CN103781603B - 控制方法以及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制方法以及控制装置，能够使工业用机器人等的控制对象的周期性的动作幅度(往复移动的振幅)与在减速器中没有间隙的情况相同、或与位置指令信号的振幅相同。在补偿进行周期性运动的手臂(5)的间隙的同时进行手臂(5)的位置控制的控制装置(3)中，具备控制部(15)，该控制部将补偿间隙的间隙量信号移位以便使其延迟了延迟时间之后与指示手臂(5)的位置的位置指令信号相加，生成最终位置指令信号，并基于所生成的最终位置指令信号进行手臂(5)的位置控制。

Description

控制方法以及控制装置

技术领域

本发明涉及一种适于由电动机、减速器等构成的工业用机器人等的位置控制的控制方法以及控制装置。

背景技术

例如，焊接机器人等是垂直多关节型的6轴工业用机器人，在其手臂的前端设置有由焊炬等构成的焊接工具。作为这样的焊接机器人的驱动部的关节部等由作为驱动源的电动机和将该电动机的驱动力传递到手臂的减速器构成。在关节部的电动机，设置有对电动机的旋转位置进行检测的编码器等的位置检测器。

针对具有这样的关节部的焊接机器人，从外部给予指示电动机的旋转位置的位置指令信号。此时，控制电动机的旋转使得位置检测器所检测出的电动机的位置信息与位置指令信号所指示的指令位置相一致。这样的控制所进行的电动机的旋转经由减速器而传到手臂，设置于手臂前端的焊炬等向所希望的位置移动。

另外，众所周知在组合有多个齿轮的减速器中存在间隙(backlash)，该间隙成为手臂的位置偏移的一个原因。因此，正在进行一种通过预先把握减速器的间隙量，将补偿该间隙量的校正信号与位置指令信号相加来生成位置指令校正信号，然后，将该位置指令校正信号提供给焊接机器人，来消除手臂的位置偏移这样的尝试。

作为消除手臂的位置偏移的手段，存在以下的专利文献1以及专利文献2所公开的技术。

在专利文献1中，公开了一种机器人的控制装置，其特征在于具有：作为伺服机构的位置控制部，其将指令位置信号与所述位置检测单元的输出信号即位置信号进行比较，并进行控制使得所述手臂的前端占据所述指令位置信号所指定的规定位置；和间隙校正部，其在电动机向与使每只手臂向规定位置进行动作、并将此时的位置检测单元的位置信号和手臂的位置的关系建立对应的位置对准时相同的方向，旋转了预先设定的减速器的间隙量以上之后，检测到电动机的旋转方向发生了反转时，进行将与所述间隙量相对应的校正量和指令位置信号相加的间隙校正以消除间隙的影响。

被认为根据该控制装置，能够始终实施准确的间隙校正，并能够使机器人的手尖位置正确地追随指令位置。

在专利文献2中，公开了一种数值控制装置，其具备：控制方向检测单元，其监视控制对象的位置指令值从而检测该控制对象的控制方向；校正指令值更新单元，其若由上述控制方向检测单元检测出的控制方向发生反转，则根据从发生该反转起的经过时间来更新间隙的校正指令值；和控制单元，其将由上述校正指令值更新单元更新的间隙的校正指令值与上述位置指令值相加，并基于该相加结果对驱动上述控制对象的电动机的旋转进行控制。

被认为根据该数值控制装置，能够在补偿间隙的同时高精度地补偿在控制对象的移动方向发生反转时所产生的弹性变形。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：实用新型登记第2564722号公报

专利文献2：JP特开2004-234205号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，存在即使利用专利文献1中公开的机器人的控制装置，也难以始终实施准确的间隙校正的情况。

例如，在摆动焊接等中使机器人的手臂相对于焊接线左右摇摆那样的情况下，即使通过图2A所示的现有的步骤进行间隙校正(间隙补偿)，也难以消除作用于手臂运动的间隙的影响。

以下，基于图2A对现有的间隙校正进行说明。

在摆动焊接中使手臂左右摇摆的情况下，换言之，在指示电动机的旋转位置的位置指令信号θ_r(t)是正弦波那样的周期信号的情况下，手臂的往复运动(特别是来回反转时)由于减速器的间隙的影响相位与位置指令信号θ_r(t)相比会延迟。因此，在手臂的运动方向实际反转前位置指令信号θ_r(t)所示的控制方向会反转。此外，用于补偿间隙量的阶梯状的间隙量信号θ_B(t)所示的方向与位置指令信号θ_r(t)的控制方向的反转在相同时刻(位置指令信号θ_r(t)的峰值位置)反转。因此，将在手臂的往复运动本来应该反转的位置的近前控制方向反转的位置指令信号θ_r(t)与同样在近前反转的间隙量信号θ_B(t)相加计算来生成最终位置指令信号θ_Fr(t)。在图2A所示的最终位置指令信号θ_Fr(t)的波形中，在位置指令信号θ_r(t)的峰值位置形成有间隙量信号θ_B(t)所引起的阶梯状的阶差。

即使将该最终位置指令信号θ_Fr(t)输入给机器人对手臂进行控制，最终位置指令信号θ_Fr(t)所示的控制方向也在手臂的往复运动本来应该反转的位置的近前反转。因此，实线所示的手臂的往复运动的振幅(手臂的旋转角度θ_A(t))结果会小于虚线所示的原始的位置指令信号θ_r(t)所示的振幅，所以不能消除作用于手臂的往复运动的间隙的影响。

