使用单个真空源在端部执行器处提供动态真空压力的系统和方法
1.本技术是申请人伯克希尔格雷营业股份有限公司于2018年11月06日提交的国际申请号为pct/us2018/059445、题为“使用单个真空源在端部执行器处提供动态真空压力的系统和方法”的pct发明专利申请的分案申请。该pct发明专利申请于2020年05月06日进入中国国家阶段，其中国专利申请号为201880071659.2。
2.优先权
3.本技术要求2017年11月7日提交的美国临时申请第62/582，651号的优先权，该申请公开以参见的方式全部纳入本文。
技术领域
4.本发明总体上涉及可编程运动系统用于拾取物体并将其移动到期望位置的用途，特别是当单个装置必须拾取重量、尺寸、形状和表面纹理可能不同的各种物体时，或者当单个装置必须在可能会从传送带、从箱子中、从一组相似的物体中或从一组不同的物体中捡取的各种条件下运行时。
背景技术：
5.可编程运动装置中的许多真空抓持器采用的真空压力远低于大气压的50％，并且在本文中称为高真空。高真空抓持器的典型来源是文丘里喷射器(venturi ejector)，该喷射器产生高真空但最大空气流量低。由于流量低，在真空抓持器和物体之间获得良好的密封非常重要，并且最小化要排空的体积也很重要。这种喷射器和相关系统部件的供应商包括马萨诸塞州梅德韦(medway)的威康(vaccon)公司、纽约州哈帕克(hauppauge)的费斯托(festo)美国公司、北卡罗来纳州罗利(raleigh)的施迈茨(schmalz)公司等。
6.在一些情况下，例如，在不可能实现良好密封的情况下，其它系统则使用高流量装置。典型的高流量装置是空气放大器和鼓风机，它们产生期望的流量，但不能产生高真空源的高真空。高流量源包括马萨诸塞州加德纳(gardner)的里其乐(elmo rietschle)、伊利诺伊州昆西(quincy)的丹佛(denver)公司、由新泽西州爱迪生(edison)的美国富士电气公司和北卡罗来纳州罗利的施迈茨公司提供的侧通道鼓风机。也可以使用由密苏里州芬顿的艾迪可(edco)美国和俄亥俄州辛辛那提的依爱(exair)公司提供的空气放大器。还已知多级喷射器用于更快地排空大体积，其中每一级提供较高的流量水平但较低的真空水平。
7.因此，真空抓持器有两种不同的原理，通常称为高真空和高流量。在高真空系统中，假定真空抓持器与物体表面接触。操作原理是通过将静压差乘以真空杯的面积来获得提升力。在实践中，最常见的方法是在物体和抓持器之间布置紧密的密封，选择诸如文丘里之类的真空源，该真空源提供较大的静压差，然后选择尺寸足够大的杯子来产生期望的提升力。
8.尽管是该名称，但对于一些高真空情况，每个实际开口处的压差可能不会特别高(例如，参见美国专利申请公开第2013/0129464号)。只需将压差乘以抓持器的总密封面积
就超过期望的提升力。无论真空度是否高，原理都是相同的：提升力是通过静压差获得的。
9.高真空方法的主要问题是，如果抓持器只能获得较差的密封性，则空气泄漏会变得很明显，这会降低压差，从而导致提升力损失。当预计密封不良时，可以选择更合适的真空源，比如多级文丘里管、空气放大器或柯恩达(coanda)效应鼓风机，以便尽管有气流仍能保持足够的静压差。无论如何，操作原理是相同的，即静压。
10.另一方面，对于高流量方法，提升力不是由静压差提供，而是由空气动力阻力产生，而空气动力阻力是由空气高速流动经过物体引起的。实际上，抓持器通常附连到真空源，而不是文丘里源，该真空源被设计为提供高流量的空气，比如离心鼓风机、侧通道鼓风机或高流量柯恩达效应鼓风机。如此高的流量可以在物体尚未与抓持器接触之前将其提起，并且可以保持密封性较差的物体，在一些情况下甚至是尺寸比抓持器小得多的物体(只要物体不丢失到抓持器中)。
