CN100336637C

CN100336637C - 机器人示教装置

Info

Publication number: CN100336637C
Application number: CNB2005100588071A
Authority: CN
Inventors: 二瓶亮; 加藤哲朗; 黑下彰喜
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: CN1676287A; KR100741618B1; US20050222714A1; JP3923053B2; TWI276933B; KR20060044963A; TW200602829A; JP2005293098A; EP1582955A2

Abstract

本发明涉及示教工业用机器人各种动作的机器人示教装置。操作人员(4)利用安装在机器人(1)的胳臂前端的把手(5)对机器人(1)施加外力，就可以由力感应器(30)或者加速度感应器(40)检测出或推测出外力。机器人控制装置(2)的仿形控制装置(8)求出工具前端点(31)的位置，当机器人位于在有效范围设定区域之内设定的仿形有效范围(15；18)以及有效线段(16)上时，就进行仿形控制。参照仿形控制设定的区域(9)中现在所处的区域之内的仿形控制的设定内容，决定应该仿形的方向移动与姿势变化，仅对该方向的移动和姿势变化进行仿形控制，使机器人移动。

Description

机器人示教装置

技术领域

本发明涉及示教工业用机器人各种动作的机器人示教装置，例如对从模具中提取成品的应用中所使用的机器人示教其动作的适宜的机器人示教装置。

背景技术

示教机器人位置以及姿势的典型的方法之一就是通过手动操作让机器人做动作，让它到我们所希望的位置以及做希望的姿势，并把此时的位置和动作教给机器人，即所谓的教育演示方式(teaching-playback方式)。为了达到用手动操作机器人的目的，一直以来使用的最一般的方法就是操作设置在示教操作盘上的操作键(慢移动键)，该示教操作盘连接在机器人控制装置上。

可是，这种方法需要把坐标轴(比如机器人基准坐标系的X轴、Y轴、Z轴)及机器人轴(比如J1、J2……J6轴)相对应的几个操作键分开使用并指定机器人的移动方向，要记住各个键的操作与机器人的移动方向之间的对应关系需要花费很多时间。特别是如果操作人员不习惯这种操作的话，有可能会产生因为错误操作而引起的机器人与周围的物体或者操作人员自身相碰撞的危险。

到目前为止，在消除原来技术的不足之处、操作人员在手动操作机器人示教它们的位置与姿势这一方面，还没有出现能够让操作人员在比较容易感知的情况下通过手动操作来示教机器人使它们移动的机构，而且，也没有见过具有能够防止在用手动操作机器人时产生的机器人与周围的物体或者操作人员相撞的简单机构的机器人示教装置。

发明内容

本发明的目的就是要消除原来技术的不足之处，提供一种用很简单的方法来示教机器人的机器人示教装置。其在操作人员用手动操作来示教机器人位置与姿势时，操作人员能够用一种很容易感知的方法来手动机器人使之移移动进行示教，并且在用手动操作使机器人移动时，能够可靠地防止发生机器人与周围的物体或者操作人员相撞的事件。

本发明引进了一种在手动操作机器人的移动时可以让操作人员凭知觉来简单地把握机器人的移动方向的机器人控制方法，即“依靠仿形控制来移动”，也就是“根据施加给机器人的外力来移动机器人”，还可以在短时间内准确地掌握机器人的操作，同时通过以这种仿形控制限制使机器人移动的范围，就能够很简单地避免机器人与周围的物体或者操作人员的相互干扰。此外，还可以使机器人只按照规定好的方向来做仿形控制的移动，这就更加准确地减少了错误操作。另外，之所以使用仿形控制是因为仅靠操作人员施加给机器人的很小的外力来移动机器人是很困难的事。

更加具体的来说，本发明应用于通过外力来移动机器人使它位于我们所希望的位置或者做我们所希望的姿势、然后示教机器人处于移动后的位置或姿势的机器人示教装置。另外，本申请中的“仿形控制”是取代根据一般意义上的仿形控制的杰作轮廓所做的动作，由操作人员等输入施加的外力来控制机器人的动作的意思。还有，“机器人的位置或者姿势”是指代表机器人的位置或姿势的几个点的位置或姿势，典型的可以说是工具前端点(工具坐标系)的位置以及姿势，但也可以是固定在胳臂前端的机械界面坐标系的位置以及其姿势。

