CN110831730B - 机器人系统 - Google Patents

Abstract

能够提供一种机器人系统，具备机器人主体(22)和机器人控制装置(21)，其中，所述机器人主体具有：电动机(8)；减速器(18)，其与电动机(8)的电动机轴连接；臂(15)，其与减速器的输出轴连接；电动机轴侧角度传感器(1)，其能够检测电动机(8)的电动机轴的旋转角度；以及输出轴侧角度传感器(2)，其能够检测减速器的输出轴的旋转角度，所述机器人控制装置(21)基于由电动机轴侧角度传感器(1)检测出的电动机轴侧旋转角度、由输出侧角度传感器(2)检测出的输出轴侧旋转角度、针对电动机轴侧角度传感器(1)与输出轴侧角度传感器(2)的角度传感器组装偏差校正值，来检测臂或安装于臂的设备与其它物体的接触状态，由此，能够高精度地探测机器人的臂或安装于臂的设备与其它物体的接触。

Description

机器人系统

技术领域

本发明涉及一种高精度地探测机器人的臂或安装于臂的设备与其它物体的接触的机器人系统。

背景技术

以往以来，在工厂等中使用各种各样的机器人。为了提高定位精度、安全性等，当前也正在盛行机器人的开发。而且，具备用于进行更加复杂的动作的多关节的机器人等被实用化并广泛普及。

在如上述那样进行复杂的动作的多关节机器人中，重要的是检测出臂部等与构造物、工件、作业人员等的接触来减少由接触造成的灾害的技术。为了检测机器人与其它物体的接触，以往以来也提出过各种各样的技术。

例如，在专利文献1中提出了如下技术：将设置于水平多关节机器人的臂、用于检测相对旋转角度的2个编码器的信号进行比较、监视，来检测臂的碰撞。

另外，在专利文献2中提出了如下技术：在机器人臂的关节所具备的减速器的输入侧和输出侧设置编码器(角度检测单元)，根据输入侧旋转角度与输出侧旋转角度之间的角度差来运算关节误差并判断碰撞。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-39376号公报

专利文献2：日本特开2015-3357号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献1、2所记载的技术中，由于组装编码器时的轴心偏差、螺栓紧固扭矩的偏差等的影响而导致由编码器检测出的角度相对于实际的值而言轻微地发生偏差。因此，需要使机器人臂的接触探测精度降低与该偏差相应的量。在接触探测的对象是构造物等的情况下没有问题，但在对象是人的情况下会产生安全上的问题。

另外，为了检测机器人臂的接触，还存在一种在机器人臂的表面设置接触探测用的传感器的方法。然而，在多关节机器人的臂的情况下，不清楚接触点在何处，因此需要安装许多传感器，存在无法实现制造原价的成本降低这样的问题。

本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于提供一种机器人系统，能够提高探测与包括人在内的其它物体的接触的可靠性、经济性等，并且能够减少由接触事故造成的损伤。

用于解决问题的方案

为了实现上述目的，本发明的机器人系统至少具备机器人主体和机器人控制装置，其中，所述机器人主体具有：电动机；减速器，其与所述电动机的电动机轴连接；臂，其与所述减速器的输出轴连接；电动机轴侧角度传感器，其能够检测所述电动机的电动机轴的旋转角度；以及输出轴侧角度传感器，其能够检测所述减速器的输出轴的旋转角度，所述机器人控制装置检测所述臂或安装于该臂的设备与其它物体的接触状态。

即，机器人控制装置具有：角度传感器组装偏差校正值存储部，其存储根据组装所述电动机轴侧角度传感器和所述输出轴侧角度传感器时的偏差量计算出的角度传感器组装偏差校正值；电动机轴侧角度运算部，其根据所述电动机轴侧的旋转角度来运算电动机轴侧角度；输出轴侧角度运算部，其根据所述输出轴侧的旋转角度来运算输出轴侧角度；扭转变形量运算部，其计算所述电动机轴侧角度与所述输出轴侧角度之间的角度差，对所述角度传感器组装偏差校正值进行校正，求出扭转变形量；弹簧常数存储部，其存储从所述电动机到所述臂为止的弹簧常数；接触判定阈值存储部，其存储所述臂的容许接触扭矩；以及接触判断部，其根据所述扭转变形量和所述弹簧常数存储部中存储的所述弹簧常数来运算所述臂的接触扭矩，在所运算出的所述接触扭矩大于所述接触判定阈值存储部中存储的所述容许接触扭矩的情况下，检测到所述接触状态。

