專利名稱：用于彈性機器人結構的運動控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據主權利要求的用于多軸機器人、特別是用于噴涂機器人的控制方法。
背景技術：
DE 103 42 471 Al公開了一種用于多軸噴涂機器人的機器人控制系統，所述機器人控制系統沿預定的機器人路徑移動工具中心點(TCP)。該現有的機器人控制系統可考慮并補償各個機器人軸的機械彈性，以提高噴涂機器人的定位精度。在這種情況下，噴涂機器人的各個機器人軸分別由一個軸控制器致動，噴涂機器人的機械彈性被考慮，這是因為相對較柔性的機器人軸的軸控制器的偏差在軸向重疊連接的情況下作用于相對較剛性的軸的軸控制器。
該現有機器人控制系統已經被證明是有利的，但仍希望，特別是在高度動態(tài)的機器人運動的情況下，更好地考慮噴涂機器人的機械彈性和提供更好的補償，以提高定位精度。
從US 2004/0093119 Al公知一種機器人控制系統，其在各個機器人軸的驅動調節(jié)的情況下校正機器人的與摩擦相關的定位誤差，但預定的機器人路徑未被修改。因此，機器人的定位精度通過該機器人控制系統未得到充分提高，這在機器人的高度動態(tài)的操作的情況下更是如此。
關于現有技術，還應參看DE 10 2004 056 861A1; "Proceedings of the2005 IEEE Conference on Control Algorithms", 8月28-31， 2000年，pp. 1170-1175; "Proceedings of IFAC Symposium on Robot Control" ， 9月19-21， 1994， pp. 485-490; DE 698 29 559 T2; DE 10 2004 008 406 Al;"Proceedings of the 1992 IEEE Conference on Robotics and Automation" , 5月，1992, pp. 1429-1435; "IEEE Transactions on Control Systems Technology"，12 (6)，11月，2004， pp. 904-919 ;和EP 1 173 801 Bl。然而，在200880017321.5
該現有技術中，機器人的定位精度也不是令人滿意的。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于多軸機器人的控制方法，所述控制方法盡可能好地補償機器人的彈性，以提高機器人的定位精度。
上述目的通過主權利要求所要求保護的根據本發(fā)明的控制方法實現。
本發(fā)明包括當沿著預定的機器人路徑控制多軸機器人時計算路徑校正值的總的技術教導，所述路徑校正值考慮了機器人的彈性、摩擦和/或慣性，使得利用相應地被校正的機器人路徑致動機器人補償了動態(tài)定位誤差(例如，過調，機器人軸的彈性變形)。
在根據本發(fā)明的控制方法的情況下，對于機器人的參考點，例如"工
具中心點(TCP)"，機器人路徑通過多個路徑點被預定，所述多個路徑點將要被參考點經過。機器人路徑上的各個路徑點在此優(yōu)選由空間坐標限定，所述空間坐標以三個空間方向限定各個路徑點的位置。例如，對于每個路徑點，具有三個坐標的坐標組或位置矢量可被預定，這些以三維笛卡爾坐標系統表示相應的路徑點的位置。
為了實現根據本發(fā)明的控制方法的目的，預定的機器人路徑的各個路徑點的空間坐標然后根據機器人逆運動原理以傳統的方式轉換為相應的軸坐標，所述軸坐標表示在相應的路徑點處的各個機器人軸的位置。根據機器人逆運動原理將空間坐標轉換為相應的軸坐標在現有技術中是本身公知的，因此，不必進一步描述。各個路徑點的被轉換的軸坐標此時優(yōu)選在軸坐標的系統中為位置矢量的形式。
