DE10255950A1 - Antrieb, insbesondere für einen Roboter - Google Patents

Antrieb, insbesondere für einen Roboter Download PDF

Info

Publication number
DE10255950A1
DE10255950A1 DE2002155950 DE10255950A DE10255950A1 DE 10255950 A1 DE10255950 A1 DE 10255950A1 DE 2002155950 DE2002155950 DE 2002155950 DE 10255950 A DE10255950 A DE 10255950A DE 10255950 A1 DE10255950 A1 DE 10255950A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
drive
positioning
drive according
force
arm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2002155950
Other languages
English (en)
Inventor
Bernhard Moehl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mohl Bernhard Prof Dr
Original Assignee
Mohl Bernhard Prof Dr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mohl Bernhard Prof Dr filed Critical Mohl Bernhard Prof Dr
Priority to DE2002155950 priority Critical patent/DE10255950A1/de
Publication of DE10255950A1 publication Critical patent/DE10255950A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1628Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere für einen Roboterarm, der aus zwei Teilantrieben besteht, die für zwei unterschiedliche Aspekte der Bewegungssteuerung spezialisiert sind. Während einer der beiden Antriebe im wesentlichen die für die Bewegung notwendige Kraft erzeugt, die Bewegung selbst aber nur wenig exakt ausführt, ist der zweite Antrieb für die exakte Positionierung zuständig, kann aber nur kleine Kräfte bzw. Wege ausführen. Die beiden Teilantriebe werden entsprechend ihrer speziellen Funktion als Kraft- und Positionierantrieb bezeichnet. Sie können für sich diese jeweiligen Teilfunktionen mit sehr viel günstigeren Spezifikationen und geringerem mechanischen Aufwand erfüllen als ein einzelner Antrieb alleine. Die Kombination beider Antriebe zu einem Kompositantrieb vereinigt die Vorteile beider Teilantriebe, ohne sich gegenseitig in ihrer Leistung zu beeinträchtigen.

Description

  • 1. Das Problem und das Prinzip seiner Lösung
  • Technische Antriebe dienen zur kontrollierten Bewegung von Massen und Gewichten. Sie müssen deshalb Kräfte erzeugen und diese so steuern, dass eine definierte Bewegung erfolgt. Die wichtigsten Begrenzungsdaten für die Leistung eines Antriebs sind die Größe der erzeugbaren Kraft und die Exaktheit, als auch die Distanz der Bewegung, wobei sich diese Spezifikationen gegenseitig negativ beeinflussen. Antrieb können umso schneller und exakter in der Bewegung sein, je geringer die aufzuwendenden Kräfte sind und umgekehrt. Einen Sonderfall stellen mechatronische Antrieb dar, die zwar äußerst genau und stark sind, dafür aber nur sehr kleine Wege erzeugen können. Eine Trennung beider sich widersprechender Leistungskomponenten auf kooperierende Teilantriebe ist in der Technik nach momentanem Stand nicht realisiert. Es gibt lediglich Einrichtungen, die als reine Zusatzhilfen (Gegengewichte, Gegenfedern) separat einen Großteil der benötigten Kraft zum eigentlichen Antrieb beisteuern – z. B. bei Garagentoren, Klappen für Kofferräume, Gegengewichte bei Roboterarmen u. ä. Diese Zusatzhilfen sind aber kein eigener (steuerbarer) Teilantrieb, sondern lediglich eine Maßnahme, die den Arbeitsbereich für den eigentlichen Antrieb günstig verschiebt, indem ein vordefinierter Kraftbeitrag geliefert wird. Weiterhin gibt es aktive Hebehilfen, die von Menschenhand gesteuert werden.
  • Die vorliegende Erfindung besteht darin, einen Antrieb aus zwei Teilantrieben zu kombinieren, die beide – gesteuert – sowohl Kraft als auch Bewegung erzeugen, diese Komponenten jedoch mit jeweils gegensätzlichen Leistungsspezifikationen aufweisen: Während der eine Teilantrieb große Kräfte erzeugen kann, aber in seiner Bewegungsweise weniger gut zu definieren ist, ist der andere Teilantrieb verhältnismäßig schwach (bzw. nur für kleine Wege geeignet), dafür aber sehr exakt in seiner Bewegungsweise. Die Kombination beider Antriebe zu einem „Kompositantrieb" vereinigt beide Aspekte: Kraft und Genauigkeit der Bewegung, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen, wie dies für einen einzelnen Antrieb gilt.
