ES2274366T3 - Dispositivo de regulacion para un robot multiaxial. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de regulación (1) para un robot multiaxial, en particular para un robot de barnizado de una instalación de barnizado, con varios reguladores (8-10) para la regulación de accionamiento en cada caso de un eje del robot, estando acoplados por lo menos dos reguladores (8-10) de ejes diferentes entre sí solapando los ejes, caracterizado porque el acoplamiento solapando los ejes entre los reguladores (8-10) se refiere a una desviación de regulación (DELTAM) de un regulador (10), en la medida en que registra la desviación de regulación (DELTAM) de uno de los reguladores (10) y es retroacoplada en uno o varios reguladores (8, 9) distintos referidos al eje.

Description

Dispositivo de regulación para un robot multiaxial.

La presente invención se refiere a un dispositivo de regulación para un robot multiaxial, en particular para un robot de barnizado de una instalación de barnizado, según el preámbulo de la reivindicación 1.

En las instalaciones de barnizado para el barnizado de piezas de carrocería de vehículos automóviles se utilizan, para la guía de un aparato de aplicación, como por ejemplo un pulverizador de rotación, usualmente robots de barnizado multiaxiales, los cuales posibilitan una guía rápida, flexible y precisa y con ello contribuyen a un buen resultado de barnizado.

En el control de un robot de barnizado de este tipo se predeterminan, usualmente, las coordenadas espaciales deseadas de un denominado TCP (inglés TCP - Tool Center Point) y se convierten, en correspondencia con un dispositivo cinemático inverso específico del robot, en las correspondientes coordenadas axiales para los diferentes ejes del robot de barnizado. El accionamiento de los ejes individuales del robot de barnizado tiene lugar con ello mediante motores eléctricos, los cuales son regulados en cada caso mediante un regulador para los ejes individuales.

Desventajoso en el dispositivo de regulación conocido descrito con anterioridad para un robot es el hecho de que la precisión de la posición, en especial en el caso de movimientos rápidos del robot, es insatisfactoria.

Por el documento EP 1 234 641 A1 se conoce un dispositivo de regulación para un robot en el cual los reguladores de ejes diferentes están acoplados entre sí solapando los ejes. En el marco del acoplamiento solapando los ejes se mide en un eje un valor REAL y se tiene en cuenta para la regulación en el otro eje.

Otras conjeturas referidas a la técnica de regulación se conocen gracias a Wedeward, K. et al: "Singularity Robustness: Methods or jointspace and task-space control", Proceedings of the 1977, IEEE International Conference on Control Application Hartford, CT, 5-7 de Octubre, 1997.

La invención se plantea por ello el problema de aumentar la precisión de la posición en un dispositivo de regulación para un robot multiaxial.

Este problema se resuelve, partiendo del dispositivo de regulación conocido descrito con anterioridad según el preámbulo de la reivindicación 1, mediante las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

La invención se basa en el conocimiento técnico de que la precisión de posicionamiento de un robot multiaxial se ve influenciada por la elasticidad de los ejes individuales. Si, por ejemplo, un eje del robot es muy elástico, debido a un engranaje intercalado, entonces este eje reacciona sólo de manera retardada a un cambio de valor teórico, mientras que por el contrario, ejes más rígidos del robot, siguen con mayor rapidez el cambio de valor teórico. La reacción retardada de ejes altamente elásticos no se tiene sin embargo en cuenta en la regulación usada hasta ahora y conduce por ello a errores de posicionamiento del robot.

La invención comprende por ello la enseñanza técnica general de acoplar, en un dispositivo de regulación con varios reguladores para la regulación de accionamiento en cada caso de un eje del robot multiaxial, los ejes de regulador individuales entre sí solapando los ejes, para que se tengan en cuenta las diferentes elasticidades de los ejes individuales y puedan ser compensadas en los otros ejes.

Preferentemente el acoplamiento solapando los ejes entre los reguladores individuales actúa desde el regulador de un eje relativamente elástico sobre el regulador de un eje relativamente rígido. Esto es ventajoso debido a que los errores de posicionamiento condicionados por la elasticidad son generados, esencialmente, por los ejes flexibles y, por ello, pueden ser compensados por los ejes más rígidos.

