控制机器人的方法和设备转让专利
申请号 : CN200710149767.0
文献号 : CN100592967C
文献日 : 2010-03-03
发明人 : 中田广之 , 增永直人 , 桥本敦实 , 向井康士
申请人 : 松下电器产业株式会社
摘要 :
提供一种控制机械手的方法及设备。通过适当地选择指令值或实际测量的值来作为用于摩擦转矩计算的角速度，在当按照角速度指令来主动进行操作和被动操作、即当被外力推动时这两种情况下摩擦补偿可以有效。而且，在在检测到碰撞后，当电机旋转方向和碰撞方向相反时，位置控制转换到电流控制，以便电机产生与电机旋转方向相反方向的转矩，由此降低电机旋转速度和减弱碰撞能量。此后，当电机旋转速度变为设置值或更低时，模式被设置到顺应性控制，由此消除由碰撞产生的减速器件等的变形。另一方面，当电机旋转方向和碰撞方向相同时，位置控制直接地转换到顺应性控制，而不经过电流控制。通过按照碰撞力来执行操作，有可能减弱碰撞转矩。
权利要求 :
1.一种在检测到由电机驱动的机器人的碰撞后进行的停止操作中控制机 器人的方法，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反的轴中，当控制 模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且当电机旋转 速度被降低到不大于第一设置值的值时，控制模式被转换到机器人跟随碰撞 力方向的顺应性控制，其中，在位置控制中，产生用于使得实际位置跟随位 置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机产生其方向与电 机旋转方向相反的转矩的电流；并且在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向相同的轴中，控制模式从位置控制 向顺应性控制转换。
2.按照权利要求1的控制机器人的方法，其中，在碰撞转矩检测值小于 碰撞方向判断转矩阈值的轴中，不论电机旋转方向和碰撞转矩方向如何，控 制模式从位置控制向电流控制转换，并且当电机产生其方向与电机旋转方向 相反的转矩时，电机旋转速度被降低，并且当电机旋转速度被降低到不大于 该第一设置值的值时，控制模式转换到顺应性控制。
3.按照权利要求1的控制机器人的方法，其中，当进行下述的电流控制： 即在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反、并且电机旋转速度和碰撞 转矩检测值分别超过该第一设置值和碰撞方向判断转矩阈值的轴中，由电机 产生其方向与电机旋转方向相反的转矩时，在减小电机旋转速度后，保持施 加反向的转矩直到旋转方向被反向，并且当电机旋转速度增大到不小于该第 一设置值的值时，控制模式转换到其中机器人跟随碰撞力方向的顺应性控制。
4.按照权利要求1的控制机器人的方法，其中，当在碰撞检测后进行由 电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩的电流控制时，控制用于产生电 机最大转矩的电流。
5.一种控制机器人的设备，包括：
碰撞转矩检测部件，用于检测由被提供到机械手的碰撞力向驱动机械手 的电机提供的转矩的强度和方向；
碰撞判断部件，用于通过将碰撞转矩检测值与已经设置的碰撞转矩阈值 相比较而判断碰撞；
电机旋转检测部件，用于检测电机的旋转速度和旋转方向；
碰撞方向判断部件，用于比较碰撞转矩检测方向与电机旋转方向；以及
电机减速判断部件，用于通过将电机旋转速度与第一设置值相比较而确 认电机的减速，其中，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反的轴中， 当控制模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且当电 机旋转速度被降低到不大于该第一设置值的值时，控制模式被转换到机器人 跟随碰撞力方向的顺应性控制，其中在位置控制中，产生用于使得实际位置 跟随位置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机产生其方 向与电机旋转方向相反的转矩的电流，控制机器人的设备还包括控制模式转换部件，能够用于在其中电机旋转 方向与碰撞转矩方向相同的轴中从位置控制部件向顺应性控制部件转换。
6.按照权利要求5的控制机器人的设备，还包括：
碰撞转矩阈值判断部件，用于将碰撞转矩检测值与碰撞方向判断转矩阈 值相比较，
其中，该控制模式转换部件还用于在其中碰撞转矩检测值小于碰撞方向 判断转矩阈值的轴中将控制模式从位置控制向电流控制转换，而不论电机旋 转方向和碰撞转矩方向如何，并且，当电机产生其方向与电机旋转方向相反 的转矩时，电机旋转速度被降低，并且当电机旋转速度被降低到不大于该第 一设置值的值时，控制模式转换部件将控制模式转换到顺应性控制。
7.按照权利要求5的控制机器人的设备，其中，当进行下述的电流控制： 即在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反、并且电机旋转速度和碰撞 转矩检测值分别超过该第一设置值和碰撞方向判断转矩阈值的轴中，由电机 产生其方向与电机旋转方向相反的转矩时，在减小电机旋转速度后，保持施 加反向的转矩直到旋转方向被反向，并且当所述电机旋转速度增大到不小于 该第一设置值的值时，控制模式转换到机器人跟随碰撞力方向的顺应性控制。
8.按照权利要求5的控制机器人的设备，还包括：电流控制部件，用于 当在已经检测到碰撞后由控制模式转换部件选择电流控制部件时，命令电流 通过电机来产生其方向与电机旋转方向相反的最大转矩。
说明书 :
本申请是申请日为2004年7月2日、申请号为200480009285.X、发明 名称为“控制机械手的方法和设备”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种控制由电机驱动的机械手的方法和设备。更具体而言， 本发明涉及一种用于控制机械手的顺应性(compliance)伺服控制技术，即本发 明涉及一种用于控制在已经检测到机械手与物体的碰撞后进行的机械手停止 的方法和设备。
背景技术
近来，机器人已经不仅用于工业领域，而且用于公共消费者领域。因此， 保证安全已经变得重要。但是，按照通过使用力传感器检测在碰撞时施加到 机器人的外力来停止机器人的停止部件，制造成本和重量不希望地增加。于 是，期望不使用传感器而增强顺应性伺服控制的性能和增强停止运动的控制 的性能，所述顺应性伺服控制包括碰撞检测。
关于用于不使用传感器来实现顺应性伺服控制的方法，经常采用一种方 法，其中即使当在位置反馈控制中增大位置偏差时，也通过抑制相对于位置 偏差的增大的电流命令(electric current command)的增大而不在电机中产生过 高的转矩。
按照在反馈控制中的电流命令的抑制量，也抑制由电机产生的转矩的强 度，以便可以增强顺应性。
在JP-A-09-179632(美国专利第5994864号)中公开了一种用于抑制在反馈 控制中的电流命令的方式，其中限制了电流命令。在JP-A-08-155868中还公 开了一种用于抑制在反馈控制中的电流命令的方式，其中降低了反馈增益。
如上所述，为了增强机械手的顺应性，抑制在反馈控制中的电流命令是 重要的。如果不在反馈控制中抑制电流，则机械手的顺应性变得接近普通的 伺服刚性。因此，降低了伺服控制的顺应性。
但是，为了操作机械手，必须由电机产生驱动转矩，其中要考虑惯性转 矩、摩擦转矩和重力转矩。因此，当仅仅通过反馈控制来操作机械手时，难 于抑制电机的电流命令。
图3是示出在其中使用实际速度来控制摩擦补偿的传统方法的方框图。 在所述附图中，附图标号1是电机旋转角命令θcom，附图标号2是反馈控制 器，附图标号3是电流限制部件，附图标号4是反馈控制电流命令Icom，附图 标号5是电机电流Im，附图标号6是表示(电机+实际负荷)的范围，附图标号 7是电机转矩常数Kt，附图标号8是电机产生转矩τmm，附图标号9是向电 机提供的外力τμ+τdyn+τdis，附图标号10是电机惯性的传递函数，附图标号 11是电机旋转角θfb，附图标号12是微分算子，附图标号13是电机角速度命 令ωcom，附图标号14是微分算子，附图标号15是电机角加速度命令αcom， 附图标号16是电机惯性(转子+减速齿轮初级端)J，附图标号17是操作机器人 所需要的电机电流Iml，附图标号18是电机转矩常数的倒数1/Kt，附图标号 19是动态转矩τdyn的计算值，附图标号20是摩擦力τμ的计算值，附图标号 21是摩擦计算块，附图标号22是动态计算块，附图标号23是电机角速度ωfb， 附图标号24是微分算子，附图标号25是其他轴的旋转角。
当从电机驱动侧看时，通过表达式(1)来表达在操作机器人时产生的电机 产生转矩τm。当从负荷侧看时，通过表达式(2)来表达所述电机产生转矩τm。
τmm＝Kt*Im (1)
τml＝J*α+τμ+τdyn+τdis (2)
在这种情况下，在表达式(1)和(2)中使用的附图标号定义如下。
Kt：电机转矩常数
Im：电机电流
α：电机角加速度
ω：电机角速度
J：电机惯性(转子+减速齿轮的初级侧)
τμ：摩擦转矩(被转换为电机轴端)
τdyn：动态转矩(动态转矩是重力转矩、惯性力、地球偏转力(Coriolis)和 弹力的总和，它被转换为电机轴端。)
τdis：干扰转矩(干扰转矩是从外部提供的接触转矩或参数误差。干扰转 矩被转换为电机轴端。)
当在表达式(2)中干扰转矩τdis＝0时，也可能通过表达式(1)和(2)来计算 电机电流Iml，它是操作机械手所需要的。
Iml＝(J*α+τμ+τdyn)/Kt (3)
如图3所示，当表达式(3)计算的Iml被加到反馈电流命令Icom时，如果干 扰转矩τdis＝0，则即使当反馈电流是0时，机械手也变得也可能到达目的位 置。
在图3中，当反馈控制器2从旋转角命令θcom 1和实际电机旋转角θfb进 行PID计算并且进行电流限制3时可以得到反馈电流命令Icom4。关于用于限 制电流3的方式，提供了一种其中设置了所述限制的系统和一种其中降低了 反馈增益的系统。
另一方面，由表达式(3)计算的Iml 17可以如下获得。将对电机旋转命令 θcom 1进行微分运算12和14两次获得的角加速度αcom 15乘以电机惯性J16。 摩擦转矩τμ20和动态转矩τdyn 19被加到如此获得的值。将所获得的值乘以 电机转矩常数的倒数1/Kt 18，可以获得由表达式(3)计算的Iml 17。
即，当可以由表达式(3)精确计算机器人的操作所需要的电机电流Iml时， 变得可能在反馈控制中抑制电流命令。因此，可以增强机器人的顺应性。
但是，实际上，由于表达式(3)的参数误差而引起计算误差。因此，当在 反馈控制中强烈地抑制电流时，变得不可能补偿误差，并且机械手变得失去 控制，并且不能减少位置偏差，即存在机械手失控的可能。
当在反馈控制中使得电流命令为0时，如果由于从外部提供的接触转矩 扩大了位置偏差，则不产生使机械手返回初始位置的力。
如上所述，可以抑制多少通过反馈控制的电流命令依赖于表达式(3)的计 算精度。
摩擦转矩τμ是由表达式(3)计算的电机电流Iml的主要项之一，并且是操 作机器人所需要的，其包括：静态摩擦转矩τμs和动态摩擦转矩τμm，通过 力的作用方向来确定它们；以及粘滞摩擦τμd(粘性的系数D)，它与速度成比 例。
τμ＝τμs+τμm+τμd (4)
但是，在表达式(4)中，每个项被计算如下。
τμs＝τμs0*sgn1(ω) (5)
τμm＝τμm0*sgn2(ω) (6)
τμd＝D*ω(7)
其中，τμs0是τμs的绝对值，与电机旋转方向无关；τμm0是τμm的绝 对值，与电机旋转方向无关。
可以从表达式(5)-(7)看出，根据角速度ω来计算所有的摩擦转矩。
关于用于计算摩擦转矩的角速度ω，受到反馈阻抗的角速度ωFB用于上 述的传统示例(JP-A-9-179632)。在另一个传统示例(JP-A-10-180663)中，使用 当位置命令θcom被微分时获得的角速度命令ωcom。
但是，在机器人的顺应性控制中，提供了两种情况。一个是机器人按照 位置命令θcom来主动做动作的情况。另一个是机器人被外力推动被动地做动 作的情况。
如图3所示，当使用对实际电机旋转角θfb 11求微分时获得的实际角速 度ωfb 23来作为使用计算块21通过表达式(5)计算摩擦转矩τμ20时使用的角 速度的时候，反映出由作为被提供到电机的干扰转矩9的一部分的外力τdis 引起的速度波动，以便可以增强摩擦转矩τμ20的计算精度。
但是，当从机器人完全停止的状态主动地操作机器人时，操作方向是未 知的，直到机器人开始操作。因此，不可能计算静态的摩擦转矩τμs。
直到机器人开始操作，实际角速度ωFB是0，并且由表达式(6)和(7)计算 的动态摩擦转矩τμm和粘滞摩擦τμd当然是0。因此，由表达式(4)计算的摩 擦转矩是τμ0，并且根本不产生用于操作机器人的电机转矩。
在这种状态中，当由反馈控制的电流命令Icom 4引起的转矩被抑制以增 强顺应性并且变得低于实际静态摩擦转矩τμs的时候，即使产生了旋转角命 令θcom 1，机器人也不移动。
另一方面，如图4所示，当把在对电机旋转角θcom 1求微分时获得的角 速度ωcom 13用于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角速度ω的时候，这些问 题被解决。即，即使当不操作机器人时，当使用角速度命令ωcom 13来通过表 达式(4)计算21摩擦转矩τμ20并且将其加到反馈电流命令Icom 4时，可以补 偿实际的摩擦转矩。即使当抑制了通过反馈控制的电流Icom 4时，也可以操作 机器人。
但是，当把角速度命令ωcom 13用于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角 速度ω的时候，可以按照角速度命令ωcom 13来主动地操作机器人。但是，在 操作中途由于干扰转矩τdis而引起角速度波动的情况下，在角速度命令ωcom 13和实际角速度ωfb(在图3中的附图标号23)之间引起大的误差。于是，增大 了由表达式(7)计算的粘滞摩擦转矩τμd的计算误差。
当在角速度命令ωcom 13是0停止机器人时由外力推动机器人并且机器人 被停止的时候，由表达式(4)计算的摩擦转矩τμ总是0。因此，根本不能补偿 实际的摩擦转矩。
