CN101502961A

CN101502961A - 具有部件保护功能的机器人控制装置以及机器人控制方法

Info

Publication number: CN101502961A
Application number: CNA2009100016051A
Authority: CN
Inventors: 加藤哲朗; 稻垣尚吾
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2009-08-12
Also published as: EP2090407A1; US20090200978A1; JP2009184095A; JP4335286B2

Abstract

本发明提供一种具有确实保护机器人的各构成部件的功能的机器人控制装置以及机器人控制方法。读取附属于伺服电动机的回转式编码器的输出，计算与前速度环路的值的差分取得电动机速度。接着，机器人臂的各链节的伺服控制器的处理器进行通常的速度环路处理，求电动机的转矩指令。接着，从求得的转矩指令以及电动机速度求作用在减速器上的负荷转矩。接着，将负荷转矩与对于各轴预先决定的作为允许值的阈值进行比较，在即使一个轴上负荷转矩变得比阈值大的场合也判断为发生了异常，使发生警报或者警告，让机器人进行保护对象部件的动作。

Description

具有部件保护功能的机器人控制装置以及机器人控制方法

技术领域

本发明广义地说是涉及多关节机器人(以下简单称为机器人)，特别地说，是涉及具有保护机器人的各构成部件的功能的机器人控制装置以及机器人控制方法。

背景技术

作为保护机器人不过载的功能，公知有冲突检测功能。例如在特开平11—15511号公报中，记载了推定作用于驱动机器人的各轴的电动机的干扰、而在推定值超过预定的阈值的场合判断冲突发生的技术。

另外，在特开2005—186183号公报中，公开了产业用机器人的异常判断方法。在该方法中，根据用于驱动伺服电动机的转矩指令值、实际位置的微分值以及已知的干扰转矩计算总观测器反馈量，进而用基于总观测器反馈量以及推定速度而计算出的异常检测阈值，来判断异常状态。

现有技术的冲突或者干扰的检测功能，推定作用于电动机或者机器人臂尖端的转矩。但是，使用这样的功能来检测冲突等即使进行了电动机的停止处理等，有时也不能充分保护减速器、电缆等机器人的各个构成部件。亦即，即使作用于电动机或者臂尖端的转矩在阈值以下，有时也对于减速器等构成部件局部地施加了大的负荷，在这样的场合，用现有技术的方法不能进行有效的异常检测，也有使相应构成部件破损的危险。

另外，即使在不冲突时(即机器人正常动作的状态)，用现有技术也不能保证把作用在各构成部件上的转矩纳入认为是安全的范围内。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有确实保护机器人的各构成部件的功能的机器人控制装置以及机器人控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个形态，提供一种机器人控制装置，用于进行具有通过电动机驱动的机器人臂的机器人的动作控制，具有：推定部，其根据所述电动机的速度及转矩指令，推定在所述机器人臂和驱动该机器人臂的电动机之间设置的、作为保护对象所选定的保护对象部件上作用的负荷转矩；检测部，其将所述推定的负荷转矩的值与预先设定的阈值进行比较来检测异常；和处理部，其在检测到异常时进行保护所述保护对象部件的处理。

所述推定部，可以使用所述保护对象部件的惯量、所述电动机的惯量、以及所述保护对象部件的动摩擦系数，来推定作用在所述保护对象部件上的负荷转矩。

所述推定部的适合的具体例，是干扰推定观测器。

机器人控制装置还可以具有调整部，该调整部，取得或者推定外界气温或者所述机器人的规定部位的温度，根据所述外界气温或者所述规定部位的温度调整所述阈值。

所述处理部，在检测到异常时，既可以立即使所述机器人停止，也可以使所述机器人减速。或者，所述处理部在检测到异常时，也可以使所述机器人在所述机器人的各轴的负荷转矩减小的方向上进行一定时间退避动作。

作为适合的具体例，所述保护对象部件，包含在所述机器人中使用的减速器、齿轮以及电缆中的至少一种。

根据本发明的另一形态，提供一种机器人控制方法，用于进行具有通过电动机驱动的机器人臂的机器人的动作控制，具有以下步骤：根据所述电动机的速度及转矩指令推定在所述机器人臂和驱动该机器人臂的电动机之间设置的、作为保护对象选定的保护对象部件上作用的负荷转矩的步骤；将所述推定的负荷转矩的值与预先设定的阈值进行比较来检测异常的步骤；和在检测到异常时进行保护所述保护对象部件的处理的步骤。

