CN111721391A - 用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及程序 - Google Patents

用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及程序 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及程序，能够以简易的结构推定安装于机器人的可动部的负载的重量和水平方向的重心位置。推定装置具有：两个转矩传感器，其对作用于机器人的第一轴的第一转矩以及作用于机器人的第二轴的第二转矩进行检测；以及计算部，其使用机器人将安装于机器人的可动部的手把持着的工件抬起时的一个姿势下的转矩传感器的两个检测值，计算工件的重量和重心在水平方向上的位置。

Description

用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及程序
技术领域
本发明涉及使用机器人来推定负荷的重量以及重心位置的装置、方法以及程序。
背景技术
通常，在机械臂等机器人的可动部的前端安装有机械手、工具等物体(负荷)，在高精度地控制机器人方面，得知该物体的重量和重心位置是重要的。
作为与此相关的现有技术，已知利用安装有物体的机械臂的旋转轴的转矩，通过计算来推定安装于该机械臂的物体的重量或重心位置的装置或方法(例如参照日本特开平03-142179号公报、日本特开平09-091004号公报、日本特开平02-300644号公报)。
另外，已知如下方法：在机械臂的前端经由力传感器安装工具，检测从包含工具及工件的对象物受到的力，由此进行机器人的力控制(例如参照日本特开平03-055189号公报)。
在通过计算来推定物体的重量或重心位置的现有技术中，需要使保持有该物体的状态的机器人以呈现多个姿势的方式移动，在该多个姿势的每一个姿势下进行作用在机器人的轴上的转矩的测量等。但是，为了进行这样的测量而使机器人动作需要一定的时间。
特别是在物流系统等中将机器人用作搬运单元的情况下，机器人所搬运的工件的重量、重心位置针对每个工件而不同的情况很多，因此工件的重量、重心位置的推定必须在机器人每次保持该工件时进行。在这样的情况下，使机器人以呈现多个姿势的方式移动会导致工件的搬运时间的延长。
发明内容
本公开的一个方式是一种推定装置，具有：至少一个传感器，其对作用于机器人的第一部位的第一转矩以及作用于该机器人的与所述第一部位不同的第二部位的第二转矩或者作用于该机器人的力进行检测；以及计算部，其使用所述机器人抬起位于该机器人的可动部的物体时的一个姿势下的所述传感器的检测值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
本公开的其他方式是一种推定方法，包括：在机器人上设置对作用于该机器人的第一部位的第一转矩以及作用于该机器人的与所述第一部位不同的第二部位的第二转矩或者作用于该机器人的力进行检测的至少一个传感器；将物体安装在所述机器人的可动部上；使用所述机器人抬起安装于所述可动部的物体时的一个姿势下的所述传感器的检测值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点，通过与附图关联的以下实施方式的说明而更加明确。附图中：
图1表示第一实施例的推定装置的一个结构例；
图2表示在图1的结构中进一步追加了转矩传感器的例子；
图3表示第二实施例的推定装置的一个结构例；
图4表示第二实施例的推定装置的其他结构例。
具体实施方式
(第一实施例)
图1表示包含优选实施方式的推定装置12以及机器人14的机器人系统10的概略结构例。机器人14只要具有能够进行后述的动作的可动部16，则可以是任意的构造，在图示例中，是六轴的工业用多关节机器人，其具有：设置于预定位置的底座部18、能够相对于底座部18绕大致铅垂方向的轴线旋转的旋转体20、能够相对于旋转体20绕第一轴22旋转地安装的上臂24、能够相对于上臂24绕第二轴26旋转地安装的前臂28、和能够相对于前臂28旋转地安装的手腕部30。
