CN102300680A

CN102300680A - 机器人手臂的控制方法

Info

Publication number: CN102300680A
Application number: CN2009801554613A
Authority: CN
Inventors: 中岛陵; 藤井玄德
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-12-28
Also published as: WO2010064353A1; US20110301758A1; JP2010131711A

Abstract

本发明提供一种机器人手臂的控制方法，其中，当在基于示教回放控制的动作中切换到反馈控制时，抑制机器人手臂的振动。使用以下的控制方法来使机器人手臂进行动作，该控制方法包括如下步骤：根据存储在控制部的控制部内的程序的指示执行示教回放控制，沿着预先决定的路径移动机器人手臂；利用设在手臂上的工件识别单元识别工件的有无；以及在识别工件的同时，将所述控制部的程序从示教回放控制切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制，追随工件来移动机器人手臂。通过使用非接触型阻抗控制法，抑制了控制切换时的机器人手臂的振动。

Description

机器人手臂的控制方法

技术领域

本发明涉及在工业产品的制造过程中对作业对象物进行螺丝拧紧等作业的产业用机器人的控制方法中、特别是机器人手臂的位置控制方法。

背景技术

以往，在汽车等生产线上，在多关节机器人的手指尖安装螺丝拧紧装置等端部执行器，对作业对象物(工件)自动进行螺丝拧紧等作业。

在实际作业中，由于生产线上的工件搬运的停止精度和用于在生产线上搬运工件的工件托板的个体差异等，工件位置产生误差，因而在作业前进行机器人和工件的相对位置的校正。例如，如专利文献1和专利文献2所公开的那样，机器人移动到通过示教所规定的位置而暂时停止，在规定位置利用照相机识别工件的基准点，然后，根据机器人和工件的位置信息计算距正常位置的偏差，进行机器人的位置校正动作，以使相对位置为正常的相对位置。

更具体地说，在专利文献1和2中公开了这样的控制方法：在机器人移动到通过示教所规定的位置之后，利用安装在机器人的手腕或手臂上的照相机求出机器人和工件的位置偏差量，根据求出的偏差量计算机器人***的移动校正量，进行位置校正。

以上，在这样的机器人中，在所述规定位置之前，进行基于再现事先对机器人所示教的动作的示教回放的控制，在接下来的位置校正阶段中，进行依照机器人和工件的位置信息的反馈控制。另外，作为反馈控制，广泛使用PID控制法。

专利文献1：日本特开平8-174457号公报

专利文献2：日本特开2001-246582号公报

发明内容

发明要解决的问题

在生产线上，为了效率化而进行缩短时间的尝试。这里，在专利文献1和专利文献2公开的机器人移动到规定位置而暂时停止，在该位置识别工件的基准点，根据机器人和工件的位置信息计算距正常位置的偏差来进行位置校正动作的方法中，存在的问题是，暂时停止机器人将相应地花费位置校正结束之前的时间。

因此，发明者们探讨了如下的机器人控制方法：为了缩短到机器人相对于工件的位置校正结束之前的时间，当在基于示教的示教回放控制下的动作中识别出工件时，在移到位置校正动作之前机器人不会暂时停止，而是立即切换到反馈控制来进行位置校正动作。即，该控制方法是这样的控制方法：在基于示教回放控制的动作中始终利用照相机确认工件有无的同时，当识别出工件时立即切换到反馈控制，然后在始终利用照相机确认机器人的位置相对于工件的基准点的偏差的同时，进行位置校正动作。

然而，当采用PID控制法作为上述反馈控制、并从示教回放控制突然切换到PID控制时，动作方向从所示教的动作急剧变化，因而存在机器人手臂产生不需要的振动的情况。当机器人产生振动时，除了位置校正的精度下降意外，而且很有可能由端部执行器所把持的螺丝等零件掉落、或者机器人的关节寿命缩短。另一方面，当要抑制振动时，使手臂收敛到作业位置的时间，即位置校正时间延长，不能实现期望的时间缩短。

这里，还考虑不进行示教回放控制，而使机器人的动作从最开始就采用反馈控制，然而在实际的生产作业中，由于作业环境和照相机的视野角的问题，照相机总是难以捕捉到工件。

本发明的目的是提供这样一种机器人控制方法，即：当在基于示教回放控制的动作中切换到反馈控制时，抑制机器人手臂的振动，因此缩短位置校正需要的时间。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明提供一种机器人手臂的控制方法，该机器人手臂在前端具有端部执行器，该控制方法的特征在于，包括如下步骤：根据存储在控制部的控制部内的程序的指示执行示教回放控制，沿着预先决定的路径移动机器人手臂；利用设在手臂上的工件识别单元识别工件的有无；以及在识别工件的同时，将所述控制部的程序从示教回放控制切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制，追随工件来移动机器人手臂。

