CN104908047B - 感知与外部环境的接触的机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人控制装置(10)，包括：内力推定部(11)，其在机器人臂没有与外部环境接触的状态下，将产生于力传感器(103)的安装部位的力推定为内力；存储部(12)，其在机器人臂的多个关节各自的旋转动作区域的小区域中，将从机器人臂没有与外部环境接触的状态下的力传感器的输出减去由内力推定部推定的内力来作为上述力修正量进行存储；力修正量决定部(13)，其根据存储部而决定与机器人臂的多个关节当前角度对应的力修正量；以及接触力算出部(15)，其从力传感器当前的输出减去由上述内力推定部推定的内力和由上述力修正量决定部决定的上述力修正量，来算出上述机器人臂与外部环境接触的接触力。

Description

感知与外部环境的接触的机器人控制装置

技术领域

本发明涉及感知与外部环境的接触的机器人控制装置，特别涉及用于工业用机器人的控制装置。

背景技术

为了检测出来自外部的力施加在机器人臂上，而在机器人臂上配备有力传感器。在日本特开2006-21287号公报中，对以不与外部环境接触的状态机器人臂动作时作用于力传感器的内力进行推定。在机器人臂与外部环境接触时，从力传感器的输出减去内力的推定值，将求得的差值作为接触力。而且，基于该差值，来判断机器人臂是否与外部环境接触。在机器人臂与外部环境接触的情况下，使机器人臂避免与外部环境接触，或使机器人臂停止，由此来实现机器人的安全的动作。

可是，图4A是表示一个姿势下的机器人与线条体的关系的图。如图4A所示，从顶棚悬吊的线条体109利用固定件108安装于机器人1的机器人臂101的多个部位。而且，如图4B所示，存在机器人臂101进行动作以改变其姿势的情况。

在机器人臂101这样进行动作以改变姿势时，因安装于机器人臂101等的线条体109被拉伸而产生力。而且，安装在机器人1的下方的力传感器103检测出这种因线条体109的拉伸而引起的力。另外，通常情况下，对应机器人系统的内容来安装线条体109，所以每个机器人系统的线条体109的种类以及数量均不同。因此，根据机器人臂101的构成所能够推定的内力互不相同，不可能事先推定线条体109的拉伸引起的力。

因此，由于推定的内力无法包含因线条体109的拉伸引起的力，因而无法正确地判定机器人臂是否与外部环境接触。因此，存在即使在机器人臂101没有与外部环境接触时，也判断为机器人臂101与外部环境接触的情况，另外，还存在即使在机器人臂101与外部环境接触时，也判断为机器人臂101没有与外部环境接触的情况。

因此，需要对线条体109的拉伸引起的力进行修正，所以考虑以下的方法。首先，将实际空间分割为多个小区域，在分割出的各个小区域中，测定小区域内包含机器人臂101的前端部时的上述力并作为力修正量进行存储。而且，从力传感器的输出中减去内力的推定值以及与包含机器人臂101的前端部的当前位置的区域对应的力修正量，将求得的差值作为接触力。

但是，即使在机器人臂101的前端部的位置存在于相同区域的情况下，若机器人臂101的姿势不同，则可能产生力修正量不恰当的情况。例如，在图4A与图4B中机器人臂101的前端部的位置相同。但是，机器人的各个关节的角度不同，所以图4A与图4B中机器人的姿势不同。

因此，在图4A以及图4B中，机器人臂101拉伸线条体的力的大小、这些力的方向相互不同。在这种情况下，若仅对应机器人臂101的前端部的位置来决定力修正量，则不能对上述的力的大小的差异以及力的方向的差异进行修正。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供机器人控制装置，其即使在因安装于机器人臂等的线条体被拉伸而产生力的情况下，也能够不受这种力的影响，以高精度感知与外部环境的接触。

