CN108778642B - 关节型机器人及其气弹簧的气体减少状态推定方法 - Google Patents

Abstract

该关节型机器人(1)具备：臂(2、3)；驱动马达(9)，用来驱动臂(2、3)；气弹簧(5)，用来支撑作用于臂(2、3)的负荷而减轻驱动马达(9)的负载；及控制机构(8)，用来控制驱动马达(9)；控制机构(8)具有如下功能，即，基于在使驱动马达(9)动作并以通电状态停止的停止位置上所获取的驱动马达(9)的实际电流值，推定气弹簧(5)的内部所封入的气体的减少状态。能够在不引起机器人的运转率降低等的状态下，基于伺服马达的电流值推定气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

Description

关节型机器人及其气弹簧的气体减少状态推定方法

技术领域

本发明涉及一种具备由驱动马达驱动的臂的关节型机器人及其气弹簧的气体减少状态推定方法。

背景技术

以往，在各种机械或设备中使用气弹簧，所述气弹簧利用具有沿轴向滑动的活塞的气缸内所封入的气体的压缩性，将因相应于活塞移动而被压缩的气体的压力增大而产生的对活塞的反作用力用作弹力。

作为利用气弹簧之物的代表例，有在多关节机器人中，对于作用因重力产生的负载的臂，作为气体平衡器而采用之物(例如专利文献1)。所谓气体平衡器，是将气弹簧附加于机器人的臂，通过气弹簧向与作用于臂的负荷相反的方向作用平衡力。由此，在臂的升降动作时或位置保持时谋求马达负载的减轻，从而可实现机器人的小型化或可搬运重量的增大。

然而，气弹簧由于在活塞沿轴向滑动的气缸的内部封入高压气体，所以存在如下问题：因使用而导致气体泄漏从而气体内压降低，由此导致活塞反作用力减小，如果气体泄漏量变大则无法作为气体平衡器有效地发挥功能。

针对这种问题，例如在专利文献2中，提出了如下方法：获取基准时的伺服马达的电流值作为基准电流值，使机器人的姿势及动作等动作条件与基准时相同，获取与基准时不同的时间点的伺服马达的电流值作为对象电流值，基于基准电流值与对象电流值的差分推定气弹簧的气体内压的减少量。

然而，在专利文献2所提出的方法中，获取使机器人的姿势及速度等动作条件相同而获得的基准电流值及对象电流值，基于它们的差分值推定内压的减少量，因此，通过获取以与获取基准电流值的基准时的动作条件不同的动作条件获得的对象电流值，无法推定气体内压的减少量。

因此，在专利文献2的方法中，必须预先以基准时预先设定的动作条件(基准时动作条件)获取基准电流值，且必须在检测气体内压降低的时间点即获取对象电流值的时间点以与基准时相同的动作条件使臂动作。因此，为了获取对象电流值，例如必须停止生产线，进行用来获取对象电流值的特别动作，对机器人使用者来说，有运转率降低等问题。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平10-138189号

专利文献2：日本专利特开2014-195849号

发明内容

[发明要解决的问题]

本发明鉴于现有技术的所述问题而完成，目的在于提供一种能够在不引起机器人的运转率降低等的状态下，基于伺服马达的电流值推定气弹簧的内部所封入的气体的减少状态的关节型机器人及气体减少状态推定方法。

[解决问题的技术手段]

为了解决所述问题，本发明的第1形态的关节型机器人的特征在于具备：臂；驱动马达，用来驱动所述臂；气弹簧，用来支撑作用于所述臂的负荷而减轻所述驱动马达的负载；及控制机构，用来控制所述驱动马达；且所述控制机构具有如下功能，即，基于在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的停止位置上所获取的所述驱动马达的实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第2形态根据第1形态，其特征在于：所述控制机构具有如下功能，即，在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述臂的旋转角度，算出假定所述气弹簧的内部所封入的气体未减少的设定状态下的所述驱动马达的设定电流值，基于所述设定电流值与所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第3形态根据第2形态，其特征在于：所述设定电流值是在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述设定状态下所述驱动马达负担的负载根据转矩-电流特性而算出。

