CN101518902A - 助力装置及控制助力装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及助力装置及控制助力装置的方法。一种对助力装置(1)进行控制的方法，该助力装置包括工件保持装置(3)、手柄(3c)、对操作者作用在手柄(3c)上的操作力进行测量的力传感器(3d)、支撑工件保持装置(3)的机器人臂(2)和基于力传感器(3d)的测量结果对机器人臂(2)的动作进行控制的控制装置(5)。工件保持装置(3)包括对工件保持装置(3)的倾斜角度进行测量的角度传感器(6)。由控制装置(5)基于角度传感器(6)和力传感器(3d)的测量结果来控制机器人臂(2)的动作。

Description

助力装置及控制助力装置的方法

技术领域

本发明涉及助力(power assist)装置，尤其涉及助力装置以及对该助力装置进行控制的方法。

背景技术

在工业产品的生产地点等处，助力装置被用作对由操作者搬运重物体(工件)提供支持的装置。组装工件的操作包括对工件进行搬运和安置。操作者和助力装置可以协作地传送工件，助力装置可以负担传送工件所需的力。操作者可以通过把工件的安置教给助力装置而有效地对工件进行安置。换言之，使用助力装置的目的是减轻操作者的劳动并提高工作效率。

已知一种助力装置，其包括用于多个臂中的每个臂的驱动机构(例如电动机和致动器)，以及用于每个臂的、对于向该臂施加的操作力进行检测的传感器。例如，日本专利申请公开No.11-198077(JP-A-11-198077)公开了这样一种助力装置。在这种助力装置中，操作者沿所需的方向操作臂。操作力由安装在每个臂中的传感器来测量。与由传感器测得的操作力相等的操作力由驱动机构产生。由此，操作者能够通过用更小的力进行操作来传送工件。

但是，现有技术的这种助力装置具有一个问题，即，在工件以倾斜状态受到搬运的情况下，操作者难以进行操作。例如在操作者操作所需的力(操作力)较大，以及操作者所需的操作方向与工件实际被放置的方向不对应的情况下，操作者在操作助力装置方面遇到困难。

下面将参照图6至图9对现有技术的助力装置进行说明。图6是示出现有技术助力装置的总体结构的示意图。图7A是示出现有技术的工件保持装置的总体结构的示意图。图7B是示出现有技术的工件保持装置的总体结构的示意性侧视图。图8是示出现有技术的力传感器的安装状态的立体图。图9是示出现有技术的控制装置的连接状态的示意图。为了便于说明，假定助力装置设在图6所示的XYZ坐标系中，下面将以围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转分别被定义为侧倾(roll)旋转、俯仰(pitch)旋转和横摇(yaw)旋转的情况来进行说明。

如图6所示，现有技术的助力装置21包括机器人臂22、工件保持装置23、万向节(free joint)24和控制装置25。该现有技术中描述的机器人臂22由起重机27支撑，从而能够沿X轴方向平移。

如图7A和图7B所示，工件保持装置23包括大体上板状的主体23a；吸盘23b、23b...；手柄23c、23c；力传感器23d、23d；接触压力传感器23e、23e...，其中吸盘是用于风挡30的保持部件，风挡30作为被搬运的物体(工件)。工件保持装置23通过万向节24连接到机器人臂22，万向节24固定地安装在主体23a中。

吸盘23b、23b...能够将吸取动作开启和关断。接触压力传感器23e、23e...安装在吸盘23b、23b...中，与外部环境接触而对被吸到吸盘并保持在吸盘上的风挡30所承受的压力(反作用力)进行测量。

如图7A和图7B所示，力传感器23d、23d被安装在手柄23c、23c的基底部件中，手柄23c、23c是用于操作者的握持器件。如图8所示，αβγ坐标系在力传感器23d中被指定为基准来对力传感器23d的测量值进行表述。操作者沿α轴方向、β轴方向和γ轴方向的操作力分别由Fα、Fβ和Fγ来标记。力传感器23d沿α轴方向、β轴方向和γ轴方向的测量值分别由Sα、Sβ和Sγ来标记。在下文的说明中，为了方便起见，将对操作者的操作力不作用在β轴方向的情况进行说明。

