CN104742125A - 人协同型工业用机器人的外力判定方法和外力判定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种人协同型工业用机器人的外力判定方法和外力判定装置。本发明的外力判定方法包括：取得假定预先按照预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的机器人动作时、或使其动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的基准值的基准值取得步骤；取得按照预定的指令使机器人动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的实测值的实测值取得步骤；根据基准值和实测值之差以及预先确定的阈值，判定作用于机器人的外力的有无的判定步骤。

Description

人协同型工业用机器人的外力判定方法和外力判定装置

技术领域

本发明涉及一种人协同型工业用机器人的外力判定方法和外力判定装置。

背景技术

在人和机器人协同进行作业的人协同型工业用机器人中，在作业时人和机器人接近，两者有可能错误地接触。假设在接触了的情况下，必须迅速地检测出该接触并实施使机器人停止等安全对策。可以通过判定作用于机器人的外力的有无来检测人和机器人的接触。关于这一点，例如美国专利申请公开第2013/0211739号说明书(US2013/0211739A1)公开了在具有经由减速机被电动机驱动的臂的机器人中作用于臂的转矩的推定方法。具体地说，在US2013/0211739A1中，分别检测电动机的旋转角度和减速机的输出轴侧的旋转角度，根据这2个旋转角度的差来推定转矩。

但是，减速机的转矩具有由于反冲、摩擦或滞后现象等的影响而相对于旋转角度的变化非线性地变化的特性。因此，如US2013/0211739A1记载的那样，根据电动机的旋转角度和减速机的输出轴侧的旋转角度之差推定转矩，无法高精度地判定作用于机器人的外力的有无。

发明内容

本发明的一个形式是一种外力判定方法，其判定作用于机器人的外力的有无，其中，该机器人具有第一部件、经由减速机构可移动地与第一部件连结的第二部件，该外力判定方法包括：取得假定预先按照预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的机器人动作时、或使其动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的基准值的基准值取得步骤；取得按照预定的指令使机器人动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的实测值的实测值取得步骤，其中，将检测部或与检测部成对的被检测部的任意一方配置在第一部件或相对于第一部件不相对移动的部位，将检测部或被检测部的任意另一方配置在第二部件或相对于第二部件不相对移动的部位，将检测部的检测值作为实测值；根据在基准值取得步骤中取得的基准值和在实测值取得步骤中取得的实测值之差以及预先确定的阈值，判定作用于机器人的外力的有无的判定步骤。

本发明的另一个形式是一种外力判定装置，其判定作用于机器人的外力的有无，其中，该机器人具有第一部件、经由减速机构可移动地与第一部件连结的第二部件，该外力判定装置具备：基准值取得部，其取得假定预先按照预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的机器人动作时、或使其动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的基准值；实测值取得部，其取得按照预定的指令使机器人动作时的、第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的实测值，其中，具有检测部和与检测部成对的被检测部，将检测部或被检测部的任意一方配置在第一部件或相对于第一部件不相对移动的部位，将检测部或被检测部的任意另一方配置在第二部件或相对于第二部件不相对移动的部位，将检测部的检测值作为实测值；判定部，其根据通过基准值取得部取得的基准值和通过实测值取得部取得的实测值之差以及预先确定的阈值，判定作用于机器人的外力的有无。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点，根据与附图关联的以下的实施方式的说明会更加明确。

图1是表示本发明的第一实施方式的人协同型工业用机器人的概要结构的侧面图。

图2是表示图1的关节部的结构的图。

图3是表示本发明的第一实施方式的外力判定装置的结构的框图。

图4是表示本发明的第一实施方式的外力判定方法的流程图。

图5是表示通过本发明的第一实施方式的外力判定方法得到的动作特性的一个例子的图。

图6是表示机器人的停止动作时的一个特性的图。

图7是表示设定2个基准值的情况下的动作特性的一个例子的图。

图8是表示本发明的第二实施方式的外力判定装置的结构的框图。

图9是表示本发明的第三实施方式的人协同型工业用机器人的概要结构的侧面图。

图10是表示图9的直动部的结构的图。

图11是表示本发明的第三实施方式的外力判定装置的结构的框图。

图12是表示图11的变形例子的图。

图13是表示图1、图9的变形例子的图。

图14是表示图1、图9的其他变形例子的图。

具体实施方式

第一实施方式

以下，参照图1～图7说明本发明的第一实施方式的人协同型工业用机器人的外力判定方法。人协同型工业用机器人，是人和机器人协同地进行作业、或人和机器人共用作业空间来进行作业的工业用机器人。普通的工业用机器人，为了确保作业者的安全，在被限制进入的安全护栏围住的区域内进行作业。与此相对，在人协同型工业用机器人中，有时作业者进入作业区域内进行作业，在作业时机器人有可能接触人、障碍物等。因此，必须尽早地检测出这样的机器人的接触，在检测出接触时实施使机器人的动作停止等安全对策。

