用于确定动态摩擦力矩的方法和控制系统以及工业机器人

技术领域

本公开总体上涉及确定摩擦制动设备的动态摩擦力矩。具体地，提供了一种确定工业机器人的关节的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的方法、用于确定工业机器人的关节的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的控制系统以及包括这种控制系统的工业机器人。

背景技术

工业机器人中的摩擦制动设备的性能重要的原因有许多，诸如安全。因此，制动设备经常要测试，例如由运行测试程序的服务工程师进行测试。

工业机器人的摩擦制动设备有时可能含有一定量的油和/或污染物。在这种情况下，制动设备仍然可能具有高静态摩擦力矩。然而，由于油和/或污染物，动态摩擦力矩可能非常低。因此，工业机器人的一个或多个连杆构件有意外滑动的风险，例如由于重力。针对制动设备的一些测试程序只检测静态摩擦力矩，而不检测动态摩擦力矩。

US 6711946 B2公开了一种监测电机制动器的方法。通过在调速操作中测量顺序的方法，在短时间内应用制动器，并且在此时间内测量电机电流，并且基于由此获得的测量数据确定制动力矩。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种准确地确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的方法。

本公开的另一目的是提供一种确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的简单和/或便宜的方法。

本公开的又一目的是提供一种用于确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的安全的方法。

本公开的又一目的是提供一种确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的方法，这种方法综合解决了上述目的中的几个或全部目的。

本公开的又一目的是提供一种用于确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的控制系统，这种控制系统解决了上述目的中的一个、几个或全部目的。

本公开的又一目的是提供一种解决上述目的中的一个、几个或全部目的的工业机器人。

根据一个方面，提供了一种确定工业机器人的关节的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的方法，该方法包括：当制动设备被松开时，执行关节的电动机的松开制动运动；在松开制动运动期间，基于电动机的控制回路的力矩参考确定松开制动力矩值；当制动设备被接合时，执行电动机的接合制动运动；在接合制动运动期间，基于控制回路的力矩参考确定接合制动力矩值；以及基于接合制动力矩值与松开制动力矩值之间的差确定制动设备的动态摩擦力矩。

松开制动力矩值反映了关节中的“非制动”动态摩擦力矩以及潜在的重力力矩。接合制动力矩值也反映了关节中的“非制动”动态摩擦力矩以及潜在的重力力矩，但是也反映了动态摩擦力矩。因此，通过从接合制动力矩值减去松开制动力矩值，利用对非制动动态摩擦力矩和潜在的重力力矩的补偿，可以准确地确定动态摩擦力矩。

控制回路的力矩参考是基于建模值，而不仅仅是基于测量值。为了根据本公开确定制动设备的动态摩擦力矩，使用控制回路的力矩参考，这会提供几个优点。

通过基于控制回路的力矩参考确定制动设备的动态摩擦力矩，可以更准确地确定动态摩擦力矩。这是因为相对于例如由AD(模数)转换器测量的电机电流，力矩参考可以以更高的频率进行采样。相反，对于AD转换器，力矩参考的分辨率并不受硬件分辨率的限制。因此，相比于例如基于测量电机电流的确定，根据方法基于力矩参考确定动态摩擦力矩，可以提供更准确的结果。

力矩参考的采样频率实际上仅受工业机器人的控制系统的数据处理设备的时钟频率的限制。申请人所进行的测试表明，基于力矩参考确定动态摩擦力矩会提供非常准确和可靠的结果。

此外，通过利用电动机的已经存在的控制回路来确定动态摩擦力矩，不需要附加的硬件，诸如用于测量制动设备的电机电流和/或温度的传感器。根据本公开的方法可以仅基于控制回路的力矩参考确定动态摩擦力矩。力矩参考已经用于一些现有的工业机器人的控制回路中，用于控制相关联的电动机。为了根据方法确定动态摩擦力矩，控制回路可能不必以任何方式进行修改。

