CN107848126A - 机器人的碰撞检测方法 - Google Patents

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Abstract

用以下方法检测机器人的碰撞。机器人具有电动机、与电动机连接的减速器、检测电动机的旋转的编码器、内置于编码器的温度传感器和经由减速器由电动机驱动的对象物。通过从电动机向减速器输出的扭矩中减去通过机器人的逆动力学计算而求出的动力学扭矩，从而估算基于碰撞的外力扭矩作为碰撞扭矩估算值。若碰撞扭矩估算值大于给定的碰撞检测阈值，则判断为机器人受到了外力。在由温度传感器检测出的温度小于给定的温度阈值的情况下，将给定的碰撞检测阈值设为第一值。在从与所检测出的温度为给定的温度阈值以上的第一时间点相比靠前给定时间的第二时间点起到第一时间点为止的期间中的碰撞扭矩估算值的最大值小于第一最大值判定阈值的情况下，在第一时间点将给定的碰撞检测阈值设为比第一值小的第二值。在上述期间中的碰撞扭矩估算值的最大值为第一最大值判定阈值以上的情况下，在第一时间点将给定的碰撞检测阈值设为第一值。

Description

机器人的碰撞检测方法
技术领域
本发明涉及经由减速器由电动机驱动的机器人的碰撞检测方法。
背景技术
近年来，在机器人中，为了提高碰撞时的安全性、防止因破坏而造成的损失，谋求实现碰撞检测的高精度化。但是，使用高精度的碰撞传感器会增大成本，并进一步使作为重量负荷的该碰撞传感器摆动，因而会阻碍机器人的高速化、节能。因此，期望能够不使用碰撞传感器而高精度地求取碰撞力。
作为不使用碰撞传感器而求取碰撞时的碰撞力的方法的一例，可举出动力学计算方式(参照非专利文献1)。在动力学计算方式中，求取从由电动机的驱动电流产生的扭矩中减去因电动机以及减速器的惯量和摩擦而损失的扭矩所得的减速器输出扭矩。从所求出的减速器输出扭矩中，减去从机器人的逆动力学计算求出的机器人的动力学扭矩来求取碰撞力。
图1是示出与垂直多关节的机器人的位置控制相关的现有的结构的框图，示出机器人机构161与机器人控制装置162的内部结构的概略。在此，机器人机构161具有多个臂以及关节轴，使用在各关节轴的附近设置的减速器来驱动机器人的臂以及关节轴。
在图1中，设置在机器人控制装置162的内部的主控制部64按照由操作/示教部63指示并存储的机器人机构161的臂等的移动轨迹，输出机器人的各轴(例如6轴)的位置指令θcom(θcom1～θcom6)。而且，机器人的各轴的伺服控制部165(1651～1656)分别控制机器人机构161内的电动机66(661～666)，使得分别跟随位置指令θcom(θcom1～θcom6)。
图2是详细示出了图1的伺服控制部165的框图，追加了不使用动力学计算方式的碰撞传感器的无传感器碰撞检测功能。
在图2中，位置控制模块6从位置指令θcom与电动机位置反馈θm的差分值，生成速度环指令ωcom。电动机位置反馈θm从安装于电动机66的作为位置检测器的编码器51得到。
图2的速度控制模块10从对电动机位置反馈θm进行微分得到的电动机速度反馈ωm与速度环指令ωcom的差分值生成电动机电流指令Im。
图2的框18示出电动机66和外力。若假定减速器53为刚体，则电动机发生扭矩τm根据电动机扭矩常数Kt、电动机电流Im、电动机角加速度αm、电动机角速度ωm、电动机惯量Jm、粘性摩擦系数D、动摩擦扭矩τμ、动力学扭矩τdyn和碰撞扭矩τdis由(数式1)表示。
[数式1]
τm＝Kt×Im
τm＝τdyn+τdis+Jm×αm+D×ωm+τμ
另外，电动机角加速度αm是电动机角速度ωm的微分值。电动机惯量Jm是电动机66的转子和减速器53的一次侧的和。动力学扭矩τdyn是重力扭矩、惯性力、离心力和科里奥利力的和。
具体而言，电动机发生扭矩τm若从电动机66的驱动侧观察则由(数1)中的第一式表示，若从相对于电动机66隔着减速器53的负荷侧观察则由(数1)的第二式表示。
上述的动摩擦扭矩τμ能够通过动摩擦系数Kμ由(数式2)计算。
[数式2]
τμ＝Kμ×sgn
此外，处于(数式1)的第二式的右边的碰撞扭矩τdis能够从(数式1)变形为以下所示的(数式3)来求取。
[数式3]
τdis＝(Kt×Im+Jm×αm-D×ωm-Kμ×sgn)-τdyn
另外，在(数式3)中，Kt×Im-Jm×αm-D×ωm-Kμ×sgn是电动机66向减速器53输出的扭矩。
在图2中，(数式3)表示为扭矩估算模块30。
在扭矩估算模块30中，动力学扭矩估算值τdyno在扭矩运算模块26中，通过使用构成机器人的所有轴的电动机速度反馈和机器人的机械参数执行逆动力学计算来求取。扭矩估算模块30使用动力学扭矩估算值τdyno来求取碰撞扭矩估算值τdiso，并将碰撞扭矩估算值τdiso输出到碰撞判定模块31。
碰撞判定模块31使用给定的碰撞检测阈值τth，按照(数式4)检测碰撞。
