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Dokumentenidentifikation DE102005032336B4 04.09.2008
Titel Verfahren zur Beeinflussung einer Steuerung oder zur Steuerung einer Bewegungseinrichtung und Steuerung oder Steuerungskomponente einer Bewegungseinrichtung
Anmelder Fachhochschule Aschaffenburg, 63743 Aschaffenburg, DE
Erfinder Bruhm, Hartmut, Prof. Dr., 64287 Darmstadt, DE
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 08.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005032336
Offenlegungstag 11.01.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse B25J 9/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B05B 13/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G05B 19/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G05B 19/414(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Steuerung oder zur Steuerung einer Bewegungseinrichtung mit mindestens einer ersten Achse und mindestens einer bspw. mit der Bewegung der ersten Achse mitgeführten zweiten Achse, welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit als die erste Achse aufweist, bei dem mindestens eine Stellgröße der Steuerung zur Ansteuerung der Achsen der Bewegungseinrichtung erfasst wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine entsprechende Steuerungskomponente sowie eine Steuerung.

Die Bewegungseinrichtung ist insbesondere ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Bewegung hinsichtlich der Bewegungsfolge und den Wegen bzw. Winkeln durch die Steuerung frei vorgebbar und ggf. sensorbasiert führ- bzw. regelbar sind. Derartige Bewegungsautomaten, bspw. Industrieroboter, sind häufig mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln, im Folgenden auch allgemein als Endeffektoren bezeichnet, ausgerüstet, um ihnen vorgegebene Aufgaben erfüllen zu können. Um den Arbeitspunkt der Endeffektoren an beliebige Stellen im Arbeitsraum bringen zu können, sind drei Freiheitsgrade notwendig, die durch drei Achsen der Bewegungseinrichtung realisiert werden können. Soll der Endeffektor an einem bestimmten Arbeitspunkt darüber hinaus jede mögliche Lageorientierung annehmen können, sind drei weitere Achsen notwendig.

Dabei können die Achsen jeweils aneinander montiert sein, so dass bei einer Bewegung einer Achse die in der Bewegungseinrichtung an dieser angebrachten weiteren Achsen bei der Bewegung mitgeführt werden (serielle Kinematik). Alternativ kann eine Bewegungseinrichtung auch eine (zumindest teilweise) parallele Kinematik aufweisen, in der mehrere Aktoren parallel angeordnet sind.

Dies ist bspw. bei einer sogenannten Stewart-Plattform der Fall. Der typische Aufbau eines Industrieroboters mit sechs Freiheitsgraden (Achsen) sieht im Grundaufbau drei sogenannte Grundachsen vor, die typischerweise zur Realisierung des translatorischen Bewegungsanteils eingesetzt werden, um den Endeffektor entsprechend den Bewegungsvorgaben an den gewünschten Arbeitspunkt zu bringen. Für die Bewegung des Endeffektors an dem Arbeitspunkt sind häufig drei sogenannte Handachsen vorgesehen, die den rotatorischen Bewegungsanteil des Endeffektors realisieren. Je nach Aufgabe der Bewegungseinrichtung können bei weniger benötigten Freiheitsgraden die Anzahl der Achsen reduziert oder bei einer gewünschten höheren Flexibilität die Anzahl der Achsen erhöht werden. Es gibt auch armartig aufgebaute Industrieroboter, die teilweise parallele Kinematiken bzw. geschlossene kinematische Strukturen, wie bspw. Parallelogrammführungen, aufweisen.

Die Grundachsen sind häufig im Bereich der Basis bzw. des Fußpunkts der Bewegungseinrichtung angeordnet und bewegen typischerweise die gesamte mechanische Struktur der Bewegungseinrichtung oder wesentliche Teile davon, insbesondere auch die Handachsen mit dem Endeffektor. Wegen der hohen zu bewegenden Massen weisen diese Achsen eine im Vergleich zu den Handachsen langsamere Reaktionsgeschwindigkeit auf.

Die Handachsen sind in der Nähe des Endeffektors, welcher als Greifer, Werkzeug oder dgl. ausgebildet sein kann, angeordnet und bewegen im Wesentlichen den Endeffektor und damit nur einen kleinen Teil der mechanischen Struktur der Bewegungseinrichtung. Die zu bewegenden Massen sind klein, und daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit der herkömmlicher Weise für die Rotationsbewegung verwendeten Handachsen deutlich höher als die der Grundachsen. Außerdem weisen die Handachsen im Vergleich zu den Grundachsen eine höhere mechanische Eigenfrequenz auf. Sie bieten daher eine gute Voraussetzung für eine Umsetzung der Bewegungsvorgaben mit möglichst hoher Bandbreite.

Bei vielen Bewegungseinrichtungen werden also typischer Weise die Gruppe der im Wesentlichen orientierungsbestimmenden Achsen als Ganzes von der Gruppe der im Wesentlichen positionsbestimmenden Achsen in ihrer Bewegung mitgeführt, so dass die Gruppe der positionsbestimmenden Achsen eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die Gruppe der orientierungsbestimmenden Achsen.

Jede Achse ist mit einer Steuerung der Bewegungseinrichtung verbunden, von der sie Bewegungskommandos als Signale erhält (Stellgröße). Da die Grundachsen typischerweise für den translatorischen Bewegungsanteil und die Handachsen für den rotatorischen Bewegungsanteil der Gesamtbewegung des Endeffektors eingesetzt werden, ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten von Grund- und Handachsen für den translatorischen Bewegungsanteil eine langsamere Reaktion als für den rotatorischen Bewegungsanteil.

Bei einer Vielzahl von Bewegungseinrichtungs-Anwendungen wird auch für die translatorische Bewegung des Endeffektors eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit gefordert, die sich jedoch mit den niedrigen Reaktionsgeschwindigkeiten der Grundachsen häufig nicht erfüllen lässt. Für rein gesteuerte Endeffektor-Bewegungen, die sich aufgrund des fest vorgegebenen Bewegungsablaufs gut vorhersagen und vorplanen lassen, wurden Verfahren zur Steuerung entwickelt, bei denen insbesondere kleine translatorische Bewegungen auch mit Hilfe der Handachsen erzeugt werden. Da von den Handachsen nur ein vergleichsweise geringer Teil der mechanischen Gesamtstruktur der Bewegungseinrichtung bewegt werden muss, können diese Bewegungen schnell ausgeführt werden.

Dies wird durch ein Steuerprogramm realisiert, welches in Kenntnis der durch jede Achse der Bewegungseinrichtung bewegten Massen einen Gesamtbewegungsablauf (Kinematik) ermittelt, welcher ausgehend von der Ist-Position der Bewegungseinrichtung die Soll-Position der Bewegungseinrichtung mit einer minimalen Massenbewegung erreicht. Die Realisierung einer solchen Steuerung erfordert jedoch einen hohen Rechenaufwand und lässt sich nicht flexibel für Systeme einsetzten, die bspw. aufgrund einer sensorgeführten Bahnführung auf Abweichungen schnell und bspw. auch ausschließlich auf Basis von Informationen aus der Vergangenheit, d. h. in Echtzeit, reagieren müssen.

Die EP 0 815 499 B1 und EP 0 886 810 B1 beschreiben eine Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeugs aufgrund einer Folge von einer Datenbank empfangener Positionierungsbefehle mit einem ersten Positionierungselement zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück und mit einem zweiten Positionierungselement zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, welche jeweils Verstellungen in denselben, orthogonal zueinander angeordneten Bewegungsrichtungen dx, dy zulassen. Die Positionierungsbeschleunigung des zweiten Positionierungselements ist jedoch geringer als die Positionierungsbeschleunigung des ersten Positionierungselements. Daher wird vorgeschlagen, das Bewegungssteuerungssignal in einen ersten und einen zweiten Frequenzanteil aufzuteilen, welche jeweils entsprechend der Positionierungsbeschleunigung dem ersten bzw. zweiten Positionierungselement zugewiesen werden.

