CN110997249A - 作业机器人和作业机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

作业机器人配设有：臂(11)，其具有多个轴；手(12)；控制单元(14)；手柄单元(13)，其用于在对运动进行示教时接收由示教者施加的操纵力；操纵力检测单元(21、22、14)，其用于检测操纵力；以及反作用力检测单元(22)，其用于检测手从作业物体接收的反作用力。作业机器人被构造为使得：当示教者正在示教臂和手的运动以生成作业运动程序时，在反作用力检测单元(22)未检测到反作用力的情况下，控制单元(14)调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测单元(21、22、14)检测的操纵力的方向移动手(12)时对手的移动的阻力减小；并且在由反作用力检测单元(22)检测反作用力的情况下，控制单元(14)调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力单元(21、22、14)检测的操纵力的方向移动手(12)时对手的移动的阻力的增大。

Description

作业机器人和作业机器人的控制方法

技术领域

本发明涉及一种作业机器人以及用于向该作业机器人示教作业操作的方法。特别地，本发明涉及一种示教操作者可以通过直接向机器人施加力来向其示教作业轨迹的作业机器人。

背景技术

传统上，当示教机器人操作时，通过使用诸如示教器之类的远程控制器终端来进行将末端执行器等的远端部分移动到预定位置的操作，并且在通过目视观察等确认位置的同时存储示教位置。在这种情况下，需要在示教位置之间单独地调整移动速度、加速度等。在使用示教器的示教方法中，通过输入坐标的数值或重复地进行JOG操作来使机器人移动，这是复杂的作业并且在可操作性方面不佳，因此不能有效地进行示教。

作为改善示教的可操作性的方法，例如，专利文献1公开了一种技术，在该技术中，示教操作者在通过直接用手施加力来在操纵机器人的同时进行示教。

引用清单

专利文献

专利文献1：日本特开平06-250728号公报

发明内容

技术问题

在专利文献1所述的装置中，在示教操作者为了示教轨迹而向机器人主体的末端执行器施加力的情况下，通过传感器检测该力，并进行控制，从而使末端执行器沿力的方向移动。在这种情况下，进行控制，使得末端执行器仅在施加到传感器的操纵力的方向和基于经由操作方向设置开关选择的操作方向所确定的方向上移动。

因为示教操作者可以用他/她们自己的手来操纵机器人，所以这样的装置是方便的，并且因此与使用诸如示教器的远程控制器的情况相比，可以直观地进行示教操作。

然而，根据专利文献1所述的控制方法，由于机器人根据操纵力沿施加的操纵力的方向自动地移动，例如即使机器人接触了作业目标物体，示教操作者也难以通过感知感觉到接触的发生。因此，即使示教操作者尝试在使机器人与作业目标物体接触时进行精细的位置控制，也存在如下可能性：例如机器人对作业目标物体施加过大的力，因此无法进行想要的示教。

例如，在对机器人示教握持挠性电缆并将挠性电缆插入连接器的操作的情况下，有时示教操作者无法通过手的感受来感知挠性电缆的远端是否已经与连接器接触，挠性电缆的远端是否在连接器中滑动等。因此，在某些情况下，示教操作者不能施加适当的操纵力，挠性电缆变形为不期望的形状，并且不能成功地插入，因此不能向机器人示教精细的操作。

问题的解决方案

本发明的第一方面是一种作业机器人，其包括：臂，其包括多个轴；手；控制器；手柄部，其被构造为在对操作进行示教时接收由示教操作者施加的操纵力；操纵力检测部，其被构造为检测操纵力；以及反作用力检测部，其被构造为检测手从作业目标物体接收到的反作用力。当示教操作者示教臂和手的用于生成作业操作程序的操作时，在反作用力检测部未检测到反作用力的情况下，控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力减小，并且在由反作用力检测部检测到反作用力的情况下，控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力增大。

另外，本发明的第二方面是一种作业机器人的控制方法，所述作业机器人包括：臂，其包括多个轴；手；控制器；手柄部，其被构造为在示教操作者示教操作时接收由示教操作者施加的操纵力；操纵力检测部，其被构造为检测操纵力；以及反作用力检测部，其被构造为检测手从作业目标物体接收到的反作用力。所述控制方法包括：当示教操作者示教臂和手的用于生成作业操作程序的操作时，在反作用力检测部未检测到反作用力的情况下，由控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力减小，并且在由反作用力检测部检测到反作用力的情况下，由控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力增大。

发明的有益效果

由于控制器控制阻抗控制系统的参数，使得示教操作者可以容易地感知在示教时施加到手的反作用力，因此示教操作者可以在示教操作期间通过感知容易地感觉到手与作业目标物体之间的接触、滑动等。因此，可以有效地进行需要细微的力控制的示教操作，并且可以有效地生成对机器人在操作期间施加的力的大小和方向进行限定的作业程序。另外，可以生成包括作业算法的控制程序，凭借该作业算法可以在作业期间切换阻抗控制系统的参数。

在作业期间，通过在测量施加到手的反作用力或手施加到作业目标物体的力的同时切换阻抗控制系统的参数所凭借的作业算法，即使在作业目标物体的位置偏移的情况下，机器人仍可以精确地进行作业。

