专利名称：机器人的控制装置以及控制方法、机器人、以及控制程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及对进行物体传送的机器人的动作加以控制的机器人控制装置以及控制方法、机器人、以及控制程序。
背景技术：
近年来，看护机器人或家务支援机器人等家庭用机器人在被积极研发。另外，即便是工业用机器人，由于元件生产工厂的扩张等，与人协作的机器人的开发非常盛行。这样的与人协作的机器人，与以往那样划分人所处的区域和机器人用的作业区域而动作的机器人不同，需要与人共同生活，因此要求的安全性与以往的工业用机器人等不同。另外，作为机器人的一例的机器人手臂，根据所传送的物体以及自己的质量以及惯性力矩等，计算各关节的输出转矩。有握持物体时和未握持物体时，各关节所要求的转矩 发生改变，因此，需要对应于是否有握持物体的状况，适当切换目标转矩。但是，在以静止的状态握持物体的情况下，发生在握持或未在握持的2个状态的质量以及惯性力矩等的切换。为此，输出转矩被切换，机器人手臂的目标位置会有尽管处于静止的状态但机器人手臂活动的情形，从安全的角度来看存在问题。对于握持物体的机器人的质量以及惯性力矩等的切换，专利文献I中公开了不是切换质量以及惯性力矩等来进行计算，而是通过追加前馈项来对机器人进行控制的控制装置(参照专利文献I)。现有技术文献专利文献1:日本特开昭63-8912号公报但是，在专利文献I中有如下的问题发生对追加前馈项的计算和不追加前馈项的计算这2个状态进行切换的动作，但对于伴随切换的动作而机器人进行活动的情形尚无对策。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述以往的问题，而提供即便有握持物体或从握持放开时发生动态参数(例如，握持物体的质量以及惯性力矩等)的切换，机器人也能够使静止状态继续的、机器人的控制装置以及控制方法、机器人、以及控制程序。为了实现上述目的，本发明如下所示构成。根据本发明的一方式，提供一种机器人的控制装置，其是具有关节的机器人的控制装置，其具有获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数的动态参数获得单元、将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出的目标关节转矩输出单兀、对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换的动态参数切换单元、在通过上述动态参数切换单元切换了上述动态参数后对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制的目标关节转矩输出限制单元、和对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除的限制解除单元。根据本发明的另一方式，提供一种机器人，其中，具有上述机器人的控制装置、具有上述关节的机器人手臂、和被上述机器人手臂的顶端支承且可以握持上述物体的手部。根据本发明的又一方式，提供一种具有关节的机器人的控制方法，其中，由动态参数获得单元获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数，将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩从目标关节转矩输出单元输出，用动态参数切换单元对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换，在通过上述动态参数切换单元对上述动态参数进行了切换之后，由目标关节转矩输出限制单元对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制，用限制解除单元对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除。根据本发明的其他方式，提供一种具有关节的机器人的控制装置的程序，其用于使计算机作为下述单元发挥功能动态参数获得单元，其获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数；目标关节转矩输出单元，其将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出；动态参数切换单元,其对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换；目标关节转矩输出限制单元,其在通过上述动态参数切换单元对上述动态参数进行了切换之后，对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制；和限制解除单元，其对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除。发明效果根据本发明的机器人的控制装置以及控制方法、机器人、以及控制程序，下述的机器人的控制成为可能机器人即便有握持物体或从握持放开时发生包含握持物体的质量以及惯性力矩等动态参数的切换，也可以通过上述目标 关节转矩输出限制单元对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制，或者，通过上述限制解除单元对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除，机器人可以使静止状态维持或继续。
