專(zhuān)利名稱(chēng)：多軸機(jī)器人的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多軸機(jī)器人，它以一種在諸相互控制軸之間具有動(dòng)態(tài)相互作用且在每個(gè)軸中包含一個(gè)彈性部件的工業(yè)機(jī)器人為代表；尤其涉及，完全去除在一個(gè)臂的頂端產(chǎn)生相互作用力的它的一個(gè)控制器。
一般說(shuō)來(lái)，在每個(gè)軸都由一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人中，為了理想地降低缺乏馬達(dá)動(dòng)力的影響或減小來(lái)自負(fù)載側(cè)的干擾，就用一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置，例如有高減速比的諧和傳動(dòng)器，傳動(dòng)在負(fù)載側(cè)的一個(gè)臂。因此，在先有技術(shù)中，在諸控制軸之間的動(dòng)態(tài)相互作用是不成為問(wèn)題的。
然而，隨著更快更準(zhǔn)需求的增加，就產(chǎn)生了一些不能通過(guò)PI控制來(lái)補(bǔ)償?shù)挠绊懀蜕踔猎诟邷p速比下也不能忽略的干擾。
為了解決這些問(wèn)題，對(duì)利用干擾估計(jì)觀察器補(bǔ)償干擾的方法，和以類(lèi)似于直接傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人的方式按照動(dòng)態(tài)方程來(lái)事先補(bǔ)償干擾的方法，已有一些報(bào)道(例如日本專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)63-314606，日本專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)6-270079，和日本專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)7-7307)。
當(dāng)負(fù)載側(cè)產(chǎn)生大的干擾時(shí)，不能指望用干擾補(bǔ)償觀察器方法去充分地改善準(zhǔn)確度，因?yàn)闆](méi)有考慮到關(guān)于相互作用或類(lèi)似作用的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。此外，關(guān)于按照動(dòng)態(tài)方程事先補(bǔ)償干擾的方法，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)方法中沒(méi)有充分考慮到二動(dòng)態(tài)性質(zhì)涉及插入一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置，或者包括為運(yùn)轉(zhuǎn)每個(gè)軸而計(jì)算控制輸入的相互作用力，所以在高速運(yùn)轉(zhuǎn)期間不能完全消除相互作用。
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是當(dāng)使用一個(gè)包含一個(gè)彈性部件，例如每個(gè)軸中的減速器的工業(yè)機(jī)器人時(shí)，即使在高速操作期間也能完全消除諸相互軸之間的相互作用。
為了解決多軸機(jī)器人-其中用一個(gè)伺服馬達(dá)通過(guò)包含一個(gè)彈性部件的減速器機(jī)構(gòu)來(lái)傳動(dòng)每個(gè)軸臂-的控制器方面的上述問(wèn)題，本發(fā)明的多軸機(jī)器人的控制器包括一個(gè)裝置，該裝置用于根據(jù)對(duì)給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的一個(gè)伺服馬達(dá)的控制輸入，和根據(jù)在每個(gè)軸的減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度，計(jì)算一個(gè)來(lái)自其他軸的在每個(gè)軸的臂側(cè)產(chǎn)生的相互作用力，和一個(gè)由上述相互作用力產(chǎn)生的在在各軸中獨(dú)立的半閉環(huán)構(gòu)成的伺服馬達(dá)控制輸入中包含的相互作用力；和一個(gè)裝置，該裝置用于根據(jù)來(lái)自其他軸的相互作用力和在伺服馬達(dá)的控制輸入中包含的相互作用力，計(jì)算校正轉(zhuǎn)矩，以便各軸臂的頂端起作用而不產(chǎn)生來(lái)自其他軸的相互作用，和用于把該校正轉(zhuǎn)矩加到控制輸入中，并且輸出它。
