机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统.pdf

提供机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统。机器人控制装置的CPU（91）在末端执行器位置和姿态作为目标值的约束下，每当表示冗余自由度允许的连杆位置和姿态的姿态参数顺序改变时，基于施加至每个连杆（11，12，13，14，15，16，17，18）的关节轴（J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7）的惯性力、离心力或科里奥利力、重力、摩擦转矩和致动器惯性转矩计算负载转矩。CPU在姿态参数改变时获得使负载转矩与每个关节设置的旋转致动器的额定转矩的比率最小的连杆位置和姿态，并且将导致负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率最小获得的每个负载转矩的前馈值提供至为实现作为目标值的末端执行器位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器生成的控制命令。

权利要求书
1.   一种控制机器人的方法，所述机器人具有通过在各个关节轴（J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7）处耦接多个连杆（11，12，13，14，15，16，17，18）所形成的机械手（10）并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中，所述关节轴中的每个关节轴由针对所述机械手的每个关节所设置的旋转致动器（41，42，43，44，45，46，47）驱动，其特征在于所述方法包括：
在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，当由所述冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；
在所述连杆的位置和姿态改变时，获得使所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及
将前馈值提供至为用于实现作为目标值的所述末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，所述前馈值导致在所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。

2.   一种控制机器人的方法，所述机器人具有通过在各个关节轴（J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7）处耦接多个连杆（11，12，13，14，15，16，17，18）所形成的机械手（10）并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中，所述关节轴中的每个关节轴由针对所述机械手的每个关节所设置的旋转致动器（41，42，43，44，45，46，47）驱动，其特征在于所述方法包括：
在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由所述冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；
在所述姿态参数改变时，获得使所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及
将前馈值提供至为用于实现作为目标值的所述末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，所述前馈值导致在所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。

3.   根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述负载转矩包括摩擦转矩。

4.   一种控制机器人的机器人控制装置，所述机器人具有通过在各个关节轴（J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7）处耦接多个连杆（11，12，13，14，15，16，17，18）所形成的机械手（10）并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中，所述关节轴中的每个关节轴由针对所述机械手的每个关节所设置的旋转致动器（41，42，43，44，45，46，47）驱动，其特征在于所述装置包括：
负载转矩计算单元（91），所述负载转矩计算单元（91）在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由所述冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；
连杆姿态计算单元（91），所述连杆姿态计算单元（91）在所述姿态参数改变时，获得使所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及
提供单元（91），所述提供单元（91）将前馈值提供至为用于实现作为目标值的所述末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，所述前馈值导致在所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。

5.   根据权利要求4所述的机器人控制装置，其中，所述负载转矩计算单元（91）计算除每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力之外还包括摩擦转矩的负载转矩。

6.   一种控制机器人的机器人控制系统，所述机器人具有通过在各个关节轴（J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7）处耦接多个连杆（11，12，13，14，15，16，17，18）所形成的机械手（10）并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中，所述关节轴中的每个关节轴由针对所述机械手的每个关节所设置的旋转致动器（41，42，43，44，45，46，47）驱动，其特征在于所述系统包括：
负载转矩计算单元（100），所述负载转矩计算单元（100）在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由所述冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；
连杆姿态计算单元（100），所述连杆姿态计算单元（100）在所述姿态参数改变时，获得使所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及
提供单元（91），所述提供单元（91）将前馈值提供至为用于实现作为目标值的所述末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，所述前馈值导致在所述负载转矩与所述旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。

7.   根据权利要求6所述的机器人控制系统，其中，所述负载转矩计算单元（100）计算除每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力之外还包括摩擦转矩的负载转矩。

