機器人控制設(shè)備的制作方法

專利名稱：機器人控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在位置控制與柔性控制之間轉(zhuǎn)換時進行工作的機器人的控制設(shè)備。
另外，本發(fā)明涉及一種機器人或類似物的柔性控制設(shè)備，尤其涉及一種能根據(jù)一個工作坐標系中的力與力矩的設(shè)定值來限制用于驅(qū)動關(guān)節(jié)的伺服電動機的生成力的機器人柔性控制設(shè)備，特別是本發(fā)明涉及一種能在有外力施加于其上時靈活地跟隨外力的機器人柔性控制設(shè)備，跟隨動作是通過限制位置速度控制系統(tǒng)的增益或通過限制根據(jù)力矩極值生成驅(qū)動關(guān)節(jié)的伺服電動機的力來實現(xiàn)的，本發(fā)明尤其還涉及一種控制位置速度控制系統(tǒng)的增益或者通過力矩控制來限制控制關(guān)節(jié)的伺服電動機的生成力的柔性控制設(shè)備，通過所述的控制工作與限制工作，改變了用來控制機器人的儀器中柔性控制系統(tǒng)對于一個外力的柔性。還有，本發(fā)明涉及一種能夠在機器人的柔性控制期間監(jiān)視伺服偏差并在異常工作時中斷工作或?qū)⑦@種工作變成另一種工作的伺服控制機器人柔性控制設(shè)備。


圖1表示出一個電動機的位置/速度控制系統(tǒng)，它已廣泛地用于控制機器人的關(guān)節(jié)。參考符號“S”代表一個拉普拉斯算符。
在該位置/速度控制系統(tǒng)中，將速度控制環(huán)增益Kv111和位置環(huán)增益Kp110設(shè)定得盡可能高，以便進行與摩擦力和外力相反的位置控制。另外，使積分器113與比例控制器112并聯(lián)，由此進行控制以改善其特性。采用這樣一種控制系統(tǒng)，甚至在有外力的情況下也能夠準確地將機器人的末端定位于它們的目標位置。
但是，前述機器人不能解決在接受一個從外部施加的強力時進行工作的應用問題。例如，在傳統(tǒng)的位置控制機器人要進行靈活地接收從外部機器施加的力的工作并且通過機器人抓取和推動工件的情況下，要完成這些工作會很困難。
具體地說，當在這種控制系統(tǒng)中進行涉及與工件相接觸的工作時，速度控制環(huán)的輸出值即力矩參量變大，從而在發(fā)生工件的位置偏移時產(chǎn)生過載狀態(tài)，這是因為將增益設(shè)定為一個較大的值以便增強積分器的穩(wěn)定性和作用。這樣，會很難進行上述工作。為了解決這些問題，已采用了一種力控制系統(tǒng)，其中在機器人的末端裝有用來吸收作用力的浮動裝置(float instrument)或例如具有機械柔性的RCC這樣的專用裝置，或者裝有力傳感器[第一種已有技術(shù)]。對于進行柔性控制而無需為機器人增加專用裝置的方法來說，公開號為6-332538的日本專利申請案已公開了一種用來減小伺服增益的方法[第二種已有技術(shù)，見圖2]。還有，第7-20941號日本專利申請案已公開了一種能夠設(shè)定工作坐標系中柔性的方法[第三種已有技術(shù)，圖中未示]。
第二種已有技術(shù)涉及一種柔性伺服控制方法，該方法借助人力移動被驅(qū)動的物體，用伺服電動機驅(qū)動該被驅(qū)動的物體，并且使其遠離障礙物。在該方法中，當開始柔性控制時，按照設(shè)定的柔性程度降低速度控制環(huán)的位置增益Kp110a和比例增益Kv112a。還有，將來自速度控制環(huán)的積分器113的輸出限定在設(shè)定箝位值。因此，盡管位置偏差量增長，力矩參考也不會有一個很大的值，從而可用人力移動要由伺服電動機驅(qū)動的被驅(qū)動的物體。在障礙物處于被驅(qū)動物體的移動路徑中的情況下，第二種已有技術(shù)是一種能夠在用人力避開障礙物的同時移動被驅(qū)動物體的技術(shù)。
第三種已有技術(shù)涉及一種柔性伺服控制方法，該方法能夠通過設(shè)定工作坐標系上的柔性改變設(shè)置于每個坐標軸上的機器人伺服系統(tǒng)的增益。在包括位置控制環(huán)和速度控制環(huán)的控制系統(tǒng)中控制的伺服電動機的控制方法中，第三種已有技術(shù)是一種其中把在工作坐標系上設(shè)定的柔性轉(zhuǎn)換為每個坐標軸上伺服電動機的伺服增益Kp110a和Kv112a的技術(shù)，其中所述的伺服電動機位于工作坐標系中，用由柔性轉(zhuǎn)換的伺服增益Kp和Kv驅(qū)動伺服電動機，用人力能夠移動要由伺服電動機驅(qū)動的物體。
還有，已有這樣一種機器人柔性控制系統(tǒng)，其中為減小環(huán)路增益而設(shè)置了對位置速度控制系統(tǒng)的輸出進行限制的部分，當施加了比預定水平大的外力時改變機器人的姿態(tài)[第四種已有技術(shù)，圖3]。
此外，如“Impedance Control of a Direct Drive ManipulatorUsing no Force Sensor”，Tachi and Sakaki，Journal of JapanRobot Society，Vol.7-3，1989，第172-184頁所述，在一個控制系統(tǒng)中，其中獨立地設(shè)有位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和加速度控制環(huán)，把將它們相加所得的結(jié)果用作電動機的力矩指令，通過調(diào)節(jié)每個環(huán)的增益控制阻抗，所述阻抗為機械剛度、韌度和質(zhì)量[第五種已有技術(shù)，見圖4]。
前述已有技術(shù)具有以下缺點。
對于圖1中所示的第一種已有技術(shù)來說，當進行從位置控制向柔性控制的轉(zhuǎn)換時，機器人很大程度上受統(tǒng)計學上作用于它的力的影響，尤其受重力的影響。具體地說，當開始執(zhí)行柔性功能時，機器人手臂因重力的作用沿重力方向下落，從而大大地改變了姿態(tài)，使其工作很難進行。另外，當進行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時，有這樣的問題，即，機器人手臂沿重力方向下落，或在速度控制系統(tǒng)的積分器中累加各值期間響應不穩(wěn)定。此外，在柔性控制期間，位置指令的值經(jīng)常與機器人的當前位置不一致。當突然進行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時，機器人迅速向位置指令值收斂。因此，存在機器人非常危險的問題，例如，機器人與其周圍的物體相撞，和由于通過對積分器的限制產(chǎn)生的自振動帶來不穩(wěn)定響應。
此外，必須調(diào)節(jié)驅(qū)動機器人的每個軸的多個用于每個軸的伺服增益，使它們保持一定關(guān)系。另外，由于伺服偏差量的增大造成伺服電動機的生成力矩成比例增大，這不可能解決有從外部作用于機器人上的很大行程的機械或類似問題。
還有，在把專用夾具和力傳感器與其他部分一起使用的方法中(圖中未示)，有增大成本的問題。
在圖2中所示的第二種已有技術(shù)和第三種已有技術(shù)中，采用了用來減小伺服增益的方法。對于這些方法來說，需要調(diào)節(jié)多個伺服增益，同時使它們之間保持一定關(guān)系。此外，由于伺服偏差量的增大造成伺服電動機的生成力矩成比例增大，這不可能解決有從外部作用于機器人上的很大行程的機械或類似問題。
另外，在第三種已有技術(shù)中，公開了一種控制工作坐標系中柔性的方法。在該方法中，需要通過使關(guān)節(jié)坐標系的位移與工作坐標系的位移相匹配來獲得增益。因此，因為計算負載由于計算關(guān)系式的復雜而很大，所以不可能連續(xù)獲得機器人改變姿態(tài)的增益。尤其是有這樣一個問題，即，因工作坐標系中的關(guān)節(jié)角與位移之間的關(guān)系的大變化率，機器人在一個特殊的點使其姿態(tài)有大的改變，CPU在此點的計算負載很大，不能對機器人的姿態(tài)變化進行實時計算，而且不能連續(xù)計算增益的困難使以機器人的姿態(tài)為基礎(chǔ)的機器人的柔性有顯著不同。
接著，在圖2中所示的第二種已有技術(shù)的減小控制系統(tǒng)的環(huán)路增益的方法中，雖然在用外力操縱機器人的情況下可以對機械阻抗中的剛度與韌度進行控制，但是不可能減小機器人固有的手臂質(zhì)量和加到機器人末端的質(zhì)量。因此，當由外力加速機器人手臂時，不可能減小所施加的反作用力，以致無法獲得用小力移動機器人的柔性。
在圖3中所示的第四種已有技術(shù)的方法中也發(fā)現(xiàn)了上述問題，其中在位置與速度控制系統(tǒng)中設(shè)置輸出限制。
