CN103302667B - 机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制*** - Google Patents

Abstract

提供机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制***。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。

Description

机器人控制方法、机器人控制装置和机器人控制***

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***，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***。

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***，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离心力或科里奥利力之一、惯性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通过加上预定值而连续改变时，至少基于每个连杆的关节轴的离心力或科里奥利力之一、惯性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通过加上预定值而连续改变时，至少基于每个连杆的关节轴的离心力或科里奥利力之一、惯性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离心力或科里奥利力之一、惯性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***，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***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通过加上预定值而连续改变时，至少基于每个连杆的关节轴的离心力或科里奥利力之一、惯性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***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***的***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(crossedcircle)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。

$\begin{array}{c}q=(q_1,q_2,\mathrm{...},q_7)\\ X=(x,y,z,a,b,c)\end{array}\mathrm{...}\left(1\right)$

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。

$\begin{array}{c}{q}_1=f_1(X,\mathrm{\φ})\\ q_2=f_2(X,\mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ .\\ q_7=f_7(X,\mathrm{\φ})\end{array}\mathrm{...}\left(2\right)$

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。

$\begin{array}{c}\mathrm{\τ}=\frac{1}{u}\{\underset{k=j}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}tr\left(\frac{{\∂}^0{T}_k}{\∂q_j}{\hat{H}}_k\frac{{\∂}^0{T_k}^T}{\∂q_i}\right){\stackrel{\·\·}{q}}_j\\ +\underset{k=j}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{m=1}{\overset{k}{\Σ}}tr\left(\frac{{\∂}^{20}{T}_k}{\∂q_j\∂q_m}{\hat{H}}_k\frac{{\∂}^0{T}_k^T}{\∂q_i}\right){\stackrel{\·}{q}}_j{\stackrel{\·}{q}}_m-\underset{j=i}{\overset{n}{\Σ}}{m}_j{g}^T\frac{{\∂}^0{T}_j}{\∂q_j}{\hat{s}_j}_j\}\\ +({\mathrm{\γ}}_{q,i}+{\mathrm{\λ}}_{C,i}\·{\stackrel{\·}{q}}_i)+I_i{\stackrel{\·\·}{q}}_i\end{array}\mathrm{...}\left(3\right)$

在上面的方程式(3)中，q_i是关节i的角度，是关节i的角速度，是关节i的角加速度，n是连杆的数目，k是连杆k(k＝1-7)，T是转置矩阵，tr是矩阵的迹(对角和)，以及u是减速器的减速比(已知)。基于所获得的关节角度q_i以及在步骤S10中所设置的速度数据来计算关节i的角速度和角加速度。

将更详细地描述第一项的惯性力。

(关于第一项)

齐次变换矩阵⁰T_k从世界坐标Σ₀至k轴对q_j求偏微分。

齐次变换矩阵的偏微分可以如下展开。

$\frac{{\∂}^0{T}_k}{\∂q_j}={T_0}_1{T_1}_2\mathrm{...}{T_{j-2}}_{j-1}\frac{{\∂}^{j-1}{T}_j}{\∂q_j}{T_j}_{j+1}\mathrm{...}{T_{k-1}}_k$

此外，在旋转致动器诸如电动机的情况下，

其中，并且齐次变换矩阵的偏微分可以由齐次变换矩阵与Δ的乘积表示。

伪惯性矩阵

伪惯性矩阵(4×4)根据惯性矩阵获得，并且因此鉴于连杆的特性如下来表示。

${\hat{H}}_k=\left(\begin{array}{cccc}\frac{-{\hat{I}}_{ixx}+{\hat{I}}_{iyy}+{\hat{I}}_{izz}}{2}& H_{ixy}& {\hat{H}}_{ixz}& m_i{\hat{s}}_{ix}\\ {\hat{H}}_{ixy}& \frac{{\hat{I}}_{ixx}-{\hat{I}}_{iyy}+{\hat{I}}_{izz}}{2}& {\hat{H}}_{iyz}& m_i{\hat{s}}_{iy}\\ {\hat{H}}_{ixz}& {\hat{H}}_{iyz}& \frac{{\hat{I}}_{ixx}+{\hat{I}}_{iyy}-{\hat{I}}_{izz}}{2}& m_i{\hat{s}}_{iz}\\ m_i{\hat{s}}_{ix}& m_i{\hat{s}}_{iy}& m_i{\hat{s}}_{iz}& m_i\end{array}\right)$