也可以是，所述机器人控制装置还具备电动机控制指令部，在所述接触判断部探测到所述接触状态的情况下，所述电动机控制指令部使所述电动机停止。

另外，也可以是，所述机器人控制装置还具备：接触追随增益存储部，其存储追随所述臂的接触扭矩的增益；以及电动机控制指令部，在所述接触判断部探测到所述接触状态的情况下，所述电动机控制指令部按照对所述接触扭矩与所述容许接触扭矩之差乘以所述增益所得到的速度，来驱动所述电动机。

发明的效果

根据本发明的机器人系统，能够提高探测与其它物体的接触的可靠性、经济性。另外，与以往相比能够提高接触探测精度，因此能够进一步减少由接触事故造成的损伤。

附图说明

图1是本发明所涉及的机器人系统20的概要图。

图2是角度传感器组装偏差的说明图。

图3是示出本发明所涉及的机器人系统20的控制系统(机器人控制装置 21)的功能框图。

图4是示出本发明所涉及的机器人系统的接触扭矩计算处理动作的流程图。

图5是示出基于本发明所涉及的机器人系统的接触探测进行的机器人停止处理动作的流程图。

图6是示出基于本发明所涉及的机器人系统的接触扭矩进行的机器人追随处理动作的流程图。

图7是示出本发明所涉及的机器人系统的角度传感器组装偏差校正值测定处理动作的流程图。

附图标记说明

1：电动机轴侧角度传感器(编码器)；2：输出轴侧角度传感器(编码器)； 3：电动机轴侧角度运算部；4：输出轴侧角度运算部；5：扭转变形量运算部；6：接触判断部；7：电动机控制指令部；8：电动机；9：角度传感器组装偏差校正值存储部；10：弹簧常数存储部；11：接触判定阈值存储部；12：接触追随增益存储部；15：臂；16：减速器18的输出轴；17：电动机8的电动机轴；18：减速器；20：机器人系统；21：机器人控制装置：22：机器人主体。

具体实施方式

图1示出本发明所涉及的机器人系统20的主要部分的概要图。在图1中，本实施方式的机器人系统20构成为具备电动机8、减速器18、臂15、电动机轴用的电动机轴侧角度传感器1、输出轴用的输出轴侧角度传感器2以及机器人控制装置21。臂15经由减速器18而与电动机8连结，因此当对电动机8进行旋转驱动时，臂15进行旋转。此外，本实施方式的机器人系统20构成为具有 1个电动机、减速器、电动机轴侧角度传感器、输出轴侧角度传感器以及臂。但是，本发明不限于此，机器人系统也可以构成为具有多个电动机、减速器、电动机轴侧角度传感器、输出轴侧角度传感器以及臂。

电动机8通常使用伺服电动机等。另外，电动机8的电动机轴17的一个端部与减速器18的输入轴连接，在另一个端部组装有电动机轴用的电动机轴侧角度传感器1。

在本实施方式中，电动机轴用的电动机轴侧角度传感器1使用编码器，构成为检测电动机8的电动机轴17的旋转方向、旋转角，并将测定信号输出到机器人控制装置21。此外，上述电动机轴侧角度传感器1被固定于电动机轴17，但由于不可避免的加工精度的极限、组装精度等的影响，电动机轴侧角度传感器1的轴心与电动机轴17的轴心之间存在偏差。

减速器18由未图示的多个齿轮、输出轴16等构成。在该输出轴16上连结有臂15，另外，在端部组装有输出轴用的输出轴侧角度传感器2。此外，作为减速器18，例如使用弹性扭转变形占主导的波动齿轮装置。但是，本发明不限定于此，也可以使用在输出轴与输入轴之间具有弹性扭转变形的其它种类的减速器。

在本实施方式中，输出轴用的输出轴侧角度传感器2也使用了编码器。输出轴侧角度传感器2检测输出轴16的旋转方向、旋转角，并将测定信号输出到机器人控制装置21。此外，上述输出轴侧角度传感器2被固定于输出轴 16，但由于不可避免的加工精度的极限、组装精度等的影响，输出轴侧角度传感器2的轴心与输出轴16的轴心之间存在偏差。

