CN110366818B

CN110366818B - 机器人的控制方法

Info

Publication number: CN110366818B
Application number: CN201880014523.8A
Authority: CN
Inventors: 中田广之; 桥本敦实; 山本良祐; 本内保义
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2038-02-19
Also published as: WO2018159341A1; US11298819B2; CN110366818A; EP3576298A4; EP3576298B1; EP3576298A1; JP6975886B2; JPWO2018159341A1; US20190375098A1

Abstract

一种机器人的控制方法，使用伺服电机来进行机器人臂的运动控制，在外部空气温为规定值以下(步骤15‑3)、并且电机电流指令的绝对值为规定值以下(步骤15‑4)、并且过载检测值为规定值以下(步骤15‑5)的情况下，对所述电机电流指令相加d轴电流(步骤15‑6、步骤15‑8)。

Description

机器人的控制方法

技术领域

本公开涉及机器人的控制方法，涉及减少低温时的减速机润滑脂粘性摩擦增大所导致的机器人动作不良的机器人的控制方法。

背景技术

在经由减速机来使伺服电机驱动从而使部件进行动作的控制设备中，在气温低于5℃的低温时，可能减速机中使用的润滑脂(以下，记载为“减速机润滑脂”)的粘性变高，粘性摩擦增大。这样，存在伺服电机的产生转矩由于摩擦而抵消、驱动转矩不足从而不能得到满足的性能的情况。

因此，提出了一种通过不流过产生伺服电机的转矩的电流(以下称为q轴电流)而流过无功分量电流(以下称为d轴电流)，来使电机发热，从而减少减速机润滑脂的粘性摩擦的方法(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP专利第4292871号公报

发明内容

但是，在上述的专利文献1的技术中，根据温度传感器和q轴电流的大小来决定相加的d轴电流的大小。因此，在原本磁场削弱控制中流过d轴电流的情况下，进一步追加d轴电流，从而可能表观电流(q轴电流与d轴电流的矢量和)超过允许最大值，导致电机磁体的退磁。

此外，一般地，在控制机器人的控制装置中，为了防止减速机的故障、与外部的接触等而产生的过载所导致的电机的过加热，搭载了过载检测功能。由于过载检测中使用表观电流，因此若不考虑过载检测功能而加上d轴电流，则表观电流增加，可能误检测过载。这样，为了防止电机的过加热，机器人可能停止。

本公开鉴于该情况而作出，其目的在于，提供一种在不产生电机退磁以及过载检测错误的情况下，通过电机的发热，能够减少低温时的减速机润滑脂的粘性摩擦的机器人的控制方法。

为了实现上述的目的，在这里公开的技术中，在电机电流指令的绝对值以及过载检测电平为规定值以下的情况下相加d轴电流。由此，不会产生电机退磁以及过载，通过电机的发热，进行低温时的减速机润滑脂摩擦减少。因此，能够在表观电流不超过允许最大值的情况下，进而在不产生基于过载检测错误的机器人停止的情况下，减少低温时的减速机润滑脂的粘性摩擦。

如以上说明那样，根据本公开的机器人的控制方法，能够在不产生电机退磁以及过载错误的情况下，通过电机的发热，减少低温时的减速机润滑脂的粘性摩擦。

附图说明

图1是表示本实施方式中的垂直多关节6轴机器人的示意结构的图。

图2是表示与本实施方式中的垂直多关节的机器人的位置控制有关的结构的框图。

图3是表示现有的伺服控制部的结构的框图。

图4是用于对现有的电机指令电流Im的矢量进行说明的图。

图5是表示图3的d轴相加0模块的详细的图。

图6是表示现有的伺服控制部的结构的框图。

图7是表示图6的d轴相加1模块的详细的图。

图8是对图7中的动作进行说明的流程图。

图9是用于对现有的电机指令电流的矢量进行说明的图。

图10是用于对现有的电机指令电流超过最大允许值进行说明的图。

图11是本实施方式中的过载检测的流程图。

图12是表示本实施方式中的电机时限曲线的图。

图13是表示本实施方式中的伺服控制部的结构的框图。

图14是表示图13中的d轴相加2模块的详细的图。

图15是对图14中的动作进行说明的流程图。

图16是用于对Ia2＜Iath2成立的情况下的电流矢量进行说明的图。

图17是用于对本实施方式中的电机指令电流Im的矢量进行说明的图。

图18是表示本实施方式中的过载检测值、电机指令电流的绝对值以及d轴电流相加设定值的推移的图。

具体实施方式

以下，基于附图来对本实施方式详细进行说明。以下的优选的实施方式的说明本质上仅仅为示例。

图1是表示本实施方式所涉及的垂直多关节6轴机器人的示意结构的图。如该图所示，垂直多关节6轴机器人包含机器人机械装置(robot mechanism)61和机器人控制装置62。这里，机器人机械装置61具有未图示的多个臂以及关节轴，使用设置于各关节轴的附近的减速机来驱动各臂。

