SE454658B - Industrirobot vars mekaniska troghetsmoment i en frihetsgrad styr forsterkningen hos legesregulatorn i denna frihetsgrad - Google Patents

Description

.armens yttre ände är en handled 5 vridbart lagrad runt en axel D, vilken är 454 658 visad drivmotor och vridningsvinkeln betecknas med 9. I pelarens övre del är en underarm 3 vridbart lagrad runt den i figuren visade axeln B, vilken är vinkelrät mot papperets plan. Underarmens vridningsvinkel relativt lodrikt- ningen betecknas med n. Underarmen 3 vrids med hjälp av en drivmotor 8, vilken med hjälp av en kulskruv och en arm är förbunden med underarmen 3.

I underarmens övre del är en överarm H vridbart lagrad runt axeln C. Över- armens vridning styrs av en andra drivmotor (icke visad i figuren), vilken är anordnad bredvid drivmotorn 8 och är förbunden med överarmen via en länk- arm 9. Överarmens riktning relativt lodriktningen betecknas med B och in- ställs av överarmens drivsystem oberoende av underarmens vridning. I över- vinkelrät mot papperets plan. Handledens riktning relativt lodpiktningen betecknas med 7 och kan ställas in med hjälp av en i figuren icke visad drivmotor. Vid handleden 5 är ett gripverktyg 6 fäst, vilket uppbär ett objekt 7. Roboten antas arbeta som hanteringsrobot, dvs gripa objekten 7 i ett hämtaläge, transportera dem till ett avlämningsläge och släppa objekten där.

Underarmens 3 längd, dvs avståndet mellan axlarna B och C, betecknas med L1 och överarmens 14 längd, dvs avståndet mellan axlarna C och D, betecknas med L2.

Robotens styrutrustning är anordnad i ett styrskåp 10. Detta innehåller en dator (eventuellt flera datorer) med ett programminne. I programminnet in- lagras vid robotens programmering en följd av instruktioner, vilka definie- rar robotens arbetscykel och vid automatisk drift genomlöps i tur och ord- ning. Instruktionerna innefattar koordinaterna för ett antal punkter, vilka definierar robotens bana, samt erforderligt antal koordinater för att de- finiera robothandens orientering i varje punkt. Vidare innehåller åtminstone vissa instruktioner information som definierar en srbetsoperation som skall 1 utföras av roboten vid automatisk drift. En programmeringsenhet 11 innefattar : en styrspak 12 för manuell inställning av robotens läge under programmerings- förloppet. Enheten innehåller vidare ett antal manöverorgan för styrning av roboten under programmering och automatisk drift, för inlagring av instruk- tioner samt ett antal siffertangenter för inmatning av numeriska data. Pro- grammeringsenheten är förbunden med styrskåpet via en företrädesvis digital kommunikationskanal 13, vilken kan utgöras av en kabel för serie- eller parallellöverföring av digitala data. Styrskåpet innehåller vidare regler- system för robotens olika axlar samt utrustning för strömförsörjning av styr- i utrustningen och av drivmotorerna. Styrskåpet är förbundet med själva robo- 454 658 ten via en kanal 14, lämpligen en kabel för överföring av analoga och even- tuellt även digitala signaler mellan styrskåpet 10 och roboten i båda rikt- ningarna.

Med begreppet "frihetsgrad" avses här en rörelse hos roboten som är obe- roende av rörelsen i övriga frihetsgrader. Vridningen runt axeln A utgör således en första frihetsgrad, vridningen runt axeln B av underarmen 3 en andra frihetsgrad, vridningen runt axeln C av överarmen H en tredje fri- hetsgrad och vridningen av handleden 5 runt axeln D en fjärde frihetsgrad.

Den 1 figur 1 visade roboten har sålunda fyra frihetsgrader, men 1 praktiken utformas vanligen handleden med ytterligare frihetsgrader så att en i prak- tiken vanlig robot har fem eller sex frihetsgrader.

