专利名称：用于调整、控制操作器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种调节或控制自动控制的操作器，特别是机器人的方法，由于考虑到在为操作器的轴移动而设置的传动机构上出现的摩擦力矩，本发明采用动态操作器模型，其中至少为一个轴根据输出端的轴速度和轴加速度建立传动机构摩擦力矩的模型并且通过所述模型来确定诸如电机位置或电机电流等额定值。
本发明还涉及一种用于调整或控制自动控制的操作器的装置，特别是调整或控制机器人的装置，所述机器人具有多个轴和多个用于轴移动的电机和传动机构，还具有一个控制单元，由于考虑到传动机构内产生的摩擦力矩这里采用动态操作器模型，该控制单元是用来控制该动态操作器模型的，其中至少为一个轴设置根据输出端的轴速度和轴加速度而定的传动机构的摩擦力矩并且通过该控制单元来确定诸如电机位置或电机电流等额定值。
另外本发明还涉及对本发明装置的可能的应用。
自动控制的操作器是根据标准EN ISO 8373具有自动控制功能的操作器，以及根据标准EN ISO 8373的机器人或工业机器人，特别是具有三个或多个可编程轴的机器人。
在先公知的机器人控制通常包含一个动态模型，所述动态模型用于对机器人的位置或对所述位置之间的移动进行(预)规划、调整和插入。当提及机器人移动的动态模型时，“动态”这一概念系指力矩、动力、电流等。通常这种动态模型还包括在机器人的移动部件，特别是传动机构上出现的摩擦力，简称摩擦。另外有关对概念“规划”、“调整”和“插入”请参见有关
图1的说明(参见下文)。最好能够将配属给所述轴的电机的驱动端的电机温度作为输入参数输入到模型内。
动态模型一方面用于根据操作器的轴的载荷、实时位置、速度和加速度的可编程的额定值计算出使轴移动的电机和传动机构上的(额定)力矩。采用此方式可以在给定的物理极限范围内通过操作器的控制单元对最佳时间的轨迹进行规划。反之可以根据测出的电流、位置、速度、加速度等的实际值计算出机器人的实时的电机和传动力矩的估计值，所述实时的电机和传动力矩的估计值接着用于监视目的，例如识别碰撞。
动态模型的另一应用方案是在插入器中或在机器人的调整时用于对预控制力矩的计算，所述预控制力矩建立在额定和/或实际值的基础上。
正如在前面已经看到的，电机和传动机构里面或上面的主要温度特性对动态模型内的摩擦影响(摩擦力矩)并且进而对电机电流的影响很大。所述电机电流例如是必要的，以便以给定的移动量克服摩擦效应对轴进行的移动。
为了克服这些效应，已有技术在方法和装置中对取决于温度的参数实行了最坏情况评估法。例如传动机构摩擦力矩在机器人相应的移动和环境温度的影响下将发生变化。虽然根据传动机构的制造厂家提供的信息可以了解环境温度的一定的允许范围；但机器人制造厂家也可以针对客户的实际需求对传动机构温度进行精确的设定，因此就机器人控制必须以保守的方式以相应的电机力矩克服的传动机构内的最大的摩擦为出发点。但由于通常没有给出摩擦力矩的最大设定值，电机力矩未得到利用并且无谓地浪费了机器人宝贵的周期时间。
特别是在中止机器人移动时，另一缺点在于已知的传动机构摩擦力矩是不精确的，这是因为在中止后重新启动时摩擦很大和基于粘着摩擦效应将会导致传动机构振颤的移动。另外这种效应在操作器按规定进行调整时产生不利作用，这是因为在粘着摩擦的情况下不断获得力矩，但并不同时产生移动，从而造成调整混乱。
相应的缺点还出现在操作器启动时，特别是在所谓的软伺服应用时，其中在低速度范围内为克服粘着摩擦必须精确地给出所需的电机的始动力矩。
为了克服上面列举的缺点，本发明的目的在于对机器人的传动机构摩擦力矩进行更为精确的确定和利用该信息对机器人的调整和驱动特性进行控制，并且通过建立在模型基础上的机器人函数，例如通过最佳时间的规划、冲撞识别或载荷数据的求出，进一步改进对操作器有效的电机力矩的利用，同时基于改进的调整和驱动特性赢得周期时间。
本发明将通过以下方法解决已有技术中存在的问题，即根据传动机构温度来确定传动机构的摩擦力矩。
为实现上述目的，本发明所涉及的装置至少配置有一个与控制单元作用连接的确定装置，所述确定装置用于确定传动机构温度，确定装置在控制单元内的输出信号用于确定传动机构摩擦力矩。
我们可以看到这样的情况，例如就摩擦在机器人的动态模型的范围内未考虑到温度的情况下，在电机的额定和实际力矩之间有可能存在30％至40％的差别。本发明的对基于传动机构的摩擦给定的传动机构温度并将该温度输入结构内的考虑可以实现对操作器的调整和驱动特性的灵活的适配和改善，这是因为根据本发明不必限定在上述“最坏的情况”，从而特别是机器人的周期时间更为灵活和更为迅速，并因此赢得时间。
根据本发明所涉及的第一种方法设计为，对传动机构温度直接进行测量。就此可以实现对温度的测量，特别是在操作器正常工作时，即在客户/最终使用者处进行温度测量。另外还可以在操作器正常工作前对传动机构的温度进行测量，这样就不必在最终客户工作时进行传动机构温度的测量。
根据本发明所涉及的装置的设计为，温度确定装置是作为在传动机构内一体安装的温度传感器而设置的并且/或者温度确定装置是为测量传动机构的油温而设置的。
不在机器人的轴上设置附加的温度传感器不仅仅是出于对费用的考虑。例如特别是在机器人的手轴上很难应用温度传感器，这是因为在该处几乎不存在安装和布线的可能性。因此本发明的进一步设计重点在于，即使不在系列产品上采用附加的传感装置也至少可以实现对传动机构近似温度的确定并将该传动机构温度如上所述用于不同的控制和调整过程。
在本发明的范围内还有一种选择为，根据操作器的运行速度和相应的参数，并结合用于在操作器机械结构内导热的模型以及必要时用于对环境的热辐射的模型，即使在传动机构不进行直接的温度测量的情况下也可以获得传动机构的温度的估计值。但为此需要对环境温度进行测量。一种相应设计的本发明的方法的特征在于a)以特定的时间间隔对诸如电机电流、电机位置或电机温度等操作器的驱动端的实际参数加以确定b)根据导热模型以规律的周期求出机械结构内的导热和对操作器环境的散热；和c)根据导热确定传动机构的近似温度。
