CN116685448A - 一种力检测装置及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力检测装置及机器人系统。作为力检测装置的控制装置(14)具备：测量部(42)，其使用力传感器(26)测量作用于关节轴(20a)的力；估计部(44)，其基于表示伺服电机(22)的驱动状态的状态量来估计作用于关节轴(20a、20b)的力；以及校正部(46)，其对通过估计部(44)的估计而得到的估计值进行校正。控制装置(14)分别在设置有力传感器(26)的关节轴(20a)的情况下，求出通过测量部(42)的测量而得到的测量值作为力的检测值，在没有设置力传感器(26)的关节轴(20b)的情况下，求出由校正部(46)校正后的估计值作为力的检测值。

Description

一种力检测装置及机器人系统

技术领域

本发明涉及一种力检测装置及机器人系统。

背景技术

例如，在工业机器人的技术领域中，与作业人员协调地进行作业的协调型机器人是众所周知的。在这种机器人中，当检测到对作业人员的物理干扰时，需要控制在必要时停止机器人。因此，提出了各种使用安装在机器人的关节轴上的力传感器来高精度地检测作用于机器人的外力的技术(例如，参照专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-176465号公报

专利文献2：日本特开2020-104249号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

从检测精度的角度来说，优选在机器人所具有的所有关节轴上设置力传感器。另一方面，如果增加力传感器的设置数量，则会出现装置成本相应高涨的问题。

本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种力检测装置及机器人系统，能够减少力传感器的设置数量，并且能够抑制作用于机器人的力的检测精度的降低。

解决问题的技术手段

本发明的第一方式的力检测装置，其检测作用于机器人的力，所述机器人包括多个关节轴和与每个该关节轴连接的多个致动器，所述力检测装置具备：测量部，其使用力传感器测量作用于所述关节轴的力；估计部，其基于表示所述致动器的驱动状态的状态量来估计作用于所述关节轴的力；以及校正部，其对通过所述估计部的估计而得到的估计值进行校正，在所述多个关节轴中的设置有所述力传感器的第一关节轴的情况下，求出通过所述测量部的测量而得到的测量值作为力的检测结果，在所述多个关节轴中的没有设置所述力传感器的第二关节轴的情况下，求出由所述校正部校正后的估计值作为力的检测值。

在本发明的第二方式的力检测装置中，所述校正部使用所述第一关节轴上的所述测量值与所述估计值之间的差量，对所述第二关节轴上的所述估计值进行校正。

在本发明的第三方式的力检测装置中，所述估计部根据共有的估计模型，分别对作用于所述第一关节轴和所述第二关节轴的力进行估计。

在本发明的第四方式的力检测装置中，所述差量通过对与两个以上的第一关节轴对应的所述差量的集合进行统计处理来算出。

在本发明的第五方式的力检测装置中，当所述多个关节轴串联连接时，所述校正部使用位于最相邻的上游或下游的第一关节轴的所述差量，对所述第二关节轴上的所述估计值进行校正。

本发明的第六方式的机器人系统具备：机器人，其包括多个关节轴和与每个所述关节轴连接的多个致动器；以及第一至第五方式中的任一个力检测装置。

发明效果

根据本发明，能够减少力传感器的设置数量，并且能够抑制作用于机器人的力的检测精度的降低。

附图说明

图1是安装有作为本发明的一个实施方式的力检测装置的控制装置的机器人系统的整体结构图。

图2是图1所示的机器人系统的功能框图。

图3是与图2所示的控制装置的动作相关的流程图。

图4是表示扭矩的检测方法的一例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了便于理解说明，在各附图中对相同的构成要素尽可能标注相同的附图标记，并省略重复的说明。

[机器人系统10的结构]

<整体结构>

图1是安装有作为本发明的一个实施方式的力检测装置的控制装置14的机器人系统10的整体结构图。机器人系统10是用于机器人12和作业人员协调地进行作业的系统。该机器人系统10具体包括机器人12和掌管该机器人12的驱动控制的控制装置14。