图2是表示机器人机械装置61与机器人控制装置62的内部结构的框图。这里，特别地，记载与垂直多关节6轴机器人的位置控制有关的结构。

如图2所示，在机器人控制装置62的内部，设置操作/显示部63、主控制部64以及第1伺服控制部65至第6伺服控制部。操作/显示部63接受与机器人机械装置61的臂等的移动有关的指示。主控制部64对机器人机械装置61的臂等的移动的轨迹进行存储。并且，若操作/显示部63接受指示，则按照与该指示对应的移动的轨迹，向机器人的各轴输出机器人的各轴(例如6轴)的位置指令θcom1至θcom6。这样，机器人的各轴的第1伺服控制部65至第6伺服控制部分别对机器人机械装置61内的第1电机66至第6电机进行控制，以使得追随该位置指令。在各电机分别设置减速机53。

这里，在对本实施方式的伺服控制部65进行说明之前，对现有的伺服控制部进行说明。

图3是表示现有的伺服控制部的结构的框图。位置控制模块6对位置指令θcom与电机位置反馈θm的差值乘以位置比例增益5，生成速度环指令ωcom。电机位置反馈θm可从安装于电机的位置检测器即编码器51得到。

速度控制模块10对速度环指令ωcom与电机速度反馈ωm的差值乘以速度比例增益8。电机速度反馈ωm可通过微分要素32来对电机位置反馈θm进行微分而得到。进一步地，将对该差值的积分值乘以速度积分增益9而得到的值加上乘以速度比例增益8的值，生成电机转矩电流指令Iq。

这里，在通过高速旋转来驱动电机的情况下，存在需要磁场削弱控制的情况。若进行磁场削弱控制，则能够减弱与电机旋转成正比地增大的电机反电动势。也就是说，即使高速旋转时，也可确保电机反电动势与电源电压的差，因此电机中能够流过电流，能够驱动电机。

通常，磁场削弱控制通过将电机无功电流分量的磁场削弱电流指令Id0与电机转矩电流指令Iq矢量相加来实现。此时，电机指令电流Im能够通过以下的(式1)来计算。

Im＝Iq+j×Id0 (式1)

其中，j：虚数单位(表示无功分量)

该计算通过图3的d轴电流相加0模块100来执行。若通过矢量图来表示(式1)来成为图4。图5是表示d轴电流相加0模块100的详细的框图。

如图5所示，磁场削弱电流指令Id0可使用电机速度反馈ωm和电机转矩电流指令Iq来计算。电机驱动的速度以及转矩越大，则越需要增大磁场削弱的效果(更加抑制电机的反电动势)。为了增大磁场削弱的效果，需要增大磁场削弱电流指令Id0。磁场削弱电流指令Id0例如能够通过以下的(式2)来计算。

Id0＝k1×ωm+k2×Iq (式2)

其中，k1：速度比例系数，k2：转矩比例系数

这里，若机器人是停止状态，则在未施加重力的轴，可能ωm＝0、Iq＝0，Id0＝0、Im＝0。在该情况下，电机中未流过电流，因此电机不发热。在低温状态下减速机润滑脂凝固的情况下，不能对凝固的减速机润滑脂进行加热。

因此，在专利文献1中，按照温度传感器以及电机转矩电流指令Iq来决定d轴电流相加值Id1，即使在电机停止时也流过无功电流分量从而使电机发热。由此，提出加热减速机润滑脂来减少减速机润滑脂的粘性摩擦的方法。

图6是表示现有的伺服控制部的结构的框图。与图3的不同在于，编码器52内置温度传感器并输出温度传感器值Tc，以及取代d轴电流相加0模块100而具备d轴电流相加1模块150。

图7是表示d轴电流相加1模块150的详细的框图。图8是表示d轴电流相加1模块150的动作的流程图。

在图8的步骤8-1中，计算磁场削弱电流指令Id0。步骤8-1通过图7的磁场削弱模块102而被执行。

在步骤8-2中，判断温度传感器值Tc是否小于温度传感器阈值Tcth。若温度传感器值Tc小于温度传感器阈值Tcth则进入步骤8-3，除此以外则进入步骤8-5。

在步骤8-3中，判断电机转矩电流指令Iq的绝对值是否小于电机转矩电流阈值Iqth。若电机转矩电流指令1q的绝对值小于电机转矩电流阈值Iqth则进入步骤8-4，除此以外则进入步骤8-5。

