DE102010015406A1

DE102010015406A1 - Roboter und Verfahren zum Betreiben eines Roboters

Info

Publication number: DE102010015406A1
Application number: DE102010015406A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wecker; Hartmunt Keyl; Marc-Walter Ueberle
Original assignee: KUKA Laboratories GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboter (1) der wenigstens ein Glied (6–9) aufweist, das gesteuert von einer Steuervorrichtung (19) des Roboters (R) mittels eines elektrischen Antriebs (E) bewegbar ist. Der elektrische Antrieb (E) umfasst einen zumindest indirekt mit dem Glied (6–9) mechanisch gekoppelten Elektromotor (11–14) und eine von der Steuervorrichtung (19) ansteuerbare Leistungselektronik mit einer den Elektromotor (11–14) ansteuernden, schaltenden Ansteuerelektronik (15–18) und einem die Ansteuerelektronik (15–18) mit einer elektrischen Gleichspannung (V) versorgenden Zwischenkreis (20). Die Steuervorrichtung (19) ist eingerichtet, den Spannungswert der Gleichspannung (V) aufgrund einer von der Steuervorrichtung (19) vorgegebenen applikationsspezifischen Bewegung des Glieds (6–9) des Roboters (R) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters.
Ein Beispiel eines Roboters ist ein Industrieroboter. Diese sind Handhabungsmaschinen, die zur selbsttätigen Handhabung von Objekten mit zweckdienlichen Werkzeugen ausgerüstet und in mehreren Bewegungsachsen insbesondere hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen im Wesentlichen einen Roboterarm mit mehreren Achsen und Hebeln auf, die von elektrischen Antrieben bewegt werden. Die elektrischen Antriebe umfassen z. B. einen Synchronmotor, insbesondere einen permanent erregten Synchronmotor, der von einem Umrichter angesteuert wird. Der Umrichter ist normalerweise mit einem Zwischenkreis verbunden, der die für den Umrichter benötigte Gleichspannung bereit stellt. Im Betrieb des Industrieroboters erzeugen die Umrichter elektrische Verluste.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters, insbesondere eines Industrieroboters, anzugeben, sodass die von der Leistungselektronik erzeugten Verluste kleiner sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters, der wenigstens ein Glied, das gesteuert von einer Steuervorrichtung des Roboters mittels eines elektrischen Antriebs bewegbar ist, und der elektrische Antrieb einen zumindest indirekt mit dem Glied mechanisch gekoppelten Elektromotor und ein den Elektromotor ansteuerndes Stellglied, das von einem Zwischenkreis mit einer elektrischen Gleichspannung versorgt wird, aufweist, aufweisend Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung des Zwischenkreises aufgrund einer applikationsspezifischen Bewegung des Glieds des Roboters.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Roboter, aufweisend wenigstens ein Glied, das gesteuert von einer Steuervorrichtung des Roboters mittels eines elektrischen Antriebs bewegbar ist, und der elektrische Antrieb einen zumindest indirekt mit dem Glied mechanisch gekoppelten Elektromotor und ein den Elektromotor ansteuerndes Stellglied, das von einem Zwischenkreis mit einer elektrischen Gleichspannung versorgt wird, aufweist, und die Steuervorrichtung eingerichtet ist, den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren einzustellen.
Der erfindungsgemäße Roboter, der insbesondere als ein Industrieroboter und vorzugweise als ein Leichtbauroboter ausgeführt ist, weist demnach wenigstes ein Glied auf, das mittels eines elektrischen Antriebs bewegt wird. Der elektrische Antrieb umfasst den Elektromotor, der vorzugsweise als ein Wechselstrommotor ausgeführt sein kann, und das den Elektromotor antreibende Stellglied, das Teil der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs ist. Mögliche Wechselstrommotoren sind z. B. Drehstrommotoren, vorzugsweise Synchronmotoren, vorzugsweise permanent erregte Synchronmotoren. Es kann aber auch ein Gleichstrommotor verwendet werden.
Das Stellglied bzw. die Leistungselektronik ist vorzugsweise im Falle des Wechselstrommotors als ein Umrichter bzw. als ein Wechselrichter ausgeführt, der aus der Gleichspannung des Zwischenkreises die zum Antreiben des Wechselstrommotors benötigte Wechselspannung, die gegebenenfalls eine dreiphasige Spannung (Drehstrom) ist, erzeugt. Um verschiedene Drehzahlen des Wechselstrommotors zu ermöglichen, kann die Frequenz dieser Wechselspannung bzw. deren Grundfrequenz insbesondere von der Steuervorrichtung variiert werden.
Handelt es sich bei dem Elektromotor um einen Gleichstrommotor, dann ist das Stellglied z. B. als ein pulsweitenmodulierter Gleichstromverstärker ausgeführt.
Insbesondere der Umrichter, der z. B. Leistungshalbleiter, z. B. Transistoren, wie z. B. MOSFETs, aufweist, wird im Betrieb des Roboters erwärmt. Die Verlustleistung des Umrichters ist abhängig von der anliegenden Zwischenkreisspannung, d. h. der Gleichspannung des Zwischenkreises und von dem fließenden elektrischen Strom.