Según la invención, el acoplamiento solapando los ejes entre los diferentes reguladores referidos a los ejes del robot multiaxial se refiere a una desviación de regulación de por lo menos uno de los reguladores. Esto significa que en un eje del robot se registra la desviación de regulación y en el otro eje se tiene en cuenta.

Por ejemplo, se puede registrar aquí en un regulador referido al eje la desviación de regulación de un regulador de momento de giro y se puede retroacoplar en uno o varios reguladores referidos al eje diferentes. La utilización de la desviación de regulación de uno de los reguladores de momento de giro para el acoplamiento solapando los ejes tiene sentido debido a que la magnitud del regulador reproduce la elasticidad del eje correspondiente, que debe ser compensada en el marco del acoplamiento solapando los ejes.

La invención no está limitada, sin embargo, con vistas a la magnitud de regulador que hay que tener en cuenta en el marco del acoplamiento solapando los ejes, a las desviaciones teórico-real del momento de giro sino que se puede realizar también con otras magnitudes del regulador.

De este modo, en un robot multiaxial con en cada caso ejes que se mueven linealmente, se retroacopla la desviación teórico-real de un regulador de fuerza a los reguladores de los otros ejes del robot multiaxial.

En el dispositivo de regulación según la invención el comportamiento de regulación del regulador de por lo menos un eje no sólo depende de la desviación teórico-real del propio eje sino que, debido al acoplamiento solapando los ejes, está influenciado preferentemente también por la desviación teórico-real de otro eje.

Preferentemente tiene lugar el acoplamiento solapando los ejes entre los diferentes ejes mediante un bucle de acoplamiento el cual, por el lado de entrada, registra la desviación teórico-real de una magnitud de regulación (p. ej. del momento de giro) en un eje y por el lado de salida controla el regulador de otro eje.

Al mismo tiempo están dispuestos en el bucle de acoplamiento preferentemente un filtro de paso bajo, un elemento de valor absoluto, un inversor, un amplificador y/o un elemento de saturación.

La disposición de un filtro de paso bajo en el bucle de acoplamiento tiene sentido para extraer por filtración señales perturbadoras de alta frecuencia, las cuales no son generadas por la elasticidad del correspondiente eje.

Además, es ventajoso disponer en el bucle de acoplamiento un elemento de valor absoluto dado que la elasticidad del correspondiente eje normalmente es independiente de la dirección, de manera que el signo de la magnitud del regulador retroacoplada carece de importancia.

Además, puede ser ventajoso que en el bucle de acoplamiento esté dispuesto, entre los reguladores acoplados entre sí, un elemento de saturación con el fin de optimizar el comportamiento de regulación del dispositivo de regulación.

En el marco de la invención es posible que estén acoplados entre sí únicamente dos reguladores referidos al eje. Sin embargo, preferentemente. el regulado de un eje está retroacoplado solapando los ejes con el regulador de todos los demás ejes o, por lo menos, con el regulador multiaxial diferentes.

Preferentemente es aquí uno de los reguladores un regulador en cascada, el cual presenta varios circuitos de regulación en forma de cascada, actuando el acoplamiento solapando los ejes sobre uno o varios de los circuitos de regulación externos. Por ejemplo, el regulador de cascada puede presentar circuitos de posición, de velocidad, de momento de giro y de regulación de corriente, los cuales están intercalados unos en otros, donde el acoplamiento entre los reguladores referidos a los ejes actúa sobre uno o varios de los circuitos de regulación externos. Por ejemplo, la desviación de regulación del momento de giro tomada por un regulador puede influir, en el regulador de otro eje, sobre el valor teórico del bucle de regulación de posición y/o el valor teórico del bucle de regulación de velocidad.

En una variante ventajosa de la invención está prevista además una configurabilidad del acoplamiento entre los ejes individuales. Por ejemplo, se puede configurar libremente qué regulador actúa solapando los ejes sobre qué regulador referido al eje. Además, se puede configurar libremente el comportamiento de acoplamiento entre los reguladores individuales referidos a los ejes, pudiendo diferenciarse el comportamiento de acoplamiento para los reguladores individuales referidos a los ejes. La invención no se refiere, sin embargo, únicamente al dispositivo de regulación según la invención descrito con anterioridad sino también a un robot, en especial un robot de barnizado con una instalación de barnizado de tal tipo, así como a una instalación de revestimiento con un robot equipado según la invención.

