DE112017003961B4

DE112017003961B4 - Steuerung für Parallelverbindungsmechanismus

Info

Publication number: DE112017003961B4
Application number: DE112017003961.4T
Authority: DE
Inventors: Masaoki Iwase
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: DE112017003961T5; US20190384233A1; WO2018029910A1; CN109562518B; JPWO2018029910A1; JP6545390B2; CN109562518A; US10754305B2

Abstract

Eine Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus beinhaltet eine Antriebssteuereinheit (5), die das Antreiben eines Parallelverbindungsmechanismus steuert, und einen Befehlsabschnitt (1), welcher der Antriebssteuereinheit (5) einen Befehl zum Steuern eines Aktors (6a) gibt. Der Befehlsabschnitt (1) beinhaltet eine Eigenfrequenzvorhersageeinheit (4), die einen vorhergesagten Wert einer Eigenfrequenz, der sich in Abhängigkeit von der Position eines Endeffektors ändert, für jede Interpolationsposition des Endeffektors unter Verwendung eines dynamischen Modells berechnet, das ein mechanisches System von einer Basis bis zu einem Verbindungsgelenk des Parallelverbindungsmechanismus mithilfe einer Translationsfeder simuliert und ein mechanisches System von dem Verbindungsgelenk bis zum Endeffektor mithilfe eines Starren Körpers simuliert. Die Antriebssteuereinheit (5) beinhaltet einen Filter, der eine Frequenzkomponente, die jeweils für eine Interpolationsposition unterdrückt werden soll, gemäß einer vorhergesagten Wertefolge bei der jeweiligen Interpolationsposition des Endeffektors verändert, die durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit (4) berechnet wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus, in dem eine Vielzahl von Verbindungsgliedern parallel zueinander durch Gelenke verbunden sind.
Stand der Technik
In einem Parallelverbindungsmechanismus ist eine Vielzahl von Verbindungsgliedern parallel zueinander durch Gelenke zwischen einer Basis und einem Endeffektor verbunden. Einige oder alle der Verbindungsglieder werden durch einen Aktor so angetrieben, dass sie den Endeffektor in eine beliebige Position oder Lage antreiben und steuern.
Patentliteratur 1 hat herausgefunden, dass, wenn sich der Endeffektor in einer vom Ursprungspunkt entfernten Lage befindet, die Festigkeit des Parallelverbindungsmechanismus reduziert ist, was Schwingungen verursacht, wenn der Mechanismus angetrieben wird.
Als Reaktion auf die vorstehende Erkenntnis unterdrückt eine in Patentliteratur 1 beschriebene Steuerung die Schwingungen, indem Werte von Parametern eines Steuersystems (im Folgenden als „Steuerparameter“ bezeichnet) derart verändert werden, dass die Reaktionsempfindlichkeit eines Aktors reduziert wird, während die mechanische Festigkeit reduziert ist und während die Vorschubgeschwindigkeit des Aktors erhöht ist.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Offenlegungsschrift JP 2005196488 A
Patentliteratur 2: US 000006786896 B1
Patentliteratur 3: DE 102013014239 B4
Patentliteratur 4: DE 112011103473 T5
Patentliteratur 5: DE 102005000817 A1

Kurzdarstellung
Technisches Problem
Das Verfahren aus Patentliteratur 1 muss jedoch obere und untere Grenzwerte der mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparameter einstellen, wie etwa einer Proportionalverstärkung, einer Integralverstärkung, einer Differentialverstärkung, einer Integralzeit, einer Differentialzeit und einer Zeitkonstante, und muss Bedingungen zum Ändern der Steuerparameter einstellen. Die mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparameter müssen nicht nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Systems eingestellt werden, sondern jedes Mal, wenn der Endeffektor verändert wird, sodass durch das Verfahren aus Patentliteratur 1 die Arbeitsstunden für das Einstellen von mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparametern erhöht werden.
US 000006786896 B1 beschreibt ein Robotergerät, welches aus acht Aktuatoren und einem Gestänge besteht, das einen Endeffektor antreibt. Drei serielle Makrofreiheiten besitzen große Bewegungsbereiche und Trägheitsmomente. Vier serielle Mikrofreiheiten besitzen kleine Bewegungsbereiche und Trägheitsmomente. Die Translation des Endeffektors in jede beliebige Richtung wird durch mindestens ein Mikrogelenk betrieben. Das Gerät kann Teil einer Master- und Slave-Kombination sein und eine Kraftrückmeldung ohne explizite Kraftsensoren bereitstellen. Der Slave wird mit einer inversen Jacobi-Steuerung und der Master mit einer Jacobi-Transpose-Steuerung gesteuert. Ein Slave, der mehr Freiheitsgrade (DOFs) als der Master besitzt, kann gesteuert werden. Eine abnehmbare Effektoreinheit steuert ihre DOFs über Kabel.
DE 102013014239 B4 beschreibt einen Parallelgliederroboter, der Folgendes aufweist: Einen zusätzlichen Aktor, der zwischen zwei Antriebsgliedern parallel zu diesen Antriebsgliedern angeordnet ist, einen Leistungsübertragungswellenteil, der sich koaxial von dem zusätzlichen Aktor erstreckt und die Rotationsantriebskraft des zusätzlichen Aktors an ein Haltungsveränderungsmechanismusteil überträgt, ein Universalgelenk, das den Wellenteil, der sich von dem Haltungsveränderungsmechanismusteil erstreckt und einen Leistungsübertragungswellenteil verbindet, und einen Verbindungs-/Verstärkungsteil, der das Universalgelenk überbrückt und die beiden Enden der Ausnehmung des Gehäuses des Bewegungsteils miteinander verbindet und verstärkt.
