專利名稱：機(jī)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(shí)進(jìn)行工作的機(jī)器人的控制設(shè)備。
另外，本發(fā)明涉及一種機(jī)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(gè)操作坐標(biāo)系中的力與力矩的設(shè)定值來(lái)限制用于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)的生成力的機(jī)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(shí)靈活地跟隨外力的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，跟隨動(dòng)作是通過(guò)限制位置速度控制系統(tǒng)的增益或通過(guò)限制根據(jù)力矩極值生成驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)的力來(lái)實(shí)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(guò)力矩控制來(lái)限制控制關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)的生成力的柔性控制設(shè)備，通過(guò)所述的控制工作與限制工作，改變了用來(lái)控制機(jī)器人的儀器中柔性控制系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)外力的柔性。還有，本發(fā)明涉及一種能夠在機(jī)器人的柔性控制期間監(jiān)視伺服偏差并在異常工作時(shí)中斷工作或?qū)⑦@種工作變成另一種工作的伺服控制機(jī)器人柔性控制設(shè)備。


圖1表示出一個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置/速度控制系統(tǒng)，它已廣泛地用于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)。參考符號(hào)“S”代表一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確地將機(jī)器人的末端定位于它們的目標(biāo)位置。
但是，前述機(jī)器人不能解決在接受一個(gè)從外部施加的強(qiáng)力時(shí)進(jìn)行工作的應(yīng)用問(wèn)題。例如，在傳統(tǒng)的位置控制機(jī)器人要進(jìn)行靈活地接收從外部機(jī)器施加的力的工作并且通過(guò)機(jī)器人抓取和推動(dòng)工件的情況下，要完成這些工作會(huì)很困難。
具體地說(shuō)，當(dāng)在這種控制系統(tǒng)中進(jìn)行涉及與工件相接觸的工作時(shí)，產(chǎn)生較大的力矩，從而在發(fā)生工件的位置偏移時(shí)產(chǎn)生過(guò)載狀態(tài)，這是因?yàn)閷⒃鲆嬖O(shè)定為一個(gè)較大的值以便增強(qiáng)積分器的穩(wěn)定性和作用。這樣，會(huì)很難進(jìn)行上述工作。為了解決這些問(wèn)題，已采用了一種力控制系統(tǒng)，其中在機(jī)器人的末端裝有用來(lái)吸收作用力的浮動(dòng)裝置(float instrument)或例如具有機(jī)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(duì)于進(jìn)行柔性控制而無(wú)需為機(jī)器人增加專用裝置的方法來(lái)說(shuō)，公開號(hào)為6-332538的日本專利申請(qǐng)案已公開了一種用來(lái)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(hào)日本專利申請(qǐng)案已公開了一種能夠設(shè)定操作坐標(biāo)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(dòng)被驅(qū)動(dòng)的物體，用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)該被驅(qū)動(dòng)的物體，并且使其遠(yuǎn)離障礙物。在該方法中，當(dāng)開始柔性控制時(shí)，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(lái)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(zhǎng)，力矩參考也不會(huì)有一個(gè)很大的值，從而可用人力移動(dòng)要由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的被驅(qū)動(dòng)的物體。在障礙物處于被驅(qū)動(dòng)物體的移動(dòng)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(shí)移動(dòng)被驅(qū)動(dòng)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(guò)設(shè)定操作坐標(biāo)系上的柔性改變?cè)O(shè)置于每個(gè)坐標(biāo)軸上的機(jī)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(dòng)機(jī)的控制方法中，第三種已有技術(shù)是一種其中把在操作坐標(biāo)系上設(shè)定的柔性轉(zhuǎn)換為每個(gè)坐標(biāo)軸上伺服電動(dòng)機(jī)的伺服增益Kp110a和Kv112a的技術(shù)，其中所述的伺服電動(dòng)機(jī)位于操作坐標(biāo)系中，用由柔性轉(zhuǎn)換的伺服增益Kp和Kv驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，用人力能夠移動(dòng)要由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的物體。
還有，已有這樣一種機(jī)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(duì)位置速度控制系統(tǒng)的輸出進(jìn)行限制的部分，當(dāng)施加了比預(yù)定水平大的外力時(shí)改變機(jī)器人的姿態(tài)[第四種已有技術(shù)，圖3]。
此外，如“l(fā)mpedance Control of a Direct Drive Manipulator Usingno Force Sensor”，Tachi and Sakaki，Journal of Japan Robot Society，Vol.7-3，1989，第172一184頁(yè)所述，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，其中獨(dú)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(dòng)機(jī)的力矩指令，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)環(huán)的增益控制阻抗，所述阻抗為機(jī)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(diǎn)。
對(duì)于圖1中所示的第一種已有技術(shù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)進(jìn)行從位置控制向柔性控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)器人很大程度上受統(tǒng)計(jì)學(xué)上作用于它的力的影響，尤其受重力的影響。具體地說(shuō)，當(dāng)開始執(zhí)行柔性功能時(shí)，機(jī)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(jìn)行。另外，當(dāng)進(jìn)行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，有這樣的問(wèn)題，即，機(jī)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(yīng)不穩(wěn)定。此外，在柔性控制期間，位置指令的值經(jīng)常與機(jī)器人的當(dāng)前位置不一致。當(dāng)突然進(jìn)行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)器人迅速向位置指令值收斂。因此，存在機(jī)器人非常危險(xiǎn)的問(wèn)題，例如，機(jī)器人與其周圍的物體相撞，和由于通過(guò)對(duì)積分器的限制產(chǎn)生的自振動(dòng)帶來(lái)不穩(wěn)定響應(yīng)。
此外，必須調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)軸的多個(gè)用于每個(gè)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(dòng)機(jī)的生成力矩成比例增大，這不可能解決有從外部作用于機(jī)器人上的很大行程的機(jī)械或類似問(wèn)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(wèn)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(lái)減小伺服增益的方法。對(duì)于這些方法來(lái)說(shuō)，需要調(diào)節(jié)多個(gè)伺服增益，同時(shí)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(dòng)機(jī)的生成力矩成比例增大，這不可能解決有從外部作用于機(jī)器人上的很大行程的機(jī)械或類似問(wèn)題。
另外，在第三種已有技術(shù)中，公開了一種控制操作坐標(biāo)系中柔性的方法。在該方法中，需要通過(guò)使關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的位移與操作坐標(biāo)系的位移相匹配來(lái)獲得增益。因此，因?yàn)橛?jì)算負(fù)載由于計(jì)算關(guān)系式的復(fù)雜而很大，所以不可能連續(xù)獲得機(jī)器人改變姿態(tài)的增益。尤其是有這樣一個(gè)問(wèn)題，即，因操作坐標(biāo)系中的關(guān)節(jié)角與位移之間的關(guān)系的大變化率，機(jī)器人在一個(gè)特殊的點(diǎn)使其姿態(tài)有大的改變，CPU在此點(diǎn)的計(jì)算負(fù)載很大，不能對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，而且不能連續(xù)計(jì)算增益的困難使以機(jī)器人的姿態(tài)為基礎(chǔ)的機(jī)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(jī)器人的情況下可以對(duì)機(jī)械阻抗中的剛度與韌度進(jìn)行控制，但是不可能減小機(jī)器人固有的手臂質(zhì)量和加到機(jī)器人末端的質(zhì)量。因此，當(dāng)由外力加速機(jī)器人手臂時(shí)，不可能減小所施加的反作用力，以致無(wú)法獲得用小力移動(dòng)機(jī)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(wèn)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(jìn)行傳統(tǒng)的位置與柔性控制之間的轉(zhuǎn)換。具體地說(shuō)，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(shí)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(dāng)從外部推動(dòng)機(jī)器人并使位移超過(guò)允許值時(shí)，并未設(shè)置保護(hù)裝置。