即，即使根据专利文献1，也存在与在减速器中没有间隙、因此无需对用于补偿间隙量的校正信号进行相加而直接将位置指令信号输入给机器人的情况相比较，手臂的动作幅度(往复移动的振幅)减小这样的问题。

在专利文献2中公开的数值控制装置具有传递函数型滤波器。该传递函数型滤波器将从作用于手臂的摩擦到其手臂的位置与电动机的位置的偏差的传递函数模型化。通过该滤波器将矩形波的间隙量信号变换为平滑的信号。

但是，与专利文献1同样地，在位置指令信号是正弦波那样的周期信号的情况下，由于手臂的往复运动与位置指令信号相比相位延迟，因而在手臂的运动方向实际反转之前，位置指令信号反转而间隙量信号也反转。因此，即使通过滤波器使间隙量信号变得平滑，也与专利文献1同样地存在与在减速器中没有间隙的情况相比较手臂的往复运动的振幅减小这样的问题。

鉴于上述的问题，本发明的目的在于提供一种控制方法以及控制装置，在指示工业用机器人等的控制对象的位置的位置指令信号为正弦波那样的周期信号的情况下，能够使该控制对象的动作幅度(往复移动的振幅)与在减速器中没有间隙的情况相同、或者与位置指令信号的振幅相同。

用于解决课题的手段

为了达成上述的目的，本发明采用了以下的技术手段。

本发明所涉及的控制方法其对进行周期性运动的控制对象的间隙进行补偿并且进行该控制对象的位置控制，所述控制方法的特征在于，具备：最终位置指令信号生成步骤，将补偿所述间隙的间隙量信号移位后与指示所述控制对象的位置的位置指令信号相加，生成最终位置指令信号；和位置控制步骤，基于在所述最终位置指令信号生成步骤生成的最终位置指令信号进行所述控制对象的位置控制。

也可以优选为所述最终位置指令信号生成步骤具有：位置指令信号生成步骤，生成所述位置指令信号；控制方向检测步骤，基于在所述位置指令信号生成步骤生成的位置指令信号来检测所述控制对象的控制方向；间隙量计算步骤，根据在所述控制方向检测步骤检测出的控制方向，生成用于补偿所述控制对象的间隙量的间隙量信号；延迟时间计算步骤，生成使在所述间隙量计算步骤生成的间隙量信号相对于所述位置指令信号延迟了规定延迟时间的间隙校正信号；和信号相加步骤，将在所述延迟时间计算步骤生成的间隙校正信号与所述位置指令信号相加来生成最终位置指令信号，所述位置控制步骤基于在所述信号相加步骤生成的最终位置指令信号，对所述控制对象的位置进行控制。

在此，也可以优选为，将由周期信号构成的位置指令信号的周期的一半以下的时间作为在所述延迟时间计算步骤中使用的规定延迟时间。

此外，也可以优选为，预先求取基于由周期信号构成的位置指令信号进行了驱动的所述控制对象的实际输出，并求取所述位置指令信号与所述实际输出的相位差，将所求取的相位差作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

此外，也可以优选为，预先准备对控制对象进行了模型化的控制模型，求取将由周期信号构成的位置指令信号输入到控制模型时的模型输出，并求取所述位置指令信号与模型输出的相位差，将所求取的相位差作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

此外，也可以优选为，预先求取基于由阶跃信号构成的位置指令信号进行了驱动的所述控制对象的实际输出，并求取基于所述实际输出成为位置指令信号所指示的位置为止的响应时间的时间常数，将所述时间常数作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

本发明所涉及的控制装置在补偿进行周期性运动的控制对象的间隙的同时进行该控制对象的位置控制，所述控制装置的特征在于具备控制部，该控制部将补偿所述间隙的间隙量信号移位后与指示所述控制对象的位置的位置指令信号相加，生成最终位置指令信号，并基于所生成的最终位置指令信号进行所述控制对象的位置控制。

也可以优选为，所述控制部具有：位置指令信号生成部，其生成所述位置指令信号；控制方向检测部，其基于由所述位置指令信号生成部生成的位置指令信号来检测所述控制对象的控制方向；间隙量计算部，其根据所述控制方向检测部所检测出的控制方向，生成用于补偿所述控制对象的间隙量的间隙量信号；延迟时间计算部，其生成使由所述间隙量计算部生成的间隙量信号相对于所述位置指令信号延迟了规定延迟时间的间隙校正信号；信号相加部，其将由所述延迟时间计算部生成的间隙校正信号与所述位置指令信号相加来生成最终位置指令信号；和位置控制部，其基于由所述信号相加部生成的最终位置指令信号，对所述控制对象的位置进行控制。

发明效果

使用本发明的控制方法以及控制装置，能够在指示工业用机器人等的控制对象的位置的位置指令信号是正弦波那样的周期信号的情况下，使该控制对象的动作幅度(往复移动的振幅)，与在减速器中没有间隙的情况相同、或与位置指令信号的振幅相同。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的控制装置以及机器人的概略构成的图。

