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CN106003019A - 机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法 - Google Patents

机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法 Download PDF

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CN106003019A
CN106003019A CN201610172949.9A CN201610172949A CN106003019A CN 106003019 A CN106003019 A CN 106003019A CN 201610172949 A CN201610172949 A CN 201610172949A CN 106003019 A CN106003019 A CN 106003019A
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CN
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control
robot
unit
magnitude
driving
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Application number
CN201610172949.9A
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元吉正树
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Abstract

本发明提供一种机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法。为了使驱动部的控制稳定化，本发明的机器人控制装置具备：控制部，其获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和作用于上述机器人的力亦即作用力，并进行基于上述驱动位置的上述驱动部的第一控制和基于上述作用力的上述驱动部的第二控制；以及变更部，其对通过上述控制部的控制来实现的上述机器人的伺服刚性的大小进行变更。

Description

机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法。
背景技术
已知有进行位置控制以使工件沿着动作路径移动，并且进行力控制以使由力传感器检测的工具相对于工件的的按压力成为设定值的技术(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平6-170763号公报
然而，在进行以位置控制或速度控制为基础的力控制的情况下，存在根据工具的状态敏感地控制马达等驱动部，而工具的状态变得不稳定的问题。例如，存在会进行工具的位置振荡这样的控制的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而创造的，其目的之一在于提供能够使驱动部的控制稳定化的技术。
为了实现上述目的机器人控制装置具备：控制部，其获取由驱动部驱动的机器人的驱动位置和作用于机器人的力亦即作用力，并进行基于机器人的驱动位置的驱动部的第一控制和基于作用力的驱动部的第二控制；以及变更部，其对通过控制部的控制来实现的机器人的伺服刚性的大小进行变更。
在以上的结构中，能够在进行基于机器人的驱动位置的驱动部的第一控制和基于作用力的驱动部的第二控制时，对通过控制部的控制来实现的机器人的伺服刚性的大小进行变更。在对第一控制和第二控制进行组合时，通过变更伺服刚性的大小，能够抑制敏感地控制驱动部，并使驱动部的控制稳定化。
应予说明，技术方案所记载的各单元的功能通过由结构本身确定功能的硬件资源、通过程序确定功能的硬件资源、或者它们的组合来实现。另外，这些各单元的功能并不限于通过各自在物理上相互独立的硬件资源来实现。
附图说明
图1是机器人系统的示意图。
图2是机器人系统的框图。
图3A～3D是伺服增益的图表。
图4是表示GUI的图。
具体实施方式