DE 112011103473 T5 beschreibt eine verbindungstätigende Vorrichtung, die ein Ausgangselement mit einem Eingangselement durch drei oder mehreren Verbindugsmechanismen zur Veränderung der Stellung verbindet. Jede der Verbindungsmechanismen enthält Endbereichsverbindungselemente auf der Eingangs- und Ausgangsseite und ein intermediäres Verbindungselement. Die Verbindungsmechanismen sind von solcher Form, dass geometrische Modelle, die die Verbindungselemente durch gerade Linien darstellen, derartig sind, dass Bereiche der Eingangs- und Ausgangseiten symmetrisch zueinander in Bezug auf einen intermediären Bereich von jedem der intermediären Verbindungselemente sind. Immobilisierende Mechanismen sind in allen Verbindungsmechanismen vorgesehen, um das Ausgangselement in einer willkürlichen Einstellung in Bezug auf das Eingangselement zu immobilisieren. Ein Strukturkörper ist vorgesehen, um das Eingangs- und Ausgangselement miteinander zu verbinden, während dieser in Kontakt mit den kontaktierten Bereichen in dem Eingangs- und Ausgangselement steht.
DE 102005000817 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Maschine, die mit hoher Präzision in einem stabilen Steuerzustand betrieben werden kann, die durch Antreiben eines beweglichen Körpers mit Steuerparametern, die passend für den mechanischen Zustand sind, bereitgestellt wird. Eine Berechnungsschaltung für Steuerparameter wird bereitgestellt, um Steuerparameter für eine Steuerschaltung einer Antriebsvorrichtung zu erhalten, zum Antreiben von Stellantrieben entsprechend den Rahmenbedingungen der Rotationsgeschwindigkeit des Stellantriebs, der Orientierung und Position des beweglichen Körpers und um die Steuerschaltung der Antriebsvorrichtung zu variieren.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das Vorstehende gemacht und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus zu erhalten, die in der Lage ist, Schwingungen zu unterdrücken, die in einem Parallelverbindungsmechanismus auftreten können, und gleichzeitig die Arbeitsstunden für die Einstellung von mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparametern zu reduzieren.
Lösung des Problems
Um das vorstehende Problem zu lösen und die Aufgabe zu erfüllen, beinhaltet eine Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung eine Antriebssteuereinheit, die einen Aktor zum Antreiben eines Parallelverbindungsmechanismus steuert, und einen Befehlsabschnitt, welcher der Antriebssteuereinheit einen Steuerbefehl für den Aktor gibt. Der Befehlsabschnitt beinhaltet eine Eigenfrequenzvorhersageeinheit, die eine vorhergesagte Wertefolge einer Eigenfrequenz des Parallelverbindungsmechanismus berechnet, die für jede Interpolationsposition eines Endeffektors unter Verwendung eines dynamischen Modells berechnet wird, das ein mechanisches System zwischen einer Basis und einem Verbindungsgelenk des Parallelverbindungsmechanismus mithilfe einer Translationsfeder simuliert und ein mechanisches System vom Verbindungsgelenk bis zum Endeffektor mithilfe eines Starren Körpers simuliert. Die Antriebssteuereinheit beinhaltet außerdem einen Filter, der eine Frequenzkomponente, die jeweils für eine Interpolationsposition unterdrückt werden soll, gemäß der bei der jeweiligen Interpolationsposition des Endeffektors vorhergesagten Wertefolge verändert, die durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit berechnet wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann Schwingungen unterdrücken, die in dem Parallelverbindungsmechanismus auftreten können, und kann gleichzeitig die Arbeitsstunden für die Einstellung der mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparameter reduzieren.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration eines Servosystems einer Antriebssteuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration eines Servosystems der Antriebssteuereinheit, das sich von dem in 2 unterscheidet, gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist eine schematische Darstellung eines drehbaren Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern.
5 ist ein Diagramm, das ein dynamisches Modell des drehbaren Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern veranschaulicht.
6 ist ein erläuterndes Diagramm eines dynamischen Modells, wenn ein Endeffektor in dem drehbaren Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern von einem Ursprung entfernt ist.
7 ist eine schematische Darstellung eines linearen Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern.
8 ist ein Diagramm, das ein dynamisches Modell des linearen Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern veranschaulicht.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration zum Umsetzen der Funktionen eines Befehlsabschnitts gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
Eine Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus (im Folgenden gegebenenfalls auf „Steuerung“ verkürzt) gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. In 1 beinhaltet die Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform Folgendes: eine Antriebssteuereinheit 5, die das Antreiben eines Parallelverbindungsmechanismus steuert; und einen Befehlsabschnitt 1, welcher der Antriebssteuereinheit 5 einen Befehl zum Steuern eines Aktors 6a gibt.
Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet der Befehlsabschnitt 1 eine Einheit 2 zum Berechnen von Interpolationspositionskoordinaten und eine Einheit 3 zum Umwandeln in einen inversen Mechanismus. Die Einheit 2 zum Berechnen von Interpolationspositionskoordinaten berechnet eine Interpolationspositionskoordinate CP eines Pfads eines Endeffektors zu einer Zielposition auf Grundlage der Zielposition TP des Endeffektors. Die Einheit 3 zum Umwandeln in einen inversen Mechanismus berechnet einen entsprechenden Zielpositionsbefehl LP für den Aktor für jede Interpolationspositionskoordinate CP des Endeffektors und gibt den Befehl an die Antriebssteuereinheit 5 aus. Es ist anzumerken, dass der Aktor eine generische Bezeichnung für eine Antriebsvorrichtung ist, die Eingangsenergie in Rotationsbewegungen oder Translationsbewegungen umwandelt. Der Aktor beinhaltet beispielsweise einen Servomotor, einen Linearmotor oder einen Schrittmotor.
