CN202037605U - 用于检测机器人的接触位置的装置 - Google Patents

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神谷阳介
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Abstract

本实用新型提供用于检测机器人的接触位置的装置。实施方式的装置具有探头、探头位置计算部、接触检测部和接触位置计算部。探头被安装在所述机器人上，能够在与物体接触的方向上产生弹性位移。探头位置计算部针对工作中的所述机器人计算所述探头的位置。接触检测部检测所述探头与物体接触的状态。在检测出所述探头的接触状态的情况下，接触位置计算部根据计算出的所述探头的位置导出所述接触位置。

Description

用于检测机器人的接触位置的装置
技术领域
所公开的实施方式涉及用于检测机器人的接触位置的装置及方法。
背景技术
在使机器人进行作业的情况下，在作为工作程序而预先示教的作业对象物的位置(或者所定义的坐标系)与实际的作业对象物的位置(或者所定义的坐标系)之间，有时存在误差。因此，在作业开始前预先确定作业对象物的位置、并存在误差的情况下，需要进行校正该误差的处理。作为作业对象物的位置检测单元，一般使用激光或图像等非接触感测手段。但是，在非接触感测方法中，采用了接收物体的反射光而进行处理这样的步骤，因此，存在不能根据物体的表面材质、照明条件进行准确的位置检测这样的一般技术课题。
为了解决这种技术课题，如日本特许2709001号公报、日本特开平4-340605号公报、日本特开昭60-161085号公报、日本特开昭60-238290号公报以及日本特许第2793695号公报所公开的那样，提出了接触感测方式。在采用接触感测方式的机器人的接触位置检测方法中，采取了如下步骤：监视施加给机器人的接触力，根据接触时刻的机器人位置来计算接触位置。
但是，在现有的采用接触感测方式的接触位置检测方法中，与作业对象物接触的机器人的接触部分为刚体，从而需要抑制接触时的速度。因此，机器人相对于作业对象物的接触点越多，接触位置检测的延迟越大，作业效率越低。
实用新型内容
实施方式的一个形式的目的在于，提供用于检测机器人的接触位置的装置及方法，它们能够高速、高效地检测接触位置。
实施方式的一个形式的装置是用于检测机器人与物体接触的接触位置的装置，具有探头、探头位置计算部、接触检测部和接触位置计算部。探头被安装在所述机器人上，能够在与物体接触的方向上产生弹性位移。探头位置计算部针对工作中的所述机器人计算所述探头的位置。接触检测部检测所述探头与物体接触的状态。在检测出所述探头的接触状态的情况下，接触位置计算部根据计算出的所述探头的位置导出所述接触位置。
根据实施方式的一个形式，可提供用于检测机器人的接触位置的装置及方法，它们能够高速、高效地检测接触位置。
附图说明
图1是第1实施方式的机器人的接触位置检测装置的结构图。
图2是示出第1实施方式的机器人的接触位置检测装置的处理步骤的流程图。
图3是示出第1实施方式中的接触位置检测动作的处理步骤的流程图。
图4是图3所示的接触位置检测方法的说明图，是示出探头位置和外力的图。
图5是图3所示的接触位置检测方法的说明图，是示出探头位置和外力微分值的图。
图6是在第1实施方式的接触位置检测装置中使用的外力检测器的另一实施例。
图7A是第2实施方式的机器人的接触位置检测装置的要部结构图。
图7B是第3实施方式的机器人的接触位置检测装置的要部结构图。
图8是示出用于说明第4实施方式的接触位置检测装置的一般控制装置的结构的图。
图9是用于说明第4实施方式的在关节角度坐标系中求取接触点时上位控制器的内部处理的图。
图10是用于说明第4实施方式的在正交坐标系中求取接触点时上位控制器的内部处理的图。
图11是示出第5实施方式中、使用第1实施方式的机器人的接触位置检测装置或第4实施方式的机器人的接触位置检测装置使机器人执行作业时的处理的流程图。
图12A是示出第5实施方式中、在未向供给托盘提供对象物(部件)的情况下针对机器人示教压入位置时机器人的动作的结构图。
图12B是示出图12A的情况下外力及探头位置的时间性变化的曲线图。
图12C是示出第5实施方式中、在向供给托盘提供了对象物(部件)的情况下机器人的动作的结构图。
图12D是示出图12C的情况下外力及探头位置的时间性变化的曲线图。
图13是用于说明图11所示的机器人的作业处理的图，且是说明如下处理的图，所述处理是：在再现过程中连续地接触所堆积的对象物并进行位置检测，根据检测出的位置的值判别堆积的对象物的个数及供给状态。
具体实施方式
实施方式的装置是用于检测机器人与物体接触的接触位置的装置，具有探头、探头位置计算部、接触检测部和接触位置计算部。探头被安装在所述机器人上，能够在与物体接触的方向上产生弹性位移。探头位置计算部针对工作中的所述机器人计算所述探头的位置。接触检测部检测所述探头与物体接触的状态。在检测出所述探头的接触状态的情况下，接触位置计算部根据计算出的所述探头的位置导出所述接触位置。优选的是：所述装置还具有减速停止单元，在检测出所述探头的接触状态的情况下，该减速停止单元使所述机器人减速停止。