以下，按照以下的顺序参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在各图中对对应的构成部件标注相同的附图标记，省略重复的说明。
(1)第一实施方式：
(2)其它实施方式：
(1)第一实施方式：
作为本发明的第一实施例的机器人系统如图1所示，具备机器人1、末端执行器2、以及控制终端3(控制器)。控制终端3构成本发明的机器人控制装置。控制终端3可以是专用的计算机，也可以是安装有用于机器人1的程序的通用的计算机。
机器人1是具备一个臂A的单臂机器人，臂A具备6个关节J1、J2、J3、J4、J5、J6。通过关节J1、J2、J3、J4、J5、J6连结6个臂部件A1～A6。关节J2、J3、J5是弯曲关节，关节J1、J4、J6是扭转关节。在前端的关节J6安装用于对工件进行把持、加工等的末端执行器2。将关节J6的旋转轴上的规定位置表示为工具中心点(TCP)。TCP的位置成为各种末端执行器2的位置的基准。另外，关节J6具备力传感器FS。力传感器FS检测相互正交的三个检测轴上的力的大小、以及围绕这三个检测轴的扭矩的大小。
在图1中，把持工件W的末端执行器2安装于关节J6的前端。将规定设置有机器人1的空间的坐标系表示为机器人坐标系。机器人坐标系是由在水平面上相互正交的X轴和Y轴、以及将铅垂向上作为正方向的Z轴规定的三维的正交坐标系。而且用RX表示围绕X轴的旋转角，用RY表示围绕Y轴的旋转角，用RZ表示围绕Z轴的旋转角。能够通过X、Y、Z方向的位置来表示三维空间中的任意的位置，能够通过RX、RY、RZ方向的旋转角来表示三维空间中的任意的姿势(旋转方向)。以下，在记作位置的情况下，也可以指姿势。另外，在记作力的情况下，也可以指扭矩。控制终端3通过驱动臂A，在机器人坐标系中控制TCP的位置。
图2是机器人系统的框图。在控制终端3安装有用于进行机器人1的控制的控制程序。控制终端3具备处理器、RAM、ROM，这些硬件资源与控制程序进行协作。由此，如图2所示，控制终端3作为功能结构具备控制部31、变更部32以及变更指示受理部33。虽然未图示，但控制终端3具备受理来自用户的指示的输入装置(鼠标、键盘、触摸面板等)、以及对用户输出各种信息的输出装置(显示器、扬声器等)。
控制部31控制臂A以便例如根据TCP来实现通过用户的示教而设定的目标位置和目标力。所谓的目标力是力传感器FS应检测出的力。S的文字表示规定机器人坐标系的轴的方向(X、Y、Z、RX、RY、RZ)中的任意一个方向。例如，在S＝X的情况下，将通过机器人坐标系设定的目标位置的X方向分量记作St＝Xt，将目标力的X方向分量记作fSt＝fXt。另外，S也表示S方向的位置。
机器人1除了图1中图示出的结构以外，还具备作为驱动部的马达M1～M6、以及编码器E1～E6。马达M1～M6和编码器E1～E6分别与关节J1～J6对应地设置，编码器E1～E6检测马达M1～M6的驱动位置。所谓的控制臂A意味着控制马达M1～M6。控制部31能够与机器人1通信。控制部31存储有马达M1～M6的驱动位置的组合与机器人坐标系中的TCP的位置的对应关系U。另外，控制部31按照每个机器人1所进行的作业的工序存储有目标位置St和目标力fSt。
对于某个工序存储有目标位置St和目标力fSt双方，在其它的工序中仅存储有目标位置St。例如，在嵌合作业中的将工件W嵌合至嵌合孔的工序中，设定工件W嵌合到嵌合孔的最深部时的TCP的位置亦即目标位置St、以及与能够使工件W可靠地嵌合在嵌合孔的最深部的力对应的目标力fSt双方。另一方面，在嵌合作业中的仅使工件W在空中移动到所希望的位置的工序中，设定工件处于所希望的位置时的TCP的位置亦即目标位置St，不设定目标力fSt。分别考虑各工序的迁移条件。迁移条件例如可以是TCP接近目标位置St规定基准以上，也可以是力传感器FS检测出接近目标力fSt规定基准以上的力，也可以是从工序的开始起经过规定期间。
若控制部31获取马达M1～M6的驱动位置Da，则基于对应关系U，将该驱动位置Da转换为机器人坐标系中的TCP的位置S(X、Y、Z、RX、RY、RZ)。控制部31基于TCP的位置S和力传感器FS的检测值，在机器人坐标系中确定现实作用于力传感器FS的作用力f。此外，力传感器FS在自己的坐标系中检测检测值，但由于作为已知的数据存储有力传感器FS与TCP的相对位置/方向，所以控制部31能够在机器人坐标系中确定作用力f。控制部31对作用力f进行重力补偿。所谓的重力补偿是从作用力f中除去重力分量。另外，进行了重力补偿后的作用力f能够视为作用于工件的重力以外的力。
