機器人及其控制裝置的製作方法
2023-10-07 01:05:44 2
專利名稱：機器人及其控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及改變多自由度姿態的機器人及其控制裝置。
背景技術：
最近，服務機器人以人機合作工業機器人的研究正方興未艾地進行。由於這些機器人與人直接接觸，因此，其安全性的保證就變得很重要。為了保持機器人整體的安全性， 要求機器人的各關節是柔性和輕量的。但是，當關節的剛度變低時，機器人的作業精度或響應性等控制性能就會變差。為了使機器人兼顧安全性和控制性能，若從關節的自由度來看，現有的關節機器人利用冗餘的絲索(Wire)驅動機構(例如，參考專利文獻I)。在絲索驅動機構中，加入非線性彈簧和張力傳感器，一邊控制各絲索的張力，一邊對實際的旋轉角度進行反饋。這樣，現有的關節機器人通過對冗餘致動器的力進行控制，來同時控制機器人的姿態和剛度。在先技術文獻專利文獻[專利文獻I]:特開2004-322283號公報
發明內容
_9] 本發明要解決的技術問題但是，對於現有的關節機器人，其所有的絲索都直接連接到末端側部件，即使絲索的張力沒有變化，但當姿態變化時，有效轉矩也會發生很大變化，因此，存在可動範圍較窄這樣的問題，還存在無法實現能接近想要服務的人的動作範圍這樣的問題。此外，由於現有的關節機器人的控制裝置將與指令剛度對應的轉矩和姿態反饋控制所需要的轉矩值相加作為電機的轉矩指令值，從而使剛度控制與姿態控制相互幹涉，因此，還存在下述問題當剛度改變時，姿態響應特性變化，並且當受到較大的外擾時，實際的剛度與剛度指令值會產生很大偏差，從而無法保證安全性。本發明鑑於這樣的問題而進行，其目的在於提供一種下述這樣的關節機器人及其控制裝置從而能夠同時實現良好的安全性和優異的控制性能，即除絲索和非線性彈簧之外，還引入差動機構作為電機和輸出軸之間的聯接機構，同時，根據姿態的反饋控制所需要的轉矩指令和剛度的目標指令來發出絲索的張力指令以控制絲索的張力，在較寬的範圍內使關節的姿態角度和剛度獨立且正確地遵從目標指令。解決問題的手段為解決所述問題，本發明如下述這樣構成。技術方案I所述的發明是一種關節機器人，其具有基部；三個電機，其設置在所述基部上；三個卷繞裝置，其分別安裝在這些電機上；支承柱，其被設置為軸中心線垂直於所述基部的表面；萬向節，其安裝在所述支承柱的上端；可動盤，其安裝在所述萬向節上； 三個萬向接頭，其設置在所述可動盤的底部；三根絲索，其一對一地連接三個所述卷繞裝置和三個所述萬向接頭，並組裝有非線性彈簧；以及輸出軸，其被固定為使其軸中心線垂直於所述可動盤的上表面，其中，以下述方式設置固定直角坐標系xyzo :將所述支承柱的軸中心線與所述基部的表面的交點作為原點O，將所述支承柱的軸中心線作為z軸，並將離開所述基部的表面的方向作為z軸的正方向，使y軸平行於所述萬向節的與所述支承柱接觸的軸的軸中心線，以下述方式設置移動直角坐標系X' i' z' o':將所述輸出軸的軸中心線與所述可動盤的下表面的交點作為原點o'，將所述輸出軸的軸中心線作為z'軸，並將從所述可動盤的上表面離開的方向作為z'軸的正方向，使X'軸平行於所述萬向節的與所述可動盤聯接的軸的軸中心線，並且所述移動直角坐標系X' J1 z' o'與所述可動盤一起移動，將三個所述電機配置成使一個所述卷繞裝置位於X的負軸，使其餘的兩個所述卷繞裝置分別位於xoy坐標系的第I象限和第4象限，將三個所述萬向接頭配置成使三個所述萬向接頭在X' o' j'坐標系中的相位分別與三個所述卷繞裝置在所述xoy坐標系中的相位為相同的值。並且，利用三根所述絲索將位於該不同的兩個坐標系的各自相同的相位的三個所述卷繞裝置與三個所述萬向接頭一對一地連接起來。