本发明的第4形态根据第2或第3形态，其特征在于：所述控制机构具有如下功能，即，基于用来将所述实际电流值与所述设定电流值进行对比的修正系数乘以所述实际电流值所得的换算电流值和所述设定电流值的差分，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第5形态根据第1至第4中的任一形态，其特征在于：使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置包含多个不同的位置，且所述控制机构具有如下功能，即，基于在所述多个不同的位置上所获取的所述驱动马达的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

为了解决所述问题，本发明的第6形态是一种气体减少状态推定方法，其特征在于推定具备驱动马达及气弹簧的关节型机器人的所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态，所述驱动马达用来驱动臂，所述气弹簧用来支撑作用于所述臂的负荷而减轻所述驱动马达的负载，且所述气体减少状态推定方法具备：第一步骤，用来使所述驱动马达动作并以通电状态停止；第二步骤，在所述第一步骤中的停止位置获取所述驱动马达的实际电流值；及第三步骤，基于所述第二步骤中所获取的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第7形态根据第6形态，其特征在于：在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述臂的旋转角度，算出假定所述气弹簧的内部所封入的气体未减少的设定状态下的所述驱动马达的设定电流值，基于所述设定电流值与所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第8形态根据第7形态，其特征在于：所述设定电流值是在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述设定状态下所述驱动马达负担的负载根据转矩-电流特性而算出。

本发明的第9形态根据第7或第8形态，其特征在于：基于用来将所述实际电流值与所述设定电流值进行对比的修正系数乘以所述实际电流值所得的换算电流值和所述设定电流值的差分，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

本发明的第10形态根据第6至第9中的任一形态，其特征在于：使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置包含多个不同的位置，且基于在所述多个不同的位置上所获取的所述驱动马达的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

[发明的效果]

根据本发明，可提供一种能够在不引起机器人的运转率降低等的状态下，基于伺服马达的电流值推定气弹簧的内部所封入的气体的减少状态的关节型机器人及气体减少状态推定方法。

附图说明

图1是概略性地表示本发明的一实施方式的多关节机器人的主要部分的构成的图。

图2是表示用来支撑机器人的臂的气弹簧的代表性特性的图。

图3是用来说明当保持对伺服马达通电的状态使机器人的臂停止在某停止位置时，利用伺服马达输出转矩与气弹簧输出转矩达成负载转矩的图，(a)表示设定状态，(b)表示内压降低状态。

图4(a)是以伺服马达的电流值表示图3(a)的设定状态的图，(b)是以伺服马达的电流值表示图3(b)的内压降低状态的图。

图5是用来说明保持对伺服马达通电的状态使机器人停止在3个不同的停止位置而推定气弹簧的气体减少状态的方法的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的一实施方式的多关节机器人及其气弹簧的气体减少状态推定方法进行说明。

图1是概略性地表示本实施方式的主要部分的构成的图，在作为构成机器人1的臂的连杆2与连杆3的连结部的驱动轴4，配备着伺服马达9作为用来驱动连杆3的驱动马达。通过使伺服马达9旋转，使连杆3相对于连杆2旋转并定位。伺服马达9的旋转速度及定位基于机器人控制装置8的指令执行。

另外，在本实施方式的机器人1中，在连杆2及连杆3连结着用来支撑作用于臂的负荷的气弹簧5。气弹簧5具备气缸6及活塞杆7，气缸6的基端部自由旋转地支撑在连杆2，活塞杆7的前端部自由旋转地支撑在连杆3。

此外，气弹簧5也可与所述相反地，将气缸6的基端部自由旋转地支撑在连杆3，将活塞杆7的前端部自由旋转地支撑在连杆2。

在气缸6内封入有高压的惰性气体(例如氮气)，如图2的实线所示，气弹簧5在使用范围内具有初始负荷，且具有如果活塞杆7被推压而位移则输出负荷根据相对于位移大致固定的弹簧常数k(特性曲线的倾斜角)变化的特性。根据这种特性，气弹簧5具有针对作用于连杆3(也包含其前面的连杆，以下同样)的重力负载辅助伺服马达9的动力(转矩)的平衡器功能。

由此，例如当维持伺服马达9的通电状态使机器人1的臂(连杆2、3)停止在某位置时，包含重力负载的负载转矩如图3所示，由伺服马达9的输出转矩与气弹簧5的输出转矩负担。

