DE3781844T2 - Positionsausgleichsteuerungssystem fuer ein servomechanismusgeraet. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungs- oder Regelsystem für eine Stellmechanismus-Vorrichtung, wie beispielsweise einen Roboter. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Regelsystem für die Positionskorrektur für eine Stellmechanismus-Vorrichtung, das gut dazu geeignet ist, mit hoher Präzision zu positionieren oder anspruchsvolle Tätigkeiten auszuführen, und zwar auf der Grundlage eines mit Sensoren versehenen rückgekoppelten Regelsystems, wie beispielsweise die rückgekoppelte Regelung mit Krafterfassung.
• Fig. 3 zeigt einen Industrieroboter als ein Beispiel einer Stellmechanismus-Vorrichtung. Der Roboter hat beispielsweise sechs Freiheitsgrade und übt eine auf ein handzuhabendes Objekt (nicht dargestellt) auszuübende Tätigkeit mittels einer Hand 2 aus. Eine Regelung 3 empfängt die Referenzwerte für die jeweiligen Positionen und Kräfte und koppelt Positionssignale und Kraftsignale zurück, um dadurch veränderte Variablen bereitzustellen. Die veränderten Variablen werden den Motoren der jeweiligen Gelenke zugeführt, und die Position des Wirkungspunktes der Hand 2 wird so geregelt, daß er mit dem zugehörigen Referenzwert übereinstimmt. Im allgemeinen wird ein derartiges Gerät direkt über die Drehposition der Motorwellen geregelt, die Abstände zwischen den Motorwellen und dem Wirkungspunkt der Finger werden durch Korrekturberechnungen auf der Grundlage von Eigenschaften des Mechanismus ermittelt. Da aber die Eigenschaften des Mechanismus stark unterschiedlich sein können, ist die Regelungsgenauigkeit für Position und Lage der Finger nicht sehr hoch. Deshalb wird innerhalb eines kleinen Bereichs die Position und die Lage der Finger durch einen anderen Sensor, beispielsweise einen sechsachsigen Kraftsensor 4, ermittelt, dadurch soll eine genaue Regelung erreicht werden.
• Ausführungen über eine derartige Sensor-Rückkopplungsregelung findet man in "Journal of the Japan Society of Precision Engineering", Band 51, Nr. 11, Seiten 40-45 und Seiten 46-52, "Journal of the Society of Instrument and Control Engineering", Band 25, Nr. 1, Seiten 77-80 und Seiten 45-50, und "Preliminary Abstracts of the 27th Japan Joint Automatic Control Conference", Seiten 241-244. In diesen Fundstellen findet man aber nach wie vor keine Hinweise auf ein Verfahren zur Konstruktion eines Regelungssystems und ein praktikables Verfahren zur Korrektur der Position und der Lage, ebensowenig wie auf die quantitative Auswertung deren Auswirkungen. Aber selbst wenn sie angedeutet sind, findet man keinen Hinweis auf eine genaue, auf verschiedene Gegebenheiten des gesamten Systems abgestellte Konstruktion. Hinsichtlich der den Kraftsensor verwendenden Regelung ergeben sich außerdem große Unterschiede bezüglich des Regelungsziels, beispielsweise wird ein Positionierungsfehler auf der Grundlage einer Kraft erfaßt, so daß sie für die rückgekoppelte Regelung verwendet werden kann, so daß eine Drucksteuerung mit einer vorbestimmten Kraft durchgeführt wird und daß eine Kraft erfaßt wird, um die Finger rückwärts um eine Distanz entsprechend der Größe der Kraft zu biegen.
• Aus einer Vielzahl von anderen Schriftstücken, die sich mit der Steuerung von Roboterarmen befassen, seien die US-Patente 4 218 172 und 4 132 937 genannt. Erstere offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Roboterregelung, bei dem jeder Rotations- oder Translationsbewegungsparameter des Manipulators oder zu steuernden Industrieroboters durch Positioniersignale geregelt wird, die teilweise durch eine Steuerungseinrichtung mit wählbarer Dynamik erzeugt werden. Ein Ausgangssignal eines Reglers wird so weit verstärkt, daß dadurch die Auswirkungen variabler Momente von trägen Massen kompensiert werden. Der andere Teil der Positionierungssignale des zugeordneten Bewegungsstellglieds wird additiv durch die Ausgabe weiterer Kompensationsanordnungen geliefert.
• Die zweitgenannte Patentschrift offenbart ein herkömmliches rückgekoppeltes Positionierungsregelverfahren und -gerät.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein einheitliches und praktikables Positionskorrektur-Regelsystem für Stellmechanismen anzugeben, das für die oben erwähnten verschiedenen Regelungsziele gemeinsam verwendet werden kann.
• Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen in den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelsystems zeigt;
• Fig. 2 ist eine Kennlinie, die die Schwellenwertkennlinie eines Feindetektors darstellt; und
