CN101192062B

CN101192062B - 用于监测工业机器人的状况的方法和装置

Info

Publication number: CN101192062B
Application number: CN2007101882589A
Authority: CN
Inventors: 多米尼克·布兰克; 尼克拉斯·斯约斯特兰德
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: US8090475B2; US20080191654A1; CN101192062A; EP1927440A1

Abstract

本发明涉及用于监测工业机器人的状况的方法和装置，所述工业机器人(1)具有多个能够彼此相对移动的连杆(4，6，8，10)和多个控制所述连杆的运动的致动器(6a-c)，其中所述方法包括：基于用于所述致动器的位置的参照值(P_ref)和所述机器人的数学模型，计算出用于所述致动器中的至少一个的前馈扭矩(T_FF，T_FF2)；基于来自所述致动器的测得值和用于所述致动器的位置的所述参照值，计算出所述致动器的反馈扭矩(T_FB)；至少基于所述反馈扭矩，计算出所述致动器的扭矩的参照值(T_D)；监测所述致动器的扭矩的参照值和所述前馈扭矩之间的差值(T_diff)；以及判定所述差值正常或否，并且基于上述判定的结果监测所述机器人的状况。

Description

用于监测工业机器人的状况的方法和装置

技术领域

本发明涉及监测工业机器人的状况。特别地，本发明用于监测机器人的故障。

背景技术

工业机器人包括操纵器和控制系统。操纵器包括能够彼此相对移动的连杆。连杆为不同的机器人部件，比如基座、臂以及腕部。各接合处具有接合组件，比如马达、马达齿轮以及马达轴承。诸如马达的致动器驱动操纵器的运动。控制系统包括用于控制操纵器的一个或多个计算机和驱动单元。连杆的位置和速度由机器人的控制系统控制，该控制系统产生用于马达的控制信号。控制系统包括适于计算出用于致动器的位置的参照值的路径规划装置。驱动单元适于计算出用于致动器的扭矩的参照值。驱动单元设置有反馈回路，该反馈回路基于来自致动器的所测得的位置值和来自路径规划装置的位置参照值而计算出用于致动器的反馈扭矩。驱动单元适于基于来自反馈回路的反馈扭矩计算出用于致动器的扭矩的参照值。为改进致动器的控制，某些驱动单元进一步设置有前馈回路，该前馈回路基于来自路径规划装置的位置参照值和机器人的数学模型计算出用于致动器的前馈扭矩。在这些实例中，控制单元适于基于来自反馈回路的反馈扭矩以及来自前馈回路的前馈扭矩计算出用于致动器的扭矩的参照值。

工业机器人用在工业和商业应用中，以执行精确和重复的运动。因而，对于机器人的完整功能性相当重要的一点在于，工业机器人依据其标称性能动作，这意味着连杆必须处于良好状况以及以预期方式共同动作。

但是，难以检测或判定工业机器人是否依据其标称性能动作。诸如维修技术人员的操作者不得不依赖其所看到的情况和依赖来自控制系统的有关机器人性能的信息，比如从位于操纵器上的传感器上的读数所获得的马达的位置和速度。然后操作者基于其个人经验分析机器人的当前情况，由于是主观测量因而导致不同的诊断结果。在很多情况下，分析机器人的当前状况和性能的操作者也需要评估不同来源的信息，比如同一时间中的不同马达、或者机器人定位或甚至面临紧急停机时的场所的外部状况。为发现故障起因，操作者有可能必须作出不同假设，因此浪费时间并且经常导致机器人长时间保持静止，从而导致成本高昂。

