本發(fā)明涉及一種機器人控制裝置。

背景技術(shù)：

機器人的關(guān)節(jié)和連桿受到作用于機器人和安裝于機器人的前端的工具的重力的影響而發(fā)生彈性變形。機器人的結(jié)構(gòu)要素的變形會導(dǎo)致機器人的定位精度的下降。因此，采用了將機器人的結(jié)構(gòu)要素模型化、對其變形量進(jìn)行補償?shù)臋C器人的控制方法。

例如，在日本特開2002-307344號公報中公開了以下技術(shù)：對在機器人的關(guān)節(jié)和連桿中產(chǎn)生的彎曲進(jìn)行校正，來更準(zhǔn)確地對各關(guān)節(jié)的致動器進(jìn)行控制。在日本特開2010-058256號公報中公開了以下技術(shù)：調(diào)整臂的位置，以消除由臂的彎曲等導(dǎo)致的位置偏移。

在日本特開2011-125956號公報中公開了以下技術(shù)：針對多關(guān)節(jié)機器人的臂的各關(guān)節(jié)，識別繞X軸、Y軸以及Z軸的彈簧常數(shù)。

現(xiàn)有的技術(shù)均是對機器人的關(guān)節(jié)或連桿的彎曲進(jìn)行校正。然而，已知特別是在大型的機器人、例如重量超過500kg的機器人的情況下，為設(shè)置機器人而使用的鐵板、或鐵制的臺等支承體發(fā)生彈性變形，對機器人的定位精度產(chǎn)生影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

尋求一種能夠提高機器人的定位精度的機器人控制裝置。

根據(jù)本申請的第一發(fā)明，提供一種機器人控制裝置，對至少一個致動器進(jìn)行控制，該至少一個致動器使構(gòu)成機器人的多個連桿彼此相對移動，該機器人相對于支承體固定地設(shè)置，該機器人控制裝置具備：彎曲估計部，其估計在假定為所述機器人的前端已到達(dá)目標(biāo)的位置及姿勢時、由于作用于所述機器人的重力的影響而在所述支承體中產(chǎn)生的彎曲；移動量計算部，其基于由所述彎曲估計部估計出的所述支承體的彎曲，來計算用于使所述機器人的前端到達(dá)所述目標(biāo)的位置及姿勢的所述至少一個致動器的移動量；以及驅(qū)動部，其基于由所述移動量計算部計算出的所述移動量，來對所述至少一個致動器進(jìn)行驅(qū)動。

根據(jù)本申請的第二發(fā)明，在第一發(fā)明所涉及的機器人控制裝置中，所述彎曲估計部構(gòu)成為還將所述機器人的加速度的影響考慮在內(nèi)地估計所述支承體的彎曲。

根據(jù)本申請的第三發(fā)明，在第一發(fā)明所涉及的機器人控制裝置中，還具備：存儲部，其存儲將所述支承體模型化為轉(zhuǎn)動彈簧(日文：回転バネ)時的、所述轉(zhuǎn)動彈簧的彈簧常數(shù)和所述轉(zhuǎn)動彈簧的轉(zhuǎn)動中心的位置；以及力矩計算部，其計算由于作用于所述機器人的重力的影響而作用于所述支承體的力矩的大小和方向，所述彎曲估計部構(gòu)成為：基于由所述力矩計算部計算出的力矩的大小和方向、以及所述存儲部中存儲的所述彈簧常數(shù)和所述轉(zhuǎn)動中心的位置，來估計所述支承體的彎曲。

根據(jù)本申請的第四發(fā)明，在第三發(fā)明所涉及的機器人控制裝置中，所述力矩計算部構(gòu)成為：還將所述機器人的加速度的影響考慮在內(nèi)地計算所述力矩的大小和方向。