Der Befehlsabschnitt beinhaltet außerdem eine Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4, die eine Eigenfrequenz berechnet, die sich in Abhängigkeit von der Position des Endeffektors ändert. Die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 berechnet unter Verwendung der Interpolationspositionskoordinate CP und des der Interpolationspositionskoordinate CP entsprechenden Zielpositionsbefehls LP eine der Interpolationspositionskoordinate CP entsprechende Eigenfrequenz fn und gibt die Eigenfrequenz an die Antriebssteuereinheit 5 aus. Die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 berechnet einen vorhergesagten Wert der Eigenfrequenz für jede Interpolationsposition des Endeffektors. Es ist anzumerken, dass nicht nur einer, sondern eine Vielzahl vorhergesagter Werte berechnet werden kann. Der eine vorhergesagte Wert oder eine Summe der Vielzahl vorhergesagter Wertdaten wird als „vorhergesagte Wertdatenfolge“ oder einfach als „vorhergesagte Wertefolge“ bezeichnet.
Die Antriebssteuereinheit 5 treibt den Aktor 6a gemäß dem Zielpositionsbefehl LP an. Der Betrag, um den der Aktor 6a angetrieben wird, ist eine Rückkopplung, die durch eine Ausgabe von einem Sensor 6b gesteuert wird, bei dem es sich um einen am Aktor 6a montierten Positionssensor handelt. Der Sensor 6b detektiert eine Magnetpolposition des Aktors 6a. Informationen zur Magnetpolposition des Aktors 6a werden als „Motorpositionsinformationen“ bezeichnet und gegebenenfalls als „Motorpositionsinformationen EP“ ausgedrückt. Die Antriebssteuereinheit 5 steuert den Aktor 6a gemäß dem Zielpositionsbefehl LP. Das heißt, die Antriebssteuereinheit 5 führt eine Rückkopplungssteuerung auf Grundlage des Zielpositionsbefehls LP und der Motorpositionsinformationen EP durch. Unter der Steuerung der Antriebssteuereinheit 5 wird der Endeffektor zu einer gewünschten Position und Lage hingesteuert.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 die Konfiguration eines Servosystems in der Antriebssteuereinheit 5 der ersten Ausführungsform beschrieben. Wie in 2 veranschaulicht, beinhaltet die Antriebssteuereinheit 5 einen Filter 7, eine Positions- und Drehzahlsteuerung 8 und einen Leistungsverstärker 9.
Der Filter 7 empfängt Folgendes: eine Eingabe des durch die Einheit 3 zum Umwandeln in den inversen Mechanismus berechneten Zielpositionsbefehls LP; und die durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 vorhergesagte Eigenfrequenz fn. Der Filter 7 unterdrückt eine Komponente der Eigenfrequenz fn, die einer beliebigen Interpolationspositionskoordinate CP aus dem der Interpolationspositionskoordinate CP entsprechenden Zielpositionsbefehl LP entspricht. Diese Verarbeitung wandelt den Zielpositionsbefehl LP in einen Zielpositionsbefehl LP' um. Es ist anzumerken, dass, wenn der Zielpositionsbefehl LP und der Zielpositionsbefehl LP' ohne Bezugszeichen voneinander unterschieden werden sollen, der Zielpositionsbefehl LP als ein „erster Zielpositionsbefehl“ bezeichnet wird und der Zielpositionsbefehl LP' als ein „zweiter Zielpositionsbefehl“ bezeichnet wird.
Die Positions- und Drehzahlsteuerung 8 ist eine Steuerung, die den Endeffektor zu einer Zielposition hinsteuert. Die Positions- und Drehzahlsteuerung 8 berechnet einen Strombefehlswert Ic auf Grundlage von: dem durch den Filter 7 erstellten Zielpositionsbefehl LP'; und den durch den Sensor 6b detektierten Motorpositionsinformationen EP. Der durch die Positions- und Drehzahlsteuerung 8 berechnete Strombefehlswert Ic wird an den Leistungsverstärker 9 ausgegeben. Der Leistungsverstärker 9 treibt den Aktor 6a auf Grundlage des Strombefehlswerts Ic an.
Wie in dem in 2 veranschaulichten Servosystem kann, wenn die Filterfunktion zum Unterdrücken der Komponente der Eigenfrequenz fn außerhalb der Rückkopplungsschleife liegt, die Zeit, die der Endeffektor benötigt, bis er die Zielposition erreicht, durch die Umwandlung des Zielpositionsbefehls LP in den Zielpositionsbefehl LP' erhöht werden.
