CN104070538A

CN104070538A - 具备气弹簧的多关节机器人、及推断气弹簧的内压的方法

Info

Publication number: CN104070538A
Application number: CN201410124232.8A
Authority: CN
Inventors: 林优佑
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN104070538B; DE102014104175B4; JP2014193516A; US20140297032A1; US9102064B2; JP5612150B2; DE102014104175A1

Abstract

本发明涉及具备气弹簧的多关节机器人、及推断气弹簧的内压的方法，能够以低成本以及简单的结构来得知气弹簧的内压降低。气弹簧的气缸内的气压随着与气弹簧关联起来的下部机械臂的动作而降低。本发明着眼于该气压减少量与累积活塞杆相对于气缸的进退动作量而得到的总动作距离有高关联性，通过计算出该总动作距离来推断气弹簧内压的减少量。

Description

具备气弹簧的多关节机器人、及推断气弹簧的内压的方法

技术领域

本发明涉及具备了气弹簧的多关节机器人、特别是涉及推断该气弹簧的内压减少量的技术。

背景技术

气弹簧（gas spring）具有封入了惰性的压缩性气体（以后，简单地称为气体）的活塞（piston）结构，通过与活塞杆相对于气缸的动作相伴的气体压缩来产生反弹力。一般地，这样的气弹簧相比于得到同等程度输出的盘簧（coilspring）是小型和轻量的，因此有助于设备整体的轻量化和紧凑化。

在多关节机器人中存在如下情况：在重力导致的负载发挥作用的轴上，相插入对于重力导致的负载产生反方向的力的装置（以后，称为平衡器（balancer）），来作为辅助驱动该轴的伺服马达的动力（转矩）的装置。在将气弹簧应用于该平衡器时（将这样的平衡器称为气压平衡器），如上所述气弹簧尽管比较小型和轻量但是输出大，因此气弹簧能够以紧凑的结构产生较大的辅助转矩，从而能够实现轻量和紧凑且具有较大的可搬运重量的机器人。例如在日本特开平10-138189号公报中记载了一种平衡器，其用于减轻在基座1上驱动回转臂3的垂直旋转轴2的荷重力矩。该平衡器构成为具有气缸4、杆5以及活塞6，在气缸4经连通部11设置有气体压缩腔10，在气缸4以及腔10内封入空气等气体（压缩性流体）和油等粘性液体。

另一方面，已知有：在气弹簧中，伴随活塞杆相对于气缸的动作，封入在气缸内部的气体向外侧泄漏，气缸内压降低。由此平衡器的产生力降低，其结果为存在发出通知伺服马达的转矩不足的警报等、机器人紧急停止这样的问题。作为将伴随这样的气弹簧的内压降低的不良状况防范于未然的手段，已知有若干现有技术。例如在日本特开2007-298513号公报中记载了能够以可视方式显示气弹簧回路的内压降低的回路压力显示装置。另外，在日本特开2009-270987号公报中记载了用于指示收纳在气弹簧的压缩气体填充室的压缩气体的压力的气弹簧用压力指示器。

另外，在日本特表2012-519083号公报中记载了包含气体弹簧4以及压缩机系统5的配重装置。压缩机系统5构成为具有：压缩机6、对气体弹簧4内的压力进行调整的自动控制系统7，自动控制系统7根据来自对气体弹簧4内的压力进行检测的压力传感器8的信号来控制压力控制阀9，所述压力控制阀9用于制约来自气体弹簧4或通向气体弹簧4的气体的流量。

如日本特开2007-298513号公报以及日本特开2009-270987号公报所记载那样，当将压力显示器安装到气弹簧的外部时，至少与该压力显示器相应部分的设备费用上升。另外，还需要在压力显示器和气弹簧之间设置连接器等连接单元，但是这样的连接单元的存在提高了气体泄漏的可能性。另外，还存在由于压力显示器自身的破损而产生气体泄漏的可能。

