CN110682287B - 自动机械以及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动机械以及控制装置，即使对可动部安装独立动作的工具的情况下，也能够提升可动部和工具动作时的可动部和工具的位置精度。自动机械具有：可动部(12‑15)，其被驱动部(35)驱动；工具(16)，其安装于可动部，具有与可动部独立地进行动作的可动机构(16b)；测定部(4)，其安装于可动机构，测定可动机构的位置；位置检测部(41)，其根据按照使工具向目标位置移动的指令来控制驱动部时的由测定部测定出的可动机构的位置、与从可动机构的可动范围内的基准点起的可动机构的移动量，来检测可动机构被虚拟地固定于基准点时的第一位置；以及学习控制部(42)，其求出针对驱动部的控制量的校正量，以使目标位置与第一位置之差减小。

Description

自动机械以及控制装置

技术领域

本发明涉及例如具有可动部的自动机械、以及那样的自动机械的控制装置。

背景技术

在具有臂部等可动部且使用伺服电动机来驱动该可动部的机器人或机床这样的自动机械中，提出了用于提升可动部的动作精度的技术(例如，参照日本特开2011-167817号公报以及日本特开2017-74647号公报)。

在这些技术中，在可动部处安装有传感器。并且通过传感器来测定可动部执行规定动作期间的可动部的位置，校正用于控制驱动可动部的伺服电动机的控制量(例如，供给到伺服电动机的电流量等)，以使该测定出的位置接近成为目标的位置。

有时根据自动机械的不同，在可动部处安装具有与自动机械本身的动作独立地进行动作的可动机构的工具。这样的情况下，在上述的技术中，即使将安装于可动部的工具的位置接近成为目标的位置，因工具自身的动作，也无法适当地校正用于控制伺服电动机的控制量，其结果是，有时无法提升可动部和工具动作时的位置精度。

发明内容

一个方面的目的在于提供一种自动机械，即使对可动部安装独立动作的工具的情况下，也能够提升可动部和工具动作时的可动部和工具的位置精度。

根据一个实施方式提供一种自动机械。该自动机械具有：可动部，其被驱动部驱动而能够移动；工具，其安装于可动部，且具有与可动部独立地进行动作的可动机构；测定部，其安装于可动机构，且测定可动机构的位置；位置检测部，其根据按照使工具向目标位置移动的指令来控制驱动部时的由测定部测定出的可动机构的位置、与可动机构的从以工具为基准的可动机构的可动范围内的基准点起的移动量，来检测可动机构被虚拟地固定于基准点时的第一位置；以及学习控制部，其求出针对驱动部的控制量的校正量，以使目标位置与第一位置之差减小。

根据其他实施方式，提供一种自动机械的控制装置，所述自动机械具有：可动部，其被驱动部驱动而能够移动；工具，其安装于可动部，且具有与可动部独立地进行动作的可动机构。该控制装置具有：位置检测部，其根据按照使工具向目标位置移动的指令来控制驱动部时的由安装于可动机构的测定部测定出的可动机构的位置、与可动机构的从以工具为基准的可动机构的可动范围内的基准点起的移动量，来检测可动机构被虚拟地固定于基准点时的第一位置；以及学习控制部，其求出针对驱动部的控制量的校正量，以使目标位置与第一位置之差减小。

根据一个方面，即使对可动部安装独立动作的工具的情况下，也能够提升可动部和工具动作时的可动部和工具的位置精度。

附图说明

图1是一个实施方式涉及的机器人系统的概略结构图。

图2是控制装置的概略结构图。

图3是控制信息学习处理有关的、控制装置具有的处理器的功能框图。

图4是控制信息学习处理的动作流程图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式涉及的自动机械进行说明。该自动机械具有臂部这样的可动部，在可动部的末端安装具有与可动部独立地进行动作的可动机构的工具。并且在该工具的可动机构处安装用于求出位置的传感器。该自动机械在使可动部和工具向成为目标的位置移动时，使用安装于可动机构的传感器，来测定工具的可动机构的实际位置。并且，该自动机械对用于控制驱动可动部的伺服电动机的控制量进行学习控制，以减小从工具的可动机构的实际位置减去该可动机构的自基准点起的移动量而获得的、可动机构虚拟地固定于基准点时的工具的位置与成为目标的位置之差。

另外，所谓工具的可动机构相对于可动部独立地进行动作表示可动机构与由自动机械的控制装置控制的可动部的动作(例如，可动部向成为目标的位置的移动或用于取得成为目标的姿势的可动部的动作)无关地进行动作。

图1是一个实施方式涉及的机器人系统1的概略结构图。机器人系统1具有：机器人2、控制机器人2的控制装置3、以及对安装于机器人2的工具16的可动机构的位置进行检测的加速度传感器4。机器人系统1是自动机械的一例。

机器人2具有：基座11、旋转台12、第一臂部13、第二臂部14、腕部15、以及工具16。旋转台12、第一臂部13、第二臂部14以及腕部15分别是可动部的一例。旋转台12、第一臂部13、第二臂部14以及腕部15分别被在安装它们的关节处设置的轴支承，通过伺服电动机驱动该轴而进行动作。此外，工具16是具有与自动机械的可动部独立地进行动作的可动机构的工具的一例。

基座11是在落地设置机器人2时成为台的部件。旋转台12通过关节21以设置成与基座11的一方的面正交的轴(未图示)为旋转中心能够旋转地安装于基座11的顶面。

第一臂部13通过其一端侧在设置于旋转台12的关节22处安装于旋转台12。在本实施方式中，如图1所示，第一臂部13通过关节22能够以设置成与基座11的安装旋转台12的面平行的轴(未图示)为中心转动。

第二臂部14通过其一端侧，利用在关节22的相反侧的第一臂部13的另一端侧设置的关节23而安装于第一臂部13。在本实施方式中，如图1所示，第二臂部14通过关节23能够以设置成与基座11的安装旋转台12的面平行的轴(未图示)为中心转动。

腕部15经由关节24而安装于关节23的相反侧的第二臂部14的末端。腕部15具有关节25，通过关节25能够以设置成与关节22的轴和关节23的轴平行的轴(未图示)为旋转中心弯曲。并且，腕部15能够以与第二臂部14的长边方向平行的轴(未图示)为旋转中心，在与第二臂部14的长边方向正交的面上转动。

工具16安装于关节24的相反侧的腕部15的末端。在本实施方式中，为了使用激光来加工工件而使用工具16。因此，工具16具有：设置成从腕部15的末端延伸的筒状的工具主体16a；以及能够沿着箭头101所示的工具主体16a的延伸方向移动地安装于工具主体16a内，且输出加工用的激光光线的激光头16b。激光头16b是与机器人2的可动部独立地进行动作的可动机构的一例，通过收纳于工具主体16a内的电动机(未图示)而被驱动，由此，激光头16b沿着工具主体16a的延伸方向移动。并且，激光头16b例如根据由安装于激光头16b的距离传感器(未图示)检测的、到工件为止的距离，来控制其位置，以使激光头16b与工件间的距离保持为一定。激光头16b的移动量通过安装于驱动激光头16b的电动机的编码器这样的、用于检测移动量的传感器而被检测，经由通信线路5而输出给控制装置3。另外，激光头16b在通过步进电动机这样的可以直接指定旋转量的电动机而被驱动时，作为激光头16b的移动量，该电动机的旋转量可以经由通信线路5而输出给控制装置3。

加速度传感器4是测定可动机构的位置的测定部的一例，安装于激光头16b。加速度传感器4例如可以设为3轴的加速度传感器。并且在机器人2进行动作的期间，测定加速度，将测定出的加速度经由通信线路5输出给控制装置3。

另外，自动机械并不限定于图1所示的机器人2，只要是具有至少一个由伺服电动机这样的驱动部驱动的轴和被该轴支承的可动部的装置即可。

此外，安装于机器人2的腕部15的工具16也不限定于上述的内容。例如，工具16也可以是用于焊接的伺服枪。该情况下，工具16具有：作为可动机构的一例的枪主体、用于在腕部15处安装伺服枪的安装部、以及设置于枪主体与安装部之间的平衡机构。平衡机构沿着规定方向来驱动枪主体，以减轻作用于伺服枪的反力。该情况下，加速度传感器4安装于枪主体即可。