此外，技術方案2中所述的發明是一種關節機器人，其具有基部；三個電機，其設置在所述基部上；三個卷繞裝置，其分別安裝在三個所述電機上；支承柱，其被設置為軸中心線垂直於所述基部的表面；旋轉軸接頭，其安裝在所述支承柱的上端；旋轉軸，其安裝在所述旋轉軸接頭上；迴轉軸接頭，其安裝在所述旋轉軸的上端；可動盤，其安裝在所述迴轉軸接頭上；三個萬向接頭，其設置在所述可動盤的底部；三根絲索，其一對一地連接三個所述卷繞裝置和三個所述萬向接頭，並組裝有非線性彈簧；以及輸出軸，其被固定為使其軸中心線垂直於所述可動盤的上表面，其中，以下述方式設置移動直角坐標系X' I' Z' 0': 將所述輸出軸的軸中心線與所述可動盤的下表面的交點作為原點0'，將所述輸出軸的軸中心線作為Z'軸，並將離開所述可動盤的上表面的方向作為Z'軸的正方向，使y'軸與所述迴轉軸的軸中心線平行，並且所述移動直角坐標系X' I' z' o'與所述可動盤一起移動，以下述方式設置固定直角坐標系xyzo :將所述支承柱的軸中心線與所述基部的表面的交點作為原點O，將所述支承柱的軸中心線作為z軸，並將離開所述基部的表面的方向作為Z軸的正方向，當所述輸出軸的軸中心線與所述旋轉軸的軸中心線一致時，y軸與y'軸平行，將三個所述電機配置成使一個所述卷繞裝置位於X的負軸，使其餘的兩個所述卷繞裝置分別位於xoy坐標系中的第I象限和第4象限，將三個所述萬向接頭配置成使三個所述萬向接頭在X' o' y'坐標系中的相位分別與三個所述卷繞裝置在所述xoy坐標系中的相位為相同的值，並且利用三根所述絲索將位於X的負軸的所述卷繞裝置與位於X'的負軸的所述萬向接頭、位於xoy坐標系的第I象限的所述卷繞裝置與位於X' o' j'坐標系的第4象限的所述萬向接頭、以及位於xoy坐標系中的第4象限的所述卷繞裝置與位於 X/ o' I'坐標系的第I象限的所述萬向接頭分別連接起來。此外，技術方案3中所述的發明，其一邊根據絲索的張力指令和所述絲索的張力信號進行張力的控制，一邊根據姿態角度的目標指令、剛度的目標指令以及所述各電機的旋轉角度信號生成所述各絲索的張力指令，從而控制所述關節機器人的姿態角度和剛度， 技術方案3中所述的發明具有姿態角度推定部，其根據各電機的旋轉角度信號和各絲索的張力信號計算出姿態角度的推定值；姿態角度控制部，其接收所述姿態角度的目標指令與所述姿態角度的推定值之間的偏差，並輸出姿態轉矩指令；以及張力指令計算部，其根據所述姿態轉矩指令、所述剛度的目標指令以及所述姿態角度的推定值計算出張力指令。此外，作為其它發明，其具有基部；三個電機，其設置在所述基部上；支承柱，其被設置為軸中心線垂直於所述基部的表面；滑輪；三根絲索，其組裝有非線性彈簧；以及輸出軸，其與負載聯接，此外，還具有差動機構，其小齒輪與輸出軸連接，其固定部件設置在所述支承柱的上端；萬向接頭，其設置在所述差動機構的環上；以及絲索導向裝置，其設置在所述差動機構的固定部件上，用兩根所述絲索將分別與所述差動機構的兩個側齒輪聯接的兩個滑輪和分別與兩個所述電機聯接的兩個滑輪之間一對一地連接起來，利用剩餘的另一根所述絲索通過所述絲索導向裝置將與其餘的另一個電機聯接的滑輪和所述萬向接頭之間連接起來。技術效果通過下述機器人並構造下述控制裝置可以在較寬的範圍內使關節的姿態角度和剛度獨立且正確地遵從目標指令。該機器人具有從關節自由度來看冗餘的電機；絲索，其聯接電機和輸出軸以傳遞動力，並且組裝有非線性彈簧；以及差動機構。該控制裝置根據姿態的反饋控制所需要的姿態轉矩指令和剛度的目標指令來發出絲索的張力指令，以控制絲索的張力。此外，通過在高速度移位時對剛度的目標指令給以較小的值，在以高加減速並且低速度移位時對將剛度的目標指令給以較大的值，能夠同時兼顧良好的安全性和優異的控制性能。
是表示本發明的第I實施例的關節機器人的結構圖。
是與第I控制技術相關的控制裝置的框圖。
是與第2控制技術相關的控制裝置的框圖。
是表示第2實施例的關節機器人的結構圖。
是表示第3實施例的關節機器人的結構圖。
