CN1265057A

CN1265057A - 机器人的控制方法和控制装置

Info

Publication number: CN1265057A
Application number: CN98807464A
Authority: CN
Inventors: 尾岛正夫; 仮屋崎洋和; 富崎秀德
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 2000-08-30
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: DE69838142D1; DE69838142T2; JPH10329063A; EP1023973A4; WO1998053962A1; JP3981773B2; KR20010012899A; KR100537325B1; CN1120077C; US6295484B1; CA2291012A1; CA2291012C; EP1023973B1; EP1023973A1

Abstract

一种控制多轴式机器人的方法,机器人的一个机构的弹簧元件设在各轴电动机与机器人臂之间。该方法能提高工具端部走道的精确度而不致因各轴之间的机械干扰而引起振动,也不会使电动机高频振动。模拟控制器接收与电动机有关的位置指令并给起动和控制电动机和机器人臂的反馈控制器输出模拟电动机位置指令模拟电动机转速指令和模拟前馈指令。模拟控制器中装有校正量,以消除干扰力。模拟控制器输出加有校正量的模拟前馈指令。

Description

机器人的控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人控制装置，供控制象工业机器人之类的多轴式机器人，更具体地说，涉及一种能抑制各轴之间机械干扰产生的振动的机器人控制方法和控制装置。

背景技术

通常，各轴由电动机控制的工业机器人在负载状态下是通过谐波齿轮传动装置等之类驱动其各臂的。这类传动装置的减速比大，能补偿电动机动力的不足，且能最大限度地减小负荷的作用力产生的干扰影响。由于中间齿轮的减速比大，因而各控制轴之间的机械干扰迄今未造成重大问题。然而，近来越来越多对机器人提出的高速和高精确度操作要求日益集中在以下两个因素引起的问题，一个因素是不能用PI(比例加积分)控制过程补偿的机械作用，另一个因素是即使臂是在大减速比下驱动也不能忽略不计的干扰。

本申请人提一项关于一种抑制多轴式机器人各轴间干扰引起的振动的方法的发明，公开在日本公开专利申请平9-222910(JP，A，09222910)中。所述多轴式机器人有一个机构具有象减速器之类的弹簧元件设在各轴的电动机与机器人的臂之间。按照该专利的方法，与多轴式机器人的各轴有关的状态观测器预测电动机与负荷之间的扭角，用预测出的扭角计算干扰力，根据干扰力确定校正转矩加到电动机的转矩上输出出去。

然而，在上述专利的方法中，校正转矩是这对状态观测器预测出的扭角值进行微分计算出来的，因而噪声势必引入校正转矩中，使电动机运转时高频振动，声音很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高工具端部的走道精确度而不致因各轴间的机械干扰而引起振动，也不致使电动机高频振动的机器人控制方法。

本发明的另一目的是提供一种能提高工具端部的走道精确度而不致因各轴间的机械干扰而引起振动也不致使电动机高频振动的机器人控制装置。

本发明上述的第一个目的可以通过这样一种控制多轴式机器人的方法达到。在这种机器人控制方法中，多轴式机器人是控制对象，具有一个机构，机构的多个弹簧元件设在各轴的电动机与机器人臂之间。所述方法包括下列步骤：提供控制对象的伪模型和控制对象的反馈控制系统；收到各电动机的位置指令时用伪模型计算各轴的模拟电动机位置指令、模拟电动机转速指令和模拟前馈指令；用伪模型确定因其它轴作用在各轴之间的干扰引起的干扰转矩，并计算模拟校正转矩以消除干扰转矩；往模拟前馈指令中加入模拟校正转矩，得出最终模拟电动机加速指令；和根据模拟电动机位置指令、模拟电动机转速指令和最终模拟电动机加速指令进行对各轴的反馈控制程序。