另外，如日本特表2012-519083号公报那样，当将压力传感器和压力调整阀等设置到气弹簧（气体弹簧）时，与日本特开2007-298513号公报以及日本特开2009-270987号公报一样除了这些装置的数量、设备费用上升之外，气体泄漏的可能性也升高。并且，还存在需要设置与压力调整阀9连接的气罐（gastank）11这样的设备，使得周边设备大型化这样的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有能够以低成本以及简单的结构来得知气弹簧的内压降低的功能的多关节机器人、以及推断气弹簧的内压降低量的方法。

为了达成上述目的，本发明的一个方式提供一种多关节机器人，具有：机器人机构部，其至少具有一个机械臂；气弹簧，其设置于所述机械臂；以及控制装置，其用于控制所述机器人机构部，其中，所述气弹簧构成为具有：气缸、封入在所述气缸内部的惰性的压缩性气体、以及构成为能够在所述气缸内滑动的活塞杆，所述气弹簧作为减轻伺服马达的负载的气压平衡器而发挥作用，其中，该伺服马达用于驱动所述机械臂，所述控制装置具有如下功能：累积所述活塞杆相对于所述气缸的进退动作量从而计算出所述活塞杆的总动作距离，并根据所述总动作距离计算出所述气弹簧的所述压缩性气体的内压的减少量。

在优选的实施方式中，所述控制装置对根据每个微小时间的所述机械臂的旋转角度以几何学的方式计算出的、所述活塞杆从所述气缸的突出长度的差分进行累积，来求出所述活塞杆的总动作距离。

在优选的实施方式中，所述控制装置除了将所述活塞杆的总动作距离作为参数之外，还将所述气缸的内压的绝对值、所述活塞杆相对于所述气缸的进退速度、以及所述气弹簧的温度中的至少一个作为参数，来计算出所述压缩性气体的内压的减少量。

在优选的实施方式中，该多关节机器人具有：以可视方式或可听方式输出计算出的所述活塞杆的总动作距离以及所述压缩性气体的内压的减少量中至少一个的单元。

在本发明的另一方式中提供一种推断多关节机器人中的气弹簧的内压的减少量的方法，所述多关节机器人构成为具有：机器人机构部，其至少具有一个机械臂；气弹簧，其设置于所述机械臂；以及控制装置，其用于控制所述机器人机构部，所述气弹簧具有：气缸、封入在所述气缸内部的惰性的压缩性气体、以及构成为能够在所述气缸内滑动的活塞杆，所述气弹簧作为减轻伺服马达的负载的气压平衡器而发挥作用，其中，该伺服马达用于驱动所述机械臂，其中，该方法具有如下步骤：累积所述活塞杆相对于所述气缸的进退动作量从而求出所述活塞杆的总动作距离；以及根据所述总动作距离计算出所述气弹簧的所述压缩性气体的内压的减少量。

附图说明

通过参照附图同时对以下的优选实施方式进行说明，本发明的所述和其他目的、特征以及优点得以进一步明确。

图1是表示本发明的优选实施方式涉及的多关节机器人的概略结构的图，

图2是表示图1的多关节机器人的控制装置进行的动作控制的一例的流程图，

图3是表示用于求出活塞杆相对于气缸的总动作距离的第一结构例的图，

图4是表示用于求出活塞杆相对于气缸的总动作距离的第二结构例的图，

图5是表示使用图4的结构来求出活塞杆的总动作距离以及气弹簧的内压减少量的过程的流程图。

具体实施方式

图1是表示本发明的优选实施方式涉及的多关节机器人的概略结构的图。多关节机器人2具有：机器人机构部4，其至少具有一个机械臂；控制装置6，其控制机器人机构部4；以及气弹簧，其设置于该至少一个机械臂。在图示的例子中，机器人机构部4具有：基座8、能够回旋地设置于基座8的回旋部10、能够旋转地设置于回旋部10的下部机械臂12、以及能够旋转的设置于下部机械臂12的上部机械臂14。多关节机器人2还具有与下部机械臂12关联地设置的气弹簧16。气弹簧16具有能够旋转地安装在下部机械臂12的气缸18、以及能够旋转地安装在回旋部10且构成为在气缸18内能够滑动地被支撑的活塞杆20，在气缸18内部封入惰性的压缩性气体。气弹簧16被用作用于减轻伺服马达22的负载的平衡器，所述伺服马达22用于驱动重力导致的负载发挥作用的下部机械臂12。

