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Die Erfindung betrifft ein Robotersystem.
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Aus dem Stand der Technik sind Robotersystem mit elastischer Kopplung zwischen Antrieb und Gelenk bekannt. Einerseits sind Systeme mit einem sogenannten SEA (Serial Elastic Actuator) bekannt. Auch sind Systeme bekannt, bei denen die mechanische Steifigkeit der elastischen Kopplung verstellbar ist (Variable Impedance Actuator). Derartige Systeme werden eingesetzt, um Robotersysteme robuster gegenüber stoßartigen Belastungen zu machen und sie in unbekannten Einsatzumgebungen verwenden zu können. Weiterhin können derartige Systeme verwendet werden, um in zyklischen Tasks mechanische Energie effizienter speichern zu können, um diese zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Ungünstigerweise kann die sich aus Massenverteilung und Steifigkeit der elastischen Elemente ergebende Eigenschwingform, die mit geeigneten Regelalgorithmen bei zyklischen Tasks benutzt werden kann, nicht, beziehungsweise bei Systemen mit variabler mechanischer Steifigkeit, nur langsam und unter beträchtlichem Energieeinsatz verändert werden.
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Beispielsweise wäre es bei einem lauffähigen Roboter wünschenswert, während des Laufens die Steifigkeit von sehr weich während der Flugphase auf verhältnismäßig steif während der Standphase zu verändern, sodass ein übermäßiges Einfedern vermieden werden kann.
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Dies ist mit aktuell bekannten technischen Lösungen nicht möglich.
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Ein weiteres zu lösendes Problem ist die Minimierung/Kontrolle des unvermeidlichen Einfederns bei stoßartigen Laständerungen. Ändert sich die Last, so federn die elastischen Elemente ein. Dies muss durch die Motoren ausgeglichen werden, was nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit erfolgen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Robotersystem bereitzustellen, durch das die Steifigkeit mindestens eines Robotergelenks auf einfache Weise eingestellt werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Robotersystem weist einen Antrieb und mindestens ein Gelenk auf. Der Antrieb ist mit dem Gelenk über ein elastisches Koppelelement gekoppelt. Erfindungsgemäß weist das elastische Koppelelement ein elastisches Element und einen parallel hierzu angeordneten Dämpfer auf.
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Es ist bevorzugt, dass ein Verstellelement zum Verstellen der Dämpfungskraft des Dämpfers vorgesehen ist.
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Auf diese Weise kann die vom elastischen Koppelelement übertragene Kraft auf einfache Weise eingestellt werden, sodass das Robotersystem flexibel für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. Beispielsweise ist es möglich, die Steifigkeit des elastischen Koppelelements im laufenden Betrieb zu verändern. Im oben genannten Beispiel eines lauffähigen Roboters kann beispielsweise weniger nachgiebiges Verhalten des elastischen Koppelelements während der Standphase eingestellt werden, wobei während der Flugphase ein nachgiebigeres Verhalten eingestellt wird.
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Auch ist durch das erfindungsgemäße Robotersystem eine bessere Kompensation von stoßartigen Laständerungen möglich. Derartige Stöße werden nunmehr durch den Dämpfer gedämpft und müssen nicht mehr durch die Antriebe kompensiert werden. Eine Kompensation von Stößen durch den Dämpfer kann mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgen als durch die Antriebe.
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Es ist bevorzugt, dass der Dämpfer vollständig blockierbar ist.
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Dies kann ebenfalls durch das Verstellelement zum Verstellen der Dämpfungskraft erfolgen.
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Derartige Verstellelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden aus diesem Grunde nicht näher beschrieben. Bei einem Hydraulikdämpfer ist es beispielsweise möglich, die Anzahl und/oder Größe der Durchflussöffnungen zu variieren, durch die die Dämpfungsflüssigkeit hindurchtreten muss, sodass hierdurch die Dämpfungskraft eingestellt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Robotersystem ein hydraulisches Getriebe zur Kopplung der Betriebskraft auf das elastische Element auf.
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Im Stand der Technik wirkt das elastische Element zwischen Antrieb und Abtrieb wie ein Tiefpass, da die Feder für einen bestimmten Kraftbetrag immer erst mit dem korrespondierenden Energiebetrag geladen werden muss. Die Feder gehorcht dem Hookschen Gesetz: F = c·x. Damit korrespondiert die in der Feder geladene Energie direkt mit der Last am Abtrieb. E = c·x^2 = F^2/c. Soll nun die Position des Abtriebes gehalten werden, muss die Federenergie vom Motor aufgebracht werden. Da die Motorleistung beschränkt ist, kann dies nur in einer gewissen Geschwindigkeit geschehen. P = E/t => t = E/P. Dadurch wird die Eckfrequenz des Antriebsdurchgriffs weit in Richtung tiefe Frequenzen verschoben, sodass hochfrequente Störungen nicht mehr ausgeregelt werden können. Durch Einführung eines parallelen verstellbaren Dämpfers kann diese Eckfrequenz wieder nach oben verschoben werden, und dadurch wieder schneller auf den Abtrieb durchgegriffen werden.
