DE102014019035A1

DE102014019035A1 - Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft und Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters

Info

Publication number: DE102014019035A1
Application number: DE102014019035.8A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Inoue Youichi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104742125B; DE102014019035B4; US20150177084A1; JP2015123520A; US9200972B2; JP5905443B2; CN104742125A

Abstract

Ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft, einschließend einen Referenzwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Referenzwertes einer relativen Position oder eines relativen Winkels eines zweiten Gliedes in Bezug auf ein erstes Glied, wenn ein Roboter, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, von einem vorgegebenen Befehl vorab als betrieben angenommen wird; ein Messwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Messwertes einer relativen Position beziehungsweise eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter vom vorgegebenen Befehl betrieben wird; und ein Beurteilungsschritt zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf einer Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert und einem vorgegebenen Schwellenwert.

Description

Hintergrund Der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft und eine Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters.
2. Beschreibung des allgemeinen Stands der Technik
Wenn ein mit Menschen kollaborierender Industrieroboter mit einem menschlichen Arbeiter kollaborierend arbeitet, können der Arbeiter und der Roboter einander nahe kommen und versehentlich miteinander in Kontakt kommen. Wenn es zu einem solchen Kontakt kommt, ist ein umgehendes Erkennen des Kontakts und das anschließende Umsetzen von Sicherheitsmaßnahmen, wie das Anhalten des Roboters, notwendig. Ein Kontakt zwischen einem Arbeiter und einem Roboter kann durch Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft erkannt werden. Diesbezüglich offenbart die Offenlegung der US-Patentschrift Nr. 2013/0211739 ( US2013/0211739A1 ) zum Beispiel ein Verfahren zum Schätzen eines auf einen Arm eines Roboters einwirkenden Drehmoments, bei dem der Arm von einem Motor durch einen Entschleuniger angetrieben wird. In der Patentschrift US2013/0211739A1 werden im Genaueren ein Rotationswinkel des Motors beziehungsweise ein Rotationswinkel einer Abtriebswelle des Entschleunigers erkannt, und basierend auf einer Differenz zwischen den beiden Rotationswinkeln wird das Drehmoment geschätzt.
Das Drehmoment eines Entschleunigers weist jedoch Eigenschaften auf, mit denen es sich in Bezug auf Änderungen des Rotationswinkels aufgrund von Spiel, Reibung, Hysterese oder dergleichen nichtlinear verändert. Wenn basierend auf einer Differenz zwischen dem Rotationswinkel eines Motors und dem Rotationswinkel einer Abtriebswelle eines Entschleunigers ein Drehmoment geschätzt wird, wie in US2013/0211739A1 beschrieben wird, ist es dementsprechend nicht möglich, das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf einen Roboter einwirkenden äußeren Kraft mit hoher Präzision zu beurteilen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft zum Beurteilen eines Vorhandenseins beziehungsweise eines Fehlens einer auf einen Roboter einwirkenden äußeren Kraft bereitgestellt, der ein erstes Glied und ein zweites Glied, das beweglich mit dem ersten Glied durch einen Entschleunigungsmechanismus verbunden ist, einschließt, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: einen Referenzwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Referenzwertes einer relativen Position beziehungsweise eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, von einem vorgegebenen Befehl vorab als betrieben angenommen wird oder betrieben wird; einen Messwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Messwertes einer relativen Position beziehungsweise eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter vom vorgegebenen Befehl betrieben wird, wobei eine von einer Erkennungseinheit und einer mit der Erkennungseinheit gepaarten Erkannt-Einheit am zweiten Glied beziehungsweise einem Teil angeordnet ist, der sich nicht in Bezug auf das erste Glied relativ bewegt, wobei eine andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am zweiten Glied oder einem Teil angeordnet ist, der sich nicht in Bezug auf das zweite Glied bewegt und ein von der Erkennungseinheit erkannter Wert der Messwert ist; und einen Beurteilungsschritt zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf einer Differenz zwischen dem vom Referenzwerterfassungsschritt erfassten Referenzwert und dem vom Messwerterfassungsschritt erfassten Messwert und einem vorgegebenen Schwellenwert.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf einen Roboter einwirkenden äußeren Kraft bereitgestellt, die ein erstes Glied und ein zweites Glied, das beweglich mit dem ersten Glied durch einen Entschleunigungsmechanismus verbunden ist, einschließt, wobei die Vorrichtung Folgendes beinhaltet: eine Referenzwerterfassungseinheit zum Erfassen eines Referenzwertes einer relativen Position bzw. eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, vorab von einem vorgegebenen Befehl als betrieben angenommen wird oder betrieben wird; eine Messwerterfassungseinheit zum Erfassen eines Messwertes der relativen Position bzw. des relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter beim vorgegebenen Befehl betrieben wird, wobei die Messwerterfassungseinheit eine Erkennungseinheit und eine mit der Erkennungseinheit gepaarte Erkannt-Einheit umfasst, wobei eine von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am ersten Glied oder einem Teil angeordnet ist, der sich in Bezug auf das erste Glied nicht relativ bewegt, wobei eine andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am zweiten Glied oder einem Teil angeordnet ist, der sich nicht in Bezug auf das zweite Glied bewegt, und ein von der Erkennungseinheit erkannter Wert der Messwert ist; und eine Beurteilungseinheit zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf einer Differenz zwischen dem von der Referenzwerterfassungseinheit erfassten Referenzwert und dem von der Messwerterfassungseinheit erfassten Messwert und einem vorgegebenen Schwellenwert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorangehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hervor, die gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden. Es zeigt:
1 eine Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Diagramm, das einen Aufbau einer Gelenkeinheit aus 1 darstellt;
3 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
4 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
5 ein Diagramm, das ein Beispiel von Betriebseigenschaften darstellt, die vom Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ermittelt wurden;
6 ein Diagramm, das ein Beispiel von Betriebseigenschaften während des Anhaltens des Betriebs des Roboters darstellt;
7 ein Diagramm, das ein Beispiel von Betriebseigenschaften darstellt, wenn zwei Referenzwerte eingestellt sind;
8 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
9 eine Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
10 ein Diagramm, das einen Aufbau einer linearen Bewegungseinheit aus 9 darstellt;
11 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
12 ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel der Konfiguration in 11 darstellt;
13 ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel des Aufbaus in den 1 und 9 darstellt; und
14 ein Diagramm, das ein weiteres modifiziertes Beispiel des Aufbaus in den 1 und 9 darstellt.
Ausführliche Beschreibung
Erste Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Beurteilung einer äußeren Kraft eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 7.
Der mit Menschen kollaborierende Industrieroboter betrifft einen Industrieroboter, der mit einem menschlichen Arbeiter kollaborierend arbeitet oder arbeitet, während er sich einen Arbeitsbereich mit einem menschlichen Arbeiter teilt. Typische Industrieroboter führen ihre Arbeit in einem Bereich aus, der von einer Sicherheitsumzäunung umgeben ist, in die der Zutritt beschränkt ist, sodass die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet ist. Jedoch könnte im Falle eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters ein Arbeiter einen Arbeitsbereich des Roboters zum Ausführen von Arbeiten betreten, weshalb es zum Kontakt des Roboters mit dem Arbeiter, einem Hindernis oder dergleichen kommen könnte. Dementsprechend ist es notwendig, einen solchen Kontakt mit dem Roboter frühzeitig zu erkennen und anschließend Sicherheitsmaßnahmen, wie ein Anhalten des Betriebs des Roboters beim Erkennen des Kontakts, umzusetzen.
1 ist eine Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Roboter 100 umfasst eine Basiseinheit 1, eine schwenkende Einheit 2, einen unteren Arm 3, einen oberen Arm 4 und eine Handgelenkeinheit 5.