在步骤8-4中，对d轴电流相加值Id1设定d轴电流相加设定值Id_add。

另一方面，在步骤8-5中，对轴电流相加值Id1设定“0”。

以上，步骤8-2～8-5通过图7的d轴相加判定1模块104而被执行。

在步骤8-6中，电机指令电流Im通过以下的(式3)而被计算。

Im＝Iq+j×(Id0+Id1) (式3)

图9表示ωm＝0、Iq＝0以及Id0＝0的状态(即，机器人停止并且未施加重力的状态)下，温度传感器输出值Tc＜Tcth、即低温的情况下的矢量图。此时，根据(式2)以及(式3)，电机指令电流Im＝j×Id1，因此电机中流过无功分量电流，电机被加热。

通过电机被加热，从而能够对低温下凝固的减速机润滑脂进行加热，减少减速机润滑脂的粘性摩擦。

但是，在该方法中，原本磁场削弱中流过d轴电流的情况下(Id0≠0的情况下)，可能电机指令电流Im超过最大允许值、或者产生过载错误。

电机指令电流Im的绝对值Ia能够通过以下的(式4)来计算。

Ia＝|Im|＝√(Iq²+(Id0+Id1)²) (式4)

流过电机的电流中存在最大允许值。若电机电流的绝对值超过最大允许值，则可能产生电机的绕组的损伤、电机的磁体的退磁。

另外，在加上d轴电流相加值Id1之前，可能电机指令电流Im的绝对值Ia已经达到最大允许值。即使电机转矩电流指令Iq的绝对值小于电机转矩电流阈值Iqth，通过加上磁场削弱电流指令Id0，也可能电机指令电流Im的绝对值Ia达到Im最大允许值。

若对此加上用于应对低温的无功电流即d轴电流相加值Id1，则如图10所示那样，电机指令电流Im的绝对值Ia超过Im最大允许值。

换句话说，如专利文献1那样，若仅通过电机转矩电流指令Iq的监视来决定d轴电流相加值Id1，则电机指令电流Im的绝对值Ia可能超过Im最大允许值。这样，可能产生电机的绕组的损伤、电机的磁体的退磁。

接着，对过载检测功能进行说明。过载检测功能是对过载进行检测，以使得电机指令电流Im的绝对值Ia的时间累计值不超过电机的绕组的温度上升的极限值。

图12是电机时限特性曲线。电机时限特性曲线的纵轴是电机电流的输出时间，横轴是电机电流值(最大比)。图12的虚线表示极限值特性。极限值特性表示电机的绕组的温度上升达到极限值时的时间以及电机电流值。即，电机的温度上升达到极限值是，在电机电流值为40％的情况下，电机电流的输出时间达到约100秒时。在电机电流值为50％的情况下，电机电流的输出时间达到约25秒时。电机电流值为70％的情况下，电机电流的输出时间达到约8秒时。

因此，在过载检测功能中，进行过载检测，以使得电机指令电流Im的绝对值Ia的时间累计值为该极限值以下。

图11是过载检测的流程图。该处理是按照每一定周期ΔT执行的。

在步骤11-1中，通过以下的(式5)来求取过载检测值OLdet。

OLdet＝OLdet(n-1)+(Ia-Iath)×ΔT (式5)

其中，Iath：过载检测电流阈值

ΔT：过载检测周期

另外，(式5)的OLdet(n-1)是1周期前的过载检测值(OLdet)。在步骤11-2中，将该过载检测值OLdet与第1过载阈值OLth进行比较，在下述(式6)的条件成立时，判定为过载。

OLdet≥OLth (式6)

在步骤11-2的判定为“是”的情况下，判定为过载状态，在步骤11-3中停止电机。然后，步骤11-4中进行异常显示，结束过载检测的处理。另外，异常显示为了对用户通知异常，在图2所示的操作/显示部63显示为“过载检测”。

在步骤11-2的判定为“否”的情况下，判定为不是过载状态，结束过载检测的处理。

图12的实线表示过载检测阈值特性。过载检测阈值特性作为一个例子，表示设为Iath＝33以及OLth＝100的情况下，(式6)中OLdet＝OLth时的时间以及电机电流值(最大比)。过载检测阈值特性(实线)被设定为低于极限值特性(虚线)。这表示(式5)中所示的过载检测值OLdet的计算方法妥当。

