本實用新型涉及一種碰撞保護裝置，該碰撞保護裝置能夠用于機械設備，尤其用于工業(yè)機器人手臂。本實用新型還涉及一種機器人設備，該機器人設備包括該碰撞保護裝置。

背景技術：

近些年機器人已經(jīng)廣泛地應用于各個領域，例如工業(yè)領域和醫(yī)療領域。而人與機器人的交互和協(xié)作也越來越頻繁。因此人與機器人的意外碰撞也成為行業(yè)內(nèi)的關注之一，這種意外碰撞可能導致機器人的損壞甚至人的受傷。因此機器人必須具有碰撞保護裝置來阻止這種不期望的碰撞。目前對碰撞保護裝置的要求在于，這種碰撞必須被快速地檢測從而使機器人快速地響應來阻止繼續(xù)的動作，并且要求能夠盡可能避免由于碰撞帶給人員的損傷。

在現(xiàn)有技術中已知一種技術方案，其中在機器人的機械臂上包裹一個氣囊，其中設有壓力傳感器，當人員與機械臂碰撞時導致氣囊中壓力傳感器產(chǎn)生信號，由此控制器控制機械臂停止運動，但是這種碰撞保護裝置結(jié)構(gòu)相對復雜而且裝配成本較高，更重要的是只能在碰撞之后產(chǎn)生信號。

此外還已知一種技術方案，其中在機械臂上布設多個傳感器，每個傳感器的檢測區(qū)域覆蓋機械臂的一個局部，當傳感器識別到碰撞危險時，則向控制器發(fā)出信號來采取相關措施以避免碰撞。這種方案的缺點在于需要在機械臂上布設大量的傳感器來覆蓋機械臂，由此傳感器成本很高，此外傳感器的布線使得機械臂系統(tǒng)非常復雜，而且裝配費用也會很高。再者，布設在機械臂上的傳感器由于不期望的碰撞很容易被損壞，尤其在工業(yè)領域中會出現(xiàn)這種情況。

技術實現(xiàn)要素：

示例性實施例所要解決的技術問題在于，克服上述和/或其它現(xiàn)有技術中存在的缺陷，提供一種更方便應用、成本更低廉的碰撞保護裝置。此外示例性實施例還提供了一種機器人設備。

上述技術問題通過以下技術方案解決。

一方面，按照示例性實施例的碰撞保護裝置包括一個發(fā)射部件和一個接收部件，所述發(fā)射部件被構(gòu)造為發(fā)射射束，所述接收部件被構(gòu)造為接收從所述發(fā)射部件發(fā)射的射束并檢測接收的射束的強度，其中，所述發(fā)射部件和所述接收部件被安裝在需要碰撞保護的對象上以使所述射束形成沿著所述對象的表面從所述發(fā)射部件延伸至所述接收部件的射束傳播路徑；和一個控制器，被構(gòu)造為與所述接收部件通信連接以接收所述接收部件發(fā)送的關于接收的射束的強度的信號，其中，當所述控制器確定接收的射束的強度低于預定的閾值時，所述控制器控制所述對象以改變所述對象的運動狀態(tài)。在此，所述預定的閾值表示在所述對象無碰撞危險的狀態(tài)下控制器經(jīng)由所述信號獲得的關于檢測的接收的射束的強度的最小值，并且可以事先通過實驗確定。所述信號可以是數(shù)字信號或模擬信號。

通過示例性實施例所述的碰撞保護裝置，射束沿著傳播路徑在所述需要碰撞保護的對象的表面上形成了一種無形的屏障(或可稱為無形的皮膚)，當所述對象由射束傳播路徑覆蓋的表面存在碰撞危險時，所述無形的屏障、即沿著所述表面?zhèn)鞑サ纳涫恢辽俨糠终趽?，從而使接收部件檢測的接收的射束的強度相對于在該表面無碰撞危險時發(fā)生變化，控制器經(jīng)由通信連接獲得所述變化后，控制器控制所述對象以改變所述對象的運動狀態(tài)，例如將該對象制動或移向相反方向，從而防止該對象發(fā)生實際碰撞。

