专利名称：阻抗控制参数调节装置和调节方法
技术领域：
本发明涉及基于设在产业用机器人的末端执行器上的力传感器的信息的阻抗控 制的参数调节装置和参数调节方法。阻抗控制是这样的位置和力的控制方法用于将在从外部向机器人的手指尖施加 力的情况下产生的机械阻抗(惯性、衰减系数、刚性)设定为适合于目标作业的值。
背景技术：
广泛公知有这样的技术，S卩，在使用产业用机器人执行嵌合等接触作业的情况下， 在机器人机械手的末端执行器或手腕部设置力传感器，构成利用力传感器信息的力控制。 作为具体的力控制方法，例如容易利用阻抗控制。阻抗控制构成反馈控制，使得外力作用于末端执行器时的位置响应根据期望的惯 性、粘性、刚性特性进行动作。可在嵌合作业时避免工件(workpiece 加工件)之间接触时 的力而吸收位置误差。不过，当惯性、粘性、刚性的参数不适当时，具有作业执行极端花费时 间的情况。此外，有时在接触时控制系统变得不稳定(振荡)而不能作业。因此，需要适当 调节阻抗控制的参数。作为调节阻抗控制参数的技术，日本特开2001-277162号(专利文献1)公报作了公开。在该公报中，调节作业者(示教者)在使用显示部确认力响应的同时，通过按钮操 作调节重量(重^轻)和硬度(硬<z>软)的举动指定参数，根据该举动指定参数，通过模 糊推理调节阻抗参数。在专利文献1中，在目视确认力响应的同时，通过按钮操作调节参数。在专利文献 1中，采用这样的作法利用2个举动指定参数，通过模糊推理调节3个阻抗参数。然而，模 糊推理用于对个人的主观判断进行统计处理，而不是用于消除个人差异。因此，具有调节结 果或调节时间取决于个人技能的问题。由于调节结果取决于个人差异，因而难以进行最佳 的参数调节。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种使阻抗控制的多个 参数不取决于个人技能、即使不具有特别的知识也总能调节最佳参数的装置及其调节方法。根据本发明的一个方面，提供一种阻抗控制参数调节装置，该装置调节根据设在 机器人机械手的末端执行器上的力传感器的信息构成的阻抗控制的参数，其中，该阻抗控 制参数调节装置具有参数初始值计算部，其计算在参数调节时设定的惯性参数和粘性参数的初始值；力指令施加部，其通过对阻抗控制接通/断开阶梯状的力指令，将末端执行器所 把持的工件反复按压对象工件；5
评价基准计测部，其在每次按压时记录来自力传感器的力反馈的时间响应，并且 自动计测力反馈的时间响应的整定时间、过冲量和振动次数；容许值设定部，其设定作为可容许过冲量的最大值的过冲量容许值、和作为可容 许整定时间的最大值的整定时间容许值；粘性参数搜索部，其固定惯性参数，执行反复按压，搜索整定时间最小的粘性参 数；结束判断部，其对作为粘性参数搜索部的粘性参数搜索结果而从评价基准计测部 获得的整定时间调节值和过冲量调节值分别与所述过冲量容许值和所述整定时间容许值 进行比较，判断是结束还是继续反复处理；以及惯性参数调节部，其在结束判断部判断为继续处理的情况下，增减惯性参数、或者 缓和过冲量容许值和整定时间容许值中的任一方，之后再执行粘性参数搜索部的处理。根据本发明的另一个方面，提供一种阻抗控制参数调节方法，该方法通过反复测 定力反馈的时间响应来调节根据设在机器人机械手的末端执行器上的力传感器的信息构 成的阻抗控制的参数，该阻抗控制参数调节方法执行以下步骤计算在参数调节时设定的惯性参数和粘性参数的初始值；(a)容许值设定步骤，设定与力反馈的时间响应相关的过冲量容许值(上限)和整 定时间容许值(上限)；(b)粘性参数搜索步骤，固定惯性参数来搜索整定时间最小的粘性参数；(c)结束判断步骤，对根据所述粘性参数搜索步骤的执行结果获得的过冲量调节 值和整定时间调节值分别与所述过冲量容许值和整定时间容许值进行比较，由此判断是结 束还是继续反复处理；以及(d)惯性参数调节步骤，在所述结束判断步骤判断为继续处理的情况下，增减惯性 参数、或者缓和过冲量容许值和整定时间容许值中的任一方，之后再执行粘性参数搜索步骤。 根据本发明，具有能自动调节阻抗控制的多个参数而不取决于个人技能的效果。并且，根据本发明，由于根据力响应的振动次数朝整定时间减少的方向增减粘性 参数，并根据力响应的过冲量朝过冲量减小的方向增减惯性参数，因而具有能调节整定时 间和过冲量最小的最佳阻抗参数的效果。