为此在本发明的一种相应设计的装置中，在控制单元(SE)内设置有导热模型，其中控制单元(SE)以规则的周期求出导入操作器(RO)的机械结构内的热，以便根据导入的热求出传动机构的近似温度 本发明装置的优选的进一步设计是a)设置一个用于以一定的时间间隔确定操作器(RO)的环境温度的装置(UTS)；b)控制装置(SE)根据环境温度以规律的周期求出从操作器(RO)向环境的热辐射；和c)根据导热和热辐射确定传动机构的近似温度 与在带有温度传感器的机器人的传动机构内部或上面额外大量配备传动机构传感器的方法或装置相比，以上刚刚提到的本发明所涉及的实施方式的优点是此方式仅仅需要少量的用于环境温度的传感器，且这种传感器便于安装。然而实践证明，在个别情形下难以建立热辐射或导热模型。
另外，根据本发明所涉及的方法的特别优选的进一步设计是，利用测量到的操作器的驱动端上的诸如电机电流或电机位置等实际参数，并根据传动机构温度的标准确定传动机构的摩擦模型的特性曲线组，随后，对照特性曲线组并根据驱动端的实际参数求出传动机构温度或传动机构摩擦力矩的数值。其中特别是还可以在操作器开始正常工作之前确定特性曲线组和传动机构摩擦模型并将特性曲线组和传动机构的摩擦模型存储起来以备在稍后时刻使用。
因此，根据本发明，在制造过程中对各系列的机器人一次性在传动机构上配备附加温度传感器并进行测量，由此建立传动机构温度特性曲线组或参数模型，以便在操作器随后的正常工作中借助其它测量值导出，随时供操作器上相应的传感器使用。
据此，本发明所涉及的装置的进一步设计为，具有一个确定装置，该确定装置是用来根据传动机构的温度标准确定传动机构摩擦模型的特性曲线组，而传动机构的温度标准是通过操作器驱动端的实际参数，例如电机电流或电机位置的数值而得出的，依据该参数并通过控制单元可以求出与驱动端的实际参数相关联的传动机构温度的数值或传动机构摩擦力矩。另外本发明所涉及的装置还具有一个用于存储特性曲线组和传动机构摩擦模型的第一存储装置，以便稍后在操作器正常工作时供控制单元使用。
根据本发明大致存在有三种获得传动机构温度值的方式，该传动机构温度值会随后在摩擦模型中被使用1)在机器人常规工作时直接测量；2)对照通常获得的机器人的实际参数，必要时对照特性曲线组近似确定；和/或3)利用热模型的建立，必要时采用环境温度测量。根据测出的实际参数如上所述在采用方法2)和3)对机器人进行控制时采用数字最佳化的方法尽可能将测出的实际参数与求出的特性曲线组或参数化的模型重叠，其中对设定的传动机构的温度进行相应变化。本发明所涉及的方法或装置的相应的设计是从属权利要求的主题，对此将在下面做进一步详细的说明。根据本发明，所获得的传动机构温度的最佳值随后还将用于其它的控制目的。
为对上述关系加以说明将采用下面列举的符号qM 电机侧的(＝驱动端的)位置qG 传动侧的(＝输出端的-、轴侧的)位置电机温度传动机构温度τM 驱动端的力矩或电机力矩τG 输出端的力矩或传动机构力矩I 电机电流R 传动机构变速比；qM＝qG*R适用于非弹性传动机构τRG配属给传动机构的摩擦力矩τRM配属给电机的摩擦力矩J 载荷惯性为了对额定和实际数值加以区分，对上述列举的表示所有参数的符号添加一个下标“soll”或“ist”。
另外为对本发明加以说明在下面仅以一个单独的旋转轴为例。而且本发明也适用于具有旋转和线性轴的任意设置的多轴的操作器。
对摩擦力矩采用下述函数关系式 根据本公式，传动机构上的摩擦力矩是轴速度、轴加速度、传动机构温度和在传动机构上的载荷力矩的函数。根据以上说明，由于通常无法在机器人工作时直接测量传动机构的温度，因此难以对该摩擦力矩加以描述。
电机上的摩擦力矩的函数关系式如下 为电机速度、电机加速度和电机温度的函数式。
在传动机构上的摩擦力矩的具体举例如下 (3)据此传动机构摩擦由三种不同的摩擦力矩构成，即-具有取决于温度的系数a1的粘着摩擦项(固定体摩擦) -滑动摩擦项(粘滞摩擦)具有取决于温度的系数a2的 和-铁损项具有取决于温度的系数a3的 根据现有技术既可以采用简单的模型(例如没有铁损项)，又可以采用复合模型(见例如H·奥尔松、KJ·埃斯特洛姆、C·卡努达斯、德·维特、M·加夫魏特、P·李辛斯基著摩擦模型和摩擦补偿，欧洲控制杂志，1998年29(4)，176-195页)。
在采用不具有传动机构弹性的刚性的活节和根据τM＝kT·I的电流线性的电机特性曲线的情况下，下式与摩擦模型无关适用τG＝(I·kT-τRM)·R-τRG (4)即传动力矩等于电机力矩与电机摩擦力矩的差乘以传动机构变速比，其中接着还要减去传动机构摩擦力矩。
根据现有技术对机器人的控制完全采用与温度无关的摩擦力矩，例如如下式所述 =a1·sign(d/dtqG)+a2·d/dtqG+a3·d/dt2qG]]>(5)或者采用模型，其中将电机温度作为传动机构温度的估计值代入 (6)当然如对照在重力的作用下的静止的轴简单示出的那样，采用电机温度作为传动机构温度的简单的估计值通常是不允许的为了使在重力的作用下将载荷保持在位置上，相应的电机必须加入一定的力，其中电能被加在电机上并将电机加热。其中该载荷和传动机构是静止的，从而在移动时不会出现取决于速度的摩擦，所述摩擦将构成对传动机构的加热。而且在电机上热的生成是很大的，以致造成过度加热。所以在实践中一旦机器人大约30秒或30秒以上的时间不移动，则电机侧的制动器将对机器人制动。
本发明如上所述是以如下核心构思为基础的，机器人制造厂家在一个或多个其传动机构上专门配备有温度传感器的机器人上为取决于温度的传动机构摩擦模型建立特性曲线组，以便免除在机器人传动机构上高成本地大批量安装温度传感器。批量生产的机器人接着在其控制程序中采用该特性曲线组，以便根据如现有技术公知的测出的实际参数，即电机电流和/或电机位置的时间特性曲线在通过最佳化的方法对相对于机器人的移动时间仅缓慢变化的传动机构的温度的可取的假设的情况下确定最后的传动机构的近似温度和接着将该传动机构的温度用于控制、调整或监视。
