DE4435289C1

DE4435289C1 - Anordnung zur Reibungskompensation eines Steuerarms

Info

Publication number: DE4435289C1
Application number: DE4435289A
Authority: DE
Inventors: Helmut Breitwieser; Markus Dickerhof
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-10-01
Filing date: 1994-10-01
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2014-10-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur aktiven Reibungskom pensation an einem von einem Bediener betätigten Steuerarm, dessen Rotations- und Schubgelenke von Antriebseinrichtungen bewegt werden, und ein Verfahren zur Betätigung der Anordnung.

Zweck der Erfindung ist, mit dem von dem Bediener zu betäti genden Steuerarm zusammen mit einer Steuereinrichtung die Be wegungsvorgänge von realen oder virtuellen Arbeitsgeräten zu steuern. Es wird damit eine Position oder gleichbedeutend eine Orientierung und/oder es werden entsprechende Geschwindigkei ten, Drehmomente und/oder Kräfte gesteuert. In diesem Zusam menhang sind Steuerarme gemeint, die motorisch angetrieben werden, und die dem Bediener ein Kraft-Drehmoment-Gefühl (Kraftreflexion) vermitteln.

Im einfachsten Fall weist ein solcher Steuerarm, auch Steuer knüppel genannt, einen einzigen Freiheitsgrad auf. Steuerknüp pel in Helikoptern haben bis vier Freiheitsgrade. Steuerknüp pel für Industrie- und Teleroboter haben sechs, sieben oder noch mehr Freiheitsgrade.

Die Ausrüstung eines Steuerarms mit Motoren, meist Elektromo toren, seltener hydraulische oder pneumatische Antriebe, hat zwei wesentliche Zweckbestimmungen: einmal die Vermittlung von Kraft und Drehmoment als Information über Belastung oder Auf wand auf der Arbeitsseite, zum andern, den Steuerarm für den Bediener leichter handhabbar zu machen. Hierbei ist vornehm lich an Eigengewichtsausgleich gedacht.

Der Bediener empfindet in der Regel die nachteilige Eigen schaft einer störenden Reibung, die durch die Motoren und die mechanische Konstruktion der Anordnung verursacht wird. Diese Reibung ist bei längerem Arbeiten sehr anstrengend und ermü dend. Sie verhindert, daß dem Bediener kleinere Momente und/oder Kräfte als den Reibungsmomenten/-kräften vermittelt werden können.

Die Reibung ist in ihrer Wirkung bekanntlich von der Bewe gungsrichtung und dem Betrag der Geschwindigkeit abhängig. Sie ist nichtlinear, insbesondere bei einer Bewegungsumkehr. Dort erfolgt ein Sprung in der Reibungswirkung.

Konstruktive Lösungen zur Reduktion oder gar Vermeidung der Reibung bestehen darin, bei der Getriebekonstruktion die Auf merksamkeit darauf zu lenken, Präzisionsmechaniken einzubauen und reibungsarme, falls möglich bürstenlose, mit Feld schwächung arbeitende Elektromotoren einzusetzen (siehe Prof. Dr. sc. techn. Joh. Vogel et al., "Elektrische Antriebstech nik", Hüthig Buch Verlag, 1991, S. 370-371).

Ein anderer Weg ist, störende Drehmomente und/oder Kräfte aus zuregeln. Dazu sind Kraft-Drehmoment-Sensoren notwendig. Für Steuerarme sind verschiedene Lösungen mit kombinierten 3D- Kraft/3D-Drehmomentsensoren beschrieben worden (siehe z. B.: Masao Inoue et al., "Six-axis bilateral control . . . " in Advanced Robotics, Vol. 4, No. 2. pp. 139-150 (1990)). Solche kombinierten Sensoren sind sehr kostspielig. Sie haben ein temperaturbedingtes Driftverhalten, einen eng begrenzten Meßbereich und ein verhältnismäßig großes Bauvolumen.