通过以下参考附图的描述，将揭示本发明的其他特征和优点。要注意的是，在附图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。

附图说明

图1是示出第一实施例的作业机器人的简化构造的图。

图2是第一实施例的简化功能框图。

图3是第一实施例的示教的流程图。

图4是示出阻抗控制系统的参数表的图。

图5是示出一系列示教操作的各个阶段的图。

图6是示出在各个阶段中由手接收的反作用力的状态的图。

图7是示出由示教生成的作业控制程序的内容的图。

图8A是示出在示教期间，被握持工件与组装目标工件之间的位置关系的图。

图8B是示出在作业期间，被握持工件与组装目标工件之间的位置关系的图。

图8C是示出在作业期间，被握持工件与组装目标工件之间的位置关系的图。

图8D是示出在作业期间，被握持工件与组装目标工件之间的位置关系的图。

图9是示出第二实施例的作业机器人的简化构造的图。

图10是示出第三实施例的作业机器人的简化构造的图。

具体实施方式

第一实施例

下面将参照附图依次描述用作本发明的第一实施例的作业机器人的构造、示教方法和作业操作。

图1是示出本实施例的作业机器人的构造的图。图1所示的作业机器人包括机器人臂11、安装在机器人臂的远端上的手12、安装在机器人臂11与手12之间的手柄部13、以及用作整个作业机器人的控制器的机器人控制器14。

机器人臂11是包括多个轴的多关节机器人臂，并且其各个关节轴在其中包括扭矩传感器且内置未示出的电机和编码器。尽管在本实施例中使用六轴臂，但是该臂可以具有与此构造不同的构造。

内置在机器人臂11的各个关节轴中的编码器能够检测各个关节的角度信息，并且能够在预定时段将测量结果传送给机器人控制器14。机器人控制器14能够基于编码器的检测结果来计算机器人臂11的姿势。

内置在机器人臂11的各个轴中的扭矩传感器能够检测施加到机器人臂11的力。即，各个扭矩传感器能够测量施加到各个关节轴的扭矩并在预定时段将测量结果传送给机器人控制器14。

另外，手12在其中包括六轴力传感器，并且能够检测当手12与作业目标物体接触时施加的反作用力。力传感器能够测量X轴，Y轴和Z轴上的力以及围绕各轴的力矩，并且能够在预定时段将测量的力传送给机器人控制器14。机器人控制器14能够基于计算出的机器人臂的姿势和力传感器的测量结果，计算从作业目标物体向手施加的反作用力的方向和大小。

因此，可以说机器人控制器和六轴力传感器构成了反作用力检测单元或反作用力检测部。要注意的是，由手施加到作业目标物体的力和从作业目标物体施加的反作用力具有相互的作用-反作用关系，并且具有相同的大小和相反的方向。因此，机器人控制器14还能够基于计算出的机器人臂的姿势和力传感器的测量结果来计算由手施加到作业目标物体的力。

机器人控制器14能够基于计算出的机器人臂的姿势，由扭矩传感器检测到的扭矩以及由六轴力传感器检测到的反作用力计算由示教操作者施加于手柄部13的操纵力的方向和大小。具体地，可以通过从由扭矩传感器检测到的扭矩检测结果中减去由六轴力传感器检测到的反作用力来计算施加到手柄部13的操纵力的方向和大小。

因此，可以说机器人控制器、扭矩传感器和六轴力传感器构成了操纵力检测单元或操纵力检测部。

在本实施例中，内置在机器人臂11的各个轴中的扭矩传感器和手12的六轴力传感器布置成使得手柄部13介于它们之间。通过采用这种布置，可以提高施加到手柄部上的外力(操纵力)和从作业目标物体施加的反作用力的检测精度。

机器人控制器14是包括CPU、RAM、ROM、I/O端口等的计算机，并且能够与机器人臂中的电机、传感器、编码器等传送信号，并且也连接到外部网络和计算机。

机器人控制器14能够生成用于机器人臂11的各个关节轴的电机的驱动指令，并且能够通过反馈控制来进行各个关节轴的位置控制。此时，机器人控制器14能够进行力反馈控制，其中基于从扭矩传感器和力传感器的测量结果获得的操纵力和反作用力来改变用于电机的驱动命令。即，与简单的位置控制不同，该控制附加地包括力反馈，并且将手12的物理响应设置为示教操作所需的状态。

在本实施例中，机器人控制器14能够根据机器人臂11的姿势和由示教操作者施加到手柄部13的操纵力来调整用于驱动各个关节轴的电机的阻抗控制系统的参数。例如，如图5的左端的P0所示，在由手12握持的被握持工件51不与组装目标工件52接触并与之分离的情况下，由六轴力传感器检测到的反作用力为0，在这种情况下，促进在示教操作者施加的操纵力的方向上的移动。即，机器人控制器14调整阻抗控制系统的参数，使得机器人臂更容易在示教操作者施加到手柄部13的操纵力的方向上移动。具体地，调整要被驱动以进行移动的关节轴的控制参数的虚拟粘度系数和虚拟弹性系数中的一个或两个。此时，可以根据各个关节轴的移动量的比例和大小来针对各个关节改变阻抗控制系统的参数的调整量。

