本公開基本上涉及機器人領域。具體地，本公開涉及一種利用超聲波檢測技術來檢測機器人的碰撞事件的碰撞檢測系統及方法。
背景技術：
1、機器人在許多行業的各種廣泛應用中越來越不可或缺。在機器人的工作環境中，人為錯誤、零件故障、控制系統故障、和其他不可預測的事件可能導致機器人軌跡偏離或工件偏轉，從而發生碰撞。隨著工業生產進化到包含更多的人與機器人的協作，在機器人工作空間中與人類行為相關的不確定性加劇了對全面安全保護系統的需求，以保護工人和機器人兩者。
2、對于檢測碰撞并及時停止機器人移動的任何失誤，都可能會對機器人系統、貴重工具、工件造成嚴重損壞，并可能對人類工人的安全構成威脅。而且，對機器人部件在碰撞后的潛在損壞的評估過程通常會減慢整個生產線的制造速度。因此，對于工業機器人中的自動碰撞檢測系統的需求日益增長：該系統可以預測或立即感知碰撞、觸發保護措施并估計碰撞程度，以幫助人類操作員確定是否需要維修。
3、目前，機器人碰撞感知領域存在兩種突出的解決方案：接觸式方法和非接觸式方法。
4、非接觸式方法可以在碰撞發生之前預測到碰撞，從而能夠采取預防性的安全措施來防止碰撞。這些方法使用激光、紅外線或視覺傳感器在機械臂的工作空間周圍建立“安全區”。如果未知物體進入這個“安全區”，機械臂就會減速或停止運行，直到感知到的危險消除。這種方法提供了顯著的安全優勢，但由于使用了傳感器系統，它可能會降低機器人的效率并增加整體系統成本。這種解決方案主要用于自動化程度較高的大型自動化車間，但不太適合復雜的人-機器人協作場景。
5、接觸式方法是在碰撞發生時檢測到碰撞，以觸發相應的安全措施。與旨在防止碰撞的非接觸式方法不同，接觸式方法力求將碰撞后沖擊造成的損害降至最低。這些方法包括電流環、電子皮膚和柔性關節類型。
6、電流環類型是將碰撞力矩通過彈簧傳遞給一組減速器，當力矩達到特定程度時，減速器開始轉動，拖動電機產生電流信號。這種方法雖然成本較低，但是其精度不夠，且負載能力也小，使得其只適合小型機械臂。
7、電子皮膚類型涉及在機械臂的表面安裝壓力傳感器陣列以檢測外力。雖然該方法靈敏度和準確度高，但其具有復雜的系統和高昂的成本。
8、柔性關節類型在機器人關節處安裝力矩傳感器，當檢測到碰撞時，關節由剛性轉變為柔性，允許機器人端部沿外力自由地移動，從而減少碰撞造成的損傷。該方法具有適中的成本，和比其他類型更廣的應用范圍。
9、鑒于此，本領域需要一種低成本、高效且可靠的用于檢測機器人碰撞的解決方案，該解決方案既可以在大型自動化車間中有效實施，也可以在人-機器人協作的復雜場景中有效實施。此外，通過本公開的后續的詳細描述和所附的權利要求，并結合附圖和背景技術部分，其他合乎需要的特征和特性將變得顯然易懂。
技術實現思路
1、本文提供了一種利用超聲波檢測技術來檢測機器人的碰撞事件的碰撞檢測系統及方法。
2、根據本公開的第一方面，提供了一種檢測在機器人外殼上的碰撞事件的方法。該方法包括：通過安裝在外殼內部或外部的多個換能器來檢測聲波；通過對該多個換能器檢測到的聲波進行到達時間分析，由處理器估計在外殼上的碰撞位置；通過處理器根據該多個換能器檢測到的聲波的強度來確定碰撞程度；以及在檢測到碰撞事件后，自動地對機器人的外殼進行無損測試，以評估碰撞事件對機器人造成的損傷程度。
3、在一個實施例中，該方法還包括：在由該多個換能器中的每一個換能器檢測到聲波時，由該多個換能器中的該每一個換能器向處理器傳輸響應脈沖的步驟。
4、在一個實施例中，通過進行到達時間分析來估計在外殼上的碰撞位置的步驟還包括：由處理器確定接收來自該多個換能器中的每一個換能器的響應脈沖相對于碰撞事件的時間差，以計算從碰撞位置到該多個換能器中的每一個換能器的距離；并且基于與該多個換能器中的每一個換能器的距離來定位在外殼上的碰撞位置。
5、在一個實施例中，響應脈沖具有由該多個換能器檢測到的聲波的強度限定的信號幅度；并且其中，處理器被配置為集體地使用響應脈沖的信號幅度來計算碰撞程度。
6、在一個實施例中，向處理器傳輸響應脈沖的步驟還包括通過有線或無線通信而不時地向處理器傳輸電信號，其中處理器被配置為處理該電信號以獲得來自該多個換能器中的每一個換能器的響應脈沖。
7、在一個實施例中，該多個換能器空間地分布在外殼上，以監測機器人以檢測聲波。
8、在一個實施例中，該多個換能器包括多個超聲波換能器，用于檢測在超聲波頻率范圍內的聲波。
9、在一個實施例中，該多個超聲波換能器從由壓電換能器(pzt)、壓電聚偏氟乙烯(pvdf)換能器、聲學傳感器、電容式微機械超聲波換能器(cmut)和壓電微機械超聲波換能器(pmut)組成的組中選擇。
10、在一個實施例中，該方法還包括在該多個換能器中的至少一個換能器檢測到聲波時立即暫停機器人的運行，以最大限度地減少由碰撞事件導致的對機器人的損壞和對人員的傷害。
