DE102017005137A1

DE102017005137A1 - Stromleitungsgesteuerte elektrische Antriebsinverter

Info

Publication number: DE102017005137A1
Application number: DE102017005137.2A
Authority: DE
Inventors: Clemens MUELLER; Daniel Scharfen
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: JP7176863B2; US20180345499A1; US10343281B2; DE102017005137B4; JP2018207770A

Abstract

Ein robotisches System wird vorgeschlagen, wobei das System Treiber umfasst, die die Leistungsschalter und Kommunikationselektronik zum Kommunizieren über Stromleitungen oder zum drahtlosen Kommunizieren oder zum Kommunizieren über einen anderen gemeinsam genutzten Kommunikationskanal integrieren. In einem robotischen System, das derartige Treiber umfasst, kommunizieren eine oder mehrere Zentralsteuerungen mit mindestens einem Aktuatortreiber über einen Kommunikationskanal, wobei der Kommunikationskanal einer durch einen Aktuator verursachten Störung ausgesetzt ist und wobei die Kommunikation und/oder der Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird bzw. werden, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen für Motorsteuersysteme bereit, die wie etwa für Industrieroboter verwendet werden. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, dass ein Netzwerk von Motoren, die durch Treiber gesteuert werden, wie etwa Antriebe mit variabler Frequenz, effizient erstellt und betrieben werden.
Hintergrund
Elektrisch betriebene Roboter finden in der Industrie weitläufig Anwendung. Antriebstechniken mit variabler Frequenz oder variabler Drehzahl ermöglichen, dass Roboter mit Elektromotoren gebaut werden, die viele Freiheitsgrade anbieten und leicht durch ein computergestütztes System gesteuert werden können. Jeder derartige Motor erfordert gegenwärtig eine Elektrizitätsquelle und eine Verbindung mit einer Steuerung, die die Antriebselektronik betreiben kann. Die elektrische Versorgung erfordert häufig dicke Kabel zum Führen des notwendigen Stroms für den Betrieb, während die Steuerungsverbindung ein separates Kabel oder separate Kabel erfordert.
Wenn der Elektromotor, der mit der Versorgung und den Steuerkabeln verbunden ist, bewegt werden kann, dann müssen die Kabel mit dem Motor bewegt werden. Im Fall eines Roboterarms können mehrere Motoren jeweils angeschlossen sein und alle Kabel müssen mit dem Arm bewegt werden.
Eine Störung bei der elektrischen Versorgung kann in diesen robotischen Systemen auftreten, die durch den Betrieb der Elektromotoren und ihrer betreffenden Inverter bewirkt wird. Für die Hochstrom-Hochleistungsmotoren, die häufig bei der Robotik verwendet werden, kann es ein erhebliches „Rauschen“ oder eine Störung bei den Versorgungsverbindungen geben. Es gibt auch einen Bedarf für verbesserte robotische Systeme, die weniger sind
Es gibt einen Bedarf für ein zuverlässigeres, agileres und flexibleres System.
Kurzdarstellung
Ein robotisches System wird vorgeschlagen, wobei das System Treiber umfasst, die die Leistungsschalter und Kommunikationselektronik zum Kommunizieren über Stromleitungen oder zum drahtlosen Kommunizieren oder zum Kommunizieren über einen anderen gemeinsam genutzten Kommunikationskanal integrieren. In einem robotischen System, das derartige Treiber umfasst, kommunizieren eine oder mehrere Zentralsteuerungen mit mindestens einem Aktuatortreiber über einen Kommunikationskanal, wobei der Kommunikationskanal einer durch einen Aktuator verursachten Störung ausgesetzt wird und wobei die Kommunikation und/oder der Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird bzw. werden, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.
Figurenliste

1 stellt eine Ausführungsform eines robotischen Systems mit Motoren und Treibern dar
2 stellt eine Ausführungsform eines integrierten Treibers dar
3 gibt Einzelheiten der Funktionen, die sich in den Treibern und der Zentralsteuerung befinden
4 stellt eine Ausführungsform eines robotischen Systems mit einer DC-Leistungsverteilung dar
5 stellt eine Ausführungsform eines robotischen Systems mit einer 3-Phasen-AC-Leistungsverteilung dar
6 stellt die Struktur eines Rahmens für eine Kommunikation dar
7a & 7b stellen ideale und realistische Trägerfrequenzen dar
8a & 8b stellen eine Signal- und Leistungsmodulation dar und 8c stellt Datagramme dar
9 stellt eine Ausführungsform eines robotischen Systems dar, das eine drahtlose Kommunikation verwendet

Ausführliche Beschreibung
Elektrisch betriebene Roboter finden in der Industrie weitläufig Anwendung. Antriebstechniken mit variabler Frequenz oder variabler Drehzahl ermöglichen, dass Roboter mit Elektromotoren gebaut werden, die viele Freiheitsgrade anbieten und leicht durch ein computergestütztes System gesteuert werden können. Jeder derartige Motor erfordert gegenwärtig eine Elektrizitätsquelle und eine Verbindung mit einer Steuerung, die die Antriebselektronik betreiben kann. Die elektrische Versorgung erfordert häufig dicke Kabel zum Führen des notwendigen Stroms für den Betrieb, während die Steuerungsverbindung ein separates Kabel oder separate Kabel erfordert.
Wenn der Elektromotor, der mit der Versorgung und den Steuerkabeln verbunden ist, bewegt werden kann, dann müssen die Kabel mit dem Motor bewegt werden. Im Fall eines Roboterarms können mehrere Motoren jeweils mit Versorgungs- und Steuerkabeln angeschlossen sein und alle Kabel müssen mit dem Arm bewegt werden.
Eine Möglichkeit für eine verbesserte Steuerung von Elektromotoren besteht darin, den Treiber oder „Inverter“ oder „Frequenzumrichter“ gemeinsam mit dem Elektromotor unterzubringen und Steuerinformationen von einem Zentralsteuerung-Computersystem unter Verwendung einer Stromleitungskommunikation (PLC) zum Treiber zu kommunizieren. Stromleitungen oder -kabel werden zum Versorgen jedes Treibers und Motors mit elektrischer Energie benötigt und diese Stromleitungen können auch zum Führen von Steuerinformationen zum gemeinsam untergebrachten Treiber für den Motor verwendet werden.
Ein gemeinsam untergebrachter Treiber kann implementiert werden, indem die Steuerung, die Kommunikation und elektrische Leistungsschalter in ein einziges Modul, eine einzige Platine oder sogar eine einzige IC-Einrichtung integriert werden. Der Treiber oder Inverter kann zum Beispiel eine DC-Versorgung (unter Verwendung von zwei Kabeln) in die elektrische Dreiphasen-AC-Versorgung, die zum Betreiben des Elektromotors verwendet wird, umwandeln.
Ein gemeinsam untergebrachter Treiber weist den Vorteil auf, das Volumen und/oder die Häufigkeit der Kommunikation zur Zentralsteuerung zu verringern. Eine unmittelbare oder zyklusweise Kommunikation oder Zufuhr von Strom wird zwischen dem Treiber und dem Motor benötigt; eine Kommunikation zwischen einer Zentralsteuerung und einem Treiber kann auf Basis von kompletten Operationen oder sogar Anweisungen (z. B. „dreh den Arm um 90°“) stattfinden.
