多关节机器人的弹性变形补偿控制装置以及控制方法
【专利摘要】在弹性变形补偿控制装置(10)中，第1动态特性运算部(300)对从电动机角度指令值计算部(600)输出的电动机角度指令值(θmc)进行滤波处理，并输出处理后的电动机角度目标值(θmd)。第2动态特性运算部(400)具备具有低于第1动态特性运算部(300)的截止频率的高频阻隔特性，对来自轴力转矩计算部(200)的输出进行滤波处理，并输出处理后的轴力转矩补偿值(fd)。
【专利说明】多关节机器人的弹性变形补偿控制装置以及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及例如用在电弧焊接中的多关节机器人的控制，特别涉及能以较高轨迹 精度进行摆动（weaving)动作的多关节机器人的轨迹控制。
【背景技术】
[0002] 在通过电弧焊接进行多个母材的焊接时，采用一边使焊接电极在焊接方向上前 进、一边在焊接线的左右方向上进行正弦波摆动动作并进行焊接的摆动焊接。过去以来，该 摆动焊接通过使焊炬自身左右摇动，或通过使焊炬以焊炬自身为中心左右掀动来进行。在 使多关节机器人进行这样的摆动焊接的情况下，要求较高的轨迹精度。
[0003] 在这样的多关节机器人中，以各轴为单位进行伺服控制。但是，由于固有振动频率 较低，因此，从振动抑制的观点出发，几乎不采用速度前馈等。以此，相对于目标值而言，实 际的反馈值的相位滞后较大，伺服控制部的速度控制部的响应特性按照每个轴而不同，导 致了轨迹误差。另外，使这样的多关节机器人的各轴动作的电动机经由减速器与臂结合。在 对由于该减速器的刚性不足等而引起的弹性变形进行修正的情况下，电动机按照指令值那 样进行动作为前提。但是，由于前馈等未发挥充分的功能，因此电动机按照指令值那样动作 几乎不可能，弹性变形补偿未充分发挥功能。关于这样的多关节机器人的弹性变形补偿控 制，公知以下那样的技术。
[0004] 日本特开昭61-201304号公报（专利文献1)公开了一种在减速器等的关节群的 机械性刚性较低的情况下也针对位置指令值来对机器人臂进行高精度的位置控制的方法。 在该位置控制方法中，通过将构成机器人的各臂的位置指令值、对该位置指令值进行一阶 微分而得到的速度、进行二阶微分而得到的加速度代入到考虑了各臂间的关节的机械性刚 性的机器人臂的运动方程式，来算出施加在各关节的转矩。然后，通过用求得的转矩除以作 为常数或函数或控制装置内的表而赋予的各关节的机械性弹力刚性来求取基于各关节的 机械性刚性的挠曲角。通过使求得的挠曲角与位置指令值相加从而抵消各关节的挠曲，来 设定新的位置指令值。
[0005] 另外，日本特开2005-186235号公报（专利文献2)公开了一种即使干涉力发挥作 用、各轴也按照指令动作的机器人的控制装置。该控制装置是由相互干涉的多轴构成的机 器人的控制装置，机器人具备由电动机、经由减速器等与电动机结合的臂、检测电动机的位 置的电动机位置检测器构成的用于使各轴按每个轴的指令而动作的位置控制部以及速度 控制部。该控制装置具备：通过计算根据自轴的指令来求取作用于其它轴的干涉力的干涉 力计算部；和根据自轴的指令和从其它轴作用的干涉力的计算值来求取即使在有从其它轴 作用的干涉力的情况下也使自轴按照指令动作的电动机转矩指令信号的非干涉转矩信号 制成部。控制装置还具备：根据自轴的指令和从其它轴作用的干涉力的计算值来求取即使 在有从其它轴作用的干涉力的情况下也使自轴按照指令动作的电动机位置信号的非干涉 位置信号制成部。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献I JP日本特开昭61-201304号公报
[0009] 专利文献2 JP日本特开2005-186235号公报
【发明内容】
[0010] 发明要解决的课题
[0011] 在上述的专利文献1中，根据关节角目标值等算出因减速器等的刚性不足而产生 的挠曲（弹性变形），在对电动机的角度指令值加上弹性变形量来补偿该弹性变形，由此谋 求位置精度的改善。但是，由于未如上述那样进行良好的前馈控制等，因此不能使电动机按 照指令值动作，弹性变形补偿未充分发挥功能。
[0012] 另外，在专利文献2中，公开了一种使各轴间的干涉非干涉化的方法。但是，在该 方法中，需要臂加速度的一阶微分值、二阶微分值，且对于噪声非常弱。另外，只是有稍微 剧烈的动作就会使臂加速度的二阶微分值示出天文数字的值等，在实现上有非常大的制约 性。
[0013] 即，在现有技术中，未解决以下的问题。
