DE102020205379A1

DE102020205379A1 - Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an einem Gelenk, Roboterarm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102020205379A1
Application number: DE102020205379.0A
Authority: DE
Inventors: Karsten Monreal
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-10-28
Also published as: WO2021219506A1; US20230173678A1; CN115485105A; KR20230003106A; EP4142990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an wenigstens einem Gelenk eines Roboterarms (9), wobei im Rahmen eines Bremsentestprogramms wenigstens ein Motor von mehreren elektrischen Motoren (M1-M6) automatisches angetrieben wird, in einer ersten Drehrichtung, wobei ein Erfassen eines ersten Motormoments (M_1)an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung erfolgt, und anschließend der wenigstens eine Motor in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung angetrieben wird, wobei ein Erfassen eines zweiten Motormoments (M_2) an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der zweiten Drehrichtung erfolgt, und ein automatisches Auswerten des ersten Motormoments (M_1) und des zweiten Motormoments (M_2) erfolgt, um das Reibungsmoment (Mr) des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks zu erhalten. Die Erfindung betrifft auch einen zugehörigen Roboter (8) und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an wenigstens einem Gelenk eines Roboterarms mit mehreren Gelenken und die Gelenke miteinander verbindenden mehreren Gliedern, wobei der Roboterarm mit einer Robotersteuerung verbunden ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, den Gelenken des Roboterarms zugeordnete mehrere elektrische Motoren des Roboterarms und zugeordnete Bremsen des Roboterarms anzusteuern, um den Roboterarm zu bewegen.
Die EP 1 239 354 B1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung und Überwachung einer Bremseinrichtung mit einem Nennmoment, die einer Antriebseinheit einer technischen Anlage wie Handhabungsgerät zugeordnet ist, wobei ein einem Haltemoment entsprechender Haltestrom der Antriebseinheit bei geöffneter Bremseinrichtung gemessen und gespeichert wird, und die Antriebseinheit bei geschlossener Bremseinrichtung mit einem achsspezifischen Stromwert beaufschlagt wird, der die Bremseinrichtung mit einem Moment belastet, das gleich oder kleiner als das Nennmoment der Bremseinrichtung ist, wobei der Antrieb gleichzeitig auf Stillstand überwacht wird.
Die WO 2007/008940 A2 beschreibt ein System zur Zustandsüberwachung und Fehlerdiagnose, umfassend eine Datenerfassungsfunktion, die Zeitverläufe ausgewählter Variablen für eine oder mehrere der Komponenten erfasst, eine Vorverarbeitungsfunktion, die bestimmte Merkmale der Zeitverläufe berechnet, eine Analysefunktion zum Bewerten der Merkmale, um eine oder mehrere Hypothesen eines Zustands der einen oder mehreren Komponenten zu erzeugen, und eine Argumentationsfunktion zum Bestimmen des Zustands der einen oder mehreren Komponenten aus der einen oder den mehreren Hypothesen. Dieses System zur Zustandsüberwachung und Fehlerdiagnose ist insbesondere für Roboter vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reibungszustand in wenigstens einem Gelenk eines Roboterarms auf einfache und kostengünstige Weise automatisch erfassen und auswerten zu können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an wenigstens einem Gelenk eines Roboterarms mit mehreren Gelenken und die Gelenke miteinander verbindenden mehreren Gliedern, wobei der Roboterarm mit einer Robotersteuerung verbunden ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, den Gelenken des Roboterarms zugeordnete mehrere elektrische Motoren des Roboterarms und zugeordnete Bremsen des Roboterarms anzusteuern, um den Roboterarm zu bewegen, aufweisend die Schritte:

- automatisches Ausführen eines dem Roboterarm zugeordneten Bremsentestverfahrens, das vorgesehen ist, die elektrische Motoren und die Bremsen des Roboterarms mittels der Robotersteuerung anzusteuern, um die Glieder des Roboterarms gemäß eines durch das Bremsentestverfahren vorgegebenen Bremsentestprogramms automatisch zu bewegen und die Bremsen automatisch anzusteuern,
- im Rahmen des Bremsentestprogramms automatisches Antreiben wenigstens eines Motors der mehreren elektrischen Motoren in einer ersten Drehrichtung und Erfassen eines ersten Motormoments an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung, und anschließendes automatisches Antreiben des wenigstens einen Motors in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung und Erfassen eines zweiten Motormoments an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der zweiten Drehrichtung,
- automatisches Auswerten des ersten Motormoments und des zweiten Motormoments, um das Reibungsmoment des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks zu erhalten.

