CN116133803A

CN116133803A - 机器人系统和机器人控制装置

Info

Publication number: CN116133803A
Application number: CN202180060367.0A
Authority: CN
Inventors: 山冈宣章; 佐藤贵之
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-05-16
Also published as: JP7392161B2; JP2024009167A; DE112021004052T5; WO2022024976A1; US20230278205A1; JPWO2022024976A1

Abstract

在生产时的力控制中，能够自动调整得到不会引起机器人的振荡、作业失败的最佳的力控制参数。具备：机器人臂，在机器人臂的前端具有把持工件的手；力检测器，其检测手所把持的工件所受到的力和力矩；以及控制装置，其一边基于规定的力控制参数和力检测器的检测值进行机器人臂的力控制以修正工件的位置误差和姿势误差，一边使手所把持的工件相对于目标对象物移动。控制装置具有参数自动调整部，该参数自动调整部通过多次执行工件相对于目标对象物的移动，来自动调整力控制参数。参数自动调整部通过从多个位置误差方向和多个姿势误差方向中的至少多个姿势误差方向执行工件相对于目标对象物的移动，来自动调整力控制参数。

Description

机器人系统和机器人控制装置

技术领域

本公开涉及一种机器人系统和机器人控制装置。

背景技术

在使用机器人进行的构件的装配工序中，对由机器人臂的前端的手把持的工件进行嵌合作业、面对准作业、搜索作业。嵌合作业是使所把持的工件嵌合到目标对象物的嵌合孔中的作业。面对准作业是使所把持的工件与目标对象物的平面抵接来进行面对准的作业。搜索作业是以使工件与目标对象物的孔形状、相位一致的方式搜索所把持的工件的位置的作业。

以往，为了高精度地执行这样的由机器人进行的构件的装配作业，在机器人臂设置检测手所把持的工件所受到的力和力矩的力检测器。在进行装配作业时，基于该力检测器的检测值，来进行机器人的力控制，以使施加到工件的力与操作员所设定的目标力一致。作为力控制的种类，已知有阻抗控制、阻尼控制、混合控制。

为了通过对机器人进行力控制来适当地执行作业，重要的是适当地设定决定施加到工件的力与机器人的行为之间的关系的力控制参数。近年来，还已知一种通过自动地多次执行力控制来自动调整力控制参数的技术(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-128857号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，有时即使执行了力控制参数的自动调整，调整后的力控制参数也不是最佳的。认为这是由于，在力控制参数调整时和在使机器人实际工作的生产时，力控制的条件不同，机器人的位置及姿势的误差方向不同。

另外，根据机器人的位置及姿势或者手的形状等，表示力控制的响应性的力控制增益的最佳值有时会依赖于位置及姿势的修正方向。因此，如果以机器人的振荡极限高的位置及姿势误差的条件调整力控制参数，则有时在生产时机器人会发生振荡。如果机器人发生振荡，则有可能对生产品质造成影响。在最坏的情况下，机器人本身、手及外围设备等有可能破损。

并且，对于搜索作业，在调整力控制参数时，需要进行是否能够以多个位置及姿势误差条件找到正确的位置及姿势的动作确认。如果在生产时没有以多个误差条件进行确认，则在生产时搜索可能会失败。

因而，在生产时的力控制中，期望能够自动调整得到不会引起机器人的振荡、作业失败的最佳的力控制参数。

用于解决问题的方案

本公开的一个方式是一种机器人系统，具备：机器人臂，在所述机器人臂的前端具有把持工件的手；力检测器，其检测所述手把持的所述工件所受到的力和力矩；以及控制装置，其一边基于规定的力控制参数和所述力检测器的检测值进行所述机器人臂的力控制以修正所述工件的位置误差和姿势误差，一边使所述手把持的所述工件相对于目标对象物移动，其中，所述控制装置具有参数自动调整部，该参数自动调整部通过多次执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，来自动调整所述力控制参数，所述参数自动调整部通过从多个位置误差方向和多个姿势误差方向中的至少所述多个姿势误差方向执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，来自动调整所述力控制参数。

