CN110871455A - 机器人以及机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供机器人以及机器人系统。能够确保操作者的安全性并且实现低成本化。机器人(100)具备：手腕部(60)，其具备多个手腕关节(5、6、7)；以及多个基本关节(1、2、3、4)，其确定手腕部(60)在三维空间上的位置，仅在各基本关节(1、2、3、4)具备转矩传感器(S1、S2、S3)，转矩传感器检测围绕各基本关节(1、2、3、4)的轴线(J1、J2、J3)的转矩。

Description

机器人以及机器人系统
技术领域
本发明涉及机器人以及机器人系统。
背景技术
以往，已知一种机器人，其具备：用于分别驱动第一轴至第三轴的高驱动力伺服马达；以及用于分别驱动第四轴至第六轴的低驱动力伺服马达(例如，参照专利文献1)。另外，已知一种人机协作机器人系统，其通过操作者直接接触和移动臂来进行允许臂可以移动的直接示教(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-77571号公报
专利文献2：日本特开2018-111174号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献2中记载的与操作者进行协作工作的协作机器人，为了确保操作者的安全，在各轴上具备用于检测与操作者的接触的高灵敏度的转矩传感器。若在各轴具备转矩传感器，则由于高灵敏度的转矩传感器价格高，导致机器人价格变高。
本发明的目的在于提供一种能够确保操作者的安全性并且实现低成本化的机器人以及机器人系统。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明提供以下方案。
本发明的一个方案提供一种机器人，其具备：手腕部，其具备多个手腕关节；以及多个基本关节，其确定所述手腕部在三维空间上的位置，仅在各所述基本关节具备转矩传感器，所述转矩传感器检测围绕各所述基本关节的轴线的转矩。
根据本方案，通过使多个基本关节进行动作，确定手腕部在三维空间上的位置，通过使构成手腕部的多个手腕关节进行动作，确定安装在手腕部前端的工具的姿态。在操作者接触到机器人的任意位置的情况下，利用分别设置在多个基本关节上的转矩传感器中的任一个来检测围绕基本关节的轴线的转矩。由此，即使未检测出围绕手腕关节的轴线的转矩，也能够高灵敏度地检测出操作者与机器人的接触，并且在手腕关节不设置转矩传感器，因此能够实现低成本化。
在上述方案中，也可以具备：马达，其驱动所述手腕关节；电流检测部，其检测对各所述马达供给的电流；以及转矩推定部，其基于所检测出的电流，推定围绕所述手腕关节的轴线的转矩。
通过该结构，即使各手腕关节没有配置转矩传感器，也基于驱动各手腕关节的马达的电流，由转矩推定部推定围绕各手腕关节的轴线的转矩。由此，不需要将高价的转矩传感器设置在手腕关节上，从而实现低成本化，并且还检测操作者对安装在手腕部的工具的接触，从而能够确保操作者的安全性。
在上述方案中，也可以具备控制部，在由所述转矩传感器检测出由于外力而围绕各所述基本关节的轴线产生的转矩的情况下，所述控制部使各所述基本关节向与检测出的转矩相同的方向进行动作。
通过该结构，当对手腕部或工具施加外力时，由控制部向与外力方向相同的方向驱动各基本关节，因此能够容易地使手腕在三维空间上向所需的方向移动。另一方面，由于不进行使手腕部向外力的方向进行动作的控制，因此即使受到外力也能够维持工具的姿态。
在上述方案中，也可以具备三个所述基本关节，在各所述基本关节具备所述转矩传感器。
根据该结构，能够通过三个基本关节的工作来任意地确定手腕部的三维位置。并且，能够利用各基本关节所具备的转矩传感器检测三维方向的转矩。
在上述方案中，也可以具备四个所述基本关节，各所述基本关节具备所述转矩传感器。
根据该结构，能够使四个基本关节之中的一个基本关节作为冗余轴发挥作用，能够在将手腕部固定在三维空间上的任意位置上的同时，使具备多个基本关节的基本轴部变化为多个状态。在操作者接触到机器人的任意位置时，利用四个基本关节分别具备的转矩传感器中的任一个来检测围绕基本关节的轴线的转矩。由此，即使未检测出围绕手腕关节的轴线的转矩，也能够高灵敏度地检测出操作者与机器人的接触，并且在手腕关节上不设置转矩传感器，因此能够实现低成本化。
在上述方案中，也可以具备四个所述基本关节，在除了成为冗余轴的一个所述基本关节以外的三个所述基本关节具备所述转矩传感器。
