动距离限定的弧线与致动联接件接合，第一滑轮的轨道具有第一致动距离并且第二滑轮的轨道具有不同于第一致动距离的第二致动距离，并且其中，致动距离能够通过将致动联接件与第一滑轮或第二滑轮接合而变更。31.在一些实施例中，第一滑轮和第二滑轮是一体的，使得轨道能够同时围绕轴线旋转。因此，致动联接件可以从一个滑轮更换到另一个滑轮而无需任何附加步骤。32.可替代地，第一滑轮和第二滑轮可以是独立的，使得轨道能够独立地围绕轴线旋转。以这种方式，在任何时候，第一滑轮和第二滑轮中的仅一者能够围绕轴线旋转(即，被安装在刚度可变的致动器中)。最终用户可以取决于特定应用所需的、关节的工作特性更换第一滑轮和第二滑轮。33.优选实施例包括张力控制机构，该张力控制机构具有低张力配置和高张力配置，在低张力配置中，一个或多个弹性构件中的张力相对低，在高张力配置中，一个或多个弹性构件中的张力相对高。例如，低张力配置中的相对低的张力可以足够低以使得能够、例如通过更改或替换致动构件(滑轮)、而变更致动距离，和/或高张力配置中的相对高的张力可以足够高以提供工作张力，在该工作张力下，致动构件(滑轮)能够有效地驱动致动联接件。34.这种张力控制机构可以包括一个或多个夹持构件，每个夹持构件夹持致动联接件的一部分(例如致动联接件的自由端部)，每个夹持构件能够相对于致动构件(滑轮)移动(例如，滑动)以从而改变致动联接件的有效长度。这种夹持构件或每个夹持构件可以包括能够在滑动块内移动的滑动件。具有能够与夹持构件(滑动件)的螺纹配合的螺纹的调整构件可以是可旋转的以从而使夹持构件移动。35.一个或多个夹持构件优选地可移除地安装在机械臂中的除了致动构件(滑轮)之外的部分上；例如，一个或多个夹持构件可以可移除地安装在与致动联接件接合的另外的滑轮上。另外的滑轮可以包括从动滑轮，由此在使用中致动联接件的移动导致从动滑轮的移动。因此，一个或多个夹持构件优选地具有安装配置和拆卸配置，在安装配置中，一个或多个夹持构件安装在机械臂中的除了致动构件(滑轮)之外的部分上，在拆卸配置中，一个或多个夹持构件从机械臂中的除了致动构件(滑轮)之外的部分拆卸。36.在一个或多个夹持构件的拆卸配置中，致动联接件可以替换为替换致动联接件。例如，在致动构件(例如第一滑轮)被更换为具有不同致动距离的替换致动构件(例如第二滑轮)的实施例中，与致动构件(例如第一滑轮)相关联的、并且具有适合于这种致动构件的长度的致动联接件可以替换为与替换致动构件(例如第二滑轮)相关联并且具有适合于这种替换致动构件的长度的致动联接件。因此，致动构件和相关联的致动联接件可以通过最初将一个或多个夹持构件置于卸载配置而被容易地替换。37.例如，致动联接件可以包括一个或多个夹持构件并且替换致动联接件可以包括一个或多个替换夹持构件，由此可以通过将一个或多个夹持构件置于卸载配置、移除致动构件和致动联接件、安装替换致动构件和替换致动联接件、以及将一个或多个替换夹持构件置于安装配置而替换致动构件和致动联接件。一个或多个替换夹持构件可以相对于致动构件进一步移动，以从而减小更换致动联接件的有效长度，并且因此增加更换致动联接件的一个或多个弹性构件中的张力。38.在优选实施例中，一个或多个夹持构件(和/或一个或多个替换夹持构件)均能够相对于致动构件(滑轮)移动，以从而沿具有预定长度的预定路径改变致动联接件的有效长度。因此，一个或多个夹持构件沿预定路径的整个范围移动具有为相应的致动联接件提供预定长度的效果。这提供了用于在每个致动联接件中提供正确预张力的可靠且可重复的布置。39.刚度可变的致动器可以包括一个或多个弹性构件中的第一弹性构件和一个或多个弹性构件中的第二弹性构件，第一弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在第一方向上移动，第二弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在与第一方向相反的第二方向上移动。40.刚度可变的致动器可以包括第一双向致动器和第二双向致动器，每个双向致动器包括一个或多个弹性构件中的第一弹性构件和一个或多个弹性构件中的第二弹性构件，第一弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在第一方向上移动，第二弹性构件能够通过张力增加而致动以推动关节在与第一方向相反的第二方向上移动。41.刚度可变的致动器可以在低刚度模式和高刚度模式中工作，在低刚度模式中，一个或多个弹性构件中的所产生的张力相对低，在高刚度模式中，一个或多个弹性构件中的所产生的张力相对高。42.一个或多个弹性构件优选地均连接到第一联接件和第二联接件。连接可以是直接连接，或者可以是间接连接。例如，一个或多个弹性构件可以包括致动联接件中的由安装在第一联接件或第二联接件上的滑轮驱动的部分，致动联接件以其他方式连接到第一联接件或第二联接件中的另一者。43.刚度可变的致动器可以包括一个或多个致动器，每个致动器包括第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮能够相对于第一联接件旋转并且能够与第二联接件相配合地旋转，第二滑轮能够相对于第一联接件旋转，并且致动联接件在第一滑轮和第二滑轮之间延伸，致动联接件包括一个或多个弹性构件中的至少一个弹性构件，该至少一个弹性构件在第一滑轮和第二滑轮之间延伸，由此第一滑轮或第二滑轮的旋转导致关节的移动，其中，致动距离能够通过修改第一滑轮和/或第二滑轮而变更。44.本发明还提供由部件组成的套件，该套件包括根据第二方面的机械臂，其中，刚度可变的致动器包括滑轮，该滑轮能够围绕轴线旋转并且具有轨道，该轨道用于沿由致动距离限定的弧线与致动联接件接合，套件还包括用于替代滑轮而安装的替换滑轮，替换滑轮在已被安装时能够围绕轴线旋转并且具有轨道，该轨道用于沿由致动距离限定的弧线与致动联接件接合，其中，滑轮的轨道具有第一致动距离并且替换滑轮的轨道具有不同于第一致动距离的第二致动距离。