而且本发明的特征在于，所述工件识别单元是照相机，所述工件的识别是根据所拍摄的图像来进行的。

发明的效果

在本发明中，在从示教回放控制向反馈控制的切换中，使用非接触型阻抗控制法作为反馈控制。由此，抑制了所述控制切换时的振动，可获得时间缩短的效果。

附图说明

图1是本发明涉及的机器人的***结构图。

图2是本发明涉及的机器人控制的流程图。

图3是本发明涉及的控制程序的流程图。

图4是使用本发明涉及的非接触型阻抗控制法的实测数据例。

图5是使用PID控制法的实测数据例。

具体实施方式

以下，根据附图说明用于实施本发明的最佳方式。图1是示出本发明的一个实施方式的机器人的***结构图。工件W静止在预定位置，机器人***R处在与工件W分离的位置。

所述机器人***R由以下部分构成：可旋转地安装在机器人基部6的多关节的机器人手臂1，安装在机器人手臂1的前端的端部执行器2，配置在端部执行器2附近的工件识别单元即工件检测用的照相机3，以及由图像处理部4和控制部5构成的控制单元。机器人手臂1和控制部连接，机器人手臂1根据来自所述控制部的信号进行动作。

在所述控制单元的控制部5内存储有程序。该程序包括以下步骤：在利用照相机3识别工件W的有无的同时，通过示教回放控制使机器人手臂沿着预先决定的路径进行动作的步骤；当利用照相机3识别出工件W时，从示教回放控制切换到反馈控制的步骤；以及在利用照相机3确认端部执行器2相对于工件W的位置的同时，通过反馈控制使机器人手臂1进行动作的步骤。

这里，说明本发明涉及的机器人手臂的动作。首先，机器人手臂1根据来自控制部的信号，首先按照由示教回放控制所示教的路径移动。此时的示教回放控制是位置控制。并且，在机器人手臂1的移动中由照相机3取得图像，随时识别该图像中的工件W的有无。然后在工件W没有在该图像内的情况下，继续按照所示教的路径移动。图像内的工件W有无的识别可使用将预先存储在图像处理部4内的图像与所述取得的图像进行比较的模式匹配法。

然后，当根据由照相机3取得的图像识别出工件W时，控制切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制。在反馈控制中，进行基于端部执行器2相对于工件W的位置的控制。具体地说，使用由照相机3所取得的图像的图像空间坐标由图像处理部4计算端部执行器2的位置，使机器人手臂1向端部执行器2相对于工件W的目标位置(基准点)移动，以校正端部执行器2的位置。这里，所述图像空间的坐标原点可以是端部执行器2相对于工件W的目标位置。

在基于所述反馈控制的步骤中，也通过照相机3随时进行图像的取得。然后，检测端部执行器2的位置与所述目标位置之间的偏差，进行机器人手臂1的移动直到没有所述偏差。

另外，所述工件识别单元不限于本实施方式的照相机3，像激光传感器和超声波传感器等只要通过非接触可识别端部执行器相对于工件的位置信息，就能使用，然而优选的是照相机，因为容易把握工件形状。

图2是本发明涉及的机器人手臂控制的流程图。在本发明中，当在步骤S01开始控制部5的程序时，在步骤S02，首先开始基于示教回放控制的机器人手臂1的动作，该示教回放控制基于预先通过在线或离线示教给机器人的动作(移动计划)。

然后，在步骤S03，利用照相机3取入图像，在步骤S04，由控制部判断是否检测出预先存储的工件W。这里在照相机3未检测出工件W的情况下，回到步骤S02，再次继续所示教的动作。

当在步骤S04由照相机3检测出工件W时，在步骤S05控制部将控制方式切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制。然后，在步骤S06进行利用照相机3的图像取得，在步骤S07判断端部执行器2的位置是否是目标位置，在偏离了目标位置的情况下，在步骤S08通过反馈控制进行向目标位置的位置校正动作。

在步骤S07中，在端部执行器位于目标位置的情况下，在步骤S09结束反馈控制，进行针对工件W的作业。

这里，说明在上述反馈控制中使用的非接触型阻抗控制法。阻抗控制法是指，使用以下的算式1实现在机器人的端部执行器中的期望的阻抗。

[算式1]

M_dx+D_d(x-x_d)+K_d(x-x_d)＝F

这里，M_d、D_d、K_d分别是假想质量、假想粘性、假想弹性，x、x_d是机器人的端部执行器的位置和目标位置，F是施加给机器人的端部执行器的外力。另外，假想弹性、假想粘性、假想质量被设定在控制部的软件上，以获取期望的动态特性。

