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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors eines Robotermanipulators sowie ein Robotersystem mit einem Robotermanipulator und einer Recheneinheit zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors des Robotermanipulators.
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Drehmomentsensoren von Robotermanipulatoren sind diversen Störeinflüssen ausgesetzt. Darunter fallen unter anderem:
- - Elektromechanische Störeinflüsse auf einen Motor eines Antriebs am jeweiligen Gelenk (z.B. das so genannte „Cogging“, und das so genannte „Torque ripple“),
- - Mechanische Einflüsse des Getriebes (z.B. das so genannte „Torque ripple“, oder die so genannte Drehmomentwelligkeit),
- - andere Einflüsse auf den Drehmomentsensor, wie durch das Erdmagnetfeld verursachte oder andere Umweltbeeinflussungen oder Hystereseeffekte,
- - Einflüsse eines Drehlagers (z.B. durch Haftreibung).
Oft treten diese Störeinflüsse jedoch deterministisch auf, sodass sie identifiziert werden können und die Drehmomentsensoren mit den identifizierten Störeinflüssen kalibriert werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Kalibrieren von Drehmomentsensoren von Robotermanipulatoren zu vereinfachen, sowie in kürzerer Zeit und möglichst automatisiert durchzuführen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors eines Robotermanipulators, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder aufweist, wobei ein erstes Glied und ein zweites Glied durch ein erstes Gelenk miteinander verbunden sind und der erste Drehmomentsensor am ersten Gelenk angeordnet ist, wobei das erste Glied gegenüber dem zweiten Glied in einem ersten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks wirkende Moment über den ersten Winkelbereich konstant ist, wobei ein drittes Glied und ein viertes Glied durch ein zweites Gelenk miteinander verbunden sind und der zweite Drehmomentsensor am zweiten Gelenk angeordnet ist, wobei das dritte Glied gegenüber dem vierten Glied in einem zweiten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks wirkende Moment über den zweiten Winkelbereich abhängig vom Gelenkwinkel des zweiten Gelenks variiert, mit den Schritten:
- - Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied innerhalb des ersten Winkelbereichs und Erfassen von im Freiheitsgrad des ersten Gelenks wirkenden ersten Momenten,
- - Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln,
sodass die jeweiligen am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel eines jeweiligen der Einstellwinkeltupel durch die jeweilige auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachten und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks wirkenden Momente betraglich gleich groß sind und gegenteilige Vorzeichen aufweisten, und Erfassen eines am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel jeweilig wirkenden zweiten Moments für jedes der Einstellwinkeltupel,
- - Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors auf Basis der erfassten ersten Momente, und
- - Kalibrieren des zweiten Drehmomentsensors auf Basis eines jeweiligen Mittels, wobei das jeweilige Mittel durch Mitteln des am ersten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments und des am zweiten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel erhalten wird.
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Die Ausdrücke „erstes Glied“ und „zweites Glied“ bedeuten nicht, dass die Glieder insbesondere von der Basis weg gerechnet durchnummeriert werden, sondern bezeichnen lediglich die Existenz eines ersten und eines zweiten Gliedes, die zusammen an beliebiger Stelle des Robotermanipulators durch ein erstes Gelenk miteinander verbunden sind. In Konsequenz dessen kann ein Robotermanipulator eine Vielzahl eines solchen Paares aus einem ersten Glied und aus einem zweiten Glied umfassen. Insbesondere weist ein jeweiliger der Robotermanipulatoren eine Vielzahl von Paaren aus ersten Gliedern und zweiten Gliedern auf, und eine Vielzahl von Paaren aus dritten Gliedern und vierten Gliedern. Ferner kann eines aus der Menge erstes Glied, zweites Glied, drittes Glied, viertes Glied eine unbewegte Basis des Robotermanipulators sein. Wird weiterhin das erste Glied gegenüber dem zweiten Glied bewegt, so bedeutet dies, dass sich immer das erste Glied und das zweite Glied gegeneinander bewegen. Welches der Glieder dabei insbesondere zu einem erdfesten Koordinatensystem fixiert ist, spielt dabei keine Rolle, da lediglich die Relativbewegung des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied entscheidend ist. Ein analoges Verständnis gilt für die Namensgebung des dritten Gliedes und des vierten Gliedes.
