机器人控制装置的制作方法

本发明涉及一种对由电动机驱动的机器人进行控制的机器人控制装置。

背景技术：

以往，仅反馈电动机、例如伺服电动机的角速度、旋转角度、转矩(电流值)来控制机器人。在这种控制方式中，仅准备安装于电动机的编码器、电流检测器就足够了。

但是，近年来机器人被应用于各种领域，有时利用以往的控制方式是不够的。因此，除了编码器、电流检测器以外，还使用追加的传感器来控制机器人。

例如，在日本特开2012-168926号公报中，为了减少因减速机的传递误差等引起的位置偏差，而进行使用追加的编码器的全闭环位置控制。另外，在日本特开2011-136416号公报中，为了对机器人所支承的航空器机身或航空器部件进行精密定位，而进行使用激光跟踪仪、室内GPS等位置测定器的位置控制。

另外，机器人原本能够动作的区域与能够应用追加的传感器的区域未必一致。因此，变更使用追加的传感器的控制方式可能会导致发生机器人的动作区域受到限制的情形。

作为例子，考虑以下情况：应用全闭环控制，以使机器人高精度地动作。在该情况下，设是将角度编码器或旋转编码器用作追加的传感器。然而，为了将这种追加的传感器安装于机器人，需要对机器人进行大幅的设计变更。因此，由于经济上的理由，有时在现有的机器人上粘贴带式线性标尺来进行全闭环控制。

然而，在使用带式线性标尺的情况下，在带的端点处信号中断。因此，即使旋转轴能够旋转360度以上，在使用全闭环控制的情况下，也会发生无法使旋转轴旋转360度以上的情形。

另外，作为其它例，考虑以下情况：使用激光跟踪仪对机器人的指尖的位置和姿势进行反馈来进行控制，以使机器人高精度地动作。为了通过激光跟踪仪来测量位置和姿势，要求能够从配置于机器人的周围的跟踪仪看到安装于机器人或机器人的工具的反射器。

然而，根据机器人的姿势不同，有时会由于外围设备、机器人的臂或安装于机器人的工具成为障碍物而看不到反射器。因而，当进行使用激光跟踪仪的控制时，机器人的动作范围受到限定。

因此，存在以下情况：以在需要追加的传感器的情况下进行使用追加的传感器的控制、在不需要追加的传感器的情况下进行不使用追加的传感器的控制的方式，对控制方式进行切换。在该情况下，能够保持机器人的原本的动作区域。

在此，当急速地切换控制方式时，会产生机械冲击，因此期望平稳地进行控制方式的切换。另外，在通过动作程序来指示控制方式的切换的情况下，切换越频繁则程序越复杂。因此，期望自动进行控制方式的切换。

日本特开2001-222324号公报中公开了以下内容：通过控制增益的切换来变更将不使用追加的传感器的半闭环控制和使用追加的传感器的全闭环控制应用于位置控制的比例，从而平稳地切换控制方式。

日本特开平05-158542号公报中公开了以下内容：根据控制对象的特性来切换控制系统。如果假定机器人的位置和姿势是控制对象的特性，则能够根据机器人的位置和姿势来切换控制方式。

技术实现要素：

然而，在日本特开2001-222324号公报中，利用半闭环控制中的位置偏差和全闭环控制中的位置偏差来切换增益。因此，在无法应用全闭环控制的区域无法使用半闭环控制，机器人的动作范围被限定。并且，在日本特开平05-158542号公报中存在无法平稳地切换控制方式等问题。

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够不限定机器人的动作范围地、平稳地对使用追加的传感器的控制和不使用追加的传感器的控制进行切换的机器人控制装置。

为了达到前述的目的，根据第一发明，提供一种对由电动机驱动的机器人进行控制的机器人控制装置，该机器人控制装置具备：第一传感器，其能够在包括所述机器人的整个动作区域的第一区域中使用；第一控制部，其使用来自所述第一传感器的反馈值来计算向所述电动机的第一控制输入；第二传感器，其能够在包括所述机器人的动作区域中的至少一部分动作区域的第二区域中使用；第二控制部，其使用所述第二传感器的反馈值或者所述第一传感器和所述第二传感器这两方的反馈值来计算向所述电动机的第二控制输入；区域存储部，其存储所述机器人的动作区域和所述第二区域这两方所包括的第三区域；比例设定部，其基于由该区域存储部存储的所述第三区域与所述机器人的位置及姿势的比较，来设定相对于向所述电动机的控制输入的、所述第一控制输入与所述第二控制输入的比例；相加部，其按照由所述比例设定部设定的比例，将所述第一控制输入与所述第二控制输入相加；以及控制执行部，其基于由该相加部相加得到的结果，来进行所述电动机的反馈控制。