在以往的阻抗控制法中，有这样的接触型阻抗控制法：使用提供给机器人的端部执行器的传感器来计测外力，将其值反馈给控制部，获得期望的动态特性。

另一方面，在针对工件的作业前控制端部执行器的位置的情况下，不能使工件和端部执行器直接接触。因此，在本发明中，采用这样的非接触型阻抗控制法：取代由机器人与工件W接触，而是利用工件识别单元(照相机3)计测机器人的端部执行器2的位置和工件W的目标位置的差值，作为该端部执行器2与工件W假想接触而提供假想外力，进行控制以获得期望的动态特性。即，所述差值是端部执行器2与工件W的假想接触量。

具体地说，把端部执行器的位置相对于图像空间的目标位置的差值乘以预定常数后的值设为施加给端部执行器2的假想外力的大小，通过设定其它阻抗参数(假想质量、假想粘性、假想弹性)来进行机器人手臂1的控制。即，当在图像空间坐标中对x轴方向应用算式1时(这里，以目标位置作为图像空间坐标的原点，设d＝0)，假想外力表示如下。

[算式2]

F＝λx(λ是常数)

因此，算式1可变形如下。

[算式3]

x＝{(λ-K_d)x-D_dx}/M_d

这里关于速度，计测并提供端部执行器的x轴方向的实际速度，设定阻抗参数，以使上式的加速度成为目标值，也就是说，不使机器人手臂1产生振动。

另外，在本实施方式中，假想外力F是对端部执行器2的位置与目标位置的差值乘以常数系数来计算的，然而此外还可以采用将所述差值作为变量的函数。

并且，所述的阻抗参数可以使用通过事先测试而预先设定的数值，此外还能根据基于反馈控制的动作中的端部执行器2的运动状态而使所述的阻抗参数可变。

图3示出非接触型阻抗控制的流程图。当在步骤P01(所述步骤S05)开始基于非接触型阻抗控制法的反馈控制程序时，在步骤P02根据机器人手臂1的动作由控制部5计算端部执行器2的速度，在步骤P03利用照相机3取得工件W的图像。

然后在步骤P04，根据所取得的图像，由图像处理部4针对相对于工件W的目标位置的机器人的端部执行器2的位置来计算画面上(图像空间)的坐标。在步骤P05判断计算出的端部执行器2的位置是否是目标位置，在是目标位置的情况下，在步骤P07结束基于非接触型阻抗控制法的反馈控制，进行针对工件W的作业。

通过步骤P05中的判断，在端部执行器2与目标位置之间存在偏差的情况下，在步骤P06提供基于所述计算出的端部执行器2的位置的假想外力F和所述计算出的端部执行器2的速度，根据算式1控制机器人手臂1的动作。然后，再次回到步骤P02，重复这些步骤，直到在步骤P04端部执行器2的位置为所述目标位置。

以下，示出在如上所述从示教回放控制切换到反馈控制来使机器人手臂进行动作的过程中，使用非接触型阻抗控制法和PID控制法作为反馈控制的情况下的实验结果。

图4示出在使用非接触型阻抗控制法作为反馈控制的情况下的端部执行器的移动速度的位置的实测数据例。在从时间0通过示教回放控制使机器人手臂开始动作之后，移动速度上升到一定值，其后在减速途中的定时t1由照相机识别出工件，切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制。在使用非接触型阻抗控制法的本例中，端部执行器在定时t2到达目标位置。并且观察定时t1以后的端部执行器2的移动速度和位置的图形，可知几乎不产生振动，比较平滑地移动。

图5是示出除了使用PID控制作为反馈控制以外，其他的与上述实施例一样当使机器人手臂进行了动作时的端部执行器的移动速度和位置的实测数据例。在从时间0通过示教回放控制使机器人手臂开始移动之后，在定时t1照相机识别出工件，切换到PID控制。另外，图5中的轴的刻度与图4相同。

在使用PID控制的本例中，当观察定时t1以后的移动速度和位置的图形时可知，在t1后立即观察到峰值，在控制切换之后手臂立即产生振动。并且，端部执行器到达目标位置是在到比定时2延迟的定时t3。

即，在PID控制中，在切换到PID控制之后，产生振动(图形上的峰值)，而且控制切换后的收敛时间(位置校正时间)也长。另一方面，在本发明的视觉反馈控制中，不产生振动，收敛时间也比比较例短。

标号说明

1：机器人手臂；2：端部执行器；3：照相机；4：图像处理部；5：控制部；6：机器人基部。

Claims

1.一种机器人手臂的控制方法，该机器人手臂在前端具有端部执行器，该控制方法的特征在于，包括如下步骤：根据存储在控制部的控制部内的程序的指示执行示教回放控制，沿着预先决定的路径移动机器人手臂；利用设在手臂上的工件识别单元识别工件的有无；以及在识别工件的同时，将所述控制部的程序从示教回放控制切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制，追随工件来移动机器人手臂。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂的控制方法，其特征在于，所述工件识别单元是照相机，所述工件的识别是根据所拍摄的图像来进行的。