[0014] (1)在机器人的固有振动较低的状态下，由于不能使弹性变形补偿以及轴力转矩 补偿有效地发挥作用，因此不能对弹性变形的影响进行补偿，这导致了精度变差。
[0015] (2)在有伺服控制部的相位滞后的状态下，由于不能使弹性变形补偿控制有效地 发挥作用，因此不能对弹性变形的影响进行补偿，这导致了精度变差。
[0016] (3)由于按每个轴而伺服控制特性不同，因此在各轴的响应中会产生差异，这导致 了轨迹精度的变差。
[0017] (4)在指令值的计算周期慢于伺服控制部中的计算周期时产生的相位差，导致了 轨迹精度的变差。
[0018] (5)在焊接机器人的摆动动作中，使在摆动周期的相位滞后以及增益特性在各轴 一致是非常重要的，但因减速器所引起的弹性变形导致的伺服特性变化和按每个轴的特性 的差异，使相位/增益特性在高频摆动动作中一致是非常困难的。
【发明内容】
[0019]
[0020] 本发明鉴于上述的问题而提出，目的在于，提供一种在具备多轴的多关节机器人 中补偿各轴的弹性变形的影响从而能以较高轨迹精度进行摆动等动作的多关节机器人的 弹性变形补偿控制装置以及控制方法。
[0021] 解决课题的手段
[0022] 为了解决上述课题，本发明所涉及的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置采取 以下的技术手段。
[0023] S卩，本发明所涉及的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置驱动多个关节轴，以 使安装于将驱动多关节机器人的关节轴的电动机和臂经由弹性变形的减速器而结合的多 关节机器人的工具进行所期望的动作。该弹性变形补偿控制装置特征在于，具备：关节角 度指令值计算部，其算出并输出用于实现所期望的工具动作的各关节轴的关节角度指令值 Θ Ic ;轴力转矩计算部，其基于动力学模型，根据关节角度指令值Θ Ic来算出并输出按照 所述关节角度指令值Θ Ic而动作时产生的作用于各关节轴的轴力转矩fc ;电动机角度指 令值计算部，其基于包含关节轴的刚性参数的参数，根据关节角度指令值Θ Ic和轴力转矩 fc来算出并输出电动机角度指令值Θ mc ;第1动态特性运算部，其具备具有低于机器人的 固有振动频率的截止频率的高频阻隔特性，对所述电动机角度指令值Θ me进行滤波处理， 并输出处理后的电动机角度目标值θπκ?;电动机角度控制部，其输入所述电动机角度目标 值Θ md，作为针对所述电动机的目标值；第2动态特性运算部，其具备具有低于或等于所述 第1动态特性运算部的截止频率的高频阻隔特性，对向所述轴力转矩计算部的输入以及来 自所述轴力转矩计算部的输出的至少任一者进行滤波处理，并输出处理后的轴力转矩补偿 值fd ;和电动机电流控制部，其输入在从所述电动机角度控制部输出的电动机转矩指令值 中加上所述轴力转矩补偿值fd而得到的值，作为目标值。
[0024] 弹性变形补偿控制装置能优选地构成为：将所述电动机角度控制部的响应较慢的 轴的第1动态特性运算部的相位滞后赋予得比所述电动机角度控制部的响应快的轴的第1 动态特性运算部的相位滞后短。
[0025] 弹性变形补偿控制装置能进一步优选构成为：基于包含位置反馈增益以及速度 反馈增益的至少任一者的参数来算出从没有各轴间的轴力的状态下的电动机角度目标值 θπκ!到实际的电动机角度0 m为止的反馈控制动态特性，且构成为：将所述第1动态特性 运算部的特性赋予成使所述第2动态特性运算部中的截止频率低于所述第1动态特性运算 部中的截止频率，并与将所述第2动态特性运算部中的特性除以所述反馈控制动态特性而 得到的特性对应。
[0026] 弹性变形补偿控制装置能进一步优选构成为：在考虑所述电动机电流控制部的电 流控制特性的情况下，将所述第1动态特性运算部的特性赋予成与将所述第2动态特性运 算部中的特性除以所述反馈控制动态特性再乘以电流控制特性而得到的特性对应。
[0027] 弹性变形补偿控制装置能进一步优选构成为：在所述电动机角度指令值计算部中 的计算周期慢于所述电动机角度控制部中的控制周期的情况下，在所述电动机角度指令值 计算部中，使轴力转矩计算值或弹性变形量计算值与关节角度指令值的相位差一致，根据 相位修正后的轴力转矩计算值或弹性变形量计算值和相位修正后的关节角度指令值来算 出电动机角度指令值。