Die schwenkende Einheit 2 wird schwenkbar oberhalb der Basiseinheit 1 durch einen schwenkenden Mechanismus um eine Achslinie L1 getragen, die sich in eine vertikale Richtung erstreckt. Der untere Arm 3 wird rotierbar an der schwenkenden Einheit 2 durch eine Gelenkeinheit 6 um eine Achslinie 12 getragen, die sich in eine horizontale Richtung erstreckt. Der obere Arm 4 wird rotierbar an einem Spitzenabschnitt des unteren Arms 3 durch eine Gelenkeinheit 7 um eine Achslinie 13 getragen, die sich in die horizontale Richtung erstreckt. Die Handgelenkeinheit 5 ist rotierbar an einem Spitzenabschnitt des oberen Arms 4 durch eine Gelenkeinheit 8 um eine Achslinie 14 bereitgestellt, die sich in die horizontale Richtung erstreckt. Die schwenkende Einheit 2 und die Gelenkeinheiten 6 bis 8 werden von Servomotoren angetrieben.
2 ist ein Diagramm, das einen Aufbau der Gelenkeinheit 6 darstellt. Wie in 2 darstellt wird, beinhaltet die Gelenkeinheit 6 eine fixierte Einheit 10, die an der schwenkenden Einheit 2 fixiert ist, und eine rotierende Einheit 11, die am unteren Arm 3 fixiert ist und in Bezug auf die fixierte Einheit 10 relativ rotiert. Ein Servomotor 12 und ein Außengehäuse eines Entschleunigungsmechanismus 13 sind ineinander integriert an der fixierten Einheit 10 bereitgestellt. Der Servomotor 12 schließt einen Kodierer 12a ein, und der Kodierer 12a erkennt einen Rotationswinkel des Servomotors 12. Der Entschleunigungsmechanismus 13 umfasst eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle und eine Vielzahl von Getrieben und entschleunigt eine Eingangsrotation vom Servomotor 12, um ein Drehmoment zu vergrößern und an die rotierende Einheit 11 zu übertragen. Der Servomotor 12 und der Entschleunigungsmechanismus 13 können an der rotierenden Einheit 11 bereitgestellt sein. In diesem Fall entschleunigt der Entschleunigungsmechanismus 13 eine Eingangsrotation vom Servomotor 12, um ein Drehmoment zu vergrößern und es an die fixierte Einheit 10 zu übertragen. Einer des Servomotors 12 und des Entschleunigungsmechanismus 13 kann an der fixierten Einheit 10 bereitgestellt sein, während der andere davon an der rotierenden Einheit 11 bereitgestellt sein kann.
Ferner ist eine Winkelerkennungseinheit 15 zum Erkennen eines relativen Winkels des unteren Arms 3 in Bezug auf die schwenkende Einheit 2 (nachfolgend bezeichnet als „Armwinkel”) an einer Ausgabeseite des Entschleunigungsmechanismus 13 an der Gelenkeinheit 6 bereitgestellt. Mit dieser Anordnung erkennt die Winkelerkennungseinheit 15 direkt einen Armwinkel des unteren Arms 3, der durch nichtlineare Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 beeinflusst ist. Selbst wenn die nichtlinearen Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 und der Beeinflussungsgrad der Eigenschaften unbekannt sind, ist es dementsprechend möglich, exakt einen relativen Winkel zu bestimmen, bei dem der untere Arm 3 tatsächlich in Bezug auf die schwenkende Einheit 2 positioniert ist. Die Winkelerkennungseinheit 15 beinhaltet eine Erkannt-Einheit und eine Erkennungseinheit. Die Erkannt-Einheit besteht aus einer Skale 16, die an einer Umfangsfläche der rotierenden Einheit 11 bereitgestellt ist, und die Erkennungseinheit besteht aus einem Erkennungskopf 17, der an der fixierten Einheit 10 (dem Außengehäuse des Entschleunigungsmechanismus 13) so bereitgestellt ist, dass er der Skale 16 zugewandt ist. An der Skale 16 sind Skalenmarkierungen bei einer kleinen Einteilung ausgebildet. Der Erkennungskopf 17 beaufschlagt die Skale 16 mit einem Laserstrahl, empfängt ein auf der Skale 16 reflektiertes Reflexionslicht und erkennt basierend auf der Stärke oder Schwäche des Lichts einen Armwinkel.
Die Skalenmarkierungen der Skale 16 sind beispielsweise bei einem gleichmäßigen Intervall bereitgestellt. Der erkannte Armwinkel entspricht in diesem Fall einer Armwinkel-Änderungsmenge, d. h. einem relativen Wert. Je nach Angaben der Skale 16 ist es möglich, einen Armwinkel direkt zu erkennen, d. h. einen absoluten Wert des Armwinkels. In 2 ist der Erkennungskopf 17 an der fixierten Einheit 10 (dem Außengehäuse des Entschleunigungsmechanismus 13) bereitgestellt. Der Erkennungskopf 17 kann jedoch auch an einer anderen Stelle bereitgestellt sein, solange er ein Teil ist, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 10 relativ bewegt (rotiert). Darüber hinaus kann, auch wenn die Skale 16 an der rotierenden Einheit 11 bereitgestellt ist, die Skale 16 an einer anderen Stelle bereitgestellt sein, solange sie ein Teil ist, das sich nicht in Bezug auf die rotierende Einheit 11 relativ bewegt (rotiert). Im Gegensatz zu 2 kann die Skale 16 an der fixierten Einheit 10 beziehungsweise einem Teil bereitgestellt sein, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 10 relativ bewegt, und kann der Erkennungskopf 17 an der rotierenden Einheit 11 beziehungsweise einem Teil bereitgestellt sein, das sich nicht in Bezug auf die rotierende Einheit 11 relativ bewegt. Mit anderen Worten können die Skale 16 und der Erkennungskopf 17 in Positionen angeordnet sein, die sich von denen in 2 unterscheiden, so lange eines der Skale 16 und des Erkennungskopfes 17 an der fixierten Einheit 10 beziehungsweise einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 10 bewegt, angeordnet ist, und das andere der Skale 16 und des Erkennungskopfes 17 an der rotierenden Einheit 11 beziehungsweise einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf die rotierende Einheit 11 relativ bewegt.
Das Außengehäuse des Entschleunigungsmechanismus 13 kann nicht an der fixierten Einheit 10, sondern an der rotierenden Einheit 11 bereitgestellt sein. In diesem Fall genügt es auch, eines der Skale 16 und des Erkennungskopfes 17 an der fixierten Einheit 10 beziehungsweise einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 10 relativ bewegt, anzuordnen, und das andere der Skale 16 und des Erkennungskopfes 17 an der rotierenden Einheit 11 beziehungsweise einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die rotierende Einheit 11 relativ bewegt, anzuordnen. Wenn das Außengehäuse des Entschleunigungsmechanismus 13 an der fixierten Einheit 10 fixiert ist, beinhaltet das Teil, das sich nicht in Bezug auf die rotierende Einheit 11 relativ bewegt, die Abtriebswelle des Entschleunigungsmechanismus 13, während, wenn das Außengehäuse des Entschleunigungsmechanismus 13 an der rotierenden Einheit 11 fixiert ist, das Teil, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 10 relativ bewegt, die Abtriebswelle des Entschleunigungsmechanismus 13 beinhaltet. Der Entschleunigungsmechanismus 13 und die Winkelerkennungseinheit 15 können auch am schwenkenden Mechanismus und den anderen Gelenkeinheiten 7 und 8, ähnlich wie die Gelenkeinheit 6, bereitgestellt sein.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 101 zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Vorrichtung 101 zur Beurteilung einer äußeren Kraft beinhaltet eine Steuerung 20 als eine Robotersteuervorrichtung, die eine zentrale Rolle spielt. Die Steuerung 20 beinhaltet eine Berechnungsverarbeitungsvorrichtung, umfassend eine CPU, ein ROM, ein RAM und andere periphere Schaltkreise. Die Steuerung 20 weist einen Funktionsaufbau auf, der eine Motorsteuereinheit 21, eine Beurteilungseinheit 22 und eine Speichereinheit 23 einschließt. Die Steuerung 20 ist mit einer Eingabeeinheit 25 zur Eingabe verschiedener Befehle bezüglich der Beurteilung einer äußeren Kraft, einer Simulationsausführungseinheit 26 zum Ausführen einer Betriebssimulation des Roboters vorab, einer Winkelerkennungseinheit 15, einem Kodierer 12a, einem Servomotor 12 und einer Alarmvorrichtung 27 verbunden. Der Servomotor 12 beinhaltet eine Vielzahl von am schwenkenden Mechanismus und den jeweiligen Gelenkeinheiten 6 bis 8 bereitgestellten Servomotoren.