Otros perfeccionamientos ventajosos de la invención están caracterizados en las reivindicaciones subordinadas o se explican a continuación con mayor detalle, a partir de las Figuras, junto con la descripción del ejemplo de forma de realización preferido de la invención. En las figuras:

la Figura 1 muestra un dispositivo de regulación según la invención para un robot de barnizado multiaxial con en cada caso un regulador para los ejes individuales,

la Figura 2 muestra un esquema equivalente desde el punto de vista de la técnica de regulación del regulador de los dos ejes 1 y 2 relativamente rígidos, y

la Figura 3 muestra el regulador del eje 3 relativamente elástico en forma de un esquema equivalente desde el punto de vista de la técnica de regulación.

El diagrama de bloques simplificado de la Figura 1 muestra un dispositivo de regulación 1 según la invención para el control eléctrico de motores 2, 3, 4 eléctricos de un robot multiaxial el cual puede ser utilizado, por ejemplo, como robot de barnizado, para posicionar un aparato de aplicación, como por ejemplo un pulverizador de rotación, en una cabina de barnizado de una instalación de revestimiento. Por simplicidad se han representado aquí únicamente tres motores eléctricos 2-4, lo que corresponde a un robot de tres ejes. Sin embargo, la invención no está limitada al control de robots de tres ejes sino que se utiliza preferentemente para el control de robots multiaxiales.

Por el lado de entrada el dispositivo de entrada 1 recibe como valores teóricos coordenadas espaciales x_{TCP, \ TEORICA}, y_{TCP, \ TEORICA} y z_{TCP, \ TEORICA} de un así llamado TCP (TCP - Tool Center Point), las cuales determinan el recorrido de la pista deseado de un aparato de aplicación montado en el TCP.

A partir de las coordenadas espaciales x_{TCP, \ TEÓRICA}, y_{TCP, \ TEÓRICA} y z_{TCP, \ TEÓRICA}, varias unidades de cálculo 5, 6, 7 calculan, de acuerdo con una cinemática inversa predeterminada, los valores teóricos correspondientes S_{TEÓRICO}, V_{TEÓRICO}, M_{TEÓRICO}, para la posición, la velocidad y el momento de giro de los ejes individuales del robot.

Estos valores teóricos son suministrados entonces en cada caso a un regulador 8, 9, 10 referido a un eje, estando los reguladores 8-10 representados en detalle en las Figuras 2 ó 3 y que se describen aún con mayor detalle. Los reguladores 8-10 regulan la corriente I_{1}, I_{2} o I_{3} para el control de los motores eléctricos 2-4 en los ejes individuales.

Además, la Figura 1 muestra, en el marco del esquema equivalente según la técnica de regulación representado, otra unidad de cálculo 11, la cual calcula, a partir de los valores reales para la posición del eje correspondiente, calculados internamente por los reguladores 8-10, los correspondientes valores reales para la posición del TCP. La unidad de cálculo 11 no es, sin embargo, parte integrante del dispositivo de regulación según la invención, sino que sirve aquí únicamente para poner de manifiesto el principio según la invención.

Una especial importancia tiene en el dispositivo de regulación 1 según la invención el hecho de que los reguladores 8-10 individuales referidos a los ejes no funcionen independientemente unos de los otros, sino que estén acoplados entre sí. De este modo se toma del regulador 10 para el eje elástico del robot la desviación de regulación \DeltaM entre el valor real y el valor teórico del momento de giro M y, en el marco de un bucle de retroacoplamiento 12, se lleva de vuelta a la entrada de los reguladores 8, 9 de los ejes más rígidos del robot. El bucle de retroacoplamiento 12 hace posible al mismo tiempo una compensación del la respuesta retardada condicionada por la elasticidad del eje asignado al regulador 10 por los ejes más rígidos controlados por los reguladores 8, 9.

En el bucle de retroacoplamiento 12 está dispuesto, en primer lugar, un elemento de valor absoluto 13, el cual calcula el valor absoluto de la desviación de regulación \DeltaM, dado que el signo de la desviación de la regulación \DeltaM carece de importancia para el comportamiento de reacción retardado condicionado por la elasticidad.