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Der erste Drehmomentsensor wie auch der zweite Drehmomentsensor des Robotermanipulators ist insbesondere ein mechanischer Drehmomentsensor, der über die Dehnung eines elastischen Materials auf ein im Gelenk und insbesondere vom Antrieb oder vom Getriebe des im Gelenk angeordneten Aktuators ausgeübtes Drehmoment zurückgerechnet. Auch die Messung der im Aktuator vorherrschenden Stromstärke eines elektrischen Aktuators oder auch andere im Stand der Technik bekannte Formen von Drehmomentsensoren sind jeweils für den ersten Drehmomentsensor und für den zweiten Drehmomentsensor möglich.
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Aufgrund geometrischer Überlegungen wirkt zumindest der Theorie nach beim Bewegen des ersten Gliedes relativ zum zweiten Glied im Freiheitsgrad des ersten Gelenks kein Moment, zumindest kein Moment, das von der Schwerkraft herrührt und auf sämtliche Glieder des Robotermanipulators wirkt. Eine Änderung im Gelenkswinkel im ersten Gelenk führt daher insbesondere zu keiner Änderung eines Moments, das durch die Schwerkraft, die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkt. Dennoch wird in der Realität ein sich über den ersten Winkelbereich änderndes Moment gemessen, welches zumindest durch den Schwerkrafteinfluss nicht erklärbar ist. Diese gemessenen ersten Momente werden von einem störenden Moment verursacht, welches auch bei einwandfreier Funktionsweise des ersten Drehmomentsensors aufgrund oben genannter Einflüsse wie elektromagnetischen oder anderen mechanischen Einflüssen gemessen wird. Das Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors auf Basis der erfassten ersten Momente erfolgt insbesondere so, dass über eine Vielzahl von Winkeln zu jedem der Winkel eines der erfassten ersten Momente abgespeichert wird, um bei zukünftigen Messungen dieses gespeicherte Moment von der Messung winkelabhängig abzuziehen. Wird beispielsweise bei einem Winkel von 5° ein störendes Moment von 1 Nm erfasst und abgespeichert, so ist dieses störende Moment als fälschlicherweise gemessenes erstes Moment identifiziert, und wird bei jeder Drehmomentmessung am Gelenkswinkel von 5° vom aktuell gemessenen Moment subtrahiert.
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Ähnlich hierzu wird der zweite Drehmomentsensor kalibriert, jedoch auf Basis eines Mittels aus dem am ersten Einstellwinkel gemessenen Moment und dem am zweiten Einstellwinkel gemessenen Moment, denn ein solcher theoretisch durch Schwerkrafteinfluss momentenfreier Winkelbereich existiert im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks im allgemeinen nicht. Bevorzugt ist eine Vielzahl von Einstelltwinkeltupel vorgesehen, wobei die Einstellwinkel bevorzugt Einstellwinkelpaare sind, das heißt ein erster Einstellwinkel einem zweiten Einstellwinkel gegenübersteht. Die Vielzahl der Einstelltwinkeltupel beschreibt dabei insbesondere eine vorgegebene endliche Menge von Einstellwinkelpaaren, sodass eine Vielzahl von Messpaaren durch die Erfassung des jeweiligen zweiten Moments am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel eines Einstellwinkeltupels erhalten werden. So können nicht nur die erfassten zweiten Momente jeweils am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel eines einzigen Einstelltwinkeltupels gemittelt werden, sondern insbesondere auch ein Mittel über alle Einstellwinkel aller Einstelltwinkeltupel ermittelt werden. Das Mittel ist bevorzugt ein arithmetisches Mittel oder auch ein gewichtetes Mittel, sodass insbesondere im zweiten obigen Fall bevorzugt Messergebnisse in Winkelbereichen, in denen insbesondere ein Großteil des Betriebes des Robotermanipulators durchgeführt wird, höhere Gewichtungen angewendet werden als in anderen Winkelbereichen. Die Vielzahl der Einstellwinkeltupel wird insbesondere vorgegeben. Das Mittel aus dem am ersten Einstellwinkel erfassten Moment und dem am zweiten Einstellwinkel erfassten Moment lässt außerdem einen Schluss auf eine fehlerhafte Messung des zweiten Drehmomentsensors insoweit zu, als dass ein konstant vorliegendes störendes Moment durch den Vorzeichenunterschied des gemessenen Moments am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel identifiziert wird, während der Schwerkrafteinfluss durch die unterschiedlichen Vorzeichen kompensiert wird.