Die Speichereinheit 23 speichert vorab ein Steuerungsprogramm Pr zur Steuerung des Betriebs des Roboters 100 während der Arbeit. Der Steuerung 20 kann es gestattet sein, das Steuerungsprogramm Pr aus einer externen Vorrichtung zu lesen. Die Eingabeeinheit 25 gibt einen Betriebsstart-Befehl für den Roboter 100 und dergleichen ein.
Die Simulationsausführungseinheit 26 führt eine Betriebssimulation durch das Verwenden eines Robotermodells aus, das dem Roboter 100 entspricht. Mit anderen Worten bewirkt die Simulationsausführungseinheit 26, dass das Robotermodell durch einen Computer gemäß demselben Steuerungsprogramm Pr wie das während des Betriebs des Roboters betrieben wird und berechnet aus einer Stellung des Robotermodells einen Armwinkel. Das für die Simulationsberechnung verwendete Robotermodell entspricht dem Roboter 100, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt. Deshalb ist der von der Simulationsausführungseinheit 26 berechnete Armwinkel ein Armwinkel, der eine Referenz zum Beurteilen ist, ob eine äußere Kraft auf den Roboter 100 einwirkt oder nicht, nämlich ein Armwinkel-Referenzwert α (theoretischer Wert). Die Simulationsausführungseinheit 26 erfasst Zeitreihendaten des Referenzwertes α. Die Zeitreihendaten werden in der Speichereinheit 23 der Steuerung 20 gespeichert.
Alternativ kann die Simulationsausführungseinheit 26 in die Steuerung 20 integriert sein. Danach kann die Steuerung 20 eine Simulationsberechnung ausführen und einen berechneten Referenzwert α in der Speichereinheit 23 speichern. Ein für die von der Simulationsausführungseinheit 26 für die Simulationsberechnung verwendetes Robotermodell kann unter Verwendung eines Armwinkels erstellt werden, der nichtlineare Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 berücksichtigt, die auf einem Wert basierend gefunden wurden, der von der Winkelerkennungseinheit 15 beim vorab durchgeführten Betrieb des Roboters 100 erkannt wurde. Alternativ ist es auch möglich, ein Robotermodell unter Verwendung eines Armwinkels zu erstellen, der durch Hinzufügen der nichtlinearen Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 zu einem vom Kodierer 12a erkannten Winkelwert berechnet wird. In diesem Fall wird der Referenzwert (theoretischer Armwinkelwert) α des von der Simulationsausführungseinheit 26 ermittelten Armwinkels ein Wert, der nahe einem tatsächlichen Armwinkel des Roboters 100 ist. Dieser entspricht einem Armwinkel, wenn angenommen wird, dass eine von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit an der schwenkenden Einheit 2 beziehungsweise einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die schwenkende Einheit 2 relativ bewegt, angeordnet ist, während die andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am unteren Arm 3 beziehungsweise einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf den unteren Arm 3 relativ bewegt.
Auf diese Art und Weise wird durch Berücksichtigung der nichtlinearen Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 gestattet, den Referenzwert α mit hoher Präzision zu ermitteln. Dadurch kann die Größe eines Schwellenwertes (ein vorgegebener Wert γs, der später beschrieben wird) als eine Referenz zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter 100 einwirkenden äußeren Kraft reduziert werden, wodurch eine Beurteilung des Vorhandenseins oder des Fehlens einer äußeren Kraft mit hoher Präzision gestattet wird. Andererseits ist es auch möglich, ein Robotermodell zu erstellen, ohne nichtlineare Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 für die Berechnung eines Armwinkels zu berücksichtigen. In diesem Fall wird die Berechnungspräzision für den Referenzwert α gemindert. Deshalb muss die Größe des Schwellenwertes erhöht werden, um eine versehentliche Erkennung bei der Beurteilung einer äußeren Kraft zu vermeiden. Aufgrund der Nichtberücksichtigung der nichtlinearen Eigenschaften kann jedoch die Berechnungszeit verkürzt werden. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, nichtlineare Eigenschaften zu spezifizieren, die im Allgemeinen schwer identifizierbar sind, wodurch die Beurteilung der äußeren Kraft vereinfacht wird.
Die Motorsteuereinheit 21 gibt an jeden der Servomotoren 12 des Roboters 100 ein Steuersignal gemäß dem Steuerungsprogramm Pr zum Betrieb des Roboters 100 aus. Zu diesem Zeitpunkt ist jeder Servomotor 12 basierend auf einem Signal vom Kodierer 12a rückführgeregelt. Wenn der Roboter 100 betrieben wird, erkennt die Winkelerkennungseinheit 15 einen Messwert β eines Armwinkels. Die Motorsteuereinheit 21 startet die Verarbeitung, wenn die Eingabeeinheit 25 einen Betriebsstart-Befehl für den Roboter 100 eingibt.
Die Beurteilungseinheit 22 berechnet eine Differenz γ zwischen dem Messwert β des während des Betriebs des Roboters 100 erkannten Armwinkels und dem Referenzwert α des vorab im Speicher 23 gespeicherten Armwinkels. Mit anderen Worten berechnet die Beurteilungseinheit 22 eine Differenz γ zischen dem Referenzwert α, der einem bestimmten Betriebsbefehl des Steuerungsprogramms Pr entspricht, und einem Messwert β, der erkannt wird, wenn dieser Betriebsbefehl als der obige Befehl ausgegeben wird. Darüber hinaus beurteilt die Beurteilungseinheit 22, ob die Differenz γ (ein absoluter Wert) größer als ein vorgegebener Wert γs ist oder nicht. Mit anderen Worten dient die Beurteilungseinheit 22 nicht nur als Beurteilungsfunktion sondern auch als eine Berechnungseinheit zum Berechnen der Differenz γ. Wenn einige vorgegebene Werte γs vorab eingestellt werden und ein vorgegebener Wert γs gemäß Betriebszuständen und Umgebung des Roboters 100 aus den eingestellten Werten ausgewählt oder berechnet wird, kann die Beurteilungseinheit 22 dazu fähig sein, eine Funktion des Auswählens oder Berechnens des vorgegebenen Wertes γs aufzuweisen. Darüber hinaus, unter der Berücksichtigung, dass es zwischen der Ausgabe des Betriebsbefehls und dem tatsächlichen Betrieb des Roboters 100 eine Zeitverzögerung gibt, kann die Zeitgabe für den Vergleich des Referenzwertes α durch die Zeitverzögerung verschoben werden.
