CN110053042A - 机器人控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人控制装置，其使机器人的振动抑制与高速化并存。机器人控制装置(20)进行控制，使机器人(10)的手臂前端部(12)根据包含圆弧部分的移动轨迹以恒定的预定速度移动，其中，具有：离心力运算部(22)，其运算作用于手臂前端部(12)的离心力作为时间序列数据；变换部(23)，其将离心力的时间序列数据傅里叶变换为频率数据；以及速度决定部，其根据离心力的频率数据来决定预定速度，使得包含机器人的固有振动频率的预定范围的频率成分为阈值以下。

Description

机器人控制装置
技术领域
本发明涉及机器人控制装置。
背景技术
在专利文献1～3中记载有如下技术：在工业用机器人中，抑制因机器人的固有振动频率的共振而激发的手臂的振动。
在专利文献1中记载有如下技术：在控制循环内设置陷波滤波器，并从控制信号中除去与机器人的固有振动数对应的频率成分，由此抑制手臂的振动。
在专利文献2中记载有如下技术：对加速度图形所示的加速度进行傅里叶变换而求出功率谱分布，从该功率谱分布中除去使机器人激发振动的频率对应的部分，将剩余的功率谱分布进行逆傅里叶变换重新求出加速度图形，由此抑制机器人开始或停止动作时(加减速时)的手臂的振动。
在专利文献3中记载有如下技术：时时刻刻根据各关节部的弹簧常数与手臂的惯性力矩来引导机器人的固有振动数，将加减速图形的加速时间和减速时间设定为固有振动数的倒数的整数倍，由此实时抑制(加减速时的)手臂的振动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-261853号公报
专利文献2：日本特开平06-250723号公报
专利文献3：日本特开2007-272597号公报
专利文献4：日本特开2017-056544号公报
专利文献5：日本特开平11-024720号公报
发明内容
要解决的技术问题
例如，在进行密封处理的机器人中，谋求如下控制：一边将机器人手臂前端部的速度保持为恒定，一边精密且高速地追踪复杂的轨迹。在这样的控制中，在通过轨迹的曲线部分(圆弧路径)时，离心力作用于手臂前端部。于是，有时因该离心力，在通过曲线部分(圆弧路径)之后在手臂前端部激发振动，使手臂前端部的轨迹精度恶化。
关于这方面，在专利文献4和5中，记载有如下技术：对通过路径的曲线部分(圆弧路径)时因作用于手臂的离心力而激发的手臂的振动进行抑制。例如，在专利文献5中，记载有如下技术：根据按圆弧路径的半径范围预先设定了最大允许速度的表数据，将与圆弧路径的半径区域对应的最大允许速度设定为机器人的速度，由此抑制起因于圆弧路径上的离心力的手臂前端部的振动。另外，在专利文献5所记载的技术中，只变更圆弧路径附近的速度。
如上所述，例如在进行密封处理的机器人中，需要将机器人手臂前端部的速度保持为恒定，以便均匀地涂布密封材料。在这样的机器人的控制中，一边抑制因离心力而激发的振动，一边谋求实现尽可能短的周期时间的最大速度的决定法，以便维持预定的轨迹精度。
解决技术问题的手段
本发明的目的在于提供一种机器人控制装置，其使机器人的振动抑制与高速度并存。
技术方案(1)：本发明所涉及的机器人控制装置(例如，后述的机器人控制装置20)进行控制，使机器人(例如，后述的机器人10)的手臂前端部(例如，后述的手臂前端部12)根据包含圆弧部分在内的移动轨迹以恒定的预定速度进行移动，其中，该机器人控制装置具有：离心力运算部(例如，后述的离心力运算部22)，其运算作用于所述手臂前端部的离心力作为时间序列数据；变换部(例如，后述的傅里叶变换部23)，其将所述离心力的时间序列数据傅里叶变换为频率数据；以及速度决定部(例如，后述的速度决定部24)，其根据所述离心力的频率数据来决定所述预定速度，使得包含所述机器人的固有振动频率在内的预定范围的频率成分为阈值以下。
技术方案(2)：在技术方案(1)所记载的机器人控制装置中，也可以是，所述阈值是用于使所述手臂前端部的移动轨迹精度满足所希望的轨迹精度的、包含所述机器人的固有振动频率的预定范围的频率成分的上限值。
