CN105313111A - 具有臂的后退功能的多关节机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供使用实质一个传感器来实现臂的适当的后退动作的多关节机器人。控制装置具有：干扰转矩推定部，其通过计算由机器人的质量以及动作而产生的转矩并将其从转矩检测部检测出的第一转矩以及第二转矩减去来推定第一干扰转矩以及第二干扰转矩；以及后退动作指令部，其在各干扰转矩超过各自的转矩阈值时生成使对应的轴向减少干扰转矩的方向旋转的动作指令。通过该动作指令，J1轴或J2轴进行后退动作，所以***作人员推按的机器人的部分后退，操作人员即便不使用示教操作盘等也能够容易地进行作业。

Description

具有臂的后退功能的多关节机器人
技术领域
本发明涉及具有至少两个轴并具备臂的后退功能的多关节机器人。
背景技术
近年，不使用安全护栏等而与人员共享作业区域地工作的协作机器人正在普及。就这种协作机器人而言，有时为了确保人员的安全，而构成为在人员接近或接触协作机器人的情况下停止其动作。
但是，由于协作机器人的作业区域与人员共享，因此存在停止的机器人妨碍人员的作业的情况，在这种情况下希望使机器人后退。存在如下情况，作为该后退的方法，不采用使用示教操作盘的操作，而是寻求更容易地由人员直接推动机器人。
作为与之相关的现有技术，在日本特开平08－071969号公报中记载有如下内容，当较强的外力作用于机器人时，利用软浮动伺服控制，以避免驱动机器人的机构部的伺服马达为了强行与之对抗而输出较大的转矩。
另外，日本特开平10－291182号公报中记载有如下臂驱动装置，意图在臂与驱动该臂的马达的减速器之间安装磁式转矩传感器，由操作者正确地检测出作用于臂的力(干扰)。
在日本特开平08－071969号公报中，使用马达电流计算出作用于轴的转矩，但在这种方法中，存在计算出的转矩中包含摩擦的影响，而不能得到正确的转矩的情况。其结果，存在不能正确地检测出人员推压的方向、力的情况。
另一方面，如日本特开平10－291182号公报所记载，在每个臂都设置转矩传感器的情况下，能够除去摩擦的影响，但需要个数为对应臂(轴)的个数的转矩传感器，因此尤其是在多关节机器人中，成本增加。
发明内容
因此本发明的目的在于提供实质上使用一个传感器来实现臂的适当的后退动作的多关节机器人。
为了达成上述目的，本发明提供一种多关节机器人，其具备：与上述多关节机器人的姿势无关而轴向向量的内积为零的第一轴以及第二轴；控制上述多关节机器人的控制装置；以及具有对绕上述第一轴的第一转矩以及绕上述第二轴的第二转矩进行检测的转矩检测部的传感器，上述控制装置具有：干扰转矩推定部，其通过从上述转矩检测部检测出的上述第一转矩以及上述第二转矩减去由上述多关节机器人的质量以及动作而产生的转矩来计算绕上述第一轴的第一干扰转矩以及绕上述第二轴的第二干扰转矩；以及后退动作指令部，其在上述第一干扰转矩超过第一转矩阈值时生成使上述第一轴向减少上述第一干扰转矩的方向旋转的第一动作指令，而在上述第二干扰转矩超过第二转矩阈值时生成使上述第二轴向减少上述第二干扰转矩的方向旋转的第二动作指令。
在合适的实施方式中，上述传感器还具有检测出作用于该传感器的力的力检测部，上述控制装置具备外力推定部，该外力推定部通过从上述力检测部检测出的力减去由上述多关节机器人的质量以及动作而产生的力来推定作用于上述多关节机器人的外力，上述后退动作指令部在上述第一干扰转矩超过上述第一转矩阈值时且上述推定的外力比预先设定的外力阈值小时生成上述第一动作指令，在上述第二干扰转矩超过上述第二转矩阈值时且上述推定的外力比预先设定的外力阈值小时生成上述第二动作指令。
在这种情况下，上述后退动作指令部也可以将以与上述外力阈值相当的力推按不会因上述第一轴的动作而移位的上述多关节机器人的部位时的绕上述第一轴的第一干扰转矩的值设定为上述第一转矩阈值，将以与上述外力阈值相当的力推按不会因上述第二轴的动作而移位的上述多关节机器人的部位时的绕上述第二轴的第二干扰转矩的值设定为上述第二转矩阈值。