万向节24是接合部件，构造成能够在不发生相互干涉的情况下沿各个侧倾、俯仰和横摇旋转方向旋转。万向节24还包括制动机构24a。制动机构24a根据来自控制装置25的指令，对沿各个侧倾、俯仰和横摇旋转方向的旋转彼此独立地进行调节。

如图9所示，控制装置25连接到机器人臂22的致动器22a和电动机22b，机器人臂22的位置根据来自控制装置25的指令而得到控制。控制装置25连接到工件保持装置23的力传感器23d、23d。当操作者保持了手柄23c、23c并沿所需方向对工件保持装置23进行操作时，控制装置25对操作方向、操作量、操作速度等进行计算。

换言之，当控制装置25从力传感器23d、23d接收到测量值(Sα、Sγ)时，控制装置25根据这些测量值(Sα、Sγ)对操作者的操作力(Fα、Fγ)进行评估，确定操作者所需的操作(操作方向、操作量、操作速度等)，并对致动器22a和电动机22b进行控制，从而控制机器人臂22的位置。对于力传感器23d、23d，已知具有6分量载荷力传感器的构造。

下面将参照图10A和图10B，对现有技术的助力装置的工件保持状态进行说明。图10A是示出现有技术的助力装置保持工件的状态的示意图。图10B是示出现有技术的助力装置以倾斜状态保持工件的状态。助力装置21在工件保持装置的彼此相反的两侧包括手柄23c、23c和力传感器23d、23d。但是为了方便起见，下文将集中在对一侧的手柄23c和力传感器23d进行说明。

如图10A所示，在现有技术的助力装置21中，在工件保持装置23水平地保持风挡30的状态下，如果手柄23c具有重量M，则重力Mg作用在手柄23c上。由力传感器23d测得的重力Mg的测量值(Sα、Sγ)如下：

Sα＝0，Sγ＝-Mg

在这种现有技术中，考虑到作用于手柄23c上的重力Mg，给沿γ轴方向的操作力Fγ设定一个用来自力传感器23d的测量值评估的偏移值(+Mg)。换言之，由控制装置25根据如下等式获得操作者的操作力(Fα、Fγ)：

Fα＝Sα，Fγ＝Sγ+Mg

因此，在工件保持装置23水平地保持风挡30的状态下，能够由控制装置25根据来自力传感器23d的测量值(Sα，Sγ)，来精确地评估操作者的操作力(Fα、Fγ)。

但是，如图10B所示，在作为工件的风挡30以角度θ倾斜的时候工件保持装置23保持风挡30的状态下，助力装置21中用于对操作力进行测量的力传感器23d、手柄23c等也与工件一同倾斜。此时，作用在手柄23c上的重力Mg也施加在力传感器23d上。由力传感器23d测得的重力Mg的测量值(Sα、Sγ)如下：

Sα＝-Mgsinθ，Sγ＝-Mgcosθ

换言之，测量值(Sα、Sγ)反映了重力Mg根据工件保持装置23的倾斜角度θ的影响。但是在现有技术中，工件保持装置23的倾斜角度θ在获得偏移值时没有被考虑。

因此，助力装置21仅仅考虑施加到手柄23c的重力Mg，来对基于沿γ轴方向的力传感器23d的测量值Sγ而评估的操作力Fγ设定偏移值(+Mg)，因而不能在风挡30以角度θ倾斜的时候由工件保持装置23保持风挡30的状态下对操作者的操作力(Fα、Fγ)进行精确评估。

此外，如果操作者的操作力(Fα、Fγ)不能被精确评估，就不能成功地获得由控制装置25所计算的、助力装置21所需的辅助量。这造成了迫使操作者操作所需的力(操作力)变大的情况以及操作者所需的操作方向不能对应于风挡30被实际放置的方向的情况，从而恶化了助力装置的操作性。

因此，在工件以倾斜状态被搬运的情况下，现有技术的助力装置难以沿所需方向搬运工件和进行精确的安置。此外，还存在着安置工件耗时、不能像预期情形一样提高搬运效率的问题。