本发明的这些和其他目的和特征，根据有关附图的优选实施方式涉及的下述记述而加以明确。这些附图如下所示。图1是表不本发明的第一实施方式中的机器人系统的构成的图。图2是表示本发明的第一实施方式中的机器人的控制装置以及作为控制对象的机器人的一部分的框图。图3是表示本发明的第一实施方式中的目标转矩输出限制单元的动作的一例的图。图4是表示本发明的第二实施方式中的机器人的控制装置以及作为控制对象的机器人的一部分的框图。图5是表示本发明的第二实施方式中的目标转矩输出限制单元的动作的一例的图。图6是表示本发明的第三实施方式中的机器人的构成的概要的图。图7是表示本发明的第三实施方式中的机器人系统的构成的图。图8是表示本发明的第三实施方式中的机器人的控制装置以及作为控制对象的机器人的一部分的框图。图9是表不本发明的第一 三实施方式中的在重力方向移动的轴和在水平方向移动的轴分离开的机器人的一例的图。
具体实施例方式以下，根据附图对本发明涉及的实施方式进行详细说明。以下，在参照附图对本发明中的实施方式进行详细说明之前，对本发明的各种方式进行说明。根据本发明的第一方式，提供一种具有关节的机器人的控制装置，其具有获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数的动态参数获得单元、将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出的目标关节转矩输出单兀、对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换的动态参数切换单元、在通过上述动态参数切换单元切换了上述动态参数后对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制的目标关节转矩输出限制单元、和对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除的限制解除单元。根据本发明的第二方式，在第一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，上述目标关节转矩输出限制单元，在刚切换上述动态参数后，对上述动态参数的即将切换前的来自上述目标关节转矩输出单元的目标关节转矩的输出进行维持。根据本发明的第三方式，在第一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，还具有对上述机器人的移动进行探测的机器人移动探测单元，上述目标关节转矩输出限制单元，对上述机器人移动探测单元探测到上述机器人的移动的瞬间的来自上述目标关节转矩输出单元的目标关节转矩的输出进行维持。
根据本发明的第四方式，在第一 三中任一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，还具有生成为了实现成为目标的上述机器人的动作而使用的目标关节角度矢量并加以输出的目标角度生成单元，在上述目标关节转矩输出单元中将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出时，使用从上述目标角度生成单元输出的上述目标关节角度矢量，并且在上述限制解除判断单元中，当根据由上述目标角度生成单元输出的上述目标关节角度矢量判断为上述机器人的目标位置已发生了变化时，对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出的限制进行解除。根据本发明的第五方式，在第一 三中任一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，进而，上述限制解除判断单元具有对从外部作用于上述机器人的力进行检测的力检测单元，在上述力检测单元检测出阈值以上的力时，对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出的限制进行解除。根据本发明的第六方式，在第一 五中任一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，利用上述目标关节转矩输出限制单元的上述输出的限制，不对上述机器人的关节中进行竖直方向的运动的关节起作用。根据本发明的第七方式，在第一 六中任一方式中记载的机器人的控制装置的基础上，其中，上述动态参数切换单元，具有对利用上述机器人的上述物体的握持进行检测的握持物体检测单元，通过上述握持物体检测单元检测到上述物体的握持之后，通过上述动态参数切换单元进行上述动态参数的切换。根据本发明的第八方式，提供一种机器人，其具有第一 七中任一方式记载的机器人的控制装置、具有上述关节的机器人手臂、和被上述机器人手臂的顶端支承且可以握持上述物体的手部。