CN101314224A - 加工机器人的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加工机器人控制装置，其使在加工机器人(1)上安装的刀具(18)的作用部(19)接触工件(20)来加工工件，具有：检测单元(15)，用于检测在刀具的作用部和工件之间作用的力或者转矩；变换单元(22)，用于把通过检测单元检测到的力或者转矩变换为加工机器人的关节轴的力或者转矩；弯曲计算单元(25)，其根据通过变换单元得到的加工机器人的关节轴的力或者转矩，计算加工机器人的关节轴中的弯曲；和修正单元(28)，其修正加工机器人的关节轴中的位置指令或者速度指令中的至少一方，以补偿通过弯曲计算单元计算出来的弯曲。由此，不受关节轴的弯曲影响而正确地对机器人的位置进行修正。

Description

加工机器人的控制装置

技术领域

本发明涉及多关节机器人的控制装置。特别是，本发明涉及对于工件进行摩擦焊接或者磨削等加工的加工机器人的控制装置。

背景技术

历来，使用在多关节机器人上安装的刀具加工工件。在这样的作业中，希望通过事前检查刀具接触工件的状态，来避免给工件施加过大的力。

在特开2005-125427号公报以及特许第2718688号中公开的控制装置中，为避免给工件施加过大的力，在作业坐标系中修正机器人的位置。在这些特开2005-125427号公报以及特许第2718688号中公开的控制装置，在机器人的刀具动作比较小的场合，例如在进行点焊或者缝焊的场合等中使用。

但是，在刀具和工件之间作用的力比较大的场合，例如在进行摩擦焊接或者磨削的场合，在刀具和工件接触时，有时机器人的关节轴弯曲。

在存在这样的弯曲的状况下，基于关节轴的弯曲，有时刀具的位置会从本来的位置偏离。因此，在特开2005-125427号公报以及特许第2718688号中公开的控制装置中，也会产生不能正确地修正机器人的位置的事态。

本发明是鉴于这样的事情而形成的，其目的是提供一种控制装置，即使在机器人的刀具和工件之间作用的力比较大的场合，也能够正确地修正机器人的位置。

发明内容

为实现上述目的，根据第一形态，提供一种具有至少一个关节轴的加工机器人的控制装置，其使在所述加工机器人上安装的刀具的作用部接触工件来加工工件，具有：检测单元，用于检测所述刀具的所述作用部和所述工件之间作用的力或者转矩；变换单元，用于把通过该检测单元检测到的所述力或者转矩变换为所述加工机器人的所述关节轴的力或者转矩；弯曲计算单元，其根据通过该变换单元得到的所述加工机器人的所述关节轴的所述力或者转矩，计算所述加工机器人的所述关节轴中的弯曲；和修正单元，其为了补偿通过该弯曲计算单元计算出来的所述弯曲，修正所述加工机器人的所述关节轴中的位置指令或者速度指令中的至少一方。

亦即，在第一形态中，根据计算出来的关节轴的弯曲，修正机器人的位置指令和/或速度指令。因此，在机器人的刀具和工件之间作用的力比较大的场合，例如即使在进行摩擦焊接或者磨削的场合，也能够不受弯曲的影响，正确地修正机器人的位置。由此，可大幅度改善机器人的轨迹。

根据第二形态，在第一形态中，所述检测单元是在所述机器人的所述刀具上安装的力传感器。

优选第二形态中的力传感器是能够检测三方向的力和三方向的转矩的六轴力传感器。

根据第三形态，在第一形态中，所述刀具具有致动器，在检测到所述刀具的所述作用部和所述工件之间作用的力或者转矩时，使用所述刀具的所述致动器的力反馈或者转矩反馈。

亦即，在第三形态中，能够更正确地修正机器人的位置。

根据第四形态，在第一或者第二形态中，在检测到所述刀具的所述作用部和所述工件之间作用的力或者转矩时，使用在对于所述刀具定义的坐标系中的方向上固有定义的参数。

亦即，在第四形态中，在刀具是研磨机的场合是有利的。

根据第五形态，在第一或者第二形态中，在检测到所述刀具的所述作用部和所述工件之间作用的力或者转矩时，使用在根据所述刀具的行进方向定义的坐标系中的方向上固有定义的参数。

