碰撞保护装置及机器人设备的制作方法

本实用新型涉及一种碰撞保护装置，该碰撞保护装置能够用于机械设备，尤其用于工业机器人手臂。本实用新型还涉及一种机器人设备，该机器人设备包括该碰撞保护装置。

背景技术：

近些年机器人已经广泛地应用于各个领域，例如工业领域和医疗领域。而人与机器人的交互和协作也越来越频繁。因此人与机器人的意外碰撞也成为行业内的关注之一，这种意外碰撞可能导致机器人的损坏甚至人的受伤。因此机器人必须具有碰撞保护装置来阻止这种不期望的碰撞。目前对碰撞保护装置的要求在于，这种碰撞必须被快速地检测从而使机器人快速地响应来阻止继续的动作，并且要求能够尽可能避免由于碰撞带给人员的损伤。

在现有技术中已知一种技术方案，其中在机器人的机械臂上包裹一个气囊，其中设有压力传感器，当人员与机械臂碰撞时导致气囊中压力传感器产生信号，由此控制器控制机械臂停止运动，但是这种碰撞保护装置结构相对复杂而且装配成本较高，更重要的是只能在碰撞之后产生信号。

此外还已知一种技术方案，其中在机械臂上布设多个传感器，每个传感器的检测区域覆盖机械臂的一个局部，当传感器识别到碰撞危险时，则向控制器发出信号来采取相关措施以避免碰撞。这种方案的缺点在于需要在机械臂上布设大量的传感器来覆盖机械臂，由此传感器成本很高，此外传感器的布线使得机械臂系统非常复杂，而且装配费用也会很高。再者，布设在机械臂上的传感器由于不期望的碰撞很容易被损坏，尤其在工业领域中会出现这种情况。

技术实现要素：

示例性实施例所要解决的技术问题在于，克服上述和/或其它现有技术中存在的缺陷，提供一种更方便应用、成本更低廉的碰撞保护装置。此外示例性实施例还提供了一种机器人设备。

上述技术问题通过以下技术方案解决。

一方面，按照示例性实施例的碰撞保护装置包括一个发射部件和一个接收部件，所述发射部件被构造为发射射束，所述接收部件被构造为接收从所述发射部件发射的射束并检测接收的射束的强度，其中，所述发射部件和所述接收部件被安装在需要碰撞保护的对象上以使所述射束形成沿着所述对象的表面从所述发射部件延伸至所述接收部件的射束传播路径；和一个控制器，被构造为与所述接收部件通信连接以接收所述接收部件发送的关于接收的射束的强度的信号，其中，当所述控制器确定接收的射束的强度低于预定的阈值时，所述控制器控制所述对象以改变所述对象的运动状态。在此，所述预定的阈值表示在所述对象无碰撞危险的状态下控制器经由所述信号获得的关于检测的接收的射束的强度的最小值，并且可以事先通过实验确定。所述信号可以是数字信号或模拟信号。

通过示例性实施例所述的碰撞保护装置，射束沿着传播路径在所述需要碰撞保护的对象的表面上形成了一种无形的屏障(或可称为无形的皮肤)，当所述对象由射束传播路径覆盖的表面存在碰撞危险时，所述无形的屏障、即沿着所述表面传播的射束被至少部分遮挡，从而使接收部件检测的接收的射束的强度相对于在该表面无碰撞危险时发生变化，控制器经由通信连接获得所述变化后，控制器控制所述对象以改变所述对象的运动状态，例如将该对象制动或移向相反方向，从而防止该对象发生实际碰撞。

该碰撞保护装置基于非接触式原理，能够在需要碰撞保护的对象发生实际碰撞之前采取防止碰撞的措施，并且在碰撞防护方面具有很高的灵敏度、能够大大降低传感器成本、灵活地适配各种机器人设备的形状以及实现简单廉价的装配。

根据示例性实施例所述的碰撞保护装置，当所述控制器确定所述关于接收的射束的强度的信号的幅值低于预定的阈值时，所述控制器控制所述对象以改变所述对象的运动状态。在此，所述控制器所接收的信号的幅值与所述接收部件检测的接收的射束的强度成正比。在这种设计方式中，以模拟信号的形式传输信号数据，其优点是能够有效地降低硬件成本且容易实现。在此，所述预定的阈值表示在所述对象无碰撞危险的状态下控制器所接收到的信号的幅值的最小值。在此，所述预定的阈值可以事先通过实验确定。