45.类似地，本发明提供了一种操作根据第二方面的机械臂的方法，该方法包括以下步骤：通过使刚度可变的致动器在第一模式中工作而使关节移动，在第一模式中，致动距离包括第一致动距离；修改刚度可变的致动器以将致动距离改变为不同于第一致动距离的第二致动距离；以及通过使刚度可变的致动器在第二模式中工作而使关节移动，在第二模式中，致动距离包括第二致动距离。46.该方法还可以包括在操作模式中操作机械臂以收获水果或蔬菜的步骤。本发明还提供了一种用于收获水果或蔬菜的系统，该系统包括支撑一个或多个根据第二方面的机械臂的可移动基部。47.本发明的第三方面提供一种端部执行器，该端部执行器提供切割件，该切割件能够在相对于切割件的任何方向上进行切割。48.因此，本发明的第三方面提供了一种用于机械臂的端部执行器，该端部执行器包括刚性的静止部分、切割线和驱动系统，刚性的静止部分包括适于附接到机械臂的基部和从基部向外延伸的成对的臂，切割线在成对的臂之间延伸以限定线的用于切割物体的切割部分，驱动系统布置成使切割部分中的线沿切割部分的长度相对于成对的臂往复运动。49.切割部分因此能够在任何方向上进行切割，通常与切割部分成角度地(例如，通常垂直于切割部分)进行切割。此外，切割线可承受弯曲并且因此能够承受由环境因素，诸如其他机械、人员或蔬菜的冲击，对切割线施加的力。这种布置对于在承载端部执行器的机械臂附近进行操作的人员也是特别安全的，因为切割线是安全的并且在切割线处于静止、即不往复运动、时不能进行切割。端部执行器特别适合于切割蔬菜或水果的茎。50.驱动系统可以包括马达，该马达配置成使第一附接构件和第二附接构件围绕第一附接构件和第二附接构件相应的轴线旋转，切割线的第一自由端部在偏离第一附接构件的轴线的点处附接到第一附接构件，并且切割线的第二自由端部在偏离第二附接构件的轴线的点处附接到第二附接构件，第一附接构件的旋转和第二附接构件的旋转从而导致切割部分中的线往复运动。这种布置提供了用于提供切割线的往复运动的特别稳健的机械布置。51.驱动系统优选地位于基部处，切割线沿成对的臂中的每个臂从切割部分延伸到驱动系统。52.端部执行器可以包括成对的滑轮，每个滑轮安装在成对的臂中的一个相应的臂上以能够相对于相应的臂旋转，其中，切割线经过滑轮中的每个滑轮的周围。53.在优选实施例中，切割线的切割部分能够在切割部分的表面周围的所有位置处均等地进行切割。例如，切割线可以具有一个或多个切割面，该一个或多个切割面围绕切割线的切割部分的周界延伸。一个或多个切割面可以包括多个锯齿、齿或配置成在切割部分往复运动时提供切割效果的其他切割构件。在特别优选的实施例中，一个或多个切割面配置成在切割部分不往复运动时不提供切割效果。例如，切割表面可以包括从切割线的切割部分径向向外突出的、多个钝的或被倒圆的突起。54.本发明的第四方面提供了一种端部执行器，该端部执行器能够夹持或以其他方式抓握物体，例如以使得能够将随后的处理步骤应用于物体。端部执行器包括布置成环路的带，环路的尺寸是可变的，使得由环路环绕的物体可以被保持。55.因此，本发明的第四方面提供了一种用于机械臂的端部执行器，该端部执行器包括适于附接到机械臂的刚性的静止部分、带和驱动系统，带形成从静止部分延伸的环路，驱动系统配置成使带相对于静止部分移动以更改环路的尺寸，以从而使得由环路环绕的物体能够被带抓握。56.这种布置提供了特别稳健且可重复的、使用机械臂来夹持物体的方法。该方法特别适合于抓握较大的蔬菜或水果以在较大的蔬菜或水果上执行随后的处理步骤，诸如对茎进行切割。57.带的第一部分可以相对于静止部分固定，并且带的第二部分能够相对于静止部分移动以更改环路的尺寸。58.静止部分可以包括一个或多个带引导件，带穿过该一个或多个带引导件。带引导件有助于确保带相对于端部执行器的静止部分，并且因此相对于端部执行器所附接到的臂，维持一致的位置。59.驱动系统可以包括一个或多个辊，该一个或多个辊布置成与带的第二部分接合以从而使第二部分相对于带的第一部分移动以更改环路的尺寸。这是特别直接且机械上稳健的、控制环路的尺寸的方法。60.本发明的第五方面提供一种用于机械臂的端部执行器，该端部执行器具有从中心节点向外延伸的多个指状件，指状件中的一个或多个能够通过驱动系统而移动以将物体抓握在多个指状件之间，其中，端部执行器还包括位于中心节点处的位置传感器，位置传感器配置成检测将由多个指状件抓握的物体的位置，其中，驱动系统是可控制的以响应于位置传感器检测到物体而使一个或多个指状件移动以抓握物体。61.以这种方式，可以使端部执行器相对于将被抓握的物体的定位精度最大化。62.本发明还提供一种包括根据第三方面、第四方面或第五方面的端部执行器的机械臂。例如，机械臂可以包括根据第一方面的模块化机械臂，并且第二模块可以包括根据第三方面、第四方面或第五方面的端部执行器。本发明还可以提供一种用于收获水果或蔬菜的系统，该系统包括支撑一个或多个这样的机械臂的可移动基部。本发明还可以提供由部件组成的套件，该套件包括机械臂和多个根据第三方面、第四方面和/或第五方面的端部执行器。63.本发明还提供了一种用于收获水果或蔬菜的系统，该系统包括第一机械臂和第二机械臂，第一机械臂包括根据第三方面的端部执行器，第二机械臂包括根据第四方面或第五方面的端部执行器，第二机械臂配置成控制端部执行器抓握将被收获的水果或蔬菜，并且第一机械臂配置成控制端部执行器使用切割部分来切割被夹持的水果或蔬菜的茎。64.以下特征可以单独或以任何组合应用于本发明的任何方面。65.刚度可变的致动器可以包括可以被独立操作的第一刚度可变的致动器和第二刚度可变的致动器。第一刚度可变的致动器和第二刚度可变的致动器可以在高刚度模式(对抗模式)中工作，在高刚度模式中，第一刚度可变的致动器和第二刚度可变的致动器通过进行操作而使得它们相互对立而相互抵抗；这种布置提供了相对高的关节刚度和相对低的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩导致的挠曲具有相对高的抵抗力)。