關(guān)于各軸減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度，可在控制器中利用一個(gè)由狀態(tài)觀察裝置再現(xiàn)的數(shù)值，該裝置通過(guò)一個(gè)各軸伺服馬達(dá)的控制輸入和一個(gè)伺服馬達(dá)的實(shí)際位置再現(xiàn)狀態(tài)量。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，用包含一個(gè)彈性部件的兩個(gè)慣性系統(tǒng)來(lái)表達(dá)每個(gè)軸中伺服馬達(dá)和臂的耦合，借此確定一個(gè)動(dòng)態(tài)方程，以計(jì)算在各軸中臂側(cè)產(chǎn)生的來(lái)自多軸的相互作用力；并借此計(jì)算由半閉環(huán)中構(gòu)成的各軸控制輸入所包括的相互作用力，且使完全消除相互作用力的校正力矩被加到將被輸出的控制輸入中。
根據(jù)本發(fā)明，甚至在具有一個(gè)在伺服馬達(dá)與臂之間包含一個(gè)象減速器之類(lèi)的彈性部件的機(jī)構(gòu)的多軸機(jī)器人中，計(jì)算一個(gè)來(lái)自另一軸的在各軸的臂側(cè)產(chǎn)生的相互作用力和一個(gè)各軸獨(dú)立的半閉環(huán)中構(gòu)成的伺服馬達(dá)控制輸入內(nèi)包含的相互作用力，且校正在各軸中產(chǎn)生的相互作用轉(zhuǎn)矩。這樣，甚至在減速器中會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，也能消除相互作用力，且能控制各軸的伺服馬達(dá)，就象在諸傳動(dòng)軸之間沒(méi)有產(chǎn)生相互作用一樣。


圖1是一個(gè)通用垂直兩軸機(jī)器人的簡(jiǎn)圖；圖2是一個(gè)平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)的垂直兩軸機(jī)器人的簡(jiǎn)圖；圖3是一個(gè)說(shuō)明運(yùn)動(dòng)方程各系數(shù)的說(shuō)明圖；圖4是一個(gè)在馬達(dá)與臂之間的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的說(shuō)明圖；圖5是一個(gè)本發(fā)明關(guān)于兩軸的控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的說(shuō)明方塊圖；圖6是一個(gè)給第一軸的零命令和給第二軸的臺(tái)階式速度命令的特征曲線(xiàn)圖；圖7是一個(gè)在普通PI控制中在第一軸內(nèi)產(chǎn)生的相互作用力的說(shuō)明圖；圖8是一個(gè)說(shuō)明用本發(fā)明消除相互作用力的狀態(tài)的說(shuō)明圖；圖9是一個(gè)說(shuō)明在普通PI控制中產(chǎn)生的軌跡漂移的說(shuō)明圖；和圖10是一個(gè)說(shuō)明用本發(fā)明改善的軌跡漂移的說(shuō)明圖。
為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，將描述兩軸機(jī)器人。在多軸機(jī)器人方面，能夠引伸和應(yīng)用關(guān)于兩軸機(jī)器人的在下面說(shuō)明的事項(xiàng)。
圖1是一個(gè)有L軸和U軸的通用垂直兩軸機(jī)器人的簡(jiǎn)圖，圖2是一個(gè)平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)的垂直兩軸機(jī)器人的簡(jiǎn)圖。在這些圖中，lL是L軸的長(zhǎng)度，ML是L軸的質(zhì)量，lLg是L軸到其重心的長(zhǎng)度，θlI是L軸的角度，MU是U軸的質(zhì)量，lUg是U軸到其重心的長(zhǎng)度，和θlU是U軸相對(duì)于L軸的角度。圖1與圖2所示的兩軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程可用下述公式1-6表達(dá)。首先，描述在各軸減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系表達(dá)式可用下述公式表達(dá)。θSL=1NLθmL-θlL]]>…(公式1)θSU=1NUθmU-θlU]]>…(公式2)式中，θML是L軸馬達(dá)的角度，θMU是U軸馬達(dá)的角度，NL是L軸減速器的減速比，NU是U軸減速器的減速比，θSL是在L軸減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，和θSU是在U軸減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。
下面的公式3和公式4是由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程確定的關(guān)系表達(dá)式。
KCLθSL＝MLLθlL+MLUθlU+dL…(公式3)KCUθSU＝MULθlL+MUUθlU+dU…(公式4)式中，KCL是L軸減速器的彈性常數(shù)，KCU是U軸減速器的彈性常數(shù)，dL是作用在L軸上的轉(zhuǎn)矩干擾，和dU是作用在U軸上的轉(zhuǎn)矩干擾。
圖3示出運(yùn)動(dòng)方程的各系數(shù)。
