CN111051010A - 机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

控制具有多组电动机和关节轴的机器人臂(6)的机器人控制装置(10A)具备：移动指令生成部(3)，基于机器人臂(6)在相邻的作业点间的移动距离和目标移动速度，分别生成针对各关节轴的移动指令；和动力学转矩算出部(21)，基于各关节轴的旋转速度、旋转加速度和关节角度，分别算出各关节轴的动力学转矩，在各关节轴当中的至少1个关节轴中，在该关节轴的动力学转矩当中依赖于旋转加速度的惯性项转矩比为了使该关节轴进行加减速动作而能利用的能利用转矩大的情况下，对各关节轴的旋转动作的共同的加减速时间进行修正，在该关节轴的动力学转矩比该关节轴的能输出转矩大的情况下，对机器人臂(6)以目标移动速度移动作业点间的移动距离所需的移动时间进行修正。

Description

机器人控制装置

技术领域

本发明涉及与机器人的动作控制相关的机器人控制装置。

背景技术

在具备多组由电动机旋转驱动的关节轴的多关节型机器人中，过去已知使机器人臂在示教点间高速移动的技术。

在专利文献1中公开了如下技术：基于机器人臂的各轴的位置关系和机器人臂的最大负载姿势来算出最大容许加速度，根据该最大容许加速度来决定加速时间或减速时间，从而缩短机器人臂的移动时间。

另外，在专利文献2中公开了如下技术：根据施加在电动机的负载惯量和重力转矩来使电动机的加减速时间可变。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2006-119958号公报

专利文献2：JP特开平11-102215号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，专利文献1所示的结构设想了如下情况：多个关节轴中的仅1轴主要进行动作。

但是，在多个关节轴以相同程度进行动作的情况下，加减速时各关节轴中所需的转矩有时会超过其最大值。例如，在关注于机器人臂的关节轴当中的1个轴来观察的情况下，由于相邻的轴在进行加减速动作时会有其反作用力施加，因此与相邻轴不动作或者其动作量小的情况相比，该1个轴中所需的转矩会增加。

另一方面，关节轴中产生的转矩依赖于与该轴连结的电动机的输出转矩，且会受到该电动机的能输出转矩的限制。即，在多轴同时动作的情况下，使关节轴进行动作所需的转矩有时会不足。

例如，若加速时保持转矩不足地使关节轴旋转，则有时就会仅该轴成为滞后的动作，从而使臂前端的轨道遵循预想外的轨道。即，机器人有可能会与周边物接触。另外，若减速时所需的转矩不足，则有时就会在目标示教点发生过冲(overshoot)。在该情况下，也有可能与周边物接触。

另外，根据所使用的电动机的不同，有时随着旋转速度的上升，其能输出转矩会减少，在该情况下，有时使关节轴进行动作所需的转矩也会不足。

通常，在这些情况下，进行机器人臂的动作程序的修正。具体地，增加对加减速时间进行调整的命令，或者变更目标动作速度，这样来应对。

但是，该修正作业实际需要运转动作程序以试错法来进行，需要工时。

本公开鉴于这一点而完成，提供使得使具有多个关节轴的机器人臂的各关节轴进行动作所需的转矩不会超过电动机的能输出转矩的机器人控制装置。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置对具有多组电动机和由所述电动机旋转驱动的关节轴的机器人臂的动作进行控制，所述机器人控制装置具备：移动指令生成部，基于所述机器人臂在相邻的作业点间的移动距离和目标移动速度，分别生成针对各所述关节轴的移动指令并输出；和动力学转矩算出部，基于各所述关节轴的旋转速度、旋转加速度和关节角度，分别算出各所述关节轴中的动力学转矩并输出，在各所述关节轴当中的至少1个所述关节轴中，在所述关节轴的所述动力学转矩当中依赖于所述旋转加速度的惯性项转矩比为了使所述关节轴进行加减速动作而能利用的能利用转矩大的情况下，对各所述关节轴的旋转动作的共同的加减速时间进行修正，在所述关节轴的所述动力学转矩比所述关节轴的能输出转矩大的情况下，对所述机器人臂以所述目标移动速度移动所述作业点间的移动距离所需的移动时间进行修正。

根据该结构，本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置能预先探测各关节轴的动作所需的转矩的不足。因此，该机器人控制装置用与转矩的不足量相应的值对加减速时间或移动时间进行修正，使这些值中的任一者比最初的值大，由此能以能输出的范围内的转矩来旋转驱动关节轴，对机器人臂的动作进行控制。由此，本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

发明效果

如以上说明的那样，根据本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置，能自动调整加减速时间或移动时间，使得使机器人臂进行动作时各关节轴中所需的转矩不会超过其能输出转矩。因此，能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的机器人控制装置的功能框图。

图2是表示不同的关节轴中的关节角度、旋转速度以及旋转加速度的时间变化的图。

图3是表示j轴中的加速时的关节角度、旋转速度以及旋转加速度的时间变化的图。

图4是表示j轴中的减速时的关节角度、旋转速度以及旋转加速度的时间变化的图。

图5是表示2轴机器人的结构的示意图。

图6A是表示2轴机器人中的第1轴动作时的转矩的各分量的时间变化的图。

图6B是表示2轴机器人中的第1以及第2轴动作时的转矩的各分量的时间变化的图。

图6C是表示在第1以及第2轴动作时修正了加速时间的情况下的第1轴的转矩的各分量的时间变化的图。

图7是实施方式2所涉及的机器人控制装置的功能框图。

图8是表示j轴中的加速时的关节角度、旋转速度、旋转加速度以及转矩的时间变化的图。

图9A是表示电动机旋转速度与电动机输出转矩的关系的图。

图9B是表示修正移动时间前的电动机旋转速度与电动机输出转矩以及j轴的动力学转矩的关系的图。

图9C是表示修正移动时间后的电动机旋转速度与电动机输出转矩以及j轴的动力学转矩的关系的图。

具体实施方式

以下，基于附图来详细说明本发明的实施方式。以下的优选实施方式的说明本质上只是例示，本发明的意图根本不在于限制其应用物或其用途。

(实施方式1)