因此，上述機(jī)器人具有以下問(wèn)題。
A、用外部裝置推動(dòng)機(jī)器人，并且將機(jī)器人移動(dòng)到操作區(qū)以外，導(dǎo)致機(jī)器人與其周圍的裝置相撞。
B、當(dāng)機(jī)器人抓握的物體比規(guī)定的搬運(yùn)值重時(shí)，機(jī)器人沿重力方向改變其姿態(tài)，導(dǎo)致與第A條相同的問(wèn)題。
另外，在第六到八種已有技術(shù)中，為了有效地應(yīng)用柔性控制，不設(shè)置采取以下措施的裝置。
C、在搬運(yùn)期間根據(jù)由重量產(chǎn)生的位移檢測(cè)搬運(yùn)物，改變接著的操作計(jì)劃。
D、檢測(cè)到與物體相撞，由此改變操作進(jìn)程。
具體地說(shuō)，不提供用來(lái)檢測(cè)獲知是否機(jī)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(jī)器人上，并顯示出因?yàn)樵摿C(jī)器人實(shí)際軌跡與目標(biāo)軌跡之間移動(dòng)了多大距離。因此，當(dāng)機(jī)器人受到來(lái)自外部的力以柔性地進(jìn)行位移時(shí)，不可能采取諸如使機(jī)器人停止、使外部裝置停止和改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(dòng)的機(jī)器人相接觸的情況下，工作人員被卡在機(jī)器人手臂之間，或者在機(jī)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(cè)值之間的偏差變大。因此，機(jī)器人繼續(xù)沿能產(chǎn)生更危險(xiǎn)的位置的方向移動(dòng)。這很難使工作人員從這一危險(xiǎn)位置脫離開，并可能發(fā)生機(jī)器人和其他物體的損壞。
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種機(jī)器人控制設(shè)備，它能在機(jī)器人操作期間實(shí)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(gè)目的在于提供一種機(jī)器人柔性控制設(shè)備，它能以一個(gè)自由度對(duì)加減變量進(jìn)行柔性設(shè)定，并使位移有一個(gè)大的行程，另外，它能用簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換在操作坐標(biāo)系中進(jìn)行柔性控制。
另外，本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種機(jī)器人柔性控制設(shè)備，它能通過(guò)限制位置和速度控制系統(tǒng)的增益、或者通過(guò)根據(jù)力矩極值限制用于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)的生成力來(lái)跟隨施加于其上的外力獲得機(jī)器人柔性控制中更大的柔性。
還有，本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種機(jī)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(guò)限制位置與速度控制系統(tǒng)的增益或其力矩來(lái)限制驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)的生成力的裝置，使機(jī)器人能在外力作用下柔性受控，并監(jiān)視操作進(jìn)行得是否正常、安全。
再有，本發(fā)明的第五個(gè)目的在于提供一種機(jī)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(jī)器人相接觸、工作人員被卡在機(jī)器人手臂之間時(shí)，或在機(jī)器人與其他物體相接觸時(shí)，能確保工作人員和機(jī)器人的安全。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明由以下裝置構(gòu)成。
具體地說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，機(jī)器人設(shè)有包括用來(lái)在機(jī)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(jìn)行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換時(shí)，停止速度控制系統(tǒng)的積分運(yùn)算，接著將所述速度控制系統(tǒng)的一個(gè)積分值存入一個(gè)存儲(chǔ)器，同時(shí)，把所述積分值與一個(gè)力矩參考相加，或把根據(jù)一個(gè)機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)角、機(jī)器人的連接質(zhì)量及其重心計(jì)算出的重力補(bǔ)償值與該力矩參考相加。
該機(jī)器人控制設(shè)備的特征在于，在機(jī)器人進(jìn)行抓握一個(gè)工件的情況下，把該工件的質(zhì)量與所述重力補(bǔ)償值相加。
另外，該機(jī)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(shí)，把一個(gè)當(dāng)前位置處理為一個(gè)指令位置。
還有，該機(jī)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(shí)，要么把一個(gè)根據(jù)機(jī)器人的連接質(zhì)量及其重心位置計(jì)算出的重力補(bǔ)償值設(shè)定為所述速度控制系統(tǒng)的一個(gè)新的積分值，要么把存入所述存儲(chǔ)器中的所述速度控制系統(tǒng)的一個(gè)積分值設(shè)定為所述速度控制系統(tǒng)的一個(gè)新的積分值。
該機(jī)器人控制設(shè)備的特征在于，通過(guò)限制所述速度控制系統(tǒng)的一個(gè)輸出值，即，限制一個(gè)力矩參考值，在所述位置控制與所述柔性控制之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
通過(guò)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(dá)到第二個(gè)目的，本發(fā)明的機(jī)器人柔性控制設(shè)備包括用來(lái)控制一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的力矩的裝置，所述伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分；用來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角的裝置；用來(lái)根據(jù)通過(guò)所述測(cè)量而獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計(jì)算坐標(biāo)系之間的一個(gè)非常小的通常叫作Jacobian位移關(guān)系的裝置；用來(lái)采用通過(guò)從外部作用的力所產(chǎn)生的Jacobian方程將操作坐標(biāo)系中設(shè)定的力或所述力矩的極值轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)節(jié)力矩極值的裝置；和用來(lái)用所述力矩極值限制機(jī)器人的輸出力矩的裝置，其中可用一個(gè)自由度進(jìn)行正負(fù)兩個(gè)變量的柔性的設(shè)定，可以有一個(gè)大的行程位移，并且能夠進(jìn)行采用簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換的操作坐標(biāo)系的柔性控制。
為了達(dá)到第三個(gè)目的，提供能夠改變伺服電動(dòng)機(jī)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(lái)限制速度控制環(huán)的比例積分控制中一個(gè)積分器的輸出，把用一個(gè)常數(shù)相乘的伺服電動(dòng)機(jī)的加速度加到位于速度控制增益乘法器的后級(jí)處的力矩參考上，并由此產(chǎn)生一個(gè)輸出作為一個(gè)新的力矩參考；提供用來(lái)將前述力矩參考限制在一個(gè)預(yù)定值的裝置，并提供反饋控制裝置，該反饋控制裝置用一個(gè)常數(shù)乘以伺服電動(dòng)機(jī)的加速度以輸出一個(gè)新的力矩參考。當(dāng)一個(gè)外力作用于機(jī)器人上時(shí)，能夠獲得一個(gè)靈活地跟隨所施加的外力的機(jī)器人柔性控制設(shè)備。
為了達(dá)到第四個(gè)目的，一種機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)角基準(zhǔn)值和一個(gè)位置控制系統(tǒng)中的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較、以根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置；用來(lái)將一個(gè)信號(hào)輸出到外部的裝置；用來(lái)改變伺服系統(tǒng)的操作進(jìn)程的裝置；用來(lái)獲得操作坐標(biāo)系中一個(gè)偏差的裝置；用來(lái)改變?nèi)嵝宰鴺?biāo)系的柔性的裝置；和用來(lái)將操作坐標(biāo)系調(diào)整為一個(gè)待比較的設(shè)定值的坐標(biāo)系，從而能夠順利地設(shè)定該設(shè)定值。