In der EP 1 234 641 A1 wird eine Robotersteuerung beschrieben, welche das Ziel hat, eine durch eine äußere Krafteinwirkung bedingte Verstellung eines Roboterarms zu korrigieren, wobei die vorgegebene Orientierung eines Endeffektors konstant gehalten werden soll. Um die notwendigen Stellbefehle zwischen einem raumfesten Koordinatensystem und einem Koordinatensystem der Bewegungseinrichtung umzurechnen und die einzelnen Bewegungsanteile direkt auf Achsenstellbewegungen aufzuteilen, wird die Verwendung einer Jacobimatrix vorgeschlagen.

Die US 5,266,875 A beschreibt schließlich die Verwendung eines Smith-Prädikators bei einer Bewegungsregelung, um die Stellgeschwindigkeit zu erhöhen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine flexibel und schnell, insbesondere in Echtzeit reagierende Steuerung einer Bewegungseinrichtung zu schaffen, mit der auch eine translatorische Bewegung des Endeffektors mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Steuerungskomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und eine Steuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die von der Steuerung ausgegebene Stellgröße frequenzabhängig in mindestens zwei Signale (frequenzabhängige Stellgrößen) aufgeteilt wird, welche zur Ansteuerung verschiedener Achsen verwendet werden. Dadurch wird die Stellgröße insbesondere auch für die translatorische Bewegung des Endeffektors abhängig von der geforderten Änderungsgeschwindigkeit zerlegt und den Achsen mit entsprechender Reaktionsgeschwindigkeit zugewiesen. Die Achsen, für die die Stellgröße entsprechend ihres hoch- und niederfrequenten Signalanteils zerlegt wird, sollten dabei bezüglich ihres Bewegungseinflusses auf den Endeffektor vorzugsweise nicht orthogonal zueinander angeordnet sein, damit die Aufteilung der Bewegung auf verschiedene Achsen entsprechend der geforderten Reaktionsgeschwindigkeit frei möglich ist und die Achsen bezüglich des Endeffektors eine translatorische Bewegung in der gewünschten Richtung hervorrufen können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Signal mit dem niederfrequenten Signalanteil der Stellgröße der ersten Achse oder einer ersten Gruppe von mehreren Achsen und das Signal mit dem hochfrequenten Anteil der Stellgröße der zweiten Achse oder einer zweiten Gruppe von mehreren Achsen zugeordnet, wobei die Achsen der ersten Gruppe eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen als die Achsen der zweiten Gruppe. Hierbei wird der niederfrequente Signalanteil der Stellgröße also den Grundachsen und der hochfrequente Signalanteil der Stellgröße den Handachsen der Bewegungseinrichtung als Bewegungskommando zugeführt. Dabei können aus dem nieder- und/oder hochfrequenten Signal der Stellgröße auch Bewegungskommandos für mehrere Achsen in ihrer jeweiligen Gruppe abgeleitet werden, sofern der translatorische Stellbefehl bspw. nicht durch die Bewegung nur einer einzigen Achse ausgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß kann die Stellgröße auch in mehr als zwei Signale mit verschiedenen Frequenzbereichen aufgeteilt werden. Die Signale (frequenzabhängige Stellgrößen) werden dann bspw. mit steigender Frequenz jeweils den Achsen bzw. Gruppen von Achsen mit entsprechend steigender Reaktionsgeschwindigkeit der Achsen zugeordnet. Eine solche Lösung ist bspw. für Bewegungseinrichtungen mit Redundanzen in der Kinematik möglich, in der Bewegungsabläufe alternativ durch Bewegungen verschiedener Achsen erreicht werden können. Dies können Industrieroboter mit mehr als sechs Achsen sein. Bei derartigen Industrierobotern lässt sich das Verfahren besonders gut anwenden, wenn Bewegungsabläufe alternativ durch Grundachsen mit langsamer Reaktionsgeschwindigkeit und Handachsen mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit verwirklicht werden können. Natürlich sind Bewegungseinrichtungen mit Redundanzen in der Kinematik auch sehr gut geeignet, um das erfindungsgemäße Verfahren in der Ausgestaltung mit nur zwei Frequenzbereichen zu implementieren.

Innerhalb der Steuerung kann die Stellgröße mittels insbesondere digitaler, in einer Software realisierter Hoch- und/oder Tiefpassfilter in Signale mit verschiedenen Frequenzbereichen aufgeteilt werden. Durch die Realisierung als digitale Hoch- bzw. Tiefpassfilter kann das erfindungsgemäße Steuerungskonzept einfach in bestehende Steuerungen implementiert werden, da diese meist lediglich im Bereich der Software angepasst werden müssen und die Hardware weiterverwendet werden kann. Da Hochpass und Tiefpass vorzugsweise derart aufeinander abgeglichen sein sollten, dass sich ihre Übertragungsfunktionen zu eins addieren, kann eine Frequenzweiche auch mittels nur eines Hoch- oder Tiefpasses aufgebildet werden, dessen Ausgangsignal in dem zweiten Signalpfad von dem Eingangssignal abgezogen wird.

Dabei sind die Filtereigenschaften der Hoch- und/oder Tiefpassfilter in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung insbesondere durch Parameter vorgebbar. Damit kann die Erfindung problemlos in bestehende Bewegungssteuerungssysteme integriert und durch eine Variation bspw. der Übergangsfrequenz von dem niederfrequenten zu dem hochfrequenten Signal an Bewegungseinrichtungen mit unterschiedlichem dynamischen Verhalten der Achsen angepasst werden. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich erfindungsgemäß in Bezug auf Typ und Ordnung der Filter, wobei es insbesondere eine charakterisierende Eigenschaft der Erfindung ist, dass die einzelnen Filter untereinander so abgestimmt werden, dass die Bewegungsvorgaben im gesamten Frequenzbereich möglichst unverfälscht umgesetzt werden. Dabei können ggf. auch die frequenzabhängigen Eigenschaften der mechanischen Struktur der Bewegungseinrichtung berücksichtigt und ausgeglichen werden, bspw. eine Amplitudenerhöhung durch mechanische Resonanz.

Erfindungsgemäß wird bei der Aufteilung der Stellgröße mittels einer Projektion auch unter Berücksichtigung der Ist-Position der Achsen überprüft, welche Bewegungsanteile der Stellgröße durch welche Achsen bzw. Gruppen von Achsen ausführbar sind. Die Projektion kann durch Multiplikation mit einer geeigneten Matrix in an sich bekannter Weise ausgeführt werden. Durch die Projektion wird gemäß der Erfindung also herausgefiltert, welche insbesondere translatorischen Bewegungsanteile in der jeweiligen Achs- bzw. Armstellung durch die reaktionsschnellen Handachsen ausgeführt werden können oder entsprechend einer bestimmten Vorgabe ausgeführt werden sollen.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Ausführungsform derart realisiert werden, dass die frequenzabhängigen Signale als Korrekturgrößen zu einer Hauptstellgröße erzeugt werden. Die Korrekturgrößen werden dann einfacherer Weise zu den Hauptstellgrößen addiert. Auf diese Weise kann die Erfindung besonders einfach auch in bereits bestehende Steuerungen oder Regelungen integriert werden.

Neben einer reinen Ansteuerung von im Voraus festgelegten Bewegungsabläufen der Bewegungseinrichtungen lässt sich das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren auch besonders vorteilhaft verwenden, wenn die Bewegung der Bewegungseinrichtung bspw. aufgrund von Sensorinformationen geregelt wird. Im Gegensatz zu einer reinen Steuerung, bei der die Bewegungseinrichtung entlang einer definiert vorgegebenen Bahn verläuft, werden bei einer Regelung oder einer kombinierten Steuerung und Regelung Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert korrigiert. Dies ist bspw. bei einer sensorbasierten Bahnführung der Fall, bei der geeignete Sensoren überprüfen, ob die Bewegungseinrichtung einen relativ zu einem bearbeiteten Werkstück vorgegebenen Bewegungsablauf tatsächlich einhält. Entsprechendes ergibt sich auch bei einer automatischen Höhenführung, die einen bestimmten Abstand des Arbeitspunkts des an der Bewegungseinrichtung befestigten Endeffektors zu dem Werkstück einhalten soll. Eine derartige Bahnführung zur Höhen- und/oder Seitenführung kann vollständig sensorbasiert geregelt oder durch eine Kombination einer Steuerung für einen vorgegebenen Bewegungsablauf und eine Regelung für Abweichungen davon realisiert werden. Unabhängig davon, ob die Steuerung eine ganz oder teilweise geregelte Endeffektor-Bewegung vorsieht, treten bei Regelungsprozessen, welche eine unerwartete Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Position ausregeln sollen, immer wieder schnelle Endeffektor-Bewegungen auf, die durch die erfindungsgemäße Aufteilung in nieder- und hochfrequente Signale der Stellgröße besonders gut und schnell umgesetzt werden können.

