DE102011009669B4

DE102011009669B4 - Architektur zur robusten Kraft- und Impedanzsteuerung von seriellen elastischen Stellgliedern

Info

Publication number: DE102011009669B4
Application number: DE102011009669.8A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Platt Jr.; Matthew J. Reiland; Brian Hargrave; Muhammad E. Abdallah
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Usa As Represented By Administrator Us; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: JP2014140300A; JP6121351B2; DE102011009669B8; DE102011009669A1; JP2011177010A; US8525460B2; US20110190934A1

Abstract

Architektur (30) für ein serielles elastisches Stellglied (SEA) zur Bereitstellung einer Kraftsteuerung für ein serielles elastisches Stellglied (SEA), das eine Last (38) betätigt, wobei die Architektur (30) umfasst:eine mit der Last (38) gekoppelte Feder (36);einen Motor (32), der eine Motorwelle und ein Getriebe (34) umfasst, wobei die Motorwelle mit der Feder (36) gekoppelt ist;einen ersten Positionssensor (40), der an einem Ausgang des Getriebes (34) des Motors (32) bereitgestellt ist, wobei der erste Sensor (40) die Orientierung der Motorwelle misst;einen zweiten Positionssensor (42), der an einem entgegengesetzten Ende der Feder (36) bereitgestellt ist und die Orientierung der Last (38) misst;einen eingebetteten Prozessor (44), der nahe bei dem Motor (32) bereitgestellt ist und Sensorpositionssignale (θ, q) von den ersten und zweiten Sensoren (40, 42) empfängt, wobei der eingebettete Prozessor (44) das tatsächliche Drehmoment der Feder (36) auf der Grundlage der Orientierung der Motorwelle und der Last (38) und der Federkonstante berechnet; undeinen entfernten Controller (46), der ein Referenzdrehmomentsignal (τ*) an den eingebetteten Prozessor (44) liefert, wobei der eingebettete Prozessor (44) die Differenz zwischen dem Referenzdrehmoment (τ*) und dem tatsächlichen Drehmoment an der Feder (36) bestimmt und die Position der Motorwelle so steuert, dass das Referenzdrehmoment (τ*) und das tatsächliche Drehmoment gleich sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Architektur zum Steuern der Impedanz und der Kraft, die von einem seriellen elastischen Stellglied bereitgestellt werden, und insbesondere eine Architektur zum Steuern der Impedanz und der Kraft, die von einem seriellen elastischen Stellglied bereitgestellt werden, welches einen Positionssensor zum Bestimmen der Position einer Motorwelle an einem Ende einer Feder, einen Positionssensor zum Bestimmen der Position einer Last an einem entgegengesetzten Ende der Feder, und einen eingebetteten Hochgeschwindigkeitsprozessor umfasst, der die Messsignale von den Sensoren empfängt und die Orientierung der Motorwelle steuert, um ein Drehmoment an der Feder zur Steuerung der Orientierung der Last bereitzustellen, wobei der eingebettete Prozessor Drehmomentreferenzbefehle von einem entfernten Controller empfängt.
2. Erörterung des Standes der Technik
Ein serielles elastisches Stellglied (SEA) setzt eine Feder oder ein anderes elastisches Element zwischen einem Motor und dem Ausgang des Stellglieds ein, um eine Bewegung des Motors auf eine Bewegung des Stellgliedausgangs zu übertragen. Die Verbiegung der Feder wird typischerweise verwendet, um das Drehmoment zu messen, das an den Stellgliedausgang angelegt ist. SEAs werden typischerweise in Robotern verwendet, wobei das Stellglied verwendet wird, um die Robotergelenke und - glieder zu bewegen.
Beim Einsatz von SEAs gibt es zwei Hauptvorteile. Erstens entkoppelt die relativ hohe Nachgiebigkeit des elastischen Elements mit Bezug auf das Motorgetriebe bei hohen Frequenzen den Stellgliedausgang vom Motor. Dies verringert die passive Trägheit des Roboterglieds bei hohen Frequenzen, selbst wenn der Motor und das Motorgetriebe eine große Trägheit aufweisen. Als Folge macht die niedrigere passive Trägheit bei hohen Frequenzen SEA-getriebene Roboter in der Umgebung von Menschen sicherer.
