《具备力传感器的电动手.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《具备力传感器的电动手.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103963065 A (43)申请公布日 2014.08.06 C N 1 0 3 9 6 3 0 6 5 A (21)申请号 201410030843.6 (22)申请日 2014.01.22 2013-011197 2013.01.24 JP B25J 15/10(2006.01) B25J 13/00(2006.01) (71)申请人发那科株式会社 地址日本山梨县 (72)发明人坂野哲朗 (74)专利代理机构北京银龙知识产权代理有限 公司 11243 代理人许静 郭凤麟 (54) 发明名称 具备力传感器的电动手 (57) 摘要 本发明的电动手使手指进行开闭动作。
2、而把持 对象物，设置有检测作用于手指的力的力检测器。 手指根据由力检测器检测出的力检测值而工作。 在判定力检测值达到了预先确定的力目标值的情 况下，限制电流使得提供给工作部的电流成为预 先确定的保持电流以下。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103963065 A CN 103963065 A 1/1页 2 1.一种电动手（10），具有多个手指（12），通过该手指（12）的开闭动作来把持对象物， 该电动手（10）的特征在于。
3、，具备： 工作部（80），其使上述多个手指（12）工作； 力传感器（60），其与上述多个手指（12）中的至少一个关联地检测作用于该至少一个 手指（12）的工作方向上的力； 力控制部（82），其根据通过上述力传感器（60）检测出的力检测值，发送驱动指令； 驱动部（86），其根据通过上述力控制部（82）发送的上述驱动指令而向上述工作部 （80）提供电流，从而来驱动上述工作部（80）； 力判定部（88），其判定上述力检测值是否达到预先确定的力目标值； 电流限制部（84），其在通过上述力判定部（88）判定上述力检测值达到了上述力目标 值的情况下，限制该电流使得提供给上述工作部（80）的电流成为预先确定。
4、的保持电流以 下。 2.根据权利要求1所述的电动手（10），其特征在于，还具备： 死区判定部（90），其判定上述力检测值是否包含在被设定在比上述力目标值更大的上 限值和比上述力目标值更小的下限值之间的死区的范围内； 限制解除部（92），其在通过上述死区判定部（90）判定上述力检测值不包含在上述死 区的范围内的情况下，解除上述电流限制部对上述工作部（80）的电流的限制。 3.根据权利要求1或2所述的电动手（10），其特征在于， 上述工作部（80）具备：电动机（20）；变换机构部（24），其将该电动机（20）的旋转运动 变换为直线运动。 4.根据权利要求3所述的电动手（10），其特征在于， 上述变。
5、换机构部（24）是滑动螺钉。 权 利 要 求 书CN 103963065 A 1/6页 3 具备力传感器的电动手 技术领域 0001 本发明涉及一种通过手指把持对象物的电动手。 背景技术 0002 为了依次将多个对象物运送到预定位置而使用机器人。一般机器人在臂前端具备 具有多个手指的手，通过对这些手指进行开闭动作来把持对象物。如果把持对象物的力过 大，则对象物会变形或破损。另一方面，如果把持力过小，则在移动的途中有可能无法保持 对象物而落下。因此，要求手能够根据对象物的硬度和重量来调整把持力。 0003 在手是由电动机驱动的电动手的情况下，如果调整电动机的输出转矩，则能够向 手指赋予必要的把持。
6、力。但是，为了赋予充分的把持力，需要向电动机供给大的电流。在手 把持对象物期间，如果持续供给大的电流，则有时会由于电动机的发热而使电动机的动作 效率降低的情况。另外，如果由于停电等原因供给电力被切断，则有可能把持力降低而使对 象物落下。 0004 在JP-A-2011-183513中公开了一种在保持对象物后降低提供给电动机的电流的 电动手。在该电动手中，利用隔在电动机和手指之间的齿轮减速机的滞后作用，谋求维持在 降低供给电流的同时维持必要的把持力。 0005 在JP-A-2010-105125中，公开了一种具备弹簧的电动手。在该电动手中，利用弹 簧的推进力，谋求在停电时也能够维持把持力。 00。