推定装置12具有：至少一个传感器(图1的例子中的两个转矩传感器32、34)，其对作用于机器人14的第一部位(在此为第一轴22)的第一转矩以及作用于机器人14的与第一部位不同的第二部位(在此为第二轴26)的第二转矩或者作用于机器人14的力(后面说明)进行检测；以及计算部40，其使用机器人14抬起安装于机器人14的可动部16(在此为相当于可动部前端的手腕部30)的手36所把持的物体(工件)38(工件的重量未作用于机器人以外)时的一个姿势下的传感器32、34的检测值，计算工件38的重量M以及工件38的重心G的水平方向的位置。另外，推定装置12还可以具有用于存储计算部40使用的数据、计算结果等的存储器等存储部42。
另外，作为应该推定重量和水平方向的重心位置的物体的具体例，如图1所示，可举出安装于可动部16的前端(在此为手腕部30)的手36所保持的搬运作业等的对象物(工件)38。但是，推定对象并不限定于此，例如也能够将工件38以及手36作为实质上一个物体进行处理，在手36未保持工件时，也能够将手36作为推定对象。另外，在手腕部30安装有不保持工件等的末端执行器(工具、焊炬、激光头等)的情况下，也可以将该末端执行器作为推定对象。另外，在本公开中，有时也将作为推定对象的物体称为负荷。
机器人14在通过后述的处理推定出负荷的重量以及水平方向的重心位置之后，不将该负荷从机器人14卸下，能够利用推定出的值来高精度地进行工件的搬运、加工等预定的作业。
计算部40具有计算工件38的重量M和水平方向的重心位置G的功能，在图示例中，能够作为处理器等运算处理装置装入到使用推定出的重量和重心位置来控制机器人14的动作的机器人控制装置44内。或者，也可以使与机器人控制装置44不同的个人计算机(PC)等计算机(未图示)承担计算部40的功能，在该情况下，机器人控制装置44与PC等计算机优选以能够通过有线或无线进行通信的方式连接，使得机器人控制装置44能够使用所推定出的重量以及重心位置来控制机器人14。另外，推定装置也可以具备键盘、触摸面板等适当的输入部(未图示)，以便作业者能够进行各种设定。
另外，计算部40等推定装置12的构成要素例如也可以作为用于使电子计算机的CPU(中央处理装置)等处理器发挥功能的软件来构成。或者，例如，也能够作为能够执行该软件的处理的至少一部分的处理器或存储器等硬件来实现。
接着，说明使用推定装置12推定物体(在此为工件38)的重量和水平方向的重心位置的方法(处理)。首先，如图1所示，在保持工件38的机器人14(的可动部16)呈现某(一个)姿势时，由第一转矩传感器32检测作用于第一轴22的转矩(第一转矩T1)，由第二转矩传感器34检测作用于第二轴26的转矩(第二转矩T2)。另外，转矩的检测可以在机器人14的可动部16静止时进行，也可以在动作中(其中第一转矩T1以及第二转矩T2恒定)进行。
此时，在因工件重量M而作用于第一轴22的第一转矩T1’与工件重量M之间，以下的式(1)成立，同样地，在因工件重量M而作用于第二轴26的第二转矩T2’与工件重量M之间，以下的式(2)成立。其中，在式(1)及(2)中，d1是在图1的状态(机器人14的姿势)下，第一轴22与通过可动部16的前端位置(在此为手腕部30的前端(工具前端点等))46的铅垂线48之间的水平方向的距离，d2是在图1的状态下，第二轴26与铅垂线48之间的水平方向的距离，d是铅垂线48与通过工件38的重心位置G的铅垂线50之间的水平方向距离。
T1’＝(d1+d)×M (1)
T2’＝(d2+d)×M (2)
在此，第一转矩T1’能够通过所述计算部40等从转矩传感器32检测出的第一转矩T1减去基于机器人14的构成要素(在此为构成可动部16的各部(臂或手等))的重量的转矩来求出。另外，基于机器人14的构成要素的重量的转矩能够通过使用了该构成要素的质量、重心位置的计算(例如牛顿欧拉法)来求出。