為了達(dá)到第五個(gè)目的，在一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)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(cè)信息以及使用所述信息的計(jì)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(lái)通過(guò)將一個(gè)比例控制加到一個(gè)積分器的輸出所獲得的結(jié)果來(lái)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(cè)信息以及使用所述信息的計(jì)算結(jié)果改變所述力矩極值的裝置。甚至當(dāng)在柔性控制期間在工作人員與工作的機(jī)器人相接觸時(shí)，在工作人員被機(jī)器人手臂抓住時(shí)，或者在機(jī)器人與其他物體相接觸時(shí)，機(jī)器人的柔性控制設(shè)備保證了工作人員和機(jī)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(lái)控制一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的力矩的裝置，所述伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分；用來(lái)測(cè)量所述關(guān)節(jié)部分的關(guān)節(jié)角的裝置；用來(lái)根據(jù)通過(guò)所述測(cè)量而獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計(jì)算坐標(biāo)系之間的一個(gè)非常小的位移關(guān)系的裝置；用來(lái)通過(guò)采用所述非常小的位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系將操作坐標(biāo)系中設(shè)定的力或力矩轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)節(jié)力矩極值的裝置；和用來(lái)用所述關(guān)節(jié)力矩極值限制機(jī)器人的輸出力矩的裝置，其中將操作坐標(biāo)系中的力和力矩轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中力矩的極限值，從而獲得機(jī)器人柔性控制設(shè)備的一個(gè)功能，即，在操作坐標(biāo)系中進(jìn)行力的柔性移動(dòng)，所述的力從外部施加，大于一個(gè)極限值。
如本發(fā)明權(quán)利要求9所述的發(fā)明是一個(gè)按照權(quán)利要求8的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，通過(guò)采用驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的所述關(guān)節(jié)角的一個(gè)參考，獲得所述操作坐標(biāo)系與一個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的所述非常小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了這樣一個(gè)功能，即，使通過(guò)用前述關(guān)節(jié)角的位置信息采用簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換進(jìn)行操作坐標(biāo)系中的柔性控制成為可能。
在一個(gè)包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)改變位置控制增益和速度控制增益的裝置；用來(lái)限制所述速度控制環(huán)中一個(gè)比例積分控制處的積分值輸出的裝置；用來(lái)通過(guò)檢測(cè)或計(jì)算獲得所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來(lái)將在速度控制增益乘法器的后級(jí)處的一個(gè)常數(shù)乘以所述伺服電動(dòng)機(jī)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(gè)功能，其中當(dāng)外力以第一種方法作用于機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人的姿態(tài)開始偏離位置基準(zhǔn)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(dòng)。此時(shí)，用一個(gè)常數(shù)乘以通過(guò)計(jì)算或類似方式所獲得的電動(dòng)機(jī)的加速度，并將所乘得的值加到所述力矩參考上，當(dāng)機(jī)器人由外力移動(dòng)時(shí)根據(jù)加速度產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的力矩，從而顯著地改變了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，沿柔性控制中的機(jī)器人的移動(dòng)方向在一個(gè)合成方向上產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償力矩，可用具有比手臂具有的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輕的靈敏度的外力移動(dòng)機(jī)器人，由此增強(qiáng)了柔性。
在一個(gè)包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)控制所述速度控制環(huán)中比例積分控制中的一個(gè)積分器的輸出的裝置；用來(lái)限制通過(guò)加入所述積分器的輸出與一個(gè)比例控制的輸出獲得的結(jié)果——一個(gè)力矩參考的一個(gè)力矩限幅器；用來(lái)通過(guò)檢測(cè)或計(jì)算獲得所述電動(dòng)機(jī)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來(lái)通過(guò)在所述力矩限幅器的后級(jí)處的一個(gè)常數(shù)乘以所述伺服電動(dòng)機(jī)的加速度的反饋控制裝置，增強(qiáng)了機(jī)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(gè)按照權(quán)利要求10的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)補(bǔ)償速度控制和積分控制的加法裝置的后級(jí)處的一個(gè)重力或一個(gè)摩擦力力矩的裝置，其中盡管機(jī)器人的姿勢(shì)有變化，但是決不會(huì)發(fā)生沿重力方向下落的現(xiàn)象，從而增強(qiáng)了柔性。
如本發(fā)明權(quán)利要求13所述的發(fā)明是一個(gè)按照權(quán)利要求11的柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)補(bǔ)償速度控制和積分控制的加法裝置的后級(jí)處的一個(gè)重力或一個(gè)摩擦力力矩的裝置，其中盡管機(jī)器人的姿勢(shì)有變化，但是決不會(huì)發(fā)生沿重力方向下落的現(xiàn)象，從而增強(qiáng)了柔性。
在一個(gè)包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與所述伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
如權(quán)利要求14所述的發(fā)明具有這樣一個(gè)功能，其中當(dāng)位置偏差值大于設(shè)定值時(shí)，判定當(dāng)前狀態(tài)不安全，使機(jī)器人急停。
在一個(gè)包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與所述伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)的裝置，其中例如當(dāng)位置偏差值大于設(shè)定值時(shí)，用一個(gè)輸入/輸出接點(diǎn)將一個(gè)信號(hào)發(fā)送給外部裝置以停止外部裝置。
在一個(gè)包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與所述伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果改變一個(gè)伺服控制的處理過(guò)程的裝置，其中根據(jù)位置偏差的信息進(jìn)行機(jī)器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
在一個(gè)包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，其中根據(jù)操作坐標(biāo)系中的當(dāng)前位置能夠停止伺服電動(dòng)機(jī)。
在一個(gè)包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)將比較結(jié)果從一個(gè)伺服裝置向一個(gè)外部裝置輸出的裝置，其中例如當(dāng)位置偏差值大于含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的控制系統(tǒng)中的設(shè)定值時(shí)，用一個(gè)輸入/輸出接點(diǎn)將一個(gè)信號(hào)發(fā)送給外部裝置以停止外部裝置。
在一個(gè)包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果改變伺服控制的一個(gè)處理過(guò)程的裝置，其中甚至在包括多個(gè)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(jī)器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
在一個(gè)包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)改變位置控制增益和速度控制增益的裝置；和用來(lái)根據(jù)涉及位置、速度和方向的參考信息、檢測(cè)信息以及使用前述信息的計(jì)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(jī)器人的安全。
在一個(gè)包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)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(gè)機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)限制作為一個(gè)比例控制和一個(gè)積分器的輸出相加的結(jié)果——一個(gè)力矩參考的裝置；和用來(lái)改變根據(jù)使用涉及位置、速度和方向的指令信息、檢測(cè)信息以及前述信息的計(jì)算結(jié)果限制前述力矩指令的裝置的裝置，其中還通過(guò)根據(jù)使用參考信息、檢測(cè)信息以及前述信息的計(jì)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(jìn)一步降低，從而保證了工作人員和機(jī)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(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)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(bǔ)償重力或摩擦力力矩的裝置，其中當(dāng)工作人員與其他物體相接觸時(shí)，或者當(dāng)工作人員被卡在機(jī)器人手臂之間時(shí)，或者在機(jī)器人與其他物體相接觸的時(shí)，通過(guò)補(bǔ)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(jī)器人的姿態(tài)的變化無(wú)關(guān)，并且通過(guò)改變前述力矩控制共同保證了工作人員和機(jī)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