阅读说明：本技术 用于向对象施加处理力的机器人系统、设备和方法 (Robotic system, apparatus and method for applying a treatment force to an object ) 是由 N·贝姆 S·格策 于 2018-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于在机器人要针对对象执行的任务的范围内向对象施加处理力(F<Sub>P</Sub>)的机器人系统、设备和方法,该机器人系统允许具有同时反馈控制的由使用者输入的输入力(F<Sub>EIN</Sub>)的放大,以便实现任务的灵敏控制。(The invention relates to a method for applying a processing force (F) to an object within the scope of a task to be performed by a robot for the object P ) Allows input force (F) input by a user with simultaneous feedback control EIN ) To achieve sensitive control of the task.)

具体实施方式

中，机械手还可以被设计成在执行所述活动期间改变用于放大处理力的值的转换系数。这样，当出现使反作用力增大的意外阻力时或需要更高的处理力时(诸如，在钻孔或拧紧螺丝时)，使用者可以在机械手正在执行活动时根据需要主动增大或减小产生的处理力，这在物理治疗活动或制造活动中尤其有用。

优选地，与反作用力相关的转换系数应该对应于与处理力相关的转换系数的倒数，这为使用者提供了对于他更主观上可以理解的反馈控制。

机械手可以具有检测使用者施加的输入力的至少一个装置，例如，以嵌入到放置在机械手上的合适位置处的对应结构中的公知的压电压力传感器或应变计的形式。

此外，机械手可以具有将反作用力传递到使用者的至少一个装置。由于机械手在与对象接触时并根据处理力的施加在当时主导力平衡的意义上固有地吸收反作用力(取决于转换系数)，所以该反作用力必须经由预定的转换系数传递到使用者。该装置被设计成优选地以触觉的方式借助于对应的然后减小的反压力将反作用力传递给使用者。

机器人系统的机械手或铰接臂优选地被设计成是柔顺控制的，尤其是阻抗控制、导纳控制和/或扭矩控制的，并且在其远端具有末端执行器，在该末端执行器上可以布置有用于反馈控制的装置以及如果需要还可以布置有用于输入输入力的装置。

在第二方面，本发明涉及一种用于向对象施加处理力的设备，该设备具有

-至少一个输入设备，该输入设备被适配成确定相对于对象的输入力，该输入设备包括用于检测输入力的至少一个装置；以及

-机器人系统，该机器人系统具有机械手，该机械手被设计成在与对象接触时向对象施加处理力，并根据限定的转换系数在施加期间将输入力放大到处理力的值；

其中，机械手被进一步配置成检测在机械手与对象接触时产生的反作用力，并且其中，输入设备被配置成映射此反作用力。

机器人系统的机械手优选是轻型机器人的多轴臂，由此可以对一个或更多个运动轴进行力控制或力调节，这可能是通过适当的传感器技术进行的。这使得机械手能够表现出灵敏的行为。例如，灵敏的机械手可以通过在触摸表面时检测作用在机械手上的反作用力来感觉要处理的表面。此外，这种灵敏的或柔顺的机械手可以在力的引导下沿着未知的表面移动，由此机械手或其末端执行器保持与该表面接触。机械手的末端执行器与对象之间作用的接触力可以由机械手的传感器检测到，并由机械手的控制系统进行评估，以沿着对象灵敏或柔顺地引导机械手。

根据本发明，要使用的输入设备，无论其实际结构配置如何，都被配置成能够检测力，例如，一方面，借助于适当设计的力测量传感器，并且，另一方面经由反馈控制返回由机械手检测到的反作用力(例如，通过主动生成这些力(必要时利用对应的减小的转换系数)，或者通过执行反向运动，这然后可以被直接从机械手传递到输入设备)。

由于反作用力被机械手吸收的事实，输入设备的使用者可以准“感觉”到这些相对力或反作用力，从而实现对设备的灵敏的、使用者限定的控制。

同时，根据本发明的设备使得能够将限定的力放大到所需的处理力，以便执行所期望的活动或操作。为此目的提供的换算系数是相对于活动确定的，并且使用者在该活动期间也可以主动地改变。