采用这种配备的机器人实施相应的测量运行，所述测量运行对摩擦模型的输入参数的整个范围进行覆盖。在测量运行时对位置的实际值和由此求出的速度、电机温度和传动机构温度按一定周期进行采集，其中取样速率通常在一毫秒的范围内，并存储在一个外存储器的数据块内。然后由测出的实际值根据公式1和2求出摩擦模型τRM或τRG，，并将其以表格的形式或以参数化模型的形式存储在(外)存储器内。同样采用测量的方式求出模型的相应的参数，例如采用最小平方法。
优选通过机器人本身的控制单元中的计算单元进行所述的实际值的存储以及进行建立模型所必要的计算步骤。而且也可以在一个单独的外部计算机中进行所述的方法步骤。
根据本发明，通过上述(脱线)准备工作得出了由不同的影响参数决定的传动机构摩擦模型τRG，根据本发明传动机构温度 也属于影响参数 其中通过公式7中的项表示其他的影响参数。
根据本发明，对上述的摩擦模型接着施行“在线”使用，即在控制装置或机器人工作时用于改善控制和调整特性。原则上当然也可以甚至在正常工作时在机器人的传动机构内或传动机构上配备附加的温度传感器，并且通过例如在传动机构油内的传感器直接对传动机构温度 进行测量。之后，根据本发明通过预先建立的摩擦模型可以非常精确地确定操作器的摩擦模型和其对移动特性所产生的作用。根据本发明所涉及的方法的相应的进一步设计为，在对操作器的交替位置的序列进行预先规划时，特别是涉及到移动的几何轨迹、时间过程和速度时，在采用传动机构温度的情况下，对产生的诸如电机电流或电机位置的额定参数的数值加以确定。概念“(预先)规划”在本发明的范围内涉及交替变化的机器人位置的几何轨迹和时间曲线，其中后者特别系指速度规划。因此根据本发明特别是可以进行最佳时间的规划，其中在规划开始时对每组移动及类似的情况的实际温度 和 进行选定。在采用该温度的情况下对出现的力矩加以确定。
另外根据本发明所涉及的方法的特别优选的进一步设计为，当预先规划与插入之间超过了一个预定的时阈时，在开始插入相应的位置序列前重新进行规划，其中概念“插入”包含对位置的取样和在位置之间的插入。当在规划与插入程序段之间出现中断时，所述中断时间长度足以使电机和传动机构冷却下来，这样在随后的重新启动时将自动进行重新规划。
另外，根据本发明所涉及的方法的进一步设计为，在插入操作器位置时和/或在调整时在采用传动机构温度的情况下对出现的额定参数，例如电机电流或电机位置的数值加以确定。因此根据本发明在插入以及在调整时在采用实时的实际温度的情况下计算(预控制)力矩。
为了实施上述方法本发明中所设置的装置的特征特别在于一种时间测量装置，当预先规划与插入位置序列之间消逝的时间超过预定的时阈时，在对操作器位置的交替变换的序列进行预先规划时，特别是涉及到移动的几何轨迹、时间过程和速度的预先规划时，该时间测量装置通过控制单元实施重新规划。
本发明的重点在于，在机器人正常工作时在不对温度进行直接测量的情况下实现对传动机构的温度的考虑，以便不必大批量地在传动机构上额外地设置温度传感器。但在机器人的电机内始终设有温度传感器，从而根据本发明在机器人工作时可以在任何情况下采集下述影响参数的通常的实际值-电机位置qMist，和由此推导出的电机速度d/dt qMist，电机加速度d/dt2qMist-通过对电机侧的数值(传动机构的变速比，有时在考虑到传动机构弹性的情况下；见上述公式4)的换算求出轴位置qGist、轴速度d/dt qGist和轴加速度d/dt2qGist-电机电流Iist-电机温度 其中作出如下设定，即由于没有附加的传感机构，无法直接测量传动机构温度 进而作出如下的进一步设定，即摩擦力矩始终取决于温度，以及电机温度和传动机构温度与(机器人)控制的周期相比仅缓慢地变化。根据经验至少需要机器人工作30分钟，以便在环境温度大约为200℃时电机上的温度达到120℃，传动机构上的温度达到70℃。因此所述的温度在一个移动程序的典型时段内小于1秒时间内变化小于0.050℃。
用t_act表示本发明所涉及的方法的开始的时间点，其中设定，在电机较长时间停机后无法测量的传动机构的温度与也同样无法测量的环境温度一致，或在较短时间停机后通过在停机时间内机器人结构内的简单的热流模型求出传动机构的近似温度。当不存在具体的近似起始值时，通过在下面将要描述的最佳化方式，通常还可以对温度进行有意义的估计。而且好的起始值可以对数字方法有所帮助。
根据在此基础上的本发明所涉及方法的有益的进一步设计，以规则的时间间隔准连续地对诸如电机电流或电机位置等驱动端的实际参数加以确定并且在预定的时间内对所述实际参数的数值进行存储，其中存储的时间长度的数量级小于传动机构的温度变化的时间标度，并且以预定的时间的间隔周期确定传动机构的近似温度，并将其用来确定在指定时刻存储的实际参数的数值。其中优选在同一个数量级内选择存储时间的长度和确定的时间间隔。
本发明所涉及装置的相应的进一步设计的特征在于具有第二存储装置，所述第二存储装置用于准连续地存储操作器驱动端的实际参数值，诸如以规则的时间间隔存储电机电流或电机位置并用于在预定的时间长度内保存该数值，其中与传动机构温度变化的时间标度相比，其时间长度的数量级很小。其中存储时间长度最好为0.1秒至1秒，优选大约为0.5秒。
根据本发明所涉及装置的特别优选的设计为，第二储存装置最好为磁环缓冲存储器。另外控制单元可以用于在预定的时间间隔的周期内对传动机构近似温度进行确定，为此可以对在确定时间点存储在第二储存装置内的数值进行评估。其中存储时间长度和确定时间间隔优选具有相同的数量级。
因此根据本发明对观察时域T加以确定(例如长度T＝0.5秒)，其时间长度与如上所述机器人(电机和传动机构)的温度变化的时间标度相比“较短”。只有在分钟范围内才可以清楚地看出温度变化。当然观察时域T同时与调整的时间标度相比“较长”这是因为在目前的操作器中的调整周期仅有几毫秒的缘故。在该短周期内控制单元可以准连续地对位置数据和温度进行采集。
可测量的参数d/dt qM、d/dt2qM和 优选存储在磁环缓冲存储器内，所述磁环缓冲存储器在时间T至实时时间T_act的时间延续内对该参数的信号变化进行存储，也就是说，存储完成并且存入了长度T[t_act-T，t_act]的变化的时窗内。
