多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置以及控制方法
【專利摘要】在多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置(10)中，第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部(300)具備具有低于機(jī)器人的固有振動(dòng)頻率的截止頻率的高頻阻隔特性，對(duì)關(guān)節(jié)角度指令值(θc)進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值(θd)。第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部(400)具備具有低于第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部(300)的截止頻率的高頻阻隔特性，對(duì)來自干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部(200)的輸出進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值(cd)。
【專利說明】多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置以及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在例如電弧焊接中使用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的控制，特別涉及能以較高的 軌跡精度進(jìn)行擺動(dòng)（weaving)動(dòng)作的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 在通過電弧焊接進(jìn)行多個(gè)母材的焊接時(shí)，采用一邊使焊接電極在焊接方向上前 進(jìn)、一邊在焊接線的左右方向上進(jìn)行正弦波擺動(dòng)動(dòng)作并進(jìn)行焊接的擺動(dòng)焊接。該擺動(dòng)焊接 從過去以來通過使焊炬自身左右搖動(dòng)來進(jìn)行，或者通過使焊炬以焊炬自身為中心左右掀動(dòng) 來進(jìn)行。在使多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行這樣的擺動(dòng)焊接的情況下，要求較高的軌跡精度。
[0003] 在這樣的多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，以各軸為單位進(jìn)行伺服控制。但是，由于固有振動(dòng)頻率 較低，因此從振動(dòng)抑制的觀點(diǎn)出發(fā)，幾乎不采用速度前饋等。因此，相對(duì)于目標(biāo)值而言，實(shí)際 的反饋值的相位滯后較大，伺服控制部的速度控制部的響應(yīng)特性按照每個(gè)軸而不同，導(dǎo)致 了軌跡誤差。另外，伺服控制部的位置/速度控制特性由于會(huì)因伴隨于機(jī)器人的姿態(tài)變化 的慣性變化（特別是相位滯后特性）而變化，所以即使根據(jù)目標(biāo)值而對(duì)各軸間干涉轉(zhuǎn)矩等 進(jìn)行逆運(yùn)算并補(bǔ)償?shù)姆蔷€性補(bǔ)償控制，也會(huì)由于相位的偏離而幾乎不能有效發(fā)揮功能。關(guān) 于這樣的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制，公知以下那樣的技術(shù)。
[0004] 日本特開平10-217173號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)公開了一種能得到穩(wěn)定的軌跡精度 的多軸機(jī)器人的非干涉化控制裝置。該機(jī)器人的非干涉化控制裝置，設(shè)置在具有對(duì)至少2 條以上的臂通過關(guān)節(jié)部而串行結(jié)合的結(jié)構(gòu)的機(jī)器人進(jìn)行控制的多軸機(jī)器人控制裝置中。該 機(jī)器人的非干涉化控制裝置具有：根據(jù)各臂的角度、和各臂的質(zhì)量、長(zhǎng)度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)來生 成慣性矩陣的慣性矩陣計(jì)算機(jī)構(gòu)；運(yùn)算包含各臂的加速度的非干涉化用狀態(tài)變量的運(yùn)算機(jī) 構(gòu)；和運(yùn)算與這些狀態(tài)變量相乘的非干涉化增益的運(yùn)算機(jī)構(gòu)。而且，非干涉化控制裝置還具 有：對(duì)所述非干涉化用狀態(tài)變量和所述非干涉化增益進(jìn)行乘法運(yùn)算以及加法運(yùn)算的乘法運(yùn) 算部以及加法運(yùn)算部；和用于從該計(jì)算的結(jié)果而得到的非干涉化轉(zhuǎn)矩指令中除去高次諧波 脈動(dòng)部分的濾波器處理部。
[0005] 另外，日本特公平8-7625號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)2)公開了一種提高了針對(duì)軌跡指令 的系統(tǒng)的隨動(dòng)性的位置控制裝置。該位置控制裝置具有1軸或多軸，通過位置反饋控制來 控制各軸。在此，除了位置反饋回路以外，還設(shè)置了前饋回路，該前饋回路以位置指令作為 輸入側(cè)，串列地具備具有前饋增益的微分要素和時(shí)滯要素，并將速度前饋補(bǔ)償輸出相加到 所述位置反饋回路的位置回路增益的后級(jí)。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)
[0008] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開平10-217173號(hào)公報(bào)
[0009] 專利文獻(xiàn)2 :日本特公平8-7625號(hào)公報(bào)（日本特開平3-40008號(hào)公報(bào)）


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明要解決的課題
[0011] 在上述的專利文獻(xiàn)1中，公開了一種使各軸間的干涉非干涉化的方法。但是，在該 方法中，需要臂加速度的一階微分值、二階微分值，且對(duì)于噪聲非常弱。另外，只是有稍微 劇烈的動(dòng)作就會(huì)使臂加速度的二階微分值示出天文數(shù)字的值等，在實(shí)現(xiàn)上有非常大的制約 性。