由于当今人员轮换频繁，所以机器人维修技术团队中的操作者不具有足够的经验以诊断和分析出机器人性能的故障。

所需要的是获得一种诊断机器人当前性能或状况的简单方法。

JP62024305公开一种用于检测工业机器人的伺服系统的异常性的方法。该方法包括监测驱动源的致动器的位置的参照值和致动器的位置的当前值之间的偏差，并且基于上述偏差对伺服系统的异常性进行检测。这种方法对控制误差---即参照的位置和位置的测得值之间的差值---进行监控，以检测出异常性。这种方法的缺点在于，例如由于位置参照值的改变而致使控制误差具有大的自然变化，所述控制误差的变化并非由于机器人性能的误差而引起。由于诸如马达、马达齿轮、马达轴承、轴以及致动器等的驱动组件的磨损所引起的异常性，导致控制误差发生微小并且缓慢的变化。因此，难于检测由于驱动组件磨损所引起的控制误差的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动地监测工业机器人状况的改进方法。

该目的通过根据本发明的用于监测工业机器人的状况的方法而得以实现。

此种方法包括：基于用于所述致动器的位置的参照值和所述机器人的数学模型，计算出用于所述致动器中的至少一个的前馈扭矩；基于来自所述致动器的测得值和用于所述致动器的位置的所述参照值，计算出所述致动器的反馈扭矩；至少基于所述反馈扭矩，计算出所述致动器的扭矩的参照值；监测所述致动器的扭矩的参照值和所述前馈扭矩之间的差值；以及判定所述差值正常或否，并且基于上述判定的结果监测所述机器人的状况。

计算出的前馈扭矩是由于作用于机器人部件上动力和/或运动力---比如由于重力和惯性力而作用于机器人臂部上的力---而产生的预期扭矩。依据本发明，对用于致动器的扭矩的参照值和来自前馈回路的前馈扭矩之间的差值进行监测，以检测由于机器人的故障所引起的不正常变化。例如，能够检测振幅分布的偏差趋势和/或检测频率分布的偏差趋势，由此识别出机械问题。通过从参照扭矩减去前馈扭矩，使参照扭矩中的正常变化量得以减少，所述正常变化量例如由于机器人已知的动力和运动行为而产生。由此，用于检测不正常变化的灵敏性大大地提高，从而相应地增强了对机器人的监测。

依据本发明的实施方式，对计算出的反馈扭矩——其与用于扭矩的参照值和前馈扭矩之间的差值相等——进行监测，并且判定反馈扭矩正常或否。

依据本发明的实施方式，通过从用于扭矩的计算出的参照值减去计算出的前馈扭矩而计算出用于致动器的扭矩的参照值和前馈扭矩之间的差值。对计算出的差值进行监测。不需要使用与用于监测机器人状况的前馈扭矩相同的用于控制致动器的前馈扭矩。相反，使用比用于控制机器人的模型更为完整的用于监测机器人的模型具有有利之处。例如，能够计算出两种不同的前馈扭矩：基于机器人的第一模型计算出的第一前馈扭矩，所述第一前馈扭矩用于计算参照值；以及基于机器人的不同模型计算出的第二前馈扭矩，所述第二前馈扭矩用于监测机器人。例如，基于未将机器人的臂部的所有弱点考虑在内的机器人模型计算出第一经计算的前馈扭矩，并且基于已将由于作用于机器人的臂部上的重力所产生的扭矩考虑在内的机器人模型计算出第二前馈扭矩。

在本发明的另一实施方式中，所述机器人的所述受监测的状况是驱动组件的磨损。驱动组件包括以下机械单元中的至少一种：马达、马达齿轮、轴承、轴以及制动器。从而使得能够检测马达、马达齿轮、轴承、轴以及制动器的磨损。进一步地，通过判定驱动组件的磨损，可预知是否需要维修。

在本发明的另一实施方式中，基于用于扭矩的参照值和前馈扭矩之间的差值计算出偏差参数，所述参数是机器人的性能的状况的度量。这一点具有有利之处，原因为能够监测该参数并对参数的变化作出反应。

