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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Drehmomentsensors in einem Robotergelenk eines Roboters mit einem oder mehreren Robotergelenken, die jeweils einen Drehmomentsensor und einen Drehstellungssensor umfassen.
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Mit fortschreitender industrieller Automatisierung kommen in Produktionsstätten verstärkt Roboter zum Einsatz. Eine Vielzahl derartiger Roboter weisen rotierbare Robotergelenke auf, um beispielsweise eine Bewegung um mehrere Raumachsen zu ermöglichen. In den Robotergelenken werden neben Antriebsmotoren und Getriebestufen auch Sensortechnologien eingesetzt, beispielsweise Drehmomentsensoren. Die Drehmomentsensoren werden üblicherweise in der Fertigungsphase kalibriert.
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Die Funktionstüchtigkeit, insbesondere die Genauigkeit, derartiger Drehmomentsensoren kann sich im Laufe der Zeit verschlechtern, beispielsweise infolge von Verschleiß. Mit abnehmender Sensorgenauigkeit kann sich die Leistung des Roboters verschlechtern und die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden. Daher ist es im Stand der Technik üblich, den Roboter im Rahmen einer Wartung oder dann, wenn ein Problem mit der Sensorgenauigkeit festgestellt wird, zu zerlegen. Dabei kann der Drehmomentsensor entnommen und außerhalb des Roboters neu kalibriert werden. Mithin beansprucht die Neukalibrierung von Drehmomentsensoren einen großen Aufwand.
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Die
DE 10 2019 134 666 B4 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines virtuellen Kraftsensors eines Robotermanipulators.
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DE 10 2019 134 488 A1 beschreibt ein Industrierobotersystem mit einem Roboter, der einen Drehmomentsensor an einer Drehwelle und eine Robotersteuerung umfasst. Die Steuerung umfasst eine Momentausgabeeinheit, eine Programmspeichereinheit, eine Antriebssteuereinheit und eine Ausgabekalibrierungseinheit, die einen von dem Drehmomentsensor detektierten Drehmomentdetektionswert dem von der Momentausgabeeinheit ausgegebenen Momentwert bei der durch die Antriebssteuereinheit durchgeführte Drehbewegung jedes der Komponententeile um die Drehwelle zuordnet.
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DE 10 2019 108 250 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren von Drehmomentsensoren eines Robotermanipulators.
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DE 10 2017 009 278 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Gelenklastsensors zur Erfassung einer Last an einem Gelenk eines Roboters mit den Schritten: Erfassen einer ersten Gelenklast durch den Gelenklastsensor in einer ersten Pose des Roboters; Erfassen einer ersten Kalibrierlast an einem Glied des Roboters durch einen Kalibriersensor in dieser Pose; Kalibrieren des Gelenklastsensors in Abhängigkeit von dieser erfassten Gelenk- und Kalibrierlast.
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Die
DE 199 60 482 A1 beschreibt eine Kalibriereinrichtung für Mehrkomponenten-Kraft- und Momentensensoren, wobei der zu kalibrierende Aufnehmer mechanisch in Reihe mit einem bereits kalibrierten Aufnehmer verbunden wird und in dieses System mittels systembedingt vorhandener Aktoren nacheinander alle im späteren Betrieb zu erwartenden Kraft- und Momentengroeßen eingeleitet werden.