本公开的另一个方式是一种机器人控制装置，对在前端具有把持工件的手的机器人臂的动作进行控制来使所述工件朝向目标对象物移动，基于规定的力控制参数和力检测器的检测值来进行所述机器人臂的力控制，以修正所述工件相对于所述目标对象物的位置误差和姿势误差，所述力检测器检测所述手把持的所述工件所受到的力和力矩，在所述机器人控制装置中，具有参数自动调整部，该参数自动调整部通过多次执行所述工件相对于所述对象物的移动，来自动调整所述力控制参数，所述参数自动调整部通过从多个位置误差方向和多个姿势误差方向中的至少所述多个姿势误差方向执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，来自动调整所述力控制参数。

发明的效果

根据一个方式，在生产时的力控制中，能够自动调整得到不会引起机器人的振荡、作业失败的最佳的力控制参数。

附图说明

图1是示出进行嵌合作业的机器人系统的示意图。

图2是示出机器人和机器人控制装置的内部结构的功能框图。

图3是示出力控制参数的自动调整作业的流程图。

图4是示出自动调整力控制参数时的工件与目标对象物之间的姿势误差的侧视图。

图5A是示出图4所示的工件与目标对象物之间的姿势误差的俯视图。

图5B是示出使姿势误差方向相对于图5A改变了90deg的工件和目标对象物的俯视图。

图5C是示出使姿势误差方向相对于图5A改变了180deg的工件和目标对象物的俯视图。

图5D是示出使姿势误差方向相对于图5A改变了270deg的工件和目标对象物的俯视图。

图6是示出自动调整力控制参数时的工件与目标对象物之间的位置误差的侧视图。

图7是示出进行面对准作业的机器人系统的示意图。

图8是示出进行搜索作业的机器人系统的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图来详细地说明本公开的实施方式。图1是示出进行嵌合作业的机器人系统1的示意图。机器人系统1具有机器人2、用于控制机器人2的机器人控制装置3、以及用于操作员经由机器人控制装置3来手动操作机器人2的示教操作板4。

机器人2是具有多个机器人臂21的垂直多关节机器人。多个机器人臂21通过多个驱动轴分别以能够旋转的方式连结。驱动轴通过由机器人控制装置3控制的致动器24(参照图2)分别被进行旋转驱动，该致动器24由伺服马达等构成。在机器人臂21的前端设置手22和力检测器23。

手22通过由机器人控制装置3进行驱动控制来把持工件。在嵌合作业中，工件具有由手22把持的工件W1和作业台100上的工件W2。工件W1例如具有圆柱形状。工件W2是通过机器人2的动作来使工件W1嵌合的目标对象物。工件W2具有能够使工件W1嵌合的圆柱状的嵌合孔MH。工件W2以使嵌合孔MH的开口部朝向上方的方式被载置于作业台100上。

力检测器23配置于手22的基部的附近。力检测器23检测手22所把持的工件W1所受到的力和力矩。具体地说，力检测器23由力觉传感器构成。更具体地说，力检测器23能够使用6轴传感器，该6轴传感器能够检测X、Y、Z轴方向的平移力以及绕这些轴的力矩。力检测器23的检测值被输出到机器人控制装置3的控制部31。

如图2所示，机器人控制装置3构成为包括控制部31、臂驱动部32、参数自动调整部33以及存储部34。该机器人控制装置3除了包括一般的作为用于机器人2的动作控制的控制装置的功能以外，还包括作为用于自动调整力控制参数的控制装置的功能。在本说明书中，说明机器人控制装置3中的用于自动调整力控制参数的功能，省略一般的用于控制机器人2的动作的功能的详细内容。

控制部31是对臂驱动部32输出基于规定的作业的移动指令来控制机器人2的动作的控制装置。控制部31一边基于存储于存储部34的规定的力控制参数和力检测器23的检测值进行机器人臂21的力控制以修正手22所把持的工件W1的位置误差和姿势误差，一边使工件W1相对于工件W2移动。

