DD229642B1

DD229642B1 - Schaltungsanordnung zur kraftrueckkopplung fuer industrieroboter mit elektrischen antrieben

Info

Publication number: DD229642B1
Application number: DD27080284A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Langmann
Original assignee: Robotron Rationalisierung
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1988-06-22
Also published as: DD229642A1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kraftrückkopplung für Industrieroboter mit elektrischen Antrieben, die insbesondere zur Ausrüstung von Industrierobotern mittaktilen sensorischen Fähigkeiten gehört. Weiterhin kann die Erfindung vorteilhafterweise für elektrische Antriebe der Fertigungsautomatisierung zur Anwendung kommen, bei denen Sensorsignale in Abhängigkeit von einem gesteuerten Antriebsmoment benötigt werden, wie z. B. automatisches Erkennen eines Anschlages.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für Industrieroboter der zweiten Generation ist die Ausrüstung mit sensorischen Fähigkeiten ein wesentlicher Schwerpunkt. Dabei spielen für die Realisierung von Montageaufgaben die Entwicklung und der Einsatz taktiler Sensoren eine wichtige Rolle. Diese Sensoren ermöglichen ähnlich dem Tastsinn des Menschen die Ermittlung von Kräften und in Zusammenwirkung mit den Antrieben des Industrieroboters das definierte Einwirken von Kräften bzw. Momenten auf die zu handhabenden Teile. Die im Stand der Technik dazu bekannten Lösungen lassen sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen. In dereinen Gruppe werden die auftretenden Kräfte bzw. Momente, die am Greifer des Industrieroboters auftreten, über einen speziellen, in der Regel mehrdimensionalen, Kraft/Momentensensor ermittelt, der in der Nähe des Greifers angeordnet ist. Beispiel dazu ist der rechnergestützte Manipulator nach DE OS 27 54436.

Eine kommerzielle Realisierung solcher Sensoren erfordert jedoch einen sehr hohen technisch-ökonomischen Aufwand, der für viele Einsatzfälle mit eingeschränkten Genauigkeitsanforderungen nicht getragen werden kann.

Eine zweite Gruppe bekannter Lösungen verwendet deshalb zur Ermittlung der Kräfte bzw. Momente bei Industrierobotern mit Gleichstrommotorantrieben die Ermittlung der einzelnen Antriebsmomente über die Messung des Soll- oder Ist-Wertes des Ankerstromes der Antriebsmotoren und deren regelungstechnische Einbeziehung in die Steueralgorithmen für die Bewegungssteuerung des Industrieroboters.

So beschreibt die DE OS 2656433 ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung von Manipulatoren und industriellen Robotern, bei der die gemessenen Stellmomente der einzelnen Antriebe steuerungstechnisch zur Kompensation von Trägheitsmomenten und Lastmassen eingesetzt werden.

Nach der DE OS 3038436 ist ein Verfahren zur Regelung eines Positionierkreises für Manipulatoren bekannt geworden, daß die Ermittlung des Antriebsmomentes durch Messung des Motorstromes dazu verwendet, um dem Positionierkreis die Charakteristik einer Federkonstante zu überlagern. Damit kann der Manipulator Arbeiten unter Kraftanwendung ausführen. Beide Lösungen besitzen den Nachteil, daß für die Messung des Soll- bzw. Ist-Wertes des Motorstromes zusätzliche MitteI für die Stabilisierung des Meßwertes vorgesehen werden müssen, da aufgrund der Eigenschaften des Systems Lageregler-Antrieb-Greiferführungsgetriebe die Stellmomente kurzzeitig starken Schwankungen unterliegen.

