CN101318329A

CN101318329A - 机器人控制装置

Info

Publication number: CN101318329A
Application number: CNA2008100986265A
Authority: CN
Inventors: 加藤哲朗; 黑下彰喜
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2008-12-10
Also published as: JP2008302449A; EP2000268A2; US20080303473A1

Abstract

本发明提供一种机器人控制装置，其用于进行机器人的柔性控制。该用于进行机器人的柔性控制被构成为：在机器人的每个控制轴设有位置以及速度控制环路，将柔软控制中的特定的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益设定成低于特定的控制轴以外的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益，求出机器人的臂前端在跟踪外力过程中应采取的姿势即开始跟踪之前的机器人臂前端的姿势，将根据由施加给机器人的臂前端的外力而移动的特定的控制轴的当前位置、应跟踪所述外力的方向以及开始跟踪之前的机器人的臂前端的姿势所求出的特定的控制轴以外的控制轴的位置指令或者速度指令给予该控制轴的控制环路。

Description

机器人控制装置

技术领域

本发明涉及进行工业用机器人的柔性控制的机器人控制装置，更详细地说的话，涉及用于控制机器人轴驱动用伺服电动机来变更正交坐标系上的柔度的机器人控制技术。

背景技术

作为用于保持柔性控制中的机器人的姿势的现有技术，例如，在以下所述的专利文献1(特许第3473834号公报)中，公开了“机器人控制装置”技术。在该机器人控制装置中，使安装在机器人的手指尖的刀具的姿势保持一定，同时对可进行并进的柔性动作的机器人进行控制。但是，此时，不具有根据跟踪外力的方向求出对不进行柔性控制的控制轴的指令的单元。

此外，另一方面，在以下所述的专利文献2(特开平8-155868号公报)中，公开了用于控制向对于作用于工业用机器人的刀具的外力而预先特定的一定方向的后退跟踪动作的机器人控制方法。但是，此时，也不具有根据跟踪外力的方向求出对不进行柔性控制的控制轴的指令的单元。

【专利文献1】特许第3473834号公报

【专利文献2】特开平8-155868号公报

如以上所述，在用于保持柔性控制中的机器人的姿势的现有技术中，存在这样的问题：不能指定跟踪方向，或者即使可以指定跟踪方向，也会由于控制不跟踪方向的转矩而妨碍向跟踪方向的动作。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而提出的，其目的是提供一种在保持柔性控制中的机器人的姿势的同时，即使在向偏离了跟踪的方向的方向施加力时，也能防止妨碍向跟踪方向的动作的机器人控制装置。

为了达成上述目的，本发明的机器人控制装置，在机器人的每个控制轴设有位置以及速度控制环路，具有下述单元：用于输入机器人的臂前端应跟踪外力的方向的信息的单元；将特定的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益设定成分别低于该特定控制轴以外的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益的单元；求出机器人的臂前端在跟踪外力过程中应采取的姿势即开始跟踪之前的机器人臂前端的姿势的单元；根据由施加给机器人的臂前端的外力而移动的所述特定的控制轴的当前位置、应跟踪所述外力的方向以及开始所述跟踪之前的机器人的臂前端的姿势，分别求出所述特定的控制轴以外的控制轴的位置指令或者速度指令的单元；将所求出的所述特定的控制轴以外的控制轴的位置指令或者速度指令分别给予各自的控制轴的控制环路的单元。

概括地说，在本发明的机器人控制装置中，在柔性控制中的特定的控制轴上降低增益的同时根据跟踪外力的方向求出对不进行柔性控制的控制轴的指令后给出。

理想的是，在本发明的机器人控制装置中，通过手动输入来进行所述特定的控制轴的设定。

而且，理想的是，在本发明的机器人控制装置中，根据机器人的臂前端应跟踪外力的方向和施加外力时机器人的位置来自动地进行所述特定的控制轴的设定。

根据本发明的机器人控制装置，在柔性控制中的特定的控制轴上降低增益的同时根据跟踪外力的方向而求出对不进行柔性控制的控制轴的指令后给出，由此，在保持柔性控制中的机器人的姿势的同时，能够指定跟踪方向，而且不会由于控制不跟踪方向的力矩而妨碍向跟踪方向的动作，即使在向偏离跟踪方向的方向施加了力时，也能以较小的力来向跟踪方向移动。

