自动化表面制备系统的制作方法

本公开涉及自动化表面制备系统及其制备和使用方法。

背景技术：

机动车工业需要制备用于各种目的(例如涂漆)的汽车部件或替换部件(例如保险杠)的表面。典型的表面制备工艺包括例如物理研磨汽车表面或“刮擦”。当前的刮擦工艺通常是劳动密集型的并且产生大量粉尘。

技术实现要素：

希望使表面制备工艺自动化，使得安装在机械臂上的端部执行器工具可以与清洁的空气环境(诸如自动部件涂漆区域)隔离。本公开提供了使用安装在机械臂上的智能端部执行器工具来制备(例如，刮擦、研磨、砂磨、抛光等)物体表面的自动化系统和方法。

在一个方面，本公开描述了安装在动力机械臂上用于制备物体表面的端部执行器工具。工具包括功能部件，该功能部件被构造成接触并制备物体表面；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被构造成在功能部件接触并制备物体表面时检测端部执行器工具的工作状态；以及控制电路，该控制电路用于从传感器接收工具状态信号并处理这些信号，以生成端部执行器工具的状态信息。

在另一方面，本公开描述了包括端部执行器工具和动力机械臂的自动化表面制备系统。工具安装在动力机械臂上。工具包括功能部件，该功能部件被构造成接触并制备物体表面；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被构造成在功能部件接触并制备物体表面时检测端部执行器工具的工作状态；以及控制电路，该控制电路用于从传感器接收信号并处理这些信号，以生成端部执行器工具的状态信息。

在另一方面，本公开描述了使用表面制备系统来制备物体表面的方法。该方法包括向机械臂提供端部执行器工具；通过使工具与机械臂通信来初始化系统，以更新相应的状态信息；当端部执行器工具接触并制备物体表面时，经由工具的一个或多个传感器检测工具的工作状态以生成工具状态信号；经由工具的控制电路处理来自传感器的工具状态信号，以生成实时工具状态信息、通知或指令；将实时工具状态信息、通知或指令从控制电路传输到机械臂的机器人控制器；以及基于实时工具状态信息、通知和指令来调整机械臂的运动参数和工具的操作。

在本公开的示例性实施方案中获取各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，本文所述的端部执行器工具可快速地对机载传感器进行采样，提取工具状态信号并将实时状态信息、通知和指令更新到机器人控制系统，以在工具正在制备物体表面时自动且动态地调整或优化工具的工作物体交互。

已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。

附图说明

结合附图考虑到以下对本公开的各种实施方案的详细说明可以更全面地理解本公开，其中：

图1示出了根据一个实施方案的表面制备系统的侧透视图，该表面制备系统包括智能端部执行器工具以刮擦物体表面。

图2示出了根据一个实施方案的图1的智能端部执行器工具的侧透视图。

图3示出了根据一个实施方案的包括智能端部执行器工具以刮擦物体表面的表面制备系统的框图。

图4示出了根据一个实施方案的使用图3的表面制备系统来制备物体表面的方法的流程图。

图5示出了通过使用来自端部执行器工具的状态信息生成的重建保险杠表面轮廓的剖视图。

在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其他实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其他修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。

具体实施方式

本公开提供了使用端部执行器工具来制备(例如，刮擦、砂磨、抛光等)物体表面的自动化系统和方法。本发明提供了一种自动化表面制备系统，该自动化表面制备系统包括端部执行器工具和动力机械臂。工具安装在动力机械臂上。工具包括功能部件，该功能部件被构造成接触并制备物体表面；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被构造成在功能部件接触并制备物体表面时检测端部执行器工具的工作状态信息；以及控制电路，该控制电路用于从传感器接收信号并处理这些信号，以生成端部执行器工具的状态信息。

在一些实施方案中，自动化表面制备系统可以通过将端部执行器工具与其机械臂通信来初始化，以更新相应的状态信息。当端部执行器工具接触并制备物体表面时，工具的一个或多个机载传感器可检测工具的工作状态信息以生成工具状态信号。工具的控制电路可处理来自传感器的工具状态信号以生成实时状态信息、通知和指令，并且将通知和指令传输到机器人控制器，这继而可基于实时状态信息以及来自端部执行器工具的通知和指令来调整机械臂的运动参数，以调整工具的工作状态。