在此，在进行力控制的情况下，虚拟粘度系数和虚拟弹性系数是用于生成分别与将粘性元件和弹性元件连接至机器人的远端的情况相似的效果的控制参数。由于虚拟粘度系数[N/(mm/s)]或[Nm/(deg/s)]是指示达到一定速度所需的力的参数，因此虚拟粘度系数被减小以利于手12的移动。

另外，在本实施例中，在示教作业轨迹时，可以基于由力传感器测量的来自作业目标物体的反作用力来调整各个关节轴的阻抗控制系统的参数。例如，如图5的P1所示，当被手12握持的被握持工件51与组装目标工件52接触时，六轴力传感器检测通过被握持工件51从组装目标工件52接收的反作用力。在检测到反作用力的情况下，机器人控制器14进行控制，使得手12在示教操作者施加的操纵力的方向上移动变得更加困难。具体而言，通过改变为了使手12在示教操作者施加到手柄部13的操纵力的方向上移动而被驱动的机器人臂的关节轴的控制参数的虚拟粘度系数和虚拟弹性系数，来进行调整，使得移动变得更加困难。此时，可以根据各个关节轴的移动量的比例和大小来针对各个关节改变阻抗控制系统的参数的调整量。

由于虚拟粘度系数[N/(mm/s)]或[Nm/(deg/s)]是指示达到一定速度所需的力的参数，因此将虚拟粘度系数设置为更大，以使移动更难，即，在施加操纵力时使示教操作者感觉到阻力。

如上所述，如下状态被称为容易移动手12的状态：调整参数，使得抵抗手12在手12的移动方向(即，由示教操作者施加的操纵力的方向)上的移动的阻力减小。相反，如下状态被称为难以移动手12的状态：调整参数，使得抵抗手12在手12的移动方向(即由示教操作者施加的操纵力的方向)上的移动的阻力增大。

本实施例的阻抗控制系统的参数的调整方法也可以表示如下。

在机器人手和被机器人手握持的工件均未与作业目标物体接触的情况下，机器人手的力传感器未检测到反作用力。当未检测到反作用力时，机器人控制器14基于检测到的操纵力来调整阻抗控制系统的参数，使得示教操作者能够容易地沿操纵力的方向移动机器人手。

在机器人手或被机器人手握持的工件与作业目标物体接触的情况下，由机器人手的力传感器检测对由机器人手施加于作业目标物体的力的反作用，即来自作业目标物体的反作用力。当检测到反作用力时，机器人控制器14调整阻抗控制系统的参数，使得示教操作者感觉到难以沿操纵力的方向进行移动。应当注意，在力传感器检测到反作用力的情况下，不仅可以参考反作用力而且可以参考操纵力来调整阻抗控制系统的参数。

另外，简单地增大或减小阻抗控制系统的虚拟粘度系数和虚拟弹性系数并不一定使示教操作者更有可能感觉到与作业目标物体接触并在其上滑动。例如，如果虚拟弹性系数[mm/N]或[deg/Nm]过大，则存在这样的情况：从组装目标接收的反作用力被弹簧组件吸收，并且该力未传递到操纵部分。由于存在根据所计算的反作用力的大小来改变参数的情况，因此期望预先准备与反作用力的大小对应的阻抗控制系统的参数表。

图2是示出了机器人控制器14包括的功能块的简化功能框图。

21表示作为第一传感器的用于检测操纵力的扭矩传感器，22表示作为第二传感器的用于检测反作用力的力传感器，23表示配设在机器人的各个轴中的编码器。

24表示由I/O端口，存储器等构成的数据获得/存储部。获得并存储由扭矩传感器21测量的力、由力传感器22测量的力以及由机器人的各个轴的编码器23测量的信息。

25表示存储机器人臂的包括其形状，尺寸等的各种信息的机器人机器型号登记部。

26表示机器人姿势计算部，其基于在数据获得/存储部24中存储的编码器的测量结果和机器人机器型号登记部25的信息来计算机器人臂的位置和姿势。

27表示末端执行器信息登记部，其存储手的包括其形状、尺寸等的各种信息。

28表示手坐标计算部，其基于由机器人姿势计算部26计算出的姿势信息和末端执行器信息登记部27的信息来计算手的位置和姿势。

29表示操纵力计算部，其基于扭矩传感器21的测量值、由机器人姿势计算部26计算出的姿势信息、以及由手坐标计算部28计算出的手的位置-姿势信息来计算施加于手柄部13的操纵力(外力)。

30表示反作用力计算部，其基于力传感器22的测量值和手的位置-姿势信息来计算手从作业目标物体接收到的反作用力(外力)。要注意，通过使计算出的反作用力的方向反转，也可以计算出机器人手对作业目标物体施加的力。

