CN116061202A - 机器人手和用于控制机器人手的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人手和用于控制机器人手的方法。一种控制装置包括：被配置成执行将扭矩限制至扭矩极限值或更小的限制过程的限制单元；被配置成在执行限制过程期间，当旋转位置的变化速度等于或小于阈值时，估计出爪已与工件接触的估计单元；被配置成在爪与工件接触之后，执行将扭矩逐渐地增加至高于扭矩极限值的增加过程的增加单元；被配置成在执行增加过程期间，基于旋转位置来计算从爪与工件接触所处的位置到当前位置的移动量的计算单元；以及被配置成在执行增加过程期间执行如下维持过程的维持单元，即：维持扭矩等于或大于比扭矩极限值大的扭矩上限值时的扭矩的维持过程，或者维持移动量等于或大于移动量上限值时的扭矩的维持过程。

Description

机器人手和用于控制机器人手的方法

技术领域

本发明涉及一种机器人手和用于控制机器人手的方法。

背景技术

已知存在一种包括用于抓握工件的爪的机器人手。这种传统的机器人手通过设置握力来操作，以便抓握具有预定指定形状或材料的工件。然而，当借助传统的机器人手抓握未指定种类的工件时，如果爪的握力相对于工件的材料过强，则工件可能会被损坏。结果，如果握力相对于工件的材料太弱，则工件可能在被抓握的同时掉落。如上所述，在传统的机器人手中，在不改变根据工件的类型设置的握力的情况下，很难用适当的握力来抓握未指定种类的工件。为了实现控制，使得对于未指定种类的工件，“牢牢握住硬工件以及以微小的力抓握软工件”，用于检测握力的压力传感器可以设置在机器人手中以调整握力。然而，压力传感器的设置增加了制造成本。另一方面，存在一种如下的技术，即：预先获得其中爪的位移量与握力相互关联的工件的变形比，并且根据该变形比来控制爪的握力(例如，参见专利文件1)。

现有技术文件

专利文件1

日本未经审查的公开号为2018-069381的专利申请

发明内容

本发明要解决的问题

为了获得如上所述工件的所述变形比，需要预先准备。

因此，本发明的目的是旨在提供一种机器人手和一种用于在不改变和设置用于各种类型的所述握力的情况下，机器人手能通过简单的方法以适当的握力来抓握未指定种类的工件的控制方法。

解决所述问题的手段

上述目的是由机器人手来实现的，该机器人手包括：电机；爪，所述爪被配置成根据所述电机的旋转来抓握工件；编码器，所述编码器被配置成检测所述电机的旋转位置；以及控制装置，所述控制装置被配置成控制所述电机的扭矩，使得所述爪根据所述旋转位置而抓握所述工件，其中，所述控制装置包括：限制单元，所述限制单元被配置成执行将所述扭矩限制至扭矩极限值或更小的限制过程；估计单元，所述估计单元被配置成：在执行所述限制过程期间，当所述旋转位置的变化速度变得等于或小于阈值时，估计出所述爪已与所述工件接触；增加单元，所述增加单元被配置成：在所述爪与所述工件接触之后，执行将所述扭矩逐渐地增加至高于所述扭矩极限值的增加过程；计算单元，所述计算单元被配置成：在执行所述增加过程期间，基于所述旋转位置来计算从所述爪与所述工件接触所处的位置到当前位置的移动量；以及维持单元，所述维持单元被配置成：在执行所述增加过程期间执行如下的维持过程，即：维持所述扭矩变得等于或大于比所述扭矩极限值大的扭矩上限值时的扭矩的维持过程，或者维持所述移动量变得等于或大于移动量上限值时的扭矩的维持过程。

另外，上述目的是由用于控制机器人手的方法来实现的，该方法包括以下步骤：将驱动爪以抓握工件的电机的扭矩限制至扭矩极限值或更小；在执行限制过程期间，当所述电机的旋转位置的变化率变得等于或小于阈值时，估计出所述爪已与所述工件接触；在所述爪与所述工件接触之后，执行将所述扭矩逐渐地增加至高于所述扭矩极限值的增加过程；在执行所述增加过程期间，基于所述旋转位置来计算从所述爪与所述工件接触所处的位置到当前位置的移动量；以及在执行所述增加过程期间执行如下的维持过程，即：维持所述扭矩变得等于或大于比所述扭矩极限值大的扭矩上限值时的扭矩的维持过程，或者维持所述移动量变得等于或大于移动量上限值时的扭矩的维持过程。