Erfindungsgemäß ist der Roboter bzw. dessen Steuervorrichtung eingerichtet, den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises in Abhängigkeit von der durchzuführenden Bewegung des Roboters, z. B. in Abhängigkeit einer durchgeführten Bahnplanung einzustellen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises basierend auf der Bahnplanung möglichst klein einzustellen, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Verluste des Umrichters, allgemein des Stellglieds des Elektromotors zu reduzieren.
So kann es insbesondere vorgesehen sein, die Zwischenkreisspannung, d. h. die Gleichspannung des Zwischenkreises, auf Grund der Informationen der Bahnplanung entsprechend den Anforderungen in ihrer Höhe einzustellen, oder gar zu regeln. Somit ist es möglich, keine Einschränkungen in der Dynamik des Elektromotors in Kauf zu nehmen. So kann es vorgesehen sein, in Zeiten, in denen keine hohen Motordrehzahlen erforderlich sind, die Zwischenkreisspannung abzusenken, um so die Verlustleistung des Umrichters, allgemein des Stellglieds, zu minimieren oder zumindest zu reduzieren.
Um z. B. den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises variabel zu gestalten, kann die Leistungselektronik des elektrischen Antriebs bzw. das Stellglied einen dem Umrichter vorgeschalteten und durch die Steuervorrichtung steuerbaren Gleichspannungswandler aufweisen, der insbesondere aus einer gleichgerichteten Gleichspannung die einstellbare Gleichspannung des Zwischenkreises erzeugt. Gleichspannungswandler, die auch als DC/DC Wandler bezeichnet werden, sind vom Prinzip dem Fachmann bekannt und sind vorgesehen, eine variable Gleichspannung zu erzeugen. Ein solcher Gleichspannungswandler kann den Zwischenkreis umfassen, an dem dann die variable Gleichspannung ansteht. Gleichspannungswandler können z. B. als Tiefsetzsteller bzw. Abwärtswandler, Step-down- oder Buck-Converter ausgeführt sein, um z. B. aus einer gleichgerichteten Netzspannung die benötigte Gleichspannung mit dem gewünschten Spannungswert zu erzeugen.
Es ist auch möglich, einen gesteuerten Netzgleichrichter zum Erzeugen der variablen Gleichspannung vorzusehen.
Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Roboters ist dieser ein Industrieroboter, aufweisend einen Roboterarm mit dem Glied und weiteren, nacheinander folgenden, mittels Gelenken verbundenen Gliedern, und mit den weiteren Gliedern zumindest indirekt mechanisch gekoppelte weiteren Elektromotoren, die jeweils von weiteren Stellgliedern bzw. Leistungselektroniken angesteuert werden. Die weiteren Elektromotoren sind z. B. Gleichstrommotoren oder vorzugsweise Wechselstrommotoren. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis ebenfalls die weiteren Stellglieder mit der den einstellbaren Spannungswert aufweisenden elektrischen Gleichspannung versorgt. Somit ist es möglich, dass sich die elektrischen Antriebe zumindest einen Teil ihrer Leistungselektroniken teilen.
Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Roboters sind das Stellglied und die weiteren Stellgleider am entsprechenden Elektromotor oder zumindest in der Nähe des entsprechenden Elektromotors im oder am Roboterarm befestigt und der Zwischenkreis ist insbesondere in einem vom Roboterarm entfernt angeordneten Gehäuse angeordnet.
Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses folgende Verfahrensschritte auf:

– Durchführen einer Bahnplanung mittels der Steuervorrichtung des Roboters, um eine Bewegung des Roboters zu planen, und
– Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung des Zwischenkreises aufgrund der von der Steuervorrichtung durchgeführten Bahnplanung.

Um den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises einzustellen, kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, aufgrund der Bahnplanung einen maximal benötigten Spannungswert der Gleichspannung zu berechnen und vor der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises auf den maximal benötigten Spannungswert einzustellen. Somit wird sicher gestellt, dass für die gesamte geplante Bewegung stets ein ausreichend großer Spannungswert für die Gleichspannung zur Verfügung steht. Der maximale Spannungswert der Gleichspannung ist insbesondere der höchsten Geschwindigkeitsanforderung der der Bahnplanung zugrunde gelegten Bewegung des Roboters zugeordnet. Teilen sich mehrere Umrichter bzw. Stellglieder den Zwischenkreis, d. h. speist der Zwischenkreis mehrere Umrichter bzw. Stellglieder mit der Gleichspannung, dann erfolgt vorzugsweise die Beschränkung dieser Gleichspannung auf dem Elektromotor mit der höchsten Spannungsanforderung bzw. basierend auf der Achse bzw. dem Glied mit der höchsten Geschwindigkeitsanforderung.
Die Steuervorrichtung kann auch eingerichtet sein, für die der Bahnplanung zugrunde gelegten Bewegung des Roboters entsprechende Spannungswerte für die Gleichspannung des Zwischenkreises zu berechnen und während der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises entsprechend einzustellen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es gegebenenfalls vorgesehen, den Spannungswert der Gleichspannung während der Bewegung des Roboters in Abhängigkeit von der Bahnplanung zu ändern, insbesondere zu regeln. Je nach Applikation kann somit die Gleichspannung des Zwischenkreises zur Laufzeit der Bewegung des Roboters variiert werden. Bei geplanten Bewegungen, bei denen z. B. die Achswinkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit bekannt sind, kann damit auch die Abhängigkeit der notwendigen Zwischenkreisspannung von der Zeit ermittelt und damit auch vorgesteuert werden.