Ein Servosystem, das in 3 veranschaulicht ist, wird durch Umschalten des Filters 7 und der Positions- und Drehzahlsteuerung 8 in 2 konfiguriert. Infolgedessen ist ein Filter 7' in der Rückkopplungsschleife angeordnet. Es wird der Betrieb des in 3 veranschaulichten Servosystems beschrieben. Die Positions- und Drehzahlsteuerung 8 berechnet den Strombefehlswert Ic auf Grundlage des Zielpositionsbefehls LP und der durch den Sensor 6b detektierten Motorpositionsinformationen EP. Der durch die Positions- und Drehzahlsteuerung 8 berechnete Strombefehlswert Ic wird an den Filter 7' ausgegeben. Der Filter 7' empfängt zudem eine Eingabe der durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 vorhergesagten Eigenfrequenz fn. Der Filter 7' unterdrückt die im Strombefehlswert Ic enthaltene Komponente der Eigenfrequenz fn. Diese Verarbeitung wandelt den Strombefehlswert Ic in einen Strombefehlswert Ic' um. Es ist anzumerken, dass, wenn der Strombefehlswert Ic und der Strombefehlswert Ic' ohne Bezugszeichen voneinander unterschieden werden sollen, der Strombefehlswert Ic als ein „erster Strombefehlswert“ bezeichnet wird und der Strombefehlswert Ic' als ein „zweiter Strombefehlswert“ bezeichnet wird. Der durch den Filter 7' erstellte Strombefehlswert Ic' wird an den Leistungsverstärker 9 ausgegeben. Der Leistungsverstärker 9 treibt den Aktor 6a auf Grundlage des Strombefehlswerts Ic' an.
Wie in dem in 3 veranschaulichten Servosystem wird, wenn die Filterfunktion zum Unterdrücken der Komponente der Eigenfrequenz fn innerhalb der Rückkopplungsschleife liegt, der Zielpositionsbefehl LP nicht umgewandelt, sodass die Zeit, die der Endeffektor benötigt, bis er die Zielposition erreicht, im Gegensatz zur Konfiguration in 2 nicht erhöht wird. Ein das Servosystem bildendes Steuersystem kann jedoch in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz fn seine Stabilität verlieren, weshalb in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz fn die Konfiguration aus 2 oder die Konfiguration aus 3 ausgewählt werden kann.
Wie vorstehend gemäß der Steuerung der ersten Ausführungsform beschrieben, gibt der Filter 7 oder der Filter 7' das Signal aus, in dem die Frequenzkomponente, die der durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 berechneten Eigenfrequenz fn entspricht, unterdrückt wird. Der Filter 7 oder der Filter 7' verändert die zu unterdrückende Frequenzkomponente in Abhängigkeit von dem vorhergesagten Wert oder der vorhergesagten Wertefolge der Eigenfrequenz, der/die für die jeweilige Interpolationsposition erhalten wird, wodurch Schwingungen, die in dem Parallelverbindungsmechanismus auftreten können, unterdrückt werden können.
Die Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform kann durch die Handlungen des Filters 7 oder des Filters 7' Schwingungen unterdrücken, die in dem Parallelverbindungsmechanismus auftreten können, und ist dadurch in der Lage, die Arbeitsstunden für die Einstellung von mit der Reaktionsempfindlichkeit in der Positions- und Drehzahlsteuerung 8 zusammenhängenden Steuerparametern erheblich zu reduzieren. In Abhängigkeit von der Anwendung des Steuersystems können die mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Steuerparameter konstant sein, ohne in Abhängigkeit von der Position des Endeffektors verändert zu werden.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Vorhersagen der Eigenfrequenz durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 beschrieben. Zunächst wird ein drehbarer Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern, der in 4 veranschaulicht ist, als ein Beispiel beschrieben.
Der Aktor 6a und der Sensor 6b sind an einer Basis 10 angebracht, wie in 4 veranschaulicht. Der Aktor 6a treibt eine Aktorwelle 11 drehbar an. Die Aktorwelle 11 treibt eine Antriebswelle 13 über einen Riemen 12 drehbar an. Wenn die Antriebswelle 13 gedreht wird, wird ein oberes Verbindungsglied 14 gedreht, das direkt mit der Antriebswelle 13 verbunden ist. Wenn das obere Verbindungsglied 14 angetrieben wird, wird ein unteres Verbindungsglied 16, das über das obere Verbindungsglied 14 und ein Verbindungsgelenk 15 verbunden ist, angetrieben. Wenn das untere Verbindungsstück 16 angetrieben wird, wird letztendlich ein Endeffektor 18, der über das untere Verbindungsglied 16 und ein Endeffektorgelenk 17 verbunden ist, angetrieben.
Bezüglich des Schwingungsproblems eines typischen Parallelverbindungsmechanismus ist ein vorherrschender Schwingungsmodus ein Phänomen, bei dem ein System von dem Verbindungsgelenk bis zum Endeffektor, das eine geringe Festigkeit aufweist, gemeinsam wie ein Pendel schwingt. Der Erfinder der Erfindung in dieser Schrift hat dieses Phänomen durch Experimentieren gefunden.
Nun wird ein dynamisches Modell für den drehbaren Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern, das in 5 veranschaulicht ist, vorgestellt. Das in 5 veranschaulichte dynamische Modell wird nun beschrieben.
Zunächst wird von einer virtuellen Basis 19, die sich in einer geraden Linie erstreckt, die eines der Verbindungsgelenke 15 mit einem anderen der Verbindungsgelenke 15 verbindet, ausgegangen. Als Nächstes ist das Verbindungsgelenk 15 als eine Translationsfeder 20 senkrecht zur Längsrichtung der virtuellen Basis 19 wiedergegeben. Anschließend ist das System vom Verbindungsgelenk 15 bis zum Endeffektor 18 als ein starrer Körper 21 simuliert.
