DE102023117895A1 - Method for controlling a robot device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Robotervorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, mit zwei oder mehr durch je einen fluidischen Antrieb aktuierten Gelenken, wobei jeder Antrieb zwei Druckkammern mit Ventilen, bzw. Ventileinrichtungen, zum Befüllen und Entleeren der Druckkammern aufweist, wobei das Verfahren ein Einstellen eines Soll-Fluid-Massestroms an mindestens einem der Ventile unter Berücksichtigung eines Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektors und einer Gelenk-Kopplungsmatrix, derart umfasst, dass die Gelenke durch die Antriebe unter Berücksichtigung vorgegebener Gelenk-Soll-Werte so aktuiert werden, dass die Robotervorrichtung eine vorgegebene Trajektorie abfährt. Es wird weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung einer Robotervorrichtung und ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt.The invention relates to a method for controlling a robot device, in particular an industrial robot, with two or more joints each actuated by a fluidic drive, each drive having two pressure chambers with valves or valve devices for filling and emptying the pressure chambers, the method comprising setting a target fluid mass flow on at least one of the valves, taking into account a non-linearity compensation vector and a joint coupling matrix, such that the joints are actuated by the drives, taking into account predetermined joint target values, such that the robot device follows a predetermined trajectory. A device for controlling a robot device and a computer program product are also provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Robotervorrichtung, sowie eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method for controlling a robot device, as well as a device and a computer program product.
Roboter mit fluidischen Antrieben sind beispielsweise aus der
Die Verwendung von Pneumatik zur Positionsverlagerung von Elementen des Arms eines Industrieroboters ist aus J.E. Bobrow and B.W. McDonell, „Modelling, Identification, and Control of a Pneumatically Actuated, Force Controllable Robot“ bekannt. Ein Schwenkantrieb, der geeignet ist, die Position von Elementen des Arms eines Industrieroboters zu verlagern, ist beispielsweise in der
Derartige Roboter können stark nichtlineares Verhalten aufweisen und sie werden daher bisher in einem zweistufigen Verfahren geregelt.Such robots can exhibit highly nonlinear behavior and are therefore currently controlled in a two-stage process.
Dieses ist beispielsweise in Hoffmann, K., et. al. „On trajectory tracking control of fluid-driven actuators“ beschrieben. In einem ersten Schritt wird aus einer Soll-Bahn, auf der sich ein Roboterarm, bzw. das Gelenk, bewegen soll ein Soll-Drehmoment berechnet. Daraus wird in einem zweiten Schritt der erforderliche Soll-Massenstrom des Fluids für die Antriebe bestimmt. Dieser Massenstrom wird anschließend durch Ventile eingestellt.This is described, for example, in Hoffmann, K., et. al. “On trajectory tracking control of fluid-driven actuators”. In a first step, a target torque is calculated from a target path on which a robot arm or the joint is to move. In a second step, the required target mass flow of the fluid for the drives is determined from this. This mass flow is then adjusted using valves.
Diese Berechnungsart in zwei Schritten besitzt eine limitierte Bandbreite aufgrund der kaskadierten Reglerstruktur, denn dabei wird zunächst als Zwischenschritt das Soll-Drehmoment berechnet, das dann von einem Aktor, manchmal auch Aktuator genannt, mittels eines unterlagerten Drehmomentenreglers gestellt wird. Die fluidischen Aktoren benötigen jedoch aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften Berechnungsarten mit höherer Bandbreite. In den Robotern mit fluidischen Antrieben treten signifikante Reibmomente auf. Die Kombination aus Reibung und der limitierten Bandbreite der Berechnungsart in zwei Schritten beeinträchtigt die Bahngenauigkeit.This two-step calculation method has a limited bandwidth due to the cascaded controller structure, because the target torque is calculated first as an intermediate step, which is then set by an actuator, sometimes also called an actuator, using a subordinate torque controller. However, due to their physical properties, fluidic actuators require calculation methods with a higher bandwidth. Significant friction torques occur in robots with fluidic drives. The combination of friction and the limited bandwidth of the two-step calculation method impairs the path accuracy.
Störmomente, wie Reibmomente, wirken physikalisch auf Beschleunigungsebene. In den bekannten Lösungen wird keine Rückführung von gemessenen Momenten oder Beschleunigungen eingesetzt. Dementsprechend können Störmomente nicht direkt ausgeregelt werden, sondern nur indirekt durch den resultierenden Positionsfehler.Disturbance torques, such as friction torques, act physically at the acceleration level. In the known solutions, no feedback of measured torques or accelerations is used. Accordingly, disturbance torques cannot be corrected directly, but only indirectly through the resulting position error.
Aufgabe der Erfindung ist es daher die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und die Verbesserung der Bahngenauigkeit. Die Erfindung stellt somit eine Weiterentwicklung des Standes der Technik dar.The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to improve the path accuracy. The invention therefore represents a further development of the prior art.
Es wird ein Verfahren zum Steuern einer Robotervorrichtung, sowie eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt.A method for controlling a robotic device, as well as a device and a computer program product are provided.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen.The object of the invention is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments can be found in the dependent claims.