Además, está dispuesto en el bucle de retroacoplamiento 12, después del elemento de valor absoluto 13, aún un elemento de saturación 14 el cual limita la desviación de regulación \DeltaM en el bucle de retroacoplamiento 12.

El bucle de retroacoplamiento 12 se ramifica entonces después de elemento de saturación 14 en dos ramas separadas, las cuales son conducidas hacia los reguladores 8, 9 individuales, estando dispuestos en las dos ramas separadas del bucle de retroacoplamiento 12 en cada caso un filtro de paso bajo 15, 16. Los dos filtros de pasa bajos 15, 16 tienen la tarea de extraer del bucle de retroacoplamiento 12, por filtración, señales perturbadoras de alta frecuencia.

A continuación se describen, sobre la base de la Figura 2, la estructura y el funcionamiento del regulador 10, debiendo llamarse la atención acerca de que el regulador 10 regula el eje más elástico del robot multiaxial.

Por el lado de entrada el regulador 10 toma, de la unidad de cálculo 7, los valores teóricos S_{TEÓRICO}, V_{TEÓRICO} y M_{TEÓRICO} para la posición, la velocidad y el momento de giro del tercer eje.

El valor teórico S_{TEÓRICO} para las posiciones del tercer eje es suministrado, en primer lugar, a un limitador 17, el cual limita el valor teórico S_{TEÓRICO} y añade un substraendo 18. La entrada de substracción del substraendo 18 está conectada con un bucle de retroacoplamiento 19, el cual conduce de vuelta la posición real S_{REAL} del tercer eje, como se explicará de manera detallada.

Por el lado de salida el substraendo 18 está conectado con un regulador de PID 20, detrás del cual está conectado un limitador 21.

Por el lado de salida está conectado el limitador 21 con un sumador 22, el cual suma el valor teórico emitido por el limitador 21 para la velocidad del tercer eje al valor teórico V_{TEÓRICO} de la velocidad recogido por el lado de entrada y lo suministra a un substractor 23.

La entrada de substracción del substraendo 23 está conectada de nuevo con un bucle de retroacoplamiento 24, el cual conduce el valor real de la velocidad V_{REAL} al tercer eje, como se explicará todavía de manera detallada.

Por el lado de salida el substraendo 23 conduce la desviación de regulación \DeltaV a un regulador PID 25, después del cual está conectado otro limitador 26. En la salida del limitador 26 aparece entonces un valor teórico M'_{TEÓRICO} para el momento de giro del motor eléctrico 4 en el tercer eje, siendo este valor teórico sumado por un sumador 27 al valor teórico M_{TEÓRICO} tomado por el lado de entrada y, a continuación, suministrado a un substractor 28.

La entrada de substracción del substractor 28 está conectada con un elemento de transmisión 29 dispuesto en un bucle de retroacoplamiento, de manera que el substraendo 28 emite la desviación de regulación \DeltaM del bucle de regulación de momento de giro.

Detrás del substraendo 28 está dispuesto otro regulador PID 30 así como un limitador 31, de manera que en la salida del limitador 31 aparece el valor de la corriente i_{REAL}, con el cual es controlado el motor eléctrico 4 del tercer eje.

En el esquema equivalente, desde el punto de vista de la técnica de regulación, del regulador 10 está dispuestos, después del limitador 31, un elemento de transmisión 32 el cual calcula, a partir del valor de la corriente i_{REAL}_{,} el correspondiente valor de la velocidad V_{REAL}.

Para el retroacoplamiento del valor real S_{REAL} en el bucle de retroacoplamiento 19 está previsto otro elemento de transmisión 33 el cual calcula, a partir de la velocidad V_{REAL}, la correspondiente posición S_{REAL}.

Además, el esquema equivalente, desde el punto de vista de la técnica de regulación, del regulador 10 muestra dos elementos de transmisión 34, 35 los cuales calculan, teniendo en cuenta la elasticidad del tercer eje, los correspondientes valores, limpios de elasticidad, de la velocidad v*_{REAL} y de la posición s*_{REAL}.

Aquí es importante que del regulador 10, a través del brazo más elástico del robot multiaxial, como magnitud de retroacoplamiento, se tome la desviación de regulación \DeltaM del bucle de momento de giro.

