DE69829559T2

DE69829559T2 - Verfahren zur überwachung der steuerung der bewegung eines manipulators

Info

Publication number: DE69829559T2
Application number: DE69829559T
Authority: DE
Inventors: Torgny Brog Rdh; Staffan Elfving; Ingvar Jonsson; Stig Moberg; Fredrik Skantze
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: SE9701796L; EP0981424A1; SE9701796D0; DE69829559D1; SE509443C2; JP2001524884A; WO1998051453A1; US6218801B1; EP0981424B1; AU7559498A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators. Der Manipulator umfasst einen beweglichen Teil, der bezüglich eines stationären Teils oder eines anderen beweglichen Teils transferiert werden kann, mindestens eine Bewegungsachse zum Positionieren des beweglichen Teils, mindestens einen Motor, welcher die Achse und so den beweglichen Teil antreibt, eine Servoeinrichtung zum Steuern der Achse in Übereinstimmung mit gelieferten Referenzwerten und einen Positionssensor, der angepasst ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches die gegenwärtige Position der Achse festlegt.
STAND DER TECHNIK
Mit Manipulator ist ein industrieller Roboter oder externe Achsen gemeint, die mit dem industriellen Roboter verbunden sind, beispielsweise zur Ausrichtung und Bewegung eines Arbeitsgegenstandes oder zur Bewegung des Roboters selbst. Ein Manipulator umfasst einen oder mehrere Arme, die gegeneinander beweglich sind und ein Handhabungs-Element, welches mit einer Befestigung bereitgestellt wird und welches bezüglich des Arms, welcher es trägt, beweglich ist. Das Handhabungs-Element kann beispielsweise eine einfache Plattform oder eine Roboterhand sein, die in einen oder mehreren Freiheitsgraden beweglich ist. Der Manipulator wird mit einem Steuersystem bereitgestellt, welches die Position und Ausrichtung des Handhabungs-Elements steuert. Für jede der Bewegungsachsen des Manipulators wird eine Servoausstattung mit einem Antriebsmotor bereitgestellt. Das Servosystem jeder Achse wird mit einem Referenzwert für den Drehwinkel der Achse versorgt und der Antriebsmotor der Achse bringt den Manipulator dazu, sich in der besagten Achse zu bewegen bis die Achsenposition dem Referenzwert entspricht, der dem Servosystem geliefert wird. Unter einer Achse sind Achsenübertragungen gemeint, die beides, Drehung und Translation der beweglichen Arme und des Handhabungs-Elements des Manipulators verursachen.
Wenn industrielle Roboter mit zugehörigen externen Achsen verwendet werden, ist es von großer Wichtigkeit, die Bewegungssteuerung zu überwachen, so dass keine unerwünschten Bewegungen auf irgendwelche Achsen in dem System übertragen werden oder dass keine Achsen abnormalen Stördrehmomenten unterworfen sind. Eine Vielzahl unterschiedlicher Fehler können auftreten und, unabhängig welcher Fehler aufgetreten ist, muss der Fehler schnell und sicher erfasst werden und die Bewegungssteuerung muss dem Roboter und externen Achsen solche Bewegungen geben, dass die Folgen des Fehlers minimiert werden. Die Fehler können auftreten in Robotern, externen Achsen oder in der Prozessausstattung, welche in der Roboterinstallation verwendet wird. Beispiele von Komponenten, die plötzliche Fehlersituationen ergeben können, sind Kabel, Antriebsvorrichtungen, Motoren, Sensoren, Messelektronik und Steuerelektronik.
Fehler können auch in dem Prozess auftreten, der mit der Bewegung des Roboters koordiniert ist, beispielsweise eine Punktschweißkanone oder ein Greifer kann in der falschen Position blockiert werden. Zusätzlich können Fehler auftreten, weil der Bediener einen Fehler macht, beispielsweise den Roboter gegen ein Hindernis fährt, eine externe Achse zu spät startet, oder einen I/O-Ausgang zu setzten vergißt, welcher dazu dient, eine Tür zu steuern, durch welche der Roboter hindurchgehen soll. Falls diese Fehlersituationen nicht erfasst werden und darauf nicht rasch reagiert wird, besteht ein beträchtliches Verletzungsrisiko für Personen und Beschädigung der Ausstattung. Der Roboter und/oder externe Achsen, können starke Kollisionen verursachen oder die Ausstattung, die blockiert wurde, kann aufgerissen werden. Diese Fehlersituationen können falsche Position, falsche Geschwindigkeit, falsche Beschleunigung oder falsches Drehmoment von einer oder mehrerer Achsen, die in dem System beinhaltet sind, verursachen.