[机器人控制装置的功能块结构]

图1表示本实施方式所涉及的机器人控制装置10的功能块结构。另外，图2表示不同的关节轴即i轴以及j轴中的旋转速度以及旋转加速度的时间变化。另外，图3、4分别表示j轴中的加速时以及减速时的关节角度、旋转速度和旋转加速度的时间变化。另外，图5表示2轴机器人的示意图。另外，以下的说明中所示的下标i、j是整数，1≤i、j≤n且i≠j，n是机器人臂6中所含的关节轴的个数。

机器人控制装置10具备动作程序1、处理部2、移动指令生成部3、加减速处理部4、伺服机构5、移动时间算出部7、各轴速度算出部8、加减速时间算出部9、参数运算部20、动力学转矩算出部21、修正处理部22(第1修正处理部)和运算部23来作为功能块。另外，图1所示的功能块通过在设置于机器人控制装置10的未图示的CPU(Central Processing Unit)等运算装置上执行保存于未图示的记录部或从外部读入的软件而得以实现。也可以在该软件中包含动作程序1。另外，为了说明的方便，省略图示由组装入机器人臂6的关节轴、和与该关节轴连结并旋转驱动关节轴的电动机构成的多个组。

在动作程序1中记录有机器人臂6的示教点位置、与将示教点间连起来的轨迹的形状相适应的插值形态、和目标移动速度。示教点位置是正交空间上的作业点位置或机器人臂6的关节角度。目标移动速度是在示教点间以指示的插值形态进行移动时的目标速度。

作为插值形态，有如下插值：按照描绘直线、圆弧等特定形状的方式对正交空间上的作业点进行插值的CP(continuous path)插值；和使各关节轴以一定的旋转速度活动而不管作业点的轨迹的形状如何的PTP(point to point)插值。但是，以下对进行PTP插值的情况进行说明。PTP插值是应用于在示教点间以最短时间进行移动的情况的插值形态，多数情况下，使机器人臂6的关节轴中的任意一个或多个按照以其最大速度进行旋转的方式动作。

在记录于动作程序1中的示教点位置是正交空间上的值的情况下，处理部2将其变换成机器人臂6的各关节轴的关节角度。另外，在示教点位置是机器人臂6的关节角度的情况下，处理部2将其变换成正交空间上的值。另外，在以下的说明中，将记录在动作程序1上的任意的示教点设为Pa，将其下一个示教点设为Pb。

移动指令生成部3基于相邻的示教点间的移动量和目标移动速度来生成移动指令并输出。该移动指令是每单位时间的关节角移动量。将各关节的关节角移动量集中成1组，将其作为1个移动指令。因而，移动指令是矢量。移动指令生成部3按时间序列输出与后述的移动时间对应的多组移动指令。将该按时间序列输出的多组移动指令称作移动指令串。另外，在移动指令生成部3输出的移动指令串中，并不进行后述的加减速处理。

在PTP插值的情况下，将示教点Pa、Pb处的关节角度分别设为θa、θb，将与示教点间对应的作业点间的移动时间设为Tm，将插值的单位时间设为Th，这时，移动指令Δθ用式(1)表征。另外，移动时间Tm由后述的移动时间算出部7算出。

Δθ＝(θb-θa)·Th/Tm…(1)

在此，θa、θb是以各关节轴的关节角度为要素的矢量。另外，Δθ是以各关节轴的每单位时间的关节角移动量为要素的矢量。

加减速处理部4对来自移动指令生成部3的移动指令串进行加减速处理，输出进行加减速后得到的移动指令。另外，加减速处理基于后述的运算部23输出的修正后的加速时间或减速时间来进行，具体的加减速处理的次序后述。

另外，所谓加速时间，例如是指从示教点Pa开始加速而直到达到目标移动速度为止的时间，所谓减速时间，例如是指在示教点Pb近前开始减速而直到移动速度成为零为止的时间，所谓加减速时间，是指将这两者合起来的时间。另外，对各关节轴求取以各关节轴的最大容许加速度加速到目标旋转速度时的加速时间(有时称作各轴的最短加速时间)，在这些各关节轴中的最短加速时间中选择值最大的加速时间，将其作为全部轴共同的加速时间。如图2、3所示那样，全部关节轴以该全部轴共同的加速时间进行加速。另外，在减速时，在各关节轴中的最短减速时间中选择值最大的减速时间，将其作为全部轴共同的减速时间。与加速时同样，全部关节轴以该全部轴共同的减速时间进行减速(参考图2)。

加减速处理部4对来自移动指令生成部3的移动指令串进行加速处理，使得以后述的加减速时间算出部9输出的加速时间达到目标移动速度。具体地，如图2、3所示那样，使各关节轴中的旋转加速度(以下也仅称作加速度)随时间变化而到达给定的目标移动速度。另外，对来自移动指令生成部3的移动指令串进行减速处理，使得在示教点Pb近前从目标移动速度开始减速，在经过加减速时间算出部9输出的减速时间后，到达示教点Pb。另外，在以下的说明中，有时将加速度的时间变化波形称作加速轮廓图或减速轮廓图或加减速轮廓图。另外，如图2所示那样，加减速轮廓图设为速度相对于时间以S字状进行变化的形状，以使得不会诱发机器人臂6的振动。

伺服机构5基于由加减速处理部4处理后得到的移动指令串来旋转驱动与各关节轴连结的电动机，对机器人臂6的动作进行控制。

移动时间算出部7算出机器人臂6的前端从示教点Pa向示教点Pb不进行加减速而是以目标移动速度进行移动所需要的所需时间并输出。该所需时间相当于前述的移动时间Tm。

将与示教点Pa、Pb对应的作业点间的移动距离设为L，将目标移动速度设为V，这时，移动时间Tm用式(2a)表征。

Tm＝L/V…(2a)