各個路徑點的被轉換的軸坐標然后用于致動各個機器人軸的與軸相關的控制器，這同樣在現有技術中是本身公知的，例如公知于上面引用的專利申請DE 103 42 471 Al中，從而該專利申請的內容整體上包括在本發(fā)明中。
各個機器人軸的與軸相關的控制器此時以這種方式致動各個機器人軸中的驅動電機，使得參考點(例如，工具中心點)相繼經過預定的機器人路徑的各個路徑點。
除了上述傳統的方法步驟以外，根據本發(fā)明，機器人路徑上的各個路
6徑點的路徑校正值根據動態(tài)機器人模型計算，所述路徑校正值考慮了機器人的彈性、摩擦和/或慣性，從而可補償動態(tài)定位誤差。
路徑校正值然后用于計算預定的機器人路徑的各個路徑點的已被校正的軸坐標。優(yōu)選地，為了計算已被校正的軸坐標，路徑校正值簡單地加到相應的路徑點的未被校正的軸坐標上，使得路徑校正值形成補償。
最后，各個與軸相關的控制器然后利用已被校正的軸坐標被致動，從而動態(tài)定位誤差被補償。
在本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例中，動態(tài)機器人模型被提供用于計算機器人的運動質量體的"內"力和力矩，所述計算優(yōu)選根據剛性體模型實時("在線地")地進行。
在這種情況下，根據本發(fā)明的控制方法優(yōu)選根據動態(tài)機器人模型由各個路徑點的未被校正的軸坐標計算內力矩值，所述內力矩值表示驅動電機和相應的機器人軸的內力矩。例如，以這種方式計算的內力矩值可考慮靜摩擦分量、粘滯摩擦分量和/或各個機器人軸的傳動系的質量慣性，這將在下面詳細地描述。
在本發(fā)明的該示例性實施例中，路徑校正值然后優(yōu)選由內力矩和已知的外力矩計算，各個機器人軸的彈性優(yōu)選通過在最簡單的情況下將各個機器人軸看作是零階的彈性扭轉彈簧被考慮。路徑校正值此時根據線性相互關系由預定的扭轉彈簧常數以及作為內力矩和外力矩的總和的總力矩獲得。
為了本發(fā)明的目的，內力矩值可包括靜摩擦項iV^f ，所述靜摩擦項表示與速度無關的摩擦，該摩擦沿相應的驅動電機的轉動方向作用，且可例如由路徑點的未被校正的軸坐標的符號和預定的靜摩擦常數計算。所述
靜摩擦項在此可根據下面的公式由靜摩擦常數和未被校正的軸
坐標仏計算，其中，標號i表示相應的機器人軸-
M阮飾"=(sfa'sgA7(cjf,)
而且，在動態(tài)機器人模型的情況下計算的內力矩值優(yōu)選包括動摩擦項，該動摩擦項是線性項，其與相應的驅動電機的轉動速度成比例地
作用。例如，動摩擦項可根據下面的公式由動摩擦常數yT和路徑點的未被
校正的軸坐標的第一階時間導數々'計算
7最后，在動態(tài)機器人模型的情況下計算的內力矩值優(yōu)選還包括慣性項
M ert，該慣性項表示相應的機器人軸的傳動系的機械慣性，且與相應的驅 動電機的角加速度成比例。該慣性項A4^,在此可根據下面的公式由路徑點
的未被校正的軸坐標的第二階時間導數々'和慣性常數"計算
I 力,
在本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例中，上述摩擦項的隨溫度的變化關系 被考慮。為此，在根據本發(fā)明的控制方法的情況下，環(huán)境溫度被測量，模 型參數(例如，靜摩擦常數、動摩擦常數和慣性常數)然后根據測量的溫 度從參數存儲器中被讀出。路徑校正值然后利用動態(tài)機器人模型的讀出的 模型參數即在考慮了當前溫度的情況下被計算。動態(tài)機器人模型的模型參 數的該溫度調節(jié)提供的優(yōu)點在于，機器人的機械行為的隨溫度的變化關系 可在根據本發(fā)明的控制方法的情況下被考慮。