Das WP 149445 beinhaltet eine technische Losung zur stand ι gen Überwachung eines Regelkreises durch das Verbinden des Em- und Ausganges des Regelkreises mit einem Komparator Auftretende Fehler werden sofort berücksichtigt und auch eine Abschaltung am Arbeitsbereichsende erzielt Die Kausaikette der Kraft- bzw Momentenregelung ist dabei nicht ausreichend untersetzt

In der DE OS 3018 589 wird zwischen Elektromotor und Regelglied eine Überwachungsschaltung gelegt, die ζ B bei Fehlverhalten des Motors dessen Ausgangssignal auf Null setzt

Damit kann jedoch noch kein momentsensonsches Verhalten des betreffenden Antriebes erreicht werden Die bekannten Losungen gestatten u a sogar das Messen von Kräften bzw Momenten und einer definierten Krafteinwirkung, geben aber keinen Hinweis auf die Bildung von Sensorsignalen, die nach Erreichen einer bestimmten Kraft bzw eines Momentes aktiviert werden

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darm, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Losungen mit ökonomisch gunstigen Mitteln eine kraftgesteuerte Sensorfuhrung fur einen Industrieroboter zu ermöglichen

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Kraftruckkopplung fur einen Industrieroboter zu entwickeln, die die Bildung eines achsbezogenen Sensorsignals fur die Kraft-bzw Momentenerkennung gewährleistet Mit Hilfe des Sensorsignals soll die Realisierung eines taktilen Sensorsohneden Aufwand fur einen speziell en Sensor-Aufbau ermöglicht werden Die Anwendung fur Industrieroboter mit Gleichstrommotorantneben als auch mit Schnttmotorantrieben soll möglich

Erfindungsgemaß besitzt die fur die Realisierung der Vorrichtung erforderliche Schaltungsanordnung folgende Merkmale

— Das Stellmoment fur jeden Antrieb ist über einen ersten Eingang eines Momenten beg renzers an den Antrieb gefuhrt

— Em zweiter Eingang des Momentenbegrenzers ist zur Einstellung des Maximalmomentes mit einem Steuersignal beaufschlagt

— Das Steuersignal ist an einem ersten Eingang eines Komparators gefuhrt.

— Ein zweiter Eingang des Komparators ist mit dem Ausgang des Momentenbegrenzers verbunden

— Das Ausgangssignal des Komparators bildet das Sensorsignal fur die Kraft- bzw Momentenerkennung des jeweiligen Antriebes

Die Schaltungsanordnung bewirkt, daß fur jeden Antrieb das maximale Motorstell mom ent über eine Steuergroße einstell bar ist und die Bildung eines Kraft- bzw Momentensensorsignals fur jeden Antrieb durch Auswertung der Gleichheit zwischen tatsächlichem Motorstellmoment und eingestelltem Maximalmoment erfolgt Fur den Einsatz von Gleichstrommotoren ist der Momenten begrenzer vorteil hafterweise a Is Begrenzer fur die Phasenstrome der Feldwicklungen ausgebildet

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung bestehen Momentenbegrenzer und Komparator aus digitalen kombinatorischen und/ oder sequentiellen Schaltwerken

Vorteilhaft ist es auch sowohl den Momentenbegrenzer als auch den Komparator über einen Mikrorechner durch programmtechnische Mittel zu realisieren

Ausfuhrungsbeispiel

Die erf ι η du η gsgemaße Schaltungsanordnung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel erläutert werde η Die Zeichnung stellt die Schaltungsanordnung als Blockschaltbild dar Es werden folgende Signalbezeichnungen verwendet

IVI stell — über den Positionierregel kreis ermitteltes Stell moment fur den betrachteten Antrieb Mmax — Steuersignal furdie Einstellung des Maximalmomentes

S — Sensorsignal, daß bei Erfüllung der Bedingung M_Stell⁼ Mmax aktiviert wird

Fur die Realisierung eines taktilen Sensors mittels der erfindungsgemaßen Losung bilden folgende Überlegungen die Voraussetzung

Bei einem mehrachsigen Industrieroboter stimmen ein oder mehrere Achsen in ihrer Bewegungsrichtung bei hinreichend kleinen Drehwinkeln bzw -wegen mit den erforderlichen Wirkrichtungen taktiler Sensoren uberein Damit ist es möglich, ausgehend von der Kenntnis des Stellmomentes eines ausgewählten Antriebes und unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Greiferfuhrungsgetriebes direkte Beziehungen zu einer Kraftwirkung in einem auf die Umwelt des Industrieroboters bezogenen Sensorkoordinatensystem zu realisieren

