CN102310258B - 机器人*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人***，对机器人(1)示教焊点位置时，包括：第1处理，使点焊焊枪(2)移动至通过可动电极(21)和固定电极(22)夹着焊点的位置；第2处理，利用马达驱动使可动电极(21)向被焊接部件(W)伸长，根据针对马达的转矩指令检测出可动电极(21)与被焊接部件(W)的接触，检测出接触后使可动电极(21)的动作停止；及第3处理，利用马达驱动保持可动电极(21)与被焊接部件(W)接触的状态，并使机器人(1)向可动电极(21)侧进行动作以使固定电极(22)接近被焊接部件(W)，通过作用于机器人(1)关节的干扰转矩检测出固定电极(22)与被焊接部件(W)的接触，检测出接触后使机器人(1)的动作停止。

Description

机器人***

技术领域

本发明涉及一种用机器人进行规定作业的机器人***，尤其涉及进行点焊的机器人***。

背景技术

关于利用成对的电极从重叠的多个工件的重叠方向两侧夹着重叠的多个工件，通过施加压力并在电极间流过电流而进行接合的点焊，作为现有技术公知有在机器人的前端安装有点焊焊枪的点焊机器人。通过使机器人进行动作而能够使点焊焊枪沿工件上的多个焊点一个一个地移动并进行点焊作业。

点焊焊枪以对置的方式设置有前述成对的电极，广泛使用如下构成的点焊焊枪，一个电极能够向另一个电极方向伸缩。以后，将可伸缩的电极称为可动电极，将另一个电极称为固定电极。

利用具备这种点焊焊枪的机器人进行点焊时，预先对一系列的动作进行示教(teaching)，在执行时使所示教的动作再现(示教再现)。不限于点焊作业，机器人通常具备对作业程序进行示教(teaching)的模式以及执行作业程序的进行再现(示教再现)的模式。

示教时，操作员操作机器人使固定电极、可动电极实际接触工件上的焊接位置，储存此时的机器人、可动电极的位置。

但是，工件形状变得复杂时，示教作业时致使示教者很难确认焊点，机器人的示教作业需要较多的时间和劳力。而且存在如下问题，因机器人的操作失误而导致电极与工件碰撞，从而损坏工件、机器人。

为了解决上述问题，关于点焊机器人的示教具有日本专利第4233584号所公开的方法。

在日本专利第4233584号中采用如下步骤，使可动侧电极触头(tip)移动，并对驱动可动侧电极触头的伺服马达的电流值进行监控，在电流值超过规定值时，则认为可动侧电极触头的前端接触到工件从而使可动侧电极触头的移动停止，测量可动侧电极触头和对置侧电极触头之间的对置触头间隔，从对置触头间隔减去工件的设定板厚而作为对置侧电极触头的移动量，使对置侧电极触头在向可动侧电极触头接近的方向上从等待位置移动至点焊打点位置，正式定位对置侧电极触头。

但是，在专利文献1的方法中需要预先设定工件的厚度(板厚)，需要事先准确地测量所有焊点的工件厚度。

而且在专利文献1中，通过检测可动电极的驱动马达的干扰转矩而检测可动电极与工件的接触，登记示教位置。由于通过可动电极推压工件来检测与工件的接触，因此工件发生弯曲。由于在该弯曲状态下对焊接位置进行示教，因此存在焊接品质变差的问题。

发明内容

于是，本发明的目的在于即使在不知道板厚的情况下，也能够在抑制了工件弯曲的状态下自动地修正点焊机器人的焊点示教位置，使焊接品质提高。

为解决上述问题，本发明是如下构成的。

方案1所述的发明是具有多关节机器人的机器人***，所述多关节机器人具备点焊焊枪，所述点焊焊枪具有固定电极和与所述固定电极对置配置并能够利用马达驱动向所述固定电极方向伸缩的可动电极，所述多关节机器人使所述点焊焊枪移动至被焊接部件的规定焊点，通过所述固定电极和所述可动电极在所述被焊接部件的厚度方向上夹着所述被焊接部件来进行点焊，其特征在于，对所述多关节机器人示教焊点位置时，进行如下处理，包括：第1处理，使所述点焊焊枪移动至通过所述可动电极和所述固定电极夹着所述焊点的位置；第2处理，利用所述马达驱动使所述可动电极向所述被焊接部件伸长，对针对所述马达的转矩指令进行高通滤波处理后，进行陷波滤波处理，通过检测出滤波后的转矩指令值超过预定的阈值而检测出所述可动电极与所述被焊接部件接触，在接触检测后使所述可动电极的动作停止；及第3处理，利用所述马达驱动保持所述可动电极与所述被焊接部件接触的状态，并使所述多关节机器人向所述可动电极侧进行动作以使所述固定电极接近所述被焊接部件，根据针对所述多关节机器人各轴马达的转矩指令和各轴的速度检测值通过干扰观测器求出估计干扰转矩，在对估计干扰转矩进行高通滤波处理后，进行坐标变换，估计作用于所述固定电极的外力，所述估计出的外力值超过预定的阈值而检测出所述固定电极与所述被焊接部件接触，在接触检测后使所述多关节机器人的动作停止。