本发明也涉及一种用于监测工业机器人的状况的装置。

从以下的描述部分将清楚本发明的其它有利的特征和优点。

附图说明

将结合所附的示意性附图对本发明进行更加详细的描述。

图1示出依据本发明实施方式的包括操纵器和控制系统的工业机器人；

图2a-b示出一方块图，该方块图例示用于控制机器人的致动器的控制回路的示例；

图3示出一方块图，该方块图例示依据本发明实施方式的用于监测工业机器人的故障的装置；

图4示出一流程图，该流程图例示依据本发明实施方式的用于监测工业机器人的故障的方法；以及

图5示出示例性曲线图，该曲线图示出偏差参数如何随时间发生变化。

具体实施方式

图1示出包括操纵器2和控制系统3的工业机器人1。工业机器人1具有可绕多个接合处4a-c彼此相对移动的多个连杆。图1所示的连杆能够绕旋转轴线彼此相对地旋转。机器人的其它类型具有能够彼此相对地线性移动的连杆。在该实例中，连杆为机器人部件，比如台座5a、机器人臂5b-d、以及工具保持器5e。工业机器人包括多个用于控制连杆的位置和速度的致动器6a-c。各致动器连接到驱动单元29a-c，驱动单元29a-c用于产生用于马达的控制信号。在该实施方式中，驱动单元定位于控制系统中。但是，也能够将驱动单元定位于操纵器上使其接近致动器。致动器包括驱动组件，比如马达、马达齿轮、轴承、轴、制动器。

操纵器的各接合处设置有检测接合处位置的传感器8a-c。来自传感器8a-c的信号传输到控制系统3。由此控制系统3接收包括所测得的数据P_m的信号。举例说明，所测得的数据包括接合处角位置、接合处速度、以及接合处加速度。

在该实例中，控制系统3包括：逻辑单元24；存储装置26，其用于存储包括用于机器人的运动指令的控制程序；程序执行装置27，其用于执行运动指令；路径规划装置28，其用于规划机器人的路径；以及驱动单元29a-c，其用于产生用于马达的扭矩参照信号T_D。路径规划装置28规划机器人路径并且进一步产生用于驱动单元29a-c的接合处参照值。接合处参照值例如表示接合处位置和速度的参照值。路径规划装置28基于来自机器人程序的运动指令和机器人的数学模型产生接合处参照值。在机器人的操作过程中，程序指令得以执行，由此使机器人按需进行工作。驱动单元29a-c响应于来自路径规划装置28的接合处参照值而通过控制马达扭矩和马达位置从而对马达进行控制。逻辑单元或计算单元包括微处理器或者处理器，所述处理器包括中央处理单元(CPU)或现场可编程门阵列(FPGA)、或者任何具有用于执行计算机程序中的步骤的可编程逻辑组件和可编程互联装置的半导体装置。依据本发明的实施方式，控制系统3进一步包括监测装置35。

图2a示出上述驱动单元的其中之一29a的示例。驱动单元29a接收来自机器人路径规划装置28的接合处参照值P_ref、以及来自传感器的接合处位置和/或接合处速度的测得值P_m。驱动单元29a配置成能计算致动器的扭矩的参照值T_D。驱动单元包括：前馈回路，所述前溃回路包括计算单元30，所述计算单元30配置成能基于来自路径规划装置的接合处参照值P_ref和机器人的数学模型计算出用于致动器的前馈扭矩T_FF；反馈回路，所述反馈回路包括反馈控制器31，其配置成能基于来自致动器的测得值P_m和来自路径规划装置的接合处参照值P_ref计算出用于致动器的反馈扭矩T_FB。典型地，所述数学模型是描述机器人的运动和动力模型。

驱动单元29a进一步包括第一求和装置32，第一求和装置32配置成能连续地计算所测得的接合处的值P_m和接合处参照值P_ref之间的偏差ΔP。计算出的偏差ΔP馈送到反馈控制器31。驱动单元29a进一步包括第二求和装置33，第二求和装置33配置成能连续地计算用于致动器的参照扭矩T_D，即用于致动器的前馈扭矩T_FF和反馈扭矩T_FB的总和。