11、在一個實施例中，對機器人的外殼進行無損測試的步驟還包括：通過該多個換能器獲取在碰撞事件后的聲波特性；以及通過該處理器將該聲波特性與在碰撞事件之前獲取的先前數據進行比較，以評估碰撞事件對機器人造成的損傷程度。
12、根據本公開的第二方面，公開了一種用于檢測具有外殼的機器人的碰撞事件的碰撞檢測系統。該碰撞檢測系統包括安裝在外殼內部或外部的多個換能器，以用于檢測聲波；以及處理器，其配置為執行用于確定在外殼上是否發生碰撞事件的方法，其中該方法包括以下步驟：對檢測到的聲波進行到達時間分析以確定碰撞位置；對檢測到的聲波進行信號分析以確定碰撞程度；以及在檢測到碰撞事件后自動地對機器人的外殼進行無損測試，以評估碰撞事件對機器人造成的損傷程度。
13、本“
技術實現要素：
”部分是提供用于以簡化的形式介紹一些概念，這些概念將在下文的“具體實施方式”部分中進一步描述。本“發明內容”部分并非旨在識別本申請要求保護的主題的關鍵特征或核心特征，其也不旨在用作確定本申請要求保護的主題的范圍的輔助手段。本發明的其他方面和優點公開為如后文的實施例所示。
1.一種檢測在機器人的外殼上的碰撞事件的方法，包括：
2.根據權利要求1所述的方法，還包括當聲波被所述多個換能器中的每一個換能器檢測到時，由所述多個換能器中的每一個換能器向所述處理器傳輸響應脈沖的步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，通過進行到達時間分析來估計在所述外殼上的碰撞位置的步驟進一步包括：
4.根據權利要求2所述的方法，其中，所述響應脈沖具有由所述多個換能器檢測到的聲波的強度所限定的信號幅度；并且其中所述處理器被配置為集體地使用所述響應脈沖的信號幅度來計算碰撞程度。
5.根據權利要求2所述的方法，其中，將所述響應脈沖傳輸到所述處理器的步驟還包括通過有線或無線通信不時地將電信號傳輸到所述處理器，其中，所述處理器被配置為處理所述電信號以獲得來自所述多個換能器中的每一個換能器的所述響應脈沖。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述多個換能器空間地分布在所述外殼上，以監測所述機器人以檢測聲波。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述多個換能器包括用于檢測在超聲波頻率范圍內的聲波的多個超聲波換能器。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述多個超聲波換能器選自由壓電換能器(pzt)、壓電聚偏氟乙烯(pvdf)換能器、聲學傳感器、電容式微機械超聲波換能器(cmut)、和壓電微機械超聲波換能器(pmut)組成的組。
9.根據權利要求1所述的方法，還包括當所述多個換能器中的至少一個換能器檢測到所述聲波時立即暫停所述機器人的操作，以最大限度地減少碰撞事件對所述機器人的損壞和對人員的傷害。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，對所述機器人的外殼進行無損測試的步驟還包括：
11.一種用于檢測具有外殼的機器人的碰撞事件的碰撞檢測系統，包括：
12.根據權利要求11所述的碰撞檢測系統，其中，所述多個換能器中的每一個換能器在檢測到所述聲波時向所述處理器發送響應脈沖。
13.根據權利要求12所述的碰撞檢測系統，其中，所述進行到達時間分析的步驟還包括：
14.根據權利要求12所述的碰撞檢測系統，其中，響應脈沖具有由所述多個換能器檢測到的聲波的強度所限定的信號幅度；并且其中，所述處理器被配置為集體地使用所述響應脈沖的信號幅度來計算碰撞程度。
15.根據權利要求12所述的碰撞檢測系統，其中，所述多個換能器被配置為通過有線或無線通信不時地向所述處理器傳輸電信號；并且其中，所述處理器被配置為處理所述電信號以獲得來自所述多個換能器中的每一個換能器的響應脈沖。
16.根據權利要求11所述的碰撞檢測系統，其中，所述多個換能器空間地分布在所述外殼上，以監測所述機器人以檢測聲波。
17.根據權利要求16所述的碰撞檢測系統，其中所述多個換能器包括用于檢測在超聲波頻率范圍內的聲波的多個超聲波換能器。
18.根據權利要求17所述的碰撞檢測系統，其中，所述多個超聲波換能器選自由壓電換能器(pzt)、壓電聚偏氟乙烯(pvdf)換能器、聲學傳感器、電容式微機械超聲波換能器(cmut)和壓電微機械超聲波換能器(pmut)組成的組。
19.根據權利要求1所述的碰撞檢測系統，其中，所述處理器被配置為當所述多個換能器中的至少一個換能器檢測到聲波時立即暫停所述機器人的運行，以最大限度地減少所述碰撞事件對機器人的損壞和對個人的傷害。
20.根據權利要求1所述的碰撞檢測系統，其中，所述對所述機器人的外殼進行無損測試的步驟還包括：