背景技术：
1、引言
2、自动化制造任务常常需要在工件上执行联结操作。传统上，操作者将支撑适合于应用的联结工具，同时手动定位工件上的目标区域，例如铆钉或紧固件头部、接头缝或要使用联结工具来联结的另一区域。在操作者支撑、定位和操作联结工具时，操作者通常在整个联结操作中经历任务负荷。结果，已在现代工作场所采用各种自动化解决方案，以减少操作者任务负荷并改进制造效率和吞吐量。
3、在示例性汽车制造和装配环境中，在自动化装配线设备的协助下执行联结操作和其他工作任务。例如，可使用高架或地面安装式输送机系统将车辆底盘运输通过制造工厂。在沿着装配线的不同工作站处，一个或多个串联机器人可执行各种操作，这些操作中的许多操作传统上一直是由人类操作者执行的。尽管如此，操作者仍然参与制造和装配过程，并且有时可能需要与工件交互。因此，现代装配线的协作性质为改进相关装配线设备的整体结构和功能做好准备。
技术实现思路
1、本文中公开了一种欠致动（underactuated）联结系统，其可操作以用于在经由移动装配线将工件运输通过制造设施时联结工件的表面。欠致动联结系统的构造最终允许联结工具以顺应的或非刚性方式跟随移动的工件。如本文中所使用的，“顺应的”、“顺应性”和“顺应地”是指使用旋转、平移或万向接头作为柔性/非刚性接头，或者使用可能地其他接头构造（诸如，球形或平行四边形/四边形接头），从而共同地实现力和运动的传递以实现本文中所描述的以下动作，特别是当连接处于运动中的两个刚性本体时。该有益结果通过本文中所描述的方法产生，该方法还适应与联结工具或连接到联结工具的末端执行器的直接“动手（hands-on）”物理人类交互。
2、为了说明的清楚性起见，工件在本文中被描述为单个物品，但在不同的实施例中可涵盖多个工件或工作表面。同样，仅为了说明的清楚性起见，欠致动联结系统与移动装配线是分开识别的，其中在实际实施例中欠致动联结系统可能地包括移动装配线设备的整体集合，该移动装配线设备可能地包括一个或多个机器人。附加地，如贯穿本公开所使用的汽车装配线旨在代表本教导的仅一种可能的实施方式。换言之，经由本文中所描述的欠致动联结系统而被操作的特定工件可在本公开的范围内变化。
3、在可能的实施例中，欠致动联结系统包括机器人、铰接顺应性机构、联接到铰接顺应性机构的末端执行器的联结工具、以及与机器人通信的控制器。可选地，如本文中所设想的机器人可被实施为多轴串联机器人，诸如但不限于6轴工业机器人、高架龙门或本领域中很好理解的类型的高架动力轨道系统。因而，机器人包括多个主动控制/致动的接头，且因此包括对应的多个主动自由度（dof）。
4、与机器人形成对比，铰接顺应性机构具有多个被动/未致动（unactuated）接头，其中一组位置传感器共同地被构造成测量未致动接头的接头位置并将测得的接头位置作为电子信号输出。在最低限度，顺应性机构的每个dof使用一个位置传感器。连接到末端执行器的联结工具被构造成在由移动装配线运输工件时在工件上形成接头，其中联结工具的示例性构型包括螺母驱动器、铆钉枪、焊枪/焊炬等。在该特定实施例中，控制器与铰接顺应性机构的位置传感器通信。响应于测得的接头位置以及可能地各种未致动接头相对于被致动（actuated）接头的数量、类型和/或构型，控制器选择性地控制机器人的活动接头的位置，例如由活动接头联结的组成连杆的旋转位置或铰接角度。该动作引起联结工具接合工件（诸如，通过示例性螺母驱动器的尖端与紧固件头部的接合）并且顺应地与移动装配线一起跟随或跟踪移动装配线。
5、更具体地，本文中所公开的控制策略可根据需要以两种不同模式中的一种操作：（1）自主模式，以及（2）跟随模式。自主模式使得所公开的欠致动系统能够在没有来自操作者或工件/机器的外部物理输入的情况下起作用，而跟随模式通过与操作者或工件/机器（例如，与联结工具和/或联接到其的末端执行器）的物理接触而以至少某种程度的外部输入操作。如本文中所使用的，“跟随”是指当外力或接触使布置在末端执行器处的联结工具移动时欠致动系统的响应性跟随动作。接触可以是操作者或机器（即，移动装配线）的接触。
6、给定与工件或操作者的外部接触，机器人可跟随末端执行器的运动。响应于铰接顺应性机构中的位移，控制器命令机器人进行特定运动以便起消除（close）位移的作用且此后将铰接顺应性机构保持在其运动范围的中心。这进而引起系统再次以如上所述的非刚性/顺应的方式跟随或跟踪移动线。当操作者握住联结工具时，同样的原理允许顺应性机构跟随人类操作者。
7、在本公开的一些方面，铰接顺应性机构被构造成在联结工具不与工件接合时返回到平衡位置。例如，铰接顺应性机构可使用重力或弹簧力作为恢复力。
8、在一个或多个实施例中，控制器可被构造成消除铰接顺应性机构的未致动接头相对于参考位置的位移。该动作经由控制机器人的被致动接头（或更准确地说，通过控制连接到被致动接头的对应的接头致动器）而实时发生。