T_D＝T_FF+T_FB

因此，计算出的参照扭矩T_D和计算出的前馈扭矩T_FF之间的差值T_diff是反馈控制器的输出T_FB。

T_diff＝T_D-T_FF＝T_FB

在该实施方式中，反馈扭矩T_FB用于监测机器人的状况。

图2b例示本发明的另一实施方式。计算单元30b配置成能基于机器人的另一数学模型以及来自路径规划装置的位置参照值P_ref计算出第二前馈扭矩T_FF2，该另一数学模型更全面地描述机器人的运动和动力行为。通过从扭矩参照值T_D减去第二前馈扭矩T_FF2，计算出扭矩参照值和前馈扭矩之间的差值T_diff。

T_diff＝T_D-T_FF2

在该实施方式中，参照值T_D和第二前馈扭矩T_FF2之间的差值用于监测机器人的状况。

图3示出方块图，该方块图例示用于监测工业机器人的故障的监测装置35。依据本发明的监测装置配置成能：监测致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF2、T_FD之间的差值T_diff；判定该差值正常与否；以及基于上述结果监测机器人的状况。依据本发明的一个实施方式，对反馈控制器的输出T_FB进行监测。依据本发明的另一实施方式，通过从来自求和装置33的输出T_D减去来自计算装置30的输出T_FF2，计算得出致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF2之间的差值。

监测装置35在控制系统3中实施为软件、硬件或其组合。监测装置35基于参照值和前馈扭矩之间的差值的正常或否对机器人的状况进行监测。依据致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值，在监测装置35中计算出偏差参数K。举例说明，通过标准化该差值、或者通过计算出该差值的对数、或者通过利用其它任何数学方法处理该差值，而计算出该偏差参数K。监测装置35判定该差值正常或否。举例说明，上述判定通过将偏差参数K与表示偏差参数最大容许值的预置参照恒定值V相比较而完成。另一判定偏差正常或否的方法是在一段时间期间检测偏差参数K的振幅分布的偏差趋势和/或检测偏差参数K的频率分布的偏差趋势。偏差趋势的检测也可通过计算两个或多个在时间上连续的偏差参数的微商值并将这些值与参照微商值比较而完成。例如，对显示在显示装置上的偏差参数K进行监测，以使操作者手动控制机器人的状况。监测装置35适于监测偏差参数或一段时间期间的偏差参数K的变化。在该实例中，监测装置35定位于控制系统中。在该实例中，监测装置35适于基于所监测到的偏差而执行用于控制系统的命令。所述命令的一个例子为在偏差被判定为不正常时---例如当偏差超过最大值时---执行报警。

监测装置35也可定位于外部计算机上。监测装置也可适于进行手动控制，例如将偏差参数K或在一段时间期间偏差参数K的变化传递到外部界面---比如显示装置或譬如发光二极管的其它手动控制装置。

举例说明，机器人受监测的状况是驱动组件的磨损。该受检测的状况可为齿轮打滑、比预期大的马达速度/加速度或大的负载。

在一实施方式中，监测装置既适于分析偏差，也适于在致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值不正常时产生警报。例如，将差值或者偏差参数K与最大值比较，在该差值或者偏差参数K超过最大值时即执行警报。

以下将描述一种依据本发明用于监测工业机器人的状况的方法。为清楚起见，将该方法描述为针对由一个致动器控制的一个接合处，但可以理解，该相同技术可同时用于控制机器人的两个或多个接合处。

图4示出一流程图，该流程图例示依据本发明的实施方式用于监测工业机器人的状况的方法。依据本发明的该方法的实施工具可以是软件、硬件或其组合。该方法包括下述步骤：

在方块41中，从求和装置32连续撷取用于致动器的参照值T_D。在方块42中，从计算装置30连续撷取前馈扭矩T_FF。在方块44中，连续计算扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值。因此，对致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值进行连续监测。然后，在方块46中，分析扭矩参照值和前馈扭矩之间的差值，并且判定该差值正常或否。在方块48中，基于扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值正常或否的分析结果，监测机器人的状况(48)，该状况例如显示于外部显示装置上或控制系统中。

在一个实施方式中，对致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值进行进一步的处理，并且依据计算出的差值计算偏差参数K。例如，通过标准化该差值或通过计算出该差值的对数而计算出偏差参数K。例如，通过将偏差参数K与表示偏差参数的最大容许值的预置参照恒定值V相比较，对偏差参数K进行分析。也可通过检测一段时间期间的偏差参数K的振幅分布的偏差趋势和/或频率分布的偏差趋势而对偏差参数进行分析。大的偏差指示出表示机器人机械性能的值已发生变化。