为此目的，该设备或机器人系统配备有控制系统，该控制系统一方面实现了对机械手的对应的力/柔顺控制，另一方面考虑了对应的转换系数。控制系统还可以连接到其它输入设备(诸如，语音输入)，该其它输入设备允许使用者通过实时输入适当的命令来主动改变与在任务执行期间要施加的处理力相关的力曲线。

输入设备可以与机械手分开地设计和构造，以便仅在存在与机械手的实际物理接触时确定输入力。

在设备的特定设计中，输入设备是使用者可以佩戴的刚性结构，诸如，外骨架(exoskeletal)手套或套管(thimble)。

在该刚性结构内，存在检测输入力的至少一个装置，例如，压电力传感器或应变计。

利用这种结构，使用者然后可以触摸机械手，其中，如果机械手例如是在重力补偿模式下，然后使用者能够经由与输入设备接触而在空间中随意引导机械手，即，机械手跟随由使用者指定的运动。

使用者将机械手引导到例如要由机械手或附接到机械手的末端执行器处理或搬运的对象。在与对象接触时，使用者的引导力和由对象产生的反作用力彼此抵消，从而使用者然后经由输入装置限定或指定输入力，该输入力相应地由传感器检测。

接下来，在考虑到放大参数的情况下，然后经由控制系统将输入力放大到要由机械手或末端执行器施加在对象上的处理力的期望值。

例如，使用者想要举起重的对象，但他自己不能完成。他将机械手引导到对象，并且然后就举起意义而言施加输入力，由此机械手然后考虑到对象的重量施加增加的处理力，以便仍然在使用者的引导下借助于输入设备举起该对象并将该对象带到期望的位置。

因此，根据本发明，使用者可以经由输入装置将机器人系统用于任意活动，该输入装置被适配并设计成与机械手的末端执行器协作并且进一步在接触时预限定机械手的运动。该对象可以是在制造或组装或生产处理中的任何对象或部件。还可以想到的是，根据本发明的设备在医学领域中的用途(例如，当插入假体时)，或在物理治疗中，其中，治疗师经由输入设备施加轻微的手动力，该手动力对应地由机械手增大或放大，从而治疗师仍然能够经由灵敏机械手的反馈控制感觉和触及例如肌肉硬化。

因此，根据本发明的具有由使用者引导的机械手的机器人系统识别由机械手检测到的力是由使用者施加的还是由环境接触引起的。另外，机器人系统识别机械手要遵循由使用者指定的哪个运动，并且在与对象接触的情况下，要施加哪个增大的处理力，并且还要在哪个取向上施加该处理力，这取决于输入力。

与机械手分开设计的输入设备可以在任何点处作用在机械手上。

在空间上与机器人系统的机械手分开但是仍经由已知的信号传输技术连接到机械手的控制系统的输入设备(例如，作为刚性手套)具有以下优点：使用者可以利用一个单个输入设备操作若干机器人系统，该若干机器人系统中的一些机器人系统可以被不同地配置。例如，在老年护理领域中，可以想到的是，在用作起居空间的限定的空间内，提供了若干固定的机器人支撑的辅助系统，在本发明的意义上，该辅助系统可以由一个且相同的输入设备来操作。

然而，根据进一步的实施方式，还可能的是，输入设备直接固定到机械手，优选地在末端执行器的区域中，并且也可以被设置成在解剖学上适应于使用者的结构。

例如，还可以想到的是，将具有对应传感器的输入设备直接放置在夹持机构的指状件上，使用者可以简单地触摸指状件，从而使用者可以在放大的处理力的作用下相对于要夹持的对象执行简单的夹紧或挤压运动。

在根据本发明的设备的进一步的实施方式中，提供的是，输入设备被设计成由另一机器人系统的机械手致动，或者所述另一机械手具有与执行机器人系统的机械手相互作用的输入设备。这样，两个机器人可以相对于处理力以级联的方式彼此互补，并从而实现处理力的更大的放大。

