CN104972465B - 根据力而动作的机器人的机器人控制装置及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供机器人控制装置及机器人系统，能够更稳定地进行通过使力作用于机器人的前端部而引起的该前端部的姿势的变更，并且能够使各轴移动至所希望的位置。根据作用于机器人的力而使机器人移动的机器人控制装置具备：控制点设定部，针对机器人设定控制点；以及操作指令部，向机器人输出进行以控制点为旋转中心的旋转移动的指令。机器人具有通过依次组合包含至少三个旋转轴的三个以上的轴而构成的构造，并且具有三个旋转轴的旋转中心线以作为三个旋转轴内的一个的中心线交叉轴的原点为交点而相交的构造，控制点设定部将中心线交叉轴的原点设定为控制点。

Description

根据力而动作的机器人的机器人控制装置及机器人系统

技术领域

本发明涉及根据作用于机器人的力而使机器人移动的机器人控制装置和包含该机器人及该机器人控制装置的机器人系统。

背景技术

作为通过使力作用于机器人，而使机器人移动的机器人的操作方法、使机器人移动并示教位置的方法，已知有直接示教。利用这种方法，相对于机器人使力作用于所希望的移动方向而直接进行引导，由此能够使机器人移动至正交坐标系上的所希望的位置及/或姿势。

作为与此相关的技术，在日本特开昭56－085106号公报中公开有如下方法，当对安装在机器人臂部前端的力检测器的手动操作部进行操作时，以由力检测器产生的信号为基准，使机器人臂部前端的位置、姿势移动。

另外，在日本特开平06－250728号公报中公开有机器人的直接示教装置，其通过设置于机器人的力传感器，检测出施加于末端执行器的人为的力，当使用通过该检测而得到的力信号对机器人手臂的动作进行控制时，仅向由操作方向设定单元设定的方向引导机器人手臂。

日本特开昭56－085106号公报所记载的方法是根据力而使机器人前端部在正交坐标系上的位置及/或姿势移动的方法。此时，因力控制的响应性的设定、移动的方式，有时姿势的移动动作变得不稳定。而且，在日本特开昭56－085106号公报中，在直接示教中未记载使各轴的位置移动的方法、单元。

可以理解为日本特开平06－250728号公报所记载的装置，在通过直接示教而使机器人移动时，限制针对机器人前端在笛卡尔坐标系上的关于位置及/或姿势的方向的移动方向，使其仅向所限制的方向移动，由此使操作性提高。但是，在日本特开平06－250728号公报中，未提出稳定地使机器人的姿势变化的方法、使各轴的位置移动的方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供机器人控制装置和包含该机器人控制装置及该机器人的机器人系统，该机器人控制装置能够更稳定地进行通过使力作用于机器人的前端部而引起的该前端部的姿势的变更，并且通过变更机器人的前端部的正交坐标系上的姿势，而能够使各轴移动至所希望的位置。

为了达成上述目的，本发明的一个方式是提供一种机器人控制装置，根据作用于机器人的力，使上述机器人移动，上述机器人控制装置的特征在于，具备：测力部，测量作用于上述机器人的前端部的力；控制点设定部，针对上述机器人设定控制点；力计算部，以上述测力部测量出的力为基准，计算出上述控制点的控制坐标系上的力；以及操作指令部，根据由上述力计算部计算出的上述控制坐标系上的力，针对上述机器人输出进行以上述控制点为旋转中心的旋转移动的指令，上述机器人具有通过依次组合包含至少三个旋转轴的三个以上的轴而构成的构造，并且具有上述三个旋转轴的旋转中心线以作为上述三个旋转轴内的一个的中心线交叉轴的原点为交点而相交的构造，上述控制点设定部将上述中心线交叉轴的原点设定为控制点。

在优选的实施方式中，上述机器人具有：台座；以及在上述三个旋转轴中最靠近上述台座的旋转轴和上述台座之间至少一个的轴，上述机器人是如下构成的垂直多关节型机器人：根据上述至少一个轴的位置，来确定上述中心线交叉轴的原点的空间上的位置。

