專利名稱：工業(yè)機器人及工業(yè)機器人的驅(qū)動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人及工業(yè)機器人的驅(qū)動方法。
背景技術：
工業(yè)機器人是操作機器，其配備有適用的工具以對物件進行自動操作，并可對多個運動軸尤其在定向、位置和工作流程方面進行編程。工業(yè)機器人基本具有機器人臂，所述機器人臂帶有多個軸和杠桿并且由驅(qū)動裝置驅(qū)動。所述驅(qū)動裝置例如可以是電驅(qū)動裝置，其可特別地具有同步電動機。 為了驅(qū)動工業(yè)機器人，尤其需要以可靠的技術來檢測運動軸的位置，例如運動軸的角度調(diào)節(jié)位置(Winkelstellung)。 為了進行可靠的位置檢測，尤其為了對位置已調(diào)整的電驅(qū)動裝置進行可靠的位置檢測，例如可以借助坐標轉(zhuǎn)換器(Resolver)來確定該位置，尤其是驅(qū)動裝置的電動機轉(zhuǎn)子的角度調(diào)節(jié)位置。雖然根本不存在兩個獨立的途徑進行位置檢測，但是十多年來的操作中已證明這種位置檢測具有相對較低的故障率，因此借助于坐標轉(zhuǎn)換器所進行的位置檢測被認為是較為可靠的。 坐標轉(zhuǎn)換器價格低廉因此比較普遍。但是坐標轉(zhuǎn)換器的分辨率相對有限，特別是在幾個角分的范圍內(nèi)具有相對較大的角度誤差。 為了確定轉(zhuǎn)子的位置進而確定相關的運動軸的位置，還可以采用例如帶有光學或磁性檢測的所謂的Sin/Cos編碼器(Sin/Cos Geber)或增量式編碼器(Inkrementalgeber)(總稱為旋轉(zhuǎn)編碼器(Drehgeber))。通過旋轉(zhuǎn)編碼器可在技術上實現(xiàn)目前在精度上優(yōu)于10〃的大于每轉(zhuǎn)20比特(Bit)的分辨率。由此可相對高動態(tài)和高精度地實現(xiàn)驅(qū)動裝置的位置調(diào)節(jié)。 與坐標轉(zhuǎn)換器相比，旋轉(zhuǎn)編碼器并不可靠，為此在使用旋轉(zhuǎn)編碼器時需要冗余的第二個位置檢測系統(tǒng)。例如，該位置檢測系統(tǒng)可以是第二旋轉(zhuǎn)編碼器或坐標轉(zhuǎn)換器。但是與坐標轉(zhuǎn)換器相比旋轉(zhuǎn)編碼器相對較貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種低成本的、可靠的且還能精確地進行工業(yè)機器人的運動軸的位置檢測的設計(Vorraussetzung)。 為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出一種工業(yè)機器人，其包括具有多個軸的機器人臂；至少一個電驅(qū)動裝置，其具有三相交流同步電動機并且設置為驅(qū)動所述多個軸的其中之一運動；以及位置檢測裝置，其設置為用于確定配設于(歸屬于，zugeordnet)同步電動機的軸的位置，其中工業(yè)機器人設置為通過第一信號來確定配設于同步電動機的軸的位置，所述第一信號是同步電動機的電流和/或電壓。 此外，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出一種工業(yè)機器人的驅(qū)動方法，所述方法包括下列步驟
通過位置檢測裝置確定工業(yè)機器人所具有的多個軸中的一個軸的位置；以及
通過第一信號確定該軸的位置，所述第一信號為致使該軸運動的三相交流同步電 動機的電流和/或電壓。 根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人相應地包括帶有多個軸的機器人臂，正如普遍公知的那 樣，所述軸例如可以通過驅(qū)動(Antrieben)尤其通過電驅(qū)動而運動。根據(jù)本發(fā)明，通過多個 包含有三相交流同步電動機的電驅(qū)動裝置(Antrib)的其中之一使所述多個軸的其中之一 運動。該同步電動機優(yōu)選為永磁激勵同步電動機，但并非必須如此。 為了確定配設于同步電動機的軸的位置，根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人包括位置檢測 裝置，其中所述位置檢測裝置優(yōu)選為旋轉(zhuǎn)編碼器，例如Sin/Cos編碼器或增量式編碼器。但 是理論上也可使用其他的位置檢測裝置，例如坐標轉(zhuǎn)換器。 此外，根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人設置為，通過第一信號確定配設于同步電動機的 軸的位置。該第一信號是同步電動機的電流和/或電壓。該第一信號能用于對同步電動機 或包含同步電動機的電驅(qū)動裝置進行調(diào)節(jié)(或控制)，特別是進行電流調(diào)節(jié)，從而可以低成 本地使用第一信號來確定位置。 第一信號也可以是額外產(chǎn)生的并非用于使三相交流同步電動機運行的電流和/