31表示阻抗控制系统参数设置部，其在示教时，基于操纵力的计算结果和反作用力的计算结果，将阻抗控制系统的虚拟粘度系数和/或虚拟弹性系数设置为适合于使用手柄部13进行示教的状态。另外，在作业时，基于来自阻抗控制系统参数设置切换部34的切换信号来适当地切换阻抗控制系统的虚拟粘度系数和/或虚拟弹性系数。

32表示机器人操作计划生成部，其通过在示教时参考扭矩传感器21和力传感器22的测量值以及阻抗控制系统参数设置部31的参数设置值来生成并且存储用于进行所示教的作业操作的作业程序。稍后将描述作业程序的生成。

33表示机器人操作命令部，其根据由阻抗控制系统参数设置部31设置的控制参数，生成要发送到机器人臂的各个关节轴的驱动系统(电机)的命令。

34表示阻抗控制系统参数设置切换部，其在作业时根据扭矩传感器21和力传感器22等的测量值来切换参数的设置并在力控制与位置控制之间进行切换。

上述机器人控制器14的各个模块的功能是通过使用硬件资源(例如其中包括的CPU、存储各个功能的程序的存储器、用于临时存储数据的RAM和通过其传送数据的I/O端口)来实现的。

另外，35表示机器人驱动系统，其根据由机器人操作命令部33发出的指令来驱动机器人臂的各个关节轴的电机等。

接下来，图3是示出本实施例中的在示教时的控制流程的流程图。当示教操作开始时，首先，在步骤S1中，设置阻抗控制系统的参数的参考值。具体地，预先读取在机器人控制器14的存储器中存储的阻抗控制系统的参数的初始值。考虑到机器人自身的重量来设置阻抗控制系统的参数的参考值，以使得机器人不会因自身重量而开始移动。

接下来，在步骤S2中，检查用作第一传感器的扭矩传感器21是否已检测到示教操作者施加的操纵力。在未检测到操纵力的情况下，参数保持在参考值。

当扭矩传感器21检测到操纵力时，在步骤S3中，阻抗控制系统的参数被自动设置，使得在施加操纵力的方向上移动手12变得更容易。

接下来，在步骤S4中，检查用作第二传感器的力传感器22是否已经检测到来自作业目标物体的反作用力。当力传感器22检测来自作业目标物体的反作用力时，在步骤S5中，自动设置参数，以使示教操作者感觉到在来自作业目标物体的反作用力的方向上的阻力，并且在操纵力的方向移动手12变得更加困难。

在步骤S6中，确定是否已获得程序停止命令，并且在基于由扭矩传感器21和力传感器22检测到的力更新阻抗控制系统的参数的同时，继续进行示教操作，直到获得停止命令为止。

图4示出了阻抗控制系统的参数表的示例。根据来自作业目标物体的反作用力的大小来设置虚拟粘度系数和虚拟弹性系数。可以针对诸如被手握持的工件或组装目标工件的各个作业目标物体设置参数表并适当地选择参数表，或者可以针对所有情况使用相同的表。

接下来，将参考图5描述示教操作者示教作业操作的示例。图5示出了从P0到P4的各阶段中的一系列示教操作，并且时间沿图中从左到右的方向经过。示教操作者通过用手操纵手柄部来移动手12，并且因此示教将由手12握持的被握持工件51装配到组装目标工件52的凹部中的操作。被握持工件51是作业目标物体的一部分，并且组装目标工件52是作业目标物体的另一部分。

首先，状态P0是如下状态：握持被握持工件51的手12布置在组装目标工件52的上方，并且示教操作者保持手柄部。示教操作者在-Z方向上向手柄部13施加操纵力，以使手在竖直方向上向下移动以接近组装目标工件52。

状态P1是被握持工件51和组装目标工件52彼此接触的状态。当被握持工件51与组装目标工件52的上表面接触时，示教操作者在保持接触的同时沿+X方向移动被握持工件51以接近组装目标工件52的凹部。即，示教操作者施加用于沿+X方向移动的操纵力，同时还在-Z方向上施加较小的操纵力。

接下来，状态P2是如下状态：作为移动到装配操作之前的准备阶段，示教操作者正在检查被握持工件51是否已经到达组装目标工件52的凹部的拐角。如稍后将参考图6描述的，根据本实施例的阻抗控制，由于在反作用力变化时示教操作者的移动容易性发生变化，因此示教操作者能够容易地识别出被握持工件51已经到达凹部的拐角。因此，当被握持工件51到达凹部的拐角时，示教操作者改变施加到手柄部的操纵力以调整手12的姿势。

状态P3是如下状态：手12的姿势已经被调整为能够将被握持工件51装配到组装目标工件52的槽部(凹部)的状态。

状态P4是如下状态：通过向手柄部施加沿-Z方向的操纵力而使手12沿-Z方向移动，从而将被握持工件51装配到组装目标工件52中。

将参考图6描述在上述的示教操作中由手接收的反作用力和阻抗控制系统的操作。

如在图6的左侧所示，在从P0到P1的移动过程中，被手12握持的被握持工件51尚未与组装目标工件52接触，因此，手12的六轴力传感器未检测到反作用力。在该状态下，机器人控制器14的阻抗控制系统参数设置部31调整阻抗控制系统的参数，使得手12可以容易地沿施加到手柄部13的操纵力的方向移动。

