專利名稱：機(jī)器人的控制方法和控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制裝置，供控制象工業(yè)機(jī)器人之類的多軸式機(jī)器人，更具體地說，涉及一種能抑制各軸之間機(jī)械干擾產(chǎn)生的振動(dòng)的機(jī)器人控制方法和控制裝置。
背景技術(shù)：
通常，各軸由電動(dòng)機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人在負(fù)載狀態(tài)下是通過諧波齒輪傳動(dòng)裝置等之類驅(qū)動(dòng)其各臂的。這類傳動(dòng)裝置的減速比大，能補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)動(dòng)力的不足，且能最大限度地減小負(fù)荷的作用力產(chǎn)生的干擾影響。由于中間齒輪的減速比大，因而各控制軸之間的機(jī)械干擾迄今未造成重大問題。然而，近來越來越多對機(jī)器人提出的高速和高精確度操作要求日益集中在以下兩個(gè)因素引起的問題，一個(gè)因素是不能用PI(比例加積分)控制過程補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械作用，另一個(gè)因素是即使臂是在大減速比下驅(qū)動(dòng)也不能忽略不計(jì)的干擾。
本申請人提一項(xiàng)關(guān)于一種抑制多軸式機(jī)器人各軸間干擾引起的振動(dòng)的方法的發(fā)明，公開在日本公開專利申請平9-222910(JP，A，09222910)中。所述多軸式機(jī)器人有一個(gè)機(jī)構(gòu)具有象減速器之類的彈簧元件設(shè)在各軸的電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人的臂之間。按照該專利的方法，與多軸式機(jī)器人的各軸有關(guān)的狀態(tài)觀測器預(yù)測電動(dòng)機(jī)與負(fù)荷之間的扭角，用預(yù)測出的扭角計(jì)算干擾力，根據(jù)干擾力確定校正轉(zhuǎn)矩加到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩上輸出出去。
然而，在上述專利的方法中，校正轉(zhuǎn)矩是這對狀態(tài)觀測器預(yù)測出的扭角值進(jìn)行微分計(jì)算出來的，因而噪聲勢必引入校正轉(zhuǎn)矩中，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高頻振動(dòng)，聲音很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能提高工具端部的走道精確度而不致因各軸間的機(jī)械干擾而引起振動(dòng)，也不致使電動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)的機(jī)器人控制方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能提高工具端部的走道精確度而不致因各軸間的機(jī)械干擾而引起振動(dòng)也不致使電動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)的機(jī)器人控制裝置。
本發(fā)明上述的第一個(gè)目的可以通過這樣一種控制多軸式機(jī)器人的方法達(dá)到。在這種機(jī)器人控制方法中，多軸式機(jī)器人是控制對象，具有一個(gè)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的多個(gè)彈簧元件設(shè)在各軸的電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間。所述方法包括下列步驟提供控制對象的偽模型和控制對象的反饋控制系統(tǒng)；收到各電動(dòng)機(jī)的位置指令時(shí)用偽模型計(jì)算各軸的模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和模擬前饋指令；用偽模型確定因其它軸作用在各軸之間的干擾引起的干擾轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩以消除干擾轉(zhuǎn)矩；往模擬前饋指令中加入模擬校正轉(zhuǎn)矩，得出最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令；和根據(jù)模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令進(jìn)行對各軸的反饋控制程序。