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Bevorzugt findet nach dem Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel zum Erfassen eines am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel jeweilig wirkenden zweiten Moments für jedes der Einstellwinkeltupel keine Bewegung der Glieder des Robotermanipulators statt, sodass während des Erfassens selbst keine Beschleunigungskräfte auftreten, die fälschlicherweise vom zweiten Drehmomentsensor erfasst werden würden. Der jeweilige Einstellwinkel ist dabei bevorzugt als relativer Winkel zwischen dem dritten Glied und dem vierten Glied definiert.
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Das Kalibrieren mit den ersten erfassten Momenten wie auch mit dem jeweiligen erfassten zweiten Moment heißt, heißt nicht zwingend, dass unmittelbar das jeweils erfasste Moment abgespeichert wird, da gewisse Zwischenberechnungen notwendig sein können, insbesondere wenn sich ein konstanter Versatz eines erfassten Moments in allen Punkten widerspiegelt. Vergleiche hierzu auch das Beispiel der 3.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die Drehmomentsensoren eines Robotermanipulators abhängig von ihrer Platzierung und abhängig von den physikalischen Randbedingungen des Gelenks an der Platzierung vollautomatisch kalibriert werden können und gleichzeitig auf Einbaufehler überprüft werden können. Das Verfahren kann vorteilhaft parallel und gleichzeitig an mehreren Robotermanipulatoren durchgeführt werden. Weiterhin vorteilhaft liefert das Verfahren genaue Kalibrationsergebnisse, sodass die Robotermanipulatoren mit den kalibrierten Drehmomentsensoren im späteren Betrieb insbesondere sehr genau kraftgeregelt bzw. drehmomentgeregelt angesteuert werden können. Auch eine Kraftmessung bzw. eine Drehmomentmessung mithilfe der kalibrierten Drehmomentsensoren am Robotermanipulator ist im späteren Betrieb der Robotermanipulatoren daher sehr realitätsnah möglich.
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Insbesondere Montagefehler können mithilfe des Verfahrens identifiziert werden, in dem das Verfahren angewendet wird und damit ein fälschlich gemessenes Drehmoment identifiziert wird, welches mit einem fälschlich gemessenen Drehmoment vor dem Zusammenbau des jeweiligen Robotermanipulators verglichen wird. Überschreitet die Differenz aus den identifizierten Werten für die jeweilig fälschlich gemessenen Drehmomente einen Grenzwert, so deutet dies auf eine fehlerhafte Montage des Robotermanipulators hin.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied mit konstanter Geschwindigkeit. Das Drehen mit konstanter Geschwindigkeit weist den Vorteil auf, dass die konstante Geschwindigkeit per Definition keine Beschleunigung im Freiheitsgrad des ersten Gelenks verursacht. Somit muss nicht rechnerisch ein durch die Bewegung zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied des Robotermanipulators selbst verursachtes Moment von den erfassten ersten Momenten subtrahiert werden, um die Messung auf die störenden Momente zu reduzieren. Dies vereinfacht vorteilhaft das Verfahren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied mit sich verändernder Geschwindigkeit, wobei das aus der Änderung der Geschwindigkeit erforderliche oder erzeugte Moment von den erfassten ersten Momenten subtrahiert wird. Erfolgt eine beschleunigte Bewegung im Freiheitsgrad des ersten Gelenks, so kann aus der bekannten Pose des Robotermanipulators und den bekannten Trägheitsmomenten der Glieder des Robotermanipulators das Moment ermittelt werden, das zum Beschleunigen der Glieder im Freiheitsgrad des ersten Gelenks notwendig ist und von den erfassten ersten Momenten subtrahiert werden muss. Vorteilhaft können somit auch Anfahrvorgänge zum Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks wirkende Moment über den ersten Winkelbereich konstant Null. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Freiheitsgrad des ersten Gelenks um eine Drehachse definiert ist, die mit der Richtung des Schwerkraftvektors übereinstimmt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors auf Basis der erfassten ersten Momente durch Abspeichern der erfassten ersten Momente und der den erfassten ersten Momenten zugehörigen Winkeln aus dem ersten Winkelbereich. Die Winkelabhängigkeit der gespeicherten erfassten ersten Momente stellt vorteilhaft sicher, dass lokal auftretende Einflüsse, wie eine nur an einem bestimmten Punkt des Umfangs des ersten Winkelbereichs auftretende hohe Rauigkeit, auch nur lokal kalibriert werden, um später nur lokal diesen störenden Einfluss zu kompensieren. Alternativ bevorzugt dazu erfolgt das Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors auf Basis der erfassten ersten Momente durch Abspeichern eines Mittelwertes der erfassten ersten Momente für den ersten Winkelbereich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Kalibrieren des zweiten Drehmomentsensors auf Basis des jeweiligen Mittels durch Abspeichern des für jedes Einstellwinkeltupel erfassten Mittels und des dem jeweiligen Mittel zugehörigen jeweiligen Einstellwinkels, das heißt für jedes Einstellwinkeltupel separat. Alternativ bevorzugt dazu wird das Mittel aus allen an den jeweiligen Einstellwinkeln der Einstellwinkeltupel insgesamt ermittelt. In letzterer Alternative werden alle erfassten zweiten Momente über alle Einstellwinkeltupel gemittelt und somit unabhängig vom jeweiligen Winkelpaar des jeweiligen Einstellwinkeltupels ermittelt, wobei das Kalibrieren des zweiten Drehmomentsensors insbesondere mit dem so ermittelten Mittel erfolgt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel aus der Vielzahl von Einstellwinkeltupeln jeweils mehrfach durch wiederholtes Anfahren des jeweiligen Einstellwinkels aus zumindest zwei Richtungen, wobei das jeweilige Mittel durch Mitteln des für jedes wiederholte Anfahren des ersten Einstellwinkels jeweiligen erfassten zweiten Moments und des für jedes wiederholte Anfahren des zweiten Einstellwinkels jeweiligen erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel erhalten wird. Das wiederholte Anfahren des ersten Einstellwinkels sowie auch das wiederholte Anfahren des zweiten Einstellwinkels erlauben vorteilhaft, Hysterese- und Trägheitseffekte wie durch ein unvermeidliches Spiel im Antriebsstrang zum Antreiben des zweiten Gelenks oder auch Hafreibungseffekte zu identifizieren und auszumitteln.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied und/oder das Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied jeweils durch Ansteuern von Aktuatoren. Indem Aktuatoren zum Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied und zum Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied verwendet werden, kann das Verfahren vorteilhaft vollautomatisch und ohne Zutun eines Anwenders durchgeführt werden. Dies senkt vorteilhaft Produktionszeiten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Kalibrieren des zweiten Drehmomentsensors durch Abspeichern eines winkelabhängigen Moments am ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel nach dem Subtrahieren eines durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft theoretisch verursachten Moments von dem jeweiligen erfassten zweiten Moment. Indem zusätzlich das theoretisch ermittelte Moment, welches durch die Schwerkraft verursacht wird, subtrahiert wird, wird sich nicht nur darauf verlassen, dass beim Erzeugen des Mittels der Schwerkrafteinfluss sich kürzt, sondern es wird zusätzlich das theoretisch ermittelte Moment aus der Schwerkraft berücksichtigt. Dies ermöglicht unter Umständen vorteilhaft eine genauere Identifikation der Störmomente.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem mit einem Robotermanipulator und einer mit Recheneinheit zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors des Robotermanipulators, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder aufweist, wobei ein erstes Glied und ein zweites Glied durch ein erstes Gelenk miteinander verbunden sind und der erste Drehmomentsensor am ersten Gelenk angeordnet ist, wobei das erste Glied gegenüber dem zweiten Glied in einem ersten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks wirkende Moment über den ersten Winkelbereich konstant ist, wobei ein drittes Glied und ein viertes Glied durch ein zweites Gelenk miteinander verbunden sind und der zweite Drehmomentsensor am zweiten Gelenk angeordnet ist, wobei das dritte Glied gegenüber dem vierten Glied in einem zweiten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks wirkende Moment über den zweiten Winkelbereich abhängig vom Gelenkwinkel des zweiten Gelenks variiert, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist,
