CN116133797A - 机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够比较简单地提高机器人的定位精度的机器人控制装置。本公开的一个方式所涉及的机器人控制装置具备：位置信息获取部，其获取表示具有多个驱动轴的机器人的末端的基准点的实际的位置的位置信息；参数存储部，其存储用于根据针对所述机器人的指令值来计算所述基准点的准确的位置的多个误差参数；灵敏度计算部，其针对每个所述误差参数计算表示所述基准点的计算上的位置的变化量相对于该误差参数的变化量的大小的灵敏度值；对象选定部，其基于所述灵敏度值来选定被所述参数校正部作为校正对象的所述误差参数；以及参数校正部，其设为所述校正对象以外的所述误差参数不影响所述基准点的位置，基于所述位置信息和针对所述机器人的指令值来对作为所述校正对象的所述误差参数进行校正。

Description

机器人控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人控制装置。

背景技术

在具备多个驱动轴的多关节型机器人中，基于驱动轴之间的距离(连杆的长度)和驱动轴的角度位置来计算机器人的末端的基准点的位置。然而，在实际的机器人中，由于各种各样的因素而可能在根据驱动轴的角度指令值计算的基准点的位置与基准点实际被定位的位置之间产生误差。因此，研究出使用多个误差参数来补偿针对向机器人的指令值的基准点的理论上的位置与实际的位置之间的误差。

多关节机器人具有很多误差因素，若针对各个误差因素决定误差参数，则需要相当多的误差参数。另外，各误差参数并非独立地起作用，而是相互关联地对最终的定位误差造成影响。如果将这样的大量的误差参数全部设为未知变量，则必需针对极其多的机器人的姿势实测出定位误差才能够计算误差参数的值。因此，还提出了重复进行如下处理的技术：通过从大量的误差参数中的预先设定的多个参数组中选定一组误差参数，来基于较少的信息计算误差参数，并基于实际的定位误差来评价所计算出的误差参数是否适当(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2020-40165号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1的方法中，预先设定的参数组是否适当会大幅影响所计算出的误差参数的精度。对准确地计算基准点的位置贡献大的误差参数根据机器人的使用方式而变化。因此，难以预先决定应优先地校正的参数组。因此，期望一种能够更简单地提高机器人的定位精度的技术。

用于解决问题的方案

本公开的一个方式所涉及的机器人控制装置具备：位置信息获取部，其获取表示具有多个驱动轴的机器人的末端的基准点的实际的位置的位置信息；参数存储部，其存储用于根据针对所述机器人的指令值来计算所述基准点的准确的位置的多个误差参数；灵敏度计算部，其针对每个所述误差参数计算表示所述基准点的计算上的位置的变化量相对于该误差参数的变化量的大小的灵敏度值；对象选定部，其基于所述灵敏度值来选定被所述参数校正部作为校正对象的所述误差参数；以及参数校正部，其设为所述校正对象以外的所述误差参数不影响所述基准点的位置，基于所述位置信息和针对所述机器人的指令值来对作为所述校正对象的所述误差参数进行校正。

发明的效果

根据本公开所涉及的机器人控制装置，能够比较简单地提高机器人的定位精度。

附图说明

图1是示出具备本公开的机器人控制装置的机器人系统的结构的图。

图2是示出用于说明机器人的驱动轴的位置与基准点的姿势之间的关系的模型的图。

图3是示出图1的机器人控制装置中的误差参数的校正的过程的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来对本公开的实施方式进行说明。图1是示出具备本公开的机器人控制装置1的机器人系统S的结构的图。

机器人系统S通过按照机器人控制装置1进行动作的机器人2来对工件W进行加工。机器人系统S具备机器人控制装置1、被机器人控制装置1控制的机器人2以及测定机器人2的末端的基准点的三维位置的三维测量装置3。机器人2具有多个驱动轴。在机器人2的末端配置有保持工具T的加工头21。

机器人控制装置1具备参数存储部11、指令值生成部12、位置信息获取部13、灵敏度计算部14、对象选定部15、参数校正部16、评价部17、权重决定部18以及程序生成部19。

