DE102010045554B4

DE102010045554B4 - Integriertes Hochgeschwindigkeitsdrehmomentregelsystem für ein Robotergelenk

Info

Publication number: DE102010045554B4
Application number: DE102010045554.7A
Authority: DE
Inventors: Donald R. Davis; Nicolaus A. Radford; Frank Noble Permenter; Michael C. Valvo; R. Scott Askew
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: THE U.S.A. AS REPRESENTED BY THE ADMINISTRATOR, US; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: JP2011079123A; US20110071680A1; US8442684B2; DE102010045554A1

Abstract

Steuerungssystem (24) zur Verwendung mit einem Roboter (10), der eine Vielzahl von Gelenken (A, B, C, D, E, F) aufweist, die jeweils von mindestens einem Gelenkmotor (40) angetrieben und durch einen Gelenkprozessor (32) gesteuert werden, wobei das Steuerungssystem (24) umfasst: eine Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene, welche die Bewegung der verschiedenen Gelenke (A, B, C, D, E, F) zum Ausführen einer Aufgabe koordiniert; und eine gedruckte Leiterplattenanordnung (PCBA) (30), die den Gelenkprozessor (32) und einen Hochgeschwindigkeitsbus (35) umfasst, der eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA (30) und der Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene bereitstellt, wobei der Gelenkprozessor (32) eine Bewegungssteuerung auf niedriger Ebene des zugehörigen Gelenks (A, B, C, D, E, F) bereitstellt; wobei die PCBA (30) zum Steuern einer Drehmomentausgabe des mindestens einen Gelenkmotors (40) auf Gelenkebene unter Verwendung eines Drehmomentregelkreises mit Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung ausgelegt ist, und wobei die Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene sowohl eine Steuerung im kartesischen Raum als auch eine impedanzbasierte Steuerung des Roboters (10) bereitstellt, ohne auch die Drehmomentausgabe zu steuern.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement mit der Nummer SAA-AT-07-003 durchgeführt. Die Regierung kann einige Rechte an der Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Roboters und insbesondere ein elektronisches Steuerungssystem, das eine Hochgeschwindigkeits-Drehmomentregelung eines oder mehrerer Robotergelenke bereitstellt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte oder autonome Einrichtungen, die zur Manipulation von Objekten unter Verwendung einer Reihe von starren Gliedern in der Lage sind, welche wiederum über Gelenkverbindungen oder motorgetriebene Robotergelenke miteinander verbunden sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt mindestens eine unabhängige Steuerungsvariable dar, die auch als ein Freiheitsgrad (DOF) bezeichnet wird. Greiforgane sind die speziellen Glieder, die zum Ausführen einer anstehenden Aufgabe verwendet werden, z. B. zum Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Eine präzise Bewegungssteuerung eines Roboters kann daher durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung gegliedert sein: eine Steuerung auf Objektebene, welche die Fähigkeit zur Steuerung des Verhaltens eines Objekts beschreibt, das in einem Einzelgriff oder einem zusammenwirkenden Griff eines Roboters gehalten wird, eine Greiforgansteuerung, und eine Steuerung auf Gelenkebene. Die verschiedenen Steuerungsebenen arbeiten zusammen, um gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters zu erreichen.
Humanoide Roboter sind insbesondere Roboter, die eine annähernd menschliche Gestalt oder eine annähernd menschliche Erscheinung aufweisen, sei es ein vollständiger Körper, ein Torso und/oder eine Gliedmaße, wobei die strukturelle Komplexität des humanoiden Roboters zu einem großen Teil vom Wesen der Arbeitsaufgabe abhängt, die ausgeführt wird. Die Verwendung von humanoiden Robotern kann dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit Einrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für den menschlichen Gebrauch hergestellt sind. Aufgrund des weiten Spektrums von Arbeitsaufgaben, die möglicherweise von einem humanoiden Roboter erwartet werden, können verschiedene Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen vorstehend erwähnten Räumen sowie eine Kontrolle über das aufgewendete Drehmoment oder die aufgewendete Kraft und die verschiedenen Grifftypen angewendet werden.
Die Druckschrift US 6 999 851 B2 offenbart einen Roboter und ein Bewegungssteuerungsverfahren dafür, bei denen eine reflexähnliche Bewegung mit hoher Geschwindigkeit bei verringerter Rechenbelastung für ein zentrales Rechenmodul dadurch ausgeführt wird, dass Reflexsteuerungssysteme, die dem zentralen Rechenmodul untergeordnet sind, mit hoher Frequenz eigenständig arbeiten, um auf Störungen von außen schnell reagieren zu können.
In der Druckschrift US 2008/0 309 277 A1 ist ein Antriebssystem für einen mobilen Roboter offenbart, bei dem Elektromotoren für den Antrieb von Beinen des Roboters sorgen. Eine Antriebsspannung wird mithilfe eines Spannungsverstärkers erhöht, um verschiedene Spannungsanforderungen im Roboter zu befriedigen.
