電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備及方法、多軸電機的控制設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于經(jīng)由連接到電機的傳遞機構(gòu)進行移動構(gòu)件的移動控制的電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備，多個電機驅(qū)動設(shè)備被串聯(lián)連接的多軸電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備，以及用于電機驅(qū)動設(shè)備的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近來，正在開發(fā)機器人來替代人類進行各種作業(yè)。為了實現(xiàn)能夠如同人手一樣進行精準(zhǔn)迅速的工作的機器人，機器人動作必須同時實現(xiàn)高精度及高速度。這種機器人利用電機作為動力源來驅(qū)動關(guān)節(jié)。多數(shù)利用諸如減速器、滾珠螺桿等的傳遞機構(gòu)來增加電機推力并將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。
[0003]然而，傳遞機構(gòu)具有阻礙使精度增加的內(nèi)在因素。實例包括扭轉(zhuǎn)、由于減速器的齒輪嚙合導(dǎo)致的角度誤差、齒隙、摩擦、小部件的細(xì)微振動、由于滾珠螺桿的變形導(dǎo)致的角度誤差、螺桿的共振、空動等。因此，即使精準(zhǔn)地驅(qū)動電機，機器人動作的精度由于以上列出的因素而劣化。
[0004]另外，傳遞機構(gòu)與諸如機器人框架的結(jié)構(gòu)相比較更為柔性，因此會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，并像彈性體那樣活動。因此，連接到傳遞機構(gòu)的、其移動要被控制的移動構(gòu)件展現(xiàn)出相對于電機的簡諧運動，這也引起精度的劣化。另外，簡諧運動的反作用力作用于電機，導(dǎo)致電機位置的偏差，這引起精度的更進一步劣化。
[0005]存在兩種一般方法對用于機器人關(guān)節(jié)等的電機進行控制，即半封閉式控制(例如，參見日本特開昭61-201304號公報)和全封閉式控制(例如，參見日本特開平7-225615號公報和日本特開2011-176913號公報)。半封閉式控制是檢測電機的輸出軸(輸出構(gòu)件)的位置，并且將檢測結(jié)果反饋給電機的位置命令的方法。全封閉式控制是對經(jīng)由諸如減速器等的傳遞機構(gòu)經(jīng)歷通過電機的移動驅(qū)動的移動構(gòu)件的位置進行檢測，并且將檢測結(jié)果反饋給電機的位置命令的方法。一般地，半封閉式控制動作速度快但位置精度低，而另一方面全封閉式控制位置精度高但動作速度低。這樣，可以說精度和速度處于折衷關(guān)系。
[0006]在半封閉式控制下，似乎可以通過輸出對抗反作用力的推力來避免電機的位置偏差。然而，在電機持續(xù)輸出對抗反作用力的推力并且不存在位置偏差的情況下，無法進行反饋，從而結(jié)果是，簡諧運動持續(xù)而不停歇。一旦簡諧運動變?yōu)槌掷m(xù)，則每次在正在操作的傳遞機構(gòu)中發(fā)生扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的簡諧運動都被放大，并且可能變成機械共振。
[0007]因此，即使在半封閉式控制下，如果運轉(zhuǎn)速度(增益)增加，則由于來自傳遞機構(gòu)的彈性力的反作用力導(dǎo)致的電機的位置偏差也無法被避免。如果由于要避免來自在傳遞機構(gòu)的彈性力的反作用力導(dǎo)致的動力源的位置偏差，則即使在半封閉式控制中，運轉(zhuǎn)速度(增益)也必須被降低并且需要進行對電機的驅(qū)動控制，使得不發(fā)生簡諧運動。
[0008]因此，日本特開昭61-201304號公報提出了預(yù)先準(zhǔn)備考慮到傳遞機構(gòu)的機械剛性的運動方程式并且其計算結(jié)果被添加到半封閉式控制的命令值的半封閉式控制。這旨在同時實現(xiàn)精度和速度。
[0009]另一方面，日本特開平7-225615號公報提出了移動構(gòu)件的位置由傳感器檢測并且從目標(biāo)值中減去，根據(jù)位置的差來校正電機的位置，以及使移動構(gòu)件的位置來參仿(copy)目標(biāo)值的全封閉式控制。日本特開2011-176913號公報提出了獲得示出振動的、移動構(gòu)件的位置與電機的位置之間的差，并考慮到扭轉(zhuǎn)剛度來計算轉(zhuǎn)矩值，以及進行控制使得該轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值匹配的全封閉式控制。
