CN111331577B - 机器人的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人控制装置及控制方法，可以抑制机器人中振动的产生，实现机器人的平稳的运动，且在机器人的控制方式是CP控制的情况下，可以抑制其偏离轨道。基于由机器人坐标系表示的示教数据而动作的机器人控制装置具有PTP动作部和CP动作部，PTP动作部基于示教数据通过PTP控制生成第一内部动作指令，将第一内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令，CP动作部基于示教数据通过CP控制生成第二内部动作指令，并将第二内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令。PTP动作部具备对进行坐标转换前的第一内部动作指令进行滤波处理的第一滤波器，CP动作部具备对进行坐标转换前的第二内部动作指令进行滤波处理的第二滤波器。

Description

机器人的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及控制机器人的控制装置及控制方法。

背景技术

作为基于示教数据使机器人的各轴向目标位置移动时的轨道控制的方式，众所周知，有PTP(点到点；point－to－point)控制和CP(连续路径；continuous path)控制。PTP控制通常是仅指定安装在机器人上的工具、手的前端应该抓住的轨道的起点和终点并使工具、手移动的控制，CP控制通常是指定三维空间内的直线、曲线的路径，使工具、手的前端沿着该路径移动的控制。在PTP控制中，虽然在示教数据中示出了起点和终点，但未指定起点和终点之间的机器人的路径，特别是在具有两个以上的轴的机器人中，在按每个轴决定该轴在起点和终点之间应该移动多少后，各轴根据每个轴的移动量独立地移动。CP控制是在每个瞬间进行各轴的控制，以使各轴不偏离指定的路径，例如，在将由示教数据表示的示教点之间的运动用直线插补时使用。无论是采用PTP控制还是采用CP控制，都设有机器人控制装置，其基于示教数据生成机器人的轨道，并基于生成的轨道控制机器人的各轴的电动机的旋转位置。机器人控制装置生成对各轴的电动机的动作指令值，该动作指令值实际被赋予对各轴的电动机进行伺服控制的伺服驱动器。

PTP控制或CP控制是基于示教数据生成机器人的轨道并控制机器人的位置的控制，而不是试图控制轨道上的机器人的运动的平稳度。其结果是，仅执行PTP控制或CP控制，并不能使机器人在轨道上的运动变得平稳，特别是由于加速度的大的变化和机器人的臂的质量的相互作用可能在轨道的终点、弯曲点的附近引起振动。因此，在机器人控制装置中，在基于PTP控制或CP控制生成对各轴的电动机的动作指令值后，对动作指令值进行滤波处理，使动作指令值的变化平稳，将滤波处理后的动作指令值供给到伺服驱动器。在机器人控制装置中，将在即将输出动作指令值之前进行的该滤波处理中使用的滤波器称为输出滤波器或设定值滤波器，该滤波器通常使用移动平均滤波器。例如，专利文献1中公开有一种机器人控制装置，其通过CP控制生成对驱动机器人的各轴的电动机的动作指令值，其中，对各轴的动作指令应用移动平均滤波器，使各轴的加减速平稳。

作为实现机器人的平稳运动的方法，除了对即将输出到伺服驱动器之前的动作指令值进行滤波处理的方法以外，专利文献2中公开有一种方法，在进行以直线近似插补示教点之间的CP控制时，在对基于CP控制获得的指令值进行规定的矩阵滤波处理之后，进行反向转换，生成实际上被赋予机器人的各轴的电动机的动作指令值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－118995号公报

专利文献2：日本特开2004－25341号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

作为在CP控制的情况下抑制从规定的轨道的偏离并且实现机器人的平稳运动的方法，有所述专利文献2中公开的方法。但是，在对应于PTP控制和CP控制两者的机器人控制装置中，为了在PTP控制时实现机器人的平稳运动，需要进行滤波处理，因此，在即将向设置于后一级的伺服驱动器输出之前设置输出过滤器。在这样的机器人控制装置中，在CP控制时进行单独的滤波处理以抑制从轨道的偏离的情况下，除了该单独的滤波处理以外，还增加了输出滤波器进行的滤波处理。在输出滤波器的时间常数较大等情况下，反而由于CP控制而产生的轨道可能会变形，并且机器人的振动可能会增大。