Erfindungsgemäß kann die Regelung einen Smith-Prädikator zur Verringerung der Totzeit verwenden, insbesondere wenn die Totzeit im Regelkreis das dynamische Verhalten wesentlich beeinflusst. Der Smith-Prädikator ermöglicht eine schnellere Einstellung von Regelkreisen mit Totzeit, indem die verschiedenen Teilsysteme einer Regelung, welche bspw. die Robotermechanik, das Antriebssystem, das Sensorsystem, Laufzeiten und Einflüsse durch Filteralgorithmen im Rahmen der Signalverarbeitung oder dgl. betreffen, durch Verwendung von a Priori-Wissen in Verbindung mit experimentellen Untersuchungen durch ein einfacher handhabbares Ersatzsystem mit einer entsprechend modellierten Übertragungsfunktion beschrieben werden. Verschiedene Totzeitbeiträge werden zu einer resultierenden Totzeit zusammengefasst und die Restdynamik durch eine Zeitkonstante dominiert. Der so gebildete Smith-Prädikator wird vorzugsweise getrennt nach totzeitfreiem und totzeitbehaftetem Anteil als zweistufiges Rechenmodell parallel zur Regelstrecke installiert. Durch dieses in der Praxis besonders schnell berechenbare Modell kann der destabilisierende Einfluss der Totzeit in dem Regelkreis daher deutlich vermindert werden. Mit dem Smith-Prädikator können also die Dynamik und Genauigkeit des Regelkreises verbessert werden.

Ferner kann in die Steuerung erfindungsgemäß eine Vorsteuerung integriert werden, um das Ansprechverhalten der Achsen und damit die Dynamik der implementierten Steuerung und/oder Regelung zu verbessern. Durch die Vorsteuerung kann einzelnen oder allen Achsen neben dem Lagesollwert ein bspw. durch numerische Differentiation zu gewinnendendes Vorsteuersignal zugeführt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine insbesondere zur Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens geeignete Steuerungskomponente für eine Bewegungseinrichtung mit mindestens einer ersten Achse und mindestens einer zweiten Achse, welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die erste Achse, wobei eine von der Steuerung ausgegebene Stellgröße zur Ansteuerung der Achsen der Bewegungseinrichtung verarbeitet wird. Um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit der Endeffektor-Bewegung zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerung eine Frequenzweiche zur frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in mindestens zwei Signale aufweist. Diese als frequenzabhängige Stellgrößen ausgebildeten Signale werden jeweils der ersten und der zweiten Achse bzw. entsprechenden Gruppen von Achsen zugeordnet, wobei die jeweilige Reaktionsgeschwindigkeit der Achse bzw. der Gruppe von Achsen berücksichtigt wird. Durch diese frequenzabhängige Aufteilung der Bewegungsvorgabe werden Grund- und Handachsen der Bewegungseinrichtung entsprechend ihren unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften optimal eingesetzt. Träge reagierende Grundachsen der Bewegungseinrichtung übernehmen die niederfrequenten Bewegungsanteile, d. h. die Grobmotorik mit typischerweise relativ großen Amplituden. Die flink reagierenden Handachsen der Bewegungseinrichtung sind dagegen für die hochfrequenten Bewegungsanteile zuständig, die insbesondere auch bei einem geregelten Bewegungsablauf aufgrund von Regelabweichungen auftreten können. Die hochfrequenten Bewegungsanteile betreffen insbesondere die Feinmotorik mit typischerweise relativ kleinen Amplituden.

Erfindungsgemäß kann die Frequenzweiche als digitaler Hoch- und/oder Tiefpassfilter ausgebildet und insbesondere als parametrierbares Programm in die Steuerung integriert sein kann. Dadurch kann die Steuerung flexibel an unterschiedliche Bewegungseinrichtungen mit Achsen verschiedener Dynamik angepasst werden. Dabei kann eine Kombination von einem Hochpass- und/oder einem Tiefpassfilter eingesetzt werden, die so aufeinander abgestimmt sind, dass die gewünschte Bewegung des Endeffektors bis zu möglichst hohen Frequenzen in Bezug auf Amplitude und Phase unverfälscht realisiert wird. Falls das Stellsignal in mehr als zwei Frequenzbereiche aufgeteilt wird, sind innerhalb der Frequenzweiche weitere Filter erforderlich, die dann als Bandpass auszuführen sind. Es müssen auch bei dieser Realisierungsvariante alle Filter wie vorbeschrieben aufeinander abgestimmt werden.

Ferner kann in die Steuerungskomponente eine Recheneinheit zur Durchführung einer differentiellen Transformation zur Erzeugung einer Stellgröße für die Achskoordinaten integriert sein. Insbesondere wenn die Steuerung oder Regelung auf Basis von Stellgrößen für die Geschwindigkeit/Drehzahl vorgenommen wird, können auf diese Weise einfach bspw. mittels einer Matrixmultiplikation die Stellgrößen für die einzelnen Achsen erzeugt werden. Positionsstellgrößen insbesondere kleiner Amplitude können gut approximiert werden.

In einer einfach zu integrierenden Ausführungsform kann die Steuerungskomponente oder die gesamte Steuerung als Computerprogammprodukt aufgebaut sein. Als Computerprogramm kann die Steuerungskomponente besonders einfach in bereits bestehende Steuerungen eingebaut oder mit diesen verbunden als Gesamtsteuerung angeboten werden. Natürlich lassen sich die erfindungsgemäße Steuerungskomponente und das vorbeschriebene Verfahren auch hardwaremäßig, bspw. in Form eines elektronischen Schaltkreises, implementieren.

Die Erfindung betriff auch eine Gesamtsteuerung für eine Bewegungseinrichtung mit mindestens einer ersten Achse und mindestens einer zweiten Achse, welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die erste Achse, wobei die Steuerung eine Stellgröße zur Ansteuerung der Achsen ausgibt. In die Steuerung ist die vorbeschriebene Steuerungskomponente zur Durchführung der frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in mindestens zwei Signale integriert. Die Steuerung kann eine Recheneinheit mit einer absoluten und/oder differentiellen kinematischen Transformation aufweisen, welche insbesondere mit der Steuerungskomponente gemeinsam genutzt werden kann, um die Stellgrößen für die Achskoordinaten zu erzeugen.

Zusätzlich kann in die Steuerung eine insbesondere sensorbasierte Positionsregelung, bspw. zur Höhen- und/oder Seitenführung, integriert sein. Dazu weist die Steuerung Sensoranschlüsse auf, die an die jeweils verwendeten Sensoren, bspw. Laser-Reflexionslichttaster zur Höhenmessung, Ultraschallsensoren oder dgl., anpassbar sind.

Die Positionsregelung ist vorzugsweise als eine Proportional-Integral-Regelung und/oder eine Regelung mit doppelt integrierendem Regelverhalten, ggf. mit Totzeitkompensation, ausgebildet. Eine derartige Steuerung mit proportionalen und/oder integralen Regelanteilen gewährleistet eine hohe Regelgüte. Regler mit doppelt integrierendem Regelverhalten (I2) können vorteilhaft verwendet werden, um rampenförmige Störungen ohne stationären Fehler ausgleichen zu können. Natürlich lässt sich die Erfindung mit einer Vielzahl von vorbekannten Regelverfahren und Reglertypen einsetzen, ohne auf die vorbeschrieben gängigen Reglertypen beschränkt zu sein. Unter Einbeziehung eines sogenannten Smith-Prädikators kann zusätzlich eine besonders effektive Totzeitkompensation durchgeführt werden, um die Gesamtdynamik des Systems weiter zu verbessern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.