或者，第一转矩T1’也能够通过从第一转矩T1减去在机器人14为与图1相同的姿势且未保持工件38的状态下测量出的转矩传感器32的值来求出。或者，在转矩传感器32测量驱动第一轴的伺服电动机等电动机的负荷转矩的情况下，也可以通过从第一转矩T1减去由机器人14的可动部16产生的转矩和由摩擦等引起的转矩来求出。对于第二转矩T2’也同样地能够根据转矩传感器34检测出的第二转矩T2通过计算而求出。
另外，从各转矩传感器(各驱动轴的中心)到机器人前端位置46为止的水平方向距离d1以及d2能够根据机器人14的尺寸(连杆长度等)以及各轴的角度来计算。因此，通过将式(1)和(2)作为联立方程式求解，能够计算出工件的重量M和重心G的水平方向位置d(具体而言，从手腕部30的前端46到重心G的水平方向距离)。
这样，在第一实施例中，由于使用机器人14举起了工件38时的一个姿势下的两个转矩检测值，因此无需为了推定工件38的重量以及重心位置而进行使可动部16进一步成为其他姿势等特别的动作。另外，在第一实施例中，虽然无法确定工件38的重力方向的重心位置，但例如在机器人14进行在预定的搬运源把持工件38，不改变工件38的姿势而搬运至预定的搬运目的地的作业的情况下，重心G的重力方向(铅垂方向)的位置不是机器人14的控制所需的信息。在这样负载的姿势不变化的情况下，该负载的重量以及水平方向的重心位置是对于机器人的合适的控制来说充分的信息。
此外，在图1的例子中，作为转矩的检测对象而使用了上臂24的驱动轴(第一轴22)以及前臂28的驱动轴(第二轴26)，但并不限定于此，例如也可以代替第一轴22或者第二轴26而使用手腕部30的驱动轴(未图示)。但是，在使用任意的驱动轴的情况下，都需要控制机器人14，使得式(1)和(2)中的d1和d2成为互不相同的值。
图2表示用于取得关于与纸面垂直的方向的从机器人前端位置46到工件38的重心G的水平方向距离的结构的一例。在此，作为检测作用于与第一轴22或第二轴26垂直的轴的转矩的转矩传感器，在前臂28设置能够检测绕前臂28的长轴的转矩的转矩传感器52，设转矩传感器52的检测值为T3。在该情况下，若将与该长轴垂直的面与重力方向所成的角度设为θ1，则重力方向的转矩T3’由以下的式(3)表示。但是，假定前臂28的长轴不是铅垂方向。如果求出T3’，则通过与所述同样的运算处理，能够计算出与纸面垂直的方向上的工件38的重心G的水平方向位置。因此，在图2的例子中，即使在负载的姿势可能变化的情况下，只要负载沿着水平面(绕铅垂轴)旋转，就能够根据其旋转角度等容易地计算该负载的重心位置。例如，若将关于与纸面垂直的方向的从前端位置46到重心G的水平方向距离设为d’，则在工件38绕铅垂轴旋转的情况下，重心G仅进行直径为
Figure BDA0002415722400000051
的旋转运动，因此能够容易地进行计算。
T3’＝T3/cosθ1 (3)
(第二实施例)
图3表示第二实施例的推定装置的结构例。此外，在第二实施例中，对于与第一实施例相同的部分，省略详细的说明。
在图3的例子中，使用设置于机器人14(在图示例中为底座部18的下侧)的六轴力传感器54来代替第一实施例中的两个转矩传感器32以及34。首先，在保持工件38的机器人14(的可动部16)呈现某(一个)姿势时，由六轴力传感器54检测作用于机器人14的第一部位(在此为包括传感器54的检测点55的底座部18)的转矩(第一转矩T1)，利用六轴力传感器54也检测作用于机器人14的力F1。
此时，在因工件重量M而作用于机器人14的底座部18的第一转矩T1’与工件重量M之间，以下的式(4)成立，通过工件重量M作用于机器人的力F1’与工件重量M相等(式(5))。在此，F1’是从六轴力传感器54或者后述的力传感器56检测出的力的值减去基于机器人14的构成要素的重量的力的值而得到的值。其中，在式(4)中，d3是在图3的状态(机器人14的姿势)下，底座部18(检测点55)与通过可动部16的前端位置46的铅垂线48之间的水平方向的距离，d是铅垂线48与通过工件38的重心位置G的铅垂线50之间的水平方向距离。
