DE102014110413B4

DE102014110413B4 - Gelenkverbindung für einen Roboter mit Drehmomentwelligkeit reduziertem Antrieb

Info

Publication number: DE102014110413B4
Application number: DE102014110413.7A
Authority: DE
Inventors: Philipp Lechner; Sami Haddadin; Niklas Böhme; Andreas Spenninger
Original assignee: Kastanienbaum GmbH
Current assignee: Kastanienbaum GmbH
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: DE102014110413A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gelenkverbindung zur antreibbaren Verbindung von ersten und zweiten Körperteilen eines Roboters, mit einem bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor (2, 15, 32) mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe (3, 16), einer Drehmomenterfassungseinrichtung zur Erfassung des Drehmoments, sowie einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Körperteile gegeneinander und zur Regelung des Drehmomentes in Abhängigkeit von der auf das Gelenk wirkenden Belastung. Erfindungsgemäß ist die Drehmomenterfassungseinrichtung zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und dem ersten oder zweiten Körperteil des Roboters als Torsionsstabeinheit (11) ausgebildet, der wenigstens ein Positionssensor (9, 10, 26) zur Erfassung des übertragenen Drehmoments zugeordnet ist. Es ist auch eine Einrichtung zur Erfassung und zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit des Motors vorgesehen, bei der zunächst an Haltepositionen des Motors die Strangströme (39–41) zur Ansteuerung des unbelasteten Motors (32) feststellbar sind und als Referenzstromwerte in einem Datenspeicher (45) speicherbar sind, und dann die Referenzstromwerte im laufenden Betrieb des Motors aus dem Datenspeicher (45) auslesbar sind und als Korrekturdaten den Augenblickswerten des Steuerstroms zur Steuerung des Motors aufgeprägt werden. Das Untersetzungsgetriebe (3, 16) ist ein Wellengetriebe, dessen elliptischer Wave Generator (5, 20) mit der Motorwelle (6, 23) verbunden ist, und die Torsionsstabeinheit (22) ist zwischen dem Circular Spline (21) des Wellengetriebes (16) und dem ersten Körperteil (1) angeordnet, wobei der Flexspline (19) des Wellengetriebes (16) mit dem zweiten Körperteil (14) gekoppelt ist und der Motor (15) an dem Circular Spline (21) befestigt ist. Die Erfindung ermöglicht es, ein Robotergelenk bereitzustellen, das kostengünstig ist, eine hochpräzise Kraftübertragung ermöglicht und das im Zusammenhang mit Kollisions- und Detektionsszenarien ein empfindliches nachgiebiges Gelenk bilden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkverbindung zur antreibbaren Verbindung von ersten und zweiten Körperteilen eines Roboters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Industrieroboter oder humanoide Roboter enthalten eine Vielzahl von Gelenken zur Verbindung von Körperteilen des Roboters miteinander, wobei die Gelenke antreib bar sind und Drehmomente übertragen können. Sie sind in der Regel einachsig ausgebildet und enthalten einen steuer- und regelbaren Elektromotor mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe. Sie müssen einerseits in der Lage sein, abhängig von der Position im Roboter und dem gewünschtem Einsatzzweck auch hohe Drehmomente zu übertragen, andererseits aber auch eine präzise Steuerbarkeit ermöglichen, insbesondere, wenn mehrere Gelenke in einer Bewegungskette in Reihe angeordnet sind oder wenn mehrere Körperteile des Roboters zusammenwirkend agieren müssen. Allein ein Roboterarm kann bereits vier oder mehr Gelenke aufweisen. Die Gestaltung von Gelenken in einem Roboter ist daher eine kritische Aufgabe, die häufig einen großen Aufwand und hohe Kosten verursacht. Ein für einen Roboter geeignetes Gelenk erfordert den Einsatz mehrerer Basiselemente, die miteinander zusammenwirken müssen. Wesentliche Elemente sind ein Elektromotor, ein Untersetzungsgetriebe, eine Einrichtung zur Drehmomenterfassung, eine Steuer- und Regeleinrichtung und Sensoren zur relativen oder absoluten Positionserfassung von Referenzpunkten der Körperteile.
Die Entwicklung von Robotern hat gezeigt, dass deren Fertigkeiten im Laufe der Zeit zwar einerseits erheblich zugenommen haben und dass auch die Präzision ihrer Handlungen stark gesteigert werden konnte, dass aber andererseits diese Fortschritte einen solchen Aufwand und solche Kosten erfordern, dass der Einsatz von Robotern nach wie vor auf wenige Einsatzszenarien beschränkt ist. Roboter, insbesondere Industrieroboter, werden daher bevorzugt für gleichbleibende Aufgaben eingesetzt, wie z. B. als Schweißroboter in Kfz Fertigungsstraßen oder in der Lagerhaltung. Ein Einsatz für allgemeine Zwecke, wie die flexible Verwendung von Werkzeugen oder der Einsatz in Bereichen, in denen Roboter und Menschen gemeinsam agieren, scheitert in der Regel an hohen Kosten und dem Aufwand, eine ausreichende Flexibilität bei gleichzeitig hoher Präzision und hoher Sicherheit der Anwendung zu erreichen.
Für Roboter verwendbare einzelne Basiselemente sind vielfach entwickelt worden. So ist es üblich, als Elektromotoren bürstenlose Gleichstrommotoren zu verwenden, die gut steuerund regelbar sind. Sie können mit relativ hoher Geschwindigkeit betrieben werden, wenn das nachzuschaltende Untersetzungsgetriebe ein hohes Untersetzungsverhältnis aufweist. Hierzu eignen sich insbesondere sogenannte Wellengetriebe, die im Wesentlichen nur aus drei Elementen bestehen, nämlich einem mit der Motorwelle verbundenen elliptischen Wave Generator, der in einem als flexible Hülse ausgebildeten Flexspline umläuft und diese bei der Drehung verformt. Die Außenseite des Flexsplines enthält eine Außenverzahnung, die bei der Auslenkung des Flexsplines wandernd in die Innenverzahnung eines Circular Splines eingreift. Damit sind Übersetzungsverhältnisse von 200:1 möglich. Derartige Wellengetriebe werden beispielsweise von der Firma Harmonie Drive AG in D-65555 Limburg hergestellt.
Um die von der Motor-Getriebeeinheit erzeugten Kräfte gezielt einsetzen zu können, ist es erforderlich, sowohl Drehzahl als auch Drehmoment je nach Bedarf einstellen oder regeln zu können. Während die Erfassung der Drehzahl des Motors keine größeren Probleme bereitet, gestaltet sich die Erfassung des Drehmoments als aufwändig. Bekannte Mittel bestehen in der Verwendung von störanfälligen Dehnungsmesstreifen oder Positionssensoren, die an geeigneten Stellen in der Kraftkette zwischen Motor und einer folgenden Arbeitsstufe eingesetzt sind und der Antriebswelle zugeordnet sind.
Bei Robotern und anderen Automatisierungseinrichtungen ist es auch häufig erforderlich, Kraftstöße bei einem Kontakt eines Roboter-Werkzeugs mit einem Hindernis aufzufangen. Hierzu ist es bekannt, Federsysteme einzusetzen, die bei Überlast des Antriebs oder Kraftstößen kurzzeitig Energie aufnehmen. Derartige Federsysteme können auch zur Drehmomenterfassung verwendet werden.
Aus der EP 2 239 479 A1 ist ein Roboterantrieb mit einem derartigen Federsystem bekannt, bei dem die Ausgangswelle eines Motors mit einer Kupplung in Verbindung steht, bei der in Umfangsrichtung in einem Gehäuse aufgenommene Federn über Arme auslenkbar sind, die mit der Antriebswelle des Motors verbunden sind, wobei das Gehäuse mit der Motorausgangswelle in Verbindung steht. Ein in der Kupplung auftretendes Drehmoment führt dabei zur Auslenkung der Federn entsprechend der verwendeten Federkennlinie. Mit diesem System ergibt sich eine Kupplung mit Elastizitätseigenschaften. bei der die Torsionskraft durch Federn aufgefangen wird. Federn sind im Langzeitbetrieb aber störanfällige Konstruktionselemente.