66.在特别优选的实施例中，第一刚度可变的致动器和第二刚度可变的致动器均是双向致动器。也就是说，每个双向致动器能够在第一配置中工作以在第一方向上推动关节，并且能够在第二配置中工作以在与第一方向相反的第二方向上推动关节。在这样的布置中，除了高刚度模式之外，双向致动器还可以在配合模式(高扭矩模式)中工作，在配合模式中，双向致动器相配合地工作以使可用扭矩输出加倍；这种布置提供了相对低的关节刚度和相对高的被动顺从性(即，关节对由外部施加的扭矩导致的挠曲具有相对低的抵抗力)。67.第一双向致动器和第二双向致动器可以均包括一个或多个弹性构件中的第一弹性构件和第二弹性构件，第一弹性构件中的张力增加(即，在第一配置中工作)导致关节在第一方向上移动，并且第二弹性构件中的张力增加(即，在第二配置中工作)导致关节在与第二方向相反的第二方向上移动。68.第一弹性构件和第二弹性构件可以均具有在施加的力和所导致的伸长之间的单调增加的非线性关系。因此，高刚度模式/对抗模式中的相对高的刚度由第一弹性构件和第二弹性构件的非线性力‑挠曲关系的组合效果而导致。69.弹性构件可以均包括弹性元件、筋或其他弹性构件，其可以被拉伸(伸长)以增加其中的张力并且从而推动关节移动。70.在一些实施例中，一个或多个弹性构件包括具有大体弹性部分和相对刚性部分的复合材料。弹性构件的复合材料为弹性构件提供了特别合适的形式，因为大体弹性部分使得能够实现高程度的伸长，而相对刚性部分提供了对于可能伸长的限制。重要的是，弹性部分还提供固有阻尼。这种阻尼降低了由关节移动所导致的、这种关节中的振动的幅度。71.大体弹性部分可以表现出一种或多种弹性特性，诸如在承受施加的张力时发生变形(例如伸长)的能力，以及反过来在移除张力时恢复到其原始形状和尺寸的能力。大体弹性部分可以表现出橡胶弹性的一种或多种特性，诸如交联聚合物链，该交联聚合物链允许大体弹性部分伸长但是在移除施加的力时提供恢复力，该恢复力用于迫使交联聚合物链返回其未伸长的配置。72.在承受施加的张力时，相对刚性部分也可以伸长。优选地，相对刚性部分的刚度(即，相对刚性部分对伸长的抵抗力)随着伸长而增加。因此，相对刚性部分优选地使得随着弹性构件的伸长，相应弹性构件的刚度增加。73.大体弹性部分和相对刚性部分、与伸长和施加的力(张力)之间的关系相组合地、一起为弹性构件提供了在承受施加的张力时伸长并且在移除张力时恢复到其原始长度的能力，在该关系中，弹性构件的刚度(即，弹性构件对伸长的抵抗力)随着弹性构件的伸长而增加。74.在优选实施例中，复合材料以这样的方式配置，使得当弹性构件被伸长时，弹性部分最初承担大部分载荷，但随着伸长的增加，相对刚性部分承担逐渐更高比例的载荷以提供增加的对进一步伸长的抵抗力。75.在优选实施例中，弹性部分包括复合材料的芯并且相对刚性部分包括外部围绕部分。相对刚性部分优选地具有响应于纵向伸长而表现出横向收缩的配置。这种布置特别适合于提供初始较低的对伸长的抵抗力并且使得随着伸长的增加，对伸长的抵抗力逐渐增加。也就是说，当弹性构件受到导致伸长的力时，相对刚性部分的产生的纵向伸长导致相对刚性部分的横向收缩。这种横向收缩受到复合材料的芯处的弹性部分的抵抗，并且正是这种抵抗和弹性部分的产生的变形导致对伸长的抵抗力逐渐增加。作为这种配置的示例，相对刚性部分可以包括包封弹性部分的、盘旋状的材料。可替代地，相对刚性部分可以包括网状护套或其他类似结构。76.弹性部分优选地包括弹性体，诸如热塑性弹性体。相对刚性部分优选地包括聚合物，诸如热塑性聚合物。77.弹性构件为关节提供可控程度的被动顺从性。也就是说，可以控制关节对由外部施加的扭矩导致的挠曲的总体抵抗力。因此，所要求保护的布置被认为特别适合于在感官信息不可靠的非结构化或部分非结构化环境中工作。78.这种环境的示例是选择性地机械收获水果和蔬菜以供新鲜的消费品。在这种环境中，由于环境的非受控性质(例如，由于风、雨等导致的目标移动)和环境的固有嘈杂性质(例如，阳光的量发生变更)，感官信息通常快速改变。79.在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及词语的变体，例如“包括了”和“包括有”，意味着“包括但不限于”，并且并不排除其他部件、整体或步骤。此外，除非上下文另有要求，否则单数涵盖复数：具体地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则本说明书被理解为考虑复数和单数。80.本发明的每个方面中的优选特征可以如上所述地与其他方面中的任何特征结合。在本技术的范围内，意图明确的是，在前述段落、权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案，特别是其个体特征，可以被独立地或以任意组合的方式采用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或任何组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。附图说明81.现在将参考随附附图仅通过示例的方式描述本发明的一个或多个实施例，在随附附图中：82.图1是根据本发明的实施例的机械臂的侧视图；83.图2是图1的机械臂的等轴测视图；84.图3是适合于在本发明的实施例中使用的腕部关节模块的等轴测视图；85.图4是图3的腕部关节模块的平面图；86.图5是图3的腕部关节模块的侧视图；87.图6是图3的腕部关节模块的驱动滑轮的等轴测视图；88.图7a至图7d是图3的腕部关节模块的从动滑轮的各种视图；89.图8图示了适合于在本发明的实施例中使用的弹性构件；90.图9是适合于在本发明的实施例中使用的端部执行器模块的等轴测视图；91.