附图说明
通过参照附图对以下合适的实施方式进行说明将使本发明的上述或其他的目的、特征以及优点变得明确。
图1是表示能够适用本发明的多关节机器人机构部的示意结构例的图。
图2是表示控制图1的机器人机构部的控制装置的一个结构例的功能框图。
图3是表示控制图1的机器人机构部的控制装置的其他的结构例的功能框图。
图4是表示在图1的机器人机构部中即使操作人员推按也不产生J1轴的后退动作的区域的图。
图5是表示在图1的机器人机构部中即使操作人员推按也不产生J2轴的后退动作的区域的图。
具体实施方式
图1是表示能够适用本发明的多关节机器人(机构部)10的示意结构例的图。机器人10具有基部(J1基座)12、设置于基部12并能够绕第一轴线(J1轴)14旋转的转躯(J2基座)16、以及设置于转躯16并能够绕第二轴线(J2轴)18旋转的上臂(J2臂)20，J1轴14与J2轴18以他们的轴向向量的内积与机器人10的姿势无关而一直为零的方式构成、配置。即J1轴14与J2轴18既可以相互正交，也可以如图1所示以处于相互扭转的关系且轴向向量成为90度的方式配置。此外，如图1所示，机器人10还可以具有设置于上臂20前端并能够绕第三轴线(J3轴)22旋转的前臂(J3臂)24，但这不是必须的。
图2是表示控制图1的机器人机构部10的控制装置26的一个结构例的功能框图。如图1所示，机器人机构部10具有安装在J1基座12的下方的传感器30，传感器30具有检测出绕J1轴14的第一转矩以及绕J2轴18的第二转矩的转矩检测部32(图2)。转矩检测部32是能够分别检测出绕相互正交的至少两个轴的转矩、例如能够检测出绕相互正交的X、Y、Z轴的转矩的转矩传感器。另外如上所述，J1轴14和J2轴18构成为他们的轴向向量的内积始终为零，所以没必要在各轴设置转矩检测部，能够通过在实质一个部位设置一个传感器来检测出第一转矩以及第二转矩双方。
此外在图1的例子中，传感器30(转矩检测部)安装在J1基座12的下方，但只要能够检测出绕J1轴14的第一转矩以及绕J2轴18的第二转矩则也可以设置在机器人机构部10的任意位置。具体来说，传感器30也可以设置在比J1轴靠机器人10的基座侧，例如J2基座16与J1基座12之间。
如图2所示，控制装置26具有干扰转矩推定部34，该干扰转矩推定部34通过计算由机器人10的质量以及动作而产生的转矩并将其从转矩检测部32检测出的第一转矩以及第二转矩中减去，来推定(计算)绕J1轴的第一干扰转矩以及绕J2轴的第二干扰转矩。在此，由机器人10的质量以及动作产生的转矩能够根据机器人10各部的尺寸及质量、以及各轴的速度以及加速度等来计算。这种转矩推定单元自身众所周知，例如在与本申请相同申请人的日本特开2005－293098号公报中记载有其类似的例子。
另外，控制装置26具有后退动作指令部36，该后退动作指令部36在第一干扰转矩超过第一转矩阈值时，生成使J1轴向减少第一干扰转矩的方向旋转的第一动作指令，并在第二干扰转矩超过第二转矩阈值时，生成使J2轴向减少第二干扰转矩的方向旋转的第二动作指令。在此，第一转矩阈值设定为，例如在机器人10是与人员共享作业区域而动作的协作机器人的情况下，在该作业区域内的人员(操作人员等)为了易于进行自己的作业，在为使机器人10的一部分(例如J2基座16)后退一定距离而推按机器人的一部分时作用于J1轴的转矩值。即、在这种情况下，J1轴通过第一动作指令而向减少第一干扰转矩的方向旋转(后退动作)，所以***作人员推按的机器人10的部分后退，操作人员即使不使用示教操作盘等也能够容易地进行作业。
同样地，第二转矩阈值设定为，例如在机器人10是与人员共享作业区域而动作的协作机器人的情况下，在该作业区域内的人员(操作人员等)为了易于进行自己的作业，在为使机器人10的一部分(例如J2臂20)后退一定距离而推按机器人的一部分时作用于J2轴的转矩值。即、在这种情况下，J2轴通过第二动作指令而向减少第二干扰转矩的方向旋转(后退动作)，所以***作人员推按的机器人10的部分后退，操作人员即使不使用示教操作盘等也能够容易地进行作业。
