CN112008715A

CN112008715A - 机器人系统

Info

Publication number: CN112008715A
Application number: CN202010453757.1A
Authority: CN
Inventors: 古市暁史; 中山一隆; 松本邦保; 内藤康広
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-01
Also published as: JP2020192652A; US20200376660A1; US11389959B2; JP7290472B2; DE102020113686A1

Abstract

本发明提供一种机器人系统，其在作业人员不受到损伤而能够承受的生体力学的负载施加于作业人员之前，能够切实地使机器人进行停止动作或者退避动作。该机器人系统具备：机器人(2)；以及控制装置(3)，其控制机器人，机器人具备：第一部件(5)；第二部件(6)，其被驱动为相对于第一部件围绕预定的第一轴线(B)旋转；以及第一转矩检测部(13)，其检测围绕第一轴线的转矩，控制装置具备外力上限值推定部，该外力上限值推定部基于由第一转矩检测部检测出的转矩来推定外力上限值，该外力上限值是作用于第二部件(6)的外力的能够估计的上限值，在所推定的外力上限值大于预定的阈值的情况下，以避免外力增加的方式控制机器人。

Description

机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人系统。

背景技术

已知如下技术：检测作用于机器人的转矩，在所检测出的转矩超过了上限值的情况下，使机器人停止(例如，参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5927284号公报

发明内容

发明要解决的问题

在利用转矩传感器等检测由于物体与机器人接触而导致因从物体向机器人施加的外力而作用于机器人的各轴的转矩的情况下，由于不能确定物体与机器人的具体的接触位置，因此难以准确地检测外力的大小。

如协作机器人那样，在与人协作而进行作业的机器人的情况下，允许由于机器人与人体接触而从机器人向人体施加的力(允许接触力)的大小规定在ISO/TS15066中。

因此，在具备检测作用于机器人的外力的转矩传感器等的情况下，即使所检测出的转矩未超过上限值，也期望在比ISO/TS15066中所规定的允许接触力小的外力下使机器人停止。

用于解决问题的方案

本发明的一个方案是一种机器人系统，该机器人系统具备：机器人；以及控制装置，其控制该机器人，所述机器人具备：第一部件；第二部件，其被驱动为相对于该第一部件围绕预定的第一轴线旋转；以及第一转矩检测部，其检测围绕所述第一轴线的转矩，所述控制装置具备外力上限值推定部，所述外力上限值推定部基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩来推定外力上限值，所述外力上限值是作用于所述第二部件的外力的能够估计的上限值，在所推定的所述外力上限值大于预定的阈值的情况下，以避免所述外力增加的方式控制所述机器人。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的机器人系统的整体结构图。

图2是表示图1的机器人系统所具备的控制装置的框图。

图3是表示图1的机器人系统所具备的机器人的围绕J1轴线至J3轴线的外力上限值的一个例子的机器人的侧视图。

图4是对图1的机器人系统的变形例中的外力上限值进行说明的机器人的俯视图。

图5是图4的机器人系统中的机器人的侧视图。

图6是对在图4以及图5的机器人系统中根据所推定的各轴的外力上限值计算合成外力的方法进行说明的图。

图7是对图1的机器人系统的另一个变形例中的外力上限值进行说明的机器人的侧视图。

图8是图7的机器人系统中的机器人的手腕单元的主视图。

图9是对在图7以及图8的机器人系统中根据所推定的各轴的外力上限值计算合成外力的方法进行说明的图。

图10是对图1的机器人系统的变形例中的外力上限值的推定方法进行说明的机器人的侧视图。

图11是对与图4不同的姿态的外力上限值的推定方法进行说明的机器人的侧视图。

图12是对图1的机器人系统的机器人的特定姿态进行说明的机器人的侧视图。

图13是表示图1的机器人系统中的机器人的变形例的机器人的侧视图。

图14是表示图1的机器人系统中的机器人的另一个变形例的机器人的放大主视图。

附图标记说明：

1：机器人系统

2、20：机器人

3：控制装置

4：基座(第三部件)

5：旋转体(第一部件)

6：第一臂(第二部件)

7：第二臂(第四部件)

12：转矩传感器(第二转矩检测部)

13：转矩传感器(第一转矩检测部)

14：转矩传感器(第三转矩检测部)

18：外力上限值推定部

A、A1：J1轴线(第二轴线)

B、B1：J2轴线(第一轴线)

C、C1：J3轴线(第三轴线)

P：外力

Pa：外力上限值

P1：外力上限值(第二外力上限值)

P2：外力上限值(第一外力上限值)

P3：外力上限值(第三外力上限值)

