专利名称：工业机器人及工业机器人的驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种工业机器人及工业机器人的驱动方法。
背景技术：
工业机器人是操作机器，其配备有适用的工具以对物件进行自动操作，并可对多个运动轴尤其在定向、位置和工作流程方面进行编程。工业机器人基本具有机器人臂，所述机器人臂带有多个轴和杠杆并且由驱动装置驱动。所述驱动装置例如可以是电驱动装置，其可特别地具有同步电动机。 为了驱动工业机器人，尤其需要以可靠的技术来检测运动轴的位置，例如运动轴的角度调节位置(Winkelstellung)。 为了进行可靠的位置检测，尤其为了对位置已调整的电驱动装置进行可靠的位置检测，例如可以借助坐标转换器(Resolver)来确定该位置，尤其是驱动装置的电动机转子的角度调节位置。虽然根本不存在两个独立的途径进行位置检测，但是十多年来的操作中已证明这种位置检测具有相对较低的故障率，因此借助于坐标转换器所进行的位置检测被认为是较为可靠的。 坐标转换器价格低廉因此比较普遍。但是坐标转换器的分辨率相对有限，特别是在几个角分的范围内具有相对较大的角度误差。 为了确定转子的位置进而确定相关的运动轴的位置，还可以采用例如带有光学或磁性检测的所谓的Sin/Cos编码器(Sin/Cos Geber)或增量式编码器(Inkrementalgeber)(总称为旋转编码器(Drehgeber))。通过旋转编码器可在技术上实现目前在精度上优于10〃的大于每转20比特(Bit)的分辨率。由此可相对高动态和高精度地实现驱动装置的位置调节。 与坐标转换器相比，旋转编码器并不可靠，为此在使用旋转编码器时需要冗余的第二个位置检测系统。例如，该位置检测系统可以是第二旋转编码器或坐标转换器。但是与坐标转换器相比旋转编码器相对较贵。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种低成本的、可靠的且还能精确地进行工业机器人的运动轴的位置检测的设计(Vorraussetzung)。 为了实现本发明的目的，提出一种工业机器人，其包括具有多个轴的机器人臂；至少一个电驱动装置，其具有三相交流同步电动机并且设置为驱动所述多个轴的其中之一运动；以及位置检测装置，其设置为用于确定配设于(归属于，zugeordnet)同步电动机的轴的位置，其中工业机器人设置为通过第一信号来确定配设于同步电动机的轴的位置，所述第一信号是同步电动机的电流和/或电压。 此外，为了实现本发明的目的，提出一种工业机器人的驱动方法，所述方法包括下列步骤
通过位置检测装置确定工业机器人所具有的多个轴中的一个轴的位置；以及
通过第一信号确定该轴的位置，所述第一信号为致使该轴运动的三相交流同步电 动机的电流和/或电压。 根据本发明的工业机器人相应地包括带有多个轴的机器人臂，正如普遍公知的那 样，所述轴例如可以通过驱动(Antrieben)尤其通过电驱动而运动。根据本发明，通过多个 包含有三相交流同步电动机的电驱动装置(Antrib)的其中之一使所述多个轴的其中之一 运动。该同步电动机优选为永磁激励同步电动机，但并非必须如此。 为了确定配设于同步电动机的轴的位置，根据本发明的工业机器人包括位置检测 装置，其中所述位置检测装置优选为旋转编码器，例如Sin/Cos编码器或增量式编码器。但 是理论上也可使用其他的位置检测装置，例如坐标转换器。 此外，根据本发明的工业机器人设置为，通过第一信号确定配设于同步电动机的 轴的位置。该第一信号是同步电动机的电流和/或电压。该第一信号能用于对同步电动机 或包含同步电动机的电驱动装置进行调节(或控制)，特别是进行电流调节，从而可以低成 本地使用第一信号来确定位置。 第一信号也可以是额外产生的并非用于使三相交流同步电动机运行的电流和/
或电压。即，该第一信号可以是在电机绕组上形成的相对短时的外部脉冲，所述外部脉冲具
有公知的输入特性，根据转子位置能够在三相交流同步电动机的三个线圈处感应出不同的
输出脉冲，所述输出脉冲能够被检测，并且可以被分析以由此推导出转子的角位置。 相关的(或重要的)轴的位置特别是与参考角相关的轴的角度调节位置，和/或