图1示出了根据一个实施方案的包括智能端部执行器工具20以刮擦物体表面2的自动化表面制备系统100的侧透视图。表面制备系统100还包括机械臂10。机械臂10包括由关节13a-c连接的多个臂区段12a-c。智能端部执行器工具20功能性地连接到位于机械臂10的远侧端部处的安装接口14。安装接口14可基于某些安装标准进行设计并且可基于相同的安装标准与各种端部执行器工具兼容。在一些实施方案中，安装接口14可包括各种机械和电气装置以将工具20功能性地连接到机械臂10。例如，安装接口可包括任何合适的紧固装置，以将智能端部执行器工具20机械地安装到机械臂10上；安装接口可包括任何合适的电连接件，以在工具和机械臂之间传送电信号或将电力从机械臂提供到工具。

机器人控制器16用于执行机械臂命令程序以控制机械臂10的运动，使得智能端部执行器工具20的移动轨迹可以被精确地控制。在一些实施方案中，机械臂命令程序可经由一组运动参数(包括例如臂区段和关节的位置、取向、速度)来控制机械臂的运动。物体表面2可为例如自动部件表面(例如，保险杠)。机器人控制器16可以控制机械臂的运动，使得端部执行器工具20可以接触物体表面并围绕物体表面移动，以制备(例如，刮擦、研磨、砂磨、抛光等)物体表面2。在一些实施方案中，机器人控制器16可以包括通向其电源的可选电源接口，以向端部执行器工具提供电、气压等形式的电力。

图2示出了根据一个实施方案的图1的智能端部执行器工具20的侧透视图。智能端部执行器工具20包括安装接口22，以将端部执行器工具20安装到机械臂10的安装接口14上。工具20由机械臂10的运动控制，以在围绕物体表面2行进时调整其位置、取向、移动轨迹等。在图2所描绘的实施方案中，智能端部执行器工具20包括被构造成接触和刮擦图1的物体表面2的功能部件26。功能部件26包括刮擦垫26a和马达26b，以移动刮擦垫26b来刮擦或研磨物体表面。在一些实施方案中，刮擦垫可包括研磨垫。研磨垫可例如通过在抵靠物体表面的一定压力下以一定轨迹振荡、振动或移动来研磨物体表面。

端部执行器工具20还包括一个或多个传感器以检测功能部件26的工作状态信息，同时该工具在物体表面2上工作或即将工作。相关的工作状态信息可包括例如功能部件26和物体表面2之间的位移信息；物体表面2的包括表面位置、平面、取向等的标测信息；功能部件26和物体表面2之间的物理接触信息，包括例如接触压力信息、振动信息等。在图2所描绘的实施方案中，端部执行器工具20包括压力传感器23、挠曲传感器24和超声波传感器25，以检测相关的工作状态信息。应当理解，可使用其他合适的传感器来获得端部执行器工具的所需工作状态信息。另外，多个传感器可分布在端部执行器工具的各个位置处以监测其工作状态。

压力传感器23可邻近刮擦垫26a定位，以监测刮擦垫26a与物体表面2之间的物理接触压力。在图2所描绘的实施方案中，压力传感器23设置在刮擦垫26a与刮擦垫26a的安装板21之间。在一些实施方案中，压力传感器23可以定位在刮擦垫26a与物体表面2或其他合适的位置之间，只要可以实时监测刮擦垫26a与物体表面2之间的物理接触压力即可。

提供挠曲传感器24以测量工具和物体表面之间的精确位移并且连续地标测物体表面2，例如，以获得物体表面2的2d透视表示或轮廓。挠曲传感器24包括一个或多个挠曲感测元件24a，该挠曲感测元件朝向物体表面2延伸并且具有相应的远侧端部24e以接触物体表面2，从而提供精确位移和连续表面标测的接触测量结果。在一些实施方案中，挠曲感测元件24a可为模拟电阻的，并且它们的电阻可随其挠曲量而变化。来自挠曲感测元件24a的模拟信号可由控制电路28实时放大和采样，以生成物体表面2的表面标测数据。

