CN103240752A - 用于确定转矩的方法和工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人（1）和一种用于确定作用在机器人臂（2）的节肢上的转矩的方法。机器人臂（2）具有多个依次设置的节肢（3-7），其中节肢中的第一节肢（4）相对于第二节肢（5）关于转动轴（A2）可转动地安装，并可借助于相对于第二节肢（4）位置固定的电动机（11）和与该电动机（11）后置连接的传动装置（12）关于转动轴（A2）转动。

Description

用于确定转矩的方法和工业机器人

技术领域

本发明涉及一种用于确定转矩的方法和一种工业机器人。

背景技术

机器人是工业机器，其可以配备用于自动操作和/或处理对象的工具，并可以在多个运动轴上例如关于方向、位置和工作流程可编程。机器人通常具有：机器人臂，包括多个通过关节相连接的节肢；和可编程控制器（控制装置），用以在运行期间控制或调节机器人的运动过程。节肢常常通过具有传动装置的电动机特别是关于运动轴运动，其中，电动机受控制装置的控制。

专利文献DE 102007063099A1公开了一种机器人，其具有多个可关于转动轴彼此相对转动的节肢。为了确定施加在转动轴上的力矩，机器人具有适用的转矩传感器，转矩传感器例如包括应变片，其欧姆电阻在应变片膨胀或压缩时会发生变化。每个传感器可以具有多个例如被连接为半桥或全桥的应变片

发明内容

本发明的目的在于，更好地确定作用于机器人臂的节肢上的转矩。

本发明的目的通过一种用于确定作用于机器人臂的节肢上的转矩的方法得以实现，其中，机器人臂具有多个依次设置的节肢，在此，节肢中的第一节肢相对于这些第二节肢可关于转动轴转动地安装，并通过相对于第二节肢位置固定的电动机和与该电动机后置连接的传动装置关于转动轴转动，该方法具有以下步骤：

-确定传动装置的面向电动机的驱动侧的转动角度和背向电动机的从动侧的转动角度，

-根据所确定的传动装置的驱动侧和从动侧的转动角度并以传动装置的数学模型为基础，确定作用于第一节肢上的转矩，在此，该数学模型特别考虑到传动装置的弹性特性。

本发明的另一个方面涉及一种工业机器人，其具有：

-机器人臂，其包括多个依次设置的节肢，其中，第一节肢相对于第二节肢关于转动轴可转动地安装，并可以通过相对于第二节肢位置固定的电动机和与该电动机后置连接的传动装置关于转动轴转动；

-第一角度测量装置，用于确定传动装置的面向电动机的驱动侧的转动角度；

-第二角度测量装置，用于确定传动装置的背向电动机的从动侧的转动角度；和

-与这两个测量装置相连接的控制装置，用于在工业机器人的运行中控制电动机，传动装置的数学模型存储在该控制装置中，数学模型特别考虑到传动装置的弹性特性，并且该控制装置设计为，根据所确定的传动装置驱动侧和从动侧的转动角度并基于该数学模型，来确定作用于第一节肢上的转矩。

因此，根据本发明的工业机器人被设计为用于执行根据本发明的方法。特别是其控制装置设计为，按照根据本发明的方法确定作用在第一节肢上的转矩。

机器人臂包括多个依次设置的节肢，这些节肢特别是可以借助优选为电驱动器的驱动器彼此相对运动。驱动器包括例如电动机和驱动电动机的功率电子电路。这些驱动器特别是可控驱动器，优选是可控电驱动器。

这样实现机器人臂：第一节肢相对于第二节肢关于转动轴可转动地安装，并借助相对第二节肢位置固定的电动机和后置连接电动机的传动装置关于转动轴转动。在机器人臂或工业机器人运行中可以有转矩作用于第一节肢上，该转矩是关于传动装置的输出转矩或从动侧转矩。根据本发明，该转矩不是直接地例如借助转矩传感器来确定，而是通过确定传动装置的驱动侧和从动侧的转动角度以及传动装置的数学模型来间接地确定。也就是说，如果转矩作用在第一节肢上，则该转矩也作用在传动装置上。如果传动装置特性是已知的，则可以建立传动装置的数学模型，其提供了驱动侧和从动侧的转动角度与转矩之间的关系。传动装置特性例如可以根据经验确定或者从传动装置的数据表中获得。

