CN109202894A - 进行学习控制的机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人的控制技术，特别涉及在需要速度恒定的应用程序中进行学习控制的机器人及其控制方法。控制装置基于针对按照作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件来计算加工作业中的速度变动的容许条件，并使用计算出的速度变动的容许条件来设定用于增加或减少机器人机构部的动作速度的动作速度变更率，并且在不超过动作速度变更率的最大值的范围内且处于在控制对象部位所发生的振动的容许条件的范围内，一边经多次来增加或减少动作速度变更率，一边重复进行基于由传感器检测出的控制对象部位的位置与目标位置的差即差量和为了抑制各次的动作速度变更率中的振动而在上次计算出的校正量来计算新的校正量的学习。

Description

进行学习控制的机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人的控制技术，特别涉及在需要速度恒定的应用程序中进行学习控制的机器人及其控制方法。

背景技术

使机器人动作高速化，并缩短节拍时间与生产效率直接相关。但是，当对机器人动作进行了一定程度以上的高速化时，由于减速器以及机器人手臂的刚性不足等原因，会在机器人前端部发生振动。作为解决这种问题的对策，提出了通过在机器人末端部安装传感器来测量动作中的振动，一边使机器人动作高速化一边对机器人前端部的振动进行学习控制的方法(例如参照日本特开2011-167817号公报)。

发明内容

在激光加工、密封等的应用程序中，优选在加工中使刀具前端的速度固定，即使以恒定速度来示教动作，当由于电动机、减速器等加减速的限制而在拐角处速度下降时，以及当想要在拐角保持匀速而突然进行加减速时，仍会发生振动。发生振动会使激光加工、密封中的加工品质恶化，但是为了对在不振动的条件下能够维持恒定速度的作业程序进行示教，需要示教者的试错，从而成为工时增加的原因。

因此，需要一种在需要速度恒定的应用程序中进行学习控制的技术。

本公开的一方式是提供一种机器人，其具备：具有用于检测位置控制的对象即控制对象部位的位置的传感器的机器人机构部、以及按照作业程序来控制机器人机构部的动作的控制装置，其中，控制装置具有：学习控制部，其进行如下学习：通过与控制对象部位的目标轨迹或目标位置有关的动作指令来使机器人机构部动作，计算基于传感器检测出的控制对象部位的位置与目标位置的差即差量，并且基于为了使控制对象部位的位置接近目标位置而在上次计算出的校正量和差量来计算新的校正量的学习；以及机器人控制部，其被赋予动作指令，并使用被赋予的动作指令以及通过学习控制部计算出的新的校正量，来控制机器人机构部的动作，学习控制部具有：动作速度变更率调整部，其基于针对按照作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件来计算加工作业中的速度变动的容许条件，并使用计算出的速度变动的容许条件来设定用于增加或减少机器人机构部的动作速度的动作速度变更率，并且在不超过动作速度变更率的最大值的范围内且处于在控制对象部位所产生的振动的容许条件的范围内，经多次来增加或减少动作速度变更率；校正量计算部，其为了抑制各次的动作速度变更率中的振动，计算新的校正量；以及存储部，其在收敛了校正量以及动作速度变更率之后，存储收敛时的校正量以及动作速度变更率。

本公开的另一方式提供一种机器人的控制方法，该机器人具备：具有用于检测位置控制的对象即控制对象部位的位置的传感器的机器人机构部、以及按照作业程序来控制机器人机构部的动作的控制装置，其中，该机器人的控制方法包含以下步骤：基于针对按照作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件来计算加工作业中的速度变动的容许条件的步骤；在通过与控制对象部位的目标轨迹或目标位置有关的动作指令来使机器人机构部动作的基础上，使用计算出的速度变动的容许条件来设定用于增加或减少机器人机构部的动作速度的动作速度变更率的步骤；计算基于传感器检测出的控制对象部位的位置与目标位置的差即差量的步骤；在不超过动作速度变更率的最大值的范围内且处于在控制对象部位所产生的振动的容许条件的范围内，经多次来增加或减少动作速度变更率的步骤；重复进行基于为了抑制各次的动作速度变更率中的振动而在上次计算出的校正量和差量来计算新的校正量的学习的步骤；以及在收敛了校正量以及动作速度变更率之后，存储收敛时的校正量以及动作速度变更率的步骤。