Das Erfassen erfolgt dabei ohne gesonderte, spezielle Sensoren. Insbesondere erfolgt das Erfassen ohne gesonderte, spezielle Sensoren, welche ausschließlich dazu eingerichtet und ausgebildet sind, die Reibung in dem Gelenk zu erfassen. Vielmehr kann der Reibungszustand in dem jeweiligen Gelenk auf indirekte Weise erfasst werden und zwar insbesondere dadurch, dass die elektrische Stromaufnahme an demjenigen elektrischen Motor erfasst wird, welcher dem zu erfassenden und auszuwertenden Gelenk zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren nicht durch eine spezielle, separate Strommessung erfasst werden, sondern die bereits im Rahmen der sowieso bereits durchzuführenden Bremsentestverfahren erfassten elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren, lediglich in zusätzlicher Weise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden. Insoweit können eigenständige, zusätzliche Messungen der elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren entfallen.
Das Auswerten betrifft nicht nur alleine das Heranziehen der im Rahmen der Bremsentestverfahren bereits erfassten elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren, sondern auch gegebenenfalls eine darüber hinausgehende Auswertung der erfassten elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren, beispielsweise hinsichtlich eines Vergleichs der erfassten elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren mit vorgegebenen Maximalmomenten, mit Ursprungs-Reibungsmomenten im Inbetriebnahmezustand oder mit Reibungsmomenten aus früheren Bremsentestverfahren, d.h. gespeicherten elektrischen Strömen an den jeweiligen Motoren.
Der Reibungszustand an wenigstens einem Gelenk des Roboterarms lässt sich demgemäß ableiten aus früheren und/oder aktuellen erfassten elektrischen Strömen an den jeweiligen Motoren des betreffenden Gelenks.
Der Roboter umfasst den Roboterarm und eine Robotersteuerung. Mittels der Robotersteuerung sind die mehreren Glieder durch die Bewegungen der Gelenke des Roboterarms gegeneinander verstellbar, wobei jedem angetriebenen Gelenk ein Motor und eine Bremse zugeordnet sind. Der jeweilige Motor ist ausgebildet, das ihm zugeordnete Gelenk, angesteuert durch die Robotersteuerung, zu verstellen und zwar durch automatisches Ansteuern des Motors. Die Robotersteuerung ist insoweit ausgebildet zum automatischen Ansteuern der Motoren, um die Glieder des Roboterarms durch angetriebenes Bewegen der Gelenke automatisch und individuell gegeneinander zu verstellen. Die Robotersteuerung dient auch zum automatischen Ansteuern der Bremsen, um die Gelenke des Roboterarms individuell abzubremsen und arretiert halten zu können. Die Robotersteuerung führt auch die entsprechenden Bremsentestverfahren gemäß einem Bremsentestprogramm automatisch aus.
Die elektrischen Motoren können Servomotoren sein, die von der Robotersteuerung bzw. von mit der Robotersteuerung verbundenen Antriebsverstärkern angesteuert und angetrieben werden.
Die Bremsen können insbesondere elektro-mechanische Bremsen sein, die elektrisch angesteuert, d.h. aktiviert werden können, so dass elektrisch angetrieben, mechanische Bremselemente, wie Bremsbacken oder Bremsklötze bewegt werden, welche das zugeordnete Gelenk des Roboterarms bremsen und arretieren.
Das Bremsentestprogramm gibt vor, auf welche Art und Weise die Bremse des jeweiligen Gelenks getestet, d.h. untersucht wird, um die momentane Funktion der Bremse erfassen zu können.
Im ersten Schritt, der im Rahmen eines entsprechenden Bremsentestprogramms bereits ausgeführt wird, erfolgt ein Bewegen des Gelenks, dem die zu testende Bremse zugeordnet ist, in einer ersten Drehrichtung. Dabei wird ein erstes Motormoment an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung erfasst.
Im zweiten Schritt, der im Rahmen eines entsprechenden Bremsentestprogramms ebenso ausgeführt wird, erfolgt ein anschließendes automatisches Antreiben des wenigstens einen Motors in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung. Dabei wird ein zweites Motormoment an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der zweiten Drehrichtung erfasst.