图1是表示本发明的第一实施方式的人协同型工业用机器人100的概要结构的侧面图。该机器人100具备基部1、盘旋部2、下部臂3、上部臂4、手腕部5。

盘旋部2以在铅垂方向上延伸的轴线L1为中心，经由盘旋机构可盘旋地被支持在基部1的上方。下部臂3以在水平方向上延伸的轴线L2为中心，经由关节部6可旋转地被盘旋部2支持。上部臂4以在水平方向上延伸的轴线L3为中心，经由关节部7可旋转地被下部臂3的前端部支持。手腕部5以在水平方向上延伸的轴线L4为中心，经由关节部8可旋转地被设置在上部臂4的前端部。盘旋部2和关节部6～8被伺服电动机驱动。

图2是表示关节部6的结构的图。如图2所示，关节部6具备固定在盘旋部2的固定部10、固定在下部臂3并且相对于固定部10相对旋转的旋转部11。在固定部10一体地设置有伺服电动机12、减速机构13的外侧外壳。伺服电动机12内置编码器12a，通过编码器12a检测伺服电动机12的旋转角度。减速机构13具有输入轴、输出轴以及多个齿轮等，将从伺服电动机12输入的旋转减速来增大转矩，传递到旋转部11。也可以将伺服电动机12和减速机构13设置在旋转部11。在该情况下，减速机构13将从伺服电动机12输入的旋转减速来增大转矩，传递到固定部10。此外，也可以将伺服电动机12和减速机构13的任意一方设置在固定部10，将任意另一方设置在旋转部11。

进而，在关节部6，将检测下部臂3相对于盘旋部2的相对角度(以后称为臂角度)的角度检测部15设置在减速机构13的输出侧。通过该配置，角度检测部15直接地检测受到减速机构13的非线性影响的下部臂3的臂角度。由此，即使不知道减速机构13的非线性特性、其影响的大小，也能够正确地知道下部臂3相对于盘旋部2实际位于怎样的相对角度。角度检测部15具有被检测部和检测部。被检测部由设置在旋转部11的周面上的刻度尺16构成，检测部由与刻度尺16相对地设置在固定部10(减速机构13的外侧外壳)的检测头17构成。在刻度尺16上以窄的间距刻有刻度。检测头17向刻度尺16照射激光，并且接受由刻度尺16反射的反射光，根据该光的强弱检测臂角度。

例如等间隔地设定刻度尺16的刻度。在该情况下检测出的臂角度是臂角度的变化量、即相对值。此外，根据刻度尺16的规格，还能够直接检测臂角度自身、即臂角度的绝对值。在图2中，将检测头17设置在固定部10(减速机构13的外侧外壳)，但只要是相对于固定部10不相对移动(旋转)的部位，则也可以将检测头17设置在其他部位。另外，将刻度尺16设置在旋转部11，但只要是相对于旋转部11不相对移动(旋转)的部位，则可以将刻度尺16设置在其他部位。与图2相反，也可以将刻度尺16设置在固定部10或相对于固定部10不相对移动的部位，将检测头17设置在旋转部11或相对于旋转部11不相对移动的部位。即，只要将刻度尺16或检测头17的任意一方配置在固定部10或相对于固定部10不相对移动的部位，将刻度尺16或检测头17的任意另一方配置在旋转部11或相对于旋转部11不相对移动的部位，则也可以将刻度尺16和检测头17配置在与图2不同的位置。

此外，也可以将减速机构13的外侧外壳不固定在固定部10而固定在旋转部11。在该情况下，也是将刻度尺16或检测头17的任意一方配置在固定部10或相对于固定部10不相对移动的部位，将刻度尺16或检测头17的任意另一方配置在旋转部11或相对于旋转部11不相对移动的部位即可。另外，在将减速机构13的外侧外壳固定在固定部10的情况下，作为相对于旋转部11不相对移动的部位包含减速机构13的输出轴，在将减速机构13的外侧外壳固定在旋转部11的情况下，作为相对于固定部10不相对移动的部位包含减速机构13的输出轴。与关节部6同样地，也可以将减速机构13、角度检测部15设置在盘旋机构和其他关节部7、8。