Gelöst wird diese Aufgabe in einer ersten Ausführungsform insbesondere durch Verwendung eines Verfahren zum Steuern einer Robotervorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, mit zwei oder mehr durch je einen fluidischen Antrieb aktuierten Gelenken, wobei jeder Antrieb zwei Druckkammern mit Ventilen, bzw. Ventileinrichtungen, zum Befüllen und Entleeren der Druckkammern aufweist, wobei das Verfahren ein Einstellen eines Soll-Fluid-Massestroms an mindestens einem der Ventile unter Berücksichtigung eines Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektors und einer Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix, derart umfasst, dass die Gelenke durch die Antriebe unter Berücksichtigung vorgegebener Gelenk-Soll-Werte so aktuiert werden, dass die Robotervorrichtung eine vorgegebene Trajektorie abfährt.This object is achieved in a first embodiment in particular by using a method for controlling a robot device, in particular an industrial robot, with two or more joints each actuated by a fluidic drive, wherein each drive has two pressure chambers with valves or valve devices for filling and emptying the pressure chambers, wherein the method comprises setting a target fluid mass flow at at least one of the valves, taking into account a non-linearity compensation vector and a joint coupling compensation matrix, such that the joints are actuated by the drives, taking into account predetermined joint target values, such that the robot device follows a predetermined trajectory.
Dabei werden durch die gesamtheitliche Berechnung für Mechanik und Aktorendynamik aus einer vorgegebenen Trajektorie direkt ein oder mehrere Soll-Fluid-Masseströme berechnet, ohne in einem Zwischenschritt Soll-Drehmomente zu berechnen. Dadurch, dass das verkoppelte, mechanische und fluidische Modell des Roboters gemeinsam dem modellbasierten Regelungsentwurf zugrunde gelegt werden, ergeben sich strukturelle Vorteile.The holistic calculation for mechanics and actuator dynamics is used to calculate one or more target fluid mass flows directly from a given trajectory, without calculating target torques in an intermediate step. The fact that the coupled mechanical and fluidic model of the robot are used together as the basis for the model-based control design results in structural advantages.
Die einzustellenden Soll-Fluid-Masseströme werden in diesem Dokument auch Stellsignale genannt, da die Soll-Fluid-Masseströme als Signal an die Ventile übermittelt werden, so dass diese den entsprechenden Soll-Fluid-Massestrom einstellen.The target fluid mass flows to be set are also called control signals in this document, since the target fluid mass flows are transmitted as a signal to the valves so that they set the corresponding target fluid mass flow.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Gelenk-Soll-Werte für ein oder mehrere Gelenke mindestens je eines aus einem Soll-Winkel, einer Soll-Winkelgeschwindigkeit, einer Soll-Winkelbeschleunigung, einem Soll-Winkelruck, einem Soll-Mitteldruck und/oder einer ersten Ableitung des Soll-Mitteldruckes nach der Zeit.According to an advantageous development, the joint target values for one or more joints comprise at least one each of a target angle, a target angular velocity, a target angular acceleration, a target angular jerk, a target mean pressure and/or a first derivative of the target mean pressure with respect to time.
Dadurch wird eine erhöhte Flexibilität erreicht, da eine Vielzahl von möglichen Vorgaben verwendet werden kann, um Soll-Fluid-Masseströme zu ermitteln.This provides increased flexibility, as a variety of possible specifications can be used to determine target fluid mass flows.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Einstellen des Soll-Fluid-Massestroms für jedes Ventil ein Vorsteuern und ein Regeln.According to a further advantageous development, the setting of the target fluid mass flow for each valve comprises a pilot control and a control.
Dadurch, dass das Einstellen ein Vorsteuern und ein Regeln umfasst, kann die Vorsteuerung zu einem besseren Folgeverhalten, d.h. dem Abfahren der vorgegebenen Trajektorie, führen, und die Rückführung weist ein besseres Störverhalten, d.h. Folgeverhalten bei Modellfehlern oder sonstigen Störungen, auf.Because the adjustment includes feedforward control and control, the feedforward control can lead to better follow-up behavior, i.e. following the specified trajectory, and the feedback has better disturbance behavior, i.e. follow-up behavior in the event of model errors or other disturbances.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird hierbei das Vorsteuern auf Grundlage von Soll-Winkelrücken und das Regeln auf Grundlage von Ist-Soll-Differenzen von Winkeln, Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen der Gelenke durchgeführt.According to a further advantageous development, the feedforward control is carried out on the basis of target angles and the control is carried out on the basis of actual-target differences of angles, angular velocities and angular accelerations of the joints.