[0028] 另外，本发明的另外方式所涉及的多关节机器人的弹性变形补偿控制方法构成为 包括：关节角度指令值计算步骤，算出并输出用于实现所期望的工具动作的各关节轴的关 节角度指令值Θ Ic;轴力转矩计算步骤，基于动力学模型，根据关节角度指令值0 1c来算 出按照所述关节角度指令值Θ Ic而动作时产生的作用于各关节轴的轴力转矩fc ;电动机 角度指令值计算步骤，基于包含关节轴的刚性参数的参数，根据关节角度指令值Θ Ic和轴 力转矩fc来算出并输出电动机角度指令值Θ mc ;第1动态特性运算步骤，具备具有低于机 器人的固有振动频率的截止频率的高频阻隔特性，对所述电动机角度指令值Θ me进行滤 波处理，并输出处理后的电动机角度目标值emd;电动机角度控制步骤，其输入所述电动 机角度目标值Θ md，作为针对所述电动机的目标值；第2动态特性运算步骤，具备具有低于 或等于所述第1动态特性运算步骤的截止频率的高频阻隔特性，对向所述轴力转矩计算步 骤的输入以及来自所述轴力转矩计算步骤的输出的至少任一者进行滤波处理，并输出处理 后的轴力转矩补偿值fd ;和电动机电流控制步骤,输入在从所述电动机角度控制步骤输出 的电动机转矩指令值中加上所述轴力转矩补偿值fd而得到的值，作为目标值。
[0029] 发明效果
[0030] 通过使用本发明所涉及的弹性变形补偿控制装置或控制方法，在具备多轴的多关 节机器人中补偿各轴的弹性变形的影响，从而能以较高轨迹精度进行摆动等动作。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是表示运用本发明的实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置的多关节机 器人的整体构成的概略图。
[0032] 图2是本发明的第1实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制框图。
[0033] 图3是表示由图2所示的控制框图所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0034] 图4是现有技术所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制框图。
[0035] 图5是表示由图4所示的控制框图所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0036] 图6是现有技术所涉及的其它弹性变形补偿控制装置的控制框图。
[0037] 图7是表示由图6所示的控制框图所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0038] 图8是表示由本发明的第2实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置（与图2的 动态特性不同的特性）所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0039] 图9是本发明的第2实施方式的变形例所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制框 图。
[0040] 图10是由本发明的第3实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置（与图2的动 态特性不同的特性）所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0041] 图11是表示由本发明的第4实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置（按每个 轴来变更动态特性）所控制的多关节机器人的摆动轨迹的图。
[0042] 图12是本发明的第5实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制框图。
[0043] 图13是本发明的第5实施方式的变形例所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制 框图。
[0044] 图14是本发明的第6实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置的控制框图。
[0045] 图15是本发明的第6实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置其它控制框图。
【具体实施方式】
[0046] 以下，基于附图详细说明本发明的实施方式所涉及的多关节机器人的弹性变形补 偿控制装置以及控制方法。另外，在以下的说明中，对同一部件标注同一标号，它们的名称 以及功能也相同。因此，不再重复对它们的详细的说明。另外，以下，作为控制对象，而说明 使焊炬掀动动作（摆动动作）的多关节机器人，但这只是一例。本发明所涉及的弹性变形 补偿控制装置能广泛运用在用于驱动多个关节轴的控制中，在该控制中，使将安装在驱动 多关节机器人的关节轴的电动机和臂经由弹性变形的减速器结合的多关节机器人的工具 进行所期望的动作。
[0047] 〈第1实施方式〉
[0048] [整体构成]
[0049] 首先，说明运用本实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置的垂直多关节机器人 (以下有时仅记载为多关节机器人）的概要。
[0050] 图1是使焊炬进行掀动动作（摆动动作）的机器人的一例，是表示运用本实施方 式所涉及的弹性变形补偿控制装置的多关节机器人1的概要的图。该多关节机器人1是垂 直多关节型且具备Jl?J6这6个关节，通过从设置于J6的轴的前端焊炬送出的焊丝进行 电弧焊接。该多关节机器人1将预先确定的焊接开始点与焊接结束点之间设定为焊接作业 区间，在连结焊接开始点和焊接结束点的焊接线方向上移动，并对焊丝进行设置，以使其以 预先确定的振幅以及频率进行掀动的动作（摆动动作）。
[0051] 这样的多关节机器人1除了图示的多关节机器人1的主体以外，还包含：具有示教 器且对各轴进行伺服控制的控制装置（伺服控制部）；和上级计算机（上级CPU)。通过这 些控制装置以及上级计算机实现本实施方式所涉及的轨迹控制装置。
[0052] 控制装置（伺服控制部）按照预先示教的程序对设置于多关节机器人1的焊炬进 行控制，以使其仿效上述的焊接线以摆动动作移动。示教程序有使用与控制装置连接的示 教器来制成的情况、和使用利用了上级计算机的离线示教系统来制成的情况。不管是哪种 情况，示教程序都是在实际的动作前预先制成。在上级计算机中，生成焊接通道，或生成基 于它的摆动动作指令。
[0053] [控制块]
[0054] 图2表示控制图1的多关节机器人1的弹性变形补偿控制装置10的控制框图。如 上述那样，该弹性变形补偿控制装置10构成为包括以上位CPU实现的部分和以伺服控制部 实现的部分。
[0055] 如图2所示那样，该弹性变形补偿控制装置10驱动多个关节轴，以使安装在多关 节机器人1的工具（在此为焊炬）进行所期望的动作（在此为摆动动作）。
[0056] 该弹性变形补偿控制装置10具备以上级CPU实现的：关节角度指令值计算部 1〇〇、轴力转矩计算部（图示为"轴力FF"）200、和电动机角度指令值计算部（图示为"弹性 变形补偿")600。而且，弹性变形补偿控制装置10具备以伺服控制部实现的：第1动态特性 运算部（图示为"动态特性（1) ") 300、第2动态特性运算部（图示为"动态特性（2) ") 400、 和反馈控制部（图示为"伺服控制FB特性"）500。反馈控制部500构成为包括电动机角度 控制部510以及电动机电流控制部（图示为"电流控制"）520。另外，以下，控制块中的要 素的特性在未记载为动态特性的情况下也全都是动态特性。另外，记载"FB"是指反馈，记 载" FF "是指前馈。
[0057] 关节角度指令值计算部100算出用于实现焊炬的摆动动作的各关节轴的关节角 度指令值Θ lc，并输出。
[0058] 轴力转矩计算部200基于动力学模型，根据关节角度指令值Θ Ic来算出按照从关 节角度指令值计算部100输出的关节角度指令值Θ Ic动作时产生的作用于各关节轴的轴 力转矩fc，并输出。
[0059] 电动机角度指令值计算部600基于包含关节轴的刚性参数的参数，根据关节角度 指令值Θ Ic和轴力转矩fc来算出电动机角度指令值Θ mc，并输出。
[0060] 更详细地，轴力转矩计算部200基于关节角度指令值Θ Ic来算出按照指令值动作 时作用于各轴的轴力转矩fc。电动机角度指令值计算部600基于轴刚性K和粘性B等（由 于粘性较小，因此能省略），根据轴力转矩fc来算出弹性变形量ec。然后，电动机角度指令 值计算部600根据关节角度指令值Θ Ic和弹性变形量ec来算出电动机角度指令值Θ mc。
[0061] 第1动态特性运算部300对从电动机角度指令值计算部600输出的电动机角度指 令值0 mc进行滤波处理，并输出处理后的电动机角度目标值θπκ!。该第1动态特性运算部 300具备具有低于多关节机器人1的固有振动频率的截止频率的高频阻隔特性。
[0062] 第2动态特性运算部400对向轴力转矩计算部200的输入以及来自轴力转矩计算 部200的输出的至少任一者进行滤波处理，并输出处理后的轴力转矩补偿值fd。另外，在图 2中，第2动态特性运算部400对来自轴力转矩计算部200的输出进行了滤波处理。该第2 动态特性运算部400具备具有低于或等于第1动态特性运算部300的截止频率的高频阻隔 特性。