附图说明

通过参照附图说明下面优选的实施形态，能够进一步明了本发明的上述或者其他的目的、特征以及优点。

图1是本发明的一个实施形态的机器人控制装置的重要部件框图，

图2是表示通过本发明的机器人控制装置可保护的减速器周围的概略结构的图，

图3是表示推定在对象部件上作用的负荷转矩来保护对象部件的方法的流程图，

图4是说明在保护对象部件是减速器的场合推定在减速器上作用的负荷转矩的推定部的框图，

图5是说明作为图4的推定器的代替例使用干扰推定观测器的场合的框图，

图6是表示通过本发明的机器人控制装置可保护的齿轮周围的概略结构的图，

图7是表示通过本发明的机器人控制装置可保护的电缆周围的概略结构的图。

具体实施方式

图1是本发明的一个实施形态的机器人控制装置的重要部分框图。机器人控制装置10，具有主CPU1、由RAM、ROM以及非易失存储器(EEPROM等)组成的存储器2、示教操作盘用接口3、伺服控制部5、和外部装置用接口6，通过总线7将它们互相连接。另外，机器人控制装置10有连接示教操作盘用接口3的示教操作盘4。

在存储器2的ROM中存储有支持机器人控制装置10以及机器人控制装置10控制的机器人(未图示)的基本功能的系统程序。另外，根据应用所示教的机器人的动作程序以及与之关联的设定数据等存储在存储器2的非易失存储器中。然后，存储器2的RAM，作为由主CPU1进行的各种运算处理中的数据的临时存储的存储区域使用。

伺服控制部5具有多个伺服控制器5a1～5an(n：通常为在机器人的总轴数上加上在机器人手腕上安装的工具的可动轴数的数目)、和未图示的处理器、ROM、RAM等，进行驱动机器人的各轴的伺服电动机M1～Mn的位置·速度的闭环控制、以及电流闭环控制。在本实施形态中，伺服控制部5用软件构成进行位置、速度、电流的闭环控制的所谓的数字伺服控制器。伺服控制器5a1～5an的输出通过各伺服放大器5b1～5bn驱动控制各轴伺服电动机M1～Mn。另外，虽然未图示，不过在各伺服电动机M1～Mn中安装了位置·速度检测器，把用该位置·速度检测器检测到的各伺服电动机的位置·速度向各伺服放大器5b1～5bn反馈。另外，在输入输出接口6上，连接在机器人内设置的传感器或者周围设备的致动器等。

本发明在上述那样的机器人控制装置中，提供保护位于机器人臂(或者链节)和驱动该臂的电动机之间的各构成部件或者部件的功能。

图2是示意性地表示作为通过本发明可保护的构成部件之一的减速器的图。减速器12被配置在伺服电动机14和机器人臂16之间，向机器人臂16传递伺服电动机14的驱动力。也可以认为减速器12和电动机14成为一体而形成一个刚性体。这里，把它的最外侧(和电动机14的相反侧)作为保护对象部分。

图3表示推定作用于要保护的对象部件上的负荷转矩、保护对象部件的处理的流程图。另外，图4表示把保护对象部件作为上述的减速器12的处理系统的流程图的一例。下面，说明这种情况的处理步骤。

首先，读取附属于伺服电动机14的回转式编码器(未图示)的输出θ，计算与前速度环路的值的差分，取得电动机速度(θ点)(步骤S1)。接着，机器人臂16的各链节的伺服控制器的处理器执行通常的速度环路处理，求电动机14的转矩指令Tc(步骤S2)。亦即，根据从主CPU1指令的移动指令和电动机速度V，通过执行上述的比例积分控制等的速度闭环控制处理，求转矩指令Tc。

接着在步骤S3，从已求得的Tc以及V求作用在减速器12上的负荷转矩Tr。具体说，使用在图4中作为方框图表示的推定器20，从Tc以及V求负荷转矩Tr的推定值。在推定器20中，通过差分器24计算项22中对电动机速度V进行拉普拉斯变换后的值和转矩指令Tc的差分，作为减速器12的负荷转矩Tr。这里J是将电动机14的惯量(正确说是电动机的转子惯量)和减速器12的惯量相加的惯量，A是对象部件(这里是减速器12)的动摩擦系数，s是拉普拉斯运算符。根据上述，下式(1)成立。

Tr＝Tc-(Js+A)V (1)

通过上式(1)，就可以计算被推定为作用在减速器12上的负荷转矩Tr。另外，作为推定负荷转矩的其他的方法，可以举出基于后述的干扰推定观测器、其他的仿真模型、有限元法的方法等。