Es ist auch bekannt, Torsionskräfte an Motoren über Torsionsstäbe aufzufangen. Aus der DE 11 2010 001 389 T5 ist ein Motor mit Torsionsisolationsmitteln bekannt, bei dem ein Torsionsstab, der axial durch den Motor geführt ist, an einer Seite an dem Motoranker befestigt ist und an der anderen Seite des Motors mit einem Verbraucher verbunden ist. Auch auf diese Weise können Kraftstöße im Antriebssystem durch Torsion des Torsionsstabs ausgeglichen werden.
Die vorstehenden Elastizitätssysteme befinden sich im Motor selbst oder sind unmittelbar mit der Motorwelle verbunden, d.h. sie agieren bei der jeweiligen Motordrehzahl, so dass ihre Wirkung bei Verwendung eines nachfolgenden Getriebes mit hohem Übersetzungsverhältnis sehr begrenzt ist.
Bei Industrierobotern ist es auch üblich, die zu übertragenden Drehmomente indirekt über die Erfassung der Strangströme der eingesetzten Antriebsmotoren festzustellen.
Bei den für antreibbare Gelenke in Robotern verwendbaren Elektromotoren handelt es sich bevorzugt um bürstenlose Gleichstrommotoren, die im Prinzip als Drehstromsynchronmaschinen mit Erregung durch Permanentmagnete ausgeführt sind. Das drehende magnetische Feld der Drehstromwicklung führt dabei zu einer Bewegung des permanenterregten Rotors.
Durch Magnetisierungsvorgänge der eisenhaltigen Statorstruktur in den Spulen aber auch durch mechanische Ungenauigkeiten wie variable Stärken der Magnete, unterschiedlich ausgeprägte Wicklungen oder ungenau platzierte Magnete entstehen Drehmomentschwankungen, die gerade bei günstigen Motoren stark ausgeprägt sind. Diese Schwankungen sind bei Verwendung in hochpräzisen Anwendungen und bei kleinen Drehzahlen, wie sie im Falle von Robotergelenken auftreten, störend und ungeeignet, wenn eine hohe Präzision erforderlich ist. Zur Verringerung derartiger Drehmomentschwankungen können zwar auch Motoren mit höheren Phasenzahlen verwendet werden, jedoch erfordert dies höheren Aufwand und verursacht auch signifikant höhere Kosten.
Ein anderer Ansatz zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit besteht darin, eisenlose Rotoren zu verwenden, die selbsttragende Spulen aufweisen. Gleichwohl lässt sich auf diese Weise die Drehmomentwelligkeit nur reduzieren, aber nicht vermeiden.
Die Regelung eines bürsten losen Gleichstrommotors kann über eine sensorgesteuerte Kommutierung erfolgen, welche auch bei geringen Drehzahlen oder im Stillstand des Motors funktioniert. Bei höheren Ansprüchen ist es auch bekannt, eine Vektorregelung zu verwenden, bei der die Spannungen der Rotorphasen dem gewünschten Drehmoment angepasst werden.
Es sind auch Systeme bekannt, bei denen die Drehmomentwelligkeit eines Motors elektronisch ausgeregelt wird, indem dem Steuerstrom des Motors während seiner Drehung Korrekturdaten aufgeprägt werden, die aus mechanischen Daten des Motors ermittelt wurden und in einem Speicher abgelegt sind, so dass sie positionsabhängig dem jeweiligen Motorstrom überlagert werden können. Ein solches System ist aus der DE 39 41 553 A1 bekannt. Dort sind in einem Funktionsspeicher mehrere verschiedene aus dem Kraft- und Drehmomentverlauf des Motors und ggf. einer angeschlossenen last ermittelte verschiedene Einflüsse berücksichtige Datensätze in Form von Tabellen gespeichert, wobei die Datensätze positions- oder zeitabhängig abgerufen und mit einer Eingangsgröße verknüpft werden können, um zu positions- und zeitabhängigen Augenblickswerten zusammengesetzt zu werden. Die den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf des Motors berücksichtigenden Datensätze werden dabei durch Messläufe zur Optimierung bzw. Erreichung des vorgegebenen Kraft- bzw. Drehmomentverlaufs eines Motors auf einem Mess- und Prüfstand ermittelt. Alternativ können die Datensätze aus einem Muster von gemessenen Parametern und / oder Kennlinien berechnet werden.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 0 792 420 B1 bekannt. Auch dort wird ein Speicher mit einer Tabelle von Werten verwendet, die zur Korrektur der Steuerströme zum Antrieb des Motors verwendet werden.
In der EP 1 638 200 B1 ist ein Verfahren zum Reduzieren der Drehmomentwelligkeit in einem Motor beschrieben, bei dem zwischen den Phasen der Motorsteuereinheit eine Spannungsdifferenz bestimmt wird und in einem Speicher Ausgleichsverstärkungen für die Phasen in Abhängigkeit der Phasenwinkel gespeichert werden, so dass die Verstärkung der jeweiligen Phasen so eingestellt werden kann, dass die Drehmomentwelligkeit reduziert wird.
Aus der US 2007/0241696 A1 ist eine Gelenkverbindung mit einem bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit, einer Drehmomenterfassungseinrichtung, einer Steuer- und Regeleinrichtung, einer Torsionseinheit, einem Positionssensor zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit übertragenen Drehmoments der mit der Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung der Motorleistung verbunden ist.
Aus der DE 39 41 553 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Ansteuerung elektromechanischer Wandler, insbesondere Elektromotoren, mit einer Spannung oder einem Strom bekannt, deren optimale Kurvenform vorher aus den Daten eines Musterwandlers ermittelt und in einem Funktionsspeicher abgespeichert sind.
Aus der US 2013/0020980 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Deformationsgeschwindigkeit eines elastischen Bauteils bekannt.
Aus der DE 103 25 855 A1 ist ein Steuerverfahren für einen bürstenlosen Motor bekannt, das eine Verringerung von Drehmomentwelligkeiten eines bürstenlosen Motors ermöglicht.
Aus der DE 11 2010 004 664 T5 ist eine Vorrichtung bekannt, die eine Antriebskraft steuert/regelt, die von einem Aktuator auf ein angetriebenes Element, wie etwa ein Glied eines Roboters, ausgeübt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkverbindung für einen Roboter anzugeben, deren Antriebs-Komponenten kostengünstig herstellbar sind, wobei dadurch bedingte Nachteile durch eine Steuer- und Regelschaltung soweit kompensierbar sind, dass eine Gelenkverbindung mit hoher Präzision, wenig Bauteilen und gleichzeitig zu geringen Kosten und mit geringem Gewicht herstellbar ist, so dass mittels solcher Gelenkverbindungen Roboter herstellbar sind, die für flexible Einsatzzwecke und zu geringen Kosten hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird gelöst, durch eine Gelenkverbindung zur antreibbaren Verbindung von ersten und zweiten Körperteilen eines Roboters, mit einem bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit zur Verschwenkung der gelenkseitigen Enden der Körperteile gegeneinander, einer Drehmomenterfassungseinrichtung zur Erfassung des zwischen den Körperteilen im Gelenk übertragenen Drehmoments, sowie einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Körperteile gegeneinander und zur Regelung des Drehmomentes in Abhängigkeit von der auf das Gelenk wirkenden Belastung, bei der, zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und dem ersten oder zweiten Körperteil des Roboters eine Torsionsstabeinheit vorgesehen ist, der Gelenkverbindung wenigstens ein Positionssensor zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit übertragenen Drehmoments zugeordnet ist, und der wenigstens eine Positionssensor mit der Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung der Motorleistung verbunden ist, eine Einrichtung zur Erfassung und zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit des Motors vorgesehen ist, welche wenigstens einen Positionssensor am Rotor des Motors zur Erfassung der momentanen relativen oder absoluten Position des Rotors enthält, an einer Vielzahl von drehwinkelabhängigen Haltepositionen die Strangströme zur Ansteuerung des unbelasteten Motors über Stromsensoren feststellbar sind und als positionsabhängige Referenzstromwerte in einem Datenspeicher speicherbar sind, die Referenzstromwerte im laufenden Betrieb des Motors aus dem Datenspeicher auslesbar und als Korrekturdaten den Augenblickswerten des Steuerstroms zur Steuerung des Motors aufgeprägt werden können, das Untersetzungsgetriebe ein Wellengetriebe ist, dessen elliptischer Wave Generator mit der Motorwelle verbunden ist, und die Torsionsstabeinheit zwischen dem Circular Spline des Wellengetriebes und dem ersten Körperteil angeordnet ist, wobei der Flexspline des Wellengetriebes mit dem zweiten Körperteil gekoppelt ist und der Motor an dem Circular Spline befestigt ist.
