专利名称：机器人的教学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个向诸如工业机器人教授有关工作点的教学数据的教学装置，更确切地说涉及一个在安全性方面改进的教学装置。
背景技术：
用于向工业机器人教授关于工作点的教学数据的传统教学方法有直接教学法，如在日本专利申请85106/1981中公开的方法，其中安装了力传感器作为工业机器人的手工操作部分的教学工具，按照表示机器人的端头位置数据和腕部姿势数据的指令来控制用于驱动工业机器人的每个驱动单元，这些数据是在操作者操纵手动操作部分以引导机器人的端头位置和腕部姿势时由力传感器产生的信号来指示的，因此控制每个驱动单元的数据(引导数据)存储在存储器中。
另外，在日本专利申请公报71086/1983中公开的一种方法中，如
图1所示，带有嵌入式力传感器的教学工具221与机器人的端头211相连，当操作者214直接操纵教学工具221时，力的控制是按照加在教学工具221上的力或力矩来进行的，因此要控制机器人的位置或速度以引导机器人的工作工具。当进行教学时，操作者214通过操纵教学工具221上的多个开关来指示教学的开始与结束。
与上述直接教学方法不同，还有如图2所示的间接教学方法，操作者214操纵带有教机器人移动的操作开关的教学操纵器220来引导机器人211。
图1和图2所示的传统示例都表示了同样的情况，即圆柱管213是焊接在平板上的。
如上所示的传统示例中，在日本专利中请公报85106/1981中公开的方法存在的危险是，如果在教学时操作者跌倒，以及有过多的力引导教学工具，或者使教学工具接触到其它工件或障碍物，那么额外的力就加在了力检测器上，因此由此产生的过多的力矩引起机器人的突然移动。
或者，当操作者在引导教学工具，而机器人产生的力正好沿站在机器人和工件中间的操作者的方向施力时，万一他被夹在机器人的两臂之间，或臂与工件之间，操作者很难摆脱这种状况。
另外，即使当操作者在直接教学时检测到了危险，他也不能避免这种危险，因为他手边没有任何装置可以突然停止机器人的动作。
而且，当温度漂移而使力检测器的输出变化或外力加在力检测器上时，教学柄不在固定位置上，也会有使机器人朝与操作者意图相反的方向移动的危险。而且当在直接教学操作期间，工作工具与工件或其它障碍物接触时，会有机器人继续移动而破坏工作工具的危险。还有，当操作者进行工件狭窄部分的教学时，工作工具上的教学柄就成了障碍物，因而会引起危险，使操作者的手臂可能被工件夹住，进而可能使机器人在紧急停止时被锁住，最坏的情况下，操作者可能被夹而不能从其中摆脱。
如图1所示的机器人，由于操作者教学时要操作教学工具上的许多开关来引导机器人，操作者身体/心理上的疲劳很大。另外，当一个教学工具经常地用于多个机器人，有必要在教学工具与各个机器人控制器之间直接接线，因此成本很高。
同样，对于如图2所示的机器人，由于操作者通过教学操纵板上的操作开关在机器人或工具坐标系的每个轴向或者XYZ方向引导机器人，很难通过直觉来引导机器人或工具相对于工件的位置或姿势，操作者身体/心理上的极大疲劳以及延长的教学时间都会给相关人带来不利。
发明概要本发明是在上述情况下开发出来的。本发明的首要目的是提供一种直接教学装置，该装置可以在一个允许的范围内控制马达产生力矩，并且使操作者通过使用简单的教学装置，即使操作者在力检测器上施加了过大的操作力，或者操作者被夹在机器人的两臂之间，或臂与工件之间也可以安全地进行教学。
另外，本发明的第二个目的是提供一种教机器人的装置，通过减少教学工具上的开关数量，而使操作者可以兼用直接与间接教学方法，同时减少接线也使教学装置简单化，从而显著地减少操作者的身体/心理上的疲劳。
并且，本发明的第三个目的是提供一种直接教学装置，即使力检测器上存在温度漂移或没有与教学柄连接，即使工作工具与工件接触，或者要在工件的狭窄部分教学，或者即使发生了紧急停止，该装置也使操作者能安全地进行教学。
按照本发明教导机器人的装置包括一个力检测器，一个包括一个固定在上述的力检测器上由操作者握着来引导机器人工作的工具或柄的教学工具，一个运动模型运算部分，它是根据上述力检测器与运动模型的数据来计算位置或速度指令的装置，一个柔性伺服系统，它包括根据上述位置数据或速度指令计算马达产生力矩的装置和控制上述产生力矩的装置，以及存储有关位置、速度或方向的指令数据的装置。