  • Da Bewegungs- und Antriebssysteme in besonders anspruchsvoller Weise bei mehrgliedrigen Arbeitsarmen (Roboter) realisiert sind, sei im folgenden dieses Prinzip der Komponententrennung am Beispiel eines Roboterarmes erläutert. Im folgenden wird der Aspekt der Bewegungsteuerung als Positionssteuerung bezeichnet, da im typischen Fall die Exaktheit der Bewegung als Positioniergenauigkeit charakterisiert wird.
  • 2. Das Prinzip der weitgehenden Trennung von Kraft- und Positionssteuerung
  • Im folgenden sollen die in dieser Beschreibung und den Patentansprüchen verwendeten Begriffe Kraftantrieb und Positionierantrieb und ihre Kennlinie definiert werden. Der größte Teil der Kraft eines Antriebs wird für die Beschleunigung und Abbremsung der Massen und das Tragen der Gewichte benötigt. Mit Hilfe der Kraft soll in der Regel ein Gegenstand von einer Raumposition in eine andere überführt werden. Ein kleinerer Kraftanteil wird für die exakte Positionierung benötigt und zwar so, dass bei einer Abweichung von der Sollposition eine Kraft erzeugt wird, welche der Abweichung entgegenwirkt. Diese korrigierende Kraft kann auch als Positionierkraft bezeichnet werden. Zur Erreichung möglichst hoher Genauigkeit ist dabei die Kennlinie, nach welcher die Positionierkraft in Abhängigkeit von der Abweichung erzeugt wird, möglichst steil, d. h. kleine Abweichungen erzeugen große (korrigierende) Positionierkräfte. Daraus resultieren sehr "steife" Antriebe.
  • Im Gegensatz dazu könnte der Großteil der übrigen, hauptsächlich für den Transfer notwendigen Kräfte über einen weichen, "elastischen" Antrieb erzeugt werden, einen Antrieb also, in dem die Positionierkräfte von der Positionsabweichung mit einer flachen Kennlinie abhängen. Allerdings wird in Antrieben nach dem Stand der Technik zwischen den Bewegungs- oder Transferkräften, welche die Massen grob beschleunigen (bzw. die Gewichte tragen) und den Positionierkräften, die zur Feineinstellung der Position benötigt werden, nicht unterschieden. Beide werden von den selben Komponenten eines einzigen Antriebes erzeugt. In der vorliegenden Erfindung dagegen werden beide Kraftkomponenten von zwei unterschiedlichen, parallel geschalteten Antrieben erzeugt. Die Transfer- und Tragekräfte werden von einem Antrieb mit flacher Positionierkraftkennlinie erzeugt, dem Kraftantrieb, wobei die Maximalkräfte den Maximalkräften des gesamtem Antriebs entsprechen, also groß sind. Die Positionierkräfte dagegen werden über einen Antrieb mit sehr steiler Kennlinie, dem Positionierantrieb, erzeugt, wobei jedoch dessen Maximalkräfte sehr eng begrenzt sein können. Die beiden zu kombinierenden Teilantriebe, Kraftantrieb und Positionierantrieb unterscheiden sich also durch die Steilheit und die Ausdehnung der Kennlinie für die Kraft, die sie als Funktion der Positionsabweichung erzeugen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Kraftantrieb dem in der Deutschen Patentanmeldung Nr. 197 19 931.3, vom 13. 5. 1997 „Arbeitsarm, insbesondere für eine Roboter", beschriebenen Antrieb, der eine (weiche) elastische Komponente besitzt und damit die flache Kennlinie für die Positionierkraft aufweist. Dieser Antrieb ist zwar geeignet, große Kräfte zu erzeugen, kann aber die Position des Armes wegen der flachen Kennlinie nur entsprechend ungenau vorgeben. Diese Eigenschaft wird im folgenden auch als Positionstoleranz bezeichnet, d. h. der Arm gibt gegenüber kleinen, von außen wirkenden Kräften nach. Um die Schwingungsneigung eines solchen Armes zu beherrschen, hat er in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schwingungskompensation, die als aktive Kompensation wirkt, vorzugsweise über eine Geschwindigkeitsrückführung (wie in der Patentanmeldung beschrieben). Denkbar ist allerdings auch eine passive Schwingungsdämpfung z. B. über eine Fluiddämpfung.