Zur Überwachung der Bewegung des Roboters, werden gegenwärtig normalerweise existierende Signale der Servoeinrichtung verwendet, und eine Fehlersituation wird durch irgendeines dieser Signale festgelegt, das einen Alarmgrenzwert überschritten hat. Um einen Fehlalarm zu vermeiden, wird eine Filterung der Signale manchmal benötigt, und zusätzlich zu der Tatsache, dass die Signale einen Alarmgrenzwert überschreiten, kann es auch notwendig sein, dass das Signal über/unter dem Alarmgrenzwert für eine vorherbestimmte Zeitdauer liegt. Es gibt auch Lösungen, wo der Alarmgrenzwert von irgendeinem Signal der Servoeinrichtung abhängt, beispielsweise der gemessenen Achsengeschwindigkeit. Als Filter werden normalerweise Tiefpassfilter verwendet, um einen Fehlalarm aufgrund kurzer „harmloser" Signaleinschwingvorgänge zu vermeiden. Eine spezielle Art von Filtern, die auch vorkommt, sind sogenannte Beobachtungsfilter. Beispielsweise beschreibt die US 5 304 906 einen Beobachtungsfilter, der zum Erhalten eines Signals verwendet wird, welches zum Überwachen von Stördrehmomenten auf der Achse, die mit der Servoeinrichtung verbunden ist, verwendet wird. Stördrehmomente sind Drehmomente, welche normalerweise nicht die Achsen des Roboters beeinflussen und beispielsweise durch zu hohe Werkzeuglast, Werkzeuge, die blockiert werden oder durch Kollisionen gebildet werden können. Diese Stördrehmomente sind normalerweise nicht messbar, müssen aber rekonstruiert werden, um erfasst werden zu können. Ein Beobachter ist eigentlich ein Feedback-Filter, der im Zeitplan mit der Hilfe eines dynamischen Models des Systems, in welchem der Filter verwendet werden soll, konstruiert wird. Diese Art von Filter ist insbesondere interessant zur dynamischen Rekonstruktion nicht-messbarer Signale. Im Falle der Überwachung, kann ein rekonstruiertes Signal als das zu überwachende Signal verwendet werden.
Ein Nachteil von Beobachtungsfiltern ist jedoch, dass sie nicht optimal für einen allgemeinen Beobachtungszweck werden und dass sie nur eine Funktion erfüllen, wenn ein Signal, welches rekonstruiert werden kann, überwacht werden soll. So kann ein Beobachter zur Überwachung unbegründeter Stördrehmomente auf der Achse entworfen sein, aber er kann nicht unmittelbar entworfen sein, um beispielsweise eine falsche Position, falsche Geschwindigkeit und falsche Beschleunigung zu erfassen. Er kann beispielsweise nicht mit genügender Unterscheidungskraft erfassen, ob eine unerwartet hohe oder geringe Geschwindigkeit einer Achse verliehen wird, wie es bei einer Ausreißer-Situation (runaway situation) der Fall ist. Zusätzlich ist ein Beobachter relativ langsam und ist schwer stabil zu bekommen, da mechanische Resonanzen die Steuerung stören, was der Fall bei elastischen Robotern ist. Mit einem elastischen Roboter ist ein Roboter mit einer geringen Eigenfrequenz gemeint. Ein zusätzliches Problem ist es, den dynamischen Einfluss der Mechanik auf Interferenzsignale und Steuersignale zu kompensieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators zu erreichen, durch das eine falsche Position, falsche Geschwindigkeit, falsche Beschleunigung, falsche Last, falsches Achsendrehmoment und falsche Stördrehmomente erfasst werden können.
Was ein Verfahren gemäß der Erfindung charakterisiert, wird aus den angehängten Ansprüchen klar.
Das Verfahren weist die folgenden Vorteile auf

- eine sehr hohe Sensitivität
- eine sehr schnelle Erfassung,
- geringe Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen,
- erfasst alle Fehlersituationen, die auftreten können,
- kann auch in elastischen Achsen verwendet werden, das heißt Achsen, die elastisch sind.

Die vorherstehend erwähnten Vorteile werden durch Bilden einer Alarmbedingung erreicht, die einen Alarmwert und einen Alarmgrenzwert umfasst. Auf dem Model basierend, berücksichtigt der Alarmwert beides, Starrkörper-Eigenschaften und Elastizitäts-Eigenschaften des Manipulators. Der Einfluss der Elastizitäten, wie normale Situationen und Fehler dynamisch die gesteuerten Manipulatorachsen beeinflussen, ist in der Alarmbedingung mit Signalfiltern modelliert, welche im Wesentlichen die gleichen Übertragungsfunktionen wie kritische Übertragungsfunktionen zwischen einer verschiedenen Anzahl im Manipulator aufweisen, beispielsweise Drehmoment und Achsenbewegung. Um eine optimale Alarmbedingung zu erreichen, wird dies in Übereinstimmung mit bekannten Starrkörper-Modellen und Elastizitätsmodellen für den Manipulator abgeleitet, beginnend bei einer Signalkombination, welche ein Ausgabesignal direkt abhängig von der An des zu überwachenden Fehlers ergibt.
Die Alarmbedingung weist die Eigenschaft auf, dass sie sehr sensitiv auf falsche Stördrehmomente, Lasten, Beschleunigungen, etc. ist, während sie zur gleichen Zeit nicht für normale Betriebsfälle freigegeben ist. Das liegt daran, weil die Alarmbedingung auf Signalkombinationen beruht, welche direkt die Fehler beschreiben, welche erfasst werden sollen, und dass die Alarmbedingung modell-basiert ist, beide mit Bezug auf ein dynamisches Starrkörper-Modell und ein dynamisches Elastizitäts-Modell des Manipulators.
