CN101362335B - 机器人程序调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人程序调整装置(11)，其对具有多个轴的机器人手臂的动作程序进行调整。该机器人程序调整装置(11)包含下述单元：过负荷特定单元(12)，其通过从机器人手臂的动作程序依次读入动作命令并执行仿真，从多个轴中特定产生过负荷的轴；附加动作生成单元(13)，其针对由过负荷特定单元特定的轴以外的轴生成附加的动作，来减轻特定的轴的负荷；以及程序调整单元(15)，其根据附加动作生成单元生成的附加的动作，调整机器人手臂的动作程序。这样，无需进行凑试，就可以减轻在负荷大的轴上产生的负荷。

Description

机器人程序调整装置

技术领域

本发明涉及一种对具有多个轴的机器人手臂的动作程序进行调整的机器人程序调整装置。 

背景技术

一般，在离线(off line)状态下生成的机器人的动作程序几乎不会直接在现场使用，而是在进行修正后使用。这是因为，在离线状态的世界和在线(online)状态(现场)的世界，工件和机器人的相对位置关系和机器人的姿势等有微妙的不同，会产生偏移。 

在特开2007-054942号公报中公开了在使用仿真来修正动作程序时计算出机器人的各轴的负荷的技术。 

然而，在特开2007-054942号公报中，即使是能够计算出离线状态下的机器人的各轴的负荷的情况也无法判断这样的负荷或者各轴的速度以及减速机的寿命是否会对机器人的动作带来不良影响。即，没有考虑到离线状态下的机器人的各轴的负荷、速度以及减速机的寿命，因此无法高精度地估计机器人的动作，故此要正确地修正动作程序是有局限的。 

而且，即使在如特开2007-054942号公报所公开地那样能够计算出机器人的各轴的负荷时，关于负荷较大的轴，为了减轻其负荷需要进行凑试。 

即，为了减轻在现有技术中加给轴的负荷，需要变更动作程序内的示教点的同时使机器人实际动作，从而检查是否减轻了负荷，变更示教点，直至减轻了负荷为止。这需要对机器人系统的构筑花非常多的时间。 

发明内容

本发明是鉴于这样的事情而形成的，其目的在于提供一种机器人程序调整装置，其无需进行凑试，而能够减轻负荷大的轴的负荷。 

为了达到上述目的，本发明的第一形态提供一种机器人程序调整装置，该机器人程序调整装置，用于对具有多个轴的机器人手臂的动作程序进行调整， 包含：过负荷特定单元，其通过从所述机器人手臂的所述动作程序顺序读入动作命令并执行仿真，从所述多个轴中特定产生过负荷的轴；附加动作生成单元，其针对由该过负荷特定单元特定的轴以外的轴生成附加的动作，来减轻所述特定的轴的负荷；以及程序调整单元，其根据该附加动作生成单元生成的附加的动作，调整所述机器人手臂的所述动作程序。 

即，在本发明的第一形态中，由过负荷特定单元特定的轴的负荷通过附加动作生成单元被分散到该轴以外的轴。因此，无需进行凑试，就能够减轻特定的轴的负荷。 

根据本发明的第二形态，在第一形态中，所述特定的轴以外的轴比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的尖端侧。 

即，在本发明的第二形态中，可以通过比较简单的操作来减轻特定的轴的负荷。 

根据本发明的第三形态，在第一形态中，所述特定的轴以外的轴比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧。 

即，在本发明的第三形态中，即使在不存在比特定的轴更位于尖端侧的轴时，或者，无法移动比特定的轴更位于尖端侧的轴时，也可以减轻特定的轴的负荷。 

根据本发明的第四形态，在第一至第四形态中任何一个形态中，在生成了2个以上的所述附加的动作时，合成这些附加的动作中的至少2个。 

即，在本发明的第四形态中，通过合成多个附加的动作，可以缩短机器人的动作时间。 

根据本发明的第五形态，在第二形态中，所述附加的动作包含下述动作：使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的尖端侧的轴移动，以使在所述机器人手臂的机器手中把持的工件的重心位于所述确定的轴的旋转中心或者移动方向的延长线上。 

即，在本发明的第五形态中，通过使工件的重心位于所述特定的轴的旋转中心或者移动方向的延长线上，可以将在特定的轴上产生的负荷做成最小限度。 

根据本发明的第六形态，在第三形态中，所述附加的动作包含下述动作：使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧的轴移动，以使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧的轴的旋转中心或者移动方向和在所述机器人手臂的机器手中把持的工件的重心之间的水平方向距离成为最小。

