CN110869171A - 机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

机器人控制装置具备主控制部、从主控制部接受位置指令(θc)的伺服控制部、以及对与伺服马达连结的减速机的挠曲进行校正的挠曲校正模块(24)。挠曲校正模块(24)具有基于位置指令(θc)来求出第一位置指令校正值(θsgc)的第一位置校正值运算单元(63)、以及基于干涉转矩(τa)来求出第二位置指令校正值(θskc)的第二位置指令校正值运算单元(64)。伺服控制部基于将第一位置指令校正值(θsgc)和第二位置指令校正值(θskc)加进位置指令(θc)而得的新的位置指令来驱动伺服马达。

Description

机器人控制装置

技术领域

本公开涉及机器人控制装置，特别涉及对减速机的挠曲引起的机器人臂的位置偏移等进行校正的机器人的控制。

背景技术

近年来，在焊接、切断等加工中，从缩短节拍、精加工的精度的观点来看，进行激光加工的需求不断变高。在该情况下，为了发挥激光加工的高速性、高精度，通常在多关节机器人的机器人臂的前端装配激光输出装置来进行加工。

在通常的多关节机器人中，驱动伺服马达来使关节轴旋转，由此使机器人臂进行动作。伺服马达的驱动力经由与伺服马达连结的减速机传递至关节轴。在上述那样的多关节机器人中，发生对伺服马达指令了的机器人臂前端位置与实际上的机器人臂前端位置因减速机的弹簧成分而发生偏移、即所谓的挠曲这样的现象。例如，在机器人臂受到重力引起的力(以下，称作重力转矩)的情况下、或在机器人臂所具有的一关节轴受到来自其他关节轴的干涉引起的力(以下，称作干涉转矩)的情况下发生挠曲。

为此，提出有通过运算求出基于挠曲量的校正值、并对位置指令加上校正值这样的挠曲校正(例如，参照专利文献1)。具体而言，运算对各关节轴的减速机施加的外力转矩，并将该外力转矩除以减速机的弹簧常量而求出挠曲量。该挠曲量相当于由于挠曲而产生的机器人臂的前端位置的偏移量、或关节轴的角度的偏移量。反过来，对位置指令加上基于挠曲量的校正值。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：专利第3493765号公报

发明内容

发明要解决的课题

在多关节机器人中，减速机中发生的挠曲的表现因重力转矩引起的分量和干涉转矩引起的分量而分别不同。因此，在如上述的以往技术那样根据重力转矩与干涉转矩合计后的外力转矩直接进行了校正的情况下，有可能未准确进行挠曲校正。

本公开是鉴于上述问题点而提出的，因此其目的在于，提供一种减少减速机的挠曲的影响、且能够高精度地校正机器人臂的位置偏移的机器人控制装置。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本公开的一方式的机器人控制装置将对与各关节轴连结的减速机施加的重力转矩和干涉转矩分别求出。分别基于所得到的重力转矩和干涉转矩来求出挠曲校正值。并使用这些值对赋予给马达的位置指令进行校正。

具体而言，本公开的一方式的机器人控制装置进行机器人臂的运动控制，所述机器人臂具有经由与伺服马达连结的减速机而被驱动的关节轴，所述机器人控制装置的特征在于，具备：主控制部，其发送位置指令；伺服控制部；以及挠曲校正单元，其用于对由减速机的挠曲引起的机器人臂的位置偏移进行校正，挠曲校正单元具有：第一位置指令校正值运算单元，其基于位置指令来运算使减速机发生挠曲的外力转矩中的重力转矩，并基于重力转矩来求出第一位置指令校正值；以及第二位置指令校正值运算单元，其基于位置指令和重力转矩来运算外力转矩中的因关节轴受到的干涉而产生的干涉转矩，并基于干涉转矩来求出第二位置指令校正值，伺服控制部基于将第一位置指令校正值和第二位置指令校正值加进位置指令而得到的新的位置指令来驱动伺服马达。

根据该结构，将造成挠曲的重力转矩的影响和干涉转矩的影响分开，能够对它们分别求出位置指令校正值，因此，能够高精度地校正机器人臂的位置偏移。

优选的是，第二位置指令校正值是对基于干涉转矩而得到的挠曲校正值的振幅以及相位分别进行补偿而得的值。

根据该结构，能够可靠地校正由干涉转矩引起的挠曲的影响。

本公开的另一方式的机器人控制装置进行机器人臂的运动控制，所述机器人臂具有经由与伺服马达连结的减速机而被驱动的关节轴，所述机器人控制装置的特征在于，具备：主控制部，其发送位置指令；伺服控制部；以及挠曲校正单元，其用于对由减速机的挠曲引起的机器人臂的位置偏移进行校正，挠曲校正单元具有：第一位置指令校正值运算单元，其基于位置指令来运算使机器人臂发生挠曲的外力转矩中的重力转矩，并基于重力转矩来求出第一位置指令校正值；以及电流补偿值运算单元，其基于位置指令和重力转矩来运算外力转矩中的因关节轴受到的干涉而产生的干涉转矩，并基于干涉转矩来求出电流补偿值，伺服控制部基于将第一位置指令校正值加进位置指令而得到的新的位置指令、以及对基于新的位置指令而生成的马达电流指令加进电流补偿值而得到的新的马达电流指令，来驱动伺服马达。

根据该结构，将造成挠曲的重力转矩的影响和干涉转矩的影响分开，特别是关于干涉转矩，能够求出针对马达电流的补偿值来进行挠曲校正。由此，能够响应性良好地校正机器人臂的位置偏移。