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Die
JP 2012 - 176 465 A beschreibt einen Drehmomentsensor zum Messen des Drehmoments des Gelenks an einem Knickarmroboter.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, den Aufwand zur Kalibrierung von in Robotergelenken angeordneten Drehmomentsensoren zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Drehmomentsensors in einem Robotergelenk eines Roboters mit einem oder mehreren Robotergelenken, die jeweils einen Drehmomentsensor und einen Drehstellungssensor umfassen, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- A. ein Endeffektor des Roboters wird gegen eine Barriere gedrückt,
- B. mittels eines Kraftsensors wird eine zwischen dem Endeffektor und der Barriere wirkende Kraft ermittelt,
- C. mittels des Drehmomentsensors, der kalibriert werden soll, wird ein Drehmomentmesswert gemessen,
- D. mittels des oder der Drehstellungssensoren wird die Drehstellung der Robotergelenke und die Ausrichtung des Endeffektors ermittelt,
- E. anhand der ermittelten Kraft, der Drehstellung der Robotergelenke und der Ausrichtung des Endeffektors wird als Drehmomentreferenzwert ein Drehmoment berechnet, welches in dem Robotergelenk wirkt, dessen Drehmomentsensor kalibriert werden soll,
wobei die Verfahrensschritte A, B, C, D und E optional bei veränderter Stellung der Barriere ein- oder mehrfach wiederholt werden,
wobei mittels des einen Drehmomentmesswerts beziehungsweise der in den wiederholten Verfahrensschritten ermittelten mehreren Drehmomentmesswerte und des einen Drehmomentreferenzwerts beziehungsweise der in den wiederholten Verfahrensschritten ermittelten mehreren Drehmomentreferenzwerte eine Korrekturfunktion zur Korrektur des von dem zu kalibrierenden Drehmomentsensor gemessenen Drehmoments ermittelt wird.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibrierten Roboter weisen in mindestens einem Robotergelenk mindestens einen Drehmomentsensor und mindestens einen Drehstellungsensor auf. Ferner weisen derartige Roboter einen Endeffektor, d.h. einen an einem Roboterarm distal angeordneten Effektor, auf. Erfindungsgemäß wird der Endeffektor des Roboters gegen eine Barriere gedrückt, um an einer Kontaktstelle zwischen dem Endeffektor und der Barriere eine Kraft zu erzeugen. Mittels eines Kraftsensors wird die derart erzeugte Kraft ermittelt. Die auf den Roboter wirkende Kraft hat das Bestreben, den oder die Roboterarme in Bewegung zu versetzen. Zur Aufrechterhaltung eines statischen Gleichgewichts des Roboters muss in den Robotergelenken jeweils ein Drehmoment bereitgestellt werden. Diese Drehmomente, die in den Robotergelenken wirken, werden als Drehmomentmesswerte mittels jeweils eines oder mehrerer zu kalibrierender Drehmomentsensoren je Robotergelenk gemessen. Die Drehmomentmesswerte können für etwaige künftige Operationen in einer Speichereinheit des Roboters zwischengespeichert werden. Zudem wird erfindungsgemäß von den Drehstellungssensoren die jeweils gegenwärtige Drehstellung der Robotergelenke und die Ausrichtung des Endeffektors erfasst. Mittels der Drehstellung der Robotergelenke können - in Kombination mit geometrischen Informationen, beispielsweise der Länge der einzelnen Roboterarme - zudem insbesondere die Lagekoordinaten des Endeffektors berechnet werden. Überdies wird erfindungsgemäß anhand der ermittelten Kraft, der Drehstellung der Robotergelenke und der Ausrichtung des Endeffektors ein Drehmomentreferenzwert je Robotergelenk bzw. Drehmomentsensor berechnet. Für eine optimierte Kalibrierung der Drehmomentsensoren können die zuvor genannten Verfahrensschritte bei jeweils veränderter Stellung der Barriere wahlweise wiederholt durchgeführt werden. Mittels des einen Drehmomentmesswerts bzw. der mehreren Drehmomentmesswerte und des einen Drehmomentreferenzwerts bzw. der mehreren Drehmomentreferenzwerte wird schließlich eine Korrekturfunktion ermittelt. Mit Hilfe der Korrekturfunktion werden die Drehmomentsensoren kalibriert. Ziel bei der Ermittlung der Korrekturfunktion ist, eine Diskrepanz, Abweichung oder einen Fehler zwischen dem jeweils gemessenen Drehmomentmesswert und dem berechneten Drehmomentreferenzwert zu minimieren, beispielsweise mit Hilfe linearer Regression.
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Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erwächst der Vorteil, dass zum Kalibrieren eines Drehmomentsensors keine Demontage und damit einhergehend keine vorübergehende Außerbetriebnahme des Roboters vorgenommen werden muss. Die Kalibrierung kann während eines Fertigungsprozesses bzw. Roboterbetriebs erfolgen. Ferner kann die Kalibrierung, beispielsweise, in regelmäßigen Zeitabständen im Betrieb des Roboters und insbesondere ab einer konkreten Betriebsdauer, ab der Verschleiß zu erwarten ist, durchgeführt werden. Insgesamt können Ressourcen wie Zeit und Arbeitskraft und damit einhergehend Kosten eingespart werden.
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Zur Erhöhung der Sicherheit kann optional eine redundante Sensoranordnung bereitgestellt werden, insbesondere können jeweils mehrere Drehmoment- und jeweils mehrere Drehstellungsensoren je Robotergelenk vorgesehen werden. Die Robotergelenke können insbesondere einen Freiheitsgrad aufweisen, d.h. um jeweils genau eine Achse rotierbar ausgebildet sein.