9、欠致动联结系统的可选构型包括与控制器通信的机器视觉系统。机器视觉系统可生成指示工件上的目标区域的位置信号，例如，要由联结工具形成的焊接或紧固件接头的特定位置。在这种实施例中，控制器可响应于位置信号的接收而自动地将联结工具与工件接合。
10、未致动接头中的至少一些可包括相应的锁定装置，该锁定装置被构造成响应于锁定信号而接合或锁定。在这种实施例中，控制器可被构造成选择性地生成锁定信号以减少欠致动联结系统的dof的数量。例如，锁定信号可锁住一个或多个未致动接头以建立联结工具相对于工件的期望姿态或倾斜角。
11、本公开的另一方面包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被构造成检测在欠致动联结系统的预定近程（proximity）内操作者的存在。通过使用这种人存在传感器，控制器可响应于在欠致动联结系统的预定近程内检测到操作者而选择性地阻止机器人的运动。
12、本文中还公开了一种相关联的方法，其实施例包括：在由移动装配线运输工件时将联结工具与工件接合。如上所述，联结工具连接到具有未致动接头的铰接顺应性机构，其中铰接顺应性机构进而连接到机器人。该方法可包括：使用位置传感器来测量未致动接头中的每个相应未致动接头的对应接头位置。
13、响应于对应接头位置，控制器选择性地控制机器人的被致动接头的位置，由此引起铰接顺应性机构在由移动装配线运输工件时顺应地跟随工件。可选地，本方法的实施例可被编码为计算机可读介质上的指令并由控制器或另一合适的计算机装置的一个或多个处理器执行，以引起处理器执行上文所概述的方法。
14、根据又另一实施例的方法包括：将铰接顺应性机构连接到机器人，其中机器人具有多个被致动接头，并且其中顺应性机构包括通过多个未致动接头互连的多个连杆。该方法还包括：将联结工具连接到铰接顺应性机构。在该方法的该特定实施方式中，联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者。附加地，该方法包括：在车身由移动装配线运输时将联结工具与车身接合、以及在车身由移动装配线运输时使用一组位置传感器来测量未致动接头的对应接头位置。
15、然后，响应于对应接头位置，控制器选择性地控制被致动接头的位置，包括经由控制机器人的被致动接头来实时消除铰接顺应性机构的未致动接头的位移。该动作引起铰接顺应性机构在由移动装配线运输工件时顺应地跟随工件。该方法进一步包括：当联结工具从车身脱离时，使铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。
16、本发明至少包括如下方案：
17、方案1. 一种供与由移动装配线运输的工件一起使用的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统包括：
18、机器人，所述机器人具有多个被致动接头；
19、联接到所述机器人的铰接顺应性机构，所述铰接顺应性机构包括：多个连杆；末端执行器，所述末端执行器连接到所述多个连杆并且被构造成连接到联结工具；多个未致动接头，其使所述连杆互连；以及一个或多个位置传感器，所述位置传感器共同地被构造成测量所述未致动接头的对应接头位置；以及
20、与所述位置传感器通信的控制器，其中，所述控制器被构造成响应于所述对应接头位置而选择性地控制所述被致动接头的相应位置并由此引起在所述联结工具保持与所述工件接合时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件。
21、方案2. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括所述联结工具。
22、方案3. 根据方案2所述的欠致动联结系统，其中，所述联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者。
23、方案4. 根据方案3所述的欠致动联结系统，其中，所述工件是通过所述螺母驱动器、所述焊枪、所述焊炬或所述铆钉枪而被操作的车身。
24、方案5. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在所述联结工具不与所述工件接合时返回到平衡位置。
25、方案6. 根据方案5所述的欠致动联结系统，其中，所述铰接顺应性机构被构造成在使所述铰接顺应性机构返回到所述平衡位置时使用重力作为恢复力。
26、方案7. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述控制器被构造成经由控制所述机器人的所述被致动接头来实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头相对于参考位置的位移。