本发明的效果

根据本发明，可以提供一种机器人手和一种用于在不改变和设置用于各种类型的所述握力的情况下，机器人手能通过简单的方法以适当的握力来抓握未指定种类的工件的控制方法。

附图说明

图1是机器人手的示意性配置图；

图2是例示了用于机器人手的控制装置的示意性配置的框图；

图3是例示了抓握控制的示例的流程图；

图4是例示了限制过程的示例的流程图；

图5是例示了增加过程的示例的流程图；

图6是例示了当抓握软工件时，爪的位置和电机的扭矩之间的过渡的时序图；以及

图7是例示了当抓握硬工件时，爪的位置和电机的扭矩之间的过渡的时序图。

具体实施方式

图1是机器人手1的示意性配置图。机器人手1包括控制装置10、编码器20、电机30、驱动齿轮40、从动齿轮50和爪60。控制装置10控制整个机器人手1的操作。电机30是用于打开和关闭爪60的驱动源，并且是例如步进电机或无刷直流电机。编码器20设置在电机30的旋转轴32的近端处，并且检测电机30的旋转位置(电机30的旋转轴32的旋转角度)。编码器20可以是光学类型的或磁性类型的。驱动齿轮40设置在电机30的旋转轴32的远端处，并且与从动齿轮50啮合。电机30的旋转力经由旋转轴32从驱动齿轮40被传递到从动齿轮50。从动齿轮50具有基本上半圆形形状，并且在弧形外周表面上形成有齿。例如，驱动齿轮40和从动齿轮50之间的啮合机构是蜗轮，但也可以是螺旋齿轮或其他齿轮。爪60的近端部分被固定至从动齿轮50。尽管图1中仅例示了两对的从动齿轮50和爪60，但可以设置有三对或更多对的从动齿轮50和爪60。

当电机30沿正向旋转时，从动齿轮50沿对应于与驱动齿轮40啮合的一个方向摆动，并且爪60的远端部分相互接近。当电机30沿反向旋转时，从动齿轮50沿与上述一个方向相反的相反方向摆动，并且爪60的尖端部分彼此分离。当爪60的远端部分相互接近时，可以抓握作为抓握目标的工件。通过使爪60的远端部分彼此分离来释放工件。以这种方式，通过在正向旋转和反向旋转之间切换电机30的旋转来使爪60打开和关闭。

图2是例示了控制装置10的示意性配置的框图。通过被固定到机器人臂的远端来使用机器人手1。此外，响应于来自控制机器人手1和机器人臂的整个操作的机器人控制器100的命令，控制装置10控制电机30的驱动。控制装置10包括控制单元11和驱动电路13。控制单元11主要由微型计算机等来配置，并且包括中央处理器、只读存储器、随机存储器、输入/输出、连接这些部件的总线等，这些均未被例示。控制单元11中的各个过程均可以是其中由中央处理器执行预先存储在诸如只读存储器的有形存储器(即，可读的临时有形记录介质)中的程序的软件过程，或者可以是由使用现场可编程门阵列(FPGA)等的专用电子电路的硬件过程。

基于来自编码器20的检测信号，控制单元11计算爪60的位置和移动量。如上所述，由于通过借助于电机30的旋转将旋转力从驱动齿轮40传递到从动齿轮50而执行爪60的打开和关闭，因此爪60的打开和关闭的状态是由来自编码器20的检测信号而获得的旋转轴32的旋转角度来掌握的。当电机30是步进电机时，驱动电路13包括切换元件，该切换元件控制每相线圈的通电，并且通过切换电机30的每相绕组的通电来控制电机30的驱动。在驱动电路13中，除了使用用于控制电机30的通用集成电路的功能外，还设置了并联电阻器，并且其电位差是模拟/数字转换的。因此，控制单元11掌握电机30的每相线圈的电流。类似地，在驱动电路13中，通过使用用于控制电机30的通用集成电路的功能，可以通过诸如脉宽调制的调制来设置电机30的每相线圈的通电的有效值。此外，基于每相线圈的电流和来自编码器20的检测信号，控制单元11能估计电机30的扭矩T。如上所述，控制单元11能控制电机30的每相线圈的电流。因此，控制单元11能通过参考来自编码器20的检测信号来设置电机30的每相线圈的电流而任意地设置扭矩T。这样，基于来自编码器20的检测信号，控制单元11能通过向驱动电路13发出命令来控制电机30的驱动，并且能最终控制爪60的打开和关闭。

接下来，将描述由控制装置10的控制单元11执行的抓握控制。图3是例示了抓握控制的示例的流程图。控制单元11首先执行用于限制电机30的扭矩T的限制过程(步骤S10)，然后执行用于增加电机30的扭矩T的增加过程(步骤S20)，再然后执行用来维持电机30的扭矩T的维持过程(步骤S30)。下面将描述限制过程。

图4是例示了限制过程的示例的流程图。基于来自机器人控制器100的命令，控制单元11获得爪60的目标位置Pt、爪60的移动速度S以及电机30的扭矩极限值Tr(步骤S11)。接下来，控制单元11控制电机30，使得爪60以移动速度S从当前位置朝向目标位置Pt移动(步骤S13)，同时通过向驱动电路13输出命令来限制施加到电机30的电流，使得电机30的扭矩T变得恒定在扭矩极限值Tr或更小(步骤S12)。结果，当电机30的扭矩T是等于或小于扭矩极限值Tr的相对较弱的扭矩时，爪60移动以便被关闭。

接下来，控制单元11确定在其中电机30的扭矩T被限制的状态下，是否所有的爪60都已与工件接触(步骤S14)。具体地，确定电机30的旋转位置的变化率(旋转轴32的旋转角度每单位时间的变化量)是否已变得等于或小于阈值α。阈值α被设置成比对应于上述移动速度S的电机30的旋转位置的变化速度小的值。也就是说，确定移动速度S是否已降低到对应于阈值α的移动速度。基于电机30在预定时间内的旋转量，由编码器20计算旋转位置的变化速度。当电机30的旋转位置的变化速度比阈值α高时，确定所有的爪60都仍未与工件接触。当电机30的旋转位置的变化速度降至阈值α或更低时，确定所有的爪60都已与工件接触。在步骤S14中为“否”的情况下，再次执行步骤S13的过程。在步骤S14中为“是”的情况下，限制过程结束，然后执行上述增加过程。

将描述增加过程。图5是例示了增加过程的示例的流程图。控制单元11获得扭矩上限值Tmax和移动量上限值ΔPmax(步骤S21)。扭矩上限值Tmax和移动量上限值ΔPmax可以被预先存储在上述只读存储器中并可以被使用，或者从机器人控制器100传输的数值可以被存储在上述随机存储器中并被使用。扭矩上限值Tmax是大于扭矩极限值Tr的值。接下来，控制单元11将在存储器中临时地存储在限制过程中确定的所有爪60都已与工件接触的接触开始位置P1(步骤S22)。接下来，控制单元11将扭矩T增加一步(步骤S23)。具体地，控制设置被更改，使得扭矩根据用作电机30的电机的控制特性而增加。例如，使电机30的每相线圈的电流的绝对值增加，或者使脉宽调制控制的占空比增加。这里，“增加一步”意味着离散地增加电机30的扭矩T。“增加一步”意味着扭矩T在增加前后的波动，并且相对于上述驱动齿轮40和从动齿轮50在啮合机构中的摩擦损失，大量能量从电机30被传输到驱动齿轮40。在啮合机构中，当啮合速度降低时，有可能由于摩擦损失而使啮合停止。具体地，由于迄今为止作用的摩擦力从动态摩擦力变为静态摩擦力，并且静态摩擦力比动态摩擦力大，因此啮合机构可能会陷入所谓的卡住状态。为了使啮合机构再次开始移动，通过在离散值中增加扭矩T，将扭矩冲击施加到啮合机构，因此可以从静态摩擦过渡到动态摩擦。

接下来，控制单元11确定扭矩T是否等于或大于扭矩上限值Tmax(步骤S24)。在步骤S24中为“是”的情况下，增加过程结束，并且执行将电机30的当前扭矩T维持在扭矩上限值Tmax的维持过程(步骤S30)。

在步骤S24中为“否”的情况下，控制单元11将在存储器中临时地存储爪60的当前位置P2(步骤S25)。接下来，控制单元11计算爪60的移动量ΔP(接触开始位置P1和当前位置P2之间的差值)(步骤S26)。接下来，控制单元11确定计算的移动量ΔP是否等于或大于移动量上限值ΔPmax(步骤S27)。在步骤S27中为“否”的情况下，再次执行步骤S23的过程。在这种情况下，扭矩T在步骤S23中被进一步增加一步。结果，只要在步骤S27和S24中确定为“否”，扭矩T就会以恒定的增加率增加。在步骤S27中为“是”的情况下，增加过程结束，并且执行维持电机30的当前扭矩T的维持过程(步骤S30)。

接下来，将描述当工件被抓握时爪60的位置P和电机30的扭矩T之间的过渡。图6是例示了在软工件被抓握时位置P和电机30的扭矩T的变化的时序图。在时间t0，扭矩T基本上被维持恒定在等于或小于扭矩极限值Tr的扭矩T0，并且爪60的位置P从初始位置P0逐渐地移动。在时间t1，爪60的位置P到达所有的爪60与工件接触所处的接触开始位置P1。由于爪60的位置P不移动，并且确定了所有的爪60在时间t2与工件接触，因此扭矩T增加，并且爪60的位置P开始移动。当移动量ΔP(当前位置P2和接触开始位置P1之间的差值)在时间t3达到移动量上限值ΔPmax时，扭矩T被维持在该时刻的扭矩T1。这样，可以使用不损坏工件的微弱握力来抓握软工件。

图7是例示了在抓握硬工件时爪60的位置P和电机30的扭矩T的变化的时序图。与图6中例示的情况类似，在达到时间t0、t1和t2后，扭矩T增加，但当前位置P2不从接触开始位置P1移动。因此，扭矩T进一步增加，在时间t3时变得等于或大于扭矩上限值Tmax，并且扭矩T被维持在扭矩上限值Tmax。这样，可以使用足够强的握力来抓握硬工件，以防止硬工件掉落。

将补充上述限制过程(步骤S10)。限制过程的要点是旨在检测工件的位置。换言之，限制过程是对爪60的控制，用于搜索工件的存在。为了检测工件的位置，扭矩T被设置成相对较弱的值，以便不损坏工件。另一方面，当扭矩T较弱(低值)时，电机30的旋转速度根据要使用的驱动电路13的类型或控制方法或者要使用的电机30的类型而变慢，并且检测工件的位置可能需要时间。为了避免这种不便，还可以选择在限制过程期间，在高速旋转和低扭矩控制区域中操作电机30，并且在增加过程期间和维持过程期间，在低速旋转和高扭矩控制区域中操作电机30。例如，在其中采用内旋转式无刷直流电机作为电机30的情况下，这是通过切换定子绕组的连接来改变磁极的励磁来实现。当电机30设置有能改变传动比以及电机30的转速和驱动齿轮40的转速之间的比率的变速器(未图示)时，也可以在限制过程期间以低减速比在高速和低扭矩状态下使电机30旋转，并且在增加过程期间和维持过程期间以高减速比在低速和高扭矩状态下使电机30旋转。

如上所述，不需要如下操作，即：改变用于未指定数量的工件类型中的每一个的握力的设置、预先准备以获得工件的变形比，并且提供用于基于由编码器20检测到的电机30的旋转位置来测量握力的压力传感器。因此，可以通过简单的方法，根据工件的硬度以适当的握力来抓握工件。

在上述实施方式中，应用本实施方式的机器人手的机器人具有以下优点。首先，一个机器人手能动态地处理未指定种类的工件。因此，当建造大规模生产线时，可以减少用于教学和设置更改的工时。此外，在通过增加过程确定各个工件的握力后，能获得扭矩T和移动量ΔP。因此，例如，在连续进给相同类型工件的生产线中，根据本实施方式的机器人手能在抓握工件的同时，被用作测量仪器。结果，确定握力后，扭矩T和移动量ΔP被视为各个工件的物理特性，统计地确定工件的质量，并且区分非标准工件。作为类似的应用，在连续进给多种类型的工件的生产线中，还可以在确定握力后，基于扭矩T或移动量ΔP将各个工件分类。

除了在如上所述的增加过程中确定各个工件的握力时获得的扭矩T和移动量ΔP外，当在限制过程中确定所有爪在限制过程中与工件接触时的爪的位置P1、直到移动量ΔP变得等于或大于移动量上限值ΔPmax时所需时间(t2至t3)等也表示各个工件的物理特性。代表各个工件的物理特性的多个物理量被限定为抓握参数。通过使用这些抓握参数，根据本实施方式的机器人手能被广泛使用。在上述生产线中连续进给相同类型的工件的情况下，可以通过设置限定无缺陷工件的范围的阈值以便确定工件是无缺陷的还是有缺陷的，以及通过将通过抓握各个工件而获得的抓握参数与阈值比较来准确地检测有缺陷的工件。此外，预先准备作为质量判定参考的多个无缺陷工件，并且连续抓握无缺陷组的工件以获得抓握参数，并且执行统计过程以生成用于限定无缺陷工件的范围的阈值。因此，可以通过将各个工件的抓握参数与生产线后续操作时的阈值比较来检测缺陷产品。此外，由于对于生产线过程设计师来说，不需要将抓握参数处理为特定数值，因此可以减少输入错误和工时，并且节省劳动力。

上述抓握参数的获取、阈值的生成以及抓握参数和阈值之间的比较可以由控制单元11来执行，或者可以通过与外部机器人控制器100等交换所需信息与另一机器人手来共同执行。

虽然已经详细说明了本发明的示例性实施方式，但本发明并不限于上面提及的实施方式，在不脱离本发明范围的情况下，也可以进行其他实施方式和变化。

Claims (4)

1.一种机器人手，该机器人手包括：

电机；

爪，所述爪被配置成根据所述电机的旋转来抓握工件；

编码器，所述编码器被配置成检测所述电机的旋转位置；以及

控制装置，所述控制装置被配置成控制所述电机的扭矩，使得所述爪根据所述旋转位置而抓握所述工件，

其中，所述控制装置包括：

限制单元，所述限制单元被配置成执行将所述扭矩限制至扭矩极限值或更小的限制过程；

估计单元，所述估计单元被配置成：在执行所述限制过程期间，当所述旋转位置的变化速度变得等于或小于阈值时，估计出所述爪已与所述工件接触；

增加单元，所述增加单元被配置成：在所述爪与所述工件接触之后，执行将所述扭矩逐渐地增加至高于所述扭矩极限值的增加过程；

计算单元，所述计算单元被配置成：在执行所述增加过程期间，基于所述旋转位置来计算从所述爪与所述工件接触所处的位置到当前位置的移动量；以及

维持单元，所述维持单元被配置成：在执行所述增加过程期间执行如下的维持过程，即：维持所述扭矩变得等于或大于比所述扭矩极限值大的扭矩上限值时的扭矩的维持过程，或者维持所述移动量变得等于或大于移动量上限值时的扭矩的维持过程。

2.根据权利要求1所述的机器人手，其中，所述限制单元被配置成：在所述限制过程中，将所述扭矩维持在等于或小于所述扭矩极限值的恒定值。

3.根据权利要求1或2所述的机器人手，其中，所述增加单元以恒定的增加率使所述扭矩增加。

4.一种用于控制机器人手的方法，所述方法包括以下步骤：

将驱动爪以抓握工件的电机的扭矩限制至扭矩极限值或更小；

在执行限制过程期间，当所述电机的旋转位置的变化率变得等于或小于阈值时，估计出所述爪已与所述工件接触；

在所述爪与所述工件接触之后，执行将所述扭矩逐渐地增加至高于所述扭矩极限值的增加过程；

在执行所述增加过程期间，基于所述旋转位置来计算从所述爪与所述工件接触所处的位置到当前位置的移动量；以及

在执行所述增加过程期间执行如下的维持过程，即：维持所述扭矩变得等于或大于比所述扭矩极限值大的扭矩上限值时的扭矩的维持过程，或者维持所述移动量变得等于或大于移动量上限值时的扭矩的维持过程。

Images