根据一种实施方式，所述发射部件包括发光器件，所述接收部件包括光电传感器，所述射束为从所述发光器件传播到所述光电传感器的光线。所述光线例如为红外线、可见光、紫外线等。这种设置方式的优点在于，发光器件和光电传感器均非常廉价且容易布设，更重要的是，光线不受电磁干扰，因此这样的设置尤其适用于计算机断层扫描设备。

根据另一实施方式，所述发射部件包括超声波发射器，所述接收部件包括超声波接收器，所述射束为从所述超声波发射器传播到所述超声波接收器的超声波。发射部件与接收部件之间采用对射式的检测模式。通过这样的设置方式，所述发射部件和所述接收部件两者之间能够持续保持“收听”。这种对射式超声波检测模式的优点也在于不受电磁干扰，因此这样的碰撞保护装置也可以用于计算机断层扫描设备。另外，当碰撞危险可能源自透光的物体时，在示例性实施例的碰撞保护装置中特别适合采用超声波作为射束。

除了光线和超声波以外，所述射束还可以采用其他能量形式。以这些能量形式的射束的特点在于，当所述射束被触碰、切断或影响时能够产生相关的信号，同时在特定环境下还能够对一些外界能量场如电磁场免疫。

根据示例性实施例所述的碰撞保护装置，所述对象呈长条状，所述发射部件和所述接收部件沿纵向长度分别设置在所述对象的两端。由此带来的优点是，发射部件和所述接收部件在空间上隔开尽可能远的距离，以使所述射束传播路径尽可能多地覆盖所述对象的表面。

根据示例性实施例所述的碰撞保护装置，发射部件及接收部件可以设置在所述对象的表面上。所述表面对于所述对象整体而言可以是外表面，也可以是内表面。其中，外表面对应的情形例如是，所述对象是机器人设备的机械臂；内表面对应的情形例如是，所述对象为设在机器人设备端部上的夹具，该夹具作为整体具有内表面，示例性实施例的碰撞保护装置可设在该内表面上，以避免在夹具不抓取工件时发生不必要的碰撞。优选地，发射部件及接收部件均设置在需要碰撞保护的对象如机械臂的外表面。

在优选实施方式中，所述发射部件和所述接收部件中的至少一个布设在所述对象的表面上的凸缘处。由此可以在现有结构上廉价地布设传感器。优选地，发射部件和/或接收部件布设在所述法兰或凸缘的凹口处。所述凹口例如是安装了螺栓的螺栓孔，或者是其他结构。由此可以成本低廉地对相关组件进行加装，而无需再另外构造安装结构。

在优选实施方式中，所述发射部件和所述接收部件中的至少一个布设在所述对象的表面中的开槽处。在该实施方式中，发射部件和/或接收部件设有基座，该基座能够插入到所述对象的表面中的开槽处，通过调节发射部件和/或接收部件的基座在槽内的插入深度、即调节射束传播路径与所述对象表面的距离，可以调节所述射束传播路径被遮挡即出现碰撞危险后留给控制器的响应时间，从而可以适配不同运动速率的对象。

根据示例性实施例所述的碰撞保护装置，所述发射部件的发射方向与所述接收部件的接收方向对准，以确保发射部件发出的射束在传播路径覆盖的表面无碰撞危险的情况下能够以最小的损失到达接收部件。由此带来的优点在于，可减少用于射束的能量浪费和提高对射束的检测灵敏度。

优选地，所述碰撞保护装置具有数量相同的分别对应的多个发射部件和多个所述接收部件，所述多个发射部件和所述多个接收部件沿着所述对象的表面轮廓分布，从而在所述对象的表面上方形成多个射束传播路径。在此，发射部件和接收部件的具体数量取决于所述对象表面区域的大小。通过这样的构造方式，能够更加有效地在多个方向上防止所述对象发生碰撞。