如上所述，在本发明的上下文中使用的机器人系统应当优选地是柔顺控制的，即，阻抗控制、导纳控制和/或扭矩控制的轻型构造的机器人系统。

这种机器人系统具有用于感测作用在机械手上的力的装置。例如，如果机械手被设计成铰接臂机器人，则扭矩或力矩传感器可以设置在铰接臂机器人的关节处。力-力矩传感器也可以设置在机械手上，其可以借助于应变计检测作用在机械手上的力或扭矩。此外，还可以评估在机械手的驱动器中出现的电动机电流。因此，用于检测力的装置允许检测作用在机械手上的外力，该外力用于实现本发明所期望的反馈控制。

在又一方面，本发明还涉及一种用于在要由机械手相对于对象执行的任务的范围内通过机器人的机械手向对象施加处理力的方法，该方法包括以下步骤：

-确定使用者相对于对象的输入力；

-根据限定的转换系数通过机械手将输入力放大到处理力的值；

-通过机械手向对象施加处理力；

-检测当机械手与对象接触时产生的反作用力；以及

-将反作用力传递到使用者。

因此，根据预定的转换系数传递反作用力。因此，例如，它可以准(quasi)在触觉反馈的意义下经由输入设备以减小的形式传递到使用者，如果需要，由作为警告的其它视听信号来支持，这对于与人类的交互尤其是必要的。

输入力可以在输入设备与机械手接触时被限定，或者在输入设备直接与对象接触时被限定。

也可以改变放大系数，从而处理力在被施加到对象上时可以动态地变化。动态改变是经由控制而由使用者限定的，例如，经由实时语音输入，这对物理治疗应用尤其是有利的。

此外，在控制系统中，可以将至少一个极限或阈值直接分配给放大系数或转换系数或者分配给处理力。在物理治疗或外科手术应用中，这防止了使用者无意中施加的过大的输入力被机械手对应地过大地放大，以防止伤害。在生产和组装细丝、易碎部件时，考虑阈值也是一个优势。

本发明的特征在于，出于施加处理力或处理力序列的目的，无论预期用途如何，机器人(优选地是轻型构造的铰接臂机器人)在由使用者甚至另一机器人指定的与活动或任务相关的运动和输入力的规范下实现力的放大，并且持续地向使用者(或另一机器人)提供关于与对象相互作用而产生的反作用力的直接反馈，这基本上允许执行灵敏的活动。

在这方面，本发明也与用于人体运动和相关力的放大的已知外骨架结构或一般概念基本不同，所有已知外骨架结构或一般概念主要是位置调节或位置控制的，其中，使用者仅能够将执行器移动到某些位置，并且仅对这些位置施加一定的力，而没有反馈控制。

根据本发明的设备的一种有利的应用也是在支持不能自己施加某些活动所需的力的老年人和残疾人领域。

因此，根据本发明，旨在将具有机械手的设备放置在轮椅上，并且使用者携带输入设备的刚性结构。事实证明，这种布置比众所周知的笨重的外骨架更实用得多，特别是因为可以在没有大量努力且没有长时间延迟的情况下激活机器人系统。

根据本发明的设备还可以用于教导机器人系统。原则上，示教过程用于通过让使用者通过引导例如在重力补偿模式下的机械手来模拟和存储运动来指定机器人臂或执行器的稍后轨迹。然而，到目前为止，示教过程还没有考虑到机械手与对象接触时可能在机械手运动期间施加的处理力。到目前为止，这些力仍然是经由移动手持设备的控制或经由计算机的编程接口单独输入的。现在，根据本发明的设备同与机械手相互作用的输入设备的一起使用允许使用者除了引导机械手之外，还展示出要针对特定任务施加的处理力并将它们相对于轨迹存储在一起。