[0012] 另外，在專利文獻(xiàn)2中，公開了一種通過對(duì)速度前饋進(jìn)行濾波器處理，不激發(fā)機(jī)器 人的固有振動(dòng)地提高前饋增益的方法。但是，基于該技術(shù)的前饋增益提高效果甚微，解決不 了根本的問題。另外，對(duì)于因各軸間的控制特性的差異或姿態(tài)不同而引起的控制特性變化， 該方法無法應(yīng)對(duì)。而且，由于在目標(biāo)位置的微分值和濾波器后的速度前饋的值中相位不同， 因此難以實(shí)現(xiàn)所期望的控制特性。
[0013] 即，在現(xiàn)有技術(shù)中未解決以下的問題。
[0014] (1)在機(jī)器人的固有振動(dòng)頻率較低的狀態(tài)下，由于不能使將各軸間進(jìn)行非干涉化 的非線性補(bǔ)償控制有效發(fā)揮作用，因此不能補(bǔ)償各軸干涉轉(zhuǎn)矩的影響，這就導(dǎo)致了精度變 差。
[0015] (2)在有伺服控制部的相位滯后的狀態(tài)下，由于不能使將各軸間進(jìn)行非干涉化的 非線性補(bǔ)償控制有效發(fā)揮作用，因此不能補(bǔ)償各軸干涉轉(zhuǎn)矩的影響，這就導(dǎo)致了精度變差。
[0016] (3)由于按每個(gè)軸而伺服控制特性不同，因此在各軸的響應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生差異，這就導(dǎo) 致了軌跡精度的變差。
[0017] (4)隨著機(jī)器人姿態(tài)不同，伺服控制特性會(huì)發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了軌跡精度的變 差。
[0018] (5)在焊接機(jī)器人的擺動(dòng)動(dòng)作中，使在擺動(dòng)周期中的相位滯后以及增益特性在各 軸一致是非常重要的。但是，由于因各軸間的干涉、姿態(tài)不同而引起的伺服特性變化或在每 個(gè)軸的特性的差異，因而在高頻擺動(dòng)動(dòng)作中使相位/增益特性一致是非常困難的。
[0019] 本發(fā)明鑒于上述的問題而提出，目的在于提供一種在具備多軸的多關(guān)節(jié)機(jī)器人中 能通過補(bǔ)償各軸的干涉轉(zhuǎn)矩的影響來以較高的軌跡精度進(jìn)行擺動(dòng)等動(dòng)作的多關(guān)節(jié)機(jī)器人 的軌跡控制裝置以及控制方法。
[0020] 解決課題的手段
[0021] 為了解決上述課題，本發(fā)明所涉及的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置采取以下的技 術(shù)手段。
[0022] S卩，本發(fā)明所涉及的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置用于控制多關(guān)節(jié)機(jī)器人的動(dòng) 作，在該多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，通過安裝于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)軸，以使工具 進(jìn)行所期望的動(dòng)作。該軌跡控制裝置特征在于，構(gòu)成為包括：關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部，其 算出并輸出用于實(shí)現(xiàn)所期望的工具動(dòng)作的各關(guān)節(jié)軸的關(guān)節(jié)角度指令值9 c ;干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 指令值計(jì)算部，其基于動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)關(guān)節(jié)角度指令值9 C來算出按照所述關(guān)節(jié)角度指 令值0 c而動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的在各關(guān)節(jié)軸間相互作用的干涉轉(zhuǎn)矩，并輸出干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令 值cc ;第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部，其具備具有低于機(jī)器人的固有振動(dòng)頻率的截止頻率的高頻阻 隔特性，對(duì)所述關(guān)節(jié)角度指令值Gc進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0d; 關(guān)節(jié)角度控制部，其輸入所述關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值e d，作為針對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)值；第2動(dòng) 態(tài)特性運(yùn)算部，其具備具有低于或等于所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的截止頻率的高頻阻隔特 性，對(duì)向所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部的輸入以及來自所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部 的輸出的至少任一者進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd;和電動(dòng)機(jī)電流控 制部，其輸入在從所述關(guān)節(jié)角度控制部輸出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩指令值中加上所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 值cd而得到的值，作為目標(biāo)值。
[0023] 軌跡控制裝置能優(yōu)選構(gòu)成為：將所述關(guān)節(jié)角度控制部的響應(yīng)較慢的軸的第1動(dòng)態(tài) 特性運(yùn)算部的相位滯后賦予得比所述關(guān)節(jié)角度控制部的響應(yīng)較快的軸的第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn) 算部的相位滯后短。
[0024] 軌跡控制裝置能進(jìn)一步優(yōu)選構(gòu)成為：按照所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)來變更所述第 1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性。
