CN1067001C - 机器人控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机器人控制方法，在位置控制与柔性控制之间进行转换。在进行从位置控制向柔性控制转换时，停止速度控制***的积分运算。然后将速度控制***的一个积分值存入一个存储器，同时，把所述积分值与一个力矩参考相加，或把根据一个机器人手臂的关节角、机器人的连接质量及其重心计算出的重力补偿值与该力矩参考相加。在从柔性控制向位置控制回复时 ，把一个当前位置处理为一个指令位置。

Description

机器人控制方法
本发明涉及一种在位置控制与柔性控制之间转换时进行工作的机器人的控制方法。
另外，本发明涉及一种机器人或类似物的柔性控制方法，尤其涉及一种能根据一个工作坐标系中的力与力矩的设定值来限制用于驱动关节的伺服电动机的生成力的机器人柔性控制方法，特别是本发明涉及一种能在有外力施加于其上时灵活地跟随外力的机器人柔性控制方法，跟随动作是通过限制位置速度控制***的增益或通过限制根据力矩极值生成驱动关节的伺服电动机的力来实现的，本发明尤其还涉及一种控制位置速度控制***的增益或者通过力矩控制来限制控制关节的伺服电动机的生成力的柔性控制方法，通过所述的控制工作与限制工作，改变了用来控制机器人的仪器中柔性控制***对于一个外力的柔性。还有，本发明涉及一种能够在机器人的柔性控制期间监视伺服偏差并在异常工作时中断工作或将这种工作变成另一种工作的伺服控制机器人柔性控制方法。
图1表示出一个电动机的位置/速度控制***，它已广泛地用于控制机器人的关节。参考符号“S”代表一个拉普拉斯算符。
在该位置/速度控制***中，将速度控制环增益Kv111和位置环增益Kp110设定得尽可能高，以便进行与摩擦力和外力相反的位置控制。另外，使积分器113与比例控制器112并联，由此进行控制以改善其特性。采用这样一种控制***，甚至在有外力的情况下也能够准确地将机器人的末端定位于它们的目标位置。
但是，前述机器人不能解决在接受一个从外部施加的强力时进行工作的应用问题。例如，在传统的位置控制机器人要进行灵活地接收从外部机器施加的力的工作并且通过机器人抓取和推动工件的情况下，要完成这些工作会很困难。
具体地说，当在这种控制***中进行涉及与工件相接触的工作时，速度控制环的输出值即力矩参量变大，从而在发生工件的位置偏移时产生过载状态，这是因为将增益设定为一个较大的值以便增强积分器的稳定性和作用。这样，会很难进行上述工作。为了解决这些问题，已采用了一种力控制***，其中在机器人的末端装有用来吸收作用力的浮动装置(float instrument)或例如具有机械柔性的RCC这样的专用装置，或者装有力传感器[第一种已有技术]。对于进行柔性控制而无需为机器人增加专用装置的方法来说，公开号为6-332538的日本专利申请案已公开了一种用来减小伺服增益的方法[第二种已有技术，见图2]。还有，第7-20941号日本专利中请案已公开了一种能够设定工作坐标系中柔性的方法[第三种已有技术，图中未示]。
第二种已有技术涉及一种柔性伺服控制方法，该方法借助人力移动被驱动的物体，用伺服电动机驱动该被驱动的物体，并且使其远离障碍物。在该方法中，当开始柔性控制时，按照设定的柔性程度降低速度控制环的位置增益Kp110a和比例增益Kv112a。还有，将来自速度控制环的积分器113的输出限定在设定箝位值。因此，尽管位置偏差量增长，力矩参考也不会有一个很大的值，从而可用人力移动要由伺服电动机驱动的被驱动的物体。在障碍物处于被驱动物体的移动路径中的情况下，第二种已有技术是一种能够在用人力避开障碍物的同时移动被驱动物体的技术。
第三种已有技术涉及一种柔性伺服控制方法，该方法能够通过设定工作坐标系上的柔性改变设置于每个坐标轴上的机器人伺服***的增益。在包括位置控制环和速度控制环的控制***中控制的伺服电动机的控制方法中，第三种已有技术是一种其中把在工作坐标系上设定的柔性转换为每个坐标轴上伺服电动机的伺服增益Kp110a和Kv112a的技术，其中所述的伺服电动机位于工作坐标系中，用由柔性转换的伺服增益Kp和Kv驱动伺服电动机，用人力能够移动要由伺服电动机驱动的物体。
还有，已有这样一种机器人柔性控制***，其中为减小环路增益而设置了对位置速度控制***的输出进行限制的部分，当施加了比预定水平大的外力时改变机器人的姿态[第四种已有技术，图3]。
此外，如“Impedance Contro1 of a Direct Drive ManipulatorUsing no Force Sensor”，Tachi and Sakaki，Journal of JapanRobot Society，Vo1.7-3，1989，第172-184页所述，在一个控制***中，其中独立地设有位置控制环、速度控制环和加速度控制环，把将它们相加所得的结果用作电动机的力矩指令，通过调节每个环的增益控制阻抗，所述阻抗为机械刚度、韧度和质量[第五种已有技术，见图4]。