In einer Ausführungsform der Erfindung, kann der Alarmgrenzwert aus einer Konstanten bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird stattdessen ein modellbasierter Alarmgrenzwert verwendet, welcher, mit Kenntnis der Modellierungs-Fehler, ein minimales Alarmniveau bei allen Bewegungsarten ergibt. Der Alarmgrenzwert basiert auf einem Modell der Fehler der dynamischen Modelle und wird automatisch erhöht, wenn beispielsweise Beschleunigung und Geschwindigkeit zunehmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt schematisch einen industriellen Roboter.
2 zeigt eine Vorwärtsregelungs-Servoeinrichtung (feedforward servo).
3 zeigt ein einfaches Modell eines Motors und einer Achse mit einer einfachen Elastizität.
4 zeigt ein dynamisches Modell des Motors und der Achse mit einer einfachen Elastizität.
5 zeigt ein Blockdiagramm zur Erzeugung eines Alarmwertes und eines Alarmgrenzwertes gemäß einer ersten Ausführungsform.
6 zeigt ein Blockdiagramm zur Erzeugung eines Alarmwertes und eines Alarmgrenzwertes gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform.
7 zeigt ein Blockdiagramm zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch einen industriellen Roboter. Der Fuß 1 des Roboters ist fixiert auf einer Basis montiert. Der Roboter weist einen Basisständer 2 auf, welcher bezüglich des Fußes 1 um eine vertikale Achse A1 drehbar ist. Im oberen Ende des Basisständers, ist ein erster Roboterarm 3 gelagert und drehbar bezüglich des Basisständers um eine zweite Achse A2. Im äußeren Ende des Arms ist ein zweiter Arm 4 gelagert und bezüglich dem ersten Arm um eine Achse A3 drehbar. Der Roboterarm 4 umfasst zwei Teile 4a und 4b, wobei der äußere Teil 4b drehbar bezüglich dem inneren Teil 4a um eine Drehachse A4 ist, die mit der longitudinalen Achse des Arms sich überschneidet. Der zweite Arm 4 trägt an seinem äußeren Ende eine sogenannte Roboterhand 5, welche drehbar um eine Drehachse A5 ist, welche senkrecht zu der longitudinalen Achse des Arms ist. Der äußere Teil der Roboterhand ist bezüglich seines inneren Teils um eine Drehachse A6 drehbar. Jede Achse wird von einem Motor angetrieben.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf den folgenden technischen Lösungen:

– Verwenden einer Signalkombination zum Bilden eines model-basierten Alarmwertes und eines model-basierten Alarmgrenzwertes.
– Erzeugen eines Alarmsignals in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen dem Alarmwert und dem Alarmgrenzwert.
– Verwenden von beidem, einem Starrkörper-Modell und einem Modell, welches die Dynamik bezüglich der Elastizitäten des Roboters beschreibt, wenn die Ausdrücke für den Alarmgrenzwert und den Alarmwert erzeugt werden.
– Eine Ergänzungsmöglichkeit des Verfahrens mit sogenannter Lernsteuerung.
– Eine Verwendungsmöglichkeit von Drehmoments-Vorwärtsregelung in der Servoeinrichtung.

Ein Verwenden von Drehmoments-Vorwärtsregelung in der Servoeinrichtung setzt voraus, dass modellierte Achsendrehmomente gemäß 2 vorwärtsgeregelt sind. Ein Bewegungsablaufs-Generator 6 (trajectory generator) berechnet Referenzwerte für die Position φ_bg der Achse, Geschwindigkeit φ ._bg und Beschleunigung φ .._bg. Ein dynamisches Modell 7, welches die statischen und dynamischen Eigenschaften des Roboters beschreibt, berechnet dynamische Parameter. Auf der Basis der Referenzwerte des Bewegungsablaufs-Generators für Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung berechnet das dynamische Modell die dynamischen Parameter, welche für die Vorwärtsregelungs-Steuerung benötigt werden. Die dynamischen Parameter sind Massenträgheit J * / i, gekoppelte Massenträgheit J * / ji, Moment der Gravitationskraft τ * / gi, Drehmomente, die durch Zentrifugalkräfte während Bewegungen τ * / centri anderer Achsen verursacht werden, Drehmomente, die durch Coriolis-Kräfte in Verbindung mit den Bewegungen τ * / cori anderer Achsen verursacht werden und Drehmomente, die durch statische und dynamische Reibung τ * / fricti verursacht werden.
Ein Vorwärtsregelungs-Generator 8 berechnet Referenzwerte für Position und Geschwindigkeit φ_ref,
_ref und ein Vorwärtsregelungs-Drehmoment τ_ffw für die Servoeinrichtung 9, welche den Motor und die Übertragung und die Welle 11, die auf dem Motor montiert ist, steuert. Das Vorwärtsregelungs-Drehmoment τ_ffw wird auf der Basis von dynamischen Parametern und den Referenzwerten für die Position der Achse berechnet. Von der Servoeinrichtung, werden der Motor und somit die Achse in Übereinstimmung mit den Referenzwerten gesteuert. Ein Positionssensor mit einem verbundenen Mess-System 10 erzeugt ein Ausgabesignal, welches die gegenwärtige Position φ_m und Geschwindigkeit φ ._m der Motorwelle festlegt, die für die Servoeinrichtung geliefert werden.