图3(a)是表示当保持对伺服马达9通电的状态使机器人1的臂停止在某停止位置i时，假定气弹簧5内的封入气体未泄漏的设定状态下，用来产生支撑臂重量所需的理论上的转矩的伺服马达9负担的转矩(马达负担转矩)及气弹簧5负担的转矩(弹簧负担转矩)的图。

图3(b)是表示气弹簧5内的封入气体的一部分泄漏而气弹簧5的输出转矩降低的状态下，为了产生支撑臂重量所需的理论上的转矩而伺服马达9负担的输出增大的图。

根据机器人1的臂的停止位置，连杆3的旋转角度确定，活塞杆7的位移也唯一地确定。因此，气弹簧5的输出转矩也根据机器人1的臂的停止位置确定。基于根据机器人1的臂的停止位置确定的负载转矩，伺服马达9应该负担的转矩也唯一地确定。另外，如果伺服马达9应该负担的转矩确定，则可基于伺服马达9的电流-转矩特性，通过计算求出应该供给至伺服马达9的电流值。

如果气缸6内的气体的一部分泄漏而气缸6内的内压降低，则气弹簧5的输出负荷如图2的虚线所示减少。因此，必须使伺服马达9的输出转矩增加来弥补因该输出负荷减少引起的气弹簧5输出转矩的减少量。

因此，在本实施方式中，设置如下等功能，即，推定气弹簧5的内部所封入的气体的减少状态，例如，在气体内压小于预先设定的值的情况下发出警告或使机器人1停止。此外，在气缸6内的气体全部泄漏的情况下，气弹簧5的弹簧功能完全消失，因此，将由伺服马达9负担作用于连杆2的所有转矩。

以下，对在本实施方式的机器人1的气弹簧5使用开始后的任意时间点推定气缸6内的气体泄漏而气缸6内的气体压力降低时的气体压力的减少量的方法详细地进行说明。

(1)步骤1

获取将通过测定获取伺服马达9的电流所得的实际电流值(Im)换算为通过计算求出的电流值Ic的系数Ka(＝Ic/Im)。

例如，针对不同的多个停止位置，使机器人动作并停止，获取伺服马达9的实际电流值Im，并且算出计算电流值Ic，求出Ka。此外，所谓停止位置，设为马达速度0及位置偏差变得固定的位置。

在多个停止位置，如果Ka的波动较小，则在之后的步骤中，将所述多个位置上的平均值用作Ka的值，如果波动较大，则例如以如下方式进行处理。

在Ka依存于姿势等的情况下，将姿势等划分为按指定范围细分的区域，对划分的每一区域规定代表性的Ka并制作表格等，根据停止位置使用对应的Ka。

另外，在根据到达停止位置的动作路径等而Ka的值相差较大的情况下，测定伺服马达9的电流时，以通过相同的动作路径到达停止位置的方式规划。

此外，Ka预先存储在机器人控制装置8的存储装置，用于之后的步骤中的机器人控制装置中的计算或处理等。

(2)步骤2

驱动伺服马达9使臂动作并在停止位置i(连杆3的驱动轴4的旋转角度θi)使动作停止，(A)通过计算求出假定气缸6内的气体未泄漏的设定状态(以下简称为“设定状态”)下的应该供给至伺服马达9的电流值Ig_i，(B)测定停止位置i上的马达电流值Im_i。

(A)设定状态下的伺服马达的电流的计算值Ig_i

如上所述，在设定状态下，如果使连杆3动作并维持伺服马达9的通电状态使机器人停止，则根据机器人的停止位置i，伺服马达9及气弹簧5应该负担的转矩(负担转矩)唯一地确定。于是，基于伺服马达9及气弹簧5各自的负担转矩，根据电流-转矩特性，求出应该供给至伺服马达9的电流值Ig_i及设为由伺服马达9产生气弹簧5的负担转矩时的电流值Ibal_i。

图4(a)是表示当保持对伺服马达9通电的状态使机器人1的臂停止在某停止位置i时，假定气弹簧5内的封入气体未泄漏的设定状态下，关于用来产生支撑臂重量所需的理论上的转矩的马达负担转矩及气弹簧负担转矩，设为以马达的电流产生这些时的马达负担电流的计算值Ig_i及Ibal_i的大小的图。

图4(b)是表示在气弹簧5内的封入气体的一部分泄漏而气弹簧5的输出降低的状态下，设为利用伺服马达9的产生转矩补偿气弹簧5的产生转矩的减少量而算出的马达负担电流的增加量的图。

