CN108942917A - 机器人手、机器人装置、机器人手的控制方法和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人手、机器人装置、机器人手的控制方法和存储介质。能够仅测量xyz坐标轴方向上的力的力传感器分别安装在指尖中，并且基于关于各个指尖的位置信息来计算作用在机器人手上的力和力矩。这种结构消除了使用大的力传感器的需要，从而能够缩小各个指尖的尺寸，并且能够检测作用在机器人手上的载荷和力矩力。

Description

机器人手、机器人装置、机器人手的控制方法和存储介质
技术领域
本发明涉及一种包括并入其中的力检测传感器的机器人手。
背景技术
工业机器人手已用于抓握工件以将工件从一个位置移动到另一个位置。然而，近年来，机器人手已用于将抓握的工件直接组装到另一个工件。在要求高精度地装配和确定工件之间的接触的组装中，需要检测在组装期间在机器人手的手指附近产生的反作用力，并且在组装控制中反映检测到的反作用力。关于这一点，日本特开平第01-316193号公报提出了一种技术，其中，在机器人手的手指附近并入用于检测六个轴方向上的力(包括在XYZ坐标轴方向上的力和关于各个轴的力矩力)的力检测传感器，并且当机器人手抓握工件时产生的力被检测以用于高精度的组装控制。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种机器人手，其具有被构造为抓握对象的多个抓握指，所述机器人手包括：打开/关闭驱动机构，其被构造为驱动所述多个抓握指的打开和关闭；多个力检测单元，其被构造为检测关于作用在所述多个抓握指中的各个抓握指上的力的力信息；位置检测单元，其被构造为检测表示所述多个抓握指中的各个抓握指在预定义的坐标系中的位置的位置信息；以及控制单元，其被构造为控制机器人手，其中，控制单元基于由力检测单元检测到的力信息和由位置检测单元检测到的位置信息，来计算作用在机器人手上的预定义位置处的三个轴方向上的力，并且计算关于三个轴中的各个轴而作用的力矩。
根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的另外的特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据第一示例性实施例的机器人系统的示意性结构的说明图。
图2是例示根据第一示例性实施例的机器人手的示意性结构的说明图。
图3是例示根据第一示例性实施例的机器人手和机器人臂的外观图。
图4是例示根据第一示例性实施例的与机器人手的抓握指尖部分相关联的结构的说明图。
图5是例示根据第一示例性实施例的与力矩计算单元相关联的计算方法的说明图。
图6是根据第一示例性实施例的与力矩计算单元相关联的控制框图。
图7A至图7D是各自例示当使用根据第一示例性实施例的机器人手时的工件组装操作的说明图。
图8是例示当使用根据第一示例性实施例的机器人手时的工件组装操作的流程图。
图9例示了根据第二示例性实施例的与机器人手相关联的示意性结构。
图10是从下方观察的根据第二示例性实施例的与机器人手相关联的驱动传动系统的视图。
图11是例示根据第二示例性实施例的与机器人手相关联的驱动传动系统的截面图。
具体实施方式
在日本特开平第01-316193号公报中讨论的方法中，用于检测六个轴方向上的力的力传感器配设在机器人手的手指附近。这导致机器人手的手指部分的尺寸增加。在进行组装工件的操作的情况下，机器人手的手指部分接近待组装的工件。因此，需要缩小手指部分的尺寸以防止机器人手与待组装的工件发生干涉。
其中配设有电布线的力传感器配设在频繁操作的手指构件附近。因此，力传感器的布线中发生断开或接触不良的可能性高，导致力传感器的可靠性降低。另外，在力传感器的校准或维护期间，各个轴都需要检查，这导致了复杂的操作。
因此，本发明要解决的技术问题是提出一种机器人手，其具有这样的结构，其中，具有少量轴的力检测传感器被安装在机器人手的手指附近，并且能够基于力检测传感器的测量值和关于手指的位置信息，计算在任意位置处的三个轴方向上的力和关于三个轴的力矩力。
以下将参照附图描述用于实现本发明的方式。以下示例性实施例仅作为示例来说明。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以适当地修改详细的结构。在本示例性实施例中采取的数值是参考数值，因此不旨在限制本发明。
在本示例性实施例中，基于多个抓握指中的各个抓握要被抓握的对象的抓握力以及关于多个抓握指的位置信息来计算在机器人手上的任意位置处的三个轴方向上的力以及关于三个轴的力矩力。在以下示例性实施例中，抓握设备和抓握部分分别对应于机器人手和机器人手的抓握指。
通常，由控制设备(例如，下面描述的中央处理单元(CPU)501)利用用于控制抓握指的相对位移的驱动源的参数(例如，驱动力、电流或伺服控制信息)，来计算配设在机器人手上的多个抓握指中的各个的抓握力。然而，在本示例性实施例中，抓握力实际上由布置在机器人手的抓握指附近的力传感器测量。这种结构使机器人手能够根据抓握状态被更精确地控制。作为力传感器，可以使用测力传感器、应变仪或光学测量检测部分的变形量的方式的力检测设备。