在设定了目标位置St与目标力fSt双方的工序中，控制部31通过将目标力fSt和作用力f代入阻抗控制的运动方程式，来确定力产生修正量ΔS。(1)式是阻抗控制的运动方程式。
[式1]
m Δ S ·· ( t ) + d Δ S · ( t ) + k Δ S ( t ) = Δf S ( t ) ... ( 1 )
(1)式的左边由TCP的位置S的2阶微分值乘以惯性系数m而得第一项、TCP的位置S的微分值乘以粘性系数d而得的第二项、以及TCP的位置S乘以弹性系数k而得的第三项构成。(1)式的右边由从目标力fSt中减去了现实的力f的力偏差ΔfS(t)构成。所谓的(1)式中的微分意味着时间的微分。在机器人1所进行的工序中，也有作为目标力fSt设定恒定值的情况，也有作为目标力fSt设定通过依赖于时间的函数而导出的值的情况。
所谓的阻抗控制是通过马达M1～M6来实现虚拟的机械阻抗的控制。惯性系数m意味着TCP虚拟地具有的质量，粘性系数d意味着TCP虚拟地受到的粘性阻力，弹性系数k意味着TCP虚拟地受到的弹力的弹簧常数。各系数m、d、k可以按照每个方向设定为不同的值，也可以不管方向如何都设定为共用的值。所谓的力产生修正量ΔS意味着在TCP受到了机械阻抗的情况下，为了消除与目标力fSt的力偏差ΔfS(t)，TCP应移动的位置S的大小。控制部31通过对目标位置St加上力产生修正量ΔS，来确定考虑了由阻抗控制产生的分量的修正目标位置(St+ΔS)。
而且，控制部31基于对应关系U，将规定机器人坐标系的各轴的方向的修正目标位置(St+ΔS)转换为各马达M1～M6的目标的驱动位置亦即目标驱动位置Dt。而且，控制部31通过从目标驱动位置Dt中减去马达M1～M6的现实的驱动位置Da，来计算驱动位置偏差De(＝Dt-Da)。而且，控制终端3通过对驱动位置偏差De乘以位置控制增益Kp而得的值、和其与作为现实的驱动位置Da的时间微分值的驱动速度之差亦即驱动速度偏差乘以速度控制增益Kv而得的值相加，来确定控制量Dc。此外，位置控制增益Kp以及速度控制增益Kv不只是比例分量也可以包含对微分分量、积分分量设置的控制增益。虽然未图示，但对马达M1～M6的每一个确定控制量Dc。控制部31将基于如以上那样确定出的控制量Dc的驱动信号输出至马达M1～M6。通过以上说明的结构，在设定了目标位置St和目标力fSt双方的工序中，控制部31能够实现并行地进行基于现实的驱动位置Da的第一控制和基于作用力f的第二控制的并行控制。此外，在没有目标位置St的时间上的变化的情况下，也由于设定维持相同的位置的目标位置，并且设定有目标力fSt，所以能够视为并行控制。
在设定有目标位置St，且未设定目标力fSt的工序中，控制部31不基于阻抗控制的(1)式来计算力产生修正量ΔS。即、控制部31将力产生修正量ΔS视为0。其结果，控制部31将目标位置St本身确定为修正目标位置(St+0)。在未设定有目标力fSt的工序中，由于目标位置St本身为修正目标位置(St+ΔS)，所以能够实现进行基于现实的驱动位置Da的第一控制，但不进行基于作用力f的第二控制的单独控制。
变更部32对通过控制部31的控制来实现的机器人1的臂A的伺服刚性的大小进行变更。具体地说，变更部32在控制部31并行地进行第一控制和第二控制的并行控制中，与进行第一控制但不进行第二控制的单独控制相比，减小伺服刚性的大小。为了变更该伺服刚性的大小，变更部32对控制部31的控制中的位置控制增益Kp和速度控制增益Kv中的至少一方进行变更。在本实施方式中，变更部32对位置控制增益Kp和速度控制增益Kv双方进行变更。
图3A～图3D是表示位置控制增益Kp的推移的图表。该图的横轴表示时刻，纵轴表示位置控制增益Kp。在图3A～图3D中，基本上，变更部32在进行单独控制的期间将位置控制增益Kp设定为通常值，在进行并行控制的期间将位置控制增益Kp设定为比通常值小的抑制值。其中，变更部32在从切换并行控制和单独控制的时刻T开始规定期间L以内逐渐变更伺服刚性的大小。规定期间L的长度也可以由用户来指示。
如图3A所示，变更部32也可以在进行单独控制的期间内，并且从切换并行控制和单独控制的时刻T开始规定期间L以内逐渐变更伺服刚性的大小。另外，如图3B所示，变更部32也可以在进行并行控制的期间内，并且从切换并行控制和单独控制的时刻T开始规定期间L以内逐渐变更伺服刚性的大小。即、变更部32在规定期间L，设定通常值与抑制值之间的大小的位置控制增益Kp。在规定期间L，位置控制增益Kp优选基于连续函数来设定，但也可以基于不连续函数来设定。另外，在规定期间L，位置控制增益Kp可以基于线性函数来设定，也可以基于非线性函数来设定。在本实施方式中，速度控制增益Kv也以与位置控制增益Kp相同的方式推移。
另外，如图3C所示，也可以在开始并行控制的情况下在紧前的单独控制的期间内逐渐变更伺服刚性的大小，并在结束并行控制的情况下在该并行控制的期间内逐渐变更伺服刚性的大小。并且，如图3D所示，也可以在开始了并行控制的情况下在该并行控制的期间内逐渐变更伺服刚性的大小，在结束了并行控制的情况下在紧后的单独控制的期间内逐渐变更伺服刚性的大小。
如以上说明的那样，通过在对第一控制和第二控制进行组合时，变更伺服刚性的大小，从而能够抑制敏感地控制马达M1～M6，并使马达M1～M6的控制稳定化。由于变更部32在并行控制中，比单独控制，减小伺服刚性的大小，所以在能够对由第一控制产生的控制量和由第二控制产生的控制量进行组合来控制马达M1～M6的状态下，通过减小伺服刚性的大小，能够使马达M1～M6的控制稳定化。并且，由于变更部32逐渐变更伺服刚性的大小，所以能够抑制马达M1～M6的控制量Dc急剧地变化，并能够使马达M1～M6的控制稳定化。
并且，如图3A所示，变更部32通过在进行单独控制的期间内的规定期间L以内变更伺服刚性的大小，而能够在进行并行控制的期间将位置控制增益Kp维持在较小的抑制值(恒定值)，能够使并行控制中的马达M1～M6的控制稳定化。另一方面，如图3B所示，变更部32通过在进行并行控制的期间内的规定期间L以内变更伺服刚性的大小，能够在进行单独控制的期间将位置控制增益Kp维持在较大的通常值(恒定值)，能够可靠地使TCP向目标位置St移动。
在本实施方式中，变更部32根据用户的指示，切换是否变更伺服刚性的大小。具体而言，变更指示受理部33通过在显示器显示GUI(Graphic User Interface：图形用户界面)，来受理用户的指示。
图4是表示GUI的图。在GUI中，对多个关节J1～J6(马达M1～M6)的每一个设置有在并行控制时能够指示是否减小伺服刚性的复选框CH和确定按钮B。变更指示受理部33通过输入装置受理针对GUI的用户的操作。若操作确定按钮B，则变更部32基于对复选框CH进行的操作，对多个马达M1～M6的每一个变更机器人1的臂A的伺服刚性的大小。对于在复选框CH中打钩的关节J1～J6的马达M1～M6，变更部32以图3A～3D的任意一个所示的方式变更伺服刚性。变更部32对于在复选框CH中未打钩的关节J1～J6的马达M1～M6，变更部32将伺服刚性维持在通常值。
如上所述，通过根据用户的指示，切换是否变更伺服刚性的大小，能够满足与控制的稳定性相比想要重视控制的精度等要求。此外，也可以按照机器人1所进行的作业的每个工序来指示是否变更伺服刚性的大小，也可以按照单一的工序内的每个期间来进行指示。另外，由于对于多个马达M1～M6的每一个来变更机器人1的臂A的伺服刚性的大小，所以能够对多个关节J1～J6的每一个灵活地指示重视控制的稳定性和控制的精度的哪一个。此外，也可以按照TCP的每个移动方向来指示是否变更伺服刚性的大小。例如，也可以为允许机器人坐标系中的Z方向的伺服刚性的变更，不允许机器人坐标系中的X、Y方向的伺服刚性的变更。
(2)其它实施方式
在这里，有根据机器人1所进行的作业内容，应重视控制的稳定性和控制的精度的哪一个不同的情况。因此，变更部32也可以根据作业内容，切换是否变更伺服刚性的大小。例如，变更部32在机器人1进行决定加工对象制品的完成品形状的作业的情况下，也可以不变更伺服刚性的大小。作为决定加工对象制品的完成品形状的作业，举出切削作业、冲压作业、研磨作业、刻印作业等。由于作业内容依赖于末端执行器2的种类的情况较多，所以变更部32也可以根据安装于机器人1的末端执行器2的种类来切换是否变更伺服刚性的大小。
变更部32可以变更位置控制增益Kp和速度控制增益Kv中的至少一方，也可以仅变更位置控制增益Kp和速度控制增益Kv的任意一方。当然，控制部31也不是必须进行使用了位置控制增益Kp和速度控制增益Kv双方的控制，也可以进行仅使用了速度控制增益Kv的控制。在该情况下，变更部32变更速度控制增益Kv即可。另外，控制部31也可以进行PID(Proportional-Integral-Derivative：比例-积分-微分)控制，变更部32也可以变更积分增益。并且，变更部32也可以不对比例分量、微分分量以及积分分量的每一个变更增益，也可以通过对合计比例分量、微分分量以及积分分量而得的控制量Dc乘以与伺服刚性相应的比率，实质上均匀地变更各分量的增益。
变更部32不是必须以2个阶段来变更伺服刚性，也可以以成为多个阶段的抑制值的方式来变更位置控制增益Kp、速度控制增益Kv。另外，基于作用力f的第二控制也不一定是全部使用了弹性系数k、惯性系数m以及粘性系数d的阻抗控制。另外，变更部32也不是必须对多个马达M1～M6的每一个来变更机器人1的臂A的伺服刚性的大小，也可以对多个马达M1～M6以一样的方式变更伺服刚性的大小。另外，变更指示受理部33也可以对多个马达M1～M6中的一部分不受理是否变更伺服刚性的大小的指示，而仅对其他部分受理是否变更伺服刚性的大小的指示。
附图标记说明
1…机器人，2…拍摄单元，2…末端执行器，3…控制终端，31…控制部，32…变更部，33…变更指示受理部，A…臂，B…确定按钮，CH…复选框，Da…驱动位置，Dc…控制量，De…驱动位置偏差，Dt…目标驱动位置，E1～E6…编码器，f…作用力，FS…力传感器，fSt…目标力，J1～J6…关节，Kp…位置控制增益，Kv…速度控制增益，m…惯性系数，d…粘性系数，k…弹性系数，M1～M6…马达，St…目标位置，T…时刻，U…对应关系，W…工件，ΔfS…力偏差，ΔS…力产生修正量。

Claims (11)

1.一种机器人控制装置，其特征在于，具备：
控制部，其获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和作用于上述机器人的力亦即作用力，并进行基于上述驱动位置的上述驱动部的第一控制和基于上述作用力的上述驱动部的第二控制；以及
变更部，其对通过上述控制部的控制来实现的上述机器人的伺服刚性的大小进行变更。
2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部逐渐变更上述伺服刚性的大小。
3.根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部在上述控制部并行地进行上述第一控制和上述第二控制的并行控制中，与进行上述第一控制和上述第二控制中的一方而不进行另一方的单独控制相比，减小上述伺服刚性的大小。
4.根据权利要求3所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述单独控制是进行上述第一控制，但不进行上述第二控制的控制。
5.根据权利要求3所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部在上述控制部进行上述并行控制的期间内，并且在从切换上述并行控制和上述单独控制的时刻开始规定期间以内，逐渐变更上述伺服刚性的大小。
6.根据权利要求3所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部在上述控制部进行上述单独控制的期间内，并且在从切换上述并行控制和上述单独控制的时刻开始规定期间以内，逐渐变更上述伺服刚性的大小。
7.根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部变更上述控制部的控制中的位置控制增益和速度控制增益中的至少一方。
8.根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其中，
上述变更部根据作业内容或者用户的指示，来切换是否变更上述伺服刚性的大小。
9.根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其特征在于，
上述变更部对多个上述驱动部的每一个变更上述机器人的上述伺服刚性的大小。
10.一种机器人系统，其特征在于，具备：
驱动部，其驱动机器人；
力检测器，其检测作用于上述机器人的力亦即作用力；
控制部，其进行基于上述驱动部的驱动位置的上述驱动部的第一控制和基于上述作用力的上述驱动部的第二控制；以及
变更部，其对通过上述控制部的控制来实现的上述机器人的伺服刚性的大小进行变更。
11.一种机器人控制方法，其特征在于，包含：
控制工序，控制部获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和作用于上述机器人的力亦即作用力，并进行基于上述驱动位置的上述驱动部的第一控制和基于上述作用力的上述驱动部的第二控制；以及
变更工序，变更部对通过上述控制部的控制来实现的上述机器人的伺服刚性的大小进行变更。
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