优选的是，电流补偿值是将对基于干涉转矩而得到的挠曲校正值的振幅以及相位分别进行补偿而得到的值乘以规定系数而得到的值。

根据该结构，能够可靠地校正由干涉转矩引起的挠曲的影响。

优选的是构成为，伺服马达是n(n为2以上的整数)个伺服马达中的一个，减速机是与n个伺服马达分别连结的n个减速机中的一个，关节轴是经由n个减速机分别被驱动的n个关节轴中的一个，伺服控制部是分别驱动n个伺服马达的n个伺服控制部中的一个，位置指令是指定n个关节轴的各自位置的n个位置指令中的一个，挠曲校正单元是与n个伺服控制部分别对应的n个挠曲校正单元中的一个，除了位置指令之外，还基于n个位置指令中的剩余的n-1个位置指令，对由挠曲引起的机器人臂的位置偏移进行校正。

根据该结构，使用与各关节轴连结的伺服马达的位置指令来进行挠曲校正，因此无需设置转矩传感器等的专用部件，能够降低成本。

优选的是，外力转矩以及重力转矩分别通过动力学运算而得出，干涉转矩通过从外力转矩减去重力转矩而得出。

根据该结构，能够简单地将重力转矩与干涉转矩分开，能够对由挠曲引起的机器人臂的位置偏移进行校正。

发明效果

如以上所说明那样，根据本公开，能够将由重力转矩引起的挠曲和由来自其他轴的干涉转矩引起的挠曲分开而高精度地校正机器人臂的位置偏移。

附图说明

图1是示出垂直多关节六轴机器人的结构的图。

图2A是示出针对主轴的动作频率的传递函数的振幅的频率响应特性的图。

图2B是示出针对主轴的动作频率的传递函数的相位的频率响应特性的图。

图2C是针对主轴赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图3是示出在垂直多关节六轴机器人的前端增加了可动轴的垂直多关节七轴机器人的结构的图。

图4是示出图3所示的垂直多关节七轴机器人的机器人臂前端的轨迹的时间变化的图。

图5A是示出针对机器人臂前端的动作频率的传递函数的振幅的频率响应特性的图。

图5B是示出针对机器人臂前端的动作频率的传递函数的相位的频率响应特性的图。

图5C是示出对机器人臂前端赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图6是示出减速机中产生了挠曲的情况下的垂直多关节七轴机器人的机器人臂前端的轨迹的时间变化的图。

图7是说明因外力转矩而产生的机器人臂前端的位置偏移的示意图。

图8A是示出在减速机中产生了挠曲的情况下的针对主轴的动作频率的传递函数的振幅的频率响应特性的图。

图8B是示出在减速机中产生了挠曲的情况下的针对主轴的动作频率的传递函数的相位的频率响应特性的图。

图8C是示出对主轴赋予了0.5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图8D是示出对主轴赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图9是关于图3所示的垂直多关节七轴机器人的位置控制的功能模块图。

图10是说明机器人机构中的减速机的挠曲的图。

图11是图10所示的负载的模块线图。

图12是用于比较的第一伺服控制部的模块线图。

图13是图12所示的挠曲校正模块的模块线图。

图14是本公开的实施方式1的第一伺服控制部的模块线图。

图15是图14所示的挠曲校正模块的模块线图。

图16A是示出实施方式1的针对主轴的动作频率的传递函数的振幅的频率响应特性的图。

图16B是示出实施方式1的针对主轴的动作频率的传递函数的相位的频率响应特性的图。

图16C是示出对主轴赋予了0.5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图16D是示出对主轴赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的位置指令θc和实际位置θL的时间波形的图。

图17是本公开的实施方式2的第一伺服控制部的模块线图。

图18是图17所示的挠曲校正模块的模块线图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的实施方式进行详细说明。以下的优选的实施方式的说明本质上只不过是例示，绝不旨在限制本公开、其应用物或其用途。

(作为本公开的基础的认知)

如上所述，由于减速机的弹簧成分而在机器人臂产生挠曲。在对挠曲进行校正时，优选考虑对减速机施加的外力转矩。外力转矩包括重力引起的转矩和从其他关节轴受到的干涉转矩。本申请的发明者等发现，由重力转矩与干涉转矩对挠曲校正后的位置指令带来的影响、具体地说是响应频率是不同的。以下，以垂直多关节机器人的动作为例进行说明。

[垂直多关节机器人的结构以及动作]

图1示出在激光焊接、切断中所使用的以往的垂直多关节机器人的结构。该垂直多关节六轴机器人1具有机器人臂2和关节轴J1～J6。机器人臂2被分为多个部分，在各部分的连结部分别设置关节轴J1～J6。另外，关节轴J1～J6分别经由减速机(未图示)连结伺服马达(未图示)。机器人控制装置20按照位置指令θc(参照图10)来驱动各伺服马达，使关节轴J1～J6分别旋转期望的量，从而对机器人臂2的动作以及姿态进行控制。在机器人臂2的前端装配有激光输出装置3。在激光输出装置3连接有产生激光4的激光源(未图示)、以及对激光4进行导波的光纤(未图示)。

以下，关于垂直多关节六轴机器人1为具有确定整体的姿态的主轴3个轴J1～J3和确定前端的方向的手腕3个轴J4～J6共计6个关节轴的结构，对其动作进行说明。需要说明的是，为了说明垂直多关节六轴机器人1的位置、移动，有时使用图1所示的X、Y、Z方向。

对从激光输出装置3照射激光4而切断工件5的作业进行研讨。激光输出装置3例如质量为5kg左右。若确定激光4的照射位置以及方向，则在具有6轴的垂直多关节六轴机器人1中，机器人臂2的姿态、即各关节轴的角度唯一确定。这样，关节轴的控制冗余性为零，因此，当以圆轨迹进行切断时，所有关节轴进行动作。

