AT401318B

AT401318B - Fuzzy steuerungssystem für manipulatoren

Info

Publication number: AT401318B
Application number: AT235092A
Authority: AT
Original assignee: Khachatouri Yeghiazarians Vahe
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1996-08-26
Also published as: ATA235092A

Description


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   Die Erfindung betrifft einen Fuzzy-Bahngenerator für   Handhabungs-und Positioniereinrichtungen   mit beliebig vielen Freiheitsgraden, insbesondere für einen Industrieroboter mit mehreren rotatorischen Achsen, der einen Fuzzy-Controller, einen Integrator und einen die Gleichungen der derikten Kinematik verarbeitenden Kinematikmodul enthält. 



   Der erfindungsgemässe Fuzzy-Bahngenerator verwendet zur Ermittlung der einer kartesischen Zielposition und-orientierung entsprechenden Achsstellungen nur die eindeutigen Gleichungen der direkten Kinematik (auch als Hintransformation bezeichnet). 



   Es sind bereits Einrichtungen und Verfahren zur Steuerung von Manipulatoren bekannt, die durch Sensorsysteme die Kartesische Istposition und-Orientierung des Manipulators erfassen oder diese unter Verwendung der direkten Kinematik aus den von den   Winkelgebern   der einzelnen Achsen gemessenen Achsstellungen ermitteln und zur kartesischen Regelung des Roboters nach der an sich bekannten Methode von Fuzzy-Control verwenden   (EP-0-402-849   A2 (HITACHI)). Wahrend diese Systeme eine Rückkopplung der gemessenen Istposition in die Steuerungseinheit voraussetzen und somit als Regelungssysteme zu verstehen sind, ist die gegenständliche Erfindung ein reines Steuerungssystem, da sie keine Rückkopplung der Istposition in die Steuereinheit voraussetzt.

   Das in der gegenständlichen Anmeldung beschriebene System erlaubt eine sanftere (ruckfreie) Bewegung und eine höhere Geschwindigkeit des Roboters bei der gleichen dynamischen Genauigkeit (Bahntreue) oder eine höhere dynamische Genauigkeit bei gleicher Geschwindigkeit als die oben erwähnten Systeme zur kartesischen Regelung. Ein weiterer Vorteil des gegenständlichen Systems gegenüber den oben erwähnten Systemen zur kartesischen Regelung ist die Tatsache, dass die Dynamik des Manipulators im Regelsatz des Fuzzy-Controllers nicht berücksichtigt zu werden braucht.

   Abgesehen von den erwähnten Vorteilen gegenüber Regelungssystemen kann das gegenständliche Steuerungsverfahren zur Berechnung der inversen Kinematik zum Beispiel in der Robotersimulation eingesetzt werden, da das gegenständliche System keine Rückkopplung von der am Manipulator gemessenen Position und Orientierung des End-Effektors oder von den am Manipulator gemessenen Winkelstellungen der Achsantriebe voraussetzt. 



   Durch den erfindungsgemässen Fuzzy-Bahngenerator werden Systeme der eingangs beschriebenen Art dadurch verbessert, dass der Fuzzy-Bahngenerator die   Handhabungs-und   Positioniereinrichtung, insbesondere einen Industrieroboter, sensorfrei und somit ohne Rückmeldung der Ist-Position der Achsen an den Fuzzy-Bahngenerator steuert. 



   Es ist dabei notwendig, dass der Ausgang des Integrators, der zugleich den Ausgang des FuzzyBahngenerators bildet, mit dem Eingang des Kinematik-Moduls, dessen Ausgang über ein differenzbildendes Element mit den Werten der kartesischen Zielposition und Zielorientierung verknüpft wird und an den Eingang des Fuzzy-Controllers herangeführt wird, verbunden ist. 



   Ebenso ist es vorteilhaft, dass der Ausgang des Integrators an den Eingang des Fuzzy-Controllers herangeführt wird, um die Nichtlinearität der inversen Kinematik von Manipulatoren mit rotatorischen Achsen zu kompensieren. 



   Besonders geeignet zur Erreichung einer höheren dynamischen Genauigkeit und Bahntreue ist es, dass für jede an den Eingang des Bahngenerators angelegte kartesische Zielposition und Zielorientierung in mehreren iterativen Berechnungsdurchläufen die entsprechenden Winkeistellungen der Achsantriebe auf eine beliebige vorgegebene Genauigkeit ermittelt werden. 



