CN102785253A - 具有机器人的异常检测功能的机器人***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够高灵敏度地检测在机器人中发生的异常的具有机器人的异常检测功能的机器人***及其控制方法。当在机器人***中发生了任何异常时，根据位置的不同或应答性的不同，通过两个第一以及第二传感器在第一以及第二检测值中产生差。在该差超过了预先设定的预定的阈值时，控制部检测到在机器人***中产生了某种异常。通过相对地比较两个第一以及第二传感器的第一以及第二检测值，确保检测值的可靠性，并且因为能够通过第一以及第二检测值的差判断异常状态，所以能够排除由于机器人的动作状态或配置环境的温度变化引起的齿轮或减速机的摩擦力的变动这样的不确定因素的误差。能够减小设定检测值的差的阈值。机器人***能够高灵敏度地检测异常。

Description

具有机器人的异常检测功能的机器人***及其控制方法

技术领域

本发明涉及具有机器人的机器人***，特别涉及具有机器人的异常检测功能的机器人***。

背景技术

在日本特开2009-196030号公报中，公开了高精度地控制机械臂的驱动的机器人控制装置。在该机器人控制装置中，在机械臂的各轴的驱动部中装入传感器。机械臂根据向该机械臂输出的指令进行驱动。传感器向机械臂输出实际传递的实际的检测转矩。运算处理部确定指令转矩和检测转矩的差。在确定的差成为预定的阈值以上的情况下，切断向机械臂的电力供给。

在日本特开2007-301691号公报中，公开了具有在机械臂的各轴的驱动中装入的两个传感器和两个运算处理部的机器人控制装置。在该机器人控制装置中，两个运算处理部分别推测向机械臂输出的指令转矩。在推测的两个指令转矩一致的情况下，确定通过两个传感器检测出的两个检测转矩和两个指令转矩的差。在确定的差成为预定的阈值以上的情况下，切断向机械臂的电力供给。

在日本特开2009-196030号公报以及日本特开2007-301691号公报中公开的技术中，在作为机械臂的构成元件的齿轮或减速机中的摩擦力根据机械臂的动作状态或配置环境的温度变化而变动。通过这样的摩擦力的变动，在上述机器人控制装置中，例如由于摩擦力的增大，指令转矩和检测转矩的差变大。结果，为了防止误检测需要设定大的阈值。因此，例如即使在人或物与机械臂碰撞的情况下，也无法精度地检测碰撞。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供能够高灵敏度地检测在该机器人***中发生的异常的机器人***及其控制方法。

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种机器人***，其具有：

机器人；

第一以及第二传感器，其根据作用于上述机器人的力，分别输出预定的第一以及第二检测值；和

控制部，其确定从上述第一传感器输出的第一检测值和从上述第二传感器输出的第二检测值的差，在上述差超过预定的阈值的情况下，判断为在上述机器人中发生了异常。

在该机器人***中，上述控制部在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器的上述第一以及第二检测值中的至少某一方超过预定的允许值的情况下，判断为对上述机器人作用了预定的力以上的力。

在该机器人***中，上述控制部在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器的上述第一以及第二检测值都不超过预定的允许值的情况下，判断为上述第一以及第二传感器的至少某一方发生了异常。

在该机器人***中，上述第一传感器的应答性与上述第二传感器的应答性不同。

另外，根据本发明，提供一种机器人***的控制方法，具有以下步骤：

根据作用于机器人的力，确定从第一以及第二传感器分别输出的第一检测值和第二检测值的差；和

在上述差超过预定的阈值的情况下，判断为在上述机器人中发生了异常。

该机器人***的控制方法还具有：在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器的上述第一以及第二检测值中的至少某一方超过预定的允许值的情况下，判断为对上述机器人作用了预定的力以上的力的步骤。

该机器人***的控制方法还具有：在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器的上述第一以及第二检测值都不超过预定的允许值的情况下，判断为上述第一以及第二传感器的至少某一方发生了异常的步骤。

