DE102020210779B3

DE102020210779B3 - Rechnergestütztes Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020210779B3
Application number: DE102020210779.3A
Authority: DE
Inventors: Dirk Diehl; Siraj Issani; Marjin Pieter Oomen; Aristide Spagnolo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2040-08-27

Abstract

Es wird ein rechnergestütztes Verfahren zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung (1), insbesondere eines Roboters, angegeben,- wobei die Vorrichtung einen Endeffektor (11) aufweist, welcher über eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) bewegbar ist,- wobei jeder der Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) eine Antriebseinrichtung (30) mit einem Aktuator (31) zum Ausführen der Bewegung zugeordnet ist,- wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:a) Bereitstellen von thermischen Modellen (M1) für die einzelnen Antriebseinrichtungen (30) undb) Ermitteln einer optimierten Bewegungstrajektorie (27) der Vorrichtung (1),- wobei die Bewegungstrajektorie (27) eine vorgegebene Aufgabe (TSK) erfüllt,- wobei die Optimierung der Bewegungstrajektorie (27) durch Optimierung einer Zielfunktion (f) erfolgt, wobei die Zielfunktion (f) die benötigte Dauer der Bewegung als Kriterium umfasst,- wobei während der Optimierung der Bewegungstrajektorie (27) eine Simulation der jeweils zu erwartenden Temperaturverteilungen in den einzelnen Antriebseinrichtungen (30) durchgeführt wird und die Optimierung so erfolgt, dass vordefinierte Temperatur-Grenzwerte (Tg) eingehalten werden. Weiterhin werden ein Computerprogrammprodukt und eine Kontrolleinrichtung (15) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein rechnergestütztes Verfahren zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung, welche mindestens einen Endeffektor und eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt sowie eine Kontrolleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Bewegungsplanung von Robotern mit mehreren Bewegungsachsen bekannt. Der Planung der Bewegung liegt dabei typischerweise eine vorgegebene Aufgabe zugrunde, nämlich meist die Erreichung einer vorgegebenen Ziel-Pose eines Endeffektors des Roboters, ausgehend von einer vorgegebenen Start-Konfiguration der Vorrichtung. Unter der Konfiguration der Vorrichtung wird dabei die Gesamtheit der Achspositionen der rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen verstanden. Bei einer hohen Anzahl von Bewegungsfreiheitsgraden kann das System überbestimmt sein, in dem Sinne, dass eine vorgegebene Ziel-Pose oder Ziel-Position des Endeffektors durch mehrere unterschiedliche Konfigurationen der Vorrichtung erreicht werden kann. In diesem Fall besteht bei der Erfüllung der Aufgabe eine Auswahlmöglichkeit unter verschiedenen erlaubten End-Konfigurationen der Vorrichtung.
Bei einer definierten Ziel-Pose ist neben der Position des Endeffektors auch seine Orientierung vorbestimmt. Die Aufgabe kann beispielsweise das Erreichen einer bestimmten Ziel-Pose oder auch nur das Erreichen einer bestimmten Ziel-Position beinhalten. Wenn nur die Ziel-Position definiert ist, besteht bei einer Vorrichtung mit mehr als zwei Bewegungsfreiheitsgraden allgemein eine Auswahlmöglichkeit unter mehreren möglichen Pfaden, um von der Start-Konfiguration zur Ziel-Position des Endeffektors zu gelangen. Dies gilt unabhängig davon, ob die Ziel-Position des Endeffektors mit mehreren oder nur mit einer Konfiguration erreicht werden kann. Zum Beispiel kann ausgehend von einer Start-Position [0,0,0] in kartesischen Koordinaten eine Ziel-Position [1,1,1] über einen direkten diagonalen Pfad oder über den Zwischenpunkt [1,0,0] oder den Zwischenpunkt [0,1,0] oder viele andere mögliche Pfade und Zwischenpunkte erreicht werden.
Die Planung eines optimalen Pfades ist ein Teil der Bewegungsplanung für Robotik-Vorrichtungen. Bei der Pfadplanung werden die geometrischen Bahnen bestimmt, auf denen sich zum einen der Endeffektor, zum anderen aber auch die übrigen Elemente der Vorrichtung bewegen sollen. Es wird also die Abfolge der zu durchlaufenden Konfigurationen (inklusive aller zugehörigen Achskoordinaten) bestimmt. Von dieser reinen Pfadplanung ist die Trajektorienplanung zu unterscheiden: Bei einer Trajektorie wird zusätzlich der zeitabhängige Bewegungsverlauf beschrieben, also auch der Verlauf der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, mit der die Bewegung entlang eines solchen Pfades erfolgen soll. Ziel bei der Bewegungsplanung für einen Roboter ist daher typischerweise die Bestimmung einer zeitabhängigen Trajektorie, die für eine vorgegebene Aufgabe unter Berücksichtigung von bestimmten Kriterien und Randbedingungen optimiert wird.
Nach dem Stand der Technik wird am häufigsten eine zeitoptimierte Trajektorienplanung angewendet, bei der die Zeit für die durchzuführende Bewegung minimiert wird. Hierbei kann die Einhaltung von bestimmten weiteren Randbedingungen gefordert werden, beispielsweise eine Forderung nach Kollisionsfreiheit oder die Einhaltung von vorgegebenen Motor-Parametern wie maximale Leistung oder Beschleunigung. Ein Verfahren für eine solche zeitoptimierte Bewegungsplanung wird beispielsweise in der EP 3569367 A1 beschrieben.
Nachteilig an der zeitoptimierten Bewegungsplanung ist, dass bei einer reinen Optimierung auf die Bewegungsdauer die Antriebsmotoren der einzelnen Achsantriebe einen großen Teil der Zeit bei ihrer maximalen Leistung betrieben werden und dass starke Beschleunigungen auftreten und am Ende der Bewegung entsprechend stark abgebremst werden muss. Auf diese Weise wird sehr viel Energie verbraucht, und es tritt eine starke Beanspruchung der einzelnen Komponenten auf, was zu einem schnellen Systemverschleiß führen kann. Dabei kann es auch zu einer hohen Wärmeentwicklung in den einzelnen Achsantrieben kommen. Wenn die umgesetzte Verlustwärme nicht ausreichend gut durch Luft oder andere Kühlmittel abgeführt wird, dann kann es bei längeren Betriebsdauern zu einer Überhitzung der einzelnen Achsantriebe kommen. So kann es bei einem Dauerbetrieb unter Umständen zu einem Überschreiten der zulässigen Betriebstemperaturen von bestimmten Teilkomponenten kommen. Unter Umständen müssen einzelne Antriebsmotoren ausgeschaltet werden und abkühlen, bevor der Betrieb wieder aufgenommen werden kann. Diese Unterbrechung zum Abkühlen führt dann trotz der Zeitoptimierung der Einzel-Trajektorien zu einem unter Umständen erheblichen Zeitverlust bei einem längeren Betrieb des Roboters, vor allem wenn viele energieintensive Aufgaben schnell hintereinander durchgeführt werden. Daher führt eine zeitoptimierte Bewegungsplanung einer Einzel-Trajektorie häufig nicht zu einer zeitoptimierten Planung, wenn in einer ganzen Fertigungsschicht viele Einzeltrajektorien unmittelbar nacheinander ausgeführt werden. Selbst wenn die maximal zulässigen Betriebstemperaturen der Achsantriebe nicht überschritten werden, so kann es durch die hohe Wärmeentwicklung in den Motoren trotzdem zu unerwünscht hohem Verschleiß kommen, was wiederum Kosten und Betriebsausfälle durch Reparaturen und Wartung nach sich zieht.
