具体实施方式

现在参照附图，特别是图1，示出了机器人10的示例。如所示的，机器人10具有底座12，所述底座可以固定就位或是可移动的。机器人10被设置有允许机器人10的构件16(例如，臂16)在各个方向上移动的一个或多个关节14。尽管图1中示出了枢轴关节14，但关节14也可以是可线性延伸的关节、旋转关节或允许机器人10的两个构件16之间的运动的其他类型的关节。在底座12的相对的端处，机器人10可以被设置有机器人工具安装表面18或工具法兰18。优选地，工具法兰18(例如，图4)是工业标准工具法兰18，其允许不同制造商的端部执行器22附接至工具法兰18。例如，首选的行业标准工具法兰满足ISO9409-1:2004(E)。特别地，工具法兰18优选地具有呈等间距的圆形图案(patterns)的多个螺纹孔20。

图2中示出了端部执行器22的示例。各种端部执行器22是已知的并且可以与机器人10一起使用，诸如夹持器22(例如，双爪夹持器22、真空杯夹持器、磁性夹持器)、焊接机等。常规地，端部执行器22通过与工具法兰18的螺纹孔20接合的螺栓24直接附接至工具法兰18。然而，如图2中所示，端部执行器22附接至下文进一步描述的位于工具法兰18和端部执行器22之间的模块30。机器人10的在底座12和端部执行器22之间的关节14允许机器人10在机器人10周围的整个工作空间移动端部执行器22。为了控制机器人关节14的运动，机器人控制器26被设置有处理器，所述处理器生成被传输到机器人10的关节14的控制信号。如所示的，控制器26可以位于靠近机器人10定位的控制箱26中，但是，控制器26也可以容纳在机器人10本身内(例如，在底座12中)，或者控制器26位于远程并且通过网络与机器人10通信。

如图2中所示，端部执行器22可以被设置有多个传感器28以监控端部执行器22周围的环境。多种类型的传感器28可以与端部执行器22一起使用并且包括力载荷单元28A、相机28B、加速度计、温度计、位置传感器等。传感器28可以位于包括在端部执行器22上或在下文描述的传感器模块80中的各种位置。然而，优选的是，传感器28相对于底座12位于距工具法兰18的远侧，以使传感器28靠近端部执行器22。

如图3至图6中所示，可能期望为机器人10设置位于工具法兰18和端部执行器22之间的处理模块30。如果需要，如图2中所示，处理模块30可以直接附接至工具法兰18，端部执行器22可以直接附接至处理模块30。然而，也可以使用如下文进一步描述的在工具法兰18和端部执行器22之间的以各种组合的模块80、100(图7和图9)。由于本文中描述的各种模块30、80、100的大体构造和附接方式相似，因此无需针对每个模块30、80、100重复每个细节。如图4中所示，模块30、80、100可以利用螺栓24(即，螺纹紧固件24)附接至工具法兰18，所述螺栓延伸穿过壳体34中的孔32并且接合工具法兰18中的螺纹孔20。如图8中所示，模块30、80、100优选地也包括一组螺纹孔20以允许其他模块30、80、100以类似方式附接至相邻的模块30、80、100。相似地，端部执行器22可以利用与最远侧模块30、80、100的螺纹孔20接合的螺栓24而附接至最远侧模块30、80、100。

如图4中所示，模块30、80、100的壳体34(在图3中标记)可以包括第一板36、第二板38和周向壳体构件40。壳体34包围下面进一步描述的一个或多个电路。可能期望壳体部件(例如，第一板36和第二板38和周向构件40)利用粘合剂、卡扣连接器或小螺丝与安装螺栓24(例如，图8)分开地彼此固定。第一板36的外面表面设计成直接附接至机器人10的工具法兰18，或以类似方式附接至另一个模块30、80、100的模块安装表面42。另一方面，第二板38的外面表面42或安装表面42设计成用于将端部执行器22附接至其上，或以类似方式用于将另一个模块30、80、100的第一板36附接至其上。如图4中所示，还优选的是孔32延伸穿过包括第一板36和第二板38的壳体34，以允许螺栓24从模块安装表面42穿到在模块安装表面42的相对的侧的工具法兰18(或其他模块30、80、100)。还如图4(和图8)中所示，可能期望模块安装表面42中的螺纹孔20(用于附接端部执行器22或其他模块30、80、100)与通孔32成角度地偏移。优选地，每个模块30、80、100的模块安装表面42是工业标准的工具法兰42。例如，优选的工业标准工具法兰42满足ISO9409-1:2004(E)。优选地，如图中所示，每个模块30、80、100的模块安装表面42为呈等间距圆形图案的多个螺纹孔20。甚至更优选地，工具法兰18中的螺纹孔20和模块30、80、100的模块安装表面42具有匹配的螺纹和孔图案。因此，模块30、80、100中的每个可以互换地安装在机器人工具法兰18和端部执行器22之间。如图8中所示，多个模块30、80、100也可以以各种组合在机器人工具法兰18和端部执行器22之间使用。因此，被设计为彼此直接附接(例如，利用接合法兰18中的螺纹孔20的螺栓24)的传统机器人工具法兰18和端部执行器22可以适用于在其间插入一个或多个模块30、80、100，以容易且简单地添加或改进功能。

