TWI537111B

TWI537111B - 用於控制並聯式冗餘驅動機器人之方法，相關的控制裝置及機器人

Info

Publication number: TWI537111B
Application number: TW101128979A
Authority: TW
Inventors: 法蘭可斯皮諾特; 阿梅德契默里; 麥克米奇林
Original assignee: 泰納里法國公司; 科學研究國際中心
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2016-06-11
Also published as: CN103906605B; ES2623549T3; CN103906605A; FR2978933A1; EP2741893B1; EP2741893A2; US9545718B2; FR2978933B1; US20140222200A1; TW201336644A; WO2013024227A3; WO2013024227A2

Description

用於控制並聯式冗餘驅動機器人之方法，相關的控制裝置及機器人

本發明係有關於控制一並聯式冗餘驅動機器人的流程與裝置，以及受此類裝置和/或根據此類流程進行控制的一機器人。本發明範圍延伸至高速和高加速應用的機器人，特別是操作用機器人。

針對高執行頻率的呆板勤務，通常都會使用機器人來執行-尤其是操作型機器人，稱之為「並聯式」，意指呈現出的型態是由數個並聯式矩陣機械傳動來驅動的骨架和活動部件。和活動部件(工具、被移動的目標物等)的慣性相比，這種機械傳動操作可以獲得更大的動力。因此，可藉由這類被稱為「冗餘」的促動裝置來達到提升位移速度和加速速度的目標，在裝置含有更多驅動機械傳動力的同時，空間中活動部件不會呈現自由角度。舉例而言，Corbel氏與其他人在IEEE國際機器人化與自動化大會提出「以並聯運動機械(Parallel Kinematic Machines；PKM)邁向100G重力加速度，冗餘驅動是撿拾與放置的好方案嗎？」報告第4675-4682頁所說明的並聯式操作器R4，包括透過四道機械傳動之四個促動器所驅動的一活動部件。活動部件包括一攫握工具，可依據三個自由角度而在空間中移動。

藉此方法，我們了解到機器人的並聯式冗餘驅動控制流程，其中活動部件的控制軌道被轉換成驅動機械傳動之促動器的控制軌道。這些促動器控制軌道在接受電子處理模組的處理前，被拿來與促動器位置的測定相比較，電子處理模組的例子有比例-微分(PD)類和比例-積分-微分(PID)類。此處理模組以這種方式產生促動器控制。

在某些已知流程中，會將每個驅動器預期動作所產生的調節項(有時英語稱為「前饋」)加入促動器的控制中。

然而，這些已知流程仍有許多缺點，限制了並聯式冗餘驅動在機器人效能上的表現。

實際上，在具有並聯式冗餘驅動的機器人中，活動部件的至少一自由角度會依至少兩促動器的位置而定。然而促動器的調節與控制，會從促動器本身而非活動部件的位置測定開始。如此一來，無法避免的幾何錯誤(熱源加熱、製造公差、彈性等等)可以引導兩個促動器產生對立行為，以加入其每一個指示位置中(對應行動部件的控制位置)，藉此引導重要的內部機械應力發展。

這些內部機械應力，皆大於包含積分項得處理模組(或調節器)，其中積分項同時計算促動器指示與測量位置之間的錯誤，並藉由兩個施行相對應力的促動器來增加機械應力。在實際作業中，必須壓抑控制住此類已知機器人的最大加速效能，以避免機械性破裂。

此外，還有例如活動部件定位不精準的缺點。事實上，促動器很少會只到達其指示位置，其會保持活動狀態，所以會在機器人控制程式要求活動部件按靜止位置指示而行時，造成活動部件小小的移動(大約是幾何缺陷般的規模)。

