DE3814809A1 - Device for positioning robots with swivel joints - Google Patents

Device for positioning robots with swivel joints

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DE3814809A1 DE19883814809 DE3814809A DE3814809A1 DE 3814809 A1 DE3814809 A1 DE 3814809A1 DE 19883814809 DE19883814809 DE 19883814809 DE 3814809 A DE3814809 A DE 3814809A DE 3814809 A1 DE3814809 A1 DE 3814809A1
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Abstract

For positioning robots with swivel joints, provision is made for an angle transmitter (34) which supplies an actual position of the swivel joint, and a setpoint generator (36) which presets the desired position. A first servomotor (10) controlled by a controller (40) serves to adjust the swivel joint to the desired position. A second servomotor (18) is likewise controllable by the controller (40) in accordance with the actuating signal. A cage (26) having two rotatable end pieces (16, 22) on the same axis and having connecting bars (24) running axially between these end pieces is surrounded by a drum (28) which is provided on the swivel joint and is connected to points (30) on the connecting bars (24) via intermediate members (32). The end pieces (16, 22) are coupled to in each case one servomotor (10 and 18, respectively). The one servomotor effects, via a gearing, adjustment with sufficient torque, while the second servomotor is directly connected to the end piece and effects compensation of residual errors. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Positionierung von Robotern mit Drehgelenken, enthaltendThe invention relates to a device for positioning of robots with swivel joints containing

(a) einen Winkelgeber, der eine Istposition des Dreh­ gelenks liefert,(a) an angle encoder, which is an actual position of the rotation joint supplies,

(b) einen Sollwertgeber, der eine Sollposition des Dreh­ gelenks vorgibt,(b) a setpoint generator which has a set position of the rotation joint pretends

(c) Reglermittel, welche auf die Abweichung der Istposition von der Sollposition als Regelabweichungs­ signal ansprechen, und(c) control means which are based on the deviation of the Actual position from the target position as control deviation address signal, and

(d) einen von den Reglermitteln gesteuerten ersten Stellmotor zur Einstellung des Drehgelenks auf die Sollposition. (d) a first controlled by the controller means Actuator for adjusting the swivel to the Target position.  

Zugrundeliegender Stand der TechnikUnderlying state of the art

Roboterarme enthalten Drehgelenke, mittels derer die Roboterarme um verschiedene Achsen durch Stellmotoren verdreht werden, um eine bestimmte Position des Roboterarmes zu erhalten. Dabei wird von einem Sollwert­ geber, üblicherweise einem entsprechend programmierten Rechner, eine Sollposition vorgegeben. Die Istposition jedes Drehgelenks wird von einem Winkelgeber geliefert. Ein Stellmotor verdreht dann das Drehgelenk über Regelmittel in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Istposition und Sollposition (Regelabweichung) so, daß das Drehgelenk in die Sollposition eingedreht wird.Robotic arms contain swivel joints, by means of which the Robotic arms around different axes through servomotors be rotated to a specific position of the To get robotic arms. Doing so is from a setpoint encoder, usually an appropriately programmed one Calculator, a target position specified. The actual position each swivel joint is supplied by an angle encoder. An actuator then turns the swivel over Control means depending on the difference between Actual position and target position (control deviation) so that the Swivel joint is turned into the desired position.

Es ist nun häufig erforderlich, Roboter mit extremer Genauigkeit zu positionieren. Es sind auch Winkelgeber verfügbar, welche die Istpositionen mit der entsprechend hohen Genauigkeit liefern. Es bietet aber in der Praxis Schwierigkeiten, einen Stellmotor so genau zu steuern, daß die (genau gemessene) Istposition tatsächlich mit einer vorgegebenen Sollposition übereinstimmt. Die Winkel können also mit einer höheren Genauigkeit gemessen werden als sie durch einen Stellmotor eingestellt werden können.It is now often necessary to use robots with extreme Position accuracy. They are also angle encoders available, which corresponds to the actual positions with the deliver high accuracy. But in practice it offers Difficulties in controlling an actuator so precisely that the (exactly measured) actual position actually with a predetermined target position matches. The angles can that is, measured with a higher accuracy than them can be adjusted by an actuator.

Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, daß ein Drehgelenk bei einem Roboter in der Regel Lastmomente aufzunehmen hat. Wenn dabei ein Stellmotor nicht unhandlich groß ausgeführt aber auch nicht überlastet werden soll, dann muß der Stellmotor als Getriebemotor mit einem Untersetzungsgetriebe ausgeführt werden. Bei einem solchen Getriebemotor wird aber durch die Getriebereibung und -lose die Genauigkeit der Einstellung weiter beeinträchtigt.This problem is exacerbated by the fact that a As a rule, the swivel joint of a robot has load torques has to record. If not a servomotor bulky large but not overloaded then the servomotor must be used as a geared motor be carried out with a reduction gear. At such a geared motor is due to the Gear friction and loose the accuracy of the setting further impaired.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Positionierung von Robotern mit Dreh­ gelenken die Genauigkeit der Einstellung zu verbessern.The invention has for its object in a Device for positioning robots with rotary joints to improve the accuracy of the setting.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention, this object is achieved in that

(e) ein zweiter Stellmotor ebenfalls von Reglermitteln nach Maßgabe des Regelabweichungssignals ansteuerbar ist,(e) a second servomotor also from control means controllable in accordance with the control deviation signal is

(f) ein Käfig mit zwei gleichachsigen, drehbaren End­ stücken und zwischen diesen Endstücken auf einem gedachten Zylindermantel axial verlaufenden Verbindungsstegen vorgesehen ist,(f) a cage with two coaxial, rotatable ends pieces and between these end pieces on one imaginary cylinder jacket axially extending Connecting webs is provided,

(g) das Drehgelenk eine den Käfig umgebende Trommel enthält, die mit Punkten auf den Verbindungsstegen über Zwischenglieder in Antriebsverbindung steht,(g) the swivel is a drum surrounding the cage contains that with dots on the connecting bars is connected via drive links,

(h) ein erstes der beiden Endstücke mit dem ersten Stellmotor und ein zweites der beiden Endstücke mit dem zweiten Stellmotor gekuppelt ist.(h) a first of the two end pieces with the first Servomotor and a second of the two end pieces is coupled to the second servomotor.

Das Drehgelenk wird also einmal über einen ersten Stellmotor verstellt, vorteilhafterweise über einen Getriebemotor, der ein ausreichendes Drehmoment aufzubringen vermag. Diese Einstellung ist aber in der Regel noch mit einem Restfehler behaftet, auch wenn der Regelkreis mit dem ersten Stellmotor in seinem End­ zustand ist. Der Restfehler wird auch von dem Winkelgeber signalisiert. Dieser Restfehler wird durch einen zweiten Stellmotor korrigiert. Der zweite Stellmotor arbeitet vorzugsweise nicht über ein Getriebe sondern ist unmittelbar mit dem zweiten Endstück verbunden. Daher entfallen die durch ein Getriebe bedingten Fehlerquellen. Der zweite Stellmotor wird zunächst mit dem ersten Stellmotor und dem Drehgelenk mitverdreht. Wenn der erste Stellmotor stehenbleibt und der zweite Stellmotor durch den Restfehler und das dadurch bedingte restliche Regelabweichungssignal noch angesteuert wird, dann bewirkt der zweite Stellmotor eine Torsion des von Endstücken und Verbindungsstegen gebildeten Käfigs. Die Punkte der dabei verdrehten Verbindungsstege, die mit der Trommel in Antriebsverbindung stehen, verlagern sich dabei in Umfangsrichtung, so daß die Trommel entsprechend gegenüber dem stillstehenden ersten Stellmotor zusätzlich verdreht wird. Das kann sehr feinfühlig geschehen. Bei geeigneter Wahl der Abstände der besagten Punkte von den Endstücken kann eine Untersetzung erzielt werden. Dadurch erfolgt aber eine Reduzierung der Restfehler um die Untersetzung. Wenn auch der zweite Stellmotor in seinem Regelkreis nur bis auf einen endlichen Fehlerwinkel genau einstellbar ist, so ist doch der dadurch an der Trommel auftretende Restfehler um das Untersetzungsverhältnis kleiner als dieser Fehlerwinkel. Wesentlich ist dabei, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Stellbewegung des zweiten Stellmotors mit einer Untersetzung aber spielfrei auf das Drehgelenk übertragen wird.So the swivel is once over a first Adjusted servomotor, advantageously via a Gear motor that has sufficient torque can muster. But this attitude is usually still has a residual error, even if the control loop with the first servomotor in its end state is. The remaining error is also from the angle encoder signals. This residual error is confirmed by a second one Corrected servomotor. The second servomotor is working preferably not via a transmission but is  directly connected to the second end piece. Therefore the sources of error caused by a gearbox are eliminated. The second servomotor will start with the first Servomotor and the swivel joint rotated. If the first The servomotor stops and the second servomotor stops the remaining error and the rest of it Control deviation signal is still triggered, then causes the second servomotor has a torsion of end pieces and Crossbars formed cage. The points of doing so twisted connecting webs that are in with the drum Drive connection are, shift themselves in Circumferential direction, so that the drum accordingly opposite additionally rotates the stationary first servomotor becomes. This can be done very sensitively. With more suitable Choice of the distances of the said points from the end pieces a reduction can be achieved. This is done but a reduction of the residual errors around the reduction. If only the second servomotor in its control loop only down to a finite error angle is, the one that occurs on the drum Residual errors smaller than the reduction ratio this error angle. It is essential that with the device according to the invention the actuating movement second servomotor with a reduction but free of play is transferred to the swivel.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Embodiments of the invention are the subject of Subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. An embodiment of the invention is as follows with reference to the drawings explained.  

