專利名稱：阻抗控制參數調節裝置和調節方法
技術領域：
本發明涉及基于設在產業用機器人的末端執行器上的力傳感器的信息的阻抗控 制的參數調節裝置和參數調節方法。阻抗控制是這樣的位置和力的控制方法用于將在從外部向機器人的手指尖施加 力的情況下產生的機械阻抗(慣性、衰減系數、剛性)設定為適合于目標作業的值。
背景技術：
廣泛公知有這樣的技術，S卩，在使用產業用機器人執行嵌合等接觸作業的情況下， 在機器人機械手的末端執行器或手腕部設置力傳感器，構成利用力傳感器信息的力控制。 作為具體的力控制方法，例如容易利用阻抗控制。阻抗控制構成反饋控制，使得外力作用于末端執行器時的位置響應根據期望的慣 性、粘性、剛性特性進行動作。可在嵌合作業時避免工件(workpiece 加工件)之間接觸時 的力而吸收位置誤差。不過，當慣性、粘性、剛性的參數不適當時，具有作業執行極端花費時 間的情況。此外，有時在接觸時控制系統變得不穩定(振蕩)而不能作業。因此，需要適當 調節阻抗控制的參數。作為調節阻抗控制參數的技術，日本特開2001-277162號(專利文獻1)公報作了公開。在該公報中，調節作業者(示教者)在使用顯示部確認力響應的同時，通過按鈕操 作調節重量(重^輕)和硬度(硬<z>軟)的舉動指定參數，根據該舉動指定參數，通過模 糊推理調節阻抗參數。在專利文獻1中，在目視確認力響應的同時，通過按鈕操作調節參數。在專利文獻 1中，采用這樣的作法利用2個舉動指定參數，通過模糊推理調節3個阻抗參數。然而，模 糊推理用于對個人的主觀判斷進行統計處理，而不是用于消除個人差異。因此，具有調節結 果或調節時間取決于個人技能的問題。由于調節結果取決于個人差異，因而難以進行最佳 的參數調節。
發明內容
本發明是鑒于上述問題而完成的，本發明的目的在于提供一種使阻抗控制的多個 參數不取決于個人技能、即使不具有特別的知識也總能調節最佳參數的裝置及其調節方法。根據本發明的一個方面，提供一種阻抗控制參數調節裝置，該裝置調節根據設在 機器人機械手的末端執行器上的力傳感器的信息構成的阻抗控制的參數，其中，該阻抗控 制參數調節裝置具有參數初始值計算部，其計算在參數調節時設定的慣性參數和粘性參數的初始值；力指令施加部，其通過對阻抗控制接通/斷開階梯狀的力指令，將末端執行器所 把持的工件反復按壓對象工件；5
評價基準計測部，其在每次按壓時記錄來自力傳感器的力反饋的時間響應，并且 自動計測力反饋的時間響應的整定時間、過沖量和振動次數；容許值設定部，其設定作為可容許過沖量的最大值的過沖量容許值、和作為可容 許整定時間的最大值的整定時間容許值；粘性參數搜索部，其固定慣性參數，執行反復按壓，搜索整定時間最小的粘性參 數；結束判斷部，其對作為粘性參數搜索部的粘性參數搜索結果而從評價基準計測部 獲得的整定時間調節值和過沖量調節值分別與所述過沖量容許值和所述整定時間容許值 進行比較，判斷是結束還是繼續反復處理；以及慣性參數調節部，其在結束判斷部判斷為繼續處理的情況下，增減慣性參數、或者 緩和過沖量容許值和整定時間容許值中的任一方，之后再執行粘性參數搜索部的處理。根據本發明的另一個方面，提供一種阻抗控制參數調節方法，該方法通過反復測 定力反饋的時間響應來調節根據設在機器人機械手的末端執行器上的力傳感器的信息構 成的阻抗控制的參數，該阻抗控制參數調節方法執行以下步驟計算在參數調節時設定的慣性參數和粘性參數的初始值；(a)容許值設定步驟，設定與力反饋的時間響應相關的過沖量容許值(上限)和整 定時間容許值(上限)；(b)粘性參數搜索步驟，固定慣性參數來搜索整定時間最小的粘性參數；(c)結束判斷步驟，對根據所述粘性參數搜索步驟的執行結果獲得的過沖量調節 值和整定時間調節值分別與所述過沖量容許值和整定時間容許值進行比較，由此判斷是結 束還是繼續反復處理；以及(d)慣性參數調節步驟，在所述結束判斷步驟判斷為繼續處理的情況下，增減慣性 參數、或者緩和過沖量容許值和整定時間容許值中的任一方，之后再執行粘性參數搜索步驟。 根據本發明，具有能自動調節阻抗控制的多個參數而不取決于個人技能的效果。并且，根據本發明，由于根據力響應的振動次數朝整定時間減少的方向增減粘性 參數，并根據力響應的過沖量朝過沖量減小的方向增減慣性參數，因而具有能調節整定時 間和過沖量最小的最佳阻抗參數的效果。