此外，如為複雜的處理情況，要處理並聯式促動器位置中數個錯誤訊號則需資源和大量計算時間。實際上，控制指令每個控制環的實現時間都比錯誤訊號的處理本身要來得長。

因此發明的目標在於減少這些缺點。

發明的目標尤其在於提出有關並聯式冗餘驅動機器人的一快速執行控制流程，尤其允許達到高加速速度。

發明亦以提出讓活動部件位置產生高精確度之流程為目的。

發明亦以提出簡化機器人並聯式冗餘驅動控制、縮短計算時間且可以利用普通電腦運算資源執行計算之流程為目標。

發明尤其以提出可與此類機器人之不可避免幾何錯誤相容的流程為目標。

此外，發明尤其以提出執行起來不昂貴、僅需軟體或對控制裝置進行電子修正即可的流程。

在發明的範圍內，我們藉由在機械鏈帶終端處、結合一工具和/或一可移動物件和/或一平盤等物的「活動部件」進行設計，其中移動動作為使用機器人之目的。

有關機器人控制流程的發明包括：- 一骨架，- 根據完全大於活動部件自由角度的一複數大量機械傳動，產生若干自由角度而受骨架驅動的一活動部件，該機械傳動彼此並聯，而每個傳動都是由至少一促動器所發動，該促動器包括：‧固定在骨架上的一身體，‧機械傳動的一驅動裝置，‧用以產生訊號的一位置感應器，稱為受測位置之訊號，代表驅動裝置的位置，而在其中針對每個促動器所處理的一訊號，稱為促動器錯誤訊號，係由比較該促動器的受測位置訊號和該促動器指示位置訊號而得來，其中- 促動器錯誤訊號被轉換為一訊號，稱為活動部件錯誤訊號，係藉由應用機械傳動的表現數據而得到的活動部件錯誤位置，- 經處理模組所處理的活動錯誤訊號，已準備好產生應用於活動部件的一應力訊號，- 藉由應用機械傳動的運動表現數據，該應力訊號被轉換為促動器控制。

根據本發明，可從任何類型的促動器中選出發明所用的促動器，例如旋轉引擎式、千斤頂式等等。每個促動器的主體最好靜止固定於機器人的骨架上，如此一來，相對於骨架而言驅動裝置即屬活動式。

促動器的活動式驅動裝置為可以傳遞機械動力的一活動零件：例如旋轉引擎的轉子、千斤頂的活動轉柄等等。

機械傳動裝置連接到至少一促動器的驅動裝置上，且受到促動器牽引。每一機械傳動裝置皆另外連接活動部件，以傳動位移(或應力)給其自身。連接活動部件的機械傳動裝置數量，比活動部件的自由角度數要高，此與並聯式冗餘驅動的機器人有關，也就是說機器人的機械傳動為並聯式。

因此，機器人具有一並聯運動以及一冗餘驅動，尤其是每一並聯傳動的驅動。機器人特別不同於具有串聯冗餘驅動的機器人，該類機器人的驅動為一個接著一個的串聯式，所以每個都會受到冗餘驅動所促動，但其中活動部件是直接機械連接到數量低於自由角度數的傳動裝置上。

訊號(指示訊號、位置訊號、控制訊號...)最好為電子訊號，尤其是數位訊號。如此一來，處理模組最好為一電子迴路，或等同於電子電路的軟體。

每一促動器錯誤訊號皆為比較驅動裝置位置指示訊號和該驅動裝置受測位置訊號所得來-尤其是藉由扣除法。促動器錯誤訊號尤其適合一促動器，如此一來每一促動器皆具有一個特別針對其的相關促動器錯誤。

發明處理(藉由處理模組)活動錯誤訊號，而非一複數的促動器錯誤訊號(關於驅動裝置位置)。活動錯誤訊號是藉由機械傳動的運動模型、改變促動器的整體訊號所得來。

雖然活動錯誤訊號和活動部件位置錯誤具有同質性，但其並不對應活動部件指示位置與活動部件真實位置之間的活動部件位置真實錯誤。實際上，由於驅動裝置的幾何缺陷，當錯誤的活動訊號值為零時，活動部件的位置真實錯誤並非為零。

然而，發明人確定此方法可消除一複數促動器之間的所有驅動衝突。

發明允許進一步改進根據本發明而行的流程處理時間，尤其是以複雜的處理模組來進行處理時。實際上，處理模組不處理活動錯誤訊號，也不處理一複數的錯誤促動器訊號。

發明亦允許且主要在於發送促動器控制訊號。

發明亦允許且尤其發送控制訊號給非對立的促動器，因為這些促動器皆從相同的活動錯誤訊號開始計算，因此相同的應力訊號(藉由處理模組進行活動錯誤訊號的處理而取得)與被施用在活動部件上的力(force)同質。

因此，在根據本發明的流程中，促動器位置的錯誤並非接受個別調正[MW1]，而是一起總合(利用活動部件藉由機械傳動的運動模型加以平衡)接受調整。如此一來，發明者可成功消除促動器的所有對立控制，儘管機器人可能會有幾何缺失。