提供超声波传感器25以测量端部执行器工具20相对于物体表面2的相对位置以及物体表面的连续标测。相对位置可通过回声定位过程来测量，其中声波可从超声波传感器25传输，从物体表面2弹回并由超声波传感器25接收，其中时间差用于计算端部执行器工具20与物体表面2之间的距离。超声波传感器25的定位信号可被发送到控制电路28，以确定端部执行器工具20与物体表面2之间的实时位移。在一些实施方案中，超声波传感器25可以相对粗略的水平提供位置和标测信息，该信息可通过来自挠曲传感器和/或压力传感器的测量结果进一步细化。

图3示出了根据一个实施方案的表面制备系统300的框图，该表面制备系统包括功能性地连接到动力机械臂320以制备物体表面的智能端部执行器工具310。智能端部执行器工具310包括多个传感器312(例如，传感器1、...传感器n)，以检测其相对于物体表面2的工作状态信息。多个传感器312可包括例如图2的压力传感器23中的一个或多个压力传感器、图2的挠曲传感器24中的一个或多个挠曲传感器、图2的超声波传感器25中的一个或多个超声波传感器、其他类型的传感器中的一个或多个传感器以及传感器的任何组合。来自传感器312的原始信号(例如，模拟传感器信号)由处理器单元314(例如，图2的控制电路28)接收和处理。处理器单元314可包括模拟-数字转换器(adc)部件以对模拟传感器信号进行采样并将模拟传感器信号转换为数字信号。处理器单元314还可包括数字信号处理部件，以处理和提取数字信号从而生成实时工具状态信息、通知或指令，并将所生成的信息传送到机器人控制器。

在一些实施方案中，由工具的处理器单元314生成的实时工具状态信息可包括例如工具相对于物体表面的当前位置信息。实时工具状态信息还可包括例如指示工具是否适当地接触物体表面的接触压力、物体表面和工具之间的位移的实时变化等。

在一些实施方案中，处理器单元314可将来自超声波传感器25的定位数据、来自挠曲传感器24的表面标测数据和来自压力传感器23的压力数据组合，以重建物体表面2并得出端部执行器工具在物体表面2上行进并制备(例如，刮擦、研磨、砂磨或抛光)物体表面2的路径。图5示出了由处理器单元314基于实时状态信息生成的重建保险杠表面轮廓的横剖视图，其中x轴是保险杠表面的位置，y轴是传感器位移，两者均以相对单位给出。

在一些实施方案中，由工具的处理器单元314生成的实时通知可包括例如位置通知(例如，向机器人控制器通知工具位于物体表面的边缘)、安全通知(例如，向机器人控制器通知接触压力高于上限)等。

在一些实施方案中，由工具的处理器单元314生成的指令可包括例如关于如何控制工具的操作的工具操作指令、用于指示机器人控制器调整工具的位置、或工具的移动轨迹或速度的运动指令等。工具操作指令可包括例如使机器人控制器打开/关闭工具的开/关指令、使机器人控制器控制工具的马达的操作的马达控制指令等。例如，当处理器单元314确定接触压力高于极限时，处理器单元314可向机器人控制器发送指令以指示机械臂移动远离物体表面。当处理器单元314确定工具正接近物体表面时，处理器单元314可向机器人控制器发送指令以指示机械臂降低工具移动的速度。当处理器单元314确定存在紧急事件(例如，工具被物体表面的未识别的突出部接触)时，处理器单元314可向机器人控制器发送紧急停止指令以停止工具的操作。

来自智能端部执行器工具310的实时状态信息、通知或指令可经由工具控制接口316和机器人控制接口326发送到机器人控制器16。然后，机器人控制器16可以使用实时状态信息来同时更新机械臂的运动参数，使得可以精确地控制智能端部执行器工具310的移动轨迹。机器人控制器16还可以通过根据通知采取行动或遵循来自智能端部执行器工具310的指令相应地控制表面制备系统300。在一些实施方案中，机器人控制器16可以从智能端部执行器工具接收实时状态信息、通知或指令，解释所接收到的信息，检查通知或指令是否与预设规则兼容，并相应地实施指令。例如，机器人控制器16可以为工具提供用于工具相对于物体表面的位置调整的移动矢量；机器人控制器16可以指示机械臂提供适当的力以将工具压靠在物体表面上；机器人控制器16可向工具提供紧急停止命令，以在机器人控制器确定紧急情况时停止等。