机器人控制装置1能够通过向具有CPU、存储器等的计算机装置导入适当的控制程序来实现。上述各构成要素是对机器人控制装置1的功能进行分类而得到的，在其功能和程序构造上也可以无需能够明确地进行区分。

参数存储部11存储用于根据指令值来计算机器人2的基准点的准确的位置的多个误差参数，该指令值用于指示机器人2的各驱动轴应在的位置或应有的速度。误差参数是为了补偿根据机器人2的各驱动轴的角度和驱动轴之间的距离等计算的基准点的理论上的位置(理论位置)与由机器人2的机械误差产生的基准点的实际的位置(实际位置)之差而设定的。

通过机器人的正运动学来计算基准点的理论上的位置。有名的是使用用于表示相邻的关节轴之间的相对关系的Denavit-Hartenberg参数(D-H参数)来进行计算。在图2所示的例子中，在根据x_i-1轴来计算x_i轴的位置(x_i，y_i，z_i)时，首先绕z_i-1轴旋转θ的角度，接着沿z_i-1轴平移d的距离，接着沿旋转后的x_i-1轴平移a的距离，接着绕x_i轴旋转α的角度，接着绕y_i轴旋转β的角度，由此得到x_i轴的位置。上述θ、d、a、α、β的含义如下，各值能够作为机器人的设计值给出。

θ：从x_i-1轴到x_i轴的旋转角(绕z_i-1轴)

d：从第i-1坐标系原点到z_i-1轴与x_i-1轴的交点的距离

a：从z_i-1轴与x_n轴的交点到第i坐标系原点的距离

α：从z_i-1轴到z_i轴的旋转角(绕x_i轴)

β：从z_i-1轴到z_i轴的旋转角(绕y_i轴)

然而，在设计值与实际的机器人之间会产生误差，针对上述五个设计值需要五个误差参数。θ是与驱动各轴的编码器输出相对的旋转量，而其基准位置是校正要素。其结果，在六轴多关节机器人中，DH参数的校正需要6轴×5＝30个误差参数。

并且，在对与各轴的绕x、y、z轴产生的重力矩相对的各轴的挠曲进行校正的情况下，各轴具有三个弹簧常数作为误差参数，对上述θ、α、β加上作为校正量的重力矩×弹簧常数。

并且，还能够考虑与驱动各轴的编码器输出相对的旋转量具有旋转量(y)相对于编码器输出(x)之比(a)作为误差参数(y＝ax)，或者将编码器输出与旋转量之间的关系公式化为角度传递误差的模型(y＝ax+bcos(x))而具有与角度传递有关的多个误差参数，对上述θ、α、β加上该误差参数来进行校正。

指令值生成部12按照程序来生成指令值，该指令值用于指示机器人2的各驱动轴应在的位置或应有的速度使得刀具T沿规定的轨迹移动并对工件W进行加工。也就是说，指令值生成部12生成使得使用参数存储部11中存储的误差参数计算的位置成为在程序中要求的位置这样的指令值。

位置信息获取部13获取表示作为机器人2的末端的基准点的实际的位置测定的位置(测定位置)的位置信息。典型地，能够从三维测量装置3获取位置信息。另外，也可以根据由操作者进行的正确位置的示教动作来进行计算，由此获取位置信息。具体地说，位置信息获取部13也可以基于根据指令值使用误差参数计算的基准点的计算上的位置(计算位置)、以及操作者使基准点从由指令值定位的位置起移动的量，来计算基准点的测定位置。

灵敏度计算部14针对每个误差参数计算表示基准点的计算上的位置的变化量相对于该误差参数的变化量的大小(灵敏度)的灵敏度值。灵敏度值既可以是独立的评价点，也可以是顺序，还可以是对灵敏度进行分组所得到的等级值。

若将以上述的误差参数为要素的向量设为q，则表示机器人前端部的三维位置的向量p能够使用考虑了上述的误差模型的函数f来表示为如下。

p＝f(q)

表示机器人前端部的指令位置与测定位置之间的偏差量的向量Δp能够通过各误差参数的细微变动的线性组合之和来进行近似。此外，JA是雅可比行列式。

由于激光跟踪器进行三维的测定，因此根据一个测量姿势而成立三个方程式。若将这些扩展至多个测量姿势，则能够得到表示与这些姿势对应的偏差量的向量Δr和雅可比行列式D，并表示为如下。

