CN100538563C - 控制装置 - Google Patents

Abstract

一种控制装置，在力控制电路的内侧具有位置控制电路，为了规定控制对象对于工件的相对位置和所述工件以及所述控制对象相互的接触力，对所述控制对象的驱动源进行力控制，具有：第一数据取得部，在所述控制对象的动作中，根据对于所述驱动源的位置指令值和实测位置，取得所述位置控制电路的时间常数；第二数据取得部，根据所述控制对象接触到所述工件时的力数据，取得所述控制对象和所述工件的刚性值；和增益自动计算部，在所述位置控制电路的所述时间常数大于所述力控制电路的时间常数的条件下，根据所述第一数据取得部取得的所述位置控制电路的所述时间常数、和所述第二数据取得部取得的所述刚性值，计算所述力控制电路的力控制增益。

Description

控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，例如应用于作为进行组装或研磨加工等工作的控制对象的产业机器人或机床等设备中，在力控制电路的内侧具有位置控制电路来对控制对象进行力控制。

背景技术

一般地，对控制对象进行力控制的控制装置在对力控制电路的力控制增益进行了设定·调整之后，用于控制产业机器人等。被进行力控制的产业机器人可以进行精密配合部件的配合、齿轮的相位聚焦等安装、以及使用クライダ的伴随研磨等接触的精密作业。为了使机器人以较短的周期时间稳定地进行这样的精密作业，需要适当地设定·调整力控制电路的力控制增益。

由于力控制增益受到在机器人前端安装的机械手工具的质量、惯性、机器人·机械手工具·对象物(对象工件)的弹性常数、以及作业时的机器人姿势等实际作业环境的影响，因此需要在每个进行力控制的方向(各个驱动轴方向)施加一定的力，一边从足够低的增益开始一点点地提高增益一边检测对于力指令值的超出量，在超出量不超过一定量的范围内得到力控制增益的上限值。但是，该方法存在如下问题：制约需要花费较多的时间，并且需要熟练。

另一方面，还可以自动地设定力控制增益。在自动进行设定的情况下，通过程序一边一点点地增加力控制增益一边进行作业，记录此时的力的波形，对上升时间、超出量、振动成分等进行计算来计算恰当的力控制增益。但是，在该方法中，需要注意进行调整时的力控制增益的初始值，在设定了高于适当的力控制增益的力控制增益的情况下，在最初的测试中力控制产生振荡，可能会损坏进行作业的机器人、机械、或安装在机械上的机械手工具、对象物等。相反，当为了避免这种情况从较低值的力控制增益开始进行调整时，反复进行测试的次数增加，存在调整需要花费较多时间的问题。而且，因为很多时候为多轴机器人的情况；进行力控制的空间较多的情况；以及三个平移方向加上其轴旋转的三个旋转方向一共六个轴的空间的情况，因此当对该每个轴设定力控制增益时，增益的设定作业需要非常多的时间。

另外，在进行力控制增益的调整时，关于其所有的轴方向，必需注意产生与对象工件之间的接触的各种各样的环境。其原因在于，当直接使用没有在某个轴方向上偶尔接触的机会时得到的力控制增益的值时，在接触时存在不稳定的可能性。例如，在如图6那样要将附带销的棒41插入孔42中时，如图所示，在棒41与孔42发生了错位的状态下可以接触的方向仅为插入方向的Z方向，在X、Y方向上无法接触，在没有把棒41插入孔42中时，无法进行X、Y方向的力控制增益的调整。

另外，作为其他的例子，在将圆柱形的对象工件插入孔的作业中，在其间隙非常小的情况下会产生以下的问题：在从较低值的力控制增益开始时，力控制的性能较差而无法进行插入。如此，在力控制增益调整的初期阶段，尽管力控制增益的性能较差，有时也必须对两个部件进行配合，进行力控制增益的设定或调整的作业自身产生矛盾。

另外，作为控制方法的其他的现有例子，在特开平6-328379号公报(JP-A-06-328379)中公开了不是对应各种作业状态来适当地调整力控制增益对控制对象进行控制，而是具有多个动作修正模块，对应各作业状态来切换动作模式的方法。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而发明的，目的在于提供一种控制装置，其可以通过节省反复进行测试的时间容易地进行力控制增益的设定以及调整，并可以在增益调整的初期阶段避免具有如下矛盾的问题：为了调整增益首先必须进行插入，为了进行插入需要设定某种程度的较高的增益。

为了实现上述目的，本发明的一方式提供一种控制装置，所述控制装置在力控制电路的内侧具有位置控制电路，为了规定控制对象对于工件的相对位置和所述工件以及所述控制对象相互的接触力，对所述控制对象的驱动源进行力控制，其特征在于，具有：