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一个实施方式的机器人系统1进行说明。

如图1所示，本实施方式的机器人系统1具备：机器人2；以及控制装置3，其控制机器人2。

机器人2具备：基座(第三部件)4，其设置于地面G；以及旋转体(第一部件)5，其被支撑为能够相对于基座4围绕竖直的J1轴线(第二轴线)A旋转。机器人2具备：第一臂(第二部件)6，其被支撑为能够相对于旋转体5围绕水平的J2轴线(第一轴线)B旋转；以及第二臂(第四部件)7，其被支撑为能够相对于第一臂6围绕与J2轴线B平行的J 3轴线(第三轴线)C旋转。

机器人2在第二臂7的前端具备三轴的手腕单元8。

手腕单元8具备第一手腕部件9，该第一手腕部件9以能够围绕沿第二臂7的长度方向延伸的J4轴线D旋转的方式支撑于第二臂7。手腕单元8具备第二手腕部件10，该第二手腕部件10以能够围绕与J4轴线D正交的J5轴线E旋转的方式支撑于第一手腕部件9。手腕单元8具备第三手腕部件11，该第三手腕部件11以能够围绕J6轴线F旋转的方式支撑于第二手腕部件10，其中J6轴线F与J5轴线E正交且经过J4轴线D与J5轴线E的交点。

本实施方式的机器人2具备转矩传感器(第二转矩检测部)12，该转矩传感器12配置于地面G与基座4之间且检测围绕J1轴线A的转矩。机器人2具备检测旋转体5与第一臂6之间的围绕J2轴线B的转矩的转矩传感器(第一转矩检测部)13。机器人2具备检测第一臂6与第二臂7之间的围绕J3轴线C的转矩的转矩传感器(第三转矩检测部)14。

控制装置3由处理器以及存储器构成。如图2所示，控制装置3具备控制部15，该控制部15根据所示教的程序，对机器人2输出指令信号。控制装置3具备转矩计算部16，该转矩计算部16从控制部15接收机器人2的工具前端点的位置(姿态)以及各轴的速度(动作)，并依次计算因采取该姿态以及动作而围绕J1轴线A至J3轴线C分别作用的转矩值。

控制装置3具备差分转矩计算部17，该差分转矩计算部17接收由各转矩传感器12、13、14检测出的转矩值，并针对每个轴计算与在转矩计算部16中根据机器人2的姿态、各驱动部的速度以及加速度而计算出的转矩值之间的差分即差分转矩值的绝对值。而且，控制装置3具备外力上限值推定部18，该外力上限值推定部18基于所计算出的差分转矩值，推定作用于机器人2的外力P的能够估计的上限值即外力上限值Pa。

外力上限值推定部18针对每个轴存储有：在配置于围绕轴线A、B、C相对旋转的两个部件4、5、6、7中的任一个部件的旋转方向的两端的表面上，在机器人2的结构上能够物理接触的位置距离轴线的最小半径。例如，针对相对于基座4围绕J1轴线A旋转的旋转体5存储有：作业人员有可能物理接触的旋转体5的沿径向以及J1轴线A方向延伸的表面的与J1轴线A最近的位置的半径尺寸。例如，如图3所示，在旋转体5具有以J1轴线A为中心的圆锥状的外表面的情况下，存储有横截面最小的位置的表面距离J1轴线A的半径尺寸R1。

例如，针对相对于旋转体5围绕J2轴线B旋转的第一臂6存储有：作业人员有可能物理接触的第一臂6的沿径向以及J2轴线B方向延伸的表面的与J2轴线B最近的位置的半径尺寸。例如，如图3所示，在第一臂6具备端部6a和臂部6b，其中端部6a具有以J2轴线B为中心的圆筒状的外表面，臂部6b从该端部6a的表面向径向外方延伸的情况下，存储有臂部6b的根部距离J2轴线B的半径尺寸R2、即端部6a的外表面的半径尺寸R2。

例如，针对相对于第一臂6围绕J3轴线C旋转的第二臂7存储有：作业人员有可能物理接触的第二臂7的沿径向延伸的表面的与J3轴线C最近的位置的半径尺寸。例如，如图3所示，在第二臂7具备端部7a和臂部7b，其中端部7a具有以J3轴线C为中心的圆筒状的外表面，臂部7b从该端部7a的表面向径向外方延伸的情况下，存储有臂部7b的根部距离J3轴线C的半径尺寸R3、即端部7a的外表面的半径尺寸R3。