而且，即使当机器人不被外力推动时，在实际操作中，在由反馈控制器 进行的反馈控制中引起跟随的延迟。因此，在停止机器人时，在实际角速度 ωfb(在图3中的附图标号23)变为0之前，角速度命令ωcom 13变为0。因此， 此时由表达式(4)计算的摩擦转矩τ也变为0，并且不进行摩擦补偿。即，在 角速度命令ωcom 13达到0时，机器人突然被停止，并且不能达到目标位置， 还可能引起振动。
在这种情况下，在按照反馈控制的电流命令Icom 4由电机产生的转矩被 抑制为低于实际的摩擦转矩的情况下，即使当外力增大位置偏差时，也不操 作机器人，并且不可能减小位置偏差。
换句话说，虽然进行摩擦补偿，但是不可能将反馈电流命令设置为低于 实际摩擦转矩。因此，不能增强机器人的顺应性。
如上所述，在由表达式(4)计算摩擦转矩τμ的情况下，按照其中使用实 际角速度ωfb和角速度命令ωcom之一来作为角速度的方法，即使当使用所计 算的摩擦转矩τμ通过表达式(3)计算出的电流Iml被加到反馈控制电流时，也 不能补偿实际的摩擦转矩。
如图3所示，当通过对于在利用(5)计算21摩擦转矩τμ20时使用的角速 度使用实际角速度ωfb 23来100％地补偿摩擦转矩τμ时，控制系统的反馈特 性会经历摩擦补偿。因此，操作控制系统就好像没有摩擦一样。因而，虽然 可以增强顺应性，但是反馈系统变得振动。
另一方面，如图4所示，在对于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角速度 ω使用角速度命令ωcom 13的情况下，控制系统的反馈特性不受影响。因此， 为了改善目标跟随特性，期望进行100％的补偿。
接着，下面将说明第二传统示例。
关于不使用传感器来获得碰撞转矩的方法，通常使用下面的方法。当从 由电机的驱动电流产生的转矩减去在电机和减速齿轮中产生的转矩损失时得 到电机产生转矩。当从前面找到的电机产生转矩减去由动态计算得到并且被 称为动态转矩的、对于减速齿轮的输出所必需的转矩时，得到碰撞转矩。
例如，对应于由电机产生的转矩的损失的摩擦转矩被定义为与速度成比 例的项(粘滞摩擦转矩)和静态项(库仑的摩擦转矩)的和并且被计算。这被公开 在例如JP-A-2002-283276中。
按照JP-A-6-083403(美国专利第6298283号)，提出了下面的技术。当通 过估计的算法来计算机器人的参数的波动并且将其加到转矩(电流)命令时，消 除了波动因素。在这个传统的示例中，对应于由电机产生的转矩中引起的损 失的摩擦转矩被定义为与速度成比例的项和静态项的和，并且通过估计算法 来估计。
于是，当在从电机产生转矩减去机器人的动态转矩时不使用传感器而得 到碰撞转矩的情况下或在改善通过动态转矩的前馈控制的伺服跟随特性以便 显示出最大的电机驱动力的情况下，需要精确地计算由电机产生转矩和机器 人的减速齿轮输出所需要的转矩。
当从电机驱动侧看时，可以由表达式(8)来表达在操作机器人时的电机产 生转矩τm。而且，当从负荷侧看时，可以由表达式(9)来表达在操作机器人时 的电机产生转矩τm。
τm＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμsgn(ω))(8)
τml＝τdyn++τdis (9)
就此而论，在表达式(1)和(2)中示出的附图符号被定义如下。
Kt：电机转矩常数
Im：电机电流
α：电机角加速度
ω：电机角速度
J：电机惯性(转子+减速齿轮的初级侧)
D：粘滞摩擦系数(被转换为电机轴端)
τμ：摩擦转矩(被转换为电机轴端)
τg：重力转矩(被转换为电机轴端)
τdyn：动态转矩(动态转矩是重力转矩、惯性力、地球偏转力和弹力的和， 它被转换为电机轴端。)
τdis：干扰转矩(干扰转矩是碰撞转矩或参数误差。干扰转矩被转换为电 机轴端。)
因为电机和机械手通过减速齿轮彼此连接，因此必需使用减速比率将表 达式(9)中除了电机惯性项J之外的项转换为电机轴端。
当假定在(8)和(9)中τmm＝ml时，可以通过下面变形的表达式(10)来得到 碰撞转矩τdis。
τdis＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμ*sgn(ω)+τdyn)(10)
在传统示例中，在表达式(10)中的动态摩擦项τμ被计算为固定值。但是， 当将动态摩擦转矩项计算为固定值时，在加速和减速时电机产生转矩较高的 情况下，引起电机产生转矩的大约10％的较大计算误差。
另一方面，可以如下实现目的是改善伺服控制特性的反馈控制。在干扰 转矩τdis＝0的条件下、即在机器人不与外部接触并且不引起参数误差的条件 下，由表达式(10)得到电机电流Im。如此得到的电流被表示为Iff。当向电流 命令加上Iff时，可以实现反馈控制。
Iff＝(J*α+D*ω+τμ*sgn(ω)+τdyn)/Kt (11)
在传统的示例中，不使用表达式(11)的计算，而是通过估计算法来估计 动态摩擦项τμ。然而，它不随着时间改变，但是摩擦转矩在加速和减速的短 时间中大大地改变了。于是，通过估计算法的估计，产生相位的延迟，并且 不可能完整地进行补偿。
当不通过估计算法而是通过动态转矩来预先进行计算时，不引起相位的 延迟。但是，当在将动态摩擦转矩设置在固定值的同时使用表达式(11)来进行 计算时，在加速和减速时电机产生转矩较高的情况下，引起电机产生转矩的 大约10％的较大计算误差。
这个误差将被说明如下。
图11是示出了当使得机器人进行图12所示的往复运动时通过表达式(8) 和(9)计算的电机产生转矩τmm 1、τml 2和速度3的视图。
在这种情况下，要使用的机械手是六轴垂直类型的多接合点机器人，其 便携的质量是6kg，并且其总的臂长是大约1.3米。在图12中，省略了三个 腕轴，并且示出了三个基本轴。在进行测量时，操作作为第三轴的FA轴。
在这种情况下，在干扰转矩τdis＝0的条件下、即在机器人不与外部接 触并且不引起参数误差的条件下进行测量。
如图11所示，在τmm 1和tml 2中，产生大约峰值转矩的4％的误差4， 即可以明白表达式(8)具有误差因子。
当在加速和减速时进行比较时，结果如下。
τmm＞τml
在操作部分的加速和减速中，角加速度和角减速度虽然方向彼此相反， 但是大小相等。相对于重力，机械手以对称模式操作。
因此，为了通过减小τdyn而降低误差，必须增大动态摩擦转矩τμ。但 是，当如图13所示，当动态摩擦转矩τμ在被保持为常数值的同时被增大时， 虽然降低了在峰值转矩时的误差4，但是增大了在恒定速度时的误差5。
即，当动态摩擦转矩τμ被当作常数时，不能消除由τμ引起的误差因子。 因此，在包含τμ的表达式(10)和(11)中，产生相同的误差。
因此，在无传感器的碰撞转矩检测中，当动态摩擦转矩τμ被当作常数时， 虽然机械手在加速或减速时不与物体碰撞，表达式(11)输出对应于所述误差的 电流来作为碰撞转矩。由于上述原因，为了防止发生错误的检测，必须降低 碰撞检测灵敏度。
另一方面，在减速齿轮输出所需要的转矩的前馈控制的情况下，当动态 摩擦转矩τμ被作为常数时，增大了计算误差，并且有可能前馈补偿转矩变得 不足。当使用估计算法以便防止产生计算误差时，难于估计在加速或减速时 突变的摩擦转矩而不引起相位的延迟。于是，有可能不能充分地防止控制性 能的变差。
接着将说明在碰撞检测后停止机械手的方法。提出了下列方法：机械手 返回检测到碰撞的位置的方法(JP-A-2002-117618(美国专利第6429617号))； 将速度命令强制地设置在0以便停止机械手的方法(JP-A-2000-52286)；通过 与电机的旋转方向相反的最大反向电机转矩来停止机械手的方法(日本专利 第3212571号(美国专利第6298283号)和日本专利第2871993号(美国专利第 5418440号))。
按照机械手返回碰撞检测位置的方法，机械手通过位置控制来返回初始 位置。因此，停止时间依赖于位置控制的响应特性。一般，位置控制的响应 特性最大是几十赫兹。因此，响应特性在停止碰撞时不是很高，并扩展了停 止时间，并且不可能防止由碰撞引起的损耗的发生。
按照通过将速度命令强制地设置在0来停止机械手的方法，停止时间依 赖于速度控制的响应特性。在这种情况下，响应特性是几百赫兹，这大于在 位置控制情况下的响应特性。但是，它次于电流控制的响应特性(几千Hz)。
按照这个方法，因为通过速度控制的集成的位置控制伺服刚性较高，因 此在停止机械手时保持了由碰撞引起的变形。因此，按照JP-A-2000-052286， 当使得速度集成增益为0时软化了位置控制刚性，因此可以解决由碰撞引起 的变形问题。但是，为了增强顺应性，必须与速度成比例地降低增益，这使 得速度响应特性变差并且扩展了停止时间。难于使得停止时间和顺应性彼此 兼容。
按照通过相对于电机的旋转方向的最大反向电机转矩来停止机械手的方 法，用于产生相反转矩的电流控制的响应特性很高，使得响应特性可以是几 千Hz，即响应特性良好。但是，按照在日本专利第3212571号中公开的方法， 必须预先设置施加反向转矩的时间。当这个施加时间较短时，不可能充分地 降低速度，并且由碰撞引起的损害增大。当这个施加时间较长时，在反向进 行冗余的运动，并且有可能机械手再次引起碰撞。按照在日本专利第2871993 号中公开的方法，提出了一种方法，其中施加最大反向转矩，直到停止电机。 在这种方法中，不必预先确定施加反向转矩的施加时间。因此，解决了上述 的问题。但是，仅仅当电机停止时，不能解决由碰撞引起的变形的问题。因 为最大反向转矩本身的产生是其中控制正在开环中产生最大输出的状态，因 此在速度很低以至于即使当机器人碰撞物体时也不能损害机器人的情况下， 存在施加反向转矩的较高风险。
在任何一个系统中，在其碰撞方向与电机的旋转方向重合的轴中，当机 械手返回碰撞检测位置或突然停止时，增大了碰撞力的强度。
图15是示出了这一状态的视图，在其中使用了两轴机器人以用于说明。 一般，普通的垂直型多接合点机器人由6个轴组成。但是，为了简化说明， 下面将说明2轴的模型。
在图15(a)中，在角速度ωfb 1的方向上操作轴UA 41，并且在角速度ωfb’ 6的方向上操作轴FA 42。当时间过去并且每个机械手在图15(b)所示的方向 上操作并且与障碍物43碰撞的时候，产生碰撞力44，并且向轴UA 41提供 与电机的旋转方向相反的力，即在可以降低速度的方向上向轴UA 41提供碰 撞转矩τdis。另一方面，在与电机的旋转方向相同的方向上向轴FA 42提供 力，即在可以增大速度的方向上向轴FA 42提供碰撞转矩τdis’10。
其后，为了将轴FA 42返回碰撞检测位置或突然停止轴FA 42，需要通过 电机产生转矩，以便可以降低电机旋转。但是，这个转矩的方向与碰撞转矩 τdis’10的方向相反。因此，相反地增大了碰撞转矩的强度。
按照将机械手返回碰撞检测位置的方法，虽然其电机旋转方向与碰撞方 向相反的轴(图15中的轴UA)返回碰撞检测位置，但是其电机旋转方向与碰 撞方向相同的轴(图15中的轴FA)不被反转，并且继续已经进行的操作直到碰 撞。以这种方式，解决了上述的问题。
但是，在不使用传感器来检测碰撞的情况下，从机器人的机械参数、位 置、速度、加速度和电流的信息来估计碰撞转矩。因此，与提供碰撞检测传 感器的情况相比较，增大了检测误差。由于上述原因，在其碰撞检测转矩较 低的轴的情况下，有可能错误地检测所述方向，并且不能选择适当的停止方 式。
在其所检测到的碰撞转矩值较低的轴的情况下，不检测碰撞方向并且降 低电机旋转速度以便降低动能是较安全的。但是，因为碰撞方向是未知的， 因此在一些情况下不降低电机旋转速度更好，即与在日本专利第2871993号 中所述的方法不同，不应当施加相反的转矩直到电机停止。在电机旋转速度 很低因此即使当机器人与障碍物碰撞时也不能损害机器人的情况下，不应当 施加反向转矩。
而且，在垂直型多接合点机器人的情况下，不可能忽略在轴之间的干扰 力。于是，有可能通过从被施加了反向转矩的轴提供的干扰力向不应当降低 其速度的一个轴提供了速度降低力。在任一情况下，应当在最小时间周期向 所需要的轴施加反向转矩。
关于用于不使用传感器来实现顺应性伺服控制的方法，经常采用一种方 法，其中即使当在位置反馈控制中增大位置偏差时，也通过抑制相对于位置 偏差的增大的电流命令(electric current command)的增大而不在电机中产生过 高的转矩。
按照在反馈控制中的电流命令的抑制量，也抑制由电机产生的转矩的强 度，以便可以增强顺应性。
在JP-A-09-179632(美国专利第5994864号)中公开了一种用于抑制在反馈 控制中的电流命令的方式，其中限制了电流命令。在JP-A-08-155868中还公 开了一种用于抑制在反馈控制中的电流命令的方式，其中降低了反馈增益。
如上所述，为了增强机械手的顺应性，抑制在反馈控制中的电流命令是 重要的。如果不在反馈控制中抑制电流，则机械手的顺应性变得接近普通的 伺服刚性。因此，降低了伺服控制的顺应性。
但是，为了操作机械手，必须由电机产生驱动转矩，其中要考虑惯性转 矩、摩擦转矩和重力转矩。因此，当仅仅通过反馈控制来操作机械手时，难 于抑制电机的电流命令。
图3是示出在其中使用实际速度来控制摩擦补偿的传统方法的方框图。 在所述附图中，附图标号1是电机旋转角命令θcom，附图标号2是反馈控制 器，附图标号3是电流限制部件，附图标号4是反馈控制电流命令Icom，附图 标号5是电机电流Im，附图标号6是表示(电机+实际负荷)的范围，附图标号 7是电机转矩常数Kt，附图标号8是电机产生转矩τmm，附图标号9是向电 机提供的外力τμ+τdyn+τdis，附图标号10是电机惯性的传递函数，附图标号 11是电机旋转角θfb，附图标号12是微分算子，附图标号13是电机角速度命 令ωcom，附图标号14是微分算子，附图标号15是电机角加速度命令αcom， 附图标号16是电机惯性(转子+减速齿轮初级端)J，附图标号17是操作机器人 所需要的电机电流Iml，附图标号18是电机转矩常数的倒数1/Kt，附图标号 19是动态转矩τdyn的计算值，附图标号20是摩擦力τμ的计算值，附图标号 21是摩擦计算块，附图标号22是动态计算块，附图标号23是电机角速度ωfb， 附图标号24是微分算子，附图标号25是其他轴的旋转角。
当从电机驱动侧看时，通过表达式(1)来表达在操作机器人时产生的电机 产生转矩τm。当从负荷侧看时，通过表达式(2)来表达所述电机产生转矩τm。
τmm＝Kt*Im (1)
