电动机的控制装置的制作方法

本发明涉及电动机的控制装置，更具体地，涉及执行具有扭矩伺服机构的电动机的二自由度控制的控制装置，所述扭矩伺服机构通过反馈控制和前馈控制的组合来驱动机器人的连接件。

背景技术：

日本未审查专利申请公开No.2000-50666公开了一种技术，该技术使用二自由度控制来改善用于扭矩命令值的目标值跟随特性。

日本未审查专利申请公开No.11-42573公开了用于计算电动机的输出扭矩以使用二自由度控制来实现目标机器人运动的技术。然而，日本未审查专利申请公开No.11-42573中公开的技术涉及对整个机器人的控制，但并不涉及对用于机器人的每个接合部的电动机的控制。

日本未审查专利申请公开No.2000-50666中公开的技术不考虑当机器人接触前馈计算器所在环境时使电动机等旋转以获得反作用力的扭矩。因此，不可以精确控制输出扭矩。

技术实现要素：

鉴于上述情况做出了本发明，本发明旨在提供具有能够精确控制输出扭矩的扭矩伺服机构的电动机的控制装置。

根据本发明的一方面的电动机的控制装置是应用于机器人的电动机的控制装置，所述机器人包括接合部和连接件，所述接合部包括电动机、减速器和传感器，所述连接件经由减速器由电动机来驱动并且接收来自环境的反作用力，所述电动机的控制装置通过反馈控制和前馈控制的组合来控制电动机，电动机的控制装置包括：

第一前馈计算器，被配置成基于至少电动机、减速器或连接件的模型以及电动机的旋转数量来计算第一电动机输出扭矩值，使得能够在接合部中生成由扭矩命令信号表示的扭矩值；

第二前馈计算器，被配置成在不依赖于电动机的旋转数量的情况下，基于由扭矩命令信号表示的扭矩值来计算第二电动机输出扭矩值；以及

比较器，被配置成将第一电动机输出扭矩值、第二电动机输出扭矩值以及基于通过传感器检测到的扭矩值和由扭矩命令信号表示的扭矩值所计算的第三电动机输出扭矩值相加。

根据本发明,可以获得具有能够精确控制输出扭矩的扭矩伺服机构的电动机的控制装置。

本发明的上述以及其他目标、特征和优点根据下文给出的详细描述和仅作为说明而给出的附图将变得更能充分理解，因此不应被视为限制本发明。

附图说明

图1是示出了典型机器人的示意图；

图2是示出了安装在机器人上的扭矩伺服机构的配置的分解图；

图3是示出了根据实施方式的电动机的控制装置的框图；

图4是示出了第一电动机输出扭矩值的扭矩波形的一个示例的示图；

图5是示出了出现负脉冲信号的扭矩波形的一个示例的示图；

图6是示出了第一电动机输出扭矩值和第二电动机输出扭矩值的扭矩波形的一个示例的示图；以及

图7是示出了由扭矩命令信号表示的扭矩值的跟随特性的示图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的具体实施方式。然而，应当注意，本发明不限于以下实施方式。为了阐明本说明书，对下面的描述和附图酌情进行了简化。

图1是示出了典型机器人手臂的示意图。图2是示出了安装在机器人手臂上的扭矩伺服机构的配置的分解图。图3是示出了根据本实施方式的电动机的控制装置的框图。图4是示出了第一电动机输出扭矩值的扭矩波形的一个示例的示图。图5是示出了出现负脉冲信号的扭矩波形的一个示例的示图。

根据本实施方式的电动机的控制装置(在下文中可以将其简称为控制装置)执行具有扭矩伺服机构的电动机的二自由度控制，所述扭矩伺服机构通过反馈控制和前馈控制的组合来驱动机器人的连接件。这样的控制装置适合用于控制例如布置在接合部中的扭矩伺服机构的电动机以驱动如图1所示的机器人手臂(机器人)1的连接件2。

如图2所示，扭矩伺服机构3具有例如以下配置，在该配置中，电动机4、减速器5、扭矩传感器6等被容纳在壳体7中。在电动机4与减速器5之间设置的构件是联接夹具，但在图2中未示出其附图标记。

如图3所示，根据本实施方式的控制装置8包括第一前馈计算器9、第二前馈计算器10、第一比较器11、反馈计算器12和第二比较器13。

第一前馈计算器9与第二前馈计算器10并联地布置。与仅设置有第二前馈计算器10的情况相比，根据本实施方式的第一前馈计算器9主要起以下作用：当输出扭矩命令值被改变同时机器人手臂1与接触环境接触时，以高跟随能力精确控制输出扭矩。即使在机器人手臂1与接触环境不接触时，第一前馈计算器9仍然具有以下影响：改善输出扭矩的跟随特性并精确控制输出扭矩。

这样的第一前馈计算器9计算第一电动机输出扭矩值以旋转(驱动)装置如连接件2、电动机4、减速器5等，使得可以在与包括电动机4的扭矩伺服机构3联接的连接件2不接触接触环境的状态下生成由从连接件2的外部输入的扭矩命令信号表示的扭矩值τ_plan。