而且，外力上限值推定部18通过将由差分转矩计算部17计算出的差分转矩的绝对值除以所存储的最小半径，来计算外力上限值Pa。

即，在由差分转矩计算部17计算出存在差分转矩的情况下可知：对于存在差分转矩的轴，在机器人2的表面的任一个位置作用有外力P。

由于不能确定外力P作用的位置，因此仅用差分转矩的大小，不能求出实际作用的外力P的大小。但是，通过将差分转矩除以能够物理接触的位置的最小半径R1、R2、R3，能够求出因接触而能够产生的外力的最大值P1、P2、P3而作为外力上限值Pa。

而且，控制部15将由外力上限值推定部18推定的外力上限值Pa与预定的阈值进行比较，当外力上限值Pa大于预定的阈值的时，控制机器人2停止或进行退避动作。

在ISO/TS15066中，针对所接触的身体的每个部位设定有：通过机器人2与作业人员接触，作业人员不会受到损伤而能够承受的生体力学的负载的阈值。控制部15将这些阈值之中的最小的值预先存储为阈值，并判断所计算出的外力上限值Pa是否大于阈值。

控制部15进行的使机器人2的停止动作或者退避动作是用于使外力上限值Pa不增大的动作，停止动作是使机器人2在该位置停止的动作，退避动作是使机器人2向使外力缓和的方向、例如向刚才的动作的反方向移动的动作。

根据以如此方式构成的本实施方式的机器人系统1，将能够产生由转矩传感器12、13、14检测出的转矩的外力之中的、作用于能够物理接触的最小半径的位置处的外力上限值Pa与预定的阈值进行比较。即，在由转矩传感器12、13、14检测出有意义的转矩的情况下，作为能够物理接触的最小半径的位置作用有具有外力上限值Pa的大小的外力P的情况进行处理。

由此，使得例如，因作业人员与机器人2接触而实际施加于作业人员的负载切实地成为外力上限值Pa以下。即，根据本实施方式的机器人系统1，具有如下优点：在作业人员不受到损伤而能够承受的生体力学的负载施加于作业人员之前，能够切实地使机器人2进行停止动作或者退避动作。

通过预先存储更小的值作为最小半径的值，能够将外力上限值Pa估计得更大。然而，在该情况下，成为过度安全的外力上限值Pa，在极其小的外力P作用于远离轴线A、B、C的位置的情况下，机器人2也进行停止动作或者退避动作，因此不优选。

在本实施方式中，针对每个轴计算外力上限值P1、P2、P3，并且分别与阈值进行比较。代替之，也可以在例如利用转矩传感器12检测出围绕J1轴线A的转矩，利用转矩传感器13检测出围绕配置于与J1轴线A正交的平面内的J2轴线B的转矩的情况下，按照如下方式推定外力上限值Pa。

即，基于围绕J1轴线A的转矩，通过上述方法计算外力上限值(第二外力上限值)P1，基于围绕J2轴线B的转矩，通过上述方法计算外力上限值(第一外力上限值)P2，并将所计算出的两个外力上限值进行合成。由此，也可以根据下述公式计算所合成的外力上限值(合成外力)Pa。

Pa＝√(P1²+P2²) (1)

在此，Pa是所合成的外力上限值，P1是围绕J1轴线A的外力上限值，P2是围绕J2轴线B的外力上限值。

例如，如图4以及图5所示，针对机器人2定义正交坐标系。

而且，假设机器人2的第一臂6上作用有如图4所示的水平面内的外力分量F1以及如图5所示的垂直面内的外力分量F2的外力。

在该情况下，如图4所示，根据由转矩传感器12检测出的围绕J1轴线A的转矩，推定外力上限值P1。能够认为外力上限值P1作用于Fx-Fy平面上的任意的方向。如图5所示，根据由转矩传感器13检测出的围绕J2轴线B的转矩，推定外力上限值P2。能够认为外力上限值P2作用于Fx-Fz平面上的任意的方向。

因此，在该情况下，如图6所示，能够根据公式(1)所示的外力上限值P1、P2的平方和的平方根，计算所合成的外力上限值Pa。

在上述说明中，例示了检测围绕J1轴线A的转矩和围绕J2轴线B的转矩的情况，但不限于此。

例如，如图7以及图8所示，对于具备：，检测围绕J4轴线D的转矩的转矩传感器(省略图示)、以及检测围绕J5轴线E的转矩的转矩传感器(省略图示)的情况也同样。即，如图8所示，根据由转矩传感器检测出的围绕J4轴线D的转矩而推定的外力上限值P1作用于Fx-Fy平面上的任意的方向。

如图7所示，根据由转矩传感器检测出的围绕J5轴线E的转矩而推定的外力上限值P2作用于Fx-Fz平面上的任意的方向。

J4轴线D与J5轴线E沿着相互正交的平面延伸。

因此，如图9所示，在该情况下，也能够根据公式(1)所示的外力上限值P1、P2的平方和的平方根，计算所合成的外力上限值Pa。

在上述说明中，例示了检测围绕机器人2所具备的轴线A、B、C、D、E、F之中的相邻的两个轴线B、C的转矩的情况，但不限于此。也可以检测围绕例如J1轴线A与J3轴线C、J2轴线B与J4轴线D那样，未相邻的两个轴线A、B、C、D、E、F的转矩并进行合成。

在检测出围绕J2轴线B的转矩、以及围绕与J2轴线B平行的J3轴线C的转矩的情况下，基于围绕J2轴线B的转矩，通过上述方法计算外力上限值P2，基于围绕J3轴线C的转矩，通过上述方法计算外力上限值(第三外力上限值)P3。而且，可以根据所计算出的第一外力上限值P2以及第三外力上限值P3来推定例如J1轴线A基准换算的外力上限值Pa。

在检测出围绕J2轴线B的转矩、以及围绕与J2轴线B平行的J3轴线C的转矩的情况下，基于围绕J2轴线B的转矩，通过上述方法计算外力上限值P2，基于围绕J3轴线C的转矩，通过上述方法计算外力上限值(第三外力上限值)P3。而且，可以对所计算出的第一外力上限值P2与第三外力上限值P3进行比较，并将任一小的一方推定为外力上限值Pa。

即，如图10以及图11所示，在外力作用于第二臂7的前端的情况下，分别检测出围绕相互平行的J2轴线B以及J3轴线C的同一方向的转矩。基于所检测出的两个转矩而计算出的两个外力上限值P2、P3均是推定相同的外力的值，且分别是能够估计的最大值，因此较小的一方的值成为与实际的外力P更接近的值。

因此，只要在图10的情况下，将基于围绕J2轴线B的转矩而计算出的外力上限值P2推定为外力上限值Pa，在图11的情况下，将基于围绕J3轴线C的转矩计算出的外力上限值P3推定为外力上限值Pa即可。由此，能够更准确地推定外力P。

在本实施方式中，使用在机器人2的结构上能够物理接触的位置的最小半径来计算外力上限值Pa。代替之，也可以适用于如机器人2用罩或者安全栏部分地覆盖的情况那样，由于罩或者安全栏而发生不可能物理接触的位置的情况。

在机器人2的设置环境上存在作业人员不能从外部接触的部分的情况下，也可以使用能够与机器人2接触的范围内的最小半径。作为设置环境上不能接触的情况，能够举出利用传感器等限制作业人员向机器人2的特定部分接近的情况等。

如图12所示，在包含J1轴线A的平面上，沿着与J2轴线B以及J3轴线C正交的直线的方向上作用有外力P的情况下，围绕J1轴线A至J3轴线C的转矩都很微小。即，机器人2的这种姿态成为难以利用所有的转矩传感器12、13、14检测出转矩的姿态(特定姿态)。

在本实施方式中，由于外力上限值Pa的推定以能够检测出转矩为前提，因此控制装置3可以根据机器人2的各驱动部的角度判定机器人2是否处于特定姿态，当判定为处于特定姿态时，限制机器人2的动作。

作为机器人2的动作限制，可以使动作速度降低到预定的速度以下。也可以不使机器人2向难以利用转矩传感器12、13、14检测出转矩的外力P的方向移动。

在本实施方式中，例示了垂直多关节型的机器人2，但代替之，也可以采用水平多关节型的机器人。

在本实施方式中，作为检测转矩的转矩检测部，例示了转矩传感器12、13、14，但代替之，也可以检测驱动各部分的马达的电流而推定转矩。

在具备二级编码器的情况下，也可以基于由二级编码器检测出的角度信息来推定转矩。

例示了六轴多关节型的机器人2，但也可以适用于七轴多关节型的机器人20。在该情况下，如图13所示，只要配置检测围绕J1轴线A1至J4轴线D1的转矩的转矩传感器12、13、14、22即可。附图标记21是以能够相对于第二臂7围绕与J3轴线C1平行的J4轴线D1旋转的方式支撑的第三臂。

在该情况下，第一手腕部件9以能够围绕沿第三臂21的长度方向延伸的J5轴线E1旋转的方式支撑于第三臂21。第二手腕部件10以能够围绕与J5轴线E1正交的J6轴线F1旋转的方式支撑于第一手腕部件9，第三手腕部件11以围绕与J6轴线F1正交且经过J5轴线E1与J6轴线F1的交点的J7轴线H1旋转的方式支撑于第二手腕部件10。