当操作者根据具有上述结构的教学装置通过握住并引导教学工具和简单教学装置来进行工作点的直接教学时，因为该装置具有控制马达产生力矩的功能，由驱动单元产生的力矩被控制到臂本身运动所需的最少量，因此，即使比如操作者将过多的力加在力检测器上，也不会存在机器人可能在过大的产生力矩下运动的危险。另外，即使操作者被夹在机器人的两臂之间，或臂与工件之间，夹住操作者的力也不是非常大，因此操作者可以很容易用自己的力摆脱出来，所以操作者可以安全地进行教学操作。而且，当马达产生力矩被控时，有时机器人可能不按指令数据来运动，因而指令数据与检测器数据之间产生了差值，然而，由于该装置包括根据检测器数据来存储的装置，机器人可以通过回复(playback)操作而达到操作者实际指示的工作点。
根据本发明的另一方面，用于教机器人的装置包括一个力检测器，一个包括一个固定在上述的力检测器的检测端上由操作者握着来操纵机器人工作的柄的教学工具，一个教学操纵板，其上可以安装或连接教学工具，一个力检测器导线，将所说的教学工具与教学操纵板连在一起，以及根据所说的力检测器数据控制力的装置。
该教学装置还包括通过把教学工具从教学操纵板上分离出来，并连到机器人的手上或者臂上或者机器人的工作工具上来进行直接教学的装置，以及通过把教学工具连到教学操纵板上来进行间接教学的装置。
另外，如果上述教学装置包括参考平移与旋转方向上的操纵力来切换力控制的附加装置，就可能独立地进行位置与姿势的教学，达到对用户来说有效的结果。
在通过使用上述结构的教学装置来进行工作点的教学的情况下，操作者把教学工具连到手上或者臂上或者机器人的工作工具上及类似物上，按照加在教学工具的柄上的操纵力来引导机器人，因此按直接教学法对工作工具进行位置和姿势的教学，或者操作者将教学工具插在教学操纵板上，按照加在教学工具的柄上的操纵力来引导机器人，因此按间接教学法对工作工具进行位置和姿势的教学。另外，通过在教学装置平移方向上的操纵力和旋转方向上的操纵力之间切换力的控制，就能只对与工件有关的位置或姿势进行工作工具的教学。
仍按本发明的另一方面，用于教机器人的装置包括一个力检测器，一个固定在上述的力检测器上由操作者握着来引导机器人工作的教学柄，一个运动模型运算部分，它用作根据上述力检测器与运动模型的数据来计算位置或速度指令的装置，一个位置/速度伺服系统，它根据上述位置数据或速度指令计算马达产生力矩，以及一个简单教学装置。
简单教学装置包含输入开关，它参考机器人的位置或类似量来输入数据，以及表示诸如伺服电源开-关状态的装置，它们都安装在教学装置上。
仍按本发明的另一方面，如上所述，用于教机器人的装置包括一个柔顺(compliance)装置，该装置安装在教学柄与机器人的端头之间或者与教学柄连接的工作工具与机器人的端头之间，和用作当所述柔顺装置受到固定位移量约束时改变信号的装置，以及收到该信号时停止机器人的运动的装置。
并且，上述教学装置构造如下，当机器人由电子制动器紧急停止后，机械制动操作不再加在三个手腕柄上，也不加在不受重力约束的柄上。
而且，上述教学装置包括安在教学柄上的操作按钮，用作识别教学柄是与机器人端头连接，还是与工作工具的固定位置连接的装置，以及用作将教学柄连接在上述简单教学装置上的装置。
另外，上述教学装置构造如下，柄的连接识别开关可利用一个遥控操纵板来操作，此遥控操纵板用作当教学柄从机器人上解下时的操作。
仍按本发明的另一方面，用于教机器人的装置包括一个直接教学装置，该教学装置带有一个安装在机器人端头的教学柄和一个安装在教学柄与机器人之间的力传感器，利用该力传感器检测加在上述由操作者握着的教学柄上的力，在被检测力的方向上移动机器人臂来教机器人要移动的位置，其中教学工具经柔顺装置与机器人端头连接，教学柄经力传感器与工具连接。
仍在上述直接教学装置中，力传感器和教学柄合成一个单元，该单元在回复操作时可以分开，被分开的单元包括力传感器和教学柄，它在回复操作期间被加在机器人臂上或控制器上。
本发明的柔顺装置是一种产生诸如RCC(遥控中心柔顺)装置或悬浮装置的缓冲效应的装置。
通过上述的柔顺装置来连接工具可以实现工具部分的柔性运动，避免了工具与力传感器在碰撞时的损坏，而且当某个物体打在教学柄上或工具上或者负责教学的操作柄握着操作者跌倒时，柔顺装置吸收了这一碰撞，并阻止过大的载荷可能引起的机器人的异常运动。
另外，当教学操作者身体的一部分由于某种原因在控制板的制动动作开始后被夹在工具与机器人之间，如果导致的滑行距离短，柔顺装置就能吸收机器人的运动能量，从而阻止将操作者夹住的事故。
附图简述图1是在传统示例中采用直接教学操作的教学装置的透视图。
图2是在传统示例中采用间接教学操作的教学装置的透视图。
图3是表示本发明思想的方框图。