实施方式的探头只要能够在与物体接触的方向上产生弹性位移，则可以具有任意结构。例如，可以由具有弹性的材料(钢琴线)构成，或者可以采用具有至少一个弹性变形区域(弹簧)的结构等。探头可以安装于检测机器人的接触状态的机器人的指尖执行器周边，但实施方式不限于此。此外，由实施方式的探头位置计算部计算的“探头位置”可以设为被假定为与作业对象物相接触的探头的一部分(例如探头前端部)的位置，但实施方式不限于此。
根据实施方式，使用了能够在与物体接触的方向上产生弹性位移的探头，因此，能够在机器人工作中检测出接触状态后，确保用于停止的惯性移动距离(从探头接触物体起到机器人停止的距离)。即，由于探头是柔性的，因此，即使机器人在接触物体后前进了一定距离，也不会损伤探头或使探头发生塑性变形，或者反之，不会使作业对象物发生损伤、变形、振动、或移动。因此，不需要使机器人低速地接触于作业对象物，能够在不影响作为机器人特征的高速性的前提下高精度地求出对象物的位置。并且，关于所求出的位置，它是作为探头位置而计算出的值，可将其作为机器人与对象物之间的相对位置而求出，因此，可将其作为机器人所需的固有信息而求出。
在实施方式的位置检测装置中，还具有：外力检测单元，该外力检测单元检测施加给所述探头的外力；以及记录单元，该记录单元按照时序记录由所述外力检测单元检测出的外力和由所述探头位置计算部计算出的所述探头的位置。并且，在检测出所述探头的接触状态的情况下，所述接触位置计算部根据所述记录单元中记录的外力求取所述探头的接触时刻，将所记录的该接触时刻处的所述探头的位置作为所述机器人的接触位置而导出。
根据实施方式，在机器人工作中，外力检测单元检测施加给所述探头的外力，记录单元按照时序记录由所述外力检测单元检测出的外力和由所述探头位置计算部计算出的所述探头的位置。所谓“按照时序记录”，是指以能够了解记录信息的生成时间或顺序的方式进行记录。例如，还包含按照采样到的顺序依次进行记录的情况。并且，作为一例，在施加给探头的外力超过预定值时，接触检测部检测出探头与物体接触。为了可靠地保证探头确实处于与物体接触的状态，优选将该预定值设定为比探头实际接触到物体时检测出的外力值大。由此，不会从噪声或作业对象物的振动等受到实质性的影响，能够可靠地检测接触状态。
在检测出探头的接触状态的情况下，接触位置计算部根据记录单元中记录的外力，求取探头的接触时刻。优选的是，求取记录单元中记录的外力值的时间性变化发生了变化的时刻，作为接触时刻。这里，作为“外力值的时间性变化”的一例，举出了“外力的时间微分值”。此时，接触位置计算部例如将外力微分值从0(表示探头未接触任何物体的状态)变化为超过0的值(表示接触到某物体而施加了力的状态)的时刻、或者外力微分值从大于0的状态变化为0的时刻设为接触时刻。并且，接触位置计算部通过检索记录单元，导出在该接触时刻计算出的探头位置、即正确的“接触位置”。“外力值的时间性变化”不限于微分值，也可以使用多个外力采样值的平均值。例如，也可以求取接触检测部未检测出接触状态的时间区间中的外力采样值的近似直线(外力值的时间性变化)与检测出接触状态的时间区间中的外力采样值的近似直线之间的交点，由此求出外力值的时间性变化发生了变化的“接触时刻”。这样，在实施方式中，通过设置记录外力值和探头位置的单元，能够搜索接触位置，并且能够进行与物体接触时以及从物体脱离时共计2次确认等，由此，能够得到以很高的可靠性求出准确的接触位置这一新颖的效果。
在优选方式中，针对检测出的所述外力和计算出的所述探头位置，执行具有相同的时间特性的降噪滤波处理。由此，通过对所记录的外力值和探头位置两者实施具有相同延迟的处理，从而不会在接触时刻与探头位置之间的对应关系中产生偏差，能够求出准确的接触位置。另外，滤波处理的目的在于，使得外力值成为经过降噪的值，且针对计算出的探头位置赋予与外力值的滤波延迟同等的延迟时间。
在实施方式中，所述接触检测部构成为通过导通而以电气方式检测所述接触状态的传感器。
在实施方式中，由于使用了通过导通而以电气方式检测接触状态的传感器，因此能够在探头接触到物体的瞬间检测出接触状态。因此，例如可以导出通过导通而检测出接触状态的时刻处的探头位置，作为接触位置。此时，可以省略上述外力检测单元和记录单元。
优选的是，本实施方式的装置具有控制所述机器人的上位控制器，所述机器人具有伺服电动机和电动机控制系统，该电动机控制系统根据来自所述上位控制器的指令控制该伺服电动机。并且，所述上位控制器内置有模拟所述电动机控制系统的运算模型。此外，所述探头位置计算部使用将针对所述伺服电动机的指令数据输入所述运算模型时的输出值，计算所述探头位置。这样，在本实施方式中，将装置分离为机器人和上位控制器，从而避免了通信负荷。这样，在本实施方式中，由于上位控制器内置有模拟电动机控制系统的运算模型，因此，即使在不使用来自下位的机器人的编码器信息的情况下，也能够得到不存在位置偏差的角度信息，其结果，能够检测准确的接触位置。