前述已有技术具有以下缺点。
对于图1中所示的第一种已有技术来说，当进行从位置控制向柔性控制的转换时，机器人很大程度上受统计学上作用于它的力的影响，尤其受重力的影响。具体地说，当开始执行柔性功能时，机器人手臂因重力的作用沿重力方向下落，从而大大地改变了姿态，使其工作很难进行。另外，当进行从柔性控制向位置控制的转换时，有这样的问题，即，机器人手臂沿重力方向下落，或在速度控制***的积分器中累加各值期间响应不稳定。此外，在柔性控制期间，位置指令的值经常与机器人的当前位置不一致。当突然进行从柔性控制向位置控制的转换时，机器人迅速向位置指令值收敛。因此，存在机器人非常危险的问题，例如，机器人与其周围的物体相撞，和由于通过对积分器的限制产生的自振动带来不稳定响应。
此外，必须调节驱动机器人的每个轴的多个用于每个轴的伺服增益，使它们保持一定关系。另外，由于伺服偏差量的增大造成伺服电动机的生成力矩成比例增大，这不可能解决有从外部作用于机器人上的很大行程的机械或类似问题。
还有，在把专用夹具和力传感器与其他部分一起使用的方法中(图中未示)，有增大成本的问题。
在图2中所示的第二种已有技术和第三种已有技术中，采用了用来减小伺服增益的方法。对于这些方法来说，需要调节多个伺服增益，同时使它们之间保持一定关系。此外，由于伺服偏差量的增大造成伺服电动机的生成力矩成比例增大，这不可能解决有从外部作用于机器人上的很大行程的机械或类似问题。
另外，在第三种已有技术中，公开了一种控制工作坐标系中柔性的方法。在该方法中，需要通过使关节坐标系的位移与工作坐标系的位移相匹配来获得增益。因此，因为计算负载由于计算关系式的复杂而很大，所以不可能连续获得机器人改变姿态的增益。尤其是有这样一个问题，即，因工作坐标系中的关节角与位移之间的关系的大变化率，机器人在一个特殊的点使其姿态有大的改变，CPU在此点的计算负载很大，不能对机器人的姿态变化进行实时计算，而且不能连续计算增益的困难使以机器人的姿态为基础的机器人的柔性有显著不同。
接着，在图2中所示的第二种已有技术的减小控制***的环路增益的方法中，虽然在用外力操纵机器人的情况下可以对机械阻抗中的刚度与韧度进行控制，但是不可能减小机器人固有的手臂质量和加到机器人末端的质量。因此，当由外力加速机器人手臂时，不可能减小所施加的反作用力，以致无法获得用小力移动机器人的柔性。
在图3中所示的第四种已有技术的方法中也发现了上述问题，其中在位置与速度控制***中设置输出限制。
此外，在由Tachi和Sakaki介绍的图4中所示的第五种已有技术的方法中，不能顺利地进行传统的位置与柔性控制之间的转换。具体地说，由于控制环结构之间的差异，很难在保持状态量的连贯的同时在位置控制与柔性控制之间转换。
在图1至4中所示的第一到第五种已有技术的方法中，当从外部推动机器人并使位移超过允许值时，并未设置保护装置。
因此，上述机器人具有以下问题。
A、用外部装置推动机器人，并且将机器人移动到操作区以外，导致机器人与其周围的装置相撞。
B、当机器人抓握的物体比规定的搬运值重时，机器人沿重力方向改变其姿态，导致与第A条相同的问题。
另外，在第六到八种已有技术中，为了有效地应用柔性控制，不设置采取以下措施的装置。
C、在搬运期间根据由重量产生的位移检测搬运物，改变接着的操作计划。
D、检测到与物体相撞，由此改变操作进程。
具体地说，不提供用来检测获知是否机器人处于异常状态的信息的装置，所述信息显示出什么水平的力作用于机器人上，并显示出因为该力机器人实际轨迹与目标轨迹之间移动了多大距离。因此，当机器人受到来自外部的力以柔性地进行位移时，不可能采取诸如使机器人停止、使外部装置停止和改变机器人运动进程之类的措施。
此外，类似地，在第一到第五种已有技术中，在工作人员与移动的机器人相接触的情况下，工作人员被卡在机器人手臂之间，或者在机器人与其他物体相接触的情况下，位置与速度控制***的指令与检测值之间的偏差变大。因此，机器人继续沿能产生更危险的位置的方向移动。这很难使工作人员从这一危险位置脱离开，并可能发生机器人和其他物体的损坏。
本发明的第一个目的在于提供一种机器人控制方法，它能在机器人操作期间实现位置控制与柔性控制之间平滑的转换，而不受重力的显著影响。
本发明的第二个目的在于提供一种机器人柔性控制方法，它能以一个自由度对加减变量进行柔性设定，并使位移有一个大的行程，另外，它能用简单的坐标变换在工作坐标系中进行柔性控制。
另外，本发明的第三个目的在于提供一种机器人柔性控制方法，它能通过限制位置和速度控制***的增益、或者通过根据力矩极值限制用于驱动关节的伺服电动机的生成力来跟随施加于其上的外力获得机器人柔性控制中更大的柔性。