本發(fā)明的另一個(gè)目的可用這樣一種控制多軸式機(jī)器人的裝置來達(dá)到，多軸式機(jī)器人具有一個(gè)機(jī)械，機(jī)構(gòu)的多個(gè)彈簧元件設(shè)在各軸的電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間，所述機(jī)器人控制裝置包括一個(gè)模擬控制器，供接收各電動(dòng)機(jī)的位置指令并計(jì)算各軸的模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和模擬前饋指令；和多個(gè)反饋控制器，供根據(jù)模擬控制器輸出的指令驅(qū)動(dòng)和控制各電動(dòng)機(jī)和機(jī)器人各臂；模擬控制器有多個(gè)校正量計(jì)算器供確定因其它軸作用在各軸間的干擾引起的干擾轉(zhuǎn)矩和計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩以消除干擾轉(zhuǎn)矩，從而模擬控制器輸出加有模擬校正轉(zhuǎn)矩的模擬前饋指令。
本發(fā)明計(jì)算校正量時(shí)，干擾轉(zhuǎn)矩可以從作為模擬電動(dòng)機(jī)與模擬機(jī)器人臂之間位置差的模擬扭角計(jì)算出來。
按照本發(fā)明，取機(jī)器人的某軸接收另一軸的干擾力為干擾轉(zhuǎn)矩，再由模擬控制器加以校正。根據(jù)校正量(校正轉(zhuǎn)矩)得出的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)量提供給反饋控制器。由于消除干擾力的校正量是用模擬量(例如模擬扭角)計(jì)算出來的，因而即使進(jìn)行微分計(jì)算時(shí)也不會有噪聲成分加入校正量中，這樣就可以避免電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的高頻振蕩和由此產(chǎn)生的聲音加劇，而且提高機(jī)器人工具的走道精確度。
附圖簡介圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的機(jī)器人控制裝置的控制方框圖。
圖2是模擬控制器的控制方框圖。
發(fā)明的最佳實(shí)施例下面參看


本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。雖然為便于說明起見這里介紹的是雙軸式機(jī)器人，但本發(fā)明也適用于多軸式機(jī)器人，例如三軸或三軸以上的機(jī)器人，只要將以下的說明中軸的數(shù)目加以擴(kuò)大即可，這是本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所不難理解的。這里假設(shè)，兩軸用L軸和U軸表示，L軸有關(guān)的指令和量用表示這些指令和量、帶后綴“-L”的變量表示，U軸有關(guān)的指令和量同樣用表示這些指令和量、帶后綴“-U”的變量表示。
圖1示出了各軸近似于雙慣性系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。雙質(zhì)量系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)11L，11U，象減速器之類的彈簧元件12L，12U和機(jī)器人臂13L，13U。假設(shè)電動(dòng)機(jī)11L，11U的各轉(zhuǎn)矩常數(shù)用Kt_L，Kt_U表示，各軸電動(dòng)機(jī)11L，11U的各實(shí)際位置用θm_L，θm_U表示，電動(dòng)機(jī)的各實(shí)際轉(zhuǎn)速用

表示，電動(dòng)的各實(shí)際加速度用

表示，減速器12L，12U的各減速比用N_L，N_U表示，減速器的各彈簧常數(shù)用Kc_L，Kc_U表示，各臂13L，13U的各慣性矩用JL_L，JL_U表示，各臂的各實(shí)際位置用θL_L，θL_U表示，各臂的各加速度(即負(fù)荷的各加速度)用 ，θL_U表示。
此外，還假設(shè)，為表示U軸與L軸之間的干擾，將L軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以MLU/MO2值并使其作用到U軸的負(fù)載加速度上，其中MLU/MO2值由各機(jī)器人臂的質(zhì)量和兩軸的夾角確定。同樣，U軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以MUL/MO2值，且作用到L軸的負(fù)載加速度上。
電動(dòng)機(jī)11L，11U與相應(yīng)的傳感器(圖中未示出)有關(guān)，電動(dòng)機(jī)11L，11U的實(shí)際位置即由這些傳感器輸出。
