CN108367432A - 模块化机器人系统 - Google Patents

Abstract

示例性实施例提供了模块化机器人系统，其允许机器人致动器或致动器组的一个或多个操作参数被动态地构造或重构。操作参数例如可以是致动器或致动器组相对于其它致动器的X、Y和/或Z位置、(多个)致动器排列成阵列或矩阵、致动器的旋转或倾斜、致动器之间的距离、致动器的抓持强度或抓持面等。因此，相同的(多个)机器人操纵器可在多个不同环境中用于多个目的，并且操纵器可及时更换，并且机器人系统可以动态地重构以执行新任务。

Description

模块化机器人系统

相关申请

本申请要求于2015年6月11日提交的题为“模块化机器人系统”的美国临时专利申请序列号62/174,234的优先权。前述申请的内容通过援引纳入本文。

背景技术

机器人系统可以在一些不同环境中被采用并且可被要求执行各种不同的任务。机器人通常使用机器人操纵器比如单个致动器、抓持器或末端执行器来操纵它们周围的物体。

通常，机器人可配置有固定的特定类型的操纵器。因此，在不同的环境中，机器人可用不同类型的操纵器交换成不同的机器人。或者，机器人的操纵器可与其它类型的操纵器互换。然而，交换机器人操纵器可能是一个耗时、复杂、昂贵且不情愿的过程。

另外，机器人还可具有用于任务的合适类型的操纵器，但是该操纵器可被设置成次优(或甚至无用)的方式。例如，机器人可使用相同类型的操纵器来捡拾网球和足球，但是设定尺寸并构造成捡拾网球的操纵器可能不适于捡拾足球。

操纵器也可成组地配置。例如，工业流水线可通过具有多个串联连接的操纵器的机器人来操作，使得机器人可同时执行与多个部分相关的任务。然而，这组操纵器通常以难以及时改变的预定构造来配置。如果操纵器使用的环境改变，操纵器可能需要手动重构。定制的可调抓持器也可能是昂贵的并且可能需要大量的工程时间来开发。

在一些情况下，操纵器可能磨损并且需要更换。这也是典型的手动过程，其涉及将旧的操纵器移除，并用新的操纵器来替换它。如果坏的操纵器是操纵器组的一部分，那么在一个操纵器坏了时整个组可能会停止操作。

发明内容

本申请解决了与机器人系统相关的这些和其它问题。根据示例性实施例，描述了模块化机器人系统。模块化机器人系统允许以简化且动态的方式来改进机器人操纵器或操纵器组的一些方面。因此，相同的(多个)机器人操纵器可用于多个不同环境中的多个目的，操纵器可及时换出并且机器人系统可动态地重构以执行新任务。

附图说明

图1A-1D示出适用于本文描述的示例性实施例的示例性软机器人致动器。

图2A-2C示出根据示例性实施例的使用轨道来调整机器人致动器位置的系统的实例。

图3A-3D示出根据示例性实施例的使用多个轨道来调整机器人致动器位置的系统的实例。

图4A-4C示出根据示例性实施例的致动器的模块化阵列的实例。

图5A-5D示出根据示例性实施例的将模块化机器人抓持器安装至包含周期孔阵列的安装板的实例。

图6A-6D示出根据示例性实施例的具有设置在快连接凸缘中的包封模制的磁体的软致动器的实例。

图7A-7F示出根据示例性实施例的用于适配指状物旋转的系统的实例。

图8A-8E示出根据示例性实施例的模块化互锁抓持器阵列的实例。

图9A-9D示出根据示例性实施例的抓持器阵列之间的致动的机械连接的实例。

图10A-10E示出根据示例性实施例的抓持器之间的电连接、机械连接和气动连接的实例。

图11A-11D示出根据示例性实施例的可重构的卡圈部件的实例，其用于调整用来抓持的致动器的长度。

图12A-12B示出适用于示例性实施例的示例性刚性化适配器。

图13A-13K示出根据示例性实施例的用于抓持物体并衰减振荡的适配加强件的实例。

图14A-14B示出适用于示例性实施例的指状带的实例。

图15A-15C示出根据示例性实施例的用于自动致动器弹出检测和截断的系统的实例。

图16A-16D示出根据示例性实施例的用于快速且动态地更换致动器的系统的实例。

具体实施方式

示例性实施例涉及模块化机器人系统，其中系统的各种参数可被动态地调节以重构系统。更具体地说，示例性实施例提供可被动态地重构以在不同环境中对不同抓取目标进行操作的模块化机器人操纵器。如本文所使用的，模块化指的是改变机器人致动器、操纵器、末端执行器或抓持器(术语“操纵器”、“致动器”、“末端执行器”和“抓持器”在本文中通常互换使用)中的一个或多个操作参数的能力。这样的操作参数包括但不限于在笛卡尔平面或三维空间内致动器的绝对位置，致动器的取向(φ，θ，ψ)，在X、Y和/或Z平面内致动器相对于其它致动器的位置，致动器相对于其基座的倾斜，致动器的旋转角，致动器的弯曲或曲率程度以及在阵列或矩阵中致动器的排列或构造以及其它可能性。

示例性实施例可有利地与软机器人致动器结合使用。软机器人致动器是相对非刚性的致动器，其例如可通过充满流体比如空气或水而致动。通过改变致动器内的流体的压力，软机器人可被构造成使得致动器的形状改变。因此，致动器例如可以制成包围物体。因为软致动器是相对非刚性的，所以致动器可以更好的适形于抓取物体的表面，而允许致动器更好的握住物体或更轻地握住易碎的物体。因此，与硬致动器相比，软致动器可以广泛用在各种应用中，其使示例性模块系统尤其非常适合与软致动器结合使用。

