CN107077156A - 接触控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种接触控制装置(100),其具有选择性地输出表示第1基准速度的第1基准速度信号或表示速度低于第1基准速度的第2基准速度的第2基准速度信号的干扰补偿时机控制部(42)。干扰补偿时机控制部(42)在可动部(12)比固定部(11)与第2零件(B)间的第1基准位置更接近第2零件(B)时,将输出从第1基准速度信号切换成第2基准速度信号,并且将比例补偿的增益从第1增益切换成比第1增益低的第2增益。

Description

接触控制装置
技术领域 一
[0001] 本发明涉及一种进行零件的组装等的零件组装装置,特别涉及一种控制零件间或 者零件与工件的接触的接触控制装置。
背景技术 _
[0002] 以往以来,作为进行零件的组装等的零件组装装置,大量使用产业用机器人。作为 进行零件组装的产业用机器人,在臂的前端部设置有手等末端执行器,通过握持零件或者 工件并进行按压动作等来进行零件组装。 然而,机器人的动作一般通过位置控制来控制,所以在预先编程的零件位置与实际的 零件位置不同的情况下,由于零件间或者零件与工件的接触,产生大的力,导致零件发生损 伤、破损。
[0003] 作为其对应措施,有时另行设置吸收由于零件位置的误差而产生的力的夹具(所 谓的“缓冲器”)。关于该缓冲器,针对零件的每种形状、材料而要求的特性不同,所以需要按 零件的种类的数量来准备不同的零件,需要每次单独设计。因此,存在在成本上不利并且装 置大型化的问题。
[0004] 或者,也有时在机器人与手之间设置力传感器,当在接触时将要产生过大的力时, 将力传感器的检测结果反馈给机器人的位置控制,从而避免产生过大的力。在该情况下,虽 然能够不需要缓冲器,但存在力传感器的价格昂贵的问题。
[0005] 另外,使用机器人单体的以往的零件组装装置由于以下理由,还存在难以缩短作 业时间的问题。即,在接触时产生的力是基于惯性的冲击力与在接触时机器人所产生的力 之和。基于惯性的冲击力与零件以及机器人可动部的重量和移动速度之积成比例。一般来 说,机器人具有大且重的机构,所以为了减小基于惯性的冲击力,需要使即将接触之前的移 动速度变慢。
[0006] 进一步地,在对机器人设置有力传感器的情况下,虽然检测到在接触时产生过大 的力而使动作停止,但由于可动部大且重、并且具有有背隙(back lash)的减速机构的机器 人无法紧急停止,所以难以使力控制的响应变快。因此,为了降低在接触时对零件施加的 力,需要使接近零件的速度进一步地变慢,存在作业时间变长的问题。
[0007]此外,作为零件组装装置,还存在所谓的“贴片机”等能够进行更高速的组装的装 置。然而,贴片机是专门用于高速地安装小且轻质的零件的专用设备,转用到其他零件的组 装中则没有效果,并且是较昂贵的装置。 另一方面,通过将机器人用作零件组装装置,能够提高通用性,但存在上述问题。 现有技术文献 专利文献
[0008]专利文献1:日本专利第3472671号说明书
发明内容 发明要解决的技术问题
[0009] 在专利文献1中,公开了通过对设置于致动器的探针组装体的动作进行速度控制 而使探针组装体软接触到工件表面的技术。然而,存在仅通过使探针组装体向工件表面的 接触速度变低而无法充分降低在接触时产生的力的问题。
[0010] 本发明是为了解决上述问题而完成的,其目的在于,提供一种能够实现以下这样 的零件组装装置的接触控制装置,该零件组装装置能够使作为组装对象的零件不受到损伤 而迅速地与其他零件等接触、并且使用廉价且通用性高的致动器。 解决技术问题的技术手段
