WO2020200802A1 - Intuitive einstellung einer kraftregelung für robotermanipulatoren - Google Patents

Intuitive einstellung einer kraftregelung für robotermanipulatoren Download PDF

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WO2020200802A1
WO2020200802A1 PCT/EP2020/057565 EP2020057565W WO2020200802A1 WO 2020200802 A1 WO2020200802 A1 WO 2020200802A1 EP 2020057565 W EP2020057565 W EP 2020057565W WO 2020200802 A1 WO2020200802 A1 WO 2020200802A1
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force control
control
control unit
parameter
force
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PCT/EP2020/057565
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Andreas SPENNINGER
Felix Beuke
Annika Wollschläger
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Franka Emika Gmbh
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
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    • G05B19/409—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using manual data input [MDI] or by using control panel, e.g. controlling functions with the panel; characterised by control panel details or by setting parameters
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    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42033—Kind of servo controller

Definitions

  • the invention relates to a robot system, in particular for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator of the robot system, and a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator.
  • the object of the invention is to make the setting and the configuration of a force control of a robot manipulator simpler and more reliable with regard to its bandwidth.
  • a first aspect of the invention relates to a robot system, comprising:
  • the input device has a first adjusting element and a position of the first adjusting element between a lower stop and an upper stop is adjustable by a user, the position of the first adjusting element being assigned to a first variable between a predetermined lower limit and a predetermined upper limit
  • the control unit is designed to carry out a force control of the robot manipulator and to convert the first variable assigned to the current position of the first control element via a predetermined mapping into a respective value of at least one first parameter of the force control, the respective value of the at least one first parameter of the force control determines a bandwidth of the force control.
  • the robot manipulator is in particular a kinematic chain that can be moved by electrical actuators and consists of a large number of links connected to one another by joints.
  • An end effector is preferably arranged on the distal member.
  • a force control of the robot manipulator relates in particular to the specification of a desired force that is exerted by the robot manipulator, in particular with its end effector, on an object in the vicinity of the robot manipulator. So that the desired force is correctly exerted and to control disturbances is a feedback loop is advantageously provided in the force control, the
  • Feedback loop returns a measured force or an estimated force, in particular by subtracting the desired force, into the channel of the input signal of the actuators of the robot manipulator.
  • an input signal for the actuators of the robot manipulator is generated from the control difference, so that the closed control loop ensures that the robot manipulator exerts the desired force on the object in the vicinity of the robot manipulator.
  • the control unit of the robot manipulator is designed in particular to the
  • control unit is in particular a computer, which is either preferably arranged in the housing of the robot manipulator or in a base of the robot manipulator, or only via a data line with the
  • Robot manipulator is connected.
  • the adjusting element is preferably a slide control or a rotary control, in each case preferably represented on a screen as an input device, particularly preferably on a touch-sensitive screen, or alternatively preferably designed as a mechanical design.
  • the bandwidth of the force control is determined in particular by the frequency at which the amplitude gain decreases by 3 dB.
  • the amplitude gain is the ratio of the desired amplitude of a signal and the actual amplitude of the output signal of the closed control loop. This definition of bandwidth applies particularly to linear systems. In linear systems, the frequency of the input signal is always the same as the frequency of the
  • the output signal occurs with a certain amplitude gain that is dependent on the frequency of the input signal and with a certain phase delay that is dependent on the frequency of the input signal.
  • Robot manipulators can be used as linear systems, at least in some areas
  • bandwidth can be described approximately well, whereby the above definition of the bandwidth can also be used for this type of mild non-linear systems.
  • Alternative definitions of bandwidths exist which also relate in particular to a phase delay or which relate to a different value of the decrease in energy with regard to the amplitude of the output signal relative to the input signal. All of these definitions of the bandwidth of a closed chain force control for What a robot manipulator has in common, however, is that the bandwidth reflects a certain choice in the compromise between the performance of the controller and the stability of the controller. This compromise is easily recognizable by how quickly and with which
  • the response to the jump signal can have an overshoot, approach each other asymptotically, or it can have an even higher damping than in the asymptotic limit case.