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die einzige Figur ist eine schematisch - perspektivische Darstellung einer Einrichtung zur Positionierung eines Drehgelenks bei einem Roboter mit zwei Stellmotoren und einer Einrichtung zur Überlagerung der Stellbewegungen der beiden Stellmotoren, wobei die Stellbewegung des zweiten Stellmotors mit Untersetzung und spielfrei auf das Drehgelenk übertragen wird.The only figure is a schematic - perspective Representation of a device for positioning a Swivel joint in a robot with two servomotors and a device for superimposing the actuating movements of the two servomotors, the actuating movement of the second Actuator with reduction and backlash-free on that Pivot joint is transmitted.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Ein erster Stellmotor 10 treibt über ein Getriebe 12 eine Welle 14. Auf der Welle 14 sitzt ein erstes, scheiben­ förmiges Endstück 16. Ein zweiter Stellmotor 18 ist über eine Welle 20 unmittelbar mit einem zweiten Endstück 22 verbunden. Die beiden Endstücke 16 und 22 sind gleichachsig zueinander im Abstand voneinander angeordnet. Die beiden Endstücke 16 und 22 sind durch axiale Verbindungsstege 24 verbunden. Die Verbindungsstege 24 haben flach rechteckigen Querschnitt und liegen auf der Mantelfläche eines gedachten Zylinders. Die Verbindungs­ stege 24 sind in gleichen Winkelabständen angeordnet. Es wird so von den Endstücken 16 und 22 und den Verbindungs­ stegen 24 ein Käfig gebildet, der insgesamt mit 26 bezeichnet ist.A first servomotor 10 drives a shaft 14 via a gear 12 . A first, disk-shaped end piece 16 sits on the shaft 14 . A second servomotor 18 is connected directly to a second end piece 22 via a shaft 20 . The two end pieces 16 and 22 are arranged coaxially to one another at a distance from one another. The two end pieces 16 and 22 are connected by axial connecting webs 24 . The connecting webs 24 have a flat rectangular cross section and lie on the outer surface of an imaginary cylinder. The connecting webs 24 are arranged at equal angular intervals. It is thus formed by the end pieces 16 and 22 and the connecting webs 24, a cage, which is designated overall by 26 .