这样，在本申请的发明中，在操作人员推按机器人进行后退动作的情况下，能够通过一个(一个部位)的传感器进行多个轴的后退动作，所以无需在每个轴都设置转矩传感器，实现成本降低。
图3是表示控制图1的机器人机构部10的控制装置的其他的结构例的功能框图。图3所示的控制装置26′在图2所示的干扰转矩推定部34以及后退动作指令部36之外，还具有推定作用于传感器30的外力的外力推定部38。另外在该情况下，传感器30在图2所示的转矩检测部32之外，具有检测出作用于传感器30的力的力检测部40。作为图3的传感器30，例如能够使用六轴力传感器、力觉传感器，这种传感器能够从市面上购入。在使用六轴力传感器、力觉传感器的情况下，能够比使用马达电流的情况更准确地检测出各轴的转矩。
在图3的例子中，传感器30具备转矩检测功能和力检测功能双方，外力推定部38通过计算因机器人10的质量以及动作而作用于传感器30的力并将其从由传感器30(力检测部40)检测的力减去，来推定作用于机器人10的外力。在此由机器人10的质量以及动作而产生的力能够根据机器人10各部的尺寸及质量、以及各轴的速度以及加速度等来计算。这种外力推定单元自身众所周知，所以省略详细的说明。
后退动作指令部36在干扰转矩推定部34推定的绕J1轴的第一干扰转矩超过第一转矩阈值且外力推定部38推定的外力比预先设定的外力阈值小的情况下，生成使J1轴向减少第一干扰转矩的方向旋转的第一动作指令。另外，后退动作指令部36在干扰转矩推定部34推定的绕J2轴的第二干扰转矩超过第二转矩阈值且外力推定部38推定的外力比预先设定的外力阈值小的情况下，生成使J2轴向减少第二干扰转矩的方向旋转的第二动作指令。
后退动作中的机器人与操作人员、周边物体碰撞等情况下，存在若机器人持续后退动作则对操作人员造成危害、损伤机器人或周边物体的隐患，但在图3的例子中，即使第一或第二干扰转矩超过各自的转矩阈值，在外力超过规定的外力阈值的情况下也不进行后退动作。即外力阈值能够预先根据经验而设定，其是超过操作人员为了后退动作而通常施加于机器人的范围的力且若施加于操作人员、周边物体则判断为构成危险的范围的力。因此在使用图3那样的控制装置26′的情况下，能够自动地检测到不希望机器人开始或继续后退动作的情况并避免这种情况。
在像图3所示的控制装置26′一样判断机器人10的各轴能否进行后退动作时，在使用各轴的转矩值和作用于机器人的外力双方的情况下，将操作人员推按机器人10的哪个部位(更具体来说，操作人员推按的部位与传感器30的距离)添加至该判断基准则存在有利的情况。以下，参照图4以及图5对其具体例进行说明。
例如，就图1的机器人10而言，在操作人员推按J1基座12的情况下，绕J1轴的第一干扰转矩也能够达到一定的值以上，所以会产生J1轴的后退动作(转躯16的旋转)。但是，即使转躯16旋转J1基座12也不移位，所以该后退动作可以说是非操作人员意图的动作。
因此，在将上述的外力阈值设为F的情况下，将J1轴的转矩阈值(第一转矩阈值)设为，以与F相当的力推按不因J1轴的动作而移位的机器人10的部位(J1基座12、传感器30)时的第一干扰转矩的值的最大值。即、将在针对绕J1轴的旋转的切线方向(J1轴的旋转方向)上以力F推按距J1轴14最远的传感器30的部分(图4中以J1轴14为中心且传感器30内切的圆柱区域42的外表面)时的干扰转矩设定为第一转矩阈值。这样一来，只要推按J1基座12、传感器30的力在F以下，第一干扰转矩就不会超过第一转矩阈值，所以不会进行绕J1轴的后退动作。另一方面，若推按J1基座12、传感器30的力比F大，则作用于机器人10的力将超过外力阈值F，所以还是不能进行后退动作。
因此，为了进行绕J1轴的后退动作，操作人员需要推按从传感器30离开规定距离(图4的例子中，距J1轴14比圆柱42的半径大的距离)的机器人10的部分(即比区域42靠外侧的部分)。例如，在操作人员推按区域42外的上臂20的情况下，能够采用以比外力阈值F小的力使第一干扰转矩超过第一转矩阈值这样的推按方式，所以能够进行绕J1轴的后退动作。