  • the force control is a PI controller or a PID controller, the at least one first parameter being a P and / or an I and / or D gain in a forward branch and / or in a feedback loop and / or is a degree of freedom in a filter of the forward branch or the feedback loop.
  • the respective filter is preferably a linear filter, that is to say a linear filter
  • the filter is preferably a low-pass filter or a band-pass filter or a lead-lag filter whose natural frequencies and attenuations can be parameterized by the at least one first parameter of the force control.
  • control unit is designed to determine the predefined mapping in such a way that there is a linear relationship between the position of the first adjusting element and the bandwidth of the force control.
  • the relationship between the bandwidth of the closed control loop of the force control and the position of the first control element is predetermined by certain mathematical relationships. As a rule, this relationship can be determined by the analytical resolution of equations; an iterative search method can be used, in particular in the case of non-linear and adaptive controls can be used to convert a desired bandwidth into the at least one first parameter of the force control.
  • the linear relationship advantageously ensures a very intuitive link between the position of the first adjusting element and the bandwidth of the force control.
  • the bandwidth of the force control is preferably expressed in a logarithmic scale as in a Bode diagram, so that a doubling of the position of the first adjusting element leads to a doubling of the
  • Powers of ten of the frequencies leads, for example, from 10 1 Hz to 10 2 Hz, the size ranges of the adjustability of the position advantageously moving in significantly smaller ranges.
  • control unit is designed to determine the predefined mapping in such a way that, in a central position of the first adjusting element, the force control complies with an asymptotic limit case for an overshoot of a step response of the closed control loop.
  • the asymptotic limit case is determined in particular by such a damping that just does not lead to an overshoot in the impulse response of the output signal of the closed control loop. This means that the control system is designed which can be used to generate the fastest control without an overshoot.
  • control unit is designed to adapt a bandwidth of a feedback loop of the force control according to the value of at least the first parameter of the force control and a
  • the feedback loop of the force control is set, which is responsible for the stability of the force control.
  • the control unit is designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop in such a way that the closed control loop does not have an overshoot and is precisely stationary.
  • the steady-state accuracy and the absence of an overshoot in the forward branch advantageously provide a particularly good transmission behavior of signals of given forces and of the forces actually exerted by the robot manipulator on an object in the surroundings.
  • control unit is designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop by adapting the relative degree of a transfer function in the forward branch.
  • the relative degree of a transfer function denotes the difference between poles and
  • the relative degree thus represents a measure of which order can be regulated by dynamic systems with one hundred percent accuracy, so that a given trajectory, which is multiplied by this transfer function, can also be followed by the route, in this case the robot manipulator.
  • a certain inertia and an integrative character of the specified signals for the closed control loop are adapted to a certain category of dynamic systems.
  • control unit is designed to convert the first variable assigned to the current position of the first control element via a predetermined mapping into a respective value of at least one first parameter of the force control during the runtime of the force control, and the force control of the robot manipulator during the Run time with the current force control parameters.
  • the adaptation of the force control during the running time that is to say dynamically, has the advantage that the control behavior of the force control can be adapted by a user during the running time without interruptions and can be readjusted according to the current situation.
  • the input device has a second adjusting element, and a position of the second adjusting element between a lower stop and an upper stop can be adjusted by a user, the position of the second adjusting element of a second size between a predetermined lower limit and a predetermined upper limit is assigned, wherein the control unit is designed to provide a force control of the
  • the respective value of the at least one first parameter of the force control determining a bandwidth in a feedback loop of the force control and the respective value of the at least one second parameter of the Force control determines a bandwidth and / or an order or time constant of a filter in a forward branch of the force control.
  • Another aspect of the invention relates to a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator, comprising the steps:
  • Show it: 1 shows a robot system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a force control of the robot system according to the embodiment of FIG.
  • FIG. 3 shows a method for setting a bandwidth of a force control of a
  • Robot manipulator according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a robot system 1.
  • This has a robot manipulator 3 which is controlled by a control unit 5 and is connected to an input device 7, a portable computer, and receives information therefrom via inputs to the input device 7.
  • the input device 7 has a first adjusting element designed as a slide control. A position of the first adjusting element between a lower stop and an upper stop can be adjusted by a user using the mouse or by touching the screen 7, the position of the first adjusting element being assigned a first variable between a predetermined lower limit and a predetermined upper limit.
  • the control unit 5 is also designed to carry out a force control of the robot manipulator 3 and to convert the first variable assigned to the current position of the first adjusting element into a respective value of at least one first parameter of the force control via a predetermined mapping. The respective value of the at least one first parameter of the force control determines a bandwidth of the force control.
  • the force control itself is shown in more detail in FIG.
  • FIG. 2 shows a force control for the robot manipulator 3 of FIG. 1.
  • the force control is a PID controller with two degrees of freedom, i.e. separate gain factors in the feedback loop and in the forward branch, but not in the integral term.
  • 'PL' denotes the line to be controlled
  • the robot manipulator 3 'F' linear filters implemented as discretized transfer functions, 'R' and 'D' a proportional gain and a differential gain in the feedback loop, 'Pr' and 'Dr' a proportional gain and a differential gain of the forward branch, and T the integral gain.
  • the at least one first parameter is the 'R' and the I, and and the D gain of the feedback loop and the degree of freedom in the filter 'F'.
  • the control unit 5 is designed to determine the predetermined mapping so that there is a linear relationship between the position of the first control element and the bandwidth of the force control, as well as adapting the bandwidth of the feedback loop of the force control according to the value of at least the first parameter of the force control and the forward branch with its filters' FR 'and the gains'Pr' and ' Adapt Dr 'to the adapted feedback loop so that ultimately the closed control loop does not have any overshoots and is stationary precisely.
  • FIG. 3 shows a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator 3, comprising the steps:
  • Setting S1 a position of a first control element of an input device 7 of a control unit 5 of a robot manipulator 3, the first control element being adjustable between a lower stop and an upper stop by a user, the position of the first control element of a first size between a predetermined lower limit and is assigned to a predetermined upper limit,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem (1), aufweisend: - einen Robotermanipulator (3), - eine mit dem Robotermanipulator (3) verbundene Steuereinheit (5), - eine mit der Steuereinheit (5) verbundene Eingabeeinrichtung (7), wobei die Eingabeeinrichtung (7) ein erstes Stellelement aufweist und eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des Robotermanipulators (3) auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt.

Description

Intuitive Einstellung einer Kraftregelung für Robotermanipulatoren
Die Erfindung betrifft ein Robotersystem, insbesondere zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators des Robotersystems, sowie ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Einstellen und das Konfigurieren einer Kraftregelung eines Robotermanipulators hinsichtlich seiner Bandbreite einfacher und sicherer zu gestalten.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem, aufweisend:
- einen Robotermanipulator,
- eine mit dem Robotermanipulator verbundene Steuereinheit,
- eine mit der Steuereinheit verbundene Eingabeeinrichtung,
wobei die Eingabeeinrichtung ein erstes Stellelement aufweist und eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des Robotermanipulators auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt.
Der Robotermanipulator ist insbesondere eine durch elektrische Aktuatoren bewegbare kinematische Kette, bestehend aus einer Vielzahl von durch Gelenken miteinander verbundenen Gliedern. Bevorzugt ist am distalen Glied ein Endeffektor angeordnet. Eine Kraftregelung des Robotermanipulators bezieht sich insbesondere auf die Vorgabe einer gewünschten Kraft, die vom Robotermanipulator insbesondere mit seinem Endeffektor auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators ausgeübt wird. Damit die gewünschte Kraft auch korrekt ausgeübt wird und um Störungen auszusteuern, ist vorteilhaft in der Kraftregelung eine Rückführschleife vorgesehen, wobei die
Rückführschleife eine gemessene Kraft oder eine geschätzte Kraft insbesondere durch Subtraktion von der gewünschten Kraft in den Kanal des Eingangssignals der Aktuatoren des Robotermanipulators zurückführt. Aus der Regeldifferenz wird insbesondere ein Eingangssignal für die Aktuatoren des Robotermanipulators erzeugt, sodass der geschlossene Regelkreis dafür sorgt, dass vom Robotermanipulator die gewünschte Kraft auf das Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators ausgeübt wird.
Die Steuereinheit des Robotermanipulators ist insbesondere dazu ausgeführt, die
Aktuatoren des Robotermanipulators gemäß einem vorgegebenen Steuerprogramm anzusteuern. In dem Steuerprogramm kann ein Verlauf der gewünschten Kraft wie oben erklärt abgespeichert sein. Die Steuereinheit ist dabei insbesondere ein Rechner, der entweder bevorzugt im Gehäuse des Robotermanipulators oder in einer Basis des Robotermanipulators angeordnet ist, oder lediglich per Datenleitung mit dem
Robotermanipulator verbunden ist.
Das Stellelement ist bevorzugt ein Schieberegler oder ein Drehregler, jeweils bevorzugt auf einem Bildschirm als Eingabeeinrichtung dargestellt, insbesondere bevorzugt auf einem berührempfindlichen Bildschirm, oder alternativ bevorzugt dazu jeweils als mechanische Ausführung ausgestaltet.
Die Bandbreite der Kraftregelung wird insbesondere durch diejenige Frequenz bestimmt, bei der die Amplitudenverstärkung um 3dB abnimmt. Die Amplitudenverstärkung ist das Verhältnis aus der gewünschten Amplitude eines Signals und der tatsächlich sich einstellenden Amplitude des Ausgangssignals des geschlossenen Regelkreises. Diese Definition der Bandbreite bezieht sich insbesondere auf lineare Systeme. Bei linearen Systemen ist die Frequenz des Eingangssignals immer gleich der Frequenz des
Ausgangssignals, jedoch tritt das Ausgangssignal mit einer bestimmten von der Frequenz des Eingangssignals abhängigen Amplitudenverstärkung und mit einem bestimmten von der Frequenz des Eingangssignals abhängigen Phasenverzug auf. Insbesondere
Robotermanipulatoren können zumindest bereichsweise als lineare Systeme
näherungsweise gut beschrieben werden, wodurch die oben genannte Definition der Bandbreite auch für diese Art von milden nichtlinearen Systemen angewendet werden kann. Alternative Definitionen von Bandbreiten bestehen, die sich insbesondere auch auf einen Phasenverzug beziehen oder die sich auf eine anderen Wert der Energieabnahme bezüglich der Amplitude des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal beziehen. Allen diesen Definitionen der Bandbreite einer Kraftregelung in der geschlossenen Kette für einen Robotermanipulator ist jedoch gemeinsam, dass die Bandbreite eine bestimmte Wahl im Kompromiss aus Leistung des Reglers und der Stabilität des Reglers wiedergibt. Dieser Kompromiss ist leicht daran erkennbar, wie schnell und mit welchen
Zeitkonstanten ein Robotermanipulator auf ein Sprungsignal hin sich dem gewünschten Wert im Eingangssignal hin annähert. Die Antwort auf das Sprungsignal kann einen Überschwinger aufweisen, asymptotisch sich annähern, oder mit einer noch höheren Dämpfung als im asymptotischen Grenzfall verlaufen.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass mittels der vorgegebenen Abbildung ein Zusammenhang und eine technische Transformation geschaffen wird, die zwischen einer linearen Skala des ersten Stellelements und einer Reglerbandbreite vermittelt. Dieser Zusammenhang erlaubt es vorteilhaft einem unerfahrenen Anwender, eine Kraftregelung eines Robotermanipulators sehr schnell und leicht so zu konfigurieren, wie es seiner intuitiven Wahrnehmung entspricht, da die Bandbreite einer Kraftregelung mit der Aggressivität und Geschwindigkeit einer Kraftregelung des Robotermanipulators vom Anwender assoziiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kraftregelung ein PI-Regler oder ein PID-Regler, wobei der zumindest eine erste Parameter eine P-, und/oder eine I-, und/oder eine D- Verstärkung in einem Vorwärtszweig und/oder in einer Rückführschleife und/oder ein Freiheitsgrad in einem Filter des Vorwärtszweigs oder der Rückführschleife ist. Der jeweilige Filter ist bevorzugt ein linearer Filter, das heißt, eine lineare
Übertragungsfunktion, die insbesondere im Laplace-Bereich definiert wird und für die Implementierung diskretisiert wird. Bevorzugt ist der Filter ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter oder ein Lead-Lag Filter dessen Eigenfrequenzen und Dämpfungen durch den zumindest einen ersten Parameter der Kraftregelung parametriert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung besteht.
Je nach Art der Kraftregelung ist der Zusammenhang zwischen der Bandbreite des geschlossenen Regelkreises der Kraftregelung und der Stellung des ersten Stellelements durch bestimmte mathematische Zusammenhänge vorgegeben. In der Regel ist dieser Zusammenhang durch analytische Auflösung von Gleichungen ermittelbar, insbesondere bei nichtlinearen und adaptiven Regelungen kann ein iteratives Suchverfahren angewendet werden, um eine gewünschte Bandbreite in den zumindest einen ersten Parameter der Kraftregelung umzurechnen. Vorteilhaft stellt der lineare Zusammenhang eine sehr intuitive Verknüpfung zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung sicher. Bevorzugt wird die Bandbreite der Kraftregelung in einer logarithmischen Skala wie in einem Bodediagramm ausgedrückt, sodass eine Verdoppelung der Stellung des ersten Stellelements zu einer Verdoppelung der
Zehnerpotenzen der Frequenzen führt, beispielsweise von 101 Hz auf 102 Hz, wobei selbstverständlich die Größenbereiche der Einsteilbarkeit der Stellung vorteilhaft in deutlich kleineren Bereichen sich bewegen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass in einer mittigen Stellung des ersten Stellelements die Kraftregelung einen asymptotischen Grenzfall für einen Überschwinger einer Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises einhält. Der asymptotisch Grenzfall wird insbesondere durch eine solche Dämpfung bestimmt, die gerade noch zu keinem Überschwinger in der Impulsantwort des Ausgangssignals des geschlossenen Regelkreises führt. Es ist damit diejenige Auslegung der Regelung getroffen, die die schnellste Regelung ohne einen Überschwinger zu erzeugen ist.
Vorteilhaft wird hierdurch ein Überschwinger in der Impulsantwort des geschlossenen Regelkreises der Kraftregelung vermieden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine Begrenzung an einer Vorgabe einer gewünschten Kraft für den Robotermanipulator nicht kurzzeitig zu einer Überhöhung über diese Kraft in der ausgeübten Kraft des Robotermanipulators auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators führt. Vorteilhaft wird so eine Überlastung von Gegenständen oder des Robotermanipulators selbst vermieden. Dies dient auch der Sicherheit des Betriebs des Robotermanipulators.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, eine Bandbreite einer Rückführschleife der Kraftregelung gemäß dem Wert zumindest des ersten Parameters der Kraftregelung anzupassen und einen
Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife anzupassen. Vorteilhaft wird mit dieser Ausführungsform sichergestellt, dass die Bandbreite zunächst nur in der
Rückführschleife der Kraftregelung eingestellt wird, die für die Stabilität der Kraftregelung verantwortlich ist. Durch die Vorgabe der unteren Schranke und durch die Vorgabe der oberen Schranke kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass im Bezug auf die untere Schranke ein agiles System durch den geschlossenen Regelkreis in der Kraftregelung erhalten wird; im Bezug auf die obere Schranke, dass ein vorgegebenes Stabilitätsmaß der Kraftregelung nicht verletzt wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife so anzupassen, dass der geschlossene Regelkreis keinen Überschwinger aufweist und stationär genau ist. Die stationäre Genauigkeit und die Abwesenheit eines Überschwingers im Vorwärtszweig liefern vorteilhaft ein besonders gutes Übertragungsverhalten von Signalen von vorgegebenen Kräften und von den tatsächlichen vom Robotermanipulator auf ein Objekt der Umgebung ausgeübten Kräften.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife durch Anpassung des relativen Grads einer Übertragungsfunktion im Vorwärtszweig anzupassen. Der relative Grad eine Übertragungsfunktion bezeichnet die Differenz aus Polen und
Nullstellen der Übertragungsfunktion, wobei die Nullstellen einen phasenvorziehenden Effekt und die Pole einen integrierenden, phasennachziehenden Effekt haben. Der relative Grad stellt somit ein Maß dafür dar, welche Ordnung von dynamischen Systemen mit hundertprozentiger Genauigkeit ausgeregelt werden kann, sodass einer vorgegebene Trajektorie, die mit dieser Übertragungsfunktion multipliziert wird, von der Strecke, hier dem Robotermanipulator, auch gefolgt werden kann. Vorteilhaft wird mit einem variablen relativen Grad eine gewisse Trägheit und ein integrativer Charakter der vorgegebenen Signale für den geschlossenen Regelkreis an eine bestimmte Kategorie von dynamischen Systemen angepasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung während der Laufzeit der Kraftregelung zu überführen, und die Kraftregelung des Robotermanipulators während der Laufzeit mit dem aktuellen Parameter der Kraftregelung auszuführen. Die Anpassung der Kraftregelung während der Laufzeit, das heißt dynamisch, weist den Vorteil auf, dass während der Laufzeit ohne Unterbrechungen von einem Anwender das Regelverhalten der Kraftregelung anpassbar ist und gemäß der aktuellen Situation nachjustiert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Eingabeeinrichtung ein zweites Stellelement auf, und eine Stellung des zweiten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag ist durch einen Anwender einstellbar, wobei die Stellung des zweiten Stellelements einer zweiten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des
Robotermanipulators auszuführen und die der aktuellen Stellung des zweiten
Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines zweiten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite in einer Rückführschleife der Kraftregelung bestimmt und der jeweilige Wert des zumindest einen zweiten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite und/oder eine Ordnung oder Zeitkonstante eines Filters in einem Vorwärtszweig der Kraftregelung bestimmt. Vorteilhaft kann hierdurch das Verhalten der Kraftregelung genauer eingestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:
- Einstellen einer Stellung eines ersten Stellelements einer Eingabeeinrichtung einer Steuereinheit eines Robotermanipulators, wobei das erstes Stellelement zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
- Überführen der der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordneten ersten Größe in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt,
- Ausführen einer Kraftregelung des Robotermanipulators durch die Steuereinheit.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotersystem vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen: Fig. 1 ein Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine Kraftregelung des Robotersystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 , und
Fig. 3 ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines
Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt ein Robotersystem 1. Dieses weist einen Robotermanipulator 3 auf, der von einer Steuereinheit 5 angesteuert wird und mit einer Eingabeeinrichtung 7, einem tragbarem Computer, verbunden ist und von diesem Informationen über Eingaben an der Eingabeeinrichtung 7 erhält. Die Eingabeeinrichtung 7 weist ein als Schieberegler ausgeführtes erstes Stellelement auf. Eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag ist durch einen Anwender per Maus oder durch Berühren des Bildschirms 7 verstellbar, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist. Die Steuereinheit 5 ist ferner dazu ausgeführt, eine Kraftregelung des Robotermanipulators 3 auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen. Der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt. Die Kraftregelung selbst ist genauer in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine Kraftregelung für den Robotermanipulator 3 der Fig. 1 . Die Kraftregelung ist ein PID-Regler mit zwei Freiheitsgraden, das heißt separaten Verstärkungsfaktoren in der Rückführschleife und im Vorwärtszweig, aber nicht im Integralglied. Hierbei bezeichnen 'PL' die zu regelnde Strecke, den Robotermanipulator 3, 'F' als diskretisierte Übertragungsfunktionen implementierte lineare Filter, 'R' und 'D' eine proportionale Verstärkung und eine differentielle Verstärkung in der Rückführschleife , 'Pr' und 'Dr' eine proportionale Verstärkung und eine differentielle Verstärkung des Vorwärtszweiges, und T die integrale Verstärkung. Der zumindest eine erste Parameter ist die 'R'-, und die I-, und und die D- Verstärkung der Rückführschleife und der Freiheitsgrad in dem Filter 'F'. Die Steuereinheit 5 ist dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung besteht, sowie die Bandbreite der Rückführschleife der Kraftregelung gemäß dem Wert zumindest des ersten Parameters der Kraftregelung anzupassen und den Vorwärtszweig mit seinen Filtern 'FR' und den Verstärkungen 'Pr' und 'Dr' an die angepasste Rückführschleife anzupassen, sodass letztendlich der geschlossene Regelkreis keinen Überschwinger aufweist und stationär genau ist.
Sämtliche Anpassungen der Steuereinheit 5 erfolgen während der Laufzeit der
Kraftregelung, sodass die Kraftregelung des Robotermanipulators 3 während der Laufzeit mit dem aktuellen Parameter der Kraftregelung ausgeführt wird.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators 3, auf weisend die Schritte:
- Einstellen S1 einer Stellung eines ersten Stellelements einer Eingabeeinrichtung 7 einer Steuereinheit 5 eines Robotermanipulators 3, wobei das erstes Stellelement zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
- Überführen S2 der der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt,
- Ausführen S3 einer Kraftregelung des Robotermanipulators 3 durch die Steuereinheit 5.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der
Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste
1 Robotersystem
3 Robotermanipulator 5 Steuereinheit 7 Eingabeeinrichtung S1 Einstellen
52 Überführen
53 Ausführen

Claims

Patentansprüche
1. Robotersystem ( 1 ) , aufweisend :
- einen Robotermanipulator (3),
- eine mit dem Robotermanipulator (3) verbundene Steuereinheit (5),
- eine mit der Steuereinheit (5) verbundene Eingabeeinrichtung (7),
wobei die Eingabeeinrichtung (7) ein erstes Stellelement aufweist und eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten
Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des
Robotermanipulators (3) auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt. 2. Robotersystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei die Kraftregelung ein PI-Regler oder ein PID-Regler ist, und
wobei der zumindest eine erste Parameter eine P-, und/oder eine I-, und/oder eine D- Verstärkung in einem Vorwärtszweig und/oder in einer Rückführschleife und/oder ein Freiheitsgrad in einem Filter des Vorwärtszweigs oder der
Rückführschleife ist.
3. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung besteht.
4. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass in einer mittigen Stellung des ersten Stellelements die Kraftregelung einen asymptotischen Grenzfall für einen Überschwinger einer Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises einhält. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Bandbreite einer
Rückführschleife der Kraftregelung gemäß dem Wert zumindest des ersten Parameters der Kraftregelung anzupassen und einen Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife anzupassen.
Robotersystem (1 ) nach Anspruch 5,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife so anzupassen, dass der geschlossene Regelkreis keinen Überschwinger aufweist und stationär genau ist.
Robotersystem (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 6,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife durch Anpassung des relativen Grads einer
Übertragungsfunktion im Vorwärtszweig anzupassen.
Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung während der Laufzeit der Kraftregelung zu überführen, und die Kraftregelung des Robotermanipulators (3) während der Laufzeit mit dem aktuellen Parameter der Kraftregelung auszuführen.
Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Eingabeeinrichtung (7) ein zweites Stellelement aufweist und eine Stellung des zweiten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des zweiten Stellelements einer zweiten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des
Robotermanipulators (3) auszuführen und die der aktuellen Stellung des zweiten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines zweiten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite in einer Rückführschleife der Kraftregelung bestimmt und der jeweilige Wert des zumindest einen zweiten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite und/oder eine Ordnung oder Zeitkonstante eines Filters in einem Vorwärtszweig der Kraftregelung bestimmt.
10. Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines
Robotermanipulators (3), auf weisend die Schritte:
- Einstellen (S1 ) einer Stellung eines ersten Stellelements einer Eingabeeinrichtung (7) einer Steuereinheit (5) eines Robotermanipulators (3), wobei das erstes
Stellelement zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
- Überführen (S2) der der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt,
- Ausführen (S3) einer Kraftregelung des Robotermanipulators (3) durch die Steuereinheit (5).
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