数据模型例如存储在计算机中，与转动角度相对应的信号传输给该计算机。将计算机配置为，根据所确定的转动角度和数学模型来计算转矩。优选计算机是根据本发明的工业机器人的控制装置的一部分，其还设置用于，以普遍公知的方式控制并在必要时调整机器人臂的运动。数学模型也可以存储在控制装置中，因此控制装置也可用于确定转矩。

优选传动装置具有与电动机相连接的驱动侧的轴、至少间接地与第一节肢相连接的从动侧的轴和至少一个设置在传动装置的这两个轴之间、用于实现传动装置的传动比的传动连接件（Getriebeglied）。正如专业人员所公知的那样，所述至少一个传动连接件包括例如齿轮。在此情况下，优选驱动侧的转动角度是驱动侧的轴的转动角度，而从动侧的转动角度是从动侧的轴的转动角度。这些转动角度可以通过相应的角度测量装置来确定。

为了确定驱动侧的转动角度，优选可以通过确定电动机、特别是其轴的转动角度来确定驱动侧的转动角度。也就是说，如果电动机是可控驱动器的一部分，则电动机需要为此目的配备角度测量装置，例如旋转编码器（Drehgeber）。

优选通过下述公式计算作用在第一节肢上的转矩：

其中，τ为作用于第一节肢上的转矩，函数

为数学模型。

对于传动装置的数学模型，特别需要考虑传动装置的弹性特性。这些弹性特性尤其包括滞后性，其特别是与传动装置的转动方向相关。这种与转动方向相关的滞后性例如由传动装置的齿轮引起，特别是由所述至少一个传动连接件的齿轮引起。这种作为滞后模型实现的数学模型描述了转矩的时间过程和传动装置的变形之间的关系，并可以例如通过以下公式确定：

根据一种变形，为了得到更精确的数学模型，可以在数学模型中考虑特别是至少一个传动连接件的传动误差。实际的传动装置除了弹性之外还可能具有运动误差或传动误差，可以将它们考虑在传动装置的数学模型中，以更好地确定作用于第一节肢上的转矩。

当电机为电力电机时可以确定该电力电机的电流，以更好地估计作用于第一节肢上的转矩。电动机的电流是由电动机施加的转矩的度量。

为了更精确地确定作用于第一节肢上的转矩，可以根据所确定的传动装置的驱动侧和从动侧的转动角度并基于传动装置的数学模型，根据所确定的电流至少间接地修正所确定的作用于第一节肢上的转矩。

例如，可以这样实现对所确定转矩的至少进行间接地修改：根据所确定的电流和电动机的模型确定另一个转矩，并将其与以前所确定的转矩合并，从而获得作用于第一节肢上的合成转矩。也就是说，为了获得更精确确定的合成转矩，对所确定的各个转矩进行合并或组合。

例如，还可以这样实现对所确定的转矩的至少间接地修改：使用电流来支持数学模型。通过电流可以实现对数学模型的支持，特别是通过电动机的电流的值实现对数学模型的针对传动装置的滞后性建模的部分的支持。即，滞后模型通常利用例如近似于传动装置的摩擦特性的连接的（schaltend）特性曲线工作。但是，电动机的电流同样可以间接地检测摩擦特性。这可以被用来在“以电流为参照”的意义下基于电流对滞后模型的各个状态进行转换。

根据本发明的方法或根据本发明的工业机器人的一种实施方式，通过测量传动装置的变形就已经可以确定机器人的关节的输出转矩。由此可以取消例如与传动装置后置连接的转矩传感器，从而能够更坚固、更鲁棒地实现根据本发明的工业机器人。