Der vorgegebene Wert γs ist ein Schwellenwert zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter 100 einwirkenden äußeren Kraft. Unter Berücksichtigung der Menge der Variation (Auflösung) der Winkelerkennungseinheit 15 wird der vorgegebene Wert γs als größer als die Menge der Variation eingestellt. Wenn auf den Roboter 100 keine äußere Kraft einwirkt, ist der Wert γ genau so groß oder kleiner als der vorgegebene Wert γs. Wenn hingegen eine äußere Kraft auf den Roboter 100 aufgrund eines Kontakts eines Arbeiters oder eines Hindernisses mit dem Roboter 100 (den unteren Arm 3 oder dergleichen) einwirkt, wird der Wert γ größer als der vorgegebene Wert γs. Dementsprechend gestattet das Vergleichen der Größen des Wertes γ und des vorgegebenen Wertes γs eine Beurteilung, ob auf den Roboter 100 eine äußere Kraft einwirkt.
Wenn die Beurteilungseinheit 22 beurteilt hat, dass γ größer als γs (γ > γs) ist, gibt die Motorsteuereinheit 21 vorzugsweise ein Anhaltesignal an den Servomotor 12 aus, um den Betrieb des Roboters 100 anzuhalten. Alternativ kann die Motorsteuereinheit 21 ein Steuersignal, das gestattet, dass der Wert γ genauso groß oder kleiner als der vorgegebene Wert γs ist, an den Servomotor 12 ausgeben, die auf den Roboter 100 einwirkende äußere Kraft zu verringern. Zu diesem Zeitpunkt kann die Motorsteuereinheit 21 ein Steuersignal an die Alarmvorrichtung 27 ausgeben, um zu bewirken, dass die Alarmvorrichtung 27 einen Alarm erzeugt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Zuerst führt bei einem Schritt S1 die Simulationsausführungseinheit 26 eine Simulationsberechnung gemäß dem Steuerungsprogramm Pr unter Verwendung eines Robotermodells durch, das dem Roboter 100 entspricht, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, um einen Armwinkel-Referenzwert α zu berechnen (ein Referenzwerterfassungsschritt).
Anschließend erkennt bei einem Schritt S2 die Winkelerkennungseinheit 15 einen Armwinkel-Messwert β, wenn der Roboter 100 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr durch ein Steuersignal von der Motorsteuereinheit 21 betrieben wird (ein Messwerterfassungsschritt).
Anschließend berechnet bei einem Schritt S3, während des Betriebs des Roboters 100 durch das Steuersignal von der Motorsteuereinheit 21, die Beurteilungseinheit 22 eine Differenz γ zwischen dem Referenzwert α des Armwinkels und dessen Messwert β und vergleicht die Größen der Differenz γ mit einem vorgegeben Wert γs, um das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter 100 einwirkenden äußeren Kraft zu beurteilen (ein Beurteilungsschritt).
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Betriebseigenschaften darstellt, die vom Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ermittelt wurden. Im Diagramm steht eine Eigenschaft fa für eine Eigenschaft eines Referenzwertes α, der vom Referenzwerterfassungsschritt (Schritt S1) erfasst wurde, und eine Eigenschaft fb für eine Eigenschaft eines Messwertes β, der vom Messwerterfassungsschritt (Schritt S2) erfasst wurde. Darüber hinaus stehen die Eigenschaften fc für Eigenschaften von Schwellenwerten, die durch Verschieben der Eigenschaft fa zur positiven Seite beziehungsweise negativen Seite durch einen vorgegebenen Wert γs ermittelt werden. Die Eigenschaften fa und fc stehen für berechnete theoretische Werte und verändern sich deshalb leicht, während die Eigenschaft fb für Messwerte steht und sich deshalb aufgrund von Geräuschen, Vibrationen oder dergleichen verändert.
Wie in 5 dargestellt wird, ist während eines Zeitraums von Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t1 die Differenz γ zwischen dem Referenzwert α und dem Messwert β genau so groß oder kleiner als der vorgegebene Wert γs und die Eigenschaft fb ist innerhalb des Paares von Eigenschaften fc positioniert. Wenn zum Beispiel beim Zeitpunkt t1 ein Arbeiter mit dem unteren Arm 3 in Kontakt kommt und dabei eine äußere Kraft auf den unteren Arm 3 einwirkt, wird der Wert γ größer als der vorgegebene Wert γs. Infolgedessen beurteilt die Beurteilungseinheit 22, dass auf den Roboter 100 eine äußere Kraft einwirkt. Da der Arbeiter eine Ausweichbewegung vom Roboter 100 macht, wird danach der Wert γ wieder genauso groß oder kleiner als der vorgegebene Wert γs. Nach dem Beurteilen des Vorhandenseins der äußeren Kraft zum Zeitpunkt t1 kann der Betrieb des Roboters 100 durch einen Befehl von der Motorsteuereinheit 21 gezwungenermaßen angehalten werden.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Betriebseigenschaften darstellt, wenn vom Steuerungsprogramm Pr ein Anhaltebefehl ausgegeben wurde und der Betrieb des Roboters 100 durch ein Steuersignal von der Motorsteuereinheit 21 angehalten wurde. Deshalb sind in 6 die Eigenschaften fa des Referenzwertes α und die Eigenschaften fc der Schwellenwerte konstant. Der Anhaltebefehl ist ein Befehl zum Anhalten und Aussetzen eines rotierenden Roboterarmbetriebs während dessen rotierenden Betriebs oder ein Befehl zum kontinuierlichen Aufrechterhalten des Roboters 100 in einem stationären Zustand wie er ist. Während eines Übergangszeitraums vom Anhalten des rotierenden Betriebs zum Anhalten des Roboterarms kann das zuvor beschriebene Verfahren angewandt werden und dann wird eine vorteilhafte, erfindungsgemäße Wirkung erzielt.
Beim Fortführen des stationären Zustands wird hingegen eine zusätzliche, vorteilhafte Wirkung erzielt. Im Genaueren wird im stationären Zustand die Vibration des Arms, die während des Betriebs des Roboters 100 auftritt, reduziert, wodurch die Schwellenwerte viel kleiner werden, wodurch eine hochempfindliche Erkennung einer äußeren Kraft gestattet wird. Zusätzlich werden auch die nichtlinearen Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13 in einem gewissen konstanten Zustand gehalten. Deshalb ist es beim Erfassen des Referenzwertes α des Armwinkels im stationären Zustand nicht notwendig, stets eine Reihe von Daten zu erfassen, die einem Zeitraum entsprechen, der zum Fortführen des stationären Zustands angesetzt ist. Infolgedessen kann der Referenzwert α unter Verwendung von Daten bestimmt werden, die einem angemessenen Zeitraum entsprechen, sodass die Zeit zum Erfassen des Referenzwertes α verkürzt werden kann. Darüber hinaus ist es, wenn der Zeitraum zum Fortführen des stationären Zustands verändert wird, nicht notwendig, erneut einen Referenzwert α zu erfassen. Es genügt, einen Zeitraum zum Anwenden des Referenzwertes α in Abhängigkeit vom Zeitraum zum Fortführen des stationären Zustands abzukürzen oder zu erweitern. Dadurch kann das Erfassen des Referenzwertes α vereinfacht werden. Wenn sich die stationäre Position bzw. der Winkel des Roboters 100 aufgrund des Anhaltebefehls verändert, verändert sich der Referenzwert α aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften des Entschleunigungsmechanismus 13. Deshalb ist es notwendig, einen neuen Referenzwert α zu erfassen. Die Erfassungszeit für den Referenzwert α ist jedoch kurz, wie zuvor beschrieben wurde.
