本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)的控制裝置，更具體地，涉及執(zhí)行具有扭矩伺服機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的二自由度控制的控制裝置，所述扭矩伺服機(jī)構(gòu)通過反饋控制和前饋控制的組合來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的連接件。

背景技術(shù)：

日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2000-50666公開了一種技術(shù)，該技術(shù)使用二自由度控制來(lái)改善用于扭矩命令值的目標(biāo)值跟隨特性。

日本未審查專利申請(qǐng)公開No.11-42573公開了用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩以使用二自由度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。然而，日本未審查專利申請(qǐng)公開No.11-42573中公開的技術(shù)涉及對(duì)整個(gè)機(jī)器人的控制，但并不涉及對(duì)用于機(jī)器人的每個(gè)接合部的電動(dòng)機(jī)的控制。

日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2000-50666中公開的技術(shù)不考慮當(dāng)機(jī)器人接觸前饋計(jì)算器所在環(huán)境時(shí)使電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)以獲得反作用力的扭矩。因此，不可以精確控制輸出扭矩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述情況做出了本發(fā)明，本發(fā)明旨在提供具有能夠精確控制輸出扭矩的扭矩伺服機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的控制裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一方面的電動(dòng)機(jī)的控制裝置是應(yīng)用于機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)的控制裝置，所述機(jī)器人包括接合部和連接件，所述接合部包括電動(dòng)機(jī)、減速器和傳感器，所述連接件經(jīng)由減速器由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)并且接收來(lái)自環(huán)境的反作用力，所述電動(dòng)機(jī)的控制裝置通過反饋控制和前饋控制的組合來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的控制裝置包括：

第一前饋計(jì)算器，被配置成基于至少電動(dòng)機(jī)、減速器或連接件的模型以及電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)數(shù)量來(lái)計(jì)算第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值，使得能夠在接合部中生成由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值；

第二前饋計(jì)算器，被配置成在不依賴于電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)數(shù)量的情況下，基于由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值來(lái)計(jì)算第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值；以及

比較器，被配置成將第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值、第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值以及基于通過傳感器檢測(cè)到的扭矩值和由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值所計(jì)算的第三電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值相加。

根據(jù)本發(fā)明,可以獲得具有能夠精確控制輸出扭矩的扭矩伺服機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的控制裝置。

本發(fā)明的上述以及其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下文給出的詳細(xì)描述和僅作為說(shuō)明而給出的附圖將變得更能充分理解，因此不應(yīng)被視為限制本發(fā)明。

附圖說(shuō)明

圖1是示出了典型機(jī)器人的示意圖；

圖2是示出了安裝在機(jī)器人上的扭矩伺服機(jī)構(gòu)的配置的分解圖；

圖3是示出了根據(jù)實(shí)施方式的電動(dòng)機(jī)的控制裝置的框圖；

圖4是示出了第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖；

圖5是示出了出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖；

圖6是示出了第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值和第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖；以及

圖7是示出了由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值的跟隨特性的示圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于以下實(shí)施方式。為了闡明本說(shuō)明書，對(duì)下面的描述和附圖酌情進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

圖1是示出了典型機(jī)器人手臂的示意圖。圖2是示出了安裝在機(jī)器人手臂上的扭矩伺服機(jī)構(gòu)的配置的分解圖。圖3是示出了根據(jù)本實(shí)施方式的電動(dòng)機(jī)的控制裝置的框圖。圖4是示出了第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖。圖5是示出了出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖。

根據(jù)本實(shí)施方式的電動(dòng)機(jī)的控制裝置(在下文中可以將其簡(jiǎn)稱為控制裝置)執(zhí)行具有扭矩伺服機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的二自由度控制，所述扭矩伺服機(jī)構(gòu)通過反饋控制和前饋控制的組合來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的連接件。這樣的控制裝置適合用于控制例如布置在接合部中的扭矩伺服機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)如圖1所示的機(jī)器人手臂(機(jī)器人)1的連接件2。

如圖2所示，扭矩伺服機(jī)構(gòu)3具有例如以下配置，在該配置中，電動(dòng)機(jī)4、減速器5、扭矩傳感器6等被容納在殼體7中。在電動(dòng)機(jī)4與減速器5之間設(shè)置的構(gòu)件是聯(lián)接夾具，但在圖2中未示出其附圖標(biāo)記。

如圖3所示，根據(jù)本實(shí)施方式的控制裝置8包括第一前饋計(jì)算器9、第二前饋計(jì)算器10、第一比較器11、反饋計(jì)算器12和第二比較器13。

