機器人控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機器人控制裝置。根據(jù)實施例的機器人控制裝置包括：觀測器，接收電動機的角速度和電流指令值，從電動機的角速度控制系統(tǒng)的仿真模型中估計連桿的角加速度、以及連桿和電動機的角速度；第一反饋單元，從由觀測器所估計的連桿和電動機的角速度之差計算軸扭轉角速度，并提供反饋給角速度控制系統(tǒng)；第二反饋單元，反饋由觀測器所估計的連桿的角加速度給角速度控制系統(tǒng)；以及第一反饋常數(shù)計算單元，其當非線性動力學模型中的端部執(zhí)行器負載具有低慣性時，在第二反饋單元上補償端部執(zhí)行器負載質量并增加慣性。
【專利說明】機器人控制裝置

【技術領域】
[0001] 本文所描述的實施例一般涉及機器人（robot)控制裝置。

【背景技術】
[0002] 為了抑制多連桿（link)機器人的遠端的振動，軸扭轉（torsion)角速度（連桿角 速度和電動機角速度之差）需要從安裝在驅動各軸的電動機中的編碼器所測量的電動機 角速度中來估計，并被反饋給電動機角速度控制系統(tǒng)。在該估計中，要求基于非線性動力學 模型的非線性觀測器（observer)考慮彈性關節(jié)，并且非線性干擾促使連桿之間的作用。
[0003] 為了實現(xiàn)這種多路輸入/輸出非線性觀測器，需要建立一種精確的動力學模型， 并且要求對有效載荷和摩擦轉矩中的變化具有魯棒性。按照慣例，通常使用基于一路輸入 /輸出的線性模型的近似觀測器，以便減小控制操作中的計算量，該線性模型執(zhí)行"在每一 個連桿上的彈性關節(jié)模型中的來自另一個連桿的干擾估計和補償"。
[0004] 近幾年來，CPU和存儲器在性能上已經有了提高，現(xiàn)在機器人控制裝置能夠具有增 加的計算能力和大存儲器容量的優(yōu)點。
[0005] 然而，因為這樣的一種觀測器是基于近似法的，振動抑制效果并不穩(wěn)健，并且最重 要的是，實施控制定律和調整控制增益所要求的工程成本是巨大的。
[0006] 同樣，因為目前角速度傳感器可以容易地被獲得，通過在機器人臂的每一個連桿 上安裝角速度傳感器、直接測量軸扭轉角速度、以及執(zhí)行反饋，可以抑制振動。然而，這種技 術需要大量布線，從而在某些情況下導致諸如高成本的問題。
[0007] 而且，在執(zhí)行軸扭轉角速度的反饋的振動抑制控制系統(tǒng)中，當端部執(zhí)行器 (effector)負載很小或具有低慣性時，存在振動抑制控制的減振效果降低的問題，而不管 軸扭轉角速度是由狀態(tài)觀測器來估計還是被直接測量。


【發(fā)明內容】

[0008] 根據(jù)一個實施例，提供了一種機器人控制裝置，其控制具有位于電動機的旋轉軸 和連桿的旋轉軸之間的彈性機構的機器人臂，并且具有角速度控制系統(tǒng)，該角速度控制系 統(tǒng)對電動機的角速度執(zhí)行比例/積分控制，并輸出電流指令值給電動機，該機器人控制裝 置包括：觀測器，其被配置為接收電動機的角速度和電流指令值作為輸入，具有機器人臂的 非線性動力學模型，并從受到使用等價于角速度控制系統(tǒng)的增益的比例/積分控制的電動 機的角速度控制系統(tǒng)的仿真模型中估計連桿的角加速度、連桿的角速度、以及電動機的角 速度；第一反饋單元，其被配置為從由觀測器所估計的連桿的角速度與由觀測器所估計的 電動機的角速度之差計算軸扭轉角速度，并提供反饋給角速度控制系統(tǒng)；第二反饋單元，其 反饋由觀測器所估計的連桿的角加速度給角速度控制系統(tǒng)；以及第一反饋常數(shù)計算單元， 其當非線性動力學模型中的端部執(zhí)行器負載具有低慣性時，在第二反饋單元上補償端部執(zhí) 行器負載質量并增加慣性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是根據(jù)第一實施例的作為由機器人控制裝置所控制的一個示例對象的機器 人臂的剖視圖；
[0010] 圖2是圖1所示的機器人臂的一個連桿的示意圖；
[0011] 圖3是顯示一般位置和速度控制系統(tǒng)的框圖；
[0012] 圖4(a)和4(b)是顯示利用非線性優(yōu)化的物理參數(shù)精細調節(jié)的圖形；
[0013] 圖5是顯示根據(jù)第一實施例的機器人控制裝置的觀測器的框圖；
[0014] 圖6是顯示根據(jù)第一實施例的機器人控制裝置的框圖；
[0015] 圖7 (a)和7 (b)是顯示根據(jù)第一實施例的振動抑制控制的一個示例的圖形；
[0016] 圖8(a)和8(b)是顯示根據(jù)第一實施例的振動抑制控制的另一個示例的圖；
[0017] 圖9(a)和9(b)是顯示根據(jù)第一實施例的振動抑制控制的效果的圖；
[0018] 圖10是顯示根據(jù)第二實施例的機器人控制裝置的觀測器的框圖；
[0019] 圖11是顯示根據(jù)第三實施例的機器人控制裝置的觀測器的框圖；
[0020] 圖12是顯示根據(jù)第四實施例的機器人控制裝置的觀測器的框圖；以及
[0021] 圖13是顯示根據(jù)第五實施例的機器人控制裝置的觀測器的框圖。

【具體實施方式】
[0022] 以下是實施例參照附圖的詳細描述。
[0023] 弓丨起本實施例的情況在說明各個實施例之前被首先描述。
[0024] 圖1是作為由根據(jù)每個實施例的機器人控制裝置所控制的一個示例目標的兩連 桿的機器人臂的剖視圖。該機器人臂包括底座（mount)l、第一連桿3、第一電動機4、第一減 速器（reduction gear) 5、第一編碼器6、第二連桿8、第二電動機9、第二減速器10、以及第 二編碼器11。第一連桿3的一端被附接到底座1的上部，并且第二連桿8被附接到第一連 桿3的另一端。負載12被施加在第二連桿8的端部。
[0025] 控制裝置13借助第一電動機4、第一編碼器6和具有彈簧特性的第一減速器5的 組合，使第一連桿3相對于底座1圍繞第一軸2水平旋轉。該控制裝置13還借助第二電動 機9、第二編碼器11和具有彈簧特性的第二減速器10的組合，使第二連桿8相對于第一連 桿3圍繞第二軸7水平旋轉。
[0026] 圖2是該機器人臂的一個連桿的示意圖。這被稱為雙慣性系統(tǒng)。參照圖1和2,該 機器人臂可以作為具有彈性關節(jié)的串聯(lián)雙連桿臂而被變?yōu)榉蔷€性動力學模型。在圖2中， 第一軸作為典型示例來顯示，就物理參數(shù)而言，例如慣性力矩、摩擦系數(shù)和彈簧系數(shù)，這對 于描述連桿的非線性動力學模型是必需的。在圖2所示的示例中，連桿30通過減速器25 由電動機20來驅動和控制。作為第一軸的物理參數(shù)，輸入到電動機20的轉矩通過U 1來表 示，電動機20的慣性力矩通過mM1來表示，電動機20的旋轉角度或通過編碼器檢測到的輸 出通過Θ M1來表示，電動機20的粘性摩擦系數(shù)通過dM1來表示，電動機20的庫倫摩擦轉矩 通過f M1來表示，減速器25的衰減系數(shù)通過dei來表示，減速器25的彈簧系數(shù)通過kei來表 示，連桿30的慣性力矩通過m u來表示，連桿30的粘性摩擦系數(shù)通過du來表示，連桿30的 旋轉角度通過0U來表示。
[0027] 具有彈性關節(jié)的串聯(lián)雙連桿臂的非線性動力學模型是由電動機側的等式（1)來 表達，以及由連桿側的等式（2)來表達。

【權利要求】
1. 一種機器人控制裝置，其控制具有位于電動機的旋轉軸和連桿的旋轉軸之間的彈性 機構的機器人臂，并且具有角速度控制系統(tǒng)，該角速度控制系統(tǒng)對電動機的角速度執(zhí)行比 例/積分控制，并輸出電流指令值給電動機， 該機器人控制裝置包括： 觀測器，其被配置為接收電動機的角速度和電流指令值作為輸入，具有機器人臂的非 線性動力學模型，并從受到使用等價于角速度控制系統(tǒng)的增益的比例/積分控制的電動機 的角速度控制系統(tǒng)的仿真模型中估計連桿的角加速度、連桿的角速度、以及電動機的角速 度； 第一反饋單元，其被配置為從由觀測器所估計的連桿的角速度與由觀測器所估計的電 動機的角速度之差計算軸扭轉角速度，并提供反饋給角速度控制系統(tǒng)； 第二反饋單元，其反饋由觀測器所估計的連桿的角加速度給角速度控制系統(tǒng)；和 第一反饋常數(shù)計算單元，其當非線性動力學模型中的端部執(zhí)行器負載具有低慣性時， 在第二反饋單元上補償端部執(zhí)行器負載質量并增加慣性。
2. 根據(jù)權利要求1的裝置，進一步包括： 第二反饋常數(shù)計算單元，其被配置為在第二反饋單元上，補償由機器人臂中的姿勢變 化所導致的慣性減小，并使慣性恒定，而不管姿勢變化如何。
3. 根據(jù)權利要求1的裝置，進一步包括： 物理參數(shù)切換單元，其被配置為根據(jù)機器人臂的端部執(zhí)行器負載的質量的分類來切換 物理參數(shù)集，每個物理參數(shù)集包括被設置在非線性動力學模型中的慣性力矩、摩擦系數(shù)和 彈簧系數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求1的裝置，進一步包括： 物理參數(shù)切換單元，其被配置為根據(jù)機器人臂的端部執(zhí)行器負載的質量的分類和在端 部執(zhí)行器負載的位置上的偏移量的分類來切換物理參數(shù)集，每個物理參數(shù)集包括被設置在 非線性動力學模型中的慣性力矩、摩擦系數(shù)和彈簧系數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中物理參數(shù)切換單元包括： 表存儲單元，其被配置為存儲預先準備的各個端部執(zhí)行器負載質量的速度階躍響應數(shù) 據(jù)、以及在獲取速度階躍響應數(shù)據(jù)中所使用的物理參數(shù)； 階躍響應數(shù)據(jù)比較單元，其被配置為將機器人臂的速度階躍響應數(shù)據(jù)與存儲在表存儲 單元中的速度階躍響應數(shù)據(jù)進行比較，并且基于比較的結果選擇物理參數(shù)的初始值；和 物理參數(shù)優(yōu)化單元，其被配置為獲取機器人臂的速度階躍響應數(shù)據(jù)，將所獲取的速度 階躍響應數(shù)據(jù)與存儲在表存儲單元中的各個端部執(zhí)行器負載質量的速度階躍響應數(shù)據(jù)進 行比較，基于比較的結果估計物理參數(shù)的初始值，通過使用所估計的物理參數(shù)的初始值來 執(zhí)行非線性優(yōu)化計算以調節(jié)機器人的模擬階躍響應波形以適合機器人的實際階躍響應波 形，以及優(yōu)化物理參數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求5的裝置，其中物理參數(shù)優(yōu)化單元在表存儲單元中存儲的端部執(zhí)行器 負載當中，選擇使所獲取的速度階躍響應數(shù)據(jù)與各個端部執(zhí)行器負載質量的速度階躍響應 數(shù)據(jù)之差的平方和最小的端部執(zhí)行器負載，并且估計與所選擇的端部執(zhí)行器負載相對應的 物理參數(shù)作為物理參數(shù)的初始值。
【文檔編號】B25J13/00GK104339351SQ201410377424
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2013年8月5日
【發(fā)明者】大明準治 申請人:株式會社 東芝