图2至图6中所示的处理模块30为壳体34内的电路提供用于处理传感器数据的处理器44。如图5中所示，电路板46可以被设置在壳体34中，并且具有处理器44、易失性存储器48、非易失性存储器50、一个或多个输入端口52以及一个或多个输出端口54。操作系统和程序应用可以存储在非易失性存储器50上。因此，电路板46可以作为通用计算机操作，其上被设置有专门设计用于处理来自在端部执行器22附近或端部执行器22上的传感器28的传感器数据的应用程序。也就是说，操作系统控制处理器44的基本功能，并且应用程序为处理器44提供指令以处理来自一个或多个传感器28的数据。尽管输入端口52和输出端口54可以是完全包含在壳体34内的无线端口，但是开口58可以作为备选地形成在壳体34中，以接近输入端口52和输出端口54。应当理解，输入端口52和输出端口54可以采用各种形式；然而，在一个实施例中，输入端口52是USB端口52，输出端口54是RJ-45端口54。在使用中，缆线60可以连接在传感器28和输入端口52之间，以将传感器数据传输到处理模块30。输入端口52连接至处理器44，以向其传送传感器数据。输入端口52还可以通过存储器48、50连接至处理器44，使得传感器数据在被处理器44处理之前被存储在存储器48、50中。当处理器44接收到传感器数据时，处理器44将传感器数据处理成经处理的传感器数据，所述经处理的传感器数据通过比输入的传感器数据更少的每秒位数来限定。也就是说，虽然原始传感器数据可以通过输入端口52提供给处理器44，但是从处理器44输出的经处理的传感器数据被压缩，以提供具有比原始输入传感器数据更少细节的数据。例如，经处理的传感器数据可以表示原始传感器数据的汇总，诸如平均值、总数等，或者可以是任务完成或状态的标志或其他指示。输出端口54连接至处理器44，以便将经处理的传感器数据从处理模块30传输出去。经处理的传感器数据也可以存储在存储器48、50中，使得输出端口54通过存储器48、50连接至处理器44，以接收经处理的传感器数据。输出端口54可以利用如图2中所示的输出缆线62连接至机器人控制器26和其中的处理器。作为备选，输出缆线62可以在机器人10内部并且可以使用面连接器64，例如，在图3中所示的在模块30的第一板36和工具法兰18之间的销或齐平接触连接器64。输出端口54也可以是无线端口。

壳体34的另一个示例在图6中示出。在该实施例中，用于附接模块30、80、100的孔32不需要一直延伸穿过壳体34，而是仅延伸穿过第一板36。然后，使用第二组螺栓66将一体式顶部68连接至第一板36。这种布置的一个优点是模块安装表面42的螺纹孔20不需要与相邻的工具法兰18或模块30、80、100的螺纹孔20成角度地偏移。在壳体34内使用用于电子器件的附加空间也是可行的。然而，确实需要以多个步骤而不是在壳体34已经完全固定在一起的单个步骤(例如，图8)中将模块30、80、100组装到工具法兰18(或模块30、80、100)上。图6中还示出了外部散热翅片56以为处理器44和壳体34内的其他电气组件提供冷却。优选地，壳体34由金属制成，并且散热翅片56一体地形成在壳体上。处理器44可以附接至散热器70，壳体34可以被设置有用于散热器70的金属安装接口72，使得处理器44与散热翅片56热连通，以冷却处理器44。

