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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks.
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Moderne Roboter haben vielfältige Anwendungen, beispielsweise in der Industrie oder der Medizin. Industrieroboter sind als programmierbare Maschinen zur Handhabung, Montage oder Bearbeitung von Werkstücken allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von industriellen Prozessen verwendet. Sie sind essentieller Bestandteil einer fortschreitenden Automatisierung.
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Für eine Vielzahl von Anwendungen in der Roboterindustrie ist eine hohe Genauigkeit in der Steuerung und Regelung von Robotergelenken entscheidend. So ist es beispielsweise in der kollaborativen Roboterindustrie wichtig, eine hohe Güte und Geschwindigkeit für die Kollisionserkennung eines Roboterarms zu realisieren. Auf diese Weise kann unter anderem eine menschenähnliche Berührungsempfindlichkeit nachgebildet werden. Ein weiteres Beispiel ist die Anwendung von Robotervorrichtungen in Exoskeletten. Exoskelette sind am Körper tragbare Robotervorrichtungen. Mit ihnen können Bewegungen des Trägers unterstützt, verstärkt oder ermöglicht werden. Auch hierbei ist eine präzise und empfindliche Steuerung und Regelung von Robotergelenken bedeutend.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie ein System bereitzustellen, mit deren Hilfe eine besonders sensitive, schnelle und/oder präzise Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks ermöglicht werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotergelenk eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen aufweist, wobei mithilfe der Messeinrichtung ein Dehnungsmesssignal ermittelt wird, wobei mithilfe des Dehnungsmesssignals ein am Robotergelenk anliegendes Drehmoment bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit des Drehmoments das Robotergelenk gesteuert und/oder geregelt wird.
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Erfindungsgemäß kann mithilfe des Dehnungsmesssignals eine besonders präzise und schnelle Drehmomentermittlung stattfinden. Insbesondere kann das Ausgangsdrehmoment auf der Grundlage der internen mechanisch-dynamischen Eigenschaften des Robotergelenks ermittelt werden. Beispielsweise ist damit eine besonders empfindliche, und schnelle Kollisionserkennung möglich, die eines geringe Fehleranfälligkeit aufweist. Das so ermittelte Drehmoment kann vorteilhaft zur Steuerung und/oder Regelung des Robotergelenks verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann durch eine Feedback-Regelung eine vorteilhafte Aufrechterhaltung der Dynamik des Gesamtsystems erzielt werden. Wirken auf der Strecke Störgrößen ein, wie beispielsweise Momente durch Massenträgheit, Erdbeschleunigung, Nutzlasten und/oder durch einen Kontakt mit einem Hindernis, können diese besonders vorteilhaft bestimmt werden und eine entsprechende Regelung und/oder Steuerung des Gelenks vorgenommen werden. Derartige Störgrößen (regelungstechnische Strecken, die sich über die Zeit, und/oder den Ort verändern können) kommen in verschiedensten Einsatzgebieten eines Robotergelenks, beispielswiese beim Einsatz in einem Exoskelett oder in einem kollaborativen Roboterarm, vor.
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In aus der Roboterindustrie bekannten Systemen wird für die Drehmomentsteuerung, wie beispielsweise für eine Kollisionserkennung und eine Kraft-/Drehmoment-Rückkopplungssteuerung, eine auf dem anliegenden elektrischen Strom basierende Drehmomentsteuerung verwendet, um Manipulationen zu realisieren, die menschliche Berührungen nachbilden bzw. diesen ähneln. Das Grundkonzepteiner solchen strombasierten Drehmomentsteuerung besteht darin, das Ausgangsdrehmoment eines harmonischen Getriebes mit Hilfe des Zusammenhangs:
zu schätzen. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige strombasierte Ermittlung bzw. Berechnung für eine Vielzahl von Einsatzgebieten nicht präzise genug ist, da es viele Nebeneffekte und Störungen gibt, beispielsweise durch Temperaturänderungen und mechanische Beeinträchtigungen während der Lebensdauer des Gelenks (welche Auswirkungen auf den Wirkungsgrad haben), die die Güte der Schätzung nachteilig beinträchtigen.
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Anstelle der strombasierten Ermittlung kann erfindungsgemäß mithilfe einer Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen ein Dehnungsmesssignal ermittelt werden, mit dessen Hilfe eine vorteilhafte und sensitive Bestimmung eines am Robotergelenk anliegenden Drehmoments ermöglicht wird.