发明内容

本发明提供了助力装置和对该助力装置进行控制的方法，即使在工件以倾斜状态受到搬运的情况下，也能确保安置精度并提高搬运效率。具体而言，本发明提供了一种助力装置和对该助力装置进行控制的方法，即使在工件以倾斜状态进行搬运的情况下，该助力装置也具有良好的操作性，操作者操作所需的力(操作力)较小，并且操作者所需的操作方向对应于工件被实际放置的方向。

本发明的第一个方面涉及一种助力装置，该助力装置包括：工件保持装置，其保持工件；手柄，其设置在工件保持装置中并用作由操作者操作的操作部件；力传感器，其设置在工件保持装置中并对作用在手柄上的操作者的操作力进行测量；机器人臂，其支撑工件保持装置；控制装置，其基于力传感器的测量结果来控制机器人臂的动作。在这种助力装置中，工件保持装置包括角度传感器，该角度传感器对工件保持装置的倾斜角度进行测量。控制装置基于角度传感器的测量结果来对力传感器的测量结果进行校正，并基于力传感器的经校正的测量结果来控制机器人臂的动作。

控制装置可以基于角度传感器的测量结果以及手柄的重量来计算偏移值，并将力传感器的测量结果与偏移值加在一起来计算力传感器的经校正的测量结果。

本发明的第二个方面涉及一种对助力装置进行控制的方法，该助力装置包括：工件保持装置，其保持工件；手柄，其设置在工件保持装置中并用作由操作者操作的操作部件；力传感器，其设置在工件保持装置中并对作用在手柄上的操作者的操作力进行测量；机器人臂，其支撑工件保持装置；控制装置，其基于力传感器的测量结果来控制机器人臂的动作。工件保持装置包括角度传感器，该角度传感器对工件保持装置的倾斜角度进行测量。控制装置基于角度传感器的测量结果来对力传感器的测量结果进行校正，并基于力传感器的经校正的测量结果来控制机器人臂的动作。

控制装置基于角度传感器的测量结果以及手柄的重量来计算偏移值，并将力传感器的测量结果与偏移值加在一起来计算力传感器的经校正的测量结果。

在工件由助力装置以倾斜状态传送的情况下，可以响应于倾斜角度来适当地调整操作者的操作力，并能够精确地评估操作者的操作力。这使得操作者的操作力能够减小，并且操作者所需的操作方向与实际搬运方向之间能够对应，从而提高了由助力装置搬运的效率。

力传感器的测量结果便于得到校正，因此能够精确地评估操作者的操作力。

附图说明

根据下面结合附图对示例性实施例进行的说明，可以更加明白本发明前述的以及其他的特征和优点，在附图中，相同的标号用来代表相同的元件，其中：

图1是示出根据本发明一种实施例的助力装置的总体结构的示意图；

图2A是示出根据本发明该实施例的工件保持装置的总体结构的示意图，图2B是示出根据本发明该实施例的工件保持装置的总体结构的示意性侧视图；

图3是示出根据本发明该实施例的力传感器的安装状态的立体图；

图4是示出根据本发明该实施例的控制装置的连接状态的示意图；

图5A是示出根据本发明该实施例的助力装置水平地保持工件的状态的示意图，图5B是示出根据本发明该实施例的助力装置以倾斜状态保持工件的状态的示意图；

图6是示出现有技术助力装置的总体结构的示意图；

图7A是示出现有技术助力装置的总体结构的示意性俯视图，图7B是示出现有技术助力装置的总体结构的示意性侧视图；

图8是示出现有技术的力传感器的安装状态的立体图；

图9是示出现有技术的控制装置的连接状态的示意图；

图10A是示出现有技术助力装置水平地保持工件的状态的示意图，图10B是示出现有技术助力装置以倾斜状态保持工件的状态的示意图。

具体实施方式

下面将参照图1至图4对根据本发明一种实施例的助力装置进行说明。为了便于说明，假定助力装置1被设置在图1所示的XYZ坐标系中，下面将以围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转分别被定义为侧倾旋转、俯仰旋转和横摇旋转的情况来进行说明。

