CN107796354A - 偏转角检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种偏转角检测装置，包括输入轴编码器40、附接至减速器30的输出轴31的盘51、具有检测元件52(52A、52B和52C)的输出轴编码器50，所述检测元件相对于盘设置在相互不同的位置处并检测盘的角位置。基于输入轴编码器40检测的输入轴的角位置计算输出轴的基本角位置，基于多个检测元件52检测的盘的角位置计算输出轴的第一角位置、第二角位置和第三角位置，基于分别作为基本角位置与第一角位置、第二角位置和第三角位置之间的差值的第一差值、第二差值和第三差值以及检测元件相对于盘的位置来计算输出轴的偏转角。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测机器人等的旋转轴的偏转角的偏转角检测装置。
背景技术
通常，存在这样一种装置，该装置通过首先从与机器人的手位置命令值对应的机器人的姿态获得施加于各个旋转轴的关节扭矩，并且通过使用示出关节扭矩与偏转角之间的关系的位移模型来从关节扭矩获得机器人的每个旋转轴的偏转角(参照专利文献1：日本专利申请特开平4-233602号公报)。
然而，在专利文献1所记载的装置中，当位移模型中的关节扭矩和偏转角之间的关系偏离实际关系或当外力作用在机器人的旋转轴上时，不能精确地获得偏转角。
此外，虽然也可以想到用高性能照相机或专用偏转角传感器检测偏转角，但是需要新增高精度传感器等，并且对现有配置的变化变大。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够在抑制现有配置变化的同时精确地检测偏转角的偏转角检测装置。
根据第一方面的偏转角检测装置包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有设置在相对于所述盘的不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件。所述偏转角检测装置还包括：基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置；以及第三角位置计算器，基于由所述第三检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第三角位置。所述偏转角检测装置还包括：差值计算器，计算第一差值、第二差值、和第三差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由所述第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为所述基本角位置与由所述第三角位置计算器计算的第三角位置之间的差值；以及偏转角计算器，基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值以及所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算所述输出轴的偏转角。
根据上述配置，通过输入轴编码器检测减速器的输入轴的角位置。此外，在输出轴编码器中，通过相对于附接至减速器的输出轴的盘设置在互不相同的位置处的第一、第二和第三检测元件分别检测盘的角位置。
然后，基本角位置计算器基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置。可以基于输入轴的角位置和减速器的减速比来计算输出轴的角位置。该基本角位置对应于输出轴在不受偏转和弹性变形引起的扭转的影响的状态下的角位置。第一角位置计算器、第二角位置计算器和第三角位置计算器基于由第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件分别检测的盘的角位置计算作为输出轴的角位置的第一角位置、第二角位置和第三角位置。此外，通过差值计算器计算第一差值、第二差值和第三差值，所述第一差值为计算的基本角位置与第一角位置之间的差值，所述第二差值为计算的基本角位置与计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为基本角位置和第三角位置之间的差值。
这里，当输出轴偏转并倾斜或者输出轴通过弹性变形而扭转时，附接至输出轴的盘与用于检测盘的角位置的多个检测元件之间的相对位置发生变化。然后，第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件相对于盘设置在不同位置处。因此，当附接至输出轴的盘由于输出轴的偏转而倾斜时，计算的第一差值、第二差值和第三差值变得互不相同。这些第一、第二、第三差值以及第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件相对于盘的位置、输出轴31的偏转角、偏转方向以及由于弹性变形引起的扭转角具有相关性，并且在它们之间建立关系表达式。第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件相对于盘的位置是已知的，并且对各个第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件建立计算的差值与偏转角、偏转方向以及由于输出轴的弹性变形引起的扭转角之间的关系。即，关系表达式的数量等于或大于未知状态量(偏转角、偏转方向以及由于弹性变形引起的扭转角)。因此，可以基于计算的第一差值、第二差值、第三差值以及第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件相对于盘的位置来计算输出轴的偏转角。
结果，即使当外力作用在输出轴上时，仅通过增加输出轴编码器的检测元件的数量，就可以基于输入轴编码器的检测元件和输出轴编码器的三个检测元件检测的角位置来检测输出轴的偏转角。因此，能够在抑制现有配置发生变化的同时精确地检测偏转角。