- - einen ersten Aktuator zum Drehen des ersten Gliedes gegenüber dem zweiten Glied innerhalb des ersten Winkelbereichs anzusteuern und von dem ersten Drehmomentsensor erfasste und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks wirkende erste Momente zu ermitteln,
- - einen zweiten Aktuator zum Drehen des dritten Gliedes gegenüber dem vierten Glied innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln anzusteuern, sodass die jeweiligen am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel eines jeweiligen der Einstellwinkeltupel durch die jeweilige auf die Glieder des Robotermanipulators wirkende Schwerkraft verursachten und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks wirkenden Momente betraglich gleich groß sind und gegenteilige Vorzeichen aufweisen, und ein vom zweiten Drehmomentsensor erfasstes am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel jeweilig wirkendes zweites Moment für jedes der Einstellwinkeltupel zu ermitteln,
- - den ersten Drehmomentsensors auf Basis der erfassten ersten Momente zu kalibrieren, und
- - den zweiten Drehmomentsensor auf Basis eines jeweiligen Mittels zu kalibrieren, wobei das jeweilige Mittel durch Mitteln des am ersten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments und des am zweiten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel durch die Recheneinheit ermittelt wird.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotersystems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein Verfahren zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors eines Robotermanipulators in generellerer Übersicht und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 für das Verfahren der 1 eine spezielle Situation und Anwendung des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 für das Verfahren der 1 eine spezielle Situation und Anwendung des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine Alternative zum Verfahren der 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 ein Robotersystem mit einem Robotermanipulator und einer Recheneinheit zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors und eines zweiten Drehmomentsensors des Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Verfahren zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors 11 und eines zweiten Drehmomentsensors 12 eines Robotermanipulators 3, wobei der Robotermanipulator 3 eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder aufweist, wobei ein erstes Glied 21 und ein zweites Glied 22 durch ein erstes Gelenk 31 miteinander verbunden sind und der erste Drehmomentsensor 11 am ersten Gelenk 31 angeordnet ist, wobei das erste Glied 21 gegenüber dem zweiten Glied 22 in einem ersten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 wirkende Moment über den ersten Winkelbereich konstant ist, wobei ein drittes Glied 23 und ein viertes Glied 24 durch ein zweites Gelenk 32 miteinander verbunden sind und der zweite Drehmomentsensor 12 am zweiten Gelenk 32 angeordnet ist, wobei das dritte Glied 23 gegenüber dem vierten Glied 24 in einem zweiten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks 32 wirkende Moment über den zweiten Winkelbereich abhängig vom Gelenkwinkel des zweiten Gelenks 32 variiert,
mit den Schritten:
- - Drehen S1 des ersten Gliedes 21 gegenüber dem zweiten Glied 22 innerhalb des ersten Winkelbereichs und Erfassen von im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 wirkenden ersten Momente,
- - Drehen S2 des dritten Gliedes 23 gegenüber dem vierten Glied 24 innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln,
sodass die jeweiligen am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel eines jeweiligen der Einstellwinkeltupel durch die jeweilige auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachten und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks 32 wirkenden Momente betraglich gleich groß sind und gegenteilige Vorzeichen aufweist, und Erfassen eines am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel jeweilig wirkenden zweiten Moments für jedes der Einstellwinkeltupel,
- - Kalibrieren S3 des ersten Drehmomentsensors 11 auf Basis der erfassten ersten Momente und
- - Kalibrieren S4 des zweiten Drehmomentsensors 12 auf Basis eines jeweiligen Mittels, wobei das jeweilige Mittel durch Mitteln des am ersten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments und des am zweiten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel erhalten wird.
