CN112512758B - 挠曲量推断装置、机器人控制装置以及挠曲量推断方法 - Google Patents

Abstract

一种挠曲量推断装置、机器人控制装置以及挠曲量推断方法，对包括在规定的角度范围内摆动的四节连杆结构部(11)的多个连杆通过关节连结而成的机械臂(7)的四节连杆结构部的挠曲量进行推断，具备：摆动角计算部(25)，计算四节连杆结构部的摆动角；负荷计算部(26)，计算四节连杆结构部承受的负荷；刚度矩阵决定部(27)，使用刚度值决定函数，决定与摆动角计算部检测出的四节连杆结构部的摆动角对应的刚度值，刚度值决定函数表示四节连杆结构部承受的负荷和四节连杆结构部的挠曲量相关联的刚度矩阵的各成分的值亦即刚度值与四节连杆结构部的摆动角之间的相关关系；以及挠曲量计算部(28)，基于负荷计算部计算出的四节连杆结构部承受的负荷和刚度值决定部决定出的刚度值，计算四节连杆结构部的挠曲量。

Description

挠曲量推断装置、机器人控制装置以及挠曲量推断方法

技术领域

本发明涉及挠曲量推断装置、机器人控制装置以及挠曲量推断方法。

背景技术

以往，例如在专利文献1中，提出有：针对包括刚度低的要素的机器人，考虑挠曲等正确地进行定位等的控制。在专利文献1中，获取臂的驱动轴的动力传递要素的次级侧的位移，并基于获取到的位移值，由观察者推断动力传递要素的初级侧的位移而进行反馈控制。

专利文献1:日本特开2011-115878号公报

近年来，对于工业用机器人而言，为了减少周期时间等的高速化、臂的连杆的轻型化加速发展。但是，由于高速化、轻型化，在定位动作时产生臂的连杆的挠曲、以该挠曲为起因的振动，定位精度等下降。因此，为了考虑连杆的挠曲来防止振动并正确地实现定位等的控制，期望推断其挠曲量。特别是，尽管使用了平行连杆结构等四节连杆结构的机械臂能够实现高负荷条件下的稳定动作，但连杆结构变复杂，该挠曲量的推断伴有困难。但是，在专利文献1中，臂的连杆为刚度高的部件，从而针对其挠曲没有考虑。这样，在现有技术中，难以与高速化、臂的连杆的轻型化对应。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的某个方式所涉及的挠曲量推断装置对包括在规定的角度范围内摆动的四节连杆结构部的多个连杆通过关节连结而成的机械臂的上述四节连杆结构部的挠曲量进行推断，上述挠曲量推断装置具备：摆动角计算部，计算上述四节连杆结构部的摆动角；负荷计算部，计算上述四节连杆结构部承受的负荷；刚度矩阵决定部，使用刚度值决定函数，决定与上述摆动角计算部检测出的上述四节连杆结构部的摆动角对应的刚度值，上述刚度值决定函数表示上述四节连杆结构部承受的负荷和上述四节连杆结构部的挠曲量相关联的刚度矩阵的各成分的值亦即上述刚度值与上述四节连杆结构部的摆动角之间的相关关系；以及挠曲量计算部，基于上述负荷计算部计算出的上述四节连杆结构部承受的负荷和具有上述刚度矩阵决定部决定出的上述刚度值成分的上述刚度矩阵，计算上述四节连杆结构部的挠曲量。

