DE102024107151B3

DE102024107151B3 - Verfahren zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung eines Robotersystem

Info

Publication number: DE102024107151B3
Application number: DE102024107151.6A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Elhardt; Manfred Schedl; Patrik Lemmen; Robin Heidel; Roland Boumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2024-03-13
Filing date: 2024-03-13
Publication date: 2025-08-14
Anticipated expiration: 2044-03-14

Abstract

Bei einem Robotersystem, mit einer Weltraumrobotereinrichtung mit zumindest einem beweglichen Roboterelement und zumindest einem Aktuator zum Bewegen des zumindest einem Roboterelements, einer Unterstützungseinrichtung zum Unterstützen der Robotereinrichtung bei Verwendung der Weltraumrobotereinrichtung auf der Erde, mit einem Kraftaufbringungselement, das an zumindest einer Stelle mit dem Roboterelement verbunden ist und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement aufbringt, welche die auf das Roboterelement wirkende Erdanziehungskraft zumindest teilweise kompensiert, ist vorgesehen, dass die Unterstützungseinrichtung ein Seilrobotersystem ist, das zumindest zwei Seilelemente aufweist, die mit dem Kraftaufbringungselement verbunden sind, wobei jedes Seilelement mit zumindest einem Motor verbunden ist, der das jeweilige Seilelement bewegen kann, so dass die Richtung und der Betrag der Kraft, die über das Kraftaufbringungselement auf das Roboterelement aufbringbar ist, einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung eines Robotersystem nach Anspruch 1 und ein Robotersystem zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung nach Anspruch 9.
Es sind Robotereinrichtungen bekannt, die insbesondere zur Verwendung im Weltraum hergestellt werden. Weltraumrobotereinrichtungen werden für Bedingungen im Weltraum konstruiert. Da im Weltraum keine Gravitationskräfte auf die Weltraumrobotereinrichtung wirken, kann bei der Auslegung der Weltraumrobotereinrichtung ein großer Teil der aufgrund der Gravitation nötigen Kräfte vernachlässigt werden. Somit können die Gelenke und/oder Aktuatoren kleiner, leichter und energieeffizienter dimensioniert werden.
Allerdings sollen die Robotereinrichtungen auch auf der Erde betrieben werden, um beispielsweise die Robotereinrichtungen zu testen oder zu verbessern. Dafür muss die Robotereinrichtung unterstützt werden, da ansonsten die Gelenke zu stark belastet werden oder die Aktuatoren die Robotereinrichtung nicht bewegen können. Dafür existieren Entlastungseinrichtungen, welche die Robotereinrichtungen auf der Erde unterstützen. Dies geschieht beispielsweise mit Heliumballons oder über planar fahrbare, aktive oder passive Auflagetische. Heliumballons, welche je nach Traglast mehrere Meter Durchmesser aufweisen können, tragen über ihre Auftriebskraft zu einer Entlastung bei. Diese werden an den vorgesehenen Stellen an der Robotereinrichtung montiert und ziehen die Robotereinrichtung an dieser Stelle mit einer konstanten Kraft nach oben. Planar fahrbare Auflagetische können beispielsweise über glatte Böden gleiten und die Gelenke der Robotereinrichtung stützen. Bei dieser Methode können die Robotereinrichtungen jedoch nur planare Bewegungen ausführen.
Es sind Robotersysteme bekannt, die jeweils zumindest eine Robotereinrichtung mit zumindest einem beweglichen Roboterelement und zumindest einem Aktuator zum Bewegen des zumindest einem Roboterelements aufweisen. Es ist auch bekannt, zumindest eine Entlastungseinrichtung zum Entlasten der Robotereinrichtung bei Verwendung des Robotersystem im Gravitationsfeld der Erde vorzusehen, wobei zumindest ein Kraftaufbringungselement an zumindest einer Koppelstelle mit dem Roboterelement verbunden wird und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement aufgebracht wird, die die auf das Roboterelement wirkende Gravitationskraft zumindest teilweise kompensiert,
Die DE102023128612A1 offenbart ein Robotersystem mit einer Weltraumrobotereinrichtung, die zumindest ein bewegliches Roboterelement und zumindest einen Aktuator zum Bewegen des Roboterelements umfasst. Ferner ist eine Unterstützungseinrichtung vorgesehen, die die Robotereinrichtung bei der Verwendung auf der Erde unterstützt. Diese Unterstützungseinrichtung besitzt ein Kraftaufbringungselement, das an mindestens einer Stelle mit dem Roboterelement verbunden ist und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement ausübt, welche die auf das Roboterelement wirkende Erdanziehungskraft zumindest teilweise kompensiert. Die Unterstützungseinrichtung ist dabei als Seilrobotersystem ausgestaltet, das mindestens zwei Seilelemente aufweist, die mit dem Kraftaufbringungselement verbunden sind. Jedes Seilelement ist mit einem Motor verbunden, der das jeweilige Seilelement bewegen kann, sodass Richtung und Betrag der Kraft, die über das Kraftaufbringungselement auf das Roboterelement aufgebracht wird, einstellbar sind.
