CN107107342B - 双臂机械手的示教系统及双臂机械手的示教方法 - Google Patents

Abstract

直观且容易地进行双臂机械手的示教作业。本发明的双臂机械手的示教系统（1）具备：双臂机械手（2），其具有多个连杆借助关节轴连结而成的两个臂（4R、4L）及设于两个臂各自梢端、指示空间中的坐标点且示教者可把持地构成的两个指示部（5R、5L）；和控制装置（3），其将由示教者以两手直接且同时移动两个指示部所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对双臂机械手示教。

Description

双臂机械手的示教系统及双臂机械手的示教方法

技术领域

本发明涉及双臂机械手的示教系统及双臂机械手的示教方法。

背景技术

一般而言，机械手的示教使用示教器（teach pendant）来进行。作为更直观地示教机械手的方法，有触摸机械手以示教动作的直接示教（direct teaching）法（例如参见专利文献1～专利文献3）。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2013－059852号公报

专利文献2：日本特开2013－043250号公报

专利文献3：日本特开2012－157946号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，以往的机械手直接示教中，需要使用操纵杆或力传感器等用于示教的专用传感器。因此，在示教中机械手动作发生延迟，产生不协调感。甚至若输入急速动作则存在机械手突然地动作从而伴随着危险等问题。

近年，在流动作业线等，有使接近人体大小的双臂机械手代替作业者作业的倾向。一般而言，双臂机械手的示教会有必须找出避免两个臂的干涉的轨道等、示教作业繁杂这样的问题。因而本发明的目的在于直观且容易地进行双臂机械手的示教作业。

解决问题的手段：

根据本发明的一形态，双臂机械手的示教系统具备：双臂机械手，该双臂机械手具有多个连杆借助关节轴连结而成的两个臂及设于所述两个臂的各自的梢端、形成为指示空间中的坐标点且示教者能把持的两个指示部；和控制装置，该控制装置将由示教者以两手直接且同时移动所述两个指示部所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对所述双臂机械手示教。

根据上述结构，示教者可以以自己的两手握住两方的臂梢端（指示部），直接且同时移动两方的臂以此进行示教。借助于此，可对双臂机械手直观地示教臂不会互相干涉的轨道。进而，无需以往的直接示教所必需的专用传感器等，可将系统低价地构成；

也可以是，各所述臂具备驱动各所述关节轴的伺服马达，所述控制装置在伺服关闭所述伺服马达且解除制动器的状态下取得所述示教点。

根据上述结构，利用臂的反向驱动，以此示教者容易使两方的臂移动，因此示教作业变容易。又，伺服马达关闭并解除制动器，因此可完全排除机械手失控的可能性，可确保安全性。例如，伺服马达可为直接驱动马达，亦可具备DC马达及低减速比的传递机构。借助于此，臂的反向驱动良好地作用。

也可以是，所述控制装置进一步具备：用于伺服关闭各所述臂的所述伺服马达且解除制动器的第一操作键；和用于将由各所述臂的所述指示部所指示的坐标点作为示教点记录的第二操作键。

根据上述结构，示教者可借助第一操作键开始臂的示教动作，并在任意的点借助第二操作键记录示教点。借助于此，示教动作变容易。

所述第一操作键及第二操作键设于各所述臂亦可；

根据上述结构，示教者容易以两手进行键操作，因而示教动作变容易。所述第一操作键及第二操作键设于各所述指示部或该指示部的附近亦可。

根据上述结构，容易操作键，因此可良好地示教示教点。

也可以是，各所述臂进一步具备：以作为支点的第一关节轴的铅垂旋转轴线为中心相对于所述机械手主体转动自如地被支持的第一连杆；以作为支点的第二关节轴的水平旋转轴线为中心相对于所述第一连杆转动自如地被支持的第二连杆；和借助将与重力相反方向的力作用于所述第二连杆来使所述第二连杆相对于所述第一连杆静止的自重补偿机构。

