具有部件保護功能的機器人控制裝置以及機器人控制方法
2023-05-11 16:26:01 1
專利名稱：具有部件保護功能的機器人控制裝置以及機器人控制方法
技術領域：
本發明廣義地說是涉及多關節機器人(以下簡單稱為機器人)，特別地說, 是涉及具有保護機器人的各構成部件的功能的機器人控制裝置以及機器人控 制方法。
背景技術：
作為保護機器人不過載的功能，公知有衝突檢測功能。例如在特開平11
—15511號公報中，記載了推定作用於驅動機器人的各軸的電動機的幹擾、而 在推定值超過預定的閾值的場合判斷沖突發生的技術。
另外，在特開2005—186183號公報中，公開了產業用機器人的異常判斷 方法。在該方法中，根據用於驅動伺服電動機的轉矩指令值、實際位置的微分 值以及已知的幹擾轉矩計算總觀測器反饋量，進而用基於總觀測器反饋量以及 推定速度而計算出的異常檢測閾值，來判斷異常狀態。
現有技術的衝突或者幹擾的檢測功能，推定作用於電動機或者機器人臂 尖端的轉矩。但是，使用這樣的功能來檢測衝突等即使進行了電動機的停止處 理等，有時也不能充分保護減速器、電纜等機器人的各個構成部件。亦即，即 使作用於電動機或者臂尖端的轉矩在閾值以下，有時也對於減速器等構成部件 局部地施加了大的負荷，在這樣的場合，用現有技術的方法不能進行有效的異 常檢測，也有使相應構成部件破損的危險。
另外，即使在不沖突時(即機器人正常動作的狀態)，用現有技術也不能 保證把作用在各構成部件上的轉矩納入認為是安全的範圍內。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種具有確實保護機器人的各構成部件的功 能的機器人控制裝置以及機器人控制方法，以解決上述問題。
為實現上述目的，根據本發明的一個形態，提供一種機器人控制裝置， 用於進行具有通過電動機驅動的機器人臂的機器人的動作控制，具有推定部，其根據所述電動機的速度及轉矩指令，推定在所述機器人臂和驅動該機器人臂 的電動機之間設置的、作為保護對象所選定的保護對象部件上作用的負荷轉
異常；和處理部，其在檢測到異常時進行保護所述保護對象部件的處理。
所述推定部，可以使用所述保護對象部件的慣量、所述電動機的慣量、 以及所述保護對象部件的動摩擦係數，來推定作用在所述保護對象部件上的負 荷轉矩。
所述推定部的適合的具體例，是幹擾推定觀測器。
機器人控制裝置還可以具有調整部，該調整部，取得或者推定外界氣溫 或者所述機器人的規定部位的溫度，根據所述外界氣溫或者所述規定部位的溫 度調整所述閾值。
所述處理部，在檢測到異常時，既可以立即使所述機器人停止，也可以 使所述機器人減速。或者，所述處理部在檢測到異常時，也可以使所述機器人 在所述機器人的各軸的負荷轉矩減小的方向上進行一定時間退避動作。
作為適合的具體例，所述保護對象部件，包含在所述機器人中使用的減 速器、齒輪以及電纜中的至少一種。
根據本發明的另一形態，提供一種機器人控制方法，用於進行具有通過 電動機驅動的機器人臂的機器人的動作控制，具有以下步驟根據所述電動機 的速度及轉矩指令推定在所述機器人臂和驅動該機器人臂的電動機之間設置 的、作為保護對象選定的保護對象部件上作用的負荷轉矩的步驟；將所述推定
常時進行保護所述保護對象部件的處理的步驟。
通過參照
下面優選的實施形態，能夠進一 步明了本發明的上述
或者其他的目的、特徵以及優點。
圖1是本發明的一個實施形態的機器人控制裝置的重要部件框圖，
圖2是表示通過本發明的機器人控制裝置可保護的減速器周圍的概略結
構的圖，
圖3是表示推定在對象部件上作用的負荷轉矩來保護對象部件的方法的流程圖，
圖4是說明在保護對象部件是減速器的場合推定在減速器上作用的負荷 轉矩的推定部的框圖，
圖5是說明作為圖4的推定器的代替例使用幹擾推定觀測器的場合的框
圖，
圖6是表示通過本發明的機器人控制裝置可保護的齒輪周圍的概略結構
的圖，
圖7是表示通過本發明的機器人控制裝置可保護的電纜周圍的概略結構的圖。
具體實施例方式
圖1是本發明的一個實施形態的機器人控制裝置的重要部分框圖。機器 人控制裝置IO,具有主CPU1、由RAM、 ROM以及非易失存儲器(EEPROM 等)組成的存儲器2、示教操作盤用接口 3、伺服控制部5、和外部裝置用接 口 6,通過總線7將它們互相連接。另外，機器人控制裝置IO有連接示教操 作盤用接口 3的示教操作盤4。