Um einen Alarmwert abzuleiten, wird eine optimale modell-basierte Signalkombination eingesetzt. Wie das bewerkstelligt wird, wird nachfolgend für ein einfaches Modell des Motors und der Achse gemäß 3 gezeigt. In diesem Modell, besteht der Rotor des Motors aus einem kleineren Zylinder 12 und der Manipulatorarm aus einem größeren Zylinder 13. Der Rotor weist die Massenträgheit J_m auf, und der Arm weist die Massenträgheit J_a auf. Auf den Rotor wirkt ein Stördrehmoment τ_distm und auf den Arm wirkt ein Stördrehmoment τ_dista. Zwischen dem Rotor und dem Arm befindet sich eine elastische Welle 14, mit der Federkonstante k und der Dämpfung c. Wenn die Elastizität gespannt wird, wird der Achsenwinkel φ_m des Rotors vom Achsenwinkel des Arms φ_a abweichen. Der Achsenwinkel des Rotors wird mit einer Winkelmessungs-Vorrichtung gemessen und wird zu der Servoeinrichtung 9 zusammen mit der Achsgeschwindigkeit φ ._m des Motors geliefert. In der Servoeinrichtung 9, ist G_pos(s) eine Übertragungsfunktion für die Positionssteuerung, G_vel(s) ist eine Übertragungsfunktion für die Geschwindigkeitssteuerung, τ_err ist das Steuerdrehmoment, welches von den Steuerfehlern in den Geschwindigkeitssteuerungen (φ ._ref – φ ._m) und in den Positionssteuerungen (φ_ref – φ_m) abhängt, τ_mr ist das Gesamt-Motorreferenzdrehmoment und ist die Summe von τ_err und des Vorwärtsregelungs-Drehmoments τ_ffw.
k_T ist die Drehmomentskonstante des Antriebs und des Motors.
Ableitung einer Alarmbedingung wird beispielhaft mittels des Falls des Ausreißens dargestellt. Ausreißen impliziert, dass der Achse eine Bewegung verliehen wird, eine Bewegung, welche keine Übereinstimmung in den Signalen aufweist, die für die Servoeinrichtung vom Vorwärtsregelungs-Generator erzeugt wurden. Um maximale Sensitivität und minimale Antwortzeit zu erreichen, wird die Beschleunigung der Achse als eine Basis zum Erhalten der Alarmbedingung verwendet. Es ist von größter Wichtigkeit eine Signalkombination zu finden, welche so unempfindlich wie möglich zu normalen Bewegungen ist, und welche anhand des Bekanntseins der Dynamik des Motors und der Achse ausgeführt werden kann.
Beginnend mit 3, können die folgenden Ausdrücke für die Beschleunigung des Motors eingesetzt werden:
wobei
s der Laplace-Operator in der Frequenz-Ebene ist,
φ .._m: die Beschleunigung des Motors,
τ_m: Drehmoment, das durch den Motor zu der Motorachse gebildet wird,
τ_distm: Drehmomentstörung auf die Motorachse,
τ_dista: Drehmomentstörung auf dem Arm,
G₁(s): die Übertragungsfunktion zwischen geliefertem Drehmoment auf der Motorachse und der Beschleunigung der Motorachse,
G₂(s): die Übertragungsfunktion zwischen geliefertem Drehmoment auf der Armseite und der Beschleunigung der Motorachse.
G₁(s) und G₂(s) beinhalten die folgenden Parameter:
J_m: Massenträgheit des Motors
J_a: Massenträgheit des Arms
K: Federkonstante zwischen Motor und Arm
c: Dämpfung zwischen Motor und Arm
Normalerweise wird ein Getriebegehäuse mit einem festgelegten Getriebeverhältnis zwischen der Motorseite und der Armseite verwendet. Alle Parameter und Signale werden jedoch zu der Motorseite konvertiert, was beispielsweise impliziert, dass Drehmomente um den Faktor 1/n reduziert werden, wo n das Getriebeverhältnis ist, und Massenträgheiten um den Faktor 1/n².
Die 4 zeigt ein dynamisches Modell für den Motor und die Armmechanik gemäß 3. Mit der Hilfe dieses Modells, können die Übertragungsfunktionen G₁(s) und G₂(s) abgeleitet werden:
wobei
Das ergibt
In der Beziehung 1 muss man jetzt Ausdrücke für τ_m, τ_distm und τ_dista erhalten. Mit Vorwärtsregelungs-Steuerung gemäß 2 und 3 werden die folgenden Ausdrücke für τ_m erhalten:
Weiter gelten die folgenden Beziehungen:
Hier bedeutet ein *, dass der dynamische Parameter modelliert ist und somit unter einem Modellfehler leidet. Für beide, modellierte und gegenwärtige dynamische Parameter, gelten die folgenden Definitionen:
k_T: die Drehmomentkonstante des Motor beinhaltet Antriebsschaltkreise (drive circuits). Die Drehmomentkonstante ist das Verhältnis zwischen dem gegenwärtigen Motordrehmoment und dem Referenzdrehmoment.
τ_err: Drehmomentreferenz, die durch die Geschwindigkeits- und Positionssteuerungen in Abhängigkeit von Steuerungsfehlern gebildet wird.
τ_statfrict·sign(φ ._m) : eine einfache Beschreibung der statischen Reibung als ein Drehmoment multipliziert mit dem Vorzeichen (Signum, sign) der Geschwindigkeit.
f_dynfrict·(φ ._m)^P : die dynamische Reibung, welche proportional zu der Geschwindigkeit, erhoben zum Exponenten p ist.