In 6 sind während des Zeitraums von Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t1 die Eigenschaften fb innerhalb des Paares von Eigenschaften fc positioniert. Wenn zum Beispiel beim Zeitpunkt t1 der untere Arm 3 mit einem Arbeiter in Kontakt kommt und dabei der Wert γ den vorgegebenen Wert γs überschreitet, beurteilt die Beurteilungseinheit 22, dass auf den Roboter 100 eine äußere Kraft einwirkt. Danach gibt die Motorsteuereinheit 21 an den Servomotor 12 ein Steuersignal aus, das die äußere Kraft reduziert, zum Beispiel ein Steuersignal, das bewirkt, dass sich der untere Arm 3, der mit dem Arbeiter in Kontakt ist, vom Arbeiter wegbewegt. Infolgedessen wird der Wert γ genauso groß oder kleiner als der vorgegebene Wert γs. Auf diese Art und Weise wird, wenn während des Anhaltens des Betriebs des Roboters 100 das Vorhandensein oder das Fehlen einer äußeren Kraft beurteilt wird und dann beurteilt wird, dass eine äußere Kraft vorliegt, der Roboter 100 so gesteuert, dass die äußere Kraft reduziert wird, wodurch beispielsweise, selbst wenn für den Arbeiter ein Ausweichen vom Roboter 100 schwierig ist, Sicherheit gewährleistet werden kann.
In der obigen Ausführungsform wird der Referenzwert α des Armwinkels vorab durch Berechnung ermittelt. Der Referenzwert α kann jedoch aufgrund einer Annahme eines idealen Roboters 100, der keine Variationen bei der Bearbeitung und bei der Montage aufweist, oder unter Berücksichtigung von Variationen davon ermittelt werden. Der Referenzwert α kann unter der Berücksichtigung ermittelt werden, dass in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, bei der der Roboter 100 verwendet wird, eine Expansion des Körpers des Roboters 100, eine Veränderung des Erkennungswertes der Winkelerkennungseinheit 15 oder dergleichen auftritt. Wenn die Variationen bei der Bearbeitung und der Montage, der Einfluss der Umgebungstemperatur und der gleichen berücksichtigt werden, können die Eigenschaften fa einer Vielzahl von Referenzwerten α eingestellt werden.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, bei dem die Eigenschaften fa1 und fa2 von zwei Referenzwerten α eingestellt sind. Die Eigenschaften fa1 stehen beispielsweise für Eigenschaften eines Referenzwertes α bei einer hohen Umgebungstemperatur, während die Eigenschaften fa2 beispielsweise für Eigenschaften eines Referenzwertes α bei einer niedrigen Umgebungstemperatur stehen. In 7 sind jeweils Eigenschaften fc von Schwellenwerten für die Eigenschaften fa1 und fa2 eingestellt. Wenn der Wert γ einen vorgegebenen Wert γs zum Zeitpunkt t1 überschreitet, kann beurteilt werden, dass auf den Roboter 100 eine äußere Kraft einwirkt.
In der Annahme, dass sich der Armwinkel umgehend aufgrund eines Antriebbefehls von der Motorsteuereinheit 21 verändert, kann eine Differenz γ zwischen dem Referenzwert α und einem Messwert β des Armwinkels ermittelt werden. Im Allgemeinen tritt zwischen der Ausgabe des Antriebbefehls und dem Betrieb des Roboters 100 eine Zeitverzögerung auf. Die Zeitverzögerung hängt von einem Gewicht des Roboters 100, einer Armlänge von diesem und dergleichen ab. Dann kann unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung die Differenz γ zwischen dem Referenzwert α des Armwinkels und einem Messwert β davon berechnet werden, indem nach einem Ablauf der Zeitverzögerung ein Messwert β verwendet wird.
Das Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der ersten Ausführungsform kann die folgenden betrieblichen Vorteile bereitstellen:

(1) Vorab wird ein Referenzwert α eines Armwinkels in der Annahme erfasst, dass der Roboter 100 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr unter Verwendung eines Robotermodells betrieben wird, das dem Roboter 100 entspricht, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt (Schritt S1). Danach wird ein Messwert β des Armwinkels erfasst, wenn der Roboter 100 gemäß diesem Steuerungsprogramm Pr betrieben wird (Schritt S2). Darüber hinaus wird die Größe einer Differenz γ zwischen dem Referenzwert α und dem Messwert β mit der Größe eines vorgegeben Schwellenwertes γs verglichen, um das Vorhandensein oder das Fehlen eines auf den Roboter 100 einwirkenden äußeren Wertes (Schritt S3) zu beurteilen.

Deshalb kann, selbst wenn sich ein Drehmoment des Entschleunigungsmechanismus 13 aufgrund von Spiel, Hysterese, Viskosität, Reibung oder dergleichen verändert, das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter 100 einwirkenden äußeren Kraft mit hoher Präzision ohne einen Einfluss der nichtlinearen Veränderung beurteilt werden. Da die Beurteilung bezüglich des Vorhandenseins oder des Fehlens einer äußeren Kraft von der leichten Verarbeitung durchgeführt wird, ist die für die Beurteilung notwendige Zeit außerdem kurz. Dementsprechend kann bei Kontakt eines Arbeiters oder eines Hindernisses mit dem Roboter 100 der Roboter 100 umgehend angehalten werden und es ist möglich, eine hohe Sicherheit zu erreichen.

(2) Da der Referenzwert α unter Verwendung des Robotermodells berechnet wird, ist es nicht notwendig, den Roboter 100 tatsächlich für das Erfassen des Referenzwertes α zu betreiben, weshalb ein einfaches Erfassen des Referenzwertes α möglich ist.
(3) Vor dem Betrieb des Roboters 100 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr wird vorab ein Referenzwert α des Armwinkels berechnet und in der Speichereinheit 23 gespeichert. Deshalb ist es nicht notwendig, den Referenzwert α zu ermitteln, wenn das Vorhandensein oder das Fehlen einer äußeren Kraft beurteilt wird. Um das Vorhandensein oder das Fehlen einer äußeren Kraft zu beurteilen, genügt es demnach, einfach eine Differenz γ zwischen einem Referenzwert α und einem Messwert β zu berechnen und die Größen der Differenz γ mit einem vorgegeben Wert γs zu vergleichen, wobei die für die Beurteilung erforderliche Zeit verkürzt werden kann.
(4) Wenn der Roboter 100 im stationären Zustand ist, wird das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter 100 einwirkenden Kraft beurteilt, und danach, wenn das Vorhandensein der äußeren Kraft beurteilt ist, wird der Betrieb des Roboters 100 so gesteuert, dass die äußere Kraft reduziert wird (6). Dadurch wird ein sicheres Ausweichen vom Roboter 100 gestattet, wenn ein Arbeiter oder ein Hindernis in Kontakt mit dem Roboter 100 kommt.

Zweite Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Beurteilung einer äußeren Kraft eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich des Verfahrens zur Erfassung eines Referenzwertes α eines Armwinkels (einem Referenzwerterfassungsschritt). Während die erste Ausführungsform das Robotermodell dazu verwendet, einen Referenzwert α durch Berechnung zu erfassen, gestattet die zweite Ausführungsform im Genauen den tatsächlichen Betrieb des Roboters 100, um einen Referenzwert α zu erkennen.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 102 zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Denselben Elementen wie jenen in 3 werden dieselben Bezugszeichen verliehen. Wie in 8 dargestellt ist, umfasst die Vorrichtung 102 zur Beurteilung einer äußeren Kraft nicht die Simulationsausführungseinheit 26 und stattdessen umfasst die Steuerung 20 eine vorläufige Steuereinheit 28.
Bevor der Roboter 100 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr durch einen Befehl von der Motorsteuereinheit 21 betrieben wird, um mit der Arbeit zu beginnen, gibt die vorläufige Steuereinheit 28 an jeden der Servomotoren 12 ein Steuersignal gemäß demselben Steuerungsprogramm Pr zum Betrieb des Roboters 100 (vorläufiger Betrieb) aus. Der vorläufige Betrieb wird in einem Zustand ausgeführt, in dem auf den Roboter 100 keine äußere Kraft einwirkt oder eine bekannte äußere Kraft einwirkt. Zu diesem Zeitpunkt erkennt die Winkelerkennungseinheit 15 den Armwinkel und speichert Zeitreihendaten des Armwinkels als einen Referenzwert α in der Speichereinheit 23. Der vorläufige Betrieb des Roboters 100 wird gestartet, wenn die Eingabeeinheit 25 einen vorläufigen Betriebsstart-Befehl eingibt.