优选的是，所述探头构成为能够安装到所述机器人上且能够从所述机器人上卸下，或者能够收纳在机器人中。由此，能够实现在机器人作业时不会与工件或周边物体发生干涉而进行利用的装置结构。
在实施方式的检测机器人的接触位置的方法中，将能够在与物体接触的方向上产生弹性位移的探头安装到所述机器人上。并且，在实施方式的检测机器人的接触位置的方法中，进行所述机器人的位置控制，计算所述探头的位置，检测所述探头是否成为与物体接触的状态。并且，在实施方式的检测机器人的接触位置的方法中，在检测出所述探头的接触状态的情况下，使所述机器人减速停止，并且根据计算出的所述探头的位置导出所述接触位置。
实施方式的检测机器人的接触位置的方法还包含以下步骤：检测施加给所述探头的外力，按时序记录所检测出的外力和计算出的所述探头的位置。并且，检测所述探头是否成为与物体接触的状态的步骤是根据检测出的所述外力检测所述探头的接触状态的步骤。并且，在导出所述接触位置的步骤中，当检测出所述探头的接触状态时，根据所记录的外力求取所述探头的接触时刻，导出所记录的该接触时刻处的所述探头的位置，作为所述机器人的接触位置。
在实施方式的检测机器人的接触位置的方法中，检测所述探头是否成为与物体接触的状态的步骤是通过导通而以电气方式检测所述接触状态的步骤。并且，在导出所述接触位置的步骤中，导出通过导通而检测出接触状态的时刻处的所述探头的位置，作为所述接触位置。
以下，根据附图对本申请公开的用于检测机器人的接触位置的装置及方法的实施方式进行详细说明。
首先，对第1实施方式进行说明。
图1是第1实施方式的机器人的接触位置检测装置的结构图。如图1所示，第1实施方式的接触位置检测装置具有机器人控制器5、探头4和外力检测器3。机器人控制器5对由具有编码器的伺服电动机(未图示)驱动的机器人1进行控制。探头4安装于机器人1上，用来检测作业对象物2的位置。外力检测器3检测施加给探头4的外力。在本实施方式中，作为外力检测器3，以力传感器为例进行说明。此外，在机器人控制器5上，连接着示教器6，该示教器6能够输入来自用户的指令以便示教机器人1做出规定动作。另外，附图所示的机器人1是6轴垂直多关节型的例子，不过，任意地变更了轴数和轴结构后的机器人1也能够应用本实施方式的接触位置检测装置。
探头4构成为能够在与作业对象物2接触的方向上产生弹性位移。例如，探头4可以构成为具有预定的弹性变形区域(在预定的弹性变形区域中，伴随于变形量而产生反作用力，并且能够反复地恢复到原来的形状和原来的位置)。因此，在以下的记载中，有时将探头4称作柔性探头。但是，这并不意味着探头的所有部位都具有弹性，只要其至少一部分或一个方向上的分量具有弹性即可。此外，探头4构成为，作为与作业对象物2的接触方向，能够从不仅一个方向的多个方向进行接触，由此能够提高位置检测的自由度。此外，优选的是，探头4具有以下程度的长度，即：在该程度下，当探头4随着位置检测动作而接触到作业对象物2时，机器人1自身不会与作业对象物2发生干涉。作为一例，还可以用钢琴线构成探头4。此外，探头4的前端优选为球状，从而不会限制与作业对象物2之间的接触方向。在图1中，图示为在探头4的前端安装着球状的物体，但这只是示意性的，也可以将探头(钢琴线)的端部本身加工为球状。本实施方式的探头4不限于这些例子，只要具有能够在接触方向上产生弹性位移的部位，则可以变更为任意恰当的形式。
此外，为了不妨碍机器人1的作业性，探头4可以构成为探头仅在必要时才突出的收纳式，或者构成为在机器人1上拆装自如。此外，在图1的例子中，将探头4直接安装在外力检测器3上，不过，也可以将探头4安装在机器人1的末端执行器(endeffector)上。
机器人控制器5能够执行用于使机器人1检测作业对象物2的位置所需的功能。机器人控制器5具有位置指令生成部51、外力值监视部52、探头前端位置计算部53、记录装置(存储器)54以及接触位置计算部55。位置指令生成部51生成针对伺服电动机的指令以便进行机器人1的位置控制。外力值监视部52监视由外力检测器3检测出的作用于探头4的力的值，并根据该力的值判定探头4是否处于接触状态。在探头4处于接触状态的情况下，外力值监视部52向位置指令生成部51发出指令，使得机器人1进行后述的动作。探头前端位置计算部53根据从机器人1发送来的各轴编码器的值、探头4的设计尺寸、探头4的安装位置以及探头4的接近方向，计算探头4的与物体接触的部位的位置。探头4的与物体接触的部位的位置例如是探头4的前端位置。在机器人1的接触动作中，记录装置54按照时序记录由外力检测器3检测出的力的值和由探头前端位置计算部53计算出的探头位置。在外力值监视部52判定为探头4处于接触状态的情况下，接触位置计算部55根据记录装置54中记录的外力值和探头前端位置，求取实际的接触位置。另外，示教器6用于指示机器人执行接触动作，并且，用于设定力传感器值的检测阈值、根据接触检测位置计算实际接触位置的校正值、探头尺寸的设定值、作业对象物2的供给状态的判别阈值等各个值。