返回到图6，对气温较低的情况下产生的减速机润滑脂的粘性摩擦的问题进行说明。

通过式子来表现图6中的表示电机以及外力的模块18的结果为下述的(式7)以及(式8)。在假定为减速机53是刚体的情况下，从电机驱动侧观察的电机产生转矩τm通过(式7)而被表示，从负载侧观察的电机产生转矩τm通过(式8)而被表示。

(式7)中没有使用Im而使用Iq是因为：对转矩产生有效的分量是Iq。(式8)中没有使用减速机输出位置θL而使用电机的位置反馈θm的微分值ωm是因为：假定为减速机53是刚体，因此减速机输出位置θL仅仅是对位置反馈θm乘以减速比(比例系数)得到的值。

τm＝Kt×Iq (式7)

τm＝τdyn+τdis+Jm×αm+D×ωm+τμ (式8)

其中，

Kt：电机转矩常量

Iq：电机电流

αm：电机角加速度(ωm的微分值)

ωm：电机角速度

Jm：电机惯性(转子+减速机初级侧)

D：粘性摩擦系数

τμ：动摩擦转矩

τdyn：动力学转矩(重力转矩、惯性力、离心力、科里奥利力的和)

τdis：碰撞转矩

这里，动摩擦转矩τμ能够通过以下的(式9)来计算。

τμ＝Kμ×sgn (式9)

其中，Kμ：动摩擦的大小

sgn：1(ωm＞0)，或者0(ωm＝0)，或者-1(ωm＜0)

若气温降低，特别是为5℃以下，则(式8)的粘性摩擦系数D显著地增大。因此，负载侧的驱动所需的电机产生转矩τm也增大，产生该转矩的电机转矩电流指令Iq也增大。其结果，通过(式4)来计算的电机指令电流Im的绝对值Ia也增大。

换句话说，即使机器人的动作与气温为20℃前后的常温时相同，在5℃以下的低温时，电机指令电流Im的绝对值Ia增加，通过(式6)来计算的过载检测值OLdet也增大。

作为对此低温对策，若相加d轴电流相加值Id1，则电机指令电流Im的绝对值Ia进一步增大，过载检测值OLdet也进一步增大。并且，若过载检测值OLdet增大直到(式6)的条件成立，则产生过载检测错误并且控制设备停止。

因此，为了不产生电机退磁以及过载检测错误，减少低温时的减速机润滑脂的粘性摩擦，以下对本实施方式所涉及的第1伺服控制部65进行说明。

图13是表示本实施方式的第1伺服控制部65的结构的框图。与图6的不同在于：追加了过载检测模块204，以及取代d轴电流相加1模块150而具备d轴电流相加2模块200。

图14是表示d轴电流相加2模块200的详细的框图。与图7的不同在于，设置有相加前绝对值运算模块205。

图15是表示图14的动作、即本实施方式的机器人的控制方法的流程图。

在步骤15-1中，通过图14的磁场削弱模块102来计算磁场削弱电流指令Id0。

在步骤15-2中，在图14的相加前绝对值运算模块205中，通过(式10)来求取d轴电流相加前的电机指令电流Im的绝对值Ia2。

Ia2＝√(Iq²+Id0²) (式10)

在步骤15-3中，对温度传感器值Tc与温度传感器阈值Tcth进行比较。若温度传感器值Tc小于温度传感器阈值Tcth则进入到步骤15-4，除此以外则进入到步骤15-7。

在步骤15-4中，对步骤15-2中计算出的Ia2与电流绝对值阈值Iath2进行比较。若Ia2小于Iath2则进入到步骤15-5，除此以外则进入到步骤15-7。

这里，图16表示d轴电流相加前的电机指令电流Im的绝对值Ia2小于电流绝对值阈值Iath2的情况下的电流矢量。在步骤15-4中，确认即使对d轴电流相加前的电机指令电流Im加上后述的d轴电流相加值Id1A，电机指令电流Im的绝对值Ia也不超过最大允许值。

接下来，在步骤15-5中，对过载检测值OLdet与第2过载阈值OLth2进行比较。过载检测值OLdet是通过图13的过载检测模块204而被计算的。若过载检测值OLdet小于第2过载阈值OLth2则进入到步骤15-6，除此以外则进入到步骤15-7。另外，第2过载阈值OLth2的值被设定为低于第1过载阈值OLth的值。