技术方案(3)：在技术方案(1)或技术方案(2)所记载的机器人控制装置中，也可以是，包含所述机器人的固有振动频率的预定范围是根据所述机器人的姿势而变动的固有振动频率的变动范围。
技术方案(4)：在技术方案(1)～技术方案(3)中任一项所记载的机器人控制装置中，也可以是，所述离心力运算部根据所述手臂前端部的速度、加速度或角速度、所述手臂前端部的质量、以及所述移动轨迹的圆弧部分的曲率半径，来运算所述离心力。
发明效果
根据本发明，可以提供一种机器人控制装置，使机器人的振动抑制与高速化并存。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的机器人系统的结构的图。
图2是表示本实施方式所涉及的机器人控制装置的结构的图。
图3是表示机器人手臂前端部的移动轨迹(轨迹数据)的一例的示意图。
图4A是表示在图3所示的移动轨迹中产生的离心力的时间序列数据的示意图。
图4B是表示对图4A所示的离心力的时间序列数据进行了傅里叶变换而得的功率谱分布的示意图。
图5A是表示速度变更(降低)后的离心力F的时间序列数据的示意图。
图5B是表示速度变更(降低)后的离心力F的功率谱分布的示意图。
图6是本实施方式所涉及的机器人控制装置的机器人的振动抑制动作的流程图。
附图标记说明
1 机器人系统；10 机器人；12 手臂前端部；14 伺服电动机；16 编码器；20 机器人控制装置；21 伺服控制部；22 离心力运算部；23 傅里叶变换部；24 速度决定部；25 存储部；T 工具；W 工件。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的一例进行说明。另外，在各附图中对相同或相当的部分标注相同的符号。
(机器人系统)
图1是表示本实施方式所涉及的机器人系统的结构的图。图1所示的机器人系统1使用机器人10使工具(密封材料涂布部)T与工件W相对移动，使用工具T对工件W实施密封处理。图1所示的机器人系统1具有：机器人10、工具(密封材料涂布部)T、和机器人控制装置20。
机器人10是六轴垂直多关节型或四轴垂直多关节型等多关节型机器人。在机器人10的手臂前端部12安装有工具T。
机器人10内置分别驱动多个驱动轴的多个伺服电动机14(在图1中，为了方便只图示一个伺服电动机)。伺服电动机14通过机器人控制装置20来驱动控制，通过伺服电动机14的驱动控制来控制机器人10和工具T的位置以及姿势。
工具T具有对工件W涂布密封材料的喷头。工具T通过机器人控制装置20的控制，对工件W进行密封处理。
在各伺服电动机14设置有编码器16。编码器16通过对伺服电动机14的绕轴的旋转角度和转速进行检测，来检测机器人10的手臂前端部12的位置以及移动速度，即工具T的位置以及移动速度。检测出的位置以及移动速度被用作位置反馈以及速度反馈。
机器人控制装置20存储用于机器人10的动作控制的动作程序以及示教数据等。
示教数据包含轨迹数据，所述轨迹数据是以圆弧、直线、或其组合等的轨迹对工件W进行密封处理时的机器人10和工具T的位置以及姿势。示教数据例如经由示教操作盘(未图示)而由操作员进行输入。
机器人控制装置20根据示教数据，来制作用于机器人10的动作控制的动作程序。
机器人控制装置20根据基于该动作程序的轨迹数据、速度指令(恒定速度)、来自编码器16的位置反馈和速度反馈来进行机器人10的动作控制，由此控制机器人10的位置和姿势以及工具T的位置和姿势，控制工具T与工件W的相对位置。以下，对机器人控制装置20进行详细说明。
(机器人控制装置)
图2是表示本实施方式所涉及的机器人控制装置20的结构的图。图2所示的机器人控制装置20具有：伺服控制部21、离心力运算部22、傅里叶变换部23、速度决定部24、以及存储部25。
伺服控制部21根据基于存储部25所存储的动作程序的移动轨迹、速度指令(恒定速度)、来自编码器16的位置反馈(位置FB)和速度反馈(速度FB)，生成用于驱动控制机器人10的伺服电动机14的驱动电流，来进行机器人10的动作控制，以便以恒定速度对移动轨迹进行移动。
这样，伺服控制部21控制为以恒定速度来移动机器人10的手臂前端部12，从而在密封处理中均匀地涂布密封材料。