Es kann auch wünschenswert sein, eine einfache Erweiterung mit zusätzlichen Motoren und Treibern und vielleicht auch mit zusätzlichen Zentralsteuerungen zu erlauben. Dies kann erzielt werden, wenn mehrere Treiber die Leistungsversorgung und die Verbindung oder den Kommunikationskanal zur Zentralsteuerung gemeinsam nutzen können, zum Beispiel in einer Buskonfiguration. Somit kann ein modulares robotisches System ermöglicht werden, das leicht mit Motoren und anderen Aktuatoren konfiguriert und neu konfiguriert werden kann.
Mit den oben beschriebenen vorteilhaften Systemen kann jedoch eine Störung an der elektrischen Versorgung auftreten, die durch den Betrieb der Elektromotoren und ihrer betreffenden Inverter verursacht wird. Für die Hochstrom-Hochleistungsmotoren, die häufig bei der Robotik verwendet werden, kann es ein erhebliches „Rauschen“ oder eine Störung bei den Versorgungsverbindungen geben. Im Fall von Stromleitungskommunikationen muss die Integrität der Kommunikation selbst beim Vorhandensein dieser Störung gewährleistet sein. Die Integrität der Kommunikation ist noch wichtiger, wenn die Sicherheit des Betriebs eine Erwägung ist, wie dies der Fall bei der Robotik sein kann. Eine zuverlässige Kommunikation von der Zentralsteuerung zu den Treibern muss garantiert sein, sodass die Zentralsteuerung einen beliebigen oder den gesamten Betrieb auf eine Weise stoppen kann, die die Sicherheit gewährleistet. Und eine zuverlässige Kommunikation von den Treibern oder Sensoren zur Zentralsteuerung muss garantiert sein, falls ein Treiber oder Sensor einen anormalen Betrieb oder eine gefährliche Bedingung zur Zentralsteuerung signalisiert.
Ein robotisches System kann mehrere Aktuatoren mit Elektromotoren und entsprechenden Treibern oder „Inverter“ umfassen, wie in 1 dargestellt. Die Treiber werden auch „Frequenzinverter“ oder „Frequenzumrichter“ oder Antrieb mit variabler Drehzahl oder Antrieb mit variabler Frequenz genannt. Jeder Aktuator 102 kann einen Treiber 101 umfassen. Innerhalb eines einzelnen Treibers 101 befinden sich Elemente, die in der Einzelheitsansicht des Treibers 110 dargestellt sind, nämlich ein DC-AC-Stromrichter 111, ein Mikrocontroller oder eine andere programmierbare Steuereinrichtung „µC“ 112 und ein Kommunikationssendeempfänger oder Modulator/Demodulator „Mod/Demod“ 113. Der DC-AC-Stromrichter wird auch die Frequenzumwandlung oder „Inversion“ durchführen, sodass der AC-Strom für den Motor die geeignete Frequenz und Phase für den gewünschten Betrieb aufweist. Eine Stromversorgungsverbindung „DC-Bus“ 120 liefert elektrische Leistung zu den jeweiligen Treibern 101. Eine zentrale Leistungsversorgung 140 führt über die Leistungsverbindung 120 Leistung zu allen Aktuatoren zu. Eine Zentralsteuerung 130 kommuniziert mit den individuellen Treibern 101, 110, um die Motoren zu betreiben.
Im Betrieb werden die Elektromotoren der Aktuatoren durch sogenannte Treiber oder Antriebsinverter gesteuert, die das notwendige elektrische Feld bereitstellen, um den Motor in Bewegung zu setzen, zum Beispiel ein rotierendes Feld. Um den Motor hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment, Richtung usw. zu betreiben, kann der Antriebsinverter spezielle Steuer- und Statussignalinformationen verwenden, die über dedizierte Niederspannungssignaldrähte ausgetauscht werden könnten. Falls dedizierte Signaldrähte verwendet werden, müssen die Drähte zum Motor zusätzlich zur notwendigen Leistungsverdrahtung geroutet werden, die den Motor mit der benötigten elektrischen Leistung für den Betrieb versorgt. Die grundlegende Leistungsverdrahtung selbst könnte im Fall einer DC-Versorgungsspannung oder Einzelphasen-AC-Versorgungsspannung aus zwei Drähten bestehen. Im Fall einer Dreiphasen-AC-Versorgungsspannung werden mindestens 3 Drähte zur Leistungsversorgung benötigt. Falls die Leistung als Einzel- oder Dreiphasen-AC zugeführt wird, wird eine zusätzliche Gleichrichterstufe vor dem Inverter benötigt. Die Steuer- und Statuskommunikation mit dem Antriebsinverter fügt eine andere Menge von Niederspannungsdrähten hinzu.
Die Elektromotoren selbst können Motoren mit variabler Drehzahl oder Servomotoren oder andere Elektromotoren, wie benötigt, sein. Elektromotoren sind mit jeweiligen Treibern assoziiert, die die Elektrizität gemäß Parametern zuführen, die zum Festlegen des gewünschten Betriebs des Motors dienen. Der Betrieb eines BLDC(Brushless DC)-Motors mit variabler Drehzahl kann zum Beispiel unter Verwendung von Impulsen mit einer spezifischen Frequenz und Dauer oder „Breite“ gesteuert werden. Andere Parameter, die zum Steuern eines Motors verwendet werden, können Spannung oder Strom sein. Diese Parameter werden typischerweise für eine gegebene Drehzahl oder für eine gegebene Beschleunigung oder ein gegebenes Drehmoment oder für eine Leistungseffizienz optimiert.
Die wie in 1 dargestellte Konfiguration kann bei z. B. Robotikanwendungen vorhanden sein, bei denen Anwendungs- und Motorsteuerungen räumlich verteilt sind und mehrere (typischerweise mehr als fünf oder sechs) individuelle Motoren zur Positionierung und Aktuatorbetätigung verbunden werden müssen. Ein Aktuator an z. B. dem Ende eines Arms kann etwas Anderes als einen Motor umfassen oder einen Motor und ein anderes elektrisch betriebenes Element beinhalten, zum Beispiel einen Löt- oder Schweißkopf oder ein Heiz- oder Beleuchtungselement, die als das Äquivalent eines Motors angesehen werden. Während eine beliebige Art von Aktuator mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, verwendet die Beschreibung einen Motor als ein Beispiel für einen Aktuator. Oben ist die Signalverdrahtung für den Austausch von Statusinformationen, die durch unterschiedliche Arten von Sensoren bereitgestellt werden. Die Kommunikation zwischen den Motorsteuerungen und der Anwendungssteuerung kann unidirektional oder bidirektional sowie Halb- oder Vollduplex (alle Kommunikationspartner können zu der gleichen Zeit übertragen) sein.
