专利名称：包括可折叠机械臂的机器人系统的制作方法
包括可折叠机械臂的机器人系统背景技术
对能够在狭窄的工作空间内紧贴工作面精确定位末端执行器的需求一直存在。 同时也存在对操纵末端执行器穿过进入端口并进入狭窄的工作空间的机器人系统的需 求。发明内容
在一个实施例中，系统包括末端执行器，用于定向末端执行器的机械腕；以及 可折叠成堆叠的机械臂。该机械腕安装到机械臂最末端的连杆。
在另一实施例中，系统包括机械臂，该机械臂具有多个连杆以及平行轴接头配 置，从而使所述连杆能够与堆叠在彼此顶部的连杆一起被折叠成紧凑结构。该系统还包 括安装到机械臂最末端的连杆的机械腕，以及安装到机械腕的末端执行器。该机械臂被 用来定位末端执行器，而机械腕被用来定向末端执行器。
图1为机器人系统的框图。
图&及沈为机器人系统实施例的示图。
图3为末端执行器及机械腕的示图。
图4为具有狭窄工作空间及通向该狭窄工作空间的进入端口的构造的示图。
图5为应用图&及沈的机器人系统的方法的示图。
具体实施方式
参照图1，其图示说明机器人系统100。该系统100包括末端执行器110。该末 端执行器110的设计取决于其所意图的任务。例如，末端执行器可以被设计用来支持检 查工具(例如，借助照相机或其他传感器)、切割操作(例如，钻孔、冲孔或铣削)、紧 固操作(例如，通过铆钉或螺丝)或其他组装操作。
系统100也包括用于定向末端执行器110的机械腕120。该机械腕120不局限 于任何特定类型。机械腕120的活动范围和自由度由不同工作面所具有的方位的数量决 定。作为另一个示例，具有三个自由度的球腕可以被用来定向末端执行器110。
系统100还包括具有可折叠成堆叠的多个连杆的机械臂130。该机械臂130可 以为具有多个连杆及平行轴接头配置的SCARA型机械臂(缩写SCARA指的是Selective Compliant Articulated Robot Arm,即选择顺应性铰接机械臂)。这些接头的轴可以标称地 与重力矢量平行，从而使各接头的轴上的重力扭矩最小。多个连杆可以与堆叠在彼此顶 部上的连杆一起被折叠成紧凑结构。
机械臂130定位末端执行器110。机械腕120允许末端执行器110到达机械臂 130自身可能达不到的方位。
系统100还可以包括用于定位，升高和倾斜机械臂130底座的外部设备140。该设备140对于具有狭窄工作空间以及通向该工作空间的进入端口的结构具有特殊实用 性。设备140可以操纵折叠的机械臂130经过进入端口并进入狭窄工作空间内。例如， 设备140可以包括具有三个自由度的底座，以用于沿垂直轴移动机械臂130(即调整机械 臂130的高度)，围绕垂直轴旋转机械臂130以及俯仰以上下摆动整个机械臂130。一旦 处于工作空间内，机械臂130就可以被展开并用于在工作空间内紧贴工作面定位末端执 行器110。
此外，机器人系统100可以安装在托架组件150上。该托架组件150可以用于 沿地面移动系统100以将该系统100关于进入端口定位。
现在参照图&，其图示说明机器人系统210的示例。机器人系统210包括具有 通过接头2M连接的多个连杆222的机械臂220。接头2M定向为平行轴。尽管图&中 图示说明五个等长的连杆222，但本文所述的机械臂并不受此限制。
接头2M可以包括用于折叠和展开臂220的轴承和致动器(如电动机)。这些接 头的轴可以标称地与重力矢量平行。接头的这种布置可以使各接头2M上的重力扭矩最 小。如果所有的主要承重接头都与重力平行，则致动器的尺寸及功率的要求急剧下降。
机器人系统210还包括机械腕230和末端执行器MO。机械腕230被安装到最后 连杆的端部。同样显示了用于定位、升高和倾斜的致动器系统250以及机械臂220。
现在参照图2b，其图示说明与其堆叠在彼此顶部的连杆222 —起处于紧凑结构 中的机械臂210。图沈所示的连杆222的结构被称为“同延堆叠”。图沈还显示了机械 腕230，该机械腕230被定向为使得其与末端执行器240均处于最后连杆上的装入(stow) 位置中，这使机器人系统210更为紧凑。
