DD229642A1

DD229642A1 - Verfahren u. schaltungsanordnung zur kraftrueckkopplung vorzugsweise fuer industrieroboter

Info

Publication number: DD229642A1
Application number: DD27080284A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Langmann
Original assignee: Robotron Rationalisierung
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-11-13
Also published as: DD229642B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Kraftrueckkopplung fuer einen Industrieroboter mit elektrischen Antrieben. Erfindungsgemaess ist fuer jeden Antrieb das maximale Motorstellmoment ueber eine Steuergroesse einstellbar und durch Auswertung der Gleichheit zwischen tatsaechlichem Motorstellmoment und eingestelltem Maximalmoment erfolgt die Bildung eines Kraft-/Momentensensorsignals. Mit der erfindungsgemaessen Loesung ist es moeglich ohne zusaetzliche Mittel fuer spezielle Sensorkonstruktionen, nur unter Nutzung der bei Industrierobotern vorhandenen elektrischen Antriebe, den Industrieroboter mit einfachen taktilen Sensorfaehigkeiten auszuruesten und Arbeiten unter definierter Krafteinwirkung durchzufuehren. Figur

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Kraftrückkopplung, die insbesondere zur Ausrüstung von Industrierobotern mittaktilen sensorischen Fähigkeiten gehört. Weiterhin kann die Erfindung vorteilhafterweise für elektrische Antriebe der Fertigungsautomatisierung zur Anwendung kommen, bei denen Sensorsignale in Abhängigkeit von einem gesteuerten Antriebsmoment benötigt werden z. B. automatisches Erkennen eines Anschlages.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für Industrieroboter der zweiten Generation ist die Ausrüstung mit sensorischen Fähigkeiten ein wesentlicher Schwerpunkt. Dabei spielen für die Realisierung von Montageaufgaben die Entwicklung und der Einsatz taktiler Sensoren eine wichtige Rolle. Diese Sensoren ermöglichen ähnlich dem Tastsinn des Menschen die Ermittlung von Kräften und in Zusammenwirken mit den Antrieben des Industrieroboters das definierte Einwirken von Kräften bzw. Momenten auf die zu handhabenden Teilen.

Die im Stand der Technik dazu bekannten Lösungen lassen sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen. In der einen Gruppe werden die auftretenden Kräfte bzw. Momente, die am Greifer des Industrieroboters auftreten, über einen speziellen, in der Regel mehrdimensionalen, Kraft/Momentensensor ermittelt, der in der Nähe des Greifers angeordnet ist. Beispiel dazu ist der rechnergesteuerte Manipulator nach DE OS 2754436.

Eine kommerzielle Realisierung solcher Sensoren erfordert jedoch einen sehr hohen technisch-ökonomischen Aufwand, der für viele Einsatzfälle mit eingeschränkten Genauigkeitsanforderungen nicht getragen werden kann.

Eine zweite Gruppe bekannter Lösungen verwendet deshalb zur Ermittlung der Kräfte bzw. Momente bei Industrierobotern mit Gleichstrommotorantrieben die Ermittlung der einzelnen Antriebsmomente über die Messung des Soll- oder Ist-Wertes des Ankerstromes der Antriebsmotoren und deren regelungstechnische Einbeziehung in die Steueralgorithmen für die Bewegungssteuerung des Industrieroboters.

So beschreibt die DE OS 2656433 ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung von Manipulatoren und industriellen Robotern, bei der die gemessenen SteHmomente der einzelnen Antriebe steuerungstechnisch zur Kompensation von Trägheitsmomenten und Lastmassen eingesetzt werden.

Nach der DE OS 3038436 ist ein Verfahren zur Regelung eines Positionierkreises für Manipulatoren bekannt geworden, daß die Ermittlung des Antriebsmomentes durch Messung des Motorstromes dazu verwendet, um dem Positionierkreis die Charakteristik einer Federkonstante zu überlagern. Damit kann der Manipulator Arbeiten unter Kraftanwendung ausführen. Beide Lösungen besitzen den Nachteil, daß für die Messung des Soll- bzw. Ist-Wertes des Motorstromes zusätzliche Mittel für die Stabilisierung des Meßwertes vorgesehen werden müssen, da aufgrund der Eigenschaften des Systems Lageregler-Antrieb-Greiferführungsgetriebe die Stellmomente kurzzeitig starken Schwankungen unterliegen.