亦即，在第五形态中，在使用用于摩擦焊接的刀具的场合是有利的。

根据第六形态，在从第一到第五的任何一个形态中，在所述加工机器人的移动速度比阈值小的场合，根据所述移动速度减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

根据第七形态，在从第一到第五的任何一个形态中，在离开所述机器人的动作的始点或者终点的距离比各自的阈值小的场合，根据所述距离减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

根据第八形态，在从第一到第五的任何一个形态中，在离所述机器人的动作开始时刻的时间或者离动作结束时刻的时间比各自的阈值小的场合，根据所述时间减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

根据第九形态，在从第一到第五的任何一个形态中，具有限制修正所述位置指令或者速度指令的补偿量的最大值的补偿量最大值限制单元。

亦即，在从第六到第九形态中，能够防止过量修正位置指令或者速度指令。

从在附图中表示的本发明的典型的实施形态的详细的说明，能够更加明了本发明的这些目的、特征以及优点和其他的目的、特征以及优点。

附图说明

图1是根据本发明的加工机器人的控制装置的功能框图。

图2是表示图1表示的控制装置的动作的流程图。

图3a是表示在刀具上定义的坐标系的图。

图3b是表示根据刀具的行进方向定义的坐标系的图。

图4是表示进行补偿量的调整时的流程图。

图5是表示机器人移动时的时间和速度的关系的图。

图6是表示进行补偿量的调整时的流程图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施形态。在以下的附图中给同样的构件附以相同的参照符号。为容易理解，这些附图适当地变更了比例尺。

图1是根据本发明的加工机器人的控制装置的功能框图。如图1所示，在机器人1，例如在六轴结构的垂直多关节型机器人上连接有控制装置10。在该机器人1的臂的尖端上安装有刀具18。在图1中，刀具18是在摩擦焊接中使用的刀具，包含作用部19。该作用部19与在支持台31上固定的工件20接触，加工工件20。此外，刀具18也可以是其他结构，例如研磨机。

如图示，在刀具18和机器人1的臂之间配置有六轴力传感器15。该六轴力传感器15能够检测互相垂直的规定的三方向的力和关于该三方向的转矩。另外，通过电动机16驱动刀具18。如图示，这些电动机16以及六轴力传感器15连接控制装置10的变换单元22。

控制装置10是数字计算机，包含存储有各种程序的程序存储部11、和存储各种参数或者阈值的参数存储部21。参数存储部21存储有机器人1的动力学参数，例如机器人1的尺寸等。进而，参数存储部21预先存储将机器人1的各关节轴视作为弹簧时的、关于这些关节轴的弹簧常数。另外，参数存储部21可以临时存储例如在程序存储部11中存储的程序中的动作语句的每一插补周期的补偿量。

如图1所示，控制装置10包含路径计划部12，其根据在程序存储部11中存储的程序的再生时程序中的动作语句的始点位置、终点位置、移动速度、插补形式等信息生成机器人的轨道。另外，控制装置10包含动作插补部13，其根据由路径计划部12生成的轨道，生成每一插补周期的刀具18的正交位置。进而，控制装置10的各轴移动量计算部14，计算与每一插补周期的刀具18的正交位置对应的机器人1的各关节轴的位置。另外，各轴移动量计算部14，计算每一插补周期的各关节轴的移动量，作为位置指令或者速度指令，供给伺服控制部27。

另外，在控制装置1中包含的变换单元22，包含检测流过刀具18的电动机16的电流的刀具轴电流检测部24。驱动刀具18的电动机16的转矩，因为与流过电动机16的电流成比例，所以通过检测电流，可知电动机16的转矩。进而，变换单元22包含力·转矩计算部23，其根据由刀具轴电流检测部24检测到的电流和在参数存储部21中存储的参数，计算机器人1的各关节轴中的力和/或转矩。

进而，如图示，控制装置10包含弯曲计算单元25，其根据由变换单元22得到的力或者转矩，计算加工机器人1的关节轴中的弯曲。进而，控制装置10还包含补偿量计算部26，其补偿由弯曲计算单元25计算出的弯曲。另外，如后述，在补偿量计算部26计算出来的补偿量比较大的场合，有时补偿量调整部29也调整补偿量。