Damit kann das Regeln linear, d.h. wie für ein lineares System, entworfen werden, obwohl sich das System als gesamtes betrachtet nicht-linear verhält.This allows the control to be designed linearly, i.e. as for a linear system, even though the system as a whole behaves non-linearly.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin ein Erfassen von Ist-Kammerdrücken in den Druckkammern des Gelenks und ein Ermitteln eines Ist-Mitteldruckes durch Mittelwertbildung der erfassten Ist-Kammerdrücke des Gelenks. Falls der Soll-Mitteldruck des Gelenks nicht vorliegt, ist auch ein Ermitteln des Soll-Mitteldrucks aus der ersten Ableitung des Soll-Mitteldrucks des Gelenks umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ermitteln eines Differenz-Mitteldrucks als Differenz zwischen dem Ist-Mitteldruck und dem Soll-Mitteldruck des Gelenks. Dabei wird das Vorsteuern auf Grundlage der ersten Ableitungen der Soll-Mitteldrücke der Gelenke durchgeführt, und das Regeln wird auf Grundlage der Differenz-Mitteldrücke der Gelenke durchgeführt.According to a further advantageous development, the method further comprises recording actual chamber pressures in the pressure chambers of the joint and determining an actual mean pressure by averaging the recorded actual chamber pressures of the joint. If the target mean pressure of the joint is not available, determining the target mean pressure from the first derivative of the target mean pressure of the joint is also included. The method further comprises determining a differential mean pressure as the difference between the actual mean pressure and the target mean pressure of the joint. The pilot control is carried out on the basis of the first derivatives of the target mean pressures of the joints, and the control is carried out on the basis of the differential mean pressures of the joints.
Die zusätzliche Betrachtung der Mitteldrücke bietet eine weitere Verbesserung.The additional consideration of mean pressures offers a further improvement.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Vorsteuern weiterhin eine Reibungskompensation.According to a further advantageous development, the pre-control also includes friction compensation.
Durch das Berücksichtigen der Reibung in Form einer Reibungskompensation wird die Genauigkeit des Abfahrens der vorgegebenen Trajektorie noch verbessert.By taking friction into account in the form of friction compensation, the accuracy of following the given trajectory is further improved.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektor in Abhängigkeit der Winkel und Winkelgeschwindigkeiten sowie der Kammerdrücke der Gelenke gebildet.According to a further advantageous development, the non-linearity compensation vector is formed as a function of the angles and angular velocities as well as the chamber pressures of the joints.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung berücksichtigt der Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektor Coriolis- und Zentrifugalkräfte, Gravitationsmomente, Reibungsmomente sowie Antriebsmomente und Kompressionseffekte.According to a further advantageous development, the nonlinearity compensation vector takes into account Coriolis and centrifugal forces, gravitational moments, friction moments as well as drive moments and compression effects.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektor a beschrieben durch
- q
- der Vektor der Winkel der Gelenke,
- M(q)
- die Massenmatrix,
- C(q, q̇)q̇
- der Vektor der Coriolis- und Zentrifugalkräfte,
- g(q)
- der Vektor der Gravitationsmomente,
- τf-
- der Vektor der Reibungsmomente,
- τ̇p,V̇
- der Vektor der Momentenänderungen durch Kompression und/oder Expansion,
- ṗm,V̇
- die Änderungen der Ist-Mitteldrücke der Gelenke aufgrund von Kompression bzw. Expansion darstellen.
- q
- the vector of the angles of the joints,
- M(q)
- the mass matrix,
- C(q, q̇)q̇
- the vector of Coriolis and centrifugal forces,
- g(q)
- the vector of gravitational moments,
- τf-
- the vector of friction moments,
- τ̇p,V̇
- the vector of moment changes due to compression and/or expansion,
- ṗm,V̇
- represent the changes in the actual mean pressures of the joints due to compression or expansion.
Indem der Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektor gemäß einer der vorstehenden Art und Weise gebildet wird, wurden die besten Ergebnisse in der Genauigkeit erzielt.By forming the nonlinearity compensation vector according to one of the above ways, the best results in accuracy were achieved.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung berücksichtigt die Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix einen Polytropenexponent, eine spezifische Gaskonstante und die Temperatur des Antriebsfluids der Gelenke, und Blockdiagonalmatrizen der Antriebsgeometrie. According to a further advantageous development, the joint coupling compensation matrix takes into account a polytropic exponent, a specific gas constant and the temperature of the drive fluid of the joints, and block diagonal matrices of the drive geometry.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix κ-1 gebildet als das Inverse einer Gelenk-Kopplungsmatrix, die wird beschrieben durch
- M(q)
- die Massenmatrix,
- η
- der Polytropenexponent des Antriebsfluids der Gelenke,
- R
- die spezifische Gaskonstante des Antriebsfluids der Gelenke,
- T
- die Temperatur des Antriebsfluids der Gelenke,
- Λ1, Λ2
- Blockdiagonalmatrizen der Antriebsgeometrie darstellen.
- M(q)
- the mass matrix,
- η
- the polytropic exponent of the drive fluid of the joints,
- R
- the specific gas constant of the drive fluid of the joints,
- T
- the temperature of the drive fluid of the joints,
- Λ1, Λ2
- Represent block diagonal matrices of the drive geometry.
Indem die Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix gemäß einer der vorstehenden Art und Weise gebildet wird, wurden die besten Ergebnisse in der Genauigkeit erzielt.By forming the joint coupling compensation matrix according to one of the above manners, the best results in accuracy were achieved.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Soll-Fluid-Masseströme u an den Ventilen eingestellt durch
- κ
- die Gelenk-Kopplungsmatrix ist,
- a
- der Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektor ist,
- v
- Soll-Werte und Ist-Werte der Robotervorrichtung umfasst.