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Durch Einführung eines verstellbaren Dämpfers kann die Kraft/das Moment am Abtrieb unabhängig von der Federspannung beeinflusst werden. Durch den Dämpfer erweitert sich Gleichung für die Kraft am Abtrieb um den Term d·dx. Sie lautet dann f = c·x + d·dx. D. h. für Dämpfungswerte gegen Unendlich verhält sich der Roboter wie ein starres System, mit all seinen Vor- und Nachteilen.
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In bevorzugter Ausführungsform weist das elastische Koppelelement einen äußeren Zylinder und einen insbesonders konzentrisch hierzu angeordneten inneren Zylinder auf. Der äußere Zylinder weist eine erste Gaskammer und eine zweite Hydraulikkammer auf, die durch einen ringförmigen Kolben voneinander getrennt sind. Unter einem ringförmigen Kolben wird ein Kolben verstanden, der in seiner Mitte eine zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Ausnehmung aufweist. In dieser Ausnehmung ist der innere Zylinder angeordnet. Der ringförmige Kolben liegt an der Innenwand des äußeren Zylinders und an der Außenwand des inneren Zylinders an und trennt somit die erste Gaskammer von der ersten Hydraulikkammer. Der ringförmige Kolben ist in dem äußeren Zylinder derart in axialer Richtung verschiebbar, dass sich die Volumina der ersten Gaskammer und der ersten Hydraulikkammer verändern. Dies bedeutet, dass bei einem Verschieben des ringförmigen Kolbens in eine erste Richtung das Volumen der Gaskammer vergrößert und das der Hydraulikkammer verkleinert wird, sowie umgekehrt.
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In derselben Ausführungsform weist der innere Zylinder eine zweite Gaskammer und eine zweite Hydraulikkammer auf. Diese sind ebenfalls durch einen Kolben voneinander getrennt. Dieser Kolben weist jedoch keine Ausnehmung auf. Er liegt an der Innenwand des inneren Zylinders an und trennt somit die zweite Gaskammer von der zweiten Hydraulikkammer. Dieser Kolben ist in dem inneren Zylinder derart in axialer Richtung verschiebbar, dass sich die Volumina der zweiten Gaskammer und der zweiten Hydraulikkammer verändern. Auch hier bewirkt eine Vergrößerung des Volumens der Gaskammer eine Verkleinerung des Volumens der Hydraulikkammer und umgekehrt.
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Die erste und zweite Hydraulikkammer sind mit einem Hydraulikfluid, beispielsweise mit einem Hydrauliköl, gefüllt und über ein in seinem Durchlassquerschnitt verstellbares Drosselelement fluidisch miteinander verbunden. Hierdurch wird erfindungsgemäß der Dämpfer ausgebildet. Das Drosselelement kann beispielsweise eine Vielzahl von Durchflussbohrungen aufweisen, die durch einen Drehschieber abhängig vom Drehwinkel des Drehschiebers ganz oder teilweise abdeckbar sind. Abhängig von der freigegebenen Fläche der Durchflussbohrungen kann somit die Dämpfungskraft eingestellt werden, da die Hydraulikflüssigkeit durch diese Öffnungen hindurch treten muss, um von der ersten Hydraulikkammer zur zweiten Hydraulikkammer zu gelangen.
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Es ist bevorzugt, dass die Kolbenfläche des ringförmigen Kolbens und des Kolbens unterschiedlich sind. Hierdurch wird ein hydraulisches Untersetzungsgetriebe ausgebildet.
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Durch eine Anpassung des Verhältnisses der beiden Kolbenflächen und ferner durch eine Veränderung der Volumina des inneren und äußeren Zylinders (d. h. des Gesamtvolumens der ersten Hydraulikkammer und der ersten Gaskammer in Relation zum Gesamtvolumen der zweiten Hydraulikkammer und der zweiten Gaskammer) kann eine Anpassung der Kennlinie des elastischen Koppelelements erreicht werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Gasdruck in der ersten und zweiten Gaskammer veränderbar ist. Hierdurch kann die Steifigkeit des elastischen Koppelements eingestellt werden.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
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Die Figur zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elastischen Koppelelements 1.