图4是表示本发明的一个实施方案的简单教学装置的正视图。
图5是表示本发明的一个实施方案的方框图。
图6是表示本发明的另一个实施方案的方框图。
图7是表示本发明的另一个实施方案的焊接工作的透视图。
图8是表示本发明的又一个实施方案的焊接工作的透视图。
图9是表示本发明的另一个实施方案用于直接教学操作的教学装置的透视图。
图10是表示本发明的另一个实施方案用于间接教学操作的教学装置的透视图。
图11是表示本发明的另一个实施方案的教学装置的透视图。
图12是表示本发明的另一个实施方案在直接教学操作中焊接工作的透视图。
图13是表示本发明的另一个实施方案在间接教学操作中焊接工作的透视图。
图14是表示本发明的另一个实施方案的一个控制系统的示例图。
图15是表示本发明的另一个实施方案的基本结构的透视图。
图16是表示本发明的另一个实施方案的控制系统结构的方框图。
图17是表示本发明的另一个实施方案的遥控操作的透视图。
图18是表示本发明的另一个实施方案的简单教学装置和遥控板(jig)的透视图。
图19是表示本发明的另一个实施方案的焊接工作的透视图。
图20是表示本发明的又一个实施方案的焊接工作的透视图。
图21是表示本发明的另一个实施方案的图。
图22是表示本发明的又一个实施方案的图。
优选实施方案的详细描述下面，将参考附图描述本发明的一个实施方案。
图3是表示本发明机器人的直接教学装置的实施方案的结构的方框图。如图3所示，本实施方案包括力检测器21，教学工具20，它包括固定在上述的力检测器上，由操作者握着来引导机器人的工作工具22(或独有的柄23)，运动模型运算部分24，它是根据上述力检测器的数据与运动模型来计算位置或速度指令的装置，柔性伺服系统25，它包括根据上述位置数据或速度指令计算马达产生力矩的装置和控制所述产生力矩的装置，以及存储装置29，它用于存储有关位置，速度或方向的指令数据。
本实施方案的运动将在下面描述。
首先，用于本直接教学的实施方案中作为直接教学的辅助工具的简单教学装置如图4所示，首先描述一下。
简单教学装置40大约有手掌大小，操作者用一只手握着它来操作每个开关(因为操作者的另一只手必须握着后面描述的教学工具，所以装置40必须由一只手握着)。每个开关就是指伺服电源保持开关41，紧急停止按钮42，输入开关43，存储器数据编辑键44，另外还包含状态指示灯45。
图7所示的操作者11通过用一个固定的力握住伺服功率保持开关41可以输入伺服功率。另外，当操作者11在直接教学操作期间感到危险时，他可以通过松开握着的伺服功率保持开关41或按下紧急停止按钮42来停止机器人的运动。
在本实施方案，机器人的位置数据只有当输入按钮43按下时才能被存储。每当教学在一个教学点完成时，输入开关43被按下，因此每次按下时机器人的位置被存储了。
内存数据编辑键44用于进行诸如增加，修改或删除存储数据的编辑。通过使用这个键，教学点可以被改为其他点。
状态指示灯45是指示教学进展的灯。
图5表示本实施方案的控制系统的结构的方框图。本实施方案的一个控制方法构造为力检测器22检测操作者握着的教学工具21的引导力，根据被检测数据，运动模型运算部分24在笛卡儿直角坐标系中计算位置指令，该坐标系是按照利用假想的惯性和滞性准备的运动模型建立的。运动模型运算部分24还对计算的位置指令反变换为旋转系统的数据以获得每个关节的关节角度指令。
柔性伺服系统25根据运动模型运算部分24计算出的关节角度指令和每个驱动单元或机器人的每个关节部分上安装的关节角度检测器32检测到的关节角度和关节速度计算马达产生力矩。在力矩限制器26中，设置了力矩的限定值，该限定值给出移动机器人12的臂所需的最小值。通过将该产生力矩输入到该力矩限制器26，产生力矩被控制在一个安全范围内。例如，当操作者在教学工具21上施加了过多的力，以及由力矩限制器26算出的产生力矩超过了预先设定的阈值时，力矩限制器26就把产生力矩控制在移动机器人12的臂所需的最小值。
由力矩限制器26控制的产生力矩，加上由重力补偿器30根据每个关节的角度，每个臂的重心到每个关节的重心的距离以及每个臂的质量而算出、作用于每个臂上的重力补偿力矩，再加上由摩擦力补偿器31根据每个关节的关节速度算出的作用于每个关节的驱动部分上的摩擦力补偿力矩。因此机器人12由产生力矩，加上该重力补偿力矩和该摩擦力补偿力矩来驱动。
当操作者引导机器人12到工作物14的工作点(图7)，并且按下安装在简单教学装置40上的输入开关43(图4)时，关节角度指令被存在数据存储器29中，因此，在回复操作时，根据存储的关节角度指令进行位置控制。