图2是示出第1实施方式的机器人的接触位置检测装置的处理步骤的流程图。以下，参照图1，同时使用图2来说明第1实施方式的机器人的接触位置检测装置的处理步骤。如图2所示，首先在步骤S1中，将探头4安装到机器人1的末端执行器的周边，使用示教器6输入作业工具数据(从机器人1的前端位置观察到的探头4的位置姿势)。另外，在不进行位置检测动作时，如果拆下探头4，则不妨碍通常的机器人作业。作业工具数据可以使用机器人1及探头4的设计值。在无法准确地得知探头4的设计尺寸和安装位置的情况下，也可以另行进行校准(校正)。作为作业工具数据的确定方法，例如有如下方法。在作业对象物2相对于机器人坐标系的位置和姿势、以及机器人1的指尖相对于机器人坐标系的位置和姿势已知的条件下，使探头4与作业对象物2接触，确定接触时刻处的、机器人1的指尖位置和姿势与作业对象物2的位置和姿势之“差(矢量)”，作为探头4的作业工具数据。机器人坐标系是以机器人的第一轴为原点，取前后为X方向、左右为Y方向、上下为Z方向的正交坐标系。
接着，在步骤S2中开始位置检测动作。再现使用了示教器6的手动(jog)运转、或预先示教的动作，由此进行位置检测动作。所谓手动运转，是指这样的运转：仅在作业人员按下示教器6的键的期间才使机器人1动作，当松开键时，停止机器人1的运转。在步骤S3中，外力值监视部52开始监视作为外力检测器3的一例的力传感器的值，在步骤S4中，记录装置54开始记录探头前端位置和力传感器的值。接着，探头前端位置计算部53在依次对机器人的各个轴的编码器值进行变换后的机器人前端位置(机器人安装位置)的值中加上探头4的尺寸，由此来计算探头前端位置。
为了以更高精度检测探头前端位置，探头前端位置计算部53也可以根据位置检测动作中探头4的接近方向，如(式1)那样在探头前端球中心位置Ptcp中加上探头半径R，由此来计算探头前端位置Ptop。(式1)根据以探头坐标系为基准的探头4的接近方向来区分情况。在探头4从(式1)中所区分的情况以外的方向进行了动作的情况下，将移动量大的方向作为探头4的接近方向来计算探头前端位置Ptop，即使这样也不会影响精度。例如，接近动作为从X轴负向朝正向动作了200mm、从Y轴正向朝负向动作了10mm的情况成为(I)的从X轴负向朝正向接近的情况。
(式1)
(Ⅰ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[R 0 0](从X轴负向朝正向接近)
(Ⅱ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[-R 0 0](从X轴正向朝负向接近)
(Ⅲ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[0 R 0](从Y轴负向朝正向接近)
(Ⅳ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[0-R 0](从Y轴正向朝负向接近)
(Ⅴ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[0 0 R](从Z轴负向朝正向接近)
(Ⅵ)R[xtop ytop ztop]＝R[xtcp ytcp ztcp]+[ 0 0-R](从Z轴正向朝负向接近)
在步骤S5中，外力值监视部52以一定周期监视力传感器的值是否超过了设定阈值F0。在力传感器的值超过F0的情况下，判断为检测到了接触，从外力值监视部52向位置指令生成部51发送接触位置检测信号。接到接触位置检测信号的位置指令生成部51进行机器人1的位置控制，使得机器人1减速停止而撤回到位置检测动作的开始位置(步骤S6)。在减速停止时，机器人1会继续移动机器人1的惯性移动距离(从探头4接触到物体起到机器人1停止的距离)，但是，通过探头4的柔软性，吸收了机器人1的惯性移动距离。因此，不会损伤探头4或使探头4发生塑性变形，而且也不会使作业对象物2发生损伤、变形、振动或移动。另外，为了能够以较高的概率判定探头4处于接触状态的情况，将F0设定为比因机器人手臂通常所能产生的振动(由机器人1的动作引起的机械振动或在力传感器的计测中产生的电噪声等)引起的力大的值。还可以使用机器人1的示教器6等从外部变更F0。以满足所需的接触位置检测的分辨率的方式，来设定步骤S3、步骤S4、步骤S5的处理的采样周期。具体而言，将步骤S3、步骤S4、步骤S5的处理的采样周期设定为，使得该采样周期成为比用所需要的位置检测分辨率除以检测动作速度得到的值小的值。在确定了采样周期的情况下，根据检测速度确定位置检测分辨率。接到接触位置检测信号，在步骤S7中结束探头前端位置和力传感器值的记录。在步骤S8中，接触位置计算部55进行如下处理：根据记录装置54中记录的探头前端位置和力传感器的值，计算探头4的与作业对象物2所接触的位置。
在图2的步骤S5中，为了排除因振动等干扰造成的接触检测的误差而能够可靠地检测接触状态，将F0设定为比探头接触到物体时产生的通常的力大的值。因此，如图4所示，步骤S5中判断出的接触判断位置(x1)与作为外力值的上升位置而求出的探头4的实际接触位置(x2)不同，该接触判断位置(x1)是在机器人手臂的动作方向上进一步前进后的位置。这样，在本实施方式中，在检测出探头4的接触状态的情况下，接触位置计算部55进行如下处理：根据记录装置54中记录的过去的外力值和探头位置，计算实际的接触位置。