DE102023113815B3 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Robotereinrichtung, die mindestens ein Roboterelement aufweist, das um zumindest ein erstes Robotergelenk geschwenkt werden kann. Das Roboterelement wird mittels mindestens eines Aktuators bewegt. Der Aktuator wird durch eine erste Aktuatorsteuereinrichtung gesteuert, wobei erste Steuersignale an den Aktuator gesendet werden. Gleichzeitig wird die Robotereinrichtung durch eine Unterstützungseinrichtung unterstützt, die mittels einer Unterstützungssteuereinrichtung zweite gravitationskompensierende Steuersignale empfängt, sodass die Unterstützungseinrichtung über ein Kraftaufbringungselement, das mit dem Roboterelement verbunden ist, mindestens eine Kraft oder ein Moment auf das Roboterelement ausübt, um die wirkende Gravitationslast zumindest teilweise zu kompensieren. Zur vollständigen Kompensation der auf das Roboterelement einwirkenden Gravitationskraft werden nicht nur gravitationskompensierende Steuersignale an die Unterstützungseinrichtung gesendet, sondern auch zusätzliche gravitationskompensierende Steuersignale von der Aktuatorsteuereinrichtung an den Aktuator übermittelt.
DE102017215642B3 betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Roboters mit einer Robotersteuerung und einem von dieser angesteuerten Roboterarm, der mehrere Glieder und diese gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst. Dem Roboterarm ist eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet, die eine mechanische Koppel aufweist, welche an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten. Dabei wird ein mathematisches Modell der Kraftkompensationsvorrichtung bereitgestellt und verwendet.
DE102015206121B3 betrifft ein Verfahren zum Steuern von mindestens einem kraftgeregelten Manipulator unter Verwendung mindestens einer Kraftkompensationsvorrichtung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bestimmen des Betrags der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft, kontinuierliches Bestimmen der Richtung dieser Kompensationskraft sowie Steuern des Manipulators unter Berücksichtigung von Betrag und Richtung der Kompensationskraft unter Verwendung einer Manipulatorsteuerungsvorrichtung.
DE102013220798A1 betrifft ein Verfahren zum Handhaben von Objekten mittels wenigstens zweier Industrieroboter, die jeweils einen Manipulatorarm mit mehreren aufeinanderfolgenden Gliedern besitzen, die durch verstellbare Gelenke verbunden und von mindestens einer Steuervorrichtung angesteuert werden. Dabei greift ein Manipulatorarm ein Objekt und verbindet es mit seinem Endglied, während ein Glied des anderen Manipulatorarms an ein Glied des ersten Manipulatorarms angekoppelt wird. Die Erfindung umfasst zudem einen entsprechenden Industrieroboter.
DE102011006992A1 betrifft ein Verfahren zum automatisierten Bewegen eines schwerkraftkompensierten Lastkörpers, wobei dieser von einem Lastkörperhaltemittel getragen wird, das mit einem Endeffektor-Flansch eines Roboters verbunden ist. Eine Schwerkraftkompensationsvorrichtung mit einem Anschlussglied ist vorgesehen, das an einem Glied oder dem Endeffektor-Flansch des Roboters angreift, um die Schwerkraft des Lastkörpers zu kompensieren. Die Erfindung betrifft außerdem ein automatisiertes Handhabungssystem mit einer Schwerkraftkompensationsvorrichtung, einem Lastkörperhaltemittel und einem Roboter zum Bewegen des schwerkraftkompensierten Lastkörpers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einstellung der optimalen Entlastungskraft und Entlastungsrichtung zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 9
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die Qualität der Entlastung der Robotereinrichtung mittels der Entlastungseinrichtung bestimmt wird, wobei die von der Entlastungseinrichtung aufgebrauchte Entlastungskraft und die Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung gemessen wird und von einer Steuereinrichtung mit der gewünschten Entlastungskraft verglichen wird und ein Qualitätswert ermittelt wird, der die Qualität der Entlastung wiedergibt, wobei der Qualitätswert ein einzelner Wert für einen Zeitschritt ist, wobei der Qualitätswert wie folgt bestimmt wird: $q = \sqrt{\frac{(k_{x} Δ f_{x}^{2} + k_{y} Δ f_{y}^{2} + k_{z} Δ f_{z}^{2})}{3}}$ wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist, wobei k_x, k_y, k_z festlegbare Gewichtungsfaktoren sind..