图3是表示机器人10的手臂前端部12的移动轨迹(轨迹数据)的一例的示意图。在图3中，为了容易理解本实施方式的特征，假设由直线、圆弧、直线构成的简单的移动轨迹。在该移动轨迹的圆弧部分，相对于机器人10的行进方向的垂直方向的离心力F作用于机器人10的手臂前端部12。于是，有时因该离心力F，在通过圆弧部分之后在机器人10的手臂前端部12激发振动。
离心力运算部22如图4A所示，将作用于机器人10的手臂前端部12的离心力F运算为时间序列数据。图4A是表示在图3所示的移动轨迹中产生的离心力F的时间序列数据的示意图。在图4A中，在图3所示的移动轨迹的圆弧部分对应的时间t1-t2产生离心力F。
例如，离心力运算部22如图3所示以机器人10的手臂前端部12(以下，所谓手臂前端部还表示设置于手臂前端部的工具T)为质点，通过基于机器人10的手臂前端部12(工具T)的质量m和移动速度v、以及移动轨迹的圆弧部分的曲率半径r的下述数学式(1)(第2项)，将离心力F运算为时间序列数据。
F＝mv2/r＝mωr＝ma···(1)
离心力F与时时刻刻变化的曲率1/r和速度v成正比。在曲率1/r时时刻刻变化时，曲率半径r可以使用最小值。
移动速度v可以是速度指令值，还可以是根据动作程序使机器人10预先动作时的实测值。实测值可以是来自编码器16的速度反馈(速度FB)，也可以是设置于机器人10的手臂前端部12(工具T)的速度传感器(未图示)的检测值。
移动轨迹的圆弧部分的曲率半径r可以从移动轨迹(轨迹数据)中求出。
另外，离心力运算部22代替机器人10的手臂前端部12(工具T)的移动速度v，可以使用角速度ω(上述数学式(1)的第三项)，或者还可以使用加速度a(上述数学式(1)的第四项)。
角速度ω例如可以是使用设置于机器人10的手臂前端部12(工具T)上的角速度传感器，根据动作程序使机器人10预先动作时测出的实测值。此外，加速度a例如可以是使用设置于机器人10的手臂前端部12(工具T)上的加速度传感器，根据动作程序使机器人10预先动作时测出的实测值。
如图4B所示，傅里叶变换部23对由离心力运算部22运算出的离心力F的时间序列数据进行傅里叶变换，求出功率谱分布(频率数据)。图4B是表示对图4A所示的离心力F的时间序列数据进行了傅里叶变换而得的功率谱分布的示意图。与包含机器人10的固有振动频率f的预定范围△f(例如，10Hz～15Hz)对应的频率成分的功率越大，在通过圆弧部分之后在机器人10的手臂前端部12(工具T)越是容易产生振动。包含固有振动频率f在内的预定范围△f是指与机器人10的姿势对应地变动的固有振动频率的变动范围。
如图5A和图5B所示，速度决定部24在离心力F的功率谱分布中，决定、变更(降低)机器人10的速度，使得包含机器人10的固有振动频率f在内的预定范围△f的频率成分的功率谱为阈值Th以下。图5A是表示速度变更(降低)后的离心力F的时间序列数据的示意图，图5B是表示速度变更(降低)后的离心力F的功率谱分布的示意图。
如图5A所示，若降低速度，则在圆弧部分产生的离心力F变小，通过圆弧部分的时间变长。由此，如图5B所示，功率谱分布整体性地在低频率侧移位，与包含机器人10的固有振动频率f的预定范围△f对应的频率成分的功率低于阈值Th以下。
阈值Th是用于使机器人10的手臂前端部12(工具T)的移动轨迹精度满足预定轨迹精度的、包含机器人10的固有振动频率f的预定范围△f的频率成分的功率的上限值。满足预定轨迹精度的功率的上限值可以通过根据动作程序使机器人10预先动作的实验而求出，也可以通过计算来求出。
存储部25存储上述的动作程序(轨迹数据、速度指令(恒定速度)等)和示教数据。此外，存储部25还存储上述的阈值Th。此外，存储部25还存储机器人10的固有振动频率f及其预定范围△f。
固有振动频率f及其预定范围△f可以是根据动作程序使机器人10预先动作而实测出的实测值，还可以是通过计算而求出的计算值。计算值(逻辑值)例如可以通过基于机器人10的各关节部的弹簧常数Kc、与手臂的姿势对应的手臂的惯性力矩J1的下述数学式(2)来计算。
f＝(1/2π)×√(Kc/J1)···(2)
存储部25例如是EEPROM等能够改写的存储器。
机器人控制装置20例如由DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等运算处理器构成。机器人控制装置20的各种功能例如通过执行存储于存储部的预定软件(程序)而实现。机器人控制装置20的各种功能可以通过硬件与软件的协作来实现，还可以只通过硬件(电子电路)来实现。