機(jī)器人控制裝置分別根據(jù)各軸的電動(dòng)機(jī)位置指令Xref_L，Xref_U控制L軸和U軸。機(jī)器人控制裝置具有相應(yīng)的反饋控制器10L，10U、模擬控制器1和控制對象。反饋控制器10L，10U供在L軸和U軸上履行反饋控制程序。模擬控制器1作為反饋控制器10L，10U的偽模型。模擬控制器1接收電動(dòng)機(jī)位置指令Xref_L，Xref_U，根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)計(jì)算各軸的前饋指令UFF_L，UFF_U，完成各軸在電動(dòng)機(jī)11L，11U加速上的前饋補(bǔ)償，并按標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算并輸出電動(dòng)機(jī)位置θMm_L，θMm_U、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 、扭角θMs_L，θMs_U和各軸的扭轉(zhuǎn)角速度 ，θMs_U。從模擬控制器1輸出的各元件以下都加有前綴“模擬”。
在反饋控制器10L，10U中，各軸的位置增益用Kp_L，Kp_U表示，各軸的轉(zhuǎn)速增益用Kv_L，Kv_U表示。反饋控制器10L，10U輸出各最終加速指令Uref_L，Uref_U提供給各電動(dòng)機(jī)11L，11U，加速指令Uref_L，Uref_U由各驅(qū)動(dòng)電路14L，14U轉(zhuǎn)換成各電流指令I(lǐng)ref_L，Iref_U。電動(dòng)機(jī)11L，11U由各電流指令I(lǐng)ref_L，Iref_U起動(dòng)。
機(jī)器人控制裝置還具有供L軸和U軸使用的相應(yīng)的狀態(tài)觀測器2L，2U，電動(dòng)機(jī)的最終加速指令、電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置θm_L，θm_U和預(yù)計(jì)的實(shí)際扭角θs_L，θs_U及其扭轉(zhuǎn)角速度 即提供給相應(yīng)的狀態(tài)觀測器2L，2U。狀態(tài)觀測器2L，2U最好是例如日本公開專利申請平9-222910中公開的那一種。狀態(tài)觀測器2L，2U預(yù)測出的預(yù)計(jì)值分別輸出給反饋控制器10L，10U。
反饋控制器10L，10U將從模擬控制器1輸出的模擬電動(dòng)機(jī)位置θMm_L，θMm_U與實(shí)際電動(dòng)機(jī)位置θm_L，θm_U之間的差值乘以位置增益Kp_L，Kp_U，得出各軸的轉(zhuǎn)速指令。如此得出的轉(zhuǎn)速指令加上模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

與實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

之間的轉(zhuǎn)速差，得出的和再乘以轉(zhuǎn)速增益Kv_L，Kv_U，從而得出加速指令。加速指令加上(a)模擬控制器1來的前饋指令UFF_L，UFF_U、(b)模擬扭角θMs_L，θMs_U與狀態(tài)觀測器2L，2U輸出的扭角θs_L，θs_U之間的差值與反饋增益K1_L，K1_U的乘積和(c)模擬扭轉(zhuǎn)角速度θMs_L，θMs_U與狀態(tài)觀測器2L，2U輸出的扭轉(zhuǎn)角速度

之間的差值與反饋增益K2_L，K2_U的乘積，從而得出各軸的最終電動(dòng)機(jī)加速指令Uref_L，Uref_U。
在上述機(jī)器人控制系統(tǒng)中，根據(jù)如此得出的電動(dòng)機(jī)加速指令Uref_L，Uref_U起動(dòng)各軸電動(dòng)機(jī)11L，11U，從而經(jīng)減速比分別為N_L，N_U的減速器12L，12U驅(qū)動(dòng)各軸的器臂13L，13U。這時(shí)，如上所述，各軸之間的干擾力影響各軸的負(fù)載加速度。
下面談?wù)勀M控制器1的一種結(jié)構(gòu)。圖2詳細(xì)示出了模擬控制器1的結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)表示反饋控制器、電動(dòng)機(jī)、減速器和機(jī)器人臂的偽模型組成。偽模型中各軸的位置增益和轉(zhuǎn)速增益分別為模擬位置增益KpM-L，KpM_U和模擬轉(zhuǎn)速增益KvM_L，KvM_U。同樣，模擬電動(dòng)機(jī)慣性矩JmM_L，JmM_U、模擬臂慣性矩JLM_L，JLM_U、模擬減速比NM_L，NM_U和模擬減速器彈簧常數(shù)KcM_L，KcM-U定為模擬參數(shù)。
模擬控制器1接收供來的各軸電動(dòng)機(jī)位置指令Xref_L，Xref_U，將電動(dòng)機(jī)位置指令Xref_L，Xref_U與模擬電動(dòng)機(jī)位置θMm_L，θMm_U之間的差值乘以模擬位置增益KpM_L，KpM_U，從而得出各軸的模擬速指令。模擬控制器1將這些模擬轉(zhuǎn)速指令減去各軸模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

得出的各值乘以模擬轉(zhuǎn)速增益KvM_L，KvM_U，從而得出各軸的模擬加速指令。接著，模擬控制器1從模擬加速指令減去從模擬減速器得出的模擬扭角θMs_L，θMs_U乘以模擬反饋增益K1M_L，K1M_U得出的乘積和對模擬扭角θMs_L，θMs_U進(jìn)行微分時(shí)得出的模擬扭轉(zhuǎn)角速度