附图说明

图1是一实施方式所涉及的机器人的概要图。

图2是一实施方式所涉及的机器人机构部的结构图。

图3是一实施方式所涉及的控制装置的框图。

图4是表示一实施方式所涉及的机器人的控制方法的流程图。

图5是表示图4所示的步骤中的动作速度的变化的概念图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本公开的实施方式。在各附图中，对相同或类似的结构要素赋予相同或类似的符号。另外，以下所记载的实施方式并不会限定权利要求所公开的发明的技术的范围以及术语的意义。

图1是本实施方式所涉及的机器人10的概要图，图2是本实施方式所涉及的机器人机构部12的结构图。如图1所示，机器人10具备具有用于检测位置控制的对象即控制对象部位的位置的传感器11的机器人机构部12、以及按照作业程序来控制机器人机构部12的动作的控制装置13。传感器11可以通过有线或无线与控制装置13进行通信，机器人机构部12经由电缆14可以与控制装置13进行通信。

传感器11是被安装在作为控制对象部位的一个例子的机器人前端部15，并且检测机器人前端部15上的三轴方向的加速度的加速度传感器。通过传感器11检测出的三轴加速度由控制装置13转换为三维位置。只要能够最终计算出机器人前端部15上的三维位置，则传感器11可以取得加速度以外的数据例如位置、速度、角速度、力、激光等的飞来时间、图像等的装置。即在其他的实施方式中，传感器11可以是陀螺传感器、惯性传感器、力传感器、激光***、照相机、运动捕捉装置等。

如图2所示，机器人机构部12是具备具有伺服电动机(未图示)等的6个关节轴J1～J6的公知的机械手，并至少定义了固定在空间上的世界坐标系C1与位于边缘16的机械界面坐标系C2。由传感器11检测出的三轴加速度使用公知的方法，通过控制装置13从机械界面坐标系的三维位置转换为世界坐标系的三维位置。

图3是本实施方式所涉及的控制装置13的框图。如图3所示，控制装置13具备按照作业程序17来控制机器人机构部12的动作的机器人控制部18。机器人控制部18由作业程序17提供与机器人前端部15的目标轨迹或目标位置有关的动作指令，并使用所提供的动作指令，使机器人机构部12的伺服电动机(未图示)动作。动作指令只要最终能够转换为与目标轨迹或目标位置有关的位置指令即可，例如包含由与时间有关的三轴位置、三轴速度、三轴加速度等组成的指令。机器人控制部18进行位置反馈控制、速度反馈控制以及电流反馈控制，以便实际的位置以及速度与目标位置以及目标速度一致。但是，即使进行这样的控制，在使机器人10的动作高速化时，由于减速器、机器人手臂的刚性不足等原因而在机器人前端部15发生振动，并产生距离目标轨迹以及目标位置的误差。因此，控制装置13具备：学习控制部19，其通过被安装在机器人前端部15的传感器11来检测位置误差，并且学习控制机器人前端部15的振动。

学习控制部19在被示教新的作业模式(新的目标轨迹以及目标位置)、作业模式的修正时，开始学习。学习控制部19具备对基于传感器11检测出的机器人前端部15的位置(称为“传感器位置”。)以及提供给机器人控制部18的目标位置进行存储的第1存储器20。另外，学习控制部19具备计算存储在第1存储器20中的传感器位置与目标位置的差量的差量计算部21。学习控制部19还具备：校正量计算部22，其在为了使机器人末端部15的位置接近目标位置而根据上次计算出的校正量与上述差量(即包含本次振动成分的信息)来学习振动抑制效果的基础上，计算新的校正量。校正量只要最终能够将机器人前端部15的位置转换为接近目标位置的位置校正量即可，例如包含由与时间有关的三轴位置、三轴速度、三轴加速度组成的校正量。

学习控制部19还具备：第4存储器23，其存储针对按照作业程序17所进行的加工作业的加工误差的容许条件(例如在密封时粘着剂的密封流量的误差的容许值)、为了增加或减少机器人机构部12的动作速度而设定的动作速度变更率的最大值、以及在机器人前端部15产生的振动的容许条件(例如振幅、整定时间等的容许值)。另外，学习控制部19具备：动作速度变更率调整部24，其根据存储在第4存储器23中的加工误差的容许条件来计算加工作业中的速度变动的容许条件(例如相当于“最大速度/最小速度”的速度变动的容许比率)，并设定动作速度变更率以使得在计算出的速度变动的容许条件内收敛，并且在不超过动作速度变更率的最大值的范围内且在振动的容许条件的范围内，增加或减少上次的动作速度变更率来调整为新的动作速度变更率。除此之外，学习控制部19具备：第2存储器25，其存储通过校正量计算部22计算出的新的校正量以及通过动作速度变更率调整部24调整过的新的动作速度变更率。机器人控制部18根据存储在第2存储器25中的新的校正量以及新的动作速度变更率，来控制机器人机构部12的动作。