Die Kommunikation zwischen der Zentralsteuerung und den Treibern kann über unterschiedliche Kommunikationskanalimplementierungen stattfinden. Die Kommunikation kann zum Beispiel über einen Kommunikationskanal, wie etwa einen separaten Kommunikationsbus (nicht dargestellt), oder drahtlos oder durch Kommunikationssignale, die auf die Leistungsversorgungsverbindung 120 überlagert werden, stattfinden. Im letztgenannten Fall findet die Kommunikation als eine Stromleitungskommunikation statt und der Kommunikationskanal ist die Stromleitung oder die Leistungsversorgungsverbindung. Eine Kombination von Kommunikationskanälen kann auch verwendet werden, die Vorteile einer erhöhten Bandbreite oder erhöhten Zuverlässigkeit oder verbesserten Integrität der Kommunikation aufweisen kann. Insbesondere dort, wo die Sicherheit des Betriebs ein Bedenken ist, kann es von Vorteil sein, mehrere parallele Kommunikationskanäle aufzuweisen, wobei ein Kanal dazu in der Lage sein kann, als ein Backup für einen anderen Kanal zu dienen, oder ein redundanter Kanal zu sein oder eine Kommunikation im Fall eines transienten oder permanenten Ausfalls eines anderen Kanals bereitzustellen. Eine Stromleitungskommunikation arbeitet über dieselben physischen Verbindungen, die Leistung zuführen, somit kann die Integrität einer derartigen Kommunikation als sowohl notwendig als auch ausreichend zum Gewährleisten einer Steuerung über Aktuatoren angesehen werden, wann auch immer die Motoren funktionsfähig sind. Sollte die Stromleitung (z. B. ein Stromkabel) kaputtgehen, dann kann weder der Motor arbeiten, noch kann die Zentralsteuerung mit dem Treiber kommunizieren.
2 stellt eine integrierte Treiberkomponente, wie etwa das Element 110 in 1, dar. Die integrierte Treiberkomponente 210 umfasst einen Mikrocontroller 212, einen Sendeempfänger 213 und den DC-AC-Stromrichter oder „Inverter“ 211. Der Treiber ist zwischen den Stromleitungen und dem Motor verbunden. Der Sendeempfänger ist mit den Stromleitungen gekoppelt, um Informationen zu senden und zu empfangen, und der DC-AC-Stromrichter ist mit den Stromleitungen gekoppelt, um Leistung zu empfangen. Der DC-AC-Stromrichter liefert im Gegenzug elektrische Leistung zum Motor, um den gewünschten Betrieb anzutreiben. Ein Inverter kann auch dazu ausgelegt sein, mechanische Energie als elektrische Energie im Fall eines Motorbremsens zurückzugewinnen. Im Fall eines Antriebs mit variabler Frequenz für einen AC-Motor wird der Treiber die Versorgungsspannung und Frequenz zum Motor anpassen, um seine Drehzahl und sein Drehmoment zu steuern.
3 stellt eine ausführlichere Ausführungsform der unterschiedlichen Funktionalitäten dar, die einer Arbeitszelle entsprechen, die um einen Roboterarm herum zentriert ist. Das System umfasst auch Sensoren, wie etwa einen Roboterarmsensor 316 oder einen Arbeitszellensensor 316. Der Armsensor 316 kann mit dem Motorantrieb 310 kommunizieren, der im Gegenzug mit der Zentralsteuerung 330 kommuniziert. Der Arbeitszellensensor 350 kommuniziert mit der Zentralsteuerung 330. Somit kommuniziert der Armsensor 316 unabhängig vom Kommunikationskanal zwischen dem Treiber und der Zentralsteuerung. Der Arbeitszellensensor kann denselben Kanal, wie etwa die Stromleitungskommunikation, verwenden, wie die Treiber, um mit der Zentralsteuerung zu kommunizieren. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Sensor einen unabhängigen Kommunikationskanal zur Zentralsteuerung aufweisen.
Leistung wird über einen Versorgungsbus 320 zur Zentralsteuerung 330 und zu den Treibern 310 zugeführt. Dieser Versorgungsbus kann ein DC-Bus oder ein AC-Bus sein. Dieser Bus versorgt die Aktuatoren mit der Leistung, die durch die Treiber oder Inverter umgewandelt wird, um die Motoren zu betreiben. Der Bus umfasst Versorgungsleitungen, die auch als ein Kommunikationskanal für die Stromleitungskommunikation verwendet werden können. Auf diese Weise kann eine Leistung zu jedem Aktuator und eine Kommunikation mit jedem Aktuator mit einer Verbindung mit einem einzelnen Bus gewährleistet werden. Zusätzliche Aktuatoren können ohne ein Hinzufügen von Kabeln oder Drähten hinzugefügt werden.
Die Vielfalt von Motoren mit unterschiedlichen Größen, wie etwa ein Effektormotor 361 und ein Achsenmotor 362, kann zu einer Vielfalt von Quellen von elektrischer Störung mit unterschiedlichen Charakteristiken führen. Jede Störquelle kann sich auf die Integrität der Kommunikation zwischen der einen oder den mehreren Zentralsteuerungen und den individuellen Treibern oder „Invertern“ auswirken. Jeder Treiber kann eine Verzerrung an der Leistungsversorgung einführen, besonders, da der Treiber typischerweise eine nicht lineare Last repräsentieren kann. In Abhängigkeit vom verwendeten Modulationsschema kann es eine Störung geben, die durch die Versorgung vom Treiber/„Inverter“ zum Motor verursacht oder erzeugt wird. Beispielsweise verwendet eine Pulsweitenmodulation (PWM) eine Reihe von Impulsen, die eine Störung verursachen können; das gleiche kann für Effekte, wie etwa Gegen-EMK, gelten. Zusätzlich dazu, wenn IGBTs oder MOSFETs als Leistungsschalter zum Schalten der zu dem Motor gelieferten Leistung verwendet werden, kann ihre hohe Schaltgeschwindigkeit Oberschwingungsspannungs- und -stromstörungen an den Versorgungsleitungen induzieren. Die Flanken von Impulsen, die mit IGBTs erzeugt werden, können besonders „scharf“ sein oder eine sehr schnelle Übergangszeit aufweisen. Falls es eine Impedanzfehlanpassung zwischen dem Treiber und dem Motor gibt, kann es auch reflektierende Spannungswellen geben, die eine zusätzliche elektrische Störung verursachen können. Die Störung selbst kann die Form einer geführten elektromagnetischen Störung (EMI) in den Versorgungskabeln oder einer abgestrahlten EMI annehmen.
Motoren können durch Impulse mit Slew-Raten von 5 kV/µs oder höher und mit Frequenzen unter 10 kHz oder mit Frequenzen im Bereich von 20 kHz oder mit Frequenzen höher als 20 kHz angetrieben werden. Es kann auch andere Störquellen geben, die sich die gleiche Leistungsversorgung teilen, wie etwa Beleuchtungssteuerungen oder Leistungsversorgungen für Sensoren, Heizelemente, Schweißgeräte usw. Im Fall einer drahtlosen Kommunikation teilen sich die anderen Störquellen möglicherweise nicht dieselbe Leistungsversorgung, sondern können sich in physischer Nähe befinden oder anderweitig eine Störung verursachen. Im Folgenden werden diese auch als Aktuatoren in Betracht gezogen.