[0025] 軌跡控制裝置能進(jìn)一步優(yōu)選構(gòu)成為：基于包含位置反饋增益以及速度反饋增益的 至少任一者的參數(shù)來算出從沒有各軸間的干涉的狀態(tài)下的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0 c到實(shí)際的 關(guān)節(jié)角度9為止的反饋控制動(dòng)態(tài)特性，且構(gòu)成為：將所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性賦予 成使所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的截止頻率低于所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的截止頻率， 并且與將所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的特性除以所述反饋控制動(dòng)態(tài)特性而得到的特性對(duì) 應(yīng)。
[0026] 軌跡控制裝置能進(jìn)一步優(yōu)選構(gòu)成為：在考慮所述電動(dòng)機(jī)電流控制部的電流控制特 性的情況下，將所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性賦予成與將所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的 特性除以所述反饋控制動(dòng)態(tài)特性后再乘以電流控制特性而得到的特性對(duì)應(yīng)。
[0027] 另外，本發(fā)明的另外方式所涉及的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制方法的特征在于，構(gòu) 成為包括：關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算步驟，算出并輸出用于實(shí)現(xiàn)所期望的工具動(dòng)作的各關(guān)節(jié)軸 的關(guān)節(jié)角度指令值0 c ;干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟，基于動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)關(guān)節(jié)角度指 令值Gc來算出按照所述關(guān)節(jié)角度指令值0c而動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的在各關(guān)節(jié)軸間相互作用的干 涉轉(zhuǎn)矩，并輸出干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值cc ;第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算步驟，具備具有低于機(jī)器人的固 有振動(dòng)頻率的截止頻率的高頻阻隔特性，對(duì)所述關(guān)節(jié)角度指令值9 c進(jìn)行濾波處理，并輸 出處理后的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0d;關(guān)節(jié)角度控制步驟，輸入所述關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0d，作為 針對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)值；第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算步驟，具備具有低于或等于所述第1動(dòng)態(tài)特性 運(yùn)算步驟的截止頻率的高頻阻隔特性，對(duì)向所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟的輸入以及 來自所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟的輸出的至少任一者進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后 的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd ;和電動(dòng)機(jī)電流控制步驟，輸入在從所述關(guān)節(jié)角度控制步驟輸出的電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩指令值中加上所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd而得到的值，作為目標(biāo)值。
[0028] 發(fā)明效果
[0029] 通過使用本發(fā)明所涉及的軌跡控制裝置或控制方法，在具備多軸的多關(guān)節(jié)機(jī)器人 中補(bǔ)償各軸的干涉轉(zhuǎn)矩的影響，從而能以較高的軌跡精度進(jìn)行擺動(dòng)等動(dòng)作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是表示運(yùn)用本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的整 體構(gòu)成的概略圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0032] 圖3是表示由圖2所示的控制框圖所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0033] 圖4是現(xiàn)有技術(shù)所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0034] 圖5是表示由圖4所示的控制框圖所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0035] 圖6是現(xiàn)有技術(shù)所涉及的其它軌跡控制裝置的控制框圖。