即，在本发明的第六形态中，通过使作用于工件的力不包含水平方向成分，可以将在特定的轴上产生的负荷做成最小限度。 

根据本发明的第七形态，在第一至第六形态中任何一个形态中，所述附加动作生成单元具有干扰检查单元，该干扰检查单元根据所述附加的动作检查所述机器人手臂是否干扰周围设备。 

即，在本发明的第七形态中，事先预测机器人手臂干扰周围设备的状态，从而可以再次调整机器人的程序。 

通过附图所示的本发明的典型的实施方式的详细说明，使本发明的这些目的、特征、优点以及其他目的、特征、优点更加明确。 

附图说明

图1表示包含本发明的机器人程序调整装置的机器人系统的基本结构。 

图2是表示机器人程序调整装置进行的作业的流程的流程图。 

图3表示转矩的图像。 

图4a是表示时间和各轴的负荷转矩之间的关系的图。 

图4b是机器人的动作程序的第一图。 

图4c是机器人的动作程序的第二图。 

图5表示图2所示的流程图的一部分。 

图6是使比特定的轴更位于尖端侧的轴移动的第一例的说明图。 

图7a是图6所示的第一例的其他图。 

图7b是与减轻负荷的图7a相同的图。 

图8是使比特定的轴更位于尖端侧的轴移动的第二例的说明图。 

图9是使比特定的轴更位于基端侧的轴移动的例的说明图。 

图10表示包含直动式轴时的一例。 

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中，对于相同的部件标注相同的参照符号。为了方便理解，适当地变更这些附图的缩小比例尺。 

图1是本发明的机器人程序调整装置的概念图。如图1所示，机器人系统10包含搬运机器人25，该搬运机器人25具有把持被加工物即工件W的机器手26。如图所示，搬运机器人25(以下称为机器人25)是六自由度的多关节型机器人手臂，具有6个轴J1～J6。由图1可知，这些轴J1～J6是从机器人25的基座27朝向机器手26、即从机器人25的基端朝向尖端顺序配置。 

而且，机器人系统10包含：对搬运机器人25进行控制的机器人控制装置11、连接在机器人控制装置11的个人计算机等输入装置20、LCD显示器等显示单元24、以及连接在机器人控制装置11并且进行机器人25的示教操作的示教操作板22。 

机器人控制装置11是数字计算机，具有：用于特定6个轴J1～J6中的产生过负荷的轴的过负荷特定单元12、为了减轻由过负荷特定单元12特定的轴的负荷而针对特定的轴以外的轴生成附加的动作的附加动作生成单元13、以及根据由附加动作生成单元13生成的附加的动作来调整机器人手臂的动作程序的程序调整单元15。 

而且，如图1所示，附加动作生成单元13具有干扰检查单元14，该干扰检查单元14，检查在包括有附加的动作在内的新的动作程序下机器人手臂是否干扰周围设备。另外，机器人控制装置11具有算出单元16，该算出单元计算出机器人的各轴J1～J6中的负荷转矩、速度以及各轴所配备的减速机(未图示)的寿命。 

另外，如图所示，机器人控制装置11具有对机器人25的动作程序以及各种数据进行存储的存储部17。另外，过负荷特定单元12、附加动作生成单元13、程序调整单元15、算出单元16以及存储部17通过双向总线18而相互连接。 

图2是表示本发明的机器人程序调整装置进行的作业的流程的流程图。下面，参照图2对本发明的程序调整装置进行说明。首先，在图2的步骤101中，将机器人25、工件W以及周围设备(未图示)的三维模型显示在显示单元24上。 

接着，在步骤102中，设定机器人25的评价基准。机器人25的评价基准 是各轴J1～J6的负荷转矩、速度以及各轴所配备的减速机的寿命。操作者使用图1所示的输入装置20来设定这些评价基准。 

或者，评价基准(负荷转矩、速度以及减速机的寿命)，例如也可以从作为机器人的轴号码i以及工件W的种类等的函数预先所求得的图像中选择。为了参考，在图3表示负荷转矩T的评价基准的图像。此外，没有图示各轴的速度以及减速机的寿命的图像，假定与负荷转矩的评价基准的图像相同。 

另外，评价基准只要设定负荷转矩、速度以及减速机的寿命中的至少一个就可以。但是，不言而喻，在设定了负荷转矩、速度以及减速机的寿命全部时就能够高精度地估计机器人的动作。 