另外，在PTP插值的情况下，移动距离L相当于作业点间的直线距离。另外，在使关节轴加速或减速旋转来使机器人臂6进行动作时，有时会存在超过自身的最大容许旋转速度的轴，对从式(2a)算出的移动时间Tm进行修正，以使得该轴的旋转速度收在最大容许速度内。

另外，在PTP插值中，在以最短时间在与示教点Pa、Pb对应的作业点间移动的情况下，将用各关节轴的移动角度除以其最大旋转速度而得到的值(有时称作该轴的最短移动时间)当中的最大值设为移动时间Tm。

即，将多个关节轴当中的j轴的移动角度设为Δθj，将关节轴j的最大旋转速度设为ωjmax，这时，移动时间Tm用式(2b)表征。

Tm＝max{Δθj/ωjmax}…(2b)

在此，max{}的意思是选择括弧内的要素(1个或多个)当中最大的要素。

各轴速度算出部8算出PTP插值时的各关节轴的目标旋转速度并输出。

另外，与j轴相关的目标旋转速度ωjc用式(3)表征。

ωjc＝(θbj-θaj)/Tm…(3)

在此，θaj、θbj分别是相邻的示教点Pa、Pb处的j轴的关节角度，Tm是上述的移动时间。因而，目标旋转速度ωc是以各关节轴的目标旋转速度为要素的矢量。另外，ωjc能在PTP插值前预先求得值。

加减速时间算出部9求取从示教点Pa加速到目标速度时的加速时间、在示教点Pb近前从目标速度减速而到达示教点Pb时的减速时间并输出。

在PTP插值的情况下，基于来自各轴速度算出部8的各关节轴的目标旋转速度来算出最短的加减速时间并输出。

首先，如下那样求取针对j轴的最短加速时间Taj。

Taj＝|ωjc|/αajmax…(4)

在此，ωjc是由各轴速度算出部8算出的j轴的目标旋转速度，αajmax是在示教点Pa处仅对j轴单独进行加速的情况下的j轴的最大容许加速度。

从示教点Pa起使机器人臂6移动时的加速时间Ta用式(5)表征。

Ta＝max{Taj}…(5)

在此，max{}的意思是从括弧内的多个要素中选择值最大的要素。

针对j轴的最短减速时间Tbj也同样用式(6)表征。

Tbj＝|ωjc|/αbjmax…(6)

在此，αbjmax是在示教点Pb处仅对j轴单独进行减速的情况下的j轴的最大容许加速度。

因此，使机器人臂6向示教点Pb移动时的减速时间Tb用式(7)表征。

Tb＝max{Tbj}…(7)

＜＜关节轴的加速度的最大值、旋转速度以及关节角度的算出次序＞＞

参数运算部20求取关节轴加速或减速旋转中的加速度的绝对值成为最大的时刻t1、t2的各关节轴的加速度的最大值、旋转速度和关节角度并输出。另外，所谓加速度的最大值，是指关节轴加速或减速旋转中的加速度的绝对值最大的加速度。因而，在向正方向旋转的情况下，加速度的最大值在加速时采用正值，在减速中采用负值。

具体地，基于从处理部2输出的示教点Pa处的j轴的关节角度θaj、从各轴速度算出部8输出的从示教点Pa向示教点Pb移动时的j轴的目标旋转速度ωjc、和从加减速时间算出部9输出的从示教点Pa开始移动时的加速时间Ta，来算出以下的量。即，算出：j轴加速旋转的时间段的j轴的加速度的最大值αaj、加速度成为最大值αaj的时刻t1的旋转速度ωj(t1)以及关节角度θj(t1)、和加速度从最大值αaj开始减少的时刻t2的旋转速度ωj(t2)以及关节角度θj(t2)。另外，如图3、4的下侧的曲线图中分别示出的那样，加减速轮廓图相对于时间而成为梯形形状。

如图3的下侧的曲线图所示那样，时刻t1、t2分别用以下的式(8)、(9)表征。

t1＝r·Ta(其中0＜r＜1)…(8)

t2＝(1-s)·Ta(其中0＜s＜1，r+s≤1)…(9)

例如，由于图3的下侧的曲线图所示的加速度的时间积分值是目标旋转速度ωjc(参考图3的中段的曲线图)，因此加速度的最大值αaj用式(10)表征。

αaj＝2·ωjc/{Ta·(2-r-s)}…(10)

使用式(10)，时刻t1的j轴的旋转速度ωj(t1)以及关节角度θj(t1)如式(11)以及式(12)所示那样导出。

ωj(t1)＝αaj·t1/2…(11)

θj(t1)＝θaj+αaj·t1²/6…(12)

在此，θaj是示教点Pa处的j轴的关节角度。

另外，时刻t2的j轴的旋转速度ωj(t2)以及关节角度θj(t2)如式(13)以及式(14)所示那样导出。

ωj(t2)＝ωj(t1)+αaj·(t2-t1)…(13)

θj(t2)＝θj(t1)+(ωj(t1)+ωj(t2))·(t2-t1)/2…(14)

＜＜动力学转矩以及惯性项转矩的算出次序＞＞

动力学转矩算出部21分别算出上述的时刻t1、t2的各关节轴的动力学转矩并输出。

具体地，根据由参数运算部20算出的以下的参数、加速度的最大值αa、时刻t1的旋转速度ω(ti)、关节角度θ(t1)、时刻t2的旋转速度ω(t2)、关节角度θ(t2)、以及机器人臂6的连杆长度、重心位置、重心质量、连杆的惯性力矩、电动机的惯量等常数(参考图5)，来算出时刻t1以及时刻t2的动力学转矩。

该动力学转矩在关节角度θ的情况下是以旋转速度ω以及加速度α进行动作所需的各关节轴的转矩，关节角度θ、旋转速度ω、加速度α是由各关节轴的分量构成的矢量。

另外，时刻t的动力学转矩τ(t)用式(15)表征。

τ(t)＝H(θ(t))·α(t)+D·ω(t)+b(ω(t)，θ(t))…(15)