将首先提供软机器人致动器和抓持器的简要综述，随后通过示例性实施例的不同方面进行详细描述。除非另有说明，可以预期每个所描述的实施例可以彼此以任何组合使用(例如，允许致动器的平移和旋转、将抓持器的模块阵列安装在轨道上等)。

软机器人抓持器的背景技术

传统的机器人抓持器或致动器可能是价格昂贵的且不能在某些环境操作，其中正处理的物体的重量、顺应性、尺寸和形状的不确定性和多样性已经导致无法采用如过去那样的自动化解决方案。本申请描述了自适应、廉价、重量轻、可定制的并且易于使用的新型软机器人致动器的应用。

软机器人致动器可由弹性材料比如橡胶、或布置在被构造成在压力下打开、伸展和/或弯曲的手风琴式结构内的塑料薄壁、或其它适用的相对软的材料形成。例如，它们可以通过将一片或多片弹性材料成型为期望的形状来产生。软机器人致动器可包括可被流体比如空气、水或盐水填充的中空内部以使该致动器加压、膨胀和/或致动。在致动时，致动器的形状或轮廓改变。在手风琴式致动器的情况下(下文进行更详细地描述)，致动可以使致动器弯曲或拉直成预定的目标形状。处于完全未致动形状和完全致动形状之间的一个或多个中间目标形状可通过使致动器局部地膨胀来实现。替代地或补充地，致动器可利用真空来致动以使膨胀流体流出致动器，从而改变致动器弯曲、扭转和/或延伸的程度。

致动也可允许致动器对物体比如被抓持或被推动的物体施加力。但是，与传统的硬机器人致动器不同，软致动器在被致动时保持自适形性，以使软致动器可以部分地或完全地适形于正被抓持的物体的形状。它们还可以在与物体碰撞时偏转，这在从一堆或箱子中取出物体时尤其相关，因为致动器很可能与不是抓取目标的一堆物体中的相邻物体或箱子的边碰撞。此外，因为材料可容易地变形，所以所施加的力的大小可以可控的方式在更大表面区域分布。通过这种方式，软机器人致动器可抓持物体而不损坏它们。

此外，软机器人致动器允许难以用传统硬机器人致动器实现的运动类型或运动(包括弯曲、扭转、拉伸、收缩)的组合。

图1A-1D示出了示例性软机器人致动器。更具体地，图1A示出了软机器人致动器的部分的侧视图。图1B示出了图1A中的部分的俯视图。图1C示出了包括可被使用者操作的泵的软机器人致动器的部分的侧视图。图1D示出了图1C所示部分的替代实施例。

致动器可为如图1A所示出的软机器人致动器100，其可利用膨胀流体比如空气、水或盐水而膨胀。膨胀流体可经由膨胀装置120通过流体连接器118来提供。

致动器100可处于未膨胀状态，其中有限量的膨胀流体在与周围环境基本相同的压力下存在于致动器100中。致动器100也可处于完全膨胀的状态，其中预定量的膨胀流体存在于致动器100中(预定量对应于致动器100待施加的预定的最大力或由膨胀流体施加到致动器100上的预定的最大压力)。致动器100也可处于完全真空的状态，其中所有流体从致动器100中流出，或者致动器100也可处于部分真空的状态，其中部分流体存在于致动器100中，但是处于小于周围环境压力的压力。进一步，致动器100可处于部分膨胀的状态，其中致动器100包含少于在完全膨胀状态下存在的预定量的膨胀流体，但是多于没有膨胀或非常有限膨胀下的流体。

在膨胀状态，致动器100表现出如图1A所示绕着中心轴线弯曲的趋势。为便于讨论，本发明定义了几个方向。如图1B所示，轴向穿过中心轴，致动器100围绕该中心轴弯曲。径向方向在垂直于该轴向的方向上、在由膨胀的致动器100构成的部分圆的半径方向上延伸。周向方向沿着膨胀的致动器100的圆周延伸。

在膨胀状态，致动器100可沿着致动器100的内周边缘在径向上施加力。例如，致动器100的远端尖端的内侧向内朝着中心轴施加力，这可被利用以允许致动器100抓持物体(可能与一个或更多的附加的致动器100相结合)。由于致动器100所使用的材料以及总体结构，软机器人致动器100可在膨胀时保持相对地适形。

致动器100可由允许相对软或带适形结构的一种或多种弹性材料构成。根据应用，弹性材料可以从一组食品安全的、生物相容的或医疗安全的、食品药品监督管理局(FDA)批准的材料中选择。致动器100可采用符合药品生产质量管理规范(“GMP”)的设备来加工。

致动器100可包括基本平坦的基座102(但是各种改型或附加物可被增加到基座以提升致动器的抓持和/或弯曲性能)。基座102可形成抓持目标物体的抓持表面。

致动器100可包括一个或多个手风琴式延伸部104。该手风琴式延伸部104允许致动器100在膨胀时弯曲或挠曲，从而有助于限定致动器100在处于膨胀状态时的形状。手风琴式延伸部104包括一系列的脊106和槽108。手风琴式延伸部104的尺寸与脊106和槽108的布置可改变以得到不同的形状或延伸轮廓。

