DE69723934T2

DE69723934T2 - Steuereinrichtung für einen mehrachsigen roboter

Info

Publication number: DE69723934T2
Application number: DE69723934T
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Kitakyushu-shi UMEDA; Ryuichi Kitakyushu-shi OGURO; Masao Kitakyushu-shi OJIMA
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JPH09222910A; EP0833238A4; JP3611147B2; KR19980703865A; US6069463A; DE69723934D1; WO1997031303A1; EP0833238A1; EP0833238B1; KR100359577B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrachsigen Roboter, der durch einen Industrieroboter, der eine dynamische Wechselwirkung zwischen wechselseitigen Steuerachsen hat und ein Federelement in jeder Achse umfaßt, dargestellt wird, und insbesondere eine Steuereinrichtung für diesen, um vollständig die Wechselwirkungskraft zu beseitigen, die an dem vorderen Ende eines Armes erzeugt wird.
Hintergrundtechnik
Im allgemeinen wird bei einem Industrieroboter, bei dem jede Achse durch einen Motor angetrieben wird, um in idealer Weise die Einflüsse des Fehlens von Leistung des Motors oder die Störungen von der Lastseite zu reduzieren, ein Arm an der Lastseite durch ein Getriebe angetrieben, so wie einen harmonischen Antrieb mit einem hohen Reduktionsverhältnis. Folglich wird eine dynamische Wechselwirkung zwischen den Steuerachsen im Stand der Technik nicht zu einem Problem.
Da jedoch die Nachfrage nach höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit zunimmt, werden dynamische Einflüsse, die nicht durch die PI-Steuerung kompensiert werden können, und Störungen, die selbst bei dem hohen Reduktionsverhältnis nicht vernachlässigt werden können, erzeugt.
Um diese Probleme zu lösen, ist über ein Verfahren zum Kompensieren der Störung durch Verwenden eines Beobachters, der die Störung abschätzt, und ein Verfahren zum Vorabkompensieren der Störung, basierend auf einer dynamischen Gleichung in einer ähnlichen Weise wie bei einem Roboter mit einem Direktantriebssystem berichtet worden (z. B. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-314606, japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 6-270079 und japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-7307).
Wenn die Störung, die auf der Lastseite erzeugt wird, groß ist, kann mit den Verfahren zum Beobachten einer Kompensation der Störung die ausreichende Verbesserung in der Genauigkeit nicht erwartet werden, da die dynamischen Eigenschaften im Hinblick auf die Wechselwirkung oder dergleichen nicht betrachtet werden. Auch, im Hinblick auf das Verfahren zum Vorabkompensieren der Störung, basierend auf der dynamischen Gleichung, wird bei dem herkömmlichen Verfahren die dynamische Eigenschaft, die das Zwischenschalten eines Zahnrades umfaßt, oder die Wechselwirkungskraft, einschließlich der Steuereingabe, welche berechnet wird, um jede Achse zu betreiben, nicht in ausreichender Weise betrachtet, so daß die Wechselwirkung während des Hochgeschwindigkeitsbetriebes nicht vollständig beseitigt werden kann.
Die US 4,989,161 A offenbart eine Steuereinrichtung für einen mehrachsigen Roboter, der wenigstens eine erste und eine zweite Baugruppe aufweist, wobei jede Baugruppe einen Arm, einen Servomotor, der durch eine Steuereingabe mit einer Steuereinheit betrieben wird, und eine Kopplung in der Form einer Verzögerungseinrichtung zwischen dem Servomotor und dem Arm aufweist, welche ein Federelement umfaßt, eine Einrichtung zum Erfassen eines Torsionswinkels der Kupplung, eine Recheneinrichtung für die dynamische Kupplung zum Berechnen von Kopplungsparameter der Kupplung des Servomotors und des Armes in jeder Achsenbaugruppe, einschließlich einer geschlossenen Schleife zum Bewirken der Motorsteuerung und einer Korrektureinrichtung zum Addieren des Korrekturdrehmoments zu der Steuereingabe des Servomotors.
Das Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll, ist es, Wechselwirkungen zwischen gegenseitigen Achsen selbst während des Hochgeschwindigkeitsbetriebes zu vermeiden, wenn ein Industrieroboter, der ein Federelement, so wie eine Verzögerungseinrichtung in jeder Achse umfaßt, verwendet wird.