  • Nur wegen der Positionstoleranz des Kraftantriebes kann der parallel geschaltete Positionierantrieb die Feineinstellung der Position übernehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Positionierantrieb über eine Kupplung zu- oder ausgekoppelt werden. Diese schaltbare Kupplung ermöglicht eine als „fly & catch" bezeichnete Bewegungsform, die folgendermaßen abläuft: Die Überwindung eines größeren Weges erfolgt nur mit Hilfe des Kraftantriebes, während der Positionierantrieb entkoppelt ist (fly-Phase). Kurz vor Erreichen der Zielposition wird der Positionierantrieb hinzugeschaltet (catch-Phase), um die exakte Positionierung zu übernehmen. Vor dem Zuschalten wird der Positionierantrieb noch auf die Geschwindigkeit der momentanen Bewegung hochgefahren, so dass infolge der synchronen Bewegung von Kraft- und Positionierantrieb das Einkuppeln erschütterungsfrei erfolgt. Der Arm ist in dieser Phase über den Kraftantrieb und seine Schwingungsdämpfung schon soweit abgebremst, dass der Positionierantrieb mit seinen begrenzten Kräften die Führung des letzten Teils der Bewegung übernehmen kann. Der Kraftantrieb dagegen erzeugt gegebenenfalls weiterhin den Hauptanteil der Kraft, der z. B. für das Tragen eines Gewichtes noch notwendig ist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante besteht darin, dass der Positionierantrieb als Piezomotor (z. B. der Firma Elliptec Resonant Actuator AG, Postfach 700 159, 44371 Dortmund) ausgebildet ist. Weiterhin kann der Positionierantrieb eine Einrichtung zur Messung der von ihm ausgeübten Kraft (bzw. des Drehmomentes) erhalten, mit welcher der Kraftantrieb dann auch als reine Servo-Unterstützung gesteuert werden kann (s. 5. Weitere mögliche Betriebsarten).
  • 3. Eine reale Ausführungsform
  • Eine beispielhafte Ausführungsform für die Konstruktion des Positionierantriebes und seine Kombination mit dem Kraftantrieb an dem zweiten Armglied (1) eines zweigelenkigen Roboterarmes ist in 1 und 2 dargestellt. 1 zeigt für den zweiten Arm (1) den Kraftantrieb, der aus einem Elektromotor mit Getriebe (2), und einem offenen Zahnriemen (3) besteht. Der Zahnriemen besitzt an beiden Enden je eine Zugfeder (4) und (5) und ein Zugseil (6) und (7). Beide Zugseile sind über eine frei bewegliche Umlenkrolle (8) um das Gelenk geführt und an den Punkten (9) und (10) des Armes (1) befestigt. Der Arm wird durch diese antagonistisch verspannte Seilführung biegeentlastet. Die Zugfedern erzeugen dabei die Positionstoleranz, die für die Funktion des Positionierantriebes notwendig ist. Die Armstellung und die Motorstellung wird über geeignete Winkelsensoren registriert. Damit entspricht die Anordnung dem in der Deutschen Patentanmeldung Nr. 197 19 931.3 beschriebenen Prinzip.
  • 2 zeigt den Positionierantrieb, der aus einem konventionellen DC-Mikromotor (11) mit einem integrierten inkrementalen Winkelgeber auf der Motorwelle und einem hochuntersetzenden Getriebe (in der vorliegenden Ausführung 1:1.024) besteht. Der Motor treibt über ein Ritzel (12) und ein Großrad (13) die Umlenkrolle (8) für die Antriebsseile (6) und (7, 1)) des Armes an. Zwischen Großrad und Umlenkrolle ist noch die elektromagnetische Kupplung (14) geschaltet. Die Umlenkrolle ist wegen der starken elastischen Verspannung durch Zugseil (6) und Zugfeder (4) kraftschlüssig mit dem Arm (1) verbunden. Ritzel (12) und Großrad (13) besitzen ein Untersetzungsverhältnis von 1:10, so dass sich insgesamt eine Untersetzung von Motor- zu Armachse von 1:10.240 ergibt. Die Auflösung des an der Motorachse befindlichen inkrementalen Winkelsensors in Bezug auf die Armbewegung ist rein rechnerisch (unter Berücksichtigung der Getriebeuntersetzung) 409.600 Pulse pro Umdrehung des Armes (40 Pulse pro Motorumdrehung). Bei einer Armlänge von ca. 300 mm ergibt das (rechnerisch) eine Bewegung an der Armspitze von ca. 4,7 μm pro Schritt. Der Motor ist über seinen Winkelsensor (unter Einsatz des Signalprozessors) positionsgesteuert. Der Positionierantrieb ist so weit wie möglich starr ausgelegt, allerdings nur für relativ kleine Kräfte (verglichen mit dem Kraftantrieb). Bei größeren Kräften kann als Kraftbegrenzung ein Durchrutschen der Kupplung erfolgen.