所述计算或运算处理是发出连杆3等的机器人动作的指令，根据连杆3的旋转角度等信息，在机器人控制装置8中进行。

(B)停止位置i上的马达电流的测定值Im_i

通过电流计等测定流过伺服马达9的电流值。

此外，机器人表面上停止，但其实正在进行伺服动作，因此，电流流经伺服马达9而变动，所以，考虑变动幅度，对马达电流值Im_i采用机器人停止后指定时间T(例如，T＝0.1秒)的电流值的平均值。此处，电流的平均值例如可通过将在时间T的期间利用积分电路将电流信号积分所得的积分量除以时间T而求出。

电流计或电流的平均值算出处理装置等可内置在机器人控制装置8，也可配置在外部，在将电流计等配置在机器人控制装置的外部的情况下，配置在外部的设备与机器人控制装置8以用于测定指令、测定值发送等的信号收发线缆等连接。

(3)步骤3

算出气弹簧5的气体压力的减少量ΔPi或气体压力P1_i。

Ka*Im_i是从实际测量的电流值Im_i换算所得的计算上的伺服马达9的电流值，因此，(Ka*Im_i－Ig_i)在气弹簧的气体泄漏而与设定状态的气体压力相比减少的情况下，成为伺服马达9为了弥补气体压力的减少而增加的电流的增加量。

因此，如果将气弹簧的设定状态下的气体压力设为P0，将实际的气体压力设为P1_i，则停止位置i上的气体压力的减少量ΔPi如下式所示。

ΔPi＝P0－P1_i＝P0*(Ka*Im_i－Ig_i)/Ibal_i…(式1)

此外，如果气弹簧的气体未泄漏，则不存在用来弥补因气体泄漏引起的气体压力的减少的电流的增加，因此成为Ka*Im_i－Ig_i＝0，所以，可知在式1中，成为ΔPi＝0。

另外，根据将式1变形后的下式，可求出实际的气体压力P1_i。

P1_i＝P0*(1－(Ka*Im_i－Ig_i)/Ibal_i)…(式2)

以上的运算处理等在机器人控制装置8中进行。

(4)步骤4

当气弹簧的从设定状态开始的气体压力的减少量ΔPi大于预先设定的减少量时，或实际的气体压力P1_i低于预先设定的压力时，视为气弹簧的气体的泄漏量较大而机器人动作有可能产生故障，并进行显示或警告。

此外，作为显示或警告的判断基准的ΔPi或P1_i的设定值存储在机器人控制装置8的存储装置中，在机器人控制装置8内，通过算出等的ΔPi或P1_i的算出值与设定值的对比，通过机器人控制装置8的显示板的显示、显示灯点亮、蜂鸣音等进行。

＜变化例＞

所述例只基于1个停止位置i(驱动轴4的旋转角度θi)推定气体压力的减少量ΔPi或气体压力Pi，为了提高测定精度，也可通过包含不同的多个停止位置i＝1、2、3…的动作，推定所述多个停止位置上的气体压力的减少量ΔPi或气体压力Pi，例如以它们的平均值设为气体压力的减少量或气体压力的判断基准。

图5是示意性地表示进行包含3个停止位置i＝1、2、3的机器人动作而算出气体压力的减少量等的情况的图。

图5(a)(设定状态)是表示当保持对伺服马达9通电的状态使机器人1停止在3个不同的停止位置i＝1、2、3时，假定在各停止位置上气弹簧5内的封入气体未泄漏的设定状态下，关于用来产生支撑臂重量所需的理论上的转矩的马达负担转矩及气弹簧负担转矩，设为以马达的电流产生这些时的马达负担电流的计算值Ig_i及Ibal_i的大小的图。

图5(b)(内压降低状态)是表示当保持对伺服马达9通电的状态使机器人1停止在3个不同的停止位置i＝1、2、3时，在各停止位置上气弹簧内的封入气体的一部分泄漏而气弹簧的输出降低的状态下，设为利用伺服马达的产生转矩补偿气弹簧的产生转矩的减少量而算出的马达负担电流的增加量的图。