Das Problem des hohen Energieverbrauchs bei rein zeitoptimierten Trajektorien wurde bereits im Stand der Technik adressiert. So wird in dem Artikel „A Review on Energy-Saving Optimization Methods for Robotic and Automatic Systems‟, Robotics 2017, 6, 39 von G. Carabin et al. beschrieben, dass die Trajektorien-Optimierung neben der Zeitdauer auch andere Kriterien wie Energieverbrauch und Schwingungserzeugung berücksichtigen kann. Auf diese Weise werden energie-effizientere Trajektorien erhalten, wodurch häufig auch die Überhitzung der Motoren und der Verschleiß der Antriebe reduziert wird. Allerdings bleiben bei einem solchen energieoptimierten Ansatz mehrere Effekte unberücksichtigt: Zum einen sind die Achsantriebe mit dem höchsten Energieverbrauch nicht notwendigerweise auch die Antriebe, die am schnellsten überhitzen. So kann es passieren, dass trotz der Berücksichtigung des Gesamt-Energieverbrauchs eine lokale Überhitzung einzelner Antriebe stattfindet. Bei einer Optimierung im Hinblick auf den Gesamt-Energieverbrauch wird außerdem nicht berücksichtigt, dass bei kühler Umgebungsluft bzw. beim Beginn einer Fertigungsschicht die Antriebe (noch) relativ kalt sind und dass sie daher in diesem Zustand mit schnelleren, energieintensiveren Trajektorien betrieben werden könnten als bei fortschreitender Erwärmung der Antriebe. Auch die eventuell aus vorherigen Bewegungen in der Wärmekapazität der Komponenten gespeicherte Wärme wird in dieser Methode nicht berücksichtigt. Schließlich würde eine reine Optimierung auf einen niedrigen Energieverbrauch zu einer extrem langen Dauer für die durchzuführende Aufgabe führen. Selbst bei Verwendung einer gemischten Zielfunktion aus Energie und Zeitdauer würde dieser Ansatz aber im Hinblick auf die Überhitzung der Antriebe nicht immer zu optimalen Ergebnissen führen.
Ein etwas anderer Ansatz wird in dem Artikel „Time-optimal control of robotic manipulators with limit heat characteristics of the actuator‟, Advanced Robotics, Vol. 16, No. 4, pp. 309-324 von Shugen Ma beschrieben. Hier wird eine Optimierung einer Trajektorie für einen vorgegebenen geometrischen Pfad beschrieben, bei der neben den Randbedingungen aus den Betriebsparametern des Motors auch ein Wärmeleistungs-Limit („heat converted power limit“) als zusätzliche Randbedingung eingeführt wird. Unter diesen Randbedingungen werden wiederum zeitabhängige Trajektorien berechnet. Durch die dauerhafte Unterschreitung eines vorgegebenen Wärmeleistungs-Limits wird sichergestellt, dass der Antriebsmotor nicht überhitzt. Allerdings besteht auch hier der Nachteil, dass das eingeführte Wärmeleistungs-Limit ein starres Limit ist, bei welchem nicht die aktuelle Temperatur und der aktuelle Systemzustand berücksichtigt wird. Hierdurch werden unter Umständen sehr konservative und somit allzu langsame Trajektorien berechnet, so dass vor allem bei einem kühleren Betriebszustand die Möglichkeiten nicht ausgeschöpft werden. Außerdem ist hier der geometrische Pfad vorgegeben. Andere räumliche Pfade, die aus Erwärmungs-Sicht ebenfalls erlaubt und möglicherweise schneller wären, werden nicht berücksichtigt.
Weiterhin beschreibt die DE 102019121013 A1 eine Steuervorrichtung für einen Roboter mit mehreren Gelenken, die eine Einheit aufweist, mit der Temperaturinformationen dieser Gelenke ermittelt werden können. Eine weitere Einheit ist dazu ausgebildet, ein Hochtemperaturgelenk zu spezifizieren, das gekühlt werden muss. Die Motorsteuereinheit dieser Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Antrieb des Motors eines solchen Hochtemperaturgelenks für einen bestimmten Zeitraum zu verhindern, um einen weiteren Temperaturanstieg zu vermeiden.
Die DE 102018104400 A1 beschreibt eine Lebensdauerbewertungsvorrichtung und ein damit ausgestattetes Robotersystem. Die Lebensdauerbewertungsvorrichtung dient dazu, die Lebensdauer eines Schmiermittels in einer Maschine mit einem Motor und einem Getriebemechanismus zu bewerten. Hierzu kann die Vorrichtung auf Basis eines Stromwerts einen Motorwärmewert berechnen und auf Basis einer Umdrehungsgeschwindigkeit einen Reibungswärmewert im Getriebemechanismus berechnen. Außerdem kann sie auf Basis dieser beiden berechneten Werte eine Schmiermitteltemperatur schätzen und basierend darauf die Lebensdauer des Schmiermittels schätzen.
Die DE 102004056861 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln oder Steuern von robotischen Manipulatoren. Hierbei werden modellierte Getriebe-Reibmomente in Abhängigkeit einer Getriebetemperatur bestimmt, wobei aus diesen modellierten Getriebe-Reibmomenten Sollwerte für eine Motorposition oder einen Motorstrom bestimmt werden. So lässt sich die verfügbare Motorleistung bzw. das verfügbare Motormoment aufgrund der Modellierung optimieren.
Die EP 3061576 A1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung eines Bewegungsprofils, insbesondere für einen Roboter mit mehreren Antrieben. Hierbei wird das Bewegungsprofil in vorteilhaft linear unabhängige Teilbewegungsprofile zerlegt, und diese werden voneinander unabhängig mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens optimiert. Dabei können vorteilhaft physikalische Randbedingungen beachtet werden.
Die EP 2969400 B1 beschreibt ein Verfahren und ein Datenverarbeitungssystem zur Bewegungsbahnprogrammierung von industriellen Robotern. Dabei werden durch das Datenverarbeitungssystem zwei oder mehr mögliche Bewegungswege erzeugt, und es wird jeweils der zugehörige Energieverbrauch ermittelt. Anhand des identifizierten Energieverbrauchs wird ein Bewegungsweg für den Roboter ausgewählt.
