CN109789569A - 机器人臂、机器人控制装置和机器人系统 - Google Patents

Abstract

当主电源(801)被阻断并且机器人控制装置(300)不能参与时，本发明使得可以单独使用机器人臂(201)来记录关于其各个关节(J1‑J6)的状态的信息。该机器人臂(201)配设有：多个连件(211‑216)；用于连接所述多个连件(211‑216)的关节(J1‑J6)；以及用于检测关节(J1‑J6)的状态的传感器(235，236)。机器人臂(201)还配设有：用于记录从传感器(235，236)输出的信息的日志记录设备(380)；以及用于在关节(J1‑J6)的驱动电源被阻断时向传感器(235，236)和日志记录设备(380)供电的供电单元(902)。

Description

机器人臂、机器人控制装置和机器人系统

技术领域

本发明涉及一种机器人臂、与该机器人臂一起使用的机器人控制装置、以及包括该机器人臂的机器人系统，该机器人臂具有将多个连件(link)彼此连接的关节、以及检测关节状态的关节传感器。

背景技术

传统上，各种机器人已经用于诸如工厂的生产场所。近来，用于执行更复杂操作的多关节机器人臂已经投入实际使用并得到广泛使用。电机和减速器安装在这种类型的机器人臂的关节中，并且施加到关节的过度负荷可能导致故障。

施加到机器人臂的关节的过度负荷的因素之一可能是在非操作状态下，特别是在运输或安装期间，施加到机器人臂的振动或冲击。此外，在操作状态下，可能存在机器人臂与诸如结构、工件、工具等的其他物体接触的情况。

特别地，在非操作状态下，一种对抗对正在运输的机器人臂的振动或冲击的对策可以是，例如，使用如下面描述的专利文献1中所公开的用于包装的运输箱，其具有测量加速度的内置冲击记录器，尽管它不专用于机器人臂。通过使用这种用于运输机器人臂的包装方案，例如，可以精确地证明在运输期间是否存在冲击。

此外，关于对操作机器人臂的振动或冲击，例如，可以对臂的关节设置关节角度检测器，并且可以测量在施加过度负荷之后的减速电机的损坏水平，如专利文献2中所公开的。根据专利文献2的构造，可以在不拆卸机器人臂的情况下测量施加到关节的振动、冲击或损坏的水平。

[引用列表]

[专利文献]

专利文献1：日本专利第3366240号

专利文献2：日本特开第2015-3357号公报

发明内容

[技术问题]

根据专利文献1的方案，可以通过利用专用运输箱运输机器人臂并分析记录的加速度，来计算施加到各个关节的负荷。然而，该专利文献示出了一般运输箱的构造，例如，其不直接检测施加到目标部分(例如机器人臂的关节)的振动或冲击。因此，需要执行这样的处理，其中安装传感器的运输箱的位置的加速度被转换成机器人臂的各个关节上的负荷，并且不容易精确地执行这样的转换处理。此外，由于需要专用的振动记录器设备，因此存在运输成本增加的问题。

此外，在专利文献2的构造中，可以在机器人臂的操作期间检测关节中过度负荷的发生。然而，在主电源被切断并且机器人控制装置不能参与的定时(例如，在运输期间或在夜间工作时间结束期间)，例如不能检测到关节的负荷状态。因此，在运输期间或在夜间工作时间结束期间不能测量或记录对臂的振动或冲击的状态下，难以证明是否存在非操作时段的过度负荷。

因此，本发明的目的是，例如在主电源被切断并且机器人控制装置不能参与的定时(例如，在运输期间或在夜间工作时间结束期间)，使关于机器人臂的各个关节的状态的信息能够单独记录在机器人臂上。

[解决问题的方案]

为了解决上述目的，在根据本发明的一个方面的机器人臂的构造中，一种机器人臂包括：多个连件；将所述多个连件彼此连接的关节；检测关节的状态的传感器，在该机器人臂中，利用这样一种构造，其包括：记录传感器的输出信息的日志记录设备；以及在关节的驱动电源被切断的状态下向传感器和日志记录设备供电的供电单元。

[本发明的有益效果]

根据上述构造，检测关节的状态的关节传感器被设置给机器人臂，并且，即使在主电源被切断的状态下，也可以通过由供电单元供电来日志记录(记录为日志)来自关节传感器的输出信息。因此，在不与作为主控制器的机器人控制装置连接的情况下，机器人臂可以单独日志记录关于其臂的关节的状态的信息。因此，可以在诸如运输或安装的非操作时段期间记录关于输出轴的信息，并且可靠地证明是否存在可能导致故障的过度负荷。

附图说明

[图1]

图1是示出根据第一实施例的机器人系统的透视图。

[图2]

图2是示出根据第一实施例的机器人系统的机器人臂的关节的局部截面图。

[图3]

图3是示出根据第一实施例的机器人系统的控制系统的构造的框图。

[图4]

图4是示出根据第一实施例的机器人系统的主要构造的功能框图。

[图5]

图5是示出根据第一实施例的机器人系统的主要构造的功能框图。

[图6]

图6是示出根据第一实施例的输出轴角度相对于时间的变化的曲线图。

[图7]

图7是示出在根据第一实施例的控制装置的连接之后的关节过度负荷确定的流程图。

[图8]

图8是示出第一实施例中的机器人臂的连件的示意图。

[图9]

图9是示出根据第一实施例的输出轴负荷相对于时间的波动的曲线图。

[图10]

图10是示出根据第二实施例的机器人系统的机器人臂的关节的局部截面图。

[图11]

图11是示出根据第二实施例的机器人系统的主要构造的功能框图。

[图12]

图12是示出在根据第二实施例的控制装置的连接之后的关节过度负荷确定的流程图。

[图13]