采用本发明，提供一种机器人示教装置，其可以让机器人向我们所希望的位置或者姿势移动，然后示教机器人到移动后的位置或者姿势，该机器人示教装置具备：检测或推断施加给机器人的外力并根据检测或推断出的外力来移动机器人的仿形控制机构；设定由仿形控制机构来移动机器人时的有效范围的有效范围设定机构；当机器人位于所设定的有效范围内时依靠仿形控制机构来使仿形控制生效的机构。

所述机器人示教装置还具备仿形控制设定机构，以用于设定对机器人在有效范围内朝预先规定好的方向移动或者在预先规定好的坐标轴附近变化姿势这两者或者仅是一方实施的仿形控制的限制，仿形控制机构最理想的就是根据设定好的范围来实行仿形控制。

还有，有效范围设定机构最好是根据事先准备好的模式示教程序中规定的示教点的位置或者是事先指定的示教点的位置与范围之间的大小这个指标来规定仿形控制的有效范围。

另外，仿形控制机构当机器人的控制点位于连接模式示教程序中规定的任意示教点或者是模式示教程序中规定的相邻的点之间的线段上时，它就会对机器人仅在连接相邻的点的线段的方向实行仿形控制，所以最好的就是沿连接相邻的示教点的线段来引导相邻的示教点之间的机器人的移动。

所述机器人示教装置最好还具备一种认识机构，在仅对连接相邻的示教点之间的线段的方向实行仿形控制时，如果接近针对示教点而预先规定好的距离之内，仿形控制会停止一会然后就自动地重新开始，让操作人员认识到机器人接近了示教点。

此外，所述机器人示教装置还具备显示机构，在仅向连接相邻的示教点间的线段方向实行仿形控制时，显示这个示教点或与接近事先规定好的距离以内时示教点相对应的模式示教程序中的程序段。

另外，在修改模式示教程序中规定的示教点的位置时，可以把修改后的示教程序变为新的模式示教程序。

仿形控制机构中的仿形控制，可以根据驱动机器人的各个轴的马达扭矩或者速度来推测外力，并自动地将机器人向推测的外力变小的方向移动来实现，也可以通过安装在机器人上的力感应器检测外力并自动地将机器人向检测出的外力变小的方向移动来实现。或者，由仿形控制机构来操作的仿形控制可以通过安装在机器人上的加速度感应器来测定加速度，再根据推测出的加速度和包括质量以及惯性动量的力学参数来推测施加给机器人的外力，然后还可以让机器人自动地向推测出的外力变小的方向移动。

以上的每个发明都在机器人上安装了含有安全开关和位置示教键的示教把手，操作人员可以对把手施加外力。

采用本发明，在示教位置以及姿势的手动动作中使用根据外力让机器人移动的仿形控制的手法，可以通过施加外力移动机器人来实现凭直觉就很容易明白的机器人操作。还有，可以通过限制仿形控制实行的机器人的有效移动范围或者只向规定好的方向移动这种可能的实现就可以准确地减少错误操作。所以就可以减少示教机器人作业的负担、保护模具等的周围的物体、使调整程序更加简单。

附图说明

下面将参照附加的图示根据本发明的优选实施方式来更加详细地说明本发明上面提及的以及其它方面的目的、特征和优点。图示中，

图1是说明本发明的实施方式的示教装置的大体情况的图示。

图2是表示用图1中的示教装置来实行处理的大略的流程图。

具体实施方式

下面将参照图示来说明本发明的实施方式。

图1是说明本发明的实施方式的示教装置的大体情况的图示。在图1中，参照符号1表示利用仿形控制来进行手动操作的机器人，

参照符号4表示对机器人1实行手动操作和示教的操作人员。机器人1由连接在该机器人1上的机器人控制装置2所控制。

机器人1的胳臂前端处安装着工具3(在这里是手)，并设置了工具前端点31来代表机器人位置的点。工具前端点31代表工具3的位置或者姿势。在机器人1的胳臂前端点的附近，安装着可以自由装卸的把手5，它是操作人员4用于给机器人1施加外力(并进力或者是旋转动量)的手动操作用把手。有把手5具有安全开关6以及位置示教键7，这些都通过装在操作把手5内部的电路(没有图示)连接在机器人控制装置2上。