图3是示出接触位置计算部55求取接触位置的计算处理的步骤的流程图。图4和图5是接触位置检测处理的说明图。使用这些图按顺序说明图2的步骤S8中的接触位置检测处理。
如图3所示，在步骤S81中，对由力传感器3检测出的外力值实施低通滤波处理，去除叠加在外力值中的噪声成分。在低通滤波器中，优选具有敏锐的截止频率特性，该截止频率可根据机器人的特性而适当进行变更。此外，在本实施方式中，针对由探头前端位置计算部53计算出的探头4的前端位置值也实施低通滤波处理。优选的是，执行具有与针对外力值应用的处理相同的时间特性的降噪滤波处理。由此，对于力传感器的值与探头4的前端位置彼此而言，能够将相同的延迟信号彼此对应起来，能够提高接触位置的检测位置。
接着，在步骤S82中，通过差分计算来计算力传感器值的时间微分。在步骤S83中，在每一个采样中，判断力传感器值的时间微分是否为0。如图5所示，将力传感器值的时间微分超过0或小于0的时刻的探头前端位置设为实际接触位置(x2)(步骤S84)。另外，力传感器值的时间微分超过0的时刻相当于探头4从未接触任何物体的状态转移为接触到作业对象物2的状态的时刻。力传感器值的时间微分小于0的时刻相当于探头4从接触到作业对象物2的状态转移到离开该作业对象物2而未接触任何物体的状态的时刻。即，在本实施方式中，存在与作业对象物2接触时和从作业对象物2离开时这两次检测接触位置的机会，任意一个时刻都可用于接触位置的检测。通过对接触时与离开时的接触位置进行比较，并确认两者是否一致，由此，能够提高接触位置检测处理的可靠性。在接触时与离开时的接触位置不一致的情况下，例如可假定为作业对象物2因接触而发生了变形或移动。
在本实施方式中，关于根据所记录的探头前端位置和力传感器的值计算实际的接触位置的处理，在步骤S82、步骤S83中，通过力传感器值的时间微分求出了实际的接触位置。但是，求取接触位置的方法不限定于该例。例如还有以下方法等：
(1)根据力传感器值而判断为接触时的时刻和力传感器值
(2)从判断为接触的时刻起预定时间前的时刻和力传感器值
根据该(1)和(2)求取从实际接触到减速停止为止的力传感器值的近似直线，并且，以相同方式采样出两个时刻和力传感器值，由此计算未接触的区间中的近似直线，根据两直线的交点处的时刻和力传感器值计算实际的接触位置。另外，在由于不存在作业对象物2等原因而使得力传感器的值未超过阈值F0时，不能进行接触位置检测，因此向外部输出位置检测处理错误信号。
这样，在第1实施方式中，使用柔软的探头4进行接触位置检测动作，从检测到接触起减小接触动作速度而停止，因此，与使用了非接触感测方式同样，能够以与通常的机器人的作业速度相同程度的速度使机器人移动而快速地进行位置检测。其结果，与现有的接触感测方式相比，能够大幅度提高作业效率。此外，在第1实施方式中，对探头前端位置和力传感器的值进行采样，判断力传感器值的微分值是否为0，根据超过0或小于0的时刻时的探头前端位置来计算实际的接触位置，因此能够提高机器人的接触位置检测精度。此外，在第1实施方式中，在记录装置54中按照时序记录探头位置和外力，能够在过去所有的多个采样中搜索外力和接触位置，因此，能够以高可靠性求出准确的接触位置。
在第1实施方式中，是将外力检测器3作为力传感器进行了说明，但外力检测器3不限于该例。例如，只要能够检测外力，则外力检测器3也可以用其他传感器来代替，例如薄型压力传感器、使用了由转矩指令值与负载转矩之差表示的干扰转矩的力检测器等。图6示出使用了由转矩指令值与负载转矩之差表示的干扰转矩的力检测器的例子。图6是说明使用了由转矩指令值与负载转矩之差表示的干扰转矩的力检测方法的框图。在干扰转矩运算部032中，使用通常的机器人的位置速度控制部031中的转矩指令和位置FB(反馈)来计算干扰转矩。作为干扰转矩的运算方法，例如有以下方法：根据位置反馈的2阶微分求取角加速度，将角速度与电动机负载的惯性力矩相乘来计算反馈转矩，将转矩指令与反馈转矩之差作为干扰转矩。但是，干扰转矩的运算方法不限于此。可通过按预定周期计算干扰转矩来检测接触状态。
接着，对第2实施方式进行说明。
在第1实施方式中，使用了由力传感器检测出的力的值而在外力值监视部52中判定可靠的接触状态，但在第2实施方式中，取代力传感器而提供使用了通过电导通而检测接触状态的传感器的接触位置检测装置。
在图7A中，示出了第2实施方式的、安装了通过电导通而检测接触状态的传感器的机器人。如该图所示，机器人1与对象物012通过电耦合线013电连接。通过使安装于机器人1前端的导通检测探头011与对象物012接触，由此将作业对象物012作为介质而进行通电，在导通检测探头011中检测该情况，从而能够检测出接触状态。与第1实施方式同样，导通检测探头011构成为能够在与作业对象物012接触的方向上产生弹性位移。