Die Erfindung geht somit aus von einer Gelenkverbindung zur antreibbaren Verbindung von ersten und zweiten Körperteilen eines Roboters, mit einem bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit zur Verschwenkung der gelenkseitigen Enden der Körperteile gegeneinander, einer Drehmomenterfassungseinrichtung zur Erfassung des zwischen den Körperteilen im Gelenk übertragenen Drehmoments, sowie einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Körperteile gegeneinander und zur Regelung des Drehmomentes in Abhängigkeit von der auf das Gelenk wirkenden Belastung. Eine solche Gelenkverbindung ist eine übliche Gelenkverbindung im Roboterbau.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und dem zweiten Körperteil des Roboters eine Torsionsstabeinheit vorgesehen, wobei der Gelenkverbindung wenigstens ein Positionssensor zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit übertragenen Drehmoments zugeordnet ist, und der Positionssensor mit der Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung der Motorleistung verbunden sind.
Dabei ist auch eine Einrichtung zur Erfassung und zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit des Motors vorgesehen, welche wenigstens einen Positionssensor am Rotor des Motors zur Erfassung der momentanen relativen oder absoluten Position des Rotors enthält, wobei an einer Vielzahl von drehwinkelabhängigen Haltepositionen über Stromsensoren die Strangströme zum Halten des unbelasteten Motors in den Haltepositionen feststellbar sind und dann als positions- und/oder geschwindigkeitsabhängige Referenzstromwerte in einem Datenspeicher gespeichert werden. Sie werden dann im laufenden Betrieb des Motors als Referenzstromwerte aus dem Datenspeicher ausgelesen und als Korrekturdaten den Augenblickswerten des Steuerstroms zur Steuerung des Motors in den jeweiligen Stellungen des Rotors aufgeprägt.
Die Erfindung umfasst damit eine Einrichtung zur Erzeugung von Korrekturdaten, die in einem Speicher abgelegt werden, um diese im laufenden Betrieb dem Steuerstrom des Motors aufprägen zu können, wodurch sich Unregelmäßigkeiten des Motorlaufs verschiedener Art ausgleichen lassen.
In bevorzugter Weise wird ein bürstenloser Gleichstrommotor dazu zunächst in seiner Charakteristik in einem Prüflauf erfasst, wobei hier für jede einzelne Dreh- und Halteposition des Rotors die Drehposition beeinflussende Störgrößen erfasst werden, welche z. B. die Welligkeit aufgrund der permanentmagnetischen Erregung sein können, aber auch Einflussgrößen der Exzentrizität des Rotors, Lagereinflüsse, konstruktionsbedingte Einflüsse und Weiteres. Die auf diese Weise ermittelten Einflussgrößen werden als Korrekturdaten in einem elektronischen Speicher in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotorposition des Motors gespeichert.
Neben den im Wesentlichen statischen positionsabhängigen Störgrößen können die erfassten Korrekturdaten auch durch weitere Korrekturdaten ergänzt werden, die sich z. B. aus dem dynamischen Verhalten des Motors ergeben, wie Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Unwuchten, Reibungen, Temperaturen, soweit diese Daten erfasst werden können oder bereits bekannt sind.
In einem zweiten Schritt, in dem der Motor im Normalbetrieb gefahren wird, werden die Korrekturdaten dem Steuerstrom des Motors aufgeprägt, so dass dieser an jeder Position des Rotors durch die Korrekturdaten so beeinflusst ist, dass sich damit ein gleichmäßiger Motorlauf mit gleichmäßigem Drehmoment ergibt.
Die Korrekturdaten des Motors können auf einem Prüfstand ermittelt werden, wobei aufgrund des einfachen Aufbaus der Auswerteschaltung jeder einzelne Motor einer Serie ausgemessen werden kann, was insbesondere bei konstruktiv sehr einfachen und billigen Motoren besondere Vorteile bietet.
Ein solcher Motor kann jedoch auch im bereits eingebauten Zustand ausgemessen werden, wodurch bei der Erfassung der Störgrößen auch an den Motor angeschlossene Konstruktionselemente, deren Einbau, Lage und weitere Einflussgrößen erfasst werden können.
Die Positionserfassung des Rotors umfasst jede Winkelstellung des Rotors, so dass Korrekturgrößen über den gesamten Umlauf des Rotors erfasst werden können. Wenn zusätzlich oder alternativ eine Positionserfassung an einem nachgeschalteten Getriebe an dessen Ausgang durchgeführt wird, können Korrekturwerte auch für größere Drehwinkel des Motors als 360° erfasst werden, so dass damit auch eine Antriebskette bestehend aus Motor, Getriebe und ggf. weiteren mechanischen Elementen im Antriebsstrang erfasst werden kann.
Das Verfahren kann einmalig an einem "jungfräulichen" Motor ausgeführt werden. Es ist auch möglich, das Verfahren wiederholt in Abhängigkeit vom Verschleißgrad des Motors oder besonderen Belastungen auszuführen, oder das Verfahren jeweils vor dem Einsatz eines Betriebslaufs als "Kalibrierlauf" durchzuführen.
Die Verwendung einer Torsionsstabeinheit kann das Getriebe vor Stößen von außen schützen. Außerdem stellt eine Torsionsstabeinheit einen mechanischen Tiefpassfilter dar, der vom Getriebe oder dem Motor generierte hochfrequente Drehmomentstöße mechanisch filtert, so dass bei entsprechender Regelung des Motors eine verbesserte Laufruhe erreicht werden kann.
Die Anordnung der Torsionsstabeinheit hinter dem Getriebe ermöglicht eine einfache Erfassung des Drehmoments bei höheren Torsionskräften, und insbesondere, wenn nur kleine Winkeldrehungen des Torsionsstabes erforderlich sind. Ferner kann bei Verwendung von Standardmotoren und angeflanschtem Wellen-Getriebe eine hohe Kompaktheit der Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden.
In der erfindungsgemäßen Kombination der Verwendung einer Torsionsstabeinheit mit der Einrichtung zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines Gleichstrommotors beschreibt die Erfindung damit ein System, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise Unregelmäßigkeiten des Motorlaufs verschiedener Art ausgeglichen werden können, aber gleichwohl eine hohe Genauigkeit der Drehmomenterfassung und der Regelung des Motors erreicht werden kann.
Zur Feststellung der Drehmomentwelligkeit des Motors werden in bevorzugter Weise in einem ersten Schritt für jede Position des Rotors den Rotor in dieser Position haltende Strangströme ermittelt, aus denen Referenzstromdaten abgeleitet werden, welche in einer Tabelle des Datenspeichers zusammen mit den jeweiligen Positionsdaten des Motors abgespeichert werden. In einem zweiten Schritt werden im laufenden Betrieb des Motors die im Datenspeicher hinterlegten positionsabhängigen Referenzstromdaten, gegebenenfalls unter Verwendung eines Verstärkungsfaktors, mit den Steuerströmen des Motors verknüpft. Zur Ansteuerung und Regelung des Motors ist vorzugsweise eine Vektorregelung vorgesehen, die Folgendes umfasst: ein Transmissionsmodul zur Wandlung des Steuerstroms des Motors aus einem statischen 2-Phasensystem in ein rotierendes 2-Phasensystem, eine Leistungselektronik zur dreiphasigen Ansteuerung des Rotors, ein Transformationsmodul zur Umwandlung der Strangströme des Rotors in ein rotierendes 2-Phasensystem, und ein Transformationsmodul zur Rückwandlung des rotierenden 2-Phasensystems in ein statisches 2-Phasensystem, dessen Stromwerte auf den Steuerstrom rückgekoppelt werden.