(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)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(bǔ)償重力或摩擦力力矩的裝置，其中當(dāng)工作人員與其他物體相接觸時(shí)，或者當(dāng)工作人員被卡在機(jī)器人手臂之間時(shí)，或者在機(jī)器人與其他物體相接觸的時(shí)，通過(guò)補(bǔ)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(jī)器人的姿態(tài)的變化無(wú)關(guān)，并且通過(guò)改變前述力矩控制共同保證了工作人員和機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)框圖；圖4是表示出第五種已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)框圖；圖5是表示出本發(fā)明的第一實(shí)施例中具體電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)框圖；圖6是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施例中一個(gè)動(dòng)作的圖；圖7是表示出本發(fā)明的第二實(shí)施例中具體電路結(jié)構(gòu)的框圖；圖8是表示出一個(gè)電路結(jié)構(gòu)的圖，該電路結(jié)構(gòu)說(shuō)明了本發(fā)明的第二實(shí)施例中一個(gè)動(dòng)作的基本原理；圖9是表示出另一個(gè)電路結(jié)構(gòu)的圖，該電路結(jié)構(gòu)說(shuō)明了本發(fā)明的第二實(shí)施例中另一基本原理；圖10是表示出本發(fā)明的第二實(shí)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(shí)施例中一個(gè)基本結(jié)構(gòu)的框圖；圖12是表示出本發(fā)明的第四實(shí)施例中一個(gè)具體電路的框圖；圖13是表示出本發(fā)明的第四實(shí)施例中另一具體電路的框圖；圖14是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第五實(shí)施例中一個(gè)功能的框圖；圖15是表示出本發(fā)明的第五實(shí)施例中一個(gè)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(shí)施例中具體電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)動(dòng)作的流程圖；圖17是表示出本發(fā)明的第六實(shí)施例中一個(gè)基本結(jié)構(gòu)的框圖；圖18是表示出本發(fā)明的第六實(shí)施例中一個(gè)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(shí)施例中另一個(gè)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(shí)施例中對(duì)條件的判別的流程圖。
下面，將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
在附圖中，同樣的參考符號(hào)代表同樣的元件或相同元件。
(第一實(shí)施例)圖5表示出本發(fā)明的第一實(shí)施例。
參見圖5，參考數(shù)字1代表一個(gè)位置參考準(zhǔn)備部分；2代表一個(gè)位置環(huán)增益；3代表一個(gè)速度環(huán)增益；4代表一個(gè)工作人員；5代表一個(gè)積分器；6代表一個(gè)存儲(chǔ)器；7代表一個(gè)限幅器；8代表一個(gè)力矩參考；9代表一個(gè)放大器；10代表一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)部分的電動(dòng)機(jī)；11代表一個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置；12代表一個(gè)微分器；13代表一個(gè)電動(dòng)機(jī)的速度；14到16代表開關(guān)。
在該控制系統(tǒng)中，在進(jìn)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(jìn)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(chǔ)在積分器5中的一個(gè)值等于一直作用于一個(gè)手臂上的力。所以，在機(jī)器人手臂不進(jìn)行快速移動(dòng)的控制系統(tǒng)中，積分器5的一個(gè)值與通過(guò)將一個(gè)摩擦力與重力相加所獲得的值相等。因此，在進(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)將該值存入存儲(chǔ)器6并通過(guò)將它補(bǔ)償為柔性控制的一個(gè)補(bǔ)償力矩來(lái)使重力保持平衡。
在進(jìn)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(jìn)行柔性控制。當(dāng)進(jìn)行柔性控制時(shí)，減小一個(gè)力矩極值，由此可為一個(gè)外力產(chǎn)生一個(gè)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(chǔ)在存儲(chǔ)器中的值補(bǔ)償重力。
當(dāng)進(jìn)行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，把在轉(zhuǎn)換到柔性控制時(shí)已被存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器6的值設(shè)定為積分器5的一個(gè)初始值。當(dāng)在從位置控制轉(zhuǎn)換到柔性控制之后，機(jī)器人的位形變化量不大時(shí)，積分值變化很小，從而平滑地進(jìn)行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明具有一個(gè)同時(shí)用當(dāng)前值表示位置參考的特征，即，通過(guò)關(guān)閉開關(guān)16，可在兩種控制之間的穩(wěn)定地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而機(jī)器人不會(huì)快速移動(dòng)。
下面，將通過(guò)在圖6中表示出一個(gè)兩自由度機(jī)器人的一個(gè)具體實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明的工作。其控制系統(tǒng)與第一實(shí)施例的控制系統(tǒng)相同。
圖6表示出機(jī)器人和將一個(gè)力施加在機(jī)器人上的物體之間的位置關(guān)系和機(jī)器人的控制方法。符號(hào)①代表位置控制下的一個(gè)工作狀態(tài)；符號(hào)②代表進(jìn)行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換的一個(gè)狀態(tài)；符號(hào)③代表物體與機(jī)器人相撞的一個(gè)狀態(tài)；符號(hào)④代表柔性控制期間物體推動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)狀態(tài)；符號(hào)⑤代表進(jìn)行從柔性控制向位置控制轉(zhuǎn)換的一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)；符號(hào)⑥代表在位置控制期間移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)狀態(tài)。
在位置控制中，速度控制系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)器，從而使積分器不起作用，由此將限幅器轉(zhuǎn)換到一個(gè)低水平狀態(tài)(狀態(tài)②)。
當(dāng)物體推動(dòng)機(jī)器人時(shí)，不進(jìn)行積分控制。由存儲(chǔ)器中的值補(bǔ)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(dāng)從外部施加到手臂上的力大于電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力矩時(shí)，手臂由來(lái)自外部的力移動(dòng)(狀態(tài)③與④)。
當(dāng)向位置控制返回時(shí)，把存儲(chǔ)器中所存的值設(shè)為積分器的初始值，同時(shí)，用一個(gè)基準(zhǔn)值代替編碼器的當(dāng)前值。
1)當(dāng)外力的作用消失并且機(jī)器人接近其最初的姿態(tài)時(shí)，即，當(dāng)向位置控制轉(zhuǎn)換時(shí)，2)當(dāng)外力持續(xù)作用在機(jī)器人上以使它處于一個(gè)姿態(tài)改變狀態(tài)時(shí)，即，當(dāng)在狀態(tài)④期間進(jìn)行向位置控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，由于在狀態(tài)1)中的位置參考是力作用于機(jī)器人之前的值，所以機(jī)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(dāng)前值有偏差。但是，因一般控制狀態(tài)下的摩擦力而使機(jī)器人處于具有相當(dāng)大偏差值的靜止?fàn)顟B(tài)。因此，通過(guò)將編碼器的當(dāng)前值重置為基準(zhǔn)值，可以平滑地進(jìn)行向位置控制的轉(zhuǎn)換，而機(jī)器人的手臂不會(huì)快速移動(dòng)。
還是在狀態(tài)2)下，通過(guò)在重置位置參考之后進(jìn)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(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)換。
如上所述，在圖6中描述了通過(guò)從外部作用于機(jī)器人的力移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)例子。當(dāng)機(jī)器人在柔性控制狀態(tài)下移動(dòng)并將一個(gè)力施加于外部時(shí)改變其姿態(tài)的時(shí)候，將進(jìn)行同樣的操作過(guò)程。
