DE102020101513A1

DE102020101513A1 - Verfahren zum aktiven Kompensieren von Schwingungen an einem Roboter und Roboter zum Durchführen eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102020101513A1
Application number: DE102020101513.5A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Maier; Maxime Chalon
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Verfahren zum aktiven Kompensieren von Schwingungen an einem Roboter (100), der Roboter (100) aufweisend wenigstens eine kinematische Kette mit mehreren Gelenken (104, 106, 108) mit integrierten Antrieben und eine elektronische Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Antriebe, wobei an den Gelenken (104, 106, 108) mithilfe von inertialen Messeinheiten Daten von Schwingungen erfasst werden und die Antriebe mithilfe der Kontrollvorrichtung unter Berücksichtigung der erfassten Daten destruktiv interferierend kontrolliert werden, um die Schwingungen zumindest teilweise zu kompensieren, und Roboter (100) zum Durchführen eines derartigen Verfahrens, wobei der Roboter (100) wenigstens eine kinematische Kette mit mehreren Gelenken (104, 106, 108) mit integrierten Antrieben und inertialen Messeinheiten zum Erfassen von Daten von Schwingungen und eine elektronische Kontrollvorrichtung zum destruktiv interferierenden Kontrollieren der Antriebe unter Berücksichtigung der erfassten Daten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Kompensieren von Schwingungen an einem Roboter, der Roboter aufweisend wenigstens eine kinematische Kette mit mehreren Gelenken mit integrierten Antrieben und eine elektronische Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Antriebe. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Das Dokument DE 10 2017 129 467 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Kommissionierroboters zur automatischen Kommissionierung von Objekten, wobei der Kommissionierroboter einen Roboterarm mit einem Aufnahmewerkzeug zur Aufnahme eines Objekts und einer am Aufnahmewerkzeug angeordneten Kontaktstelle zur Kontaktierung des Objekts aufweist. Dem Dokument DE 10 2017 129 467 A1 zufolge werden Schwingungen des Roboterarms durch Gegenschwingungen ausgeglichen, die in einem verstellbaren Abschnitt des Roboterarms im Bereich des Aufnahmewerkzeugs oder im Aufnahmewerkzeug erzeugt werden. Es wird vorgeschlagen, die Gegenschwingungen durch vertikales Verfahren zumindest eines die Kontaktstelle aufweisenden Endabschnitts des Aufnahmewerkzeugs relativ zum Rest des Roboterarms zu erzeugen. Außerdem wird vorgeschlagen, die Position der Kontaktstelle des Aufnahmewerkzeugs relativ zum aufzunehmenden Objekt mittels eines Sensors zu erfassen, durch Auswertung der Sensordaten in einer Datenverarbeitungseinrichtung Schwingungen zu erkennen und zumindest ein mit dem verstellbaren Abschnitt des Roboterarms im Bereich des Aufnahmewerkzeugs verbundener Antrieb wird so anzusteuern, dass die Schwingungen ausgeglichen werden. Dabei wird vorzugsweise als Sensor ein optischer Sensor, insbesondere eine Kamera, verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Roboter strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Verfahren kann während einem Betrieb des Roboters ausgeführt werden. Das Verfahren kann bei einem Bewegen des Roboters und/oder bei einem Halten einer Roboterposition ausgeführt werden. Das Verfahren kann zumindest annähernd in Echtzeit durchgeführt werden. Das aktive Kompensieren kann ein Verwenden von Aktuatoren umfassen. Als Aktuatoren können die Antriebe dienen. Die Antriebe können regelungstechnisch und/oder steuerungstechnisch kontrolliert werden. Die Antriebe können aufeinander abgestimmt kontrolliert werden. Die Daten können kabelgebunden und/oder kabellos von den inertialen Messeinheiten an die Kontrollvorrichtung übertragen werden. Die Kontrollvorrichtung kann auch als JointControlUnit (JCU) bezeichnet werden. Die inertialen Messeinheiten können auch als Initial Measurement Unit (IMU) oder Accelerationmeter bezeichnet werden. Die Daten können als Eingangssignale dienen. Die Daten können mithilfe der Kontrollvorrichtung verarbeitet werden. Mithilfe der Kontrollvorrichtung können Ausgangssignale erzeugt werden. Die Antriebe können mithilfe der Ausgangssignale kontrolliert werden. Die Ausgangssignale können kabelgebunden und/oder kabellos von der Kontrollvorrichtung an die Antriebe übertragen werden. Es können aktiv Gegenschwingungen erzeugt werden, um die Schwingungen zumindest teilweise auszulöschen. Dazu kann eine Erzeugung eines Signals angestrebt werden, das dem der Schwingungen mit entgegengesetzter Polarität exakt entspricht.