说明书机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统
技术领域
本发明涉及机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统，具体地涉及用于控制具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度的机器人的机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统。
背景技术
如在日本专利申请公告第4‑98304（JP4‑98304A）号中所公开的用于机器人臂的计算转矩控制器是已知的。在JP4‑98304A中所描述的控制器根据机器人臂的运动，利用状态反馈值，通过校正目标角加速度来实时地计算惯性力、科里奥利力、离心力以及重力，该状态反馈值根据在每个给定采样周期角度的输出值与该角度的目标值的偏差以及根据角速度与其目标值的偏差而获得，并且该控制器通过使关节驱动致动器生成与上述力等效的转矩来控制机器人臂的运动。
如上所述，通过实时地计算上述惯性力和其他力并且将转矩给予用于旋转或驱动机器人臂的电动机，可以提高可控性。
如果实时地计算惯性力和其他力，并且将等效的转矩给予用于旋转或驱动机器人臂的电动机，那么在具有相对于作业自由度冗余的一个或更多个冗余自由度的机器人中，取决于机器人的姿势或姿态，可能不得不生成过大的转矩。在此情况下，可能会劣化可控性。
发明内容
本发明提供机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制系统，使得可以在具有相对于作业自由度冗余的冗余自由度的机器人中通过利用冗余自由度来提高可控性，并且将每个旋转致动器的转矩容量减小至所必需的最低限度，从而可以减小旋转致动器的尺寸，并且因而可以减小机器人的尺寸。
根据本发明的第一方面，提供了一种控制机器人的方法，该机器人具有通过在各个关节轴处耦接多个连杆所形成的机械手并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中关节轴中的每个关节轴由针对机械手的每个关节所设置的旋转致动器驱动。该机器人控制方法特征在于包括以下步骤：在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，当由冗余自由度所允许的连杆位置和姿态改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；在连杆的位置和姿态改变时，获得使负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及将前馈值提供至为用于实现作为目标值的末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制机器人的方法，该机器人具有通过在各个关节轴处耦接多个连杆所形成的机械手并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中关节轴中的每个关节轴由针对机械手的每个关节所设置的旋转致动器驱动。该机器人控制方法特征在于包括以下步骤：在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；在姿态参数改变时，获得使负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及将前馈值提供至为用于实现作为目标值的末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。
在根据本发明的第一或第二方面的机器人控制方法中，负载转矩可以包括摩擦转矩。根据本发明的第三方面，提供了一种控制机器人的机器人控制装置，该机器人具有通过在各个关节轴处耦接多个连杆所形成的机械手并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中关节轴中的每个关节轴由针对机械手的每个关节所设置的旋转致动器驱动。该机器人控制装置特征在于包括：负载转矩计算单元，负载转矩计算单元在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；连杆姿态计算单元，连杆姿态计算单元在姿态参数改变时，获得使负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及提供单元，提供单元将前馈值提供至为用于实现作为目标值的末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。
在根据本发明的第三方面的机器人控制装置中，负载转矩计算单元可以计算除每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力之外还包括摩擦转矩的负载转矩。