[0010]日本特開昭61-201304號公報中的半封閉式控制能夠進行利用了半封閉式控制的特性高速操作。然而，難以預(yù)測根據(jù)溫度變化以及隨時間推移而改變的傳遞誤差，因此存在難以滿足所需精度的問題。
[0011]另一方面，日本特開平7-225615號公報中的全封閉式控制存在由于無法測量振動現(xiàn)象、因此如提升運轉(zhuǎn)速度(電機校正的增益)則會導(dǎo)致振蕩的問題。由此，日本特開平7-225615號公報中的全封閉式控制具有動作速度(位置校正)遲滯的問題。
[0012]出于提高全封閉式控制的速度的目的，提出了日本特開2011-176913號公報。日本特開2011-176913號公報中的全封閉式控制采用如下結(jié)構(gòu):已消除造成位置校正的遲滯的首要因素，從而認(rèn)為在機器人動作中能夠同時實現(xiàn)精度和速度。然而，全封閉式控制在如下幾點與半封閉式控制不同:在傳感器與電機之間存在傳遞機構(gòu)，并且傳遞機構(gòu)的特征在于具有齒隙、摩擦、及以比上述簡諧運動頻率更高的固有振動。即使在日本專利特開2011-176913號公報中的全封閉式控制中，由于齒隙、摩擦、以及比上述簡諧運動頻率更高的固有振動，因此也存在如提升運轉(zhuǎn)速度(電機校正的增益)則會導(dǎo)致振蕩的問題。因此，即使在日本特開2011-176913號公報中的全封閉式控制中，也存在由于將發(fā)生高階振動因此無法充分提高增益、因而無法進行高速驅(qū)動的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明提供一種針對能夠快速精準(zhǔn)地控制移動構(gòu)件的移動的電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備、多軸電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備、以及針對該電機驅(qū)動設(shè)備的控制方法。
[0014]本發(fā)明提供一種針對被構(gòu)造為經(jīng)由連接到電機的傳遞機構(gòu)進行移動構(gòu)件的移動控制的電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備。所述控制設(shè)備包括:推力控制單元，其被構(gòu)造為基于輸入的推力命令值生成用于所述電機的位置命令值；以及電機控制單元，其被構(gòu)造為基于用于所述電機的所述位置命令值生成控制所述電機的電流值。所述電機控制單元根據(jù)電機位置檢測單元的檢測結(jié)果執(zhí)行第一反饋控制，所述電機位置檢測單元被構(gòu)造為檢測輸出所述電機的旋轉(zhuǎn)的輸出構(gòu)件的位置。所述推力控制單元根據(jù)推力檢測單元的檢測結(jié)果執(zhí)行第二反饋控制，所述推力檢測單元被構(gòu)造為檢測在所述移動構(gòu)件上發(fā)生的推力。
[0015]本發(fā)明提供一種用于多軸電機驅(qū)動設(shè)備的控制設(shè)備，所述多軸電機驅(qū)動設(shè)備具有經(jīng)由連接到電機的傳遞機構(gòu)進行移動構(gòu)件的移動控制的多個電機驅(qū)動設(shè)備，其中，以一個電機驅(qū)動設(shè)備的移動構(gòu)件支撐另一電機驅(qū)動設(shè)備的電機的方式串聯(lián)地連接。對應(yīng)于各電機驅(qū)動設(shè)備，所述控制設(shè)備包括:驅(qū)動設(shè)備控制單元，其被構(gòu)造為基于從外部輸入的用于移動構(gòu)件的位置命令值，來生成推力命令值；推力控制單元，其被構(gòu)造為基于生成的所述推力命令值，來生成所述電機的位置命令值；以及電機控制單元，其被構(gòu)造為基于用于所述電機的所述位置命令值，來生成控制所述電機的電流值。各電機控制單元根據(jù)電機位置檢測單元的檢測結(jié)果執(zhí)行第一反饋控制，所述電機位置檢測單元被構(gòu)造為檢測輸出所述電機的旋轉(zhuǎn)的輸出構(gòu)件的位置。各推力控制單元根據(jù)推力檢測單元的檢測結(jié)果執(zhí)行第二反饋控制，所述推力檢測單元被構(gòu)造為檢測在移動構(gòu)件上發(fā)生的推力。各驅(qū)動設(shè)備控制單元根據(jù)來自被構(gòu)造為檢測所述移動構(gòu)件的位置的移動構(gòu)件位置檢測單元的檢測結(jié)果，來執(zhí)行第三反饋控制。