7、06 在JP-A-2011-183513所公开的电动手中，要求某种程度大小的摩擦作用于齿轮 减速机。但是，这样的摩擦在使电动机动作时成为降低输出转矩的负荷，因此赋予手指的把 持力受到其影响而发生变化。由此，无法进行细致的控制，在只要求很小的把持力的情况 下，难以赋予希望的把持力。 0007 另外，在JP-A-2010-105125所公开的电动手中，为了设置弹簧而要求复杂的构 造，成本会增大。另外，弹簧成为电动机的负荷，因此要求比使电动机动作更大的转矩、即更 大的电流，从而电动机的发热可能成为问题。 0008 因此，希望有一种能够正确并且稳定地赋予必要的把持力的电动手。 发明内容 0009 根据。
8、本申请的第一个发明，具有多个手指而通过该手指的开闭动作把持对象物的 电动手具备：工作部，其使上述多个手指工作；力传感器，其与上述多个手指中的至少一个 关联从而检测作用于该至少一个手指的工作方向上的力；力控制部，其根据通过上述力传 感器检测出的力检测值，发送驱动指令；驱动部，其通过根据由上述力控制部发送的上述驱 动指令而向上述工作部供给电流来驱动上述工作部；力判定部，其判定上述力检测值是否 达到预先确定的力目标值；电流限制部，其在通过上述力判定部判定上述力检测值达到了 上述力目标值的情况下，限制该电流使得提供给上述工作部的电流成为预先确定的保持电 流以下。 说 明 书CN 103963065 A。
9、 2/6页 4 0010 根据本发明的第二发明，第一个发明的电动手还具备：死区判定部，其判定上述力 检测值是否包含在被设定在比上述力目标值更大的上限值和比上述力目标值更小的下限 值之间的死区范围内；限制解除部，其在通过上述死区判定部判定上述力检测值不包含在 上述死区的范围内的情况下，解除上述电流限制部对上述工作部的电流的限制。 0011 根据本申请的第三个发明，在第一个或第二个发明的电动手中，上述工作部具备： 电动机；变换机构部，其将该电动机的旋转运动变换为直线运动。 0012 根据本申请的第四个发明，在第三个发明的电动手中，上述变换机构部是滑动螺 钉。 0013 参照在附图所示的本发明的示例。
10、的实施方式的详细说明，能够更清楚地了解这些 以及其他的发明的目的、特征和优点。 附图说明 0014 图1是表示电动手的立体图。 0015 图2是表示电动手的内部结构的截面图。 0016 图3是控制电动手的控制装置的功能框图。 0017 图4是表示控制电动手的步骤的流程图。 具体实施方式 0018 以下，参照附图说明本发明的实施方式。为了有助于理解本发明，图示的实施方式 的构成要素有时从实用的形式变更比例尺。 0019 图1是表示电动手（以下简称为“手”）10的立体图。图2是表示手10的内部结构 的截面图。在图1中，省略了手10的手指12。通过将手指12分别固定在从手10的外壳 14的底面14a。
11、向下方延伸出的一对手指基座16上，而将其安装到手10上。在图1中，表示 用于固定手指12的固定螺钉（未图示）所通过的螺钉孔18。一对手指基座16被设置得能 够使由外壳14进行限定的内部14b向相互相反的方向直线移动。 0020 如图2所示那样，手指12在正面视图中具有大致L字形的形状，具有被固定在手 指基座16上的手指主体12a、朝向相对的另一方的手指12突出的把持部12b。手指由不锈 钢、铁等具有弹性的材料形成。如后面更详细地说明的那样，一对手指12与手指基座16一 起向图示的箭头的方向移动，相互接近或远离。通过这些手指12相互向相反方向工作，把 持部12b进行开闭。手10通过把持部12b这。
12、样进行开闭动作，而将对象物把持在手指12 的把持部12b之间，或从把持的状态释放。图示的手10和手指12的形状只不过是示例，手 和手指能够根据需要具有任意的形状。另外，能够任意地变更手指的配置、结构和个数。 0021 手10具备电动机20、传递电动机20的输出转矩的传递机构部22、将传递机构部 22的旋转运动变换为直线运动的变换机构部24、控制电动机20的动作的控制装置26。控 制装置26包括CPU、ROM、RAM等未图示的硬件要素。ROM是存储为了把持对象物而使电动机 20动作的控制程序以及各种参数等关联数据的非易失性存储器。CPU为了执行存储在ROM 中的控制程序而执行各种运算。RAM是暂。