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Die erfindungsgemäße Methode hat ebenso Vorteile gegenüber einer Verwendung von Drehmomentsensoren, die in Serie am Gelenkarm angebracht werden. Eine Anbringung eines Drehmomentsensors in Serie am Gelenkarm wirkt sich negativ auf die Steifigkeit des Gelenkarms aus (und führt somit zu einer geringeren Steifigkeit). Ferner muss ein Teil der Länge des Roboterarms geopfert werden, um die Platzierung des externen Drehmomentsensors in Serie zu dem Gelenk zu ermöglichen. Derartige Nachteile können erfindungsgemäß mithilfe der Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen vermieden werden.
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Das Dehnungsmesssignal gemäß der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt sowohl Stauchungen als auch Dehnungen angeben.
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Unter der Bestimmung des Drehmoments kann erfindungsgemäß insbesondere die Ermittlung, Berechnung und/oder Schätzung des Drehmoments verstanden werden.
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Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, dass die Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen umfasst. Das Dehnungsmesssignal kann somit mehrere Teilsignale von mehreren Dehnungsmesstreifen umfassen.
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Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass das Robotergelenk als Roboterarmgelenk eines Industrieroboters, insbesondere eines kollaborativen Industrieroboters, oder eines Exoskeletts ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen können den Unteransprüchen bzw. abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Messeinrichtung auf, an und/oder in einem Getriebe des Robotergelenks angeordnet ist. Es kann somit eine Dehnung/Stauchung des Getriebes oder einer Komponente des Getriebes ermittelt werden. Das zu bestimmende Drehmoment liegt dabei insbesondere an dem Getriebe des Robotergelenks an.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Messeinrichtung auf, an und/oder in einem Flexspline des Getriebes angeordnet ist. Das Getriebe ist dabei insbesondere als Strain Wave Gear (bzw. Harmonic Drive - Spannungswellengetriebe, Wellgetriebe oder Gleitkeilgetriebe) ausgebildet. Bei dem Flexspline handelt es sich insbesondere um eine verformbare zylindrische Büchse (insbesondere Stahlbüchse) mit einer Außenverzahnung. Mithilfe der Messeinrichtung kann somit in vorteilhafter Weise eine Dehnungsmesssignal ermittelt werden, das eine Dehnung oder Stauchung des Flexsplines angibt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das Robotergelenk zusätzlich in Abhängigkeit oder mithilfe eines Positionssignals und/oder eines Winkelsignals gesteuert und/oder geregelt wird, wobei das Positionssignals und/oder das Winkelsignal insbesondere eine Position und/oder einen Winkel des Robotergelenks, eines Motors des Robotergelenks und/oder des Getriebes angibt. Hierdurch kann das Robotergelenk in Abhängigkeit des ermittelten anliegenden Drehmoments und seiner momentanen Winkelposition gesteuert werden. Es ist denkbar, dass bei der Steuerung und/oder Regelung zusätzlich oder alternativ eine zeitliche Ableitung der Winkelposition (also eine Winkelgeschwindigkeit) berücksichtigt wird. Das Positionssignal und/oder das Winkelsignal kann von einem Drehwinkelsensor, bevorzugt von einem Drehgeber, bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Messeinrichtung das Dehnungsmesssignal als elektrische Spannung ausgibt. Es ist insbesondere denkbar, dass der oder die mehreren Dehnungsmesstreifen das Dehnungsmesssignal in Form von elektrischen Spannungen ausgeben.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das Dehnungsmesssignal vor der Drehmomentsbestimmung mithilfe eines Analog-Digital-Umsetzers in ein digitales Dehnungsmesssignal umgewandelt wird. Es ist bevorzugt denkbar, dass die als Dehnungsmesssignal ausgegebenen Spannungen mithilfe eines Analog-Digital-Umsetzers umgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Dehnungsmesssignal, insbesondere das mithilfe des Analog-Digital-Umsetzers umgewandelte, digitale Dehnungsmesssignal, einer Motorsteuerungseinrichtung (Engine control unit - ECU) bereitgestellt wird, wobei bevorzugt zusätzlich das Positionssignal und/oder das Winkelsignal der Motorsteuerungseinrichtung bereitgestellt wird. Somit ist es denkbar, dass die Motorsteuerungseinrichtung das Drehmoment in Abhängigkeit des Dehnungsmesssignals bestimmt. Bevorzugt kann die Motorsteuerungseinrichtung die Steuerung und/oder Regelung des Gelenks zusätzlich in Abhängigkeit Positionssignals und/oder das Winkelsignals vornehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit des Drehmoments mithilfe eines Finite Elemente-Modells und/oder einer Machine Learning-Methode, bevorzugt einer Deep Learning-Methode, Support Vector Machine-Methode, Random Forest-Methode, durchgeführt wird. Mithilfe des Modells oder der Machine Learning-Methode und in Abhängigkeit des Dehnungsmesssignals und des Positionssignals und/oder Winkelsignals kann somit besonders vorteilhaft das Drehmoment bestimmt werden und die Steuerung und/oder Regelung des Robotergelenks erfolgen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks, wobei das System das Robotergelenk umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotergelenk eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen aufweist, wobei die Messeinrichtung zur Ermittlung eines Dehnungsmesssignals eingerichtet ist, wobei das System zur Bestimmung eines Drehmoments mithilfe des Dehnungsmesssignals eingerichtet ist, wobei das System zur Steuerung und/oder Regelung des Robotergelenks in Abhängigkeit des Drehmoments eingerichtet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das System eine Motorsteuerungseinrichtung aufweist, wobei die Motorsteuerungseinrichtung zum Empfang des Dehnungsmesssignals, insbesondere des mithilfe eines Analog-Digital-Umsetzers umgewandelten digitalen Dehnungsmesssignals, eingerichtet ist, wobei die Motorsteuerungseinrichtung bevorzugt zum Empfang eines Positionssignal und/oder eines Winkelsignal eingerichtet ist, wobei die Motorsteuerungseinrichtung bevorzugt zur Steuerung und/oder Regelung des Robotergelenks in Abhängigkeit des Drehmoments und des Positionssignal und/oder des Winkelsignal eingerichtet ist.