同步电动机的转子的位置，尤其是转子的角度调节位置。 根据本发明的工业机器人的实施方式或根据本发明的方法，该第一信号为三 相电压和/或三相电流。在实践中，不必确定同步电动机所有的三相电压或三相电 流。仅需要测量三相电压或三相电流中的两相。随后可以根据公知的三相交流技术中 (Drehstromtechnik)的关系由两相的值确定出第三相的值。利用所确定的电流或电压可以 推断出同步电动机转子的角位置并进而得到相应的轴的位置。 包括同步电动机的电驱动装置可以具有带有中间电路的逆变器(Umrichter)，该 逆变器前置连接同步电动机并且所述逆变器的中间电路的电压被设为第一信号。像这样的 逆变器对于本领域技术人员而言是公知的。其例如通过脉宽调制产生用于同步电动机的可 调节的三相电压，并且包括中间电路，所述中间电路例如包含具有相应尺寸的电容器。
可以用同步电动机的转子的机械角，或者特别地电气角来表示通过第一信号确定 的相关轴的位置。 根据本发明的工业机器人可以具有控制装置，所述控制装置设置成用于控制使工 业机器人的轴运动的驱动装置。这个控制装置还可以设置成对利用第一信号所确定的位置 和利用位置检测装置所确定的位置进行分析，并且在所确定的这两个位置之间的差超出预 定范围的情况下，控制装置会停止本发明的工业机器人的相关轴或所有轴的运动。因此可 以使这两种位置确定互相监视。 根据本发明的工业机器人的优选的实施方式这样进行设置，对于配设于同步电动 机的轴的运动而言，根据来自于位置检测装置的第二信号调节驱动装置。在实践中调节轴 或者其驱动装置。由此调节例如驱动装置的转速或位置。根据这种变型可以通过位置检测
4装置来确定对于这种调节可能需要的、相关的轴的角度调节位置的信息。特别当旋转编码 器(例如Sin/Cos编码器或增量式编码器)用作位置检测装置时，能够相对精确地确定转 子的位置，特别是转子的角度，这对包含同步电动机的驱动装置的调节有积极的影响。由此 得到对所述驱动装置进行相对高质量的调节的设计，进而得到对相关的轴进行相对高质量 的调节的设计。 随后通过第一信号所确定的位置能用于额外地监视该轴，由此得到能可靠监视位 置的设计。 因为特别借助于旋转编码器或者其他的位置检测系统来实现相对精确和相对动 态的位置检测，所以根据本发明的工业机器人的实施方式能够对用于工业机器人的相关的 轴的电驱动装置实现低成本、高精度和高动态的位置调节。 为了可靠地进行位置监视，根据本发明基于第一信号通过"无编码器(geberlos)" 的位置检测可实现冗余的位置检测。在本文中"无编码器"表示，除了必要时在可能存 在的逆变器中已经存在的(例如用于驱动装置的电流调节的)传感器之外，不需要其他 的传感器。"无编码器"的位置检测例如在专利文献EP 1051801Bl， DE 10226974Al， DE 102006004034A1， EP 0539401B1，DE 102007003874A1或EP 0579694B1中被公开。
根据本发明的工业机器人或根据本发明的方法的优点在于，能够实现完全冗余的 第二种位置检测方式，而无需额外的成本或者仅需很少的成本，因为这种"无传感器"或"无 编码器"的位置检测，在完全可能存在的逆变器中可能已经存在的电流-电压测量装置被使 用的情况下，可借助于该第一信号通过软件来实现。"无传感器"或"无编码器"系统被用于对工业机器人的相关的轴的可调节电驱动 装置进行冗余检测，其中所述电驱动装置具有同步电动机尤其具有永磁激励同步电动机。 在此必要时可以这样利用本发明，借助所谓的矢量调节(矢量控制)来实现这种电驱动装 置的调节，为了进行操作，所述矢量调节需要三相电流(然而至少需要三相电流中的两相 电流，第三相电流可以计算得到)以及必要时逆变器的中间电路的电压。为了通过上述文 献中已知的算法得出同步电动机的转子位置，这种已经存在的传感器就足够了。因此对于 根据本发明所述的位置检测提供了两种相互独立的方式 方式1 :通过例如旋转编码器(总称为位置检测装置)进行常规的位置检测。就 此而言，根据本发明的工业机器人的实施方式或根据本发明方法的实施方式，为了实现可 能较高的分辨率、可能较高的精确度和可能更好的动态特性，必要时要对具有同步电动机 的电驱动装置进行位置调节和电流调节。 方式2 :借助第一信号进行"无传感器"或"无编码器"的检测。就此而言，必要时 要控制或监视利用位置检测装置确定的相关的轴的位置。 因此，根据本发明的工业机器人实现了带有可靠位置检测的高动态、高精度、低成 本的系统。
在附图中示例性示出了本发明的实施例。其中 图1示出了工业机器人；以及 图2示出了工业机器人的电驱动装置的方块图。
具体实施例方式
图1示出了工业机器人l，其可在六个自由度上运动。按照一般公知的方式，工业 机器人1具有关节2、3、4、5 ;杠杆6 ;六个运动轴A1、A2、A3、A4、A5、A6 ;以及法兰7。
