用于控制并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)自動(dòng)裝置的方法，相關(guān)的控制裝置及自動(dòng)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自動(dòng)裝置控制方法，包括框架和由多個(gè)彼此并聯(lián)機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)目嚴(yán)格大于活動(dòng)部件的自由度數(shù)目，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置每個(gè)都由驅(qū)動(dòng)器（2）所驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器包括：固定在框架上的主體，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置傳感器，其中，針對(duì)每個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)是通過(guò)比較所述驅(qū)動(dòng)器測(cè)量到的位置信號(hào)和該驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)而得來(lái)，其特征在于，藉由應(yīng)用代表所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將所述驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)被轉(zhuǎn)換為活動(dòng)部件位置誤差的信號(hào)，即活動(dòng)部件誤差信號(hào)，經(jīng)處理模塊所處理的所述活動(dòng)誤差信號(hào)能夠產(chǎn)生要應(yīng)用到活動(dòng)部件上的力信號(hào)，藉由應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。
【專利說(shuō)明】用于控制并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)自動(dòng)裝置的方法，相關(guān)的控制裝置及自動(dòng)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及控制并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)自動(dòng)裝置的方法與裝置，以及受此類(lèi)裝置和/或根據(jù)此類(lèi)方法進(jìn)行控制的自動(dòng)裝置。本發(fā)明范圍延伸至高速和高加速應(yīng)用的冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置，特別是操作用機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]針對(duì)高執(zhí)行頻率的呆板勤務(wù)，通常都會(huì)使用自動(dòng)裝置來(lái)執(zhí)行一尤其是操作型自動(dòng)裝置，稱之為“并聯(lián)式”，意指呈現(xiàn)出的型態(tài)是由數(shù)個(gè)并聯(lián)式矩陣機(jī)械傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的框架和活動(dòng)部件。和活動(dòng)部件(工具、被移動(dòng)的目標(biāo)物等)的慣性相比，這種機(jī)械傳動(dòng)操作可以獲得更大的動(dòng)力。因此，可藉由這類(lèi)被稱為“冗余”的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)達(dá)到提升位移速度和加速度的目標(biāo)，在裝置含有更多驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)力的同時(shí)，空間中活動(dòng)部件不會(huì)呈現(xiàn)自由度。舉例而言，Corbel與其它人在IEEE國(guó)際自動(dòng)裝置與自動(dòng)化大會(huì)提出“以并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)械(ParallelKinematic Machines ;PKM)邁向100G重力加速度,冗余驅(qū)動(dòng)是撿拾與放置的好方案嗎？ ”報(bào)告第4675-4682頁(yè)所說(shuō)明的并聯(lián)式操作器R4，包括透過(guò)四道機(jī)械傳動(dòng)之四個(gè)驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件?；顒?dòng)部件包括攫握工具，可依據(jù)三個(gè)自由度而在空間中移動(dòng)。
[0003]藉此方法，我們了解到自動(dòng)裝置的并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)控制方法，其中活動(dòng)部件的控制軌道被轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)之驅(qū)動(dòng)器的控制軌道。這些驅(qū)動(dòng)器控制軌道在接受電子處理模塊的處理前，被拿來(lái)與驅(qū)動(dòng)器位置的測(cè)定相比較，電子處理模塊的例子有比例-微分(PD)類(lèi)和比例-積分-微分(PID)類(lèi)。此處理模塊以這種方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器控制。
[0004]在某些已知方法中，會(huì)將每個(gè)驅(qū)動(dòng)器預(yù)期動(dòng)作所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)項(xiàng)(有時(shí)英語(yǔ)稱為「前饋」)加入驅(qū)動(dòng)器的控制中。
[0005]然而，這些已知方法仍有許多缺點(diǎn)，限制了并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)裝置效能上的表現(xiàn)。