图13是示出根据第二实施例的输出轴负荷相对于时间的波动的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图描述用于实现本发明的实施例。注意，下面描述的实施例仅是示例，并且，例如，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的范围内适当地改变详细构造。此外，实施例中使用的数值是参考数值，并不意图限制本发明。

[第一实施例]

图1是示出根据本发明第一实施例的机器人系统的整体构造的透视图。在图1中，机器人系统100具有机器人臂单元200和控制机器人臂单元200的操作的机器人控制装置300。此外，示教器400作为根据用户操作教导机器人臂单元200的操作的示教单元连接到机器人控制装置300。

机器人臂单元200具有垂直多关节机器人臂201，以及附装到机器人臂201的尖端的机器人手202作为末端执行器，该机器人臂201具有例如带多个轴(大约两个到六个轴)的关节。

形成机器人臂单元200的主要部分的机器人臂201联接在固定于工作台上的基部210(基端连件)上，使得传递位移或力的多个连件211至216可在关节J1至J6处弯曲(枢转)或旋转。

在本实施例中，机器人臂201由包括三个弯曲轴和三个旋转轴的六个轴的关节J1至J6形成。这里，弯曲指的是两个连件在联接部分的某个点处弯曲的运动，并且，旋转指的是两个连件相对于两个连件的纵向方向上的旋转轴相对地旋转的运动，这两个连件被分别称为弯曲部分和旋转部分。在本实施例的情况下，例如，机器人臂201由六个关节J1至J6形成，其中关节J1、J4和J6是旋转部分，并且，关节J2、J3和J5是弯曲部分。

机器人手202具有多个指状物220(或爪)和手基部221，并且经由力传感器260附装到机器人臂201的尖端，即，附装到连件216的尖端(尖端连件)。多个指状物220由手基部221支撑，以便相对于手基部221绕中心轴在径向方向上向内或向外移动。通过操作多个指状物220使其闭合，可以例如保持工件W1(第一工件)。此外，通过操作多个指状物220打开，可以释放工件W1。例如，机器人手202可以通过由多个指状物220保持工件W1来执行装配操作以将工件W1(装配部件)装配到工件W2(被装配部件：第二工件)中。

机器人臂201具有多个(六个)关节驱动设备230，其设置到各个关节J1至J6并且分别用于驱动关节J1至J6。注意，虽然为了简化图示在图1中仅示出了用于关节J2的关节驱动设备230，并且对于其他关节J1和J3至J6省略了描绘，但是对于其他关节J1和J3到J6布置了具有相同构造的关节驱动设备230。

图2是示出机器人臂201的关节J2的局部截面图。关节J2的结构将在下面被描述为表示关节J1至J6中的各个关节的结构的结构，并且，由于相同的构造，将省略对于其他关节J1和J3至J6的描述。

在图2中，关节驱动设备230具有旋转电机(下文中，简称为电机)231和减小电机231的旋转轴232的旋转速度的减速器233。

关节J2具有编码器235(电机角度检测单元)，其测量电机231的旋转轴232(减速器233的输入轴)的旋转角度。此外，关节J2具有编码器236(关节角度检测单元)，其测量连件212相对于连件211的角度(减速器233的输出轴的旋转角度)。关节J2的角度(关节角度)由编码器236测量。

电机231是例如可以被伺服控制的电机，并且可以由例如无刷DC伺服电机或AC伺服电机形成。

编码器235理想地是例如绝对型旋转编码器。尽管没有描绘细节，但是编码器235可以由单个旋转的(绝对值)角度编码器、(绝对值)角度编码器的总旋转数的计数器、作为向计数器供应电力的供电单元的备用电池等形成。此外，供电单元可以是累积外部供应的电力的构件。即使当从主电源(801，图3和图4)到机器人臂201的电源被关断时，总转数也保持在编码器235的计数器(未示出)中，只要无论从主电源到机器人臂201的电源是接通还是关断，都启用备用电池即可。注意，在附装到图2中的电机231的旋转轴232的同时，编码器235可以附装到减速器233的输入轴。

此外，编码器236是旋转编码器，其检测相邻两个连件之间的相对角度。在关节J2中，编码器236是旋转编码器，其测量连件211和连件212之间的相对角度。虽然编码器236可具有例如其中向连件211设置编码器标尺并向连件212设置检测头的构造(未详细示出)，但是安装有编码器标尺的连件和安装有检测头的连件可以相反。连件211和连件212联接成通过交叉滚子轴承237自由旋转。

电机231被电机盖238覆盖并被保护。制动单元(未示出)设置在电机231和编码器235之间。制动单元的主要功能是在断电时保持机器人臂201的姿态。

例如，在本实施例中，减速器233由具有大的减速比的紧凑且轻质的应变波齿轮减速器形成。减速器233具有波发生器241和圆形花键242，波发生器241是联接到电机231的旋转轴232的输入轴，圆形花键242是固定到连件212的输出轴。注意，虽然直接联接到连件212，圆形花键242可以与连件212一体地形成。

此外，减速器233具有布置在波发生器241和圆形花键242之间并固定到连件211的柔性花键243。柔性花键243相对于波发生器241的旋转以减速比N减速并且相对于圆形花键242旋转。因此，电机231的旋转轴232的旋转减速到减速器233处的1/N的转数，这导致固定有圆形花键242的连件212相对于固定有柔性花键243的连件211枢转，从而使关节J2弯曲。

图3是示出机器人系统100的控制系统(特别是机器人控制装置300和机器人臂201侧的关节控制单元340)的构造的框图。在图3中，例如，在接口361的右侧描绘的关节控制单元340容纳在机器人控制装置300的壳体内或机器人臂201的框架内。

