CN101293352B

CN101293352B - 配合装置

Info

Publication number: CN101293352B
Application number: CN2008100926476A
Authority: CN
Inventors: 畑中心; 佐藤贵之
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: JP2008290228A; CN101293352A; US20080267737A1; EP2011610A3; EP2011610A2

Abstract

本发明提供一种配合装置(10)，其使由安装在机器人手臂(2)前端的机械手(4)抓持的第一配合部件与对应的第二配合部件配合，其具备：检测单元(3)，其检测第一以及第二配合部件接触时产生的力；以及判断单元(12)，其根据由检测单元检测出的所述力，判断是这些配合部件在一点接触的一点接触状态，还是这些配合部件至少在两点接触的两点接触状态。在为一点接触状态时，在保持机器人手臂的抓持姿势的状态下，使机械手抓持的第一配合部件在配合方向上压入第二配合部件来推进配合作用，在为两点接触状态时，在可改变机器人手臂的抓持姿势的状态下，进一步推进配合作用。由此，使姿势不远离正常姿势地使第一配合部件与第二配合部件配合。

Description

配合装置

技术领域

本发明涉及一种使由安装在机器人手臂前端的机械手抓持的配合部件与所对应的其他配合部件相配合的配合装置。

背景技术

目前，通过构成虚拟的顺从性(compliance)，使用模仿RCC(remote centercompliance)的控制规则来进行配合作业。在特公平04-43744号中公开了一种使机器人的机械手抓持的棒状的配合部件与被配合部件的配合孔配合的方法。

图8用于说明“弹性支撑的刚性部件的准静态组装”(Daniel E.Whitney，ロボツト·モ一シヨンIII.HBJ出版局，pp.151-185，1982)中公开的现有技术的配合作业。在现有技术中，因为使用模仿了RCC的控制规则，所以会产生与对使用了RCC的配合作业进行了分析的上述“弹性支撑的刚性部件的准静态组装”相同的现象。如图8所示，在被配合部件50的配合孔51的周围形成了倒角部52。而且，在图8中表示了配合部件60的插入深度L与配合部件60的中心线和配合孔51的中心线所成的角度θ之间的关系。此外，插入深度L的原点0与倒角部52的内侧终端部55对应。

在图8中，设通过机器人的机械手(未图示)成θ0度(θ0＞0)地抓持配合部件60。当机器人的机械手朝向被配合部件50在配合方向上进行移动时，如图所示，配合部件60的底面边缘部61，仅在一点与被配合部件50的倒角部52接触(相当于插入深度L与角度θ之间的关系中的点A)。

在上述“弹性支撑的刚性部件的准静态组装”中因为柔性地控制机器人的机械手，所以配合配件60在点A的接触之后逆时针旋转。由此，角度θ0增大。当配合部件60进一步在配合方向上移动时，配合部件60的边缘部61越过倒角部52的内侧终端部55进入配合孔51(点A′)。此时的角度θ为角度θ1。由此，角度θ从角度θ1开始虽然很小，但进一步增大。

当配合部件60在配合方向上进一步移动时，配合部件60的底面上的另一边缘部62与相反侧的倒角部52接触(点B)。此时的角度θ为角度θ2。

之后，当配合部件60在配合方向上进一步移动时，配合部件60被部分配合在配合孔51内，由此，配合部件60成为顺时针旋转(点C)。结果，角度θ从角度θ2开始减小，随着配合部件60配合到配合孔51中，角度θ小于角度θ0而逐渐接近零(点D)。如此，在上述“弹性支撑的刚性部件的准静态组装”中公开的方法中，在配合部件60的边缘部61与倒角部52接触之后，一边变更配合部件60的姿势一边进行配合作业。

当然，当配合部件60与被配合部件50完全配合时，配合部件60的角度θ最终接近成为0。但是，如图8所示，在现有技术中，当配合部件60在一点与被配合部件50的倒角部52接触时(点A)，角度θ增大，能产生配合部件60的姿势暂时远离正常姿势的事态。此时，在两点接触后，存在配合部件60在配合孔51内部阻塞，或者与配合孔51的内表面卡合的情况，由此配合作业容易失败。

此外，由配合部件60在一点与倒角部52接触时作用的力以及/或者力矩，无法判断应该向哪个方向改变配合部件60的姿势。原因在于，力以及/或者转矩的方向根据配合部件60的哪个部分与倒角部52的哪个部分接触来决定，而不是根据配合部件60当前的姿势与正常姿势之间的差来决定。