[0036] 圖7是表示由圖6所示的控制框圖所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0037] 圖8是表示由本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置（與圖2的動(dòng)態(tài)特性 不同的特性）所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0038] 圖9是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的變形例所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0039] 圖10是表示由本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置（與圖2的動(dòng)態(tài)特 性不同的特性）所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0040] 圖11是表示由本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置（按每個(gè)軸來變更 動(dòng)態(tài)特性）所控制的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的擺動(dòng)軌跡的圖。
[0041] 圖12是本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0042] 圖13是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的變形例所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0043] 圖14是本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的控制框圖。
[0044] 圖15是本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的其它控制框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 以下，基于附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝 置以及控制方法。另外，在以下的說明中，對(duì)同一部件標(biāo)注同一編號(hào)，它們的名稱以及功能 也相同。因此，對(duì)它們不再重復(fù)詳細(xì)的說明。另外，在以下，作為控制對(duì)象，而說明使焊炬進(jìn) 行掀動(dòng)動(dòng)作（擺動(dòng)動(dòng)作）的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，但這只是一例。本發(fā)明所涉及的軌跡控制裝置能 廣泛運(yùn)用在驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)軸來使安裝在多關(guān)節(jié)機(jī)器人的工具進(jìn)行所期望的動(dòng)作的控制中。
[0046] 〈第1實(shí)施方式〉
[0047] [整體構(gòu)成]
[0048] 首先，說明運(yùn)用本實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人（以下有 時(shí)僅記載為多關(guān)節(jié)機(jī)器人）的概要。
[0049] 圖1是使焊炬進(jìn)行掀動(dòng)動(dòng)作（擺動(dòng)動(dòng)作）的機(jī)器人的一例，是表示運(yùn)用本實(shí)施方 式所涉及的軌跡控制裝置的多關(guān)節(jié)機(jī)器人1的概要的圖。該多關(guān)節(jié)機(jī)器人1是垂直多關(guān)節(jié) 型且具備Jl?J6這6個(gè)關(guān)節(jié)，通過從設(shè)置于J6的軸的前端的焊炬送出的焊絲進(jìn)行電弧焊 接。該多關(guān)節(jié)機(jī)器人1將預(yù)先確定的焊接開始點(diǎn)與焊接結(jié)束點(diǎn)之間設(shè)定為焊接作業(yè)區(qū)間， 在連結(jié)焊接開始點(diǎn)和焊接結(jié)束點(diǎn)的焊接線方向上移動(dòng)，并對(duì)焊絲進(jìn)行設(shè)置，以使其以預(yù)先 確定的振幅以及頻率進(jìn)行掀動(dòng)的動(dòng)作（擺動(dòng)動(dòng)作）。
[0050] 這樣的多關(guān)節(jié)機(jī)器人1除了圖示的多關(guān)節(jié)機(jī)器人1的主體以外，還包含：具有示教 器且對(duì)各軸進(jìn)行伺服控制的控制裝置（伺服控制部）；和上級(jí)計(jì)算機(jī)（上級(jí)CPU)。通過這 些控制裝置以及上級(jí)計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置。
[0051] 控制裝置（伺服控制部）按照預(yù)先示教的程序進(jìn)行控制，以使設(shè)置于多關(guān)節(jié)機(jī)器 人1的焊炬仿效上述的焊接線以擺動(dòng)動(dòng)作移動(dòng)。示教程序有使用與控制裝置連接的示教器 來制成的情況、和使用利用了上級(jí)計(jì)算機(jī)的離線示教系統(tǒng)來制成的情況。不管是哪種情況， 示教程序都在實(shí)際的動(dòng)作前預(yù)先制成。在上級(jí)計(jì)算機(jī)中，生成焊接通道，或生成基于它的擺 動(dòng)動(dòng)作指令。
[0052] [控制塊]
[0053] 圖2表示控制圖1的多關(guān)節(jié)機(jī)器人1的軌跡控制裝置10的控制框圖。如上述那 樣，該軌跡控制裝置10構(gòu)成為包含以上級(jí)CPU實(shí)現(xiàn)的部分和以伺服控制部實(shí)現(xiàn)的部分。
[0054] 如圖2所示那樣，該軌跡控制裝置10驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)軸，以使安裝于多關(guān)節(jié)機(jī)器人 1的工具（在此為焊炬）進(jìn)行所期望的動(dòng)作（在此為擺動(dòng)動(dòng)作）。
[0055] 該軌跡控制裝置10具備以上級(jí)CPU實(shí)現(xiàn)的：關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部100以及干 涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部（圖示為"非線性FF"）200。而且，軌跡控制裝置10具備以伺服 控制部實(shí)現(xiàn)的：第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部（圖示為"動(dòng)態(tài)特性（1) "）300、第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部 ("圖示為動(dòng)態(tài)特性（2)")400、和反饋控制部（圖示為"伺服控制FB特性")500。反饋控制 部500構(gòu)成為包含關(guān)節(jié)角度控制部510和電動(dòng)機(jī)電流控制部（圖示為"電流控制")520。另 夕卜，以下，控制塊中的要素的特性在未記載為動(dòng)態(tài)特性的情況下也全都是動(dòng)態(tài)特性。另外， 記載"FB"是指反饋，記載"FF"是指前饋。