附图说明

通过参照附图来说明以下所述的本发明的优选实施例而使前面所述的本发明的目的以及特征变得更加明确。

图1是表示本发明的机器人控制系统的整体结构的概略图；

图2是表示本发明的机器人控制装置的结构的框图；

图3是本发明的柔性控制中的控制系统的框图；

图4是表示本发明的正交柔软实行的主处理的流程图；

图5是表示本发明的正交柔软实行的伺服处理的流程图；

图6是表示本发明的正交柔软实行的参数设定画面的图。

具体实施方式

以下参照附图(图1～图6)详细说明本发明的机器人控制装置的优选实施方式。

图1是表示本发明的实施例的机器人控制系统的整体结构的概略图。

图1的机器人控制系统，具有用于进行包含工业用机器人的伺服控制(柔性控制)的系统整体的控制的机器人控制装置RC以及用于根据来自该机器人控制装置RC的控制信号等由伺服电动机等来驱动工业用机器人的机器人机构部RM。而且，还设有包含用户通过手动输入来输入用于进行工业用机器人的柔性控制的参数的参数设定画面的示教操作盘TP。接着，更详细地说明本发明的特征的构成要素的机器人控制装置RC。

图2是表示本发明的实施例的机器人控制装置的结构的框图。但是，在这里简化表示在本发明的实施例中使用的机器人控制装置的结构。另外，以下，对与前面所述的构成要素相同的要素标上同样的参照符号来表示。

下面从与机器人的正交坐标上的柔性控制(以下称为“正交柔软实行(softfloat)”)有直接关系的部分开始说明。图2的机器人控制装置包括：控制系统整体的主CPU1；以及用于将从该主CPU1输出的移动指令或控制指令传送到后述的数字伺服电路2的处理器、或者相反地将来自数字伺服电路2的处理器的各种信号传送到主CPU1的共用RAM存储器3。执行前面所述的伺服控制的数字伺服(软伺服)电路2，由在图2中省略的处理器、ROM以及RAM等存储器等构成。

下面来看其他部分。在主CPU1上连接有ROM4a、RAM4b、非易失性存储器5以及示教操作盘TP。在ROM4a中存储有各种系统程序。RAM4b是主CPU1用于暂时存储数据的存储器。在非易失性存储器5中存储有关于机器人的动作内容的各种程序、关联设定值等。

示教操作盘TP具有液晶显示器(LCD)6以及键盘7，可进行程序数据的输入/变更、关联设定值的输入/变更等。而且，机器人机构部RM具有根据来自主CPU1的移动指令或控制指令来驱动机器人的多个电动机(例如伺服电动机)8。

在本实施例中，在非易失性存储器5中存储有经由后述的正交柔软实行的参数设定画面从示教操作盘TP输入的正交坐标系的各方向的柔度的数据以及坐标系的设定等值。

在进行机器人的柔性控制时，首先，用户在附设在示教操作盘TP的液晶显示器6中调用如图6所示的正交柔软实行的参数设定画面60。

由此，在该参数设定画面上能够进行正交柔软实行的作业坐标系的设定和跟踪外力的方向的设定。

而且，也可以在上述的参数设定画面上进行降低柔性控制中的增益的轴(控制轴)的设定。用户选择对设定成跟踪上述外力的方向(在图6的例中是Y方向)的动作产生较大的影响的关节轴，并输入降低了增益后的位置增益Ksp与通常的位置增益Kp之间的比αp以及降低了增益后的速度增益Ksv与通常的速度增益Kv之间的比αv。此处，示出了选择J1轴，并在J1轴上设定了αp＝5[％]、αv＝5[％]的例子。

此外，上述轴的选择以及比例的设定可以做成不是用户来输入，而是在机器人控制装置侧根据预先规定的规则来确定，并将这样确定的结果显示在参数设定画面上。作为该规则可以使用以下方法：例如，计算在柔性控制开始位置上针对各轴移动量的跟踪方向的正交移动量的雅可比行列式，对其值较大的轴的比αp、αv，自动地设定常数(例如10％、10％)。