下面将参照附图描述根据第一示例性实施例的结构和抓握控制。图1例示了根据本示例性实施例的机器人系统的示意性结构。
根据本示例性实施例的机器人系统100包括机器人臂主体200、机器人手主体300、机器人臂控制设备400和机器人手控制设备500。作为组装用零件的工件W1被放置在工件安装基部S1上，并且，作为要组装的对象的工件W2被固定在工件固定基部S2上。
机器人系统100操作待组装的工件W1和W2，从而使得能够制造工业产品或其零件。例如，工件W1和W2的组装操作是以这样的方式进行的，使用机器人臂主体200和机器人手主体300抓握和移动作为待抓握的对象的工件W1，然后将工件W1装配到工件W2的组装部分。
在本示例性实施例中，机器人臂主体200是多关节机器人臂。机器人臂主体200的底部被固定到基部600。作为抓握设备的机器人手主体300被安装在机器人臂主体200的前缘。通过机器人手主体300对工件W1进行操作。机器人臂主体200的各个关节配设有作为用于驱动相应关节的驱动源的电机和作为用于检测电机的旋转角度的检测器的编码器。
机器人臂控制设备400针对机器人手主体300的目标位置姿态计算要由机器人臂主体200的关节所形成的角度，并向控制各个关节的电机的伺服电路(未例示)输出命令值。机器人手控制设备500与机器人臂控制设备400连接，并向机器人手主体300输出抓握命令。该抓握命令作为例如表示编号或数值的数据(抓握命令表)而输出。
如图1所示，机器人手控制设备500包括由微处理器等构成的CPU501以及经由总线连接到CPU 501的只读存储器(ROM)502、随机存取存储器(RAM)503、通用信号接口504和手电机驱动器505。ROM 502存储用于控制机器人手主体300的程序。抓握命令可以由用户使用外部输入设备700输出。外部输入设备700的示例包括示教器。
与机器人手控制设备500的部件501至505相同，机器人臂控制设备400可以包括CPU、ROM、RAM、通用信号接口、电机驱动器等。在这些部件中，通用信号接口504被用于与机器人臂主体200的各个单元中的传感器等进行通信，并且臂电机驱动器405被用于控制用于驱动机器人臂主体200的各个关节的电机。
图2例示根据第一示例性实施例的机器人手主体300的示意性结构。机器人手体300包括作为抓握部分的三个抓握指3401至3403。
抓握指3401至3403被控制成，通过旋转驱动的关节J1至J5，分别相对于连杆351、352和353移位。该结构允许抓握指3401至3403进行操作以抓握要被抓握的各个对象(下面描述的各个工件)，或者释放抓握的对象。相应地，机器人手主体300的抓握指3401至3403由关节J1至J5驱动。
包括在机器人手主体300的各个抓握指3401至3403的驱动传动系统的一部分中的各个连杆351至353例如是所谓的平行四杆连杆机构，如图2所示。利用这种结构，例如可以在保持平行姿态的同时打开或关闭抓握指3401至3403。除了平行连杆机构之外的任何机构都可以使用，只要该机构使得能够在保持平行姿态的同时打开或关闭抓握指3401至3403即可。
用于控制抓握指3401至3403的相对位移的连杆351、352和353分别由分别配设在关节J1、J2和J3中的电机311、312和313驱动。连杆351至353和电机311至313是打开/关闭驱动机构的示例。
在本示例性实施例中，在三个抓握指中，两个抓握指3401和3402分别配设有电机314和315，使得抓握指3401和3402被允许分别通过各自具有1的自由度的关节J4和J5而沿箭头“a”和“b”所表示的方向转动(turn)。该结构使得能够控制各个抓握指3401和3402相对于抓握指3403的转动姿态。上述电机314和315是转动驱动机构的示例。
用于抓握指3401至3403的驱动机构由附装至机器人臂主体200的前缘的机器人手主体300的基部36支撑。图2中所示的XYZ坐标系为机器人臂体200的公共坐标系，该坐标系的原点位于例如基部36的中心轴线361所通过的基部36的上表面上的一个点处。
参照图2，以简化的方式例示的支撑部分362例如平行于机器人手坐标系XYZ上的Y轴而支撑在基部36的中心轴线361处，以连接抓握指3401的关节J4和抓握指3402的关节J5。抓握指3403的关节J1通过支撑部分363被支撑在与基部36上方的关节J4和J5相同的高度处，为了便于说明，该支撑部分363被例示为L形。
关节J4和J5相互独立地操作并且以单独的驱动量驱动。在本示例性实施例中，抓握指3401和3402被控制成，采取相对于抓握指3403对称的转动姿态。在本示例性实施例中，为了便于说明，分别利用由与Y轴基本上平行地布置的关节J4和J5相对于支撑部分362形成的角度来表示，允许各个抓握指3401和3402通过关节J4和J5转动的转动角度。
例如，图2例示了如下状态：当关节J4和J5相对于支撑部分362(或Y轴)形成90°的角度时，抓握指3401和抓握指3402被布置为相对于抓握指3403彼此面对。当关节J4和J5从图2所示的状态在图2所示的“a”和“b”的各个方向上旋转90°时，由关节J4和J5形成的角度在下文中被表示为0°。当关节J4和J5从图2所示的状态在图2所示的“a”和“b”的各个方向上旋转60°时，由关节J4和J5形成的角度在下文中被表示为30°。在本示例性实施例中，例如，在下面描述的图5等中，上述值也可以用作关节J4和J5的旋转角度。