[0063] 对电动机角度控制部510输入电动机角度目标值Θ md，以作为针对电动机的目标 值。
[0064] 对电动机电流控制部520输入将从电动机角度控制部510输出的电动机转矩指令 值与从第2动态特性运算部400输出的轴力转矩补偿值fd相加的值，以作为目标值。
[0065] 图2所示的框图中示出的弹性变形补偿控制装置10具备以下的特征。
[0066] 在非线性项的轴力转矩计算部200之前以及/或者之后（在此仅为之后）配置了 第2动态特性运算部400。由该第2动态特性运算部400赋予了阻隔第1动态特性运算部 300的高频阻隔特性以上的高频带的特性。在此，第2动态特性运算部400的截止频率低于 或等于第1动态特性运算部300的截止频率。
[0067] 通过如此构成，能通过第1动态特性运算部300抑制含有包含在关节角度指令值 Θ Ic中的固有振动分量的高频。进而，能由第2动态特性运算部400抑制含有包含在轴力 转矩fc中的固有振动分量的高频。由此，能抑制在多关节机器人1产生的高频振动。
[0068] 另外，在多关节机器人1中，在即使于XYZ空间进行低频动作、奇异点近旁等的雅 可比矩阵（Jacobian)也会剧烈地发生变化之处，若对于关节角度发生变化，则会产生2倍 或3倍分量的高频。进而，即使在关节角度空间进行低频动作，也由于非线性项有速度的平 方项等，因此产生关节角度的2倍或3倍分量的高频。由此，将作为非线性项的来自轴力转 矩计算部200的输出即轴力转矩fc用具备第1动态特性运算部300的高频阻隔特性以上 的高频阻隔特性的第2动态特性运算部400进行处理，以作为轴力转矩补偿值fd。由此，进 一步抑制了在多关节机器人1广生的1?频振动。
[0069][控制特性（摆动轨迹）]
[0070] 说明使用具备以上那样的构成的弹性变形补偿控制装置10来控制多关节机器人 1的情况下的控制特性（摆动轨迹）。
[0071] 图3示出作为第2动态特性运算部400的高频阻隔特性赋予了与第1动态特性运 算部300相等的高频阻隔特性的情况下的摆动轨迹。
[0072] 当对此进行评价时，首先说明现有技术（控制框图以及摆动轨迹）。
[0073] 图4表示最一般的多关节机器人的控制框图。如图4所示那样，该控制块包括位 置控制部（Gp)、速度控制部（Gv)和电流控制部。位置控制部对关节角度进行反馈控制，对 角度偏差进行比例控制（P控制），作为速度指令而对速度控制部进行指令。速度控制部对 关节角速度进行反馈控制，对与所赋予的速度指令的偏差进行比例积分控制（PI控制），作 为电流控制指令对电流控制部进行指令。电流控制部基于赋予的电流控制指令而对电动机 电流进行控制。
[0074] 另外，多关节机器人由于机械的固有振动频率较低，因此通过在图4所示的第1动 态特性运算部（动态特性1)等中进行的滤波器处理来抑制了这些分量，以使得目标值中不 含激发固有振动的分量。
[0075] 其中，在多关节机器人中，在各轴间，干涉转矩包含重力项等，作为非线性项c而 作用于各连杆。由于连杆和电动机经由作为弹簧要素发挥作用的减速器而结合，因此轴力 作用于连杆和电动机，以作为作用/反作用。特别在焊接机器人的摆动动作中，由于需要使 焊炬不上下抖动（不产生上下方向的运动）地在所期望方向上以所期望的振幅摇动，因此 需要非常高精度的动态控制。为此，该轴力以及弹性变形的影响甚大。
[0076] 图5表示用在图4的控制块示出的控制装置控制多关节机器人的情况下的摆动轨 迹。如该图5所示那样，若非线性项、轴力以及弹性变形发挥作用，则会产生上下方向的运 动，作为摆动动作完全不适合。为了对其进行抑制，考虑以目标值为基础来算出轴力，进行 前馈补偿。
[0077] 图6表示基于这样的思路的以目标值为基础来实现现有技术所涉及的非线性前 馈补偿的控制框图。
[0078] 图7表示用在图6的控制块示出的控制装置控制多关节机器人的情况下的摆动轨 迹。由于这是以目标值为基础的前馈补偿，因此在相位滞后的影响下前馈定时会出现偏离， 反而成为使上下方向的运动变差的结果。
[0079] -般，在这样的现有技术所涉及的控制中，由于反馈控制部（伺服控制反馈特性） 中的相位特性和增益特性按每个轴而不同，因此难以使前馈控制等的相位一致。为此，上述 那样的轴力转矩补偿和弹性变形补偿几乎没有实用化，难以抑制弹性变形等的影响。
