專利名稱：包括可折疊機械臂的機器人系統(tǒng)的制作方法
包括可折疊機械臂的機器人系統(tǒng)背景技術(shù)
對能夠在狹窄的工作空間內(nèi)緊貼工作面精確定位末端執(zhí)行器的需求一直存在。 同時也存在對操縱末端執(zhí)行器穿過進入端口并進入狹窄的工作空間的機器人系統(tǒng)的需 求。發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器，用于定向末端執(zhí)行器的機械腕；以及 可折疊成堆疊的機械臂。該機械腕安裝到機械臂最末端的連桿。
在另一實施例中，系統(tǒng)包括機械臂，該機械臂具有多個連桿以及平行軸接頭配 置，從而使所述連桿能夠與堆疊在彼此頂部的連桿一起被折疊成緊湊結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)還包 括安裝到機械臂最末端的連桿的機械腕，以及安裝到機械腕的末端執(zhí)行器。該機械臂被 用來定位末端執(zhí)行器，而機械腕被用來定向末端執(zhí)行器。


圖1為機器人系統(tǒng)的框圖。
圖&及沈為機器人系統(tǒng)實施例的示圖。
圖3為末端執(zhí)行器及機械腕的示圖。
圖4為具有狹窄工作空間及通向該狹窄工作空間的進入端口的構(gòu)造的示圖。
圖5為應(yīng)用圖&及沈的機器人系統(tǒng)的方法的示圖。
具體實施方式
參照圖1，其圖示說明機器人系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100包括末端執(zhí)行器110。該末 端執(zhí)行器110的設(shè)計取決于其所意圖的任務(wù)。例如，末端執(zhí)行器可以被設(shè)計用來支持檢 查工具(例如，借助照相機或其他傳感器)、切割操作(例如，鉆孔、沖孔或銑削)、緊 固操作(例如，通過鉚釘或螺絲)或其他組裝操作。
系統(tǒng)100也包括用于定向末端執(zhí)行器110的機械腕120。該機械腕120不局限 于任何特定類型。機械腕120的活動范圍和自由度由不同工作面所具有的方位的數(shù)量決 定。作為另一個示例，具有三個自由度的球腕可以被用來定向末端執(zhí)行器110。
系統(tǒng)100還包括具有可折疊成堆疊的多個連桿的機械臂130。該機械臂130可 以為具有多個連桿及平行軸接頭配置的SCARA型機械臂(縮寫SCARA指的是Selective Compliant Articulated Robot Arm,即選擇順應(yīng)性鉸接機械臂)。這些接頭的軸可以標(biāo)稱地 與重力矢量平行，從而使各接頭的軸上的重力扭矩最小。多個連桿可以與堆疊在彼此頂 部上的連桿一起被折疊成緊湊結(jié)構(gòu)。
機械臂130定位末端執(zhí)行器110。機械腕120允許末端執(zhí)行器110到達機械臂 130自身可能達不到的方位。
系統(tǒng)100還可以包括用于定位，升高和傾斜機械臂130底座的外部設(shè)備140。該設(shè)備140對于具有狹窄工作空間以及通向該工作空間的進入端口的結(jié)構(gòu)具有特殊實用 性。設(shè)備140可以操縱折疊的機械臂130經(jīng)過進入端口并進入狹窄工作空間內(nèi)。例如， 設(shè)備140可以包括具有三個自由度的底座，以用于沿垂直軸移動機械臂130(即調(diào)整機械 臂130的高度)，圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)機械臂130以及俯仰以上下擺動整個機械臂130。一旦 處于工作空間內(nèi)，機械臂130就可以被展開并用于在工作空間內(nèi)緊貼工作面定位末端執(zhí) 行器110。
此外，機器人系統(tǒng)100可以安裝在托架組件150上。該托架組件150可以用于 沿地面移動系統(tǒng)100以將該系統(tǒng)100關(guān)于進入端口定位。
現(xiàn)在參照圖&，其圖示說明機器人系統(tǒng)210的示例。機器人系統(tǒng)210包括具有 通過接頭2M連接的多個連桿222的機械臂220。接頭2M定向為平行軸。盡管圖&中 圖示說明五個等長的連桿222，但本文所述的機械臂并不受此限制。
接頭2M可以包括用于折疊和展開臂220的軸承和致動器(如電動機)。這些接 頭的軸可以標(biāo)稱地與重力矢量平行。接頭的這種布置可以使各接頭2M上的重力扭矩最 小。如果所有的主要承重接頭都與重力平行，則致動器的尺寸及功率的要求急劇下降。
機器人系統(tǒng)210還包括機械腕230和末端執(zhí)行器MO。機械腕230被安裝到最后 連桿的端部。同樣顯示了用于定位、升高和傾斜的致動器系統(tǒng)250以及機械臂220。
現(xiàn)在參照圖2b，其圖示說明與其堆疊在彼此頂部的連桿222 —起處于緊湊結(jié)構(gòu) 中的機械臂210。圖沈所示的連桿222的結(jié)構(gòu)被稱為“同延堆疊”。圖沈還顯示了機械 腕230，該機械腕230被定向為使得其與末端執(zhí)行器240均處于最后連桿上的裝入(stow) 位置中，這使機器人系統(tǒng)210更為緊湊。
