机器人的异常显示方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及经由减速器被电动机驱动的机器人的异常显示方法。
【背景技术】
[0002]近年来，伴随着机器人市场向全球扩大，机器人发生故障的情况、发生异常的情况下的应对成为重要课题。即，若机器人的异常显示是无法掌握实际故障状态的状态，则维修人员需要直接前往异常发生现场来确认状况，然后实施对策。在该方法中，难以进行面向全世界的异常状态消除的迅速应对。
[0003]另一方面，对于不是机器人自身的故障而是因用户的示教错误等而发生的、机器人与机器人周边物体的碰撞的应对也是必要的。若机器人、周边物体因碰撞而被破坏，则为了进行修理等需要派遣维修人员，修复需要时间。即，为了防止碰撞时的破坏，要求碰撞检测的高精度化。但是，若将高精度的碰撞传感器搭载于机器人，则对于机器人而言成为多余的重量负荷，且成本也上升。因而，近年正在推进无传感器碰撞检测的高精度化。
[0004]然而，随着无传感器碰撞检测的高精度化，在不是实际碰撞的情况下也将机器人的异常状态误检测为碰撞的可能性变高。即，在机器人发生故障时，较之于其他异常检测功能而先通过碰撞检测功能来检测异常，有可能尽管未发生碰撞但却进行了“发生碰撞”这样的错误显示。如此，通过无传感器碰撞检测的高精度化，虽然具有快速地检测故障的优点，但也成为难以获知故障原因的原因。以下使用图1?图12来说明发生错误的碰撞检测的理由。
[0005]图1是作为机器人的代表例而表示垂直多关节6轴机器人的简要构成图。如图1所示，垂直多关节6轴机器人具有机器人机械装置(101)、机器人控制装置(102)和操作显示装置(103) ο
[0006]图2是表示异常显示的整体处理的流程图。在机器人控制装置(102)内进行异常显示的整体处理。在图2中，除了碰撞检测处理之外还增加了检测机器人发生故障时的异常的电动机锁定检测处理、过负荷检测处理、位置偏差溢出检测处理。图2所示的异常显示的整体处理每隔周期AT来反复进行，周期AT假定为几毫秒。
[0007]在图2中，在步骤2-1中进行电动机锁定检测处理。若在步骤2-6中检测到电动机锁定，则在图1的操作显示装置(103)中显示“检测到电动机锁定”作为异常显示。在检测到电动机锁定的情况下，因为已经发生了异常状态也进行了异常显示，所以在步骤2-6中使异常显示处理结束。在步骤2-6中未检测到电动机锁定的情况下，进入步骤2-2。
[0008]然后，在步骤2-2中进行过负荷检测处理。若在步骤2-7中检测到过负荷，则在图1的操作显示装置(103)中显示“检测到过负荷”作为异常显示。在检测到过负荷的情况下，因为已经发生了异常状态也进行了异常显示，所以在步骤2-7中使异常显示处理结束。在步骤2-7中未检测到过负荷的情况下，进入步骤2-3。
[0009]而后，在步骤2-3中进行位置偏差溢出检测处理。若在步骤2-8中检测到位置偏差溢出，则在图1的操作显示装置(103)中显示“检测到位置偏差溢出”作为异常显示。在检测到位置偏差溢出的情况下，因为已经发生了异常状态并进行了异常显示，所以在步骤2-8中使异常显示处理结束。在步骤2-8中未检测到位置偏差溢出的情况下进入步骤2-4。
[0010]然后，在步骤2-4中，执行使用图3如下说明的碰撞检测处理。
[0011]作为以无传感器的方式求出碰撞力的方法，有动力学运算方式和干扰估计观测器方式。在动力学运算方式中，首先从由电动机的驱动电流所产生的转矩之中减去由电动机以及减速器的惯性和摩擦所损失的转矩来求出减速器输出转矩。然后，从减速器输出转矩之中减去通过机器人的动力学运算求得的机器人的动力学转矩来求出碰撞力(例如参照非专利文献I)。在干扰估计观测器方式中，使用干扰估计观测器来求出碰撞力(例如参照专利文献I)。以下，使用图3以估计精度优异的动力学运算方式为例来进行说明。
[0012]图3是动力学运算方式的控制块线图。在图3中，6为位置控制块。在位置控制块
(6)中被输入:通过积分单元40对位置指令的速度分量d Θ com(l)进行积分后的位置指令Θ com(3)、和电动机位置Θ m(4) ο并且，基于位置指令Θ com(3)和电动机位置Θ m(4)的差分值，从位置比例增益(5)之中输出速度环指令《com(7)。
[0013]在图3中，10为速度控制块。在速度控制块(10)中被输入速度环指令ocom(7)和电动机位置θπι(4)。并且，求出速度环指令wcom(7)、和通过微分单元32对电动机位置0m(4)进行微分后的电动机速度《m(2)的差分值，经由速度比例增益(8)以及速度积分增益(9)而输出电动机电流Im(Il)。
[0014]在图3中，18为表示了电动机和外力的块。τπι(13)为电动机产生转矩，在假定减速器为刚体的情况下，若从电动机驱动侧观察，则用式(I)来表征，若从负荷侧观察，则用式⑵来表征。
[0015]Tm = KtXIm (I)
[0016]Tm= τ dyn+τ dis+JmX a m+DX ωηι+τ μ (2)
[0017]其中，式⑴和式⑵中的记号如下所述。
[0018]Kt (12):电动机转矩常数
[0019]Im(Il):电动机电流
[0020]a m (90):电动机加速度(ω m的微分值)
[0021]ωπι (2):电动机速度