参照图2，抓握指的连杆通过分别直接连接至电机311至315的减速器321至325驱动，并且力传感器341、342和343可检测作用在相应的抓握指上的力。电机311至315分别配设有检测相应电机的旋转角度的编码器331至335。
机器人手控制设备500中的CPU 501可以通过使用编码器331至335的输出值来计算各个关节J1至J5的旋转角度。在这种情况下，CPU 501可以通过使用减速器321至325的减速比将编码器331至335的输出值分别转换为关节J1至J5的旋转角度。因此，可以检测表示关于机器人手坐标系XYZ上的各个抓握指的位置信息的值。
编码器331至335是检测关于打开/关闭驱动机构和转动驱动机构的位置信息的位置检测单元的示例。具体而言，如图2所示，可以检测通过连杆351使抓握指3401移动的移动位置，并且可以检测通过连杆351和352使抓握指3401和3402的平行移动、以及当抓握指3401和3402被允许通过关节J4和J5转动时抓握指3401和3402的移动位置和转动角度。
图3例示了当机器人手主体300附装到机器人臂主体200的前缘时的外观图。作为根据本示例性实施例的机器人臂主体200，使用多关节臂，但是替代地可以使用仅关于一个轴移动的具有单个关节的机器人臂。图3所示的机器人装置用于图1所示的机器人系统100，以进行抓握和组装工件的操作。
图4例示了根据本示例性实施例的机器人手主体300的前缘的细节。在本示例性实施例中，力传感器341、342和343分别配设在所有抓握指3401、3402和3403的前缘处，因此可以检测施加到各个抓握指的载荷(力信息)。力传感器341、342和343是力检测单元的示例。
在本示例性实施例中，抓握指3401、3402和3403分别配设有力传感器341、342和343。配设这些力传感器，以通过利用施加到各个抓握指的抓握力和关于各个抓握指的位置信息，基于在机器人手坐标系XYZ上的任意位置检测关于整个机器人手的各个轴的力矩。在图4中，点O对应于任意位置。在本示例性实施例中，磁性三轴力传感器被用于抓握指，但是代替地可以使用应变仪，只要可以检测施加到各个抓握指的载荷(力信息)即可。
利用上述结构，可以检测施加到各个抓握指的载荷(力信息)和关于各个抓握指的位置信息，并且可以通过下面描述的计算单元来计算作用在整个机器人手上的力矩。下面将参照图4和图5来描述根据第一示例性实施例的力矩计算单元。
在图4中，由安装在抓握指3401中的力传感器341检测到的抓握指坐标系xyz上的力的测量值分别由Fx1，Fy1和Fz1表示。由安装在抓握指3402中的力传感器342检测到的抓握指坐标系xyz上的力的测量值分别由Fx2，Fy2和Fz2表示。由安装在抓握指3403中的力传感器343检测到的抓握指坐标系xyz上的力的测量值分别由Fx3，Fy3和Fz3表示。关于机器人手坐标系XYZ上的任意点O(X0，Y0，Z0)产生的力分别由FX，FY，FZ表示，关于各轴产生的力矩分别由MX，MY，MZ表示。
为了便于说明，假定如图5所示，表示安装在各个手指中的力传感器341、342和343检测到的力的XY坐标平面，与表示作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的力的XY坐标平面在同一平面上。假定如下情况：由力传感器343检测到的x轴方向上的力Fx3和作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的力FY，在同一轴上以相反方向作用。
在这种情况下，作为关于各个抓握指的位置信息，从力传感器341的位置到机器人手坐标系XYZ上的任意点O的距离由L1表示。类似地，从力传感器342和力传感器343的位置到机器人手坐标系XYZ上的任意点O的距离分别由L2和L3表示。在由力传感器341检测到的力Fx1与作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的力FX之间形成的角度由Θ1表示。在由力传感器342检测到的力Fx2与作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的力FX之间形成的角度由Θ2表示。基于驱动手指抓握的电机311、312和313的旋转角度来计算距离L1、L2和L3。基于驱动转动运动的电机314和315的旋转角度来计算角度Θ1和Θ2。
当接收外力的工件(未例示)被三个手指构件(抓握指3401、3402和3403)抓握并保持静止时，作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的外力和施加到三个力传感器341、342和343的力被平衡。因此，可以通过求解如下公式表达的力平衡公式来计算施加到机器人手主体300的力和力矩：
FX＝-Fx1cosΘ1-Fy1sinΘ1+Fx2cosΘ2-Fy2sinΘ2+Fy3 (1)，
FY＝Fx1sinΘ1-Fy1cosΘ1+Fx2sinΘ2-Fy2cosΘ2+Fx3 (2)，