根据第二方面的偏转角检测装置包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有相对于所述盘设置在不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件。所述偏转角检测装置还包括：基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；以及第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置。所述偏转角检测装置还包括：差值计算器，计算第一差值和第二差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值之间的差值；以及偏转角计算器，假定由于输出轴的弹性变形引起的扭转没有影响，所述偏转角计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值和所述第二差值以及所述第一检测元件和所述第二检测元件相对于所述盘的位置来计算所述输出轴的偏转角。
根据第三方面的偏转角检测装置包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器以及具有盘和检测所述盘的角位置的第一检测元件的输出轴编码器。所述偏转角检测装置还包括：基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；差值计算器，计算第一差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值；以及偏转角分量计算器，假定由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转没有影响，所述偏转角分量计算器基于由所述差值计算器计算的第一差值以及所述第一检测元件相对于所述盘的位置计算所述输出轴相对于预定方向的偏转角分量。
根据的第四方面的偏转角检测装置包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有相对于所述盘设置在不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件。所述偏转角检测装置还包括：基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第一检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第二检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置；以及第三角位置计算器，基于由所述第三检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第三角位置。所述偏转角检测装置还包括：差值计算器，计算第一差值、第二差值和第三差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为所述基本角位置与由所述第三角位置计算器计算的第三角位置之间的差值；以及偏转角计算器，基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值来计算所述输出轴的偏转角。
附图说明
在附图中：
图1示出机器人和机器人控制器的关节的示意图；
图2示出根据第一实施例的机器人和机器人控制器的框图；
图3是示出根据第一实施例的输出轴的偏转角、偏转方向和扭转角的计算流程图；
图4示出在输出轴没有偏转的状态下检测的角位置的示意图；
图5示出在输出轴偏转的状态下检测的角位置的示意图；
图6示出输出轴编码器的检测元件的位置的透视图；
图7示出输出轴编码器的检测元件的位置的投影图；
图8示出输出轴偏转前后的检测的角位置的透视图；
图9示出输出轴偏转前后的检测的角位置的投影图；
图10示出在输出轴偏转并扭转前后的检测的角位置的透视图；
图11示出在输出轴偏转并扭转前后的检测的角位置的投影图；
图12示出第一实施例中的偏转方向、偏转量和扭转角之间的关系的投影图；
图13是示出根据第一实施例的变形例的输出轴的偏转角的计算流程图；
图14是示出施加到输出轴的力矩与偏转角之间的关系的图；
图15是示出根据第二实施例的机器人和机器人控制器的框图；
图16是示出根据第二实施例的输出轴的偏转角和偏转方向的计算流程图；
图17是示出第二实施例中的偏转方向与偏转量的关系的投影图；
图18是示出根据第三实施例的机器人和机器人控制器的框图；
图19是示出根据第三实施例的输出轴的偏转角的计算流程图；
图20是示出输出轴与检测元件之间的位置关系的投影图；
图21示出臂的重心、输入角与偏转角之间的关系的曲线图；并且
图22示出预定构件的纵向方向、盘的位置和检测元件的投影图。
具体实施方式
[第一实施例]
以下，参照附图对第一实施例进行说明。本实施例是用于检测连接关节机器人的旋转轴的关节中的旋转轴的偏转角的偏转角检测装置。
如图1和图2所示，机器人1的关节10的操作状态由机器人控制器80控制。关节10包括外壳11、电机20、减速器30、输入轴编码器40、输出轴编码器50等。
外壳11附接到机器人1的预定旋转轴(基端侧的旋转轴，未示出)。电机20和减速器30固定至外壳11。电机20的驱动轴是用于向减速器30输入旋转的输入轴21。电机20的驱动状态由机器人控制器80控制。用于检测输入轴21的角位置的输入轴编码器40附接至电机20。应当注意，减速器30可以固定至电机20。
输入轴编码器40包括盘41、检测元件42等。盘41同心地附接至输入轴21。检测元件42安装在输入轴编码器40的壳体上。检测元件42设置为面对盘41的检测面的外周边缘部的预定位置。检测元件42检测与盘41的角位置对应的ON/OFF信号。由检测元件42检测的ON/OFF信号(即，角位置)被输入到机器人控制器80。可以采用透射型光学编码器、反射型光学编码器、磁性编码器等作为输入轴编码器40。