图6是表示本发明第二个实施方案结构的方框图。在本实施方案中，关节角度检测器32检测到的关节角度被存在数据存储器29中，用于在回复操作时代替关节角度指令。
当力矩的产生被控制时，有时马达产生力矩变短，机器人12不能按指示的操作，因而在指令数据和检测器输出的数据之间产生一个差值。如果指令数据在这种状态下被存在数据存储器29中(图5)，机器人12在回复(playback)操作中就会移动到偏离实际教学点的位置。
在本实施方案中，通过提供采用检测器数据的数据存储器29(图6)，机器人在回复操作时就可以移动到输入开关实际按下时刻设置的工作点。
是将指令数据按如图5所示的实施方案存储，还是将检测器数据按如本实施方案存储可以根据情况选择。另外，为满足上述情况，选择上述两种情况之一的选择开关可以加在简单教学装置40上。
图7和图8分别表示本发明的机器人在直接教学法中焊接工作的透视图。
操作者11把教学工具21固定到机器人12的腕部或类似部位，然后握住简单教学装置40上的伺服功率保持开关41上来输入伺服功率。操作者11通过握住固定在力检测器22上的独有的柄23，并引导它向如图7所示的任选方向运动，或者通过握住固定在力检测器22上用作工作工具20的焊枪1022，并引导机器人12向如图8所示的任选方向运动，来进行工作物14上的工作点的教学。
应当注意，来自力检测器22的数据，来自简单教学装置40的指令，及来自连在机器人12的每个驱动柄上的关节角度检测器32的数据，都存储在机器人控制器13中，在此进行运算以发布驱动机器人12的指令。
如上所述，按照本发明工业机器人的直接教学装置，驱动部分产生的力矩被控制到移动手臂本身所需的最小值，因此，即使操作者将过多的力加在力检测器上，也不会存在机器人可能被过大的产生力矩驱动的危险。另外，即使操作者被夹在机器人的两臂之间，或臂与工件之间，夹住操作者的力也不是非常大，因此操作者可以很容易用自己的力摆脱出来，所以操作者可以安全地进行教学操作。而且，因为操作者除了教学工具以外，还有带伺服功率保持开关的简单教学装置，操作者可以按自己的决定自由地停止机器人的运动。
下面，将对本发明的第三种实施方案加以描述。按照本实施方案的一种机器人直接教学装置如图9和图10所示包括力检测器，教学工具121，它包括固定在上述的力检测器的检测端上，由操作者握着来操作的柄，教学操纵器120，所述的教学工具121可以安装在其上，一条力检测器导线，它将所述的教学工具121与所述的教学操纵器120连接起来，以及按所述的力检测器数据来控制力的装置。
此教学装置还包括，通过将教学工具121与教学操纵器120分开，并把教学工具安装到机器人111的手上，臂上，或工作工具上来进行直接教学的装置，以及通过将教学工具121安装到教学操纵器120上来进行间接教学的装置。
本实施方案的固定组成将在后面描述。首先，描述图11所示的教学装置。
图11中，教学工具121包括力检测器122和固定在上述的力检测器的检测端上由操作者114握着来操作的柄123。教学工具121与教学操纵器120通过力检测器导线124相连，并可以安装或固定在教学操纵器120上。而且，教学工具121可以经力检测器的另一端安装在机器人111的腕上，臂上，或工作工具及类似物上。另外，未示于图上的平移/旋转方向切换开关也在教学工具121或教学操纵器120配备。
结构如上的本实施方案将参考图12和图13来描述。操作内容将在下面通过一个特殊用途的焊接机器人将一个圆柱管焊接到一个平板上的示例来描述。
图12表示一种焊接作业线的教学按照直接教学方法来进行的状态。本例中，操作者114首先将教学工具121从教学操纵器120上分离，抽出力检测器导线，把力检测器122另一端固定到机器人111的腕上，臂上，或工作工具及类似物上。接着，操作者114握住教学工具121的柄123(见图11)，在任意方向上向柄123施力，引导机器人111去进行工作点的教学。
图13表示一种焊接作业线的教学按照间接教学方法来进行的状态。本例中，操作者114首先将教学工具121的力检测器122的另一端固定到教学操纵器120上。接着，操作者114握住教学工具121的柄123，并且通过教学操纵器120的特定方向向柄123施力，引导机器人111去进行工作点的教学。
决定了焊枪112的焊接姿势后，通过将平移/旋转方向切换开关切换到平移方向，就能在不改变焊枪112的焊接姿势的情况下只在平移方向引导机器人111。同样，决定了焊枪112的焊接位置后，通过将平移/旋转方向切换开关切换到旋转方向，就能在不改变焊枪112的焊接位置的情况下只改变机器人111的姿势。由此，一个复杂的焊接作业线的教学就可以很容易，正确地在较短时间内完成。