优选地，所述多个发射部件和所述多个接收部件分别沿所述对象的表面轮廓分布在所述对象相对的两侧，以使所述多个射束传播路径以特定间隔彼此平行且形成覆盖所述对象的表面的包络层。由此能够更加有效地全方位地防止所述对象发生碰撞。所述多个发射部件或所述多个接收部件可以沿着所述对象的表面轮廓分布在所述对象的同一侧或不同侧。例如，多个发射部件或多个接收部件的布设方式可导致例如相邻的射束的传播方向相反，由此避免尤其在超声波的情况下相邻的超声波射束之间的相互干扰，从而能够减小所述多个射束传播路径之间的间隔。

按照示例性实施例所述的碰撞保护装置，所述控制器分别与所述多个接收部件通信连接，当所述控制器确定从所述多个接收部件中的至少一个接收部件接收的射束的强度低于预定的阈值时，所述控制器根据所述至少一个接收部件和与所述至少一个接收部件对应的发射部件形成的射束在所述对象的表面的位置以及所述对象当前的运动状态确定存在碰撞危险的方向，并控制所述对象以使所述对象改变运动方向或停止运动。由此还能够基于所述多个接收部件的分布位置来判断所述对象表面上存在碰撞危险的具体部位及碰撞区域大小，从而能够更加有针对性地改变所述对象的运动状态。

在具有多个发射部件的示例性实施例的设计方式中，所述多个发射部件可设成不同频率的超声波发射器，以区别相邻超声波发射器，避免相邻超声波发射器之间的影响。在此情况下，所述多个接收部件相应地设成不同频率的超声波接收器。

优选地，所述发射部件及所述接收部件布置成使得所述射束传播路径处于所述对象的表面之外，优选地，所述射束传播路径与所述对象表面的垂直距离在2毫米至10厘米之间，优选在5毫米至5厘米之间，更优选地在1至5厘米之间。已经证明这样的垂直距离能够一方面实现对所述对象的表面的碰撞危险进行有效响应，而另一方面不会影响该对象的正常操作。

根据示例性实施例所述的碰撞保护装置，接收部件与所述用于控制所述对象的运动状态的控制器的通信连接可以是有线的，也可以是无线的。

优选地，所述碰撞保护装置还包括一个警告系统，所述警告系统与所述控制器通信连接，当所述控制器确定接收的射束的强度低于预定的阈值时，所述控制器控制所述警告系统发送警告将要发生碰撞的警告信号。通过这种设计方式，控制器在控制所述对象以改变所述对象的运动状态的同时，还控制所述警告系统发送警告，例如声音或光学警告，由此不但可以阻止实际碰撞的发生，而且可以及时通知相关操作人员。

另一方面，示例性实施例提供了一种机器人设备，所述机器人设备包括：一个机器人手臂；一个运动控制装置，被构造为控制所述机器人手臂以使机器人手臂进行运动；上述碰撞保护装置，其中，发射部件和接收部件安装在所述机器人手臂上，控制器与所述控制运动装置连接，当所述控制器确定接收的射束的强度低于预定的阈值时，所述控制器将运动改变信号提供到运动控制装置，以通过运动控制装置使机器人手臂改变运动状态。

该机器人设备的碰撞保护装置能够在机器人手臂发生实际碰撞之前采取防止碰撞的措施，并且该机器人设备在碰撞防护方面具有很高的灵敏度和显著降低的成本。

根据示例性实施例所述的机器人设备，所述控制器可通过无线或有线的方式与所述控制运动装置通信连接。在一种实施方式中，所述控制器可以安装到机器人设备的运动控制装置上。

在此，需要碰撞保护的对象为机器人设备，尤其是机器人手臂。“机器人设备”应该理解为在工业生产、医疗保健等领域中使用的各种可控的机械装置，应当也包含机械臂或机械手等装置。所述“机械臂”和“机械手”在本文中统称为机器人手臂。通常地，机器人手臂包括相互铰接的多个机械臂节段，一个或多个机械臂节段上可设置所述碰撞保护装置，所述碰撞保护装置布设在所述机械臂节段的外表面。设在不同节段上的碰撞保护装置可设成使用同一控制器，也可设成使用不同的控制器。

