DE102016015237B4 - Sichere Ermittlung von Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten eines Roboters - Google Patents

Sichere Ermittlung von Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten eines Roboters Download PDF

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Abstract

Verfahren zur sicheren Ermittlung wenigstens einer Stellung (q) und/oder Geschwindigkeit wenigstens einer Achse (i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) eines Roboters, mit den Schritten:- Ermitteln (S20) eines ersten Parameters (q, q, q, q, q, q), der von einer Stellung und/oder Geschwindigkeit dieser Achse abhängt, mittels eines Sensors (12, 22, 32, 42, 52, 62);- Ermitteln (S30) eines zweiten Parameters (k), der von einer Gegenspannung abhängt, die durch eine Bewegung dieser Achse in einem Elektromotor (11, 21, 31, 41, 51, 61) zum Antreiben der Achse induziert wird; und- Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter als sicher ermittelter Parameter verwendet wird (S50), in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter nicht als sicher ermittelter Parameter verwendet wird (S40), sofern eine Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert (G) übersteigt, wobei die Verwendung des ermittelten zweiten Parameters als Kriterium zum Umschalten für den Fall erfolgt, dass die Drehzahl des Elektromotors eine vorbestimmte Mindestdrehzahl übersteigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur sicheren Ermittlung wenigstens einer Stellung und/oder Geschwindigkeit wenigstens einer Achse eines Roboters sowie einen Roboter mit dem System und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
  • Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten von Robotern müssen für verschiedene Zwecke sicher ermittelt werden, beispielsweise für eine Sicherheitsüberwachung und/oder (sichere) Steuerung des Roboters, wobei vorliegend zur kompakteren Darstellung auch eine Regelung verallgemeinernd als Steuerung bezeichnet wird.
  • Hierzu ist betriebsintern insbesondere eine Ermittlung mittels redundanter Auswertung von Resolvern bekannt.
  • Die WO 2010/060506 A1 schlägt demgegenüber vor, Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten (bereits) als sicher auszugeben, falls deren zeitliche Änderung in einem plausiblen Bereich liegt.
  • Die DE 10 2013 005 941 A1 betrifft eine Energierückgewinnung bei Elektromotoren und lehrt, deren Drehstellungen mittels Resolvern zu messen oder alternativ den Drehwinkel und die Drehzahl auf der Grundlage des Wechselstroms und der dem Elektromotor zugeleiteten Spannung zu berechnen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine sichere Ermittlung wenigstens einer Stellung wenigstens einer Achse eines Roboters zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 8, 10 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz, Anspruch 9 einen Roboter mit einem hier beschriebenen System. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
  • Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur sicheren Ermittlung einer oder mehrerer Stellungen und/oder Geschwindigkeiten einer oder mehrerer Achsen eines Roboters die Schritte: (jeweils)
    • - Ermitteln eines ersten Parameters, der von einer Stellung und/oder Geschwindigkeit der (jeweiligen) Achse abhängt, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Stellung bzw. Geschwindigkeit, mittels eines Sensors;
    • - Ermitteln eines zweiten Parameters, der von einer, insbesondere elektrischen, Gegenspannung abhängt, die durch eine Bewegung dieser Achse in einem Elektromotor induziert wird, der die Achse antreibt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Gegenspannung, insbesondere eines zweiten Parameters, der von einer (Rotor)Stellung und/oder Geschwindigkeit dieses Elektromotors abhängt, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der (Rotor)Stellung bzw. Geschwindigkeit; und
    • - Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem dieser erste Parameter als sicher ermittelter Parameter verwendet, insbesondere ausgegeben und/oder einer Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also Regelung, des Roboters zugrunde gelegt, wird, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter nicht als sicher ermittelter Parameter verwendet, insbesondere ausgegeben und/oder einer Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also Regelung, des Roboters zugrunde gelegt, wird, sofern eine Abweichung zwischen diesem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, insbesondere Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus, sofern eine Abweichung zwischen wenigstens einem der ersten und zweiten Parameter einen, insbesondere achsspezifischen bzw. achsspezifisch vorgegebenen, Grenzwert übersteigt.
