进行力控制的机器人控制装置的制作方法

专利名称：进行力控制的机器人控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人控制装置。特别地，本发明涉及利用机器人来控制去飞 边、磨削、研磨等加工作业的机器人控制装置。
背景技术：
为了用机器人来进行去飞边、磨削、研磨等加工作业，而进行边以适当的 力将安装在机器人手臂前端部分的作业工具按压在工件上边移动作业工具。为 了相同目的，也有边将用安装在机器人手臂前端部分的手部把持的工件以适当 的力按压在已固定的加工机械上边移动手部的情况。
此时，有时使用具有柔性机构的作业工具或此类加工机械，以使作用在工 件和作业工具之间的力为适当的值。此外，也有通过使用力觉传感器或机械驱 动部的驱动器的电流值来推测作用在工件和作业工具之间的力，并将该力反馈 而控制作业工具的位置或力的情况。
由力测定构件例如力觉传感器所检测的力还包括作用在作业工具和工件 之间的純作用力以外的力，例如机器人的末端执行器的重力及回转力矩所产生
的外力。在第3412236号专利中，公开了通过从由力测定构件检测的力减去重 力及回转力矩所产生的外力来修正力的内容。
再有，在仿形加工作业中，在较大地改变机器人手臂前端部分的移动方向 时，存在机器人所产生的按压力的控制变得不完全，工件的加工不充分或过量 的情况。为解决该问题，在第3402829号专利中，根据预先定义的程序来在角 落部的预先指定的范围内减小末端执行器的前进方向速度并使目标按压力减 小。此外，在第2739764号专利及曰本特开平5 - 143146号公报中公开了算出 加工路径上的曲率并根据所算出的曲率来确定机器人和工件之间的相对速度 和目标按压力的内容。
但是，实际上，由力测定构件检测的力中还包括因机器人手臂前端的末端 执行器与机器人手臂一同运动而产生的离心力、被称为哥氏力的惯性力等动力 学项。
再有，在仿形加工作业中，在使机器人手臂前端部分的移动方向较大地变 化的情况下，动力学项的值也变得较大。因此，为了更正确地推测作用在作业 工具和工件之间的纯作用力，有必要考虑该动力学项。
虽然重力和动力学项的值从机器人的姿势或作业工具的质量等推测，但由 于在这些值中必定存在误差，所以不能进行完美的推测。在使机器人手臂前端 部分的移动方向较大地变化的情况下，动力学项变大，所以存在推测误差也变 大的倾向。此外，由于控制系统的滞后和跟踪性能的限制，从而产生了仅通过 力的修正对工件无法实现期望的加工状态的情况。
为处理此类问题，上述第3402829号专利等中的使前进方向速度及目标按 压力减小的方法有效。但是，在第3402829号专利中，工件的表面形状是已知 的，且有必要预先指定使前进方向速度及按压力变化的区域。
此外，在第2739764号专利及日本特开平5 - 143146号公报中，作为使前 进方向速度或目标按压力变化的判断基准，有必要分别算出曲率等的指标。再 有，在第2739764号专利及曰本特开平5 - 143146号么M艮中，由于在作业工具 或手部，亦或把持的工件不同的情况下，末端执行器的质量、重心位置变化， 所以即便是在曲率为相同值的情况下，例如在同一轨道运动的情况下，也必要 对每种工件或末端#1行器改变前进方向速度及按压力的调整值。

发明内容
本发明鉴于此类问题而提出，目的是提供即使在使机器人手臂前端部分的 移动方向较大地变化的情况下也可更正确地加工工件的机器人控制装置。
为了达到上述目的，根据第l方式，提供了一种机器人控制装置，其是控 制作用在安装于机器人手臂的前端的作业工具和工件之间的力的机器人控制 装置，其特征在于，具备力测定构件，获得在进行所述控制时所需的力数据； 计算构件，算出由所述作业工具对所述力测定构件影响的力中的重力作用于所
述力测定构件的力和因所述机器人手臂的运动所产生的动力学项；修正构件)， 利用由所述计算构件算出的所述重力作用于所述力测定构件的力和所述动力 学项来修正由所述力测定构件测定了的力；指令调整构件，在所述动力学项比
预定阈值大的情况下，根据由所述动力学项和所述重力而对所述力测定构件影
响的力来调整所述机器人手臂的动作指令
再有，根据第2方式，提供了一种机器人控制装置，其是控制作用在由安
机器人控制装置，其特征在于，具备力测定构件，获得在进行所述控制时所 需的力数据；计算构件，算出由把持所述工件的所述手部对所述力测定构件影 响的力中的重力作用于所述力测定构件的力和因所述机器人手臂的运动所产 生的动力学项；修正构件，利用由所述计算构件算出的所述重力作用于所述力 测定构件的力和所述动力学项来Y务正由所述力测定构件测定了的力；指令调整 构件，在所述动力学项比预定阔值大的情况下，根据由所述动力学项和所述重 力而对所述力测定构件影响的力来调整所述机器人手臂的动作指令。