För varje frihetsgrad är ett servosystem anordnat och figur 2 visar ett exempel på ett känt sådant servosystem. Från den i styrsystemet ingående datorn tillförs servosystemet ett lägesbörvärde yr. Dessa lägesbörvärden kan utgöras av i programminnet inlagrade värden eller också erhållas genom interpolation mellan dylika värden. I en summeringskrets 21 jämförs bör- värdet med ett lägessvar y, vilket erhålles från en resolver RES. Utsigna- len från summatorn 21 utgör lägesfelet ep och tillförs lägesregulatorn 22.

Denna har en olinjär, s k parabolisk, förstärkning och dess förstärkning betecknas med Kp. Regulatorns utsignal utgör hastighetsbörvärdet vr och till- förs en summator 23, där den jämförs med hastighetssvaret v, vilket erhålles från en takometergenerator TG. Utsignalen från summatorn 23 utgör hastighets- felet ev och tillförs en hastighetsregulator ZH, lämpligen med proportional- integralderivataverkan och med förstärkningen Kv. Hastighetsregulatorns utsignal u tillförs ett drivdon 25, exempelvis en styrbar strömriktare, vil- ket matar den drivmotor M som verkställer rörelsen i den aktuella frihets- graden. Till motorn är takometergeneratorn TG och resolvern RES mekaniskt kopplade.

Figur 2 visar alltså det servosystem som styr rörelsen i en av robotens frihetsgrader eller axlar. Var och en av de övrigä'frihetsgraderna eller axlarna har ett servo av samma eller liknande slag.

Vid tidigare kända robotar väljes förstärkningarna hos läges- och hastighets- regulatorerna och ställs in så att stabilitet i reglersystemet erhålles vid alla i praktiken förekommande driftfall. Förstärkningarna måste alltså väljas med hänsyn till det kritiska driftfallet och i alla övriga driftfall kommer servosystemet att arbeta med onödigt dåliga reglerprestanda. 454 658 u Speciellt vid stora industrirobotar har det visat sig att instabiliteter kan orsakas av vekhet i robotens mekaniska delar, dvs av att robotens olika en- heter icke kan betraktas som mekaniskt helt styva. Vid sådana robotar har det visat sig svårt att kombinera stabil drift med ett uppnående av accep- tabla reglerprestanda.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en industrirobot av inledningsvis angivet slag, vilken inom hela sitt driftområde arbetar med optimala regleregenskaper.

Uppfinningen avser vidare att vid en industrirobot, vars mekaniska delar icke kan betraktas som helt stela enheter, åstadkomma goda och konstanta regler- egenskaper vid alla driftfall.

Enligt uppfinningen anordnas för minst en första frihetsgrad ett beräknings- organ för beräkning av robotens mekaniska tröghetsmoment för rörelse 1 nämnda frihetsgrad. Beräkningsorganet tillförs information om robotens läge 1 åt- minstone en av robotens övriga frihetsgrader_och om robotens last. I bero- ende av nämnda information bildar beräkningsorganet en mot robotens mekaniska tröghetsmoment med avseende på nämnda första frihetsgrad svarande storhet.

Denna storhet tillförs ett förstärkningsstyrande organ, vilket är anordnat att styra lägesregulatorns förstärkning så att denna'minskar med ökande tröghets- moment. Enligt en utföringsform av uppfinnaren styrs lägesregulatorns för- stärkning så att lägesreglersystemet arbetar med konstant översväng obero- ende av aktuellt tröghetsmoment. Lägesregulatorns förstärkning styrs därvid företrädesvis så att förstärkningen varieras omvänt proportionellt mot trög- hetsmomentet.

Eftersom tröghetsmomentet för en viss rörelse avsevärt pâverkas av massan hos den last som uppbärs av robothanden, tillförs beräkningsorganet enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen information om storleken av lastens massa och gör sin beräkning av tröghetsmomentet med hänsynstagande till nämnda massa. Information om massans storlek_kan därvid lämpligen matas in manuellt med hjälp av lämpliga inmatningsorgan.