例如，若假定以10m/分切断直径10mm的圆的作业，则动作时间约为0.2秒，且动作频率约为5Hz。各关节轴接受对应于动作频率的正弦波状的位置指令θc而进行动作。在此，将实际上各关节轴对于位置指令θc能够进行响应动作的频率定义为位置响应频率，将实际上各关节轴的位置(以下，称作实际位置)设为θL。需要说明的是，位置指令θc表示指示各关节轴的旋转角度量的角度指令，实际位置θL表示实际上各关节轴旋转了的旋转角度量。位置响应频率由构成垂直多关节六轴机器人1的各关节轴的固有振动频率、驱动各关节轴的控制装置(参照图9)的特性确定。通过以下的(式1)来定义接受位置指令θc而使各关节轴到达实际位置θL为止的传递函数WcL。

WcL＝θL/θc···(式1)

需要说明的是，在以下的说明中，位置响应频率设为传递函数WcL的振幅变成一半(-6dB)的频率、和传递函数WcL的相位延迟了90°的频率中的较低的一方。

主轴3个轴J1～J3物理上较大且较重，因此难以提高位置响应频率。在例如臂长2m、可搬质量10kg左右的机器人中，位置响应频率在臂伸展姿态(惯性最大)下变得最小，为5Hz左右。

图2A、2B示出针对主轴的动作频率的传递函数的响应特性，图2A示出上述的传递函数WcL的振幅的频率响应特性，图2B示出传递函数WcL的相位的频率响应特性。另外，图2C示出对具有图2A、2B所示的频率特性的主轴赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的θc与θL的时间波形。

如图2A、2B所示，在位置响应频率为5Hz的情况下，振幅变成一半(-6dB)，相位延迟90°。另外，如图2C所示，相对于位置指令θc，实际位置θL的振幅变成一半，相位延迟90°。

换句话说，在以10m/分来激光切断直径10mm的圆的作业中，当使位置响应频率5Hz的主轴动作时，在机器人臂2的前端所描绘的圆轨迹的直径减半、形状歪斜等，从而无法得到满意的轨迹。

另一方面，手腕3个轴J4～J6比主轴3个轴J1～J3小且轻。因此，即使装配了5kg左右的激光输出装置3，手腕3个轴J4～J6也具有10Hz以上的位置响应频率。因而，也可以在机器人臂2的前端增加新的关节轴J7。主轴3个轴J1～J3维持停止状态，由手腕3个轴J4～J6和新的关节轴J7实施定位、轨迹追随动作，由此即使在5Hz以上的动作频率下，机器人臂2也能够实现足够的位置响应性。换句话说，使关节轴J1～J5完全静止，以使得关节轴J6的旋转中心位置8不动。

图3示出增加了与前端的关节轴J6平行的关节轴J7的垂直多关节七轴机器人的结构。该垂直多关节七轴机器人6，能够仅使前端部分的关节轴J6以及J7动作而由机器人臂2的前端描绘圆、椭圆等期望的轨道。

图4示出图3所示的垂直多关节七轴机器人6的机器人臂前端的轨迹的时间变化。

在时刻t1，驱动机器人臂2的关节轴J1～J5，使激光照射位置7移动至目标的圆轨道的中心，开始激光照射。在时刻t2，以使激光照射位置7向+Y方向移动而进入圆轨道的方式使关节轴J6、J7在各自的旋转方向9、10上旋转。在时刻t3～t5，以激光照射位置7沿着圆轨道移动的方式使关节轴J6、J7旋转，在时刻t6结束激光照射。

图5A、5B示出针对机器人臂前端的动作频率的传递函数的响应特性，图5A示出上述的传递函数WcL的振幅的频率响应特性，图5B示出传递函数WcL的相位的频率响应特性。需要说明的是，在图5A、5B中，机器人臂前端是指关节轴J6、J7。另外，图5C示出对具有图5A、5B所示的频率特性的机器人臂赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的θc和θL的时间波形。如上所述，关节轴J6、J7较小且较轻，因此与主轴相比位置响应频率更高，例如为20Hz左右。

因而，如图5A、5B所示，在位置响应频率为20Hz的情况下，振幅变成一半(-6dB)，相位延迟90°。如图5C所示，在位置指令θc的频率为5Hz的情况下，实际位置θL的振幅的衰减、相位的延迟变小，与图2C所示的情况相比，可知实际位置θL良好地追随位置指令θc。

在该情况下，在以10m/分来激光切断直径10mm的圆的作业中，如图4所示，机器人臂2的前端能够几乎按照指令来描绘圆轨迹。

[与机器人臂的关节轴的动作相伴的干涉转矩的产生及其影响]

但是，由于关节轴J6、J7进行动作而对关节轴J1～J5产生干涉转矩，在与各个关节轴连结的减速机产生挠曲。特别是主轴3个轴J1～J3的旋转位置到机器人臂2的前端的距离较长。本申请的发明者等发现，与这些关节轴连结的减速机即使略微挠曲，关节轴J6的旋转中心位置8也会大幅摇动，从而对机器人臂2的前端所描绘的轨迹带来较大影响。

本申请的发明者等在以10m/分来激光切断直径10mm的圆的作业中，对关节轴J6的旋转中心位置8的摇动进行了实际调查。根据该调查而知晓，在关节轴J6中产生1mm左右的摇摆时，对机器人臂2的前端所描绘的轨迹造成10％左右的误差。另外，在图3所示的垂直多关节七轴机器人6中，每个关节轴的减速机的特性也不同。因此，在各个减速机发生的挠曲量也不同，关节轴J6的旋转中心位置8的摇摆方式也不规整。