因此，在第2实施方式中，能够将导通检测探头011检测出接触的时刻的探头位置直接用作实际的接触位置，不需要追溯过去的数据而计算接触位置。由此，在第2实施方式的机器人控制器5中，能够省略图1所示的结构要件中的记录装置54和接触位置计算部55。此外，采用了监视导通检测探头011的导通的导通监视部，来代替外力值监视部52。该导通监视部在检测出探头的导通即检测出接触的时刻，对位置指令生成部51发出使机器人减速停止的指令。此外，在探头前端位置计算部53中，将在导通监视部检测出导通即检测出接触的时刻计算出的探头前端位置作为实际的接触位置而输出。
在第2实施方式中，导通检测探头011是柔性探头，由此，不会在检测出接触的瞬间急剧地停止，而是能够使机器人减速地停止。由此，在第2实施方式中，不会对机器人的减速机施加很大的负载。此外，在第2实施方式中，能够省略记录装置等，因此，能够利用更简单的结构来检测接触位置。当然，可以与第1实施方式同样，使用记录装置，在检测出导通时追溯过去的数据进行位置检测，再次确认导通时的接触位置是否为正确的接触位置，由此，能够更确切地以高可靠性检测接触位置。
接着，对第3实施方式进行说明。
在第1实施方式中，使用了由力传感器检测出的力的值而在外力值监视部52中判定接触状态，但在第3实施方式中，取代力传感器而提供使用了接触传感器来检测接触状态的接触位置检测装置。
在图7B中，示出了第3实施方式的安装了接触传感器的机器人1。该接触传感器可通过在机器人1的前端隔着弹簧等弹性部件021设置开关022、并在开关022的前端安装刚性探头023来实现。开关022是在弹性部件021产生了预定量的位移时输出电信号的开关。通过机器人1的动作使得刚性探头023与作业对象物024接触，在弹性部件021产生了预定量的位移时，由开关022输出检测出接触的电信号。由此，接触传感器能够检测出接触状态。当检测出接触状态时，与第1实施方式同样，对位置指令生成部51发出使机器人减速停止的指令，根据记录装置中记录的外力值和探头前端位置，求取刚性探头023实际与作业对象物024接触的位置。
另外，刚性探头023由刚性部件构成，以便提高接触传感器的灵敏度(从接触作业对象物起到发生了预定量的位移而输出接触信号为止的时间和位移量)，机器人从接触时刻起的减速(惯性移动)距离被弹性部件021所吸收。更准确地讲，刚性探头023只要具有以下特征即可：刚性探头023具有比弹性部件021高的弹性率(对于位移量展现出大的反作用力的特性)。这样，在第3实施方式中，特征点在于：使1个探头具备了能够检测接触状态的功能和产生弹性位移的功能。
接着，对第4实施方式进行说明。
在上述各实施方式中，上位的机器人控制器向下位的机器人的伺服电动机发送指令信号，根据从机器人的各个轴发送来的编码器信号计算机器人的位置，而第4实施方式则提供如下装置：该装置不是根据编码器信息，而是根据针对机器人的指令信号计算机器人的位置。
首先，在图8中示出了通过与上位控制器601之间的通信来传送伺服电动机603的角度指令的控制器的一般结构。按照机器人程序生成的机器人的动作指令是通过机器人机构学的逆变换而作为驱动机器人关节的伺服电动机603的位置指令(角度指令)生成的，其值经过串行通信等的传送路径被传递至各电动机控制系统602。
通过对来自配置于机器人指尖的力传感器的检测值实施坐标变换，能够使所存储的动作指令与坐标系一致。所述坐标变换，是指使用了坐标变换矩阵的计算处理，该坐标变换矩阵规定了机器人坐标系与力传感器的坐标系(例如如果是3轴传感器，则能够检测在传感器上规定的XYZ轴方向的力，所规定的XYZ轴随传感器安装方向而变化)之间的位置姿势关系。不过，也可以从期望的位置检测精度、灵敏度、检测处理的通用性出发，对所使用的传感器规格以及上述计算处理进行限定。例如，如果仅进行位置检测，则不一定要使坐标系一致，关于力的检测方向，也是只要能够检测1个方向以上即可。此外，也不一定要将传感器配置在指尖，也可以利用配置于关节轴的力检测器或转矩检测器来检测接触。此外，通过使用检测3个方向(XYZ轴方向)的力的力传感器，由此，无论位置检测动作的方向如何，都能够进行接触检测。此外，通过使用规定了力传感器的坐标系与机器人坐标系之间的关系的坐标变换矩阵，能够根据接近方向计算准确的接触位置，提高位置检测精度。此外，如果计算3个方向的合力，则能够以很小的接触力来检测接触，能够提高接触灵敏度。
在第4实施方式中，也是像第1实施方式那样，当该力的检测值超过阈值以后，在探头的弹性变形范围内使机器人减速停止。之后，根据所记录的力的上升时刻和所记录的位置信息求取接触点。力传感器的检测值一般变动剧烈，因此要实施滤波处理。在第4实施方式中，对所记录的力检测信息和位置信息两者实施具有同等的延迟的处理，由此，不会在上升时刻与位置之间的对应关系中产生偏差，能够求出准确的接触位置。
这里，对上位控制器601中的正交坐标系下的滤波处理进行了叙述，但在第1实施方式中，对在关节角的坐标系下记录的力信息和位置信息实施滤波处理也能够得到同样的效果。
这里，参照图9、图10对第4实施方式的上位控制器601的内部处理的详细情况进行说明。图9示出了在关节角坐标系下求取接触点时上位控制器601的内部处理，图10示出了在正交坐标系下求取接触点时上位控制器601的内部处理。