該碰撞保護裝置基于非接觸式原理，能夠在需要碰撞保護的對象發(fā)生實際碰撞之前采取防止碰撞的措施，并且在碰撞防護方面具有很高的靈敏度、能夠大大降低傳感器成本、靈活地適配各種機器人設備的形狀以及實現(xiàn)簡單廉價的裝配。

根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置，當所述控制器確定所述關于接收的射束的強度的信號的幅值低于預定的閾值時，所述控制器控制所述對象以改變所述對象的運動狀態(tài)。在此，所述控制器所接收的信號的幅值與所述接收部件檢測的接收的射束的強度成正比。在這種設計方式中，以模擬信號的形式傳輸信號數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是能夠有效地降低硬件成本且容易實現(xiàn)。在此，所述預定的閾值表示在所述對象無碰撞危險的狀態(tài)下控制器所接收到的信號的幅值的最小值。在此，所述預定的閾值可以事先通過實驗確定。

根據(jù)一種實施方式，所述發(fā)射部件包括發(fā)光器件，所述接收部件包括光電傳感器，所述射束為從所述發(fā)光器件傳播到所述光電傳感器的光線。所述光線例如為紅外線、可見光、紫外線等。這種設置方式的優(yōu)點在于，發(fā)光器件和光電傳感器均非常廉價且容易布設，更重要的是，光線不受電磁干擾，因此這樣的設置尤其適用于計算機斷層掃描設備。

根據(jù)另一實施方式，所述發(fā)射部件包括超聲波發(fā)射器，所述接收部件包括超聲波接收器，所述射束為從所述超聲波發(fā)射器傳播到所述超聲波接收器的超聲波。發(fā)射部件與接收部件之間采用對射式的檢測模式。通過這樣的設置方式，所述發(fā)射部件和所述接收部件兩者之間能夠持續(xù)保持“收聽”。這種對射式超聲波檢測模式的優(yōu)點也在于不受電磁干擾，因此這樣的碰撞保護裝置也可以用于計算機斷層掃描設備。另外，當碰撞危險可能源自透光的物體時，在示例性實施例的碰撞保護裝置中特別適合采用超聲波作為射束。

除了光線和超聲波以外，所述射束還可以采用其他能量形式。以這些能量形式的射束的特點在于，當所述射束被觸碰、切斷或影響時能夠產(chǎn)生相關的信號，同時在特定環(huán)境下還能夠?qū)σ恍┩饨缒芰繄鋈珉姶艌雒庖摺?/p>

根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置，所述對象呈長條狀，所述發(fā)射部件和所述接收部件沿縱向長度分別設置在所述對象的兩端。由此帶來的優(yōu)點是，發(fā)射部件和所述接收部件在空間上隔開盡可能遠的距離，以使所述射束傳播路徑盡可能多地覆蓋所述對象的表面。

根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置，發(fā)射部件及接收部件可以設置在所述對象的表面上。所述表面對于所述對象整體而言可以是外表面，也可以是內(nèi)表面。其中，外表面對應的情形例如是，所述對象是機器人設備的機械臂；內(nèi)表面對應的情形例如是，所述對象為設在機器人設備端部上的夾具，該夾具作為整體具有內(nèi)表面，示例性實施例的碰撞保護裝置可設在該內(nèi)表面上，以避免在夾具不抓取工件時發(fā)生不必要的碰撞。優(yōu)選地，發(fā)射部件及接收部件均設置在需要碰撞保護的對象如機械臂的外表面。

在優(yōu)選實施方式中，所述發(fā)射部件和所述接收部件中的至少一個布設在所述對象的表面上的凸緣處。由此可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上廉價地布設傳感器。優(yōu)選地，發(fā)射部件和/或接收部件布設在所述法蘭或凸緣的凹口處。所述凹口例如是安裝了螺栓的螺栓孔，或者是其他結(jié)構(gòu)。由此可以成本低廉地對相關組件進行加裝，而無需再另外構(gòu)造安裝結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)選實施方式中，所述發(fā)射部件和所述接收部件中的至少一個布設在所述對象的表面中的開槽處。在該實施方式中，發(fā)射部件和/或接收部件設有基座，該基座能夠插入到所述對象的表面中的開槽處，通過調(diào)節(jié)發(fā)射部件和/或接收部件的基座在槽內(nèi)的插入深度、即調(diào)節(jié)射束傳播路徑與所述對象表面的距離，可以調(diào)節(jié)所述射束傳播路徑被遮擋即出現(xiàn)碰撞危險后留給控制器的響應時間，從而可以適配不同運動速率的對象。