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass Entlastungskraft und Entlastungsrichtung optimierbar ist.
Die Steuereinrichtung kann den Qualitätswert mittels einer root-mean-square-errors Methode ermittelt wird.
Die root-mean-square-errors Methode bezieht sich auf eine Methode, die dazu dient, die Qualität eines Verfahrens oder Modells zu bewerten. Der root-mean-square-errors Methode ist ein Maß für die Differenz zwischen den von dem gemessenen Werten und den vorgegebenen Werten.
Das Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y, z ist somit das Koordinatensystem in dem Raum, in dem die Robotereinrichtung angeordnet ist. Die Robotereinrichtung kann sich in dem Raum bewegen.
Die Gewichtungsfaktoren werden durch Analyse des vorliegenden Systems bestimmt. Diese Analyse kann beispielsweise ergeben, dass eine Abweichung in x- und y-Richtung einen größeren Einfluss hat als eine Abweichung in die z-Richtung. Somit würde man den Gewichtungsfaktor k_z höher festlegen als k_x und k_y.
Es kann die Qualität der Entlastung für vorbestimmte Zeitschritte berechnet werden, so dass ein zeitlicher Verlauf der Entlastungsqualität ausgegeben werden kann.
Es kann zumindest eine Kraftmesseinrichtung verwendet werden, um die Höhe der Entlastungskraft zu messen.
Es kann zumindest eine Winkelmesseinrichtung, vorzugsweise zwei Winkelmesseinrichtung verwendet werden, um die Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung zu bestimmen.
Die Winkelmesseinrichtung kann vorzugsweise ein Winkelsensor sein.
Es kann bei der Bestimmung der Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung die Orientierung des Robotereinrichtung an der Koppelstelle mit der Entlastungseinrichtung mit einbezogen werden.
Die Steuereinrichtung kann zum Vergleichen der gemessenen Entlastungskraft mit der gewünschten Entlastungskraft für die jeweilige Entlastungsrichtung die folgende Differenz berechnet: $[\begin{matrix} Δ f_{x} \\ Δ f_{y} \\ Δ f_{z} \end{matrix}] = Δ F = F - F_{g e w \ddot{u} n s c h t}$
wobei F die gemessene Kraft und F_gewünscht die gewünschte Entlastungskraft ist,
wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist.
Die gewünschte Entlastungskraft und -richtung kann wie folgt berechnet werden: $F = R_{R 0} R_{A 1} R_{A 2} F_{K S 1}$ $F_{K S 1} = [\begin{matrix} 0 \\ f \\ 0 \end{matrix}]$ $R_{A 2} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 2}) & - s i n (θ_{A 2}) & 0 \\ s i n (θ_{A 2}) & c o s (θ_{A 2}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ $R_{A 1} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 1}) & - s i n (θ_{A 1}) & 0 \\ s i n (θ_{A 1}) & c o s (θ_{A 1}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$
wobei θ_A1 der mit der ersten Winkelmesseinrichtung A1 gemessene Winkel um eine erste Achse ist,
θ_A2 der mit der zweiten Winkelmesseinrichtung A2 gemessene Winkel um eine zweite Achse ist,
wobei die Rotationskomponente R_A2 die Rotation um die zweite Achse beschreibt, wobei die Rotationskomponente R_A1 die Rotation um die erste Achse beschreibt, F_KS1 den Wert des Kraftsensors darstellt,
wobei die Orientierung der Robotereinrichtung an der Koppelstelle durch das Koordinatensystem K_S1 dargestellt ist.
Das Koordinatensystem K_S1 an der Koppelstelle ist ein Koordinatensystem, dass sich mit der Robotereinrichtung mitbewegt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein Robotersystem zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung vorgesehen sein, mit zumindest einer Robotereinrichtung mit zumindest einem beweglichen Roboterelement und zumindest einem Aktuator zum Bewegen des zumindest einem Roboterelements,
zumindest einer Entlastungseinrichtung zum Entlasten der Robotereinrichtung bei Verwendung des Robotersystem im Gravitationsfeld der Erde, wobei zumindest ein Kraftaufbringungselement an zumindest einer Koppelstelle mit dem Roboterelement verbunden ist und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement aufbringbar ist, die die auf das Roboterelement wirkende Gravitationskraft zumindest teilweise kompensiert,
wobei zumindest eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Qualität der Entlastung der Robotereinrichtung mittels der Entlastungseinrichtung zu bestimmen, wobei die von der Entlastungseinrichtung aufgebrauchte Entlastungskraft und die Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung messbar ist und die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist die gemessene Werte mit der gewünschten Entlastungskraft zu vergleichen und einen Qualitätswert zu ermitteln, der die Qualität der Entlastung wiedergibt, wobei der Qualitätswert ein einzelner Wert ist, wobei
die Steuereinrichtung dazu ausgebildetist, den Qualitätswert wie folgt zu bestimmen: $q = \sqrt{\frac{(k_{x} Δ f_{x}^{2} + k_{y} Δ f_{y}^{2} + k_{z} Δ f_{z}^{2})}{3}}$
wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist,
wobei k_x, k_y, k_z festlegbare Gewichtungsfaktoren sind.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Qualitätswert mittels einer root-mean-square-errors Methode zu ermitteln.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Qualität der Entlastung für vorbestimmte Zeitschritte zu berechnen, so dass ein zeitlicher Verlauf der Entlastungsqualität ausgegeben werden kann.