Je nach momentaner Stellung des betreffenden Gelenks, d.h. je nach momentaner Achsstellungskonfiguration des Roboterarms wird durch das Drehen in der ersten Drehrichtung und durch das Drehen in der zweiten Drehrichtung, das Gelenk einmal mit einer Richtungskomponente in Schwerkraftrichtung belastet und einmal mit einer Richtungskomponente entgegen der Schwerkraftrichtung belastet. Das Reibungsmoment ist jedoch in beiden Drehrichtungen zumindest annähernd gleich. Aus dem ersten Gesamtmoment in der einen Drehrichtung und aus dem zweiten Gesamtmoment in der anderen Drehrichtung kann demgemäß das Gravitationsmoment eliminiert werden. Da das Gesamtmoment dem Antriebsmoment am Motor entspricht, und dieses insbesondere mit dem Antriebsstrom am Motor korreliert, kann das Gravitationsmoment herausgerechnet und das verbleibende Reibungsmoment des betreffenden Gelenks bestimmt werden.
Im dritten Schritt erfolgt demgemäß ein automatisches Auswerten des ersten Motormoments und des zweiten Motormoments, um das Reibungsmoment des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks zu erhalten.
In der Regel werden bei einem Robotersystem Bremsen vorgesehen, um im energielosen Zustand des Roboterarms die Position des Roboterarms zu halten. Geschlossene Bremsen an den Gelenken des Roboterarms können demgemäß als Gelenke interpretiert werden, die eine hohe Gelenkreibung aufweisen. Bei geöffneten Bremsen sollen im energiebehafteten Zustand des Roboterarms Bewegungen möglichst leicht ausgeführt werden können. Geöffnete Bremsen an den Gelenken des Roboterarms können demgemäß als Gelenke interpretiert werden, die eine niedrige Gelenkreibung aufweisen.
Weitere bewegliche Teile, wie beispielsweise Gelenklager, Motorwellenlager und Getriebe, sind generell darauf ausgelegt, möglichst geringe Reibung zu erzeugen.
Der Fall einer defekten Bremse, also in dem Sinne eine Bremse, die im energielosen Zustand zu wenig Reibungsmoment aufbringt, kann durch einen zyklisch ausgeführten Bremsentest festgestellt werden. Somit ist sichergestellt, dass ein energieloses System beispielsweise nicht durch gravitationsbedingte Einflüsse unbeabsichtigt zusammensackt.
Jedoch wird bisher nicht der Fall einer defekten Bremse geprüft, in dem Sinne, dass diese Bremse im Betrieb ein zu hohes Moment aufbringt, beispielsweise wenn die Bremse mechanisch nicht korrekt öffnet oder wenn die elektrische Verkabelung defekt ist.
Bisher müssen daher sekundäre Symptome beispielsweise durch einen Servicetechniker entsprechend richtig gedeutet werden. Die sekundären Symptome können auftretende Meldungen folgender Art umfassen: Beispielsweise „Motorüberlast“, „Leistungsüberwachung“, „Getriebeüberwachung“.
Auch der Fall einer zusätzlich unerwünscht hohen wirkenden Reibung im Betrieb, wie beispielsweise der Lagerreibung, wird bisher nicht direkt erfasst.
Es sollen in der Regel aus Kostengründen keine zusätzlichen Sensoren im System verbaut werden, welche die Reibung direkt erfassen können, wodurch derartige Sensorwerte direkt ausgewertet werden könnten.
Mit der Erfindung soll eine möglichst automatische Erkennung dieses beschriebenen zweiten Fehlerfalls erreicht werden, ohne dass zusätzliche Sensoren verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine gegebenenfalls langfristig unerkannt wirkende latente Überlastung des Roboters vermieden werden. Eine unerwünschte Überlastung kann einen erhöhten Verschleiß und/oder einen höherer Energieverbrauch zur Folge haben. Außerdem kann ein drohender längerfristiger Ausfall des Roboters aufgrund eines stärker wirkenden Fehlers vermieden werden. Ein Servicetechniker kann schneller der tatsächlichen Ursache der Störung auf den Grund gehen und gezielter defekte Bauteile tauschen oder den Fehler anderweitig beheben, wie beispielsweise die betroffene Bremse wieder gangbar machen, das Getriebe schmieren.
