DD229642A1 - PROCESS AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR POWER TRACK COUPLING PREFERABLY FOR INDUSTRIAL OBJECTORS - Google Patents
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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. FigurThe invention relates to a method and a circuit arrangement for force feedback for an industrial robot with electric drives. According to the invention, for each drive, the maximum engine torque is adjustable via a control gear, and the evaluation of the equality between the actual engine torque and the set maximum torque results in the formation of a force / torque sensor signal. With the inventive solution, it is possible without additional funds for special sensor designs, only using the available in industrial robots electric drives, the industrial robot with simple tactile Sensorfaehigkeiten ausuruesten and perform work under a defined force. figure
Description
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.The invention relates to a method and a circuit arrangement for force feedback, which in particular belongs to the equipment of industrial robots mittaktilen sensory capabilities. Furthermore, the invention can advantageously be used for electrical drives manufacturing automation in which sensor signals are required in response to a controlled drive torque z. B. automatic detection of a stop.
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.For second-generation industrial robots, equipment with sensory capabilities is a major focus. The development and use of tactile sensors play an important role in the realization of assembly tasks. Similar to the sense of touch of humans, these sensors enable the determination of forces and, in interaction with the drives of the industrial robot, the defined effect of forces or moments on the parts to be handled.
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.The solutions known in the prior art can essentially be divided into two groups. In one group, the forces or moments that occur on the gripper of the industrial robot are determined via a special, generally multi-dimensional, force / moment sensor, which is arranged in the vicinity of the gripper. Example of this is the computer-controlled manipulator according to 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.However, a commercial implementation of such sensors requires a very high technical and economic effort, which can not be borne for many applications with limited accuracy requirements.
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.A second group of known solutions therefore used to determine the forces or moments in industrial robots with DC motor drives, the determination of the individual drive torques on the measurement of the setpoint or actual value of the armature current of the drive motors and their control engineering inclusion in the control algorithms for the motion control of the industrial robot.
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.Thus, DE OS 2656433 describes a method and an arrangement for controlling manipulators and industrial robots, in which the measured SteHmomente the individual drives are used control technology to compensate for moments of inertia and load masses.
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.According to DE OS 3038436 a method for controlling a positioning circuit for manipulators has become known that the determination of the drive torque by measuring the motor current used to superimpose the positioning of the characteristic of a spring constant. This allows the manipulator to perform work using force. Both solutions have the disadvantage that additional means for the stabilization of the measured value must be provided for the measurement of the setpoint or actual value of the motor current, since due to the properties of the system position controller drive gripper guide transmission, the setting moments are briefly subject to strong fluctuations.
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.Although the known solutions allow the measurement of forces or moments and a defined force, but give no indication of the formation of sensor signals that are activated after reaching a certain force or moment.
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.The object of the invention is, while avoiding the disadvantages of the known solutions with economically favorable means to enable a force-controlled sensor guidance for an industrial robot.
-3- 708 02-3- 708 02
— Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird- The technical problem which is solved by the invention
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.The invention has for its object to develop a method and a circuit arrangement for force feedback for an industrial robot, which ensure the formation of an axle-related sensor signal for the force and torque detection. With the help of the sensor signal, the realization of a tactile sensor should be made possible without the expense of a special sensor structure. The application for industrial robots with DC motor drives as well as with stepper motor drives should be possible.
— Merkmale der ErfindungFeatures of the invention
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:The features of the method according to the invention are that for each drive, the maximum motor torque is adjustable via a control variable and the formation of a force or torque sensor signal for each drive by evaluating the equality between actual motor torque and set maximum torque occurs. According to the invention, the circuitry required for implementing the method has the following features:
• Das Stellmoment für jeden Antrieb ist über einen ersten Eingang eines Momentenbegrenzers an den Antrieb geführt.• The actuating torque for each drive is fed to the drive via a first input of a torque limiter.
Ein zweiter Eingang des Momentenbegrenzers ist zur Einstellung des Maximalmomentes mit einem Steuersignal beaufschlagt. A second input of the torque limiter is acted upon to set the maximum torque with a control signal.
• Das Steuersignal ist an einem ersten Eingang eines Komparators geführt.• The control signal is routed to a first input of a comparator.
Ein zweiter Eingang des Komparators ist mit dem Ausgang des Momentenbegrenzers verbunden. A second input of the comparator is connected to the output of the torque limiter.
Das Ausgangssignal des Komparators bildet das Sensorsignal für die Kraft- bzw. Momentenerkennung des jeweiligen Antriebes. The output signal of the comparator forms the sensor signal for the force or torque detection of the respective drive.
Für den Einsatz von Gleichstrommotoren ist der Momentenbegrenzer vorteilhafterweise als Begrenzer für die Phasenströme der Feldwicklungen ausgebildet.For the use of DC motors, the torque limiter is advantageously designed as a limiter for the phase currents of the field windings.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung bestehen Momentenbegrenzer und Komparator aus digitalen kombinatorischen und/oder sequentiellen Schaltwerken.In an expedient embodiment, torque limiters and comparators consist of digital combinatorial and / or sequential switching mechanisms.
Vorteilhaft ist es auch sowohl den Momentenbegrenzer als auch den Komparator über einen Mikrorechner durch programmtechnische Mittel zu realisieren.It is also advantageous to implement both the torque limiter and the comparator via a microcomputer by program-technical means.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sollen nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Eine dazugehörige Zeichnung stellt die Schaltungsanordnung als BlockschaltbildThe inventive method and the circuit arrangement for carrying out the method will be explained below using an exemplary embodiment. An accompanying drawing represents the circuit arrangement as a block diagram
Es werden folgende Signalbezeichnungen verwendet:The following signal designations are used:
Msteu. — über den Positionierregelkreis ermitteltes Stellmoment für den betrachteten Antrieb I^MAx — Steuersignal für die Einstellung des MaximalmomentesMsteu. - Positioning torque determined by the positioning control loop for the considered drive I ^ MAx - Control signal for setting the maximum torque
S — Sensorsignal, daß bei Erfüllung der Bedingung MSTELL = ΜΜΑχ aktiviert wird.S - sensor signal that is activated when the condition M STELL = Μ ΜΑ χ is satisfied .
Für die Realisierung eines taktilen Sensors mittels der erfindungsgemäßen Lösung bilden folgende Überlegungen die Voraussetzung.For the realization of a tactile sensor by means of the solution according to the invention, the following considerations form the prerequisite.
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.In a multiaxial industrial robot, one or more axes in their direction of motion coincide with sufficiently small angles of rotation or, respectively, with the required directions of action of tactile sensors. This makes it possible, starting from the knowledge of the actuating torque of a selected drive and taking into account the geometric dimensions of the gripper guide transmission to realize direct relationships to a force effect in a related to the environment of the industrial robot sensor coordinate system.
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.The solution according to the invention applies the above-mentioned facts. Using the example of a tactile sensor for a vertical movement directed downwards by the industrial robot, the solution according to the invention should be clarified.
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 MMAX reduziert. Während der Fügebewegung erfolgt über den Komparator eine ständige Kontrolle, ob das tatsächliche Stellmoment den Wert MMAX 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.The downward movement is to be realized substantially by an axis, so that the direction of movement of this axis also corresponds at the same time a vertically downward force effect. About the torque limiter 1 for the axis mainly involved in the movement, the maximum torque is reduced according to the required threshold of the tactile sensor with M MAX . During the joining movement, a constant check is made via the comparator as to whether the actual actuating torque has reached the value M MAX . If this is the case, the joining movement can be aborted via the sensor signal S or changed to another, according to the user program of the industrial robot.
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.Of course, the prerequisite for the function of such a tactile sensor is that the actuating torque required for the movement to be monitored is in any case below the response torque for the sensor. This requirement can usually be regarded as fulfilled, since sensor-monitored movements during assembly and joining operations for reasons of high precision and uniformity of movement, because of low movement speed require only low drive torque.
Wenn das Stellmoment das eingestellte Maximalmoment erreicht, wird durch die Begrenzungswirkung, unabhängig von einer weiteren reglungstechnischen Aufschaltung des Stellmomentes von MSTELL > MMAX 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 MotorenIf the setting torque reaches the set maximum torque, the sensor signal S is kept stable by the limiting effect, independent of a further control-technical connection of the setting torque of M STELL > M MAX . This signal can therefore be replaced by z. B. a computer can be easily evaluated. The realization of the torque limiter 1 is carried out for electric drives 2 with DC motors by a current limitation of the armature current. According to the known relationship applies to these engines
MA~U (DM A ~ U (D
Für den Einsatz bei Schrittmotoren kann gleichfalls eine Strombegrenzung vorgenommen werden, da entsprechend der GrundgleichungFor use with stepper motors can also be made a current limiting, as in accordance with the basic equation
MA~ lw· sin/3 (2)M A ~ l w · sin / 3 (2)
das Antriebsmoment bei maximalem Lastwinkel (ß = 90°) durch den Wicklungsstrom lw begrenzt wird.the drive torque at maximum load angle (ß = 90 °) is limited by the winding current l w .
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.With the solution according to the invention, it is possible to equip the industrial robot with simple tactile sensor capabilities and perform work under defined force without additional funds for sensor designs, only using the existing electric robots in industrial robots.
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| DD229642B1 DD229642B1 (en) | 1988-06-22 |
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| DD (1) | DD229642B1 (en) |
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-
1984
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| EP2388111A3 (en) * | 2010-04-19 | 2013-05-22 | KUKA Laboratories GmbH | Robot and method for operating a robot |
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