因此，發明能首次取得具有可用並聯式驅動、可運用最大機械牽引效能的一機器人，而速度與加速度皆非常高。

此外，當機器人到達指示位置所給的停止位置時，利用(驅動裝置的)位置感應器以非預期的方式進行測量，可以判定出機器人在這個既定狀況中的幾何缺陷。

在根據發明而行的控制流程中，機器人的幾何缺陷(尤其是因機械傳動而起者)會被轉到活動部件上，其中最後位置會與輸入的控制位置有些微不同。

然而，活動部件的這項定位錯誤並無太大影響，因為並沒有對活動部件的位置進行測量，通常都是最小程度的幾何缺陷。這些活動部件定位的幾何缺陷通常因為機器人的幾何缺陷不會累積而無足輕重。此外，在例如製造公差時間內的經常性幾何缺陷，或例如因長期零件磨損而出現的變數，誘導出活動部件定位的靜態錯誤，所以活動部件的連續相對位置是可靠的。

此外，當抵達指示位置時(帶有些微幾何缺陷)，促動器確實處於停止狀態，因此活動部件為完全靜止。

最好且根據發明，藉由對行動部件位置的代表訊號施以機械傳動幾何的表現資料[MW2]，取得每一促動器驅動裝置的位置指示訊號。

行動部件的位置指示訊號通常是根據操作者希望機器人活動部件的位移距離，而由機器人控制程式所供應的一資料。在根據本發明的一流程中，連接促動器與活動部件的一機械傳動幾何模式，令其得以將活動部件的位置指示訊號轉換為促動器位置的指示訊號。

最好且根據本發明，處理模組包括一PID型調節器(比例/積分/微分)。這類PID調節器特別可藉由一物理電路或電腦軟體來執行。

當處理模組包含一積分項時，發明尤其有利。事實上，在符合本發明的一流程中，活動部件錯誤訊號係因促動器錯誤信號整體的轉變而來，而機械傳動的運動模式永遠會因促動器的非對立位移而歸零。因此在時間進程中不會因含有積分項的處理模組而產生累積效應。以此方式，當達到平衡位置時，所有促動器皆為靜止狀態，所有機械性限制皆不適用。

此外，最好且根據本發明，將活動部件慣性之表現慣性係數相乘的活動部件加速指示表現訊號，加到應力訊號上。

發明者判定，其和在經處理模組處理過後對活動部件所施加的力道，具有同質應力訊號，接著可以新增一個來自活動部件位置指示的兩次轉向，並把和活動部件的慣性表示係數相乘的訊號加到其上。因此我們得出一個按預期行動(「前潰式」)而成的調節環。第一次執行本發明流程時，可以藉由相對性的預期動作，將調節項直接輸灌到活動部件的指示加速上。

藉由活動部件加速指示而成的此調節環，可改善機器人的效能，尤其是在執行速度上獲得快速與精確度。

最好且根據本發明，對每個促動器的加速指示表現訊號加上該促動器的控制訊號。

在符合本發明的一流程中，可預設兩個藉由前饋式動作成的調節環：- 第一個環將與活動部件慣性相乘的活動部件加速指示項加到應力訊號上，就在處理模組處理過活動錯誤訊號後，- 第二環則把至少和對應驅動裝置之慣性相乘的每一驅動裝置的加速指示項，加到促動器的指示訊號上，就在應力訊號轉換為促動器指示訊號後。

此外，最好且根據本發明，以一向量來表示活動部件的位置，其中向量大小為活動部件的自由角度數。

可選擇一參考系，其中將以一向量來代表活動部件的位置(也可以是速度和加速)，例如經典的笛卡兒參考資料框架。在活動部件乃根據單一自由角度(例如單一轉移方向)而來的情況下，其可以是一向量對一大小(數量)。

同樣地，最好且根據本發明，所有驅動裝置皆呈現相同自由角度數，由一矩陣來驅動裝置全體，其中大小為促動器數目與促動器的自由角度數。

然而，促動器通常為僅具單一自由角度的促動器(千斤頂式、旋轉引擎式)，促動器驅動裝置的自由角度數被減至一。

最好且根據本發明，這就是為何每個驅動裝置呈現一自由角度，以一向量來表示驅動裝置整體的位置，其中向量大小為促動器的數目。

在向量或矩陣形態下，行動部件和驅動裝置的表現法和紀錄尤其允許執行訊號數位處理。

最好且根據本發明，這就是為何機械傳動的幾何與運動表現數據以矩陣形態來表示並紀錄。

因此，促動器驅動裝置的指示位置向量發展，會因對活動部件指示位置的向量施行機械傳動的幾何表現矩陣而實現。

同樣地，促動器錯誤訊號以含有每一驅動裝置位置不同錯誤數值的向量來進行表現與紀錄。藉由施以一Jacobi矩陣(代表機器人的運動模式)，向量被轉換為將接受處理模組處理的活動部件錯誤向量。