Die Druckschrift US 7 053 579 B2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, bei denen ein Antriebsmodul bewegliche Einheiten des Roboters antreibt, ein Bestimmungsmodul Zustände der Einheiten und des Roboters bestimmt, mehrere Module zur Detektion abnormaler Zustände Fehler detektieren und abstellen und diese wiederum von einem Controller gesteuert werden.
In der Druckschrift US 2002/0 079 857 A1 ist ein Roboter mit Aktoren offenbart, wobei ein Aktor beruhend auf einem Steuerungsobjekt und in Ansprechen auf ein mathematisches Standardmodell gesteuert wird. Dabei wird die Ansteuerung so korrigiert, dass die Reaktion des angesteuerten Objekts mit der Reaktion des Modells des angesteuerten Objekts übereinstimmt. Dabei kann die Massenträgheit des angesteuerten Objekts ohne Trägheitssensor ermittelt werden.
Die Druckschrift US 7 348 746 B2 offenbart ein System zum Detektieren von Abnormalitäten bei einem mobilen Roboter, das bei einer Selbstdiagnose detektierte Fehler oder nicht normale Zustände an einen internen und/oder externen Speicher samt Zeitstempel und Zustandsinformationen ausgibt, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
In der Druckschrift JP 2001-138 273 A ist ein Verfahren zum Abmildern von Stößen auf einen Roboterfuß beim Kontaktieren des Bodens durch den Roboterfuß offenbart, bei dem das Auftreffen des Fußes auf dem Boden mit Sensoren überwacht und die Impedanzen der Gelenkaktoren erhöht werden, wenn der Fuß den Boden kontaktiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Robotersteuerung bereitzustellen, die wenig Einbauraum beansprucht, Verkabelungsaufwand verringert, unempfindlich gegen Rauschen ist, geringe Reaktions- bzw. Latenzzeiten aufweist und erweiterbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird ein elektronisches Steuerungssystem zur Verwendung mit einem Roboter bereitgestellt. Das Steuerungssystem schafft einen Hochgeschwindigkeits-Drehmomentregelkreis für ein Robotergelenk mit einem oder mehreren Elektromotoren und bei Bedarf einer Untersetzungsanordnung. Im Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuerungssystem eine dedizierte programmierbare Logikeinrichtung oder einen Gelenkprozessor in der Form einer gedruckten Leiterplattenanordnung (PCBA), die zusammen mit einem Robotergelenk angeordnet und/oder darin eingebettet ist, um die Drehmomentausgabe des bzw. der Motor(en) oder Stellglied(er), welche das spezielle Robotergelenk antreiben, zu steuern. Bei einer Ausführungsform kann der Gelenkprozessor einen oder mehrere auf einem im Feld programmierbaren Gatearray (FPGA) beruhende Prozessoren umfassen, bei einer Ausführungsform z. B. Prozessoren mit 300 MHz, um die Flexibilität beim Programmieren insgesamt zu optimieren, jedoch ist der Gelenkprozessor nicht darauf beschränkt.
Zudem enthält die PCBA ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM), einen Hochgeschwindigkeitskommunikationsbus und eine lokale Sensoraufbereitungselektronik (SCE) sowie genügend Speicher zum Verarbeiten und Ausführen der verschiedenen Steuerungsalgorithmen, die eine präzise Bewegungskontrolle über den Roboter ausüben. Alle diese Elemente sind auf einer einzigen PCBA vereinigt, wie nachstehend beschrieben wird. Die PCBA weist eine hohe Leistungsdichte auf, gemäß einer Ausführungsform z. B. etwa 20,15 W/cm² (130 W/Zoll²) bis etwa 62,0 W/cm² (400 W/Zoll²). Somit wird ein Drehmomentregelkreis mit hoher Geschwindigkeit bereitgestellt, der gemäß einer Ausführungsform etwa 10 KHz bis etwa 30 KHz aufweisen kann oder anderweitig ausreichend ist, um eine präzise Regelung des in das Robotergelenk eingebetteten Motors sicherzustellen.
Die Robotersteuerungsschaltung kann in eine einzige PCBA vollständig integriert sein, um eine signifikante Verringerung beim benötigten Verpackungsraum zusammen mit einer Bereitstellung einer erhöhten Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen und einer Minimierung der benötigten Verbinder und Verkabelung zu realisieren. Der Hochgeschwindigkeitskommunikationsbus kann zum Beispiel Bittransferraten von etwa 50 MHz bis etwa 100 MHz aufweisen und kann als eine Multi-Drop-Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsbuseinrichtung ausgestaltet sein, die eine ausreichend verringerte Latenzzeit bietet, d. h. die mit dem Übertragen eines Informations- oder Datenpakets an einen speziellen Empfänger verbundene Verzögerung verringert, wodurch eine optimale Robustheit des Steuerungssystem sichergestellt wird, während eine zukünftige Erweiterung desselben auf existierende und entstehende Steuerungsstrategien ermöglicht wird.