第一数据取得部，在所述控制对象的动作中，根据对于所述驱动源的位置指令值和实测位置，取得所述位置控制电路的时间常数；

第二数据取得部，根据所述控制对象接触到所述工件时的力数据，取得所述控制对象和所述工件的刚性值；和

增益自动计算部，在所述位置控制电路的所述时间常数大于所述力控制电路的时间常数的条件下，根据所述第一数据取得部取得的所述位置控制电路的所述时间常数、和所述第二数据取得部取得的所述刚性值，计算所述力控制电路的力控制增益。

根据上述发明，通过第一数据取得部取得位置控制电路的时间常数，通过第二数据取得部取得控制对象的刚性值，并通过增益自动计算部根据控制电路的时间常数和控制对象的刚性值计算力控制增益，所以无需像现有技术这样在增益的设定作业中耗费时间和功夫，可以容易地进行力控制增益的设定以及调整，可以在增益调整的初期阶段避免具有如下矛盾的问题：为了调整增益首先必须进行插入，而为了进行插入需要设定某种程度的较高的增益。另外，可以提供一种可以柔性地应对机器人或机械的安装、作业程序的变化(作业工序的变化等)，通用性较高的控制装置。

此外，在控制装置的其他方式中，可以通过设置在所述控制对象对于所述工件的接触部附近的力传感器来检测所述力数据。

根据该发明，可以通过设置在控制对象的接触部附近的力传感器来检测力数据，推定精度较高的刚性值。

另外，在控制装置的其他方式中，可以根据驱动所述控制对象的执行单元的电流值取得所述力数据。

根据本发明，通过根据执行单元的电流值取得力数据，可以通过不增加成本的简易的方法判断刚性值。

另外，在控制装置的其他方式中可以使所述力控制为阻尼控制。

根据该发明，可以将本发明应用于目前广泛使用的阻尼控制，阻尼控制的增益调整不花费功夫，可以更简单地使用阻尼控制。

附图说明

根据与附图相关联的以下最佳实施方式的说明，本发明上述以及其他的目的、特征以及优点变得更加明确。在该附图中，

图1是表示包含本发明的控制装置的机器人控制系统的一实施方式的立体图。

图2是图1所示的控制装置的结构图。

图3是表示相同控制装置的控制信号的流程的框图。

图4是用于说明力控制增益的计算方法的流程图。

图5是将力控制电路视为一次延迟模型的框图。

图6是表示将附带销的棒插入孔的状态的说明图。

具体实施方式

下面，根据附图来说明本发明的机器人控制装置(控制装置)。图1表示作为控制对象的平移三个轴、转动三个轴的六轴机器人。对图示的机器人等进行力控制的控制装置大致分为：在力控制电路的内侧串联地具有位置控制电路的系统，和在力控制电路的外侧并联地具有位置控制电路的系统。本发明的控制装置(图2)可以以在力控制电路的内侧串联地具有位置控制电路的系统(参照图3)作为对象，对机器人(控制对象)和对象工件的接触状态进行力控制，并且可以根据位置控制电路的时间常数(延迟)和机器人以及对象工件的安装刚性(还可以通过控制系统置换为机器人的刚性)自动地设定力控制增益。

这里，在推定的刚性中使用含有机器人以及对象工件的刚性，近年来的大多数机器人和重视高速化·轻量化的机械大部分为机器人或机械一侧的刚性低于接触对象物工件的情况，对力控制系统给予的强度的影响机械一侧的刚性占主导作用，因此可以将接触对象的刚性置换为含有机器人和接触对象的刚性。

图1所示的机器人进行配合部件的配合作业。该机器人使用电缆CB1与机器人控制装置5连接，并在其手指尖部2上安装有力传感器3。力传感器3由包含形变测量器的电桥电路构成，检测对力传感器3的检测部作用的六个轴方向的力，为了机器人1的力控制，将检测到的力数据通过电缆CB2发送给机器人控制装置5。安装/固定在力传感器3上的机械手工具4在适当的位置进行抓持爪6的开闭动作来抓持对象工件20。

本实施方式的对象工件20表示为具有凸部21与底面22的两段圆柱形状的安装部件。另一方面，配合对象的对象工件25是形成了具有凹部26的圆柱部27的安装部件，被提供给设置在工作台30上的定位装置32上，定位于规定的位置。凹部26与圆柱部27同心地形成，具有以过盈的关系装入对象工件20的凸部21的尺寸。对象工件25具有工件基准的独立的坐标系(工件坐标系)，存储在机器人控制装置5的存储器中。机器人1也具有机器人1基准的独立的坐标系(机器人坐标系)，存储在机器人控制装置5的存储器。机器人控制装置5将各坐标系中的工件25和机器人1的各自坐标重新转换为统一的坐标系，来切实地进行两个工件20、25的配合。