(第二實(shí)施例)還是在第一實(shí)施例中，雖然重力補(bǔ)償了當(dāng)前值，不過(guò)圖7中表示出用來(lái)通過(guò)計(jì)算主動(dòng)補(bǔ)償重力的第二實(shí)施例。參見圖7，參考數(shù)字17代表一個(gè)重力計(jì)算部分，參考數(shù)字18代表一個(gè)重力參數(shù)部分。通過(guò)測(cè)量預(yù)先獲得重力，并用重力計(jì)算部分17從存于重力參數(shù)部分18的重力參數(shù)(機(jī)器人的連接質(zhì)量(link mass)與重心位置)和機(jī)器人手臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角的測(cè)量值來(lái)計(jì)算它。當(dāng)進(jìn)行從位置控制向柔性控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，打開開關(guān)14并閉合開關(guān)15，由此進(jìn)行從積分補(bǔ)償向重力計(jì)算值補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)換，其中將所述的重力計(jì)算值加到限幅器7的后級(jí)。在第一實(shí)施例中，使補(bǔ)償值固定。在本實(shí)施例中，按照機(jī)器人手臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角改變補(bǔ)償值從而提高準(zhǔn)確性。相反，在進(jìn)行從柔性控制向位置控制的轉(zhuǎn)換時(shí)，將那時(shí)的重力計(jì)算值設(shè)定為積分器5的一個(gè)初始值。另外，通過(guò)與第一實(shí)施例的情況相類似的操作——閉合開關(guān)16以用當(dāng)前值重置位置基準(zhǔn)值，以便平滑地進(jìn)行向位置控制轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)器人在柔性控制期間抓握一個(gè)大質(zhì)量的物體時(shí)，將積分值設(shè)定為重力補(bǔ)償值，它包括一個(gè)與由機(jī)器人所接收到的物體的重量相等的值。
(第三實(shí)施例)第三實(shí)施例涉及這樣一些裝置，它們用來(lái)根據(jù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)角的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與操作坐標(biāo)系之間一個(gè)非常小的移動(dòng)關(guān)系，并用來(lái)從操作坐標(biāo)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(gè)說(shuō)明本發(fā)明的第三實(shí)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(gè)說(shuō)明本發(fā)明的第三實(shí)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(gè)力矩參考；101b代表一個(gè)位置參考；102代表一個(gè)力矩限幅器；103代表一個(gè)修正的力矩參考；104代表一個(gè)伺服放大器(力矩控制)；105代表一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)；106代表一個(gè)位置檢測(cè)器；107代表操作坐標(biāo)力/力矩極值設(shè)定裝置；108代表用于Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣的計(jì)算裝置。
參照?qǐng)D10描述本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。
圖10是說(shuō)明一個(gè)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(gè)位置控制增益[Kp]電路；111代表一個(gè)速度控制增益[Kv]電路；116代表一個(gè)力矩限幅器；117代表一個(gè)重力補(bǔ)償器；118代表一個(gè)力矩轉(zhuǎn)換穩(wěn)定電路；119代表一個(gè)機(jī)器人(J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；S拉普拉斯算子；D動(dòng)摩擦系數(shù))；120代表一個(gè)積分電路，該電路表示出一個(gè)速度和一個(gè)速度方程。
第三實(shí)施例中的圖10表示出當(dāng)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(shí)的一個(gè)控制框圖。對(duì)于內(nèi)位置控制環(huán)來(lái)說(shuō)，通常進(jìn)行比例積分控制，會(huì)用一個(gè)靜力補(bǔ)償部分補(bǔ)償象重力這樣持續(xù)作用于機(jī)器人的力。
在位置控制狀態(tài)下，不可能通過(guò)位置控制環(huán)和速度控制環(huán)的工作來(lái)產(chǎn)生有從外部作用的力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)橛靡粋€(gè)由設(shè)定得較大的大增益從外部施加的力乘以與基準(zhǔn)值的偏差，從而獲得一個(gè)電動(dòng)機(jī)力矩。
這里，在力矩參考這一級(jí)對(duì)生成力矩的極值進(jìn)行限定，由此機(jī)器人能靈活地針對(duì)從外部作用的力進(jìn)行工作。具體地說(shuō)，當(dāng)從外部施加一個(gè)比所限定的力矩大的力矩時(shí)，機(jī)器人的關(guān)節(jié)開始移動(dòng)。另外，在此一級(jí)所設(shè)定的力矩極值是關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中力矩的極值。所以，根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)改變對(duì)操作位置處力的上端值所作的限定。
因此，檢測(cè)機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，得到通常叫作Jacobian的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與操作坐標(biāo)系的非常小的位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此計(jì)算轉(zhuǎn)置矩陣。因而，可能根據(jù)操作坐標(biāo)系中力的極值和關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中的力矩的極值進(jìn)行計(jì)算。
例如，用以下方程組1表示的公式(1)到(4)表達(dá)出6自由度機(jī)器人中Jacobian轉(zhuǎn)置計(jì)算公式和類似公式。
例如，用以下方程表示6自由度機(jī)器人的Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣的計(jì)算公式。
在上述公式中，JT代表一個(gè)Jacobian轉(zhuǎn)置矩陣(操作坐標(biāo)系與關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間一個(gè)非常小的位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系)；0S1代表第一關(guān)節(jié)坐標(biāo)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向向量(采用一個(gè)基坐標(biāo)系作為一個(gè)參考坐標(biāo)系)；0P1代表第一關(guān)節(jié)位置向量(采用基坐標(biāo)作為參考坐標(biāo))；X代表向量積；r代表末端效應(yīng)裝置(tip effect device)。
因此，由下面的公式(2)表示操作坐標(biāo)系中力與力矩的極值。
Flim＝[FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，τX(jué)，τY，τZ]T………………………………(2)其中Flim代表一個(gè)力與力矩的極值向量(limitation vector)；F代表操作坐標(biāo)系中的一個(gè)力；τ代表繞操作坐標(biāo)系的一個(gè)力矩。
用下面的公式(3)表示關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)中的一個(gè)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(biāo)系的一個(gè)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。
τlim＝JTFlim………………………………………………………(4)對(duì)于機(jī)器人姿態(tài)的變化，用公式(1)和(4)進(jìn)行計(jì)算，通常得到關(guān)節(jié)力矩的極值，由此可推導(dǎo)出整個(gè)操作區(qū)上力矩的極值和具有公式(2)所示的力的機(jī)器人的柔性控制。
另外，公式(1)是由機(jī)器人的姿態(tài)所改變的一個(gè)值，它可以在一個(gè)特定點(diǎn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。所以，可減小公式(1)的計(jì)算負(fù)載，并伴隨機(jī)器人的姿態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。
只能由公式(2)的極值確定操作坐標(biāo)系中的柔性。具體地說(shuō)，通過(guò)確定一自由度的正負(fù)兩個(gè)變量可以調(diào)節(jié)柔性。還有，機(jī)器人施加的力與力矩和位移總不成正比，以致機(jī)器人可在從外部作用的機(jī)械行程較大的情況下靈活地變化。
(第四實(shí)施例)本發(fā)明的第四實(shí)施例涉及一種其中將一個(gè)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(shí)施例那樣的柔性控制系統(tǒng)是一種其中將一個(gè)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(gè)框圖，表示出第四實(shí)施例中第一種裝置中的一個(gè)總的電路結(jié)構(gòu)。
參見圖11，參考數(shù)字20代表一個(gè)柔性控制系統(tǒng)(位置/速度控制系統(tǒng))；114代表一個(gè)外力；119代表一個(gè)機(jī)器人；120和120a代表積分電路；122代表一個(gè)加速度檢測(cè)(計(jì)算)電路；124代表一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度反饋增益[J’]電路；125代表一個(gè)速度檢測(cè)(計(jì)算)電路；126代表一個(gè)位置檢測(cè)電路。
該第一種裝置包括能夠改變電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中的一個(gè)位置控制增益和一個(gè)速度控制增益的裝置；和反饋控制裝置，在進(jìn)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(gè)常數(shù)所乘的電動(dòng)機(jī)的加速度加到位于速度控制增益乘法器的后級(jí)的一個(gè)力矩參考上，把其輸出值用作一個(gè)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中，提供如下裝置將速度控制器的后級(jí)的力矩參考調(diào)節(jié)為一個(gè)恒定值的裝置；和反饋控制裝置，它用一個(gè)常數(shù)乘以電動(dòng)機(jī)的加速度。把其輸出值用作一個(gè)新的力矩參考。
參見圖12和圖13，參考數(shù)字115代表一個(gè)微分器[速度檢測(cè)裝置]；121與121a代表力矩限幅器；127代表一個(gè)加速度檢測(cè)器；128代表一個(gè)編碼器。
在上述裝置中，采用一個(gè)積分器以補(bǔ)償重力與摩擦力，限定這些值以便不破壞柔性。應(yīng)注意到，只要以重力補(bǔ)償?shù)姆绞窖a(bǔ)償積分值，則積分值的極值為零，或者可忽略不計(jì)它們。
在上述裝置中，可用檢測(cè)器直接檢測(cè)加速度，或可通過(guò)象編碼器那樣的位置檢測(cè)器的微分得到加速度。
另外，通過(guò)用象機(jī)器人的質(zhì)量和重心位置這樣的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(bǔ)償重力力矩。
以下將參照?qǐng)D12和圖13描述本發(fā)明的第四實(shí)施例的具體電路結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，圖12和13說(shuō)明了第二種方法的具體實(shí)施例。
圖12表示出這樣一種情況，即，把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)加速度檢測(cè)器用作加速度檢測(cè)裝置，圖13表示出用來(lái)通過(guò)一個(gè)計(jì)算公式計(jì)算來(lái)自位置檢測(cè)器的加速度的裝置。對(duì)于實(shí)際的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，表示出這樣一個(gè)例子，即，其中將該實(shí)際的機(jī)器人用于標(biāo)量型機(jī)器人的第一軸，標(biāo)量型機(jī)器人工作于兩自由度的一個(gè)水平方向。應(yīng)注意到，可為第二軸組成相同的控制系統(tǒng)。
假設(shè)電動(dòng)機(jī)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(gè)外力的作用，而電動(dòng)機(jī)與手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總起來(lái)為J。當(dāng)還假設(shè)控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加速度的一個(gè)反饋增益為J’并且所產(chǎn)生的加速度為α?xí)r，建立以下的公式(5)α＝T/(J-J’)……………………………………………(5)具體地說(shuō)，用一個(gè)外力使一個(gè)外在的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小的量多于固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小的量。應(yīng)注意到，雖然會(huì)忽略加速度檢測(cè)部分和放大部分的延遲量，但是，一個(gè)小的延遲量對(duì)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(jī)器人的情況下，第二軸的移動(dòng)改變了從第一軸所看到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為此，第一軸的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值會(huì)改變，通過(guò)控制減小的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人的不定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變量來(lái)說(shuō)確定一個(gè)合適的值。
具體地說(shuō)，將確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J’，以使J-J’無(wú)負(fù)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(dòng)慣量而不考慮機(jī)器人的姿態(tài)，根據(jù)機(jī)器人的移動(dòng)改變J’從而使外在轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量調(diào)整小這一事實(shí)表明當(dāng)機(jī)器人與其周圍的一個(gè)物體相撞時(shí)，能使作用力變小。由于這一原因，可增強(qiáng)機(jī)器人控制時(shí)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(méi)有不同，所以，不必在進(jìn)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(shí)修改該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
因此，甚至在進(jìn)行控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)，也不斷改變控制量，從而使機(jī)器人手臂移動(dòng)得緩慢而連續(xù)。
以下將描述一種加速度檢測(cè)方法。把將一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度傳感器直接與電動(dòng)機(jī)相連的方法描述為如圖12中所示的一種直接檢測(cè)方法。另外，還可通過(guò)沿一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向分解它以獲得裝在機(jī)器人上的多軸平行加速度傳感器的一個(gè)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(cè)器外的方法。
1)一個(gè)速度傳感器的微分，例如一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)的微分2)在一個(gè)編碼器信號(hào)的F/V轉(zhuǎn)換之后的微分3)編碼器信號(hào)的微分通常，很難得到一個(gè)良好的加速度信號(hào)。但是，通過(guò)采用一個(gè)最新編碼器解耦增量、一個(gè)信號(hào)的多點(diǎn)微分和一個(gè)其中限定了頻帶的虛擬微分器，可得到一個(gè)具有一定精確度和良好特性曲線的加速度信號(hào)。
在對(duì)機(jī)器人的描述中，描述了這樣一個(gè)例子，其中使用了沿水平方向移動(dòng)的標(biāo)量型機(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人在重力方向上有一移動(dòng)分量時(shí)，通過(guò)如圖11中所示的一個(gè)計(jì)算方法補(bǔ)償重力中的該分量，并通過(guò)檢測(cè)速度補(bǔ)償摩擦力，由此可構(gòu)成該柔性控制系統(tǒng)。
(第五實(shí)施例)第五實(shí)施例涉及監(jiān)視柔性控制中位置的偏差的裝置，并能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行急停，能將信息輸出到外部裝置，能避免基于操作進(jìn)程改變而發(fā)生的危險(xiǎn)，以及能監(jiān)視外力。
以下將參照?qǐng)D14描述本發(fā)明的第五實(shí)施例的一個(gè)例子。
圖14是一個(gè)框圖，描繪了一個(gè)電路圖，表示出電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的一個(gè)軸的一部分或其操作坐標(biāo)系的一個(gè)方向。
參見圖14，參考數(shù)字129代表一個(gè)位置偏差；130代表一個(gè)操作坐標(biāo)系設(shè)定值；131代表比較裝置；132代表用來(lái)執(zhí)行制動(dòng)電路、外部輸出和操作進(jìn)程判定的裝置。
這里，會(huì)進(jìn)行如對(duì)已有技術(shù)所述的柔性控制。具體地說(shuō)，會(huì)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(huì)進(jìn)行力矩限幅。
這樣，機(jī)器人根據(jù)來(lái)自機(jī)器人上負(fù)載一側(cè)的力改變姿態(tài)。這表明機(jī)器人采取了與控制系統(tǒng)的一個(gè)位置基準(zhǔn)點(diǎn)有偏差的姿態(tài)。所以，可根據(jù)每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)角度和基準(zhǔn)值之間的偏差獲得偏差量。
以上說(shuō)明是關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸改變的情況。
而且通過(guò)1)采用一個(gè)操作坐標(biāo)系伺服機(jī)構(gòu)，2)在關(guān)節(jié)角的一個(gè)有序變換(order conversion)和一個(gè)逆變換之前采用一個(gè)基準(zhǔn)值，或者3)采用關(guān)節(jié)角與操作坐標(biāo)系伺服之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(Jacobian矩陣)，可以獲得除關(guān)節(jié)坐標(biāo)系外其他坐標(biāo)系中的每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)角度與基準(zhǔn)值之間的偏差。
通過(guò)將所獲得的偏差與如上所述的預(yù)定設(shè)定值相比較，可對(duì)是否執(zhí)行了一個(gè)安全的操作進(jìn)行判定。當(dāng)偏差值大于設(shè)定值時(shí)，判定操作狀態(tài)是不安全的，并進(jìn)行以下任意一種處理。
根據(jù)操作的種類不同，所進(jìn)行的處理有所不同?？蛇M(jìn)行以下的處理。具體地說(shuō)，進(jìn)行對(duì)機(jī)器人的急停，用機(jī)器人的一個(gè)輸入/輸出接點(diǎn)將一個(gè)信號(hào)傳送給一個(gè)外部裝置，并根據(jù)偏差信息執(zhí)行機(jī)器人軟件的條件轉(zhuǎn)移。
尤其在不出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)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(duì)異常狀態(tài)的判別。具體地說(shuō)，根據(jù)偏差的信息判斷作用于機(jī)器人頂端的力，并進(jìn)行對(duì)抓握的物體的選擇，通過(guò)所抓握的物體改變機(jī)器人的操作模式。
在圖15中表示出一個(gè)控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，將該系統(tǒng)加到一個(gè)多自由度機(jī)器人上，以監(jiān)視操作坐標(biāo)系中多個(gè)坐標(biāo)的偏差。
參見圖15，參考數(shù)字133代表一個(gè)逆變換電路；134代表涉及來(lái)自其他軸的角或位置的信息；135代表一個(gè)有序變換電路。
假如是在一個(gè)操作坐標(biāo)系中獲得偏差，則表示出本發(fā)明的第五實(shí)施例的另一例子的圖15組成了一個(gè)操作坐標(biāo)系的伺服系統(tǒng)，并且能夠非常簡(jiǎn)單地建立獲得偏差的方法。這里，在圖15中表示出一個(gè)在其中使用了一個(gè)最常用的關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的一種結(jié)構(gòu)。