虽然图1A-1D中示例性致动器在展开时呈“C”形或椭圆形，但是本领域普通技术人员将会认识到本发明不仅限于此。通过改变致动器100主体的形状或手风琴式延伸部104的尺寸、位置或构造，可获得不同的尺寸、形状和构造。而且，改变提供给致动器100的膨胀流体的量允许牵拉器在未膨胀状态和膨胀状态之间呈一个或多个中间尺寸或形状。因此，单独的致动器100通过改变膨胀量在尺寸和形状方面是可缩放的，并且致动器通过用具有不同尺寸、形状或构造的另一个致动器100来代替一个致动器100在尺寸和形状方面可被进一步缩放。

致动器100从近端112向远端110延伸。近端112与接口114相连。接口114允许致动器100与切口牵拉器的其它部分可拆卸地连接。接口114可由医疗安全材料比如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(“ABS”)或缩醛类均聚物制成。接口114可与致动器100和软管118中的一个或两个可拆卸地连接。接口114可具有用于与致动器100连接的端口。不同的接口114可具有不同的尺寸、数量或构造的致动器端口，以便适应较大或较小的致动器、不同数量的致动器或不同形态的致动器。

用从膨胀装置120穿过流体连接器例如软管118被供应的膨胀流体可以使致动器100膨胀。接口114可包括阀116或可被附接至阀116，以允许流体进入致动器100而防止流体从致动器中流出(除非阀是打开的)。软管118也可或替代地附接至位于膨胀装置120处的膨胀器阀124，以调节在膨胀装置120位置处的膨胀流体的供应。

软管118还可包括致动器连接接口122，其用于在一端可拆卸地连接接口114并且在另一端可拆卸地连接膨胀装置120。通过将致动器连接接口122的两部分分离，不同的膨胀装置120可与不同的接口114和/或致动器100连接。

膨胀流体可以是例如空气或盐水。在空气的情形下，膨胀装置120可包括手动操作的球状体或波纹管以便供应环境空气。在盐水的情形下，膨胀装置120可包括注射器或其它合适的流体递送系统。替代地或另外地，膨胀装置120可包括压缩机或泵，以便供应膨胀流体。

膨胀装置120可包括用于供应膨胀流体的流体供给部126。例如流体供给部126可以是用于储存压缩空气、液化或压缩的二氧化碳、液化或压缩的氮气或盐水的储存器，或者可以是用于向软管118供应环境空气的通风口。

膨胀装置120还包括用于从流体供应部126穿过软管118将膨胀流体供应到致动器100的流体递送装置128，比如泵或压缩机。流体递送装置128能够向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。流体递送装置128可以通过电力来驱动。为供应电力，膨胀装置120可包括电源130，比如电池或电源插座的接口。

电源130也可向控制装置132供电。控制装置132可允许使用者例如通过一个或多个致动按钮134(或替代装置比如开关)来控制致动器的膨胀或收缩。控制装置132可包括用于向流体递送装置128发送控制信号的控制器136，以使流体递送装置128向致动器100供应膨胀流体或从致动器100中抽出膨胀流体。

具有可调节位置的致动器/抓持器

示出在图2A至图4C中的示例性实施例示出了实例，其中致动器通过使用轨道使致动器相对于彼此重新定位而被重构。尽管轨道(和更具体地，T形槽滑轨)被用在这些图示出的实施例中，但是本发明不限于利用任何特定类型的导向机构来重新定位致动器。除了T形槽滑轨，也可以采用其它类型的基于轨道的系统比如使用与致动器结合配置的圆形金属卡圈，并可通过定位螺钉固定就位在杆上。此外，也可采用基于非轨道的系统，本文所描述的基于非轨道的系统的实例对本领域技术人员也将是显而易见的。

如图2A至2C所示，软致动器100可安装至采用T形槽挤出部的轨道系统202，使得单独的致动器的位置可以被快速地调节。图2A示出了系统的侧视图，其中安装至轨道系统202的两个致动器100共同形成了机器人抓持器或末端执行器。在该实例中，致动器100通过使用采用螺栓的接口114(在这种情况下，塑料夹在致动器100的底部)被保持在轨道系统的长度上。图2B示出了在致动器已经沿着轨道202滑动以减小致动器100之间的距离之后的相同系统的侧视图。例如，可松开接口114的螺栓以允许致动器100沿着轨道202滑动。这种可调节性允许末端执行器的快速重构，以便允许用相同的装置来操纵具有极大尺寸差异的物体。注意，本文示出的接口114也提供用于对软致动器加压和减压的密封气动入口(未示出气动通路)。

末端执行器例如通过在轨道202上的安装凸缘204可被附接至机器人臂206，以便使该臂能够拾取并放置感兴趣的物体(图2C)。轨道202上的安装凸缘204可以构造成与机器人臂206上的相应凸缘配合，以将末端执行器系统固定至机器人臂206。气动通道可被设置成穿过安装凸缘204以允许膨胀流体从机器人臂206经过安装凸缘204、轨道202传送入致动器100。

应该注意，这种类型的可调节抓持器不限于使用T形槽挤出部。本领域技术人员将认识到任何适用的模块化轨道安装系统可提供相似的功能。

尽管图2C示出了特定实例，其中末端执行器配置在机器人臂206上，但是本发明不限于这种应用。例如，在一些实施例中，致动器100可配置在机架或其它机构上。

应该注意，尽管图2A至图2C示出了可重定位的单独致动器100，但是相同的原则可应用在彼此相对移动的致动器100组。例如，图2A至图2C的单独的致动器可用形成夹持机构的致动器100组来代替。