接着在步骤S4，将对于每一速度环路求得的Tr与作为对于各轴预定的允许值的阈值L进行比较。这里，即使是一个轴在成为Tr>L的场合也判断为发生了异常，使发生警报或者警告(步骤S5)。另外，作为L的决定方法，除利用从最初对于每一机器人或者每一对象部件调整的固定值的方法之外，也可能使用通过在外部输入输出接口上连接的个人计算机(未图示)等的输入设备进行适时设定或者更新的方法。另外，在进行再设定时，例如可以测定或者推定外界气温或者电动机温度等的机器人的规定部位的温度，使用该结果使阈值变化。一般，因为由于温度越低润滑脂的粘度上升等有干扰变大的倾向，所以在温度低时要进行升高阈值来防止误检测的处理。另外，也可以自动测量外界气温能够影响L值的参数，通过个人计算机等自动把L值更新为最适合的值。

如果发生了警报或者警告，则使机器人进行保护对象部件的动作(步骤S6)。例如，如果使各轴的速度指令为零，则能够使机器人立即停止。另外，通过将速度指令乘以预先决定的零以上而不到1的值，就能够使机器人减速使之缓慢地停止。或者，也可以优选首先以各轴能够输出的最大转矩，在各轴的负荷转矩减小的方向上进行一定时间动作的退避动作，在其后使其停止。或者也可以不自动执行保护动作，仅进行警告等的显示。在该场合，操作者手动执行适宜的必要的保护动作。

图5是表示通过干扰推定观测器推定在减速器12上作用的转矩Tr的场合的推定器26的框线图。关于观测器的理论是一般的，因为是众所周知的理论，所以省略详细的说明。图5的观测器，是推定电动机速度以及加速度干扰的观测器的一例。项28、30的K₁、K₂分别是干扰推定观测器的观测器增益。项32的K_t是转矩常数。项34是对将项28、30以及32的输出的值全部相加后的值进行积分的积分项。另外项36是在项34的输出上乘以A/J的项，项38是在来自项30的输出上乘以J求推定转矩Tr的项。另外，和上述同样，J是将电动机14的惯量和减速器12的惯量相加后的惯量，A是减速器12的动摩擦系数，s是拉普拉斯运算符。该场合的机器人模型的状态变量，如下式(2)所示。

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{X}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \frac{A}{J} & 1 \\ 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{1} \\ X_{2} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{K_{t}}{J} \\ 0 \end{matrix}] u

(2)

y = [\begin{matrix} 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{1} \\ X_{2} \end{matrix}]

其中，在式(2)中，把输入作为转矩指令(u＝Tc)，把输出作为电动机速度(y＝V)，把状态变量作为电动机速度·加速度(x₁＝V、x₂＝Tr/J)，把状态变量x₁、x₂的微分值分别作为x₁点、x₂点。另外，假定加速度干扰不随时间变化(x₂点＝0)。

当把x₁、x₂的推定值分别作为z₁、z₂、进而把z₁、z₂的微分值分别作为z₁点、z₂点时，式(2)的模型的观测器，如式(3)所示。

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \frac{A}{J} & 1 \\ 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} Z_{1} \\ Z_{2} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{K_{t}}{J} \\ 0 \end{matrix}] u + [\begin{matrix} K_{1} \\ K_{2} \end{matrix}] (X_{1} - Z_{1}) - - - (3)

从式(3)可以计算由观测器推定的加速度干扰z₂，施加在减速器上的推定负荷转矩Tr通过下式(4)来求。

Tr＝J·z₂ (4)

图6是示意性地表示要保护的对象部件是齿轮的场合的图。在图6中，表示与伺服电动机40卡合的齿轮42a、与机器人44卡合的齿轮42c、和齿轮42a和齿轮42c之间的齿轮42b。3个齿轮合作向机器人臂传递伺服电动机40的驱动力。在该例中，把电动机40和卡合的齿轮42a的外侧(与齿轮42b啮合的部分)作为保护对象部分。

在图6的例子中，在齿轮42a上作用的推定负荷转矩，可以和上述的减速器的场合大体相同来求。亦即，如果在式(1)中把J作为将电动机40的惯量和齿轮42a的惯量相加所得的惯量、把A作为齿轮42a的动摩擦系数时，作为涉及齿轮42a自身的干扰转矩与从齿轮42b向齿轮42a传递的转矩的合计，可以推定作用于齿轮42a的负荷转矩Tr。

图7是示意性地表示要保护的对象部件是电缆的场合的图。图7中表示的结构，具有通过前链节50驱动的第一臂52、通过后链节驱动的第二臂56、和在第一臂以及第二臂上延伸的电缆58。电缆58不固定地贯通各链节，分别通过第一夹具52以及第二夹具56固定在第一臂52以及第二臂56上。