本发明的另一个目的可用这样一种控制多轴式机器人的装置来达到，多轴式机器人具有一个机械，机构的多个弹簧元件设在各轴的电动机与机器人臂之间，所述机器人控制装置包括：一个模拟控制器，供接收各电动机的位置指令并计算各轴的模拟电动机位置指令、模拟电动机转速指令和模拟前馈指令；和多个反馈控制器，供根据模拟控制器输出的指令驱动和控制各电动机和机器人各臂；模拟控制器有多个校正量计算器供确定因其它轴作用在各轴间的干扰引起的干扰转矩和计算模拟校正转矩以消除干扰转矩，从而模拟控制器输出加有模拟校正转矩的模拟前馈指令。

本发明计算校正量时，干扰转矩可以从作为模拟电动机与模拟机器人臂之间位置差的模拟扭角计算出来。

按照本发明，取机器人的某轴接收另一轴的干扰力为干扰转矩，再由模拟控制器加以校正。根据校正量(校正转矩)得出的标准状态量提供给反馈控制器。由于消除干扰力的校正量是用模拟量(例如模拟扭角)计算出来的，因而即使进行微分计算时也不会有噪声成分加入校正量中，这样就可以避免电动机在运转过程中的高频振荡和由此产生的声音加剧，而且提高机器人工具的走道精确度。

附图简介

图1是本发明一个实施例的机器人控制装置的控制方框图。

图2是模拟控制器的控制方框图。

发明的最佳实施例

下面参看附图说明本发明的一个实施例。虽然为便于说明起见这里介绍的是双轴式机器人，但本发明也适用于多轴式机器人，例如三轴或三轴以上的机器人，只要将以下的说明中轴的数目加以扩大即可，这是本技术领域的一般技术人员所不难理解的。这里假设，两轴用L轴和U轴表示，L轴有关的指令和量用表示这些指令和量、带后缀“-L”的变量表示，U轴有关的指令和量同样用表示这些指令和量、带后缀“-U”的变量表示。

图1示出了各轴近似于双惯性系统的机器人控制系统的基本结构。双质量系统包括电动机11_L，11_U，象减速器之类的弹簧元件12_L，12_U和机器人臂13_L，13_U。假设电动机11_L，11_U的各转矩常数用K_{t_L}，K_{t_U}表示，各轴电动机11_L，11_U的各实际位置用θ_{m_L}，θ_{m_U}表示，电动机的各实际转速用表示，电动的各实际加速度用

表示，减速器12_L，12_U的各减速比用N__L，N__U表示，减速器的各弹簧常数用K_{c_L}，K_{c_U}表示，各臂13_L，13_U的各惯性矩用J_{L_L}，J_{L_U}表示，各臂的各实际位置用θ_{L_L}，θ_{L_U}表示，各臂的各加速度(即负荷的各加速度)用，θ_{L_U}表示。

此外，还假设，为表示U轴与L轴之间的干扰，将L轴的负载转矩乘以M_LU/M_O ²值并使其作用到U轴的负载加速度上，其中M_LU/M_O ²值由各机器人臂的质量和两轴的夹角确定。同样，U轴的负载转矩乘以M_UL/M_O ²值，且作用到L轴的负载加速度上。

电动机11_L，11_U与相应的传感器(图中未示出)有关，电动机11_L，11_U的实际位置即由这些传感器输出。

机器人控制装置分别根据各轴的电动机位置指令X_{ref_L}，X_{ref_U}控制L轴和U轴。机器人控制装置具有相应的反馈控制器10_L，10_U、模拟控制器1和控制对象。反馈控制器10_L，10_U供在L轴和U轴上履行反馈控制程序。模拟控制器1作为反馈控制器10_L，10_U的伪模型。模拟控制器1接收电动机位置指令X_{ref_L}，X_{ref_U}，根据机器人的动力学计算各轴的前馈指令U_{FF_L}，U_{FF_U}，完成各轴在电动机11_L，11_U加速上的前馈补偿，并按标准模型计算并输出电动机位置θ_{Mm_L}，θ_{Mm_U}、电动机转速