根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置，所述發(fā)射部件的發(fā)射方向與所述接收部件的接收方向?qū)?，以確保發(fā)射部件發(fā)出的射束在傳播路徑覆蓋的表面無碰撞危險的情況下能夠以最小的損失到達接收部件。由此帶來的優(yōu)點在于，可減少用于射束的能量浪費和提高對射束的檢測靈敏度。

優(yōu)選地，所述碰撞保護裝置具有數(shù)量相同的分別對應的多個發(fā)射部件和多個所述接收部件，所述多個發(fā)射部件和所述多個接收部件沿著所述對象的表面輪廓分布，從而在所述對象的表面上方形成多個射束傳播路徑。在此，發(fā)射部件和接收部件的具體數(shù)量取決于所述對象表面區(qū)域的大小。通過這樣的構(gòu)造方式，能夠更加有效地在多個方向上防止所述對象發(fā)生碰撞。

優(yōu)選地，所述多個發(fā)射部件和所述多個接收部件分別沿所述對象的表面輪廓分布在所述對象相對的兩側(cè)，以使所述多個射束傳播路徑以特定間隔彼此平行且形成覆蓋所述對象的表面的包絡層。由此能夠更加有效地全方位地防止所述對象發(fā)生碰撞。所述多個發(fā)射部件或所述多個接收部件可以沿著所述對象的表面輪廓分布在所述對象的同一側(cè)或不同側(cè)。例如，多個發(fā)射部件或多個接收部件的布設方式可導致例如相鄰的射束的傳播方向相反，由此避免尤其在超聲波的情況下相鄰的超聲波射束之間的相互干擾，從而能夠減小所述多個射束傳播路徑之間的間隔。

按照示例性實施例所述的碰撞保護裝置，所述控制器分別與所述多個接收部件通信連接，當所述控制器確定從所述多個接收部件中的至少一個接收部件接收的射束的強度低于預定的閾值時，所述控制器根據(jù)所述至少一個接收部件和與所述至少一個接收部件對應的發(fā)射部件形成的射束在所述對象的表面的位置以及所述對象當前的運動狀態(tài)確定存在碰撞危險的方向，并控制所述對象以使所述對象改變運動方向或停止運動。由此還能夠基于所述多個接收部件的分布位置來判斷所述對象表面上存在碰撞危險的具體部位及碰撞區(qū)域大小，從而能夠更加有針對性地改變所述對象的運動狀態(tài)。

在具有多個發(fā)射部件的示例性實施例的設計方式中，所述多個發(fā)射部件可設成不同頻率的超聲波發(fā)射器，以區(qū)別相鄰超聲波發(fā)射器，避免相鄰超聲波發(fā)射器之間的影響。在此情況下，所述多個接收部件相應地設成不同頻率的超聲波接收器。

優(yōu)選地，所述發(fā)射部件及所述接收部件布置成使得所述射束傳播路徑處于所述對象的表面之外，優(yōu)選地，所述射束傳播路徑與所述對象表面的垂直距離在2毫米至10厘米之間，優(yōu)選在5毫米至5厘米之間，更優(yōu)選地在1至5厘米之間。已經(jīng)證明這樣的垂直距離能夠一方面實現(xiàn)對所述對象的表面的碰撞危險進行有效響應，而另一方面不會影響該對象的正常操作。

根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置，接收部件與所述用于控制所述對象的運動狀態(tài)的控制器的通信連接可以是有線的，也可以是無線的。