FZ＝Fz1+Fz2+Fz3 (3)，
MX＝-Fz1L1sinΘ1-Fz2L2sinΘ2+Fz3L3 (4)，
MY＝-Fz1L1cosΘ1+Fz2L2cosΘ2 (5)，以及
MZ＝-Fy1L1-Fy2L2-Fy3L3 (6)，
其中，L1至L3各自表示从机器人手坐标系XYZ上的各个抓握指到机器人手主体300上的任意位置(点O)的距离，并且Θ1和Θ2各自表示机器人坐标系XYZ上的各个抓握指的转动角度。请注意，从配设在相应抓握指中的编码器获得这些转动角度。
通过充当计算单元的CPU 501计算公式，以获得关于机器人手主体300上的任意点O的XYZ坐标轴方向上的力(FX，FY，FZ)和关于各个轴的力矩MX，MY和MZ。
假定在本示例性实施例中，为了便于说明，表示由安装在各个手指中的力传感器341、342和343检测到的力的XY坐标平面，与表示作用在机器人手坐标系XYZ上的点O处的力的XY坐标平面在同一平面上。另外，假定如下情况：由力传感器343检测到的x轴方向上的力Fx3和作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的力FY，在同一轴上以相反方向作用。然而，机器人手主体300的基准位置不限于上述示例。即使在任意位置设置在机器人手主体300的底部等处的情况下，也可以通过与上述相同的方式求解力平衡公式来获得力矩力。
如上所述，可以检测作用在相应抓握指上的三个轴方向x，y和z上的力以及关于各个抓握指的位置信息，并且可以获得作用在机器人手上的任意点O处的X，Y和Z轴方向上的力和关于各个轴的力矩，而不需要在抓握指附近安装大型的、昂贵的六轴传感器。
图6例示了包括上述力矩计算单元的本示例性实施例的控制框图。力矩计算单元由配设在机器人手控制设备500内的CPU 501中的算术设备501a实现。
首先，抓握工件。在这种情况下，在考虑到电机和减速器的情况下从编码器的输出中检测机器人手坐标系XYZ上的各个抓握指中配设的各个力传感器341、342和343的移动位置和转动角度，并且由力传感器检测施加到各个抓握指的载荷(力信息)。此外，力矩计算单元计算关于机器人手坐标系XYZ上的任意点的力矩。实时地计算并更新关于配设在各个抓握指中的力传感器的位置、作用在各个抓握指的抓握表面上的载荷以及计算的力矩的信息。
算术设备501a还充当控制机器人臂主体200的机器人臂控制设备400的命令生成单元。ROM 502存储要被抓握的工件的容许力矩值。通过该结构，可以在机器人臂控制设备400上进行通过比较存储的力矩值和通过算术设备501a计算出的力矩值的错误显示以及用于改变抓握姿态的指令。
如上所述，基于所计算的力矩值、检测到的载荷、移动位置和转动角度，使用机器人手坐标系XYZ上的任意点O作为抓握工件的重心来检测当发生抓握偏离时产生的力矩变化。另外，将命令值输出到机器人臂控制设备400，并且机器人手主体300的位置被控制，由此能够精确地组装工件。
参照图6，机器人手命令值生成单元510生成表示机器人手主体300的各个抓握指的目标位置的抓握指位置命令值和表示抓握力的目标值的抓握力命令值。机器人臂命令值生成单元410生成表示整个机器人手主体300的目标位置的机器人臂位置命令值，使得机器人手主体300可以抓握工件。
由机器人手命令值生成单元510生成的抓握指位置命令值被供给到抓握指位置控制单元520，并且由机器人手命令值生成单元510生成的抓握力命令值被供给到抓握力控制单元530。在根据抓握指位置命令值的目标位置处，产生用于驱动各抓握指的控制值，使得可以通过根据抓握力命令值的抓握力来抓握工件。产生的控制值被供给到手电机驱动器505以分别驱动关节J1至J5的电机311至315。这允许抓握指3401、3402和3403进行抓握操作。
在进行位置控制的情况下，各个电机由抓握指位置控制单元520控制，并且在进行力控制的情况下，各个电机由抓握力控制单元530控制。在本示例性实施例中，关节J1至J3的电机311、312和313分别可以同时或选择性地进行位置控制和力控制。关节J4和J5的电机314和315分别是用于允许抓握指转动的电机并且不参与用于抓握的连杆机构的操作。因此，电机314和315仅进行位置控制，并不进行抓握力控制。
抓握指分别配设有编码器331至335和力传感器341至343。检测抓握工件时的抓握指坐标系xyz上的位置信息和指示施加于各个抓握指上的载荷的力信息(Fx，Fy和Fz)。这些信息被反馈到抓握力控制单元530和抓握指位置控制单元520中的各个的输入侧，并且进行对各个抓握指的位置和抓握力的反馈控制。
对于机器人臂主体200的控制，机器人臂位置控制单元420向臂电机驱动器405输出用于将机器人手主体300运送到靠近工件的位置的机器人臂控制值。配设在机器人臂主体200的各个关节中的驱动电机406(被例示为设置在各关节中的多个电机的代表)被驱动以控制机器人臂主体200的位置和姿态。关于此时的机器人臂主体200的位置信息由用于检测机器人臂主体200的位置的编码器407检测并被反馈到机器人臂位置控制单元420的输入侧，由此进行对机器人臂的位置的反馈控制。