在此，H(θ(t))是关节角度θ(t)处的惯性矩阵，D是由粘性系数构成的粘性矩阵。进而，b(ω(t)，θ(t))是时刻t的关节角度θ(t)处的速度ω(t)所引起的离心力、科里奥利力以及关节角度θ(t)处的重力转矩之和。另外，式(15)能通过用拉格朗日法或牛顿-欧拉法建立并求解机器人臂6的运动方程式来导出。

在此，将式(15)的右边分为第1项和这以外的部分，来形成用式(16)表征的形式。另外，式(15)、(16)的右边的第1项是仅依赖于加速度的分量(以下称作惯性项转矩)。另外，有时将式(15)、(16)的右边的第1项以外的部分称作“剩余转矩”。

τ(t)＝τa(t)+τd(t)…(16)

其中，

τa(t)＝H(θ(t))·α(t)…(17)

τd(t)＝D·ω(t)+b(ω(t)，θ(t))…(18)

在动力学转矩算出部21中，将上述的最大加速度αa、时刻t1的旋转速度ω(t1)、关节角度θ(t1)、以及时刻t2的旋转速度ω(t2)、关节角度θ(t2)带入式(16)～(18)，来算出以下的量。即，动力学转矩算出部21算出时刻t1的惯性项转矩τa(tl)、惯性项转矩以外的转矩τd(t1)、动力学转矩τ(t1)、以及时刻t2的惯性项转矩τa(t2)、惯性项转矩以外的转矩τd(t2)、动力学转矩τ(t2)。

例如，在图5所示的2轴机器人中，第1轴的动力学转矩τ1(t)以及第2轴的动力学转矩τ2(t)分别用式(19)、(20)表征。

τ1(t)＝(H11·α1+H12·α2)+D11·ω1+b1…(19)

τ2(t)＝(H21·α1+H22·α2)+D22·ω2+b2…(20)

另外，惯性矩阵H11～H22用以下的式(21)～(24)表征。

H11＝m1·1g1²+m2·L1²+m2·lg2²+I1+I2+2·m2·L1·lg2·cosθ2+Jm1

…(21)

H12＝m2·lg2²+I2+m2·L1·lg2·cosθ2…(22)

H21＝m2·lg2²+I2+m2·L1·lg2·cosθ2…(23)

H22＝m2·lg2²+I2+Jm2…(24)

另外，粘性矩阵D11、D22用式(25)、(26)表征。

D11＝d1…(25)

D22＝d2…(26)

另外，离心力、科里奥利力以及重力转矩之和即b1、b2分别用式(27)、(28)表征。

b1＝-m2·L1·lg2·(2·ω1+ω2)·ω2·sinθ2+(m1·g·lg1+m2·g·L1)cosθ1+m2·g·lg2·cos(θ1+θ2)…(27)

b2＝m2·L1·lg2·ω1²·sinθ2+m2·g·lg2·cos(θ1+θ2)…(28)

在此，式(19)～(28)中的各符号的内容如以下那样。

θ1：时刻t的第1轴的旋转角(将纸面中的逆时针设为正方向)

θ2：时刻t的第2轴的旋转角(将纸面中的逆时针设为正方向)

ω1：时刻t的第1轴的旋转速度

ω2：时刻t的第2轴的旋转速度

α1：时刻t的第1轴的旋转加速度

α2：时刻t的第2轴的旋转加速度

m1：第1轴的连杆的重心质量

m2：第2轴的连杆的重心质量，此外，在m2中包含连杆前端的负载的质量。

1g1：从第1轴的旋转中心到重心位置的距离

lg2：从第2轴的旋转中心到重心位置的距离

L1：从第1轴的旋转中心到第2轴的旋转中心的距离

I1：第1轴的重心位置上的绕旋转轴的主惯性力矩

I2：第2轴的重心位置上的绕旋转轴的主惯性力矩

Jm1：第1轴的电动机惯量的臂旋转轴换算值

Jm2：第2轴的电动机惯量的臂旋转轴换算值

d1：第1轴的粘性摩擦系数

d2：第2轴的粘性摩擦系数

g：重力加速度。

＜＜第1修正系数的算出次序＞＞

修正处理部22(第1修正处理部)基于由动力学转矩算出部21算出的时刻t1以及t2的动力学转矩τ(t1)、τ(t2)、惯性项转矩τa(t1)、τa(t2)以及惯性项转矩以外的转矩τd(t1)、τd(t2)，来算出第1修正系数γ并输出。

以下，说明具体的第1修正系数γ的算出次序。另外，将各关节轴能输出的最大转矩(能输出转矩)设为最大容许转矩τmax。

首先，使用与j轴相关的最大容许转矩τjmax、和由动力学转矩算出部21算出的时刻t1的j轴的动力学转矩τj(t1)，通过式(29)来算出j轴的修正值γj1。

另外，将最大容许转矩τjmax的正负号调整成与动力学转矩τj(t1)相同的正负号。

γj1＝(τj(t1)-τdj(t1))/(τjmax-τdj(t1))

＝τaj(t1)/(τjmax-τdj(t1))…(29)

在此，τj(t1)、τaj(t1)、τdj(t1)是用前述式(16)～(18)表征的值的j轴的分量。

另外，需要注意的是，由于将最大容许转矩τjmax的正负号设为与动力学转矩τj(t1)相同的正负号，因此通过式(29)算出的修正值γj1成为正值。

关于通过式(29)算出的修正值γj1，在该值小于1的情况下，将γj1置换成1。即，

同样地，使用时刻t2的j轴的动力学转矩τj(t2)，通过式(31)来算出修正值γj2。

γj2＝(τj(t2)-τdj(t2))/(τjmax-τdj(t2))

＝τaj(t2)/(τjmax-τdj(t2))…(31)

其中，

在此，式(29)中的(τjmax-τdj(t1))相当于j轴的最大容许转矩τjmax当中能利用在加减速旋转中的转矩(能利用转矩)。

因而，如从式(29)或式(31)所明确的那样，γj1＜1以及γj2＜1的情况意味着j轴中实现加减速旋转动作所需的转矩即惯性项转矩τaj(t1)以及τaj(t2)比j轴的最大容许转矩τjmax当中能利用在加减速运动中的转矩小，即，在时刻t1以及t2，j轴能实现期望的动作。