根据上述结构，示教中示教者作用的臂的自重负荷被减轻，因此示教变容易。例如自重补偿机构亦可为拉伸弹簧、配重、或辅助连杆。

亦可以是所述机械手主体包含具有梢端分开规定的间隔往左右分叉的分叉部的支柱，包含所述两个臂的各自的基端的第一连杆，以作为支点的第一关节轴的旋转轴线为中心相对于所述支柱的分叉部转动自如地被支持。

根据上述结构，机械手主体的支柱梢端分叉，因此两个臂的第一关节轴之间产生空间，可消除遮蔽示教者的视线之物。借助于此，示教者的视野扩大，示教动作变容易。

也可以是，所述第一关节轴的第一旋转轴线与所述支柱的中心轴平行，进一步具备第二连杆与自重补偿机构，所述第一连杆以所述第一关节轴的第一旋转轴线为中心相对于所述支柱的分叉部在水平方向转动自如地以垂吊状态被支持，所述第二连杆以具有与所述支柱的中心轴垂直的旋转轴线的第二关节轴为中心相对于所述第一连杆在垂直方向转动自如地被支持，所述自重补偿机构，借助将与重力相反方向的力作用于所述第二连杆，使所述第二连杆相对于所述第一连杆以相对于所述第一连杆的旋转轴成大致90度的角度静止。

根据上述结构，各臂中借助自重补偿机构而相对于第一连杆被维持在大致水平方向的角度的第二连杆，与第一连杆一起在水平方向转动，因此第一连杆及第二连杆的下方产生空间，示教者两肩可插入该空间，以此使机械手的臂和示教者的肩的轴关节位置大致一致。借助于此，示教动作变容易。

根据本发明的其他的形态，双臂机械手的示教方法，是具有多个连杆借助关节轴连结而成的两个臂及设于所述两个臂的各自的梢端、形成为指示空间中的坐标点且示教者能把持的两个指示部的双臂机械手的示教方法，通过由示教者以两手直接且同时将所述两个指示部移动而所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对所述双臂机械手示教。

发明效果：

根据本发明，能够直观且容易地进行双臂机械手的示教作业。

本发明的上述目的、其他目的、特征及优点，可参见附图由以下较佳实施形态的详细说明而更为清楚。

附图说明

图1是示出根据本实施形态的双臂机械手的示教系统的大致结构的主视图；

图2是示意性地示出图1的双臂机械手的右臂的关节构造的图；

图3是示出图1的控制装置的结构的框图；

图4是示出图1的双臂机械手的示教方法的流程的一示例的流程图；

图5是从斜前方观察示教者对图1的双臂机械手示教的状况的立体图；

图6是从斜后方观察示教者对图1的双臂机械手示教的状况的立体图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施形态。以下，对所有附图中相同或相当的要素使用相同符号，省略重复说明。

图1是示出根据一实施形态的双臂机械手的示教系统的大致结构的主视图。如图1所示，机械手示教系统1具备：双臂机械手2，和经由控制线3a连接于双臂机械手2的控制装置3。同图中是以双臂机械手2的前方向与纸面上方向一致的方式来说明。

［双臂机械手］

双臂机械手2具备：机械手主体10、设于机械手主体10的右侧的右臂4R、设于机械手主体10的左侧的左臂4L。

机械手主体10具备：支柱10A、和设置于地面且支持支柱10A的架台10B。支柱10A具有：梢端分开规定的间隔往左右分叉的分叉部10R及10L。机械手主体10的后侧配置有示教者用的座椅11。示教者坐在座椅11上进行双臂机械手2的示教作业。

右臂4R是由多个连杆借助关节轴连结而成。右臂4R的梢端设有指示部5R。指示部5R指示空间中的坐标点且形成为示教者可把持的结构。

左臂4L是由多个连杆借助关节轴连结而成。左臂4L的梢端设有指示部5L。指示部5L指示空间中的坐标点且形成为示教者可把持的结构。本实施形态形成为左右的臂4L、4R相对于机械手主体10的支柱10A的中心轴10a左右对称的结构。

以下说明右臂4R的具体结构。图2是示意性地示出右臂4R的关节构造的图。如图2所示，右臂4R是由4种连杆（15～18）借助7个关节轴（21～27）连结而成，其梢端设有指示部5R。