優(yōu)選地，所述碰撞保護裝置還包括一個警告系統(tǒng)，所述警告系統(tǒng)與所述控制器通信連接，當所述控制器確定接收的射束的強度低于預定的閾值時，所述控制器控制所述警告系統(tǒng)發(fā)送警告將要發(fā)生碰撞的警告信號。通過這種設計方式，控制器在控制所述對象以改變所述對象的運動狀態(tài)的同時，還控制所述警告系統(tǒng)發(fā)送警告，例如聲音或光學警告，由此不但可以阻止實際碰撞的發(fā)生，而且可以及時通知相關操作人員。

另一方面，示例性實施例提供了一種機器人設備，所述機器人設備包括：一個機器人手臂；一個運動控制裝置，被構(gòu)造為控制所述機器人手臂以使機器人手臂進行運動；上述碰撞保護裝置，其中，發(fā)射部件和接收部件安裝在所述機器人手臂上，控制器與所述控制運動裝置連接，當所述控制器確定接收的射束的強度低于預定的閾值時，所述控制器將運動改變信號提供到運動控制裝置，以通過運動控制裝置使機器人手臂改變運動狀態(tài)。

該機器人設備的碰撞保護裝置能夠在機器人手臂發(fā)生實際碰撞之前采取防止碰撞的措施，并且該機器人設備在碰撞防護方面具有很高的靈敏度和顯著降低的成本。

根據(jù)示例性實施例所述的機器人設備，所述控制器可通過無線或有線的方式與所述控制運動裝置通信連接。在一種實施方式中，所述控制器可以安裝到機器人設備的運動控制裝置上。

在此，需要碰撞保護的對象為機器人設備，尤其是機器人手臂?！皺C器人設備”應該理解為在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健等領域中使用的各種可控的機械裝置，應當也包含機械臂或機械手等裝置。所述“機械臂”和“機械手”在本文中統(tǒng)稱為機器人手臂。通常地，機器人手臂包括相互鉸接的多個機械臂節(jié)段，一個或多個機械臂節(jié)段上可設置所述碰撞保護裝置，所述碰撞保護裝置布設在所述機械臂節(jié)段的外表面。設在不同節(jié)段上的碰撞保護裝置可設成使用同一控制器，也可設成使用不同的控制器。

根據(jù)示例性實施例所述的機器人設備，所述機器人手臂包括一個附裝的末端執(zhí)行機構(gòu)，所述碰撞保護裝置布設在所述末端執(zhí)行機構(gòu)上。所述末端執(zhí)行機構(gòu)可以包括夾具、鉆頭、擰緊機構(gòu)等。由此能夠有效地防止所述末端執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生不必要的碰撞或接觸。

總體而言，按照示例性實施例的碰撞保護裝置以及具有前述碰撞保護裝置的機器人設備能夠在實際碰撞之前檢測到可能發(fā)生的碰撞，因此對特別是機器人設備和人員提供了更好的保護。而且按照示例性實施例的碰撞保護裝置的靈敏度很高，一旦射束被遮擋就可以檢測到碰撞，因此在非常微小的碰撞發(fā)生時就可以采取安全措施。此外，與碰撞相關的位置和時間信息可以被用于復雜的碰撞反應策略。按照示例性實施例的光學或聲學系統(tǒng)還能夠應用在電磁輻射的環(huán)境中，因為光線或聲波不受磁場或電場的影響。更重要的是，按照示例性實施例的碰撞保護裝置成本很低，而且裝配位置靈活，可以很好地適配各種機器人設備及其部件。

附圖說明

下文將以明確易懂的方式通過對優(yōu)選實施例的說明并結(jié)合附圖來對本實用新型上述特性、技術特征、優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明。其中：

