机器人控制装置以及机器人控制方法与流程

1.本发明涉及一种能够同时控制机器人的位置姿势和力的机器人控制装置以及机器人控制方法。


背景技术：

2.在垂直多关节机器人等机器人(机械臂)中，使用将位置姿势和力同时(并列)作为控制对象的机器人控制装置(例如参照专利文献1)。另外，位置姿势表示机器人的位置以及姿势中的至少一方。图9～图11表示机器人控制装置1b的一例。
3.图9所示的机器人控制装置1b具备主控制部(上位控制器)11b以及多个关节控制部(下位控制器)12b。针对机器人2所具有的每个关节设置关节控制部12b。另外，主控制部11b与各关节控制部12b之间通过通信线连接。
4.另外，如图9所示，机器人2在每个关节具有马达21以及传感器22(扭矩传感器23以及编码器24)。马达21和传感器22分别通过电力线等与对应的关节控制部12b连接。扭矩传感器23检测对应的关节处的扭矩的当前值。编码器24检测对应的关节的角度的当前值。另外，在图10中，仅示出一组马达21、扭矩传感器23以及编码器24。
5.主控制部11b通过向各关节控制部12b输出指令值，来控制机器人2整体。具体而言，主控制部11b基于力的指令值以及位置姿势的指令值以及机器人2所具有的每个关节的扭矩的当前值以及角度的当前值，运算每个该关节的速度的指令值。如图10及图11所示，主控制部11b具备：力运算部111b、力控制部112b、位置姿势运算部113b、位置姿势控制部114b、指令值合成部115b以及指令值变换部116b。
6.力运算部111b基于机器人2所具有的每个关节的扭矩的当前值，运算机器人2的力的当前值。机器人2所具有的每个关节的扭矩用关节坐标系表示，力运算部111b将每个关节的扭矩变换为用正交坐标系表示的力。在图11中，τ表示扭矩的当前值，f表示力的当前值。
7.力控制部112b基于力的指令值以及由力运算部111b运算出的力的当前值，运算力控制的指令值。在该力控制部112b中，由偏差运算器1121b求出力的指令值与力的当前值之间的偏差，由系数乘法部1122b对偏差运算器1121b的运算结果的偏差乘以增益，由此得到力控制的指令值。在图11中，fr表示力的指令值，g
f
表示增益。
8.位置姿势运算部113b基于机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算机器人2的位置姿势的当前值。机器人2所具有的每个关节的角度的当前值用关节坐标系表示，位置姿势运算部113b将每个关节的角度的当前值变换为用正交坐标系表示的位置姿势的当前值。在图11中，θ表示角度的当前值，x表示位置姿势的当前值。
9.位置姿势控制部114b基于位置姿势的指令值和由位置姿势运算部113b运算出的位置姿势的当前值，运算位置姿势控制的指令值。在该位置姿势控制部114b中，由偏差运算器1141b求出位置姿势的指令值与位置姿势的当前值之间的偏差，由系数乘法部1142b对偏差运算器1141b的运算结果乘以增益，由此得到位置姿势控制的指令值。在图11中，xr表示位置姿势的指令值，g
z
表示增益。
10.指令值合成部115b合成由力控制部112b运算出的力控制的指令值以及由位置姿势控制部114b运算出的位置姿势控制的指令值。在该指令值合成部115b中，用加法器1151b将力控制的指令值和位置姿势控制的指令值相加。
11.指令值变换部116b将指令值合成部115b的合成结果变换为机器人2所具有的每个关节的角速度的指令值。在该指令值变换部116b中，由系数乘法部1161b对上述合成结果乘以雅可比矩阵的逆矩阵。即，指令值变换部116b将用直角坐标系表示的指令值变换为用关节坐标系表示的指令值。在图11中，j表示雅可比矩阵，θ(dot)r表示角速度的指令值。
12.关节控制部12b根据来自主控制部11b的指令，控制设置在对应的关节上的马达21。如图10所示，关节控制部12b具有扭矩获取部121b和关节角控制部122b。
13.扭矩获取部121b获取对应的关节处的扭矩的当前值。表示由该扭矩获取部121b获取到的扭矩的当前值的数据被输出到主控制部11b(力运算部111b)。
