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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsmoduls zum Bewegen eines Armsegments eines Roboters mit einem Spannungswellengetriebe. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebsmoduls zum Bewegen eines Armsegments eines Roboters mit einem Spannungswellengetriebe. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Roboter.
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Als Industrieroboter oder kollaborative Roboter ausgebildete Roboter weisen üblicherweise mehrere Armsegmente auf, die jeweils über ein Gelenk gegenüber einem weiteren Armsegment oder einer Basis schwenkbar angeordnet sind. Zum Verschwenken werden in der Regel Antriebsmodule verwendet, die einen Elektromotor sowie ein Spannungswellengetriebe und ggf. eine Bremseinrichtung umfassen. Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis. Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten Übertragungsring („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval bzw. einer im Wesentlichen ovalen Form verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.
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Im Betrieb derartiger Industrieroboter auftretende Fehler der in den Antriebsmodulen sind oft derart unspezifisch, dass die Suche nach der Ursache des Fehlers für den Benutzer mit großem Aufwand verbunden ist. Für die Fehlersuche muss der Industrieroboter in der Regel stillgelegt und zeitaufwändig analysiert werden. Derartige Stillstands- und Ausfallzeiten sind in industriellen Prozessen unerwünscht.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, Stillstands- und Ausfallzeiten von Robotern zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsmoduls zum Bewegen eines Armsegments eines Roboters mit einem Spannungswellengetriebe, wobei das Spannungswellengetriebe einen starren Außenring, einen elastisch verformbaren Übertragungsring und einen Wellengenerator umfasst, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Ermitteln eines Drehmomentverlaufs eines auf den Übertragungsring ausgeübten Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors,
- - Vergleichen des Drehmomentverlaufs mit vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufen,
- - Erzeugen eines Steuerbefehls zur Minimierung weiteren Schadens an dem Antriebsmodul bzw. dem Roboter auf Grundlage des Vergleichs.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels des Drehmomentsensors der Drehmomentverlauf eines auf den Übertragungsring ausgeübten Drehmoments ermittelt und dann mit mehreren vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufen verglichen. Dieser Vergleich ermöglicht es, eine Strategie zur Minimierung weiteren Schadens zu verfolgen, die auf eine mit einem vorgegebenen Fehler-Drehmomentverlauf verknüpfte Ursache zugeschnitten ist. Zur Umsetzung dieser Strategie wird ein Steuerbefehl erzeugt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den weiteren Betrieb des Antriebsmoduls bzw. des Roboters bei Vorliegen eines Fehlerzustands in einer der Komponenten des Antriebsmoduls. Hierzu wird das Antriebsmodul durch den Steuerbefehl derart angesteuert bzw. konfiguriert, dass weiterer Schaden an dem Antriebsmodul bzw. dem Roboter reduziert bzw. verhindert wird.
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Bei dem Roboter handelt es sich bevorzugt um einen Industrieroboter oder einen kollaborativen Roboter oder einen Serviceroboter.
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Der Wellengenerator des Spannungswellengetriebes wird insbesondere durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene Scheibe mit einer ovalen, beispielsweise elliptischen Form gebildet. Die Scheibe weist vorzugsweise ein auf ihrem Umfang aufgeschrumpftes Wälzlager mit einem dünnen, elastisch verformbaren Laufring und mehreren Wälzkörpern auf. Der Übertragungsring kann beispielsweise topfförmig („cup“) oder zylinderhutförmig („silk-hat“) ausgebildet sein, d.h. der Übertragungsring wird insbesondere durch eine zylindrische Wand einer topförmigen oder zylinderhutförmigen Buchse gebildet, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein kann. Hierbei handelt es sich um gängige Gestaltungsmöglichkeiten für den Übertragungsring, mit denen sich eine Vorspannung des Übertragungsrings gegenüber dem Wellengenerator erzielen lässt. Der Drehmomentsensor kann beispielsweise am Übertragungsring angebracht oder in den Übertragungsring integriert sein. Insbesondere kann der Übertragungsring eine dehnungsempfindliche Struktur oder Beschichtung aufweisen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings messen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Drehmomentverlauf ein zeitlicher Drehmomentverlauf ist. Der zeitliche Drehmomentverlauf kann durch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Messung mit dem Drehmomentsensor ermittelt werden.