此外，在由Tachi和Sakaki介紹的圖4中所示的第五種已有技術(shù)的方法中，不能順利地進行傳統(tǒng)的位置與柔性控制之間的轉(zhuǎn)換。具體地說，由于控制環(huán)結(jié)構(gòu)之間的差異，很難在保持狀態(tài)量的連貫的同時在位置控制與柔性控制之間轉(zhuǎn)換。
在圖1至4中所示的第一到第五種已有技術(shù)的方法中，當從外部推動機器人并使位移超過允許值時，并未設(shè)置保護裝置。
因此，上述機器人具有以下問題。
A、用外部裝置推動機器人，并且將機器人移動到操作區(qū)以外，導致機器人與其周圍的裝置相撞。
B、當機器人抓握的物體比規(guī)定的搬運值重時，機器人沿重力方向改變其姿態(tài)，導致與第A條相同的問題。
另外，在第六到八種已有技術(shù)中，為了有效地應用柔性控制，不設(shè)置采取以下措施的裝置。
C、在搬運期間根據(jù)由重量產(chǎn)生的位移檢測搬運物，改變接著的操作計劃。
D、檢測到與物體相撞，由此改變操作進程。
具體地說，不提供用來檢測獲知是否機器人處于異常狀態(tài)的信息的裝置，所述信息顯示出什么水平的力作用于機器人上，并顯示出因為該力機器人實際軌跡與目標軌跡之間移動了多大距離。因此，當機器人受到來自外部的力以柔性地進行位移時，不可能采取諸如使機器人停止、使外部裝置停止和改變機器人運動進程之類的措施。
此外，類似地，在第一到第五種已有技術(shù)中，在工作人員與移動的機器人相接觸的情況下，工作人員被卡在機器人手臂之間，或者在機器人與其他物體相接觸的情況下，位置與速度控制系統(tǒng)的指令與檢測值之間的偏差變大。因此，機器人繼續(xù)沿能產(chǎn)生更危險的位置的方向移動。這很難使工作人員從這一危險位置脫離開，并可能發(fā)生機器人和其他物體的損壞。
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種機器人控制設(shè)備，它能在機器人操作期間實現(xiàn)位置控制與柔性控制之間平滑的轉(zhuǎn)換，而不受重力的顯著影響。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種機器人柔性控制設(shè)備，它能以一個自由度對加減變量進行柔性設(shè)定，并使位移有一個大的行程，另外，它能用簡單的坐標變換在工作坐標系中進行柔性控制。
另外，本發(fā)明的第三個目的在于提供一種機器人柔性控制設(shè)備，它能通過限制位置和速度控制系統(tǒng)的增益、或者通過根據(jù)力矩極值限制用于驅(qū)動關(guān)節(jié)的伺服電動機的生成力來跟隨施加于其上的外力獲得機器人柔性控制中更大的柔性。
還有，本發(fā)明的第四個目的在于提供一種機器人柔性控制設(shè)備，它能柔性地跟隨作用于其上的外力，尤其是，提供能通過限制位置與速度控制系統(tǒng)的增益或其力矩來限制驅(qū)動關(guān)節(jié)的伺服電動機的生成力的裝置，使機器人能在外力作用下柔性受控，并監(jiān)視操作進行得是否正常、安全。
再有，本發(fā)明的第五個目的在于提供一種機器人柔性控制設(shè)備，它甚至在柔性控制期間工作人員與機器人相接觸、工作人員被卡在機器人手臂之間時，或在機器人與其他物體相接觸時，能確保工作人員和機器人的安全。
為解決上述問題，本發(fā)明由以下裝置構(gòu)成。
具體地說，為實現(xiàn)本發(fā)明的第一個目的，機器人設(shè)有包括用來在機器人工作期間在位置控制與柔性控制之間轉(zhuǎn)換的裝置；其中在進行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換時，停止速度控制系統(tǒng)的積分運算，接著將所述速度控制系統(tǒng)的一個積分值存入一個存儲器，同時，把所述積分值與一個力矩參考相加，或把根據(jù)一個機器人手臂的關(guān)節(jié)角、機器人的連接質(zhì)量及其重心計算出的重力補償值與該力矩參考相加。
該機器人控制設(shè)備的特征在于，在機器人進行抓握一個工件的情況下，把該工件的質(zhì)量與所述重力補償值相加。
另外，該機器人控制設(shè)備的特征在于，在從柔性控制向位置控制轉(zhuǎn)換時，把一個當前位置處理為一個指令位置。
還有，該機器人控制設(shè)備的特征在于，在從柔性控制向位置控制轉(zhuǎn)換時，要么把一個根據(jù)機器人的連接質(zhì)量及其重心位置計算出的重力補償值設(shè)定為所述速度控制系統(tǒng)的一個新的積分值，要么把存入所述存儲器中的所述速度控制系統(tǒng)的一個積分值設(shè)定為所述速度控制系統(tǒng)的一個新的積分值。
該機器人控制設(shè)備的特征在于，通過限制所述速度控制系統(tǒng)的一個輸出值，即，限制一個力矩參考值，在所述位置控制與所述柔性控制之間進行轉(zhuǎn)換。
通過前述裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種控制之間平滑的轉(zhuǎn)換，而不受重力的顯著影響。
為達到第二個目的，本發(fā)明的機器人柔性控制設(shè)備包括用來控制一個伺服電動機的力矩的裝置，所述伺服電動機驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分；用來測量關(guān)節(jié)角的裝置；用來根據(jù)通過所述測量而獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計算坐標系之間的一個非常小的通常叫作Jacobian位移關(guān)系的裝置；用來采用通過從外部作用的力所產(chǎn)生的Jacobian方程將工作坐標系中設(shè)定的力或所述力矩的極值轉(zhuǎn)換為一個關(guān)節(jié)力矩極值的裝置；和用來用所述力矩極值限制機器人的輸出力矩的裝置，其中可用一個自由度進行正負兩個變量的柔性的設(shè)定，可以有一個大的行程位移，并且能夠進行采用簡單的坐標變換的工作坐標系的柔性控制。
為了達到第三個目的，提供能夠改變伺服電動機的控制系統(tǒng)中位置和速度控制增益的裝置，并提供反饋控制裝置，所述反饋控制裝置用來限制速度控制環(huán)的比例積分控制中一個積分器的輸出，把用一個常數(shù)相乘的伺服電動機的加速度加到位于速度控制增益乘法器的后級處的力矩參考上，并由此產(chǎn)生一個輸出作為一個新的力矩參考；提供用來將前述力矩參考限制在一個預定值的裝置，并提供反饋控制裝置，該反饋控制裝置用一個常數(shù)乘以伺服電動機的加速度以輸出一個新的力矩參考。當一個外力作用于機器人上時，能夠獲得一個靈活地跟隨所施加的外力的機器人柔性控制設(shè)備。
為了達到第四個目的，一種機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個角基準值和一個位置控制系統(tǒng)中的當前角之間的差與一個設(shè)定值相比較、以根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止轉(zhuǎn)動的裝置；用來將一個信號輸出到外部的裝置；用來改變伺服系統(tǒng)的操作進程的裝置；用來獲得工作坐標系中一個偏差的裝置；用來改變?nèi)嵝宰鴺讼档娜嵝缘难b置；和用來將工作坐標系調(diào)整為一個待比較的設(shè)定值的坐標系，從而能夠順利地設(shè)定該設(shè)定值。
為了達到第五個目的，在一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的伺服電動機的控制系統(tǒng)中，提供以下裝置能夠改變位置和速度控制增益的裝置；能夠根據(jù)涉及位置、速度和方向的參考信息、檢測信息以及使用所述信息的計算結(jié)果將所述位置控制增益和所述速度控制增益轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)的裝置；用來通過將一個比例控制加到一個積分器的輸出所獲得的結(jié)果來限制力矩參考的裝置；能夠根據(jù)涉及位置、速度和方向的指令信息、檢測信息以及使用所述信息的計算結(jié)果改變所述力矩極值的裝置。甚至當在柔性控制期間在工作人員與工作的機器人相接觸時，在工作人員被機器人手臂抓住時，或者在機器人與其他物體相接觸時，機器人的柔性控制設(shè)備保證了工作人員和機器人的安全。