[0006]實(shí)際上，在具有并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置中，活動(dòng)部件的至少一個(gè)自由度會(huì)依至少兩驅(qū)動(dòng)器的位置而定。然而驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)與控制，會(huì)從驅(qū)動(dòng)器本身而非活動(dòng)部件的位置測(cè)定開(kāi)始。如此一來(lái)，無(wú)法避免的幾何誤差(熱源加熱、制造公差、彈性等等)可以引導(dǎo)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生對(duì)立行為，以加入其每一個(gè)指令位置中(對(duì)應(yīng)行動(dòng)部件的控制位置)，藉此引導(dǎo)重要的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力發(fā)展。
[0007]這些內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力，皆大于包含積分項(xiàng)的處理模塊(或調(diào)節(jié)器)，其中積分項(xiàng)同時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)器指令與測(cè)量位置之間的誤差，并藉由兩個(gè)施行相對(duì)應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)器來(lái)增加機(jī)械應(yīng)力。在實(shí)際作業(yè)中，必須壓抑控制住此類(lèi)已知自動(dòng)裝置的最大加速效能，以避免機(jī)械性破
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[0008]此外，還有例如活動(dòng)部件定位不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)。事實(shí)上，驅(qū)動(dòng)器很少會(huì)只到達(dá)其指令位置，其會(huì)保持活動(dòng)狀態(tài)，所以會(huì)在自動(dòng)裝置控制程序要求活動(dòng)部件按靜止位置指示而行時(shí)，造成活動(dòng)部件小小的移動(dòng)(大約是幾何缺陷般的規(guī)模)。[0009]此外，如為復(fù)雜的處理情況，要處理并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)器位置中數(shù)個(gè)誤差信號(hào)則需資源和大量計(jì)算時(shí)間。實(shí)際上，控制指令每個(gè)控制環(huán)的實(shí)現(xiàn)時(shí)間都比誤差信號(hào)的處理本身要來(lái)得長(zhǎng)。
[0010]因此發(fā)明的目標(biāo)在于減少這些缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明的目標(biāo)尤其在于提出有關(guān)并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)自動(dòng)裝置的快速執(zhí)行控制方法，尤其允許達(dá)到高加速度。
[0012]發(fā)明亦以提出讓活動(dòng)部件位置產(chǎn)生高精確度之方法為目的。
[0013]發(fā)明亦以提出簡(jiǎn)化自動(dòng)裝置并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)控制、縮短計(jì)算時(shí)間且可以利用普通信息運(yùn)算資源執(zhí)行計(jì)算之方法為目標(biāo)。
[0014]發(fā)明尤其以提出可與此類(lèi)自動(dòng)裝置之不可避免幾何誤差兼容的方法為目標(biāo)。
[0015]此外，發(fā)明尤其以提出執(zhí)行起來(lái)不昂貴、僅需軟件或?qū)刂蒲b置進(jìn)行電子修正即可的方法。
[0016]在發(fā)明的范圍內(nèi)，我們藉由在機(jī)械鏈帶終端處、結(jié)合工具和/或可移動(dòng)對(duì)象和/或平盤(pán)等物的“活動(dòng)部件”進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中移動(dòng)動(dòng)作為使用自動(dòng)裝置之目的。
[0017]本發(fā)明涉及一種自動(dòng)裝置控制方法，包括:
[0018]-框架，
[0019]-由多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置相對(duì)于所述框架驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)目嚴(yán)格大于活動(dòng)部件的自由度數(shù)目，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置彼此并聯(lián)并且每個(gè)都由至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器包括:
[0020]-固定在框架上的主體，
[0021 ]-所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，
[0022]-用以產(chǎn)生信號(hào)的位置傳感器，所述信號(hào)即測(cè)量到的位置信號(hào)，代表該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，
[0023]所述方法，其中，針對(duì)每個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)是通過(guò)比較所述驅(qū)動(dòng)器測(cè)量到的位置信號(hào)和該驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)而得來(lái)，
[0024]其特征在于:
[0025]-藉由應(yīng)用代表所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將所述驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)被轉(zhuǎn)換為活動(dòng)部件位置誤差的信號(hào)，即活動(dòng)部件誤差信號(hào)，
[0026]-經(jīng)處理模塊所處理的所述活動(dòng)誤差信號(hào)能夠產(chǎn)生要應(yīng)用到活動(dòng)部件上的力信號(hào)，
[0027]-藉由應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，可從任何類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器中選出發(fā)明所用的驅(qū)動(dòng)器，例如旋轉(zhuǎn)引擎式、千斤頂式等等。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的主體最好靜止固定于自動(dòng)裝置的框架上，如此來(lái)，相對(duì)于框架而言驅(qū)動(dòng)裝置即屬活動(dòng)式。