图3是本发明的柔性控制中的控制系统的框图，图4是表示本发明的正交柔软实行的主处理的流程图，而且图5是表示本发明的正交柔软实行的伺服处理的流程图。

通过主CPU1(参照图2)从非易失性存储器5(参照图2)等读取的动作程序中的正交柔软实行开始指令或者来自示教操作盘TP的手动操作来使正交柔软实行功能有效时，以规定周期执行如图4及图5所示的处理，并根据以下原理来执行正交柔软实行功能。

即正交柔软实行开始时，在降低增益的轴中使用预先设定的比αp、αv来降低位置环路增益以及速度环路增益，由此执行正交柔软实行功能。

此处，详细说明图4的流程图。根据上述的动作程序来执行图4的正交柔软实行功能的主处理时，首先，如步骤S10所示求出正交坐标系∑0的坐标上的当前位置。

接着，如步骤S11所示，计算用于跟踪外力的移动量ΔJ1～ΔJ6。再者，如步骤S12所示，检测降低增益的轴(例如J1轴)的实际移动量δJ1。

再者，如步骤13所示，计算降低增益的轴以外的轴必要的移动量δJ2～δJ6。进而，如步骤14所示，将必要的移动量δJ2～δJ6写入到共用存储器。由此，结束正交柔软实行功能的主处理。

而且，详细说明图5的流程图。根据上述动作程序来执行图5的正交柔软实行功能的伺服处理时，首先，如步骤S20所示判定是否选择了降低增益的轴(例如J1轴)。

在步骤S20中，判定已选择了降低增益的轴时，进入步骤S21，使用降低了增益后的位置增益Ksp以及降低了增益后的速度增益Ksv来执行位置环路、积分以及速度环路的各种处理。由此，在降低增益的轴中以降低位置环路增益以及速度环路增益的方式进行控制。

此外，另一方面在步骤S20中判定已选择了降低增益的轴以外的轴时，进入步骤S22，从共用存储器读取必要的移动量δJx(此处，Jx表示降低增益的轴以外的轴)。

而且，如步骤S23所示，将必要的移动量δJx加到位置环路的输入，并且将必要的移动量δJx的微分加到速度环路的输入。而且，如步骤S24所示，使用通常的位置增益Kp以及通常的速度增益Kv来执行位置环路、积分以及速度环路的各种处理。由此，结束正交柔软实行功能的伺服处理。

因此，在正交柔软实行功能的执行中，在每一规定周期里进行如图3的控制流程图中所示的处理。

首先，在主CPU1(参照图2)侧，在方框10～方框12中，在正交坐标系∑0的坐标上机器人的刀具前端点(TCP)在从当前位置/P1(/P1表示矢量P1)向跟踪外力的方向/e(/e表示矢量e)保持正交柔软实行开始时的机器人的臂前端的姿势的同时，求出仅动作一定距离D时各轴的动作量(用于跟踪外力的移动量ΔJ1～ΔJ6)。该各轴的动作量可以通过以下公式来计算。此处，/P2(/P2表示矢量P2)表示保持正交柔软实行开始时的机器人的臂前端的姿势的同时仅移动一定距离D后的机器人的位置。

/P2＝/P1+D·/e

/P1→{J11，J21，J31，J41，J51，J61}

/P2→{J12，J22，J32，J42，J52，J62}

{ΔJ1：ΔJ2：ΔJ3：ΔJ4：ΔJ5：ΔJ6}

＝{J11-J12，J21-J22，J31-J32，J41-J42，J51-J52，J61-J62}

接着，在方框13中检测降低增益的轴的实际移动量。例如，当J1是降低增益的轴时，将J1轴的实际移动量作为δJ1。

而且，在上述方框13中求出降低增益的轴以外的轴实际应移动的移动量δJ2～δJ6。该移动量δJ2～δJ6可以通过以下公式来计算。

δJ2＝δJ1×ΔJ2/ΔJ1

.