第一前饋計(jì)算器9與第二前饋計(jì)算器10并聯(lián)地布置。與僅設(shè)置有第二前饋計(jì)算器10的情況相比，根據(jù)本實(shí)施方式的第一前饋計(jì)算器9主要起以下作用：當(dāng)輸出扭矩命令值被改變同時(shí)機(jī)器人手臂1與接觸環(huán)境接觸時(shí)，以高跟隨能力精確控制輸出扭矩。即使在機(jī)器人手臂1與接觸環(huán)境不接觸時(shí)，第一前饋計(jì)算器9仍然具有以下影響：改善輸出扭矩的跟隨特性并精確控制輸出扭矩。

這樣的第一前饋計(jì)算器9計(jì)算第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值以旋轉(zhuǎn)(驅(qū)動(dòng))裝置如連接件2、電動(dòng)機(jī)4、減速器5等，使得可以在與包括電動(dòng)機(jī)4的扭矩伺服機(jī)構(gòu)3聯(lián)接的連接件2不接觸接觸環(huán)境的狀態(tài)下生成由從連接件2的外部輸入的扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值τ_plan。

更具體地，對(duì)于控制對(duì)象如電動(dòng)機(jī)4、減速器5、連接件2等，如下面的<表達(dá)式1>所示，定義了從輸入扭矩至接合角的裝置模型P_m。這具有與具有電動(dòng)機(jī)4的粘性摩擦和慣性的典型模型的形式相當(dāng)?shù)男问剑⑶沂前ㄕ麄€(gè)受控對(duì)象如電動(dòng)機(jī)4、減速器5、連接件2等的慣性J_n和粘性摩擦B_n的模型。在下面的<表達(dá)式1>等中，“s”表示拉普拉斯算子，與s的乘積表示微分，與1/s的乘積表示積分。

[表達(dá)式1]

另外，如下面的<表達(dá)式2>所示，定義了在接觸環(huán)境中生成的反作用力的模型P_c。這是除接觸環(huán)境的剛度以外還包括連接件2的剛度、減速器5的剛度等的由彈簧常數(shù)K_en和黏性系數(shù)D_en定義的彈簧阻尼器模型。可以將彈簧常數(shù)K_en設(shè)置為適當(dāng)值，誤差被反饋控制吸收。

[表達(dá)式2]

P_c＝K_en+D_ens

另外，目標(biāo)值響應(yīng)G_ry由如下面的<表達(dá)式3>所示的二階滯后系統(tǒng)來(lái)定義。

[表達(dá)式3]

雖然目標(biāo)值響應(yīng)G_ry通過時(shí)間常數(shù)T_r的一階低通濾波器的乘積的形式來(lái)定義，但是目標(biāo)值響應(yīng)G_ry是分母的階數(shù)比分子的階數(shù)大兩階或更多階的低通濾波器就足夠了。

在第一前饋計(jì)算器9中對(duì)使用這樣的裝置模型P_m、反作用力模型P_c的逆系統(tǒng)和目標(biāo)值響應(yīng)G_ry如下面的<表達(dá)式4>所確定的第一前饋增益FF₁進(jìn)行設(shè)置。

[表達(dá)式4]

第一前饋計(jì)算器9將第一前饋增益FF₁與由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值τ_plan相乘以計(jì)算第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值，并且將表示已經(jīng)計(jì)算出的第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的信號(hào)輸出至第二比較器13。即，通過將目標(biāo)值響應(yīng)G_ry、如電動(dòng)機(jī)4等標(biāo)稱模型的逆系統(tǒng)與接觸環(huán)境的標(biāo)稱模型的逆系統(tǒng)相乘來(lái)計(jì)算第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值。

通過以下步驟獲得第一前饋增益FF₁：通過獲取考慮到環(huán)境的剛度、連接件2的剛度和減速器5的剛度的推進(jìn)量的角度來(lái)計(jì)算用于生成由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值(即，旋轉(zhuǎn)數(shù)量)所需的電動(dòng)機(jī)4的旋轉(zhuǎn)角度；并且進(jìn)一步計(jì)算實(shí)現(xiàn)與所述旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)4的旋轉(zhuǎn)所必需的電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)4的旋轉(zhuǎn)角度為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值也變?yōu)?。

在<表達(dá)式4>中乘以目標(biāo)值響應(yīng)G_ry出于兩個(gè)目的。第一個(gè)目的是防止機(jī)器人手臂1的震動(dòng)。如果在<表達(dá)式4>中沒有乘目標(biāo)值響應(yīng)G_ry，則當(dāng)由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值突然被改變時(shí)，在電動(dòng)機(jī)4中立即生成大扭矩值，這會(huì)激起震動(dòng)。