Es zeigen:

1 den Ablauf der Steuerung einer Bewegungseinrichtung mit einer erfindungsgemäß frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in Form eines Wirkungsplans bei einer ersten Ausführungsform;

2a ein Diagramm zur Realisierung der frequenzabhängigen Aufteilung mittels digitaler Filter bei der Steuerung gemäß 1 in einer ersten Variante;

2b ein Diagramm zur Realisierung der frequenzabhängigen Aufteilung mittels digitaler Filter bei der Steuerung gemäß 1 in einer zweiten Variante;

2c die Bode-Diagramme zu den digitalen Filtern;

3 eine schematische Ansicht eines Roboters zur automatischen Höhenführung;

4 eine Detailansicht der Roboterhand des Roboters gemäß 3;

5 eine Seitenansicht der Roboterhand des Roboters gemäß 3;

6 eine Sensoranordnung zur automatischen Höhenführung;

7 den Ablauf der Steuerung einer Bewegungseinrichtung mit einer erfindungsgemäß frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in Form eines Wirkungsplans bei einer zweiten Ausführungsform;

8 den Ablauf der Steuerung einer Bewegungseinrichtung mit einer erfindungsgemäß frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in Form eines Wirkungsplans bei einer dritten Ausführungsform und

9 den Ablauf der Steuerung einer Bewegungseinrichtung mit einer erfindungsgemäß frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße in Form eines Wirkungsplans bei einer vierten Ausführungsform.

In 1 ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Bewegungsrichtung in Form eines Industrieroboters mit Handachsen und Grundachsen gemäß einer ersten Ausführungsform als Wirkungsplan am Beispiel einer automatischen, sensorgeführten Höhenführung dargestellt. Wegen des geschlossenen Wirkungsablaufs und dem in dem Wirkungsablauf enthaltenen Soll-/Istwertvergleich handelt es sich im engeren Sinne um eine Regelung, wobei der Begriff "Steuerung" im Folgenden sowohl für eine Steuerung im engeren Sinne ohne Regeleingriff als auch für eine Regelung oder eine kombinierte Steuerung und Regelung verwendet wird, bei der ein vorgebbarer Sollwert bzw. Sollwertverlauf eingestellt, d. h. geregelt, wird.

Die in 1 gezeigte Steuerung 1 eines Industrieroboters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist einen als Positionsregler ausgebildeten Regler 2 für die automatische Höhenführung auf, welcher eine Stellgröße SH ausgibt. Die Stellgröße SH ist ein Maß für die benötigte Höhenänderung des Industrieroboters. Als Eingangsgrößen des Reglers 2 dienen ein Höhensollwert HS und ein Höhenistwert HI eines Sollwertgebers 3 und eines Istwertgebers 4. Der Höhensollwert HS kann an dem Sollwertgeber 3 eingestellt werden. Der Istwertgeber 4 ermittelt die Höhe des Roboters relativ zu einer Arbeitsfläche, bspw. durch eine geeignete Sensoranordnung, die beispielhaft in 6 dargestellt ist und später erläutert wird. Aus der Differenz zwischen dem Höhensollwert HS und dem Höhenistwert HI ermittelt der Regler in an sich bekannter Weise die Stellgröße SH für die Höhe des Roboters und gibt diese zur Ansteuerung der Achsen des Roboters aus.

Die beispielhaft erläuterte Höhenführung soll den Anwendungsbereich der Erfindung nicht einschränken. In analoger Weise kann eine automatische Seitenführung oder eine Ausgleichsbewegung in einer oder mehreren beliebig vorgegebenen Richtungen realisiert werden. Bei einer mehrkanaligen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bspw. einer simultanen Höhen- und Seitenführung, sind die Sollwertvorgabe, die Sensorik zur Istwerterfassung und der Positionsregler jeweils in entsprechender Vielfachheit vorzusehen und aufeinander abzustimmen.

Der Regler 2 weist eine proportionale und eine integrale Regelkomponente auf, so dass es sich um einen sogenannten "PI-Regler" handelt. Es kann zusätzlich auch ein doppelt integrierendes Regelverhalten mit einem I2-Anteil eingesetzt werden. Aus der Stellgröße für die Höhe SH errechnet eine Recheneinheit 5 der Steuerung 1 eine Stellgröße SA für die Achskoordinaten, welche zur Ansteuerung der einzelnen Achsen verwendet werden kann. Neben der Stellgröße SH aus dem Regler 2 der Steuerung 1 erhält die Recheneinheit 5 dazu Informationen über die aktuelle Achslage A (Istwert der Gelenkwinkel) der verschiedenen Achsen des zu steuernden Roboters von einem Lageistwertgeber 6.

Die Umrechnung der in kartesischen Koordinaten vorliegenden Stellgröße SH für die Höhe in eine Stellgröße SA der zugehörigen Achskoordinaten erfolgt mittels einer bspw. differentiellen Koordinatentransformation unter Verwendung einer Jacobi-Matrix, die eine besonders schnelle Umrechnung erlaubt. Da die Jacobi-Matrix bzw. ihre Inverse sich nur langsam ändert, kann diese auch in einem im Hintergrund ablaufenden Rechenprozess aktualisiert werden, so dass die darauf entfallende Rechenzeit nicht als Totzeit im Regelkreis wirksam wird. Dies führt zu einer totzeitoptimierten Steuerung 1 des Regelkreises. Es sind auch andere Koordinatentransformationsverfahren anwendbar, die in der Regel jedoch mit einem höheren Rechenaufwand verbunden sind.

Wenn die Bewegungseinrichtung (Roboter) sich in einer geeigneten Achsstellung befindet, gestaltet sich die Umrechnung der Stellgröße SH in die Stellgröße SA in Achskoordinaten unter Umständen noch einfacher, weil im günstigsten Fall nur ein einziges Element der Jacobi-Matrix benötigt wird. In den 3 bis 5 ist eine solche besonders geeignete Achsstellung dargestellt. Auch bei beliebigen Achsstellungen des Roboters bzw. der Bewegungseinrichtung muss in der Regel nicht die komplette Jacobi-Matrix berechnet werden, sondern für jede Stellgröße bzw. für jede Raumrichtung, in der eine Bewegungskorrektur erfolgen soll, nur eine Spalte oder eine Linearkombination mehrerer Spalten. Hier ist auch auf eine geeignete Wahl des in Bezug zum Endeffektor zu definierenden Bezugskoordinatensystems zu achten, dessen Achsen vorzugsweise in Richtung der gewünschten Bewegungskorrekturen zeigen sollten.

Vor der Ausgabe der Stellgröße SA für die Achskoordinaten wird die Stellgröße SA bei der vorgeschlagenen Steuerung 1 einer erfindungsgemäßen Frequenzweiche 7 zugeführt, welche die Stellgröße SA für die Achskoordinaten frequenzabhängig in zwei frequenzabhängige Stellgrößen SA1 und SA2 aufteilt, die entsprechenden Achssteuerungen 8, 9 zugeordnet werden.

Dabei wird der niederfrequente Anteil SA1 der Stellgrößen den Achsen des Roboters, welche eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen, bzw. deren Achssteuerung 8 zugeordnet. Dies sind normalerweise die Grundachsen des Roboters, welche im Basisbereich des Roboters angeordnet sind und alle ihnen übergeordneten Achsen, insbesondere die im Bereich der Roboterhand angeordneten Handachsen, mitführen.

Der hochfrequente Anteil der Stellgröße SA2 wird der Achssteuerung 9 zur Steuerung der Achsen mit höherer Reaktionsgeschwindigkeit zugeteilt, insbesondere den Handachsen.

Durch die Aufteilung der Stellgröße für die Achskoordinaten SA in eine niederfrequente Stellgröße SA1 und eine hochfrequente Stellgröße SA2 wird die für die Höhenführung benötigte translatorische Bewegung der Roboterhand sowohl durch die langsam reagierenden Grundachsen eines Roboters als auch durch die schnell reagierenden Handachsen des Roboters realisiert. Die Grundachsen werden durch die Achssteuerung 8 und die Handachsen durch die Achssteuerung 9 angesteuert.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Steuerung im Rahmen eines Regel- und/oder Steuerverfahrens, bei denen die translatorische Bewegung üblicherweise durch die Grundachsen und die rotatorische Bewegung üblicherweise durch die Handachsen der Bewegungseinrichtung ausgeführt wurde, wird durch das nun vorgeschlagene Verfahren zur Ansteuerung einer Bewegungseinrichtung eine Zuordnung zu den jeweiligen Hand- und Grundachsen der Robotereinrichtung entsprechend der geforderten Änderungsfrequenz vorgegeben, so dass auch schnelle translatorische Änderungsbewegungen mit der Steuerung erreichbar sind. Aufgrund der frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße SA kann dieses Verfahren universell für jede gesteuerte, geregelte oder gesteuerte und geregelte Steuerung einer beliebigen Bewegungseinrichtung einfach genutzt werden.