  • Die zumindest eine Achse des Roboters (Roboterachse) ist bevorzugt schlupffrei mit einer zugeordneten Achse des Elektromotors (Elektromotorachse) mechanisch gekoppelt, der die Roboterachse antreibt. Es kann aber auch ein Schlupf auftreten, insbesondere wenn zwischen der Elektromotorachse und der Roboterachse ein Getriebe angeordnet ist. In besonderen Fällen können die Roboterachse und die zugeordnete Elektromotorachse zueinander fluchten oder einstückig ausgebildet sein. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist und/oder weist zur sicheren Ermittlung einer oder mehrerer Stellungen und/oder Geschwindigkeiten einer oder mehrerer Achsen eines Roboters (Roboterachse) auf:
    • - Mittel zum Ermitteln (jeweils) eines ersten Parameters, der von einer Stellung und/oder Geschwindigkeit der (jeweiligen) Achse (Roboterachse) abhängt, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Stellung bzw. Geschwindigkeit, mittels eines Sensors;
    • - Mittel zum Ermitteln (jeweils) eines zweiten Parameters, der von einer, insbesondere elektrischen, Gegenspannung abhängt, die durch eine Bewegung dieser Achse in einem Elektromotors (Elektromotorachse) induziert wird, der die Achse (Roboterachse) antreibt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Gegenspannung, insbesondere eines zweiten Parameters, der von einer (Rotor)Stellung und/oder Geschwindigkeit dieses Elektromotors abhängt, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der (Rotor)Stellung bzw. Geschwindigkeit; und
    • - Mittel zum Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem dieser erste Parameter als sicher ermittelter Parameter verwendet, insbesondere ausgegeben und/oder einer Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also Regelung, des Roboters zugrunde gelegt, wird, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter nicht als sicher ermittelter Parameter verwendet, insbesondere ausgegeben und/oder einer Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also Regelung, des Roboters zugrunde gelegt, wird, sofern eine Abweichung zwischen diesem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, insbesondere zum Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus, sofern eine Abweichung zwischen wenigstens einem der ersten und zweiten Parameter einen, insbesondere achsspezifischen bzw. achsspezifisch vorgegebenen, Grenzwert übersteigt.
  • Dies basiert auf der Tatsache, dass (Dreh)Bewegungen eines Rotors eines Elektromotors in dessen Statorwicklungen Gegenspannungen induzieren, die zurückgemessen werden können, wie dies beispielsweise zur sensorlose Regelung, insbesondere mittels Blockkommutierung, und/oder zu einer Vektorregelung an sich bekannt ist. Daher kann der zweite Parameter bevorzugt lediglich von der Rotorstellung abhängen bzw. bevorzugt von der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit des Elektromotors unabhängig sein. Dagegen kann die Auswertbarkeit bzw. die Konfidenz des zweiten Parameters von der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit des Elektromotors abhängig sein, insbesondere da die Bestimmung des mit der Rotorstellung korrelierenden zweiten Parameters ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen kann, welches sich mit steigender Drehzahl verbessert. Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung des ermittelten zweiten Parameters als Kriterium zum Umschalten für den Fall, dass die Drehzahl des Elektromotors eine vorbestimmte Mindestdrehzahl übersteigt. Im anderen Fall, also für Drehzahlen des Elektromotors unterhalb der Mindestdrehzahl, bewegt sich der Roboter bevorzugt derart langsam oder steht still, dass keine Gefährdung durch die Bewegung des Roboters vorliegt.