Um die Frequenz des Motordrehmomentregelkreises zu maximieren, können einige Verarbeitungsfunktionen von jeglicher benötigter Gelenkkoordinationssteuerung getrennt sein. Die Steuerung auf Gelenkebene wird von den Gelenkprozessoren ausgeführt, die im Roboter bei oder nahe bei dem oder den Robotergelenken eingebettet sind, die gesteuert werden. Die Gelenkprozessoren ermöglichen einen Drehmomentregelkreis mit Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung, der einen Motorstrom befiehlt, im Gegensatz zu einem Spannungsquellenbefehl, der dem Gelenkmotor auf eine herkömmlichere Weise geliefert wird. Motordrehmomentbefehle und Gelenksensordaten können auf der Gelenkebene unter Verwendung des dedizierten Gelenkprozessors verarbeitet und gefiltert werden, der zusammen mit einem gegebenen Robotergelenk angeordnet oder darin eingebettet ist.
Bei einer Ausführungsform kann jedem Freiheitsgrad ein Gelenkprozessor fest zugeordnet sein, d. h. ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden kann ein Gelenkprozessorpaar aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform können mehrere Freiheitsgrade von einer einzigen PCBA gesteuert werden, vorausgesetzt, dass einige der benötigten Schaltungen dupliziert sind. Wie vorstehend angemerkt kann auch das PIM zusammen mit dem Gelenkprozessor auf der PCBA angeordnet sein. Als Folge wird eine lokalisierte Verarbeitung oder eine Verarbeitung auf Gelenkebene von Motorsensordaten an Bord der PCBA bereitgestellt, was zur Minimierung der Menge an Busverkabelung beiträgt, die zu jedem Steuerungsknoten hin und von diesen weg benötigt wird, und den Betrag an elektromagnetischer Interferenz verringert, der die Daten zerstören kann.
Insbesondere weist das Steuerungssystem eine Vielzahl von motorgetriebenen Gelenken auf, von denen jedes durch mindestens einen dedizierten Gelenkmotor oder ein anderes Stellglied betrieben wird. Das Steuerungssystem umfasst eine Steuerungsschaltung auf höherer Ebene oder einen Hirnstamm zum Koordinieren der Bewegung der verschiedenen Gelenke und eine Vielzahl der vorstehend erwähnten eingebetteten PCBAs. Die PCBA, die den Gelenkcontroller verkörpert, kann einen oder mehrere Gelenkprozessoren und einen Hochgeschwindigkeitsbus umfassen, der eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA und dem Hirnstamm bereitstellt. Die PCBA steuert die Drehmomentausgabe des Gelenkmotors unter Verwendung eines Drehmomentregelkreises mit Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung, der gemäß einer speziellen Ausführungsform mindestens etwa 10 KHz beträgt. Die Steuerungsschaltung auf höherer Ebene stellt sowohl eine kartesische Steuerung oder eine Steuerung im kartesischen Raum als auch eine impedanzbasierte Steuerung des humanoiden Roboters bereit, ohne auch die Drehmomentausgabe des Gelenkmotors zu steuern.
Ein Gelenkcontroller in der Form einer PCBA wird bereitgestellt, um die Drehmomentausgabe eines motorgetriebenen Gelenks eines Roboters zu steuern. Der Roboter kann als ein humanoider Roboter oder ein anderer geeigneter Roboterentwurf ausgestaltet sein und umfasst eine Steuerungsschaltung auf hoher Ebene, die sowohl eine kartesische Steuerung als auch eine impedanzbasierte Steuerung des Roboters bereitstellt, ohne die Drehmomentausgabe des Motors zu steuern. Die PCBA umfasst einen Gelenkprozessor und einen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus, der eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA und der Steuerungsschaltung auf hoher Ebene bereitstellt. Die PCBA stellt eine rückkopplungsbasierte Drehmomentregelung des Gelenkmotors in einem Regelkreis mit mindestens etwa 10 KHz bereit.