- κ
- is the joint coupling matrix,
- a
- is the nonlinearity compensation vector,
- v
- Includes target values and actual values of the robot device.
Durch Inversion der Gelenk-Kopplungsmatrix für die gekoppelte Mechanik und Fluidik werden aus der gewünschten Soll-Bahn die erforderlichen Stellsignale, d.h. die Soll-Fluid-Masseströme, für die Aktoren bestimmt.By inverting the joint coupling matrix for the coupled mechanics and fluidics, the required control signals, i.e. the target fluid mass flows, for the actuators are determined from the desired target path.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer Robotervorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, bereitgestellt, mit zwei oder mehr durch je einen fluidischen Antrieb aktuierten Gelenken, wobei jeder Antrieb zwei Druckkammern mit Ventilen zum Befüllen und Entleeren der Druckkammern aufweist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Schritte eines zuvor beschriebenen Verfahrens durchzuführen.According to a further embodiment, a device is provided for controlling a robot device, in particular an industrial robot, with two or more joints each actuated by a fluidic drive, wherein each drive has two pressure chambers with valves for filling and emptying the pressure chambers, wherein the device is designed to carry out the steps of a previously described method.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Computerprogramm-Produkt mit einem Programm für eine Robotersteuerung bereitgestellt, das Computerprogramm-Produkt umfassend Softwarecode-Abschnitte, zum Ausführen der Schritte gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren, wenn das Programm auf der Robotersteuerung ausgeführt wird. According to a further embodiment, a computer program product is provided with a program for a robot controller, the computer program product comprising software code sections for carrying out the steps according to a previously described method when the program is executed on the robot controller.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Computerprogramm-Produkt ein computerlesbares Medium, auf dem die Softwarecode-Abschnitte gespeichert sind, wobei das Programm direkt in einen internen Speicher der Robotersteuerung ladbar ist.According to a further advantageous development, the computer program product comprises a computer-readable medium on which the software code sections are stored, wherein the program can be loaded directly into an internal memory of the robot controller.
Die vorteilhaften Weiterbildungen werden im weiteren Verlauf der Beschreibung erläutert.The advantageous further developments are explained in the further course of the description.
Die Ausführungsformen und Weiterbildungen zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Varianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind. Insbesondere können die Merkmale der Vorrichtung auch in einem Verfahren umgesetzt werden und umgekehrt.The embodiments and developments show possible variants, whereby the invention is not limited to the specifically illustrated variants, but rather combinations of the individual variants with one another are also possible. In particular, the features of the device can also be implemented in a method and vice versa.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
-
1 beispielhaft einGelenk einer Robotervorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, und -
2 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Steuern einerRobotervorrichtung 10.
-
1 by way of example, a joint of arobot device 10 according to the prior art, and -
2 a flow chart of the method for controlling arobot device 10.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.To begin with, it should be noted that in the different embodiments described, identical parts are provided with identical reference symbols or identical component designations, whereby the disclosures contained in the entire description can be transferred analogously to identical parts with identical reference symbols or identical component designations. The position information chosen in the description, such as top, bottom, side, etc., also refers to the figure directly described and shown, and these position information must be transferred analogously to the new position if the position changes.
In
Um das Gelenk zu bewegen, wird aus einer Druckfluidquelle 14 über die Versorgungsleitung 15 und die Zuführleitungen 11, 12 das Antriebsfluid zu den Ventileinrichtungen 16, 17 und dann weiter in die Druckkammern 6, 7 transportiert bzw. daraus abgelassen. Zusätzlich kann eine Drucksensoreinrichtung 19 vorgesehen sein, die den Druck, insbesondere den Absolutdruck oder Relativdruck, jeder der Druckkammern 6, 7 erfassen kann. Dies kann beispielsweise durch zwei Drucksensorelemente 21, 22 umgesetzt sein, die als Absolutdrucksensorelemente oder Relativdrucksensorelemente ausgebildet sein können. Jeweils ein Drucksensorelement 21 bzw. 22 ist einer Druckkammer 6 bzw. 7 zugeordnet. Die Drucksensorelemente 21, 22 können dabei, wie gezeigt, außerhalb der Druckkammern 6, 7 vorgesehen sein oder, alternativ oder zusätzlich zur gezeigten Ausgestaltung, innerhalb der Druckkammern 6, 7 angeordnet sein.In order to move the joint, the drive fluid is transported from a
Zur Erfassung des Drehwinkels und/oder der Drehbewegung des zweiten Roboterglieds 2 gegenüber dem ersten Roboterglied 1 kann ein Drehgeber 24 vorgesehen sein. Damit kann die tatsächliche Position der Roboterglieder 1, 2 erfasst werden und ein entsprechendes Regelungssignal zurückgeführt werden. Der Drehgeber 24 ist beispielsweise als Encoder ausgebildet und zweckmäßigerweise im Gelenk integriert.A
Das Einstellen 110 eines Soll-Fluid-Massestroms an mindestens einer der Ventileinrichtungen 16, 17 wird dann unter Berücksichtigung eines Nichtlinearitäten-Ausgleichsvektors und einer Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix, derart ausgeführt, dass die Gelenke durch die Antriebe unter Berücksichtigung vorgegebener Gelenk-Soll-Werte so aktuiert werden, dass die Robotervorrichtung 10 eine vorgegebene Trajektorie abfährt.The setting 110 of a target fluid mass flow at at least one of the
Detaillierte Ausführungen sind im Folgenden zu finden, wobei die einzelnen Optionen hier nur in der jeweils besten Ausführungsform diskutiert werden.Detailed explanations can be found below, whereby the individual options are discussed here only in their best form.