致动器100沿着轨道202(或其它导向机构)的运动可手动(例如，使用由操作器移动的可调节部件)或自动地(例如，使用电机、气动进给或适用于实现致动器100的运动的其它装置)实现。

由于致动器100或抓持器的位置可通过机器的动作来改变，可驱动该阵列中的致动器100或抓持器。例如，致动器100可由驱动附接至致动器100的螺钉或带的电机来驱动，或通过附接至软致动器100或抓持器的气动致动活塞来驱动。

T形槽挤出部可用来创建其致动器可在一维、二维、三维上重构的抓持器(如图2A至2C所示)。例如，图3A示出了以“X”图案安装至T形槽挤出部202的四个软致动器100的侧视图，其中致动器100被设置成关闭形态。图3B示出了图3A示出的抓持器的俯视图。

在图3C(侧视图)和图3D(俯视图)中，图3A至图3B的致动器100已经重构成进一步间隔开。如对本领域技术人员而言是显而易见的，可用的致动器形态可通过改变其上安装致动器的轨道202的构造来改变。

例如如图4A至图4C所示，多个致动器100可按照模块化阵列的方式布置并且为了不同的目的相对于彼此重构。图4A示出了包括两个致动器100的示例性抓持器，致动器安装至沿着轨道系统202横向平移的接口114。多个这样的抓持器(或取代抓持器的单个致动器100)可一起配置以便通过改变轨道202上的每个抓持器在轨道202上的位置形成不同的动态构造。

图4B至图4C展示了在致动的轨道202上，致动器或抓持器改变它们的相对位置以便适形于任务特定构造的能力。该阵列可安装在机器人平台上，机器人平台允许阵列相对于待抓持物体改变它的取向或允许致动器100或致动器组重新排成不同的阵列构造。例如，四个一组的致动器可按照2×2排列(图4B)来布置，然后动态地重构成1×4的排列(图4C)。其中这样的能力可能有用的情形的一个实例是在中间仓库的环境中，其中货物从散货经销商处收到并重新包装以便运往销售点或消费者处。散货经销商例如可提供排成4×3矩阵的产品箱，产品可被重新包装成更小的2×2的箱子。使用如图4B和图4C所示的排列，抓持器最初可被排成1×4的排列以从散货经销商的箱子中取回产品，然后抓持器可动态地将它们自己重构成2×2排列以将产品放入更小的2×2箱子中。

此外，平台可动态地重构以根据待抓取的目标来优化它的抓持构造。例如，如果抓持器想要抓取平的物体比如书，于是成对致动器100可平行于彼此且面对彼此布置(以类似于图7C示出的构造)。如果抓持器需要抓取球，那么四个致动器100可重排成面向它们的共同中心的方形构造，以便更有效地抓取新的物体(以类似于图7D示出的构造)。

在另一实例中，抓持器可保持相同的整体外形，但是可改变外形的尺寸规格。例如，抓持器最初可将烘焙食品存放在托盘上，然后可取回烘焙食品并且将它们自身重构成更紧凑的形式以便包装。通常，烘焙食品必须以合理的量在托盘上分散开以允许烘焙时的膨胀。然而，当为了运送而包装烘焙食品时，降低食品之间的空间量是有利的以便减少运送尺寸并允许更多的食品纳入容器中。通过动态地重构抓持器形态以减少抓持器之间的空间量，可从烤盘上取回食品，然后为了递送使用单个机器人系统来包装。

致动器基板

图5A至图7F示出了安装至基板的致动器的实例。

如图5A至图5D所示，软致动器通过利用具有周期阵列孔的安装板可以快速地重排以形成新的抓持器。可替换地或另外，安装板可包括阵列槽，使得致动器100可插入槽道并固定至安装板。

图5A示出呈板500形式的基板，其具有构造成安装软致动器以及保持用于将所得的抓持器附接至机器人臂(未示出)的凸缘的周期孔阵列502。在一些实施例中，孔502也可形成用于通过致动器的基座或接口为致动器提供膨胀流体的路径。

图5B示出了安装在固定器504中的它的接口114处的软致动器100，该固定器用于将致动器100固定至安装板500并为致动软致动器100提供密封气动入口。在此，螺母508和螺栓506用于将致动器固定器504固定至安装板500，虽然本领域技术人员将认识到也可采用将致动器固定器504紧固至安装板的其它工具。在一些实施例中，可完全省略致动器固定器504，并且致动器100可经由接口114直接地固定至安装板500。

图5C示出软致动器100的一种可能的构造，其中两组相对的致动器100彼此垂直地安装。该构造可用于操纵像苹果的半球形物体。图5D所示的是软致动器100的另一可能的构造，其中三组相对的致动器100彼此平行地安装。该构造可用于操纵比如书的矩形棱柱形物体。

如图6A至图6D所示，快速重构末端执行器的另一方法是使用磁体来迅速地将软致动器附接至供应加压流体的安装板上的孔。

图6A示出了安装在铁磁性安装板600上的两个软致动器100，在该安装板下方是气动供应管线602。图6B示出了如图6A所示的组件的横截面视图。如图6B所示，环形磁体604被包封模制进致动器100的基座，环形磁体604用于将致动器100保持到安装板600。这些磁体604也密封致动器100和安装板600之间的接口，使得加压流体可经由连接至气动管线602的安装板600内的气动供应孔606递送至致动器。

图6C示出了形成模块化末端执行器的磁性附接的致动器的一种可能构造的侧视图，图6D示出其立体图。在一些实施例中，包封模制的磁板可用于覆盖单独的气动供应孔606以允许从末端执行器快速移除夹持区。