通过以下的详细说明，结合附图，将更全面地理解本发明及其相关优点，在附图 中图1是本发明的阻抗控制参数调节装置的结构图。图2是本发明的阻抗控制参数调节方法的流程图。图3是本发明的粘性参数搜索处理的流程图。图4是本发明的结束判断处理和惯性参数搜索处理的流程图。图5A示出本发明的力指令施加部输出的力指令的一例。图5B示出力响应的整定时间、过冲量的状况以及本发明的评价基准值的计测原理。
图5C示出力响应的整定时间、过冲量、振动次数的状况以及本发明的评价基准值 的计测原理。图6示出本发明的粘性参数搜索进展的状况。图7是本发明的产业用机器人的结构图。图8示出受到本发明的阻抗控制的产业用机器人的结构图。图9是本发明的阻抗控制的框图。图10是本发明的参数初始值计算部的流程图。
具体实施例方式现在将参照
实施方式，其中类似的参照标号表示各种图中的对应或相同 的部件。以下，参照
本发明的实施方式。首先，说明一般的产业用机器人和阻抗控制的系统结构，之后说明本发明的技术。图7是一般的产业用机器人的结构图。本结构图由机械手、控制器以及可移动式 示教操作盘构成。在图7中，101是机器人，是具有多个关节轴和连杆的机械手。在各关节 轴中内置带有编码器的驱动电动机，该驱动电动机可独立驱动各关节。102是机器人101的 控制器，是用于根据各关节轴驱动电动机的编码器信号构成反馈控制(位置控制系统)、并 对机器人101的运动进行控制的装置。103是可移动式示教操作盘，是用于由示教者手动 (JOG)操作机器人、或者制作、编辑动作程序的接口。可移动式示教操作盘103主要由操作 钮组103a和显示画面10 构成。104是设在机器人101的手腕部的末端执行器。末端执 行器根据应用安装有各种工具。在图9的情况下，安装用于把持部件的手(夹具)。图8示出受到阻抗控制的产业用机器人的结构图。105是安装在机器人101的手 腕上的6轴力传感器。该6轴力传感器可计测CTZ各轴方向的力和绕各轴的力矩。106是 构成在控制器102内部的阻抗控制部，根据来自力传感器105和各轴编码器的信号构成反 馈控制系统。从阻抗控制部106向致动器驱动放大部107输出各驱动电动机的扭矩指令或 电流指令，致动器驱动放大部107根据该扭矩(或电流)指令值向各驱动电动机提供电力。 108是在控制器内部存储利用可移动式示教操作盘生成(示教)的动作程序的动作程序存 储部。109是对存储在动作程序存储部108内的动作程序进行解释/执行，并向阻抗控制部 106提供动作指令的动作程序执行部。IlOa是末端执行器104所把持的工件(例如嵌合部 件)，IlOb是对象工件(例如被嵌合部件)。以嵌合作业为例，可以通过使机器人101处于 阻抗控制状态而适当调节其参数，由此以允许位置姿势误差的方式对部件进行嵌合。图9示出阻抗控制的控制框图。在图9中，106a是位置控制系统，根据各关节轴 的位置指令和当前位置(反馈)将各驱动电动机的扭矩(或电流指令)输出到致动器驱动 放大部107。Fref是力矩指令(力矩目标值)，Ffb是力矩反馈值。θ ref是从动作程序执 行部109发送来的位置指令(关节坐标系)，δ θ是阻抗控制运算部106b计算的位置修正 量。在阻抗控制运算部106b中，首先根据Fref和Ffb，按照下式计算正交坐标系中的位置 修正量δ P (阻抗模型106c)。δ P = (Ms2+Ds+K) (Fref-Ffb)...(1)这里，Μ、D、K分别是惯性矩阵、粘性系数矩阵、刚性矩阵(弹簧常数)。通常，它们7作为对角矩阵设定各轴方向独立的阻抗特性。并且，s是拉普拉斯算子，相当于与时间相关 的一阶微分。正交 坐标系中的位置修正量δ P使用雅可比矩阵J ( θ )，根据下式分解为关节坐 标系的位置修正量δ θ (速度分解运算部106d)。
权利要求