图2A是表示间隙量补偿中的各信号的时间变化的曲线图，其表示现有的间隙量补偿中的信号变化。

图2B是表示间隙量补偿中的各信号的时间变化的曲线图，其表示本发明的第1实施方式的间隙量补偿中的信号变化。

图3是表示具有间隙的减速器的角度传递的图。

图4是第1实施方式的间隙量补偿中的处理的流程图。

图5是详细地表示第1实施方式的间隙量补偿中的信号变化的图。

图6A是用于对第1实施方式的间隙量补偿的效果进行说明的图。

图6B是用于对第1实施方式的间隙量补偿的效果进行说明的图。

图6C是用于对第1实施方式的间隙量补偿的效果进行说明的图。

图7是表示本发明的第2实施方式的手臂的旋转角度的频率响应的曲线图。

图8是用于对第2实施方式的间隙量补偿的效果进行说明的图。

图9是表示本发明的第3实施方式的手臂的旋转角度的步骤响应的曲线图。

图10是用于对第3实施方式的间隙量补偿的效果进行说明的图。

图11是在本发明的第4实施方式的间隙量补偿中，对从最终位置指令信号到手臂的旋转角度进行了模型化的方框图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的各实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，对相同的构成要素标注相同的符号。另外，关于相同的构成要素，名称和功能也相同。因此，不重复进行对相同的要素的详细说明。

[第1实施方式]

参照附图对本发明的第1实施方式的手臂的控制方法以及控制装置进行说明。

首先，对应用本实施方式所涉及的控制方法以及控制装置的机器人系统1的整体构成进行说明。

如图1所示，机器人系统1包括：机器人(焊接机器人)2，其进行焊接作业；控制装置3，其对焊接机器人2的动作进行控制；和示教数据作成装置，其由个人计算机等的信息处理装置构成。在图1中，未图示示教数据作成装置。

焊接机器人2是垂直多关节型的6轴工业用机器人，在其前端设置有由焊炬等构成的焊接工具4。该焊接机器人2也可以搭载在使其自身移动的滑动件(未图示)。

如图1所示，连接焊接机器人2的各手臂的关节具有电动机6、减速器7以及编码器8。例如安装焊接工具4的手臂5经由减速器7与电动机6相连接。作为控制对象的电动机6根据后述的控制装置3的指示进行旋转，该电动机6的旋转由减速器7进行减速，传递到同样作为控制对象的手臂5。

编码器8是设置于电动机6的装置，对电动机6的旋转角度进行检测，同时将所检测出的旋转角度作为旋转角度信号输出到控制装置3。

另外，电动机6所具备的减速器7由多个齿轮构成因而具有间隙(backlash)。由于该间隙的影响，在为了使正在向正方向运动的减速器7向反方向运动而使电动机6的旋转方向反转时，在该反转的瞬间，产生从电动机6开始反方向的旋转起到减速器7开始(输出)反方向的运动为止的时间差。即，由于间隙的存在，产生在电动机6的旋转方向的反转时电动机6的旋转与减速器7的运动(输出)不一致这样的误差现象。

为了补偿该间隙所导致的误差(消除误差现象)，本发明的控制装置3具备间隙量计算部9、延迟时间计算部10等，关于这些随后进行详细说明。

另外，构成机器人系统1的控制装置3对焊接机器人2的动作，按照预先示教的示教程序进行控制。对于示教程序，存在使用与控制装置3相连接的示教器来作成的情况、使用未图示的示教数据作成装置脱机作成的情况。无论是哪一种情况，示教程序都在焊接机器人2实际进行焊接作业前预先作成。使用示教数据作成装置作成的示教程序经由磁气或电气地存储了数据的介质等传递到控制装置3、或通过数据通信传输到控制装置3。

这样的控制装置3具有控制部15，该控制部15由位置指令信号生成部11、控制方向检测部12、间隙量计算部9、延迟时间计算部10、信号相加部13以及位置控制部14构成。

参照图1以及图2A、图2B对控制装置3的各构成要素进行说明。

位置指令信号生成部11为了控制手臂5的旋转角度位置，生成并输出用于指定与手臂5的旋转角度位置相对应的电动机6的旋转角度位置的位置指令信号θ_r(t)。

如图2B所示，位置指令信号θ_r(t)是像正弦波那样周期性变动的信号，并且是指示电动机6的旋转角度位置(进行指示使得旋转控制方向周期性变动)的信号。该周期性变动的信号在摆动焊接等中使手臂5相对于焊接线左右摇摆时而被发出。

控制方向检测部12根据从位置指令信号生成部11输出的位置指令信号对电动机6的旋转控制方向进行检测，并根据该控制方向输出正或负的值1的阶梯状控制方向信号。

控制方向信号以位置指令信号θ_r(t)的峰值位置为界交替值的正负。即，控制方向信号的波形以位置指令信号θ_r(t)的峰值位置为界从值1向值-1、反之从值-1向值1阶梯状地变动。

控制方向检测部12在该控制方向没有反转的情况下，持续输出相同值的控制方向信号。此外，在初始状态下控制方向检测部12输出值零的控制方向信号。

间隙量计算部9将从控制方向检测部12输出的控制方向信号与规定的间隙补偿增益B相乘来生成并输出间隙量信号θ_B(t)。间隙量信号θ_B(t)是将正或负的值1的阶梯状控制方向信号与间隙补偿增益B相乘而得到的信号，所以具有与控制方向信号相同的阶梯状的波形。