  • Hierauf aufbauend liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, diese induzierte(n) Gegenspannung(en), die von der Stellung des Rotors zu der bzw. den Statorwicklung(en) abhängt, zu nutzen, um zusätzlich zu dem Sensor bzw. dem mittels diesem ermittelten ersten Parameter einen weiteren, zweiten Parameter zu ermitteln, der ebenfalls von der Stellung bzw. den zeitlich aufeinanderfolgenden Stellungen des Rotors und damit der Achse abhängt, und auf dessen Basis die Zuverlässigkeit des Sensors bzw. ersten Parameters zu überprüfen. Hierdurch kann in einer Ausführung der erste Parameter bzw. die Achsstellung und/oder - geschwindigkeit sicher(er) ermittelt werden.
  • Entsprechend umfasst in einer Ausführung der erste Parameter die mittels des Sensors ermittelte, insbesondere aktuelle, Stellung und/oder Geschwindigkeit der (jeweiligen) Achse bzw. gibt diese an. Zusätzlich oder alternativ umfasst in einer Ausführung der zweite Parameter (jeweils) eine auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der/den induzierten Gegenspannung(en) ermittelte(n), insbesondere aktuelle, Stellung des Elektromotors, insbesondere seines Rotors bzw. seiner Abtriebswelle, und/oder der damit gekoppelten Achse des Roboters und/oder deren zeitliche Änderung bzw. Geschwindigkeit, bzw. gibt diese an. Dabei kann in einer Ausführung aus mehreren aufeinanderfolgenden (Rotor)Stellungen des Elektromotors dessen (Dreh)Geschwindigkeit ermittelt werden.
  • In einer Ausführung weist das Verfahren die Schritte auf:
    • - Ermitteln einer zeitlichen Änderung des (jeweiligen) ersten Parameters; und
    • - Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus (auch), sofern diese zeitliche Änderung nicht in einem vorgegebenen plausiblen Bereich liegt, insbesondere die zeitlichen Änderungen wenigstens eines der ersten Parameter nicht in einem vorgegebenen plausiblen Bereich liegt.
  • Entsprechend weist das System in einer Ausführung Verfahren auf:
    • - Mittel zum Ermitteln einer zeitlichen Änderung des (jeweiligen) ersten Parameters; und
    • - Mittel zum Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus (auch), sofern diese zeitliche Änderung nicht in einem vorgegebenen plausiblen Bereich liegt, insbesondere die zeitlichen Änderungen wenigstens eines der ersten Parameter nicht in einem vorgegebenen plausiblen Bereich liegt.
  • Der (jeweilige) plausible Bereich ist, insbesondere wird, in einer Ausführung auf Basis einer Dynamik des Roboters und/oder des (jeweiligen) Sensors vorgegeben. Diesbezüglich wird ergänzend auf die eingangs genannte WO 2010/060506 A1 Bezug genommen und deren Inhalt vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen.
  • Indem der erste Parameter somit in einer Ausführung einerseits anhand des zweiten Parameters und zusätzlich seine Plausibilität auf Basis der Dynamik des Roboters und/oder des (jeweiligen) Sensors überprüft wird, kann in einer Ausführung der erste Parameter bzw. die Achsstellung (noch) sicher(er) ermittelt werden.
  • Dies ermöglicht es in einer Ausführung, den ersten Parameter nicht redundant zu ermitteln und gleichwohl den Roboter sicher zu überwachen und/oder zu steuern, insbesondere also zu regeln, insbesondere mit einem Safety Integrity Level (SIL) „3“ bzw. „C“, insbesondere SIL „4“ bzw. „D“, gemäß IEC 61508.
  • Das kann in einer Ausführung vorteilhaft einen Informations-, insbesondere Signalübertragungs- und/oder -verarbeitungsaufwand, insbesondere eine (Rechen- bzw. Übertragungs)Zeit, reduzieren, der bzw. die bei einer redundanten Ermittlung des ersten Parameters gegenüber einer nicht redundanten Ermittlung signifikant höher ist. Durch eine solche Reduzierung kann in einer Ausführung insbesondere eine Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also eine Regelung, des Roboters verbessert werden, insbesondere deren Taktzeit.