或電壓。即，該第一信號可以是在電機繞組上形成的相對短時的外部脈沖，所述外部脈沖具
有公知的輸入特性，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置能夠在三相交流同步電動機的三個線圈處感應出不同的
輸出脈沖，所述輸出脈沖能夠被檢測，并且可以被分析以由此推導出轉(zhuǎn)子的角位置。 相關的(或重要的)軸的位置特別是與參考角相關的軸的角度調(diào)節(jié)位置，和/或
同步電動機的轉(zhuǎn)子的位置，尤其是轉(zhuǎn)子的角度調(diào)節(jié)位置。 根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人的實施方式或根據(jù)本發(fā)明的方法，該第一信號為三 相電壓和/或三相電流。在實踐中，不必確定同步電動機所有的三相電壓或三相電 流。僅需要測量三相電壓或三相電流中的兩相。隨后可以根據(jù)公知的三相交流技術中 (Drehstromtechnik)的關系由兩相的值確定出第三相的值。利用所確定的電流或電壓可以 推斷出同步電動機轉(zhuǎn)子的角位置并進而得到相應的軸的位置。 包括同步電動機的電驅(qū)動裝置可以具有帶有中間電路的逆變器(Umrichter)，該 逆變器前置連接同步電動機并且所述逆變器的中間電路的電壓被設為第一信號。像這樣的 逆變器對于本領域技術人員而言是公知的。其例如通過脈寬調(diào)制產(chǎn)生用于同步電動機的可 調(diào)節(jié)的三相電壓，并且包括中間電路，所述中間電路例如包含具有相應尺寸的電容器。
可以用同步電動機的轉(zhuǎn)子的機械角，或者特別地電氣角來表示通過第一信號確定 的相關軸的位置。 根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人可以具有控制裝置，所述控制裝置設置成用于控制使工 業(yè)機器人的軸運動的驅(qū)動裝置。這個控制裝置還可以設置成對利用第一信號所確定的位置 和利用位置檢測裝置所確定的位置進行分析，并且在所確定的這兩個位置之間的差超出預 定范圍的情況下，控制裝置會停止本發(fā)明的工業(yè)機器人的相關軸或所有軸的運動。因此可 以使這兩種位置確定互相監(jiān)視。 根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人的優(yōu)選的實施方式這樣進行設置，對于配設于同步電動 機的軸的運動而言，根據(jù)來自于位置檢測裝置的第二信號調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置。在實踐中調(diào)節(jié)軸 或者其驅(qū)動裝置。由此調(diào)節(jié)例如驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速或位置。根據(jù)這種變型可以通過位置檢測
4裝置來確定對于這種調(diào)節(jié)可能需要的、相關的軸的角度調(diào)節(jié)位置的信息。特別當旋轉(zhuǎn)編碼 器(例如Sin/Cos編碼器或增量式編碼器)用作位置檢測裝置時，能夠相對精確地確定轉(zhuǎn) 子的位置，特別是轉(zhuǎn)子的角度，這對包含同步電動機的驅(qū)動裝置的調(diào)節(jié)有積極的影響。由此 得到對所述驅(qū)動裝置進行相對高質(zhì)量的調(diào)節(jié)的設計，進而得到對相關的軸進行相對高質(zhì)量 的調(diào)節(jié)的設計。 隨后通過第一信號所確定的位置能用于額外地監(jiān)視該軸，由此得到能可靠監(jiān)視位 置的設計。 因為特別借助于旋轉(zhuǎn)編碼器或者其他的位置檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)相對精確和相對動 態(tài)的位置檢測，所以根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人的實施方式能夠?qū)τ糜诠I(yè)機器人的相關的 軸的電驅(qū)動裝置實現(xiàn)低成本、高精度和高動態(tài)的位置調(diào)節(jié)。 為了可靠地進行位置監(jiān)視，根據(jù)本發(fā)明基于第一信號通過"無編碼器(geberlos)" 的位置檢測可實現(xiàn)冗余的位置檢測。在本文中"無編碼器"表示，除了必要時在可能存 在的逆變器中已經(jīng)存在的(例如用于驅(qū)動裝置的電流調(diào)節(jié)的)傳感器之外，不需要其他 的傳感器。"無編碼器"的位置檢測例如在專利文獻EP 1051801Bl， DE 10226974Al， DE 102006004034A1， EP 0539401B1，DE 102007003874A1或EP 0579694B1中被公開。
根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人或根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，能夠?qū)崿F(xiàn)完全冗余的 第二種位置檢測方式，而無需額外的成本或者僅需很少的成本，因為這種"無傳感器"或"無 編碼器"的位置檢測，在完全可能存在的逆變器中可能已經(jīng)存在的電流-電壓測量裝置被使 用的情況下，可借助于該第一信號通過軟件來實現(xiàn)。"無傳感器"或"無編碼器"系統(tǒng)被用于對工業(yè)機器人的相關的軸的可調(diào)節(jié)電驅(qū)動 裝置進行冗余檢測，其中所述電驅(qū)動裝置具有同步電動機尤其具有永磁激勵同步電動機。 在此必要時可以這樣利用本發(fā)明，借助所謂的矢量調(diào)節(jié)(矢量控制)來實現(xiàn)這種電驅(qū)動裝 置的調(diào)節(jié)，為了進行操作，所述矢量調(diào)節(jié)需要三相電流(然而至少需要三相電流中的兩相 電流，第三相電流可以計算得到)以及必要時逆變器的中間電路的電壓。為了通過上述文 獻中已知的算法得出同步電動機的轉(zhuǎn)子位置，這種已經(jīng)存在的傳感器就足夠了。因此對于 根據(jù)本發(fā)明所述的位置檢測提供了兩種相互獨立的方式 方式1 :通過例如旋轉(zhuǎn)編碼器(總稱為位置檢測裝置)進行常規(guī)的位置檢測。就 此而言，根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人的實施方式或根據(jù)本發(fā)明方法的實施方式，為了實現(xiàn)可 能較高的分辨率、可能較高的精確度和可能更好的動態(tài)特性，必要時要對具有同步電動機 的電驅(qū)動裝置進行位置調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)。 方式2 :借助第一信號進行"無傳感器"或"無編碼器"的檢測。就此而言，必要時 要控制或監(jiān)視利用位置檢測裝置確定的相關的軸的位置。 因此，根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)機器人實現(xiàn)了帶有可靠位置檢測的高動態(tài)、高精度、低成 本的系統(tǒng)。


在附圖中示例性示出了本發(fā)明的實施例。其中 圖1示出了工業(yè)機器人；以及 圖2示出了工業(yè)機器人的電驅(qū)動裝置的方塊圖。
具體實施例方式
圖1示出了工業(yè)機器人l，其可在六個自由度上運動。按照一般公知的方式，工業(yè) 機器人1具有關節(jié)2、3、4、5 ;杠桿6 ;六個運動軸A1、A2、A3、A4、A5、A6 ;以及法蘭7。
軸Al-A6中的每個軸均通過驅(qū)動裝置13的驅(qū)動而運動，在此實施例的情況中，所 述驅(qū)動裝置是電驅(qū)動裝置并且分別具有電動機8、9、10、11。例如，在圖2中示出的電動機 11或相應的電驅(qū)動裝置13可以通過不再詳細示出的本領域技術人員普遍公知的傳動裝置 來使軸A2運動。 在此實施例的情況中，電動機8-11為三相交流同步電動機，特別為永磁激勵同步 電動機。電動機8-11分別由電子器件(Leistungselektroniken) 12，即所謂的逆變器來進 行控制，所述電子器件在此實施例的情況中設置在控制裝置14中。電子器件12分別與其電 動機S-ll電連接。電子器件12的其中之一例如用于在圖2中以方塊圖示出的電動機11。 因此，使軸A2運動的電驅(qū)動裝置13包括電動機11和電子器件12。 電驅(qū)動裝置13或電動機11的電子器件12以及其他的電驅(qū)動裝置與控制裝置14 的控制計算機15連接，在控制計算機上運行有合適的、且原則上為本領域技術人員所公知 的計算程序，所述計算程序以合適的且普遍公知的方式控制電子器件12，以使工業(yè)機器人 1按期望的方式運動。在此實施例的情況中，控制計算機15與電子器件12被設置在控制裝 置14的殼體中。 在此實施例的情況中，用于電動機8-11的每個電子器件12均包括整流器21、中間 電路22和逆整流器(Wechselrichter)23。中間電路22具有電容器C，并且整流器21以普 遍公知的方式從三相電源電壓產(chǎn)生通過中間電路22的電容器C平滑化的直流電壓V。平 滑化的該直流電壓V是逆整流器23的輸入電壓，所述逆整流器23以普遍公知的方式從直 流電壓V產(chǎn)生三相電壓，此三相電壓的基波振動(Gr皿dschwing皿g)的頻率是可調(diào)的。此 三相電壓將被輸送至電動機11的電動機端子(Motorklemmen)24，并且例如通過脈寬調(diào)制 (P麗)產(chǎn)生三相電壓。 但是也可以使電動機8-11共享一個整流器和一個中間電路，而且電動機8-11中 的每一個均配設有與唯一的中間電路連接的逆整流器。 在此實施例的情況中，逆整流器23以普遍公知的方式包括有在圖中未詳細示出
的多個半橋，所述半橋分別具有三個半導體開關，所述半導體開關具有附帶的空載二極管
(Freilaufdiode)。在此實施例的情況中，此半導體開關是功率晶體管，例如IGBT。 電動機11以普遍公知的方式具有定子25和轉(zhuǎn)子26，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與逆整流器
23所產(chǎn)生的基波振動有關。 在此實施例的情況中，電驅(qū)動裝置13和其他的驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速是可調(diào)節(jié)的，其中 此處使用本領域技術人員常用的矢量調(diào)節(jié)。通過合適的測量裝置可測得調(diào)節(jié)所需的信號， 例如電動機11的電流i和電壓，并且所述信號會被輸送至控制計算機15，在所述控制計算 機15上運行有用于調(diào)整(或者說控制)驅(qū)動裝置13的計算程序。 在此實施例的情況中，通過電流測量裝置27僅確定電動機11的三個電流i中的 兩個?？刂朴嬎銠C15以普遍公知的方式由這兩個電流i確定電動機11的第三個電流i。 如原則上本領域技術人員常用的，控制計算機15從中間電路22的直流電壓V和逆整流器
623的半導體開關的開關位置確定電動機11的三相電壓。通過電壓傳感器28來測量中間電 路22的直流電壓V，所述電壓傳感器以未在圖中示出的方式與控制計算機15連接。
在此實施例的情況中，工業(yè)機器人1包括用于其軸Al-A6中的每一個軸的旋轉(zhuǎn)編 碼器，在圖2中示出了軸A2的旋轉(zhuǎn)編碼器29。旋轉(zhuǎn)編碼器29例如是Sin/Cos編碼器或增 量式編碼器并且以未在圖中示出的方式與控制計算機15連接，由此能夠分析出來自于旋 轉(zhuǎn)編碼器的信號。來自于旋轉(zhuǎn)編碼器29的信號是電動機11所配設的軸A2的轉(zhuǎn)子26的位 置值(MaP)，進而是軸A2的位置值，特別是角位置或角度調(diào)節(jié)位置值。
因此，在此實施例的情況中，給控制計算機15提供有關轉(zhuǎn)子26、軸A2以及其他的 軸A1、A3-A6的角位置的信息?；谳SA2或電動機11的轉(zhuǎn)子26的、通過旋轉(zhuǎn)編碼器29所 確定的角位置被用于調(diào)節(jié)電驅(qū)動裝置13。 在此實施例的情況中，控制計算機15對基于來自相應旋轉(zhuǎn)編碼器29的信號的、有 關軸A1-A6的位置的信息進行分析，以識別可能的緊急情況并且必要時控制驅(qū)動裝置13以 使工業(yè)機器人1的當前運動停止。 在此實施例的情況中，為了可靠地監(jiān)視軸Al-A6的位置，額外地通過第二種方式 進行監(jiān)視或確定所述軸Al-A6的位置。為此，控制計算機15對信號(即電動機8-11的電流i 以及中間電路22的直流電壓V)進行分析，從而推斷出相關的電動機8-ll的轉(zhuǎn)子26的角度 調(diào)節(jié)位置?；跍y得的電流和/或電壓可推斷出同步電動機的轉(zhuǎn)子角位置的算法對于本領 域技術人員而言原則上例如可以從前文中所述的專利文獻EP 1051801B1，DE 10226974Al， DE 102006004034A1，EP 0539401B1，DE 102007003874A1或EP0579694B1中得知，這里不再 贅述。 在此實施例的情況中，控制計算機15設置成，當所確定的工業(yè)機器人1的軸A1-A6 的至少其中之一的多個位置超出預定范圍或預定值時，控制計算機15引導工業(yè)機器人1緊
急停止。
權(quán)利要求
一種工業(yè)機器人，包括機器人臂，具有多個軸(A1-A6)；至少一個電驅(qū)動裝置(13)，具有三相交流同步電動機(8-11)，并設置為驅(qū)動所述多個軸(A1-A6)的其中之一運動；以及位置檢測裝置(29)，設置為用于確定配設于所述同步電動機(11)的軸(A2)的位置，其中，所述工業(yè)機器人(1)設置為通過第一信號確定配設于所述同步電動機(11)的軸(A2)的位置，所述第一信號為所述同步電動機(11)的電流(i)和/或電壓(V)。
2. 如權(quán)利要求l所述的工業(yè)機器人，其中，相關的所述軸(A2)的位置是角度調(diào)節(jié)位置，和/或尤其通過所述位置確定所述同步電動機(11)的轉(zhuǎn)子(26)的角度調(diào)節(jié)位置。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)機器人，其中，所述第一信號為前置串聯(lián)所述同步電動機(11)的逆變器(12)的三相電壓和/或三相電流(i)、和/或所述逆變器(12)的中間電路(22)的電壓(V)。
4. 如權(quán)利要求l-3中任一項所述的工業(yè)機器人，其中，用所述同步電動機(11)的轉(zhuǎn)子(26)的電氣角來表示通過所述第一信號確定的相關的所述軸(A2)的位置。
5. 如權(quán)利要求l-4中任一項所述的工業(yè)機器人，還包括控制裝置(14，15)，所述控制裝置設置成用于控制使所述工業(yè)機器人的軸(Al-A6)運動的驅(qū)動裝置(13)，并且所述控制裝置設置成，對通過所述第一信號所確定的位置和通過所述位置檢測裝置(29)所確定的位置進行分析，并在所確定的這兩個位置的差超出預定范圍時，停止相關的軸(Al-A6)或所有的軸(Al-A6)的運動。
6. 如權(quán)利要求1-5中任一項所述的工業(yè)機器人，其中，所述工業(yè)機器人設置為，根據(jù)來自于所述位置檢測裝置(29)的第二信號調(diào)節(jié)所述驅(qū)動裝置(13)，用以驅(qū)動配設于所述同步電動機的軸(Al-A6)運動。
7. 如權(quán)利要求1-6中任一項所述的工業(yè)機器人，其中，所述位置檢測裝置是旋轉(zhuǎn)編碼器(29)，特別是Sin/Cos編碼器或增量式編碼器。
8. —種工業(yè)機器人的驅(qū)動方法，所述方法包括下列步驟通過位置檢測裝置(29)確定工業(yè)機器人(1)所具有的多個軸(Al-A6)中的一個軸(A2)的位置；以及通過第一信號確定該軸(A2)的位置，所述第一信號為使該軸(A2)運動的三相交流同步電動機(11)的電流(i)和/或電壓(V)。
9. 如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動方法，其中，所述第一信號為額外產(chǎn)生的并非用于使所述三相交流同步電動機(11)運行的電流和/或電壓。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的驅(qū)動方法，還包括對通過所述位置檢測裝置(29)所確定的位置和通過所述第一信號所確定的位置進行分析，并且當所確定的這兩個位置之間的差超出預定范圍時，停止該軸(A2)或所述多個軸(Al-A6)的運動。
11. 如權(quán)利要求8-10中任一項所述的驅(qū)動方法，還包括根據(jù)來自于所述位置檢測裝置(29)的第二信號調(diào)節(jié)所述同步電動機(ll)，用以驅(qū)動配設于所述同步電動機的軸(A2)的運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人及工業(yè)機器人的驅(qū)動方法。該工業(yè)機器人包括機器人臂，具有多個軸(A1-A6)；至少一個電驅(qū)動裝置(13)，具有三相交流同步電動機(8-11)，并設置為使所述軸(A1-A6)運動；以及位置檢測裝置(29)，設置為用于確定配設于所述同步電動機(11)的軸(A2)的位置。所述工業(yè)機器人(1)設置為通過第一信號確定配設于所述同步電動機(11)的軸(A2)的位置，所述第一信號為所述同步電動機(11)的電流(i)和/或電壓(V)。
文檔編號B25J11/00GK101745917SQ20091025419
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者哈特穆特·凱爾, 赫爾諾特·尼茨 申請人:庫卡羅伯特有限公司