Ein Roboter umfasst eine Vielzahl von Robotergelenken, die jeweils von mindestens einem entsprechenden Gelenkmotor oder Stellglied angetrieben werden, und ein Steuerungssystem mit einer Steuerungsschaltung auf hoher Ebene und der vorstehend offenbarten PCBA. Die PCBA umfasst einen Prozessor und einen Hochgeschwindigkeitsbus und sie kann ein PIM und eine Sensoraufbereitungselektronik (SCE) zur Verarbeitung von analogen Signalen von verschiedenen Motorsensoren umfassen. Der Hochgeschwindigkeitsbus stellt eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA und der Steuerungsschaltung auf hoher Ebene bereit. Die PCBA ist zum Steuern einer Drehmomentausgabe des Gelenkmotors unter Verwendung eines Rückkopplungsregelkreises mit mindestens etwa 10 KHz ausgelegt, während die Steuerungsschaltung auf hoher Ebene sowohl eine kartesische Steuerung als auch eine impedanzbasierte Steuerung des Roboters bereitstellt, ohne auch die Drehmomentausgabe zu steuern.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Roboters; und
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines elektronischen Steuerungssystems, das mit dem in 1 gezeigten Roboter verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 einen geschickten Roboter 10, der zum Ausführen von einer oder mehreren Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) ausgelegt ist. Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter 10 wie gezeigt als ein humanoider Roboter mit einer Vielzahl von unabhängig und voneinander abhängig bewegbaren Robotergelenken ausgestaltet, wie etwa einem Schultergelenk (Pfeil A), einem Ellenbogengelenk (Pfeil B), einem Handgelenk (Pfeil C), einem Nackengelenk (Pfeil D) und einem Taillengelenk (Pfeil E) sowie den verschiedenen Fingergelenken (Pfeil F), die zwischen den Fingergliedern jedes Roboterfingers 10 positioniert sind, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Roboter 10 kann einen Kopf 12, einen Torso 14, eine Taille 15, Arme 16, Hände 18, Finger 19 und Daumen 21 umfassen, wobei die verschiedenen vorstehend erwähnten Gelenke darin oder dazwischen angeordnet sind. Der Roboter 10 kann in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis. Eine Leistungsversorgung 13 kann an den Roboter 10 einstückig montiert sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der auf der Rückseite des Torsos 14 mitgeführt oder getragen wird, oder eine andere geeignete Leistungsversorgung, um ausreichend elektrische Energie an die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Zum Beispiel können einige Gelenke, wie etwa das Schultergelenk (Pfeil A) und das Ellenbogengelenk (Pfeil B) mindestens zwei Freiheitsgrade in der Form von Nicken und Rollen aufweisen. Auf ähnliche Weise kann das Nackengelenk (Pfeil D) mindestens drei Freiheitsgrade aufweisen, während die Taille und das Handgelenk (Pfeile E bzw. C) einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen können. In Abhängigkeit von der Komplexität der Aufgabe kann sich der Roboter 10 mit über 40 Freiheitsgraden bewegen. Obwohl es in 1 der Einfachheit halber nicht gezeigt ist, enthält jedes Robotergelenk ein oder mehrere Stellglieder und wird dadurch angetrieben, z. B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, Drehstellglieder und dergleichen.
Ein verteiltes Steuerungssystem (C) 24 stellt eine präzise Bewegungssteuerung des Roboters 10 bereit, welche eine Kontrolle über die feinen und groben Bewegungen oder Manipulationen eines Objekts 20 umfasst, das von den Fingern 19 und dem Daumen 21 von einer oder mehreren Händen 18 ergriffen sein kann. Das Steuerungssystem 24 kann jedes Gelenk isoliert von den anderen Gelenken steuern, oder es kann die Aktionen von mehreren Gelenken beim Ausführen von komplexen Arbeitsaufgaben koordinieren.
Das Steuerungssystem 24 kann mehrere digitale Rechner oder Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen (E/A-Schaltungen) und Einrichtungen sowie Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Einzelne im Steuerungssystem 24 vorhandene oder für dieses leicht zugängliche Steuerungsalgorithmen können im ROM gespeichert sein und auf einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann das Steuerungssystem 24 eine Anwenderschnittstelle 22 umfassen, die einem Anwender einen intuitiven Programmier- oder Betriebszugriff auf den Roboter 10 bereitstellt. Zum Beispiel kann die Anwenderschnittstelle 22 eine graphische Anwenderschnittstelle (GUI) umfassen, die einem Bediener einen intuitiven oder menügesteuerten Satz an funktionalen Optionen zur begrenzten Kontrolle über den Roboter 10 bereitstellt. Die Anwenderschnittstelle 22 kann auch eine nur bestimmten Gruppen zugängliche Schnittstelle umfassen, die einen Programmierzugriff auf den Roboter 10 durch Entwickler, Programmierer oder anderes berechtigtes Personal, das über die Berechtigung zum Verändern des Steuerungskerncodes des Roboters verfügt, bereitstellt.
Mit Bezug auf 2 umfasst das Steuerungssystem 24 für eine präzise Drehmomentregelung eines Gelenkmotors (M) 40 oder eines anderen Stellglieds auf Gelenkebene eine Vielzahl von Controller auf Gelenkebene, jeweils in der Form einer gedruckten Leiterplattenanordnung (PCBA) 30. Der Einfachheit halber ist nur eine PCBA 30 in 2 gezeigt, jedoch wird der Roboter 10 von 1 wie oben angemerkt eine Vielzahl von PCBAs umfassen, wobei jede PCBA der Steuerung eines oder mehrerer Freiheitsgrade in Abhängigkeit von der speziellen Konfiguration gewidmet ist. Beispielsweise können einige Gelenke einen einzigen Motor oder ein einziges Stellglied, oder mehrere Motoren für Freiheitsgrade, die gekoppelt sind, verwenden, z. B. ein Schulterrollgelenk oder ein Handgelenk, das zwei Motoren verwendet, um zwei Freiheitsgrade bereitzustellen, während andere, wie etwa sehnengetriebene Gelenke der Finger 19 oder des Daumens 21 mehr als einen Motor oder ein Stellglied pro Freiheitsgrad benötigen können. Da flexible Sehnen nicht gedrückt werden können, muss ein sehnengetriebenes Gelenk durch Ziehen geöffnet und geschlossen werden, womit sich die Verwendung von mehreren Gelenkmotoren anbietet.
Das Steuerungssystem 24 umfasst auch eine Steuerungsschaltung 31, die im Roboter 10, der in 1 gezeigt ist, physikalisch eingebettet sein oder eine getrennte Einrichtung sein kann. Die Schaltung 31 ist in 2 als ”Hirnstamm” beschriftet, um ihre Funktion im Verhältnis zu derjenigen jeder PCBA 30 zu unterscheiden. Im Umfang der vorliegenden Erfindung empfängt die Steuerungsschaltung 31 aufgabenbasierte Steuerungseingabesignale (Pfeil 17) von einem Controller auf oberster Ebene oder einem Systembefehlshaber (SC) 25. In Ansprechen auf die Steuerungseingabesignale (Pfeil 17) bestimmt der Hirnstamm oder die Steuerungsschaltung 31, welches Gelenk oder welche Kombination von Gelenken aktiviert werden soll, um die angeforderte Aktion oder Aufgabe auszuführen. Die Steuerungsschaltung 31 koordiniert die Bewegung der zum Ausführen der Aufgabe benötigten Gelenke unter Verwendung verschiedener Algorithmen 37, z. B. einer kartesischen Steuerung, einer impedanzbasierten Steuerung auf Gelenk- und Greiforganebene, usw. Eine tatsächliche sensorische Verarbeitung, Aufbereitung, Filterung und Drehmomentbestimmung wird unter Verwendung der Vielzahl von PCBAs 30 auf der Gelenkebene lokal verarbeitet und berechnete Werte werden an die Steuerungsschaltung 31 als ein Satz von Gelenksignalen (Pfeil 46) gesandt.
Wie der Fachmann versteht, ist eine PCBA eine im Allgemeinen starre mehrschichtige Platine, die verschiedene Chips und andere elektronische Übertragungs- und Verarbeitungskomponenten hält und miteinander verbindet, welche diejenigen umfasst, die nachstehend im Detail offengelegt sind, aber nicht darauf beschränkt ist. Korrekte Platinenproduktionstechniken sind in der Technik bekannt und berücksichtigen die Verwendung von thermischen Schichten sowie den Abstand und die Verbindung der benötigten Leistungs- und Masseebenen zwischen jeder Signalschicht. Derartige Techniken werden besonders wichtig, wenn eine Vielzahl von Verarbeitungselementen auf einer einzigen PCBA vereinigt werden, wie in 2 gezeigt ist.
Die PCBA 30 der vorliegenden Erfindung ist in einer seriellen Hochgeschwindigkeitskommunikation mit der Steuerungsschaltung 31 angeordnet. Die PCBA 30 stellt eine Bewegungssteuerung auf niedriger Ebene eines zugehörigen Gelenks oder in der Nähe positionierter Gelenke des Roboters 10 von 1 bereit, speziell unter Verwendung einer lokalen Regelung der Drehmomentausgabe eines gegebenen Gelenkmotors 40. Wie der Name impliziert, kann ein Gelenkmotor 40 in jedem Robotergelenk (z. B. Pfeile A–F von 1) positioniert sein und über die PCBA 30 erregt werden, um dadurch das erforderliche Motordrehmoment und eine resultierende Bewegung des zugehörigen Robotergelenks zu erzeugen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Leistungsversorgung 13, die Leistung an die PCBA 30 liefert, eine Gleichstromeinrichtung (DC-Einrichtung) mit 96 V/40 A, obwohl auch andere Leistungsversorgungen verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen.
Der Hirnstamm oder die Steuerungsschaltung 31 verwendet die CPU 37, um benötigte Steuerungen auf hoher Ebene bereitzustellen, d. h. eine komplexe Datenverarbeitungsfunktionalität, eine kartesische Positionierung und/oder eine beliebige impedanzbasierte Bewegungssteuerung des Roboters 10 von 1. Die Ausgestaltung und Positionierung der PCBA 30 und ihre serielle Datenkommunikation mit der Steuerungsschaltung 31 auf hoher Ebene stellen somit eine Präzisionsdrehmomentregelung mit relativ hoher Geschwindigkeit des Gelenkmotors 40 sowie einer beliebige Untersetzungsanordnung bereit, die in einem gegebenen Robotergelenk benötigt wird.
An Bord der PCBA 30 ist ein Gelenkprozessor 32 zusammen mit einem Gleichrichter/Wechselrichtermodul (PIM) 34, einem Speicher 45, einer Sensoraufbereitungselektronik (SCE) 36 und einem seriellen Hochgeschwindigkeitskommunikationsbus 35 zum Bereitstellen einer erhöhten Elektronikverpackungseffizienz sowie einer erhöhten Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen angeordnet. Zum Beispiel können der Gelenkprozessor 32, das PIM 34 und die SCE 36 zusammen auf einer einzigen PCBA angeordnet oder montiert sein, die bei einer Ausführungsform eine Oberfläche von etwa 96,77 cm² (15 Zoll²) oder weniger aufweist. Das PIM 34 kann zum Umsetzen einer DC-Koppelspannung in die aufzubringenden Erregungswellenformen für den speziellen gesteuerten Gelenkmotor ausgelegt sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Gelenkprozessor 32 ausgelegt sein, um die Drehmomentausgabe (Pfeil T_O) eines gegebenen Motors 40 zu steuern, der innerhalb oder nahe bei jedem Gelenk des Roboters 10 positioniert ist. Die PCBA 30 weist eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Verarbeitungsleistung auf. Bei einer Ausführungsform beträgt die stationäre Leistungsdichte der PCBA 30 etwa 20,15 W/cm² (130 W/Zoll²) mit einer Spitze von etwa 62 W/cm² (400 W/Zoll²).
Der Gelenkprozessor 32 kann eine integrierte Schaltung in der Gestalt eines im Feld programmierbaren Gatearrays (FPGA) umfassen. Bei einer Ausführungsform kann das FPGA ein Paar PowerPC- oder anderer geeigneter Prozessormodule umfassen, die sich in dem FPGA befinden, z. B. mit einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 300 MHz oder mehr, der Fähigkeit zur Fließkommaverarbeitung und mit mindestens 512 MB nicht-flüchtigem Speicher und mindestens 64 MB flüchtigem Speicher. Die Prozessormodule können entweder Hardcore-Module oder Softcore-Module sein, wie diese Begriffe in der Technik verstanden werden.
Wie der Fachmann auch versteht, ist ein FPGA eine integrierte Schaltung, die eine zweidimensionale Matrix mit universellen Logikschaltungen umfasst, die ”Zellen” oder ”Logikblöcke” genannt werden und deren Funktionen programmierbar sind. Das FPGA kann konfigurierbare Logikblöcke (CLB), Eingabe/Ausgabe-Blöcke (E/A-Blöcke), programmierbare Verbindungen usw. umfassen. Die CLB können programmiert sein, um eine spezifische kombinatorische oder sequentielle Schaltung auszuführen. Jeder CLB kann einen Block von konfigurierbaren Logikelementen (CLE) und entsprechende programmierbare Routing-Ressourcen umfassen.
Der Hirnstamm/die Steuerungsschaltung 31 auf hoher Ebene steht über dem Hochgeschwindigkeitsbus 35 in Kommunikation mit der PCBA 30. Eine präzise Steuerung auf Gelenkebene eines gegebenen Gelenkmotors 40, d. h. die Steuerung der Drehmomentausgabe (Pfeil T_O) eines beliebigen Freiheitsgrads eines speziellen Gelenks durch die PCBA 30 kann an Bord jeder PCBA für ihren fest zugeordneten Freiheitsgrad mit einer relativ hohen Rückkopplungskreisrate von etwa 10 KHz bis etwa 30 KHz oder mehr lokal ausgeführt werden, wodurch eine Gelenkkoordination und Steuerung auf hoher Ebene im kartesischen Raum und impedanzbasiert zur Ausführung durch den Hirnstamm/die Schaltung 31 reserviert wird. Die Datenausgabe (Pfeil 48) von der Steuerungsschaltung 31 an jede PCBA 30 kann bei einer niedrigeren Rate von etwa 400 Hz oder weniger bleiben, ohne die Motordrehmomentregelfunktionalität über Gebühr zu verschlechtern. Das heißt, dass Verarbeitungsleistung an Bord des Hirnstamms/der Schaltung 31 durch das Verschieben der lokalen Gelenksteuerung zu den eingebetteten Prozessoren auf Gelenkebene freigesetzt wird, etwa zu den einzelnen PCBAs 30, die in den Armen 16 oder dem Torso 14 des in 1 gezeigten Roboters 10 eingebettet sind.