τ_rippel: Drehmomentstörung, die durch Rotor- und Stator-Welligkeit (rotor and stator ripple) im Motor verursacht wird.
τ_gravity: das Drehmoment der Gravitationskraft auf den Arm.
Drehmoment auf der Armseite, das durch Zentrifugalkräfte von den Achsen mit Index j verursacht wird.
Drehmoment auf der Armseite, das durch Coriolis-Kräfte von zusammenwirkenden Achsenpaaren i und j verursacht wird.
Drehmoment auf der Armseite, das durch gekoppelte Massenträgheit von den Achsen j verursacht wird.
Die Reibung auf der Armseite ist weggelassen worden, da die Reibungsdrehmomente durch das Getriebeverhältnis dividiert werden, wenn Anpassung zu der Motorseite stattfindet. Alle Beziehungen werden zu der Motorseite angepasst.
Wir haben jetzt eine vollständige Beschreibung aller Komponenten, die in der Beziehung 1 beinhaltet sind, und wir können jetzt eine Signalkombination ρ_rus bilden, welche zum Erzeugen einer Alarmbedingung verwendet werden kann.
G_rus(s) ist ein Filter, welcher im Wesentlichen zur Reduzierung von Rauschen der Beschleunigungssignale verwendet wird. φ * / m(s) ist nicht bekannt und muss abgeleitet werden, um eine brauchbare Signalkombination zu erhalten. Weiter müssen die Alarmbedingungen und Alarmgrenzwerte, welche implementiert werden sollen, abgeleitet werden. Wie das bewerkstelligt wird, wird im Fall von Ausreißen erläutert, wobei der Ausdruck für ρ_rus(s) direkt verwendet werden kann.
Mit Gleichung 1 in Gleichung 9 wird Folgendes erhalten:
Gemäß den Gleichungen 6, 7 und 8:
Die Gleichung 11 in 10 ergibt:
gesetzt J_a = J * / a, J_m = J * / m, c = c^*, k = k^*, k_T = k * / T,
wobei τ * / dev die geschätzte maximale Abweichung zwischen gegenwärtigem Stördrehmoment und modelliertem Stördrehmoment ist. Für den Fall einfacher Elastizität gemäß dem Modell in 4 und mit G_rus(s) = 1 ergibt das:
Im Falle perfekter Steuerung und im Fall eines starren Körpers, k → ∞ und τ_err(s) = 0 und wobei die Alarmbedingung dann die erwartete wird:
wobei AMPL( ) die Amplitude des Frequenzspektrums innerhalb des untersuchten Frequenzbereichs ist, und wobei EPS eine kleine Zahl ist.
Falls die Steuerung nicht perfekt ist, ist im Starrkörperfall die Bedingung stattdessen folgendermaßen:
τ_err(s) hängt vom Modellfehler während Normalbetrieb ab. Es kann angenommen werden, dass J * / a so langsam variiert, dass es als konstant in dem für die Überwachung interessierenden Frequenzbereich angesehen werden kann.
Der Ausdruck 13 kann in eine Alarmbedingung durch Einführen der folgenden Definitionen übergeführt werden:
G * / 1(s) ist ein Modell der Übertragungsfunktion zwischen bereitgestelltem Drehmoment auf der Motorseite und der Beschleunigung der Motorachse.
G * / 2(s) ist ein Modell der Übertragungsfunktion zwischen bereitgestelltem Drehmoment auf der Armseite und der Beschleunigung der Motorachse.
Der Ausdruck 13 kann jetzt mit der Hilfe von 14 und 15 modifiziert werden, was die folgende Alarmbedingung ergibt, wenn G_rus in G_rus1 und G_rus2 geteilt wird:
Hier wurden die folgenden Definitionen eingeführt:
G * / 3MAX(s) entspricht G₃(s) mit maximaler Abweichung von J * / m, J * / a, c^*, k^*, wo diese maximale Abweichung eine maximale Amplitude von G₃(s) in dem besagten Frequenzbereich ergibt.
k * / Tdev, ist die maximale positive Abweichung von dem Wert 1 von k * / T.
J * / dev ist die maximale Abweichung von J * / m + J * / a.
G * / 4MAX(s) ist genau so definiert wie G * / 3MAX(s).
G * / 3, G * / 3max(s), G * / 4, G * / 4max sind modell-gesteuerte Filter, während G_rus1 und G_rus2 Tiefpassfilter sind.
Die dynamischen Modellfehlerparameter τ * / devm und τ * / deva werden auf der Basis vom Bekanntsein der Fehler der modellierten Parameter gebildet. Aus den Ausdrücken 6, 7 und 8 wird Folgendes erhalten:
Die d^*-Parameter zeigen den maximalen Fehlerfaktor der entsprechenden dynamischen Parameter an. Falls der Fehler groß ist, wird d^* groß sein (aber < 1) und falls der modellierte Parameter gut mit der Realität übereinstimmt, wird d^* nahe bei 0 liegen.
Der modell-basierte Alarmgrenzwert wird automatisch mit der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Manipulatorachsen geändert. Falls beispielsweise die Geschwindigkeit bei allen Achsen reduziert wird, werden die Fehlerterme von dynamischer Reibung, Zentrifugalkräften und Coriolis-Kräften abnehmen und der Alarmgrenzwert wird automatisch reduziert.