乘以模擬反饋增益K2M_L，K2M_U得出的乘積，從而得出模擬加速指令UMref_L，UMref_U。模擬加速指令UMref_L，UMref_U加到模擬電動(dòng)機(jī)上。這樣，模擬加速指令UMef_L，UMref_U可用下式表示UMref_L=KpM_L·KvM_L(Xref_L-θMm_L)-KvM_L·θ.Mm_L]]>-K1M_L·θMs_L-K2M_L·θ.Ms_L-----(1)]]>UMref_U=KpM_U·KvM_U(Xref_U-θMm_U)-KvM_U·θ.Mm_U]]>-K1M_U·θMs_U-K2M_U·θ.Ms_U-----(2)]]>在實(shí)施例假設(shè)的兩軸式機(jī)器人的情況下，如上所述，由于干擾的原因，因而L軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以根據(jù)機(jī)器人臂的質(zhì)量和各軸間的夾角確定的MLUM/MoM2值，且影響U軸的負(fù)載加速度。同樣，U軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以MULM/MoM2值，且影響L軸的負(fù)載加速度。若認(rèn)為上述干擾是影響各臂的干擾，則就L軸而言，器臂因干擾而引起的振動(dòng)可以通過給模擬電動(dòng)機(jī)加速指令UMref_L加上用下式表示的模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_L加以削弱Tcomp_L=-KpM_L·KvM_L·NM_L·Dis_ULKcM_L-KvM_L·NM_L·D.is_ULKcM_L-K1M_L·Dis_ULKcM_L]]>-K2M_L·D.is_ULKcM_L-Dis_ULJmM_L·NM_L-NM_L·D··is_ULKcM_L---(3)]]>其中Dis_UL為U軸影響L軸的干擾轉(zhuǎn)矩，可用(4)式表示Dis_UL=JLM_L·KcM_U·MULMMoM2·θMs_U-----(4)]]>因此，最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令UFF_L可用(5)式表示
UFF_L＝UMref_L+Tcomp_L(5)且對電動(dòng)機(jī)的加速度超前饋補(bǔ)償?shù)淖饔谩ＤM控制器1有個(gè)校正量計(jì)算器3L接收供來的模擬扭角θMs_U，供根據(jù)(3)式和(4)式計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_L。校正量計(jì)算器3L來的模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_L加到模擬電動(dòng)機(jī)加速指令UMref_L中。
同樣，就U軸而言，模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_L可用(6)式表示Tcomp_U=-KpM_U·KvM_U·NM_U·Dis_LUKcM_U-KvM_U·NM_U·D.is_LUKcM_U-K1M_U·Dis_LUKcM_U]]>-K2M_U·D.is_LUKcM_U-Dis_LUJmM_U·NM_U-NM_U·D..is_LUKcM_U-----(6)]]>其中Dis_LU為L軸作用到U軸上的干擾轉(zhuǎn)矩，可用(7)式表示Dis_LU=JLM_U·KcM_L·MLUMMoM2·θMs_L-----(7)]]>模擬控制器1有個(gè)較正量計(jì)算器3U接收供來的模擬扭角θMs_L，供根據(jù)(6)式和(7)式計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_U。于是，最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令UFF_U可用(8)式表示UFF_U＝UMref_U+Tcomp_U(8)如此確定模擬校正轉(zhuǎn)矩Tcomp_L是根據(jù)反饋控制器10L，10U的轉(zhuǎn)速環(huán)路為比例(P)控制環(huán)路這一事實(shí)進(jìn)行的。然而，確定校正轉(zhuǎn)矩也可以根據(jù)比例加積分(PI)控制進(jìn)行補(bǔ)償。
在本實(shí)施例中，模擬控制器1校正干擾轉(zhuǎn)矩之后，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)量就作為指令加到反饋控制器10L，10U上。因此，機(jī)器人臂都不受其它軸干擾的影響。
工業(yè)用途綜上所述，在本發(fā)明控制多軸式機(jī)器人的機(jī)器人控制裝置中，機(jī)構(gòu)的彈簧元件設(shè)在各軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間，收自其它軸的干擾力由模擬控制器進(jìn)行校正，且標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)量根據(jù)校正后的干擾力加到反饋控制器上，因而噪聲成分不會加入校正轉(zhuǎn)矩中，機(jī)器人臂不會因受干擾而振動(dòng)，從而提高了工具端部走道的精確度。