Die durch einen Aktuator oder eine Motor/Treiber-Kombination verursachte oder erzeugte Störung kann vom Betrieb des Motors abhängen. Änderungen in der Motordrehzahl oder im Motordrehmoment können transiente Erhöhungen in der Störung verursachen. Insbesondere kann das Starten oder Stoppen des Motors eine Störung verursachen, sowohl geführt als auch abgestrahlt. Elektromotoren selbst können EMI erzeugen, falls sie gebürstet sind, d. h. mit Bürsten ausgestattet sind, die einen Kommutator kontaktieren, um den elektrischen Fluss durch die Wicklungen des Motors zu richten; jedes Mal, wenn der Kontakt hergestellt oder gebrochen wird, kann es ein EMI-Ereignis geben. Schrittmotoren können auch eine erhebliche EMI erzeugen, die zu Änderungen in der Position des Rotors korreliert sein kann. Andere Geräte, wie etwa Lichtbogenschweißstationen, können auch EMI verursachen, wenn sie sich im Betrieb befinden.
Es ist vorgesehen, dass die eine oder die mehreren Zentralsteuerungen und/oder die Treiber einen Einfluss auf die Störquellen besitzen können oder zumindest Informationen über bevorstehende Störereignisse erhalten können und daher auftretende Störungen vorhersehen können, bevor die Störung eine Kommunikation beeinträchtigen kann. Als ein Beispiel, falls das Starten oder Stoppen eines Motors eine Störung verursachen wird, dann kann die Zentralsteuerung, vor einem Befehl, dass der Motor gestartet oder gestoppt wird, eine Kommunikation beenden oder eine Kommunikation unterbrechen oder eine Charakteristik des Kommunikationskanals, wie etwa die verwendeten Frequenzen oder das Codierungsschema oder die verwendeten Zeitschlitze, ändern. Der Kommunikationskanal kann auch verschoben werden, z. B. von einer Stromleitungskommunikation zu einer drahtlosen Kommunikation oder umgekehrt, um eine erwartete Störung zu vermeiden. Die Zentralsteuerung kann auch das Starten oder Stoppen des Motors (oder eines anderen Aktuators) verzögern. Die Verzögerung kann für eine vorbestimmte Dauer sein, zum Beispiel, bis die Kommunikation beendet oder pausiert wird. Das Modifizieren dieser Kommunikation und/oder des Betriebs der Aktuatoren gewährleistet eine zuverlässigere Kommunikation.
Ein Treiber kann Informationen über eine bevorstehende Störung verwenden, um die Kommunikation, zum Beispiel Kommunikationsmuster, zu modifizieren, und kann die bevorstehende Störung zu anderen Treibern und/oder der Zentralsteuerung signalisieren. Vorteilhafterweise kann eine nahegelegene Lichtbogenschweißvorrichtung ein bevorstehendes Schweißereignis signalisieren. So, wie Bauarbeiter vor und nach der Verwendung eines Presslufthammers sprechen können und Handsignale verwenden, während der Presslufthammer im Betrieb ist, können die Aktuatoren in einem robotischen System (Zentralsteuerung, Treiber) ihre Kommunikation um eine bevorstehende oder laufende Störung herum gestalten. Auf dieselbe Art und Weise, wenn es für Bauarbeiter während der Verwendung eines Presslufthammers ersichtlich wird, dass eine Kommunikation erforderlich ist, können Handsignale verwendet werden, um zu signalisieren, dass der Presslufthammer gestoppt oder pausiert werden soll; gleichermaßen kann ein Aktuator in einem robotischen System signalisieren, dass eine Kommunikation mit einer Bandbreite höher als möglich unter einer gewissen gegebenen Störung erforderlich ist, um zu erzielen, dass die Störquelle gestoppt oder modifiziert wird.
Es ist möglich, dass der Betrieb des Aktuators modifiziert wird, indem die Betriebsparameter eines Motors oder eines anderen Aktuators in Erwartung der Störung geändert werden. Ein Treiber kann zum Beispiel Parameter modifizieren, wie etwa den Antriebsstrom oder die Antriebsfrequenz, die einem Motor zugeführt wird, um die erzeugte Störung zu verringern. Dies kann autonom durch den Treiber oder unter der Führung der Zentralsteuerung durchgeführt werden. Dies kann für eine normale Kommunikation oder im Fall einer anormalen oder Notfallkommunikation durchgeführt werden. Die Änderung in der Versorgung zum Motor kann auf eine derartige Weise durchgeführt werden, dass der Betrieb des Motors nicht im Wesentlichen beeinträchtigt oder modifiziert wird, zum Beispiel, dass der Motor mit leicht geringerer Effizienz läuft, während eine Kommunikation stattfindet.
4 stellt ein Beispiel einer Ausführungsform dar, bei der ein DC-Leistungsversorgungsbus als eine Leistungsversorgung zu den Aktuatoren 401a, 401b, 401c verwendet wird. Der Aktuator 401a umfasst einen Inverter 411a, der die DC-Versorgung zu einem Mehrphasen-AC für den Motor umwandelt, einen Mikrocontroller 412a und einen Motor 414a. Die Leistungsversorgungsleitung 420 kann ein DC-Bus sein, der elektrische DC-Leistung zu den Aktuatoren 401a, b, c liefert. Der Kommunikationskanal 425 ist nicht notwendigerweise eine separate physische Entität und ist daher als eine gepunktete Linie dargestellt. Er kann unter Verwendung von Stromleitungskommunikationen über die Leistungsversorgungsleitung 420 oder als eine drahtlose Verbindung oder als eine Kombination dieser oder anderer Verfahren implementiert werden. Die Zentralsteuerung 430 kommuniziert mit der Steuerung jedes Aktuators 401a, b, c unter Verwendung des gemeinsam genutzten Kommunikationskanals 425. Dieser gleiche gemeinsam genutzte Kanal führt die Rückkehrkommunikation zur Zentralsteuerung 430. Ein Dreiphasen-AC 445 wird der Leistungsversorgung 440 zugeführt, die im Gegenzug dem Bus die DC-Leistung zuführt.
Die beschriebene Ausführungsform kann den erforderlichen Verdrahtungsaufwand zum Steuern des Betriebs eines Elektromotors zum absoluten Minimum reduzieren, indem die Anwendungssteuerung-zu-Motorsteuerung-Kommunikation auf die (nicht vermeidbaren) Stromleitungen unter Verwendung einer Stromleitungskommunikation integriert und geschichtet wird. Über die Leistungsverdrahtung hinaus werden keine zusätzlichen Drähte zur Kommunikation benötigt, wodurch die Notwendigkeit für eine zusätzliche Abschirmung und zusätzliche flexible Kabel zum Führen der Kommunikation eliminiert wird. Diese Ausführungsform kann auch den Herstellungsaufwand und die Kosten für einen Kabelbaum reduzieren. Mit der Erzeugung eines Busses oder einer busartigen bidirektionalen Kommunikationsstrecke unter Verwendung von entweder einer Master-Slave- oder Multi-Master-Konfiguration kann eine hohe Anzahl von individuellen Motoren oder Aktuatoren verbunden werden. Dies erhält die Skalierbarkeit des Systems und erhöht die Systemrobustheit für sicherheitskritische Anwendungen: Solange es eine Leistungsversorgungsverbindung für den Motorbetrieb gibt, können alle verbundenen Motoren jederzeit untereinander und mit der zentralen Anwendungssteuerung kommunizieren. Diese Ausführungsform kann ein modulares robotisches System ermöglichen, das leicht mit Motoren und anderen Aktuatoren konfiguriert und neu konfiguriert werden kann.