本发明是鉴于这样的情况而提出的，其目的在于提供一种可以在配合作业的过程中配合部件的姿势不会远离正常姿势地使配合部件与被配合部件配合的配合装置。

发明内容

为了达成上述目的，根据第一方式提供一种配合装置，其使安装在机器人手臂前端的机械手抓持的第一配合部件与对应的第二配合部件配合，其具备：检测单元，其检测所述第一以及第二配合部件接触时产生的力或力矩；以及判断单元，其根据由所述检测单元检测出的所述力或所述力矩，判断是所述第一以及第二配合部件在一点接触的一点接触状态，还是所述第一以及第二配合部件至少在两点接触的两点接触状态，在使所述第一以及第二配合部件相互配合的期间，在由所述判断单元判断为所述一点接触状态时，在保持所述机器人手臂的抓持姿势的状态下，使所述机械手抓持的所述第一配合部件在配合方向上压入所述第二配合部件来进行配合作用，在由所述判断单元判断为从所述一点接触状态转移为所述两点接触状态时，在可改变所述机器人手臂(的抓持姿势的状态下，进一步进行所述配合作用。

即，在第一实施方式中，在第一以及第二配合部件处于在一点接触的一点接触状态时，抑制了第一配合部件姿势的改变。因此，在第一配合部件在一点与第二配合部件接触时，不会发生第一配合部件的姿势发生变化从而远离正常的姿势的情况。因此，在配合作业的过程中，不会出现第一以及第二配合部件相互阻塞或卡合的情况，可以良好地进行配合作业。

根据第二方式，在第一方式中，所述检测单元是在所述机械手和所述机器人手臂之间设置的力传感器。

即，在第二方式中，可以更加正确地检测力或力矩。

根据第三方式，在第一或第二方式中，所述检测单元是根据驱动所述机器人手臂的电动机的电流值，来推定所述力或力矩中的至少一方的推定单元。

即，在第三方式中，不使用力传感器，也可以检测力或力矩。

根据附图所示的本发明的典型的实施方式的详细说明，本发明的这些目的、特点、优点，以及其他的目的、特征、优点将会变得更加明确。

附图说明

图1是本发明的配合装置的略图。

图2是配合部件以及被配合部件的放大断面图。

图3是本发明的配合装置的功能框图。

图4是表示本发明的配合装置的动作的流程图。

图5是表示配合作业的详细内容的流程图。

图6是放大表示被配合部件的倒角部的部分放大图。

图7用于说明本发明的配合作业。

图8用于说明现有技术的配合作业。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中，对相同的部件附加相同的参照符号。为了容易理解，这些附图适当变更了缩小比例尺。

图1是本发明的配合装置的略图。图1所示的配合装置10包含机器人1和机器人控制单元11。机器人1是六轴结构的垂直多关节型机器人。在机器人1的机器人手臂2的前端安装有机器手4。如图所示，在机器人手臂2和机械手4之间配置有力传感器3。力传感器3检测作用于机械手4的力以及/或者力矩。

机器人1以及力传感器3与机器人控制单元11连接。机器人控制单元11是数字计算机，控制配合装置10的整个机器人1的动作。此外，机器人控制装置11包含判断单元12，该判断单元12判断是后述的配合部件60与被配合部件50仅在一点接触的一点接触状态，还是至少在两点接触的两点接触状态。

而且，机器人控制单元11包含推定单元13。推定单元13根据驱动机器人1的机器人手臂2的驱动电动机(未图示)的电流值，推定作用于机械手4的力以及/或者力矩。换句话说，推定单元13可以用来取代力传感器3，来求出力以及/或者力矩。此外，还可以在机器人1的各轴设置转矩传感器(未图示)，根据这些转矩传感器检测到的转矩检测值，推定上述的力以及/或者力矩。

在图1中，圆柱形的配合部件60，由机器人1的机械手4抓持。而且，在配合部件60的对面配置有具备可与配合部件60配合的配合孔51的被配合部件50。在图1中，被配合部件50通过固定工具32被固定在支撑台30上的规定位置。此外，如图所示，以配合部件60的配合方向为Z轴，在与Z轴垂直的平面内配置X轴以及Y轴。

图2是配合部件以及被配合部件的放大断面图。如图所示，在被配合部件50上形成的配合孔51的端部形成有倒角部52。在图2所示的实施方式中，倒角部52的角度α为45°。但并非将角度α限定为45°，角度α的值可以不同。