[0080] 另外，在图6中，由上级CPU进行了非线性前馈计算。由于非线性项的计算非常复 杂，计算量多，难以由伺服控制部计算，因此一般由上级CPU以目标值为基础来进行。
[0081] 若与表示这样的现有技术所涉及的控制的结果（摆动轨迹）的图5以及图7进行 比较，则本实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置10的结果（摆动轨迹）如图3所示那 样，虽然还发生上下动分量，但却显著抑制了上下动分量。另外，图3是使第2动态特性运 算部400中的高频阻隔特性与第1动态特性运算部300中的高频阻隔特性等同的情况下的 结果。
[0082] 在本实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置10中，通过第1动态特性运算部 300来抑制含有包含在关节角度指令值Θ Ic中的固有振动分量的高频。而且，通过第2动 态特性运算部400抑制含有包含在轴力转矩fc中的固有振动分量的高频。由此抑制了上 述的现有技术中的非线性项引起的振动。
[0083] 如以上那样，根据本实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置，在多关节机器人 中能够补偿各轴的弹性变形的影响，从而能以较高轨迹精度进行摆动等动作。
[0084] 〈第2实施方式〉
[0085] 以下，说明本发明的第2实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置。另外，本实施 方式所涉及的弹性变形补偿控制装置在第1动态特性运算部300的赋予方式上，与上述的 第1实施方式所涉及的弹性变形补偿控制装置10不同。由于除此以外都与第1实施方式 相同，因此对与上述的说明重复的部分不再重复。
[0086] 在上述的第1实施方式中，对第2动态特性运算部400赋予了与第1动态特性运 算部300相等以上的高频阻隔特性。在本实施方式中与第1实施方式同样地以具有非常强 的高频阻隔特性的方式赋予第2动态特性运算部400。另外，将第1动态特性运算部300赋 予为使第2动态特性运算部400的动态特性与在各轴伺服控制中想定的反馈特性的逆特性 相乘而得到的结果。这表示构成为将第1动态特性运算部300的特性赋予成与将第2动态 特性运算部400中的特性除以反馈控制动态特性而得到的特性对应。
[0087] 在图2所示的控制块的情况下，各轴伺服反馈控制的动态特性由以下的式⑴赋 予。另外，在以下所示的公式中，"动态特性1"表示第1动态特性运算部300中的动态特 性，"动态特性2"表示第2动态特性运算部400中的动态特性。
[0088] [公式 1]
【权利要求】
1. 一种多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，通过电动机来驱动多个关节轴，以使 安装于将所述电动机和臂经由弹性变形的减速器而结合的所述多关节机器人的工具进行 所期望的动作， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置的特征在于，构成为包括： 关节角度指令值计算部，其算出并输出用于实现所述工具的所期望的动作的各关节轴 的关节角度指令值e lc ; 轴力转矩计算部，其基于动力学模型，根据关节角度指令值0 lc来算出并输出按照所 述关节角度指令值e lc而动作时产生的作用于各关节轴的轴力转矩fc ; 电动机角度指令值计算部，其基于包含所述关节轴的刚性参数的参数，根据关节角度 指令值e lc和轴力转矩fc来算出并输出电动机角度指令值e me ; 第1动态特性运算部，其具备具有比所述多关节机器人的固有振动频率低的截止频率 的高频阻隔特性，对所述电动机角度指令值eme进行滤波处理，并输出处理后的电动机角 度目标值Q md ; 电动机角度控制部，其输入所述电动机角度目标值9 md，以作为针对所述电动机的目 标值； 第2动态特性运算部，其具备具有低于或等于所述第1动态特性运算部的截止频率的 高频阻隔特性，对向所述轴力转矩计算部的输入以及来自所述轴力转矩计算部的输出的至 少任一者进行滤波处理，并输出处理后的轴力转矩补偿值fd ;以及 电动机电流控制部，其输入在从所述电动机角度控制部输出的电动机转矩指令值中加 上所述轴力转矩补偿值fd而得到的值，以作为目标值。
2. 根据权利要求1所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为： 将所述电动机角度控制部的响应较慢的轴的第1动态特性运算部的相位滞后赋予得 比所述电动机角度控制部的响应较快的轴的第1动态特性运算部的相位滞后短。
3. 根据权利要求1所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：基于包含位置反馈增益以及速度 反馈增益的至少任一者的参数来算出从没有各轴间的轴力的状态下的电动机角度目标值 9 md到实际的电动机角度0 m为止的反馈控制动态特性， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：将所述第1动态特性运算部的特 性赋予成使所述第2动态特性运算部中的截止频率低于所述第1动态特性运算部中的截止 频率，并与将所述第2动态特性运算部中的特性除以所述反馈控制动态特性而得到的特性 对应。
4. 根据权利要求2所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：基于包含位置反馈增益以及速度 反馈增益的至少任一者的参数来算出从没有各轴间的轴力的状态下的电动机角度目标值 e md到实际的电动机角度e m为止的反馈控制动态特性， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：将所述第1动态特性运算部的特 性赋予成使所述第2动态特性运算部中的截止频率低于所述第1动态特性运算部中的截止 频率，并与将所述第2动态特性运算部中的特性除以所述反馈控制动态特性而得到的特性 对应。
5. 根据权利要求3所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：在考虑所述电动机电流控制部的 电流控制特性的情况下，将所述第1动态特性运算部的特性赋予成与将所述第2动态特性 运算部中的特性除以所述反馈控制动态特性再乘以电流控制特性而得到的特性对应。
6. 根据权利要求4所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：在考虑所述电动机电流控制部的 电流控制特性的情况下，将所述第1动态特性运算部的特性赋予成与将所述第2动态特性 运算部中的特性除以所述反馈控制动态特性再乘以电流控制特性而得到的特性对应。
7. 根据权利要求1?6中任一项所述的多关节机器人的弹性变形补偿控制装置，其特 征在于， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制装置构成为：在所述电动机角度指令值计算部 中的计算周期慢于所述电动机角度控制部中的控制周期的情况下，在所述电动机角度指令 值计算部中，使轴力转矩计算值或弹性变形量计算值与关节角度指令值的相位差一致，根 据相位修正后的轴力转矩计算值或弹性变形量计算值和相位修正后的关节角度指令值来 算出电动机角度指令值。
8. -种多关节机器人的弹性变形补偿控制方法，通过电动机来驱动多个关节轴，以使 安装于将所述电动机和臂经由弹性变形的减速器而结合的多关节机器人的工具进行所期 望的动作， 所述多关节机器人的弹性变形补偿控制方法的特征在于，构成为包括： 关节角度指令值计算步骤，算出并输出用于实现所述工具的所期望的动作的各关节轴 的关节角度指令值e lc ; 轴力转矩计算步骤，基于动力学模型，根据关节角度指令值0 lc来算出并输出按照所 述关节角度指令值e lc而动作时产生的作用于各关节轴的轴力转矩fc ; 电动机角度指令值计算步骤，基于包含所述关节轴的刚性参数的参数，根据关节角度 指令值e lc和轴力转矩fc来算出电动机角度指令值e me ; 第1动态特性运算步骤，具备具有比所述多关节机器人的固有振动频率低的截止频率 的高频阻隔特性，对所述电动机角度指令值e me进行滤波处理，并输出处理后的电动机角 度目标值Q md ; 电动机角度控制步骤，输入所述电动机角度目标值emd，以作为针对所述电动机的目 标值； 第2动态特性运算步骤，具备具有低于或等于所述第1动态特性运算步骤的截止频率 的高频阻隔特性，对向所述轴力转矩计算步骤的输入以及来自所述轴力转矩计算步骤的输 出的至少任一者进行滤波处理，并输出处理后的轴力转矩补偿值fd ;和 电动机电流控制步骤，输入在从所述电动机角度控制步骤输出的电动机转矩指令值中 加上所述轴力转矩补偿值fd而得到的值，以作为目标值。
【文档编号】B23K9/095GK104349873SQ201380028233
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】西田吉晴, 和田尧, 井上芳英, 稻田修一 申请人:株式会社神户制钢所