如上所述，分别由编码器331至335和力传感器341至343检测的抓握指坐标系xyz上的位置信息和关于各个抓握指的力信息(Fx，Fy和Fz)也被同时供给到算术设备501a。算术设备501a将在各个抓握指中检测到的力信息(Fx，Fy和Fz)和位置信息转换为机器人手坐标系XYZ。通过上述公式(1)至(6)计算作用在机器人手坐标系XYZ上的任意位置处的力矩MX，MY和MZ。
算术设备501a可通信地连接到存储器501b并且包括诸如ROM、RAM或闪速存储器的记录介质。存储器501b存储在正常组装工件时在各个抓握指处获得的载荷值以及关于机器人手坐标系XYZ上的任意位置作用的力矩值。将这些值与在各抓握指处获得的检测的载荷值Fx，Fy和Fz以及计算出的力矩MX，MY和MZ进行比较，由此预测工件偏离方向。
在预测偏离方向之后，将命令值输出到机器人臂位置控制单元420，使得各个工件的位置沿消除偏离的方向偏移。在本示例性实施例中，输出机器人臂主体200的电机驱动量的命令值，使得工件可以在偏离消除方向上移动一定量。工件的位置在偏离消除方向上偏移，从而使得能够进行适当的组装。
将参照图7A至图7D和图8描述实际组装操作。图7A至图7D是各自例示由根据本示例性实施例的机器人手主体300组装工件的处理的视图。图8是例示工件组装操作的流程图。
图7A至图7D中所示的工件“b”具有作为组装工件“a”的组装部分的凹部10。工件“a”具有作为待组装到工件“b”的组装部分的凸部。首先将描述机器人臂主体200和机器人手主体300被移动到紧接在抓握工件“a”之前的位置的状态。假定机器人手主体300持续地抓握工件“a”上预先确定的目标抓握位置并且工件“b”通过夹具固定。
存储器501b存储当机器人手坐标系XYZ上的任意位置被设置为机器人手的重心位置(本示例性实施例中的点O)时，工件“a”接触工件“b”时关于抓握指的位置信息。存储器501b还存储当工件“a”完全插入到工件“b”的凹部10中时获得的位置信息和关于从工件“b”接收到的反作用力的力信息。此外，存储器501b存储如下信息，例如当工件“a”正常插入工件“b”的凹部10中时检测到的抓握指处的载荷值Fx，Fy和Fz，由于摩擦等而被接收的反作用力等，以及力矩值(MX，MY和MZ)的容许变化范围等。
图7D例示了其中工件“a”正常被组装到工件“b”的凹部10的状态。存储在该状态下检测到的抓握指处的各个载荷值Fx，Fy和Fz和计算出的力矩值(MX，MY和MZ)的容许范围。
下面将参照图7A至图7D使用图8的流程图描述将工件“a”组装到工件“b”的操作。
首先，在步骤S1中，工件“a”被多个抓握指抓握并被传送到工件“b”上。图7A例示了这种状态，并且工件“a”位于工件“b”的凹部10上方。工件“a”相对于抓握指发生角度α的错位，并且工件“a”在工件“a”倾斜的状态下被抓握。
在该状态下，在步骤S2中，通过机器人臂主体200使机器人手主体300在组装方向“d”上下降，从而将工件“a”移动到如图7B所示工件“a”接触工件“b”的位置。在本示例性实施例中，当工件彼此接触时机器人臂主体200的驱动量被设置在存储器中，并且基于驱动量确定工件之间的接触。在当工件“a”被插入到工件“b”的凹部10中时不可避免地产生由摩擦等引起的反作用力的情况下，可以设置作用在各个抓握指上的载荷值的阈值，使得工件之间的接触可以基于阈值来确定。
如果确定工件“a”接触工件“b”，则在步骤S3中，机器人臂主体200使工件“a”在组装方向上进一步下降。此时，图7B中分别由箭头F1，F2和F3表示并作用在用于抓握工件的各抓握指上的载荷变化。此外，由于工件“a”被偏离地抓握，所以通过使工件“a”接触凹部10的边缘“e”，工件“a”不能被精确地插入到工件“b”的凹部10中，其结果是，在由关于仅工件的重心的点P的箭头所表示的方向上产生力矩M。假定力矩M也作用在点O，基于检测到的载荷值和关于各个抓握指的位置信息，算术设备501a通过上述方法计算当抓握工件“a”时作用在机器人手主体300的重心(点O)处的力矩M'的值(S4)。在本示例性实施例中，通过将作用在作为工件的重心的点P的力矩偏移到点O来计算力矩M'。可选地，可以通过直接设置点P来计算力矩值。
接下来，在步骤S5中将检测到的载荷值和计算出的力矩值与存储在存储器中并且当工件被正常抓握并组装时获得的载荷值和力矩值进行比较。作为在步骤S5中比较所计算的力矩值与所存储的力矩值的结果，如果确定力矩值是异常值(步骤S5中为“是”)，则处理进行到步骤S6。如果确定力矩值是正常值(步骤S5中为“否”)，则处理进行到步骤S8。在比较中，基于当工件被正常抓握并组装时获得的载荷值和力矩值来设置容许范围，并且如果该值落在容许范围内，则确定这些值是正常的。
即使当工件“a”被精确地插入到凹部10中时，由于相对摩擦等而产生一定量的力矩和一定量的反作用力。然而，如果错位较大，则难以进行插入操作本身。因此，在工件之间产生大的转动力矩和大的反作用力，这使得能够通过设置容许范围来进行异常确定。
作为步骤S5中的比较的结果，如果确定力矩值是异常值，则在步骤S6中从比较结果预测力矩值变为正常的方向。具体而言，可以基于箭头M'所指示的转动力矩的方向来预测工件“a”偏离的方向。