图10是图9的端部执行器模块的局部视图，其中，省略了顶盖部分以使得能够看到切割线；92.图11至图13是图9的端部执行器模块的驱动系统的视图；93.图14是适合于在本发明的实施例中使用的端部执行器模块的等轴测视图；94.图15示出了图14的端部执行器模块，其中，省略了带；95.图16a至图16c是图14的端部执行器的驱动系统的视图；96.图17a和图17b分别示意性地图示了由根据本发明的实施例的机械臂的端部执行器执行的轨迹，以及在移动通过轨迹期间这种臂内的一个或多个关节的刚度变化；97.图18a和图18b图示了根据本发明的实施例的机械臂的一个或多个关节的移动的弹道阶段(图18a)和闭环关节控制阶段(图18b)的控制架构的实施例；98.图19图示了包括根据本发明的实施例的多个机械臂的水果或蔬菜拾取系统；99.图20a和图20b图示了根据本发明的实施例的适合于机械臂的替代肘部关节模块，肘部关节模块具有可更换的驱动滑轮；100.图21a和图21b是图20a的肘部关节模块的侧视图；101.图22是图20a的肘部关节模块的侧视图，其中，移除了驱动滑轮；并且102.图23是图20a的肘部关节模块的一部分的等轴测视图，其中，为清楚起见省略了驱动滑轮中的一个。具体实施方式103.图1和图2分别图示了根据本发明的实施例的机械臂100的侧视图和等轴测视图。臂包括基部10，臂100可以经由基部10安装到一结构，并且臂可以经由基部10接纳电力供应件(未示出)和/或控制信号。104.臂100具有多个被铰接的关节，该多个被铰接的关节包括肩部关节20、肘部关节30和腕部关节40。105.关节一起提供具有六个自由度的移动；在笛卡尔(cartesian)空间中，这对应于沿x轴、y轴和z轴的位移，以及围绕x轴、y轴和z轴中的每一者的旋转。关节的移动对端部执行器50(图1和图2中未示出)的位置和取向进行控制以从而使得物体能够被端部执行器操纵。106.腕部关节40使得能够实现刚性的第一联接件41和刚性的第二联接件43之间围绕轴线40a的相对移动，第一联接件41朝向端部执行器50延伸，第二联接件43朝向肘部关节30延伸。第一联接件41包括端部执行器连接件42，该端部执行器连接件42配置成使得端部执行器50(图1和图2中未示出)能够经由刚性连接被可移除地附接到臂100，并且第二联接件43包括肘部连接件44，该肘部连接件44配置成使得第二联接件43能够被可移除地附接到肘部关节30。腕部关节40因此包括腕部关节模块。107.类似地，肘部关节30使得能够实现刚性的第三联接件32和刚性的第四联接件34之间围绕轴线30a的相对移动，第三联接件32朝向腕部关节40延伸，第四联接件34朝向肩部关节20延伸。第三联接件32包括肘部连接件33，该肘部连接件33配置成与第二联接件43的肘部连接件44可移除地接合以提供第三联接件32和第二联接件43之间的刚性连接。第四联接件34包括肩部连接件35，该肩部连接件35配置成与肩部关节的对应连接件可移除地接合，以使得第四联接件34能够被可移除地附接到肩部关节20。肘部关节30因此包括肘部关节模块。108.肩部关节20形成肩部关节模块，并且在此将不再对其进行详细描述。本领域技术人员将容易地理解关于肘部关节和腕部关节描述的原理可以如何应用于肩部关节20或机械臂100中的任何其他关节。109.肩部关节20、肘部关节30和腕部关节40均包括刚度可变的关节，这使得能够控制关节的被动顺从性(即，对由外部施加的力/扭矩所导致的挠曲的抵抗力)。下文将关于肘部关节30和腕部关节40描述刚度可变的关节的原理，但本领域技术人员将容易地理解这些原理可以如何应用于肩部关节20或机械臂100中的任何其他关节。110.在图3至图7中可以最清楚地看到腕部关节40，在该腕部关节40中，第一联接件41和第二联接件43之间的相对移动由第一双向致动器45a和第二双向致动器45b控制，第一双向致动器45a和第二双向致动器45b一起使得腕部关节40能够用作刚度可变的关节。每个双向致动器45a、45b包括对驱动滑轮46a、46b进行驱动的马达(未示出)，驱动滑轮46a、46b刚性地连接到第一联接件41但是能够相对于第二联接件43旋转，每个驱动滑轮与柔性致动联接件47a、47b接合。致动联接件47a、47b均包括以驱动滑轮46a、46b和从动滑轮48a、48b之间的连续环路延伸的柔韧长形绳，以从而使得每个驱动滑轮能够经由带传动装置驱动其相应的从动滑轮。111.从动滑轮48a、48b均可旋转地安装在第二联接件43上。以这种方式，响应于驱动滑轮46a、46b的旋转从动滑轮48a、48b进行旋转，导致第一联接件和第二联接件之间的相对移动，并且因此导致腕部关节40的移动。112.如在图4和图7中最佳示出的，从动滑轮48a、48b均包括双滑轮，该双滑轮具有共享共同旋转轴线的两个相邻滑轮轨道67、68。每个致动联接件47a、47b固定到其相应的驱动轮46a、46b，使得致动联接件的一部分与驱动轮相配合地以围绕轴线40a的弧线移动。在图示的实施例中，如图6所示，这通过将长形致动联接件的两个自由端部63a、63b夹持在驱动轮和夹持构件61之间来实现，但在其他实施例中，每个致动联接件可以包括被夹持到或以其它方式固定到驱动轮的连续环路。每个致动联接件47a、47b接下来围绕相应的从动滑轮48a、48b的第一滑轮轨道67延伸，穿过通道69到达第二滑轮轨道68，并且从那里围绕第二滑轮轨道68并且返回到驱动轮46a、46b。113.与单滑轮布置相比，这种双滑轮布置提供了双倍的扭矩输出。然而，本技术涵盖从动滑轮48a、48b包括单个滑轮的布置。114.在一些实施例中，每个致动联接件包括环路，该环路具有分别与驱动滑轮和从动滑轮接合的两个大体上不可伸长的部分、在驱动滑轮和从动滑轮之间延伸的第一筋部分60a、60b(也称为第一弹性构件60a、60b)、以及在驱动滑轮和从动滑轮之间延伸的第二筋部分62a、62b(也称为第二弹性构件62a、62b)。