在存儲器2的ROM中存儲有支持機器人控制裝置10以及機器人控制裝 置IO控制的機器人(未圖示)的基本功能的系統程序。另外，根據應用所示 教的機器人的動作程序以及與之關聯的設定數據等存儲在存儲器2的非易失 存儲器中。然後，存儲器2的RAM，作為由主CPU1進行的各種運算處理中 的數據的臨時存儲的存儲區域使用。
伺服控制部5具有多個伺服控制器5al ~ 5an (n:通常為在機器人的總軸 數上加上在機器人手腕上安裝的工具的可動軸數的數目)、和未圖示的處理器、 ROM、 RAM等，進行驅動機器人的各軸的伺服電動機Ml Mn的位置 速度 的閉環控制、以及電流閉環控制。在本實施形態中，伺服控制部5用軟體構成 進行位置、速度、電流的閉環控制的所謂的數字伺服控制器。伺服控制器5al ~ 5an的輸出通過各伺服放大器5bl ~5bn驅動控制各軸伺服電動機Ml ~Mn。 另外，雖然未圖示，不過在各伺服電動機Ml ~Mn中安裝了位置 速度檢測 器，把用該位置.速度檢測器檢測到的各伺服電動機的位置*速度向各伺服放 大器5bl 5bn反饋。另外，在輸入輸出接口6上，連接在機器人內設置的傳
6感器或者周圍設備的致動器等。
本發明在上述那樣的機器人控制裝置中，提供保護位於機器人臂(或者 鏈節)和驅動該臂的電動才幾之間的各構成部件或者部件的功能。
圖2是示意性地表示作為通過本發明可保護的構成部件之一的減速器的 圖。減速器12被配置在伺服電動機14和機器人臂16之間，向機器人臂16 傳遞伺服電動機14的驅動力。也可以認為減速器12和電動機14成為一體而 形成一個剛性體。這裡，把它的最外側(和電動機14的相反側)作為保護對 象部分。
圖3表示推定作用於要保護的對象部件上的負荷轉矩、保護對象部件的 處理的流程圖。另外，圖4表示把保護對象部件作為上述的減速器12的處理 系統的流程圖的一例。下面，說明這種情況的處理步驟。
首先，讀取附屬於伺服電動機14的迴轉式編碼器(未圖示)的輸出e，
計算與前速度環路的值的差分，取得電動機速度(e點)(步驟si )。接著，機
器人臂16的各鏈節的伺服控制器的處理器執行通常的速度環路處理，求電動 機14的轉矩指令Tc (步驟S2 )。亦即，根據從主CPU1指令的移動指令和電 動機速度V，通過執行上述的比例積分控制等的速度閉環控制處理，求轉矩指 令Tc。
接著在步驟S3，從已求得的Tc以及V求作用在減速器12上的負荷轉矩 Tr。具體說，使用在圖4中作為方框圖表示的推定器20，從Tc以及V求負荷 轉矩Tr的推定值。在推定器20中，通過差分器24計算項22中對電動機速度 V進行拉普拉斯變換後的值和轉矩指令Tc的差分，作為減速器12的負荷轉矩 Tr。這裡J是將電動機14的慣量(正確說是電動機的轉子慣量)和減速器12 的慣量相加的慣量，A是對象部件(這裡是減速器12)的動摩擦係數，s是拉 普拉斯運算符。根據上述，下式(1)成立。 Tr = Tc_(Js + A)V (1)
通過上式(1),就可以計算被推定為作用在減速器12上的負荷轉矩Tr。 另夕卜，作為推定負荷轉矩的其他的方法，可以舉出基於後述的幹擾推定觀測器、 其他的仿真模型、有限元法的方法等。
接著在步驟S4,將對於每一速度環路求得的Tr與作為對於各軸預定的允許值的閾值L進行比較。這裡，即使是一個軸在成為Tr〉L的場合也判斷為 發生了異常，使發生警報或者警告(步驟S5 )。另外，作為L的決定方法，除 利用從最初對於每一機器人或者每一對象部件調整的固定值的方法之外，也可 能使用通過在外部輸入輸出接口上連接的個人計算機(未圖示)等的輸入設備 進行適時設定或者更新的方法。另外，在進行再設定時，例如可以測定或者推 定外界氣溫或者電動機溫度等的機器人的規定部位的溫度，使用該結果使閾值 變化。 一般，因為由於溫度越低潤滑脂的粘度上升等有幹擾變大的傾向，所以 在溫度低時要進行升高閾值來防止誤檢測的處理。另夕卜，也可以自動測量外界 氣溫能夠影響L值的參數，通過個人計算機等自動把L值更新為最適合的值。
如果發生了警報或者警告，則使機器人進行保護對象部件的動作(步驟 S6)。例如，如果使各軸的速度指令為零，則能夠使機器人立即停止。另外， 通過將速度指令乘以預先決定的零以上而不到1的值，就能夠使機器人減速使 之緩慢地停止。或者，也可以優選首先以各軸能夠輸出的最大轉矩，在各軸的 負荷轉矩減小的方向上進行一定時間動作的退避動作，在其後使其停止。或者 也可以不自動執行保護動作，僅進行警告等的顯示。在該場合，操作者手動執 行適宜的必要的保護動作。