把手上除了安全开关、位置指示键以外还设有具有其它功能的键，它们也可以连接在机器人控制装置上。比如说，设置慢移动键、慢移动杠杆、能动开关、警铃器解除键、DO输出键、坐标系切换键，它们都可以连接到机器人控制装置上。

安全开关6的功能是众所周知的，也就是只有操作人员4按动安全开关6才能够允许机器人进入动作状态。另一方面，如果操作人员4松开在安全开关6上的手的话机器人1就会立刻停止，即使对把手5或者机器人1的胳臂施加力量也不会让机器人运动。但是，如后面所说的一样，在按下安全开关6的时候，除非机器人位于为了让仿形控制机构的控制起作用而设定的区域(在此是指工具前端点31这个位置，也可以是代表其它机器人的位置或者姿势的点)之内，否则用外力移动机器人是不允许的。

还有，在把机器人1现在的位置或者姿势示教给机器人控制装置时会使用到位置示教键7。也就是说，在后面的动作中，当用仿形控制来移动机器人使它位于我们所希望的位置或姿势时如果按下位置示教键7，就会把此时的位置或姿势示教给机器人控制装置2。

也可以用示教界面的显示机构把被示教的位置与姿势和示教点相连接起来的轨迹用图示表示出来。

此外，还可以用示教界面的输入方法来获得该示教点的相关说明以及DO的输出或仿形控制的范围等追加信息。在这里，如果把原点位置或待机位置等示教点的意思从选择项中选择的话，也可以设定默认值。

另外，如果事先校准一下成型机等周围的机器与机器人的坐标的话，就可以在周围机器的坐标上进行机器人的仿形控制以及显示和编辑示教位置。

如下面所述，机器人胳臂的前端点位置附近装有力感应器30或者加速度感应器40，这些有时候也会连接在机器人控制装置2上。还有，机器人控制装置2上连接着备有显示机构12(例如LCD)以及输入机构13(例如输入键群)的示教界面11。

机器人控制装置2上备有仿形控制机构8，与仿形控制机构8相关联，还含有仿形控制设定9、模式程序19和有效范围设定10的各个区域。仿形控制设定9的区域具有存储下面说明的仿形控制的各类条件信息、用示教界面11的显示装置来显示、根据示教界面11示教输入的指令来修改某些条件信息等的功能。此外，在仿形控制设定9的区域设定的仿形控制的各种条件中还包括后面所说的在每个有效范围内设定的“仿形移动方向”以及“仿形姿势”。

仿形控制的各种条件中，还可以把仿形控制的方向局限在一个事先设定好的平面方向之内，用慢移动键来移动平面内的垂直方向。另外，在仿形控制的各种条件之中还可以包括以下设定：先不决定仿形控制的有效方向而是先来比较一下在事先设定好的坐标轴方向给机器人的胳臂前端点施加的外力的成分，外力成分最大的轴方向的仿形控制是有效的，或是可以把机器人胳臂前端点的速度成分最大的轴方向的仿形控制作为有效的控制。

模式程序19的区域部分也有很多功能，比如说存储使用脱机程序设计来完成的模式程序的各种数据(特别是位置数据)、用示教界面11的显示机构来显示、根据在示教界面11人工输入的指令来修改数据等。此外，有效范围设定10的区域具有存储与模式程序内的各个示教位置相对应的有效范围的设定内容及其相关的数据、根据示教界面11人工输入的指令来修改这些数据等功能。