通過以下的詳細說明，結合附圖，將更全面地理解本發明及其相關優點，在附圖 中圖1是本發明的阻抗控制參數調節裝置的結構圖。圖2是本發明的阻抗控制參數調節方法的流程圖。圖3是本發明的粘性參數搜索處理的流程圖。圖4是本發明的結束判斷處理和慣性參數搜索處理的流程圖。圖5A示出本發明的力指令施加部輸出的力指令的一例。圖5B示出力響應的整定時間、過沖量的狀況以及本發明的評價基準值的計測原理。
圖5C示出力響應的整定時間、過沖量、振動次數的狀況以及本發明的評價基準值 的計測原理。圖6示出本發明的粘性參數搜索進展的狀況。圖7是本發明的產業用機器人的結構圖。圖8示出受到本發明的阻抗控制的產業用機器人的結構圖。圖9是本發明的阻抗控制的框圖。圖10是本發明的參數初始值計算部的流程圖。
具體實施例方式現在將參照
實施方式，其中類似的參照標號表示各種圖中的對應或相同 的部件。以下，參照
本發明的實施方式。首先，說明一般的產業用機器人和阻抗控制的系統結構，之后說明本發明的技術。圖7是一般的產業用機器人的結構圖。本結構圖由機械手、控制器以及可移動式 示教操作盤構成。在圖7中，101是機器人，是具有多個關節軸和連桿的機械手。在各關節 軸中內置帶有編碼器的驅動電動機，該驅動電動機可獨立驅動各關節。102是機器人101的 控制器，是用于根據各關節軸驅動電動機的編碼器信號構成反饋控制(位置控制系統)、并 對機器人101的運動進行控制的裝置。103是可移動式示教操作盤，是用于由示教者手動 (JOG)操作機器人、或者制作、編輯動作程序的接口。可移動式示教操作盤103主要由操作 鈕組103a和顯示畫面10 構成。104是設在機器人101的手腕部的末端執行器。末端執 行器根據應用安裝有各種工具。在圖9的情況下，安裝用于把持部件的手(夾具)。圖8示出受到阻抗控制的產業用機器人的結構圖。105是安裝在機器人101的手 腕上的6軸力傳感器。該6軸力傳感器可計測CTZ各軸方向的力和繞各軸的力矩。106是 構成在控制器102內部的阻抗控制部，根據來自力傳感器105和各軸編碼器的信號構成反 饋控制系統。從阻抗控制部106向致動器驅動放大部107輸出各驅動電動機的扭矩指令或 電流指令，致動器驅動放大部107根據該扭矩(或電流)指令值向各驅動電動機提供電力。 108是在控制器內部存儲利用可移動式示教操作盤生成(示教)的動作程序的動作程序存 儲部。109是對存儲在動作程序存儲部108內的動作程序進行解釋/執行，并向阻抗控制部 106提供動作指令的動作程序執行部。IlOa是末端執行器104所把持的工件(例如嵌合部 件)，IlOb是對象工件(例如被嵌合部件)。以嵌合作業為例，可以通過使機器人101處于 阻抗控制狀態而適當調節其參數，由此以允許位置姿勢誤差的方式對部件進行嵌合。圖9示出阻抗控制的控制框圖。在圖9中，106a是位置控制系統，根據各關節軸 的位置指令和當前位置(反饋)將各驅動電動機的扭矩(或電流指令)輸出到致動器驅動 放大部107。Fref是力矩指令(力矩目標值)，Ffb是力矩反饋值。θ ref是從動作程序執 行部109發送來的位置指令(關節坐標系)，δ θ是阻抗控制運算部106b計算的位置修正 量。在阻抗控制運算部106b中，首先根據Fref和Ffb，按照下式計算正交坐標系中的位置 修正量δ P (阻抗模型106c)。δ P = (Ms2+Ds+K) (Fref-Ffb)...(1)這里，Μ、D、K分別是慣性矩陣、粘性系數矩陣、剛性矩陣(彈簧常數)。通常，它們7作為對角矩陣設定各軸方向獨立的阻抗特性。并且，s是拉普拉斯算子，相當于與時間相關 的一階微分。正交 坐標系中的位置修正量δ P使用雅可比矩陣J ( θ )，根據下式分解為關節坐 標系的位置修正量δ θ (速度分解運算部106d)。
權利要求