Dies ist bei der beispielhaft beschriebenen Höhenführung von Interesse, wenn der Roboter mit dem daran festgelegten Arbeitsgerät (Endeffektor) plötzlich auf ein Hindernis stößt und seine Höhe schnell ändern muss. In diesem Fall handelt es sich um eine Regelung. Gleiches gilt bspw. auch für die Führung der Roboterhand mit dem Werkzeug entlang einer vorgegebenen Bahn, die Ecken oder abrupte Richtungsänderungen aufweist. In diesem Fall handelt es sich um eine Steuerung im eigentlichen Sinne. Sofern eine möglichst gleichförmige Bewegung entlang der Bahn gefordert ist, muss beim Anfahren einer Ecke in der Bewegungsbahn zunächst eine schnelle negative Beschleunigung zum Abbremsen der bisherigen Bewegungsrichtung und dann eine schnelle positive Beschleunigung zum Weiterfahren in der neuen Bewegungsrichtung erreicht werden. Dies stellt eine hochfrequente Änderung dar, die erfindungsgemäß durch die schnell reagierenden Handachsen des Roboters ausgeführt wird, während die Grundachsen die Grundbewegung des Roboters übernehmen. Somit lassen sich durch die erfindungsgemäße Ansteuerung auch abrupte Bewegungsänderungen in einer abgefahrenen Bahn, bspw. bei einer Seitenführung, erreichen. Sowohl eine Steuerung als auch Regelung stellen also Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Die Frequenzweiche 7 kann, wie in 2a dargestellt, aus zwei digitalen Filtern mit Hochpass- und Tiefpassverhalten und einer aufeinander abgestimmten Eckfrequenz bestehen. In der Form eines digitalen Filters kann die Frequenzweiche 7 einfach in die Recheneinheit 5 der Steuerung 1 mit integriert sein, bspw. in Form einer Software, welche nach den in 1 und 2a bzw. 2b dargestellten Abläufen programmiert ist. Eine derartige Software kann problemlos in bestehende Steuerungssysteme bzw. deren Programmcode eingebunden werden.

Wie in 2a dargestellt, wird die Frequenzweiche 7 durch einen digitalen Tiefpassfilter mit der Übertragungsfunktion F1 und einen digitalen Hochpassfilter mit der Übertragungsfunktion F2 gebildet. Der Hochpass und der Tiefpass können für diese Zwecke in erster Ordnung realisiert sein, wobei sich eine Übergangsfrequenz in der Größenordnung von 3 Hz für viele Fälle als sinnvoll erwiesen hat. Durch Variation der Übergangsfrequenz kann die Frequenzweiche an andere Bewegungseinrichtungen angepasst werden, deren Achsgruppen ein anderes dynamisches Verhalten aufweisen.

Der Tiefpassfilter kann ein PT1-Glied, also im Grunde ein Proportional-Glied, sein, bei dem sich das Ausgangssignal dem Eingangssignal verzögert annähert. Dieses Tiefpassverhalten wird daher ausgenutzt, um die Ansteuerung der vergleichsweise langsam reagierenden Grundachsen zu regeln. Die Übertragungsfunktion F1 kann dabei realisiert werden als

wobei &ohgr;0 die Übergangsfrequenz darstellt.

Der Hochpass-Filter kann als DT1-Glied ausgebildet sein, welches einen Differenzierer realisiert. Aufgrund der differenzierenden Wirkung können die DT1-Glieder keine Gleichsignale übertragen. Diese Hochpasseigenschaft wird für die Ansteuerung der schneller reagierenden Handachsen verwendet. Die Übertragungsfunktion F2 lautet:

wobei &ohgr;0 wiederum die Übergangsfrequenz darstellt. Im Rahmen einer digitalen Realisierung der Hochpass- bzw. Tiefpassfilter können die Übertragungsfunktionen bei einer Übergangsfrequenz von 3 Hz und einer Abtastzeit von 5 ms wie folgt aussehen:

Die freie Variable z in den z-Übertragungsfunktionen ist eine komplexe Zahl, deren Bedeutung in der Fachliteratur unter dem Stichwort z-Transformationen nachgelesen werden kann. Die konkreten Zahlenwerte in den z-Übertragungsfunktionen hängen von der jeweiligen Abtastzeit ab und können daher für jeden Anwendungsfall genau angepasst werden.

Die Bode-Diagramme zu den digitalen Filtern mit den vorgenannten Zahlenwerten sind 2c zu entnehmen, in der die Amplituden- und Phasenkennlinien (Magnitude und Phase) gegen die Frequenz (Frequency) aufgetragen dargestellt sind. Die beiden Amplitudenkennlinien für den Tiefpassfilter (durchgezogen) den Hochpassfilter (gestrichelt) schneiden sich bei der Übergangsfrequenz der Frequenzweiche bei 3 Hz.

Hochpass und Tiefpass sind vorzugsweise so aufeinander abgeglichen, dass sich ihre Übertragungsfunktionen F1 und F2 zu Eins addieren (Abgleichbedingung).

2b zeigt eine zu der in 2a dargestellten Zweiweg-Frequenzweiche alternative Realisierung einer Zweiweg-Frequenzweiche 7, bei der die Abgleichbedingung ausgenutzt und auf den Tiefpassfilter mit der Übertragungsfunktion F1 verzichtet worden ist. Statt dessen ist nur ein Hochpassfilter mit der Übertragungsfunktion F2 vorgesehen, der das Eingangssignal SA,P filtert. Dessen höherfrequentes Ausgangssignal SA2,P2 wird in einem Subtrahierer 20 von dem Eingangssignal SA,P abgezogen, so dass nur das niederfrequente Ausgangssignal SA1,P1 übrig bleibt und auf diese Weise eine frequenzabhängige Aufteilung der Stellgröße SA,P erfolgt. Analog könnte auch nur ein Tiefpass mit der Übertragungsfunktion F1 verwendet und der Hochpass eingespart werden. Dieses Prinzip lässt sich auch auf eine Mehrweg-Frequenzweiche übertragen, in der wahlweise ein Hochpass, Tiefpass oder Bandpass eingespart werden kann.

Nachfolgend wird die Umsetzung der Erfindung anhand eines einfachen Roboters 10 für die Höhenführung einer Roboterhand 11 über einer Arbeitsfläche 12 beschrieben, der schematisch in 3 dargestellt ist. Dieser weist zwei Grundachsen 13 auf, welche üblicherweise zur Höhenpositionierung der Roboterhand 11 über der Arbeitsfläche 12 verwendet werden. Unmittelbar an der Roboterhand 11 ist ferner eine Handachse 14 vorgesehen.

An der Roboterhand 11 befindet sich ein Lasersensor 15, der den Abstand der Roboterhand 11 zur Arbeitsfläche 12 misst und ggf. in der Bewegungsbahn befindliche Hindernisse 16 detektiert. Bei Feststellen eines Hindernisses 16 können die Grundachsen 13 derart angepasst werden, dass die Höhe der Roboterhand 11 über dem Hindernis 16 entsprechend nachgeführt wird. Da die Grundachsen 13 jedoch eine große Last tragen und daher in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit langsam sind, dauert es vergleichsweise lange, bis die Bewegung der Roboterhand 11 dem Hindernis 16 nachgeführt ist.

Wie 4 zu entnehmen, kann durch die Handachse 14, deren Bewegungsrichtung durch einen Doppelpfeil dargestellt ist, die Höhe der Roboterhand 11 mit dem Lasersensor 15 über dem Hindernis 16 schnell angepasst werden, indem die Roboterhand 11 entsprechend der Bewegung der Handachse 14 gedreht wird.