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Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Drehmomentverlauf ein von der Position des Wellengenerators oder des Übertragungsrings oder des Außenrings abhängiger Drehmomentverlauf ist. Insofern kann der Drehmomentverlauf als Funktion der Position des Wellengenerators oder des Übertragungsrings oder des Außenrings erfasst werden. Hierdurch wird es möglich, einen Zusammenhang zwischen, Drehmomentwerten, insbesondere Drehmomentspitzen, oder Drehmomentereignissen, insbesondere Drehmomentoszillationen, Drehmomentanstiegen und/oder Drehmomentabfällen, mit bestimmten Positionen des Wellengenerators oder des Übertragungsrings oder des Außenrings herzustellen. Der von der Position des Wellengenerators oder des Übertragungsrings oder des Außenrings abhängige Drehmomentverlauf kann ein Drehmomentprofil eines bestimmten Bewegungsablaufs des Armsegments bzw. des Roboters darstellen.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn die Position des Wellengenerators oder die Position des Übertragungsrings oder die Position des Außenrings mittels eines Positionssensors ermittelt wird.. Zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs können Messwerte des Drehmomentsensors und des Positionssensors synchronisiert werden. Der Positionssensor kann als Drehgeber ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufe durch vorangegangene Messungen während des Betriebs des Antriebsmoduls erfasst und gespeichert werden. Bevorzugt sind die Fehler-Drehmomentverläufe mittels desselben Drehmomentsensors des Antriebsmoduls und ggf
- . mittels desselben Positionssensors des Antriebsmoduls erfasst worden, die zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs verwendet werden. Die Fehler-Drehmomentverläufe können in einer Fehler-Drehmomentverlauf-Datenbank gespeichert sein. Die Fehler-Drehmomentverlauf-Datenbank kann als Teil des Antriebsmoduls, als Teil des Industrieroboters oder als externe Einrichtung vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass - in einem dem Ermitteln des Drehmomentverlaufs vorhergehenden Klassifizierungsschritt - die vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufe mittels eines automatischen Klassifizierungsverfahrens klassifiziert werden. In dem Klassifizierungsschritt können mehrere Fehler-Drehmomentverläufe zu einer Fehler-Klasse zusammengefasst werden, beispielsweise, die eine gemeinsame Fehler-Ursache oder eine gemeinsame Strategie zur Minimierung weiteren Schadens aufweist. Die Klassifizierung in dem Klassifizierungsschritt kann mit einem System zum maschinellen Lernen, insbesondere mit einem System zum nicht überwachten maschinellen Lernen, durchgeführt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der eingangs erwähnte Steuerbefehl geeignet ist, einen Arbeitsbereich des Antriebsmoduls zu beschränken. Hierdurch kann eine Strategie zur Minimierung weiteren Schadens umgesetzt werden, bei welcher Betriebszustände vermieden werden, in welchen eine Zunahme des Schadens zu befürchten ist. Bevorzugt ist der Steuerbefehl geeignet, ein auf den Übertragungsring wirkendes Drehmoment, ein Drehmoment eines Elektromotors des Antriebsmoduls, eine Beschleunigung eines Elektromotors des Antriebsmoduls oder eine Bremswirkung einer Bremseinrichtung des Antriebsmoduls zu beschränken. Durch eine solche Beschränkung des weiteren Betriebs des Antriebsmoduls kann eine Zunahme des Schadens verhindert werden. Die Beschränkung kann beispielsweise einen minimal zulässigen Minimalwert und/oder einen maximal zulässigen Maximalwert des auf den Übertragungsring wirkenden Drehmoments, des Drehmoments des Elektromotors des Antriebsmoduls, der Beschleunigung des Elektromotors des Antriebsmoduls oder der Bremswirkung der Bremseinrichtung des Antriebsmoduls umfassen. Der minimal zulässige Minimalwert und/oder der maximal zulässige Maximalwert kann für einen Sollwert und/oder für eine Regelgröße vorgegeben sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich folgenden Verfahrensschritt umfasst:
- - Ermitteln einer geschätzten Restlebensdauer auf Grundlage des Vergleichs und Anzeigen der geschätzten Restlebensdauer.
Durch das Ermitteln und Anzeigen der geschätzten Restlebensdauer eines Elements und/oder des Antriebsmoduls kann ein zukünftiger Austausch des Elements und/der des Antriebsmoduls geplant werden. Hierdurch kann die Stillstandzeit des Industrieroboters weiter reduziert werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsmodul zum Bewegen eines Armsegments eines Roboters mit einem Spannungswellengetriebe, wobei das Spannungswellengetriebe einen starren Außenring, einen elastisch verformbaren Übertragungsring und einen Wellengenerator umfasst, mit folgenden Komponenten:
- - einem Drehmomentsensor und bevorzugt zusätzlich einem Positionssensor zum Ermitteln eines Drehmomentverlaufs eines auf den Übertragungsring ausgeübten Drehmoments,
- - einer Auswerteeinheit, die dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen:
- - Vergleichen des Drehmomentverlaufs mit vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufen,
- - Erzeugen eines Steuerbefehls zur Minimierung weiteren Schadens an dem Antriebsmodul bzw. dem Roboter auf Grundlage des Vergleichs.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Roboter, insbesondere ein Industrieroboter oder ein kollaborativer Roboter oder ein Servieroboter, mit einem vorstehend beschriebenen Antriebsmodul.
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Derartige Roboter können für die Anwendung in industriellen Fertigungsprozessen oder für Service- oder Wartungsprozesse konfiguriert sein.
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Mit dem Antriebsmodul bzw. dem Industrieroboter können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
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Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen, der die Messwerte des Drehmomentsensors und ggf. des Positionssensors ausliest. Der Drehmomentsensor und ggf. der Positionssensor kann dazu jeweils ein analoges Messsignal ausgeben, dass durch einen Filter und/oder einen Verstärker verarbeitet und anschließend einem Analog-Digital-Wandler-zugeführt wird, wobei das dadurch erzeugte digitale Messsignal an den Mikrocontroller weitergegeben wird. Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit zusätzlich eine interne Speichereinheit, wie beispielsweise einen internen Speicher des Mikrocontrollers und/oder einen nichtflüchtigen, löschbaren Speicherbaustein (EEPROM, „electrically erasable programmable read-only memory“) auf. Der Industrieroboter kann eine extern des Antriebsmoduls implementierte Datenverarbeitungseinheit umfassen, beispielsweise in Form einer Kontroll- und Steuerungseinheit.