權(quán)利要求
1.一種控制多軸式機(jī)器人的方法，機(jī)器人作為控制對象，其一個(gè)機(jī)構(gòu)的彈簧元件設(shè)在各軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間，所述方法包括下列步驟提供控制對象的偽模型和控制對象的反饋控制系統(tǒng)；收到各電動(dòng)機(jī)的位置指令時(shí)用所述偽模型計(jì)算各軸的模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和模擬前饋指令；用所述偽模型確定因其它軸作用在各軸之間的干擾引起的干擾轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩，以清除干擾轉(zhuǎn)矩；往所述模擬前饋指令中加入所述模擬校正轉(zhuǎn)矩，得出最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令；和根據(jù)所述模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、所述模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和所述最終模擬電動(dòng)機(jī)加速指令進(jìn)行對所述各軸的反饋控制程序。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述干擾轉(zhuǎn)矩根據(jù)作為模擬電動(dòng)機(jī)與模擬機(jī)器人臂之間位置差的模擬扭角計(jì)算出來。
3.一種控制多軸式機(jī)器人的裝置，所述機(jī)器人的一個(gè)機(jī)構(gòu)的彈簧元件設(shè)在各軸的電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間，所述控制裝置包括一個(gè)模擬控制器，被提供各電動(dòng)機(jī)的位置指令，和計(jì)算各軸的模擬電動(dòng)機(jī)位置指令、模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和模擬前饋指令；和一個(gè)反饋控制器，供根據(jù)所述模擬控制器輸出的指令起動(dòng)和控制電動(dòng)機(jī)和機(jī)器人臂；所述模擬控制器有多個(gè)校正量計(jì)算器供確定因其它軸作用在各軸之間的干擾引起的干擾轉(zhuǎn)矩并計(jì)算模擬校正轉(zhuǎn)矩，以清除所述干擾轉(zhuǎn)矩，從而所述模擬控制器輸出加有所述模擬轉(zhuǎn)矩的所述模擬前饋指令。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，所述校正量計(jì)算器根據(jù)作為各電動(dòng)機(jī)與各模擬機(jī)器人臂之間位置差的模擬扭角計(jì)算所述干擾轉(zhuǎn)矩。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括多個(gè)與各軸有關(guān)的狀態(tài)觀測器，供根據(jù)所述反饋控制器輸出的實(shí)際電動(dòng)機(jī)位置和電動(dòng)機(jī)加速指令預(yù)測扭角和扭轉(zhuǎn)角速度；其中所述模擬控制器計(jì)算模擬扭角和模擬扭轉(zhuǎn)角速度；且所述反饋控制器根據(jù)預(yù)測出的扭角與所述模擬扭角的差值和預(yù)測出的扭轉(zhuǎn)角速度與所述模擬扭轉(zhuǎn)角速度的差值輸出所述電動(dòng)機(jī)加速指令。
全文摘要
一種控制多軸式機(jī)器人的方法,機(jī)器人的一個(gè)機(jī)構(gòu)的彈簧元件設(shè)在各軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人臂之間。該方法能提高工具端部走道的精確度而不致因各軸之間的機(jī)械干擾而引起振動(dòng),也不會使電動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)。模擬控制器接收與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的位置指令并給起動(dòng)和控制電動(dòng)機(jī)和機(jī)器人臂的反饋控制器輸出模擬電動(dòng)機(jī)位置指令模擬電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和模擬前饋指令。模擬控制器中裝有校正量,以消除干擾力。模擬控制器輸出加有校正量的模擬前饋指令。
文檔編號B25J9/18GK1265057SQ9880746
公開日2000年8月30日 申請日期1998年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月28日
發(fā)明者尾島正夫, 仮屋崎洋和, 富崎秀德 申請人:株式會社安川電機(jī)