Es kann zumindest eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen sein, um die Höhe der Entlastungskraft zu messen.
Es kann zumindest eine Winkelmesseinrichtung, vorzugsweise zwei Winkelmesseinrichtung vorgesehen sind, um die Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung zu bestimmen.
Es kann bei der Bestimmung der Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung die Orientierung des Robotereinrichtung an der Koppelstelle mit der Entlastungseinrichtung mit einbezogen werden.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, zum Vergleichen der gemessenen Entlastungskraft mit der gewünschten Entlastungskraft für die jeweilige Entlastungsrichtung die folgende Differenz zu berechnen: $[\begin{matrix} Δ f_{x} \\ Δ f_{y} \\ Δ f_{z} \end{matrix}] = Δ F = F - F_{g e w \ddot{u} n s c h t}$
wobei F die gemessene Kraft und F_gewünscht die gewünschte Entlastungskraft ist,
wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, dass die gewünschte Entlastungskraft und -richtung wie folgt berechenbar ist: $F = R_{R 0} R_{A 1} R_{A 2} F_{K S 1}$ $F_{K S 1} = [\begin{matrix} 0 \\ f \\ 0 \end{matrix}]$ $R_{A 2} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 2}) & - s i n (θ_{A 2}) & 0 \\ s i n (θ_{A 2}) & c o s (θ_{A 2}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ $R_{A 1} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 1}) & - s i n (θ_{A 1}) & 0 \\ s i n (θ_{A 1}) & c o s (θ_{A 1}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$
wobei θ_A1 der mit der ersten Winkelmesseinrichtung A1 gemessene Winkel um eine erste Achse ist,
θ_A2 der mit der zweiten Winkelmesseinrichtung A2 gemessene Winkel um eine zweite Achse ist,
wobei die Rotationskomponente R_A2 die Rotation um die zweite Achse beschreibt, wobei die Rotationskomponente R_A1 die Rotation um die erste Achse beschreibt, F_KS1 den Wert des Kraftsensors darstellt,
wobei die Orientierung der Robotereinrichtung an der Koppelstelle durch das Koordinatensystem KS1 dargestellt ist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
Es zeigen schematisch

1 das Robotersystem,
2 ein Ausschnitt aus 1, der das Kraftaufbringungselement zeigt,
3 die Steuereinrichtung.

In 1 ist ein Robotersystem 1 dargestellt. Das Robotersystem 1 weist eine Robotereinrichtung 2 auf. Die Robotereinrichtung 2 ist vorzugsweise eine Weltraumrobotereinrichtung. Die Robotereinrichtung 2 weist zumindest ein bewegliches Roboterelement 4 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zumindest drei bewegliche Roboterelemente 6, 4 und 8 vorgesehen. Das zumindest eine bewegliche Roboterelement 4 kann mit zumindest einem Aktuator 13 bewegt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Aktuator 15 vorgesehen, der das Roboterelement 6 bewegen kann. Ferner ist ein Aktuator 13 vorgesehen, der das Roboterelement 4 bewegen kann und es ist ein Aktuator 11 vorgesehen, der das Roboterelement 8 bewegen kann. Es sind ferner Gelenke 14, 12 und 10 vorgesehen um die sich die jeweiligen Roboterelemente 6, 4 und 8 drehen können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Robotereinrichtung 2 vorzugsweise ein Roboterarm. Ferner ist die Robotereinrichtung vorzugsweise an einem im Raum festen Gegenstand an der Stelle 16 montiert. Alternativ kann die Robotereinrichtung auch an einer bewegbaren Basis befestigt sein.