14.关节角控制部122b基于由主控制部11b运算出的角速度的指令值以及机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算针对设置在对应的关节上的马达21的指令值。在该关节角控制部122b中，由速度变换部1221b将角度的当前值变换为角速度的当前值，由减法器1223b从角速度的指令值中减去由速度变换部1221b得到的角速度的当前值，由pi控制部1224b基于减法器1223b的减法结果进行pi控制，由此得到针对马达21的指令值。
15.这样，在图9～图11所示的机器人控制装置1b中，需要联合操作多个关节，由主控制部11b合成对多关节的自由度(例如6自由度)同时控制运算了位置姿势和力的结果，将该合成结果变换为对各轴的关节控制部12b的信号后输出。即，在该机器人控制装置1b中，由主控制部11b实行柔顺控制的主要的运算。因此，在该机器人控制装置1b中，具有能够合理地整合应调整的参数等优点。现有技术文献专利文献
16.专利文献1：日本专利申请特开2016
‑
168650号公报


技术实现要素：

发明要解决的问题
17.一般来说，在产业用机器人等的机器人中，作为通过力控制来实现的对象，有精密的研磨的仿形动作等，总是要求稳定动作或追随动作那样的动态的性能提高。另一方面，在现有的机器人控制装置中，在主控制部中构成反馈系统。即，在该机器人控制装置中，以与机器人在物理上和通信上都有距离的构成要素来进行反馈控制运算。因此，从扭矩传感器对扭矩的检测到对马达的指令值的输入为止的延迟变长。其结果是，在该机器人控制装置中，不可避免地浪费时间的空间增多，成为抑制能够维持稳定性的高增益化的主要原因。另外，浪费时间本身也不是能够通过超前补偿等消除的要素，因此无法避免对响应时间的不良影响。这样，在现有的机器人控制装置中，难以提高力控制的性能(特别是快速性)，要求进一步改善。
18.本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种相对于现有构成能够提高力控制的性能的机器人控制装置。
解决问题的技术手段
19.本发明的机器人控制装置的特征在于，具备：主控制部，其基于力的指令值以及位置姿势的指令值和机器人所具有的每个关节的角度的当前值，运算每个该关节的扭矩的指令值以及位置姿势控制的指令值；以及关节控制部，其针对机器人所具有的每个关节设置，基于在对应的关节的扭矩的当前值和由主控制部运算出的扭矩的指令值以及位置姿势控制的指令值，运算针对设置在对应的关节上的马达的指令值。发明的效果
20.根据本发明，由于如上述那样构成，所以相对于现有构成能够提高力控制的性能。
附图说明
21.图1是表示实施方式1的机器人控制装置的构成例的图。图2是表示实施方式1的机器人控制装置的构成例的图。图3是表示实施方式1的机器人控制装置的动作例的流程图。图4是表示实施方式1中的主控制部的动作例的流程图。图5是表示实施方式1中的关节控制部的动作例的流程图。图6a、图6b是用于说明实施方式1的机器人控制装置的效果的图，图6a是表示在使用了实施方式1的机器人控制装置时的模拟结果的一例的图，图6b是表示在使用了现有的机器人控制装置时的模拟结果的一例的图。图7是表示实施方式2的机器人控制装置的构成例的图。图8是表示实施方式2的机器人控制装置的构成例的图。图9是表示包含现有的机器人控制装置的机器人系统的构成例的图。图10是表示现有的机器人控制装置的构成例的图。图11是表示现有的机器人控制装置的构成例的图。
具体实施方式
22.以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。实施方式1图1、2是表示实施方式1的机器人控制装置1的构成例的图。另外，机器人控制装置1与机器人2的关系与图9相同，省略其说明。机器人控制装置1同时(并列)控制机器人2的位置姿势和力。如图1、2所示，机器人控制装置1具备主控制部(上位控制器)11以及多个关节控制部(下位控制器)12。针对机器人2所具有的每个关节设置有关节控制部12。另外，主控制部11与各关节控制部12之间通过通信线连接。