此外，在步骤S7中，从算术设备501a向机器人臂位置控制单元420输出命令值，使得工件“a”上升预定量以与工件“b”分离，并且，如图7C所示，工件“a”沿工件“a”可以插入的方向偏移一定量δ。然后，处理返回到紧接在步骤S3之前，以重复上述循环，直到检测到的载荷值和计算出的力矩值变为正常值。
当工件“a”的位置被校正了一定量δ时，可以基于接触状态中产生的反作用力和力矩的方向和大小来预测以下情况：工件“a”和工件“b”以平行状态接触的情况，工件“a”和工件“b”以倾斜状态接触的情况等。因此，优选依据诸如工件“a”的平行移动或旋转移动等情况适当地使用工件位置的校正量δ。
在重复上述循环之后，如果在步骤S5中确定检测到的载荷值和计算的力矩值是正常的(步骤S5中为“否”)，则处理进行到步骤S8。在步骤S8中，将工件“a”正常插入到工件“b”中。图7D例示将工件“a”正常组装到工件“b”的凹部10的状态。在本示例性实施例中，当臂的下降量达到一定量时，确定工件组装操作完成。可选地，在图7D所示的状态下完成插入时，可以基于针对来自凹部10的底表面的反作用力设置的阈值来确定插入完成。
通过上述控制操作，即使工件“a”的抓握位置偏离，工件“a”的抓握位置的错位也可以被检测到，并且可以自动校正错位，因此可以精确地进行组装操作。根据该方法，可以在不使用检测错位的系统并且通过由照相机等拍摄工件的图像来校正错位的情况下进行精确的组装操作。这并不意图要排除使用图像拍摄的图像处理。取决于操作条件使用处理落入本发明的范围内。
如上所述，在根据本示例性实施例的机器人手中，安装在抓握指附近的力传感器可以以比现有技术更简单的结构获得力矩，并且，即使当发生工件抓握偏离时也可以精确地组装工件。
在第一示例性实施例中，抓握指3401和3402分别使用两个电机314和315进行转动驱动。电机数量的增加导致机器人手主体300的重量增加。由于使用两个电机，所以还需要两个用于检测位置信息的编码器，这导致机器人手主体300的重量增加和力矩计算的复杂性。
在第二示例性实施例中，抓握指4401和抓握指4402被构造成通过齿轮机构(致动器)同步并且使用一个电机驱动，这导致机器人手主体300的重量进一步减小和简化力矩计算。
图9例示了如下示例：抓握指4401和4402由齿轮机构使用一个电机通过与图2中例示的类似的方法驱动。具有与上述第一示例性实施例相同的构造和操作的硬件和控制系统部件的详细描述将被省略。
在以下描述中，与第一示例性实施例相同或等同的构件和控制功能由相同的附图标记表示。特别地，与机器人手主体300的关节、力传感器等的布置相关联的硬件构造以及用于控制机器人系统的控制示意图与根据第一示例性实施例的图4和图6中所示的类似。
图9例示了根据本示例性实施例的机器人手主体300的各个转动抓握指4402和4403的构造。根据本示例性实施例的用于打开或关闭抓握指的连杆机构、用于检测抓握指上的载荷的力传感器以及力矩计算设备与第一示例性实施例的类似。
图9是例示了电机416、检测电机416的旋转角度的编码器446以及传动设备149(该传动设备149用于将电机416的旋转动力分别分配给抓握指4402和抓握指4403的转动轴212和213)中的各个的示意性结构的透视图。
在本示例性实施例中，如图9所示，配设分别耦合到抓握指4401和抓握指4402的转动轴211和212以及分别耦合到转动轴的多个波动减速器145A和145B。传动设备149将充当旋转驱动源的电机416的输出传输到波动减速器145A和145B中的各个。
如图9所示，根据本示例性实施例的传动设备149包括耦合到例如电机416的输出轴的齿轮142，分别耦合到波动减速器145A和145B的输入轴的齿轮144A和144B以及布置在这些齿轮之间的齿轮143A和143B。在本示例性实施例中，这些齿轮是正齿轮，但是传动设备149可以包括滑轮、皮带等，并且蜗轮等也可以用于一些齿轮。
在本示例性实施例中，如图9所示，传动设备149将电机141的输出从包括在电机141的输出轴中的齿轮142传输到通过中间齿轮143B耦合到波动减速器145B的输入轴的齿轮144B。此外，中间齿轮143B将电机141的输出传输到通过中间齿轮143A耦合到波动减速器145A的输入轴的齿轮144A。为了实现根据本示例性实施例的抓握部分的转动控制，中间齿轮143A的齿数被优选地设置为等于中间齿轮143B的齿数。利用该结构，从电机141到波动减速器145A的变速比和从电机141到波动减速器145B的变速比是相同的变速比并且旋转驱动方向彼此相反。在本示例性实施例中，如上所述，电机141的旋转驱动力通过沿相反方向旋转而传输到波动减速器145A和145B的输入轴146A和146B(图10)。
图10例示了从下方观察的图9所示的驱动传动系统。图11例示了图9所示的驱动传动系统的截面结构。如图10和图11所示，分支的旋转驱动力使用波动减速器145A的轴线O2'作为旋转中心而通过齿轮144A传输到输入轴。分支的旋转驱动力使用设置在抓握指4401的支撑部分122中的轴线O2作为旋转中心，而通过波动减速器145A传输到旋转轴147A。旋转轴147A由轴承146A支撑，以用于接收施加到支撑部分122上的抓握指4402上的载荷。