图2是表示图1表示的控制装置的动作的流程图。下面参照图2，说明本发明的加工机器人用控制装置10的动作。首先，从程序存储部11读出规定的程序(步骤101)，判定程序内是否有行(步骤102)，在有行的场合，执行选择的行。此外，在没有行的场合，结束处理。

接着，判定该行是否包含动作语句(步骤103)。在包含动作语句的场合，使插补周期计数器i为零，进行通过路径计划部12形成的路径计划(步骤104、105)。此外，在行不包含动作语句的场合，进行关于该行的逻辑处理(步骤113)，前进到下一行。

如上述，路径计划部12根据程序内的动作语句的始点位置、终点位置、移动速度、插补形式等信息生成机器人的轨道。进而，路径计划部12还决定关于机器人的轨道的插补点数。例如，在生成的机器人的轨道的距离是1m、而且机器人的最小移动距离是1cm的场合，插补点数是“100”。

接着，判定现在的插补周期计数器i是否在插补点数以下(步骤106)。在插补周期计数器i超过插补点数的场合，判断为该行的动作结束，返回步骤102。

另一方面，在插补周期计数器i不超过插补点数的场合，前进到步骤107。在步骤107，各轴移动量计算部14计算加工机器人1的各关节轴的位置指令u0(i)。具体说，各轴移动量计算部14在此次的机器人的各轴位置[J1(i)，J2(i)，J3(i)，J4(i)，J5(i)，J6(i)]中考虑减速机(未图示)的减速比，生成给伺服控制部的位置指令u0(i)。

此外，在生成速度指令的场合，计算上次的关节轴的位置(J1(i-1)，J2(i-1)，J3(i-1)，J4(i-1)，J5(i-1)，J6(i-1))和此次的各关节轴的位置(J1(i)，J2(i)，J3(i)，J4(i)，J5(i)，J6(i))之间的差(J1(i)-J1(i-1)，J2(i)-J2(i-1)，J3(i)-J3(i-1)，J4(i)-J4(i-1)，J5(i)-J5(i-1)，J6(i)-J6(i-1))。接着，各轴移动量计算部14，考虑减速机的减速比，并根据该差，生成速度指令。

其后，在步骤108，判定在该程序内是否存在补偿开关(补偿命令)，在补偿开关有效的场合，前进到步骤109计算补偿量。另一方面，在补偿开关无效的场合，把各关节轴的位置指令u0(i)作为正式的位置指令u(i)向伺服控制部27输出(步骤111)。

补偿量的计算如下进行。首先，刀具轴电流检测部24计算流过电动机16的电流。接着，力·转矩计算部23在该电流上乘以变换矩阵J，变换为刀具18受的力·转矩。

此外，变换矩阵J，这样计算：即，对于在加工机器人1的作业时通过六轴力传感器15检测到的加工机器人1的三方向的力以及关于该三方向的转矩的履历使用最小二乘法。计算出来的变换矩阵J预先在参数存储部21内存储。此外，在程序执行时，也可以从刀具18中取下六轴力传感器15。在不取下六轴力传感器15的场合，在程序执行时也可以把传感器15的输出直接输入弯曲计算单元25。另外，也可以预先安装传感器执行程序来记录每一插补周期的补偿量。在该场合，在把传感器取下执行程序时，也可以使用各插补周期的记录的补偿量。

进而，在加工机器人1的刀具18例如是研磨机的场合，优选采用把电流变换为在刀具18上定义的坐标系上的力·转矩的变换矩阵(请参照图3a)。进而，在刀具18例如在摩擦焊接中使用的场合，采用把电流变换为在刀具18的尖端点的行进方向上定义的坐标系上的力·转矩的变换矩阵是有利的(请参照图3b)。

接着，力·转矩计算部23，从参数存储部21取得加工机器人1的动力学参数。根据刀具18受的力和/或转矩和动力学参数，力·转矩计算部23计算机器人1的各关节轴受的力和/或转矩。此时，力·转矩计算部23进行牛顿欧拉法的后向子例程的计算。