是可以獨立控制橫搖(rolling)、仰俯(pitching)、以及各自剛度的關節機器
圖I圖2圖3圖4圖5圖6 人的結構圖。圖7是可以獨立控制偏搖、仰俯、以及各自剛度的關節機器人的結構圖。圖8是與本發明的第4實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖9是與本發明的第5實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖10是與本發明的第6實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖11是與本發明的第7實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖12是與本發明的第8實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖13是與本發明的第9實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖14是與本發明的第10實施方式相關的關節機器人的結構圖。圖15是與本發明的第11實施方式相關的關節機器人的結構圖。
具體實施例方式以下，關於本發明的實施方式，參考附圖進行說明。實施例I圖I是表示本發明的第I實施例的關節機器人的結構圖。圖Ia是主視圖，圖Ib 是側視圖。在圖中，電機1、2、3的定子被設置在基部4的上部，旋轉軸的末端與滑輪5、6、7 聯接。支承柱14被設置為使軸中心線垂直於基部4的上部。差動機構20具有固定部件 21，其設置在支承柱14的末端；支承軸22，其固定至固定部件21的兩側；側齒輪26和27， 其分別裝有滑輪24和25，並以支承軸22為中心轉動；小齒輪28，其與側齒輪26和27同時接觸；以及環23，其以支承軸22為中心轉動。輸出軸17的一端被固定在小齒輪28上，另一端聯接負載，中部隔著軸承被環23約束。絲索8聯接滑輪5和滑輪24，絲索10連接滑輪6 和滑輪25。絲索9通過設置在固定部件21上的絲索導向裝置15將滑輪6與設置在環23 上的萬向接頭16連接起來。此外，在絲索8、9、10上分別組裝有非線性彈簧11、12、13。此處，所謂非線性彈簧，就是其彈性係數不是固定值，而是隨位移而發生改變的彈簧。例如，使用使節距階梯變化的螺旋彈簧。但並不僅限於此，也可以採用如下結構，在兩個電機和利用絲索與各電機聯接的兩個定滑輪之間組合動滑輪。通過驅動電機1、2和3，使輸出軸17 — 邊旋轉一邊以支承軸22為中心迴轉。圖2是與第I控制技術相關的控制裝置的框圖。在圖中，目標指令生成部201生成輸出軸17的迴轉角度a的目標指令值a '輸出軸17的旋轉角度P的目標指令值P'以及剛度的目標指令值n*。通過編碼器101、102以及103，分別檢測電機1、2和3的旋轉角度Q2、以及93。張力傳感器104、105以及106，分別檢測絲索8、9以及10的張力
F2以及F3。姿態角度推定部205接收編碼器101、102以及103的輸出和張力傳感器104、 105以及106的輸出，以輸出迴轉角度a的推定值a s和旋轉角度P的推定值P s。姿態角度控制部202、203分別接收回轉角度a的目標指令值a *與推定值as之間的偏差ea、 和旋轉角度P的目標指令值f與推定值I之間的偏差，並輸出迴轉轉矩指令1\。和旋轉轉矩指令Te。。張力指令計算部204根據迴轉轉矩指令Ta。和旋轉轉矩指令Te。計算絲索8、9和10的張力指令F1c、F2c以及F3c0張力控制部206,207以及208分別接收絲索8 的張力指令Fle與張力F1之間的偏差、絲索9的張力指令F2。與張力F2之間的偏差、以及絲索10的張力指令F3。與張力F3之間的偏差，並輸出電機1、2和3的電流指令Ilc;、I2。、和13。。 