以与第一关节轴21、第二关节轴22、第四关节轴24、第五关节轴25、第六关节轴26、第七关节轴27分别对应的形式，分别设有驱动用的伺服马达、对伺服马达的旋转进行制动的制动器、及检测伺服马达的旋转角度位置的位置传感器（均未图示）。同图中，以斜线表示多个关节轴中的驱动轴。本实施形态中，伺服马达可为直接驱动马达，亦可具备DC马达及低减速比的传递机构。位置传感器例如是编码器。制动器例如是藉由供电而被励磁以解除制动器、相反地若未被励磁则制动器有效的励磁驱动式电磁制动器。

第一连杆15是长度方向的一端经由第一关节轴21连结于支柱10A（图1）的分叉部10R、长度方向的另一端经由一对第二关节轴22连结于第二连杆16。第一连杆15以第一关节轴21的第一旋转轴线21a为中心相对于支柱的分叉部10R在水平方向转动自如地以垂吊状态被支持。在此，第一关节轴21的第一旋转轴线21a与支柱10A的中心轴10a（图1）平行。

第二连杆16由一对互相平行的第二连杆构件16a、16b构成，该一对第二连杆构件16a、16b的长度方向的一端分别经由一对第二关节轴22连结于第一连杆15，一对第二连杆构件16a、16b的长度方向的另一端分别经由一对第三关节轴23分别连结于第三连杆17。第二连杆16，以具有与支柱10A的中心轴10a（图1）垂直的旋转轴线的第二关节轴22为中心、相对于第一连杆15在垂直方向转动自如地被支持。又，第三连杆17的长度方向的一端经由一对第三关节轴23、23连结于第二连杆16。

因此，构成第二连杆16的一对互相平行的第二连杆构件16a、16b，一对第二关节轴22、22，一对第三关节轴23、23构成平行连杆机构。仅一对第二关节轴22、22中的一方的关节轴为驱动轴，一对第二关节轴22、22中的另一方的关节轴与一对第三关节轴23为从动轴。

因此，第三连杆17是只要第一连杆15及第二连杆16的姿势确定就唯一确定。在此，一对第二关节轴22、22及一对第三关节轴33、33分别配置于铅垂方向，因此第三连杆17一边维持该唯一确定的姿势，一边在上述平行连杆所规定的铅垂面内移动。又，右臂4R具备：借助使与重力相反方向的力作用于第二连杆16来使第二连杆16相对于第一连杆15静止的自重补偿机构28。自重补偿机构28，在本实施形态中由拉伸弹簧构成，但由配重或辅助连杆构成亦可。自重补偿机构28的一端连接于第一连杆15，另一端连接于第三关节轴。借助于此，可使第二连杆16相对于第一连杆15以相对于第一连杆的旋转轴即第一旋转轴线21a成大致90度的角度静止。

第三连杆17的长度方向的另一端经由第四关节轴24连结于第四连杆18。

第四连杆18的长度方向的一端经由第四关节轴24连结于第三连杆17。第四连杆18以第四关节轴24的第四旋转轴线24a为中心相对于第三连杆17在水平方向转动自如地被支持。在此，第四关节轴24的第四旋转轴线24a与第一关节轴21的第一旋转轴线21a平行。

第四连杆18的长度方向的另一端经由第五关节轴25、第六关节轴26及第七关节轴27连结于指示部5R。

第六关节轴26以第五关节轴25的第五旋转轴线25a为中心相对于第四连杆18转动自如地被支持。在此，第五关节轴25的第五旋转轴线25a与第一旋转轴线21a及第四旋转轴线24a垂直。即，在此，第五旋转轴线25a是水平的旋转轴线。

指示部5R长度方向的一端连结于第七关节轴。指示部5R以第七关节轴27的第七旋转轴线27a为中心相对于第六关节轴26转动自如地被支持。在此，第六关节轴的旋转轴线26a垂直于第五旋转轴线25a，第七关节轴27的旋转轴线27a垂直于第六旋转轴线26a。