处理模块30的优点在于初级数据处理可以靠近在端部执行器22处的传感器28发生。这减少了处理延迟。结果是，到机器人控制器26的信号传输限于较低带宽处理的传感器数据，而无需将原始传感器数据传输到机器人控制器26。该布置还隔离处理模块30中的传感器相关软件和处理硬件，而没有机器人控制器26使用附加软件的风险。

图7至图8中示出了另一个模块80。该模块80是与处理模块30相似的传感器模块80，其可以与其他模块30、80、100以各种组合方式容易地安装在机器人工具法兰18和端部执行器22之间。因为传感器模块80与处理模块30共有相似结构，因此无需重复上面已经提供的所有细节。与处理模块30类似，传感器模块80具有壳体34，所述壳体可以在一侧附接至机器人工具法兰18或另一个模块30、80、100的安装表面42。端部执行器22或另一个模块30、80、100也可以附接至传感器模块80的相对侧的安装表面42。

如图7中所示，电路板82被设置有安装在壳体34内部的传感器84。传感器84检测传感器84周围的环境条件，从而检测传感器模块80周围和端部执行器22附近的环境条件。可以使用各种传感器84来检测包括加速度、速度、力、扭矩、位置、磁场、光、温度、压力、湿度和声音在内的各种条件。与可能需要直接位于端部执行器22上或特定位置处的测力传感器28A、相机28B和其他类型的传感器不同，传感器模块80内的传感器84可以提供位于定位在机器人工具法兰18和端部执行器22之间的模块壳体34内的足够传感器数据。在传感器84需要打开与周围环境(例如，湿度、温度、声音等)的通信的情况下，可能期望为壳体34提供诸如屏蔽开口86的开口86，以允许周围的大气渗透到壳体34的内部。

与处理模块30不同，传感器模块80可以需要明显更少的输入端口/输出端口。例如，在最简单的实施例中，可以仅需要诸如USB端口88的单个输出端口88，以传输来自传感器80的传感器数据。作为备选，传感器模块80可以无线传输传感器数据，在这种情况下，输出端口(例如，无线天线)可以在壳体34内部而不需要壳体34中用于输出端口88的物理开口58。也可以使用面连接器64。在物理连接88用于输出端口88的情况下，缆线90用于将输出端口88连接至处理器44、26，以处理来自传感器84的传感器数据。例如，可能期望传感器数据将通过缆线90(或无线地)传输到上述处理模块30。这允许短的传输距离并简化通信缆线的布线。还可能期望输出缆线90提供电力，以向传感器84供电。例如，当USB缆线90连接在传感器模块80的输出端口88和处理模块30的输入端口52之间时，缆线90可以将来自传感器模块80中的传感器84的传感器数据提供给处理模块80中的处理器44。处理模块30还可以通过缆线90向传感器模块80提供电力。如图8中所示，可以使用模块安装表面42和相对侧的表面上的面连接器64进行内部通信，而无需模块30、80、100之间的、模块30、80、100和机器人工具法兰18之间的、端部执行器22和模块30、80、100之间的外部缆线。

图8还示出了多个传感器模块80A、80B、80C可以如何堆叠到工具法兰18上，以容易地向机器人10添加传感器功能。例如，每个传感器模块80可以被设计成监控不同的环境条件。因此，通过简单地选择期望的传感器模块80并通过将其螺栓连接在机器人工具法兰18和端部执行器22之间而将其添加到堆叠中，可以添加附加的传感器功能。传感器模块80还具有克服将常规传感器安装到端部执行器22上(即，找到合适的位置并牢固地安装传感器)的困难的优点。

从图8的图示还可以理解，本文中描述的各种模块30、80、100也可以根据需要添加和订购，以容易地在机器人工具法兰18和端部执行器22之间添加功能。例如，可能期望模块30、80、100的堆叠包括一个或多个传感器模块80、通信模块100(如下面所述)和处理模块30。然后可以将来自传感器模块80的传感器数据从传感器模块80的输出端口88传输到通信模块100的输入端口106。通信模块100的输出端口108可以连接至处理模块30的输入端口52，以传输来自传感器模块80的传感器数据。处理模块30的输出端口54然后可以连接至机器人控制器26，以传输经处理的传感器数据，诸如传感器84的低数据速率汇总或状态指示。