方案2所述的发明的特征在于，将使所述第3处理完成后的所述可动电极仅以规定的补偿量缩回后的位置以及使所述固定电极向所述可动电极侧仅以所述补偿量进行动作的多关节机器人的各关节位置作为对于所述焊点的示教位置。

方案3所述的发明的特征在于，所述机器人***具备可搬型示教装置，所述第3处理完成后示教所述可动电极的位置时，在所述可搬型示教装置的显示画面上显示距所述可动电极的以前的示教位置的修正量，所述修正量包括所述规定补偿量。

方案4所述的发明的特征在于，在所述第2处理中，对针对所述马达的转矩指令进行高通滤波器处理后，进行陷波滤波器处理，通过使滤波后的转矩指令与预先制定的第1阈值进行比较而检测出所述可动电极与所述被焊接部件的接触。

方案5所述的发明的特征在于，根据所述马达的极数及槽数决定所述陷波滤波器的陷波频率。

方案6所述的发明的特征在于，在所述第2处理中，对所述可动电极的伸长量和滤波处理后的针对所述马达的转矩指令赋予对应并按规定周期预先进行记录，所述第2处理完成后，仅以根据所述记录计算的量使所述可动电极缩回。

方案7所述的发明的特征在于，在所述第3处理中，根据针对所述多关节机器人各轴马达的转矩指令和各轴的速度检测值通过干扰观测器求出估计干扰转矩，在对估计干扰转矩进行高通滤波器处理后，进行坐标变换，估计作用于所述固定电极的外力，通过使所述估计的外力值与预先制定的第2阈值进行比较，可检测出所述固定电极与被焊接部件的接触。

方案8所述的发明的特征在于，在所述第2处理完成后确认所述可动电极的伸长量，检测所述被焊接物的异常，并在所述第3处理完成后确认所述可动电极的伸长量，检测所述被焊接物的异常。

根据本发明，由于对点焊焊枪的可动电极及多关节机器人的各轴自动地进行动作从而通过可动电极和固定电极实际对工件进行加压的状态的位置进行记录，因此不必事先设定板厚便能进行示教，即使在因生产线的变更等而变更板厚时，也能够容易地进行示教点的修正。

而且与以往相比，由于能够对抑制了与可动电极、固定电极的接触所引起的工件的弯曲的状态进行示教，因此可恰当地进行点焊，有利于提高焊接品质。

而且，示教时通过确认可动电极的伸长量能够切实地检测到工件的异常。

附图说明

图1是本发明的机器人***的示意图。

图2是表示机器人的动作轴的示意图。

图3是表示机器人的坐标系的示意图。

图4是表示机器人控制器内的构成的示意图。

图5A至图5E是表示点焊焊枪的加压动作的步骤的图。

图6是本发明的机器人***中的点焊点位置的示教的流程图。

图7是表示第1加压动作时的接触检测的步骤的图。

图8是表示第1加压动作时的接触检测后的焊枪轴缩回的步骤的图。

图9是表示第2加压动作时的接触检测的步骤的图。

图10是表示以机器人的基本轴的干扰转矩为基础的外力估计的情况的图。

图11是表示以机器人的手腕轴的干扰转矩为基础的外力估计的情况的图。

图12A是说明Tz的定义的俯视图；图12B是说明Tz的定义的侧视图。

图13是示教位置修正时的示教器的显示画面的例子。

图14是作业程序再现时的流程图。

图15A、图15B是工件上存在异物的状态。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是模式化表示本实施例的机器人***的构成的图。

图1中，1是具备多个关节轴的垂直多关节型机器人，在前端部上安装有点焊焊枪2。

点焊焊枪2具备相互对置配置的可动电极21和固定电极22，在图的例子中，2个电极上下配置，上侧为可动电极21，下侧为固定电极22。进行点焊时在将被焊接部件(工件)W配置在可动电极和固定电极之间的状态下使可动电极向固定电极的方向伸长，用可动电极和固定电极夹着工件W，利用焊接电源3所供给的电力在电极间流过规定时间的电流。

焊接完成后，使可动电极21向离开固定电极22的方向移动并放开工件W，使机器人进行动作以使点焊焊枪向下一个焊点移动。

这种一系列的动作预先作为作业程序而被示教，并储存在机器人控制器4内。实际作业时操作员从机器人控制器4读出规定的作业程序，并反复执行。

经由电缆与机器人1连接的机器人控制器4除控制驱动机器人各关节轴的驱动器及驱动可动电极的驱动器的位置、速度以外，还向焊接电源3发出指令，或监控焊接电源3向点焊焊枪2供给的电力。在本实施例中作为驱动器使用伺服马达。

5是连接于机器人控制器4的示教器，具备操作按钮51和显示画面52。对机器人1示教作业程序时，通过操作操作按钮51使机器人的各关节轴进行动作，使点焊焊枪取得所希望位置、姿势，并储存于机器人控制器4。而且，也可以通过操作示教器来进行所示教的作业程序的读出、执行开始的指示。

图2是用于说明机器人1的关节轴的构成及点焊焊枪2的可动轴的构成的图。在本实施例中，机器人1具备6个关节轴，为了方便从其基台侧称为S轴、L轴、U轴、R轴、B轴、T轴。各轴沿图2所示的箭头方向进行旋转驱动。也将S轴、L轴、U轴归纳称为基本轴，将R轴、B轴、T轴归纳称为手腕轴。