在步骤15-6中，对d轴电流相加值Id1A设定d轴电流相加设定值Id_addA。

另一方面，在步骤15-7中，对d轴电流相加值Id1A设定“0”。

以上，步骤15-3～15-7通过图14的d轴相加判定2模块202而被执行。

在步骤15-8中，电机指令电流Im通过以下的(式11)而被计算。

Im＝Iq+j×(Id0+Id1A) (式11)

图17表示通过(式11)而被计算的电机指令电流Im。在图17中，可知虽然图16中相加Id1A，但电机指令电流Im的绝对值Ia未超过最大允许值。

接下来，使用图18的(a)～(c)，对本实施方式的过载检测进行说明。这里，步骤15-3的条件(Tc＜Tch)始终成立。

图18的(a)表示过载检测值，图18的(b)表示电机指令电流的绝对值，(c)表示d轴电流相加设定值。这里，以步骤15-5的条件(OLdet＜OLth2)成立直到时间t1为止的情况为例来进行说明。

到时间t1为止，在步骤15-4的条件(Ia2＜Iath2)成立的期间，执行步骤15-6以及步骤15-8的处理，相加d轴电流。因此，通过(式5)而被计算的过载检测值OLdet增加的比例较多，到时间t1为止大体来看处于增加趋势。

若在时间t1，步骤15-5的条件变为不成立，则以后，在步骤15-7中，Id1A＝0，不相加d轴电流。因此，基于d轴电流相加的过载检测值OLdet的增加趋势不存在，能够防止过载检测值OLdet超过第1过载阈值OLth。即，能够防止过载检测错误的产生。

如以上说明那样，本实施方式的机器人的控制方法是使用经由减速机的伺服电机来进行机器人臂的运动控制的机器人的控制方法，其特征在于，具备：对气温为规定值以下进行判定的步骤、对电机电流指令的绝对值为规定值以下进行判定的步骤、和对过载检测等级为规定值以下进行判定的步骤，相加d轴电流。

另外，图2的机器人控制装置62中包含的第2伺服控制部至第5伺服控制部分别是与图13至图18中说明的第1伺服控制部65相同的结构，因此省略说明。

产业上的可利用性

本公开的机器人控制方法不产生电机退磁以及过载错误，能够通过电机发热而减少低温时的减速机润滑脂的粘性摩擦，因此在应用于焊接机器人等的工业用机器人上有用。

-符号说明-

5 位置比例增益

6 位置控制模块

8 速度比例增益

9 速度积分增益

10 速度控制模块

18 表示电机以及外力的模块

32 微分要素

51 编码器

52 编码器

53 减速机

61 机器人机械装置

62 机器人控制装置

63 操作/显示部

64 主控制部

65 伺服控制部

66 电机

100 d轴电流相加0模块

102 磁场削弱模块

104 d轴相加判定1模块

150 d轴电流相加1模块

200 d轴电流相加2模块

202 d轴相加判定2模块

204 过载检测模块

205 相加前绝对值运算模块

Ωm 电机速度反馈

θcom 位置指令

θm 位置反馈

θL 减速机输出位置

ωcom 速度环指令

Im 电机指令电流

τm 电机产生转矩

τdyn 动力学转矩(重力转矩、惯性力、离心力、科里奥利力的和)

τμ 动摩擦转矩

τdis 碰撞转矩

Tc 温度传感器输出值

Iq 电机转矩电流指令

Id0 磁场削弱电流指令

Id1 d由电流相加值

Ia 电机指令电流Im的绝对值

Ia2 d轴电流相加前的电机指令电流Im的绝对值

Iath 过载检测电流阈值

Iath2 电流绝对值阈值(d轴电流相加判定用)

Id1A d轴电流相加值

Id_addA d轴电流相加设定值

OLdet 过载检测值

OLth 第1过载阈值(过载判定用)

OLth2 第2过载阈值(d轴电流相加判定用)

Claims

1.一种机器人的控制方法，使用伺服电机来进行机器人臂的运动控制，

在气温为规定值以下、并且电机电流指令的绝对值为规定值以下、并且过载检测值为规定值以下的情况下，对所述电机电流指令相加d轴电流，

所述过载检测值是对所述电机电流指令的绝对值进行时间累计而得到的值。

2.根据权利要求1所述的机器人的控制方法，其中，

所述机器人的控制方法包含：

对气温是否为第1规定值以下进行判定的步骤；

在气温为所述第1规定值以下的情况下，对电机电流指令的绝对值是否为第2规定值以下进行判定的步骤；

在电机电流指令的绝对值为所述第2规定值以下的情况下，对过载检测值是否为第3规定值以下进行判定的步骤；和

在过载检测值为所述第3规定值以下的情况下，对电机电流指令相加d轴电流的步骤。