Der vom vorläufigen Betrieb erkannte Armwinkel variiert unter dem Einfluss von Geräuschen, Vibrationen des Roboters 100 oder dergleichen. Dementsprechend kann, ohne direkt einen erkannten Wert des Armwinkels als den Referenzwert α zu verwenden, der erkannte Wert durch einen Tiefpassfilter oder dergleichen geglättet werden und der geglättete Wert kann als der Referenzwert α gespeichert werden. Alternativ kann, nachdem ein Armwinkel mehrere Male gemessen wurde, ein Durchschnitt der Messwerte als der Referenzwert α gespeichert werden. Wenn der erkannte Armwinkelwert aufgrund von Spiel, Hysterese, Viskosität, Reibung oder dergleichen am Entschleunigungsmechanismus 13 variiert, kann der Referenzwert α in einem bestimmten Bereich eingestellt werden, der die Variation berücksichtigt. Wenn der erkannte Armwinkelwert aufgrund der Umgebungstemperatur des Roboters 100 variiert, werden Armwinkel in mehreren Temperaturzuständen gemessen, und eine Vielzahl von Referenzwerten α kann eingestellt werden.
Nachdem der vorläufige Betrieb beendet ist, betreibt, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, die Motorsteuereinheit 21, wenn die Eingabeeinheit 25 den Betriebsstart-Befehl für den Roboter 100 eingibt, den Roboter 100 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr. In dieser Situation erkennt die Winkelerkennungseinheit 15 einen Messwert β des Armwinkels, und dann berechnet die Beurteilungseinheit 22 eine Differenz γ zwischen dem Messwert β und dem Referenzwert α und beurteilt, ob der Wert γ größer als ein vorgegebener Wert γs ist oder nicht.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird in der zweiten Ausführungsform der Roboter 100, bevor der Betrieb beginnt, vorab gemäß dem Steuerungsprogramm Pr betrieben, um einen Armwinkel zu erkennen und stellt den erkannten Wert als Referenzwert α ein. Demnach entsprechen der Referenzwert α und ein Messwert β einander vorteilhafterweise, sodass die Beurteilung einer äußeren Kraft mit hoher Präzision durchführbar ist. Mit anderen Worten kann eine Armwinkeldifferenz zwischen einzelnen Robotern in Abhängigkeit von der Variation bei der Bearbeitung, der Montage und dergleichen auftreten, sodass es zwischen der Ausgabe eines Betriebsbefehls für den Roboter 100 und dem Betriebsstart des Roboters 100 eine Zeitverzögerung geben könnte. Darüber hinaus kann eine Verschiebung des Armwinkels aufgrund von Spiel, Hysterese, Viskosität, Reibung oder dergleichen am Entschleunigungsmechanismus 13 auftreten. In der zweiten Ausführungsform kann, da ein erkannter Wert des Armwinkels einschließlich dieser unsicheren Faktoren als ein Referenzwert α eingestellt ist, der Referenzwert α mit hoher Präzision eingestellt werden, sodass er einem Messwert β entspricht, weshalb es möglich ist, die Präzision der Beurteilung einer äußeren Kraft zu steigern.
Dritte Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Beurteilung einer äußeren Kraft eines mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9 bis 12. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich des Aufbaus des Roboters 100, auf den ein Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft angewandt wird. Mit anderen Worten wendet, während die erste Ausführungsform das Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft auf den Roboter 100 anwendet, der die Gelenkeinheiten 6 bis 8 umfasst, die dritte Ausführungsform das Verfahren auf einen Roboter 200 an, der eine lineare Bewegungseinheit umfasst.
9 ist eine Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau des mit Menschen kollaborierenden Industrieroboters 200 gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt. Denselben Elementen wie jenen in 1 werden dieselben Bezugszeichen verliehen. Wie in 9 dargestellt wird, umfasst der Roboter 200 gemäß der dritten Ausführungsform eine erste Basiseinheit 31, eine zweite Basiseinheit 32, den unteren Arm 3, den oberen Arm 4 und die Handgelenkeinheit 5. Die zweite Basiseinheit 32 ist an einer oberen Oberfläche der ersten Basiseinheit 31 linear beweglich (gleitbar) in eine Pfeilrichtung A durch die lineare Bewegungseinheit 33 montiert.
10 ist ein Diagramm, das einen Aufbau der linearen Bewegungseinheit 33 darstellt. Wie in 10 dargestellt wird, umfasst die lineare Bewegungseinheit 33 eine fixierte Einheit 34, die an der ersten Basiseinheit 31 fixiert ist, und eine bewegliche Einheit 35, die an der zweiten Basiseinheit 32 fixiert ist und sich relativ in Bezug auf die fixierte Einheit 34 in die Pfeilrichtung A linear bewegt. Die bewegliche Einheit 35 ist mit einem Entschleunigungsmechanismus 36 bereitgestellt. Die bewegliche Einheit 35 ist mit der fixierten Einheit 34 durch einen Leistungsumwandlungsmechanismus und den Entschleunigungsmechanismus 36 verbunden.
Der Leistungsumwandlungsmechanismus umfasst einen Servomotor, ein Kugelgewinde und eine Mutter und wandelt die rotierende Bewegung des Servomotors in eine translatorische Bewegung durch das Kugelgewinde und die Mutter um. Der Leistungsumwandlungsmechanismus kann ferner durch eine Kombination eines Reifens und einer Schiene, einer Zahnstange und eines Ritzels oder dergleichen ausgebildet sein. Unter Verwendung eines förderbandbetriebenen Systems kann eine rotierende Bewegung in eine translatorische Bewegung umgewandelt werden. Der Entschleunigungsmechanismus 36 entschleunigt eine Bewegungsgeschwindigkeit der zweiten Basiseinheit 35 zur Erhöhung eines Drehmoments.
Die lineare Bewegungseinheit 33 ist mit einer Positionserkennungseinheit 40 zum Erkennen einer relativen Position der zweiten Basiseinheit 32 (nachfolgend bezeichnet als „Basiseinheitposition”) in Bezug auf die erste Basiseinheit 31 bereitgestellt. Die Positionserkennungseinheit 40 beinhaltet eine Erkannt-Einheit und eine Erkennungseinheit. Die Erkannt-Einheit besteht aus einer Skale 41, die an einer oberen Oberfläche der fixierten Einheit 34 bereitgestellt ist, und die Erkennungseinheit besteht aus einem Erkennungskopf 42, der an der beweglichen Einheit 35 (einer Ausgabeseite des Entschleunigungsmechanismus 36) so bereitgestellt ist, dass er der Skale 41 zugewandt ist. An der Skale 41 sind Skalenmarkierungen bei einer engen Einteilung ausgebildet. Der Erkennungskopf 42 legt auf die Skale 41 einen Laserstrahl auf, empfängt ein auf der Skale 41 reflektiertes Reflexionslicht und erkennt basierend auf einer Stärke oder Schwäche des Lichts eine Basiseinheitposition. Die Skale 41 kann an der beweglichen Einheit 35 angeordnet sein und der Erkennungskopf 42 kann an der fixierten Einheit 34 angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Skale 41 und der Erkennungskopf 42 in Positionen angeordnet sein, die sich von denen in 10 unterscheiden, so lange eine von der Skale 41 und dem Erkennungskopf 42 an der fixierten Einheit 34 oder einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die fixierte Einheit 34 relativ bewegt, angeordnet ist, und die andere von der Skale 41 und dem Erkennungskopf 42 an der beweglichen Einheit 35 oder einem Teil, das sich nicht in Bezug auf die bewegliche Einheit 35 relativ bewegt, angeordnet ist.