Gemäß dem dynamischen Modell ist ein mechanisches Bauteil zwischen der Basis 10 und dem Verbindungsgelenk 15, bei dem es sich um ein der Basis 10 am nächsten liegendes Gelenk handelt, durch die virtuelle Basis 19 und die Translationsfeder 20 simuliert und ein mechanisches Bauteil zwischen dem Verbindungsgelenk 15 und dem Endeffektor 18 ist durch den einen starren Körper 21 simuliert. Anders ausgedrückt, ist ein System zwischen der Basis 10 des Parallelverbindungsmechanismus und dem Verbindungsgelenk 15, bei dem es sich um ein Gelenk handelt, das mit der Basis 10 des Parallelverbindungsmechanismus verbunden ist, durch die Translationsfeder 20 simuliert und ein System zwischen dem Gelenk und dem Endeffektor 18 ist durch den einen starren Körper 21 simuliert.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen der Eigenfrequenz durch das dynamische Modell aus 5 beschrieben. Es ist anzumerken, dass in 5 ein Ursprung der Koordinaten auf den Mittelpunkt zwischen den beiden Verbindungsgelenken, das heißt dem linken Verbindungsgelenk 15 und dem rechten Verbindungsgelenk 15, festgesetzt ist. Darüber hinaus verläuft eine X-Achse in der Richtung vom Ursprung der Koordinaten zum rechten Verbindungsgelenk 15, eine Y-Achse verläuft senkrecht zur X-Achse und in eine dem Endeffektor 18 entgegengesetzte Richtung und eine Z-Achse ist so definiert, dass sie ein rechts ausgerichtetes System mit der X-Achse und der Y-Achse bildet.
Das Modell aus 5 beinhaltet einen Schwingungsmodus, in dem die beiden Translationsfedern 20 in Phase schwingen, um den starren Körper 21 dazu zu veranlassen, sich in der Y-Richtung in der Zeichnung zu verschieben, und einen Schwingungsmodus, in dem die beiden Translationsfedern 20 gegenphasig schwingen, um den starren Körper 21 dazu zu veranlassen, Drehschwingungen um die Z-Achse in der Zeichnung zu unterliegen. Das Schwingungsphänomen, welches das Problem der vorliegenden Anmeldung bildet, ist das Phänomen, bei dem der starre Körper 21 wie ein Pendel schwingt. Die Beschreibung befasst sich daher mit dem Drehschwingungsmodus und ignoriert dabei die Translationsbewegungen.
Zunächst kann die Eigenfrequenz fn des Drehschwingungsmodus durch den folgenden Ausdruck (1) berechnet werden, der die Resonanzfrequenz ausdrückt. $ƒ n = (\frac{1}{2 π}) * \sqrt{(\frac{K}{J})}$
In dem vorstehenden Ausdruck (1) ist „K“ eine kombinierte Rotationsfederkonstante um die Z-Achse durch die beiden Translationsfedern 20 und „J“ ist ein Trägheitsmoment um die Z-Achse des Starren Körpers 21 am Ursprung.
Ein relationaler Ausdruck zwischen der kombinierten Rotationsfederkonstante K und einer Translationsfederkonstante k wird durch den folgenden Ausdruck (2) ausgedrückt. $K = (\frac{1}{2}) k * L^{2}$
In Ausdruck (2) ist „L“ der Abstand zwischen den Verbindungsgelenken 15.
Das Trägheitsmoment J des Starren Körpers 21 kann durch den folgenden Ausdruck (3) unter Verwendung der Masse des Starren Körpers M_ALL, des Trägheitsmoments J_ZG um die Z-Achse am Schwerpunkt des Starren Körpers und des Abstands L_G vom Ursprung der Koordinaten bis zum Schwerpunkt des Starren Körpers berechnet werden. $J = J_{Z G} + M_{A L L} * L_{G}^{2}$
Die Masse des Starren Körpers M_ALL kann durch den folgenden Ausdruck (4) als eine Summe der Einzelmassen M_ARM1, M_ARM2 und MEE der beiden unteren Verbindungsglieder 16 und des Endeffektors 18 berechnet werden. $M_{A L L} = M_{A R M 1} + M_{A R M 2} + M_{E E}$
Das Trägheitsmoment J_ZG um die Z-Achse am Schwerpunkt des Starren Körpers kann durch den folgenden Ausdruck (5) unter Verwendung des Folgenden berechnet werden: der Massen M_ARM1, M_ARM2 und MEE sowie den Trägheitsmomenten J_ARM1ZG, JARM2ZG und JEEZG um die Z-Achse am Schwerpunkt des Starren Körpers der beiden unteren Verbindungslieder 16 und des Endeffektors 18; den Abständen L_ARM1G und L_ARM2G vom Schwerpunkt des Starren Körpers bis zu den Einzelschwerpunkten der beiden unteren Verbindungsglieder 16; und dem Abstand L_EEG vom Schwerpunkt des Starren Körpers bis zum Schwerpunkt des Endeffektors. $\begin{array}{l} J_{Z G} = J_{E E Z G} + M_{E E} * L_{E E G}^{2} + J_{A R M 1 Z G} + M_{A R M 1} * L_{A R M 1 G}^{2} + J_{A R M 2 Z G} + \\ M_{A R M 2} * L_{A R M 2 G}^{2} \end{array}$
Es ist anzumerken, dass der Abstand L_G vom Ursprung der Koordinaten bis zum Schwerpunkt des Starren Körpers und der Abstand vom Schwerpunkt des Starren Körpers zu den jeweiligen Positionen der Einzelschwerpunkte der beiden unteren Verbindungsglieder 16 anhand der Interpolationspositionskoordinate CP des Endeffektors, des Zielpositionsbefehls LP des jeweiligen Aktors und der Massewerte der einzelnen Körper berechnet werden kann.