本发明的目的在于，提供一种机器人控制装置及控制方法，在基于示教数据计算机器人的轨道并控制机器人时，无论机器人的控制方式是PTP控制还是CP控制，都能够抑制机器人发生振动，实现机器人的平稳运动，且在CP控制的情况下可以抑制其偏离计算出的轨道。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明提供一种机器人控制装置，基于由机器人坐标系表示的示教数据生成机器人轨道并控制机器人的动作，其中，将基于机器人的各关节的角度的坐标系作为关节角度系统，机器人控制装置具有PTP动作部和CP动作部，PTP动作部基于示教数据通过PTP控制生成机器人轨道并生成第一内部动作指令，将第一内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令，CP动作部基于示教数据通过CP控制生成机器人轨道并生成第二内部动作指令，将第二内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令，PTP动作部具备对进行坐标转换前的第一内部动作指令进行滤波处理的第一滤波器，CP动作部具备对进行坐标转换前的第二内部动作指令进行滤波处理的第二滤波器。

根据本发明的机器人控制装置，由于在机器人控制装置中在PTP动作部及CP动作部分别设置有进行坐标转换之前用于进行滤波处理的滤波器，因此，不需要输出滤波器，能够根据控制方式防止对动作指令施加双重滤波处理，且能够抑制机器人发生振动，实现机器人的平稳运动，在CP控制的情况下，能够抑制机器人偏离计算出的轨道。

在本发明的机器人控制装置中，由于机器人具有两个以上的轴，第一滤波器及第二滤波器能够仅对作为最主要的轴即主轴的内部动作指令执行滤波处理。这样，通过仅对主轴进行滤波处理，能够缩短滤波处理所需的处理时间。在这种情况下，在生成机器人的轨道时创建的动作计划中，主轴可以确定为移动距离最大的轴或移动时间最长的轴。通过这样确定主轴，对机器人的主要运动进行滤波处理，因此，能够更有效地实现机器人的振动防止和平稳运动。另外，因为在创建机器人轨道时的动作计划的创建时就可以确定主轴，所以不需要实施用于确定主轴的其他工序。

理想的是，在仅对主轴进行过滤处理的情况下，PTP动作部对于尚未通过第一滤波器进行滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对于对第一内部动作指令进行坐标转换而获得的动作指令通过第一滤波器进行执行滤波处理而引起的变化相似，CP动作部对于尚未通过第二滤波器进行滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对第二内部动作指令通过第二滤波器执行滤波处理而引起的变化相似，之后执行坐标转换。由此，因为对于实际尚未进行滤波处理的轴也带来滤波处理的效果，所以可以更有效地实现机器人的振动防止、平稳运动。另外，在PTP动作部，在坐标转换后对其它轴也赋予与滤波处理引起的主轴的变化相似的变化，在CP动作部，在坐标转换前对其它轴也赋予与滤波处理引起的主轴的变化相似的变化，由此，能够减小用于将对应于主轴上的变化的变化加到其它轴的处理负荷。

在本发明的机器人控制装置中，理想的是，第一滤波器及第二滤波器是能够相互独立地进行时间常数的设定及变更和有效化及无效化的设定的移动平均滤波器。通过这样构成，能够实现响应于用途的最佳控制。

