CN104070539B - 具备气弹簧的多关节机器人、及推断气弹簧的内压的方法 - Google Patents

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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。在本发明中,着眼于气弹簧的内压减少量与转矩的减少量大致为比例关系,还着眼于根据伺服马达的电流值能够计算出伺服马达产生的转矩,使用伺服马达的电流值来推断气压的减少量。

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
[0001] 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
[0002] 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(coil spring)是小型和轻量的,因此有助于设备整体的轻量化和紧凑化。
[0003] 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I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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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(gas tank)ll这样的设备,使得周边设备大型化这样的问题。
发明内容
[0008] 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。
[0009] 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,该多关节机器人具有: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:取得对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、基准时刻的所述伺服马达的电流值来作为基准电流值,并取得在与所述基准时刻相同动作条件下对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、与基准时刻不同时刻的所述伺服马达的电流值来作为对象电流值,求出所述基准电流值与所述对象电流值的差分,根据所述差分计算出所述气弹簧的压缩性气体的内压的减少量。
[0010] 在优选的实施方式中,使用向所述伺服马达的电流指令值作为所述基准电流值以及所述对象电流值。
[0011 ] 在优选的实施方式中,所述控制装置具有:存储单元,其对取得所述基准电流值时的所述多关节机器人的动作条件进行记录。
[0012] 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所述压缩性气体的内压的减少量的单元。
[0013] 在优选的实施方式中,所述单元以可视方式显示所述内压减少量的经时变化。
[0014] 本发明的另一方式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:取得对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、基准时刻的所述伺服马达的电流值来作为基准电流值;取得在与所述基准时刻相同动作条件下对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、与基准时刻不同时刻的所述伺服马达的电流值来作为对象电流值;求出所述基准电流值与所述对象电流值的差分;以及根据所述差分计算出所述气弹簧的压缩性气体的内压的减少量。
附图说明
[0015] 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。
[0016] 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,
[0017]图2是对伴随气弹簧的内压减少的伺服马达的转矩变化进行说明的图表,
[0018] 图3是对包含伺服马达的基准电流值的检测处理的过程进行说明的流程图,
[0019] 图4是对包含伺服马达的对象电流值的检测处理的过程进行说明的流程图。
具体实施方式
[0020] 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,其具有至少一个机械臂;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、以及能够旋转地设置于下部机械臂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。
[0021] 控制装置6经供电电缆24与机器人机构部4连接,能够对机器人机构部4各轴的动作进行控制,并且能够进行后述的气体内压推断处理。另外,控制装置6也可以具有带有监视器的操作面板26,该操作面板26能够对推断出的内压等进行显示。
[0022] 图2是对在以预定的条件来控制下部机械臂12的位移以及速度的情况下所需的转矩进行说明的图,具体来说,图表(A)表示适当的量的气体被填充到气弹簧的状态,图表(B)表示气弹簧的气体泄漏一定量而气压降低的状态。如上所述气弹簧16被用作气压平衡器,因此驱动下部机械臂12所需的转矩Tr为伺服马达22产生的转矩Ts和气弹簧16产生的转矩Tg的总和。通过比较两个图表可知,在(B)中由于气体的泄漏导致气弹簧16的转矩Tg降低,因此为了得到预定的转矩Tr,需要增大伺服马达22的转矩Ts。
[0023] 因此,本发明着眼于气弹簧16的内压减少量与转矩Tg的减少量(Λ Tg)大致为比例关系或直线关系,并且能够根据伺服马达22的电流值计算出伺服马达22产生的转矩Ts(转矩与电流值大致为比例关系或直线关系),并以使用伺服马达22的电流值来推断出(计算出)气压的减少量为主要特征。即,如果说在图2的示例中,分别检测(A)以及(B)的伺服马达22的电流值,能够根据这些电流值的差分计算出(B)中的气压减少量。
[0024] 以下,对本发明的气弹簧16的气压减少量的推断过程进行说明。首先如图3所示,对基准时刻的伺服马达22的电流值进行检测和存储。这里所谓基准时刻意味着气弹簧16的初始状态等,将适当的量的气体封入到气弹簧内,作为气压平衡器能够输出预先设定的(所希望的)转矩的状态(例如相当于图2的(A))。在该基准时刻,在发出基准电流值取得指令后,检测出伺服马达22被通电控制的状态下的该伺服马达的电流值(步骤Sll^f检测出的电流值作为基准电流值Itl存储到存储器等存储单元(步骤S12)。另外,作为检测出基准电流值^的单元能够使用控制伺服马达22时所使用的反馈回路,能够将该反馈值作为检测出的基准电流值^来使用。另外,测量基准电流值IC1时的多关节机器人2的动作条件(机器人的姿态和动作速度等)也可以一并存储到存储器(步骤S13)。通过存储测量基准电流值时的动作条件,即使经过长时间也能通过与测量基准电流值时相同的动作条件,来准确地实施后述的对象电流值的测量。
[0025] 图4是对用于计算出气弹簧16内压减少量的处理进行说明的流程图。首先,在与基准时刻不同的时刻(例如机器人的实际运转时),在与测量出上述的基准电流值时的动作条件相同条件时,发出对象电流值取得指令,然后检测出伺服马达22被通电控制的状态下的该伺服马达的对象电流值I1 (步骤S21)。接下来,计算出该检测出的对象电流值I1与存储的基准电流值Itl之差即差分电流值Λ I (步骤S22)。另外,由于实际上存在难以使动作条件与基准时刻完全相同的情况,因此只要将动作条件之差收纳在经验上已知不影响测量值的一定范围内,就能够将动作条件作为“相同”来使用。
[0026] 接下来,根据差分电流值Λ I运算出伺服马达22的产生转矩相对于基准时刻的差分(在图2的示例中相当于转矩Λ Tg),求出转矩的差分(上升量)Λ T (步骤S23)。另外,根据求出的转矩差分Λ T计算出气弹簧16的内压的减少量(步骤S24)。另外,能够将基于差分电流值Λ I的转矩差分Λ T的计算、以及基于转矩差分Λ T的气压减少量P的算出都作为比例关系(即乘以适当的换算系数)而求出。另外,也可以省略转矩差分的算出(步骤S23),而根据差分电流值Λ I求出气压减少量P。
[0027] 在接下来的步骤S25中,将通过步骤S24求出的内压减少量P显示到控制装置6的带有监视器的操作面板26等显示单元,将计算出的内压减少量P与预先设定的容许值Pa进行比较(步骤S26)。如果减少量P超过容许值Pa,将表示气体内压过小的意思显示到操作面板26,或者进行发出警报等以可视方式或可听方式的输出(步骤S27),即使在机器人被设置在深处的情况下,作业员也能够以可视方式或可听方式迅速地得知表示气压降低量超过容许值的情况。最后,将实施这些处理的日期时间和计算出的内压减少量关联起来存储到存储器(步骤S28)。
[0028] 另外,除了图4所示的处理之外,还可以添加将内压减少量P按时间序列来并列显示的处理,能够将求出的内压减少量运用到检测诊断机器人机构部的老化等状态。例如,机器人维护作业员能够预测气压降低的进展程度,能够预先掌握气体的补充时间从而采取进行所需的准备等措施。
[0029] 另外,在上述实施方式中,通过都进行检测(测量)来求出基准电流值、以及对象电流值I1,但是也可以使用电流指令值来作为这些值。即,在发出基准电流值取得指令或对象电流值取得指令之后,能够将控制伺服马达22所使用的电流指令值分别设为基准电流值Itl以及对象电流值I i。在该情况下,也能得到与检测出实际流过伺服马达的电流值的情况大致相同的效果。
[0030] 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,在上述实施方式中,对轴(下部机械臂12)正在位移时的状态进行了说明,但是只要是通电控制伺服马达的状态,无论是轴位移还是静止都能够应用本发明。
[0031 ] 根据本发明,能够从使机器人的姿态以及速度等动作条件等相同而得到的基准电流值以及对象电流值来求出差分电流值,并根据该差分电流值来推断气弹簧的内压减少量。因此,除了不需要压力计等单元之外,还能够进行除去机器人的负载条件和动作条件的影响的高精度的推断。
[0032] 通过使用电流指令值作为基准电流值以及对象电流值,得到与检测出实际流过伺服马达的电流值的情况相同的效果。
[0033] 通过将测量电流值时的动作条件存储到机器人控制装置,即使经过长时间,也能够以与测量基准电流值时相同的动作条件来可靠地实施对象电流值的测量。
[0034] 通过以可视方式或可听方式输出内压减少量或其经时变化,作业员能够预测气压降低的进展程度,能够在机器人不能进行预定动作之前预先实施所需的对策。