反之，γj1＞1或者γj2＞1的情况意味着在时刻t1或t2，j轴实现期望的动作所需的转矩不足。

接下来，对机器人臂6的j轴以外的剩下的关节轴，通过式(29)～(32)分别算出修正值，选择得到的修正值当中的最大的修正值，设为第1修正系数γ。

γ＝max{γj1，γj2}…(33)

运算部23对由加减速时间算出部9算出的加速时间Ta乘以由修正处理部22算出的第1修正系数γ，来求取修正后的加速时间Ta’，并输出到加减速处理部4。另外，Ta’用式(34)表征。

Ta’＝Ta·γ…(34)

如从式(29)～(33)所明确的那样，γ≤1的情况意味着不管在哪个关节轴都不会产生转矩不足。在该情况下，乘以第1修正系数γ而得到的修正后的加速时间Ta'与最初的加速时间Ta相同。

另一方面，γ＞1的情况意味着在哪个关节轴都产生转矩不足。因此，以将最初的加速时间Ta设为γ(＞1)倍后得到的新的加速时间Ta’(＞Ta)来使关节轴旋转。这是将关节轴的最初的加速度降低到1/γ倍，即，将惯性项转矩降低到1/γ倍。因此，通过第1修正系数γ修正后得到的j轴的动力学转矩τj不会超过其最大容许转矩τjmax。

加减速处理部4使用该修正后的加速时间Ta'来对从移动指令生成部3输出的移动指令串进行上述的加减速处理。

＜＜2轴机器人中的第1轴的转矩的各分量的时间变化＞＞

图6A～6C表示图5所示的2轴机器人中的第1轴的转矩的各分量的时间变化。图6A表示第2轴不活动而仅使第1轴向上方(举起方向)动作的情况下的各转矩的时间变化。另外，图6B表示除第1轴以外还使第2轴也向上方(举起方向)动作的情况下的各转矩的时间变化。另外，图6C表示在除第1轴以外还使第2轴向上方(举起方向)动作的情况下，用第1修正系数γ修正了加速时间的情况下的各转矩的时间变化。另外，图6A～6C中的第1轴的转矩通过模拟算出。另外，在图6A～6C中，实线表示作用于第1轴的动力学转矩τ1，虚线表示惯性项转矩τa1，点线表示动力学转矩τ1中的惯性项转矩τal以外的转矩τd1(剩余转矩)。

如从图6A、6B所明确的那样，通过使第2轴动作，从而受到其干涉力，第1轴的动力学转矩τ1与不使第2轴动作的情况相比变大。

在此，在将作用于第1轴的转矩的最大容许值设为1200N·m的情况下，如图6A所示那样，在仅使第1轴动作的情况下，动力学转矩τ1收在最大容许值以内。但是，在使第1轴和第2轴都动作的情况下，如图6B所示那样，动力学转矩τ1会成为超过最大容许值的状态。在该情况下，在实际的机器人中会发生转矩超范围(scale out)，从而不能实现预期的动作。

另一方面，如图6C所示那样，在按照上述的次序用第1修正系数γ(＞1)修正了加速时间的情况下，能将惯性项转矩τa1降低到1/γ倍，作为结果，能将动力学转矩τ1抑制在最大容许值以内。

如以上说明的那样，根据本实施方式，能在多关节机器人中预先探测各关节轴中进行加速所需的转矩是否不足。因此，在转矩不足的情况下，用与不足量相应的值即第1修正系数γ(＞1)来修正加速时间Ta，将加速时间Ta设为比最初的值大的时间Ta’，由此能用能输出的范围内的转矩将关节轴的旋转动作加速，对机器人臂6的动作进行控制。由此，能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

即，根据本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置，能预先探测各关节轴的加减速动作所需的转矩的不足。因此，通过用与转矩的不足量相应的值来修正加减速时间，使该值比最初的值大，从而该机器人控制装置能以能输出的范围内的转矩来旋转驱动关节轴，对机器人臂的动作进行控制。由此，能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

另外，在本实施方式中，假设动力学计算中的机器人臂6的各常数的误差充分小而能无视。但是，在机器人臂6的各常数的误差大而不能无视的情况下，可以在式(29)、(31)的右边乘以比1稍大的值，来使γj1、γj2具有富余。在该情况下，式(33)所示的第1修正系数γ被修正，在式(34)中，修正后的加速时间Ta’增加，即，惯性项转矩τaj进一步降低。

另外，在本实施方式中，将加减速轮廓图设为梯形形状，但对这以外的轮廓图，也能通过按照式(8)～(14)进行轮廓图的适配，来抑制关节轴的转矩τ。

另外，在本实施方式中，在图3中的时刻t1、t2的2处求取各个修正值γj1、γj2，但若t1≈t2，也可以仅求取γj1或γj2中的任意一个来得到第1修正系数γ。

另外，也可以在图3中的时刻t1、t2以外的时刻，例如在时刻t1与时刻t2的中间的时刻也算出修正值γj，并将得到的修正值当中最大的修正值决定为第1修正系数γ。

另外，本实施方式当然也能应用于减速时。

即，用与上述相同的方法，来算出图4中的时刻t4、t5的关节轴的加速度的最大值αb、旋转速度ω(t4)、ω(t5)以及关节角度θ(t4)、θ(t5)。进而，能得到时刻t4、t5的动力学转矩τ(t4)、τ(t5)、惯性项转矩τa(t4)、τa(t5)、惯性项转矩以外的转矩(剩余转矩)τd(t4)、τd(t5)。根据这些转矩，通过式(29)～(33)算出第1修正系数γ，能得到用于消除减速时的转矩不足的修正后的减速时间Tb’。

(实施方式2)

图7表示本实施方式所涉及的机器人控制装置10A的功能块结构。另外，图8表示j轴中的加速时的关节角度、旋转速度、旋转加速度以及转矩的时间变化。另外，在图8中，从上起依次示出i轴的关节角度、旋转速度、旋转加速度以及转矩的时间变化。另外，在图8的最下侧的曲线图中，实线表示j轴的动力学转矩τj(t)，虚线表示动力学转矩τj(t)当中的惯性项转矩τaj(t)。图9A表示电动机旋转速度与电动机输出转矩的关系。另外，图9B表示修正移动时间前的电动机输出转矩以及j轴的动力学转矩。另外，图9C表示修正移动时间后的电动机输出转矩以及j轴的动力学转矩。另外，在图9A～9C中，电动机旋转速度以及电动机输出转矩都以与机器人臂6的关节轴相同的值来表征。

另外，对实施方式1中说明的结构相同的部位，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

本实施方式与实施方式1的不同点在于设置有参数运算部30、容许速度算出部31和修正处理部32(第2修正处理部)以及运算部33这一点。

参数运算部30除了与实施方式1中说明的参数运算部20相同的功能以外，还分别算出图8所示的时刻t2到t3中的任意的时刻u的各轴的加速度αj(u)、旋转速度ωj(u)、关节角度θj(u)并输出。

参数运算部30首先通过式(8)、(10)～(12)分别求取图8中的时刻t1的j轴的加速度αj(t1)、旋转速度ωj(t1)、关节角度θj(t1)。

进而，通过式(9)、(10)、(13)、(14)来求取图8中的时刻t2的j轴的各量αj(t2)、ωj(t2)、θj(t2)。

接下来，如下那样求取图8中的时刻u的各量αj(u)、ωj(u)、θj(u)。

另外，时刻u是时刻t2、t3(＝Ta＞t2)间的任意的时刻，设为

t2＜u＜t3…(35)。

如从图8所明确的那样，时刻u的j轴的加速度αj(u)是

αj(u)＝αaj·(t3-u)/(t3-t2)…(36)

在此，αaj如式(10)所示那样。

另外，时刻u的j轴的旋转速度ωj(u)是

ωj(u)＝ωj(t2)+(αaj+αj(u))·(u-t2)/2…(37)

并且，时刻u的j轴的关节角度θj(u)是

θj(u)＝θj(t2)+ωj(t2)·(u-t2)+αaj·(u-t2)²/2-αaj(u-t2)³/{6·(t3-t2)}…(38)。

另外，在时刻t3，

αj(t3)＝0…(39)

ωj(t3)＝ωjc…(40)

通过式(38)而成为

θj(t3)＝θj(t2)+ωj(t2)·(t3-t2)+αaj·(t3-t2)²/3…(41)。

如此地，参数运算部30分别算出针对j轴的时刻t2的各量αj(t2)、ωj(t2)、θj(t2)、时刻u的各量αj(u)、ωj(u)、θj(u)、时刻t3的各量αj(t3)、ωj(t3)、θj(t3)并输出。

另外，在后述的动力学转矩以及最大容许旋转速度的算出时，将时刻u设为用式(42)表征的值。

u＝t23＝(t2+t3)/2…(42)

动力学转矩算出部21根据从参数运算部30输出的时刻t2、t23、t3的各量αj、ωj、θj和式(15)来分别算出时刻t2、t23、t3的动力学转矩τj(t2)、τj(t23)、τj(t3)并输出。

＜＜基于电动机的速度-转矩特性的最大容许旋转速度的算出次序＞＞

另外，根据旋转驱动关节轴的电动机的种类的不同，有以下情况：如图9A所示那样，在使电动机在动力运转模式(电动机的转矩的方向和旋转方向相同的动作模式)下动作的情况下，从某旋转速度起能输出的最大转矩(能输出转矩)开始降低。

这是因为，感应电压随着电动机的旋转速度的上升而上升，用于在电动机中流过电流的电压降低。

以下，有时将图9A所示的曲线称作速度-转矩特性或S-T曲线。

容许速度算出部31基于图9A所示的电动机的速度-转矩特性来算出针对转矩的最大容许旋转速度并输出。

图9A所示的曲线能看做j轴所能输出的相对于某转矩τj的最大旋转速度。另外，将图9A所示的曲线上的点q1、q2连起来的区间以1次直线近似。

该最大旋转速度能表征为转矩τj的函数，若将其设为最大容许旋转速度ωp(τj)，则ωp(τj)就可用式(43)、(44)来表征。

即，在0≤τj≤τe时，

ωp(τj)＝ωjmax…(43)

另外，在τe＜τi≤τmax时，

ωp(τj)＝ωjmax-τj·(ωjmax-ωjf)/(τjmax-τje)…(44)

在此，ωjf是转矩τj开始降低的旋转速度，τje是在最大旋转速度ωjmax下能输出的转矩(参考图9A)。

另外，在旋转方向为负方向的情况下，ωjmax、ωjf、τjmax、τje均采用负值。

容许速度算出部31根据从动力学转矩算出部21输出的时刻t2、t23、t3的动力学转矩τj(t2)、τj(t23)、τj(t3)，使用式(43)、(44)来算出时刻t2、t23、t3的最大容许旋转速度ωp(τj(t2))、ωp(τj(t23))、ωp(τj(t3))并输出。

＜＜第2修正系数的算出次序＞＞

修正处理部32(第2修正处理部)基于从参数运算部30输出的时刻t2、t23、t3的旋转速度、从容许速度算出部31输出的时刻t2、t23、t3的最大容许旋转速度来算出第2修正系数λ并输出。

以下，说明具体的第2修正系数λ的算出次序。

首先，从参数运算部30输出时刻t2、t23、t3的j轴的旋转速度ωj(t2)、ωj(t23)、ωj(t3)。另外，在以下的说明中，将它们称作要求旋转速度。

另外，从容许速度算出部31输出时刻t2、t23、t3的j轴的最大容许旋转速度ωjp(τj(t2))、ωjp(τj(t23))、ωjp(τj(t3))。

接下来，通过式(45)～(48)来算出针对j轴的要求旋转速度相对于最大容许旋转速度的比率λj。

λj(t2)＝ωj(t2)/ωjp(τj(t2))…(45)