臂驱动部32基于来自控制部31的移动指令，来对机器人2的各驱动轴的致动器24施加用于驱动的电流。由此，机器人2的各机器人臂21被驱动，机器人2改变各种姿势。如图2所示，机器人2具有用于检测致动器24的转矩的转矩传感器25。转矩传感器25向力检测器23输出致动器24的转矩的检测值。在图2中仅示出了1个致动器24和1个转矩传感器25。但是，在机器人2的多个驱动轴分别设置致动器24和转矩传感器25的组合。

参数自动调整部33经由控制部31对机器人2的动作进行控制，来自动调整力控制参数。力控制参数包含表示机器人2的力控制的响应性的力控制增益、速度指令值以及力指令值等。自动调整后的力控制参数覆盖存储于存储部34的力控制参数(初始参数)。由参数自动调整部33进行的力控制参数的具体的调整动作的详细内容在后面记述。

示教操作板4与机器人控制装置3的控制部31连接。示教操作板4通过操作员的手动操作来指示执行机器人2的动作程序的再现、通过点动(jog)操作进行的机器人2的示教、力控制参数的自动调整等各种动作。在图2中，示教操作板4通过有线来与控制部31连接，但是也可以通过无线进行连接。

接着，基于图3所示的流程图、图4和图5A～图5D来进一步说明由机器人控制装置3的参数自动调整部33进行的力控制参数的自动调整作业。下面示出的由参数自动调整部33进行的力控制参数的自动调整作业例如是在机器人系统1初始启动时、工件的种类被变更时、以及机器人臂21的前端的手22被更换为具有其它构造的手时通过来自操作员的经由示教操作板4的指示来执行的。

首先，控制部31按照由参数自动调整部33进行的规定的参数自动调整流程来多次执行使手22所把持的工件W1相对于作为目标对象物的工件W2移动来将工件W1向工件W2的嵌合孔MH中嵌合的动作。具体地说，参数自动调整部33在通过操作员手动操作示教操作板4来使机器人2动作时，从存储部34读出力控制参数的初始参数。控制部31基于该初始参数，经由控制部31向臂驱动部32输出移动指令，来执行使机器人2以将由手22把持的工件W1向工件W2的嵌合孔MH中嵌合的方式进行动作的第一次嵌合动作(步骤S1)。

图4是示出手22所把持的工件W1通过基于初始参数对机器人2的力控制而即将嵌合到工件W2的嵌合孔MH中的状态的侧视图。图5A是该状态的俯视图。如图4和图5A所示，在基于初始参数对机器人2进行力控制时，机器人2表现出将工件W1相对于嵌合孔MH倾斜地配置的姿势。具体地说，工件W1的轴线W1a相对于工件W2的嵌合孔MH的轴线W2a绕Y轴向-X轴方向(图4和图5A的左方向)倾斜了角度E1。

为了使工件W1适当地嵌合到嵌合孔MH中，机器人2需要表现出使工件W1的轴线W1a与嵌合孔MH的轴线W2a一致的姿势。因此，角度E1表示嵌合开始时的机器人2应修正的姿势误差。该角度E1是为了使工件W1适当地嵌合到嵌合孔MH中所需要的机器人2的姿势的变化量、即姿势误差的修正量(E)。

在此，当将表示嵌合开始时的机器人姿势的旋转矩阵设为TA、将表示嵌合后的机器人姿势的旋转矩阵设为TB时，inv(TB)×TA为表示姿势误差的修正量(E)的旋转矩阵。inv为逆矩阵。参数自动调整部33计算该姿势误差的修正量(E)并存储于存储部34(步骤S2)。

此外，在参数自动调整部33中预先设定了姿势误差的修正量的阈值。在步骤S2中计算出的姿势误差的修正量(E)的绝对值为阈值以下的情况下，参数自动调整部33将姿势误差的修正量(E)设定为预先决定的值。这是由于在没有姿势误差的情况下或者姿势误差过小的情况下有意地赋予姿势误差。预先决定的值例如是阈值。即，将阈值设定为0.5deg，在步骤S2中计算出的姿势误差的修正量为0.5deg以下的情况下，姿势误差的修正量(E)被设定为0.5deg。