根据示例性实施例所述的机器人设备，所述机器人手臂包括一个附装的末端执行机构，所述碰撞保护装置布设在所述末端执行机构上。所述末端执行机构可以包括夹具、钻头、拧紧机构等。由此能够有效地防止所述末端执行机构发生不必要的碰撞或接触。

总体而言，按照示例性实施例的碰撞保护装置以及具有前述碰撞保护装置的机器人设备能够在实际碰撞之前检测到可能发生的碰撞，因此对特别是机器人设备和人员提供了更好的保护。而且按照示例性实施例的碰撞保护装置的灵敏度很高，一旦射束被遮挡就可以检测到碰撞，因此在非常微小的碰撞发生时就可以采取安全措施。此外，与碰撞相关的位置和时间信息可以被用于复杂的碰撞反应策略。按照示例性实施例的光学或声学系统还能够应用在电磁辐射的环境中，因为光线或声波不受磁场或电场的影响。更重要的是，按照示例性实施例的碰撞保护装置成本很低，而且装配位置灵活，可以很好地适配各种机器人设备及其部件。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本实用新型上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。其中：

图1示出按照示例性实施例的碰撞保护装置的示意图。

图2示出按照示例性实施例的包括碰撞保护装置的机器人设备的示意图。

图3示出设在图2中的机器人设备上的碰撞保护装置的细节图。

图中：

1、发射部件 2、接收部件 3、控制器

4、对象的表面 5、射束传播路径 6、支座；

7、第一铰接轴； 8、第一机械臂节段； 9、第二铰接轴；

10、第二机械臂节段； 11、第一端部； 12、第二端部；

13、运动控制装置 14、凸缘

具体实施方式

在图1中示出了根据示例性实施例的碰撞保护装置。其中所述碰撞保护装置包括发射部件1、接收部件2和控制器3。发射部件1被构造为发射射束，接收部件2被构造为接收从发射部件1发射的射束并检测接收的射束的强度，其中，所述发射部件1和所述接收部件2被安装在需要碰撞保护的对象上以使所述射束具有能够沿着所述对象的表面4从发射部件1延伸至接收部件2的射束传播路径5。该射束传播路径5在图1中用虚线表示。控制器3被构造为通过无线的方式与接收部件2通信连接，该无线通信连接在图1中用点划线表示。控制器3设计用于接收所述接收部件2发送的关于接收的射束的强度的信号。当所述控制器3确定接收的射束的强度低于预定的阈值时，所述控制器3控制所述对象以改变所述对象的运动状态。

图2示出了一种包括根据示例性实施例所述的碰撞保护装置的机器人设备。该机器人设备具有机械臂。该机械臂包括支座6、第一铰接轴7、第一机械臂节段8、第二铰接轴9以及第二机械臂节段10。第一机械臂节段8通过第一铰接轴7铰接在支座6上，并且第二机械臂节段10通过第二铰接轴9与第一机械臂节段8相连。图2中的其他部分具有类似构造，因此不再重复阐述。所述实施例也可以用于不同于铰接的其他连接形式的机械臂，在此仅以这种机械臂为例示范性地阐述示例性实施例。

在图2中，在第二机械臂节段10的第一端部11上设置多个发射部件1，这里发射部件1设成发光器件如发光二极管等，而在对置的第二端部12上设置接收部件2，接收部件2在这里设成光电传感器。所述机器人设备还包括被构造为控制所述机械臂以使机械臂进行运动的运动控制装置13，控制器3(图2中未示出)安装在运动控制装置13上。图2中，6个发射部件1和6个接收部件2分别对应地安装在第二机械臂节段10的两个端部的凸缘14上的凹口处，因此发射部件1和接收部件2本身在图2中不可见，而仅能观察到射束传播路径5。所述凹口例如是装有螺栓的螺栓孔，由此在装配时可以大大降低成本，而且可以对原本没有这种碰撞保护装置的机械臂进行快捷廉价的加装。发射部件1与接收部件2之间的连线平行于第一机械臂节段8的纵向轴线。其中，第一机械臂节段8以及其他机械臂节段上也设有发射部件1和接收部件2，为了更清楚地图示而仅示出了沿这些机械臂节段表面延伸的射束传播路径5。在此仅以第二机械臂节段10为示例来阐释根据示例性实施例的碰撞保护装置。