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Insbesondere ist das erfindungsgemäße Antriebsmodul dazu geeignet, die oben beschriebenen Ausführungsformen des jeweiligen Verfahrens durchzuführen. Alle in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen und Vorteile übertragen sich analog auf das erfindungsgemäße Antriebsmodul.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer schematischen Darstellung;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls in einer schematischen Schnittdarstellung; und
- 3 ein Detail des Spannungswellengetriebes des Antriebsmoduls nach 2 in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung der Anordnung des Drehmomentsensors.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als Industrieroboter 200 ausgebildeten Roboters mit mehreren Armsegmenten 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 gemäß der Erfindung drehbar verbunden sind in einer schematischen Darstellung. Auch wenn der hier dargestellte Industrieroboter 200 drei Armsegmente 201 und drei Antriebsmodule 100 aufweist, sind Ausgestaltungen des Industrieroboters 200 mit einer abweichenden Anzahl an Armsegmenten 201 und Antriebsmodulen 100 denkbar, beispielsweise jeweils vier, fünf, sechs oder sieben.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsmoduls 100 zum Bewegen eines Armsegments 201 eines Industrieroboters 200 dargestellt, das bei dem Industrieroboter 200 gemäß 1 Verwendung finden kann. Das Antriebsmodul 100 umfasst ein als Spannungswellengetriebe 10 ausgebildetes Getriebe, einen Elektromotor 20 und eine Bremseinrichtung 30. Ein weiterer Bestandteil des Antriebsmoduls 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist eine Elektronikeinheit 40. Das Spannungswellengetriebe 10 umfasst einen starren Außenring 11 („circular spline“) mit Innenverzahnung, einen elastisch verformbaren Übertragungsring 12 („flexspline“) mit Außenverzahnung und einen Wellengenerator 13. Der Wellengenerator 13 wird durch eine ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen. Der flexible Übertragungsring 12 wird durch den Wellengenerator 13 mit dem Außenring 11 in Eingriff gebracht, wobei jeder individuelle Zahn des Übertragungsrings 12 während einer 180°-Drehung des Wellengenerators 13 aus einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Außenrings 11 herausbewegt wird und in die jeweils nachfolgende Lücke wandert. Auf diese Weise rotiert der Übertragungsring 12 relativ zum Außenring 11 in die, der Drehung des Wellengenerators 13 entgegengesetzte Richtung, wobei ein Drehmoment zwischen den beiden Ringen 11, 12 übertragen wird.
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Der Wellengenerator 13 des Spannungswellengetriebes 10 ist mit dem Elektromotor 20 gekoppelt, hier mit der Rotorwelle 21 des Elektromotors 20. Der Elektromotor kann als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgestaltet sein.
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Die Rotorwelle 21 und damit auch der Wellengenerator 13 sind ferner mit der Bremseinrichtung 30 gekoppelt, mittels welcher die Rotorwelle 21 verzögert und/oder festgelegt werden kann. Die Rotorwelle 21 ist zudem mit einem Positionssensor 50 gekoppelt, über welchen eine Position, hier eine Winkelstellung der Rotorwelle ermittelt werden kann. Der Positionssensor 50 ist bevorzugt als optischer oder magnetischer Drehwinkelgeber ausgestaltet.
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3 zeigt ein Detail des Spannungswellengetriebes 10 des Antriebsmoduls 100 nach 2. Es ist erkennbar, dass an dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 ein Drehmomentsensor 15 angeordnet ist, mittels dem das auf den Übertragungsring ausgeübte Drehmoment gemessen wird. Der Drehmomentsensor 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings 12 messen lässt. Der Drehmomentsensor 15 ist mit einer Auswerteeinheit 41 des Antriebsmoduls 100 verbunden, welche kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich Messwerte des Drehmomentsensors 15 empfängt. Die Auswerteeinheit 41 ist bei dem Ausführungsbeispiel als Teil der Elektronikeinheit 40 ausgestaltet, vgl. 2.
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Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit 41 dazu konfiguriert, folgende Verfahrensschritte auszuführen:
- - Vergleichen des Drehmomentverlaufs mit vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufen; und
- - Erzeugen eines Steuerbefehls zur Minimierung weiteren Schadens an dem Antriebsmodul bzw. dem Industrieroboter auf Grundlage des Vergleichs.
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Dieser Vergleich ermöglicht es, eine Strategie zur Minimierung weiteren Schadens zu verfolgen, die auf eine mit einem vorgegebenen Fehler-Drehmomentverlauf verknüpfte Ursache zugeschnitten ist. Zur Umsetzung dieser Strategie wird ein Steuerbefehl erzeugt, welcher das Antriebsmodul 100 derart ansteuert bzw. konfiguriert, dass weiterer Schaden an dem Antriebsmodul bzw. dem Industrieroboter reduziert bzw. verhindert wird. Insofern kann mit dem Antriebsmodul 100 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden.