Die erfindungsgemaße Losung wendet den oben genannten Sachverhalt an Am Beispiel eines taktilen Sensors fur eine durch den Industrieroboter senkrecht nach unten gerichtete Fugebewegung soll die erfindungsgemaße Losung verdeutlicht werden Die Bewegung nachuntensollim wesentlichen durch eine Achse realisiert werden, so daß der Bewegungsrichtung dieser Achse auch gleichzeitig eine senkrecht nach unten gerichtete Kraftwirkung entspricht Über den Momentenbegrenzer 1 fur die an der Bewegung hauptsächlich beteiligten Achse wird das Maximalmoment entsprechend der erforderlichen Ansprechschwelle des taktilen Sensors mit M_Max reduziert Wahrend der Fugebewegung erfolgt über den Komparator eine standige Kontrolle, ob das tatsächliche Stellmoment den Wert M_MAX erreicht hat Ist dies der Fall, kann über das Sensorsignal S die Fugebewegung abgebrochen werden bzw in eine andere, gemäß des Anwenderprogrammes des Industrieroboters geändert werden

Voraussetzung für die Funktion eines solchen taktiien Sensors ist natürlich, daß das für die zu überwachende Bewegung notwendige Stell moment in jedem Fall unter dem Ansprech moment für den Sensor liegt. Diese Forderung kanninderRegelals erfüllt betrachtet werden, da sensorüberwachte Bewegungen bei Montage- und Fügeoperationen aus Gründen der hohen Präzision und Gleichmäßigkeit der Bewegung, wegen der geringen Bewegungsgeschwindigkeit nur geringe Antriebsmomente benötigen.

Wenn das Stellmoment das eingestellte Maximalmoment erreicht, wird durch die Begrenzungswirkung, unabhängig von einer weiteren reglungstechnischen Aufschaltung des Stellmomentes von M_Stell > M_MAX das Sensorsignal S stabil gehalten. Dieses Signal kann deshalb durch z. B. einen Rechner einfach ausgewertet werden. Die Realisierung des Momentenbegrenzers 1 erfolgt für elektrische Antriebe 2 mit Gleichstrommotoren durch ein.e Strombegrenzung des Ankerstromes. Gemäß der bekannten Beziehung gilt für diese Motoren

Ma-U (D

Für den Einsatz bei Schrittmotoren kann gleichfalls eine Strombegrenzung vorgenommen werden, da entsprechend der Grundgleichung

M_A~l_w-sinß (2)

das Antriebsmoment bei maximalem Lastwinkel (ß = 90°) durch den Wicklungsstrom l_w begrenzt wird. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, ohne zusätzliche Mittel für Sensorkonstruktionen, nur unter Nutzung der bei Industrieroboter vorhandenen elektrischen Antriebe, den Industrieroboter mit einfachen taktiien Sensorfähigkeiten auszurüsten und Arbeiten unter definierter Krafteinwirkung durchzuführen.

Claims

Patentanspruch:

1. Schaltungsanordnung zur Kraftrückkopplung für Industrieroboter mit elektrischen Antrieben, bei der das Motorstelimoment der einzelnen Antriebe zur Kraft- bzw. Momentenrückmeldung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellmoment (M stell) für jeden Antrieb über einen ersten Eingang eines Momentenbegrenzers (1) an den elektrischen Antrieb (2) geführt ist, ein zweiter Eingang des Momentenbegrenzers (1) zur Einstellung des maximalen Motorstellmoments mit einem Steuersignal (M_MAX) beaufschlagt ist, das gleichzeitig an einen ersten Eingang eines Komparators (3) geführt ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Momentenbegrenzers (1) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Komparators (3) durch Auswertung der Gleichheit zwischen tatsächlichem Motorstellmoment (M_Stell) und eingestelltem Maximalmoment (M_Max) ein KrafWMomentensensorsignal (S) für jeden Antrieb bildet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz von Gleichstrommotoren der Momentenbegrenzer (1) als Begrenzer für den Ankerstrom ausgebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz von Schrittmotoren der Momentenbegrenzer (1) als Begrenzer für die Phasenströme der Feldwicklungen ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Momentenbegrenzer (1) und Komparator (3) aus digitalen kombinatorischen und/oder sequentiellen Schaltwerken aufgebaut sind.
5. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Momentenbegrenzer (1) und Komparator (3) innerhalb eines Mikrorechners durch programmtechnische Mittel realisiert sind.