23.主控制部11通过向各关节控制部12输出指令值，由此控制机器人2整体。具体而言，主控制部11基于力的指令值以及位置姿势的指令值和机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算每个该关节的扭矩的指令值以及位置姿势控制的指令值。在图1、2中，位置姿势控制的指令值是速度的指令值。如图1所示，主控制部11具备扭矩指令值变换部111、位置姿势运算部112、位置姿势控制部113以及指令值变换部114。另外，主控制部11通过系统lsi(large scale integration：大规模集成电路)等处理电路、或者实行存储在存储器
等中的程序的cpu(central processing unit：中央处理部)等来实现。
24.扭矩指令值变换部111将力的指令值变换为机器人2所具有的每个关节的扭矩的指令值。扭矩指令值变换部111具有系数乘法部1111。系数乘法部1111对力的指令值乘以雅可比矩阵的转置矩阵。力的指令值用正交坐标系表示，扭矩指令值变换部111将力的指令值变换为用关节坐标系表示的扭矩的指令值。在图2中，fr表示力的指令值，j表示雅可比矩阵，τr表示扭矩的指令值。
25.位置姿势运算部112基于机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算机器人2的位置姿势的当前值。用关节坐标系表示机器人2所具有的每个关节的角度，位置姿势运算部112将每个关节的角度变换为用正交坐标系表示的位置姿势。另外，机器人2所具有的每个关节的角度的当前值由设置在每个该关节上的编码器24检测。在图2中，θ表示角度的当前值，x表示位置姿势的当前值。
26.位置姿势控制部113基于位置姿势的指令值以及由位置姿势运算部112运算出的位置姿势的当前值，运算速度的指令值(位置姿势控制的指令值)。位置姿势控制部113具有偏差运算器1131以及系数乘法部1132。
27.偏差运算器1131通过运算求出位置姿势的指令值与位置姿势的当前值之间的偏差。系数乘法部1132对偏差运算器1131的运算结果的偏差乘以增益，从而得到速度的指令值。在图2中，xr表示位置姿势的指令值，g
z
表示增益。
28.指令值变换部114将由位置姿势控制部113运算出的速度的指令值变换为机器人2所具有的每个关节的角速度的指令值。指令值变换部114具有系数乘法部1141。系数乘法部1141对由位置姿势控制部113运算出的速度指令值乘以雅可比矩阵的逆矩阵。即，指令值变换部114将用直角坐标系表示的指令值变换为用关节坐标系表示的指令值。在图2中，θ(dot)r表示角速度的指令值。
29.关节控制部12根据来自主控制部11的指令，控制设置在对应的关节上的马达21。具体而言，关节控制部12基于对应的关节处的扭矩的当前值和由主控制部11运算出的扭矩的指令值以及角速度的指令值(位置姿势控制的指令值)，运算针对设置在对应的关节上的马达21的指令值。如图1所示，关节控制部12具备扭矩获取部121、扭矩控制部122以及马达控制部123。马达控制部123具有关节角控制部124以及指令值合成部125。
30.扭矩获取部121获取对应的关节处的扭矩的当前值。机器人2所具有的每个关节的扭矩的当前值由设置在每个该关节的扭矩传感器23检测。
31.扭矩控制部122基于对应的关节处的扭矩的当前值以及由主控制部11运算出的扭矩的指令值，运算扭矩控制的指令值。扭矩控制部122具有减法器1221以及pi控制部1222。
32.减法器1221从由主控制部11运算出的扭矩的指令值中减去由扭矩获取部121获取的扭矩的当前值。pi控制部1222基于减法器1221的减法结果进行pi控制，由此得到扭矩控制的指令值。
33.关节角控制部124基于由主控制部11运算出的角速度的指令值，运算角速度控制的指令值。关节角控制部124具有速度变换部1241以及速度控制部1242。速度控制部1242具有减法器1243以及pi控制部1244。