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Im speziellen Fall wird eine als translatorische Zugfeder ausgelegte Umsetzung der zugrundeliegenden Idee beschrieben. Genauso gut könnte die Idee auch im rotatorischen Fall umgesetzt werden.
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Das gedämpfte elastische Element besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Zylindern 2, 6, einem Kopfteil 11 und einem Bodenteil 8 sowie einer Vorrichtung zur Verstellung des Dämpfungsmaßes 18. Der innere Zylinder 2 ist derart gestaltet, dass er eine zweite Hydraulikkammer 12b besitzt, die von der Kolbenstange 13 durchquert wird, sowie eine zweite Gaskammer 12a, die keine Kolbenstange hat. Die kolbenstangenseitige Hydraulikkammer 12b ist mit Hydraulikflüssigkeit befüllt. Die Kolbenstange 13 führt durch das Bodenteil und nimmt die Betriebskräfte auf. Die zweite Gaskammer 12a ist mit Gas unter hohem Duck befüllt. Diese Kammer 12a wird als Negativkammer bezeichnet.
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Konzentrisch um diesen ersten Zylinder ist ein zweiter ringförmiger Zylinder 6 angeordnet. In diesem Zylinder 6 befindet sich ein ringförmiger Schwimmkolben 14, der sowohl nach außen an die Zylinderwand 2 als auch nach innen an das Gehäuse des inneren Zylinders 12 abdichtet. Der Schwimmkolben 14 teilt den Zylinderraum in eine Gaskammer 6a und eine Hydraulikkammer 12b. Die untere Kammer 12b ist mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, die obere Kammer 12a mit Gas unter hohem Druck. Diese zweite Gaskammer 12a wird als Positivkammer bezeichnet. Ein Kopfteil 11 verschließt die beiden Zylinder nach oben und überträgt die Reaktionskräfte aus der Umgebung an das Gehäuse des Aufbaus.
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Im Bodenteil 8 sind eine verstellbare Drossel 17 und ein nicht dargestelltes Überdruckventil untergebracht, die die Hydraulikkammern der beiden Zylinder verbinden. Die Drossel ist als Drehschieber ausgeführt und weist Durchflussbohrungen auf. Durch einen Drehschieber 17 werden diese abhängig vom Winkel des Drehschiebers durch geeignete Öffnungen ganz oder teilweise abgedeckt. Ein Miniatur-Servoantrieb 18 übernimmt die Aufgabe der Drehschiebeverstellung. Dadurch kann der Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit gesteuert werden. Würde im Betriebsfall aufgrund der Dämpfungskraft eine Überlast auftreten, öffnet das Überdruckventil und gibt den Durchfluss in die zweite Hydraulikkammer frei.
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Im Betrieb wird die Kolbenstange 13 nach unten bewegt, wodurch der Kolben 15 ebenfalls nach unten bewegt wird, da er mit der Kolbenstange 13 verbunden ist. Hierdurch erfolgt ein Verdrängen der Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Hydraulikkammer 12b. Diese tritt durch das Drosselelement 17 in die erste Hydraulikkammer 6b ein, wobei der Durchlassquerschnitt des Drosselelements 17 das Dämpfungsmaß definiert. Die zweite Gaskammer 12a entspannt sich hierbei, da sich ihr Volumen vergrößert. Gleichzeitig wird das Volumen der ersten Gaskammer 6a verringert, so dass das hierin befindliche Gas komprimiert wird. Hierdurch entsteht eine Federwirkung.
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Durch Variation des im System befindlichen Hydraulikflüssigkeitsvolumens kann die Federkennlinie des Gerätes angepasst werden. Befüllt man das System nur mit einem minimalen Volumen an Hydraulikflüssigkeit, so verhält sich die Kennlinie leicht degressiv. Mit steigendem Ölvolumen wird die Kennlinie zunehmend progressiv. D. h. mit größer werdender Auslenkung steigt die Kraft immer schneller an.
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Durch Anpassung des Gasdrucks in den beiden Kammern wird die Steifigkeit des Systems eingestellt. Je größer der eingestellte Gasdruck ist, desto schneller wird die Kraft mit der Auslenkung ansteigen.
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Das erfindungsgemäße Robotersystem kann in besonders vorteilhafter Weise verwendet werden, wenn eine elastische Mensch-Roboter-Kooperation notwendig ist und wenn ferner mit ständig wechselnden Lasten umgegangen werden muss. Weiterhin ist eine Verwendung in sämtlichen robotischen Anwendungen sinnvoll, die mit stark stoßbehafteten Aufgaben umgehen müssen.