Zwei Filter G_A und G_B werden eingeführt. Sie werden jetzt in Übereinstimmung mit 14 und 15 gesetzt:
Wir erhalten jetzt die allgemeine Alarmbedingung:
LV₁: Alarmbedingung
LV₂: Alarmgrenzwert
G_A und G_B sind Filter vom Tiefpass-Typ oder vom Bandpass-Typ, und wobei es der Zweck des Verwendens dieser Filter ist, den Einfluss unerwünschter Störungen der Alarmbedingung zu verringern.
Im Normalfall ist LV₁ < LG₁. Falls LV₁ > LG₁ wird ein Alarm ausgelöst. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer Überwachung, welche Gleichung 19 implementiert. Die Signale, welche zur Berechnung des Alarmwertes LV verwendet werden, sind φ .._ref, τ_err, φ .._m. Der Alarmgrenzwert LG wird mit Hilfe der Signale φ_ref und τ_err berechnet. Die folgenden Parameter werden durch das dynamische Modell: J * / tot, J * / totMAX, k * / Tdev, τ * / devm, τ * / distm, τ * / dista, τ * / deva, und den Parametern, die in G * / 1, G * / 1max, G * / 2max beinhaltet sind, berechnet.
Der Alarmgrenzwert bestimmt die Sensitivität der Erfassung unterschiedlicher Fehlerbedingungen, wie falsche Position, falsche Geschwindigkeit (Ausreißen), falsche Beschleunigung, falsche Last, falsches0 Achsendrehmoment und falsches Stördrehmoment (z. B. Stauung). Der Alarmgrenzwert LG₁ in Gleichung 19 ist besonders empfindlich bezüglich der Erfassung von Ausreißen, aber er kann auch für andere Fehlerbedingungen verwendet werden, falls eine unmodellierte Alarmgrenzwertkomponente hinzugefügt wird. Im einfachsten Fall kann der Alarmgrenzwert konstant sein. Der konstante Alarmgrenzwert muss einen Wert haben, der größer als der maximale Alarmwert für Normalbetriebssituationen des Roboters ist.
Eine gewisse Logik wird verlangt, um das Vorzeichen (sign, Signum) von k * / Tdev zu erzeugen, so dass die Alarmbedingung bezüglich des Vorzeichens (sign, Signum) von k * / Tdev maximiert wird. Um die Fälle zu erklären, wo τ_mr durch einen Drehmomentgrenzwert beschränkt ist, was τ_{mr,lim it} anstatt von τ_err ergibt, wird der Unterschied zwischen τ_{mr,lim it} und τ_ffw verwendet, das heißt τ_mr,lim
it – τ_ffw.
Für einen starren Manipulator, k^* → ∞ , ergibt sich Folgendes:
In der Ableitung von G * / 1 und G * / 2 wird ein einfaches Motor-/Arm-Modell verwendet, mit einer Elastizität zwischen der Motorseite und der Armseite der Achse. In komplizierteren, flexiblen Armsystemen mit gekoppelten Oszillationen zwischen verschiedenen Armen, welche mehrere Oszillationsmoden verursachen, sind G * / 1 und G * / 2 von einer höheren Ordnung, wobei aber die Alarmbedingung 19 die gleiche sein wird.
Eine Analyse, die der einen entspricht, die für die Überwachung von Ausreißen gemacht wurde, kann auch für andere Fehlerbedingungen gemacht werden. Falls beispielsweise nicht-modulierte Stördrehmomente überwacht werden sollen, können die folgenden Signalkombination ausgehen von:
Jetzt ist τ_dista(s) nicht direkt messbar wie φ .._m(s) im Fall von Ausreißen, wobei φ_m, als ein Mess-Signal verwendet wird. Eine Beziehung muss deshalb erhalten werden zwischen τ_dista(s) und φ_m(s)
Aus Gleichung 1 wird Folgendes erhalten:
Der Ausdruck für τ_m(s) wird aus 11 erhalten und kann in 22 eingefügt werden.
Die Alarmbedingung für den flexiblen Fall wird jetzt sein:
Der Unterschied zwischen der Alarmbedingung zum Ausreißen, Gleichung 19, und der Alarmbedingung für Stördrehmoment, Gleichung 23a, befindet sich somit in dem Ausdruck für den modell-basierten Alarmgrenzwert.
Das Verfahren kann auch zum Erfassen während eines Not-Stops (emergency stop) verwendet werden, wenn die mechanischen Bremsen zu arbeiten beginnen. Das gibt eine Möglichkeit genauer Steuerung auch während einem Not-Stopprozess.
Um die Alarmbedingung für Lastfehler abzuleiten, ist es passend, eine Signalkombination für den Fehler in der Massenträgheit zu finden. Da alle Bewegungen mindestens eine Beschleunigungsdauer und eine Verzögerungsdauer benötigen, werden alle Bewegungen deshalb durch Fehler in der Massenträgheit beeinflusst. Somit, kann die folgende Signalkombination zum Startpunkt aufgestellt werden:
Um diese Signalkombination in Verbindung zu messbaren Signalen zu bringen, wird die folgende Approximation gemacht:
Mit Hilfe der Beziehungen 1 und 11, kann auch in diesem Fall gezeigt werden, dass die Alarmbedingung gemäß 19 mit ein paar kleinen Modifikationen des Alarmgrenzwerts erhalten wird.