Dieses Problem wird durch eine Steuereinrichtung für einen mehrachsigen Roboter gelöst, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Bei der Steuereinrichtung, was den Torsionswinkel betrifft, der in der Verzögerungseinrichtung jeder Achse erzeugt wird, können ein Wert, der durch eine Zustandsbeobachtungseinrichtung wiedergegeben wird, welche die Zustandsgröße durch eine Steuereingabe eines Ser vomotors jeder Achse reproduziert, und eine tatsächliche Position des Servomotors benutzt werden.
Genauer wird die Kopplung des Servomotors und des Arms in jeder Achse durch zwei Inertialsysteme ausgedrückt, welche ein Federelement umfassen, wodurch eine dynamische Gleichung festgelegt ist, um eine Wechselwirkungskraft von den mehreren Achsen zu berechnen, die auf der Armseite in jeder Achse erzeugt wird, und eine Wechselwirkungskraft, die in einer Steuereingabe jeder Achse enthalten ist, aufgebaut in einer halb geschlossenen Schleife, wird berechnet, und ein Korrekturdrehmoment derart, um vollständig die Wechselwirkungskraft auszulöschen, was zu der Steuereingabe addiert wird, die ausgegeben werden soll.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, selbst bei einem mehrachsigen Roboter mit einem Mechanismus, der als eine Verzögerungseinrichtung ein Federelement zwischen einem Servomotor und einen Arm umfaßt, wird eine Wechselwirkungskraft, die auf der Armseite jeder Achse von einer weiteren Achse erzeugt wird, und eine Wechselwirkungskraft, die in einer Steuereingabe eines Servomotors enthalten ist, welche in einer halb geschlossenen Schleife unabhängig in jeder Achse aufgebaut wird, berechnet, und das Wechselwirkungsdrehmoment, das in jeder Achse erzeugt wird, wird korrigiert. Somit kann selbst bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb, der Torsionsschwingungen in der Verzögerungseinrichtung erzeugt, die Wechselwirkungskraft ausgeschaltet werden, und ein Servomotor jeder Achse kann gesteuert werden, als ob keine Wechselwirkung zwischen den Antriebsachsen erzeugt würde.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines allgemeinen vertikalen zweiachsigen Roboters;
2 ist eine schematische Ansicht eines vertikalen zweiachsigen Roboters mit Parallelogramm-Gelenkstruktur;
3 ist ein erläuterndes Schaubild, das jeden Koeffizienten einer Bewegungsgleichung zeigt;
4 ist ein erläuterndes Schaubild eines Drehmoment-Übertragungsmechanismus zwischen einem Motor und einem Arm;
5 ist ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines Steuersystems einer Steuereinrichtung der Erfindung im Hinblick auf zwei Achsen zeigt;
6 ist ein charakteristisches Schaubild eines Nullbefehls, der einer ersten Achse gegeben wird, und eines Geschwindigkeitsbefehls vom Stufentyp, der einer zweiten Achse gegeben wird;
7 ist ein erläuterndes Schaubild einer Wechselwirkungskraft, die in der ersten Achse bei der gewöhnlichen PI-Steuerung erzeugt wird;
8 ist ein erläuterndes Schaubild, das den Zustand zeigt, daß die Wechselwirkungskraft bei der Erfindung beseitigt wird;
9 ist ein erläuterndes Schaubild, das eine Ortsverschiebung zeigt, welche bei der gewöhnlichen PI-Steuerung erzeugt wird; und
10 ist ein erläuterndes Schaubild, das eine Ortsverschiebung zeigt, die bei der Erfindung verbessert wird.
Beste Art, die Erfindung auszuführen
Ein zweiachsiger Roboter wird beschrieben werden, um die Erläuterung zu vereinfachen. Bei einem mehrachsigen Roboter können Ausdrücke, die im folgenden im Hinblick auf den zweiachsigen Roboter erläutert werden, erweitert und angewendet werden.
1 ist eine schematische Ansicht eines allgmeinen vertikalen zweiachsigen Roboters mit einer L-Achse und einer U-Achse, und 2 ist eine schematische Ansicht eines vertikalen zweiachsigen Roboters mit Parallelogramm-Gelenkstruktur. In den Figuren ist I_L die Länge der L-Achse, M_L ist die Masse der L-Achse, l_Lg ist die Länge der L-Achse zum Schwerpunkt, θ_IL ist der Winkel der L-Achse, M_U ist die Masse der U-Achse, l_Ug ist die Länge der U-Achse zum Schwerpunkt und θ_lU ist der Winkel der U-Achse in bezug auf die L-Achse.