另一方面，学习控制部19具备：比较部26，其比较新的校正量与上次的校正量之比、以及新的动作速度变更率与上次的动作速度变更率之比是否分别在预定范围内。即，比较部26判定校正量的收敛率以及动作速度变更率的收敛率是否分别在预定范围内(例如98％以上)。学习控制部19还具备：第3存储器27，其存储收敛过的校正量以及收敛过的动作速度变更率。第1存储器20、第2存储器25以及第4存储器23优选为用于进行高速的学习控制的DRAM等易失性存储器，但是第3存储器27优选为即使在切断电源后仍用于存储收敛过的校正量以及收敛过的动作速度变更率的EEPROM等非易失性存储器。收敛过的校正量以及收敛过的动作速度变更率在电源接通后被读出至第2存储器25并被机器人控制部18重新利用。

虽然未图示，但是机器人10还可以具备加工误差条件输入单元、振动条件输入单元、周期时间条件输入单元、以及学习条件输入单元中的至少一个，所述加工误差条件输入单元输入加工误差的容许条件，以便示教者将加工误差的容许条件、振动的容许条件等存储至第4存储器23；所述振动条件输入单元输入振动的容许条件；所述周期时间条件输入单元输入学习的周期时间的容许条件(例如周期时间的目标值)；所述学习条件输入单元输入在学习中使用的其他容许条件。作为这些条件输入单元，能够使用示教操作盘(未图示)上的液晶触摸屏、键盘、鼠标等。

图4是表示本实施方式所涉及的机器人的控制方法的流程图。首先，在步骤S10中，由示教者来设定针对按照作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件。另外，由示教者根据需要来设定振动的容许条件。在步骤S11中，根据加工误差的容许条件来计算加工作业中的速度变动的容许条件(即相当于“最大速度/最小速度”的速度变动的容许比率(rate_vel))。此外，针对计算速度变动的容许条件的具体的实施例，请参考后述的说明。

在通过与控制对象部位的目标轨迹或目标位置有关的动作指令使机器人机构部动作的基础上，执行步骤S12以后的处理。在步骤S12中，将加工作业中的各关节轴的电动机速度的最大值以及电动机扭矩的最大值分别存储为ω_max_j，τ_max_j(j是各关节轴的轴编号)，并计算针对像这样的作业模式(或目标轨迹)可设定的动作速度变更率α(s)的最大值α_max。在这里，动作速度变更率α(s)是在将原来的动作速度设定为vel(s)(s是轨迹上的位置)时，以使设定了动作速度变更率之后的速度成为vel(s)×α(s)的方式来进行动作的指标。在该数学式中，如果考虑电动机速度与α(s)成比例，电动机扭矩与α(s)的平方成比例，则根据以下数学式1计算所容许的动作速度变更率的最大值α_max。在这里，ω_alw_j，τ_alw_j是各关节轴中的电动机速度的容许值以及电动机扭矩的容许值。

此外，在本实施方式所涉及的机器人的控制方法中，根据电动机速度的最大值以及电动机扭矩的最大值来计算动作速度变更率的最大值，但是在其他的实施方式中，机器人10也可以具备输入动作速度变更率的最大值的动作速度变更率最大值输入单元，并通过示教者手动设定动作速度变更率的最大值。

在步骤S13中，存储加工作业中的动作速度(vel(s)、s是轨迹上的位置)、vel(s)的最大速度(vel_max)、以及vel(s)的最小速度(vel_min)，并按照以下数学式2，设定动作速度变更率α(s)，以使加工作业中的速度变动被控制在步骤S11中计算出的速度变动的容许条件(rate_vel)内。在这里，β是初始值1.0，且为不依赖于目标轨迹上的位置s的固定值。

α(s)＝β×(vel_min×(vel(s)-vel_min)×(rate_vel-1)/(vel_max-vel_min)+vel_min)/vel(s)

在步骤S14中，以基于所设定的动作速度变更率α(s)的动作速度来执行作业程序，通过安装在机器人前端部的传感器来测量本次的振动，并计算传感器位置与目标位置的差量。在步骤S15中，基于计算出的差量与用于减少振动(为了使机器人前端部的位置接近目标位置)的上次计算出的校正量，在学习了振动抑制效果的基础上，计算应用于下次动作时的新的校正量。