在本发明的机器人控制装置中，理想的是，机器人控制装置具有动作指令合成部，动作指令合成部将从PTP动作部输出的动作指令和从CP动作部输出的动作指令合成，输出电动机角度动作指令。通过设置动作指令合成部，可以叠加动作指令，因此，能够缩短机器人的动作时间。在设置动作指令合成部的情况下，也可以在动作指令合成部的输出侧设置对电动机角度动作指令进行滤波处理的输出滤波器，是能够进行无效化的设定的输出滤波器。通过设置这样的输出滤波器，在进行PTP控制、CP控制以外的控制的情况下，例如在进行使用示教器的示教、原点检索、原点恢复的情况下，即使提高机器人的速度，也能够使机器人平稳地运动，并且，能够维持与现有的机器人控制装置的兼容性。作为输出滤波器，优选使用能够进行时间常数的设定及变更的移动平均滤波器。通过使用这样的输出滤波器，能够实现响应于用途的最佳控制。

本发明提供一种机器人控制方法，基于由机器人坐标系表示的示教数据生成机器人轨道，并控制机器人的动作，其中，将基于机器人的各关节的角度的坐标系作为关节角度系统，在基于示教数据通过PTP控制生成对机器人的电动机角度动作指令时，基于示教数据生成机器人轨道，生成第一内部动作指令，并对第一内部动作指令进行第一滤波处理，将进行了第一滤波处理后的第一内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令，在基于示教数据通过CP控制生成对机器人的电动机角度动作指令时，基于示教数据生成机器人轨道并生成第二内部动作指令，对第二内部动作指令进行第二滤波处理，将进行了第二滤波处理后的第二内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统中的动作指令。

根据本发明的机器人控制方法，在PTP控制中，在坐标转换前进行第一滤波处理，在CP控制中，在坐标转换前也进行第二滤波处理，因此，不需要输出滤波器的滤波处理，根据控制方式，能够防止对动作指令施加双重滤波处理，且能够抑制机器人发生振动，实现机器人的平稳运动，在CP控制的情况下，能够抑制机器人偏离计算出的轨道。

发明效果

根据本发明，在基于示教数据计算机器人的轨道并控制机器人时，无论机器人的控制方式是PTP控制还是CP控制，均能够抑制机器人发生振动，实现机器人的平稳运动，且能够抑制其偏离计算出的轨道。

附图说明

图1是表示机器人系统的结构的一例的框图。

图2是表示本发明一实施方式的机器人控制装置的结构的框图。

图3是表示另一实施方式的机器人控制装置的结构的框图。

附图标记说明

1…机器人控制装置：2…伺服驱动器；3…机器人；4…电动机；10…PTP动作部；11、21…动作计划生成部；12、22…内部动作指令生成部；13、23…滤波器；14、24…坐标转换部；20…CP动作部；30…动作指令合成部；40…输出滤波器；41、42…切换部。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。图1表示包括基于本发明的机器人控制装置的机器人系统的结构的一例。机器人系统由具有多个轴且每个轴具有驱动该轴的电动机4的机器人3、基于示教数据进行机器人3的动作控制的机器人控制装置1以及基于从机器人控制装置1输出的电动机角度动作指令并通过伺服控制来驱动机器人3的各轴的电动机4的伺服驱动器2构成。当从外部赋予示教数据时，机器人控制装置1生成机器人的轨道，以使机器人3的工具或手的前端移动到由该示教数据指定的坐标中，而且，生成用于驱动机器人3的各轴的电动机4的电动机角度动作指令，以使机器人3沿着该轨道运动。