11.使用高流量的系统是不同的，并且任何同时使用这两者的可编程运动系统都必须将源从高真空的源更改为提供高流量的源。此外，必须修改标准的真空杯和连接器以增加孔的尺寸。真空软管还必须具有高于标准的孔，并且必须选择用于柔韧性和平滑性的组合，以避免在高流速下产生背压。另外，传统的真空设备供应商不出售适用于这种高流量应用的阀。
12.与高真空应用相比，为高流量应用选择真空源和抓持器几何形状更具挑战性，这是因为与静态压差相比，更难以建模空气动力流。应用的变化以及流体动力学的复杂性(例如，部分涉及通道尺寸、导管弯曲形状和角度以及通道内表面纹理)，意味着针对不同的情况需要使用不同的模型。任何由此产生的高流量模型都与静压模型背离，其产生作为抓持器无限制区域的二次函数的最大提升力，这与高真空模型根本不同。
13.因此，尽管真空系统多种多样，但是仍需要一种机器人系统中的端部执行器，该端部执行器能够有效且经济地适应涉及接合各种类型物体的多种应用。还需要一种系统，该系统包括端部执行器，该端部执行器能够使用能够操纵多种物体的抓持器来提供高流量和/或高真空，并且还需要一种简单且经济高效的混合式抓持器，其能够根据当前任务提供高真空或高流量。
技术实现要素：
14.根据一实施例，本发明提供了一种系统，该系统包括可编程运动装置和端部执行器，该端部执行器用于抓持将由可编程运动装置移动的物体。该系统包括提供高流量真空的真空源，以使物体可以在端部执行器开口处被抓持，同时允许大量的空气流过该开口，以及空载(dead-head)限制系统，用于在到真空源的空气流中断的情况下，限制空载对真空源的任何影响。
15.根据另一个实施例，本发明提供了一种使用可编程运动装置和真空端部执行器来移动物体的方法，该真空端部执行器用于在端部执行器开口处抓持将要由可编程运动装置移动的物体。该方法包括以下步骤：在端部执行器开口处抓持非密封物体，同时允许大量的空气流过开口，在端部执行器开口处抓持密封物体，其中，密封物体和端部执行器开口在端部执行器的开口处提供密封，并限制了空载对真空源的任何影响。
16.根据另一实施例，本发明提供了一种使用可编程运动装置和真空端部执行器来移
动物体的方法，该真空端部执行器用于在端部执行器开口处抓持将要由可编程运动装置移动的物体。该方法包括以下步骤：在端部执行器开口处抓持非密封物体，同时允许大量的空气流过开口，在端部执行器开口处抓持密封物体，其中，密封物体和端部执行器开口在端部执行器的开口处提供密封，并冷却真空源。
附图说明
17.参考附图可进一步理解以下的描述，附图中：
18.图1示出了不同真空源的性能的说明性图形表示；
19.图2示出了根据本发明的一实施例使用的侧通道鼓风机的说明性示意图；
20.图3a和3b示出了根据本发明的一实施例的使用线性阀的系统的说明性示意图；
21.图4a和4b示出了根据本发明的一实施例的使用具有两个通道的线性阀的系统的说明性示意图；
22.图5示出了根据本发明的一实施例的系统中的排出速率与时间的说明性图形表示；
23.图6a和6b示出了根据本发明的一实施例的使用具有三个通道的线性阀的系统的说明性示意图；
24.图7a-7d示出了根据本发明的一实施例的使用旋转阀的系统的说明性示意图；
25.图8a和8b示出了根据本发明的一实施例的使用线性阀和安全阀的系统的说明性示意图；
26.图9a和9b示出了根据本发明的一实施例的使用旋转阀和安全阀的系统的说明性示意图；
27.图10示出了要在箱子中处理的多个不同物体的说明性示意图；
28.图11示出了根据本发明的一实施例的在系统中被连续处理的物体的说明性示意图；
29.图12示出了根据本发明的一实施例的鼓风机冷却系统的说明性示意图；
30.图13示出了根据本发明的系统使用的端部执行器的说明性示意图，该端部执行器包括内部传感器；以及
31.图14示出了根据本发明的一实施例的在系统中使用的控制系统的说明性示意图。
32.示出的附图仅用于说明目的。
具体实施方式