当手到达P1时，被握持工件51与组装目标工件52接触，在+Z方向上产生反作用力，并且该反作用力通过被握持工件51传递至手12。当手12的六轴力传感器检测到该反作用力时，阻抗控制系统参数设置部31调整阻抗控制系统的参数，使得手12在施加于手柄部13的操纵力的方向上移动变得更加困难。如果示教操作者试图通过施加操纵力来移动手，则示教操作者会感觉到与反作用力相同方向上的阻力。结果，示教操作者能够通过其手的感知来感觉到被握持工件51与组装目标工件52之间的接触，从而可以移动到下一示教操作。在示教操作者不能感觉到被握持工件51的接触的情况下，在该示例中示教操作者继续施加向下的操纵力(-Z方向)，因此可能在被握持工件51与组装目标工件52之间施加过大的力，并且这两者中的一个或两个可能损坏。另外，在被握持工件51为挠性构件的情况下，虽然不会发生损坏，但有可能发生变形，从而难以进行后续的操作(例如插入操作)。

但是，本实施例使得示教操作者能够容易地感觉到来自组装目标物体的沿Z方向上的反作用力。因此，在被握持工件与组装目标工件接触之后，通过对力进行更精细地控制，示教操作者能够进行示教操作。

接下来，在从P1到P2移动以搜索装配部分的位置的操作期间，示教操作者操纵手柄部13以沿+X方向移动被握持工件51，同时沿-Z方向将被握持工件51压靠组装目标工件52。在-X方向和+Z方向上产生反作用力，该反作用力通过被握持工件51传递到手12并由手12的六轴力传感器检测。在检测到反作用力时，阻抗控制系统参数设置部31调整阻抗控制系统的参数，使得变得更加难以在施加到手柄部13的操纵力的方向上移动手12。如果示教操作者尝试通过施加操纵力来移动手，则示教操作者会感觉到与反作用力相同方向上的阻力。作为结果，示教操作者可以通过其手的感知，将被握持工件51在被压靠组装目标工件52的同时被滑动时产生的摩擦力感觉为阻力，从而可以进行根据需要搜索装配部分的位置的操作。

然后，如图6的右侧所示，当达到P2时，在被握持工件51位于组装目标工件52的凹部的拐角的状态下，反作用力瞬时急剧变小。由于本实施例的阻抗控制使得示教操作者能够用手以高灵敏度感觉到随着阻力改变的反作用力的改变，因此示教操作者可以容易地感知已经到达凹部的拐角。由于可以感知到组装目标工件到达拐角部分，因此示教操作者可以在不超限的情况下改变手的姿势，并且可以移动到向凹部插入的操作。

图7是用于描述用于进行示教的装配组件的作业操作的由机器人操作计划生成部32生成的作业控制程序的内容的图。

在该图中，曲线图Z表示手的指尖部分的Z坐标的变化，并且表示例如从状态P0到状态P1指尖部分沿竖直方向向下移动，并且从状态P1到状态P2沿Z方向的坐标没有变化。

另外，曲线图X表示手的指尖部分的X坐标的变化，并且指示例如从状态P0到状态P1沿X方向的坐标没有变化，并且从状态P1到状态P2指尖部分沿X方向移动。

另外，曲线图中的Fz表示由用作第二传感器的力传感器22检测到的沿Z方向上的反作用力，并且可以看到，例如，当在状态P1下被握持工件51与组装目标工件52接触时瞬间检测到大的反作用力。此外，可以看出，由于阻抗控制，从状态P1到状态P2，Z方向上的反作用力大致恒定。

另外，曲线图中的Fx表示由用作第二传感器的力传感器22检测到的沿X方向的反作用力，并且可以看出，例如，从状态P1到状态P2，从组装目标工件52接收到沿-X方向上的大致恒定的反作用力。

首先，在示教阶段，在从P0到P1的区段内示教操作者进行仅沿-Z方向移动手的操作。在与组装目标工件发生接触之前，不会生成作为反作用力的力Fx和Fz，仅Z方向上的位置改变。一旦与组装目标工件发生接触，就会生成+Fz的力，并且在人检测到接触并停止机器人之前，+Fz的力会增大。在从P1到P2的区段中，人引起在+X方向上的移动，同时沿-Z方向施加恒定的力。在到达组装目标工件的凹部的拐角之前，生成与-Z方向上的压力相反的反作用力(+Fz)，并且生成源于摩擦的在-X方向上的反作用力(-Fx)。+X方向上的位置改变，直到人感知到已到达组装目标工件的凹部的拐角并停止沿X方向的移动为止。在从P2到P3的区段中，示教操作者改变机器人的姿势。P3是被握持工件与组装目标的凹槽的壁面接触的状态。在从P3到P4的区段中，示教操作者使被握持工件沿着组装目标工件的凹部的壁面在-Z方向上移动，并将被握持工件装配在组装目标工件中。