[0016]本發(fā)明提供一種電機驅(qū)動設(shè)備的控制方法，所述電機驅(qū)動設(shè)備被構(gòu)造為經(jīng)由連接到電機的傳遞機構(gòu)進行移動構(gòu)件的移動控制。所述控制方法包括:推力控制過程，基于輸入的推力命令值生成用于所述電機的位置命令值；電機控制過程，基于用于所述電機的所述位置命令值生成控制所述電機的電流值；以及反饋過程，其中根據(jù)被構(gòu)造為檢測輸出所述電機的旋轉(zhuǎn)的輸出構(gòu)件的位置的電機位置檢測單元的檢測結(jié)果，在所述電機控制過程中進行第一反饋控制，以及根據(jù)被構(gòu)造為檢測在所述移動構(gòu)件上發(fā)生的推力的推力檢測單元的檢測結(jié)果，在所述推力控制過程中進行第二反饋控制。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，推力控制單元根據(jù)檢測在移動構(gòu)件上發(fā)生的推力的推力檢測單元的檢測結(jié)果來執(zhí)行第二反饋控制。相應(yīng)地，經(jīng)由傳遞機構(gòu)傳遞至移動構(gòu)件的推力可以參仿輸入的推力命令值，從而可以使移動構(gòu)件的操作精準(zhǔn)。另外，在移動構(gòu)件上生成的推力還包括根據(jù)溫度變化以及隨時間推移而改變的傳遞誤差分量，從而可以執(zhí)行有效抑制傳遞誤差的反饋控制。
[0018]電機控制單元根據(jù)檢測輸出電機旋轉(zhuǎn)的輸出構(gòu)件的位置的電機位置檢測單元的檢測結(jié)果來對由推力控制單元生成的電機的位置命令值執(zhí)行第一反饋控制。在電機中發(fā)生的傳遞機構(gòu)的彈性反作用包括由于在傳遞機構(gòu)的齒隙、摩擦、固有振動等的效果導(dǎo)致的振動現(xiàn)象的分量，并且這些振動現(xiàn)象可以被快速地抑制。
[0019]以這種方式，在抑制由于傳遞機構(gòu)引起的振動現(xiàn)象和傳遞誤差的同時能夠使得動作速度增加，這使得能夠快速精準(zhǔn)地進行移動構(gòu)件的移動控制。另外，振動現(xiàn)象和傳遞誤差的有效抑制意味著電機增益的fe正能夠被提尚，而且動作速度能夠被提尚。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有全封閉式控制的精度以及相當(dāng)于半封閉式控制的運動速度的布置。
[0020]根據(jù)以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的其他特征將變得清楚。
【附圖說明】
[0021]圖1是例示單軸機器人系統(tǒng)的整體示意圖。
[0022]圖2是例示單軸機器人系統(tǒng)的示意圖。
[0023]圖3是例示根據(jù)第一實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0024]圖4是例示根據(jù)第一實施例的控制的流程圖。
[0025]圖5A和圖5B是例示單軸機器人的轉(zhuǎn)矩控制的實驗結(jié)果的圖，圖5A示出根據(jù)第一實施例的控制的實驗結(jié)果，圖5B示出根據(jù)比較示例的控制的實驗結(jié)果。
[0026]圖6是例示根據(jù)第二實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0027]圖7是例示根據(jù)第三實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0028]圖8是例不根據(jù)第二實施例的控制的流程圖。
[0029]圖9是例示根據(jù)第四實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0030]圖10是例示根據(jù)第四實施例的控制的流程圖。
[0031]圖11是例示根據(jù)第五實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0032]圖12是例示根據(jù)第五實施例的控制的流程圖。
[0033]圖13A和圖13B是例示單軸機器人的位置控制的實驗結(jié)果的圖，圖13A示出根據(jù)第五實施例的控制的實驗結(jié)果，圖13B示出根據(jù)比較示例的控制的實驗結(jié)果。
[0034]圖14是例示雙軸機器人系統(tǒng)的整體示意圖。
[0035]圖15是例示雙軸機器人系統(tǒng)中的根據(jù)第六實施例的控制器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0036]圖16是根據(jù)第七實施例的關(guān)節(jié)的分解圖。
[0037]圖17是根據(jù)第七實施例的關(guān)節(jié)的示意圖。
[0038]圖18是根據(jù)第七實施例的關(guān)節(jié)的示意圖。
[0039]圖19是根據(jù)第七實施例的關(guān)節(jié)的示意圖。
[0040]圖20是根據(jù)第八實施例的關(guān)節(jié)的分解圖。
[0041]圖21是根據(jù)第八實施例的關(guān)節(jié)的示意圖。
【具體實施方式】
[0042]第一實施例
[0043]以下將參照圖1至圖5B來描述本發(fā)明的第一實施例。圖1是例示單軸機器人系統(tǒng)的整體示意圖。圖2是例示單軸機器人系統(tǒng)的示意圖。