Aus der DE-OS 25 27 055 ist eine Anordnung zur aktiven Rei bungskompensation an einem von einem Bediener betätigten Steu erarm bekannt, dessen Rotations- und/oder Schubgelenke durch Antriebseinrichtungen bewegt werden. Dabei ist ein Positions geber steif an den vom Bediener zu betätigenden Steuergriff gekoppelt. Der Positionsgeber ist an eine Steuerelektronik an geschlossen in der entschieden wird, mit welchem Kompensa tionsmoment neben dem Stellmoment die Antriebseinrichtung be trieben werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zur Reibungskompensation eines von einem Bediener betätigten, mit Dreh- und/oder Schubgelenken ausgestatteten Steuerarms bereit zustellen, bei der die örtliche Antriebseinrichtung oder ört lichen Antriebseinrichtungen stets eine der dort wirkenden Reibungskraft oder einem dort wirkenden Reibungsmoment ent sprechende Kompensationskraft oder entsprechendes Kompensati onsmoment aufbringt oder aufbringen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung, wie sie in Anspruch 1 und 6, prinzipiell gekennzeichnet ist, gelöst.

Bei der Anordnung nach Anspruch 1 ist eine Baugruppe oder ein Bauteil mit einstellbarer elastischer Eigenschaft vorhanden, durch die die Antriebseinrichtung wie etwa ein Motor ein schließlich Getriebe gekoppelt wird. Durch diese Elastizität wird die Steuerungseinrichtung in die Lage versetzt, auch bei kritischen Bewegungssituationen rechtzeitig ein aktives Kom pensationsmoment oder eine aktive Kompensationskraft zu stel len, ohne daß der Bediener bereits den Antriebsstrang, der die störende Reibung bewirkt, in Bewegung gesetzt hat. Dies wäre nicht der Fall, wenn Drehzahlgeber 6, die auf der Motorwelle 8 angeflanscht sind, genutzt werden müssen.

Das elastische Zwischenelement bewirkt für die Aufgabe der Kraftreflexion keine nachteiligen Eigenschaften.

An Stelle eines passiven elastischen Zwischenelements kann auch eine schnell schaltbare Kupplung eingesetzt werden (ne bengeordneter Anspruch 6). Die Steuerungseinrichtung koppelt dann den Antrieb erst bei einer Situation an, in der dem Be diener Momente vermittelt werden sollen oder alternativ, wenn der Drehzahlgeber oder der Geschwindigkeitsgeber unter Berück sichtigung des nicht zu vermeidenden Störrauschens eindeutig eine Drehbewegung oder eine Bewegung überhaupt anzeigen kann.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Rotationsgelenks und eines Schubgelenks näher beschrieben werden, wobei für beide Gelenke eine prinzipielle Beschreibung ausreichend ist.

Es zeigt:

Fig. 1 die Anordnung zur aktiven Reibungskompensation am Drehgelenk eines Steuerarms,

Fig. 2 die Anordnung zur aktiven Reibungskompensation am Schubgelenk eines Steuerarms,

Fig. 3 typische Kennlinie für die Reibungseigenschaften einer Bewegungsmöglichkeit.

Grundsätzlich kann der durch den Bediener (Pilot, Operateur oder dergleichen) betätigte Steuergriff ein Masterarm, ein Handsteuergerät, ein Steuerknüppel sein, mit dem ein Arbeits gerät wie ein Arbeitsarm, Teleroboter, Manipulator oder ein Luft- oder Unterwasserfahrzeug gesteuert wird. Es können dar über hinaus auch virtuelle Arbeitsgeräte wie Simulatoren ins besondere in der Luft- und Raumfahrttechnik oder in der Fern hantierungstechnik betrieben werden.