參照圖3，其圖示說明末端執(zhí)行器300與機械腕310的示例。機械腕310模擬具 有三個自由度的球腕的運動學(xué)。機械腕310包括用于控制末端執(zhí)行器300的俯仰、偏轉(zhuǎn) 和搖擺的第一、第二和第三轉(zhuǎn)動接頭320、330和340。
第三轉(zhuǎn)動接頭340允許末端執(zhí)行器300圍繞B軸旋轉(zhuǎn)。B軸靠近末端執(zhí)行器300 的中心并穿過末端執(zhí)行器300以當(dāng)?shù)谌D(zhuǎn)動接頭340旋轉(zhuǎn)時最小化末端執(zhí)行器300掠過的 體積。
第二轉(zhuǎn)動接頭330允許末端執(zhí)行器300圍繞A軸旋轉(zhuǎn)。第一轉(zhuǎn)動接頭320允許 末端執(zhí)行器300圍繞C軸旋轉(zhuǎn)。
這三個軸相交于公共點(即中心)CP，從而避免了任何軸偏移。具有全部三軸 相交簡化了運動學(xué)計算，提高了緊湊度并且降低了控制的復(fù)雜度。
機械腕310還包括電動機325、335和345以關(guān)于A軸、B軸和C軸驅(qū)動末端執(zhí) 行器300。電動機325、335和345可以為具有內(nèi)置傳動齒輪(如行星齒輪減速器)的刷 式齒輪電動機。將這種電動機325、335和345放置在腕310內(nèi)允許整個機器人系統(tǒng)更大 的模塊性和適用性。腕310是模塊化且獨立的。為了安裝或移除機械腕，只需要將其連 接到機械臂的最后連桿305或從其上斷開。
兩個精確定位器模塊350可以被安裝到末端執(zhí)行器300的相對側(cè)。精確定位器模 塊350執(zhí)行末端執(zhí)行器300的精確調(diào)整。機械臂中連桿的長度和數(shù)目能夠影響剛度和定 位精確度。執(zhí)行精確定位是為了校正末端執(zhí)行器300的X-Y(- 位置的位置誤差。機 械腕中的定向誤差也可以引發(fā)末端執(zhí)行器300的某些位置誤差。精確定位也可以校正這樣的位置誤差。于2008年5月13日提交的美國第12/119,513號專利公開了精確定位器 模塊350的各實施例，其通過引用被合并入本文。
本文所述機器人系統(tǒng)不局限于任何特定的應(yīng)用。然而，該系統(tǒng)尤其適用于操縱 末端執(zhí)行器經(jīng)過結(jié)構(gòu)的進入端口并進入狹窄空間。
圖4為具有狹窄空間及通向該狹窄空間的進入端口 420的構(gòu)造410的示圖。例 如，小型狹窄空間的尺寸可以為1英尺X3英尺X3英尺，同時大型狹窄空間的尺寸可以 為3英尺XlO英尺X4英尺。通向兩空間的進入端口 420的尺寸可以為9英寸X 18英 寸。
現(xiàn)在參照圖5，其圖示說明在狹窄空間內(nèi)將末端執(zhí)行器定位到目標(biāo)上的方法。例 如，該方法可以用來關(guān)于工作面中的洞定位末端執(zhí)行器的加工中心點。
在框510，機械臂被折疊，以便各連桿緊湊地堆疊在彼此頂部。此外，機械腕可 以被定向從而使其與末端執(zhí)行器均被裝入到折疊后的機械臂的最后連桿上。照此，折疊 后的機械臂的緊湊程度足以使其移動穿過進入端口。
在框520，折疊后的機械臂被操縱經(jīng)過進入端口并進入到狹窄空間內(nèi)。例如，折 疊后的機械臂可以被水平定位、升高和傾斜。機械臂攜帶機械腕、精確定位器模塊以及 末端執(zhí)行器進入狹窄空間內(nèi)。
在框530，一旦進入到狹窄空間內(nèi)，機械臂就要至少部分地展開。取決于狹窄空 間的幾何形狀，可以使一些或所有連桿伸展。
在框M0，機械臂被用于末端執(zhí)行器關(guān)于工作面的粗調(diào)x-y-z定位，而機械腕 被用來將末端執(zhí)行器放置在適當(dāng)?shù)姆较蛏?。隨著對空間中目標(biāo)的位置和方向的認知，粗 調(diào)定位可以基于測量后的接頭角度以及機械臂的幾何形狀。開環(huán)控制能夠確定將末端執(zhí) 行器放置在期望位置和方向上的接頭角度。借助對狹窄空間的認知以及對機器人系統(tǒng)的 構(gòu)造和位置的認知，該控制能夠在部件精度、反沖和剛度以及伺服控制誤差的限制范圍 內(nèi)預(yù)測狹窄空間內(nèi)的末端執(zhí)行器的位置?？梢詫嵤┒喾N校準(zhǔn)程序，以最小化這些誤差中 的一部分。在粗調(diào)定位的最后，末端執(zhí)行器被粗略地定位在工作面上，以靠近其目標(biāo)位 置。