根据该结构，能够使四个基本关节之中的一个基本关节作为冗余轴发挥作用，在将手腕部固定在三维空间上的任意位置的同时，使具备多个基本关节的基本轴部变化为多个状态。在操作者接触到机器人的任意位置时，利用在除了冗余轴以外的三个基本关节分别具备的转矩传感器中的任一个来检测围绕各基本关节的轴线的转矩。由此，即使没有检测出围绕手腕关节的轴线的转矩，也能够高灵敏度地检测出操作者与机器人的接触，并且在手腕关节以及作为冗余轴的一个基本关节上不设置转矩传感器，因此能够实现低成本化。
在上述方案中，各所述基本关节所具备的所述转矩传感器也可以相同。
根据该结构，能够削减部件的种类，并实现低成本化。
在上述方案中，所述手腕部也可以具备夹入防止结构。
根据该结构，能够防止操作者被夹入没有配置转矩传感器的手腕部，从而提高操作者的安全性。
另外，本发明的另一方案提供一种机器人系统，其具备所述机器人和控制所述机器人的控制装置，所述机器人的轮廓形状信息存储在所述控制装置中，所述控制装置以所述机器人的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制，。
另外，本发明的另一方案提供一种机器人系统，其具备所述机器人和控制所述机器人的控制装置，以所述机器人的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，利用机械机构对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制。
在上述方案中，也可以在所述手腕关节的前端安装有工具，在所述控制部存储有所述工具的轮廓形状信息，所述控制装置以所述工具的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制。
根据本发明，能够起到确保操作者的安全性并且实现低成本化的效果。
附图说明
图1是本发明一个实施方式所涉及的机器人的示意俯视图。
图2是图1的机器人的基座与回转体的连接部分的示意侧视图。
图3是图1的机器人的控制装置所进行的马达的转矩控制的框线图。
图4是图1的变形例所涉及的机器人的示意俯视图。
图5是具有图1的机器人的机器人系统的示意整体图。
附图标记说明
1 基座(基本关节)
2 回转体(基本关节)
3 第一臂(基本关节)
4 第二臂(基本关节)
5 第一手腕元件(手腕关节)
6 第二手腕元件(手腕关节)
7 第三手腕元件(手腕关节)
11 电流检测部
12 控制部
13 转矩推定部
60 手腕部
100、101 机器人
110 工具
200 控制装置
300 机器人系统
J1、J2、J3、J4、J5、J6 轴线
Ja 冗余轴
MT1～MT6 马达
S1 第一转矩传感器(转矩传感器)
S2 第二转矩传感器(转矩传感器)
S3 第三转矩传感器(转矩传感器)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的机器人100进行说明。
本实施方式所涉及的机器人100是具备围绕各自的轴线被旋转驱动的六个关节的垂直多关节型机器人。
如图1所示，机器人100具备：基座(基本关节)1，其固定在设置面上；回转体(基本关节)2，其以相对于基座1能够围绕沿竖直方向延伸的J1轴(轴线)旋转的方式被支撑；第一臂(基本关节)3，其以相对于回转体2能够围绕与J1轴正交的水平的J2轴(轴线)旋转的方式被支撑；第二臂(基本关节)4，其以相对于第一臂3能够围绕与J2轴平行的J3轴(轴线)旋转的方式被支撑；第一手腕元件(手腕关节)5，其以相对于第二臂4能够围绕位于与J3轴异面的位置的J4轴(轴线)旋转的方式被支撑；第二手腕元件(手腕关节)6，其以相对于第一手腕元件5能够围绕与J4轴正交的J5轴(轴线)旋转的方式被支撑；以及第三手腕元件(手腕关节)7，其以相对于第二手腕元件6能够围绕与J5轴正交的J6轴(轴线)旋转的方式被支撑。另外，以下，将从基座1至第二臂4称为基本轴部50，将从第一手腕元件5至第三手腕元件7称为手腕部60。
另外，机器人100具备：第一转矩传感器(转矩传感器)S1，其配置在基座1和回转体2之间，并检测围绕J1轴的转矩；第二转矩传感器(转矩传感器)S2，其配置在回转体2和第一臂3之间，并检测围绕J2轴的转矩；以及第三转矩传感器(转矩传感器)S3，其配置在第一臂3和第二臂4之间，并检测围绕J3轴的转矩。作为各转矩传感器S1、S2、S3，使用相同的转矩传感器。另外，机器人100不具备用于检测围绕手腕部60的J4、J5、J6轴的转矩的转矩传感器。