• Fig. 3 ist ein schematisches Anordnungsdiagramm zur Erläuterung eines Industrieroboters, der als Beispiel eines Stellmechanismus dient.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Angesichts der Tatsache, daß im allgemeinen die Regelung eines Stellmechanismusgeräts in allgemeinster Form aus einer Positionsregelung besteht, bei der mit der Absicht, eine Regelung durchzuführen, die hohen Ansprüchen genügt, die Position oder der Zustand des Wirkungspunktes des Geräts durch einen Sensor erfaßt wird, ist die vorliegende Erfindung so ausgelegt, daß ein Positionssollwert unter Verwendung eines Sensorsignals korrigiert wird. Erfindungsgemäß wird die Positionsregelung also an eine Motorwelle angekoppelt und setzt ein Verfahren um, bei dem der der Motorachse zuzuführende Positionssollwert durch den Sensor korrigiert wird. Dies erlaubt die Einstellung auf eine Regelung, die an die Eigenschaften des gesamten Systems angepaßt ist, und es ergeben sich Eigenschaften, die die Zwecke der Optimierungssteuerung erfüllen. Für andere Regelungsziele kehrt das vorliegende System nicht von der Grundlage der Positionsregelung ab und kann deshalb gemeinsam verwendet werden, und es ist lediglich notwendig, daß ein Algorithmus zur Korrektur anhand des Sensorsignals teilweise entsprechend dem Ziel geändert wird.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 wird nun eine erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben.
• Fig. 1 ist ein Regelungsschleifenblockdiagramm eines Positionskorrektur-Regelungssystems entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 11 ein Positionsregelungselement innerhalb eines Reglers 3 (siehe Fig. 3) für einen Antrieb wie einen Motor oder ein Stellglied, und das Symbol x aus bezeichnet eine für die Finger berechnete Position sowie Lage (algebraisch werden diese Größen durch einen Vektor bezeichnet, und ein hochgestellter Strich bezeichnet im folgenden einen Vektor). Bezugsziffer 12 bezeichnet ein Positionserfassungselement zum Erfassen und Rückführen der Position und Lage x aus (im folgenden wird die Lage auch als Drehposition angesehen und wird der Kürze wegen auch lediglich als "Position" bezeichnet), und es liefert ein Rückkopplungssignal x f als Ausgabe. Bezugsziffer 13 bezeichnet ein Additionselement, das das rückgekoppelte Signal x f mit einem Positionssollwert x in vergleicht und das den Fehler e ausgibt und ihn zum Positionssteuerungselement 11 schickt. Wenn das Gerät ein wie in Fig. 3 dargestellter, mit Gelenken versehener Roboter ist, findet eine Berechnung zur Umwandlung von Polarkoordinaten, die sich auf die drehende Welle eines Motors, eines Gelenks oder einer ähnlichen Einrichtung beziehen, in ein rechtwinkliges Koordinatensystem statt, um eine Position im Raum darzustellen, wobei die Berechnung der Koordinatentransformation in der Übertragungskennlinie des Positionsregelelements 11 und des Positionserfassungselements 12 enthalten ist. Bezugsziffer 14 zeigt einen Mechanismus, der die Position y des momentanen Wirkpunktes erzeugt. Bezugsziffer 15 bezeichnet einen Feindetektor als einen Sensor, der mit hoher Genauigkeit die tatsächliche Position y des Wirkpunktes erfaßt, jedoch lediglich innerhalb eines Raumteilbereichs bzw. innerhalb eines begrenzten räumlichen Bereichs, und der durch Umwandlung der Position y in eine Ausgabe ein Signal y f erzeugt, dessen Inhalt in Abhängigkeit vom Regelungsziel unterschiedlich sein kann. Zur Korrektur der Sollposition x in wird das Ausgangssignal y f dem Additionselement 13 als negatives Rückkopplungssignal zugeführt.
• In der vorliegenden Ausführungsform wird der Feindetektor 15 als Kraftsensor 4 in Fig. 3 verwendet. Im folgenden werden die Maßnahmen bei verschiedenen Regelungszielen erläutert.
• Wenn in einem ersten Fall der Kraftsensor 15 für die Finger den Positionsfehler zwischen den Fingern und einem handzuhabenden Objekt erfaßt und die rückgekoppelte Regelung durchgeführt wird, um den Positionierungsfehler zu korrigieren, ist es wünschenswert, daß die Beziehung zwischen der Größe einer Kraft und derjenigen des Positionsfehlers definiert ist. Daneben muß die aus den Elementen 13 - 11 - 14 - 15 - 13 bestehende Schleife hinsichtlich ihres Verstärkungs- und Phasengangs stabil sein und muß die gewünschte Genauigkeit und das gewünschte Ansprechverhalten erfüllen. Insbesondere in diesem Fall ist das Ziel eine sehr präzise Positionsregelung. Es ist deshalb eher wünschenswert, in die eben erwähnte Schleife ein Element mit integrierendem Verhalten einzufügen.