此外，209、210和211是電機驅動部，其分別根據電機1、2和3的電流指令Ilc;、I2。、和I3。來對各電機進行驅動控制。圖3是與第2控制方法相關的控制裝置的框圖。在圖中，角度傳感器107、108分別檢測迴轉角度度a和旋轉角度P。本控制裝置和與第I控制方法相關的控制裝置不同的部分在於，設置角度傳感器代替姿態角度推定部。以下，對動作原理進行說明。首先，導出關節機器人的運動方程式。以下述方式設置直角坐標系xyzo :將支承軸22的軸中心線與輸出軸17的軸中心線的交點作為原點O，將支承軸22的軸中心線作為y軸，將支承柱14的中心線作為z軸，並將離開基部4的方向作為z軸的正方向，將輸出軸17的軸中心線與z軸一致的位置作為關節機器人機構的初始位置。將通過初始位置上的萬向接頭16的中心點A與直角坐標系的原點O的直線、和通過點B與直角坐標系的原點O的直線所形成的角度設定為$，所述點B 是絲索9與絲索導向裝置15的上部相接觸的點。此外，將所有的絲索完全伸展但其張力為 0 (亦即，非線性彈簧的伸縮量是0)的狀態作為初始狀態。並且，假定將所有的絲索控制成使其總是完全伸展(絲索的張力是0以上)。設絲索8、9、10的張力分別為F^F2以及F3。當設滑輪24和25的半徑為R時，由絲索8和10的張力F1和F3產生的轉矩分別成為T1=F1R (I)和T3=F3R (2)此外，當設線段Ao的長度為Laq，設線段Bo的長度為Lbq時，由絲索9的張力F2產生的轉矩成為T2=F2h (3)這裡，h是從點O到直線AB的距離，由式(4)表示為[算式4]
^JLAo + L2bo — 2Ub0 COS(爐 + a)從而，使關節機器人100的機械可動部以支承軸22的軸中心線為中心迴轉的迴轉轉矩就成為Ta = TjT3-T2 = F1IHF3R-F2Ii (5)此外，使關節機器人100的機械可動部以輸出軸17的軸中心線為中心旋轉的旋轉轉矩成為T0 = (T「T3) n = (F1-F3) nR(6)這裡，n是小齒輪與側齒輪的齒輪比。將絲索8、9、10在與差動機構接觸的點的絲索上端位移量分別設為P p P 2、P 3(將離開非線性彈簧的方向作為正)。如式(7) 式(9)那樣表示絲索上端位移量Pp P 2、P3 與迴轉角度度a和旋轉角度0之間的關係。a = -(p j+p 3)/2R (7)3 = - (p j-p 3)/nR (8)[算式9]
權利要求
1.一種機器人，該機器人具有基部;至少三個電機，所述至少三個電機設置在所述基部上；至少三個卷繞裝置，所述至少三個卷繞裝置分別安裝在這些電機上；支承柱，所述支承柱被設置為軸中心線垂直於所述基部的表面；萬向節，所述萬向節安裝在所述支承柱的上端；可動盤，所述可動盤安裝在所述萬向節上；至少三個萬向接頭，所述至少三個萬向接頭設置在所述可動盤的底部；絲索，所述絲索一對一聯接所述卷繞裝置和所述萬向接頭，並且所述絲索組裝有非線性彈黃；以及輸出軸，所述輸出軸被固定為其軸中心線垂直於所述可動盤的上表面，所述機器人的特徵在於，以下述方式設置固定直角坐標系xyzo 將所述支承柱的軸中心線與所述基部的表面的交點作為原點O，將所述支承柱的軸中心線作為z軸，並將離開所述基部的表面的方向作為z軸的正方向，使y軸平行於所述萬向節的與所述支承柱接觸的軸的軸中心線，以下述方式設置移動直角坐標系X' I' z' o'將所述輸出軸的軸中心線與所述可動盤的下表面的交點作為原點o'，將所述輸出軸的軸中心線作為z'軸，並將離開所述可動盤的上表面的方向作為z'軸的正方向，使 X/軸平行於所述萬向節的與所述可動盤接觸的軸的軸中心線，並且所述移動直角坐標系 X, I' z' 0'與所述可動盤一起移動，將所述電機配置成使一個所述卷繞裝置位於X的負軸，並使兩個以上的所述卷繞裝置分別位於Xoy坐標系的第I象限和第4象限，將所述萬向接頭配置成使所述萬向接頭在 X/ 0' I』坐標系中的相位分別與所述卷繞裝置在所述XOy坐標系中的相位為相同的值， 並且利用所述絲索將位於該不同的兩個坐標系的各自相同的相位的所述卷繞裝置與所述萬向接頭一對一地連接起來。