Die Bewegungsgleichungen eines Roboters werden durch die Gleichung A beschrieben. Im vorliegenden Text wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielhaft eine Robotervorrichtung mit 6 Gelenken, bzw. Schwenkantrieben, betrachtet.
- q ∈ ℝn mit n = 6
- der Vektor der Gelenkwinkel,
- M(q)
- die Massenmatrix,
- C(q, q)q
- der Vektor der Coriolis- und Zentrifugalkräfte,
- g(q)
- der Vektor der Gravitationsmomente,
- τf
- der Vektor der Reibungsmomente,
- τ(p)
- der Vektor der Antriebsmomente ist.
- q ∈ ℝn with n = 6
- the vector of the joint angles,
- M(q)
- the mass matrix,
- C(q, q)q
- the vector of Coriolis and centrifugal forces,
- g(q)
- the vector of gravitational moments,
- τf
- the vector of friction moments,
- τ(p)
- is the vector of the driving torques.
Die Antriebsmomente werden dabei durch Druckdifferenzen zwischen den Druckkammern 6, 7 bewirkt.The drive torques are caused by pressure differences between the pressure chambers 6, 7.
Jeder der sechs Schwenkantriebe mit Index i umfasst also zwei Druckkammern 6,7, die durch das Antriebsglied 5 mit einer Fläche Ai und einem effektiven Radius rm,i getrennt sind. Eine Druckdifferenz zwischen den Kammern des Antriebs i erzeugt das Antriebsmoment gemäß Formel B.
Für das pneumatische Subsystem wird für jede Kammer j ∈ {1, 2} des Antriebs i von der folgenden Druckdifferentialgleichung C ausgegangen.
- Vi,j(qi)
- das Kammervolumen der Druckkammern 6, 7,
- η
- der Polytropenexponent des Antriebsfluids der Gelenke,
- R
- die spezifische Gaskonstante des Antriebsfluids der Gelenke, und
- T
- die Temperatur des Antriebsfluids der Gelenke ist.
- Vi,j(qi)
- the chamber volume of the pressure chambers 6, 7,
- η
- the polytropic exponent of the drive fluid of the joints,
- R
- the specific gas constant of the drive fluid of the joints, and
- T
- the temperature of the drive fluid of the joints.
Die Fluid-Massenströme ṁi,j der einzelnen Ventileinrichtungen 16, 17 werden im Folgenden gemeinsam als u bezeichnet, siehe auch Formel D.
Ein positives Vorzeichen beschreibt hierbei einen Massenstrom in die Druckkammer 6, 7 hinein, ein negatives Vorzeichen einen Massenstrom aus der Druckkammer 6, 7 heraus.A positive sign describes a mass flow into the pressure chamber 6, 7, a negative sign describes a mass flow out of the pressure chamber 6, 7.
Als gemessene Größen können hierbei je Antrieb der Gelenkwinkel qi und die Kammerdrücke pi,1 und pi,2 vorliegen.The measured quantities for each drive can be the joint angle q i and the chamber pressures p i,1 and p i,2 .
Dann kann ein Zustandsvektor für das Gesamtsystem bestehend aus Mechanik und Pneumatik gemäß Formel E beschrieben werden:
Die Zustandsgrößen q und p können gemessen werden, die Gelenkwinkelgeschwindigkeiten q können durch Filterung und Differenzierung von q bestimmt werden. Die gesamte Mechanik und Druckdynamik bildet ein nichtlineares eingangsaffines Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-System gemäß der Formel F.
Es ist erkennbar, dass in den beiden oberen Zeilen der Formel F der Massenstrom u nicht eingeht, also keine direkte Auswirkung auf die Differentialgleichungen der Geschwindigkeit q̇ und der Beschleunigung q̈ hat. Erst beim dreimaligen Differenzieren der Position nach der Zeit, also in der Ruck-Differentialgleichung
Darin beschreibt der Vektor τ̇p,V̇ die Änderung des Antriebsmoments τ(p) aufgrund von Kompression bzw. Expansion in der Druckkammer 6, 7. Die Komponenten des Vektors τ̇p,V̇ ̇ werden durch die Formel H beschrieben.
Die Antriebsgeometrie geht über eine Blockdiagonalmatrix, wie in Formel I beschrieben, ein.
Damit wurde eine Differentialgleichung dritter Ordnung gefunden. Die Gesamt-Dimension des Gleichungssystems F ist 4n. Gemäß der Systemtheorie kann noch eine weitere Eingangs-Ausgangs-Beziehung in Form einer Differentialgleichung erster Ordnung gefunden werden, um die Dynamik des Gesamtsystems eindeutig zu beschreiben.This means that a third-order differential equation has been found. The total dimension of the system of equations F is 4n. According to system theory, another input-output relationship can be found in the form of a first-order differential equation in order to clearly describe the dynamics of the overall system.