Dies ist im Detail noch einmal in 5 dargestellt. Durch eine Drehung um die Handachse 14 bewegt sich die Roboterhand 11 mit dem Lasersensor 15 unmittelbar nach oben und unten, so dass die Höhe zwischen der Roboterhand 11 und der Arbeitsfläche 12 bzw. dem Hindernis 16 aufgrund der sehr reaktionsschnellen Handachse 14 einfach nachgestellt werden kann.

Wie den 4 und 5 zu entnehmen, kommt es dabei aufgrund der Drehbewegung um die Handachse 14 zu einer Verschiebung des Auftreffpunktes des Laserstrahls des Lasersensors 15 auf dem Hindernis 16. Diese Orientierungsfehler bei der Anordnung des Endeffektors bzw. der Roboterhand 11 können bei vielen Anwendungen jedoch in Kauf genommen werden, bei denen der Abstand zwischen der Roboterhand 11 bzw. einem daran festgelegten Endeffektor und der Arbeitsfläche 12 entscheidend ist. Sofern zusätzlich die absolute Positionierung des Endeffektors im Bereich der Arbeitsfläche 12 wichtig ist, kann dies, wie in 4 durch einen geraden Doppelpfeil dargestellt, durch ein entsprechendes Nachfahren anderer Achsen der Bewegungseinrichtung nachgeführt werden. Bei diesen Achsen kann es sich sowohl um bspw. zusätzlich installierte Handachsen als auch um Grundachsen des Roboters 10 handeln. Eine geeignete Anordnung kann im Einzelfall jeweils entsprechend den Geschwindigkeitsanforderungen für die bestimmten Bewegungen gewählt werden. Je nach Achsentyp findet dann eine Ansteuerung mit der hochfrequenten bzw. der niederfrequenten Stellgröße SA2 bzw. SA1 statt.

Durch die Aufteilung der translatorischen Höhenbewegung sowohl auf die langsameren Grundachsen 13 als auch die schnelleren Handachsen 14 des Roboters 10 kann erfindungsgemäß eine besonders schnelle Nachführung des Abstandes zwischen der Roboterhand 11 und der Arbeitsfläche 12 erreicht werden, da die Handachse 14 mit einem hochfrequenten Signal SA2 angesteuert wird und daher besonders schnelle Bewegungsänderungen nachvollziehen kann.

Ein Beispiel für eine Sensorführung ist in 6 erläutert, die den Lasersensor 15 des Roboters 10 im Detail zeigt. Der Lasersensor 15 sendet einen Laserstrahl 17 aus, der unter einem bestimmten Winkel auf die Arbeitsfläche 12 auftrifft, dort reflektiert wird und nach der Reflexion wieder im Lasersensor 15 detektiert wird. Aus dem Abstand 18 zwischen dem reflektierten Laserstrahl 17 und der Normalen 19 im Reflexionspunkt des Laserstrahls kann auf den Abstand zwischen der Arbeitsfläche 12 und dem Lasersensor 15 geschlossen werden. Neben dem in 6 näher beschriebenen Lasersensor 15 können jedoch auch andere Sensorsysteme, bspw. Ultraschallsensoren, eingesetzt werden, welche die interessierende Lage der Roboterhand 11 zu einer Arbeitsfläche 12 ermitteln können.

Bei dem in 1 dargestellten Wirkungsplan ist der Einfachheit halber ein gesteuerter Bewegungsanteil nicht berücksichtigt, welcher der dargestellten Regelung möglicher Weise überlagert ist. Bei einer überlagerten Steuerung sind die dargestellten frequenzabhängigen Signale bzw. Stellgrößen SA1, SA2 als Korrekturwerte zu verstehen, die auf Hauptstellgrößen S1, S2 für die Achssteuerungen 8, 9 aufaddiert werden. Die Hauptstellgrößen S1, S2 können sich bspw. aus dem gesteuerten Bewegungsanteil ergeben. Ferner kann den einzelnen Achsen ein durch numerische Differentiation zu gewinnendes Vorsteuersignal für die Drehzahl und/oder Geschwindigkeit zugeführt werden, sofern dies nicht intern gebildet wird. Eine derartige, insbesondere in die Recheneinheit 5 mit integrierte Vorsteuerung verbessert das Ansprechverhalten der Achsen und damit insgesamt die Dynamik der implementierten Steuerung und/oder Regelung.

Nachfolgend werden anhand der Wirkungspläne darstellenden 7 bis 9 weitere Steuer- und Regelungskonzepte beschrieben, in denen die Erfindung umgesetzt ist. Gleiche Komponenten werden dabei mit den in 1 bezeichneten Bezugszeichen versehen.

7 zeigt eine Steuerung 21 für gesteuerte und/oder geregelte Bewegungen einer Bewegungseinrichtung mit Grund- und Handachsen, wobei die Steuerung 21 vollständig auf der Gelenkebene der einzelnen Achsen implementiert ist.

Bei der Steuerung 21 sind ein Sollwertgeber 3 für Gelenkwinkelsollwerte der Grundachsen und ein Sollwertgeber 3' für Gelenkwinkelsollwerte der Handachsen vorgesehen, welche entsprechende Stellgrößen SA und SA' ausgeben. Die an die Grundachsen gerichtete Stellgröße SA wird in einer Frequenzweiche 7 in ein Signal SA1 mit niedrigerer Frequenz für die Achssteuerung 8 der Grundachsen und in ein Signal SA2 mit höherer Frequenz für die Achssteuerung 9 der Handachsen aufgeteilt.

Dazu weist die Frequenzweiche 7 einen Hochpass mit einer Übertragungsfunktion F2 auf, welche entsprechend einer vorgegebenen und einstellbaren Parametrierung einen höherfrequenten Anteil aus dem Signal SA herausfiltert. Dieser Anteil wird einer bspw. in der Recheneinheit 5 der Steuerung 21 mit integrierter Projektion 22 zugeführt. Gleichzeitig werden der Projektion 22 von einem Istwertgeber 4 die Gelenkwinkel-Istwerte A der einzelnen Achsen zugeleitet.

Durch die Projektion 22 wird überprüft, ob die herausgefilterten, höherfrequenten Anteile der Stellgröße SA durch die Handachsen ausgeführt werden können. Insbesondere wenn nicht alle drei translatorischen Freiheitsgrade durch die Handachsen bedient werden können, filtert die Projektion 22 diejenigen translatorischen Bewegungsanteile heraus, die in der jeweiligen Arm- bzw. Achsstellung der Bewegungseinrichtung durch die schneller reagierenden Handachsen ausgeführt werden können. Dazu kennt die Projektion 22 auch die momentanen Gelenkwinkel-Istwerte A. Die Projektion 22 kann wahlweise auch so entworfen werden, dass aus den Bewegungsanteilen, die prinzipiell durch die Handachsen realisiert werden können, nur bestimmte vom Anwender vorgebbare Richtungs- bzw. Bewegungsanteile herausgefiltert werden.

Daher stellt die Projektion 22 eine erfindungsgemäß einfache Möglichkeit dar, gewisse Anteile einer Stellgröße S dahingehend zu überprüfen, ob diese durch eine bestimmte Gruppe von Achsen ausgeführt werden können und/oder sollen. Anteile der Stellgröße S, die aufgrund dieser Projektion 22 nicht ausgeführt werden sollen, werden durch die Projektion 22 einfacher Weise verworfen.

Das Ausgangssignal der Projektion 22 stellt also die Bewegungsanteile dar, die auf die Handachsen umgeleitet werden sollen. Sie werden mittels einer differentiellen Transformation 23 (Jacobi-Matrix) auf die Handachsen umgerechnet. Das als Korrektursignal ausgegebene Signal SA2 (Stellgröße) wird in einem Addierer 24 der ursprünglichen Stellgröße SA' für die Achsteuerung 9 der Handachsen additiv überlagert.

Entsprechend wird das Ausgangssignal der Projektion 22, welches den durch die Handachsen umsetzbaren Anteil der eigentlich für die Grundachsen bestimmten Stellgröße SA enthält, in einem Subtrahierer 20 der Stellgröße SA, d. h. dem Eingangssignal, subtraktiv überlagert. Das verbleibende Signal SA1 stellt den niederfrequenten Anteil der Stellgröße SA dar, welcher der Achssteuerung 8 der Grundachsen zugeführt wird.