根据本发明的第九方式，提供一种具有关节的机器人的控制方法，其中，由动态参数获得单元获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数，将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩从目标关节转矩输出单元输出，用动态参数切换单元对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换，在通过上述动态参数切换单元对上述动态参数进行了切换之后，由目标关节转矩输出限制单元对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制，用限制解除单元对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除。根据本发明的第十方式，提供一种具有关节的机器人的控制装置的程序，其用于使计算机发挥下述单元的功能动态参数获得单元，其获得上述机器人和上述机器人在握持的物体的多个动态参数；
目标关节转矩输出单元，其将上述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出；动态参数切换单元,其对由上述动态参数获得单元获得的上述多个动态参数进行切换；目标关节转矩输出限制单元,其在通过上述动态参数切换单元对上述动态参数进行切换之后，对来自上述目标关节转矩输出单元的上述目标关节转矩的输出进行限制；和限制解除单元，其对利用上述目标关节转矩输出限制单元的限制进行解除。
以下，根据附图对本发明涉及的实施方式进行详细说明。(第一实施方式)图1示出本发明的第一实施方式涉及的机器人20的机器人系统100的构成。机器人系统100具有控制装置50、和作为控制对象的机器人20。进而，机器人20具有由机器人手臂21和手部22和马达驱动器24构成的机器人机构部6、作为致动器的一例的马达23、23H、和编码器7、7H，具有用手部22握持物体30加以传送的功能。关于控制装置50，在该第一实施方式中，作为一例，由一般的个人计算机构成。控制装置50具有控制程序40、和输入输出IF41。输入输出IF(接口)41具有与个人计算机的PCI总线等的扩展槽连接的例如D/Α板、Α/D板、计数板等而构成。关于控制装置50，借助作为输入部的一例的输入输出IF41，与分别独立地对机器人机构部6的机器人手臂21的各联杆33、32、31以及操作器(手部)25进行驱动的马达23、23H的马达驱动器24连接，向该马达驱动器24发送控制信号。关于马达驱动器24，以控制信号为基础，分别独立地对关节驱动用的旋转驱动装置或作为致动器的一例的马达23进行驱动控制。由马达驱动器24和马达23作为关节驱动用的驱动部的一例发挥功能。作为输出角度信息的关节驱动用的角度检测部的一例，编码器7对马达23的旋转轴的旋转相位角(即关节角)进行检测。另外，关于马达驱动器24，以控制信号为基础，对作为手部驱动用的旋转驱动装置的一例的马达23H进行驱动控制。由马达驱动器24和马达23H作为手部驱动用的驱动部的一例发挥功能。作为输出角度信息的手部驱动用的角度检测部的一例，编码器7H对马达23H的旋转轴的旋转相位角(即关节角)进行检测。控制装置50执行机器人手臂51的动作控制，将从机器人手臂21的各关节的编码器7输出的各关节角度信息经由输入输出IF41的计数板取入到控制装置50。控制装置50根据取入的各关节角度信息算出各关节的旋转动作的控制指令值。控制装置50通过输入输出IF41的D/Α板，向对用于机器人手臂21的各关节进行驱动控制的马达驱动器24提供上述各控制指令值，对机器人手臂21的各关节的马达23进行驱动。关于机器人手臂21，作为一例，是3自由度的多联杆操作器，可以在顶端安装手部22。机器人手臂21具有顶端安装有手部22的第三联杆31、借助第三关节35C与第三联杆31连接且顶端具有第三联杆31的第二联杆32、借助第二关节35B与第二联杆32连接且顶端以可以旋转的方式与第二联杆32的基端连结的第一联杆33、和借助第一关节35A与基台部34连接的同时以可以旋转的方式对第一联杆33的基端进行连结支承且固定于地板90的基台部34。机器人手臂21具有在含有相互正交的X轴和I轴的xy平面内进行正反旋转的第一关节轴35-1、在同样的xy平面内进行正反旋转的第二关节轴35-2、和在同样的xy平面内进行正反旋转的第三关节轴35-3。第一关节轴35-1、第二关节轴35-2和第三关节轴35-3，分别是机器人手臂21的第一关节35A和第二关节35B和第三关 节35C的旋转轴。其结果，机器人手臂21可以绕第一关节轴35-1、第一关节轴35-2和第三关节轴35_3总计3个轴分别独立地进行旋转，构成上述3自由度的多联杆操作器。构成各轴的旋转部分的各关节35A、35B、35C，具有构成各关节35A、35B、35C的一对构件(例如，转动侧构件、和对该转动侧构件进行支承的支承侧构件)中的一个构件所具备的、马达23和编码器7。例如，马达23和编码器7配设在机器人手臂21的各关节35A、35B、35C的内部，构成各关节35A、35B、35C的一个构件所具备的马达23的旋转轴，与各关节35A、35B、35C的另一构件连结，使上述旋转轴进行正反旋转，由此可以使另一构件相对于一个构件绕各轴旋转。