  • 4. Betriebsbeispiel
  • 3 stellt ein Bewegungsbeispiel dar, und zwar für den oben beschriebenen fly & catch-Betrieb. Zu Beginn der Bewegung sind nur die groben Stufen des Armwinkelsensors (15) erkennbar. Solange der Positioniermotor steht, werden dessen Winkelwerte rechnerisch ständig auf die Werte des Armwinkelsensors zurückgesetzt, d. h. die Zeitkurve für die Winkel des Positioniermotors ist identisch mit der des Armes (obwohl der Positioniermotor in Ruhe ist). Kurz vor Erreichen der Zielposition zum Zeitpunkt (16) fährt der Positioniermotor auf die (schon weitgehend abgebremste) Geschwindigkeit des Armes hoch, seine Winkel (17) heben sich nun als Werte zwischen den Schritten (15) des Armsensors ab. Das Schließen der Kupplung erfolgt innerhalb des Zeitbereichs (18). Nach dem Schließen sind also beide Antriebe mit ihren unterschiedlichen Funktionen parallel an den Arm gekoppelt: 1. der Kraftmotor, der elastisch den Hauptteil der Kraft generiert, die erforderlich ist, den Arm in der gewünschten Position zu halten, ohne ihn selbst zu bewegen und 2. der Positioniermotor, der bei hoher Wegauflösung aber geringer Kraft die nunmehr langsame Bewegung und exakte Endposition des Armes bestimmt. 4 zeigt die letzte Phase der Bewegung in vergrößerter Darstellung, in welcher die Schritte des Armsensors (15) und die hohe Auflösung des Motorsensors (17) deutlich zu erkennen sind.
  • 5. Weitere mögliche Betriebsarten
  • Die Trennung von Kraft- und Positionierantrieb ist nicht nur auf Punkt-zu-Punkt-Bewegungen beschränkt. So zeigt die Erfahrung mit dem bisher existierenden, rein elastischen Arm, dass er mit einer gewissen Genauigkeit auch für eine vorgegebene Bahn trainiert werden kann. Einem so "vortrainierten" elastischen Antrieb kann der starre Feintrieb für die endgültige Bewegung parallel hinzugeschaltet werden, so dass nun beide Antriebe miteinander die exakte Bahn erzeugen. Dabei korrigiert der Positionierantrieb nur noch die (kleinen) Abweichungen von der genauen Bahn im Bereich der elastischen Nachgiebigkeit (Ungenauigkeit) des Kraftantriebes. Die hierzu notwendigen Korrigierkräfte sind klein, da sie mit einer flachen Kennlinie proportional zu den (kleinen) Bahnabweichungen erzeugt werden. Der ü berwiegende Anteil der zur Bewegung notwendigen Kraft wird vom elastischen Antrieb mit seiner "groben" Bahn erzeugt. In diesem Fall könnte man von "carry & guide" sprechen.
  • Wenn der Positionierantrieb zusätzlich eine Einrichtung zur Messung der von ihm ausgeübten Kraft (bzw. des Drehmomentes) erhält, ergeben sich für die Steuerung des Kraftantriebes in einem carry & guide-Betrieb weitere, entscheidende Vorteile: Der Kraftantrieb kann dann als reine Servo-Unterstützung für den Positionierantrieb arbeiten. Hierzu würde die vom Positionierantrieb gemessene Kraft (bzw. das Drehmoment) dem Kraftantrieb ständig als Rückmeldung zugeführt und von ihm über ein Regelsystem auf einem kleinen, weitgehend konstanten Wert gehalten werden, während der Positionierantrieb die Bewegung selbst exakt, aber mit geringen Kräften, "führen" kann. In dieser Kombination wäre eine schaltbare Kupplung sogar entbehrlich, oder nur noch als Überlastschutz erforderlich. An die Messung der Kraft (bzw. des Drehmomentes) des Positionierantriebes müssten keine hohen Anforderungen bezüglich der Genauigkeit gestellt werden, da die Kraft nur innerhalb der Krafttoleranz des Positionierantriebes gehalten werden muss.