在其他实施例中，致动联接件可以不包括任何大体上不可伸长的部分。115.第一筋部分60a、60b和第二筋部分62a、62b均具有在施加的力和所导致的伸长之间的单调增加的非线性关系。也就是说，对伸长的抵抗力(刚度)随着施加的力的增加而增加。116.图8中图示了第一筋部分60a、60b和第二筋部分62a、62b的实施例。每个筋部分包括长形弹性芯64，螺旋形或盘旋形加强部分66缠绕在长形弹性芯64周围。弹性芯64具有圆形横截面并且由弹性材料形成，该弹性材料在张力作用下能够提供相当程度的伸长(例如，高达700％的长度增加)并且在张力被移除时能够恢复到其原始形状和尺寸。用于弹性芯64的合适材料是tpe热塑性弹性体，诸如由recreus生产的filaflextm。相反，制成加强部分66的材料是大体上非弹性的；合适的材料是尼龙。117.当筋中的每一个被施加导致伸长的拉力时，加强部分66的盘旋形状意味着加强部分66在纵向方向(施加力的方向)上变得更长，而在横向方向(垂直于纵向方向)上变得更窄。这种横向收缩受到弹性芯64的抵抗，并且这种抵抗以及弹性部分的产生的变形导致随着施加的力的增加，对伸长的抵抗力逐渐增加。以这种方式，当筋被伸长时，弹性部分最初承担大部分载荷，但随着伸长的增加，相对刚性的部分承担逐渐更高比例的载荷，以提供增加的对进一步伸长的抵抗力。118.在使用中，每个双向致动器45a、45b能够提供腕部关节40在第一方向(第二联接件43相对于第一联接件41的顺时针移动，如图1和图2所示)和与第一方向相反的第二方向上的移动。在第一方向上的移动通过使马达工作以转动每个驱动滑轮46a、46b以从而增加第一筋部分62a、62b中的张力并且从而减小第二筋部分64a、64b中的张力而导致。类似地，在第二方向上的移动通过使马达工作以转动每个驱动滑轮46a、46b以增加第二筋部分64a、64b中的张力并且从而减小第一筋部分62a、62b中的张力而导致。119.以这种方式，双向致动器45a、45b中的每一个能够在第一配置中工作以在第一方向上推动腕部关节40，并且能够在第二配置中工作以在第二方向上推动关节。通过经由独立地控制第一双向致动器45a和第二双向致动器45b来控制关节的移动，可以在控制关节的位置的同时变更关节的刚度(对外部施加的力的抵抗力)。120.也就是说，在高扭矩模式(配合模式)中，双向致动器45a、45b中的每一个可以被操作以相配合地(即，在第一配置或第二配置中)工作以使可用扭矩输出最大化。在这种模式中，关节具有相对低的刚度和相对高的被动顺从性。在范围的另一端，双向致动器45a、45b可以在高刚度模式(对抗模式)中被操作，在该高刚度模式中，双向致动器45a、45b相互抵抗(即一个处于第一配置中并且另一个处于第二配置中)。在这种模式中，关节具有相对高的刚度和相对低的被动顺从性。121.双向致动器45a、45b也可以在高扭矩模式和高刚度模式之间的连续范围上的任何点处被操作，使得随着关节刚度的降低，可用扭矩输出可以增加，以及使得随着关节刚度的增加，可用扭矩输出可以降低。以这种方式，当需要低关节刚度时(诸如在下文描述的弹道阶段移动期间)，关节的扭矩输出可以被最大化。122.第一双向致动器45a和第二双向致动器45b之间的关系可以借助于驱动滑轮46a、46b的差分位置(differentialposition)p来描述。也就是说，在高扭矩模式中，差分位置可以具有最大值“1”，在高刚度模式中，差分位置具有最大值“‑1”，并且“1”和“‑1”之间的值可以代表这些极值之间的范围中的差分位置。123.在替代实施例中，双向致动器45a、45b中的每一个可以由单向致动器(未示出)代替。例如，第一单向致动器45a可以仅包括第一筋部分60a而不包括第二筋部分，并且第二单向致动器45b可以仅包括第二筋部分62b而不包括第一筋部分。以这种方式，腕部关节40在第一方向上的移动可以通过操作第一单向致动器45a的驱动滑轮46a以增加第一筋部分60a中的张力来实现，并且腕部关节40在第二方向上的移动可以通过操作第二单向致动器45b的驱动滑轮46b以增加第二筋部分62b中的张力来实现。此外，第一单向致动器和第二单向致动器可以被一起操作以与上文关于双向致动器实施例的高刚度模式(对抗模式)描述的方式类似的方式控制腕部关节40的整体刚度。124.臂100的关节中的每一个、包括肩部关节20和肘部关节30、可以具有如上文关于腕部关节40描述的刚度可变的关节。腕部关节40仅仅作为臂100中的任何刚度可变的关节的示例而被描述。125.具体地，肘部关节30与腕部关节40大致相似，并且出于这个原因此处的描述将集中在肘部关节30的不同特征上。126.在肘部关节30中，第三联接件32和第四联接件34之间的相对移动由第一双向致动器35a和第二双向致动器35b控制，第一双向致动器35a和第二双向致动器35b一起使得肘部关节30能够用作刚度可变的关节。每个双向致动器35a、35b包括对驱动滑轮36a、36b进行驱动的马达(未示出)，驱动滑轮36a、36b可旋转地安装在第四联接件33上，每个驱动滑轮36a、36b与柔性致动联接件37a、37b接合。致动联接件37a、37b均包括以驱动滑轮36a、36b和从动滑轮38a、38b之间的连续环路延伸的柔韧长形绳，以从而使得每个驱动滑轮能够经由带传动装置驱动其相应的从动滑轮。127.从动滑轮38a、38b均刚性地连接到第三联接件31但是能够相对于第四联接件33旋转。以这种方式，响应于驱动滑轮36a、36b的旋转从动滑轮38a、38b进行旋转，导致第三联接件和第四联接件之间的相对移动，并且从而导致肘部关节30的移动。128.除了肘部关节30的从动滑轮38a、38b包括单个滑轮，而不是双滑轮之外，第一双向致动器35a和第二双向致动器35b与腕部关节40的第一双向致动器45a和第二双向致动器45b相同。