34.速度变换部1241将对应的关节处的角度的当前值变换为角速度的当前值。
35.减法器1243从由主控制部11运算出的角速度的指令值中减去由速度转换部1241获得的角速度的当前值。pi控制部1244基于减法器1243的减法结果进行pi控制，从而得到角速度控制的指令值。
36.指令值合成部125合成由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令值以及由关节角控制部124运算出的角速度控制的指令值。在图1中，指令值合成部125具有加法器1251。加法器1251将由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令值与由关节角控制部124运算出的角速度控制的指令值相加。作为该指令值合成部125的合成结果的指令值(电流指令值)被输出到马达21。
37.接着，参照图3说明图1、2所示的实施方式1的机器人控制装置1的动作例。在图1、2所示的实施方式1的机器人控制装置1的动作例中，如图3所示，首先，主控制部11基于力的指令值以及位置姿势的指令值和机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算每个该关节的扭矩的指令值以及角速度的指令值(位置姿势控制的指令值)(步骤st301)。
38.接着，关节控制部12基于对应的关节处的扭矩的当前值和由主控制部11运算出的扭矩的指令值以及角速度的指令值，运算针对设置在对应的关节上的马达21的指令值(步骤st302)。
39.接着，参照图4说明图1、2所示的主控制部11的动作例。在图1、2所示的主控制部11的动作例中，如图4所示，首先，扭矩指令值变换部111将力的指令值变换为机器人2所具有的每个关节的扭矩的指令值(步骤st401)。在图1、2中，系数乘法部1111对力的指令值乘以雅可比矩阵的转置矩阵。另外，雅可比矩阵根据机器人2的关节的角度而变化，因此需要适当更新。另外，扭矩获取部121所获取的扭矩的当前值通常包含重力引起的扭矩分量，因此，可以在扭矩指令值上叠加该重力引起扭矩分量的推定值以抵消该扭矩分量。
40.另外，位置姿势运算部112基于机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算机器人2的位置姿势的当前值(步骤st402)。
41.接着，位置姿势控制部113基于位置姿势的指令值以及由位置姿势运算部112运算出的位置姿势的当前值，运算速度的指令值(位置姿势控制的指令值)(步骤st403)。在图1、2中，偏差运算器1131运算位置姿势的指令值与位置姿势的当前值之间的偏差，系数乘法部1132对偏差运算器1131的运算结果的偏差乘以增益，由此得到速度的指令值。另外，位置的偏差通过从指令值的坐标值中减去当前值的坐标值而得到。姿势的偏差能够通过求出从当前值的姿势向指令值的姿势的旋转变换而得到。
42.接着，指令值变换部114将由位置姿势控制部113运算出的速度的指令值变换为机器人2所具有的每个关节的角速度的指令值(步骤st404)。在图1、图2中，系数乘法部1141将由位置姿势控制部113运算出的速度的指令值乘以雅可比矩阵的逆矩阵，从而获得各关节的角速度指令值。
43.接着，参照图5说明图1、2所示的关节控制部12的动作例。在图1、2所示的关节控制部12的动作例中，如图5所示，首先，扭矩获取部121获取
对应的关节处的扭矩的当前值(步骤st501)。
44.接着，扭矩控制部122基于对应的关节处的扭矩的当前值以及由主控制部11运算出的扭矩的指令值，运算扭矩控制的指令值(步骤st502)。在图1、2中，减法器1221从由主控制部11运算出的扭矩的指令值中减去由扭矩获取部121获取的扭矩的当前值，pi控制部1222基于减法器1221的减法结果进行pi控制，由此得到扭矩控制的指令值。