图2B所示的间隙量信号θ_B(t)是将控制方向信号与间隙补偿增益B相乘而得到的信号。因此，间隙量信号θ_B(t)的值与控制方向信号相同以位置指令信号θ_r(t)的峰值位置为界从正向负、反之从负向正阶梯状地变动。即，位置指令信号θ_r(t)的峰值位置和间隙量信号θ_B(t)的阶梯状的变动位置处于相同的时间。

另外，间隙补偿增益B的值设定为间隙量信号θ_B(t)的值成为与减速器7的间隙量相对应的大小。

延迟时间计算部10生成并输出使从间隙量计算部9输出的间隙量信号θ_B(t)延迟固定时间L(延迟时间L)的间隙校正信号θ_BL(t)。

图2B所示的间隙校正信号θ_BL(t)示出了使间隙量信号θ_B(t)延迟了(移位了)延迟时间L的波形。即，间隙校正信号θ_BL(t)的值阶梯状地变动的位置从位置指令信号θ_r(t)的峰值位置延迟(移位)延迟时间L。

另外，将上述的间隙量计算部9和延迟时间计算部10合起来称为间隙校正信号计算部。

信号相加部13将从位置指令信号生成部11输出的位置指令信号θ_r(t)与从延迟时间计算部10输出的间隙校正信号θ_BL(t)相加来生成并输出最终位置指令信号θ_Fr(t)。

若参照图2B，则表示有将位置指令信号θ_r(t)与间隙校正信号θ_BL(t)相加而生成的最终位置指令信号θ_Fr(t)。对于最终位置指令信号θ_Fr(t)的波形，由于间隙校正信号θ_BL(t)从位置指令信号θ_r(t)的峰值位置延迟了延迟时间L部分，因而间隙校正信号θ_BL(t)所引起的阶梯状的阶差也延迟了延迟时间L部分。

位置控制部14计算电动机6的指令电压并控制电动机6的旋转位置，使得由编码器8检测出的电动机6的旋转角度信号追随从信号相加部13输出的最终位置指令信号θ_Fr(t)。通过该位置控制部14的控制电动机6执行动作，并经由减速器7驱动手臂5。

如图2B所示可知，在遵从将位置指令信号θ_r(t)与间隙校正信号θ_BL(t)相加而得到的最终位置指令信号θ_Fr(t)的控制中，能够确保手臂5的旋转角度θ_A(t)的振幅与虚线所示的原始的位置指令信号θ_r(t)的振幅成为几乎相同大小。

在本实施方式中，能够通过使用延迟了延迟时间L的间隙校正信号θ_BL(t)，来消除通过表示现有的间隙补偿的步骤的图2A的步骤而无法消除的作用于手臂5的往复运动的间隙的影响。

以通过这样的构成的机器人系统1进行摆动焊接的情况为例，从其他的观点来说明采用延迟了延迟时间L的间隙校正信号θ_BL(t)的必要性。

在如前所述的摆动焊接中，在前端安装有焊接工具4的手臂5相对于焊接线左右摇摆。换言之，通过位置控制部14按照作为正弦波那样的周期信号的位置指令信号θ_r(t)或最终位置指令信号θ_Fr(t)对电动机6的旋转位置进行控制，手臂5进行往复运动。

如图3所示，此时的手臂5的往复运动(特别是来回反转时)由于减速器7的间隙与位置指令信号相比相位延迟。在通过作用于手臂5的惯性力或重力而产生的旋转方向的力小于减速器7的摩擦力的情况下，减速器7近似地按照以下的式(1)进行角度传递。

[式1]

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_A\left(t\right)=C\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_M\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;\&theta;}& (v_A\left(t\right)<0)\\ {\mathrm{\&theta;}}_A\left(t\right)=C\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_M\left(t\right)-\mathrm{\&Delta;\&theta;}& (v_A\left(t\right)>0)\\ C\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_M\left(t\right)-\mathrm{\&Delta;\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_A\left(t\right)<C\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_M\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;\&theta;}& (v_A\left(t\right)=0)\end{array}\right.---\left(1\right)$

θ_M(t)：电动机的旋转角度

θ_A(t)：手臂的旋转角度

v_A(t)：手臂的旋转角速度

C：减速比

Δθ：减速器的间隙量

图3是表示式(1)的关系的曲线图。在图3中，电动机6的旋转角度θ_M(t)作为正弦波由单点划线来表示。在图3中，将该电动机6的旋转角度θ_M(t)与减速器7的减速比C相乘而得到的C·θ_M(t)由虚线表示。在假定为在减速器7中没有间隙的情况下，因为该虚线成为表示减速器7的输出的波形，所以安装于减速器7的手臂5的旋转角度θ_A(t)也应该示出与虚线所示的波形相同的波形。但是，实际的手臂5的旋转角度θ_A(t)所示的波形由于间隙的存在而在图3中成为实线所示的波形。另外，在记号之后带有(t)的记号表示值根据时间(s：秒)发生变化的信号。

若将实际的手臂5的旋转角度θ_A(t)所示的波形与虚线所示的减速器7的输出进行比较，则实际的旋转角度θ_A(t)所示的实线的波形的振幅减少了减速器7的间隙量Δθ。此外，若与单点划线所示的电动机6的旋转角度θ_M(t)进行比较，则实际的旋转角度θ_A(t)所示的波形的相位由于间隙的存在与电动机6的旋转角度θ_M(t)的相位相比发生了延迟。