如图2所示，机器人控制装置5由以下部分构成：输出已生成的力控制的指令值的计算机6；根据由力检测器检测到的实际的力数据对力指令值进行修正处理的力控制电路7；位于力控制电路7的内侧输出速度指令的位置控制电路8；位于位置控制电路7的内侧输出转矩指令值的未图示的速度控制电路；将转矩指令值转换为电流指令值，经由未图示的伺服放大器控制伺服电动机14的未图示的电流控制电路。力控制电路7、位置控制电路8、速度控制电路以及电流控制电路构成了使机器人1的各轴运转的数字伺服电路。此外，在本实施方式中，作为力检测器的力传感器3、作为位置·速度检测器的编码器16、CCD相机等没有包含在机器人控制装置5中，但也可以将这些包含在控制装置中。

计算机6具备CPU(中央演算处理装置)。通过总线把由ROM构成的存储器、由RAM构成的存储器、非易失性存储器、具备液晶显示器的示教操作盘、各种接口以及各种存储器与CPU连接。还可以将力传感器3、显示监控器、CCD相机等与接口连接。

力控制电路7具有：时间常数取得部(第一数据取得部)11，其推定在使对象工件20与对象工件25配合的实际控制条件下使机器人1进行动作时的、与机器人1的各驱动轴有关的位置控制电路8的时间常数T；刚性值取得部(第二数据取得部)12，其推定使机器人的机械手工具4所抓持的对象工件20与对象工件25相接触时的机器人1的刚性值K；以及增益计算部10，在力控制电路7的时间常数大于位置控制电路8的时间常数T的条件下，根据由时间常数取得部11推定出的时间常数T和刚性值取得部12推定出的刚性值K来计算力控制电路7的力控制增益G。

具体的内容如下述那样，时间常数取得部11使用对于机器人1的位置指令和实际的机器人位置的数据，通过自适应滤波器推定位置控制电路8的时间常数T。所推定出的时间常数T根据包含机器人1的位置·姿势，工件20、25的惯性等的环境状态进行变化。作为受到根据机器人1的位置·姿势等发生变化的时间常数的影响，来求出力控制增益G。

刚性值取得部12使用使机器人1的机械手工具4所抓持的对象工件20与对象工件25接触时的力数据、和接触时的机器人1的位置数据，通过自适应滤波器推定刚性值(这样的刚性值由机器人周围的环境状态决定，因此也称为环境刚性)。

这里，在进行力控制的机器人1等设备中探测力的方法中具有如下方法：使用安装在手尖部2上的力传感器3的方法；根据机器人1的各轴上具备的转矩传感器的转矩值推定施加在对象物上的力的方法；根据机器人1的各轴电动机的电流值推定施加在对象物上的力的方法等，在本实施方式中使用力传感器3。由力传感器3检测的力根据虎克定律，等于机器人与工件20、25之间的位移量和机器人1与工件20、25之间的刚性K的积。通过使用力传感器3可以推定精度较高的刚性值K。

此外，也可以采用根据机器人1的各轴所具备的转矩传感器的转矩值来推定力数据的方法、或根据电动机的电流值判断力数据的方法。

然后，对自动调整力控制增益的方法进行说明。图4表示了流程图，在步骤S1中机器人1向作业点附近的位置移动，在步骤S2中对每个驱动轴推定使机器人1进行往复动作时的位置控制电路8的时间常数T，在步骤S3中推定出相配合的工件20、25相接触时的机器人1与工件20、25之间的刚性K之后，根据位置控制电路8的时间常数T和机器人1与工件20、25之间的刚性K自动地设定力控制增益G。以下，对位置控制电路8的时间常数T的推定方法、刚性K的推定方法、力控制增益G的计算方法进行说明。

位置控制电路8的时间常数T的推定方法为：对于进行力控制的机器人1的全部相关的轴方向，分别进行往复运动，根据此时的指令位置和实际位置推定相当于位置控制电路8的延迟时间的时间常数T。具体地说，将位置控制电路8假定为一次延迟系的模型(1/(T·s+1))，来推定T。

在设u(k)为指令位置；y(k)为实际位置；Δt为位置控制电路的计算周期，通过离散值形式作出自适应滤波器的公式时，其表述如下。

$y\left(k\right)-y(k-1)=\frac{\mathrm{\Δt}}{t}\{u\left(k\right)-y\left(k\right)\}$