Der Käfig 26 ist von einer Trommel 28 umgeben, die einen Teil eines Drehgelenks eines Roboters bildet. An Punkten 30 sind die Verbindungsstege 24 über Zwischenglieder 32 mit der Innenfläche der Trommel 28 in Antriebsverbindung.The cage 26 is surrounded by a drum 28 which forms part of a rotary joint of a robot. At points 30 , the connecting webs 24 are drivingly connected to the inner surface of the drum 28 via intermediate members 32 .

Die Position der Trommel 28 und damit des Drehgelenks wird durch einen hochgenauen Winkelgeber 34 abgegriffen. Dieser liefert eine "Istposition". Ein Sollwertgeber 36, üblicherweise ein Rechner, gibt eine Sollposition vor. Die Differenz, die in einem Summierpunkt 38 gebildet wird, ist als Regelabweichung auf Reglermittel 40 geschaltet. Die Reglermittel 40 steuern, wie dargestellt, die beiden Stellmotoren 10 und 18. Die Steuerung erfolgt mit solchen Übertragungsfunktionen, daß zunächst die Einstellung überwiegend durch den ersten Stellmotor 10 erfolgt, bis die Sollposition wenigstens ungefähr erreicht ist und erst dann der zweite Stellmotor für eine "Feineinstellung" in Aktion tritt.The position of the drum 28 and thus of the swivel joint is tapped by a highly precise angle sensor 34 . This provides an "actual position". A setpoint generator 36 , usually a computer, specifies a setpoint position. The difference, which is formed in a summing point 38 , is connected to the control means 40 as a control deviation. The control means 40 , as shown, control the two servomotors 10 and 18 . The control is carried out with such transfer functions that the setting is initially carried out predominantly by the first servomotor 10 until the target position is at least approximately reached and only then does the second servomotor come into action for a “fine adjustment”.

Der erste Stellmotor 10 verstellt den Käfig 26 und über die Zwischenglieder 32 die Trommel 28 wenigstens ungefähr in die Sollposition. Es wird dann eine Endposition des ersten Stellmotors erreicht, in welcher der erste Stellmotor 10 stehenbleibt und von dem Regelkreis nicht mehr weiter verstellt wird. Wegen der Reibung und des Spiels des Getriebes 12 und anderer Einflüsse stimmt diese Endposition in der Regel nicht genau mit der Sollposition überein. Der Winkelgeber 34, der die Position der Trommel 28 unmittelbar abgreift, signalisiert weiter eine Regelabweichung.The first servomotor 10 moves the cage 26 and, via the intermediate members 32, the drum 28 at least approximately into the desired position. An end position of the first servomotor is then reached, in which the first servomotor 10 stops and is no longer adjusted by the control loop. Because of the friction and play of the transmission 12 and other influences, this end position generally does not exactly match the target position. The angle encoder 34 , which taps the position of the drum 28 directly, further signals a control deviation.

Der zweite Stellmotor 18 ist bei diesem Einstellvorgang über Welle 14, Käfig 26 und Welle 20 praktisch mitgedreht worden, so daß er jetzt auch in der angenäherten Sollposition steht. Der erste Stellmotor wird jetzt arretiert. Das kann durch eine Selbsthemmung des Getriebes 12 ohne besondere Maßnahmen geschehen. Es kann auch eine mechanische Arretiervorrichtung 42 vorgesehen werden, wie sie in der Figur schematisch dargestellt ist. Es kann auch eine elektrische Arretierung über die Motorwicklung stattfinden. Es wird jetzt der zweite Stellmotor, der ja wegen der immer noch vorhandenen Regelabweichung noch angesteuert wird, wirksam und verdreht das zweite Endstück 22. Dabei wird der Käfig 26 tordiert. Über die dabei in Umfangsrichtung bewegten Punkte 30 und Zwischenglieder 32 wird die Trommel 28 zusätzlich verdreht.The second servomotor 18 has been practically rotated in this setting process via shaft 14 , cage 26 and shaft 20 , so that it is now also in the approximate target position. The first servomotor is now locked. This can be done by self-locking the gear 12 without special measures. A mechanical locking device 42 can also be provided, as is shown schematically in the figure. Electrical locking can also take place via the motor winding. The second servomotor, which is still controlled because of the control deviation still present, now takes effect and rotates the second end piece 22 . The cage 26 is twisted. The drum 28 is additionally rotated via the points 30 and intermediate members 32 which are moved in the circumferential direction.