参照图3，其图示说明末端执行器300与机械腕310的示例。机械腕310模拟具 有三个自由度的球腕的运动学。机械腕310包括用于控制末端执行器300的俯仰、偏转 和摇摆的第一、第二和第三转动接头320、330和340。
第三转动接头340允许末端执行器300围绕B轴旋转。B轴靠近末端执行器300 的中心并穿过末端执行器300以当第三转动接头340旋转时最小化末端执行器300掠过的 体积。
第二转动接头330允许末端执行器300围绕A轴旋转。第一转动接头320允许 末端执行器300围绕C轴旋转。
这三个轴相交于公共点(即中心)CP，从而避免了任何轴偏移。具有全部三轴 相交简化了运动学计算，提高了紧凑度并且降低了控制的复杂度。
机械腕310还包括电动机325、335和345以关于A轴、B轴和C轴驱动末端执 行器300。电动机325、335和345可以为具有内置传动齿轮(如行星齿轮减速器)的刷 式齿轮电动机。将这种电动机325、335和345放置在腕310内允许整个机器人系统更大 的模块性和适用性。腕310是模块化且独立的。为了安装或移除机械腕，只需要将其连 接到机械臂的最后连杆305或从其上断开。
两个精确定位器模块350可以被安装到末端执行器300的相对侧。精确定位器模 块350执行末端执行器300的精确调整。机械臂中连杆的长度和数目能够影响刚度和定 位精确度。执行精确定位是为了校正末端执行器300的X-Y(- 位置的位置误差。机 械腕中的定向误差也可以引发末端执行器300的某些位置误差。精确定位也可以校正这样的位置误差。于2008年5月13日提交的美国第12/119,513号专利公开了精确定位器 模块350的各实施例，其通过引用被合并入本文。
本文所述机器人系统不局限于任何特定的应用。然而，该系统尤其适用于操纵 末端执行器经过结构的进入端口并进入狭窄空间。
图4为具有狭窄空间及通向该狭窄空间的进入端口 420的构造410的示图。例 如，小型狭窄空间的尺寸可以为1英尺X3英尺X3英尺，同时大型狭窄空间的尺寸可以 为3英尺XlO英尺X4英尺。通向两空间的进入端口 420的尺寸可以为9英寸X 18英 寸。
现在参照图5，其图示说明在狭窄空间内将末端执行器定位到目标上的方法。例 如，该方法可以用来关于工作面中的洞定位末端执行器的加工中心点。
在框510，机械臂被折叠，以便各连杆紧凑地堆叠在彼此顶部。此外，机械腕可 以被定向从而使其与末端执行器均被装入到折叠后的机械臂的最后连杆上。照此，折叠 后的机械臂的紧凑程度足以使其移动穿过进入端口。
在框520，折叠后的机械臂被操纵经过进入端口并进入到狭窄空间内。例如，折 叠后的机械臂可以被水平定位、升高和倾斜。机械臂携带机械腕、精确定位器模块以及 末端执行器进入狭窄空间内。
在框530，一旦进入到狭窄空间内，机械臂就要至少部分地展开。取决于狭窄空 间的几何形状，可以使一些或所有连杆伸展。
在框M0，机械臂被用于末端执行器关于工作面的粗调x-y-z定位，而机械腕 被用来将末端执行器放置在适当的方向上。随着对空间中目标的位置和方向的认知，粗 调定位可以基于测量后的接头角度以及机械臂的几何形状。开环控制能够确定将末端执 行器放置在期望位置和方向上的接头角度。借助对狭窄空间的认知以及对机器人系统的 构造和位置的认知，该控制能够在部件精度、反冲和刚度以及伺服控制误差的限制范围 内预测狭窄空间内的末端执行器的位置。可以实施多种校准程序，以最小化这些误差中 的一部分。在粗调定位的最后，末端执行器被粗略地定位在工作面上，以靠近其目标位 置。
在框550，精确定位器模块调整末端执行器的定位以校正剩余的定位误差。在 一些实施例中，末端执行器定位的精确控制使用工作面的图像来定位目标。一旦目标被 定位，则精确定位处理被调用，以将工具中心移动到目标上方。当沿工作面移动末端执 行器时，精确定位器模块通过即刻断开末端执行器与工作面之间的接触来移动末端执行 器。多个末端执行器的接触部件可以被同步地移动以实现并维持末端执行器沿工作面的 精确定位。为了实现同步运动，精确定位器模块可以同时接收命令并且基于精确时钟生 成本地路径。
权利要求