δJ6＝δJ1×ΔJ6/ΔJ1

经由共用RAM向数字伺服电路2(参照图2)侧发送降低增益的轴以外的轴的移动量δJ2～δJ6。

在数字伺服电路2中，对上述降低增益的轴以外的轴，将上述移动量δJ2～δJ6作为输入加到位置环路(包含位置增益方框20以及位置反馈路径的环路)，并且将由微分器21计算的上述移动量δJ2～δJ6的微分作为输入加到速度环路(包含关于速度增益方框23以及速度反馈路径的微分器22的环路)。

而且，在数字伺服电路2中执行位置环路内的处理以及速度环路内的处理，并进行针对机器人内部的电动机8的数字伺服控制。其结果，机器人的刀具前端点(TCP)能够从当前位置向跟踪外力的方向保持姿势来动作。

但是，在速度环路上具有积分器(例如，图3的积分器24)的机器人的柔性控制中，在开始柔性控制时积分器保留了相当于重力力矩以及库伦摩擦的转矩，而库伦摩擦的转矩的方向与外力相反时，会产生不额外追加消除其转矩的外力就不能移动的异常事态。

作为该对策，在实际生产现场中经常使用以下方法：在跟踪方向进行预备动作，并在速度环路的积分器中对补偿摩擦的方向的转矩进行累计。具体地说，用户在动作程序中，在柔性控制开始指令之前增加进行预备动作的位置控制动作指令。

在不增加位置控制动作指令时，事先设定预备动作的方向以及距离，当有柔性控制开始指令时，通过控制装置的解释程序来生成·执行预备动作，之后使其具有开始柔性控制的功能，这样，就可以把获得同样的效果的功能应用到本实施例中。

此外，由于机器人与周边设备的配置上的原因，当没有进行预备动作的距离时，预先设定相当于在预备动作中在积分器所累计的转矩的量，在柔性控制的执行中，将该转矩加到速度环路的输出，这样，就可以把获得同样的效果的功能应用到本实施例中。

另外，能够通过上述方法来补偿摩擦，仅限于预先知道柔性控制中动作的方向的情况。在不知道柔性控制中动作的方向时，通过施加接近静摩擦的大小的振幅的正弦波、三角波、矩形波等周期性的转矩，可以把下述的功能应用到本实施例中：亦即，在从一个方向施加了外力、且外力与上述周期性的转矩的方向一致时，相叠加后的转矩超过静摩擦而在该方向上可以开始动作。

此外，在作业坐标系上进行正交柔软实行时或者在坐标系上指定预备动作的方向时，有必要事先设定坐标系。作为设定该坐标系的方法，一般是采用直接输入坐标系的参数的方法，但除此之外，还可以在本实施例中应用以下功能来直感易懂地指定坐标系的方向，该功能是，示教两个刀具前端点的位置，并将连接该两点的方向设定在正交柔软实行的作业坐标系的轴中的一个上(例如Z轴)或者预备动作的方向上。

就其本发明的产业上的利用可能性而言，本发明可被应用到这样的机器人控制系统，即，在由机器人控制装置来进行工业用机器人的柔性控制时，通过在柔性控制中的特定的控制轴上降低增益，并且根据跟踪外力的方向来求出对不进行柔性控制的控制轴的指令后施加，可控制机器人轴驱动用的伺服电动机来变更正交坐标系上的柔度的机器人控制系统。

Claims

1.一种机器人控制装置，其在机器人的每个控制轴设有位置以及速度控制环路，其特征在于，

具有下述单元：

用于输入机器人的臂前端应跟踪外力的方向的信息的单元；

将特定的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益设定成分别低于该特定控制轴以外的控制轴的位置控制增益以及速度控制增益的单元；

求出机器人的臂前端在跟踪外力的过程中应采取的姿势即开始跟踪之前的机器人臂前端的姿势的单元；

根据由施加给机器人的臂前端的外力而移动的所述特定的控制轴的当前位置、应跟踪所述外力的方向以及开始所述跟踪之前的机器人的臂前端的姿势，来分别求出所述特定的控制轴以外的控制轴的位置指令或者速度指令的单元；以及

将所求出的所述特定的控制轴以外的控制轴的位置指令或者速度指令给予各自的控制轴的控制环路的单元。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

通过手动输入来进行所述特定的控制轴的设定。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

根据机器人的臂前端应跟踪外力的方向和给予外力时的机器人的位置来自动地进行所述特定的控制轴的设定。