需要说明的是，在使第一联杆33相对于地板90绕竖直轴正反旋转的情况下，将基台部34分割成固定于地板90的固定部、和与第一联杆33连接的可动部，在该固定部和可动部与其他关节一样配置有马达23和编码器7，借助马达驱动器24进行驱动控制即可。另外，手部22还具有通过马达驱动器24加以驱动控制的作为手部驱动装置的一例的手部驱动用马达23H(实际上配设于手部22的内部)、将手部驱动用马达23H的旋转轴的旋转相位角(即关节角)作为旋转角度信息加以检测的编码器7H(实际上配设于手部22的内部)。编码器7H的旋转角度信息借助输入输出IF41被输入到控制装置50的手部控制单元26 (握持物体检测单元的一例)。在控制装置50的手部控制单元26中，根据由编码器7H检测到的旋转角度信息，借助马达驱动器24对手部驱动用马达23H的旋转驱动进行控制，使手部驱动用马达23H的旋转轴进行正反旋转，由此可以使手部22进行开闭，而进行物体30的握持或握持放开。图2是表示本发明的第一实施方式涉及的机器人20的控制装置50以及作为控制对象的机器人20的一部分的框图。控制装置50具有目标角度生成单元1、目标角加速度计算单元2、目标关节转矩输出单元3、目标关节转矩输出限制单元4、限制解除单元5、作为动态参数切换单元的一例的参数切换单元8、输出误差计算部9、矫正目标角加速度计算部10、参数获得单元14和手部控制单元26。另外，相对于控制装置50 (控制装置50的输出误差计算部9)，输入由编码器7分别测量的来自机器人20的测量信息。关于目标角度生成单元1，向输出误差计算部9、目标加速度计算单元2和限制解除单元5分别输出用于实现成为目标的机器人20的动作的目标关节角度矢量qd。关于成为目标的机器人20的动作，对应于目的作业，事先记录有以各自的时间(t = O、t = t=t2、…)计的每个点的目标角度矢量qdt = [qdtl, qdt2, qdt3]T(qdQ、qdl、qd2、…)。例如，作为机器人20的动作控制程序(机器人的控制装置的程序)，记录有这样的目标角度矢量。此外，关于目标角度生成单元I，以各自的时间(t = O、t = tp t = t2、…)计的每个点的角度(qd(1、qdl、qd2、…)的信息为基础，使用多项式插值，对各点间的轨道进行插值，生成目标关节角度矢量qd = [qdl，qd2> qd3]T°向输出误差计算部9、目标加速度计算单元2和限制解除单元5分别输出该生成的目标关节角度矢量qd。输出误差计算部9，被输入从目标轨道生成单元I输出的目标关节角度矢量qd、编码器7的输出q，计算角度误差矢量= qd_q，作为输出误差的一例将角度误差矢量向矫正目标角加速度计算部10输出。目标角加速度计算单元2，被输入由目标角度生成单元I输出的目标关节角度矢量qd，目标角加速度(下述[数I])通过计算而被求出，向矫正目标角加速度计算部10输出。[数I]矫正目标角加速度计算部10，被输入作为目标角加速度计算单元2的输出的下述[数2][数2]
'id 和作为输出误差计算部9的输出的角度误差矢量qe，作为控制指令值的一例，矫正目标角加速度(下述[数3])通过计算而被求出，向目标关节转矩输出单元3输出。[数3]关于参数获得单元14,获得机器人20的动态参数,将获得的动态参数向参数切换单元8输出。作为动态参数的例子，是指机器人手臂21的各联杆或握持物体30的质量、重心位置、或惯性矩阵等。作为动态参数的更具体的例子，在用手部22握持物体30或从利用手部22的握持放开物体30时，可以举出握持物体30的质量以及惯性力矩等。关于必要的动态参数，事先记录在作为参数获得单元14的具体一例的存储器中，或者，作为参数获得单元14的具体其他例，可以由通过通信从置于机器人系统100的外部的数据库等获得动态参数的获得部构成。关于参数切换单元8，对作为目标关节转矩输出单元3生成目标关节转矩所需的信息的机器人20的动态参数进行切换，向目标关节转矩输出单元3输出。另外,将表示由参数切换单元8对动态参数进行了切换的参数切换信号，从参数切换单元8向目标关节转矩输出限制单元4输出。作为由参数切换单元8切换的动态参数的一例，当手部22握持传送物体30时，可以设定没有物体30而仅有机器人主体(机器人手臂21和手部22)的状态下的动态参数、和握入物体30的(物体30和机器人主体(机器人手臂21和手部22)合起来的状态下的)动态参数。作为用参数切换单元8对动态参数进行切换的时机的一例，可以举出如下的例子当进行手部22放开对传送物体30的握持而加以设置等从手部22放下传送物体30的动作时，从握入物体30的状态的动态参数变成没有物体30而仅有机器人主体的状态的动态参数，另一方面，反过来，在进行手部22握持传送物体30进行传送的动作时，从握入物体30的状态的动态参数切换成没有物体30而仅有机器人主体的状态的动态参数切换。关于动态参数的切换，通过作为后述的手部控制单元26的输出的手部22的开闭信号，判断物体的握持状态或握持放开状态，由参数切换单元8进行切换。