對于每個軸，"內部"參數yr、 /產和^優(yōu)選通過用于機器人的特定 的驅動程序和優(yōu)化方法依靠實驗確定。在該驅動過程中，產生的電機力矩 由驅動器讀取，且純粹由機器人的質量產生的電機力矩同時被計算。內部 參數通過使用"最小二乘方"由各合成力矩差計算。確定的一組參數適用 于相應的軸的電機/齒輪傳動系的當前溫度。機器人的工作溫度被再分為離 散步驟。機器人由于驅動而逐漸地被加熱。每當達到了下一溫度水平，上 述識別方法被執(zhí)行，以確定參數yr、/產和A，且相關的溫度同時被儲存。 通過采用這種方式，對于每個軸，對于每個溫度步驟，獲得相關的一組參 數。在隨后的操作中，對于每個軸，當前的溫度值循環(huán)性地被讀出，然后 相關的一組參數被投入使用。
在根據動態(tài)機器人模型對內力矩值進行上述計算之后，如前所述，路 徑校正值然后由內力矩值和已知的外力矩值計算，其中，在最簡單的情況 下，如果零階的彈性扭轉彈簧均被作為各個機器人軸的基礎模型，該計算 可根據力矩和轉動角度之間的簡單的相互關系進行。然而，優(yōu)選地，路徑
校正值借助于P-元件、PTl-元件和/或PT2-元件由內力矩值計算，這允許進
行最優(yōu)的建模。
在本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例中，各個路徑點的經由路徑校準值校正的軸坐標在致動與軸相關的控制器之前被濾波，以平滑軸坐標。在該濾 波中，可例如形成平均或加權平均。此外，濾波可通過相位超前濾波器或
FIR濾波器(FIR:有限脈沖響應，Finite Impulse Response)進行。用于在
致動與軸相關的控制器之前對已被校正的軸坐標進行濾波的其他可能的濾 波器類型是帶通濾波器或低通濾波器。
此外還應指出，本發(fā)明并不局限于上述控制方法，而是從硬件角度講 還包括一種適合于執(zhí)行該控制方法且相應地被配置的機器人控制系統。
最后，本發(fā)明還包括一種多軸機器人、特別是噴涂機器人，其通過根 據本發(fā)明的控制方法的這種機器人控制系統被致動。


本發(fā)明的其他進一步的改進描述于從屬權利要求中，或下面通過參看 附圖以及對本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例的描述更詳細地進行解釋。附圖
包括
圖1是根據本發(fā)明的用于致動多軸噴涂機器人的機器人控制系統的示 意圖2A和2B以流程圖的形式示出了根據本發(fā)明的控制方法； 圖3示出了圖1的機器人控制系統的用于由內力矩值計算路徑校正值 的運算單元；
圖4示出了用于根據軸坐標的時間導數計算內摩擦的圖； 圖5是用于在校準過程的情況下確定動態(tài)機器人模型的模型參數的示 意圖6是圖5的圖示的變型，其中，模型參數以不同的方式被計算；以
及
圖7示出了圖5的圖示的變型，其中，機器人軸被制動到停滯，以確 定動態(tài)機器人模型的模型參數。
具體實施例方式
圖1中的圖示出了根據本發(fā)明的用于致動多軸噴涂機器人的機器人控 制系統的簡化示意圖。
9在此，各個機器人軸由驅動電機l驅動，這在上面引用的專利申請DE 103 42 471A1中是本身公知的。
各個機器人軸中的驅動電機1在此分別通過用于各個機器人軸的軸控 制器2以預定電流值L被致動，帶下劃線的值在此以及在下面分別表示矢 量，所述矢量分別包含用于各個機器人軸的一個分量。
此外，根據本發(fā)明的機器人控制系統包括路徑內插器3，所述路徑內插 器3通過多個路徑點接收預定的機器人路徑作為輸入變量，其中，所述各 個路徑點要由噴涂機器人的工具中心點(TCP)經過，且相應地由三維位 置矢量限定，位置矢量的各個分量以三維笛卡爾坐標系統表示路徑點的空 間坐標。