图2表示本发明一实施方式的机器人控制装置1的结构。为了基于示教数据通过PTP控制或CP控制生成机器人3的轨道并输出电动机角度动作指令，机器人控制装置1具备PTP动作部10、CP动作部20及动作指令合成部30。PTP动作部10在由直角坐标或圆柱坐标赋予了示教数据时，通过PTP控制生成机器人轨道，并将机器人轨道作为各轴的角度动作指令输出。另一方面，CP动作部20在由直角坐标赋予了示教数据时，通过CP控制生成机器人轨道，并将机器人轨道作为各轴的角度动作指令输出。将示教数据等中使用的直角坐标及圆柱坐标称为机器人坐标系，将用各轴的电动机4的旋转角表示的坐标称为关节角度系统。以下，为了便于说明，机器人3是具备两个电动机4的双轴机器人，用θ₁表示关于第一轴的电动机的电动机角度动作指令，用θ₂表示关于第二轴的电动机的电动机角度动作指令，当用直角坐标表示示教数据时，用二维直角坐标(X，Y)表示，当用圆柱坐标表示示教数据时，用坐标(R，TH)表示。在统一标记两个电动机的电动机角度动作指令时，表示为(θ₁，θ₂)。当然，机器人3的轴数是三轴以上，在用三维坐标表示示教数据并在三维空间内生成机器人的轨道时，本发明也能够适用，本领域技术人员可以容易地进行向三轴以上的机器人的情况、三维坐标的情况的扩展。另外，虽然在CP控制中，进行在直线上对示教点之间进行插补的动作，但在圆弧等上对示教点之间进行插补的CP控制中也可以应用本发明。

PTP动作部10具备：动作计划生成部11，其基于示教数据并通过PTP控制生成包括机器人3的移动距离、最高速度、加减速度、加减速时间及等速时间等项目在内的动作计划，作为机器人轨道；内部动作指令生成部12，其基于动作计划生成由机器人坐标系表示机器人轨道的动作指令即内部动作指令；滤波器13，其对内部动作指令进行滤波处理，以形成防止机械系统的振动而实现平稳动作的动作指令；以及坐标转换部14，其将滤波处理后的内部动作指令进行坐标转换，转换为关节角度系统下的动作指令。从PTP动作部10输出的动作指令即角度指令在对其进行微分时，用速度指令表示，当由关节角度系统表示机器人轨道时，该速度指令以加速→等速→减速的方式阶梯形变化。

同样，CP动作部20也具备动作计划生成部21、内部动作指令生成部22、滤波器23以及坐标转换部24。CP动作部20的动作计划生成部21通过CP控制生成动作计划，作为机器人轨道。在本实施方式中，因为是设定为进行直线插补动作的CP控制，所以从CP动作部20输出的动作指令用速度指令表示，当用直角坐标表示机器人轨道时，该速度指令以加速→等速→减速的方式阶梯形变化。

滤波器13、23例如由移动平均滤波器构成。滤波器13、23能够独立地设定及变更其时间常数，且可以独立地使该滤波器无效。在滤波器13、23为移动平均滤波器时，为了使滤波器无效，也可以将该滤波器的时间常数设为0。机器人控制装置1通常通过执行微处理器的软件处理来实现其功能，因此，滤波器13、23也通过数字运算处理来实现。在这种情况下，当对机器人坐标系中的各轴进行滤波处理时，运算量变大，因此，在本实施方式中，仅针对主轴的内部动作指令执行滤波器13、23中的滤波处理。在动作计划生成部11、21中生成动作计划时，可以计算机器人的每个轴的移动时间(即加速时间、等速时间以及减速时间之和)或移动距离。该每个轴的移动时间最长的轴或移动距离最长的轴是主轴。因为主轴可以在生成动作计划时决定，所以在本实施方式中，不需要另行设置用于确定主轴的处理。通过对主轴进行滤波处理，能够在机器人3的主要运动中实现振动防止和平稳运动，作为结果，能够实现机器人3整体的振动防止和平稳运动。