T1’＝(d3+d)×M (4)
M＝F1’ (5)
在此，第一转矩T1’能够通过所述的计算部40等从六轴力传感器54检测出的绕检测点55的第一转矩T1减去基于机器人14的构成要素(在此为可动部16(臂或手等))的重量的转矩(计算值)来求出。或者，第一转矩T1’也能够通过从第一转矩T1减去在机器人14为与图3相同的姿势且未保持工件38的状态下测量出的六轴力传感器54的值而求得。
另外，从六轴力传感器54(检测点55)到机器人前端位置46为止的水平方向距离d3能够根据机器人14的尺寸(连杆长度等)以及各轴的角度来计算。因此，根据式(4)-(5)，能够计算出工件的重量M和重心G的水平方向位置(具体而言，从手腕部30的前端46到重心G的水平方向距离d)。
图4表示第二实施例的推定装置的其他结构例。在图4的例子中，代替第一实施例中的转矩传感器34，使用设置于机器人14(在图示例中为手腕部30)的力传感器56。首先，在保持工件38的机器人14(的可动部16)呈现某(一个)姿势时，由转矩传感器32检测作用于第一轴22的转矩(第一转矩T1)，由力传感器56检测作用于机器人14的力F2。
此时，在因工件重量M而作用于第一轴22的第一转矩T1’与工件重量M之间，所述式(4)成立，在因工件重量M而作用于机器人的力F2’与工件重量M之间，以下的式(6)成立。其中，若将力传感器56检测出的力F2的方向与重力方向所成的角度设为θ2，则F2’由以下的式(7)表示。
M＝F2’ (6)
F2’＝F2/cosθ2 (7)
另外，从第一轴22的中心到机器人前端位置46为止的水平方向距离d3能够根据机器人14的尺寸(连杆长度等)以及各轴的角度来计算。因此，根据式(4)、(6)以及(7)，能够计算出工件的重量M以及重心G的水平方向位置d(具体而言，从手腕部30的前端46到重心G的水平方向距离)。
这样，在第二实施例中，由于使用机器人14将工件38抬起时的一个姿势下的一个转矩检测值以及一个力检测值，因此，与第一实施例相同，不需要为了推定工件38的重量以及重心位置而进行使可动部16成为其他姿势等特别的动作。因此，与第一实施例相同，在负载的姿势不变化的用途中，能够将该负载的重量及水平方向的重心位置推定为机器人的合适的控制所需的充分的信息。另外，在使用六轴力传感器54的情况下，只要将实质上一个传感器设置于机器人14，就能够获取所述一个转矩检测值以及一个力检测值。
此外，在第二实施例中，也能够通过使用参照图2说明的转矩传感器52等，取得关于与纸面垂直的方向的从机器人前端位置46到工件38的重心G的水平方向距离。
如本公开那样，在具备转矩传感器等对转矩进行检测的单元的机器人中，在实现对与外部的接触进行检测的功能的情况下，特别是对于负载的重量以及重心位置，要求较高的推定精度。例如，通过从转矩传感器所检测的转矩值减去因机器人的重量而产生的转矩以及惯性转矩、以及位于可动部前端的负载的重量所产生的转矩以及惯性转矩，能够检测作用于机器人的外力，但是设定(存储)于机器人控制装置等的负载的重量以及重心位置与实际的负载的重量以及重心位置之差成为所检测的外力转矩的误差，因此接触检测的精度变差。这样的能够进行接触检测的机器人能够作为与人共享作业区域的协作机器人来使用，因此，需要提高接触检测的精度，但根据本公开，仅通过进行一个姿势下的测量和运算处理，就能够以实用中足够的精度来推定负载的重量以及水平方向的重心位置。
作为本公开中的转矩传感器，能够利用非接触式(磁致伸缩式)、接触式(集电环)等能够检测(测量)作用于特定的轴的转矩的各种转矩传感器。另外，在本公开中，由转矩传感器检测出的“作用于轴的转矩”(转矩检测值)相当于从驱动机器人的各轴的电动机的转矩减去摩擦等的影响而得到的值(或对其附加了重力的影响的值)，因此能够不进行由于转矩传感器的使用而一般困难且精度低的摩擦的推定、辨识，而至少以实用中足够高的精度来推定物体的重量以及重心位置。
作为本公开中的力传感器，可以使用应变仪式、静电电容式等各种传感器，也可以仅测量一个方向的力。另外，力传感器的安装位置除了所述的手腕部以外，也可以是上臂或前臂等，另外也可以安装于与转矩传感器不同的部位。
在本公开中，能够将用于使机器人以及推定装置等附属于机器人而使用的运算处理装置执行所述的处理的程序存储于推定装置的存储部或者其他存储装置。另外，程序也可以作为记录有该程序的计算机可读取的(非瞬态的)记录介质(CD-ROM、USB存储器等)来提供。
根据本公开，通过保持负载的机器人的一个姿势下的测量，能够以实用中足够的精度来推定该负载的重量以及水平方向的重心位置。

Claims (10)

1.一种推定装置，其特征在于，
具有：至少一个传感器，其对作用于机器人的第一部位的第一转矩以及作用于该机器人的与所述第一部位不同的第二部位的第二转矩或作用于该机器人的力进行检测；以及
计算部，其使用所述机器人抬起位于该机器人的可动部的物体时的一个姿势下的所述传感器的检测值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
2.根据权利要求1所述的推定装置，其特征在于，
所述传感器包括用于分别检测所述第一转矩以及所述第二转矩的两个转矩传感器。
3.根据权利要求2所述的推定装置，其特征在于，
所述计算部使用从所述两个转矩传感器分别检测出的所述第一转矩以及所述第二转矩减去基于所述机器人的构成要素的重量的转矩而得到的两个转矩值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
4.根据权利要求1所述的推定装置，其特征在于，
所述传感器包括设置于所述机器人的六轴力传感器。
5.根据权利要求1所述的推定装置，其特征在于，
所述传感器包括检测所述第一转矩的转矩传感器以及设置于所述机器人的力传感器。
6.根据权利要求4或5所述的推定装置，其特征在于，
所述计算部使用从设置于所述机器人的六轴力传感器或者转矩传感器检测出的所述第一转矩减去基于所述机器人的构成要素的重量的转矩而得到的值、和从所述六轴力传感器或者设置于所述机器人的力传感器检测出的力的值减去基于所述机器人的构成要素的重量的力的值而得到的值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
7.一种推定方法，其特征在于，包括：
在机器人上设置对作用于该机器人的第一部位的第一转矩、以及作用于该机器人的与所述第一部位不同的第二部位的第二转矩或者作用于该机器人的力进行检测的至少一个传感器；
在所述机器人的可动部上安装物体；以及
使用所述机器人抬起安装于所述可动部的物体时的一个姿态下的所述传感器的检测值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
8.根据权利要求7所述的推定方法，其特征在于，
包括：使用从所述第一转矩以及所述第二转矩减去基于所述机器人的构成要素的重量的转矩而得到的两个转矩值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
9.根据权利要求7所述的推定方法，其特征在于，
包括：使用从所述第一转矩减去基于所述机器人的构成要素的重量的转矩而得到的转矩值、和从所述力的值减去基于所述机器人的构成要素的重量的力的值而得到的力的值，计算所述物体的重量以及所述物体的水平方向的重心位置。
10.一种程序，其特征在于，
用于使所述机器人以及附属于所述机器人而使用的运算处理装置执行权利要求7～9中任一项所述的推定方法。
CN202010190546.3A 2019-03-20 2020-03-18 用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及计算机可读记录介质 Active CN111721391B (zh)

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