图4表示绕J1轴的后退动作的例子，图5表示绕J2轴的后退动作的例子。例如，在操作人员推按转躯16的情况下，绕J2轴的第二干扰转矩也能够达到一定的值以上，所以会产生J2轴的后退动作(上臂20旋转)。但是，即使上臂20旋转转躯16也不移位，所以该后退动作可以说是非操作人员意图的动作。
因此，在将上述的外力阈值设为F的情况下，将J2轴的转矩阈值(第二转矩阈值)设为，以与F相当的力推按J1基座12、传感器30或转躯16时的第二干扰转矩的值的最大值。即、将在针对绕J2轴的旋转的切线方向上以与F相当的力推按距J2轴18最远的传感器30的部分(图5中以传感器30(的重心或代表点)为中心，且转躯16(不因绕J2轴的旋转动作而移位的部分)内切的圆柱区域44的外表面)时的干扰转矩设定位第二转矩阈值。这样一来，只要推按J1基座12、传感器30或转躯16的力在F以下，第二干扰转矩就不会超过第二转矩阈值，所以不会进行绕J2轴的后退动作。另一方面，若推按J1基座12、传感器30或转躯16的力比F大，则作用于机器人10的力将变得比外力阈值F大，所以还是不能进行后退动作。
这样，通过设定包含不会因绕J1轴的旋转动作而移位的部分的区域42，即使推按区域42内的部分也不会进行J1轴的后退动作，能够仅在推按区域42的外侧的部分的情况下进行J1轴的后退动作。同样，通过设定包含不会因绕J2轴的旋转动作而移位的部分的区域44，即使推按区域44内的部分也不会进行J2轴的后退动作，能够仅在推按区域44的外侧的部分的情况下进行J2轴的后退动作。这种结构能够准确且自动地判别通过操作人员推按的部位来进行哪一个轴的后退动作，在传感器与旋转轴(J1、J2轴等)离开的情况下尤其有效。另外图4以及图5的例子当然也能够组合。
根据本发明，除了能够比使用马达电流的情况更准确的检测出各轴的转矩，还能够通过实质一个或一处传感器来进行多关节机器人的多个轴的后退动作，无需在每个轴都设置转矩传感器，实现成本降低。

Claims (3)

1.一种多关节机器人，其特征在于，具备：
与上述多关节机器人的姿势无关而轴向向量的内积为零的第一轴以及第二轴；
控制上述多关节机器人的控制装置；以及
具有对绕上述第一轴的第一转矩以及绕上述第二轴的第二转矩进行检测的转矩检测部的传感器，
上述控制装置具有：
干扰转矩推定部，其通过从上述转矩检测部检测出的上述第一转矩以及上述第二转矩减去由上述多关节机器人的质量以及动作而产生的转矩来计算绕上述第一轴的第一干扰转矩以及绕上述第二轴的第二干扰转矩；以及
后退动作指令部，其在上述第一干扰转矩超过第一转矩阈值时生成使上述第一轴向减少上述第一干扰转矩的方向旋转的第一动作指令，而在上述第二干扰转矩超过第二转矩阈值时生成使上述第二轴向减少上述第二干扰转矩的方向旋转的第二动作指令。
2.根据权利要求1所述的多关节机器人，其特征在于，
上述传感器还具有检测出作用于该传感器的力的力检测部，
上述控制装置具备外力推定部，该外力推定部通过从上述力检测部检测出的力减去由上述多关节机器人的质量以及动作而产生的力来推定作用于上述多关节机器人的外力，
上述后退动作指令部在上述第一干扰转矩超过上述第一转矩阈值时且上述推定的外力比预先设定的外力阈值小时生成上述第一动作指令，在上述第二干扰转矩超过上述第二转矩阈值时且上述推定的外力比预先设定的外力阈值小时生成上述第二动作指令。
3.根据权利要求2所述的多关节机器人，其特征在于，
上述后退动作指令部将以与上述外力阈值相当的力推按不会因上述第一轴的动作而移位的上述多关节机器人的部位时的绕上述第一轴的第一干扰转矩的值设定为上述第一转矩阈值，将以与上述外力阈值相当的力推按不会因上述第二轴的动作而移位的上述多关节机器人的部位时的绕上述第二轴的第二干扰转矩的值设定为上述第二转矩阈值。
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