  • Einen günstigen Sonderfall für einen carry & guide-Betrieb stellen piezoelektrische Antriebe dar, die über hochfrequente Schwingungen „Schreitbewegungen" oder „Wanderwellen" zwar nur geringe Kräfte, dafür aber unbegrenzt lange Wege und diese mit äußerster Genauigkeit und relativ hoher Geschwindigkeit erzeugen können (z. B. Firma Elliptec Resonant Actuator AG, Postfach 700 159, 44371 Dortmund, www.elliptec.com).
  • Im Unterschied zu der eben beschriebenen Bahnbewegung wird bei einer Punkt-zu-Punkt-Bewegung der Positionierantrieb nur für den letzten Teil des Weges benötigt, er muss also nur kleine Wege erzeugen. Das bedeutet, dass im "fly & catch" auch ein piezoelektrischer oder magnetostriktiver Positionierantrieb mit kurzem Weg denkbar ist. Die Stärken dieser mechatronischen Bauteile – extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit, Positioniergenauigkeit und Starrheit – können so voll zum Tragen kommen, während ihre geringe Weglänge in diesem Zusammenhang keinen Nachteil bedeutet. Die notwendigen Weglängen für den Positionierantrieb liegen im Bereich der Ungenauigkeiten des rein elastischen Armes. Bei der vorliegenden Konstruktion betragen diese an der Armspitze Werte unterhalb eines Millimeters – also Weglängen, die über entsprechende Hebelverhältnisse im Armgelenk auch mit mechatronischen Bauelementen realisierbar wären.
  • Schließlich ist es auch denkbar, als Positionierantrieb eine Feststellbremse vorzusehen. Wenn der Arm bei Erreichen der Zielposition eine hinreichend kleine Winkelgeschwindigkeit hat, kann das schnelle Blockieren mit einer Bremse wie ein Anstoß an einen Anschlag (zum Positionieren) aufgefasst werden. In Verbindung mit einer geeigneten Zeitsteuerung ergäbe sich daraus ein programmierbar veränderlicher mechanischer Anschlag zur exakten Positionierung des Armes. Ein solcher Positionierantrieb hätte eine äußerst steile Kennlinie für die Erzeugung der Positionierkräfte. Die von ihm aktiv erzeugte Weglänge wäre zwar null, die exakte Position wäre dafür aber durch den Bremszeitpunkt – also eine Zeitsteuerung – definierbar
  • 6. Grundlegende Vorteile des Kompositantriebs
  • Die Trennung von Kraft- und Positionssteuerung bietet konstruktive Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, in welchem praktisch nur die Einheit von Kraft- und Positionssteuerung in einem einzigen Antrieb bekannt ist. Der Vorteil einer Trennung beider Komponenten besteht zum einen darin, dass Kräfte auf elastischer (nachgiebiger) Basis mit weniger Aufwand zu erzeugen sind als auf starrer Basis. Dies wird an folgender Überlegung deutlich: Ein konventioneller starrer Roboter muss einer von außen einwirkenden Kraft eine gleich große Kraft unter minimaler Änderung seiner Position entgegensetzen. Dies gilt für den gesamten Kraftbereich im Rahmen seiner maximalen Tragfähigkeit, was die, für konventionelle Roboter typische, massige Konstruktion erfordert. Für den elastischen Roboter dagegen gilt, dass er zwar auch die für ein Gewicht erforderliche Gegenkraft erzeugen muss, dabei aber nachgiebig sein kann (und muss), was eine erheblich leichtere Bauweise ermöglicht. Die Nachgiebigkeit erfolgt in der bevorzugten Ausführungsform mit antagonistisch verspannten Seilen ausschließlich durch Rotation in den Gelenken, also in einer geometrisch sehr exakten Mechanik und das im Rahmen einer niedrigen Eigenfrequenz. Hochfrequente Biegeschwingungen im festen Material, eines der gravierenden Probleme in der "konventionellen" Robotik, werden so unterbunden.