Diese Art der Ansteuerung und Regelung erlaubt es in einfacher Weise, die Korrekturdaten aus der Tabelle des Datenspeichers dem Motorstrom im laufenden Betrieb aufzuprägen, so dass trotz einfachem Aufbau des Motors und seines Reglers, insbesondere aus preiswerten Komponenten, die Drehmomentwelligkeit des Motors im Betrieb unter Last gleichwohl weitestgehend ausgeglichen werden kann.
Vorzugsweise wird der Steuerstrom des Motors zusätzlich über einen Positionsprädiktorregler geführt, mit dem die Referenzstromdaten einer ursprünglichen Position in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Motors dem Steuerstrom an einer neuen Position aufgeprägt werden können. Damit lassen sich auch Motorregler verwenden, die keine hohen Anforderungen an Ansprechgeschwindigkeit erfüllen.
Aufgrund der endlichen Bandbreite und Amplitude des Vektorreglers können damit die im Speicher abgelegten Korrekturdaten in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors dem Steuerstrom an abweichenden Positionen aufgeprägt werden, so dass auf diese Weise geschwindigkeitsabhängige Fehler bei dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren ausgeglichen werden können.
Bei der Ausmessung der Korrekturdaten werden aus Genauigkeitsgründen jeweils mehrere Messwerte zu jeder Drehstellung des Motors aufgenommen. Insbesondere aufgrund von Einschwingvorgängen des Reglers weichen einige Messwerte von dem tatsächlichen Wert teilweise erheblich ab. Anders als bei einfachem weißem Rauschen lässt sich das Signal nicht ohne weiteres durch die Ermittlung des Mittelwertes zur Korrektur verwenden. Daher werden aus den Referenzstromdaten solche Daten eliminiert, die als Ausreißer vorgegebene Grenzwerte über- oder unterschreiten. Aus den verbliebenen Korrekturdaten kann dann eine Mittelwertkurve gebildet werden, deren Einzelwerte als positionsabhängige Korrekturdaten gespeichert werden.
Ein derartiges Korrektursignal ist in vielen Fällen zum Ausgleich der Drehmomentwelligkeit ausreichend, jedoch wird ein verbessertes Verfahren zur Aufbereitung der Korrekturdaten bevorzugt, bei dem nach Entfernung von Daten, die vorgegebene obere und untere Grenzen überschreiten, die für jeden einzelnen Positionswert ermittelten Daten jeweils nach ihrer Größe derart sortiert werden, dass daraus ein Medianwert ermittelt werden kann. Um die jeweiligen Medianwerte, bezogen auf die einzelnen Rotorpositionen über den gesamten 360°-Winkel, wird ein Tunnel bzw. Band mit einer festen Fensterbreite gelegt, der bzw. das damit ein Datenfenster bildet, das eine feste vertikale Breite aufweist, dessen jeweilige absolute Höhe in Abhängigkeit von dem jeweiligen Medianwert schwankt. Es werden nun nur noch diejenigen Korrekturdaten, die innerhalb des Bandes liegen, verwendet und es wird daraus ein Mittelwert gebildet, so dass damit Korrekturdaten erhalten werden, die von Ausreißern, statistischen Ungenauigkeiten und Reglereinflüssen weitestgehend befreit sind.
Die Erfindung ermöglicht es auch, abhängig vom Betriebszustand des Motors oder dem Belastungszustand zwischen mehreren gespeicherten Korrekturkurven zu wechseln, die in Abhängigkeit von bestimmten Parametern, z. B. der Belastung oder der Drehzahl ausgewählt werden. Die Umschaltung zwischen den Kurven kann automatisch im laufenden Betrieb auch während eines Umlaufs des Motors oder nur an bestimmten Winkelpositionen erfolgen.
In der Kombination mit einer Torsionsstabeinheit lässt sich auf diese Weise auch das über das Gelenk übertragene Drehmoment mit erhöhter Genauigkeit ermitteln. Dabei werden insbesondere zwei Positionssensoren verwendet, die an den jeweiligen Enden der Torsionsstabeinheit angeordnet sind.
Die Torsionsstabeinheit kann in alternativen ersten Ausführungsform unmittelbar als Abtriebswelle des Getriebes ausgebildet sein, so dass sie sich in Reihe zwischen Getriebe und einem der Körperteile des Roboters befindet. Sie ist in erfindungsgemäß in einer zweiten Ausführungsform zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und einem der Körperteile angeordnet sein, so dass sie selbst nicht am Antrieb des Gelenks mitwirkt, aber das Drehmoment erfasst und eine Filterfunktion übernehmen kann. In beiden Ausführungsformen ist es damit vorteilhaft möglich, die Motor-Getriebe-Einheit und die Torsionsstabeinheit sehr kompakt anzuordnen, wenn bei der ersten Ausführungsform die Torsionsstabeinheit durch eine als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle hindurchgeführt wird oder in der zweiten Ausbildungsform die Torsionsstabeinheit den Motor als Torsionskorb umgibt. Bei beiden Arten ist es möglich, die über das Gelenk zu verbindenden Körperteile unmittelbar nahe und parallel zueinander anzuordnen und die Motor-Getriebe-Einheit auch nur an einer Seite eines der Körperteile anzuordnen, so dass diese für Wartungszwecke besonders einfach zugänglich ist.
Erfindungsgemäß ist das Getriebe ein Wellengetriebe, dessen elliptischer Wave Generator mit der Motorwelle verbunden ist. Weiterhin erfindungsgemäß ist die Torsionsstabeinheit in der zweiten Ausführungsform zwischen dem Circular Spline des Wellengetriebes und dem ersten Körperteil angeordnet, wobei der Flexspline des Wellengetriebes mit dem zweiten Körperteil gekoppelt ist und der Motor an dem Circular Spline befestigt ist.
In verschiedenen Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Ausführungsformen der Ausbildung einer Torsionsstabeinheit angegeben.
Die Torsionsstabeinheit könnte alternativ zwischen dem Flexspline des Wellengetriebes und dem zweiten Körperteil angeordnet sein, wobei die Motor-Getriebe-Einheit an dem ersten Körperteil befestigt ist.
Es wird bevorzugt, wenn die Motor-Getriebe-Einheit an einem axial zur Antriebswelle des Motors angeordneten ersten Haltering angeordnet ist, mit axialem Abstand und parallel zum ersten Haltering ein zweiter Haltering an dem ersten Körperteil befestigt ist, und der erste Haltering mit dem zweiten Haltering über parallel zur Axialrichtung der Motorwelle verlaufende an dem Umfang der Halteringe ringförmig verteilt angeordnete Torsionsstäbe verbunden ist.
Die aus dem ersten Haltering, dem zweiten Haltering und den Torsionsstäben gebildete Torsionsstabeinheit kann das Motorgehäuse in vorteilhafter Weise dabei korbförmig umgeben, wenn der zweite an dem ersten Körperteil befestigte Haltering sich an der dem Ausgangsende des Motors gegenüberliegenden Seite des Motors befindet.
Die Torsionsstäbe sind insbesondere achsparallel in umlaufend in den Halteringen ausgebildeten Bohrungen befestigt. Sie können als runde, rechteckförmige oder blattförmige Metallstäbe ausgebildet sein. Ein oder mehrere der Torsionsstäbe können auch aus verformbaren Polymeren gebildet sein oder sie können auch aus Rohrabschnitten bestehen.
Zur Berücksichtigung von Reibungsstörungen der Gelenklagerung, des Getriebes, des Motors und anderer mechanischer Komponenten der Gelenkverbindung ist der Steuer- und Regeleinrichtung vorzugsweise ferner eine Reibkompensationseinrichtung zugeordnet, die auf Basis des Prinzips eines Reibungsbeobachters die tatsächliche Geschwindigkeit des Getriebeausgangs mit der geschätzten Geschwindigkeit in Beziehung gesetzt und aus der Abweichung der Geschwindigkeiten ein Reibmoment als Korrekturwert ermittelt, der dem kommandierten Drehmoment hinzugefügt wird. Dabei wird das Reibmoment vorzugsweise aus einer Integration der Motorbeschleunigung ermittelt, die über das kommandierte Drehmoment und die Motorträgheit errechnet wird, wobei die Differenz der Geschwindigkeiten über die Motorträgheit und eine Konstante auf ein geschätztes Reibmoment umgerechnet wird.