Das Robotersystem 1 weist eine Entlastungseinrichtung 3 auf, die die Robotereinrichtung 2 bei Verwendung der Robotereinrichtung auf im Gravitationsfeld der Erde unterstützen kann. Die Entlastungseinrichtung 3 weist zumindest ein Kraftaufbringungselement 30 auf, das an zumindest einer Koppelstelle mit dem zumindest einem Roboterelement 4 verbunden ist und an dem zumindest eine Kraft auf das zumindest eine Roboterelement 4 aufbringbar ist, die die auf das eine Roboterelement 4 wirkende Gravitationskraft bzw. Erdanziehungskraft zumindest teilweise kompensiert. Dies bedeutet, dass zumindest ein Anteil der Kraft, die über das Kraftaufbringungselement 30 auf das Roboterelement 4 ausgeübt wird, entgegen der Gravitationskraft bzw. Erdanziehungskraft wirkt. Durch das Aufbringen der Kraft und die teilweise Kompensierung der Gravitationskraft bzw. Erdanziehungskraft wird die Robotereinrichtung 2 unterstützt bzw. entlastet. Die Robotereinrichtung 2 sollte zumindest so viel unterstützt bzw. entlastet werden, dass die Aktuatoren 10, 12 und 15 die Roboterelemente 6, 4 und 8 bewegen können.
Die dargestellte Entlastungseinrichtung 3 ist ein Seilrobotersystem, das zumindest zwei Seilelemente, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Seilelemente 18, 20, 22, 24 aufweist, die mit dem Kraftaufbringungselement 30 verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Seilelemente 18, 20, 22 und 24 vorgesehen und jedes Seilelement 18, 20, 22, 24 ist mit jeweils zumindest einem Motor 38, 36, 34, 32 verbunden, der das jeweilige Seilelement 18, 20, 22, 24 bewegen kann. Durch Betätigen des jeweiligen Motors 38, 36, 34, 32 kann beispielsweise das jeweilige Seilelement 18, 20, 22, 24 eingerollt werden und so kann das jeweilige Seilelement 18, 20, 22, 24 bewegt werden. An der Stelle 48 sind die vier Seilelemente 18, 20, 22, 24 mit einem Kraftaufbringungsseil 26 verbunden. Das Kraftaufbringungsseil 26 ist mit einem Kraftbringungselement 30 verbunden. Somit sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Seilelemente 18, 20, 22, 24 indirekt mit dem Kraftaufbringungselement 30 verbunden.
Je nachdem, wie stark die einzelnen Seilelemente 18, 20, 22, 24 eingerollt werden, wird eine Kraft auf das Kraftaufbringungselement 30 und damit auf das Roboterelement 4 ausgeübt. Durch Verstellen der Motoren und Bewegen der Seilelemente 18, 20, 22, 24 kann somit der Betrag und die Richtung der Kraft, die auf das Kraftaufbringungselement 30 und damit auf das zumindest eine Roboterelement 4 wirkt, eingestellt werden. Die Seilelemente 18, 20, 22, 24 sind über Umlenkelemente 41, 43, 45 und 47 umgelenkt. Die Umlenkelemente 41, 43, 45 und 47 sind vorzugsweise oberhalb des Roboterelementes 4 angeordnet.
Es kann zumindest eine Kraftmesseinrichtung 28 vorgesehen sein, um die Höhe der Entlastungskraft zu messen. Die Kraftmesseinrichtung 28 kann den Betrag der Kraft messen, der in dem Kraftaufbringungsseil wirkt und damit dem Betrag der Kraft entspricht, der auf das Roboterelement 4 einwirkt und damit entlastet.
Zusätzlich oder alternativ können auch Sensoreinrichtungen 42, 44, 40 und 46 vorgesehen sein, die die Kräfte in den Seilelementen 18, 20, 22 und 24 messen. Die Gesamtkraft, die mit der zweiten Sensoreinrichtung 28 messbar ist, kann auch alternativ mit Hilfe der Sensoreinrichtungen 42, 44, 40 und 46 gemessenen Kräfte berechnet werden.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch das Kraftaufbringungsseil 26 weggelassen sein und die Seilelemente 18, 20, 22 und 24 direkt mit dem Kraftaufbringungselement 30 verbunden sein.
Die Erfindung ist auch nicht auf vier Seilelemente 18, 20, 22 und 24 beschränkt, sondern kann auch mit mehr oder weniger Seilelementen ausgeführt werden. Es sollten dabei jedoch zumindest zwei Seilelemente vorgesehen sein, damit die Kraftrichtung und der Betrag der Kraft verändert werden kann.
Ferner ist das Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y, z dargestellt. Dies ist das Koordinatensystem in dem Raum, in dem die Robotereinrichtung 2 angeordnet ist. Die Robotereinrichtung 2 kann sich in dem Raum bewegen.