控制装置3经由通信线路5与机器人2连接，从机器人2经由通信线路5接收表示对设置于机器人2的各关节处的轴进行驱动的伺服电动机的动作状况的信息、来自加速度传感器4的加速度、工具16的激光头16b的移动量等。并且，控制装置3根据接收到的信息、以及从上位控制装置(未图示)接收到的、或预先设定的机器人2的动作，来控制伺服电动机，由此，控制机器人2的各可动部的位置以及姿势。

图2是控制装置3的概略结构图。控制装置3具有：通信接口31、驱动电路32、存储器33、以及处理器34。并且，控制装置3还可以具有触摸面板这样的用户接口(未图示)。

通信接口31例如包括用于将控制装置3与通信线路5连接的通信接口和执行经由通信线路5的信号的收发相关的处理的电路等。并且，通信接口31例如从机器人2经由通信线路5，接收来自检测驱动部的一例即伺服电动机35的旋转量的编码器的旋转量的测定值等、表示伺服电动机35的动作状况的信息，并将该信息转发给处理器34。另外，在图2中，代表性地图示出一个伺服电动机35，但是机器人2也可以按照关节而具有驱动该关节的轴的伺服电动机。并且，通信接口31从机器人2接收由加速度传感器4测定出的加速度、以及表示激光头16b的移动量的测定值等而将它们转发给处理器34。

驱动电路32经由电流供给用的线缆与伺服电动机35连接，按照处理器34涉及的控制，将与伺服电动机35所产生的转矩、旋转方向或转速对应的电力供给到伺服电动机35。

存储器33是存储部的一例，例如，具有能够读写的半导体存储器和读出专用的半导体存储器。并且，存储器33也可以具有半导体存储卡、硬盘、或光存储介质这样的存储介质以及访问该存储介质的装置。

存储器33存储由控制装置3的处理器34执行的、机器人2的控制用的各种计算机程序等。此外，存储器33还存储用于指定使机器人2动作时的机器人2的动作的信息，例如用于使机器人2的各臂部和工具16向规定的目标位置移动的位置指令等。并且，存储器33还存储表示在机器人2的动作过程中从机器人2获得的伺服电动机35的动作状况的信息、在控制信息学习处理的途中，或作为控制信息学习处理的结果而生成的校正量这样的各种数据。

处理器34是控制部的一例，例如，具有Central Processing Unit(CPU)以及其周边电路。并且，处理器34还可以具有数值运算用的处理器。并且，处理器34控制机器人系统1整体。此外，处理器34执行控制信息学习处理。

图3是控制信息学习处理相关的、处理器34的功能框图。处理器34具有位置检测部41和学习控制部42。处理器34具有的这些各部分例如是通过在处理器34上执行的计算机程序而实现的功能模块。或者，这些各部分也可以实装为在处理器34的一部分实装的专用的运算电路。

位置检测部41对按照使工具16向规定的目标位置移动的位置指令控制伺服电动机35时的、工具16的激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b的位置进行检测。在本实施方式中，位置检测部41根据从加速度传感器4获得的加速度、以及表示相对于激光头16b的基准点的激光头16b的移动量的测定值，来检测激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b的位置。

另外，基准点例如可以设为以工具16为基准的、激光头16b的可动范围内的任意位置，例如激光头16b的可动范围的腕部15侧的端点。通过以工具16上的任意位置为原点，且将工具16的规定方向(例如，工具16的长边方向或激光头16b的可动方向)设为某一轴的工具坐标系来表示基准点。因此，通过工具坐标系来表示驱动激光头16b的电动机涉及的、激光头16b的从基准点起的移动方向和移动量。此外，基准点主体的世界坐标系的位置根据机器人2的姿势的变化来进行移动。另外，世界坐标系是以设置机器人2的空间的某一点为原点，即使机器人2的姿势变化也不发生变动的坐标系。

例如，位置检测部41对从机器人2按照位置指令开始动作起，到使工具16向位置指令所指定的目标位置移动的控制结束为止所获得的、来自加速度传感器4的加速度进行二阶积分，由此，计算从该动作的开始时间点的激光头16b的位置的位移量。并且，位置检测部41通过将位移量与动作的开始时间点的激光头16b的位置相加，由此，计算激光头16b在世界坐标系的位置。

并且，位置检测部41将激光头16b相对于工具坐标系的基准点的移动方向变换为世界坐标系所表示的移动方向。此时，位置检测部41可以从机器人2按照位置指令开始动作起到使工具16向位置指令所指定的目标位置移动的控制结束为止的期间的伺服电动机35的实际旋转量(即，驱动部的动作量)求出机器人2的各关节的旋转量，因此，可以检测控制结束时间点的机器人2的姿势。并且，位置检测部41也可以从控制结束时间点的机器人2的姿势中检测安装于腕部15的工具16的姿势。位置检测部41从检测出的工具16的姿势中，计算从工具坐标系向世界坐标系变换的仿射矩阵，使用该仿射矩阵，将工具坐标系的激光头16b的移动方向变换为世界坐标系的工具头16b的移动方向即可。

位置检测部41从世界坐标系所表示的激光头16b的位置减去自世界坐标系所表示的基准点起的激光头16b的移动量，由此，检测激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b在世界坐标系的位置。并且，位置检测部41将激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b在世界坐标系的位置通知给学习控制部42。

学习控制部42学习控制针对伺服电动机35的控制量，以使由位置指令所指定的工具16的目标位置(另外，例如针对激光头16b的基准点设定目标位置)、与由位置检测部41检测出的、激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b的位置之差(以下，为了方便，称为位置偏差)减小。

理想的是，由位置指令所指定的工具16的目标位置、与由位置检测部41检测出的、激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b的位置相互一致。但是，因机器人2动作时的各臂部13、14、腕部15或工具16的振动等，使得由位置指令所指定的工具16的目标位置、与激光头16b的基准点的实际位置之间产生位置偏移，因此，位置偏差不为零。学习控制部42通过学习控制针对伺服电动机35的控制量以减小该位置偏差，由此减轻振动造成的对位置精度的影响，可以提升机器人2动作时的位于机器人2的末端的工具16的位置精度。

例如，学习控制部42按照使安装于机器人的末端的加速度传感器等所测定的机器人的末端位置、与由位置指令所指定的机器人的末端位置之间的位置偏移减小的各种学习控制方法的某一个，来执行学习控制即可。例如，学习控制部42按照日本特开2006-172149号公报或者日本特开2011-167817号公报所公开的学习控制方法，执行学习控制即可。此时，学习控制部42代替这些学习控制方法中的、使用加速度传感器等测定的机器人的末端位置，而利用由位置检测部41检测出的、激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b在世界坐标系的位置即可。

例如，处理器34像日本特开2006-172149号公报所记载那样控制伺服电动机35。即，处理器34在控制机器人2的动作时，根据从上位控制装置(未图示)接收到的、或者从存储器33读入的位置指令、与伺服电动机35的实际旋转量等来计算指定伺服电动机35的转速的速度指令。处理器34根据该速度指令、与通过对伺服电动机35的实际旋转量进行微分而计算的速度反馈来进行速度环控制从而计算表示供给到伺服电动机35的电流量的转矩指令。并且，处理器34根据转矩指令与从设置于驱动电路32的电流检测器(未图示)反馈的电流反馈来对供给到伺服电动机35的电流进行环控制，从而驱动伺服电动机35。

该情况下，学习控制部42学习针对伺服电动机35的旋转量的校正量。即，学习控制部42按规定的控制周期，计算位置偏差，通过用于实现控制系统的稳定性的频带限制滤波器来对将计算出的位置偏差与1周期前的校正量相加而得的值进行滤波处理，而设为最新的校正量。此外，学习控制部42将针对1周期前的校正量补偿控制对象的相位延迟、增益降低而得的值，与由位置指令所指定的目标位置对应的伺服电动机35的旋转量同伺服电动机35的实际旋转量之差相加，对相加而获得的值乘以动作增益，由此，计算速度指令。

学习控制部42例如在位置偏差的绝对值为规定的阈值以下之前，重复上述的处理将最终获得的校正量存储于存储器33。另外，规定的阈值例如设定成由工具16加工的工件的加工精度为允许公差以下即可。

处理器34在使机器人2进行通常动作时，从存储器33读入校正量，与上述的学习控制部42的处理一样，将针对读入的校正量补偿控制对象的相位延迟、增益降低而得的值、与由位置指令所指定的目标位置对应的伺服电动机35的旋转量同伺服电动机35的实际旋转量之差相加，对相加而获得的值乘以动作增益，由此，计算速度指令即可。并且，处理器34按照该速度指令，进行速度环控制和电流环控制，从而驱动伺服电动机35即可。

图4是控制信息学习处理的动作流程。处理器34按照下述的动作流程来执行控制信息学习处理。

位置检测部41根据按照位置指令使工具16向目标位置移动时的、由安装于激光头16b的加速度传感器4测定的加速度，来测定激光头16b在世界坐标系的位置(步骤S101)。此外，位置检测部41按照从机器人2开始动作起到使工具16向由位置指令所指定的目标位置移动的控制结束为止的期间的伺服电动机35的实际旋转量中检测的、机器人2的姿势，将激光头16b在工具坐标系的移动方向变换为激光头16b在世界坐标系的移动方向(步骤S102)。然后，位置检测部41从世界坐标系所表示的激光头16b的位置减去激光头16b相对于世界坐标系所表示的基准点的移动量，由此，检测激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b在世界坐标系的位置(步骤S103)。

学习控制部42学习针对伺服电动机35的控制量的校正量，以使由位置指令确定的工具16的目标位置、与由位置检测部41检测出的激光头16b被虚拟地固定于基准点时的激光头16b的位置之间的位置偏差减小(步骤S104)。学习控制部42将所获得的校正量保存于存储器33(步骤S105)。然后，处理器34结束控制信息学习处理。

像以上所说明那样，该自动机械从根据来自安装于自动机械具有的可动部的工具具有的、安装于与自动机械的可动部独立地进行动作的可动机构的传感器的测定值而求出的可动机构的位置，减去可动机构相对于基准点的移动量而求出可动机构被虚拟地固定于基准点时的该可动机构的位置。并且，该自动机械学习针对驱动可动部的驱动部的控制量的校正量，以使由位置指令确定的、指定出的工具的目标位置、与可动机构被虚拟地固定于基准点时的该可动机构的位置之间的位置偏差减小。由此，该自动机械即使在具有与自动机械的可动部独立地进行动作的可动机构的工具安装于该可动部的情况下，也可以提升自动机械动作时的可动部以及工具的位置精度。

根据变形例，控制装置3的处理器34可以使工具移动到相互不同的多个位置，对该多个位置的每一个位置执行上述的控制信息学习处理。该情况下，处理器34针对多个位置的每一个位置，求出针对伺服电动机35的控制量的校正量，将该校正量与对应的位置一起保存于存储器33。处理器34在使机器人2进行通常动作时，从存储器33中读出多个位置中的、与由位置指令所指定的位置对应的校正量，使用读出的校正量，来校正伺服电动机35的控制量即可。或者，处理器34计算针对多个位置的每一个而求出的校正量的平均值、中央值或最频值这样的统计的代表值，可以将该统计的代表值作为校正量保存于存储器33。并且，处理器34在使机器人2进行通常动作时，不论由位置指令指定的位置，都从存储器33读入校正量，使用读入的校正量来校正伺服电动机35的控制量即可。

根据该变形例，自动机械在相互不同的多个位置求出针对驱动可动部的驱动部的控制量的校正量，因此，可以进一步提升自动机械动作时的可动部以及工具的位置精度。

根据其他变形例，安装于自动机械的可动部的工具具有的可动机构并非通过电动机等取得部而动态地驱动的机构，也可以是利用弹性部件等被动地进行动作的机构。该情况下，加速度传感器安装于可动机构即可。此外，该情况下，可动机构的从基准点起的移动量例如由线性编码器这样的测定可动机构的位移量的传感器来测定，输出给自动机械的控制装置即可。