而且，将点焊焊枪2的可动电极21的驱动轴称为焊枪轴。如前所述，焊枪轴使可动电极21向固定电极22的方向伸缩。通过使机器人1的各关节轴进行动作，能够使前端的点焊焊枪2的位置、姿势进行各种各样的变化。即，能够以各种各样的姿势将点焊焊枪2配置在工件上的各种各样的位置上。

在本实施例中，虽然以具备6个关节轴的机器人为例进行了说明，但是这只不过是一个例子。机器人1也可以具备7个以上的关节轴。如果是不要求点焊焊枪的姿势的自由度的用途，则关节轴也可以是5个以下。

图3中示出针对机器人1、点焊焊枪2所设定的坐标系。机器人坐标系是指以机器人的基台部为原点，使机器人前方为X轴、左方为Y轴、上方为Z轴的正交坐标系。关节坐标系是针对机器人1的各关节所设定的坐标系。图3中仅针对S轴画出关节坐标系。

法兰盘坐标系是设置在机器人前端部的点焊焊枪2的安装面上的正交坐标系。使安装面的法线方向为Z轴。通过驱动机器人的各关节轴，可使基于机器人坐标系的法兰盘坐标系的位置、姿势进行各种各样的变化。

工具坐标系是针对安装于机器人前端部的工具所设定的正交坐标系。工具坐标系的原点、朝向可根据工具的种类而进行各种各样的定义。在本实施例的点焊焊枪中以固定电极22的前端部为原点，使焊枪的前方为X轴，使可动电极方向为Z轴。针对工具坐标系，通过驱动机器人的各关节轴，也能使基于机器人坐标系的位置、姿势进行各种各样的变化。另外，图3中为了说明而分离地画出机器人前端部和点焊焊枪。

而且，robot_flange是表示相对于机器人坐标系的手指法兰盘坐标系的姿势的旋转矩阵，flange_tool是表示相对于法兰盘坐标系的工具坐标系的姿势的旋转矩阵。

图4是模式化表示机器人控制器4内的构成中的本实施例所涉及的部分的图。各部通过***母线41而连接，经由***母线交换所需的信息。

机器人轴控制部42、焊枪轴控制部43分别经由伺服放大器420、430控制机器人1的各关节轴的伺服马达、点焊焊枪2的焊枪轴的伺服马达的位置、速度。在机器人1的各关节轴的伺服马达、点焊焊枪2的焊枪轴的伺服马达上设置有用于检测位置(旋转角度)的编码器(未图示)，各编码器的检测值经由伺服放大器被反馈给各控制部。机器人轴控制部42、焊枪轴控制部43能够根据各编码器的输出而得到各轴的位置、速度。

I/F部44、45是分别与焊接电源3、示教器5的接口部，取得焊接电源3、示教器5的状态，或输出指令。

作业程序·参数存储部46由非易失性存储器构成，存放所示教的作业程序、或控制机器人1、点焊焊枪2所需的各种参数。作为参数的例子，有机器人1的正运动学、逆运动学的运算所需的杆件参数、各关节轴的编码器的分辨率、动作极限位置等。运算处理部47进行如下运算处理，在利用位置速度控制使机器人、点焊焊枪的各轴进行动作时，进行正运动学、逆运动学的运算并按规定周期计算出向机器人轴控制部、焊枪轴控制部输出的指令等。中央处理部48具有统括各部的功能。

接下来，在本实施例的机器人***中，对自动地决定焊点的示教位置时的步骤的概况进行说明。

设想已预先进行针对焊点位置的焊枪轴位置(可动电极的伸长量)、机器人各轴位置(固定电极位置)的大致示教，在今后说明的步骤中更加精度良好地修正焊点的示教位置的情况并进行说明。大致示教是指在针对工件W的点焊焊枪的定位中已完成工具坐标系的X轴、Y轴方向，对于Z轴方向伸长前的可动电极前端和工件W的距离处于可动电极的最大伸长量以内的状态。也可以示教至使可动电极和固定电极与工件W适当接触的状态。

在本实施例的机器人***中，进行作业程序中的焊点的示教时，操作员使机器人移动，如图5A所示，以工件W存在于点焊焊枪2的电极间的方式进行配置，此后通过发出指示，自动地使机器人1的各关节轴及焊枪轴进行动作，调整点焊焊枪2的位置及可动电极21的位置，即使不知道工件W的板厚，也能够进行适当的焊点位置的示教。

在图5A至图5E中示出此时的点焊焊枪2的动作，在图6的流程图中示出处理的流程。对于图5A至图5E，省略机器人1而仅画出点焊焊枪。

首先，图5A示出如下状态，操作员操作示教器5使机器人1进行动作，将点焊焊枪2引导至通过可动电极21和固定电极22夹持工件W上的焊点的位置上。

操作员操作示教器5发出指示，从图5A的状态自动地调整点焊焊枪位置及可动电极位置。

于是，焊枪轴利用速度控制进行动作，可动电极21以规定速度向固定电极22侧伸长(图6的S1)。机器人控制器4根据针对焊枪轴伺服马达的转矩指令检测出可动电极21与工件W的接触(图6的S2)。如图5B当可动电极21与工件W的上面变为抵接的状态而转矩指令值超过预先制定的阈值Th1时，判断为两者已接触(图6的S3的“是”的情况)，使可动电极21的动作停止(图6的S4)。随后，如图5C使可动电极21稍稍缩回(图6的S5)。将这一系列的动作作为第1加压动作。