  • In einer Ausführung wird in dem zweiten Betriebsmodus eine Meldung ausgegeben. Entsprechend weist in einer Ausführung das System Mittel zum Ausgeben einer Meldung in dem zweiten Betriebsmodus auf.
  • Auf Basis einer solchen Meldung kann eine Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung des Roboters entsprechende (Gegen)Maßnahmen einleiten, insbesondere wenigstens die (jeweilige) Achse(n), insbesondere alle Achsen bzw. den Roboter, stillsetzen. Entsprechend weist in einer Ausführung das System Mittel zum Stillsetzen wenigstens der (jeweiligen) Achse(n), insbesondere aller Achsen bzw. des Roboters, in dem zweiten Betriebsmodus auf.
  • Zusätzlich oder alternativ können Personen in der Nähe des Roboters und/oder Bedienpersonen auf die nicht sichere Ermittlung und hieraus resultierende mögliche Fehlfunktionen des Roboters hingewiesen werden. Entsprechend wird in einer Ausführung die Meldung visuell, akustisch und/oder haptisch ausgegeben bzw. ist das Mittel zum Ausgeben einer Meldung hierzu eingerichtet bzw. wird hierzu verwendet.
  • In einer Ausführung weist der Sensor (jeweils wenigstens) einen, insbesondere berührend oder berührungslos messenden, Winkel- und/oder (jeweils wenigstens) einen, insbesondere berührend oder berührungslos messenden, Geschwindigkeitsmesser, insbesondere Resolver und/oder Tachogenerator und/oder Inkrementalgeber, auf, er kann insbesondere ein solcher sein. Insbesondere bei solchen Sensoren kann vorteilhaft eine redundante Auswertung eingespart und/oder eine Signalübertragung und/oder -verarbeitung reduziert werden.
  • In einer Ausführung wird der zweite Parameter auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung in wenigstens einer Wicklung, insbesondere Statorwicklung, des Elektromotors, in einer Weiterbildung auf Basis bzw. in Abhängigkeit von gemessenen Spannungen in wenigstens zwei, insbesondere drei, Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen, des Elektromotors ermittelt. Entsprechend weist in einer Ausführung das System Mittel auf zum Ermitteln des zweiten Parameters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung in wenigstens einer Wicklung, insbesondere Statorwicklung, des Elektromotors, in einer Weiterbildung auf Basis bzw. in Abhängigkeit von gemessenen Spannungen in wenigstens zwei, insbesondere drei, Wicklungen, insbesondere Statorwicklung, des Elektromotors.
  • Mittels Messung einer Spannung in wenigstens einer (Stator)Wicklung kann der zweite Parameter in einer Ausführung, insbesondere messtechnisch, einfach und/oder präzise ermittelt werden, mittels Messung in wenigstens zwei, insbesondere drei, Wicklungen in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere zuverlässig(er) und/oder genau(er).
  • Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung der zweite Parameter auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer Steuergröße, insbesondere also Regelgröße, insbesondere eines Feld- und/oder eines Kommutierwinkels und/oder eines Pulsweitenmodulationsverhältnisses, für wenigstens eine Wicklung, insbesondere Statorwicklung, des Elektromotors, in einer Weiterbildung auf Basis bzw. in Abhängigkeit von Steuergrößen, insbesondere also Regelgrößen, insbesondere Pulsweitenmodulationsverhältnissen, für wenigstens zwei, insbesondere drei, Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen, des Elektromotors, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von Steuergrößen, insbesondere also Regelgrößen, für einen bzw. in bzw. von einem Umrichter zum Bestromen der Wicklung(en) und/oder für eine bzw. in bzw. von einer Vektorregelung, ermittelt. Entsprechend weist in einer Ausführung das System Mittel auf zum Ermitteln des zweiten Parameters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer Steuergröße, insbesondere also Regelgröße, insbesondere eines Feld- und/oder eines Kommutierwinkels und/oder eines Pulsweitenmodulationsverhältnisses, für wenigstens eine Wicklung, insbesondere Statorwicklung, des Elektromotors, in einer Weiterbildung auf Basis bzw. in Abhängigkeit von Steuergrößen, insbesondere also Regelgrößen, insbesondere Pulsweitenmodulationsverhältnissen, für wenigstens zwei, insbesondere drei, Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen, des Elektromotors, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von Steuergrößen, insbesondere also Regelgrößen, für einen bzw. in bzw. von einem Umrichter zum Bestromen der bzw. der Wicklung(en) und/oder für eine bzw. in bzw. von einer Vektorregelung.