此外，在圖4所示的馬達(dá)與臂之間的一個(gè)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可用下式表達(dá)。在圖4中，標(biāo)號(hào)1表示一個(gè)臂，標(biāo)號(hào)2表示一個(gè)負(fù)載，標(biāo)號(hào)3表示一個(gè)驅(qū)動(dòng)臂1的馬達(dá)，和標(biāo)號(hào)4表示一個(gè)裝于馬達(dá)3與臂1之間的減速器。減器器4由一個(gè)減速機(jī)構(gòu)和一個(gè)彈簧部件組成。θmL=-KOLJmLNLθSL-uLref]]>…(公式5)θmU=-KCUJmUNUθSU-uUref]]>…(公式6)式中，JML是L軸馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，JMU是U軸馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，uLref是L軸的控制輸入，和uUref是U軸的控制輸入。此處之控制輸入被表達(dá)成一個(gè)加速命令。
圖5是一個(gè)本發(fā)明關(guān)于兩軸的控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方塊圖。在圖5中，標(biāo)號(hào)10表示一個(gè)L軸狀態(tài)的觀察裝置，標(biāo)號(hào)11表示一個(gè)U軸裝態(tài)的觀察裝置。標(biāo)號(hào)12表示一個(gè)L軸狀態(tài)的控制器，標(biāo)號(hào)13表示一個(gè)U軸狀態(tài)控制器，和標(biāo)號(hào)14表示一個(gè)計(jì)算一個(gè)相互作用力的裝置。
關(guān)于臂1位置θlL和θlU的四次微商的公式1-6的解，可以表達(dá)成下述公式θlL(4)=-1(1+KJL)ωLL2θlL+1NLωLL2uLref-KJLωLL2ωLU2θSU]]>-KJLωLL2dLL-dLL-ωLU2θSU…(公式7)θlU(4)=-(1+KJU)ωUU2θlU+1NUωUU2uUref-KJUωUU2ωUL2θSL]]>-KJUωUU2dUU-dUU-ωUL2θSL…(公式8)式中，θlL(4)和θlU(4)分別是θlL和θlU的四次微商。KJL=1JmLNL2]]>MLLMUU-MLUMULMUU]]>KJU=1JmLNU2]]>MLLMUU-MLUMULMLL]]>ωLL2=KCLMUUMLLMUU-MLUMUL]]>ωUU2=KCUMLLMLLMUU-MLUMUL]]>ωLU2=KCUMLUMLLMUU-MLUMUL]]>ωUL2=KCLMULMLLMUU-MLUMUL]]>dLL=MUUMLLMUU-MLUMULdL-MLUMLLMUU-MLUMULdU]]>dUU=MULMLLMUU-MLUMULdL+MLLMLLMUU-MLUMULdU]]>在公式7和8中，臂位置的四次微商除了自己軸和控制輸入的狀態(tài)量之外，還包括其他軸的狀態(tài)量和干擾項(xiàng)。
把控制輸入分成一個(gè)按命令計(jì)算的值，一個(gè)由于與另一軸相互作用引起的值，和一個(gè)由于相互作用以外的干擾引起的值，這些值可用下述公式表達(dá)。
uLref＝uLLref+uLCref+uLdref…(公式9)uUref＝uUUref+uUcref+uUdref…(公式10)式中，uLLref和uUUref是各軸運(yùn)行所需的控制輸入，uLCref和uUCref是補(bǔ)償來(lái)自另一軸的相互作用力的控制輸入，和uLdref和uUdref是補(bǔ)償控制輸入中包含的干擾的控制輸入。
在此，在諸軸之間不相互作用的條件可用下述公式說(shuō)明。θlL(4)=-(1+KJL)ωLL2θlL+1NLωLL2uLLref]]>…(公式11)θlU(4)=-(1+KJU)ωUU2θlU+1NUωUU2uUUref]]>…(公式12)因此，必須實(shí)現(xiàn)下述公式。uLCref+uLdref=KJLNLωLU2θSU+NLωLU2ωLL2θSU]]>+KJLNLdLL+NL1ωLL2dLL]]>…(公式13)uUCref+uUdref=KJUNUωUL2θSL+NUωUL2ωUU2θSL]]>+KJUNUdUU+NU1ωUU2dUU]]>…(公式14)為自己軸的運(yùn)行而消除相互作用力的條件是如此補(bǔ)償控制輸入，以致于實(shí)現(xiàn)公式11和12即，必須實(shí)現(xiàn)公式13和14。
在此，為了補(bǔ)償在為進(jìn)一步運(yùn)行每個(gè)軸而計(jì)算的控制輸入中包含的相互作用力，要引進(jìn)由公式1-6確定的下述公式。