根据该结构，能够使用具有基于摆动角决定出的刚度值成分的刚度矩阵，迅速推断四节连杆结构的挠曲量。因此，能够减少计算挠曲量的过程中的计算量，能够迅速计算挠曲量。

本发明能够减少计算挠曲量的过程中的计算量，起到能够迅速计算挠曲量这样的效果。

附图说明

图1是概略地表示包括实施方式所涉及的挠曲量推断装置的机器人系统的结构例的图。

图2是概略地表示图1的机器人系统的控制系统的结构例的框图。

图3是表示图1的机器人系统的挠曲量推断动作所涉及的动作例的流程图。

图4A是表示图1的机器人系统的挠曲量推断动作所使用的刚度值决定函数的一个例子的图。

图4B是表示图1的机器人系统的挠曲量推断动作所使用的刚度值决定函数的一个例子的图。

具体实施方式

某个方式所涉及的挠曲量推断装置对包括在规定的角度范围内摆动的四节连杆结构部的多个连杆通过关节连结而成的机械臂的上述四节连杆结构部的挠曲量进行推断，上述挠曲量推断装置具备：摆动角计算部，计算上述四节连杆结构部的摆动角；负荷计算部，计算上述四节连杆结构部承受的负荷；刚度矩阵决定部，使用刚度值决定函数，决定与上述摆动角计算部检测出的上述四节连杆结构部的摆动角对应的刚度值，上述刚度值决定函数表示上述四节连杆结构部承受的负荷和上述四节连杆结构部的挠曲量相关联的刚度矩阵的各成分的值亦即上述刚度值与上述四节连杆结构部的摆动角之间的相关关系；以及挠曲量计算部，基于上述负荷计算部计算出的上述四节连杆结构部承受的负荷和具有上述刚度矩阵决定部决定出的上述刚度值成分的上述刚度矩阵，计算上述四节连杆结构部的挠曲量。

根据该结构，能够使用具有基于摆动角决定出的刚度值成分的刚度矩阵，迅速地推断四节连杆结构的挠曲量。因此，能够减少计算挠曲量的过程中的计算量，能够迅速计算挠曲量。

也可以是，上述四节连杆结构部具有闭合的连杆结构。

根据该结构，能够适当地构成机械臂。

也可以是，上述四节连杆结构部具有平行连杆结构。

根据该结构，能够适当地构成机械臂。

也可以是，上述刚度值决定函数是预先解析获取分别与彼此不同的多个上述摆动角对应的上述刚度值，并对通过解析获取到的与多个上述摆动角对应的上述刚度值进行了线性内插而得到的函数。

根据该结构，能够更加减少计算挠曲量的过程中的计算量，能够迅速计算挠曲量。

某个方式所涉及的机器人控制装置具备上述的挠曲量推断装置。

根据该结构，能够使用具有基于摆动角决定出的刚度值成分的刚度矩阵，迅速推断四节连杆结构的挠曲量。因此，能够减少计算量，能够迅速计算挠曲量。由此，能够提高机器人主体的动作速度。

以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，不是通过本实施方式限定本发明。另外，以下，在所有图中，对相同或者相当的要素标注相同的附图标记，并省略其重复的说明。

图1是概略地表示包括实施方式所涉及的挠曲量推断装置的机器人系统100的结构例的图。如图1所示，机器人系统100具备机器人主体1和机器人控制器2。

[机器人主体的结构例]

机器人主体1是多关节型的工业用机器人(多关节机器人)。另外，机器人主体1是在对后述的上部臂结构12以及手8进行支承的下部臂结构11使用了平行连杆结构的机器人，且是具有较高的机械刚度并能够实现高负荷条件下的稳定动作的机器人。

机器人主体1包括基台6、机械臂7、手8。基台6例如固定并载置于地面，对机械臂7以及手8进行支承。

机械臂7具有多个连杆通过关节连结的结构。机械臂7包括下部臂结构11、上部臂结构12、关节驱动部13(参照图2)、下部臂驱动部14(参照图2)。下部臂结构11相对于基台6例如以能够绕在上下方向上延伸的旋转轴线转动的方式连结。连结该基台6和下部臂结构11的结构是第1关节JT1。另外，上部臂结构12相对于下部臂结构11以能够绕与旋转轴线正交的上部臂转动轴线转动的方式连结。连结该下部臂结构11和上部臂结构12的结构是第3关节JT3。机械臂7能够将后述的下部臂结构11的动作结构视为关节(第2关节JT2)，若包括下部臂结构11，则机械臂7整体具有六个关节轴。这些关节轴中的除去下部臂结构11之外的五个关节轴由与各个关节对应设置的关节驱动部13驱动，使远位端侧的连杆相对于近位端侧的连杆绕转动轴线转动。另外，下部臂结构11由下部臂驱动部14(详情将后述)驱动。上部臂结构12是串联连杆结构，与公知的垂直多关节型的6轴机器人的上部臂结构相同地构成，因此省略其详细的说明。此外，在本说明书中，远位端侧这一术语是指在机械臂7延伸的方向上的手8侧，近位端侧这一术语是指基台6侧。