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2 zeigt einen zum Verfahren aus 1 gehörenden Robotermanipulator 3 mit einem ersten Glied 21 und einem zweiten Glied 22, wobei das zweite Glied 22 eine ortsfeste Basis des Robotermanipulators 3 ist. In der 2 wird eine Möglichkeit für dieses Gliederpaar gezeigt, eine Möglichkeit für das dritte und vierte Glied 23,24 erst in 3. Anderweitig gilt grundsätzlich die Beschreibung von 1 auch für die 2. Das Drehen des ersten Gliedes 21 erfolgt gegenüber dem zweiten Glied 22 mit konstanter Geschwindigkeit um eine vertikale Achse, die mit einer Drehachse des Freiheitsgrads des ersten Gelenks 31 übereinstimmt. Daher dürfte der Theorie nach eine Umdrehung des ersten Gliedes 21 gegenüber dem zweiten Glied 22 keine Änderung im erfassten ersten Drehmoment im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 bewirken. Vielmehr ist das durch die Schwerkraft wirkende Moment im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 konstant gleich null. Das Kalibrieren des ersten Drehmomentsensors 11 auf Basis der erfassten ersten Momente erfolgt durch Abspeichern eines winkelabhängigen von im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 wirkenden Moments.
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3 zeigt die zweite Gegebenheit des in 1 dargestellten Verfahrens, wobei ein Robotermanipulator 3 mit einem dritten Glied 23 und mit einem vierten Glied 24 gezeigt ist. Es erfolgt ein Drehen des dritten Gliedes 23 gegenüber dem vierten Glied 24 innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel „+a“ und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel (-a) aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln. Wird beispielsweise am Einstellwinkel „+a“ -49,8 Nm und am Einstellwinkel „-a“ +50,2 Nm gemessen, so ergibt das Mittel mit (+50,2-49,8) Nm / 2 = 0,2 Nm, so dass der zweite Drehmomentsensor mit +0,2 Nm kalibriert wird. Der erste Einstellwinkel „+a“ und der zweite Einstellwinkel „-a“ sind dabei nur beispielhaft für eines aus der Vielzahl der Einstellwinkeltupel gezeigt. Ein weiteres Einstellwinkeltupel weist den ersten Einstellwinkel „+a+5°“ und den zweiten Einstellwinkel „-(a+5)°“ auf, und so weiter, bis zum letzten Element einer vorgegebenen endlichen Menge von Einstellwinkeltupeln.
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4 zeigt das Verfahren und den Robotermanipulator 3 aus der 3, jedoch erfolgt das Drehen des dritten Gliedes 23 gegenüber dem vierten Glied 24 innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel „+a“ und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel „-a“ aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln jeweils mehrfach, nämlich durch wiederholtes Anfahren des jeweiligen Einstellwinkels aus zwei Richtungen. Hierbei wird das jeweilige Mittel durch Mitteln des für jedes wiederholte Anfahren des ersten Einstellwinkels jeweiligen erfassten zweiten Moments und des für jedes wiederholte Anfahren des zweiten Einstellwinkels jeweiligen erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel ermittelt. Es ergeben sich eine Vielzahl von erfassten zweiten Momenten für alle der Einstellwinkel für alle der Einstellwinkeltupel und für alle Anfahrrichtungen, die allesamt arithmetisch ausgemittelt werden. Hierbei kürzt sich jeweils durch die lineare Natur des arithmetischen Mittels der jeweils paarweise gleiche Schwerkrafteinfluss heraus und übrig bleibt ein gemittelter Störeinfluss, welcher zum Kalibrieren des zweiten Drehmomentsensors 12 verwendet wird.