尽管图6A至图6D未示出，但是磁体可配置在基板而不是致动器中。或者，磁体以允许设计者限制致动器可被定位的构造的方式配置在基板和致动器二者中。例如，通过将相反极性的磁体配置在致动器和基板上的相应位置，致动器可在相吸的磁体对准的优选位置被放置在基板上，但不能放置在相斥的磁体对准的非优选位置。该特征可结合限制致动器配置方式的物理互锁机构(例如，栓部和凹口)。

尽管所描述的实施例中的一些指的是气动致动，应该注意，也可能是包括液压和真空致动的其它形式的致动。

图7A至图7D示出了安装在基板700上的机器人致动器100的实例，其中单独的致动器100具有为了特定任务的抓取而改变取向(例如，如图7B所示，通过改变角θ)的能力。在图7C中，成对致动器100旋转以彼此面对而形成用于例如拾取书的抓持构造。在图7D中，四个致动器100中的每个旋转以面对基板700的中心区而形成用于例如捡拾球形物体的抓持构造。

图7E和图7F展示了两个示例性方法以提供这样的旋转。

图7E示出了通过齿轮电机702旋转的致动器100。这样的电机702可通过使用编码器传感器来提供精确的角度控制。电机702的齿轮704与附接至致动器100的齿轮706接触而在致动电机702时旋转致动器。

图7F示出通过旋转气动致动器708来旋转的致动器100。这样的致动器708通过用空气填充管线710的每侧而运行。根据管线710每侧的空气量，可改变连接到致动器708的杆712的角度。

尽管图7A至图7D已经示出了安装在基板上(比如图5A至图6D的安装板)的致动器，本领域技术人员将认识到图7A至图7F中示出的致动器转动机构也可配置在其它环境中，比如图2A至图4C的轨道系统。此外，旋转机构可用来旋转包括多个致动器而不是单个致动器的整个抓持器。

此外，与图7E至图7F的旋转机构功能类似的机构也可用来调整致动器相对于基板的倾斜，从而允许例如单独的致动器“倾斜”接近或远离基板。

抓持器的模块化阵列

在一些示例性实施例中，如图8A至8E所示，通过将抓持器800安装至能够与其它拼贴件802机械互锁的拼贴件802来设置抓持器和/或致动器的模块化阵列。

图8A示出了抓持器/拼贴件单元的侧视图，图8B示出了该单元的立体图。每个单元可与其它拼贴件单元结合以形成模块化系统。拼贴件802可包含互锁特征，比如栓部804和构造成与栓部804配合的插口806，拼贴件与其它拼贴件形成阵列。在该实施例中，机械互锁栓部804和插口806以楔形榫的形式存在，尽管其它互锁特征几何形状也可以利用。

图8C是示出由相邻拼贴件的楔形榫特征互锁形成的抓持器的线性阵列的侧视图。图8D示出了利用该拼贴件组件概念制成的一种可能的二维抓持器阵列。

图8E是类似于图8D示出的抓持器阵列的抓持器阵列，其中拼贴件中的一个包含传感器(在这种情况下是照相机808)而不是抓持器。在使用中，传感器可允许更精确地定位抓持器阵列，使得每个抓持器可被定位在待抓取的目标物体上方。传感器也可允许目标物体识别、距离识别等。用于自动化应用的合适的传感器的一些实例将包括二维码阅读器、条码扫描器、射频识别(RFID)标签阅读器、激光测距仪和声波测距仪。

拼贴件中的每个致动器或每组致动器可设置有独立的阀控制，使得可单独地控制流体到(多个)致动器的流动(例如，参见图15A至图15C)。因此，如果组中的单个抓持器失效，其它抓持器可继续运转。

这样的系统也可用于选择性抓持(例如，致动阵列中一个或多个抓持器而没有致动阵列中所有的抓持器)。例如，仓库中的机器人拾取系统可接近包含产品的箱子并可选择性地接合抓持器来捡拾箱中一个、两个、三个或任何数量的物品。然后，该机器人系统可将抓取的物品存放在递送装载箱中用于分配到销售点。这样的系统允许经销商通过精确地仅提供当时所需的物品而为销售点(例如个体商店)定期(例如每天)补货。

应当注意，尽管本文示出的互锁拼贴件仅允许抓持器的一维和二维排列，栓部和插口(或替代的机械互锁特征)的其它构造允许抓持器的三维阵列组件。

还应当注意，尽管图8A至图8E示出了包含整个抓持器的模块化拼贴件，但在其它实施例中，每个拼贴件(或拼贴件的一些组合)可仅包含单个致动器。在这种情况下，一系列致动器可通过互锁它们各自的拼贴件相对于彼此来取向。所得的致动器排列可形成抓持器。

当在阵列或矩阵中将致动器或抓持器连接在一起时，可存在需要确保抓持器以这样的方式彼此机械地连接，即足以抵抗将致动器拉开的力和在垂直于它们的互连特征的方向上推动致动器的剪切力。图8A至图8E的楔形榫排列提供这样的连接。图9A至图9D示出了可抵抗拉力和剪切力的抓持器阵列之间的致动的机械连接的另一实例。

图9A展示了由致动器100构成的抓持器通过致动机构彼此连接的能力。这不仅作为抓持器之间的连接，还允许重构。阴影区902是可形成这样致动的连接的抽象化(尽管本发明不限于在该特定区域提供致动的连接)。