在圖15中，通常在以機(jī)器人的基座為基礎(chǔ)的笛卡爾坐標(biāo)系上取操作坐標(biāo)位置基準(zhǔn)點(diǎn)，并將平行量與姿態(tài)量的一些偏差與設(shè)定值相比較。
根據(jù)比較結(jié)果，有選擇地進(jìn)行以下處理1)與3)或同時(shí)進(jìn)行多個(gè)操作。
1)用機(jī)器人的一個(gè)制動(dòng)器進(jìn)行急停2)將信號(hào)輸出到外部接點(diǎn)3)對(duì)以軟件為基礎(chǔ)的操作進(jìn)程進(jìn)行轉(zhuǎn)換圖16表示出一個(gè)在用軟件改變操作進(jìn)程時(shí)的例子。
在位置控制中進(jìn)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)大于設(shè)定值(設(shè)定值X)，則判定發(fā)生了機(jī)器人與物體相撞的異常情況[步驟8]，從而使機(jī)器人回到初始姿態(tài)[步驟8]。
當(dāng)正常地進(jìn)行操作[步驟5]時(shí)，具體地說(shuō)，當(dāng)并未產(chǎn)生過(guò)度偏差[步驟5]時(shí)，過(guò)程前進(jìn)到所設(shè)計(jì)的操作[步驟6和7]。
(第六實(shí)施例)第六實(shí)施例涉及這樣的裝置，即，它用來(lái)在機(jī)器人柔性控制中從機(jī)器人控制狀態(tài)量中檢測(cè)一種異常狀態(tài)，這種異常狀態(tài)例如是機(jī)器人的接觸與擠壓，它還用來(lái)通過(guò)人力改變和降低控制增益和力矩極值以便于脫離，從而補(bǔ)償重力與摩擦力。
圖17是一個(gè)表示出本發(fā)明第六實(shí)施例中一個(gè)基本結(jié)構(gòu)的框圖。
參見圖17，參考數(shù)字11代表一個(gè)位置檢測(cè)值；20代表一個(gè)柔性控制系統(tǒng)(位置/速度控制環(huán))；21代表一個(gè)控制狀態(tài)量；30代表狀態(tài)判斷裝置；31代表一個(gè)柔性設(shè)定值；117a代表一個(gè)重力補(bǔ)償值；117b代表一個(gè)摩擦力補(bǔ)償值。
通過(guò)在圖18與19中具體表示出本發(fā)明的第六實(shí)施例的一個(gè)電路結(jié)構(gòu)來(lái)描述它。
圖18表示出使用用來(lái)改變?nèi)嵝钥刂葡到y(tǒng)中一個(gè)位置控制增益和一個(gè)速度控制增益的裝置的裝置。圖19表示出一個(gè)使用在柔性控制時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)力矩參考的裝置的系統(tǒng)。
在圖18中，通過(guò)來(lái)自上一級(jí)控制器(圖中未示)的位置基準(zhǔn)輸入量和設(shè)于機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)部分的位置檢測(cè)器128，根據(jù)位置檢測(cè)值和經(jīng)微分器115的速度檢測(cè)值11計(jì)算柔性控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的力矩參考(生成力矩)。應(yīng)注意到，參考數(shù)字22a代表一個(gè)柔性設(shè)定器；136代表一個(gè)重力補(bǔ)償器；137代表一個(gè)摩擦力補(bǔ)償器。
當(dāng)進(jìn)行正常的柔性控制時(shí)，在柔性設(shè)定器22a中計(jì)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(duì)于正常操作機(jī)器人的手臂來(lái)說(shuō)是必要的，從而將它們?cè)O(shè)定為可變位置控制增益110a和可變速度增益111a。這里，通過(guò)把根據(jù)關(guān)節(jié)的位置和從每個(gè)手臂的重心位置到相應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)的位置的距離與每個(gè)手臂的載重在重力補(bǔ)償器136中所計(jì)算的作用于每個(gè)手臂上的重力補(bǔ)償力矩、和根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的速度檢測(cè)值在摩擦力補(bǔ)償器37中所計(jì)算的作用于每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)部分上的摩擦力補(bǔ)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(gè)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(dòng)機(jī)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(cè)值和速度偏差值。當(dāng)判斷機(jī)器人工作異常時(shí)，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?yàn)榱悖纱藢⑺鼈冊(cè)O(shè)定為可變位置控制增益111a和可變速度控制增益111b。
通過(guò)在圖20中表示出一個(gè)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(dāng)機(jī)器人105的手臂與工作人員或其他物體相接觸時(shí)，或當(dāng)機(jī)器人的手臂抓到工作人員時(shí)，外力作用于機(jī)器人105上以使機(jī)器人從位置基準(zhǔn)點(diǎn)開始改變其姿態(tài)。這樣，位置偏差增加(步驟A)，速度檢測(cè)值減小[步驟B]，速度偏差的微分值(加速度)的一個(gè)信號(hào)變?yōu)樨?fù)值[步驟C]。
這時(shí)，當(dāng)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(cè)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(fù)值[步驟C處的“是”]時(shí)，判斷出檢測(cè)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?cè)O(shè)定為可變位置控制增益111a和可變速度增益111a。
這樣，來(lái)自柔性控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)力矩參考變?yōu)樽钚』驗(yàn)榱?，在?duì)異常狀態(tài)作判斷的時(shí)候機(jī)器人保持姿態(tài)靜止不變。此時(shí)，將重力力矩和摩擦力力矩與力矩參考相加，借此使機(jī)器人105決不會(huì)因?yàn)橹亓Χ僮魇。⑶夜ぷ魅藛T能在機(jī)器人變成靜止之后用人力操縱機(jī)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(shí)施例之間的相互關(guān)系。
第二實(shí)施例涉及包括一種針對(duì)第二種已有技術(shù)[公開號(hào)為6-332538的日本專利申請(qǐng)案]的機(jī)器人柔性控制的基本設(shè)計(jì)原理的裝置，第四實(shí)施例適用于第三實(shí)施例和第二種已有技術(shù)，第五實(shí)施例適用于第二到第四實(shí)施例，第六實(shí)施例適用于第三到第五實(shí)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(huì)實(shí)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(jìn)行精確地定位操作，在抓握物體之后可進(jìn)行象插入這樣對(duì)物體的安裝操作，而無(wú)需采用用來(lái)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(jìn)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(jiǎn)單的坐標(biāo)變換使操作坐標(biāo)系中的柔性控制成為可能，其中該坐標(biāo)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(gè)自由度設(shè)定正負(fù)兩個(gè)變量。由于簡(jiǎn)化了變換方程本身，所以計(jì)算負(fù)載很小，可以一個(gè)實(shí)時(shí)方式進(jìn)行操作坐標(biāo)系的計(jì)算。
還有，由于機(jī)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(guò)將加速度信息的反饋加到柔性控制中，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)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(jìn)行平滑的轉(zhuǎn)換。
因此，本發(fā)明的機(jī)器人表現(xiàn)出傳統(tǒng)的機(jī)器人不具備的特性。例如，在柔性控制時(shí)，用來(lái)自機(jī)械裝置的力或手能夠順利地移動(dòng)本發(fā)明的機(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人與其周圍的物體相撞時(shí)，機(jī)器人決不會(huì)將一個(gè)很大的力施加在物體上。
當(dāng)用本發(fā)明的機(jī)器人進(jìn)行柔性控制時(shí)，可以順利地進(jìn)行對(duì)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(shí)發(fā)生的機(jī)器人與物體的相撞。另外，可以進(jìn)行象需要使用傳感器改變基于外力的工作進(jìn)程的操作，而無(wú)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(jī)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(shí)，機(jī)器人也能立即停住，并且電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力消失。這樣，本發(fā)明的機(jī)器保證了工作人員與機(jī)器人的安全。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人控制設(shè)備，包括用來(lái)在機(jī)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(jìn)行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換時(shí)，停止所述速度控制環(huán)的積分運(yùn)算，接著將所述速度控制環(huán)的一個(gè)積分值存入一個(gè)存儲(chǔ)器，同時(shí)，把所述速度控制環(huán)的所述積分值與一個(gè)力矩參考相加，或把根據(jù)一個(gè)機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)角、機(jī)器人的連接質(zhì)量及其重心計(jì)算出的重力補(bǔ)償值與該力矩參考相加。
2.按照權(quán)利要求1的機(jī)器人控制設(shè)備，其中在機(jī)器人進(jìn)行抓握一個(gè)工件的情況下，把該工件的質(zhì)量與所述重力補(bǔ)償值相加。