这里，根据从连杆坐标系Σi所观看的，连杆i的质心的位置为

${\hat{s}_i}_i={\[{\hat{s}}_{ix},{\hat{s}}_{iy},{\hat{s}}_{iz},1\]}^T.$

在这一点上，

连杆i的质心位置的坐标系Σi的x坐标

连杆i的质心位置的坐标系Σi的y坐标

连杆i的质心位置的坐标系Σi的z坐标

其中m_i是连杆i的质量，以及dm是连杆i上的某一点r的微小质量。

连杆i的某一点的位置被表示为

惯性矩

惯性乘积

在这一点上，类似地表示。

(关于第二项)

j≤m≤k

(关于第三项)

g＝[g_x,g_y,g_z,0]^T：世界坐标系(参考坐标系)Σ₀上的重力加速度向量。

(关于第四项)

γ_q：库伦摩擦(已知)

γ_c：粘滞摩擦(已知)

(关于第五项)

第五项中的I_i：电动机的输出轴的惯性矩，该电动机的输出轴也作为减速器的输入轴。

在存储单元94中存储被示为“已知”的参数等。

如果完成了设置在每个关节轴上的电动机的负载转矩的计算，那么CPU91进行到步骤S25。在步骤S25中，如果姿态参数φ小于预设的上限φmax，那么CPU91返回到步骤S22。如果姿态参数φ等于或大于预设的上限φmax，那么CPU91进行到步骤S26。上限φmax预先通过测试等设置。

在步骤S26中，CPU91计算在步骤S24中所计算的每个负载转矩与每个关节轴的电动机的预先存储在存储单元94中的额定转矩的比率(负载转矩/额定转矩)，并且得到根据其来计算提供最小比率的负载转矩的姿态参数φ。

现在返回参照图4的流程图。在步骤S30中，CPU91通过已知的方法、以根据其来计算提供最小比率的负载转矩的姿态参数φ，计算导致产生最小比率的负载转矩的转矩前馈值、即用于生成上述负载转矩的电动机电流值。

在步骤S40中，CPU91将所计算的转矩前馈值提供至为用于实现在步骤S10中被设置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，并且为PWM发生器51至57中的每个PWM发生器生成设置有转矩前馈值的控制命令来作为当前控制周期的命令。PWM发生器51至57基于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PWM发生器51至57的输出信号来致动或操作各个关节轴的第一伺服电动机41至第七伺服电动机47，由此旋转相应的连杆12至18。

在步骤S50中，CPU91基于来自各个旋转编码器71至77的检测信号，判定末端执行器是否已经达到最终目标位置和最终目标姿态(即，最终的目标位置和姿态)。如果判定出末端执行器尚未达到最终的目标位置和姿态，那么CPU91返回到步骤S10；并且如果判定出末端执行器已经达到作业程序的最终目标位置和姿态，那么CPU91结束该流程。CPU91在返回到步骤S10时设置在作业程序中所描述的下一末端执行器的位置和姿态以及速度数据。

本实施方式具有以下特征。(1)本实施方式的控制方法是控制机器人的方法，该机器人具有：机械手10，该机械手10包括在各个关节轴(J1轴至J7轴)处耦接的多个连杆即第一连杆11至第八连杆18；以及相对于作业自由度冗余的一个冗余自由度，其中关节轴由针对每个关节所设置的第一伺服电动机41至第七伺服电动机47(旋转致动器)驱动。根据该控制方法，在将末端执行器的位置和姿态设置为目标值的约束下，当由冗余自由度所允许的连杆的位置和姿态改变时，基于施加至每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、重力、摩擦转矩以及致动器惯性转矩来计算负载转矩。然后，当连杆的位置和姿态改变时，获得使负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态。然后，将前馈值提供至或加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第一伺服电动机41至第七伺服电动机47所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。因此，根据本实施方式的控制方法，利用冗余自由度可以提高可控性，并且可以将第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的转矩容量减小至所必需的最低限度；因此，可以减小第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的尺寸，因而实现机器人尺寸的减小。

(2)在本实施方式的控制方法中，在末端执行器的位置和姿态作为目标值的约束下，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φ顺序改变时，基于施加至每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、重力、摩擦转矩以及致动器惯性转矩来计算负载转矩。然后，当姿态参数φ改变时，获得使负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47(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。然后，将前馈值提供至或加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第一伺服电动机41至第七伺服电动机47所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。因而，产生与上述(1)中所描述的效果类似的效果。