在图9所示的上位控制器601的内部处理中，通过示教或仿真器等工具预先生成机器人的工作程序701。接着，在工作程序701工作时，生成用于使机器人执行正交坐标系下的具体动作的指令702。为了使机器人的关节动作，所生成的这些指令702通过逆变换703变换为关节角度坐标系下的指令705，从而向机器人各关节的伺服电动机603发出指令。在工作过程中机器人与作业对象物等接触的情况下，计测力传感器的检测力711并通过第1实施方式所示的方法求取接触时刻的角度708。此时，使用存储器706中记录的角度信息和力传感器信息，分别对所记录的位置信息和力传感器信息实施具有相同的时间常数的滤波处理等处理707，由此，能够消除根据力传感器的变化求出的接触点的偏差。接触时刻的角度708通过机构学正变换从关节角度坐标系变换为正交坐标系的接触点坐标710。上位控制器601根据该接触点坐标710判断接下来应该采取的动作。此外，通过逆变换703变换为关节角度坐标系的指令值只不过是赋予给机器人的关节角控制系统(图8的602)的指令值，不必与实际的电动机(图8的603)的检测角一致。由此，当直接使用通过逆变换703得到的指令值时，有可能产生与实际的关节处的检测角之间的偏差。为了解决该问题，上位控制器601内置有模拟针对机器人的电动机(图8的603)的关节角控制系统(图8的602)的关节角控制系统运算模型704。并且，上位控制器601通过将逆变换703的指令值输入运算模型704来计算相对于实际的电动机检测角不存在位置偏差的角度，将该计算出的角度记录到存储器706中。由此，在第4实施方式中，即使不使用来自机器人的编码器信息也能够得到无位置偏差的角度信息，其结果，能够进行准确的接触点检测。
以上叙述了利用关节角度的接触点检测，不过，如图10所示使用正交坐标系下求出的位置信息的情况也能够起到相同的作用效果。与图9相比，不同点仅仅是存储器中记录的信息是在正交坐标系下记录的，而基本原理与关节角度坐标系的情况相同。
接着，对第5实施方式进行说明。
使用图11和图12按顺序说明第5实施方式的方法。本实施方式是将在第1实施方式的装置或第4实施方式的装置中实施的接触位置检测方法应用于机器人作业的例子。即，在本实施方式中，针对在生产线等中提供的作业对象物2(部件)，在每次提供时实施接触位置检测。并且，在本实施方式中，根据供给位置的误差(正确的供给位置与各供给位置之差)，判别供给状态，根据判别结果进行处理。另外，关于与第1实施方式相同的结构要件，标注相同的参考标号并省略详细说明。
参照图11的流程图说明第5实施方式的方法。如图11所示，首先，在示教过程中，设定接触位置检测动作的示教、正确的供给位置和判别阈值。在步骤SA1中，作业人员使用示教器6使机器人进行手动运转，使机器人1的指尖部接近作业对象物2(部件)，使柔软的探头4接触作业对象物2(部件)，示教压入的位置。从接触位置到压入位置的距离被探头4的柔软性所吸收。另外，与第1实施方式的步骤S3同样，可通过使用机器人1的各轴编码器的值、接触探头4的安装位置、设计尺寸和位置检测动作的接近方向，来计算该接触位置。接触位置检测动作的示教基本上按如上所述地进行，不过优选的是，作业人员在每次示教时都设定用于无差错地进行后述的状态判别的最佳位置。例如，如图12A～图12D的各图所示，优选预先进行未向供给托盘9提供作业对象物2(部件)时(图12A)与向供给托盘9提供了作业对象物2(部件)时(图12C)之间的判别。此时，为了判别是否提供了部件，示教图12A和图12B所示的位置P0。该位置P0是从未提供部件时的检测位置P1(实际的接触位置)起、压入了减速停止距离而到达接触判断位置后的位置。关于接触判断所需的移动距离以及减速停止距离，可根据接触判断的阈值F0、接触探头的弹性率和各轴电动机的减速度，通过逻辑方式分别计算出来，但也可由作业人员凭直觉或经验来设定。
在步骤SA2中，作业人员将作业对象物2(部件)设置到正确的供给位置，执行在步骤SA1中示教的位置检测动作，进行位置检测，取得正确的供给位置。将所取得的位置数据记录到记录装置54中。
在步骤SA3中，设定用于判别是否提供到恰当范围以外的判别阈值作为参数，该参数用于根据在步骤SA2中取得的正确供给位置与每次提供部件时取得的供给位置之差判别作业对象物的供给状态。该判别阈值由作业人员使用示教器6进行设定，并存储到记录装置54中。关于判别是否提供到恰当范围以外的判别阈值，设定了在检测出的供给位置处因供给位置的误差而无法再进行以后的作业的值的上限。例如，在图12A～图12D所示的例子中，P1的位置相当于不存在部件的情况，P2的位置相当于存在部件的情况，因此，P1到P2之间的检测位置表示提供到恰当范围以外。即，此时，关于判别是否提供到恰当范围以外的判别阈值为P1，在接触检测位置大于P1的情况下，可判别为提供到恰当范围以外，在为P2以下的情况下，可判别为没有提供部件。关于提供到恰当范围外的原因，存在各种各样的原因。例如，可列举出部件脱离于供给托盘的框而落下的情况、以及部件的加工误差大的情况。
下面，对再现过程中的判别方法和处理方法进行说明。