而且，外力上限值推定部18根据基于由转矩传感器13、14、22检测出的转矩值而推定的三个外力上限值之中的最小外力上限值、以及基于由转矩传感器12检测出的转矩值而推定的外力上限值，推定用于与预定的阈值进行比较的外力上限值。

在本实施方式中，例示了转矩传感器12设置于基座4、转矩传感器13设置于旋转体5、以及转矩传感器14设置于第一臂6的结构，但代替之，也可以为转矩传感器12设置于地面G、转矩传感器13设置于第一臂6、以及转矩传感器14设置于第二臂7的结构。即，也可以通过调整转矩计算部16的转矩计算方法，从而配置于通过围绕各轴线A、B、C的旋转而相对移动的两个驱动部中的任意一个上。

例如，将第一臂6以及第二臂7用作两个驱动部的情况下，如图14所示，在第一臂6以及第二臂7上配置有转矩传感器14、围绕J3轴线C驱动第二臂7的马达23、以及减速器24。在该情况下，通过在想要使其变细的作为驱动部的第二臂7上设置转矩传感器14，能够使第二臂7变细。

Claims

1.一种机器人系统，其特征在于，具备：

机器人；以及

控制装置，其控制该机器人，

所述机器人具备：第一部件；第二部件，其被驱动为相对于该第一部件围绕预定的第一轴线旋转；以及第一转矩检测部，其检测围绕所述第一轴线的转矩，

所述控制装置具备外力上限值推定部，所述外力上限值推定部基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩来推定外力上限值，所述外力上限值是作用于所述第二部件的外力的能够估计的上限值，在所推定的所述外力上限值大于预定的阈值的情况下，以避免所述外力增加的方式控制所述机器人。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，

所述外力上限值推定部基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩、与根据所述机器人的姿态以及动作而计算出的计算转矩之间的差分转矩的绝对值，计算所述外力上限值。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，

所述外力上限值推定部将所述差分转矩的绝对值除以最小半径而得到的值推定为所述外力上限值，所述最小半径是在成为所述第二部件的旋转方向的两端部的表面上能够物理接触的位置距离所述第一轴线的最小半径。

4.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，

所述外力上限值推定部将所述差分转矩的绝对值除以最小半径而得到的值推定为所述外力上限值，所述最小半径是在所述机器人的设置环境上在成为所述第二部件的旋转方向的两端部的表面上能够接触的位置距离所述第一轴线的最小半径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人系统，其特征在于，

所述机器人具备：第三部件，其被驱动为相对于所述第一部件围绕配置于与所述第一轴线正交的平面内的预定的第二轴线相对旋转；以及第二转矩检测部，其检测围绕所述第二轴线的转矩，

所述外力上限值推定部使用第一外力上限值以及第二外力上限值，推定所述外力上限值，其中所述第一外力上限值基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩而计算出，所述第二外力上限值基于由所述第二转矩检测部检测出的所述转矩而计算出。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其特征在于，

所述外力上限值推定部通过所述第一外力上限值、与所述第二外力上限值的平方和的平方根来推定所述外力上限值。

7.根据权利要求5或6所述的机器人系统，其特征在于，

所述机器人具备：第四部件，其被驱动为相对于所述第二部件围绕与所述第一轴线平行的第三轴线旋转；以及第三转矩检测部，其检测围绕所述第三轴线的转矩，

所述外力上限值推定部使用所述第一外力上限值以及第三外力上限值，推定所述外力上限值，其中所述第一外力上限值基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩而计算出，所述第三外力上限值基于由所述第三转矩检测部检测出的所述转矩而计算出。

8.根据权利要求5或6所述的机器人系统，其特征在于，

所述外力上限值推定部将基于由所述第一转矩检测部检测出的所述转矩而计算出的所述第一外力上限值、与基于由所述第三转矩检测部检测出的所述转矩而计算出的第三外力上限值进行比较，并仅使用任一小的一方，推定所述外力上限值。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的机器人系统，其特征在于，

所述控制装置判定所述机器人是否处于特定姿态，在判定处于所述特定姿态的情况下，限制所述机器人的动作，所述特定姿态为，存在利用所述机器人所具备的所有的所述转矩检测部均难以检测出所述转矩的外力所施加的接触的可能性的姿态。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其特征在于，

所述控制装置在判定所述机器人处于所述特定姿态的情况下，使所述机器人的动作速度降低。

11.根据权利要求9所述的机器人系统，其特征在于，

所述控制装置在判定所述机器人处于所述特定姿态的情况下，限制所述机器人向难以检测出所述转矩的所述外力的方向的动作。