机器人控制装置300具有主控制单元330，多个关节控制单元340(其数量对应于关节的数量：第一实施例中的六个)，以及输出轴信号记录器单元380。

主控制单元330由计算机形成，并且具有CPU 301作为计算单元。此外，主控制单元330具有ROM 302、RAM 303和HDD 304作为存储单元。此外，主控制单元330具有存储盘驱动器305和各种接口311至313。

ROM 302、RAM 303、HDD 304、存储盘驱动器305和各种接口311至313经由总线连接到CPU 301。诸如BIOS的基本程序已经存储在ROM 302中。RAM 303是临时存储诸如CPU 301的计算处理结果的各种数据的存储设备。

HDD 304是存储CPU 301的计算处理结果、外部获取的各种数据等的存储设备，并且还是存储用于使CPU 301执行稍后描述的计算处理的程序320的设备。CPU 301基于存储(存储或加载)在HDD 304中的程序320执行机器人控制方法的各个步骤。

存储盘驱动器305可以读取存储在存储盘321中的各种数据、程序等。任何存储形式可以用于存储盘驱动器305和存储盘321，并且存储盘321可以用于例如光盘(CD(DVD)-R(OM))等。此外，“存储盘”的名称用于说明的目的，并且存储盘321可以是半导体存储器(盘)，例如，广泛用作存储设备的各种闪速存储器。注意，诸如可重写非易失性存储器、外部HDD等的外部存储设备(未示出)可以进一步连接到主控制单元330。

作为示教单元的示教器400连接到接口311。示教器400根据用户输入操作指定教导机器人臂单元200的示教点，即，各个关节J1到J6的目标关节角度(各个关节J1至J6的电机231的目标旋转位置)。示教点的数据通过接口311和总线输出到HDD 304。

HDD 304可以加载示教器400指定的示教点的数据。CPU 301可以读取HDD 304中设置(存储或加载)的示教点的数据。

作为显示单元的监视器500(显示设备)连接到接口312，并且可以例如基于CPU301的控制以文本或图像的形式显示机器人系统100的设置状态或控制状态。通过使用监视器500，可以显示如稍后描述的日志记录的关于机器人臂201的各个关节的状态的信息或者基于其获取的关于各个关节上的负荷的信息。

关节控制单元340连接到接口313。虽然在本实施例中机器人臂201具有六个关节J1至J6，并且机器人控制装置300因此具有六个关节控制单元340，但是关节控制单元340中仅一个在图3中被描绘，并且，省略了其余五个的图示。例如，各个关节控制单元340布置在机器人控制装置300的壳体内。注意，关节控制单元340的布置位置不限于壳体的内部，而且可以布置在例如机器人臂201中。

CPU 301基于预设示教点计算机器人臂201的轨迹，并将指示电机231的旋转轴232的目标旋转位置(旋转角度的控制量)的位置指令信号以预定的时间间隔输出到各个关节控制单元340。

关节控制单元340具有CPU 351、作为存储单元的EEPROM 352和RAM 353、接口361、检测电路362和363以及电机驱动电路365，并且这些部件经由总线连接。CPU 351根据程序370执行计算处理。EEPROM 352是存储程序370的存储设备。RAM 353是临时存储诸如CPU351的计算处理结果的各种数据的存储设备。

上述主控制单元330具有多个(六个)接口313(图3中仅示出了接口313中的一个)。接口313和各个关节(J1至J6)的关节控制单元340的接口361通过电缆等连接，并且可以在主控制单元330和各个关节控制单元340之间发送和接收信号。

上述编码器235连接到检测电路362，并且编码器236连接到检测电路363。从编码器235和236中的每一个输出指示测量角度检测值的脉冲信号。检测电路362和363从编码器235和236获取脉冲信号，将脉冲信号转换为可由CPU 351获取的信号，并将该信号输出到CPU 351。

例如，电机驱动电路365是具有半导体开关元件的电机驱动器，其根据输入电流指令向电机231输出脉冲宽度调制的三相AC PWM波形电压，从而向电机231供应电流。

关节控制单元340的CPU 351计算供应给电机231的电流输出量(电流指令)，使得电机231的旋转位置(旋转角度)接近从主控制单元330的CPU 301输入的指示位置，并将电流指令输出到电机驱动电路365。

电机驱动电路365将与输入电流指令对应的电流供应给电机231。然后，电机231响应于来自电机驱动电路365的电力供应而产生驱动转矩，并将转矩传递给波发生器241，其是减速器233的输入轴。在减速器233中，作为输出轴的圆形花键242相对于波发生器241的旋转以1/N的转数旋转。由此，连件212相对于连件211旋转。

如上所述，关节(J1至J6)中的各个关节的关节控制单元340向电机231供应电流，使得电机231的旋转位置接近从主控制单元330输入的指示位置以控制关节J1至J6中的各个关节的关节角度。

注意，如上所述，可以针对各个关节布置关节控制单元340的CPU 351、EEPROM 352和RAM 353。然而，在机器人臂201侧可以仅设置一组以上作为控制，其整体地控制关节(J1至J6)中的各个关节的整个关节控制单元340。

如上所述，机器人控制装置300使用主控制单元330和关节控制单元340，并执行作为操作程序的程序320和370，以操作机器人臂201。

上述机器人臂201侧的各个控制单元基本上由主电源801操作。虽然这里通过概念块示出机器人臂201的电源单元作为主电源801，但是可以考虑几种不同的形式作为其具体构造。例如，主电源801可以被构造为通过包括在接口361中的电源线从机器人控制装置300侧供应DC电力。此外，主电源801可以通过使用变换和稳定商业电源的电源单元来构造。然而，在任何情况下，通过机器人控制装置300的控制，可以接通或切断从主电源801到上述机器人臂201侧的各个控制单元的电力供应。此外，在其中特别是从机器人控制装置300侧供应主电源801的构造中，在机械臂201和机器人控制装置300在运输等期间彼此断开时，切断来自主电源801的电力供应。此外，在切断来自主电源801的电力供应的状态下，作为关节(J1至J6)中的各个关节的驱动源的电机231显然不能被供电，并且无法执行电机231的驱动，即无法进行关节驱动。就上述而言，换句话说，主电源801可以被认为是驱动机器人臂201的(各个)关节部分的“驱动电源”。