手部控制单元26被输入编码器7H的输出q，将手部22的开闭信号向参数切换单元8和机器人机构部6输出。事先决定握持位置以及握持放开位置，将该握持位置存储在手部控制单元26。当通过编码器7H的输出q而机器人向手部22的握持位置以及握持放开位置移动了时，输出手部22的开闭信号。在本实施方式中，事先已决定手部握持位置以及握持放开位置，但并不限于此，例如可以是在如果人按压按钮则进行手部22的开闭等方式。关于目标关节转矩输出单元3，由作为矫正目标角加速度计算部10的输出的矫正目标角加速度(下述[数4])[数4]
权利要求
1.一种机器人的控制装置，其是具有关节的机器人的控制装置，其具有 获得所述机器人和所述机器人正在握持的物体的多个动态参数的动态参数获得单元、 将所述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出的目标关节转矩输出单元、 对由所述动态参数获得单元获得的所述多个动态参数进行切换的动态参数切换单元、 在通过所述动态参数切换单元切换了所述动态参数后对来自所述目标关节转矩输出单元的所述目标关节转矩的输出进行限制的目标关节转矩输出限制单元、和 解除所述目标关节转矩输出限制单元进行的限制的限制解除单元。
2.如权利要求1所述的机器人的控制装置，其中， 所述目标关节转矩输出限制单元，在刚切换所述动态参数后，对即将切换所述动态参数前的来自所述目标关节转矩输出单元的目标关节转矩的输出进行维持。
3.如权利要求1所述的机器人的控制装置，其中， 还具有对所述机器人的移动进行探测的机器人移动探测单元， 所述目标关节转矩输出限制单元，对所述机器人移动探测单元探测到所述机器人的移动的瞬间的来自所述目标关节转矩输出单元的目标关节转矩的输出进行维持。
4.如权利要求1 3中任意一项所述的机器人的控制装置，其中， 还具有生成为了实现成为目标的所述机器人的动作而使用的目标关节角度矢量并加以输出的目标角度生成单元， 在所述目标关节转矩输出单元中将所述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出时，使用从所述目标角度生成单元输出的所述目标关节角度矢量，并且在所述限制解除判断单元中，当根据由所述目标角度生成单元输出的所述目标关节角度矢量判断为所述机器人的目标位置已发生了变化时，对来自所述目标关节转矩输出单元的所述目标关节转矩的输出的限制进行解除。
5.如权利要求1 3中任意一项所述的机器人的控制装置，其中， 进而，所述限制解除判断单元具有对从外部作用于所述机器人的力进行检测的力检测单元， 在所述力检测单元检测出阈值以上的力时，对来自所述目标关节转矩输出单元的所述目标关节转矩的输出的限制进行解除。
6.如权利要求1 3中任意一项所述的机器人的控制装置，其中， 所述目标关节转矩输出限制单元进行的所述输出的限制，不对所述机器人的关节中进行竖直方向的运动的关节起作用。
7.如权利要求1 3中任意一项所述的机器人的控制装置，其中， 所述动态参数切换单元，具有对利用所述机器人的所述物体的握持进行检测的握持物体检测单元， 通过所述握持物体检测单元检测到所述物体的握持之后，通过所述动态参数切换单元进行所述动态参数的切换。
8.—种机器人,其中，具有 权利要求1 3中任意一项所述的机器人的控制装置、 具有所述关节的机器人手臂、和支承在所述机器人手臂的顶端且可以握持所述物体的手部。
9.一种机器人的控制方法，其是具有关节的机器人的控制方法，其中， 由动态参数获得单元获得所述机器人和所述机器人正在握持的物体的多个动态参数， 将所述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩从目标关节转矩输出单元输出， 利用动态参数切换单元对由所述动态参数获得单元获得的所述多个动态参数进行切换， 在通过所述动态参数切换单元对所述动态参数进行了切换之后，由目标关节转矩输出限制单元对来自所述目标关节转矩输出单元的所述目标关节转矩的输出进行限制， 利用限制解除单元解除所述目标关节转矩输出限制单元进行的限制。
10.一种机器人的控制装置的控制程序，其是具有关节的机器人的控制装置的程序，其用于使计算机作为下述单元发挥功能 动态参数获得单元，其获得所述机器人和所述机器人正在握持的物体的多个动态参数； 目标关节转矩输出单元，其将所述机器人的关节转矩的目标值作为目标关节转矩加以输出； 动态参数切换单元，其对由所述动态参数获得单元获得的所述多个动态参数进行切换； 目标关节转矩输出限制单元，其在通过所述动态参数切换单元对所述动态参数进行了切换之后，对来自所述目标关节转矩输出单元的所述目标关节转矩的输出进行限制；和限制解除单元，其解除所述目标关节转矩输出限制单元进行的限制。
全文摘要
一种机器人的控制装置以及控制方法、机器人、以及控制程序，具有对目标关节转矩输出单元(3)进行限制的目标关节转矩输出限制单元(4)和对利用该输出限制单元的限制进行解除的限制解除单元(5)，根据作为输出限制单元的输出的矫正目标关节转矩对机器人(20)的关节的致动器进行控制，即便在发生动态参数切换时也可以控制使机器人的静止状态继续。
文档编号B25J13/00GK103025492SQ201180036838
公开日2013年4月3日 申请日期2011年12月6日 优先权日2010年12月8日
发明者小松真弓 申请人:松下电器产业株式会社