Ein zweiter Vorteil von SEAs besteht in einer verbesserten Fähigkeit zur Steuerung von Kräften, die durch das Stellglied aufgebracht werden, und damit zur Steuerung einer Stellgliedimpedanz. Wenn das elastische Element mit Bezug auf die Umgebung eine relativ hohe Nachgiebigkeit aufweist, dann ist die Empfindlichkeit der Stellgliedkraft auf kleine Veränderungen bei der Motorposition verringert. Als Folge ist es leichter, die aufgebrachte Stellgliedkraft unter Verwendung eines positionsgesteuerten Motors zu steuern. Auch ist es möglich, wenn die Federkonstante des elastischen Elements genau bekannt ist, Stellgliedausgabekräfte durch Messen einer Federverbiegung zu messen. Dies kann den Bedarf zur direkten Messung aufgebrachter Kräfte beseitigen.
Obwohl die meisten mechanischen Realisierungen von SEAs ähnlich sind, gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze zur Steuerung von SEAs. Die meiste bisherige Arbeit zur SEA-Steuerung fokussiert sich auf Verfahren zum Steuern der SEA-Ausgabekraft. Eine der ältesten SEA-Steuerungsstrategien ist im Wesentlichen ein PID-Controller (Proportional-Integral-Derivativ-Controller) beruhend auf einem Kraftfehler. Die aufgebrachte Kraft wird unter Verwendung eines Dehnungsmessstreifens gemessen, der an dem elastischen Element montiert ist. Diese wird mit einer Kraftreferenz verglichen und die Differenz daraus ist der Fehler.
Ein weiterer Ansatz zur SEA-Steuerung verwendet einen Controller der internen Motorposition oder Geschwindigkeit, der mit dem Kraftcontroller kaskadiert ist. Der Kraftcontroller berechnet einen Kraftfehler, indem er die Differenz zwischen der aufgebrachten Kraft und der Kraftreferenz bildet. Ein PD-Controller agiert auf den Kraftfehler hin und berechnet eine gewünschte Motorgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsreferenz wird in den Motorgeschwindigkeitscontroller eingegeben. Der Motorgeschwindigkeitscontroller ist als ein PID-Controller mit einem Differenzierer in seinem Rückkopplungspfad implementiert.
Die Druckschrift JP 2 580 502 B2 offenbart ein elastisches Element mit einer Anordnung mit Positionssensoren sowohl an einer Eingangsseite als auch an einer Ausgangsseite des elastischen Elements.
In der Druckschrift US 5 650 704 A ist ein elastisches Stellglied zur Kraftsteuerung offenbart, bei dem ein elastisches Element mit einem Motorgetriebe gekoppelt ist und das Gewicht jeglicher Last am Getriebeausgang vollständig aufnimmt. Ein Kraftsensor erzeugt ein Kraftsignal basierend auf einer Verformung des elastischen Elements.