27、方案8. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括与所述控制器通信的机器视觉系统，其中，所述机器视觉系统被构造成生成指示所述工件上的目标区域的位置信号，并且其中，所述控制器被构造成响应于所述位置信号而自动地将所述联结工具与所述工件接合。
28、方案9. 根据方案1所述的欠致动联结系统，其中，所述未致动接头中的至少一些包括相应的锁定装置，所述锁定装置被构造成响应于锁定信号而接合，并且其中，所述控制器被构造成选择性地生成所述锁定信号以由此减少所述欠致动联结系统的自由度的数量。
29、方案10. 根据方案9所述的欠致动联结系统，其中，所述锁定信号被构造成改变所述联结工具相对于所述工件的姿态或倾斜角。
30、方案11. 根据方案1所述的欠致动联结系统，所述欠致动联结系统进一步包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被构造成在所述欠致动联结系统的预定近程内检测操作者，其中，所述控制器被构造成响应于在所述欠致动联结系统的所述预定近程内检测到所述操作者而选择性地阻止所述机器人的运动。
31、方案12. 一种方法，所述方法包括：
32、在由移动装配线运输工件时将欠致动联结系统的联结工具与所述工件接合，所述联结工具连接到具有多个未致动接头的铰接顺应性机构，其中，所述铰接顺应性机构连接到具有多个被致动接头的机器人；
33、使用一组位置传感器来测量所述未致动接头的对应接头位置；以及
34、响应于所述对应接头位置，经由与所述位置传感器通信的控制器来选择性地控制所述被致动接头的位置，由此引起在由所述移动装配线运输所述工件时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件。
35、方案13. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：使用所述联结工具在所述工件的目标区域上形成接头。
36、方案14. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：当所述联结工具不与所述工件接合时，使所述铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。
37、方案15. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：经由所述控制器经由控制所述机器人的所述被致动接头来实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头的位移。
38、方案16. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：
39、经由机器视觉系统来生成位置信号，所述位置信号指示要在所述工件上形成的接头的位置；以及
40、响应于所述位置信号而经由由所述控制器控制所述被致动接头来自动地将所述联结工具与所述工件接合。
41、方案17. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括使用粗略定位器装置来将所述联结工具引导到所述工件的所述目标区域。
42、方案18. 根据方案12所述的方法，其中，所述未致动接头中的至少一些包括锁定装置，所述锁定装置被构造成响应于锁定信号而锁定，所述方法进一步包括：选择性地生成所述锁定信号以减少所述欠致动联结系统的自由度的数量。
43、方案19. 根据方案12所述的方法，所述方法进一步包括：响应于在所述欠致动联结系统的预定近程内检测到操作者而选择性地阻止所述机器人的运动。
44、方案20. 一种方法，所述方法包括：
45、将铰接顺应性机构连接到具有多个被致动接头的机器人，其中，所述铰接顺应性机构包括通过多个未致动接头互连的多个连杆；
46、将联结工具连接到所述铰接顺应性机构，其中，所述联结工具是螺母驱动器、焊枪、焊炬或铆钉枪中的一者；
47、在由移动装配线运输车身时将所述联结工具与所述车身接合；
48、在由移动装配线运输所述车身时，使用一组位置传感器来测量所述未致动接头的对应接头位置；
49、响应于所述对应接头位置，经由与所述位置传感器通信的控制器来选择性地控制所述被致动接头的位置，以实时消除所述铰接顺应性机构的所述未致动接头的位移，由此引起在由所述移动装配线运输所述工件时所述铰接顺应性机构顺应地跟随所述工件；
50、当所述联结工具从所述车身脱离时，使所述铰接顺应性机构返回到预定的平衡位置。
51、当结合附图和所附权利要求书理解时，从对用于实施本公开的（一个或多个）实施例和（一个或多个）最佳模式的以下详细描述中，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将容易显而易见。