图3是表示本发明配合装置的控制规则的结构的功能框图。如图3所示，机器人控制单元11具有位置控制部14和力控制部15。位置控制部14根据通过规定的方法生成的位置指令，对机器人1执行位置控制。

此外，力控制部15根据由力传感器3检测到的力检测值、通过规定的方法生成的位置指令以及力指令，对机器人1执行力控制。具体地说，力控制部15包含X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力控制环，和X轴旋转、Y轴旋转以及Z轴旋转的力控制环。而且，力控制部15执行这些六个力控制环中的某一个。

如图3所示，机器人控制单元11包含切换开关35。切换开关35对位置控制部14的位置控制和力控制部15的力控制进行切换。通常，为了通过位置控制对机器人1进行控制，设定了切换开关35。并且，为了在进行将配合部件60与被配合部件50配合的配合作业时通过力控制对机器人1进行控制，而设定切换开关35。

以下，一边参照图4，一边说明本发明的配合装置10的配合作业，图4是表示配合装置的工作的流程图。首先，在位置控制下，通过机器人1的机械手4抓持配合部件60(步骤101)。然后，使被抓持的配合部件60移动到被配合部件50的配合孔51前方(步骤102)。

然后，通过切换开关35从位置控制变更为力控制，在步骤S103中，执行后述的配合作业。当配合作业结束时，从机械手4释放配合部件60(步骤105)，结束处理。

图5是表示配合作业的流程图。图5所示的处理，是在配合作业时，在每个规定的控制周期反复进行的处理。在机器人控制单元11中设置有表示为两点接触状态的两点接触标志，在步骤S311中，首先判定两点接触标志是否没有确立。

在两点接触标志没有确立时，进入步骤312。在步骤312中，通过判断单元12判定是为配合部件60和被配合部件50在一点接触的一点接触状态，还是它们在至少两点接触的两点接触状态。

以下对判断单元12的具体的判断方法进行说明。首先，通过力传感器3检测X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力Fx、Fy、Fz。然后，判定Z轴方向的力Fz是否大致等于规定的力Fdz。

在Z轴方向的力Fz大致等于Fdz时，计算X轴方向的力Fx和Y轴方向的力Fy的合力。判断这些力的合力

是否很小，具体地说，判断这些力的合力是否小于“0.05×|Fdz|”。

图6是放大表示被配合部件的倒角部的部分放大图。图6表示在配合部件60的姿势误差为0(即，角度θ＝0)时，配合部件60(在图6中未图示)在一点与被配合部件50的倒角部52接触，沿着倒角部52滑动的状态。

在此，设由于配合部件60与倒角部52接触产生的、对于倒角部52垂直的压力P的大小为

在配合部件60与倒角部52之间的动摩擦系数为0.52时，动摩擦力M的大小由

F表示。当把这些推压力P以及动摩擦力M分别分解为Z轴方向和X轴方向(也包含Y轴方向)时，如图6所示，得到Pz、Px以及Mz、Mx。

在倒角部52的角度α为45°时，在Z轴方向上作用的力的合力Fz为Fz(＝Pz+Mz)＝1.52F，在X轴、Y轴方向上作用的力的合力Fxy为Fxy(＝Px-Mx)＝0.48F。因此，Z轴方向的力Fz与X轴、Y轴方向的力Fxy的比为Fxy/Fz＝0.48/1.52≒0.32。此外，在姿势误差处于±0.2°的范围内时，也可以得到大致相同的力的比。

如此，在一点接触状态下，不仅仅是Z轴方向，在还X轴、Y轴方向(包含Y轴方向)上也作用某种程度的力。而且，当配合部件60与被配合部件50成为两点接触状态时，由于平移成分的力控制的作用，Z轴方向以及Y轴方向的力Fxy收敛于0，Fz收敛于规定值Fdz。

因此，在Fz大致等于规定值Fdz时，合力

Fxy (= \sqrt{F_{x}^{2} + F_{y}^{2}})

与Fz相比很小时，可以判断为处于两点接触状态，如果合力

Fxy (= \sqrt{F_{x}^{2} + F_{y}^{2}})

与Fz相比没有那么小时，可以判断为处于一点接触状态。在步骤312中，由于考虑安全系数，做成比上述的比(＝Fxy/Fz)0.32更小的值，采用“0.05”。

当再次参照图5时，在步骤312中判断为处于一点接触时进入步骤313。在步骤313中，设定X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力控制环，而不设定X轴旋转、Y轴旋转以及Z轴旋转的力控制环。然后，在步骤316中，根据生成的力指令值，在步骤317中，执行X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力控制环。