举个一般的例子，图1中表示出了相互邻接的两个示教点(给出了模式程序内的位置数据)14、17。与这些示教点14、17相关联，把以示教点14为中心半径是d1的球形部分15和以示教点17为中心(几何学上所说的重心)一边为d2的立体正方形部分18分别设定为仿形控制的有效范围。一般情况下，有效范围可以通过记述各个示教点的位置与几何学上的参数(比如d1、d2)来设定。

还有，与这些仿形控制的有效范围相关联，还设定了从互相邻接的示教点14到示教点17方向的线段16。与这个线段16相关联，规定了根据仿形控制的有效范围来利用的范围(更准确地说就是误差δ范围内的在线段16上的部分)，以后为了方便可以称之为“有效线段”。

仿形有效范围的设定以及有效线段的设定通过与周边机器的通信来取得成型机模式的关闭位置与开放位置等周边机器的位置信息，并可以通过使用这些位置信息而自动计算取得。

仿形控制装置8可以通过下面的(1)-(4)中的任何一种方式来对机器人实行仿形控制。此外，因为使用这些仿形控制装置8这种仿形控制方式本身是众所周知的，在此就省略详细的说明。

(1)根据驱动机器人1的各个轴的马达扭矩以及/或者速度可以推测出机器人1的胳臂前端点(比如说，机械界面坐标系的原点(以下也一样))接受的外力，并使机器人1向推测出的外力变小的方向(也就是外力的方向)方向移动。

(2)机器人1胳臂前端点的附近装有力感应器30，力感应器30与机器人控制装置2连接在一起。仿形控制装置8能够处理表示力感应器30检测出来的施加力以及动量的信号，来取得机器人1的胳臂前端点受到的外力。而且，还可以让机器人1自动地向取得的外力变小的方向(也就是外力的方向)移动。

(3)机器人1的胳臂附近装有加速度感应器40，加速度感应器40与机器人控制装置2连接在一起。仿形控制装置8能处理由加速度感应器40得到的测出的信号，来取得机器人胳臂前端的加速度。根据取得的加速度与事先存储在内部存储器中的力学参数(质量、惯性动量等)来推测作用在机器人1的胳臂顶点(例如机械界面坐标系的原点(以下也一样))上的外力，并使机器人1自动地向推测出的外力变小的方向(也就是外力的方向)移动。

(4)通过装在机器人上的位置检测机构来测定施加给机器人的移动量，并让机器人自动地产生防止它向仿形控制无效的方向移动的力。

正如上面的说明所说的那样，操作人员4可以操作含有安全开关6以及位置示教键7的示教把手5，也可以操作含有显示机构12以及输入机构13的示教界面11。此外，在示教界面11中，当不应用仿形控制的时候，可以发挥用于操作机器人的普通的慢传送操作功能。

另外，操作人员4通过操作示教界面11的输入机构13来显示仿形控制设定9、有效范围设定10以及模式程序19的区域内容，或者可以改变各区域的设定内容等数据。操作人员4甚至还可以握住示教把手5让机器人运动，以此来给机器人1施加外力或者动量。

而且，如果操作人员4用操作把手给机器人1施加外力(并进力或者动量(以下也一样))，这些外力的信息就会以上述(1)-(4)中的某种方式被传给机器人控制装置2，于是就可以得到工具前端点31所代表的施加给机器人胳臂顶点的外力数据(工具坐标系中表现在6轴力上的数据)。

图2是表示在机器人控制装置2的内部进行的推测所述的外力以及检测出外力以后的概略处理的流程图。在各个步骤中会进行以下的处理。

步骤S1：推测或者检测出作用在机器人1的胳臂前端点上的外力。

步骤S2：根据机器人的各个轴的位置信息来取得机器人前端点(工具前端点31)的位置。

步骤S3：把取得的机器人顶点位置与设定在有效范围设定区域10中的仿形有效范围以及有效线段相比较，来判断现在机器人的位置是否在有效范围或者有效线段中的某一个。如果是否定的话(既不属于有效范围又不属于有效线段)处理就进入到步骤S4，如果是肯定的话处理就进入到步骤S5。在图1所表示的例子中，如果机器人的顶点属于示教点14周围的球形部分15或是属于示教点17周围的立方体部分18或是在线段16上(允许事先设定范围时的误差δ)的话处理就进入到步骤S5。