第1加压动作后对焊枪轴的位置进行确认(图6的S6)，检查工件W上是否存在异物，或者工件W是否在可动电极21的伸缩方向上存在较大的位置偏移。在后面说明焊枪轴位置确认的处理。这里以焊枪轴位置没有问题为前提而进入下一个处理。

接下来，使机器人1的各轴进行动作，使固定电极22向可动电极21移动(图6的S7-1)，进行与工件W的下面的接触检测(图6的S7-2)。由于点焊焊枪整体移动，因此如果不做改变则与工件W的上面抵接的可动电极21会离开工件W。因而，通过对焊枪轴进行位置控制，如图5D，同时进行使可动电极进一步向固定电极侧伸长的动作(图6的S7-4)。在此时的位置控制中，将基于机器人坐标系的可动电极21的位置保持为与第1加压动作完成时一样。

如图5E，检测出可动电极21及固定电极22与工件W接触时(图6的S7-3、S7-6的“是”的情况)，使点焊焊枪2的上升动作及可动电极21的下降动作停止(图6的S8)。将这一系列的动作作为第2加压动作。

图6的S7-6的接触检测与第1加压动作的情况(图6的S3)同样地进行。随后详细说明图6的S3、S7-3的接触检测的方法。

而且，第2加压动作后也对焊枪轴的位置进行确认(图6的S9)，检查工件W上是否存在异物，或者工件W是否在可动电极21的伸缩方向上存在位置偏移。也在后面说明焊枪轴位置确认时的处理。这里以焊枪轴位置没有问题为前提而进入下一个处理。

此后，将停止后的位置上的机器人各轴的位置及焊枪轴的位置作为焊点的示教位置，记录在作业程序·参数存储部46中(图6的S10)。

以上是自动地确定焊点的示教位置的大致的步骤。如前所述，本实施例中通过第1加压动作首先使可动电极21与工件W接触，接下来通过第2加压动作使固定电极22与工件W接触。

由于第2加压动作时，可动电极利用位置控制保持与工件W的接触位置，因此与电极接触所引起的工件W的弯曲量由第1加压动作中可动电极21与工件W接触的力的大小(前述的阈值Th1)决定。

工件W较大地弯曲时，点焊焊枪的加压力未适当地作用在工件W上，或者因工件W的变形而在偏离规定的焊点的位置上进行焊接，成为焊接品质降低的原因。因而，需要较小地抑制减小工件W的弯曲量。为了减小工件W的弯曲量，需要使图6的S3中的可动电极的接触检测的处理简单，在尽可能早的阶段即作用于工件W的力更小时检测出接触并停止焊枪轴的动作。

而且，对于第2加压动作中的接触检测(图6的S7-3)，固定电极对工件W的加压力不适当时也导致焊接品质降低，因此，在第2加压动作时需要在从工件W向点焊焊枪作用有适当的外力时判断为“接触”。因而，下面对第1加压动作、第2加压动作各自的接触检测的方法详细地进行说明。

对本实施例的第1加压动作中的接触检测(图6的S3)的方法进行说明。图7是表示第1加压动作时的接触检测的步骤的示意图。图7中，用虚线包围的部分表示焊枪轴的位置速度控制环路。

已经说明了在第1加压动作中，根据针对焊枪轴伺服马达的转矩指令检测出可动电极21与工件W的接触。

但是，转矩指令包括作用于焊枪轴的重力转矩、摩擦转矩。使转矩指令的不做改变的值与规定阈值进行比较而检测出接触时，不得不将检测阈值设定为较大的值，实际上从发生接触到检测出接触产生延迟。也就是说，使焊枪轴停止需要时间，工件W的弯曲变大。

为了减小检测阈值从而缩短从接触到焊枪轴停止的时间，必须实时补偿重力转矩和摩擦转矩。在本实施例中，首先通过高通滤波器71对第1加压动作时的针对焊枪轴的转矩指令波形进行处理，去除低频成分。通过该处理，去掉转矩指令值所包含的重力、摩擦成分。

对于从高通滤波器71输出的转矩指令，进一步进行陷波滤波器72的处理。利用陷波滤波器72从转矩指令去除焊枪轴伺服马达的转矩脉动成分。陷波频率由焊枪轴伺服马达的极数和槽数以及马达的动作速度(单位时间内的转数)决定。例如将14极、12槽的伺服马达用于焊枪轴，以1000[rpm]进行动作时，基于极数的机械的脉动频率为(14/2)×(1000/60)＝116.67[Hz]。

而且，基于槽数的电流所引起的脉动频率为12×(1000/60)＝200[Hz]。对它们进行合成后的脉动频率为(14/2)×12×(1000/60)＝1400[Hz]。

