工业机器人的系统和混合位置力控制方法与流程

本发明涉及工业机器人，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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

1、根据另一方面，本发明涉及一种用于工业机器人(2)的控制方法，该机器人包括：

2、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，

3、机器人控制系统，包括：轴控制器模块，被配置用于根据关节力设定点计算电力单元的控制设定点，电力单元将合适的电流传送至致动器；以及计算模块，被配置用于为轴控制器模块确定关节力设定点，所述计算模块耦接到所述轴控制器模块，

4、其中，所述控制方法包括以下步骤：

5、根据目标轨迹和操作模式计算定义了关节力和/或速度的时间相关的复合设定点，

6、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，行为矩阵被表达在关节空间中，

7、计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点并且计算在与所测量的关节位置不同的关节位置处的均匀内部状态的时间导数，其中对用于控制轴控制器模块的关节力设定点的计算和对时间导数的计算分别根据以下项来执行：先前计算的所述复合设定点、先前计算的所述行为矩阵、所测量的关节位置、从所测量的关节位置导出的关节速度、以及先前计算的内部状态，

8、其中，用于控制轴控制器模块的关节力设定点是根据调节关节位置内部状态之间的差异的控制函数计算的，内部状态通过对内部状态的所述时间导数进行积分来确定。

9、在一些实施例中，控制函数为比例积分微分控制器。

10、在一些实施例中，关节力设定点和内部状态的时间导数是以下微分方程组的解：

11、

12、其中qmv是对应于所述内部状态的函数，是内部状态qmv的时间导数，τ是关节力设定点，y是行为矩阵，以及u是所述复合设定点，并且其中kp、ki和kd是增益，并且ki和/或kd是增益矩阵。

13、在一些实施例中，电动致动器包括无刷电机，并且轴控制器模块被配置用于根据由相应传感器测量的致动器的关节位置来计算致动器的供电电流。

14、在一些实施例中，轴控制器模块考虑由多轴力传感器测量的力以根据关节力设定点计算电力单元的控制设定点。

15、在一些实施例中，机器人包括置于机器人手臂的端部的执行器，其中计算模块包括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多维外力。

16、在一些实施例中，计算模块以第一频率计算复合设定点和行为矩阵并且以高于第一频率的第二频率计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点。

17、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。

18、在一些实施例中，计算模块包括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多轴力传感器测量的多维外力。

19、在一些实施例中，中央单元实现对复合设定点和行为矩阵的计算，并且其中辅助单元实现对关节力设定点的计算以及轴控制器模块，中央单元和辅助单元通过数据总线进行通信。

20、在一些实施例中，电动致动器包括无刷电动机，并且中央单元实现对复合设定点和行为矩阵的计算、对关节力设定点的计算以及通过力和速度环路对电流环路控制设定点的计算，并且与中央单元通信的多个放大器适于根据电流环路控制设定点对电动机供应电流。

21、在一些实施例中，复合设定点和行为矩阵的计算考虑了内部状态。

22、根据另一方面，本发明涉及一种工业机器人控制系统(2)，机器人包括：

23、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，

24、机器人控制系统，包括：轴控制器模块，被配置用于根据关节力设定点计算电力单元的控制设定点，电力单元将合适的电流传送至致动器；以及计算模块，被配置用于为轴控制器模块确定关节力设定点，所述计算模块耦接到所述轴控制器模块，

25、所述控制系统包括配置用于进行以下操作的模块：

26、根据目标轨迹和操作模式计算定义了关节力和/或速度的时间相关的复合设定点，

27、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，行为矩阵被表达在关节空间中，

28、计算用于控制轴控制器模块的关节力设定点并且计算在与所测量的关节位置不同的关节位置处的均匀内部状态的时间导数，对用于控制轴控制器模块的关节力设定点的计算和对时间导数的计算分别根据以下项来执行：先前计算的所述复合设定点、先前计算的所述行为矩阵、所测量的关节位置、从所测量的关节位置导出的关节速度、以及先前计算的内部状态，

29、其中，用于控制轴控制器模块的关节力设定点是根据调节关节位置与内部状态之间的差异的控制函数计算的，内部状态通过对内部状态的所述时间导数进行积分来确定。

30、根据另一方面，本发明涉及一种工业机器人，包括这样的工业机器人的控制系统，其适于实现如所描述的控制方法。

技术特征：

1.一种用于工业机器人(2)的控制方法，该机器人包括：

2.如权利要求1所述的控制方法，其中，所述控制函数为比例积分微分控制器。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中关节力设定点(τ)和内部状态的时间导数是以下微分方程组的解：

4.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中电动致动器包括无刷电机，并且其中轴控制器模块被配置用于根据由相应传感器测量的致动器的关节位置来计算致动器的供电电流。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其中轴控制器模块(12)考虑由多轴力传感器(20)测量的多维外力(fs)以计算电力单元(15)的控制设定点。

6.根据权利要求5所述的控制方法，机器人包括置于机器人手臂的端部的执行器(6)，其中计算模块(10)包括计算执行器的重量(fg)的重力补偿器(43)和根据关节位置(qr)计算转换矩阵(tf)的笛卡尔关节转换器(47)，并且将执行器的重量(fg)和转换矩阵(tf)发送至轴控制器模块(12)以考虑由安装在机器人手臂(4)的端部的多轴力传感器(20)测量的多维外力(fs)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，计算(10)以第一频率(f1)计算复合设定点(u)和行为矩阵(y)并且以高于第一频率的第二频率(f2)计算用于控制轴控制器模块(12)的关节力设定点(τ)。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求6以及权利要求7或8之一所述的控制方法，其中计算模块(10)包括计算执行器的重量(fg)的重力补偿器(43)和根据关节位置(qr)计算转换矩阵(tf)的笛卡尔关节转换器，并以第一频率(f1)将执行器的重量(fg)和关节转换矩阵(tf)发送至轴控制器模块(12)以考虑由安装在机器人手臂(4)端部的多轴力传感器(20)测量的多维外力(fs)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的控制方法，其中，中央单元(5)实现对复合设定点(u)和行为矩阵(y)的计算，并且其中辅助单元(7)实现对关节力设定点(τ)的计算以及轴控制器模块(12)，中央单元和辅助单元(12)通过数据总线(18)进行通信。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的控制方法，其中电动致动器包括无刷电动机，并且其中中央单元(5')实现对复合设定点(u)和行为矩阵(y)的计算、对关节力设定点(τ)的计算以及通过力和速度环路(61)对电流环路控制设定点(τcmd)的计算，并且与中央单元通信的多个放大器(4)适于根据电流环路控制设定点(τcmd)对电动机供应电流。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的控制方法，其中复合设定点(u)和行为矩阵(y)的计算考虑了内部状态(qmv)。

13.一种工业机器人控制系统(2)，机器人包括：

14.一种工业机器人，包括根据权利要求13所述的控制系统并且适于实现根据权利要求1至12中的一项所述的控制方法。

技术总结
本控制工业机器人的方法包括以下步骤：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，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，计算(S108)用于控制轴控制器模块的关节力设定点并且计算在关节位置处的均匀内部状态的时间导数。用于控制轴控制器模块的关节力设定点是根据调节关节位置与内部状态之间的差异的控制函数计算的，内部状态通过对内部状态的所述时间导数进行积分来确定。

技术研发人员：L·乔利
受保护的技术使用者：史陶比尔法万举公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15