接着，控制部31在与执行了第一次嵌合动作时相同的位置，根据与机器人2的姿势误差的修正量(E)相同的绝对值改变姿势误差方向后，执行第二次嵌合动作(步骤S3)。

在该步骤S3中，参数自动调整部33根据TB×T(90)×inv(TB)×TA的旋转矩阵所表示的姿势来执行嵌合。T(90)是相对于第一次嵌合动作绕嵌合方向(绕嵌合孔MH的轴线W2a)旋转90deg的矩阵。由此，如图5B所示，机器人2从工件W1的轴线W1a相对于工件W2的嵌合孔MH的轴线W2a绕X轴向+Y轴方向(图5B的下方向)倾斜了角度E1的位置进行嵌合。

接着，控制部31在与执行了第二次嵌合动作时相同的位置，根据与机器人2的姿势误差的修正量(E)相同的绝对值再次改变姿势误差方向后，执行第三次嵌合动作(步骤S4)。

在该步骤S4中，参数自动调整部33根据TB×T(180)×inv(TB)×TA的旋转矩阵所表示的姿势来执行嵌合。T(180)是相对于第一次嵌合动作绕嵌合方向(绕嵌合孔MH的轴线W2a)旋转180deg的矩阵。由此，如图5C所示，机器人2从工件W1的轴线W1a相对于工件W2的嵌合孔MH的轴线W2a绕Y轴向+X轴方向(图5C的右方向)倾斜了角度E1的位置进行嵌合。

接着，控制部31在与执行了第三次嵌合动作时相同的位置，根据与机器人2的姿势误差的修正量(E)相同的绝对值再次改变姿势误差方向后，执行第四次嵌合动作(步骤S5)。

在该步骤S5中，参数自动调整部33根据TB×T(270)×inv(TB)×TA的旋转矩阵所表示的姿势来执行嵌合。T(270)是相对于第一次嵌合动作绕嵌合方向(绕嵌合孔MH的轴线W2a)旋转270deg的矩阵。由此，如图5D所示，机器人2从工件W1的轴线W1a相对于工件W2的嵌合孔MH的轴线W2a绕X轴向-Y轴方向(图5D的上方向)倾斜了角度E1的位置进行嵌合。

在第一次嵌合动作到第四次嵌合动作的各嵌合动作中，参数自动调整部33经由控制部31来记录从力检测器23输出的检测值。参数自动调整部33在4个方向(4个姿势)的嵌合动作结束后，根据各嵌合动作时的力检测器23的检测值求出振动量，选出该检测值的数据波动最大的方向(姿势)(步骤S6)。

作为求出振动量的方法，例如有对力检测器23的检测值进行傅里叶变换并基于其结果求出特定的频率的振幅的方法。另外，也可以通过求出力检测器23的检测值的变化量的最大值或者平均值来求出振动量。

参数自动调整部33在步骤S6中选出力检测器23的检测值的数据波动最大的方向(姿势)后，求出仅利用该方向(姿势)的姿势误差调整得到的力控制参数1～N(步骤S7)，并变更各力控制参数以使性能提高(步骤S8)。N为力控制参数的种类的数量。力控制参数的种类为力控制增益、速度指令值、力指令值等。力控制参数的调整既可以按每个种类对这些参数进行，也可以同时对多个种类的参数进行。

像这样在步骤S8中变更了力控制参数后，控制部31根据在4个方向(4个姿势)的嵌合动作中波动最大的方向(姿势)的姿势误差，再次以使工件W1嵌合到工件W2的嵌合孔MH中的方式使机器人2动作(步骤S9)。