一種如本發(fā)明權(quán)利要求8所述的柔性控制設(shè)備，包括用來控制一個伺服電動機的力矩的裝置，所述伺服電動機驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分；用來測量所述關(guān)節(jié)部分的關(guān)節(jié)角的裝置；用來根據(jù)通過所述測量而獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計算坐標系之間的一個由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系的裝置；用來通過采用所述非常小的位移的對應關(guān)系將工作坐標系中設(shè)定的力或力矩轉(zhuǎn)換為一個關(guān)節(jié)力矩極值的裝置；和用來用所述關(guān)節(jié)力矩極值限制驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的輸出力矩的裝置，其中將工作坐標系中的力和力矩轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標系中力矩的極限值，從而獲得機器人柔性控制設(shè)備的一個功能，即，在工作坐標系中進行力的柔性移動，所述的力從外部施加，大于一個極限值。
如本發(fā)明權(quán)利要求9所述的發(fā)明是一個按照權(quán)利要求8的機器人柔性控制設(shè)備，通過采用驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)的所述關(guān)節(jié)角的一個參考，獲得所述工作坐標系與一個關(guān)節(jié)坐標系之間的所述一個由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系，從而實現(xiàn)了這樣一個功能，即，使通過用前述關(guān)節(jié)角的位置信息采用簡單的坐標變換進行工作坐標系中的柔性控制成為可能。
在一個包括一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求10所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來改變位置控制增益和速度控制增益的裝置；用來限制所述速度控制環(huán)中一個比例積分控制處的積分值輸出的裝置；用來通過檢測或計算獲得所述伺服電動機的一個旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來將在速度控制+器的后級處的一個常數(shù)乘以所述伺服電動機的加速度的反饋控制裝置。
如權(quán)利要求10所述的發(fā)明具有這樣一個功能，其中當外力以第一種方法作用于機器人時，機器人的姿態(tài)開始偏離位置基準值，從而將產(chǎn)生位置和速度的偏差。但是，位置控制增益、速度控制增益和積分器的輸出很小，以致于力矩參考很低，從而使手臂沿外力方向移動。此時，用一個常數(shù)乘以通過計算或類似方式所獲得的電動機的加速度，并將所乘得的值加到所述力矩參考上，當機器人由外力移動時根據(jù)加速度產(chǎn)生電動機的力矩，從而顯著地改變了轉(zhuǎn)動慣量，沿柔性控制中的機器人的移動方向在一個合成方向上產(chǎn)生一個補償力矩，可用具有比手臂具有的實際轉(zhuǎn)動慣量輕的靈敏度的外力移動機器人，由此增強了柔性。
在一個包括一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求11所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來控制所述速度控制環(huán)中比例積分控制中的一個積分器的輸出的裝置；用來限制通過加入所述積分器的輸出與一個比例控制的輸出獲得的結(jié)果——一個力矩參考的一個力矩限幅器；用來通過檢測或計算獲得所述電動機的一個旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來通過在所述力矩限幅器的后級處的一個常數(shù)乘以所述伺服電動機的加速度的反饋控制裝置，增強了機器人的柔性。
如本發(fā)明權(quán)利要求12所述的發(fā)明是一個按照權(quán)利要求10的機器人柔性控制設(shè)備，包括用來補償力矩參量的裝置，該參量是通過將速度控制器的輸出與或者是重力力矩或者是摩擦力力矩的積分控制值相加得到的結(jié)果，其中盡管機器人的姿勢有變化，但是決不會發(fā)生沿重力方向下落的現(xiàn)象，從而增強了柔性。
如本發(fā)明權(quán)利要求13所述的發(fā)明是一個按照權(quán)利要求11的柔性控制設(shè)備，包括用來補償力矩參量的裝置，該參量是通過將速度控制器的輸出與或者是重力力矩或者是摩擦力力矩的積分控制值相加得到的結(jié)果，其中盡管機器人的姿勢有變化，但是決不會發(fā)生沿重力方向下落的現(xiàn)象，從而增強了柔性。
在一個包括一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求14所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個位置的目標角與所述伺服電動機的當前角之間的差與一個設(shè)定值相比較的裝置；和用來根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止轉(zhuǎn)動的裝置。
如權(quán)利要求14所述的發(fā)明具有這樣一個功能，其中當位置偏差值大于設(shè)定值時，判定當前狀態(tài)不安全，使機器人急停。
在一個包括一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求15所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個位置的目標角與所述伺服電動機的當前角之間的差與一個預先固定的角度偏差量閾值相比較的裝置；和用來根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止運動的裝置，其中例如當位置偏差值大于預先固定的角度偏差量閾值時，用一個輸入/輸出接點將一個信號發(fā)送給機器人的柔性控制裝置的外部設(shè)備以停止機器人的柔性控制裝置的外部設(shè)備。
在一個包括一個含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求16所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個位置的目標角與所述伺服電動機的當前角之間的差與一個預先固定的角度偏差量閾值相比較的裝置；和用來根據(jù)比較結(jié)果改變一個伺服控制的處理過程的裝置，其中根據(jù)位置偏差的信息進行機器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
在一個包括一個含多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求17所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個設(shè)定值與工作坐標系中一個目標值和工作坐標系中一個當前值之間的差相比較的裝置，所述工作坐標系的當前值根據(jù)所述伺服電動機的一個當前值獲得；和用來根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止轉(zhuǎn)動的裝置，其中根據(jù)工作坐標系中的當前位置能夠停止伺服電動機。
在一個包括一個含多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求18所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個設(shè)定值與工作坐標系中一個目標值和工作坐標系中一個當前值之間的差相比較的裝置，所述工作坐標系的當前值根據(jù)所述伺服電動機的一個當前值獲得；和用來將比較結(jié)果從一個伺服裝置向一個外部裝置輸出的裝置，其中例如當位置偏差值大于含多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)的控制系統(tǒng)中的設(shè)定值時，用一個輸入/輸出接點將一個信號發(fā)送給外部裝置以停止外部裝置。
在一個包括一個含多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)的機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求19所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來將一個設(shè)定值與工作坐標系中一個目標值和工作坐標系中一個當前值之間的差相比較的裝置，所述工作坐標系的當前值根據(jù)所述伺服電動機的一個當前值獲得；和用來根據(jù)比較結(jié)果改變伺服控制的一個處理過程的裝置，其中甚至在包括多個位置控制環(huán)和速度控制環(huán)的控制系統(tǒng)中，根據(jù)位置偏差的信息執(zhí)行機器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
在一個包括一個用來驅(qū)動機器人的一個關(guān)節(jié)部分、含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求20所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來改變位置控制增益和速度控制增益的裝置；和用來根據(jù)涉及位置、速度和方向的參考信息、檢測信息以及使用前述信息的計算結(jié)果將前述位置控制增益和前述速度控制增益轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)的裝置，其中保證了工作人員和機器人的安全。
在一個包括一個用來驅(qū)動機器人的一個關(guān)節(jié)部分、含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的伺服電動機的控制系統(tǒng)的機器人柔性控制設(shè)備中，如本發(fā)明的權(quán)利要求21所述的發(fā)明是一個機器人柔性控制設(shè)備，包括用來限制作為一個比例控制和一個積分器的輸出相加的結(jié)果——一個力矩參考的裝置；和用來改變根據(jù)使用涉及位置、速度和方向的指令信息、檢測信息以及前述信息的計算結(jié)果限制前述力矩指令的裝置的裝置，其中還通過根據(jù)使用參考信息、檢測信息以及前述信息的計算結(jié)果改變前述位置控制增益和速度控制增益控制力矩參考進一步降低，從而保證了工作人員和機器人的安全。
如本發(fā)明的權(quán)利要求22所述的發(fā)明是按照權(quán)利要求20的機器人柔性控制設(shè)備，包括用來在把使比例控制與積分控制加在一起的裝置加在所述速度控制環(huán)中之后補償重力或摩擦力力矩的裝置，其中當工作人員與其他物體相接觸時，或者當工作人員被卡在機器人手臂之間時，或者在機器人與其他物體相接觸的時，通過補償重力或者摩擦力的力矩防止了沿重力方向的下落，而與機器人的姿態(tài)的變化無關(guān)，并且通過改變前述力矩控制共同保證了工作人員和機器人的安全。
如本發(fā)明的權(quán)利要求23所述的發(fā)明是一種按照權(quán)利要求21的機器人柔性控制設(shè)備，包括用來在把使比例控制與積分控制加在一起的裝置加在所述速度控制環(huán)中之后補償重力或摩擦力力矩的裝置，其中當工作人員與其他物體相接觸時，或者當工作人員被卡在機器人手臂之間時，或者在機器人與其他物體相接觸的時，通過補償重力或者摩擦力的力矩防止了沿重力方向的下落，而與機器人的姿態(tài)的變化無關(guān)，并且通過改變前述力矩控制共同保證了工作人員和機器人的安全。
圖1是表示出第一種已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)的一個框圖；圖2是表示出第二種已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)的一個框圖；圖3是表示出第四種已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)的一個框圖4是表示出第五種已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)的一個框圖；圖5是表示出本發(fā)明的第一實施例中具體電路結(jié)構(gòu)的一個框圖；圖6是用來說明本發(fā)明的第一實施例中一個動作的圖；圖7是表示出本發(fā)明的第二實施例中具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖8是表示出一個電路結(jié)構(gòu)的圖，該電路結(jié)構(gòu)說明了本發(fā)明的第二實施例中一個動作的基本原理；圖9是表示出另一個電路結(jié)構(gòu)的圖，該電路結(jié)構(gòu)說明了本發(fā)明的第二實施例中另一基本原理；圖10是表示出本發(fā)明的第二實施例中具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖11是表示出本發(fā)明的第四實施例中一個基本結(jié)構(gòu)的框圖；圖12是表示出本發(fā)明的第四實施例中一個具體電路的框圖；圖13是表示出本發(fā)明的第四實施例中另一具體電路的框圖；圖14是用來說明本發(fā)明的第五實施例中一個功能的框圖；圖15是表示出本發(fā)明的第五實施例中一個具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖16是表示出本發(fā)明的第五實施例中具體電路結(jié)構(gòu)的一個動作的流程圖；圖17是表示出本發(fā)明的第六實施例中一個基本結(jié)構(gòu)的框圖；圖18是表示出本發(fā)明的第六實施例中一個具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖19是表示出本發(fā)明的第六實施例中另一個具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖20是表示出本發(fā)明的第六實施例中對條件的判別的流程圖。
下面，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。
在附圖中，同樣的參考符號代表同樣的元件或相同元件。
(第一實施例)圖5表示出本發(fā)明的第一實施例。
參見圖5，參考數(shù)字1代表一個位置參量準備部分；2代表一個位置環(huán)增益；3代表一個速度環(huán)增益；4代表一個控制器；5代表一個積分器；6代表一個存儲器；7代表一個限幅器；8代表一個力矩參量；9代表一個放大器；10代表一個用來驅(qū)動每個關(guān)節(jié)部分的電動機；11代表一個電動機的位置；12代表一個微分器；13代表一個電動機的速度；14到16代表開關(guān)。
在該控制系統(tǒng)中，在進行位置控制期間，在開關(guān)14閉合并且開關(guān)15打開的狀態(tài)下進行位置控制。在位置控制的速度控制環(huán)中加速力矩接近零的情況下，存儲在積分器5中的一個值等于一直作用于一個手臂上的力。所以，在機器人手臂不進行快速移動的控制系統(tǒng)中，積分器5的一個值與通過將一個摩擦力與重力相加所獲得的值相等。因此，在進行從位置控制向柔性控制的轉(zhuǎn)換的情況下，可以以柔性特性和連續(xù)性進行轉(zhuǎn)換，同時通過將該值存入存儲器6并通過將它加到限幅器7的后級以及將它補償為柔性控制的一個補償力矩來使重力保持平衡。
在進行柔性控制期間，在開關(guān)14打開且開關(guān)15閉合的狀態(tài)下進行柔性控制。當進行柔性控制時，減小一個力矩極值，由此可為一個外力產(chǎn)生一個柔性特性。另一方面，可以減小人們熟知的增益，而不減小力矩極值。用存儲在存儲器中的值補償重力。
當進行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時，把在轉(zhuǎn)換到柔性控制時已被存儲的存儲器6的值設(shè)定為積分器5的一個初始值。當在從位置控制轉(zhuǎn)換到柔性控制之后，機器人的位形變化量不大時，積分值變化很小，從而平滑地進行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明具有一個同時用當前值表示位置參量的特征，即，通過關(guān)閉開關(guān)16，可在兩種控制之間的穩(wěn)定地進行轉(zhuǎn)換，而機器人不會快速移動。
下面，將通過在圖6中表示出一個兩自由度機器人的一個具體實施例來描述本發(fā)明的工作。其控制系統(tǒng)與第一實施例的控制系統(tǒng)相同。
圖6表示出機器人和將一個力施加在機器人上的物體之間的位置關(guān)系和機器人的控制方法。符號①代表位置控制下的一個工作狀態(tài)；符號②代表進行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換的一個狀態(tài)；符號③代表物體與機器人相撞的一個狀態(tài)；符號④代表柔性控制期間物體推動機器人的一個狀態(tài)；符號⑤代表進行從柔性控制向位置控制轉(zhuǎn)換的一個過渡狀態(tài)；符號⑥代表在位置控制期間移動機器人的一個狀態(tài)。
在位置控制中，速度控制系統(tǒng)進行通常的比例積分控制(狀態(tài)①)。
在轉(zhuǎn)換到柔性控制之前，將積分值存入存儲器，從而使積分器不起作用，由此將限幅器轉(zhuǎn)換到一個低水平狀態(tài)(狀態(tài)②)。
當物體推動機器人時，不進行積分控制。由存儲器中的值補償與手臂的重量相等的值。另外，將力矩的極值限制得比通常的值要小，當從外部施加到手臂上的力大于電動機所產(chǎn)生的力矩時，手臂由來自外部的力移動(狀態(tài)③與④)。
當向位置控制返回時，把存儲器中所存的值設(shè)為積分器的初始值，同時，用一個基準值代替編碼器的當前值。
1)當外力的作用消失并且機器人接近其最初的姿態(tài)時，即，當向位置控制轉(zhuǎn)換時，2)當外力持續(xù)作用在機器人上以使它處于一個姿態(tài)改變狀態(tài)時，即，當在狀態(tài)④期間進行向位置控制的轉(zhuǎn)換時，由于在狀態(tài)1)中的位置參考是力作用于機器人之前的值，所以機器人接近外力作用于其上之前它所在的位置，并停留在那兒，與當前值有偏差。但是，因一般控制狀態(tài)下的摩擦力而使機器人處于具有相當大偏差值的靜止狀態(tài)。因此，通過將編碼器的當前值重置為基準值，可以平滑地進行向位置控制的轉(zhuǎn)換，而機器人的手臂不會快速移動。
還是在狀態(tài)2)下，通過在重置位置參考之后進行向位置控制的轉(zhuǎn)換，在物體與手臂有接觸的狀態(tài)下能夠向位置控制進行連續(xù)的轉(zhuǎn)換。
如上所述，在圖6中描述了通過從外部作用于機器人的力移動機器人的一個例子。當機器人在柔性控制狀態(tài)下移動并將一個力施加于外部時改變其姿態(tài)的時候，將進行同樣的操作過程。
(第二實施例)還是在第一實施例中，雖然重力補償了當前值，不過圖7中表示出用來通過計算主動補償重力的第二實施例。參見圖7，參考數(shù)字17代表一個重力計算部分，參考數(shù)字18代表一個重力參數(shù)部分。通過測量預先獲得重力，并用重力計算部分17從存于重力參數(shù)部分18的重力參數(shù)(機器人的連接質(zhì)量(link mass)與重心位置)和機器人手臂的當前關(guān)節(jié)角的測量值來計算它。當進行從位置控制向柔性控制的轉(zhuǎn)換時，打開開關(guān)14并閉合開關(guān)15，由此進行從積分補償向重力計算值補償?shù)霓D(zhuǎn)換，其中將所述的重力計算值加到限幅器7的后級。在第一實施例中，使補償值固定。在本實施例中，按照機器人手臂的當前關(guān)節(jié)角改變補償值從而提高準確性。相反，在進行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時，將那時的重力計算值設(shè)定為積分器5的一個初始值。另外，通過與第一實施例的情況相類似的操作——閉合開關(guān)16以用當前值重置位置基準值，以便平滑地進行向位置控制轉(zhuǎn)換。當機器人在柔性控制期間抓握一個大質(zhì)量的物體時，將由機器人所接收到的物體的重量作為重力補償值。
(第三實施例)第三實施例涉及這樣一些裝置，它們用來根據(jù)機器人的關(guān)節(jié)角的測量數(shù)據(jù)計算關(guān)節(jié)坐標系與工作坐標系之間一個由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系，并用來從工作坐標系的力極限設(shè)定值中獲取關(guān)節(jié)力矩極值。
圖8表示出一個說明本發(fā)明的第三實施例中一種工作原理的電路結(jié)構(gòu)。
另外，圖9表示出一個說明本發(fā)明的第三實施例中另一種工作原理的電路結(jié)構(gòu)。
參見圖8和圖9，參考數(shù)字100代表第一軸控制系統(tǒng)；200代表第二軸控制系統(tǒng)；300代表第三軸控制系統(tǒng)；n00代表第n軸控制系統(tǒng)；101a代表一個力矩參量；101b代表一個位置參量；102代表一個力矩限幅器；103代表一個修正的力矩參量；104代表一個伺服放大器(力矩控制)；105代表一個伺服電動機；106代表一個位置檢測器；107代表操作坐標力/力矩極值設(shè)定裝置；108代表用于Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣的計算裝置。
參照圖10描述本發(fā)明的一個具體實施例。
圖10是說明一個具體電路結(jié)構(gòu)的框圖。
參見圖10，參考數(shù)字110代表一個位置控制增益[Kp]電路；111代表一個速度控制增益[Kv]電路；116代表一個力矩限幅器；117代表一個重力補償器；118代表一個力矩轉(zhuǎn)換穩(wěn)定電路；119代表一個機器人(J轉(zhuǎn)動慣量；S拉普拉斯算子；D動摩擦系數(shù))；120代表一個積分電路，該電路表示出一個速度和一個速度方程。
第三實施例中的圖10表示出當把柔性控制系統(tǒng)加到傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(圖1的第一種已有技術(shù))時的一個控制框圖。對于內(nèi)位置控制環(huán)來說，通常進行比例積分控制，會用一個靜力補償部分補償象重力這樣持續(xù)作用于機器人的力。
在位置控制狀態(tài)下，不可能通過位置控制環(huán)和速度控制環(huán)的工作來產(chǎn)生有從外部作用的力所產(chǎn)生的運動。這是因為用一個由設(shè)定得較大的大增益從外部施加的力乘以與基準值的偏差，從而獲得一個電動機力矩。
這里，在力矩參考這一級對生成力矩的極值進行限定，由此機器人能靈活地針對從外部作用的力進行工作。具體地說，當從外部施加一個比所限定的力矩大的力矩時，機器人的關(guān)節(jié)開始移動。另外，在此一級所設(shè)定的力矩極值是關(guān)節(jié)坐標系中力矩的極值。所以，根據(jù)機器人的姿態(tài)改變對操作位置處力的上端值所作的限定。
因此，檢測機器人的當前狀態(tài)，得到通常叫作Jacobian的關(guān)節(jié)坐標系與工作坐標系之間的由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系，由此計算轉(zhuǎn)置矩陣。因而，可能根據(jù)工作坐標系中力的極值和關(guān)節(jié)坐標系中的力矩的極值進行計算。
例如，用以下方程組1表示的公式(1)到(4)表達出6自由度機器人中Jacobian轉(zhuǎn)置計算公式和類似公式。
例如，用以下方程表示6自由度機器人的Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣的計算公式。
………………………………………………(1)在上述公式中，JT代表一個Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣(工作坐標系與關(guān)節(jié)坐標系之間一個非常小的位移的對應關(guān)系)；0S1代表第一關(guān)節(jié)坐標的一個旋轉(zhuǎn)方向向量(采用一個基坐標系作為一個參考坐標系)；0P1代表第一關(guān)節(jié)位置向量(采用基坐標作為參考坐標)；X代表向量積；r代表末端效應裝置(tip effect device)。
因此，由下面的公式(2)表示工作坐標系中力與力矩的極值。
Flim＝[FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，τX，τY，τZ]T………………………………(2)其中Flim代表一個力與力矩的極值向量(limitationvector)；F代表工作坐標系中的一個力；τ代表繞工作坐標系的一個力矩。
用下面的公式(3)表示關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)中的一個極值。
τlim＝[τ1，τ2，τ3，τ4，τ5，τ6]T……………………………………(3)其中τlim代表第i軸(i任意正整數(shù))中關(guān)節(jié)坐標系的一個力矩。
可從以下關(guān)系式得到關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的力矩極值。
τli＝JTFlim………………………………………………………(4)對于機器人姿態(tài)的變化，用公式(1)和(4)進行計算，通常得到關(guān)節(jié)力矩的極值，由此可推導出整個操作區(qū)上力矩的極值和具有公式(2)所示的力的機器人的柔性控制。
另外，公式(1)是由機器人的姿態(tài)所改變的一個值，它可以在一個特定點附近迅速變化。但是，各部分的值與CPU的采樣速度相比變化緩慢，CPU為伺服機構(gòu)進行計算。所以，可減小公式(1)的計算負載，并伴隨機器人的姿態(tài)變化進行實時計算。
只能由公式(2)的極值確定工作坐標系中的柔性。具體地說，通過確定一自由度的正負兩個變量可以調(diào)節(jié)柔性。還有，機器人施加的力與力矩和位移總不成正比，以致機器人可在從外部作用的機械行程較大的情況下靈活地變化。
(第四實施例)本發(fā)明的第四實施例涉及一種其中將一個加速度控制環(huán)加到傳統(tǒng)的柔性控制系統(tǒng)中的系統(tǒng)。
象第四實施例那樣的柔性控制系統(tǒng)是一種其中將一個加速度控制環(huán)加到圖2中所示的第二種已有技術(shù)或者圖3中所示的第四種已有技術(shù)中的柔性控制系統(tǒng)。
圖11是一個框圖，表示出第四實施例中第一種裝置中的一個總的電路結(jié)構(gòu)。
參見圖11，參考數(shù)字20代表一個柔性控制系統(tǒng)(位置/速度控制系統(tǒng))；114代表一個外力；119代表一個機器人；120和120a代表積分電路；122代表一個加速度檢測(計算)電路；124代表一個旋轉(zhuǎn)加速度反饋增益[J’]電路；125代表一個速度檢測(計算)電路；126代表一個位置檢測電路。
該第一種裝置包括能夠改變電動機的控制系統(tǒng)中的一個位置控制增益和一個速度控制增益的裝置；和反饋控制裝置，在進行速度控制環(huán)中的比例積分控制期間，該裝置限制了積分器的輸出值，并把用一個常數(shù)所乘的電動機的加速度加到位于速度控制器的后級的一個力矩參考上，把其輸出值用作一個力矩參考。
另外，在第二種裝置(圖12和圖13)中，在其組成與第一種裝置相類似的控制環(huán)的電動機的控制系統(tǒng)中，提供如下裝置將速度控制器的后級的力矩參考調(diào)節(jié)為一個恒定值的裝置；和反饋控制裝置，它用一個常數(shù)乘以電動機的加速度。把其輸出值用作一個新的力矩參考。
參見圖12和圖13，參考數(shù)字115代表一個微分器[速度檢測裝置]；121與121a代表力矩限幅器；127代表一個加速度檢測器；128代表一個編碼器。
在上述裝置中，采用一個積分器以補償重力與摩擦力，限定這些值以便不破壞柔性。應注意到，只要以重力補償?shù)姆绞窖a償積分值，則積分值的極值為零，或者可忽略不計它們。
在上述裝置中，可用檢測器直接檢測加速度，或可通過象編碼器那樣的位置檢測器的微分得到加速度。
另外，通過用象機器人的質(zhì)量和重心位置這樣的參數(shù)進行計算，計算出重力力矩，并將重力力矩加到要輸出到放大器的力矩參考中，由此補償重力力矩。
以下將參照圖12和圖13描述本發(fā)明的第四實施例的具體電路結(jié)構(gòu)。具體地說，圖12和13說明了第二種方法的具體實施例。
圖12表示出這樣一種情況，即，把電動機轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)加速度檢測器用作加速度檢測裝置，圖13表示出用來通過一個計算公式計算來自位置檢測器的加速度的裝置。對于實際的機器人來說，表示出這樣一個例子，即，其中將該實際的機器人用于標量型機器人的第一軸，標量型機器人工作于兩自由度的一個水平方向。應注意到，可為第二軸組成相同的控制系統(tǒng)。
假設(shè)電動機的位置/速度控制器的輸出為零，另外，假設(shè)在圖12與圖13的兩種情況下，力矩T起到一個外力的作用，而電動機與手臂的轉(zhuǎn)動慣量總起來為J。當還假設(shè)控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加速度的一個反饋增益為J’并且所產(chǎn)生的加速度為α時，建立以下的公式(5)α＝T/(J-J’)……………………………………………………(5)具體地說，用一個外力使一個外在的轉(zhuǎn)動慣量減小的量多于固有轉(zhuǎn)動慣量減小的量。應注意到，雖然會忽略加速度檢測部分和放大部分的延遲量，但是，一個小的延遲量對慣性變量的影響不大。
下面，將描述一種確定反饋增益J’的方法。
在兩自由度機器人的情況下，第二軸的移動改變了從第一軸所看到的轉(zhuǎn)動慣量。為此，第一軸的實際轉(zhuǎn)動慣量的值會改變，通過控制減小的轉(zhuǎn)動慣量的減小量將等于由加速度的反饋增益所確定的值，從而就機器人的不定范圍的轉(zhuǎn)動慣量變量來說確定一個合適的值。
具體地說，將確定轉(zhuǎn)動慣量J’，以使J-J’無負值，并且使速度控制環(huán)的環(huán)路增益盡可能不變。
還有，為了保持一定的轉(zhuǎn)動慣量而不考慮機器人的姿態(tài)，根據(jù)機器人的移動改變J’從而使外在轉(zhuǎn)動慣量能夠保持在恒定值。
按照以上的描述，能夠?qū)⑼饬η闆r下的外在轉(zhuǎn)動慣量調(diào)整小，從而同傳統(tǒng)的柔性控制相比大大提高了其柔性。能夠?qū)⑼庠谵D(zhuǎn)動慣量調(diào)整小這一事實表明當機器人與其周圍的一個物體相撞時，能使作用力變小。由于這一原因，可增強機器人控制時的安全性。
另外，由于該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的位置/速度控制系統(tǒng)基本上沒有不同，所以，不必在進行從柔性控制系統(tǒng)到位置控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和從位置控制系統(tǒng)到柔性控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時修改該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
因此，甚至在進行控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時，也不斷改變控制量，從而使機器人手臂移動得緩慢而連續(xù)。
以下將描述一種加速度檢測方法。把將一個旋轉(zhuǎn)加速度傳感器直接與電動機相連的方法描述為如圖12中所示的一種直接檢測方法。另外，還可通過沿一個旋轉(zhuǎn)方向分解它以獲得裝在機器人上的多軸平行加速度傳感器的一個輸出。
另外，描述了以下方法，它們包括除如圖13中所示的加速度檢測器外的方法。
1)一個速度傳感器的微分，例如一個測速發(fā)電機的微分2)在一個編碼器信號的F/V轉(zhuǎn)換之后的微分3)編碼器信號的微分通常，很難得到一個良好的加速度信號。但是，通過采用一個最新編碼器解耦增量、一個信號的多點微分和一個其中限定了頻帶的虛擬微分器，可得到一個具有一定精確度和良好特性曲線的加速度信號。
在對機器人的描述中，描述了這樣一個例子，其中使用了沿水平方向移動的標量型機器人。當機器人在重力方向上有一移動分量時，通過如圖11中所示的一個計算方法補償重力中的該分量，并通過檢測速度補償摩擦力，由此可構(gòu)成該柔性控制系統(tǒng)。
(第五實施例)第五實施例涉及監(jiān)視柔性控制中位置的偏差的裝置，并能對機器人進行急停，能將信息輸出到機器人的柔性控制裝置的外部設(shè)備，能避免基于操作進程改變而發(fā)生的危險，以及能監(jiān)視外力。
以下將參照圖14描述本發(fā)明的第五實施例的一個例子。
圖14是一個框圖，描繪了一個電路圖，表示出電動機的控制系統(tǒng)的一個軸的一部分或其工作坐標系的一個方向。
參見圖14，參考數(shù)字129代表一個位置偏差；130代表一個工作坐標系設(shè)定值；131代表比較裝置；132代表用來執(zhí)行制動電路、外部輸出和操作進程判定的裝置。
這里，會進行如對已有技術(shù)所述的柔性控制。具體地說，會減小分別為位置控制增益和速度控制增益的Kp和Kv，或者會進行力矩限幅。
這樣，機器人根據(jù)來自機器人上負載一側(cè)的力改變姿態(tài)。這表明機器人采取了與控制系統(tǒng)的一個位置基準點有偏差的姿態(tài)。所以，可根據(jù)每個伺服電動機角度和基準值之間的偏差獲得偏差量。
以上說明是關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸改變的情況。