减速器30以预定的减速比使输入轴21的旋转减速，并且将该旋转输出为输出轴31的旋转。机器人1的预定旋转轴(远端侧的旋转轴，未示出)附接至输出轴31。可以采用波动齿式减速器、行星齿轮式减速器等作为减速器30。用于检测输出轴31的角位置的输出轴编码器50附接到外壳11或减速器30。
输出轴编码器50包括盘51、多个检测元件52(第一检测元件52A、第二检测元件52B、第三检测元件52C)等。盘51同心地附接至输出轴31。多个检测元件52附接至输出轴编码器50的壳体。多个检测元件52中的每一个设置为面对盘51的检测表面的外周边缘部分上的各预定位置。多个检测元件52中的每一个分别检测与盘51的角位置对应的ON/OFF信号。由多个检测元件52检测的ON/OFF信号(即，角位置)被输入到机器人控制器80。可以采用透射型光学编码器、反射型光学编码器、磁性编码器等作为输出轴编码器50。下文将描述多个检测元件52的位置的细节。
输入轴21、盘41、输出轴31和盘51同心地配置。即，输入轴21、盘41、输出轴31和盘51的中心线在轴线C1上彼此重合。
这里，将参考图3描述输出轴31的偏转角、偏转方向和扭转角的计算流程。尽管没有详细描述，机器人控制器80是包括CPU、ROM、RAM、输入/输出端口、驱动电路等的微型计算机。机器人控制器80从诸如输入轴编码器40和输出轴编码器50的各种传感器接收检测值，并且控制诸如电机20的各种致动器的驱动状态。机器人控制器80基于由输入轴编码器40的检测元件42检测到的ON/OFF信号来计算盘41，即输入轴21的角位置(图3的S100，下文同样适用)。然后，机器人控制器80的基本角位置计算器80A基于输入轴21的角位置和减速器30的减速比来计算输出轴31的基本角位置(S110)。该基本角位置对应于输出轴31在不受由偏转和弹性变形引起的扭转的影响的状态下的角位置。此外，基于由多个检测元件52(第一、第二和第三角位置S120)检测到的ON/OFF信号，机器人控制器80的第一角位置计算器80B1、第二角位置计算器80B2以及第三角位置计算器80B3计算盘51(即，输出轴31)的第一、第二和第三角位置(S130)。应当注意，输入轴编码器40、输出轴编码器50和机器人控制器80构成偏转角检测装置。
图4是示出在输出轴31没有偏转的状态下由第三检测元件52C检测的角位置的示意图。第三检测元件52C检测与由箭头S1指示的盘51的位置对应的ON/OFF信号。然后，盘51的角位置被检测为与在由双线指示的角位置与第三检测元件52C相对的状态下的角位置，即，与双线指示的角位置对应的角位置。
图5是示出在输出轴31偏转的状态下由第三检测元件52C检测的角位置的示意图。这里，以输出轴31在箭头L1的方向上偏转了偏转角β的状态为例进行说明。顺便提及，在包括本发明的附图中，偏转角β被夸大。
类似于图4，第三检测元件52C检测与由箭头S1指示的盘51的位置对应的ON/OFF信号。然后，盘51的角位置被检测为与在由实线双线指示的角位置与第三检测元件52C相对的状态下的角位置，即，被检测为与实线双线指示的角位置对应的角位置。这里，由虚线双线指示的角位置是图4中的双线指示的角位置。因此，在输出轴31未偏转的状态下由第三检测元件52C检测的盘51的角位置和在输出轴31偏转的状态下由第三检测元件52C检测的盘51的角位置将发生偏离。
图6和图7分别是示出输出轴编码器50的多个检测元件52(第一检测元件52A、第二检测元件52B、第三检测元件52C)的位置的透视图和投影图。将输出轴31的中心线与Z轴重合的状态并且上面设置有多个检测元件52的平面(对应于预定平面)与XY平面重合作为实例进行描述。图7是图6的Z轴方向的投影图。
上面设置有多个检测元件52的平面(XY平面)和盘51的检测表面平行。多个检测元件52中的每一个被布置为面对盘51的检测表面的外周边缘部分上的相应的预定位置。具体而言，相对于X轴逆时针方向，第一检测元件52A设置在角α1的位置，第二检测元件52B设置在角α2的位置，并且第三检测元件52C设置在角α3的位置。多个检测元件52沿着盘51的圆周方向等间隔地设置，具体地以120°间隔设置。即,α3-α2＝α2-α1＝120°。
在这种状态下，通过多个检测元件52将盘51的角位置检测为与角α1、α2和α3的位置处的虚线指示的角位置相对应的角位置。即，多个检测元件52相对于盘51设置在彼此不同的位置处，以分别检测盘51的角位置。
图8和9分别是示出了在输出轴31偏转之前和之后分别由多个检测元件52检测的角位置的透视图和投影图。这里，将通过举例说明输出轴31在箭头L1的方向上，即在与X轴形成角θd的方向上偏转的状态。在图9的XY平面中，即，在图8的Z轴方向上的投影面中，将盘51的中心(坐标原点)在角θd的方向上的位移量定义为输出轴31的偏转量d。X轴和Y轴分别移动到Xb轴和Yb轴。输出轴31偏转前的状态用虚线表示，输出轴31偏转后的状态用实线表示。
如图9所示，盘51从虚线指示的圆移动到由实线指示的圆。此时，在输出轴31偏转之前由多个检测元件52检测到的各角位置(虚线圆中的虚线指示的各半径)平移偏转量d，并且分别移动到实线圆中的虚线指示的角位置。另一方面，由于多个检测元件52附接至输出轴编码器50的壳体，所以即使输出轴31偏转，它们也不移动。为此，在输出轴31偏转之前由多个检测元件52检测到的角位置和在输出轴31偏转之后由多个检测元件52检测到的角位置彼此发生偏离。
在输出轴31偏转后，在该状态下对应于多个检测元件52的角位置，即，与实线圆中的实线指示的各半径的角位置对应的角位置分别由多个检测元件52检测。因此，在输出轴31偏转之前基于由多个检测元件52检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的第一、第二和第三角位置与在输出轴31偏转之后基于由多个检测元件52检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的第一、第二和第三角位置之间将发生角Δθ11、Δθ21和Δθ31的偏差。