因此，指示部5R相对于第四连杆18可向任意的方向转动，可采取任意的姿势。

指示部5R由棒状的把持部50、和指示空间中的坐标点的梢端部51构成。把持部50设有操作许可按钮52a、52b和位置记录按钮53。这并不限于按钮，也可以是其他的操作键。

操作许可按钮52a、52b是用来开始示教操作的操作键。操作许可按钮52a是用来伺服关闭第一关节轴21～第六关节轴26所有伺服马达且解除制动器的按钮。操作许可按钮52b是用来伺服关闭主体10侧的第一关节轴21～第三关节轴23这三个轴的伺服马达且解除制动器的按钮。借助于采用操作许可按钮52b，可在将臂的手端（指示部5R、5L）的姿势固定的状态下调整臂位置。又，借助于按压操作许可按钮52a和52b两者，伺服关闭臂的梢端侧的第四关节轴24～第六关节轴26这三个轴的伺服马达且解除制动器。借助于此，可在将臂位置固定的状态下调整手端（指示部5R、5L）的姿势。又，操作许可按钮52b亦可设于第四连杆18或第五连杆19。

位置记录按钮53是用来将指示部5R所指示的坐标点作为示教点记录的操作键。此等按钮设于指示部5R附近亦可。借助于此，示教者容易以两手操作按钮因而使示教动作变得容易。

在此，空间中的坐标点以如下方式算出。例如关于双臂机械手2的右臂4R的基准坐标系（以下称为基础坐标系）如图2所示，支柱的分叉部10R的底面与第一关节轴21的第一旋转轴线21a的交点为原点，第一关节轴21的第一旋转轴线21a为Z轴，与Z轴正交的任意的轴为X轴，与Z轴及X轴正交的轴为Y轴。以该基础坐标系作为基准，借助于预先存储第一关节轴21～第六关节轴26的角度位置、构成右臂4R的连杆15～19及指示部5R的尺寸等，能够算出由指示部5R的梢端部51所指示的三维空间上的坐标点P1（x,y,z）。

［控制装置］

图3是示出控制装置3的结构的框图。如图3所示，控制装置3具备：计算部31、存储部32、伺服控制部35。控制装置3是具备例如微控制器等的计算机的机械手控制器。本实施形态中，机械手控制器具备双臂机械手2的示教功能。控制装置3不限于单一的装置，亦可以是由包含机械手控制器的多个装置构成。控制装置3经由通信接口（未图示）连接于操作许可按钮52a、52b及位置记录按钮53，接收来自各操作键的指令信号。

存储部32存储作为机械手控制器的基本程序、机械手的示教程序、连杆的尺寸、示教点、示教动作等的信息。

计算部31进行用于机械手控制的计算处理。计算部31形成为实现包括控制指令生成部40、示教点取得部41、动作生成部42的各功能块（作为各功能块动作）。控制指令生成部40生成机械手2的控制指令，将其输出至伺服控制部35。示教点取得部41算出由空间中的右臂4R及左臂4L的两个指示部5R及5L所指示的两个坐标点，作为各自示教点取得。动作生成部42生成与由示教点取得部41所取得的示教点对应的两个臂的动作（以下，仅称为动作）。

伺服控制部35形成为基于由计算部31所生成的控制指令，控制机械手2的关节轴21～26的各轴的动作。

借助如上结构，控制装置3从操作许可按钮52a及52b的至少一方接收操作许可信号后，控制指令生成部40基于操作许可信号生成控制指令并输出至伺服控制部35。伺服控制部35基于控制指令控制为伺服关闭关节轴的伺服马达且解除制动器的状态。进而控制装置3从位置记录按钮53接收位置记录信号后，示教点取得部41算出由指示部5R、5L所指示的坐标点，作为各自的示教点记录。之后，动作生成部42生成与由示教点取得部41所取得的示教点对应的动作。也就是生成机械手动作的序列程序（sequence program）。

接着，用图4～图6说明双臂机械手2的示教方法。图4是示出双臂机械手2的示教方法的流程的一示例的流程图。图5及图6是从斜前方及斜后方观察示教者对双臂机械手2的示教状况的立体图。