In Bezug auf das vorstehend beschriebene dynamische Modell wird unter Bezugnahme auf 6 eine Tendenz einer Änderung einer vorhergesagten Frequenz in Bezug auf die Position des Endeffektors beschrieben.
Wenn sich der Endeffektor an einer vom Ursprung entfernten Position befindet, wie in 6 veranschaulicht, ist die Position des Schwerpunkts des Starren Körpers 21 weit von der virtuellen Basis 19 entfernt, um den Wert des Abstands L_G vom Ursprung der Koordinaten bis zum Schwerpunkt des Starren Körpers zu erhöhen, wodurch sich der Wert des zweiten Terms auf der rechten Seite des Ausdrucks (3) erhöht. Im Hinblick auf das Trägheitsmoment J_ZG um die Z-Achse am Schwerpunkt des Starren Körpers im ersten Term auf der rechten Seite des Ausdrucks wird der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Starren Körpers und dem Schwerpunkt des Endeffektors erhöht, um den Wert des Abstands L_EEG zu erhöhen. Darüber hinaus ist in dem Parallelverbindungsmechanismus die Masse des Endeffektors MEE üblicherweise sehr viel größer als die Massen der unteren Verbindungsglieder M_ARM1 und M_ARM2, sodass sich das Trägheitsmoment J_ZG um die Z-Achse am Schwerpunkt des Starren Körpers wie in Ausdruck (5) erhöht. Infolgedessen erhöht sich der Wert des Trägheitsmoments J des Starren Körpers 21. Darüber hinaus ist, wenn sich der Endeffektor an der vom Ursprung entfernten Position befindet, der Wert des Abstands L zwischen den Verbindungsgliedern verringert, sodass der Wert der durch Ausdruck (2) berechneten kombinierten Rotationsfederkonstante K verringert ist, um die durch Ausdruck (1) berechnete Eigenfrequenz zu verringern. Daher ist die Eigenfrequenz tendenziell verringert, wenn die Position des Endeffektors vom Ursprung entfernt ist.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 7 die Anwendung auf einen Parallelverbindungsmechanismus, der eine andere Konfiguration aufweist, beschrieben. 7 veranschaulicht einen Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern, der einen Linearmotor einsetzt.
Der Aktor 6a und der Sensor 6b sind an der Basis 10 angebracht, wie in 7 veranschaulicht. Der Aktor 6a treibt eine Kugelspindel 22 an. Eine Mutter 23 sitzt auf der Kugelspindel 22. Das untere Verbindungsglied 16 ist über die Mutter 23 und das Verbindungsgelenk 15 verbunden. Wenn sich die Mutter 23 linear bewegt, werden das untere Verbindungsglied 16 und letztendlich der Endeffektor 18, der über das untere Verbindungsglied 16 und das Endeffektorgelenk 17 verbunden ist, angetrieben.
Es wird ein dynamisches Modell für den in 7 veranschaulichten linearen Parallelverbindungsmechanismus mit zwei Verbindungsgliedern vorgestellt, das in 8 veranschaulicht ist. Das in 8 veranschaulichte dynamische Modell wird nun beschrieben. Zunächst wird von der virtuellen Basis 19, die sich in einer geraden Linie erstreckt, welche die Verbindungsgelenke 15 verbindet, ausgegangen. Als Nächstes ist das Verbindungsgelenk 15 als eine Translationsfeder 20 senkrecht zur Längsrichtung der virtuellen Basis 19 wiedergegeben. Anschließend ist das System vom Verbindungsgelenk 15 bis zum Endeffektor 18 als ein starrer Körper 21 simuliert.
Wenn sich der Endeffektor an einer vom Ursprung entfernten Position befindet, wie in dem Parallelverbindungsmechanismus aus 4, ist die Eigenfrequenz fn aufgrund der Erhöhung des Trägheitsmoments und der Verringerung des Abstands zwischen den Verbindungsgelenken verringert.
Für einen Parallelverbindungsmechanismus mit drei oder mehr Verbindungsgliedern werden die kombinierte Rotationsfederkonstante und das Trägheitsmoment durch ein anderes Verfahren als das im Parallelverbindungsmechanismus aus 4 verwendete berechnet, kann jedoch durch eine grundlegende dynamische Berechnung einfach berechnet werden. Die Tendenz, dass die Eigenfrequenz fn verringert ist, wenn sich der Endeffektor an der vom Ursprung entfernten Position befindet, ist ähnlich dem Fall des Mechanismus mit zwei Verbindungsgliedern.
Im Hinblick auf die Modellierungsparameter kann es sich bei dem Massewert und der Position des Schwerpunkts von jeweils der Basis, dem Verbindungsgelenk, dem Verbindungsglied, dem Endeffektor, dem Riemen, dem Aktor und dem Sensor um einen Planungswert, einen tatsächlichen gemessenen Wert oder einen Schätzwert handeln. Darüber hinaus kann die Translationsfederkonstante k so eingestellt sein, dass sich beispielsweise ein vorhergesagter Wert der Frequenz an der Endeffektorposition, an der die Genauigkeit der Frequenzvorhersage am Wichtigsten ist, mit einem tatsächlichen gemessenen Wert davon deckt, oder sie kann so eingestellt sein, dass eine Abweichung zwischen dem vorhergesagten Wert der Frequenz und dem tatsächlichen gemessenen Wert davon an einer Vielzahl von Endeffektorpositionen minimiert ist.