Die Druckschrift DE 10 2008 064 391 A1 offenbart ein maschinendiagnostizierendes Verfahren zur Diagnose einer Abnutzung einer Werkzeugmaschine, bei dem ein Fehler durch elastische Verformung abgeschätzt und in eine Positionsabweichung umgesetzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine SEA-Architektur zum Steuern des Drehmoments offenbart, das durch ein SEA aufgebracht wird, ohne einen Kraftfehler zu berechnen oder ein elastisches SEA-Element mit einem Dehnungsmessstreifen direkt zu messen, wobei die Architektur eine spezielle Anwendung zur Steuerung der Position eines Roboterglieds aufweist. Die SEA-Architektur umfasst einen Motor, der mit einem Ende einer elastischen Feder gekoppelt ist, und eine Last, die mit einem entgegengesetzten Ende der elastischen Feder gekoppelt ist, wobei der Motor die Last durch die Feder antreibt. Die Orientierung der Welle des Motors wird von einem ersten Positionssensor gemessen und die Orientierung der Last wird von einem zweiten Positionssensor gemessen. Positionssignale von den Positionssensoren werden an einen eingebetteten Prozessor gesandt, der die Orientierung der Last relativ zu der Motorwelle bestimmt, um das Drehmoment an der Feder zu bestimmen. Der eingebettete Prozessor empfängt Referenzdrehmomentsignale von einem entfernten Controller und der eingebettete Prozessor betreibt einen Hochgeschwindigkeitsservokreis um das gewünschte Gelenkdrehmoment. Der entfernte Controller bestimmt das gewünschte Gelenkdrehmoment auf der Grundlage von Zielen höherer Ordnung durch deren Impedanz- oder Positionierungsziele. Der entfernte Controller stellt die Drehmomentbefehle für mehrere SEA-Architekturen im Roboter bereit.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterarms, der SEAs enthält;
2 ist ein Blockdiagramm einer SEA-Architektur zur Steuerung eines seriellen elastischen Stellglieds; und
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Steuerungsarchitektur für die SEA-Architektur, die in 2 gezeigt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine SEA-Architektur zur Bereitstellung einer robusten Kraft- und Impedanzsteuerung für ein serielles elastisches Stellglied gerichtet ist, ist rein beispielhaft und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Manipulator oder Roboter mit n Gelenken, wobei jedes Gelenk durch ein serielles elastisches Stellglied (SEA) betätigt wird. Ein SEA ist eine Einrichtung, die eine eingebaute Nachgiebigkeit ausnützt, um eine Kraft durch das Stellglied zu erfassen und zu steuern. Ein typisches SEA besteht aus einem herkömmlichen Stellglied mit geringer Nachgiebigkeit in Serie (oder in Reihe) mit einem Element mit hoher Nachgiebigkeit, wie etwa einer Feder. Jedes SEA umfasst einen Elektromotor in Serie mit einem Spannungswellengetriebe (engl: harmonic drive), das eine große Untersetzung aufweist. Das elastische Element ist eine Torsionsfeder mit niedriger Haftreibung und einem großen linearen Bereich, die den Ausgang des Spannungswellengetriebes mit dem SEA-Ausgang und dem Roboterglied verbindet. Hochauflösende Positionssensoren sind am Ausgang des Spannungswellengetriebes und des SEA-Ausgangs montiert. Eine Motorsteuerung wird unter Verwendung eines eingebetteten Hochgeschwindigkeits-Mikrocontrollers mit einem integrierten Motorcontroller lokal bereitgestellt, um das Gelenkausgabedrehmoment zu steuern. Der eingebettete Mikrocontroller kann mit einer sehr hohen Rate, wie etwa 10 kHz betrieben werden. Zusätzlich zum eingebetteten Mikrocontroller ist ein entfernter Controller abgesetzt angeordnet und läuft mit einer niedrigeren Rate, um die Referenzkraft und/oder -impedanz zu berechnen. Die zwei Controller können durch einen Hochgeschwindigkeitskommunikationsbus miteinander verbunden sein.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterarms 10, der ein Oberarmglied 12, ein Mittelarmglied 16 und ein Unterarmglied 14 umfasst, wobei das Unterarmglied 14 und das Mittelarmglied 16 durch ein Gelenk 18 verbunden sind und das Mittelarmglied 16 und das Oberarmglied durch ein Gelenk 20 verbunden sind. Jedes der Gelenke 18 und 20 enthält ein serielles elastisches Stellglied, um die Drehmomentsteuerung zwischen den zwei benachbarten Gliedern auf eine Weise bereitzustellen, die der Fachmann gut versteht. Bei dieser Ausführungsform sind die seriellen elastischen Stellglieder Drehstellglieder, die eine Drehfeder umfassen. Der Roboterarm umfasst mehrere Drehfreiheitsgrade für verschiedene Roboterarmkonstruktionen, wie der Fachmann gut versteht.
2 ist ein Grundriss einer SEA-Architektur 30, die einen Motor 32 mit einem Getriebe 34 mit großer Untersetzung umfasst. Der Motor 32 ist mit einem Ende einer Feder 36 gekoppelt und treibt eine träge Last 38 an, die mit einem entgegengesetzten Ende der Feder 36 gekoppelt ist. Der Motor 32 umfasst eine Motorwelle (nicht gezeigt), welche die Feder 16 dreht, um eine Impedanz und ein Drehmoment an die Last 38 zu liefern. Die Last 38 kann eine beliebige geeignete Last sein, wie etwa ein Roboterglied, einschließlich der Armglieder 12, 14 und 16. Die Orientierung der Welle des Motors 32 wird von einem hochauflösenden Positionssensor 40 gemessen und die Orientierung der Last 38 wird von einem hochauflösenden Positionssensor 42 gemessen. Die Signale von den Sensoren 40 und 42 stellen eine Messung dessen bereit, um wie viel die Feder 36 verbogen oder gedreht wird. Wenn die Federkonstante bekannt ist und sowohl die Eingangs- als auch Ausgangsposition gemessen werden, dann kann das Drehmoment an der Feder 36, das auf die Last 38 aufgebracht wird, bestimmt werden. Für eine Messung des aufgebrachten Drehmoments kann folglich ein Drehmomentrückkopplungskreis realisiert werden, sodass ein Solldrehmoment durch die Feder 36 erzeugt wird.
Die Architektur 30 umfasst einen eingebetteten Prozessor 44, der hier mit dem Motor 32 gekoppelt gezeigt ist, aber an einer beliebigen lokalen Position relativ zu dem SEA bereitgestellt sein kann. Der eingebettete Prozessor 44 empfängt die Positionssignale von den Positionssensoren 40 und 42 und der Prozessor 44 berechnet auf der Grundlage der Orientierung der Motorwelle und der Last 38 in Kombination mit der Federkonstante das Drehmoment an der Feder 36 und somit die Impedanz, die auf die Last 38 aufgebracht wird. Der eingebettete Prozessor 44 empfängt durch einen Kommunikationsbus 48 eine Referenzkraft oder ein Drehmomentsignal von einem entfernten Controller 46 mit niedriger Geschwindigkeit, welches das Solldrehmoment an der Feder 36 oder die Position für die Last 38 bereitstellt.
Das durch den entfernten Controller 46 bereitgestellte Referenzdrehmoment stellt einen Drehmomenteinstellpunkt zur Steuerung der Motorwelle bereit, der durch den eingebetteten Prozessor 44 bereitgestellt wird. Auf der Grundlage einer Sollposition, eines Drehmoments oder eines Impedanzverhaltens für die Last 38 kann dieses Drehmoment im entfernten Controller 46 berechnet werden. Der eingebettete Prozessor 44 wendet einen Hochgeschwindigkeitsservokreis an, um den durch das Stellglied aufgebrachten Drehmomentwert zu regeln. Der Servokreis kann einen Positionscontroller am Motor 32 umfassen, der die Motorsollposition auf der Grundlage des Solldrehmoments, der Federsteifigkeitskonstante und der Gliedposition berechnet. Dieser Drehmomentservokreis arbeitet mit der viel höheren Rate des eingebetteten Prozessors 44 ohne die Kommunikationsverzögerungen des Busses 48, wodurch eine viel größere Leistungsfähigkeit und Stabilität für die Drehmomentsteuerung bereitgestellt wird. Die Verwendung der Absolutpositionssensoren 40 und 42 statt inkrementeller oder relativer Sensoren ermöglicht eine absolute Messung des angelegten Drehmoments ohne eine Aktivierungsroutine.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Steuerarchitektur 50 für die in 2 gezeigte SEA-Architektur 30. Die Steuerarchitektur 50 umfasst bei Kästchen 52 Stellglieder bzw. Aktoren und Sensoren, die ein Motorbefehlssignal für die Stellglieder von einem Gelenkdrehmomentservo 54 empfangen und Positionssignale von den Sensoren 40 und 42 an den Gelenkdrehmomentservo 54 liefern. Die Positionssignale umfassen ein Positionssignal θ vom Sensor 40 für die Motorwelle und ein Positionssignal q vom Sensor 42 für die Orientierung der Last 38. Der Gelenkdrehmomentservo 54 liefert das Positionssignal q an ein Kästchen 56 mit einem Kraftsteuergesetz, das ein Referenzdrehmomentsignal τ* an den Servo 54 liefert. Der Gelenkdrehmomentservo 54 stellt die mehreren eingebetteten Prozessoren dar und das Kästchen 56 mit dem Kraftsteuergesetz stellt den entfernten Controller 46 dar.
Der entfernte Controller 46 kann viele eingebettete Prozessoren im Robotersystem über den Hochgeschwindigkeitskommunikationsbus 48 steuern, der individuell auch mit einem weiteren eingebetteten Controller gekoppelt ist, der ein SEA an einem anderen Roboterglied steuert.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Architektur zum Bereitstellen einer Impedanzsteuerung eines seriellen elastischen Stellglieds gegenüber dem existierenden Impedanzsteueransatz können wie folgt zusammengefasst werden. Die vorgeschlagene Architektur zum Steuern des Drehmoments lokal an dem Gelenk mit einem Hochgeschwindigkeits-Mikrocontroller, während das Befehlsdrehmoment abgesetzt mit einer niedrigeren Rate berechnet wird, stellt gegenüber früheren Ansätzen ein erhöhtes Niveau an Empfindlichkeit und Stabilität bereit. Ferner stellt die Verwendung von Positionssensoren an dem SEA zur Berechnung des aufgebrachten Drehmoments einen höheren Signal-Rausch-Abstand als Ansätze bereit, die Dehnungsmesssensoren verwenden.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen wird der Fachmann leicht erkennen, dass darin verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Architektur (30) für ein serielles elastisches Stellglied (SEA) zur Bereitstellung einer Kraftsteuerung für ein serielles elastisches Stellglied (SEA), das eine Last (38) betätigt, wobei die Architektur (30) umfasst: eine mit der Last (38) gekoppelte Feder (36); einen Motor (32), der eine Motorwelle und ein Getriebe (34) umfasst, wobei die Motorwelle mit der Feder (36) gekoppelt ist; einen ersten Positionssensor (40), der an einem Ausgang des Getriebes (34) des Motors (32) bereitgestellt ist, wobei der erste Sensor (40) die Orientierung der Motorwelle misst; einen zweiten Positionssensor (42), der an einem entgegengesetzten Ende der Feder (36) bereitgestellt ist und die Orientierung der Last (38) misst; einen eingebetteten Prozessor (44), der nahe bei dem Motor (32) bereitgestellt ist und Sensorpositionssignale (θ, q) von den ersten und zweiten Sensoren (40, 42) empfängt, wobei der eingebettete Prozessor (44) das tatsächliche Drehmoment der Feder (36) auf der Grundlage der Orientierung der Motorwelle und der Last (38) und der Federkonstante berechnet; und einen entfernten Controller (46), der ein Referenzdrehmomentsignal (τ*) an den eingebetteten Prozessor (44) liefert, wobei der eingebettete Prozessor (44) die Differenz zwischen dem Referenzdrehmoment (τ*) und dem tatsächlichen Drehmoment an der Feder (36) bestimmt und die Position der Motorwelle so steuert, dass das Referenzdrehmoment (τ*) und das tatsächliche Drehmoment gleich sind.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei der eingebettete Prozessor (44) mit einer höheren Geschwindigkeit als der entfernte Controller (46) arbeitet.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei das serielle elastische Stellglied (SEA) ein serielles elastisches Drehstellglied ist.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei die Last (38) ein Roboterglied (12, 14, 16) ist.
Architektur (30) nach Anspruch 4, wobei das Roboterglied (12, 14, 16) ein Armstück (10) eines Roboters ist.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei der entfernte Controller (46) ein Drehmomentreferenzsignal (τ*) an eine Vielzahl von eingebetteten Controllern liefert, die eine Vielzahl serieller elastischer Stellglieder (SEA) steuern.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Positionssensoren (40, 42) Absolutpositionssensoren sind.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei das Getriebe (34) ein Getriebe mit großer Untersetzung ist.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei ein Servokreis im eingebetteten Prozessor (44) die Position eines Stellglieds (SEA) gemäß einer Beziehung zwischen einer Position und dem Drehmoment in der Feder (36) steuert.
Architektur (30) nach Anspruch 1, wobei ein Servokreis im eingebetteten Prozessor (44) die Position eines Stellglieds (SEA) gemäß einer Beziehung zwischen einer Position und dem Drehmoment in der Feder (36) steuert.