3.一種機(jī)器人控制設(shè)備，包括用來(lái)在機(jī)器人工作期間在位置控制與柔性控制之間轉(zhuǎn)換的裝置；其中在從柔性控制向位置控制回復(fù)時(shí)，把一個(gè)當(dāng)前位置處理為一個(gè)指令位置。
4.按照權(quán)利要求2的包括用來(lái)在機(jī)器人工作期間在位置控制與柔性控制之間轉(zhuǎn)換的裝置的機(jī)器人控制設(shè)備，其中在從柔性控制向位置控制回復(fù)時(shí)，要么把一個(gè)根據(jù)機(jī)器人手臂的實(shí)際關(guān)節(jié)角、機(jī)器人的連接質(zhì)量及其重心計(jì)算出的重力補(bǔ)償值設(shè)定為所述速度控制環(huán)的一個(gè)新的積分值，要么把存入所述存儲(chǔ)器中的所述速度控制環(huán)的一個(gè)積分值設(shè)定為所述速度控制環(huán)的一個(gè)新的積分值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器人控制設(shè)備，其中在所述位置控制和所述柔性控制之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)限制速度控制環(huán)的輸出值，即力矩參考值而完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的機(jī)器人控制設(shè)備，其中在所述控制和所述柔性控制之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)限制速度控制環(huán)的輸出值，即力矩參考值而完成。
7.按照權(quán)利要求3的機(jī)器人控制設(shè)備，其中通過(guò)限制所述速度控制環(huán)的一個(gè)輸出值，即，限制一個(gè)力矩基準(zhǔn)值，在所述位置控制與所述柔性控制之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
8.一種機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)控制一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的力矩的裝置，所述伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分；用來(lái)測(cè)量所述關(guān)節(jié)部分的關(guān)節(jié)角的裝置；用來(lái)根據(jù)通過(guò)所述測(cè)量而獲得的所述關(guān)節(jié)角的信息計(jì)算坐標(biāo)系之間的一個(gè)非常小的位移關(guān)系的裝置；用來(lái)通過(guò)采用所述非常小的位移關(guān)系將操作坐標(biāo)系中設(shè)定的力或所述力矩的極值轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)節(jié)力矩極值的裝置；和用來(lái)用所述力矩極值限制機(jī)器人的輸出力矩的裝置。
9.按照權(quán)利要求8的柔性控制設(shè)備，其中通過(guò)采用驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的所述關(guān)節(jié)角的一個(gè)參考，獲得所述操作坐標(biāo)系與一個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的所述非常小的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
10.一種包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，所述控制系統(tǒng)具有一個(gè)位置控制環(huán)和一個(gè)速度控制環(huán)，所述柔性控制設(shè)備包括能夠改變位置和速度控制增益的裝置；用來(lái)限制所述速度控制環(huán)中一個(gè)積分器處的積分值的裝置；用來(lái)通過(guò)檢測(cè)或計(jì)算獲得所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來(lái)把速度控制增益乘法器的后級(jí)處的一個(gè)常數(shù)乘以所述伺服電動(dòng)機(jī)的加速度的反饋控制裝置。
11.一種包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，所述控制系統(tǒng)具有一個(gè)位置控制環(huán)和一個(gè)速度控制環(huán)，所述柔性控制設(shè)備包括用來(lái)限制所述速度控制環(huán)中一個(gè)積分器處的積分值的裝置；用來(lái)限制作為通過(guò)把所述積分器與一個(gè)比例控制的輸出相加獲得的結(jié)果——一個(gè)力矩參考的一個(gè)力矩限幅器；用來(lái)通過(guò)檢測(cè)或計(jì)算獲得所述電動(dòng)機(jī)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度的裝置；和用來(lái)把所述力矩限幅器的后級(jí)處的一個(gè)常數(shù)乘以所述伺服電動(dòng)機(jī)的加速度的反饋控制裝置。
12.按照權(quán)利要求10的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，還包括用來(lái)補(bǔ)償加法裝置的后級(jí)處的一個(gè)重力或一個(gè)摩擦力力矩的裝置，所述加法裝置用來(lái)將一個(gè)速度控制器和一個(gè)積分控制加在一起。
13.按照權(quán)利要求11的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，還包括用來(lái)補(bǔ)償加法裝置的后級(jí)處的一個(gè)重力或一個(gè)摩擦力力矩的裝置，所述加法裝置用來(lái)將一個(gè)速度控制器和一個(gè)積分控制加在一起。
14.一種包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
15.一種包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)將比較結(jié)果從一個(gè)伺服裝置輸出到一個(gè)外部裝置的裝置。
16.一種包括一個(gè)含一位置控制環(huán)和一速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)位置的目標(biāo)角與一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前角之間的差與一個(gè)設(shè)定值相比較的裝置；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果改變一個(gè)伺服控制的處理過(guò)程的裝置。
17.一種包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果使所述伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
18.一種包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)將比較結(jié)果從一個(gè)伺服裝置向一個(gè)外部裝置輸出的裝置。
19.一種包括一個(gè)含多個(gè)位置控制環(huán)和多個(gè)速度控制環(huán)的機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)將一個(gè)設(shè)定值與操作坐標(biāo)系中一個(gè)目標(biāo)值和操作坐標(biāo)系中一個(gè)當(dāng)前值之間的差相比較的裝置，所述操作坐標(biāo)系的當(dāng)前值根據(jù)所述伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)當(dāng)前值獲得；和用來(lái)根據(jù)比較結(jié)果改變伺服控制的一個(gè)處理過(guò)程的裝置。
20.一種包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)改變位置控制增益和速度控制增益的裝置；和用來(lái)根據(jù)涉及位置、速度和方向的參考信息、檢測(cè)信息以及使用所述信息的計(jì)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。
21.一種包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，包括用來(lái)限制作為一個(gè)比例控制和一個(gè)積分器的輸出相加的結(jié)果——一個(gè)力矩參考的裝置；和用來(lái)根據(jù)涉及位置、速度和方向的指令信息、檢測(cè)信息以及使用所述信息的計(jì)算結(jié)果限制所述力矩參考的裝置。
22.按照權(quán)利要求20的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，還包括用來(lái)在把所述控制環(huán)中的比例控制與積分控制加在一起之后補(bǔ)償重力或摩擦力力矩的裝置。
23.按照權(quán)利要求21的機(jī)器人柔性控制設(shè)備，還包括用來(lái)在把所述控制環(huán)中的比例控制與積分控制加在一起之后補(bǔ)償重力或摩擦力力矩的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)這種設(shè)備進(jìn)行工作。在進(jìn)行從位置控制向柔性控制轉(zhuǎn)換時(shí),停止速度控制系統(tǒng)的積分運(yùn)算。然后將速度控制系統(tǒng)的一個(gè)積分值存入一個(gè)存儲(chǔ)器,同時(shí),把所述積分值與一個(gè)力矩參考相加,或把根據(jù)一個(gè)機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)角、機(jī)器人的連接質(zhì)量及其重心計(jì)算出的重力補(bǔ)償值與該力矩參考相加。在從柔性控制向位置控制回復(fù)時(shí),把一個(gè)當(dāng)前位置處理為一個(gè)指令位置。該柔性控制設(shè)備包括:用來(lái)控制一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的力矩以驅(qū)動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)部分的裝置(102);用來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角的裝置(106);用來(lái)根據(jù)測(cè)量信息計(jì)算坐標(biāo)系之間一個(gè)非常小的位移的裝置(108);用來(lái)通過(guò)給出前述計(jì)算裝置(108)的前述非常小的位移對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)轉(zhuǎn)換一個(gè)力或力矩的極值(107)的裝置(102);和用來(lái)限制該力矩的裝置(104,105,106)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK1200692SQ9619795
公開日1998年12月2日 申請(qǐng)日期1996年9月10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(qǐng)人:株式會(huì)社安川電機(jī)