Wie vorstehend beschrieben, führt die Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform Folgendes aus: Simulieren des mechanisches Systems vom Verbindungsgelenk bis zum Endeffektor durch einen starren Körper; Erstellen des dynamischen Modells, welches das mechanische System zwischen der Basis und dem Verbindungsgelenk des Parallelverbindungsmechanismus durch die Translationsfeder simuliert; Vorhersagen der Eigenfrequenz, die sich in Abhängigkeit von der Position des Endeffektors ändert; und Ändern der Frequenzkomponente, die jeweils für eine Interpolationsposition unterdrückt werden soll, gemäß der vorhergesagten Wertefolge; wodurch sie in der Lage ist, die Schwingungen durch den Filter, der die durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit berechnete Frequenz unterdrückt, zu unterdrücken, ohne die mit Reaktionsempfindlichkeit zusammenhängenden Parameter des Steuersystems in Abhängigkeit von der Position des Endeffektors zu ändern. Dies kann eine bisher nicht erzielte, beachtliche Wirkung erzielen und zwar die Reduzierung der Anzahl an Steuerparametern, die eingestellt werden muss, und somit die Reduzierung der Arbeitsstunden für die Einstellung der Parameter.
Zweite Ausführungsform.
Nun wird eine Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. 9 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform beinhaltet eine Federkonstanten-Schätzeinheit 100, die zu dem Befehlsabschnitt 1 hinzugefügt ist, und ein externes Messinstrument 101, das außerhalb des Befehlsabschnitt 1 hinzugefügt ist, in der in 1 veranschaulichten Konfiguration der ersten Ausführungsform. Eine gemessene Frequenz fn real, die durch das externe Messinstrument 101 gemessen wird, wird in die Federkonstanten-Schätzeinheit 100 eingegeben und eine geschätzte Federkonstante kest, die durch die Federkonstanten-Schätzeinheit 100 geschätzt wird, wird in die Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 eingegeben. Es ist anzumerken, dass die anderen Konfigurationen identisch mit oder gleich denen der in 1 veranschaulichten ersten Ausführungsform sind und daher durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind wie die in 1, weshalb eine redundante Beschreibung weggelassen ist. Bei der gemessenen Frequenz fn real, die durch das externe Messinstrument 101 gemessen wird, kann es sich um ein Signal handeln, dass durch Umwandeln der Frequenz eines von einem am Parallelverbindungsmechanismus montierten Beschleunigungssensor erhaltenen Beschleunigungssignals erhalten werden kann, oder um ein Signal, das durch Umwandeln der Frequenz eines von dem Sensor 6b erhaltenen Positionssignals erhalten wird.
Als Nächstes wird der Hauptbetrieb der Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Zunächst schätzt die Federkonstanten-Schätzeinheit 100 eine Federkonstante in dem dynamischen Modell unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (6), der aus den vorstehenden Ausdrücken (1) und (2) erhalten wurde.
$k e s t = J * {(2 π ƒ n_{r e a l})}^{2} / {\frac{L^{2}}{2}}$
Der unter Verwendung des vorstehenden Ausdrucks (6) erhaltene Schätzwert der Federkonstante wird als die geschätzte Federkonstante bezeichnet. Die Verwendung der geschätzten Federkonstante kest, die durch die Federkonstanten-Schätzeinheit 100 geschätzt wird, in der Eigenfrequenzvorhersageeinheit 4 ermöglicht eine automatische Schätzung des dynamischen Modells und ermöglicht somit eine weitere Reduzierung der Arbeitsstunden für die Einstellung der Parameter.
Dritte Ausführungsform.
Nun wird eine Steuerung gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben. 10 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Steuerung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. Die dritte Ausführungsform beinhaltet eine Einheit 102 zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen, die zu dem Befehlsabschnitt 1 in der Konfiguration der in 9 veranschaulichten zweiten Ausführungsform hinzugefügt ist. Die Einheit 102 zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen ist dazu konfiguriert, auf Grundlage der geschätzten Federkonstante kest, die durch die Federkonstanten-Schätzeinheit 100 geschätzt wird, ein Warnsignal nach außen auszugeben. Es ist anzumerken, dass die anderen Konfigurationen identisch mit oder gleich denen der in 9 veranschaulichten zweiten Ausführungsform sind und daher durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet ist wie die aus 9, weshalb eine redundante Beschreibung weggelassen ist.
Als Nächstes wird der Hauptbetrieb der Steuerung gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. Die Einheit 102 zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen überwacht und speichert den Wert der geschätzten Federkonstante kest, um zu bestimmen, dass sich eine Systemeigenschaft geändert hat, und das Warnsignal auszugeben, wenn sich die geschätzte Federkonstante kest erheblich geändert hat. Infolgedessen können Wartungsarbeiten durchgeführt werden, bevor das System aufgrund einer Schädigung des Systems zusammenbricht.
Abschließend wird eine Hardwarekonfiguration zum Umsetzen der Funktionen des Befehlsabschnitts 1 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform beschrieben. Wenn die Funktionen des Befehlsabschnitts 1 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform in Software umgesetzt sind, wie in 11 veranschaulicht, kann der Befehlsabschnitt einen Hauptprozessor (central processing unit - CPU) 200, der Berechnungen durchführt, einen Speicher 202, der ein durch den CPU 200 gelesenes Programm speichert, und eine Schnittstelle 204, die Signale ein- und ausgibt, beinhalten. Die Konfiguration der in 10 veranschaulichten dritten Ausführungsform gibt das Warnsignal aus, wenn die Einheit zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen bestimmt, dass sich die Systemeigenschaft geändert hat. Hierbei kann das Warnsignal einem Benutzer, einem Administrator oder einem Entwickler gemeldet werden, wenn der Befehlsabschnitt 1, wie in 11 veranschaulicht, eine Anzeige 206 beinhaltet.