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Der Steuerbefehl ist dazu geeignet, einen Arbeitsbereich des Antriebsmoduls 100 zu beschränken. Hierdurch kann eine Strategie zur Minimierung weiteren Schadens umgesetzt werden, bei welcher eine Position des Wellengenerators oder eine Position des Außenrings nicht eingenommen wird, bei welcher eine Zunahme des Schadens zu befürchten ist. Bevorzugt ist der Steuerbefehl geeignet, ein auf den Übertragungsring 12 wirkendes Drehmoment, ein Drehmoment eines Elektromotors 20, eine Beschleunigung des Elektromotors 20 oder eine Bremswirkung der Bremseinrichtung 30 zu beschränken. Die Beschränkung kann beispielsweise einen minimal zulässigen Minimalwert und/oder einen maximal zulässigen Maximalwert des auf den Übertragungsring 12 wirkenden Drehmoments, des Drehmoments des Elektromotors 20, der Beschleunigung des Elektromotors 20 oder der Bremswirkung der Bremseinrichtung 30 umfassen. Der minimal zulässige Minimalwert und/oder der maximal zulässige Maximalwert kann für einen Sollwert und/oder für eine Regelgröße vorgegeben sein.
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Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Drehmomentverlauf ein von der Position des Wellengenerators 13 abhängiger Drehmomentverlauf, wobei das Drehmoment mittels des Drehmomentsensors 15 und die Position des Wellengenerators 13 mittels des Positionssensors 50 ermittelt wird.
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Ferner ist vorgesehen, dass die vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufe durch vorangegangene Messungen während des Betriebs des Antriebsmoduls 100 erfasst und gespeichert wurden. Dabei sind die Fehler-Drehmomentverläufe bevorzugt mittels desselben Drehmomentsensors 15 und mittels desselben Positionssensors 50 erfasst worden, die zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs während des normalen Betriebs verwendet werden. Die Fehler-Drehmomentverläufe können in einer Fehler-Drehmomentverlauf-Datenbank gespeichert sein. Die Fehler-Drehmomentverlauf-Datenbank kann als Teil des Antriebsmoduls 100, beispielsweise als Teil der Elektronikeinheit 40, oder als Teil des Industrieroboters 200 oder als externe Einrichtung vorgesehen sein.
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Ferner ist vorgesehen, dass - in einem dem Ermitteln des Drehmomentverlaufs vorhergehenden Klassifizierungsschritt - die vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufe mittels eines automatischen Klassifizierungsverfahrens klassifiziert werden. In dem Klassifizierungsschritt können mehrere Fehler-Drehmomentverläufe zu einer Fehler-Klasse zusammengefasst werden, beispielsweise, die eine gemeinsame Fehler-Ursache oder eine gemeinsame Strategie zur Minimierung weiteren Schadens aufweist. Die Klassifizierung in dem Klassifizierungsschritt kann mit einem System zum maschinellen Lernen, insbesondere mit einem System zum nicht überwachten maschinellen Lernen, durchgeführt werden.
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Eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels sieht vor, dass zusätzlich eine geschätzte Restlebensdauer auf Grundlage des Vergleichs des Drehmomentverlaufs mit vorgegebenen Fehler-Drehmomentverläufen ermittelt und angezeigt wird. Durch das Ermitteln und Anzeigen der geschätzten Restlebensdauer eines Elements und/oder des Antriebsmoduls kann ein zukünftiger Austausch des Elements und/der des Antriebsmoduls geplant werden. Hierdurch kann die Stillstandzeit des Industrieroboters weiter reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungswellengetriebe
- 11
- Außenring
- 12
- Übertragungsring
- 13
- Wellengenerator
- 14
- Wälzkörper
- 15
- Drehmomentsensor
- 20
- Elektromotor
- 21
- Rotorwelle
- 30
- Bremseinrichtung
- 40
- Elektronikeinheit
- 41
- Auswerteeinheit
- 100
- Antriebsmodul
- 200
- Industrieroboter
- 201
- Armsegment