In 2 ist ein Ausschnitt der 1 gezeigt, bei dem das Kraftaufbringungselement 30 näher dargestellt ist. Das Kraftaufbringungselement 30 ist um zumindest eine erste Achse 50 und zumindest eine zweite Achse 52 drehbar. Die erst und die zweite Achse sind vorzugsweise im Wesentlichen orthogonalen zueinander. Je nachdem, wo sich das Roboterelement 4 befindet und je nachdem, wie die Motoren 38, 36, 34, 32 betätigt wurden und damit die Seilelemente 18, 20, 22, 24 bewegt wurden, hat das Kraftaufbringungsseil 26 eine unterschiedliche Stellung zu dem Roboterelement 4. Das Kraftaufbringungselement 30 richtet sich abhängig davon aus.
Das Kraftaufbringungselement 30 wird somit passiv bewegt, je nach Stellung der Seilelemente und des Roboterelements 4. Die erste Achse 50 des Kraftaufbringungselementes 30 ist vorzugsweise koaxial zu der Achse des Roboterelementes 4 angeordnet. Es kann zumindest eine erste Winkelmesseinrichtung A1 und eine zweite Winkelmesseinrichtung A2 vorgesehen sein, die den jeweiligen Winkel um die erste und zweite Achse 50, 52 zwischen dem Kraftaufbringungsseil 26 und der Robotereinrichtung 2 detektiert kann. Damit kann die Stellung des Kraftaufbringungsseil 26 bezogen auf das Roboterelement 4 festgestellt werden, um festzustellen, in welche Richtung die aufgebrachte Kraft auf das Roboterelement 4 bzw. die Robotereinrichtung 2 wirkt.
Die Qualität der Entlastung der Robotereinrichtung 2 kann mittels der Entlastungseinrichtung 3 bestimmt werden, wobei die von der Entlastungseinrichtung 3 aufgebrauchte Entlastungskraft und die Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung 2 gemessen wird und von einer in 3 dargestellte Steuereinrichtung 204 mit der gewünschten Entlastungskraft verglichen wird und ein Qualitätswert ermittelt wird, der die Qualität der Entlastung wiedergibt, wobei der Qualitätswert ein einzelner Wert ist.
Ferner ist das Koordinatensystem KS1 in 2 dargestellt.
In 3 ist die Steuereinrichtung 204 dargestellt. Die gemessen Werte der Kraftmesseinrichtung 28 und der ersten und zweiten Winkelmesseinrichtung A1, A2 werden an die Steuereinrichtung gesendet. Die Steuereinrichtung kann, die anhand der gemessenen Werte die gemessene Entlastungskraft und Richtung der Entlastungskraft bestimmen. Die Steuereinrichtung 204 erhält ferner die gewünschte Entlastungskraft 201 bezogen auf die jeweilige Raumrichtungen. Die Steuereinrichtung 204 kann dann einen Qualitätswert 200 ermitteln.
Der Qualitätswert kann mittels einer root mean-square-errors Methode ermittelt werden.
Die Steuereinrichtung 204 kann den Qualitätswert wie folgt bestimmen: $q = \sqrt{\frac{(k_{x} Δ f_{x}^{2} + k_{y} Δ f_{y}^{2} + k_{z} Δ f_{z}^{2})}{3}}$ wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist, wobei k_x, k_y, k_z festlegbare Gewichtungsfaktoren sind.
Die Gewichtungsfaktoren können durch Analyse des Systems vorab ermittelt werden. Die Gewichtungsfaktoren können in einer Speichereinrichtung gespeichert sein.
Die Qualität der Entlastung kann für vorbestimmte Zeitschritte berechnet werden, so dass ein zeitlicher Verlauf der Entlastungsqualität ausgegeben werden kann.
Die Steuereinrichtung kann zum Vergleichen der gemessenen Entlastungskraft mit der gewünschten Entlastungskraft für die jeweilige Entlastungsrichtung die folgende Differenz berechnet: $[\begin{matrix} Δ f_{x} \\ Δ f_{y} \\ Δ f_{z} \end{matrix}] = Δ F = F - F_{g e w \ddot{u} n s c h t}$
wobei F die gemessene Kraft und F_gewünscht die gewünschte Entlastungskraft ist,
wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung bezogen ist.
Die gewünschte Entlastungskraft und -richtung kann wie folgt berechnet werden: $F = R_{R 0} R_{A 1} R_{A 2} F_{K S 1}$ $F_{K S 1} = [\begin{matrix} 0 \\ f \\ 0 \end{matrix}]$ $R_{A 2} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 2}) & - s i n (θ_{A 2}) & 0 \\ s i n (θ_{A 2}) & c o s (θ_{A 2}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ $R_{A 1} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 1}) & - s i n (θ_{A 1}) & 0 \\ s i n (θ_{A 1}) & c o s (θ_{A 1}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ wobei θ_A1 der mit dem ersten Winkelsensor A1 gemessene Winkel um die erste Achse 50 ist, θ_A2 der mit dem zweiten Winkelsensor A2 gemessene Winkel um eine zweite Achse ist, wobei die Rotationskomponente R_A2 die Rotation um die zweite Achse 52 beschreibt, wobei die Rotationskomponente R_A1 die Rotation um die erste Achse 50 beschreibt, F_KS1 den Wert des Kraftsensors darstellt, wobei die Orientierung der Robotereinrichtung an der Koppelstelle durch das Koordinatensystem K_S1 dargestellt ist.