Die allgemeine Alarmbedingung 19 kann geändert werden, um Formen zu erhalten, die leichter implementiert werden können. Bei Verwenden von Beziehung 11, kann somit die folgende Alarmbedingung erhalten werden:
Durch Multiplikation mit G –1* / 2 und G –1 / 2max wird die folgende Alarmbedingung erhalten:
6 zeigt ein Blockdiagramm zum Erzeugen der Alarmbedingung gemäß Gleichung 23c. Das dynamische Modell, Block 7, berechnet die folgenden Parameter:
Für eine einfache Elastizität gilt Folgendes:
Das ergibt die Alarmbedingung:
Die Alarmbedingungen 23a–23d weisen die Eigenschaft auf, dass sie sehr empfindlich auf falsche Stördrehmomente, Lasten, Beschleunigungen, etc. sind, während sie zur gleichen Zeit bei Normalbetriebsfällen nicht auslösen. Das ist aufgrund der folgenden Fakten so:

– Die Alarmbedingungen beruhen auf Signalkombinationen, die direkt die Fehler beschreiben, die erfasst werden sollen.
– Die Alarmbedingungen sind beide modell-basiert bezüglich einem dynamischen Starrkörper-Modell und einem dynamischen Elastizitäts-Modell des Manipulators.
– Der Alarmgrenzwert beruht auf einem Modell des Fehlers der dynamischen Modelle und wird automatisch erhöht, wenn beispielsweise die Beschleunigung und die Geschwindigkeit zunehmen.

Die Alarmbedingungen liefern eine sehr rasche Erfassung und können auch bei sehr elastischen Achsen verwendet werden, wobei die Effekte der Elastizitäten und die Achsdämpfungsfaktoren durch Filter modelliert werden, welche die Übertragungsfunktionen implementieren:
Zusätzlich zeigt die Ableitung unterschiedlicher Signalkombinationen, dass die Alarmbedingung allgemein anwendbar ist.
Falls die Lernsteuerung verwendet wird, wird der Ausdruck 11 ergänzt:
wobei τ_LC. das Vorwärtsregelungs-Drehmoment von der Lernsteuer-Schleife ist. τ_LC wird τ_err reduzieren und τ_ffw + τ_LC wird eine Drehmoment-Vorwärtsregelung mit einem kleinen Fehler liefern. Das ermöglicht, den Alarmgrenzwert zu verringern. Um wie viel der Alarmgrenzwert verringert werden kann, hängt davon ab, wie viele Lernzyklen durchlaufen wurden und wie effizient das Lernen ist.
Lernsteuerung bedeutet, dass Signale von der Servoeinrichtung während der Programmausführung weggespeichert werden und dass diese Signale in einer späteren Programmausführung zur Verbesserung der Steuerungsausführung verwendet werden. Lernsteuerung wird beispielsweise in einem Artikel „Learning Control of Robot Manipulators" von Robert Horowitz in Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, June 1993, Vol. 115, Seiten 402–411 beschrieben.
Lernsteuerung kann auch direkt an die Alarmbedingung angepasst werden. Auf diese Art, wird der Wert des linksseitigen Terms in beispielsweise (23a) von Durchlauf zu Durchlauf gespeichert, und die gespeicherten Werte werden als Alarmgrenzwerte verwendet:
Ein Alarm wird dann durch die Alarmbedingung ausgelöst:
k ist der gegenwärtige Programmdurchlauf
t ist die Zeit (oder Position) innerhalb des Durchlauf.
v_LC(k,t) ist der erlernte Wert des linksseitigen Terms in 23a.
Δv_LC(k,t) ist die Abweichung bei v_LC zwischen unterschiedlichen Durchläufen.
Der modell-basierte Grenzwert gemäß 23a wird passend verwendet, wenn das Lernen beginnt oder falls v_LC zu groß ist.
Auf den Punkt gebracht sind die Alarmbedingungen 23a–23d im Allgemeinen sehr nützlich und können mit kleinen Modifikationen zur Erfassung von Ausreißen, falscher Last, Stauung, Reibungsabweichung, Kollision, Mess-Systemfehlern, Steuerelektronik-Fehlern, Antriebs-Systemfehlern, Konfigurationsparameter-Fehlern, Bremsanwendung, etc. verwendet werden.
Wenn die Alarmbedingungen eine Alarmsituation erfasst haben, kann das zum Ändern der Steuerungsstrategie verwendet werden, was eine Notbremsung, etc. auslöst. Was ausgeführt werden soll, wird durch ein logisches Modul bestimmt, welches die Geschwindigkeiten, Positionen, Drehmomente, etc. der Achsen überprüft.
Die vorherstehenden Ausführungsformen zeigen eine Servoeinrichtung mit Drehmoments-Vorwärtsregelungssteuerung, aber die Erfindung ist auch anwendbar auf eine Servoeinrichtung, welche keine Vorwärtsregelungssteuerung aufweist. In einer solchen Ausführungsform erzeugen die Ausgabesignale des Bewegungsablauf-Generators Referenzsignale zu der Servoeinrichtung (φ_ref = φ_bg, φ ._ref = φ ._bg).