在步骤S16中，当本次测量出的振动在容许值以内时，增加数学式2中的动作速度变更率α(s)的系数β，当超过了容许值时，减少动作速度变更率α(s)的系数β，由此来调整动作速度变更率α(s)，并决定下次的动作速度。此时，以按照数学式1计算出的动作速度变更率的最大值α_max来限制动作速度变更率的上限(也就是限制系数β)。当根据电动机速度的最大值以及电动机扭矩的最大值计算出动作速度变更率的最大值α_max时，除了加工误差的容许条件、振动的容许条件，还能够在将机器人机构部的负载抑制在容许值以下的基础上，进行动作速度的优化。

在步骤S17中，判定上次与本次的校正量之比以及上次与本次的动作速度变更率之比是否分别在预定范围内。即、判定校正量以及动作速度变更率的系数β是否进行了收敛。当校正量以及动作速度变更率的系数β已收敛时(步骤S17的是)，则将收敛过的校正量与收敛过的动作速度变更率保存至非易失性存储器并结束学习。当校正量以及动作速度变更率的系数β未收敛时(步骤S17的否)，返回至步骤S14，并重复步骤S14～步骤S17的学习直到校正量以及动作速度变更率的系数β收敛。

图5是表示图4所示的步骤中的动作速度的变化的图表。在步骤S13中使用速度变动的容许条件来设定动作速度变更率之后，以细实线来表示的原来的动作速度，如单点划线所示，速度基本为恒定。进一步地，在步骤S18中完成学习之后，以单点划线表示的步骤S13后的动作速度如粗实线所示，变为更高速。这样，即使是需要速度恒定的应用程序，也可以不必进行示教者的试错，而在满足速度变动的容许条件与振动的容许条件的范围内进行与基于学习的振动抑制效果相配合的动作的优化。

针对参照图4以及图5所说明的机器人的控制方法的一实施例进行说明。在由直线移动与拐角移动构成的密封作业中，当需要使密封流量恒定时(这种情况下，需要使机器人的速度恒定)，即使在直线部分以均匀的密封量来涂抹粘着剂，在曲率小的拐角部分，也会存在机器人的动作速度减速到1/3并涂抹3倍的封铅量的情况。此时的机器人的动作速度的图表相当于图5中的“原来的速度”。当在生产线上想要将密封量的误差控制在±9％时，在步骤S10中，由示教者将加工误差的容许条件设定为±9％。为了满足加工精度±9％，需要将速度变动控制在±9％，因此加工作业中的速度变动的容许比率rate_vel在步骤S11中被计算为1.09/0.91＝1.2。

在步骤S13中，设定动作速度变更率，以使速度变动的比率被控制为rate_vel。设定后的动作速度相当于图5的“步骤S13后的速度”。然后，通过重复步骤S14～步骤S17中的学习，在进行振动抑制的基础上，进行动作速度的优化(或高速化)，以便同时满足加工误差的容许条件以及振动的容许条件。优化后的动作速度相当于图5的“学习完成后的速度”。学习完成后的动作速度大致恒定，随着振动被抑制使动作速度高速化，并且密封流量也大致恒定。

作为另一实施方式，虽然未图示，但是机器人10还可以具备：优先度输入单元，其针对加工误差的容许条件、振动的容许条件、以及学习的周期时间的容许条件中的至少一个，输入优先度。在这里，优先度是由数值构成，并表示根据数值较大的条件来使容许条件放宽的指标。机器人10还可以具备：第2容许条件输入单元，其输入表示能够将这些容许条件放宽到何种程度的第2容许条件。作为这些输入单元，能够列举示教操作盘(未图示)上的液晶触摸屏、键盘、鼠标等。

作为一实施例，设定如下容许条件、第2容许条件以及优先度。

·加工误差：“容许条件＝±10％、第2容许条件＝±20％、优先度2”

·振动(最大位置偏差)：“容许条件＝1.0mm、第2容许条件＝2.0mm、优先度3”

·学习的周期时间：“容许条件＝60秒、第2容许条件＝无设定、优先度1”