Claims

Verfahren zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung eines Robotersystem (1), wobei das Robotersystem (1) zumindest eine Robotereinrichtung (2) mit zumindest einem beweglichen Roboterelement (4, 6, 8) und zumindest einem Aktuator (10-13, 15) zum Bewegen des zumindest einem Roboterelements (4, 6, 8) aufweist, wobei zumindest eine Entlastungseinrichtung (3) zum Entlasten der Robotereinrichtung (2) bei Verwendung des Robotersystem (1) im Gravitationsfeld der Erde vorgesehen wird, wobei zumindest ein Kraftaufbringungselement (30) an zumindest einer Koppelstelle mit dem Roboterelement (4, 6, 8) verbunden wird und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement (4, 6, 8) aufgebracht wird, die die auf das Roboterelement (4, 6, 8) wirkende Gravitationskraft zumindest teilweise kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Entlastung der Robotereinrichtung (2) mittels der Entlastungseinrichtung (3) bestimmt wird, wobei die von der Entlastungseinrichtung (3) aufgebrauchte Entlastungskraft und die Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) gemessen wird und von einer Steuereinrichtung (204) mit der gewünschten Entlastungskraft (201) verglichen wird und ein Qualitätswert (200) ermittelt wird, der die Qualität der Entlastung wiedergibt, wobei der Qualitätswert (200) ein einzelner Wert ist, wobei die Steuereinrichtung (204) den Qualitätswert (200) wie folgt bestimmt: $q = \sqrt{\frac{(k_{x} Δ f_{x}^{2} + k_{z} Δ f_{z}^{2})}{3}}$ wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft (201) bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung (2) bezogen ist, wobei k_x, k_y, k_z festlegbare Gewichtungsfaktoren sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) den Qualitätswert (200) mittels einer root-mean-square-errors Methode ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Entlastung für vorbestimmte Zeitschritte berechnet wird, so dass ein zeitlicher Verlauf der Entlastungsqualität ausgegeben werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kraftmesseinrichtung (28) verwendet wird, um die Höhe der Entlastungskraft zu messen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Winkelmesseinrichtung, vorzugsweise zwei Winkelmesseinrichtung verwendet werden, um die Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) die Orientierung des Robotereinrichtung (2) an der Koppelstelle mit der Entlastungseinrichtung (3) mit einbezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) zum Vergleichen der gemessenen Entlastungskraft mit der gewünschten Entlastungskraft (201) für die jeweilige Entlastungsrichtung die folgende Differenz berechnet: $[\begin{matrix} Δ f_{x} \\ Δ f_{y} \\ Δ f_{x} \end{matrix}] = Δ F = F - F_{g e w \ddot{u} n s c h t}$ wobei F die gemessene Kraft und F_gewünscht die gewünschte Entlastungskraft ist, wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft (201) bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung (2) bezogen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Entlastungskraft (201) und -richtung wie folgt berechnet wird: $F = R_{R 0} R_{A 1} R_{A 2} F_{K S 1}$ $F_{K S 1} = [\begin{matrix} 0 \\ f \\ 0 \end{matrix}]$ $R_{A 2} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 2}) & - s i n (θ_{A 2}) & 0 \\ s i n (θ_{A 2}) & c o s (θ_{A 2}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ $R_{A 1} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 1}) & - s i n (θ_{A 1}) & 0 \\ s i n (θ_{A 1}) & c o s (θ_{A 1}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ wobei θ_A1 der mit dem ersten Winkelsensor (A1) gemessene Winkel um eine erste Achse (50) ist, θ_A2 der mit dem zweiten Winkelsensor (A2) gemessene Winkel um eine zweite Achse (52) ist, wobei die Rotationskomponente R_A2 die Rotation um die zweite Achse (52) beschreibt, wobei die Rotationskomponente R_A1 die Rotation um die erste Achse (50) beschreibt, F_KS1 den Wert des Kraftsensors darstellt, wobei die Orientierung der Robotereinrichtung (2) an der Koppelstelle durch das Koordinatensystem K_S1 dargestellt ist.