由此，自动机械的控制装置通过执行上述实施方式涉及的控制信息学习处理，在可动机构被动地进行动作的情况下，也可以学习针对驱动自动机械的可动部的驱动部的控制量的校正量。

此外，根据其他变形例，为了测定工具具有的可动机构的位置，作为安装于可动机构的测定部，可以代替加速度传感器，或与加速度传感器一起使用可以检测位移量的其他传感器。例如，作为可以检测位移量的其他传感器，可以使用陀螺仪传感器、惯性传感器、激光跟踪器、或者立体照相机。例如，在使用立体照相机时，该立体照相机通过对世界坐标系的位置已知的预先设置的标识进行拍摄，生成表示标识的两张图像。并且控制装置从该两张图像的每一张例如通过匹配模板来检测标识，从各图像上的标识的位置通过三角测量的原理求出立体照相机的世界坐标系的位置，由此，可以测得安装立体照相机的可动机构的世界坐标系的位置。

另外，安装于可动机构的传感器也可以相对于可动机构能够装卸。并且，该传感器可以在进行自动机械的通常动作时从可动机构拆除。在传感器从可动机构拆除的情况下，具有与传感器的重量相同重量的平衡器可以安装于传感器相对可动机构的安装位置。

这里所列举的所有示例以及特定的用语都是帮助读者理解本发明和针对该技术的促进的由本发明者作出贡献的概念的、出于示教目的的示例以及用语，应解释为不限定于表示本发明的优势和劣势相关的、本说明书的任意示例的结构这样的特定的列举的示例和条件。详细地对本发明的实施方式进行了说明，但是只要不脱离本发明的精神和范围，能够在此基础上进行各种变更、置换以及修正。

Claims (2)

1.一种自动机械，其特征在于，

所述自动机械具有：

可动部，其被驱动部驱动而能够移动；

工具，其安装于所述可动部，且具有与所述可动部独立地进行动作的可动机构；

测定部，其安装于所述可动机构，且测定所述可动机构的位置；

位置检测部，其根据按照使所述工具向目标位置移动的指令来控制所述驱动部时的由所述测定部测定出的所述可动机构的位置、与所述可动机构的从以所述工具为基准的所述可动机构的可动范围内的基准点起的移动量，来检测所述可动机构被虚拟地固定于所述基准点时的第一位置；以及

学习控制部，其求出针对所述驱动部的控制量的校正量，以使所述目标位置与所述第一位置之差减小，

所述位置检测部根据按照所述指令来控制所述驱动部时的所述驱动部的动作量求出所述可动部的姿势，按照该姿势，求出所述可动机构在针对设置所述自动机械的空间设定的世界坐标系的移动方向，从由所述测定部测定出的所述可动机构的位置沿着该移动方向减去所述移动量，由此检测所述第一位置。

2.一种控制装置，其是如下的自动机械的控制装置，所述自动机械具有：可动部，其被驱动部驱动而能够移动；以及工具，其安装于所述可动部，且具有与所述可动部独立地进行动作的可动机构，

其特征在于，

所述控制装置具有：

位置检测部，其根据按照使所述工具向目标位置移动的指令来控制所述驱动部时的由安装于所述可动机构的测定部测定出的所述可动机构的位置、与所述可动机构的从以所述工具为基准的所述可动机构的可动范围内的基准点起的移动量，来检测所述可动机构被虚拟地固定于所述基准点时的第一位置；以及

学习控制部，其求出针对所述驱动部的控制量的校正量，以使所述目标位置与所述第一位置之差减小，

所述位置检测部根据按照所述指令来控制所述驱动部时的所述驱动部的动作量求出所述可动部的姿势，按照该姿势，求出所述可动机构在针对设置所述自动机械的空间设定的世界坐标系的移动方向，从由所述测定部测定出的所述可动机构的位置沿着该移动方向减去所述移动量，由此检测所述第一位置。

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