通過參照附圖所示的本發(fā)明的例示性的實施方式所涉及的詳細(xì)的說明，這些以及其它的本發(fā)明的目的、特征以及優(yōu)點會變得更加明確。

附圖說明

圖1是表示具備機器人和機器人控制裝置的機器人系統(tǒng)的圖。

圖2是表示圖1的機器人的驅(qū)動機構(gòu)的圖。

圖3是一個實施方式所涉及的機器人控制裝置的框圖。

圖4是一個實施方式所涉及的機器人控制裝置的功能框圖。

圖5是表示由一個實施方式所涉及的機器人控制裝置執(zhí)行的處理的流程圖。

圖6是表示用于設(shè)置機器人的支承體的圖。

圖7是表示機器人的另外的結(jié)構(gòu)例的圖。

圖8是表示圖7的機器人的驅(qū)動機構(gòu)的圖。

具體實施方式

下面參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。為了有助于本發(fā)明的理解，圖示的實施方式的結(jié)構(gòu)要素適當(dāng)變更了比例尺。另外，對相同或?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)要素使用相同的參照標(biāo)記。

參照圖1～圖4，對本發(fā)明的一個實施方式所涉及的機器人控制裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖1示出了具備機器人5和對機器人5進(jìn)行控制的機器人控制裝置10的機器人系統(tǒng)100。

機器人5是具備基座51、回旋主體52、下臂53、上臂54以及手腕部55的六軸垂直多關(guān)節(jié)機器人。機器人5具有關(guān)節(jié)J1～J6(參照圖2)。關(guān)節(jié)J1～J6被電動機7(僅有幾個電動機能夠視覺識別)分別驅(qū)動。

由下臂53和上臂54等形成的連桿構(gòu)成為：隨著設(shè)置于相鄰的連桿之間的關(guān)節(jié)被驅(qū)動而彼此相對移動。由此，機器人5能夠?qū)惭b于手腕部55的末端執(zhí)行器(未圖示)以期望的姿勢定位于期望的位置。這種機器人5的結(jié)構(gòu)和機構(gòu)是周知的，因此在本說明書中不進(jìn)行詳細(xì)的說明。

機器人5的基座51固定于支承體3。支承體3是具有任意的形態(tài)、例如板材或臺座的形態(tài)的金屬制的構(gòu)件。支承體3用于將機器人5固定地設(shè)置于規(guī)定的位置。

機器人5經(jīng)由公知的通信手段、例如通信線纜4而與機器人控制裝置10連接。機器人控制裝置10是具有包括主CPU 11、存儲器12以及各種接口(未圖示)的公知的硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)字計算機。

存儲器12具有ROM、RAM、非易失性存儲器等。在ROM中保存有對機器人控制裝置10的基本動作進(jìn)行控制的系統(tǒng)程序。RAM暫時地存儲主CPU11的運算結(jié)果。RAM也用于存儲后述的計數(shù)器的計數(shù)值。

在非易失性存儲器中，保存有對機器人5進(jìn)行控制的動作程序以及根據(jù)動作程序來創(chuàng)建針對機器人5的指令所需的參數(shù)等。另外，在非易失性存儲器中，保存有與機器人5的連桿以及安裝于手前端的工具的質(zhì)量和重心位置等有關(guān)的數(shù)據(jù)。并且，在非易失性存儲器中，保存有后述的與被利用于計算支承體3的彎曲的轉(zhuǎn)動彈簧的彈簧常數(shù)、轉(zhuǎn)動彈簧的轉(zhuǎn)動中心的位置有關(guān)的信息。

雖未圖示，但是機器人控制裝置10經(jīng)由各種接口而與顯示器和輸入設(shè)備、例如鼠標(biāo)或鍵盤、或者操作示教板等外部設(shè)備連接。

參照圖3，機器人控制裝置10的主CPU 11和存儲器12經(jīng)由總線13而與同各個關(guān)節(jié)J1～J6相對應(yīng)地設(shè)置的伺服控制器14和伺服放大器15連接。