而且，转矩指令中还包含上述频率的2倍、3倍…整数倍的高频成分。通过陷波滤波器72去掉这种转矩脉动成分后，与阈值Th1进行比较(图7的73)。滤波后的转矩指令超过阈值Th1时，判断为可动电极21已与工件W接触(图7的74、图6的S3)，使焊枪轴的动作停止(图6的S4)。另外，作为用于决定陷波频率的焊枪轴伺服马达的极数、槽数，可以使用预先作为参数记录在机器人控制器4内的作业程序·参数存储部46中的值。

通过高通滤波器71去掉转矩指令中所包含的重力、摩擦成分，进而通过陷波滤波器72去掉转矩脉动，因此，作为用于接触检测的阈值Th1可以设定较小的值。即能够减小接触检测的延迟。

但是，即使进行这种处理，也因控制延迟等的影响而在检测到可动电极21与工件W接触之前的时刻可动电极21已经与工件W接触，在使焊枪轴停止的时刻工件W被可动电极21推压而弯曲。

因而在焊枪轴的动作停止后，使焊枪轴反转稍稍缩回可动电极21。利用图7、图8说明焊枪轴缩回量的决定方法。第1加压动作时以规定的周期预先记录滤波后的转矩指令和焊枪轴位置(图7的75)。转矩指令超过阈值Th1使焊枪轴的动作停止后，根据所记录的转矩指令和焊枪轴位置的数据求出转矩指令达到阈值Th1的规定比率的时刻。在图8的例子中为阈值Th1的25％。

取得转矩指令为阈值Th1的25％时刻的焊枪轴位置，使可动电极21缩回至该位置。如此，通过从检测出接触而停止的位置使可动电极21稍稍缩回，能够减小工件W的弯曲，示教适当的焊枪轴位置。

另外，也可以将阈值Th1、使可动电极21稍稍缩回时所使用的阈值Th1的规定比率这样的值预先作为参数设定在作业程序·参数存储部46中。

以上是第1加压动作中的接触检测的方法。

接下来，对第2加压动作中的接触检测的方法进行说明。在第2加压动作中检测出固定电极22与工件W的接触。固定电极22没有可动电极21那样的驱动部分，无法根据焊枪轴的伺服马达的转矩指令检测出接触。因此，利用对包括固定电极的点焊焊枪本体进行支撑的机器人1的状态量检测出与工件W的接触。此时，利用对作用于机器人1的干扰转矩进行估计的干扰观测器。

图9是表示第2加压动作时的接触检测的步骤的示意图。图9中，用虚线包围的部分表示机器人各轴的位置速度控制环路。

首先，根据针对机器人1各关节轴的转矩指令及位置反馈值，用干扰观测器91估计作用于负载侧(点焊焊枪)的干扰转矩。由于所估计的干扰转矩还包含重力、摩擦所引起的转矩，因此在干扰观测器91内还通过动态运算进行重力所引起的转矩的补偿。

接下来，通过高通滤波器92对干扰观测器91的输出进行处理，去除低频成分。由此去除摩擦所引起的转矩。

由于通过上述步骤针对重力、摩擦而被补偿的干扰转矩基于机器人1各轴的关节坐标系，因此通过坐标变换(图9的93)将其变换为焊枪开闭方向(工具坐标系的Z轴)的外力估计值。

在此，作为作用在工具坐标系的Z轴方向上的外力估计方法的一个例子，说明如下方法，即求出基于机器人基本轴(S轴、L轴、U轴)的干扰转矩的外力估计值以及基于手腕轴(R轴、B轴、T轴)的3个轴各自的干扰转矩的外力估计值，从而利用它们的平均值的方法。

首先，利用图10对基于机器人基本轴(S轴、L轴、U轴)的干扰转矩的外力估计进行说明。将基本轴的关节坐标系的干扰转矩变换为工具坐标系的Z轴方向的外力估计值的运算可以大致分为以下2个阶段。

(1)使用雅可比转置逆矩阵(J^T)^-1，将机器人1的基本轴(S轴、L轴、U轴)的各关节坐标系干扰转矩τs、τl、τu变换为机器人坐标系的外力估计值。

(2)通过旋转矩阵robot_flange及工具旋转矩阵flange_tool，将机器人坐标系的外力变换为工具坐标系的Z轴方向的外力。

首先，说明上述(1)的步骤。

(1)从关节坐标系干扰转矩向机器人坐标系外力估计值的变换

前述的雅可比矩阵J是表示机器人的关节坐标系和正交坐标系之间的微小位移关系的矩阵。通过使用雅可比矩阵J的转置矩阵J^T，能够将正交坐标系的力F变换为关节坐标系的转矩τ。而且，通过求出转置矩阵的逆矩阵(J^T)^-1，能够将关节坐标系的转矩τ变换为正交坐标系的力F。(式1)中示出如本实施例这样的6轴机器人的情况的雅可比矩阵J的运算方法。

$J=\left(\begin{array}{cccccc}s_1^0\×(P_E^0-P_1^0)& s_2^0\×(P_E^0-P_2^0)& s_3^0\×(P_E^0-P_3^0)& s_4^0\×(P_E^0-P_4^0)& s_5^0\×(P_E^0-P_5^0)& s_6^0\×(P_E^0-P_6^0)\\ s_1^0& s_2^0& s_3^0& s_4^0& s_5^0& s_6^0\end{array}\right)$