在本实施例中，机器人控制器存储在示教阶段中从P0到P4的机器人的位置和姿势以及扭矩传感器和力传感器的力分布信息，并且机器人操作计划生成部32生成作业操作程序。

即，不仅机器人的位置和姿势(轨迹)，而且在作业的各个步骤中机器人从作业目标物体接收到的反作用力的大小和方向，即施加到作业目标物体的力的大小和方向，也被示教。

在由机器人操作计划生成部32生成的作业操作程序中，阻抗控制系统参数设置切换部34基于作为第二传感器的力传感器22的检测信息来切换阻抗控制的参数。

下面将参照图7详细描述执行作业操作程序的操作阶段。要注意，作业操作程序可以在示教时存储在机器人控制器14中的存储器中，或者可以临时存储在外部存储设备中，并通过网络或计算机可读记录介质加载到机器人控制器14中。

在从P0到P1的区段中，由力传感器22检测到的反作用力为0。在该区段中，机器人操作命令部33将位置控制模式的驱动信号发送到机器人驱动系统35，使得手的X坐标为常数值且手的Z坐标由线性函数(成比例的)表示的操作被进行。

然后，如果通过力传感器22检测到反作用力Fz快速变化，则机器人控制器确定已达到状态P1，并且阻抗控制系统参数设置切换部34切换阻抗控制的参数。可以通过将反作用力Fz的变化率(微分值)超过预定阈值设置为条件来进行切换，或者可以通过将反作用力Fz自身的值超过预定阈值设置为条件来进行切换。

在从P1到P2的区段中，进行控制，使得X坐标由线性函数(成比例的)表示，并且Z坐标是恒定值。由于在此整个区段中反作用力大致恒定，因此机器人操作命令部33将力控制模式的驱动信号发送至机器人驱动系统35，以使得施加至机器人远端的力恒定。即，操作模式从位置控制模式切换到力控制模式。

然后，当通过力传感器22检测到反作用力Fx的快速变化时，机器人控制器确定已达到状态P2，并且阻抗控制系统参数设置切换部34切换阻抗控制的参数。可以通过将反作用力Fz的变化率(微分值)超过预定阈值设置为条件来进行切换，或者可以通过将反作用力Fz自身的值超过预定阈值设置为条件来进行切换。

在从P2到P3的区段中，改变手的姿势，但是X坐标和Z坐标都不线性地变化，并且反作用力Fx和Fz不是恒定的。由于在整个区段中力不是恒定的，所以机器人操作命令部33将位置控制模式的驱动信号发送到机器人驱动系统35，使得按原样再现在示教中改变姿势的操作轨迹。

在已经完成姿势改变的从P3到P4的区段中，X坐标是恒定值，Z坐标是成比例的，并且都由线性函数表示。由于反作用力在整个区段上大致恒定，因此机器人操作命令部33将力控制模式的驱动信号发送至机器人驱动系统35，使得施加至机器人的远端的力恒定。

然后，当力传感器22检测到反作用力Fz的快速变化时，机器人控制器确定已达到状态P4，并将用于结束驱动的信号发送到机器人驱动系统35。可以通过将反作用力Fz的变化率(微分值)超过预定阈值设置为条件来进行结束，或者可以通过将反作用力Fz本身的值超过预定阈值设置为条件来进行结束。

根据本实施例，通过在测量施加到手的反作用力的同时切换阻抗控制系统的参数，即使在作业目标物体偏移的情况下，也可以准确地执行示教的操作。

图8A至图8D是用于说明这一点的简化图，图8A示出了示教时在被握持工件与组装目标工件之间的位置关系。图8B至图8D示出了将组装目标工件设置在从由虚线指示的示教时的位置偏移的由实线指示的位置的情况。

在作业时仅基于位置坐标来控制手的情况下，当组装目标工件在示教时偏移时，无法准确地检测到到达状态P2，即，到达凹部的拐角，因此，此后无法准确地进行手的姿势变化或沿-Z方向的装配操作。不仅不能进行装配操作，而且在某些情况下，还有可能损坏工件或机器人本身。

然而，根据本实施例，示教了阻抗控制系统的参数，使得可以通过力传感器22以高灵敏度检测到达组装目标工件的凹部的拐角。在图8B中，通过基于力传感器22的反作用力的测量值进行沿同一方向连续施加力直到检测到凹部的拐角为止的控制，即使在组装目标工件偏移的情况下，也能够适当地进行作业操作。另外，在图8C中，由于被握持工件与组装目标工件的相对位置与示教时的相对位置相同，因此可以在无改变的情况下再现姿势改变的操作轨迹。此外，在图8D中，当检测到反作用力Fz快速变化时，可以确定已经达到状态P4。可以通过将反作用力Fz的变化率(微分值)超过预定阈值设置为条件来进行该确定，或者可以通过将反作用力Fz自身的值超过预定阈值设置为条件来进行该确定。

如上所述，根据本实施例，由于通过进行阻抗控制来生成作业程序，使得示教操作者可能感知到手与作业目标物体之间的接触状态，可以有效地示教位置、姿势和要施加的力。此外，可以基于在示教时测量的反作用力来生成用于在作业时切换阻抗控制系统的参数的作业算法。