下部臂结构(四节连杆结构部)11是在规定的角度范围内摆动的臂结构。下部臂结构11包括基体31、驱动连杆32、从动连杆33、中间连杆34。基体31相对于基台6以能够绕旋转轴线转动的方式连结。驱动连杆32以及从动连杆33各自的近位端部经由第1连结轴35以及第2连结轴36与基体31连结，远位端部经由第3连结轴37以及第4连结轴38与中间连杆34连结。各连结轴使连结的一方的连杆以及另一方的连杆以能够绕转动轴线转动的方式连结。另外，各连结轴的轴线在与旋转轴线正交的方向上延伸，并且彼此平行地延伸。而且，第1连结轴35以及第2连结轴36的轴线的间隔与第3连结轴37以及第4连结轴38的轴线的间隔相同，另外，第1连结轴35以及第3连结轴37的间隔与第2连结轴36以及第4连结轴38的间隔相同。即，下部臂结构11具有平行连杆结构，并具有具备四个节的以环状闭合的四节连杆结构。而且，驱动连杆32以及从动连杆33具有对称性地摆动，另外，构成为驱动连杆32的摆动角以及从动连杆33的摆动角相同。由此，第3关节JT3能够维持相对于第1关节JT1的姿势。

而且，下部臂驱动部14驱动下部臂结构11并使其摆动。下部臂驱动部14具备在未图示的基体31安装的伺服马达和减速机，伺服马达的输出轴经由减速机在第1连结轴35固定地连结于驱动连杆32。因此，关节驱动部13通过该驱动力，使驱动连杆32摆动。另外，下部臂驱动部14具有对伺服马达的输出轴的角度位置进行检测的编码器14a。由编码器14a检测出的伺服马达的输出轴的角度位置信息向机器人控制器2的后述的运算部21以及伺服放大器23输入(参照图2)。

[机器人控制器的结构例]

图2是概略地表示机器人系统100的控制系统的结构例的框图。

如图1所示，机器人控制器(机器人控制装置)2在机器人主体1的周边配置，进行机器人主体1的控制对象轴的位置控制、速度控制或者电流控制。如图2所示，机器人控制器2包括：具有例如CPU等运算器的运算部21、具有ROM以及RAM等存储器的存储部22、与下部臂驱动部14以及关节驱动部13各自的伺服马达对应地设置的多个伺服放大器23。另外，机器人控制器2对四节连杆结构部的挠曲量即以下部臂结构11的挠曲为起因的第3关节JT3相对于第1关节JT1的位置以及姿势的位移量进行推断。机器人控制器2也可以由集中控制的单独的控制器构成，也可以由彼此配合地进行分散控制的多个控制器构成。

运算部21包括摆动角计算部25、负荷计算部26、刚度矩阵决定部27、挠曲量计算部28、指令生成部29。摆动角计算部25、负荷计算部26、刚度矩阵决定部27以及挠曲量计算部28构成挠曲量推断装置。这些功能部25～29是通过运算部21执行储存于存储部22的规定的控制程序来实现的功能模块(详情在动作例中叙述)。存储部22存储有规定的控制程序，并通过运算部21读出并执行这些控制程序，来控制机器人主体1的动作。另外，存储部22存储有后述的刚度值决定函数。

挠曲量推断装置是对在使机械臂7动作时通过由于机械臂7的加减速而产生的动态负荷引起的下部臂结构11的动态挠曲量进行推断的装置，是对下部臂结构11的远位端(第3关节JT3)相对于近位端(第1关节JT1)的位置以及姿势的位移量进行推断的装置。

伺服放大器23进行对应的伺服马达的控制。即，伺服放大器23例如在位置控制中进行伺服马达的追踪控制，以使得现在位置与基于在指令生成部29中生成的位置指令值决定出的伺服马达的输出轴的角度位置之间的偏差为0。

[动作例]

接下来，对机器人系统100的挠曲量推断动作所涉及的动作例进行说明。

图3是表示机器人系统100的挠曲量推断动作所涉及的动作例的流程图。

首先，摆动角计算部25基于下部臂驱动部14的编码器14a检测出的对驱动连杆32进行驱动的伺服马达的输出轴的角度位置信息，计算下部臂结构11的摆动角(步骤S1)。

接下来，负荷计算部26计算下部臂结构11承受的负荷(步骤S3)。在本实施方式中，下部臂结构11承受的负荷是指下部臂结构11伴随着机械臂7的动作时的连杆的加减速而承受的动态负荷。负荷计算部26对负荷量以赋予符号的方式处理，例如，在机械臂7的摆动开始时使连杆加速，从而产生+负荷，在摆动结束时使连杆减速，从而产生-负荷，由此进行处理。

接下来，刚度矩阵决定部27决定与摆动角计算部25检测出的下部臂结构11的摆动角对应的刚度矩阵C(rigidity matrix,stiffness matrix)的各成分的值亦即刚度值(步骤S5)。刚度矩阵C是下部臂结构11承受的负荷(力以及力矩的6个方向的力、扭转)w和下部臂结构11的挠曲量δ相关联的6×6的对称矩阵，并具有以下的式(1)所示的c₁₁～c₆₆这36个成分。

[式1]

刚度矩阵决定部27针对这36个成分(除去对称成分为21个)分别使用单独规定的刚度值决定函数，决定刚度值。

刚度值决定函数是表示刚度值与下部臂结构11的摆动角之间的相关关系的函数，并通过使用了有限元法(FEM)的解析来计算。即，首先，通过预先解析获取分别与彼此不同的多个摆动角对应的刚度值。具体而言，在将驱动连杆32处于直立状态的角度设为0°，将向前方倾斜的状态设为正，将向后方倾斜的状态设为负的情况下，例如，针对使驱动连杆32以-60°、-30°、0°、30°、60°倾斜的状态，分别获取刚度值。然后，对通过解析获取到的与多个摆动角对应的刚度值进行线性内插，将其作为刚度值决定函数。图4A表示c₃₆成分所涉及的刚度值决定函数的一个例子。另外，图4B表示c₁₃成分所涉及的刚度值决定函数的一个例子。另外，通过有限元法获取刚度值的取样间隔以通过线性内插表示刚度值的变化的趋势的方式设定，如图4A以及图4B所示，通过例如以30°间隔获取刚度值，能够获取刚度值的变化的趋势。

接下来，挠曲量计算部28基于负荷计算部26计算出的下部臂结构11承受的负荷和根据刚度矩阵决定部27决定出的刚度值而决定出的刚度矩阵C，计算下部臂结构11的挠曲量δ(步骤S7)。即，挠曲量计算部28使用以下的式(2)所涉及的函数，计算挠曲量δ。

[式2]

δ＝Cw···(2)

其中，

w＝[f_x f_y f_z m_x m_y m_z]^T

f_x、f_y、f_z分别是力F的x，y，z方向成分

m_x、m_y、m_z分别是力矩M的绕x轴、y轴、z轴的成分

然而，通常，在串联连杆中，扭转w与挠曲量δ之间的关系具有线性。但是，在四节连杆结构中，如图4A以及图4B所示，扭转w与挠曲量δ之间的关系具有非线形性，刚度矩阵C具有根据摆动角而示出彼此不同的变化趋势的刚度值成分，因此难以进行其挠曲量δ的推断。但是，机器人系统100的挠曲量推断装置使用具有基于摆动角决定出的刚度值成分c₁₁～c₆₆的刚度矩阵C，迅速推断四节连杆结构的挠曲量δ。因此，例如，与将表达各连杆的扭转w与挠曲量δ之间的关系的式子联立而求解的情况比较，能够减少计算量，能够迅速计算挠曲量。由此，能够提高机器人主体1的动作速度。此外，如式(2)所表示的那样，在动态挠曲量的推断中，重力成分的影响轻微，因此忽略其影响。

接下来，指令生成部29基于动作程序生成指令值(步骤S7)。此时，指令生成部29对与挠曲量计算部28计算出的下部臂结构11的动态挠曲量δ对应的补偿量进行计算。该补偿量是与下部臂结构11的加速度成比例的量，摆动开始时的补偿量和动作结束时的补偿量成为相反符号。由此，能够抑制与机械臂7的加减速相伴的机械臂7的振动。

如以上说明的那样，挠曲量推断装置使用具有基于摆动角决定出的刚度值成分c₁₁～c₆₆的刚度矩阵C，迅速推断四节连杆结构的挠曲量δ。因此，能够减少计算量，能够迅速计算挠曲量。由此，能够提高机器人主体1的动作速度。

＜变形例＞

在上述实施方式中，挠曲量推断装置对动态挠曲量δ进行了推断，但不局限于此。也可以取代于此，在挠曲量推断装置中，负荷计算部26计算静态负荷，挠曲量计算部28基于静态负荷与静态挠曲量之间的关系推断静态挠曲量。

根据上述说明，本发明的许多改进、其他实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，上述说明应该仅作为例示来解释，以教导本领域技术人员执行本发明的最佳的方式的目的而提供。能够不脱离本发明的精神地实质变更其结构以及/或者功能的详情。

附图标记说明

JT1...第1关节；JT2...第2关节；JT3...第3关节；1...机器人主体；2...机器人控制器；7...机械臂；11...下部臂结构；14...下部臂驱动部；14a...编码器；21...运算部；22...存储部；23...伺服放大器；25...摆动角计算部；26...负荷计算部；27...刚度矩阵决定部；28...挠曲量计算部；29...指令生成部；100...机器人系统。

Claims (6)

1.一种挠曲量推断装置，对包括在规定的角度范围内摆动的四节连杆结构部的多个连杆通过关节连结而成的机械臂的所述四节连杆结构部的挠曲量进行推断，

其中，所述挠曲量推断装置具备：

摆动角计算部，计算所述四节连杆结构部的摆动角；

负荷计算部，计算所述四节连杆结构部承受的负荷；

刚度矩阵决定部，使用刚度值决定函数，决定与所述摆动角计算部检测出的所述四节连杆结构部的摆动角对应的刚度值，所述刚度值决定函数表示所述四节连杆结构部承受的负荷和所述四节连杆结构部的挠曲量相关联的刚度矩阵的各成分的值亦即所述刚度值与所述四节连杆结构部的摆动角之间的相关关系；以及

挠曲量计算部，基于所述负荷计算部计算出的所述四节连杆结构部承受的负荷和具有所述刚度矩阵决定部决定出的所述刚度值成分的所述刚度矩阵，计算所述四节连杆结构部的挠曲量。

2.根据权利要求1所述的挠曲量推断装置，其中，

所述四节连杆结构部具有闭合的连杆结构。

3.根据权利要求1所述的挠曲量推断装置，其中，

所述四节连杆结构部具有平行连杆结构。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的挠曲量推断装置，其中，

所述刚度值决定函数是通过预先解析获取分别与彼此不同的多个所述摆动角对应的所述刚度值，并对通过解析获取到的与多个所述摆动角对应的所述刚度值进行了线性内插而得到的函数。

5.一种机器人控制装置，其中，具备：

权利要求1～4中任一项所记载的所述挠曲量推断装置。

6.一种挠曲量推断方法，对包括在规定的角度范围内摆动的四节连杆结构部的多个连杆通过关节连结而成的机械臂的所述四节连杆结构部的挠曲量进行检测，

其中，所述挠曲量推断方法具备：

摆动角计算步骤，计算所述四节连杆结构部的摆动角；

负荷计算步骤，计算所述四节连杆结构部承受的负荷；

刚度矩阵决定步骤，使用刚度值决定函数，决定与所述摆动角计算步骤中计算出的所述四节连杆结构部的摆动角对应的刚度值，所述刚度值决定函数表示所述四节连杆结构部承受的负荷和所述四节连杆结构部的挠曲量相关联的刚度矩阵的各成分的值亦即所述刚度值与所述四节连杆结构部的摆动角之间的相关关系；以及

挠曲量计算步骤，基于所述负荷计算步骤中计算出的所述四节连杆结构部承受的负荷和具有所述刚度矩阵决定步骤中决定出的所述刚度值成分的所述刚度矩阵，计算所述四节连杆结构部的挠曲量。

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