还有，本发明的第四个目的在于提供一种机器人柔性控制方法，它能柔性地跟随作用于其上的外力，尤其是，提供能通过限制位置与速度控制***的增益或其力矩来限制驱动关节的伺服电动机的生成力的装置，使机器人能在外力作用下柔性受控，并监视操作进行得是否正常、安全。
再有，本发明的第五个目的在于提供一种机器人柔性控制方法，它甚至在柔性控制期间工作人员与机器人相接触、工作人员被卡在机器人手臂之间时，或在机器人与其他物体相接触时，能确保工作人员和机器人的安全。
为解决上述问题，本发明提供了一种机器人控制方法，该方法包括以下步骤：
通过位置反馈控制环进行控制；
通过速度反馈控制环进行控制；
在机器人工作期间在位置控制与柔性控制之间进行转换；
其中所述转换是通过限制一个速度控制环的输出值，即，限制一个力矩参量实现的；以及
在从位置控制向柔性控制转换时，停止所述速度控制环的积分运算，接着将所述速度控制环的一个积分值存入一个存储器，同时，把所述速度控制环的所述积分值与一个力矩参量相加，或把根据一个机器人手臂的关节角、机器人的连接质量及其重心计算出的重力补偿值与该力矩参量相加。
在上述步骤中，机器人进行抓握一个工件的情况下，把该工件的质量与所述重力补偿值相加。
在进行操作期间，在位置控制与柔性控制之间进行转换；
其中在从柔性控制向位置控制回复时，要么把一个根据机器人手臂的实际关节角、机器人的连接质量及其重心位置计算出的重力补偿值设定为所述速度控制环的一个新的积分值，要么把存入所述存储器中的所述速度控制环的一个积分值设定为所述速度控制环的一个新的积分值。
本发明还提供了一种机器人控制方法，该方法包括以下步骤：
在机器人工作期间在位置控制与柔性控制之间进行转换；
在从柔性控制向位置控制转换时，把一个当前位置处理为一个位置参量。
在上述步骤中，通过限制所述速度控制环的一个输出值，即，限制一个力矩参量，在所述位置控制与所述柔性控制之间进行转换。
图1是表示出第一种已有技术的电路结构的一个框图；
图2是表示出第二种已有技术的电路结构的一个框图；
图3是表示出第四种已有技术的电路结构的一个框图；
图4是表示出第五种已有技术的电路结构的一个框图；
图5是表示出本发明的第一实施例中具体电路结构的一个框图；
图6是用来说明本发明的第一实施例中一个动作的图；
图7是表示出本发明的第二实施例中具体电路结构的框图；
图8是表示出一个电路结构的图，该电路结构说明了本发明的第二实施例中一个动作的基本原理；
图9是表示出另一个电路结构的图，该电路结构说明了本发明的第二实施例中另一基本原理；
图10是表示出本发明的第二实施例中具体电路结构的框图；
图11是表示出本发明的第四实施例中一个基本结构的框图；
图12是表示出本发明的第四实施例中一个具体电路的框图；
图13是表示出本发明的第四实施例中另一具体电路的框图；
图14是用来说明本发明的第五实施例中一个功能的框图；
图15是表示出本发明的第五实施例中一个具体电路结构的框图；
图16是表示出本发明的第五实施例中具体电路结构的一个动作的流程图；
图17是表示出本发明的第六实施例中一个基本结构的框图；
图18是表示出本发明的第六实施例中一个具体电路结构的框图；
图19是表示出本发明的第六实施例中另一个具体电路结构的框图；
图20是表示出本发明的第六实施例中对条件的判别的流程图。
下面，将参照附图描述本发明的实施例。
在附图中，同样的参考符号代表同样的元件或相同元件。
(第一实施例)
图5表示出本发明的第一实施例。
参见图5，参考数字1代表一个位置参量准备部分；2代表一个位置环增益；3代表一个速度环增益；4代表一个控制器；5代表一个积分器；6代表一个存储器；7代表一个限幅器；8代表一个力矩参量；9代表一个放大器；10代表一个用来驱动每个关节部分的电动机；11代表一个电动机的位置；12代表一个微分器；13代表一个电动机的速度；14到16代表开关。
在该控制***中，在进行位置控制期间，在开关14闭合并且开关15打开的状态下进行位置控制。在位置控制的速度控制环中加速力矩接近零的情况下，存储在积分器5中的一个值等于一直作用于一个手臂上的力。所以，在机器人手臂不进行快速移动的控制***中，积分器5的一个值与通过将一个摩擦力与重力相加所获得的值相等。因此，在进行从位置控制向柔性控制的转换的情况下，可以以柔性特性和连续性进行转换，同时通过将该值存入存储器6并通过将它加到限幅器7的后级以及将它补偿为柔性控制的一个补偿力矩来使重力保持平衡。
在进行柔性控制期间，在开关14打开且开关15闭合的状态下进行柔性控制。当进行柔性控制时，减小一个力矩极值，由此可为一个外力产生一个柔性特性。另一方面，可以减小人们熟知的增益，而不减小力矩极值。用存储在存储器中的值补偿重力。
当进行从柔性控制向位置控制的转换时，把在转换到柔性控制时已被存储的存储器6的值设定为积分器5的一个初始值。当在从位置控制转换到柔性控制之后，机器人的位形变化量不大时，积分值变化很小，从而平滑地进行从柔性控制向位置控制的转换。
本发明具有一个同时用当前值表示位置参量的特征，即，通过关闭开关16，可在两种控制之间的稳定地进行转换，而机器人不会快速移动。
下面，将通过在图6中表示出一个两自由度机器人的一个具体实施例来描述本发明的工作。其控制***与第一实施例的控制***相同。
图6表示出机器人和将一个力施加在机器人上的物体之间的位置关系和机器人的控制方法。符号①代表位置控制下的一个工作状态；符号②代表进行从位置控制向柔性控制转换的一个状态；符号③代表物体与机器人相撞的一个状态；符号④代表柔性控制期间物体推动机器人的一个状态；符号⑤代表进行从柔性控制向位置控制转换的一个过渡状态；符号⑥代表在位置控制期间移动机器人的一个状态。
在位置控制中，速度控制***进行通常的比例积分控制(状态①)。
在转换到柔性控制之前，将积分值存入存储器，从而使积分器不起作用，由此将限幅器转换到一个低水平状态(状态②)。
当物体推动机器人时，不进行积分控制。由存储器中的值补偿与手臂的重量相等的值。另外，将力矩的极值限制得比通常的值要小，当从外部施加到手臂上的力大于电动机所产生的力矩时，手臂由来自外部的力移动(状态③与④)。
当向位置控制返回时，把存储器中所存的值设为积分器的初始值，同时，用一个基准值代替编码器的当前值。
1)当外力的作用消失并且机器人接近其最初的姿态时，即，当向位置控制转换时，
2)当外力持续作用在机器人上以使它处于一个姿态改变状态时，即，当在状态④期间进行向位置控制的转换时，
由于在状态1)中的位置参考是力作用于机器人之前的值，所以机器人接近外力作用于其上之前它所在的位置，并停留在那儿，与当前值有偏差。但是，因一般控制状态下的摩擦力而使机器人处于具有相当大偏差值的静止状态。因此，通过将编码器的当前值重置为基准值，可以平滑地进行向位置控制的转换，而机器人的手臂不会快速移动。
还是在状态2)下，通过在重置位置参考之后进行向位置控制的转换，在物体与手臂有接触的状态下能够向位置控制进行连续的转换。
如上所述，在图6中描述了通过从外部作用于机器人的力移动机器人的一个例子。当机器人在柔性控制状态下移动并将一个力施加于外部时改变其姿态的时候，将进行同样的操作过程。
(第二实施例)
还是在第一实施例中，虽然重力补偿了当前值，不过图7中表示出用来通过计算主动补偿重力的第二实施例。参见图7，参考数字17代表一个重力计算部分，参考数字18代表一个重力参数部分。通过测量预先获得重力，并用重力计算部分17从存于重力参数部分18的重力参数(机器人的连接质量(link mass)与重心位置)和机器人手臂的当前关节角的测量值来计算它。当进行从位置控制向柔性控制的转换时，打开开关14并闭合开关15，由此进行从积分补偿向重力计算值补偿的转换，其中将所述的重力计算值加到限幅器7的后级。在第一实施例中，使补偿值固定。在本实施例中，按照机器人手臂的当前关节角改变补偿值从而提高准确性。相反，在进行从柔性控制向位置控制的转换时，将那时的重力计算值设定为积分器5的一个初始值。另外，通过与第一实施例的情况相类似的操作——闭合开关16以用当前值重置位置基准值，以便平滑地进行向位置控制转换。当机器人在柔性控制期间抓握一个大质量的物体时，将由机器人所接收到的物体的重量作为重力补偿值。
(第三实施例)
第三实施例涉及这样一些装置，它们用来根据机器人的关节角的测量数据计算关节坐标系与工作坐标系之间一个由机器人的姿态改变的静态力矩关系，并用来从工作坐标系的力极限设定值中获取关节力矩极值。
图8表示出一个说明本发明的第三实施例中一种工作原理的电路结构。
另外，图9表示出一个说明本发明的第三实施例中另一种工作原理的电路结构。
参见图8和图9，参考数字100代表第一轴控制***；200代表第二轴控制***；300代表第三轴控制***；n00代表第n轴控制***；101a代表一个力矩参量；101b代表一个位置参量；102代表一个力矩限幅器；103代表一个修正的力矩参量；104代表一个伺服放大器(力矩控制)；105代表一个伺服电动机；106代表一个位置检测器；107代表操作坐标力/力矩极值设定装置；108代表用于Jacobian转置矩阵的计算装置。
参照图10描述本发明的一个具体实施例。
图10是说明一个具体电路结构的框图。
参见图10，参考数字110代表一个位置控制增益[Kp]电路；111代表一个速度控制增益[Kv]电路；116代表一个力矩限幅器；117代表一个重力补偿器；118代表一个力矩转换稳定电路；119代表一个机器人(J：转动惯量；S：拉普拉斯算子；D：动摩擦系数)；120代表一个积分电路，该电路表示出一个速度和一个速度方程。