在仅对主轴进行滤波处理的情况下，当对主轴进行的滤波处理的影响未波及到其它轴时，机器人的轨道可能是不准确的。将对主轴进行的滤波处理的影响也波及到其它轴的情况称为分配。分配是通过对主轴的内部动作指令进行的滤波处理而使其内部动作指令发生变化时，与该变化对应地对作为对象的轴的内部动作指令施加变化的操作。在PTP动作部10中，在坐标转换部14，在坐标转换后的关节角度系统中的动作指令中执行该分配。即，PTP动作部10对于主轴以外的轴，改变速度指令，以使其与对于对主轴的内部动作指令进行坐标转换而获得的动作指令执行滤波处理引起的变化相似。在PTP控制中，由于用关节角度系统表示的速度指令无论在哪个轴上都是阶梯形变化，所以在关节角度系统中，通过以与主轴上的滤波处理引起的变化相似的方式改变其它轴的速度指令，可以高效且容易地进行分配。另一方面，在CP动作部20，在坐标转换部24，对坐标转换前的机器人坐标系中的内部动作指令执行该分配。即，CP动作部20对于主轴以外的轴，改变速度指令，以使其与对坐标转换前的机器人坐标系中的主轴的内部动作指令执行滤波处理引起的变化相似，此后，执行坐标转换。在CP控制中，关节角度系统的速度指令一般不采用梯形而是复杂的形状，另一方面，机器人坐标系的速度指令的形状是梯形，因此，在机器人坐标系中同样地进行分配，之后，通过进行坐标转换，能够简单地进行分配。另外，通过在机器人坐标系进行分配，能够执行重视机器人的指尖位置的轨迹的处理。

动作指令合成部30将来自PTP动作部10的坐标转换部14的函数角度系统中的内部动作指令和来自CP动作部20的坐标转换部24的函数角度系统中的内部动作指令进行合成，生成电动机角度动作指令，并输出到伺服驱动器2。在此输出的电动机角度动作指令包括关于两个轴的电动机各自的角度动作指令。在机器人控制装置1中，可以通过CP控制生成直到某示教点的机器人轨道，并通过PTP控制生成该示教点到下一示教点的机器人轨道，因此，需要设置动作指令合成部30。

以上说明的本实施方式的机器人控制装置1独立地设置用于PTP控制的滤波器13和用于CP控制的滤波器23，通过动作指令合成部30将这些滤波器中的滤波处理后的内部动作指令合成，并作为电动机角度动作指令输出到伺服驱动器2，因此，不需要在动作指令合成部30的输出侧设置输出滤波器。因此，能够抑制CP控制专用的滤波器进行的滤波处理和输出滤波器进行的滤波处理叠加进行而引起的机器人的振动、机器人轨道产生变形。

接着，使用图3对基于本发明的另一实施方式的机器人控制装置进行说明。图3所示的机器人控制装置1与使用图2所示的机器人控制装置1是一样的，但在动作指令合成部30的输出侧设置有输出滤波器40和用于绕过输出滤波器40的一对相互联动的切换部41、42。切换部41设置于输出滤波器40的输入侧，切换部42设置于输出滤波器40的输出侧。切换部41、42作为开关发挥作用，其选择将电动机角度动作指令经由输出滤波器40输出到伺服驱动器2还是不经由输出滤波器40输出到伺服驱动器2。作为输出滤波器40，例如使用移动平均滤波器。输出滤波器40的时间常数可以设定及变更。特别是，如果将输出滤波器40的时间常数设为0能够使输出滤波器40无效，则不需要设置用于绕过输出滤波器40的切换部41、42。

在图3所示的实施方式中，尽管在PTP动作部10内设置有滤波器13且在CP动作部20内设置有滤波器23，但是，设置输出滤波器40是为了使得在机器人控制装置1中生成机器人的轨道不限于PTP控制或CP控制的情况以及维持与具备输出滤波器的现有机器人控制装置的兼容性，使机器人3动作时的操作感统一。作为在机器人控制装置1中除PTP控制或CP控制以外生成机器人轨道的例子，例如在使用示教器进行机器人3的示教的情况下，在机器人3中有时进行原点检索、原点复位等。在这些情况下，当尚未对电动机角度动作指令通过输出滤波器40进行滤波处理时，对基于生成的机器人轨道的动作指令也不进行任何滤波处理，因此，特别是在加快机器人的运动时会导致机器人的运动不平稳。另外，如图3所示，通过在将基于PTP控制的动作指令和基于CP控制的动作指令合成之后由输出滤波器40进行滤波处理，可以进行动作指令的叠加，并且实现动作时间的缩短。