、扭角θ_{Ms_L}，θ_{Ms_U}和各轴的扭转角速度，θ_{Ms_U}。从模拟控制器1输出的各元件以下都加有前缀“模拟”。

在反馈控制器10_L，10_U中，各轴的位置增益用K_{p_L}，K_{p_U}表示，各轴的转速增益用K_{v_L}，K_{v_U}表示。反馈控制器10_L，10_U输出各最终加速指令U_{ref_L}，U_{ref_U}提供给各电动机11_L，11_U，加速指令U_{ref_L}，U_{ref_U}由各驱动电路14_L，14_U转换成各电流指令I_{ref_L}，I_{ref_U}。电动机11_L，11_U由各电流指令I_{ref_L}，I_{ref_U}起动。

机器人控制装置还具有供L轴和U轴使用的相应的状态观测器2_L，2_U，电动机的最终加速指令、电动机的实际位置θ_{m_L}，θ_{m_U}和预计的实际扭角θ_{s_L}，θ_{s_U}及其扭转角速度即提供给相应的状态观测器2_L，2_U。状态观测器2_L，2_U最好是例如日本公开专利申请平9-222910中公开的那一种。状态观测器2_L，2_U预测出的预计值分别输出给反馈控制器10_L，10_U。

反馈控制器10_L，10_U将从模拟控制器1输出的模拟电动机位置θ_{Mm_L}，θ_{Mm_U}与实际电动机位置θ_{m_L}，θ_{m_U}之间的差值乘以位置增益K_{p_L}，K_{p_U}，得出各轴的转速指令。如此得出的转速指令加上模拟电动机转速

与实际电动机转速之间的转速差，得出的和再乘以转速增益K_{v_L}，K_{v_U}，从而得出加速指令。加速指令加上(a)模拟控制器1来的前馈指令U_{FF_L}，U_{FF_U}、(b)模拟扭角θ_{Ms_L}，θ_{Ms_U}与状态观测器2_L，2_U输出的扭角θ_{s_L}，θ_{s_U}之间的差值与反馈增益K_{1_L}，K_{1_U}的乘积和(c)模拟扭转角速度θ_{Ms_L}，θ_{Ms_U}与状态观测器2_L，2_U输出的扭转角速度

之间的差值与反馈增益K_{2_L}，K_{2_U}的乘积，从而得出各轴的最终电动机加速指令U_{ref_L}，U_{ref_U}。

在上述机器人控制系统中，根据如此得出的电动机加速指令U_{ref_L}，U_{ref_U}起动各轴电动机11_L，11_U，从而经减速比分别为N_{_L}，N_{_U}的减速器12_L，12_U驱动各轴的器臂13_L，13_U。这时，如上所述，各轴之间的干扰力影响各轴的负载加速度。

下面谈谈模拟控制器1的一种结构。图2详细示出了模拟控制器1的结构，它由一个表示反馈控制器、电动机、减速器和机器人臂的伪模型组成。伪模型中各轴的位置增益和转速增益分别为模拟位置增益K_pM-L，K_{pM_U}和模拟转速增益K_{vM_L}，K_{vM_U}。同样，模拟电动机惯性矩J_{mM_L}，J_{mM_U}、模拟臂惯性矩J_{LM_L}，J_{LM_U}、模拟减速比N_{M_L}，N_{M_U}和模拟减速器弹簧常数K_{cM_L}，K_cM-U定为模拟参数。

模拟控制器1接收供来的各轴电动机位置指令X_{ref_L}，X_{ref_U}，将电动机位置指令X_{ref_L}，X_{ref_U}与模拟电动机位置θ_{Mm_L}，θ_{Mm_U}之间的差值乘以模拟位置增益K_{pM_L}，K_{pM_U}，从而得出各轴的模拟速指令。模拟控制器1将这些模拟转速指令减去各轴模拟电动机转速

得出的各值乘以模拟转速增益K_{vM_L}，K_{vM_U}，从而得出各轴的模拟加速指令。接着，模拟控制器1从模拟加速指令减去从模拟减速器得出的模拟扭角θ_{Ms_L}，θ_{Ms_U}乘以模拟反馈增益K_{1M_L}，K_{1M_U}得出的乘积和对模拟扭角θ_{Ms_L}，θ_{Ms_U}进行微分时得出的模拟扭转角速度

乘以模拟反馈增益K_{2M_L}，K_{2M_U}得出的乘积，从而得出模拟加速指令U_{Mref_L}，U_{Mref_U}。模拟加速指令U_{Mref_L}，U_{Mref_U}加到模拟电动机上。这样，模拟加速指令U_{Mef_L}，U_{Mref_U}可用下式表示：

U_{Mref_L} = K_{pM_L} \cdot K_{vM_L} (X_{ref_L} - θ_{Mm_L}) - K_{vM_L} \cdot {\dot{θ}}_{Mm_L}

- K_{1 M_L} \cdot θ_{Ms_L} - K_{2 M_L} \cdot {\dot{θ}}_{Ms_L} - - - - - (1)

U_{Mref_U} = K_{pM_U} \cdot K_{vM_U} (X_{ref_U} - θ_{Mm_U}) - K_{vM_U} \cdot {\dot{θ}}_{Mm_U}

- K_{1 M_U} \cdot θ_{Ms_U} - K_{2 M_U} \cdot {\dot{θ}}_{Ms_U} - - - - - (2)

在实施例假设的两轴式机器人的情况下，如上所述，由于干扰的原因，因而L轴的负载转矩乘以根据机器人臂的质量和各轴间的夹角确定的M_LUM/M_oM ²值，且影响U轴的负载加速度。同样，U轴的负载转矩乘以M_ULM/_MoM ²值，且影响L轴的负载加速度。若认为上述干扰是影响各臂的干扰，则就L轴而言，器臂因干扰而引起的振动可以通过给模拟电动机加速指令U_{Mref_L}加上用下式表示的模拟校正转矩T_{comp_L}加以削弱：

T_{comp_L} = - \frac{K_{pM_L} \cdot K_{vM_L} \cdot N_{M_L} \cdot D_{is_UL}}{K_{cM_L}} - \frac{K_{vM_L} \cdot N_{M_L} \cdot {\dot{D}}_{is_UL}}{K_{cM_L}} - \frac{K_{1 M_L} \cdot D_{is_UL}}{K_{cM_L}}

- \frac{K_{2 M_L} \cdot {\dot{D}}_{is_UL}}{K_{cM_L}} - \frac{D_{is_UL}}{J_{mM_L} \cdot N_{M_L}} - \frac{N_{M_L} \cdot {\overset{\cdot \cdot}{D}}_{is_UL}}{K_{cM_L}} - - - (3)

其中D_{is_UL}为U轴影响L轴的干扰转矩，可用(4)式表示：

D_{is_UL} = J_{LM_L} \cdot K_{cM_U} \cdot \frac{M_{ULM}}{{M_{oM}}^{2}} \cdot θ_{Ms_U} - - - - - (4)

因此，最终模拟电动机加速指令U_{FF_L}可用(5)式表示：

U_{FF_L}＝U_{Mref_L}+T_{comp_L} (5)且对电动机的加速度超前馈补偿的作用。模拟控制器1有个校正量计算器3L接收供来的模拟扭角θ_{Ms_U}，供根据(3)式和(4)式计算模拟校正转矩T_{comp_L}。校正量计算器3L来的模拟校正转矩T_{comp_L}加到模拟电动机加速指令U_{Mref_L}中。

同样，就U轴而言，模拟校正转矩T_{comp_L}可用(6)式表示：

T_{comp_U} = - \frac{K_{pM_U} \cdot K_{vM_U} \cdot N_{M_U} \cdot D_{is_LU}}{K_{cM_U}} - \frac{K_{vM_U} \cdot N_{M_U} \cdot {\dot{D}}_{is_LU}}{K_{cM_U}} - \frac{K_{1 M_U} \cdot D_{is_LU}}{K_{cM_U}}

- \frac{K_{2 M_U} \cdot {\dot{D}}_{is_LU}}{K_{cM_U}} - \frac{D_{is_LU}}{J_{mM_U} \cdot N_{M_U}} - \frac{N_{M_U} \cdot {\overset{. .}{D}}_{is_LU}}{K_{cM_U}} - - - - - (6)

其中D_{is_LU}为L轴作用到U轴上的干扰转矩，可用(7)式表示：

D_{is_LU} = J_{LM_U} \cdot K_{cM_L} \cdot \frac{M_{LUM}}{{M_{oM}}^{2}} \cdot θ_{Ms_L} - - - - - (7)

模拟控制器1有个较正量计算器3_U接收供来的模拟扭角θ_{Ms_L}，供根据(6)式和(7)式计算模拟校正转矩T_{comp_U}。于是，最终模拟电动机加速指令U_{FF_U}可用(8)式表示：

U_{FF_U}＝U_{Mref_U}+T_{comp_U} (8)

如此确定模拟校正转矩T_{comp_L}是根据反馈控制器10_L，10_U的转速环路为比例(P)控制环路这一事实进行的。然而，确定校正转矩也可以根据比例加积分(PI)控制进行补偿。

在本实施例中，模拟控制器1校正干扰转矩之后，标准状态量就作为指令加到反馈控制器10_L，10_U上。因此，机器人臂都不受其它轴干扰的影响。

工业用途

综上所述，在本发明控制多轴式机器人的机器人控制装置中，机构的弹簧元件设在各轴电动机与机器人臂之间，收自其它轴的干扰力由模拟控制器进行校正，且标准状态量根据校正后的干扰力加到反馈控制器上，因而噪声成分不会加入校正转矩中，机器人臂不会因受干扰而振动，从而提高了工具端部走道的精确度。

Claims

1.一种控制多轴式机器人的方法，机器人作为控制对象，其一个机构的弹簧元件设在各轴电动机与机器人臂之间，所述方法包括下列步骤：

提供控制对象的伪模型和控制对象的反馈控制系统；

收到各电动机的位置指令时用所述伪模型计算各轴的模拟电动机位置指令、模拟电动机转速指令和模拟前馈指令；

用所述伪模型确定因其它轴作用在各轴之间的干扰引起的干扰转矩，并计算模拟校正转矩，以清除干扰转矩；

往所述模拟前馈指令中加入所述模拟校正转矩，得出最终模拟电动机加速指令；和

根据所述模拟电动机位置指令、所述模拟电动机转速指令和所述最终模拟电动机加速指令进行对所述各轴的反馈控制程序。

2.如权利要求1所述的方法，所述干扰转矩根据作为模拟电动机与模拟机器人臂之间位置差的模拟扭角计算出来。

3.一种控制多轴式机器人的装置，所述机器人的一个机构的弹簧元件设在各轴的电动机与机器人臂之间，所述控制装置包括：

一个模拟控制器，被提供各电动机的位置指令，和计算各轴的模拟电动机位置指令、模拟电动机转速指令和模拟前馈指令；和

一个反馈控制器，供根据所述模拟控制器输出的指令起动和控制电动机和机器人臂；

所述模拟控制器有多个校正量计算器供确定因其它轴作用在各轴之间的干扰引起的干扰转矩并计算模拟校正转矩，以清除所述干扰转矩，从而所述模拟控制器输出加有所述模拟转矩的所述模拟前馈指令。

4.如权利要求3所述的装置，所述校正量计算器根据作为各电动机与各模拟机器人臂之间位置差的模拟扭角计算所述干扰转矩。

5.如权利要求3所述的装置，还包括：

多个与各轴有关的状态观测器，供根据所述反馈控制器输出的实际电动机位置和电动机加速指令预测扭角和扭转角速度；其中

所述模拟控制器计算模拟扭角和模拟扭转角速度；且

所述反馈控制器根据预测出的扭角与所述模拟扭角的差值和预测出的扭转角速度与所述模拟扭转角速度的差值输出所述电动机加速指令。