在框550，精確定位器模塊調(diào)整末端執(zhí)行器的定位以校正剩余的定位誤差。在 一些實施例中，末端執(zhí)行器定位的精確控制使用工作面的圖像來定位目標(biāo)。一旦目標(biāo)被 定位，則精確定位處理被調(diào)用，以將工具中心移動到目標(biāo)上方。當(dāng)沿工作面移動末端執(zhí) 行器時，精確定位器模塊通過即刻斷開末端執(zhí)行器與工作面之間的接觸來移動末端執(zhí)行 器。多個末端執(zhí)行器的接觸部件可以被同步地移動以實現(xiàn)并維持末端執(zhí)行器沿工作面的 精確定位。為了實現(xiàn)同步運動，精確定位器模塊可以同時接收命令并且基于精確時鐘生 成本地路徑。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 末端執(zhí)行器；用于定向所述末端執(zhí)行器的機械腕；以及用于定位所述末端執(zhí)行器的機械臂，該機械臂可折疊成堆疊，所述機械腕安裝到所 述機械臂最后的連桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述機械臂包括多個連桿以及平行軸接頭配置， 從而使所述連桿能夠與堆疊在彼此頂部的連桿一起被折疊成緊湊結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述機械臂可折疊成同延堆疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述機械腕與末端執(zhí)行器均處于所述機械臂的最 后的連桿上的可裝入位置中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于定位、升高和傾斜所述機械臂以使其適合 經(jīng)過進入端口的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括用于將所述系統(tǒng)移動到所述進入端口的托架組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述機械腕允許所述末端執(zhí)行器到達所述機械臂 自身不能到達的方位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述機械臂模擬具有三個自由度的球腕，并且其 中所述機械腕的所有旋轉(zhuǎn)軸相交于公共點。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括至少一個精確定位器模塊，該精確定位器模塊 與所述末端執(zhí)行器連接以用于執(zhí)行所述末端執(zhí)行器的精確調(diào)整。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中每個精確定位器模塊包括 用于實現(xiàn)與工作面接觸的接觸部件；用于使所述接觸部件沿所述工作面移動所述末端執(zhí)行器的定位調(diào)整器；以及 致動器，當(dāng)所述接觸部件被用來沿所述工作面移動所述末端執(zhí)行器時，所述致動器 用于減輕所述末端執(zhí)行器施加在所述工作面上的壓力。
11.一種操作根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人系統(tǒng)以在具有狹窄空間的結(jié)構(gòu)內(nèi)定位末端 執(zhí)行器的方法，包括折疊機械臂以便其連桿堆疊在彼此頂部； 操縱折疊后的所述機械臂經(jīng)過進入端口到達所述狹窄空間； 在所述狹窄空間內(nèi)至少部分地展開所述機械臂；以及 在所述狹窄空間內(nèi)利用所述機械臂將所述末端執(zhí)行器定位在目標(biāo)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括將所述機械腕和末端執(zhí)行器裝入到所述折疊 后的機械臂的最后的連桿上。
13.—種系統(tǒng)，包括機械臂，其具有多個連桿以及平行軸接頭配置，從而使所述連桿能夠與堆疊在彼此 頂部的連桿一起被折疊成緊湊結(jié)構(gòu)；安裝到所述機械臂最后的連桿的機械腕；以及 安裝到所述機械腕的末端執(zhí)行器；所述機械臂用于定位所述末端執(zhí)行器，所述機械腕用于定向所述末端執(zhí)行器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述機械腕模擬具有三個自由度的球腕；并 且其中所述機械腕的所有旋轉(zhuǎn)軸相交于公共點。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括與所述末端執(zhí)行器連接的至少一個精確定位 器模塊，其用于執(zhí)行所述末端執(zhí)行器的精確調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器(110)，用于定向末端執(zhí)行器(110)的機械腕(120)，以及用于定位末端執(zhí)行器的機械臂(130)。該機械臂(130)可折疊成堆疊。該機械腕(120)安裝到機械臂最后的連桿。
文檔編號B25J9/06GK102026781SQ200980117563
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者B·薩爾, H·B·布朗, H·M·喬賽特, J·C·蓋斯特 申請人:卡耐基-梅隆大學(xué), 波音公司