根据本发明的第四方面，提供了一种控制机器人的机器人控制系统，该机器人具有通过在各个关节轴处耦接多个连杆所形成的机械手并且具有相对于作业自由度冗余的至少一个冗余自由度，其中关节轴中的每个关节轴由针对机械手的每个关节所设置的旋转致动器驱动。该机器人控制系统特征在于包括：负载转矩计算单元，负载转矩计算单元在末端执行器的位置和姿态被设置为目标值的约束下，每当表示由冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态的姿态参数顺序改变时，至少基于每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、以及重力来计算负载转矩；连杆姿态计算单元，连杆姿态计算单元在姿态参数改变时，获得使负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态；以及提供单元，提供单元将前馈值提供至为用于实现作为目标值的末端执行器的位置和姿态的每个关节轴的旋转致动器所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与旋转致动器的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。
根据本发明的第一至第四方面，利用冗余自由度，可以提高具有相对于作业自由度冗余的一个或更多个冗余自由度的机器人的可控性。此外，可以将针对机器人的每个关节所设置的旋转致动器的转矩容量减小至所必需的最低限度；因此，可以减小旋转致动器的尺寸，并且因而可以减小机器人的尺寸。
当摩擦转矩包括在负载转矩中时，可以进一步提高可控性的精度。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，以及其中：图1是根据本发明的一种实施方式的具有冗余度的机械手的概略图；
图2是根据本发明的一种实施方式的机器人控制装置的配置的示意图；
图3是用于说明姿态参数的视图；
图4是机器人控制装置的控制流程图；
图5是机器人控制装置的控制流程图；以及
图6是根据本发明的另一实施方式的机器人控制系统的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照图1至图5来描述根据本发明的实施方式的、用于控制具有相对于作业自由度冗余的冗余自由度的机器人的机器人控制装置和机器人控制方法。首先，将描述具有相对于作业自由度冗余的冗余自由度的机械手实施方式。
如图1所示，机械手10形成为使得八个连杆11至18通过七个关节21至27顺序耦接。机械手10是具有七个自由度（n（自由度）=7）的多关节型机器人，其中连杆12至18可以在七个关节21至27处转动，并且其作业空间的维数（m）为6，这意味着机械手具有1（=n‑m）个冗余度。即，本实施方式的机械手10具有相对于六个作业自由度冗余的一个冗余自由度。
第一连杆11在其一端固定至地板FL，并且在其另一端连接至第一关节21的一侧。第二连杆12的一端连接至第一关节21的另一侧，并且第二关节22的一侧连接至第二连杆12的另一端。类似地，第三连杆13、第四连杆14、第五连杆15、第六连杆16、第七连杆17以及第八连杆18分别经由第三关节23、第四关节24、第五关节25、第六关节26和第七关节27以描述的顺序耦接。
第一关节21的另一侧可以相对于其一侧、围绕图1中沿竖直方向延伸的轴、如箭头31所示旋转，使得第二连杆12可以沿箭头31的方向、围绕第一关节21的旋转轴（J1轴）、相对于相邻的第一连杆11转动。
第二关节22的另一侧可以围绕沿着垂直于图1的纸面方向延伸的轴（J2轴）、如箭头32所示旋转。因此，第三连杆13可以沿箭头32的方向、围绕第二关节22的旋转轴、相对于相邻的第二连杆12旋转。
类似地，第三关节23、第四关节24、第五关节25、第六关节26以及第七关节27可以围绕它们各自的轴旋转，并且第四连杆14、第五连杆15、第六连杆16、第七连杆17以及第八连杆18也可以分别沿着箭头33至箭头37的方向、围绕关节23至关节27的旋转轴（J3轴至J7轴）转动。贯穿整个说明书，经由第一关节21至第七关节27而彼此耦接的连杆11至18将被称为“相邻连杆11至18”。J1轴至J7轴中的每个轴对应于上述关节轴。
如图1所示，在第一关节21中安装第一伺服电动机41。第一伺服电动机41在被提供电力时经由减速器（未示出）使第二连杆12相对于第一连杆11转动。
在第二关节22中安装第二伺服电动机42。第二伺服电动机42在被提供电力时经由减速器（未示出）使第三连杆13相对于第二连杆12转动。类似地，分别在第三关节23、第四关节24、第五关节25、第六关节26和第七关节27中安装伺服电动机43至47。伺服电动机43至47在被提供电力时经由各自的减速器（未示出）使相应的连杆14至18转动。
虽然每个电动机被设置在相应的关节中，但是为了方便说明，图1中所描绘的电动机与相应的关节分离。尽管在本实施方式中将作为伺服电动机的AC（交流）电动机用作旋转致动器，但是本发明的旋转致动器不限于此类型的电动机。
在第八连杆18的远端处附接工具49。工具49可以与第八连杆18一起如图1所示在箭头37的方向、围绕第七关节27的旋转轴（J7轴）转动。工具49可以为例如能够抓握工件等的手。然而，要理解的是，工具49的类型与本发明无关，因此工具49不受限于任何特定类型。
在如上所述的机械手10中，驱动第一伺服电动机41至第七伺服电动机47以旋转第二连杆12至第八连杆18，由此第二连杆12至第八连杆18的旋转角度被累积并且对位于机械手10的远端部中的工具49作用。以此方式，机械手10可以使工具49的远端的位置和姿态与根据其作业的内容所确定的目标位置和目标姿态一致。
接下来参照图2，将描述以控制器RC作为主部件的多关节型机器人的电气配置，其中该控制器RC用作用于控制机械手10的机器人控制装置。控制器RC具有计算机90、电连接至计算机90的PWM发生器51至57、以及电连接至PWM发生器51至57的伺服放大器61至67。伺服放大器61至67分别电连接至第一伺服电动机41至第七伺服电动机47。
计算机90为PWM发生器51至57生成控制命令，并且PWM发生器51至57基于该控制命令为伺服放大器61至67生成PWM信号。伺服放大器61至67根据输出的PWM信号来致动伺服电动机41至47，以旋转相应的连杆12至18。