Der Drehwinkel ϕ A der Trommel 28 ergibt sich als lineare Interpolation der Drehwinkel ϕ B des ersten Endstücks 16 und ϕ C des zweiten Endstücks 22, wobei die axialen Abstände b und c der Punkte 30 von den Endstücken 16 bzw. 22 berücksichtigt werden müssen. Es istThe angle of rotation ϕ A of the drum 28 results as a linear interpolation of the angles of rotation ϕ B of the first end piece 16 and ϕ C of the second end piece 22 , wherein the axial distances b and c of the points 30 from the end pieces 16 and 22 must be taken into account. It is

Wenn c klein gegen b ist, und unter der hier gültigen Voraussetzung, daß die Winkel sich nur wenig unter­ scheiden, ergibt sich daraus:If c is small against b , and under the condition that the angles are only slightly different, the following results:

Es erfolgt also eine Winkeladdition, wobei der eine der zu addierenden Winkel stark untersetzt wird.So there is an angle addition, one of which is too additive angle is strongly reduced.

Die Kopplung zwischen der Lastwelle, also der Trommel 28, und den Antriebswellen, also den Wellen 14 und 20 ist sehr steif. Eine Verdrehung der Trommel relativ zu den Wellen 14 und 20, wenn diese Wellen festgehalten sind, würde eine Durchbiegung der Verbindungsstege 24 bedingen. Diese Verbindungsstege 24 sind jedoch wegen ihres flach- rechteckigen Querschnitts in Umfangsrichtung sehr steif. Die Federkonstante zwischen Antriebsseite und Abtriebsseite ist daher sehr groß. Der Käfig 26 ist dagegen so ausgebildet, daß sich eine geringe Torsionssteifigkeit ergibt. Es besteht daher in erster Näherung keine Federwirkung zwischen den beiden Antriebsseiten, also den Wellen 14 und 20. Die Federkonstante zwischen den beiden Antriebsseiten ist sehr klein.The coupling between the load shaft, i.e. the drum 28 , and the drive shafts, i.e. the shafts 14 and 20, is very rigid. A rotation of the drum relative to the shafts 14 and 20 , if these shafts are held, would cause the connecting webs 24 to bend. However, these connecting webs 24 are very stiff in the circumferential direction because of their flat, rectangular cross section. The spring constant between the input side and output side is therefore very large. The cage 26 , however, is designed so that there is a low torsional rigidity. There is therefore, in a first approximation, no spring action between the two drive sides, that is to say the shafts 14 and 20 . The spring constant between the two drive sides is very small.

Durch die beschriebene Einrichtung verbessert sich die abtriebseitige Einstellgenauigkeit auf das 1/N fache der beteiligten Stellmotoren, wobeiThe device described improves the output-side setting accuracy to 1 / N times the servomotors involved, whereby

N=b/(b+c) N = b / (b + c)

das "Untersetzungsverhältnis" ist. Eine abtriebseitig, also an der Trommel 28 festgestellte Regelabweichung kann durch ein Kommando zu Änderung der Position des zweiten Stellmotors 18 um N korrigiert werden.is the "reduction ratio". A control deviation determined on the output side, that is to say on the drum 28 , can be corrected by N by a command to change the position of the second servomotor 18 .