Δr＝D·Δq

一般而言，通过解出使Δr最小的迭代估计问题来识别误差参数。

若将方程式的数量设为N个且将误差参数的数量设为M个，则上述雅可比行列式D如下面这样给出。

[数1]

D的各个要素表示在第n次测量中使误差参数发生了细微变化时的前端位置的偏差量。D的列向量是与各误差参数对应的灵敏度向量。能够将该灵敏度向量的要素的绝对值的最大值、最大值－最小值或者向量的大小用作灵敏度的指标。例如，在J1轴的绕Z轴的弹簧是第一列的误差参数的情况下，在各测量姿势下J1轴的Z轴转矩的变化非常微小的情况下，第一列的绝对值的最大值、最大值－最小值或者向量的大小与其它列相比成为非常小的值。在这样的情况下，从误差参数组中排除该列。

在方程式的数量比未知数的数量多的情况下，能够将[D]{p}＝{q}变换为[D]^T[D]{p}＝[D]^T{q}来得到下式，由此解出一般的最小二乘问题。

[数2]

[D]^T[D]为M×M的矩阵。也可以将其列向量定义为灵敏度向量并指标化。

并且，通过取[D]^T[D]的各列向量的内积，能够判定误差参数间的从属度。例如，在J1轴的绕Z轴的弹簧是第一个误差参数且第二个误差参数是同J1轴的编码器值与旋转角之比有关的误差参数的情况下，在各测量姿势下编码器值的变化与J1轴的绕Z轴的转矩的变化具有比例关系的情况下，第一列与第二列的向量的内积为1。在该情况下也从误差参数组中排除该误差参数较为优选。

或者，也可以从误差参数组中排除固有值小的误差参数，直到[D]^T[D]的最大固有值与最小固有值之比变为某个固定值为止。

由于能够在通过测定来得到位置信息之前计算雅可比行列式D，因此在测定开始前事先知道计算哪个误差参数。例如在能够计算的误差参数非常少的情况下，认为能够期待的实现精度低，在该情况下能够事先实施增加所测定的姿势的数量的探讨。

对象选定部15基于灵敏度计算部14计算出的灵敏度值，来选定被参数校正部16作为计算对象的误差参数。对象选定部15既可以选出灵敏度值顺序靠前的固定数量的误差参数，也可以选出灵敏度为一定以上的误差参数，例如也可以根据基于加工程序等而得到的位置信息的数量来增加或减少所要选出的误差参数的数量。

对象选定部15也可以基于针对每个误差参数设定的权重和灵敏度计算部14计算出的灵敏度值来选定作为计算对象的误差参数。通过对灵敏度计算部14计算出的灵敏度值进行加权，不仅能够针对获取到位置信息时的状态下的影响大的误差提高校正的优先顺序，还能够针对被预测为机器人2的构造上的影响大的误差参数提高校正的优先顺序，从而能够更迅速地得到适当的误差参数。

参数校正部16基于指令值生成部12输出的针对机器人2的指令值和位置信息获取部13获取到的位置信息，来对误差参数进行校正。此时，参数校正部16设为由对象选定部15选定的校正对象以外的误差参数不影响机器人2的基准点的位置，仅对作为校正对象的误差参数进行校正。

现实的机器人2具有非常复杂的机构，因此为了反应出所有的误差因素，需要使用极其大量的误差参数。另外，加工头21的结构、机器人2的动作模式等各种各样的因素会对所产生的定位误差造成影响，因此适当的误差参数的值可能根据加工的方式、用于加工的程序的结构等而变化。因此，为了计算所有的误差参数的准确的值，需要以各种各样的动作模式使机器人2进行定位动作并获取大量的位置信息。例如，如果机器人2是六轴多关节型机器人，则需要的指令值与位置信息的组合的数量超过100。