图6示出在减速机产生了挠曲的情况下的垂直多关节七轴机器人6的机器人臂前端的轨迹的时间变化。

在时刻t1，驱动机器人臂2的关节轴J1～J5，使激光照射位置7移动至目标的圆轨道的中心，开始激光照射。与图4的例子同样地，在时刻t2，以使激光照射位置7向+Y方向移动而使机器人臂2的前端进入圆轨道的方式使关节轴J6、J7旋转。但是，由于因关节轴J6、J7的动作而产生的干涉转矩，主要使关节轴J1的减速机发生挠曲，关节轴J6的旋转中心位置8向+Y方向偏移。在时刻t3，使激光照射位置7沿着圆轨道向+X方向移动，因此在该干涉转矩的作用下主要使关节轴J2的减速机发生挠曲，关节轴J6的旋转中心位置8向+X方向偏移。其中，由于分别与关节轴J1、J2连结的减速机的挠曲量的差异，关节轴J6的旋转中心位置8的向+X方向的偏移量相对于+Y方向的偏移量为一半左右。以下，在时刻t3～t5，在干涉转矩的影响下，关节轴J6的旋转中心位置8也发生位置偏移。因此，针对位置指令θc为圆轨迹的情况，实际位置θL的轨迹成为与该圆轨迹相比略微鼓起的椭圆轨迹。

在6轴结构下使主轴3个轴J1～J3动作的情况下，例如有时发生圆轨迹的直径减小50％左右的误差。与该误差相比，上述的实际位置θL的轨迹的误差较小，但由于超过通常使用机器人进行加工的情况的允许误差，因此需要采取某些对策。

图7示出说明因外力转矩而产生的机器人臂前端的位置偏移的示意图。对主轴3个轴J1～J3施加的外力转矩τddyn1、τddyn2、τddyn3分别为重力转矩与干涉转矩之和、即(τg1+τa1)、(τg2+τa2)、(τg3+τa3)。需要说明的是，为了便于说明，图7中仅示出了关节轴J2的挠曲量θs2。

在该情况下，若将减速机的弹簧常量设为Ks，则加进位置指令θc的挠曲校正值θsc(以下，称作位置指令校正值)由以下的(式2)来表示。

θsc＝-θs＝-τddyn/Ks···(式2)

在此，θs是在后述的减速机的一次侧与二次侧之间发生的挠曲量。

另外，基于重力转矩τg的挠曲校正值θsgc(以下，称作第一位置指令校正值)和基于干涉转矩τa的挠曲校正值θsac分别由以下的(式3)、(式4)来表示。

θsgc＝-τg/Ks···(式3)

θsac＝-τa/Ks···(式4)

因此，整体的位置指令校正值θsc如下。

θsc＝-(τg+τa)/Ks＝θsgc+θsac···(式5)

在此，若将由(式5)表示的位置指令校正值θsc加进位置指令θc来执行挠曲校正，则基于重力转矩τg的第一位置指令校正值θsgc被充分校正。其理由如下。

在主轴3个轴J1～J3停止的期间，重力转矩τg的频率为0Hz。另外，对于臂长2m、可搬质量10kg左右的机器人的主轴3个轴J1～J3，动作角速度为180°/秒左右，在1秒内仅旋转半周左右，因此即使主轴3个轴J1～J3在动作中，重力转矩τg的变化也小于0.5Hz。因而，基于重力转矩τg的机器人臂2的振动频率也小于0.5Hz。即使主轴3个轴J1～J3的位置响应频率为5Hz左右，也能够充分追随，能够进行挠曲校正。

另一方面，由干涉转矩τa引起的挠曲，即使对位置指令θc加上基于干涉转矩τa的挠曲校正值θsac，也未得到充分校正。其理由如下。

在前述的切断动作(以10m/分切断直径10mm的圆)下，由干涉转矩τa引起的机器人臂2的挠曲的中心频率为5Hz。因而，如(式4)所示那样，基于干涉转矩τa的挠曲校正值θsac的频率也为5Hz。

图8A、8B示出在减速机产生了挠曲的情况下的针对主轴的动作频率的传递函数的响应特性，图8A示出上述的传递函数WcL的振幅的频率响应特性，图8B示出传递函数WcL的相位的频率响应特性。图8C示出对具有图2A、2B所示的频率特性的主轴赋予了0.5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的θc和θL的时间波形，图8D示出赋予了5Hz的正弦波作为位置指令θc的情况下的θc和θL的时间波形。

如图8C所示，实际位置θL充分追随第一位置指令校正值θsgc。需要说明的是，第一位置指令校正值θsgc的频率设为0.5Hz。另一方面，如图8D所示，可知相对于基于干涉转矩τa的挠曲校正值θsac，实际位置θL的振幅变成一半，相位延迟90°。

如以上所说明的那样，在以往的方法中，未分开重力转矩和干涉转矩而将外力转矩τddyn作为整体来进行计算，并基于其值求出位置指令校正值θsc。因而，例如，若与由干涉转矩τa引起的挠曲的实际的校正振幅变小的情况相对应地使位置指令校正值θsc增加，则基于重力转矩τg的第一位置指令校正值θsgc也一并增加，发生将臂抬起因重力而挠曲下沉的量以上这样的不良情况。

为此，本申请的发明者等发现，将外力转矩分开为重力转矩和干涉转矩来进行求取，并基于它们的结果来校正机器人臂2的位置偏移，由此能够使机器人臂2以期望的轨迹动作。以下关于该内容进行详述。