图3是表示本发明的第一实施方式的外力判定装置101的结构的框图。外力判定装置101以作为机器人控制装置的控制器20为中心而构成。控制器20包括具有CPU、ROM、RAM、其他外围电路等的运算处理装置而构成，作为功能结构，具备电动机控制部21、判定部22、存储部23。控制器20上连接有输入与外力判定有关的各种指令的输入部25、预先执行机器人的动作模拟的模拟执行部26、角度检测部15、编码器12a、伺服电动机12、警报装置27。此外，伺服电动机12包含设置在盘旋机构和各关节部6～8的多个伺服电动机。

在存储部23中，预先存储有用于控制作业时的机器人100的动作的控制程序Pr。此外，也可以由控制器20从外部读入控制程序Pr。输入部25输入机器人100的动作开始指令等。

模拟执行部26使用与机器人100对应的机器人模型来执行动作模拟。即，依照与机器人动作时相同的控制程序Pr使机器人模型在计算机上动作，根据机器人模型的姿态计算臂角度。在模拟计算中使用的机器人模型，与外力未作用、或已知的外力作用下的机器人100对应。因此，通过模拟执行部26计算的臂角度是成为用于判定外力是否作用于机器人100的基准的臂角度、即臂角度的基准值(理论值)α，通过模拟执行部26取得基准值α的时序数据。将该时序数据存储在控制器20的存储部23中。

此外，也可以将模拟执行部26设置在控制器20内，在控制器20中进行模拟计算，将计算出的基准值α存储在存储部23中。在制作用于模拟执行部26的模拟计算的机器人模型时，可以根据预先使机器人100动作时的角度检测部15的检测值掌握减速机构13的非线性特性，利用附加该非线性特性而计算出的臂角度。或者，也可以利用在编码器12a的角度检测值上还附加减速机构13的非线性特性而计算出的臂角度，制作机器人模型。这时，通过模拟执行部26求出的臂角度的基准值(理论值)α为接近实际的机器人100的臂角度的值。这相当于假定将检测部或被检测部的任意一方配置在盘旋部2或相对于盘旋部2不相对移动的部位、将检测部或被检测部的任意另一方配置在下部臂3或相对于下部臂3不相对移动的部位时的臂角度。

通过这样附加减速机构13的非线性特性，能够高精度地求出基准值α。因此，能够减小成为判定作用于机器人100的外力的有无时的基准的阈值(后述的预定值γs)的大小，高精度地判定外力的有无。另一方面，也可以不考虑减速机构13的非线性特性地制作机器人模型，计算臂角度。在该情况下，基准值α的计算精度降低。因此，为了避免外力判定的错误检测，需要增大阈值的大小，但能够与不考虑非线性特性相应地缩短计算时间。另外，一般不需要确定难以同定的非线性特性，因此容易进行外力判定。

电动机控制部21依照控制程序Pr向机器人100的各伺服电动机12输出控制信号，使机器人100动作。这时，伺服电动机12根据来自编码器12a的信号被反馈控制。在机器人100的动作时，通过角度检测部15检测臂角度的实测值β。如果从输入部25输入了机器人100的动作开始指令，则开始电动机控制部21的处理。

判定部22计算在机器人100的动作中检测出的臂角度的实测值β和预先存储在存储部23中的臂角度的基准值α之差。即，计算与控制程序Pr的某动作指令对应的基准值α和输出与之相同的动作指令时检测出的实测值β之差γ。进而，判定部22判定该差γ(绝对值)是否比预定值γs大。即，判定部22不只具有判定功能，还具有作为计算γ的计算部的功能。在预先设定若干个预定值γs，从中与机器人100的动作条件、周围环境对应地选择或计算预定值γs的情况下，判定部22也可以具有预定值γs的选择功能、计算功能。此外，也可以考虑到机器人100的实际的动作相对于动作指令有延迟这一点，使基准值α的比较的定时错开延迟时间的量。