本发明的其它优点和特征从附图所示的实施方式的描述得出，其中

图1示出了根据本发明的第一实施方式；

图2示出了根据本发明的第二实施方式；

图3a至图3d示意性地示出了相对于第二实施方式的输入设备的不同布置变型；

图4示出了根据本发明的第三实施方式；

图5示出了根据本发明的第四实施方式；

图6示出了根据本发明的第五实施方式；以及

图7示出了根据本发明的机械手在轮椅上的布置。

图1示出了根据本发明的第一实施方式。

轻型构造的机器人系统的多轴机械手1在其远端处具有末端执行器2，机械手1将利用该末端执行器2与对象(此处未示出)相互作用，例如，向下推动该对象。

如果机械手1例如在其重力补偿模式下，则可以通过借助于使用者的手3引导接触来根据机械手1的由铰接臂的数量给出的自由度在空间中任意地引导机械手1。

末端执行器2的远端一与对象接触(例如，向下按压对象)，使用者就经由他的手3施加输入力F_EIN，该输入力由位于末端执行器2的近端处的输入设备4检测。

在机器人系统的控制器中，存储了对应的转换系数，该转换系数确定要由机械手1将输入力F_EIN转换成输出力并且然后作为处理力F_P施加到对象的放大倍数。

不用说，在与对象接触时，在机械手1或末端执行器2中生成反作用力F_GR，在这些元件中对该反作用力F_GR进行测量。

为了使用者能够实现整个处理的反馈控制，现在根据本发明提供的是，此固有反作用力F_GR经由相应的减小的转换系数被映射成反作用力F_GB，该反作用力F_GB借助于输入设备4内的对应的致动器或类似物以触觉方式经由使用者的手3被传递给使用者。

图2示出了根据本发明的进一步的实施方式。

在这种情况下，输入设备5被设计成刚性手套，该刚性手套牢固地(即，以力传递的方式)连接到末端执行器2的远端。然而，如图3a至图3d所示，可以想到手套5在末端执行器2上的任何布置，这取决于使用者如何进行引导和力施加。

在手套5内存在至少一个传感器(未示出)，用于一旦手套5与对象(此处未示出)接触，就检测由使用者施加的输入力。

首先，使用者可以经由手套5在机械手1的重力补偿状态下将具有其末端执行器2的机械手1引导至对象。当手套5与对象接触时，然后使用者施加增大的或放大的处理力，该处理力经由手套5的刚性结构从机械手1传递到对象。这样的布置适合于例如物理治疗应用(诸如，按摩)。

用于呈现减小的反作用力的反馈控制也例如经由对应的致动器在手套5内进行。在以上示例中，肌肉硬化可能会导致变化的反作用力。

图4示出了根据本发明的进一步的实施方式。

代替刚性手套5，仅将套管6附接到末端执行器2的远端，该套管本身可以用作力传感器，或者本身可以被设计成具有集成的力传感器的刚性结构。如果末端执行器2除了传感器6之外还带有与对象相互作用的机构(例如螺钉头)，则这种布置是有利的。

图5示出了另一实施方式。可以附接到机械手1的远端的夹持机构7具有可以相对彼此移动的两个夹持指状件8。在夹持器指状件8的外侧上，设置了对应的传感器9作为输入设备，使得使用者可以通过轻微按压传感器8来容易地施加输入力，当夹持对象时，通过考虑到增益系数，夹持机构7将输入力放大。

图6示出了根据本发明的实施方式，其中，机器人系统的力放大机械手10的输入设备6与另一机器人系统的机械手11的末端执行器7相互作用。因此，机械手11旨在相对于对象施加对应的处理力(例如，夹持)，并且由机械手10来引导并以力放大的方式被支撑，由此由机械手11的作用产生的反作用力经由输入设备6传递到机械手10，从而实现机械手10的反馈控制，其中，优选地机械手10和11都是柔顺控制的。

根据本发明的设备的特定应用领域是护理领域。因此，旨在将根据本发明的机械手1附接到轮椅12，轮椅12可以由使用者经由机械手1的端部处的对应输入设备来激活，例如，用于举起或放置在轮椅附近的对象。