接着，在步骤103中，从存储部17读入机器人25的动作程序，并在显示单元24上执行仿真。由此，按照单位时间计算出各轴J1～J6的位置以及转矩(牛顿欧拉转矩)。 

接着，在步骤104中，计算出各轴J1～J6的负荷转矩、速度以及轴J1～J6中的减速机(未图示)的寿命。首先，根据仿真结果的各轴J1～J6的位置以及时间的关系，通过以下式(1)计算出轴J1～J6的负荷转矩，严密地说是计算出伺服电动机的负荷转矩。 

负荷转矩＝牛顿欧拉转矩+摩擦力+转动惯量驱动力    (1) 

这里，摩擦力以及转动惯量驱动力各自是按照机器人25以及伺服电动机来特定的规定值，假设这些规定值预先存储在存储部17中。从式(1)计算出的各轴J1～J6中的伺服电动机的负荷转矩与动作程序的行关联起来存储在存储部17中。 

接着，通过以下的式(2)～式(5)计算出机器人25的各轴J1～J6所具有的减速机(未图示)的寿命L10。 

【数学式1】 

$T_n=10/3\sqrt{\frac{t_1\·N_1\·{T_1}^{10/3}+t_2\·N_2\·{T_2}^{10/3}+...+t_n\·N_n\·{T_n}^{10/3}}{t_1\·N_1+t_2\·N_2+...+t_n\·N_n}}---\left(2\right)$

$N_n=\frac{t_1\·N_1+t_2\·N_2+...+t_n\·N_n}{t_1+t_2+...+t_n}---\left(3\right)$

$L_3=2000\×\frac{N_0}{N_n}\×{\left(\frac{T_0}{T_n}\right)}^{\frac{10}{3}}---\left(4\right)$

L₁₀＝L₃×3    (5) 

这里，T_i(1≤i≤n)表示各轴J_i(1≤i≤n)上产生的负荷转矩，N_i(1≤i≤n)表示各轴J_i的速度。另外，时间t_i(1≤i≤n)是在动作程序中预先规定的单位时间，例如为8msec。此外，在图1所示的实施方式中，n＝6。 

另外，T₀、N₀分别为负荷转矩以及速度的初始值。而且，寿命L₁₀表示在相同条件下使用了多个减速机时直到多个减速机中的10％不能使用为止的时间。 

而且，各轴J1～J6的速度N_i根据在步骤103中按照单位时间计算出的各轴J1～J6的位置来计算。计算出的负荷转矩、速度以及减速机的寿命存储在存储部17中。 

接着，在步骤105中，过负荷特定单元12特定负荷转矩、速度以及减速机的寿命超过各自的评价基准的动作程序内的动作。图4a是表示时间和各轴的负荷转矩之间的关系的图。在图4a中，横轴表示时间，纵轴表示各轴的负荷转矩。在图4a中，负荷转矩T_i在某一特定的时间段Z1中超过其评价基准。 

接着，过负荷特定单元12特定与负荷转矩T_i超过评价基准的时间段Z1相当的动作程序内的行(请参照图4a的右侧所示的某一轴J_i的动作程序)。这里，假设在程序的行号3中，某一轴移动到位置3(位置[3])时该轴的负荷转矩T_i超过评价基准。对所有轴J1～J6进行将这样的处理。由此，过负荷特定单元12特定发生过负荷的轴、以及发生过负荷时的动作程序内的行。 

过负荷特定单元12同样对各轴J1～J6的速度以及减速机的寿命也特定超过各自的评价基准的时间段。通过使用各轴J1～J6的速度以及减速机的寿命，就可以高精度地估计机器人25的动作。但是，至少关于负荷转矩T_i能特定超过评价基准的轴以及与其对应的动作程序内的行。 

接着，在步骤106中进行动作程序的改良。该步骤具体表示在图5的流程图中。在图5中说明了负荷转矩过剩的情况，而在轴J1～J6的速度以及减速机的寿命时也大体相同。 

在图5的步骤201中，读出在图2的步骤105中特定的轴J_i(i＝1～n)以及动作程序的行。接着，在步骤202中，判断特定的轴J_i是否位于机器人25的尖端侧。具体而言，判断是否为i≥5。 

在特定的轴J_i不是尖端侧的轴时，即i＜5时，进入步骤203。在步骤203中，通过使比特定的轴J_i更位于尖端侧的轴移动，来减轻特定的轴J_i的负荷。 

图6是使比特定的轴更位于尖端侧的轴移动的第一例的说明图。如图6所示，在使机器人25围绕轴J4旋转(箭头A1)时，在轴J4上产生负荷。 

图7a是图6所示的第一例的其他图。应注意的是，由图7a可知，在使机器人25围绕轴J4旋转时，实际上轴J6也旋转约180° 

在这样的情况下，由附加动作生成单元13生成使比轴J4更位于机器人25的尖端侧的轴J5向图6的箭头B1方向旋转移动的附加的动作。另外，如与图7a相同的图7b所示，同时还生成使比轴J4更位于机器人25的尖端侧的其他轴J6向图7b的箭头B2方向旋转的附加的动作(请参照图7b中的从位置[5]到位置[6]的旋转移动)。 