发明内容

为达成上述的目的，本发明的第一方案提供一种机器人控制装置，其对安装有力传感器的多关节机器人进行控制，具备：内力推定部，该内力推定部基于在上述机器人的机器人臂没有与外部环境接触的状态下的机器人臂以及安装于该机器人臂的前端的手各自的自重、和因上述机器人臂以及上述手各自的动作而产生的惯性力，来将产生于上述力传感器的安装部位的力推定为内力；存储部，该存储部存储力修正量，该力修正量通过将上述机器人臂的多个关节各自的旋转动作区域按照角度分隔为多个小区域，在各个小区域中，从上述机器人臂没有与外部环境接触的状态下的上述力传感器的输出减去由上述内力推定部推定的内力而得到；力修正量决定部，该力修正量决定部根据上述存储部来决定与上述机器人臂的上述多个关节当前的角度对应的力修正量；以及接触力算出部，该接触力算出部从上述力传感器当前的输出减去由上述内力推定部推定的内力和由上述力修正量决定部决定的上述力修正量，从而算出上述机器人臂与外部环境接触的接触力。

根据本发明的第二方案，在第一方案的基础上，还具备停止指令部，该停止指令部在由上述接触力算出部算出的上述接触力超过规定值的情况下，使上述机器人臂停止。

根据对附图所示的本发明的典型的实施方式的详细的说明，本发明的上述目的、特征以及优点乃至其他的目的、特征以及优点会变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明的机器人控制装置的功能方框图。

图2是表示存储于存储部的力修正量表的一个例子的图。

图3是表示一个关节的旋转动作区域的图。

图4A表示一个姿势下的机器人与线条体的关系的图。

图4B是其他姿势下与图4A相同的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中对相同的部件标注相同的附图标记。为了便于理解，适当变更这些附图的比例尺。

图1是本发明的机器人控制装置的功能方框图。如图1所示，具备多个关节的机器人1例如六轴垂直多关节机器人与机器人控制装置10连接。在机器人1的机器人臂101上设置有六个关节，机器人臂101能够通过各关节J1～J6进行转动或扭转动作。

虽然在附图中没有表示，但是在各关节J1～J6分别设置有马达、减速器、旋转角检测器等，并通过来自机器人控制装置10的指令来控制各关节J1～J6的旋转角度。另外，在机器人臂101的前端设置有手107，其把持工件。

如图1所示，从顶棚悬吊的线条体109延伸至机器人1的手107。线条体109在机器人臂101的多个部位利用固定件108固定。线条体109包括为了驱动手107而用于供给动力或信号的线缆以及/或供给冷却水或驱动用空气的管。此外，代替手107，也可以在机器人臂101的前端安装焊枪等。

在机器人臂101的根部设置有机器人底座102。再有，力传感器103设置在机器人底座102的下方。力传感器103能够分别检测X方向、Y方向以及Z方向这三个成分的力。施加在配置于比机器人底座102靠上方的机器人臂101上的力产生变化的情况下，力传感器103的输出产生变化。

在此，施加于机器人臂101的力包括：机器人臂101与外部环境接触而施加于机器人臂101的接触力；因为机器人臂101自身动作而产生的力(以下称为“内力”)；以及在机器人臂101进行动作以改变姿势时因线条体109被拉伸而产生的力。

此外，力传感器103也可以内置于机器人臂101。该情况下，施加在机器人臂101上的力中的接触力是指从力传感器103的内置部位到机器人臂101的前端为止的部分与外部环境接触而施加在该部分上的力。

机器人控制装置10是数字计算机，其控制机器人1的动作。如图1所示，机器人控制装置10包括：包含机器人1的动作程序等的动作规划部17；以及基于动作规划部17生成机器人1的动作指令的动作指令生成部18。

再有，机器人控制装置10包括接触力算出部15，其按机器人1的规定的控制周期，算出机器人臂101与外部环境接触时的接触力。如图2所示，接触力算出部15包括：推定上述内力的内力推定部11；存储力修正量表的存储部12；以及基于力修正量表来决定力修正量的力修正量决定部13。

内力推定部11通过已知的方法，将机器人臂101没有与外部环境接触时的、因机器人臂101以及手107各自的自重与各自的动作产生的惯性力而作用于力传感器103的安装部位的力推定为内力。在推定内力时，内力推定部11适当利用旋转角检测器检测到的马达的旋转角、动作规划部17的马达的旋转角指令值等。由内力推定部11推定的X方向、Y方向以及Z方向上的内力分别称为RFX、RFY、RFZ。