Die Projektion 22 und die differentielle Transformation 23 werden in an sich bekannter Weise jeweils durch Multiplikation mit einer Matrix realisiert, so dass auf eine genaue Beschreibung der Matrizen verzichtet werden kann. Diese Matrizen ändern sich in Anhängigkeit von den Gelenkwinkelstellungen und müssen daher von Zeit zu Zeit aktualisiert werden. Da die Änderungsgeschwindigkeit jedoch gering ist, brauchen diese Aktualisierungen nicht in jedem Steuerungstakt durchgeführt zu werden. Die entsprechenden Berechnungen können bspw. in einem Softwareprozess erfolgen, der in der Recheneinheit 5 der Steuerung mit niedriger Priorität im Hintergrund ausgeführt wird.

Bei dem in 7 dargestellten Wirkungsplan der Steuerung 21 wird in dem für die Gelenkebene relevanten, typischer Weise sehr schnellen Steuerungstakt gearbeitet. Entsprechend klein ist die in der Steuerung 21 durch die Implementierung der Erfindung zusätzlich hervorgerufene Totzeit. Diese Implementierungsvariante ist sowohl für gesteuerte als auch für geregelte Bewegungen sehr gut geeignet.

Die erfindungsgemäß benötigten Steuerungskomponenten sind in 7 durch die schattiert dargestellten Komponenten dargestellt, die Teil der Frequenzweiche 7 sind. Entsprechendes gilt für die 8 und 9. Die Frequenzweiche 7 weist den Hochpass mit der Übertragungsfunktion F2 und den Subtrahierer 20 sowie den Addierer 24 auf, durch welche die Stellgröße SA in frequenzabhängige Signale SA1 und SA2 aufteilt und in eine herkömmliche Steuerung eingebunden wird. Teil der Frequenzweiche 7 sind auch die Projektion 22 und die differentielle Transformation 23, welche bspw. als Software in die Recheneinheit 5 der Steuerung 21 mit integriert sein können. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl als komplette Steuerung als auch als Steuerungskomponente realisiert werden, welche in eine herkömmliche Steuerung integriert wird. Beides lässt sich sowohl durch Software in Form eines Computerprogrammprodukts, das in die Rechnereinheit einer Steuerung geladen wird, als auch in Form einer Hardware-Steuerung realisieren. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Steuerungsvarianten.

Der in 8 dargestellte Wirkungsplan einer Steuerung 25 zeigt eine Implementierung der Erfindung, bei der ein hochfrequenter Anteil einer Stellgröße für die Position SP (korrespondierend zu einem Positionssollwert) von den Grundachsen auf die Handachsen einer Bewegungseinrichtung umgelenkt wird. Als Bewegungsvorgaben der Steuerung 25 dienen eine Stellgröße SP für die Position der Bewegungseinrichtung, welche herkömmlicher Weise den Grundachsen zugeordnet ist, und eine Stellgröße für die Orientierung SO der Bewegungseinrichtung, welche herkömmlicher Weise die Orientierung eines Endeffektors durch Verstellung der Handachsen einstellt. Die Stellgrößen SP und SO werden durch die Sollwertgeber 3 erzeugt. Die Stellgröße SP kann als vektorieller Positionssollwert (bspw. Komponenten: x, y, z) und die Stellgröße SO als dreidimensionale Orientierungsvorgabe (bspw. bestehend aus drei Euler-Winkeln) vorgegeben werden. Die Bewegungsvorgaben können rein gesteuert sein oder ganz oder teilweise auf einer Sensorrückführung (Regelung) beruhen.

Bei der Steuerung werden die Sollwerte SP und SO grundsätzlich der Recheneinheit 5 der Steuerung 25 zugeführt, welche eine inverse kinematische Transformation 26 durchführt, um aus den Sollwerten SP für die Position und SO für die Orientierung die Sollwerte für die Achskoordinaten zu erzeugen, welche den Achssteuerungen 8, 9 für die Grundachsen und die Hauptachsen zugeführt werden. Die inverse kinematische Transformation 26 arbeitet mit Absolutwerten und wird bei vielen Steuerungen mit einer relativ langen Zykluszeit ausgeführt.

In dieses Steuerungskonzept ist nun die erfindungsgemäße Frequenzweiche 7 als zusätzliche Steuerungskomponente integriert. Diese weist ähnlich wie bei der Steuerung 21 gemäß 7 einen Hochpass mit der Übertragungsfunktion F2 auf, welche die Stellgröße SP des Positionssollwerts filtert. Die gefilterte Stellgröße SP wird ebenso einer Projektion 22 zugeleitet, welche auch die Gelenkwinkel-Istwerte A von dem Istwertgeber 4 erhält und diejenigen Bewegungsanteile herausfiltert, die durch die Handachsen realisiert werden sollen oder können.

Das Ausgangssignal der Projektion SP2 stellt also die Stellgröße für die Position mit dem höherfrequenten Anteil der Stellgröße SP dar, der durch die Handachsen ausgeführt wird. Der verbleibende niederfrequente Anteil der Stellgröße SP wird dann durch den Subtrahierer 20 gebildet, welcher das der inversen kinematischen Transformation 26 zugeführte Signal SP1 bildet. Der Signalanteil SP2 wird der differentiellen Transformation 23 zugeleitet, welche auch die Gleitwinkel-Istwerte A des Istwertgebers 4 erhält, um daraus die Stellgröße SA2 mit dem höherfrequenten Signalteil zu erzeugen, welcher der Achssteuerung 9 für die Handachsen zugeführt wird.

Dazu ist zwischen dem Ausgang der inversen kinematischen Transformation 26 für die Hauptstellgröße S2, welche die Handachsen ansteuert, und dem Eingang der Achssteuerung 9 ein Addierer 24 ausgebildet, welche die Hauptstellgröße S2 und die als Korrekturwert zu der Hauptstellgröße ausgebildete Stellgröße SA2 addiert und als Summensignal der Achssteuerung 9 zuführt.

In 9 ist ein weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines Wirkungsplans einer Steuerung 27 dargestellt, welche eine kombinierte Steuerung und Regelung darstellt. Sowohl der gesteuerte Anteil 28 als auch der geregelte Anteil 29 stellen mittels Sollwertgebern 3 jeweils Stellgrößen SP und SO für die Position und die Orientierung zur Verfügung. Die Stellgrößen SP und SO des gesteuerten Anteils 28 werden der zuvor bereits beschriebenen inversen kinematischen Transformation 26 zugeleitet, welche daraus die Hauptstellgrößen S1 und S2 für die Ansteuerung der Grundachsen und der Hauptachsen ableitet.

Die Stellgrößen SP des gesteuerten Anteils 28 und des geregelten Anteils 29 werden in einem Addierer 30 addiert und dem Hochpass mit der Übertragungsfunktion F2 einer Frequenzweiche 7 zugeführt, welche nur den hochfrequenten Anteil der summierten Stellgrößen SP ausgibt und einer Projektion 22 zuführt, welche wie in Bezug auf 7 und 8 bereits beschrieben an einen Istwertgeber 4 zur Erfassung des Gelenkwinkel-Istwertes A angeschlossen ist. Das Ausgangssignal der Projektion SP2 stellt den Anteil der Stellgröße SP dar, der von den Grundachsen auf die Handachsen verlagert werden soll. Dieser wird in beschriebener Weise einer differentiellen Transformation 23 zugeführt, welche daraus die höherfrequente Stellgröße SA2 für die Achskoordinaten bestimmt. Die Stellgröße SA2 wird in dem Addierer 24 zu der Hauptstellgröße S2 der inversen kinematischen Transformation 26 hinzuaddiert.

Ferner wird das höher frequente Signal SP2 der Frequenzweiche 7 von der Stellgröße SP des geregelten Anteils 29 der Steuerung 27 mittels eines Subtrahierers 20 abgezogen, so dass davon nur der niederfrequente Signal SP1 übrig bleibt. Dieses wird zusammen mit der Stellgröße SO des geregelten Anteils 29 einer differentiellen inversen kinematischen Transformation 33 zugeführt, welche die dazugehörigen Stellgrößen für die Achskoordinaten als Korrekturwerte zu den Hauptstellgrößen S1 und S2 bestimmt. Diese werden durch die Addierer 31 und 32 den Hauptstellgrößen S1 und S2 hinzuaddiert und den entsprechenden Achssteuerungen 8, 9 zugeführt.