33.本发明提供了一种混合式抓持器，例如根据情况采用高真空或高流量的抓持器。一种方法是为装置提供两种不同的真空源，诸如文丘里源之类的高真空源和诸如鼓风机之类的高流量源。图1示出了真空排出速率(以升/分钟为单位)与真空压力(以巴为单位)的关系图，尤其是以10表示喷射器源的速率/压力关系，以12表示真空泵(均为高真空)的速率/压力关系，并以14表示真空鼓风机(高流量)的速率/压力关系。源的切换可以通过基于要拾取的物体的控制信号或操作期间获取的传感数据来实现。替代地，可以通过止回阀来实现源的切换。然而，第二真空源的费用和复杂性并不总是合理的。
34.本发明的某些实施例的单源混合式抓持器仅采用一个真空源，并具有附加的硬件
和操作程序，从而可以根据物品、环境和密封的性质来获得高流量或高真空抓持力。
35.根据一实施例，该系统可以采用如图2中示意性所示的侧通道鼓风机20。侧通道鼓风机20包括驱动输出轴28的马达22，在该输出轴28上安装有鼓风机组件24。鼓风机组件24包括一组成角度设置的风扇叶片26(可以是弯曲的、或可以不是弯曲的、或成角度的或特殊形状的)，并设置在环形壳体30内。鼓风机组件24在围绕轴28的方向上旋转，如以a指示的，这会使风扇叶片26在如以b指示的方向上旋转。随着风扇叶片旋转，它们会夹带流体(例如空气)，这会导致空气在如以c指示的方向上进入真空管32，并在出口管34处离开鼓风机20，如以d指示的。
36.通常，对于循环的大部分，风扇叶片26周围的环形空间很宽敞，但是在入口和出口之间的区域(如以36所指示的)中，风扇叶片与环形表面内部之间的空间很小。这导致鼓风机组件如c所示吸入空气，并产生如d所示的一定量的空气。鼓风机组件24提供高流量，其优点是静压高于其它高流量源，甚至达到50％以上的真空度。如果没有进一步的修改，则该抓持器将对多孔物体、小于真空杯的物体以及任何其它无法提供良好密封性的物体表现出高流动性，并且在碰巧发生良好密封时也将表现出高真空抓持性，除了如以下更详细描述的，存在由本发明的某些实施例解决的重大问题。
37.图3a和3b示出了本发明的实施例，该实施例包括具有入口32和出口34的单个源20，其经由真空管线44通过阀42选择性地与抓持器46连通，以抓持物体47。该阀将抓持器46连接到鼓风机20(经由通道41以抓持物体47，如图3a所示)或连接到大气(经由通道43以释放物体47，如图3b所示)。阀线性移动以切换连接。问题在于，侧通道鼓风机通常不设计为“空载”。即，它们没有被设计为如图3b中的33所示完全阻塞空气流的情况下的持续运行，这导致鼓风机20在35处示出为空载。空气流用于冷却鼓风机。当空气流动被阻塞时，鼓风机很容易因过热而损坏和故障。如果将气流阻塞的时间最小化，和/或采取其它步骤来确保鼓风机的充分冷却，例如，通过向鼓风机提供不同的气流路径、或者通过增加当气流被阻塞时的时段之间的时间、或者通过鼓风机的主动冷却，这样的系统在本发明的某些实施例中可以适当地起作用。
38.然而，更根本地讲，系统可能在简单地提升物体时遇到更长时间的空载状态。图4a和4b示出了本发明的实施例，该实施例包括具有入口32和出口34的单个源20，其经由真空管线44通过阀42选择性地与抓持器46连通，以抓持物体48。该阀42将抓持器46连接到鼓风机20(经由通道41以抓持物体48，如图4a所示)或连接到大气(经由通道43以释放物体48，如图4b所示)。阀线性移动以切换连接。
39.尽管该阀可用于减轻释放时鼓风机的空载(图4b)，但是该实施例中的问题在于，当抓持器46接合物体时(如图4a所示)，在抓持器46和物体表面48(如37所示)之间形成密封，导致鼓风机变得空载(如以35所示)。虽然放下物体可能只需要相对较少量的时间，但移动然后放下物体可能需要太多时间，以使鼓风机系统承受这种延长的空载时段，特别是如果连续的物体与端部执行器形成良好的密封时。根据一实施例，本发明提供了在空载时间(t
d-h
)之间，系统将提供足够时间的空气流量(t
c-min
)来冷却鼓风机，如图5所示。如果在端部执行器和物体之间未形成密封，则在抓持期间可提供足够的气流以防止鼓风机过热。
40.图6a和6b示出了另一实施例的系统50，该实施例包括具有入口32和出口34的单个源20，其经由真空管线54和阀52选择性地与抓持器56连通。该阀52将抓持器56连接到鼓风
机20(经由通道51以抓持物体58，如图6a所示)或连接到大气(经由通道55以释放物体58，如图6b所示)。同样，阀线性移动以切换连接。当处于释放位置时，如图6b所示，还提供了另一通道53，该通道也将鼓风机连接到大气，防止鼓风机20变得空载。
41.图7a-7d示出了另一实施例的系统60，该实施例包括具有入口32和出口34的单个源20，其经由真空管线64和阀62选择性地与抓持器66连通。阀62将抓持器66连接到鼓风机20(经由通道61以抓持物体68，如图7a和7b所示)，或者阀将鼓风机20和抓持器66中的每一个连接到大气(经由通道61、63，如图7c和7d所示)以释放物体68。如图7b和7c所示，阀旋转以提供期望的连接状态。当处于释放位置时，如图7c和7d所示，还提供了另一通道63，该通道也将鼓风机连接到大气，防止鼓风机20变得空载。
42.尽管这样的实施例可以在不密封抓持器的物体以及任何空载非常短暂的应用中很好地发挥作用，但是某些应用可能需要抓持并保持物体较长的时间，从而导致鼓风机空载。图8a和8b示出了系统70，其中线性致动的阀72与安全阀75一起设置。特别地，系统70包括单个源20，该单个源20具有经由真空管线74和阀72选择性地与抓持器76连通的入口32和出口34。该阀72将抓持器76连接到鼓风机20(经由通道71以抓持物体78，如图8a所示)或连接到大气(经由通道73以释放物体78，如图8b所示)。安全阀75设置成总是向鼓风机20提供一些空气，如果在抓持器处形成密封则防止空载。
43.图9a和9b示出了系统80，其中可旋转致动的阀82与安全阀85一起设置。特别地，系统80包括单个源20，该单个源20具有经由真空管线84和阀82选择性地与抓持器86连通的入口32和出口34。该阀82将抓持器86连接到鼓风机20(经由通道81以抓持物体88，如图9a所示)或连接到大气(当旋转以释放物体78时经由通道81，同时还经由通道83将鼓风机20连接到大气，如图9b所示)。安全阀85设置成总是向鼓风机20提供一些空气，如果在抓持器处形成密封则防止空载。
44.可以采用安全阀75、85以允许调节的空气流动。流量可能是恒定的小流量，足以消除空载状态并允许鼓风机冷却，但不足以使抓持器功能失效。根据另外的实施例，安全阀可以提供由操作状态或鼓风机的(估计或感测)温度或其它操作条件调制的可变流量。安全阀可以注入具有较佳的热特性的气体或液体，比如基于油或水的冷却剂。
45.因此，本发明提供了许多减轻空载的选项，例如，提供了不同的阀逻辑，使得当通过将抓持器连接到大气而释放物品时，它还将鼓风机连接到大气，从而允许空气流冷却鼓风机；调节装置的占空比。当(a)获得良好的密封或(b)阀闭合时，就会发生空载。可以通过限制状态(a)或(b)中的时间来限制鼓风机的加热。
46.图10示出了混杂物体92、94、96、98、100的箱子90。箱子90中的每个物体可以具有不同的表面纹理，并且可以与真空端部执行器形成不同水平的密封。根据本发明的某些实施例，系统使用该信息来调节鼓风机的空载。特别地，并且参考图11，系统可以选择抓持已知提供与真空端部执行器紧密密封的物体102，从而导致鼓风机达到高的温度(t
b-max
)。由于这将导致鼓风机的空载，因此系统可能会选择抓持一个或两个或多个其它物体，已知这些物体不会与真空端部执行器形成紧密密封，因此会降低鼓风机的温度(t
b-)。例如，系统然后可以选择移动物体104和106，然后再次选择移动已知可以提供与真空端部执行器紧密密封的物体108。