根据第二发明，在第一发明中，所述第三区域是所述机器人的动作区域与所述第二区域的重叠部分。

根据第三发明，在第一发明或第二发明中，在所述比例设定部中，基于所述区域存储部中存储的所述第三区域的边界与当前的机器人的位置之间的距离以及所述第三区域的边界与所述机器人的各轴的角度之差中的至少一方，来设定相对于向所述电动机的控制输入的、所述第一控制输入与所述第二控制输入的比例。

根据第四发明，在第一发明至第三发明中的任一个发明中，所述比例设定部多阶段地设定相对于向所述伺服电动机的控制输入的、所述第一控制输入与所述第二控制输入的比例。

根据第五发明，在第一发明至第四发明中的任一个发明中，具备将所述比例设定部的输出通知给操作者的通知部。

本发明的这些目的、特征及优点以及其它目的、特征及优点通过附图所示的本发明的典型的实施方式的详细说明会变得更明确。

附图说明

图1是基于本发明的机器人控制装置的框图。

图2是表示机器人的动作区域等的图。

图3A是表示机器人和第三区域的第一图。

图3B是表示机器人和第三区域的第二图。

图3C是表示机器人的前端与第三区域之间的距离同第一控制输入的比例的关系的第一图。

图4A是表示机器人的两个轴的角度的关系的第一图。

图4B是表示机器人的两个轴的角度的关系的第二图。

图4C是表示机器人的前端与第三区域之间的距离同第一控制输入的比例的关系的第二图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。在下面的附图中，对同样的构件标注同样的参照标记。对于这些附图适当变更了比例尺以易于理解。

图1是基于本发明的机器人控制装置的框图。图1所示的系统1主要包括机器人10和对该机器人10进行控制的机器人控制装置20。机器人10例如是六轴垂直多关节机器人。另外，机器人10在其臂的前端具有手18。

图1中示出了对机器人10的轴进行驱动的电动机、例如电动机M以及检测该电动机M的旋转位置的位置检测器、例如编码器E。这些电动机M和编码器E是作为代表而显示的，实际上在机器人10中内置有与机器人10的轴的数量相应的多个电动机M和多个编码器E。下面，在本说明书中，将该多个编码器E总称为第一传感器11。此外，编码器E还使用于检测机器人10的位置和姿势。

图2是表示机器人的动作区域等的图。如图2所示，第一传感器11能够在包括机器人10的整个动作范围Z0的第一区域Z1中使用。此外，第一传感器11也可以是能够在机器人10的整个动作范围Z0中使用且能够测定对机器人10进行控制所需的状态量的其它传感器。例如，第一传感器11也可以是配置于机器人10的机器人支承部19的单一的传感器。

再次参照图1，在手18的前端配置有第二传感器12。第二传感器12是测定机器人10的前端位置的位置测定器、例如激光跟踪仪、室内GPS等。或者，第二传感器12也可以是全闭环控制用的带式的线性标尺和编码器。第二传感器12也可以是能够测定对机器人10进行控制所需的状态量的其它单一的传感器或多个传感器。

根据图2可知，第二传感器12能够在包括机器人的动作范围Z0中的至少一部分动作范围的第二区域Z2中使用。另外，第一区域Z1与第二区域Z2互不相同，第一区域Z1包括机器人10的整个动作范围Z0，因此可知在无法使用第二传感器12的区域中能够使用第一传感器11。因此，无需使第二传感器12能够在机器人10的整个动作区域Z0中使用。

再次参照图1，机器人控制装置20是数字计算机，包括第一控制部21，该第一控制部21使用来自第一传感器11的反馈值来计算向电动机M的第一控制输入。严格地说，第一控制部21基于第一传感器11的测定值和机器人的动作指令来计算向电动机M的第一控制输入。