即，在第l及第2方式中，即使在进行像前端部分的移动方向较大变化那 样的仿形加工动作的情况中，也可进行机器人手臂前端部分的末端执行器例如 作业工具或手部的重量和因机器人手臂的运动所产生的动力学项例如离心力、
哥氏力等惯性力等的修正。因此，可使作用在作业工具和工件之间的纯作用力 的推定误差尽可能地小。所以，在这些方式中，可更为正确地控制在作业工具 和工件之间作用的按压力。
再有，在第1及第2方式中，在调整与机器人手臂的动作相关的指令时， 不需要预先示教加工路径上的调整之处，且不需要另外算出加工路径上的曲 率。再有，在第l及第2方式中，从重力及动力学项可判断加工是否会趋于不 充分或过量，并可据此来调节动作指令。此外，最好是基于设定好的目标按压 力来确定阔值，这样，即使在更换作业工具、手部或工件的情况下也可使用相 同的调整值。
根据第3方式，在第1及第2方式中其特征在于，由所述指令调整构件调 整的所述机器人手臂的所述动作指令包括应作用在所述作业工具和所述工件 之间的力的指令。
即，在第3方式中，通过根据由动力学项得到的惯性力和作用方向来改变 力的目标值，从而可将工件加工为期望的状态。
根据第4方式，在第1 ~3方式中的任一方式中其特征在于，由所述指令 调整构件所调整的所述机器人手臂的所述动作指令包括所述机器人手臂的前进方向速度。
即，在第4方式中，通过根据从动力学项得到的惯性力和作用方向来改变
前进方向速度的目标值，从而可将工件加工为期望的状态。
根据第5方式，在第1 ~4方式中的任一方式中其特征在于，由所述指令调 整构件所调整的所述机器人手臂的所述动作指令包括机器人手臂的目标轨道。
即，在第5方式中，通过根据从动力学项得到的惯性力和作用方向来改变 目标轨道，从而可将工件加工为期望的状态。
根据第6方式，在第1-5方式中的任一方式中其特征在于，由所述指令
调整构件所调整的所述机器人手臂的所述动作指令包括力控制的增益'，
即，在第6方式中，通过根据从动力学项得到的惯性力和作用方向来改变
力控制的增益，从而可将工件加工为期望的状态。
根据第7方式，在第1-6方式中的任一方式中其特征在于，所述计算构
件从所述机器人手臂的姿势、动作速度和动作加速度和安装在所述机器人手臂
前端部的末端执行器部的质量和重心中算出动力学项和重力。
根据第8方式，在第1 7方式中的任一方式中其特征在于，上述力测定
构件是力觉传感器。
根据第9方式，在第1-7方式中的任一方式中其特征在于，上述力测定
构件基于驱动上述机器人手臂的驱动器的电流值来推定力。
即，在第8及第9方式中，可通过较简单的方法来推定力。此外，在第9
方式中，不需要另外准备力觉传感器。
根据第IO方式，在第1 9方式中的任一方式中其特征在于，由上述机器 人控制装置进行的力控制是阻抗控制。
根据第11方式，在第1 9方式中的任一方式中其特征在于，由上述机器 人控制装置进行的力控制是减震控制。
些目的、特征及优点和其它目的、特征及优点。


图1是由基于本发明的机器人控制装置所控制的机器人的立体图。
图2是基于本发明的机器人控制装置的功能方框图。
图3是用于说明由机器人控制装置所控制的机器人手臂前端部分的移动 的图。
图4是由基于本发明的机器人控制装置所控制的另一机器人的立体图。
图5是表示目标前进方向速度Vd和超过阈值后的经过时间t的关系的图。
图6是表示系数al、 a2和惯性力的按压方向成分大小的关系的图。
图7是表示目标前进方向速度Vd和超过阀值厚的经过时间t的关系飞另一图。
图8是表示系数P 1和惯性力的按压方向成分大小I h I的关系的图。
图9是表示目标按压力Fd和超过阈值后的经过时间t的关系的图。
图IO是表示目标按压力Fd和超过阈值后的经过时间t的关系的另一图。
图11是表示轨道修正量Tm和超过阈值后的经过时间t的关系的图。
图12是表示轨道修正量Tm和惯性力的按压方向成分大小I h I的关系的 另一图。
图13是表示力控制增益Gd和超过阈值后的经过时间t的关系的图。
具体实施例方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。在以下的附图中，对相同的部 件标以相同的参照标记。为易于理解，将这些附图适当缩小。
图1是由基于本发明的机器人控制装置所控制的机器人的立体图。图1所 示的机器人50是六自由度的多关节型机器人。该机器人50由机器人控制装置 IO控制。在机器人50的机器人手臂50a的前端装有作业工具52。在图1所示 的实施方式中，作业工具52是例如研磨机。图1所示的作业工具52例如研磨 机用于研磨预先固定在作业台61上的工件60。