如图1所示，根据本发明这种实施例的助力装置1与现有技术的助力装置21类似地包括机器人臂2、工件保持装置3、万向节4和控制装置5，以及角度传感器6。

这种实施例中描述的机器人臂2由起重机7支撑，从而能够沿X轴方向平移。利用了本发明的助力装置1所用的机器人臂不限于具有本实施例中所述的臂形状的机器人臂2，而可以使用任何结构的机器人臂。

如图1、图2A和图2B所示，工件保持装置3与现有技术的工件保持装置23类似地包括大体上板状的主体3a；吸盘3b、3b...；手柄3c、3c；力传感器3d、3d；接触压力传感器3e、3e...，其中吸盘是用于风挡10的保持部件，风挡10作为被搬运的物体(工件)。工件保持装置3通过万向节4连接到机器人臂2，万向节4固定地安装在主体3a中。

吸盘3b、3b...能够将吸取动作开启和关断。接触压力传感器3e、3e...安装在吸盘3b、3b...中，与外部环境接触而对被吸到吸盘并保持在吸盘上的风挡10所承受的压力(反作用力)进行测量。

如图2A和图2B所示，力传感器3d、3d被安装在手柄3c、3c的基底部件中，手柄3c、3c是用于操作者的握持器件。如图3所示，与现有技术的力传感器23d类似，αβγ坐标系在力传感器3d中被指定为基准来对力传感器3d的测量值进行表述。操作者沿α轴方向、β轴方向和γ轴方向的操作力分别由Fα、Fβ和Fγ来标记。力传感器3d沿α轴方向、β轴方向和γ轴方向的测量值分别由Sα、Sβ和Sγ来标记。换言之，力传感器3d能够以沿α、β和γ轴方向的分量的形式，来测量操作者的操作力。但是在下文的说明中，为了方便起见，将对操作者的操作力不作用在沿β轴方向的情况进行说明。

万向节4是接合部件，构造成能够在不发生相互干涉的情况下沿各个侧倾、俯仰和横摇旋转方向旋转。万向节4还包括制动机构4a。制动机构4a根据来自控制装置5的指令，对沿各个侧倾、俯仰和横摇旋转方向的旋转彼此独立地进行调节。

如图4所示，控制装置5连接到机器人臂2的致动器2a和电动机2b，机器人臂2的位置根据来自控制装置5的指令而得到控制。控制装置5连接到工件保持装置3的力传感器3d、3d。当操作者保持了手柄3c、3c并沿所需方向对工件保持装置3进行操作时，控制装置5对操作方向、操作量、操作速度等进行计算。

换言之，当控制装置5从力传感器3d、3d接收到测量值(Sα、Sγ)时，控制装置5根据这些测量值(Sα、Sγ)对操作者的操作力(Fα、Fγ)进行评估，确定操作者所需的操作(操作方向、操作量、操作速度等)，并对致动器2a和电动机2b进行控制，从而控制机器人臂2的位置。

角度传感器6用作角度测量装置，并固定地安装在工件保持装置3中，对工件保持装置3的倾斜角度θ进行测量。角度传感器6连接到控制装置5。控制装置5接收由角度传感器6测得的、与工件保持装置3的倾斜角度θ有关的测量结果。由此，控制装置5计算工件保持装置3在XYZ坐标系中沿侧倾、俯仰和横摇方向的倾斜角度。在本实施例中，工件保持装置3被改变成包括角度传感器6，角度传感器6测量工件保持装置3在XYZ坐标系中沿侧倾、俯仰和横摇方向的角度。但是，控制装置5例如也可以根据与机器人臂2和万向节4的位置有关的信息，来计算工件保持装置3的倾斜角度。本发明不受到对工件保持装置3的倾斜角度进行测量的方法的限制。

下面将参照图5A和图5B，对根据本发明这种实施例的助力装置的工件保持状态进行说明。助力装置1在工件保持装置3的彼此相反的两侧包括手柄3c、3c和力传感器3d、3d。但是为了方便起见，下文将集中在对一侧的手柄3c和力传感器3d进行说明。