轴Al-A6中的每个轴均通过驱动装置13的驱动而运动，在此实施例的情况中，所 述驱动装置是电驱动装置并且分别具有电动机8、9、10、11。例如，在图2中示出的电动机 11或相应的电驱动装置13可以通过不再详细示出的本领域技术人员普遍公知的传动装置 来使轴A2运动。 在此实施例的情况中，电动机8-11为三相交流同步电动机，特别为永磁激励同步 电动机。电动机8-11分别由电子器件(Leistungselektroniken) 12，即所谓的逆变器来进 行控制，所述电子器件在此实施例的情况中设置在控制装置14中。电子器件12分别与其电 动机S-ll电连接。电子器件12的其中之一例如用于在图2中以方块图示出的电动机11。 因此，使轴A2运动的电驱动装置13包括电动机11和电子器件12。 电驱动装置13或电动机11的电子器件12以及其他的电驱动装置与控制装置14 的控制计算机15连接，在控制计算机上运行有合适的、且原则上为本领域技术人员所公知 的计算程序，所述计算程序以合适的且普遍公知的方式控制电子器件12，以使工业机器人 1按期望的方式运动。在此实施例的情况中，控制计算机15与电子器件12被设置在控制装 置14的壳体中。 在此实施例的情况中，用于电动机8-11的每个电子器件12均包括整流器21、中间 电路22和逆整流器(Wechselrichter)23。中间电路22具有电容器C，并且整流器21以普 遍公知的方式从三相电源电压产生通过中间电路22的电容器C平滑化的直流电压V。平 滑化的该直流电压V是逆整流器23的输入电压，所述逆整流器23以普遍公知的方式从直 流电压V产生三相电压，此三相电压的基波振动(Gr皿dschwing皿g)的频率是可调的。此 三相电压将被输送至电动机11的电动机端子(Motorklemmen)24，并且例如通过脉宽调制 (P丽)产生三相电压。 但是也可以使电动机8-11共享一个整流器和一个中间电路，而且电动机8-11中 的每一个均配设有与唯一的中间电路连接的逆整流器。 在此实施例的情况中，逆整流器23以普遍公知的方式包括有在图中未详细示出
的多个半桥，所述半桥分别具有三个半导体开关，所述半导体开关具有附带的空载二极管
(Freilaufdiode)。在此实施例的情况中，此半导体开关是功率晶体管，例如IGBT。 电动机11以普遍公知的方式具有定子25和转子26，所述转子的转速与逆整流器
23所产生的基波振动有关。 在此实施例的情况中，电驱动装置13和其他的驱动装置的转速是可调节的，其中 此处使用本领域技术人员常用的矢量调节。通过合适的测量装置可测得调节所需的信号， 例如电动机11的电流i和电压，并且所述信号会被输送至控制计算机15，在所述控制计算 机15上运行有用于调整(或者说控制)驱动装置13的计算程序。 在此实施例的情况中，通过电流测量装置27仅确定电动机11的三个电流i中的 两个。控制计算机15以普遍公知的方式由这两个电流i确定电动机11的第三个电流i。 如原则上本领域技术人员常用的，控制计算机15从中间电路22的直流电压V和逆整流器
623的半导体开关的开关位置确定电动机11的三相电压。通过电压传感器28来测量中间电 路22的直流电压V，所述电压传感器以未在图中示出的方式与控制计算机15连接。
在此实施例的情况中，工业机器人1包括用于其轴Al-A6中的每一个轴的旋转编 码器，在图2中示出了轴A2的旋转编码器29。旋转编码器29例如是Sin/Cos编码器或增 量式编码器并且以未在图中示出的方式与控制计算机15连接，由此能够分析出来自于旋 转编码器的信号。来自于旋转编码器29的信号是电动机11所配设的轴A2的转子26的位 置值(MaP)，进而是轴A2的位置值，特别是角位置或角度调节位置值。
因此，在此实施例的情况中，给控制计算机15提供有关转子26、轴A2以及其他的 轴A1、A3-A6的角位置的信息。基于轴A2或电动机11的转子26的、通过旋转编码器29所 确定的角位置被用于调节电驱动装置13。 在此实施例的情况中，控制计算机15对基于来自相应旋转编码器29的信号的、有 关轴A1-A6的位置的信息进行分析，以识别可能的紧急情况并且必要时控制驱动装置13以 使工业机器人1的当前运动停止。 在此实施例的情况中，为了可靠地监视轴Al-A6的位置，额外地通过第二种方式 进行监视或确定所述轴Al-A6的位置。为此，控制计算机15对信号(即电动机8-11的电流i 以及中间电路22的直流电压V)进行分析，从而推断出相关的电动机8-ll的转子26的角度 调节位置。基于测得的电流和/或电压可推断出同步电动机的转子角位置的算法对于本领 域技术人员而言原则上例如可以从前文中所述的专利文献EP 1051801B1，DE 10226974Al， DE 102006004034A1，EP 0539401B1，DE 102007003874A1或EP0579694B1中得知，这里不再 赘述。 在此实施例的情况中，控制计算机15设置成，当所确定的工业机器人1的轴A1-A6 的至少其中之一的多个位置超出预定范围或预定值时，控制计算机15引导工业机器人1紧