预定值γs是用于判定作用于机器人100的外力的有无的阈值，考虑角度检测部15的偏移量(分辨率)等，设定为比偏移量大的值。如果外力没有作用于机器人100，则γ为预定值γs以下。另一方面，如果人、障碍物与机器人100(下部臂3等)接触而外力作用于机器人100，则γ变得比预定值γs大。因此，通过对γ和预定值γs的大小进行比较，能够判定作用于机器人100的外力的有无。

在判定部22判定为γ>γs时，优选电动机控制部21向伺服电动机12输出停止信号，使机器人100的动作停止。或者，也可以由电动机控制部21向伺服电动机12输出γ成为预定值γs以下那样的控制信号，降低作用于机器人100的外力。这时，电动机控制部21也可以进而向警报装置27输出控制信号，使得从警报装置27产生警报。

图4是表示本发明的第一实施方式的外力判定方法的流程图。首先，在步骤S1中，在模拟执行部26中，使用与外力未作用、或已知的外力作用的状态的机器人100对应的机器人模型，进行依照控制程序Pr的模拟计算，计算臂角度的基准值α(基准值取得步骤)。

接着，在步骤S2中，通过角度检测部15检测根据来自电动机控制部21的控制信号依照控制程序Pr使机器人100动作时的、臂角度的实测值β(实测值取得步骤)。

接着，在步骤S3中，在机器人100根据来自电动机控制部21的控制信号动作的过程中，在判定部22中计算臂角度的基准值α和实测值β之差γ，对该差γ和预定值γs的大小进行比较，由此判定作用于机器人100的外力的有无(判定步骤)。

图5是表示通过本发明的第一实施方式的外力判定方法得到的动作特性的一个例子的图。在图中，特性fa是通过基准值取得步骤(步骤S1)取得的基准值α的特性，特性fb是通过实测值取得步骤(步骤S2)取得的实测值β的特性。进而，特性fc是分别使特性fa向正侧和负侧偏移预定值γs的量所得的阈值的特性。特性fa、fc是计算上的理论值，因此平缓地变化，与此相对，特性fb是实测值，因此由于噪声、振动等的影响而变动。

如图5所示，在时刻t0～时刻t1，基准值α和实测值β之差γ为预定值γs以下，特性fb收敛于一对特性fc的内侧。如果在时刻t1，例如人与下部臂3接触而外力作用于下部臂3，则γ变得比预定值γs大。由此，判定部22判定为有作用于机器人100的外力。然后，人采取从机器人100避让的行动，因此γ再次成为预定值γ以下。此外，也可以在时刻t1判定为有外力后，根据来自电动机控制部21的指令强制地使机器人100的动作停止。

图6是表示从控制程序Pr给出停止指令，根据来自电动机控制部21的控制信号使机器人100的动作停止的情况下的动作特性的一个例子的图。因此，在图6中，基准值α的特性fa和阈值的特性fc是固定的。停止指令是在机器人臂旋转动作中使旋转动作中止而停止、或使静止的机器人100继续持续静止的指令。到中止旋转动作、机器人臂停止为止的过渡期能够应用前面说明的方法，得到相应的效果。

另一方面，在持续静止状态的情况下具有进一步的效果。即，在静止的状态下，在机器人100的动作中产生的臂的振动少，因此能够进一步减小阈值，能够高灵敏度地检测外力。另外，减速机构13的非线性特性也保持某一定状态，因此在取得静止的状态下的臂角度的基准值α的情况下，不一定需要取得持续静止状态的预定时间量的数据。因此，能够使用适当的时间量的数据决定基准值α，能够缩短基准值α的取得时间。进而，在静止的状态的持续时间变更了的情况下，不需要重新取得基准值α，只要与该持续时间对应地缩短或延长基准值α的适应时间即可，能够简便地取得基准值α。在根据停止指令而机器人100的静止位置、角度变化了的情况下，减速机构13的非线性特性影响而基准值α变化，因此需要重新取得基准值α，但如前面说明的那样，基准值α的取得时间短。

在图6中，在时刻t0～时刻t1，特性fb位于一对特性fc的内侧。如果在时刻t1，例如人接触下部臂3而γ超过预定值γs，则判定部22判定为有作用于机器人100的外力。然后，电动机控制部21向伺服电动机12输出减小外力那样的控制信号、例如使与人接触的下部臂3从人远离那样的控制信号。由此，γ成为预定值γs以下。如果这样在机器人100的停止动作时判定外力的有无，并判定为有外力，则控制机器人100使得减小外力，由此例如即使是人难以从机器人100避让的状况，也能够确保安全性。