• Wenn in einem anderen Fall eine Drucksteuerung unter einer vorbestimmten Kraft durchgeführt wird, muß der Feindetektor 15 die Ausgabe y f erzeugen, wenn eine Sollkraft überschritten wird, um den Positionssollwert x in zu verringern.
• Dann ist es wünschenswert, die Kennlinie des Feindetektors 15 wie in Fig. 2 dargestellt zu wählen. Bei dieser Kennlinie wird ein Ausgangswert y f in Abhängigkeit von der Größe einer Kraft erzeugt, wenn diese auf oder über einem Schwellenwert Fo liegt. Wenn somit zumindest der Schwellenwert Fo erreicht wurde, wird die Sollposition automatisch korrigiert, mit dem Ergebnis, daß die Kraft nahezu konstant eingeregelt werden kann. Wenn in diesem Fall der Positionssollwert x in der Eingabe geändert wird, kann eine dementsprechende Positionsregelung im Zustand konstanter Kraft durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, den Schwellenwert Fo entsprechend dem beabsichtigten Gebrauch des Stellmechanismusgeräts zu ändern.
• Wenn weiterhin eine sog. "Übereinstimmungsregelung" durchgeführt werden soll, bei der dann, wenn eine Kraft von außen auf die Finger ausgeübt wird, diese Finger in Richtung der Kraft um eine Entfernung entsprechend der Größe der Kraft zurückgeschoben werden, muß eine Korrekturposition Δx mit einer Kennlinie, die ein Elastizitätsmodul K bezüglich der Kraft F hat, gesetzt werden. Daneben kann es wünschenswert sein, die Positionskorrektur mit einer Kennlinie entsprechend einem viskosen Widerstand zu versehen. Wenn R der Koeffizient eines viskosen Widerstands ist, sollte zu diesem Zweck die Kennlinie der folgenden Gleichung (1) erreicht werden:
• Formel (1) wird Laplace-transformiert mit Anfangswert Null, die Gleichung wird vereinfacht. Man erhält dann die folgende Gleichung (2):
• Gleichung (2) ergibt somit die Korrektur mit einer Kennlinie eines Verzögerungsglieds erster Ordnung mit Verstärkung 1/K und einer Zeitkonstante von R/K gegenüber der äußeren Kraft F.
• Wenn entsprechend dem Regelungsziel ein Gegenstand einer Masse M bewegt wird und gleichzeitig die Bewegung mit viskosem Widerstandskoeffizient R bei Einwirkung einer äußeren Kraft F betrachtet wird, ergibt sich eine Korrekturregelung, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
• Wenn die Gleichung (3) Laplace-transformiert wird mit Anfangswert Null und dann vereinfacht wird, ergibt sich die folgende Gleichung (4):
• Gleichung (4) ergibt dann die Korrektur mit einer Kennlinie, die durch Hintereinanderschalten eines Verzögerungsglieds erster Ordnung mit konstanter Verstärkung 1/R und Zeitkonstante M/R sowie eines integrierenden Elements gegen die äußere Kraft F erhalten werden kann.
• Wie soeben beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine grundlegende Positionsregelung innerhalb des gesamten Bewegungsbereichs der Stellmechanismusvorrichtung entsprechend einem Positionssollwert durchgeführt, während die hochgenaue Positionsregelung am Wirkungspunkt oder in der Nähe des Wirkungspunkts der Vorrichtung am Objekt durchgeführt wird. Da außerdem der mechanische Teil ein Teil des geregelten Objekts ist, ist die Konstruktion des gesamten Regelsystems definiert, was eine optimale Anpassung der Kennlinien entsprechend regelungstechnischen Theorien erlaubt.
• Wenn zusätzlich zur Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform der Algorithmus der Rückkopplung vom Feindetektor entsprechend dem Ziel der Positionskorrekturregelung umgeschaltet wird, wobei der Feindetektor verwendet wird, kann in einfacher Weise eine an das Ziel angepaßte Funktion erreicht werden. Besonders dann, wenn der Rückkopplungsalgorithmus durch ein Computerprogramm gebildet wird, wird das Umschalten noch einfacher.
• Darüber hinaus wird das Ausgangssignal des Feindetektors entsprechend der Schwellenwertkennlinie der Fig. 2 gewählt, es ergibt sich dadurch der Effekt, daß eine Regelung auf konstante Kraft erfolgt.
• Wie außerdem durch Gleichungen (2) oder (4) angedeutet ist, ist im Signalübertragungspfad für die Korrektur des Positionssollwerts ein Element mit Verzögerungsverhalten eingebaut, dadurch ergibt sich, daß eine Bewegungsregelung realisiert werden kann, die zu einem Partikel-Kinematik- System in einer Umgebung mit genauer Übereinstimmungskennlinie und viskosem Widerstand äquivalent ist.
• Erfindungsgemäß ergeben sich somit die Auswirkungen, daß die Bewegungsregelung des Wirkungspunktes der Stellmechanismusvorrichtung präzise durchgeführt werden kann und daß die Regelungsziele wahlfrei geändert und umgesetzt werden können.

