專利名稱：多軸機器人的控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多軸機器人，它以一種在諸相互控制軸之間具有動態相互作用且在每個軸中包含一個彈性部件的工業機器人為代表；尤其涉及，完全去除在一個臂的頂端產生相互作用力的它的一個控制器。
一般說來，在每個軸都由一個馬達驅動的工業機器人中，為了理想地降低缺乏馬達動力的影響或減小來自負載側的干擾，就用一個齒輪傳動裝置，例如有高減速比的諧和傳動器，傳動在負載側的一個臂。因此，在先有技術中，在諸控制軸之間的動態相互作用是不成為問題的。
然而，隨著更快更準需求的增加，就產生了一些不能通過PI控制來補償的影響，和甚至在高減速比下也不能忽略的干擾。
為了解決這些問題，對利用干擾估計觀察器補償干擾的方法，和以類似于直接傳動系統機器人的方式按照動態方程來事先補償干擾的方法，已有一些報道(例如日本專利公開號63-314606，日本專利公開號6-270079，和日本專利公開號7-7307)。
當負載側產生大的干擾時，不能指望用干擾補償觀察器方法去充分地改善準確度，因為沒有考慮到關于相互作用或類似作用的動態性質。此外，關于按照動態方程事先補償干擾的方法，因為在常規方法中沒有充分考慮到二動態性質涉及插入一個齒輪傳動裝置，或者包括為運轉每個軸而計算控制輸入的相互作用力，所以在高速運轉期間不能完全消除相互作用。
本發明要解決的問題是當使用一個包含一個彈性部件，例如每個軸中的減速器的工業機器人時，即使在高速操作期間也能完全消除諸相互軸之間的相互作用。
為了解決多軸機器人-其中用一個伺服馬達通過包含一個彈性部件的減速器機構來傳動每個軸臂-的控制器方面的上述問題，本發明的多軸機器人的控制器包括一個裝置，該裝置用于根據對給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的一個伺服馬達的控制輸入，和根據在每個軸的減速器中產生的扭轉角度，計算一個來自其他軸的在每個軸的臂側產生的相互作用力，和一個由上述相互作用力產生的在在各軸中獨立的半閉環構成的伺服馬達控制輸入中包含的相互作用力；和一個裝置，該裝置用于根據來自其他軸的相互作用力和在伺服馬達的控制輸入中包含的相互作用力，計算校正轉矩，以便各軸臂的頂端起作用而不產生來自其他軸的相互作用，和用于把該校正轉矩加到控制輸入中，并且輸出它。
關于各軸減速器中產生的扭轉角度，可在控制器中利用一個由狀態觀察裝置再現的數值，該裝置通過一個各軸伺服馬達的控制輸入和一個伺服馬達的實際位置再現狀態量。
更準確地說，用包含一個彈性部件的兩個慣性系統來表達每個軸中伺服馬達和臂的耦合，借此確定一個動態方程，以計算在各軸中臂側產生的來自多軸的相互作用力；并借此計算由半閉環中構成的各軸控制輸入所包括的相互作用力，且使完全消除相互作用力的校正力矩被加到將被輸出的控制輸入中。
根據本發明，甚至在具有一個在伺服馬達與臂之間包含一個象減速器之類的彈性部件的機構的多軸機器人中，計算一個來自另一軸的在各軸的臂側產生的相互作用力和一個各軸獨立的半閉環中構成的伺服馬達控制輸入內包含的相互作用力，且校正在各軸中產生的相互作用轉矩。這樣，甚至在減速器中會產生扭轉振動的高速運轉的情況下，也能消除相互作用力，且能控制各軸的伺服馬達，就象在諸傳動軸之間沒有產生相互作用一樣。
圖1是一個通用垂直兩軸機器人的簡圖；圖2是一個平行四邊形連桿結構的垂直兩軸機器人的簡圖；圖3是一個說明運動方程各系數的說明圖；圖4是一個在馬達與臂之間的轉矩傳動機構的說明圖；圖5是一個本發明關于兩軸的控制器控制系統結構的說明方塊圖；圖6是一個給第一軸的零命令和給第二軸的臺階式速度命令的特征曲線圖；圖7是一個在普通PI控制中在第一軸內產生的相互作用力的說明圖；圖8是一個說明用本發明消除相互作用力的狀態的說明圖；圖9是一個說明在普通PI控制中產生的軌跡漂移的說明圖；和圖10是一個說明用本發明改善的軌跡漂移的說明圖。
為了簡化說明，將描述兩軸機器人。在多軸機器人方面，能夠引伸和應用關于兩軸機器人的在下面說明的事項。
