CN110871456A - 机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明一种机器人，所述机器人(100)具备：多个关节(J1～J6)，其围绕轴线旋转驱动；转矩传感器(S1)，其检测作为多个所述关节(J1～J6)之中的一个关节的对象关节(J1)围绕轴线的转矩；角度关联信息检测部(EN1～EN6)，其检测与各所述关(J1～J6)围绕轴线的旋转角度关联的信息；转矩变动量推定部，其基于所检测的所述信息，推定由所述转矩传感器(S1)检测出的转矩的因围绕所述对象关节(J1)的轴线的转矩以外的负载引起的变动量；以及校正部，其利用所推定的所述变动量来校正由所述转矩传感器(S1)检测出的转矩。

Description

机器人
技术领域
本发明涉及机器人。
背景技术
目前已知有如下的机器人：其具备多个关节，并在各关节具备检测围绕关节轴线的转矩的转矩传感器(例如，参照专利文献1)。专利文献1的机器人，针对围绕一个关节的轴线的转矩，利用由位于比该关节更靠近前端侧的其他关节的转矩传感器所检测的转矩，进行校正。
受到向除了围绕一个关节的轴线以外的方向的负载的影响，围绕一个关节的轴线的转矩发生变动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-80841号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，对于专利文献1中的方法而言，以在所有的关节中配置转矩传感器为前提，因此机器人的价格变高。而且，当在连接计算转矩的关节和前端侧的关节的臂上，通过引导示教等而由作业人员施加了外力时，无法准备地计算出围绕关节的轴的转矩。可以通过提高转矩传感器的主体的刚性，来减轻向除了围绕关节的轴线以外的方向被施加的负载的影响，但是会导致转矩传感器自身变大，机器人大型化，机器人质量增加。
用于解决问题的方案
本发明的一方案提供一种机器人，所述机器人具备：多个关节，其围绕轴线旋转驱动；转矩传感器，其检测围绕作为多个所述关节之中的一个关节的对象关节的轴线的转矩；角度关联信息检测部，其检测与各所述关节围绕轴线的旋转角度关联的信息；转矩变动量推定部，其基于所检测的所述信息，推定由所述转矩传感器所检测的转矩的因围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载引起的变动量；以及校正部，其利用所推定的所述变动量来校正由所述转矩传感器检测出的转矩。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的机器人的示意性俯视图。
图2是示出图1的机器人的基座与回转体的连接部分的示意性侧视图。
图3是由图1的机器人的控制部控制的马达的转矩控制的框图。
图4是示出针对围绕J1轴的回转体的旋转角度的检测转矩变化的一例的图表。
图5是示出根据图4所示的检测转矩来计算出的校正转矩的一例的图表。
图6是示出设置在图1的机器人的第一转矩传感器的一例的立体图。
附图标记说明
1：基座(机器人构成零件)
2：回转体(机器人构成零件)
3：第一臂(机器人构成零件)
4：第二臂(机器人构成零件)
5：第一手腕元件(机器人构成零件)
6：第二手腕元件(机器人构成零件)
3：第三手腕元件(机器人构成零件)
11：校正部
13：变动量推定部(转矩变动量推定部)
100：机器人
EN1～EN6：编码器(角度关联信息检测部)
J1～J6：关节
J1：对象关节
S1：第一转矩传感器(转矩传感器)
Tf：校正转矩(变动量)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式的机器人100进行说明。
本实施方式的机器人100为具备分别围绕各自的轴线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1，其固定在设置面；回转体(机器人构成零件)2，其相对于基座1能够围绕沿竖直方向延伸的轴J1(对象关节)旋转地被支撑；第一臂(机器人构成零件)3，其相对于回转体2能够围绕与J1轴正交且水平的J2轴(关节)地被支撑；第二臂(机器人构成零件)4，其相对于第一臂3能够围绕与J2轴平行的J3轴(关节)旋转地被支撑；第一手腕元件(机器人构成零件)5，其相对于第二臂4能够围绕位于与J3轴异面的位置的J4轴(关节)旋转地被支撑；第二手腕元件(机器人构成零件)6，其相对于第一手腕元件5能够围绕与J4轴正交的J5轴旋转地被支撑；以及第三手腕元件7，其相对于第二手腕元件6能够围绕与J5轴正交的J6轴旋转地被支撑。