13、时保存CPU的运算结果的易失性存储器。控制装 置26和电动机20之间通过未图示的电缆而连接。经由该电缆提供用于驱动电动机20的 控制电流。 说 明 书CN 103963065 A 3/6页 5 0022 传递机构部22具有相互联动地传递动力的第一旋转元件30、第二旋转元件32。第 一旋转元件30的旋转轴30a与电动机20的旋转轴20a连结，电动机20和第一旋转元件30 等速度地旋转。第二旋转元件32形成为以预定的减速比来传递第一旋转元件30的旋转动 力。这样，传递机构部22形成为具备作为减速机的功能，增大从电动机20输出的转矩进行 传递。 0023 传递机构部22可以由齿轮、同步带或滑轮以及其。
14、他公知的传递机构形成。传递机 构部22也可以不具有作为减速机的作用。在该情况下，可以设置不同于传递机构部22的 减速机。 0024 第二旋转元件32的输出轴32a的旋转运动通过变换机构部24而变换为直线运 动。变换机构部24具有与第二旋转元件32的输出轴32a连结的进给螺钉40、与进给螺钉 40螺合的一对螺母42、可旋转地支持进给螺钉40的轴承44。进给螺钉40以中央部为边界 被分为形成了右螺钉的右螺钉部、形成了左螺钉的左螺钉部。一对螺母42的一个与右螺钉 部螺合，另一方与左螺钉部螺合。由此，随着进给螺钉40旋转，一对螺母42向相互相反的 方向移动，接近或远离。进给螺钉40可以是滚珠丝杆或滑动。
15、螺钉。 0025 螺母42被安装在螺母安装部46上。在图2中，对螺母安装部46施加了阴影线。 在螺母安装部46上形成与螺母安装部46同轴的贯通孔，螺母安装部46在该贯通孔中容纳 螺母42。在螺母42的端面设置向半径方向外侧突出的法兰42a，法兰42a和螺母安装部46 通过螺栓（未图示）而相互固定。 0026 变换机构部24还具备安装在划分外壳14的内部空间14b的工作部壁部14c上的 滑块引导部50、能够沿着滑块引导部50直线状地滑动嵌合的滑块52。上述螺母安装部46 被螺栓固定在滑块52上，在进给螺钉40旋转时，螺母42不围绕进给螺钉40旋转，而沿着 滑块引导部50直线状地移动。在滑块引导部。
16、50上例如沿着滑块引导部50的全长形成槽， 滑块52例如具有与滑块引导部50的槽嵌合的突起。 0027 可容纳手指12而形成的手指基座16经由收容了力传感器60的传感器外壳62被 固定在螺母安装部46上。根据这样的传递机构部22和变换机构部24，在进给螺钉40接收 到电动机20的动作而进行旋转时，螺母42、螺母安装部46、滑块52、传感器外壳62、手指基 座16和手指12沿着滑块引导部50一体地直线运动。这样，电动机20、传递机构部22和变 换机构部24作为相互协作地使手10的手指12工作的工作部而发挥作用。 0028 力传感器60为了检测作用于手指12的工作方向的力，而被设置在手指基座16的。
17、 基端侧。在图示的实施方式中，力传感器60虽然对一对手指12分别设置，但也可以只对一 方的手指12设置力传感器60。这是因为，在把持对象物的状态下作用于这些手指12的力 根据作用反作用的关系而在相反方向上具有相同的大小，可以认为如果检测出作用于一方 的手指12的力就达到了期望的目的。 0029 接着，说明手10的控制装置26的结构。图3是控制手10的控制装置26的功能 框图。工作部80例如由参照图2进行说明的传递机构部22和变换机构部24形成，具有使 手指12进行开闭动作的作用。手指12通过工作部80工作，把持对象物。力传感器60取 得在手指12工作的方向上作用于手指12的力、即把持对象物的力。
18、作为力检测值。控制装 置26具备力控制部82、电流限制部84、驱动部86、力判定部88、死区判定部90、限制解除部 92。 说 明 书CN 103963065 A 4/6页 6 0030 力判定部88判定从力传感器60发送的力检测值是否达到力目标值。力判定部88 的判定既可以根据力检测值是否超过力目标值来进行，也可以根据力检测值是否包含在包 含力目标值的百分之几约百分之十的容许范围的力达到区域中来进行。死区判定部90 判定力检测值是否包含在死区的范围内。死区被设定为在比力目标值更大的上限值和比力 目标值更小的下限值之间。 0031 力控制部82执行反馈控制使得从力传感器60发送的力检测值与预先。
19、确定的力目 标值一致。力控制部82根据力检测值和力目标值之间的力偏差值，向电流限制部84发送 驱动指令。电流限制部84具有限制电流的作用使得从力控制部82发送的驱动指令成为预 先设定的保持电流值以下。一旦通过力判定部88判定力检测值达到力目标值，则电流限制 部84开始动作，并持续动作直到把持动作结束为止。电流限制部84直接向驱动部86发送 来自力控制部82的驱动指令，直到通过力判定部88判定力检测值达到力目标值为止。 0032 驱动部86接受经由电流限制部84从力控制部82输入的驱动指令，供给用于驱动 包含在工作部80中的电动机20的电流。提供给电动机20的电流是如上述那样与来自力 控制部82。
20、的驱动指令对应的电流、或通过电流限制部84限制为保持电流以下的电流。 0033 限制解除部92在通过死区判定部90判定力检测值不包含在死区的范围内时，向 电流限制部84发送用于使电流限制部84的电流限制作用停止的解除信号。即，电流限制 部84的电流限制作用一旦开始动作，则持续到把持动作结束、或从限制解除部92发送出解 除信号为止。 0034 例如，考虑如下这样设定各数值的情况。 0035 力目标值：10N 0036 保持电流值：2A 0037 力达到区域：力目标值的5%、即9.5N10.5N 0038 死区：力目标值的10%、即9N11N 0039 这时，在通过力传感器60检测出的力检测值包含。
21、在力达到区域的9.5N10.5N 的范围内时，力判定部88判定力检测值达到力目标值。另外，在力检测值包含在9N11N 的范围内时，死区判定部90判定力检测值包含在死区的范围内。在判定力检测值包含在死 区的范围内时，通过电流限制部84的作用，向工作部80的电动机20供给的电流被限制为 保持电流值2A以下。即，在与通过力控制部82生成的驱动指令对应的电流超过上限值的 2A的情况下，电流限制部84发挥作用而将供给电流限制为2A。 0040 在上述的例子中，将死区的范围设定得比力达到区域大。如果这样设定，则手10 的动作变得更稳定。例如如果将死区和力达到区域设定为同一范围，则在力检测值稍微偏 离力达到。
22、区域时，马上解除电流限制作用。这是因为这样有可能超过需要而频繁地重复进 行电流限制部84的动作的开始和停止。但是，应该根据需要设定保持电流值、力目标值、死 区的范围、力达到区域等的各设定值，不对本发明的范围进行任何限定。 0041 接着，参照图4说明手10的动作。图4是表示控制手10的步骤的流程图。如果 把持动作开始，力控制部82发送驱动指令（步骤S11）。力控制部82形成为根据从力传感 器60输出的力检测值和力目标值之间的力偏差量来生成驱动指令。此外，在把持动作开始 后，从力传感器60输出的力检测值是零。因此，在把持动作开始后，也可以不根据通常的控 制反馈，例如发送预先确定的驱动指令的初始值。
23、。 说 明 书CN 103963065 A 5/6页 7 0042 驱动部86响应来自力控制部82的驱动指令，向工作部80的电动机20提供与驱 动指令对应的大小的电流（步骤S12）。工作部80利用电动机20的动力经由传递机构部22 和变换机构部24进行工作，使一对手指12相互接近。如果在通过手指12把持对象物的状 态下进一步使手指12工作，则赋予手指12的把持力增大。 0043 重复进行步骤S11和步骤S12直到在步骤S13中通过力判定部88判定力检测值 达到力目标值为止。根据手指12的材质、对象物的材质其他条件来决定力目标值，从而不 使对象物过度变形而能够保持稳定。 0044 如果在步骤S1。
24、3中判定力检测值达到了力目标值，则电流限制部84启动，根据需 要限制电流使得由力控制部82发送的驱动指令不超过预先确定的保持电流值（步骤S14）。 具体地说，在生成超过保持电流值的驱动指令的情况下，代替与驱动指令对应的电流而向 电动机20提供保持电流值。 0045 在本实施方式中，在向电动机20提供的电流降低后，也利用在传递机构部22和变 换机构部24中产生的摩擦维持必要的把持力。例如，在工作部80的制动作用中利用在传 递机构部22的减速机构部和变换机构部24的进给螺钉40以及螺母42中产生的摩擦力。 手指12虽然由于来自对象物的反作用而在使手指12相互离开的方向上受到力，但由于摩 擦力的制动。