由此，如从图6可知，工件W的重心位于特定的轴J4的旋转中心的延长线上。即，在图6以及图7所示的情况下，使比特定的轴J4更位于尖端侧的轴J5以及轴J6分别向箭头B1、B2方向旋转移动，以使工件W的重心位于特定的轴J4的延长线上。 

通过这样的旋转移动，在轴J4上产生的负荷的至少一部分会分散到其他轴J5、J6。由此，在使机器人25围绕轴J4(箭头A1)旋转时可以减少加给轴J4上的负荷。 

图10是包含直动式轴时的一例的图。在图10所示的机器人25中轴J1～轴J6为轴，而且机器人25包含与机器手26相关联的新的轴J7。轴J7是直线运动的轴(以下称为“直动式轴”)，机器手26可以沿着轴J7进行直线运动。 

在图10中，在使机器人25围绕轴J5(箭头A4)旋转时，在轴J5上产生负荷。在这样的情况下，由附加动作生成单元13生成使比轴J5更位于机器人25的尖端侧的轴J7上的机器手26向轴J5直线移动的附加的动作。 

由此，由图10可知，轴J5的旋转中心和负荷的重心之间的距离、例如与工件重心之间的水平方向距离变短。因此，可以减少在轴J5上产生的负荷。 由此可知，在某一轴上产生负荷时，即使比该轴更位于机器人的尖端侧的位置的轴是轴或者直动轴，也可以减少加到该轴上的负荷。 

图8是使比特定的轴更位于尖端侧的轴移动的第二例的说明图。在图8所示的情况下，在使机器人25围绕轴J1(箭头A2)旋转时，在轴J1上产生负荷。 

在这样的情况下，由附加动作生成单元13生成使比轴J1更位于机器人25的尖端侧的轴J2以及轴J3向各自的箭头B3、B4方向旋转移动的附加的动作。由此，工件W的重心就位于特定的轴J1的旋转中心的延长线上。 

通过这样的旋转移动，在轴J1上产生的负荷的至少一部分会分散到其他轴J2以及轴J3。因此，在使机器人25围绕轴J1(箭头A2)旋转时可以减少轴J1上产生的负荷。即，在图8所示的情况下，使比特定的轴J1更位于尖端侧的轴J2以及轴J3分别向箭头B3、B4方向旋转移动，以使工件W的重心位于特定的轴J1的延长线上。 

再次参照图5，在步骤202中，在判断为特定的轴J_i位于机器人25的尖端侧时，即，在判断为i≥5时，进入步骤204。在步骤204中，通过使比特定的轴J_i更位于基端侧的轴移动，来减轻特定的轴J_i的负荷。 

图9是使比特定的轴更位于基端侧的轴移动的例子的说明图。在图9所示的情况下，在使机器人25围绕轴J6(箭头A3)旋转时，在轴J6上产生负荷。 

在这样的情况下，由附加动作生成单元13生成使比轴J6更位于机器人25的基端侧的轴J5向箭头B5方向旋转移动的附加的动作。由此，工件W的重心和轴J5之间的水平方向距离变短或者成为零。 

这样，通过使轴J5移动，在轴J6上产生的负荷的至少一部分分散到其他轴J5。因此，在使机器人25围绕轴J6(箭头A3)旋转时可以减少轴J6上产生的负荷。即，如图9所示的情况下，使比特定的轴J6更位于基端侧的轴J5向箭头B5方向旋转移动，以使作用于特定的轴J6的力的水平方向成分减少或者被排除。 

再次参照图5，在步骤203或者204中使尖端侧或者基端侧的轴移动后，分别在步骤205或者206中再次进行仿真。然后，判断对于特定的轴J_i的负荷是否被减轻了。 

在步骤205或者206中判断为减轻了负荷时，进入步骤209。另一方面，在判断为没有减轻负荷、或者几乎没有减轻负荷时，进入步骤207。在步骤207中，使特定的轴J_i以外的轴一点一点地旋转移动规定的微小的量。 

在步骤207中旋转移动的轴最好与在步骤203、204中旋转移动的轴不同。由此，可以回避再次进行与在步骤203、204中进行的处理相同的处理。 

例如，如参照图6说明的那样，在步骤203中使轴J5和/或轴J6旋转移动时，使尚未旋转移动、且距离特定的轴J4最近的轴J3旋转移动规定的微小的量。 

接着，进入步骤208，再次进行仿真，判断在特定的轴J_i上产生的负荷是否减轻了。然后，在步骤208中判断为没有减轻负荷时，回到步骤207。然后，使在前次的步骤207中旋转移动的轴进一步旋转移动固定的微小的量，或者进一步使其他轴旋转移动规定的微小的量。其后，再次进入步骤208，判断是否减轻了负荷，反复进行该处理，直至判断为减轻了特定的轴J_i上的负荷。 

在判断为减轻了特定的轴J_i上的负荷时，将用于减轻特定的轴J_i上的负荷的其他轴的动作命令存储在存储部17中，并进入步骤209。在步骤209中，程序调整单元15将其他轴的动作命令插入到已有的动作程序中。 

例如如图4b所示，在特定的轴J4向位置3(位置[3])移动时产生负荷的情况下，在位置[1]和位置[3]之间生成向位置[5]以及位置[6]移动的附加的动作命令(请参照服7b)。在这样的情况下，如图4b所示，向位置[5]的动作命令以及向位置[6]的动作命令被插入到已有的动作程序中。 

接着，在图5的步骤210中，进行动作的合成。如图4c所示，在追加了2个以上的动作命令、例如追加了向位置[5]的动作命令以及向位置[6]的动作命令时，也可以合成它们。例如，不经由图7b中的位置[5]，进行围绕轴J5的旋转动作，同时变更为移动至位置[6]的命令。由此，可以实现机器人25的动作时间的缩短。而且，最好将2个以上的动作命令连续地且平滑地进行合成，以使机器人25的动作在途中不被中断，由此可以进一步缩短机器人25的动作时间。 

相反，在步骤210中进行动作的合成时，在特定的轴J_i、例如轴J4上产生的负荷没有怎么减低。因此，该步骤210并不一定进行，仅限于操作者优先 机器人25的动作时间的缩短的情况。 

另外，虽然在图5中未图示，但是在步骤210结束后再次进行仿真，最好使用显示单元24上的三维模型通过扰检查单元14来检查机器人25是否干扰其他周围设备。在判断为干扰时，再次调整机器人的动作程序，可以更适当地修正动作程序。 

这样，在本发明中，附加动作生成单元13生成对于其他轴的附加的动作，由此，可以将特定的轴J_i的负荷分散到其他轴。因此，在本发明中无需进行凑试，就可以减轻特定为负荷大的轴的负荷。 

而且，在本发明中，可以实现能够简单地改良负荷大的轴的动作的机器人系统的示教以及调试，其结果，还可以削减工时数。另外，假设即使在机器人的动作由于过负荷而发生了故障时，也可以验证以及调查其原因并容易改良机器人的动作。 

使用典型的实施方式说明了本发明，但只要是本领域技术人员一定可以理解：在不脱离本发明的范围的前提下能够进行上述的变更以及各种其他变更、省略、追加。 

Claims (3)

1.一种机器人程序调整装置(11)，其用于对具有多个轴的机器人手臂的动作程序进行调整，其特征在于，

包含下述单元：

过负荷特定单元(12)，其通过从所述机器人手臂的所述动作程序依次读入动作命令并执行仿真，从所述多个轴中特定产生过负荷的轴；

附加动作生成单元(13)，其针对由该过负荷特定单元(12)特定的轴以外的轴生成附加的动作，来减轻所述特定的轴的负荷；以及

程序调整单元(15)，其根据该附加动作生成单元(13)生成的附加的动作，调整所述机器人手臂的所述动作程序；

其中，所述特定的轴以外的轴比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的尖端侧或基端侧；

如果所述特定的轴以外的轴比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的尖端侧；

则所述附加的动作包含下述动作：使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的尖端侧的轴移动，以使在所述机器人手臂的机器手中把持的工件的重心位于所述特定的轴的旋转中心或者移动方向的延长线上；

如果所述特定的轴以外的轴比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧；

则所述附加动作包含下述动作：使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧的轴移动，以使比所述特定的轴更位于所述机器人手臂的基端侧的轴的旋转中心或者移动方向和在所述机器人手臂的机器手中把持的工件的重心之间的水平方向距离成为最小。

2.根据权利要求1所述的机器人程序调整装置，其中，

在生成了2个以上的所述附加的动作时，合成这些附加动作中的至少2个。

3.根据权利要求1或2所述的机器人程序调整装置，其中，

所述附加动作生成单元(13)具有干扰检查单元(14)，该干扰检查单元(14)根据所述附加的动作检查所述机器人手臂是否干扰周围设备。

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