Zwar ist das Prinzip der Kompensation mittels eines Reibungsbeobachters aus der Veröffentlichung und dem Vortrag „Friction Observer and Compensation for Control of Robots with Joint Torque Measurement" gehalten auf der 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Acropolis Convention Center, Nice, France, September 22–26, 2008 bereits bekannt. Seine Anwendung im Bereich von Robotergelenken mit einfachstem Aufbau unter Verwendung kostengünstiger Komponenten hat jedoch überraschend gezeigt, dass eine damit ausgerüstete Steuer- und Regeleinheit es ermöglicht, eine Gelenkverbindung herzustellen, die weitaus komplexere, insbesondere mechanisch aufwendige Konstruktionen zum Ausgleich von Reibung zu vermeiden hilft.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt als Vergleichsbeispiel eine schematische Gesamtansicht einer Motor-Getriebe-Einheit mit einer Torsionsstabeinheit am Ausgang des Getriebes gemäß einer alternativen Ausführungsform,
2 zeigt eine Ansicht gemäß 1, bei der die Torsionsstabeinheit zur Rückseite des Motors zurückgeführt ist als Vergleichsbeispiel einer alternative Lösung,
3 eine schematische Gesamtansicht einer Motor-Getriebe-Einheit mit einer erfindungsgemäßen Torsionsstabeinheit,
4 eine erfindungsgemäße Torsionsstabeinheit nach 3 an einem Wellen-Getriebe,
5 eine Darstellung einer Torsionsstabeinheit gemäß der zweiten Ausführungsform im belasteten Zustand,
6 eine schematische Seitenansicht auf ein Wellen-Getriebe,
7a, b eine schematische Darstellung von konstruktionsbedingten Einflussgrößen an einem bürstenlosen Gleichstrommotor auf die Drehmomentwelligkeit,
8 einen prinzipiellen Schaltungsaufbau einer Anordnung zur Erfassung von Korrekturdaten eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
9 eine Anordnung zur Korrektur des Steuerstroms mit Hilfe von aus einem Speicher abgelesenen Korrekturdaten,
10a–d eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Verbesserung der ermittelten Korrekturdaten, und
11 eine Darstellung zur Erläuterung einer Korrektur von drehzahlabhängigen Einflussgrößen bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Die in 1 dargestellte Ansicht zeigt ein Vergleichsbeispiel einer alternativen Lösung mit einem elektrischen Motor 2, z. B. einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Motorwelle 6, die in den Wave Generator 5 eines an sich bekannten Wellen-Getriebes 3 eingreift. Das Getriebe 3 ist fest am Gehäuse des Motors 2 zur Bildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt. In Radialrichtung ist das Getriebe größer als der Durchmesser des Motors.
Der Wave Generator 5 des Getriebes lenkt beim Umlauf aufgrund seiner elliptischen Form das als Hülse ausgebildete Flexspline 4 des Getriebes aus. Der auf der radialen Außenseite des Flexsplines 4 angeordnete Zahnkranz greift dabei jeweils punktförmig in die Innenverzahnung des das Flexspline 4 umgebenden Circular Splines 8 ein. Aufgrund einer unterschiedlichen Zahl von Zähnen von Flexspline 4 und Circular Spline 8 ergibt sich eine starke Drehzahlherabstufung an dem Flexspline 4 gegenüber der Motorwelle 6 des Motors 2. Die Motor-Getriebe-Einheit kann über geeignete Befestigungsmittel an dem ersten Körperteil 1 befestigt werden. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung an dem Körperteil 1 über das Circular Spline 8 des Getriebes.
Das Flexspline 4 des Getriebes 3 weist einen Flansch für eine Abtriebswelle 7 auf, die zu einem nicht dargestellten zweiten Körperteil führt.
Bei der Erfindung ist die Welle 7 als Torsionsstabeinheit in Form eines Torsionsstabes 11 an den Ausgang des Wellengetriebes angesetzt und verbindet das Getriebe mit dem zweiten Körperteil. Hierbei ist die Motor-Getriebe-Einheit fest an dem ersten Körperteil 1 befestigt. Die Torsion findet in dem Torsionsstab 11 statt. Aufgrund der hier fehlenden Bezugsbasis werden zwei Positionssensoren 9 und 10 verwendet, die die Torsion des Torsionsstabes 11 relativ zueinander erfassen. Die Sensorsignale der Positionssensoren 90 und 10 können auf eine Rechen-, Auswerte- und Regelschaltung gegeben werden, um den Motor 2 zu steuern oder weitere vom erzeugten Drehmoment abhängige Parameter zu erfassen, einzustellen oder zu regeln.
Der Torsionsstab 11 kann aus Vollmetall oder einem Rohr bestehen. Es kann auch eine Bündelung einer Mehrzahl paralleler einzelner Stäbe verwendet werden, die in Endstücken, wie Halteringen, aufgenommen sind. Die Bündelstäbe können auch kreisförmig und parallel zueinander in seitlichen Halteringen oder Haltescheiben aufgenommen sein. Dadurch ergibt sich eine bündelartige Struktur des Torsionsstabs, wobei die Bündelstäbe selbst im Wesentlichen nur auf Biegung beansprucht werden. Daher können die Bündelstäbe in diesem Fall auch rechteckig oder blattförmig sein. Zwischen die Bündelstäbe können auch Polymermaterialien eingesetzt werden, oder einzelne Bündelstäbe können aus Polymeren bestehen, um dadurch zusätzlich Dämpfungseigenschaften der Torsionsstabeinheit zu erzielen.
In einem ausgeführten Beispiel hatte der aus Vollmetall gebildete Torsionsstab eine Länge von 82 mm. Sein Durchmesser betrug 8,5 mm. Bei einem Drehmoment von 60 Nm ergab sich eine Auslenkung, d.h. eine Verdrehung der Enden des Torsionsstabes, um 5 Grad.
Ein Vorteil des Einsatzes der Erfindung liegt auch darin, dass durch die elastischen Eigenschaften des Torsionsstabs ein erhöhter Schutz gegen Stöße von außen auf die Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden kann. Wenn der Torsionsstab als Kragarm ausgebildet wird, lassen sich auch mehrdimensionale Messungen, z. B. 6-dimensionale Messungen der anliegenden Kräfte und Momente, durch entsprechend eingesetzte Positions- oder Drehmomentsensoren vornehmen.
2 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer alternativen Lösung mit einer Anordnung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, bei der die Motorwelle als Hohlwelle 12 ausgebildet ist. Diese Hohlwelle greift auch in den Wave Generator 5 des Wellen-Getriebes ein. Mit einer geeigneten Flanschausbildung an dem Flexspline kann die Abtriebswelle 13, die zugleich den Torsionsstab 11 bildet, durch die Hohlwelle 12 hindurch zur Rückseite des Motors geführt werden und dort mit dem zweiten Körperteil verbunden werden. Dadurch verkürzt sich die Gesamtlänge der Antriebsvorrichtung erheblich.
Die in 3 dargestellte Ansicht zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem elektrischen Motor 15, z. B. einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Motorwelle 23, die in den Wave Generator 20 eines an sich bekannten Wellen-Getriebes 16 eingreift. Das Getriebe 16 ist fest am Gehäuse des Motors 15 zur Bildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt. In Radialrichtung ist das Getriebe größer als der Durchmesser des Motors.
Der Wave Generator 20 des Getriebes lenkt beim Umlauf aufgrund seiner elliptischen Form das als Hülse ausgebildete Flexspline 19 des Getriebes aus. Der auf der radialen Aussenseite des Flexsplines 19 angeordnete Zahnkranz greift dabei jeweils punktförmig in die Innenverzahnung des das Flexspline 19 umgebenden Circular Splines 21 ein. Aufgrund einer unterschiedlichen Zahl von Zähnen von Flexspline 19 und Circular Spline 21 ergibt sich eine starke Drehzahlherabstufung an dem Flexspline 19 gegenüber der Motorwelle 23 des Motors 15.