并且，机器人控制装置20包括第二控制部22，该第二控制部22使用第二传感器12的反馈值或者第一传感器11和第二传感器12这两方的反馈值来计算向电动机M的第二控制输入。设在图2所示的第三区域Z3中仅应用第二控制输入。严格地说，第二控制部22基于第二传感器12的测定值或者第一传感器11的测定值和第二传感器12的测定值这两方、以及机器人10的动作指令来计算向电动机M的第二控制输入。

在此，机器人10的动作指令是与机器人10的动作的目的相应的指令值。例如，机器人10的动作指令是机器人10的前端位置、机器人10的各轴的角度等。或者，机器人10的动作指令也可以是机器人10的前端所产生的力、机器人10的各轴的转矩等。

另外，向电动机M的第一控制输入和第二控制输入是用于对电动机M的状态进行规定的状态量。例如，第一控制输入和第二控制输入是电动机M的旋转角度、角速度、转矩等。此外，如后所述，第二控制输入要与第一控制输入相加，因此需要使第二控制输入的维度与第一控制输入的维度相同。

并且，如图1所示，机器人控制装置20包括区域存储部23，该区域存储部23存储机器人10的动作区域Z0和第二区域Z2这两方所包括的第三区域Z3。在第三区域Z3中，使用第二传感器12来通过第二控制输入对机器人10进行控制。第三区域Z3是机器人10的操作者期望使用第二传感器12来通过第二控制输入对机器人10进行操作的区域。

第三区域Z3是能够使用第二传感器12的区域与机器人10的动作区域Z0的公共区域中的任意形状的区域。因而，第三区域Z3通常是由机器人10的操作者预先指定的。然而，也可以将机器人10的动作区域Z0与第二区域Z2的重叠部分整体定义为第三区域Z3。在该情况下，能够自动决定第三区域Z3。此外，也可以将第三区域Z3定义为使用第一传感器11和第二传感器12这两方来控制机器人10的区域。

另外，在第二传感器12是位置测定器的情况下，优选利用固定于机器人10的机器人支承部19的三维正交坐标系来定义第三区域Z3。另外，在第二传感器12是全闭环控制用的带式的线性标尺和编码器的情况下，优选利用将机器人10的各轴的角度作为维度的各轴坐标系来定义第三区域Z3。但是，也可以利用能够表现机器人10的动作区域Z0和能够使用第二传感器12的区域Z2的其它维度来定义由区域存储部23存储的第三区域Z3。并且，区域存储部23也可以将根据时间而变形、产生、消失的区域定义为第三区域Z3。

并且，机器人控制装置20包括比例设定部24，该比例设定部24基于由区域存储部23存储的第三区域Z3与机器人10的位置及姿势的比较，来设定相对于向电动机M的控制输入的、第一控制输入与第二控制输入的比例。

例如，在第二传感器12是安装于机器人10的指尖的位置测定器的情况下，将前述的利用三维正交坐标系定义的第三区域Z3与根据机器人10的姿势计算出的第二传感器12的三维位置进行比较。另外，在第二传感器12是全闭环控制用的带式的线性标尺和编码器的情况下，将利用以机器人10的各轴的位置为维度的前述的坐标系定义的第三区域与表示读取线性标尺的值的编码器的位置的、机器人10的各轴的位置进行比较。

例如，在第二传感器12处于第三区域Z3外的情况下，由比例设定部24设定的第一控制输入与第二控制输入之比为1：0。在第二传感器处于第三区域Z3内的情况下，由比例设定部24设定的第一控制输入与第二控制输入之比为0：1。

并且，在第二传感器12处于第三区域Z3的边界附近的情况下，以平稳地对第一控制输入和第二控制输入进行切换的方式，根据第二传感器12的位置等来设定比例。具体地说，随着第二传感器12从第三区域Z3的外部越过第三区域Z3的边界而移动到第三区域Z3的内部，将前述的比从1：0多阶段地切换为0.99：0.01、0.98：0.02、…、0.01：0.99、0：1。在将前述的比从1：0通过一个阶段就变更到0：1的情况下，有可能会在变更时产生冲击。与此相对，在以多阶段进行变更的情况下，能够避免冲击的产生。

并且，机器人控制装置20包括相加部25，该相加部25按照由比例设定部24设定的比例来将第一控制输入与第二控制输入相加。并且，机器人控制装置20包括控制执行部29，该控制执行部29按照由相加部25计算出的控制输入对电动机M进行反馈控制来驱动机器人10。此外，在图1中，由相加部25计算出的控制输入被直接输入到电动机M。然而，由相加部25计算出的控制输入也可以在被施加规定的校正处理后输入到电动机M。