Claims (7)

1.一种机器人控制装置，基于由机器人坐标系表示的示教数据生成机器人轨道并控制机器人的动作，其特征在于，

将基于所述机器人的各关节的角度的坐标系作为关节角度系统，

所述机器人控制装置具有PTP动作部和CP动作部，

所述PTP动作部基于所述示教数据通过PTP控制生成所述机器人轨道并生成第一内部动作指令，将所述第一内部动作指令进行坐标转换，转换为所述关节角度系统中的动作指令，

所述CP动作部基于所述示教数据通过CP控制生成所述机器人轨道并生成第二内部动作指令，将所述第二内部动作指令进行坐标转换，转换为所述关节角度系统中的动作指令，

所述PTP动作部具备对进行坐标转换前的所述第一内部动作指令进行滤波处理的第一滤波器，

所述CP动作部具备对进行坐标转换前的所述第二内部动作指令进行滤波处理的第二滤波器，

所述机器人具有两个以上的轴，

所述第一滤波器及所述第二滤波器仅对作为最主要的轴的主轴的内部动作指令执行所述滤波处理，

所述PTP动作部对于尚未通过所述第一滤波器进行所述滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对于对所述第一内部动作指令进行所述坐标转换而获得的动作指令通过所述第一滤波器执行所述滤波处理而引起的变化相似，

所述CP动作部对于尚未通过所述第二滤波器进行所述滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对所述第二内部动作指令通过所述第二滤波器执行所述滤波处理而引起的变化相似，之后执行所述坐标转换。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

在生成所述机器人的轨道时创建的动作计划中，所述主轴被确定为移动距离最大的轴或移动时间最长的轴。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述第一滤波器及所述第二滤波器是能够相互独立地进行时间常数的设定及变更和有效化及无效化的设定的移动平均滤波器。

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，

所述机器人控制装置具有动作指令合成部，所述动作指令合成部将从所述PTP动作部输出的所述动作指令和从所述CP动作部输出的所述动作指令合成，输出电动机角度动作指令。

5.根据权利要求4所述的机器人控制装置，其特征在于，

在所述动作指令合成部的输出侧具有对所述电动机角度动作指令进行滤波处理的输出滤波器，

能够进行所述输出滤波器的无效化设定。

6.根据权利要求5所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述输出滤波器是移动平均滤波器，能够进行时间常数的设定及变更。

7.一种机器人控制方法，基于由机器人坐标系表示的示教数据生成机器人轨道，并控制机器人的动作，其特征在于，

将基于所述机器人的各关节的角度的坐标系作为关节角度系统，

在基于所述示教数据通过PTP控制生成对所述机器人的电动机角度动作指令时，基于所述示教数据生成所述机器人轨道，生成第一内部动作指令，并对所述第一内部动作指令进行第一滤波处理，将进行了所述第一滤波处理后的所述第一内部动作指令进行坐标转换，转换为所述关节角度系统中的动作指令，

在基于所述示教数据通过CP控制生成对所述机器人的电动机角度动作指令时，基于所述示教数据生成所述机器人轨道并生成第二内部动作指令，对所述第二内部动作指令进行第二滤波处理，将进行了所述第二滤波处理后的所述第二内部动作指令进行坐标转换，转换为所述关节角度系统中的动作指令，

所述机器人具有两个以上的轴，

仅对作为最主要的轴的主轴的内部动作指令执行所述第一滤波处理及所述第二滤波处理，

对于尚未进行所述第一滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对于对所述第一内部动作指令进行所述坐标转换而获得的动作指令执行所述第一滤波处理而引起的变化相似，

对于尚未进行所述第二滤波处理的轴，改变速度指令，以使其与对所述第二内部动作指令执行所述第二滤波处理而引起的变化相似，之后执行所述坐标转换。