Sensoren 38, wie etwa Drehgeber bzw. Resolver, Winkelsensoren usw., können mit dem Gelenkmotor 40 elektrisch verbunden sein und ausgestaltet sein, um die Winkelposition eines Rotorabschnitts des Motors und/oder eine Federbiegung, wenn sie bei einem seriellen elastischen Stellglied verwendet werden, zu messen, und um Sensordaten (Pfeil 42) in analoger Form an einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 33 zu übertragen, der ebenfalls an Bord des Controllers auf Gelenkebene oder der PCBA 30 positioniert ist. Die Drehmomentausgabe (Pfeil T_O) des Motors 40 kann an die PCBA 30 als Rückkopplung zur Verarbeitung durch den Gelenkprozessor 32 weitergeleitet werden. Ein Drehmomentbefehl (T_C) kann durch die PCBA 30 an den Motor 40 in einem Regelkreis, der eine genügend hohe Rate aufweist, übertragen werden, welche gemäß einer Ausführungsform wie oben angegeben etwa 10 KHz bis etwa 30 KHz betragen kann.
Wie der Fachmann erkennt, können herkömmliche Robotersteuerungssysteme einen zentralen Prozessor verwenden, um mehrere Achsen für eine vollständige kartesische Steuerung, eine Positionssteuerung und eine Robotersensorverarbeitung zu steuern. Ein zentraler Prozessor kann Informationspakete von einer FPGA-Kommutationseinrichtung empfangen, welche eine aufgelaufene relative Wellenposition eines Motors darstellen. Unter Verwendung dieser Informationen führt der Zentralprozessor gewöhnlich Positionssteuerungsroutinen für jede der vielen verschiedenen Achsen aus, wobei kartesische Berechnungen durchgeführt werden und andere sensorische Daten nach Bedarf verarbeitet werden. Diese Konfiguration kann zu einer relativ niedrigen Motorregelkreisrate führen, z. B. etwa 400 Hz.
Teilweise, um dadurch die Regelkreisrate zur Steuerung des Gelenkmotors 40 zu maximieren, trennt das gegenwärtige Steuerungssystem 24 die Steuerungsfunktionalität auf hoher Ebene und auf niedriger Ebene und verwendet den seriellen Hochgeschwindigkeitsbus 35, um eine hohe Datentransferrate zu ermöglichen. Die Steuerung auf niedriger Ebene in jedem Robotergelenk besteht aus einem Motordrehmomentkreis im Gegensatz zu nur einem Kommutierungsbefehl an den Motor 40. Der Drehmomentbefehl wird von dem Gelenkprozessor 32 auf der Gelenkebene verarbeitet, wobei der Gelenkprozessor zusammen mit jedem Gelenk angeordnet ist.
Zudem kann das PIM 34 zusammen mit dem Prozessor 32 auf der PCBA 30 angeordnet sein, wodurch eine Unempfindlichkeit der Gesamtsystemarchitektur gegenüber Rauschen verbessert wird. Sensordaten werden an Bord der PCBA 30 lokal verarbeitet statt global durch die Steuerungsschaltung 31 auf hoher Ebene, was möglicherweise zu einer minimierten Verkabelung zu und von jedem Steuerungsknoten führt. Da mehr Daten zwischen dem Hirnstamm/der Steuerungsschaltung 31 und dem jeweiligen Knoten, der gesteuert wird, übertragen werden können, kann daher ein Hochgeschwindigkeitsserialisierungsprotokoll implementiert werden.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Steuerungssystem (24) zur Verwendung mit einem Roboter (10), der eine Vielzahl von Gelenken (A, B, C, D, E, F) aufweist, die jeweils von mindestens einem Gelenkmotor (40) angetrieben und durch einen Gelenkprozessor (32) gesteuert werden, wobei das Steuerungssystem (24) umfasst: eine Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene, welche die Bewegung der verschiedenen Gelenke (A, B, C, D, E, F) zum Ausführen einer Aufgabe koordiniert; und eine gedruckte Leiterplattenanordnung (PCBA) (30), die den Gelenkprozessor (32) und einen Hochgeschwindigkeitsbus (35) umfasst, der eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA (30) und der Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene bereitstellt, wobei der Gelenkprozessor (32) eine Bewegungssteuerung auf niedriger Ebene des zugehörigen Gelenks (A, B, C, D, E, F) bereitstellt; wobei die PCBA (30) zum Steuern einer Drehmomentausgabe des mindestens einen Gelenkmotors (40) auf Gelenkebene unter Verwendung eines Drehmomentregelkreises mit Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung ausgelegt ist, und wobei die Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene sowohl eine Steuerung im kartesischen Raum als auch eine impedanzbasierte Steuerung des Roboters (10) bereitstellt, ohne auch die Drehmomentausgabe zu steuern.
Steuerungssystem (24) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Gelenk (A, B, C, D, E, F) eine Vielzahl von Positionssensoren (38) umfasst, die ausgestaltet sind, um eine Position und ein Drehmoment des Gelenks (A, B, C, D, E, F) als jeweilige Analogsignale zu bestimmen, und wobei die PCBA (30) einen Wandlerchip (33) umfasst, der ausgelegt ist, um die Analogsignale in entsprechende Digitalsignale umzusetzen und um die Digitalsignale an den Gelenkprozessor (32) weiterzuleiten.
Steuerungssystem (24) nach Anspruch 1, wobei die PCBA (30) im Roboter (10) eingebettet ist und zusammen mit dem Gelenk (A, B, C, D, E, F) angeordnet ist, das von der PCBA (30) gesteuert wird.
Steuerungssystem (24) nach Anspruch 1, wobei der Gelenkprozessor (32) ein im Feld programmierbares Gatearray (FPGA) umfasst.
Gedruckte Leiterplattenanordnung (PCBA) (30) zum Steuern der Drehmomentausgabe eines motorgetriebenen Gelenks (A, B, C, D, E, F) in einem Roboter (10), wobei der Roboter (10) eine Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene aufweist, welche die Bewegung der verschiedenen Gelenke (A, B, C, D, E, F) des Roboters (10) zum Ausführen einer Aufgabe koordiniert und die zum Bereitstellen sowohl einer kartesischen Steuerung als auch einer impedanzbasierten Steuerung des Roboters (10) ausgelegt ist, ohne auch die Drehmomentausgabe zu steuern, wobei die PCBA (30) umfasst: einen Gelenkprozessor (32), der eine Bewegungssteuerung auf niedriger Ebene des zugehörigen Gelenks (A, B, C, D, E, F) bereitstellt; und einen Hochgeschwindigkeitsbus (35), der eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA (30) und der Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene bereitstellt; wobei das motorgetriebene Gelenk (A, B, C, D, E, F) von mindestens einem Gelenkmotor (40) angetrieben wird und wobei die PCBA (30) ausgelegt ist, um eine rückkopplungsbasierte Drehmomentregelung des mindestens einen Gelenkmotors (40) in einem Regelkreis mit mindestens etwa 10 KHz bereitzustellen, die insbesondere ferner ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) (34) umfasst, um eine DC-Koppelspannung in eine Erregungswellenform umzusetzen, die mit dem mindestens einen Gelenkmotor (40) verwendet werden kann.
PCBA (30) nach Anspruch 5, wobei die PCBA (30) ein im Feld programmierbares Gatearray (FPGA) mit einer Vielzahl von darin enthaltenen Prozessoren umfasst, von denen jeder eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von mindestens 300 MHz aufweist.
PCBA (30) nach Anspruch 6, wobei die PCBA (30) zur Verarbeitung von Fließkommaoperationen in der Lage ist und wobei die PCBA (30) auch mindestens 512 MB nicht-flüchtigen Speicher und mindestens 64 MB flüchtigen Speicher umfasst.
Roboter (10) der umfasst: eine Vielzahl von Gelenkmotoren (40); eine Vielzahl von motorgetriebenen Gelenken (A, B, C, D, E, F), die jeweils von mindestens einem der Gelenkmotoren (40) angetrieben und durch einen Gelenkprozessor (32) gesteuert werden; und ein Steuerungssystem (24), das umfasst: eine Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene, welche die Bewegung der verschiedenen Gelenke (A, B, C, D, E, F) zum Ausführen einer Aufgabe koordiniert; und eine gedruckte Leiterplattenanordnung (PCBA) (30), die den Gelenkprozessor (32) und einen Hochgeschwindigkeitsbus (35) umfasst, wobei der Bus (35) eine kalibrierte Datentransferrate zwischen der PCBA (30) und der Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene bereitstellt und der Gelenkprozessor (32) eine Bewegungssteuerung auf niedriger Ebene des zugehörigen Gelenks (A, B, C, D, E, F) bereitstellt; wobei die PCBA (30) zum Regeln einer Drehmomentausgabe eines entsprechenden der Gelenkmotoren (40) unter Verwendung eines Rückkopplungsregelkreises mit mindestens etwa 10 KHz ausgelegt ist, und wobei die Steuerungsschaltung (31) auf hoher Ebene sowohl eine kartesische Steuerung als auch eine impedanzbasierte Steuerung des Roboters (10) bereitstellt, ohne auch die Drehmomentausgabe zu steuern.
Roboter (10) nach Anspruch 8, der ferner einen Positionssensor (38) umfasst, der zum Ermitteln einer Position des Motors (40) als ein Analogsignal ausgestaltet ist, wobei die PCBA (30) einen Wandlerchip (33) umfasst, der zum Umsetzen des Analogsignals in ein Digitalsignal und zum Weiterleiten des digitalen Signals an den Gelenkprozessor (32) ausgelegt ist.
Roboter (10) nach Anspruch 8, wobei die PCBA (30) in dem Gelenk (A, B, C, D, E, F) positioniert ist, das durch die PCBA (30) gesteuert wird.