在该机器人***的控制方法中，上述第一传感器的应答性与上述第二传感器的应答性不同。

附图说明

通过附图表示的本发明的典型的实施方式的详细的说明，本发明的这些目的、特征和优点以及其他的目的、特征和优点会变得更加明了。

图1是概要地表示本发明的第一实施方式的机器人***的结构的图。

图2是表示本发明的机器人***的控制方法中的处理流程的流程图。

图3是表示一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。

图4是表示另一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。

图5是表示再一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。

图6是概要地表示本发明的第二实施方式的机器人***的结构的图。

图7是概要地表示本发明的第三实施方式的机器人***的结构的图。

图8是概要地表示本发明的第四实施方式的机器人***的结构的图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是概要地表示本发明的第一实施方式的机器人***11的结构的图。该机器人***11具有例如构成6轴垂直多关节型机器人的多关节机器人12、与多关节机器人12连接控制多关节机器人12的动作的控制部13。多关节机器人12和控制部13通过配线14连接。多关节机器人12具有作业工具即机械手15。机械手15例如能够抓持工件。把该多关节机器人12例如配置在多关节机器人12与人协作的空间内。

多关节机器人12具有：例如在地面上固定不动的基台16；例如围绕与地面正交的旋转轴线x1旋转自如地与基台16连结的基端臂17；围绕与旋转轴线x1正交的旋转轴线x2旋转自如地与基端臂17连结的第一手腕元件18；围绕与旋转轴线x2正交的旋转轴线x3旋转自如地与第一手腕元件18连结的第一中间臂19a；围绕与旋转轴线x3正交的旋转轴线x4旋转自如地与第一中间臂19a连结的第二手腕元件20；与第二手腕元件20连结的第二中间臂19b；围绕与旋转轴线x4正交的旋转轴线x5旋转自如地与第二中间臂19b连结的第三手腕元件21；以及围绕与旋转轴线x5正交的旋转轴线x6旋转自如地与第三手腕元件21连结的前端臂22。

在前端臂22的前端例如装卸自如地安装上述机械手15。为了实现围绕旋转轴线x1～x6的旋转，在多关节机器人12中装入伺服电动机(未图示)。伺服电动机具有检测该伺服电动机的旋转角度的编码器。伺服电动机根据从控制部13输出的驱动信号以预定的旋转角度进行旋转。通过伺服电动机的旋转，围绕各旋转轴线x1～x6引起多关节机器人12的动作。表示伺服电动机的旋转角度的角度信号从编码器向控制部13反馈。这样多关节机器人12能够按照预定的速度向预定的位置变化姿势。

在第一实施方式中，在前端臂22和机器人手15之间在旋转轴线x6的方向上相互邻接地排列两个第一以及第二传感器23、24。第一传感器23配置在比第二传感器24接近机械手15的位置上。第二传感器24安装在前端臂22的前端。在安装在第二传感器24上的第一传感器23上安装机械手15。在第一以及第二传感器23、24中例如使用应变仪、或者由于光的反射量的大小或物体间的静电容量的变化等检索机械变形的力传感器等。第一以及第二传感器23、24能够检测作用于机械手15的力以及作用于机械手15抓持的工件的力。把检测值从第一以及第二传感器23、24向控制部13输出。关于机械手15和用机械手15抓持的工件，对检测值执行重力修正。

在机器人***11的第一以及第二传感器23、24中设定正交三轴的基准坐标系。规定Z轴与旋转轴线x6平行，X轴以及Y轴正交。上述的第一以及第二传感器23、24能够检测作用于该第一以及第二传感器23、24的X方向、Y方向以及Z方向的力分量(Fx，Fy，Fz)、和围绕各个X轴、Y轴以及Z轴的转矩分量(Mx，My，Mz)。把这样检测的力分量以及转矩分量的检测值向控制部13输出。在输出时第一以及第二传感器23、24使用分别与控制部13连接的配线25a、25b。在多关节机器人12的动作过程中，从第一以及第二传感器23、24向控制部13分别连续输出第一以及第二检测值。

控制部13与存储装置(未图示)连接，该存储装置用于存储从第一传感器23输出的第一检测值、从第二传感器24输出的第二检测值、用于检测机器人***的异常的异常检测软件程序。控制部13能够根据在存储装置中存储的异常检测软件程序执行各种运算。还可以在运算处理时把异常检测软件程序临时读出到存储器(未图示)中。此外，异常检测软件程序也可以例如从FD(软盘)或CD-ROM等其他可移动记录介质取入到存储装置中，也可以从LAN或因特网这样的计算机网络取入存储装置中。

在机器人***11开始动作前，在机器人***11中预先设定各种条件。首先在多关节机器人12中实施通常动作的试运转。在通常动作中，多关节机器人12对于工件重复预定的作业。此时，向控制部13输出第一以及第二传感器23、24的检测值。即使在第一以及第二传感器23、24中无异常的状态下，由于传感器的个体差等在检测值中产生了差。此外，在此在确定差时，控制部13例如合成力分量(Fx，Fy，Fz)使用计算出的合成力。

在机器人***11中，在多关节机器人12的通常动作时，根据多关节机器人12的动作第一以及第二检测值变化。根据这样的第一以及第二检测值，控制部13确定第一以及第二检测值的差。根据这样确定的差，例如设定比多关节机器人12通常动作时确定的差的最大值大的预定的阈值。考虑用于避免误检测的余量来确定阈值。在机器人***11中发生异常的情况下，由于第一以及第二传感器23、24的设置位置或者应答性的不同在第一以及第二检测值中发生超过预定的阈值的大的差。因此，在第一以及第二检测值的差超过该阈值的情况下，如后所述，控制部13能够判断为在机器人***11中发生了异常。把这样的阈值存储在存储装置中。在机器人***11的异常中，包含对多关节机器人12作用了预定的力以上的力的情况、即异物与多关节机器人12碰撞的情况、第一以及第二传感器23、24的至少某一方发生了异常的情况等。

同时，控制部13确定多关节机器人12的通常动作过程中的第一以及第二检测值的最大值。把比这样确定的最大值大的值设定为后述的预定的允许值。关于对于确定的最大值，允许值有何种程度的余量，例如还可以考虑由于与进入机器人***11内的空间内的人的碰撞检测的检测值来进行确定。根据上述可知，在第一以及第二检测值中的至少某一方超过该允许值的情况下，如后所述，控制部13判断为多关节机器人12与异物碰撞。把这样的允许值存储在存储装置中。在异物中例如包含人或在机器人***11内配置的周边装置等。

图2是表示本发明的机器人***11的控制部13的处理流程的流程图。控制部13根据异常检测软件程序执行运算处理。当开始机器人***11的动作时，第一以及第二传感器23、24根据多关节机器人12的动作分别输出第一以及第二检测值。在步骤S1，控制部13确定输出的第一检测值和第二检测值的差。在步骤S2，控制部13监视第一以及第二检测值的差是否超过即大于上述的阈值。在差没有超过预先设定的上述阈值的情况下(步骤S2，NO)，控制部13在步骤S3判断为在机器人***11内未发生异常。处理返回步骤S1。这样控制部13重复步骤S1～S3的处理。

图3是表示一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。在该图表中，纵轴表示检测值，横轴表示时间。在纵轴上设定上述的允许值p。第一检测值v1用实线表示，第二检测值v2用虚线表示。第一以及第二检测值v1、v2随时间的经过变化。控制部13在某个时间t检测到第一以及第二检测值v1、v2的差d超过了阈值(步骤S2，YES)。结果，在步骤S4，控制部13判断为在机器人***11中发生了某种异常。当检测出异常的发生时，控制部13在步骤S5，在预定的时间内，监视第一以及第二检测值v1、v2中的至少某一方是否超过允许值p。