Die Daten der Schwingungen können jeweils in sechs Freiheitsgraden erfasst werden. Die Daten der Schwingungen können jeweils in drei Translationsfreiheitsgraden und in drei Rotationsfreiheitsgraden erfasst werden. Unter Berücksichtigung der erfassten Daten können zu den Schwingungen inverse Gegenschwingungen erzeugt werden. Die Antriebe können derart kontrolliert werden, dass Gegenschwingungen erzeugt werden, die den Schwingungen mit entgegengesetzter Polarität zumindest annähernd entsprechen. Die Antriebe können kontrolliert werden, um eine vorgegebene Bewegung auszuführen und gleichzeitig überlagernd kontrolliert werden, um die Schwingungen zumindest teilweise zu kompensieren. Der erste Antrieb und/oder der wenigstens eine weitere Antrieb können/kann unter Berücksichtigung von an dem ersten Gelenk erfassten Daten kontrolliert werden.
Der Roboter kann ein Industrieroboter, ein Serviceroboter oder ein Medizinroboter sein. Der Roboter kann ein Leichtbauroboter sein. Der Roboter kann zumindest überwiegend aus leichten Materialien, wie Verbundwerkstoffen und/oder Leichtmetallen, hergestellt sein. Der Roboter kann kraftgeregelt und/oder positionsgeregelt sein. Der Roboter kann eine Basis aufweisen. Der Roboter kann wenigstens einen Manipulator aufweisen. Der wenigstens eine Manipulator kann an der Basis angeordnet sein. Der wenigstens eine Manipulator kann die wenigstens eine kinematische Kette bilden. Die wenigstens eine kinematische Kette kann mehrere Glieder aufweisen. Die Gelenke können zum Verbinden der Glieder miteinander und/oder mit der Basis dienen. Der Roboter kann ein erstes Gelenk mit einem ersten Antrieb und wenigstens ein weiteres Gelenk mit wenigstens einem weiteren Antrieb aufweisen. Der Roboter kann einen Tool Center Point (TCP) aufweisen.
Die inertialen Messeinheiten können in die Gelenke integriert sein. Die Antriebe und/oder die inertialen Messeinheiten können strukturell in die Gelenke integriert sein. Die kinematische Kette kann Gelenke ohne integrierten Antrieb und/oder ohne inertiale Messeinheit aufweisen. Die Antriebe können jeweils einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, aufweisen. Die Antriebe können jeweils ein Getriebe aufweisen. Die inertialen Messeinheiten können jeweils drei aufeinander orthogonal stehende Beschleunigungssensoren zum Erfassen translatorischer Bewegung in x- bzw. y- bzw. z-Achse und drei orthogonal zueinander angebrachten Drehratensensoren zum Erfassen rotatorischer Bewegungen um x-bzw. y- bzw. z-Achse aufweisen. Die inertiale Messeinheit kann als Messwerte drei lineare Beschleunigungswerte für eine translatorische Bewegung und drei Winkelgeschwindigkeiten für eine Drehrate liefern. Die Kontrollvorrichtung kann wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann eine Rechenvorrichtung aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann einen Datenspeicher aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann programmierbar sein. Die inertialen Messeinheiten, die Antriebe und/oder die Kontrollvorrichtung können miteinander kabelgebunden und/oder kabellos verbunden sein.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Schwingungskompensation eines Roboters. Um zum Beispiel Schwingungen oder allgemein Störungen/Vibrationen in den Bewegungen eines Roboters zu kompensieren kann in jedem Gelenk des Roboters eine Initial Measurement Unit (IMU) oder auch Accelerationmeter integriert sein. Ein Acclerationsmeter kann dazu dienen, durch eine Beschleunigung eines Bauteils Schwingungen des Roboters in jedem Gelenk in drei Achsen zu messen. Diese Schwingungen können dann von einer JointControlUnit (JCU) aufgenommen und weiterverarbeitet werden. Aber auch ein Arm Controller, welcher beispielsweise in einer Basis des Roboters sitzen kann, kann diese Informationen verarbeiten und auf Schwingungen reagieren.