第三实施例中的图10表示出当把柔性控制***加到传统控制***(图1的第一种已有技术)时的一个控制框图。对于内位置控制环来说，通常进行比例积分控制，会用一个静力补偿部分补偿象重力这样持续作用于机器人的力。
在位置控制状态下，不可能通过位置控制环和速度控制环的工作来产生有从外部作用的力所产生的运动。这是因为用一个由设定得较大的大增益从外部施加的力乘以与基准值的偏差，从而获得一个电动机力矩。
这里，在力矩参考这一级对生成力矩的极值进行限定，由此机器人能灵活地针对从外部作用的力进行工作。具体地说，当从外部施加一个比所限定的力矩大的力矩时，机器人的关节开始移动。另外，在此一级所设定的力矩极值是关节坐标系中力矩的极值。所以，根据机器人的姿态改变对操作位置处力的上端值所作的限定。
因此，检测机器人的当前状态，得到通常叫作Jacobian的关节坐标系与工作坐标系之间的由机器人的姿态改变的静态力矩关系，由此计算转置矩阵。因而，可能根据工作坐标系中力的极值和关节坐标系中的力矩的极值进行计算。
例如，用以下方程组1表示的公式(1)到(4)表达出6自由度机器人中Jacobian转置计算公式和类似公式。
例如，用以下方程表示6自由度机器人的Jacobian转置矩阵的计算公式。
Figure 9619795500141
在上述公式中，JT代表一个Jacobian转置矩阵(工作坐标系与关节坐标系之间一个非常小的位移的对应关系)；0S1代表第一关节坐标的一个旋转方向向量(采用一个基坐标系作为一个参考坐标系)；0P1代表第一关节位置向量(采用基坐标作为参考坐标)；X代表向量积；r代表末端效应装置(tip effect device)。
因此，由下面的公式(2)表示工作坐标系中力与力矩的极值。
Flim=[FX，FY，FZ，τ X，τ Y，τ Z]T………………………………(2)其中Flim代表一个力与力矩的极值向量(limitationvector)；F代表工作坐标系中的一个力；τ代表绕工作坐标系的一个力矩。
用下面的公式(3)表示关节控制***中的一个极值。
τlim=[τ1，τ2，τ3，τ4，τ5，τ6]T……………………………………(3)其中τlim代表第ⅰ轴(ⅰ：任意正整数)中关节坐标系的一个力矩。
可从以下关系式得到关节控制***的力矩极值。
τli=JTFlim………………………………………………………(4)
对于机器人姿态的变化，用公式(1)和(4)进行计算，通常得到关节力矩的极值，由此可推导出整个操作区上力矩的极值和具有公式(2)所示的力的机器人的柔性控制。
另外，公式(1)是由机器人的姿态所改变的一个值，它可以在一个特定点附近迅速变化。但是，各部分的值与CPU的采样速度相比变化缓慢，CPU为伺服机构进行计算。所以，可减小公式(1)的计算负载，并伴随机器人的姿态变化进行实时计算。
只能由公式(2)的极值确定工作坐标系中的柔性。具体地说，通过确定一自由度的正负两个变量可以调节柔性。还有，机器人施加的力与力矩和位移总不成正比，以致机器人可在从外部作用的机械行程较大的情况下灵活地变化。
(第四实施例)
本发明的第四实施例涉及一种其中将一个加速度控制环加到传统的柔性控制***中的***。
象第四实施例那样的柔性控制***是一种其中将一个加速度控制环加到图2中所示的第二种已有技术或者图3中所示的第四种已有技术中的柔性控制***。
图11是一个框图，表示出第四实施例中第一种装置中的一个总的电路结构。
参见图11，参考数字20代表一个柔性控制***(位置/速度控制***)；114代表一个外力；119代表一个机器人；120和120a代表积分电路；122代表一个加速度检测(计算)电路；124代表一个旋转加速度反馈增益[J’]电路；125代表一个速度检测(计算)电路；126代表一个位置检测电路。
该第一种装置包括：能够改变电动机的控制***中的一个位置控制增益和一个速度控制增益的装置；和反馈控制装置，在进行速度控制环中的比例积分控制期间，该装置限制了积分器的输出值，并把用一个常数所乘的电动机的加速度加到位于速度控制器的后级的一个力矩参考上，把其输出值用作一个力矩参考。
另外，在第二种装置(图12和图13)中，在其组成与第一种装置相类似的控制环的电动机的控制***中，提供如下装置：将速度控制器的后级的力矩参考调节为一个恒定值的装置；和反馈控制装置，它用一个常数乘以电动机的加速度。把其输出值用作一个新的力矩参考。
参见图12和图13，参考数字115代表一个微分器[速度检测装置]；121与121a代表力矩限幅器；127代表一个加速度检测器；128代表一个编码器。
在上述装置中，采用一个积分器以补偿重力与摩擦力，限定这些值以便不破坏柔性。应注意到，只要以重力补偿的方式补偿积分值，则积分值的极值为零，或者可忽略不计它们。
在上述装置中，可用检测器直接检测加速度，或可通过象编码器那样的位置检测器的微分得到加速度。
另外，通过用象机器人的质量和重心位置这样的参数进行计算，计算出重力力矩，并将重力力矩加到要输出到放大器的力矩参考中，由此补偿重力力矩。
以下将参照图12和图13描述本发明的第四实施例的具体电路结构。具体地说，图12和13说明了第二种方法的具体实施例。
图12表示出这样一种情况，即，把电动机转轴的旋转加速度检测器用作加速度检测装置，图13表示出用来通过一个计算公式计算来自位置检测器的加速度的装置。对于实际的机器人来说，表示出这样一个例子，即，其中将该实际的机器人用于标量型机器人的第一轴，标量型机器人工作于两自由度的一个水平方向。应注意到，可为第二轴组成相同的控制***。
假设电动机的位置/速度控制器的输出为零，另外，假设在图12与图13的两种情况下，力矩T起到一个外力的作用，而电动机与手臂的转动惯量总起来为J。当还假设控制***的旋转加速度的一个反馈增益为J’并且所产生的加速度为α时，建立以下的公式(5)：
α=T/(J-J’)……………………………………………………(5)
具体地说，用一个外力使一个外在的转动惯量减小的量多于固有转动惯量减小的量。应注意到，虽然会忽略加速度检测部分和放大部分的延迟量，但是，一个小的延迟量对惯性变量的影响不大。
下面，将描述一种确定反馈增益J’的方法。
在两自由度机器人的情况下，第二轴的移动改变了从第一轴所看到的转动惯量。为此，第一轴的实际转动惯量的值会改变，通过控制减小的转动惯量的减小量将等于由加速度的反馈增益所确定的值，从而就机器人的不定范围的转动惯量变量来说确定一个合适的值。
具体地说，将确定转动惯量J’，以使J-J’无负值，并且使速度控制环的环路增益尽可能不变。
还有，为了保持一定的转动惯量而不考虑机器人的姿态，根据机器人的移动改变J’从而使外在转动惯量能够保持在恒定值。
按照以上的描述，能够将外力情况下的外在转动惯量调整小，从而同传统的柔性控制相比大大提高了其柔性。能够将外在转动惯量调整小这一事实表明当机器人与其周围的一个物体相撞时，能使作用力变小。由于这一原因，可增强机器人控制时的安全性。
另外，由于该控制***的结构与传统的位置/速度控制***基本上没有不同，所以，不必在进行从柔性控制***到位置控制***的转换和从位置控制***到柔性控制***的转换时修改该控制***的结构。
因此，甚至在进行控制***的转换时，也不断改变控制量，从而使机器人手臂移动得缓慢而连续。
以下将描述一种加速度检测方法。把将一个旋转加速度传感器直接与电动机相连的方法描述为如图12中所示的一种直接检测方法。另外，还可通过沿一个旋转方向分解它以获得装在机器人上的多轴平行加速度传感器的一个输出。
另外，描述了以下方法，它们包括除如图13中所示的加速度检测器外的方法。
1)一个速度传感器的微分，例如一个测速发电机的微分
2)在一个编码器信号的F/V转换之后的微分
3)编码器信号的微分
通常，很难得到一个良好的加速度信号。但是，通过采用一个最新编码器解耦增量、一个信号的多点微分和一个其中限定了频带的虚拟微分器，可得到一个具有一定精确度和良好特性曲线的加速度信号。
在对机器人的描述中，描述了这样一个例子，其中使用了沿水平方向移动的标量型机器人。当机器人在重力方向上有一移动分量时，通过如图11中所示的一个计算方法补偿重力中的该分量，并通过检测速度补偿摩擦力，由此可构成该柔性控制***。
(第五实施例)
第五实施例涉及监视柔性控制中位置的偏差的装置，并能对机器人进行急停，能将信息输出到机器人的柔性控制装置的外部设备，能避免基于操作进程改变而发生的危险，以及能监视外力。
以下将参照图14描述本发明的第五实施例的一个例子。
图14是一个框图，描绘了一个电路图，表示出电动机的控制***的一个轴的一部分或其工作坐标系的一个方向。
参见图14，参考数字129代表一个位置偏差；130代表一个工作坐标系设定值；131代表比较装置；132代表用来执行制动电路、外部输出和操作进程判定的装置。
这里，会进行如对已有技术所述的柔性控制。具体地说，会减小分别为位置控制增益和速度控制增益的Kp和Kv，或者会进行力矩限幅。
这样，机器人根据来自机器人上负载一侧的力改变姿态。这表明机器人采取了与控制***的一个位置基准点有偏差的姿态。所以，可根据每个伺服电动机角度和基准值之间的偏差获得偏差量。
以上说明是关于旋转轴改变的情况。
而且通过
1)采用一个工作坐标系伺服机构，
2)在关节角的一个有序变换(order conversion)和一个逆变换之前采用一个基准值，或者
3)采用关节角与工作坐标系伺服之间的由机器人的姿态改变的静态力矩关系(Jacobian矩阵)，可以获得除关节坐标系外其他坐标系中的每个伺服电动机角度与基准值之间的偏差。
通过将所获得的偏差与如上所述的预先固定的角度偏差量阈值相比较，可对是否执行了一个安全的操作进行判定。当偏差值大于预先固定的角度偏差量阈值时，判定操作状态是不安全的，并进行以下任意一种处理。
根据操作的种类不同，所进行的处理有所不同。可进行以下的处理。具体地说，进行对机器人的急停，用机器人的一个输入/输出接点将一个信号传送给机器人的柔性控制装置的一个外部设备，并根据大的或小的偏差值，外部设备采取安全措施停止操作或避免操作，并根据偏差信息执行机器人软件的条件转移。
尤其在不出现问题时进行向正常操作的转换。
另外，根据外力，执行以下处理，包括前述对异常状态的判别。具体地说，根据偏差的信息判断作用于机器人顶端的力，并进行对抓握的物体的选择，通过所抓握的物体改变机器人的操作模式。
在图15中表示出一个控制***的电路结构的一个例子，将该***加到一个多自由度机器人上，以监视工作坐标系中多个坐标的偏差。
参见图15，参考数字133代表一个逆变换电路；134代表涉及来自其他轴的角或位置的信息；135代表一个有序变换电路。
假如是在一个工作坐标系中获得偏差，则表示出本发明的第五实施例的另一例子的图15组成了一个工作坐标系的伺服***，并且能够非常简单地建立获得偏差的方法。这里，在图15中表示出一个在其中使用了一个最常用的关节位置伺服***的工业机器人的一种结构。
在图15中，通常在以机器人的基座为基础的笛卡尔坐标系上取操作坐标位置基准点，并将平行量与姿态量的一些偏差与固定的角度偏差量阈值相比较。
根据比较结果，有选择地进行以下处理1)与3)或同时进行多个操作。
1)用机器人的一个制动器进行急停
2)将信号输出到外部接点
3)对以软件为基础的操作进程进行转换
图16表示出一个在用软件改变操作进程时的例子。
在位置控制中进行操作[步骤1]之后，执行向柔性控制的转换[步骤2与3]，在柔性控制期间监视伺服偏差[步骤4]。
假如偏差(XERR)大于固定的角度偏差量阈值(设定X)，则判定发生了机器人与物体相撞的异常情况[步骤8]，从而使机器人回到初始姿态[步骤8]。
当正常地进行操作[步骤5]时，具体地说，当并未产生过度偏差[步骤5]时，过程前进到所设计的操作[步骤6和7]。
(第六实施例)
第六实施例涉及这样的装置，即，它用来在机器人柔性控制中从机器人控制状态量中检测一种异常状态，这种异常状态例如是机器人的接触与挤压，它还用来通过人力改变和降低控制增益和力矩极值以便于脱离，从而补偿重力与摩擦力。
图17是一个表示出本发明第六实施例中一个基本结构的框图。
参见图17，参考数字11代表一个位置检测值；20代表一个柔性控制***(位置/速度控制环)；21代表一个控制状态量；30代表状态判断装置；31代表一个柔性设定值；117a代表一个重力补偿值；117b代表一个摩擦力补偿值。
通过在图18与19中具体表示出本发明的第六实施例的一个电路结构来描述它。
图18表示出使用用来改变柔性控制***中一个位置控制增益和一个速度控制增益的装置的装置。图19表示出一个使用在柔性控制时减小一个力矩极值的装置的***。
在图18中，通过来自上一级控制器(图中未示)的位置基准输入量和设于机器人每个关节部分的位置检测器128，根据位置检测值和经微分器115的速度检测值11计算柔性控制***中电动机的力矩参考(生成力矩)。应注意到，参考数字22a代表一个柔性设定器；136代表一个重力补偿器；137代表一个摩擦力补偿器。
当进行正常的柔性控制时，在柔性设定器22a中计算最小位置控制增益设定值和最小速度控制增益设定值——它们对于正常操作机器人的手臂来说是必要的，从而将它们设定为可变位置控制增益110a和可变速度增益111a。这里，通过把根据关节的位置和从每个手臂的重心位置到相应一个关节的位置的距离与每个手臂的载重在重力补偿器136中所计算的作用于每个手臂上的重力补偿力矩、和根据每个关节的速度检测值在摩擦力补偿器37中所计算的作用于每个关节的驱动部分上的摩擦力补偿力矩，加到力矩参考上——该力矩参考为速度控制环中一个比例控制部分的输出量，能够使从柔性控制***中输出的力矩参考变得更小。
在力矩参考受到相加处理之后，用伺服放大器104放大该力矩参考，从而驱动机器人105。这里，用柔性设定器22a持续监视柔性控制***中的控制状态量——位置偏差的微分值、速度检测值和速度偏差值。当判断机器人工作异常时，使位置控制增益设定值和速度控制增益设定值为最小或为零，由此将它们设定为可变位置控制增益111a和可变速度控制增益111b。
通过在图20中表示出一个如上所述组成的控制***的判别流程，将描述该判别流程。