相反地，在處理模組處理過活動部件向量後所取得、施加於活動部件之應力的向量，藉由先前使用過的Jacobi矩陣位移而被轉換成促動器控制的向量。

應注意，依定義而言，幾何與運動矩陣(Jacobi和Jacobi的位移)不應為並聯冗餘機器人中的平方，並藉由矩陣的擬倒轉法則而實現其倒轉。

更特別的是，根據本發明而行的一流程可施加在至少兩大類並聯冗餘驅動式的機器人上，其驅動器為旋轉引擎。

在第一類機器人中，引擎啟動每個旋轉接合關節。而機械傳動通常為並聯式的鏈接鐵臂。

在第二類機器人中，引擎啟動受鏈線所驅動的每個機械傳動。各種冗餘促動器之間的鏈線長度調節變化，致使其能夠在空間中巧妙操作活動部件，尤其是依據六個自由角度，並藉由鏈線張力而令其維持在位置上。

發明擴大至採用並聯冗餘驅動的一冗餘機器人之控制裝置，以執行根據發明而行的流程。尤其是發明擴大到包含下列項目之機器人的控制裝置：- 一骨架，- 根據完全大於活動部件自由角度的一複數大量機械傳動，產生若干自由角度而受骨架驅動的一活動部件，該機械傳動彼此並聯，而每個傳動都是由至少一促動器所發動，該促動器包括：‧固定在骨架上的一身體，‧至少一機械傳動的一驅動裝置，‧用以產生訊號的一位置感應器，稱為受測位置之訊號，代表驅動裝置的位置，該機器人控制裝置包括：- 含有機械傳動幾何表示數據的至少一記憶體，- 含有機械傳動運動表示數據的至少一記憶體，- 藉由該促動器受測位置訊號與該促動器位置指示訊號之間的比較，用以針對每個促動器產生一訊號的一模組比較器，稱之為錯誤訊號促動器，特色在於其另外包含：- 一第一模組轉換器，用以產生一訊號，稱之錯誤活動部件訊號，為施行機械傳動運動表示數據而來的活動部件位置錯誤訊號，- 該錯誤活動部件訊號的電子處理模組，用以產生施加於活動部件的一應力訊號，- 一第二模組傳動器，藉由對應力訊號施加傳動運動表示數據，用以產生促動器控制訊號。

根據本發明而成的一控制裝置，可包含數個記憶體或一單一記憶體，記憶體中紀錄有全部的數據，尤其是機械區的幾何和運動表現數據。

根據本發明而成的一控制裝置，最好另外包括一第三模組轉換器，藉由對活動部件的指示位置表現訊號施加傳動裝置幾何表示數據，用以產生每個促動器驅動裝置的位置指示訊號。

此外，最好且根據本發明，該控制裝置另外包括：- 記錄在記憶體中的活動部件慣性表示數據，預期採用的一調節模組，以處理活動部件位置指示表現訊號且包括：■因和連續時間相比較而衍生出的兩個函數，以便取得活動部件加速指示表現訊號，■活動部件加速表現訊號與活動部件慣性表示數據相乘的函數，以取得施加於活動部件的力道訊號，- 一加法器(additionneur)模組，加總應力訊號和力道訊號並施加到活動部件上，以產生經校正的應力訊號。

在以改善現有機器人為目的之範圍內，發明最好是簡單到可在現有的機器人上實行。實際上，藉由根據本發明而行的裝置，其足以取代現有的電子迴路，或者單純將根據本發明而行的裝置加到機器人控制電路上，最簡單的是在完全由電腦進行操控時，修改控制機器人的軟體。

發明進一步延伸至一並聯冗餘驅動機器人，其中根據符合本發明的一控制流程而對機器人執行控製，機器人包括根據本發明而行的一控制裝置。

發明同樣和一流程與一控制裝置有關，還有特色為結合上述及以下全部或部分提及之特點的一機器人。

發明延伸至一電腦程式，其中包括該電腦程式在一電腦系統上執行時、用以執行根據本發明而來之流程步驟的軟體控制碼；以及包含此軟體程式的一軟體程式產品；尤其是藉由一資料處理系統而具有可讀取紀錄工具者，上頭紀錄了電腦程式，包括當該電腦軟體在一電腦系統上執行時，用以執行根據本發明而成之流程步驟的電腦程式控制碼。