Vid en industrirobot där hänsyn måste tagas till vekhet hos robotens meka- niska delar och vars servosystem innehåller underordnade hastighetsloopar anordnas enligt uppfinningen ett förstärkningsstyrande organ att i beroende av det beräknade tröghetsmomentet styra hastighetsregulatorns förstärkning u ' 4sÄ ess så att denna ökar med ökande tröghetsmoment, företrädesvis så att hastighets- reglersystemet arbetar med konstant dämpning oberoende av aktuellt tröghets- moment. Företrädesvis styrs därvid hastighetsregulatorns förstärkning så att denna varierar proportionellt mot kvadratroten ur tröghetsmomentet och sam- tidigt styrs lägesregulatorns förstärkning så att denna varierar omvänt pro- portionellt mot kvadratroten ur tröghetsmomentet.

Den nyss nämnda samtidiga styrningen av hastighets- och lägesregulatorernas förstärkning erhålles enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen genom att ett organ, exempelvis en multiplikator, anordnas att tillföras hastighetssvaret från servosystemets hastighetsgivare samt den mot tröghets- momentet svarande storheten och att till hastighetsregulatorn för Jämförelse med lägesregulatorns utsignal avge en signal som är proportionell dels mot hastighetssvaret, dels mot kvadratroten ur tröghetsmomentet.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-5. Figur 1 har ovan beskrivits och visar en i och för sig känd industrirobot, vid vilken uppfinningen kan tillämpas. Figur 2 visar ett i roboten ingående i och för sig känt servosystem. Figur 3 visar ett exempel på ett servosystem enligt uppfinningen, där lägesregulatorns förstärkning varieras i beroende av tröghetsmomentet. Figur Ä visar ett ytterligare ut- föringsexempel av uppfinningen, vid vilket såväl lägesregulatorns som hastighetsregulatorns förstärkningar varieras i beroende av tröghetsmomen- tet. Figur 5 visar en ytterligare utföringsform av uppfinningen, där styr- ningen av läges- och hastighetsregulatorernas förstärkningar sker genom påverkan av hastighetssvaret.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1, som visar en tidigare känd industrirobot, samt figur 2, som visar ett i och för sig känt servo för en av frihetsgraderna vid en sådan robot, har redan beskrivits.

Figur 3 visar hur enligt uppfinningen servosystemet för en av robotens axlar kan vara utfört. Servosystemen för alla de övriga frihetsgraderna, eller eventuellt endast vissa av dem, kan vara utförda på motsvarande sätt. 454 658 f» Enligt uppfinningen är ett beräkningsorgan 26 anordnat att beräkna robotens tröghetsmoment J. Beräkningsorganet kan vara av analog eller digital typ, i det senare fallet exempelvis en mikroprocessor. Alternativt kan beräk- ningen av J utföras med hjälp av ett delprogram hos den dator som normalt ingår i robotens styrsystem. Beräkningsorganet 26 tillförs information om robotens aktuella läge i de frihetsgrader som påverkar tröghetsmomentet för den axel till vilken det i figur 3 visade servosystemet hör. Vid den i figur 1 visade robottypen utgörs rörelserna i de olika'frihetsgraderna av vrid- ningar, och informationen vi om läget i de olika-axlarna erhålles därför från vinkellägesgivare, exempelvis resolvrar i de olika axlarna. Beräknings- organet 26 tillförs även information L om massan hos den av robothanden uppburna lasten. Vid en viss arbetsoperation är lastens storlek i allmänhet känd och kan ställas in manuellt för inmatning till beräkningsorganet. I figur 3 har schematiskt visats hur denna inställning kan göras med hjälp av en potentiometer 27. I det fall då beräkningsorganet 26 år digitalt kan lastens storlek lämpligen i stället matas in med hjälp av digitala inmat- ningsorgan, exempelvis de numeriska tangenter som finns på den i figur 1 visade programmeringsenheten 11. Styrsystemet kan vidare anordnas att växla värde på lastens storlek, då objekt grips eller släpps och då objekt med olika stora massor hanteras under en arbetscykel.~ Beräkningen av tröghetsmomentet kan göras mer eller mindre approximativt alltefter behov. Som exempel på en beräkning av J antas att servosystemet enligt figur 3 styr vridningsvinkeln p runt axeln A i figur 1. Följande antaganden görs: Tröghetsmomentet hos pelaren 2 med därpå fast monterade enheter är konstant och betecknas med J2, lasten 7 approximeras som en punktformíg massa, beträffande armarna 3 och H samt robothanden 5-6 gäller att deras tyngd- punkter är belägna på halva längden, _ att deras tröghetsmoment runt en vridningsaxel genom tyngdpunkten och i papperets plan samt vinkelrätt mot respektive arms längdaxel J30, Juo respektive JSO, övriga tröghetsmoment hos armarna och handen försummas, armarnas och handens massor betecknas med M3, Mu respektive M5. 454å653 Under dessa antaganden och med de beteckningar som anges ovan och i figur 1 erhålles följande samband: 2 L1 2 J3 = Jsosin a + M3(E- sina) 2 Lz 2 Ju = Juosin 8 + Mu(L1sinu + 5- sinß) 2 . Ls 2 J5 = Jsosin 7 + M5(L1sinu + Lzsinß + 5- sinï) JL = ML(L1sinu + Lzsinß + L3sin7)2 J = J2 + J3 + Ju + JS + JL Den ovan angivna beräkningsgången för det aktuella tröghetsmomentet J är en- dast ett exempel och beräkningen kan alltefter behov göras såväl mer som mindre approximativ.

Utsignalen från beräkningsorganet 26 tillförs en funktionsgenerator 28, vil- ken beräknar en storhet Ka enligt uttrycket där J' är det maximala tröghetsmomentet för den aktuella robotaxeln.

Storheten Ka tillförs en multiplikator 29, vars andra ingång tillförs has- tighetsreferensen vr från lägesregulatorn 22. Utsignalen vr' från multipli- katorn följer alltså sambandet Multiplikatorns utsignal vr' jämförs i summatorn 23 med hastighetssvaret v, och servosystemet i övrigt överensstämmer med det i figur 2 visade.

Den i figur 3 visade utföringsformen av ett lägesreglersystem enligt upp- finningen är speciellt lämplig vid sådana robotar, vars olika mekaniska delar kan betraktas som fullständigt stela enheter. Vid en sådan robot erhålles med hjälp av ett reglersystem enligt uppfinningen optimala reg- leregenskaper inom hela arbetsområdet och oberoende av aktuellt tröghets- moment, dvs optimal stigtid, konstant översväng och konstant dämpning. 454 658 Detta innebär en väsentlig förbättring jämfört med tidigare kända robotar, där dessa optimala egenskaper endast kunde erhållas i en enda punkt.

Som inledningsvis nämnts kan speciellt vid större robotar de mekaniska delarna icke längre betraktas som helt stela enheter, utan de är behäftade med en viss vekhet eller eftergivlighet. Figur U visar ett lägesreglersystem enligt uppfinningen, vilket är utformat för användning vid en sådan robot.

Pâ samma sätt som ovan beskrivits i anslutning till figur 3 är ett beräk- ningsorgan 26 anordnat att beräkna.tröghetsmomentet J för den robotaxel som styrs av servosystemet. En funktionsgenerator 28 är anordnad att beräkna en storhet Ka, där JI Ka ° V 3- Storheten Ka tillförs den efter lägesregulatorn 22 anordnade multiplikatorn 29, där hastighetsreferensen vr multipliceras med Ka så att multiplikatorns utsignal vr' blir ~ Storheten Ka tillförs också en funktionsgenerator 30, där storheten inver- teras. Utsignalen å- från funktionsgeneratorn tillförs en andra multipli- a kator 31, till vilken även utsignalen u från hastighetsregulatorn ZH matas.

Utsignalen u' från multiplikatorn 31 blir u' = u - 1- :Livg- K J' a Det har visat sig att man vid en vek robot med hjälp av reglersystemet en- ligt figur H maximalt utnyttjar reglersystemets tillgängliga resurser inom hela arbetsområdet och oberoende av aktuellt tröghetsmoment. över hela arbetsområdet erhålles sålunda optimal stigtid, konstant översväng och konstant dämpning. Relativt figur 3 undviker man vidare att excitera svängningar i veka system trots att tillgängligt moment utnyttjas bättre än vid tidigare kända robotar.

Figur 5 visar en föredragen utföringsform av det i figur H visade regler- systemet enligt uppfinningen. De båda multiplikatorerna 29 och 31 i figur N, med vilkas hjälp läges~ och hastighetsregulatorernas effektiva förstärk- ningar varieras i beroende av tröghetsmomentet, har i figur 5 ersatts av u.. en enda multiplikator 29. Till dennas ingångar matas dels hastighetssvaret v och dels storheten IJ: Ka - 3-.

Multiplikatorns utsignal v' blir alltså fl V' = Eå-- v = v ' 31 Det kan enkelt visas att reglersystemet enligt figur 5 fungerar på exakt samma sätt som systemet enligt figur Å och ger samma väsentliga förbättring av regleregenskaperna. Vid systemet enligt figur 5 erhålles dock denna för- bättring pâ ett mycket enkelt sätt, nämligen med hjälp av en enda multipli- kator 29.

Vid de ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen varieras läges- och hastighetsregulatorernas effektiva förstärkningar med hjälp av multiplika- torer, vilka vid de i figur 3 och U visade utföringsformerna multiplicerar mwæfiærqfluwsmflmflmmenwtwßumwmætmmmæsmb faktor, och vid den i figur 5 visade utföringsformen uppnås samma resultat genom att hastighetssvaret multipliceras med en tröghetsmomentberoende skal- faktor. Självfallet kan dock denna variation av förstärkningen i beroende av tröghetsmomentet erhålls på andra sätt än de ovan visade.

I de ovan beskrivna exemplen har uppfinningen beskrivits i anslutning till en industrirobot, vars samtliga frihetsgrader utgörs av vridning runt olika axlar. Med begreppet "läge" förstås då givetvis vridningsvinkel i relation till ett visst referensläge, och med begreppet "hastighet" avses då rota- tionshastighet. Uppfinningen kan dock likaväl tillämpas vid sådana i och för sig kända robottyper, där vissa frihetsgrader utgörs av translationer i stället för av vridningar. Begreppen "läge" och "hastighet" får då sina konventionella innebörder, nämligen linjär translation och linjär rörelse- hastighet.

Uppfinningen har ovan beskrivits i anslutning till.en viss typ av industrirobotar, men den kan givetvis tillämpas vid-andra typer av robotar, t ex med annan mekanisk uppbyggnad och med annat antal frihetsgrader än den ovan beskrivna roboten.

På i och för sig känt sätt kan reglersystemen för en robots olika axlar utföras antingen i analog teknik eller i digital teknik eller i kombina- tion av dessa båda. Oavsett hur reglersystemet är utformat kan dock upp- finningen tillämpas och ger samma väsentliga fördelar.