如图5A所示，在根据本发明这种实施例的助力装置1中，与现有技术的助力装置21类似，在工件保持装置3水平地保持风挡10的状态下，如果手柄3c具有重量M，则重力Mg作用在手柄3c上。由力传感器3d测得的重力Mg的测量值(Sα、Sγ)如下：

Sα＝0，Sγ＝-Mg

在助力装置1中，考虑到作用于手柄3c上的重力Mg，给沿γ轴方向的操作力Fγ设定一个用来自力传感器3d的测量值评估的偏移值(+Mg)。换言之，在根据本发明这种实施例的助力装置1中，在工件保持装置3水平地保持风挡10的状态下，可以由控制装置5根据如下等式获得操作者的操作力(Fα、Fγ)：

Fα＝Sα，Fγ＝Sγ+Mg

如图5B所示，在风挡10沿俯仰方向以角度θ倾斜的时候工件保持装置3保持风挡10的状态下，助力装置1中用于对操作力进行测量的力传感器3d、手柄3c等也与工件一同倾斜。此时，作用在手柄3c上的重力Mg也施加在力传感器3d上。由力传感器3d测得的重力Mg的测量值(Sα、Sγ)如下：

Sα＝-Mgsinθ，Sγ＝-Mgcosθ

因此，考虑到重力Mg作用于手柄3c的沿α轴方向的分量(-Mgsinθ)和沿γ轴方向的分量(-Mgcosθ)，来对力传感器3d的测量值(Sα、Sγ)设定根据工件保持装置3的倾斜角度θ的偏移值。

下面将说明设定偏移值的方法。首先，在工件保持装置3水平地保持风挡10的状态下设定上述偏移值。换言之，对于沿γ方向的操作力Fγ设定偏移值(+Mg)。由控制装置5根据下列等式获得操作力(Fα、Fγ)。

Fα＝Sα，Fγ＝Sγ+Mg

接着，在已经对于沿γ方向的操作力Fγ设定了偏移值(+Mg)的状态下，使工件保持装置3以角度θ倾斜。力传感器3d的各个测量值(Sαθ、Sγθ)现在如下：

Sαθ＝-MgSinθ，Sγθ＝Mg-Mgcosθ

进一步地，设定此时的测量值(Sαθ、Sγθ)作为偏移值。换言之，由下列等式提供经校正的操作力(Hα、Hγ)，在所述经校正的操作力中，已经从测量值(Sα、Sγ)中除去了重力的分量。

Hα＝Sα-Sαθ＝Sα-(-Mgsinθ)＝Sα+Mgsinθ，

Hγ＝Sγ-Sγθ＝Sγ-(Mg-Mgcosθ)＝Sγ-Mg(1-cosθ)

根据上述等式，控制装置5由力传感器3d的测量值(Sα、Sγ)以及角度传感器6的测量值(角度θ)获得经校正的操作力(Hα、Hγ)。此外，控制装置5还基于所获得的经校正的操作力(Hα、Hγ)来确定操作者所需的操作(操作方向、操作量、操作速度等)，并控制致动器2a和电动机2b的操作以控制机器人臂2的位置。

即，控制装置5基于角度传感器6的测量结果(角度θ)和手柄3c的重量M来计算偏移值，并将测量结果(即测量值(Sα、Sγ))和偏移值加在一起来计算力传感器3d的经校正的测量结果(即经校正的测量值(Hα、Hγ))。这种构造便于对力传感器2d的测量值(Sα、Sγ)进行校正，从而能够精确评估操作者的操作力(Fα、Fγ)。

根据本发明这种实施例的助力装置1和对助力装置1进行控制的方法针对的是如下所述的助力装置1以及对助力装置1进行控制的方法：该助力装置1包括：工件保持装置3，其保持作为工件的风挡10；手柄3c，其设置在工件保持装置3中并用作由操作者操作的操作部件；力传感器2d，其设在工件保持装置3中并对作用在手柄3c上的操作者的操作力(Fα、Fγ)进行测量；机器人臂2，其支撑工件保持装置3；控制装置5，其基于力传感器3d的测量结果(Sα、Sγ)来控制机器人臂2的动作。工件保持装置3包括角度传感器6，角度传感器6对工件保持装置3的倾斜角度进行测量。控制装置5基于角度传感器6的测量结果(角度θ)来对力传感器3d的测量结果(即测量值(Sα、Sγ))进行校正，并基于力传感器3d的经校正的测量结果(即经校正的测量值(Hα、Hγ))来控制机器人臂2的动作。