τml＝J*α+τμ+τdyn+τdis (2)
在这种情况下，在表达式(1)和(2)中使用的附图标号定义如下。
Kt：电机转矩常数
Im：电机电流
α：电机角加速度
ω：电机角速度
J：电机惯性(转子+减速齿轮的初级侧)
τμ：摩擦转矩(被转换为电机轴端)
τdyn：动态转矩(动态转矩是重力转矩、惯性力、地球偏转力(Coriolis)和 弹力的总和，它被转换为电机轴端。)
τdis：干扰转矩(干扰转矩是从外部提供的接触转矩或参数误差。干扰转 矩被转换为电机轴端。)
当在表达式(2)中干扰转矩τdis＝0时，也可能通过表达式(1)和(2)来计算 电机电流Iml，它是操作机械手所需要的。
Iml＝(J*α+τμ+τdyn)/Kt (3)
如图3所示，当表达式(3)计算的Iml被加到反馈电流命令Icom时，如果干 扰转矩τdis＝0，则即使当反馈电流是0时，机械手也变得也可能到达目的位 置。
在图3中，当反馈控制器2从旋转角命令θcom 1和实际电机旋转角θfb进 行PID计算并且进行电流限制3时可以得到反馈电流命令Icom4。关于用于限 制电流3的方式，提供了一种其中设置了所述限制的系统和一种其中降低了 反馈增益的系统。
另一方面，由表达式(3)计算的Iml 17可以如下获得。将对电机旋转命令 θcom 1进行微分运算12和14两次获得的角加速度αcom 15乘以电机惯性J16。 摩擦转矩τμ20和动态转矩τdyn 19被加到如此获得的值。将所获得的值乘以 电机转矩常数的倒数1/Kt 18，可以获得由表达式(3)计算的Iml 17。
即，当可以由表达式(3)精确计算机器人的操作所需要的电机电流Iml时， 变得可能在反馈控制中抑制电流命令。因此，可以增强机器人的顺应性。
但是，实际上，由于表达式(3)的参数误差而引起计算误差。因此，当在 反馈控制中强烈地抑制电流时，变得不可能补偿误差，并且机械手变得失去 控制，并且不能减少位置偏差，即存在机械手失控的可能。
当在反馈控制中使得电流命令为0时，如果由于从外部提供的接触转矩 扩大了位置偏差，则不产生使机械手返回初始位置的力。
如上所述，可以抑制多少通过反馈控制的电流命令依赖于表达式(3)的计 算精度。
摩擦转矩τμ是由表达式(3)计算的电机电流Iml的主要项之一，并且是操 作机器人所需要的，其包括：静态摩擦转矩τμs和动态摩擦转矩τμm，通过 力的作用方向来确定它们；以及粘滞摩擦τμd(粘性的系数D)，它与速度成比 例。
τμ＝τμs+τμm+τμd (4)
但是，在表达式(4)中，每个项被计算如下。
τμs＝τμs0*sgn1(ω) (5)
τμm＝τμm0*sgn2(ω) (6)
τμd＝D*ω(7)
其中，τμs0是τμs的绝对值，与电机旋转方向无关；τμm0是τμm的绝 对值，与电机旋转方向无关。
可以从表达式(5)-(7)看出，根据角速度ω来计算所有的摩擦转矩。
关于用于计算摩擦转矩的角速度ω，受到反馈阻抗的角速度ωFB用于上 述的传统示例(JP-A-9-179632)。在另一个传统示例(JP-A-10-180663)中，使用 当位置命令θcom被微分时获得的角速度命令ωcom。
但是，在机器人的顺应性控制中，提供了两种情况。一个是机器人按照 位置命令θcom来主动做动作的情况。另一个是机器人被外力推动被动地做动 作的情况。
如图3所示，当使用对实际电机旋转角θfb 11求微分时获得的实际角速 度ωfb 23来作为使用计算块21通过表达式(5)计算摩擦转矩τμ20时使用的角 速度的时候，反映出由作为被提供到电机的干扰转矩9的一部分的外力τdis 引起的速度波动，以便可以增强摩擦转矩τμ20的计算精度。
但是，当从机器人完全停止的状态主动地操作机器人时，操作方向是未 知的，直到机器人开始操作。因此，不可能计算静态的摩擦转矩τμs。
直到机器人开始操作，实际角速度ωFB是0，并且由表达式(6)和(7)计算 的动态摩擦转矩τμm和粘滞摩擦τμd当然是0。因此，由表达式(4)计算的摩 擦转矩是τμ0，并且根本不产生用于操作机器人的电机转矩。
在这种状态中，当由反馈控制的电流命令Icom 4引起的转矩被抑制以增 强顺应性并且变得低于实际静态摩擦转矩τμs的时候，即使产生了旋转角命 令θcom 1，机器人也不移动。
另一方面，如图4所示，当把在对电机旋转角θcom 1求微分时获得的角 速度ωcom 13用于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角速度ω的时候，这些问 题被解决。即，即使当不操作机器人时，当使用角速度命令ωcom 13来通过表 达式(4)计算21摩擦转矩τμ20并且将其加到反馈电流命令Icom 4时，可以补 偿实际的摩擦转矩。即使当抑制了通过反馈控制的电流Icom 4时，也可以操作 机器人。
但是，当把角速度命令ωcom 13用于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角 速度ω的时候，可以按照角速度命令ωcom 13来主动地操作机器人。但是，在 操作中途由于干扰转矩τdis而引起角速度波动的情况下，在角速度命令ωcom 13和实际角速度ωfb(在图3中的附图标号23)之间引起大的误差。于是，增大 了由表达式(7)计算的粘滞摩擦转矩τμd的计算误差。
当在角速度命令ωcom 13是0停止机器人时由外力推动机器人并且机器人 被停止的时候，由表达式(4)计算的摩擦转矩τμ总是0。因此，根本不能补偿 实际的摩擦转矩。
而且，即使当机器人不被外力推动时，在实际操作中，在由反馈控制器 进行的反馈控制中引起跟随的延迟。因此，在停止机器人时，在实际角速度 ωfb(在图3中的附图标号23)变为0之前，角速度命令ωcom 13变为0。因此， 此时由表达式(4)计算的摩擦转矩τ也变为0，并且不进行摩擦补偿。即，在 角速度命令ωcom 13达到0时，机器人突然被停止，并且不能达到目标位置， 还可能引起振动。
在这种情况下，在按照反馈控制的电流命令Icom 4由电机产生的转矩被 抑制为低于实际的摩擦转矩的情况下，即使当外力增大位置偏差时，也不操 作机器人，并且不可能减小位置偏差。
换句话说，虽然进行摩擦补偿，但是不可能将反馈电流命令设置为低于 实际摩擦转矩。因此，不能增强机器人的顺应性。
如上所述，在由表达式(4)计算摩擦转矩τμ的情况下，按照其中使用实 际角速度ωfb和角速度命令ωcom之一来作为角速度的方法，即使当使用所计 算的摩擦转矩τμ通过表达式(3)计算出的电流Iml被加到反馈控制电流时，也 不能补偿实际的摩擦转矩。
如图3所示，当通过对于在利用(5)计算21摩擦转矩τμ20时使用的角速 度使用实际角速度ωfb 23来100％地补偿摩擦转矩τμ时，控制系统的反馈特 性会经历摩擦补偿。因此，操作控制系统就好像没有摩擦一样。因而，虽然 可以增强顺应性，但是反馈系统变得振动。
另一方面，如图4所示，在对于计算21摩擦转矩τμ20所使用的角速度 ω使用角速度命令ωcom 13的情况下，控制系统的反馈特性不受影响。因此， 为了改善目标跟随特性，期望进行100％的补偿。
接着，下面将说明第二传统示例。
关于不使用传感器来获得碰撞转矩的方法，通常使用下面的方法。当从 由电机的驱动电流产生的转矩减去在电机和减速齿轮中产生的转矩损失时得 到电机产生转矩。当从前面找到的电机产生转矩减去由动态计算得到并且被 称为动态转矩的、对于减速齿轮的输出所必需的转矩时，得到碰撞转矩。
例如，对应于由电机产生的转矩的损失的摩擦转矩被定义为与速度成比 例的项(粘滞摩擦转矩)和静态项(库仑的摩擦转矩)的和并且被计算。这被公开 在例如JP-A-2002-283276中。
按照JP-A-6-083403(美国专利第6298283号)，提出了下面的技术。当通 过估计的算法来计算机器人的参数的波动并且将其加到转矩(电流)命令时，消 除了波动因素。在这个传统的示例中，对应于由电机产生的转矩中引起的损 失的摩擦转矩被定义为与速度成比例的项和静态项的和，并且通过估计算法 来估计。
于是，当在从电机产生转矩减去机器人的动态转矩时不使用传感器而得 到碰撞转矩的情况下或在改善通过动态转矩的前馈控制的伺服跟随特性以便 显示出最大的电机驱动力的情况下，需要精确地计算由电机产生转矩和机器 人的减速齿轮输出所需要的转矩。
当从电机驱动侧看时，可以由表达式(8)来表达在操作机器人时的电机产 生转矩τm。而且，当从负荷侧看时，可以由表达式(9)来表达在操作机器人时 的电机产生转矩τm。
τm＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμsgn(ω))(8)
τml＝τdyn++τdis (9)
就此而论，在表达式(1)和(2)中示出的附图符号被定义如下。
Kt：电机转矩常数
Im：电机电流
α：电机角加速度
ω：电机角速度
J：电机惯性(转子+减速齿轮的初级侧)
D：粘滞摩擦系数(被转换为电机轴端)
τμ：摩擦转矩(被转换为电机轴端)
τg：重力转矩(被转换为电机轴端)
τdyn：动态转矩(动态转矩是重力转矩、惯性力、地球偏转力和弹力的和， 它被转换为电机轴端。)
τdis：干扰转矩(干扰转矩是碰撞转矩或参数误差。干扰转矩被转换为电 机轴端。)
因为电机和机械手通过减速齿轮彼此连接，因此必需使用减速比率将表 达式(9)中除了电机惯性项J之外的项转换为电机轴端。
当假定在(8)和(9)中τmm＝ml时，可以通过下面变形的表达式(10)来得到 碰撞转矩τdis。
τdis＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμ*sgn(ω)+τdyn)(10)
在传统示例中，在表达式(10)中的动态摩擦项τμ被计算为固定值。但是， 当将动态摩擦转矩项计算为固定值时，在加速和减速时电机产生转矩较高的 情况下，引起电机产生转矩的大约10％的较大计算误差。
另一方面，可以如下实现目的是改善伺服控制特性的反馈控制。在干扰 转矩τdis＝0的条件下、即在机器人不与外部接触并且不引起参数误差的条件 下，由表达式(10)得到电机电流Im。如此得到的电流被表示为Iff。当向电流 命令加上Iff时，可以实现反馈控制。
Iff＝(J*α+D*ω+τμ*sgn(ω)+τdyn)/Kt (11)
在传统的示例中，不使用表达式(11)的计算，而是通过估计算法来估计 动态摩擦项τμ。然而，它不随着时间改变，但是摩擦转矩在加速和减速的短 时间中大大地改变了。于是，通过估计算法的估计，产生相位的延迟，并且 不可能完整地进行补偿。
当不通过估计算法而是通过动态转矩来预先进行计算时，不引起相位的 延迟。但是，当在将动态摩擦转矩设置在固定值的同时使用表达式(11)来进行 计算时，在加速和减速时电机产生转矩较高的情况下，引起电机产生转矩的 大约10％的较大计算误差。
这个误差将被说明如下。
图11是示出了当使得机器人进行图12所示的往复运动时通过表达式(8) 和(9)计算的电机产生转矩τmm 1、τml 2和速度3的视图。
在这种情况下，要使用的机械手是六轴垂直类型的多接合点机器人，其 便携的质量是6kg，并且其总的臂长是大约1.3米。在图12中，省略了三个 腕轴，并且示出了三个基本轴。在进行测量时，操作作为第三轴的FA轴。
在这种情况下，在干扰转矩τdis＝0的条件下、即在机器人不与外部接 触并且不引起参数误差的条件下进行测量。
如图11所示，在τmm 1和tml 2中，产生大约峰值转矩的4％的误差4， 即可以明白表达式(8)具有误差因子。
当在加速和减速时进行比较时，结果如下。
τmm＞τml
在操作部分的加速和减速中，角加速度和角减速度虽然方向彼此相反， 但是大小相等。相对于重力，机械手以对称模式操作。
因此，为了通过减小τdyn而降低误差，必须增大动态摩擦转矩τμ。但 是，当如图13所示，当动态摩擦转矩τμ在被保持为常数值的同时被增大时， 虽然降低了在峰值转矩时的误差4，但是增大了在恒定速度时的误差5。
即，当动态摩擦转矩τμ被当作常数时，不能消除由τμ引起的误差因子。 因此，在包含τμ的表达式(10)和(11)中，产生相同的误差。
因此，在无传感器的碰撞转矩检测中，当动态摩擦转矩τμ被当作常数时， 虽然机械手在加速或减速时不与物体碰撞，表达式(11)输出对应于所述误差的 电流来作为碰撞转矩。由于上述原因，为了防止发生错误的检测，必须降低 碰撞检测灵敏度。
另一方面，在减速齿轮输出所需要的转矩的前馈控制的情况下，当动态 摩擦转矩τμ被作为常数时，增大了计算误差，并且有可能前馈补偿转矩变得 不足。当使用估计算法以便防止产生计算误差时，难于估计在加速或减速时 突变的摩擦转矩而不引起相位的延迟。于是，有可能不能充分地防止控制性 能的变差。
接着将说明在碰撞检测后停止机械手的方法。提出了下列方法：机械手 返回检测到碰撞的位置的方法(JP-A-2002-117618(美国专利第6429617号))； 将速度命令强制地设置在0以便停止机械手的方法(JP-A-2000-52286)；通过 与电机的旋转方向相反的最大反向电机转矩来停止机械手的方法(日本专利 第3212571号(美国专利第6298283号)和日本专利第2871993号(美国专利第 5418440号))。
按照机械手返回碰撞检测位置的方法，机械手通过位置控制来返回初始 位置。因此，停止时间依赖于位置控制的响应特性。一般，位置控制的响应 特性最大是几十赫兹。因此，响应特性在停止碰撞时不是很高，并扩展了停 止时间，并且不可能防止由碰撞引起的损耗的发生。
按照通过将速度命令强制地设置在0来停止机械手的方法，停止时间依 赖于速度控制的响应特性。在这种情况下，响应特性是几百赫兹，这大于在 位置控制情况下的响应特性。但是，它次于电流控制的响应特性(几千Hz)。
按照这个方法，因为通过速度控制的集成的位置控制伺服刚性较高，因 此在停止机械手时保持了由碰撞引起的变形。因此，按照JP-A-2000-052286， 当使得速度集成增益为0时软化了位置控制刚性，因此可以解决由碰撞引起 的变形问题。但是，为了增强顺应性，必须与速度成比例地降低增益，这使 得速度响应特性变差并且扩展了停止时间。难于使得停止时间和顺应性彼此 兼容。