[0029]驅(qū)動(dòng)器的活動(dòng)式驅(qū)動(dòng)裝置為可以傳遞機(jī)械動(dòng)力的活動(dòng)零件:例如旋轉(zhuǎn)引擎的轉(zhuǎn)子、千斤頂?shù)幕顒?dòng)轉(zhuǎn)柄等等。[0030]機(jī)械傳動(dòng)裝置連接到至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置上，且受到驅(qū)動(dòng)器牽引。每機(jī)械傳動(dòng)裝置皆另外連接活動(dòng)部件，以傳動(dòng)位移(或應(yīng)力)給其自身。連接活動(dòng)部件的機(jī)械傳動(dòng)裝置數(shù)量，比活動(dòng)部件的自由度數(shù)要高，此與并聯(lián)式冗余驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置有關(guān)，也就是說(shuō)自動(dòng)裝置的機(jī)械傳動(dòng)為并聯(lián)式。
[0031]因此，自動(dòng)裝置具有并聯(lián)運(yùn)動(dòng)以及冗余驅(qū)動(dòng)，尤其是每并聯(lián)傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)裝置特別不同于具有串聯(lián)冗余驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置，該類(lèi)自動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)為一個(gè)接著一個(gè)的串聯(lián)式，所以每個(gè)都會(huì)受到冗余驅(qū)動(dòng)所驅(qū)動(dòng)，但其中活動(dòng)部件是直接機(jī)械連接到數(shù)量低于自由度數(shù)的傳動(dòng)裝置上。
[0032]信號(hào)(指令信號(hào)、位置信號(hào)、控制信號(hào)…)最好為電子信號(hào)，尤其是數(shù)字信號(hào)。如此來(lái)，處理模塊最好為電子回路，或等同于電子電路的軟件。
[0033]每驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)皆為比較驅(qū)動(dòng)裝置位置指令信號(hào)和該驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)量到的位置信號(hào)所得來(lái)-尤其是藉由扣除法。驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)尤其適合驅(qū)動(dòng)器，如此來(lái)每驅(qū)動(dòng)器皆具有一個(gè)特別針對(duì)其的相關(guān)驅(qū)動(dòng)器誤差。
[0034]發(fā)明處理(藉由處理模塊)活動(dòng)誤差信號(hào)，而非復(fù)數(shù)的驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)(關(guān)于驅(qū)動(dòng)裝置位置)?；顒?dòng)誤差信號(hào)是藉由機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型、改變驅(qū)動(dòng)器的整體信號(hào)所得來(lái)。
[0035]雖然活動(dòng)誤差信號(hào)和活動(dòng)部件位置誤差具有同構(gòu)型，但其并不對(duì)應(yīng)活動(dòng)部件指令位置與活動(dòng)部件真實(shí)位置之間的活動(dòng)部件位置真實(shí)誤差。實(shí)際上，由于驅(qū)動(dòng)裝置的幾何缺陷，當(dāng)誤差的活動(dòng)信號(hào)值為零時(shí)，活動(dòng)部件的位置真實(shí)誤差并非為零。
[0036]然而，發(fā)明人確定此方法可消除復(fù)數(shù)驅(qū)動(dòng)器之間的所有驅(qū)動(dòng)沖突。
[0037]本發(fā)明允許進(jìn)步改進(jìn)根據(jù)本發(fā)明而行的方法處理時(shí)間，尤其是以復(fù)雜的處理模塊來(lái)進(jìn)行處理時(shí)。實(shí)際上處理模塊不處理活動(dòng)誤差信號(hào)，也不處理多個(gè)誤差驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。
[0038]本發(fā)明亦允許且主要在于發(fā)送驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)。
[0039]發(fā)明亦允許且尤其發(fā)送控制信號(hào)給非對(duì)立的驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些驅(qū)動(dòng)器皆從相同的活動(dòng)誤差信號(hào)開(kāi)始計(jì)算，因此相同的應(yīng)力信號(hào)(藉由處理模塊進(jìn)行活動(dòng)誤差信號(hào)的處理而取得)與被施用在活動(dòng)部件上的力同質(zhì)。
[0040]因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，驅(qū)動(dòng)器位置的誤差并非接受個(gè)別調(diào)正(MW1)，而是一起總合(利用活動(dòng)部件藉由機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)模型加以平衡)接受調(diào)整。如此一來(lái)，
【發(fā)明者】可成功消除驅(qū)動(dòng)器的所有對(duì)立控制，盡管自動(dòng)裝置可能會(huì)有幾何缺失。
[0041]因此，發(fā)明能首次取得具有可用并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)、可運(yùn)用最大機(jī)械牽引效能的自動(dòng)裝置，而速度與加速度皆非常高。
[0042]此外，當(dāng)自動(dòng)裝置到達(dá)指令位置所給的停止位置時(shí)，利用(驅(qū)動(dòng)裝置的)位置傳感器以非預(yù)期的方式進(jìn)行測(cè)量，可以判定出自動(dòng)裝置在這個(gè)既定狀況中的幾何缺陷。
[0043]在根據(jù)發(fā)明而行的控制方法中，自動(dòng)裝置的幾何缺陷(尤其是因機(jī)械傳動(dòng)而起者)會(huì)被轉(zhuǎn)到活動(dòng)部件上，其中最后位置會(huì)與輸入的控制位置有些微不同。