Eine Bewegungsgleichung des zweiachsigen Roboters, wie er in 1 und 2 gezeigt ist, kann durch die folgenden Formeln 1 bis 6 ausgedrückt werden. Zunächst wird ein Ausdruck der Beziehung, welcher einen Torsionswinkel darstellt, der in einer Verzögerungseinrichtung jeder Achse erzeugt wird, in den folgenden Formeln ausgedrückt.
wobei θ_mL der Winkel eines Motors für die L-Achse ist, θ_mU der Winkel eines Motors für die U-Achse ist, N_L das Reduktionsverhältnis einer Verzögerungseinrichtung der L-Achse ist, N_U das Reduktionsverhältnis einer Verzögerungseinrichtung der U-Achse ist, θ_SL der Torsionswinkel ist, der in der Verzögerungseinrichtung der L-Achse erzeugt wird, und θ_SU der Torsionswinkel ist, der in der Verzögerungseinrichtung der U-Achse erzeugt wird.
Als nächstes sind die Formel 3 und die Formel 4 Ausdrücke einer Beziehung, die aus der Lagrangeschen Bewegungsgleichung abgeleitet sind.
KCL θSL = MIL θlL + MLU θlU + dL (Formel 3)
KCU θSU = MUL θlL + MUU θlU + dU (Formel 4)
Hier ist K_CL die Federkonstante einer Verzögerungseinrichtung der L-Achse, K_CU ist die Federkonstante der Verzögerungseinrichtung der U-Achse, d_L ist die Drehmomentstörung, die auf die L-Achse wirkt, und du ist die Drehmomentstörung, die auf die U-Achse wirkt.
3 zeigt jeden Koeffizienten der Bewegungsgleichung.
Weiterhin kann ein Drehmoment-Übertragungsmechanismus zwischen einem Motor und einem Arm, in 4 gezeigt, durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden. In 4 bezeichnet Bezugsziffer 1 einen Arm, Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Last, Bezugsziffer 3 bezeichnet einen Motor, um den Arm 1 anzutreiben, und Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Verzögerungseinrichtung, die zwischen dem Motor 3 und dem Arm 1 eingebaut ist. Die Verzögerungseinrichtung 4 ist aus einem Reduktionsmechanismus und einem Federelement gebildet.
Hier ist J_mL das Trägheitsmoment des Motors der L-Achse, J_mU ist das Trägheitsmoment des Motors der U-Achse, u_Lref ist die Steuereingabe der L-Achse und u_Uref ist die Steuereingabe der U-Achse. Die Steuereingabe hier wird als ein Beschleunigungsbefehl dargestellt.
5 ist ein Blockschaubild eines Aufbaus eines Steuersystems mit einer Steuereinrichtung der vorliegenden Erfindung, im Hinblick auf zwei Achsen gezeigt. In 5 bezeichnet Bezugsziffer 10 eine Beobachtungseinrichtung für den Zustand der L-Achse, Bezugsziffer 11 bezeichnet eine Beobachtungseinrichtung für den Zustand der U-Achse, Bezugsziffer 12 bezeichnet eine Steuereinrichtung des Zustandes der L-Achse, Bezugsziffer 13 bezeichnet eine Steuereinrichtung des Zustandes der U-Achse und Bezugsziffer 14 bezeichnet eine Einrichtung zum Berechnen einer Wechselwirkungskraft. Bezugsziffer 20 bezeichnet den Weg für eine halb geschlossene Schleife zum Steuern der L-Achse und Bezugsziffer 21 bezeichnet den Weg für eine halb geschlossene Schleife zum Steuern der U-Achse.
Die Lösung der Formeln 1 bis 6 im Hinblick auf die Differentiation der vierten Ordnung der Position θ_lL, θ_lU des Armes 1 kann durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden.
wobei θ_lL ⁽⁴⁾ und θ_lU ⁽⁴⁾ jeweils die Ableitungen der vierten Ordnung von θ_lL θ_lU sind.
In den Formeln 7 und 8 umfaßt die Ableitung der vierten Ordnung der Position des Armes die Zustandsgröße der anderen Achse und den Ausdruck der Störung zusätzlich zu der Zustandsgröße derselben Achse und der Steuereingabe.