Die Erkennung des Fehlers kann in bestehenden Abläufen und Produktionsprogrammen beim Anwender des Roboters einfach integriert werden, beispielsweise durch eine erweiterte Auswertung eines bestehenden Bremsentests.
Während eines regelmäßig ausgeführten und vorgeschriebenen Bremsentests kann es zur Bewertung der Bremse zu Beginn des Bremsentestverfahrens vorgesehen sein, dass das Gelenk zunächst bei geöffneter Bremse in beide Richtungen bewegt wird, um den Reibungszustand des Gelenks in beide Richtungen aufzunehmen, solange die Bremse noch nicht geschlossen ist.
Aus beiden Testbewegungen, erst in die eine Drehrichtung und dann in die entgegengesetzte Drehrichtung, kann dann näherungsweise über die beiden gemessenen Motormomente: $M^{+} = Mg + Mr$
und $M^{-} = Mg + Mr$
das Gravitationsmoment Mg und das Reibungsmoment Mr ermittelt werden: $Mg = (M^{+} + M^{-}) : 2$
$Mr = | (M^{+} - M^{-}) : 2 |$
Mit diesen Daten wird im weiteren Verlauf des Bremsentestverfahrens - mit der Bedingung, dass sich der Antrieb während des Tests nicht bewegt - über ein aufgeschaltetes Motormoment auf ein wirksames Bremsenmoment geschlossen.
Erfindungsgemäß umfasst das Bremsentestverfahren eine Erweiterung der bestehenden Auswertung dahingehend, dass das ermittelte, wirkende Reibungsmoment Mr selbst ausgewertet wird.
Eine erste Näherung für eine sinnvolle automatisch gültige Grenze kann bereits das zu testende Soll-Bremsenhaltemoment selbst sein. Sinngemäß ergibt sich folgende Überlegung. Wenn die Reibung eines Systems in der Größenordnung der von einer eingesetzten Bremse zu verursachenden Reibung selbst liegt, wäre die Bremse nicht notwendig. Folglich ist das Vorhandensein einer Reibung entsprechender Größe ein Fehler.
Bei Ermittlung eines Reibungsmoments, das größer als ein gegebenenfalls konfigurierbarer oder sich mittels prozentualem Wert aus dem Testmoment der Bremse ergebender Grenzwert ist, kann frühzeitig eine zielgerichtete Fehlermeldung ausgegeben werden. Eine solche zielgerichtete Fehlermeldung kann dann beispielsweise lauten: „Reibung Achse 3 zu hoch“ oder „Bitte Bremse/Getriebe prüfen“.
Das Reibungsmoment des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks kann aus dem ersten Motormoment und dem zweiten Motormoment bestimmt werden, indem das Reibungsmoment als der Betrag von der Hälfte der Differenz aus erstem Motormoment und zweitem Motormoment automatisch errechnet wird.
Das Verfahren kann in einer ersten Ausführungsvariante derart durchgeführt werden, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn das automatisch bestimmte Reibungsmoment ein vorgegebenes Maximalmoment überschreitet.
Es wird also zunächst, wie weiter oben beschrieben ist, das aktuelle Reibungsmoment ermittelt. Eine einfache Auswertung kann derart erfolgen, dass auf einen Fehler im Gelenk geschlossen wird, wenn das aktuell erfasste Reibungsmoment ein bestimmtes Maximalmoment überschreitet. Das Maximalmoment kann empirisch, beispielsweise durch Versuche ermittelt werden. Der Wert des Maximalmoments kann beispielsweise so festgelegt werden, dass gewisse Varianzen im tatsächlichen Reibungsmoment zugelassen sind und erst deutlich einen durchschnittlichen Wert übersteigende Reibungsmomente als unzulässige Werte betrachtet werden.