Die beschriebene Ausführungsform kann auch die Systemlatenz verbessern, da jeder Motor Notfallinformationen mit seinen Nachbarn direkt teilen kann, ohne eine Notwendigkeit für eine Rundlaufkommunikation durch die zentrale Anwendungssteuerung.
Die Anwendungssteuerung-zu-Motorsteuerung-Kommunikation kann auf bestehenden Übertragungsprinzipien für eine Kommunikation über eine Stromleitung aufbauen (z. B. AV IEEE1901 „HomePlug“, oder G.hn „HomeGrid“), kann aber erweitert werden. Beispielsweise kann es relevant sein, eine Modulation an Stromleitungen mit einer Betriebsspannung, die potentiell 380 V überschreitet, sowie mit einer viel höheren Fehlerrobustheit und Echtzeitfähigkeit in Betracht zu ziehen, um immer einen sicheren Motorbetrieb zu garantieren. Die notwendige Sendeempfängerfunktion kann in ein (intelligentes) integriertes Leistungsmodul (IPM), das die volle Antriebsinverterfunktionalität bereitstellt, integriert oder mit diesen kombiniert werden. Der Sendeempfänger selbst muss in der Lage sein, mit elektrischen Umgebungen umzugehen, die durch die benötigte Motorleistung bestimmt werden, und könnte Betriebsspannungen beinhalten, die 380 V um Größenordnungen (in Abhängigkeit von der Motorart und der Leistungsklasse) überschreiten. Es kann unterschiedliche Sendeempfängeroptionen geben, die in der Lage sind, mit entweder einer AC- oder einer DC-Motorversorgungsspannung umzugehen.
Durch das Kombinieren einer Leistungsversorgung und einer Kommunikation über denselben Draht, kann die Schnittstelle des Antriebsinverters zu einer Gesamtzahl von 5 Verbindern verringert werden: 2× DC-Eingang von der Versorgungsseite und 3× AC-Ausgang direkt zum Elektromotor. Es gibt eine alternative Umsetzung, falls der Treiber auch den Gleichrichterteil der Motorantriebsschaltung umsetzt und vom Stromnetz gespeist wird. In diesem Fall kann die Kommunikation auf den Netzleitungen, die den Treiber versorgen, moduliert werden. In jedem Fall wird der Verdrahtungsaufwand, der für separate Kommunikationsdrähte benötigt werden könnte, in dieser Ausführungsform nicht benötigt. Eine jegliche antriebsbasierte Motoranwendung kann somit direkt über die Leistungsversorgungsleitungen gesteuert werden. Die DC-Strecke oder die Netzleitungen, die zuvor nur zur Leistungsversorgung verwendet wurden, werden das Versorgungs- und Kommunikations-Backbone zwischen den unterschiedlichen Motoren und ihren Antrieben innerhalb eines Anwendungssystems, wie etwa eines Industrieroboters.
5 stellt eine ähnliche Ausführungsform zu 4 dar, aber mit einem AC-Bus als die Stromleitung. Der AC-Bus kann 3 Stromkabel zum Zuführen einer 3-Phasen-AC-Leistung oder 2 Stromkabel zum Zuführen eines Einzelphasen-AC-Stroms umfassen. Für eine Stromleitungskommunikation sind die zwei Kabel des Einzelphasen-AC mit der Konfiguration für die DC-Leistung vergleichbar. Im Fall einer 3-Phasen- oder Mehrphasen-Leistungsversorgung sollte die Stromleitungskommunikation entweder auf einer gemeinsamen Phase oder über Koppler zwischen Phasen stattfinden.
Die Leistungsversorgungsleitung 520, 521, 525 ist ein 3-Phasen-AC, der Aktuatoren zugeführt wird, und kann ein DC-Bus sein, der eine elektrische DC-Leistung zu den Aktuatoren 501a, b, c liefert. Der Kommunikationskanal 525 ist eine der AC-Versorgungsleitungen, die unter Verwendung von Stromleitungskommunikationen über die Leistungsversorgung mit einem geeigneten Sendeempfänger 540 implementiert werden können. Die Zentralsteuerung 530 kommuniziert mit der Steuerung jedes Aktuators 501a, b, c unter Verwendung des gemeinsam genutzten Kommunikationskanals 525.
Aufgrund der schwierigen elektrischen Umgebung für eine Motorsteuerung, die z. B. durch Störung verursacht wird, können eine fortgeschrittene Fehlerdetektion und Wiederherstellung sowie Datenredundanzalgorithmen verwendet werden, um eine stabile Kommunikationsstrecke zu gewährleisten. Dies kann durch Implementieren eines robusten datagrammbasierten Protokolls zwischen den beiden Kommunikationssteuerungsentitäten der Anwendung und der Motorsteuerung erzielt werden. 6 stellt eine Kommunikationsnachricht oder ein Datagramm 600 dar, die bzw. das beim Übertragen von Informationen zwischen einer Zentralsteuerung und einem Aktuator verwendet werden kann. Die Logikkommunikationsstrecke zwischen der Anwendungssteuerung und der Motorsteuerung besteht aus Datagrammen, die über einen modulierten DC-Bus transferiert werden. Die Robustheit kann erzielt werden, indem die Mehrheit der übertragenen Informationen zum Schützen der motorsteuerbezogenen Nutzdaten in jedem Datagramm dediziert werden. Um einen Motor zu betreiben, werden nur wenige Bytes von Steuerdaten benötigt, was eine Bandbreite belassen kann, die für zusätzliche Maßnahmen zur Verfügung steht, um eine Datenintegrität und Fehlerdetektion/-korrektur zu gewährleisten (ein höherer Datendurchsatz könnte nur während einer Neuprogrammierung der eingebetteten Steuerung erforderlich sein: In diesem Szenario ist der Motor möglicherweise nicht im Betrieb, was dem System ermöglichen wird, die Bandbreite zu verringern, die zum Schützen der Datenintegrität verwendet wird, und somit den Durchsatz wie erforderlich zu erhöhen).
Das resultierende System wird robuster. Es kann ein reduziertes Risiko für kaputte Drähte geben, wenn es weniger Drähte gibt. Zusätzliche Abschirmungsaufwände bezüglich EMI und mechanischer Robustheit werden nur für die Versorgungsleitungen gelten, was im Gegenzug zu reduziertem Gewicht, weniger Leistungsverbrauch und somit weniger thermischer Belastung führt. Weniger Drähte können auch zu weniger „Steifheit“ führen, bei der Drähte oder Kabel mit einem Aktuator bewegt werden, oder können zu weniger zu verlagerndem Gewicht führen, was zu einer besseren Bewegungsdynamik führt. Der Bereich von Bahnen oder Freiheit der Bewegung kann auch mit geringerer Verdrahtung verbessert werden. Zusätzlich dazu kann mit geringerer Verdrahtung weniger mechanische Abschirmung benötigt werden, um gegen eine Abnutzung aufgrund einer Bewegung zu schützen. Zusammengenommen können diese Effekte erheblich geringere Herstellungsaufwände und Systemkosten ergeben. Zusätzlich dazu eignet sich der resultierende Motorsteuerungsaufbau für skalierbare elektrische Antriebstopologien innerhalb eines größeren Systemkontextes, da zusätzliche Motorantriebskomponenten zum DC-Bus oder zum Versorgungsleitungs-Backbone ohne irgendeinen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand hinzugefügt werden können.