按照通过相对于电机的旋转方向的最大反向电机转矩来停止机械手的方 法，用于产生相反转矩的电流控制的响应特性很高，使得响应特性可以是几 千Hz，即响应特性良好。但是，按照在日本专利第3212571号中公开的方法， 必须预先设置施加反向转矩的时间。当这个施加时间较短时，不可能充分地 降低速度，并且由碰撞引起的损害增大。当这个施加时间较长时，在反向进 行冗余的运动，并且有可能机械手再次引起碰撞。按照在日本专利第2871993 号中公开的方法，提出了一种方法，其中施加最大反向转矩，直到停止电机。 在这种方法中，不必预先确定施加反向转矩的施加时间。因此，解决了上述 的问题。但是，仅仅当电机停止时，不能解决由碰撞引起的变形的问题。因 为最大反向转矩本身的产生是其中控制正在开环中产生最大输出的状态，因 此在速度很低以至于即使当机器人碰撞物体时也不能损害机器人的情况下， 存在施加反向转矩的较高风险。
在任何一个系统中，在其碰撞方向与电机的旋转方向重合的轴中，当机 械手返回碰撞检测位置或突然停止时，增大了碰撞力的强度。
图15是示出了这一状态的视图，在其中使用了两轴机器人以用于说明。 一般，普通的垂直型多接合点机器人由6个轴组成。但是，为了简化说明， 下面将说明2轴的模型。
在图15(a)中，在角速度ωfb 1的方向上操作轴UA 41，并且在角速度ωfb’ 6的方向上操作轴FA 42。当时间过去并且每个机械手在图15(b)所示的方向 上操作并且与障碍物43碰撞的时候，产生碰撞力44，并且向轴UA 41提供 与电机的旋转方向相反的力，即在可以降低速度的方向上向轴UA 41提供碰 撞转矩τdis。另一方面，在与电机的旋转方向相同的方向上向轴FA 42提供 力，即在可以增大速度的方向上向轴FA 42提供碰撞转矩τdis’10。
其后，为了将轴FA 42返回碰撞检测位置或突然停止轴FA 42，需要通过 电机产生转矩，以便可以降低电机旋转。但是，这个转矩的方向与碰撞转矩 τdis’10的方向相反。因此，相反地增大了碰撞转矩的强度。
按照将机械手返回碰撞检测位置的方法，虽然其电机旋转方向与碰撞方 向相反的轴(图15中的轴UA)返回碰撞检测位置，但是其电机旋转方向与碰 撞方向相同的轴(图15中的轴FA)不被反转，并且继续已经进行的操作直到碰 撞。以这种方式，解决了上述的问题。
但是，在不使用传感器来检测碰撞的情况下，从机器人的机械参数、位 置、速度、加速度和电流的信息来估计碰撞转矩。因此，与提供碰撞检测传 感器的情况相比较，增大了检测误差。由于上述原因，在其碰撞检测转矩较 低的轴的情况下，有可能错误地检测所述方向，并且不能选择适当的停止方 式。
在其所检测到的碰撞转矩值较低的轴的情况下，不检测碰撞方向并且降 低电机旋转速度以便降低动能是较安全的。但是，因为碰撞方向是未知的， 因此在一些情况下不降低电机旋转速度更好，即与在日本专利第2871993号 中所述的方法不同，不应当施加相反的转矩直到电机停止。在电机旋转速度 很低因此即使当机器人与障碍物碰撞时也不能损害机器人的情况下，不应当 施加反向转矩。
而且，在垂直型多接合点机器人的情况下，不可能忽略在轴之间的干扰 力。于是，有可能通过从被施加了反向转矩的轴提供的干扰力向不应当降低 其速度的一个轴提供了速度降低力。在任一情况下，应当在最小时间周期向 所需要的轴施加反向转矩。
发明内容
本发明已经被实现来解决上述问题。本发明的目的是提供一种控制方法， 可以通过在由电机驱动的机器人的顺应性控制中进行反馈控制以将电流限制 抑制为低于摩擦转矩而增强其顺应性。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制机器人的控制方法，它能够通 过使得减速齿轮的动态摩擦转矩不与固定值重合而与对应于实际特性的值重 合来高度准确地检测碰撞转矩。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制机器人的控制方法，它能够通 过使得减速齿轮的动态摩擦转矩不与固定值重合而与对应于实际特性的值重 合而在操作前增强电机转矩计算精度，并且获得其延迟相位较小的最适当的 反馈补偿。
按照本发明，提供了一种在检测到由电机驱动的机器人的碰撞后进行的 停止操作中控制机器人的方法，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相 反的轴中，当控制模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低， 并且当电机旋转速度被降低到不大于第一设置值的值时，控制模式被转换到 机器人跟随碰撞力方向的顺应性控制，其中，在位置控制中，产生用于使得 实际位置跟随位置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机 产生其方向与电机旋转方向相反的转矩的电流；并且在其中电机旋转方向与 碰撞转矩方向相同的轴中，控制模式从位置控制向顺应性控制转换。
按照本发明，提供了一种控制机器人的设备，包括：碰撞转矩检测部件， 用于检测由被提供到机械手的碰撞力向驱动机械手的电机提供的转矩的强度 和方向；碰撞判断部件，用于通过将碰撞转矩检测值与已经设置的碰撞转矩 阈值相比较而判断碰撞；电机旋转检测部件，用于检测电机的旋转速度和旋 转方向；碰撞方向判断部件，用于比较碰撞转矩检测方向与电机旋转方向； 以及电机减速判断部件，用于通过将电机旋转速度与第一设置值相比较而确 认电机的减速，其中，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反的轴中， 当控制模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且当电 机旋转速度被降低到不大于该第一设置值的值时，控制模式被转换到机器人 跟随碰撞力方向的顺应性控制，其中在位置控制中，产生用于使得实际位置 跟随位置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机产生其方 向与电机旋转方向相反的转矩的电流，控制机器人的设备还包括控制模式转 换部件，能够用于在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向相同的轴中从位置控 制部件向顺应性控制部件转换。
按照本发明，提供了一种控制机器人的方法，其特征在于：检测用于驱 动机器人的电机的旋转角度；从所述旋转角度计算角速度的实际测量值；通 过使用从提供到电机的命令值计算的命令值的角速度和实际测量值的角速度 之一来计算摩擦转矩，其中，在这个计算中使用具有较高绝对值的角速度； 并且当按照上述的命令值来驱动电机时，向被提供到电机的命令值增加对应 于所述摩擦转矩的值。由于这种方法，可以将通过反馈控制的电流限制抑制 到低于摩擦转矩。因此，有可能实现其顺应性高的控制方法。
当所述命令值和实际测量的值之一被适当地选择为用于摩擦转矩计算的 角速度并且同时改变摩擦补偿率时，可以防止反馈特性振动，并且还可以改 善目标跟随特性。
本发明提供了一种经由减速齿轮来控制由电机驱动的机器人的方法，其 特征在于：当通过从由电机产生的转矩减去通过机器人的动态计算而得到的 减速齿轮输出所需要的转矩来计算外力时，减速齿轮的动态摩擦转矩被计算 为对应于减速齿轮输出所需要的转矩而增大。
本发明提供了一种经由减速齿轮来控制由电机驱动的机器人的方法，其 特征在于：按照用于得到减速齿轮输出所需要的转矩的机器人的逆动态计算， 并且也按照减速齿轮的动态摩擦转矩计算，通过反馈控制来进行电机输出转 矩补偿；并且当进行反馈控制时，减速齿轮的动态摩擦转矩被计算为与减速 齿轮输出所需要的转矩成比例地增大。
按照本发明，在检测到碰撞后其碰撞转矩方向与电机的旋转方向相反的 轴的情况下，当机器人控制模式从用于产生用于使得实际的位置跟随位置命 令的电流命令的位置控制向用于命令电流通过电机而产生其方向与电机旋转 方向相反的转矩的电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且减小了碰撞 能量。其后，当将电机速度降低到低于设置值的值时，所述控制模式被转换 到顺应性控制，以便机械手可以跟随碰撞力方向，并且解决由碰撞在减速齿 轮中引起的变形问题。有可能通过其响应特性最高的电流控制来停止和降低 所述速度，并且当监控电机速度时，可以确定其方向与电机旋转方向相反的 电机转矩的施加时间。因此，不必预先设置电机转矩施加时间。
另一方面，在其碰撞转矩的方向与电机旋转方向相同的轴的情况下，不 进行电流控制，控制模式直接从位置控制向顺应性控制转换。当在跟随碰撞 力时操作所述轴时，可以减弱碰撞转矩。
在其在碰撞时的电机旋转速度低于设置值的轴的情况下，不论电机旋转 方向和碰撞转矩方向如何，控制模式直接从位置控制向顺应性控制转换，而 不进行电流控制。因此，当不必要时不产生仅仅是电流控制的开环状态。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制机器人的控制方法，它能够通 过使得减速齿轮的动态摩擦转矩不与固定值重合而与对应于实际特性的值重 合来高度准确地检测碰撞转矩。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制机器人的控制方法，它能够通 过使得减速齿轮的动态摩擦转矩不与固定值重合而与对应于实际特性的值重 合而在操作前增强电机转矩计算精度，并且获得其延迟相位较小的最适当的 反馈补偿。
按照本发明，提供了一种在检测到由电机驱动的机器人的碰撞后进行的 停止操作中控制机器人的方法，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相 反的轴中，当控制模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低， 并且当电机旋转速度被降低到不大于第一设置值的值时，控制模式被转换到 机器人跟随碰撞力方向的顺应性控制，其中，在位置控制中，产生用于使得 实际位置跟随位置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机 产生其方向与电机旋转方向相反的转矩的电流；并且在其中电机旋转方向与 碰撞转矩方向相同的轴中，控制模式从位置控制向顺应性控制转换。
按照本发明，提供了一种控制机器人的设备，包括：碰撞转矩检测部件， 用于检测由被提供到机械手的碰撞力向驱动机械手的电机提供的转矩的强度 和方向；碰撞判断部件，用于通过将碰撞转矩检测值与已经设置的碰撞转矩 阈值相比较而判断碰撞；电机旋转检测部件，用于检测电机的旋转速度和旋 转方向；碰撞方向判断部件，用于比较碰撞转矩检测方向与电机旋转方向； 以及电机减速判断部件，用于通过将电机旋转速度与第一设置值相比较而确 认电机的减速，其中，在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向彼此相反的轴中， 当控制模式从位置控制向电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且当电 机旋转速度被降低到不大于该第一设置值的值时，控制模式被转换到机器人 跟随碰撞力方向的顺应性控制，其中在位置控制中，产生用于使得实际位置 跟随位置命令的电流命令，在所述电流控制中，控制一个通过电机产生其方 向与电机旋转方向相反的转矩的电流，控制机器人的设备还包括控制模式转 换部件，能够用于在其中电机旋转方向与碰撞转矩方向相同的轴中从位置控 制部件向顺应性控制部件转换。
按照本发明，提供了一种控制机器人的方法，其特征在于：检测用于驱 动机器人的电机的旋转角度；从所述旋转角度计算角速度的实际测量值；通 过使用从提供到电机的命令值计算的命令值的角速度和实际测量值的角速度 之一来计算摩擦转矩，其中，在这个计算中使用具有较高绝对值的角速度； 并且当按照上述的命令值来驱动电机时，向被提供到电机的命令值增加对应 于所述摩擦转矩的值。由于这种方法，可以将通过反馈控制的电流限制抑制 到低于摩擦转矩。因此，有可能实现其顺应性高的控制方法。
当所述命令值和实际测量的值之一被适当地选择为用于摩擦转矩计算的 角速度并且同时改变摩擦补偿率时，可以防止反馈特性振动，并且还可以改 善目标跟随特性。
本发明提供了一种经由减速齿轮来控制由电机驱动的机器人的方法，其 特征在于：当通过从由电机产生的转矩减去通过机器人的动态计算而得到的 减速齿轮输出所需要的转矩来计算外力时，减速齿轮的动态摩擦转矩被计算 为对应于减速齿轮输出所需要的转矩而增大。
本发明提供了一种经由减速齿轮来控制由电机驱动的机器人的方法，其 特征在于：按照用于得到减速齿轮输出所需要的转矩的机器人的逆动态计算， 并且也按照减速齿轮的动态摩擦转矩计算，通过反馈控制来进行电机输出转 矩补偿；并且当进行反馈控制时，减速齿轮的动态摩擦转矩被计算为与减速 齿轮输出所需要的转矩成比例地增大。
按照本发明，在检测到碰撞后其碰撞转矩方向与电机的旋转方向相反的 轴的情况下，当机器人控制模式从用于产生用于使得实际的位置跟随位置命 令的电流命令的位置控制向用于命令电流通过电机而产生其方向与电机旋转 方向相反的转矩的电流控制转换时，电机旋转速度被降低，并且减小了碰撞 能量。其后，当将电机速度降低到低于设置值的值时，所述控制模式被转换 到顺应性控制，以便机械手可以跟随碰撞力方向，并且解决由碰撞在减速齿 轮中引起的变形问题。有可能通过其响应特性最高的电流控制来停止和降低 所述速度，并且当监控电机速度时，可以确定其方向与电机旋转方向相反的 电机转矩的施加时间。因此，不必预先设置电机转矩施加时间。
另一方面，在其碰撞转矩的方向与电机旋转方向相同的轴的情况下，不 进行电流控制，控制模式直接从位置控制向顺应性控制转换。当在跟随碰撞 力时操作所述轴时，可以减弱碰撞转矩。
在其在碰撞时的电机旋转速度低于设置值的轴的情况下，不论电机旋转 方向和碰撞转矩方向如何，控制模式直接从位置控制向顺应性控制转换，而 不进行电流控制。因此，当不必要时不产生仅仅是电流控制的开环状态。
附图说明
图1是示出了在第一和第二实施例中的用于控制摩擦补偿的控制方法的 方框图。
图2是示出了在第三实施例中的用于控制摩擦补偿的控制方法的方框 图。
图3是示出了在传统的示例中用于控制摩擦补偿的控制方法的方框图， 在所述方法中使用了实际速度。
图4是示出了在传统的示例中用于控制摩擦补偿的控制方法的方框图， 在所述方法中使用了速度命令。
图5是示出了本发明的实施例1的碰撞转矩检测方法的方框图。
图6是示出了调和(harmonic)减速齿轮的减速齿轮输出所需要的动态摩擦 转矩特性的一个示例的视图。