11 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 201 zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt. Denselben Elementen wie jenen in 3 werden dieselben Bezugszeichen verliehen. Wie in 11 dargestellt wird, ist die Steuerung 20 anstatt mit der Winkelerkennungseinheit 15 (3) mit der Positionserkennungseinheit 40 verbunden, wobei ein Signal von der Positionserkennungseinheit 40 in die Steuerung 20 eingegeben wird. Der Servomotor 12 umfasst eine Vielzahl von an der linearen Bewegungseinheit 33 und den jeweiligen Gelenkeinheiten 6 bis 8 bereitgestellten Servomotoren.
Das Verfahren der dritten Ausführungsform verwendet anstatt des Armwinkels die Basiseinheitposition zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter 200 einwirkenden äußeren Kraft. Mit Ausnahme davon ist das Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft der dritten Ausführungsform dasselbe wie das der ersten Ausführungsform (4). Mit anderen Worten führt zuerst die Simulationsausführungseinheit 26 eine Simulationsberechnung gemäß dem Steuerungsprogramm Pr unter Verwendung eines Robotermodells durch, das dem Roboter 200 entspricht, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, um einen Referenzwert α der Basiseinheitposition zu berechnen (ein Referenzwerterfassungsschritt).
Anschließend erkennt die Positionserkennungseinheit 40 einen Messwert β der Basiseinheitposition, wenn der Roboter 200 durch ein Steuersignal von der Motorsteuereinheit 21 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr betrieben wird (ein Messwerterfassungsschritt).
Zudem berechnet während des Betriebs des Roboters 200 durch das Steuersignal von der Motorsteuereinheit 21 die Beurteilungseinheit 22 eine Differenz γ zwischen dem Referenzwert α der Basiseinheitposition und dessen Messwert β und vergleicht eine Größe der Differenz γ mit einer Größe eines vorgegeben Wertes γs, um das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter 200 einwirkenden äußeren Kraft zu beurteilen (ein Beurteilungsschritt).
Deshalb kann, selbst wenn sich ein Drehmoment des Entschleunigungsmechanismus 36 aufgrund von Spiel, Hysterese, Viskosität, Reibung und dergleichen verändert, das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter 200 einwirkenden äußeren Kraft mit hoher Präzision ohne einen Einfluss der nichtlinearen Veränderung beurteilt werden. Da das Vorhandensein oder das Fehlen einer äußeren Kraft von der leichten Verarbeitung beurteilt wird, ist die für die Beurteilung notwendige Zeit außerdem kurz. Deshalb kann bei Kontakt eines Arbeiters oder eines Hindernisses mit dem Roboter 200 der Roboter 200 umgehend angehalten werden, wodurch eine hohe Sicherheit erreicht wird.
In der dritten Ausführungsform wird der Referenzwert α durch Berechnung unter Verwendung des Robotermodells erfasst. Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform kann der tatsächliche Betrieb des Roboters 200 jedoch die Erkennung des Referenzwertes α ermöglichen. 12 ist ein Blockdiagramm, das in diesem Fall eine Konfiguration einer Vorrichtung 202 zur Beurteilung einer äußeren Kraft gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt. Denselben Elementen wie jenen in 8 werden dieselben Bezugszeichen verliehen. Im Vergleich zu 11 beinhaltet die Vorrichtung 202 zur Beurteilung einer äußeren Kraft aus 12 nicht die Simulationsausführungseinheit 26, und stattdessen beinhaltet die Steuerung 20 die vorläufige Steuereinheit 28.
Die Verarbeitung durch die vorläufige Steuereinheit 28 ist dieselbe wie die in der zweiten Ausführungsform mit Ausnahme der Erkennung einer Basiseinheitposition durch die Positionserkennungseinheit 40 anstatt eines Armwinkels. Mit anderen Worten gibt, bevor der Roboter 200 gemäß dem Steuerungsprogramm Pr durch einen Befehl von der Motorsteuereinheit 21 betrieben wird, die vorläufige Steuereinheit 28 an jeden der Servomotoren 12 des Roboters 200 ein Steuersignal gemäß demselben Steuerungsprogramm Pr zum Betrieb des Roboters 200 (vorläufiger Betrieb) aus. Der vorläufige Betrieb wird in einem Zustand ausgeführt, in dem auf den Roboter 200 keine äußere Kraft einwirkt oder eine bekannte äußere Kraft einwirkt. Zu diesem Zeitpunkt erkennt die Positionserkennungseinheit 40 eine Basiseinheitposition und speichert Zeitreihendaten der Basiseinheitposition als einen Referenzwert α in der Speichereinheit 23.
In der ersten und in der zweiten Ausführungsform wird das Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft auf den die Gelenkeinheiten 6 bis 8 umfassenden Roboter 100 angewandt (1). In der dritten Ausführungsform wird das Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft auf den die lineare Bewegungseinheit 33 umfassenden Roboter 200 angewandt (9). Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf verschiedene Roboter angewandt werden, solange die Roboter das erste Glied (die schwenkende Einheit 2 oder die erste Basiseinheit 31) und das zweite Glied (der untere Arm 3 oder die zweite Basiseinheit 32), das mit dem ersten Glied durch den Entschleunigungsmechanismus 13 beziehungsweise 36 beweglich verbunden ist, einschließen.
Die 13 und 14 stellen andere beispielhafte Roboter dar, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird. Ein in 13 dargestellter Roboter 300 beinhaltet eine Basiseinheit 301, eine Säule 302, die stehend auf der Basiseinheit 301 angeordnet ist, einen Arm 303, der sich in eine Pfeilrichtung A entlang der Säule 302 durch die lineare Bewegungseinheit 33 bewegt, und einen Kopf 304, der sich in eine Pfeilrichtung B entlang dem Arm 303 durch die lineare Bewegungseinheit 33 bewegt. Ein in 14 dargestellter Roboter 400 beinhaltet den unteren Arm 3, der rotierbar an der Basiseinheit 1 durch die Gelenkeinheit 6 getragen wird, einen ersten oberen Arm 4a, der rotierbar am unteren Arm 3 durch die Gelenkeinheit 7 getragen wird, einen zweiten oberen Arm 4b, der linear-beweglich am ersten oberen Arm 4a durch die lineare Bewegungseinheit 33 getragen wird, und die Handgelenkeinheit 5, die rotierbar am zweiten oberen Arm 4b durch die Gelenkeinheit 8 getragen wird.
In jeder der obigen Ausführungsformen erfasst die Positionserkennungseinheit 40 oder die Winkelerkennungseinheit 15 einen Referenzwert α der Basiseinheitposition oder des Armwinkels, wenn der Roboter 100 oder 200, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, von einem vorgegebenen Befehl vorab betrieben wird (das Steuerungsprogramm Pr). Alternativ erfasst die Simulationsausführungseinheit 26 durch Berechnung einen Referenzwert α der Basiseinheitposition oder des Armwinkels, wenn angenommen wird, dass der Roboter 100 oder 200, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, vom vorgegebenen Befehl vorab betrieben wird. Die Konfiguration der Referenzwerterfassungseinheit zum Erfassen eines Referenzwertes der relativen Position beziehungsweise des relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied ist nicht auf die zuvor beschriebene Konfiguration beschränkt.