臂15具有规定的长度，虽然未图示，但在顶端部安装有工具、工件保持单元等。

图3是示出本发明所涉及的机器人系统20的控制系统(机器人控制装置 21)的功能框图。在图3中，机器人控制装置21具有电动机轴侧角度运算部3、输出轴侧角度运算部4、扭转变形量运算部5、接触判断部6、电动机控制指令部7、角度传感器组装偏差校正值存储部9、弹簧常数存储部10、接触判定阈值存储部11以及接触追随增益存储部12。

电动机轴侧角度运算部3根据从电动机轴侧角度传感器1接收到的信号来求出电动机轴侧旋转角度θm，根据减速器18的减速比N来运算换算成输出侧的角度所得到的电动机轴侧角度θ1。也就是说，电动机轴侧角度运算部3 运算θ1＝θm÷N。输出轴侧角度运算部4根据从输出轴侧角度传感器2接收到的信号来运算输出轴侧角度θ2。

扭转变形量运算部5根据作为电动机轴侧角度运算部3的运算结果的电动机轴侧角度θ1和作为输出轴侧角度运算部4的运算结果的输出轴侧角度θ2 来求出角度差Δθd。即，Δθd＝θ1-θ2。并且，利用角度传感器组装偏差校正值存储部9中保存的角度传感器组装偏差校正值θg[θ2]来对该角度差进行校正，求出扭转变形量Δθ。即，运算Δθ＝Δθd-θg[θ2]。在此，角度传感器组装偏差校正值θg以将输出轴侧角度θ2作为自变量的阵列的形式保存在角度传感器组装偏差校正值存储部9中。

在此，在图2中示出角度传感器组装偏差的说明图。图2示出将纵轴设为角度差Δθd、将横轴设为输出轴侧角度θ2、使输出轴16从-360度旋转到+360 度的情况下的角度差。如图2所示，每当使输出轴16旋转一周时，能够观测到相同的角度差Δθd。这是由于加工精度、组装精度等的影响而在输入侧角度传感器1与电动机轴17之间、在输出侧角度传感器2与输出轴16之间存在轴心偏差所产生的偏差，是不同于减速器固有的角度传递误差的另外的现象。由于输出轴侧角度传感器2的安装上的限制，该角度传感器组装偏差在实际情况下大多示出比减速器固有的角度传递误差大的值。在该偏差大的情况下，无法高精度地测定由于通过外力发生扭转而产生的扭转变形量。因而，为了高精度地测定扭转变形量，对角度传感器组装偏差进行校正是必不可少的。此外，关于角度传感器组装偏差校正值，预先测定在无负载状态下使电动机 8进行了旋转时的角度差Δθd与输出轴侧角度θ2之间的关系即可。

接触判断部6根据由扭转变形量运算部5运算出的扭转变形量Δθ以及弹簧常数存储部10中存储的从电动机8到臂15为止的弹簧常数K，来运算臂15 的接触扭矩T。即，进行T＝Δθ×K的运算。并且，通过与接触判定阈值存储部 11中存储的接触判定阈值Tc进行比较，来探测是否产生了相当于接触的外力。即，在T超过Tc的情况下，探测为接触。能够根据扭转变形量Δθ计算接触扭矩的理由是，在将弹性扭转变形占主导的波动齿轮装置等用作减速器18的情况下，能够视作扭转变形量Δθ与减速器18的扭转量相等来处理。

在图4中示出上述的接触扭矩的运算的流程。

在S1中，接触判断部6读入弹簧常数K。在S2中，扭转变形量运算部5读入角度传感器组装偏差校正值θg。在S3中，电动机轴侧角度运算部3运算电动机轴侧角度θ1，输出轴侧角度运算部4运算输出轴侧角度θ2。在S4中，扭转变形量运算部5求出角度差Δθd。即，Δθd＝θ1-θ2。在S5中。扭转变形量运算部5利用角度传感器组装偏差校正值θg来对该角度差进行校正，求出扭转变形量Δθ。在S6中，接触判断部6运算臂15的接触扭矩T。即，进行T＝Δθ×K 的运算。

电动机控制指令部7根据由接触判断部6进行的臂或安装于臂的设备与其它物体的接触判断的状态，来向电动机8发送指令。通常，从机器人控制装置21的电动机控制指令部7向机器人主体22的电动机8发送用于使电动机8 产生旋转扭矩的电流指令。

图5示出探测到臂或安装于臂的设备与其它物体的接触来使机器人停止的流程。S7、S9～S13与图4的S1、S2～S6相同。在S8中，接触判断部6读入接触判定阈值Tc，在S14中将运算出的接触扭矩T与接触判定阈值Tc进行比较，在接触扭矩T超过接触判定阈值Tc的情况下，使电动机8停止。

图6示出探测臂或安装于臂的设备与其它物体的接触并使机器人按照接触扭矩来进行追随的流程。S15、S18～S24与图5的S7、S8～S14相同。在S16 中，机器人控制装置21转移到使机器人按照接触扭矩来进行追随的“接触追随模式”。在S17中，接触判断部6从接触追随增益存储部12读入接触追随增益Gv。接触判断部6在S24中判定为接触的情况下，在S25中计算接触追随速度Vm。通过对接触扭矩T与接触判定阈值Tc之差乘以接触追随增益Gv来计算Vm。即，进行Vm＝(T-Tc)×Gv的运算。机器人控制装置21按照所计算出的 Vm来驱动电动机8。

使用图7来说明角度传感器组装偏差校正值的测定的流程。S27、S28与图4的S3、S4相同。首先，在S26中，在减速器18的输出侧没有负载的状态下使测定轴的电动机8旋转。接着，在S27、S28中，扭转变形量运算部5运算角度差Δθd。在S29中，扭转变形量运算部5将所运算出的角度差Δθd作为角度传感器组装偏差校正值θg保存到角度传感器组装偏差校正值存储部9中。角度传感器组装偏差校正值θg是以输出轴侧角度θ2为自变量的阵列θg[θ2]。反复进行上述S26～S29的处理，直到输出轴侧角度θ2进行一周以上的旋转为止，从而完成角度传感器组装偏差校正值的阵列θg[θ2]。

产业上的可利用性

本发明能够作为高精度地探测机器人的臂或安装于臂的设备与其它物体的接触的机器人系统来利用。

Claims (3)

1.一种机器人系统，其特征在于，具备机器人主体和机器人控制装置，其中，所述机器人主体具有：

电动机；

减速器，其与所述电动机的电动机轴连接；

臂，其与所述减速器的输出轴连接；

电动机轴侧角度传感器，其检测所述电动机的电动机轴的旋转角度；以及

输出轴侧角度传感器，其检测所述减速器的输出轴的旋转角度，

所述机器人控制装置检测所述臂或安装于该臂的设备与其它物体的接触状态，

所述机器人控制装置具有：

角度传感器组装偏差校正值存储部，其存储根据组装所述电动机轴侧角度传感器和所述输出轴侧角度传感器时的偏差量计算出的角度传感器组装偏差校正值；

电动机轴侧角度运算部，其根据所述电动机轴侧的旋转角度来运算电动机轴侧角度；

输出轴侧角度运算部，其根据所述输出轴侧的旋转角度来运算输出轴侧角度；

扭转变形量运算部，其计算所述电动机轴侧角度与所述输出轴侧角度之间的角度差，对所述角度传感器组装偏差校正值进行校正，求出扭转变形量；

弹簧常数存储部，其存储从所述电动机到所述臂为止的弹簧常数；

接触判定阈值存储部，其存储所述臂的容许接触扭矩；以及

接触判断部，其根据所述扭转变形量和所述弹簧常数存储部中存储的所述弹簧常数来运算所述臂的接触扭矩，在所运算出的所述接触扭矩大于所述接触判定阈值存储部中存储的所述容许接触扭矩的情况下，检测到所述接触状态。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，

在所述机器人控制装置中还具备电动机控制指令部，在所述接触判断部探测到所述接触状态的情况下，所述电动机控制指令部使所述电动机停止。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，

在所述机器人控制装置中还具备：

接触追随增益存储部，其存储追随所述臂的接触扭矩的增益；以及

电动机控制指令部，在所述接触判断部探测到所述接触状态的情况下，所述电动机控制指令部按照对所述接触扭矩与所述容许接触扭矩之差乘以所述增益所得到的速度，来驱动所述电动机。

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