λj(t23)＝ωj(t23)/ωjp(τj(t23))…(46)

λj(t3)＝ωj(t3)/ωjp(τj(t3))…(47)

λj＝max{λj(t2)，λj(t23)，λj(t3)}…(48)

如此地，对各轴求取λj后，通过式(49)来算出第2修正系数λ。

λ＝max{λj}…(49)

在此，设为

来算出第2修正系数λ。

＜＜移动时间的修正次序＞＞

以下，使用图9A～图9C来说明基于第2修正系数λ的机器人臂6的移动时间的修正次序。

图9B所示的曲线a将图8所示的j轴的旋转速度ωj(t)设为横轴且将j轴的动力学转矩τj(t)设为纵轴来表征。以下，将曲线a称作j轴的动力学转矩曲线。另外，图9B所示的曲线b是与图9A示出的相同的曲线，即，是j轴的电动机的S-T曲线。

在图9B中，将与时刻t2、t23、t3对应的j轴的动力学转矩曲线上的点[ωj(t)，τj(t)](t＝t1、t23、t3)用“○”表示，另外，将j轴的S-T曲线上的点[ωjp(τj(t))，τj(t)](t＝t2、t23、t3)用”●”表示。

j轴的动力学转矩曲线期望处于j轴的S-T曲线的内侧，在该情况下，可确保j轴的旋转动作时所需的转矩。

这时，用式(45)～(47)表征的λj(t2)、λj(t23)、λj(t3)的值均小于1。

另一方面，在图9B所示的情形中，j轴的动力学转矩曲线上的点[ωj(t2)，τj(t2)]以及[ωj(t3)，τj(t3)]比j轴的S-T曲线更靠内侧，但在j轴的S-T曲线中的区间[q1，q2]，j轴的动力学转矩曲线的一部分区间突出到j轴的S-T曲线的外侧。例如，j轴的动力学转矩曲线上的点[ωj(t23)，τj(t23)]比j轴的S-T曲线更靠外侧。

这意味着，针对j轴，在该区间确保不了期望的动作所需的转矩，在式(45)～(47)中，λj(t2)和λj(t3)比1小，但λj(t23)比1大。

如此地，在j轴与具有上述特性的电动机连结的情况下，有时动作所需的转矩会因旋转速度而不足。

因此，在本实施方式中，通过使用第2修正系数λ修正机器人臂6的移动时间来解决该课题。

首先，为了使j轴的动力学转矩曲线比j轴的S-T曲线更靠内侧，例如，使j轴的目标旋转速度ωjc降低即可，若是图9B所示的情况，使降低后的目标旋转速度ωjc’成为

ωjc’＝ωjc/λj(t23)…(51)

即可。

图9C所示的曲线c是如此得到的j轴的动力学转矩曲线。另外，图9C所示的曲线d、e分别与图9B所示的曲线a、b相同。

为了使目标旋转速度ωjc如式(51)所示那样降低，将移动时间算出部7输出的移动时间Tm加大而设为Tm’，将其设为

Tm’＝Tm·λj…(52)

即可。

另外，λj比1大的轴并不限于仅1轴。因此，如式(49)所示那样，从关于所有关节轴算出的λj当中将值最大的设为第2修正系数λ。

运算部33对来自移动时间算出部7的移动时间Tm如式(53)所示那样乘以从修正处理部32输出的第2修正系数λ，来求取修正后的移动时间Tm’，将其交到移动指令生成部3。移动指令生成部3使用该修正后的移动时间Tm'来生成移动指令。

Tm’＝Tm·λ…(53)

在此，如从式(49)、(50)所明确的那样，代入式(53)的第2修正系数λ成为1以上的值。

如以上说明的那样，根据本实施方式，不管在哪个轴，都能将其动力学转矩曲线收在该轴的S-T曲线的内侧。因而，在具备具有转矩在高速区域降低的速度-转矩特性的电动机来作为驱动关节轴的电动机的情况下，也能预先探测驱动关节轴所需的转矩的不足。因此，通过用与该转矩的不足量相应的值来修正移动时间，使移动时间比最初的值大，能以能输出的范围内的转矩来旋转驱动关节轴，对机器人臂的动作进行控制。由此，能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

即，根据本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置，在具备具有转矩在高速区域降低的速度-转矩特性的电动机来作为驱动关节轴的电动机的情况下，能预先预测使关节轴动作所需的转矩的不足。因此，通过用与该转矩的不足量相应的值来修正移动时间，使移动时间比最初的值大，从而该机器人控制装置能以能输出的范围内的转矩来旋转驱动关节轴，对机器人臂的动作进行控制。由此，能省去机器人的动作程序的示教修正的劳力和时间。

另外，在本实施方式中，对时刻t2与t3之间的时刻t23仅选择1点来求取λj(t23)，但也可以求取将t2～t3之间N等分后的各时刻的λj(u)，来求取第2修正系数λ。

另外，在本实施方式中，如式(42)所示那样，将时刻t23设为时刻t2与t3之间的中间时刻，但也可以设为将时刻t2与t3之间以适当的比率分割后的时刻。

另外，将图9A～9C中的S-T曲线的区间[q1，q2]用直线进行近似，但也可以用曲线进行近似。或者，也可以具有区间[q1，q2]之间的多个代表点来作为表格值，将该相邻的2点间用直线或曲线进行插值，来求取区间[q1，q2]之间的任意的点。进而，也可以将S-T曲线的区间[q1，q2]设置得比实际的区间更靠内侧，即，更靠坐标原点。

另外，也可以在式(45)～(47)的左边乘以比1稍大的值来在λj(t2)、λj(t23)、λj(t3)设置余量。在该情况下，式(49)所示的第2修正系数λ被修正，在式(53)中，修正后的移动时间Tm'增加，即，动力学转矩τj进一步降低，j轴的动作所需的转矩得到确保。