图10和11分别是示出了在输出轴31偏转并扭转之前和之后分别由多个检测元件52检测的角位置的透视图和投影图。这里，将输出轴31由于弹性变形而从图8和图7的状态进一步如箭头L2指示的逆时针扭转逆时针扭转角Δθz作为实例进行描述。输出轴31偏转或扭转前的状态用虚线表示，输出轴31偏转并扭转后的状态用实线表示。
如图11所示，盘51从虚线指示的圆移动到由实线指示的圆。此时，在输出轴31偏转或扭转之前分别由多个检测元件52检测的角位置(由虚线圆中的虚线表示的各半径)平移偏转量d，并且旋转扭转角Δθz，并且角位置分别移动至由实线圆上的单点划线指示的角位置。相比之下，由于多个检测元件52附接至输出轴编码器50的壳体，所以即使输出轴31偏转或扭转，它们也不移动。为此，在输出轴31偏转或扭转之前由多个检测元件52检测到的角位置和在输出轴31偏转并扭转之后由多个检测元件52检测到的角位置彼此发生偏离。
在输出轴31偏转并扭转后，在该状态下对应于多个检测元件52的角位置，即，与实线圆中的实线指示的各半径的角位置对应的角位置分别由多个检测元件52检测。因此，在输出轴31偏转或扭转之前基于由多个检测元件52检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的第一、第二和第三角位置与在输出轴31偏转并扭转之后基于由多个检测元件52检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的第一、第二和第三角位置之间将发生角Δθ12、Δθ22和Δθ32的偏差。
图12是示出偏转方向(角θd)、偏转量d和扭转角Δθz之间的关系的投影图。这里，注意图11中的第一检测元件52A，建立以下关系表达式。在图12的投影图中R是从盘51的中心(输出轴31)到第一检测元件52A的距离。
即，建立tan(α1+Δθ12+Δθz)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)。类似地，对于第二检测元件52B和第三检测元件52C，建立tan(α2+Δθ22+Δθz)＝(R sinα2-dsinθd)/(R cosα2-d cosθd)和tan(α3+Δθ32+Δθz)＝(R sinα3-d sinθd)/(R cosα3-Dcosθd)。然后，通过将这三个关系表达式作为联立方程求解，可以获得角θd、偏转量d和扭转角Δθz。此外，由于从图8所示的位置已知从原点到盘51的中心的距离D1，所以如果获得偏转量d，则可以获得偏转角β。即，建立关系表达式sinβ＝d/D1。应当理解，在上述关系表达式中，由于使用了在预定平面上的投影，因此包括近似计算。然而，由于偏转角β是非常小的角度，因此近似计算的误差很小，并且通过使用近似计算来减少计算负荷(calculationload)的效果是主要的。
如上所述，基于由输入轴编码器40的检测元件42检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的基本角位置对应于输出轴31在不受由于偏转和弹性变形引起的扭转的影响的状态下的角位置。因此，基本角位置可以用作与在输出轴31偏转或扭转之前基于多个检测元件52检测的ON/OFF信号计算的输出轴31的第一、第二和第三角位置对应的角位置。
然后，机器人控制器80的差值计算器80C计算第一差值，所述第一差值为基本角位置与基于由第一检测元件52A检测到的角位置计算的第一角位置之间的差值(S140)。类似地，机器人控制器80计算第二差值和第三差值，所述第二差值为基本角位置与基于由第二检测元件52B检测的角位置计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为基本角位置与基于由第三检测元件52C检测的角位置计算的第三角位置之间的差值(S140)。第一差值、第二差值和第三差值分别对应于角度Δθ12、Δθ22和Δθ32。因此，机器人控制器80的偏转角(偏转方向、扭转角)计算器80D1根据上述关系表达式计算偏转方向角θd、偏转角β和扭转角Δθz(S150)。应当注意，以表示多个检测元件52中的每一个相对于盘51的位置的角α1、α2、α3作为基准，第一角位置、第二角位置和第三角位置可以计算为距该基准的角位置。附带地讲，计算出作为基本角位置与基于由每个检测元件52检测的角位置计算的每个角位置之间的差值的差值，并且基于该差值，在上述实施例中计算偏转角、偏转方向和扭转角(图3中的S130至S150)。然而，如在图13指示的变形例中，计算出基本角位置、由每个检测元件52检测的每个角位置与基于检测元件52的位置计算的每个角位置之差的差值，并且基于该差值，可以计算偏转角(图13中的S135至S155)。
此外，机器人控制器80(对应于第一控制器)通过在机器人1的校准中以预定姿势控制机器人1来计算输出轴31的偏转角β。即，在没有异常的外力作用在机器人1上的状态下计算输出轴31的偏转角β。然后，机器人控制器80(对应于第二控制器)通过在机器人1的操作期间将机器人1控制为预定姿态来计算输出轴31的偏转角β。换句话说，在会有异常外力作用在机器人1上的操作期间计算输出轴31的偏转角β。此时，如果异常外力作用在机器人1上，偏转角β随着输出轴31的偏转而变化。
当在机器人1的校准中计算的输出轴31的偏转角β和在机器人1的操作期间计算的输出轴31的偏转角β之间的偏差等于或大于预定偏差时，机器人控制器80(对应于确定器)确定异常外力作用在机器人1上。因此，可以通过使用检测到的输出轴31的偏转角β来确定异常外力作用在机器人1上。
此外，如图14所示，通过经改变在偏转方向上施加到输出轴31的力矩来计算偏转角β，而计算输出轴31的弯曲刚度(flexural rigidity)。即，弯曲刚度是偏转角β相对于施加到输出轴31的力矩的倾角α的倒数。