另外，如图1所示，设置有将比例设定部24的输出通知给操作者的通知部26。通知部26通过视觉方式或听觉方式中的至少一方来将比例设定部24的输出通知给操作者。例如，在需要进行仅使用第二传感器12的第二控制的作业中，需要避免自动切换为仅使用第一传感器11的第一控制。操作者能够通过通知部26来识别这种切换，采取适当的应对。另外，操作者能够通过通知部26来容易地识别第一控制和第二控制的权重的程度。

下面，说明比例设定部24所设定的第一控制输入与第二控制输入的比例。设该比例的设定在机器人10按照动作程序进行动作时被重复实施。图3A和图3B是表示机器人和第三区域的图。在图3A和图3B中，设第一传感器11是与机器人10的各轴的电动机M连接的编码器E，第二传感器12是测定机器人10的前端位置的激光跟踪仪。此外，在图3A和图3B中，设从第三区域Z3离开的方向是正方向。

并且，在图3A和图3B所示的实施方式中，第一控制部21是根据作为编码器E的第一传感器11的检测值来计算电动机M的转矩指令的反馈控制系统。另外，第二控制部22是根据由作为激光跟踪仪的第二传感器12测量出的机器人10的前端位置来计算电动机M的转矩指令的反馈控制系统。

在这种状况下，比例设定部24计算区域存储部23中存储的、正交坐标系中的第三区域Z3的边界与机器人10的前端位置之间的距离S(最短距离)。接着，比例设定部24根据距离S来设定第一控制输入与第二控制输入之比。

具体地说，在如图3A所示那样机器人10的前端位置处于第三区域Z3的外侧(S≥0)的情况下，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为1：0。并且，在如图3B所示那样机器人10的前端位置处于第三区域Z3的内侧且与第三区域Z3的边界相距固定距离a以上(-a>S)的情况下，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为0：1。并且，在机器人10的前端位置处于第三区域Z3的内侧且与第三区域Z3的边界相距固定距离a(a>0)以内(0>S≥-a)的情况下，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为(S/a+1)：(-S/a)。

图3C中示出了机器人的前端与第三区域之间的距离同第一控制输入的比例的关系。如图3C所示，在距离S为规定值-a以下的情况下，第一控制输入为0，在该情况下仅应用第二控制输入。另外，在距离S为零以上的情况下第一控制输入为1，在该情况下不应用第二控制输入。然后，在距离S处于规定值-a与零之间的情况下，第一控制输入为(S/a+1)。

如图3A至图3C所示，在实施方式中，比例设定部24根据由区域存储部23存储的第三区域Z3的边界与机器人10的前端位置之间的距离S来变更第一控制输入与第二控制输入之比。因此，应该知道能够平稳且容易地对第一控制输入和第二控制输入进行切换。

并且，图4A和图4B是表示机器人的两个轴的角度的关系的图。在这些附图中，横轴表示机器人10的第一轴J1的角度，纵轴表示机器人10的第二轴J2的角度。此外，纵轴和横轴也可以是机器人10的其它轴的角度。

在图4A和图4B中，示出了在第一轴J1中应用第二控制输入的角度范围W1和在第二轴J2中应用第二控制输入的角度范围W2。在第一轴J1和第二轴J2分别处于角度范围W1、W2内时，机器人10的前端处于第三区域Z3，设如以下那样原则上应用第二控制输入。

并且，在图4A和图4B中，在从角度范围W1的上限值向负方向偏移规定值a1的场所和从角度范围W1的下限值向正方向偏移规定值a1的场所分别示出了虚线。同样地，在从角度范围W2的上限值向负方向偏移规定值a2的场所和从角度范围W2的下限值向正方向偏移规定值a2的场所也分别示出了虚线。

另外，在图4A和图4B中，设第一传感器11是与机器人10的各轴的电动机M连接的编码器E，第二传感器12是全闭环控制用的带式的线性标尺和编码器。

另外，在图4A和图4B所示的实施方式中，第一控制部21是根据作为编码器E的第一传感器11的检测值来计算电动机M的转矩指令的反馈控制系统。另外，第二控制部22是根据全闭环控制用的编码器值来计算电动机M的转矩指令的反馈控制系统。