另外，机器人100具备：围绕J1～J6轴驱动各部分的各马达MT1～MT6；以及控制各马达MT1～MT6的控制装置10。图中，附图标记EN1～EN6是检测马达MT1～MT6围绕J1～J6轴的旋转角度的编码器。另外，相对于基座1围绕J1轴驱动回转体2的马达MT1和编码器EN1表示在图2中，并省略了图1中的图示。
控制装置10由未图示的CPU、ROM和RAM构成。通过CPU将存储在ROM中的程序在RAM中展开，控制装置10执行各程序功能。
如图3所示，控制装置10对机器人100所具备的各马达MT1～MT6输出驱动电流来驱动马达MT1～MT6。图中，为了简化表示，马达MT1～MT6集中配置在远离机器人100的位置。
控制装置10具备：电流检测部11，其检测向马达MT1～MT6的驱动电流；转矩推定部13，其根据检测出的驱动电流推定围绕J4～J6轴的推定转矩Tr；以及控制部12，其实施利用由编码器EN1-EN6检测出的旋转角度的位置反馈和利用由电流检测部11检测出的驱动电流的电流反馈，并且基于由转矩推定部13推定的推定转矩Tr以及由转矩传感器检测出的检测转矩T，控制马达MT1～MT6。
转矩推定部13基于由电流检测部11检测出的向手腕部60的马达MT4～MT6的驱动电流，推定围绕J4～J6轴的转矩Tr。
在示教模式下，由转矩传感器S1～S3检测出检测转矩T的情况下，控制部12将用于使基本轴部50旋转的转矩输入到马达MT1～MT3中，该转矩用于使基本轴部50向与围绕J1～J3轴作用的转矩的方向相同的方向，围绕J1～J3轴旋转。即，控制部12通过控制马达MT1～MT3，产生辅助因外力而围绕J1～J3轴产生的旋转的转矩。另外，辅助的转矩可以根据转矩传感器S1～S3的检测转矩T的大小而发生变化，也可以是固定的。
另外，控制部12在外力作用于手腕部60或安装在手腕部60上的工具的情况下，基于通过向马达MT4～MT6的驱动电流的变化而由转矩推定部13推定出的推定转矩Tr，检测操作者对工具的接触，以使机器人100停止或进行退避动作的方式，控制马达MT1～MT6。
以下对如此构成的本实施方式所涉及的机器人100的作用进行说明。
通过旋转驱动基本轴部50的三个基本关节，确定手腕部60在三维空间上的位置，通过旋转驱动手腕部60的三个手腕关节，确定安装于手腕部60前端的工具的姿态。
例如，在操作者接触机器人100的任意位置的情况下，利用转矩传感器S1～S3中的任一个，判定出外力作为围绕J1～J3轴的转矩而施加于机器人100。另外，在操作者与手腕部60或工具接触的情况下，利用转矩推定部13推定推定转矩Tr，检测出操作者的接触。
由此，即使未检测出围绕J4～J6轴的转矩，也能够高灵敏度地检测出操作者与机器人100的接触，并且无需在J4～J6轴上设置转矩传感器，因此能够实现机器人100的低成本化。
另外，转矩推定部13基于由电流检测部11检测出的马达MT4～MT6的电流，推定围绕J4～J6轴的转矩，因此也可以不在J4～J6轴上配置转矩传感器。由此，无需将高价的转矩传感器设置在J4-J6轴上而能够实现机器人100的低成本化，并且还能够对安装在J4～J6轴上的工具与操作者的接触进行检测，从而确保操作者的安全。
另外，在示教模式下，在对手腕部60或工具施加了外力时，控制部12向与外力的方向相同的方向驱动J1～J3轴。由此，通过对机器人100施加外力，能够容易地变更三维空间上的手腕部60的位置。另一方面，由于控制部12不对手腕部60进行利用外力的控制，因此即使受到外力也能够维持工具的姿态。
上述实施方式所涉及的机器人100具备基本轴部50和手腕部60，基本轴部50具备围绕J1～J3轴的三个基本关节，手腕部60具备围绕J4～J6轴的三个手腕关节。取而代之，如图4所示，也可以采用在围绕J1～J6轴的六个关节的基础上，还具有围绕Ja轴(冗余轴)的冗余关节的机器人101。机器人101具备冗余臂8和马达MTa，冗余臂8相对于第一臂3围绕与J2轴正交的Ja轴旋转，马达MTa驱动冗余臂8。机器人101具备检测围绕Ja轴的转矩的转矩传感器。
根据该7轴多关节型的机器人101，能够利用冗余关节将手腕部60固定在三维空间上的位置的同时，使基本轴部50变化为多个状态。此外，在冗余关节中也可以不具备转矩传感器。