在优选的实施方式中，上述操作指令部根据由上述力计算部计算出的上述控制坐标系上的力，针对上述机器人输出进行以上述控制点为旋转中心的旋转移动、以及平移移动的指令。

本发明的其它形式是提供一种机器人系统，其包含上述机器人控制装置和上述机器人。

附图说明

参照附图对以下优选的实施方式进行说明将会使本发明的上述或其它的目的、特征及优点变得明确。其中：

图1是表示具备由本发明一个实施方式所涉及的机器人控制装置控制的机器人的机器人系统的示意结构的图。

图2是功能性地表示本发明一个实施方式所涉及的机器人控制装置的结构的图。

图3是表示本发明一个实施方式所涉及的机器人控制装置的处理的一个例子的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，为了便于理解，适当变更附图中的比例尺。

在本申请说明书中，“力”是指除非另有规定，其是包含力的平移方向成分及力矩成分的力，“位置及/或姿势”是指包含位置及姿势的至少一方。另外，“轴”是指构成机器人的连结连杆和连杆的关节部分，其为改变连杆和连杆的位置关系、角度关系的部分。例如，通过改变轴的位置(旋转轴的情况下的位置为角度)，能够改变连杆和连杆的位置关系，能够改变机器人前端部的位置及/或姿势。另外，也可以在与成为轴的部分不同的部位上配置使轴的位置移动的驱动器。而且，“力控制增益”是指在根据所作用的力而使机器人移动的力控制中，用于以所作用的力的大小为基准，求出每个控制周期的正交坐标系上的机器人前端部的位置及/或姿势、机器人的各轴的位置等的移动量的系数。

图1是表示机器人系统11的结构例的示意图，该机器人系统11具备本发明一个实施方式所涉及的机器人控制装置10和由机器人控制装置10控制的机器人50。机器人控制装置10构成为在规定的每个控制周期内对机器人50的各轴的位置进行控制。

在机器人系统11中，操作者60使力(外力)作用于机器人50的前端部58时，机器人控制装置10根据测力部21(参照图2)测量的作用于机器人50的前端部58的力、所设定的数据、及机器人50的位置数据等，对使机器人50的各轴移动的驱动器进行控制，改变构成机器人50的轴的位置，使机器人50移动。而且，机器人控制装置10具有包含运算处理装置、ROM、RAM等的硬件结构，执行后述的各种功能。

由本发明一个实施方式所涉及的机器人控制装置10控制的机器人50是如下的垂直多关节型机器人，其具有通过依次组合三个以上的轴而构成的构造，并且，具有与上述轴的位置无关，三个旋转轴的旋转中心线以上述三个旋转轴内的一个轴的原点为交点而相交的构造，并且，具有将以上述三个旋转轴的旋转中心线的交点为原点的轴作为中心线交叉轴时，根据上述三个以上的轴内从上述机器人的台座侧的轴到上述三个旋转轴的跟前为止的上述轴的位置，来确定上述中心线交叉轴的原点的空间上的位置的构造。

以下，参照图1对机器人50的构造更具体地进行说明。虽然在图1的实施方式中，机器人50是六轴结构的垂直多关节型机器人，但是也能够同样应用于具有上述构造的任意公知的机器人。而且，虽然在本实施方式中，六个轴都是旋转轴，但是也可以包含直动轴。

机器人50具有六个轴，即从接近机器人50的台座59的一侧依次具有J1轴51、J2轴52、J3轴53、J4轴54、J5轴55及J6轴56。J1轴51、J4轴54、J6轴56在附图中具有连结轴和轴且绕连杆旋转的(即与纸面平行的)旋转轴R1，J2轴52、J3轴53、J5轴55在附图中具有连结轴和轴且绕与连杆正交的方向旋转的(即与纸面垂直的)旋转轴R2。另外，图1是用于表示机器人50的轴的结构的简单的说明图。而且，将各轴的原点定义为设定于各轴的坐标系的原点且连接连杆和连杆的点时，则各轴的原点位置表现为设定在空间中的坐标系(以后也称为参照坐标系)上的位置。在图1的结构中，J1轴51和J2轴52的原点位于同一位置，J3轴53和J4轴54的原点位于同一位置，J5轴55和J6轴56的原点位于同一位置。