在其他方面中，上文关于腕部关节40描述的致动器的特征、包括致动器的致动联接件以及致动器可以被如何操作、同样应用于肘部关节30。129.在图示的实施例中，连接件中的每一个，包括端部执行器连接件42、肘部连接件32、44和肩部连接件34，包括滑动燕尾榫连接特征。更一般来说，在每对配合连接件中，一个连接件包括突出的凸形特征，而另一个连接件包括凹形特征，凸形特征可以与凹形特征接合以在凸形特征和凹形特征之间提供刚性连接。凸形特征通常包括在宽度方向上向外渐缩的突出部分，而凹形特征通常包括凹部，该凹部以对应方式向内渐缩以在突出部分和凹部之间提供紧密滑动配合。130.本领域技术人员将理解，凸形特征和凹形特征的具体形状和配置并不重要，重要的特征在于，凸形特征和凹形特征可以经由一步式连接步骤容易地互连以在凸形特征和凹形特征之间提供刚性连接并且随后容易地断开连接。131.端部执行器50包括端部执行器模块，该端部执行器模块可以通过将端部执行器50(见下文)的腕部连接件52与腕部关节40的端部执行器连接件42互锁而集成到机械臂100中。132.腕部关节40包括腕部关节模块，该腕部关节模块可以通过使肘部连接件34、44互锁并且将端部执行器连接件42与端部执行器50的对应腕部连接件52互锁而集成到机械臂100中(见下文)。133.类似地，肘部关节30包括肘部关节模块，该肘部关节模块可以通过使肘部连接件34、44互锁并且将肩部连接件35与肩部关节的对应肘部连接件互锁而集成到机械臂100中。134.最后，肩部关节20包括肩部关节模块，该肩部关节模块可以通过将肩部关节的相应连接件与基部10和肘部模块的对应连接件互锁而集成到机械臂100中。135.这种布置使得机械臂100能够是模块化的，使得关节模块20、30、40中的每一个可以被更换为替换关节，并且端部执行器50可以被更换为替换端部执行器。136.例如，每个关节模块可以被移除并且被替换为等效的关节模块以适应维护要求或服务中的故障，或者每个关节模块可以被替换为执行器提供不同水平的扭矩输出或速度输出的关节模块以允许臂100的工作特性针对不同的工作条件进行调整。137.类似地，端部执行器模块50可以被更换为等效的替换端部执行器模块以适应维护要求或服务中的故障，或者可以可替代地替换为具有不同功能的端部执行器。例如，具有适合于抓握水果或蔬菜以使得能够拾取水果或蔬菜的指状件的端部执行器模块可以被更换为具有适合于切割水果或蔬菜的茎的切割件的端部执行器模块，诸如下文描述的端部执行器模块50a。138.使得能够实现这种模块化布置的关键特征在于，致动联接件不会在任何连接件或成对的配合/互锁连接件上延伸。因此，整个关节模块可以被移除和替换，而无需移除、更改或以其他方式调整双向致动器或双向致动器的致动联接件。实际上，模块的移除应该可以简单地通过使模块的(一个或多个)连接件断开连接来进行。139.在图示的实施例的变型中，关节20、30、40中的任何一个的扭矩对速度特性可以通过修改相应致动器的驱动滑轮和/或从动滑轮的有效直径来改变。因此，可以改变每个致动器的传动比，即，从动滑轮和驱动滑轮的轨道直径之间的比值。140.这可以通过多种不同的方式实现。例如，滑轮中的一个或多个可以更换为具有不同有效直径(即，致动联接件经过其周围的轨道具有不同直径)的另外的滑轮。可替代地，滑轮中的一个或多个可以包括多个轨道，致动联接件可以经过多个轨道的周围，每个轨道具有共同的轴线但具有不同的直径，使得致动联接件可以在轨道之间更换。最后，滑轮中的一个或多个可以包括具有可变直径的轨道；例如，轨道可以包括多个单独的区域，这些区域可以在径向方向上移动以增加或减小整个轨道直径。141.以肘部关节30为例，双向致动器35a、35b的驱动滑轮36a、36b可以被交换或以其他方式修改以提供更大或更小的轨道直径以从而更改驱动滑轮36a、36b的直径和从动滑轮38a、38b的直径之间的比值。这种布置在图20至图23中图示，图20至图23示出了可以与图1至图9中图示的实施例的肘部关节30交换的肘部关节130。142.在图20a中，肘部关节130的驱动滑轮136a、136b具有相对小的直径以提供相对高的扭矩输出，而在图20b中，驱动滑轮136a、136b已被替换为具有相对大的直径的等效滑轮以从而提供相对高的速度输出。从动滑轮138a、138b均包括张力控制机构140，当驱动滑轮136a、136b被交换为更小或更大的滑轮时，通过张力控制机构140可以容易且直接地控制相应致动联接件137a、137b的有效长度并且因此控制相应致动联接件137a、137b中的张力。143.每个从动滑轮138a、138b的张力控制机构140包括成对的滑动件机构142，该滑动件机构142中的每一个具有滑动件144，该滑动件144夹持致动联接件137a、137b的自由端部，滑动件144可以在滑动件块146内滑动。当滑动件144在滑动件块146内滑动时，致动联接件137a、137b的自由端部被移动以从而更改致动联接件137a、137b的总体长度并且因此改变致动联接件137a、137b中的张力。滑动件144在滑动件块146内的位置由螺杆148的旋转控制，螺杆148包括与滑动件144中的内螺纹配合的外螺纹。144.因此，致动联接件137a、137b上的张力可以简单地通过滑动件机构142中的一个或两个的螺杆148的旋转而被容易地修改。图21a图示了处于预张紧配置的张力控制机构140，而图21b图示了通过使滑动件144沿滑动件144相应的滑动件块146滑动而张紧之后的机构。145.每个滑动件144可以通过使螺杆148旋转直到螺杆148与滑动件144断开连接而从每个滑动件144相应的滑动件块146移除。接下来被拆卸的滑动件144被连接到致动联接件137a、137b但不连接到从动滑轮138a、138b。为了移除驱动滑轮136a、136b，张力控制机构140用于通过将滑动件144中的每一个沿滑动件144相应的滑动件块146滑动到图21a图示的位置来减小致动联接件137a、137b中的每一个中的张力。