而且通過1)采用一個工作坐標系伺服機構(gòu)，2)在關(guān)節(jié)角的一個有序變換(order conversion)和一個逆變換之前采用一個基準值，或者3)采用關(guān)節(jié)角與工作坐標系伺服之間的由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系(Jacobian矩陣)，可以獲得除關(guān)節(jié)坐標系外其他坐標系中的每個伺服電動機角度與基準值之間的偏差。
通過將所獲得的偏差與如上所述的預先固定的角度偏差量閾值相比較，可對是否執(zhí)行了一個安全的操作進行判定。當偏差值大于預先固定的角度偏差量閾值時，判定操作狀態(tài)是不安全的，并進行以下任意一種處理。
根據(jù)操作的種類不同，所進行的處理有所不同。可進行以下的處理。具體地說，進行對機器人的急停，用機器人的一個輸入/輸出接點將一個信號傳送給機器人的柔性控制裝置的一個外部設(shè)備，并根據(jù)大的或小的偏差值，外部設(shè)備采取安全措施停止操作或避免操作，并根據(jù)偏差信息執(zhí)行機器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
尤其在不出現(xiàn)問題時進行向正常操作的轉(zhuǎn)換。
另外，根據(jù)外力，執(zhí)行以下處理，包括前述對異常狀態(tài)的判別。具體地說，根據(jù)偏差的信息判斷作用于機器人頂端的力，并進行對抓握的物體的選擇，通過所抓握的物體改變機器人的操作模式。
在圖15中表示出一個控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)的一個例子，將該系統(tǒng)加到一個多自由度機器人上，以監(jiān)視工作坐標系中多個坐標的偏差。
參見圖15，參考數(shù)字133代表一個逆變換電路；134代表涉及來自其他軸的角或位置的信息；135代表一個有序變換電路。
假如是在一個工作坐標系中獲得偏差，則表示出本發(fā)明的第五實施例的另一例子的圖15組成了一個工作坐標系的伺服系統(tǒng)，并且能夠非常簡單地建立獲得偏差的方法。這里，在圖15中表示出一個在其中使用了一個最常用的關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)的工業(yè)機器人的一種結(jié)構(gòu)。
在圖15中，通常在以機器人的基座為基礎(chǔ)的笛卡爾坐標系上取操作坐標位置基準點，并將平行量與姿態(tài)量的一些偏差與固定的角度偏差量閾值相比較。
根據(jù)比較結(jié)果，有選擇地進行以下處理1)與3)或同時進行多個操作。
1)用機器人的一個制動器進行急停
2)將信號輸出到外部接點3)對以軟件為基礎(chǔ)的操作進程進行轉(zhuǎn)換圖16表示出一個在用軟件改變操作進程時的例子。
在位置控制中進行操作[步驟1]之后，執(zhí)行向柔性控制的轉(zhuǎn)換[步驟2與3]，在柔性控制期間監(jiān)視伺服偏差[步驟4]。
假如偏差(XERR)大于固定的角度偏差量閾值(設(shè)定X)，則判定發(fā)生了機器人與物體相撞的異常情況[步驟8]，從而使機器人回到初始姿態(tài)[步驟8]。
當正常地進行操作[步驟5]時，具體地說，當并未產(chǎn)生過度偏差[步驟5]時，過程前進到所設(shè)計的操作[步驟6和7]。
(第六實施例)第六實施例涉及這樣的裝置，即，它用來在機器人柔性控制中從機器人控制狀態(tài)量中檢測一種異常狀態(tài)，這種異常狀態(tài)例如是機器人的接觸與擠壓，它還用來通過人力改變和降低控制增益和力矩極值以便于脫離，從而補償重力與摩擦力。
圖17是一個表示出本發(fā)明第六實施例中一個基本結(jié)構(gòu)的框圖。
參見圖17，參考數(shù)字11代表一個位置檢測值；20代表一個柔性控制系統(tǒng)(位置/速度控制環(huán))；21代表一個控制狀態(tài)量；30代表狀態(tài)判斷裝置；31代表一個柔性設(shè)定值；117a代表一個重力補償值；117b代表一個摩擦力補償值。
通過在圖18與19中具體表示出本發(fā)明的第六實施例的一個電路結(jié)構(gòu)來描述它。
圖18表示出使用用來改變?nèi)嵝钥刂葡到y(tǒng)中一個位置控制增益和一個速度控制增益的裝置的裝置。圖19表示出一個使用在柔性控制時減小一個力矩極值的裝置的系統(tǒng)。
在圖18中，通過來自上一級控制器(圖中未示)的位置基準輸入量和設(shè)于機器人每個關(guān)節(jié)部分的位置檢測器128，根據(jù)位置檢測值和經(jīng)微分器115的速度檢測值11計算柔性控制系統(tǒng)中電動機的力矩參考(生成力矩)。應注意到，參考數(shù)字22a代表一個柔性設(shè)定器；136代表一個重力補償器；137代表一個摩擦力補償器。
當進行正常的柔性控制時，在柔性設(shè)定器22a中計算最小位置控制增益設(shè)定值和最小速度控制增益設(shè)定值——它們對于正常操作機器人的手臂來說是必要的，從而將它們設(shè)定為可變位置控制增益110a和可變速度增益111a。這里，通過把根據(jù)關(guān)節(jié)的位置和從每個手臂的重心位置到相應一個關(guān)節(jié)的位置的距離與每個手臂的載重在重力補償器136中所計算的作用于每個手臂上的重力補償力矩、和根據(jù)每個關(guān)節(jié)的速度檢測值在摩擦力補償器37中所計算的作用于每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動部分上的摩擦力補償力矩，加到力矩參考上——該力矩參考為速度控制環(huán)中一個比例控制部分的輸出量，能夠使從柔性控制系統(tǒng)中輸出的力矩參考變得更小。
在力矩參考受到相加處理之后，用伺服放大器104放大該力矩參考，從而驅(qū)動機器人105。這里，用柔性設(shè)定器22a持續(xù)監(jiān)視柔性控制系統(tǒng)中的控制狀態(tài)量——位置偏差的微分值、速度檢測值和速度偏差值。當判斷機器人工作異常時，使位置控制增益設(shè)定值和速度控制增益設(shè)定值為最小或為零，由此將它們設(shè)定為可變位置控制增益111a和可變速度控制增益111b。
通過在圖20中表示出一個如上所述組成的控制系統(tǒng)的判別流程，將描述該判別流程。
例如，當機器人105的手臂與工作人員或其他物體相接觸時，或當機器人的手臂抓到工作人員時，外力作用于機器人105上以使機器人從位置基準點開始改變其姿態(tài)。這樣，位置偏差增加(步驟A)，速度檢測值減小[步驟B]，速度偏差的微分值(加速度)的一個信號變?yōu)樨撝礫步驟C]。
這時，當位置偏差值變得比前述先設(shè)定的值大[步驟A處的“是”]、速度檢測值變得比前述值小[步驟B處的“是”]和速度偏差的微分值變成負值[步驟C處的“是”]時，判斷出檢測到了異常狀態(tài)。使位置控制增益設(shè)定值和速度控制增益設(shè)定值為最小或零，以便降低柔性控制系統(tǒng)的柔性，從而將它們設(shè)定為可變位置控制增益111a和可變速度增益111a。
這樣，來自柔性控制系統(tǒng)的電動機力矩參考變?yōu)樽钚』驗榱?，在對異常狀態(tài)作判斷的時候機器人保持姿態(tài)靜止不變。此時，將重力力矩和摩擦力力矩與力矩參考相加，借此使機器人105決不會因為重力而操作失敗，并且工作人員能在機器人變成靜止之后用人力操縱機器人105。
在圖19的柔性控制系統(tǒng)20a中裝有力矩限幅器121的情況下也能夠獲得與圖18的情況下相同的效果。
另外將描述以上所述本發(fā)明的各實施例之間的相互關(guān)系。
第二實施例涉及包括一種針對第二種已有技術(shù)[公開號為6-332538的日本專利申請案]的機器人柔性控制的基本設(shè)計原理的裝置，第四實施例適用于第三實施例和第二種已有技術(shù)，第五實施例適用于第二到第四實施例，第六實施例適用于第三到第五實施例和第二種已有技術(shù)。
如上所述，按照本發(fā)明，可發(fā)現(xiàn)有以下所述效果。
會實現(xiàn)柔性控制與位置控制之間平滑的轉(zhuǎn)換。因此，在靈活地取出物體之后需要進行精確地定位操作，在抓握物體之后可進行象插入這樣對物體的安裝操作，而無需采用用來接受力的專用夾具。如上所述，可在位置控制與柔性控制中進行采用了控制特性參數(shù)的巧妙的操作。
另外，本發(fā)明表現(xiàn)出以下效果，即，用簡單的坐標變換使工作坐標系中的柔性控制成為可能，其中該坐標變換采用了關(guān)節(jié)角的位置信息。
在這種情況下，可用一個自由度設(shè)定正負兩個變量。由于簡化了變換方程本身，所以計算負載很小，可以一個實時方式進行工作坐標系的計算。
還有，由于機器人的反作用力恒定，所以可將行程設(shè)定得較大。
再有，通過將加速度信息的反饋加到柔性控制中，可以進行轉(zhuǎn)動慣量的補償，從而增大柔性。另外，本發(fā)明的控制系統(tǒng)保持了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，在位置控制與柔性控制之間可進行平滑的轉(zhuǎn)換。
因此，本發(fā)明的機器人表現(xiàn)出傳統(tǒng)的機器人不具備的特性。例如，在柔性控制時，用來自機械裝置的力或手能夠順利地移動本發(fā)明的機器人。當機器人與其周圍的物體相撞時，機器人決不會將一個很大的力施加在物體上。
當用本發(fā)明的機器人進行柔性控制時，可以順利地進行對異常狀態(tài)的處理，異常狀態(tài)例如為工件位置的偏離和在軌跡控制時發(fā)生的機器人與物體的相撞。另外，可以進行象需要使用傳感器改變基于外力的工作進程的操作，而無需傳感器。
此外，按照本發(fā)明的柔性控制方法，在柔性控制期間根據(jù)控制狀態(tài)量判斷機器人工作的狀態(tài)變化，并改變?nèi)嵝钥刂葡到y(tǒng)的柔性。因此，甚至在工作人員被卡住時，機器人也能立即停住，并且電動機產(chǎn)生的力消失。這樣，本發(fā)明的機器保證了工作人員與機器人的安全。
權(quán)利要求
1.一種機器人柔性控制方法，包括以下步驟控制一個伺服電動機的力矩，所述伺服電動機驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分；測量所述關(guān)節(jié)部分的關(guān)節(jié)角；根據(jù)通過所述測量獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計算坐標系之間的由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系；通過采用所述由機器人的姿態(tài)改變的靜態(tài)力矩關(guān)系，將工作坐標系中的力矢量或所述力矩的極值轉(zhuǎn)換為一個關(guān)節(jié)力矩極值；和用所述力矩極值限制驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的輸出力矩。
2.按照權(quán)利要求1的柔性控制方法，其中通過采用驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)的所述關(guān)節(jié)角的一個參量，獲得一個工作坐標系與一個關(guān)節(jié)坐標系之間的由機器人的姿態(tài)改變的所述靜態(tài)力矩關(guān)系。
3.一種機器人柔性控制方法，包括由驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟改變位置和速度控制增益；限制所述速度控制環(huán)中一個積分器處的積分值；通過檢測或計算獲得所述伺服電動機的一個旋轉(zhuǎn)加速度；和把速度控制器的后級處的一個常數(shù)乘以所述伺服電動機的加速度，進行反饋控制。
4.一種機器人柔性控制方法，包括由驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟限制所述速度控制環(huán)中一個積分器處的積分值；通過一個力矩限幅器限制一個力矩參量，該力矩參量是把所述積分器的輸出與一個比例控制相加得到的結(jié)果；通過檢測或計算獲得所述電動機的一個旋轉(zhuǎn)加速度；和把所述速度控制器的后級處的一個常數(shù)乘以所述伺服電動機的加速度，進行反饋控制。
5.按照權(quán)利要求3的機器人柔性控制方法，還包括以下步驟補償力矩參量，該力矩參量是將速度控制器的輸出與或者是重力力矩或者是摩擦力力矩的積分控制相加得到的結(jié)果。
6.按照權(quán)利要求4的機器人柔性控制方法，還包括以下步驟補償力矩參量，該力矩參量是將速度控制器的輸出與或者是重力力矩或者是摩擦力力矩的積分控制相加得到的結(jié)果。
7.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將一個位置的目標角和一個伺服電動機的當前角之間的差與一個設(shè)定值相比較；以及根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止轉(zhuǎn)動。
8.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將一個位置的目標角和一個伺服電動機的當前角之間的差與一個預先固定的角度偏差量閾值相比較；以及從機器人的柔性控制裝置向機器人的柔性控制裝置的外部設(shè)備輸出比較結(jié)果。
9.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將一個位置的目標角和一個伺服電動機的當前角之間的差與一個預先固定的角度偏差量閾值相比較；以及根據(jù)比較結(jié)果改變伺服控制的處理過程。
10.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將工作坐標系中的目標值和從所述伺服電動機的當前值得到的工作坐標系中的當前值之間的差與預先固定的位置偏差量閾值和預先固定的姿態(tài)偏差量閾值進行比較；以及根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動機停止轉(zhuǎn)動。
11.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將工作坐標系中的目標值和從所述伺服電動機的當前值得到的工作坐標系中的當前值之間的差與預先固定的位置偏差量閾值和預先固定的姿態(tài)偏差量閾值進行比較；以及從機器人的柔性控制裝置向機器人的柔性控制裝置的外部設(shè)備輸出比較結(jié)果。
12.一種機器人柔性控制方法，包括由機器人的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有多個位置控制環(huán)和多個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟將工作坐標系中的目標值和從所述伺服電動機的當前值得到的工作坐標系中的當前值之間的差與預先固定的位置偏差量閾值和預先固定的姿態(tài)偏差量閾值進行比較；以及根據(jù)比較結(jié)果改變伺服控制的處理過程。
13.一種機器人柔性控制方法，包括由驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟改變位置控制增益和速度控制增益；以及根據(jù)涉及位置、速度和方向的參量信息，與機器人相連的編碼器的檢測信息，和使用所述信息的計算結(jié)果，將所述位置控制增益和所述速度控制增益降低。
14.一種機器人柔性控制方法，包括由驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動機的控制系統(tǒng)進行控制的步驟，所述控制系統(tǒng)具有一個位置控制環(huán)和一個速度控制環(huán)，所述柔性控制方法包括以下步驟限制力矩參量，該力矩參量是一個比例控制和一個積分器的輸出相加的結(jié)果；以及根據(jù)涉及位置、速度和方向的指令信息，與機器人相連的編碼器的檢測信息，和使用所述信息的計算結(jié)果，改變用于限制所述力矩參量的裝置。
15.按照權(quán)利要求13的機器人柔性控制方法，還包括以下步驟在把所述速度控制環(huán)中的比例控制和積分控制加在一起之后補償重力力矩或摩擦力力矩。
16.按照權(quán)利要求14的機器人柔性控制方法，還包括以下步驟在把所述速度控制環(huán)中的比例控制和積分控制加在一起之后補償重力力矩或摩擦力力矩。
全文摘要
一種機器人控制設(shè)備和柔性控制設(shè)備,在位置控制與柔性控制之間進行轉(zhuǎn)換時進行工作。在從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換時,停止速度控制系統(tǒng)的積分運算。然后將速度控制系統(tǒng)的一個積分值存入一個存儲器,同時,把所述積分值與一個力矩參考相加,或把根據(jù)一個機器人手臂的關(guān)節(jié)角、機器人的連接質(zhì)量及其重心計算出的重力補償值與該力矩參考相加。在從柔性控制向位置控制回復時,把一個當前位置處理為一個指令位置。
文檔編號B25J9/16GK1275470SQ0010262
公開日2000年12月6日 申請日期2000年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月11日
發(fā)明者井上康之, 永田英夫 申請人:株式會社安川電機