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Die Korrekturfunktion kann linear oder nichtlinear sein. Die Korrekturfunktion kann mehrere freie Parameter umfassen, wobei die Zahl der Wiederholungen der Verfahrensschritte A bis E größer sein muss als die Zahl der freien Parameter der Korrekturfunktion. Ferner kann die Korrekturfunktion durch Einstellen der Parameter aus einer bereits existierenden Korrekturfunktion ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der Drehstellung der Robotergelenke und der Ausrichtung des Endeffektors eine Jacobimatrix ermittelt wird, welche eine Zuordnung der Drehmomente in den Robotergelenken zu Kräften am Endeffektor angibt. Die Jacobimatrix ist roboter- und situationsspezifisch. Sie ist von der Drehstellung der Robotergelenke und der Ausrichtung des Endeffektors abhängig. Sie kann insbesondere auch Kraftkomponenten, insbesondere das Eigengewicht des Roboters bzw. der einzelnen Roboterbestandteile wie Roboterarme, umfassen. Alternativ kann das Gewicht des Roboters als zusätzlicher mathematischer Ausdruck bei der Berechnung des Drehmoments berücksichtigt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kraftsensor in die Barriere integriert ist. Der Kraftsensor kann insbesondere Druckkräfte erfassen, die, insbesondere, senkrecht zu den Kontaktflächen jeweils an der Barriere und dem Endeffektor wirken. Die Barriere ist bevorzugt als ein von dem Roboter separates Bauteil ausgebildet. Alternativ kann die Barriere als einer Basis oder eines stationären Rahmens des Roboters ausgebildet sein, gegenüber welchem der Endeffektor des Roboters bewegbar ist.
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In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Endeffektor den Kraftsensor umfasst. Der Kraftsensor kann lösbar mit dem Endeffektor verbunden sein. Für eine Kalibrierung kann der Kraftsensor, beispielsweise an einem Tool Center Point (TCP) des Roboters, angeordnet werden. Denkbar ist auch, dass der Kraftsensor unlösbar an dem Endeffektor befestigt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Endeffektor einen Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor umfasst. Mit dem Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor kann eine Kraftmessung in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen und eine Messung des Drehmoments um diese drei Raumrichtungen erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Endeffektor einen kugelförmig ausgebildeten Kontaktkörper umfasst. Der Endeffektor kann derart ausgebildet sein, dass der Kontaktkörper am weitesten distal angeordnet ist. Sofern der Endeffektor zusätzlich einen Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor aufweist, kann der Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor bezüglich des Kontaktkörpers proximal am Endeffektor angeordnet sein. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrensschritts A, wonach der Endeffektor gegen die Barriere gedrückt wird, kann insbesondere der Kontaktkörper gegen die Barriere gedrückt werden. Die zwischen dem Endeffektor und der Barriere erzeugte Kraft kann zwischen dem Kontaktkörper und der Barriere wirken. Ferner kann der Kontaktkörper aus Aluminium oder einem Kunststoff gefertigt sein. Ein kugelförmiger Kontaktkörper kann den Vorteil mit sich bringen, dass eine etwaige kleine Fehlausrichtung des Endeffektors weniger ins Gewicht fällt als ein Kontaktkörper mit einer, beispielsweise, kantigen Außenkontur.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass gleichzeitig die Drehmomentsensoren mehrerer, bevorzugt aller, Robotergelenke des Roboters kalibriert werden. Eine gleichzeitige Kalibrierung mehrerer Drehmomentsensoren ist vorteilhaft, da eine Gesamtzahl an Roboterstellungen während der Durchführung des erfindungsmäßigen Kalibrierungs-Verfahrens reduziert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Zuge der Wiederholungen der Verfahrensschritte A, B, C, D und E berechneten Drehmomentreferenzwerte unterschiedlich gewichtet werden. Da Roboter routinemäßige Bewegungen ausführen können, können bestimmte Drehstellungen der Robotergelenke und Stellungen des Roboters im Betrieb von größerer Bedeutung sein als andere Drehstellungen der Robotergelenke und Stellungen des Roboters. Wiederholungen der Verfahrensschritte A, B, C, D und E in den bedeutenderen Drehstellungen und Stellungen können bei der Berechnung der Drehmomentreferenzwerte stärker gewichtet werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausgestaltungen zum Kalibrieren eines Drehmomentsensors in einem Robotergelenk eines Roboters in einem zusammengebauten und funktionsfähigen Zustand des Roboters, bevorzugt während des Betriebs des Roboters. Für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten die gleichen Vorteile und technischen Wirkungen, die bereits im Rahmen der Beschreibung der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen erläutert wurden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer Seitenansicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3 schematisch eine Ausgestaltung eines Endeffektors, der bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann.