控制装置6经供电电缆24与机器人机构部4连接，控制机器人机构部4各轴的动作。另外控制装置6也可以具有带有监视器的操作面板26，操作面板26能够对后述的活塞杆20的总动作距离和推断出的气缸18的内压等进行显示。

气弹簧16的气缸18内的气压（内压）随着与气弹簧16关联起来的机械臂（这里是下部机械臂12）的动作而降低，而作为该内压降低的原因，列举有如下原因：进入到密封材料（未图示）与活塞杆20之间的细微缝隙的气体随着活塞杆的动作向外部泄漏、由于活塞杆20的动作而产生的密封部件的损耗，其中，所述密封部件用于密封气弹簧内部的压缩性气体。因此，本发明的特征在于：着眼于基于上述原因导致的气压的降低量与累积活塞杆20相对于气缸18的进退动作量而得到的总动作距离有高关联性，并通过计算出该总动作距离推断出（算出）气弹簧内压的减少量。

图2是表示上述的控制装置6按微小时间（控制周期）进行的、多关节机器人2的动作控制的一个示例的流程图。控制装置6根据预定的机器人程序等制作出用于按预先设定的控制周期来控制多关节机器人2的各轴动作的指令，并进行将其发送给机器人2等处理。在图2的示例中，控制装置6按微小时间来进行处理A～D，而其中的处理C相当于上述的气弹簧内压的减少量的计算处理。像这样，内压减少量的计算处理作为控制装置6进行的处理之一能够容易地编入。

图3是表示作为用于计算出气弹簧16的内压减少量的基础的、用于求出活塞杆20相对于气缸18的总动作距离的第一结构例的图。将与活塞杆20实质上一体工作的激光移位计等距离传感器28安装到气弹簧16的活塞杆20。距离传感器28构成为能够检测出与气缸18实质上一体的固定部或固定面30与传感器28之间的距离。由于通过距离传感器28检测出的距离的变动量相当于活塞杆20相对于气缸18的进退动作距离，因此通过累积由传感器28检测出的距离的变动量就能够求出活塞杆20相对于气缸18的总动作距离。

通常，机器人动作中的下部机械臂12大多进行不规则的摇动运动，因此设置于下部机械臂12的气弹簧16的活塞杆20的进退动作也变得复杂。在这样的情况下，使用距离传感器来求出活塞杆20的突出长度的变动量，需要将距离传感器安装到气缸18或活塞20，但是也存在其安装困难的情况。因此，以下对不使用传感器求出活塞杆的突出长度的示例进行说明。

图4是表示在图1所示的多关节机器人2中特别是能够适当地应用的、用于求出活塞杆20相对于气缸18的总动作距离的第二结构例的图。这里，考虑如图1所示下部机械臂12从沿大致铅直方向延伸的第一位置（图4中两点划线所示）向第二位置（图4中实线所示）旋转移动时的、活塞杆20相对于气缸18的动作距离，其中，所述第二位置是相对于回旋部10沿逆时针方向旋转了角度θ的位置。

如图4所示，将从下部机械臂12与气弹簧16（气缸18）的连接点32到下部机械臂12的旋转中心34为止的距离设为a，将从回旋部10与气弹簧（活塞杆20）的连接点36到下部机械臂12的旋转中心34为止的距离设为b，另外将气缸18的全长设为c。此时，能够使用以下的数学式（1）以几何学的方式求出活塞杆20从气缸18的突出长度d。

d=（a²+b²-2·a·b·cos（180-θ））^1/2-c （1）

在数学式（1）中，a、b以及c都是常数，通过按微小时间来检测下部机械臂12的旋转角度θ，能够以几何学的方式容易地求出活塞杆20的突出长度d。在图4的示例中，由于能够使用在下部机械臂12的反馈控制等中使用的编码器（未图示）等来检测出旋转角度θ，因此如图3的示例所示就不需要另外设置距离传感器等单元。