  • Alle diese mechanischen Vorteile werden allerdings dadurch erkauft, dass im Gegensatz zum konventionellen starren Roboter die Kraft "explizit" gesteuert (und eventuell geregelt) werden muss. Letztendlich wird damit der bisher notwendige materielle Aufwand für eine steife Mechanik ersetzt durch die "Intelligenz" einer eigenen Kraftsteuerung. Der Mehraufwand in der Hard- und Software für die Steuerung erschließt im Gegenzug Vorteile für die mechanische Konstruktion. Lediglich in Sonderfällen, in denen eine absolut starre Position im gesamten Kraftbereich erforderlich ist, wie zum Beispiel bei der Materialbearbeitung (Fräsen, Sägen), versagt das Prinzip einer eigenen Kraftsteuerung.
  • Ein kleiner Restanteil der Kräfte muss allerdings für die Positionssteuerung weiterhin starr bleibend erzeugt werden – und das führt zu dem anderen konstruktionstechnischen Vorteil. Er liegt darin begründet, dass der für die Genauigkeit maßgebliche, starre Positionierantrieb nur kleine Kräfte und kleine Wege erzeugen muss. Komplementär zum Kraftantrieb gilt hier entsprechend, dass unter der Bedingung kleiner Kräfte bzw. kleiner Wege (mechatronische Antriebe) nach dem Stand der Technik mit verhältnismäßig geringem Aufwand hervorragend exakte Antriebe realisiert werden können. Auch unter diesem Gesichtspunkt bringt die funktionelle Trennung von Kraft- und Positionssteuerung Vorteile für die erreichbare Gesamtleistung.
  • Schließlich sei noch der Sicherheitsaspekt hervorgehoben, der bei Robotern nach dem Stand der Technik wegen ihrer großen Starrheit so gravierend ist. Der Kompositantrieb ist nur in Hinblick auf kleine Kräfte starr. Diese sind durch die Haltekraft der Kupplung begrenzt und somit einstellbar. Bei Überlastung würde die Kupplung durchrutschen, wodurch auch der empfindliche Positionierantrieb geschützt wäre. Der Kraftantrieb würde eine Kollision – nach Durchrutschen der Kupplung – mit seiner Nachgiebigkeit momentan auffangen, und die Steuerung hätte Zeit, über die Winkelsensoren der Arme die Störung zu detektieren und darauf zu reagieren.
  • 7. Bevorzugte Einsatzfelder und Ausblick
  • Das Prinzip des "fly & catch" (bzw. "carry & guide") bietet sich in erster Linie für Anwendwlgen an, in denen es auf schnelle und sehr exakte Positionierung von Werkstücken oder Werkzeugen ankommt, deren Gewicht konstant oder zumindest vorher bekannt ist, was für die aktive Kraftsteuerung günstig ist. Zum Beispiel ließen sich Bestückungsautomaten, Schweißroboter oder Roboter zur Laserbearbeitung mit dem beschriebenen Prinzip vorteilhaft antreiben. Weiterhin ergibt sich die einfache Möglichkeit, zwischen Positions- und Kraftsteuerung umzuschalten, was zusätzlich zu der exakten Positionierung auch noch die Erzeugung von Montage- oder Fügekräften ermöglicht (nach Öffnen der Kupplung). Schließlich sind auch Anwendungen im Bereich exakter Sensorführung denkbar, wobei hier die Konstanz der zu führenden Gewichte wieder besonders vorteilhaft wäre.

Claims (29)

  1. Antrieb, insbesondere für einen Arbeitsarm, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafterzeugung und Positionserzeugung durch zwei für die jeweilige Aufgabe spezialisierte Teilantriebe weitgehend getrennt sind, die Spezialisierung in der Steigung der Kennlinie liegt, welche die Kraft als Funktion der Positionsabweichung bestimmt, wobei die Kennlinie des Positionierantriebes steiler als die Kennlinie des Kraftantriebes ist.
  2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teilantriebe parallel und nicht seriell zueinander geschaltet sind.
  3. Antrieb einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die koordinierte Aktivität beider Komponenten durch eine Steuerung geschieht, die einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfasst.
  4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Kraftkennlinie für den Kraftantrieb auf einer passiv-elastischen Nachgiebigkeit, vorzugsweise durch Federkräfte erzeugt, beruht.
  5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkräfte über antagonistisch verspannte Zugseile (6) und (7) auf den bewegten Arm (1) oder die bewegte Masse übertragen werden.
  6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Kraftkennlinie für den Kraftantrieb auf einer aktiven Nachgiebigkeit, vorzugsweise in Form eines Regelkreises mit Kraftrückführung, beruht.