在上述实施方式中，预先通过计算求出臂角度的基准值α，但也可以以没有加工、组装等的偏差的理想的机器人100为前提求出基准值α，或者也可以考虑到这些偏差而求出基准值α。也可以考虑到依存于使用机器人100的周围温度而存在机器人100的本体的膨胀、角度检测部15的检测值的变动等这一点，来求出基准值α。在考虑到这些加工、组装等的偏差、周围温度的影响等的情况下，也可以设定多个基准值α的特性fa。

图7是表示设定2个基准值α的特性fa1、fa2的例子的图。特性fa1例如是周围温度高时的基准值α的特性，特性fa2是周围温度低时的基准值α的特性。在图7中，针对这些特性fa1、fa2分别设定了阈值的特性fc，如果在时刻t1γ超过预定值γs，则能够判定为有作用于机器人100的外力。

此外，也可以设为臂角度根据来自电动机控制部21的驱动指令而立即变化，求出臂角度的基准值α和实测值β之差γ，但一般机器人100的动作相对于驱动指令产生延迟。该延迟时间依存于机器人100的重量、臂长度等。因此，也可以考虑到延迟时间，使用经过延迟时间后的实测值β计算臂角度的基准值α和实测值β之差γ。

根据第一实施方式的外力判定方法，能够起到以下这样的作用效果。

(1)预先使用与外力未作用、或已知的外力作用下的机器人100对应的机器人模型，取得假定依照控制程序Pr使机器人100动作时的臂角度的基准值α(步骤S1)。然后，取得依照同一控制程序pr使机器人100动作时的臂角度的实测值β(步骤S2)，进而对基准值α和实测值β之差γ与预定的阈值γs的大小进行比较，判定作用于机器人100的外力的有无(步骤S3)。

由此，即使在减速机构13的转矩由于反冲、滞后现象、粘性、摩擦等的影响而非线性地变化的情况下，也能够不受到该非线性的影响地，高精度地判定作用于机器人100的外力的有无。另外，通过简单的处理判定外力的有无，因此判定所需要的时间短。因此，如果人、障碍物与机器人100接触，则能够立即使机器人100停止，安全性优越。

(2)使用机器人模型计算基准值α，因此不需要在取得基准值α时使机器人100实际动作，容易取得基准值α。

(3)在依照控制程序Pr使机器人100动作之前，预先计算臂角度的基准值α并存储在存储部23中，因此在判定外力的有无时，不需要求出基准值α。因此，在判定外力的有无时，只进行计算基准值α和实测值β之差γ的处理、以及对该差γ和预定值γs的大小进行比较的处理即可，能够缩短判定所需要的时间。

(4)在机器人100禁止的状态时，判定作用于机器人100的外力的有无，在判定为有外力时控制机器人100的动作使得降低该外力(图6)，由此在人、障碍物与机器人100接触时，能够安全地从机器人100避让。

第二实施方式

参照图8说明本发明的第二实施方式的人协同型工业用机器人的外力判定方法。此外，以下主要说明与第一实施方式的不同点。

第二实施方式与第一实施方式不同的是臂角度的基准值α的取得方法(基准值取得步骤)。即，在第一实施方式中，使用机器人模型通过计算来计算出基准值α，但在第二实施方式中，使机器人100实际动作来检测出基准值α。

图8是表示本发明的第二实施方式的外力判定装置102的结构的框图。此外，向与图3相同的地方附加相同的符号。如图8所示，外力判定装置102不具有模拟执行部26，代之而控制器20具有事前控制部28。

事前控制部28在根据来自电动机控制部21的指令依照控制程序Pr使机器人100动作来开始作业之前，依照同一控制程序Pr向各伺服电动机12输出控制信号，使机器人100动作(事前动作)。在外力未作用于机器人100、或已知的外力作用的状态下执行该事前动作。这时，角度检测部15检测臂角度，将臂角度的时序数据作为基准值α存储在存储部23中。如果从输入部25输入了事前动作开始指令，则开始机器人100的事前动作。

通过事前动作检测的臂角度由于噪声、机器人100的振动等的影响而变动。因此，也可以不将臂角度的检测值直接作为基准值α，而通过低通滤波器等平滑化后存储为基准值α。也可以多次测定臂角度，将其平均值存储为基准值α。在由于减速机构13的反冲、滞后现象、粘性、摩擦等的影响而臂角度的检测值偏移的情况下，也可以考虑到该偏移地使基准值α具有幅度。在由于机器人100的周围温度的影响而臂角度的检测值偏移的情况下，也可以在若干个温度条件下测定臂角度，设定多个基准值α。