圖1示出按照示例性實施例的碰撞保護裝置的示意圖。

圖2示出按照示例性實施例的包括碰撞保護裝置的機器人設備的示意圖。

圖3示出設在圖2中的機器人設備上的碰撞保護裝置的細節(jié)圖。

圖中：

1、發(fā)射部件 2、接收部件 3、控制器

4、對象的表面 5、射束傳播路徑 6、支座；

7、第一鉸接軸； 8、第一機械臂節(jié)段； 9、第二鉸接軸；

10、第二機械臂節(jié)段； 11、第一端部； 12、第二端部；

13、運動控制裝置 14、凸緣

具體實施方式

在圖1中示出了根據(jù)示例性實施例的碰撞保護裝置。其中所述碰撞保護裝置包括發(fā)射部件1、接收部件2和控制器3。發(fā)射部件1被構(gòu)造為發(fā)射射束，接收部件2被構(gòu)造為接收從發(fā)射部件1發(fā)射的射束并檢測接收的射束的強度，其中，所述發(fā)射部件1和所述接收部件2被安裝在需要碰撞保護的對象上以使所述射束具有能夠沿著所述對象的表面4從發(fā)射部件1延伸至接收部件2的射束傳播路徑5。該射束傳播路徑5在圖1中用虛線表示?？刂破?被構(gòu)造為通過無線的方式與接收部件2通信連接，該無線通信連接在圖1中用點劃線表示?？刂破?設計用于接收所述接收部件2發(fā)送的關于接收的射束的強度的信號。當所述控制器3確定接收的射束的強度低于預定的閾值時，所述控制器3控制所述對象以改變所述對象的運動狀態(tài)。

圖2示出了一種包括根據(jù)示例性實施例所述的碰撞保護裝置的機器人設備。該機器人設備具有機械臂。該機械臂包括支座6、第一鉸接軸7、第一機械臂節(jié)段8、第二鉸接軸9以及第二機械臂節(jié)段10。第一機械臂節(jié)段8通過第一鉸接軸7鉸接在支座6上，并且第二機械臂節(jié)段10通過第二鉸接軸9與第一機械臂節(jié)段8相連。圖2中的其他部分具有類似構(gòu)造，因此不再重復闡述。所述實施例也可以用于不同于鉸接的其他連接形式的機械臂，在此僅以這種機械臂為例示范性地闡述示例性實施例。

在圖2中，在第二機械臂節(jié)段10的第一端部11上設置多個發(fā)射部件1，這里發(fā)射部件1設成發(fā)光器件如發(fā)光二極管等，而在對置的第二端部12上設置接收部件2，接收部件2在這里設成光電傳感器。所述機器人設備還包括被構(gòu)造為控制所述機械臂以使機械臂進行運動的運動控制裝置13，控制器3(圖2中未示出)安裝在運動控制裝置13上。圖2中，6個發(fā)射部件1和6個接收部件2分別對應地安裝在第二機械臂節(jié)段10的兩個端部的凸緣14上的凹口處，因此發(fā)射部件1和接收部件2本身在圖2中不可見，而僅能觀察到射束傳播路徑5。所述凹口例如是裝有螺栓的螺栓孔，由此在裝配時可以大大降低成本，而且可以對原本沒有這種碰撞保護裝置的機械臂進行快捷廉價的加裝。發(fā)射部件1與接收部件2之間的連線平行于第一機械臂節(jié)段8的縱向軸線。其中，第一機械臂節(jié)段8以及其他機械臂節(jié)段上也設有發(fā)射部件1和接收部件2，為了更清楚地圖示而僅示出了沿這些機械臂節(jié)段表面延伸的射束傳播路徑5。在此僅以第二機械臂節(jié)段10為示例來闡釋根據(jù)示例性實施例的碰撞保護裝置。

圖3是沿圖2中第二機械臂節(jié)段10的軸向觀察得到的視圖，其中明確示出了在第二機械臂節(jié)段10的第一端部11的凸緣14上的凹口處布置的6個發(fā)射部件1，例如發(fā)光二極管，這些發(fā)射部件1等角間距地布置在第一端部11的凸緣14上的凹口處。同樣在第二機械臂節(jié)段10的第二端部12的凸緣14上布設6個接收部件2，例如光電傳感器，并且發(fā)射部件1與接收部件2一一對應，6個射束傳播路徑5以特定間隔彼此平行且形成基本覆蓋所述第二機械臂節(jié)段10的外包絡層。當然，發(fā)射部件1和接收部件2各自的數(shù)量也可以不是6個，在示例性實施例中至少3個，優(yōu)選為12個，更優(yōu)選布設36個，這可以根據(jù)機械臂的尺寸和工作環(huán)境進行匹配。此外，也可以不同于圖3所示，多個發(fā)射部件1和多個接收部件2并非均勻分布在圓周上，而是僅在可能發(fā)生碰撞的區(qū)域中布設。此外還可以采用其他形式的端部結(jié)構(gòu)，例如并非圓形的端部結(jié)構(gòu)，這取決于機械臂的自有的形狀。

