工业机器人的系统和混合位置力控制方法技术方案

本发明专利技术涉及工业机器人的系统和混合位置力控制方法。本控制工业机器人的方法包括以下步骤：在由中央单元实现的模块中根据目标轨迹和操作模式计算(S104)定义了关节力和/或速度的时间相关的复合设定点，在由中央单元实现的模块中计算(S106)描述了机器人手臂的期望行为的行为矩阵，行为矩阵定义了所计算的复合设定点要应用的方向，在由辅助单元实现的模块中计算(S108)用于控制轴控制器模块的关节力设定点，在由辅助单元实现的轴控制器模块中根据关节力设定点计算(S110)用于电力单元的控制设定点。设定点。设定点。

【技术实现步骤摘要】
工业机器人的系统和混合位置力控制方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人，更具体地涉及用于控制可手动引导的工业机器人的系统和方法。

技术介绍

[0002]工业机器人，诸如机器人手臂，越来越多地用于直接的操作员协作应用中，其中操作员可以直接对机器人进行操作。例如，手术应用或某些工业制造方法等就是这种情况。
[0003]例如，操作员可以通过操纵和移动机器人手臂的一部分来直接作用于机器人。这种运动由机器人的传感器检测到。取决于这种反馈，机器人控制系统相应地修改发送到机器人电机的设定点，以例如将机器人手臂带到或保持在操作员选择的位置，或者跟随由操作员对机器人进行的手动移动。
[0004]通常，机器人“手动”引导的性能可以通过不同的标准来衡量，诸如机器人可以被移动的难易程度(透明度)，在操作员的作用下没有弹性(刚性)和稳定性，这在机器人到达由编程或用户施加的极限位置时进行评估。
[0005]目前可用和已知的机器人控制解决方案都不能达到满足这三个标准的结果，这三个标准通常难以协调。
[0006]实际上，在实际应用中，刚性和透明度都令人满意的机器人的稳定性会不够，因为在操作员的作用下，机器人在接触到其所处环境的刚性元素时会发生弹跳。
[0007]因此，需要用于控制工业机器人的系统和方法在必须至少部分地手动引导机器人时使用具有改进性能的引导。

技术实现思路

[0008]为此，本专利技术涉及一种用于工业机器人的控制方法，机器人包括：
[0009]多轴机器人手臂，包括至少两个电动致动器，每个电动致动器适于使机器人手臂的一个部件相对于机器人手臂的另一个部件围绕或沿着移动轴而移动，每个电动致动器都与被配置用于测量相应致动器的关节位置的传感器相关联，
[0010]执行器，置于机器人手臂的端部，
[0011]机器人控制系统，包括：
[0012]中央单元，
[0013]辅助单元，被配置用于控制电力单元，实现轴控制器模块，所述轴控制器模块包括适于生成用于控制电力单元的设定点的电流控制环路，
[0014]电力单元适于向电动致动器供应合适的电流，
[0015]数据采集接口，被配置用于接收和发送来自与电动致动器相关联的传感器的测量，
[0016]通信链路，连接中央单元、辅助单元和数据采集接口，所述通信链路包括数据总线，
[0017]其中，该控制方法包括以下步骤：
[0018]在由中央单元实现的模块中根据目标轨迹和操作模式计算定义了关节力和速度的时间相关的复合设定点，
[0019]在由中央单元实现的模块中计算描述了机器人手臂的期望行为的行为矩阵，行为矩阵定义了所计算的复合设定点要应用的方向，
[0020]在由辅助单元实现的关节阻抗控制器模块中根据先前计算的所述复合设定点和所述行为矩阵计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点，
[0021]在由辅助单元实现的轴控制器模块中根据关节力设定点计算用于电力单元的控制设定点。
[0022]在一些实施例中，电力单元包括用于测量所述电动致动器的相电流的传感器，并且控制设定点的计算由电流控制回路实现，并且进一步取决于所述电动致动器的相电流的测量。
[0023]在一些实施例中，关节力设定点的计算包括对在关节位置处的均匀内部状态的时间导数的计算，该计算根据以下项来执行：先前计算的所述复合设定点、所述行为矩阵、所测量的关节位置、从所测量的关节位置导出的关节速度以及内部状态。
[0024]在一些实施例中，用于控制轴控制器模块的关节力设定点根据控制函数来计算，该控制函数调节关节位置与内部状态之间的差异，内部状态通过内部状态的所述时间导数进行积分来确定。
[0025]在一些实施例中，中央单元以第一频率重新计算复合设定点和行为矩阵，并且辅助单元以高于第一频率的第二频率重新计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点。
[0026]在一些实施例中，第二频率比第一频率高两倍到二十倍，优选地比第一频率高五倍到十倍，更优选地比第一频率高八倍。
[0027]在一些实施例中，辅助单元以选自500Hz和20kHz之间的频率计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点，该频率优选地选自5kHz和12kHz之间，优选地等于8kHz。
[0028]在一些实施例中，轴控制器模块在根据关节力设定点计算用于电力单元的控制设定点时考虑了由力传感器所测量的力。
[0029]在一些实施例中，中央单元使用计算执行器的重量的重力补偿器和根据关节位置计算转换矩阵的笛卡尔关节转换器，并且将执行器的重量和转换矩阵发送至轴控制器模块以考虑由安装在机器人手臂的端部的力传感器测量的力。
[0030]在一些实施例中，中央单元使用计算执行器的重量的重力补偿器和根据关节位置计算转换矩阵的笛卡尔关节转换器，并且以第一频率将执行器的重量和关节转换矩阵发送至轴控制器模块以考虑由安装在机器人手臂的端部的力传感器测量的力。
[0031]在一些实施例中，通信链路被配置为使得：中央单元通过数据总线周期地发送通信帧，轴控制器模块和力传感器被配置用于在帧通过期间在数据帧中读取或添加数据，该数据帧在每个通信周期结束时被反馈回到中央单元。
[0032]根据另一方面，本专利技术涉及一种工业机器人控制系统，机器人包括：
[0033]多轴机器人手臂，包括至少两个电动致动器，每个电动致动器适于使机器人手臂的一个部件相对于机器人手臂的另一个部件围绕或沿着移动轴而移动，每个电动致动器都与被配置用于测量相应致动器的关节位置的传感器相关联，
[0034]执行器，置于机器人手臂的端部，
[0035]机器人控制系统，包括：
[0036]中央单元，
[0037]辅助单元，被配置用于控制电力单元，实现轴控制器模块，该轴控制器模块包括适于生成用于控制电力单元的设定点的电流控制环路，
[0038]电力单元适于向电动致动器供应合适的电流，
[0039]数据采集接口，被配置用于接收和发送来自与电动致动器相关联的传感器的测量，
[0040]通信链路，连接中央单元、辅助单元和数据采集接口，该通信链路包括数据总线，
[0041]其中
[0042]中央单元被配置用于根据目标轨迹和所选择的操作模式计算定义了关节力和速度的时间相关的复合设定点，并且被配置用于计算描述了机器人手臂的期望行为的行为矩阵，行为矩阵定义了所计算的复合设定点要应用的方向，
[0043]辅助单元实现关节阻抗控制器模块和轴控制器模块，其中关节阻抗控制器模块被配置用于根据先前计算的所述复合设定点和所述行为矩阵计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点，轴控制器模块被配置用于根据关节力设定点计算用于控制电力单元的设定点。
[0044]根据另一方面，本专利技术涉及一种工业机器人，其包括这样的控制系统并且适于实施如所描述的控制方法。
附图说明
[0045]根据仅作为示例给出并参考附图进行的以下描述，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于工业机器人(2)的控制方法，该机器人包括：多轴机器人手臂(4)，包括至少两个电动致动器(M1、
…
、M6)，每个电动致动器适于使机器人手臂的一个部件相对于机器人手臂的另一个部件围绕或沿着移动轴而移动，每个电动致动器都与被配置用于测量相应致动器的关节位置(q
r
)的传感器(C1、
…
、C6)相关联，执行器(6)，置于机器人手臂的端部，机器人控制系统(8)，包括：a.中央单元(5)，b.辅助单元(7)，被配置用于控制电力单元(15)，实现轴控制器模块(12)，所述轴控制器模块(12)包括适于生成用于控制电力单元的设定点的电流控制环路(62)，c.电力单元(15)适于向电动致动器(M1、
…
、M6)供应合适的电流，d.数据采集接口(14)，被配置用于接收和发送来自与电动致动器(M1、
…
、M6)相关联的传感器(C1、
…
、C6)的测量e.通信链路，连接中央单元(5)、辅助单元(7)和数据采集接口(14)，所述通信链路包括数据总线(18)，其中，所述控制方法包括以下步骤：在由中央单元(5)实现的模块中根据目标轨迹和操作模式计算(S104)定义了关节力和速度的时间相关的复合设定点(u)，在由中央单元(5)实现的模块中计算(S106)描述了机器人手臂的期望行为的行为矩阵(Y)，行为矩阵(Y)定义了所计算的复合设定点(u)要应用的方向，在由辅助单元(7)实现的关节阻抗控制器模块(48)中根据先前计算的所述复合设定点(u)和所述行为矩阵(Y)计算(S108)用于控制轴控制器模块的关节力设定点(τ)，在由辅助单元(7)实现的轴控制器模块(12)中根据关节力设定点(τ)计算(S110)用于电力单元(15)的控制设定点。2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，电力单元(15)包括用于测量所述电动致动器(M1、
…
、M6)的相电流的传感器，并且其中控制设定点的计算(S110)由电流控制器回路(62)实现，并且进一步取决于所述电动致动器的相电流的测量。3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制方法，其中，关节力设定点τ的计算包括对在关节位置处的内部状态q
mv
的时间导数的计算，该计算根据以下项来执行：先前计算的所述复合设定点(u)、所述行为矩阵(Y)、所测量的关节位置q
r
、从所测量的关节位置q
r
导出的关节速度以及内部状态(q
mv
)。4.根据权利要求3所述的控制方法，其中，用于控制轴控制器模块的关节力设定点(τ)根据控制函数来计算，所述控制函数调节关节位置(q
r
)与内部状态(q
mv
)之间的差异，内部状态通过内部状态的所述时间导数进行积分来确定。5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其中，中央单元(5)以第一频率(F1)重新计算复合设定点(u)和行为矩阵(Y)，并且辅助单元(7)以高于第一频率的第二频率(F2)重新计算用于控制轴控制器模块(12)的关节力设定点(τ)。6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，第二频率(F2)比第一频率(F1)高两倍到二十倍，优选地比第一频率(F1)高五倍到十倍，更优选地比第一频率(F1)高八倍。7.根据权利要求5所述的控制方法，其中，辅助单元(7)以频率(F2)计算用于控制轴控
制器模块(12)的关节力设定点(τ)，频率(F2)选自500Hz和20kHz之间，优选地选自5kHz和12kHz之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：史陶比尔法万举公司，
类型：发明
国别省市：