   In den Zeichnungen wird die Erfindung anhand von beispielsweisen Ausführungsformen erläutert und zwar zeigen :
Fig. 1 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Blockschaltbild,
Fig. 2 Ein Ausführungsbeispiel des Fuzzy-Bahngenerators für einen Manipulator bestehend aus zwei rotatorischen Achsen und
Fig. 3 Das Modell des dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zugrundegelegten Manipula- tors. 



   Das Kernstück der Erfindung besteht aus dem Fuzzy-Bahngenerator   1,   bestehend aus den folgenden in einer geschlossenen Schleife angeordneten Einheiten : Fuzzy-Controller-Einheit 2, Kinematik-Modul 3.   differenzbildendes   Element 4 und Integrator 5. 



   Die aktuellen, berechneten Winkelwert   Q5011   für die Achsantriebe 9-11 werden an den Eingang des Kinematik-Moduls 3 herangeführt. Am Ausgang des Kinematik-Moduls, in dem das kinematische Modell des Manipulators in Form des Gleichungssystems der direkten Kinematik realisiert ist, liegen die sich aus diesen Winkelwerten eindeutig ergebenden Position und die Orientierung des Manipulatorendeffektors Pberechnet-Die Abweichung von Pberechnet von der am Eingang des Fuzzy-Bahngenerators 1 anliegenden 

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 Abweichung wird in Fig. 1 und Fig. 2 als Ap bezeichnet. Wenn Ap der erforderlichen, vorgegebenen Genauigkeit entspricht, werden die aktuellen, berechneten Winkelwert   50"zur   Weitergabe an die Achsregler 6-8 als Sollwerte freigegeben.

   Aus der Abweichung Ap und den aktuellen, berechneten Winkelwerten ase werden von dem Fuzzy-Controller 2 inkrementelle Korrekturwerte Am generiert, die die Abweichung von Pberechnet von Pz, el verkleinern. Die Korrekturwerte Aa werden durch den Integrator 5 zu den Im vorigen 
 EMI2.2 
 entsteht. 



   Die   Achsregler   6-8 sind Positionsregler, die Vorzugsweise je nach den erforderlichen Taktraten in einem oder mehreren Signalprozessoren implementiert sind. Die Istpositionen der Achsantnebe 9-11 werden durch je einen Winkelgeber 12-14, vorzugsweise optische Inkrement geber, erfasst und nach der Differenzbildung im Summierpunkt 15 in die Achsregler 6-8 rückgekoppelt. Die Regelung der Achsantriebe erfolgt durch an sich bekannte digitale Regelalgorithmen, vorzugsweise PID-Regler mit Geschwindigkeitsvorsteuerung. 



   Durch eine zusätzliche Weiterentwicklung des erfindungsgemässen Steuerungsverfahrens durch die Erweiterung der Regelbasis des Fuzzy-Controllers 2 kann es zur Steuerung kinematisch redundanter Manipulatoren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche 1. Fuzzy-Bahngenerator für Handhabungs-und Positioniereinrichtungen mit beliebig vielen Freiheitsgra- den, insbesondere für einen Industrieroboter mit mehreren rotatorischen Achsen, der einen Fuzzy- Controller, einen Integrator und einen die Gleichungen der derikten Kinematik verarbeitenden Kinema- tikmodul enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuzzy-Bahngenerator die Handhabungs-und Positioniereinrichtung, insbesondere einen Industrieroboter, sensorfrei und somit ohne Rückmeldung der Ist-Position der Achsen an den Fuzzy-Bahngenerator steuert.
2. Fuzzy-Bahngenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Integrators, der zugleich den Ausgang des Fuzzy-Bahngenerators bildet, mit dem Eingang des Kinematik-Moduls, dessen Ausgang über ein differenzbildendes Element mit den Werten der kartesischen Zielposition und Zielorientierung verknüpft wird und an den Eingang des Fuzzy-Controllers herangeführt wird, verbunden ist.
3. Fuzzy-Bahngenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Integrators an den Eingang des Fuzzy-Controllers herangeführt wird.
4. Fuzzy-Bahngenerator zum Betrieb eines Steuerungssystems nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jede an den Eingang des Bahngenerators angelegte kartesische Zielposition und Zielonentierung in mehreren iterativen Berechnungsdurchläufen die entsprechenden Winkelstellun- gen der Achsantriebe auf eine beliebige vorgegebene Genauigkeit ermittelt werden.