(实施方式1)

[多关节机器人及其控制系统的结构]

图9是关于图3所示的垂直多关节七轴机器人6的位置控制的功能模块图，示出了机器人机构与机器人控制装置的内部结构的概要。机器人机构11是垂直多关节七轴机器人6的机械驱动部，具有伺服马达12、12···(以下，简称为马达)、减速机13、13···、以及编码器14、14···。另外，虽未图示，但机器人机构11包括机器人臂2。马达12经由减速机13分别与图3所示的垂直多关节七轴机器人6的关节轴J1～J7连结。马达12按照由机器人控制装置20的伺服控制部23发送的控制信号来驱动关节轴J1～J7，从而对机器人臂2的动作以及姿态进行控制。编码器14与马达12连接，对马达12的旋转量、旋转速度进行检测，并将检测信号作为反馈信号发送给伺服控制部23。

需要说明的是，在以下的说明中，有时将与关节轴J1连结的马达12、减速机13以及编码器14分别称作“第一马达”、“第一减速机”、“第一编码器”，将与关节轴J2～J7连结的马达等称作“第二～第七马达”等。另外，有时将与第一马达连接的伺服控制部23和挠曲校正模块24分别称作“第一伺服控制部”、“第一挠曲校正模块”，将与第二～第七马达连接的伺服控制部23、23···和与第二～第七伺服控制部连接的挠曲校正模块24、24···分别称作“第二～第七伺服控制部”、“第二～第五挠曲校正模块”。另外，有时将发送给各关节轴的位置指令、位置指令校正值称作位置指令θc～θ7c、位置指令校正值θsc～θ7sc。

机器人控制装置20具有操作/教示部21、主控制部22、伺服控制部23、以及挠曲校正模块24(挠曲校正单元)。操作/教示部21例如存储示教时所取得的机器人臂2的轨迹以及用于描绘该轨迹的各马达12、12···的旋转动作等。

主控制部22接受来自操作/教示部21的指示，并按照存储于操作/教示部21的机器人机构11的机器人臂2等的移动的轨迹，分别输出垂直多关节七轴机器人6的各关节轴J1～J7的位置指令θc～θ7c。

第一～第七伺服控制部23、23···以追随由主控制部22发送的位置指令θc～θ7c的方式分别对机器人机构11内的第一～第七马达12、12···的旋转动作进行控制。

挠曲校正模块24、24···与关节轴J1～J7对应地分别设置于主控制部22与各伺服控制部23、23···之间。挠曲校正模块24、24···基于从主控制部22接受到的位置指令θc～θ7c，生成位置指令校正值θsc～θ7sc。所生成的位置指令校正值θsc～θ7sc被加进对应的位置指令θc～θ7c而分别向第一～第七伺服控制部23、23···发送。

需要说明的是，机器人控制装置20内的各功能模块既可以由各自独立的电路构成，也可以由一个集成电路构成。也可以由一个集成电路构成一部分功能模块的组合。另外，主控制部22、伺服控制部23、挠曲校正模块24的功能通过在CPU等集成电路上执行在软件中记述的程序而大体实现。

图10示出对机器人机构中的减速机的挠曲进行说明的图。如图10所示，从机器人机构11提取马达12、减速机13、以及与它们连结的机器人臂2的一部分作为负载30。负载30包括作为马达安装基座的第一臂31、与第一臂31连结的马达12、包括与马达12连结的减速机一次侧32及具有轴承34的减速机二次侧33的减速机13、以及以能够旋转的方式与减速机二次侧33连结的第二臂35。

减速机一次侧32经由马达12的旋转轴与马达12的转子36结合，旋转与由伺服控制部23发送的马达旋转位置θM对应的量。减速机13按照(式6)所示的减速比Rg将马达旋转位置θM转换为臂旋转位置(实际位置)θL。

Rg＝θM/θL···(式6)

但是，如图10所示，在减速机13中，在减速机一次侧32与减速机二次侧33之间存在弹簧成分37，因此(式6)成立的情况仅为弹簧的伸长即挠曲为恒定的定常状态。

图11示出图10所示的负载的模块线图，IM为驱动马达12的马达电流指令，Kt为马达12的转矩常量，1/Rg为(式6)所示的减速比的倒数，Ks为减速机13的弹簧常量，θs为在减速机一次侧32与减速机二次侧33之间产生的挠曲量，τddyn为对机器人臂2施加的外力转矩。需要说明的是，马达12中流过由马达电流指令IM确定的电流。

另外，在马达传递函数40中，JM为将马达12的转子36与减速机一次侧32合算后的绕着旋转轴的惯性力矩，DM为粘性摩擦系数。在负载传递函数41中，JL为将第二臂35与减速机二次侧33合算后的绕着旋转轴的惯性力矩，DL为粘性摩擦系数。

如图11所示，基于马达电流指令IM得到马达旋转位置θM。将马达旋转位置θM乘以减速比的倒数1/Rg而得到第一值。另一方面，基于外力转矩τddyn得到臂旋转位置θL。从第一值减去臂旋转位置θL而运算在减速机一次侧32与减速机二次侧33之间发生的挠曲量θs。将所得到的挠曲量θs乘以弹簧常量Ks而得到第二值。第二值被加进外力转矩τddyn。另外，将第二值乘以减速比的倒数1/Rg而得到第三值。从马达电流指令IM与马达12的转矩常量Kt的乘积减去第三值。

需要说明的是，图11是与负载以及减速机连结的马达的一般的控制模块线图，因此省略上述以外的功能的详细说明。

[多关节机器人的控制模块的详细结构]