各個伺服控制器14對伺服放大器15輸出電壓指令或電流指令。電壓指令或電流指令是基于移動指令與反饋信號之間的偏差量創(chuàng)建的，其中，移動指令是按照存儲器12中保存的動作程序創(chuàng)建的，反饋信號是從設(shè)置于各個關(guān)節(jié)J1～J6的脈沖編碼器輸出的。

伺服放大器15按照從伺服控制器14輸出的電壓指令或電流指令，來向各自對應(yīng)的電動機7提供電流。電動機7根據(jù)從伺服放大器15提供的電流來進(jìn)行動作，經(jīng)由減速機來對機器人5的關(guān)節(jié)J1～J6進(jìn)行驅(qū)動。

圖4示出了一個實施方式所涉及的機器人控制裝置10的功能框圖。如圖4所示，機器人控制裝置10具備存儲部20、力矩計算部21、彎曲估計部22、移動量計算部23以及驅(qū)動部24。

存儲部20在存儲器12的非易失性存儲器中保存將支承體3模型化為轉(zhuǎn)動彈簧時的轉(zhuǎn)動彈簧的彈簧常數(shù)和轉(zhuǎn)動彈簧的轉(zhuǎn)動中心的位置。

力矩計算部21計算機器人5到達(dá)目標(biāo)的位置及姿勢時由于作用于機器人5的重力的影響而作用于支承體3的力矩。由力矩計算部21求出的力矩包括大小和作用方向。在一個實施方式中，力矩計算部21也可以構(gòu)成為：還將由機器人5的加速度引起的慣性力考慮在內(nèi)地計算作用于支承體3的力矩的大小和方向。

彎曲估計部22估計在假定為機器人5到達(dá)了目標(biāo)的位置及姿勢時、由于作用于機器人5的重力的影響而在支承體3中產(chǎn)生的彎曲。在一個實施方式中，彎曲估計部22也可以構(gòu)成為：基于由力矩計算部21計算出的力矩的大小和方向、以及存儲部20中存儲的彈簧常數(shù)和轉(zhuǎn)動中心的位置，來估計支承體3的彎曲。另外，在一個實施方式中，彎曲估計部22也可以構(gòu)成為：還將由機器人5的加速度引起的慣性力考慮在內(nèi)地估計支承體3的彎曲。

移動量計算部23基于由彎曲估計部22估計出的支承體3的彎曲，來計算用于使機器人3的前端到達(dá)目標(biāo)的位置及姿勢的電動機7的移動量。由移動量計算部23求出的移動量是對支承體3的彎曲進(jìn)行補償所需的每個電動機7的移動量。

驅(qū)動部24基于由移動量計算部23計算出的移動量，來分別驅(qū)動電動機7。

參照圖5所示的流程圖，來對由一個實施方式所涉及的機器人控制裝置10執(zhí)行的處理進(jìn)行說明。在以下的說明中，如圖6所示，“世界坐標(biāo)系Σ0”是以未彎曲的狀態(tài)的支承體3的某個位置為原點O、以重力作用的方向為Z軸的負(fù)方向的坐標(biāo)系。在此，原點O是代表支承體3的任意的位置。例如，原點O可以設(shè)定在機器人5的設(shè)置面的中心。

“修正世界坐標(biāo)系Σ1”是與支承體3的彎曲相應(yīng)地對“世界坐標(biāo)系Σ0”進(jìn)行了修正而得到的坐標(biāo)系。即，修正世界坐標(biāo)系的位置和姿勢根據(jù)支承體3的彎曲的大小和方向而變化。