因此，参数校正部16仅将由对象选定部15选择出的一部分误差参数设为作为计算对象的未知变量，并将除此以外的误差参数设为不变(固定为当前的值)的值，通过对指令值与基准点的实际的位置(实际位置)之间的关系进行解析，来对由对象选定部15选择出的误差参数的值进行校正，使得能够根据指令值更准确地计算实际的基准点的位置。由此，通过数量比较少的位置信息，虽然未必严谨，但是能够获得能够比较准确地确定机器人2的基准点的位置的误差参数的组。

在机器人控制装置1中，也可以是，灵敏度计算部14、对象选定部15以及参数校正部16按每个上述位置信息进行运算。也就是说，也可以每当位置信息获取部13获取到位置信息时，由灵敏度计算部14进行灵敏度值的重新计算，由对象选定部15进行校正对象的重新选定，并且由参数校正部16进行误差参数的校正。由此，能够阶段性地对误差参数进行校正来可靠地使误差参数适当化。

评价部17判定根据指令值生成部12输出的针对机器人2的指令值计算的基准点的位置与位置信息获取部13获取到的位置信息所表示的基准点的位置之间的偏差是否在规定范围内。评价部17在判断为根据机器人2的基准点的指令位置计算的基准点的位置与实测位置之间的偏差在规定范围内的情况下，停止进行阶段性地对误差参数进行校正的重复处理，由此能够缩短直到得到有效的误差参数的组为止花费的时间。例如也可以在发生了机器人系统S的运转停止、加工程序的变更、紧急停止等规定的事件的情况下重新开始误差参数的校正。

权重决定部18根据对机器人2进行的维护作业的内容来决定权重。因此，权重决定部18能够构成为受理由操作者进行的维护作业的内容的输入。例如在更换了马达的情况下，与所更换的马达有关的误差因素可能发生变化，因此可能需要对相关联的误差参数大幅地进行修正。像这样，通过将由于维护作业而需要修正的可能性高的误差参数的灵敏度值的权重增大，能够迅速地补偿因维护作业产生的定位误差。关于误差参数的灵敏度值的权重，也可以设为，每个测定数据分别具有该权重，通过在维护作业前和维护作业后切换权重，来使用维护作业前后的测量数据计算维护作业后的机器人的机构误差参数。

程序生成部19生成向为了使用机器人2来进行加工而给出的加工程序附加用于由位置信息获取部13获取位置信息的命令所得到的校准程序。也就是说，机器人系统S能够按照校准程序，来一边进行加工一边进行误差参数的计算。由此，由于在实际的加工动作的期间决定灵敏度值并选择校正对象，因此能够可靠地提高定位精度，进而可靠地提高加工精度。

典型地，机器人2是垂直多关节型机器人，但也可以是SCARA型机器人、并联型机器人、直角坐标型机器人等。机器人2也可以在末端具有三维测量装置3所能够识别的标记。

机器人2的加工头21例如能够保持旋转切削刀具等工具T，且具有驱动工具T(例如使其旋转)的驱动机构。另外，加工头21也可以是激光加工头等。

作为三维测量装置3，能够使用例如使用激光等来测定物体的表面的三维形状的装置。

图3示出由机器人控制装置1进行的误差参数的校正的过程。误差参数的校正通过以下方法进行，该方法包括定位工序(步骤S1)、灵敏度值计算工序(步骤S4)、校正对象选定工序(步骤S5)、位置信息获取工序(步骤S2)、参数校正工序(步骤S6)以及评价工序(步骤S3)。

在步骤S1的定位工序中，指令值生成部12按照程序生成部19生成的校准程序来生成用于对机器人2进行定位的指令值。

在步骤S2的灵敏度值计算工序中，灵敏度计算部14基于指令值和位置信息，来针对所有的误差参数分别计算灵敏度值。

在步骤S3的校正对象选定工序中，对象选定部15将灵敏度值顺序靠前的误差参数选定为校正对象。

在步骤S4的位置信息获取工序中，位置信息获取部13获取机器人2的基准点的位置信息，也就是说，测定基准点的三维位置。

在步骤S5的参数校正工序中，参数校正部16对在校正对象选定工序中选定的误差参数进行校正，也就是说，对参数存储部11中存储的误差参数的值进行修正，使得计算位置接近实测位置。