[0011] 本发明涉及一种接触控制装置,其设置于使用致动器的零件组装装置,控制零件 的接触,该接触控制装置具备:位置检测器,其检测致动器的可动部相对于固定部的位置; 干扰补偿时机控制部,其根据位置检测器输出的位置信号,选择性地输出表示第1基准速度 的第1基准速度信号以及表示速度低于第1基准速度的第2基准速度的第2基准速度信号;干 扰补偿部,其针对表示可动部相对于固定部的移动速度的速度信号与第1基准速度信号以 及第2基准速度信号的差分,执行比例补偿以及积分补偿;以及驱动器,其根据干扰补偿部 的输出信号,使可动部进行直线移动或者转动,干扰补偿时机控制部在可动部比固定部与 零件间的第1基准位置更接近零件时,将输出从第1基准速度信号切换成第2基准速度信号, 并且将比例补偿的增益从第1增益切换成比该第1增益低的第2增益。 发明效果
[0012] 本发明的接触控制装置能够实现以下这样的零件组装装置,该零件组装装置能够 使作为组装对象的零件不受到损伤而迅速地与其他零件等接触、并且使用廉价且通用性高 的致动器。
附图说明
[0013] 图1是示出本发明的实施方式1的接触控制装置以及零件组装装置的结构的说明 图。 图2是示出本发明的实施方式1的接触控制装置以及零件组装装置的主要部件的结构 的说明图。 图3是示出本发明的实施方式1的接触控制装置以及零件组装装置的动作的说明图。 图4是示出速度控制系统的等价模型的说明图。
具体实施方式
[0014]以下,为了更详细地说明本发明,依照附图,说明用于实施本发明的方式。 实施方式1. 参照图1以及图2,说明本发明的实施方式1的接触控制装置以及零件组装装置。 在图中,1是致动器。在致动器1中,使可动部12相对于固定部11而进行直线移动。
[0015]在致动器1的可动部12处,安装有抓手装置2。抓手装置2形成为自由握持作为组装 对象的第1零件A。另外,抓手装置2通过致动器1的直线移动,自由地将第1零件A按压到第2 零件B。
[0016]在致动器1处,设置有位置检测器3。位置检测器3检测可动部12相对于固定部11的 直线移动方向的位置。位置检测器3输出表示所检测到的位置的位置信号。
[0017] 位置速度转换部41对位置检测器3输出的位置信号进行微分,转换成速度信号。该 速度信号表示可动部12相对于固定部11的相对移动速度。
[0018] 干扰补偿时机控制部42根据位置检测器3输出的位置信号,选择性地输出表示第1 基准速度的信号(以下称为“第1基准速度信号”)以及表示速度低于第1基准速度的第2基准 速度的信号(以下称为“第2基准速度信号”)。干扰补偿时机控制部42在可动部I2超过固定 部11与第2零件B间的预先设定的基准位置(以下称为“第1基准位置”)而接近于第2零件B的 情况下,将输出从第1基准速度信号切换成第2基准速度信号。
[0019] 在这里,将第2基准速度设定为低至以下这样的速度:使得在包括可动部12以及抓 手装置2的质量为M的物体以速度V进行移动、并且使第1零件A与第2零件B在规定部位接触 的情况下,由于可动部12的动量以及动能而产生的力为不对第1零件A以及第2零件B造成损 伤的力。
[0020] 另外,将第1基准位置设定为第1零件A接触到第2零件B时的可动部12的位置(以下 称为“接触位置”)的稍微近前侧(1mm左右)的位置。由此,在使第1零件A接触到第2零件B时, 可动部12以低速的第2基准速度进行移动的距离变短,能够缩短作业时间。
[0021] 第1减法器43计算位置速度转换部41输出的速度信号的值与干扰补偿时机控制部 42输出的第1基准速度信号以及第2基准速度信号的值的差分(以下称为“速度差分”)。