另一方面，在本实施例中，输出轴信号记录器单元380布置在机器人臂201上，以便在切断来自主电源801(关节的驱动电源)的电力供应的状态下能够日志记录(记录)关节(J1至J6)中的各个关节的状态(本实施例中的关节角度)。输出轴信号记录器单元380具有CPU 381以及作为存储单元的EEPROM 382和RAM 384。

输出轴信号记录器单元380的CPU 381根据获取程序383执行从编码器235和236检测的输出轴信息的获取。EEPROM 382形成存储获取程序383的存储设备。RAM 384是临时存储由CPU 381获取的输出轴数据的存储设备。

作为日志记录设备的输出轴信号记录器单元380被构造为，即使在供应到关节的驱动源(电机231)的主电源(801)被切断的状态下，也能够与电源设备901一起操作。在主电源(801)被切断的状态下，电源设备901将作为供电单元的电池902的电力供应给CPU 381、EEPROM 382和RAM 384，以操作作为日志记录设备的输出轴信号记录器单元380。

输出轴信号记录器单元380形成日志记录设备，其将关节传感器(本实施例中的编码器235和236)的输出值与时钟信息相关联地记录(日志记录)在存储设备(例如，RAM 384)中。例如，诸如实时时钟(RTC)的设备被布置在输出轴信号记录器单元380中。此外，从关节传感器获取的输出信息和获取时的RTC的时钟信息与特定存储格式相关联地存储在存储设备(例如，RAM 384)中。可选地，可以采用这样的方案，其中输出信息与CPU 381的时钟同步地从关节传感器获取并且顺序地存储在存储设备(例如，RAM 384)中。在这种情况下，通过将记录处理的开始时间等记录在日志信息的头部等中，可以在稍后描述的负荷测量(评估)处理等中确定关节传感器的输出事件的时间。此外，当从机器人控制装置300侧指示开始日志记录时，可以将日志记录开始时间记录在机器人控制装置300侧并且用于稍后描述的负荷测量(评估)处理。如上所述，可以采用将来自关节传感器的输出信息与时钟信息相关联的任何方案。

注意，在下面的描述中，用于记录输出的关节传感器可以是减速器233(或关节)的输出轴侧上的编码器236。因此，关节传感器的输出被认为是“输出轴信号”，并且输出轴信号记录器单元380的名称被用作日志记录设备。此外，作为用于与时钟信息相关联地记录(日志记录)关节传感器的输出值的存储设备，不仅可以使用RAM 384(由电池902备份)，而且可以使用EEPROM 382等。

注意，虽然在本实施例中将描述计算机可读存储介质是HDD 304或EEPROM 352并且程序320和370存储在HDD 304或EEPROM 352中的情况，但是构造不限于此。例如，程序320和370可以存储在任何存储介质中，只要它是计算机可读存储介质即可。例如，作为用于供应程序320和370的存储介质，可以使用图3所示的存储盘321、外部存储设备(未示出)等。作为具体示例，可以使用软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、CD-R、磁带、非易失性存储器、ROM等作为存储介质。当描述由稍后描述的机器人臂201或机器人控制装置300执行的控制过程的控制程序存储在这样的计算机可读存储介质中时，这种存储介质将构造用于本发明的控制程序的存储介质。

图4作为功能框图示出了根据图3的控制系统的功能的构造。在图4中，基于程序320的CPU 301的功能被示为块，并且CPU 351的功能和基于程序370的电机驱动电路365的功能被示为块。在机器人臂单元200中，机器人臂201的关节J1被示出为块，并且基于获取程序383的CPU 381的功能被示出为块。此外，虽然为了图示的目的，对于在功能方面与图3的部件相对应的部件在图4中使用不同的名称和不同的附图标记，但是，关于与图3的部件对应的附图标记，这两个图之间的每种对应关系通过带有图3中使用的附图标记的括号指示。

机器人控制装置300具有作为第一控制单元350的与关节J1至J6中的各个关节对应的主控制单元330和关节控制单元340以及输出轴的负荷处理单元390的功能。负荷处理单元390还具有从机器人臂201侧获取存储单元386中的日志信息的功能，并且在这个意义上，负荷处理单元390可以被认为是日志获取设备。图4仅示出了关节J1和对应于关节J1的关节控制单元340，并且，虽然省略了图示，但是机器人控制装置300整体地控制分别对应于其他关节J2至J6的多个关节控制单元340。

主控制单元330具有轨道计算单元331，并且各个关节控制单元340具有电机控制单元341。主控制单元330的CPU 301用作具有程序320的轨道计算单元331。

此外，各个关节控制单元340的电机控制单元341对应于由程序370操作的CPU 351和电机驱动电路365的功能。各个关节控制单元340对应于由程序370操作的CPU 351的功能。

现在将描述主控制单元330的控制操作。轨迹计算单元331基于示教点的数据计算机器人臂201的移动(轨迹)。通过由操作者操作的示教器400将教导点设置为关节空间或任务空间中的点。