可以在图9至图10中示出与传感器模块80和/或处理模块30一起使用的通信模块100。与处理模块30和传感器模块80类似，通信模块100可以在具有或没有其他模块30、80、100的情况下容易地安装在机器人工具法兰18和端部执行器22之间。因为与处理模块30和传感器模块80的相似性，所以无需重复上面的所有详细描述。与处理模块30和传感器模块80类似，通信模块100在一侧上具有一个安装表面，所述安装表面可以附接至机器人工具法兰18或另一个模块30、80、100的安装表面42。相对的侧是端部执行器22或另一个模块30、80、100可以附接至的安装表面42。

如图10中所示，电路板102在壳体34中被设置有数据开关104，所述数据开关用于将来自多个输入端口106的输入传感器数据组合成通过单个输出端口108传输的输出数据流。然而，应当理解，如果需要，则可以提供多个备选的输入端口106和输出端口108。可能期望的一个类型的输入端口106是USB端口106A，并且在优选实施例中，可以被设置多个USB端口106A。由于USB端口106A通常用于传输数字数据，因此可能期望还被设置电压输入端子106B或先前描述的面连接器64(例如，图9)以将模拟数据传输到通信模块100。

输入端口106连接至电路板102上的数据交换机104。数据交换机104将来自输入端口106的多个数据流组合成可以通过连接至数据开关104的单个输出端口108传输的单个数据流。在被设置模拟输入端口106B、64的情况下，电路板102还优选地包括模数转换器110，使得被通信模块100接收的模拟数据在被提供给数据开关104之前被转换为数字数据。因此，数据开关104的输入端口中的至少一个可以连接至模数转换器110的输出端口。结果是，传输到待组合的数据开关104的所有数据即使在连接至通信模块100的一些传感器传输模拟数据的情况下，也作为数字数据提供。

各种类型的输出端口108可以连接至数据开关104。例如，RJ-45端口108A、串行端口108B、USB端口和/或无线端口108C(例如，蓝牙和/或Wi-Fi天线108C)可以被提供以输出传感器数据。通信模块100可以通过每个输出端口108广播输出传感器数据。然而，在这种情况下，每个输出端口108可以从多个输入端口106接收相同的组合数据流。组合数据流从数据开关104供应给输出端口108的信号可以通过输出缆线112连接至机器人控制器26、44。作为备选，无线输出端口108C可以发射无线信号114，以传输组合的输出数据。连接至通信模块100的机器人控制器26、44可以是本文中描述的处理模块30或者可以是控制机器人10的关节14的机器人控制器26。如果需要，则通信模块100也可以通过输入端口106或输出端口108向其他组件供电。

通信模块100提供了简化传感器和处理单元之间的通信路由的优点。也就是说，在端部执行器22上使用多个传感器的传统布置中，将需要相同数量的缆线来将每个传感器连接至机器人控制器26。利用位于机器人10的底座12附近的传统机器人控制器26，这可能导致缆线布置混乱，这还可能产生缠结风险。相比之下，通过使用通信模块100，可以使用单个输出缆线112(或没有具有无线输出端口108C的缆线)。这极大地简化了各种传感器和机器人控制器26、44之间的连接。此外，如上所述，在使用传感器模块80和处理模块30的情况下，所需的各种连接可以主要位于端部执行器22附近而不需要将大量缆线布线到机器人10的基座12。除了简化连接之外，由于通信路径的长度减少，还可以减少端部执行器22的响应时间。

虽然上文的描述主要涉及从传感器到各种模块30、80、100的数据通信，但应理解，处理模块30、传感器模块80和通信模块100也可以与各种致动器通信。例如，处理模块30可以响应于通过输入端口52接收的传感器数据向致动器输出控制信号。传感器模块80和通信模块100也可以向致动器输出数据。因此，虽然模块30、80、100主要意在与来自各种传感器的数据接口，但是模块30、80、100也可以用于与各种致动器接口。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明不限于此，并且可以在不脱离本文的本发明的情况下进行修改。虽然本文中描述的每个实施例可能仅指特定特征并且可能不具体地指关于其他实施例描述的每个特征，但是应当认识到，除非另有说明，否则即使没有提及特定的特征，本文中描述的特征是可互换的。还应当理解，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望通过本发明的每个实施例来实现所有描述的优点。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在权利要求的含义内的字面上或等效的所有装置和方法都意在包含在其中。