Robotersystem (1) zum Berechnen der Qualität einer Roboterentlastungseinrichtung, mit zumindest einer Robotereinrichtung (2) mit zumindest einem beweglichen Roboterelement (4, 6, 8) und zumindest einem Aktuator (10-13, 15) zum Bewegen des zumindest einem Roboterelements (4, 6, 8), zumindest einer Entlastungseinrichtung (3) zum Entlasten der Robotereinrichtung (2) bei Verwendung des Robotersystem (1) im Gravitationsfeld der Erde, wobei zumindest ein Kraftaufbringungselement (30) an zumindest einer Koppelstelle mit dem Roboterelement (4, 6, 8) verbunden ist und zumindest eine Kraft auf das Roboterelement (4, 6, 8) aufbringbar ist, die die auf das Roboterelement (4, 6, 8) wirkende Gravitationskraft zumindest teilweise kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuereinrichtung (204) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Qualität der Entlastung der Robotereinrichtung (2) mittels der Entlastungseinrichtung (3) zu bestimmen, wobei die von der Entlastungseinrichtung (3) aufgebrauchte Entlastungskraft und die Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) messbar ist und die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist die gemessene Werte mit der gewünschten Entlastungskraft (201) zu vergleichen und einen Qualitätswert (200) zu ermitteln, der die Qualität der Entlastung wiedergibt, wobei der Qualitätswert (200) ein einzelner Wert ist, wobei die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, den Qualitätswert (200) wie folgt zu bestimmen: $q = \sqrt{\frac{(k_{x} Δ f_{x}^{2} + k_{y} Δ f_{y}^{2} + k_{z} Δ f_{z}^{2})}{3}}$ wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft (201) bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung (2) bezogen ist, wobei k_x, k_y, k_z festlegbare Gewichtungsfaktoren sind.
Robotersystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, den Qualitätswert (200) mittels einer root-mean-square-errors Methode zu ermitteln.
Robotersystem (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, die Qualität der Entlastung für vorbestimmte Zeitschritte zu berechnen, so dass ein zeitlicher Verlauf der Entlastungsqualität ausgegeben werden kann.
Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kraftmesseinrichtung (28) vorgesehen ist, um die Höhe der Entlastungskraft zu messen.
Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Winkelmesseinrichtung, vorzugsweise zwei Winkelmesseinrichtung vorgesehen sind, um die Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) zu bestimmen.
Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Ausrichtung der Entlastungsrichtung der Entlastungskraft bezogen auf die Robotereinrichtung (2) die Orientierung des Robotereinrichtung (2) an der Koppelstelle mit der Entlastungseinrichtung (3) mit einbezogen wird.
Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, zum Vergleichen der gemessenen Entlastungskraft mit der gewünschten Entlastungskraft (201) für die jeweilige Entlastungsrichtung die folgende Differenz zu berechnen: $[\begin{matrix} Δ f_{x} \\ Δ f_{y} \\ Δ f_{z} \end{matrix}] = Δ F = F - F_{g e w \ddot{u} n s c h t}$ wobei F die gemessene Kraft und F_gewünscht die gewünschte Entlastungskraft (201) ist, wobei Δf_x, Δf_y und Δf_z die Kraftdifferenzkomponenten für die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Kraftdifferenzkomponenten die Differenz der gemessenen Entlastungskraft und einer gewünschten Entlastungskraft (201) bezogen auf die jeweilige Raumrichtung x, y, z sind, wobei die Raumrichtungen x, y, z Raumrichtungen in einem Koordinatensystem sind, das auf die Robotereinrichtung (2) bezogen ist.
Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, dass die gewünschte Entlastungskraft (201) und -richtung wie folgt berechenbar ist: $F = R_{R 0} R_{A 1} R_{A 2} F_{K S 1}$ $F_{K S 1} = [\begin{matrix} 0 \\ f \\ 0 \end{matrix}]$ $R_{A 2} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 2}) & - s i n (θ_{A 2}) & 0 \\ s i n (θ_{A 2}) & c o s (θ_{A 2}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ $R_{A 1} = [\begin{matrix} c o s (θ_{A 1}) & - s i n (θ_{A 1}) & 0 \\ s i n (θ_{A 1}) & c o s (θ_{A 1}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$ wobei θ_A1 der mit dem ersten Winkelsensor (A1) gemessene Winkel um eine erste Achse (50) ist, θ_A2 der mit dem zweiten Winkelsensor (A2) gemessene Winkel um eine zweite Achse (50) ist, wobei die Rotationskomponente R_A2 die Rotation um die zweite Achse (52) beschreibt, wobei die Rotationskomponente R_A1 die Rotation um die erste Achse (50) beschreibt, F_KS1 den Wert des Kraftsensors darstellt, wobei die Orientierung der Robotereinrichtung (2) an der Koppelstelle durch das Koordinatensystem KS1 dargestellt ist.