根據本發明(第3與第4圖)而行的流程可以在具資料數位處理能力的一電腦系統上執行，尤其是藉由例如Matlab®之類的計算軟體。因此，電腦系統可以是符合本發明的一控制裝置(尤其包括至少一中心處理器)，與促動器2位置的感應器3相連接以接收訊號，並與促動器(或連至與促動器相連的變電器)相連接以對其下令，採用該電腦系統的目的在於根據本發明執行流程，尤其是藉由軟體程式。

然而在這些流程的變化例中，不妨採用實體電子迴路來實現本發明。

而在第3與第4圖中，數值Xd、Qd、Qm、△Q、△X、F、Γ、、Γa、Fa皆為向量(如必要，則或為矩陣)。X[MW3]d和Q[MW4]d尤其為促動器與活動部件整體的表現加速向量；是同時比較活動部件Xd與促動器Qd的向量位置兩次而轉向取得的。

活動部件5位置指示Xd的一訊號，被轉換器轉換成機械傳動4的幾何表現幾何矩陣(其中有活動部件位置上的每一促動器效應)，做為促動器位置指示Qd的訊號。

此外，感應器3測量促動器2驅動裝置位置並傳送每一受測電子表現訊號，稱之為受測位置訊號。這些訊號被重新編整於向量Qm中。

比較向量Qd與Qm(Qm被刪減為Qd)，以便取得在向量△Q中重組的促動器錯誤訊號。

具有如第1圖所示、完美並聯冗餘驅動的一機器人，包括平移方向同於骨架1之方向的兩線型組裝促動器2，允許活動部件5進行平移動作，活動部件5裝設在骨架1的一固體滑軌上，與促動器2的平移方向平行。活動部件5藉由例如一硬柄的一柄狀機械驅動4而與兩促動器2的每一個相連接。因此，活動部件依據單一自由角度而移動，且藉由並聯方式而受到兩促動器所促動，如此一來，其即確實為一並聯冗餘促動機器人。

此外，圖示未顯示感應器3測量促動器q1m和q2m的個別位置。另一方面，活動部件的位置X並未接受測量所以為未知。

第1圖所示的機器人為理想情況。事實上，當兩個促動器中的每一個位於原始位置時(q1m=0加q2m=0等於Qm=(0,0))，活動部件同樣也位於其原始位置(x=0)。因此若指示位置Xd為原始位置(Xd=0)，則機器人具有平衡度(△Q=(0,0))。促動器不會產生衝突。

然而，在真正的機器人身上，幾何缺陷是無法避免的。這就是為什麼在第2圖中，並聯冗餘驅動機器人的機械驅動在縱軸處出現缺陷：與第1圖的理想型態機器人相比，這裡的驅動裝置分別短了0.1和0.2。如此一來，憑藉著機械狀態控制流程，當指定活動部件指示位置Xd=0時，兩個促動器中的每一個皆會接收到重返原始位置(q1m=0和q2m=0)的控制，幾何缺陷(△q1=0且△q2=0)是無法做到這一點的。

一貫根據最先進技術，偕如第2圖所示的不完美機器人，促動器錯誤訊號△Q為△Q=(-0.1,0.2)，且無法抵達平衡位置(△Q=0,0)。實際上，處理模組所產生的控置訊號相互牴觸，而促動器將會為了重返其控制位置(q1m=0 et q2m=0)而彼此對立，直到機械驅動4或促動器2破裂為止。

此外當處理模組9包括例如PID之類的一積分項時，這個效應會更加突出，事實上錯誤△Q的值會在PID積分項處理每一環時增加。

在根據本發明而成、如第3圖所示的流程中，促動器△Q的錯誤訊號表現向量在驅動裝置位置所呈現的空間中，被轉換成活動部件錯誤訊號的一表現向量△X，位於活動部件位置所呈現的空間中

下列關係呈現出△Q和△X的轉換，其中H為Jacobi矩陣Jm的假相反矩陣(將euclidienne法則最小化)：Q=Jm X (1)

X=HQ (2)

其中X和Q為活動部件5和促動器整體的個別速度向量。

關係(1)依機械傳動4的幾何以及其位置而定，並與機器人運動模式相對應。

這些關係的有效性延伸為小量的增加△Q、△X和△t(△t是短距的時間間隔，長短約等於根據本發明而成的控制迴路處理時間)。

因此：△Q=Jm △X (3)

△X=H△Q (4)