此外，机器人控制器80可以基于扭转角Δθz计算作用在输出轴31上的负载转矩。此外，机器人控制器80可以基于计算的角θd、偏转角β和扭转角Δθz精确地控制机器人1的臂的尖端位置。
上面详细描述的本实施例具有以下优点。
(i)当输出轴31偏转并倾斜或者输出轴31通过弹性变形而扭转时，附接至输出轴31的盘51与用于检测盘51的角位置的多个检测元件52之间的相对位置发生变化。多个检测元件52相对于盘51设置在不同的位置处。因此，当附接至输出轴31的盘51由于输出轴31的偏转而倾斜时，计算的第一差值、第二差值和第三差值变得互不相同。这些第一、第二和第三差值和多个检测元件52相对于盘51的位置、输出轴31的偏转角β、偏转方向(角θd)以及由于弹性变形引起的扭转角Δθz具有相关性，并且在它们之间建立关系表达式。多个检测元件52相对于盘51的位置是已知的，并且所计算的差值的数量，即，建立的关系表达式的数量等于或大于未知状态量(偏转角β、偏转方向以及由于弹性变形引起的扭转角Δθz)。因此，可以基于计算的第一差值、第二差值和第三差值以及多个检测元件52相对于盘51的位置来计算输出轴31的偏转角β。
(ii)即使当外力作用在输出轴31上时，仅通过增加输出轴编码器50的检测元件的数量，就可以基于输入轴编码器40的检测元件42和输出轴编码器50的多个(三个)检测元件52所检测的角位置来检测输出轴31的偏转角β。因此，能够在抑制现有配置发生变化的同时精确地检测偏转角β。
(iii)可以基于计算的第一差值、第二差值和第三差值以及多个检测元件52相对于盘51的位置来计算输出轴31的偏转方向(角θd)。
(iv)可以基于计算的第一差值、第二差值、第三差值以及多个检测元件52相对于盘51的位置来计算由于输出轴31的弹性变形引起的扭转角Δθz。
(v)多个检测元件52沿着盘51的圆周方向等间隔地设置。因此，能够仅通过特定方向的偏转来抑制多个检测元件52受到强烈影响。结果，无论输出轴31的偏转方向如何，都可以精确地检测输出轴31的状态量。应当注意，即使多个检测元件52未沿着盘51的圆周方向等间隔配置，也可以计算输出轴31的偏转角β、偏转方向(角θd)和扭转角Δθz。
[第二实施例]
以下将针对与第一实施例的不同点对第二实施例进行说明。应当理解，在第二实施例和随后的实施例中，与第一实施例中相同或相似的部件具有相同的附图标记，除非另有说明，否则将不再描述其重复的结构和特征，以避免冗余的说明。图15是根据第二实施例的机器人和机器人控制器的框图，图16是示出输出轴的偏转角和偏转方向的计算流程的图。注意，在图16中，S200和S210具有与第一实施例中的S100和S110相同的内容。在本实施例中，省略了在第一实施例中使用的第三检测元件52C。应当注意，代替第三检测元件52C，可以省略第一实施例中的第一检测元件52A或第二检测元件52B。
这里，除非外力作用在扭转输出轴31的方向上，否则不可能发生由于输出轴31的弹性变形引起的扭转。此外，由于输出轴31的弹性变形引起的扭转的影响可以通过校正而被提前消除。此外，扭转量可以作为常数应用于等式。因此，在本实施例中，假定输出轴31的弹性变形产生的扭转的没有影响。
图17是示出偏转方向(角θd)与偏转量d之间的关系的投影图。这里，注意图9中的第一检测元件52A，建立以下关系表达式。
即，建立tan(α1+Δθ11)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)。相似地，也建立针对第二检测元件52B的tan(α2+Δθ21)＝(R sinα2-d sinθd)/(R cosα2-d cosθd)。然后，通过将这两个关系表达式作为联立方程求解，可以获得角θd和偏转量d。如上所述，如果发现偏转量d，则可以获得偏转角β。
然后，机器人控制器80的差值计算器80C计算第一差值(S240)，该第一差值是基本角位置与基于由第一检测元件52A检测到的角位置(S220)计算的第一角位置(S230)的差值。类似地，机器人控制器80计算第二差值(S240)，该第二差值是基本角位置与基于由第二检测元件52B检测到的角位置(S220)计算的第二角位置(S230)之差。第一差值和第二差值分别对应于角Δθ11和Δθ21。因此，机器人控制器80的偏转角(偏转方向)计算器80D2根据上述关系表达式计算方向角θd和偏转角β(S250)。
本实施例具有以下优点。这里，将仅描述与第一实施例的不同点。
(vi)假定由于输出轴31的弹性变形而引起的扭转没有影响，第一检测元件52A和第二检测元件52B相对于盘51的位置是已知的，并且所计算的差值(第一差值、第二差值)的数量，即所建立的关系表达式的数量等于或大于未知状态量(偏转角β、角θd)。因此，假定由于输出轴31的弹性变形而引起的扭转没有影响，则可以基于计算的第一差值、第二差值以及第一检测元件52A和第二检测元件52B相对于盘51的位置来计算输出轴31的偏转角β。
(vii)即使当外力作用在输出轴31上时，仅通过增加输出轴编码器50的检测元件的数量，就可以基于输出轴编码器40的检测元件42和输出轴编码器50的两个检测元件52A和52B所检测的角位置来检测输出轴31的偏转角β。因此，能够在抑制现有配置发生变化的同时精确地检测偏转角β。
(viii)可以基于计算的第一差值、第二差值以及第一检测元件52A和第二检测元件52B相对于盘51的位置来计算输出轴31的偏转方向(角θd)。
[第三实施例]
以下将针对与第二实施例的不同点对第三实施例进行说明。图18是根据第三实施例的机器人和机器人控制器的框图，图19是示出输出轴的偏转角的计算流程的图。注意，在图19中，S300和S310具有与第一实施例中的S100和S110相同的内容。在本实施例中，进一步省略了第一实施例中使用的第二检测元件52B。应当注意，代替第二检测元件52B和第三检测元件52C，可以省略第一实施例中的第一检测元件52A、第二检测元件52B或第一检测元件52A和第三检测元件52C。