[0044]然而，活動(dòng)部件的這項(xiàng)定位誤差并無(wú)太大影響，因?yàn)椴](méi)有對(duì)活動(dòng)部件的位置進(jìn)行測(cè)量，通常都是最小程度的幾何缺陷。這些活動(dòng)部件定位的幾何缺陷通常因?yàn)樽詣?dòng)裝置的幾何缺陷不會(huì)累積而無(wú)足輕重。此外，在例如制造公差時(shí)間內(nèi)的經(jīng)常性幾何缺陷，或例如因長(zhǎng)期零件磨損而出現(xiàn)的變數(shù)，誘導(dǎo)出活動(dòng)部件定位的靜態(tài)誤差，所以活動(dòng)部件的連續(xù)相對(duì)位置是可靠的。[0045]此外，當(dāng)?shù)诌_(dá)指令位置時(shí)(帶有些微幾何缺陷)，驅(qū)動(dòng)器確實(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)，因此活動(dòng)部件為完全靜止。
[0046]最好且根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置指令信號(hào)都是藉由對(duì)代表活動(dòng)部件的指令位置的信號(hào)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的幾何特征的數(shù)據(jù)而獲得。
[0047]活動(dòng)部件的位置指令信號(hào)通常是根據(jù)操作者希望自動(dòng)裝置活動(dòng)部件的位移距離，而由自動(dòng)裝置控制程序所供應(yīng)的數(shù)據(jù)。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，連接驅(qū)動(dòng)器與活動(dòng)部件的機(jī)械傳動(dòng)幾何模型，令其得以將活動(dòng)部件的位置指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器位置的指令信號(hào)。
[0048]最好且根據(jù)本發(fā)明，處理模塊包括PID型的調(diào)節(jié)器(比例/積分/微分)。這類(lèi)PID調(diào)節(jié)器特別可藉由物理電路或信息軟件來(lái)執(zhí)行。
[0049]當(dāng)處理模塊包含積分項(xiàng)時(shí)，發(fā)明尤其有利。事實(shí)上，在符合本發(fā)明的方法中，活動(dòng)部件誤差信號(hào)是因驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)整體的轉(zhuǎn)變而來(lái)，而機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型永遠(yuǎn)會(huì)因驅(qū)動(dòng)器的非對(duì)立位移而歸零。因此在時(shí)間進(jìn)程中不會(huì)因含有積分項(xiàng)的處理模塊而產(chǎn)生累積效應(yīng)。以此方式，當(dāng)達(dá)到平衡位置時(shí)，所有驅(qū)動(dòng)器皆為靜止?fàn)顟B(tài)，所有機(jī)械性限制皆不適用。
[0050]此外，最好且根據(jù)本發(fā)明，將代表活動(dòng)部件的指令加速度的信號(hào)與代表所述活動(dòng)部件的慣性的慣性系數(shù)相乘的積加到力信號(hào)上。
[0051]
【發(fā)明者】判定，其和在經(jīng)處理模塊處理過(guò)后對(duì)活動(dòng)部件所施加的力道，具有同質(zhì)應(yīng)力信號(hào)，接著可以新增一個(gè)來(lái)自活動(dòng)部件位置指示的兩次轉(zhuǎn)向，并把和活動(dòng)部件的慣性表示系數(shù)相乘的信號(hào)加到其上。因此我們得出一個(gè)按預(yù)期行動(dòng)(前潰式)而成的調(diào)節(jié)環(huán)。第一次執(zhí)行本發(fā)明流程時(shí)，可以藉由相對(duì)性的預(yù)期動(dòng)作，將調(diào)節(jié)項(xiàng)直接輸灌到活動(dòng)部件的指令加速上。
[0052]藉由活動(dòng)部件加速指示而成的此調(diào)節(jié)環(huán)，可改善自動(dòng)裝置的效能，尤其是在執(zhí)行速度上獲得快速與精確度。
[0053]最好且根據(jù)本發(fā)明，將代表每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的指令加速度的信號(hào)加到所述驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)上。
[0054]在符合本發(fā)明的方法中，可預(yù)設(shè)兩個(gè)藉由前饋式動(dòng)作成的調(diào)節(jié)環(huán):
[0055]-第一個(gè)環(huán)將與活動(dòng)部件慣性相乘的活動(dòng)部件加速指令項(xiàng)加到應(yīng)力信號(hào)上，就在處理模塊處理過(guò)活動(dòng)誤差信號(hào)后，
[0056]-第二環(huán)則把至少和對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置之慣性相乘的每驅(qū)動(dòng)裝置的加速指令項(xiàng)，加到驅(qū)動(dòng)器的指令信號(hào)上，就在應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器指令信號(hào)后。
[0057]此外，最好且根據(jù)本發(fā)明，活動(dòng)部件的位置由矢量代表，所述矢量的維數(shù)為所述活動(dòng)部件的自由度數(shù)目。
[0058]可選擇參考系，其中將以矢量來(lái)代表活動(dòng)部件的位置(也可以是速度和加速)，例如經(jīng)典的笛卡兒參考資料框架。在活動(dòng)部件乃根據(jù)單自由度(例如單轉(zhuǎn)移方向)而來(lái)的情況下，其可以是一矢量對(duì)一大小(數(shù)量)。
[0059]同樣地，最好且根據(jù)本發(fā)明，具有相同自由度數(shù)目的所有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置集合皆以矩陣代表，所述矩陣的維數(shù)為驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目和所述驅(qū)動(dòng)器的自由度數(shù)目。
[0060]然而，驅(qū)動(dòng)器通常為僅具單自由度的驅(qū)動(dòng)器(千斤頂式、旋轉(zhuǎn)引擎式)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)裝置的自由度數(shù)被減至一。
[0061]最好且根據(jù)本發(fā)明，這就是為何每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置呈現(xiàn)一自由度，以矢量來(lái)表示驅(qū)動(dòng)裝置整體的位置，其中矢量維數(shù)為驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目。