Zur Bestimmung des vorgegebenen Maximalmoments kann insbesondere das bauartbedingte Nennmoment derjenigen Bremse herangezogen werden, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment und das zweite Motormoment erfasst wurde. Es kann davon ausgegangen werden, dass die konstruktiv vorgesehene Bremse an die Anforderungen des Gelenks des Roboterarms hinsichtlich seines Nennmoments angepasst ist, also die Bremse weder überdimensioniert noch unterdimensioniert ist. Insoweit gibt das Nennmoment der Bremse, die dem betreffenden Gelenk zugeordnet ist, einen guten Hinweis auf die Größenordnung, die ein vorhandenes Reibungsmoment sinnvoller Weise nicht erreichen sollte. Ist das tatsächliche Reibungsmoment in der Größenordnung des Nennmoments der Bremse, kann das betreffende Gelenk nicht ordnungsgemäß funktionsfähig sein.
Als Wert des vorgegebenen Maximalmoments kann insbesondere ein Wert zwischen 20% und 40% des bauartbedingten Nennmomentwertes derjenigen Bremse herangezogen werden, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment und das zweite Motormoment erfasst wurde.
Das Verfahren kann in einer zweiten Ausführungsvariante derart durchgeführt werden, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn bei einem Vergleich des automatisch bestimmten Reibungsmoments mit einem im Auslieferungszustand des Roboterarms bestimmten Ursprungs-Reibungsmoment eine Abweichung des automatisch bestimmten Reibungsmoments von dem im Auslieferungszustand des Roboterarms oder Inbetriebnahmezustand des Roboterarms bestimmten Ursprungs-Reibungsmoments festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In dieser zweiten Ausführungsvariante wird das im Rahmen des Bremsentestverfahrens automatisch bestimmte Reibungsmoment also nicht mit einem fest vorgegebenen Maximalwert statisch verglichen, sondern es erfolgt ein Vergleich mit einem Reibungsmoment, das zu einem Zeitpunkt bestimmt wurde, von dem angenommen werden kann, dass zu diesem Zeitpunkt die Bremse und das Gelenk jedenfalls in einem ordnungsgemäßen Zustand waren. Dieser sicher ordnungsgemäße Zustand kann somit dem Inbetriebnahmezustand des Roboterarms entsprechen.
Das Verfahren kann in einer dritten Ausführungsvariante derart durchgeführt werden, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn bei einem Vergleich eines im Rahmen eines Ausführens eines zweiten Bremsentestverfahrens zu einem späteren Zeitpunkt automatisch bestimmten späteren Reibungsmoments mit einem im Rahmen eines Ausführens eines ersten Bremsentestverfahrens zu einem früheren Zeitpunkt automatisch bestimmten früheren Reibungsmoment eine Abweichung des später bestimmten Reibungsmoments von dem früher bestimmten Reibungsmoments festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In dieser dritten Ausführungsvariante wird das im Rahmen des Bremsentestverfahrens automatisch bestimmte Reibungsmoment also nicht mit einem fest vorgegebenen Maximalwert statisch verglichen, und auch nicht mit einem (statischen) Reibungsmoment in einem ordnungsgemäßen Zustand verglichen, sondern es erfolgt ein Vergleich mit einem beliebigen Reibungsmoment, das während des Betriebs des Roboterarms zu einem früheren Zeitpunkt bestimmt worden ist. Es können mehrere früher bestimmte Reibungsmomente, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst worden sind, berücksichtigt werden. So kann sogar eine Tendenz abgeleitet werden, in welchem Maße sich das Reibungsmoment an dem Gelenk und in welcher Geschwindigkeit sich das Reibungsmoment an dem Gelenk verschlechtert. Daraus kann eine automatische Empfehlung abgeleitet werden, wann eine Wartung durchgeführt werden sollte bzw. wie lange der Roboterarm noch betrieben werden kann, ohne dass eine Wartung durchgeführt wird.
In allen Ausführungsformen kann das erste Motormoment des angetriebenen Motors und das zweite Motormoment des angetriebenen Motors aus den jeweiligen elektrischen Motorströmen des Motors während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung und in der zweiten Drehrichtung automatisch bestimmt werden.