圖1是一個有L軸和U軸的通用垂直兩軸機器人的簡圖，圖2是一個平行四邊形連桿結構的垂直兩軸機器人的簡圖。在這些圖中，lL是L軸的長度，ML是L軸的質量，lLg是L軸到其重心的長度，θlI是L軸的角度，MU是U軸的質量，lUg是U軸到其重心的長度，和θlU是U軸相對于L軸的角度。圖1與圖2所示的兩軸機器人的運動方程可用下述公式1-6表達。首先，描述在各軸減速器中產生的扭轉角度的關系表達式可用下述公式表達。θSL=1NLθmL-θlL]]>…(公式1)θSU=1NUθmU-θlU]]>…(公式2)式中，θML是L軸馬達的角度，θMU是U軸馬達的角度，NL是L軸減速器的減速比，NU是U軸減速器的減速比，θSL是在L軸減速器中產生的扭轉角，和θSU是在U軸減速器中產生的扭轉角。
下面的公式3和公式4是由拉格朗日運動方程確定的關系表達式。
KCLθSL＝MLLθlL+MLUθlU+dL…(公式3)KCUθSU＝MULθlL+MUUθlU+dU…(公式4)式中，KCL是L軸減速器的彈性常數，KCU是U軸減速器的彈性常數，dL是作用在L軸上的轉矩干擾，和dU是作用在U軸上的轉矩干擾。
圖3示出運動方程的各系數。
此外，在圖4所示的馬達與臂之間的一個轉矩傳動機構可用下式表達。在圖4中，標號1表示一個臂，標號2表示一個負載，標號3表示一個驅動臂1的馬達，和標號4表示一個裝于馬達3與臂1之間的減速器。減器器4由一個減速機構和一個彈簧部件組成。θmL=-KOLJmLNLθSL-uLref]]>…(公式5)θmU=-KCUJmUNUθSU-uUref]]>…(公式6)式中，JML是L軸馬達的轉動慣量，JMU是U軸馬達的轉動慣量，uLref是L軸的控制輸入，和uUref是U軸的控制輸入。此處之控制輸入被表達成一個加速命令。
圖5是一個本發明關于兩軸的控制器控制系統結構的方塊圖。在圖5中，標號10表示一個L軸狀態的觀察裝置，標號11表示一個U軸裝態的觀察裝置。標號12表示一個L軸狀態的控制器，標號13表示一個U軸狀態控制器，和標號14表示一個計算一個相互作用力的裝置。
關于臂1位置θlL和θlU的四次微商的公式1-6的解，可以表達成下述公式θlL(4)=-1(1+KJL)ωLL2θlL+1NLωLL2uLref-KJLωLL2ωLU2θSU]]>-KJLωLL2dLL-dLL-ωLU2θSU…(公式7)θlU(4)=-(1+KJU)ωUU2θlU+1NUωUU2uUref-KJUωUU2ωUL2θSL]]>-KJUωUU2dUU-dUU-ωUL2θSL…(公式8)式中，θlL(4)和θlU(4)分別是θlL和θlU的四次微商。KJL=1JmLNL2]]>MLLMUU-MLUMULMUU]]>KJU=1JmLNU2]]>MLLMUU-MLUMULMLL]]>ωLL2=KCLMUUMLLMUU-MLUMUL]]>ωUU2=KCUMLLMLLMUU-MLUMUL]]>ωLU2=KCUMLUMLLMUU-MLUMUL]]>ωUL2=KCLMULMLLMUU-MLUMUL]]>dLL=MUUMLLMUU-MLUMULdL-MLUMLLMUU-MLUMULdU]]>dUU=MULMLLMUU-MLUMULdL+MLLMLLMUU-MLUMULdU]]>在公式7和8中，臂位置的四次微商除了自己軸和控制輸入的狀態量之外，還包括其他軸的狀態量和干擾項。
把控制輸入分成一個按命令計算的值，一個由于與另一軸相互作用引起的值，和一個由于相互作用以外的干擾引起的值，這些值可用下述公式表達。
uLref＝uLLref+uLCref+uLdref…(公式9)uUref＝uUUref+uUcref+uUdref…(公式10)式中，uLLref和uUUref是各軸運行所需的控制輸入，uLCref和uUCref是補償來自另一軸的相互作用力的控制輸入，和uLdref和uUdref是補償控制輸入中包含的干擾的控制輸入。
在此，在諸軸之間不相互作用的條件可用下述公式說明。θlL(4)=-(1+KJL)ωLL2θlL+1NLωLL2uLLref]]>…(公式11)θlU(4)=-(1+KJU)ωUU2θlU+1NUωUU2uUUref]]>…(公式12)因此，必須實現下述公式。uLCref+uLdref=KJLNLωLU2θSU+NLωLU2ωLL2θSU]]>+KJLNLdLL+NL1ωLL2dLL]]>…(公式13)uUCref+uUdref=KJUNUωUL2θSL+NUωUL2ωUU2θSL]]>+KJUNUdUU+NU1ωUU2dUU]]>…(公式14)為自己軸的運行而消除相互作用力的條件是如此補償控制輸入，以致于實現公式11和12即，必須實現公式13和14。