图20是示出输出轴31与第一检测元件52A之间的位置关系的投影图。这里，机器人1的臂的重心按照X轴方向上距离原点的距离长短的顺序被图示为重心W1、W2、W3。如图所示，随着机器人1的臂的重心在X轴方向上远离原点移动，输出轴31在X轴方向上的偏转量d(偏转角β)增大。输出轴31易于沿着包括预定构件的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面(垂直于Y轴并且包括处于图中所示的状态的X轴的平面)偏转，该预定构件(臂的输出轴31的末端侧上的部分)与输出轴31一体地旋转。应该注意的是，臂是用于轴(输出轴)的重物，并且该轴在将由重物拉动的方向上，即作为臂存在(延伸)的方向的拉动方向上偏转。在不依赖于上述计算式的情况下，可以从当前指令值、输入轴编码器的检测值等来计算臂存在的方向。因此，能够通过从上述计算式中消除偏转方向并使用从指令值和输入轴编码器的检测值获得的偏转方向来校正臂(减速器的输入轴)的控制。
如上所述，当输出轴31偏转时，输出轴编码器50的盘51与第一检测元件52A之间的相对位置，即偏转角β发生变化。如图20所示，当输出轴31的偏转方向与从输出轴31到第一检测元件52A的方向垂直(输入角θm＝0°)时，基于由第一检测元件52A检测到的角位置计算的偏转角β为最大值。然后，随着输入角θm接近90°，当沿着包括预定构件的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面偏转时，计算的偏转角β变小，通过输入角θm＝90°计算的偏转角β变为0°。因此臂的重心W1、W2、W3，输入角θm和偏转角β之间的关系如图21所示。计算的偏转角β对应于输出轴31相对于X轴方向的偏转角分量βx。
这里，仅考虑输出轴31相对于预定方向的偏转角分量βm，其等于固定输出轴31的角θd(偏转方向)。因此，可以从tan(α1+Δθ11)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)获得偏转量d。如上所述，如果获得偏转量d，则可以获得偏转角分量βm。
然后，机器人控制器80的差值计算器80C计算第一差值(S340)，该第一差值是基本角位置与基于由第一检测元件52A检测到的角位置(S320)计算的第一角位置之间(S330)的差值。第一差值对应于角Δθ11。因此，机器人控制器80的偏转角计算器80D3根据上述关系表达式计算偏转角分量βm(S350)。
此外，在本实施例中，输出轴编码器50的盘51附接至输出轴编码器50的壳体，即附接至固定减速器30的外壳11(对应于第一预定构件)。此外，如图22所示，第一检测元件52A附接至与输出轴31一体旋转的预定构件61(对应于第二预定构件)。然后，第一检测元件52A按照以下方式附接至预定构件61：沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向(Z轴方向)的平面的方向与从输出轴31到第一偏转元件52的方向垂直相交。
因此，即使在由图22中的虚线指示的臂(预定构件61)旋转之前的状态下，或者即使在由实线指示的臂旋转后的状态下，沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面的方向总是与从输出轴31到第一检测元件52A的方向垂直相交。因此，基于由第一检测元件52A检测的角位置计算的偏转角分量βm具有与图21中的输入角θm＝0°相等的特性，而与输入角θm无关。即，能够最大化输出轴编码器50的盘51与第一检测元件52A之间的相对位置的变化。因此，能够精确地计算输出轴31的偏转角分量βm。
本实施例具有以下优点。这里，将仅描述与第一和第二实施例的不同点。
(ix)仅考虑输出轴31相对于预定方向的偏转角分量βm，其等于固定输出轴31的偏转方向。第一差值、第一检测元件52A相对于输出轴31的位置和输出轴31的偏转角分量βm具有相关性，并且建立它们之间的关系表达式。假定由于输出轴31的弹性变形而引起的扭转没有影响，第一检测元件52A相对于盘51的位置是已知的，并且计算的差值(第一差值)的数量，即，建立的关系表达式的数量等于或大于未知状态量(偏转角分量βm)。因此，假定由于输出轴31的弹性变形而引起的扭转没有影响，可以基于计算的第一差值和第一检测元件52A相对于输出轴31的位置来计算输出轴31相对于预定方向的偏转角分量βm。
(x)即使当外力作用在输出轴31上时，也可以基于由输入轴编码器40和输出轴编码器50的第一检测元件52A检测的角位置来检测输出轴31的偏转角分量βm。因此，能够在抑制现有配置发生变化的同时精确地检测偏转角分量βm。
(xi)沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面的方向总是与从输出轴31到第一检测元件52A的方向垂直相交。因此，当输出轴31沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面偏转时，能够最大化输出轴编码器50的盘51与第一检测元件52A之间的相对位置的变化。因此，能够准确地计算输出轴31相对于沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面的方向(预定方向)的偏转角分量βm。
(xii)输出轴编码器50的盘51附接至固定减速器30的外壳11。此外，第一检测元件52A附接至与输出轴31一体旋转的预定构件61。因此，即使当预定构件61随着输出轴31的旋转而旋转时，第一检测元件52A也随着预定构件61旋转，从而实现使输出轴31的偏转方向与从输出轴31到第一检测元件52A的方向能够保持彼此垂直的状态。因此，无论输出轴31的角位置如何，都能够精确地计算输出轴31相对于预定方向的偏转角分量βm。
应当注意，可以如下修改第三实施例。
(a)如同在第一和第二实施例中，可以采用以下配置：输出轴编码器50的盘51附接至输出轴31，并且第一检测元件52A附接至输出轴编码器50的壳体，即，外壳11(或减速器30)。