參照圖5，在步驟S501中，主CPU 11按照存儲器12中保存的機器人5的動作程序，來獲取機器人5所對應(yīng)的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)?！澳繕?biāo)位置數(shù)據(jù)”包括該時間點的機器人5的目標(biāo)的位置及姿勢、目標(biāo)速度矢量、目標(biāo)角速度矢量、目標(biāo)角加速度矢量中的至少一個。這些目標(biāo)位置數(shù)據(jù)表現(xiàn)為世界坐標(biāo)系Σ0的各軸上的坐標(biāo)值。后述的“目標(biāo)軸數(shù)據(jù)”是根據(jù)“目標(biāo)位置數(shù)據(jù)”來決定的數(shù)據(jù)，包括機器人5到達(dá)目標(biāo)的位置及姿勢的時間點的各個關(guān)節(jié)J1～J6的目標(biāo)位置、目標(biāo)角速度以及目標(biāo)角加速度中的至少一個。

根據(jù)本實施方式，將與目標(biāo)位置數(shù)據(jù)相對應(yīng)的目標(biāo)軸數(shù)據(jù)與修正世界坐標(biāo)系Σ1一起迭代計算規(guī)定次數(shù)，來求出收斂解。在步驟S502中，將對迭代計算的次數(shù)進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)器的計數(shù)值設(shè)定為零。將計數(shù)器的計數(shù)值N保存到存儲器12的RAM中。在步驟S503中，作為初始設(shè)定，視為修正世界坐標(biāo)系Σ1與世界坐標(biāo)系Σ0一致。

接著，在步驟S504中，基于目標(biāo)位置數(shù)據(jù)和修正世界坐標(biāo)系Σ1來計算目標(biāo)軸數(shù)據(jù)。在不考慮支承體3的彎曲的情況下，通過周知的機器人的運動學(xué)的逆變換來進(jìn)行目標(biāo)軸數(shù)據(jù)的計算。能夠由存儲器12的ROM中存儲的系統(tǒng)程序來執(zhí)行逆變換的計算。根據(jù)本實施方式，代替世界坐標(biāo)系Σ0而使用修正世界坐標(biāo)系Σ1來計算目標(biāo)軸數(shù)據(jù)。在執(zhí)行逆變換的計算時，由于支承體3的速度、角速度、加速度以及角加速度與機器人5的速度、角速度、加速度以及角加速度相比非常小，因此能夠近似為零。即，作為構(gòu)成目標(biāo)軸數(shù)據(jù)的目標(biāo)速度和目標(biāo)加速度，能夠直接使用不考慮支承體3的彎曲而得到的值。

在步驟S505中，使計數(shù)器的計數(shù)值N增加“1”。在步驟S506中，判定計數(shù)器的計數(shù)值N是否小于迭代次數(shù)Nmax。在步驟S506中的判定結(jié)果為肯定的情況下，進(jìn)入步驟S507，基于修正世界坐標(biāo)系Σ1和目標(biāo)軸數(shù)據(jù)來計算機器人5作用于支承體3的力矩M。

按照周知的Newton-Euler法(牛頓-歐拉法)來求出力矩M。在世界坐標(biāo)系Σ0中，通過下面的式(1)來表示力矩M。

在將用于設(shè)置機器人5的支承體3的平面視為轉(zhuǎn)動彈簧時，通過下面的式(2)來表示作為力矩M作用的結(jié)果而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動量D。

在此，“d_x”表示轉(zhuǎn)動彈簧的繞與世界坐標(biāo)系Σ0的X軸平行的轉(zhuǎn)動軸線Rx的轉(zhuǎn)動量(參照圖6)?！癲_y”表示轉(zhuǎn)動彈簧的繞與世界坐標(biāo)系Σ0的Y軸平行的轉(zhuǎn)動軸線Ry的轉(zhuǎn)動量?！癲_z”表示轉(zhuǎn)動彈簧的繞與世界坐標(biāo)系Σ0的Z軸平行的轉(zhuǎn)動軸線Rz的轉(zhuǎn)動量。

“r_xx”、“r_xy”、“r_xz”、“r_yx”、“r_yy”、“r_yz”、“r_zx”、“r_zy”以及“r_zz”是將支承體3模型化為轉(zhuǎn)動彈簧的情況下的彈簧常數(shù)。彈簧常數(shù)表示作用于支承體3的力矩M與轉(zhuǎn)動量D之間的關(guān)系。即，式(2)中求出的轉(zhuǎn)動量D作為支承體3的繞作為轉(zhuǎn)動彈簧的轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動軸線Rx、Ry、Rz的轉(zhuǎn)動量，表現(xiàn)了支承體3的彎曲的大小和方向。