Als zusätzlicher Freiheitsgrad kann hierzu der Mitteldruck pm = (p1 + p2)/2 eingeführt werden, welcher der Differentialgleichung J genügt.
Darin beschreibt der Vektor ṗm,V̇ die Änderung des Mitteldrucks aufgrund von Kompression bzw. Expansion in den Druckkammern 6, 7. Die Komponenten des Vektors ṗm,V̇ werden durch die Formel K beschrieben.
Die Antriebsgeometrie geht über eine Blockdiagonalmatrix, wie in Formel L beschrieben, ein.
Ein System von Gelenken in einer Robotervorrichtung 10 kann gemäß Formel M beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen dem Gelenkwinkeln q und dem Mitteldruck pm ersichtlich ist.
Darin stellt a ∈ ℝ2n×1 den Vektor der Nichtlinearitäten und κ ∈ ℝ2n×2n die Gelenk-Kopplungsmatrix dar. u bezeichnet dabei die einzustellenden Soll-Fluid-Masseströme.Here, a ∈ ℝ 2n×1 represents the vector of nonlinearities and κ ∈ ℝ 2n×2n represents the joint coupling matrix. u denotes the target fluid mass flows to be set.
Die Ansteuerung, d.h. die Übermittlung eines Stellsignales, eines Gelenkes wird dann ausgehend von der Formel M durch Invertieren der Gelenk-Kopplungsmatrix in die Gelenkkopplungs-Ausgleichsmatrix durchgeführt. Ausgehend von den obigen Ausdrücken werden die an den Ventileinrichtungen 16, 17 einzustellenden Soll-Fluid-Masseströme u durch die Formel N beschrieben.
Dadurch werden die Nichtlinearitäten a aus den ursprünglichen Systemgleichungen entfernt, wodurch sich ein virtuelles lineares System ergibt. Darüber hinaus hebt die invertierte Gelenk-Kopplungsmatrix κ-1 die Verkopplungen zwischen den Gelenken auf. Für das resultierende virtuelle lineare, entkoppelte System mit neuem Eingang v kann dann eine lineare Regelung durchgeführt werden.This removes the nonlinearities a from the original system equations, resulting in a virtual linear system. In addition, the inverted joint coupling matrix κ -1 removes the couplings between the joints. A linear control can then be carried out for the resulting virtual linear, decoupled system with new input v.
Umgekehrt bedeutet dies, dass für einzelne Antriebe entworfene Regler aus dem Stand der Technik mit Hilfe des hier vorgestellten Konzepts derart auf eine Mehrachskinematik übertragen werden können, dass zusätzlich die Verkopplungen zwischen den einzelnen Achsen berücksichtigt werden. Dies ist ein Mehrwert gegenüber der bloßen Parallelschaltung von Reglern für einzelne Achsen, welche die Verkopplung der Achsen nicht berücksichtigen.Conversely, this means that state-of-the-art controllers designed for individual drives can be transferred to multi-axis kinematics using the concept presented here in such a way that the couplings between the individual axes are also taken into account. This is an added value compared to simply connecting controllers for individual axes in parallel, which does not take the coupling of the axes into account.
Zusammenfassend wird ein Verfahren 100 zum Steuern einer Robotervorrichtung 10 bereitgestellt, welches das mechanische und fluidische Verhalten der Robotervorrichtung 10 ganzheitlich berücksichtigt, und dabei insbesondere die Kopplung dieser Domänen abbildet.In summary, a
Durch Inversion der zuvor genannten Modellgleichungen für die gekoppelte Mechanik und Fluidik werden aus der gewünschten Soll-Bahn die erforderlichen Stellsignale für die Aktoren bestimmt. Im regelungstechnischen Sinne kann dies als eine Vorsteuerung betrachtet werden. Mit Stellsignalen ist in diesem Dokument, wie zuvor beschrieben, der Soll-Massenstrom durch die Ventile gemeint.By inverting the previously mentioned model equations for the coupled mechanics and fluidics, the required control signals for the actuators are determined from the desired target path. In the control engineering sense, this can be viewed as a feedforward control. In this document, control signals mean, as previously described, the target mass flow through the valves.
Ein weiterer Bestandteil kann die Rückführung der Ist-Gelenkwinkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in den Regler sein. Aus diesem Feedback kann modellbasiert direkt das Stellsignal in Form eines Soll-Massenstroms bestimmt werden. Dies erfolgt in einem einstufigen Verfahren ohne Zwischenschritt, unter Verwendung der Gleichungen für die beiden Teilsysteme Mechanik und Fluidik sowie deren Verkopplung. Dadurch wird auch im Feedback-Teil des Stellsignales ein direkter Durchgriff auf die Aktordynamik bewirkt, und das Feedback für die Bahnfolge geht direkt in die fluidische Domäne ein.Another component can be the feedback of the actual joint angles, speeds and accelerations to the controller. From this feedback, the control signal in the form of a target mass flow can be determined directly on a model-based basis. This is done in a one-stage process without an intermediate step, using the equations for the two subsystems of mechanics and fluidics and their coupling. This also results in a direct access to the actuator dynamics in the feedback part of the control signal, and the feedback for the path sequence goes directly into the fluidic domain.
Wie bekannt ist, kann aus dem Vorliegen eines der Ist-Werte für ein Gelenk, d.h. Winkel, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, jede der anderen Größen durch Differentialrechnung oder Integralrechnung ermittelt werden.As is known, from the existence of one of the actual values for a joint, i.e. angle, velocity or acceleration, any of the other quantities can be determined by differential or integral calculus.
Durch das Aufbringen des so bestimmten Stellsignals, bestehend aus Vorsteuerung und Rückführung, folgt der Roboter einer vorgegebenen Bahn. Dadurch werden zugleich nicht nur die Nichtlinearitäten aus der Bewegung der Mechanik, sondern auch die nichtlinearen fluidischen Eigenschaften des Aktors kompensiert. Durch den gesamtheitlichen Ansatz für Mechanik und Aktordynamik wird aus einer Soll-Bahn direkt ein Steuer-Signal für die Antriebe berechnet, ohne in einem Zwischenschritt ein Soll-Drehmoment zu berechnen.By applying the control signal determined in this way, consisting of feedforward control and feedback, the robot follows a predetermined path. This compensates not only for the non-linearities from the movement of the mechanics, but also for the non-linear fluidic properties of the actuator. The holistic approach for mechanics and actuator dynamics means that a control signal for the drives is calculated directly from a target path, without calculating a target torque in an intermediate step.
Die daraus resultierenden strukturellen Vorteile bestehen darin, dass mit dem bereitgestellten Verfahren 100 das verkoppelte mechanische und fluidische Modell des Roboters gemeinsam dem modellbasierten Regelungsentwurf zugrunde gelegt werden.The resulting structural advantages are that with the provided
Durch die gemeinsame Berücksichtigung der beiden physikalischen Domänen wird in dem Verfahren bei Vorliegen eines Bahnfolgefehlers direkt das Stellsignal (Soll-Massenstrom des Fluids) generiert. Gegenüber dem zweistufigen Verfahren aus dem Stand der Technik wird dadurch eine höhere Bandbreite des Bahnfolgereglers erzielt. Dadurch werden Bahnfehler schneller kompensiert, sodass die Positionsgenauigkeit höher ist und ein besseres Ausregeln äußerer Störungen erreicht wird.By taking both physical domains into account together, the control signal (target mass flow of the fluid) is generated directly in the process when a path following error occurs. This results in a higher bandwidth of the path following controller compared to the two-stage process from the state of the art. Path errors are compensated more quickly as a result, so that the position accuracy is higher and external disturbances are better compensated for.
Durch das Verfahren 100 werden nicht nur die Gelenkwinkel und Winkelgeschwindigkeiten in den Regler zurückgeführt, sondern auch das Beschleunigungssignal. Dieses beinhaltet eine Information über Störmomente, wie Reibmomente, die physikalisch auf Beschleunigungsebene wirken, und begünstigt die Kompensation dieser Störungen.Through the
Dies ist bei fluidischen Aktoren mit signifikanter Reibung ein Vorteil, da diese Störungen nicht über zusätzliche Berechnungen kompensiert werden müssen. Der direkte Durchgriff auf die Aktordynamik, gegenüber einer Implementierung auf Momentenebene, erhöht ebenfalls die Bandbreite. Daher werden mit dem bereitgestellten Verfahren nicht nur Informationen über Störmomente ermittelt, sondern diese auch durch den direkten Durchgriff auf die Aktordynamik schneller kompensiert.This is an advantage for fluidic actuators with significant friction, as these disturbances do not have to be compensated for by additional calculations. The direct access to the actuator dynamics, compared to an implementation at the torque level, also increases the bandwidth. Therefore, the method provided not only determines information about disturbance torques, but also compensates them more quickly by directly accessing the actuator dynamics.
Optional können dabei vor dem Einstellen 110 des Soll-Fluid-Massestroms, sofern diese nicht bereits vorliegen, die Ist-Kammerdrücke in den Druckkammern (6, 7) des Gelenks in einem Schritt 101 erfasst werden. Aus den erfassten Ist-Kammerdrücke des Gelenks kann dann in einem Schritt 102 beispielsweise durch Mittelwertbildung ein Ist-Mitteldruck ermittelt werden. Falls der Soll-Mitteldruck des Gelenks nicht vorliegt, kann dieser in einem Schritt 103 aus der ersten Ableitung des Soll-Mitteldrucks des Gelenks ermittelt werden. Schließlich kann in einem Schritt 104 ein Differenz-Mitteldrucks als Differenz zwischen dem Ist-Mitteldruck und dem Soll-Mitteldruck des Gelenks ermittelt werden. Dadurch kann das Vorsteuern 120 auch auf Grundlage der ersten Ableitungen der Soll-Mitteldrücke der Gelenke durchgeführt werden und das Regeln 130 kann auch auf Grundlage der Differenz-Mitteldrücke der Gelenke durchgeführt werden.Optionally, before setting 110 the target fluid mass flow, if these are not already present, the actual chamber pressures in the pressure chambers (6, 7) of the joint can be recorded in a
Alternativ oder zusätzlich können im Schritt 101 auch ein oder mehrere der Ist-Gelenkwerte, d.h. Gelenkwinkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, erfasst werden. Aus den erfassten Ist-Gelenkwerten können dann im Schritt 102 bzw. 103 die jeweils anderen Größen durch Ableiten oder Integrieren ermittelt werden. Schließlich können im Schritt 104 Differenzen zwischen jeweils dem Soll- und Ist-Wert gebildet werden. Das bedeutet, es kann für jedes Gelenk je eine Soll-Ist-Gelenkwinkel-Differenz, eine Soll-Ist-Gelenkgeschwindigkeits-Differenz und eine Soll-Ist-Gelenkbeschleunigungs-Differenz ermittelt werden. Dadurch kann das Vorsteuern 120 auch auf Grundlage eines vorgegebenes Soll-Winkelruckes durchgeführt werden und das Regeln 130 kann dann auch auf Grundlage der in Schritt 104 ermittelten Differenzen der Soll- und Ist-Werte von Gelenkwinkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen durchgeführt werden.Alternatively or additionally, one or more of the actual joint values, i.e. joint angles, speeds and accelerations, can also be recorded in
Für die Erfassung 101 der Ist-Gelenkwinkel kann beispielsweise der Drehgeber 24 verwendet werden. Für die Erfassung 101 von Ist-Winkelgeschwindigkeit und/oder Ist-Winkelbeschleunigung können andere bekannte Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden, die jedoch in der
Eine weitere Ausführungsform ist eine Vorrichtung 9 zur Steuerung einer Robotervorrichtung 10, insbesondere eines Industrieroboters, mit zwei oder mehr durch je einen fluidischen Antrieb aktuierten Gelenken, wobei jeder Antrieb zwei Druckkammern 6, 7 mit Ventileinrichtungen 16, 17 zum Befüllen und Entleeren der Druckkammern 6, 7 aufweist, wobei die Vorrichtung 9 dazu eingerichtet ist, eines der oben dargelegten Verfahren durchzuführen.A further embodiment is a
Eine weitere Ausführungsform ist ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben dargelegten Verfahren auszuführen.Another embodiment is a computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform one of the methods set out above.
Eine weitere Ausführungsform ist ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist.Another embodiment is a computer-readable medium on which the computer program product is stored.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.The embodiments show possible embodiment variants, whereby it should be noted at this point that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiment variants thereof, but rather various combinations of the individual embodiment variants with one another are also possible.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.The scope of protection is determined by the claims. However, the description and the drawings must be used to interpret the claims. Individual features or combinations of features from the different embodiments shown and described can represent independent inventive solutions in themselves. The task underlying the independent inventive solutions can be taken from the description.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.All information on value ranges in the description in question is to be understood as including any range and all subranges thereof, e.g. the information 1 to 10 is to be understood as including all subranges starting from the lower limit 1 and the
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.Finally, for the sake of clarity, it should be noted that in order to better understand the structure, some elements have been shown not to scale and/or enlarged and/or reduced.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- erstes Robotergliedfirst robot limb
- 22
- zweites Robotergliedsecond robot link
- 44
- AntriebskörperDrive body
- 55
- AntriebsgliedDrive link
- 6,76.7
- DruckkammernPressure chambers
- 88th
- Trennwandpartition wall
- 99
-
Vorrichtung zur Steuerung einer Robotervorrichtung 10Device for controlling a
robot device 10 - 1010
- RobotervorrichtungRobot device
- 11, 1211, 12
- ZuführleitungenSupply lines
- 1414
- DruckfluidquellePressure fluid source
- 1515
- Versorgungsleitungsupply line
- 16, 1716, 17
- VentileinrichtungenValve devices
- 1919
- DrucksensoreinrichtungPressure sensor device
- 21, 2221, 22
- DrucksensorelementePressure sensor elements
- 2323
- DrehachseRotation axis
- 2424
- DrehgeberEncoder
- 100100
-
Verfahren zum Steuern einer Robotervorrichtung 10Method for controlling a
robot device 10 - 101101
- Erfassen von Ist-Kammerdrücken bzw. Ist-GelenkwertenRecording of actual chamber pressures or actual joint values
- 102102
- Ermitteln eines Ist-Mitteldruckes bzw. anderer Ist-GelenkwerteDetermining an actual mean pressure or other actual joint values
- 103103
- Ermitteln des Soll-Mitteldrucks bzw. anderer Ist-GelenkwerteDetermining the target mean pressure or other actual joint values
- 104104
- Ermitteln eines Differenz-Mitteldrucks bzw. Soll-Ist-Gelenkwert-DifferenzenDetermining a differential mean pressure or target-actual joint value differences
- 110110
- Einstellen eines Soll-Fluid-MassestromsSetting a target fluid mass flow
- 120120
- VorsteuernInput taxes
- 130130
- RegelnRegulate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102017202369 B3 [0003]DE 102017202369 B3 [0003]
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