Claims (7)

1.一种多关节机器人,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,其特征在于, 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:取得对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、基准时刻的所述伺服马达的电流值来作为基准电流值,并取得在与所述基准时刻相同动作条件下对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、与基准时刻不同时刻的所述伺服马达的电流值来作为对象电流值,求出所述基准电流值与所述对象电流值的差分,根据所述差分计算出所述气弹簧的压缩性气体的内压的减少量。
2.根据权利要求1所述的多关节机器人,其特征在于, 将用于控制所述伺服马达所使用的电流指令值作为所述基准电流值以及所述对象电流值。
3.根据权利要求1或2所述的多关节机器人,其特征在于, 所述控制装置具有:存储单元,其对取得所述基准电流值时的所述多关节机器人的动作条件进行记录。
4.根据权利要求1或2所述的多关节机器人,其特征在于, 该多关节机器人还具有:以可视方式或可听方式输出所述压缩性气体的内压的减少量的显示单元。
5.根据权利要求3所述的多关节机器人,其特征在于, 该多关节机器人还具有:以可视方式或可听方式输出所述压缩性气体的内压的减少量的显示单元。
6.根据权利要求4所述的多关节机器人,其特征在于, 所述显示单元以可视方式显示所述内压减少量的经时变化。
7.—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,其特征在于,该方法具有如下步骤: 取得对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、基准时刻的所述伺服马达的电流值来作为基准电流值; 取得在与所述基准时刻相同动作条件下对用于驱动所述机械臂的伺服马达进行了通电控制的状态下的、与基准时刻不同时刻的所述伺服马达的电流值来作为对象电流值; 求出所述基准电流值与所述对象电流值的差分;以及 根据所述差分计算出所述气弹簧的压缩性气体的内压的减少量。
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