图12示出用于比较的第一伺服控制部的模块线图。伺服控制部23的位置控制模块50接受将位置指令θc与从挠曲校正模块24输出的挠曲校正值θsco(也称作位置指令校正值θsco)相加而得的第四值。从第四值减去马达旋转位置θM而得到第五值。将第五值乘以位置比例增益Kpp而生成速度指令ωc。马达旋转位置θM根据作为位置检测器的第一编码器14中的检测信号而得到。需要说明的是，在以下的说明中，以第一伺服控制部23的结构等为例来进行说明，但关于第二～第七伺服控制部23、23···也是同样的。

在速度控制模块51中，对马达旋转位置θM进行微分而得到马达速度ωM。从速度指令ωc减去马达速度ωM而得到第六值。将第六值乘以速度比例增益Kps而得到第七值。另外，对第六值进行积分并乘以速度积分增益Ki而得到第八值。将第七值与第八值相加来运算第一马达12中流过的电流，得到马达电流指令IM。

图13示出图12所示的挠曲校正模块的详细结构。挠曲校正模块25具有动力学运算模块60。如(式2)所示，为了求出位置指令校正值θsco，需要预先得到外力转矩τddyn，但从成本方面来看，不优选在各关节轴安装转矩传感器来求出该外力转矩τddyn。这是因为，转矩传感器通常价格较高。另外，由于将转矩传感器安装于各关节轴，因此会对机器人臂2附加多余的挠曲。

为此，针对所有轴，使用从主控制部22发送的位置指令θc～θ7c并通过动力学运算模块60来求出外力转矩运算值τdyn。在动力学运算模块60中，所有轴的位置指令θc～θ7c、该位置指令θc～θ7c的微分值即速度分量、以及该位置指令θc～θ7c的二阶微分值即加速度分量来进行动力学运算，从而运算对各关节轴施加的外力转矩。

将该外力转矩运算值τdyn乘以弹簧常量Ks的负倒数而求出位置指令校正值θsco。

θsco＝τdyn×(-1/Ks)···(式7)

在此，如前所述，外力转矩运算值τdyn一并包含重力转矩τg、干涉转矩τa。因而，由频率较高的干涉转矩τa引起的挠曲的实际的校正振幅变小。若与此相应地使位置指令校正值θsco增加，则由重力转矩τg引起的位置指令校正值也一并增加。由此发生将臂抬起因重力而挠曲下沉的量以上这样的不良情况，这已经说明过了。

图14示出本实施方式的第一伺服控制部的模块线图，在该第一伺服控制部23中，除挠曲校正模块24之外的功能模块与图12所示的结构相同，因此省略说明。图15示出图14所示的挠曲校正模块24的详细结构。该挠曲校正模块24(挠曲校正单元)具有动力学运算模块61和重力运算模块62。动力学运算模块61针对所有轴，使用从主控制部22发送的位置指令θc～θ7c来求出外力转矩运算值τdyn。动力学运算模块61中的对施加于各关节轴的外力转矩的运算为了比较而与例示的上述方法相同。换句话说，在关节轴的数量为n个(n为2以上的整数)的情况下，一个挠曲校正模块24构成为，接受与从主控制部22发送的n个伺服马达12、12···对应的n个位置指令θc～θnc，并基于这些位置指令对由减速机13的挠曲引起的机器人臂2的位置偏移进行校正。

另一方面，在本实施方式中，通过挠曲校正模块24，将重力转矩τg与干涉转矩τa分开，并对它们分别运算位置指令校正值。重力运算模块62与动力学运算模块61同样地接受位置指令θc～θ7c。该重力运算模块62将前述的速度成分以及加速度成分设为零来进行动力学运算，由此求出重力转矩τg。

另外，通过从外力转矩运算值τdyn减去重力转矩τg，从而如(式8)所示那样得出干涉转矩τa。

τa＝τdyn-τg···(式8)

如以上所示那样，在本实施方式中，外力转矩运算值τdyn、重力转矩τg、干涉转矩τa均通过挠曲校正模块24内的运算而求出。

另外，使用所得到的重力转矩τg，根据(式9)得出第一位置指令校正值θsgc。

θsgc＝τg×(-1/Ks)···(式9)

另一方面，基于干涉转矩τa的挠曲校正值θsac通过以下的算式(式10)来运算。

θsac＝τa×(-1/Ks)···(式10)

需要说明的是，如上所述，对挠曲校正值θsac的振幅和相位，需要以与实际位置θL对应的方式实施补偿，例如实施进行比例补偿和相位超前补偿的PD补偿。(式11)中示出对它们进行补偿后的θskc(以下，称作第二位置指令校正值)。

θskc＝Kpa×θsac+Kda×(s·θsac)···(式11)

在此，Kpa为PD补偿比例增益，是用于振幅补偿的系数。Kda为PD补偿微分增益，是用于相位补偿的系数。另外，s为积分要素。

根据通过(式9)、(式11)计算出的值来得出位置指令校正值θsc。

θsc＝θsgc+θskc···(式12)

需要说明的是，也可以将重力运算模块62和挠曲校正模块24内的(式9)所示的运算功能合并而称作第一位置指令校正值运算单元63。另外，将动力学运算模块61、重力运算模块62以及挠曲校正模块24内的(式8)、(式10)、(式11)所示的运算功能合并而称作第二位置指令校正值运算单元64。

如图14所示，将从主控制部22向第一伺服控制部23发送的位置指令θc加上由(式12)表示的位置指令校正值θsc而得的新的位置指令(θc+θsc)被向第一伺服控制部23输入。第一伺服控制部23按照新的位置指令对第一马达12的驱动进行控制。