第二個(gè)目的是使整個(gè)第一前饋增益FF₁的傳遞函數(shù)的分母的階數(shù)(s的階數(shù))等于或大于分子的階數(shù)，并且便利生產(chǎn)軟件所需的離散化。當(dāng)制造電動(dòng)機(jī)4的放大器的控制軟件時(shí)，整個(gè)第一前饋增益FF₁需要被離散化并且被編碼。如果其分母的階數(shù)不滿足上述范圍，則不能執(zhí)行離散化。

第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值具有取決于彈簧常數(shù)K_en和黏性系數(shù)D_en的參數(shù)的期望扭矩波形。第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值優(yōu)選地具有電動(dòng)機(jī)4沒有生成扭矩的扭矩波形，其方向與當(dāng)連接件2推動(dòng)接觸環(huán)境時(shí)電動(dòng)機(jī)4所生成的扭矩的方向相反(在本實(shí)施方式中，如圖4所示，在下降沿處不會(huì)出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)的扭矩波形(即，電動(dòng)機(jī)4的扭矩值不會(huì)變?yōu)樨?fù)的))。因此，當(dāng)接觸環(huán)境的剛度變化時(shí)，可以減輕缺乏生成力(輸出)的影響。圖5是示出了出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)的扭矩波形的圖。

雖然第一前饋計(jì)算器9已經(jīng)計(jì)算出了第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值，但是該扭矩值不包括與通過接觸力生成的扭矩的反作用扭矩對(duì)應(yīng)的扭矩命令。

第二前饋計(jì)算器10計(jì)算第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值以獲得當(dāng)連接件2以從接觸環(huán)境外部輸入的扭矩命令信號(hào)所表示的扭矩值τ_plan來(lái)接觸接觸環(huán)境時(shí)的反作用力。

因此，由下面的<表達(dá)式5>表示的第二前饋增益FF₂在第二前饋計(jì)算器10中被設(shè)置。第二前饋計(jì)算器10將第二前饋增益FF₂與由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值τ_plan相乘以計(jì)算第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值，并且將表示已經(jīng)計(jì)算出的第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的信號(hào)輸出至第二比較器13。

[表達(dá)式5]

FF₂＝G_ry

在本實(shí)施方式中，目標(biāo)值響應(yīng)G_ry被設(shè)置為第二前饋增益FF₂。這樣的第二前饋計(jì)算器10起以下作用：在機(jī)器人手臂1與接觸環(huán)境接觸的狀態(tài)下生成與輸出扭矩命令相當(dāng)?shù)呐ぞ亍?/p>

圖6是示出了第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值和第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的扭矩波形的一個(gè)示例的示圖。當(dāng)輸入至第一前饋計(jì)算器9和第二前饋計(jì)算器10的扭矩命令信號(hào)所表示的扭矩值以步進(jìn)式的方式被加倍時(shí)，第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值和第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值具有例如圖6所示的扭矩波形。

在電動(dòng)機(jī)4中生成通過將所計(jì)算的第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值和第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值相加而獲得的扭矩值。因此，可以使電動(dòng)機(jī)4旋轉(zhuǎn)以在連接件2中生成由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值并且獲得與扭矩值相當(dāng)?shù)姆醋饔昧Α?/p>

然而，對(duì)于裝置模型P_m和反作用力模型P_c而言，不可能對(duì)接觸環(huán)境和實(shí)際電動(dòng)機(jī)4的狀態(tài)進(jìn)行完全地建模，而且存在建模誤差。因此，執(zhí)行使用第一前饋計(jì)算器9和第二前饋計(jì)算器10的僅前饋控制將引起誤差。

除前饋控制以外，控制裝置8還使用反饋控制。此時(shí)，控制裝置8優(yōu)選地包括扭矩命令調(diào)節(jié)器14，使得可以彼此獨(dú)立地設(shè)計(jì)通過反饋控制的目標(biāo)值跟隨特性和通過前饋控制的干擾抑制特性。

在扭矩命令調(diào)節(jié)器14中，目標(biāo)值響應(yīng)G_ry被設(shè)置為調(diào)節(jié)由從外部輸入的扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值τ_plan的系數(shù)。扭矩命令調(diào)節(jié)器14將由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值τ_plan與目標(biāo)值響應(yīng)G_ry相乘，并且將表示通過將扭矩值τ_plan與目標(biāo)值響應(yīng)G_ry相乘而獲得的值的信號(hào)輸出至第一比較器11。然而，可以視情況根據(jù)第一前饋計(jì)算器9的低通濾波器來(lái)設(shè)置調(diào)節(jié)扭矩值τ_plan的系數(shù)，并且當(dāng)調(diào)節(jié)扭矩值τ_plan的系數(shù)為1時(shí)，可以忽略扭矩命令調(diào)節(jié)器14。