步骤S4：不利用仿形控制而是运行显示机构12显示“有效范围或者线段之外”后再回到步骤S1。另外根据需要可以使用示教界面11来运行向所希望的示教点附近(在步骤S3中肯定时输出的位置)的慢移动。或者还可以利用示教界面11运行向所希望的示教点的移动(也就是一部分模式程序的重新运行)。如果向步骤S3中肯定的场合时的位置移动的话，步骤S3中就会马上出现肯定从而进入到步骤S5。此外，不运行仿形控制的时候不进行外力的检测或推测也没有关系。

步骤S5：要运行仿形控制，首先要比较一下设定在仿形控制设定区域9的内容与现在区域中仿形控制设定的内容，然后来决定仿形的方向以及姿势(也就是仿形外力的移动方向和姿势的变化方向)。仿形控制的设定内容有：“限定仿形移动仅为向与线段16平行的方向(方向是指定的：比如从示教点14到示教点17的方向)的并进移动以及线段16周围的旋转移动”、“限定仿形移动只包括向与机器人坐标系的X轴平行的方向(方向也是指定的：例如X轴方向)的并进移动与X轴周围的旋转移动”等。

步骤S6：为了让仿形控制仅在方向的移动与姿势的变化实行仿形控制，机器人1的各个马达要发出必要的扭矩指令。

此外，仅仿形特定方向的移动与变化姿势的方法之一是机器人韧性控制。比如说在机器人前端点的直交坐标位置(工具前端点31)进行用于驱动控制马达的控制的处理，然后再把获得的处理结果作为应该仿形的方向移动与姿势变化变小。

步骤S7：根据仿形控制装置8发出的针对机器人1各个马达的扭矩指令来运行机器人1的各个马达。这样，在被限定了只能向特定方向移动或是在特定的轴线周围变化姿势的自由度的条件下，机器人的前端(在这里是工具前端点31)就可以把操作人员4施加的外力最小化而运动了。

步骤S8：进行与步骤S3一样的判断。也就是说，判断一下步骤S7中移动后的机器人的位置是否位于有效范围设定区域10中设定的仿形有效区域或有效线段之内的其中一个。如果是否定(既不在有效范围之内也不在有效线段之内)的话处理就返回到步骤S4，是肯定的话处理就进入到步骤S9。但是一般情况下，正常地进行仿形控制的话不会出现否定的结果。

步骤S9：在显示机构12中，用区域显示机构(例如游标表示)20来显示模式程序19的内容中与现在的有效范围或者正在接近的范围以及线段相对应的区域(命令文的区域)。据此操作人员4就可以知道正在示教程序中的哪一个区域。

步骤S10：检查位置示教键7是否按下。没有按下的话处理就返回到步骤S1，已经按下的话处理就进入到步骤S11。

步骤S11：示教机器人1现在的位置。也就是，把模式程序内正在相对的示教点位置的数据内容更改为机器人现在位置的数据内容。

步骤S12：如果更改所有示教点位置的数据内容没有结束的话，处理就返回到步骤S1。如果更改所有示教点位置的数据内容已经结束的话，处理就结束了。但是，想再一次进行示教的时候，可以操作输入机构13从步骤S1重新开始处理。

不断地重复这些过程，逐渐地修改模式程序中示教点位置数据的内容，从而推进机器人的示教。还有，如果安全开关6被放开的话因为产生插入处理机器人1会随时停止，从而会暂时停止处理。可是如果安全开关6再次被按下的话，由重新恢复功能可以实现重新恢复处理结束前的状态。

还有，在机器人的操作和示教进行的过程中，显示机构12中利用区域显示机构(例如游标表示)20来显示(每次到步骤S9时就显示最新的内容)与模式程序19的内容中现在的有效范围或是正在接近的范围或者线段相对应的区域(命令文的区域)，所以操作人员4依靠看到的显示内容就能够知道现在正在示教程序中的哪一个区域。

另外，在沿着线段进行仿形控制的时候，如果机器人现在的位置接近相对于模式程序19内的示教点所规定的距离之内的话，机器人控制装置2中也可以设置暂时停止仿形控制然后再自动重新开始的功能。在这种场合下，可以让操作人员认识到这种抵抗并知道其向示教点的接近。

还有，可以用输入机构13的操作来任意地改变仿形控制的方向以及示教中的区域。依靠方向键来指点或示教机器人的动作方向这种传统的方法，也可以通过操作示教界面11的输入机构13来实现。

以上就附图中所示的实施方式对本发明做了说明，这些实施方式只是说明上的问题，并不意味着限制。所以，本发明的范围并没有被技术范围所限制，不脱离技术范围，就可以修改或更改本发明的优选实施方式。

Claims

1.一种机器人示教装置，其使机器人移动到希望的位置以及姿势，示教移动后的机器人的位置以及姿势，其特征在于，具备：

检测或推测施加给机器人的外力，并根据检测或推测出的外力使所述机器人移动的仿形控制机构；

预先设定与仿形控制机构所进行的所述机器人的移动相关的有效范围的有效范围设定机构；

在所述机器人位于设定的所述有效范围内时，使所述仿形控制机构的仿形控制有效的机构。

2.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，所述的机器人示教装置还具备仿形控制设定机构，用于设定限制使得仅对在所述有效范围内向预定的方向移动以及在预定的轴线周围变化姿势这两者或其中一方实行仿形控制，所述仿形控制机构根据所设定的限制来实行仿形控制。

3.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，所述有效范围设定机构根据事先准备好的模式示教程序中所规定的示教点的位置或者事先指定的示教点的位置和表示范围大小的指标来决定仿形控制的有效范围。

4.根据权利要求3所述的机器人示教装置，其特征在于，所述仿形控制机构在所述机器人的控制点位于连接所述模式程序中所规定的任意示教点或者所述模式示教程序中所规定的相邻示教点的线段上时，仅向连接相邻的示教点间的线段方向实行仿形控制，沿连接所述相邻的示教点之间的线段引导所述机器人在所述相邻的示教点之间移动。

5.根据权利要求4所述的机器人示教装置，其特征在于，所述机器人示教装置还具备一种机构，在仅向连接相邻的示教点之间的线段方向实行仿形控制时，一旦相对于示教点接近到预定的距离之内，仿形控制就暂时停止，然后再自动地重新开始，从而让操作人员认识到机器人已接近示教点。

6.根据权利要求4所述的机器人示教装置，其特征在于，所述机器人示教装置还具备一种机构，在仅向连接相邻的示教之间点的线段方向实行仿形控制时，显示与逐渐接近的示教点或者接近到预定的距离之内的示教点相对应的模式示教程序中的程序段。

7.根据权利要求3所述的机器人示教装置，其特征在于，通过修改所述模式示教程序中所规定的示教点的位置，把所做成的示教程序作为新的模式示教程序。

8.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，所述仿形控制机构，根据驱动所述机器人各个轴的马达的力矩以及速度的一方或者两方来推测外力，让所述机器人自动地向推测出的外力变小的方向移动。

9.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，所述仿形控制机构由安装在所述机器人上的力感应器来检测外力，让机器人自动地向被检测出的外力变小的方向移动。

10.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，所述仿形控制机构由安装在所述机器人上的加速度感应器来测定加速度，根据测定出的加速度和包括质量以及惯性动量的力学参数来推测施加给所述机器人的外力，让所述机器人自动地向推测出的外力变小的方向移动。

11.根据权利要求1所述的机器人示教装置，其特征在于，具有安全开关以及位置示教键的示教把手安装在所述机器人上，操作人员对所述示教把手施加外力。