图16A、16B示出针对本实施方式的主轴的动作频率的传递函数的响应特性，图16A示出传递函数WcL的振幅的频率响应特性，图16B示出传递函数WcL的相位的频率响应特性。图16C示出对具有图16A、16B所示的频率特性的主轴赋予了0.5Hz的正弦波作为第一位置指令校正值θsgc的情况下的第一位置指令校正值θsgc和实际位置θL的时间波形，图16D示出赋予了5Hz的正弦波作为第二位置指令校正值θskc的情况下的第二位置指令校正值θskc和实际位置θL的时间波形。

如图16C所示，实际位置θL充分追随第一位置指令校正值θsgc。需要说明的是，第一位置指令校正值θsgc的频率设为基于重力转矩τg的机器人臂2的振动频率的最大值即0.5Hz。另一方面，如图16D所示，实际位置θL的振幅、相位也充分追随具有5Hz的频率的第二位置指令校正值θskc。

如以上所说明的那样，根据本实施方式，对施加于机器人臂2的外力转矩τddyn中的动作响应频率不同的分量、换句话说将重力转矩τg和干涉转矩τa分开而分别进行运算，基于这些转矩求出第一位置指令校正值θsgc以及第二位置指令校正值θskc。由此，能够在不高估由重力转矩τg引起的挠曲的影响的情况下对位置指令进行校正。另外，通过将这些位置指令校正值θsgc、θskc加进原本的位置指令θc，从而能够高精度地校正机器人臂2的位置偏移。另外，各个挠曲校正模块24接受从主控制部22向7个伺服控制部23、23···发送的7个位置指令θc～θ7c。各个挠曲校正模块24基于这些位置指令θc～θ7c，通过动力学运算求出外力转矩运算值τdyn以及重力转矩τg。因此，无需设置转矩传感器等的计测转矩的专用部件，能够降低垂直多关节六轴机器人6以及机器人控制装置20的成本。另外，干涉转矩τa通过从外力转矩运算值τdyn减去重力转矩τg而求出。因此，能够简单地分开重力转矩τg和干涉转矩τa，能够对挠曲引起的机器人臂2的位置偏移进行校正。

另外，近年，越来越多地通过使用了个人电脑等的GUI的离线方式而不是示教/回放来进行机器人的位置教示。在示教/回放中，即使对马达12、12···指令了的机器人臂2的前端位置与实际的机器人臂2的前端位置偏移，只要重复精度较高就没有问题。但是，在离线教示中要求绝对位置精度，因此若未正确地进行上述的挠曲校正，则在对机器人进行控制方面存在问题。

根据本实施方式，能够高精度地校正挠曲引起的机器人臂2的位置偏移，能够顺畅地进行离线教示。

(实施方式2)

图17示出本实施方式的第一伺服控制部的模块线图。本实施方式所示的结构与实施方式1所示的结构不同点在于以下3点。第一，通过挠曲校正模块26，基于干涉转矩τa来求出干涉转矩电流补偿值Isc(以下，简称为电流补偿值)。第二，将电流补偿值Isc加进马达电流指令IM。第三，对位置指令θc仅加上第一位置指令校正值θsgc。

图18示出图17所示的挠曲校正模块的详细结构。

在该挠曲校正模块26中，通过重力运算模块62来运算重力转矩τg，通过(式7)来运算干涉转矩τa的方面与实施方式1相同。(式12)所示的位置指令校正值θsc如(式13)所示那样被修正。

θsc＝θsgc···(式13)

另一方面，从干涉转矩τa并非求出挠曲校正值θsac，而是求出与挠曲校正值θsac对应的电流。此时，与实施方式1中的第二位置指令校正值θskc同样地，针对电流也需要进行振幅和相位的补偿，电流补偿值Isc由以下的(式14)表示。

Isc＝(Kpb×τa+Kdb×(s·τa))×(-1/Kt)···(式14)

在此，Kpb为干涉转矩电流补偿比例增益，是用于振幅补偿的系数。Kdb为干涉转矩电流补偿微分增益，是用于相位补偿的系数。其他运算要素与上述的相同。

基于通过(式14)所计算出的值，从速度控制模块52输出的马达电流指令IMb由以下的(式15)表示。

IMb＝IM+Isc···(式15)

需要说明的是，将动力学运算模块61、重力运算模块62、以及挠曲校正模块26内的(式8)、(式14)所示的运算功能合并而称作电流补偿值运算单元65。

如图17所示，对从主控制部22向第一伺服控制部23发送的位置指令θc加上由(式13)表示的位置指令校正值θsc(＝θsgc)而得到新的位置指令(θc+θsgc)。该新的位置指令被向第一伺服控制部23的位置控制模块50输入。并且，对在位置控制模块50以及速度控制模块51内生成的马达电流指令IM加上电流补偿值Isc而得到新的马达电流指令IMb。基于新的位置指令(θc+θsgc)和新的马达电流指令IMb来控制第一马达12的驱动。

如以上所说明的那样，根据本实施方式，通过将基于干涉转矩τa的电流补偿值Isc加进马达电流指令IM，从而能够对马达电流直接进行基于干涉转矩τa的挠曲的校正，提高负载30的响应。换句话说，能够提高由干涉转矩τa引起的挠曲的校正效果。

需要说明的是，在本实施方式中，由干涉转矩τa引起的挠曲如下那样被校正：并非对从位置控制模块50、速度控制模块52的外部发送的位置指令θc～θ7c，而是对在位置控制模块50以及速度控制模块52的内部生成的马达电流指令IM进行加算。换句话说，由于间接地补偿挠曲，因此加进马达电流指令IM的电流补偿值Isc不一定全部都有助于挠曲减少。因此，为了准确地确定电流补偿值Isc，有时需要附加实机中的动作确认和增益等的调整。