(b)也可以采用以下配置：沿着包括预定构件61的纵向方向和输出轴31的轴向方向的平面的方向不与从输出轴31到第一检测元件52A的方向垂直相交。然而，由于当沿着平面的方向与从输出轴31到第一检测元件52A的方向之间的角接近0°时，偏转角分量βm接近0，所以希望角度接近90°。
此外，在上述每个实施例中，不仅可以采用机器人1的臂，而且可以采用所谓的机械手。应当注意，可以应用上述每个实施例的偏转角检测装置，只要它是包括具有输入轴21和输出轴31的减速器30的旋转机构。
Claims (14)
1.一种偏转角检测装置，包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有相对于所述盘设置在不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件，所述偏转角检测装置包括：
基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；
第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；
第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置；
第三角位置计算器，基于由所述第三检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第三角位置；
差值计算器，计算第一差值、第二差值以及第三差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由所述第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为所述基本角位置与由所述第三角位置计算器计算的第三角位置之间的差值；以及
偏转角计算器，基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值以及所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算所述输出轴的偏转角。
2.根据权利要求1所述的偏转角检测装置，其中，
所述偏转角检测装置包括偏转方向计算器，所述偏转方向计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值以及所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算所述输出轴的偏转方向。
3.根据权利要求1或2所述的偏转角检测装置，其中，
所述偏转角检测装置包括扭转角计算器，所述扭转角计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值以及所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转角。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的偏转角检测装置，其中，
所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件沿着所述盘的圆周方向以相等的间隔设置。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的偏转角检测装置，其中，
在向设置有所述第一检测元件、所述第二检测元件和所述第三检测元件的预定平面的投影中，
相对于作为旋转中心的所述输出轴的中心线，关于所述第一检测元件的位置角α1、所述第二检测元件的位置角α2和所述第三检测元件的位置角α3、与指示所述输出轴的偏转方向的偏转方向角θd对应的偏转量d、由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转角Δθz、偏转角β、从所述旋转中心到每个检测元件的距离R、所述第一差值Δθ12、所述第二差值Δθ22和所述第三差值Δθ32，
假定建立tan(α1+Δθ12+Δθz)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)，tan(α2+Δθ22+Δθz)＝(R sinα2-d sinθd)/(R cosα2-d cosθd)和tan(α3+Δθ32+Δθz)＝(R sinα3-d sinθd)/(R cosα3-d cosθd)，
所述偏转角计算器计算所述偏转方向角θd、所述偏转量d和所述扭转角Δθz，并基于所述偏转量d计算所述偏转角β。
6.一种偏转角检测装置，包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有相对于所述盘设置在不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件和第二检测元件，所述偏转角检测装置包括：
基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；
第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；
第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置；
差值计算器，计算第一差值和第二差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由所述第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值；以及
偏转角计算器，假定由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转没有影响，所述偏转角计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值和所述第二差值以及所述第一检测元件和所述第二检测元件相对于所述盘的位置计算所述输出轴的偏转角。