在任意定义的时间间隔周期ΔT内对照预先建立的模型计算出传动机构温度的新的估计值，该值考虑到机器人控制的调节器周期的时间间隔ΔT而选择有意义的可能的最小值。而且ΔT和T最好具有相同的数量级，这是因为对在下面描述的最佳化算法加以计算非常耗时，从而根据目前的发展水平难以实施以具有调节器周期的数量级的的时间间隔ΔT的方法。另一方面由于温度仅缓慢地变化，从而如上所述以ΔT≈1s的评价足以满足要求。
在电机力矩、摩擦力矩和传动机构力矩之间存在如下所述用公式表示的关系τG＝(τM-τRM)·R-τRG(8)该公式与上面的公式4等效。根据进一步变型得出I＝(1/kT)((1/R)·(τG+τRG)+τRM) (9)因此根据摩擦模型τRG和τRM自变数的这些值可以求出电机电流。
由于 τG＝τG(qG，d/dtqG，d/dt2qG，J) (10)τRM＝τRM(qM，d/dtqM，d/dt2qM，θM，K)(11)可以在如下公知的参数 的情况下根据公式9也可以计算出额定电流。但在上面列举的变量仅能定期地测出电机位置qM和其导数、传动机构位置和其导数、电机温度 以及实际电机力矩或实际电机电流。针对未知的传动机构温度 根据本发明引入一名称相同的变量，所述变量代入上述的传动机构摩擦模型内。根据本发明传动机构摩擦模型τRG与 的假设的数值对应或通过公式9求出针对该温度值的电流。
本发明所涉及方法的优选的进一步设计的特征在于，通过对下述表达式的数值的最小化确定传动机构温度
其中t 时间坐标t_act 实时时间点T 存储时间长度Isoll额定电机电流 有待确定的传动机构温度qG(t) 取决于时间的输出端的位置取决于时间的电机温度τG(t) 取决于时间的输出端的力矩Iist(t)取决于时间的实际电机电流w(t)取决于时间的加权函数τMsoll驱动端额定力矩kT根据τM＝kT·I的比例函数d/dt qG(t) 根据时间输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和d/dt2qG(t)根据时间输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
本发明一个特别的优点在于，将传动机构的温度代入用于控制和调整机器人的传动机构摩擦力矩的代数式中，而不必对状态做进一步近似设定，例如通过热流等。
上述的最小化问题提供了传动机构温度，通过传动机构温度将对在过去的时间内测出的实际参数的信号变化给予最好的说明。采用平方公式，即加权法在控制单元的计算单元内计算出对公式12内的积分的评价，在平方公式内代入在最终的多个固定时间点上在时间间隔(t_act-T，t_act)内测出的实际值，所述实际值如上所述优选存储在磁环缓冲存储器内。
采用某个估计的传动机构温度(其中取积分最小值)作为目前时间点t_act的新的传动机构温度。
以数字方式实现上述最佳化。为了获得用于数字最佳化的可以接受的起始值，本发明所涉及的方法的进一步设计的特征在于，采用最后求出的传动机构温度作为表达式的数字最小化的起始值。控制冷启动后的初始化可以在例如由制造厂家给定的平均环境温度上实现。在公式12中项w(t)为加权函数，通过对加权函数的具体设计可以实现例如对自身过去的弱加权。但也可以采用恒定的加权函数w＝1。另外也可以采用与公式12完全不同的用于对实际和额定电流信号的差作为在此处给出的加权的L2-标准。
当根据公式12的积分的最小化不能提供明确的结果时，可以采用任意的值 ，其中积分取其最小值。在此情况下温度在宽的范围内具有对摩擦均匀的影响，其中最终涉及的是固有的与控制相关的控制参数，严格地说，温度仅作为确定所述控制参数的辅助参数。
如上所述，根据本发明，传动机构的温度的估计值随时供规划程序、插入程序和调整程序使用，从而根据传动机构温度的估计值预定机器人电机的电流和位置。
根据本发明所涉及的方法的另一设计为，对传动机构温度的确定是通过对下述表达式的值的最小化实现的 其中t时间坐标有待确定的传动机构的温度qG(t)取决于时间的输出端的位置取决于时间的电机温度τG(t) 取决于时间的输出端的力矩Iist(t) 取决于时间的实际电机电流τMsoll驱动端额定力矩τMist驱动端实际力矩d/dt qG(t) 根据时间输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和
d/dt2qG(t) 根据时间输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
由于仅局部实现最佳化，其中仅有涉及操作器实际状况的逐点信息流入程序中，所以采用此方式特别是不再需要第二存储装置，例如不再需要磁环缓冲存储器形式的第二存储装置。换句话说替代在消逝的时域上的积分分别针对实时的实际状况进行最佳化。
按照上述实施方式最后得到的温度估计值适用于作为公式13的表达式同样数字最佳化的起始值。在仅仅实现局部最佳化的情况下，仍想要得到可以接受的温度估计值，就必须将输入公式13内的输入信号进行平滑或滤波。
与上述采用变化的时窗的最佳化相比，公式13可以非常简单地对用于传动机构的估计温度最小化标准的确定。其缺点是有时将以温度估计值的波动为代价。
下面将对照实施例并结合附图对本发明的进一步细节和优点加以说明。图中示出图1为机器人控制中的规划、插入和调整的流程图；图2a-d给出了传动机构的力矩τG与(输出端的)速度d/dt g的依赖关系；图3给出了本发明所涉及的为建立摩擦模型而进行脱线测量时相关的数据流的程序框图；图4给出了本发明所涉及的采用传动机构温度传感器的方法的程序框图/流程图；图5为与图4相应的图示，只是在传动机构内不设有温度传感器；图6a-e为用于确定传动机构温度的不同的时间变化的机器人专用参数的图示；图7为有关测量环境温度时的数据流的程序框图/流程图。
图1借助简化的流程图对在本申请中反复应用的概念“规划”、“插入”和“调整”在程序上的相互关系加以说明。
在机器人控制，特别是工业机器人控制中，为在机器人的移动规划中实现操作器的移动，如编程的移动(程序移动)、手动移动或断续移动，通常采用编译器/编程器IC，其中如上所述，规划系指就几何位置和时间过程的交替的机器人位置的(预先)规划，例如特别是速度规划。如图1所示在步骤BP中实现这种移动规划和相应提供一个几何轨迹和操作器的移动的速度图形。接着将求出的机器人位置插入IP，所述机器人位置的插入IP系指对位置的探测。通过插入IP得出操作器的轴角和其驱动装置的电流的预给定量，所述驱动装置如图1所示，根据本发明通过驱动装置接口AS特别旨在控制、调节和对操作器的调节RE的监视。其中对机器人的“调节”根据通常的定义系指一个过程，在所述过程中连续地对一个(调节)参数进行采集，与另一参数(主导参数)进行比较和就向主导参数补偿的意义而言对所述(调节)参数施加影响。
如上所述，本发明的方法用于在移动规划BP、插入IP以及调节RE的范围内改善操作器的调节和移动性能。
根据本发明这一点是通过改善涉及温度特性的摩擦的模型化来实现的。图2a-d示出不同的摩擦模型的逻辑基点。图中分别示出在位置q的时间变化上的输出端的力矩τG(传动机构的力矩)，即轴速度d/dt q。传动机构的力矩τG通过传动变速比和摩擦与电机力矩τM逻辑连接，参见公式4。图2示出了库仑摩擦的模型。图2b在图2的基础上附加了粘滞的摩擦，其中传动机构的力矩τG随着轴速度的数值的增大而增大。分图2c示出一个模型，其中由于粘着摩擦起动力矩需要提高到d/dt q＝0。分图2d示出分图2c下面情况的变形(H·奥尔松、KJ·埃斯特洛姆、C·卡努达斯、德·维特、M·加夫魏特、P·李辛斯基著摩擦模型和摩擦补偿，欧洲控制杂志，1998年29(4)，176-195页中的图)。
为了在以图2a-d为基础的摩擦模型的范围内对温度影响也加以考虑，本发明首先提出了在图3中示出的方法或相应结构的装置。在图中的程序框图中示出了全自动的操作器或机器人RO，所述操作器或机器人RO为实现其轴的移动(图中未示出)设置有一系列的电机M1，......，Mn，和电机上配置的传动机构G1，.....，Gn。在图3中，机器人RO的电机M1，....，Mn，还另外分别装有位置和温度传感器PS或TS，为于明了起见在图3中仅清楚地示出了电机M1的位置和温度传感器PS或TS。出于测量的需要，机器人RO另外还具有传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn，所述温度传感器不必大量地设置在相应的机器人RO上。为了说明此点，在图3中的机器人RO外面示出了传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn，且通过虚线绘出的连线与相应的传动机构G1，....Gn有效连接。
机器人的电机位置传感器PS可以是传感元件、分解器等。
传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn的优选设计和设置为，通过传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn来确定传动机构G1，.....，Gn的油温。
为实现对机器人RO的控制，图3中另外设置有一个控制单元SE。所述控制单元可以设置成例如以PC机形式出现的控制计算机，根据本发明其中至少应包括一个用于运行系统的暂存内存储器IS和用于存储必要的应用程序AP的控制磁心BS。另外控制单元SE还具有一个作为硬盘存储器的外存储媒体ES，所述外存储媒体根据图3用于存储测量数据MD，特别是用于存储机器人RO的摩擦模型。
根据本发明所涉及的方法，机器人RO通过其传感机构将有关电机温度和电机位置的信息提供给控制单元SE(图3中的粗箭头)。另外传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn将有关分别在传动机构G1，.....，Gn内的传动机构温度的信息传递给控制单元SE，所述控制单元SE将位置和电流的预给定量传递给机器人RO或其驱动装置。
应用程序AP最好包括用于测量驱动的程序，利用所述程序控制单元SE促使机器人RO实施移动，所述移动覆盖着应用的摩擦模型(见公式7)的输入参数的整个范围。在测量驱动时周期性地采集有关位置、电机温度和传动机构温度的实际值并将其存储在外存储器ES的数据块内(测量数据MD)。在控制单元SE本身或必要时的另一外置计算机(图中未示出)的测量驱动结束后，根据测量数据MD建立机器人RO的取决于温度的传动机构摩擦模型MQ，所述摩擦模型被持续地保存在外存储器ES内并且随后在机器人RO正常工作时，在没有传动机构温度传感器的情况下，通过与常规的以及进一步确定的电机温度和电机位置的比较，用来求出传动机构温度或传动机构的摩擦力矩。
但在最简单的情况下，如图4所示的本发明所涉及的机器人持续地，即甚至在其正常工作时配备有传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn，所述传动机构温度传感器GTS1，.....，GTSn用于直接通过在传动机构油内的传感器测量相应的传动机构温度 这时用于机器人RO正常工作所需的控制单元SE在其外存储器ES内除了应用传动机构温度 的模型MO外，还包含相应的用于对机器人RO的移动的规划、插入和调整的相应的算法AL(见图1)。然后在控制单元SE的规划、插入和调整的所有程序中采用实时测出的传动机构温度 并且对位置和电流的额定预给定量施加影响(图4中的箭头P)。在对每个程序段开始(时间最佳的)规划时对相应的实际温度 和 和在采用这些温度的情况下对出现的力矩加以确定。控制单元SE的优选方案还包括设置时间测量装置ZM，当在程序组规划与插入(见图1)之间出现中断，且所述中断时间的长度足以达到电机和传动机构的冷却时，根据时间测量装置的标准实现重新规划。由使用者对相应的时阈进行预先给定。
另外，在规划中实施插入和调整时，在采用实时的实际温度的情况下，计算相应的(预控制)力矩。