要注意，尽管为了更容易理解而在上面给出了简化的描述，但是在示教操作者通过使用手的操作来实际地进行示教的情况下，难以无误差地引起线性移动，并且也很难持续施加恒定的力。因此，为了生成实际作业操作的控制程序，优选的是对示教的振动的数据进行过滤，以分离并去除不是示教操作者的初始意图的运动和力。

另外，由于存在力传感器的检测值根据力传感器的姿势而受到力传感器的重量影响并且改变的情况，因此期望的是，在特定的姿势必须进行零点校准，或者在各个操作中进行零点校准，使得在检测到的反作用力中不会保留姿势的影响。

第二实施例

图9是示出本发明的第二实施例的简化构造的图。在图9中，机器人装置包括机器人臂91、安装在该臂的远端上的手92、附装在手92与机器人臂91之间的力传感器内置型的手柄部93以及机器人控制器94。将省略与第一实施例共同的部分的描述。

本实施例的不同之处在于，尽管在第一实施例中基于各个关节的扭矩传感器的测量值和通过六轴力传感器检测到的反作用力来检测由示教操作者施加到手柄部的操纵力，但在本实施例中，通过内置在手柄部93中的力传感器来测量操纵力。

在本实施例中，可以说内置在手柄部93中的机器人控制器和力传感器构成操纵力检测单元或操纵力检测部。

尽管在第一实施例中用于计算操纵力的方向和大小的处理在一定程度上复杂，但是根据本实施例，可以以更简单的方式来检测操纵力。

内置在手柄部93中的力传感器能够测量施加到机器人臂91的操纵力，并且能够在预定时段将测量结果传送到机器人控制器94。

在本实施例中，通过由内置在手柄部93中的力传感器来检测来自人的操纵力并且由内置在手92中的力传感器来检测来自组装目标的反作用力，能够获得与第一实施例相同的效果。注意，为了在检测到来自人的操纵力时尽可能地减小来自组装目标的反作用力的影响，期望将内置在手柄部93中的力传感器布置在手柄部中尽可能远离手92的位置。

与第一实施例类似，由于通过进行阻抗控制来生成作业程序，使得示教操作者可能在示教阶段感知施加到手的反作用力，因此可以有效地示教位置精度高的轨迹。此外，可以基于在示教时测量的反作用力来生成在作业时切换阻抗控制系统的参数的作业算法。

在作业时，通过在测量施加到手的反作用力的同时切换阻抗控制系统的参数，即使在作业目标物体偏移的情况下，也可以准确地进行所示教的操作。

第三实施例

图10是示出本发明的第三实施例的简化构造的图。

在图10中，机器人装置包括机器人臂101、安装在机器人的远端上的手102以及附装在机器人臂101与手102之间的手柄部103。此外，包括生成机器人的驱动命令的机器人控制器104和组装基座107。机器人臂101是多关节机器人，其在各个关节轴中包括扭矩传感器并且在各个关节轴中包括未示出的电机和编码器。示出了将由手102握持的被握持工件105装配到组装目标工件106中的作业，作为示例。将省略与第一实施例共同的部分的描述。

在第一实施例中，通过作为第二传感器的包括在手中的力传感器来测量来自作业目标物体的反作用力。本实施例的不同之处在于，通过使用作为第二传感器的内置在放置有组装目标工件106的组装基座107中的力传感器来测量由手施加到作业目标物体上的力。即，将组装目标工件106设置在内置作为第二传感器的力传感器的组装基座107上，并且通过内置的力传感器来测量由机器人手施加到作业目标物体的力。手对作业目标物体施加的力和手从作业目标物体接收到的反作用力具有相互作用-反作用关系，并且大小相同且方向相反。

因此，机器人控制器能够基于内置在组装基座107中的力传感器的测量结果来计算施加到手的反作用力。

在本实施例中，内置在组装基座中的机器人控制器和力传感器构成反作用力检测单元或反作用力检测部。

在本实施例中，内置在组装基座107中的力传感器检测通过手施加到组装目标工件的力，并且机器人控制器计算施加到手的反作用力。另外，基于内置在机器人臂101中的扭矩传感器的测量结果与由机器人控制器计算出的反作用力之差，检测从示教操作者施加到手柄部103的操纵力。同样在本实施例中，可以实现与第一实施例相同的效果。

也就是说，由于通过进行阻抗控制来生成作业程序，使得示教操作者可能在示教阶段感知到手与作业目标物体之间的接触状态，因此可以有效地示教位置、姿势和要施加的力。此外，基于在示教时计算出的反作用力，可以生成在作业时切换阻抗控制系统的参数的作业算法。

在作业时，即使在作业目标物体偏移的情况下，通过在测量从手施加到作业目标物体的力的同时计算施加到手的反作用力并切换阻抗控制系统的参数，也可以准确地执行示教的操作。

其他实施例

本发明的实施例不限于上述第一至第三实施例，并且可以适当地修改和组合，因此可以在本发明的技术构思内进行各种修改。

例如，作业机器人不限于包括六轴控制的臂的机器人，并且由机器人进行的作业不限于零件装配作业。可以使用各种类型的作业机器人应用于各种各样的产品制造作业。

附装到臂的远端的手不限于上述实施例，并且可以是各种操纵器等。

手柄部的形状和安装位置不限于上述实施例的示例，只要手柄部是示教操作者能够通过使用手容易地将操纵力施加到手或机器人臂的机构即可，并且优选在容易看到的位置配设容易握持的把手等。