这种构造使能在由助力装置1以倾斜状态搬运风挡(即工件)的情况下，也能够根据倾斜角度θ来对操作者的操作力(Fα、Fγ)进行适当的校正(从而能够获得经校正的操作力(Hα、Hγ))。因此，操作者的操作力能够由控制装置5精确地评估，从而使得能够减小操作者的操作力(Fα、Fγ)并使操作者所需的操作方向与实际搬运方向对应。因此，可以提高由助力装置1进行搬运的效率。在这种实施例中，为方便起见对于操作者的操作力不作用于β轴方向的情况进行了说明。但是，在操作者的操作力作用在全部的α、β、γ轴方向的情况下，也可以类似地对机器人臂2的动作进行控制。

尽管已经参照认为是优选实施例的内容对本发明进行了说明，但是应当明白，本发明不限于所公开的实施例或构造。相反，本发明应当认为覆盖了各种变更形式和等效布置。另外，尽管所公开的发明的各个元件是以示例性的不同组合和构造的形式示出的，但是其他组合和构造(包括更多、更少或单一的元件)也在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种助力装置，包括：工件保持装置，其保持工件；手柄，其设置在所述工件保持装置中并用作由操作者操作的操作部件；力传感器，其设置在所述工件保持装置中并对所述操作者作用在所述手柄上的操作力进行测量；机器人臂，其支撑所述工件保持装置；控制装置，其基于所述力传感器的测量结果来控制所述机器人臂的动作，所述助力装置的特征在于包括：

角度测量装置，其设置在所述工件保持装置中，并对所述工件保持装置的倾斜角度进行测量，

其中，所述控制装置基于所述角度测量装置的测量结果来对所述力传感器的所述测量结果进行校正，并基于所述力传感器的经校正的测量结果来控制所述机器人臂的动作。

2.根据权利要求1所述的助力装置，其中，所述控制装置基于所述角度测量装置的所述测量结果以及所述手柄的重量来计算偏移值，并将所述力传感器的所述测量结果与所述偏移值相加来计算所述力传感器的所述经校正的测量结果。

3.根据权利要求1或2所述的助力装置，还包括：

驱动单元，其向所述机器人臂施加驱动力，

其中，所述控制装置通过对所述驱动单元进行控制，来控制所述机器人臂的动作。

4.根据权利要求1或2所述的助力装置，还包括：

连接部件，其将所述工件保持装置与所述机器人臂连接在一起，并相对于侧倾、俯仰和横摇旋转方向中的每一方向自由旋转。

5.根据权利要求1或2所述的助力装置，其中，所述角度测量装置是对所述工件保持装置在XYZ坐标系中、在侧倾、俯仰或横摇方向上的角度进行测量的角度传感器。

6.根据权利要求1或2所述的助力装置，其中，所述角度测量装置利用与所述机器人臂和所述连接部件的位置有关的信息来测量所述工件保持装置的所述倾斜角度。

7.根据权利要求2所述的助力装置，其中，考虑作用在所述手柄上的重力的、在XYZ坐标系中的各个轴方向上的分量来设定所述偏移值。

8.一种对助力装置进行控制的方法，其特征在于包括：

测量操作者作用在手柄上的操作力，所述手柄设置在保持工件的工件保持装置中；

测量所述工件保持装置的倾斜角度；

基于测得的倾斜角度来对测得的操作力进行校正；并且

基于经校正的操作力来对机器人臂的动作进行控制。

9.根据权利要求8所述的对助力装置进行控制的方法，还包括：

基于所述测得的倾斜角度和所述手柄的重量来计算偏移值；并且

通过将所述测得的操作力与所述偏移值相加来计算所述经校正的操作力。

Images