图14表示了本实施方案的一种控制系统结构。本实施方案的控制系统结构将参考图14描述(未在图中示出的符号见其他图)。
给教学工具121的柄123施加力以接触工件113时产生的接触力，及操作者114握住并且操纵柄时在平移方向和旋转方向产生的操纵力都由教学工具121的力检测器122检测，接触力与操纵力之和再由力控制系统126转换为每个关节的角度指令。把角度指令输入到位置控制系统127，然后通过放大器128，以驱动机器人111。
在此，为了进行空间工作点的教学，操作者在平移方向和旋转方向产生的操纵力通过切换平移/旋转方向切换开关125输入力检测器，因此，在平移方向和旋转方向力的控制就按照引导机器人在工作点教学的这些力来进行。
力的平移/旋转方向切换开关125的作用是固定位置或姿势。例如，如果选择平移方向的操纵力125a，旋转方向(姿势)就固定了，因此当工件位置要移动而姿势固定时，选择这种模式。如果选择旋转方向的操纵力125b，平移方向(位置)就固定了，因此当工件姿势要改变而位置固定时，选择这种模式。如果选择操纵力125c，操纵器可以改变位置与姿势，因此选择这种模式可以既改变位置又改变姿势。由以上选择，就可能只对相对于工件的位置或者只对姿势来进行工作工具的教学。
只有当输入键129按下时，位置/姿势数据才存储到机器人控制器中的存储器130中，因此，键129可以作为教学操纵器120或柄123上的一个开关。
当操作者教工件工作点时，该操纵力和柄123接触工件113时产生的接触力都由力检测器122检测到了，然后，根据两个力的和来进行力的控制以引导机器人进行工作点的教学。
注意，在力检测器122后面加上平移/旋转方向切换开关125是允许的。
在如上结构的本实施方案中，当工作点的教学用直接教学法进行时，操作者把教学工具从教学操纵器上分离下来，并把它固定到机器人的腕上，臂上，或工作工具及类似物上。接着，通过握住教学工具并在任选方向上移动教学工具的柄，来按照操纵力引导机器人，以进行工作工具的位置和姿势的教学。
当工作点的教学用间接教学法进行时，操作者把教学工具安装到教学操纵器上，通过握住并在特定方向上移动教学工具的柄，来按照操纵力引导机器人，以进行工作工具的位置和姿势的教学。另外，通过在教学装置的平移方向的操纵力和旋转方向的操纵力之间切换力的控制，能够只对相对于工件的位置或只对其姿势来进行工作工具的教学。因而，教学操作简单不需任何技能，操作者身体/心理的疲劳极大地减小了。
另外，当一种教学工具在多个机器人之间共用时，没必要从教学工具到每个机器人的控制器直接铺设导线，因而使教学装置的结构简单，成本低。
下面，描述本发明的第四个实施方案。如图15所示，本实施方案的教学装置包括，力检测器415，固定在该检测器上并由操作者握着以引导机器人的教学柄416，和简单教学装置417。在简单教学装置417上，提供了一个输入开关以输入诸如机器人位置等数据，还提供了显示机器人状态的装置。
图16是表示用于根据力检测器415的输出数据和运动模型来计算位置数据或速度指令的控制系统结构的方框图。
如图16所示的控制系统包括运动模型运算部分301，根据所说的位置数据或速度指令计算马达产生力矩的速度/位置伺服系统302，产生一种诸如在教学柄416(图15)和机器人端头或位于工作工具上用来固定教学柄416的固定位置之间的RCC(遥控中心柔顺)装置或悬浮装置的缓冲效应的柔顺装置310，在该柔顺装置被约束到一个固定的位移量时用于改变信号的装置311，以及接收到该信号时停止机器人运动的装置。
而且，以上教学装置的构造满足当机器人由电子制动器紧急停止后，机械制动操作不会加到三个腕柄及没有重力作用的那个柄上。
另外，以上教学装置包括教学柄416上的操作按钮306，在306与307之间用于识别教学柄416是固定在机器人端头，还是固定在工作工具的固定位置的装置308，以及用于将教学柄固定在所说的简单输入单元上的装置307。
图17表示教学柄从机器人上分离下来操作的状态，还表示一种结构装置，其中教学柄的连接识别开关可利用遥控操纵板421来操纵。
本发明的实施方案下面将详细描述。首先，用于本实施方案直接教学的简单教学装置将参考表示遥控操纵板上的简单教学装置的平面图18(a)和透视图18(b)来描述。