由于根据本发明需要检测从动侧的转动角度，因此除了确定转矩，还可以针对传动装置中的损伤（例如齿折断、齿跳跃）附加地监控对应于相关节肢的关节的从动位置。此外，还可以通过平衡传动装置的变形和传动装置的啮合间隙，显著提高根据本发明的工业机器人的精度。

在根据本发明的实施方式中，除了那些在机器人上通常位于电动机上的旋转编码器之外，还特别是在传动装置的驱动器上安装高精度的角度传感器。由此可以测量传动装置的变形。

机器人传动装置通常具有间隙，因此其与负载相关的变形通常不是线性的，而是具有滞后性，并且其传动特性有时是不完全的。因此根据本发明的实施方式，必要时除了检测传动装置的变形之外，还需要检测其它用于传动装置的数学模型的物理参数，以便以足够的精度确定在传动从动端上的转矩。这例如包括：变形是增大还是减小，传动装置的状态以及由此传动装置的当前转动角度传动误差，电动机的转速和/或电动机电流。在需要时将这些参数代入模型计算中，这样模型计算将有利地实时给出输出转矩的值。

附图说明

在附图中举例示出了本发明的实施例。

图1示出了具有机器人臂和控制装置的机器人，

图2示出了与传动装置相连接的电动机，用以使机器人臂的节肢之一相对于机器人臂的另一个节肢运动，以及

图3示出了滞后曲线。

具体实施方式

图1以透视图示出了具有机器人臂2的机器人1。

在本实施例中，机器人臂2包括多个依次设置并通过关节相连接的节肢。在此，这些节肢特别是位置固定的或可移动的支架3和可相对于支架3围绕垂直延伸的轴A1转动安装的转盘4。在本实施例中，机器人臂2的其他节肢包括摇臂5、悬臂6和优选为多轴的机器人手7，机器人手7具有构造为法兰8的固定装置，用以固定未详细示出的终端执行器。摇臂5在下端部上，例如在未详细示出的摇臂轴承头上围绕优选为水平的转动轴A2可摆动地安装在转盘4上。悬臂6围绕同样优选为水平的轴A3可摆动地安装在摇臂5的上端部上。悬臂6在端侧支承机器人手7，机器人手7优选具有三个转动轴A4、A5、A6。

为了使机器人1或其机器人臂2运动，机器人1或其机器人臂2包括以普遍公知的方式与控制装置9相连接的驱动器，该驱动器特别是电驱动器。在图1中仅示出了该驱动器的几个电动机10、11。在控制装置9中运行计算程序，控制装置9在机器人1运行中利用计算程序例如这样控制这些电动机：使法兰8或所谓的工具中心点执行预先设定的运动。控制装置可以如同专业人员所公知的那样控制驱动器。电驱动器也可以是可控驱动器，并且由控制装置9产生用于可控驱动器的额定信号。

在本实施例中，相应的电动机10、11分别后接一个传动装置12。这在图2中以电动机11为例示出，其中，摇臂5关于转动轴A2相对于转盘4转动。在此，电动机11或其定子位置固定地与转盘4相连接，并且摇臂5通过其轴13和传动装置12关于转动轴A2运动。

在本实施例中，传动装置12包括与电动机11的轴13相连接的驱动侧的轴14、与摇臂5相连接的从动侧的轴15和至少一个传动连接件16，传动装置12的驱动侧的轴14和从动侧的轴15通过该传动连接件16相连接，并以专业人员公知的方式实现传动装置12的传动比。如同专业人员所公知的那样，传动连接件16包括例如至少一个齿轮。

在机器人1的特定运行中，电动机11的轴13直接驱动传动装置12的驱动侧的轴14。当电动机11的轴13转动一个转动角度φ_A时，至少传动装置12的驱动轴14的面向电动机11的端部同样也因此而转动角度φ_A，并且，如果传动装置12理论上是理想的传动装置，则传动装置12的从动侧的轴15的转动角度为n*φ_A，在此，“n”为传动装置12的传动比。