2.一種機器人，該機器人具有基部；至少三個電機，所述至少三個電機設置在所述基部上；至少三個卷繞裝置，所述至少三個卷繞裝置分別安裝在這些電機上；支承柱，所述支承柱被設置為軸中心線垂直於所述基部的表面；旋轉軸接頭，所述旋轉軸接頭安裝在所述支承柱的上端；旋轉軸，所述旋轉軸安裝在所述旋轉軸接頭上；迴轉軸接頭，所述迴轉軸接頭安裝在所述旋轉軸的上端；可動盤，所述可動盤安裝在所述迴轉軸接頭上；至少三個萬向接頭，所述至少三個萬向接頭設置在所述可動盤的底部；絲索，所述絲索一對一地連接所述卷繞裝置和所述萬向接頭，並且所述絲索組裝有非線性彈簧；以及輸出軸，所述輸出軸被固定為軸中心線垂直於所述可動盤的上表面，所述機器人的特徵在於，以下述方式設置移動直角坐標系X' I' Z' 0':將所述輸出軸的軸中心線與所述可動盤的下表面的交點作為原點0'，將所述輸出軸的軸中心線作為Z'軸，並將離開所述可動盤的上表面的方向作為Z'軸的正方向，使y' 軸與所述迴轉軸的軸中心線平行，並且所述移動直角坐標系X' I' z' o'與所述可動盤一起移動，以下述方式設置固定直角坐標系xyzo 將所述支承柱的軸中心線與所述基部的表面的交點作為原點O，將所述支承柱的軸中心線作為z軸，並將離開所述基部的表面的方向作為z軸的正方向，當所述輸出軸的軸中心線與所述旋轉軸的軸中心線一致時，y軸與y'軸平行，將三個所述電機配置成使一個所述卷繞裝置位於X的負軸，並使其餘的兩個所述卷繞裝置分別位於xoy坐標系的第I象限和第4象限，將三個所述萬向接頭配置成使三個所述萬向接頭在X' o' y'坐標系中的相位分別與三個所述卷繞裝置在所述xoy坐標系中的相位為相同的值，並且利用三根所述絲索將位於X的負軸的所述卷繞裝置與位於X'的負軸的所述萬向接頭、位於xoy坐標系的第I象限的所述卷繞裝置與位於X' 0丨y'坐標系的第4象限的所述萬向接頭、以及位於xoy坐標系的第4象限的所述卷繞裝置與位於 X/ o' I'坐標系的第I象限的所述萬向接頭分別連接起來。
3.一種機器人的控制裝置，其特徵在於，所述機器人的控制裝置一邊根據絲索的張力指令和所述絲索的張力信號進行張力控制，一邊根據姿態角度的目標指令、剛度的目標指令以及各電機的旋轉角度信號生成各絲索的張力指令，從而控制所述關節機器人的姿態角度和剛度，所述機器人的控制裝置具有姿態角度推定部，該姿態角度推定部根據各電機的旋轉角度信號和各絲索的張力信號計算出姿態角度的推定值；姿態角度控制部，該姿態角度控制部接收所述姿態角度的目標指令與所述姿態角度的推定值之間的偏差，並輸出姿態轉矩指令；以及張力指令計算部，該張力指令計算部根據所述姿態轉矩指令、所述剛度的目標指令以及所述姿態角度的推定值計算出張力指令。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種可以同時實現良好的安全性和優異的控制性能的關節機器人及其控制裝置。該機器人具有基部；設置在基部上的三個電機；軸中心線垂直於基部表面的支承柱；滑輪；組裝有非線性彈簧的三根絲索；與負載聯接的輸出軸；具有聯接到輸出軸的小齒輪和設置在支承柱上端的固定部件的差動機構；設置在差動機構的環上的萬向接頭；以及設置在差動機構的固定部件上的絲索導向裝置，利用兩根絲索並經由滑輪將差動機構的兩個側齒輪和兩個電機一對一地連接起來，利用剩餘的另一根絲索通過絲索導向裝置將剩餘的另一個電機和萬向接頭連接起來。
文檔編號B25J17/00GK102612423SQ20108005123
公開日2012年7月25日 申請日期2010年11月11日 優先權日2009年11月12日
發明者中村裕司, 張文農 申請人:株式會社安川電機