但出于对费用的考虑，在保持本发明的基本构思的情况下，力求不在机器人正常工作时直接对传动机构的温度进行测量。此情形在下面的图5中进行了描述。在图5中正常工作的机器人RO仅在电机M1，...，Mn上设有温度传感器TS，而没有设置传动机构温度传感器。
根据本发明的另一个优选设计为，控制单元SE包括一个用于存储由机器人输出的有关电机位置和电机温度qM或 实际值/测量数据的作为存储装置的磁环缓冲存储器RP，为了明了起见在图5中的控制单元SE的内存储器IS内未再次示出存储运行系统部分和程序部分BS或AP(参见图4)。另外控制单元SE包括优化器OP，所述优化器优选由软件构成并且就其实质而言通过计算解决上述的数字优化问题。根据图4的设计，控制单元SE还包括规划、插入和调整算法AL以及在采用传动机构温度的情况下的机器人RO的模型MO。
优化器OP根据本发明所涉及的方法，通过时间扩展的或局部时间的最佳化的数字解决方案(公式12或13)，提供一个传动机构的估计温度 所述传动机构的估计温度被随后提供给模型MO并且对照传动机构的估计温度运用算法AL将电机位置qM和电机电流I的相应的取决于温度的额定值提供给机器人RO。
在上面对本发明中应用的算法的要点已经做了详细的说明。另外在下面对照图6a-e形象地对传动机构温度 (或传动机构的估计温度 )的确定加以说明在图6a中首先在时间t轴上给出了作为无单位的参数的(轴)加速度d/dt2q。图6b通过在t轴上的d/dt q给出了根据假设的加速度曲线得出的速度曲线。可以测出相应的实际电流I(t)，并且作为掺杂有噪声的信号在图6c中给出。根据本发明，图6c给出的信号曲线优选跨越一个时域(t_act-T，t_act)绘出并存储在图5所示的磁环缓冲存储器RP内。
每个假设值 可以根据在时域(t_act-T，t_act)内测出的(和存储的)实际参数qG、d/dt qG、d/dt2qG、qM、d/dt qM、d/dt2qM、 与 一起计算出电流变化I(见公式9)。该计算的结果是电流变化 的曲线的 参数化的束。图6e中给出了该束，而在图6d中给出了实际的(正确的)摩擦温度(传动机构温度)。
为实现设定的/估计的传动机构温度 的最佳的变化，该电流 (见图6e)根据本发明与实际电流Iist最佳地重叠，随后将传动机构温度特定的最佳值作为摩擦模型的“真实的”传动机构温度。在本发明的范围内“最佳”这一概念通常是用计算出的电机电流 与测出的电机电流Iist之间的最小的平方间隔来定义的，因此本发明所涉及的计算方法是根据公式12或13在类似于图中所示的控制单元SE(见图3-5)的机器人控制装置上，通过非线性的最小平方法得到解决的。例如在查尔斯·劳森和理查德·汉森所著解最小平方问题入门，1974年出版，1995年修订，SIAM和P·道伊夫哈德所著解非线性问题的牛顿方法和拟似不变式和适配算法，计算数学丛书35，斯普林格出版社(2004)中对此点的原理做了说明。
图6e中的图示是以下式的(人工)摩擦模型为基础 (14)(其中C1，C2＝常数)。由于在该模型中温度 累加代入，如图6e所示的力矩线在 变化时仅上升和下降。
最后图7给出本发明所涉及的方法或本发明所涉及的装置的进一步的实施方式，其中在如图5所示在机器人RO上不采用传动机构温度传感器。
其中本发明所涉及的装置与控制单元SE有效连接并具有环境温度传感器UTS，经由所述环境温度传感器UTS将机器人RO的环境温度的实际值输出给控制单元SE。控制单元SE在其暂存的内存储器IS中相应地设有用于计算热流和计算输入机器人结构中(包括传动机构的所有结构部分)的能量的媒介TH，其中测量出的环境温度的实际值被加入到计算中。所述计算媒介TH优选采用软件技术，该计算媒介TH可根据运行速度和在采用对机器人RO机械结构的热导模型和对环境的热辐射模型的情况下的相应参数提供出传动机构温度的估计值 图7中的粗箭头给出在机器人RO正常工作时首先周期性地将来自机器人RO的传动机构的有关电机位置qM以及电机温度 的数据输送给控制单元SE。另外如上所述，由控制单元SE通过传感器UTS输入环境温度。接着以特定的周期调取模型计算(计算媒介TH)，所述模型计算对照测出的机器人数据和环境温度，通过热流模型对实时传动机构温度 进行估计。接着与上述的本发明所涉及的方法相同，估计出的传动机构温度 随时供规划、插入和调整程序使用。根据估计出的传动机构温度 电流和位置给定被输送给机器人RO的传动机构(图7的箭头P)。
据此，根据本发明的变型方案，可以根据额定参数通过在系统中能量的加入对额定温度进行估计。
附图标记对照表AL算法AP应用程序AS驱动接口BP移动规划BS运行系统/控制磁心ES外存储器G1，...，Gn 传动机构GTS1，...，GTSn 传动机构-温度传感器IC翻译器/编译器IP插入IS内存储器MD测量数据MO模型M1，...，Mn 电机OP优化器PS位置传感器RE调整RO机器人RP磁环缓冲存储器SE控制单元TH热流计算媒介TS温度传感器UTS 环境温度传感器ZM时间测量装置估计出的传动机构温度kT电机电流与电机转矩之间的与时间无关的比例函数
权利要求
1.一种调节或控制自动控制的操作器的方法，特别是调节或控制机器人的方法，由于考虑到为操作器的轴移动而设置的传动机构上出现的摩擦力矩，该方法采用动态操作器模型，其中根据轴输出端的轴速度和轴加速度至少为一个轴建立一个传动机构摩擦力矩的模型，并将所述模型用于确定诸如电机位置或电机电流等额定值，其特征在于，借助传动机构的温度确定传动机构的摩擦力矩。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，直接对传动机构的温度进行测量。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，在操作器正常工作时对传动机构的温度进行测量。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在操作器进入正常工作前对传动机构的温度进行测量。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，a)以特定的时间间隔对诸如电机电流、电机位置或电机温度等操作器驱动端的实际参数进行测量；b)根据一个正常周期内的热导模型求出包括传动机构在内的操作器机械结构上的热输入和热传导；和c)根据导热确定传动机构的近似温度。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，另外以特定的时间间隔对环境温度加以确定，根据一个正常周期内的环境温度求出由操作器对环境的热辐射并根据导热和热辐射确定传动机构温度。