例如，如图9B所示，阴影区902可表示气动线性致动器连接。在该实例中，气缸904可附接至相邻的抓持器并可被气动地致动以靠的更近或离的更远地一起移动相邻的抓持器。

在如图9C示出的另一实例中，阴影区902可表示导向-螺钉-致动系统，其中转动螺钉906以使相邻的抓持器相对于彼此移动。在又一实例中，如图9D所示，带驱动的致动机构908可使相邻的抓持器相对于彼此移动。

如图9A至9D示出的连接可通过使两个部分相对于彼此移动而用来改变构造。此外，一些类型的连接(例如图9B和图9C)也可用于互锁抓持器，改变抓持器之间的距离并且抵抗拉力和剪切力。

除了机械连接，在阵列或矩阵中电力地或气动地互连抓持器也是有用的或有必要的。

图10A至图10E示出了电力和气动互连的实例。应该注意，电力和气动互连也可作为机械连接并且为此可被加强。

图10A展示了抓持器机械地、电力地和气动地彼此连接的能力。阴影区1002表示可形成这样的连接的位置。在一些实施例中，分开的抓持器可通过螺旋线1004连接，电信号或加压空气可经过该螺旋线。

图10B、图10C、图10D和图10E提供了几个实例来解释如何形成这些连接。图10B示出了用于电连接的弹簧加载的导电垫1006。该垫1006与相邻抓持器上的接收垫1008接触并建立电连接。图10C示出了插销式的电连接，其中，一个抓持器上的销1010与另一抓持器上的插口1012相配合并且建立了电连接。图10D示出了抓持器之间的磁连接，其中一个抓持器上的磁体1014与相邻抓持器上相对应的(例如具有相反极性)磁体1016相配合。图10E示出了推动连接类型的连接，其用于驱动致动的指状物的气动管线。在该实例中，一个抓持器上的凸形气动端口1018与第二抓持器上的凹形气动端口1020相配合以形成连接。该连接通常可以是闭合的形态(例如，通过使用阀)，使得在链上最末的抓持器不会泄漏加压空气。

应该注意，电连接可用于在抓持器之间发送通信信号。因此，致动器的阵列设有一种通信总线，允许致动器彼此通信(例如，为了定位，修理或维护、传感或提供其它性能的目的)。因此，仅一组导线需要从中央处理器连接到通信总线，允许处理器操作致动器的整个阵列或矩阵而不需要使导线与每个致动器单独地连接。

致动器轮廓改变、加强及抓持改变

图11A至图14B示出了用于改变单个致动器的多个方面(包括致动器弯曲轮廓、刚度、摇摆特性和抓持特性)的模块化部件。

如图11A至图11D所示，可使用外部加强件来改变用于抓持的致动器的长度。图11A示出了在其未加压的“空”状态的致动器100，图11B示出了在其加压的“致动”状态的同样的致动器100。每个致动器100的接口114可设置有插口1112(比如楔形榫凹口)以允许接口114容纳加强卡圈。

例如，图11C示出了图11A的致动器组件，其中附加的两个楔形榫互锁模块加强卡圈1114一起包住一半的指状物。在图11C中，示出处于其“空”状态的致动器。图11D示出了处于其“致动”状态的同样的致动器。可以看到，通过增加模块化加强卡圈1114，致动器100的更小的部分能够执行抓持操作。致动器100的这种缩短在重构抓持器以便操纵更小部件时是有益的，然后使用整个致动器100来抓住通常被抓取的部件。在该图中，使用了两个模块化卡圈1114，但是根据抓持任务所需的致动器100的长度通常可使用一个或更多的卡圈。这些卡圈1114可设计成彼此卡入(例如，使用形状适当配合的插口和突起)以允许快速组装不同长度的致动器加强件。

应该注意，可使用任何数量的其它方法来快速地改变致动器可及长度。例如，人们可以用硬板紧靠致动器的应力限制表面的一部分。

此外，示例性实施例也可通过将弹性管放置在致动器长度的一部分上来调整致动器的曲率。在这种情况下，致动器的整个长度将保持可用，但是通过用附加的可延长材料来覆盖部分致动器，致动器的曲率可在加压时改变。这将使得能够快速改变抓持器以操纵难以用无护套的致动器操纵的新形状的物体。

图12A至图12B示出了适形于致动器100的弹性/柔性中空适配器1200。适配器1200基本上包围致动器100且包括在致动器100长度上延伸的一对相对的长度构件1202。适配器1200还包括沿着致动器100的非抓持表面延伸的、在致动器100的手风琴式延伸部之间的多个手风琴式表面构件1204。适配器1200也可包括沿着致动器100的抓持表面延伸的多个抓持表面构件1206。

适配器1200通过供应端口1208用液体或气体加压以增加施加力或在其抓持物体时刚性化致动器100。在快速运动期间，刚性化致动器100这一中间操作也用作阻尼指状物的振荡。

图13A至图13K示出了用于抓持物体和减少振荡的适合的加强件。

图13A至图13D示出了在快速运动期间，抓持器的致动器可以作为被抓持物体和抓持器之间的弹性连接。图13A是包括基座1300和致动器100的抓持器，紧接在抓持物体1302之后，抓持器保持静止。在图13B中，通过将基座1300移动到图中右侧来加速抓持器。这使得致动器100由于惯性转向图的左侧。在图13C中，如果抓持器达到其目标速度，致动器100向基座1300的中间位置回转，如果抓持器减速(图13D)，致动器100转向图的右侧。当停止时，致动器100可围绕中间点来回摆动。结果，在快速拾取并放置的操作中，物体1302可以经历高频振荡。