[0062]在矢量或矩陣形態(tài)下，行動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)裝置的表現(xiàn)法和紀(jì)錄尤其允許執(zhí)行信號(hào)數(shù)
字處理。
[0063]最好且根據(jù)本發(fā)明，這就是為何代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的幾何特征以及運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)以矩陣的形式示出。
[0064]因此，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)裝置的指令位置矢量發(fā)展，會(huì)因?qū)顒?dòng)部件指令位置的矢量施行機(jī)械傳動(dòng)的幾何表現(xiàn)矩陣而實(shí)現(xiàn)。
[0065]同樣地，驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)以含有每驅(qū)動(dòng)裝置位置不同誤差數(shù)値的矢量來(lái)進(jìn)行表現(xiàn)與紀(jì)錄。藉由施以一 Jacobi矩陣(代表自動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)模型)，矢量被轉(zhuǎn)換為將接受處理模塊處理的活動(dòng)部件誤差矢量。
[0066]相反地,在處理模塊處理過(guò)活動(dòng)部件矢量后所取得、施加于活動(dòng)部件之應(yīng)力的矢量，藉由先前使用過(guò)的Jacobi矩陣位移而被轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器控制的矢量。
[0067]應(yīng)注意，依定義而言，幾何與運(yùn)動(dòng)矩陣(Jacobi和Jacobi的位移)不應(yīng)為并聯(lián)冗余自動(dòng)裝置中的平方，并藉由矩陣的擬倒轉(zhuǎn)法則而實(shí)現(xiàn)其倒轉(zhuǎn)。
[0068]更特別的是，根據(jù)本發(fā)明而行的方法可施加在至少雨大類(lèi)并聯(lián)冗余驅(qū)動(dòng)式的自動(dòng)裝置上，其驅(qū)動(dòng)器為旋轉(zhuǎn)引擎。
[0069]在第一類(lèi)自動(dòng)裝置中，引擎啟動(dòng)每個(gè)旋轉(zhuǎn)接合關(guān)節(jié)。而機(jī)械傳動(dòng)通常為并聯(lián)式的鏈接鐵臂。
[0070]在第二類(lèi)自動(dòng)裝置中，引擎啟動(dòng)受鏈線所驅(qū)動(dòng)的每個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。各種冗余驅(qū)動(dòng)器之間的鏈線長(zhǎng)度調(diào)節(jié)變化，致使其能夠在空間中巧妙操作活動(dòng)部件，尤其是依據(jù)六個(gè)自由度，并藉由鏈線張力而令其維持在位置上。
[0071]發(fā)明擴(kuò)大至采用并聯(lián)冗余驅(qū)動(dòng)的冗余自動(dòng)裝置之控制裝置，以執(zhí)行根據(jù)發(fā)明而行的方法。尤其是發(fā)明擴(kuò)大到一種自動(dòng)裝置控制裝置，包括:
[0072]-框架，
[0073]-由多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置相對(duì)于所述框架驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)目嚴(yán)格大于活動(dòng)部件的自由度數(shù)目，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置彼此并聯(lián)并且每個(gè)都由至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器包括:
[0074]固定在框架上的主體，
[0075]至少一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，
[0076]適用于產(chǎn)生代表驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置的信號(hào)的位置傳感器，所述信號(hào)即測(cè)量到的位置信號(hào)，
[0077]所述自動(dòng)裝置控制裝置還包括:
[0078]至少一個(gè)存儲(chǔ)器，包含代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的幾何特征的數(shù)據(jù)，
[0079]至少一個(gè)存儲(chǔ)器，包含代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)，
[0080]比較器模塊，其適用于通過(guò)在所述驅(qū)動(dòng)器的測(cè)量到的位置信號(hào)和所述驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)之間進(jìn)行比較，而能夠針對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)，
[0081]其特征在于，所述自動(dòng)裝置控制裝置還包括:
[0082]第一模塊轉(zhuǎn)換器，適用于能夠通過(guò)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生活動(dòng)部件的位置誤差信號(hào)，即活動(dòng)部件誤差信號(hào)，[0083]所述活動(dòng)部件誤差信號(hào)的電子處理模塊，適用于能夠產(chǎn)生要應(yīng)用到活動(dòng)部件的力信號(hào)，
[0084]第二模塊轉(zhuǎn)換器，適用于能夠通過(guò)對(duì)該力信號(hào)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的控制裝置，可包含數(shù)個(gè)存儲(chǔ)器或單一存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中記錄有全部的數(shù)據(jù)，尤其是機(jī)械區(qū)的幾何和運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)。
[0086]根據(jù)本發(fā)明而成的控制裝置，最好另外包括第三模塊轉(zhuǎn)換器，通過(guò)對(duì)活動(dòng)部件的指令位置表現(xiàn)信號(hào)施加傳動(dòng)裝置幾何表示數(shù)據(jù)，用以產(chǎn)生每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)。