7.按照权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量操作器驱动端上的诸如电机电流或电机位置等实际参数的值，结合根据传动机构的温度标准确定的传动机构的摩擦模型的特性曲线组，然后根据特性曲线组求出传动机构的温度值或与驱动端的实际参数相关的传动机构摩擦力矩。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，在操作器进入正常工作前确定特性曲线组和传动机构的摩擦模型，和对特性曲线组和传动机构的摩擦模型进行存储，以备稍后时刻使用。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，以有规律的时间间隔准连续地对诸如电机电流或电机位置等驱动端的实际参数加以确定并在预定的时间长度内对所述实际参数的数值进行存储，其中存储的时间长度的数量级小于传动机构温度变化的时间标度，在预定的时间间隔周期内确定传动机构的近似温度，并应用该近似温度来确定在该确定时间点的实际参数的存储值。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，在同一数量级选择存储时间长度和确定时间间隔。
11.按照权利要求4至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过对如下有关 的表达式的数值的最小化对传动机构温度加以确定 其中t 时间坐标t_act 实时时间点T 存储时间长度Isoll额定电机电流有待确定的传动机构温度qG(t)取决于时间的输出端的位置 取决于时间的电机温度τG(t)取决于时间的输出端的力矩Iist(t) 取决于时间的实际电机电流w(t) 取决于时间的加权函数τMsoll驱动端额定力矩kT根据τM＝kT·I的比例函数d/dt qG(t)根据时间的输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和d/dt2qG(t) 根据时间的输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
12.按照权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，通过对下述表达式的数值的最小化实现对传动机构温度的确定 其中t 时间坐标有待确定的传动机构温度qG(t) 取决于时间的输出端的位置取决于时间的电机温度τG(t)取决于时间的输出端的力矩Iist(t) 取决于时间的实际电机电流τMsoll驱动端的额定力矩τMist驱动端的实际力矩d/dt qG(t)根据时间的输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和d/dt2qG(t) 根据时间的输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，采用最后求出的传动机构温度值作为表达式的数字最小化的起始值。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在对交替的操作器位置的序列进行预先规划时，特别是涉及移动的几何轨迹、时间过程和速度时，在采用传动机构温度的情况下，对产生的诸如电机电流或电机位置的额定参数的值加以确定。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当预先规划与插入之间消逝的时间超过一个预定的时阈时，在开始插入相应的位置序列前进行重新规划。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在插入操作器位置时和/或在调整时，在采用传动机构温度的情况下，对产生的诸如电机电流或电机位置的额定参数的值加以确定。
17.一种用于对自动控制的操作器，特别是机器人进行调整或控制的装置，所述机器人具有多个轴和多个用于使轴移动的电机和传动机构，具有一个控制单元，所述控制单元是为因为考虑到传动机构内产生的摩擦力矩而采用的动态操作器模型而设置的，其中至少一个轴上设置有建立在输出端的轴速度和轴加速度基础上的用于相关的传动机构摩擦力矩的模型并且所述模型被控制单元用于确定诸如电机位置或电机电流的额定值，其特征在于具有确定装置(AL，MO)，所述确定装置(AL，MO)至少与控制单元(SE)作用连接并对传动机构的温度 进行确定，所述确定装置的输出信号在控制单元(SE)内用于确定传动机构摩擦力矩(τRG)。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，温度确定装置作为与传动机构(G1，...，Gn)集成在一起的温度传感器(GTS1，...GTSn)。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于，温度确定装置用于测量传动机构油的温度。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，在控制单元(SE)内设置有导热模型，其中控制单元(SE)是为求出在一个常规的周期内导入操作器(RO)机械结构内的热而设置的，以便根据导入的热确定传动机构的近似温度
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制装置(SE)根据在传动机构上的实际速度和在电机上的实际温度求出导入的热。
22.根据权利要求20或21所述的装置，其特征在于，a)发置有一个用于以一定的时间间隔确定操作器(RO)的环境温度的装置(UTS)；b)控制装置(SE)用于根据在一个常规周期内的环境温度求出从操作器(RO)向环境的热辐射；和c)根据导入的热和热辐射求出传动机构的近似温度
23.按照权利要求17至22中任一项所述的装置，其特征在于具有确定装置，所述确定装置根据传动机构的温度 标准通过操作器(RO)驱动端的实际参数，例如电机电流(Iist)或电机位置(qMist)的数值来确定传动机构摩擦模型(τRG)的特性曲线组，对照所述数值根据驱动端的实际参数，通过控制单元(SE)求出传动机构温度 或传动机构摩擦力矩(τRG)的数值。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于具有第一存储装置(ES)，该第一存储装置(ES)用于存储稍后要通过控制单元(SE)在操作器正常工作时应用的特性曲线组和传动机构摩擦模型(τRG)。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的装置，其特征在于具有第二存储装置(RP)，该第二存储装置(RP)用于准连续地存储操作器(RO)的驱动端的实际参数值，诸如以有规律的时间间隔存储电机电流(Iist)或电机位置(qMist)，以及用于在预定的时间长度(T)内保存数值，其中时间长度(T)的数量级小于传动机构温度 变化的时间标度的数量级。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，存储时间长度(T)大约为0.1秒至1秒，优选大约为0.5秒。
27.根据权利要求25或26所述的装置，其特征在于，第二存储装置(RP)是磁环缓冲存储器。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的装置，其特征在于，控制单元(SE)用于以预定的时间间隔周期(ΔT)确定传动机构的近似温度 其中可以用来确定在某一时间点(t_act)第二存储装置(RP)内所存储的数值。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，存储时间长度(T)和计算时间间隔(ΔT)的数量级相同。
30.按照权利要求17至29中任一项所述的装置，其特征在于，控制单元(SE)通过对下述表达式数值的最小化来确定传动机构的温度 其中t 时间坐标t_act实时时间点T存储时间长度Isoll额定电机电流有待确定的传动机构温度qG(t)取决于时间的输出端的位置 取决于时间的电机温度τG(t) 取决于时间的输出端的力矩Iist(t) 取决于时间的实际电机电流w(t) 取决于时间的加权函数τMsoll驱动端的额定力矩kT根据τM＝kT·I的比例函数d/dt qG(t) 根据时间的输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和d/dt2qG(t) 根据时间的输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
31.根据权利要求17至24中任一项所述的装置，其特征在于，控制单元(SE)通过对于述表达式的数值的最小化来确定传动机构温度 其中t时间坐标 取决于时间的传动机构温度qG 有待确定的输出端的位置 取决于时间的电机温度τG(t) 取决于时间的输出端的力矩Iist(t) 取决于时间的实际电机电流τMsoll驱动端的额定力矩τMist驱动端的实际力矩d/dt qG(t) 根据时间的输出端位置的第一导数，即输出端的速度；和d/dt2qG(t) 根据时间的输出端位置的第二导数，即输出端的加速度。
32.根据权利要求17至31中任一项所述的装置，其特征在于具有时间测量装置(ZM)，所述时间测量装置可以在通过控制单元(SE)对交替的操作器位置的序列进行预先规划时，特别是就移动的几何轨迹、时间过程和速度进行预先规划时，如果位置序列的预先规划和插入之间消逝的时间(t)超过预定的时阈，则实施新的规划。
33.对按照权利要求17至32中任一项所述的装置的应用，用于对交替的操作器位置的序列进行预先规划，特别是用于就移动的几何轨迹、时间过程和速度进行预先规划，并且在采用传动机构温度的情况下，用于确定为实现调整所需的额定参数值，例如电机电流或电机位置等。
34.对按照权利要求17至32中任一项所述的装置的应用，用于对操作器位置进行插入和/或在采用传动机构温度的情况下，对产生的额定参数值如电机电流或电机位置等进行调整。
35.对按照权利要求17至32中任一项所述的装置的应用，用于在采用传动机构温度的情况下对操作器进行监视，特别是监视额定参数与实际参数在诸如电机电流或电机位置方面进行比较形成的冲突。
全文摘要
本发明涉及一种用于调整和控制自动控制的操作器，特别是机器人的方法。由于考虑到在为操作器的轴移动而设置的传动机构上出现的摩擦力矩，本发明采用动态操作器模型。根据与相关轴连接的电机驱动端的电机温度以及驱动轴速度和轴加速度，至少为一个轴建立传动机构摩擦力矩的模型，该模型还被用来确定诸如电机位置或电机电流等额定值。本发明所涉及的方法的特征在于，根据传动机构的温度确定与模型一致的传动机构的摩擦力矩。另外，本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置以及对所述装置的应用。根据本发明，可以以最优化方式为相应机器人专门地提供有效的电机输出或有效的电机力矩，从而节省周期时间。另外还可以改善调整和驱动性能。
文档编号G05B19/404GK1969237SQ200580019815
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月16日 优先权日2004年11月25日
发明者格哈德·希耶特曼, 马丁·魏斯 申请人:库卡罗伯特有限公司