接下来，对本实施方式所涉及的基于机器人控制装置20的机器人10的振动抑制动作进行说明。图6是本实施方式所涉及的基于机器人控制装置20的机器人10的振动抑制动作的流程图。
首先，如图4A所示，离心力运算部22将作用于机器人10的手臂前端部12的离心力F运算为时间序列数据(S1)。
接下来，如图4B所示，傅里叶变换部23对由离心力计算部22运算出的离心力F的时间序列数据进行傅里叶变换，求出功率谱分布(频率数据)(S2)。
接下来，如图5A和图5B所示，速度决定部24在离心力F的功率谱分布中，决定机器人10的速度，使得包含机器人10的固有振动频率f在内的预定范围△f的频率成分的功率为阈值Th以下(S3)。
接下来，伺服控制部21根据决定出的速度，来变更(降低)机器人10的速度(S4)。
像以上说明那样，根据本实施方式的机器人控制装置20，离心力运算部22将作用于机器人10的手臂前端部12(工具T)的离心力F运算为时间序列数据，傅里叶变换部23对离心力F的时间序列数据进行傅里叶变换而求出功率谱分布，速度决定部24根据离心力F的功率谱分布来决定速度，使得包含机器人10的固有振动频率f的预定范围△f的频率成分为阈值Th以下。由此，可以在满足预定的轨迹精度的同时追踪任意轨迹这样的限制条件下，获得能够执行的最大速度。因此，可以因通过移动轨迹的圆弧部分时产生的离心力F，在通过圆弧部分后，使机器人10的手臂前端部12所激发的机器人10的固有振动频率f附近的振动的抑制、以及机器人10的高速化并存。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述的实施方式中，速度决定部24在图4B所示的离心力F的功率谱分布中，降低了机器人10的速度，使得包含机器人10的固有振动频率f在内的预定范围△f的频率成分的功率为阈值Th以下。但是，速度决定部24并不限定于此，也可以提升机器人10的速度。在该情况下，可以提升机器人10的速度使得包含机器人10的固有振动频率f的预定范围△f的频率成分位于离心力F的功率谱分布中的谷部。
此外，在上述的实施方式中，例示了如下机器人系统1：固定设置工件W，将工具T安装于机器人10的手臂前端部12，由此使工具T相对于工件W相对移动。但是，本发明的特征并不限定于此，还能够应用于如下机器人系统：固定设置工具，将工件保持于机器人的手臂前端部，使工具相对于工件相对移动。
此外，在上述实施方式中，例示了用于密封处理的机器人系统。但是本发明的特征并不限定于此，能够应用于如下各种机器人系统中的机器人控制：根据包含圆弧部分的移动轨迹使机器人的手臂前端部以恒定速度(高速)移动。

Claims (4)

1.一种机器人控制装置，其进行控制，使机器人的手臂前端部根据包含圆弧部分的移动轨迹以恒定的预定速度移动，
其特征在于，
所述机器人控制装置具有：离心力运算部，其运算作用于所述手臂前端部的离心力作为时间序列数据；
变换部，其将所述离心力的时间序列数据傅里叶变换为频率数据；以及
速度决定部，其根据所述离心力的频率数据来决定所述预定速度，使得包含所述机器人的固有振动频率的预定范围的频率成分为阈值以下。
2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，
所述阈值是用于使所述手臂前端部的移动轨迹精度满足所希望的轨迹精度的、包含所述机器人的固有振动频率的预定范围的频率成分的上限值。
3.根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其特征在于，
包含所述机器人的固有振动频率的预定范围是根据所述机器人的姿势而变动的固有振动频率的变动范围。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，
所述离心力运算部根据所述手臂前端部的速度、加速度或角速度、所述手臂前端部的质量、以及所述移动轨迹的圆弧部分的曲率半径，来运算所述离心力。
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