再有，力觉传感器51配置于机器人手臂50a的前端和作业工具52之间。 力觉传感器51测定作业工具52按压在工件60上时的力。这里，在本说明书 中使用的用语"力"将包括力和力矩二者。如图所示，力觉传感器51与机器 人控制装置IO连接，且向机器人控制装置IO供给测定后的力数据。再有，在 下面有将力觉传感器51适当地称为"力测定构件51"的情况。
此外，也可不使用力觉传感器51而基于驱动机器人手臂50a的驱动器(未 图示)的电流值来推测力。在这种情况下，基于电流值来推测力的构件相当于
力测定构件51。
图2是基于本发明的机器人控制装置的功能方框图。作为微型计算机的机
器人控制装置10包括第一参数存储部20和第二参数存储部25。如图所示， 在第一参数存储部20中存储预先设定的设定值即目标按压力、目标转矩Fs; 目标前进方向速度Vs;目标轨道Ts及控制增益例如力控制增益Gs。此外， 在第二参数存储部25中存储作业工具52的质量、重心位置26。再有，没有
记载计算方法的后述常数预先储存在参数存储部中。
这里，目标轨道Ts包括利用CAD数据得到的轨道、在加工作业前通过将 作业工具52实际在工件60的表面上进行仿形而得到的轨道、通过示教作业而 得到的轨道等。
再有，机器人控制装置10具备指令运算部ll，制作、运算各种机器人 操作指令并向机器人50供给；指令调整构件12,基于存储在第一参数存储部 20中的参数值并根据重力及动力学项对力测定构件51影响的力调整目标按压 力、目标前进方向速度、目标轨道、控制增益等，并将这些值送至指令运算部 11;动力学项、重力计算部13 (以下称之为"计算部13"),基于从安装在机 器人50上的位置、速度、加速度检测部53输送的数据和预先储存在第二参数 存储部的工具的质量、重心位置26算出动力学项及重力；力修正构件14,将 由机器人50的力测定构件51例如力觉传感器所测定的力的输出值转换为从力 觉传感器坐标系观察的值并修正重力及动力学项所带来的影响，算出作用在作 业工具52和工件60之间的纯作用力。
图3是用于说明由机器人控制装置控制的机器人手臂前端部分的移动的 图。在图3中，表示机器人50的作业工具52沿工件60的表面62仿形的加工 作业状态。如图3所示，工件60的表面62包括较大的凹凸。因此，作业工具 52的移动方向在表面62的区域63及区域64中会发生较大的变化。这里，在 区域63中，惯性力的按压方向成分(离心力)的作用方向和按压方向相反， 在区域64中，惯性力的按压方向成分(离心力)的作用方向和按压方向为相 同方向。再有，在图3中，作业工具52的前进方向是沿工件60的表面62的 方向，作业工具52按压工件60的按压方向为作业工具52相对所相应的工件 60的表面62垂直且朝向工件60内部的方向。
下面，参照图2及图3来对利用本发明的机器人控制装置10的控制进行 说明。在本发明中，算出重力作用在力测定构件51上的力和通过驱动机器人 手臂50a而使末端^t丸行器例如作业工具52作用在力测定构件51上的力即动力 学项。
这些力可通过在解以下所示的机械手的动力学方程式时所使用的公知方法而算出。
r = M (A" + C (e，) +G (0) dt2 dt
这里，T是关节转矩矢量，e是关节角度矢量，m ( e )是质量矩阵，c (e、 de/dt)是表示离心力和哥氏力等的矢量，g (e)是重力矢量。
利用在解上述动力学方程式时通常所使用的方法例如牛顿'欧拉法和拉格 朗曰法等，可算出作用在机器人手臂的各连杆的重心的重力及惯性力(还包括 惯性力矩)。利用该方法，通过由机器人手臂的关节角度矢量e、该关节角度 矢量e的速度及加速度求出从力觉传感器的坐标系观察的作用在作业工具52 的重心的惯性力作用于力觉传感器的坐标系中心的力，便可算出动力学项。此外，也可同时算出从力觉传感器的坐标系观察的作业工具52的重量作用在力觉传感器的坐标系中心的力。(这里，也可从关节角度矢量算出机器人手臂的 角速度，并可从关节角度矢量和角速度算出角加速度。)
机器人控制装置10的计算部13如上述那样算出重力作用在力觉传感器 51的坐标系中心的力和因使机器人手臂运动而使末端执行器作用于力觉传感 器51的坐标系中心的力即动力学项。
另一方面，在机器人手臂50a如参照图3说明那样移动时，力觉传感器 51测定力。接着，机器人控制装置IO的力修正构件14在测定后的力中修正 动力学项及重力所带来的影响。具体地，从测定后的力中减去重力作用于力觉 传感器51的坐标系中心的力和上述的动力学项。由此，在机器人手臂50a进 行其前端部分的移动方向较大变化的动作时，可减小作用在作业工具52和工件60之间的纯作用力的推测误差。因此，在本发明中，可更正确地控制作用 在作业工具52和工件60之间的按压力。