Demgemäß kann der Reibungszustand in dem jeweiligen Gelenk auf indirekte Weise erfasst werden und zwar insbesondere dadurch, dass die elektrische Stromaufnahme an demjenigen elektrischen Motor erfasst wird, welcher dem zu erfassenden und auszuwertenden Gelenk zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren nicht durch eine spezielle, separate Strommessung erfasst werden, sondern die bereits im Rahmen der sowieso bereits durchzuführenden Bremsentestverfahren erfassten elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren, lediglich in zusätzlicher Weise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden. Insoweit können eigenständige, zusätzliche Messungen der elektrischen Ströme an den jeweiligen Motoren entfallen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Roboter, aufweisend einen Roboterarm mit mehreren Gelenken und mehreren Gliedern, die durch die Bewegungen der Gelenke des Roboterarms gegeneinander verstellbar sind, wobei jedem angetriebenen Gelenk ein Motor und eine Bremse zugeordnet ist, wobei der jeweilige Motor ausgebildet ist, das ihm zugeordnete Gelenk zu verstellen und zwar durch automatisches Ansteuern des Motors, und aufweisend eine Robotersteuerung, die ausgebildet ist zum automatischen Ansteuern der Motoren, um die Glieder des Roboterarms durch angetriebenes Bewegen der Gelenke automatisch und individuell gegeneinander zu verstellen, und zum automatischen Ansteuern der Bremsen, um die Gelenke des Roboterarms individuell abzubremsen und arretiert halten zu können, wobei die Robotersteuerung ausgebildet und eingerichtet ist, zum Durchführen eines Verfahrens, gemäß einer Ausführung oder mehreren Ausführungen, wie beschrieben.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, aufweisend einen maschinenlesbaren Träger, auf dem Programmcode gespeichert ist, der von einer Robotersteuerung eines Roboters, wie beschrieben, auslesbar ist und der die Robotersteuerung ausbildet und/oder einrichtet, ein Verfahren, gemäß einer Ausführung oder mehreren Ausführungen, wie beschrieben, durchzuführen, wenn der Programmcode von der Robotersteuerung ausgeführt wird.
Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise eine CD, eine DVD oder ein USB-Stick sein. Das Computerprogrammprodukt kann aber auch eine Steuerungskarte sein, auf der Mikroprozessoren eingebunden sind. Das Computerprogrammprodukt kann jedoch auch in Form eines Downloads realisiert sein, der über das Internet oder ein anderes Netzwerk angeboten und verkauft werden kann.
Der maschinenlesbare Träger kann somit eine CD, eine DVD oder ein Mikroprozessor sein, auf dem der Programmcode gespeichert ist. Der maschinenlesbare Träger kann aber auch eine Festplatte oder ein SSD-Laufwerk sein, auf das der Programmcode heruntergeladen wurde, beispielsweise mittels eines Downloads, insbesondere in Form von Datenpaketen.
Der Programmcode kann durch ein editiertes Programm und/oder Daten repräsentiert sein, die auf dem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind.
Durch ein Auslesen des editierten Programms und/oder der Daten wird die auslesende Robotersteuerung ausgebildet und/oder eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt, wenn die Robotersteuerung den Programmcode d.h. das editierte Programm tatsächlich entsprechend ausführt und/oder die Daten tatsächlich entsprechend verarbeitet.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen:

1 einen beispielhaften Roboter, umfassend einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und mehreren Gelenken, wobei jedem Gelenk ein eigener Motor und eine eigene Bremse zugeordnet ist, und umfassend eine Robotersteuerung zum Ansteuern des Roboterarms, insbesondere der Motoren und Bremsen der Gelenke,
2 eine schematische Darstellung des grundlegenden erfinderungemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs von Gravitationsmoment, Reibungsmoment und Bremsenhaltemoment während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens,
4 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Gelenkbewegung während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens in einem v/t-Diagramm, und
5 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Verlaufs des Gesamtmoments an dem jeweiligen Gelenk während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens.

Die 1 zeigt einen Industrieroboter 8, der einen Roboterarm 9 und eine Robotersteuerung 10 aufweist. Der Roboterarm 9 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete, und mittels Gelenke L1 bis L6 drehbar miteinander verbundene Glieder G1 bis G7.
Der Industrieroboter 8 weist die Robotersteuerung 10 auf, die ausgebildet ist, ein Roboterprogramm auszuführen und die Glieder G1-G7 und Gelenke L1-L6 des Roboterarms 9 automatisch zu bewegen. Eines der mehreren Glieder G1-G7 bildet ein Endglied (G7) des Roboterarms 9, das einen Werkzeugflansch 11 aufweist.
Die Robotersteuerung 10 des Industrieroboters 8 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke L1 bis L6 des Roboterarms 9 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuerung 10 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben, den Motoren M1 bis M6 verbunden, die ausgebildet sind, die jeweiligen Gelenke L1 bis L6 des Roboterarms 9 zu verstellen.