[0087]此外，最好且根據(jù)本發(fā)明，該控制裝置另外包括:
[0088]-記錄在存儲(chǔ)器中的活動(dòng)部件慣性表示數(shù)據(jù)，預(yù)期采用的調(diào)節(jié)模塊，以處理活動(dòng)部件位置指令表現(xiàn)信號(hào)且包括:
[0089]因和連續(xù)時(shí)間相比較而衍生出的兩個(gè)函數(shù)，以便取得活動(dòng)部件加速指令表現(xiàn)信號(hào)，
[0090]活動(dòng)部件加速表現(xiàn)信號(hào)與活動(dòng)部件慣性表示數(shù)據(jù)相乘的函數(shù)，以取得施加于活動(dòng)部件的力道信號(hào)，
[0091]-加法器模塊，加總應(yīng)力信號(hào)和力道信號(hào)并施加到活動(dòng)部件上，以產(chǎn)生經(jīng)校正的應(yīng)力信號(hào)。
[0092]在以改善現(xiàn)有自動(dòng)裝置為目的之范圍內(nèi)，發(fā)明最好是簡(jiǎn)單到可在現(xiàn)有的自動(dòng)裝置上實(shí)行。實(shí)際上，藉由根據(jù)本發(fā)明的裝置，其足以取代現(xiàn)有的電子回路，或者單純將根據(jù)本發(fā)明的裝置加到自動(dòng)裝置控制電路上，最簡(jiǎn)單的是在完全由電腦進(jìn)行操控時(shí)，修改控制自動(dòng)裝置的軟件。
[0093]本發(fā)明進(jìn)一步延伸至冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置，其中根據(jù)符合本發(fā)明的控制方法而對(duì)自動(dòng)裝置執(zhí)行控制，自動(dòng)裝置包括根據(jù)本發(fā)明而行的控制裝置。
[0094]本發(fā)明同樣和方法與控制裝置有關(guān)，還有特色為結(jié)合上述及以下全部或部分提及之特點(diǎn)的自動(dòng)裝置。
[0095]本發(fā)明延伸至信息程序，其中包括該信息程序在信息系統(tǒng)上執(zhí)行時(shí)、用以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法步驟的信息程序代碼命令；以及包含此信息程序的信息程序產(chǎn)品；尤其是藉由信息系統(tǒng)讀取的可讀取式記錄載體，其上紀(jì)錄了信息程序，包括當(dāng)該信息程序在信息系統(tǒng)上執(zhí)行時(shí)，用以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法步驟的信息程序代碼命令。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0096]-圖1是理想的簡(jiǎn)單冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的第一自動(dòng)裝置的示意圖，
[0097]-圖2是具有幾何缺陷的簡(jiǎn)單冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的第一自動(dòng)裝置的示意圖，
[0098]-圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置的控制方法的運(yùn)行流程圖，
[0099]-圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置的控制方法的運(yùn)行流程圖，
[0100]-圖5是冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的第二自動(dòng)裝置的三維示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0101]根據(jù)本發(fā)明的方法(圖3與圖4)可以在具有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理能力的信息系統(tǒng)上執(zhí)行，尤其是藉由例如Matlab⑧類(lèi)的計(jì)算軟件。因此，根據(jù)本發(fā)明的控制裝置可以是信息系統(tǒng)(尤其包括至少一個(gè)中央處理器)，所述信息系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器2的位置傳感器3相連接以接收信號(hào)，并與驅(qū)動(dòng)器(或與驅(qū)動(dòng)器相連的變電器)相連接以對(duì)其下令，該信息系統(tǒng)適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，尤其是藉由軟件程序。
[0102] 然而在這些方法的變化例中，不妨采用實(shí)體電子回路來(lái)執(zhí)行這些方法。
[0103]而在圖3 與圖 4 圖中，數(shù)值 Xd, Qd, Qm, AQ, Λ X,F, xd, Qdj Xd , ra，F(xiàn)a 均為矢
量(必要時(shí)為矩陣)。特別是，}^和分別是驅(qū)動(dòng)器整體與活動(dòng)部件整體的加速矢量;它們
是通過(guò)將活動(dòng)部件的位置矢量Xd與驅(qū)動(dòng)器的位置矢量Qd相對(duì)于時(shí)間二次求導(dǎo)獲得的。
[0104]活動(dòng)部件5的位置指令信號(hào)Xd，被代表機(jī)械傳動(dòng)裝置4的幾何特征(因此代表每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在活動(dòng)部件位置上的效應(yīng))的幾何矩陣轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)Qd。
[0105]此外，傳感器3測(cè)量驅(qū)動(dòng)器2的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，并且每個(gè)傳感器傳送代表所執(zhí)行測(cè)量的電子信號(hào)(即測(cè)量到的位置信號(hào))。所有這些信號(hào)被重新分組于矢量Qm中。
[0106]比較矢量Qd與Qm(Qm減去Qd)，以便獲得在矢量Λ Q中重新分組的驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)。