再有，还可将作业工具用的位置、速度、加速度检测部(未图示)安装在 作业工具52上，利用由其检测的作业工具52的加速度算出动力学项和重力。
然后，机器人控制装置10的指令调整构件12通过将重力和动力学项的合 力或仅将动力学项与预定阈值比较，从而调整与机器人手臂的动作指令相关的
参数值。该阔值可如以下式(2)那样从目标按压力Fs中算出。 ht=k0 - Fs (2 )
这里，ht是用于与重力和动力学项的合力或仅与动力学项比较的阈值，k0 是常数，Fs是预先设定的目标按压力。这样，在基于预先设定的目标按压力 Fs来确定阈值ht的情况下，即使在更换作业工具52、后述的手部54或工件 60的情况下也可使用相同的调整值。
下面，作为动力学项考虑惯性力的按压方向成分，指令调整构件12比较 按压方向成分的值和上述阈值并进行与机器人手臂的动作指令相关的参数值 的调整。(这里，还可进行使用动力学项的按压方向以外的力的调整。)
下面，作为与动作指令相关的某个参数值的调整，对以下情况进行说明。 即、(1)改变目标按压力及目标前进方向速度二者的情况， (2)仅改变目标前进方向速度的情况， (3 )仅改变目标按压力的情况，
(4) 调整目标轨道的情况，
(5) 调整力控制增益的情况。
(1)改变目标按压力及目标前进方向速度二者的情况
參惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值小的情况，目标前进方向速 度Vd使用其设定值Vs。
*在惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值大的情况，目标前进方向 速度Vd变小且目标按压力Fd也变小(1 - 1 )、 (1-2)。这样，即使目标前进 方向速度Vd变小也可防止工件60被过量加工。(但是，在工件60和作业工 具52易于远离的部分，在不想使目标前进方向速度Vd那样下降的情况下， 加大目标按压力Fd。)
为减小目标前进方向速度Vd及目标按压力Fd,可采用以下两种方法。
(1 - 1)在惯性力的按压方向成分的大小1 h I比阔值ht大的情况，基于 超过阈值后经过的时间t来改变目标前进方向速度Vd和目标按压力Fd。
图5是表示目标前进方向速度Vd和超过阚值后的经过时间t的关系的图。在图5中，将惯性力的按压方向成分的大小I h I超过阈值的时刻的速度设为
Vx (这里，Vx在I h I超过阈值ht后下降，且一超过便更新为新的值)。
在使目标前进方向速度Vd基于以下式(3)平滑减小的同时，基于式(4)，
使目标按压力Fd变小。
<formula>complex formula see original document page 12</formula> (3) 其中，0<l11、 0<t、 0≦k11<l、 0<ht<∣h| Fd = m1. (Fs/Vs).Vd+n11 (4) 其中，0<m11
在式(3)及式(4)中，Vd是目标前进方向速度，kn是常数，1 是常数， t表示惯性力的按压方向成分的大小I h I超过阈值ht后经过的时间。再有， Vx是惯性力的按压方向成分的大小I h I在超过阈值ht时刻的速度，Fd是目 标按压力，mu是常数，Fs是预先设定的目标按压力，Vs是预先设定的目标 前进方向速度。还有，nn是常数，h是惯性力的按压方向成分，ht是用于与动 力学项比较的阈值。
(1-2)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大的情况，基于惯 性力的按压方向成分的大小Ih I来改变目标前进方向速度Vd和目标按压力 Fd。
图6是表示系数al、 a2和惯性力的按压方向成分的大小的关系的图。首 先，如以下式(5)、 (6)所示，求出根据惯性力的按压方向成分的大小I h I 而变化的系数al、 a2。
<formula>complex formula see original document page 12</formula> (5)
其中，0<112、 0≦k12<l、 0<ht<∣h|
<formula>complex formula see original document page 12</formula> ( 6 )
其中，0<n12、 0≦m12<l、 0<ht< |h|
其次，使用这些系数al、 (x2，并基于以下式(7)、 (8)来使目标前进方 向速度Vd及目标按压力Fd减小。
Vd-al.Vs (7) Fd = a2.Fs ( 8 )