[0022]Jm (89):电动机惯性(转子+减速器I次侧)
[0023]D (20):粘性摩擦系数
[0024]τ μ (15):动摩擦转矩
[0025]τ dyn(14):动力学转矩(重力转矩、惯性力、离心力、科里奥利力之和)
[0026]Tdis (16):碰撞转矩
[0027]动摩擦转矩τ μ (15)能够利用以下的式(3)来计算。
[0028]τ μ = K μ X sgn (3)
[0029]其中，K μ为动摩擦的大小，sgn在0!!1>0时为“1”、在ωπι = O时为“0”、在ωπι< O 时为“-1”。
[0030]碰撞转矩τ dis(16)能够从式⑴和式(2)变形为以下的式⑷来求出。
[0031]τ dis = KtX Im-(JmX a m+DX om+ τ μ + τ dyn) (4)
[0032]在图3中，30为将式(4)表征为碰撞转矩估计块的块。
[0033]在碰撞转矩估计块(30)中，动力学转矩运算块(26)进行动力学运算来求出动力学转矩估计值Tdyno(29)。动力学转矩运算块(26)使用构成机器人的所有轴的电动机位置0m(4)、对电动机位置0m(4)进行微分后的电动机速度ωπι(2)、对电动机速度ωπι(2)进行微分后的电动机加速度am(90)、和机器人的机械参数(臂部长度、臂部质量、重心位置、围绕重心位置的惯性)来执行动力学运算。碰撞转矩估计块(30)使用该动力学转矩估计值Tdyno (29)而向碰撞判定块(31)输出碰撞转矩估计值Tdiso (28)。
[0034]碰撞判定块(31)使用给定的碰撞检测阈值Tth并按照以下的式(5)来检测碰撞。
[0035]I τ diso| > τ th (5)
[0036]若在步骤2-5中式(5)成立，则在图1的机器人的操作显示装置(103)中显示“检测到碰撞”作为异常显示，然后使异常显示处理结束。此外，若在步骤2-5中式(5)不成立，则不进行异常显示，并使异常显示处理结束。并且，此外，每隔周期AT来开始异常显示的整体处理。
[0037]在以上的碰撞检测中，如前所述，若能正确地计算动力学转矩估计值τ dyno (29),则能够精度良好地求出碰撞转矩估计值τ diso (28)。
[0038]作为由动力学转矩运算块(26)求出动力学转矩的方法，有拉格朗日法和牛顿-欧拉法。在拉格朗日法中，在6轴的垂直多关节机器人中需要将近10万次的积和运算。但若根据当前的CPU的处理能力，则该运算量也可在几毫秒以内运算。在牛顿-欧拉法中，积和运算量将近I万次便可，所以运算时间不存在问题。因为牛顿-欧拉法是将上式的结果用于下式中的所谓的递推方式，所以有可能产生运算的累积误差。但是，如果以32bit以上的数据来处理，则运算的累积误差也不存在问题。由此，无论使用何种方法，在当前的CPU中都能以电动机最大转矩比10%以内的误差来计算动力学转矩Tdyn(H)。如果在式(4)的右边除了动力学转矩Tdyn(H)以外的项也能以电动机最大转矩比10%以内的误差来计算，则碰撞转矩估计值Tdiso(28)能够以电动机最大转矩比20%以内的误差来求出。
[0039]此外，在基于式(5)的碰撞检测中，使用了由式⑷求得的碰撞转矩估计值Tdiso (28)的瞬时值。因而，若经过作为计算时间的几毫秒，则可以进行动力学转矩Tdyn(H)的判定。即，在碰撞检测功能中，若观测到几毫秒的电动机最大转矩比20%程度的异常，则能够检测到碰撞。
[0040]但是，若将碰撞检测阈值Tth设定得较低(设定为电动机最大转矩比20%程度)，则在碰撞以外的故障中也会很快地检测到。例如，研宄由于电动机(轴承、制动器)、减速器的故障而使得实际的动摩擦转矩增加的情况。该情况下，若想要与正常时同样地使机器人工作，则需要使电动机产生转矩Tm增大与动摩擦转矩τ μ相应的量。为使电动机产生转矩Tm增加，式(4)的右边的电动机电流Im将增加。但是，在式(4)的右边使用的动摩擦转矩τ μ由于使用预先在正常时测量出的值来计算，因此式(4)的左边即碰撞转矩τ dis尽管未碰撞也会增大。并且，碰撞转矩τ dis的大小即使有几毫秒超过电动机最大转矩比20%，都会误检测为检测到碰撞。
[0041]在以无传感器的方式求出碰撞力的方法中，无法确定式⑷的右边的电动机电流Im增加、碰撞转矩Tdis增大的原因。即，无法区分是起因于机器人的实际碰撞、还是起因于电动机、减速器的故障所导致的摩擦转矩增大。因而，为了尽量减少机器人碰撞时的损伤，若将碰撞检测阈值Tth设定得较低(将碰撞检测灵敏度设定得较高)，则碰撞误检测的发生概率也会提尚。
[0042]另一方面，与碰撞检测功能不同，作为检测由于电动机(轴承、制动器)、减速器的故障使得电动机的旋转变得迟钝的功能，有电动机锁定检测功能、过负荷检测功能。
[0043]在电动机锁定检测功能中，检测虽然想要使电动机工作但却几乎不动的状态持续的状况。即便电动机产生转矩Tm(式(I)所示)变为给定的电动机转矩阈值Tmth(91)以上，当由于故障而增大的摩擦转矩较大时，电动机速度《m(2)也不会上升至给定的电动机速度阈值《mth以上。在该状态持续至给定的电动机锁定检测时间阈值LKth以上的情况下，通过电动机锁定检测功能而判定为异常。
[0044]使用图5A及图5B来说明电动机锁定检测功能。图5A是表示正常时的电动机速度ωπι(2)和