Die Verwendung von Rahmen oder Datagrammen, wie in 6 dargestellt, kann dabei helfen, eine erhebliche Systemflexibilität zu erzeugen. Wenn dedizierte elektrische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet werden, ist die Anzahl von Aktuatoren auf die Anzahl von physischen programmierbaren Logiksteuerungen(PLC)-Anschlüssen, mit denen der Motortreiber verbunden ist, beschränkt. Das Adressieren des Motortreibers über paketbasierte Datagramme ermöglicht, Motoren zu einer bestehenden Konfiguration hinzuzufügen, ohne die PLC zu ändern - während die PLC in der Lage sein muss, mit Datagrammen zu arbeiten (Protokollschicht erfordert). Eine fast unbegrenzte Anzahl von Motoren oder anderen Aktuatoren ist möglich, nur unter der Einschränkung, dass jeder Aktuator eine Adresse aufweist. Das Kommunikationsprotokoll zwischen der Anwendung, die auf der Zentralsteuerung läuft, und dem Motortreiber muss für Robustheit und Echtzeit optimiert sein. Steuerinformationen werden bidirektional vom Anwendungs- zum Motortreiber transferiert, um den Betrieb des Motors zu lenken, sowie Statusinformationen (z. B. durch Motorsensoren bereitgestellt), die in beide Richtungen laufen können.
Die Umsetzung der verschiedenen Datagramme wird hinsichtlich Größe, Format und Zweck benutzerdefiniert. 6 stellt eine typische Datagrammstruktur dar, wie sie bei einer Multi-Master-Buskonfiguration verwendet werden würde. Die Motorsteuer- oder Statusinformationen würden durch den Nutzdatenabschnitt des Datagramms oder eine Kombination von Steuer- und Nutzdatenabschnitten laufen. Ein benutzerspezifisches Nachrichten- und Steuerprotokoll, das über den Kommunikationskanal gesendet wird, kann unabhängig in der Software implementiert werden.
Eine Kommunikation kann über einen Kanal stattfinden, der Orthogonal-Frequenzmultiplexing (OFDM), vielleicht in Kombination mit Quadraturamplitudenmodulation (QAM) verwendet. Im OFDM wird der verfügbare Frequenzbereich oder das verfügbare Frequenzband in Subträger unterteilt, die gegenseitig orthogonal sind. Die Subträger können einer Störung oder Dämpfung ausgesetzt sein, die häufig von einem Subträger zu einem anderen variieren kann. In den 7a und 7b sind zwei Varianten eines OFDM-Kanals dargestellt, wobei die Subträger 781, 782 und 783 Informationen führen. In 7a ist der Kanal ein theoretischer Kanal mit keiner Variation zwischen den Kapazitäten der unterschiedlichen Subträger; dies wird durch die einheitliche Höhe der Pfeile 781 dargestellt, die Subträger repräsentieren. In 7b ist der Kanal einer Dämpfung und Störung ausgesetzt, was durch Pfeile mit unterschiedlicher Höhe dargestellt wird. Die Subträger 782 sind einer variierenden Dämpfung ausgesetzt, während die Subträger 783 sowohl einer variierenden Dämpfung als auch einer Störung ausgesetzt sind. Zum Zwecke des Gewährleistens der Kommunikationsbandbreite können die Dämpfung und die Störung als Äquivalente angesehen werden. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen arbeiten die eine oder die mehreren Zentralsteuerungen und die Treiber zusammen, um die verfügbaren Subträger auf eine Weise zu verwenden, dass eine zuverlässige Kommunikation erzielt werden kann.
Unterschiedliche Frequenzen oder „Töne“ können zum Modulieren von Informationen auf die Leistungsversorgung verwendet werden. Die Informationen können unter Verwendung von Schemen zum Modulieren von Informationen auf einen oder mehrere Träger übertragen werden, wie etwa OFDM (Orthogonal-Frequenzmultiplexing) oder QPSK (Quadraturphasenumtastung) oder allgemeiner Frequenzmodulation, Phasenumtastung oder eine andere Modulation.
Eine Codierung kann zum Verbessern der Integrität der Kommunikation verwendet werden. Die Codierung kann eine verbesserte Fehlertoleranz oder einen verbesserten Fehlerwiderstand gegenüber transienten Fehlern im Austausch für eine Verringerung in der Informationsführungskapazität des Kanals aufgrund des Codierungsaufwands bereitstellen. Unterschiedliche Formen von Codierung können zum Verbessern der Zuverlässigkeit der Kommunikation verwendet werden. Beispielsweise kann eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) zum Korrigieren von Fehlern, die durch eine Störung verursacht werden, verwendet werden, wodurch eine zuverlässige Kommunikation ermöglicht wird.
Bei einer Ausführungsform moduliert der Kommunikationskanal auf die Leistungsversorgungsleitung. In 8a ist eine Modulation dargestellt, die während Pausen stattfindet, wenn die Leistung zum Elektromotor nicht vorhanden ist. Die Leistung zum Antreiben des Motors ist bei 832 als PWM-Bursts dargestellt. Während Pausen in der Modulation 833 kann eine Nachricht oder ein Datagramm unter Verwendung der Stromleitungskommunikation als 831 gesendet werden.
8b stellt eine Ausführungsform dar, bei der der Kommunikationskanal eine Nachricht 851 gleichzeitig zu den PWM-Impulsen 852 führt. Dies deutet ein Stromleitungskommunikationsschema an, das in der Lage ist, unabhängig von einer potentiellen Störung, die durch die PWM-Impulse verursacht wird, zu arbeiten.
Mehrere Treiber können mit einer oder mehreren Zentralsteuerungen kommunizieren und können sich die Bandbreite des einen oder der mehreren Kanäle, die zur Kommunikation verwendet werden, teilen. Es kann vorteilhaft sein, dass sich Treiber Kanäle teilen, sowohl, um die Anzahl von physischen Kanälen zu verringern, als auch, eine Modularität hinsichtlich dessen zu erlauben, dass zusätzliche Treiber ohne die Notwendigkeit für einen zusätzlichen physischen Kommunikationskanal hinzugefügt werden können. Die Kanäle können unter Verwendung von Frequenzmultiplexing, Zeitmultiplexing oder Codierung wie etwa Spreizspektrum oder eine beliebige Kombination von diesen geteilt werden. Wohlbekannte Verfahren zum Teilen beinhalten Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TMDA) und Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA). Der Kanal kann ein temporäres Multiplexing, wie etwa Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA), verwenden, bei dem unterschiedlichen Kommunikationen unterschiedliche Zeitschlitze zugewiesen werden, beispielsweise kann der erste Zeitschlitz für eine Rundsendekommunikation von einer ersten Zentralsteuerung und der zweite Zeitschlitz für eine Kommunikation zwischen der Zentralsteuerung und einem ersten Aktuator sein. Falls eine Störung eine begrenzte Dauer aufweist, dann können Zeitschlitze verwendet werden, um ein Kommunizieren während dieser Störung zu vermeiden. Beispielsweise kann ein Burst von elektrischem Rauschen erzeugt werden, wenn ein Motor startet, und somit können ein oder mehrere Zeitschlitze absichtlich während dieses Stör-Bursts ungenutzt belassen werden.