Die Auftrennung der Steuereingabe in einen Wert, der durch einen Befehl berechnet wird, einen Wert aufgrund einer Wechselwirkung von einer weiteren Achse und einen Wert aufgrund von anderen Störungen als der Wechselwirkung, kann durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden.
uLref = uLLref + uLCref + uLdref (Formel 9) uUref = uUUref + uUCref + uUref (Formel 10)
wobei u_LLref und u_UUref Steuereingaben sind, die für den Betrieb jeder Achse nötig sind, u_LCref und u_UCref sind Steuereingaben, um die Wechselwirkungskraft von der anderen Achse zu kompensieren, und u_Ldref und u_Udref sind Steuereingaben, um die Störung zu kompensieren, die in der Steuereingabe enthalten ist.
Hier kann die Bedingung der Nicht-Wechselwirkung zwischen den Achsen durch die folgenden Formeln erklärt werden.
Folglich müssen die folgenden Formeln gelten.
Die Bedingung für das Beseitigen der Wechselwirkungskraft für den Betrieb derselben Achse ist, daß die Steuereingabe kompensiert wird, so daß Formeln 11 und 12 wirksam sind, das heißt, die Formeln 13 und 14 müssen gültig sein.
Hier, um die Wechselwirkungskraft zu kompensieren, die in der Steuereingabe enthalten ist, welche berechnet wird, um weiter jede Achse zu betreiben, werden die folgenden Formeln, festgelegt durch die Formeln 1 bis 6, eingeführt.
Die Formeln 15 und 16 werden für die Formeln 13 und 14 substituiert, wodurch die folgenden Formeln als die Kompensationsgröße für die Nicht-Wechselwirkung erhalten werden.

wobei
Da die Qualität der Kompensation den Betrag der Torsion in der Verzögerungseinrichtung umfaßt, wird die folgende Korrekturgröße zu der Zustandsvariablen addiert, die in der Steueroperation benutzt wird.
Bei der Steuereinrichtung, wie sie oben beschrieben ist, unterliegen die Wechselwirkungskraft, die durch den Betrieb des vorderen Endes des Arms jeder Achse erzeugt wird, und die Wechselwirkungskraft, die in der Steuereingabe jeder Achse enthalten sind, der Nicht-Wechselwirkung, und eine Antwort ohne eine Wechselwirkung kann erhalten werden, was den Betrieb des vorderen Endes des Arms betrifft.
Wenn die Störung vernachlässigt werden kann, oder nicht beobachtet werden kann, kann für die Anwendung der Ausdruck für die Störung in den Formeln 1 bis 22 weggelassen werden.
Effekte der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden wie folgt beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, wenn an die erste Achse ein Nullbefehl gegeben wird (obere Kennlinie in 6) und an die zweite Achse ein Geschwindigkeitsbefehl vom Typ der Stufe gegeben wird (untere Kennlinie in 6) wird bei der üblichen PI-Steuerung eine Wechselwirkungskraft, wie in 7 gezeigt, in der ersten Achse erzeugt, wenn man jedoch eine Steuereinrichung der vorliegenden Erfindung benutzt, kann die Wechselwirkungskraft beseitigt werden, wie in 8 gezeigt. Auch wenn ein Befehl ausgegeben wird, um am oberen Ende in der horizontalen Richtung einen linearen Ort zu ziehen, wird bei der üblichen PI-Steuerung eine beträchtliche Verschiebung im Ort erzeugt, wie in 9 gezeigt, wenn man jedoch eine Steuereinrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt, kann eine Verbesserung, wie sie in 10 gezeigt ist, erhalten werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann auf dem Gebiet der Steuerung eines Industrieroboters benutzt werden, welcher ein Federelement in einer Verzögerungseinrichtung in jeder Achse enthält.