Die aufgenommenen Schwingungen können invertiert und dann als Gegenschwingungen ausgegeben werden. Die gemessenen Schwingungen eines Robotergelenks oder eines Roboterarms können in Signale für einen Motorcontroller umgewandelt werden. Dadurch können zum Beispiel Schwingungen, welche von einem ersten Robotergelenk entstehen und durch die Länge des Arms verstärkt werden, bereits in einem nächsten Gelenk reduziert oder komplett aufgelöst werden. Dies kann zum Beispiel passieren, indem der Motor in dem ersten Gelenk gegensteuert.
Mit der Erfindung werden/wird eine Positionsgenauigkeit und/oder Wiederholgenauigkeit eines Roboters erhöht. Eine Robotersteuerung wird vereinfacht ohne Erhöhung eines Konstruktionsaufwands.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Figur näher beschrieben, dabei zeigt schematisch und beispielhaft:

1 einen Roboter mit mehreren Gelenken.

1 zeigt einen Roboter 100 mit einer Basis 102, mehreren Gliedern 104, 106, 108, mehreren Gelenken 110, 112, 114 und einem Endeffektor 116. Die Glieder 104, 106, 108, die Gelenke 110, 112, 114 und der Endeffektor 116 bilden eine von der Basis 102 ausgehende offene kinematische Kette. Die Gelenke 110, 112, 114 weisen jeweils einen integrierten Antrieb und eine inertiale Messeinheit zum Erfassen von Schwingungsdaten auf. Der Roboter 100 weist eine elektronische Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Antriebe auf. Der Kontrollvorrichtung stehen die von den inertialen Messeinheiten erfassten Daten zur Verfügung.
Während einem Betrieb des Roboters werden mithilfe der inertialen Messeinheiten an den Gelenken 110, 112, 114 Daten von Schwingungen erfasst und unter Berücksichtigung der erfassten Daten werden mithilfe der Antriebe aktiv Gegenschwingungen erzeugt, um die Schwingungen zumindest teilweise auszulöschen, wobei eine Erzeugung eines Signals angestrebt wird, das dem der Schwingungen mit entgegengesetzter Polarität möglichst genau entspricht.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Roboter
102: Basis
104: Glied
106: Glied
108: Glied
110: Gelenk
112: Gelenk
114: Gelenk
116: Endeffektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017129467 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum aktiven Kompensieren von Schwingungen an einem Roboter (100), der Roboter (100) aufweisend wenigstens eine kinematische Kette mit mehreren Gelenken (104, 106, 108) mit integrierten Antrieben und eine elektronische Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Antriebe, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gelenken (104, 106, 108) mithilfe von inertialen Messeinheiten Daten von Schwingungen erfasst werden und die Antriebe mithilfe der Kontrollvorrichtung unter Berücksichtigung der erfassten Daten destruktiv interferierend kontrolliert werden, um die Schwingungen zumindest teilweise zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Schwingungen jeweils in sechs Freiheitsgraden erfasst werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der erfassten Daten zu den Schwingungen inverse Gegenschwingungen erzeugt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe kontrolliert werden, um eine vorgegebene Bewegung auszuführen und gleichzeitig überlagernd kontrolliert werden, um die Schwingungen zumindest teilweise zu kompensieren.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (100) ein erstes Gelenk (104) mit einem ersten Antrieb und wenigstens ein weiteres Gelenk (106, 108) mit wenigstens einem weiteren Antrieb aufweist und der erste Antrieb und/oder der wenigstens eine weitere Antrieb unter Berücksichtigung von an dem ersten Gelenk (104) erfassten Daten kontrolliert werden/wird.
Roboter (100) zum Durchführen eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (100) wenigstens eine kinematische Kette mit mehreren Gelenken (104, 106, 108) mit integrierten Antrieben und inertialen Messeinheiten zum Erfassen von Daten von Schwingungen und eine elektronische Kontrollvorrichtung zum destruktiv interferierenden Kontrollieren der Antriebe unter Berücksichtigung der erfassten Daten aufweist.