在图1的例子中，对于构成机器人50的多个轴(图示例中为六个轴)内连续的三个旋转轴J4轴54、J5轴55、J6轴56，J4轴54的旋转中心线、J5轴55的旋转中心线、及J6轴56的旋转中心线以J5轴55的原点41为交点而相交。也就是说，J5轴55的原点成为三个旋转轴的旋转中心线的交点，此时也将J5轴55称为中心线交叉轴。此时，构成机器人50的多个轴的位置无论移动至什么位置，换而言之，无论机器人50处于什么姿势，J5轴55的原点41都成为三个旋转轴(J4轴54、J5轴55、J6轴56)的旋转中心线的交点。如此，机器人50呈如下构造，即与构成机器人50的各轴的位置无关，构成机器人50的轴内的三个旋转轴的旋转中心线以该三个旋转轴内的一个轴的原点为交点而相交。

另外，机器人50呈如下构造，根据设置在机器人50的台座59和上述三个旋转轴(J4轴54、J5轴55、J6轴56)中最靠近台座59(这里是J4轴54)之间的轴即J1轴51、J2轴52、J3轴53的轴的位置，来确定中心线交叉轴的原点的空间上的位置。

在本实施方式中，在描述为相对于旋转轴使该轴的位置移动的情况下，该轴的位置是指旋转轴的旋转角度，“使轴的位置移动”是指使该旋转轴旋转。另外，“轴的原点位置”是指表示相对于空间设定的坐标系(参照坐标系)上的设定于各轴的坐标系的原点位置。而且，参照坐标系是指用于在相对于空间固定的正交坐标系上，表示机器人50的前端部58、法兰部57(前端部58相对于机器人50的安装部位)、还有设定于各轴的坐标系等的位置及/或姿势的坐标系。

另外，为了表示相对于空间设定的参照坐标系上的机器人50的位置及/或姿势，而使相对于机器人50设定的坐标系为工具坐标系，将工具坐标系的原点，且进行平移移动的点或进行旋转移动时的中心点作为控制点。而且，将与参照坐标系平行地相对于控制点设定的坐标系作为控制坐标系。另外，只要控制点的位置是相对于机器人50设定的位置，则也可以是任意的位置。

机器人50的前端部58是安装在距机器人50的台座59最远的轴(这里是J6轴56)的前端侧(机器人50的法兰部57)的物体所存在的部分。虽未图示，但是在机器人50的前端部58安装有六轴力传感器。机器人控制装置10依据每隔规定时间检测出的力传感器的输出，通过测力部21测量操作者作用于机器人50的前端部58的力。

测力部21设定原点位于机器人50的前端部58中的测量力的点上的坐标系，且作为作用于机器人50的前端部58的力，测量该坐标系上的力的平移方向的成分F及力矩成分M。以下，使该坐标系为测力坐标系，将测力坐标系的原点作为测力点。此时，将设定于机器人50的前端部58的坐标系的X轴、Y轴、Z轴的力的平移方向成分分别表示为Fx、Fy、Fz，同时将绕X轴、Y轴、Z轴而检测出的力矩成分分别表示为Mx、My、Mz。

在此，测力点能够设定于操作者使力进行作用的作用点、或设定于力传感器的传感器坐标系的原点、传感器坐标系的轴上的点等。虽然在本实施方式中测量六个成分，但是也可以测量力的平移方向成分F或者力矩成分M。而且，力传感器的安装位置只要能够测量作用于机器人50的前端部58的力，则也可以是任意的部位。而且，测量作用于机器人50的前端部58的力的测量单元也可以不是六轴力传感器，也可以使用例如三轴力传感器。或者，代替使用力传感器，也可以依据使构成机器人50的轴移动的驱动器为马达时的电流值，或者轴的指令位置和实际的轴的位置之间的偏差，或者安装于各轴的转矩传感器的输出等，来估计作用于机器人50的前端部58的力。

在机器人50的前端部58能够安装用于进行加工工件或搬运工件等的作业的工具、用于进行基于力的移动操作的操纵装置等。操纵装置例如具有操作者60能够抓持的把手、操纵杆的形式，可以具备用于进行示教的按钮等。将力传感器安装于机器人50的前端部58时，也可以针对安装于机器人50的力传感器安装工具、操纵装置，或者针对安装于机器人50的工具安装力传感器，也可以在其端部安装操纵装置。使力作用于机器人50的前端部58时，既能够以不使用操纵装置的方式使力作用于安装在力传感器上的工具，或者，也能够使力作用于安装在力传感器上的操纵装置。

在操作者使力作用于安装在力传感器上的工具、操纵装置，而使机器人50移动的情况下，测力部21根据力传感器检测出的力，对操作者作用于机器人50的前端部58的净力进行测量。在此，在安装于机器人50的前端部58的工具上安装组合有力传感器和操纵装置的装置时，安装于力传感器的物体因重力、惯性力而对力传感器造成的影响变小，求出净力时的误差也变小。

另外，为了使组合有力传感器和操纵装置的装置能够简单地装拆于工具，而采用使用磁铁、弹簧等而构成的机构等来进行安装，由此能够仅在基于力而使机器人50进行移动操作的情况下，安装检测力的装置。由此，在不需要示教操作时拆下装置，或者根据需要而能够在其它机器人系统中进行使用。

图2是功能性地表示本发明的实施方式所涉及的机器人控制装置10的结构例的图。如图所示，机器人控制装置10具备测力部21、控制点设定部22、力计算部23、操作指令部24、存储部25及输入部71。

测力部21测量操作者作用于机器人50的前端部58的净力。此时，测力部21针对力传感器检测出的力，根据需要补偿安装于力传感器的工具、操纵装置或者所抓持的工件等物体因重力、惯性力(包含哥氏力、陀螺效应)等而造成的影响，从而测量操作者作用于机器人50的前端部58的净力。安装于力传感器的物体所造成的重力、惯性力的影响的补偿能够通过公知的方法来进行。例如，可以在操作者使力作用于安装在力传感器上的物体之前，预先计算出质量、重心，参照上述计算出的物体的质量及重心和机器人的移动动作，并通过例如日本特开2008－142810号公报所公开的方法进行计算。

控制点设定部22针对机器人50设定控制点。机器人控制装置10在外力作用于机器人50的前端部58时，以该力为基准，使针对机器人50设定的控制点平行移动，或以控制点为旋转中心使机器人旋转移动。控制点既可以根据储存于机器人控制装置10的设定来进行设定，也可以从连接于机器人控制装置10的外部输入装置等进行设定。而且，所设定的控制点也可以在机器人50的移动操作中进行变更。并且，机器人控制装置10也可以基于机器人50的移动操作的状况，根据机器人50的轴的位置、由测力部21测量的力，来变更控制点的位置。

控制点设定部22利用如上所述的方法，将中心线交叉轴的原点(图示例中为J5轴55的原点41)设定为控制点。此时，控制点设定部22也可以从预先设定的位置(点)切换为将中心线交叉轴的原点作为控制点。而且，控制点设定部22也可以从中心线交叉轴的原点切换为将另外的某一点作为控制点。通过如此切换控制点，从而能够根据需要，如本实施方式般使机器人50移动。

力计算部23以测力部21测量的作用于机器人50的前端部58的包含力的平移方向成分及/或力矩成分的力为基准，计算出用于使正交坐标系上的机器人50的前端部58的位置及/或姿势移动的操作力。具体而言，力计算部23通过将测力部21测量的力变换为与所设定的控制点相关的控制坐标系上的力，从而计算出操作力。而且，力计算部23为了提高基于力而移动时的操作性，也可以根据需要，考虑操作中的机器人的移动方向、移动速度等，来调节所计算的操作力的方向、大小。

操作指令部24使用力计算部23依据测力部21测量的力而计算出的操作力，输出使机器人50移动的指令，以便根据作用于机器人50的前端部58的力而使机器人50移动。详细而言，操作指令部24依据力计算部23计算出的操作力，使工具坐标系平行移动或以控制点为旋转中心旋转移动，求出正交坐标系上的机器人50的前端部58的移动方向及移动速度，在每个控制周期内输出使正交坐标系上的机器人50的前端部58的位置及/或姿势移动(变化)的操作指令。此时，正交坐标系上的机器人50的前端部58的位置及/或姿势的指令变换为各轴的位置指令并被输出。而且，此时也可以根据力控制增益，来确定相对于操作力的移动速度。而且，优选基于移动操作时的状况，使相对于操作力的响应性下降，或对速度进行加减速等，根据需要来调节移动速度。

存储部26中储存测力部21为了测量力所需的参数、力计算部23为了计算出操作力所需的参数、操作指令部24为了输出操作指令所需的参数等各种计算所需的参数及计算结果等。

输入部71接收向机器人控制装置10输入的如下数据并进行处理，诸如从连接于机器人控制装置10且能够输入各种设定的输入装置转送的数据、输入至其它控制装置、计算机的设定经由网络而被转送至机器人控制装置10的数据等。能够利用输入部71从机器人控制装置10的外部设定控制点，或切换所设定的控制点。

而且，虽未图示，但是机器人控制装置10也可以具备依据来自安装在机器人50的各轴上的编码器等的位置检测装置的信息，来计算机器人50的各轴的位置、前端部的位置及/或姿势、速度、加速度的单元。

下面，参照图3的流程图，对操作者使力作用于机器人50的前端部58并使机器人50进行以控制点为旋转中心的旋转移动时的本发明的实施方式所涉及的机器人控制装置10的处理的一个例子进行说明。

由操作者60等在机器人50的前端部58上作用外力时，测力部21测量作用于前端部58的力(步骤S1)。之后控制点设定部22将中心线交叉轴的原点41设定为控制点，以控制点41为基准来设定控制坐标系(步骤S2)。

之后，依据测力部21测量的作用于机器人50的前端部58的力以及控制点41的控制坐标系，力计算部23将作用于机器人50的前端部58的力变换为控制坐标系上的力，并计算控制坐标系上的力(步骤S3)。之后，操作指令部24以力计算部23计算的控制坐标系上的力为基准，生成进行以控制点为旋转中心的旋转移动的操作指令并进行输出(步骤S4)。根据该操作指令，机器人50进行以控制点为旋转中心的旋转移动。

参照图1对将中心线交叉轴的原点设定为控制点，并以该控制点为旋转中心使机器人进行旋转移动的情况进行说明。在本实施方式中，J5轴55成为中心线交叉轴，进行以J5轴55的原点41为旋转中心的旋转移动。成为中心线交叉轴的J5轴55的原点41的参照坐标系上的位置由J1轴51、J2轴52、J3轴53的位置来确定。因而，以J5轴55的原点41为旋转中心使机器人50移动时，不变更J1轴51、J2轴52、J3轴53的位置，而仅使构成机器人50的多个轴(这里是六个轴)内的J4轴54、J5轴55、J6轴56移动。

如此，使机器人50的前端部58的姿势移动(变化)时，通过使旋转中心成为作为中心线交叉轴的J5轴55的原点41，从而只要使构成机器人50的轴内的三个轴的位置移动即可，因此能够减少同时控制的轴的数量，能够使机器人50的旋转移动更加稳定。而且，由于仅使三个轴移动，因此与使六个轴全部同时移动的情况相比，变得容易使三个轴内的所希望的轴向所希望的位置移动。

另外，由于三个旋转轴的旋转中心线以成为中心线交叉轴的J5轴55的原点41为交点而相交，因此使力作用于机器人50的前端部58时，如果相对于某个轴的旋转中心线向平行的方向使力进行作用，则能够利用正交坐标系上的姿势的移动操作，不使所希望的某个轴移动，而使其它轴移动。通过机器人50的前端部58的姿势、使力进行作用的方向，能够仅使所希望的轴移动。

如此，不设定构成机器人50的轴内不移动的轴，而仅通过设定控制点这样的操作，从而在机器人50的前端部58的姿势的移动操作中，将构成机器人50的六个轴内进行移动的轴大幅度减少为充分必要的三个，能够使机器人50的前端部58的姿势的移动稳定，并且容易使三个轴内的所希望的轴向所希望的位置移动。

另外，如上所述，控制点设定部22将中心线交叉轴的原点41设定为控制点，力计算部23计算出将该控制点作为原点的控制坐标系上的力，以该计算出的力为基准，以控制点为旋转中心，机器人50进行旋转移动。由此，能够更稳定地实现使机器人50的前端部58的姿势移动的操作。而且，通过正交坐标系上的姿势的移动操作，能够使所希望的轴的位置向所希望的位置移动，并且更加容易地进行移动。