这样，需要针对从位置指令信号θ_r(t)以及电动机6的旋转角度θ_M(t)相位延迟的手臂5的旋转角度θ_A(t)，补偿间隙所引起的振幅的减少量(间隙补偿)。

在本实施方式中，如上所述，通过将图2B所示的间隙校正信号θ_BL(t)与位置指令信号θ_r(t)相加来生成最终位置指令信号θ_Fr(t)，来补偿间隙所引起的手臂5的旋转角度θ_A(t)的振幅的减少量。以下，按顺序对间隙校正信号θ_BL(t)的生成以及最终位置指令信号θ_Fr(t)的生成进行说明。

参照图4以及图5对间隙校正信号θ_BL(t)的生成进行说明。

控制装置3的位置指令信号生成部11生成并输出用于进行摆动焊接的手臂5的旋转角度位置的位置指令信号θ_r(t)。在摆动焊接中，需要使手臂5以一定的振幅平稳地进行往复运动，位置指令信号生成部11输出图5所示的那样的正弦波的位置指令信号θ_r(t)(图4的步骤S1：位置指令信号生成步骤)。

控制方向检测部12根据在步骤S1从位置指令信号生成部11输出的位置指令信号θ_r(t)，检测对手臂5的旋转进行控制的方向(控制方向)，并根据所检测出的控制方向输出阶梯状的控制方向信号θ_±(t)。控制方向信号θ_±(t)是基于位置指令信号θ_r(t)的微分值通过式(2)而定义的、图5所示的那样的正或负的值1的阶梯状信号(图4的步骤S2：控制方向检测步骤)。

[式2]

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_{\&PlusMinus;}\left(t\right)1& ({\mathrm{d\&theta;}}_r\left(t\right)/\mathrm{dt}>0)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\&PlusMinus;}\left(t\right)=-1& ({\mathrm{d\&theta;}}_r\left(t\right)/\mathrm{dt}<0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

间隙量计算部9基于在步骤S2从控制方向检测部12输出的控制方向信号θ_±(t)，按照以下的步骤生成并输出间隙量信号θ_B(t)(间隙量计算步骤)，延迟时间计算部10按照下面的步骤使间隙量信号θ_B(t)延迟延迟时间L从而生成并输出间隙校正信号θ_BL(t)(延迟时间计算步骤)(图4的步骤S3)。

首先，使用预先测定的减速器7的减速比(式(1)的C)和间隙量(式(1)的Δθ)，按照式(3)计算间隙补偿增益B。

[式3]

B＝Δθ/C(3)

接下来，如式(4)所示，将在步骤S2输出的控制方向信号θ_±(t)与间隙补偿增益B相乘，从而生成间隙量信号θ_B(t)。

[式4]

θ_B(t)＝B·θ₊(t)(4)

在间隙补偿增益B为小于1的值时，所生成的间隙量信号θ_B(t)成为如图5所示与控制方向信号θ_±(t)相比振幅小的阶梯状信号。由此，能够基于控制方向信号θ_±(t)而得到与间隙量相应的振幅的间隙量信号θ_B(t)。该处理为间隙量计算步骤。

接下来，延迟时间计算部10通过使所得到间隙量信号θ_B(t)维持原有波形且不改变振幅地延迟延迟时间L，来生成并输出图5所示的间隙校正信号θ_BL(t)。间隙校正信号θ_BL(t)通过式(5)来定义。该处理为延迟时间计算步骤。另外，对于延迟时间L的设定方法在后面进行说明。

[式5]

θ_BL(t)＝θ_B(t-L)(5)

通过到此为止的处理，能够得到作为本实施方式的技术特征的间隙校正信号θ_BL(t)。以下，继续参照图4以及图5对使用间隙校正信号θ_BL(t)来生成最终位置指令信号θ_Fr(t)、并按照所生成的最终位置指令信号θ_Fr(t)对手臂5进行控制为止的处理进行说明。

信号相加部13将在步骤S3从延迟时间计算部10输出的间隙校正信号θ_BL(t)与在步骤S1从位置指令信号生成部11输出的位置指令信号θ_r(t)加在一起，从而生成并输出由式(6)定义的最终位置指令信号θ_Fr(t)(图4的步骤S4：信号相加步骤)。

将上述一系列的步骤S1～步骤S4汇总起来，称为最终位置指令信号生成步骤。

[式6]

θ_Fr(t)=θ_BL(t)+θ_r(t)(6)

如图5所示，在按照上述步骤得到的最终位置指令信号θ_Fr(t)的波形中，间隙校正信号θ_BL(t)所引起的阶梯状的阶差从峰值位置延迟了延迟时间L部分。

位置控制部14计算电动机6的指令电压并控制电动机6的旋转位置，使得由编码器8检测出的电动机6的旋转角度信号追随从信号相加部13输出的最终位置指令信号θ_Fr(t)。通过该位置控制部14的控制电动机6执行动作，并经由减速器7来控制手臂5的角度(图4的步骤S5：位置控制步骤)。

通过上述的步骤S1至步骤S5的处理，能够实施不会被间隙影响的机器人系统1所进行的摆动焊接。

接着，参照图6A～图6C对本实施方式中的延迟时间L的设定方法进行说明。图6A～图6C对将本实施方式应用于延迟时间L的设定值较小的情况与较大的情况时的各信号的时间变化和手臂5的旋转角度进行了表示。在图6A～图6C中，从上面起按顺序表示有位置指令信号θ_r(t)、间隙校正信号θ_BL(t)、最终位置指令信号θ_Fr(t)、以及手臂5的旋转角度θ_A(t)。

在本实施方式中，延迟时间计算部10将延迟时间L[sec]设定为从由控制方向检测部12检测出的控制方向反转到手臂5的动作实际反转为止的时间以上。

只要这样设定延迟时间L[sec]，手臂5的振幅就成为与没有间隙的情况相同，实线所示的手臂5的振幅成为与虚线所示的没有间隙的情况下的振幅(原始的位置指令信号θ_r(t)所示的位置)相同(参照图6B)。

此外，若延迟时间L设定为小于从控制方向反转到手臂5的动作实际反转为止的时间，则实线所示的手臂5的振幅小于与虚线所示的没有间隙的情况下的振幅(参照图6A)。但是，若与将延迟时间L设为了0的图6C的现有技术相比较，则手臂5的振幅接近于没有间隙的情况。这示出了只要延迟时间L稍微比0大，就能够使间隙校正信号θ_BL(t)的反转时间(更新时间)延迟，并且实际的手臂5的反转时间接近于没有间隙的情况下的手臂5的反转时间。

在本实施方式中，基于这样的考虑，通过将延迟时间L的设定值设定为比0大的值，使手臂5的动作的反转位置(振幅)接近于没有间隙的情况下的反转位置(振幅)。

例如，在延迟时间L设为了从位置指令信号θ_r(t)所示的控制方向反转起到下次反转为止的时间以上等、利用上述设定方法设定的延迟时间L过大的情况下，有时会对下次反转时的手臂5的动作造成影响。

并不限于此，在位置指令信号θ_r(t)是周期信号的情况下，若将延迟时间L设定为该周期的一半以上的时间，则有时会对下次反转时的手臂5的动作造成影响。在这样的情况下，若将延迟时间L设定为位置指令信号θ_r(t)的周期的一半以下，则能够得到上述的本实施方式的效果。

以上是第1实施方式中的延迟时间L的决定方法。

[第2实施方式]

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。

本实施方式的机器人系统1的构成与已经说明的第1实施方式大致相同。与第1实施方式不同的点是延迟时间计算部10所进行的延迟时间L的设定方法，所以以下，参照图7以及图8对第2实施方式中的延迟时间L的设定方法进行说明。

在本实施方式中，对在位置指令信号生成部11所生成的位置指令信号θ_r(t)是某频率ω[rad／s]的周期信号的情况下，按照以下的步骤更准确地设定延迟时间L的方法进行说明。

(步骤1)

首先，作为对位置控制部14的输入信号(最终位置指令信号θ_Fr(t))而采用不包含间隙校正信号θ_BL(t)的频率ω[rad／s]的周期信号(例如，正弦波信号)，并测量此时的手臂5的旋转角度θ_A(t)(实际测量)。但是，在没有对手臂5的旋转角度θ_A(t)进行实际测量的手段的情况下，将由编码器8检测出的电动机6的旋转角度θ_M(t)与减速器7的减速比C相乘而得到的C·θ_M(t)作为在此的手臂5的旋转角度θ_A(t)。

图7是将实际测量出的手臂5的旋转角度θ_A(t)与该频率ω[rad／s]的周期信号即最终位置指令信号θ_Fr(t)重叠在一起的曲线图。

(步骤2)

如图7所示，在实际测量出的手臂5的旋转角度θ_A(t)成周期性的变化的时刻，求取最终位置指令信号θ_Fr(t)与实际测量出的手臂5的旋转角度θ_A(t)的相位差T，并将与该相位差T相当的时间设定为延迟时间L。

例如，对于图7的最终位置指令信号θ_Fr(t)和手臂5的旋转角度θ_A(t)，求取各自的波形成为峰值的时间的差(相位差T)，并将该相位差T设定为延迟时间L。在求取手臂5的旋转角度θ_A(t)成为峰值的时间时，由于间隙的影响峰值持续一定时间，但在此，将成为了峰值的最初时刻(图7的点A的时刻)视为手臂5的旋转角度θ_A(t)的峰值时刻来求取相位差T。

参照图8对如上所述对延迟时间L进行了设定时的本实施方式的效果进行说明。图8对在机器人系统1中应用了本实施方式时的各信号的时间变化和手臂5的旋转角度θ_A(t)进行了表示。

在图8中，从上面起按顺序表示有位置指令信号θ_r(t)、间隙校正信号θ_BL(t)、最终位置指令信号θ_Fr(t)、以及手臂5的旋转角度θ_A(t)。在此，间隙校正信号θ_BL(t)延迟了按照上述的步骤设定的延迟时间L。此外，最下面的曲线图的实线是应用了本实施方式的情况下的手臂5的旋转角度θ_A(t)，虚线表示在减速器7中没有间隙时的振幅(原始的位置指令信号θ_r(t)所示的位置)。从该曲线图可知，位置指令信号θ_r(t)为周期信号(在此为正弦波信号)时的手臂5的动作的振幅通过本实施方式的间隙补偿而成为与没有间隙的情况几乎相同。

[第3实施方式]

对本发明的第3实施方式进行说明。

本实施方式的机器人系统1的构成与已经说明的第1实施方式以及第2实施方式大致相同。与第1实施方式以及第2实施方式不同的点是延迟时间计算部10所进行的延迟时间L的设定方法，所以以下，参照图9以及图10对本实施方式中的延迟时间L的设定方法进行说明。