图13E至图13I展示了防止或减少这些高频振荡的方法。这些方法涉及用加强材料(比如金属或塑料)包封致动器100的背侧(例如，包括手风琴式延伸部的非抓持侧)。加强材料可采用不同构造的轨道的形式，在物体已被抓取之后或当抓持器正从一个位置移动到另一位置时，这些构造可展开以到达(多个)致动器的侧面和/或背面。可用多种方式比如通过齿轮和小齿条系统或气动地致动轨道。

例如，图13E至图13F示出了系统，其中一对轨道1304容置在致动器100外部的抓持器的基座1300的槽中。在未展开的形态中(图13E)，轨道1304可部分地或全部地缩回到壳体1300中。当缩回时，轨道1304可以处于使得它们不能妨碍致动器100的形态，从而允许致动器呈现全范围运动以便抓取物体。当展开时(图13F)，轨道1304在基座1300移动时可伸出以便至少在抓持器系统的运动方向阻挡致动器。轨道1304可包围致动器100的附加部分，直至完全地围着致动器100。

也可以操纵外露的轨道长度以便改变致动器的抓持特性。例如，完全展开轨道(如图13F所示)可刚性化整个致动器，然而部分地展开轨道可改变致动器的弯曲轮廓，如上述图11A至图11D所论及的。

包封材料可在接触致动器100的表面上用阻尼材料(比如记忆泡沫)来填充。阻尼材料可选择成阻尼上述振荡。

图13G至图13H示出了如图13E至图13F相似的构思，但是安装在铰链1308上的板1306例如可通过电动连接来致动。在致动器100抓持物体时，板1306比如通过具有适形于致动器100的预期曲率的曲线可适形于致动器100的背面。图13I提供了图13G至图13H的板1306的立体图。

图13J至图13K示出了类手风琴式结构1310，其可延伸以覆盖在致动器100和抓持的物体上，可能完全地包围抓持器系统。图13J示出了未展开形态的结构1310，而图13K示出了展开形态的结构1310。

图14A至图14B示出了网状的弹性材料1400，其在相邻的致动器之间延伸从而连接相邻的致动器。弹性材料1400可用来改变致动器100的系统的有效抓持区。例如，抓持器可从适于抓取小物体比如苹果的形态(图14A)动态地重构成适于抓取更大物体比如西瓜的形态(图14B)。为了重构抓持器，可重新定位致动器100(例如，使用如图2A至图2C所示的系统)以便拉伸弹性材料1400。夹持在致动器100之间的物体可压靠弹性材料1400，这在物体上提供了附加的抓持表面和摩擦。这种网也可有助于防止物体在指状物之间滑动而掉落。

动态致动器更换

致动器失效可以是关于工况反馈的意外现象，其中致动器的材料(例如橡胶)变弱而允许更多流体进入致动器。压力相应的增加使致动器进一步变弱，导致以致动器失效而终止的反馈回路。这种模式可通过流量传感器来检测，其可响应检测到的对应该现象的预定模式而关闭截止阀。

传感器不必是流量传感器，例如它可以是测量由致动器爆裂引起的压力下降的一个压力传感器或一系列压力传感器。或者，它可以是热传感器，其测量由致动器爆裂引起的异常空气流动导致的冷却变化。它也可以是附接至悬臂的压电传感器，其测量由致动器爆裂引起的异常空气流动导致的空气流。

例如，图15A至图15C示出了用于检测和解决单个致动器100问题的系统。控制单元1500(图15A)可包括流量传感器和截止阀。截止阀可以是机械阀比如球阀。例如它也可以是螺线管或其它合适的机构以用于关闭流向致动器的流体。

当致动器100致动时(例如，如图15B所示，通过向致动器100增加膨胀流体)，流量传感器可检测由致动器100的泄漏造成的额外的空气流动。当检测到该状态时(图15C)，截止阀可关闭向致动器100供应膨胀流体的供应管线1502。当致动器阵列中的一个或多个致动器100失效时，这样的结构可以是有用的。这样，阵列中失效的致动器100可断开连接而不影响所有其它的致动器。

应该注意，流量传感器对测量每个单独致动器的磨损也有用。当致动器接近其寿命周期的终点时，由于弹性体已经应变更多的空气能够填充入空间。使用流量传感器，可检测额外的空气的量并且可预测致动器失效。

致动器失效也可通过其它方式测量并预测。例如，如果调控流入致动器的膨胀流体的压力(例如，使用压力传感器将致动器的压力保持在4磅/平方英寸(p.s.i.))，那么随着致动器的壁变弱或失效，为了达到期望的压力，它可需要较高量的流体流动。同样地，在计量体积流量时，随着壁变弱(给定相同流量)，压力可下降。这些方法可用来预测即将发生的致动器失效。此外，给定足够的数据、压力曲线或流动曲线可用来预测致动器的剩余寿命，这可允许有效率的管理仓库或生产线。如果致动器在生产线运行时失效，那么整条线在进行致动器替换时需要关闭一段时间(导致相当大费用)。在一些情况下，指示出即将发生的致动器失效的迹象可在失效之前暂时地关闭该线，以便在引起潜在一系列问题的失效之前更换致动器。然而，如果检测到即将发生的失效，但压力或膨胀曲线显示致动器将挺到为了维护而计划将该线关闭(例如，在维修时间之前致动器失效的概率低于预定阈值)，则可避免立即停机并且致动器可等待替换，直到下一次计划的维修关闭。