Claims (10)

454 658 10 I figur 1 har som exempel visats en industrirobot anordnad för hantering av ett arbetsstycke 7. Under de delar av en arbetscykel, vid vilka roboten har släppt arbetsstycket och är på väg att hämta ett nytt arbetsstycke, blir regleregenskaperna givetvis annorlunda, och hänsyn till detta tages lämpli- gen genom att under dessa delar av arbetscykeln använda värdet noll för lastens massa. Uppfinningen kan givetvis även tillämpas för sådana robotar som uppbär ett verktyg för utförande av en arbetsoperation, exempelvis ett slipverktyg. Den av robothanden uppburna lastens massa är då konstant och känd och lika med verktygets massa. PATENTKRAV

1. Industrirobot, vilken är rörlig i ett flertal frihetsgrader och för varje frihetsgrad har ett lägesreglersystem med ett drivorgan (M), en läges- givare (RES) och en lägesregulator (22) för styrning av robotens läge i enlighet med ett lägesreglersystemet tillfört lägesbörvärde (yr), k ä n n e t e c k n a d därav, att för minst en första frihetsgrad (y) ett beräkningsorgan (26) är anordnat att från lägesgivare i minst en ytter- ligare frihetsgrad tillföras information om robotens aktuella position i nämnda ytterligare frihetsgrader och att i beroende av nämnda information bilda en mot robotens mekaniska tröghetsmoment (J) för rörelse i den första frihetsgraden svarande storhet (Ka), vilken är anordnad att tillföras ett första förstärkningsstyrande organ (29), vilket är anordnat att styra läges- regulatorns förstärkning så att denna minskar med ökande tröghetsmoment.

2. Industrirobot enligt patentkrav 1, k ä n n e t e e k n a d därav, att det första förstärkningsstyrande organet är anordnat att styra läges- regulatorns förstärkning så att reglersystemet arbetar med konstant över- sväng vid varierande tröghetsmoment.

3. Industrirobot enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att beräkningsorganet (29) är anordnat att tillföras information om massan hos den av roboten burna lasten (7) och att bestämma den mot tröghetsmomen- tet svarande storheten i beroende även av lastens massa.

H. Industrirobot enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar organ (11) för manuell inmatning av information rörande lastens massa. 454 ess) 11

5. Industrirobot enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d därav, att det första förstärkningsstyrande organet (29) är anordnat att styra lägesregulatorns förstärkning så att denna varierar omvänt propor- tionellt mot tröghetsmomentet.

6. Industrirobot enligt något av patentkraven 1-4, vid vilken 1ägesregler~ systemet innefattar en underordnad hastighetsloop med en hastighetsgivare (TG) och en hastighetsregulator (20), k ä n n e.t e o k n a d därav, att ett andra förstärkningsstyrande organ (31) är anordnat att tillföras nämnda mot tröghetsmomentet svarande storhet och att styra hastighetsregulatorns förstärkning så att denna ökar med ökande tröghetsmoment.

7. Industrirobot enligt patentkrav 6, k ä n n e t e o k n a d därav, att det andra förstärkningsstyrande organet (31) är anordnat att styra hastighetsregulatorns förstärkning så att reglersystemet arbetar med konf stant dämpning vid varierande tröghetsmoment.

8. Industrirobot enligt något av patentkraven 6-7, k ä n n e t e c k - náa d därav, att det andra förstärkningsstyrande organet (31) är anordnat att styra hastighetsregulatorns förstärkning så att denna varierar propor- tionellt mot kvadratroten ur tröghetsmomentet.

9. Industrirobotenligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att det första förstärkningsstyrande organet (29) är anordnat att styra lägesregulatorns förstärkning så att denna varierar omvänt proportionellt mot kvadratroten ur tröghetsmomentet.

10. Industrirobot enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att de första och andra förstärkningsstyrande organen utgörs av ett organ (29) anordnat att tillföras hastighetssvaret (v) från hastighetsgivaren (TG) samt den mot tröghetsmomentet (J) svarande storheten (Ka) och att till hastighetsregulatorn (23, 2ü) för jämförelse med lägesregulatorns utsignal (vr) avge en signal (v') som är proportionell dels mot hastig- hetssvaret (v), dels mot kvadratroten ur tröghetsmbmentet.