Claims

Steuervorrichtung für einen mehrachsigen Roboter, der wenigstens eine erste und eine zweite Achsenbaugruppe hat, wobei die erste und zweite Achsenbraugruppe jede einen Arm (1), einen Servomotor (3), der von einer Steuereingabe getrieben wird, und eine Kupplung (4) in der Form einer Verzögerungseinrichtung, welche ein Federelement umfaßt, das den Servomotor (3) und den Arm (1) koppelt, aufweist, wobei die zweite Achsenbaugruppe an einem Ende des Armes der ersten Achsenbaugruppe angeordnet ist, wobei die Steuervorrichtung aufweist: die erste und zweite Achsenbaugruppe enthält jede eine Torsionswinkel-Erfassungeinrichtung zum Erfassen eines Torsionswinkels (θ_SL, θ_SU) einer jeweiligen der Kupplungen (4); eine Recheneinrichtung für die dynamische Kopplung zum Berechnen von Kopplungsparametern der Kupplung des Servomotors und des Arms sowohl in der ersten als auch in der zweiten Achsenbaugruppe; wobei die erste und die zweite Achsenanordnung jede eine halb geschlossene Schleife (20, 21) zum Bewirken der Motorsteuerung umfaßt; gekennzeichnet durch einen Wechselwirkungsrechner (14) zum Berechnen von ersten Wechselwirkungskräften und zweiten Wechselwirkungskräften, basierend auf Steuereingangswerten (u_Lref, u_Uref) für die Servomotoren (3) sowohl der ersten als auch der zweiten Achsenbaugruppe und den Torsionswinkeln (θ_SL, θ_SU), wobei: die ersten Wechselwirkungskräfte Kräfte sind, die auf dem Arm jeder der ersten und zweiten Achsenbaugruppe durch Bewegung der anderen der ersten und zweiten Achsenbaugruppe erzeugt werden; und die zweiten Wechselwirkungskräfte durch Eingaben (u_LCref, u_UCref), welche in den Steuereingaben (u_Lref, u_Uref) der Servomotoren (3) enthalten sind, von einer jeweiligen der halbgeschlossenen Schleifen (20, 21) in jeder der ersten und zweiten Achsenbaugruppe aufgrund der ersten Wechselwirkungskräfte der anderen der ersten und zweiten Achsenbaugruppe erzeugt werden; und eine Korrektureinrichtung zum Berechnen eines Korrektur-Drehmomentes für jede der ersten und zweiten Achsenbaugruppen, basierend auf den ersten Wechselwirkungskräften und den zweiten Wechselwirkungskräften für die erste und zweite Achsenbraugruppe, um es jedem der Arme (1) zu ermöglichen, zu agieren, ohne daß er durch die ersten Wechselwirkungskräfte und die zweiten Wechselwirkungskräfte beeinflußt wird, die jeweils auf die erste und zweite Achsenbaugruppe wirken, und wobei die Korrektureinrichtung eine Eingaberichtung zum Addieren des Korrektur-Drehmomentes zu der Steuereingabe jeweiligen der ersten und zweiten Achsenbaugruppe umfaßt.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Torsionswinkel-Erfassungseinrichtung der ersten und zweiten Achsenbaugruppe den Torsionswinkel (θ_S) der jeweiligen Kupplungen (4) erfassen, basierend auf der Steuereingabe und dem Motorwinkel (θ_m) jeweils der ersten und zweiten Achsenbaugruppe.
Steuervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Torsionswinkel-Erfassungseinrichtung jeder der ersten und zweiten Achsenbaugruppen mit einer Zustandsbeobachtungseinrichtung zum Berechnen von Zustandsgrößen, einschließlich der Torsionswinkel (θ_SL, θ_SU) einer jeweiligen der ersten und zweiten Achsenbaugruppen, versehen ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Torsionswinkel-Erfassungseinrichtungen der ersten und zweiten Achsenbaugruppe den Torsionswinkel (θ_SL, θ_SU) der jeweiligen der Kupplungen (4) bestimmt, basierend auf einem Eingangswinkel und einem Ausgangswinkel einer jeweiligen der Verzögerungseinrichtungen, gemäß der Formel
wobei (θ_s) der Torsionswinkel ist, θ_m der ist und θ_l der Ausgangswinkel ist, der ein Armwinkel ist.
Steuervorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Korrektureinrichtung einen Korrekturparameter der halb geschlossenen Schleife für sowohl die erste als auch die zweite Achsenbaugruppe berechnet, basierend auf den ersten Wechselwirkungskräften und den zweiten Wechselwirkungskräften für die erste und zweite Achsenbaugruppe, um einen Torsionsbetrag zu kompensieren, der in dem Korrektur-Drehmoment enthalten ist, um es jedem der Arme (1) zu ermöglichen zu agieren, ohne daß er durch die ersten Wechselwirkungskräfte und die zweiten Wechselwirkungskräfte beeinflußt würde, die auf die jeweilige der ersten und zweiten Achsenbaugruppen wirken, und den Korrekturparameter der halb geschlossenen Schleife zu einer Zustandsvariablen der halb geschlossenen Schleife (20, 21) jeder der ersten und zweiten Achsenbaugruppen addiert.
Steuervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Zustandsvariable der halb geschlossenen Schleife (20, 21) jeder der ersten und zweiten Achsenbaugruppen ein Motorwinkel (θ_m) ist.