Auch in der US 9469029 B2 wird beschrieben, wie ein Bewegungspfad für einen industriellen Roboter ermittelt werden kann, wobei gleichzeitig ein Energieverbrauch und eine Taktzeit dieses Roboters optimiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welches eine Bewegungsplanung ermöglicht, mit der sowohl eine zeitliche Optimierung als auch eine Vermeidung der Überhitzung der Achsantriebe erreicht wird. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Computerprogrammprodukt sowie eine Kontrolleinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren, das in Anspruch 14 beschriebene Computerprogrammprodukt und die in Anspruch 15 beschriebene Kontrolleinrichtung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein rechnergestütztes Verfahren zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung, insbesondere eines Roboters. Diese Vorrichtung weist einen Endeffektor auf, welcher über eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen bewegbar ist. Dabei ist jeder der Bewegungsachsen eine Antriebseinrichtung mit einem Aktuator zum Ausführen der Bewegung zugeordnet. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Bereitstellen von thermischen Modellen für die einzelnen Antriebseinrichtungen und
b) Ermitteln einer optimierten Bewegungstrajektorie der Vorrichtung,
- - wobei die Bewegungstrajektorie eine vorgegebene Aufgabe erfüllt,
- - wobei die Optimierung der Bewegungstrajektorie durch Optimierung einer Zielfunktion erfolgt, wobei die Zielfunktion die benötigte Dauer der Bewegung als Kriterium umfasst,
- - wobei während der Optimierung der Bewegungstrajektorie eine Simulation der jeweils zu erwartenden Temperaturverteilungen in den einzelnen Antriebseinrichtungen durchgeführt wird und die Optimierung so erfolgt, dass vordefinierte Temperatur-Grenzwerte eingehalten werden.

Der Endeffektor dieser Vorrichtung ist insbesondere ein Werkzeug im Endbereich der kinematischen Kette. Es kann sich beispielsweise um ein Greifwerkzeug und/oder ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks handeln. Die vorgegebene Aufgabe umfasst insbesondere eine durch den Endeffektor auszuführende Bewegung. Diese kann typischerweise durch die Bewegung von einem dem Endeffektor zugeordneten Raumpunkt charakterisiert werden, der in der Fachwelt auch als TCP (für englisch „Tool Center Point“) bezeichnet wird. Eine Position dieses Raumpunkts bzw. eine zugehörige Pose des Endeffektors kann insbesondere durch eine oder mehrere mögliche Kombinationen von Achspositionen (sogenannte Gesamt-Konfigurationen) realisiert werden. Die vorgegebene Aufgabe kann insbesondere die Bewegung der Vorrichtung aus einer vorgegebenen Start-Konfiguration zu einer vorgegebenen Ziel-Pose des Endeffektors umfassen. Im Rahmen der Aufgabe kann eine solche Bewegung entweder einmal oder auch mehrfach hintereinander durchgeführt werden. Es können auch unterschiedliche Einzel-Bewegungen nacheinander durchgeführt werden. Optional kann die Aufgabe neben der Bewegung des Endeffektors auch weitere Teilaufgaben wie beispielsweise das Halten einer Pose über eine bestimmte Zeitdauer oder das Greifen, Loslassen oder Bearbeiten eines Werkstücks umfassen.
Der Endeffektor ist über eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen bewegbar. Die rotatorischen Bewegungsachsen können durch Gelenke oder Scharnieren gebildet sein. Die translatorischen Bewegungsachsen können durch Lineargelenke gebildet sein. Wesentlich ist, dass die Vorrichtung insgesamt mindestens zwei solche Bewegungsfreiheitsgrade aufweist. Hierdurch wird insbesondere bei der Erfüllung einer Positionieraufgabe die Auswahl aus mehreren geometrischen Pfaden ermöglicht. Dabei kann im Verlauf der Bewegung der Beitrag der einzelnen Achsen zur Gesamtbewegung variiert werden. Die zugehörige Bewegung ist jeweils über einen zugeordneten Aktuator ausführbar, insbesondere kann sie jeweils automatisiert ausgeführt werden. Bei den Aktuatoren der Antriebseinrichtungen kann es sich insbesondere um Elektromotoren handeln, mit denen eine Beschleunigung der Achsbewegung bewirkt wird. Alternativ sind aber auch andere Aktuator-Typen möglich, beispielsweise Hydraulik- oder Pneumatik-Aktuatoren. Weitere Aktuatoren in den Antriebseinrichtungen können insbesondere integrierte Bremsen sein, mit denen die durch die Antriebsmotoren eingeleitete Bewegung wieder abgebremst wird. In jedem Fall können die Antriebseinrichtungen und insbesondere deren Aktuatoren hitzeempfindliche Komponenten aufweisen. Dies sind insbesondere die Wicklungen eines Elektromotors und/oder andere kritische Bauelemente der Antriebseinrichtungen, beispielsweise deren Drehlager.
Das Verfahren ermittelt eine optimierte Bewegungstrajektorie, mit der die vorgegebene Aufgabe erfüllt wird. Diese Trajektorie ist zumindest teilweise zeitoptimiert: Mit anderen Worten bildet die Dauer der Bewegung zumindest eines von mehreren möglichen Kriterien der bei der Optimierung angewendeten Zielfunktion. Es kann sich also insbesondere um eine zusammengesetzte Zielfunktion handeln, bei der die benötigte Dauer zumindest eine von mehreren Ziel-Bestandteilen bildet. Bei dieser Optimierungs-Aufgabe können weitere Randbedingungen berücksichtigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass zumindest eine zusätzliche Randbedingung berücksichtigt wird, nämlich dass in den einzelnen Antriebseinrichtungen vordefinierte Temperatur-Grenzwerte eingehalten werden. Zumindest für eine der Antriebseinrichtungen soll dabei in zumindest einem räumlichen Bereich ein solcher vorgegebener Grenzwert eingehalten werden. Besonders vorteilhaft werden solche Grenzwerte aber für mehrere und insbesondere sogar alle vorhandenen Antriebseinrichtungen berücksichtigt. Für eine gegebene Antriebseinrichtung können auch mehrere solche Temperatur-Grenzwerte in unterschiedlichen räumlichen Bereichen berücksichtigt werden. So können beispielsweise unterschiedliche Temperatur-Grenzwerte in den Wicklungen, in den Lagern und/oder in den Steuereinheiten der einzelnen Antriebseinrichtungen definiert werden.
Die Einhaltung der vorgegebenen Temperatur-Grenzwerte während der Optimierung der Trajektorie wird dadurch erreicht, dass für das Optimierungsverfahren thermische Modelle für die einzelnen Antriebseinrichtungen bereitgestellt werden. Vorteilhaft wird für jede der vorhandenen Antriebseinrichtungen ein solches thermisches Modell bereitgestellt, mindestens aber für eine davon. Im Rahmen eines solchen thermischen Modells kann ausgehend von einer Start-Temperatur oder einer Start-Temperatur-Verteilung in der jeweiligen Antriebseinrichtung und unter Berücksichtigung von den bei der Trajektorienoptimierung verwendeten Bewegungsparametern eine im Verlauf der Trajektorie zu erwartende Temperatur-Verteilung vorhergesagt werden. Diese vorhergesagte Temperatur-Verteilung wird genutzt, um die Einhaltung der (vorhergesagten) Temperatur-Grenzwerte während der Optimierung der Trajektorie als Randbedingung zu berücksichtigen. Das thermische Modell einer gegebenen Antriebseinrichtung benötigt dabei zumindest einen Start-Wert (oder eine Start-Werte-Verteilung) für die Temperatur. Dieser kann durch einen Messwert oder auch durch einen theoretisch bekannten Startwert (beispielsweise aus einer geschätzten Umgebungstemperatur) gegeben sein.
Die thermischen Modelle können beispielsweise sehr einfach implementiert sein. Zum Beispiel kann ein solches thermisches Modell als wesentliche Komponente eine Wärmekapazität beinhalten, die über einen Wärmewiderstand an eine feste Umgebungstemperatur angebunden ist, und die abhängig von der Antriebsleistung beheizt wird. Komplexere Modelle, z.B. mit Finite-Elemente-Berechnungen sind natürlich grundsätzlich auch möglich, erfordern aber typischerweise mehr Rechenzeit als das oben beschriebene besonders einfache Modell.