根据图3可知，因为第一以及第二检测值v1、v2都超过了允许值p(步骤S5，YES)，所以控制部13的处理前进到步骤S6。在步骤S6，控制部13判断为由于碰撞对机械手15作用了冲击的过大的力。结果，控制部13在步骤S7输出表示在机器人***11中发生了异常的警告信号。根据警告信号的输出，在机器人***11中，实施在监视器(未图示)中显示的警告、通过警报机(未图示)例如通过声音进行的警告、通过旋转灯(未图示)的点亮等进行的警告。通过实施这样的警告，例如能够向机器人***11的管理者或者机器人***11的周围的其他的机器人***通知在机器人***11内发生了异常。结果，即使在周围的机器人***中也能够执行针对异常的处理。

另外，也可以代替上述实施的警告或者除了实施警告之外，可以根据警告信号的输出，多关节机器人12执行确保安全的动作。例如可以使多关节机器人12停止动作。在停止动作时，例如可以通过确立与光帘(未图示)的检测状态相同的状态，使多关节机器人12停止动作。另外，也可以执行多关节机器人12的动作，使机械手15在第一以及第二检测值v1、v2减小的方向上移动。第一以及第二检测值v1、v2减小的方向确定为检测值中的力分量的方向逆转的方向。通过这样的移动，机械手15能够在离开碰撞的异物的方向上离开。另外，也可以通过输出其他警告信号，使多关节机器人12进行预先决定的安全动作。

图4是表示另一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。和图3同样，纵轴表示检测值，横轴表示时间。在纵轴上和上述同样设定允许值p。第一检测值v1用实线表示，第二检测值v2用虚线表示。和上述同样，控制部13在某个时间t检测到第一以及第二检测值v1、v2的差d超过了阈值(步骤S2，YES)。结果，在步骤S4，控制部13判断为在机器人***11中发生了某种异常。当检测到发生异常时，控制部13在步骤S5中，在预定的时间内监视第一以及第二检测值v1、v2中的至少某一方是否超过允许值p。根据图4可知，因为第一以及第二检测值v1、v2都未超过允许值p(步骤S5，NO)，所以没有发生与机械手15的碰撞。因此，控制部13的处理前进到步骤S8。

在步骤S8，控制部13判断为第一以及第二传感器23、24的至少某一方发生了不良情况。在这种情况下，控制部13的处理前进到上述的步骤S7。这里，根据图4可知，与第一检测值v1相比几乎检测不到第二检测值v2的值，所以例如推测在第二传感器24中发生了异常。和上述同样，控制部13在步骤S7输出表示在机器人***11中发生了异常的警告信号。根据警告信号的输出，在机器人***11中实施与上述同样的处理。此外，在第一以及第二传感器23、24的不良情况中，例如包含第一以及第二传感器23、24自身的硬件故障或者软件的不良，配线25a、25b的不良、控制部13的硬件的不良等。

在以上那样的机器人***11中，由于两个第一以及第二传感器23、24的位置的不同在第一以及第二检测值中产生了差。在该差超过预先设定的预定的阈值的情况下，控制部13检测到在机器人***11中发生了某种异常。这样因为相对地比较两个第一以及第二传感器23、24的第一以及第二检测值，所以能够确保检测值的可靠性，而且因为能够通过第一以及第二检测值的差判断异常状态，所以能够排除由于机器人的动作状态或配置环境的温度变化引起的齿轮或减速机的摩擦力的变动这样的不确定因素的误差。因为可以不考虑这样的误差，所以可以设定小的检测值的差的阈值。结果，机器人***11能够高灵敏度地检测该机器人***11内发生的异常。