在步骤S6的评价工序中，评价部17确认使用当前存储于参数存储部11中的误差参数根据指令值生成部12生成的指令值计算的机器人2的基准点的计算位置与位置信息获取部13获取到的位置信息所表示的基准点的实测位置之间的偏差是否在规定的范围内。如果计算位置与实测位置之间的偏差在规定的范围内，则认为参数存储部11中存储的误差参数是适当的，因此结束本处理。如果计算位置与实测位置之间的偏差不在规定的范围内，则返回步骤S1并重复上述的工序。通过返回步骤S1并获取新的位置信息来进行误差参数的进一步校正，能够将误差参数修正为更适当的值，从而逐渐提高机器人的定位精度。

像上面那样，机器人控制装置1仅将对象选定部15选定出的灵敏度值数量少的误差参数设为校正的对象，因此能够通过数量比较少的位置信息来得到比较准确的误差参数。也就是说，机器人控制装置1能够比较简单地提高机器人2的定位精度。

以上，对本公开所涉及的机器人控制装置的实施方式进行了说明，但本公开的范围不限于上述的实施方式。另外，上述的实施方式中记载的效果仅列举了根据本公开所涉及的机器人控制装置而产生的最优选的效果，本公开所涉及的机器人控制装置的效果不限定于上述的实施方式中记载的效果。

在本公开所涉及的机器人控制装置中，评价部、权重决定部以及程序生成部是任意的结构，也可以省略。

本公开所涉及的机器人控制装置不限于应用于具有加工头的机器人的控制，例如也能够应用于把持工件的机器人等。

附图标记说明

1：机器人控制装置；11：参数存储部；12：指令值生成部；13：位置信息获取部；14：灵敏度计算部；15：对象选定部；16：参数校正部；17：评价部；18：权重决定部；19：程序生成部；2：机器人；21：加工头；3：三维测量装置；S：机器人系统；T：工具；W：工件。

Claims (7)

1.一种机器人控制装置，具备：

位置信息获取部，其获取表示具有多个驱动轴的机器人的末端的基准点的实际的位置的位置信息；

参数存储部，其存储用于根据针对所述机器人的指令值来计算所述基准点的准确的位置的多个误差参数；

灵敏度计算部，其针对每个所述误差参数计算表示所述基准点的计算上的位置的变化量相对于该误差参数的变化量的大小的灵敏度值；

对象选定部，其基于所述灵敏度值来选定作为校正对象的所述误差参数；以及

参数校正部，其设为所述校正对象以外的所述误差参数不影响所述基准点的位置，基于所述位置信息和针对所述机器人的指令值来对作为所述校正对象的所述误差参数进行校正。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其中，

还具备评价部，所述评价部判定使用所述误差参数计算的所述基准点的位置与所述位置信息所表示的所述基准点的位置之间的偏差是否在规定范围内，

所述灵敏度计算部、所述对象选定部以及所述参数校正部按每个所述位置信息进行运算。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其中，

还具备评价部，所述评价部判定根据所述指令值计算的所述基准点的位置与所述位置信息所表示的所述基准点的位置之间的偏差是否在规定范围内，

所述灵敏度计算部、所述对象选定部以及所述参数校正部按每个所述位置信息进行运算，在由所述评价部判定为所述偏差在所述规定范围内的情况下，停止处理。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的机器人控制装置，其中，

所述位置信息获取部基于根据所述指令值计算的所述基准点的位置、以及操作者使所述基准点从由所述指令值定位的位置起移动的量，来计算所述基准点的实际的位置。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的机器人控制装置，其中，

还具备程序生成部，所述程序生成部生成向用于使用所述机器人来进行加工的加工程序附加用于由所述位置信息获取部获取所述位置信息的命令所得到的校准程序，

所述机器人控制装置按照所述校准程序，来一边进行所述加工一边进行所述误差参数的计算。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的机器人控制装置，其中，

所述对象选定部基于所述灵敏度值和针对每个所述误差参数设定的权重，来对所述误差参数赋予顺序。

7.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其中，

还具备权重决定部，所述权重决定部根据对所述机器人进行的维护作业的内容来决定所述权重。

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