Claims (5)

1. Steuerungssystem zur Positionskorrektur eines Stellmechanismusgeräts, das ein Arbeitselement (2) hat, das zum Bearbeiten eines Objekts an einem Arbeitspunkt vorgesehen ist, mit

- einer Positionserfassungseinrichtung (12) zum Erfassen einer Position des Arbeitselements innerhalb des gesamten Bewegungsbereichs des Stellmechanismusgeräts, wobei die Position durch ein Positionssteuerungselement (11) bereitgestellt wird, und

- einem Zustandsgrößensensor (15), der innerhalb eines begrenzten Bewegungsbereichs des Stellmechanismusgeräts eine Zustandsgröße des Arbeitselements mit hoher Präzision erfaßt,

- einer Positionsregelschleife (11, 12, 13), die ein Ausgangssignal der Positionserfassungseinrichtung (12) als Positionsrückkopplungsvariable (Xf) verwendet, wobei die Position des tatsächlichen Arbeitspunkts entsprechend eines Positionssollwerts (Xin), der eine Sollposition bestimmt, geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15), der die Zustandsgröße erfaßt, eine Schwellenwertkennlinie hat, um somit ein Sensorausgangssignal (yf) nur oberhalb eines Schwellenwerts (FO) der Zustandsgröße zu erzeugen, und daß ein Korrekturkreis (11, 14, 15, 13) des Stellmechanismusgeräts das Ausgangssignal (Yf) des Sensors (15) zur Korrektur des Positionssollwerts (Xin) verwendet, wobei die Grundpositionssteuerung innerhalb des gesamten Bewegungsbereichs des Stellmechanismusgeräts entsprechend dem Positionssollwert durchgeführt wird, wohingegen eine hochpräzise Positionssteuerung am oder in der Nähe vom Bearbeitungspunkt des Servomechanismusgeräts am Objekt durchgeführt wird.

2. Steuerungssystem zur Positionskorrektur für ein Stellmechanismusgerät nach Anspruch 1, bei dem der Sensor (15) mehrere verschiedene Korrekturalgorithmen einschließt, etwa einen für eine hochpräzise Positionskorrektur und für eine Korrektur mit hoher Kraft, und außerdem eine Funktion aufweist, die in der Lage ist, zwischen diesen Algorithmen umzuschalten, wobei ein Algorithmus zur Korrektur des Positionssollwerts geändert werden kann, wenn das Regelungsziel an einer anfänglichen Position sich zu einem anderen Regelungsziel ändert, beispielsweise die Änderung von einer hochpräzisen Positionssteuerung hin zu einer Steuerung mit hoher Kraft im Arbeitspunkt.

3. Steuerungssystem zur Positionskorrektur für ein Stellmechanismusgerat nach Anspruch 1, bei dem der Korrekturkreis (11, 14, 15, 13) ein Element mit einer Ansprechverzögerungskennlinie aufweist.

4. Steuerungssystem für die Positionskorrektur eines Stellmechanismusgeräts nach Anspruch 1, bei dem der Zustandsgrößensensor ein Feinsensor ist.

5. Steuerungssystem für die Positionskorrektur für ein Stellmechanismusgerat nach Anspruch 1, bei dem der Zustandsgrößensensor ein Kraftsensor ist.