而且，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与回转体2之间，并检测围绕J1轴的转矩；第二转矩传感器S2，其配置在回转体2与第一臂3之间，并检测围绕J2轴的转矩；以及第三转矩传感器S3，其配置在第一臂3与第二臂4之间，并检测围绕J3轴的转矩。
而且，机器人100具备：马达MT1～MT6，其使各部分围绕J1～J6轴进行驱动；各编码器(角度关联信息检测部)EN1～EN6，其设置在各马达，并检测围绕J1～J6轴的旋转角度；以及控制部10，其利用所检测的围绕各轴的旋转角度控制各部分的轴J1～J6的驱动。此外，如图2所示，使回转体2相对于基座1围绕J1轴进行旋转的马达MT1及编码器EN1，在图1中的图示被省略。
图1所示的控制部10由未图示的CPU、ROM、RAM所构成。通过CPU将存储于RAM中程序在RAM中展开，控制部10执行各程序功能。
如图3所示，控制部10具备：变动量推定部(转矩变动量推定部)13，其根据机器人100的姿态变化来推定由第一转矩传感器S1检测出的转矩的变动量，由此计算校正转矩(变动量)Tf；校正部11，其利用变动量推定部13计算出的校正扭转Tf来校正检测扭转T；以及驱动部12，其根据为驱动马达MT1而输入的转矩指令值Ti、检测转矩T以及校正转矩Tf，来驱动马达MT1。
变动量推定部13预先(出厂时等)求出由表或近似式构成的旋转角度特性并进行存储，所述表是对在各关节围绕各轴旋转时的旋转角度应用了由转矩传感器检测的检测转矩T的表。
例如，当仅使围绕J1轴的旋转角度发生变化，并将其他各关节固定为对J1轴不施加负载的旋转角度时，将由第一转矩传感器S1检测的转矩T0表示在图4。
作为对J1轴不施加负载的机器人100的姿态的例子，例如可以例举如下姿态：J4轴及J6轴与J1轴的延伸线实质上一致的机器人100的姿态；拆卸回转体2以上的前端侧的机构的状态的机器人100的姿态等。
若在保持对围绕J1轴不施加负载的机器人100的姿态的情况下，使回转体2围绕J1轴旋转，理想情况下，由第一转矩传感器S1检测的围绕J1轴的转矩应为零。但是，实际上，如图6所示，在第一转矩传感器S1的主体BD的表面上粘贴有两个扭曲测量仪G1、G2，根据G1、G2所检测的扭曲量来确定转矩T。由于扭曲测量仪G1、G2粘贴位置的偏移等，检测转矩T有时产生误差。
根据图4，转矩T0根据由第一编码器EN1检测出的围绕J1轴的旋转角度而发生变化。
在此，如图5所示，变动量推定部13以表或近似式的方式预先存储由第一转矩传感器S1检测的转矩T0的旋转角度特性。然后，在变动量推定部13中以表或近似式的方式预先存储转矩相对于全部关节的旋转角度的旋转角度特性。该表或近似式是，通过实验，将旋转角度及转矩的数据之间的相关关系通过数据绘图来求出。根据此绘图数据来计算出表或近似式的系数。
转矩的旋转角度特性，除了使机器人实际动作来测量之外，还可以通过模拟来进行测量。
由此，机器人实际动作时，变动量推定部可将由编码器检测出的各轴的旋转角度应用于已存储的旋转角度特性，或者进行插补，从而计算校正转矩Tf。
之后，如下述式(1)所示，校正部11从使用时的机器人100中的第一转矩传感器S1的检测转矩T中，减去由变动量推定部13推定出的校正转矩Tf，从而计算推定实际转矩Tr推定实际转矩Tr＝检测转矩T-校正转矩Tf……(1)
推定实际转矩Tr表示，排除了围绕J1轴的转矩以外并施加在J1轴的围绕J1轴的实际转矩。此外，为了计算推定实际转矩Tr，校正部11不仅从检测转矩T中减去校正转矩Tf，还可以利用加法、乘法、除法中任意一种计算方法。
驱动部12通过驱动转矩来驱动马达MT1，所述驱动转矩是，从基于用于控制机器人100的输入指令的输入转矩Ti中，减去推定实际转矩Tr而得到的。如图3所示，从在马达MT1驱动过程中由第一转矩传感器S1检测的检测转矩T中，减去校正转矩Tf，并作为推定实际转矩Tr被用于驱动部12的反馈控制。
以下对如此构成的本实施方式的机器人100的作用进行说明。