An dem Circular Spline ist ein erster Haltering 17 befestigt, der radial zur Motorwelle 23 angeordnet ist. Circular Spline und erster Haltering können auch als Einheit ausgebildet sein. In Achsrichtung der Motorwelle 23 ist an der Rückseite des Motors ein zweiter Haltering 18 ebenfalls radial zur Motorwelle 23 angeordnet, der an dem ersten Körperteil befestigt ist. Der zweite Haltering 18 kann auch als Scheibe oder in anderer Gestalt ausgebildet sein oder durch das erste Körperteil selbst gebildet sein.
Die beiden Halteringe 17 und 18 sind miteinander über Torsionsstäbe 22 verbunden. Diese verlaufen in Radialrichtung parallel zur Motorwelle 23 und in Umfangsrichtung parallel zueinander. Sie sind auf einem Kreisumfang verteilt angeordnet und bilden zusammen mit den Halteringen 17 und 18 eine Art von Torsionskorb, in dem der Motor 15 aufgenommen ist, wobei dieser allein an dem Getriebe 16 befestigt ist. Die Torsionsstäbe 22 können rund, rechteckig, blattförmig oder rohrförmig ausgebildet sein. Sie sind fest in ringförmig umlaufende Bohrungen 25 der Halteringe durch Klemmkraft eingesetzt oder eingeschraubt.
Sie können mit den Halteringen auch verschweißt oder verklebt sein. Optional ist es auch möglich, wenigstens einen Teil der Torsionsstäbe aus Polymeren auszubilden. Es können auch Torsionsstäbe verwendet werden, die plastisch verformbar sind. Dadurch lässt sich ein Torsionskorb herstellen, der unerwünschte Schwingungen reduzieren kann.
Das Flexspline 19 des Getriebes 16 weist einen Anschluss für eine Abtriebsswelle 24 auf, die zu einem zweiten Körperteil des Roboters führt. Eine Eingangswelle des Körperteils kann umgekehrt auch unmittelbar mit dem Flexspline verbunden sein.
4 zeigt den erfindungsgemäßen Torsionskorb von 3 unter Weglassung von Motor und Getriebe in einer 3D-Ansicht. Der zweite Haltering 18 ist flanschartig ausgebildet und lässt sich über Schraubbefestigungen an dem ersten Körperteil anbringen. Die Torsionsstäbe 22 sind in Bohrungen 25 der Halteringe 17 und 18 eingesetzt, wobei der erste Haltering 17 an dem Circular Spline des Getriebes 16 befestigt ist.
5 zeigt eine FEM-Simulation der Auslenkung der Torsionsstäbe im belasteten Zustand des Torsionskorbes bei nicht dargestellter Motor-Getriebe-Einheit. Es ist zu erkennen, dass die Torsionsstäbe 22 sich bei Verdrehung der Halteringe 17 und 18 S-förmig verformen.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht des Getriebes 16 mit Motorwelle 23, Wave Generator 20, Flexspline 19 und Circular Spline 21, an dem der erste Haltering 17 befestigt ist. An dem Circular Spline ist auch das Gehäuse des Motors befestigt.
In einem ausgeführten Beispiel, in dem ein Drehmoment von 60 Nm erfasst werden sollte, wurden Halteringe mit einem Ringdurchmesser in der Ebene der Torsionsstäbe von 50 mm verwendet. Auf dem Umfang waren 17 Edelstahlstäbe mit einem jeweiligen Durchmesser von 2,1 mm angeordnet, die eine Länge von jeweils 60 mm zwischen den Halteringen aufwiesen. Bei dem Drehmoment von 60 Nm zeigte sich eine Auslenkung des ersten Halterings gegenüber dem zweiten Haltering von 3 Grad.
Die Drehwinkelerfassung kann über einen an sich bekannten Sensor, wie einen optischen, kapazitiven oder induktiven Sensor 26 zwischen dem ersten Körperteil und dem ersten Haltering 17 erfolgen. Das Sensorsignal kann auf eine Rechen-, Auswerte- und Regelschaltung gegeben werden, um den Motor zu steuern oder weitere vom erzeugten Drehmoment abhängige Parameter zu erfassen, einzustellen oder zu regeln.
Auch in dem Ausführungsbeispiel der 3–6 kann die Abtriebswelle 24 durch eine als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle auf die Rückseite des Motors geführt werden, wobei sie bei Weiterführung durch eine Bohrung des ersten Körperteils in ein daran anschließendes zweites Körperteil eingreifen kann. Der sich hierbei ergebende Vorteil liegt insbesondere darin, dass die beiden Körperteile unmittelbar benachbart zueinander verlaufen, und, wenn sie gegeneinander geeignet gelagert sind, ein sehr kompaktes, kurzes Gelenk bilden, bei dem der Antrieb nicht zwischen den Körperteilen, sondern nur an der Seite eines der Körperteile angeordnet ist, so dass der Antrieb, insbesondere für Wartungszwecke, sehr einfach zugänglich, und ein Drehachsenversatz verhindert ist.
Ein Vorteil des Einsatzes der Erfindung liegt auch darin, dass durch die elastischen Eigenschaften der Torsionsstab-Einheit ein erhöhter Schutz gegen Stöße von außen auf die Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden kann. Die Torsionsstab-Einheit schützt auch sowohl gegen axiale als auch gegen radiale Schläge auf die Motor-Getriebe-Einheit.
Der bei der Erfindung verwendete Motor hat ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und die Genauigkeit einer Gelenkverbindung eines Roboters. Um eine hochgenaue Drehmomenterfassung erreichen zu können, müssen die statischen und dynamischen Störgrößen, die den Rundlauf des Motors, insbesondere im kleinschrittigen Bewegungsablauf, beeinflussen, so weit wie möglich eliminiert werden. Diese Störgrößen sind insbesondere bei kostengünstigen Motoren nicht zu vernachlässigen. Die Erfindung sieht dazu Kompensationsmaßnahmen vor, diese Störgrößen auf elektronischen Wege soweit zu kompensieren, dass trotz des Einsatzes kostengünstiger Motoren eine hohe Güte des Motorlaufs erreichbar ist, die eine präzise Drehmomenterfassung und damit eine präzise Steuerung und Regelung des Bewegungsablaufs von Körperteilen des Roboters ermöglicht.
Im Folgenden wird die Kompensation von Störgrößen an einem Motor zum Einsatz in einem Robotergelenk unter Weglassung der bereits beschriebenen Drehmomenterfassung mittels einer Torsionsstabeinheit beschrieben. Es ist jedoch zu betonen, dass die Erfindung insbesondere auf die Kombination einer Einrichtung zur Drehmomenterfassung und der Ausbildung einer Einrichtung zum Ausgleich von im Motorantrieb auftretenden Störgrößen gerichtet ist.
7a zeigt eine Prinzipdarstellung eines mechanischen Äquivalents eines bürstenloses Gleichstrommotors, bei dem ein Rotor 27 über Federn 28 und 29 an einem Gleichgewichtspunkt befestigt ist. Die Federkraft am Gleichgewichtspunkt entspricht im Wesentlichen der über die Feder 28 an diesem Punkt angreifenden Kraft minus der Federkraft der Feder 29 aufgrund der Auslenkung des Rotors 1 aus der Gleichgewichtslage.
In 7b ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt, das einen Nordpol 30 und einen Südpol 31 zeigt, die das Permanentmagnetfeld bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor darstellen. Um einen Rotor 27 in die Gleichgewichtslage zwischen dem Permanentmagneten zu bringen, ist ein Strom erforderlich, der zur Kompensation der magnetischen Kräfte, symbolisiert durch Federn 28 und 29, erforderlich ist.
8 zeigt eine Regelschaltung zur Ermittlung von Korrekturdaten zum Ausgleich von Drehmomentwelligkeiten an einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Aus der Rotorstellung des Motors 32 wird über einen PI-Regler ein Referenzstrom i_q,ref abgeleitet, der als Führungsgröße über einen Vektorregler den Motor 32 so einstellt, dass dieser eine bestimmte drehwinkelbezogene Halteposition einhält. Die Führungsgröße ist in einem zweiphasigen rotorbezogenen Koordinatensystem dargestellt. Über PI-Regler 37, 38 und eine anschließende inverse Park-Transformation 33 wird das statische rotorbezogene Koordinatensystem in ein rotierendes Koordinatensystem mit den Spannungen U_β und U_α. umgewandelt, In einem Funktionsblock 34 erfolgt eine Pulsweitenmodulation und Verstärkung des rotierenden 2-Phasensystems in einem rotierenden 3-Phasensystem, bei dem der Verstärker Strangströme 39, 40 und 41 zur Ansteuerung des Motors 32 erzeugt. Die Rückführung der Regelgröße erfolgt über eine Clark- und eine Parktransformation, wobei in der Clark-Transformation die in Statorkoordinaten erfassten rotierenden Strangströme in zweiphasige rotierende Ströme gewandelt werden und das rotierende 2-Phasensystem durch die Parktransformation in ein statisches rotorbezogenes 2-Phasensystem überführt wird. Die auf diese Weise erfassten Stromdaten i_q.ref werden auf die jeweilige Drehwinkelposition des Motors 32 bezogen in einem Datenspeicher 45 als Korrekturdaten aufgezeichnet.
Wenn die Korrekturdaten nicht nur auf den Drehwinkel des Motors 32 bezogen werden sollen, sondern auch ein nachfolgendes Getriebe einbezogen werden soll, kann der Positionssensor zur Erfassung einer Drehwinkelposition auch an einer nachfolgenden Stufe angebracht werden, so dass die gesamte Einheit bestehend aus Motor und Getriebe und eventuell weiterer mechanische Komponenten zur Korrekturdatenerfassung verwendet werden kann, so dass die Korrekturdaten sich auf die Drehwinkelposition, z. B. der Ausgangswelle eines Getriebes, beziehen. Es ist auch möglich, Korrekturdaten zu erfassen, die sich einerseits auf die Drehmomentwelligkeit des Rotors beziehen und andererseits weitere Störgrößen in einem an den Motor angeschlossenen Getriebe erfassen, wobei die Korrekturdaten beim Lauf des Motors einander überlagert sein können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reduzieren der Drehmomentwelligkeit verwendet wenigstens zwei Stromsensoren, die die Ausgangsströme an jeder Phase der Motoreinheit detektieren. Es ist ein Positionssensor am Rotor des Motors oder Getriebe erforderlich, der die relative oder absolute Rotorposition feststellt. Die Stromsensoren führen auf einen Prozessor, dessen Ausgang mit einer Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei der Prozessor eine zu den Strangströmen äquivalente Spannung an jeder Phase der Motorsteuereinheit einspeist. Der Prozessor enthält gleichzeitig den Speicher, der die Kompensationsströme zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeiten auslesen kann. Die Korrekturdaten in Form von Stromamplituden für jede der Rotorwinkelstellungen werden entsprechend einem Additionsfaktor dem Steuerstrom für jeden der Rotorwinkelstellungen hinzugefügt.
9 zeigt eine entsprechende Ansicht von 8, bei dem die aus dem Speicher 45 ausgelesenen Korrekturdaten i_q,cog 47 einem Steuerstrom 20 überlagert werden, so dass dem Regler ein die Korrekturdaten berücksichtigender Steuerstrom i*_q,ref zugeführt wird. Der Motor 32 erhält dadurch korrigierte Ansteuerströme, die zu einem Ausgleich einer drehmomentabhängigen Welligkeit des Motorantriebs führen.
10 zeigt eine Darstellung zur Aufbereitung der erfassten Korrekturdaten. In 10a ist dargestellt, dass zu jeder Winkelposition Θ_m des Motors eine Mehrzahl von Korrekturdaten erfasst wird, die für jeden Winkel eine sogenannte Punktwolke 48 bilden. Aus diesen positionsabhängigen Punktwolken kann ein nach Drehwinkeln sortierter Mittelwert 49 errechnet werden, der in 10b dargestellt ist. Dieser Mittelwert 49 zeigt einige Ausreißer, die beispielsweise auf Regierungenauigkeiten und Einschwingverhalten beruhen. Durch eine geeignete Begrenzungsschaltung können Ausreißer der in 10b gezeigten Art aus den jeweiligen Punktwolken entfernt werden. Die damit verbesserten Amplitudenwerte der erfassten Korrekturwerte werden dann zunächst nach ihrer Größe sortiert und es wird der jeweilige Medianwert der Daten ermittelt. Bezogen auf diese Medianwerte entlang des gesamten 360°-Umfangs wird nun gemäß 10c eine Hüllkurve festgelegt, die ein festes Band 50 für die jeweiligen Medianwerte bildet. Damit lassen sich Datenwerte, die beispielsweise auf Rauschen oder anderen Unstetigkeiten beruhen, aus den Korrekturdaten ausgrenzen. Nun wird aus den innerhalb des Tunnels liegenden Datenwerten ein Mittelwert erzeugt, welcher eine positionsbezogene Kurve 51 der Korrekturdaten bildet, wie sie in 10d dargestellt ist. Diese Daten werden im Speicher abgelegt und beim lauf des Motors im Normalbetrieb zur Korrektur der Führungsgröße verwendet.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann eine einfache, aber genaue Datenaufbereitung erfolgen, ohne dass Filterfunktionen, die eine aufwendige Signalverarbeitung erfordern würden, erforderlich wären. Als Ergebnis ergibt sich ein im Wesentlichen glattes Kompensationssignal 51, das beim Betrieb des Motors zur Kompensation der Drehmomentwelligkeit zu Verfügung steht.
Bei Verwendung eines Positionsprädiktorreglers können die Korrekturdaten dem Steuerstrom des Motors auch zu einem Zeitpunkt zugeführt werden, der von der tatsächlichen Regelposition des Motors abweicht. Damit ist es möglich, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Motors den jeweiligen Zeitpunkt der Aufbringung der Korrekturdaten zu variieren, um so Laufzeitdifferenzen des verwendeten Reglers und weitere geschwindigkeitsabhängige Steuergrößen auszugleichen.
In 11 ist eine Darstellung mehrerer Kurven bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten eines Motors dargestellt, bei denen die jeweiligen geschwungenen Kurven 52 eine verbleibende Drehmomentwelligkeit bei höheren Drehzahlen zeigen, während die jeweiligen im Wesentlichen geradlinigen Kurven 53 den Zustand darstellen, wenn ein Positionsprädiktorregler verwendet ist, der eine Verschiebung der Korrekturdaten ermöglicht.
Die Berechnung der Verschiebung erfolgt durch Feststellung der Rotorfrequenz des in einem Rechenschritt zurückgelegten Winkels unter Berücksichtigung der Sensorauflösung. Damit lässt sich eine neue Position zur Aufbringung des Korrektursignals ermitteln. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es auch möglich, eine Verschiebung der Position nicht nur bei Annahme einer konstanten Geschwindigkeit des Motors, sondern auch in Abhängigkeit von Geschwindigkeitsänderungen, d. h. einer Beschleunigung oder Abbremsung, vorzunehmen.
Bei dem Verfahren zur Erfassung der Rotor-/Sensorpositionen hängt die Genauigkeit der Erfassung auch von der Auflösung des Positionssensors ab. Daher sollte die Auflösung so hoch sein, dass neben den konstruktiv bedingten Störgrößen aufgrund der durch die Magnete bewirkten Drehmomentwelligkeit auch sonstige Einflussgrößen, wie Störgrößen aus der Lagerung, usw. ausgeglichen werden können.
Der Einsatz der beschriebenen Drehmomentermittlung in Kombination mit der Einrichtung zur Kompensation einer Drehmomentwelligkeit führt zu einer präziseren Steuer- und Regelbarkeit, die es auch erleichtert, eine Schätzung bzw. Erfassung externer Einflussgrößen auf das Drehmoment oder die im Gelenk auftretenden Kräfte vorzunehmen und damit eine größere Bandbreite an regelungstechnischen Methoden zur Steuerung eines Roboters bereitzustellen. Damit lassen sich auch Nachgiebigkeitsregelungen realisieren, welche eine besondere Bedeutung beim Einsatz von Detektions- und Reaktionsstrategien im Kollisionsfall zwischen Mensch (oder der Umgebung) und einem Roboter haben.
Bezugszeichenliste

1: erstes Körperteil
2: Motor
3: Getriebe
4: Flexspline
5: Wave Generator
6: Motorwelle
7: Abtriebswelle
8: Circular Spline
9: Positionssensor
10: Positionssensor
11: Torsionsstab
12: Hohlwelle
13: Abtriebswelle
14: zweites Körperteil
15: Motor
16: Getriebe
17: erster Haltering
18: zweiter Haltering
19: Flexspline
20: Wave Generator
21: Circular Spline
22: Torsionsstäbe
23: Motorwelle
24: Abtriebswelle
25: Bohrungen
26: Sensor
27: Rotor
28: Feder
29: Feder
30: Magnet (Nord)
31: Magnet (Süd)
32: Motor
33: Inverses Park Transmissionsmodul
34: Pulsweiten-Modul und Inverter
35: Clark-Transmissionsmodul
36: Park- Transmissionsmodul
37: PI-Regler
38: PI-Regler
39: Strangstrom i_c
40: Strangstrom i_b
41: Strangstrom i_a
42: PI-Regler
43: Strom i_d
44: Referenzstrom i_q,ref
45: Speicher
46: korrigierter Strom i_q*,_ref
47: Korrekturdaten i_q,cog
48: Punktwolke
49: Mittelwert
50: Band
51: Referenzstromwert
52: geschwungene Kurve
53: geradlinige Kurve

Claims

Gelenkverbindung zur antreibbaren Verbindung von ersten und zweiten Körperteilen eines Roboters, mit einem bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor (2, 15, 32) mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe (3, 16) zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit zur Verschwenkung der gelenkseitigen Enden der Körperteile gegeneinander, einer Drehmomenterfassungseinrichtung zur Erfassung des zwischen den Körperteilen im Gelenk übertragenen Drehmoments, sowie einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Körperteile gegeneinander und zur Regelung des Drehmomentes in Abhängigkeit von der auf das Gelenk wirkenden Belastung, bei der, – zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und dem ersten oder zweiten Körperteil des Roboters eine Torsionsstabeinheit (11) vorgesehen ist, – der Gelenkverbindung wenigstens ein Positionssensor (9, 10, 26) zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit (11) übertragenen Drehmoments zugeordnet ist, und der wenigstens eine Positionssensor mit der Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung der Motorleistung verbunden ist, – eine Einrichtung zur Erfassung und zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit des Motors vorgesehen ist, welche wenigstens einen Positionssensor am Rotor des Motors zur Erfassung der momentanen relativen oder absoluten Position des Rotors enthält, – an einer Vielzahl von drehwinkelabhängigen Haltepositionen die Strangströme (39–41) zur Ansteuerung des unbelasteten Motors (32) über Stromsensoren feststellbar sind und als positionsabhängige Referenzstromwerte in einem Datenspeicher (45) speicherbar sind, – die Referenzstromwerte im laufenden Betrieb des Motors aus dem Datenspeicher (45) auslesbar und als Korrekturdaten den Augenblickswerten des Steuerstroms zur Steuerung des Motors aufgeprägt werden können, – das Untersetzungsgetriebe (3, 16) ein Wellengetriebe ist, dessen elliptischer Wave Generator (5, 20) mit der Motorwelle (6, 23) verbunden ist, und – die Torsionsstabeinheit (11) zwischen dem Circular Spline (21) des Wellengetriebes (16) und dem ersten Körperteil (1) angeordnet ist, wobei der Flexspline (19) des Wellengetriebes (16) mit dem zweiten Körperteil (14) gekoppelt ist und der Motor (15) an dem Circular Spline (21) befestigt ist
Gelenkverbindung nach Anspruch 1, bei der die Steuer-und Regeleinheit eine Vektorregelung (33–36) enthält, die Folgendes umfasst: ein Transmissionsmodul (3) zur Wandlung des Steuerstroms des Motors (32) aus einem statischen 2-Phasensystem in ein rotierendes 2-Phasensystem, eine Leistungselektronik zur dreiphasigen Ansteuerung des Rotors (27), ein Transformationsmodul zur Umwandlung der Strangströme des Rotors (27) in ein rotierendes 2-Phasensystem, und ein Transformationsmodul (33) zur Rückwandlung des rotierenden 2-Phasensystems in ein statisches 2-Phasensystem, dessen Stromwerte auf den Steuerstrom rückgekoppelt werden.
Gelenkverbindung nach Anspruch 2, bei der die Leistungselektronik ein Modul zur Pulsweitenmodulation (34) und eine Schaltung zur Verstärkung der Phasenspannungen des Rotors (27) aufweist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 2, bei der der Steuerstrom über einen Positionsprädiktorregler geführt ist, der aus der Rotordrehzahl und der Winkel-Auflösung des Positionssensors einen neuen Positionswert ermittelt, an dem im laufenden Betrieb des Motors die Referenzstromdaten der ursprünglichen Position in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Motors dem Steuerstrom an einer neuen Position aufgeprägt werden.
Gelenkverbindung nach Anspruch 1, bei der die Torsionsstabeinheit (11) als Stab, als Rohr oder als Bündel von Einzelstäben ausgebildet ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 1, bei der die Motorwelle als Hohlwelle (12) ausgebildet ist, und dass die Torsionsstabeinheit (11) durch die Hohlwelle (12) zur Rückseite des Motors (2) und durch das erste Körperteil (1) hindurch geführt und dort mit dem zweiten Körperteil gekoppelt ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 1, bei der die Motor-Getriebe-Einheit mit einem axial zur Antriebswelle des Motors angeordneten ersten Haltering (17) versehen ist, – dass mit axialem Abstand und parallel zum ersten Haltering (17) ein zweiter Haltering (18) an dem ersten Körperteil (1) befestigt ist, und – dass der erste Haltering (17) mit dem zweiten Haltering (18) über parallel zur Axialrichtung der Motorwelle (23) verlaufende an dem Umfang der Halteringe ringförmig verteilt angeordnete Torsionsstäbe (22) verbunden ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 7, bei der die aus dem ersten Haltering (17), dem zweiten Haltering (18) und den Torsionsstäben (22) gebildete Torsionsstabeinheit das Motorgehäuse korbförmig umgibt, wobei der zweite an dem ersten Körperteil (1) befestigte Haltering (18) sich an der dem Ausgangsende des Motors gegenüberliegenden Seite des Motors befindet.
Gelenkverbindung nach Anspruch 7, bei der die Torsionsstäbe (22) achsparallel in umlaufend in den Halteringen ausgebildeten Bohrungen (25) befestigt sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 7, bei der die Motorwelle (23) als Hohlwelle (12) ausgebildet ist, und dass die Abtriebswelle des Getriebes durch die Hohlwelle zur Rückseite des Motors und durch das erste Körperteil (1) hindurch geführt und dort mit dem zweiten Körperteil gekoppelt ist
Gelenkverbindung nach Anspruch 7, bei der die Torsionsstäbe (22) als runde, rechteckförmige oder blattförmige Metallstäbe ausgebildet sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 11, bei der ein oder mehrere der Torsionsstäbe (22) aus verformbaren Polymeren gebildet sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 11, bei der die Torsionsstäbe (22) aus Rohrabschnitten gebildet sind.
Gelenkverbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass die Steuer- und Regeleinrichtung eine elektronische Kompensationseinrichtung zum Ausgleich von Reibungsstörungen in der Gelenkverbindung aufweist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 14, bei der die Kompensationseinrichtung als Reibungsbeobachter ausgeführt ist, bei dem die tatsächliche Geschwindigkeit des Getriebeausgangs mit der geschätzten Sollgeschwindigkeit in Beziehung gesetzt wird und aus der Abweichung der Geschwindigkeiten ein Reibmoment als Korrekturwert ermittelt wird, der dem kommandierten Drehmoment hinzugefügt wird.
Gelenkverbindung nach Anspruch 15, bei der das Reibmoment aus einer Integration der Motorbeschleunigung ermittelt wird, die über das kommandierte Drehmoment und die Motorträgheit errechnet wird, wobei die Differenz der Geschwindigkeiten über die Motorträgheit und eine Konstante auf ein geschätztes Reibmoment umgerechnet wird.
Verwendung einer Gelenkverbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in einem System zur Detektion von und zur Reaktion auf externe Störgrößen, die den Bewegungsablauf eines Roboters beeinflussen oder auf die ein Roboter nachgiebig zu reagieren hat.