接下来滑动件144被从滑动件144相应的滑动件块146完全移除，使得在致动联接件137a、137b和从动滑轮138a、138b之间不存在连接。146.接下来如图22所示驱动滑轮136a、136b被移除并且致动联接件137a、137b与驱动滑轮136a、136b被一起移除(图22图示了驱动滑轮136a、136b在滑动件144被从滑动件块146的基部部分、两个带引导件51’和腕部连接件53’，该腕部连接件53’配置成与端部执行器连接件42互连以在静止部分52’和臂100的第一联接件41之间提供刚性连接。带54’以带引导件51’之间的环路延伸。带54’的一个端部是固定的，而另一端部包括自由端部，该自由端部可以通过驱动系统56’的作用相对于固定端部移动以从而增加或减小环路的尺寸。驱动系统56’包括马达57’，该马达57’驱动成对的被驱动的辊58’。带54’在被驱动的辊58’和成对的被动辊59’之间穿过，使得被驱动的辊58’的旋转导致带的自由端部相对于固定端部移动。154.在使用中，包括带模块50b的一个机械臂100被控制成使得带54’的环路环绕将被拾取的蔬菜或水果。接下来，驱动系统56’被操作以减小环路的尺寸并且从而利用带54’抓持蔬菜或水果。包括切割件模块50a的第二机械臂100被控制成使得切割线54的切割部分54a被推靠在蔬菜或水果的茎上，使得线的往复运动导致切割部分54a切割穿过茎。接下来，被切割后的蔬菜或水果通过包括带模块的机械臂移除到达收集容器，并且驱动系统56’被操作以增加带54’的环路的尺寸以从而释放蔬菜或水果。155.在优选实施例中，机械臂100还包括传感器控制阶段立体摄像机(未示出)和彩色摄像机(未示出)，传感器控制阶段立体摄像机和彩色摄像机安装在臂的端部联接件(例如第一联接件41或端部执行器模块的静止部分)上，使得传感器控制阶段立体摄像机和彩色摄像机与端部执行器50相配合地移动。以这种方式，传感器控制阶段立体摄像机和彩色摄像机提供了端部执行器50可以在其中工作的环境区域的连续图像，以及端部执行器50周围环境的有限一部分。传感器控制立体摄像机和彩色摄像机在机械臂100的移动的传感器控制(最终接近)阶段中使用，如下文进一步描述的。156.在端部执行器50包括可朝向彼此移动以抓持物体的两个或更多个指状件的实施例中，传感器控制阶段立体摄像机和/或彩色摄像机可以可替代地安装到指状件之间的中心区域，以从而在(一个或多个)摄像机的方位和端部执行器的方位之间提供特别紧密的关联。157.每个机械臂100还具有相关联的关节控制阶段立体摄像机(图19中的250；未在图1和图2中示出)，该关节控制阶段立体摄像机相对于基部10定位在固定位置中，并且提供包括这种臂100的端部执行器50可到达的所有点的图像。158.在使用中，机械臂100被控制成通过对关节，包括腕部关节40、肘部关节30和肩部关节20，中的每一个的位置进行控制来控制端部执行器50的位置，同时控制这些关节中的每一个的刚度。159.图17a和图17b图示了本发明的实施例，其中，机械臂100经由四阶段移动进行控制。这种四阶段移动被认为特别适合于物体将由端部执行器50接合或将由端部执行器50以其他方式操纵的应用，诸如水果或蔬菜拾取应用。160.图17a图示了水果或蔬菜拾取移动的示例轨迹，而图17b示意性图示了在这种轨迹上肘部关节30(或肩部关节20、腕部关节40或其他关节)处的关节刚度的变化。端部执行器50在t0时开始并且在弹道阶段中行进通过t1和t2到达t3。从t3到t4的轨迹代表闭环关节控制阶段，而从t4到t6的轨迹代表传感器控制阶段。在t6处，端部执行器50抓握、接合或以其他方式操纵水果或蔬菜，并且从t6到t7的轨迹代表可选的脱离接合阶段，在该脱离接合阶段中，水果或蔬菜与水果或蔬菜在其上生长的茎、梗、灌木、藤蔓、茎或树脱离接合。161.弹道阶段和闭环关节控制阶段的控制架构分别在图18a和图18b中图示。在下文中，描述了仅一个关节——腕部关节40——的移动以帮助理解，但本领域技术人员将理解，实际上臂100的所有关节将移动以实现端部执行器50的移动。162.弹道阶段(图18a)具有作为输入的期望关节角度θd和期望关节刚度c。基于期望关节角度和期望关节刚度，使用反向关节模型以将期望关节角度和期望关节刚度映射到驱动滑轮46a、46b的对应差分位置p。接下来，使用平衡方程来确定第一双向致动器45a的驱动滑轮46a的角位置α1和第二双向致动器45b的滑轮46b的角位置α2，角位置α1和角位置α2将实现差分位置p和期望关节刚度c两者。163.关节控制的弹道阶段在t3时的输出是关节角度θ，该关节角度θ接近于θd，优选地大于θd的50％，并且在理想情况下是θd的60％、70％、80％或85％或更多。弹道阶段因此将端部执行器50移动到将被拾取的水果的初始估计方位附近的邻近方位，如下文进一步描述的。164.闭环关节控制阶段(图18b)也具有作为输入的期望关节角度θd和期望关节刚度c。当前关节角度θ被反馈到控制器以确定当前关节角度θ和期望关节角度θd之间的关节角度差值δθ，并且从而减小这种差值δθ。反馈控制律步骤基于关节角度差值δθ确定将减小关节角度差值δθ的差分位置变化δp。接下来，这一差分位置变化δp被转换为差分位置p，平衡方程使用差分位置p来确定第一双向致动器45a的驱动滑轮46a的角位置α1和第二双向致动器45b的滑轮46b的角位置α2，角位置α1和角位置α2将实现差分位置p和期望关节刚度c两者。165.关节控制的闭环关节控制阶段在t4时的输出是关节角度θ，该关节角度θ更接近于θd，优选地正好为θd。然而，由于臂100的关节不是刚性的，而是或多或少地是顺从性的，因此实现期望关节角度θd可能不会导致端部执行器被精确地定位在正确的位置中以接合或以其他方式操纵水果。