[0022] 比例补偿器44a针对第1减法器43计算出的速度差分,执行所谓的“比例补偿(P补 偿)”。增益控制器44b控制由比例补偿器44a实施的比例补偿的增益。增益控制器44b根据干 扰补偿时机控制部42的控制信号,对第1增益与比第1增益低的第2增益进行切换。
[0023] 积分补偿器44c针对第1减法器43计算出的速度差分,执行所谓的“积分补偿(I补 偿)”。采样保持部44d选择性地执行使积分补偿器44c的输出穿过的动作(以下称为“采样动 作”)以及保持积分补偿器44c的输出的动作似下称为“保持动作”)。采样保持部44d根据千 扰补偿时机控制部42的控制信号,对采样动作与保持动作进行切换。
[0024] 加法器44e将增益控制器44b的输出与采样保持部44d的输出相加。通过比例补偿 器44a、增益控制器44b、积分补偿器44c、采样保持部44d以及加法器44e来构成干扰补偿部 44。干扰补偿部44在采样保持部44d执行采样动作的情况下,起到所谓的“PI补偿器”的功 能。 t〇〇25]接触检测部45使用位置速度转换部41输出的速度信号,检测第1零件A与第2零件B 的接触。即,接触检测部45在位置速度转换部41输出的速度信号的值在预先设定的时间内 落入到以零为中心的规定范围内的情况下,判定为第1零件A与第2零件B接触。
[0026]接触力计算部46使用第2基准速度的值和第2增益的值,计算在第1零件A接触到第 2零件B时产生的力中的、由致动器产生的力的大小。接触力计算部46输出以下这样的信号, 该信号能够通过在由接触检测部45检测到接触时从加法器44e的输出信号即致动器实际产 生的力减去计算出的致动器产生的力来降低对零件施加的力。 t〇〇27]第2减法器47a计算加法器44e的输出即致动器实际产生的力与接触力计算部妨的 输出即所计算出的致动器产生的力的差分。开关47b对驱动器4S输出加法器44e的输出。另 外,开关47b在接触检测部45检测到接触的情况下,对驱动器4S输出第2减法器47a的输出, 而非加法器44e的输出。通过第2减法器47a以及开关47b来构成接触力校正部47。
[0028] 驱动器48根据开关47b的输出,将使致动器1的可动部12进行直线移动并且与输入 成比例的电流供给到致动器。通过位置速度转换部41、干扰补偿时机控制部42、第1减法器 43、干扰补偿部44、接触检测部45、接触力计算部妨、接触力校正部47以及驱动器48来构成 致动器控制部4。通过位置检测器3以及致动器控制部4来构成接触控制装置1〇〇。通过致动 器1、抓手装置2以及接触控制装置100来构成零件组装装置2〇〇。
[0029] 接下来,参照图3的时序图,说明接触控制装置1〇〇以及零件组装装置2〇〇的动作。 在这里设置为,在初始状态下,致动器1的可动部12位于固定部11的附近,抓手装置2所 握持的第1零件A处于充分远离作为接触对象的第2零件B的位置。 _
[0030] 首先,在时刻t0下,未图示的控制器对致动器控制部4输出指示开始接触动作的指 令信号。干扰补偿时机控制部42将增益控制器44b的增益设定为第1增益,并且使采样保持 部44d执行采样动作。在包括位置速度转换部41、干扰补偿时机控制部42、第1减法器43、干 扰补偿部44、开关47b以及驱动器48的控制系统(以下称为“速度控制系统”)中,通过千扰补 偿部44的PI补偿,即使存在与可动部12连接的导线张力等干扰,也能够进行稳定的速度控 制。
[0031] 干扰补偿时机控制部42将第1基准速度信号输出到第1减法器幻。由此,致动器1的 可动部12使第1零件A向接近第2零件B的方向高速移动。
[0032] 接下来,可动部12向使第1零件A接近于第2零件B的方向移动,当在时刻tl下位置 检测器3的输出超过第1基准位置的情况下,干扰补偿时机控制部42将向第1减法器43的输 出从第1基准速度信号切换成第2基准速度信号。另外,干扰补偿时机控制部42同时将增益 控制器44b的增益从第1增益切换成第2增益。