向活動部件傳送力道或力矩表現向量F的處理模組9接著處理△X。

在符合本發明的一控制流程中，被最小化的是△X而非△Q。然而若機器人的設定並非一直維持為△Q=0，則至少會存在△X=0的設定。

當△X=0時，因任何處理模組所產生向量處理△X而起的控制訊號F，其中F=0。所以，被發送到促動器的訊號會對應控制，讓促動器維持不動。而後者並未接獲對抗抵消控制，因此中止了所有驅動遭破裂的風險。

位於處理模組9出口處的訊號F，可視為對活動部件所施加一力道(或一力矩)的表現。此力道F被轉換為當作促動器控制所使用的對應力道Γ(或力矩)。因此向量F被活動部件空間之矩陣H的位移H^T轉換至促動器的空間：T=H^T F (5)

因此，當F=0時，T=0。

控制訊號Γ被用來當作促動器2的控制，且最好被轉換成促動器的電源供應。

因此，在如第2圖所示，具有幾何缺陷的一機器人範例中，藉由轉換器6(或幾何矩陣)，活動部件的指示位置X=(0)對應促動器的指示位置Qd=(0,0)。然而當X=(0)時，由促動器位置的感應器3所執行的測量為：Qm=(0.1,-0.2)。任何位置感應器皆未測量到活動部件5的位置。

因此，由於將Qm從Qd減去之第一比較器7的緣故，我們得到向量△Q=(-0.1,0.2)。

然而，第2圖所示的機器人是非常簡單的機器人，所以Jm=(1,1)而其中H=(0.5,0.5)。

因此，藉由關係(4)，我們得到：△X=(0.05)。

其中△X和活動部件的位置真實性並無關係：實際上根據第2圖，我們得出控制X=(0)，反之活動部件位於真實位置X=(0)，錯誤△X並非無效。結果為位置感應器並未測得促動器2位置，而且並未開始找出機械傳動的幾何缺陷。

然而，此錯誤在時間過程中屬靜態，至少與兩個長期的幾何缺陷有關(例如製造產生的公差)，所以行動部件在兩個連續位置之間的相對位移是精確無誤的。此外，若幾何缺陷可能導致機器人衰廢，就活動部件的位置而言，可忽略本發明所考量的幾何缺陷。

根據處理模組9取得訊號F的數值△X=(0.05)。此訊號在促動器的空間處被關係(5)所轉換，其中H^T=(0.5,0.5)^T，所以T=(0.5F,0.5F)。

控制訊號和促動器所發展出來的應力方向(相同訊號)及強度相同，所以其移動可並容。促動器朝第2圖所示的直線向移動直至：Qm=(0.15,-0.15)，其中△Q=(-0.15,0.15)，所以根據與H=(0.5,0.5)的關係：△X=(0)。

由於△X=(0)，所以F=(0)且Γ=(0.0)。

因此，雖然促動器指示位置(Qd=(0,0)與其真正測得的位置(Qm=(0.15,-0.15))之間存在著靜態錯誤，而活動部件指示位置(Xd=(0))與其真實位置(X=(0.05))之間也有靜態錯誤，但機器人達到了促動器不會試著一起重組其指示位置的平衡位置狀態。所以消除了機器人的破裂風險。

須注意，活動部件的最終位置X不等於指示位置Xd，而是稍微有些不同(X=(5))以便取得Γ=0。

取得△X=(0)並將此數值輸灌入處理模組9，尤其最好是後者包含一積分項時。實際上，例如PID類的調節器9入口處所存在的一微小錯誤，可迅速通向強烈對立的促動器控制。其中發明可取得非常接近於控制位置(接近幾何缺陷)的一活動位置，令其得以將一無效數值輸灌入處理模組中。

此外，當機器人停留在一位置時，亦可不測量活動部件5、僅測量促動器位置，以取得機器人的機械缺陷資料。如上列範例，我們從(q2m-q1m)=0.15-(-0.15)=0.3開始減少，讓機械驅動的兩個柄一起短於0.3，以符合我們的期望。

不妨將這項資料逐步併入流程中，以改善促動器的控制

最好，能藉由活動部件空間中預期動作所產生的一調節環，來改善根據本發明而成的機器人控制流程效能。

因此，如第4圖所示，活動部件指示位置Xd可以藉由兩個連續的轉軌裝置13而改向兩次，以便取得活動部件的指示加速Xd。接著根據活動部件的每一自由角度，用活動部件慣性的表現慣性矩陣Ix乘以此指示加速，以便取得力道Fa的同質項，一比較加法器10將同質項加到應力向量上，並在矩陣H^T於促動器空間內進行轉換之前，應用於在處理模組9出口處取得的活動部件上。