(3)本实施方式的控制方法特征在于负载转矩包括摩擦转矩。因此，根据本实施方式的其中摩擦转矩包括在负载转矩中的控制方法，可以进一步提高可控性的精度。

(4)本实施方式的机器人控制装置包括CPU91(负载转矩计算单元)，该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φ顺序改变时，基于施加至每个连杆的关节轴的惯性力、离心力或科里奥利力、重力、摩擦转矩以及致动器惯性转矩来计算负载转矩。此外，CPU91用作连杆姿态计算单元，该连杆姿态计算单元在姿态参数φ改变时，获得使负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47(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。

此外，CPU91用作提供单元，该提供单元将前馈值提供至或加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第一伺服电动机41至第七伺服电动机47所生成的控制命令，该前馈值导致在负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的额定转矩的比率成为最小时所获得的每个负载转矩。因此，根据本实施方式，利用冗余自由度可以提高可控性，并且可以将第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的转矩容量减小至所必需的最低限度；因此，得到的机器人控制装置实现了第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的尺寸的减小，并且因而减小了机器人的尺寸。

(5)本实施方式的机器人控制装置的CPU91(负载转矩计算单元)计算包括摩擦转矩以及每个连杆的关节轴的惯性转矩、离心力或科里奥利力、以及重力的负载转矩。因此，根据本实施方式的其中摩擦转矩包括在负载转矩中的机器人控制装置，可以进一步提高可控性的精度。

本发明不限于所示出的实施方式，实施方式可以如下进行变化或修改。在所示出的实施方式中，在步骤S10至S50的处理中以及在步骤S21至步骤S26的处理中，在执行作业程序期间，实时执行使负载转矩与额定转矩的比率成为最小的姿态的获得。然而，该控制方法可以由根据本发明的一种实施方式的机器人控制***替代。

更具体地，如图6所示，连接至控制器RC的、用于与控制器RC通信的计算机100(例如，比控制器RC的级别更高的计算机)通过仿真来执行由教示再现方法所创建的作业程序，使得计算机100用作负载转矩计算单元，并且在末端执行器的位置和姿态作为作业程序的步骤中所描述的目标值的约束下，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。根据所示出的实施方式，负载转矩还可以包括摩擦转矩和致动器惯性转矩中的至少一个。因此，计算机100在姿态参数φ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位置和姿态。虽然为了方便说明在图6的控制器RC中仅示出CPU91和存储单元94，但是图6的控制器RC具有与所示出的实施方式的构造相同的构造。

将使所获得的负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47的额定转矩的比率成为最小的连杆的位置和姿态从外部计算机100传输至控制器RC，并且将其与在作业程序中所描述的多个步骤中的每个步骤相关联地存储在存储单元94中。在这一点上，在作业程序中所描述的多个步骤中描述教示点、教示姿态以及速度数据。

然后，当执行作业程序时，控制器RC的CPU91如所示的实施方式一样用作提供单元。即，CPU91将前馈值提供至或加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第一伺服电动机41至第七伺服电动机47(旋转致动器)所生成的控制命令，该前馈值导致当存储在存储单元94中的负载转矩与第一伺服电动机41至第七伺服电动机47(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。

另外，以此方式，可以产生与所示出的实施方式提供的效果基本相同的效果。虽然在所示出的实施方式中将作为伺服电动机的AC电动机用作致动器，但是也可以将DC(直流)电动机、步进电动机等用作致动器。

尽管在示出的实施方式中在方程式(3)中将第四项的摩擦转矩以及第五项的致动器惯性转矩加至负载转矩，但是也可以不将摩擦转矩和致动器惯性转矩中的一个转矩、或者摩擦转矩和致动器惯性转矩两者加至负载转矩。在此情况下，可控性与所示出的实施方式的可控性相比可能会稍微劣化，但是与现有技术的可控性相比却可以是提高的。

尽管在所示出的实施方式中机器人(或机械手)具有一个冗余自由度，但是本发明可以适用于用于控制具有两个或更多个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。

Claims (5)

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离心力和科里奥利力之一、惯性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通过加上预定值而连续改变时，至少基于每个连杆的关节轴的离心力或科里奥利力之一、惯性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通过加上预定值而连续改变时，至少基于每个连杆的关节轴的离心力或科里奥利力之一、惯性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离心力或科里奥利力之一、惯性力以及重力之外还包括摩擦转矩的负载转矩。