此外，目标可能(例如通过风的作用)正在移动和/或由关节控制阶段立体摄像机提供的方位数据可能不准确。传感器控制阶段在从t4到t6的轨迹的端部处纠正这些错误。166.现在将借助于在使用中臂被如何控制的示例描述通过图17a的轨迹的移动。如上所述，在下文中描述了仅一个关节——腕部关节40——的移动以帮助理解，但本领域技术人员将理解，实际上臂100的所有关节将移动以实现端部执行器50的移动。167.在t0时，使用弹道阶段立体摄像机来生成包含将被拾取的水果的目标位置(或其他应用中的其他目标位置)的三维点云。每个目标在笛卡尔坐标系中具有一个位置，笛卡尔坐标系具有位于或靠近臂100的基部10的原点或基准点。一旦已经从点云选出感兴趣的点，就生成到t3的弹道阶段轨迹并且使用上文关于图18a描述的控制架构计算出在t1、t2和t3中的每一个时间的、第一双向致动器45a的驱动滑轮46a的角位置α1和第二双向致动器45b的驱动滑轮46b的角位置α2。168.接下来，通过控制双向致动器45a、45b以达到所计算出的角位置并且从而在弹道阶段轨迹的每个点处确保驱动滑轮46a、46b的相对位置，而使关节从t1移动到t2并且接下来移动到t3，使得关节具有期望关节姿势、具有期望刚度水平。169.从图17b可以看出，虽然关节的刚度在接近闭环关节控制阶段时、在从t3到t4时上升，但是关节的刚度在弹道阶段期间相对低。在弹道阶段期间，关节相对快地移动并且开环控制通过减少所需控制步骤的数量来进一步加速到达t3。这种具有有限控制的快速移动有可能导致臂100与外部体、诸如人或结构、之间的碰撞。然而，相对低的关节刚度确保臂100在弹道阶段期间具有相对高水平的被动顺从性，因此这种碰撞应该不会对臂100或外部体造成损坏。高扭矩模式可以在弹道阶段期间使用以使可用于使关节移动的扭矩最大化。170.闭环关节控制阶段在t3时开始。上文关于图18b描述的控制架构用于计算减小关节角度差值δθ所需的、驱动滑轮46a的角位置α1和滑轮46b的角位置α2的每个变化。通过控制双向致动器45a、45b以达到所计算出的角位置并且进行重复直到关节角度差值δθ为零或在零的允许裕度内，而使关节逐渐朝向t4移动。171.从图17b可以看出，在从t3到t4的闭环关节控制阶段中，关节的刚度继续上升、到达关节刚度相对高的水平。因此，这种高刚度模式中的被动顺从性降低，但关节位置的准确性增加。172.在从t4到t6的传感器控制阶段中，保持高刚度模式。在这个阶段期间，关节的移动根据由传感器控制阶段立体摄像机和彩色摄像机获得的视觉数据进行控制。使用图像识别算法分析由彩色摄像机获得的图像以识别将被拾取的或将以其他方式被接合或操纵的水果或蔬菜。例如，特定颜色范围或特定图案中的一组像素可以指示存在水果或蔬菜。也可以分析图像以确定所识别的水果或蔬菜是否成熟和/或是否有瑕疵，并且因此确定所识别的水果或蔬菜是否应该被拾取。173.一旦已经识别出水果或蔬菜，就分析由接近阶段立体摄像机获得的图像以确定所识别的水果或蔬菜在端部执行器的局部笛卡尔坐标系中的感测方位。174.将所确定的感测方位与端部执行器50的已知方位进行比较，并且计算出端部执行器50将行进的轨迹。确定实现关节位置所需的、驱动滑轮46a、46b的角位置，关节位置是实现沿所计算的轨迹进行移动所需要的，并且移动关节以将端部执行器移动到感测方位。当从摄像机获得新数据时，感测方位可能随着时间而改变。例如，当端部执行器更靠近水果或蔬菜时，水果或蔬菜可能轻微移动，或者所确定的方位的准确性可以提高。因此可以重复这种过程，直到端部执行器50到达端部执行器50能够抓握、接合或以其他方式操纵水果的最终方位。175.通过使用相对于端部执行器位于固定位置中(即，能够与端部执行器相配合地移动)的传感器(立体摄像机和彩色摄像机)，可以计算出在传感器控制阶段中端部执行器将在局部坐标系内行进的轨迹，这减少了计算出必要的关节移动所需的处理步骤，并且从而使传感器控制阶段中的端部执行器的运动速度最大化。176.此外，在传感器控制阶段期间，(一个或多个)关节的位置(角度)可以通过开环控制或闭环控制进行控制。开环控制是优选的，因为这将导致控制命令更少、处理更快以及因此(一个或多个)关节的移动更快。177.在水果或蔬菜可以以以下方式与茎脱离接合的应用中，在从t6到t7的可选的脱离接合阶段中，端部执行器50快速向下移动以使水果或蔬菜脱离接合。在脱离接合阶段中，关节移动经由开环控制以类似于弹道阶段的方式进行控制。从图17b可以看出，在脱离接合阶段中，关节刚度快速降低到最小刚度水平。关节刚度的快速降低可能由双向致动器45a、45b中的高度预张紧的筋的快速释放而导致。这种快速释放在脱离接合阶段的初始部分提供了爆发性的能量释放，这可以有助于使水果或蔬菜与水果或蔬菜的茎脱离接合。178.图19图示了根据本发明的水果或蔬菜拾取系统的实施例。系统包括多臂移动平台200，该多臂移动平台200能够借助于轮子210或可替代地借助于轨道或龙门式系统(未示出)移动。平台200支撑根据上述第一实施例的、竖向堆叠在彼此上方的四个机械臂100，并且每个机械臂经由它们的基部10安装到平台200的竖向支撑件220。每个机械臂100将已被拾取的水果或蔬菜递送到专用储存容器230，诸如筐或托盘。平台200还支撑冷藏储存单元240，储存容器230一旦装满就被放置在冷藏储存单元240中以使水果或蔬菜的保质期最大化。179.每个机械臂100具有相关联的弹道阶段立体摄像机250，该弹道阶段立体摄像机250提供包括这种臂100的端部执行器50可到达的所有点的图像。每个臂100还包括led光源(未示出)，该led光源安装在臂上以具有相对于端部执行器50的固定位置，并且以照亮由彩色摄像机和接近阶段立体摄像机捕获的图像所涵盖的区域。这种照亮使得能够在黑暗条件下、诸如在夜间、进行水果或蔬菜拾取，并且还有助于控制光照条件以防止由于环境光照质量的变化而导致的数据质量波动。当前第1页12当前第1页12