45.另外，关节角控制部124基于由主控制部11运算出的角速度的指令值，运算角速度控制的指令值(步骤st503)。在图1、2中，速度变换部1241将对应的关节处的角度的当前值变换为角速度的当前值，减法器1243从由主控制部11运算出的角速度的指令值中减去由速度变换部1241得到的角速度的当前值，pi控制部1244基于减法器1243的减法结果进行pi控制，由此得到角速度控制的指令值。
46.接着，指令值合成部125合成由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令以及由关节角控制部124运算出的角速度控制的指令值(步骤st504)。在图1、2中，加法器1251将由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令值与由关节角控制部124运算出的角速度控制的指令值相加。作为该指令值合成部125的合成结果的指令值(电流指令值)被输出到马达21。
47.接着，对实施方式1的机器人控制装置1的效果进行说明。如上所述，在现有的机器人控制装置1b中，由主控制部11b构成反馈系统。即，在该机器人控制装置1b中，以与机器人2在物理上和通信上都有距离的构成要素进行反馈控制运算。因此，从扭矩传感器23对扭矩的检测到向马达21的指令值的输入为止的延迟变长。其结果是，在该机器人控制装置1中，不可避免地浪费时间的空间增多，成为抑制能够维持稳定性的高增益化的主要原因。另外，浪费时间本身也不是能够通过超前补偿等来消除的要素，因此无法避免对响应时间的不良影响。
48.与此相对，如实施方式1的机器人控制装置1那样，不是由主控制部11实施针对力控制的运算，而是由关节控制部12实施针对扭矩控制的运算，由此，从扭矩传感器23对扭矩的检测到向马达21的指令值的输入为止的延迟变短，能够削减浪费时间的空间。即，实施方式1的机器人控制装置1还能够进行与能够维持稳定性的控制器的高增益化相当的调整(关节单位的单变量控制的增益调整)。这样，在实施方式1的机器人控制装置1中，相对于现有构成，能够提高力控制的性能(特别是快速性)。
49.图6是用于说明实施方式1的机器人控制装置1的效果的图。图6a是表示在使用了实施方式1的机器人控制装置1时的模拟结果的一例的图，图6b是表示在使用了现有的机器人控制装置1b时的模拟结果的一例的图。在图6中，表示用机器人2在z轴方向上按压物体时的模拟结果。另外，机器人2的按压力的目标值为10[n]。在图6a以及图6b中，横轴表示时间[s]，纵轴表示机器人2向z轴方向的按压力。在这种情况下，如图6b所示，在使用了现有的机器人控制装置1b的情况下，到机器人2向z轴方向的按压力稳定到目标值为止的时间(稳定时间)为3.03[s]。与此相对，如图6a所示，在使用了实施方式1的机器人控制装置1的情况下，稳定时间为0.47[s]。即，可知在使用了实施方式1的机器人控制装置1的情况下，与使用了现有的机器人控制装置1b的情况相比，机器人2向z轴方向的按压力在短时间内稳定到目标值。
[0050]
另外，在图6b中，现有的机器人控制装置1b的从力偏差的计算到速度指令值的计算为止的增益为
‑
2.0
×
10
‑3。与此相对，在图6a中，与实施方式1的机器人控制装置1的从力
偏差的计算到速度指令值的计算为止的增益相当的等效增益为
‑
9.2
×
10
‑3。即，可知在实施方式1的机器人控制装置1中，相对于现有的机器人控制装置1b能够实现高增益的力控制。另外，在实施方式1的机器人控制装置1中，实际上没有根据力偏差计算速度指令值，所以上述所示的增益不是实际的增益而是换算值。
[0051]
另外，在图1、2所示的机器人控制装置1中，通过将与速度控制相关的增益设为0，能够实现单体的扭矩控制，另外，通过将与扭矩控制相关的增益设为0，能够实现通常的速度控制。
[0052]
如上所述，根据本实施方式1，机器人控制装置1具备：主控制部11，其基于力的指令值以及位置姿势的指令值和机器人2所具有的每个关节的角度的当前值，运算每个该关节的扭矩的指令值以及位置姿势控制的指令值；以及关节控制部12，其针对机器人2所具有的每个关节而设置，基于对应的关节处的扭矩的当前值和由主控制部11运算出的扭矩的指令值以及位置姿势控制的指令值，运算针对设置在对应的关节上的马达21的指令值。由此，实施方式1的机器人控制装置1相对于现有构成能够提高力控制的性能。