在该场合，在第二夹具62中可以通过以下的式(5)求作用于电缆58的负荷转矩Tr。但是为简单起见，假定后链节54以外的链节也包含前链节50，全部处于停止状态。

Tr＝Tc-K·V/s-(Js+A)V (5)

式(5)中Tc是驱动后链节54的伺服电动机(未图示)的负荷转矩，V是该伺服电动机的速度。另外把J作为将伺服电动机、后链节54、第二臂56以及电缆58的各个的惯量相加所得的惯量，A是后链节54和第二臂56之间的动摩擦系数，s是拉普拉斯运算符。式(5)中进而成为考虑了作为电缆58的扭转方向的弹簧常数的K的结构。

这样，即使在要保护的对象部件是各种不同的场合，在上述步骤S3中，根据对象部件变更J以及A，进而根据需要增加弹簧常数或者阻尼常数等因子，这样，就能够计算推定负荷转矩。

上述的特开平11—15511号公报以及特开2005—186183号公报，哪一个都未公开作为本发明的特征的、推定臂尖端以外的力来保护机器人的各构成部件的技术。本发明是根据电动机的速度以及转矩来推定作用于保护对象部件上的转矩的，由此，可以实现对该对象部件的可靠保护。

另外，在上述的实施形态中都是对作用于保护对象部件的转矩进行了推定，但是一般来说，转矩和力能够容易地换算，所以即使把上述的负荷转矩Tr置换为作用于保护对象部件的推定力，也可适用于本发明，这点是容易理解的。

根据本发明的机器人控制装置或者机器人控制方法，能够根据电动机的速度以及转矩指令、推定作用在作为保护对象所关注的的保护对象部件上的负荷转矩。因此能够保证把作用在机器人的各部件上的力纳入预先决定的范围内，同时能保证确实保护部件。

另外作用于保护对象部件上的负荷转矩，能够通过使用了包含保护对象部件的惯量的惯量以及保护对象部件的动摩擦系数的比较简单的推定器来求取。但是作用于保护对象部件上的负荷转矩，为得到无时间滞后的值，也可以使用干扰推定观测器来求。

通过使用外界气温或者机器人的规定部位的温度调整阈值，能够更正确地进行异常检测。

在检测到异常的场合，通过使机器人立即停止、减速、或者使之进行退避动作，来实现对对象保护部件的可靠保护。

以上，参照为说明选定的特定的实施形态说明了本发明，但是，对于专业人员来说，显然，在不脱离本发明的基本的概念以及范围的情况下可以进行多种变更。

Claims

1.一种机器人控制装置(10)，其进行具有通过电动机(14)驱动的机器人臂(16)的机器人的动作控制，其特征在于，

具有：

推定部(20)，其根据所述电动机(14)的速度及转矩指令推定在被设置在所述机器人臂(16)和驱动该机器人臂(16)的电动机(14)之间、且被选定为保护对象的保护对象部件(12)上作用的负荷转矩；

检测部(1)，其将所述推定的负荷转矩的值与预先设定的阈值进行比较来检测异常；和

处理部(1)，其在检测到异常时进行保护所述保护对象部件(12)的处理。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述推定部(20)，使用所述保护对象部件(12)的惯量、所述电动机(14)的惯量、以及所述保护对象部件(12)的动摩擦系数，推定在所述保护对象部件(12)上作用的负荷转矩。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述推定部是干扰推定观测器(26)。

4.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

还具有调整部(1)，该调整部取得或者推定外界气温或者所述机器人的规定部位的温度，根据所述外界气温或者所述规定部位的温度调整所述阈值。

5.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述处理部(1)，在检测到异常时立即使所述机器人停止。

6.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述处理部(1)，在检测到异常时使所述机器人减速。

7.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述处理部(1)，在检测到异常时，使所述机器人在所述机器人的各轴的负荷转矩减小的方向上进行一定时间退避动作。

8.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述保护对象部件(12)，包含在所述机器人中使用的减速器(12)、齿轮(42a～42c)以及电缆(58)中的至少一种。

9.一种机器人控制方法，其用于进行具有通过电动机(14)驱动的机器人臂(16)的机器人的动作控制，其特征在于，

具有以下步骤：

根据所述电动机(14)的速度及转矩指令推定在被设置在所述机器人臂(16)和驱动该机器人臂(16)的电动机(14)之间、且被选定为保护对象的保护对象部件(12)上作用的负荷转矩的步骤；

将所述推定的负荷转矩的值与预先设定的阈值进行比较来检测异常的步骤；和

在检测到异常时进行保护所述保护对象部件(12)的处理的步骤。