Diese Wirkung tritt auch ein, wenn der erste Stellmotor kein Getriebemotor ist oder wenn beide Stellmotoren als Getriebemotoren ausgeführt sind. Auch dann erfolgt durch den zweiten Stellmotor eine Feineinstellung mit höherer Genauigkeit als die mit einem einzelnen Stellmotor erzielbare Einstellgenauigkeit.This effect also occurs when the first servomotor is not a geared motor or if both servomotors are as Geared motors are executed. Then also done by the second servomotor a fine adjustment with higher Accuracy than that with a single actuator achievable setting accuracy.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Positionierung von Robotern mit Drehgelenken, enthaltend
  • (a) einen Winkelgeber (34), der eine Istposition des Drehgelenks liefert,
  • (b) einen Sollwertgeber (36), der eine Sollposition des Drehgelenks vorgibt,
  • (c) Reglermittel (40), welche auf die Abweichung der Istposition von der Sollposition als Regel­ abweichungssignal ansprechen, und
  • (d) einen von den Reglermitteln (40) gesteuerten ersten Stellmotor (10) zur Einstellung des Drehgelenks auf die Sollposition,
1. Device for positioning robots with swivel joints, containing
  • (a) an angle encoder ( 34 ) which provides an actual position of the swivel joint,
  • (b) a setpoint device ( 36 ) which specifies a setpoint position of the swivel joint,
  • (c) controller means ( 40 ), which respond to the deviation of the actual position from the target position as a control deviation signal, and
  • (d) a first servomotor ( 10 ) controlled by the control means ( 40 ) for setting the swivel joint to the desired position,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (e) ein zweiter Stellmotor (18) ebenfalls von Regler­ mitteln (40) nach Maßgabe des Regelabweichungs­ signals ansteuerbar ist,
  • (f) ein Käfig (26) mit zwei gleichachsigen, drehbaren Endstücken (16, 22) und zwischen diesen Endstücken auf einem gedachten Zylindermantel axial verlaufenden Verbindungsstegen (24) vorgesehen ist,
  • (g) das Drehgelenk eine den Käfig (26) umgebende Trommel (28) enthält, die mit Punkten (30) auf den Verbindungsstegen (24) über Zwischenglieder (32) in Antriebsverbindung steht,
  • (h) ein erstes der beiden Endstücke (16) mit dem ersten Stellmotor (10) und ein zweites der beiden Endstücke (22) mit dem zweiten Stellmotor (18) gekuppelt ist.
 characterized in that
  • (e) a second servomotor ( 18 ) can also be controlled by controller means ( 40 ) in accordance with the control deviation signal,
  • (f) a cage ( 26 ) with two coaxial, rotatable end pieces ( 16 , 22 ) and between these end pieces on an imaginary cylinder jacket axially extending connecting webs ( 24 ) is provided,
  • (g) the swivel joint contains a drum ( 28 ) which surrounds the cage ( 26 ) and which is in drive connection with points ( 30 ) on the connecting webs ( 24 ) via intermediate members ( 32 ),
  • (h) a first of the two end pieces ( 16 ) is coupled to the first servomotor ( 10 ) and a second of the two end pieces ( 22 ) is coupled to the second servomotor ( 18 ).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • (a) der erste Stellmotor (10) in seiner Endposition in welcher die Istposition des Drehgelenks wenigstens annähernd der Sollposition entspricht, arretierbar ist und
  • (b) der zweite Stellmotor (18) nach der Arretierung des ersten Stellmotors (10) durch Verwindung des Käfigs (26) eine Feineinstellung des Drehgelenks bewirkt.
2. Device according to claim 1, characterized in that
  • (a) the first servomotor ( 10 ) in its end position in which the actual position of the swivel joint corresponds at least approximately to the desired position, can be locked and
  • (B) the second servomotor ( 18 ) after locking the first servomotor ( 10 ) by twisting the cage ( 26 ) causes a fine adjustment of the swivel joint.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand (b) der Punkte (30), in denen die Verbindungsstege (24) mit der Trommel (28) in Antriebsverbindung stehen, von dem ersten Endstück (16) wesentlich kleiner ist als der axiale Abstand (c) dieser Punkte von dem zweiten Endstück (22).3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the axial distance ( b ) of the points ( 30 ) in which the connecting webs ( 24 ) with the drum ( 28 ) are in driving connection, from the first end piece ( 16 ) substantially is smaller than the axial distance ( c ) of these points from the second end piece ( 22 ).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0625651A1 (en) * 1993-05-19 1994-11-23 DEWITTA-SPEZIALMASCHINENFABRIK WITTENSTEIN GmbH &amp; CO. KG Method for the control of the dynamic and/or wear status of a transmission during operation and device for its application

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