                                   ···(式1)

这里，⁰s_i：第i关节坐标的旋转方向矢量(机器人基座坐标基准)

⁰P_i：第i关节位置矢量(机器人基座坐标基准)

×：矢量积

E：机器人的工具前端(或者外力的作用点)的位置矢量

求出的雅可比矩阵J为3×3矩阵，为了方便如(式2)这样示出矩阵元。

$J=\left(\begin{array}{ccc}A& B& C\\ D& E& F\\ G& H& I\end{array}\right)$          ···(式2)

而且，雅可比矩阵J的转置矩阵J^T可以如(式3)这样表现。

$J^T=\left(\begin{array}{ccc}A& D& G\\ B& E& H\\ C& F& I\end{array}\right)$           ···(式3)

通过求出该雅可比转置矩阵J^T的逆矩阵，可得到雅可比转置逆矩阵(J^T)^-1。利用(式4)求出雅可比转置矩阵J^T的行列式det(J^T)。

det(J^T)＝A*E*I+B*F*G+C*D*H-A*F*H-B*D*I-C*E*G

···(式4)

可以使用(式4)的雅可比转置矩阵J^T的行列式det(J^T)，如(式5)这样求出雅可比转置逆矩阵(J^T)^-1。

${\left(J^T\right)}^{-1}=\frac{1}{\det \left(J^T\right)}\left(\begin{array}{ccc}E*I-F*H& C*H-B*I& B*F-C*E\\ F*G-D*I& A*I-C*G& C*D-A*F\\ D*H-E*G& B*G-A*H& A*E-B*D\end{array}\right)$   ···(式5)

因而，使机器人基本轴(S轴、L轴、U轴)的关节坐标系的干扰转矩为，τobs＝[τs、τl、τu]^T                       ···(式6)

但是，使τobs：关节坐标系中的干扰转矩矢量

τs：S轴的关节坐标系的干扰转矩

τl：L轴的关节坐标系的干扰转矩

τu：U轴的关节坐标系的干扰转矩

使机器人坐标系中的外力估计值为，

Fobs_robot＝[Fx、Fy、Fz、]^T         ···(式7)

但是，使Fobs_robot：力矢量

F：机器人坐标系中的平移力

可通过(式8)求出机器人坐标系的外力估计值。

Fobs_robot＝(J^T)^-1·τobs         ···(式8)

对于机器人的姿势变化通过运算(式5)(式8)，可在机器人的整个动作区域求出机器人坐标系的外力估计值Fobs_robot。

接下来说明上述(2)的步骤。

(2)从机器人坐标系经由法兰盘坐标系向工具坐标系的变换

可以用下面的(式9)表示旋转矩阵robot_flange，该旋转矩阵robot_flange表示相对于机器人坐标系的手指法兰盘坐标系的姿势。

robot_flange＝⁰R₁ ¹R₂ ²R₃ ³R₄ ⁴R₅ ⁵R₆ ⁶R_T  ···(式9)

这里，ⁿR_n+1是从n坐标系至(n+1)坐标系的3×3旋转矩阵。

而且，可以利用(式10)根据操作者所设定的工具姿势(Rx、Ry、Rz)[deg]得到表示相对于法兰盘坐标系的工具坐标系的姿势的旋转矩阵flange_tool。操作者可以操作示教器作为工具信息而设定工具姿势。但是，从固定电极观察时可动电极的方向是+Z方向。

$\begin{array}{c}\mathrm{flange}\_\mathrm{tool}=\\ \left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Ry}*\cos \mathrm{Rz}& \sin \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Ry}*\cos \mathrm{Rz}-\cos \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Rz}& \cos \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Ry}*\cos \mathrm{Rz}*+\sin \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Rz}\\ \cos \mathrm{Ry}*\sin \mathrm{Rz}& \sin \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Ry}*\sin \mathrm{Rz}+\cos \mathrm{Rx}*\cos \mathrm{Rz}& \cos \mathrm{Rx}*\sin \mathrm{Ry}*\sin \mathrm{Rz}-\sin \mathrm{Rx}*\cos \mathrm{Rz}\\ -\sin \mathrm{Ry}& \sin \mathrm{Rx}*\cos \mathrm{Ry}& \cos \mathrm{Rx}*\cos \mathrm{Ry}\end{array}\right)\end{array}$

                                 ···(式10)

可以使用这2个旋转矩阵robot_flange和flange_tool各自的转置矩阵，根据机器人坐标系的外力估计值Fobs_robot如(式11)这样求出工具坐标系中的外力估计值Fobs_tool[SLU]。

Fobs_tool[SLU]＝(flange_tool)^T·(robot_flange)^T·Fobs_robot  ···(式11)

在上述步骤中，进行基于机器人基本轴(S轴、L轴、U轴)的干扰转矩的外力估计。

接下来，对手腕轴的外力估计进行说明。

对于手腕轴3个轴(R轴、B轴、T轴)，由于能够用几何学求出作用在点焊焊枪2上的力怎样作用于手腕的关节各轴，因此相反根据关节各轴(R轴、B轴、T轴)的干扰转矩求出作用在点焊焊枪2上的外力估计值Fobs_tool。