另外，在进行实施方式1所示的加减速时间的修正的情况下，在先进行该加减速时间的修正后，进行实施方式2所示的移动时间的修正。

另外，在不进行实施方式1所示的加减速时间的修正的情况下，当然也能应用本实施方式。

产业上的可利用性

本公开的一个方案所涉及的机器人控制装置能自动调整加减速时间以及移动时间，以使得在使机器人臂移动时各关节轴中所需的转矩不会超过其能输出转矩。因此，能减少机器人的动作程序的示教修正，能高效地进行示教作业，在应用于由多轴构成的机器人方面极为有用。

附图标记的说明

1 动作程序

2 处理部

3 移动指令生成部

4 加减速处理部

5 伺服机构

6 机器人臂

7 移动时间算出部

8 各轴速度算出部

9 加减速时间算出部

10 机器人控制装置

10A 机器人控制装置

20 参数运算部

21 动力学转矩算出部

22 修正处理部(第1修正处理部)

23 运算部

30 参数运算部

31 容许速度算出部

32 修正处理部(第2修正处理部)

33 运算部

Claims (4)

1.一种机器人控制装置，对具有多组电动机和由所述电动机旋转驱动的关节轴的机器人臂的动作进行控制，

所述机器人控制装置具备：

移动指令生成部，基于所述机器人臂在相邻的作业点间的移动距离和目标移动速度，分别生成针对各所述关节轴的移动指令并输出；和

动力学转矩算出部，基于各所述关节轴的旋转速度、旋转加速度和关节角度，分别算出各所述关节轴中的动力学转矩，

在各所述关节轴当中的至少1个所述关节轴中，在所述关节轴的所述动力学转矩当中依赖于所述旋转加速度的惯性项转矩比为了使所述关节轴进行加减速动作而能利用的能利用转矩大的情况下，对各所述关节轴的旋转动作的共同的加减速时间进行修正，在所述关节轴的所述动力学转矩比所述关节轴的能输出转矩大的情况下，对所述机器人臂以所述目标移动速度移动所述作业点间的移动距离所需的移动时间进行修正。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其中，

所述动力学转矩算出部针对各所述关节轴，基于一个所述关节轴的所述旋转加速度成为最大的任意的时刻的所述一个关节轴的所述旋转速度、所述旋转加速度和所述关节角度，算出所述动力学转矩、所述惯性项转矩、和从所述动力学转矩减去所述惯性项转矩后得到的剩余转矩，进而分别算出所述一个关节轴以外的其他所述关节轴中的所述动力学转矩、所述惯性项转矩和所述剩余转矩并输出，

机器人控制装置还具备：

第1修正处理部，算出从所述一个关节轴所能输出的最大容许转矩减去所述剩余转矩后得到的分量即所述能利用转矩与所述惯性项转矩的转矩比，进而分别算出所述其他关节轴中的所述转矩比，将各所述关节轴中的所述转矩比当中的最大值作为第1修正系数来输出；和

加减速处理部，在所述第1修正系数为1以下的情况下，基于预先设定的所述加减速时间，对所述移动指令进行加减速处理，在所述第1修正系数超过1的情况下，基于在所述加减速时间上乘以所述第1修正系数进行修正后得到的所述加减速时间，对所述移动指令进行所述加减速处理，

所述机器人控制装置基于由所述加减速处理部进行所述加减速处理后得到的所述移动指令来旋转驱动各所述关节轴，对所述机器人臂的动作进行控制。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其中，

所述电动机当中的至少一者具有如下速度-转矩特性：

若超过给定的旋转速度，则能输出转矩就降低，

所述机器人控制装置还具备：

参数运算部，在所述速度-转矩特性的能输出转矩降低区域，针对各所述关节轴，提取任意的多个时刻中每一个时刻的一个所述关节轴的所述旋转速度来作为要求旋转速度，进而分别提取所述一个关节轴以外的其他所述关节轴中的所述要求旋转速度；

容许速度算出部，基于所述动力学转矩和所述速度-转矩特性，针对各所述关节轴，分别算出所述关节轴的所述多个时刻的最大容许旋转速度并输出；和

第2修正处理部，分别算出所述多个时刻的所述要求旋转速度与所述最大容许旋转速度的速度比，将各所述关节轴中的所述速度比的最大值作为第2修正系数来输出，

所述移动指令生成部在所述第2修正系数为1以下的情况下，基于所述移动时间来生成所述移动指令，另一方面，在所述第2修正系数超过1的情况下，基于在所述移动时间上乘以所述第2修正系数进行修正后得到的所述移动时间来生成所述移动指令，

所述机器人控制装置基于由所述移动指令生成部生成的所述移动指令来旋转驱动各所述关节轴，对所述机器人臂的动作进行控制。

4.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其中，

所述电动机当中的至少一者具有如下速度-转矩特性：

若超过给定的旋转速度，则能输出转矩就降低，

所述机器人控制装置还具备：

参数运算部，在所述速度-转矩特性的能输出转矩降低区域，针对各所述关节轴，提取任意的多个时刻中每一个时刻的一个所述关节轴的所述旋转速度来作为要求旋转速度，进而分别提取所述一个关节轴以外的其他所述关节轴中的所述要求旋转速度；

容许速度算出部，基于所述动力学转矩和所述速度-转矩特性，针对各所述关节轴，分别算出所述关节轴的所述多个时刻的最大容许旋转速度并输出；和

第2修正处理部，分别算出所述多个时刻的所述要求旋转速度与所述最大容许旋转速度的速度比，将各所述关节轴中的所述速度比的最大值作为第2修正系数来输出，

所述移动指令生成部在所述第2修正系数为1以下的情况下，基于所述移动时间来生成所述移动指令，另一方面，在所述第2修正系数超过1的情况下，基于在所述移动时间上乘以所述第2修正系数进行修正后得到的所述移动时间来生成所述移动指令，

所述机器人控制装置基于由所述移动指令生成部生成的所述移动指令来旋转驱动各所述关节轴，对所述机器人臂的动作进行控制。

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