如果在事前动作结束后，从输入部25输入了机器人100的动作开始指令，则与第一实施方式同样地，电动机控制部21依照控制程序pr使机器人100动作。这时，角度检测部15检测臂角度的实测值β，判定部22计算该实测值β和基准值α之差γ，并且判定γ是否大于预定值γs。

这样，在第二实施方式中，在开始作业之前，预先依照控制程序Pr使机器人100动作来检测臂角度，将该检测值设定为基准值α，因此基准值α和实测值β良好地对应，能够高精度地进行外力判定。即，臂角度由于加工、组装等的偏移而有时产生个体差，在输出机器人100的动作指令到机器人100进行该动作的期间也有时产生延迟。进而，由于减速机构13的反冲、滞后现象、粘性、摩擦等的影响，臂角度有时产生偏差。在第二实施方式中，将包含这些不确定因素的臂角度的检测值设定为基准值α，因此，能够与实测值β对应地高精度地设定基准值α，提高了外力判定的精度。

第三实施方式

参照图9～图12说明本发明的第三实施方式的人协同型工业用机器人的外力判定方法。此外，以下主要说明与第一实施方式的不同点。

第三实施方式与第一实施方式不同的是应用外力判定方法的机器人100的结构。即，在第一实施方式中，应用于具有关节部6～8的机器人100，但在第三实施方式中，应用于具有直动部的机器人200。

图9是表示本发明的第三实施方式的人协同型工业用机器人200的概要结构的侧面图。此外，向与图1相同的地方附加相同的符号。如图9所示，第三实施方式的机器人200具备第一基部31、第二基部32、下部臂3、上部臂4、手腕部5。第二基部32经由直动部33在箭头A方向上能够直动(能够滑动)地安装在第一基部31的上面。

图10是表示直动部33的结构的图。如图10所示，直动部33具有固定在第一基部31的固定部34、固定在第二基部32并相对于固定部34在箭头A方向上直线状地相对移动的可动部35。在可动部35设置有减速机构36。可动部35经由动力变换机构和减速机构36与固定部34连结。

动力变换机构包含伺服电动机、滚珠螺杆和螺母等，经由滚珠螺杆和螺母将伺服电动机的旋转运动变换为直进运动。此外，也可以由轮胎和轨道、齿条和副齿轮等的组合构成动力变换机构。也可以利用皮带驱动方式，将旋转运动变换为直线运动。减速机构36通过使第二基部35的移动速度减速，来增大转矩。

在直动部33设置有检测第二基部32相对于第一基部31的相对位置(以后称为基部位置)的位置检测部40。位置检测部40具有被检测部和检测部。被检测部由设置在固定部34的上表面的刻度尺41构成，检测部由与刻度尺41相对地设置在可动部35(减速机构36的输出侧)的检测头42构成。在刻度尺41上以窄的间距刻有刻度。检测头42向刻度尺41照射激光，并且接受由刻度尺41反射的反射光，根据该光的强弱检测基部位置。此外，也可以将刻度尺41配置在可动部35，将检测头42配置在固定部34。即，只要将刻度41尺或检测头42的任意一方配置在固定部34或相对于固定部34不相对移动的部位，将刻度尺41或检测头42的任意另一方配置在可动部35或相对于可动部35不相对移动的部位，则也能够将刻度尺41和检测头42配置在与图10不同的位置。

图11是表示本发明的第三实施方式的外力判定装置201的结构的框图。此外，向与图3相同的地方附加相同的符号。如图11所示，在控制器20上，代替角度检测部15(图3)而连接有位置检测部40，来自位置检测部40的信号被输入到控制器20。伺服电动机12包含设置在直动部33和各关节部6～8的多个伺服电动机。

在第三实施方式中，不使用臂角度，而使用基部位置来判定作用于机器人200的外力的有无。除了这点以外，第三实施方式的外力判定方法与第一实施方式的外力判定方法(图4)相同。即，首先在模拟执行部26中，使用与外力未作用、或已知的外力作用的状态的机器人200对应的机器人模型，进行依照控制程序Pr的模拟计算，计算基部位置的基准值α(基准值取得步骤)。