图2是表示存储于存储部的力修正量表的一个例子的图。如图2所示，在力修正量表中，对于机器人臂101的多个关节J1～J6中的一个关节例如关节J1而言，将关节J1的旋转动作区域分割为n个小区域J11～J1n。

图3是表示一个关节的旋转动作区域的图。图3所示的中心表示关节，例如表示关节J1的中心轴。关节J1的旋转动作区域为360°。在图3中，将旋转动作区域对应绕关节J1的角度以等间隔分割成n个小区域J11～J1n。虽然附图中并未明示，但是针对其他的关节J2～J6也同样地设定n个小区域。

而且，若再次参照图2，则关节J2～关节J6固定于各个第一小区域J21～J61，将关节J1分配在小区域J11～J1n内。而且，在图2中，针对关节J1的任一个小区域J11～J1n与关节J2～关节J6的各自的第一小区域J21～J61的组合设定力修正量。从图2可以看出，针对X方向、Y方向以及Z方向设定力修正量ΔFX、ΔFY、ΔFZ。

力修正量通过在机器人臂101没有与外部环境接触的状态下，从力传感器103的输出减去由内力推定部11推定的内力而求得。具体来说，机器人1的各关节J1～J6以成为图2所示的小区域那样的姿势使机器人1动作。此时，需要机器人臂101不与外部环境接触。

而且，在这样的姿势下，读取X方向、Y方向以及Z方向的力传感器103的输出SFX、SFY、SFZ。接下来，如以下的式(1)～(3)所示，从力传感器103的输出SFX、SFY、SFZ减去由内力推定部11推定的内力RFX、RFY、RFZ来算出力修正量ΔFX、ΔFY、ΔFZ。

ΔFX＝SFX－RFX (1)

ΔFY＝SFY－RFY (2)

ΔFZ＝SFZ－RFZ (3)

这样算出的力修正量对因安装于机器人臂101等的线条体109在机器人臂101的姿势产生变化时的拉伸而产生的力进行修正。

在图2所示的力修正量表中关节J2～关节J6固定于各自的第一小区域J21～J61，并且将关节J1分配为小区域J11～J1n内。接下来，以将关节J2～关节J6固定于各自的第二小区域J22～J62的状态，同样地求得力修正量。依次重复这样的作业，以涵盖针对关节J1～J2的全部的小区域的组合的方式，生成力修正量表(参照以下的式(4))。力修正量也可以由一般的插值方法生成。

此外，旋转动作区域并非一定要以等间隔分割。例如，也可以在旋转动作区域中力修正量的变化较大的位置，按较小的角度以等间隔设定小区域，而在力修正量的变化较小的位置，按较大的角度设定剩余的小区域。在这种情况下，能够一边维持详细后述的修正效果，一边抑制存储部12的存储容量。

另外，也可以将对力修正量影响较小的要素从图2的力修正量表中排除。例如，也可以在明确关节J4～J6的姿势对力修正量的影响较小的情况下，排除关节J4～J6的小区域的设定。在这种情况下，也能够一边维持修正效果，一边抑制存储部12的存储容量。

力修正量决定部13在机器人1动作时，按规定的控制周期决定力修正量ΔFX、ΔFY、ΔFZ。具体来说，力修正量决定部13获得由旋转角检测器检测到的绕各关节J1～J6的角度，并根据存储部12的力修正量表决定与这些角度对应的力修正量ΔFX、ΔFY、ΔFZ。

而且，从图1可以看出，接触力算出部15从力传感器103的输出SFX、SFY、SFZ减去力修正量ΔFX、ΔFY、ΔFZ和内力RFX、RFY、RFZ，从而分别算出接触力CFX、CFY、CFZ。

CFX＝SFX－ΔFX－RFX (5)

CFY＝SFY－ΔFY－RFY (6)

CFZ＝SFZ－ΔFZ－RFZ (7)