Optional können die Temperatur-Werte, die aufgrund der thermischen Modelle für den Verlauf der Trajektorien vorhergesagt werden, bei einer tatsächlich durchgeführten Bewegung auch gemessen werden und die Vorhersage so an die Realität angeglichen werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist nur, dass die erwartete Temperaturentwicklung über ein Simulationsmodell berechnet und während der Trajektorien-Optimierung als Randbedingung berücksichtigt wird.
Mit dieser zusätzlichen Randbedingung wird erreicht, dass bei einer Umsetzung der ermittelten Trajektorie in eine tatsächliche Bewegung die Überhitzung der Antriebseinrichtungen vorteilhaft vermieden wird. Dabei wird die Dauer der Bewegung nicht mehr als nötig verzögert, weil als Zusatzkriterium gerade nicht die verbrauchte Energie oder die erzeugte Verlustleistung herangezogen wird, sondern vielmehr die erwartete tatsächliche Temperaturentwicklung. Eine wichtige Konsequenz daraus ist, dass bei einem kühlen Startzustand der Vorrichtung eine schnellere optimale Trajektorie ermittelt werden kann als bei einem bereits erwärmten Zustand im laufenden Betrieb der Vorrichtung und/oder bei einer umgebungsbedingt besonders hohen Außentemperatur. Abhängig von der genauen Wahl der Zielfunktion kann so ein auf den jeweiligen thermischen Betriebszustand angepasstes Gesamt-Optimum für eine schnelle Aufgabenerfüllung und gegebenenfalls optionalen weiteren Kriterien bei gleichzeitiger Vermeidung von Gelenk-Überhitzung erreicht werden. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Reduktion von Prozessdauern und gleichzeitiger Vermeidung von unnötigen Schäden und Wartungsaufwand.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, wobei die Befehle bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts auf einem Computer diesen dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die erfindungsgemäße Kontrolleinrichtung dient zum Kontrollieren der Bewegung der oben beschriebenen Vorrichtung, wobei die Kontrolleinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts und der erfindungsgemäßen Kontrolleinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens, des Computerprogrammprodukts und der Kontrolleinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So kann die Vorrichtung allgemein als Roboter ausgebildet sein, insbesondere als Gelenkroboter. Dabei kann es sich beispielsweise um einen industriellen Fertigungsroboter, aber auch um jede andere Art von Roboter handeln. So kann der Roboter beispielsweise ein über eine Basis fest montierter Roboterarm sein oder auch ein autonom verfahrbarer oder auf sonstige Weise frei beweglicher mobiler Roboter.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung eine Steuereinrichtung zur automatisierten Ansteuerung der einzelnen Antriebseinrichtungen aufweisen, und das Verfahren kann den folgenden zusätzlichen Schritt aufweisen:

c) Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie mittels der Steuereinrichtung.

Bei der beschriebenen Steuereinrichtung kann es sich entweder um eine zentrale Steuereinrichtung für alle Antriebseinrichtungen handeln, oder sie kann mehrere dezentrale Teil-Steuereinrichtungen umfassen, welche auf die einzelnen Antriebseinrichtungen verteilt sind. Es kann auch eine Kombination von zentraler Steuereinrichtung und zusätzlichen dezentralen Teilelementen vorliegen.
Allgemein besonders vorteilhaft kann die Vorrichtung ein oder mehrere Temperatursensoren umfassen, welche im Bereich von einer oder mehreren Antriebseinrichtungen angeordnet sein können. Durch diese Temperatursensoren werden Temperatur-Daten gemessen, welche beispielsweise dazu verwendet werden können, Start-Temperaturen für die einzelnen thermischen Modelle zur Verfügung zu stellen. Allgemein wird von den thermischen Modellen eine Start-Temperatur bzw. eine Start-Temperatur-Verteilung als Input benötigt, um daraus die während der Trajektorie zu erwartenden Temperatur-Verläufe berechnen zu können. Wenn kein Temperatursensor vorhanden ist, kann eine solche Start-Temperatur auch aus einer vorgegebenen näherungsweise bekannten Umgebungs-Temperatur oder Soll-Start-Temperatur abgeleitet werden. Es ist jedoch für die Vorhersage der Temperatur-Entwicklung allgemein zu bevorzugen, wenn für die Initialisierung der thermischen Modelle zumindest ein tatsächlich gemessener Temperatur-Wert verwendet wird. Der weitere Verlauf der Temperaturen kann dann grundsätzlich mittels der thermischen Modelle für die einzelnen Antriebe simuliert werden.
Zusätzlich ist es optional aber auch möglich, dass die gemessenen Temperatur-Daten dazu verwendet werden, während der Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie aktualisierte Temperatur-Daten für die thermischen Modelle zur Verfügung zu stellen. Eine solche laufende Anpassung der Modelle an Messdaten ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn die Trajektorie „online“, also während des Betriebs der Vorrichtung ermittelt wird. Bei diesem Modus findet die Berechnung von späteren Teilen der Trajektorie statt, während die früheren Teile der Trajektorie bereits von der Vorrichtung umgesetzt werden. Dann können die Messdaten dazu verwendet werden, die simulierten thermischen Eigenschaften gegebenenfalls mit einem leichten Zeitverzug an die gemessenen Temperaturen anzugleichen und somit die Modelle zu verbessern. Aber auch bei einer Offline-Ermittlung der Trajektorien kann es sinnvoll sein, die thermischen Modelle mit den später, bei der Umsetzung der Trajektorie, gemessenen Temperaturen abzugleichen und damit die thermischen Modelle für zukünftig zu ermittelnde Trajektorien zu verbessern. In jedem Fall kann es sich aufgrund des Abgleichs mit tatsächlichen Messdaten um ein lernendes System handeln, bei denen Methoden der künstlichen Intelligenz zum Einsatz kommen können, insbesondere maschinelles Lernen mit einem neuronalen Netz.
Allgemein können die genannten Temperatursensoren vorteilhaft in den besonders empfindlichen Bereichen der Antriebseinrichtungen zum Einsatz kommen, beispielsweise in der Nähe der Motorwicklungen oder der Drehlager oder anderer empfindlicher Bauteile. Alternativ können solche Temperatursensoren aber auch außerhalb der Antriebseinrichtungen zum Einsatz kommen, beispielsweise um die Temperatur der Umgebungsluft oder eines optional verwendeten flüssigen Kühlmittels zu messen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die in Schritt b) zu optimierende Zielfunktion ein weiteres Kriterium umfassen. Es kann sich also um eine zusammengesetzte Zielfunktion handeln. Dieses weitere Kriterium kann beispielsweise eine in den einzelnen Antriebseinrichtungen umgesetzte Energie und/oder eine Lärmentwicklung sein. Ein Energiekriterium könnte z.B. ein Gesamt-Energieverbrauch sein oder ein Energieverbrauch in ausgewählten Gelenken oder auch nur die dort umgesetzte Wärmeenergie, also der Anteil der Verlustwärme. Auch ein oder mehrere Belastungsparameter der Gelenke könnten als zusätzliche Kriterien verwendet werden, um insbesondere den Verschleiß in den Antriebseinrichtungen zu reduzieren.