当为了使力控制的性能提高而过度变更力控制参数时，容易导致振动变大等机器人2的不稳定化。例如，当提高力控制增益时，对于所产生的力的响应变快，因此嵌合时的姿势误差的修正变快，嵌合所需要的时间变短。与之相反，当过度提高力控制增益时，有时会使噪声放大而使机器人2发生振荡。因此，参数自动调整部33在步骤S9中执行了嵌合动作后，通过上述的方法根据力检测器23的检测值来求出振动量，判断机器人2是否发生了振荡(步骤S10)。此外，机器人2是否发生了振荡能够通过振动量与前一次的参数自动调整时的振动量相比变大、或者超过预先设定的振动量的阈值等来判断。

在步骤S10中，在判断为机器人2没有发生振荡的情况下(步骤S10：“否”)，参数自动调整部33返回到从步骤S8起的处理。即，参数自动调整部33变更力控制参数以使力控制参数的性能进一步提高，之后，根据波动最大的姿势误差再次执行嵌合动作。之后，在步骤S10中，再次判断机器人2是否发生了振荡。重复进行步骤S8和步骤S9的处理直到在步骤S10中判断为机器人2发生了振荡为止。

另一方面，在步骤S10中，在判断为机器人2发生了振荡的情况下(步骤S10：“是”)，参数自动调整部33使变更后的力控制参数返回到前一个值(步骤S11)。

由此，力控制参数被设定为机器人2不发生振荡的界限的值。参数自动调整部33在将所设定的力控制参数输出到存储部34并覆盖保存后，结束力控制参数的自动调整作业。

在如机器人2那样的垂直多关节机器人的情况下，振动的情况根据动作方向而变化。另外，根据设置于机器人臂21的前端的手22的形状，有时存在容易发生振动的动作。当机器人2振动时，力控制的性能变化。但是，如上所述，在该机器人系统1中，参数自动调整部33通过从多个姿势误差方向执行工件W1的移动来自动调整力控制参数。参数自动调整部33以多个姿势误差方向中的波动最大的姿势误差的条件进行力控制参数的调整。由此，机器人2基于能够在最严重的姿势误差的条件下稳定地进行嵌合动作的力控制参数来进行嵌合动作，因此，在条件不严重的其它姿势误差的条件下也能够稳定地执行嵌合动作。因而，根据该机器人系统1和机器人控制装置3，能够在生产时的力控制中自动调整得到不会引起机器人2的振荡、嵌合作业失败的最佳的力控制参数。

机器人臂21具有：致动器24，其用于驱动机器人臂21；以及转矩传感器25，其用于检测致动器24的转矩，力检测器23基于转矩传感器25的检测值来检测工件W1所受到的力和力矩。因此，能够根据致动器24的转矩容易地检测工件W1受到的力和力矩。

另外，力检测器23也可以基于对致动器24施加的电流值来检测工件W1所受到的力和力矩。由此，也可以不必设置转矩传感器25，因此，能够使机器人2的结构简单化。

在上面的实施方式中，参数自动调整部33通过从多个姿势误差方向执行工件W1的移动来自动调整力控制参数。但是，参数自动调整部33也可以如图6所示那样通过从多个位置误差方向和姿势误差方向这两方执行工件W1的移动来自动调整力控制参数。在图6所示的情况下，在基于初始参数对机器人2进行了力控制时，机器人2表现出将工件W1相对于嵌合孔MH倾斜地配置的姿势，并且从嵌合孔MH的中心略向侧方偏移。具体地说，工件W1的轴线W1a相对于工件W2的嵌合孔MH的轴线W2a绕Y轴向-X轴方向(图6的左方向)倾斜了角度E1，并且工件W1相对于嵌合孔MH的轴线W2a向-X轴方向偏移了距离E2。

在上面的实施方式中，说明了由机器人2进行的工件W1相对于工件W2的移动动作是使工件W1嵌合到工件W2具有的嵌合孔MH中的嵌合动作的情况。但是，由机器人2进行的工件W1相对于工件W2的移动动作也可以是如图7所示的机器人系统1A那样将由手22把持的工件W1相对于工件W2的平面SF进行面对准的面对准动作。并且，由机器人2进行的工件W1相对于工件W2的移动动作也可以是如图8所示的机器人系统1B那样使工件W1以与工件W2具有的卡合孔EH的形状、相位一致的方式进行搜索的搜索动作。