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5 zeigt ein Robotersystem 1 mit einem Robotermanipulator 3 und einer Recheneinheit 5 zum Kalibrieren eines ersten Drehmomentsensors 11 und eines zweiten Drehmomentsensors 12 des Robotermanipulators 3, wobei der Robotermanipulator 3 eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder aufweist, wobei ein erstes Glied 21 und ein zweites Glied 22 durch ein erstes Gelenk 31 miteinander verbunden sind und der erste Drehmomentsensor 11 am ersten Gelenk 31 angeordnet ist, wobei das erste Glied 21 gegenüber dem zweiten Glied 22 in einem ersten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 wirkende Moment über den ersten Winkelbereich konstant ist, wobei ein drittes Glied 23 und ein viertes Glied 24 durch ein zweites Gelenk 32 miteinander verbunden sind und der zweite Drehmomentsensor 12 am zweiten Gelenk 32 angeordnet ist, wobei das dritte Glied 23 gegenüber dem vierten Glied 24 in einem zweiten Winkelbereich über eine Vielzahl von Winkeln drehbar ist, wobei das durch die auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachte und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks 32 wirkende Moment über den zweiten Winkelbereich abhängig vom Gelenkwinkel des zweiten Gelenks 32 variiert, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist,
- - einen ersten Aktuator 7 zum Drehen des ersten Gliedes 21 gegenüber dem zweiten Glied 22 innerhalb des ersten Winkelbereichs anzusteuern und von dem ersten Drehmomentsensor erfasste und im Freiheitsgrad des ersten Gelenks 31 wirkende erste Momente zu ermitteln,
- - einen zweiten Aktuator 9 zum Drehen des dritten Gliedes 23 gegenüber dem vierten Glied 24 innerhalb des zweiten Winkelbereichs in einen jeweiligen ersten Einstellwinkel und in einen jeweiligen zweiten Einstellwinkel aus einer Vielzahl von Einstellwinkeltupeln anzusteuern, sodass die jeweiligen am ersten Einstellwinkel und am zweiten Einstellwinkel eines jeweiligen der Einstellwinkeltupel durch die jeweilige auf die Glieder des Robotermanipulators 3 wirkende Schwerkraft verursachten und im Freiheitsgrad des zweiten Gelenks 32 wirkenden Momente betraglich gleich groß sind und gegenteilige Vorzeichen aufweisen, und ein vom zweiten Drehmomentsensor erfasstes am jeweiligen ersten Einstellwinkel und am jeweiligen zweiten Einstellwinkel jeweilig wirkendes zweites Moment für jedes der Einstellwinkeltupel zu ermitteln,
- - den ersten Drehmomentsensors 11 auf Basis der erfassten ersten Momente zu kalibrieren, und
- - den zweiten Drehmomentsensor 12 auf Basis eines jeweiligen Mittels zu kalibrieren, wobei das jeweilige Mittel durch Mitteln des am ersten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments und des am zweiten Einstellwinkel erfassten zweiten Moments für ein jeweiliges Einstellwinkeltupel ermittelt wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Robotersystem
- 3
- Robotermanipulator
- 5
- Recheneinheit
- 7
- erster Aktuator
- 9
- zweiter Aktuator
- 11
- erster Drehmomentsensor
- 12
- zweiter Drehmomentsensor
- 21
- erstes Glied
- 22
- zweites Glied
- 23
- drittes Glied
- 24
- viertes Glied
- 31
- erstes Gelenk
- 32
- zweites Gelenk
- S1
- Drehen und Erfassen
- S2
- Drehen und Erfassen
- S3
- Kalibrieren
- S4
- Kalibrieren