Prinzipiell kann die Einhaltung der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte bei der Optimierung auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante kann dies dadurch erfolgen, dass das permanente Unterschreiten dieser Temperatur-Grenzwerte als Randbedingung bei der Optimierung berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird die Optimierung so durchgeführt, dass diese Grenzwerte niemals erreicht werden, sondern zu jeder Zeit unterschritten sind. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass bei zunehmender Annäherung an die Grenzwerte in den berechneten Trajektorien sozusagen präventiv eine Reduktion der Leistung erfolgt und die optimierte Trajektorie entsprechend verlangsamt wird. Dies kann beispielsweise durch einen „Strafterm“ in der zu minimierenden Zielfunktion erreicht werden, dessen Wert bei Annäherung an die Grenzwerte stark anschwillt. Bei dieser Variante wird die Überhitzung der Antriebseinrichtungen besonders zuverlässig vermieden, und es können trotzdem stetige Trajektorien erhalten werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann die Einhaltung der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte aber auch dadurch erfolgen, dass bei Erreichen von wenigstens einem der Grenzwerte eine Abkühlphase eingeleitet wird, bei der zumindest die zugehörige Antriebseinrichtung stillsteht. Bei der Abkühlphase ist es unter Umständen nicht nötig, dass die gesamte Vorrichtung angehalten wird, sondern es kann ausreichen, wenn nur das betroffene Gelenk vorrübergehend außer Betrieb gesetzt wird. Wenn die vorgegebene Aufgabe allerdings nicht ohne das betroffene Gelenk umgesetzt werden kann, dann muss die gesamte Vorrichtung vorrübergehend angehalten werden, bis eine ausreichende Abkühlung erreicht ist. Unabhängig davon, ob ein selektiver oder ein vollständiger Shutdown erfolgt, kann die Abkühlphase vorteilhaft so lange dauern, bis ein oder mehrere untere Temperatur-Schwellwerte unterschritten sind, welche unterhalb der Grenzwerte liegen, bei denen die Abkühlphase eingeleitet wird. Unter Umständen kann bei der zeitlichen Optimierung der Trajektorie auch trotz solcher Abkühlphasen eine schnellere Trajektorie ermittelt werden als bei ständiger Unterschreitung aller Temperatur-Grenzwerte. Dies gilt insbesondere dann, wenn nur ein selektiver Shutdown einzelner Gelenke nötig ist und während der Abkühlzeit die Bewegung von anderen Gelenken übernommen werden kann.
Allgemein und unabhängig von der Art der Einhaltung der Temperatur-Grenzwerte können bei der Optimierung der Trajektorie noch weitere Randbedingungen definiert und eingehalten werden. Dies kann beispielsweise eine maximal zur Verfügung stehende Energie oder Leistung sein und/oder eine maximale Energie, Leistung, Drehmoment, Kraft oder Beschleunigung in einzelnen Antriebseinrichtungen sein oder auch ein Grenzwert für eine negative Beschleunigung im Sinne eines Abbremsens. Auch die Vermeidung von Kollisionen der Vorrichtung mit äußeren Hindernissen oder auch mit sich selbst kann eine solche zusätzliche Randbedingung bei der Optimierung darstellen.
Bei der einfachsten Ausführungsform der Aufgabe besteht diese aus einer Bewegung des Endeffektors bzw. dessen Tool Center Point von einem Startpunkt zu einem Endpunkt. Die Aufgabe entspricht dann insbesondere einer Punkt-zu-Punkt-Steuerung (PTP-Steuerung). Die Aufgabe kann jedoch auch komplexer sein und mehrere Teilaufgaben umfassen. Insbesondere kann sie neben einer solchen Einzelbewegung noch Teilaufgaben in Form von weiteren Bewegungen, Halteaufgaben und/oder Bearbeitungsaufgaben umfassen. So kann die vorgegebene Aufgabe gemäß einer ersten Variante ein sequentielles Durchlaufen einer Mehrzahl von untereinander gleichen oder ähnlichen Einzelbewegungen des Endeffektors umfassen. Bei gleichen Bewegungen soll sich der Endeffektor auf einem identischen geometrischen Pfad bewegen, wobei die Geschwindigkeitsprofile aber unter Umständen unterschiedlich sein können. Bei ähnlichen Einzelbewegungen können die tatsächlichen Pfade der Einzelbewegungen innerhalb eines zulässigen Toleranzbandes um einen vorgegebenen Soll-Pfad liegen.
Bei untereinander gleichen Einzelbewegungen kann das Problem der Trajektorienbestimmung dadurch vereinfacht werden, dass nur die Bewegungstrajektorie für eine Einzelbewegung berechnet wird und diese bei der Umsetzung dann mehrfach hintereinander ausgeführt wird. Um auch bei der Aneinanderreihung von vielen solchen Trajektorien eine zu starke Überhitzung zu vermeiden, kann bei einer solchen Einzelberechnung die zusätzliche Randbedingung eingeführt werden, dass nach der End-Pose des Endeffektors wieder die Start-Pose eingenommen wird und dass während eines solchen Zyklus (also einer vollständigen Einzelbewegung) die mit den thermischen Modellen simulierten Temperaturänderungen alle innerhalb eines vorgegebenen Änderungs-Grenzwertes ΔT_g liegen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch bei der Umsetzung von vielen solchen Einzeltrajektorien unmittelbar nacheinander eine Überhitzung jenseits der absoluten Temperaturgrenzwerte vermieden wird. Alternativ kann auch eine Sequenz von einigen wenigen Einzeltrajektorien optimiert werden, wobei dann die insgesamt simulierten Temperaturerhöhungen entsprechend zu ausreichend weit unterhalb der Grenzwerte liegenden Werten konvergieren müssen. Gemäß noch einer weiteren Alternative können eine oder wenige Einzelbewegungen für einen Start-Zustand berechnet werden, welcher bereits knapp unter der zulässigen Grenztemperatur liegt. Die Vorrichtung ist dann bereits insgesamt deutlich wärmer als die Umgebungstemperatur. Bei Durchlaufen der berechneten Teil-Trajektorie muss dann die bei der Bewegung verursachte zusätzliche Erwärmung durch die Abgabe von Wärme an die kühlere Umgebung kompensiert werden können. Mit allen beschriebenen Varianten wird sichergestellt, dass auch bei einem längeren Betrieb und bei vielen Wiederholungen eine zu starke Überhitzung der Vorrichtung vermieden wird, obwohl nur ein kleiner Teil der insgesamt auszuführenden Bewegungszyklen simuliert wird.
Alternativ zu den beschriebenen Varianten, bei denen nur Einzeltrajektorien berechnet und dann viele Male in identischer Form sequentiell nacheinander ausgeführt werden, können gemäß einer zweiten Variante aber auch innerhalb der Bewegungsoptimierung für mehrere gleiche oder ähnliche Teilaufgaben nacheinander unterschiedliche optimierte Trajektorien gefunden werden. So kann beispielsweise die gleiche geometrische Position des Endeffektors nacheinander durch unterschiedliche Teiltrajektorien erreicht werden, wobei in den einzelnen Teiltrajektorien mal die einen und mal die anderen Gelenke belastet bzw. geschont werden. Durch eine solche Verteilung von Lastphasen und Ausruhphasen auf die einzelnen Gelenke kann so unter Umständen für eine längere Abfolge von Einzelbewegungen eine bessere Optimierung auf eine kurze Prozessdauer bei gleichzeitiger Vermeidung von Überhitzung erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich zu den unterschiedlichen Pfaden im Gesamt-Konfigurationsraum können sich auch die Geschwindigkeitsprofile zwischen den einzelnen Teiltrajektorien unterscheiden, um die Belastungen zwischen den einzelnen Gelenken variieren zu können.