A continuación se describen, sobre la base de la Figura 3, la estructuración y el funcionamiento de los dos reguladores 8, 9 de los ejes rígidos del robot multiaxial, siendo los reguladores 8, 9 constructivamente iguales salvo la posibilidad de una configuración diferente, de manera que se puede prescindir de una descripción por separado.

Además, los reguladores 8, 9 coinciden ampliamente con el regulador 10, de manera que para evitar repeticiones se remite ampliamente a la descripción precedente del regulador 10 y en lo que sigue se utilizan para piezas constructivas correspondientes los mismos signos de referencia, los cuales para su diferenciación son distinguidos únicamente mediante un apóstrofo.

Una peculiaridad del regulador 8 consiste en que éste admite, a través del bucle de retroacoplamiento 12, por el lado de entrada, una magnitud de corrección entrada, la cual es suministrada a un substraendo 36 adicional.

El substraendo 36 forma la diferencia entre el valor teórico s_{TEÓRICO} para la posición del primer eje, tomado por el lado de entrada, y la magnitud de corrección entrada, tomada por el lado de entrada, y utiliza a continuación la diferencia como magnitud de guía.

Además, el valor de corrección entrada, tomado por el lado de entrada, es suministrado, a través de un amplificador 37, a otro substraendo 38 el cual forma la diferencia entre el valor teórico v_{TEÓRICO} para la velocidad del primer eje, tomada por el lado de entrada, y el valor de corrección entrada, tomado por el salo de entrada, calculando el substraendo 38 una magnitud de guía v*_{TEÓRICO} correspondientemente corregida, la cual es suministrada al sumador 22', como se ha descrito con anterioridad para la Figura 2.

La invención no está limitada al ejemplo de forma de realización preferido descrito con anterioridad. Más bien es posible un gran número de variantes y modificaciones, las cuales utilizan asimismo la idea de la invención y por ello están comprendidas en el ámbito de protección.

Claims (11)

1. Dispositivo de regulación (1) para un robot multiaxial, en particular para un robot de barnizado de una instalación de barnizado, con varios reguladores (8-10) para la regulación de accionamiento en cada caso de un eje del robot, estando acoplados por lo menos dos reguladores (8-10) de ejes diferentes entre sí solapando los ejes, caracterizado porque el acoplamiento solapando los ejes entre los reguladores (8-10) se refiere a una desviación de regulación (\DeltaM) de un regulador (10), en la medida en que registra la desviación de regulación (\DeltaM) de uno de los reguladores (10) y es retroacoplada en uno o varios reguladores (8, 9) distintos referidos al eje.

2. Dispositivo de regulación (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque los ejes individuales del robot presentan una rigidez mecánica diferente, actuando el acoplamiento solapando los ejes del regulador (10) de un eje relativamente flexible sobre el regulador (8, 9) de un eje relativamente rígido.

3. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el acoplamiento solapando los ejes entre los reguladores (8-10) se refiere a la desviación de regulación (\DeltaM) de un regulador de momento de giro.

4. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque para el acoplamiento solapando los ejes entre los reguladores (8-10) está previsto por lo menos un bucle de acoplamiento (12), estando dispuestos en el bucle de acoplamiento un filtro de paso bajo (15, 16), un elemento de valor absoluto (13), un inversor, un amplificador y/o un elemento de saturación (14).

5. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el regulador (10) de un eje está retroacoplado solapando los ejes con los reguladores (8, 9) de todos los demás ejes.

6. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque por lo menos uno de los reguladores (8-10) es un regulador en cascada, el cual presenta varios circuitos de regulación en forma de cascada, actuando el acoplamiento solapando los ejes sobre uno o varios de los circuitos de regulación exteriores.

7. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se puede configurar cuales de los reguladores (8-10) están acoplados entre sí solapando los ejes.

8. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el comportamiento de acoplamiento entre los reguladores (8-10) individuales se puede configurar.

9. Dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el acoplamiento solapando ejes entre los reguladores (8-10) se refiere a una magnitud (\DeltaM) registrada por el lado del accionamiento.

10. Robot, en particular robot de barnizado, con un dispositivo de regulación (1) según una de las reivindicaciones anteriores.

11. Utilización de un robot según la reivindicación 10 en una instalación de revestimiento.