急停止。
权利要求
一种工业机器人，包括机器人臂，具有多个轴(A1-A6)；至少一个电驱动装置(13)，具有三相交流同步电动机(8-11)，并设置为驱动所述多个轴(A1-A6)的其中之一运动；以及位置检测装置(29)，设置为用于确定配设于所述同步电动机(11)的轴(A2)的位置，其中，所述工业机器人(1)设置为通过第一信号确定配设于所述同步电动机(11)的轴(A2)的位置，所述第一信号为所述同步电动机(11)的电流(i)和/或电压(V)。
2. 如权利要求l所述的工业机器人，其中，相关的所述轴(A2)的位置是角度调节位置，和/或尤其通过所述位置确定所述同步电动机(11)的转子(26)的角度调节位置。
3. 如权利要求1或2所述的工业机器人，其中，所述第一信号为前置串联所述同步电动机(11)的逆变器(12)的三相电压和/或三相电流(i)、和/或所述逆变器(12)的中间电路(22)的电压(V)。
4. 如权利要求l-3中任一项所述的工业机器人，其中，用所述同步电动机(11)的转子(26)的电气角来表示通过所述第一信号确定的相关的所述轴(A2)的位置。
5. 如权利要求l-4中任一项所述的工业机器人，还包括控制装置(14，15)，所述控制装置设置成用于控制使所述工业机器人的轴(Al-A6)运动的驱动装置(13)，并且所述控制装置设置成，对通过所述第一信号所确定的位置和通过所述位置检测装置(29)所确定的位置进行分析，并在所确定的这两个位置的差超出预定范围时，停止相关的轴(Al-A6)或所有的轴(Al-A6)的运动。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的工业机器人，其中，所述工业机器人设置为，根据来自于所述位置检测装置(29)的第二信号调节所述驱动装置(13)，用以驱动配设于所述同步电动机的轴(Al-A6)运动。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的工业机器人，其中，所述位置检测装置是旋转编码器(29)，特别是Sin/Cos编码器或增量式编码器。
8. —种工业机器人的驱动方法，所述方法包括下列步骤通过位置检测装置(29)确定工业机器人(1)所具有的多个轴(Al-A6)中的一个轴(A2)的位置；以及通过第一信号确定该轴(A2)的位置，所述第一信号为使该轴(A2)运动的三相交流同步电动机(11)的电流(i)和/或电压(V)。
9. 如权利要求8所述的驱动方法，其中，所述第一信号为额外产生的并非用于使所述三相交流同步电动机(11)运行的电流和/或电压。
10. 如权利要求8或9所述的驱动方法，还包括对通过所述位置检测装置(29)所确定的位置和通过所述第一信号所确定的位置进行分析，并且当所确定的这两个位置之间的差超出预定范围时，停止该轴(A2)或所述多个轴(Al-A6)的运动。
11. 如权利要求8-10中任一项所述的驱动方法，还包括根据来自于所述位置检测装置(29)的第二信号调节所述同步电动机(ll)，用以驱动配设于所述同步电动机的轴(A2)的运动。
全文摘要
本发明涉及一种工业机器人及工业机器人的驱动方法。该工业机器人包括机器人臂，具有多个轴(A1-A6)；至少一个电驱动装置(13)，具有三相交流同步电动机(8-11)，并设置为使所述轴(A1-A6)运动；以及位置检测装置(29)，设置为用于确定配设于所述同步电动机(11)的轴(A2)的位置。所述工业机器人(1)设置为通过第一信号确定配设于所述同步电动机(11)的轴(A2)的位置，所述第一信号为所述同步电动机(11)的电流(i)和/或电压(V)。
文档编号B25J11/00GK101745917SQ20091025419
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者哈特穆特·凯尔, 赫尔诺特·尼茨 申请人:库卡罗伯特有限公司