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In 1 ist ein Roboter 1 schematisch dargestellt, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden kann. Der Roboter 1 weist mehrere Robotergelenke 3 auf. Die Robotergelenke 3 umfassen jeweils einen Drehmomentsensor 3.1 und einen Drehstellungssensor 3.2. Mittels der Robotergelenke 3 kann der Roboter 1 entlang und um alle drei Raumachsen bewegt, insbesondere auch um eine Vertikalachse V rotiert, werden. Der Roboter 1 weist im in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel zudem eine siebente Achse L auf, entlang derer der Roboter 1 translational bewegbar ausgebildet ist.
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Der Roboter 1 weist einen Endeffektor 5 auf, der schematisch als Greifer bzw. zangenförmig ausgebildet ist. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Endeffektor 5 gegen eine Barriere 9 gedrückt. Mittels eines in den Endeffektor 5 integrierten Kraftsensors 7 wird eine infolge des Drückens verursachte Kraft, die zwischen dem Endeffektor 5 und der Barriere 9 wirkt, ermittelt. Von den in allen Robotergelenken 3 angeordneten Drehmomentsensoren 3.1, die kalibriert werden sollen, wird daraufhin jeweils ein Drehmomentmesswert gemessen. Gleichzeitig oder anschließend wird von den Drehstellungssensoren 3.2 die Drehstellung der Robotergelenke 3 und die Ausrichtung des Endeffektors 5 ermittelt. Sodann wird anhand der von dem Kraftsensor 7 ermittelten Kraft, der Drehstellung der Robotergelenke 3 und der Ausrichtung des Endeffektors 5 als Drehmomentreferenzwerte jeweils ein Drehmoment berechnet, welches jeweils in dem Robotergelenk 3 wirkt. Der Satz an bisher durchgeführten Verfahrensschritten wird mehrfach wiederholt, wobei nach jedem Satz die Stellung der Barriere 9 und die Drehstellung der Robotergelenke 3 verändert wird. Da unterschiedliche Robotergelenke 3 in unterschiedlichem Ausmaß verschlissen sein oder aus anderen Gründen die Drehmomentsensoren 3.1 eine jeweils unterschiedlich gute Genauigkeit aufweisen können, wird mittels der mehreren Drehmomentmesswerte und der mehreren Drehmomentreferenzwerte jeweils eine Korrekturfunktion je Robotergelenk 3 zur Korrektur der von den zu kalibrierenden Drehmomentsensoren 3.1 gemessenen Drehmomente ermittelt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiels eines Roboters 1 perspektivisch dargestellt, wobei das zweite Ausführungsbeispiel im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel aus der 1 ebenfalls schematisch ist und zudem ein größeres Abstraktionsniveau aufweist. Der Roboter 1 gemäß 2 ist stationär gelagert. Mit anderen Worten kann er nicht entlang einer Linearachse L translational bewegt werden, sondern ist über eine Basis oder einen Rahmen 13 fest mit der Umgebung verbunden. Die durch Drücken des Endeffektors 5 gegen die Barriere 9 erzeugte Kraft wird durch zwei Pfeile illustriert, wobei die linke der beiden Pfeile die von dem Endeffektor 5 auf die Barriere 9 ausgeübte Kraft symbolisiert, während der rechte Pfeil die von der Barriere 9 auf den Endeffektor 5 einwirkende Reaktionskraft anzeigt. Kraft und Reaktionskraft sind insofern betragsmäßig gleich, kollinear und entgegengesetzt gerichtet. Ferner ist der Kraftsensor 7 in die Barriere 9 integriert.
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In 3 ist eine spezielle Ausgestaltung eines Endeffektors 5 schematisch dargestellt. Der Endeffektor 5 umfasst einen Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor 10 und einen Kontaktkörper 11. Der Kontaktkörper 11 ist kugelförmig und aus einem Kunststoff gefertigt. Die Krafterzeugung durch Drücken des Endeffektors 5 gegen die Barriere erfolgt mittels des Kontaktkörpers 11. Auch in der 3 ist werden die zwischen dem Endeffektor 5 und der Barriere 9 herrschende Kraft und die Reaktionskraft mit jeweils einem Pfeil illustriert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 3
- Robotergelenk
- 3.1
- Drehmomentsensor
- 3.2
- Drehstellungssensor
- 5
- Endeffektor
- 7
- Kraftsensor
- 9
- Barriere
- 10
- Sechs-Achsen-Kraft-Drehmoment-Sensor
- 11
- Kontaktkörper
- 13
- Rahmen
- V
- Vertikalachse
- L
- Linearachse