[数式4]
|τdiso|＞τth
即，在(数式4)成立的情况下主控制部64判定为发生了碰撞，在(数4)不成立的情况下主控制部64判定为未发生碰撞。
在图2的求取碰撞扭矩估算值τdiso的扭矩估算模块30中，由于参数误差、动力学扭矩运算的模型误差等，即使在实际并未碰撞的情况下碰撞扭矩估算值τdiso也不成为“0”。即，在实际并未碰撞的情况下，碰撞扭矩的估算误差被输出为碰撞扭矩估算值τdiso。
在参数误差当中，特别是粘性摩擦系数D当变为大约5℃以下的低温时，润滑脂的粘性升高而出现较大的误差。若使用在通常温度下测定的粘性摩擦系数D来求取碰撞扭矩估算值τdiso则误差变大，因此存在为了防止碰撞误检测而必须增大碰撞检测阈值τth的可能性。
在专利文献1中，示出了如以下说明的那样测定温度，并在低温时提高碰撞检测阈值的方法。
图3、图4示出另一现有技术，分别对应于图1、图2，在减速器安装温度传感器，追加了切换碰撞检测阈值的结构。
在图3中，温度传感器56安装于减速器53。将温度传感器56的温度传感器输出值Tc输入到第一伺服控制部165。
在图4中，在阈值切换模块34中，将温度传感器输出值Tc与给定的温度阈值Tcth进行比较，使用常温时的碰撞检测阈值τth和与低温对应的阈值增量dτth按照(数式5)将碰撞检测阈值τvth输出到碰撞判定模块40(dτth＞0)。
[数式5]
另外，常温时的碰撞检测阈值τth在减速器53的温度为常温(例如5℃以上)时实际进行动作而预先求取。此外，与低温对应的阈值增量dτth在低温(例如小于5℃的温度)下实际进行动作而预先求取。
碰撞判定模块40使用由(数5)运算出的碰撞检测阈值τvth，按照以下所示的(数式6)检测碰撞。
[数式6]
|τdiso|＞τvth
即，在(数式6)成立的情况下主控制部64判定为发生了碰撞，在(数式6)不成立的情况下主控制部64判定为未发生碰撞。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平11-15511号公报
非专利文献
非专利文献1：小菅一弘，其他一名，“机械手的动态碰撞检测”，日本机械学会[No.99-9]机器人·机电一体化讲座‘99演讲论文集2A1-11-030(小菅一弘、他一名、“マニピュレ一タの動的衝突検出”、日本機械学会[No.99-9]ロボティクス·メカトロニクス講演会‘99講演論文集2A1-11-030)
发明内容
机器人的碰撞通过以下的方法来检测。机器人具有：电动机、与电动机连接的减速器、检测电动机的旋转的编码器、内置于编码器的温度传感器、和经由减速器由电动机驱动的对象物。通过从电动机向减速器输出的扭矩中减去通过机器人的逆动力学计算而求出的动力学扭矩，从而估算基于碰撞的外力扭矩作为碰撞扭矩估算值。若碰撞扭矩估算值大于给定的碰撞检测阈值，则判断为机器人受到了外力。在由温度传感器检测出的温度小于给定的温度阈值的情况下，将给定的碰撞检测阈值设为第一值。在从与所检测出的温度为给定的温度阈值以上的第一时间点相比靠前给定时间的第二时间点起到第一时间点为止的期间中的碰撞扭矩估算值的最大值小于第一最大值判定阈值的情况下，在第一时间点将给定的碰撞检测阈值设为比第一值小的第二值。在上述期间中的碰撞扭矩估算值的最大值为第一最大值判定阈值以上的情况下，在第一时间点将给定的碰撞检测阈值设为第一值。
该碰撞检测方法即使在使用编码器内置的温度传感器来切换碰撞检测阈值的情况下，也能够减少碰撞的误检测的发生。
附图说明
图1是示出与机器人的位置控制相关的现有的结构的框图。
图2是示出图1所示的结构下的碰撞检测方法的框图。
图3是示出与机器人的位置控制相关的另一现有的结构的框图。
图4是示出图3所示的结构下的碰撞检测方法的框图。
图5是示出与垂直多关节机器人的位置控制相关的又一现有的结构的框图。
图6是示出将带编码器电动机直接安装于减速器的情况下的位置关系的图。
图7是示出传动带介于减速器与带编码器电动机之间的情况下的位置关系的图。
图8是实施方式中的机器人的示意结构图。
图9是示出实施方式中的碰撞检测方法的框图。
图10是示出实施方式中的波形分析模块的详情的框图。
图11是示出实施方式中的最大值提取模块的处理的流程图。
图12是示出实施方式中的碰撞检测方法下的波形的图。
图13是示出实施方式中的切换许可判定模块的处理的流程图。
图14是示出实施方式中的阈值切换模块的处理的流程图。
图15是示出实施方式中的碰撞检测方法下的动作的图。
图16是示出实施方式中的碰撞检测方法下的另一动作的图。
图17是示出实施方式中的碰撞检测方法下的又一动作的图。
图18是示出图17所示的动作的图。
图19是示出实施方式中的碰撞检测方法下的又一动作的图。
图20是示出图19所示的动作的图。
具体实施方式