1.一种系统，包括 末端执行器；用于定向所述末端执行器的机械腕；以及用于定位所述末端执行器的机械臂，该机械臂可折叠成堆叠，所述机械腕安装到所 述机械臂最后的连杆。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械臂包括多个连杆以及平行轴接头配置， 从而使所述连杆能够与堆叠在彼此顶部的连杆一起被折叠成紧凑结构。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述机械臂可折叠成同延堆叠。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述机械腕与末端执行器均处于所述机械臂的最 后的连杆上的可装入位置中。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括用于定位、升高和倾斜所述机械臂以使其适合 经过进入端口的装置。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括用于将所述系统移动到所述进入端口的托架组件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械腕允许所述末端执行器到达所述机械臂 自身不能到达的方位。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械臂模拟具有三个自由度的球腕，并且其 中所述机械腕的所有旋转轴相交于公共点。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个精确定位器模块，该精确定位器模块 与所述末端执行器连接以用于执行所述末端执行器的精确调整。
10.根据权利要求9所述的系统，其中每个精确定位器模块包括 用于实现与工作面接触的接触部件；用于使所述接触部件沿所述工作面移动所述末端执行器的定位调整器；以及 致动器，当所述接触部件被用来沿所述工作面移动所述末端执行器时，所述致动器 用于减轻所述末端执行器施加在所述工作面上的压力。
11.一种操作根据权利要求1所述的机器人系统以在具有狭窄空间的结构内定位末端 执行器的方法，包括折叠机械臂以便其连杆堆叠在彼此顶部； 操纵折叠后的所述机械臂经过进入端口到达所述狭窄空间； 在所述狭窄空间内至少部分地展开所述机械臂；以及 在所述狭窄空间内利用所述机械臂将所述末端执行器定位在目标上。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述机械腕和末端执行器装入到所述折叠 后的机械臂的最后的连杆上。
13.—种系统，包括机械臂，其具有多个连杆以及平行轴接头配置，从而使所述连杆能够与堆叠在彼此 顶部的连杆一起被折叠成紧凑结构；安装到所述机械臂最后的连杆的机械腕；以及 安装到所述机械腕的末端执行器；所述机械臂用于定位所述末端执行器，所述机械腕用于定向所述末端执行器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述机械腕模拟具有三个自由度的球腕；并 且其中所述机械腕的所有旋转轴相交于公共点。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括与所述末端执行器连接的至少一个精确定位 器模块，其用于执行所述末端执行器的精确调整。
全文摘要
本发明公开了一种系统，该系统包括末端执行器(110)，用于定向末端执行器(110)的机械腕(120)，以及用于定位末端执行器的机械臂(130)。该机械臂(130)可折叠成堆叠。该机械腕(120)安装到机械臂最后的连杆。
文档编号B25J9/06GK102026781SQ200980117563
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月15日
发明者B·萨尔, H·B·布朗, H·M·乔赛特, J·C·盖斯特 申请人:卡耐基-梅隆大学, 波音公司