需要说明的是，在实施方式1、2中，以垂直多关节七轴机器人6为例进行了说明，但并不特别限定于此。机器人的关节轴的数量不限定于7个，可以根据机器人的规格等而适当变更。与关节轴的数量对应地，机器人控制装置20构成为，n个(n为2以上的整数)伺服控制部23、23···驱动对应的n个伺服马达12、12···，并且经由与n个伺服马达12、12···分别连结的减速机13、13···来驱动n个关节轴。并且，挠曲校正模块24、26构成为，接受从主控制部22向n个伺服控制部23、23···发送的n个位置指令θc～θnc，并基于这些位置指令，对由挠曲引起的机器人臂2的位置偏移进行校正。因而，本公开的机器人控制装置适用于2轴以上的多关节机器人中。

工业实用性

在本公开的机器人控制装置中，将由重力转矩引起的挠曲和由来自其他轴的干涉转矩引起的挠曲分开，并能够对它们分别校正位置指令，因此能够减少机器人臂的位置偏移，在应用于焊接机器人等工业用机器人的方面有用。

附图标记说明：

1 垂直多关节六轴机器人

2 机器人臂

3 激光输出装置

4 激光

5 工件

6 垂直多关节七轴机器人

7 激光照射位置

8 旋转中心位置

11 机器人机构

12 马达(伺服马达)

13 减速机

14 编码器

20 机器人控制装置

21 操作/教示部

22 主控制部

23 伺服控制部

24～26 挠曲校正模块(挠曲校正单元)

30 负载

31 第一臂

32 减速机一次侧

33 减速机二次侧

34 轴承

35 第二臂

36 转子

37 减速机的弹簧成分

40 马达传递函数

41 负载传递函数

50 位置控制模块

51、52 速度控制模块

60、61 动力学运算模块

62 重力运算模块

63 第一位置指令校正值运算单元

64 第二位置指令校正值运算单元

65 电流补偿值运算单元

J1～J7 关节轴

θc～θ7c 位置指令

IM 马达电流指令

IMb 马达电流指令

τddyn 外力转矩

τa 干涉转矩

τg 重力转矩。

Claims (6)

1.一种机器人控制装置，其进行机器人臂的运动控制，所述机器人臂具有经由与伺服马达连结的减速机而被驱动的关节轴，

所述机器人控制装置的特征在于，具备：

主控制部，其发送位置指令；

伺服控制部；以及

挠曲校正单元，其用于对由所述减速机的挠曲引起的所述机器人臂的位置偏移进行校正，

所述挠曲校正单元具有：

第一位置指令校正值运算单元，其基于所述位置指令来运算使所述减速机发生挠曲的外力转矩中的重力转矩，并基于所述重力转矩来求出第一位置指令校正值；以及

第二位置指令校正值运算单元，其基于所述位置指令和所述重力转矩来运算所述外力转矩中的因所述关节轴受到的干涉而产生的干涉转矩，并基于所述干涉转矩来求出第二位置指令校正值，

所述伺服控制部基于将所述第一位置指令校正值和所述第二位置指令校正值加进所述位置指令而得到的新的位置指令来驱动所述伺服马达。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述第二位置指令校正值是对基于所述干涉转矩而得到的挠曲校正值的振幅以及相位分别进行补偿而得的值。

3.一种机器人控制装置，其进行机器人臂的运动控制，所述机器人臂具有经由与伺服马达连结的减速机而被驱动的关节轴，

所述机器人控制装置的特征在于，具备：

主控制部，其发送位置指令；

伺服控制部；以及

挠曲校正单元，其用于对由所述减速机的挠曲引起的所述机器人臂的位置偏移进行校正，

所述挠曲校正单元具有：

第一位置指令校正值运算单元，其基于所述位置指令来运算使所述机器人臂发生挠曲的外力转矩中的重力转矩，并基于所述重力转矩来求出第一位置指令校正值；以及

电流补偿值运算单元，其基于所述位置指令和所述重力转矩来运算所述外力转矩中的因所述关节轴受到的干涉而产生的干涉转矩，并基于所述干涉转矩来求出电流补偿值，

所述伺服控制部基于将所述第一位置指令校正值加进所述位置指令而得到的新的位置指令、以及对基于所述新的位置指令而生成的马达电流指令加进所述电流补偿值而得到的新的马达电流指令，来驱动所述伺服马达。

4.根据权利要求3所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述电流补偿值是将对基于所述干涉转矩而得到的挠曲校正值的振幅以及相位分别进行补偿而得到的值乘以规定系数而得到的值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述伺服马达是n个伺服马达中的一个，n为2以上的整数，所述减速机是与n个伺服马达分别连结的n个减速机中的一个，所述关节轴是经由n个减速机分别被驱动的n个关节轴中的一个，所述伺服控制部是分别驱动n个伺服马达的n个伺服控制部中的一个，

所述位置指令是指定所述n个关节轴的各自位置的n个位置指令中的一个，

所述挠曲校正单元是与所述n个伺服控制部分别对应的n个挠曲校正单元中的一个，除了所述位置指令之外，还基于所述n个位置指令中的剩余的n-1个位置指令，对由挠曲引起的所述机器人臂的位置偏移进行校正。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述外力转矩以及所述重力转矩分别通过动力学运算而得出，所述干涉转矩通过从所述外力转矩减去所述重力转矩而得出。

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