表示机器人臂201的柔性的参数被定义为关节角度，并且，机器人臂201的关节J1至J6的关节角度分别被表示为θ1至θ6。机器人臂201的构造被表示为(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)并且可以被认为是关节空间中的单个点。以这种方式，当表示机器人臂201的柔性的参数(例如，关节角度或扩展长度)被表示为坐标轴上的值时，机器人臂201的构造可以被表达为关节空间中的点。以这种方式，关节空间是其坐标轴限定机器人臂201的关节角度的空间。

轨迹计算单元331通过使用预定插值方法(例如，线性插值、圆弧插值、关节插值等)生成连接多个设定示教点的机器人臂201的路径。然后，轨迹计算单元331从机器人臂201的生成路径生成机器人臂201的轨道。

这里，机器人臂201的路径是关节空间或任务空间中的一系列点。机器人臂201的轨道表示使用时间作为参数的路径，并且在本实施例中，是各个时间的各个关节J1至J6的电机231的指示位置的集合。

在机器人臂201被操作之前预先计算轨道数据，并且将轨道数据预先存储(预设)在存储单元(例如，HDD 304)中。注意，虽然描述了通过主控制单元330的CPU 301执行轨道数据的计算的情况，但是可以利用这样的构造，其中轨道数据可以由另一计算机(未示出)计算并预先存储(预设)在存储单元(例如，主控制单元的HDD 304)中。

接下来，将描述各个关节控制单元340。电机控制单元341被输入来自轨道计算单元331的位置指令。来自轨道计算单元331的位置指令是基于如上所述的示教点计算的位置指令。电机控制单元341参考输入位置指令和编码器235的值，并执行电机231的位置控制(反馈控制)，使得电机231的旋转位置接近指示位置。

此外，关节驱动设备230的电机231、减速器233、编码器235和236、以及作为第二控制单元的输出轴信号记录器单元380布置在机器人臂201的关节中。输出轴信号记录器单元380由信号处理单元385和电池单元387形成，信号处理单元385处理输出侧编码器236的信号，电池单元387是致动存储处理数据的存储单元386的供电单元。例如，输出侧编码器236、存储单元386和电池单元387可以整体地形成在同一电路基板上。

输出轴信号记录器单元380仅执行输出信号处理和编码器235或236的记录处理，没有用于控制电机231的电机控制功能，因此不需要大功率并且消耗几瓦特左右的功率。因此，为输出轴信号记录器单元380供电并驱动它的电池单元387可以是小型电池或电容器，因此可以容易地在机器人臂201的主体内部的空间中实现。注意，电池单元387也可以用作上述编码器的备用电池。

此外，通过使用用于连接到机器人控制装置300的机器人臂201的连接器等，可以利用这样的构造，其中外部供电单元、外部电池或与上述的电池单元387和输出轴信号记录器单元380对应的外部存储电路可以从外部附装。例如，这样的构造提供了使用大容量外部电池或大容量外部记录器电路来记录关节输出轴信号的可能性，从而能够进行长期日志记录(记录)操作。

如上所述，在本实施例中，输出轴信号记录器单元380和作为供电单元的电池单元283在机器人臂201内部实现。因此，即使在主控制单元330未连接的状态下，输出轴信号记录器单元380可以在存储单元386中获取并记录(日志记录)输出轴信号。也就是说，即使在机器人臂(单元)处于诸如运输或安装的非操作状态时，也可以记录(日志记录)关于输出轴的信息。

接下来，将描述输出轴的负荷处理单元390。输出轴的负荷处理单元390设置在机器人控制装置300中。负荷处理单元390具有负荷计算单元391和过度负荷确定单元392，负荷计算单元391提取存储在上述的存储单元386中的输出轴信息并计算施加到关节(例如，减速器233)的负荷，过度负荷确定单元392根据负荷计算结果确定过度负荷。

接下来，将描述机器人臂201的输出轴信息获取(日志记录)模式。图5是示出根据本实施例的输出轴信息获取的控制过程的流程图，并且，图6是输出轴信息的曲线图。

在本实施例中，在图5的步骤S1中，启用CPU 381的输出轴信息获取(日志记录)模式。该输出轴信息记录模式旨在，在运输、安装操作等期间可能在机器人臂201的减速器233上施加过度负荷的时段中启用。输出轴信息记录模式是即使在未连接机器人控制装置300时也可以通过上述机器人臂201的硬件构造激活的模式。

此外，输出轴信息记录模式不仅可以在运输或安装操作期间使用，而且可以在主电源(801)被激活的状态下(比如，夜间工作时间结束)使用，即使主电源(801)没有经由电缆等连接到机器人控制装置300。也就是说，该模式是利用电池单元283的电力为输出轴信号记录器单元380(日志记录设备)供电，以在切断从主电源(801)向机器人臂201的关节的驱动源(电机231)的电力供应的状态下执行日志记录。

转移到输出轴信息记录模式的方法可以是通过操作连接到机器人控制装置300的示教器400而引起的转移或由定时器操作或具有阈值的触发器操作而引起的转移。该“具有阈值的触发器操作”包括，例如，经由连接机器人控制装置300和机器人臂201的特定信号线的电平等，响应于机器人控制装置300与机器人臂201之间的连接的电断开而触发模式的方案。此外，作为另一种方法，可以将用于检查的个人计算机等连接到机器人控制装置300的连接连接器，以便能够进行获取模式转移或各种设置。

此外，虽然在本实施例中已经描述了连接个人计算机或机器人控制装置300的构造，但是可以向机器人臂201提供操作开关或显示器(例如，图1的905)以能够通过仅使用机器人臂201进行转移。在这种情况下，输出轴信息记录模式可以仅通过机器人臂201侧的操作来开始。例如，使得输出轴信息记录模式开始的操作开关可以布置在基部单元210的后侧或底部。在这种情况下，操作开关由按钮开关形成，该按钮开关通过在盖子内或凹陷部分内使用DIP开关、布置的销等操作。

接下来，CPU 381从机器人臂201的输出侧编码器236经由检测电路363检测关于输出轴的角度信息(步骤S2)。

接下来，CPU 381执行信号处理，以通过使用信号处理单元385将输出轴信息的脉冲信号转换为可存储信息(步骤S3)。此外，CPU 381将转换后的输出轴信息记录在存储单元386中(步骤S4)。此时，输出侧编码器236(关节传感器)的输出信息和时钟信息以如上所述的任何方式彼此相关联地存储在存储单元386中。

来自输出侧编码器236的角度信息是脉冲信号，并且，例如，信号处理单元385执行将每次旋转的总脉冲数转换为关节角度(的时间变化)的信息(1801)的处理，如图6所示。注意，在图6中，横轴上的时间(时间)以秒为单位表示，并且，纵轴上的角度以度(度)为单位表示。对于机器人臂201的所有轴(本实施例中的六个轴)，输出以这种方式转换的各个时间的关节角度数据，并且所有轴的数据被记录(日志记录)在输出轴信号记录器单元380的存储单元386中。

注意，本实施例的电机231用制动器(未示出)实现，并且由于当电机231未通电时制动器工作，因此电机角度不会改变。因此，编码器235的存储不是必需的。然而，当没有对电机231实施制动时，电机231可能由于负荷而旋转，并且在这种情况下，执行编码器235中的记录，记录两个编码器的输出或其差异，并且可以评估负荷。

随后，输出轴信号记录器单元380(日志记录设备)的CPU 381确定它是否在预设记录时间段内(步骤S5)。该“记录时间段”对应于在机器人臂201中允许输出轴信息记录模式的时间长度，并且，可以是，例如，几个到几十个小时。因为“记录时间段”由于存储单元386的存储容量或电池单元283的电容而受到限制，因此输出轴信息记录模式的“记录时间段”可以根据测量时间段(例如，本实施例中的预期运输时段等)预先限制或设置。注意，可以通过使用合适的设置模式等从机器人控制装置300侧设置“记录时间段”的值。此外，可以根据“记录时间段”手动或自动设置关节信息的记录周期等。这里，如果它在“记录时间段”内(步骤S5，“是”)，则CPU 381重复步骤S2到S5的处理，直到达到预定的“记录时间段”。注意，合适的定时器电路或上述RTC设备(未示出)可用于测量“记录时间段”。

如果在步骤S5中到达预定的“记录时间段”(步骤S5，“否”)，则记录结束(步骤S6)。由此，输出轴信息获取模式结束。

在本实施例中，当在使机器人臂201执行输出轴信息获取模式之后机器人控制装置300和机器人臂201彼此连接时，使关节传感器(编码器236或235)的记录的输出信息被提取到机器人控制装置300侧。在机器人控制装置300中，基于关节传感器(编码器236或235)的读取输出信息，可以执行各个关节(J1至J6)的负荷评估。

图7示出了在本实施例中提取在输出轴信号记录器单元380中记录(日志记录)的关节传感器(编码器236或235)的输出信息以及基于此获取(评估)负荷信息的流程。此外，图8是关节构造的示意图，并且，图9是示出负荷波动的曲线图。

一旦机器人控制装置300连接到机器人臂201(图7的步骤S7)，机器人系统100就进入操作状态。接下来，在负荷获取模式中，CPU 381将存储在机器人臂201的存储单元386中的输出轴信息发送到机器人控制装置300的负荷处理单元390(步骤S8)。

接下来，通过使用图8所示的方案，由机器人控制装置300的负荷处理单元390的负荷计算单元391计算各个关节的负荷(步骤S9)。在图8中，J表示关节中心，M表示从关节延伸的部分的惯性，L表示质心位置，θ是关节角度。由于惯性和质心位置根据机器人臂201的设计信息和姿态而变化，因此在负荷计算的同时计算惯性和质心位置。施加到关节的负荷引起关节轴中心的旋转扭矩。在计算扭矩时，对θ执行二阶微分以得到角加速度ω，从惯性M和质心位置L导出惯性矩I，然后通过I×ω计算负荷扭矩T。

通过执行这样的负荷转矩计算，可以基于关节传感器的输出轴信息获取如图9所示的时间负荷转矩数据。在图9的示例中，负荷转矩数据1900的波形在相当长的时段内包括在容许范围(1901至1902)内，但是在1903的峰值部分处超过负荷的上限(1901)。

接下来，将计算结果发送到过度负荷确定单元392，并且如果在步骤S10中负荷转矩在预设的容许范围内(图9中的1901到1902)(步骤S10，“是”)，则显示结果，并且该过程结束(步骤S11)。容许值受到各个关节的减速器233的限制，其是本实施例中的应变波齿轮减速器的容许峰值扭矩。如果超过容许(步骤S10，“否”)，则确定关节部分被损坏，从而执行警告显示(步骤S12)以促使用户执行故障分析、更换等。在图9的示例中，在1903的峰值部分处执行步骤S12的负荷警告显示。根据本实施例的日志记录方案，由于可以确定发生过度负荷的时间，因此例如，可以确定发生过度负荷时的定时，并通过单独参考工作时间表(在被运输的情况下的操作时间表)等来分析已经发生的事件。

注意，负荷获取和评估的过程，以及，可选地或另外，步骤S8至S12中的警告的过程，可以被认为是机器人臂诊断的过程，其根据关节传感器的输出数据状态生成关于机器人臂的诊断信息。该机器人臂诊断不仅可以警告过度负荷，而且可以生成和输出机器人臂诊断信息，以便具体地指示操作者根据负荷转矩值的水平执行检验、检查、大修、部件更换等中的任何一个。

如上所述，在本实施例中，由于通过安装在机器人臂201上的编码器236执行负荷测量，因此不需要诸如加速度传感器的特殊设备。此外，由于编码器236安装在各个关节上，因此具有能够精确地获取各个关节的负荷并执行精确的(过度)负荷确定(评估)的优点。与专利文献1中公开的使用包装的方案相比，由于可以根据本实施例的构造直接日志记录臂的各个关节的关节传感器的输出，所以可以显著地提高测量精度。

此外，在本实施例中，输出轴信号记录器单元380与机器人控制装置300分开地设置在机器人臂201的内部，并且各个关节的关节传感器的输出可以单独被日志记录在臂中。因此，关于输出轴的信息也可以在机器人控制装置300未连接的状态下被记录，例如，在非操作状态下或在运输或安装期间被记录，并且，可以可靠地证明是否存在可能导致故障的过度负荷。

[第二实施例]

接下来，将通过使用图10至图13描述根据本发明第二实施例的机器人系统。注意，例如图10至图13中未示出的部分的硬件构造、机器人臂单元200等与第一实施例的机器人系统100中的相同，并且如果不是特别需要，则将省略其详细描述。此外，图10至图13中的与第一实施例中的部件相同或相对应的各个部件将用相同的附图标记来标记，并且将省略其详细描述。

图10对应于第一实施例的图2，并且是示出本实施例的机器人臂201的关节J2的局部截面图，图11对应于第一实施例的图4，并且是示出本实施例的机器人系统的主要构造(特别是其控制系统的功能)的功能块图。

在第一实施例中，测量输出轴角度的编码器236(关节角度检测单元)用作检测关节的状态的关节传感器。相反，如图10所示，在本实施例中，作为关节传感器的扭矩传感器501(力传感器)安装在关节(J2)中。扭矩传感器501可以由响应于施加的扭矩而移位的弹性构件和测量位移的位移计或扭曲门形成。扭矩传感器501布置在减速器233的输出侧和连件212之间，以检测施加到同一关节的输出轴的扭矩。对于其他关节(J1和J3至J6)，可以实现与图10中相同的构造。

在本实施例中，通过将扭矩传感器501布置在关节的减速器233的输出侧上，可以检测施加到关节的输出轴的力。例如，当工件(W2，W1)上的操作负荷受到限制等时，可以控制机器人臂201的各个关节的扭矩。这使得能够进行机器人控制，例如，使得工件(W2，W1)上的操作负荷不超过容许值的控制。

在控制系统中，如图11所示，信号处理单元385读取扭矩传感器501而不是编码器(236，图4)的输出。同样在本实施例中，关节传感器的输出信息，即，由扭矩传感器501输出的扭矩值，与时钟信息相关联地记录(日志记录)在存储单元386(RAM 384或EEPROM 382)中。

如图12和图13所示，可以执行本实施例的机器人臂201的关节传感器(扭矩传感器501)的输出信息(输出轴信息)的日志记录(记录为日志)处理。图12是示出与第一实施例的图7相对应的负荷指示(评估)过程的流程图，图13是与第一实施例的图9相对应的输出轴信息(负荷波动)的曲线图。

从图7和图12的比较可以清楚地看出，由于在本实施例中将扭矩传感器501安装为关节传感器，因此在图12的过程中不需要将编码器的关节角度信息转换为关节负荷的处理(图7的步骤S8)。由于可以以与使用图7描述的相同的方式执行其他处理步骤，因此这里将省略重复的描述。在本实施例中，关节输出侧的扭矩值的波动与时钟信息直接相关联，并记录(日志记录)在机器人臂201侧的存储单元386(RAM 384或EEPROM 382)中。因此，在机器人控制装置300侧，通过简单地从存储单元386(RAM 384或EEPROM 382)读取日志信息，可以获取如图13所示的负荷转矩中的时间波动数据。在图13中，预期通过使用图9的示例中的扭矩传感器501记录负荷扭矩的情况，图13的负荷扭矩波动指示与图9中的负荷扭矩波动基本相同的变化。例如，关节的负荷转矩超过1903的峰值位置处的容许范围，并且作为响应，在本实施例中也执行负荷转矩警告(图12中的步骤S12)。

如上所述，在本实施例中，由于通过安装在机器人臂201上的扭矩传感器501执行负荷测量，因此不需要诸如关节角度-扭矩转换计算的处理。此外，安装在用于机器人控制的关节上的扭矩传感器501可以用于精确地获取关节的负荷，这提供了能够执行精确的(过度)负荷确定(评估)的优点。与专利文献1中公开的使用包装的方案相比，由于在本实施例中也可以直接日志记录臂的各个关节的关节传感器的输出，所以可以显著地提高测量精度。

[第三实施例]

在本实施例中，将描述其中改变上述第一或第二实施例的构造的一部分的修改例。在上述各个实施例中，当在机器人臂201处执行日志记录操作(输出轴信息获取模式)之后臂被连接到机器人控制装置300之后，基于由机器人控制装置300从臂侧获取的记录信息来获取和评估关节负荷。

然而，例如，机器人臂201可以被构造为单独分析日志记录的信息以检测过度负荷状态并执行警告处理。为此，图1的显示器905作为用于警告处理的显示装置布置在机器人臂201上。在图1的示例中，显示器905布置在基部210的侧面上。作为关节传感器，可以如第一实施例那样使用编码器，或者可以如第二实施例那样使用扭矩传感器501。

此外，为了(仅)在机器人臂201侧执行关节负荷的获取和评估，图7和图12的步骤S7至S11中的关节负荷的获取和评估处理被构造为输出轴信号记录器单元380的CPU 381的控制程序。然后，该控制程序存储在例如EEPROM 382(图3)的程序(383)的一部分中。

输出轴信号记录模式(日志记录)可以以与上述类似的方式执行，如图5(第一实施例)所示。例如，在预定的“记录时间段”已经过去并且输出轴信号记录模式结束之后，由输出轴信号记录器单元380的CPU 381自动执行关节负荷的获取和评估处理(图7和图12的步骤S7至S11)。可选地，关节负荷的获取和评估处理(图7和图12的步骤S7至S11)可以与输出轴信号记录模式(图5)并行地执行，并且，当发生过度负荷时，可以基本上实时地执行警告处理(图12的步骤S12)。

过度负荷警告可以是通过使用布置在机器人臂201上的显示器905(图1)来开启或闪烁警告颜色(例如，红色等)。此外，使用布置在机器人臂201中的扬声器等，可以通过输出警告蜂鸣声、警告(合成)声音等来执行过度负荷警告。

如上所述，机器人臂201被构造为例如单独分析日志记录的信息以检测过度负荷状态并执行警告处理。因此，在机器人臂201未连接到机器人控制装置300的状态下，例如，在运输等期间，可以检测关节的过度负荷状态并且在没有机器人控制装置300的情况下执行警告处理。

此外，即使在机器人臂201物理连接到机器人控制装置300的状态下，也可以利用第一实施例和第二实施例中所示的构造来记录(日志记录)关节信息。例如，在切断对关节(J1至J6)的驱动源(电机231)供电的主电源(801)的时段中，例如在安装机器人系统100之后的夜间的工作时间结束时，可以记录(日志记录)关节信息。输出轴信号记录器单元380可以执行控制，以便基于主电源(801：图3，图4和图11)的电压检测等在主电源被切断时开始输出轴信号记录模式(日志记录)。例如，可以执行由机器人控制装置300执行的负荷获取(或评估)作为在再次接通主电源时执行的初始化处理的一部分。利用这样的构造，即使在机器人控制装置300不能参与的时段(例如夜间工作时间结束)对关节施加意外的过度负荷时，也可以可靠地检测到这样的事件并执行警告处理。

此外，输出轴信号记录器单元380可以被构造为分别日志记录第一实施例和第二实施例中所示的编码器235或236和扭矩传感器501两者的输出信息。在这种情况下，通过组合编码器的输出信息和扭矩传感器的输出信息，可以执行更多种负荷分析(获取)、负荷评估或诊断处理。

本发明也可以通过如下处理来实现：实现上述实施例的一种或更多种功能的程序经由网络或存储介质被供应给系统或设备，并且，该系统或设备的计算机中的一个或多个处理器读取该程序并执行它。此外，本发明可以通过实现一种或更多种功能的电路(例如，ASIC)来实现。

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。

本申请要求于2016年9月28日提交的日本专利申请No.2016-190275的权益，在此通过引用将其全部并入本文。

[附图标记列表]

100 机器人系统

200 机器人臂单元

201 机器人臂

202 机器人手

230 关节驱动设备

231 电机

235 编码器(电机角度检测单元)

236 编码器(关节角度检测单元)

300 机器人控制装置

501 扭矩传感器

901 电源设备

902 电池

Claims (16)

1.一种机器人臂，其包括：多个连件；将所述多个连件彼此连接的关节；以及检测关节的状态的传感器，所述机器人臂还包括：

日志记录设备，其记录传感器的输出信息；以及

供电单元，其在关节的驱动电源被切断的状态下向传感器和日志记录设备供电。

2.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，日志记录设备将传感器的输出信息与时钟信息相关联地记录。

3.根据权利要求1或2所述的机器人臂，其中，在包括控制机器人臂的关节的控制单元的机器人控制装置和机器人臂彼此断开连接的状态下，日志记录设备通过由供电单元供电来记录传感器的输出信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人臂，其中，传感器是测量连件通过关节联接的关节角度的编码器。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人臂，其中，传感器是检测施加到关节的力的力传感器。

6.一种机器人控制装置，其包括：

控制单元，其控制根据权利要求1至5中任一项所述的机器人臂的关节；以及

日志获取设备，其获取由日志记录设备记录的日志信息。

7.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其中，控制单元根据由日志获取设备获取的日志信息，生成关于机器人臂的诊断信息。

8.一种机器人臂的控制程序，所述控制程序使根据权利要求1至5中任一项所述的机器人臂的日志记录设备记录传感器的输出信息。

9.一种机器人控制装置的控制程序，所述控制程序使根据权利要求7所述的机器人控制装置的控制单元生成关于机器人臂的诊断信息。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有根据权利要求8或9所述的控制程序。

11.一种机器人系统，其包括：

机器人臂，其包括多个连件，将所述多个连件彼此连接的关节，检测关节的状态的传感器，记录传感器的输出信息的日志记录设备，以及在关节的驱动电源被切断的状态下向传感器和日志记录设备供电的供电单元；以及

机器人控制装置，其包括控制机器人臂的关节的控制单元和获取由日志记录设备记录的日志信息的日志获取设备。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中，控制单元根据由日志获取设备获取的日志信息生成关于机器人臂的诊断信息，并基于诊断信息执行机器人臂诊断。

13.根据权利要求11或12所述的机器人系统，其中，日志记录设备包括将所述传感器的输出信息和时钟信息相互关联地记录的存储设备。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的机器人系统，其中，在机器人控制装置和机器人臂彼此断开连接的状态下，日志记录设备通过由供电单元供电来执行日志记录操作，以记录传感器的输出信息。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的机器人系统，其中，传感器是测量连件通过关节联接的关节角度的编码器。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的机器人系统，其中，传感器是检测施加到关节的力的力传感器。