Die Anordnung besteht aus dem Steuergriff 1, dem Drehzahlgeber 2, dem elastischen Zwischenstück 3, der über eine Welle gekop pelten Antriebseinrichtung 4 und der Steuereinrichtung 10. Der Bediener hält den Steuergriff 1 unmittelbar in der Hand. Mit dem Steuergriff 1 ist der Drehzahlgeber starr gekoppelt. Das elastische Zwischenstück 3 ist im allgemeinen in seiner Ela stizität einstellbar, was durch den Aufsatz (Stelleinrichtung) 9 angedeutet sein soll. Die daran ansetzende Welle 8 oder Zahnstange koppelt an den Elektromotor 4 direkt oder über ein Getriebe an.

Das Ganze ist im Durchführungsbeispiel mit einem Armteil auf der Montagebasis 7 angeordnet und über Kabelverbindungen 14, 15 an die Steuerungseinrichtung 10 angeschlossen. Bei Anord nungen mit mehr als einem Armteil kann der Motor 4 natürlich über ein Getriebe an das elastische Bauteil 3 gekoppelt sein.

Die Meßelektronik 13 in der Steuerungseinrichtung 10 erhält vom Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgeber 2 die auf zubereiten den und zu verarbeitenden Signale, die dann in der Steuerelek tronik oder dem Steuerrechner 11 zur Erzeugung der entspre chenden Stellsignale für den Stromsteller 12 verarbeitet wer den. Die Einrichtung 11 entscheidet also, mit welchem Kompen sationsstrom der Stromsteller 12 den Elektromotor betreibt, um die gerade auftretende Reibung zu kompensieren.

Aus sicherheitstechnischen Gründen ist für jeden Armteil des motorisch angetriebenen Steuerarms eine Sicherheitsbremse 5 vorhanden.

Folgender prinzipieller Entscheidungsalgorithmus steuert die Antriebseinrichtung 4:

wenn I_stell < 0 dann τ_M < 0 und
wenn I_stell < 0 dann τ_M < 0.

Vorausgesetzt wird näherungsweise ein linearer Zusammenhang zwischen I_stell und τ_M für das Verhalten des Motors 4 zusammen mit dem Stromsteller 12, der Antriebseinrichtung 4, 12. D. h. der Motor 4 wird mit dem Stromsteller 12 als Momentensteller betrieben.

Die Einrichtung 11 entscheidet nach folgendem Prinzip:

wenn qp_mess < qp_plus,
dann I_stell := I_stellplus + f₁ (qp_mess);
andererseits, wenn qp_mess < qp_minus,
dann I_stell := I_stellminus + f₂ (qp_mess);
andererseits gilt I_stell := f₃ (qp_mess, t).

Dabei ist:

I_stell der Stellstrom (Stellmoment),
τ_M das vom Motor erzeugte (Läufer) erzeugte Drehmoment,
qp_mess die gemessene Drehzahl,
qp_plus, qp_minus der jeweilige Schwellwert für Drehzahlen positiver und negativer Drehrichtung,
I_stellplus, I_stellminus der jeweilige Stellwert für τ_M < 0 und τ_M < 0,
f_i, i=1 . . . 3 geeignete Funktion von qp_mess oder Zeit t, oder aber eine Konstante.

Der Entscheidungsalgorithmus kann von einem Steuerrechner, Steuerprozessor, aber auch ganz oder teilweise fest verdrah tet, verbindungsprogrammiert genannt, ausgeführt werden. Diese Einrichtungen können in der Steuerungseinrichtung 10 genutzt werden, die ohnehin für Steuerungs- und Regelaufgaben mit Steuerarmen erforderlich sind.

Als Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgeber werden Tachogenerato ren, Resolver/Synchros (Drehmelder) und auch hochauflösende Inkrementalgeber verwendet.

Das elastische Bauteil oder die Baugruppe 3 kann durch eine mit Anpreßrollen spannbare Zahnriemenkonstruktion realisiert werden. Darüber hinaus kommen Seilkonstruktionen oder Torsi onsfederkonstruktionen in Betracht.

Fig. 3 zeigt der Vollständigkeit halber die charakteristische Kennlinie für die Reibungseigenschaften einer Bewegungsmög lichkeit. Da die Reibung einerseits immer einer Bewegung ent gegenwirkt und andererseits bei jeder Geschwindigkeit, also auch bei Null, eine endliche bzw. von Null verschiedene Größe ist, erfolgt bei einer Richtungsumkehr der Geschwindigkeit oder der Winkelgeschwindigkeit immer ein Sprung im Verlauf der Reibungskraft oder des Reibungsmoments. Außer beim Nulldurch gang kann die Reibung durchaus abschnittsweise linear mit der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit verlaufen.

Bezugszeichenliste

1 Steuergriff
2 Drehzahlgeber, Geschwindigkeitsgeber, Geber
3 Bauteil, Baugruppe, Zwischenstück
4 Antriebseinrichtung, Motor, Elektromotor
5 Sicherheitsbremse
6 Drehzahlgeber, Positionsgeber
7 Montagebasis
8 Welle, Zahnstange
9 Aufsatz, Elastizitätsvorgabe
10 Steuerungseinrichtung
11 Steuerrechner, Steuerelektronik, Einrichtung
12 Stromsteller
13 Meßelektronik
14 Kabelverbinder
15 Kabelverbinder

Claims

1. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation an einem von ei nem Bediener betätigten Steuerarm, dessen Rotations- und/oder Schubgelenke durch Antriebseinrichtungen bewegt werden, wobei ein Positionsgeber (2) zum Erfassen der Rota tions(Winkel)- oder Translationsgeschwindigkeit steif an den vom Bediener zu betätigenden Steuergriff (1) gekoppelt ist und der Geber (2) an einen Steuerrechner (11) oder eine Steuerelektronik (11) angeschlossen ist, in dem oder der entschieden wird, mit welchem Kompensationsmoment neben dem Stellmoment oder mit welcher Kompensationskraft neben der Stellkraft die Antriebseinrichtung (4, 12) angetrieben wer den soll, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergriff (1) ein Bauteil (3) mit vorgebbaren elasti schen Eigenschaften folgt, durch das die Antriebseinrich tung (4) mit dem Steuergriff (1) gekoppelt ist.

2. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (2) ein Drehzahlgeber zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit oder ein Geschwindigkeitsgeber zur Ermittlung der Translationsgeschwindigkeit ist.

3. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Steuergriff (1) ein Masterarm oder ein Handsteuergerät oder ein Handkontroller oder ein Joystick oder ein Steuerknüppel ist.

4. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (4, 12) ein Motor (4) mit einer Stelleinrichtung (12) ist und der Motor (4) zu dem nach außen abzugebenden Stellmoment das erforderliche Kompensa tionsmoment oder zu der Stellkraft die erforderliche Kom pensationskraft abgibt.

5. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4) ein Elektromotor oder ein hydraulischer oder ein pneumatischer Motor (Antrieb) ist.

6. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation an einem von ei nem Bediener betätigten Steuerarm, dessen Rotations- und/oder Schubgelenke durch Antriebseinrichtungen bewegt werden, wobei ein Positionsgeber (2) zum Erfassen der Rota tions(Winkel)- oder Translationsgeschwindigkeit steif an den vom Bediener zu betätigenden Steuergriff (1) gekoppelt ist und der Geber (2) an einen Steuerrechner (11) oder eine Steuerelektronik (11) angeschlossen ist, in dem oder der entschieden wird, mit welchem Kompensationsmoment neben dem nach außen abzugebenden Stellmoment oder mit welcher Kom pensationskraft neben der Stellkraft die Antriebseinrich tung (4, 12) angetrieben werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergriff (1) eine schnell schaltbare Kupplung (3) folgt, durch die die Antriebseinrichtung (4) bei Bedarf ge koppelt oder entkoppelt wird.

7. Anordnung zur aktiven Reibungskompensation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergriff (1) über mindestens ein Armteil (kinemati sche Kette) mit dem elastischen Bauteil (3) bzw. der Kupplung (3) verbunden ist.