[发明专利]多关节机器人及其控制程序

说明书

技术领域

本发明主张基于2006年6月26日申请的日本专利申请第2006-175063号的优先权。该申请的全部内容作为参照而引用在本说明书中。

本发明涉及多关节机器人及其控制程序(用于控制多关节机器人的计算机程序产品)。

背景技术

多关节机器人具备多关节机器人机构和用于控制该机构的控制器。在本说明书中，在表示“多关节机器人机构”时，有时也称“多关节机器人”或简称“机器人”。本说明书所说的多关节机器人机构，是指具有多个连杆和多个关节、相邻的连杆经由关节连接、至少有两个以上的关节介于基部连杆和前端连杆之间的机器人。这里所说的前端连杆是指被给与目标状态矢量的连杆，并不一定限于物理性地配置于前端的连杆。例如，模拟包含5根手指的手臂的多关节机器人，在给与手掌连杆的目标状态矢量时，虽然在手掌连杆的最前端连接有手指连杆群，但手掌连杆却成为前端连杆。还有，在本说明书中，将1自由度计为一个关节，能够使相邻的连杆围绕两轴旋转的关节由2个关节构成。

具有n个关节的多关节机器人(即，具有n自由度的多关节机器人)，通过独立控制各关节，能够使前端连杆的当前状态矢量追随以n以下的维度记述的目标状态矢量。在本说明书中，简化“使前端连杆的当前状态追随目标状态矢量”的表达，记为“使前端连杆追随目标状态矢量”。目标状态矢量，有时以位置(姿态)单位给与，有时以速度(角速度)单位给与。或者有时以加速度(加速度)的单位、力(转矩)的单位给与。例如，在目标状态矢量具有6维，以位置(姿态)的单位给与的情况下，目标状态矢量的要素，通过直角坐标系的各坐标轴方向的位置和、所谓滚动角(roll)、俯仰角(pitch)以及偏转角(yaw)的6个数量值来给与。因为目标状态矢量的要素能够取各种单位系，所以在本说明书中代替目标位置矢量、目标速度矢量等这样的表达，而使用没有特定单位系的目标状态矢量的表达。前端连杆的当前状态矢量，是以与目标状态矢量同样的单位系记述前端连杆的物理状态的矢量。

还有，将目标状态矢量的次数表述为n以下，是因为本说明书所涉及的多关节机器人也可以是具有所谓冗余自由度的多关节机器人。

如果对n自由度的多关节机器人给与n以下的目标状态矢量，则能够决定用于使前端连杆追随目标状态矢量的各关节的目标驱动量。关节的目标驱动量的单位，可以取位置(角度)、速度(角速度)等各种单位系。本发明书中的“目标驱动量”这一表达，以包括关节的目标关节角、目标角速度这样的关节的“目标状态”的意思而使用。因此，有时将例如驱动关节使得关节的当前关节角追随目标关节角表达为“使关节追随目标驱动量”。

众所周知，可以通过所谓逆变换、雅可比矩阵求出用于使前端连杆追随目标状态矢量的各关节的目标驱动量。在求出关节的目标驱动量后，控制用于驱动关节的执行器，使得关节的当前状态(当前关节角、当前关节角速度等)追随关节的目标驱动量(目标关节角、目标关节角速度等)。这里所说的“驱动关节”是指使与关节连接的连杆彼此之间的相对位置(姿态)变化。在是旋转关节的情况下，相当于使与关节连接的连杆之间的角度(关节角)变化。在是直线运动关节的情况下，相当于使与关节连接的连杆之间的距离变化。

通过使机器人的前端连杆追随目标状态矢量，能够使机器人进行预定的作业。通过将例如机械爪、焊接工具等的末端执行器(end-effector)固定于机器人的前端连杆，使前端连杆追随随时间变化的目标状态矢量，从而能够使该末端执行器沿预期的轨道移动而进行预定的作业。或者，在多关节机器人是腿式机器人的情况下，通过使相当于前端连杆的脚掌连杆追随目标状态矢量，能够使其执行步行这一作业。

但是，在机器人的作业中，存在作用于关节的负荷增大的可能性。例如，如果机器人已与未预期的物体接触，却继续进行追随随时间变化的目标状态矢量的控制，则其结果是机器人会推开物体。在机器人推开物体时，存在作用于关节的负荷增大的可能性。或者，在机器人通过安装于前端连杆的机械爪进行拿起物体的作业的情况下，如果拿起物体的质量比预料的大，则作用于关节的负荷也出乎预料地增大。关于作用于关节的负荷中的、作用于关节的驱动轴的负荷分量，能够通过在驱动该关节的执行器上设置扭矩限制器等的过负荷对策来加以缓和。下面，以作用于关节的驱动轴的负荷为对象。还有，本说明书中所说的过负荷，是指作用于关节的负荷超过预先设定的阈值的情况。即，本说明书中所说的过负荷，并不限定于超过关节的物理容许限度的负荷作用于关节的情况。