[0107]如圖1所示的完美冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置包括沿相對(duì)于框架I的同一方向平移裝配的兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器2，所述兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器允許裝配在與框架I連成一體的滑軌上的活動(dòng)部件5沿與驅(qū)動(dòng)器2的平移方向平行的方向進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。活動(dòng)部件5藉由例如硬桿的剛性機(jī)械傳動(dòng)裝置4而與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器2的每一個(gè)相連接。因此，活動(dòng)部件依據(jù)單自由度而移動(dòng)，且藉由兩個(gè)不同的機(jī)械傳動(dòng)裝置被兩個(gè)并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)，使得其確實(shí)為冗余并聯(lián)式致動(dòng)的自動(dòng)裝置。
[0108]此外,未顯示的傳感器3測(cè)量驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)位置qlm和q2m。相反地,活動(dòng)部件的位置X不被測(cè)量并且因此是未知的。
[0109]圖1所示的自動(dòng)裝置為理想情況。事實(shí)上，當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器中的每一個(gè)位于原始位置時(shí)(qlm=0并且q2m=0即Qm= (O, O)),活動(dòng)部件同樣也位于其原始位置(x=0)。因此若指令位置Xd為原始位置(Xd=0)，則自動(dòng)裝置平衡(AQ= (0，0))。驅(qū)動(dòng)器不會(huì)產(chǎn)生沖突。
[0110]然而，在實(shí)際的自動(dòng)裝置中，幾何缺陷是無(wú)法避免的。這就是為什么在圖2中所示的冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置中機(jī)械傳動(dòng)裝置具有長(zhǎng)度的缺陷:與圖1的理想模型相比，這里的傳動(dòng)裝置分別短了 0.1和0.2。如此來(lái)，憑借著現(xiàn)有技術(shù)的控制方法，當(dāng)活動(dòng)部件的指令位置Xd=O給定時(shí),兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器中的每一個(gè)皆會(huì)接收到重返原始位置(qlm=0和q2m=0)的命令，幾何缺陷(Λ ql=0且Λ q2=0)是無(wú)法做到這點(diǎn)的。
[0111]一貫根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，使用如圖2所示的不完美自動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)Λ Q為Λ Q= (-0.1，0.2)，且無(wú)法抵達(dá)平衡位置(Λ Q= (0，0))。實(shí)際上，處理模塊所產(chǎn)生的控制信號(hào)相互抵觸，而驅(qū)動(dòng)器將會(huì)為了重返其指令位置(qlm=0并且q2m=0)而彼此對(duì)抗，直到機(jī)械傳動(dòng)裝置4或驅(qū)動(dòng)器2破裂為止。
[0112]此外當(dāng)處理模塊9包括例如PID的積分項(xiàng)時(shí)，這個(gè)效應(yīng)會(huì)更加突出。事實(shí)上誤差Λ Q會(huì)在PID積分項(xiàng)的每個(gè)處理循環(huán)時(shí)隨時(shí)間增加。[0113]在根據(jù)本發(fā)明的如圖3所示的方法中，處于代表驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置的空間中的代表驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)Λ Q的矢量，被轉(zhuǎn)換成處于代表活動(dòng)部件位置的空間中的代表部件誤差信號(hào)的矢量Λ X。
[0114]下列關(guān)系式呈現(xiàn)出從Λ Q到Λ X的轉(zhuǎn)換，其中H是雅各賓矩陣Jm的偽逆矩陣(歐式模數(shù)最小):
[0115]
【權(quán)利要求】
1.一種自動(dòng)裝置控制方法，包括: -框架(1)， -由多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)根據(jù)若干自由度相對(duì)于所述框架(1)驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件(5)，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)目嚴(yán)格大于活動(dòng)部件的自由度數(shù)目，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)彼此并聯(lián)并且每個(gè)都由至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)所驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器包括: ?固定在框架上的主體， ?所述機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， ?用以產(chǎn)生信號(hào)的位置傳感器(3)，所述信號(hào)即測(cè)量到的位置信號(hào)，代表該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置， 所述方法，其中，針對(duì)每個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器(2)，驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)是通過(guò)比較所述驅(qū)動(dòng)器測(cè)量到的位置信號(hào)和該驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)而得來(lái)， 其特征在于， ?藉由應(yīng)用代表所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將所述驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)被轉(zhuǎn)換為活動(dòng)部件位置誤差的信號(hào)，即活動(dòng)部件誤差信號(hào)， ?經(jīng)處理模塊(9)所處理的所述活動(dòng)誤差信號(hào)能夠產(chǎn)生要應(yīng)用到活動(dòng)部件上的力信號(hào)， ?