此外，射束傳播路徑5與機械臂表面的垂直距離d最小為2毫米，優(yōu)選不超過5厘米，這可以根據(jù)機械臂的具體情況做出調(diào)整。

在一種實施形式中，發(fā)射部件1和接收部件2可以是對射式超聲波探頭。因此作為發(fā)射部件1的一個超聲波發(fā)射器與作為接收部件2的一個超聲波接收器之間持續(xù)保持“收聽”狀態(tài)。由此在發(fā)射部件1和接收部件2之間形成超聲波傳播路徑，這時超聲波傳播路徑未被遮擋，接收部件2檢測所接收到的超聲波強度并將所述超聲波強度以模擬信號的形式發(fā)送給控制器3，控制器3接收到的信號的幅值為M。M允許在一定范圍內(nèi)波動，如±1％至±5％。例如可將閾值設為0.95M。當物體或人員觸碰到所述超聲波傳播路徑時，則會遮擋接收部件2接收超聲波，接收部件2接收到的超聲波強度大幅下降，例如下降到原來的20％至50％，從而導致控制器3接收到的信號的幅值低于預設的閾值0.95M，則控制器3將運動改變信號提供到運動控制裝置13，以通過運動控制裝置13使機器人手臂改變運動狀態(tài)，例如對機械臂進行制動或改變運動方向或降低運動速度，使得不會發(fā)生人員或物體與機械臂的實際碰撞。

在一種實施形式中，由6個發(fā)射部件1如發(fā)光二極管發(fā)出的光線持續(xù)地被6個接收部件2如光電傳感器接收，由此光線在第二機械臂節(jié)段10的表面上形成光線包絡層，這時光線傳播路徑未被遮擋，6個接收部件2分別檢測所接收到的光線強度并將所述光線強度轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給控制器3，控制器3由接收到的電信號確定接收的光線的強度為I₁～I₆。在此以I₁為例。在光線傳播路徑未被遮擋即無碰撞危險時，I₁允許在一定范圍內(nèi)波動，如±0.1％至±1％。這時例如將閾值設為0.99I₁。當有人員或物體觸碰到所述光線包絡層時，則發(fā)射部件1和接收部件2之間的光線傳播路徑被遮擋，控制器3確定接收到的光線的強度I₁大幅降低，甚至為0，顯著低于預定的閾值0.99I₁，則控制器3將運動改變信號提供到運動控制裝置13，以通過運動控制裝置13使機器人手臂改變運動狀態(tài)。此外，所述信號還可以包含光電傳感器位置的信息，當控制器3確定光線的強度I₁～I₆中的一個或幾個低于預定的閾值時，所述控制器3根據(jù)相應的一個或幾個接收部件2和與所述一個或幾個接收部件2對應的發(fā)射部件1形成的光線在所述對象的表面4上的位置以及所述對象當前的運動狀態(tài)確定存在碰撞危險的方向，并控制所述對象例如使所述對象改變運動方向或停止運動。

雖然在前述說明中闡述了示范性的實施形式，但應該指出的是，大量的變型方案是可能的。此外需要指出的是，所述示范性的實施形式僅是舉例，而不應認為是對按照示例性實施例的保護范圍、應用性和設備構(gòu)造以任何形式的限定。更確切的說，概述與實施形式的描述是為專業(yè)人員提供用于實施至少一個示范性的實施形式的指導說明，其中，能夠在所述組件的功能和布局方面進行各種修改，只要不背離權(quán)利要求書和等同的特征組合所確定的保護范圍即可。