而且，在第一以及第二传感器23、24的第一以及第二检测值的至少某一方超过预先设定的预定的允许值的情况下，控制部13能够检测到发生了与机械手15的碰撞。这样能够高灵敏度地检测机械手15的碰撞。另外，在第一以及第二传感器23、24的第一以及第二检测值的至少某一方不超过预先设定的预定的允许值的情况下，控制部13能够检测没有发生碰撞但是在第一以及第二传感器23、24的至少某一方中发生了不良情况。这样因为能够高灵敏度检测第一以及第二传感器23、24的不良情况，所以能够确保第一以及第二传感器23、24的检测值的可靠性。

另外，在机器人***11中，例如在旋转轴线x6的方向上相互邻接配置第一以及第二传感器23、24。在图1表示的例子中，直接接触配置第一传感器23和第二传感器24。即，在第一传感器23和第二传感器24之间不夹入其他的结构部件。另一方面，当在第一传感器23和第二传感器24之间夹入结构部件时，由于该结构部的刚性，在第一检测值和第二检测值之间产生多余的差这样的不确定因素。本发明能够排除这样的不确定因素。即，不需要对检测值进行针对多余的差分的修正。因此，本发明能够防止碰撞的检测精度、以及第一以及第二传感器23、24的不良情况的检测精度的恶化。

此外，在以上那样的机器人***11中，在确定第一以及第二检测值的差时，例如也可以分别比较从第一以及第二传感器23、24输出的力分量(Fx、Fy、Fz)或者转矩分量(Mx、My、Mz)。另外，在确定合成力时，例如可以合成力分量中的两方向的力分量。另外，关于合成力，可以代替力分量，从Mx或My和力的作用点合成。

图5是表示再一个具体例的第一以及第二检测值的变动的图表。该图表和图3的图表相同。但是在该例中使用具有相互不同的应答性的第一传感器23以及第二传感器24。例如在距离机械手15远的第二传感器24中设定比第一传感器23慢的应答性。结果，根据图5可知，与上述的图3的情况比较，由于第二检测值v2的检测的定时比第一检测值v1迟等理由，发生异常时的第一检测值v1和第二检测值v2之间的差与图3的情况相比更加急剧增大。因此，控制部13能够比图3的情况更加迅速地以高的精度检出该差超过了阈值。此外，该机器人***11能够实现和上述同样的作用效果。

图6是概要地表示本发明的第二实施方式的机器人***11a的结构的图。在该图中，对具有与上述相同的结构或者构造的结构元件附以相同的参照符号。在该机器人***11a中，第一以及第二传感器23、24与第二控制部27连接。向第二控制部27输出第一以及第二检测值。第二控制部27经由配线28与上述的控制部13连接。第二控制部27执行上述的异常检测软件。但是，控制部13例如根据从第二控制部27输出的警告信号控制多关节机器人12的动作。因为通过单独的控制部执行检测异常的处理和控制多关节机器人12的动作的处理，所以能够提高机器人***11内的处理的速度。

图7是概要表示本发明的第三实施方式的机器人***11b的结构的图。在该图中对于具有与上述相同的结构或者构造的结构元件附以相同的参照符号。在该机器人***11b中，在基台16和基端臂17之间配置相互邻接的第一以及第二传感器23、24。第一传感器23例如安装在基端臂17上。第二传感器24例如安装在基台16上。这些第一以及第二传感器23、24能够在从基端臂17到机械手15之间检测作用于多关节机器人12的力。因此，能够高精度地检测向多关节机器人12大部分的碰撞。此外，该机器人***11b能够实现和上述同样的作用效果。

图8是概要表示本发明的第四实施方式的机器人***11c的结构的图。在该图中对于具有与上述相同的结构或者构造的结构元件附以相同的参照符号。该机器人***11c具有在多关节机器人12的周围配置的周边装置29。这里，作为周边装置29例如使用工作台。第一以及第二传感器23、24安装在周边装置29上。多关节机器人12的机械手15例如执行在配置在第一传感器23上的基板上安装连接器(都未图示)的作业。在安装该连接器时，机械手15通过连接器向基板即第一以及第二传感器23、24作用力。此时，第一以及第二传感器23、24根据来自基板的力的检测分别输出第一以及第二检测值。