1.一種阻抗控制參數調節裝置，該裝置調節根據設在機器人機械手的末端執行器上的 力傳感器的信息構成的阻抗控制的參數，其中，該阻抗控制參數調節裝置具有參數初始值計算部，其計算在參數調節時設定的慣性參數和粘性參數的初始值； 力指令施加部，其通過對阻抗控制接通/斷開階梯狀的力指令，將末端執行器所把持 的工件反復按壓對象工件；評價基準計測部，其在每次按壓時記錄來自力傳感器的力反饋的時間響應，并且自動 計測力反饋的時間響應的整定時間、過沖量和振動次數；容許值設定部，其設定作為可容許過沖量的最大值的過沖量容許值、和作為可容許整 定時間的最大值的整定時間容許值；粘性參數搜索部，其固定慣性參數，執行反復按壓，搜索整定時間最小的粘性參數； 結束判斷部，其對作為粘性參數搜索部的粘性參數搜索的結果而從評價基準計測部獲 得的整定時間調節值和過沖量調節值分別與所述過沖量容許值和所述整定時間容許值進 行比較，判斷是結束還是繼續反復處理；以及慣性參數調節部，其在結束判斷部判斷為繼續處理的情況下，增減慣性參數、或者緩和 過沖量容許值和整定時間容許值中的任一方，之后再執行粘性參數搜索部的處理。
2.根據權利要求1所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，所述評價基準計測部按照以 階梯狀的所述力指令值為中心指定了上限和下限的整定范圍來計測整定時間。
3.根據權利要求2所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，所述評價基準計測部交替計 測力反饋響應超過所述整定范圍的次數和不到所述整定范圍的次數，按照這些次數之和來 計測振動次數。
4.根據權利要求3所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，在所述振動次數大于預先設 定的第1閾值的情況下，所述粘性參數搜索部使粘性參數增大，在所述振動次數小于預先 設定的第2閾值的情況下，使粘性參數減小。
5.根據權利要求4所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，當所述振動次數大于等于所 述第2閾值且小于等于所述第1閾值時，在整定時間比上次增加的情況下，所述粘性參數搜 索部使粘性參數的搜索方向反轉，并使搜索范圍以預先設定的比率減小，當整定時間相比 于上次的變化量小于等于預先設定的閾值時，結束搜索處理。
6.根據權利要求1所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，只在過沖量調節值小于等于 過沖量容許值且整定時間調節值小于等于整定時間容許值的情況下，所述結束判斷部才判 斷為結束搜索處理，除此以外的情況下，判斷為繼續搜索處理。
7.根據權利要求1所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，在過沖量調節值小于等于過沖量容許值且整定時間調節值大于整定時間容許值的情 況下，所述慣性參數調節部使慣性參數減小而再執行粘性參數搜索部的處理，在過沖量調節值大于過沖量容許值且整定時間調節值小于等于整定時間容許值的情 況下，所述慣性參數調節部使慣性參數增大而再執行粘性參數搜索部的處理，在過沖量調節值大于過沖量容許值且整定時間調節值大于整定時間容許值的情況下， 所述慣性參數調節部將過沖量容許值或整定時間容許值中的任一方再設定為其調節值而 再執行粘性參數搜索部的處理。
8.根據權利要求1所述的阻抗控制參數調節裝置，其中，所述參數初始值計算部通過設定所述末端執行器和把持工件的重量、所述機器人機械手的位置控制系統的頻帶，來計 算在參數調節時設定的慣性參數和粘性參數的初始值。
9.一種阻抗控制參數調節方法，該方法通過反復測定力反饋的時間響應，來調節根據 設在機器人機械手的末端執行器上的力傳感器的信息構成的阻抗控制的參數，該阻抗控制 參數調節方法執行以下步驟計算在參數調節時設定的慣性參數和粘性參數的初始值；(a)容許值設定步驟，設定與力反饋的時間響應相關的過沖量容許值和整定時間容許值；(b)粘性參數搜索步驟，固定慣性參數來搜索整定時間最小的粘性參數；(c)結束判斷步驟，對根據所述粘性參數搜索步驟的執行結果獲得的過沖量調節值和 整定時間調節值分別與所述過沖量容許值和所述整定時間容許值進行比較，由此判斷是結 束還是繼續反復處理；以及(d)慣性參數調節步驟，在所述結束判斷步驟判斷為繼續處理的情況下，增減慣性參 數、或者緩和過沖量容許值和整定時間容許值中的任一方，之后再執行粘性參數搜索步驟。