8c stellt eine Übertragung über einen Kommunikationskanal im Laufe der Zeit dar, bei der Datagramme mit variierender Länge oder Dauer gesendet werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Zentralsteuerung eine längere Nachricht oder ein längeres Datagramm 871 senden und unterschiedliche Treiber können mit kürzeren Datagrammen 872, 873, 874 antworten. Es kann auch Pausen 870 geben, bei denen der Kommunikationskanal nicht verwendet wird. Die Dauer eines Datagramms kann fest sein (nicht dargestellt) oder kann ein Vielfaches einer festen Dauer sein. Die Kommunikation kann mit Zeitschlitzen organisiert sein, bei denen unterschiedlichen kommunizierenden Aktuatoren spezifische Zeiten zugewiesen werden, in denen über den Kommunikationskanal gesendet werden soll.
Bei einer Ausführungsform können die Zeitschlitze variabel oder verschiebbar sein. Falls eine Störung erwartet wird, da z. B. ein Motor starten oder stoppen wird, können Pausen für die Dauer der Störung eingeplant sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Kommunikation so geplant sein, dass möglicherweise weniger Bandbreite benötigt wird, wenn der Kanal aufgrund einer Störung oder Dämpfung weniger Kapazität aufweist.
Bei Ausführungsformen kann der Inverterisierungs- oder Antriebsalgorithmus innerhalb des Inverters vollständig durch einen eingebetteten µController gesteuert werden, somit kann dem Rauschmuster besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, das an der Versorgungsseite des Aktuators durch Entnehmen des gepulsten Stroms, der durch den Inverter zu PWM transformiert wird, verursacht wird. Um die Kommunikationsqualität über die Stromleitungen zu verbessern, kann der PWM-Algorithmus versuchen, eine induzierte Störung auf der Versorgungsleitung zu minimieren und ein gewisses Seitenband für den benötigten Kommunikationskanal zu blockieren. Dies kann entweder durch ein optimiertes PWM-Modulationsschema oder durch Reservieren gewisser Zeitschlitze, bei denen die PWM unterbrochen wird, erzielt werden und eine reduzierte Rauschumgebung kann für eine Knoten-zu-Knoten-Kommunikation zwischen einer Anwendung auf der Zentralsteuerung und den unterschiedlichen Treibern oder zwischen den Treibern selbst gewährt werden. Die PWM-Modulation kann auch auf eine Weise optimiert werden, dass, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Lastbedingungen an der Motorseite, das induzierte Rauschen auf der Versorgung auf eine Weise gesteuert wird, dass entweder das Gesamtrauschen verringert wird - und somit eine Datenübertragung auf einem sehr breiten Frequenzbereich möglich ist - oder das Rauschen in dedizierten Frequenzbereichen/-bändern erheblich verringert wird, sodass eine Datenübertragung in genau diesen geschützten Bändern mit einer sehr geringen Störung stattfinden kann. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden.
9 stellt eine Ausführungsform dar, bei der zwei physische Kanäle zur Kommunikation zur Verfügung stehen. Ein Kanal ist eine Stromleitungskommunikation über die Leistungsversorgungsleitungen 920 und der andere ist eine drahtlose Kommunikation unter Verwendung der Antennen 916 und 936. Bei dieser Ausführungsform müssen sich die Zentralsteuerung 930 und die Treiber, wie etwa 910, darüber einig sein, welcher Kanal zur Kommunikation verwendet wird. Kommunizierende Aktuatoren können eine feste Auswahl, welcher Kanal zu verwenden ist, aufweisen oder können dynamisch von einem Kanal zu dem anderen schalten. Die Kommunikation zwischen Aktuatoren kann immer über einen gemeinsam genutzten Kanal stattfinden oder es kann gewisse Treiber geben, die einen Kanal verwenden, und andere, die einen anderen Kanal verwenden. Falls beispielsweise ein Drahtloskommunikationskanal verwendet wird und eine Störung von einem nahen Lichtbogenschweißen auftritt, dann können die Treiber, die aktiv sind, zu einer Stromleitungskommunikation schalten, oder alle Aktuatoren können zu einer Stromleitungskommunikation schalten.
Eine Verschlüsselung kann Teil von einem Teil oder der gesamten Kommunikation sein. Die Verschlüsselung kann gewünscht oder erforderlich sein, um die Integrität der Kommunikation und die Steuerung angesichts fehlerhafter Aktuatoren besser zu gewährleisten.
Bei einer Ausführungsform kann die Verschlüsselung eine symmetrische Kryptographie verwenden. Eine Verschlüsselung wie etwa AES oder Triple-DES kann verwendet werden. Kommunikationssitzungen können unter Verwendung einer asymmetrischen Kryptographie gestartet werden oder eine Kommunikation kann unter Verwendung von bekannten Geheimschlüsseln gestartet werden. Die Verschlüsselung kann einen gemeinsamen Schlüssel für die Gesamtheit eines robotischen Systems verwenden oder es kann separate Sitzungen für separate Treiber und Zentralsteuerungen geben.
Das in den obigen Ausführungsformen beschriebene erweiterbare robotische System kann als Basis für ein konfigurierbares robotisches System dienen. Bei einer Ausführungsform ersetzt ein Herstellungshub/eine Fabrik die traditionelle Herstellungslinie mit einzelnen Herstellungseinrichtungen, die gemäß der durchzuführenden Aufgabe konfiguriert werden können. Der modulare Roboteransatz in dieser Ausführungsform würde die Basis für einen derartigen konfigurierbaren Herstellungsansatz sein.
Bei einer Ausführungsform kann sich das konfigurierbare oder modulare robotische System selbst konfigurieren oder zwei benachbarte Systeme können sich gegenseitig konfigurieren. Dies kann gemäß der Aufgabe, die das robotische System durchführen muss, durchgeführt werden. Diese Ausführungsform kann „Hot-Plug“-fähige Aktuatoren umfassen. Eine derartige Ausführungsform kann einen gemeinsamen DC-Bus verwenden und kann einen Nutzen aus der flexiblen Konfiguration der Steuerungen ziehen. Eine Ausführungsform kann alternativ dazu einen AC-Bus verwenden, der einen Vorteil bei „Hot-Plug“-Aktuatoren in dem Sinne einbringen kann, dass es weniger oder keine Lichtbogenbildung gibt, wenn der Aktuator mit der elektrischen Versorgung verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform kann eine Drahtlosfähigkeit, wie in 9 dargestellt, zum Identifizieren von Aktuatoren verwendet werden. Bei einer derartigen Ausführungsform kann eine Auswahl von Aktuatoren als austauschbare Komponenten für ein robotisches System zur Verfügung stehen. Eine Zentralsteuerung kann in der Lage sein, das richtige Teil der Maschine von einer Ablage (wo die nicht gegenwärtig verwendeten Aktuatoren gelagert werden) auszuwählen. Bei dieser Ausführungsform kann eine Drahtloskonnektivität die Identifikation des richtigen Teils ermöglichen und kann ermöglichen, dass eine Zentralsteuerung prüft, ob ein Aktuator verwendbar ist (irgendein Schaden bekannt / Wartung erforderlich - z. B. Bohrer ist alt, muss gewechselt werden usw.), und ihn richtig im robotischen System installiert und einstellt. Bei einer Ausführungsform, die eine Stromleitungskommunikation verwendet, kann das Teil durch eine Kommunikation über den Leistungsversorgungsbus identifiziert werden.