[0056] 關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部100算出用于實(shí)現(xiàn)焊炬的擺動(dòng)動(dòng)作的各關(guān)節(jié)軸的關(guān)節(jié)角 度指令值0 c，并輸出。
[0057] 干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200基于動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)關(guān)節(jié)角度指令值0 c來算 出在按從關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部100輸出的關(guān)節(jié)角度指令值e c那樣動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的在各關(guān) 節(jié)軸間相互作用的干涉轉(zhuǎn)矩。然后，干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200輸出干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指 令值cc。
[0058] 第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300對(duì)從關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部100輸出的關(guān)節(jié)角度指令值 9 c進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0d。該第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300具備 具有低于多關(guān)節(jié)機(jī)器人1的固有振動(dòng)頻率的截止頻率的高頻阻隔特性（低通濾波器）。
[0059] 第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400對(duì)向干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200的輸入以及來自干 涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200的輸出的至少任一者進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的干涉轉(zhuǎn) 矩補(bǔ)償值cd。另外，在圖2中，第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400對(duì)來自干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部 200的輸出進(jìn)行了濾波處理。該第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400具備具有低于或等于第1動(dòng)態(tài)特 性運(yùn)算部300的截止頻率的高頻阻隔特性（低通濾波器）。
[0060] 對(duì)關(guān)節(jié)角度控制部510輸入關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值0 d，以作為針對(duì)電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)值。
[0061] 對(duì)電動(dòng)機(jī)電流控制部520輸入在從關(guān)節(jié)角度控制部510輸出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩指令值 中加上從第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400輸出的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd而得到的值，以作為目標(biāo)值。
[0062] 圖2所示的框圖中示出的軌跡控制裝置10具備以下的特征。
[0063] 在非線性項(xiàng)的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200之前以及/或者之后（在此僅為之 后）配置了第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400。由該第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400賦予了阻隔第1動(dòng)態(tài) 特性運(yùn)算部300的高頻阻隔特性以上的高頻帶的特性。在此，第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400的 截止頻率低于或等于第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300的截止頻率。
[0064] 通過如此構(gòu)成，能由第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300抑制含有包含在關(guān)節(jié)角度指令值0 c 中的固有振動(dòng)分量的高頻。進(jìn)而，能由第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400抑制含有包含在干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ) 償指令值cc中的固有振動(dòng)分量的高頻。由此，能抑制在多關(guān)節(jié)機(jī)器人1產(chǎn)生的高頻振動(dòng)。 [0065] 另外，在多關(guān)節(jié)機(jī)器人1中，在即使于XYZ空間進(jìn)行低頻動(dòng)作、奇異點(diǎn)近旁等的雅 可比矩陣（Jacobian)也會(huì)劇烈地發(fā)生變化之處，若對(duì)于關(guān)節(jié)角度發(fā)生變化，則會(huì)產(chǎn)生2倍 或3倍分量的高頻。進(jìn)而，即使在關(guān)節(jié)角度空間進(jìn)行低頻動(dòng)作，也由于非線性項(xiàng)有速度的平 方項(xiàng)等，因此產(chǎn)生關(guān)節(jié)角度的2倍或3倍分量的高頻。由此，將作為非線性項(xiàng)的來自干涉轉(zhuǎn) 矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部200的輸出即干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值cc用具備第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300 的高頻阻隔特性以上的高頻阻隔特性的第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400進(jìn)行處理，以作為干涉轉(zhuǎn) 矩補(bǔ)償值cd。由此，進(jìn)一步抑制了在多關(guān)節(jié)機(jī)器人1產(chǎn)生的高頻振動(dòng)。