简单教学装置416大约有手掌大小，操作者可用一只手握着它来操作每个开关(因为操作者的另一只手必须握着后面描述的教学柄，所以装置416必须是一只手可握的尺寸)。这里每个开关是指伺服功率保持开关464，紧急停止按钮465，输入开关466，存储器数据编辑键467，另外还包含状态指示灯468。
操作者通过用一个固定的力握住伺服功率保持开关464可以输入伺服功率。在教学操作期间，连续握住此开关，伺服功率的有源条件就可以维持。另外，当操作者411在直接教学操作期间感到危险时，他可以通过放开握着的伺服功率保持开关464或按下紧急停止按钮465来停止机器人的运动。
只有当用于将机器人的位置存储在控制器的输入按钮466按下时，那时的位置数据才能被存储。因此每次教学时在每个教学点按一下输入开关466。
存储器数据编辑键467用于进行诸如增加，修改或删除存储数据的编辑。通过使用这个键，可对教学点进行编辑等。
状态指示灯462是指示教学进展的灯。
采用具有以上结构的教学装置，当操作者通过握住教学工具和简单教学装置来引导机器人从而进行工作点的直接教学时，机器人不会与操作者意图相反，移动到教学柄上的操作按钮没有按下的地方。而且当没有来自柄连接识别开关的信号输入时，机器人不移动。并且，当属于柔顺装置的位移开关的信号改变时，机器人的运动突然停止。另外，通过将教学柄安装到简单教学装置上，可以实现遥控。而且，在紧急方式下机器人被电子制动器紧急制动后，因为没有激活机械制动，所以不存在操作者被夹在机器人和工件之间的危险。
下面，用于本发明直接教学的教学柄将参考图16再次描述。
教学柄的结构为，它具有能够用手快速抓住的形状，并且把手上有一个操作按钮，操作者可以通过按操作按钮来使机器人运动。并且在柄连接板部分，有一个柄连接识别开关，用此开关，只有当教学柄被连接时，信号才能被识别。
下面，将描述用于本发明的直接教学的柔顺装置。柔顺装置安装在教学柄与机器人端头之间，或者与教学柄连接的工作工具与机器人端头之间。当由于柔顺装置的固定量的位移而使来自安装在柔顺装置上的开关或传感器的信号改变时，机器人的运动立刻停止。
下面，参考图18描述用于本发明的直接教学的遥控操纵板。
遥控操纵板的构造便于简单教学装置与教学柄安装在其上，而且，这样的结构使操作者很容易用一只手握住简单教学装置，用另一只手操作教学柄来进行机器人的遥控。
图16是表示本发明控制系统的方框图。在本实施方案中执行的控制方法下面将描述。按照本实施方案的控制方法，力检测器309检测由操作者握着的教学柄306的引导力。根据检测器的检测数据，运动模型运算部分301再根据由假设的惯性和滞性所架构运动模型基础上建立的笛卡儿坐标系中计算位置指令。运动模型运算部分301再将计算出的位置指令反变换为旋转模式系统上的数据，以获得每个关节的关节角度指令。位置/速度伺服系统302根据安装在机器人的每个关节部分或驱动单元上的关节角度检测器305检测到的关节角度指令和关节角度及关节速度计算马达产生力矩，然后通过伺服放大器驱动机器人的伺服马达。
当操作者将机器人的工具部分引导到工作物的工作点，并按下简单教学装置上的输入开关时，参考工作物的工作点的教学就完成了。
图19和图20表示本发明的机器人在直接教学方法中焊接工件的实施方案。操作者441把教学柄443固定在机器人442腕部的焊枪或类似物上，然后通过握住简单教学装置444上的伺服功率保持开关(图18的464)来提供伺服功率。如果从柄识别开关来的信号没变化，伺服功率不能输入。
如图19，通过握住固定在力检测器上的教学柄，并按下操作按钮，操作者就能引导机器人。并且在引导机器人之后，操作者就完成了要焊接的工作物445在重要点的教学。这时，如果焊枪或教学柄接触工作物，在机器人的腕部与焊枪之间安装的柔顺装置就会在力的作用下变形，因而阻止了焊枪或教学柄的变形，同时，当变形达到一定值时，根据柔顺装置输出的信号，机器人的运动就会停止。
如果工作物的结构复杂，在用固定在焊枪上的教学柄进行教学时，就会有操作者的手臂可能接触到另一物体的危险，这时教学柄从焊枪的柄连接板上分离出来，并与简单教学装置(图20)一起安装到遥控操纵板上。然后操作者用一只手握着遥控操纵板上的简单教学装置，用另一只手握着教学柄来遥控引导机器人以进行工作点的教学。
另外，来自力检测器451的数据，来自简单教学装置452的指令，及来自连在机器人453的每个驱动柄上的关节角度检测器的数据，都存储在机器人控制器454中，并在此处理以驱动机器人。
如上所述，按照本实施方案，当操作者握住教学工具和简单教学装置并引导机器人以进行工作点的直接教学时，即使输出力由力检测器发出，机器人也不会与操作者意图相反，移动到教学柄上的操作按钮没有按下的地方。而且即使教学柄由于失误没有连接上，当从柄连接识别开关来的信号没有输入时，机器人不移动。另外，即使柄或工作工具接触到工件或类似物，来自柔顺装置的开关或传感器的信号就被输入以使机器人的运动紧急停止。而且，当进行一个狭窄部分的教学时，通过把教学柄连接到简单教学装置上就能进行遥控。另外，如果最坏的情况发生，即操作者被机器人在紧急停止时夹住，通过先前准备的在这种情况不启动机械制动的系统，操作者可以容易地从机器人摆脱。因此，采用此实施方案，操作者可以非常安全地进行直接教学以达到本发明的好的效果。
下面，将描述本发明的另一个实施方案。图21表示本发明的另一个实施方案的结构。
图21中，501为机器人，502为机器人的腕，503为柔顺装置，504为工具支架，505为工具(如焊枪)，506为力传感器，507为教学柄。
机器人的腕502是安装在机器人501端头的一个可移动的柄，工具支架504可以按情况连接，然而在本实施方案中，工具支架504是通过装置503连接的。柔顺装置503是有弹性的，碰撞后可以回到最初位置，例如，它可由弹簧或类似物组成。工具支架504可以与工具502形成一个单元，构成工具505的一部分。
工具支架504与包括力传感器506和教学柄507的集成单元连接。然而，如后面所述，这个集成单元在回复操作时，是可分离的(比如螺钉类或钩子类不用任何工具就能用手连接/分离的单元都是允许的)。
力传感器506检测操作者施加到握着的教学柄507上的力(方向和大小)，力传感器还能通过信号线508把力的数据发送到未在图中示出的机器人控制器。由于机器人控制器控制运动，以使机器人501沿力的方向运动，操作者通过用一只手在他想让机器人运动的方向上给教学柄507施加力，就可以进行工作位置的教学。在此情况下，通过用另一只手按下未在图中示出的开关按钮，开关按下时运动的位置就输入到机器人控制器的内存中，作为教学位置存储。
另外，用这类装置，当工具505在教学操作时与工件碰撞，柔顺装置503的弹性就吸收了碰撞能量，从而保护了工具505和力传感器506。另外，当教学操作者握着教学柄跌倒时，尽管过大的负载加到教学柄部位，在这种情况下，仍然是柔顺装置503的弹性吸收了过大的负载，从而阻止了机器人的错误运动。而且，当操作者被夹在工具505与机器人臂之间，柔顺装置506在其能力所及的范围内吸收了机器人的能量，避免了危险的被夹情况。
另外，包括力传感器506和教学柄507的集成单元可从工具支架504中分离出来，如图22中虚线所示，在回复操作进行时，它被夹在安装在机器人手臂部分或机器人控制器上的单元夹具509上。利用这种安排，可保护力传感器506，并且在回复(playback)操作时也不会被力传感器上的信号线508干扰。在此情况下，柔顺装置503并不总是必要的，因此可以去掉。
图22表示一个示例，其中教学柄507垂直于连接机器人腕部端头及教学点P的直线L安装，从机器人的基座510看位于机器人外侧。
通过以这种方式安排机器人，教学柄507正对着操作者站立侧(一般从机器人基座看操作者站在机器人手臂端头位置以外)，而且操作者按下教学柄507的方向通常为工具505靠近工件(未示于图中)的方向，因此，教学柄的操作很容易。
如上所述，根据本实施方案，在教学操作期间，能保护工具或力传感器或防止由过大负载引起的机器人异常运动，并且还由于能够避免被机器人夹住的危险，教学操作可以自由地进行。还由于力传感器与教学柄在回复操作时可分离，并夹在机器人上或机器人控制器的一部件上，操作者不必考虑力传感器的保护。
权利要求
1.用于机器人直接教学的装置包括一个力检测器和一个教学工具，教学工具包括一个固定在上述的力检测器上，由操作者握着来引导机器人的工作工具或独有的柄；根据上述力检测器的数据与运动模型来计算位置或速度指令的装置；根据上述位置数据或速度指令计算驱动机器人的马达产生力矩的装置；和控制该产生力矩的装置。
2.按照权利要求1的用于机器人直接教学的装置，包括根据所述的机器人的数据，如每个关节的角度，每个臂的重心到每个关节的中心的距离以及每个臂的质量计算作用于每个臂的重力补偿力矩，根据每个所述的关节的关节速度算出作用于每个关节的驱动部分的摩擦补偿力矩，并计算上述两力矩之和并在经控制马达产生力矩的装置控制所生成力矩之后将所求之和与马达生成力矩相加的装置。
3.按照权利要求1或2的用于机器人直接教学的装置包括，除所述的教学工具外，至少一个简单教学装置，它带有可以接通和断开驱动机器人的电源的伺服功率开关和参考通过使用该教学工具进行教学而给出的诸如机器人位置来输入数据的输入开关。
