用于弹性机器人结构的运动控制器.pdf

本发明涉及一种用于喷涂机器人的控制方法，包括以下步骤：a)通过使用多个路径点设定机器人路径，所述多个路径点将要被机器人的参考点经过，且分别由空间坐标限定；b)根据机器人逆运动原理将各个路径点的空间坐标转换为相应的轴坐标，所述轴坐标表示在相应的路径点处的各个机器人轴的位置；c)根据转换的轴坐标致动各个机器人轴的与轴相关的控制器；d)通过相应的与轴相关的控制器致动各个机器人轴中的与轴相关的驱动电机；e)根据动态机器人模型计算各个路径点的路径校正值，所述路径校正值考虑了机器人的弹性和/或摩擦和/或惯性；f)由各个路径点的未被校正的轴坐标和路径校正值计算各个路径点的已被校正的轴坐标；以及g)以已被校正的轴坐标致动与轴相关的控制器。

1.  一种用于多轴机器人、特别是用于喷涂机器人的控制方法，具有以下步骤：
a)通过多个路径点预定机器人路径(S1)，所述多个路径点将要被机器人的参考点经过，所述各个路径点分别由空间坐标限定，
b)根据机器人逆运动原理将各个路径点的空间坐标转换为相应的轴坐标(θ)(S2)，所述轴坐标(θ)表示在相应的路径点处的各个机器人轴的位置，
c)根据转换的轴坐标(θ)致动各个机器人轴的与轴相关的控制器(2)(S10)，
d)通过相应的与轴相关的控制器(2)致动各个机器人轴中的与轴相关的驱动电机(1)(S11)，
其特征在于，它还具有以下步骤：
e)根据动态机器人模型(5)计算机器人路径上的各个路径点的路径校正值(Δθ)(S3-S7)，所述路径校正值(Δθ)考虑了机器人的弹性和/或摩擦和/或惯性；
f)由各个路径点的未被校正的轴坐标(θ)和路径校正值(Δθ)计算各个路径点的已被校正的轴坐标(θ_KORR)(S8)；以及
g)以已被校正的轴坐标(θ_KORR)致动与轴相关的控制器(2)(S10)。

2.  如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，它具有以下步骤：
a)根据动态机器人模型(5)由路径点的未被校正的轴坐标(θ)计算内力矩值(M_INNEN)和/或外力矩值(M_AUβEN)(S6)，所述内力矩值(M_INNEN)表示驱动电机(1)和相应的机器人轴的内力矩，
b)由内力矩值(M_INNEN)和外力矩值(M_AUβEN)计算路径校正值(Δθ)(S7)。

3.  如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，内力矩值(M_INNEN，M_INNEN，i)包含以下分量：
a)静摩擦项，所述静摩擦项由路径点的未被校正的轴坐标(θ)的符号和静摩擦常数(f_i^sta)计算，和/或
a)动摩擦项，所述动摩擦项由路径点的未被校正的轴坐标(θ)的第一阶时间导数和动摩擦常数(f_i^vis)计算，和/或
c)惯性项，所述惯性项由路径点的未被校正的轴坐标(θ)的第二阶时间导数和惯性常数(J_i)计算。

4.  如前面权利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，它具有以下步骤：
a)环境温度(T)的测量(S4)，
b)根据测量的环境温度(T)从参数存储器读出动态机器人模型的模型参数(f_i^sta，f_i^vis，J_i)(S5)，
c)利用动态机器人模型的读出的模型参数(f_i^sta，f_i^vis，J_i)计算路径校正值Δθ(S7)。

5.  如权利要求3和4所述的控制方法，其特征在于，依赖温度读出的模型参数包括以下的量：
a)静摩擦常数(f_i^sta)和/或
b)动摩擦常数(f_i^vis)和/或
c)惯性常数(J_i)。

6.  如权利要求2至5中任一所述的控制方法，其特征在于，路径校正值(Δθ)借助于以下元件由内力矩值(M_INNEN)和/或外力矩值(M_AUβEN)计算：
a)P-元件(9)，和/或
b)PT1-元件(10)，和/或
c)PT2-元件(11)。

7.  如权利要求2至6中任一所述的控制方法，其特征在于，路径校正值(Δθ)在考虑机器人轴的弹性的情况下由内力矩值(M_INNEN)和/或外力矩值(M_AUβEN)计算。

8.  如前面权利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，它具有下步骤：
在致动与轴相关的控制器(2)之前，对路径点的已被校正的轴坐标(θ_KORR)进行滤波(S9)，以用于平滑目的。