此外，不必通过示教操作者的手的直接操纵来进行全部作业程序的示教，也可以使用诸如示教器的远程控制设备或使用模拟器来进行部分程序的示教。

本发明还可以通过以下处理来实现，在该处理中，用于实现上述实施例的一个或更多个功能的程序通过网络或记录介质被提供给系统或装置并且系统或装置的计算机中的一个或更多个处理器读出并执行程序。另外，本发明还可以通过实现一个或更多个功能的电路(例如，ASIC)来实现。

工业适用性

本发明的作业机器人可以用于与产品的制造有关的作业，例如组装作业、零件的处理作业以及其他各种作业。另外，本实施例的作业机器人的控制方法可以用于示教并使作业机器人进行诸如产品制造的各种作业。

本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的概念和范围内以各种方式改变和修改。因此，所附权利要求书公开了本发明的范围。

附图标记清单

11：机器人臂

12：手

13：手柄部

14：机器人控制器

21：扭矩传感器

22：力传感器

23：编码器

24：数据获得/存储部

25：机器人机器型号登记部

26：机器人姿势计算部

27：末端执行器信息登记部

28：手坐标计算部

29：操纵力计算部

30：反作用力计算部

31：阻抗控制系统参数设置部

32：机器人操作计划生成部

33：机器人操作命令部

34：阻抗控制系统参数设置切换部

35：机器人驱动系统

51：被握持工件

52：组装目标工件

93：力传感器内置型的手柄部

107：力传感器内置型的组装基座

Claims (14)

1.一种作业机器人，其包括：

臂，其包括多个轴；

手；

控制器；

手柄部，其被构造为在对操作进行示教时接收由示教操作者施加的操纵力；

操纵力检测部，其被构造为检测操纵力；以及

反作用力检测部，其被构造为检测手从作业目标物体接收到的反作用力，

其中，当示教操作者示教臂和手的用于生成作业操作程序的操作时，

在反作用力检测部未检测到反作用力的情况下，控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力减小，并且

在由反作用力检测部检测到反作用力的情况下，控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力增大。

2.根据权利要求1所述的作业机器人，其中，阻抗控制的参数是用于作业机器人的力控制的虚拟粘度系数和虚拟弹性系数中的任一个或两者。

3.根据权利要求1或2所述的作业机器人，其中，在调整阻抗控制的参数时，所述控制器从预先存储的阻抗控制的参数表中选择参数。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的作业机器人，其中，所述控制器在执行作业操作程序时，基于反作用力检测部的检测值来切换作业模式。

5.根据权利要求4所述的作业机器人，其中，所述控制器通过基于反作用力检测部的检测值检测手或被手握持的工件与作业目标物体的接触，来切换操作模式。

6.根据权利要求4或5所述的作业机器人，其中，所述控制器将操作模式切换为位置控制模式或力控制模式。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的作业机器人，

其中，所述操纵力检测部包括配设在所述臂的轴中的扭矩传感器或配设在所述手柄部中的扭矩传感器，以及

其中，反作用力检测部包括配设在手中的力传感器或配设基座中的力传感器，在所述基座上要放置作业目标物体。

8.一种作业机器人的控制方法，所述作业机器人包括：臂；手；控制器；手柄部，其被构造为在示教操作者示教操作时接收由示教操作者施加的操纵力；操纵力检测部，其被构造为检测操纵力；以及反作用力检测部，其被构造为检测手从作业目标物体接收到的反作用力，所述臂包括多个轴，

所述控制方法包括：

当示教操作者示教用于生成作业操作程序的操作时，

在反作用力检测部未检测到反作用力的情况下，由控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力减小，并且

在由反作用力检测部检测到反作用力的情况下，由控制器调整阻抗控制的参数，使得在沿由操纵力检测部检测的操纵力的方向上移动手时对手的移动施加的阻力增大。

9.根据权利要求8所述的作业机器人的控制方法，其中，在执行所述作业操作程序时，所述控制器基于反作用力检测部的检测值进行切换操作模式的处理。

10.一种程序，其用于使计算机执行根据权利要求8或9所述的作业机器人的控制方法。

11.一种非暂时性计算机可读记录介质，其存储根据权利要求10所述的程序。

12.根据权利要求8所述的作业机器人的控制方法，其中，所述作业操作程序是使所述作业机器人进行制造产品的作业的操作程序。

13.一种产品的制造方法，其中，所述控制器执行由根据权利要求12所述的作业机器人的控制方法生成的作业操作程序，并且所述作业机器人进行制造产品的作业。

14.根据权利要求13所述的产品的制造方法，其中，当通过执行所述作业操作程序进行制造产品的作业时，所述控制器基于反作用力检测部的检测值来切换操作模式。

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