如图2、图3所示，将点焊焊枪2安装在机器人前端部上时，在工具坐标系的Y轴方向上不存在偏移时，如果外力作用在点焊焊枪2上，则转矩作为干扰而作用在R轴和B轴上。在接触检测中，仅将外力中作用在焊枪开闭方向上的成分作为检测的对象，而忽略相对于焊枪开闭方向垂直的成分，因此，转矩没有作用在T轴上。

利用图11以B轴的运算为例进行说明。如以下的(式12)所示，将作用在焊枪开闭方向上的外力Fobs_tool[B]投影在与B轴正交的平面上的力，与用B轴的干扰转矩τobs[B]除以点焊焊枪2的控制点(固定电极22的前端)至B轴旋转中心的距离Tz所得到的力大小相同。

在此，在图12中示出Tz的定义。图12A是俯视图，图12B是侧视图。包括点焊焊枪2的控制点(固定电极22的前端)的与B轴的转轴平行的平面和B轴的转轴的距离为Tz。即使B轴、T轴旋转，Tz的大小也不发生变化。

Fobs_tool[B]·cosθt＝τobs[B]/Tz  ···(式12)

这里，θt是T轴的旋转角度。

由此，可以如(式13)这样，根据作用在B轴上的转矩求出作用在点焊焊枪2的开闭方向上的外力Fobs_tool[B]。

$\mathrm{Fobs}\_\mathrm{tool}\left[B\right]=\frac{\mathrm{\τobs}\left[B\right]}{\mathrm{Tz}\·\cos \mathrm{\θt}}$            ···(式13)

对于R轴也一样，可如(式14)这样求出作用在焊枪开闭方向上的外力Fobs_tool[R]。

$\mathrm{Fobs}\_\mathrm{tool}\left[R\right]=\frac{\mathrm{\τobs}\left[R\right]}{\mathrm{Tz}\·\cos \mathrm{\θb}\·\sin \mathrm{\θt}}$        ···(式14)

这里，τobs[R]是R轴的干扰转矩，θb是B轴的旋转角度，θt是T轴的旋转角度。

对如此求出的Fobs_tool[SLU]、Fobs_tool[B]、Fobs_tool[R]进行平均(图9的94)，与预先制定的外力的阈值Th2进行比较(图9的95)，如果外力估计值超过阈值Th2，则判断为固定电极已与工件W接触(图6的S7-3)，使机器人的动作停止。

在本实施例中，虽然分为基本轴3个轴和手腕轴3个轴，使各自进行的外力估计处理的结果平均与阈值进行比较，但是如前所述这只不过是一个例子。作为其它方法，也可以对基于机器人的基本轴(S轴、L轴、U轴)、手腕轴(R轴、B轴、T轴)的各干扰转矩的外力估计值的绝对值进行累计，对该累计值和阈值进行比较，检测出固定电极22与工件W的接触。

以上是第2加压动作中的接触检测的方法。

通过机器人1的动作，固定电极22向可动电极21侧移动以进行接触检测的期间，可动电极21如图6的S7-4至S7-6，利用位置控制向固定电极22侧进行动作，并且与第1加压动作时一样比较对转矩指令滤波后的结果和阈值Th1，在检测出接触时可动电极21停止。但是，此时不进行接触后的可动电极21的缩回。

通过上述步骤，即使不知道工件W的板厚，也能够进行适当的焊点位置的示教，而且能够对抑制了因可动电极、固定电极所引起的工件W的弯曲的状态进行示教。

以上说明的第1加压动作、第2加压动作完成后，工件W处于被点焊焊枪的可动电极21、固定电极22适当地夹持的状态。

机器人处于示教模式时，在图6的S9为止的一系列处理结束后在示教器的画面52上显示如图13的画面，催促操作者示教现在位置。

图13中检测量是指大致示教的焊枪轴位置与利用第1加压动作、第2加压动作决定的现在的焊枪轴位置的差分。使工具坐标的Z轴方向为正，图13的检测量-1.5mm表示可动电极21与大致示教的情况相比在向下方伸长1.5mm的状态下与工件W接触。

而且，补偿量表示为了减小因可动电极所引起的工件W的弯曲，而使可动电极21缩回的量。对第1加压动作时也使可动电极稍稍缩回以抑制弯曲(图6的S5)的情况进行了说明。而且，为了减小工件W的弯曲，作为示教位置储存焊枪轴位置时，储存使可动电极从实际位置进一步向上方仅缩回补偿量这么多的位置。另外，对于机器人的各轴，也储存使固定电极从实际位置向可动电极侧仅移动补偿量这么多时的位置。检测量和补偿量的和是距大致的示教位置的修正量。

操作者选择“是”时，考虑了补偿量的机器人的各轴及焊枪轴的位置作为作业程序所附带的焊点的示教位置信息而储存在机器人控制器4的作业程序·参数存储部46中。

操作者操作示教器5，使机器人1向下一个焊点移动，同样修正下一个焊点的示教位置即可。

由于在示教器的显示画面上显示示教位置的修正量，因此操作者能够简单地掌握各焊点的修正量，即使焊枪轴的示教位置出现异常时，也能够立即察觉并进行应对。

接下来，利用图14对第1加压动作后、第2加压动作后的焊枪轴位置确认的处理进行说明。

如前所述，在本实施例中如图5A所示，机器人移动至由可动电极21和固定电极22夹着工件W上的焊点的位置后，自动地进行第1加压动作。虽然是与图6同样的处理，但是在图14中归纳为一个而作为S11示出。检测出可动电极21与工件W的接触时，在使焊枪轴停止后稍稍缩回。