在图3所示的结构中为了测定减速器53的温度，需要将温度传感器56安装于减速器53，但是成本会上升。此外，为了将温度传感器输出值Tc输入到机器人控制装置162内的伺服控制部165，需要增加机器人机构161内的电缆，有可能在布线处理、断线等可靠性方面产生问题。
近年来，存在如下情况，即，在内置或安装于电动机的作为电动机的位置检测器的编码器中内置温度传感器，能够与位置信息同样地以串行通信数据进行温度的读取。
若由于电动机动作发热而引起编码器内温度上升，并成为大于90℃以上，则构成编码器的电子部件误动作，变得不能发送正确的位置信息。因此，内置温度传感器，若温度成为设定值(大约90℃)以上则以串行信号输出警报信号。
图5示出了将图1所示的编码器51(511～516)置换为分别内置了温度传感器56(561～566)的编码器52(521～526)的结构。电动机66(661～666)经由减速器53(531～536)对作为对象物的关节轴67A(671A～676A)分别进行驱动。内置于编码器52的温度传感器56的温度传感器输出值Tc能够以与位置信息相同的串行通信读取，因此成本的上升、机器人内的电缆的数量不增加。
但是，该温度是电动机66的编码器51的内部的温度，而并非减速器的温度。图6示出将附带编码器51的电动机66直接安装于减速器53的情况下的位置关系。图7示出传动带68介于附带编码器51的电动机66与减速器53之间的情况下的位置关系。在如图6所示那样减速器53与电动机66被直接连结的情况下，可以认为减速器53的温度与编码器51的内部温度相同程度地上升。但是，在如图7所示那样传动带68等介于电动机66与减速器53之间的情况下，减速器53的温度不一定与编码器52的内部温度相同程度地上升。
在内置或安装于电动机66的编码器52的内部温度超过给定的温度阈值Tcth时，按照(数式5)对碰撞检测阈值τvth进行运算，去掉对应于低温的阈值增量dτth而将检测阈值τvth返回到作为原始值的未考虑低温时的对应于常温的碰撞检测阈值τth。此时，若传递电动机66的驱动力的减速器53的温度上升不足，则由于粘性摩擦系数D较高而引起的碰撞扭矩估算值τdiso的误差会大于碰撞检测阈值τvth，有可能发生碰撞误检测。
(实施方式)
图8是作为垂直多关节六轴机器人的机器人1001的示意结构图。机器人1001由机器人机构61和机器人控制装置62构成。机器人机构61具有多个臂67(以及多个关节轴67A(671A～676A)，并使用设置在各关节轴的附近的减速器来进行驱动。
图9是示出实施方式中的碰撞检测方法的框图。图9在图4所示的动力学计算方式的基础上，还具备波形分析模块57。
图10示出波形分析模块57的详情。另外，在以下的说明中，所谓单位时间，定义为进行碰撞扭矩估算值的波形分析的间隔。在实施方式中，该单位时间例如为一分钟。另外，单位时间将机器人1001停止的时间除外，是指工作的时间。
峰值保持模块74计算峰值保持值τdP，该峰值保持值τdP是保持碰撞扭矩估算值τdiso的绝对值的单位时间内的峰值而得到的值。
对驱动多个关节轴67A(671A～676A)中的关节轴671A的电动机661、减速器531、编码器52和温度传感器561的动作进行说明。图11是示出峰值保持值τdP的计算方法的流程图。主控制部64在碰撞扭矩估算值τdiso的单位时间内按每个运算周期将图11的处理实施给定的次数。在实施方式中，运算周期为几msec。主控制部64在单位时间内将图11所示的动作进行给定的次数num来计算并输出峰值保持值τdP。
峰值保持模块74判定峰值保持的次数i是否为0(步骤11-1)。若在步骤11-1中次数i为0即初次(步骤11-1的“是”)，则峰值保持模块74将峰值保持值τdP清除而设为0(步骤11-1A)。关于主控制部64，若在步骤11-1中次数i不为0即并非初次(步骤11-1的“否”)，则主控制部64维持峰值保持值τdP不变。
峰值保持模块74判定具有关节轴671A的角速度ωm与其他关节轴672A～676A的角速度ωm中的最大的绝对值的角速度ωmMAX的绝对值是否大于角速度阈值ωmth(步骤11-2)。角速度阈值ωmth是判定是否执行峰值保持的阈值。峰值保持模块74在步骤11-2中角速度ωmMAX的绝对值大于角速度阈值ωmth的情况下(步骤11-2的“是”)，使峰值保持的次数i增加1(步骤11-2A)。峰值保持模块74在步骤11-3中角速度ωmMAX的绝对值不大于角速度阈值ωmth的情况下(步骤11-2的“否”)，结束处理(步骤11-4B)。
设置步骤11-2的条件的理由是因为，在机器人1001因用户的停止操作、等待传感器信号输入等而停止的情况下，不产生由于粘性摩擦系数D较高而引起的碰撞扭矩估算值τdiso的误差。
此外，在图11所示的动作中，监视电动机66的角速度ωm，但也可以取代角速度ωm而监视能够确认机器人1001动作的情况的其他参数。例如也可以在机器人1001的程序内执行动作命令时、生成位置指令时等判定机器人动作。