图7用于说明本发明的配合作业，是与图8相同的图。如图7所示，在配合部件60的一方的边缘部61开始与被配合部件50的倒角部52接触时，配合部件60与被配合部件50处于一点接触状态。在本发明中，在一点接触状态时不设定X轴旋转、Y轴旋转以及Z轴旋转的力控制环，所以即使在一点接触状态下配合部件60的姿势也不会发生变化。因此，在使配合部件60在配合方向上移动时，配合部件60不改变其姿势地沿着倒角部52滑动(点A1)。

再次参照图5，在步骤312中判断为处于两点接触状态时进入步骤314，设定两点接触标志，然后进入步骤315。在步骤315中，设定X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力控制环，和X轴旋转以及Y轴旋转的力控制环，而不设定Z轴旋转的力控制环。然后，根据在步骤316中生成的力指令值，在步骤317中执行X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的力控制环以及X轴旋转以及Y轴旋转的力控制环。

如图7所示，当配合部件60的一方的边缘部61进入到配合孔51内时，另一方的边缘部62与倒角部52的内侧终端部55接触成为两点接触状态(点B1)。此外，此时，配合部件60的角度θ缓缓地增大到角度θ3(θ0＜θ3＜θ1＜θ2)。即，配合部件60缓缓地改变其姿势，从而远离正常的姿势(角度θ＝0)。

然后，当配合部件60的两方的边缘部61、62进入到配合孔51(点B1’)时，配合部件60通过X轴旋转以及Y轴旋转改变其姿势，同时在配合方向上进行移动。但是，在配合部件60与配合孔51之间存在间隙时，从该场所延长地存在有不太受到与配合方向相反的力的区域LA。在该区域LA，向配合方向的行进与角度θ的变化相比容易，在角度θ几乎不发生变化的期间配合部件60在配合方向上行进区域LA。

而且，当通过该区域LA时，产生与配合方向相反的力，配合部件60使其姿势缓缓地回到正常的姿势，同时在配合方向上进一步移动(点C1)。当配合部件60在配合方向上进一步移动时，配合部件60的姿势进一步接近正常的姿势(D1)，最终配合部件60成为正常的姿势(角度θ≒0)。

如此，在本发明中，如图7所示，当配合部件60与被配合部件50处于一点接触状态时，控制配合部件60的姿势使其不发生变化。因此，在一点接触后，几乎没有配合部件60使其姿势变化从而远离正常姿势的情况(除了在点B1和点B1’之间)。因此，在本发明中，在配合作业的过程中，不会出现配合部件60和被配合部件50相互阻塞或者卡合的情况，可以良好地进行配合作业。

在参照附图说明过的实施方式中，采用了圆柱形的配合部件60，但配合部件60的形状并不限于此。而且，即使在使用机器人1的机械手4抓持被配合部件50，使用固定工具32支撑配合部件60时，也可以应用本发明的配合装置。

虽然使用典型的实施方式对本发明进行了说明，但本行业的从业人员一定可以理解：在不脱离本发明的范围的情况下可以进行上述的变更以及各种各样的其他的变更、省略、追加。

Claims

1.一种配合装置(10)，其使由安装在机器人手臂(2)前端的机械手(4)抓持的第一配合部件与对应的第二配合部件进行配合，其特征在于，

具备：

检测单元(3)，其检测所述第一以及第二配合部件接触上时产生的力或力矩；以及

判断单元(12)，其根据由所述检测单元(3)检测出的所述力或所述力矩，判断所述第一以及第二配合部件是在一点接触的一点接触状态，或所述第一以及第二配合部件是至少在两点接触的两点接触状态，

在使所述第一以及第二配合部件相互配合的期间，在由所述判断单元(12)判断为是所述一点接触状态时，在保持所述机器人手臂(2)的抓持姿势的状态下，将所述机械手(4)抓持的所述第一配合部件在配合方向上压入所述第二配合部件来进行配合作用，

在由所述判断单元(12)判断为是从所述一点接触状态转移到了所述两点接触状态时，在可改变所述机器人手臂(2)的抓持姿势的状态下，使其进一步进行所述配合作用。

2.根据权利要求1所述的配合装置，其特征在于，

所述检测单元(3)是被设置在所述机械手(4)和所述机器人手臂(2)之间的力传感器。

3.根据权利要求1所述的配合装置，其特征在于，

所述检测单元(3)是根据驱动所述机器人手臂(2)的电动机的电流值，来推定所述力和力矩中的至少一方的推定单元(13)。