由于传动装置12、特别是轴14、15和/或传动装置12的传动连接件16的弹性以及其他影响，例如传动装置12的运动误差或传动误差，在机器人1运行中，特别是当摇臂5相对于转盘4承受转矩D_M时，会产生传动装置12的轴14、15的扭转或者传动连接件16的类似于扭转的效应。由于这些效应，传动装置12的从动轴14以其面向摇臂5的一侧围绕转动轴A2所转动的实际的从动侧的转动角度

不同于理论上在使用理想的传动装置时所预期的从动侧的转动角度。因此这种扭转对应于传动装置12的扭转角度

在本实施例中，电动机11包括例如旋转解码器17形式的角度测量装置，用于确定电动机11的轴13的转动角度

并由此确定传动装置12的驱动侧的轴14的转动角度。旋转解码器17例如集成在电动机11中，并特别是与控制装置9相连接，以向控制装置9传递信号，该信号传递关于电动机11的轴13的转动角度

的信息。

在本实施例中，机器人1具有另一个例如测量头18形式的角度测量装置，用于确定传动装置12的从动侧的轴15的从动侧的转动角度

测量头18例如与传动装置12的壳体上的测量实体

19共同起作用并特别是与控制装置9相连接，以传递信号，该信号传递关于传动装置12的从动轴14的转动角度

的信息。

在本实施例中，传动装置12的数学模型20存储在控制装置9中，该数学模型20特别是对传动装置12的弹性以及必要时的运动误差或传动误差进行模型化。数学模型20被设置为，根据所确定的转动角度

和

即电动机11的轴13的转动角度以及传动装置12的从动侧的轴15的转动角度

控制装置9可以借助于合适的计算程序来确定或计算作用于摇臂5上的转矩。

在本实施例中，将传动装置12的数学模型20设置为，将与传动装置12、特别是其传动连接件16的转动方向相应的滞后考虑在内。在图3中对此进行了说明，其中，τ_2N是传动装置12的额定值。纯粹的滞后模型描述了转矩τ的时间过程和传动装置12特别是其传动连接件16的变形之间的关系：

在本实施例中，对于传动装置12的数学模型20还可以考虑传动装置12的运动误差或传动误差，这两个误差可以独立于传动装置12的滞后性和弹性地使所预期的转动角度

和

之间的关系失真。

在本实施例中，为了确定作用在摇臂5上的转矩，还可以附加地使用加载于电动机11上的电流i。为此，同样将关于电动机11的电流i的信息提供给控制装置9。正如专业人员所公知的那样，在电动机11的电流i和与此相关地施加的电动机11的转矩之间存在一定的关系。

在本实施例中，控制装置9根据所确定的电动机11的电流i进一步提高计算出的输出转矩、即作用在摇臂5上的转矩的品质。这在本实施例中例如可以通过以下措施实现：

作用于摇臂5上的转矩（输出转矩）不仅可以通过传动装置12的数学模型20来确定，还可以通过电动机11的电流i来确定。为此，例如使用存储在控制装置9中的电动机11的数学模型。然后将所确定的输出转矩特别是相应于其品质特性进行合并或组合，以提高所确定的转矩的精度。这例如可以通过加权平均或通过对输出转矩的特定的滤波来实现。

替代地或附加地，可以根据电流i实现对数学模型20的支持，特别是通过电动机11的电流i的值来实现对数学模型20的针对传动装置12的滞后性进行建模的部分的支持：即，滞后模型通常利用例如近似于传动装置12的摩擦特性的连接特性曲线工作。但是，电动机11的电流i同样可以间接地检测摩擦特性。这可以被用来在“以电流i为参照”的意义下以电流为基础对滞后模型的各个状态进行转换。

Claims (11)