1.一种阻抗控制参数调节装置，该装置调节根据设在机器人机械手的末端执行器上的 力传感器的信息构成的阻抗控制的参数，其中，该阻抗控制参数调节装置具有参数初始值计算部，其计算在参数调节时设定的惯性参数和粘性参数的初始值； 力指令施加部，其通过对阻抗控制接通/断开阶梯状的力指令，将末端执行器所把持 的工件反复按压对象工件；评价基准计测部，其在每次按压时记录来自力传感器的力反馈的时间响应，并且自动 计测力反馈的时间响应的整定时间、过冲量和振动次数；容许值设定部，其设定作为可容许过冲量的最大值的过冲量容许值、和作为可容许整 定时间的最大值的整定时间容许值；粘性参数搜索部，其固定惯性参数，执行反复按压，搜索整定时间最小的粘性参数； 结束判断部，其对作为粘性参数搜索部的粘性参数搜索的结果而从评价基准计测部获 得的整定时间调节值和过冲量调节值分别与所述过冲量容许值和所述整定时间容许值进 行比较，判断是结束还是继续反复处理；以及惯性参数调节部，其在结束判断部判断为继续处理的情况下，增减惯性参数、或者缓和 过冲量容许值和整定时间容许值中的任一方，之后再执行粘性参数搜索部的处理。
2.根据权利要求1所述的阻抗控制参数调节装置，其中，所述评价基准计测部按照以 阶梯状的所述力指令值为中心指定了上限和下限的整定范围来计测整定时间。
3.根据权利要求2所述的阻抗控制参数调节装置，其中，所述评价基准计测部交替计 测力反馈响应超过所述整定范围的次数和不到所述整定范围的次数，按照这些次数之和来 计测振动次数。
4.根据权利要求3所述的阻抗控制参数调节装置，其中，在所述振动次数大于预先设 定的第1阈值的情况下，所述粘性参数搜索部使粘性参数增大，在所述振动次数小于预先 设定的第2阈值的情况下，使粘性参数减小。
5.根据权利要求4所述的阻抗控制参数调节装置，其中，当所述振动次数大于等于所 述第2阈值且小于等于所述第1阈值时，在整定时间比上次增加的情况下，所述粘性参数搜 索部使粘性参数的搜索方向反转，并使搜索范围以预先设定的比率减小，当整定时间相比 于上次的变化量小于等于预先设定的阈值时，结束搜索处理。
6.根据权利要求1所述的阻抗控制参数调节装置，其中，只在过冲量调节值小于等于 过冲量容许值且整定时间调节值小于等于整定时间容许值的情况下，所述结束判断部才判 断为结束搜索处理，除此以外的情况下，判断为继续搜索处理。
7.根据权利要求1所述的阻抗控制参数调节装置，其中，在过冲量调节值小于等于过冲量容许值且整定时间调节值大于整定时间容许值的情 况下，所述惯性参数调节部使惯性参数减小而再执行粘性参数搜索部的处理，在过冲量调节值大于过冲量容许值且整定时间调节值小于等于整定时间容许值的情 况下，所述惯性参数调节部使惯性参数增大而再执行粘性参数搜索部的处理，在过冲量调节值大于过冲量容许值且整定时间调节值大于整定时间容许值的情况下， 所述惯性参数调节部将过冲量容许值或整定时间容许值中的任一方再设定为其调节值而 再执行粘性参数搜索部的处理。
8.根据权利要求1所述的阻抗控制参数调节装置，其中，所述参数初始值计算部通过设定所述末端执行器和把持工件的重量、所述机器人机械手的位置控制系统的频带，来计 算在参数调节时设定的惯性参数和粘性参数的初始值。
9.一种阻抗控制参数调节方法，该方法通过反复测定力反馈的时间响应，来调节根据 设在机器人机械手的末端执行器上的力传感器的信息构成的阻抗控制的参数，该阻抗控制 参数调节方法执行以下步骤计算在参数调节时设定的惯性参数和粘性参数的初始值；(a)容许值设定步骤，设定与力反馈的时间响应相关的过冲量容许值和整定时间容许值；(b)粘性参数搜索步骤，固定惯性参数来搜索整定时间最小的粘性参数；(c)结束判断步骤，对根据所述粘性参数搜索步骤的执行结果获得的过冲量调节值和 整定时间调节值分别与所述过冲量容许值和所述整定时间容许值进行比较，由此判断是结 束还是继续反复处理；以及(d)惯性参数调节步骤，在所述结束判断步骤判断为继续处理的情况下，增减惯性参 数、或者缓和过冲量容许值和整定时间容许值中的任一方，之后再执行粘性参数搜索步骤。