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Für das System können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des Verfahrens beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 100 zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System 100 umfasst ein Getriebe 12 (insbesondere ein Strain Wave Gear bzw. Spannungswellengetriebe, Wellgetriebe oder Gleitkeilgetriebe), welches ein Flexspline 13 aufweist. An dem Flexspline 13 ist eine Messeinrichtung 11 zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen angebracht, die mehrere Dehnungsmessstreifen 11' umfasst. Mithilfe der Dehnungsmessstreifen 11' können Dehnungen und/oder Stauchungen des Flexspline 13 gemessen werden. Die Dehnungsmessstreifen 11' geben Dehnungsmesssginale 20 als elektrische Spannungen aus, welche mit einem Analog-Digital-Umsetzer 40 umgewandelt werden und beispielsweise mithilfe eine serielle Kommunikationseinrichtung oder eine EtherCAT-Kommunikationseinrichtung einer Motorsteuerungseinrichtung 1 bereitgestellt werden. Der Analog-Digital-Umsetzer 40 kann bevorzugt als Chip in dem Robotergelenk 10 verbaut sein. Das System 100 umfasst ferner einen Drehwinkelsensor 15, der ein Positionssignals 30 und/oder ein Winkelsignals 30' [Grad] ausgibt, welches eine Motorposition angibt. Das Positionssignals 30 und/oder ein Winkelsignals 30' wird der Motorsteuerungseinrichtung 1 bereitgestellt. Die Motorsteuerungseinrichtung 1 berechnet in Abhängigkeit der von der Motorsteuerungseinrichtung 1 empfangenen Dehnungsmesssginale 20 sowie der Positions- und/oder Winkelsignale 30, 30' ein am Robotergelenk 10 anliegendes Drehmoment (bzw. Getriebeausgangsdrehmoment). Die Ermittlung des Getriebeausgangsdrehmoments auf Basis der zwei Eingangssignale (Dehnungsmesssignal 20 sowie Positions- und/oder Winkelsignal 30, 30') erfolgt bevorzugt durch einen modellbasierten Ansatz, insbesondere ein Finite Elemente-Modell, oder eine Machine Learning-Methode, bevorzugt einer Deep Learning-Methode, Support Vector Machine-Methode oder Random Forest-Methode. Abhängig von dem berechneten Drehmoment regelt bzw. steuert die Motorsteuerungseinrichtung 1 das Robotergelenk 10. Somit kann ein vorteilhaftes Feedback für die Drehmomentregelung implementiert werden. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass mithilfe der Messeinrichtung 11 eine präzise und schnelle Ermittlung des am Robotergelenk anliegenden Drehmoments ermöglicht wird. Ferner kann auch das Positionssignal 30 und/oder das Winkelsignal 30' (sowie ggf. eine zeitliche Ableitung davon) zur Regelung und Steuerung des Robotergelenks 10 im Sinne einer Rückkopplung bzw. eines Feedbacks verwendet werden, da auch diese Signale der Motorsteuerungseinrichtung 1 übermittelt werden.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Steuerung und/oder Regelung eines Robotergelenks 10 bzw. zur Motorkontrolle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem Robotergelenk 10 ist ein Motor 14 mit einem Getriebe 12 angeordnet, welches ein Flexspline 13 mit einer Messeinrichtung 11 zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen aufweist. Zur Steuerung des Robotergelenks 10 bzw. eines Motors 14 des Robotergelenks 10 sind eine Drehmomentsteuerung 50, eine Geschwindigkeitssteuerung 51 und eine Positionssteuerung 52 vorgesehen. Die Positionssteuerung 52 erhält eine