1.一种用于确定作用于机器人臂（2）的节肢上的转矩的方法，其中，所述机器人臂（2）具有多个依次设置的节肢（3-7），其中所述节肢中的第一节肢（4）相对于第二节肢（5）关于转动轴（A2）可转动地安装，并能够借助于相对于所述第二节肢（4）位置固定的电动机（11）和与该电动机（11）后置连接的传动装置（12）关于所述转动轴（A2）转动，该方法具有以下步骤：

确定所述传动装置（12）的面向所述电动机（11）的驱动侧的转动角度

和背向所述电动机（11）的从动侧的转动角度

以及

根据所确定的所述传动装置（12）的驱动侧的转动角度

和从动侧的转动角度

以及基于所述传动装置（12）的数学模型（20）来确定作用于所述第一节肢（4）上的转矩，所述数学模型（20）特别是考虑到所述传动装置（12）的弹性特性。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述传动装置（12）具有与所述电动机（11）相连接的驱动侧的轴（14），至少间接地与所述第一节肢（5）相连接的从动侧的轴（15）和至少一个设置在所述传动装置（12）的两个轴（14，15）之间、用于实现所述传动装置（12）的传动比的传动连接件（16），其中，所述驱动侧的转动角度

是所述驱动轴（14）的转动角度，而所述从动侧的转动角度是所述从动轴（15）的转动角度。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括：通过确定所述电动机（11）、特别是其轴（13）的转动角度来确定所述驱动侧的转动角度

4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，通过以下公式计算所述转矩：

其中，τ为作用在所述第一节肢（5）上的转矩，函数

为所述数学模型（20）。

5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，对于所述传动装置（12）的数学模型（20），考虑特别是与所述传动装置（12）的转动方向相关的滞后性。

6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，在所述数学模型（20）中考虑特别是至少一个传动连接件（16）的传动误差。

7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其中，所述电机是电力电机（11），并且该方法具有以下方法步骤：

确定所述电力电机（11）的电流（i），以及

根据所确定的所述传动装置（12）的驱动侧的转动角度

和从动侧的转动角度

并基于所述传动装置（12）的数学模型（20），根据所确定的电流（i）至少间接地修正所确定的作用于所述第一节肢（5）上的转矩。

8.如权利要求7所述的方法，具有以下附加的方法步骤：

根据所确定的电流（i）和所述电动机（11）的模型确定另一个转矩，以及

将所述转矩与所述另一个转矩合并，以获得作用于所述第一节肢（5）上的合成转矩。

9.如权利要求7所述的方法，包括：使用所述电流（i），以支持所述数学模型（20）。

10.一种工业机器人，具有：

机器人臂（2），其包括多个依次设置的节肢（3-7），其中第一节肢（4）相对于第二节肢（5）关于转动轴（A2）可转动地安装，并能够借助于相对于所述第二节肢（4）位置固定的电动机（11）和与该电动机（11）后置连接的传动装置（12）关于所述转动轴（A2）转动，

第一角度测量装置（17），用于确定所述传动装置（12）的面向所述电动机（11）的驱动侧的转动角度

第二角度测量装置（18），用于确定所述传动装置（12）的背向所述电动机（11）的从动侧的转动角度

和

与所述两个测量装置（17，18）相连接的控制装置（9），用于在所述工业机器人（1）的运行中控制所述电动机（11），所述传动装置（12）的数学模型（20）存储在该控制装置（9）中，该数学模型（20）特别是考虑到所述传动装置（12）的弹性特性，并且该控制装置（9）设计为，根据所确定的所述传动装置（12）的驱动侧的转动角度

和从动侧的转动角度

并基于所述数学模型（20），特别是根据如权利要求1到9中任一项所述的方法，来确定作用于所述第一节肢（5）上的转矩。

11.如权利要求10所述的工业机器人，其中，所述第一测量装置（17）设置用于确定所述电动机（11）的轴（13）的转矩，以确定所述驱动侧的转动角度

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