Die Konfiguration der Messwerterfassungseinheit ist nicht auf die oben beschriebene Winkelerkennungseinheit 15 und Positionserkennungseinheit 40 beschränkt, solange die Messwerterfassungseinheit eine Basiseinheitposition, einen Armwinkel und dergleichen erfasst, wenn die Roboter 100 und 200 von demselben Befehl (dem Steuerungsprogramm Pr) wie jener betrieben werden, der zur Erfassung des Referenzwertes α verwendet wurde. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen vergleichen die Größe einer Differenz γ zwischen einem Referenzwert α und einem Messwert β mit der Größe eines vorgegebenen Schwellenwertes γs, um das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf die Roboter 100 und 200 einwirkenden äußeren Kraft zu beurteilen. Die Konfiguration der Beurteilungseinheit 22 kann jedoch eine beliebige Konfiguration sein, solange das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf dem Differenzwert γ und dem Schwellenwert γs beurteilt wird.
Obwohl der Schwellenwert γs vorab bestimmt wird, um das Vorhandensein oder das Fehlen einer äußeren Kraft zu beurteilen, kann der Schwellenwert γs entweder ein konstanter Wert oder ein variabler Wert sein. Wenn der Schwellenwert ein variabler Wert ist, kann der Schwellenwert γs gemäß einer Stellung des Roboters 100 oder 200 verändert werden. Wenn zum Beispiel der Roboter in einer Stellung des Ausstreckens eines Armes ist (der Armwinkel ist groß), ist der Schwenk des Armes groß, und deshalb genügt es, einen großen Schwellenwert einzustellen. Wenn umgekehrt der Roboter in einer Stellung des Einziehens des Armes nahe zu sich selbst ist (der Armwinkel ist klein), ist der Schwenk des Armes klein, und deshalb genügt es, einen kleinen Schwellenwert einzustellen. Der Schwellenwert γs kann in Abhängigkeit der Umgebung des Roboters 100 oder 200 verändert werden. Wenn zum Beispiel eine Variation der von der Erkennungseinheit erkannten Werte aufgrund einer Zunahme der Umgebungstemperatur zunimmt, kann der Schwellenwert γs erhöht werden, wenn die Umgebungstemperatur eine vorgegebene Temperatur überschreitet, sodass eine versehentliche Erkennung bei der Beurteilung einer äußeren Kraft vermieden wird. Die Größen eines oberen Grenzwertes und eines unteren Grenzwertes des Schwellenwertes γs können sich voneinander unterscheiden.
Es ist möglich, eine der Ausführungsformen mit einem oder mehreren der modifizierten Beispiele beliebig zu kombinieren.
Die vorliegende Erfindung erfasst vorab den Referenzwert einer Position oder eines Winkels des Roboters, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder eine bekannte Kraft einwirkt, und beurteilt danach das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter einwirkenden Kraft basierend auf einer Differenz zwischen dem Referenzwert und einem Messwert der Position oder des Winkels, wenn der Roboter betrieben wird, und einem Schwellenwert. Dementsprechend kann, selbst wenn sich das Drehmoment des Entschleunigungsmechanismus nichtlinear verändert, das Vorhandensein oder das Fehlen einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft mit hoher Präzision beurteilt werden.
Während die vorliegende Erfindung zuvor in Verbindung mit einigen bevorzugten Ausführungsformen davon beschrieben wurde, wird es für Fachleute ersichtlich sein, dass vielfältige Änderungen und Modifizierungen durchführbar sind, ohne damit vom Umfang abzuweichen, der in den nachfolgend aufgeführten Ansprüchen offenbart wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0211739 [0002]
US 2013/0211739 A1 [0002, 0002, 0003]

Claims

Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft zum Beurteilen eines Vorhandenseins oder eines Fehlens einer auf einen Roboter (100; 200; 300; 400) einwirkenden äußeren Kraft, einschließend ein erstes Glied (2; 31) und ein zweites Glied (3; 32), das mit dem ersten Glied durch einen Entschleunigungsmechanismus (13; 36) beweglich verbunden ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Referenzwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Referenzwertes (α) einer relativen Position oder eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, von einem vorgegebenen Befehl vorab als betrieben angenommen wird oder betrieben wird; einen Messwerterfassungsschritt zum Erfassen eines Messwertes (β) einer relativen Position oder eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter vom vorgegebenen Befehl betrieben wird, wobei eine von einer Erkennungseinheit (15; 40) und einer mit der Erkennungseinheit gepaarten Erkannt-Einheit (16; 41) am ersten Glied beziehungsweise einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das erste Glied relativ bewegt, wobei eine andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am zweiten Glied oder einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das zweite Glied bewegt, und ein von der Erkennungseinheit erkannter Wert der Messwert ist; und einen Beurteilungsschritt zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf einer Differenz (1) zwischen dem vom Referenzwerterfassungsschritt erfassten Referenzwert und dem vom Messwerterfassungsschritt erfassten Messwert und einem vorgegebenen Schwellenwert (γs).
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach Anspruch 1, wobei der Referenzwerterfassungsschritt das Erfassen des Referenzwertes basierend auf dem von der Erkennungseinheit erkannten Wert einschließt, wenn eine von der Erkennungseinheit und der mit der Erkennungseinheit gepaarten Erkannt-Einheit am ersten Glied oder dem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das erste Glied relativ bewegt, wobei die andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am zweiten Glied oder dem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das zweite Glied relativ bewegt.
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Referenzwerterfassungsschritt das Berechnen des Referenzwertes unter Verwendung eines Robotermodells einschließt, das dem Roboter entspricht, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt.
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Referenzwerterfassungsschritt das Erkennen des Referenzwertes, der durch Betreiben des Roboters, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, durch den vorgegebenen Befehl, einschließt.
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Glied rotierbar mit dem ersten Glied verbunden ist, und der Referenzwerterfassungsschritt und der Messwerterfassungsschritt das Erfassen des relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied einschließen.
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Glied linear-beweglich mit dem ersten Glied verbunden ist, und der Referenzwerterfassungsschritt und der Messwerterfassungsschritt das Erfassen der relativen Position des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied einschließen.
Verfahren zur Beurteilung einer äußeren Kraft nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der vorgegebene Befehl ein Anhaltebefehl für den Roboter ist.
Vorrichtung zur Beurteilung einer äußeren Kraft zum Beurteilen eines Vorhandenseins oder eines Fehlens einer auf einen Roboter (100; 200; 300; 400) einwirkenden äußeren Kraft, einschließend ein erstes Glied (2; 31) und ein zweites Glied (3; 32), das mit dem ersten Glied durch einen Entschleunigungsmechanismus (13; 36) beweglich verbunden ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Referenzwerterfassungseinheit (15; 26; 40) zum Erfassen eines Referenzwertes (α) einer relativen Position oder eines relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter, auf den keine äußere Kraft einwirkt oder auf den eine bekannte äußere Kraft einwirkt, von einem vorgegebenen Befehl vorab als betrieben angenommen wird oder betrieben wird; eine Messwerterfassungseinheit (15, 16; 40, 41) zum Erfassen eines Messwertes (β) der relativen Position oder des relativen Winkels des zweiten Gliedes in Bezug auf das erste Glied, wenn der Roboter vom vorgegebenen Befehl betrieben wird, wobei die Messwerterfassungseinheit eine Erkennungseinheit (15; 40) und eine mit der Erkennungseinheit gepaarte Erkannt-Einheit (16; 41) umfasst, wobei eine von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am ersten Glied oder einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das erste Glied relativ bewegt, wobei eine andere von der Erkennungseinheit und der Erkannt-Einheit am zweiten Glied beziehungsweise einem Teil angeordnet ist, das sich nicht in Bezug auf das zweite Glied relativ bewegt, und ein von der Erkennungseinheit erkannter Wert der Messwert ist; und eine Beurteilungseinheit zum Beurteilen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer auf den Roboter einwirkenden äußeren Kraft basierend auf einer Differenz (γ) zwischen dem von der Referenzwerterfassungseinheit erfassten Referenzwert und dem von der Messwerterfassungseinheit erfassten Messwert und einem vorgegebenen Schwellenwert (γs).