在式(5)及式(6)中，k12是常数，l2是常数，n12是常数、m12是常数。
12再有，在使目标前进方向速度、目标按压力改变的情况下，期望不对机器人手 臂的动作施加过大的负荷那样地平滑变化。
(2 )仅改变目标前进方向速度的情况
如下所述，通过调节作业工具52和工件60的相对速度，从而防止了加工 不充分或过量。
争惯性力的纟姿压方向成分的大小lhl比阈值ht小的情况，目标前进方向 速度Vd使用其设定值Vs。
*在惯性力的按压方向成分的大小|h|比阈值ht大且惯性力的按压方向 成分的作用方向与按压方向相反的情况，减小目标前进方向速度Vd (2-1)、 (2-2)。
惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压方向成 分的作用方向与按压方向为相同方向的情况，加大目标前进方向速度Vd (2 -3)、 (2-4)。再有，加大目标前进方向速度Vd的理由是为了将目标前进方 向速度Vd的增加与按压力变大所产生的每单位时间的切削量的增加相抵消。
关于上述内容，将在下面说明。
(2 - 1 )惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向相反的情况，基于超过阈值后经过的时间t来 减小目标前进方向速度Vd。此时，使用上述式(3)来使目标前进方向速度 Vd减小。
(2-2)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向相反的情况下，基于惯性力的按压方向成分的 大小I h I来减小目标前进方向速度Vd。此时，在从上述式(5)中算出系数 al后，利用上述式(7)来减小目标前进方向速度Vd。
其次，对惯性力的按压方向成分的大小I hl比阔值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向为相同方向的情况进行说明。
关于(2-3)、 (2-4)，虽然对增大目标前进方向速度Vd的情况进行了 陈述，但由于在增大目标前进方向速度Vd的情况下产生进一步增大惯性力的 按压方向成分的大小|h|的副作用，所以存在控制性能恶化的情况。在此类 情况下，与(2-1)、 (2-2)同样地，期望减小目标前进方向速度Vd。这可
使每单位时间的加工量变小且难以受到前进方向速度的影响，并可适于抛光等 的研磨作业的情况。
另一方面，在每单位时间的切削量大的用途例如去飞边作业等中，在目标 前进方向速度Vd变小且按压时间变长时，产生加工过量的不良情况。
因此，在去飞边作业等中，如以下的(2-3)、 (2-4)那样，加大目标前 进方向速度Vd。但是，在控制性能显著恶化的情况下，如(l-l)、 (1-2) 那样，期望改变目标前进方向速度Vd和目标按压力Fd。
(2-3)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向为相同方向的情况，基于超过阈值后经过的时 间来加大目标前进方向速度Vd。
一图。在图7中，将惯性力的按压方向成分的大小I h I在超过阈值ht的时刻 的速度设为Vx (这里，Vx在I h I超过阈值ht后下降，且一超过便更新为新 的值)。
参照图7并基于以下式(9)来算出目标前进方向速度Vd。 Vd={ (k23-l) (1-exp ( -l23.t)) +l}.Vx (9) 其中，0<123、 0<t、 i^k23、 0<ht< I h| 这里，k"是常数，123是常数。
(2-4)惯性力的按压方向成分的大小I h i比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向为相同方向的情况，基于惯性力的按压方向成 分的大小I h I来加大目标前进方向速度Vd。
图8是表示系数pi和惯性力的按压方向成分的大小I h I的关系的图。首 先，基于以下式(10)来算出对应惯性力的按压方向成分的大小I h I而变化 的系数卩l。
卩1= (k24-l) (l-exp(-124' ( I h I —ht) }) +1 (10) 其中，0<124、 l^k24、 0<ht< I h I
其次，基于该系数(31，从以下式(11)算出目标前进方向速度Vd。 Vd-卩l.Vs (11)
这里，k24是常数，124是常数。再有，在使目标前进方向速度变化的情况
下，期望不对机器人手臂的动作施加过大的负荷那样地平滑变化。 (3 )仅改变目标按压力的情况
如下所述，通过调节目标按压力Fd来防止加工不充分或过量。 *惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht小的情况，目标按压力Fd 使用其设定值Fs。
*惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压方向成 分的作用方向与按压方向相反的情况，加大目标按压力Fd。 (3-1)、 (3-2)
*惯性力的按压方向成分的大小I h I比阔值ht大且惯性力的按压方向成 分的作用方向与按压方向为同向的情况，减小目标按压力Fd。 (3-3)、 (3-4) (3 - 1)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向相反的情况，基于超过阈值后经过的时间t来 加大目标纟妄压力Fd。
图9是表示目标按压力Fd和超过阈值后的经过时间t的关系的图。参照 图9并基于以下式(12)来算出目标按压力Fd。
Fd={ (k31-l) . (1-exp ( -I31.t)) +l}'Fs (12)
其中，0<131、 0<t、 l^k31、 0<ht< |h| ,这里，k3是常数，131是常数。 (3 - 2 )惯性力的按压方向成分的大小I h I比阔值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向相反的情况，基于惯性力的按压方向成分的大 小I h I来加大目标按压力Fd。此时，在从上述式(IO)中算出系数pi后， 使用下述的式(13)来加大目标按压力Fd。
Fd-卩l.Fs (13) (3 - 3 )惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与4姿压方向为相同方向的情况，基于超过阔值后经过的时 间t来减小目标按压力Fd。
图10是表示目标按压力Fd和超过阈值后的经过时间t的关系的另 一 图。 参照图IO并基于以下式(14)来算出目标按压力Fd。
Fd={ (l-k33) 'exp ( -l33.t)) +k33}'Fs (14)
其中，0<133、 0<t、 0^k33<l、 0<M< lhl ,这里，k33是常数，133是 常数。
(3-4)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大且惯性力的按压 方向成分的作用方向与按压方向为相同方向的情况，基于惯性力的按压方向成
分的大小I h I来减小目标按压力Fd。此时，在从上述式(5)中算出系数al 后，使用上述式(13)来减小目标按压力Fd。再有，在使目标按压力变化的 情况下，期望不对机器人手臂的动作施加过大负荷那样地平滑变化。
再有，如果是本领域技术人员则可知如下在減小目标按压力Fd及目标 前进方向速度Vd的情况，可防止工件加工不足或过量加工，加大目标按压力 Fd及/或减小目标前进方向速度Vd的情况，可防止工件加工不足，减小目标 按压力Fd ^或加大目标前进方向速度Vd的情况，可防止工件过量加工。
但是，机器人控制装置10的指令调整构件12还可进行目标轨道Td的调 整。下面，作为动力学项而考虑惯性力的按压方向成分，并将其值和上述阈值 比较，进行目标轨道Td的调整(这里，还可进行使用动力学项的按压方向以 外的力的调整)。
(4)调整目标轨道的情况
*
惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht小的情况，目标轨道Td 使用其设定值Ts。
參惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大的情况，根据惯性力的 按压方向成分的作用方向和按压方向而如下述那样使目标轨道移动。
第一，惯性力的按压方向成分的作用方向和按压方向为反向的情况，使目 标轨道向按压方向移动。
第二，惯性力的按压方向成分的作用方向和按压方向为同向的情况，使目 标轨道向与l要压方向相反方向移动。
目标轨道Td可由下式得到。
Td = Ts + Tm
目标轨道的修正量Tm如以下两种方式那样算出。(4-1)、 (4-2) (4 - 1 )基于超过阈值后经过的时间t来算出目标轨道的修正量Tm。图
11是表示轨道修正量Tm和超过阈值后的经过时间t的关系的图。参照图11
的同时，从以下式(15)中算出目标轨道的修正量Tm。
Tm = k4r (1-exp ( -l41.t)) (15)
其中，0<141、 0<t、 0^k41、 0<ht< I h I ，这里，k41是常数，U是常数。
(4-2)基于惯性力的按压方向成分的大小I h I来算出目标轨道的修正 量Tm。图12是表示轨道修正量Tm和惯性力的按压方向成分的大小| h |的 关系的另一图。参照图12的同时，从以下式(16)中算出目标轨道的修正量 Tm。