藉由活動部件空間中之預期動作而來的一此類調節環，得以改善機器人的效能，尤其是其抵達一位置的速度，藉此改善其執行速度。

此外，可藉由促動器空間中的一此類調節迴路之預期動作來設想變化例或結合。從活動部件指示位置Xd開始起動而得到的促動器指示位置Qd，被兩個連續轉軌器14轉向兩次，以取得促動器的指示加速Qd，接著用每一促動器慣性的表現慣性矩陣IQ與這些指示加速相乘，以取得力道Γa的同質項，同質項被一比較加法器12加到矩陣H^T出口處所取得的訊號上，形成發送給促動器2的控制訊號。

此環亦能改善根據本發明而成的機器人控制流程效能。

根據本發明而行的流程同樣可用一資料處理程式來執行，例如用以協助即時開發環境。

根據本發明而行的流程可下令給機器人，例如第5圖所示。

在此機器人中，引擎轉動四個促動器2，如此一來其旋轉軸和鄰近的兩個促動器旋轉軸呈直角。四個促動器2 的定子(sator)固定在骨架1上。

在根據三個自由角度-高、深與寬度-而成的空間中，機器人包含一活動盤5；舉例而言，我們可藉此選出一個代表其在空間中位置的笛卡兒參考系。

盤5藉由四個機械傳動手臂4而與四個促動器2相連。其中四個促動器根據三個自由角度，透過四道機械傳動而與盤5的位移並聯，如此一來即成為一具有並聯驅動的冗餘機器人範例。

促動器形成傳動手臂4的樞軸關節，所以我們可以針對設計促動器的空間而稱之為「關節空間」，促動器的位置會一起出現在關節空間中。

最好藉由促動器轉子的每一聯結傳動手臂15其中一端而形成傳動手臂4，並藉由其第二端的球形連接16連到前臂17上。每一前臂17皆從帶有手臂16的球形連接18延伸而出，延伸至帶有盤5的球形連接18處。如此一來，手臂15及前臂17會一起形成一曲柄連桿式的傳動。

最好前臂17由兩個彼此靈活相連的平行柄桿所構成。這些柄桿最好呈凹形端，分別與手臂15和盤5靈活呈球形聯軸節姿勢。

在此類機器人中，為了簡化慣性矩陣Ix和IQ的模型化，手臂15的慣性和前臂17一半的慣性被加到對應的促動器轉子慣性上，前臂17的另一半慣性則加到活動盤5的慣性上。

這類機器人通常配合組裝在盤5上的一攫握工具使用，令其得以執行物品拿取、移動和放置等操作。

發明可為本文件中未提出的眾多其他變化替代物。

發明尤其適用於各種冗餘並聯驅動機器人。例如其亦適用於活動部件藉由鏈線張力而與促動器相連的機器人，每一促動器皆可修改將其與活動部件分開的鏈線長度。

根據本發明而行的流程尤其亦適用於不同於本文件所提範例、具有大量促動器的機器人，因為促動器的數目大於活動部件的自由角度數。

此外，不妨以電子迴路類的物理裝置來執行根據本發明而成的流程。

可根據本發明而有利增加許多功能。實際上可考慮使用其他預期或回歸動作環、插入處理模組等做法。

此外，機械傳動本身不妨為額外添加之促動器，以形成一連續傳動-驅動鏈。

1‧‧‧骨架

2‧‧‧促動器

3‧‧‧感應器

4‧‧‧機械驅動，傳動手臂

5‧‧‧活動部件，盤，活動盤

9‧‧‧模組

10‧‧‧比較加法器

12‧‧‧比較加法器

13‧‧‧轉軌裝置

14‧‧‧轉軌器

15‧‧‧手臂

16‧‧‧球形連接，手臂

17‧‧‧前臂

18‧‧‧球形連接

F‧‧‧力道，向量

Fa‧‧‧力道

H‧‧‧矩陣

H^T‧‧‧位移

Ix‧‧‧矩陣

IQ‧‧‧矩陣

q1m,q2m,Qm‧‧‧位置

Xd‧‧‧位置，加速

Qd‧‧‧位置，加速

Γ‧‧‧力道(或力矩)