第一比較器11計(jì)算在通過將從扭矩命令調(diào)節(jié)器14輸入的信號(hào)所表示的扭矩值τ_plan與目標(biāo)值響應(yīng)G_ry相乘而獲得的值與在連接件2中生成并且通過扭矩傳感器6檢測(cè)到的扭矩值τ_msr之間的偏差，并且將表示已經(jīng)計(jì)算出的偏差的信號(hào)輸出至反饋計(jì)算器12。

反饋增益K_p在反饋計(jì)算器12中被設(shè)置。然后，反饋計(jì)算器12將表示第三電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值的信號(hào)輸出至第二比較器13，所述第三電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值通過將由從第一比較器11輸入的信號(hào)所表示的偏差與反饋增益K_p相乘來(lái)獲得。可以視情況來(lái)設(shè)置反饋增益K_p。

第二比較器13將表示扭矩目標(biāo)值τ_ref的信號(hào)輸出至電動(dòng)機(jī)4，所述扭矩目標(biāo)值τ_ref通過將由從第一前饋計(jì)算器9輸入的信號(hào)所表示的第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值、由從第二前饋計(jì)算器10輸入的信號(hào)所表示的第二電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值以及由從反饋計(jì)算器12輸入的信號(hào)所表示的第三電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值相加來(lái)獲得。電動(dòng)機(jī)4以基于表示從第二比較器13輸入的扭矩目標(biāo)值τ_ref的信號(hào)的旋轉(zhuǎn)角度θ來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

在本實(shí)施方式中，第一前饋計(jì)算器9不僅使用裝置模型P_m而且使用反作用力模型P_c來(lái)計(jì)算第一電動(dòng)機(jī)輸出扭矩值，從而可以在機(jī)器人手臂1與環(huán)境接觸的狀態(tài)下精確控制電動(dòng)機(jī)4。

另外，由于裝置模型P_m的系統(tǒng)與反作用力模型P_c的系統(tǒng)及其逆系統(tǒng)互相抵消，因此期望最終獲得根據(jù)目標(biāo)值響應(yīng)G_ry的響應(yīng)。

另外，可以分開設(shè)計(jì)第一前饋計(jì)算器9和第二前饋計(jì)算器10，從而可以設(shè)計(jì)控制裝置8并且確定參數(shù)。

另外，當(dāng)目標(biāo)值響應(yīng)G_ry的分母的階數(shù)為二階并且可以通過(1+T_rs)的平方或s的多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)目標(biāo)值響應(yīng)G_ry時(shí)，可以防止參數(shù)的數(shù)量變得巨大并且可以抑制設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)所需的時(shí)間。

圖7是示出了由扭矩命令信號(hào)表示的扭矩值的跟隨特性的示圖。如圖7所示，應(yīng)當(dāng)理解，與在控制裝置8中不設(shè)置第一前饋計(jì)算器9的情況相比，根據(jù)本實(shí)施方式的控制裝置8針對(duì)扭矩命令信號(hào)所表示的扭矩值具有更好的跟隨特性。

本發(fā)明不限于前述實(shí)施方式，并且可以在不背離本發(fā)明的精神的情況下視情況而變化。

例如，雖然在前述實(shí)施方式中描述了機(jī)器人手臂1與環(huán)境接觸的情況，但是本發(fā)明不限于該情況。甚至在機(jī)器人手臂1與環(huán)境不接觸的狀態(tài)下，也可以通過用由連接件2的加速而生成的慣性力等代替接觸力來(lái)建立相似的準(zhǔn)則。

例如，雖然在前述實(shí)施方式中已經(jīng)描述了使連接件2旋轉(zhuǎn)的情況，但是本發(fā)明不限于該情況。甚至當(dāng)連接件2線性移動(dòng)時(shí)，也可以通過用力代替扭矩并且用位置代替角度來(lái)建立相似的準(zhǔn)則。

例如，接觸環(huán)境的模型不限于<表達(dá)式2>中所示的模型并且可以為P_c＝K_en。在這種情況下，目標(biāo)值響應(yīng)G_ry可以是<表達(dá)式3>中所示的模型或者可以為G_ry＝1/(1+T_rs)。目標(biāo)值響應(yīng)G_ry是分母的階數(shù)比分子的階數(shù)大一階或更多階的低通濾波器就足夠了。

根據(jù)所描述的本發(fā)明，顯而易見的是，可以以很多方式來(lái)改變本發(fā)明的實(shí)施方式。這樣的變化不應(yīng)被視為背離本發(fā)明的精神和范圍，如對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯見的是，所有這樣的修改旨在被包括在隨附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。