取得此时的焊枪轴的位置(可动电极21伸长的长度)(图14的S12)，对大致示教中记录的焊枪轴位置和现在的焊枪轴位置进行比较(图14的S13)。当两者的差比规定的阈值Th3大时(图14的S14中“否”的情况)，则如图15A，工件W上存在异物，作为工件W的位置向可动电极21的伸缩方向发生偏移而产生警报，使机器人的动作停止(图14的S15)。图15A示出由于工件W上存在异物W′因而在可动电极21几乎没有伸长的状态下检测出接触的情况。

如果两者的差在阈值以下，则作为可容许的误差范围继续进行第2加压动作。虽然是与图6同样的处理，但是在图14中作为S16示出。

第2加压动作中进行接触检测使可动电极21和固定电极22停止时，也取得焊枪轴的位置(可动电极21伸长的长度)(图14的S17)，对大致示教中记录的焊枪轴位置和现在的焊枪轴位置进行比较(图14的S18)。当两者的差比规定的阈值Th4大时(图14的S19中“否”的情况)，则如图15B，工件W上存在异物，作为工件W的位置向可动电极21的伸缩方向发生偏移而产生警报，使机器人的动作停止(图14的S20)。图15B示出虽然工件W上存在异物W′，但是由于工件W自身的位置也发生偏移，因此在第1加压动作时判断为可动电极21的位置恰当，而第2加压动作后在可动电极21没有充分伸长的状态下检测出接触的情况。

这种阈值Th3、Th4也可以预先记录在作业程序·参数存储部46中。

如果两者的差在阈值以下，则作为可容许的误差范围，作为对现时点的机器人各轴的位置和焊枪轴位置进行了补偿的示教位置，代替已记录的示教位置记录在作业程序·参数存储部46中(图14的S21、图6的S10)。

第1加压动作后、第2加压动作后分别进行焊枪轴位置确认，因此，即使工件W存在异常时也能够立即察觉并进行应对。

Claims (6)

1.一种具有多关节机器人的机器人***，所述多关节机器人具备点焊焊枪，所述点焊焊枪具有固定电极和与所述固定电极对置配置并能够利用马达驱动向所述固定电极方向伸缩的可动电极，所述多关节机器人使所述点焊焊枪移动至被焊接部件的规定焊点，通过所述固定电极和所述可动电极在所述被焊接部件的厚度方向上夹着所述被焊接部件来进行点焊，其特征在于，

对所述多关节机器人示教焊点位置时，进行如下处理，包括：

第1处理，使所述点焊焊枪移动至通过所述可动电极和所述固定电极夹着所述焊点的位置；

第2处理，利用所述马达驱动使所述可动电极向所述被焊接部件伸长，对针对所述马达的转矩指令进行高通滤波处理后，进行陷波滤波处理，通过检测出滤波后的转矩指令值超过预定的阈值而检测出所述可动电极与所述被焊接部件接触，在接触检测后使所述可动电极的动作停止；

及第3处理，利用所述马达驱动保持所述可动电极与所述被焊接部件接触的状态，并使所述多关节机器人向所述可动电极侧进行动作以使所述固定电极接近所述被焊接部件，根据针对所述多关节机器人各轴马达的转矩指令和各轴的速度检测值通过干扰观测器求出估计干扰转矩，在对估计干扰转矩进行高通滤波处理后，进行坐标变换，估计作用于所述固定电极的外力，所述估计出的外力值超过预定的阈值而检测出所述固定电极与所述被焊接部件接触，在接触检测后使所述多关节机器人的动作停止。

2.根据权利要求1所述的机器人***，其特征在于，将使所述第3处理完成后的所述可动电极仅以规定的补偿量缩回后的位置以及使所述固定电极向所述可动电极侧仅以所述补偿量进行动作的多关节机器人的各关节位置作为对于所述焊点的示教位置。

3.根据权利要求2所述的机器人***，其特征在于，所述机器人***具备可搬型示教装置，

所述第3处理完成后示教所述可动电极的位置时，在所述可搬型示教装置的显示画面上显示距所述可动电极的以前的示教位置的修正量，所述修正量包括所述规定补偿量。

4.根据权利要求1或2所述的机器人***，其特征在于，根据所述马达的极数及槽数决定所述陷波滤波器的陷波频率。

5.根据权利要求1或2所述的机器人***，其特征在于，在所述第2处理中，对所述可动电极的伸长量和滤波处理后的针对所述马达的转矩指令赋予对应并按规定周期预先进行记录，

所述第2处理完成后，仅以根据所述记录计算的量使所述可动电极缩回。

6.根据权利要求1或2所述的机器人***，其特征在于，在所述第2处理完成后确认所述可动电极的伸长量，检测所述被焊接物的异常，

并在所述第3处理完成后确认所述可动电极的伸长量，检测所述被焊接物的异常。