同样地，根据存在异常流动信号或压力信号可检测失效。例如，如果压力调节系统提供充足的膨胀流体来使致动器膨胀到预定压力，但是在致动器处的传感器检测到较小的压力，这可能预示着致动器存在泄漏。同样地，如果在致动器膨胀的预定时间内需要流体流动，则可以检测到泄漏。例如，如果致动器膨胀到4磅/平方英寸，但是在膨胀(例如两秒)之后的一定时间内需要膨胀流体的流动以保持在4磅/平方英寸，这可预示着存在泄漏。

一旦检测到致动器的问题，它可有助于能够快速且动态地用另一致动器来替换该致动器。或者，可能需要在不同尺寸和类型的致动器之间快速地切换。为了这些和其它目的，可采用快速切换器。示例性快速切换器1600其中一个实例示出在图16A至图16D中。图16A示出了包括快速切换机构的机器人臂系统，图16B是包括四个致动器100的机器人臂系统的抓持器的特写。

快速切换器1600包括成形为并构造成与致动器100配合的配合面1602，其允许配合面1602适形于致动器100并且形成密封(图16C)。当需要切换致动器100时，例如通过电机或其它装置可分开面1602以释放致动器100。快速切换器1600的基座1604可在新的致动器1606上方操作，这可通过采用可视检测工具扫描抓持器上的条码、二维码或射频识别码等来识别。基座可移动到新的致动器100上方的位置，面可围绕致动器100闭合以实现新的密封并将致动器100固定就位(图16D)。每个致动器100可包括其自身的具有定制化的配合面1602的密封机构，或可设置在抓持器基座上的通用的密封机构。

Claims (20)

1.一种模块化机器人系统，包括：

软致动器，其包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

定位系统，其被构造成动态地调整所述致动器在笛卡尔平面内的绝对位置或所述致动器在笛卡尔平面内相对于另一致动器的位置。

2.如权利要求1所述的模块化机器人系统，其中，所述软致动器布置在具有T形挤出部的轨道上，所述定位系统在所述轨道上移动所述致动器以改变所述致动器与另一致动器之间的距离。

3.如权利要求1所述的模块化机器人系统，其中，所述致动器布置在按照表示第一阵列或矩阵的第一形态的多个致动器之中，所述定位系统被构造成将多个致动器重新布置为表示第二阵列或矩阵的第二形态，所述第二形态不同于第一形态。

4.如权利要求1所述的模块化机器人系统，其中，所述定位系统还包括用于绕致动器的基座旋转所述致动器的旋转机构。

5.如权利要求1所述的模块化机器人系统，其中，所述定位系统在三维上动态地调整所述致动器的位置。

6.一种方法，包括：

在笛卡尔平面内的第一位置提供软致动器，所述软致动器包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

动态地调整所述致动器在笛卡尔平面内的位置以将所述致动器放置在不同于所述第一位置的第二位置。

7.如权利要求6所述的方法，其中，调整所述致动器的位置包括沿着轨道移动所述致动器。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述致动器布置在按照表示第一阵列或矩阵的第一形态的多个致动器之中，并且调整所述致动器的位置包括将多个致动器重新布置为表示第二阵列或矩阵的第二形态，所述第二形态不同于所述第一形态。

9.如权利要求6所述的方法，其中，调整所述致动器的位置还包括绕致动器的基座旋转所述致动器。

10.如权利要求6所述的方法，其中，调整所述致动器的位置包括在三维上调整所述致动器的位置。

11.一种模块化机器人系统，包括：

软致动器，其包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

基板，其包括周期孔阵列，所述周期孔阵列的孔分别提供用来将所述膨胀流体供应到所述软致动器的路径，其中，所述软致动器可拆卸地安装在所述周期孔阵列的第一孔上。

12.如权利要求11所述的模块化机器人系统，其中，使用配置在所述致动器的凸缘中的包封模制的磁体将所述致动器配置在所述基板上。

13.如权利要求12所述的模块化机器人系统，其中，所述包封模制的磁体是具有通孔的环形磁体，气动流体穿过该通孔以致动所述致动器。

14.一种模块化机器人系统，包括：

第一软致动器，其包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

第一基板，其安装至所述软致动器，所述第一基板包括被构造成与安装第二软致动器的第二基板互锁的基座以及用于将所述膨胀流体供应至所述第一软致动器的路径。

15.如权利要求14所述的模块化机器人系统，其中，所述第一基板与所述第二基板使用机械连接互连，该机械连接被构造成抵抗在垂直于互连方向的方向上的剪切力。

16.如权利要求14所述的模块化机器人系统，其中，所述基板包括一个或多个气动互连件或电互连件以将气动流体或电流分配给所述致动器。

17.一种模块化机器人系统，包括：

第一软致动器，其包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

快速更换组件，其用于以不同类型或尺寸的致动器来替换所述致动器，所述快速切换组件包括对应于所述致动器的形状并且相配合以形成绕所述致动器的密封的两个以上的配合面。

18.如权利要求17所述的模块化机器人系统，还包括用于关断所述膨胀流体向所述致动器流动的截止阀。

19.如权利要求18所述的模块化机器人系统，其中，当检测到对应该致动器即将发生的失效的模式时，该截止阀关断所述膨胀流体的流动。

20.一种模块化机器人系统，包括：

第一软致动器，其包括被构造成容纳膨胀流体的弹性囊；和

可展开的刚性化套筒，其用于改变所述软致动器刚性、由所述软致动器的抓持面展现出的摩擦量或所述软致动器的弯曲轮廓中的一个或多个。