圖5是表示通過幹擾推定觀測器推定在減速器12上作用的轉矩Tr的場 合的推定器26的框線圖。關於觀測器的理論是一般的，因為是眾所周知的理 論，所以省略詳細的說明。圖5的觀測器，是推定電動機速度以及加速度幹擾 的觀測器的一例。項28、 30的K,、 K2分別是幹擾推定觀測器的觀測器增益。 項32的Kt是轉矩常數。項34是對將項28、 30以及32的輸出的值全部相加 後的值進行積分的積分項。另外項36是在項34的輸出上乘以A/J的項，項 38是在來自項30的輸出上乘以J求推定轉矩Tr的項。另外，和上述同樣，J 是將電動機14的慣量和減速器12的慣量相加後的慣量，A是減速器12的動 摩擦係數，s是拉普拉斯運算符。該場合的機器人模型的狀態變量，如下式(2) 所示。—A1
A-=一了十了
_ 00__ 0
"[l 0]
—X2.
(2)
其中，在式(2)中，把輸入作為轉矩指令(u=Tc)，把輸出作為電動機 速度(y=V)，把狀態變量作為電動機速度 加速度(x屍V、 x2=Tr/J),把狀 態變量x,、 X2的微分值分別作為x,點、&點。另外，假定加速度幹擾不隨時
間變化(X2點-0)。
當把X,、 X2的推定值分別作為Zl、 Z2、進而把Z!、 Z2的微分值分別作為
z,點、Z2點時，式(2)的才莫型的 見測器，如式(3)所示。
V-A1、
1一了
_ 00
'K
0 i
V
(3)
從式(3)可以計算由觀測器推定的加速度幹擾Z2，施加在減速器上的推
定負荷轉矩Tr通過下式(4)來求。 Tr = J.z2 (4)
圖6是示意性地表示要保護的對象部件是齒輪的場合的圖。在圖6中， 表示與伺服電動機40卡合的齒輪42a、與機器人44卡合的齒輪42c、和齒輪 42a和齒輪42c之間的齒輪42b。 3個齒輪合作向機器人臂傳遞伺服電動機40 的驅動力。在該例中，把電動機40和卡合的齒輪42a的外側(與齒輪42b齧 合的部分)作為保護對象部分。
在圖6的例子中，在齒輪42a上作用的推定負荷轉矩，可以和上述的減 速器的場合大體相同來求。亦即，如果在式(1)中把J作為將電動機40的慣 量和齒輪42a的慣量相加所得的慣量、把A作為齒輪42a的動摩擦係數時，作 為涉及齒輪42a自身的幹擾轉矩與從齒輪42b向齒輪42a傳遞的轉矩的合計， 可以推定作用於齒輪42a的負荷轉矩Tr。
圖7是示意性地表示要保護的對象部件是電纜的場合的圖。圖7中表示
9的結構，具有通過前鏈節50驅動的第一臂52、通過後鏈節驅動的第二臂56、 和在第一臂以及第二臂上延伸的電纜58。電纜58不固定地貫通各鏈節，分別 通過第一夾具52以及第二夾具56固定在第一臂52以及第二臂56上。
在該場合，在第二夾具62中可以通過以下的式(5)求作用於電纜58的 負荷轉矩Tr。但是為簡單起見，假定後鏈節54以外的鏈節也包含前鏈節50， 全部處於停止狀態。
Tr = Tc —K . V/s-(Js+A)V (5)
式(5)中Tc是驅動後鏈節54的伺服電動機(未圖示)的負荷轉矩，V 是該伺服電動才幾的速度。另外把J作為將伺服電動機、後鏈節54、第二臂56 以及電纜58的各個的慣量相加所得的慣量，A是後鏈節54和第二臂56之間 的動摩擦係數，s是拉普拉斯運算符。式(5)中進而成為考慮了作為電纜58 的扭轉方向的彈簧常數的K的結構。
這樣，即使在要保護的對象部件是各種不同的場合，在上述步驟S3中， 根據對象部件變更J以及A，進而根據需要增加彈簧常數或者阻尼常數等因子， 這樣，就能夠計算推定負荷轉矩。
上述的特開平11 — 15511號公報以及特開2005—186183號公報，哪一個 都未公開作為本發明的特徵的、推定臂尖端以外的力來保護機器人的各構成部 件的技術。本發明是根據電動機的速度以及轉矩來推定作用於保護對象部件上 的轉矩的，由此，可以實現對該對象部件的可靠保護。
另外，在上述的實施形態中都是對作用於保護對象部件的轉矩進行了推 定，但是一般來說，轉矩和力能夠容易地換算，所以即使把上述的負荷轉矩 Tr置換為作用於保護對象部件的推定力，也可適用於本發明，這點是容易理 解的。
根據本發明的機器人控制裝置或者機器人控制方法，能夠根據電動機的 速度以及轉矩指令、推定作用在作為保護對象所關注的的保護對象部件上的負 荷轉矩。因此能夠保證把作用在機器人的各部件上的力納入預先決定的範圍 內，同時能保"^正確實保護部件。