  • Insbesondere bei Servoantrieben mit bzw. Umrichtern, insbesondere Frequenzumrichtern, von bzw. für Elektromotoren, insbesondere Drehstrommotoren, stehen häufig entsprechende Steuergrößen, insbesondere also Regelgrößen, insbesondere Feld- und/oder Kommutierwinkel und/oder Pulsweitenmodulationsverhältnisse, die von der Gegenspannung abhängen, die durch eine Bewegung der (jeweiligen) Achse in dem Elektromotor induziert wird, zur Verfügung und können daher vorteilhaft zur Ermittlung des zweiten Parameters genutzt werden.
  • Diesbezüglich wird ergänzend auf die eingangs genannte DE 10 2013 005 941 A1 Bezug genommen und deren Inhalt vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen.
  • Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Roboter einen Roboterarm mit einer oder mehreren, insbesondere wenigstens vier, insbesondere wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, (Bewegungs)Achsen, insbesondere Drehachsen, und Antrieb(e) mit Elektromotor(en) zum Bewegen, insbesondere Drehen, sowie ein System zur sicheren Erfassung von Stellungen und/oder Geschwindigkeiten dieser Achse(n) wie hier beschrieben auf. Insbesondere bei Roboterarmen mit (wenigstens) sechs Achsen, die entsprechend komplexe Arbeitsaufgaben durchführen können, und insbesondere bei redundanten Roboterarmen mit wenigstens sieben Achsen, die noch häufiger in direkten Mensch-Maschine-Interaktionen eingesetzt werden, ist eine sichere Erfassung von Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten wie hier beschrieben besonders vorteilhaft.
  • Der bzw. einer oder mehrere der Elektromotor(en) ist bzw. sind in einer Ausführung (ein) Drehstrommotor(en), insbesondere (ein) Synchron- oder Asynchronmotor(en), insbesondere (ein) Servomotor(en), insbesondere mit einem Umrichter, insbesondere Servo- und/oder Frequenzumrichter, insbesondere mit Leistungs- und/oder Steuerelektronik, die in einer Weiterbildung den bzw. die zweiten Parameter oder Daten, insbesondere Spannungen, Pulsweitenverhältnisse und/oder Feld- und/oder Kommutierwinkel, ermittelt, auf deren Basis das System den bzw. die zweiten Parameter ermittelt.
  • Der bzw. einer oder mehrere der Sensor(en) ist bzw. sind in einer Ausführung mit der (jeweiligen) Achse, insbesondere messtechnisch und/oder kinematisch, insbesondere mechanisch, gekoppelt, insbesondere fest bzw. schlupffrei und/oder direkt oder über ein (Teil)Getriebe. In einer Ausführung erfasst der Sensor die Stellung und/oder Geschwindigkeit der (jeweiligen) Achse des Roboters direkt bzw. unmittelbar, insbesondere berührend oder berührungslos, bzw. ist hierzu eingerichtet, in einer anderen Ausführung direkt bzw. unmittelbar die Stellung und/oder Geschwindigkeit einer mit der Achse gekoppelten Abtriebswelle des (jeweiligen) Elektromotors oder eines zwischengeschalteten Getriebes, insbesondere berührend oder berührungslos. In einer Ausführung ist er an der (jeweiligen) Achse oder der damit gekoppelten Getriebe- oder Abtriebswelle des Elektromotors angeordnet, insbesondere fest mit dieser Achse bzw. Welle verbunden, insbesondere zerstörungsfrei lösbar, insbesondere reib- und/oder formschlüssig, beispielsweise durch Schrauben, Verrasten, Stecken oder dergleichen, oder nicht zerstörungsfrei lösbar, insbesondere stoffschlüssig, beispielsweise durch Kleben, Löten, oder dergleichen. Hierdurch kann der erste Parameter (jeweils) vorteilhaft, insbesondere zuverlässig(er) ermittelt werden.
  • Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere eine oder mehrere Achsstellungen und/oder -geschwindigkeiten des Roboters sicher(er) ermitteln und in einer Weiterbildung den Roboter auf Basis der sicher erfassten Achsstellungen bzw. und/oder -geschwindigkeiten überwachen und/oder steuern, insbesondere also regeln, kann.
  • In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. seine Mittel.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,:
    • 1: einen Roboter mit einem Roboterarm und einem System zur sicheren Ermittlung von dessen Achsstellungen nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
    • 2: ein Verfahren zur sicheren Ermittlung der Achsstellungen nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt einen Roboter mit einem Roboterarm, der eine Basis 71 und einen Werkzeugflansch 72 aufweist, und einem System zur sicheren Ermittlung von dessen Achsstellungen nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • Der Roboterarm weist zwischen Basis 71 und Werkzeugflansch 72 sechs Drehachsen auf, die durch Servoantriebe mit Elektro-Drehstrommotoren 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 beweg- bzw. aktuierbar sind bzw. bewegt werden und deren Stellungen durch die Antriebs- bzw. Gelenkkoordinaten q1 - q6 beschrieben bzw. angegeben werden.
  • Die Servoantriebe können unterschiedliche Baugrößen aufweisen. Sie weisen jeweils einen Resolver 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 zum Ermitteln der Stellung q1 - q6 sowie Umrichter mit Leistungs- und Steuerelektronik 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 auf, die vorliegend als Teil einer Robotersteuerung 100 betrachtet werden, welche zusätzlich übergeordnete Steuer-, insbesondere also Regelschichten, insbesondere eine Positions-, Kraft-, Geschwindigkeits- und/oder Momentenregelung, insbesondere Einzelachs- bzw. -gelenkregelung, und/oder Sicherheitsüberwachung aufweisen bzw. implementieren kann.
  • Im Betrieb des Roboters führt die Robotersteuerung 100 ein Verfahren zur sicheren Ermittlung der Achsstellungen q1 - q6 des Roboterarms aus, das nachfolgend mit Bezug auf 2 näher erläutert wird.
  • In einem Schritt S10 wird ein Achszähler i für die erste Achse initialisiert (i = 1).
  • In einem darauffolgenden Schritt S20 ermittelt die Robotersteuerung 100 mittels des fest mit der jeweiligen Achse i gekoppelten Resolvers i2 als ersten Parameter die Stellung q1 dieser Achse und durch Vergleich mit einem oder mehreren vorhergehend für diese Achse i ermittelten Stellungen q1 eine Zeitableitung, beispielsweise eine Geschwindigkeit dqi /dt, Beschleunigung d2qi /dt2 oder einen Ruck d3qi /dt3 (n = 1, 2, 3,...) dieser Achse. Dann prüft die Robotersteuerung 100 in Schritt S20, ob diese Zeitableitung in einem vorgegebenen plausiblen Bereich Pi liegt.
  • Ist dies nicht der Fall (S20: „N“), schaltet die Robotersteuerung 100 in einen zweiten Betriebsmodus um, indem sie Schritt S40 ausführt, in welchem sie eine Meldung der entsprechenden Achse i („i!!!“) ausgibt und den Roboter stillsetzt („STOP“).