在这种状况下，比例设定部24计算区域存储部23中存储的、以机器人10的各轴的位置为维度的坐标系中的第三区域Z3的边界与机器人10的各轴的角度之差Ti(符号i是轴编号。因而，在图4A和图4B中符号i为1或2)。换言之，针对第一轴J1求出差T1，针对第二轴J2求出差T2。

具体地说，在如图4A中以点A1所示的那样、第一轴J1的角度和第二轴J2的角度分别处于角度范围W1、W2的外侧的情况下，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为1：0。并且，在如图4A中以点A2所示的那样、第一轴J1的角度和第二轴J2的角度分别处于角度范围W1、W2的内侧且与角度范围W1、W2的边界分别相距规定值a1、a2以上的情况下，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为0：1。

并且，在如图4A中以点A3所示的那样、第一轴J1的角度和第二轴J2的角度分别处于角度范围W1、W2的内侧且与角度范围W1、W2的上下限值之差为固定值ai(ai>0)以内的情况下(0>T≥-ai)，比例设定部24将第一控制输入与第二控制输入之比设定为(Ti/ai+1)：(-Ti/ai)。

图4C中示出了机器人的前端与第三区域之间的距离同第一控制输入的比例的关系。如图4C所示，在角度Ti为规定值-ai以下的情况下第一控制输入为0，在该情况下仅应用第二控制输入。另外，在角度Ti为零以上的情况下第一控制输入为1，在该情况下不应用第二控制输入。而且，在角度Ti处于规定值-ai与零之间的情况下第一控制输入为(Ti/ai+1)，剩余为第二控制输入。

在此，图4B所示的点A4处于角度范围W1的内侧且角度范围W2的外侧。并且，点A4处于与角度范围W1的上限值相距规定值a1以上的位置处。因而，针对第一轴J1仅应用第二控制输入，针对第二轴J2仅应用第一控制输入。

另外，图4B所示的点A5处于角度范围W1、W2的内侧。并且，点A5处于与角度范围W1的上限值相距规定值a1以上的位置、而且与角度范围W2的下限值相距规定值a2以内的位置处。因而，针对第一轴J1仅应用第二控制输入，针对第二轴J2，第一控制输入的比例为(Ti/ai+1)，剩余为第二控制输入。也就是说，能够在第一轴J1和第二轴J2中进行分别进行不同的控制。

如图4A至图4C所示，在实施方式中，比例设定部24根据由区域存储部23存储的第三区域Z3的边界与机器人10的各轴的角度之差，来变更针对各轴的第一控制输入与第二控制输入之比。因此，应该知道能够平稳且容易地对第一控制输入和第二控制输入进行切换。

这样，在本发明中，在机器人10的动作范围Z0内且第三区域Z3的外侧仅应用第一控制输入，在第三区域Z3的内侧仅应用第二控制输入。因而，机器人10的动作区域不会被限定。

并且，在本发明中，基于机器人10的动作区域Z0和能够使用第二传感器12的第二区域Z2这两方所包括的第三区域Z3与机器人10的位置及姿势的比较，来对不使用第二传感器12的第一控制和使用第二传感器12的第二控制进行加权。因此，能够平稳地对第一控制和第二控制进行切换。

发明的效果

在第一发明中，基于机器人的动作区域和能够使用第二传感器(追加的传感器)的第二区域这两方所包括的第三区域与机器人的位置及姿势的比较，来对不使用第二传感器(追加的传感器)的第一控制和使用第二传感器(追加的传感器)的第二控制进行加权。因此，能够不限定机器人的动作区域地、平稳地对第一控制和第二控制进行切换。

在第二发明中，能够自动决定第三区域。

在第三发明中，基于第三区域的边界与当前的机器人的位置之间的距离等来变更权重。因此，能够平稳且容易地对第一控制和第二控制进行切换。并且，能够抑制在切换控制时可能产生的冲击。

在第四发明中，多阶段地变更比例，因此能够进一步平稳且容易地对第一控制和第二控制进行切换。

在第五发明中，操作者能够容易地识别第一控制和第二控制的权重的程度。

使用典型实施方式说明了本发明，但是本领域技术人员应该能够理解，能够不脱离本发明的范围地进行前述的变更以及其它各种变更、省略、追加。