在这样的机器人***11c中，在多关节机器人12的通常动作的试运转时和上述同样设定阈值以及允许值。例如有时由于异物对于多关节机器人12的碰撞，机械手15经由连接器错误地碰撞基板。此时，第一以及第二传感器23、24根据从多关节机器人12向周边装置29作用的力，分别输出预定的第一以及第二检测值。这样，根据预先设定的阈值以及允许值执行和上述同样的处理。结果，控制部13能够高灵敏度地检测多关节机器人12的碰撞。另外，和上述同样，能够高灵敏度地检测第一以及第二传感器23、24的不量情况。

此外，第一以及第二传感器23、24还可以配置在机械手15中。另外，在机器人***11～11c内，也可以相互隔开配置第一传感器23和第二传感器24。在这种情况下，如上所述，预先测定通过在第一传感器23和第二传感器24之间夹入的结构元件的刚性产生的第一检测值和第二检测值之间的多余的差。这样的多余的差，通过用于修正多关节机器人12中的第一以及第二传感器23、24的不同配置的预定的系数来修正。把对系数乘以检测值的计算值作为修正后的检测值使用。例如能够在通常动作的试运转时根据第一以及第二传感器23、24的第一以及第二检测值求出这样的系数。

另外，在以上那样的本实施方式中，虽然作为作业工具例如使用了操纵工件的机械手15，但是例如也可以使用根据电弧焊、点焊、组装、检查、密封、激光或者水力喷射等加工种类选择的其他的作业工具。

通过本发明，能够提供能够高灵敏度地检测在机器人中发生的异常的机器人***及其控制方法。

使用了典型的实施方式说明了本发明，但是本领域的技术人员应该可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下能够进行上述的变更以及各种其他的变更、省略、追加。

Claims (8)

1.一种机器人***，其特征在于，具有：

机器人(12)；

第一以及第二传感器(23、24)，其根据作用于上述机器人(12)的力，分别输出预定的第一以及第二检测值；和

控制部(13)，其确定从上述第一传感器(23)输出的第一检测值和从上述第二传感器(24)输出的第二检测值的差，在上述差超过预定的阈值的情况下，判断为在上述机器人中发生了异常。

2.根据权利要求1所述的机器人***，其特征在于，

上述控制部(13)在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器(23、24)的上述第一以及第二检测值中的至少某一方超过预定的允许值的情况下，判断为对上述机器人(12)作用了预定的力以上的力。

3.根据权利要求1或2所述的机器人***，其特征在于，

上述控制部(13)在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器(23、24)的上述第一以及第二检测值都不超过预定的允许值的情况下，判断为上述第一以及第二传感器(23、24)的至少某一方发生了异常。

4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的机器人***，其特征在于，

上述第一传感器(23)的应答性与上述第二传感器(24)的应答性不同。

5.一种机器人***的控制方法，其特征在于，

具有以下步骤：

根据作用于机器人(12)的力，确定从第一以及第二传感器(23、24)分别输出的第一检测值和第二检测值的差；和

在上述差超过预定的阈值的情况下，判断为在上述机器人(12)中发生了异常。

6.根据权利要求5所述的机器人***的控制方法，其特征在于，

还具有：在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器(23、24)的上述第一以及第二检测值中的至少某一方超过预定的允许值的情况下，判断为对上述机器人(12)作用了预定的力以上的力的步骤。

7.根据权利要求5或6所述的机器人***的控制方法，其特征在于，

还具有：在上述差超过上述阈值，并且上述第一以及第二传感器(23、24)的上述第一以及第二检测值都不超过预定的允许值的情况下，判断为上述第一以及第二传感器(23、24)的至少某一方发生了异常的步骤。

8.根据权利要求5到7中的任意一项所述的机器人***的控制方法，其特征在于，

上述第一传感器(23)的应答性与上述第二传感器(24)的应答性不同。

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