图5是表示图2的流程中的处理C的详细内容的流程图，这里表示使用图4的结构求出活塞杆的总动作距离以及气弹簧的内压减少量的过程。首先在步骤S1中，读入下部机械臂12相对于回旋部10的旋转角度θ。作为该旋转角度θ如上所述能够利用用于检测下部机械臂12的旋转角度的编码器等的输出。

接下来在步骤S2中，从如图4所示那样的回旋部10、下部机械臂12以及气弹簧16的几何学关系（更具体来说，旋转中心34、连接点32以及连接点36的位置关系）计算出活塞杆20从气缸18的突出长度d1。接下来在步骤S3中，求出与前一控制周期中同样计算出的活塞杆的突出长度d0之间的差分（绝对值）△d（=|d1-d0|）。即△d相当于机器人动作过程中的每一微小时间的活塞杆20的动作距离。

接下来在步骤S4中，更新活塞杆20相对于气缸18的总动作距离D。具体来说，将通过步骤S3求出的△d与前一控制周期中求出的总动作距离D相加，来作为新的总动作距离。

在如下的步骤S5中，根据更新后的总动作距离D计算出气弹簧的内压减少量。在图5的示例中，着眼于总动作距离D与内压减少量P大致为比例关系，将内压换算系数K1乘以总动作距离D来求出内压减少量P，并将其作为推断出的内压减少量。另外，能够通过编入到控制装置6的软件等计算出总动作距离D和内压减少量P。

接下来在步骤S6中，以实时的方式将计算出的内压减少量P显示到控制装置6的操作面板26的监视器等。由此作业员能够容易地得知气弹簧的内压减少量，能够迅速地进行与减少量相对应的所需措施。代替内压减少量或除内压减少量之外，还可以显示通过步骤S4求出的总动作距离D。另外，在内压减少量或总动作距离超过预定的阈值时也可以发出警报，像这样控制装置6能够实时地以可视方式或可听方式输出总动作距离D以及内压减少量P中的一方或双方，由此作业员能够迅速地以可视方式或可听方式得知所输出的信息。

最后在步骤S7中，为了进行下一周期的处理，将在步骤S2求出的d1更新成d0。另外，该处理也可以在步骤S3以后的任一步骤中进行。

从图5的流程可知，通过累积从机器人动作中的每一微小时间（控制周期）的机械臂的旋转角度计算出的活塞杆的突出长度的差分，能够计算出活塞杆的总动作距离，并能够将计算出的活塞杆的总动作距离作为参数来推断气弹簧的内压减少量。

另外在图5的示例中，气弹簧的内压减少量与活塞杆的总动作距离成比例（P=K1×D），但是实际上，气弹簧的内压减少量还取决于气缸内压的绝对值、活塞杆相对于气缸的进退速度、以及气弹簧的温度（环境温度）等。因此，在步骤S5的处理中还可以使用除了将活塞杆的总动作距离作为参数之外，进一步包含将气缸内压的绝对值、活塞杆相对于气缸的进退速度、以及气弹簧的温度中至少一个作为参数的计算式来计算出气压的减少量。例如，列举有如下等做法：事先取得实验性地适当变更气缸内压的绝对值、活塞杆相对于气缸的进退速度、以及气弹簧的温度而得到的气弹簧的内压减少量的数据，根据该数据制作出增加了这些参数的相关数学式。像这样在内压减少量的推断中，通过还考虑总动作距离以外的参数，能够进行基于实际使用条件的更准确的推断。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明并非限定于此。例如在图1中，将气弹簧作为辅助在前后方向（左右方向）摇动的下部机械臂12的伺服马达22的装置来进行了说明，但只要是以支撑受重力影响同时被驱动的轴的方式使用气弹簧的机器人，就能够得到与上述内容同样的作用效果。即，本发明即使在下部机械臂12在上下方向或斜方向摇动的情况也可能够应用，对于下部机械臂以外的机械臂也能够应用。另外，由于气弹簧与机器人机械臂之间的几何学关系能取多种方式，因此计算出活塞杆的突出长度的数学式并不限定于上述的数学式（1）。