10.根據權利要求9所述的阻抗控制參數調節方法，其中，所述粘性參數搜索步驟(b) 執行以下步驟(bl)對粘性參數D的初始值、粘性參數D的搜索范圍AD和搜索方向系數α、搜索范 圍的減小率Y、與整定時間的變化量相關的閾值ST進行初始設定；(b2)通過對阻抗控制接通/斷開階梯狀的力指令，將末端執行器所把持的工件按壓對 象工件后返回；(b3)在所述按壓時計測并保存力反饋的時間響應；(b4)計測并保存時間響應的整定時間、過沖量和振動次數作為所述力反饋的時間響應 的評價值；(b5)在所述振動次數大于第1閾值的情況下，將所述搜索方向系數α設為1，在所述 振動次數小于第2閾值的情況下，將所述搜索方向系數α設為-1 ；(b6)在所述振動次數大于等于第2閾值且小于等于第1閾值、整定時間比上次增加的 情況下，使所述搜索方向系數α的符號反轉，并對所述搜索范圍AD乘以減小率γ來更新 搜索范圍AD;(b7)在整定時間相對于上次的變化量ΔΤ大于所述閾值δ T的情況下，根據D = D+α X AD更新粘性參數D后返回到(b2)；以及(b8)在所述變化量Δ T小于等于所述閾值δ T的情況下，結束處理。
11.根據權利要求10所述的阻抗控制參數調節方法，其中，在所述步驟(b4)中，按照以 階梯狀的所述力指令值為中心指定了上限和下限的整定范圍來計測整定時間。
12.根據權利要求11所述的阻抗控制參數調節方法，其中，在所述步驟(b4)中，交替計 測力反饋響應超過所述整定范圍的次數和不到所述整定范圍的次數，按照這些次數之和來 計測振動次數。
13.根據權利要求9所述的阻抗控制參數調節方法，其中，只在過沖量調節值小于等 于過沖量容許值且整定時間調節值小于等于整定時間容許值的情況下，所述結束判斷步驟 (c)才判斷為結束搜索處理，除此以外的情況下，判斷為繼續搜索處理。
14.根據權利要求9所述的阻抗控制參數調節方法，其中，所述慣性參數調節步驟(d) 執行以下步驟(dl)對慣性參數M的初始值和搜索范圍ΔΜ、搜索方向系數β和搜索范圍ΔΜ的減小 率ε進行初始設定；(d2)執行所述粘性參數搜索步驟；(d3-l)在過沖量調節值小于等于過沖量容許值且整定時間調節值大于整定時間容許 值的情況下，將所述搜索方向系數β設為-ι ；(d3-2)在過沖量調節值大于過沖量容許值且整定時間調節值小于等于整定時間容許 值的情況下，將所述搜索方向系數β設為1 ；(d3-3)在所述搜索方向系數β的符號反轉的情況下，對所述搜索范圍ΔΜ乘以減小率 ε來更新值，之后根據M = M+β X ΔΜ更新慣性參數，返回到(d2)；以及(d3-4)在過沖量調節值大于過沖量容許值且整定時間調節值大于整定時間容許值的 情況下，將過沖量容許值或整定時間容許值中的任一方再設定為其調節值而回到(d2)。
15.根據權利要求9所述的阻抗控制參數調節方法，其中，所述初始值計算步驟執行以 下步驟(el)通過設定末端執行器和把持工件的重量來作為調節時的慣性參數的初始值； (e2)設定所述機器人機械手的位置控制系統的頻帶《C ； (e3)根據所述慣性參數M和所述頻帶ω c計算剛性參數K; (e4)設定衰減系數ζ ；以及(e5)根據所述慣性參數、所述剛性參數和所述衰減系數計算粘性參數，作為調節時的 粘性參數的初始值。
全文摘要
本發明涉及阻抗控制參數調節裝置和調節方法。該調節裝置具有參數初始值計算部(117)，力指令施加部(111)，評價基準計測部(112)，容許值設定部(113)，粘性參數搜索部(114)，結束判斷部(115)以及慣性參數調節部(116)，力指令施加部(111)對阻抗控制部接通/斷開力指令，評價基準計測部(112)計測力響應的整定時間、過沖量和振動次數，容許值設定部(113)設定過沖量和整定時間的容許值，粘性參數搜索部(114)搜索整定時間為最小的粘性參數，結束判斷部(115)對調節值和容許值進行比較來判斷結束還是繼續處理，慣性參數調節部(116)根據過沖量和整定時間的調節值來調節慣性參數。
文檔編號B25J9/16GK102039594SQ20101051598
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月18日 優先權日2009年10月20日
發明者井上康之, 安藤慎悟, 永井亮一 申請人:株式會社安川電機