[0033] 通过将干扰补偿时机控制部42的输出切换成低速的第2基准速度信号,由此,由于 包括可动部12以及抓手装置2的质量为M的物体动量以及动能而在第1零件A与第2零件B的 接触时产生的冲击力就变小。由此,能够防止第1零件A以及第2零件B受到损伤。 尤其是,由于组装小物体零件的致动器与机器人相比,一般质量轻1个数量级以上,所 以如果接触时的速度相同,则冲击力以数量级的差异变少。 另外,如果冲击力相同,则能够大幅增加接触时的速度。
[0034] 另外,通过将干扰补偿时机控制部42的输出切换成低速的第2基准速度信号,并且 将增益控制器44b的增益切换成低的第2增益,从而能够通过速度控制系统而减小在第1零 件A与第2零件B接触时致动器产生的力。虽然在后面叙述,但这是由于,通过速度控制系统 而产生的力的大小与速度控制系统的环路增益和基准速度信号的大小成比例。
[0035] 在这里,参照图4,说明通过速度控制系统而在接触时由致动器产生的力的大小。 图4示出速度控制系统的等价模型。在图4的速度控制系统中,在可动部12以速度V进行 移动的情况下产生的推力(对第1零件A施加的力)F2由以下的式⑴表示。 F2 = Kt • Ki • (Kv • A V-KeV) =Kt • Ki • (Kv • (Vref—Ve) —KeV) (1)
[0036] 在第1零件A接触到第2零件B而停止的状态下,实际速度电压Ve二0,并且速度V = 0。此时的推力F2如以下的式(2)所示,变成与基准速度电压Vref成比例的值。 F2 = Kt • Ki • Kv • Vref (2)
[0037] 此时,第2零件B受到与推力F2相同大小的反作用力FI。因此,如果将基准速度电压 Vref以及环路增益Kt • Ki • Kv设定为充分低的值,则第1零件A能够以微小的力接触到第2 零件B,并保持该状态。
[0038]在时刻tl下,增益控制器44b的增益虽然切换成比第1增益低的第2增益,但采样保 持部44d继续进行采样动作。因此,在时刻tl之后,虽然针对干扰的变化的响应性比时刻tl 以前稍微劣化,但干扰补偿部44进行动作以消除干扰的影响。速度控制系统进行动作以使 得可动部12的移动速度与第2基准速度相等,所以可动部I2的移动速度保持为低速。
[0039] 接下来,在时刻t2下,可动部12超过作为第1基准位置与接触位置之间的位置的、 紧接在第1零件A有可能接触到第2零件B的位置之前的位置(以下称为“第2基准位置”)。于 是,千扰补偿时机控制部42将采样保持部44d的动作从采样动作切换成保持动作。
[0040] 在时刻t2之后,采样保持部44d保持时刻t2下的积分补偿器44c的输出值。另外,增 益控制器44b的增益保持为比第1增益低的第2增益,基准速度保持为低速的第2基准速度。 因此,速度控制系统变成基准速度被设定为低速的比例控制系统,通过速度控制系统,能够 抑制在接触时产生的力。
[0041]但是,一般来说,如果速度控制系统的环路增益设定得较低,则存在容易受到干扰 的影响的问题。对此,采样保持部44d当在时刻tl下增益被切换成第2增益之后,也继续进行 采样动作,直至在时刻t2下可动部12超过第2基准位置为止。由此,在增益降低之后,也继续 进行积分动作,直至产生第1零件A接触到第2零件B的可能性为止,变成消除了干扰的影响 的状态。
[0042]另外,考虑第2零件B与可动部12的绝对位置的误差,将第2基准位置设定为紧接在 第1零件A接触到第2零件B的可动部12的位置(接触位置)之前的位置,所以第2基准位置与 接触位置的间隔充分窄,从可动部12超过第2基准位置起至到达接触位置为止的移动时间 是几十毫秒(ms)左右。 因此,从将采样保持部44d设为保持状态起至第1零件A接触到第2零件B为止的期间的 干扰不急剧地大幅变化,达到能够忽略其影响的程度。
[0043]接下来,在时刻t3下,第1零件A接触到第2零件B。 此外,如上所述,将此时的接触速度设定为低的速度,同时,降低在接触时从致动器对 零件施加的力。 由此,可动部12在以微小的力进行接触的状态下停止,所以位置信号的值为恒定值,速 度信号的值大致为零。在该时刻下,干扰补偿时机控制部42将基准速度信号的值切换成零。 然后,当速度信号的值保持为包括零的范围内的值的状态、经过了规定时间后,接下来,在 时刻t4下,接触检测部45检测到第1零件A与第2零件B的接触。
[0044]在时刻t3之后,速度信号大致为零,基准速度信号也为零。然而,由于采样保持部 44d从时刻t2起保持的值,在第1零件A与第2零件B之间,会产生通过速度控制系统无法完全 补偿的微小的接触力。
[0045]因此,接触力计算部46使用第2基准速度的值和第2增益的值,预先计算第1零件A 接触到第2零件B时产生的力中的、由致动器产生的力的大小。接触力计算部46输出能够通 过从加法器44e的输出信号进行减法而降低对零件施加的力这样的信号。
[0046]当在时刻t4下接触检测部45检测到接触时,开关47b将向驱动器4S的输出切换成 来自第2减法器47a的输出。由此,补偿通过速度控制系统无法完全补偿的微小的接触力,能 够进一步抑制第1零件A与第2零件B之间的接触力。
[0047] 如上所述,实施方式1的接触控制装置1〇〇具有:位置检测器3,其检测致动器1的可 动部12相对于固定部11的位置;干扰补偿时机控制部42,其根据位置检测器3输出的位置信 号,选择性地输出表示第1基准速度的第1基准速度信号以及表示速度低于第1基准速度的 第2基准速度的第2基准速度信号;干扰补偿部44,其针对表示可动部12相对于固定部11的 移动速度的速度信号与第1基准速度信号以及第2基准速度信号的差分,执行比例补偿以及 积分补偿;以及驱动器48,其根据干扰补偿部44的输出信号,驱动可动部12。干扰补偿时机 控制部42在可动部12比固定部11与第2零件B间的第1基准位置更接近第2零件B时,将输出 从第1基准速度信号切换成第2基准速度信号,并且将比例补偿的增益从第1增益切换成比 第1增益低的第2增益。通过将第1基准位置设定为接触位置的稍微近前侧的位置,可动部12 以低速的第2基准速度进行移动的距离变短,能够缩短作业时间。通过使基准速度信号和增 益这两者的值变低,能够抑制在第1零件A与第2零件B接触时产生的力。
[0048] 另外,干扰补偿时机控制部42在可动部12比第1基准位置与第2零件B间的第2基准 位置更接近第2零件B时,使采样保持部44d保持积分动作的值。在使比例补偿的增益降低之 后,也继续进行积分动作,直至产生第1零件A接触到第2零件B的可能性为止,从而能够实现 消除了干扰的影响的状态。由于第2基准位置与接触位置的间隔充分窄,所以还能够忽略从 将采样保持部44d设为保持状态起至第1零件A接触到第2零件B为止的期间的干扰的影响。
[0049] 另外,接触控制装置100具有:接触检测部45,其使用速度信号来检测第1零件A与 第2零件B的接触;接触力计算部46,其使用第2增益以及第2基准速度的值,计算由于第1零 件A与第2零件B的接触而产生的力的大小,并且输出与所计算出的力相应的信号;以及接触 力校正部47,在接触检测部45检测到第1零件A与第2零件B的接触时,所述接触力校正部47 将从干扰补偿部44的输出信号中减去接触力计算部46的输出信号而得到的信号输出到驱 动器48。在第1零件A接触到第2零件B时,补偿通过速度控制系统无法完全补偿的微小的接 触力,从而能够进一步抑制在第1零件A与第2零件B接触时产生的力。