特别地，在传动系统中，如点划线所示，作为抓握指4402的转动轴线的旋转中心的轴线O2和作为波动减速器145A的输入轴的旋转中心的轴线O2'被布置在同一轴线上。为了满足这样的同轴关系，例如，波动减速器145A优选地通过图中详细例示的位置调整机构来附装，使得可以调整水平面内的附装位置。
用于抓握指4402的支撑部分132的传动系统具有与上述类似的构造。输入到齿轮144B的旋转驱动力通过关于波动减速器145B的轴线O3'的输入轴和波动减速器145B，被传输到关于作为旋转中心的轴线O3的旋转轴147B。旋转轴147B由轴承146B支撑，以用于接收施加到抓握指4403的载荷。
另外，在抓握指4402的传动系统中，如点划线所示，作为抓握指4403的转动轴的旋转中心的轴线O3和作为波动减速器145B的输入轴的旋转中心的轴线O3'被布置在同一轴线上。为了满足这样的同轴关系，例如，波动减速器145B被优选地附装到图中详细例示的位置调整机构，使得可以调整水平面内的附装位置。
在本示例性实施例中，调整波动减速器145A和145B在水平方向上的位置，从而满足轴线O2和轴线O2'之间的同轴关系以及轴线O3和轴线O3'之间的同轴关系。然而，为了确保轴线之间的同轴关系，可以在传动系统的一部分中插设联轴器。在这种情况下，可以省略调整波动减速器145A和145B在水平方向上的位置的处理。
如上所述，根据本示例性实施例的机器人手主体300具有用于使得抓握指4401和4402转动并且改变各个抓握指4401和4402的位移方向的转动轴线。另外，设置用于将电机416的驱动力分配到多个转动轴的传动设备149。由传动设备149分配的驱动力通过布置在传动设备149和转动轴之间的波动减速器145A和145B传输到各个转动轴。
根据上述结构，两个抓握指可以由传动设备149使用一个电机驱动，这导致机器人手主体300的重量减轻。
诸如CPU 501的控制设备可以通过使用来自编码器446的输出值来计算电机416的旋转角度。在这种情况下，诸如CPU 501的控制设备可以通过使用波动减速器145A和145B之间的减速比将来自编码器446的输出值将转换成各个旋转角度。因此，可以将数值检测为关于各个抓握指的位置信息。
通过传动设备149使得抓握指4401和抓握指4402以同步的方式转动。当电机416的旋转角度为Θ4时，抓握指4401的转动角度的绝对值以及抓握指4402的转动角度的绝对值中的各个是Θ4。因此，在从公式(1)至公式(6)中，将Θ4代入Θ1和Θ2，并且，代入以与第一示例性实施例相同的方式获得的关于连杆机构的位置信息和由力传感器检测到的载荷的值。通过这种结构，与第一示例性实施例一样，可以获得作用在关于机器人手坐标系XYZ上的任意点O的X，Y和Z轴上的力矩，而不需要在抓握指附近安装大型的昂贵的六轴传感器。
此外，由于能够减少要使用的电机和编码器的数量，这导致与第一示例性实施例相比机器人手主体300的重量进一步减小。可以减少在力矩计算过程中要处理的来自编码器的位置信息量，从而可以缩短处理时间并且可以快速进行组装操作。
在本示例性实施例中，作为波动减速器，能够适当地使用如下波动减速器，例如，优选地由约一个齿轮传动级构成的谐波驱动器(Harmonic )。
如上所述，当抓握工件时，利用用于获得施加到抓握指的载荷和各个抓握指的位置信息的机构，能够计算作用在机器人手坐标系XYZ上的任意点O处的X，Y和Z轴方向上的力和关于各个轴的力矩。因此，关于机器人手坐标系XYZ上的任意点O的力矩能够仅通过三轴力传感器来计算，而不需要在抓握指附近配设具有复杂结构的六轴力传感器。因此，能够检测在发生工件抓握偏离时在组装过程中产生的力矩，并且，能够根据该力矩控制机器人臂，由此能够进行精确的组装操作。
此外，由于可以消除使用六轴力传感器的需要，所以能够缩小抓握指部分的尺寸，并且在小工件的组装操作期间，能够减小多个工件与机器人手之间的干涉。此外，能够减少传感器中的电布线的数量，因此可以减少发生断开或接触故障的可能性。
上述示例性实施例例示了ROM 502或RAM 503用作计算机可读记录介质并且ROM502或RAM 503存储程序的情况。然而，本发明不限于这种结构。只要记录介质是计算机可读记录介质，用于执行本发明的控制程序可以被记录在任何类型的记录介质中。例如，作为用于供给控制程序的记录介质，可以使用硬盘驱动器(HDD)、外部存储设备、记录盘等。
本发明还可以以这样的方式来实现：用于实现根据上述示例性实施例的一个或多个功能的控制程序通过网络或记录介质被供给到系统或装置，并且所述系统或装置的计算机中的一个或多个处理器读取控制程序。本发明还可以通过用于实现根据上述示例性实施例的一个或多个功能的电路(例如，专用集成电路(ASIC))来实现。
其他实施例