由第一转矩传感器S1检测的检测转矩T，有时包含由围绕J1轴的转矩以外的负载发生的转矩的情况。在本实施方式中，如图3所示，变动量推定部13基于机器人100的各关节的旋转角度，根据所存储的旋转角度特性来推定作为变动量的校正转矩Tf。然后，校正部11利用校正转矩Tf来校正第一转矩传感器S1的检测转矩T，由此得到从第一转矩传感器S1的检测转矩T中排除了围绕J1轴的转矩以外的负载的推定实际转矩Tr。即，通过推定实际转矩Tr可以高精度地获得围绕J1轴的转矩，并且可以高精度地控制机器人100。
而且，若根据上述实施方式的机器人100，通过作业人员直接接触臂施加外力而进行引导示教的情况下，通过利用推定实际转矩Tr，可以高精度地推定因外力而围绕J1轴产生的转矩。由此，在利用了第一转矩传感器S1的检测转矩T的驱动部12的反馈控制中，可以防止机器人100的误操作。
而且，根据本实施方式，校正部11在计算用于校正围绕J1轴的检测转矩T的校正转矩Tf时，无需除了第一转矩传感器S1以外的转矩传感器的检测值。因此，无需在机器人100的所有关节配置转矩传感器，可以实现机器人100的低成本化。
而且，在本实施方式中，示出了以编码器作为角度关联信息检测部的例子，并示出了围绕J1～J6轴的旋转角度作为与角度关联的信息，但并不局限于此，还可以检测角速度或角加速度。而且，在围绕J1～J6轴的旋转角度的基础上，还可以利用围绕J1～J6轴的角速度以及/或者角加速度来计算校正转矩Tf。而且，还可以使用不是与全部的关节的角度关联而是与一部分的关节的角度关联的信息，来计算校正转矩Tf。
而且，变动量推定部13还可以预先存储连结J1～J6轴的机器人构成零件(例如，第一臂3等)的物理参数(例如，尺寸及重量等)，并且基于物理参数和旋转角度来推定校正转矩Tf。在这种情况下，变动量推定部13可以利用因臂重量等发生的围绕J1轴以外所施加的惯性矩、沿J1轴方向施加的拉伸力或压缩力，可以更准确地计算校正转矩Tf。
而且，在上述实施方式中，校正部11校正了第一转矩传感器S1的检测转矩T，但是，还可以与第一转矩传感器的检测转矩T相同地，利用各轴的校正转矩来校正由第二转矩传感器S2检测的转矩及由第三转矩传感器S3检测的转矩。而且，机器人100也可以具备检测围绕与上述实施方式不同的关节(例如，J4轴等)的轴线的转矩的转矩传感器。
而且，在本实施方式中，校正部11或者变动量推定部13可以分别设置在机器人100的臂3、4上的任意零件上，也可以设置在控制机器人100的机器人控制装置的内部。而且，还可以设置在除了机器人100的臂3、4及机器人控制装置以外的周边装置的内部，也可以将校正部11或者变动量推定部13作为另外配置的控制部进行设置，并与机器人控制装置连接。校正部11或者变动量推定部13也可以分别设置在不同的场所。
上述实施方式源自以下本发明的各方案。
本发明的一方案提供如下的机器人，所述机器人具备：多个关节，其围绕轴线旋转驱动；转矩传感器，其检测围绕作为多个所述关节之中的一个关节的对象关节的轴线的转矩；角度关联信息检测部，其检测与各所述关节围绕轴线的旋转角度关联的信息；转矩变动量推定部，基于所检测的所述信息，推定由所述转矩传感器检测出的转矩的因围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载引起的变动量；以及校正部，其利用所推定的所述变动量来校正由所述转矩传感器检测出的转矩。
若使对象关节围绕轴线旋转驱动，或者对象关节围绕轴线时施加有外力，则由转矩传感器检测围绕轴线的转矩，但是，当各关节围绕轴线旋转而使机器人的姿态发生变化时，会有由转矩传感器检测除了围绕对象关节的轴线的转矩以外的负载被重叠的转矩的情况。
根据本方案，若各关节围绕轴线旋转，则由角度关联信息检测部检测与各关节围绕轴线的旋转角度关联的信息，基于所检测的信息，由转矩变动量推定部推定对象关节因除了围绕轴线旋转的转矩以外的负载引起的转矩的变动量。然后，由转矩传感器检测的转矩，利用所推定的变动量进行校正，由此可排除围绕对象关节的轴线的转矩以外的负载。因此，即使在对象关节以外的关节上不配置转矩传感器，也可以高精度地获得围绕对象关节的轴线的转矩，从而高精度地控制机器人。
在上述方案中，所述信息还可以是各所述关节围绕轴线的旋转角度。
根据该结构，由角度关联信息检测部检测各关节的旋转角度，并根据应机器人姿态的变化来推定的负载的变动量，校正转矩。
在上述方案中，所述信息还可以是各所述关节围绕轴线的角速度或者角加速度。