  • Liegt die Zeitableitung in dem vorgegebenen plausiblen Bereich Pi (S20: „Y“), fährt die Robotersteuerung 100 mit Schritt S30 fort.
  • In diesem ermittelt sie als zweiten Parameter die, gegebenenfalls mit einem Übersetzungsverhältnis eines Getriebes transformierte, Stellung ki des Rotors des Elektromotors des Servoantriebs der Achse i mittels Zurückmessen der in dem Motor induzierten Gegenspannung bzw. auf Grundlage des Wechselstroms und der dem Motor zugeleiteten Spannung, insbesondere auf Basis von Feld- und/oder Kommutierwinkeln und/oder Pulsweitenmodulationsverhältnissen der Leistungs- und Steuerelektronik der Umrichter 13, 23, ..., 63, da diese von der aktuellen Stellung des Rotors abhängen. Dann prüft die Robotersteuerung 100 in Schritt S30, ob eine Abweichung |qi - ki| zwischen dem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert Gi übersteigt.
  • Ist dies der Fall (S30: „Y“), schaltet die Robotersteuerung 100 ebenfalls in den zweiten Betriebsmodus um, indem sie Schritt S40 ausführt, in welchem sie die Meldung der entsprechenden Achse i („i!!!“) ausgibt und den Roboter stillsetzt („STOP“).
  • Übersteigt die Abweichung |qi - ki | zwischen dem ersten und zweiten Parameter den vorgegebenen Grenzwert Gi nicht (S30: „N“), schaltet die Robotersteuerung 100 in einen ersten Betriebsmodus um, indem sie Schritt S50 ausführt, in welchem sie die mittels des Resolvers i2 ermittelte Stellung qi als sicher ermittelte Stellung in einer Sicherheitsüberwachung und/oder Steuerung, insbesondere also Regelung, insbesondere Positions-, Kraft- und/oder Geschwindigkeitsregelung, des Roboters verwendet.
  • In einem darauffolgenden Schritt S60 prüft die Robotersteuerung 100, ob alle sechs Achsen des Roboters abgearbeitet worden sind und kehrt dann (S60: „Y“) zu Schritt S10 zurück, andernfalls (S60: „N“) führt sie unter Inkremetierung des Achszählers in Schritt S70 das oben beschriebene Verfahren für die nächste Achse i+1 durch.
  • Man erkennt, dass durch den Vergleich der Resolverwerte mit den, gegebenenfalls mit einem Übersetzungsverhältnis eines Getriebes transformierten, Stellungen der Elektromotorrotoren, die durch Zurückmessen der in den Motoren induzierten Gegenspannungen bzw. auf Basis von Feld- und/oder Kommutierwinkeln und/oder Pulsweitenmodulationsverhältnissen der Leistungs- und Steuerelektronik der Umrichter ermittelt werden, eine Zweikanaligkeit realisiert wird. Insbesondere in Kombination mit der zusätzlichen Plausibilitätskontrolle (S20) kann so ein hohes Sicherheitslevel, beispielsweise SIL „4“ bzw. „D“, realisiert werden.
  • Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.
  • So wurde vorliegende eine sichere Ermittlung von Achsstellungen mittels Resolvern erläutert. In analoger Weise können auch Achsgeschwindigkeiten mittels Tachogeneratoren, Inkrementalgebern oder anderen Geschwindigkeitssensoren als erste Parameter ermittelt werden. Dann werden in einer Ausführung in Schritt S30 aus den Stellungen der Elektromotorrotoren, die auf Basis der induzierten Gegenspannungen ermittelt werden, durch, insbesondere numerische, Zeitdifferentiation auch Geschwindigkeiten als zweite Parameter ermittelt und mit den ersten Parametern verglichen.
  • Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
  • Bezugszeichenliste
    • 11, 21, 31, 41, 51, 61
    Elektromotor
    12, 22, 32, 42, 52, 62
    Resolver
    13, 23, 33, 43, 53, 63
    Umrichter
    71
    Basis
    72
    Werkzeugflansch
    100
    Robotersteuerung
    Gi
    vorgegebener Grenzwert
    k1,..., k6
    mittels Umrichter i3 ermittelte Rotorstellung
    Pi
    vorgegebener plausibler Bereich
    q1,..., q6
    mittels Resolver i2 ermittelte Achsstellung

Claims (10)

  1. Verfahren zur sicheren Ermittlung wenigstens einer Stellung (qi) und/oder Geschwindigkeit wenigstens einer Achse (i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) eines Roboters, mit den Schritten: - Ermitteln (S20) eines ersten Parameters (q1, q2, q3, q4, q5, q6), der von einer Stellung und/oder Geschwindigkeit dieser Achse abhängt, mittels eines Sensors (12, 22, 32, 42, 52, 62); - Ermitteln (S30) eines zweiten Parameters (ki), der von einer Gegenspannung abhängt, die durch eine Bewegung dieser Achse in einem Elektromotor (11, 21, 31, 41, 51, 61) zum Antreiben der Achse induziert wird; und - Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter als sicher ermittelter Parameter verwendet wird (S50), in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter nicht als sicher ermittelter Parameter verwendet wird (S40), sofern eine Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert (Gi) übersteigt, wobei die Verwendung des ermittelten zweiten Parameters als Kriterium zum Umschalten für den Fall erfolgt, dass die Drehzahl des Elektromotors eine vorbestimmte Mindestdrehzahl übersteigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln (S20) einer zeitlichen Änderung des ersten Parameters; und - Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus, sofern die zeitliche Änderung nicht in einem vorgegebenen plausiblen Bereich (Pi) liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der plausible Bereich auf Basis einer Dynamik des Roboters und/oder des Sensors vorgegeben ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus eine Meldung ausgegeben und/oder die Achse stillgesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter nicht redundant ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Winkel- und/oder Geschwindigkeitsmesser, insbesondere einen Resolver (12, 22, 32, 42, 52, 62), aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Parameter auf Basis einer gemessenen Spannung in wenigstens einer Wicklung des Elektromotors und/oder einer Steuergröße, insbesondere eines Feld- und/oder eines Kommutierwinkels und/oder Pulsweitenmodulationsverhältnisses, für wenigstens eine Wicklung des Elektromotors ermittelt wird.
  8. System (100) zur sicheren Ermittlung wenigstens einer Stellung (qi) und/oder Geschwindigkeit wenigstens einer Achse (i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) eines Roboters, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist: - Mittel (100) zum Ermitteln eines ersten Parameters (q1, q2, q3, q4, q5, q6), der von einer Stellung und/oder Geschwindigkeit dieser Achse abhängt, mittels eines Sensors (12, 22, 32, 42, 52, 62); - Mittel (100) Ermitteln (S30) eines zweiten Parameters (ki), der von einer Gegenspannung abhängt, die durch eine Bewegung dieser Achse in einem Elektromotor (11, 21, 31, 41, 51, 61) zum Antreiben der Achse induziert wird; und - Mittel (100) zum Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter als sicher ermittelter Parameter verwendet wird, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem der erste Parameter nicht als sicher ermittelter Parameter verwendet wird, sofern eine Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Parameter einen vorgegebenen Grenzwert (Gi) übersteigt, wobei die Verwendung des ermittelten zweiten Parameters als Kriterium zum Umschalten für den Fall erfolgt, dass die Drehzahl des Elektromotors eine vorbestimmte Mindestdrehzahl übersteigt.
  9. Roboter mit einem Roboterarm mit wenigstens einer Achse und einem System (100) zur sicheren Erfassung einer Stellung und/oder Geschwindigkeit dieser Achse nach Anspruch 8.
  10. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7.
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