峰值保持模块74判定扭矩估算模块30使用动力学扭矩估算值τdyno而求出的碰撞扭矩估算值τdiso的绝对值是否大于峰值保持值τdP(步骤11-3)。若在步骤11-3中碰撞扭矩估算值τdiso的绝对值大于峰值保持值τdP(步骤11-3的“是”)，则峰值保持模块74进行更新使得将峰值保持值τdP设为碰撞扭矩估算值τdiso的绝对值。若在步骤11-3中碰撞扭矩估算值τdiso的绝对值不大于峰值保持值τdP(步骤11-3的“否”)，则峰值保持模块74维持峰值保持值τdP不变。
峰值保持模块74判定峰值保持的次数i是否达到结束次数num而为结束次数num以上(步骤11-4)。若在步骤11-4中峰值保持的次数i为结束次数num以上(步骤11-4的“是”)，则峰值保持模块74输出峰值保持值τdP，并将次数i清除而设为0(步骤11-4A)，在步骤11-4B中结束处理。若在步骤11-4中峰值保持的次数i不是结束次数num以上(步骤11-4的“否”)，则峰值保持模块74维持次数i不变并在步骤11-4B中结束处理。
接着，由数据蓄积模块75对从峰值保持模块74输出的单位时间中的峰值保持值τdP进行蓄积。将作为碰撞扭矩估算值τdiso的第x次的单位时间(例如，若单位时间是一分钟则为第x分钟)的峰值保持值τdP定义为峰值保持值τdP[x]。在当前为第x次的单位时间且蓄积了N个峰值保持值τdP的情况下，数据蓄积模块75蓄积峰值保持值τdP[x-N+1]、τdP[x-N+2]、……、τdP[x]。
例如，在作为碰撞检测阈值τth的切换的时间点的当前为第30次的单位时间(x＝30)、且作为切换的时间点之前的给定时间(x次前的单位时间，例如若单位时间为一分钟则为x分钟前)的数据蓄积个数N为10个(N＝10)的情况下，则数据蓄积模块75会蓄积峰值保持值τdP[30]、τdP[29]、……、τdP[21]。若单位时间为一分钟，则会蓄积机器人1001动作的十分钟的数据。
图10的最大值提取模块76得到峰值保持值τdP[x-N+1]、τdP[x-N+2]、……、τdP[x]中的最大值τdPP。
图12示出内置于编码器52的温度传感器56的温度传感器输出值Tc和第x次的峰值保持值τdP[x]。在图12中，纵轴表示温度传感器输出值Tc和作为碰撞扭矩的峰值保持值τdP[x]，横轴表示单位时间的次数x。在图12中，纵轴的碰撞扭矩、阈值以作为相对于最大扭矩的比率的最大扭矩比(％)来示出。在图12所示的0≤x≤30的时间点x，示出了实际上未发生碰撞、碰撞扭矩估算值τdP[x]随着温度的上升而减少的情况，即粘性摩擦系数D的减少所引起的碰撞扭矩估算值τdP[x]的误差减少的情况。
在图12中，Tc≥Tcth的条件在x＝30的时间点成立，示出了此时的最大值τdPP。数据蓄积个数N为10个。
图10的斜率运算模块77对碰撞扭矩估算值τdP[x-N+1]～τdP[x]为止的近似直线83的斜率τdPA进行运算。
在图12中，近似直线83对从x＝30的时间点到给定时间前的作为碰撞扭矩的估算值的峰值保持值τdP[x]进行了近似。对近似直线83的斜率进行运算而得到斜率τdPA。
图13是示出图10的切换许可判定模块78执行的处理的流程图。接下来切换许可判定模块78执行图13的流程图所示的处理。
切换许可判定模块78，首先，将切换许可值CE设定为“1”以外的数例如“0”(清除)(步骤13-0)。
然后，切换许可判定模块78判定从碰撞检测阈值的切换的时间点的给定时间前到碰撞检测阈值的切换的时间点为止的期间Du中的碰撞扭矩的最大值即最大值τdPP是否小于最大值判定阈值τdPPthA(步骤13-1)。若在步骤13-1中最大值τdPP小于最大值判定阈值τdPPthA(步骤13-1的“是”)，则切换许可判定模块78将切换许可值CE设定为“1”(步骤13-1A)并结束处理。
若在步骤13-1中最大值τdPP不小于最大值判定阈值τdPPthA的情况下(步骤13-1的“否”)，则切换许可判定模块78判定最大值τdPP是否小于最大值判定阈值τdPPthB(步骤13-2)。若在步骤13-2中最大值τdPP不小于最大值判定阈值τdPPthB的情况下(步骤13-2的“否”)，则结束处理。其中，最大值判定阈值τdPPthA和最大值判定阈值τdPPthB和常温时的碰撞检测阈值τth设定为满足τdPPthA＜τdPPthB＜τth的关系。
若在步骤13-2中最大值τdPP小于最大值判定阈值τdPPthB的情况下(步骤13-2的“是”)，则切换许可判定模块78判定近似直线83的斜率τdPA是否小于斜率判定阈值τdPAth(步骤13-3)。若在步骤13-3中小于斜率判定阈值τdPAth(步骤13-3的“是”)，则切换许可判定模块78将切换许可值CE设定为“1”并结束处理。在步骤13-3中不小于斜率判定阈值τdPAth的情况下(步骤13-3的“否”)，切换许可判定模块78不进行任何处理而结束处理。