在本例中，使伺服马达9旋转，以在3个停止位置i＝1、2、3停止的方式使连杆3动作，在停止位置i＝1、2、3上，利用与所述步骤2至步骤3相同的方法，算出设定状态下的伺服马达的电流的计算值Ig_i，并测定停止位置i上的马达电流的测定值Im_i之后，算出气弹簧5的气体压力的减少量ΔPi或气体压力P1_i。

然后，例如，算出3个停止位置i＝1、2、3上的气弹簧5的气体压力的减少量ΔPi或气体压力P1_i的平均值，当ΔPi的平均值大于预先设定的减少量时，或P1_i的平均值低于预先设定的压力时，视为气弹簧的气体的泄漏量较大而机器人动作有可能产生故障，并进行显示或警告。

作为发出显示或警告的判断基准，也可代替使用所述平均值，例如设为3个停止位置i＝1、2、3上的气弹簧5的气体压力的减少量ΔPi中的至少1个大于预先设定的减少量时、或3个停止位置i＝1、2、3上的气体压力P1_i中的至少1个低于预先设定的压力时。

所述实施方式及其变化例中的气弹簧5的气体泄漏所致的气体压力的减少量的推定方法可在机器人或气弹簧使用开始后的任意时间点通过执行包含机器人的臂动作的停止的任意臂动作来实施，因此，无须在产品的制造等时停止使用中的机器人的动作而进行独立的动作，可利用使用中的机器人动作来实施。

因此，通过利用用于产品制造的机器人动作的一部分来实施气弹簧的气体泄漏所致的气体压力的减少量的推定，可不停止生产线地实施气体压力的减少量的推定，从而可防止运转率降低。

[符号的说明]

1 多关节机器人

2 连杆

3 连杆

4 驱动轴

5 气弹簧

6 气缸

7 活塞杆

8 机器人控制装置

9 伺服马达

Claims (8)

1.一种关节型机器人，具备：

臂；

驱动马达，用来驱动所述臂；

气弹簧，用来支撑作用于所述臂的负荷而减轻所述驱动马达的负载；及

控制机构，用来控制所述驱动马达；且

所述控制机构具有如下功能，即，基于在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的停止位置上所获取的所述驱动马达的实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态；且

使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置包含多个不同的位置，且

所述控制机构具有如下功能，即，基于在所述多个不同的位置上所获取的所述驱动马达的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

2.根据权利要求1所述的关节型机器人，其中所述控制机构具有如下功能，即，在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述臂的旋转角度，算出假定所述气弹簧的内部所封入的气体未减少的设定状态下的所述驱动马达的设定电流值，基于所述设定电流值与所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

3.根据权利要求2所述的关节型机器人，其中所述设定电流值是在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述设定状态下所述驱动马达负担的负载根据转矩-电流特性而算出。

4.根据权利要求2或3所述的关节型机器人，其中所述控制机构具有如下功能，即，基于用来将所述实际电流值与所述设定电流值进行对比的修正系数乘以所述实际电流值所得的换算电流值和所述设定电流值的差分，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

5.一种气体减少状态推定方法，推定具备驱动马达及气弹簧的关节型机器人的所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态，所述驱动马达用来驱动臂，所述气弹簧用来支撑作用于所述臂的负荷而减轻所述驱动马达的负载，且所述气体减少状态推定方法具备：

第一步骤，使所述驱动马达动作并以通电状态停止；

第二步骤，在所述第一步骤中的停止位置获取所述驱动马达的实际电流值；及

第三步骤，基于所述第二步骤中获取的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态；且

使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置包含多个不同的位置，且

基于在所述多个不同的位置上所获取的所述驱动马达的所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

6.根据权利要求5所述的气体减少状态推定方法，其中在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述臂的旋转角度，算出假定所述气弹簧的内部所封入的气体未减少的设定状态下的所述驱动马达的设定电流值，基于所述设定电流值与所述实际电流值，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

7.根据权利要求6所述的气体减少状态推定方法，其中所述设定电流值是在使所述驱动马达动作并以通电状态停止的所述停止位置上，基于所述设定状态下所述驱动马达负担的负载根据转矩-电流特性而算出。

8.根据权利要求6或7所述的气体减少状态推定方法，其中基于用来将所述实际电流值与所述设定电流值进行对比的修正系数乘以所述实际电流值所得的换算电流值和所述设定电流值的差分，推定所述气弹簧的内部所封入的气体的减少状态。

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