藉由應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器(2)的控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置指令信號(hào)都是藉由對(duì)代表活動(dòng)部件(5)的指令位置的信號(hào)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的幾何特征的數(shù)據(jù)而獲得。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，處理模塊(9)包括PID型的調(diào)節(jié)器。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將代表活動(dòng)部件(5)的指令加速度的信號(hào)與代表所述活動(dòng)部件的慣性的慣性系數(shù)相乘的積加到力信號(hào)上。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將代表每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)的指令加速度的信號(hào)加到所述驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)上。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，活動(dòng)部件(5)的位置由矢量代表，所述矢量的維數(shù)為所述活動(dòng)部件的自由度數(shù)目。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，具有相同自由度數(shù)目的所有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置集合皆以矩陣代表，所述矩陣的維數(shù)為驅(qū)動(dòng)器(2)的數(shù)目和所述驅(qū)動(dòng)器的自由度數(shù)目。
8.如權(quán)利要求6和7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，代表機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的幾何特征以及運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)以矩陣的形式示出。
9.一種自動(dòng)裝置控制裝置，包括: -框架(1)， -由多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)相對(duì)于所述框架驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部件(5)，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)目嚴(yán)格大于活動(dòng)部件的自由度數(shù)目，所述機(jī)械傳動(dòng)裝置彼此并聯(lián)并且每個(gè)都由至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)所驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器包括: ?固定在框架上的主體，?至少一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， ?適用于產(chǎn)生代表驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置的信號(hào)的位置傳感器(3)，所述信號(hào)即測(cè)量到的位置信號(hào)， 所述自動(dòng)裝置控制裝置還包括: ?至少一個(gè)存儲(chǔ)器，包含代表機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的幾何特征的數(shù)據(jù)， ?至少一個(gè)存儲(chǔ)器，包含代表機(jī)械傳動(dòng)裝置(4)的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)， ?比較器模塊(7)，其適用于通過(guò)在所述驅(qū)動(dòng)器的測(cè)量到的位置信號(hào)和所述驅(qū)動(dòng)器的位置指令信號(hào)之間進(jìn)行比較，而能夠針對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)產(chǎn)生信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)器誤差信號(hào)，其特征在于，所述自動(dòng)裝置控制裝置還包括: ?第一模塊轉(zhuǎn)換器，適用于能夠通過(guò)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生活動(dòng)部件的位置誤差信號(hào)，即活動(dòng)部件誤差信號(hào)， ?所述活動(dòng)部件誤差信號(hào)的電子處理模塊(9)，適用于能夠產(chǎn)生要應(yīng)用到活動(dòng)部件(5)的力信號(hào)， ?第二模塊轉(zhuǎn)換器，適用于能夠通過(guò)對(duì)該力信號(hào)應(yīng)用代表機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)。
10.一種由根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置通過(guò)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法進(jìn)行控制的冗余并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)裝置。
11.一種包含當(dāng)所述信息程序在信息系統(tǒng)上執(zhí)行時(shí)，用以執(zhí)行如權(quán)利要求1至8項(xiàng)中任一項(xiàng)所述方法步驟的信息程序代碼命令的信息程序。
12.一種可由信息系統(tǒng)讀取的可讀取式記錄載體，其上記錄有信息程序，所述信息程序包括有當(dāng)所述信息程序在信息系統(tǒng)上執(zhí)行時(shí)用以執(zhí)行如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述方法步驟的信息程序代碼命令。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK103906605SQ201280039498
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月12日
【發(fā)明者】F·皮埃羅, A·舍莫利, M·米什蘭 申請(qǐng)人:泰科納利亞法國(guó)公司, 國(guó)立科學(xué)研究中心