以下面的式(3)來表示轉(zhuǎn)動軸線Rx與世界坐標(biāo)系Σ0中的YZ平面的交點F。

以下面的式(4)來表示轉(zhuǎn)動軸線Ry與世界坐標(biāo)系Σ0中的XZ平面的交點H。

以下面的式(5)來表示轉(zhuǎn)動軸線Rz與世界坐標(biāo)系Σ0中的XY平面的交點J。世界坐標(biāo)系Σ0中的轉(zhuǎn)動軸線Rx、Ry以及Rz的位置被存儲于存儲器2的非易失性存儲器。因而，基于存儲器2中存儲的信息來計算交點F、H、J各自的坐標(biāo)值。

在步驟S508中，基于力矩M和彈簧常數(shù)來對修正世界坐標(biāo)系Σ1進(jìn)行更新。如果以“弧度”來分別表示d_x、d_y、d_z的單位，則通過下面的式(6)來表示將世界坐標(biāo)系Σ0變換為修正世界坐標(biāo)系Σ1的坐標(biāo)變換矩陣。

T(u，v，w)Rz(d_z)Ry(d_y)Rx(d_x)…式(6)

此外，以下面的式(7)～式(13)來表示Rz(d_z)、Ry(d_y)、Rx(d_x)、T(u，v，w)、u、v、w。

u＝j(luò)_x(1-cos(d_z))+j_y sin(d_z)-h_z sin(d_y)+h_x(1-cos(d_y))…式(11)

v＝f_y(1-cos(d_，))+f_z sin(d_x)-j_x sin(d_z)+j_y(1-cos(d_z))…式(12)

w＝h_z(1-cos(d_y))+h_x sin(d_y)-f_y sin(d_x)+f_z(1-cos(d_x))…式(13)

當(dāng)步驟S508中的處理完成時，返回到步驟S504，利用更新后的修正世界坐標(biāo)系Σ1來再次計算目標(biāo)軸數(shù)據(jù)。

另一方面，在步驟S506中的判定結(jié)果為否定的情況下、即計數(shù)器的計數(shù)值N達(dá)到Nmax時，進(jìn)入步驟S509。在步驟S509中，基于最新的在步驟S504中計算出的目標(biāo)軸數(shù)據(jù)，來計算電動機7的移動量。

根據(jù)本實施方式，校正針對電動機7的移動指令，以補償支承體3的彈性變形。因而，即使由于機器人5的移動而支承體3發(fā)生彈性變形，也能夠正確地定位機器人5。有時即使在機器人5向目標(biāo)的位置及姿勢移動的途中的插值點上也要求定位精度。在該情況下，如果對插值點上的機器人5應(yīng)用前述的處理，則對于移動途中的機器人5也能夠?qū)崿F(xiàn)正確的定位。

接著，對另外的實施方式進(jìn)行說明。本實施方式所涉及的機器人控制裝置10用于對具有一個關(guān)節(jié)的機器人5進(jìn)行控制。圖7和圖8示出了本實施方式所涉及的機器人5的結(jié)構(gòu)例。機器人5具有關(guān)節(jié)J1和通過關(guān)節(jié)J1而轉(zhuǎn)動的連桿L1。圖8所示的點“O”示出了世界坐標(biāo)系Σ0的原點。

在以下的說明中，視為在目標(biāo)的位置及姿勢下的機器人5是靜止的。即，在機器人5處于目標(biāo)的位置及姿勢時，速度、加速度、角速度以及角加速度分別為零。能夠與參照圖5說明的第一實施方式同樣地分別求出作用于支承體3的力矩M和修正世界坐標(biāo)系Σ1。