图7是示出了RV减速齿轮的减速齿轮输出所需要的动态摩擦转矩特性 的一个示例的视图。
图8是示出了在动态摩擦转矩近似表达式中的参数的视图。
图9是示出了按照本发明的动态摩擦转矩计算方法的减速齿轮输出所需 要的转矩误差的视图。
图10是在本发明的实施例2中的减速齿轮输出所需要的转矩前馈控制的 方框图。
图11是示出了按照传统示例的动态摩擦转矩计算方法的减速齿轮输出 所需要的转矩误差的视图。
图12是示出了在测量减速齿轮输出所需要的转矩时的操作的视图。
图13是示出了在增大动态摩擦转矩的情况下减速齿轮输出所需要的转 矩误差的视图。
图14是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制方法的时序图。
图15是示出了在碰撞时的速度方向和碰撞转矩方向的机器人操作图。
图16是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图17是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图18是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(顺应性控制模式)的 方框图。
图19是示出了在第二实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图20是示出了在第二实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图21是示出了在第四实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图22是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图23是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图24是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(顺应性控制模式)的 方框图。
图25是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制方法的时序图。
图2是示出了在第三实施例中的用于控制摩擦补偿的控制方法的方框 图。
图3是示出了在传统的示例中用于控制摩擦补偿的控制方法的方框图， 在所述方法中使用了实际速度。
图4是示出了在传统的示例中用于控制摩擦补偿的控制方法的方框图， 在所述方法中使用了速度命令。
图5是示出了本发明的实施例1的碰撞转矩检测方法的方框图。
图6是示出了调和(harmonic)减速齿轮的减速齿轮输出所需要的动态摩擦 转矩特性的一个示例的视图。
图7是示出了RV减速齿轮的减速齿轮输出所需要的动态摩擦转矩特性 的一个示例的视图。
图8是示出了在动态摩擦转矩近似表达式中的参数的视图。
图9是示出了按照本发明的动态摩擦转矩计算方法的减速齿轮输出所需 要的转矩误差的视图。
图10是在本发明的实施例2中的减速齿轮输出所需要的转矩前馈控制的 方框图。
图11是示出了按照传统示例的动态摩擦转矩计算方法的减速齿轮输出 所需要的转矩误差的视图。
图12是示出了在测量减速齿轮输出所需要的转矩时的操作的视图。
图13是示出了在增大动态摩擦转矩的情况下减速齿轮输出所需要的转 矩误差的视图。
图14是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制方法的时序图。
图15是示出了在碰撞时的速度方向和碰撞转矩方向的机器人操作图。
图16是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图17是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图18是示出了在第一实施例中的碰撞停止控制器件(顺应性控制模式)的 方框图。
图19是示出了在第二实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图20是示出了在第二实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图21是示出了在第四实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图22是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(位置控制模式)的方 框图。
图23是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(电流控制模式)的方 框图。
图24是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制器件(顺应性控制模式)的 方框图。
图25是示出了在第三实施例中的碰撞停止控制方法的时序图。
具体实施方式
参见附图，将如下说明本发明的机器人控制方法的优选实施例。
第一实施例
图1是示出了本发明的控制方法的方框图。在图1中，附图标号26是速 度转换器件，附图标号27是由速度转换器件选择的角速度ω。可以以下述方 式来得到反馈电流命令Icom 4：通过反馈控制器2从旋转角命令θcom 1和实际 电机旋转角θfb进行PID计算，并且进行电流限制3。关于用于电流限制3的 方式，提供了一种其中设置了限制的系统和一种其中降低了反馈增益的系统。
另一方面，可以如下通过表达式(3)来计算Iml 17。将当把电机旋转命令θcom 1两次进行微分计算12、14时得到的角加速度αcom 15乘以电机惯性J 16。摩 擦转矩τμ20和动态转矩τdyn 19被加到如此获得的值。将如此获得的值乘以 电机转矩常数的倒数1/Kt 18。以这种方式，可以计算Iml 17。
对于当通过表达式(5)-(9)计算21摩擦转矩τμ20使用的角速度ω27，速 度转换器件26选择当对电机旋转角命令θcom 1求微分时获得的角速度命令 ωcom 13，或者当对实际电机旋转角θfb 11求微分24时获得的实际角速度ωfb 23。
通过速度转换器件26按照下列表达式来转换速度。
在表达式(12)中，将角速度命令ωcom 13的绝对值与实际角速度ωfb 23的 绝对值相互比较，并且选择较高的值来作为ω27。
使用这个ω，通过表达式(5)-(7)来计算摩擦转矩τμ20。
当如上所述进行选择时，即使当顺应性控制变得有效时，在输入位置命 令θcom 1并且主动地操作机械手的情况下或在由外力τdis推动机械手并且被 动地操作机械手的情况下，也可以适当地计算摩擦转矩τμ20而不被减低到0。
即使当在主动操作机器人并且在角速度命令ωcom 13和实际角速度ωfb 23 之间存在差异的同时由外力τdis推动机器人并且位置偏差增大的时候，如果 实际角速度ωfb 23的绝对值变得大于角速度命令ωcom 13的绝对值，则采用实 际角速度ωfb 23来作为ω27。因此，可以在摩擦转矩τμ20的计算中降低引起 误差的因素。
而且，在停止操作时，即使当角速度命令ωcom 13在实际角速度ωfb 23变 为0之前变为0的时候，如果实际角速度ωfb 23的绝对值变得大于角速度命 令ωcom 13的绝对值，则采用ωfb 23来作为ω27。因此，通过由表达式(4)计算 的摩擦转矩τ的摩擦补偿可以从这个时间点继续。即，有可能当角速度命令 ωcom 13已经达到0时防止由摩擦补偿的消除引起的突然停止。因此，有可能 防止这样的问题：机械手不能达到目标位置或者在机械手中产生振动。
由于上述构成，即使当通过反馈控制的电流Icom 4的限制被抑制为低于实 际摩擦转矩以便增强控制的顺应性的时候，也有可能防止下列问题的出现： 机械手不能达到目标位置或者当机械手被停止时格外振动。
第二实施例
在示出了在第一实施例中的速度的转换的表达式(12)中，速度命令值和实 际测量值的至少一个被乘以加权系数。
当由表达式(13)所示来建立所述构成时，向速度命令值和实际测量值之一 提供优先级，以便它可以被采用为速度。
因为实际测量的值ωfb包括测量误差，例如，当在表达式(13)中的加权系 数被设置在如下的值时，可以优先地选择速度命令ωcom。
kc1＞1和kc2＞0(14)
第三实施例
图2是示出了第三实施例的控制方法的方框图。
被输入到速度转换器件26的实际角速度ωfb 23乘以摩擦补偿率kμ。
它由表达式(15)表达如下。
kμ：摩擦补偿率
当使用由上述表达式(15)获得的角速度ω27时，在对于当由表达式(5)计 算21摩擦转矩τμ20时使用的角速度选择实际角速度ωfb 23的情况下，当摩 擦补偿率kμ被设置在不大于1的值时，不能100％地补偿摩擦转矩τμ20。因 此，有可能进行调整使得反馈特性不能振动。
另一方面，在对于用于摩擦转矩τμ20的计算21的角速度ω使用角速度 命令ωcom 13的情况下，可以100％地补偿摩擦转矩τμ20，而不影响控制系统 的反馈特性。因此，可以改善目标跟随特性。
第四实施例
图6和7是示出了测量结果的视图，其中，在干扰转矩τdis＝0的条件下 相对于动态转矩τdyn的波动来测量用于机器人的典型减速齿轮中的动态摩擦 转矩。图6是示出了在调和减速齿轮情况下的特性的视图，图7是示出了在 作为偏心差动式减速齿轮类型的RV减速齿轮情况下的特性的视图。
可以从图6和7看出，按照动态转矩τdyn的增大，动态摩擦转矩被增大。 可以由表达式(16)来近似动态摩擦转矩。
在表达式(16)中，附图标号A、B、C、D、E和F是近似的常数，τth是 设置阈值。
在图8中描述了在图6和7中所示的上述参数。
图9是示出了计算结果的视图，其中，按照表达式(16)来计算动态摩擦转 矩近似值τμa，并且在与图11所示的减速齿轮输出相同的减速齿轮输出计算 和比较必要的转矩。可以在图9中看出，与图11相比较，在恒定速度的误差 5不增大，而在峰值转矩的误差3被降低。
然后，当使用由表达式(16)计算的τμa来变形表达式(10)时，可以获得下 面的表达式。
τdisa＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμa*sgn(ω)+τdyn)(17)
当由表达式(17)来计算碰撞转矩τdisa时，与表达式(10)相比较，变得有 可能尤其是在碰撞前减小误差。因此，不必降低碰撞检测灵敏度，并且可以 增强碰撞检测精度。
图5是示出了这种方法的方框图。
在图5中，将电机旋转角命令值θref 11和从由示出了(电机)+(实际负荷) 的虚线所包围的区域12获得的电机旋转角θM 13相比较，并且控制器14向 电机提供电流Im 15。在电机中，产生转矩，它是当将电流Im 15乘以转矩常 数Kt16时获得的。从这个转矩减去动态转矩τyn、碰撞转矩τdis和摩擦转矩 τμ×sgn(ω)的和17。从所述相减获得的转矩用于驱动由方框18表达的单个电 机体。碰撞转矩计算部分19通过表达式17从电机旋转角θM 13和电流Im 15 计算碰撞转矩检测值τdisa 20。
关于这一点，虽然增大了误差，但是在表达式(17)中可以使用电机电流转 矩τmO＝Kt×Im来取代动态转矩τdyn。
第五实施例
接着，下面说明本发明的第五实施例。
首先，关于动态摩擦转矩，使用表达式(16)。当将表达式(11)变形时，可 以获得下面的表达式(18)。
Iff＝(J*α+D*ω+τμa*sgn(ω)+τdyn)/Kt (18)
在这个表达式(18)中，当通过对于电机旋转角命令θref进行求微分而计算 角速度ω和角加速度α时，表达式(18)可以变形为表达式(19)。因此，可以不 使用反馈信号来计算用于产生电机所需要的转矩的电流Iff。
Iff＝(J*s2(θref)+D*s(θref)+τμa*sgn(ω)+τdyn)/Kt (19)
图10是示出了在通过这个前馈电流Iff来进行前馈补偿的情况下的实施例 的方框图。
在图10中，将电机旋转角命令值θref 11和从由示出了(电机)+(实际负荷) 的虚线所包围的区域12中获得的电机旋转角θM 13相比较，并且反馈控制21 输出在电机中流动的电流命令Icom 22。当由示出了表达式(9)的方框23获得的 前馈电流命令Iff24被加到由这个反馈控制获得的电流命令Icom22时，有可能 实现其中估计的误差和延迟较小的反馈控制。
第七实施例
图16是示出了本发明的第七实施例的视图。
在图16中，项26是用于检测碰撞转矩τdisd 27的碰撞转矩检测部件， 向机械手施加所述碰撞转矩τdisd 27以便通过提供到驱动机械手的碰撞力驱 动手臂，项25是碰撞判断部件，用于通过比较碰撞转矩检测值τdisd 27和已 经设置的碰撞转矩阈值来判断碰撞，并且用于输出碰撞检测信号Dcol 30，附 图标号24是电机旋转检测部件23，用于从电机旋转角θfb 22检测电机的角速 度ωfb，附图标号23是碰撞方向判断部件，用于通过比较碰撞转矩检测方向 与电机旋转方向而输出碰撞方向标志Dir31，附图标号32是电机减速判断部 件，用于通过比较电机角速度ωfb 1与已经设置的所述阈值、并且通过确认电 机的减速来输出电机减速判断信号Dth 33，附图标号15是控制模式转换部件， 后面将说明它。在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反的轴的情况下， 当用于产生电流命令以使得电机旋转角θfb跟随旋转角命令θcom 11的位置控制 部件12被转换到电流控制部件13时，电机旋转速度被降低，其中所述电流 控制部件13用于提供产生电流的命令以便可以由电机产生其方向与电机旋 转方向相反的转矩。当电机旋转速度被降低到不大于设置值的值时，所述控 制模式转换部件将模式转换到跟随碰撞力的方向的顺应性控制部件14。在其 中电机旋转方向与碰撞转矩方向相同的轴的情况下，控制模式转换部件将模 式从位置控制部件12转换到顺应性控制部件14。
接着，参见图16，将如下详细说明在检测碰撞后进行的停止控制方法。 通过作为位置控制部件的反馈控制器12从电机旋转角命令θcom 11和实际电机 旋转角θfb 22得到用于进行位置控制的电流命令Icom12。反馈控制器12通常 由PID控制构成。
在碰撞检测前进行的通常的位置控制中，由控制模式转换块15将电流命 令Icom12选择作为电机电流Im 16，并且将其施加在(电机)+(实际负荷)17上。