9.  如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，已被校正的轴坐标(θ_KORR)通过以下滤波器类型被滤波：
a)平均滤波器，
b)确定加权平均的平均滤波器，
c)相位超前滤波器，
d)FIR滤波器，
e)带通滤波器，和/或
f)低通滤波器。

10.  如前面权利要求中任一所述的控制方法，其特征在于，路径校正值(Δθ)在校正时加到路径点的未被校正的轴坐标(θ)上。

11.  一种机器人控制系统，所述机器人控制系统被配置成执行根据前面权利要求中任一所述的控制方法。

12.  一种机器人、特别是喷涂机器人，具有根据权利要求11所述的机器人控制系统。

用于弹性机器人结构的运动控制器
技术领域
本发明涉及一种根据主权利要求的用于多轴机器人、特别是用于喷涂机器人的控制方法。
背景技术
DE 10342471A1公开了一种用于多轴喷涂机器人的机器人控制系统，所述机器人控制系统沿预定的机器人路径移动工具中心点(TCP)。该现有的机器人控制系统可考虑并补偿各个机器人轴的机械弹性，以提高喷涂机器人的定位精度。在这种情况下，喷涂机器人的各个机器人轴分别由一个轴控制器致动，喷涂机器人的机械弹性被考虑，这是因为相对较柔性的机器人轴的轴控制器的偏差在轴向重叠连接的情况下作用于相对较刚性的轴的轴控制器。
该现有机器人控制系统已经被证明是有利的，但仍希望，特别是在高度动态的机器人运动的情况下，更好地考虑喷涂机器人的机械弹性和提供更好的补偿，以提高定位精度。
从US 2004/0093119A1公知一种机器人控制系统，其在各个机器人轴的驱动调节的情况下校正机器人的与摩擦相关的定位误差，但预定的机器人路径未被修改。因此，机器人的定位精度通过该机器人控制系统未得到充分提高，这在机器人的高度动态的操作的情况下更是如此。
关于现有技术，还应参看DE 102004056861A1；“Proceedings of the2005IEEE 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 A1；“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 1173 801 B1。然而，在该现有技术中，机器人的定位精度也不是令人满意的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于多轴机器人的控制方法，所述控制方法尽可能好地补偿机器人的弹性，以提高机器人的定位精度。
上述目的通过主权利要求所要求保护的根据本发明的控制方法实现。
本发明包括当沿着预定的机器人路径控制多轴机器人时计算路径校正值的总的技术教导，所述路径校正值考虑了机器人的弹性、摩擦和/或惯性，使得利用相应地被校正的机器人路径致动机器人补偿了动态定位误差(例如，过调，机器人轴的弹性变形)。
在根据本发明的控制方法的情况下，对于机器人的参考点，例如“工具中心点(TCP)”，机器人路径通过多个路径点被预定，所述多个路径点将要被参考点经过。机器人路径上的各个路径点在此优选由空间坐标限定，所述空间坐标以三个空间方向限定各个路径点的位置。例如，对于每个路径点，具有三个坐标的坐标组或位置矢量可被预定，这些以三维笛卡尔坐标系统表示相应的路径点的位置。
为了实现根据本发明的控制方法的目的，预定的机器人路径的各个路径点的空间坐标然后根据机器人逆运动原理以传统的方式转换为相应的轴坐标，所述轴坐标表示在相应的路径点处的各个机器人轴的位置。根据机器人逆运动原理将空间坐标转换为相应的轴坐标在现有技术中是本身公知的，因此，不必进一步描述。各个路径点的被转换的轴坐标此时优选在轴坐标的系统中为位置矢量的形式。
各个路径点的被转换的轴坐标然后用于致动各个机器人轴的与轴相关的控制器，这同样在现有技术中是本身公知的，例如公知于上面引用的专利申请DE 103 42 471 A1中，从而该专利申请的内容整体上包括在本发明中。
各个机器人轴的与轴相关的控制器此时以这种方式致动各个机器人轴中的驱动电机，使得参考点(例如，工具中心点)相继经过预定的机器人路径的各个路径点。
除了上述传统的方法步骤以外，根据本发明，机器人路径上的各个路径点的路径校正值根据动态机器人模型计算，所述路径校正值考虑了机器人的弹性、摩擦和/或惯性，从而可补偿动态定位误差。
路径校正值然后用于计算预定的机器人路径的各个路径点的已被校正的轴坐标。优选地，为了计算已被校正的轴坐标，路径校正值简单地加到相应的路径点的未被校正的轴坐标上，使得路径校正值形成补偿。
最后，各个与轴相关的控制器然后利用已被校正的轴坐标被致动，从而动态定位误差被补偿。
在本发明的优选的示例性实施例中，动态机器人模型被提供用于计算机器人的运动质量体的“内”力和力矩，所述计算优选根据刚性体模型实时(“在线地”)地进行。
在这种情况下，根据本发明的控制方法优选根据动态机器人模型由各个路径点的未被校正的轴坐标计算内力矩值，所述内力矩值表示驱动电机和相应的机器人轴的内力矩。例如，以这种方式计算的内力矩值可考虑静摩擦分量、粘滞摩擦分量和/或各个机器人轴的传动系的质量惯性，这将在下面详细地描述。
在本发明的该示例性实施例中，路径校正值然后优选由内力矩和已知的外力矩计算，各个机器人轴的弹性优选通过在最简单的情况下将各个机器人轴看作是零阶的弹性扭转弹簧被考虑。路径校正值此时根据线性相互关系由预定的扭转弹簧常数以及作为内力矩和外力矩的总和的总力矩获得。
为了本发明的目的，内力矩值可包括静摩擦项M_fric，stat，所述静摩擦项表示与速度无关的摩擦，该摩擦沿相应的驱动电机的转动方向作用，且可例如由路径点的未被校正的轴坐标的符号和预定的静摩擦常数计算。所述静摩擦项M_fric，stat在此可根据下面的公式由静摩擦常数f_i^sta和未被校正的轴坐标q_i计算，其中，标号i表示相应的机器人轴：
Mfric,stat,i=fista·sgn(q·i)]]>
而且，在动态机器人模型的情况下计算的内力矩值优选包括动摩擦项M_fric，dyn，该动摩擦项是线性项，其与相应的驱动电机的转动速度成比例地作用。例如，动摩擦项可根据下面的公式由动摩擦常数f_i^vis和路径点的未被校正的轴坐标的第一阶时间导数计算：
Mfric,dyn,i=fivis·q·i]]>
最后，在动态机器人模型的情况下计算的内力矩值优选还包括惯性项M_inert，该惯性项表示相应的机器人轴的传动系的机械惯性，且与相应的驱动电机的角加速度成比例。该惯性项M_inert在此可根据下面的公式由路径点的未被校正的轴坐标的第二阶时间导数和惯性常数J_i计算：
Minert=Ji·q··i]]>
在本发明的优选的示例性实施例中，上述摩擦项的随温度的变化关系被考虑。为此，在根据本发明的控制方法的情况下，环境温度被测量，模型参数(例如，静摩擦常数、动摩擦常数和惯性常数)然后根据测量的温度从参数存储器中被读出。路径校正值然后利用动态机器人模型的读出的模型参数即在考虑了当前温度的情况下被计算。动态机器人模型的模型参数的该温度调节提供的优点在于，机器人的机械行为的随温度的变化关系可在根据本发明的控制方法的情况下被考虑。
对于每个轴，“内部”参数f_i^sta、f_i^vis和J_i优选通过用于机器人的特定的驱动程序和优化方法依靠实验确定。在该驱动过程中，产生的电机力矩由驱动器读取，且纯粹由机器人的质量产生的电机力矩同时被计算。内部参数通过使用“最小二乘方”由各合成力矩差计算。确定的一组参数适用于相应的轴的电机/齿轮传动系的当前温度。机器人的工作温度被再分为离散步骤。机器人由于驱动而逐渐地被加热。每当达到了下一温度水平，上述识别方法被执行，以确定参数f_i^sta、f_i^vis和J_i，且相关的温度同时被储存。通过采用这种方式，对于每个轴，对于每个温度步骤，获得相关的一组参数。在随后的操作中，对于每个轴，当前的温度值循环性地被读出，然后相关的一组参数被投入使用。
在根据动态机器人模型对内力矩值进行上述计算之后，如前所述，路径校正值然后由内力矩值和已知的外力矩值计算，其中，在最简单的情况下，如果零阶的弹性扭转弹簧均被作为各个机器人轴的基础模型，该计算可根据力矩和转动角度之间的简单的相互关系进行。然而，优选地，路径校正值借助于P-元件、PT1-元件和/或PT2-元件由内力矩值计算，这允许进行最优的建模。
在本发明的优选的示例性实施例中，各个路径点的经由路径校准值校正的轴坐标在致动与轴相关的控制器之前被滤波，以平滑轴坐标。在该滤波中，可例如形成平均或加权平均。此外，滤波可通过相位超前滤波器或FIR滤波器(FIR：有限脉冲响应，Finite Impulse Response)进行。用于在致动与轴相关的控制器之前对已被校正的轴坐标进行滤波的其他可能的滤波器类型是带通滤波器或低通滤波器。
此外还应指出，本发明并不局限于上述控制方法，而是从硬件角度讲还包括一种适合于执行该控制方法且相应地被配置的机器人控制系统。
最后，本发明还包括一种多轴机器人、特别是喷涂机器人，其通过根据本发明的控制方法的这种机器人控制系统被致动。
附图说明
本发明的其他进一步的改进描述于从属权利要求中，或下面通过参看附图以及对本发明的优选的示例性实施例的描述更详细地进行解释。附图包括：
图1是根据本发明的用于致动多轴喷涂机器人的机器人控制系统的示意图；
图2A和2B以流程图的形式示出了根据本发明的控制方法；
图3示出了图1的机器人控制系统的用于由内力矩值计算路径校正值的运算单元；
图4示出了用于根据轴坐标的时间导数计算内摩擦的图；
图5是用于在校准过程的情况下确定动态机器人模型的模型参数的示意图；
图6是图5的图示的变型，其中，模型参数以不同的方式被计算；以及
图7示出了图5的图示的变型，其中，机器人轴被制动到停滞，以确定动态机器人模型的模型参数。
具体实施方式
图1中的图示出了根据本发明的用于致动多轴喷涂机器人的机器人控制系统的简化示意图。
在此，各个机器人轴由驱动电机1驱动，这在上面引用的专利申请DE10342471A1中是本身公知的。
各个机器人轴中的驱动电机1在此分别通过用于各个机器人轴的轴控制器2以预定电流值I被致动，带下划线的值在此以及在下面分别表示矢量，所述矢量分别包含用于各个机器人轴的一个分量。
此外，根据本发明的机器人控制系统包括路径内插器3，所述路径内插器3通过多个路径点接收预定的机器人路径作为输入变量，其中，所述各个路径点要由喷涂机器人的工具中心点(TCP)经过，且相应地由三维位置矢量限定，位置矢量的各个分量以三维笛卡尔坐标系统表示路径点的空间坐标。
路径内插器3然后根据机器人逆运动原理将预定的机器人路径的各个路径点的空间坐标转换为轴坐标，所述轴坐标表示在预定的机器人路径的相应的路径点处的喷涂机器人的各个机器人轴的位置。因此，路径内插器输出多维位置矢量θ，位置矢量θ的维数与机器人轴的数目对应，使得位置矢量θ的各个分量q_i表示喷涂机器人在相应的路径点处的各个机器人轴的位置。
位置矢量θ然后供给到运算单元4，所述运算单元计算位置矢量θ的第一阶时间导数dθ/dt和第二阶时间导数dθ²/dt²，即轴坐标系统中的速度和加速度。
而且，机器人控制系统包括以软件实施的动态机器人模型5，其由与轴相关的位置矢量θ以及位置矢量θ的第一阶时间导数dθ/dt和第二阶时间导数dθ²/dt²计算力矩矢量M，所述力矩矢量M由外力矩M_AUβEN和内力矩M_INNEN的总和组成，其中，内力矩M_INNEN考虑的是各个机器人轴中的摩擦和惯性，根据以下公式计算：
MINNEN.i=fista·sgn(qi)+fvis·q·i+Ji·q··i]]>
力矩矢量M＝M_INNEN+M_AUβEN然后供给到运算单元6，其由力矩矢量M计算路径校正矢量Δθ，然后，该路径校正矢量Δθ用于路径校正，这将在下面进行详细描述。路径校正矢量Δθ在此根据下面公式由力矩矢量M计算：
Δθi(s)=Mis2·θ+s·D+K]]>
未被校正的位置矢量θ然后与路径校正矢量Δθ一起供给到加法器7，该加法器7计算已被校正的位置矢量θ_KORR，所述已被校正的位置矢量θ_KORR补偿机器人控制系统中的动态路径偏差。
已被校正的位置矢量θ_KORR然后供给到滤波器8，该滤波器8对位置矢量θ_KORR进行滤波，以平滑位置矢量θ_KORR。从而，滤波器8输出已被平滑的位置矢量θ^*_KORR，且已被校正和平滑的位置矢量θ^*_KORR被供给到各个机器人轴的各个轴控制器2。
图2A和2B中的流程图清楚地说明了上述机器人控制系统的操作方法。
在第一步骤S1，多个路径点的路径曲线被预定用于路径内插器3，所述路径点要由喷涂机器人的工具中心点(TCP)相继经过，其中，预定的路径曲线的各个路径点由笛卡尔空间坐标限定。
各个路径点的空间坐标然后在步骤S2中通过路径内插器3被转换为相应的轴坐标θ，该轴坐标表示在相应的路径点处的各个机器人轴的位置。
在进一步的步骤S3中，运算单元4然后以轴坐标计算位置矢量θ的第一阶时间导数dθ/dt和第二阶时间导数dθ²/dt²。
此外，在步骤S4中，环境温度T被测量，这是因为动态机器人模型5是与温度有关的，这将在下面详细地描述。
在步骤S5中，动态机器人模型5的模型参数此时根据先前测量的环境温度T从参数存储器中读出，所述模型参数是静摩擦常数f_i^sta、动摩擦常数f_i^vis和惯性常数J_i。
在步骤S6中，作为内力矩M_INNEN和外力矩M_AUβEN的总和，总力矩M此时在动态机器人模型5中被计算，以考虑机器人的摩擦和惯性。
在步骤S7中，根据动态机器人模型计算的总力矩M此时根据机器人轴的弹性以轴坐标转换为各个路径点的相应的路径校准值Δθ。
在步骤S8中，各个路径点的已被校正的轴坐标此时被计算，其中，加法器7将路径校准值Δθ加到未被校正的轴坐标θ。
此外，在步骤S9中，已被校正的轴坐标由滤波器8滤波，以用于平滑目的。
而且，在步骤S10中，各个轴控制器2以已被校正和滤波的轴坐标θ^*_KORR被致动。
最后，在步骤S11中，对各个轴中的各个驱动电机1的调节通过轴控制器2实施。
图3示出了图1的运算单元6的示例性实施例，其由力矩矢量M计算路径校正矢量Δθ。在该示例性实施例中，运算单元6由P-元件9、PT1-元件10、PT2-元件11和加法器12组成，所述P-元件9、PT1-元件10、PT2-元件11在输入侧接收力矩矢量M，在输出侧与加法器12连接，所述加法器12将P-元件9、PT1-元件10、PT2-元件11它们的输出信号相加，以计算路径校正矢量Δθ。
P-元件在现有技术中是本身公知的。因此，P-元件9具有比例传输特性。
PT1-元件10在现有技术中同样是本身公知的，且具有一次时滞的比例传输特性。
最后，PT2-元件11在现有技术中也是本身公知的，且具有二次时滞的比例传输特性。
因此，路径校正矢量Δθ的各个分量Δθ_i根据下面的传输函数由运算单元6计算：
Δθi(s)=Mis2·θ+s·D+K]]>
图4示出了用于根据轴坐标的第一阶时间导数计算内力矩M_fri的图。从此可以清楚地看出，摩擦力矩M_fri通过在死区的起始与终止之间对摩擦力矩M_fri的值进行线性插值在绕着零点的死区中单独地被处理。
图5示出了动态机器人模型的上述模型参数的计算的简化图示。附图借助于示例仅示出了具有端部操纵装置14和传动装置接头15的单个机器人轴13。
传动装置接头15可借助于驱动电机经由激励单元16被瞬时、周期或随机地激励。
在端部操纵装置14处，偏斜此时通过测量单元17被测量并被送到评价单元18，评价单元18对测量的端部操纵装置的偏斜进行傅里叶分析或相关分析，以计算机器人轴13的机械传输特征。
图6中的图示与图5中的图示大致对应，使得参看对图5的描述以避免重复。
这种示例性实施例的特殊的特征实际上在于，测量单元17在输出侧连接到评估单元19，所述评估单元19将测量的偏斜与质量标准进行比较并相应地调节校正单元20中的校正语句。校正单元20又连接到计算模型21，所述计算模型21影响评估单元19中的质量标准。
最后，图7示出了图5的变型，其中，端部操纵装置14已被制动到停滞。激励单元16在此步进向前转动驱动电机且在这样做时测量驱动电机处的力矩，以由此计算轴13的弹簧常数。
本发明并不限于上述优选的示例性实施例。相反，利用了本发明的概念从而落入保护范围内的许多变化和修改也是可能的。
附图标记列表
1  驱动电机
2  轴控制器
3  路径内插器
4  运算单元
5  机器人模型
6  运算单元
7  加法器
8  滤波器
9  P-元件
10 PT1-元件
11 PT2-元件
12 加法器
13 机器人轴
14 端部操纵装置
15 传动装置接头
16 激励单元
17 测量单元
18 评价单元
19 评估单元
20 校正单元
21 计算模型