图4示出了使用本文所述的表面制备系统(例如，图1和图3中的表面制备系统)来制备物体表面的方法400的流程图。

在410处，表面制备系统通过初始化其机械臂和端部执行器工具之间的通信而开始。表面制备系统的机械臂(例如，图1的机械臂10)和端部执行器工具(例如，图2的端部执行器工具20)彼此通信，以更新各自的状态信息。此类相应的状态信息可包括例如开机自检(post)、起始取向和坐标系、刮擦参数(例如，施加的压力、速度等)等。端部执行器工具可以从机械臂的机器人控制接口接收机械臂的状态信息。机械臂的状态信息可包括一组运动参数，包括例如臂区段和关节的位置、取向、速度。

端部执行器工具可经由各种传感器(例如，图3的传感器312)检测其自身的工作状态并在420处确定是否通过向机器人控制器发送通知或指令来中断机械臂的初始化，以在422处停止或调整机械臂的运动。例如，在一些实施方案中，当工具检测到紧急事件时，工具可发送通知以停止初始化。在一些实施方案中，当工具检测到待制备的物体表面时，工具可向机器人控制器发送指令以调整机械臂的运动，从而将工具定位在初始位置以制备物体表面。当端部执行器工具确定不中断系统的初始化时，该方法然后前进至424，在此处工具可以开始制备物体表面。

在430处，当工具由机械臂移动并且工具的功能部件开始接触并刮擦物体表面时，端部执行器工具使用其传感器来检测端部执行器工具相对于物体表面的工作状态信息。在一些实施方案中，可提供压力传感器(例如，图2的压力传感器23)以监测工具和物体表面之间的物理接触压力。在一些实施方案中，可提供挠曲传感器(例如，图2的挠曲传感器24)以标测物体表面，例如以获得物体表面的2d透视表示。在一些实施方案中，可提供超声波传感器(例如，图2的超声波传感器25)以测量端部执行器工具相对于物体表面的相对位置。然后，方法400前进至440。

在440处，端部执行器工具经由处理器单元(例如，图3的处理器单元314)处理传感器信号以生成状态信息、通知或指令，并将所生成的状态信息、通知或指令发送到机器人控制器。机器人控制器接收来自端部执行器工具的反馈，并且可相应地采取动作，例如，在450处连续更新机械臂的运动参数以调整其运动和工具的操作。

在450处，机器人控制器可基于从工具接收到的状态信息、通知或指令来调整机械臂的运动参数，并且启动由经调整的运动参数定义的运动序列，以沿着预先确定的移动轨迹精确地定位工具的功能部件。

方法400可以迭代方式工作。示例性迭代过程可通过在一个方向上移动工具并且连续地检测来自工具的工作状态的更新而开始。工具在测量其工作状态(包括该工具与物体表面之间的相互作用特性)的同时，可从测量结果导出任何状态更新，将更新发送到机器人控制器以调整其运动和/或工具的操作。该过程连续重复，直到操作完成。以这种迭代方式，本文所述的表面制备系统可以自动且动态地控制和操作刮擦过程以制备物体表面。

本公开提供了使用智能端部执行器工具来制备(例如，刮擦、研磨、砂磨、抛光等)物体表面的自动化系统和方法。智能端部执行器工具允许进行局部数据收集和处理，以检测端部执行器工具的工作状态信息，并利用远程机器人控制器实时更新此类状态感知。在一些实施方案中，此类状态感知可用远程机器人控制器每秒更新多次，这允许基于来自端部执行器工具的反馈瞬时控制机械臂的运动。智能端部执行器工具可以处理并提取传感器原始信号，以向远程机器人控制器生成工具工作状态信息、通知或指令，这显著减少了发送到集中式系统的数据量。在可能不允许来自集中式系统的快速响应的复杂情况下，本文所述的系统和方法可在控制范围内确定实时工具状态信息。

除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、特性测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。

在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下描述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素控制。