Die Steuervorrichtung kann auch eingerichtet sein, den Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises vor der Bewegung aufgrund einer maximal zulässigen Geschwindigkeit der der Bewegung zugeordneten Applikation auf einen Maximalwert einzustellen. Gemäß dieser Ausführungsform wird demnach vor Beginn der Applikation der Spannungswert der Gleichspannung des Zwischenkreises auf die maximale Spannung basierend auf der während der Applikation zulässigen maximalen Geschwindigkeit limitiert. Diese Maximalgeschwindigkeit kann für unterschiedliche Arbeitsschritte innerhalb des applikationsspezifischen Workflows auf unterschiedliche Werte festgelegt werden. Dieser Maximalwert wird während der Bewegung nicht überschritten. Somit wird sicher gestellt, dass das vom Elektromotor bewegte Glied bzw. die von den Elektromotoren bewegten Glieder die maximale Geschwindigkeit nicht überschreiten können. Hiermit sind auch Drehzahlbegrenzungen der insbesondere als Wechselstrommotoren ausgeführten Elektromotoren möglich, wodurch die Sicherheit bei einem Fehlerfall erhöht wird.
Es ist auch eine Zusammenfassung der verschiedenen zuvor aufgeführten Varianten möglich.
Der elektrische Antrieb und gegebenenfalls die weiteren elektrischen Antriebe sind vorzugsweise geregelte elektrische Antriebe, die jeweils eine das relevante Stellglied ansteuernde Regelvorrichtung umfassen, deren Führungsgrößen dem zum Bewegen des entsprechenden Elektromotors vorgesehenen elektrischen Strom zugeordnet sind, die Stellglieder jeweils eine elektrische Spannung zum Antreiben ihres Elektromotors erzeugen und die Stellgrößen der Regelvorrichtungen diesen elektrischen Spannungen zugeordnet sind. Dann kann es nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, die Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen jeweiliges roboterapplikationsspezifisch dynamisch zu begrenzen. Dadurch ist es z. B. möglich, dass die Gleichspannung des Zwischenkreises auf einen Wert eingestellt wird, der der höchsten Geschwindigkeitsanforderung des Roboterarms entspricht. Individuelle, geringere Geschwindigkeitsanforderungen der einzelnen Glieder werden mittels der eingestellten Stellgrößen der entsprechenden Regelvorrichtungen realisiert.
Das roboterapplikationsspezifische dynamische Begrenzen der Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen kann beispielsweise einer erforderlichen Geschwindigkeit eines Tool Center Points des Roboters für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters, einer aktuellen Pose des Roboters, einer Sicherheitsanforderung für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters, einem Abstand zu einer kritischen externen Struktur, der insbesondere messtechnisch ermittelt wird, und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters, und/oder einem Lastparameter eines am Roboter befestigten Instruments zugeordnet sein.
Die geregelten elektrischen Antriebe können jeweils eine innere und eine äußere Regelschleife umfassen. Dann sind die jeweiligen Regelvorrichtungen vorzugsweise Teil der inneren Regelschleifen.
Es kann gegebenenfalls vorgesehen sein, die Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen während der Bewegung des Roboters in Abhängigkeit von der Bahnplanung zu ändern, insbesondere zu regeln. Je nach Applikation können somit gegebenenfalls die maximal erlaubten Werte der Spannungen für die entsprechenden Elektromotoren zur Laufzeit der Bewegung des Roboters variiert werden. Bei geplanten Bewegungen, bei denen z. B. die Achswinkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit bekannt sind, kann damit auch die Abhängigkeit der maximal notwendigen elektrischen Spannung von der Zeit ermittelt und damit auch vorgesteuert werden.
Nach einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses ein Bestimmen von aufgrund der Bahnplanung maximal benötigten Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen aufweisen, die insbesondere der höchsten Geschwindigkeitsanforderung der der Bahnplanung zugrunde gelegten Bewegung des mit dem elektrischen Antrieb bewegten Gliedes zugeordnet ist, und ein Begrenzen der Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen auf die jeweils maximal benötigten Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen vor der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters erfolgen.
Im Rahmen dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Berechnen für die Bahnplanung entsprechender Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen und während der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters oder des mit dem elektrischen Antrieb bewegten Gliedes und entsprechend ein Begrenzen der Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen während der Bewegung vorgesehen sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses ein Begrenzen der Werte der Stellgrößen der Regelvorrichtungen auf Maximalwerte aufgrund maximal zulässiger Geschwindigkeiten der Glieder der der Bewegung zugeordneten Applikation vor der Bewegung auf. Gemäß dieser Ausführungsform werden demnach vor Beginn der Applikation die Maximalwerte der Stellgrößen basierend auf der während der Applikation zulässigen maximalen Geschwindigkeiten limitiert. Diese Maximalwerte können für unterschiedliche Arbeitsschritte innerhalb des applikationsspezifischen Workflows auf unterschiedliche Werte festgelegt werden. Diese Maximalwerte werden während der Bewegung nicht überschritten. Somit wird sicher gestellt, dass das vom Elektromotor bewegte Glied bzw. die von den Elektromotoren bewegten Glieder die maximalen Geschwindigkeiten nicht überschreiten können.
Die Begrenzung der Spannungswerte, d. h. für diese Ausführungsform die Begrenzung der Stellgröße der Regelvorrichtungen kann z. B. folgendermaßen realisiert werden:

– Vor Beginn oder auch während einer Applikation, insbesondere einer Operation im Falle eines als medizinischen Roboter ausgeführten Roboters wird die erforderliche Geschwindigkeit und/oder die Sicherheitsanforderung, beispielsweise der Verfahrweg im Fehlerfall, für die Applikation und deren Arbeitsschritte beispielsweise in Form einer Tabelle in sicherer Technik an die Steuervorrichtung, gegebenenfalls an deren Sicherheitssteuerung übermittelt.
– Während der Applikation, gegebenenfalls der Operation werden insbesondere in sicherer Technik die Gelenkwinkel des Roboters erfasst und sowohl das momentan befestigte Instrument z. B. durch instrumentenspezifische Kontaktmatrix oder RFID als auch der Arbeitsschritt im Applikationsworkflow z. B. durch Betätigung von sicheren Zustimmtastern identifiziert. Diese Daten werden insbesondere in sicherer Technik an die Steuervorrichtung, gegebenenfalls deren Sicherheitssteuerung übermittelt.
– Geschwindigkeitsgrenzen für die einzelnen Motoren werden in den Gelenken vorzugsweise auf der Sicherheitssteuerung ermittelt. Diese kann beispielsweise über eine Rechenvorschrift oder über eine zuvor ermittelte Tabelle erfolgen.
– In einer bevorzugten Ausführung kann der Abstand des TCPs zu einer kritischen Struktur messtechnisch erfasst und als Eingangsvariable zur Ermittlung der Geschwindigkeitsbeschränkung auf der Sicherheitssteuerung verwendet.
– Eine sichere Übertragung der Geschwindigkeitsgrenzen kann an die Antriebselektroniken erfolgen.
– Eine nichtsichere Übertragung der Geschwindigkeitsgrenzen kann an eine gegebenenfalls vorhandene übergeordnete Steuerungseinheit erfolgen.

Die Begrenzung der Stellgrößen, die vorzugsweise auf der Sicherheitssteuerung und vorzugsweise in sicherer Technik an die Regelvorrichtung übertragen wird, kann wie folgt erfolgen:
Der Spannungssollwerte der Regelvorrichtungen, d. h. deren Stellgrößen werden überwacht und begrenzt. Diese Beschränkung kann vor oder während der Laufzeit der Applikation getrennt für jede Achse bzw. Glied gesetzt werden. Die aktuellen Spannungsgrenzen können von der übergeordneten Sicherheitssteuerung mittels angepasster Algorithmen errechnet werden. Um die Dynamik der Regelvorrichtungen nicht unnötig einzuschränken, kann die Beschränkung vorzugsweise so ausgelegt werden, dass sie für einen relativ kurzen Zeitraum die Überschreitung der Grenzspannung erlaubt, z. B. für die Dauer des Einschwingvorganges des elektrischen Stromes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 einen Industrieroboter mit mehreren Gliedern, die mittels geregelter elektrischer Antriebe bewegbar sind, und
2 einen der geregelten elektrischen Antriebe.
Die 1 zeigt einen Industrieroboter R mit einem Roboterarm 1. Der Industrieroboter R ist insbesondere als ein Leichtbauroboter ausgeführt. Der Roboterarm 1, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Bewegung in sechs oder sieben Freiheitsgraden erlaubt, stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Industrieroboters R dar und umfasst in allgemein bekannter Weise Gelenke 2 bis 5, Hebel bzw. Glieder 6 bis 9 und einen Flansch 10, an dem ein Endeffektor 33 befestigt werden kann. Den Gelenken 2–5 sind jeweils entsprechende Achsen zugeordnet, bezüglich derer die Glieder 6 bis 9 drehbar bewegt werden können.
Der Industrieroboter R kann z. B. als medizinischer Industrieroboter R ausgebildet sein. Der Endeffektor 33 ist dann z. B. als medizinisches Instrument ausgebildet, mit dem der Industrieroboter R ein Lebewesen P behandeln kann.
Jedes der Gelenke 2–5 wird mit einem geregelten elektrischen Antrieb E, von denen einer in der 2 gezeigt ist, bewegt. Die elektrischen Antrieb E weisen jeweils einen elektrischen Motor 11 bis 14 auf. Die Motoren 11–14 sind z. B. Wechselstrommotoren, insbesondere Drehstrommotoren. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den Motoren 11–14 um Synchronmotoren, insbesondere um permanent erregte Synchronmotoren.
Den Motoren 11–14 sind jeweils als Stellglieder ein Umrichter 15–18 bzw. ein Drehstrom-Wechselrichter vorgeschaltet, der aus einer Gleichspannung V eine dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, mit der die entsprechenden Motoren 11–14 beaufschlagt werden. Wechselrichter bzw. Umrichter sind dem Fachmann im Prinzip bekannt und umfassen einen Leistungsteil 15a, z. B. drei Halbbrücken, die beispielsweise Transistoren, insbesondere MOSFETs umfassen, und eine Ansteuerelektronik 15b.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Umrichter 15–18 an den jeweiligen Motoren 11–14, zumindest im oder am Roboterarm 1 befestigt.
Die Gleichspannung V wird im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels von einem einzigen Zwischenkreis 20 bereitgestellt, mit dem alle Umrichter 15–18 verbunden sind. Der Zwischenkreis 20 umfasst z. B. einen Zwischenkreiskondensator und ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Teil eines Gleichspannungswandlers 21, der auch als DC/DC Konverter bezeichnet wird. Gleichspannungswandler sind dem Fachmann im Prinzip bekannt und erzeugen aus einer z. B. mittels eines Gleichrichters 22 aus der Netzspannung geglätteten Gleichspannung 23 eine Gleichspannung variabler Größe, im vorliegenden Ausführungsbeispiels also die Gleichspannung V. Gleichspannungswandler sind z. B. Abwärtswandler.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind der Gleichrichter 22 und vor allem der Gleichspannungswandler 21 in einem Steuerschrank 24 angeordnet, in dem z. B. auch eine Steuervorrichtung 19 des Industrieroboters R angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 19 übernimmt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auch die Regelung der elektrischen Antriebe E. Auf der Steuervorrichtung 19 läuft ein Rechenprogramm, das im Betrieb des Industrieroboters R die elektrischen Antriebe E, insbesondere die Umrichter 15–18 ansteuert, sodass der Roboterarm 1 bzw. der Flansch 10 eine vorbestimmte Bewegung durchläuft.
Es kann auch eine Abstandsmessvorrichtung 34 vorgesehen sein, wie dies im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Fall ist. Die Abstandsmessvorrichtung 34 ist in nicht dargestellter Weise mit der Steuervorrichtung 19 verbunden und ist eingerichtet, einen Abstand d zwischen dem Endeffektor 33, insbesondere dessen Tool Center Points TCP, und einer kritischen Struktur, z. B. der Oberfläche des Lebewesens P zu ermitteln.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die elektrischen Antriebe E mittels feldorientierter Regelung, die auch als Vektorregelung bezeichnet wird, geregelt. Je nach Ausführung werden die elektrischen Motoren 11–14 z. B. drehzahl- oder positionsgeregelt. Die geregelten elektrischen Antrieb E basieren im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf der im Prinzip dem Fachmann bekannten feldorientierten Regelung, die jedoch gemäß den Ansprüchen modifiziert ist. Bei der feldorientierten Regelung werden die dreiphasigen Ströme und Spannungen in rotierende Strom- und Spannungszeiger transformiert und für die Regelung verwendet.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist beispielsweise die Regelung des elektrischen Antriebs E in der Steuervorrichtung 19 implementiert und die 2 zeigt Funktionsblöcke dieser Regelung. Diese Regelung umfasst insbesondere eine elektrische Stromregelung, die insbesondere als eine unterlagerte Regelung ausgeführt ist.
Wie bereits obenstehend beschrieben, erzeugt der Leistungsteil 15a des Umrichters 15 eine dreiphasige Spannung, welche dem Motor 11 zugeführt wird. Somit fließt durch die Wicklungen des Motors 11 ein dreiphasiger Wechselstrom (Drehstrom) i_1,2,3, der z. B. mittels einer Strommessvorrichtung 24 gemessen wird. Die Strommessvorrichtung 24 ist wiederum mit einer Transformationsvorrichtung 25 verbunden, die, wie es dem Fachmann im Prinzip bekannt ist, zunächst mittels eines Transformationsblocks 25a die gemessenen dreiphasigen Motorströme in statorfeste Strom-Raumzeiger mit den Komponenten I_α und I_β transformiert, die synchron mit dem Rotor des Motors 11 rotieren. Um die Größen auf den Rotor des Motors 11 zu beziehen, werden die statorfesten Strom-Raumzeiger auf das rotorfeste d, q-Koordinatensystem anschließend mittels eines weiteren Transformationsblock 25b transformiert, wodurch die Raumzeigerkomponenten I_d und I_q entstehen. Diese Transformation umfasst eine Verdrehung um einen Winkel Z_pφ (Polzahl des Motors 11 multipliziert mit dem mechanischen Läuferwinkel). Der mechanische Läuferwinkel wird beispielsweise mittels eines Drehgebers 26 ermittelt und wird mittels eines Skalierungsblocks 27 mit der Polzahl des Motors 11 multipliziert, wodurch der elektrische Läuferwinkel φ_el entsteht.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die Raumzeigerkomponenten I_d,q einem Stromregler 28 zugeführt, der z. B. als sogenannter PI-Regler ausgeführt ist. Dieser kann insbesondere ein analoger Regler oder auch ein digitaler Regler sein. Außerdem kann, wie es im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Fall ist, das Ausgangssignal des Skalierungsblocks 27 einem Tiefpassfilter 29 zugeführt sein, dessen Ausgangssignal ebenfalls dem Stromregler 28 zugeführt werden kann.
Weitere Eingangssignale des Stromreglers 28 bzw. die Führungsgrößen des Stromreglers 28 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Soll-Werte für die Strom-Raumzeigerkomponenten I_d,soll und I_q,soll. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Soll-Wert für I_d,soll gleich Null.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Ausgangssignale bzw. die Stellgrößen des Stromreglers 28 auf den Rotor des Motors 11 bezogene Spannungen U_d,q, die mittels eines Transformationsblocks 30 in den auf den Stator des Motors 11 bezogene Spannungen U_α,β transformiert werden. Für diese Transformation wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels noch der um 180° Phasen verschobene elektrische Läuferwinkel φ_el dem Transformationsblock 30 zugeführt, der mittels eines Phasendrehblocks 31 berechnet wird.
Die auf den Stator des Motors 11 bezogene Spannungen U_α,β sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Eingangssignale des Umrichters 15 bzw. dessen Ansteuerelektronik 15b, welche z. B. basierend auf der Puls-Weiten-Modulation den Leistungsteil 15a des Umrichters 15 ansteuert, sodass dieser die gewollte dreiphasige elektrische Spannung für den Motor 11 erzeugt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Steuervorrichtung 19 bzw. das auf ihr laufende Rechenprogramm derart ausgeführt, dass es vor einer Bewegung des Roboterarms 1 eine Bahnplanung berechnet, damit die Steuervorrichtung 19 die elektrischen Antriebe E derart ansteuert kann, sodass der Roboterarm 1 bzw. der Flansch 10 die mittels der Bahnplanung berechnete Bewegung ausführen kann.
Im Rahmen dieser Bahnplanung berechnet die Steuervorrichtung 19 auch die für die Motoren 11 bis 14 benötigten Spannungswerte der von dem Gleichspannungswandler 21 bzw. dem Zwischenkreis 20 für die Umrichter 15 bis 18 bereitzustellende Gleichspannung V, sodass den Motoren 11 bis 14 eine elektrische Spannung ausreichender Größe zur Verfügung steht, um die berechnete Bewegung auch auszuführen.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Steuervorrichtung 19 derart eingerichtet, dass sie aufgrund der Bahnplanung den maximal benötigten Spannungswert der Gleichspannung V berechnet und vor der Bewegung den Gleichspannungswandler 21 derart einstellt, dass die Gleichspannung V des Zwischenkreises 20 für die gesamte Bewegung diesen maximalen Spannungswert aufweist. Insbesondere basiert im vorliegenden Fall dieser maximal benötigte Spannungswert auf der Achse des Roboterarms 1 mit der höchsten Geschwindigkeitsanforderung, d. h. der höchsten Spannungsanforderung.
Für eine alternative Ausführung kann die Steuervorrichtung 19 auch derart eingerichtet sein, dass sie kontinuierlich den benötigten Spannungswert der Gleichspannung V des Zwischenkreises 20 für die geplante Bewegung errechnet und während der Bewegung den Gleichspannungswandler 21 kontinuierlich 21 derart ansteuert, sodass der Spannungswert der vom Zwischenkreis 20 bereitgestellten Gleichspannung V während der Bewegung den berechneten Spannungswert aufweist. Demnach variiert gemäß dieser Ausführung der Spannungswert der von dem Zwischenkreis 20 bereit gestellten Gleichspannung V zur Laufzeit. Diese Ausführung ist bei geplanten Bewegungen vorteilhaft, bei denen die Soll-Geschwindigkeiten der bezüglich der Achsen bewegten Glieder 6–9 in Abhängigkeit der Zeit bekannt bzw. geplant sind. Somit ist es möglich, den benötigten Spannungswert der vom Zwischenkreis 20 bereitgestellten Gleichspannung V in Abhängigkeit von der Zeit für die geplante Bewegung zu ermitteln und entsprechend den Gleichspannungswandler 21 anzusteuern.
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuervorrichtung 19 auch derart ausgeführt sein, dass sie den Gleichspannungswandler 21 vor der Bewegung derart einstellt, dass die vom Zwischenkreis 20 bereit gestellte Gleichspannung V einen maximalen Spannungswert aufweist, der eine zulässige maximale Geschwindigkeit der Motoren 11–18 und somit der Glieder 6–9 erlaubt und während der Bewegung nicht überschritten wird.
Im Falle des vorab beschriebenen Ausführungsbeispiels werden die Stellglieder bzw. die Umrichter 15–18 von dem einzigen Zwischenkreis 20 mit der Gleichspannung V versorgt. Um z. B. die Verfahrwege der einzelnen Glieder 6–9 individuell applikationsspezifisch zu begrenzen, kann im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Steuervorrichtung 19 eingerichtet sein, die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 der einzelnen elektrischen Antriebe E roboterapplikationsspezifisch dynamisch zu begrenzen. Dies wird insbesondere durch dynamische Anpassungen der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 beispielsweise an den Arbeitsschritt des Workflows insbesondere einer medizinischen Applikation, an die Roboterpose und/oder die Lastparameter des am Industrieroboters R befestigten Endeffektors 33 realisiert. Hierbei ist auch eine Verkleinerung, wenn nicht gar Minimierung des Verfahrwegs im Fehlerfall des Industrieroboters R möglich.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die Steuervorrichtung 19 derart eingerichtet sein, dass das roboterapplikationsspezifische dynamische Begrenzen der einzelnen Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 beispielsweise auf einer erforderlichen Geschwindigkeit des Tool Center Points TCP des Industrieroboters R für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters R, einer aktuellen Pose des Industrieroboters R, einer Sicherheitsanforderung für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters R, dem Abstand d zum Lebewesen P, die insbesondere messtechnisch mittels der Abstandsmessvorrichtung 34 ermittelt wird, und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Industrieroboters R, und/oder einem Lastparameter des am Industrieroboter R befestigten Endeffektors 33 zugrunde gelegt wird.
Die Steuervorrichtung 19 kann im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auch derart ausgeführt sein, dass sie zunächst eine Bahnplanung durchführt, um eine Bewegung des Industrieroboters R zu planen. Anschließend begrenzt sie neben der Gleichspannung V auch die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 aufgrund der durchgeführten Bahnplanung.
Gegebenenfalls ist die Steuervorrichtung 19 derart ausgeführt, dass sie die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 während der Bewegung des Roboters R in Abhängigkeit von der Bahnplanung ändert.
Die Steuervorrichtung 19 kann aber auch derart ausgeführt sein, dass sie maximal benötigte Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromreglers 28 aufgrund der Bahnplanung bestimmt, die insbesondere der höchsten Geschwindigkeitsanforderung der der Bahnplanung zugrunde gelegten Bewegung des Industrieroboters R oder die mit den elektrischen Antrieben E bewegten Gliedern 6–9 zugeordnet sind. Die Steuervorrichtung 19 insbesondere begrenzt dann die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 auf die maximal benötigten Werte vor der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Industrieroboters R.
Im Rahmen dieser Begrenzung kann die Steuervorrichtung 19 auch derart eingerichtet sein, dass sie die für die Bahnplanung entsprechenden Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 berechnet und während der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Industrieroboters R oder des mit dem elektrischen Antrieb E bewegten Glieder 6–9 die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromreglers 28 während der Bewegung des Industrieroboters R dynamisch begrenzt, also entsprechend der Bewegung die Begrenzung variiert.
Je nach Applikation kann die Steuervorrichtung 19 auch eingerichtet sein, die Werte der Stellgrößen U_d,q der Stromregler 28 auf entsprechende Maximalwerte aufgrund einer maximal zulässigen Geschwindigkeit der der Bewegung zugeordneten Applikation vor der Bewegung des Industrieroboters R begrenzen. Diese Maximalwerte werden während der Bewegung nicht überschritten.
Die Anpassung der Stellgrößen U_d,q des Stromreglers 28 durch die Steuervorrichtung 19 kann beispielsweise auch folgendermaßen erfolgen:
Vor Beginn einer medizinischen Operation des Lebewesens P mit dem Industrieroboters R mittels des Endeffektors 33 wird die Sicherheitsanforderung, beispielsweise der Verfahrweg im Fehlerfall, für die aktuelle Applikation und deren Arbeitsschritte beispielsweise in Form einer Tabelle in sicherer Technik an die Steuervorrichtung 19 übermittelt. Ebenso werden die Lastdaten des verwendeten Endeffektors 33 insbesondere in sicherer Technik an die Steuervorrichtung 19 übergeben.
Während der Operation werden insbesondere in sicherer Technik die Gelenkwinkel des Industrieroboters R erfasst und sowohl der momentan befestigte Endeffektor 33 als auch der Arbeitsschritt im Applikations-Workflow identifiziert. Diese Daten werden insbesondere in sicherer Technik an die Steuervorrichtung 19 übermittelt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Roboters, der wenigstens ein Glied (6–9), das gesteuert von einer Steuervorrichtung (19) des Roboters (R) mittels eines elektrischen Antriebs (E) bewegbar ist, und der elektrische Antrieb (E) einen zumindest indirekt mit dem Glied (6–9) mechanisch gekoppelten Elektromotor (11–14) und ein den Elektromotor (11–14) ansteuerndes Stellglied (15–18), das von einem Zwischenkreis (20) mit einer elektrischen Gleichspannung (V) versorgt wird, aufweist, aufweisend Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) aufgrund einer applikationsspezifischen Bewegung des Glieds (6–9) des Roboters (R).
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Durchführen einer Bahnplanung mittels der Steuervorrichtung (19) des Roboters (R), um eine Bewegung des Roboters (R) zu planen, und – Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) aufgrund der von der Steuervorrichtung (19) durchgeführten Bahnplanung.
Verfahren nach Anspruch 2, aufweisend Bestimmen eines aufgrund der Bahnplanung maximal benötigten Spannungswertes der Gleichspannung (V), der insbesondere der höchsten Geschwindigkeitsanforderung der der Bahnplanung zugrunde gelegten Bewegung des Roboters (R) zugeordnet ist, und Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) auf den maximal benötigten Spannungswert vor der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters (R).
Verfahren nach Anspruch 3, aufweisend Berechnen für die Bahnplanung entsprechende Spannungswerte für die Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) und während der Durchführung der der Bahnplanung zugeordneten Bewegung des Roboters (R), entsprechend Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (V) während der Bewegung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend Einstellen des Spannungswertes der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) auf einen Maximalwert aufgrund einer maximal zulässigen Geschwindigkeit der der Bewegung zugeordneten Applikation vor der Bewegung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Roboter (R) einen Roboterarm (1) mit dem Glied (15) und mit weiteren, nacheinander folgenden, mittels Gelenken (2–5) verbundenen Gliedern (6–9), und mit den weiteren Gliedern (6–9) zumindest indirekt mechanisch gekoppelten weiteren Elektromotoren (11–14), die jeweils von weiteren Stellgliedern (15–18) angesteuert werden, aufweist und insbesondere der Zwischenkreis (20) ebenfalls die weiteren Stellglieder (15–18) mit der den einstellbaren Spannungswert aufweisenden elektrischen Gleichspannung (V) versorgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der elektrische Antrieb und die weiteren elektrischen Antriebe jeweils geregelte elektrische Antriebe sind, die jeweils eine das relevante Stellglied ansteuernde Regelvorrichtung (28) umfassen, die Stellglieder (15–18) jeweils eine elektrische Spannung zum Antreiben ihres Elektromotors (11–14) erzeugen und die Stellgrößen (U_d,q) der Regelvorrichtung (28) dieser elektrischen Spannung zugeordnet sind, aufweisend ein jeweiliges roboterapplikationsspezifisches dynamisches Begrenzen der Werte der Stellgrößen (U_d,q) der Regelvorrichtungen (28).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das roboterapplikationsspezifisches dynamisches Begrenzen der Werte der Stellgrößen (U_d,q) der Regelvorrichtungen (28) einer erforderlichen Geschwindigkeit eines Tool Center Points (TCP) des Roboters (R) für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters (R), einer aktuellen Pose des Roboters (R), einer Sicherheitsanforderung für die Applikation und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters (R), einem Abstand (d) zu einer kritischen externen Struktur, der insbesondere messtechnisch ermittelt wird und/oder einem Arbeitsschritt während der Bewegung des Roboters (R) und/oder einem Lastparameter eines am Roboter (R) befestigten Instruments (33) zugeordnet ist.
Roboter, aufweisend wenigstens ein Glied (6–9), das gesteuert von einer Steuervorrichtung (19) des Roboters (R) mittels eines elektrischen Antriebs (E) bewegbar ist, und der elektrische Antrieb (E) einen zumindest indirekt mit dem Glied (6–9) mechanisch gekoppelten Elektromotor (11–14) und ein den Elektromotor (11–14) ansteuerndes Stellglied (15–18), das von einem Zwischenkreis (20) mit einer elektrischen Gleichspannung (V) versorgt wird, aufweist, und die Steuervorrichtung (19) eingerichtet ist, den Spannungswert der Gleichspannung (V) des Zwischenkreises (20) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 einzustellen.
Roboter nach Anspruch 9, – bei dem der Elektromotor ein Wechselstrommotor (11–14), insbesondere ein Drehstrommotor und/oder ein Synchronmotor, insbesondere ein permanent erregter Synchronmotor ist, und/oder – bei dem der Elektromotor (11–14) ein Gleichstrommotor ist.
Roboter nach Anspruch 9 oder 10, aufweisend einen Roboterarm (1) mit dem Glied (15) und weiteren, nacheinander folgenden, mittels Gelenken (2–5) verbundenen weiteren Gliedern (6–9), und mit den weiteren Gliedern (6–9) zumindest indirekt mechanisch gekoppelte weiteren Elektromotoren (11–14), die jeweils von weiteren Stellgliedern (15–18) angesteuert werden, wobei insbesondere der Zwischenkreis (20) ebenfalls die weiteren Stellglieder (15–18) mit der den einstellbaren Spannungswert aufweisenden elektrischen Gleichspannung (V) versorgt.
Roboter nach Anspruch 11, bei dem das Stellglied (15) und die weiteren Stellglieder (16–18) am entsprechenden Elektromotor (11–14) oder zumindest in der Nähe des entsprechenden Elektromotors (11–14) im oder am Roboterarm (1) befestigt sind und der Zwischenkreis (20) insbesondere in einem vom Roboterarm (1) entfernt angeordneten Gehäuse (24) angeordnet ist.
Roboter nach Anspruch 11 oder 12, dessen elektrischer Antrieb und die weiteren elektrischen Antriebe jeweils geregelte elektrische Antrieb sind, die jeweils eine das relevante Stellglied ansteuernde Regelvorrichtung (28) umfassen, deren Führungsgrößen (I_q) dem zum Bewegen des entsprechenden Elektromotors (11–14) vorgesehenen elektrischen Strom (i_1,2,3) zugeordnet sind, die Stellglieder (15–18) jeweils eine elektrische Spannung zum Antreiben ihres Elektromotors (11–14) erzeugen und die Stellgrößen (U_d,q) der Regelvorrichtung (28) dieser elektrischen Spannung zugeordnet sind, und die Steuervorrichtung (19) eingerichtet ist, die Werte der Stellgrößen (U_d,q) der Regelvorrichtungen (28) roboterapplikationsspezifisch dynamisch (28) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 zu begrenzen.