在本实施方式中，延迟时间L基于对位置控制部14输入阶跃信号、此时实际测量出手臂5的旋转角度θ_A(t)来决定。使用了该阶跃信号的设定方法为即使在位置指令信号生成部11所生成的位置指令信号θ_r(t)不是周期信号的情况下也有效的方法。对设定延迟时间L的步骤按照下面顺序进行说明。

(步骤1)

首先，作为对位置控制部14的输入信号(最终位置指令信号θ_Fr(t))而采用时刻0[sec]以后成为恒定值的信号(阶跃信号)，并测量此时的手臂5的旋转角度θ_A(t)(实际测量)。但是，在没有对手臂5的旋转角度θ_A(t)进行实际测量的手段的情况下，将由编码器8测量出的电动机6的旋转角度θ_M(t)与减速器7的减速比C相乘而得到的C·θ_M(t)作为在此的手臂5的旋转角度θ_A(t)。

图9是表示了针对所输入的阶跃信号的手臂5的旋转角度θ_A(t)的步骤响应的实际测量值的曲线图。在图9所示的步骤响应中，手臂5的旋转角度θ_A(t)从阶跃信号被输入起在固定时间后成为稳定值1。

(步骤2)

基于图9的曲线图，对实际测量出的手臂5的旋转角度θ_A(t)达到稳定值的大约63.2％的时间(时间常数)进行求取，并将该时间常数作为延迟时间L。在使用大小1[rad]的阶跃信号得到了图9所示的手臂5的旋转角度θ_A(t)的波形的情况下，达到0.632[rad]为止的时间是0.36[sec]。将该0.36[sec]作为时间常数而将延迟时间L设为0.36[sec]。

参照图10对使用时间常数对延迟时间L进行了设定时的本实施方式的效果进行说明。图10对在机器人系统1中应用了本实施方式时的各信号的时间变化和手臂5的旋转角度θ_A(t)进行了表示。

在图10中，从上面起按顺序表示有位置指令信号θ_r(t)、间隙校正信号θ_BL(t)、最终位置指令信号θ_Fr(t)、以及手臂5的旋转角度θ_A(t)。在此，间隙校正信号θ_BL(t)延迟了使用上述的时间常数设定的延迟时间L。此外，最下面的曲线图的实线是应用了本实施方式的情况下的手臂5的旋转角度θ_A(t)，虚线表示在减速器7中没有间隙时的振幅(原始的位置指令信号θ_r(t)所示的位置)。从该曲线图可知，位置指令信号θ_r(t)为周期信号(在此为正弦波信号)时的手臂5的动作的振幅通过本实施方式的间隙补偿而成为与没有间隙的情况几乎相同。

并且，由于通过使用上述的时间常数来设定延迟时间L，延迟时间L成为适合机器人系统1的系统的延迟时间，因而手臂5的动作在反转后迅速地接近没有间隙的情况下的动作。

[第4实施方式]

对本发明的第4实施方式进行说明。

本实施方式的机器人系统1的构成与已经说明的第1实施方式～第3实施方式大致相同。与第1实施方式～第3实施方式不同的点是延迟时间计算部10所进行的延迟时间L的设定方法，所以以下，参照图11对本实施方式中的延迟时间L的设定方法进行说明。

在上述的第2实施方式以及第3实施方式中，采用了对机器人系统1实际输入阶跃信号、正弦波信号并实际测量手臂5的旋转角度θ_A(t)的方法，但在本实施方式中，基于焊接机器人2的模型来设定延迟时间L。以下，对使用焊接机器人2的模型设定延迟时间L的步骤进行说明。

首先，将从对位置控制部14的输入信号即最终位置指令信号θ_Fr(t)到手臂5的旋转角度θ_A(t)，以图11那样的框图进行模型化。但是，在此考虑在减速器7中没有间隙的情况。

在图11中，s为拉普拉斯算子。由图11的虚线围起来的部分是将电动机6、减速器7、手臂5合起来以简单的模型进行了表示的框图。J在视为电动机6和减速器7的惯性矩全部存在于手臂5的情况下的手臂5的惯性矩，C是减速器7的减速比。R_M是电动机6内部的电阻，L_M是电动机6内部的电感。K_τ是转矩系数，K_e表示反电动势系数。F(t)是作用于手臂5的摩擦力。

此外，K(s)是位置控制部14，例如是式(7)所示的那样的PI控制。

[式7]

k_P+k_I/s(7)

S：拉普拉斯算子

K_p：比例增益

K_I：积分增益

在此，若求取从最终位置指令信号θ_Fr(t)到手臂5的旋转角度θ_A(t)的传递函数则通过以下的式(8)来表示。

[式8]

${\mathrm{\&theta;}}_A=\frac{K_{\mathrm{\&tau;}}\&CenterDot;(k_p\&CenterDot;s+k_I)}{J\&CenterDot;L_M\&CenterDot;C\&CenterDot;s^4+J\&CenterDot;R_M\&CenterDot;C\&CenterDot;s^3+K_{\mathrm{\&tau;}}\&CenterDot;K_e\&CenterDot;s^2+K_{\mathrm{\&tau;}}\&CenterDot;(k_p\&CenterDot;s+K_I)}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{Fr}}---\left(8\right)$

J：视为电动机和减速器的惯性矩全部存在于手臂的情况下的手臂的惯性矩

L_M：电动机内部的电感

C：减速器的减速比

R_M：电动机内部的电阻

K_τ：转矩系数

K_e：反电动势系数

F(t)：作用于手臂的摩擦力

s：表示积分的拉普拉斯算子

K_p：比例增益

K_I：积分增益

在此，将从上式的最终位置指令信号θ_Fr(t)到手臂5的旋转角度θ_A(t)的传递函数表示为G(s)。

针对该模型，与上述的第3实施方式同样地进行输入阶跃信号的模拟从而求取输出并求取延迟时间L。

此外，在位置指令信号生成部11所生成的位置指令信号θ_r(t)是某频率ω[rad／s]的正弦波信号的情况下，求取从最终位置指令信号θ_Fr(t)到手臂5的旋转角度θ_A(t)的与频率ω[rad／s]相对应的相位延迟argG(jω)。在此，j表示虚数单位，G(jω)是将jω带入到G(s)的s而得到的。argG(jω)表示G(jω)的偏角。在此之上，将-argG(jω)／ω作为延迟时间L。

通过这样从焊接机器人2的模型求取延迟时间L，能够无需像第2实施方式以及第3实施方式那样实际以实机设备进行测量实验就对延迟时间L进行设定。

即使使用通过本实施方式设定的延迟时间L来生成间隙校正信号θ_BL(t)，也能够得到与上述的各实施方式同等的效果。

另外，应当认为本次公开的实施方式在所有的点上为例示而并非限制。特别是在本次公开的实施方式中，并未明确公开的事项例如动作条件、测定条件、各种参数、构成物的尺寸、重量、体积等，没有脱离本领域技术人员通常所实施的范围而采用了就本领域的技术人员而言能够容易想到的值。

符号说明

1机器人系统

2焊接机器人

3控制装置

4焊接工具

5手臂

6电动机

7减速器

8编码器

9间隙量计算部

10延迟时间计算部

11位置指令信号生成部12控制方向检测部

13信号相加部

14位置控制部

15控制部

Claims (8)

1.一种控制方法，其对进行周期性运动的控制对象的间隙进行补偿并且进行该控制对象的位置控制，

所述控制方法具备：

最终位置指令信号生成步骤，将补偿所述间隙的间隙量信号移位后与指示所述控制对象的位置的位置指令信号相加，生成最终位置指令信号；和

位置控制步骤，基于在所述最终位置指令信号生成步骤生成的最终位置指令信号进行所述控制对象的位置控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，

所述最终位置指令信号生成步骤具有：

位置指令信号生成步骤，生成所述位置指令信号；

控制方向检测步骤，基于在所述位置指令信号生成步骤生成的位置指令信号来检测所述控制对象的控制方向；

间隙量计算步骤，根据在所述控制方向检测步骤检测出的控制方向，生成用于补偿所述控制对象的间隙量的间隙量信号；

延迟时间计算步骤，生成使在所述间隙量计算步骤生成的间隙量信号相对于所述位置指令信号延迟了规定延迟时间的间隙校正信号；和

信号相加步骤，将在所述延迟时间计算步骤生成的间隙校正信号与所述位置指令信号相加来生成最终位置指令信号，

所述位置控制步骤基于在所述信号相加步骤生成的最终位置指令信号，对所述控制对象的位置进行控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

将由周期信号构成的位置指令信号的周期的一半以下的时间作为在所述延迟时间计算步骤中使用的规定延迟时间。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

预先求取基于由周期信号构成的位置指令信号进行了驱动的所述控制对象的实际输出，并求取所述位置指令信号与所述实际输出的相位差，将所求取的相位差作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

预先准备对控制对象进行了模型化的控制模型，

求取将由周期信号构成的位置指令信号输入到控制模型时的模型输出，并求取所述位置指令信号与模型输出的相位差，将所求取的相位差作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

预先求取基于由阶跃信号构成的位置指令信号进行了驱动的所述控制对象的实际输出，并求取基于所述实际输出成为位置指令信号所指示的位置为止的响应时间的时间常数，将所述时间常数作为延迟时间计算步骤所使用的规定延迟时间。

7.一种控制装置，其对进行周期性运动的控制对象的间隙进行补偿并且进行该控制对象的位置控制，

所述控制装置具备控制部，该控制部将补偿所述间隙的间隙量信号移位后与指示所述控制对象的位置的位置指令信号相加，生成最终位置指令信号，并基于所生成的最终位置指令信号进行所述控制对象的位置控制。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，

所述控制部具有：

位置指令信号生成部，其生成所述位置指令信号；

控制方向检测部，其基于由所述位置指令信号生成部生成的位置指令信号来检测所述控制对象的控制方向；

间隙量计算部，其根据所述控制方向检测部所检测出的控制方向，生成用于补偿所述控制对象的间隙量的间隙量信号；

延迟时间计算部，其生成使由所述间隙量计算部生成的间隙量信号相对于所述位置指令信号延迟了规定延迟时间的间隙校正信号；

信号相加部，其将由所述延迟时间计算部生成的间隙校正信号与所述位置指令信号相加来生成最终位置指令信号；和

位置控制部，其基于由所述信号相加部生成的最终位置指令信号，对所述控制对象的位置进行控制。