路徑內插器3然后根據機器人逆運動原理將預定的機器人路徑的各個 路徑點的空間坐標轉換為軸坐標，所述軸坐標表示在預定的機器人路徑的 相應的路徑點處的噴涂機器人的各個機器人軸的位置。因此，路徑內插器 輸出多維位置矢量A位置矢量i的維數與機器人軸的數目對應，使得位置 矢量丄的各個分量仏表示噴涂機器人在相應的路徑點處的各個機器人軸的 位置。
位置矢量i然后供給到運算單元4，所述運算單元計算位置矢量￡的第 一階時間導數^^幼和第二階時間導數c^2/^2，即軸坐標系統中的速度和加 速度。
而且，機器人控制系統包括以軟件實施的動態(tài)機器人模型5，其由與軸 相關的位置矢量i以及位置矢量￡的第一階時間導數d^力和第二階時間導 數d^^ 計算力矩矢量M，所述力矩矢量l由外力矩il^^M和內力矩 Mm，的總和組成，其中，內力矩Mm，考慮的是各個機器人軸中的摩擦 和慣性，根據以下公式計算
M/柳脂=/加.sgn( ,)+/vis .么 《,
力矩矢量M-MwA^+M^皿然后供給到運算單元6，其由力矩矢量
M計算路徑校正矢量AA然后，該路徑校正矢量Ai用于路徑校正，這將在
下面進行詳細描述。路徑校正矢量a^在此根據下面公式由力矩矢量M3十算:
未被校正的位置矢量義然后與路徑校正矢量A^—起供給到加法器7， 該加法器7計算已被校正的位置矢量^o朋，所述已被校正的位置矢量^:o朋 補償機器人控制系統中的動態(tài)路徑偏差。
已被校正的位置矢量&0/^然后供給到濾波器8，該濾波器8對位置矢 量^^^進行濾波，以平滑位置矢量&c^。從而，濾波器8輸出已被平滑 的位置矢量^* ^，且已被校正和平滑的位置矢量^ro朋被供給到各個機 器人軸的各個軸控制器2。
圖2A和2B中的流程圖清楚地說明了上述機器人控制系統的操作方法。
在第一步驟S1，多個路徑點的路徑曲線被預定用于路徑內插器3，所 述路徑點要由噴涂機器人的工具中心點(TCP)相繼經過，其中，預定的 路徑曲線的各個路徑點由笛卡爾空間坐標限定。
各個路徑點的空間坐標然后在步驟S2中通過路徑內插器3被轉換為相 應的軸坐標A該軸坐標表示在相應的路徑點處的各個機器人軸的位置。
在進一步的步驟S3中，運算單元4然后以軸坐標計算位置矢量^的第 一階時間導數^^/^和第二階時間導數d^/W。
此外，在步驟S4中，環(huán)境溫度T被測量，這是因為動態(tài)機器人模型5 是與溫度有關的，這將在下面詳細地描述。
在步驟S5中，動態(tài)機器人模型5的模型參數此時根據先前測量的環(huán)境 溫度T從參數存儲器中讀出，所述模型參數是靜摩擦常數/T、動摩擦常數
/T和慣性常數j;。
在步驟S6中，作為內力矩Mcwflv和外力矩i^kiaL的總和，總力矩M 此時在動態(tài)機器人模型5中被計算，以考慮機器人的摩擦和慣性。
在步驟S7中，根據動態(tài)機器人模型計算的總力矩i此時根據機器人 軸的彈性以軸坐標轉換為各個路徑點的相應的路徑校準值Ag。
在步驟S8中，各個路徑點的已被校正的軸坐標此時被計算，其中，加 法器7將路徑校準值A^加到未被校正的軸坐標^。此外，在步驟S9中，已被校正的軸坐標由濾波器8濾波，以用于平滑目的。
而且，在步驟S10中，各個軸控制器2以已被校正和濾波的軸坐標 5* ，被致動。
最后，在步驟Sll中，對各個軸中的各個驅動電機1的調節(jié)通過軸控 制器2實施。
圖3示出了圖1的運算單元6的示例性實施例，其由力矩矢量M計算 路徑校正矢量Ag。在該示例性實施例中，運算單元6由P-元件9、 PTl-元 件10、 PT2-元件11和加法器12組成，所述P-元件9、 PTl-元件10、 PT2-元件11在輸入側接收力矩矢量i^，在輸出側與加法器12連接，所述加法 器12將P-元件9、 PTl-元件10、 PT2-元件11它們的輸出信號相加，以計 算路徑校正矢量Ag。
P-元件在現有技術中是本身公知的。因此，P-元件9具有比例傳輸特性。