机器人12是具有多个关节轴20的垂直关节型机器人。在图1的例子中，机器人12具有：使身体部分旋转的回转轴(J1轴)、使身体部分前后移动的下臂轴(J2轴)、使臂部上下移动的上臂轴(J3轴)、使臂部旋转的手腕回转轴(J4轴)、使手腕上下摆动的“手腕弯曲轴”(J5轴)以及使手腕旋转的手腕旋转轴(J6轴)。需要说明的是，在机器人12的手指尖安装有未图示的末端执行器。

在各个关节轴20上连接有通过伺服控制进行旋转驱动的伺服电机22(图2)。机器人12根据控制装置14的指令，独立地驱动多个关节轴20，从而可以执行包括工件的把持、移动、焊接、涂装等各种作业。

控制装置14是掌管机器人12的控制的计算机。该控制装置14具体具备连接器30、通信I/F32、处理器34和存储器36。各构成要素的个数在图1的例子中为一个，但也可以是两个以上。

连接器30是用于经由电力线缆或通信线缆(均未图示)与机器人12电连接的端子。由此，控制装置14向机器人12供给电力、控制信号，并获取来自设置在机器人12上的各种传感器的测量信号。

通信I/F32是用于与外部装置进行通信的接口。由此，控制装置14可以与例如编程器、作业终端或上位装置(均未图示)进行数据的交换。

处理器34可以是包括CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)的通用处理器，也可以是包括FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)、GPU(GraphicsProcessingUnit，图形处理器)的专用处理器。存储器36是非瞬态存储介质，存储处理器34控制各构成要素所需的程序和数据。

<功能框图>

图2是图1所示的机器人系统10的功能框图。机器人12具备上述关节轴20、伺服电机22、位置传感器24和力传感器26。控制装置14具备伺服控制部40、测量部42、估计部44、校正部46、动力学运算部48和判定部50。

伺服电机22是使关节轴20旋转的旋转致动器。位置传感器24输出表示伺服电机22的角度位置的检测信号(以下称为“位置信号”)。力传感器26输出表示作用于关节轴20的力的大小的检测信号(以下称为“力信号”)。

仅在N个(N≥2)关节轴20中的n个(1≤n＜N)上设置力传感器26。下面，可以根据是否设置力传感器26来区别标记关节轴20的附图标记。具体地，将设置有力传感器26的关节轴标记为“关节轴20a”，并将没有设置力传感器26的关节轴标记为“关节轴20b”。

伺服控制部40基于来自位置传感器24(或者编码器)的位置信号，进行伺服电机22的驱动控制。对于驱动控制，例如使用将流过伺服电机22的电流作为控制量的PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)。

测量部42使用力传感器26测量作用于关节轴20a的力。例如，测量部42参照已知的力传感器26的检测特性，将来自力传感器26的力信号转换为作用于关节轴20a的力的测量值。在设置有力传感器26的关节轴20a的情况下，求出通过测量部42的测量而得到的测量值作为力的检测结果(以下，也称为“第一检测值”)。

估计部44基于表示伺服电机22的驱动状态的状态量来估计作用于关节轴20a、20b的力。该“状态量”是与力的相关性比较高的物理量，例如可举出电流或电压。另外，状态量可以是实际测量得到的实测值，也可以是伺服电机22的控制指令值。估计部44根据由估计参数确定的估计模型，分别估计作用于关节轴20a、20b的力。该估计模型例如是多个关节轴20共有的模型，描述了伺服电机22生成的扭矩与电流的大小(以下称为电流值)成比例的运算规则。需要说明的是，“共有的模型”是指模型函数的数学式类型相同或类似，也包含乘数或常数不同的情况。

校正部46根据由校正参数确定的运算规则，对通过估计部44进行估计而得到的估计值进行校正。校正部46使用关节轴20a上的测量值与估计值之间的差量，对关节轴20b上的估计值进行校正。该差量可以是测量值与估计值之差，也可以是测量值与估计值之比。在没有设置力传感器26的关节轴20b的情况下，求出由校正部46校正后的估计值作为力的检测结果(以下，也称为“第二检测值”)。

当在机器人12上设置两个以上的力传感器26时，校正部46使用两个以上的关节轴20a的全部或一部分的差量，对关节轴20b上的估计值进行校正。在这种情况下，差量可以通过对与多个关节轴20a对应的差量的集合进行统计处理来算出。该统计量可以是平均值、最大值、最小值、众数或中值中的任一个。另外，当多个关节轴20串联连接时，校正部46使用位于最相邻的上游或下游的关节轴20a的差量，对关节轴20b上的估计值进行校正。或者，差量也可以通过与多个关节轴20a对应的差量的加权和来算出。该加权系数例如可以随着关节轴20彼此的位置接近而设置为较大的值，随着关节轴20彼此的位置远离而设置为较小的值。

动力学运算部48使用伺服电机22的位置信息和动力学参数，对由机器人12的自重或自身的动作而作用于关节轴20a、20b的力进行动力学计算。位置信息包括根据位置信号或其时间变化而确定的位置、速度、加速度、加加速度等。动力学参数包括关节轴20彼此的距离、交叉角度，以及手臂、末端执行器的质量、重心位置、惯性等。该参数可以在从工厂出货时预先设置，也可以由系统制造商、机器人12的用户设置。通过计算求出的运算值是在不与外部物体(包括作业人员)发生干扰的状况下机器人12正常动作时作用的力，相当于判定部50的判定中的基准值。

判定部50使用来自测量部42的第一检测值和来自动力学运算部48的运算值[1]、或者来自校正部46的第二检测值和来自动力学运算部48的估计值[2]，判定机器人12是否与外部物体发生了干扰。例如，判定部50将从检测值减去运算值而得到的值视为“外力”，并判定该外力是否超过阈值。当外力超过阈值时，判定部50判定机器人12与外部物体发生了干扰，并向相应的伺服控制部40或制动机构(未图示)输出停止伺服电机22的驱动的停止信号。

[控制装置14的动作]

本实施方式中的机器人系统10如以上所述地构成。接着，参照图3的流程图对构成该机器人系统10的一部分的控制装置14的动作进行说明。

在图3的步骤SP10中，控制装置14的处理器34进行运算参数的设置。由此，分别在估计部44中设置估计参数，在校正部46中设置校正参数，在动力学运算部48中设置动力学参数。需要说明的是，估计参数相当于后述的式(1)的M、L、R。另外，校正参数相当于确定后述的式(2)的F的参数。这些参数通过执行校准对每个关节轴20预先识别(即，最优化)。

在步骤SP12中，控制装置14的处理器34确认判定处理的执行时刻是否已经到来。当执行时刻还未到来时(步骤SP12：否)，停留在步骤SP12直到该时刻到来。另一方面，当执行时刻已经到来时(步骤SP12：是)，进入到下一步骤SP14。

图4是表示扭矩的检测方法的一例的图。其中，假设关节轴20的个数为N＝6，力传感器26的个数为n＝3，J1～J6轴中的力传感器26每隔一个设置的情况。具体地，分别在J2轴上设置传感器A，在J4轴上设置传感器B，在J6轴上设置传感器C。在第偶数个关节轴20a上，第一检测值通过测量导出。另一方面，在第奇数个关节轴20b上，第二检测值通过估计和校正导出。

在图3的步骤SP14中，测量部42从设置在机器人12上的力传感器26获取与J2、J4、J6轴对应的力信号。与此同时，估计部44从与J1～J6轴对应的伺服控制部40分别获取电流的控制指令值(以下称为“电流值”)。

在步骤SP16中，测量部42使用在步骤SP14中获取的力信号，测量作用于J2、J4、J6轴的扭矩。然后，测量部42将通过测量得到的测量值(＝Tm)作为第一检测值，分别提供给校正部46和判定部50。

在步骤SP18中，估计部44使用在步骤SP14中获取的电流值，分别估计作用于J1～J6轴的扭矩。扭矩的估计值根据下式(1)所示的估计模型求出。

Te＝I×M×L×R...(1)

其中，Te相当于扭矩的估计值(单位：N·m)。I相当于电流值(单位：A)。M相当于伺服电机22的扭矩常数(单位：N·m/A)。L相当于机械损失系数(无量纲量)。R相当于减速比(无量纲量)。

在步骤SP20中，校正部46对在步骤SP18中得到的J1、J3和J5轴上的估计值进行校正。扭矩的估计值根据下式(2)校正。

Tc＝Te×F({Δ})...(2)

其中，Tc相当于校正后的估计值(单位：N·m)。{Δ}相当于J2、J4和J6轴上的扭矩比(＝Te/Tm)的总体。F(·)是返回属于总体的扭矩比的平均值的函数。用于计算平均值的样本数可以是全部三个，也可以是两个以下。

在图4的例子中，所有的传感器A、B、C的测量值都用于6轴中的位于最上游侧的J1轴。通过使用所有的扭矩比来增加总体的样本数，对于扭矩比的稳健性变高，并可以抑制检测精度的偏差。另一方面，在其他J3、J5轴上，仅使用位于最相邻的上游和下游的传感器的测量值。具体地，分别在J3轴上使用传感器A、B的测量值，在J5轴上使用传感器B、C的测量值。通过仅使用相邻的关节轴20a的扭矩比，可以进一步提高检测精度。

在步骤SP22中，动力学运算部48使用伺服电机22的位置信息和动力学参数，对假设机器人12与外部物体之间不发生干扰的状况的、作用于关节轴20a、20b的扭矩Td进行计算。

在步骤SP24中，判定部50使用在步骤SP16或SP20中得到的检测值和在步骤SP22中获取的运算值，判定机器人12是否与外部物体发生了干扰。具体地，判定部50在从检测值(Tm，Tc)减去运算值(Td)而得到的值超过阈值时判定为“有干扰”，在为阈值以下时判定为“无干扰”。

在步骤SP26中，判定部50确认是否存在与外部物体的干扰。当没有干扰时(步骤SP26：否)，返回到步骤SP12，并重复以下步骤SP12～SP 26的动作。另一方面，当存在干扰时(步骤SP26：是)，进入下一步骤SP28。

在步骤SP28中，判定部50向所有的伺服控制部40输出指示伺服电机22停止的停止信号。由此，制动器工作，机器人12停止动作。然后，通过作业员操作恢复开关(未图示)，制动器被解除，机器人12的动作重新开始。

[实施方式的总结]

如上所述，机器人系统10具备：机器人12，其包括多个关节轴20和与每个关节轴20连接的多个致动器(这里为伺服电机22)；以及力检测装置，其检测作用于机器人12的外力(这里为控制装置14)。控制装置14具备：测量部42，其使用力传感器26测量作用于关节轴20的力；估计部44，其基于表示伺服电机22的驱动状态的状态量来估计作用于关节轴20的力；以及校正部46，其对通过估计部44的估计而得到的估计值进行校正。

并且，在设置有力传感器26的第一关节轴(即，关节轴20a)的情况下，控制装置14求出通过测量部42的测量而得到的测量值作为力的检测结果。另一方面，在没有设置力传感器26的第二关节轴(即，关节轴20b)的情况下，控制装置14求出由校正部46校正后的估计值作为力的检测值。

这样，关于没有设置力传感器26的关节轴20b，不仅基于伺服电机22的状态量进行估计，还对该估计值进一步进行校正，从而提高了作用于关节轴20b的力的估计精度。由此，减少了力传感器26的设置数量，同时抑制了作用于机器人12的力的检测精度的降低。

另外，校正部46可以使用关节轴20a上的测量值与估计值之间的差量来校正关节轴20b上的估计值。由于关节轴20a上的测量值与估计值之间的误差的关系性会反映在关节轴20b上的估计值的校正中，所以进一步提高了关节轴20b上的力的检测精度。

进一步，估计部44也可以根据共有的估计模型分别估计作用于关节轴20a、20b的力。由此，能够适当地校正估计模型中特有的误差的趋势，进一步提高了关节轴20b上的力的检测精度。

另外，差量可以通过对与两个以上的关节轴20a对应的差量的集合进行统计处理来算出。由此，对于差量的稳健性变高，并抑制了检测精度的偏差。

另外，当多个关节轴20串联连接时，校正部46可以使用位于最相邻的上游或下游的关节轴20a的差量来校正关节轴20b上的估计值。通过使用相邻的关节轴20a的差量，进一步提高了关节轴20b上的力的检测精度。

[变形例]

需要说明的是，本发明并不限于上述的实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内自由地变更。或者，也可以在技术上不产生矛盾的范围内将各结构任意组合。或者，也可以在技术上不产生矛盾的范围内变更流程图中的各步骤的执行顺序。

在上述实施方式中，对使用伺服电机22驱动关节轴20的情况进行了说明，但致动器的种类不限于此。例如，也可以是伺服电机以外的旋转致动器、线性致动器或它们的组合。

在上述实施方式中，对在J1～J6轴中每隔一个设置力传感器26的情况进行了说明，但力传感器26的设置数量、配置分布、比率等不限于此。另外，虽然将设置力传感器26的所有的关节轴作为“第一关节轴”而分类，但也可以将其一部分作为“第二关节轴”而分类。例如，假定由于力传感器26的故障、性能降低而导致测量结果的可靠性发生了降低的情况。

在上述实施方式中，对根据式(1)算出估计值的情况进行了说明，但也可以使用与此不同的各种估计模型。另外，在上述实施方式中，对根据式(2)校正估计值的情况进行了说明，但也可以使用与此不同的各种校正式。例如，可以在位置传感器24或力传感器26的周边设置温度传感器，对上述的估计或校正加入温度补偿功能。

在上述实施方式中，对同步地进行检测值的导出(图3的步骤SP16、SP20)和运算值的计算(图3的步骤SP22)的情况进行了说明，但这些运算处理也可以非同步地进行。具体地，从图3的流程图中排除步骤SP22，判定部50使用最近算出的运算值来判定有无干扰即可。

在上述实施方式中，对力检测装置与机器人12的控制装置14一体地设置的情况进行了说明，但装置结构不限于此。例如，力检测装置可以是与控制装置分离的计算机，或者可以与机器人一体地设置。

在上述实施方式中，以6轴的垂直多关节机器人为例进行了说明，但机器人12的种类不限于此。例如，机器人12可以是7轴机器人、水平多关节机器人(所谓的SCARArobot)、平行连杆机器人、或者正交机器人(所谓的gantryrobot)中的任一种。另外，本发明不限于工业机器人，能够应用于具有多个关节轴20的各种可动装置。

附图标记说明

10机器人系统、12机器人、14控制装置(力检测装置)、20、20a、20b关节轴、22伺服电机(致动器)、24位置传感器、26力传感器、40伺服控制部、42估计部、44测量部、46校正部、48动力学运算部、50判定部。

Claims (6)

1.一种力检测装置，其对作用于机器人的力进行检测，所述机器人包括多个关节轴和与每个该关节轴连接的多个致动器，其特征在于，

所述力检测装置具备：

测量部，其使用力传感器测量作用于所述关节轴的力；

估计部，其基于表示所述致动器的驱动状态的状态量来估计作用于所述关节轴的力；

校正部，其对通过所述估计部的估计而得到的估计值进行校正，

在所述多个关节轴中的设置有所述力传感器的第一关节轴的情况下，求出通过所述测量部的测量而得到的测量值作为力的检测结果，

在所述多个关节轴中的没有设置所述力传感器的第二关节轴的情况下，求出由所述校正部校正后的估计值作为力的检测值。

2.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，所述校正部使用所述第一关节轴上的所述测量值与所述估计值之间的差量，对所述第二关节轴上的所述估计值进行校正。

3.根据权利要求2所述的力检测装置，其特征在于，所述估计部根据共有的估计模型，分别对作用于所述第一关节轴和所述第二关节轴的力进行估计。

4.根据权利要求2或3所述的力检测装置，其特征在于，所述差量通过对与两个以上的第一关节轴对应的所述差量的集合进行统计处理来算出。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的力检测装置，其特征在于，当所述多个关节轴串联连接时，所述校正部使用位于最相邻的上游或下游的第一关节轴的所述差量，对所述第二关节轴上的所述估计值进行校正。

6.一种机器人系统，其特征在于，具备：机器人，其包括多个关节轴和与每个所述关节轴连接的多个致动器；以及根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置。