Γa‧‧‧力道

針對另一目的，下列的數字標示說明將突顯出本發明的特色與好處，這些數字標示說明非屬限制性質，僅為圖示參考之用：第1圖為一第一並聯冗餘驅動機器人的圖示概要。

第2圖為具有幾何缺陷之第一並聯冗餘驅動機器人的圖示概要。

第3圖為根據本發明第一實施例而行，一並聯冗餘驅動機器人控制流程的機能概要圖。

第4圖為根據第二實施例而行，一並聯冗餘驅動機器人控制流程的機能概要圖。

第5圖為具並聯冗餘驅動之第二機器人的3D圖示。

2‧‧‧促動器

3‧‧‧感應器

6‧‧‧轉換器

7‧‧‧比較器

F‧‧‧力道，向量

H‧‧‧矩陣

H^T‧‧‧位移

Qm‧‧‧位置

Xd‧‧‧位置，加速

Qd‧‧‧位置，加速

Γ‧‧‧力道(或力矩)

Γa‧‧‧力道

△Q‧‧‧促動器

△X‧‧‧向量

Claims

一種機器的控制方法，該機器包括一骨架，以及藉由複數個機械傳動沿一自由度數而關連於該骨架所驅動的一活動部件，該等機械傳動數嚴格地大於該活動部件的自由度數，該等機械傳動彼此平行，而每一機械傳動都是由至少一促動器所發動，該促動器包括固定在該骨架上的一身體，配置以驅動該等機械傳動之一者的一驅動裝置，以及配置以產生表示該驅動裝置的位置之受測量位置訊號的一位置感應器，該方法包含：針對每一該等促動器，藉由比較該促動器的該受測位置訊號和該促動器的位置設定訊號而產生一促動器錯誤訊號；藉由施用表示該等機械傳動的運動的數據而轉換每一該等促動器錯誤訊號為一活動部件位置錯誤訊號；藉由配置以產生要施用於該活動部件的一應力訊號之一處理模組而處理每一該活動錯誤訊號；藉由施用表示該等機械傳動的該運動的數據而轉換每一該應力訊號為用於控制該等促動器的訊號。
如申請專利範圍第1項之方法，更包含藉由對表示該活動部件的設定位置之訊號施用表示該等機械傳動的幾何之數據而取得每一促動器的該驅動裝置的位置設定訊號。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該處理模組包括一比例積分微分(Proportional integral derivative； PID)型的控制器。
如申請專利範圍第1項之方法，更包含將乘以表示該活動部件之慣性的慣性係數的表示該活動部件的設定加速之訊號加到該應力訊號。
如申請專利範圍第1項之方法，更包含將表示每一促動器的設定加速訊號加到控制該促動器的該訊號。
如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由一向量表示該活動部件的位置，其中該向量的大小為該活動部件的該自由度數。
如申請專利範圍第1項之方法，其中以具有相同自由度數的所有該驅動裝置，該驅動裝置的所有位置皆由一矩陣所表示，該矩陣的大小為該等促動器的數和該等促動器的該自由度數。
如申請專利範圍第6項之方法，其中表示該等機械傳動的該幾何和該運動之該數據以矩陣型態來表示。
一種機器之控制裝置，包括：一骨架；藉由複數個機械傳動沿一自由度數而關連於該骨架所驅動的一活動部件，該等機械傳動數嚴格地大於該活動部件的自由度數，該等機械傳動彼此平行，而每一機械傳動都是由至少一促動器所發動，該促動器包括：固定在該骨架上的一身體，配置以驅動至少一該等機械傳動的至少一驅動裝置，配置以產生表示該驅動裝置的位置之受測量位置訊號的一位置感應器；至少一記憶體，內含表示該等機械傳動的幾何之數據，以及內含表示該等機械傳動的運動之數據；一比較器模組，配置以藉由比較該促動器之該受測位置訊號和該促動器的位置設定訊號而產生出針對每一該等促動器的一促動器錯誤訊號一第一轉換器模組，配置以藉由施用表示該等機械傳動的該運動之數據而產生活動部件錯誤訊號，配置以電性處理該活動部件錯誤訊號的一模組，該活動部件錯誤訊號設計以可產生要施用於該活動部件的一應力訊號，一第二轉換器模組，配置以藉由對該應力訊號施用表示該等機械傳動的該運動之數據而產生用於控制該等促動器之訊號。
一種具有並聯式冗餘驅動之機器，藉由如申請專利範圍第9項的裝置所控制。
一種非暫態記算機程式產品，包含記算機程式指令碼，當該記算機程式產品在一記算機系統上執行時，該記算機程式指令碼配置以使一處理器執行如申請專利範圍第1項的方法之步驟。
一種非暫態記錄媒體，其可由一記算機系統讀取，該記錄媒體儲存一記算機程式，當該記算機程式在一記算機系統上執行時，該記算機程式包括用以執行根據申請專利範圍第1項的方法之步驟的記算機程式控制碼。