另外，如果設(shè)世界坐標(biāo)系Σ0的Y軸與關(guān)節(jié)J1的轉(zhuǎn)動軸線Ry一致，則以下面的式(14)來表示力矩M。

M＝gmP×G…式(14)

在此，“g”是重力加速度?！癿”是連桿L1的質(zhì)量?！癙”是表示世界坐標(biāo)系Σ0中的連桿L1的重心位置的矢量?！癎”是重力方向單位矢量，以下面的式(15)來表示。

以下面的式(16)來表示修正世界坐標(biāo)系Σ1中的重心位置矢量P。“θ”是關(guān)節(jié)J1的轉(zhuǎn)動角度。“L”是關(guān)節(jié)J1的轉(zhuǎn)動軸線Ry與連桿L1的重心之間的距離。

如果假定僅有繞Y軸的轉(zhuǎn)動和在XZ平面上的平行移動，則修正世界坐標(biāo)系Σ1中的重心位置矢量P的Y分量為零。在該情況下，若使用式(16)所示的P來求出力矩M，則如式(17)所示，X軸分量和Z軸分量為零。

在此，在將支承體3模型化為轉(zhuǎn)動彈簧的情況下，以下面的式(18)來表示與力矩M的Y軸分量m_y相對應(yīng)的支承體3的轉(zhuǎn)動量D。

D＝rm_y…式(18)

“D”是轉(zhuǎn)動彈簧的繞與世界坐標(biāo)系Σ0的Y軸平行的轉(zhuǎn)動軸線Ry的轉(zhuǎn)動量?！皉”是表示力矩m_y與轉(zhuǎn)動量D之間的關(guān)系的彈簧常數(shù)。

在轉(zhuǎn)動軸線Ry位于支承體3的原點O的正上方的情況下，在世界坐標(biāo)系Σ0中以下面的式(19)來表示轉(zhuǎn)動軸線Ry與世界坐標(biāo)系Σ0的XZ平面的交點“H”。

如果以“弧度”來表示轉(zhuǎn)動量D的單位，則通過下面的式(20)來表示將世界坐標(biāo)系Σ0變換為修正世界坐標(biāo)系Σ1的坐標(biāo)變換矩陣。

根據(jù)本實施方式，需要考慮的關(guān)節(jié)只有一個，且在目標(biāo)的位置及姿勢下機器人5是靜止的。因而，為求出修正世界坐標(biāo)系Σ1而要求的計算量少。

在一例中，在作為變更了機器人5的姿勢的結(jié)果而支承體3彎曲了0.05度的情況下，如果假定為工具前端距離彎曲的轉(zhuǎn)動中心為2000mm，則工具前端的位置偏移約1.7mm。與此相對，如果按照前述的實施方式來對機器人的移動量進(jìn)行校正，則能夠補償該偏移而將機器人5定位于所意圖的位置。

作為對機器人5的連桿進(jìn)行驅(qū)動的致動器的例子，對采用了旋轉(zhuǎn)電動機的機器人5的例子進(jìn)行了說明，但是機器人5也可以具備至少一個直線電動機。

根據(jù)本發(fā)明所涉及的機器人控制裝置，對機器人到達(dá)目標(biāo)的位置及姿勢時在支承體中產(chǎn)生的彎曲進(jìn)行估計，并且基于估計出的支承體的彎曲來計算對機器人進(jìn)行驅(qū)動的致動器的移動量。由此，即使支承體發(fā)生彈性變形，也能夠正確地對機器人進(jìn)行定位。

以上，對本發(fā)明的各種實施方式進(jìn)行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，通過其它實施方式也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所意圖的作用效果。特別是，能夠不脫離本發(fā)明的范圍地對前述的實施方式的結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行刪除或置換、或者能夠進(jìn)一步附加公知的手段。另外，通過任意地組合本說明書中明示或暗示地公開的多個實施方式的特征也能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是不言而喻的。