Ziel-Motorposition 8 und eine rückgekoppelte Motorposition 7. Die rückgekoppelte Motorposition 7 wird von einem Drehwinkelsensors 15 in Form eines Positionssignals 30 und/oder Winkelsignals 30' [Grad] bereitgestellt. Mithilfe der Ziel-Motorposition 8 und der rückgekoppelten Motorposition 7 (bzw. dem kombinierten Signal) ermittelt die Positionssteuerung 52 eine Ziel-Motorgeschwindigkeit 6. Aus dem Positionssignal 30 und/oder dem Winkelsignal 30' wird ferner durch eine Zeitliche Ableitung 54 (d/dt) eine rückgekoppelte Motorgeschwindigkeit 5 ermittelt. Die rückgekoppelte Motorgeschwindigkeit 5 durchläuft einen Tiefpassfilter 53 und wird gemeinsam mit der Ziel-Motorgeschwindigkeit 6 der Geschwindigkeitssteuerung 51 bereitgestellt. Die Geschwindigkeitssteuerung 51 ermittelt mithilfe der rückgekoppelten Motorgeschwindigkeit 5 und der Ziel-Motorgeschwindigkeit 6 (bzw. dem kombinierten Signal) ein Ziel-Getriebeausgangsdrehmoment 4.
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Die Messeinrichtung 11 zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen gibt ein Dehnungsmesssignal 20 als elektrische Spannung [V] aus. Das Dehnungsmesssignal 20 betrifft die Stauchung/Dehnung des Flexspline 13. Das Dehnungsmesssignal 20 wird einer Ausgangsdrehmomentsvorhersage 2 zur Berechnung bzw. Ermittlung des Drehmoments, das an dem Robotergelenk 10 anliegt, bereitgestellt. Ferner wird der Ausgangsdrehmomentsvorhersage 2 das Positionssignal 30 und/oder das Winkelsignal 30' [Grad] des Drehwinkelsensors 15 bereitgestellt, welches eine Motorposition angibt. Mithilfe der Ausgangsdrehmomentsvorhersage 2 wird in Abhängigkeit des Dehnungsmesssignals 20 und des Positionssignals 30 und/oder des Winkelsignal 30' ein rückgekoppeltes Getriebeausgangsdrehmoment 3 (für ein Feedback) ermittelt. Das rückgekoppelte Getriebeausgangsdrehmoment 3 und das Ziel-Getriebeausgangsdrehmoment 4 (bzw. das kombinierte Signal) wird der Drehmomentsteuerung 50 bereitgestellt. Auf dieser Grundlage steuert die Drehmomentsteuerung 50 den Motor 14 des Robotergelenks 10. Somit wird mithilfe des rückgekoppelten Getriebeausgangsdrehmoment 3 sowie der rückgekoppelten Motorgeschwindigkeit 5 und der rückgekoppelten Motorposition 7 eine Feedback-Steuerung und -Regelung ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass mithilfe der Messeinrichtung 11 zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen eine besonders schnelle, sensitive und präzise Ermittlung des rückgekoppelten Getriebeausgangsdrehmoments 3 (also eines am Roboterarm anliegenden Drehmoments) möglich wird und somit eine schnelle und genaue Regelung stattfinden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorsteuerungseinrichtung
- 2
- Ausgangsdrehmomentsvorhersage
- 3
- rückgekoppeltes Getriebeausgangsdrehmoment
- 4
- Ziel-Getriebeausgangsdrehmoment
- 5
- Rückgekoppelte Motorgeschwindigkeit
- 6
- Ziel-Motorgeschwindigkeit
- 7
- Rückgekoppelte Motorposition
- 8
- Ziel-Motorposition
- 10
- Robotergelenk
- 11
- Messeinrichtung
- 11'
- Dehnungsmessstreifen
- 12
- Getriebe
- 13
- Flexspline
- 14
- Motor
- 15
- Drehwinkelsensor
- 20
- Dehnungsmesssignal
- 30
- Positionssignal
- 30'
- Winkelsignal
- 40
- Analog-Digital-Umsetzer
- 50
- Drehmomentsteuerung
- 51
- Geschwindigkeitssteuerung
- 52
- Positionssteuerung
- 53
- Tiefpassfilter
- 54
- Zeitliche Ableitung
- 100
- System