在此，為了補償在為進一步運行每個軸而計算的控制輸入中包含的相互作用力，要引進由公式1-6確定的下述公式。θSL=-(1+KJL)ωLL2θSL+1NLuLref+ωLU2θSU+dLL]]>…(公式15)θSU=-(1+KJU)ωUU2θSU+1NUuUref+ωUL2θSL+dUU]]>…(公式16)用公式15和16代替公式13和14，借此可得出作為不相互作用的補償量的下述公式uLCref=ωUU2ωLL2ωUU2-ωLU2ωUL2(ωLL2DL+NLNUωLU2DU)]]>…(公式17)uUCref=ωLL2ωLL2ωUU2-ωLU2ωUL2(ωUU2DU+NUNLωUL2DL)]]>…(公式18)式中DL=NLωLU2ωLL2[1NUuUUref+ωUL2θSL+{KJLωLL2-(1+KJU)ωUU2}θSU]]]>-uLdref+NLNUωLU2ωLL2uUdref+KJLNLdLL+NLωLU2ωLL2dUU+NL1ωLL2dLL]]>DU=NUωUL2ωUU2[1NLuLLref+ωLU2θSU+{KJUωUU2-(1+KJL)ωLL2}θSL]]]>-udref+NUNLωUL2ωUU2uLdref+KJUNUdUU+NUωUL2ωUU2dLL+NU1ωUU2dUU]]>因為補償量包括減速器中扭轉量，就把下述校正量添加到用于控制運行的狀態變量中。θ′mL=θmL-NLωLU2ωLL2θSU]]>…(公式19)θ′mU=θmU-NUωUL2ωUU2θSL]]>…(公式20)θ′SL=θSL-ωLU2ωLL2θSU]]>…(公式21)θ′SU=θSU-ωUL2ωUU2θSL]]>…(公式22)根據上述控制器，由各軸臂頂端運行產生的相互作用力和在各軸控制輸入中包含的相互作用力都不經受相互作用，并且能夠得到關于臂頂端運行的沒有相互作用的響應。
當干擾能夠被忽略或觀察不到時，可以在運用中略去公式1-22中的干擾項。
本發明實施例的效果描述如下。
如圖6所示，當在普通PI控制中以零命令(圖6中的上特征曲線)提供給第一軸和以速度臺階式命令(圖6中的下特征曲線)提供給第二軸時，就在第一軸中產生一個圖7所示的相互作用力；而使用本發明的控制器，如圖8所示能夠消除相互作用力。此外，當在普通PI控制中發出一個命令，以便在頂端以水平方向形成一個線性軌跡時，如圖9所示在軌跡中產生相當大的漂移，而使用本發明的控制器，如圖10所示就能作出改善。
在各軸中包含一個象減速器之類的彈性部件的工業機器人的控制領域，能夠利用本發明。
權利要求
1.一種用于多軸機器人的控制器，其中通過包含一個彈性部件的減速器傳動機構一個伺服馬達來傳動每個軸的一個臂，所述的控制器包括用于根據對給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的一個伺服馬達的控制輸入，和根據在每個軸的減速器中產生的扭轉角，計算來自另一軸的在每個軸的臂側產生的相互作用力，和由上述相互作用力產生的各軸中獨立的半閉環構成的伺服馬達的控制輸入中包含的相互作用力的裝置；和用于根據來自另一軸的相互作用力和在伺服馬達的控制輸入中包含的相互作用力，計算校正轉矩，以便每個軸的臂頂端起作用而不產生來自另一軸的相互作用，和用于把校正轉矩添加到控制輸入中，且輸出它的裝置。
2.根據權利要求1所述的多軸機器人的控制器，其中每個軸都裝有狀態觀察裝置，該裝置通過伺服馬達的一個控制輸入和伺服馬達的一個實際位置再現狀態量；用所述狀態觀察裝置再現的扭轉角來計算相互作用力。
全文摘要
涉及一種每個軸都有一個減速器之類彈性部件的工業機器人,提供一種多軸機器人的控制器,它甚至在高速運行中也能完全消除諸軸之間的相互作用力。本發明的多軸機器人控制器具有一個在各軸的伺服馬達與臂之間包含一個象減速器之類的彈性部件的機構,該控制器包括裝置(14),用于根據輸入到一個給出相互作用的軸和接收相互作用的軸的伺服馬達中的控制輸入(u
文檔編號G05D3/12GK1180423SQ97190094
公開日1998年4月29日 申請日期1997年2月17日 優先權日1997年2月17日
發明者梅田信弘, 小黑龍一, 尾島正夫 申請人:株式會社安川電機