当电机电流Im 16被乘以转矩常数Kt 18时获得的电机转矩τmm 19和干扰 转矩20被施加在使用电机惯性J所描述的传递函数21上。
干扰转矩20是摩擦转矩τμ、重力转矩τg、动态转矩τdyn(惯性力、离心 力和地球偏转力的和)和碰撞转矩τdis的和。
电机旋转角θfb 22是从电机传递函数21输出的，并且通常被光类型的编 码器或磁类型的编码器检测。
在碰撞转矩检测块26中，如下得到碰撞转矩检测值τdisd 27。通过在不 产生碰撞转矩τdis的情况下使用这个电机旋转角22、另一个轴电机旋转角29、 能够通过对于它们进行时间微分而引出的角速度、角加速度和机器人机器参 数，可以通过逆动态计算来获得电机所需要的转矩。从如此获得的值减去将 实际电机电流Imm 16乘以转矩常数Kt18而获得的值。以这种方式，可以得到 碰撞转矩检测值τdisd 27。
当以相同方式在另一个轴得到的碰撞转矩检测值28和碰撞转矩检测值 τdisd 27之一已经超过预定的碰撞检测阈值τcth时，碰撞判断块25判断引起了 碰撞。然后，向控制模式转换块15发送碰撞检测信号Dcol 30。
在电机角速度检测块24中，电机旋转角θfb 22被微分，以便得到电机角 速度ωfb 1。碰撞方向判断块23通过下述表达式来从电机角速度ωfb 1和碰撞 转矩检测值τdisd 27计算碰撞方向标志Dir31。
在表达式(20)中，当电机角速度ωfb 1的方向和碰撞转矩检测值τdisd 27 的方向彼此相反时，碰撞方向标志Dir31变为1。在除此之外的其他情况下， 碰撞方向标志Dir31变为0。
在图15所示的操作中，在轴UA 41中，Dir＝1，并且在轴FA 42中，Dir’ ＝0。
当输入碰撞检测信号Dcol 30时，控制模式转换块15按照碰撞方向标志 Dir31的信息来转换控制模式。
因为在轴UA中Dir＝1，因此由电流控制块13从电机角速度ωfb 1产生用 于产生转矩的电流Icom23，所述转矩的方向与电机旋转方向相反。然后，如图 17所示，控制模式转换块15选择Icom23来作为电机电流Im 16，即模式转换 到电流控制模式。
按照上述的构成，因为轴UA 41突然减速，因此碰撞转矩τdis 9在碰撞 检测后可以减小。
当轴UA 41减速并且角速度ωfb的绝对值变得小于预定的减速判断阈值 ωth 5时，电机减速判断块32输出电机减速判断信号Dth 33。
Dth＝1(|ωfb|＜ωth) (22)
当输出这个电机减速判断信号Dth 33时，控制模式转换块15选择Icom34 来作为电机电流Im6，并且模式转换到图18所示的顺应性控制模式。
关于这一点，在角速度ωfb 1的绝对值小于预定阈值ωth 5并且在碰撞检测 时满足表达式(22)的条件时，模式不从通常的控制模式(图16中所示)转换到 电流控制模式(图17中所示)，而是模式转换到顺应性控制模式(图18所示)， 但不通过向电机施加逆转矩来进行减速。
在这一情况中，可以以如下的方式来实现顺应性控制：顺应性控制块14 对于由从反馈控制器12输出的电流命令Icom12控制的电流进行限制，然后增 加重力补偿电流，以便防止机器人由于其本身的重量而下落。
由于上述情况，即使当增大在电机旋转角命令θcom 11和电机旋转角θfb 22之间的偏差时，因为限制了电机电流，因此降低了位置控制的伺服刚性， 以便可以增强控制的顺应性。
关于电流的限制，有可能通过降低在反馈控制器12中的增益来实现电流 的限制。
当在表达式(22)中电机减速判断信号Dth＝1时，电机角速度ωfb1低于阈 值ωthr’即电机几乎被停止，并且惯性能量低。因此，当模式转换到顺应性模 式时，可以解决在碰撞时产生的减速齿轮的变形的问题。
另一方面，在轴FA42的情况下，在表达式(2)中的碰撞方向标志Dir’＝0。 因此，当以与轴UA 41的相同的方式来突然加速或减速轴FA 42时，碰撞转 矩τdis’10相反地增大。
因此，在碰撞发生时碰撞方向标志Dir’＝0的情况下，控制模式转换块15 将控制模式从通常的控制模式(图16所示)转换至顺应性控制模式(图18所 示)，而不经过电流控制模式(图17所示)。
由于上述的构成，在跟随碰撞力的同时通过顺应性控制来操作轴FA42。 因此，可以减弱碰撞转矩。
图14是以时间序列示出了上述控制方法的时序图。
第八实施例
图19是示出了本发明的第八实施例的视图。
图19所示的第八实施例的特性被描述如下。参照示出了第七实施例的图 16，在图19中所示的实施例中，提供了碰撞转矩阈值判断部件34，它将碰 撞转矩检测值τdisd 27与碰撞方向判断转矩阈值相比较。在其中碰撞转矩检测 值τdisd 27低于碰撞方向判断转矩阈值的轴的情况下，不论电机旋转方向和碰 撞转矩方向如何，位置控制部件12被转换到电流控制部件13，以便电机可 以产生其方向与电机旋转方向相反的转矩，并且可以降低电机旋转速度ωfb1。 当电机旋转速度被降低到不大于设置值的值时，控制模式转换部件15转换模 式到顺应性控制部件14。
参见图19，将说明作为增加的功能的、碰撞转矩阈值判断块34的操作 和功能。
在第七实施例中，仅仅通过由表达式(20)确定的碰撞方向标志Dir31来确 定控制模式是否被转换到电流控制模式(图17所示)。
但是，关于在表达式(20)的条件判断中使用的碰撞转矩检测值τdisd 27，在 不使用在第七实施例中所示的转矩传感器来估计碰撞转矩检测值τdisd 27的情 况下，因为从机器人的机械参数、电机位置、角速度、角加速度和电流的信 息来估计碰撞转矩τdis，因此与其中提供了碰撞检测传感器的情况相比较增大 了检测误差。
因此，在其中碰撞转矩检测值τdisd 27较低并接近0的轴的情况下，有可 能由检测误差在碰撞转矩检测值τdisd 27的符号中引起错误。
换句话说，在其中电机速度ωfb 1较高的轴的情况下，即在其中惯性能量 较高的轴的情况下，当碰撞转矩检测值τdisd 27较低时，有可能错误地输出碰 撞方向标志Dir31。
当在一个轴中碰撞转矩检测值τdisd 27大于预定的碰撞判断阈值τdth时， 碰撞判断块25判断引起了碰撞。因此，在其检测值高于碰撞判断阈值的轴的 情况下，不进行碰撞方向标志Dir31的错误输出。
在其碰撞转矩τdis较低的轴的情况下，除了其中已经检测到碰撞的轴之 外，因为没有向所述轴提供强的外力，因此快速减速电机以便降低惯性能量 是更为安全的。但是，只要不能判断碰撞方向，在一些情况下不实际减速电 机更好。因此，在碰撞检测时的速度的绝对值较低以致不损害机器人的情况 下，通过向电机提供逆转矩而不减速电机。在速度高的情况下，电机不被减 速，直到旋转完全停止，但是电机应当被减速到不在机器人中引起损害的速 度。
因此，如图19所示，已经新增加的碰撞转矩阈值判断块34向控制模式 转换块15输出碰撞转矩阈值判断信号Dtht35。
τthr：碰撞方向判断转矩阈值
0＜τthr≤τcth(碰撞检测判断阈值)
如表达式(23)所示，当碰撞转矩检测值τdisd 27的绝对值变得小于预定的 碰撞方向判断阈值τthr时，碰撞转矩阈值判断信号Dtht 35变为1。
在碰撞方向判断转矩阈值τthr不大于碰撞检测判断阈值τcth的条件下，在 表达式(23)中的碰撞方向判断转矩阈值τthr可以被设置为大于碰撞转矩检测值 τdisd27的检测误差。
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝1时，不论作为碰撞速度转矩方向判断块 23的输出信号的碰撞方向标志Dir31如何，当检测到碰撞时，控制模式从通 常的控制模式(图19所示)转换到电流控制模式(图20所示)，并且电机减速。 其后，进行与第七实施例相同的处理。
此时，当在第七实施例中的表达式(22)中的阈值ωth 5被设置在可以不损 害机器人的速度值时，在碰撞检测时的角速度ωfb1的绝对值小于阈值ωth 5， 以便不损害机器人。在这种情况下，控制模式不从通常的控制模式(图16所 示)向电流控制模式(图17所示)转换，而是控制模式向顺应性控制模式(图18 所示)转换，但不通过向电机施加逆转矩来进行减速。
即使当在碰撞检测时的角速度ωfb 1较高时，如果电机被减速到作为不损 害机器人的速度的阈值ωth 5，则控制模式转换到顺应性控制模式(图18所示)。
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝0时，进行与第七实施例中相同的处理。
第九实施例
在第七实施例中，在碰撞检测后，在其中碰撞转矩方向与电机旋转方向 相反的轴的情况下，控制从位置控制转换到电流控制，其中在位置控制中， 产生用于使得实际位置跟随位置命令的电流命令，所述电流控制命令电流， 以便可以由电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩。由于这个转换操作， 电机旋转速度被降低，并且减弱了碰撞能量。其后，当电机旋转速度降低到 不大于设置值的值时，控制转换到顺应性控制，在该顺应性控制中，电机旋 转跟随碰撞力的方向，以便可以解决由碰撞引起的在减速齿轮中的变形问题。
但是，在碰撞检测时的速度较高的情况下，仅仅当在电机旋转减速时所 述控制转换到顺应性控制的时候，有可能不能充分地解决由碰撞引起的减速 齿轮的变形的问题。
因此，在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反并且电机旋转速度 和碰撞转矩检测值分别高于设置值的轴的情况下，当在降低电机旋转速度后 进行电流控制时(其中其方向与电机旋转方向相反的转矩由电机产生)，连续的 施加相反方向的转矩直到速度方向反转。在解决了由碰撞产生的减速齿轮的 变形的一部分后，反转的速度被增大到不小于设置值的值。然后，控制转换 到其中电机旋转跟随碰撞力方向的顺应性控制。
当执行上述的控制方法时，控制系统是复杂的，并且增大了反向转矩施 加时间，而且有可能机械手在碰撞方向的相反方向上大大地反弹。另一方面， 可以迅速地解决在减速齿轮中的变形问题。
图22是示出了本发明的第九实施例的视图。
在图22中所示的第九实施例的特性被描述如下。参照示出了第七实施例 的图16，电机减速判断部件32被改变到电机减速和反转判断部件39。除了 在第八实施例中提供的碰撞转矩阈值判断部件34之外，还新提供了碰撞速度 判断部件37，用于判断在碰撞检测时的电机速度。由于上述情况，在其中电 机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反并且判断电机旋转速度和碰撞转矩检测 值超过设置值的轴的情况下，模式转换到其中由电机产生在与电机旋转方向 相反方向中的转矩的电流控制模式。即使在已经降低了电机旋转速度后，在 相反方向中的转矩也保持被施加，直到速度方向被反转。在已经解决了由碰 撞引起的减速齿轮的变形的一部分后，当反转的速度增大到不小于设置值的 时候，控制模式被转换到其中电机旋转跟随碰撞力方向的顺应性控制。第九 实施例包括如上所述操作的控制模式转换部件15。
参见图22，将说明作为增加部件的碰撞速度判断部件37和作为改变部 件的电机减速和反转判断部件39的操作和功能，。
在第七实施例中，仅仅通过由表达式(20)确定的碰撞方向标志Dir31确定 向电流控制模式(图17所示)的转换。
在第九实施例中，提供了被加到第八实施例的碰撞转矩阈值判断部件34。 第九实施例仅仅被应用到其中在表达式(23)中Dtht＝0的情况，即仅仅被应用 到其中碰撞转矩检测值τdisd 27的绝对值不小于预定碰撞方向判断转矩阈值 τthr并且碰撞方向标志Dir＝1(电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反)的情况。
在除了上述情况之外的情况中，按照实施例7或8的控制方法来进行控 制。
在电机角速度ωfb 1的绝对值大于预定的碰撞速度判断阈值ωths39的情况 中，碰撞速度判断部件37输出碰撞速度判断信号Dths38。
Dths＝1(|ωfb|＜ωths) (24)
ωths≥ωth(减速判断阈值)
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝0并且碰撞方向标志Dir＝1时，输出这个 电机减速判断信号Dths＝1。然后，控制模式转换块15选择Icom23来作为电机 电流Im 6，并且模式从通常的控制模式(图22所示)转换到其中通过向电机施 加逆转矩而将电机旋转减速的电流控制模式(图23所示)。
电机减速部件32判断通过施加所述逆转矩而降低和反转了电机速度ωfb 1。具体上，如下进行操作。在表达式(22)中，当电机减速判断信号Dth 33通 过“1(碰撞)”→“0(减速)”→“1(反转)”而转换时，控制模式转换块15选 择Icom34来作为电机电流Im 6，并且模式转换到图24所示的顺应性控制模式。
图25是以时间序列示出了上述控制方法的时序图。
第十实施例
图21是示出了本发明的第十实施例的视图。
图21示出了一种布置，其中，相对于示出了第八实施例的图19，电流 控制部件从13变为36。第十实施例包括电流控制部件36，用于控制一个电 流，所述电流当在控制模式转换部件15中选择电流控制部件时在与电机旋转 方向相反的方向上产生电机的最大转矩。
由于上述构成，有可能对于电机进行最大制动操作。因此，可以减弱碰 撞能量，以便可以将其降低到尽可能低。
当然，可以在示出了第七实施例的图16和示出了第九实施例的图22中 进行相同的改变。
产业上的应用
如上所述，本发明提供了一种控制机器人的方法，其特征在于：检测用 于驱动机器人的电机的旋转角度；从旋转角计算角速度的实际测量值；当将 从被提供到电机的命令计算的命令值的角速度的绝对值与实际测量的值的角 速度的绝对值相比较时，选择其绝对值大于另一个角速度的绝对值的一个角 速度，并且使用那个角速度来计算摩擦转矩；当按照命令值来驱动电机时， 向被提供到电机的命令值增加对应于摩擦转矩的值；并且在下述两种情况下 总是有效地进行摩擦补偿：按照角命令来主动地操作机械手的情况，由外力 来推动而被动地操作机械手的情况。由于上述特性，可以将通过反馈控制的 电流限制抑制到小于摩擦转矩。因此，可以实现较高顺应性的控制方法。
当在比较速度的绝对值时将命令值和实际测量值的至少一个乘以或加上 加权系数时，速度命令值或实际测量值可以择优地被采用为速度。因此，例 如，可以择优地选择其测量误差小的速度命令值。