Es ist anzumerken, dass es sich bei dem CPU 200 um einen handeln kann, der als eine Recheneinheit, ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer, ein Prozessor oder ein Digitalsignalprozessor (DSP) bezeichnet wird. Der Speicher 202 kann ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher sein, wie etwa ein Direktzugriffsspeicher (random access memory - RAM), ein Festwertspeicher (read only memory - ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer ROM (EPROM) oder ein elektrischer EPROM (EEPROM), eine Magnetplatte, eine flexible Platte, eine optische Platte, eine Compact Disc, eine Mini Disc oder eine Digital Versatile Disc (DVD) .
Der Speicher 202 speichert ein Programm zum Umsetzen der Funktionen des Befehlsabschnitts 1. Der CPU 200 empfängt verschiedene Arten von Informationen über die Schnittstelle 204. Die Funktionen des Befehlsabschnitts 1 werden durch Ausführen des im Speicher 202 gespeicherten Programms durch den CPU 200 umgesetzt. Ein Ergebnis der Verarbeitung durch den CPU 200 kann auf der Anzeige 206 angezeigt werden.
Die in der vorstehend genannten Ausführungsform veranschaulichte Konfiguration veranschaulicht lediglich ein Beispiel für den Inhalt der vorliegenden Erfindung und kann demnach mit einer anderen bekannten Technik kombiniert oder teilweise weggelassen und/oder modifiziert werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Befehlsabschnitt;
2: Einheit zum Berechnen von Interpolatinspositionskoordinaten;
3: Einheit zum Umwandeln in einen inversen Mechanismus;
4: Eigenfrequenzvorhersageeinheit;
5: Antriebssteuereinheit;
6a: Aktor;
6b: Sensor;
7: Filter;
8: Positions- und Drehzahlsteuerung;
9: Leistungsverstärker;
10: Basis;
11: Aktorwelle;
12: Riemen;
13: Antriebswelle;
14: oberes Verbindungsglied;
15: Verbindungsgelenk;
16: unteres Verbindungsglied;
17: Endeffektorgelenk;
18: Endeffektor;
19: virtuelle Basis des dynamischen Modells;
20: Translationsfeder des dynamischen Modells;
21: starrer Körper des dynamischen Modells;
22: Kugelspindel;
23: Mutter;
100: Federkonstanten-Schätzeinheit;
101: externes Messinstrument;
102: Einheit zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen;
200: CPU;
202: Speicher;
204: Schnittstelle;
206: Anzeige.

Claims

Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus, umfassend: eine Antriebssteuereinheit (5) zum Steuern eines Aktors (6a), der einen Parallelverbindungsmechanismus antreibt; und einen Befehlsabschnitt (1), welcher der Antriebssteuereinheit (5) einen Befehl für den Aktor (6a) gibt, wobei: der Befehlsabschnitt (1) eine Eigenfrequenzvorhersageeinheit (4) zum Berechnen einer vorhergesagten Wertefolge einer Eigenfrequenz des Parallelverbindungsmechanismus beinhaltet, die für jede Interpolationsposition eines Endeffektors (18) unter Verwendung eines dynamischen Modells berechnet wird, das ein mechanisches System zwischen einer Basis (10) und einem Verbindungsgelenk (15) des Parallelverbindungsmechanismus mithilfe einer Translationsfeder (20) simuliert und ein mechanisches System von dem Verbindungsgelenk (15) bis zum Endeffektor (18) mithilfe eines Starren Körpers (21) simuliert, und die Antriebssteuereinheit (5) einen Filter (7) zum Verändern einer Frequenzkomponente, die jeweils für eine Interpolationsposition unterdrückt werden soll, gemäß der vorhergesagten Wertefolge bei der jeweiligen Interpolationsposition des Endeffektors beinhaltet, die durch die Eigenfrequenzvorhersageeinheit (4) berechnet wird.
Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus nach Anspruch 1, wobei der Filter (7) einen von einer Steuerung (8), die den Endeffektor (18) zu einer Zielposition hinsteuert, ausgegeben ersten Strombefehlswert empfängt und einen zweiten Strombefehlswert an einen Leistungsverstärker (9) der Antriebssteuereinheit (5) ausgibt.
Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus nach Anspruch 1, wobei der Filter einen ersten Zielpositionsbefehl als Befehlsignal an die Antriebssteuereinheit (5) empfängt und einen zweiten Zielpositionsbefehl an eine Steuerung (8) ausgibt, die den Endeffektor (18) zu einer Zielposition hinsteuert.
Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Befehlsabschnitt (1) eine Federkonstanten-Schätzeinheit (100) zum Schätzen einer Federkonstante anhand einer gemessenen Frequenz des Parallelverbindungsmechanismus, gemessen durch ein externes Messinstrument (101), beinhaltet.
Steuerung für einen Parallelverbindungsmechanismus nach Anspruch 4, wobei der Befehlsabschnitt (1) eine Einheit (102) zum Detektieren von Eigenschaftsänderungen beinhaltet, die einen Schätzwert der Federkonstante, geschätzt durch die Federkonstanten-Schätzeinheit (100), überwacht und in Abhängigkeit von einer Änderung des Schätzwerts ein Alarmsignal ausgibt.