另外，控制点设定部22将中心线交叉轴的原点41设定为控制点，力计算部23计算出将该控制点作为原点的控制坐标系上的力，操作指令部24也可以根据由力计算部23计算出的控制坐标系上的力，使机器人50进行以控制点为旋转中心的旋转移动，并且进行平移移动。由此，根据作用于机器人50的前端部58的力，使机器人50的前端部58的正交坐标系上的位置及姿势移动(变化)时，与前述内容一样，能够更加稳定。

另外，虽然在上述实施方式中对具有六个轴(即旋转轴在控制点相交的三个轴(J4～J6)以及台座和上述三个轴中最靠近台座的轴之间的其它三个轴(J1～J3))的机器人进行了说明，但是本发明还能够应用于不具有上述其它三个轴的(即三个轴的)机器人。而且，设置在台座和上述三个轴中最靠近台座(J4)之间的轴数既可以是一个或两个，也可以是四个以上。根据本发明，无论构成机器人的多个轴的位置移动至什么位置，也由于中心线交叉轴的原点成为三个旋转轴的旋转中心线的交点，因此在通过使力作用于机器人的前端部并使该前端部的姿势绕控制点进行变化而使机器人移动的情况下，能够使机器人更加稳定地移动。而且，在机器人的前端部的正交坐标系上的姿势的移动操作中，能够容易使所希望的轴向所希望的位置移动。

通过在机器人上以比上述三个旋转轴更靠近台座的方式再追加至少一个轴，从而控制点的参照坐标系上的位置由上述至少一个轴的位置确定，因此以控制点为旋转中心使机器人移动时，不变更上述至少一个轴的位置，能够使机器人的前端部的姿势更加稳定地变化。

Claims (3)

1.一种机器人控制装置，根据作用于机器人的力，使正交坐标系上的上述机器人的前端部的位置及姿势移动，

上述机器人控制装置的特征在于，

上述机器人具有通过依次组合至少六个旋转轴而成的构造，并且，具有与上述旋转轴的位置无关地，上述旋转轴中三个旋转轴的旋转中心线以上述三个旋转轴内的一个轴即中心线交叉轴的原点为交点而相交的构造，并且，

上述机器人是垂直多关节型机器人，具有上述机器人的台座和在上述三个旋转轴中最靠近上述台座的旋转轴与上述台座之间的三个旋转轴，并具有根据从上述机器人的台座相连的上述三个旋转轴的位置来确定上述中心线交叉轴的原点的空间上的位置的构造，

上述机器人控制装置具备：

测力部，测量作用于上述机器人的前端部的力；

控制点设定部，针对上述机器人设定上述中心线交叉轴的原点为控制点；

力计算部，通过将上述测力部测量出的力转换为以上述控制点为原点的控制坐标系上的力，从而计算出用于进行以上述控制点为旋转中心的旋转移动而使正交坐标系上的上述机器人的上述前端部的姿势变化的操作力，或者，计算出用于进行以上述控制点为旋转中心的旋转移动，并且进行上述控制点的平移移动而使正交坐标系上的上述机器人的上述前端部的位置以及姿势变化的操作力；以及

操作指令部，根据由上述力计算部计算出的上述控制坐标系上的操作力，针对上述机器人输出如下的指令：通过旋转中心线相交的上述三个旋转轴的旋转中心线以上述中心线交叉轴的原点为交点而相交的上述三个旋转轴的移动而进行以上述控制点为旋转中心的正交坐标系上的上述机器人的上述前端部的旋转移动，并通过上述台座侧的三个旋转轴的移动而使上述控制点平移移动来进行正交坐标系上的上述机器人的上述前端部的平移移动。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

上述机器人是垂直多关节型机器人，具有上述机器人的台座和在上述三个旋转轴中最靠近上述台座的旋转轴与上述台座之间的三个旋转轴，并构成为根据从上述机器人的台座相连的上述三个旋转轴的位置来确定上述中心线交叉轴的原点的空间上的位置，并且，具有在从上述机器人的台座相连的上述三个旋转轴中一个旋转轴的旋转中心线与其它两个旋转轴的旋转中心线正交的构造。

3.一种机器人系统，其特征在于，包含权利要求1或2所述的机器人控制装置和上述机器人。