而且，使用一个值作为当速度命令值和实际测量值的至少一个被乘以摩 擦补偿率时获得的角速度。由于上述情况，有可能防止反馈特性变得振动， 同时可以改善目标跟随特性。
而且，按照本发明的机器人控制方法，对应于由电机产生的转矩的损失 的减速齿轮的动态摩擦转矩被计算为与动态转矩成比例地增加。由于上述情 况，可以增强碰撞转矩的检测精度。
当减速齿轮的动态转矩被计算为与动态转矩成比例地增大时，可以增强 动态摩擦转矩的计算精度，并且可以实现最适当的前馈补偿。
如上所述，按照本发明的机器人控制方法，在检测到碰撞后，当电机旋 转方向和碰撞方向彼此相反时，控制模式从位置控制模式向电流控制模式转 换，并且电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩。由于上述原因，电机 被减速，并且减弱了碰撞能量。其后，当电机旋转速度被降低到不大于设置 值的值时，控制模式被转换到顺应性控制，并且在碰撞中产生的减速齿轮中 的变形被解决。另一方面，在电机旋转方向和碰撞方向相同的情况下，控制 模式被直接从位置控制转换到顺应性控制而不经过电流控制。当在跟随碰撞 力的同时操作机械手时，可以减弱碰撞转矩。当碰撞停止操作如上所述而构 成时，可以将由碰撞引起的机器人的损害抑制到最小。
而且，在其中碰撞转矩检测值的绝对值小于设置值的轴的情况下，不论 电机旋转方向和碰撞转矩方向如何，控制模式从位置控制向电流控制转换， 并且电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩以便降低电机旋转速度。当 电机旋转速度降低到不大于设置值的值时，控制模式转换到顺应模式。由于 上述原因，在被提供了高强度的转矩的轴的情况下，按照碰撞方向和电机旋 转方向来进行适当的停止操作。未被提供高强度的碰撞转矩的另一个轴被迅 速地停止，以便可以降低惯性能量。因此，即使在其中不使用传感器和引起 较大检测误差的碰撞转矩检测的情况下，有可能选择适当的停止方式。
而且，当进行下述的电流控制：即在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向 彼此相反并且电机旋转速度和碰撞转矩检测值超过设置值的轴中由电机产生 其方向与电机旋转方向相反的转矩时，在减小电机旋转速度后，保持施加在 反向中的转矩直到反转电机旋转速度。在已经解决了在碰撞中引起的减速齿 轮中的变形的一部分后，当反转速度超过设置值时，当控制模式转换到其中 机械手跟随碰撞力方向的顺应性控制时，可以迅速地解决在减速齿轮中的变 形。
而且，在其中电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩的电流控制的 情况中，提供一个命令以便可以产生最大的电机转矩。由于这种构成，可以 最大地减弱碰撞能量。
第一实施例
图1是示出了本发明的控制方法的方框图。在图1中，附图标号26是速 度转换器件，附图标号27是由速度转换器件选择的角速度ω。可以以下述方 式来得到反馈电流命令Icom 4：通过反馈控制器2从旋转角命令θcom 1和实际 电机旋转角θfb进行PID计算，并且进行电流限制3。关于用于电流限制3的 方式，提供了一种其中设置了限制的系统和一种其中降低了反馈增益的系统。
另一方面，可以如下通过表达式(3)来计算Iml 17。将当把电机旋转命令θcom 1两次进行微分计算12、14时得到的角加速度αcom 15乘以电机惯性J 16。摩 擦转矩τμ20和动态转矩τdyn 19被加到如此获得的值。将如此获得的值乘以 电机转矩常数的倒数1/Kt 18。以这种方式，可以计算Iml 17。
对于当通过表达式(5)-(9)计算21摩擦转矩τμ20使用的角速度ω27，速 度转换器件26选择当对电机旋转角命令θcom 1求微分时获得的角速度命令 ωcom 13，或者当对实际电机旋转角θfb 11求微分24时获得的实际角速度ωfb 23。
通过速度转换器件26按照下列表达式来转换速度。
在表达式(12)中，将角速度命令ωcom 13的绝对值与实际角速度ωfb 23的 绝对值相互比较，并且选择较高的值来作为ω27。
使用这个ω，通过表达式(5)-(7)来计算摩擦转矩τμ20。
当如上所述进行选择时，即使当顺应性控制变得有效时，在输入位置命 令θcom 1并且主动地操作机械手的情况下或在由外力τdis推动机械手并且被 动地操作机械手的情况下，也可以适当地计算摩擦转矩τμ20而不被减低到0。
即使当在主动操作机器人并且在角速度命令ωcom 13和实际角速度ωfb 23 之间存在差异的同时由外力τdis推动机器人并且位置偏差增大的时候，如果 实际角速度ωfb 23的绝对值变得大于角速度命令ωcom 13的绝对值，则采用实 际角速度ωfb 23来作为ω27。因此，可以在摩擦转矩τμ20的计算中降低引起 误差的因素。
而且，在停止操作时，即使当角速度命令ωcom 13在实际角速度ωfb 23变 为0之前变为0的时候，如果实际角速度ωfb 23的绝对值变得大于角速度命 令ωcom 13的绝对值，则采用ωfb 23来作为ω27。因此，通过由表达式(4)计算 的摩擦转矩τ的摩擦补偿可以从这个时间点继续。即，有可能当角速度命令 ωcom 13已经达到0时防止由摩擦补偿的消除引起的突然停止。因此，有可能 防止这样的问题：机械手不能达到目标位置或者在机械手中产生振动。
由于上述构成，即使当通过反馈控制的电流Icom 4的限制被抑制为低于实 际摩擦转矩以便增强控制的顺应性的时候，也有可能防止下列问题的出现： 机械手不能达到目标位置或者当机械手被停止时格外振动。
第二实施例
在示出了在第一实施例中的速度的转换的表达式(12)中，速度命令值和实 际测量值的至少一个被乘以加权系数。
当由表达式(13)所示来建立所述构成时，向速度命令值和实际测量值之一 提供优先级，以便它可以被采用为速度。
因为实际测量的值ωfb包括测量误差，例如，当在表达式(13)中的加权系 数被设置在如下的值时，可以优先地选择速度命令ωcom。
kc1＞1和kc2＞0(14)
第三实施例
图2是示出了第三实施例的控制方法的方框图。
被输入到速度转换器件26的实际角速度ωfb 23乘以摩擦补偿率kμ。
它由表达式(15)表达如下。
kμ：摩擦补偿率
当使用由上述表达式(15)获得的角速度ω27时，在对于当由表达式(5)计 算21摩擦转矩τμ20时使用的角速度选择实际角速度ωfb 23的情况下，当摩 擦补偿率kμ被设置在不大于1的值时，不能100％地补偿摩擦转矩τμ20。因 此，有可能进行调整使得反馈特性不能振动。
另一方面，在对于用于摩擦转矩τμ20的计算21的角速度ω使用角速度 命令ωcom 13的情况下，可以100％地补偿摩擦转矩τμ20，而不影响控制系统 的反馈特性。因此，可以改善目标跟随特性。
第四实施例
图6和7是示出了测量结果的视图，其中，在干扰转矩τdis＝0的条件下 相对于动态转矩τdyn的波动来测量用于机器人的典型减速齿轮中的动态摩擦 转矩。图6是示出了在调和减速齿轮情况下的特性的视图，图7是示出了在 作为偏心差动式减速齿轮类型的RV减速齿轮情况下的特性的视图。
可以从图6和7看出，按照动态转矩τdyn的增大，动态摩擦转矩被增大。 可以由表达式(16)来近似动态摩擦转矩。
在表达式(16)中，附图标号A、B、C、D、E和F是近似的常数，τth是 设置阈值。
在图8中描述了在图6和7中所示的上述参数。
图9是示出了计算结果的视图，其中，按照表达式(16)来计算动态摩擦转 矩近似值τμa，并且在与图11所示的减速齿轮输出相同的减速齿轮输出计算 和比较必要的转矩。可以在图9中看出，与图11相比较，在恒定速度的误差 5不增大，而在峰值转矩的误差3被降低。
然后，当使用由表达式(16)计算的τμa来变形表达式(10)时，可以获得下 面的表达式。
τdisa＝Kt*Im-(J*α+D*ω+τμa*sgn(ω)+τdyn)(17)
当由表达式(17)来计算碰撞转矩τdisa时，与表达式(10)相比较，变得有 可能尤其是在碰撞前减小误差。因此，不必降低碰撞检测灵敏度，并且可以 增强碰撞检测精度。
图5是示出了这种方法的方框图。
在图5中，将电机旋转角命令值θref 11和从由示出了(电机)+(实际负荷) 的虚线所包围的区域12获得的电机旋转角θM 13相比较，并且控制器14向 电机提供电流Im 15。在电机中，产生转矩，它是当将电流Im 15乘以转矩常 数Kt16时获得的。从这个转矩减去动态转矩τyn、碰撞转矩τdis和摩擦转矩 τμ×sgn(ω)的和17。从所述相减获得的转矩用于驱动由方框18表达的单个电 机体。碰撞转矩计算部分19通过表达式17从电机旋转角θM 13和电流Im 15 计算碰撞转矩检测值τdisa 20。
关于这一点，虽然增大了误差，但是在表达式(17)中可以使用电机电流转 矩τmO＝Kt×Im来取代动态转矩τdyn。
第五实施例
接着，下面说明本发明的第五实施例。
首先，关于动态摩擦转矩，使用表达式(16)。当将表达式(11)变形时，可 以获得下面的表达式(18)。
Iff＝(J*α+D*ω+τμa*sgn(ω)+τdyn)/Kt (18)
在这个表达式(18)中，当通过对于电机旋转角命令θref进行求微分而计算 角速度ω和角加速度α时，表达式(18)可以变形为表达式(19)。因此，可以不 使用反馈信号来计算用于产生电机所需要的转矩的电流Iff。
Iff＝(J*s2(θref)+D*s(θref)+τμa*sgn(ω)+τdyn)/Kt (19)
图10是示出了在通过这个前馈电流Iff来进行前馈补偿的情况下的实施例 的方框图。
在图10中，将电机旋转角命令值θref 11和从由示出了(电机)+(实际负荷) 的虚线所包围的区域12中获得的电机旋转角θM 13相比较，并且反馈控制21 输出在电机中流动的电流命令Icom 22。当由示出了表达式(9)的方框23获得的 前馈电流命令Iff24被加到由这个反馈控制获得的电流命令Icom22时，有可能 实现其中估计的误差和延迟较小的反馈控制。
第七实施例
图16是示出了本发明的第七实施例的视图。
在图16中，项26是用于检测碰撞转矩τdisd 27的碰撞转矩检测部件， 向机械手施加所述碰撞转矩τdisd 27以便通过提供到驱动机械手的碰撞力驱 动手臂，项25是碰撞判断部件，用于通过比较碰撞转矩检测值τdisd 27和已 经设置的碰撞转矩阈值来判断碰撞，并且用于输出碰撞检测信号Dcol 30，附 图标号24是电机旋转检测部件23，用于从电机旋转角θfb 22检测电机的角速 度ωfb，附图标号23是碰撞方向判断部件，用于通过比较碰撞转矩检测方向 与电机旋转方向而输出碰撞方向标志Dir31，附图标号32是电机减速判断部 件，用于通过比较电机角速度ωfb 1与已经设置的所述阈值、并且通过确认电 机的减速来输出电机减速判断信号Dth 33，附图标号15是控制模式转换部件， 后面将说明它。在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反的轴的情况下， 当用于产生电流命令以使得电机旋转角θfb跟随旋转角命令θcom 11的位置控制 部件12被转换到电流控制部件13时，电机旋转速度被降低，其中所述电流 控制部件13用于提供产生电流的命令以便可以由电机产生其方向与电机旋 转方向相反的转矩。当电机旋转速度被降低到不大于设置值的值时，所述控 制模式转换部件将模式转换到跟随碰撞力的方向的顺应性控制部件14。在其 中电机旋转方向与碰撞转矩方向相同的轴的情况下，控制模式转换部件将模 式从位置控制部件12转换到顺应性控制部件14。
接着，参见图16，将如下详细说明在检测碰撞后进行的停止控制方法。 通过作为位置控制部件的反馈控制器12从电机旋转角命令θcom 11和实际电机 旋转角θfb 22得到用于进行位置控制的电流命令Icom12。反馈控制器12通常 由PID控制构成。
在碰撞检测前进行的通常的位置控制中，由控制模式转换块15将电流命 令Icom12选择作为电机电流Im 16，并且将其施加在(电机)+(实际负荷)17上。
当电机电流Im 16被乘以转矩常数Kt 18时获得的电机转矩τmm 19和干扰 转矩20被施加在使用电机惯性J所描述的传递函数21上。
干扰转矩20是摩擦转矩τμ、重力转矩τg、动态转矩τdyn(惯性力、离心 力和地球偏转力的和)和碰撞转矩τdis的和。
电机旋转角θfb 22是从电机传递函数21输出的，并且通常被光类型的编 码器或磁类型的编码器检测。
在碰撞转矩检测块26中，如下得到碰撞转矩检测值τdisd 27。通过在不 产生碰撞转矩τdis的情况下使用这个电机旋转角22、另一个轴电机旋转角29、 能够通过对于它们进行时间微分而引出的角速度、角加速度和机器人机器参 数，可以通过逆动态计算来获得电机所需要的转矩。从如此获得的值减去将 实际电机电流Imm 16乘以转矩常数Kt18而获得的值。以这种方式，可以得到 碰撞转矩检测值τdisd 27。
当以相同方式在另一个轴得到的碰撞转矩检测值28和碰撞转矩检测值 τdisd 27之一已经超过预定的碰撞检测阈值τcth时，碰撞判断块25判断引起了 碰撞。然后，向控制模式转换块15发送碰撞检测信号Dcol 30。
在电机角速度检测块24中，电机旋转角θfb 22被微分，以便得到电机角 速度ωfb 1。碰撞方向判断块23通过下述表达式来从电机角速度ωfb 1和碰撞 转矩检测值τdisd 27计算碰撞方向标志Dir31。
在表达式(20)中，当电机角速度ωfb 1的方向和碰撞转矩检测值τdisd 27 的方向彼此相反时，碰撞方向标志Dir31变为1。在除此之外的其他情况下， 碰撞方向标志Dir31变为0。
在图15所示的操作中，在轴UA 41中，Dir＝1，并且在轴FA 42中，Dir’ ＝0。
当输入碰撞检测信号Dcol 30时，控制模式转换块15按照碰撞方向标志 Dir31的信息来转换控制模式。
因为在轴UA中Dir＝1，因此由电流控制块13从电机角速度ωfb 1产生用 于产生转矩的电流Icom23，所述转矩的方向与电机旋转方向相反。然后，如图 17所示，控制模式转换块15选择Icom23来作为电机电流Im 16，即模式转换 到电流控制模式。
按照上述的构成，因为轴UA 41突然减速，因此碰撞转矩τdis 9在碰撞 检测后可以减小。
当轴UA 41减速并且角速度ωfb的绝对值变得小于预定的减速判断阈值 ωth 5时，电机减速判断块32输出电机减速判断信号Dth 33。
Dth＝1(|ωfb|＜ωth) (22)