示教者如图5及图6所示，以左右两手把持各臂的指示部5L、5R的把持部50，坐在座椅11上进行双臂机械手2的示教作业。在此为了节省空间，座椅11之下容纳有控制装置3。又，如图5所示，机械手主体10的支柱10A的梢端通过分叉部10L，10R而分叉，因此臂4R的第一关节轴21与臂4L的第一关节轴21之间产生空间，没有遮蔽示教者的视线之物。借助于此示教者的视野扩大，示教作业变容易。

接着，示教者可借助于按压操作许可按钮52a、52b中的任意一个而开始示教作业。控制装置3伺服关闭各臂所对应的轴的伺服马达且解除制动器（步骤S1）。借助于此，示教者利用各臂的反向驱动（back drive），容易移动两方的臂。又，关闭伺服马达并解除制动器，因此可完全排除机械手失控的可能性，可确保安全性。又，由自重补偿机构28（参见图2）而使示教者所作用的臂的自重负荷被减轻，因此示教变容易。

接着，示教者利用臂的反向驱动，以两手直接且同时移动两个指示部5R、5L（步骤S2）。如图5及图6所示，臂4R、4L中借助于自重补偿机构28（参见图2）而相对于第一连杆15被维持为大致水平方向的角度的第二连杆16，与第一连杆15一起在水平方向转动，因此第一连杆15及第二连杆16的下方产生空间，示教者可将双肩插入该空间。借助于此，可使双臂机械手2的臂4R、4L与示教者的肩的轴关节位置大致一致，示教动作变容易。

接着，控制装置3基于臂的反向驱动动作算出指示部5R、5L在空间中的位置。

接着，示教者借助于在任意点按压指示部5R、5L的位置记录按钮53，控制装置3将由指示部5R、5L所指示的坐标点作为示教点记录（步骤S4）。在此，按压指示部5R、5L其中一方的位置记录按钮53会同时记录两个臂4R、4L的示教点。借助于此，可同步记录两个臂的4R、4L示教点。

示教者重复上述步骤S2～S4直至示教动作所必需的示教点被记录（步骤S5）。控制装置3在示教点的记录结束的情况下，生成与这些示教点对应的动作（机械手动作的序列程序）（步骤S6），保存示教动作（动作轨迹）后结束（步骤S7）。如上述，示教作业仅以臂侧的操作即结束，因此示教者在作业中没有操作其他用户界面（机械手控制器，PC等）的必要。

因此，根据本实施形态，可将由示教者以两手直接且同时移动两个指示部5R、5L所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对双臂机械手2示教。借助于此，可对双臂机械手2直观地示教两个臂不会互相干涉的轨道。进而，无需以往的直接示教所必需的专用传感器等，可将系统低价地构成。

又，被示教的机械手臂动作与人类的手臂的动作大致一致。其结果是，生产现场的管理者可一目了然地了解机械手在进行何种作业，作业的进展到何种程度。

又，本实施形态中，操作许可按钮52与位置记录按钮53设于各臂的指示部5R、5L的把持部50或指示部5R、5L附近，但亦可配置于机械手以外的地面。以两手移动臂同时以脚来实行键操作亦可。

根据上述说明，本领域技术人员明了本发明较多的改良和其他实施形态。因此，上述说明应只作为示例来解释，是以向本领域技术人员教导实施本发明的最优形态为目的而提供的。在不脱离本发明的精神的情况下，可实质性地变更其结构及功能的一方或双方的具体内容。

工业实用性

本发明可用于双臂机械手的动作示教。

符号说明

1 机械手示教系统

2 双臂机械手

3 控制装置

4R、4L 右臂、左臂

5R、5L 指示部（右）、指示部（左）

10 机械手主体

10A 支柱

10B 架台

10R、10L 分叉部（右）、分叉部（左）

11 座椅

15～18 第一连杆～第四连杆

21～27 第一关节轴～第七关节轴

28 自重补偿机构

30 伺服马达

31 计算部

32 存储部

35 伺服控制部

40 控制指令生成部

41 示教点取得部

42 动作生成部

50 把持部

51 梢端部

52a、52b 操作许可按钮（第一操作键）

53 位置记录按钮（第二操作键）。

Claims (9)