  7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftantrieb auf einem pneumatischen Aktor beruht.
  8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftantrteb über eine Einrichtung zur Messung der Position der bewegten Masse oder des Armes (1) verfügt.
  9. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftantrieb über eine aktive Schwingungsdämpfung zur Bewegung der Masse oder des Armes (1) verfügt.
  10. Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schwingungsdämpfung auf einer Rückführung der Geschwindigkeit der bewegten Masse oder des Armes (1) beruht.
  11. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftantrieb über eine passive Schwingungsdämpfung verfügt.
  12. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb auf einem Aktor mit steuerbarer Position beruht.
  13. Antrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb mit Hilfe eines positionsgeregelten Elektromotors (11) erfolgt.
  14. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über ein hochuntersetzendes Getriebe (vorzugsweise im Bereich 1:1000 bis 1:1.000.000) das Auflösungsvermögen des Positionierantriebes gesteigert wird.
  15. Antrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb mit einem mechatronischen Antrieb (auf Basis des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Prinzips) erfolgt.
  16. Antrieb nach einem der Ansprüche 12–15, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb über eine Einrichtung zur Messung der Position verfügt.
  17. Antrieb nach einem der Ansprüche 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Messung der Position sich auf der Motorachse des hochuntersetzten Elektromotors als Winkelgeber befindet.
  18. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb steuerbar zugeschaltet oder ausgekuppelt werden kann.
  19. Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung des Positionierantriebes über eine elektromagnetische Kupplung (14) erfolgt.
  20. Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung des Positionierantriebes über eine Kupplung mit piezoelektrisch oder magnetostriktiv betriebenem Schließmechanismus erfolgt.
  21. Antrieb nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung, welche den Positionierantrieb zuschaltet eine begrenzte aber steuerbare Haltefähigkeit hat, um ein Durchrutschen bei Überlast zu ermöglichen.
  22. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb eine Einrichtung zur Messung der von ihm erzeugten Kraft, bzw. des von ihm erzeugten Drehmomentes, besitzt.
  23. Antrieb nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Kraftantriebes unter Rückführung der Kraft, bzw. des Drehmomentes, des Positionierantriebes so erfolgt, dass die Kraft des Positionierantriebes auf einen kleinen Bereich beschränkt wird.
  24. Antrieb nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb auf einem Aktor mit nicht veränderbarer Position beruht, vorzugsweise als Feststellbremse.
  25. Antrieb nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb über eine Feststellbremse in der Weise geschieht, dass die Bremse bei Erreichen der Sollposition des Armes die von dem Kraftantrieb erzeugte Bewegung beendet, und so die Positionierung durchführt.
  26. Antrieb nach einem der Ansprüche 2425, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftantrieb kurz vor Erreichen der Sollposition die Geschwindigkeit soweit vermindert, dass die Feststellbremse die Bewegung in unschädlicher Weise blockieren kann.
  27. Antrieb nach einem der Ansprüche 24–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse als elektromagnetische Bremse ausgebildet ist.
  28. Antrieb nach einem der Ansprüche 24–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse piezoelektrisch oder magnetostriktiv betätigt ist.
  29. Antrieb nach Anspruch 24–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse pneumatisch oder hydraulisch betätigt ist.
DE2002155950 2002-11-29 2002-11-29 Antrieb, insbesondere für einen Roboter Withdrawn DE10255950A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2002155950 DE10255950A1 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Antrieb, insbesondere für einen Roboter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2002155950 DE10255950A1 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Antrieb, insbesondere für einen Roboter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10255950A1 true DE10255950A1 (de) 2004-06-09

Family

ID=32308869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2002155950 Withdrawn DE10255950A1 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Antrieb, insbesondere für einen Roboter

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10255950A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010081772A3 (de) * 2009-01-15 2010-11-11 Tetra Gesellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH Übertragungsmechanismus
DE102013223603A1 (de) * 2013-11-19 2015-05-21 Ferrobotics Compliant Robot Technology Gmbh Roboterarm
DE102015107394A1 (de) * 2015-05-12 2016-11-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Effektor, Vorrichtung und Verfahren zum Aufnehmen, Handhaben und/oder Ablegen von textilen Strukturen
CN107283412A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 赵德政 一种储能补偿式仿肌肉牵引组织
CN110370258A (zh) * 2019-08-22 2019-10-25 珠海格力智能装备有限公司 张紧力调节装置及机器人
WO2021180853A1 (de) 2020-03-12 2021-09-16 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg 6-achs-positioniersystem mit arretierender komponente
DE102020106815A1 (de) 2020-03-12 2021-09-16 Marco Systemanalyse Und Entwicklung Gmbh Vorrichtung zur Bewegung eines Bauteils

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9669542B2 (en) 2009-01-14 2017-06-06 Tetra Gesellschaft Fur Sensorik, Robotik Und Automation Mbh Transmission mechanism
WO2010081772A3 (de) * 2009-01-15 2010-11-11 Tetra Gesellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH Übertragungsmechanismus
DE102013223603A1 (de) * 2013-11-19 2015-05-21 Ferrobotics Compliant Robot Technology Gmbh Roboterarm
US10005182B2 (en) 2013-11-19 2018-06-26 Ferrobotics Compliant Robot Technology Gmbh Robot arm
DE102015107394A1 (de) * 2015-05-12 2016-11-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Effektor, Vorrichtung und Verfahren zum Aufnehmen, Handhaben und/oder Ablegen von textilen Strukturen
CN107283412A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 赵德政 一种储能补偿式仿肌肉牵引组织
CN110370258A (zh) * 2019-08-22 2019-10-25 珠海格力智能装备有限公司 张紧力调节装置及机器人
CN110370258B (zh) * 2019-08-22 2024-02-13 珠海格力智能装备有限公司 张紧力调节装置及机器人
WO2021180853A1 (de) 2020-03-12 2021-09-16 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg 6-achs-positioniersystem mit arretierender komponente
DE102020106815A1 (de) 2020-03-12 2021-09-16 Marco Systemanalyse Und Entwicklung Gmbh Vorrichtung zur Bewegung eines Bauteils
DE102020106741A1 (de) 2020-03-12 2021-09-16 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG 6-Achs-Positioniersystem mit arretierender Komponente

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011009669B4 (de) Architektur zur robusten Kraft- und Impedanzsteuerung von seriellen elastischen Stellgliedern
EP2376260B1 (de) Übertragungsmechanismus
DE102016004841B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Festlegen eines Bewegungsablaufs für einen Roboter
EP2593707B2 (de) Haltevorrichtung für ein instrument
DE102009014766B4 (de) Überlagerte Achsen bei einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug
EP1920892B1 (de) Robotersteuerung, Roboter und Verfahren zum Steuern eines Roboters
DE102013204789A1 (de) Verfahren zum folgern von absichten eines bedieners zum bewegen eines robotersystems
EP1980374A2 (de) Robotersteuerung, Industrieroboter und Verfahren zum Erhalten eines absolutgenauen Modells
AT505209B1 (de) Antrieb für ein bewegbares möbelteil
EP2492062B1 (de) Industrieroboter
DE102016202792A1 (de) Robotergelenk und Roboter mit wenigstens einem solchen Robotergelenk
DE102016220410A1 (de) Abgewinkelter mechanismus für die einhaltung der linearität
DE10255950A1 (de) Antrieb, insbesondere für einen Roboter
DE212020000561U1 (de) Mechanisches Überlast-Schaltwerk
DE102012214599A1 (de) Betätigung mit geringem Hub für einen seriellen Roboter
EP3024684A2 (de) Haptisches kraftfahrzeug-fahrpedal mit elastisch angekoppeltem aktuator sowie verfahren und regelungseinheit zum regeln desselben
DE102019128931B4 (de) Ausgleichseinheit für eine Automatisierungsanlage
WO2014005583A1 (de) Manipulator mit serieller und paralleler kinematik
DE102013217184B4 (de) Betätigungseinrichtung
DE202016007293U1 (de) Passiver Manipulator
DE102022126205A1 (de) Robotersystem zum Bewegen einer Nutzlast mit minimalem Schwanken der Nutzlast und erhöhter Positionierungsgenauigkeit
DE102011101075B4 (de) Kraftgetriebenes Handwerkzeug mit Dämpfungseinrichtung
DE102012002786B4 (de) Manipulatorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Manipulatorsystems
AT506758B1 (de) Verfahren zur dämpfung von maschinenresonanzen
DE10347733A1 (de) Motorisch verstellbares Röntgengerät

Legal Events

Date Code Title Description
ON Later submitted papers
8122 Nonbinding interest in granting licenses declared
8141 Disposal/no request for examination