25、作用，作用于手指12的力使电动机20旋转需要非常大的力。由此，即使限制提 供给电动机20的电流，也能够维持把持力。在进给螺钉40是滑动螺钉的情况下，与螺母42 之间的接触面积变大，产生比较大的摩擦，因此具有能够将保持电流值设定为更小的值的 优点。 0046 这样，如果一旦手指12以充分的把持力把持对象物，则能够将提供给电动机20的 电流抑制到最低，能够防止电动机20的过度发热。为了提高摩擦力的制动作用，既可以增 大传递机构部22的减速比，或者也可以减小进给螺钉40的螺距、即一圈旋转的移动量，或 者还可以是这两方面。如果能够赋予充分的制动作用，例如在停电等暂时完全切断向电动 机20的电力的情况下。
26、，也能够维持向手指12赋予的把持力。 0047 在电流限制部84动作的状态下，在每个控制周期，通过死区判定部90判定力检测 值是否包含在死区的范围内（步骤S15）。在步骤S15中判定力检测值偏离死区的范围内的 情况下，返回步骤S11，执行没有电流限制部84的电流限制的通常的反馈控制。这样，根据 本实施方式的手10，一旦向手指12赋予充分的把持力，即使在向电动机20的供给电流降 低后，由于任何的理由而把持力降低了的情况下，也再次恢复为通常的控制，从而维持把持 力。例如在由于对象物的无法预期的变形而产生无法维持把持力的情况下，可能引起把持 力的降低。持续进行死区判定部90的判定直到把持动作结束为止。
27、（步骤S16）。 0048 如上述那样，根据本实施方式的手，利用与手指关联的力传感器所得到的力检测 值来执行反馈控制，从而能够正确地赋予根据给定的条件而要求的各种大小的把持力。另 外，在一旦得到必要的把持力后，限制向电动机的供给电流，因此即使在把持对象物的时间 变长的用途中，也能够防止电动机的过度的发热。由此，具有以下的优点，即能够使用小型 电动机，或能够省略昂贵的散热单元。通过使电动机小型化能够减小手整体的尺寸，因此除 了能够削减成本以外，手的用途的范围扩大。如果使用滑动螺钉作为变换机构部，则能够减 小用于维持把持力的保持电流值，因此在停电时也能够防止手指失去把持力而对象物落下 的情况。另外。
28、，在开始限制供给电流后把持力意外地降低了的情况下，也能够恢复为通常的 说 明 书CN 103963065 A 6/6页 8 控制，从而能够提高把持动作的可靠性。 0049 也可以省略上述的死区判定部90和限制解除部92。例如在对象物具有不会由于 手的通常的把持动作而变形的程度的充分的强度的情况下，一旦得到必要的把持力，则其 后不需要解除电流限制作用直到把持动作结束为止。在这样的情况下，能够省略死区判定 部90和限制解除部92，简化控制装置26的功能。 0050 在把持对象物后，有时有因电动机20的超出而把持力不稳定的情况，因此也可以 设定为在开始把持动作后经过预定的时间、例如10ms后，开始力。
29、判定部80的判定。 0051 在工作部所使用的减速机构部的减速比较大的情况，或进给螺钉的螺距较小的情 况下，有时即使切断提供给工作部的电流，手指的动作也会由于摩擦而被锁定。在该情况 下，可以将电流限制部的保持电流值设定为0、即完全切断提供给工作部的电流。 0052 发明效果 0053 根据具有上述结构的电动机，通过力传感器检测作用于手指的力，根据检测结果 调整把持力。由此，能够正确地向手指赋予必要的把持力，并且能够从大的力到小的力的广 范围内赋予把持力。 0054 以上，说明了本发明的实施方式的例子，但本技术领域的技术人员能够了解根据 其他的实施方式和变形例子也能够起到本发明的希望的作用效果。特别是既可以不脱离本 发明的范围来消除乃至置换上述实施方式的构成要素，也能够进一步附加公知的方法。另 外，本技术领域的技术人员能够了解任意地组合在本说明书中明示或暗示地公开的多个实 施方式的特征也能够实施本发明。 说 明 书CN 103963065 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103963065 A 2/3页 10 图3 说 明 书 附 图CN 103963065 A 10 3/3页 11 图4 说 明 书 附 图CN 103963065 A 11 。