接着，通过位置检测部40检测根据来自电动机控制部21的控制信号依照控制程序Pr使机器人200动作时的、基部位置的实测值β(实测值取得步骤)。

进而，在机器人200根据来自电动机控制部21的控制信号动作的过程中，在判定部22中，计算基部位置的基准值α和实测值β之差γ，对该差γ和预定值γs的大小进行比较，由此判定作用于机器人200的外力的有无(判定步骤)。

由此，即使在减速机构36的转矩由于反冲、滞后现象、粘性、摩擦等的影响而非线性地变化的情况下，也能够不受到该非线性的影响地，高精度地判定作用于机器人200的外力的有无。另外，通过简单的处理判定外力的有无，因此判定所需要的时间短。因此，如果人、障碍物与机器人200接触，则能够立即使机器人200停止，安全性优越。

此外，在第三实施方式中，使用机器人模型通过计算取得基准值α，但也可以与第二实施方式同样地，使机器人200实际动作来检测基准值α。图12是表示该情况下的外力判定装置202的结构的框图。此外，向与图8相同的地方附加相同的符号。与图11相比，图12的外力判定装置202不具有模拟执行部26，代之而控制器20具有事前控制部28。

除了代替臂角度而通过位置检测部40检测基部位置这一点以外，事前控制部28中的处理与第二实施方式相同。即，在根据来自电动机控制部21的指令依照控制程序Pr使机器人200动作之前，依照同一控制程序Pr向各伺服电动机12输出控制信号，使机器人200动作(事前动作)。在外力未作用于机器人200、或已知的外力作用的状态下执行该事前动作。这时，位置检测部40检测基部位置，将基部位置的时序数据作为基准值α存储在存储部23中。

此外，在上述第一和第二实施方式中，将外力判定方法应用于具有关节部6～8的机器人100(图1)，在上述第三实施方式中，将外力判定方法应用于具有直动部33的机器人200(图9)，但只要是具有第一部件(盘旋部2、第一基部31)和经由减速机构13、36可移动地与第一部件连结的第二部件(下部臂3、第二基部32)的机器人，则本发明也能够应用于各种机器人。

图13、图14表示应用本发明的其他机器人的例子。图13所示的机器人300具有基部301、立设在基部301上的柱子302、经由直动部33沿着柱子302在箭头A方向上移动的臂302、经由直动部33沿着臂303在箭头B方向上移动的头304。图14所示的机器人400具有经由关节部6可旋转地支持在基部1上的下部臂3、经由关节部7可旋转地支持在下部臂3上的第一上部臂4a、经由直动部33可直动地支持在第一上部臂4a上的第二上部臂4b、经由关节部8可旋转地支持在第二上部臂4b上的手腕部5。

此外，在上述实施方式中，通过位置检测部40和角度检测部15取得预先根据预定的指令(控制程序Pr)使外力未作用、或已知的外力作用下的机器人100、200动作时的基部位置和臂角度的基准值α。或者，通过模拟执行部26上的计算取得假定预先根据预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的机器人100、200动作时的基部位置和臂角度的基准值α。但是，取得第二部件相对于第一部件的相对位置或角度的基准值的基准值取得部的结构并不限于上述的结构。

只要取得根据与取得基准值α时相同的指令(控制程序Pr)使机器人100、200动作时的基部位置和臂角度等，则实测值取得部的结构并不限于上述的位置检测部40和角度检测部15。在上述实施方式中，通过对基准值α和实测值β之差γ与预先确定的阈值γs的大小进行比较，来判定作用于机器人100、200的外力的有无，但只要根据γ和阈值γs判定作用于机器人的外力的有无，则判定部22的结构可以是任意的。

为了判定外力的有无，预先确定了阈值γs，但阈值γs既可以是固定值，也可以是可变值。在为可变值的情况下，与机器人100、200的姿态对应地切换阈值γs即可。例如，如果机器人的姿态是使臂伸展的姿态(臂角度大)，则臂的摇摆变大，因此增大阈值即可，相反如果是使臂收缩的姿态(臂角度小)，则臂的摇摆小，因此减小阈值即可。也可以与机器人100、200的周围环境对应地变更阈值γs。例如，也可以在周围温度升高而检测部的检测值的偏移恶化的情况下，如果周围温度超过预定温度则增加阈值γs，由此，防止外力判定的错误检出。阈值γs的上限值和下限值的大小也可以相互不同。