根据本发明，由于能够根据活塞杆相对于气缸的总动作距离来推断气弹簧内压的减少量，因此不需要像以往那样用于测量气弹簧内压的压力计或传感器等单元，实现了设备的小型化和低成本化。

通过从每个微小时间的机械臂的旋转角度以几何学的方式计算出活塞杆的总动作距离，由此不需要距离传感器等单元，实现了进一步的低成本化。

当计算压缩性气体的内压减少量时，除了考虑将活塞杆的总动作距离作为参数之外，还考虑了将气缸内压的绝对值、活塞杆相对于气缸的进退速度、以及气弹簧的温度中至少一个作为参数，由此能够进行更准确的内压减少量的推断。

通过以可视方式或可听方式输出活塞杆的总动作距离以及气体内压减少量中的一方或双方，作业员能够迅速地以可视方式或可听方式得知所输出的信息。

Claims

1.一种多关节机器人（2），具有：机器人机构部（4），其至少具有一个机械臂（12）；气弹簧（16），其设置于所述机械臂；以及控制装置（6），其用于控制所述机器人机构部，其特征在于，

所述气弹簧构成为具有：气缸（18）、封入在所述气缸内部的惰性的压缩性气体、以及构成为能够在所述气缸内滑动的活塞杆（20），所述气弹簧作为减轻伺服马达（22）的负载的气压平衡器而发挥作用，其中，该伺服马达用于驱动所述机械臂，

所述控制装置具有如下功能：累积所述活塞杆相对于所述气缸的进退动作量从而计算出所述活塞杆的总动作距离（D），并根据所述总动作距离计算出所述气弹簧的所述压缩性气体的内压的减少量（P）。

2.根据权利要求1所述的多关节机器人，其特征在于，

所述控制装置对根据每个微小时间的所述机械臂的旋转角度（θ）以几何学的方式计算出的、所述活塞杆从所述气缸的突出长度（d）的差分进行累积，来求出所述活塞杆的总动作距离。

3.根据权利要求1或2所述的多关节机器人，其特征在于，

所述控制装置除了将所述活塞杆的总动作距离作为参数之外，还将所述气缸的内压的绝对值、所述活塞杆相对于所述气缸的进退速度、以及所述气弹簧的温度中的至少一个作为参数，来计算出所述压缩性气体的内压的减少量。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的多关节机器人，其特征在于，

该多关节机器人具有：以可视方式或可听方式输出计算出的所述活塞杆的总动作距离以及所述压缩性气体的内压的减少量中至少一个的单元（26）。

5.一种推断多关节机器人（2）中的气弹簧的内压的减少量的方法，所述多关节机器人（2）构成为具有：机器人机构部（4），其至少具有一个机械臂（12）；气弹簧（16），其设置于所述机械臂；以及控制装置（6），其用于控制所述机器人机构部，所述气弹簧具有：气缸（18）、封入在所述气缸内部的惰性的压缩性气体、以及构成为能够在所述气缸内滑动的活塞杆（20），所述气弹簧作为减轻伺服马达（22）的负载的气压平衡器而发挥作用，其中，该伺服马达用于驱动所述机械臂，其特征在于，该方法具有如下步骤：

累积所述活塞杆相对于所述气缸的进退动作量从而求出所述活塞杆的总动作距离（D）；以及

根据所述总动作距离计算出所述气弹簧的所述压缩性气体的内压的减少量（P）。