Tm = k42. (1 - exp{ - 142. ( | h I —ht) }) ( 16 )
其中，0<142、 0^k42、 0<ht< I h I
这里，k42是常数，142是常数。再有，Tm是轨道修正量，h是惯性力的按 压方向成分，ht是用于与动力学项比较的阈值。这样，可知能防止工件加工不 足或加工过量。再有，在使目标轨道变化的情况，期望不对机器人手臂的动作 施加过大负荷那样地平滑变化。
但是，在仿形加工作业中，由力测定构件51而得到的力因工件60和作业 工具52接触而易于受到工件60的表面状态、飞边的大小、因机器人手臂50a 自身运动所产生的弯曲或摇动等的影响。此外，还存在力测定构件51的信号 附带的噪音、作业工具52的转动产生的力或作业工具52的振动所产生噪音等 外部干扰。因此，如果将力控制增益设定为过大值，则对外部干扰过度反应或 者机器人手臂50a易于起振。因此，期望不将增益过大地设定为必需以上。
因此，期望在通常情况下预先使控制增益的大小较小，且仅在惯性力比较 大的情况下使控制增益较大。这种情况，还可以是调整与机器人手臂50a的动 作相关的指令的指令调整构件12根据动力学项的值来调整力控制增益。这样， 可仅使控制增益在必要的区域增大，而在通常情况下预先做成较小。因此，可 使工件60的加工状态为期望的状态。
下面，作为动力学项而考虑惯性力的按压方向成分，并将其值与上述阈值 比较，进行力控制增益的调整(这里，还可进行动力学项的按压方向以外的力 的调整)。再有，由机器人控制装置IO所实施的力控制还可以是阻抗控制或减 震控制的任一种。
(5)调整力控制增益的情况
*惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht小的情况，力控制增益 Gd使用其设定值Gs。
參惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大的情况，增大力控制增
益Gd ( 5 - 1 )、 ( 5 - 2 )。
(5-1)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大的情况，基于超 过阈值后经过的时间t来增大力控制增益Gd。图13是表示力控制增益Gd和 超过阈值后的经过时间t的关系的图。参照图13的同时，从以下式(17)中 算出力控制增益Gd。
Gd={ (k51-l) . (1-exp ( -l51.t)) +l}.Gs (17) 其中，0<151、 0<t、 l^k51、 0<ht< I h I ,这里，k^是常数，151是常数。 (5-2)惯性力的按压方向成分的大小I h I比阈值ht大的情况，基于惯 性力的按压方向成分的大小I h I增大目标按压力Gd。此时，在从上述式(10) 中算出系数(31后，使用以下式(18)算出力控制增益Gd。 Gd-卩l.Gs (18) 这里，Gs是预先在第一参数存储部20中设定的力控制增益。此外，在上 述(l)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)的情况中，还可预先准备将目标前进方向速度 Vd、目标按压力Fd、目标轨道修正量Tm、力控制增益Gd根据惯性力的按压 方向成分的大小和其方向来设定的表，并进行利用该表的方法。
这样，在本发明中，在调整与机器人手臂的动作相关的指令时，不需要预 先示教加工路径上的调整之处，也不需要另外算出加工路径上的曲率。此外，
从重力及动力学项判断加工是否会趋于不充分或过量，并据此来调节动作指 令。因此，可知能容易且正确地加工工件。
但是，图4是由基于本发明的机器人控制装置所控制的另一机器人的立体 图。图4所示的机器人50，在机器人手臂50a的前端安装了用于把持工件60 的手部54。将由手部54把持的工件60按压在固定于地面上的研磨机52上， 并进行仿形加工作业。而且，力觉传感器51配置于机器人手臂50a和手部54 之间。再有，还可以不使用力觉传感器51而基于驱动机器人手臂50a的驱动 器的电流值来推定力。即使这种情况，如果是本领域技术人员可知也能使用上 述控制。
虽然利用典型的实施方式来说明本发明，但可理解为，只要是本领域技术 人员，在不脱离本发明的范围可进行上述的变化及各种其它变化、省略、追加。
权利要求
1.一种机器人控制装置，其是控制作用在安装于机器人手臂(50a)前端的作业工具(52)和工件(60)之间的力的机器人控制装置(10)，其特征在于，具备力测定构件(51)，获得在进行所述控制时所需的力数据；计算构件(13)，算出由所述作业工具(52)对所述力测定构件(51)影响的力中的重力作用于所述力测定构件(51)的力和因所述机器人手臂(50a)的运动所产生的动力学项；修正构件(14)，利用由所述计算构件(13)算出的所述重力作用于所述力测定构件(51)的力和所述动力学项来修正由所述力测定构件(51)测定了的力；指令调整构件(12)，在所述动力学项比预定阈值大的情况下，根据由所述动力学项和所述重力而对所述力测定构件(51)影响的力来调整所述机器人手臂(50a)的动作指令。
2. —种机器人控制装置，其是控制作用在由安装在机器人手臂(50a)前 端的手部(54)所把持的工件(60)和已被固定的作业工具(52)之间的力的 机器人控制装置(10),其特征在于，具备力测定构件(51),获得在进行所述控制时所需的力数据；计算构件(13),算出由把持所述工件(60)的所述手部(54)对所述力测定构件(51)影响的力中的重力作用于所述力测定构件(51)的力和因所述机器人手臂(50a)的运动所产生的动力学项；修正构件(14),利用由所述计算构件(13)算出的所述重力作用于所述力测定构件(51)的力和所述动力学项来修正由所述力测定构件(51)测定了的力；指令调整构件(12)，在所述动力学项比预定阈值大的情况下，根据由所 述动力学项和所述重力而对所述力测定构件(51)影响的力来调整所述机器人 手臂(50a)的动作指令。
3. 根据权利要求1或2所述的机器人控制装置，其特征在于由所述指令调整构件(12)所调整的所述机器人手臂(50a)的所述动作 指令包括应作用在所述作业工具(52)和所述工件(60)之间的力的指令。
4. 根据权利要求1 3任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 由所述指令调整构件(12)所调整的所述机器人手臂(50a)的所述动作指令包括所述机器人手臂(50a)的前进方向速度。
5. 根据权利要求1 4任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 由所述指令调整构件(12)所调整的所述机器人手臂(50a)的所述动作指令包括机器人手臂(50a)的目标轨道。
6. 根据权利要求1 5任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 由所述指令调整构件(12)所调整的所述机器人手臂(50a)的所述动作指令包括力控制的增益。
7. 根据权利要求1 6任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 所述计算构件(13)从所述机器人手臂(50a)的姿势、动作速度和动作加速度及安装在所述机器人手臂(50a)前端部的末端执行器部的质量和重心 中算出动力学项和重力。
8. 根据权利要求1 7任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 所述力测定构件(51)是力觉传感器。
9. 根据权利要求1 7任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 所述力测定构件(51)基于驱动所述机器人手臂(50a)的驱动器的电流值来推定力。
10. 根据权利要求1~9任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 由所述机器人控制装置(10)进行的力控制是阻抗控制。
11. 根据权利要求1 9任一项所述的机器人控制装置，其特征在于 由所述机器人控制装置(10)进行的力控制是减震控制。
全文摘要
本发明涉及一种控制作用在安装于机器人手臂前端的作业工具和工件之间的力的机器人控制装置，具备获得在进行控制时所需的力数据的力测定构件；算出由所述作业工具对所述力测定构件影响的力中的重力作用于所述力测定构件的力和因所述机器人手臂运动所产生的动力学项的计算构件；利用由所述运算构件算出的所述重力所作用的力和所述动力学项修正由所述力测定构件测定了的力的修正构件；在动力学项比预定阈值大的情况下，根据由所述动力学项和所述重力而对所述力测定构件影响的力来调整所述机器人手臂的动作指令的指令调整构件。这样，即使在使机器人手臂前端部分的移动方向较大地变化的情况下也可更为正确地加工工件。
文档编号B25J13/00GK101195221SQ20071018655
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者佐藤贵之, 岩竹隆裕 申请人:发那科株式会社