47.因此，根据其它的实施例，安全阀可以注入具有较佳的热特性的气体或液体，比如
基于油或水的冷却剂。例如，图12示出了系统110，该系统110包括冷却剂源112，该冷却剂源112联接到安全阀114，用于向鼓风机20提供基于油或水的冷却剂。可以通过独立于并且指向真空源鼓风机20的风扇或附加鼓风机116来提供冷却。还可通过鼓风机壳体中的液体冷却端口或液体冷却的护套来提供冷却。另外，传感器(例如118、120、122)可以放置在任何抓持器、鼓风机或其它部件上以感测压力、流量和/或温度，并且可以响应于任何传感器数据由一个或多个计算机处理器124来操作附加的冷却系统(例如112、114)。视觉感测还可用于引导将抓持器放置在物体或成组物体上或附近，或远离要避免的混乱，并且压力和流量感测可用于确定抓持器状态和物品到抓持器的接近度。
48.可以控制该系统以最有效地拾取和放置物体，以及与鼓风机冷却有关的附加措施。使用鼓风机热特性的知识以及最近的压力、流量和鼓风机控制信号以及阀控制信号的历史知识，系统可以维持鼓风机温度的估计值，并使用该估计值来采用上述减轻策略。
49.因此，根据各种实施例，本发明提供了一种抓持器，该抓持器使用单个真空源根据条件在高真空(静态压力)和高流量(空气动力阻力)之间切换。真空源可以是侧通道鼓风机，并且真空源可以通过抓持器控制阀连接到抓持器，该抓持器控制阀打开以抓持物体，并且闭合以释放物体。抓持器控制阀可以与鼓风机通风阀联动或与之同步，鼓风机通风阀在鼓风机未连接到抓持器时将鼓风机连接到大气。抓持器控制阀可能会在抓持时以外的时间保持打开，从而允许空气流冷却鼓风机。抓持物体或在阻止马达通风的其它阶段所花费的时间可进行调整，以防止鼓风机过热。
50.可以将安全阀定位成允许冷却流体进入系统并冷却鼓风机，该冷却流体可以是大气空气、或不同的气体或液体。安全阀可以连续打开以允许小流量，其足以冷却鼓风机，但不足以削弱抓持功能。安全阀可以根据感测到的压力、流量、温度或时间信号进行操作。
51.该系统还可具有一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以是流量传感器、压力传感器、力传感器或温度传感器。抓持器可以是诸如机器人臂之类的可编程运动装置，并且臂的运动可以被调节以保持足以冷却鼓风机的空气流。臂的运动可包括拾取将不与抓持器密封的足够数量的物体，从而保持足以冷却鼓风机的空气流。控制处理器98可以使用传感器信息和鼓风机热行为的工程模型来选择抓持器行为以及命令阀的打开和闭合。
52.参考图13，系统可以使用端部执行器130，该端部执行器130具有真空波纹管132，以及传感器118，该传感器118包括流量传感器或压力传感器中的任一个，用于感测端部执行器130(ee
p
、eef)的真空管线134内的任何压力或流量。该系统，例如使用一个或多个计算机处理系统124，可以根据使用期间的流量和压力的观察值、预期流量和压力值以及与鼓风机空载相关的阈值进行计算。
53.图14示出了用于提供空载效应的限制的各种替代方案。特别是，系统的输入可以包括端部执行器压力(ee
p
)、端部执行器流量(eef)、鼓风机温度(tb)、安全值处的压力(p
rv
)或监视鼓风机已处于空载状态多长时间的计时器(t
d-h
)中的任何一个。响应于这些输入中的任何一个，该系统再次使用一个或多个计算机处理系统124，可以致动线性或旋转阀、可以允许安全阀向鼓风机提供空气或冷却流体中的任何一种、可以限制抓持具有良好密封的物体的时间段、可以调整(延长)抓持之间的定时，或者可以使用风扇直接冷却鼓风机。
54.各种实施例的每个方面可以与上述每个实施例一起使用。与上面讨论的其它实施例相比，上面讨论的某些实施例可以更快地提供真空源的冷却。本领域技术人员将意识到，
可以对以上公开的实施例进行许多修改和变型，而不偏离本发明的精神和范围。