图3是沿图2中第二机械臂节段10的轴向观察得到的视图，其中明确示出了在第二机械臂节段10的第一端部11的凸缘14上的凹口处布置的6个发射部件1，例如发光二极管，这些发射部件1等角间距地布置在第一端部11的凸缘14上的凹口处。同样在第二机械臂节段10的第二端部12的凸缘14上布设6个接收部件2，例如光电传感器，并且发射部件1与接收部件2一一对应，6个射束传播路径5以特定间隔彼此平行且形成基本覆盖所述第二机械臂节段10的外包络层。当然，发射部件1和接收部件2各自的数量也可以不是6个，在示例性实施例中至少3个，优选为12个，更优选布设36个，这可以根据机械臂的尺寸和工作环境进行匹配。此外，也可以不同于图3所示，多个发射部件1和多个接收部件2并非均匀分布在圆周上，而是仅在可能发生碰撞的区域中布设。此外还可以采用其他形式的端部结构，例如并非圆形的端部结构，这取决于机械臂的自有的形状。

此外，射束传播路径5与机械臂表面的垂直距离d最小为2毫米，优选不超过5厘米，这可以根据机械臂的具体情况做出调整。

在一种实施形式中，发射部件1和接收部件2可以是对射式超声波探头。因此作为发射部件1的一个超声波发射器与作为接收部件2的一个超声波接收器之间持续保持“收听”状态。由此在发射部件1和接收部件2之间形成超声波传播路径，这时超声波传播路径未被遮挡，接收部件2检测所接收到的超声波强度并将所述超声波强度以模拟信号的形式发送给控制器3，控制器3接收到的信号的幅值为M。M允许在一定范围内波动，如±1％至±5％。例如可将阈值设为0.95M。当物体或人员触碰到所述超声波传播路径时，则会遮挡接收部件2接收超声波，接收部件2接收到的超声波强度大幅下降，例如下降到原来的20％至50％，从而导致控制器3接收到的信号的幅值低于预设的阈值0.95M，则控制器3将运动改变信号提供到运动控制装置13，以通过运动控制装置13使机器人手臂改变运动状态，例如对机械臂进行制动或改变运动方向或降低运动速度，使得不会发生人员或物体与机械臂的实际碰撞。

在一种实施形式中，由6个发射部件1如发光二极管发出的光线持续地被6个接收部件2如光电传感器接收，由此光线在第二机械臂节段10的表面上形成光线包络层，这时光线传播路径未被遮挡，6个接收部件2分别检测所接收到的光线强度并将所述光线强度转换为电信号发送给控制器3，控制器3由接收到的电信号确定接收的光线的强度为I₁～I₆。在此以I₁为例。在光线传播路径未被遮挡即无碰撞危险时，I₁允许在一定范围内波动，如±0.1％至±1％。这时例如将阈值设为0.99I₁。当有人员或物体触碰到所述光线包络层时，则发射部件1和接收部件2之间的光线传播路径被遮挡，控制器3确定接收到的光线的强度I₁大幅降低，甚至为0，显著低于预定的阈值0.99I₁，则控制器3将运动改变信号提供到运动控制装置13，以通过运动控制装置13使机器人手臂改变运动状态。此外，所述信号还可以包含光电传感器位置的信息，当控制器3确定光线的强度I₁～I₆中的一个或几个低于预定的阈值时，所述控制器3根据相应的一个或几个接收部件2和与所述一个或几个接收部件2对应的发射部件1形成的光线在所述对象的表面4上的位置以及所述对象当前的运动状态确定存在碰撞危险的方向，并控制所述对象例如使所述对象改变运动方向或停止运动。

虽然在前述说明中阐述了示范性的实施形式，但应该指出的是，大量的变型方案是可能的。此外需要指出的是，所述示范性的实施形式仅是举例，而不应认为是对按照示例性实施例的保护范围、应用性和设备构造以任何形式的限定。更确切的说，概述与实施形式的描述是为专业人员提供用于实施至少一个示范性的实施形式的指导说明，其中，能够在所述组件的功能和布局方面进行各种修改，只要不背离权利要求书和等同的特征组合所确定的保护范围即可。