在图12的例子中，最大值判定阈值τdPPthA、τdPPthB和斜率判定阈值τdPAth设定为τdPPthA＝20、τdPPthB＝35、τdPAth＝0。在x＝30的时间点，τdPP＜τdPPthA成立，因而切换许可判定模块78在步骤13-1中将切换许可值CE设定为“1”。
在图9中，阈值切换模块41使用对应于常温的碰撞检测阈值τth和对应于低温的阈值增量dτth按照(数式7)将碰撞检测阈值τvth输出到碰撞判定模块。
[数式7]
如(数式7)所示，阈值切换模块41在Tc≥Tcth且CE＝1的情况下，输出对应于常温的碰撞检测阈值τth作为碰撞检测阈值τvth。此外，阈值切换模块41在Tc＜Tcth的情况下，不管许可值CE的值如何，输出对应于常温的碰撞检测阈值τth与阈值增量dτth的和作为碰撞检测阈值τvth。
另外，由于温度传感器输出值Tc为电动机66的编码器51的内部温度而并非减速器53的温度，因此温度阈值Tcth不必设为决定碰撞检测阈值τth和阈值增量dτth时的减速器53的温度(例如大约5℃)，也可以考虑余量而设定为例如10℃。
图14是示出阈值切换模块41执行的(数式7)的处理的流程图。
阈值切换模块41判定温度传感器输出值Tc是否为给定的温度阈值Tcth以上(步骤14-1)。在步骤14-1中温度传感器输出值Tc不是给定的温度阈值Tcth以上的情况下(步骤14-1的“否”)，则输出将碰撞检测阈值τth与阈值增量dτth相加得到的(τth+dτth)作为碰撞检测阈值τvth，并在许可值CE设定“0”而结束处理。
在步骤14-1中温度传感器输出值Tc为给定的温度阈值Tcth以上的情况下(步骤14-1的“是”)，阈值切换模块41判定切换许可值CE是否为“1”(步骤14-2)。在步骤14-2中切换许可值CE为“1”的情况下(步骤14-2的“是”)，阈值切换模块41设定对应于常温的碰撞检测阈值τth作为碰撞检测阈值τvth(步骤14-2)，许可值CE维持不变并结束处理。
在图12中，在x＝30的时间点，图14所示的Tc≥Tcth(步骤14-1的“是”)和CE＝1(步骤14-2的“是”)这两者第一次得到满足。因此，阈值切换模块41在x＝30的时间点使碰撞检测阈值τvth从对应于低温的值(τth+dτth)下降为对应于常温的值τth。图15示出图12的x＝30的时间点以后的温度传感器输出值Tc和峰值保持值τdP。在图15中，纵轴表示温度传感器输出值Tc和碰撞扭矩的第x次的峰值保持值τdP[x]，横轴表示单位时间的次数x。在图15中，与图12同样地，纵轴的碰撞扭矩、阈值以作为相对于最大扭矩的比率的最大扭矩比(％)来示出。
如图15所示，阈值切换模块41在x＝30的时间点，使碰撞检测阈值τvth从对应于低温的值70％(＝40+30)下降为对应于常温的值40％。
如图15所示，在Tc≥Tcth的条件成立的x＝30的时间点，碰撞扭矩估算值τdiso(碰撞扭矩估算误差)随着温度Tc的上升而变小。由此，最大值τdPP小于最大值判定阈值τdPPthA，并且与碰撞检测阈值τvth的对应于常温的值τth相比足够小。这样，在图15的阈值[％]的情况下，即使减小碰撞检测阈值τvth也难以发生碰撞的误检测。
如上所述，在实施方式中机器人1001的碰撞检测方法中，在经由减速器53由电动机66驱动的机器人1001中，从电动机66向减速器53输出的扭矩中减去通过机器人1001的逆动力学计算而求出的动力学扭矩，由此估算基于碰撞的外力扭矩作为碰撞扭矩估算值τdiso。若碰撞扭矩估算值τdiso大于给定的碰撞检测阈值τth，则判断为机器人1001受到了外力。若电动机66的编码器52所内置的温度传感器56的输出值高于给定的温度阈值，则将碰撞扭矩估算值τdiso的碰撞检测阈值τth切换为较小的值。若从碰撞检测阈值τth的切换的时间点的给定时间前(以单位时间则为x次前，例如若单位时间为一分钟则为x分钟前)开始的碰撞扭矩估算值τdiso的最大值τdPP小于比碰撞扭矩估算值τdiso的碰撞检测阈值τth的切换后的值小的最大值判定阈值τdPPthA，则许可碰撞检测阈值τth的切换。
由此，即使在使用编码器52内置的温度传感器56来切换碰撞检测阈值τth的情况下，也能够减少碰撞误检测的发生。
接下来说明图15以外的动作。
图16示出实施方式中的碰撞检测方法的另一动作中的温度传感器输出值Tc和峰值保持值τdP。在图16中，纵轴表示温度传感器输出值Tc和碰撞扭矩的第x次的峰值保持值τdP[x]，横轴表示单位时间的次数x。在图16中，与图15同样地，纵轴的碰撞扭矩、阈值以作为相对于最大扭矩的比率的最大扭矩比(％)来示出。在图16所示的动作中，与图15相比，减速器53的温度的上升低于温度传感器输出值Tc的上升，粘性摩擦系数D不充分地下降。
在图16中，在Tc≥Tcth的条件成立的x＝30的时间点，最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthA以上且小于最大值判定阈值τdPPthB(72)。在此情况下，图13的步骤13-1的“否”与步骤13-2的“是”的条件成立，执行步骤13-3的处理。
在图16所示的动作中，与图15相比，减速器53的温度的上升较低，粘性摩擦系数D不充分地下降，因而在减小了碰撞检测阈值τth的情况下，发生碰撞误检测的可能性增高。因此在图13的步骤13-3中图16的x＝30的时间点的近似直线83的斜率τdPA小于斜率判定阈值τdPAth的情况下，切换许可判定模块78在步骤13-3A中将切换许可值CE设定为“1”。在步骤13-3中图16的x＝30的时间点的近似直线83的斜率τdPA不小于斜率判定阈值τdPAth的情况下，维持切换许可值CE不变并结束处理。
在图16中，将斜率判定阈值τdPAth设定为0。图16所示的近似直线83的斜率τdPA小于斜率判定阈值τdPAth即小于0(图13的步骤13-3的“是”)，因此碰撞扭矩实际呈减少倾向，判断为碰撞误检测的可能性较低，切换许可判定模块78将切换许可值CE设定为“1”，碰撞检测阈值τvth在x＝30的时间点从对应于低温的值70％(＝40+30)下降为对应于常温的值40％。
图17示出实施方式中的碰撞检测方法的又一动作中的温度传感器输出值Tc和峰值保持值τdP。在图17中，纵轴表示温度传感器输出值Tc和碰撞扭矩的第x次的峰值保持值τdP[x]，横轴表示单位时间的次数x。在图17中，与图15、图16同样地，纵轴的碰撞扭矩、阈值以作为相对于最大扭矩的比率的最大扭矩比(％)来示出。图17与图16相比较，示出了x＝30的时间点的近似直线83的斜率τdPA大于斜率判定阈值τdPAth的情况(τdPA＞0)下的动作。
在图17所示的动作中，相当于如下情况，即，虽然由于电动机66的发热而编码器52内的温度传感器56的温度传感器输出值Tc上升，但是外部气温较低，减速器53的粘性摩擦系数D增加。
在图16和图17中，斜率判定阈值τdPAth设定为0。
在该情况下，碰撞扭矩估算值τdiso(碰撞扭矩估算误差)呈增加的倾向，即峰值保持值τdP[x]呈增加的倾向，因此为了防止碰撞误检测，在图13的步骤13-3中成为“否”的判定，切换许可值CE不被设定为“1”，碰撞检测阈值τvth不从对应于低温的值(70％)下降。
图18进一步示出图17所示的动作中的x＝40的时间点上的温度传感器输出值Tc和碰撞扭矩的峰值保持值τdP。x＝30的时间点以后，碰撞扭矩估算值τdiso(碰撞扭矩估算误差)也呈增加的倾向即峰值保持值τdP[x]呈增加的倾向，即使在x＝31、32、……、40进行图10所示的波形分析模块57中的处理，切换许可值CE也不被设定为“1”。因此，即使在x＝40的时间点，碰撞检测阈值τvth也不从对应于低温的值(70％)下降。
图19示出实施方式中的碰撞检测方法的又一动作中的温度传感器输出值Tc和峰值保持值τdP。在图19中，纵轴表示温度传感器输出值Tc和碰撞扭矩的第x次的峰值保持值τdP[x]，横轴表示单位时间的次数x。在图19中，与图15至图18同样地，纵轴的碰撞扭矩、阈值以作为相对于最大扭矩的比率的最大扭矩比(％)来示出。在图19所示的动作中，与图16相比，示出如下情况下的动作，即，减速器53的温度上升进一步低于温度传感器56的温度传感器输出值Tc，粘性摩擦系数D未下降。
在图19中在Tc≥Tcth的条件成立的x＝30的时间点，最大值τdPP大于最大值判定阈值τdPPthB。即，图13的步骤13-1中的成为“否”的条件和步骤13-2中的成为“否”的条件成立。
图20进一步示出图19所示的动作中的x＝30的时间点以后的温度传感器输出值Tc和峰值保持值τdP。
在图20中，碰撞扭矩估算值τdiso(碰撞扭矩估算误差)呈减少的倾向即峰值保持值τdP[x]呈减少的倾向，在x＝35的时间点，图13的步骤13-1中的“否”的条件和步骤13-2中的“是”的条件和步骤13-3中的“是”的条件成立。因此，阈值切换模块41使碰撞检测阈值τvth从对应于低温的值70％(＝40+30)下降为对应于常温的值40％。
这样，在实施方式中的机器人1001的碰撞检测方法中，设置比最大值判定阈值τdPPthA大且比碰撞检测阈值τvth的切换后的值小的最大值判定阈值τdPPthB。若从碰撞扭矩估算值τdiso的碰撞检测阈值τvth的切换的时间点的给定时间前开始的碰撞扭矩估算值τdiso的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthA以上且小于最大值判定阈值τdPPthB，并且，对从碰撞检测阈值τvth的切换的时间点的给定时间前(以单位时间为x次前，例如若单位时间为一分钟则为x分钟前)开始的碰撞扭矩估算值τdiso的相对于时间的推移(第x次的峰值保持值τdP[x])进行了近似的近似直线的斜率τdPA为负，则许可碰撞扭矩估算值τdiso的碰撞检测阈值τvth的切换。
由此，即使在减速器53的温度上升比编码器52内置的温度传感器56的温度传感器输出值Tc低、且粘性摩擦系数D未充分地下降的情况下，也能够减少碰撞的误检测的发生。
如上所述，机器人1001具有：电动机66、与电动机66连接的减速器53、检测电动机66的旋转的编码器51、内置于编码器51的温度传感器56、和经由减速器53由电动机66驱动的对象物(臂67)。通过从电动机66向减速器53输出的扭矩中，减去通过机器人1001的逆动力学计算而求出的动力学扭矩，从而估算基于碰撞的外力扭矩作为碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)。若碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)大于给定的碰撞检测阈值τvth，则判断为机器人1001受到了外力。在由温度传感器56检测出的温度(Tc)小于给定的温度阈值Tcth的情况下，将给定的碰撞检测阈值τvth设为值(τth+dτth)。在从与所检测出的温度(Tc)为给定的温度阈值Tcth以上的时间点(x＝30)相比靠前给定时间的时间点(x＝20)起到时间点(x＝30)为止的期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP小于最大值判定阈值τdPPthA的情况下，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为比值(τth+dτth)小的值τth。在期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthA以上的情况下，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为值(τth+dτth)。
也可以设定比最大值判定阈值τdPPthA大并且比值τth小的最大值判定阈值τdPPthB。也可以得到对期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的时间推移进行近似而得到的近似直线83的斜率τdPA。在该情况下，在期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthA以上且小于最大值判定阈值τdPPthB、并且近似直线83的斜率τdPA为负的情况下，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为值τth。在期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthA以上且小于最大值判定阈值τdPPthB、并且近似直线83的斜率τdPA为0或正的情况下，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为值(τth+dτth)。在期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthB以上的情况下，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为值(τth+dτth)。
在期间Du中的碰撞扭矩估算值τdiso(τdP)的最大值τdPP为最大值判定阈值τdPPthB以上的情况下，也可以与近似直线83的斜率τdPA无关地，在时间点(x＝30)将给定的碰撞检测阈值τvth设为值(τth+dτth)。
如上所述，通过实施方式中的机器人1001的碰撞检测方法，即使在使用编码器52内置的温度传感器56来切换碰撞检测阈值τvth的情况下，也能够减少碰撞的误检测的发生。
产业上的可利用性
本发明的机器人的碰撞检测方法即使在基于温度传感器的碰撞检测阈值切换中，不进行导致成本上升、可靠性的下降的向减速器的温度传感器安装，而使用电动机编码器内置的温度传感器的情况下，也能够减少碰撞误检测的发生，在产业上很有用。
附图标记说明
6 位置控制模块
10 速度控制模块
17 传递函数模块
18 表示电动机以及外力的模块
21 旋转方向判定模块
26 扭矩运算模块
30 扭矩估算模块
31、40 碰撞判定模块
32 微分要素
34、41 阈值切换模块
51 编码器
52 编码器
53 减速器
56 温度传感器
57 波形分析模块
61、161 机器人机构
62、162 机器人控制装置
63 操作/示教部
64 主控制部
65 伺服控制部
66 电动机
67 臂
68 传动带
74 峰值保持模块