θSL=-(1+KJL)ωLL2θSL+1NLuLref+ωLU2θSU+dLL]]>…(公式15)θSU=-(1+KJU)ωUU2θSU+1NUuUref+ωUL2θSL+dUU]]>…(公式16)用公式15和16代替公式13和14，借此可得出作為不相互作用的補(bǔ)償量的下述公式uLCref=ωUU2ωLL2ωUU2-ωLU2ωUL2(ωLL2DL+NLNUωLU2DU)]]>…(公式17)uUCref=ωLL2ωLL2ωUU2-ωLU2ωUL2(ωUU2DU+NUNLωUL2DL)]]>…(公式18)式中DL=NLωLU2ωLL2[1NUuUUref+ωUL2θSL+{KJLωLL2-(1+KJU)ωUU2}θSU]]]>-uLdref+NLNUωLU2ωLL2uUdref+KJLNLdLL+NLωLU2ωLL2dUU+NL1ωLL2dLL]]>DU=NUωUL2ωUU2[1NLuLLref+ωLU2θSU+{KJUωUU2-(1+KJL)ωLL2}θSL]]]>-udref+NUNLωUL2ωUU2uLdref+KJUNUdUU+NUωUL2ωUU2dLL+NU1ωUU2dUU]]>因?yàn)檠a(bǔ)償量包括減速器中扭轉(zhuǎn)量，就把下述校正量添加到用于控制運(yùn)行的狀態(tài)變量中。θ′mL=θmL-NLωLU2ωLL2θSU]]>…(公式19)θ′mU=θmU-NUωUL2ωUU2θSL]]>…(公式20)θ′SL=θSL-ωLU2ωLL2θSU]]>…(公式21)θ′SU=θSU-ωUL2ωUU2θSL]]>…(公式22)根據(jù)上述控制器，由各軸臂頂端運(yùn)行產(chǎn)生的相互作用力和在各軸控制輸入中包含的相互作用力都不經(jīng)受相互作用，并且能夠得到關(guān)于臂頂端運(yùn)行的沒(méi)有相互作用的響應(yīng)。
當(dāng)干擾能夠被忽略或觀察不到時(shí)，可以在運(yùn)用中略去公式1-22中的干擾項(xiàng)。
本發(fā)明實(shí)施例的效果描述如下。
如圖6所示，當(dāng)在普通PI控制中以零命令(圖6中的上特征曲線(xiàn))提供給第一軸和以速度臺(tái)階式命令(圖6中的下特征曲線(xiàn))提供給第二軸時(shí)，就在第一軸中產(chǎn)生一個(gè)圖7所示的相互作用力；而使用本發(fā)明的控制器，如圖8所示能夠消除相互作用力。此外，當(dāng)在普通PI控制中發(fā)出一個(gè)命令，以便在頂端以水平方向形成一個(gè)線(xiàn)性軌跡時(shí)，如圖9所示在軌跡中產(chǎn)生相當(dāng)大的漂移，而使用本發(fā)明的控制器，如圖10所示就能作出改善。
在各軸中包含一個(gè)象減速器之類(lèi)的彈性部件的工業(yè)機(jī)器人的控制領(lǐng)域，能夠利用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于多軸機(jī)器人的控制器，其中通過(guò)包含一個(gè)彈性部件的減速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一個(gè)伺服馬達(dá)來(lái)傳動(dòng)每個(gè)軸的一個(gè)臂，所述的控制器包括用于根據(jù)對(duì)給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的一個(gè)伺服馬達(dá)的控制輸入，和根據(jù)在每個(gè)軸的減速器中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，計(jì)算來(lái)自另一軸的在每個(gè)軸的臂側(cè)產(chǎn)生的相互作用力，和由上述相互作用力產(chǎn)生的各軸中獨(dú)立的半閉環(huán)構(gòu)成的伺服馬達(dá)的控制輸入中包含的相互作用力的裝置；和用于根據(jù)來(lái)自另一軸的相互作用力和在伺服馬達(dá)的控制輸入中包含的相互作用力，計(jì)算校正轉(zhuǎn)矩，以便每個(gè)軸的臂頂端起作用而不產(chǎn)生來(lái)自另一軸的相互作用，和用于把校正轉(zhuǎn)矩添加到控制輸入中，且輸出它的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸機(jī)器人的控制器，其中每個(gè)軸都裝有狀態(tài)觀察裝置，該裝置通過(guò)伺服馬達(dá)的一個(gè)控制輸入和伺服馬達(dá)的一個(gè)實(shí)際位置再現(xiàn)狀態(tài)量；用所述狀態(tài)觀察裝置再現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算相互作用力。
全文摘要
涉及一種每個(gè)軸都有一個(gè)減速器之類(lèi)彈性部件的工業(yè)機(jī)器人,提供一種多軸機(jī)器人的控制器,它甚至在高速運(yùn)行中也能完全消除諸軸之間的相互作用力。本發(fā)明的多軸機(jī)器人控制器具有一個(gè)在各軸的伺服馬達(dá)與臂之間包含一個(gè)象減速器之類(lèi)的彈性部件的機(jī)構(gòu),該控制器包括裝置(14),用于根據(jù)輸入到一個(gè)給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的伺服馬達(dá)中的控制輸入(u
文檔編號(hào)G05D3/12GK1180423SQ97190094
公開(kāi)日1998年4月29日 申請(qǐng)日期1997年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月17日
發(fā)明者梅田信弘, 小黑龍一, 尾島正夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社安川電機(jī)