此外，在用于测试制动设备的功能的一些现有的解决方案中，在应用制动设备之前，工业机器人的连杆构件被加速到高速以产生高动能。然而，这种类型的测试需要连杆件进行大的运动。为此，必须在工业机器人周围建立或维护安全区。相反，根据本公开基于控制回路的力矩参考确定制动设备的动态摩擦力矩，只需要关节的连杆构件进行非常小的运动即可。

根据一个示例，松开制动运动是在接合制动运动之前执行的。然而，松开制动运动和接合制动运动可以按照任何顺序执行。此外，为了根据方法确定动态摩擦力矩，可能只需要一个松开制动运动和一个接合制动运动。

方法可以自动执行，例如每次在已经执行机器人程序之后或每次在已经执行机器人程序的一个或多个特定指令之后。贯穿本公开，电动机可以是电动伺服电机。

动态摩擦力矩可以被确定为接合制动力矩值与松开制动力矩值之间的差。也就是说，差不需要被附加处理以确定动态摩擦力矩。

接合制动运动可以以大体上恒定的速度或以恒定的速度执行。如本文中所使用的，大体上恒定的速度可能与恒定的目标速度相差不到5％，诸如不到1％。

方法还可以包括：当制动设备在接合制动运动之前被接合时，从静止加速电动机。因此，如果松开制动运动是在接合制动运动之前执行的，则电动机在执行接合制动运动之前可能会完全停止。在这种情况下，当电动机停止时，制动设备可以被接合。在制动器被接合的情况下，电动机然后可以将电动机从静止加速到例如接合制动运动的恒定速度。

松开制动运动可以以大体上恒定的速度或以恒定的速度执行。备选地或附加地，方法还可以包括：当制动设备在松开制动运动之前被松开时，从静止加速电动机。

松开制动运动和接合制动运动可以在同一方向上执行。在这种情况下，电动机可以在执行松开制动运动与执行接合制动运动之间执行反向制动运动。因此，还可以减小关节的连杆构件的运动范围，在该运动范围内，松开制动运动和接合制动运动被执行。因此，松开制动运动和接合制动运动可以至少部分地“重叠”，例如至少部分在共同的角范围内执行(如果电动机是旋转电动机)。根据一个示例，松开制动运动和接合制动运动从电动机的大体上相同的位置或相同的位置开始。如果执行反向制动运动，则电动机在每次松开制动运动和反向制动运动后可能会完全停止。

接合制动力矩值可以基于在至少50Hz(诸如至少300Hz，诸如至少500Hz)的频率下采样的力矩参考的多个值来确定。

关节可以是旋转关节，并且电动机可以是旋转电动机。在这种情况下，电动机的松开制动运动和电动机的接合制动运动的总和角距离可以与小于3度(诸如小于2度)的关节的连杆构件的角距离对应。例如，电动机的总和角距离可以大约为60度，这可能与不到1度的连杆构件的角距离对应。1度的连杆构件运动对人眼来说几乎不明显。如果反向制动运动是由电动机在松开制动运动与接合制动运动之间执行的，则电动机的总运动范围减小到总和角距离以下。关节可以包括传动装置(诸如变速箱)，可操作地耦合在电动机与从动构件之间。

然而，根据本公开的关节并不一定需要是旋转关节。根据本公开的方法也可以用于平移关节。

力矩参考可以是基于电动机的实际速度和参考速度之间的偏差来计算的。实际速度和参考速度可以分别是基于测量位置和参考位置来计算的。

备选地或附加地，力矩参考可以是基于关节的动态模型。因此，力矩参考可以至少部分是基于由动态模型产生的建模值。

动态模型可以定义电动机的动态。此外，如果电动机通过传动装置连接到连杆构件，则传动装置和/或连杆构件的动态也可以在动态模型中定义。力矩参考可以是电动机的参考力矩。

根据另一方面，提供了一种用于确定工业机器人的关节的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的控制系统，该控制系统包括数据处理设备和存储器，该存储器具有存储在其上的计算机程序，该计算机程序包括程序代码，该程序代码在被数据处理设备执行时使数据处理设备执行步骤：当制动设备被松开时，命令关节的电动机执行松开制动运动；在松开制动运动期间，基于电动机的控制回路的力矩参考确定松开制动力矩值；当制动设备被接合时，命令电动机执行接合制动运动；在接合制动运动期间，基于控制回路的力矩参考确定接合制动力矩值；以及基于接合制动力矩值与松开制动力矩值之间的差确定制动设备的动态摩擦力矩。