根据该结构，由角度关联信息检测部检测各关节的角速度或者角加速度，并根据所检测的角速度或者角加速度推定负载的变动量。
在上述方案中，所述机器人还可以具备连结各所述关节的机器人构成零件，所述信息是根据各所述关节围绕轴线的旋转速度、角速度或者角加速度、以及所述机器人构成零件的物理参数计算的施加于各所述关节的负载信息。
根据该结构，由角度关联信息检测部基于所检测的旋转角度、角速度或者角加速度、机器人构成零件的物理参数的惯性矩，可计算拉伸力或是压缩力等的负载信息，作为与旋转角度相关的信息。基于所计算的负载信息，计算施加在对象关节的围绕轴线的转矩以外的负载，因此可以高精度地获取围绕对象关节的轴线的转矩。
在上述方案中，围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载，还可以是围绕配置在与所述对象关节的轴线正交的平面内的正交轴线的转矩。
在上述方案中，围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载，还可以是沿所述对象关节的轴线方向作用的拉伸及压缩方向的负载。
在上述方案中，所述校正部还可以基于转矩特性，校正由所述转矩传感器检测出的转矩，所述转矩特性表示：在未施加围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载的状态下使所述对象关节围绕所述对象关节的轴线旋转时、由所述转矩传感器检测出的转矩，与由所述角度关联信息检测部检测出的所述对象关节的所述信息之间的关系。
转矩特性表示在围绕对象关节的轴线的转矩未施加在对象关节时的状态下，相对于角度关联信息检测部的检测值的变化的转矩变动量。即，转矩特性表示由转矩传感器自身所具备的检测误差引起的特性，因此使用转矩特性来校正检测转矩，由此可以更高精度地获取围绕对象关节的轴线的转矩。

Claims (7)

1.一种机器人，其特征在于，具备：
多个关节，其围绕轴线旋转驱动；
转矩传感器，其检测围绕作为多个所述关节之中的一个关节的对象关节的轴线的转矩；
角度关联信息检测部，其检测与各所述关节围绕轴线的旋转角度关联的信息；
转矩变动量推定部，其基于所检测的所述信息，推定由所述转矩传感器检测出的转矩的因围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载引起的变动量；以及
校正部，其利用所推定的所述变动量来校正由所述转矩传感器检测出的转矩。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，
所述信息是各所述关节围绕轴线的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，
所述信息是各所述关节围绕轴线的角速度或角加速度。
4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，
所述机器人具备连结各所述关节的机器人构成零件，
所述信息是，根据各所述关节围绕轴线的旋转角度、角速度或角加速度、以及所述机器人构成零件的物理参数计算的施加于各所述关节的负载信息。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人，其特征在于，
围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载是围绕配置在与所述对象关节的轴线正交的平面内的正交轴线的转矩。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人，其特征在于，
围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载是沿所述对象关节的轴线方向作用的拉伸及压缩的负载。
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，
所述校正部基于转矩特性，校正由所述转矩传感器检测的转矩，
所述转矩特性表示：在未施加围绕所述对象关节的轴线的转矩以外的负载的状态下使所述对象关节围绕所述对象关节的轴线旋转时、由所述转矩传感器检测出的转矩，与由所述角度关联信息检测部检测出的所述对象关节的所述信息之间的关系。
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