Bei einer alternativen Ausführungsvariante der Aufgabe kann diese ein sequenzielles Durchlaufen von einer Mehrzahl von Einzelbewegungen des Endeffektors umfassen, deren Pfade sich zumindest teilweise unterscheiden. Beispielsweise können nacheinander unterschiedliche Positionieraufgaben durchgeführt werden. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn beim Ermitteln der optimalen Bewegungstrajektorie der Gesamtaufgabe auch die Reihenfolge der Einzelbewegungen des Endeffektors optimiert wird. Wenn bereits im Rahmen der Aufgabenstellen eine vorgegebene Reihenfolge definiert ist, dann könnte eine solche Abänderung bzw. Anpassung der Prozessreihenfolge nach einer Rückfrage beim Nutzer erfolgen. Nach einer entsprechenden Freigabe kann die Kontrolleinrichtung dann eine optimierte Prozessreihenfolge erstellen und umsetzen, bei der allein durch eine optimierte Abfolge der Teilaufgaben ein besserer Kompromiss zwischen kurzer Gesamtdauer und Vermeidung von Überhitzungen erreicht wird. Dieses Vorgehen entspricht dem intuitiven Handeln eines menschlichen Umzugshelfers, der zur Vermeidung von zu starker Ermüdung das Tragen von leichteren und schwereren Gegenständen abwechselt.
Unabhängig davon wie die einzelnen Teilaufgaben ausgestaltet sind, kann bei einer solchen komplexeren Aufgabe die Dauer der ermittelten gesamten Bewegungstrajektorie im Bereich der längsten charakteristischen Abkühlungszeit der einzelnen Aktuatoren liegen. Mit anderen Worten ist es selbst bei der Optimierung von einem komplexeren oder zumindest längeren Prozessablauf nicht nötig, dass die Trajektorien der Vorrichtung über eine ganze Fertigungsschicht oder einen ganzen Arbeitstag hinweg optimiert werden. Vielmehr ist es zur Vermeidung von zu starker Gelenküberhitzung ausreichend, wenn die simulierte und optimierte Prozessdauer im Bereich der charakteristischen Abkühlungszeiten liegt. Da die einzelnen Antriebseinrichtungen und insbesondere deren Aktuatoren unterschiedliche Abkühlungszeiten aufweisen ist es sinnvoll, wenn die Dauer der ermittelten Trajektorie im Bereich der längsten von diesen einzelnen Abkühlungszeiten liegt. Insbesondere ist die berechnete Dauer vorteilhaft wenigstens so groß wie die längste Aktuator-Abkühlungszeit.
Alternativ zu einer solchen relativ langen expliziten Trajektorien-Berechnung ist aber auch eine Aufteilung in mehrere kleine Teil-Trajektorien möglich, die jeweils von der Simulation berechnet werden können, und bei denen jeweils nur eine entsprechend kleinere Temperaturerhöhung toleriert wird. Dieser Ansatz wurde bereits oben im Zusammenhang mit mehreren gleichen oder ähnlichen Teilaufgaben beschrieben, soll aber auch in entsprechender Weise für die Zerlegung von nichtrepetitiven Aufgaben Anwendung finden.
Zusätzlich zu den beschriebenen Bewegungs-Aufgaben kann die vorgegebene Aufgabe auch ein statisches Halten des Endeffektors und/oder eine Aktion des Endeffektors umfassen. Eine Aktion des Endeffektors kann beispielsweise ein Greifen, ein Loslassen und/oder ein Bearbeiten eines Werkstücks sein. Auch bei einem Halten oder einer solchen Aktion wirken in den Antriebseinrichtungen sogenannte Haltemomente. Um diese Haltemomente aufrechtzuerhalten, wird auch hier typischerweise ein Stromfluss in den Aktuatoren benötigt, wodurch wiederum Verlustwärme erzeugt wird. Auch diese zusätzliche Verlustwärme wird bei der Optimierung der Gesamttrajektorie berücksichtigt. Vor allem wenn eine bestimmte Pose länger gehalten werden muss, dann kann es ungünstig sein, wenn bestimmte Teilelemente der Vorrichtung so weit horizontal ausgestreckt sind, dass durch die Schwerkraft große Hebelkräfte auf die einzelnen Achsgelenke wirken. Gerade bei der Berücksichtigung von längeren Haltedauern werden daher durch die Gesamtoptimierung auf die ganze Aufgabe besonders weit horizontal ausgestreckte Posen vorteilhaft vermieden. Dies gilt zumindest für Vorrichtungen, bei denen die Gelenkantriebe die eingenommene Pose aktiv halten müssen. Alternativ könnte auch eine Arretier- oder Klemmeinrichtung vorgesehen sein, mit welcher die Gelenke in bestimmten Haltepositionen fixiert werden können. In einem solchen Fall entfällt entsprechend die für das Halten benötigte Leistung und damit auch der entsprechende Anteil der Verlustwärme.
Allgemein vorteilhaft kann das Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt aufweisen:

d) Verbesserung der thermischen Modelle anhand von Temperatur-Daten, welche während der Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie gemessen werden.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt aufweist:

e) Bereitstellung einer Information für den Nutzer darüber, für welche der Antriebseinrichtungen im Verlauf der Simulation der zu erwartenden Temperaturverteilungen am häufigsten und/oder am seltensten eine Temperatur im Bereich der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte simuliert wurde.

Weiterhin ist das Verfahren grundsätzlich nicht auf die Ermittlung von optimierten Trajektorien einer Einzelvorrichtung beschränkt. So können insbesondere auch kombinierte Bewegungstrajektorien für eine Mehrzahl von gemeinsam arbeitenden Robotern ermittelt werden. So kann auch eine Verteilung von mehreren Teilaufgaben an mehrere Roboter eines Gesamtsystems erfolgen, wobei dann insgesamt auf eine möglichst niedrige Gesamt-Prozessdauer bei gleichzeitiger Einhaltung der thermischen Randbedingungen optimiert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Vorrichtung mit rotatorischen und translatorischen Bewegungsachsen zeigt,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboters zeigt und
3 eine Blockdarstellung für eine Kontrolleinrichtung zeigt.