4.按照权利要求1至3中任意一个的用于机器人直接教学的装置，包括一个开关，它可以选择所述教学装置究竟将把根据该力检测器数据与运动模型计算出的位置存储为教学数据，还是将通过实际移动机器人来获得的检测器数据或参考机器人计算出的数学数据存储为教学数据。
5.用于教工业机器人的装置包括一个力检测器；一个教学工具，它包括一个固定在上述的力检测器的检测端上，由操作者握着来操作的柄；一个教学操纵板，所述的教学工具可以安装其内或连接在该教学操纵板上；一个力检测器导线，将教学工具与教学操纵板连在一起。
6.按照权利要求5用于教工业机器人的装置，包括根据所说的力检测器数据控制力的装置。
7.按照权利要求5用于教工业机器人的装置，包括通过把教学工具从教学操纵板上分离出来，并连到机器人的手上或者臂上或者工作工具上来进行直接教学的装置。
8.按照权利要求5用于教工业机器人的装置，包括通过所述的力控制装置把教学工具连到教学操纵板上来进行间接教学的装置。
9.按照权利要求5用于教工业机器人的装置，包括在平移方向上的操纵力与旋转方向上的操纵力之间切换力控制的装置。
10.用于直接教机器人的装置，包括一个力检测器和一个固定在上述的力检测器上，由操作者握着来引导机器人的教学柄；根据上述力检测器与运动模型的数据来计算位置或速度指令的装置；根据上述位置数据或速度指令计算驱动机器人的产生力矩的装置；一个柔顺装置，它安装在教学柄与机器人的端头或者工作工具的固定位置之间，用于教学柄的连接；用于当所述柔顺装置受到固定位移量约束时改变信号的位置的装置；和用于收到该信号时停止机器人的运动的装置。
11.按照权利要求10用于机器人直接教学的装置，其中停止机器人的运动的所述装置安排如下，当机器人由电子制动器紧急停止后，机械制动操作不再加在三个手腕的柄上，也不加在不受重力约束的柄上。
12.按照权利要求10或11用于机器人直接教学的装置，包括安在教学柄上的操作按钮，它使操作者用该操作按钮移动机器人。
13.按照权利要求10至12中任意一个的用于机器人直接教学的装置，包括识别所述教学柄是与机器人端头连接，还是与工作工具上的固定位置连接的装置。
14.按照权利要求10至13中任意一个的用于机器人直接教学的装置，包括参考诸如所述机器人位置来输入数据的输入开关和带有显示该机器人状态的装置的简单教学装置。
15.按照权利要求10至14中任意一个的用于机器人直接教学的装置，包括将上述教学柄与上述简单教学装置连接在一个单元内的装置，其中，狭窄部分的教学是通过使用教学柄的遥控操纵来进行的。
16.用于机器人直接教学的装置，它带有安装在机器人端头的教学柄，力传感器安装在它们之间，利用该力传感器检测加在由操作者握着的教学柄上的力，并按检测力的方向移动机器人臂以进行工作点的教学，其中，教学工具或教学工具把手通过一个柔顺装置连接到机器人的端头，上述教学柄通过上述力传感器连接到上述教学工具或教学工具把手上。
17.用于机器人直接教学的装置，带有安装在机器人端头的教学柄，力传感器安装在它们之间，利用该力传感器检测加在由操作者握着的教学柄上的力，并按检测力的方向移动机器人臂以进行工作点的教学，其中，教学工具或教学工具把手连接到机器人的端头，上述教学柄通过上述力传感器连接到上述教学工具或教学工具把手上，并且，上述力传感器和教学柄作如此安装，使得在回复操作时它们可以从上述工具上分离下来。
18.按照权利要求17的用于机器人直接教学的装置，其中上述力传感器和教学柄可以形成一个集成单元。
19.按照权利要求17的用于机器人直接教学的装置，其中在回复操作时分离的力传感器和分离的教学柄被保持的位置是在机器人臂或机器人控制器上。
20.按照权利要求17的用于机器人直接教学的装置，其中上述教学柄做成游戏杆的棒状，与连接机器人的腕的端头和教学点的直线垂直安装，从机器人的基座看位于机器人的外侧。
全文摘要
本发明的目的是提供一种直接教学装置,该教学装置使操作者能够参考诸如工业机器人安全地进行工作点的教学。本发明的直接教学装置在结构上包括一个力检测器,一个包括工作工具或固定在该力检测器上由操作者握着以引导机器人的柄的教学工具,根据该力检测器数据与运动模型计算位置或速度指令的装置,根据该位置或速度指令计算驱动机器人的马达的产生力矩的装置,以及控制该产生力矩的装置。
文档编号B25J9/22GK1200691SQ96197944
公开日1998年12月2日 申请日期1996年9月13日 优先权日1995年9月14日
发明者永田英夫, 田中洋一, 井上康之, 森田裕隆 申请人:株式会社安川电机