在上面的实施方式中，从每次变更了90deg的4个方向(4个姿势)执行了在自动调整力控制参数时工件W1相对于工件W2的移动。但是，变更的方向(姿势)不限于4个，只要是2个以上的方向(姿势)即可。另外，变更的角度也不限于90deg。

在上面的实施方式中，进行力控制参数的自动调整的参数自动调整部33为了控制机器人2的动作而被设置于与机器人2电连接的机器人控制装置3。但是，机器人控制装置3的参数自动调整部33的功能或者全部功能也可以通过PC(个人计算机)和平板终端等外部终端来实现。

附图标记说明

1、1A、1B：机器人系统；2：机器人；21：机器人臂；22：手；23：力检测器；24：致动器；25：转矩传感器；3：机器人控制装置；31：控制部；33：参数自动调整部；W1：工件；W2：工件(目标对象物)；MH：嵌合孔；SF：平面；EH：卡合孔。

Claims

1.一种机器人系统，具备：

机器人臂，在所述机器人臂的前端具有把持工件的手；

力检测器，其检测所述手把持的所述工件所受到的力和力矩；以及

控制装置，其一边基于规定的力控制参数和所述力检测器的检测值进行所述机器人臂的力控制以修正所述工件的位置误差和姿势误差，一边使所述手把持的所述工件相对于目标对象物移动，

其中，所述控制装置具有参数自动调整部，该参数自动调整部通过多次执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，来自动调整所述力控制参数，

所述参数自动调整部通过从多个位置误差方向和多个姿势误差方向中的至少所述多个姿势误差方向执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，来自动调整所述力控制参数。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，

所述参数自动调整部从多个位置误差方向和多个姿势误差方向中的至少所述多个姿势误差方向执行所述工件相对于所述目标对象物的移动，根据至少所述多个姿势误差方向中的所述力检测器的检测值波动最大的方向的条件来自动调整所述力控制参数。

3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中，

所述工件相对于所述目标对象物的移动动作是嵌合动作、面对准动作以及搜索动作中的任一种动作，所述嵌合动作是使所述工件嵌合到所述目标对象物具有的嵌合孔中的动作，所述面对准动作是使所述工件相对于所述目标对象物的平面进行面对准的动作，所述搜索动作是使所述工件以与所述目标对象物具有的卡合孔的形状一致的方式进行搜索的动作。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的机器人系统，其中，

所述力检测器为力觉传感器。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的机器人系统，其中，

所述机器人臂具有用于驱动所述机器人臂的致动器以及用于检测所述致动器的转矩的转矩传感器，

所述力检测器基于所述转矩传感器的检测值来检测所述工件所受到的力和力矩。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的机器人系统，其中，

所述机器人臂具有用于驱动所述机器人臂的致动器，

所述力检测器基于对所述致动器施加的电流值来检测所述工件所受到的力和力矩。

7.一种机器人控制装置，对在前端具有把持工件的手的机器人臂的动作进行控制来使所述工件朝向目标对象物移动，基于规定的力控制参数和力检测器的检测值来进行所述机器人臂的力控制，以修正所述工件相对于所述目标对象物的位置误差和姿势误差，所述力检测器检测所述手把持的所述工件所受到的力和力矩，在所述机器人控制装置中，

具有参数自动调整部，该参数自动调整部通过多次执行所述工件相对于所述对象物的移动，来自动调整所述力控制参数，

8.根据权利要求7所述的机器人控制装置，其中，

9.根据权利要求7或8所述的机器人控制装置，其中，

所述工件相对于所述目标对象物的移动动作是嵌合动作、面对准动作以及搜索动作中的任一种动作，所述嵌合动作是使所述工件嵌合到所述目标对象物具有的孔中的动作，所述面对准动作是使所述工件相对于所述目标对象物的平面进行面对准的动作，所述搜索动作是使所述工件以与所述目标对象物具有的卡合孔的形状一致的方式进行搜索的动作。