1 zeigt schematisch einen kinematischen Aufbau einer beispielhaften Vorrichtung 1 mit einem über mehrere Rotationsachsen und eine Translationsachse bewegbaren Endeffektor 11 und seinem Tool Center Point 11a. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Bewegung einer solchen Vorrichtung kontrolliert werden. Bewegungsmittel in Form von Antriebseinrichtungen der Vorrichtung 1 sind hier der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist beispielsweise ein Gelenkroboter mit einer festen Basis 3. Die translatorische Bewegungsachse ist durch ein lineares Translationsgelenk T1 gegeben. Die rotatorischen Bewegungsachsen sind durch vier Rotationsgelenke J1 bis J4 in Form von Gelenken oder Scharnieren ausgebildet. Zwischen den aufeinanderfolgenden Gelenken der Vorrichtung sind starre Verbindungselemente ausgebildet. Die Bewegungsmöglichkeiten der Verbindungselemente sind in 1 mit Doppelpfeilen angedeutet. Das erste Rotationsgelenk J1 und das vierte Rotationsgelenk J4 sind beispielhaft als fluchtende Rotationsgelenke ausgebildet, bei denen die Drehachse jeweils der Ausrichtung des nachfolgenden Verbindungselements entspricht. Die anderen Rotationsgelenke J2 und J3 sind als nicht-fluchtende Rotationsgelenke ausgebildet, bei denen die Drehachse senkrecht zu den beteiligten Verbindungselementen steht. Allgemein kann die Vorrichtung jedoch beliebige Anordnungen von wenigstens zwei Gelenken umfassen, wobei Translationsgelenke beliebig mit fluchtenden und/oder nicht-fluchtenden Rotationsgelenken kombiniert sein können. Der Endeffektor kann ein Werkzeug (insbesondere einen Greifer oder ein Bearbeitungs-Werkzeug) oder auch nur einen Ort zur Montage eines solchen Werkzeugs oder auch eines Sensors umfassen.
In 2 ist eine alternative Vorrichtung 1 gezeigt, deren Bewegung ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontrolliert werden kann. Es handelt sich hier um einen Roboterarm mit sieben Robotikgelenken J1 bis J7, welche jeweils eine Drehung um eine zugehörige Rotationsachse R1 bis R7 ermöglichen. Es handelt sich also um einen Roboterarm mit sieben rotatorischen Freiheitsgraden. Das „innerste“ Gelenk J1 ist mit einer Basis 3 verbunden, welche als übergeordnete mechanische Masse dient. Das „äußerste“ Gelenk J7 kann einen nicht näher dargestellten Endeffektor tragen, dessen Position hier mit 11 gekennzeichnet ist. Innerhalb der einzelnen Gelenke J1 bis J7 ist jeweils eine Antriebseinrichtung angeordnet, von denen hier nur innerhalb des Gelenks J1 eine Antriebseinrichtung 30 beispielhaft skizziert ist. Hier können z.B. Rotationsantriebe zur Drehung der einzelnen Gelenke zum Einsatz kommen, wie sie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind. Als Aktuator 31 weist die Antriebseinrichtung 30 beispielsweise einen Elektromotor auf. Zur automatischen Ansteuerung des Roboterarms weist die Vorrichtung 1 eine Steuerungseinrichtung 20 auf, welche ebenfalls nur sehr schematisch dargestellt ist. Sie kann sich, so wie hier angedeutet, als zentrale Steuerungseinrichtung außerhalb des eigentlichen Manipulators befinden, sie kann aber auch darin integriert sein. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen zentralen Einrichtung kann die Steuerungseinrichtung aber auch mehrere dezentrale Teilelemente umfassen, welche beispielsweise in die einzelnen Gelenke integriert sein können. In jedem Fall sind zumindest Teile der Steuerungseinrichtung(en) mit den einzelnen Antriebseinrichtungen in den Armgelenken kommunizierend verbunden. Die Steuerungseinrichtung 20 ist Teil einer Kontrolleinrichtung 15, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Hierzu weist die Kontrolleinrichtung 15 weiterhin eine Optimierungseinrichtung 25 auf, mit der eine im Hinblick auf eine vorgegebene Zielfunktion f und weitere Randbedingungen optimierte Bewegungstrajektorie der Vorrichtung ermittelt werden kann. Wahlweise kann die gesamte Kontrolleinrichtung in das Innere der Vorrichtung integriert sein.
3 zeigt eine Blockdarstellung für eine solche Kontrolleinrichtung 15. Die Kontrolleinrichtung 15 umfasst als wesentliche Bestandteile eine Optimierungseinrichtung 25 zur Ermittlung von optimierten Bewegungstrajektorien 27 und eine Steuerungseinrichtung 20 zur Umsetzung dieser ermittelten Bewegungstrajektorien 27. Dieser anschließende Schritt, also die Umsetzung der Bewegungstrajektorien, ist jedoch allgemein optional. So reicht es zur Realisierung des erfinderischen Gedankens allgemein aus, wenn die Kontrolleinrichtung 15 nur die Optimierungseinrichtung 25 und keine Steuereinrichtung 20 enthält, und wenn die optimierten Bewegungstrajektorien 27 nur ermittelt und (noch) nicht in reale Bewegungen der Vorrichtung umgesetzt werden.
Zur Ermittlung der optimierten Bewegungstrajektorie 27 mit der Optimierungseinrichtung 25 werden für die einzelnen Antriebseinrichtungen 30 jeweils zugehörige thermische Modelle bereitgestellt. Nur beispielhaft ist hier das thermische Modell M1 für die Antriebseinrichtung des ersten Gelenks gezeigt. Wie durch die Punkte angedeutet, können jedoch vorteilhaft für die Antriebseinrichtungen der übrigen Gelenke entsprechende thermische Modelle bereitgestellt werden. Mit diesen thermischen Modellen können die erwarteten Temperaturverteilungen in den einzelnen Gelenken während der bei der Optimierung betrachteten Trajektorien ermittelt werden. Hierzu werden die thermischen Modelle mit entsprechenden Start-Temperaturen T₀ als Input-Parameter initialisiert. Diese Start-Temperaturen T₀ können entweder gemessene Temperatur-Daten sein, welche mit Temperatursensoren der Vorrichtung ermittelt werden, oder es können näherungsweise bekannte oder geschätzte Soll-Temperaturen für bestimmte Betriebszustände der Vorrichtung sein. Nur optional werden den thermischen Modellen M1 weitere gemessene Temperatur-Daten T_t für spätere Zeitpunkte t zur Verfügung gestellt (z.B. T₁ für einen Zeitpunkt t₁). Mit solchen weiteren gemessenen Temperatur-Daten können die von den Modellen vorhergesagten TemperaturVerteilungen gegebenenfalls aktualisiert und/oder verbessert werden.
Weiterhin wird der Optimierungseinrichtung eine vorgegebene Aufgabe TSK bereitgestellt. Dies kann eine einfache Bewegungsaufgabe des Endeffektors sein, bei der der Endeffektor von einer Start-Pose in eine End-Pose (oder auch nur von einer Start-Position in eine End-Position) bewegt wird. Alternativ kann die Aufgabe TSK eine Sequenz von mehreren solchen Einzelbewegungen umfassen und gegebenenfalls zusätzlich weitere Teilaufgaben wie beispielsweise ein Greifen, Halten, Bearbeiten und/oder Loslassen eines Werkstücks.
Weiterhin wird der Optimierungseinrichtung eine Zielfunktion f bereitgestellt, deren Wert bei der Ermittlung der optimalen Trajektorie optimiert werden soll. Insbesondere kann es sich dabei um eine zu minimierende Zielfunktion handeln. Sie kann ein oder mehrere Optimierungskriterien enthalten, wobei zumindest ein (Teil-)Kriterium die benötigte Dauer der Bewegung sein soll. Es soll also grundsätzlich eine zeitoptimierte Trajektorie erhalten werden, wobei aber neben der Dauer weitere Kriterien wie beispielsweise eine Energie oder eine Lärmentwicklung als Bestandteile der Zielfunktion berücksichtigt werden können.