根据另一方面，提供了一种工业机器人，包括根据本公开的控制系统以及具有电动机和摩擦制动设备的至少一个关节。

附图说明

本公开的另外的细节、优点和方面通过结合附图所采用的以下实施例将变得显而易见。

图1示意性地代表工业机器人的侧视图；

图2示意性地代表图1中的工业机器人的控制系统；

图3示意性地代表工业机器人的关节；以及

图4示意性地代表电动机和包括控制回路的相关联的驱动单元。

具体实施方式

在下面，将描述一种确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的方法、用于确定工业机器人的摩擦制动设备的动态摩擦力矩的控制系统以及包括这种控制系统的工业机器人。相同的参考数字将被用来表示相同或相似的结构特征。

图1示意性地代表工业机器人10的侧视图。工业机器人10作为七轴工业机器人被例证，但是本公开并不限于这种类型的机器人。根据本公开的工业机器人可以包括至少三个轴。

该示例的工业机器人10包括底座构件12、工具14和控制系统16，诸如机器人控制器。工业机器人10还包括：第一连杆构件18a，可在第一关节20a相对于底座构件12围绕竖直轴线旋转；第二连杆构件18b，可在第二关节20b相对于第一连杆构件18a围绕水平轴线旋转；第三连杆构件18c，可在第三关节20c相对于第二连杆构件18b围绕水平轴线旋转；第四连杆构件18d，可在第四关节20d相对于第三连杆构件18c旋转；第五连杆构件18e，可在第五关节20e相对于第四连杆构件18d旋转；第六连杆构件18f，可在第六关节20f相对于第五连杆构件18e平移移动；以及第七连杆构件18g，可在第七关节20g相对于第六连杆构件18f旋转。第七连杆构件18g包括接口(未表示)，工具14附接到该接口。根据本公开的制动设备可以设置在关节20a至20g中的一个、几个或每个关节处。关节20a至20g中的每个关节也都被统称为参考数字“20”，并且连杆构件18a至18g中的每个连杆构件也都被统称为“18”。

图2示意性地代表图1中的工业机器人10的控制系统16的一个示例。控制系统16包括多个驱动单元22a至22g，每个驱动单元22a至22g都与一个关节20a至20g相关联。每个驱动单元22a至22g都被配置为产生驱动信号(例如交流电流)以驱动相关联的关节20a至20g的电动机。然而，备选地，一个驱动单元22a至22g可以驱动多个电动机。驱动单元22a至22g中的每个驱动单元也都被统称为参考数字“22”。

控制系统16还包括主计算机24，具有数据处理设备26(例如中央处理单元CPU)和存储器28。诸如机器人程序等计算机程序被存储在存储器28中。计算机程序可以包括程序代码，该程序代码在被数据处理设备26执行时使数据处理设备26根据本公开执行任何步骤或命令执行任何步骤。主计算机24可以产生到驱动单元22a至22g的代表电动机的参考位置的信号，例如基于来自机器人程序的运动指令。

图3示意性地代表工业机器人10的关节的一个示例。在图3中，关节作为第三关节20c被例证，其中第三连杆构件18c通过轴承30旋转地耦合到第二连杆构件18b，以绕旋转轴线32旋转。关节20c包括用于相对于第二连杆构件18b驱动第三连杆构件18c的电动机34。如图3所示，关节20c包括传动装置36，例如变速箱，以便电动机34通过传动装置36驱动第三连杆构件18c。

关节20c还包括与电动机34相关联的位置传感器38，例如解析器。位置传感器38被设置用于实时检测电动机34的旋转位置。代表电动机34的测量位置的信号被发送给控制系统16。可选地，关节20还包括用于实时检测电动机34的旋转速度的速度检测传感器(未示出)。