在像这样的设定中，当学习后的周期时间变为70秒时，将振动的容许条件从1.0mm逐渐放宽到2.0mm，直到周期时间变为60秒，另一方面，一边相应地使动作速度高速化相应的量一边继续学习。在将振动的容许条件放宽到2.0mm而周期时间还是超过60秒时，一边将加工误差的容许条件从±10％放宽到±20％一边继续学习。当加工误差的容许条件被放宽至±20％而周期时间仍然超过60秒时，示教者可以重新设定第2容许条件来继续学习。另外，在像这样的设定时，当加工误差的容许条件的优先度以及振动的容许条件的优先度是相同的值(例如“2”)时，可以一边将加工误差的容许条件以及振动的容许条件以相同比率逐渐放宽一边继续学习。根据该另一实施方式，即使在不满足容许条件时，也继续学习，因此能够防止加工作业的停机时间。

根据本实施方式，在满足根据针对机器人的加工作业的加工误差的容许条件而计算出的加工作业中的速度变动的容许条件、以及振动的容许条件的范围内，重复用于抑制振动的校正量的计算以及动作速度变更率的调整，因此即使在需要速度恒定的应用程序中，也不需要进行示教者的试错就能够一边使机器人的动作速度高速化，一边学习控制在控制对象部位产生的振动。

Claims (7)

1.一种机器人，其具备：具有用于检测位置控制的对象即控制对象部位的位置的传感器的机器人机构部、以及按照作业程序来控制所述机器人机构部的动作的控制装置，其特征在于

所述控制装置具有：

学习控制部，其进行如下学习：通过与所述控制对象部位的目标轨迹或目标位置有关的动作指令来使所述机器人机构部动作，计算基于所述传感器检测出的所述控制对象部位的位置与所述目标位置的差即差量，并且基于为了使所述控制对象部位的位置接近所述目标位置而上次计算出的校正量和所述差量来计算新的校正量；以及

机器人控制部，其被赋予所述动作指令，并使用被赋予的所述动作指令以及通过所述学习控制部计算出的新的校正量，来控制所述机器人机构部的动作，

所述学习控制部具有：

动作速度变更率调整部，其基于针对按照所述作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件来计算所述加工作业中的速度变动的容许条件，并使用计算出的所述速度变动的容许条件来设定用于增加或减少所述机器人机构部的动作速度的动作速度变更率，并且在不超过所述动作速度变更率的最大值的范围内且处于在所述控制对象部位所发生的振动的容许条件的范围内，经多次来增加或减少所述动作速度变更率；

校正量计算部，其为了抑制各次的动作速度变更率中的所述振动，计算所述新的校正量；以及

存储部，其在收敛了所述校正量以及所述动作速度变更率之后，存储收敛时的所述校正量以及所述动作速度变更率。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，

所述机器人还具备：加工误差条件输入单元，其输入所述加工误差的容许条件。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，

所述机器人还具备：振动条件输入单元，其输入所述振动的容许条件。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的机器人，其特征在于，

所述学习控制部根据在所述机器人机构部中所容许的最大速度以及最大加速度来计算所述动作速度变更率的最大值。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机器人，其特征在于，

所述机器人还具备：优先度输入单元，其针对所述加工误差的容许条件、所述振动的容许条件以及所述学习的周期时间的容许条件中的至少1个，来输入优先度，即使在不满足某一个容许条件的情况下，所述学习控制部仍按照所述优先度放宽所述容许条件来继续进行所述学习。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的机器人，其特征在于，

所述传感器是加速度传感器、陀螺传感器、惯性传感器、力传感器、激光***、照相机、或运动捕捉装置。

7.一种机器人的控制方法，该机器人具备：具有用于检测位置控制的对象即控制对象部位的位置的传感器的机器人机构部、以及按照作业程序来控制所述机器人机构部的动作的控制装置，其特征在于，

所述机器人的控制方法包含以下步骤：

基于针对按照所述作业程序所进行的加工作业的加工误差的容许条件来计算所述加工作业中的速度变动的容许条件的步骤；

在通过与所述控制对象部位的目标轨迹或目标位置有关的动作指令来使所述机器人机构部动作的基础上，

使用计算出的所述速度变动的容许条件来设定用于增加或减少所述机器人机构部的动作速度的动作速度变更率的步骤；

计算基于所述传感器检测出的所述控制对象部位的位置与所述目标位置的差即差量的步骤；

在不超过所述动作速度变更率的最大值的范围内并且处于在所述控制对象部位所产生的振动的容许条件的范围内，经多次来增加或减少所述动作速度变更率的步骤；

重复进行基于为了抑制各次的动作速度变更率中的所述振动而在上次计算出的校正量和所述差量来计算新的校正量的学习的步骤；以及

在收敛了所述校正量以及所述动作速度变更率之后，存储收敛时的所述校正量以及所述动作速度变更率的步骤。