[0066][控制特性（擺動(dòng)軌跡）]
[0067] 說明使用具備以上那樣的構(gòu)成的軌跡控制裝置10來控制多關(guān)節(jié)機(jī)器人1的情況 下的控制特性（擺動(dòng)軌跡）。
[0068]圖3表示作為第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400的高頻阻隔特性而賦予了與第1動(dòng)態(tài)特性 運(yùn)算部300同等的高頻阻隔特性的情況下的擺動(dòng)軌跡。
[0069] 當(dāng)對(duì)此進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先說明現(xiàn)有技術(shù)（控制框圖以及擺動(dòng)軌跡）。
[0070] 圖4表示最一般的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的控制框圖。如圖4所示那樣，該控制塊包括位 置控制部（Gp)、速度控制部（Gv)和電流控制部。位置控制部對(duì)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行反饋控制，對(duì) 角度偏差進(jìn)行比例控制（P控制），作為速度指令而對(duì)速度控制部進(jìn)行指令。速度控制部對(duì) 關(guān)節(jié)角速度進(jìn)行反饋控制，對(duì)與所賦予的速度指令的偏差進(jìn)行比例積分控制（PI控制），作 為電流控制指令而對(duì)電流控制部進(jìn)行指令。
[0071] 電流控制部基于所賦予的電流控制指令來控制電動(dòng)機(jī)電流。
[0072] 另外，由于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械的固有振動(dòng)頻率較低，因此通過在圖4所示的第1 動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部（動(dòng)態(tài)特性1)等中的濾波器處理來抑制了這些分量，以使得在目標(biāo)值中不 含激發(fā)固有振動(dòng)的分量。
[0073] 其中，在多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，在各軸間，干涉轉(zhuǎn)矩包含重力項(xiàng)等，作為非線性項(xiàng)c發(fā) 揮作用。特別在焊接機(jī)器人的擺動(dòng)動(dòng)作中，由于需要使焊炬沒有上下抖動(dòng)（不產(chǎn)生上下方 向的運(yùn)動(dòng)）地在所期望方向上以所期望的振幅搖動(dòng)，因此需要非常高精度的動(dòng)態(tài)控制。為 此，該非線性項(xiàng)c的影響甚大。
[0074] 圖5表示用圖4的控制塊所示的控制裝置控制多關(guān)節(jié)機(jī)器人的情況下的擺動(dòng)軌 跡。如該圖5所示那樣，在非線性項(xiàng)c發(fā)揮作用的情況下，會(huì)產(chǎn)生上下方向的運(yùn)動(dòng)，作為擺動(dòng) 動(dòng)作并不適合。為了對(duì)其進(jìn)行抑制，考慮以目標(biāo)值為基礎(chǔ)來算出非線性項(xiàng)，進(jìn)行前饋補(bǔ)償。
[0075] 圖6表示基于上述思路的以目標(biāo)值為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)所涉及的非線性前饋 補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D。
[0076] 圖7表示用圖6的控制塊所示的控制裝置控制多關(guān)節(jié)機(jī)器人的情況下的擺動(dòng)軌 跡。由于這是以目標(biāo)值為基礎(chǔ)的前饋補(bǔ)償，因此因相位滯后的影響而前饋定時(shí)會(huì)偏離，反而 成為使上下方向的運(yùn)動(dòng)變差的結(jié)果。
[0077] -般，在這樣的現(xiàn)有技術(shù)所涉及的控制中，由于反饋控制部（伺服控制反饋特性） 中的相位特性或增益特性按每個(gè)軸而不同，另外，由于因機(jī)器人的姿態(tài)不同而使慣性矩陣 發(fā)生變化，因此，即使在同一軸，也會(huì)因姿態(tài)不同而使控制反饋特性發(fā)生變化。為此，難以使 前饋控制等的相位一致。由此，上述那樣的前饋控制完全不能被實(shí)用化，難以抑制各軸間的 干涉的影響。
[0078] 另外，在圖6中，上級(jí)CPU進(jìn)行了非線性前饋計(jì)算。由于非線性項(xiàng)的計(jì)算非常復(fù)雜， 計(jì)算量多，難以由伺服控制部進(jìn)行計(jì)算，因此一般由上級(jí)CPU以目標(biāo)值為基礎(chǔ)來進(jìn)行。
[0079] 若與表示這樣的現(xiàn)有技術(shù)所涉及的控制的結(jié)果（擺動(dòng)軌跡）的圖5以及圖7比較， 則在本實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置10的結(jié)果（擺動(dòng)軌跡）中，如圖3所示那樣，雖然 還發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)分量，但卻顯著抑制了上下運(yùn)動(dòng)分量。另外，圖3是使第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部 400中的高頻阻隔特性與第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300中的高頻阻隔特性等同的情況下的結(jié)果。
[0080] 在本實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置10中，通過第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300來抑制 含有包含在關(guān)節(jié)角度指令值e c中的固有振動(dòng)分量的高頻。而且，通過第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算 部400來抑制含有包含在干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值CC中的固有振動(dòng)分量的高頻。由此抑制了 上述的現(xiàn)有技術(shù)中的非線性項(xiàng)引起的振動(dòng)。
[0081] 如以上那樣，本實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置在多關(guān)節(jié)機(jī)器人中能夠補(bǔ)償各軸 的干涉轉(zhuǎn)矩的影響，從而能以較高的軌跡精度進(jìn)行擺動(dòng)等動(dòng)作。
[0082] 〈第2實(shí)施方式〉
[0083] 以下，說明本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的軌跡控制裝置。另外，本實(shí)施方式所涉 及的軌跡控制裝置在第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300的賦予方式上，與上述的第1實(shí)施方式所涉 及的軌跡控制裝置10不同。由于除此以外都與第1實(shí)施方式相同，因此對(duì)與上述的說明重 復(fù)的部分不再重復(fù)。
[0084] 在上述的第1實(shí)施方式中，對(duì)第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400賦予了與第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn) 算部300相等以上的高頻阻隔特性。在本實(shí)施方式中與第1實(shí)施方式同樣地以具有非常強(qiáng) 的高頻阻隔特性的方式賦予第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400。另外，將第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300賦 予為使第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400的動(dòng)態(tài)特性與在各軸伺服控制中想定的反饋特性的逆特性 相乘而得到的結(jié)果。這表示構(gòu)成為將第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300的特性賦予成與將第2動(dòng)態(tài) 特性運(yùn)算部400中的特性除以反饋控制動(dòng)態(tài)特性而得到的特性對(duì)應(yīng)。
[0085] 在圖2所示的控制塊的情況下，各軸伺服反饋控制的動(dòng)態(tài)特性由以下的式⑴賦 予。另外，在以下所示的公式中，"動(dòng)態(tài)特性1"表示第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部300中的動(dòng)態(tài)特 性，"動(dòng)態(tài)特性2"表示第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部400中的動(dòng)態(tài)特性。
[0086] [公式 1]
[0087]

【權(quán)利要求】
1. 一種多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，通過電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)軸，以使安裝于多 關(guān)節(jié)機(jī)器人的工具進(jìn)行所期望的動(dòng)作， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置的特征在于，構(gòu)成為包括： 關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算部，其算出并輸出用于實(shí)現(xiàn)所述工具的所期望的動(dòng)作的各關(guān)節(jié)軸 的關(guān)節(jié)角度指令值0 C ; 干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部，其基于動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)關(guān)節(jié)角度指令值e C來算出按 照所述關(guān)節(jié)角度指令值e c而動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的在各關(guān)節(jié)軸間相互作用的干涉轉(zhuǎn)矩，并輸出干 涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值CC ; 第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部，其具備具有比所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的固有振動(dòng)頻率低的截止頻率 的高頻阻隔特性，對(duì)所述關(guān)節(jié)角度指令值e c進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的關(guān)節(jié)角度目 標(biāo)值0 d; 關(guān)節(jié)角度控制部，其輸入所述關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值e d，以作為針對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)值； 第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部，其具備具有低于或等于所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的截止頻率的 高頻阻隔特性，對(duì)向所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算部的輸入以及來自所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指 令值計(jì)算部的輸出的至少任一者進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd ;和 電動(dòng)機(jī)電流控制部，其輸入在從所述關(guān)節(jié)角度控制部輸出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩指令值中加上 所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd而得到的值，以作為目標(biāo)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 將所述關(guān)節(jié)角度控制部的響應(yīng)較慢的軸的第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的相位滯后賦予得比 所述關(guān)節(jié)角度控制部的響應(yīng)較快的軸的第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的相位滯后短。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 按照所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)來變更所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 按照所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)來變更所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 基于包含位置反饋增益以及速度反饋增益的至少任一者的參數(shù)來算出從沒有各軸間 的干涉的狀態(tài)下的關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值ec到實(shí)際的關(guān)節(jié)角度0為止的反饋控制動(dòng)態(tài)特性， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 將所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部的特性賦予成使所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的截止頻率低 于所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的截止頻率，并且與將所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的特性除 以所述反饋控制動(dòng)態(tài)特性而得到的特性對(duì)應(yīng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制裝置構(gòu)成為： 在考慮所述電動(dòng)機(jī)電流控制部的電流控制特性的情況下，將所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部 的特性賦予成與將所述第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算部中的特性除以所述反饋控制動(dòng)態(tài)特性后再乘 以所述電流控制特性而得到的特性對(duì)應(yīng)。
7. -種多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制方法，通過電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)軸，以使安裝于多 關(guān)節(jié)機(jī)器人的工具進(jìn)行所期望的動(dòng)作， 所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡控制方法的特征在于，構(gòu)成為包括： 關(guān)節(jié)角度指令值計(jì)算步驟，算出并輸出用于實(shí)現(xiàn)所述工具的所期望的動(dòng)作的各關(guān)節(jié)軸 的關(guān)節(jié)角度指令值0 c ; 干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟，基于動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)關(guān)節(jié)角度指令值e c來算出按 照所述關(guān)節(jié)角度指令值e c而動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的在各關(guān)節(jié)軸間相互作用的干涉轉(zhuǎn)矩，并輸出干 涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值CC ; 第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算步驟，具備具有比所述多關(guān)節(jié)機(jī)器人的固有振動(dòng)頻率低的截止頻率 的高頻阻隔特性，對(duì)所述關(guān)節(jié)角度指令值e c進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的關(guān)節(jié)角度目 標(biāo)值0 d ; 關(guān)節(jié)角度控制步驟，輸入所述關(guān)節(jié)角度目標(biāo)值e d，以作為針對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)值； 第2動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算步驟，具備具有低于或等于所述第1動(dòng)態(tài)特性運(yùn)算步驟的截止頻 率的高頻阻隔特性，對(duì)向所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟的輸入以及來自所述干涉轉(zhuǎn)矩 補(bǔ)償指令值計(jì)算步驟的輸出的至少任一者進(jìn)行濾波處理，并輸出處理后的干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值 cd ;和 電動(dòng)機(jī)電流控制步驟，輸入在從所述關(guān)節(jié)角度控制步驟輸出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩指令值中加 上所述干涉轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值cd而得到的值，以作為目標(biāo)值。
【文檔編號(hào)】B25J9/10GK104334323SQ201380028244
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月30日
【發(fā)明者】西田吉晴, 和田堯, 井上芳英, 稻田修一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所