另外作用於保護對象部件上的負荷轉矩，能夠通過使用了包含保護對象 部件的慣量的慣量以及保護對象部件的動摩擦係數的比較簡單的推定器來求取。但是作用於保護對象部件上的負荷轉矩，為得到無時間滯後的值，也可以 使用幹擾推定觀測器來求。
通過使用外界氣溫或者機器人的規定部位的溫度調整閾值，能夠更正確 地進行異常檢測。
在檢測到異常的場合，通過使機器人立即停止、減速、或者使之進行退 避動作，來實現對對象保護部件的可靠保護。
以上，參照為說明選定的特定的實施形態說明了本發明，但是，對於專 業人員來說，顯然，在不脫離本發明的基本的概念以及範圍的情況下可以進行 多種變更。
權利要求
1. 一種機器人控制裝置(10)，其進行具有通過電動機(14)驅動的機器人臂(16)的機器人的動作控制，其特徵在於，具有推定部(20)，其根據所述電動機(14)的速度及轉矩指令推定在被設置在所述機器人臂(16)和驅動該機器人臂(16)的電動機(14)之間、且被選定為保護對象的保護對象部件(12)上作用的負荷轉矩；檢測部(1)，其將所述推定的負荷轉矩的值與預先設定的閾值進行比較來檢測異常；和處理部(1)，其在檢測到異常時進行保護所述保護對象部件(12)的處理。
2. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述推定部(20)，使用所述保護對象部件(12)的慣量、所述電動機(14)的慣量、以及所述保護對象部件(12)的動摩擦係數，推定在所述保護對象部 件(12)上作用的負荷轉矩。
3. 根據權利要求l所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述推定部是幹擾推定觀測器(26 )。
4. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 還具有調整部(1 )，該調整部取得或者推定外界氣溫或者所述機器人的規定部位的溫度，才艮據所述外界氣溫或者所述規定部位的溫度調整所述閾值。
5. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述處理部(1)，在檢測到異常時立即使所述機器人停止。
6. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述處理部(1 ),在檢測到異常時使所述機器人減速。
7. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述處理部(1)，在檢測到異常時，使所述機器人在所述機器人的各軸的負荷轉矩減小的方向上進行一定時間退避動作。
8. 根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於，所述保護對象部件(12),包含在所述機器人中使用的減速器(12)、齒 輪(42a ~ 42c)以及電纜(58)中的至少一種。
9. 一種機器人控制方法，其用於進行具有通過電動機(14)驅動的機器 人臂(16)的機器人的動作控制，其特徵在於，具有以下步驟根據所述電動機(14)的速度及轉矩指令推定在被設置在所述機器人臂 (16 )和驅動該機器人臂(16 )的電動機(14)之間、且被選定為保護對象的 保護對象部件(12)上作用的負荷轉矩的步驟；驟；和在檢測到異常時進行保護所述保護對象部件(12)的處理的步驟。
全文摘要
本發明提供一種具有確實保護機器人的各構成部件的功能的機器人控制裝置以及機器人控制方法。讀取附屬於伺服電動機的迴轉式編碼器的輸出，計算與前速度環路的值的差分取得電動機速度。接著，機器人臂的各鏈節的伺服控制器的處理器進行通常的速度環路處理，求電動機的轉矩指令。接著，從求得的轉矩指令以及電動機速度求作用在減速器上的負荷轉矩。接著，將負荷轉矩與對於各軸預先決定的作為允許值的閾值進行比較，在即使一個軸上負荷轉矩變得比閾值大的場合也判斷為發生了異常，使發生警報或者警告，讓機器人進行保護對象部件的動作。
文檔編號B25J9/18GK101502961SQ20091000160
公開日2009年8月12日 申請日期2009年1月5日 優先權日2008年2月8日
發明者加藤哲朗, 稻垣尚吾 申請人:發那科株式會社