[0053]
另外，在实施方式1中示出了关节角控制部124设置在关节控制部12的情况。但是，不限于此，关节角控制部124也可以设置在主控制部11中。例如，在机器人2以低速动作的情况下等，认为关节角控制部124设置在主控制部11中的影响小。另外，关节角控制部124不是必须的构成，也可以从机器人控制装置1中除去。
[0054]
实施方式2在实施方式1中，示出了在关节控制部12中，使用由主控制部11运算出的角速度的指令值(位置姿势控制的指令值)来运算角速度控制的指令值，然后合成扭矩控制的指令值以及角速度控制的指令值的情况。但是，不限于此，也可以在关节控制部12中合成了扭矩控制的指令值和由主控制部11运算出的角速度的指令值(位置姿势控制的指令值)之后，使用该合成结果来运算角速度控制的指令值。图7、8是表示实施方式2的机器人控制装置1的构成例的图。图7、8所示的实施方式2的机器人控制装置1相对于图1、2所示的实施方式1的机器人控制装置1，将关节角控制部124以及指令值合成部125变更为指令值合成部126以及关节角控制部127。其他的构成相同，标注相同的符号并省略其说明。
[0055]
指令值合成部126合成由主控制部11运算出的角速度的指令值(位置姿势控制的指令值)以及由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令值。在图8中，指令值合成部126具有加法器1261。加法器1261将由主控制部11运算出的角速度的指令值与由扭矩控制部122运算出的扭矩控制的指令值相加。
[0056]
关节角控制部127基于指令值合成部126的合成结果，运算角速度控制的指令值。关节角控制部127具有速度变换部1271以及速度控制部1272。速度控制部1272具有减法器1273以及pi控制部1274。
[0057]
速度变换部1271将对应的关节处的角度的当前值变换为角速度的当前值。
[0058]
减法器1273从指令值合成部126的合成结果中减去由速度变换部1271得到的角速度的当前值。pi控制部1274基于减法器1273的减法结果进行pi控制，从而得到角速度控制的指令值。
由该关节角控制部127运算出的角速度控制的指令值(电流指令值)被输出到设置在对应的关节上的马达21。
[0059]
这样，在实施方式2的机器人控制装置1中，合成位置姿势控制的指令值以及扭矩控制的指令值，基于该合成结果实施角速度控制。关于该实施方式2的机器人控制装置1，也能够得到与实施方式1的机器人控制装置1同样的效果。另外，实施方式2的机器人控制装置1成为与现有的柔顺控制接近的对应关系。
[0060]
另外，本技术发明在其发明的范围内，能够进行各实施方式的自由组合、或者各实施方式的任意的构成要素的变形、或者在各实施方式中任意的构成要素的省略。例如，在实施方式1、2中，使用关节角控制部进行速度控制的例子进行了说明，但也可以通过加速度或电流等其他物理量的控制来进行位置姿势的控制。
[0061]
本发明的机器人控制装置相对于现有构成能够提高力控制的性能，适用于能够同时控制机器人的位置姿势和力的机器人控制装置等。符号说明
[0062]
1 机器人控制装置2 机器人11 主控制部12 关节控制部21 马达22 传感器23 扭矩传感器24 编码器111 扭矩指令值变换部112 位置姿势运算部113 位置姿势控制部114 指令值变换部121 扭矩获取部122 扭矩控制部123 马达控制部124 关节角控制部125 指令值合成部126 指令值合成部127 关节角控制部1111 系数乘法部1131 偏差运算器1132 系数乘法部1141 系数乘法部1221 减法器1222 pi控制部1241 速度变换部
1242 速度控制部1243 减法器1244 pi控制部1251 加法器1261 加法器1271 速度变换部1272 速度控制部1273 减法器1274 pi控制部。