PTl-元件IO在現有技術中同樣是本身公知的，且具有一次時滯的比例 傳輸特性。
最后，PT2-元件11在現有技術中也是本身公知的，且具有二次時滯的 比例傳輸特性。
因此，路徑校正矢量A^的各個分量A&根據下面的傳輸函數由運算單 元6計算
圖4示出了用于根據軸坐標的第一階時間導數4計算內力矩il^,的圖。 從此可以清楚地看出，摩擦力矩i^力通過在死區(qū)的起始與終止之間對摩擦 力矩的值進行線性插值在繞著零點的死區(qū)中單獨地被處理。
圖5示出了動態(tài)機器人模型的上述模型參數的計算的簡化圖示。附圖 借助于示例僅示出了具有端部操縱裝置14和傳動裝置接頭15的單個機器 人軸13。
傳動裝置接頭15可借助于驅動電機經由激勵單元16被瞬時、周期或 隨機地激勵。
12在端部操縱裝置14處，偏斜此時通過測量單元17被測量并被送到評 價單元18，評價單元18對測量的端部操縱裝置的偏斜進行傅里葉分析或相 關分析，以計算機器人軸13的機械傳輸特征。
圖6中的圖示與圖5中的圖示大致對應，使得參看對圖5的描述以避 免重復。
這種示例性實施例的特殊的特征實際上在于，測量單元17在輸出側連 接到評估單元19，所述評估單元19將測量的偏斜與質量標準進行比較并相 應地調節(jié)校正單元20中的校正語句。校正單元20又連接到計算模型21， 所述計算模型21影響評估單元19中的質量標準。
最后，圖7示出了圖5的變型，其中，端部操縱裝置14已被制動到停 滯。激勵單元16在此步進向前轉動驅動電機且在這樣做時測量驅動電機處 的力矩，以由此計算軸13的彈簧常數。
本發(fā)明并不限于上述優(yōu)選的示例性實施例。相反，利用了本發(fā)明的概 念從而落入保護范圍內的許多變化和修改也是可能的。
附圖標記列表
1 驅動電機
2 軸控制器
3 路徑內插器
4 運算單元
5 機器人模型
6 運算單元
7 加法器
8 濾波器
9 P-元件
10 PTl-元件
1311 PT2-元件 12加法器 13機器人軸
14端部操縱裝置 15傳動裝置接頭
16 激勵單元
17 測量單元 18評價單元
19 評估單元
20 校正單元 21計算模型
權利要求
1.一種用于多軸機器人、特別是用于噴涂機器人的控制方法，具有以下步驟a)通過多個路徑點預定機器人路徑(S1)，所述多個路徑點將要被機器人的參考點經過，所述各個路徑點分別由空間坐標限定，b)根據機器人逆運動原理將各個路徑點的空間坐標轉換為相應的軸坐標(θ)(S2)，所述軸坐標(θ)表示在相應的路徑點處的各個機器人軸的位置，c)根據轉換的軸坐標(θ)致動各個機器人軸的與軸相關的控制器(2)(S10)，d)通過相應的與軸相關的控制器(2)致動各個機器人軸中的與軸相關的驅動電機(1)(S11)，其特征在于，它還具有以下步驟e)根據動態(tài)機器人模型(5)計算機器人路徑上的各個路徑點的路徑校正值(Δθ)(S3-S7)，所述路徑校正值(Δθ)考慮了機器人的彈性和/或摩擦和/或慣性；f)由各個路徑點的未被校正的軸坐標(θ)和路徑校正值(Δθ)計算各個路徑點的已被校正的軸坐標(θKORR)(S8)；以及g)以已被校正的軸坐標(θKORR)致動與軸相關的控制器(2)(S10)。
2. 如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，它具有以下步驟a) 根據動態(tài)機器人模型(5)由路徑點的未被校正的軸坐標(g)計算內力矩值(MWA，)和/或外力矩值(Mii^M) (S6)，所述內力矩值(MwiVflV)表示驅動電機(1)和相應的機器人軸的內力矩，b) 由內力矩值(M皿Qv)和外力矩值(il^/皿)計算路徑校正值(A5)(S7)。