Die Stellgrößen SP und SO des geregelten Anteils 29 der Steuerung 27 werden, im Gegensatz zu denen des gesteuerten Anteils 28, in einer differentiellen inversen kinematischen Transformation 33 in Stellgrößen für die Achskoordinaten umgerechnet, welche wesentlich schneller ist, als die für den gesteuerten Anteil verwendete nicht-differentielle inverse kinematische Transformation 26. Für die Steuerung ist die relativ lange Zykluszeit der nicht-differentiellen Transformation unkritisch.

Das erfindungsgemäße Konzept ist sowohl für rein gesteuerte Bewegungen als auch solche geeignet, die durch Rückführung von externen, prozessorseitigen Sensorinformationen ganz oder teilweise geregelt sind und sich daher automatisch an bestimmte Umgebungsbedingungen anpassen. Insbesondere kann das Konzept als vollständige Steuerung oder als Steuerungskomponente vorgesehen werden, die eine vorhandene Steuerung ergänzt und das Bewegungsverhalten der gesteuerten Bewegungseinrichtung beschleunigt.

1
Steuerung
2
Regler, Positionsregler
3, 3'
Sollwertgeber
4
Istwertgeber
5
Recheneinheit
6
Lageistwertgeber
7
Frequenzweiche, Hoch- und Tiefpassfilter
8
Achssteuerung
9
Achssteuerung
10
Bewegungseinrichtung, Roboter
11
Roboterhand
12
Arbeitsfläche
13
Grundachse
14
Handachse
15
Lasersensor
16
Hindernis
17
Laserstrahl
18
Abstand
19
Normale
20
Subtrahierer
21
Steuerung
22
Projektion
23
differentielle Transformation
24
Addierer
25
Steuerung
26
inverse kinematische Transformation
27
Steuerung
28
gesteuerter Anteil
29
geregelter Anteil
30
Addierer
31
Addierer
32
Addierer
33
differentielle inverse kinematische Transformation
SH
Stellgröße für die Höhe
SO
Stellgröße für die Orientierung
SA
Stellgröße für die Achskoordinaten
SA1,A2
frequenzabhängige Stellgrößen
SP
Stellgröße für die Position
SP1,P2,
frequenzabhängige Stellgrößen
S1,2
Hauptstellgrößen
HS
Höhensollwert
HI
Höhenistwert
A
Achslage


Anspruch[de]
Verfahren zur Beeinflussung der Steuerung (1, 21, 25, 27) und/oder zur Steuerung einer Bewegungseinrichtung (10) mit mindestens einer ersten Achse (13) und mindestens einer zweiten Achse (14), welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die erste Achse (13), bei dem mindestens eine Stellgröße (SA, SP) der Steuerung (1, 21, 25, 27) zur Ansteuerung der Achsen (13, 14) der Bewegungseinrichtung (10) erfasst wird, wobei die von der Steuerung (1, 21, 25, 27) ausgegebene Stellgröße (SA, SP) frequenzabhängig in mindestens zwei Signale (SA1, SA2, SP1, SP2) aufgeteilt wird, welche zur Ansteuerung verschiedener Achsen (13, 14) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufteilung der Stellgröße (SA, SP) mittels einer Projektion (22) unter Berücksichtigung der Gelenkwinkel-Istwerte der Achsen (13, 14) überprüft wird, welche Bewegungsanteile der Stellgröße (SA, SP) durch welche Achsen (13, 14) bzw. Gruppen von Achsen (13, 14) ausführbar sind, wobei die Projektion (22) diejenigen Bewegungsanteile herausfiltert, die in der jeweiligen Achsstellung der Bewegungseinrichtung (10) durch die schneller reagierenden Achsen (14) ausgeführt werden können. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (SP1, SA1) mit dem niederfrequenten Signalanteil der ersten Achse (13) oder einer ersten Gruppe von mehreren Achsen (13) und das Signal (SP2, SA2) mit dem hochfrequenten Anteil der zweiten Achse (14) oder einer zweiten Gruppe von mehreren Achsen (14) zugeordnet wird, wobei die Achsen (13) der ersten Gruppe eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen als die Achsen (14) der zweite Gruppe. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (SA, SP) in mehr als zwei Signale mit verschiedenen Frequenzbereichen aufgeteilt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (SA, SP) mittels Hoch- und/oder Tiefpassfilter (7) in Signale (SA1, SA2, SP1, SP2) mit verschiedenen Frequenzbereichen aufgeteilt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereigenschaften der Hoch- und/oder Tiefpassfilter (7) durch Parameter vorgebbar sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Projektion (22) translatorische Bewegungsanteile der Stellgröße (SA, SP) herausgefiltert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzabhängigen Signale (SP1, SP2, SA1, SA2) Korrekturwerte zu einer Hauptstellgröße (S1, S2) sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Bewegungseinrichtung (10) aufgrund von Sensorinformationen geregelt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einen Smith-Prädikator zur Verringerung der destabilisierenden Wirkung der Totzeit in dem Regelkreis einsetzt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Steuerung (1, 21, 25, 27) eine Vorsteuerung integriert ist. Steuerungskomponente für die Steuerung (1, 21, 25, 27) einer Bewegungseinrichtung (10) mit mindestens einer ersten Achse (13) und mindestens einer zweiten Achse (14), welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die erste Achse (13), zur Verarbeitung einer von der Steuerung (1, 21, 25, 27) ausgegebenen Stellgröße (SA, SP) zur Ansteuerung der Achsen (13, 14) der Bewegungseinrichtung (10), wobei die Steuerungskomponente eine Frequenzweiche (7) zur frequenzabhängigen Aufteilung der Stellgröße (SA, SP) in mindestens zwei Signale (SA1, SA2, SP1, SP2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frequenzweiche (7) ein Projektionsblock (22) zum Aufteilen der Bewegungsanteile auf die entsprechenden Achsen (13, 14) integriert ist, wobei der Projektionsblock (22) zur Überprüfung unter Berücksichtigung der Gelenkwinkel-Istwerte der Achsen (13, 14) eingerichtet ist, welche Bewegungsanteile der Stellgröße (SA, SP) durch welche Achsen (13, 14) bzw. Gruppen von Achsen (13, 14) ausführbar sind, und wobei der Projektionsblock (22) diejenigen Bewegungsanteile herausfiltert, die in der jeweiligen Achsstellung der Bewegungseinrichtung (10) durch die schneller reagierenden Achsen (14) ausgeführt werden können. Steuerungskomponente nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzweiche (7) als digitaler Hoch- und/oder Tiefpassfilter ausgebildet ist. Steuerungskomponente nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektionsblock (22) zur Durchführung einer Matrixmultiplikation eingerichtet ist. Steuerungskomponente nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die Steuerungskomponente eine Recheneinheit (5) zur Durchführung einer differentiellen Transformation (23) zur Erzeugung einer Stellgröße (SA2) für die Achskoordinaten integriert ist. Steuerungskomponente nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungskomponente als Computerprogrammprodukt aufgebaut ist. Steuerung für eine Bewegungseinrichtung (10) mit mindestens einer ersten Achse (13) und mindestens einer zweiten Achse (14), welche eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als die erste Achse (13), wobei die Steuerung (1, 21, 25, 27) eine Stellgröße (SA, SP) zur Ansteuerung der Achsen (13, 14) der Bewegungseinrichtung (10) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (1, 21, 25, 27) eine Steuerungskomponente nach einem der Ansprüche 11 bis 15 aufweist. Steuerung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (1, 21, 25, 27) eine Recheneinheit (5) mit einer absoluten und/oder differentiellen kinematischen Transformation (23, 26) aufweist. Steuerung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (1, 21, 25, 27) eine insbesondere sensorbasierte Positionsregelung (2) aufweist. Steuerung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsregelung (2) eine Proportional-Integral-Regelung und/oder eine Regelung mit doppelt integrierendem Regelverhalten ist.






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