7 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators gemäß der Erfindung. Das dynamische Modell berechnet eine Vielzahl dynamischer Parameter, Block 7, basierend auf berechnete Referenzwerte für die Position der Roboterachse. Der Referenzwert für die Position φ_ref der Achse und die gegenwärtige Position φ_m der Achse wird zu der Servoeinrichtung geliefert, welche die Motordrehmomente τ_mr und τ_err berechnet, welche Drehmomente sind, die von Steuerfehlern in der Positions- und Geschwindigkeitssteuerung, Block 9, abhängig sind. Falls die Servoeinrichtung keine Vorwärtsregelungssteuerung aufweist, dann gilt τ_mr =τ_err. Ein Alarmwert LV wird berechnet, Block 20, in Abhängigkeit von der gegenwärtigen Beschleunigung φ .._m der Achse, dynamische Parameter und mindestens irgendeines der Signale φ .._ref (Alarmbedingung 23a), τ_err (Alarmbedingung 23a), und τ_mr (Alarmbedingungen 23b–23d). Ein Alarmgrenzwert LG wird berechnet, Block 21, in Abhängigkeit von einer Kombination dynamischer Parameter und mindestens irgendeinem der Signale φ .._ref (Alarmbedingung 23a), τ_err (Alarmbedingung 23a), τ_mr (Alarmbedingung 23b–23d) und φ .._m (Alarmbedingung 23d). Der Alarmwert wird mit dem Alarmgrenzwert verglichen und ein Alarmsignal ALARM wird in Abhängigkeit von dem Vergleich erzeugt.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators, wobei der Manipulator einen beweglichen Teil, der relativ zu einem fixierten Teil oder einem anderen beweglichen Teil bewegt werden kann, mindestens eine Bewegungsachse (A1–A6) zur Positionierung des bewegbaren Teils, einen Motor, welcher eine Welle und daher einen bewegbaren Teil antreibt, eine Servoeinrichtung (9) zum Steuern der Achse gemäß bereitgestellter Referenzwerte für Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung (φ_ref, φ ._ref, φ .._ref), und einen Lagesensor (10) umfasqst, der angepasst ist, ein Ausgangssignal zu liefern, welches die gegenwärtige Lage (φ_m) der Achse definiert, wobei eine Vielzahl von dynamischen Parametern (J * / tot, J * / totMAX, k * / Tdev, τ * / devm, τ * / distm,τ * / dista,τ * / deva) in Abhängigkeit von Referenzwerten für die Lage und Geschwindigkeit der Achse und ein dynamisches Modell (7), welches die statischen und dynamischen Eigenschaften des Roboters beschreibt, berechnet werden, wobei die momentane Beschleunigung (φ .._m) der Achse auf der Basis der momentanen Lage (φ_m) der Achse berechnet wird, und wobei ein Drehmoment-Signal (τ_mr) durch die Servoeinrichtung in Abhängigkeit von dem Steuerfehler-Drehmoment (τ_err) der Servoeinrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter die folgenden Schritte umfasst: ein Alarmwert (LV) wird als eine Funktion der momentanen Beschleunigung (φ .._m), mindestens einige der dynamischen Parameter (J * / a, J * / m, c^*, k^*) und eines oder mehrere der folgenden Signale werden berechnet: das Steuerfehler-Drehmoment (τ_err) der Servoeinrichtung, der Referenzwert für die Beschleunigung (φ .._ref ) und das Drehmoment-Signal von der Servoeinrichtung (τ_mr), und während ein oder mehrere Signalfilter (G * / 1, G * / 2, G –1* / 2 verwendet werden, wird ein Alarmgrenzwert (LG) als eine Funktion eines oder mehrerer der folgenden Parameter berechnet: eine Konstante, die momentane Lage (φ_m), die momentane Geschwindigkeit (φ ._m), die momentane Beschleunigung (φ .._m), einer der dynamischen Parameter (J * / totmax, J * / deva, k * / Tdev, τ * / dist, τ * / dev), das Steuerfehler-Drehmoment (τ_err) der Servoeinrichtung, der Referenzwert für die Beschleunigung (φ .._ref) und das Drehmoment-Signal der Servoeinrichtung (τ_mr ), wobei der Alarmwert mit dem Alarmgrenzwert verglichen wird und das Alarmsignal erzeugt wird, wenn der Alarmwert gleich oder größer als der Alarmgrenzwert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berechnung des Alarmgrenzwertes, Schätzungen von Maximal-Modellfehlern (τ * / devm, τ * / deva, k * / Tdev, J * / deva) genau so wie ein oder mehrere Signalfilter (G * / 1max, G * / 2max) verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalfilter (G * / 1) ein Modell der Übertragungsfunktion zwischen bereitgestelltem Drehmoment auf der Motorseite und der Beschleunigung der Motorachse ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalfilter (G * / 2) ein Modell der Übertragungsfunktion zwischen dem bereitgestellten Drehmoment auf der Armseite und der Beschleunigung der Motorachse ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LV1) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmgrenzwert (LG1) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmgrenzwert (LG2) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LV3) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LG4) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LG3) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LV2) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LV4) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmgrenzwert (LG5) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmwert (LV5) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird:
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarmgrenzwert (LG6) in Abhängigkeit von der folgenden Beziehung berechnet wird: