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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Extrahieren eines dynamischen Kennparameters, der in einer Versuchsdurchführung bei einem mechanischen System mit einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe verwendet wird, so dass der Versuch effektiv ist, etc. und eine Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems, das in einem Verfahren verwendet wird, das Versuchsdaten zum Schätzen eines Parameters verwendet.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Antriebsquellen für Industrieeinrichtungen, Fahrzeuge und Roboter werden graduell abwechslungsreicher. Insbesondere haben einige Hersteller damit begonnen eine herkömmliche Antriebskraft, die von einem Verbrennungsmotor gewonnen wird, oder eine hydraulische Kraft durch eine elektrische Antriebsquelle, wie beispielsweise ein Motor, zu ersetzen oder zu ergänzen. Es ist jedoch schwierig den Widerstandsverlust und den Reibungseffekt von verschiedenen Antriebsquellen präzise zu berechnen. Folglich ist es in der Praxis schwierig ein System durch ein Anderes zu ersetzen oder ein neues System zu entwickeln.
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Wenn das Charakteristikum des Motors als Antriebsquelle, die an jedem Gelenk installiert ist, nicht akkurat berücksichtig wird, treten insbesondere bei Robotern viele unvorhersehbare Variablen während des tatsächlichen Betriebes auf, egal wie ausgezeichnet die angewendete Steuerlogik ist. Daher besteht eine dringende Notwendigkeit einer Technologie, die zum Messen und Erfassen des Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems auf einfache und schnelle Weise vor dem tatsächlichen Betreiben der Vorrichtung fähig ist. Bislang gab es jedoch kein Verfahren zum akkuraten und schnellen Messen eines Antriebscharakteristikums, das eine Motorkonstante, einen Coulomb-Reibungskoeffizienten und einen viskosen Reibungskoeffizienten enthält, in dem Antriebssystem, insbesondere dem Antriebssystem, das den Motor und das Untersetzungsgetriebe enthält.
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Vorangehendes soll lediglich beim Verstehen des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung helfen und nicht bedeuten, dass die vorliegenden Erfindung innerhalb des Bereiches der verwandten Technik liegt, der jemandem mit technischen Fähigkeiten bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Folglich erfolgte die vorliegende Erfindung unter Berücksichtung der oben erwähnten Probleme, die beim Stand der Technik auftreten, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Extrahieren eines dynamischen Kennparameters, der in einem Versuch effektiv zu verwenden ist, und eine Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems zu liefern, die sich mit einem Verfahren zum Schätzen eines Parameters unter Verwendung von Versuchsdaten befasst, da ein dynamischer Kennparameter, wie beispielsweise eine Motordrehmomentkonstante und ein Reibungskoeffizient, der durch eine Reibungskraft eines Gelenkes verursacht wird, eindeutig verstanden werden müssen, so dass das Antreiben von beispielsweise einem Robotergelenk optimiert werden kann, das auf ein mechanisches System mit einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe angewendet wird.
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Zum Bewältigen der obigen Aufgabe liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems, die Folgendes enthält: eine Antriebseinheit, die zum Versorgen einer Antriebswelle mit einer Drehkraft vorgesehen ist; eine Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit, die mit der Antriebswelle der Antriebseinheit lösbar verbunden ist, wobei die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit nicht drehbar ist, wenn dieselbe mit der Antriebswelle verbunden ist; eine Lasteinheit, die mit der Antriebswelle der Antriebseinheit lösbar verbunden ist; und eine Steuereinheit, die zum Steuern der zur Antriebseinheit zugeführten Antriebsenergie, zum Ableiten einer Konstante der Antriebseinheit durch Verwenden einer Korrelation zwischen der Eingangsantriebsenergie und dem Messdrehmoment, das durch eine Drehkraft der Antriebswelle von der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit gemessen wird, wenn die Antriebseinheit mit der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit gekoppelt ist, zum Berechnen eines Reibungsdrehmomentes unter Verwendung der abgeleiteten Antriebseinheitskonstante, der Eingangsantriebsenergie, einem Trägheitsmoment der Lasteinheit und einer Winkelbeschleunigung der Lasteinheit, die durch eine Drehkraft verursacht wird, wenn die Antriebseinheit mit der Lasteinheit gekoppelt ist, und zum Ableiten eines Reibungskoeffizienten von dem berechneten Reibungsdrehmoment vorgesehen ist.
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Die Antriebseinheit kann einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe aufweisen. Die Antriebsenergie kann als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, und die Antriebseinheitskonstante kann als konstanter Wert des Motors angelegt werden.
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Beim Ableiten der Antriebseinheitskonstante der Steuereinheit kann die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit mit der Antriebswelle derart gekoppelt sein, dass sich der Kraft-Drehmoment-Sensor nicht dreht. Ferner kann beim Ableiten des Reibungskoeffizienten der Steuereinheit die Lasteinheit mit der Antriebswelle derart gekoppelt sein, um sich zusammen mit der Antriebswelle zu drehen. Der Reibungskoeffizient kann einen Coulomb-Reibungskoeffizienten und einen viskosen Reibungskoeffizienten aufweisen. Die Steuereinheit kann die Antriebseinheitskonstante durch Berechnen eines Gradienten unter Verwendung der Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate (least square fitting) basierend auf der Eingangsantriebsenergie und Daten des Messdrehmomentes ableiten.
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In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Antriebseinheit einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe aufweisen, die Antriebsenergie als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, die Antriebseinheitskonstante als konstanter Wert des Motors angelegt werden und die Steuereinheit eine Motorkonstante durch Berechnen eines Gradienten unter Verwendung der Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate basierend auf dem Eingangsstromwert und den Daten des Messdrehmomentes ableiten.
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Die Steuereinheit kann das Antriebsdrehmoment unter Verwendung der abgeleiteten Antriebseinheitskonstante und der Eingangsantriebsenergie berechnen und das Reibungsdrehmoment unter Verwendung des Antriebsdrehmomentes, des Trägheitsmomentes der Lasteinheit und der Winkelbeschleunigung der Lasteinheit berechnen, die durch die Drehkraft verursacht wird.
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In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Antriebseinheit einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe aufweisen, die Antriebsenergie als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, die Antriebseinheitskonstante als konstanter Wert des Motors angelegt werden, der Reibungskoeffizient einen Coulomb-Reibungskoeffizienten und einen viskosen Reibungskoeffizienten aufweisen und die Steuereinheit den Reibungskoeffizienten unter Verwendung der folgenden Gleichung ableiten. τf = kmi – Iω . τf = α·sign(ω) + β·ω (wobei τf ein Reibungsdrehmoment, km eine Motorkonstante der Antriebseinheit, I ein Trägheitsmoment der Lasteinheit, ω eine Winkelgeschwindigkeit der Lasteinheit, α ein Coulomb-Reibungskoeffizient und β ein viskoser Reibungskoeffizient ist).
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Wie aus der obigen Beschreibung offensichtlich ist, sind die Vorteile einer Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakterisitikums eines Antriebssystems, dass bei einem mechanischen System, das einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe enthält, eine Motordrehmomentkonstante zum Bestimmen eines Ausgangsdrehmomentes in Bezug auf einen an den Motor angelegten Strom versuchsweise erhalten werden kann und die Vorrichtung mit variierenden Größen aufgrund von Kombinationen aus Motoren und Getrieben leicht fertigwerden kann, damit dieselbe als Adaptervorrichtung zum Optimieren von Parametern eines Motorsystems zusätzlich zu einem Roboterbauteil verfügbar ist.
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Zudem kann die Vorrichtung einen viskosen Reibungskoeffizienten und einen Coulomb-Reibungskoeffizienten extrahieren, die durch eine Reibungskraft des Gelenkes verursacht werden, damit dieselbe zum Optimieren des Antreibens eines Gelenkes als Reibungsdrehmomentkompensation des Gelenkes verwendet werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eindeutiger verständlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wurde, in denen:
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1 eine Ansicht ist, die eine Struktur einer Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein Graph ist, der einen Prozess zum Ableiten einer Antriebseinheitskonstante der Vorrichtung zum Extrahieren des Antriebscharakteristikums des Antriebssystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ein Graph ist, der einen Prozess zum Ableiten eines Reibungskoeffizienten der Vorrichtung zum Extrahieren des Antriebscharakteristikums des Antriebssystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird eine Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
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Zudem kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht-transitorische, computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Datenträger ausgeführt werden, der ausführbare Programmbefehle enthält, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder Ähnliches ausgeführt werden. Beispiele computerlesbarer Datenträger enthalten Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, Compact-Disc-Festwertspeicher (CD-ROMs), Magnetbänder, Disketten, Speichersticks, Chipkarten und optische Datenspeichervorrichtungen, sind aber nicht darauf beschränkt. Das computerlesbare Aufnahmemedium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Server oder ein Netzwerk. Zwar wird die beispielhafte Ausführungsform beschrieben eine Steuereinheit zum Durchführen des obigen Prozesses zu verwenden, aber es ist außerdem klar, dass die obigen Prozesse auch durch eine Vielzahl von Steuereinheiten, Steuerungen, Prozessoren oder Ähnliches durchgeführt werden können.
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1 ist eine Ansicht, die eine Struktur einer Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Vorrichtung zum Extrahieren des Antriebscharakteristikums des Antriebssystems nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Antriebseinheit 100, eine Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200, eine Lasteinheit 400 und eine Steuereinheit 500. Die Antriebseinheit 100 versorgt eine Antriebswelle mit einer Drehkraft. Die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 ist mit der Antriebswelle der Antriebseinheit 100 lösbar verbunden und nicht drehbar, wenn dieselbe mit der Antriebswelle verbunden ist. Die Lasteinheit 400 ist mit der Antriebswelle der Antriebseinheit 100 lösbar verbunden. Die Steuereinheit 500 steuert die Antriebsenergie, die der Antriebseinheit 100 zugeführt wird, leitet eine Konstante der Antriebseinheit durch eine Relation zwischen der Eingangsantriebsenergie und dem Messdrehmoment ab, das durch eine Drehkraft der Antriebswelle von der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 gemessen wird, wenn die Antriebseinheit 100 mit der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 verbunden ist. Die Steuereinheit berechnet dann ein Reibungsdrehmoment unter Verwendung der abgeleiteten Antriebseinheitskonstante, der Eingangsantriebsenergie, eines Trägheitsmomentes der Lasteinheit und der Winkelbeschleunigung der Lasteinheit, die durch eine Drehkraft verursacht wird, wenn die Antriebseinheit mit der Lasteinheit gekoppelt ist, und leitet einen Reibungskoeffizienten vom berechneten Reibungsdrehmoment ab.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird zunächst die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 an einer Basis auf solch eine Weise befestigt, dass die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 nicht drehbar ist. Dann wird die Antriebsenergie von der Steuereinheit 500 angelegt und die Relation zwischen der Antriebsenergie und den von der Sensoreinheit 200 gemessenen Daten berechnet und folglich die Antriebseinheitskonstante abgeleitet. Anschließend wird die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit entfernt und stattdessen die Lasteinheit 400 mit der Antriebswelle verbunden. Hier ist die Lasteinheit mit der Antriebswelle drehbar verbunden. Zudem legt die Steuereinheit wieder die Antriebsenergie an und berechnet die Korrelation zwischen der Antriebsenergie und den gemessenen Daten und leitet folglich einen Reibungskoeffizienten ab. Folglich werden die Antriebseffizienz der Antriebseinheit selbst, d. h. die Antriebseinheitskonstante, und der Reibungskoeffizient unter Verwendung solch einer Vorrichtung schließlich erhalten. Ferner können diese Ergebnisse für verschiedene mechanische Ausgestaltungen und insbesondere für die Optimierung des Antreibens eines Gelenkes verwendet werden, wie beispielsweise die Reibungsdrehmomentkompensation eines Gelenkes eines Roboters oder von Ähnlichem.
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Auch kann die Antriebseinheit 100 einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe enthalten, die Antriebsenergie als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, und die Antriebseinheitskonstante als konstanter Wert des Motors angelegt werden. D. h., die Antriebseinheit kann den Motor und das Untersetzungsgetriebe enthalten (und auch eine Codiereinrichtung zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit enthalten) und die an die Antriebseinheit 100 angelegte Antriebsenergie kann den Stromwert als repräsentativen Wert anlegen. Es ist auch möglich mehrere verschiedene Antriebssysteme in der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Die folgende Ausführungsform wird in Bezug auf den Motor und das Untersetzungsgetriebe beschrieben werden.
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Um genauer zu sein, ist beim Ableiten der Antriebseinheitskonstante der Steuereinheit 500 die Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 mit der Antriebswelle verbunden, so dass dieselbe nicht drehbar ist. Ferner berechnet die Steuereinheit einen Gradienten durch eine Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate basierend auf der Eingangsantriebsenergie und den Daten des Messdrehmomentes und leitet folglich die Antriebseinheitskonstante ab. D. h., die Antriebseinheit 100 kann einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe enthalten und die Antriebsenergie kann als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, und die Antriebseinheitskonstante kann als konstanter Wert für den Motor angelegt werden. Die Steuereinheit leitet eine Motorkonstante durch Berechnen eines Gradienten unter Verwendung der Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate basierend auf dem Eingangsstromwert und den Daten des Messdrehmomentes ab.
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Um genauer zu sein, ist 2 ein Graph, der einen Prozess zum Ableiten einer Antriebseinheitskonstante der Vorrichtung zum Extrahieren des Antriebscharakteristikums des Antriebssystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Bezug auf den Graphen bezeichnet eine X-Achse einen angelegten Stromwert und eine Y-Achse ein Messdrehmoment, das von der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit gemessen wird. Ferner werden diskrete Daten unter Verwendung des Stromwertes und des Messdrehmomentes erhalten. Wenn eine Relation zwischen dem Stromwert und dem Messdrehmoment unter Verwendung der Anpassung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate linear repräsentiert wird, kann die Motorkonstante, d. h. eine Drehmomentkonstante, die die Effizienz des Motors repräsentiert, erhalten werden.
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Indessen kann beim Ableiten des Reibungskoeffizienten der Steuereinheit die Lasteinheit mit der Antriebswelle derart verbunden sein, um sich zusammen mit der Antriebswelle zu drehen. Der Reibungskoeffizient kann einen Coulomb-Reibungskoeffizienten und einen viskosen Reibungskoeffizienten enthalten. Folglich kann die Steuereinheit zum Berechnen des Antriebsdrehmomentes unter Verwendung der abgeleiteten Antriebseinheitskonstante und der Eingangsantriebsenergie und zum Berechnen des Reibungsdrehmomentes unter Verwendung des Antriebsdrehmomentes, des Trägheitsmomentes der Lasteinheit und der Winkelbeschleunigung der Lasteinheit durch die Drehkraft vorgesehen sein.
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Um genauer zu sein, ist 3 ein Graph, der einen Prozess zum Ableiten eines Reibungskoeffizienten der Vorrichtung zum Extrahieren der Antriebscharakteristiken des Antriebssystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie oben angegeben, kann die Antriebseinheit 100 einen Motor und ein Untersetzungsgetriebe enthalten, die Antriebsenergie als Stromwert angelegt werden, der an den Motor angelegt wird, und die Antriebseinheitskonstante als konstanter Wert des Motors angelegt werden. Der Reibungskoeffizient kann einen Coulomb-Reibungskoeffizienten und einen viskosen Reibungskoeffizienten enthalten. Die Steuereinheit leitet den Reibungskoeffizienten unter Verwendung der folgenden Gleichung ab. τf = kmi – Iω . τf = α·sign(ω) + β·ω (wobei τf ein Reibungsdrehmoment, km eine Motorkonstante der Antriebseinheit, I ein Trägheitsmoment der Lasteinheit, ω eine Winkelgeschwindigkeit der Lasteinheit, α ein Coulomb-Reibungskoeffizient und β ein viskoser Reibungskoeffizient ist).
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An sich wird zunächst die Motorkonstante des Motors unter Verwendung der Kraft-Drehmoment-Sensoreinheit 200 berechnet.
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Ferner kann idealerweise, wie bei Iω . = τα (τf ist ein Antriebsdrehmoment des Motors), das Antriebsdrehmoment des Motors ganz zur Lasteinheit übertragen werden. Jedoch ist durch die Kopplung der Lasteinheit eine Reibungskraft im Motor vorhanden. Ferner wird angesichts der Reibungskraft die Gleichung Iω . = τα – τf aufgestellt. Wie oben erwähnt wurde, werden beim Berücksichtigen eines Stroms, der zur Antriebseinheit unter der Steuerung der Steuereinheit übertragen wird, und einer Motorkonstante des Motors selbst die Gleichungen τα = kmi und τf = kmi – Iω . aufgestellt.
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Sobald das Reibungsrehmoment als Funktion der Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung der obigen Relation berechnet wird, kann der Graph der 3 erhalten werden. In diesem Graph zeigt ein sehr steiler Abschnitt des Gradienten einen Abschnitt, in dem die Coloumb-Reibung stark beeinträchtigt wird, und ein mäßiger Abschnitt des Gradienten einen Abschnitt, in dem die viskose Reibung stark beeinträchtigt wird. Folglich wird beim linearen Darstellen des gemessenen Ergebnisses dasselbe wie in 3 gezeigt zum Ausdruck gebracht. Beim Anwenden des Ergebnisses auf die Gleichung τf = α·sign(ω) + β·ω kann α als Coulomb-Reibungskoeffizient und β als viskoser Reibungskoeffizient erhalten werden.
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Wie oben beschrieben wurde, liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Extrahieren eines Antriebscharakteristikums eines Antriebssystems, wobei bei einem mechanischen System, das einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe enthält, eine Motordrehmomentkonstante zum Bestimmen eines Ausgangsdrehmomentes in Bezug auf einen an den Motor angelegten Strom versuchsweise erhalten werden kann und die Vorrichtung mit sich unterscheidenden Größen aufgrund von verschiedenen Kombinationen von Motoren und Getrieben leicht fertigwerden kann, damit dieselbe als Adaptervorrichtung zum Optimieren von Parametern eines Motorsystems zusätzlich zu einem Roboterbauteil verfügbar ist. Ferner kann die Vorrichtung einen viskosen Reibungskoeffizienten und einen Coulomb-Reibungskoeffizienten extrahieren, die durch eine Reibungskraft eines Gelenkes verursacht werden, damit dieselbe zum Optimieren des Antreibens eines Gelenkes, wie beispielsweise die Reibungsdrehmomentkompensation des Gelenkes, verwendet werden kann.
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Zwar wurde die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken offenbart, aber jemand mit technischen Fähigkeiten wird einsehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind ohne vom Bereich und Wesen der Erfindung abzuweichen, die in den beiliegenden Ansprüchen offenbart sind.