Bei einer Ausführungsform mit Drahtloskommunikation kann es eine Möglichkeit geben, das neue Teil oder die neue Funktion in der Kombination von Motoren zu registrieren, bevor die Leistungsversorgung des robotischen Systems mit dem Aktuator verbunden wird. Bei dieser Ausführungsform kann ein Aktuator, der sich „auf der Ablage“ oder in Lagerung befindet, eine alternative Leistungsversorgungsverbindung aufweisen, um zu ermöglichen, dass er drahtlos kommuniziert, ohne elektrisch mit dem robotischen System verbunden zu sein.
Bei einer Ausführungsform kann der Gestalter eines zu produzierenden Teils zwei Datenmengen erzeugen. Die erste Menge kann Informationen über die Konfiguration des robotischen Systems sein, um die Herstellung des zu produzierenden Teils zu verwirklichen (z. B. Material Metall, Gesamtgröße xyz, CNC-Ansatz, zu bohrende Löcher, zusätzliche Kunststoffe, die durch einen 3D-Druckansatz appliziert werden sollen), und wie die Maschine sich selbst konfigurieren müsste. Die zweite Datenmenge kann die Rohgestaltungsdaten sein, die die Maschine verwendet, um ein Teil zu produzieren (exakte Abmessungen und Koordinaten, Sequenz von Schritten usw.).
Bei einer derartigen Ausführungsform können beide Datenmengen zur Fabrik transferiert werden. Um zu gewährleisten, dass die Gestaltungsdaten nicht durch eine Drittpartei, die die Fabrik betreibt, missbraucht werden, können diese Daten separat und unterschiedlich von den Maschinenkonfigurationsdaten, zum Beispiel unter Verwendung eines separaten Schlüssels, verschlüsselt werden. Die Maschinenkonfigurationsdaten müssen möglicherweise weitläufig zur Verfügung stehen, auch außerhalb der Arbeitszelle, zum Beispiel für Mechaniker, die dort arbeiten, um in der Lage zu sein, eine Fehlersuche im Fall eines Problems durchzuführen. Andererseits können die Rohgestaltungsdaten eine viel begrenztere Verteilung aufweisen, zum Beispiel können sie niemals die Arbeitszelle verlassen oder können niemals die Zentralsteuerung verlassen oder können niemals einen Treiber verlassen.
Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, dass verschiedene Techniken zum Implementieren der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Konzepte verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Konzepte abzuweichen. Darüber hinaus, während die Konzepte mit spezifischem Bezug auf bestimmte Implementierungen beschrieben worden sind, würde ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Konzepte abzuweichen. Als solches sollen die beschriebenen Implementierungen in allen Hinsichten als veranschaulichend und nicht beschränkend angesehen werden. Es sollte auch verstanden werden, dass die vorliegende Anmeldung nicht auf vorliegend beschriebene, bestimmte Implementierungen beschränkt ist, sondern dass viele Neuanordnungen, Modifikationen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Räumlich relative Begriffe, wie etwa „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Diese Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu anderen Orientierungen als den in den Figuren dargestellten Orientierungen einschließen. Ferner werden auch Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und es wird ebenfalls nicht beabsichtigt, dass diese beschränkend sind. Über die gesamte Beschreibung hinweg verweisen gleiche Begriffe auf gleiche Elemente.
Wie vorliegend verwendet, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, die aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es wird beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „eine“, „einer“ und „der/die/das“ sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, dass der Zusammenhang eindeutig etwas anderes angibt.
Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen, wie auch anderer Ausführungsformen der Erfindung, werden sich für einen Fachmann unter Bezugnahme auf die Beschreibung ergeben. Es ist daher vorgesehen, dass die angehängten Ansprüche jegliche derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Robotisches System, wobei eine oder mehrere Zentralsteuerungen mit mindestens einem Aktuatortreiber über einen Kommunikationskanal kommunizieren, wobei der Kommunikationskanal einer durch einen Aktuator verursachten Störung ausgesetzt ist und wobei die Kommunikation und/oder ein Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird bzw. werden, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.
System nach Anspruch 1, wobei die Kommunikation basierend auf bevorstehenden Änderungen im Betrieb des mindestens einen Aktuators modifiziert wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Betrieb von einem oder mehreren Aktuatoren basierend auf bevorstehenden Kommunikationsanforderungen modifiziert wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Betrieb durch ein Verzögern des Startens oder Stoppens eines Motors oder eines anderen Aktuators modifiziert wird.
System nach Anspruch 4, wobei die Verzögerung eine vorbestimmte Dauer aufweist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Betrieb durch ein Ändern der Betriebsparameter eines Motors oder eines anderen Aktuators modifiziert wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kommunikation unter Verwendung von ausgewählten Frequenzen und/oder Frequenzbereichen modifiziert wird.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dauer der Modifikation vorbestimmt ist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kommunikationskanal und die Leistungsversorgung mindestens einen gemeinsamen Draht verwenden.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kommunikationskanal oder die Kommunikationskanäle eine Verschlüsselung verwendet bzw. verwenden.
Treiber, der zur Verwendung in einem System ausgelegt ist, wobei eine oder mehrere Zentralsteuerungen mit mindestens einem Aktuatortreiber über einen Kommunikationskanal kommunizieren, wobei der Kommunikationskanal einer durch einen Aktuator verursachten Störung ausgesetzt ist und wobei die Kommunikation und/oder der Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird bzw. werden, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.
Zentralsteuerung, die zur Verwendung in einem System ausgelegt ist, wobei eine oder mehrere Zentralsteuerungen mit mindestens einem Aktuatortreiber über einen Kommunikationskanal kommunizieren, wobei der Kommunikationskanal einer durch einen Aktuator verursachten Störung ausgesetzt ist und wobei die Kommunikation und/oder der Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird bzw. werden, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.
Treiber nach Anspruch 11 oder Steuerung nach Anspruch 12, der bzw. die zur Verwendung in einem beliebigen der Systeme der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
Treiber nach Anspruch 11 oder 13, wobei der Treiber eine bevorstehende Störung zu einer Zentralsteuerung signalisiert, bevor ein Motor oder ein anderer Aktuator aktiviert wird.
Treiber nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Treiber mit einem anderen Treiber unter Verwendung eines gemeinsam genutzten Kommunikationskanals kommuniziert.
Verfahren zum Kommunizieren in einem robotischen System, das einer Störung auf dem Kommunikationskanal oder den Kommunikationskanälen, die durch mindestens einen Aktuator verursacht wird, ausgesetzt ist, wobei die Kommunikation und/oder der Betrieb der Aktuatoren in Erwartung der auftretenden Störung modifiziert wird, sodass eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kommunikation mittels einer Pause mit einer vordefinierten Dauer modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Kommunikation unter Verwendung von ausgewählten Frequenzen und/oder Frequenzbereichen modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Betrieb der Aktuatoren durch ein Verzögern des Startens oder Stoppens eines Motors oder eines anderen Aktuators modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verzögerung eine vorbestimmte Dauer aufweist.