在步骤SA4中，针对所提供的作业对象物2(部件)，执行在步骤SA1中示教的位置检测动作，进行位置检测，取得正确的供给位置。
在步骤SA5中，计算步骤SA4中取得的供给位置与记录装置54中记录的正确的供给位置之差，与步骤SA3中设定的判别是否提供到恰当范围以外的判别阈值进行比较。如果所取得的供给位置与正确的供给位置之差处于判别是否提供到恰当范围外的判别阈值以内，则判别为状态1(提供到恰当范围内)，在步骤SA61中继续执行作业。如果所取得的供给位置与正确的供给位置之差超过判别是否提供到恰当范围以外的判别阈值，则判别为状态2(提供到恰当范围以外)，在步骤SA62中，对作业开始位置进行与供给误差相应的量的校正。此外，如第1实施方式所述，在由于未提供作业对象物2(部件)而接到位置检测处理错误信号的情况下，判别为状态3(没有提供)，在步骤SA63中，设置重新提供作业对象物2(部件)等的处理。
在本实施方式中，利用与正确的供给位置之差进行作业对象物2(部件)的供给状态的判别，因此，检测位置不必是绝对的值，只要能够观察到与正确的供给位置之间的相对变化即可。即，在探头前端位置计算中，机器人的连杆长度、扭转角度、轴间距离等连杆参数、探头尺寸、探头安装位置等工具数据可以是包含误差的值。此外，在进行位置检测动作时，在不使机器人的所有轴均动作而是仅使指定的轴动作的情况下，如果根据动作的轴和工具数据来计算探头前端位置并利用接触位置的相对变化，则能够得到同样的效果。
此外，在本实施方式中，在示教过程中进行了设定正确的供给位置的处理，不过，还可以考虑在再现过程中进行设定的方法。例如，针对如图13所示那样堆积的作业对象物2，连续地接触对象物并进行位置检测，根据检测出的位置的值判别所堆积的对象物的个数，显然，这能够检测作业对象物的配置误差。即，在指示过程中未必设定了正确的供给位置的情况下，也能够在再现过程中使用所取得的位置检测数据来判别供给状态。
以上是本实用新型的各实施方式，本实用新型不限于上述例子，可在本实用新型的范围内进行任意恰当的变更。

Claims (9)

1.一种用于检测机器人与物体接触的接触位置的装置 ，该装置的特征在于，具有：
探头，其被安装在所述机器人上，能够在与物体接触的方向上产生弹性位移；
探头位置计算部，其针对工作中的所述机器人计算所述探头的位置；
接触检测部，其检测所述探头与物体接触的状态；以及
接触位置计算部，在检测出所述探头的接触状态的情况下，该接触位置计算部根据计算出的所述探头的位置导出所述接触位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
该装置还具有减速停止单元，该减速停止单元进行如下控制：在检测出所述探头的接触状态的情况下，使所述机器人减速停止。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，
该装置还具有：
外力检测单元，其检测施加给所述探头的外力；以及
记录单元，其按照时序记录由所述外力检测单元检测出的外力和由所述探头位置计算部计算出的所述探头的位置，
在检测出所述探头的接触状态的情况下，所述接触位置计算部根据所述记录单元中记录的外力求取所述探头的接触时刻，导出所记录的该接触时刻处的所述探头的位置，作为所述机器人的接触位置。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，
在施加给所述探头的外力超过预定值时，所述接触检测部视为所述探头处于接触状态。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，
所述接触位置计算部求取所述记录单元中记录的所述外力值的时间性变化发生了变化的时刻，作为所述接触时刻。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，
该装置针对检测出的所述外力和计算出的所述探头的位置，执行具有相同的时间特性的降噪滤波处理。 
7.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述接触检测部构成为通过导通而以电气方式检测所述接触状态的传感器。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的装置，其中，
该装置还具有控制所述机器人的上位控制器，
所述机器人具有伺服电动机和电动机控制系统，该电动机控制系统根据来自所述上位控制器的指令控制该伺服电动机，
所述上位控制器内置有模拟所述电动机控制系统的运算模型，所述探头位置计算部使用将针对所述伺服电动机的指令数据输入所述运算模型时的输出值，计算所述探头的位置。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的装置，其中，
所述探头构成为，能够安装到所述机器人上并且能够从该机器人上卸下、或者能够收纳在机器人中。 
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