1.一种双臂机械手的示教系统，其特征在于，

具备：

双臂机械手，该双臂机械手具有机械手主体、多个连杆借助关节轴连结而成的两个臂及设于所述两个臂的各自的梢端、形成为指示空间中的坐标点且示教者能把持的两个指示部；和

控制装置，该控制装置将由示教者以两手直接且同时移动所述两个指示部所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对所述双臂机械手示教；

所述机械手主体具有梢端分开规定的间隔往左右分叉而构成的右分叉部及左分叉部，所述右分叉部与所述左分叉部之间产生空间；

在所述两个臂从所述机械手主体向前面突出的状态下，所述示教者从所述机械手主体的背后以两手直接且同时移动所述两个指示部，从而示教在所述机械手主体前面进行的作业。

2.根据权利要求1所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

各所述臂具备驱动各所述关节轴的伺服马达，

所述控制装置在伺服关闭所述伺服马达且解除制动器的状态下取得所述示教点。

3.根据权利要求2所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

所述控制装置进一步具备：

用于伺服关闭各所述臂的所述伺服马达且解除制动器的第一操作键；和

用于将由各所述臂的所述指示部所指示的坐标点作为示教点记录的第二操作键。

4.根据权利要求3所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

所述第一操作键及第二操作键设于各所述臂。

5.根据权利要求4所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

所述第一操作键及第二操作键设于各所述指示部或该指示部的附近。

6.根据权利要求1或2所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

各所述臂进一步具备：

以作为支点的第一关节轴的铅垂旋转轴线为中心相对于所述双臂机械手的机械手主体转动自如地被支持的第一连杆；

以作为支点的第二关节轴的水平旋转轴线为中心相对于所述第一连杆转动自如地被支持的第二连杆；和

借助将与重力相反方向的力作用于所述第二连杆来使所述第二连杆相对于所述第一连杆静止的自重补偿机构。

7.根据权利要求1或2所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

所述双臂机械手的机械手主体包含：具有梢端分开规定的间隔往左右分叉的分叉部的支柱，

包含所述两个臂的各自的基端的第一连杆，以作为支点的第一关节轴的旋转轴线为中心相对于所述支柱的分叉部转动自如地被支持。

8.根据权利要求7所述的双臂机械手的示教系统，其特征在于，

所述第一关节轴的第一旋转轴线与所述支柱的中心轴平行，

进一步具备第二连杆与自重补偿机构，

所述第一连杆以所述第一关节轴的第一旋转轴线为中心相对于所述支柱的分叉部在水平方向转动自如地以垂吊状态被支持，

所述第二连杆以具有与所述支柱的中心轴垂直的旋转轴线的第二关节轴为中心相对于所述第一连杆在垂直方向转动自如地被支持，

所述自重补偿机构，借助将与重力相反方向的力作用于所述第二连杆，使所述第二连杆相对于所述第一连杆以相对于所述第一连杆的旋转轴成大致90度的角度静止。

9.一种双臂机械手的示教方法，是具有机械手主体、多个连杆借助关节轴连结而成的两个臂及设于所述两个臂的各自的梢端、形成为指示空间中的坐标点且示教者能把持的两个指示部的双臂机械手的示教方法，其特征在于，

是如下的双臂机械手的示教方法：所述机械手主体具有梢端分开规定的间隔往左右分叉而构成的右分叉部及左分叉部，所述右分叉部与所述左分叉部之间产生空间；

通过由示教者以两手直接且同时将所述两个指示部移动而所指示的坐标点作为示教点取得，并以与取得的示教点对应的动作对所述双臂机械手示教；

在所述两个臂从所述机械手主体向前面突出的状态下，所述示教者从所述机械手主体的背后以两手直接且同时移动所述两个指示部，从而示教在所述机械手主体前面进行的作业。

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