这些步骤可在机器人的控制系统中或外部计算机中实施。对致动器的扭矩的参照值T_D和前馈扭矩T_FF之间的差值进行连续计算，使得能够连续监测工业机器人的状况。

进一步地，基于所监测到的状况，控制系统能够适于执行用于控制系统的命令，比如当偏差被判定为不正常时执行警报。由于控制系统的计算能力有限，所以将该差值或偏差参数K传递到执行依据本发明的方法的外部计算机较为有利。

图5示出一示例性曲线图，该图示出偏差参数如何随时间而发生变化。在该曲线图中设定用于偏差参数的最大值V。该图示出当机器人性能不正常且偏差超过预置最大值时的机器人的性能。

Claims

1.一种用于监测工业机器人(1)的状况的方法，所述工业机器人(1)具有多个能够彼此相对移动的连杆(4，6，8，10)和多个控制所述连杆的运动的致动器(6a-c)，其中所述方法包括：

基于用于所述致动器的位置的参照值(P_ref)和所述机器人的数学模型，计算出用于所述致动器中的至少一个的前馈扭矩(T_FF，T_FF2)；

基于来自所述致动器的测得值和用于所述致动器的位置的所述参照值，计算出所述致动器的反馈扭矩(T_FB)；

至少基于所述反馈扭矩，计算出所述致动器的扭矩的参照值(T_D)；

监测所述致动器的扭矩的参照值和所述前馈扭矩之间的差值(T_diff)；以及

判定所述差值正常或否，并且基于上述判定的结果监测所述机器人的状况。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：监测所述计算出的反馈扭矩(T_FB)，以及判定所述反馈扭矩正常或否。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述机器人的受监测的状况是所述机器人的驱动组件的磨损。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述驱动组件是以下组件中的任一种：马达(6a，6b，6c)、马达齿轮、轴承、轴以及制动器。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，当所述差值超过最大值时产生警报。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括基于所述致动器的扭矩的参照值(T_D)和所述前馈扭矩(T_FF，T_FF2)之间的差值(T_diff)计算出偏差参数(K)，所述偏差参数(K)是所述机器人的性能的状况的度量。

7.一种用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)，所述机器人包括：多个连杆(4，6，8，10)，所述多个连杆能够彼此相对移动；致动器，所述致动器控制所述连杆的运动；路径规划装置(28)，所述路径规划装置适于计算出用于所述致动器的位置的参照值(P_ref)；以及至少一个驱动单元(29)，所述至少一个驱动单元计算出用于所述致动器的扭矩的参照值(T_D)，

所述驱动单元具有：前馈回路，所述前馈回路基于用于所述致动器的位置的所述参照值(P_ref)和所述机器人的数学模型计算出用于所述致动器的前馈扭矩(T_FF，T_FF2)；以及反馈回路，所述反馈回路基于来自所述致动器的测得值(P_m)和用于所述致动器的位置的所述参照值(P_ref)计算出用于所述致动器的反馈扭矩(T_FB)，

其中，所述用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)配置成监测用于所述致动器的扭矩的参照值和所述前馈扭矩之间的差值(T_diff)，以判定所述差值正常或否，并且基于上述判定的结果监测所述机器人的状况。

8.如权利要求7所述的用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)，其中，所述用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)配置成监测所述计算出的反馈扭矩(T_FB)，并且判定所述反馈扭矩(T_FB)正常或否。

9.如权利要求7或8所述的用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)，其中，所述用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)适于在所述差值非正常时产生警报。

10.如权利要求7所述的用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)，其中，所述用于监测工业机器人(1)的状况的装置(35)适于基于用于所述致动器的扭矩的参照值和所述前馈扭矩之间的差值(T_diff)计算出偏差参数(K)，所述偏差参数(K)是所述机器人的性能的状况的度量。