75 数据蓄积模块
76 最大值提取模块
77 斜率运算模块
78 切换许可判定模块
83 近似直线
67A(671A～676A) 关节轴(对象物)
1001 机器人
CE 切换许可值
dτth 碰撞检测阈值增量
Im 电动机电流
KI/s 速度积分增益
KP 速度比例增益
KPP 位置比例增益
Kt 电动机扭矩常数
Kμ 动摩擦系数
sgn 电动机方向信号
Tc 温度传感器输出值
Tcth 温度阈值
αcom 加速度分量
θcom 位置指令
θL 负荷位置
θm 位置反馈
τdis 碰撞扭矩
τdiso 碰撞扭矩估算值
τdP 峰值保持值(碰撞扭矩估算值)
τdP[x] 峰值保持值
τdPA 斜率
τdPAth 斜率判定阈值
τdPP 最大值
τdPPthA 最大值判定阈值(第一最大值判定阈值)
τdPPthB 最大值判定阈值(第二最大值判定阈值)
τdyn 动力学扭矩
τdyno 动力学扭矩估算值
τm 电动机发生扭矩
τth 碰撞检测阈值
τvth 碰撞检测阈值
τμ 动摩擦扭矩
τμo 动摩擦扭矩估算值
ωcom 速度环指令
ωm 电动机角速度。

Claims (3)

1.一种机器人的碰撞检测方法，包括：
准备机器人的步骤，所述机器人具有电动机、与所述电动机连接的减速器、检测所述电动机的旋转的编码器、内置于所述编码器的温度传感器、和经由所述减速器由所述电动机驱动的对象物；
通过从所述电动机向所述减速器输出的扭矩中减去通过所述机器人的逆动力学计算而求出的动力学扭矩，从而估算基于碰撞的外力扭矩作为碰撞扭矩估算值的步骤；
若所述碰撞扭矩估算值大于给定的碰撞检测阈值，则判断为所述机器人受到了外力的步骤；
在由所述温度传感器检测出的温度小于给定的温度阈值的情况下，将所述给定的碰撞检测阈值设为第一值的步骤；
在从与所述检测出的温度为所述给定的温度阈值以上的第一时间点相比靠前给定时间的第二时间点起到所述第一时间点为止的期间中的所述碰撞扭矩估算值的最大值小于第一最大值判定阈值的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为比所述第一值小的第二值的步骤；和
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第一最大值判定阈值以上的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的步骤。
2.根据权利要求1所述的机器人的碰撞检测方法，还具备：
准备第二最大值判定阈值的步骤，所述第二最大值判定阈值比所述第一最大值判定阈值大并且比所述第二值小；和
得到对所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的时间推移进行近似而得到的近似直线的斜率的步骤，
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第一最大值判定阈值以上的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的所述步骤包括：
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第一最大值判定阈值以上且小于所述第二最大值判定阈值、并且所述近似直线的所述斜率为负的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第二值的步骤；
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第一最大值判定阈值以上且小于所述第二最大值判定阈值、并且所述近似直线的所述斜率为0或正的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的步骤；和
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第二最大值判定阈值以上的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的步骤。
3.根据权利要求2所述的机器人的碰撞检测方法，
在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第二最大值判定阈值以上的情况下，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的所述步骤包括：在所述期间中的所述碰撞扭矩估算值的所述最大值为所述第二最大值判定阈值以上的情况下，不管所述近似直线的所述斜率如何，在所述第一时间点将所述给定的碰撞检测阈值设为所述第一值的步骤。
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