能够任意地组合上述实施方式和变形例子的一个或多个。

根据本发明，预先取得外力未作用、或已知的外力作用下的机器人的位置或角度的基准值，根据该基准值和使机器人动作时的位置或角度的实测值之间的差和阈值，判定作用于机器人的外力的有无。因此，即使在减速机构的转矩非线性地变化的情况下，也能够高精度地判定作用于机器人的外力的有无。

以上，与适合的实施方式关联地说明了本发明，但本技术领域的技术人员应该理解在不从请求专利保护的范围的公开范围脱离的情况下，能够进行各种修正和变更。

Claims (8)

1.一种外力判定方法，其判定作用于机器人(100；200；300；400)的外力的有无，该机器人具有第一部件(2；31)、经由减速机构(13；36)可移动地与上述第一部件连结的第二部件(3；32)，上述外力判定方法的特征在于，包括：

取得假定预先按照预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的上述机器人动作时、或使其动作时的、上述第二部件相对于上述第一部件的相对位置或角度的基准值(α)的基准值取得步骤；

取得按照上述预定的指令使上述机器人动作时的、上述第二部件相对于上述第一部件的相对位置或角度的实测值(β)的实测值取得步骤，其中，将检测部(15；40)或与该检测部成对的被检测部(16；41)的任意一方配置在上述第一部件或相对于上述第一部件不相对移动的部位，将上述检测部或上述被检测部的任意另一方配置在上述第二部件或相对于上述第二部件不相对移动的部位，将上述检测部的检测值作为实测值；以及

根据在上述基准值取得步骤中取得的基准值与在上述实测值取得步骤中取得的实测值之差(γ)以及预先确定的阈值(γs)，判定作用于上述机器人的外力的有无的判定步骤。

2.根据权利要求1所述的外力判定方法，其特征在于，

在上述基准值取得步骤中，根据将检测部或与该检测部成对的被检测部的任意一方配置在上述第一部件或相对于上述第一部件不相对移动的部位、将上述检测部或上述被检测部的任意另一方配置在上述第二部件或相对于上述第二部件不相对移动的部位时的上述检测部的检测值，取得上述基准值。

3.根据权利要求1或2所述的外力判定方法，其特征在于，

在上述基准值取得步骤中，使用与外力未作用、或已知的外力作用下的上述机器人对应的机器人模型来计算上述基准值。

4.根据权利要求1或2所述的外力判定方法，其特征在于，

在上述基准值取得步骤中，按照上述预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的上述机器人动作来检测上述基准值。

5.根据权利要求1～4的任意一项所述的外力判定方法，其特征在于，

上述第二部件可旋转地与上述第一部件连结，

在上述基准值取得步骤和上述实测值取得步骤中取得上述第二部件相对于上述第一部件的相对角度。

6.根据权利要求1～4的任意一项所述的外力判定方法，其特征在于，

上述第二部件可直线移动地与上述第一部件连结，

在上述基准值取得步骤和上述实测值取得步骤中取得上述第二部件相对于上述第一部件的相对位置。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的外力判定方法，其特征在于，

上述预定的指令是上述机器人的停止指令。

8.一种外力判定装置，其判定作用于机器人(100；200；300；400)的外力的有无，该机器人具有第一部件(2；31)、经由减速机构(13；36)可移动地与上述第一部件连结的第二部件(3；32)，上述外力判定装置的特征在于，具备：

基准值取得部(15；26；40)，其取得假定预先按照预定的指令使外力未作用、或已知的外力作用下的上述机器人动作时、或使其动作时的、上述第二部件相对于上述第一部件的相对位置或角度的基准值(α)；

实测值取得部(15,16；40,41)，其取得按照上述预定的指令使上述机器人动作时的、上述第二部件相对于上述第一部件的相对位置或角度的实测值(β)，其中，具有检测部(15；40)和与该检测部成对的被检测部(16；41)，将上述检测部或上述被检测部的任意一方配置在上述第一部件或相对于上述第一部件不相对移动的部位，将上述检测部或上述被检测部的任意另一方配置在上述第二部件或相对于上述第二部件不相对移动的部位，将上述检测部的检测值作为实测值；

判定部，其根据通过上述基准值取得部取得的基准值与通过上述实测值取得部取得的实测值之差(γ)以及预先确定的阈值(γs)，判定作用于上述机器人的外力的有无。