在伺服电动机41至47中分别并入旋转编码器71至77，旋转编码器71至77经由接口80连接至计算机90。旋转编码器71至77检测相应的伺服电动机41至47的旋转角度，即，检测连杆12至18相对于相邻连杆11至17的旋转角度（关节角度），并且将检测信号传输至控制器RC。旋转编码器71至77对应于旋转角度检测器。旋转角度检测器不限于旋转编码器，还可以是分解器（resolver）或电位器。
替代为第一伺服电动机41至第七伺服电动机47设置旋转编码器71至77，可以在连杆11至18上或者第一关节21至第七关节27上安装能够直接检测连杆11至18的旋转角度（关节角度）的传感器。
计算机90包括经由总线96彼此电连接的CPU91、ROM92、RAM93、非易失性存储单元94（诸如硬盘）、接口95等。
在存储单元94中存储各种类型的数据、使机器人执行各种作业的作业程序、各种参数等。即，本实施方式的机器人能够以教示的再现方法操作，并且机械手10在执行作业程序中的任意作业程序时进行操作。ROM92存储用于控制整个系统的系统程序。RAM93是用于CPU91的工作存储器，并且在CPU91执行各种计算等时数据临时存储在RAM93中。CPU91对应于上述负载转矩计算单元、连杆姿态计算单元以及提供单元。
输入装置82经由接口95连接至控制器RC。输入装置82是允许用户或操作者输入各种类型的数据的操作板，其具有监视器屏幕、各种输入键等（未示出）。输入装置82设置有多关节型机器人的电源打开/关闭开关，并且使计算机90能够接收位于机械手10的远端部中的工具49的远端（其将被称为“末端”或“末端执行器”）的最终目标位置和最终目标姿态、以及工具49的远端在每个内插点处的位置和姿态。此外，输入装置82允许通过微动（jogging）操作等的输入，以用于利用冗余度来改变机械手10的姿势。
接下来，将描述根据本发明的此实施方式的多关节型机器人的控制器RC的操作。图4和图5是在末端执行器位于教示点（最终目标位置以及工具49的远端在内插点处的位置）时所使用的控制流程图，其中教示点被写入在通过控制器RC的CPU91所执行的作业程序中。旋转编码器71至77以比执行如下所述的步骤的控制周期足够更短的检测周期来检测旋转角度（或关节角度）。
在步骤S10中，CPU91在RAM93的指定区域中设置写入存储在存储单元94中的作业程序中的教示点（末端执行器的位置）、末端执行器的姿态以及速度数据。末端执行器的位置和末端执行器的姿态将被共同称为“末端执行器的位置和姿态”。
然后，CPU91确定位于在步骤S10中所设置的教示位置（末端执行器的位置）处的末端执行器的姿态，该姿态提供负载转矩与额定转矩的最小比率。将参照图5的流程图详细地描述步骤S20的操作。
在步骤S21中，CPU91初始化姿态参数φ。虽然对于本实施方式中的初始化而言姿态参数φ被设置为0，但是该初始值不限于0。下面将描述姿态参数φ。
具有冗余自由度的机械手10的姿态参数φ表示：在末端执行器的位置被固定时即在末端执行器的位置和姿态受约束时，由冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态。更具体地，如图3所示，机械手10的第四关节24能够在由球A1和球A2所形成的交叉圆（crossed circle）E上移动，其中球A1具有在第二关节22（其将被称为“第一参考点W”）处的中心以及与第三连杆13和第四连杆14的连杆长度的和相等的半径，并且球A2具有在第六关节26（其将被称为“第二参考点K”）处的中心以及与第五连杆15和第六连杆16的连杆长度的和相等的半径。因此，在本实施方式中，连杆的位置和姿态改变使得第四关节24位于交叉圆E上。
如图3所示，通过交叉圆E的中心的中心轴O是通过第一参考点W（第二关节22的中心）和第二参考点K（第六关节26的中心）的轴。因为第四关节24位于交叉圆E上，所以姿态参数φ可以表示在交叉圆E上的连杆的位置和姿态。因此，根据从交叉圆E上的给定位置R到第四关节24的位置所改变至的位置来测量的角度被定义为姿态参数φ。在本实施方式中，位置R是第四关节24的当前位置。
在步骤S22中，CPU91通过将预定值加至参数φ来更新姿态参数φ。即，假定连杆的位置和姿态通过虚拟地增加姿态参数φ来改变。
在步骤S23中，进行逆变换以根据末端执行器的位置和姿态来获得关节角度。其中q1、q2、q3、…、q7分别表示第一关节21至第七关节27的关节角度，以及（x，y，z）和（a，b，c）表示末端执行器的坐标和末端执行器的姿态，向量q以及末端执行器的位置和姿态X如下来表示。
q=(q1,q2,L,q7)
X=(x,y,z,a,b,c)…(1)
每个关节角度q1、q2、q3、…、q7可以如下面的方程式（2）所表示的来表述，并且这些方程式（2）是逆变换方程式。在步骤S23中，根据方程式（2）、利用末端执行器的位置和姿态X以及姿态参数φ来计算每个关节角度q1、q2、q3、…、q7。
q1=f1(X,φ)
q2=f2(X,φ)
. 
.
.
          …(2)
q7=f7(X,φ)
在步骤S24中，CPU91根据下面的方程式（3）来计算设置在每个关节轴上的电动机的负载转矩，并且将所计算的负载转矩存储在存储单元94中。
在方程式（3）的右手侧，第一项是惯性力，第二项是根据离心力或科里奥利力所得到的转矩，第三项是根据重力负载所得到的转矩，第四项是摩擦转矩，以及第五项是致动器惯性转矩。在方程式（3）中，第一项至第三项是作为已知方程式的拉格朗日运动方程。在方程式（3）的右手侧的第四项和第五项是考虑到致动器的影响的项。