示例性实施方案列表

以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案1至13以及实施方案14至21中的任一项可组合。

实施方案1为一种端部执行器工具，所述端部执行器工具安装在动力机械臂上以用于制备物体表面，所述工具包括：

功能部件，所述功能部件被构造成接触并制备所述物体表面；

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功能部件接触并制备所述物体表面时检测所述端部执行器工具的工作状态；和

控制电路，所述控制电路用于从所述传感器接收信号并处理所述信号，以生成所述端部执行器工具的状态信息。

实施方案2为根据实施方案1所述的工具，其中所述功能部件包括刮擦垫和马达以移动所述刮擦垫从而研磨所述物体表面。

实施方案3为根据实施方案2所述的工具，其中所述刮擦垫包括研磨垫。

实施方案4为根据实施方案1至3中任一项所述的工具，所述工具还包括安装接口以将所述工具功能性地连接到所述动力机械臂。

实施方案5为根据实施方案1至4中任一项所述的工具，其中所述传感器信号包括位置数据、压力数据和表面标测数据中的至少一者。

实施方案6为根据实施方案5所述的工具，其中所述传感器包括用于获得所述位置数据的超声波传感器、用于获得所述压力数据的压力传感器和用于获得所述表面标测数据的挠曲传感器中的至少一者。

实施方案7为根据实施方案6所述的工具，其中所述超声波传感器将发射超声信号以监测所述功能部件和所述物体表面之间的位移。

实施方案8为根据实施方案6或7所述的工具，其中所述压力传感器邻近所述功能部件定位，以测量所述功能部件和所述物体表面之间的所述接触压力。

实施方案9为根据实施方案6至8中任一项所述的工具，其中所述挠曲传感器包括挠曲感测元件，所述挠曲感测元件具有远侧端部以接触所述物体表面。

实施方案10为根据实施方案1至9中任一项所述的工具，其中所述控制电路包括通信部件以在所述控制电路与所述动力机械臂的控制系统之间传送信号。

实施方案11为一种自动化表面制备系统，所述自动化表面制备系统包括：

根据实施方案1至10中任一项所述的端部执行器工具；和

动力机械臂，

其中所述工具安装在所述动力机械臂上。

实施方案12为根据实施方案11所述的系统，其中所述动力机械臂还包括微处理器以执行机器人控制系统。

实施方案13为根据实施方案12所述的系统，其中所述工具的所述控制电路与所述机器人控制系统通信以更新状态信息。

实施方案14为一种使用表面制备系统来制备物体表面的方法，所述方法包括：

向机械臂提供端部执行器工具；

通过使所述工具与所述机械臂通信来初始化系统，以更新相应的状态信息；

当所述端部执行器工具接触并制备所述物体表面时，经由所述工具的一个或多个传感器检测所述工具的工作状态以生成工具状态信号；

经由所述工具的控制电路处理来自所述传感器的所述工具状态信号，以生成实时工具状态信息、通知或指令；

将所述实时工具状态信息、所述通知或所述指令从所述控制电路传输到所述机械臂的机器人控制器；以及

基于所述实时工具状态信息、所述通知和所述指令来调整所述机械臂的运动参数和所述工具的操作。

实施方案15为根据实施方案14所述的方法，其中检测所述工具的所述工作状态包括使用超声波传感器来获得位置数据。

实施方案16为根据实施方案14或15所述的方法，其中检测所述工具的所述工作状态包括使用压力传感器来获得压力数据。

实施方案17为根据实施方案14至16中任一项所述的方法，其中检测所述工具的所述工作状态包括使用挠曲传感器来获得表面标测数据。

实施方案18为根据实施方案14至17中任一项所述的方法，其中所述实时工具状态信息包括接触压力、位移和物体表面轮廓中的一者或多者。

实施方案19为根据实施方案14至18中任一项所述的方法，其中所述通知包括紧急事件的通知和周期性状态更新中的一者或多者。

实施方案20为根据实施方案14至19中任一项所述的方法，其中所述指令包括工具运动指令和工具操作指令中的一者或多者。

实施方案21为根据实施方案14至20中的任一项所述的方法，其中所述物体表面为汽车部件表面。

整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。

虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的例示性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。此外，对各种示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其他实施方案均在以下权利要求书的范围内。