7.根据权利要求6所述的偏转角检测装置，其中，
所述偏转角检测装置包括偏转方向计算器，所述偏转方向计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值和所述第二差值以及基于所述第一检测元件和所述第二检测元件相对于所述盘的位置来计算所述输出轴的偏转方向。
8.根据权利要求6或7所述的偏转角检测装置，其中，
在向设置有所述第一检测元件和所述第二检测元件的预定平面的投影中，
相对于作为旋转中心的所述输出轴的中心线，关于所述第一检测元件的位置角α1和所述第二检测元件的位置角α2、与指示所述输出轴的偏转方向的偏转方向角θd对应的偏转量d、由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转角Δθz、所述偏转角β、从所述旋转中心到每个检测元件的距离R、所述第一差值Δθ11和所述第二差值Δθ21，
假定建立tan(α1+Δθ11)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)和tan(α2+Δθ21)＝(R sinα2-d sinθd)/(R cosα2-d cosθd)，
所述偏转角计算器计算所述偏转方向角θd和所述偏转量d，并基于所述偏转量d计算所述偏转角β。
9.一种偏转角检测装置，包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器以及具有盘和检测所述盘的角位置的第一检测元件的输出轴编码器，所述偏转角检测装置包括：
基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；
第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；
差值计算器，计算第一差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值；以及
偏转角分量计算器，假定由于所述输出轴的弹性变形引起的扭转没有影响，所述偏转角分量计算器基于由所述差值计算器计算的所述第一差值以及所述第一检测元件相对于所述盘的位置计算所述输出轴相对于预定方向的偏转角分量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述盘附接至固定所述减速器的第一预定构件，
所述第一检测元件附接至与所述输出轴一体旋转的第二预定构件，以及
沿着包括所述第二预定构件的纵向方向和所述输出轴的轴向方向的平面的方向与从所述输出轴到所述第一检测元件的方向垂直地相交。
11.根据权利要求9或10所述的偏转角检测装置，其中，
在向设置有所述第一检测元件的预定平面的投影中，
相对于作为旋转中心的所述输出轴的中心线，关于所述第一检测元件的位置角α1、与指示所述输出轴的偏转方向的偏转方向角θd对应的偏转量d、偏转角分量βm、从所述旋转中心到每个检测元件的距离R、所述第一差值Δθ12，
假定建立tan(α1+Δθ11)＝(R sinα1-d sinθd)/(R cosα1-d cosθd)，
所述偏转角计算器计算所述偏转量d，并基于所述偏转量d计算所述偏转角分量βm。
12.根据权利要求11所述的偏转角检测装置，其中，
基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算所述预定方向，并且
基于计算的所述预定方向和计算的所述偏转角分量来校正所述输入轴的角位置的控制。
13.一种偏转角检测装置，包括检测减速器的输入轴的角位置的输入轴编码器、附接至所述减速器的输出轴的盘以及输出轴编码器，所述输出轴编码器具有相对于所述盘设置在不同位置处并且分别检测所述盘的角位置的第一检测元件、第二检测元件和第三检测元件，所述偏转角检测装置包括：
基本角位置计算器，基于由所述输入轴编码器检测的所述输入轴的角位置来计算作为所述输出轴的角位置的基本角位置；
第一角位置计算器，基于由所述第一检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第一检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第一角位置；
第二角位置计算器，基于由所述第二检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第二检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第二角位置；
第三角位置计算器，基于由所述第三检测元件检测的所述盘的角位置以及所述第三检测元件相对于所述盘的位置来计算作为所述输出轴的角位置的第三角位置；
差值计算器，计算第一差值、第二差值以及第三差值，所述第一差值为由所述基本角位置计算器计算的基本角位置与由所述第一角位置计算器计算的第一角位置之间的差值，所述第二差值为所述基本角位置与由所述第二角位置计算器计算的第二角位置之间的差值，所述第三差值为所述基本角位置与由所述第三角位置计算器计算的第三角位置之间的差值；以及
偏转角计算器，基于由所述差值计算器计算的所述第一差值、所述第二差值和所述第三差值来计算所述输出轴的偏转角。
14.根据权利要求1至8和13中任意一项所述的偏转角检测装置，其中，
所述减速器设置在连接机器人的旋转轴的关节处；
所述偏转角检测装置包括：
第一控制器，在所述机器人的校准中将所述机器人控制为预定姿态，并使所述偏转角计算器计算所述输出轴的偏转角；
第二控制器，在所述机器人的操作期间将所述机器人控制为预定姿态，并使所述偏转角计算器计算所述输出轴的偏转角；以及
确定部，当由所述第一控制器计算的所述输出轴的偏转角与由所述第二控制器计算的所述输出轴的偏转角之间的偏差等于或大于预定偏差时，确定异常外力作用在所述机器人上。
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