3. 如權利要求2所述的控制方法，其特征在于，內力矩值(M/蕭，，Mmw，，,)包含以下分量:a)靜摩擦項，所述靜摩擦項由路徑點的未被校正的軸坐標(0的符號和靜摩擦常數(yr)計算，和/或a)動摩擦項，所述動摩擦項由路徑點的未被校正的軸坐標(^)的第一階時間導數(々' )和動摩擦常數cz，)計算，和/或c)慣性項，所述慣性項由路徑點的未被校正的軸坐標(g)的第二階時間導數(々' )和慣性常數(,)計算。
4. 如前面權利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，它具有以下步驟a) 環(huán)境溫度(T)的測量(S4)，b) 根據測量的環(huán)境溫度(T)從參數存儲器讀出動態(tài)機器人模型的模型參數(yT,力，A) (S5)，c) 利用動態(tài)機器人模型的讀出的模型參數(yr,yr氣A)計算路徑校正值Ag (S7)。
5. 如權利要求3和4所述的控制方法，其特征在于，依賴溫度讀出的模型參數包括以下的量a) 靜摩擦常數(yr)和/或b) 動摩擦常數(yr'o和/或c) 慣性常數(,)。
6. 如權利要求2至5中任一所述的控制方法，其特征在于，路徑校正值(Ag)借助于以下元件由內力矩值(M層w)和/或外力矩值(Mi^巡)計算a) P-元件(9),禾口/或b) PTl-元件(10)，和/或c) PT2-元件(11)。
7.如權利要求2至6中任一所述的控制方法，其特征在于，路徑校正值(A^)在考慮機器人軸的彈性的情況下由內力矩值(M/m，)和/或外力矩值(M^，)計算。
8. 如前面權利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，它具有下步驟在致動與軸相關的控制器(2)之前，對路徑點的已被校正的軸坐標(&o朋)進行濾波(S9)，以用于平滑目的。
9. 如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，已被校正的軸坐標(&》m)通過以下濾波器類型被濾波-a) 平均濾波器，b) 確定加權平均的平均濾波器，c) 相位超前濾波器，d) FIR濾波器，e) 帶通濾波器，和/或f) 低通濾波器。
10. 如前面權利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，路徑校正值(Ag)在校正時加到路徑點的未被校正的軸坐標(g)上。
11. 一種機器人控制系統，所述機器人控制系統被配置成執(zhí)行根據前面權利要求中任一所述的控制方法。
12. —種機器人、特別是噴涂機器人，具有根據權利要求11所述的機器人控制系統。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于噴涂機器人的控制方法，包括以下步驟a)通過使用多個路徑點設定機器人路徑，所述多個路徑點將要被機器人的參考點經過，且分別由空間坐標限定；b)根據機器人逆運動原理將各個路徑點的空間坐標轉換為相應的軸坐標，所述軸坐標表示在相應的路徑點處的各個機器人軸的位置；c)根據轉換的軸坐標致動各個機器人軸的與軸相關的控制器；d)通過相應的與軸相關的控制器致動各個機器人軸中的與軸相關的驅動電機；e)根據動態(tài)機器人模型計算各個路徑點的路徑校正值，所述路徑校正值考慮了機器人的彈性和/或摩擦和/或慣性；f)由各個路徑點的未被校正的軸坐標和路徑校正值計算各個路徑點的已被校正的軸坐標；以及g)以已被校正的軸坐標致動與軸相關的控制器。
文檔編號B25J9/16GK101678551SQ200880017321
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權日2007年5月24日
發(fā)明者A·邁斯納, B·舍爾, J·黑克爾 申請人:杜爾系統有限責任公司