另外，上述实施方式所涉及的手腕部60也可以具备用于防止操作者夹入的防止结构。作为防止结构，例如可以列举出减小第二手腕元件6和第三手腕元件7的连接部分的接缝，或者确保第二手腕元件和第三手腕元件最接近时的间隙的尺寸足够大的结构。由此，能够防止操作者的臂等被夹入接缝或间隙，提高操作者的安全性。
另外，也可以采用具备所述机器人100和以下的控制装置200的机器人系统300。
即，控制装置200也可以存储机器人100的轮廓形状，以机器人100的轮廓形状不重叠在J1轴、J2轴以及J3轴之中的至少一个轴线上的方式，对J1～J6轴的至少一个施加动作限制。由此，能够利用设置在J1～J3轴上的任一个转矩传感器S1～S3无遗漏地检测出作用于机器人100的所有外表面的外力。
例如，如图5所示，通过进行使J2～J6轴的轮廓形状不重叠在J1轴的轴线上的动作限制，从而能够利用设置在J1轴上的第一转矩传感器S1检测出作用于机器人100的所有外表面的外力。
另外，也可以在手腕部60的前端安装有工具110的情况下，控制装置200还存储工具110的轮廓形状，以工具110的轮廓形状不重叠在J1轴、J2轴以及J3轴之中的至少一个轴线上的方式，对J1～J6轴的至少一个施加动作限制。由此，能够利用设置在J1～J3轴上的任一转矩传感器S1～S3无遗漏地检测出作用于工具110的所有外表面的外力。另外，所述动作限制可以在软件上实施，也可以用机械机构实施。

Claims (11)

1.一种机器人，其特征在于，具备：
手腕部，其具备多个手腕关节；以及
多个基本关节，其确定所述手腕部在三维空间上的位置，
仅在各所述基本关节具备转矩传感器，所述转矩传感器检测围绕各所述基本关节的轴线的转矩。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人具备：
马达，其驱动所述手腕关节；
电流检测部，其检测对各所述马达供给的电流；以及
转矩推定部，其基于检测出的电流，推定围绕所述手腕关节的轴线的转矩。
3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，
所述机器人具备控制部，在由所述转矩传感器检测出因外力而围绕各所述基本关节的轴线产生的转矩时，所述控制部使各所述基本关节向与检测出的转矩相同的方向进行动作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人，其特征在于，
所述机器人具备三个所述基本关节，
在各所述基本关节具备所述转矩传感器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人，其特征在于，
所述机器人具备四个所述基本关节，
在各所述基本关节具备所述转矩传感器。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人，其特征在于，
所述机器人具备四个所述基本关节，
在除了作为冗余轴的一个所述基本关节以外的三个所述基本关节具备所述转矩传感器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的机器人，其特征在于，
各所述基本关节所具备的所述转矩传感器相同。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人，其特征在于，
所述手腕部具备夹入防止结构。
9.一种机器人系统，其特征在于，具备：
权利要求1所述的机器人；以及
控制装置，其控制所述机器人，
所述机器人的轮廓形状信息存储在所述控制装置中，
所述控制装置以所述机器人的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制。
10.一种机器人系统，其特征在于，具备：
权利要求1所述的机器人；以及
控制装置，其控制所述机器人，
以所述机器人的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，利用机械机构对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制。
11.根据权利要求9或10所述的机器人，其特征在于，
在所述手腕关节的前端安装有工具，
在所述控制部存储有所述工具的轮廓形状信息，
所述控制装置以所述工具的轮廓不重叠在至少一个所述基本关节的所述轴线上的方式，对所述基本关节和所述手腕关节的至少一个的动作范围设置限制。
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