接着，弯曲计算单元25从参数存储部21取得关于机器人1的各关节轴的弹簧常数。然后，弯曲计算单元25根据力和/或转矩以及弹簧常数，对于每一关节轴计算弯曲。

接着，补偿量计算部26，对于每一关节轴计算补偿计算出来的弯曲的位置指令的补偿量Δu(i)(步骤109)。在典型的实施形态中，补偿量Δu(i)是和对于各关节轴的弯曲相等的量而且和弯曲反方向。或者，在考虑全部关节轴的补偿量时，通过反复计算来算出关于全部关节轴的补偿量，使减少刀具18的尖端点的偏离。

其后，从图1可知，控制单元10的修正单元28对于每一关节轴相加位置指令u0(i)和补偿量Δu(i)(步骤110)。由此，对于每一关节轴计算修正后位置指令u(i)，通过伺服控制部27向机器人1的各关节轴输出(步骤111)。接着，在步骤112，插补周期计数器i增加1，重复从步骤106的处理。

由此，即使在机器人1的刀具18受的力比较大的场合，因为也能修正各界轴的弯曲，所以能够正确地修正机器人的位置。这点特别是在机器人1进行摩擦焊接或者磨削的场合是有利的。因此，在本发明中，能够大幅度改善机器人的轨迹。

但是，在机器人1被用于进行摩擦焊接的场合，在刀具18的行进方向上在刀具18的下游侧工件20熔融，而在刀具18的上游侧不熔融。因此，在使刀具18移动时，在刀具18上在行进方向上游侧施加力。

但是，在刀具18的移动速度比较小的场合，刀具18的上游侧以及下游侧双方工件20都熔融。因此，在以比较低的速度使刀具18移动时有时在刀具18上几乎不施加力。

在这样的场合，当直接使用所述补偿量时，认为由于过分修正机器人1的轨迹，会形成不正确的轨迹。因此，在刀具1 8的移动速度比较小的场合，优选通过补偿量调整部29调整由补偿量计算部26计算出来的补偿量。

图4是表示进行补偿量的调整时的流程图。在图4的步骤121，取得机器人1的移动速度V。可以把通过控制装置10生成的速度指令作为移动速度V使用，另外也可以使用通过测定装置(未图示)实际测定的机器人1的测定速度。

接着在步骤122把移动速度V的绝对值|V|与规定的阈值V0(存储在参数存储部21中)进行比较。阈值V0，是即使直接使用补偿量也不会给轨迹坏影响的、速度的临界值，是通过实验等预先决定的。在移动速度V比规定定阈值V0小的场合，前进到步骤123。然后，在补偿量调整部29中，在补偿量Δu(i)的绝对值|Δu(i)|上乘以规定的系数k(0＜k≤1)和移动速度V。规定的阈值V0以及系数k预先通过实验求出，并存储在参数存储部21中。接着，把具有新的绝对值|Δu(i)|的补偿量作为新的补偿量Δu(i)，从补偿量计算部26输出。

由此，根据移动速度V减小新的补偿量Δu(i)。因此，通过采用新的补偿量Δu(i)，可避免过剩补偿机器人1的轨迹，因此能够防止轨迹恶化。

另外，图5是表示机器人移动时的时间和速度的关系的图。在图5中横轴表示时间，纵轴表示机器人1的移动速度。如图所示，当在时刻T0机器人1开始移动时，机器人1的移动速度逐渐增加，在时刻T1大体成为最大值。然后，当机器人1在时刻T2开始停止时，机器人1的移动速度从最大值逐渐减小，在时刻T3成为零。

亦即，在机器人1开始移动后的区间T0～T1、和移动停止前的区间T2～T3中，机器人1的移动速度比较小。因此，即使在这些区间T0～T1以及区间T2～T3中，也调整补偿量Δu(i)，这点是理想的。