关节20c还包括制动设备40。在该示例中，制动设备40是失电制动器，即当电力意外丢失或故意断开时，制动设备40停止或保持负载。制动设备40用于将制动能量应用于第三连杆构件18c与第二连杆构件18b之间围绕旋转轴线32的相对旋转运动。然而，根据本公开的制动设备并不限于失电制动器或旋转制动器。

该示例的制动设备40包括固定连接到第二连杆构件18b的电磁构件42。电磁构件42装载有线圈(未示出)。制动设备40还包括环形可旋转摩擦制动盘44。制动盘44通过轮毂46连接到第三连杆构件18c。制动设备40还包括环形电枢板48和多个弹性元件50，在这里被实施为压缩弹簧。

在图3中，制动设备40采用接合状态，其中对电磁构件42的线圈没有施加电流，因此不会产生磁场。弹性元件50推动电枢板48与制动盘44接合，从而产生制动能量，条件是第三连杆构件18c与第二连杆构件18b之间存在相对旋转运动。当对电磁构件42的线圈施加电流时，产生磁场，该磁场吸引电枢板48朝向电磁构件42，而不受弹性元件50的压缩。在制动盘44与电枢板48之间建立空气隙，并且制动设备40因此采用松开状态。

图4示意性地代表电动机34以及包括控制回路52的许多示例中的一个示例的相关联的驱动单元22。驱动单元22从主计算机24接收电动机34的参考位置54并且从电动机34的位置传感器38接收测量位置56。

在图4的示例中，驱动单元22包括计算元件58、PID控制器60(比例积分微分控制器)以及两个求和元件62、64。在计算元件58中，基于参考位置54和关节20的动态模型计算扰动力矩66。在求和元件62中连续计算参考位置54与测量位置56之间的位置差68。将位置差68提供给PID控制器60，该控制器输出估计力矩偏差70。求和元件64将扰动力矩66和估计力矩偏差70相加，并且为电动机34输出力矩参考72。

将力矩参考72作为电动机34的参考力矩发送给驱动元件74。驱动元件74基于力矩参考72将驱动信号76输出给电动机34。

通过以下方式可以确定制动设备40的动态摩擦力矩：在制动设备40被松开时执行电动机34的松开制动运动，在松开制动运动期间基于力矩参考72确定松开制动力矩值，在制动设备40被接合时执行电动机34的接合制动运动，在接合制动运动期间基于力矩参考72确定接合制动力矩值、以及基于接合制动力矩值与松开制动力矩值之间的差确定制动设备40的动态摩擦力矩。

因此，制动设备40的动态摩擦力矩可以用以下等式来定义：

T

其中T

现在将描述根据本公开的确定动态摩擦力矩的方法的非限制性示例。通过在制动设备40松开的情况下，使电动机34从起始位置以恒定的速度进行小的松开制动运动(例如0.525rad),使得运动大约需要2.5s才能完成，来使松开制动扭矩值T

然后，当制动设备40松开时，驱动电动机34以执行回到起始位置的反向制动运动。然后，在起始位置，制动设备40被接合。

然后，通过在应用制动设备40的情况下，使电动机34以恒定的速度(2rad/s)进行1.05rad的小的接合制动运动，来使接合制动力矩值T

在该示例中，电动机34的松开制动运动和电动机34的接合制动运动的总和角距离为1.575rad，即大约90°。此外，在该示例中，电动机34的总角范围(在该总角范围内，执行反向制动运动和松开制动运动)为1.05rad，即大约60°(因为接合制动运动比松开制动运动和反向制动运动中的每种制动运动都大)。关节20的传动装置36可以有100:1或更高的比率。因此，电动机34的总角范围与对用户来说几乎不明显的小于1°的连杆构件18的总角范围对应。测试制动设备40所需的这种小的运动提高了工业机器人10的安全性。

然后，使用等式(1)来确定制动设备40的动态摩擦力矩T

虽然本公开已经参考示例性实施例进行了描述，但是将认识到，本发明并不限于上述内容。例如，将认识到，零件的尺寸可以根据需要改变。