另外，机器人控制装置10的停止指令部16将接触力CFX、CFY、CFZ的大小与基准值进行比较，在接触力的大小比基准值大的情况下，生成机器人1的停止指令，并供给至动作指令生成部18。动作指令生成部18将停止指令供给至机器人1，使机器人1停止。

此外，停止指令部16也可以在接触力CFX、CFY、CFZ全部比基准值大的情况下，生成机器人整体的停止指令，还可以在接触力CFX、CFY、CFZ中的任一个比基准值大的情况下生成机器人整体的停止指令。或者，停止指令部16还能够在至少一个接触力、例如接触力CFX比基准值大的情况下，生成仅针对该方向的停止指令。另外，也可以针对X方向，Y方向以及Z方向采用不同的基准值。另外，也可以在将各方向的接触力合成得到的力的大小超过基准值的情况下生成停止指令。

在机器人1的动作时机器人臂101没有与外部环境接触的情况下，若从力传感器103的输出减去力修正量和内力，则接触力为零。因此，接触力不比基准值大，因而，动作指令生成部18基于动作规划部17持续向机器人1供给动作指令。

对此，在机器人1动作时，机器人臂101与外部环境、例如周边设备或作业人员接触的情况下，若从力传感器103的输出减去力修正量和内力，则接触力的值不为零。而且，在接触力的大小比基准值大的情况下，从停止指令部16输出停止指令，由此，机器人1将停止。因此，能够使机器人1安全地动作。

这样，在本发明中，从力传感器103当前的输出减去由内力推定部11推定的内力和由力修正量决定部13决定的力修正量，算出接触力。而且，力修正量通过在机器人臂101没有与外部环境接触的状态下从力传感器103的输出减去内力来预先求得。另外，力修正量按照机器人1各关节J1～J6的角度的组合来决定。因此，在本发明中，即使在因安装于机器人臂101等的线条体109被拉伸而产生力的情况下，也能够不受这种力的影响地以高精度感知与外部环境的接触。

本发明具有如下效果。

根据第一方案，在机器人臂没有与外部环境接触的状态下从力传感器的输出减去由内力推定部推定的内力，来求得力修正量。该力修正量对因安装于机器人臂等的线条体在机器人臂的姿势产生变化时被拉伸而产生的力进行修正。因此，即使在因安装于机器人臂等的线条体被拉伸而产生力的情况下，也能够不受这种力的影响地以高精度感知与外部环境的接触。

根据第二方案，在机器人臂与外部环境接触时的接触力超过规定值的情况下，使机器人臂停止。因此，能够使机器人更安全地动作。

虽然使用典型的实施方式对本发明进行了说明，但本领域技术人员当然可以理解能够不超出本发明的范围地进行上述变更以及多种其他的变更、省略、追加。

Claims (2)

1.一种机器人控制装置(10)，其对安装有力传感器(103)的多关节机器人(1)进行控制，

上述机器人控制装置(10)的特征在于，具备：

内力推定部(11)，该内力推定部(11)基于上述机器人的机器人臂(101)以及安装于该机器人臂的前端的手(107)各自的自重、和因上述机器人臂以及上述手各自的动作而产生的惯性力，来将产生于上述力传感器的安装部位的力推定为内力；

存储部(12)，该存储部(12)存储力修正量，该力修正量通过将上述机器人臂的多个关节各自的旋转动作区域按照角度分隔为多个小区域，在各个小区域中，从上述机器人臂没有与外部环境接触的状态下的上述力传感器的输出减去上述机器人臂没有与外部环境接触的状态下的由上述内力推定部推定的内力而得到；

力修正量决定部(13)，该力修正量决定部(13)根据上述存储部来决定与上述机器人臂的上述多个关节当前的角度对应的力修正量；以及

接触力算出部(15)，该接触力算出部(15)从上述力传感器当前的输出减去上述机器人动作时的由上述内力推定部推定的内力和由上述力修正量决定部决定的上述力修正量，从而算出上述机器人臂与外部环境接触的接触力。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

还具备停止指令部(16)，该停止指令部(16)在由上述接触力算出部算出的上述接触力超过规定值的情况下，使上述机器人臂停止。