这里，u(k)-y(k)代表输入值，y(k)-y(k-1)代表输出值。当使用该模型，作出用于推定Δt/T的递推公式时，其表述如下。

εp(k)＝{y(k)-y(k-1)}-{u(k)-y(k)}·θp(k-1)

$\mathrm{\θp}\left(k\right)=\mathrm{\θp}(k-1)+\frac{u\left(k\right)-y\left(k\right)}{{\{u\left(k\right)-y\left(k\right)\}}^2}\·\mathrm{\ϵp}\left(k\right)$

这里，εp(k)代表误差，θp(k)代表推定值。根据收敛于Δt/T的最终的θp(k)的值，求出时间常数T，其表述如下。

$T=\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\θp}\left(k\right)}$

在刚性的推定方法中，在将该时刻的控制周期中的刚性设为K，将力数据设为F(k)，将实际位置设为y(k)，将平衡位置修正用参数(偏置)设为F0，来作成力等于位移与刚性的乘积的模型公式，其表述如下。

F(k)＝K·y(k)+F0

∴ $F\left(k\right)=\left[\begin{array}{cc}K& F0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}y\left(k\right)\\ 1\end{array}\right]$

当根据上述模型公式，通过自适应滤波器来推定刚性K时，递推公式如下所示。

εk(k)＝F(k)-[y(k)1]·θk(k-1)

$\mathrm{\θk}\left(k\right)=\mathrm{\θk}(k-1)+\frac{\left[\begin{array}{cc}y\left(k\right)& 1\end{array}\right]}{{\left(y\left(k\right)\right)}^2+1}\·\mathrm{\ϵk}\left(k\right)$

当通过递推公式进行更新时，(2行1列)的列矢量θk(k)收敛于[K F0]^T。将θk(k)的第一元素的值作为刚性K。

然后，对根据求出的刚性K和位置控制电路8的时间常数T，求出力控制增益G的方法进行叙述。在图3的力控制电路中，在力控制电路7的时间常数与位置控制电路8的时间常数T相比足够大时，视为图5所示的力控制电路7。此时，从力指令Fd至力F的传递函数，由以下公式表示。

$\frac{K}{\frac{1}{G}\·s+K}$

时间常数可以视为(1/(G·K))的一次延迟元素。因此，如果力控制电路7的时间常数为与位置控制电路8的时间常数T相比足够大的某个时间，例如为10T则变得稳定时，将G表述为以下公式。

$G\≤\frac{1}{k\·10T}$

为了尽可能地使力控制的应答性变快，可以表述为以下公式。

$G=\frac{1}{K\·10T}$

如上所述，根据本实施方式，无需在力控制增益G的设定作业上耗费时间和工夫，可以容易地进行力控制增益G的设定。另外，可以提供一种可以柔性地应对机器人1、机械的安装或作业程序的变化(作业工序的变化等)，通用性较高的机器人控制装置5。另外，通过在时间常数T和刚性K中使用推定值，还可以降低噪声的影响。

此外，本发明并不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明实质内容的范围内实施各种变形。例如，在本实施方式中，把自适应滤波器推定出的推定值用于位置控制电路8的时间常数T以及机器人1的刚性K，但也可以代替推定值使用实际测量出的测量值。另外，也可以不使用自适应滤波器，而使用卡尔门滤波器、H∞滤波器等其他的推定器。

Claims (4)

1.一种控制装置(5)，其具有力控制电路(7)，为了规定控制对象(1)对于工件(25)的相对位置和所述工件(25)以及所述控制对象(1)相互的接触力，对所述控制对象(1)的驱动源(14)进行力控制，所述力控制电路(7)具有位置控制电路(8)，所述控制装置(5)的特征在于，具有：

第一数据取得部(11)，在所述控制对象(1)的动作中，根据对于所述驱动源(14)的位置指令值和实测位置，取得所述位置控制电路(8)的时间常数(T)；

第二数据取得部(12)，根据所述控制对象(1)接触到所述工件(25)时的力数据，取得所述控制对象(1)和所述工件(25)的刚性值；和

增益自动计算部(10)，在所述位置控制电路(8)的所述时间常数(T)大于所述力控制电路(7)的时间常数的条件下，根据所述第一数据取得部(11)取得的所述位置控制电路(8)的所述时间常数(T)、和所述第二数据取得部(12)取得的所述刚性值，计算所述力控制电路(7)的力控制增益(G)。

2.根据权利要求1所述的控制装置(5)，其特征在于，

通过力传感器(3)来检测所述力数据，该力传感器(3)设置在所述控制对象(1)的接触部附近。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

根据驱动所述控制对象(1)的执行单元的电流值取得所述力数据。

4.根据权利要求1至3的任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述力控制为阻尼控制。

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