Weiterhin wird der Optimierungseinrichtung ein Temperatur-Grenzwert bzw. eine Liste von vorgegebenen Temperatur-Grenzwerten T_g bereitgestellt. Dies sind die Temperaturen, die in bestimmten vorgegebenen Bereichen der einzelnen Antriebseinrichtungen nicht überschritten werden dürfen. Die Einhaltung dieser Grenzwerte wird als Randbedingung bei der Optimierung berücksichtigt. Optional können der Optimierungseinrichtung noch weitere Randbedingungen C vorgeben werden. Diese weiteren Randbedingungen können beispielsweise Grenzwerte für die Leistungen, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen der einzelnen Antriebseinrichtungen sein oder auch beispielsweise die Forderung der Kollisionsfreiheit der Bewegung. Auch die Einhaltung eines vorgegebenen Bewegungs-Pfads oder eines erlaubten Bewegungs-Streifens mit vorgegebenen Toleranzen kann Teil dieser zusätzlichen optionalen Randbedingungen sein.
Insgesamt kann mit einer solchen Kontrolleinrichtung 15 das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, und es können für die beschriebenen Vorrichtungen 1 damit optimierte Bewegungstrajektorien 27 ermittelt werden, wobei diese Trajektorien (zumindest auch) auf eine möglichst kurze Bewegungsdauer optimiert sind, und wobei gleichzeitig eine zu starke Überhitzung der einzelnen Antriebseinrichtungen vermieden wird. Dies kann dadurch erfolgen, dann ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt in die Kontrolleinrichtung geladen wird und dort ausgeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung (Roboter)
3: Basis
11: End-Effektor
11a: Tool Center Point
15: Kontrolleinrichtung
20: Steuerungseinrichtung
25: Optimierungseinrichtung
27: Trajektorie
30: Antriebseinrichtung
31: Aktuator
C: Randbedingungen
f: Zielfunktion
J1: erstes Rotationsgelenk mit Achse R1
J2: zweites Rotationsgelenk mit Achse R2
J3: drittes Rotationsgelenk mit Achse R3
J4: viertes Rotationsgelenk mit Achse R4
J5: fünftes Rotationsgelenk mit Achse R5
J6: sechstes Rotationsgelenk mit Achse R6
J7: siebtes Rotationsgelenk mit Achse R7
M1: thermisches Modell der ersten Antriebseinrichtung
T1: Translationsgelenk
T0: Start-Temperaturen
Tg: Temperatur-Grenzwerte
Tt: Temperaturen zum Zeitpunkt t
TSK: vorgegebene Aufgabe

Claims

Rechnergestütztes Verfahren zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung (1), - wobei die Vorrichtung einen Endeffektor (11) aufweist, welcher über eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) bewegbar ist, - wobei jeder der Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) eine Antriebseinrichtung (30) mit einem Aktuator (31) zum Ausführen der Bewegung zugeordnet ist, - wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Bereitstellen von thermischen Modellen (M1) für die einzelnen Antriebseinrichtungen (30) und b) Ermitteln einer optimierten Bewegungstrajektorie (27) der Vorrichtung (1), - wobei die Bewegungstrajektorie (27) eine vorgegebene Aufgabe (TSK) erfüllt, - wobei die Optimierung der Bewegungstrajektorie (27) durch Optimierung einer Zielfunktion (f) erfolgt, wobei die Zielfunktion (f) die benötigte Dauer der Bewegung als Kriterium umfasst, - wobei während der Optimierung der Bewegungstrajektorie (27) eine Simulation der jeweils zu erwartenden Temperaturverteilungen in den einzelnen Antriebseinrichtungen (30) durchgeführt wird und die Optimierung so erfolgt, dass vordefinierte Temperatur-Grenzwerte (T_g) eingehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Vorrichtung eine Steuereinrichtung (20) zur automatisierten Ansteuerung der einzelnen Antriebseinrichtungen (30) aufweist, wobei das Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt aufweist: c) Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie (27) mittels der Steuereinrichtung (20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Vorrichtung ein oder mehrere Temperatursensoren im Bereich von einer oder mehreren Antriebseinrichtungen (30) umfasst, wobei die von den Temperatursensoren gemessenen Temperatur-Daten (T_t) dazu verwendet werden, - Start-Temperaturen (T₀) für die einzelnen thermischen Modelle zur Verfügung zu stellen und/oder - während der Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie (27) aktualisierte Temperatur-Daten (T_t) für die thermischen Modelle (M1) zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem in Schritt b) die zu optimierende Zielfunktion (f) eine in den einzelnen Antriebseinrichtungen (30) umgesetzte Energie und/oder eine Lärmentwicklung als weiteres Kriterium umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Einhaltung der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte (T_g) dadurch erfolgt, dass das permanente Unterschreiten dieser Temperatur-Grenzwerte (T_g) als Randbedingung bei der Optimierung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Einhaltung der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte (T_g) dadurch erfolgt, dass bei Erreichen von wenigstens einem der Grenzwerte (T_g) eine Abkühlphase eingeleitet wird, bei der zumindest die zugehörige Antriebseinrichtung (30) stillsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Aufgabe (TSK) ein sequenzielles Durchlaufen einer Mehrzahl von untereinander gleichen oder ähnlichen Einzelbewegungen des Endeffektors (11) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die vorgegebene Aufgabe (TSK) ein sequenzielles Durchlaufen von einer Mehrzahl von Einzelbewegungen des Endeffektors (11) umfasst, deren Pfade oder Lastmomente sich zumindest teilweise unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem beim Ermitteln der optimierten Bewegungstrajektorie (27) auch die Reihenfolge der Einzelbewegungen des Endeffektors (11) optimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die Dauer der ermittelten gesamten Bewegungstrajektorie (27) im Bereich der längsten charakteristischen Abkühlungszeit der einzelnen Aktuatoren (31) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die vorgegebene Aufgabe (TSK) auch ein statisches Halten des Endeffektors (11) und/oder eine Aktion des Endeffektors (11) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches den folgenden zusätzlichen Schritt aufweist: d) Verbesserung der thermischen Modelle anhand von Temperatur-Daten (T_t), welche während der Umsetzung der ermittelten Bewegungstrajektorie (27) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches den folgenden zusätzlichen Schritt aufweist: e) Bereitstellung einer Information für den Nutzer darüber, für welche der Antriebseinrichtungen (30) im Verlauf der Simulation der zu erwartenden Temperaturverteilungen am häufigsten und/oder am seltensten eine Temperatur im Bereich der vordefinierten Temperatur-Grenzwerte (T_g) simuliert wurde.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, wobei die Befehle bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts auf einem Computer diesen dazu veranlassen, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Kontrolleinrichtung (15) zum Kontrollieren der Bewegung einer Vorrichtung (1), - wobei die Vorrichtung (1) einen Endeffektor (11) aufweist, welcher über eine Mehrzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) der Vorrichtung bewegbar ist, - wobei jeder der Bewegungsachsen (R1 bis R7, T1) eine Antriebseinrichtung (30) mit einem Aktuator (31) zum Ausführen der zugehörigen Bewegung zugeordnet ist, - wobei die Kontrolleinrichtung (15) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 konfiguriert ist.