10.根据权利要求9所述的阻抗控制参数调节方法，其中，所述粘性参数搜索步骤(b) 执行以下步骤(bl)对粘性参数D的初始值、粘性参数D的搜索范围AD和搜索方向系数α、搜索范 围的减小率Y、与整定时间的变化量相关的阈值ST进行初始设定；(b2)通过对阻抗控制接通/断开阶梯状的力指令，将末端执行器所把持的工件按压对 象工件后返回；(b3)在所述按压时计测并保存力反馈的时间响应；(b4)计测并保存时间响应的整定时间、过冲量和振动次数作为所述力反馈的时间响应 的评价值；(b5)在所述振动次数大于第1阈值的情况下，将所述搜索方向系数α设为1，在所述 振动次数小于第2阈值的情况下，将所述搜索方向系数α设为-1 ；(b6)在所述振动次数大于等于第2阈值且小于等于第1阈值、整定时间比上次增加的 情况下，使所述搜索方向系数α的符号反转，并对所述搜索范围AD乘以减小率γ来更新 搜索范围AD;(b7)在整定时间相对于上次的变化量ΔΤ大于所述阈值δ T的情况下，根据D = D+α X AD更新粘性参数D后返回到(b2)；以及(b8)在所述变化量Δ T小于等于所述阈值δ T的情况下，结束处理。
11.根据权利要求10所述的阻抗控制参数调节方法，其中，在所述步骤(b4)中，按照以 阶梯状的所述力指令值为中心指定了上限和下限的整定范围来计测整定时间。
12.根据权利要求11所述的阻抗控制参数调节方法，其中，在所述步骤(b4)中，交替计 测力反馈响应超过所述整定范围的次数和不到所述整定范围的次数，按照这些次数之和来 计测振动次数。
13.根据权利要求9所述的阻抗控制参数调节方法，其中，只在过冲量调节值小于等 于过冲量容许值且整定时间调节值小于等于整定时间容许值的情况下，所述结束判断步骤 (c)才判断为结束搜索处理，除此以外的情况下，判断为继续搜索处理。
14.根据权利要求9所述的阻抗控制参数调节方法，其中，所述惯性参数调节步骤(d) 执行以下步骤(dl)对惯性参数M的初始值和搜索范围ΔΜ、搜索方向系数β和搜索范围ΔΜ的减小 率ε进行初始设定；(d2)执行所述粘性参数搜索步骤；(d3-l)在过冲量调节值小于等于过冲量容许值且整定时间调节值大于整定时间容许 值的情况下，将所述搜索方向系数β设为-ι ；(d3-2)在过冲量调节值大于过冲量容许值且整定时间调节值小于等于整定时间容许 值的情况下，将所述搜索方向系数β设为1 ；(d3-3)在所述搜索方向系数β的符号反转的情况下，对所述搜索范围ΔΜ乘以减小率 ε来更新值，之后根据M = M+β X ΔΜ更新惯性参数，返回到(d2)；以及(d3-4)在过冲量调节值大于过冲量容许值且整定时间调节值大于整定时间容许值的 情况下，将过冲量容许值或整定时间容许值中的任一方再设定为其调节值而回到(d2)。
15.根据权利要求9所述的阻抗控制参数调节方法，其中，所述初始值计算步骤执行以 下步骤(el)通过设定末端执行器和把持工件的重量来作为调节时的惯性参数的初始值； (e2)设定所述机器人机械手的位置控制系统的频带《C ； (e3)根据所述惯性参数M和所述频带ω c计算刚性参数K; (e4)设定衰减系数ζ ；以及(e5)根据所述惯性参数、所述刚性参数和所述衰减系数计算粘性参数，作为调节时的 粘性参数的初始值。
全文摘要
本发明涉及阻抗控制参数调节装置和调节方法。该调节装置具有参数初始值计算部(117)，力指令施加部(111)，评价基准计测部(112)，容许值设定部(113)，粘性参数搜索部(114)，结束判断部(115)以及惯性参数调节部(116)，力指令施加部(111)对阻抗控制部接通/断开力指令，评价基准计测部(112)计测力响应的整定时间、过冲量和振动次数，容许值设定部(113)设定过冲量和整定时间的容许值，粘性参数搜索部(114)搜索整定时间为最小的粘性参数，结束判断部(115)对调节值和容许值进行比较来判断结束还是继续处理，惯性参数调节部(116)根据过冲量和整定时间的调节值来调节惯性参数。
文档编号B25J9/16GK102039594SQ20101051598
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月20日
发明者井上康之, 安藤慎悟, 永井亮一 申请人:株式会社安川电机