更具体地，对于控制对象如电动机4、减速器5、连接件2等，如下面的<表达式1>所示，定义了从输入扭矩至接合角的装置模型P_m。这具有与具有电动机4的粘性摩擦和惯性的典型模型的形式相当的形式，并且是包括整个受控对象如电动机4、减速器5、连接件2等的惯性J_n和粘性摩擦B_n的模型。在下面的<表达式1>等中，“s”表示拉普拉斯算子，与s的乘积表示微分，与1/s的乘积表示积分。

[表达式1]

另外，如下面的<表达式2>所示，定义了在接触环境中生成的反作用力的模型P_c。这是除接触环境的刚度以外还包括连接件2的刚度、减速器5的刚度等的由弹簧常数K_en和黏性系数D_en定义的弹簧阻尼器模型。可以将弹簧常数K_en设置为适当值，误差被反馈控制吸收。

[表达式2]

P_c＝K_en+D_ens

另外，目标值响应G_ry由如下面的<表达式3>所示的二阶滞后系统来定义。

[表达式3]

虽然目标值响应G_ry通过时间常数T_r的一阶低通滤波器的乘积的形式来定义，但是目标值响应G_ry是分母的阶数比分子的阶数大两阶或更多阶的低通滤波器就足够了。

在第一前馈计算器9中对使用这样的装置模型P_m、反作用力模型P_c的逆系统和目标值响应G_ry如下面的<表达式4>所确定的第一前馈增益FF₁进行设置。

[表达式4]

第一前馈计算器9将第一前馈增益FF₁与由扭矩命令信号表示的扭矩值τ_plan相乘以计算第一电动机输出扭矩值，并且将表示已经计算出的第一电动机输出扭矩值的信号输出至第二比较器13。即，通过将目标值响应G_ry、如电动机4等标称模型的逆系统与接触环境的标称模型的逆系统相乘来计算第一电动机输出扭矩值。

通过以下步骤获得第一前馈增益FF₁：通过获取考虑到环境的刚度、连接件2的刚度和减速器5的刚度的推进量的角度来计算用于生成由扭矩命令信号表示的扭矩值(即，旋转数量)所需的电动机4的旋转角度；并且进一步计算实现与所述旋转角度对应的电动机4的旋转所必需的电动机输出扭矩值。当电动机4的旋转角度为0时，电动机输出扭矩值也变为0。

在<表达式4>中乘以目标值响应G_ry出于两个目的。第一个目的是防止机器人手臂1的震动。如果在<表达式4>中没有乘目标值响应G_ry，则当由扭矩命令信号表示的扭矩值突然被改变时，在电动机4中立即生成大扭矩值，这会激起震动。

第二个目的是使整个第一前馈增益FF₁的传递函数的分母的阶数(s的阶数)等于或大于分子的阶数，并且便利生产软件所需的离散化。当制造电动机4的放大器的控制软件时，整个第一前馈增益FF₁需要被离散化并且被编码。如果其分母的阶数不满足上述范围，则不能执行离散化。

第一电动机输出扭矩值具有取决于弹簧常数K_en和黏性系数D_en的参数的期望扭矩波形。第一电动机输出扭矩值优选地具有电动机4没有生成扭矩的扭矩波形，其方向与当连接件2推动接触环境时电动机4所生成的扭矩的方向相反(在本实施方式中，如图4所示，在下降沿处不会出现负脉冲信号的扭矩波形(即，电动机4的扭矩值不会变为负的))。因此，当接触环境的刚度变化时，可以减轻缺乏生成力(输出)的影响。图5是示出了出现负脉冲信号的扭矩波形的图。

虽然第一前馈计算器9已经计算出了第一电动机输出扭矩值，但是该扭矩值不包括与通过接触力生成的扭矩的反作用扭矩对应的扭矩命令。

第二前馈计算器10计算第二电动机输出扭矩值以获得当连接件2以从接触环境外部输入的扭矩命令信号所表示的扭矩值τ_plan来接触接触环境时的反作用力。

因此，由下面的<表达式5>表示的第二前馈增益FF₂在第二前馈计算器10中被设置。第二前馈计算器10将第二前馈增益FF₂与由扭矩命令信号表示的扭矩值τ_plan相乘以计算第二电动机输出扭矩值，并且将表示已经计算出的第二电动机输出扭矩值的信号输出至第二比较器13。

[表达式5]

FF₂＝G_ry

在本实施方式中，目标值响应G_ry被设置为第二前馈增益FF₂。这样的第二前馈计算器10起以下作用：在机器人手臂1与接触环境接触的状态下生成与输出扭矩命令相当的扭矩。

图6是示出了第一电动机输出扭矩值和第二电动机输出扭矩值的扭矩波形的一个示例的示图。当输入至第一前馈计算器9和第二前馈计算器10的扭矩命令信号所表示的扭矩值以步进式的方式被加倍时，第一电动机输出扭矩值和第二电动机输出扭矩值具有例如图6所示的扭矩波形。

在电动机4中生成通过将所计算的第一电动机输出扭矩值和第二电动机输出扭矩值相加而获得的扭矩值。因此，可以使电动机4旋转以在连接件2中生成由扭矩命令信号表示的扭矩值并且获得与扭矩值相当的反作用力。

然而，对于装置模型P_m和反作用力模型P_c而言，不可能对接触环境和实际电动机4的状态进行完全地建模，而且存在建模误差。因此，执行使用第一前馈计算器9和第二前馈计算器10的仅前馈控制将引起误差。

除前馈控制以外，控制装置8还使用反馈控制。此时，控制装置8优选地包括扭矩命令调节器14，使得可以彼此独立地设计通过反馈控制的目标值跟随特性和通过前馈控制的干扰抑制特性。

在扭矩命令调节器14中，目标值响应G_ry被设置为调节由从外部输入的扭矩命令信号表示的扭矩值τ_plan的系数。扭矩命令调节器14将由扭矩命令信号表示的扭矩值τ_plan与目标值响应G_ry相乘，并且将表示通过将扭矩值τ_plan与目标值响应G_ry相乘而获得的值的信号输出至第一比较器11。然而，可以视情况根据第一前馈计算器9的低通滤波器来设置调节扭矩值τ_plan的系数，并且当调节扭矩值τ_plan的系数为1时，可以忽略扭矩命令调节器14。

第一比较器11计算在通过将从扭矩命令调节器14输入的信号所表示的扭矩值τ_plan与目标值响应G_ry相乘而获得的值与在连接件2中生成并且通过扭矩传感器6检测到的扭矩值τ_msr之间的偏差，并且将表示已经计算出的偏差的信号输出至反馈计算器12。

反馈增益K_p在反馈计算器12中被设置。然后，反馈计算器12将表示第三电动机输出扭矩值的信号输出至第二比较器13，所述第三电动机输出扭矩值通过将由从第一比较器11输入的信号所表示的偏差与反馈增益K_p相乘来获得。可以视情况来设置反馈增益K_p。

第二比较器13将表示扭矩目标值τ_ref的信号输出至电动机4，所述扭矩目标值τ_ref通过将由从第一前馈计算器9输入的信号所表示的第一电动机输出扭矩值、由从第二前馈计算器10输入的信号所表示的第二电动机输出扭矩值以及由从反馈计算器12输入的信号所表示的第三电动机输出扭矩值相加来获得。电动机4以基于表示从第二比较器13输入的扭矩目标值τ_ref的信号的旋转角度θ来进行旋转。

在本实施方式中，第一前馈计算器9不仅使用装置模型P_m而且使用反作用力模型P_c来计算第一电动机输出扭矩值，从而可以在机器人手臂1与环境接触的状态下精确控制电动机4。

另外，由于装置模型P_m的系统与反作用力模型P_c的系统及其逆系统互相抵消，因此期望最终获得根据目标值响应G_ry的响应。

另外，可以分开设计第一前馈计算器9和第二前馈计算器10，从而可以设计控制装置8并且确定参数。

另外，当目标值响应G_ry的分母的阶数为二阶并且可以通过(1+T_rs)的平方或s的多项式来表达目标值响应G_ry时，可以防止参数的数量变得巨大并且可以抑制设计控制系统所需的时间。

图7是示出了由扭矩命令信号表示的扭矩值的跟随特性的示图。如图7所示，应当理解，与在控制装置8中不设置第一前馈计算器9的情况相比，根据本实施方式的控制装置8针对扭矩命令信号所表示的扭矩值具有更好的跟随特性。

本发明不限于前述实施方式，并且可以在不背离本发明的精神的情况下视情况而变化。

例如，虽然在前述实施方式中描述了机器人手臂1与环境接触的情况，但是本发明不限于该情况。甚至在机器人手臂1与环境不接触的状态下，也可以通过用由连接件2的加速而生成的惯性力等代替接触力来建立相似的准则。

例如，虽然在前述实施方式中已经描述了使连接件2旋转的情况，但是本发明不限于该情况。甚至当连接件2线性移动时，也可以通过用力代替扭矩并且用位置代替角度来建立相似的准则。

例如，接触环境的模型不限于<表达式2>中所示的模型并且可以为P_c＝K_en。在这种情况下，目标值响应G_ry可以是<表达式3>中所示的模型或者可以为G_ry＝1/(1+T_rs)。目标值响应G_ry是分母的阶数比分子的阶数大一阶或更多阶的低通滤波器就足够了。

根据所描述的本发明，显而易见的是，可以以很多方式来改变本发明的实施方式。这样的变化不应被视为背离本发明的精神和范围，如对本领域的技术人员而言显见的是，所有这样的修改旨在被包括在随附的权利要求书的范围内。