Die bekannten Lösungen gestatten zwar das Messen von Kräften bzw. Momenten und eine definierte Krafteinwirkung, geben aber keinen Hinweis auf die Bildung von Sensorsignalen, die nach Erreichen einer bestimmten Kraft bzw. eines Momentes aktiviert werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen mit ökonomisch günstigen Mitteln eine kraftgesteuerte Sensorführung für einen Industrieroboter zu ermöglichen.

-3- 708 02

Darlegung des Wesens der Erfindung

— Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Kraftrückkopplung für einen Industrieroboter zu entwickeln, die die Bildung eines achsbezogenen Sensorsignals für die Kraft- bzw. Momentenerkennung gewährleisten. Mit Hilfe des Sensorsignals soll die Realisierung eines taktilen Sensors ohne den Aufwand für einen speziellen Sensor-Aufbau ermöglicht werden. Die Anwendung für Industrieroboter mit Gleichstrommotorantrieben als auch mit Schrittmotorantrieben soll möglich sein.

— Merkmale der Erfindung

Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß für jeden Antrieb das maximale Motorstellmoment über eine Steuergröße einstellbar ist und die Bildung eines Kraft- bzw. Momentensensorsignals für jeden Antrieb durch Auswertung der Gleichheit zwischen tatsächlichem Motorstellmoment und eingestelltem Maximalmoment erfolgt. Erfindungsgemäß besitzt die für die Realisierung des Verfahrens erforderliche Schaltungsanordnung folgende Merkmale:

• Das Stellmoment für jeden Antrieb ist über einen ersten Eingang eines Momentenbegrenzers an den Antrieb geführt.

Ein zweiter Eingang des Momentenbegrenzers ist zur Einstellung des Maximalmomentes mit einem Steuersignal beaufschlagt.

• Das Steuersignal ist an einem ersten Eingang eines Komparators geführt.

Ein zweiter Eingang des Komparators ist mit dem Ausgang des Momentenbegrenzers verbunden.

Das Ausgangssignal des Komparators bildet das Sensorsignal für die Kraft- bzw. Momentenerkennung des jeweiligen Antriebes.

Für den Einsatz von Gleichstrommotoren ist der Momentenbegrenzer vorteilhafterweise als Begrenzer für die Phasenströme der Feldwicklungen ausgebildet.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung bestehen Momentenbegrenzer und Komparator aus digitalen kombinatorischen und/oder sequentiellen Schaltwerken.

Vorteilhaft ist es auch sowohl den Momentenbegrenzer als auch den Komparator über einen Mikrorechner durch programmtechnische Mittel zu realisieren.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sollen nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Eine dazugehörige Zeichnung stellt die Schaltungsanordnung als Blockschaltbild

Es werden folgende Signalbezeichnungen verwendet:

Msteu. — über den Positionierregelkreis ermitteltes Stellmoment für den betrachteten Antrieb I^MAx — Steuersignal für die Einstellung des Maximalmomentes

S — Sensorsignal, daß bei Erfüllung der Bedingung M_STELL = Μ_ΜΑχ aktiviert wird.

Für die Realisierung eines taktilen Sensors mittels der erfindungsgemäßen Lösung bilden folgende Überlegungen die Voraussetzung.

Bei einem mehrachsigen Industrieroboter stimmen ein oder mehrere Achsen in ihrer Bewegungsrichtung bei hinreichend kleinen Drehwinkeln bzw. -wegen mit den erforderlichen Wirkrichtungen taktiler Sensoren überein. Damit ist es möglich, ausgehend von der Kenntnis des Stellmomentes eines ausgewählten Antriebes und unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Greiferführungsgetriebes direkte Beziehungen zu einer Kraftwirkung in einem auf die Umwelt des Industrieroboters bezogenen Sensorkoordinatensystem zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Lösung wendet den oben genannten Sachverhalt an. Am Beispiel eines taktilen Sensors für eine durch den Industrieroboter senkrecht nach unten gerichtete Fügebewegung soll die erfindungsgemäße Lösung verdeutlicht werden.

Die Bewegung nach unten soll im wesentlichen durch eine Achse realisiert werden, so daß der Bewegungsrichtung dieser Achse auch gleichzeitig eine senkrecht nach unten gerichtete Kraftwirkung entspricht. Über den Momentenbegrenzer 1 für die an der Bewegung hauptsächlich beteiligten Achse wird das Maximalmoment entsprechend der erforderlichen Ansprechschwelle des taktilen Sensors mit M_MAX reduziert. Während der Fügebewegung erfolgt über den Komparator eine ständige Kontrolle, ob das tatsächliche Stellmoment den Wert M_MAX erreicht hat. Ist dies der Fall, kann über das Sensorsignal S die Fügebewegung abgebrochen werden bzw. in eine andere, gemäß des Anwenderprogrammes des Industrieroboters geändert werden.

Voraussetzung für die Funktion eines solchen taktilen Sensors ist natürlich' daß das für die zu überwachende Bewegung notwendige Stellmoment in jedem Fall unter dem Ansprechmoment für den Sensor liegt. Diese Forderung kann in der Regel als erfüllt betrachtet werden, da sensorüberwachte Bewegungen bei Montage- und Fügeoperationen aus Gründen der hohen Präzision und Gleichmäßigkeit der Bewegung, wegen dar geringen Bewegungsgeschwindigkeit nur geringe Antriebsmomente benötigen.

Wenn das Stellmoment das eingestellte Maximalmoment erreicht, wird durch die Begrenzungswirkung, unabhängig von einer weiteren reglungstechnischen Aufschaltung des Stellmomentes von M_STELL > M_MAX das Sensorsignal S stabil gehalten. Dieses Signal kann deshalb durch z. B. einen Rechner einfach ausgewertet werden. Die Realisierung des Momentenbegrenzers 1 erfolgt für elektrische Antriebe 2 mit Gleichstrommotoren durch eine Strombegrenzung des Ankerstromes. Gemäß der bekannten Beziehung gilt für diese Motoren

M_A~U (D

Für den Einsatz bei Schrittmotoren kann gleichfalls eine Strombegrenzung vorgenommen werden, da entsprechend der Grundgleichung

M_A~ l_w· sin/3 (2)

das Antriebsmoment bei maximalem Lastwinkel (ß = 90°) durch den Wicklungsstrom l_w begrenzt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, ohne zusätzliche Mittel für Sensorkonstruktionen, nur unter Nutzung der bei Industrieroboter vorhandenen elektrischen Antriebe, den Industrieroboter mit einfachen taktilen Sensorfähigkeiten auszurüsten und Arbeiten unter definierter Krafteinwirkung durchzuführen.

Claims

- 2 - /UU VZ

Erfindungsanspruch: '

1. Verfahren zur Kraftrückkopplung vorzugsweise für Industrieroboter mit elektrischen Antrieben, bei dem das Motorstellmoment der einzelnen Antriebe zur Kraft- bzw. Momentenrückmeldung verwendet wird, gekennzeichnet dadurch, daß für jeden elektrischen Antrieb (2) das maximale Motorstellmoment (M_STELL) über eine Steuergröße einstellbar ist und 'die Bildung eines Kraft- bzw. Momentensensorsignals (S) für jeden elektrischen Antrieb (2) durch Auswertung der Gleichheit zwischen tatsächlichem Motorstellmoment (M_STELL) und eingestelltem Maximalmoment (M_Max) erfolgt.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Stellmoment (M_STELL) für jeden Antrieb über einen ersten Eingang eines Momentenbegrenzers (1) an den elektrischen Antrieb (2) geführt ist, ein zweiter Eingang des Momentenbegrenzers (1) zur Einstellung des Maximalmomentes mit einem Steuersignal (M_MAX) beaufschlagt ist, daß gleichzeitig an einen ersten Eingang eines Komparators (3) geführt ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Momentenbegrenzers (1) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Komparators ein Kraft-/ Momentensensorsignal (S) für den Antrieb bildet.
3. Schaltungsanordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß für den Einsatz von Gleichstrommotoren der Momentenbegrenzer (1) als Begrenzer für den Ankerstrom ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß für den Einsatz von Schrittmotoren der Momentenbegrenzer (1) als Begrenzer für die Phasenströme der Feldwicklungen ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Punkt 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß Momentenbegrenzer (1) und Komparator (3) aus digitalen kombinatorischen und/oder sequentiellen Schaltwerken aufgebaut sind.
6. Schaltungsanordnung nach Punkt 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß Momentenbegrenzer (1) und Komparator (3) innerhalb eines Mikrorechners durch programmtechnische Mittel realisiert sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnung