DE4041167C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung von Handhabungsaufgaben, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wird eine Vorrichtung zur Durchführung von Handhabungsauf­ gaben, wie beispielsweise ein Roboter für Handlingsaufga­ ben unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, also z. B. im Weltraum eingesetzt, fehlt im allgemeinen ein taugli­ ches Bezugssystem, das zur Abstützung der am Roboterbe­ festigungspunkt auftretenden Kräfte und Momente herangezo­ gen werden kann. Bei derzeit im Weltraum verwendeten Robo­ tern und Manipulatoren wird die Gerätebewegung (z. B. die Armbewegungen) so langsam durchgeführt, daß die auftreten­ den Kräfte und Momente vernachlässigbar klein sind. Dies hat den Nachteil, daß mit Zunahme des Handhabungsgewichtes die Bewegungsgeschwindigkeit und die dazugehörende Be­ schleunigung abnehmen und daß damit der schon sehr langsa­ me Handhabungsvorgang noch langsamer ausgeführt werden muß.

Aus der DE-OS 26 56 433 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Handhabungsaufgaben bekannt, bei der nicht nur translatorische, sondern auch rotatorische Bewegungen durch ein entsprechendes Kompensationssystem kompensiert werden. Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch vergleichsweise kompliziert aufgebaut, so daß sie die dynamische Kompensation von Momenten insbesondere bei mobilen Robotern oder im Weltraum nur unzureichend erlaubt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung von Handhabungsaufgaben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß sie bei einfachen Aufbau die Kompensation der durch die Armbewegung hervorgerufenen Momente erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird von einer Vorrichtung zur Durchführung von Handhabungsaufgaben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangenen. Die kinematische Kompensation des durch die Bewegung der Handhabungs-Vorrichtung erzeugten Moments erfolgt durch eine ein Drehmoment erzeugende Einrichtung, die einen Kreisel aufweist, dessen Moment das aufgrund der Roboterbewegung erzeugte Moment kompensiert. Dieser Kreisel bzw. die Einrichtung zur Momenten-Kompensa­ tion kann dabei beispielsweise in einen "Roboterfuß" oder dgl. eingebaut sein (Anspruch 5), so daß sich - wenn über­ haupt - ein nur geringer zusätzlicher Platzbedarf ergibt.

Ferner ist es bevorzugt, wenn die Kreisel durch drehzahl­ geregelte Elektromotore angetrieben werden (Anspruch 6), da dann eine sehr genaue Momentensteuerung möglich ist, und darüberhinaus der Motor auch im Generatorbetrieb betrieben werden kann.

Um bei Inbetriebnahme Vorrichtung ein wirkungsfreies An­ laufen der Einrichtung zur Momenten-Kompensation sicherzu­ stellen sind gemäß den Ansprüchen 3 und 4 je zwei sich um dieselbe Achse drehende Körper, d. h. zwei Kreiselsysteme einer Wirkungsachse gegeneinander geschaltet. Dies bedeu­ tet, daß beim Anlauf ihre Rotationsachsen auf einer Achse in entgegengesetzter Drehrichtung angeordnet sind. Zwi­ schen beiden auf einer Achse befindlichen Kreiselsystemen besteht eine energetische Korrelation.

Um nun ein bei einer Bewegung der Handhabungsvorrichtung auftretendes Drehmoment zu kompensieren, gibt es bevorzug­ te zwei Möglichkeiten, ein Gegenmoment zu erzeugen:

Bei der im Anspruch 3 gekennzeichneten Möglichkeit wird ausgehend von einer mittleren Drehzahl der Kreisel (z. B. 5000 U/min) ein Stützdrehmoment des Bezugsystems dadurch erzeugt, daß der entsprechende Kreisel in seiner Drehung beschleunigt oder verzögert wird (drehzahlvariable Momen­ tenkompensation). Es ergibt sich dabei je nach Bezugssy­ stemforderung ein positives oder ein negatives Drehmoment, das dem zu kompensierenden negativen bzw. positiven Moment entgegenwirkt. Der Antriebsmotor eines Kreisels hat drei Betriebszustände:

• a) Im neutralen Zustand dreht der Motor mit mittlerer Drehzahl. Um diesen Betriebszustand beizubehalten, also um Lagerreibung, Hystereseverluste etc. zu kompensieren, ist ein Grundenergiebedarf notwendig, der bei einem im Welt­ raum eingesetzten Roboter beispielsweise aus einer Solar­ zellenanordnung gewonnen werden kann.
• b) Bei einer notwendigen Drehzahlabnahme (z. B. Erzeugung eines negativen Drehmoments) wird der Antriebsmotor als Generator betrieben. Die vom Antriebsmotor abgegebene elektrische Energie kann mittels des 4-Quadrantenreglers, der zur Antriebssteuerung notwendig ist, in einem Akku gespeichert werden, um die Energie später - wenn dies erforderlich ist - dem Antriebsmotor wieder zuzuführen.
• c) Wird eine Drehzahlzunahme nötig (z. B. Erzeugung eines positiven Drehmoments), entnimmt der Kreiselantrieb dem Akku die kurzzeitig zur Beschleunigung notwendige elektri­ sche Energie (Anspruch 7).

Damit wird bei einer notwendigen Momentenabgabe oder -aufnahme und der damit verbundenen Drehzahländerung des einen Kreiselsystems die gleiche Drehzahländerung, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen (bedingt durch die entgegenge­ setzten Drehrichtungen) zum Drehzahlistwert des gegenüber­ liegenden Kreisels, addiert. Somit kann das eine Kreisels­ ystem bei einer Kompensationsmomentenanforderung immer den Energiebedarf oder -überschuß des anderen auf der gleichen Wirkungsachse angeordneten Kreiselsystems nutzen.

Das Kompensationssystem nach Anspruch 3 eignet sich insbe­ sondere für weniger dynamische Robotersysteme.

Bei der im Anspruch 4 angegebenen Ausbildung wird ein fest vorgegebener Drehzahl rotierender Kreisel verwendet. Auf diesem sind, unter Berücksichtigung einer Unwuchtvermei­ dung, zwei oder mehrere Linearsysteme um den Rotationsmit­ telpunkt angeordnet.

Zur Erzeugung eines Stützdrehmomentes im Bezugsystem sind die Linearschlitten mittels einer Verstelleinrichtung (z. B. Zahnriemen oder Spindel) über den Radius verstell­ bar. Auf jedem Linearschlitten ist eine Masse angebracht. Im Neutralzustand befinden sich die Linearschlitten in einer Mittelstellung, d. h. auf der Halbstreckenposition der Linearführungen oder auf der Halbradienkreisbahn der Gesamtkreiselradien. Der gesamte Kreisel rotiert, wie oben erwähnt, mit kontanter Winkelgeschwindigkeit (z. B. 3000 U/min). Wird nun zur Momenten-Kompensation ein Gegenmoment benötigt, so werden die Linearschlitten synchron auf ihrer Linearführung nach innen oder außen bewegt. Die so entste­ hende Radiusanordnung über der Zeit (dr/dt = V) in Verbin­ dung mit der ortsabhängigen Hebellänge mit Coriolisbe­ schleunigung führt zu dem für die Kompensation notwendigen Drehmoment.

Diese Art der Kompensation eignet sich insbesondere für hochdynamische Robotersysteme.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen "Teil-Kreisel", wie er bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen "Teil-Kreisel", wie er bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verwendet wird.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent­ sprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß diese Teile lediglich einmal erläutert und bei weiterem Auftreten der entsprechenden Bezugszeichen auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird. Lediglich dann, wenn die Teile eine abweichende Ausbildung oder Funktion haben, erfolgt eine erneute Beschreibung.

Fig. 1 zeigt perspektivisch, daß drei orthogonal angeord­ nete Einrichtungen vorgesehen sind, die Momente erzeugen, deren Richtungen bzw. Achsen in der x-, y- und z-Achse liegen. Jede Einrichtung weist einen Kreisel auf, dessen Moment das durch die Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert, und der aus zwei Körpern K besteht, die je­ weils von einem Motor M in entgegengesetzte Richtung dreh­ bare Massen aufweisen. Eine nicht dargestellte Steuerein­ heit steuert die Drehzahl der beiden Körper derart, daß das resultierende Moment das durch eine Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen der Körper K. Jeder Körper K weist ein Gehäuse 1 auf, in dem an Speichen 2 zwei Kreiselmassen 3 um eine Achse, beispielsweise die Achse x drehbar gelagert sind. Zum Antrieb ist der Motor M vorgesehen, der drehzahlgeregelt ist und über ein Getriebe 4 die Speichen 2 mit den daran angebrachten Kreiselmassen 3 antreibt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt:

Bei der drehzahlvariablen Momentenkompensation wird von einer mittleren Drehzahl der Kreisel (z. B. 5000 U/min) aus ein Stützdrehmoment des Bezugssystems dadurch erzeugt, daß die Kreiselmassen 3 in ihrer Drehung beschleunigt oder verzögert werden, so daß sich je nach Bezugssystemforde­ rung positive oder negative Drehmomente ergeben, die den zu kompensierenden Drehmomenten entgegenwirken. Der An­ triebsmotor M eines Kreisels hat drei Betriebszustände:

• a) Im neutralen Zustand dreht der Motor mit mittlerer Drehzahl. Um diesen Betriebszustand beizubehalten, also um Lagerreibung, Hystereseverluste etc. zu kompensieren, ist ein Grundenergiebedarf notwendig, der ständig erbracht und bei einem im Weltraum eingesetzten Roboter beispielsweise aus einer Solarzellenanordnung gewonnen wird.
• b) Bei einer notwendigen Drehzahlabnahme (z. B. Erzeugung eines negativen Drehmoments) wird der Antrieb als Ge­ nerator betrieben. Die vom Antriebsmotor abgegebene elek­ trische Energie kann mittels des 4-Quadrantenreglers, der zur Antriebssteuerung notwendig ist, in einem Akku gespei­ chert werden, um sie später, wenn gefordert, dem Antrieb wieder zuzuführen.
• c) Wird eine Drehzahlzunahme erforderlich (z. B. Erzeu­ gung eines positiven Drehmoments), entnimmt der Kreisel­ antrieb dem Akku die kurzzeitig zur Beschleunigung notwen­ dige elektrische Energie.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei dem ebenfalls drei orthogonal angeordnete Ein­ richtungen vorgesehen sind, die Momente erzeugen, deren Richtungen bzw. Achsen in der x-, y- und z-Achse liegen. Jede Einrichtung weist wiederum einen Kreisel auf, dessen Moment das durch die Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert, und der aus zwei Körpern K besteht, die je­ weils von einem Motor M in entgegengesetzte Richtung dreh­ bare Massen bzw. Speichen aufweisen. Jeder Körper weist hierzu zwei Speichen 2′ auf, auf denen - wie Fig. 4 im einzelnen zeigt - zur Unwuchtvermeidung zwei linear ver­ schiebbare Kreiselmassen 3′ symmetrisch zur Drehachse x, y bzw. z angeordnet sind. Die linear verschiebbaren Massen 3′ sind jeweils auf einem Linearschlitten 5 angeordnet, der mittels einer Linearführung 6 und eines von einem Stellmotor 7 angetriebenen Riemens 8 relativ zur Drehachse x, y bzw. z verstellbar ist. Zum Antrieb ist wiederum der Motor M vorgesehen, der drehzahlgeregelt ist und über ein Getriebe 4 die Speichen 2′ mit den daran angebrachten linear verstellbaren Kreiselmassen 3′ antreibt.

Eine nicht dargestellte Steuereinheit steuert die Ver­ schiebung der beiden Kreiselmassen 3′ derart, daß das re­ sultierende Moment das durch eine Bewegung des Armes er­ zeugte Moment kompensiert. Im "Neutralzustand" befinden sich die Linearschlitten 5 in einer Mittelstellung, d. h. auf der Halbstreckenposition der Linearführungen 6 oder auf der Halbradienkreisbahn der Gesamtkreiselradien. Der gesamte Kreisel rotiert, wie oben erwähnt, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (z. B. 3000 U/min). Wird nun zur Momentenkompensation ein Gegenmoment benötigt, so werden die Linearschlitten synchron auf ihrer Linearführung nach innen oder außen bewegt. Die so entstehende Radiusanord­ nung über der Zeit (dr/dt = V) in Verbindung mit der ort­ sabhängigen Hebellänge mit Coriolisbeschleunigung führt zu dem für die Kompensation notwendigen Drehmoment. Diese Art der Kompensation eignet sich insbesondere für hochdynami­ sche Robotersysteme.

Bei dem Einsatz des Kompensationssystems in einem Roboter müssen ferner bestimmte Bewegungsstrategien berücksichtigt werden. Alle für einen Roboter möglichen Bewegungen können dann durchgeführt werden:

Die Steuereinheit eines Roboters besteht aus dem Kommuni­ kationssystem, der Bahnsteuerung und dem Lageregler.

Das Kommunikationssystem übergibt der Bahnsteuerung den Auftrag (z. B. Bahnmodul) in einem Zwischenspeicher (Auf­ tragspuffer) und erhält die Ergebnisse (Gelenkkoordinaten der Antriebsachsen) ebenfalls in einem Zwischenspeicher (Ergebnispuffer). Auftrags- und Ergebnispuffer sind als dual ported RAM realisiert. Die übermittelten Aufträge werden in einer Warteschlange (FIFO) abgelegt und in der Reihenfolge ihres Eintreffens abgearbeitet. On-line-Ein­ griffe in den laufenden Auftrag werden nicht gepuffert, sondern sofort von der Bahnsteuerung berücksichtigt.

Bei der Bahnsteuerung werden alle Achsen gleichzeitig in einem Funktionszusammenhang so verfahren, daß sich der TCP (Tool Center Point) auf einer definierten Bahn bewegt.

Eine Bahnsteuerung stellt Linear- (Gerade zwischen zwei Punkten), Zirkular- (Kreisbogen durch drei Punkte) und Splineinterpolation (Kurve durch beliebig viele Punkte) zur Verfügung. Unterscheiden sich die Orientierungen des Anfangs- und Endpunktes, so werden sie kontinuierlich ineinander überführt. Die Änderungsgeschwindigkeit der Orientierung kann dabei gesteuert werden.

Die Bahnsteuerung selbst umfaßt die Geschwindigkeitssteue­ rung, den Interpolator und den Koordinatentransformator. Die Geschwindigkeitssteuerung erzeugt sowohl das Geschwin­ digkeits- als auch das Streckenprofil auf Koordinatenebe­ ne. Der Interpolator berechnet Raumkoordinaten im Takt der Abtastzeit mit Hilfe des Streckenprofils. Der Koordinaten­ transformator berechnet die Gelenkwinkel aus dem Raum­ koordinaten. Die Gelenkwinkel werden nach jeder Berechnung zur Weitergabe an den Lageregler dem Kommunikationssystem übergeben.

Aus den Interpolatorwerten der Bahnsteuerung können die zur Momentenkompensation notwendigen Momentenwerte für die Kompensationskreiselsteuerung abgeleitet werden. Diese Momentwerte müssen mit einem Lagekreiselsystem in Relation gebracht werden.

Es muß darauf geachtet werden, daß ein abgeschlossenes Bahnmodul durchfahren wird. Ein Bahnmodul, bestehend aus Beschleunigungsphase, Geschwindigkeitsphase und Verzöge­ rungsphase, ist so zu planen, daß die aus der Beschleuni­ gungsphase und der Verzögerungsphase auf den Roboter wir­ kenden Momente gleich groß vom Betrag und entgegengesetzt vom Vorzeichen sind. Während des Abfahrens eines Bahn­ moduls muß die bewegte Masse konstant bleiben. Diese An­ forderungen an den Roboter sind durch eine Steuerungsstra­ tegie und eine Handhabungsplanung zu bewältigen.

Um ein wirkungsfreies Ablaufen bei den Kompensationssyste­ men einer Wirkungsachse zu garantieren, sind erfindungsge­ mäß je zwei Kreiselsysteme gegeneinander geschaltet, d. h. beim Anlauf sind ihre Rotationsachsen auf einer Achse angeordnet, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Durchführung von Handhabungsaufgaben, mit mindestens einem Arm, der um wenigstens eine Achse in bezug auf einen Grundkörper der Vorrichtung drehbar ist, und der ein Werkzeug zur Durchführung der Handhabungsaufgabe trägt, und mit einer Einrichtung, die ein Drehmoment erzeugt, das dem durch eine Bewegung des Arms erzeugten Moment entgegengerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in dem Grundkörper vorgesehen ist und einen Kreisel aufweist, dessen Moment das durch die Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Grundkörper drei Ein­ richtungen vorgesehen sind, die Momente erzeugen, deren Richtungen nicht in einer Ebene liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel aus zwei um dieselbe Achse drehbaren Körpern besteht, die von einer Antriebseinrichtung in entgegengesetzte Richtung gedreht werden, und daß eine Steuereinheit die Drehzahl der beiden Körper derart steuert, daß das resultierende Moment das durch eine Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel aus zwei um die­ selbe Achse drehbaren Körpern besteht, die von einer An­ triebseinrichtung in entgegengesetzte Richtung mit kon­ stanter Drehzahl gedreht werden, und daß eine Steuerein­ heit das Trägheitsmoment der beiden Körper derart steuert, daß das resultierende Moment das durch eine Bewegung des Armes erzeugte Moment kompensiert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Momenten- Kompensation in einen "Roboterfuß" oder dgl. eingebaut ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drehzahlgeregelte Elektromoto­ ren die Kreisel antreiben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein 4-Quadrantenregler zur Steuerung des Motors sowie ein Energiespeicher vorgesehen sind, der die im Bremsbetrieb, in dem der Motor als Ge­ nerator arbeitet, erzeugte Energie zwischenspeichert.

8. Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bahnmodul, bestehend aus einer Beschleunigungsphase, Geschwindigkeitsphase und Verzögerungsphase derart durchfahren wird, daß die aus der Beschleunigungsphase und der Verzögerungsphase auf den Roboter wirkenden Momente gleich groß vom Betrag und ent­ gegengesetzt vom Vorzeichen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abfahrens eines Bahn­ moduls die bewegte Masse konstant ist.