(多个)实施例也可以通过如下实现：一种系统或装置的计算机，该系统或装置读出并执行在存储介质(其也可被更充分地称为“非暂态计算机可读存储介质”)上记录的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)，以执行上述(多个)实施例中的一个或多个的功能，并且/或者，该系统或装置包括用于执行上述(多个)实施例中的一个或多个的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))；以及由该系统或者装置的计算机执行的方法，例如，从存储介质读出并执行计算机可执行指令，以执行上述(多个)实施例中的一个或多个的功能，并且/或者，控制所述一个或多个电路以执行上述(多个)实施例中的一个或多个的功能。所述计算机可以包括一个或更多处理器(例如，中央处理单元(CPU)，微处理单元(MPU))，并且可以包括分开的计算机或分开的处理器的网络，以读出并执行所述计算机可执行指令。所述计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质被提供给计算机。例如，存储介质可以包括如下中的一个或多个：硬盘，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，分布式计算系统的存储器，光盘(例如，压缩盘(CD)，数字多功能光盘(DVD)，或蓝光光盘(BD)TM)，闪速存储器装置，存储卡，等等。
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
本发明适用于工业机器人。
虽然针对示例性实施例描述了本发明，但是，应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。下述权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类修改以及等同的结构和功能。

Claims (14)

1.一种机器人手，其具有被构造为抓握对象的多个抓握指，所述机器人手包括：
打开/关闭驱动机构，其被构造为驱动所述多个抓握指的打开和关闭；
多个力检测单元，其被构造为检测关于作用在所述多个抓握指中的各个抓握指上的力的力信息；
位置检测单元，其被构造为检测表示所述多个抓握指中的各个抓握指在预定义坐标系中的位置的位置信息；以及
控制单元，其被构造为控制机器人手，
其中，控制单元基于由力检测单元检测到的力信息和由位置检测单元检测到的位置信息，来计算作用在机器人手上的预定义位置处的三个轴方向上的力，并且计算关于三个轴中的各个轴而作用的力矩。
2.根据权利要求1所述的机器人手，其中，控制单元将力信息和位置信息转换为所述预定义坐标系的坐标，并计算所述三个轴方向上的力和关于所述三个轴中的各个轴而作用的力矩。
3.根据权利要求1所述的机器人手，其中，所述预定义位置是当对象被抓握时机器人手的重心位置。
4.根据权利要求1所述的机器人手，其中，力检测单元是配设在所述多个抓握指中的各个抓握指中的三轴力传感器，并且检测作用在所述多个抓握指中的各个抓握指上的载荷。
5.根据权利要求1所述的机器人手，其中，位置检测单元使用配设在打开/关闭驱动机构中的编码器来检测位置信息。
6.根据权利要求1所述的机器人手，所述机器人手还包括：
转动驱动机构，其被构造成使所述多个抓握指转动，
其中，位置检测单元检测所述多个抓握指中的各个抓握指相对于机器人手的位置。
7.根据权利要求6所述的机器人手，其中，通过使用单个驱动源的致动器，来允许多个抓握指当中的被使得转动的抓握指转动。
8.根据权利要求1所述的机器人手，其中，在对象被抓握以进行组装的情况下，控制单元基于计算出的所述三个轴方向上的力的变化和关于所述三个轴中的各个轴而作用的力矩的变化，来控制机器人手的位置。
9.一种机器人装置，所述机器人装置包括：
机器人臂，其具有附装根据权利要求8所述的机器人手的前缘；以及
机器人臂控制单元，其被构造为控制机器人臂在能够定位机器人臂的预定义坐标系内的位置，
其中，控制单元向机器人臂控制单元供给，关于计算出的所述三个轴方向上的力和计算出的关于所述三个轴中的各个轴而作用的力矩的信息，并且
其中，机器人臂控制单元使得机器人臂被驱动以控制机器人手的位置。
10.一种机器人手的控制方法，所述机器人手具有多个抓握指，所述多个抓握指被构造为被打开和关闭并抓握对象，所述控制方法包括以下步骤：
通过配设在所述多个抓握指中的各个抓握指中的力检测单元，来检测关于作用在所述多个抓握指中的各个抓握指上的力的力信息；
通过配设在所述多个抓握指中的各个抓握指中的位置检测单元，来检测表示所述多个抓握指中的各个抓握指在预定义坐标系中的位置的位置信息；以及
计算步骤，基于力信息和位置信息，来计算作用在机器人手上的任意位置处的三个轴方向上的力，并计算关于三个轴中的各个轴而作用的力矩。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，在所述计算步骤中，力信息和位置信息被转换为所述预定义坐标系的坐标，并计算所述三个轴方向上的力和关于所述三个轴中的各个轴而作用的力矩。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其中，所述预定义位置是当对象被抓握时机器人手的重心位置。
13.根据权利要求10所述的控制方法，所述控制方法还包括以下步骤：
在对象被抓握以进行组装的情况下，基于计算出的所述三个轴方向上的力的变化和关于所述三个轴中的各个轴而作用的力矩的变化，来控制机器人手的位置。
14.一种计算机可读记录介质，其存储有用于执行根据权利要求10所述的控制方法的控制程序。
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