例如，当机器人105的手臂与工作人员或其他物体相接触时，或当机器人的手臂抓到工作人员时，外力作用于机器人105上以使机器人从位置基准点开始改变其姿态。这样，位置偏差增加(步骤A)，速度检测值减小[步骤B]，速度偏差的微分值(加速度)的一个信号变为负值[步骤C]。
这时，当位置偏差值变得比前述先设定的值大[步骤A处的“是”]、速度检测值变得比前述值小[步骤B处的“是”]和速度偏差的微分值变成负值[步骤C处的“是”]时，判断出检测到了异常状态。使位置控制增益设定值和速度控制增益设定值为最小或零，以便降低柔性控制***的柔性，从而将它们设定为可变位置控制增益111a和可变速度增益111a。
这样，来自柔性控制***的电动机力矩参考变为最小或为零，在对异常状态作判断的时候机器人保持姿态静止不变。此时，将重力力矩和摩擦力力矩与力矩参考相加，借此使机器人105决不会因为重力而操作失败，并且工作人员能在机器人变成静止之后用人力操纵机器人105。
在图19的柔性控制***20a中装有力矩限幅器121的情况下也能够获得与图18的情况下相同的效果。
另外将描述以上所述本发明的各实施例之间的相互关系。
第二实施例涉及包括一种针对第二种已有技术[公开号为6-332538的日本专利申请案]的机器人柔性控制的基本设计原理的装置，第四实施例适用于第三实施例和第二种已有技术，第五实施例适用于第二到第四实施例，第六实施例适用于第三到第五实施例和第二种已有技术。
如上所述，按照本发明，可发现有以下所述效果。
会实现柔性控制与位置控制之间平滑的转换。因此，在灵活地取出物体之后需要进行精确地定位操作，在抓握物体之后可进行象***这样对物体的安装操作，而无需采用用来接受力的专用夹具。如上所述，可在位置控制与柔性控制中进行采用了控制特性参数的巧妙的操作。
另外，本发明表现出以下效果，即，用简单的坐标变换使工作坐标系中的柔性控制成为可能，其中该坐标变换采用了关节角的位置信息。
在这种情况下，可用一个自由度设定正负两个变量。由于简化了变换方程本身，所以计算负载很小，可以一个实时方式进行工作坐标系的计算。
还有，由于机器人的反作用力恒定，所以可将行程设定得较大。
再有，通过将加速度信息的反馈加到柔性控制中，可以进行转动惯量的补偿，从而增大柔性。另外，本发明的控制***保持了传统控制***的基本结构，在位置控制与柔性控制之间可进行平滑的转换。
因此，本发明的机器人表现出传统的机器人不具备的特性。例如，在柔性控制时，用来自机械装置的力或手能够顺利地移动本发明的机器人。当机器人与其周围的物体相撞时，机器人决不会将一个很大的力施加在物体上。
当用本发明的机器人进行柔性控制时，可以顺利地进行对异常状态的处理，异常状态例如为工件位置的偏离和在轨迹控制时发生的机器人与物体的相撞。另外，可以进行象需要使用传感器改变基于外力的工作进程的操作，而无需传感器。
此外，按照本发明的柔性控制方法，在柔性控制期间根据控制状态量判断机器人工作的状态变化，并改变柔性控制***的柔性。因此，甚至在工作人员被卡住时，机器人也能立即停住，并且电动机产生的力消失。这样，本发明的机器保证了工作人员与机器人的安全。

Claims (5)

1．一种机器人控制方法，包括以下步骤：
通过位置反馈控制环进行控制；
通过速度反馈控制环进行控制；
在机器人工作期间在位置控制与柔性控制之间进行转换；
其中所述转换是通过限制一个速度控制环的输出值，即，限制一个力矩参量实现的；以及
在从位置控制向柔性控制转换时，停止所述速度控制环的积分运算，接着将所述速度控制环的一个积分值存入一个存储器，同时，把所述速度控制环的所述积分值与一个力矩参量相加，或把根据一个机器人手臂的关节角、机器人的连接质量及其重心计算出的重力补偿值与该力矩参量相加。
2．按照权利要求1的机器人控制方法，其中在机器人进行抓握一个工件的情况下，把该工件的质量与所述重力补偿值相加。
3．按照权利要求2的机器人控制方法，包括以下步骤：
在进行操作期间，在位置控制与柔性控制之间进行转换；
其中在从柔性控制向位置控制回复时，要么把一个根据机器人手臂的实际关节角、机器人的连接质量及其重心位置计算出的重力补偿值设定为所述速度控制环的一个新的积分值，要么把存入所述存储器中的所述速度控制环的一个积分值设定为所述速度控制环的一个新的积分值。
4．一种机器人控制方法，包括以下步骤：
在机器人工作期间在位置控制与柔性控制之间进行转换；
在从柔性控制向位置控制转换时，把一个当前位置处理为一个位置参量。
5．按照权利要求4的机器人控制方法，其中通过限制所述速度控制环的一个输出值，即，限制一个力矩参量，在所述位置控制与所述柔性控制之间进行转换。
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