当输出这个电机减速判断信号Dth 33时，控制模式转换块15选择Icom34 来作为电机电流Im6，并且模式转换到图18所示的顺应性控制模式。
关于这一点，在角速度ωfb 1的绝对值小于预定阈值ωth 5并且在碰撞检测 时满足表达式(22)的条件时，模式不从通常的控制模式(图16中所示)转换到 电流控制模式(图17中所示)，而是模式转换到顺应性控制模式(图18所示)， 但不通过向电机施加逆转矩来进行减速。
在这一情况中，可以以如下的方式来实现顺应性控制：顺应性控制块14 对于由从反馈控制器12输出的电流命令Icom12控制的电流进行限制，然后增 加重力补偿电流，以便防止机器人由于其本身的重量而下落。
由于上述情况，即使当增大在电机旋转角命令θcom 11和电机旋转角θfb 22之间的偏差时，因为限制了电机电流，因此降低了位置控制的伺服刚性， 以便可以增强控制的顺应性。
关于电流的限制，有可能通过降低在反馈控制器12中的增益来实现电流 的限制。
当在表达式(22)中电机减速判断信号Dth＝1时，电机角速度ωfb1低于阈 值ωthr’即电机几乎被停止，并且惯性能量低。因此，当模式转换到顺应性模 式时，可以解决在碰撞时产生的减速齿轮的变形的问题。
另一方面，在轴FA42的情况下，在表达式(2)中的碰撞方向标志Dir’＝0。 因此，当以与轴UA 41的相同的方式来突然加速或减速轴FA 42时，碰撞转 矩τdis’10相反地增大。
因此，在碰撞发生时碰撞方向标志Dir’＝0的情况下，控制模式转换块15 将控制模式从通常的控制模式(图16所示)转换至顺应性控制模式(图18所 示)，而不经过电流控制模式(图17所示)。
由于上述的构成，在跟随碰撞力的同时通过顺应性控制来操作轴FA42。 因此，可以减弱碰撞转矩。
图14是以时间序列示出了上述控制方法的时序图。
第八实施例
图19是示出了本发明的第八实施例的视图。
图19所示的第八实施例的特性被描述如下。参照示出了第七实施例的图 16，在图19中所示的实施例中，提供了碰撞转矩阈值判断部件34，它将碰 撞转矩检测值τdisd 27与碰撞方向判断转矩阈值相比较。在其中碰撞转矩检测 值τdisd 27低于碰撞方向判断转矩阈值的轴的情况下，不论电机旋转方向和碰 撞转矩方向如何，位置控制部件12被转换到电流控制部件13，以便电机可 以产生其方向与电机旋转方向相反的转矩，并且可以降低电机旋转速度ωfb1。 当电机旋转速度被降低到不大于设置值的值时，控制模式转换部件15转换模 式到顺应性控制部件14。
参见图19，将说明作为增加的功能的、碰撞转矩阈值判断块34的操作 和功能。
在第七实施例中，仅仅通过由表达式(20)确定的碰撞方向标志Dir31来确 定控制模式是否被转换到电流控制模式(图17所示)。
但是，关于在表达式(20)的条件判断中使用的碰撞转矩检测值τdisd 27，在 不使用在第七实施例中所示的转矩传感器来估计碰撞转矩检测值τdisd 27的情 况下，因为从机器人的机械参数、电机位置、角速度、角加速度和电流的信 息来估计碰撞转矩τdis，因此与其中提供了碰撞检测传感器的情况相比较增大 了检测误差。
因此，在其中碰撞转矩检测值τdisd 27较低并接近0的轴的情况下，有可 能由检测误差在碰撞转矩检测值τdisd 27的符号中引起错误。
换句话说，在其中电机速度ωfb 1较高的轴的情况下，即在其中惯性能量 较高的轴的情况下，当碰撞转矩检测值τdisd 27较低时，有可能错误地输出碰 撞方向标志Dir31。
当在一个轴中碰撞转矩检测值τdisd 27大于预定的碰撞判断阈值τdth时， 碰撞判断块25判断引起了碰撞。因此，在其检测值高于碰撞判断阈值的轴的 情况下，不进行碰撞方向标志Dir31的错误输出。
在其碰撞转矩τdis较低的轴的情况下，除了其中已经检测到碰撞的轴之 外，因为没有向所述轴提供强的外力，因此快速减速电机以便降低惯性能量 是更为安全的。但是，只要不能判断碰撞方向，在一些情况下不实际减速电 机更好。因此，在碰撞检测时的速度的绝对值较低以致不损害机器人的情况 下，通过向电机提供逆转矩而不减速电机。在速度高的情况下，电机不被减 速，直到旋转完全停止，但是电机应当被减速到不在机器人中引起损害的速 度。
因此，如图19所示，已经新增加的碰撞转矩阈值判断块34向控制模式 转换块15输出碰撞转矩阈值判断信号Dtht35。
τthr：碰撞方向判断转矩阈值
0＜τthr≤τcth(碰撞检测判断阈值)
如表达式(23)所示，当碰撞转矩检测值τdisd 27的绝对值变得小于预定的 碰撞方向判断阈值τthr时，碰撞转矩阈值判断信号Dtht 35变为1。
在碰撞方向判断转矩阈值τthr不大于碰撞检测判断阈值τcth的条件下，在 表达式(23)中的碰撞方向判断转矩阈值τthr可以被设置为大于碰撞转矩检测值 τdisd27的检测误差。
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝1时，不论作为碰撞速度转矩方向判断块 23的输出信号的碰撞方向标志Dir31如何，当检测到碰撞时，控制模式从通 常的控制模式(图19所示)转换到电流控制模式(图20所示)，并且电机减速。 其后，进行与第七实施例相同的处理。
此时，当在第七实施例中的表达式(22)中的阈值ωth 5被设置在可以不损 害机器人的速度值时，在碰撞检测时的角速度ωfb1的绝对值小于阈值ωth 5， 以便不损害机器人。在这种情况下，控制模式不从通常的控制模式(图16所 示)向电流控制模式(图17所示)转换，而是控制模式向顺应性控制模式(图18 所示)转换，但不通过向电机施加逆转矩来进行减速。
即使当在碰撞检测时的角速度ωfb 1较高时，如果电机被减速到作为不损 害机器人的速度的阈值ωth 5，则控制模式转换到顺应性控制模式(图18所示)。
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝0时，进行与第七实施例中相同的处理。
第九实施例
在第七实施例中，在碰撞检测后，在其中碰撞转矩方向与电机旋转方向 相反的轴的情况下，控制从位置控制转换到电流控制，其中在位置控制中， 产生用于使得实际位置跟随位置命令的电流命令，所述电流控制命令电流， 以便可以由电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩。由于这个转换操作， 电机旋转速度被降低，并且减弱了碰撞能量。其后，当电机旋转速度降低到 不大于设置值的值时，控制转换到顺应性控制，在该顺应性控制中，电机旋 转跟随碰撞力的方向，以便可以解决由碰撞引起的在减速齿轮中的变形问题。
但是，在碰撞检测时的速度较高的情况下，仅仅当在电机旋转减速时所 述控制转换到顺应性控制的时候，有可能不能充分地解决由碰撞引起的减速 齿轮的变形的问题。
因此，在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反并且电机旋转速度 和碰撞转矩检测值分别高于设置值的轴的情况下，当在降低电机旋转速度后 进行电流控制时(其中其方向与电机旋转方向相反的转矩由电机产生)，连续的 施加相反方向的转矩直到速度方向反转。在解决了由碰撞产生的减速齿轮的 变形的一部分后，反转的速度被增大到不小于设置值的值。然后，控制转换 到其中电机旋转跟随碰撞力方向的顺应性控制。
当执行上述的控制方法时，控制系统是复杂的，并且增大了反向转矩施 加时间，而且有可能机械手在碰撞方向的相反方向上大大地反弹。另一方面， 可以迅速地解决在减速齿轮中的变形问题。
图22是示出了本发明的第九实施例的视图。
在图22中所示的第九实施例的特性被描述如下。参照示出了第七实施例 的图16，电机减速判断部件32被改变到电机减速和反转判断部件39。除了 在第八实施例中提供的碰撞转矩阈值判断部件34之外，还新提供了碰撞速度 判断部件37，用于判断在碰撞检测时的电机速度。由于上述情况，在其中电 机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反并且判断电机旋转速度和碰撞转矩检测 值超过设置值的轴的情况下，模式转换到其中由电机产生在与电机旋转方向 相反方向中的转矩的电流控制模式。即使在已经降低了电机旋转速度后，在 相反方向中的转矩也保持被施加，直到速度方向被反转。在已经解决了由碰 撞引起的减速齿轮的变形的一部分后，当反转的速度增大到不小于设置值的 时候，控制模式被转换到其中电机旋转跟随碰撞力方向的顺应性控制。第九 实施例包括如上所述操作的控制模式转换部件15。
参见图22，将说明作为增加部件的碰撞速度判断部件37和作为改变部 件的电机减速和反转判断部件39的操作和功能，。
在第七实施例中，仅仅通过由表达式(20)确定的碰撞方向标志Dir31确定 向电流控制模式(图17所示)的转换。
在第九实施例中，提供了被加到第八实施例的碰撞转矩阈值判断部件34。 第九实施例仅仅被应用到其中在表达式(23)中Dtht＝0的情况，即仅仅被应用 到其中碰撞转矩检测值τdisd 27的绝对值不小于预定碰撞方向判断转矩阈值 τthr并且碰撞方向标志Dir＝1(电机旋转方向和碰撞转矩方向彼此相反)的情况。
在除了上述情况之外的情况中，按照实施例7或8的控制方法来进行控 制。
在电机角速度ωfb 1的绝对值大于预定的碰撞速度判断阈值ωths39的情况 中，碰撞速度判断部件37输出碰撞速度判断信号Dths38。
Dths＝1(|ωfb|＜ωths) (24)
ωths≥ωth(减速判断阈值)
当碰撞转矩阈值判断信号Dtht＝0并且碰撞方向标志Dir＝1时，输出这个 电机减速判断信号Dths＝1。然后，控制模式转换块15选择Icom23来作为电机 电流Im 6，并且模式从通常的控制模式(图22所示)转换到其中通过向电机施 加逆转矩而将电机旋转减速的电流控制模式(图23所示)。
电机减速部件32判断通过施加所述逆转矩而降低和反转了电机速度ωfb 1。具体上，如下进行操作。在表达式(22)中，当电机减速判断信号Dth 33通 过“1(碰撞)”→“0(减速)”→“1(反转)”而转换时，控制模式转换块15选 择Icom34来作为电机电流Im 6，并且模式转换到图24所示的顺应性控制模式。
图25是以时间序列示出了上述控制方法的时序图。
第十实施例
图21是示出了本发明的第十实施例的视图。
图21示出了一种布置，其中，相对于示出了第八实施例的图19，电流 控制部件从13变为36。第十实施例包括电流控制部件36，用于控制一个电 流，所述电流当在控制模式转换部件15中选择电流控制部件时在与电机旋转 方向相反的方向上产生电机的最大转矩。
由于上述构成，有可能对于电机进行最大制动操作。因此，可以减弱碰 撞能量，以便可以将其降低到尽可能低。
当然，可以在示出了第七实施例的图16和示出了第九实施例的图22中 进行相同的改变。
产业上的应用
如上所述，本发明提供了一种控制机器人的方法，其特征在于：检测用 于驱动机器人的电机的旋转角度；从旋转角计算角速度的实际测量值；当将 从被提供到电机的命令计算的命令值的角速度的绝对值与实际测量的值的角 速度的绝对值相比较时，选择其绝对值大于另一个角速度的绝对值的一个角 速度，并且使用那个角速度来计算摩擦转矩；当按照命令值来驱动电机时， 向被提供到电机的命令值增加对应于摩擦转矩的值；并且在下述两种情况下 总是有效地进行摩擦补偿：按照角命令来主动地操作机械手的情况，由外力 来推动而被动地操作机械手的情况。由于上述特性，可以将通过反馈控制的 电流限制抑制到小于摩擦转矩。因此，可以实现较高顺应性的控制方法。
当在比较速度的绝对值时将命令值和实际测量值的至少一个乘以或加上 加权系数时，速度命令值或实际测量值可以择优地被采用为速度。因此，例 如，可以择优地选择其测量误差小的速度命令值。
而且，使用一个值作为当速度命令值和实际测量值的至少一个被乘以摩 擦补偿率时获得的角速度。由于上述情况，有可能防止反馈特性变得振动， 同时可以改善目标跟随特性。
而且，按照本发明的机器人控制方法，对应于由电机产生的转矩的损失 的减速齿轮的动态摩擦转矩被计算为与动态转矩成比例地增加。由于上述情 况，可以增强碰撞转矩的检测精度。
当减速齿轮的动态转矩被计算为与动态转矩成比例地增大时，可以增强 动态摩擦转矩的计算精度，并且可以实现最适当的前馈补偿。
如上所述，按照本发明的机器人控制方法，在检测到碰撞后，当电机旋 转方向和碰撞方向彼此相反时，控制模式从位置控制模式向电流控制模式转 换，并且电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩。由于上述原因，电机 被减速，并且减弱了碰撞能量。其后，当电机旋转速度被降低到不大于设置 值的值时，控制模式被转换到顺应性控制，并且在碰撞中产生的减速齿轮中 的变形被解决。另一方面，在电机旋转方向和碰撞方向相同的情况下，控制 模式被直接从位置控制转换到顺应性控制而不经过电流控制。当在跟随碰撞 力的同时操作机械手时，可以减弱碰撞转矩。当碰撞停止操作如上所述而构 成时，可以将由碰撞引起的机器人的损害抑制到最小。
而且，在其中碰撞转矩检测值的绝对值小于设置值的轴的情况下，不论 电机旋转方向和碰撞转矩方向如何，控制模式从位置控制向电流控制转换， 并且电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩以便降低电机旋转速度。当 电机旋转速度降低到不大于设置值的值时，控制模式转换到顺应模式。由于 上述原因，在被提供了高强度的转矩的轴的情况下，按照碰撞方向和电机旋 转方向来进行适当的停止操作。未被提供高强度的碰撞转矩的另一个轴被迅 速地停止，以便可以降低惯性能量。因此，即使在其中不使用传感器和引起 较大检测误差的碰撞转矩检测的情况下，有可能选择适当的停止方式。
而且，当进行下述的电流控制：即在其中电机旋转方向和碰撞转矩方向 彼此相反并且电机旋转速度和碰撞转矩检测值超过设置值的轴中由电机产生 其方向与电机旋转方向相反的转矩时，在减小电机旋转速度后，保持施加在 反向中的转矩直到反转电机旋转速度。在已经解决了在碰撞中引起的减速齿 轮中的变形的一部分后，当反转速度超过设置值时，当控制模式转换到其中 机械手跟随碰撞力方向的顺应性控制时，可以迅速地解决在减速齿轮中的变 形。
而且，在其中电机产生其方向与电机旋转方向相反的转矩的电流控制的 情况中，提供一个命令以便可以产生最大的电机转矩。由于这种构成，可以 最大地减弱碰撞能量。