[OOM]另外,实施方式1的接触控制装置100不需要缓冲器、力传感器,能够得到廉价的零 件组装装置200。另外,根据抓手装置2等末端执行器的种类,能够得到通用性高的零件组装 装置200。
[0051] 此外,致动器1的可动部12也可以代替抓手装置2而采用设置了烙铁等工具的装 置。接触控制装置100也可以控制设置于可动部I2的烙铁与第2零件B的焊接对象部位的接 触。
[0052]另外,也可以设为致动器1将由抓手装置2握持着的第1零件A按压到夹具而非第2 零件B,接触控制装置100控制第1零件A与夹具的接触。
[0053]另外,也可以代替位置速度转换部41而设置检测可动部12相对于固定部U的相对 移动速度、并且输出表示所检测到的移动速度的速度信号的速度检测器。
[0054]另外,在致动器1中,也可以使可动部12相对于固定部11而转动。
[0055]此外,本申请发明能够在其发明范围内进行实施方式的任意的结构要素的变形或 者实施方式的任意的结构要素的省略。 M 〜 产业上的可利用性
[0056]本发明的接触控制装置能够用于进行零件组装的产业用机器人等的控制中。 符号说明
[0057] 1 致动器 2 抓手装置 3 位置检测器 4 致动器控制部 11 固定部 12 可动部 41 位置速度转换部 42 干扰补偿时机控制部 43 第1减法器 44 干扰补偿部 44a 比例补偿器 44b 增益控制器 44c 积分补偿器 44d 采样保持部 44e 加法器 45 接触检测部 46 接触力计算部 47 接触力校正部 47a 第2减法器 47b 开关 48 驱动器 100 接触控制装置 200 零件组装装置 A 第1零件 B 第2零件。

Claims (3)

1. 一种接触控制装置,其设置于使用致动器的零件组装装置,控制零件的接触,所述接 触控制装置的特征在于,具备: 位置检测器,其检测所述致动器的可动部相对于固定部的位置; 干扰补偿时机控制部,其根据所述位置检测器输出的位置信号,选择性地输出表示第1 基准速度的第1基准速度信号以及表示速度低于所述第1基准速度的第2基准速度的第2基 准速度信号; 干扰补偿部,其针对表示所述可动部相对于所述固定部的移动速度的速度信号与所述 第1基准速度信号以及所述第2基准速度信号的差分,执行比例补偿以及积分补偿;以及 驱动器,其根据所述干扰补偿部的输出信号,使所述可动部进行直线移动或者转动, 所述干扰补偿时机控制部在所述可动部比所述固定部与所述零件间的第1基准位置更 接近所述零件时,将输出从所述第1基准速度信号切换成所述第2基准速度信号,并且将所 述比例补偿的增益从第1增益切换成比该第1增益低的第2增益。
2.根据权利要求1所述的接触控制装置,其特征在于, 所述干扰补偿时机控制部在所述可动部比所述第1基准位置与所述零件间的第2基准 位置更接近所述零件时,保持所述积分补偿的积分动作的值。
3.根据权利要求2所述的接触控制装置,其特征在于,具备: 接触检测部,其使用所述速度信号来检测所述零件的接触; 接触力计算部,其使用所述第2增益以及所述第2基准速度的值,计算在所述零件的接 触时所述致动器产生的力的大小,并且输出与所计算出的力相应的信号;以及 ^触力校正部,其在所述接触检测部检测到所述零件的接触时,将所述干扰补偿部的 输出信号减去所述接触力计算部的输出信号后得到的信号,输出到所述驱动器。
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