在这样的场合，把离开机器人1的移动开始点(与时刻T0对应)或者终点(与时刻T3对应)的距离与各自的规定的阈值比较，在移动开始点或者终点比各自的阈值小的场合，和参照图4所说明的同样调整补偿量Δu(i)即可。同样，也可以把从机器人1的动作开始时刻起的经过时间或者到动作结束时刻的时间与各自的规定的阈值比较。可知：在这样的场合也能够避免过剩补偿机器人1的轨迹。

进而，在另外的实施形态中，也可以把通过补偿量计算部26算出的补偿量Δu与预定的最大值maxΔu进行比较。图6是表示进行补偿量的调整时的流程图。

在图6的步骤131，补偿量调整部29的最大值限制部30，取得通过补偿量计算部26算出的补偿量Δu。接着，将补偿量Δu与预定的最大值maxΔu进行比较。最大值maxΔu，是即使直接使用补偿量也不会给轨迹坏影响的、补偿量的临界值，是通过实验等预先决定的。接着，在补偿量Δu的绝对值|Δu|比最大值maxΔu大的场合，把最大值maxΔu做成新的补偿量Δu的绝对值|Δu|。在这样调整补偿量的场合，也同样能够避免过剩补偿机器人1的轨迹。换言之，最大值限制部30起作为用于机器人1的安全装置的作用。

在参照附图说明的实施形态中机器人1的刀具18，加工固定的工件20。但是，也可以在把刀具1 8固定在固定位置的状态下，通过机器人1使由机器人1抓持的工件20接触刀具18来加工工件20。另外，代替修正位置指令，也可以根据各关节轴的弯曲，修正机器人的速度指令。再者，通过本发明的控制装置，进行点焊或者缝焊的情况也包含在本发明的范围内。

使用典型的实施形态说明了本发明，但是如果是专业人员，就一定能够理解：在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行上述的变更以及其他各种变更、省略和追加。

Claims (9)

1.一种控制装置，其为具有至少一个关节轴的加工机器人(1)的控制装置(10)，它使在所述加工机器人(1)上安装的刀具(18)的作用部(19)接触工件(20)来加工该工件(20)，具有：

检测单元(15)，其用于检测在所述刀具(18)的所述作用部(19)和所述工件(20)之间作用的力或者转矩；

变换单元(22)，其用于把通过该检测单元(15)检测到的所述力或者转矩变换为所述加工机器人(1)的所述关节轴的力或者转矩；

弯曲计算单元(25)，其根据通过该变换单元(22)得到的所述加工机器人(1)的所述关节轴的所述力或者转矩，计算所述加工机器人(1)的所述关节轴中的弯曲；和

修正单元(28)，其为了补偿通过该弯曲计算单元(25)计算出来的所述弯曲，修正所述加工机器人(1)的所述关节轴中的位置指令或者速度指令中的至少一方。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，

所述检测单元(15)是在所述机器人的所述刀具(18)上安装的力传感器。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，

所述刀具(18)具有致动器，

在检测到所述刀具(18)的所述作用部(19)和所述工件(20)之间作用的力或者转矩时，使用所述刀具(18)的所述致动器的力反馈或者转矩反馈。

4.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，

在检测到所述刀具(18)的所述作用部(19)和所述工件(20)之间作用的力或者转矩时，使用在对于所述刀具(18)定义的坐标系中的方向上固有定义的参数。

5.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，

在检测到所述刀具(18)的所述作用部(19)和所述工件(20)之间作用的力或者转矩时，使用在根据所述刀具(18)的行进方向定义的坐标系中的方向上固有定义的参数。

6.根据权利要求1到5中任何一项所述的控制装置，其中，

在所述加工机器人(1)的移动速度比阈值小的场合，根据所述移动速度减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

7.根据权利要求1到5中任何一项所述的控制装置，其中，

在离开所述机器人的动作的始点或者终点的距离比各自的阈值小的场合，根据所述距离减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

8.根据权利要求1到5中任何一项所述的控制装置，其中，

在离所述机器人的动作开始时刻的时间或者离动作结束时刻的时间比各自的阈值小的场合，根据所述时间减小修正所述位置指令或者速度指令的补偿量。

9.根据权利要求1到5中任何一项所述的控制装置，其中，

具有限制修正所述位置指令或者速度指令的补偿量的最大值的补偿量最大值限制单元(30)。

Images