Bei den Gliedern G1 bis G7 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels um ein Robotergrundgestell 13 und ein relativ zum Robotergrundgestell 13 um eine vertikal verlaufende Achse A1 drehbar gelagertes Karussell 14. Weitere Glieder des Roboterarms 9 sind eine Schwinge 15, ein Armausleger 16 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 17 mit einer als Werkzeugflansch 11 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs. Die Schwinge 15 ist am unteren Ende, d.h. an dem Gelenk L2 der Schwinge 15, das auch als Schwingenlagerkopf bezeichnet werden kann, auf dem Karussell 14 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert.
Am oberen Ende der Schwinge 15 ist an dem einen Gelenk L3 der Schwinge 15 wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Armausleger 16 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 17 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Die Gelenke L1 bis L6 sind durch jeweils einen der elektrischen Motoren M1 bis M6 über die Robotersteuerung 10 programmgesteuert antreibbar und sind mittels den Gelenken L1 bis L6 bzw. den Motoren M1 bis M6 zugeordneten Bremsen B1 bis B6 abbremsbar und arretiert festhaltbar.
Die 2 veranschaulicht das Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an wenigstens einem Gelenk L1 bis L6 des Roboterarms 9 mit mehreren Gelenken L1-L6 und die Gelenke L1-L6 miteinander verbindenden mehreren Gliedern G1-G7, wobei der Roboterarm 9 mit der Robotersteuerung 10 verbunden ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, den Gelenken L1-L6 des Roboterarms 9 zugeordnete mehrere elektrische Motoren M1-M6 des Roboterarms 9 und zugeordnete Bremsen B1-B6 des Roboterarms 9 anzusteuern, um den Roboterarm 9 zu bewegen.
Im ersten Schritt S1 erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein automatisches Ausführen eines dem Roboterarm 9 zugeordneten Bremsentestverfahrens gemäß einem Bremsentestprogramm 1, das vorgesehen ist, die elektrische Motoren M1-M6 und die Bremsen B1-B6 des Roboterarms 9 mittels der Robotersteuerung 10 anzusteuern, um die Glieder G1-G7 des Roboterarms 9 gemäß des durch das Bremsentestverfahren vorgegebenen Bremsentestprogramms 1 automatisch zu bewegen und die Bremsen B1-B6 automatisch anzusteuern.
Im zweiten Schritt S2 erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels und im Rahmen des Bremsentestprogramms 1 ein automatisches Antreiben wenigstens eines Motors der mehreren elektrischen Motoren M1-M6 in einer ersten Drehrichtung und ein Erfassen eines ersten Motormoments M_1 an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung, und ein anschließendes automatisches Antreiben des wenigstens einen Motors in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung und ein Erfassen eines zweiten Motormoments M_2 an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der zweiten Drehrichtung.
Im dritten Schritt S3 erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein automatisches Auswerten des ersten Motormoments M_1 und des zweiten Motormoments M_2, um das Reibungsmoment Mr des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks zu erhalten.
Das Reibungsmoment Mr des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks kann aus dem ersten Motormoment M_1 und dem zweiten Motormoment M_2 bestimmt werden, indem das Reibungsmoment Mr als der Betrag von der Hälfte der Differenz aus erstem Motormoment M_1 und zweitem Motormoment M_2 automatisch errechnet wird.
Der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks wird automatisch als fehlerbehaftet bewertet, beispielsweise dann, wenn das automatisch bestimmte Reibungsmoment Mr ein vorgegebenes Maximalmoment überschreitet.
Zur Bestimmung des vorgegebenen Maximalmoments kann das bauartbedingte Nennmoment derjenigen Bremse herangezogen werden, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment M_1 und das zweite Motormoment M_2 erfasst wurde.
Als Wert des vorgegebenen Maximalmoments kann beispielsweise ein Wert zwischen 20% und 40% des bauartbedingten Nennmomentwertes derjenigen Bremse herangezogen werden, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment M_1 und das zweite Motormoment M_2 erfasst wurde.
Der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks kann automatisch als fehlerbehaftet bewertet werden, beispielsweise dann, wenn bei einem Vergleich des automatisch bestimmten Reibungsmoments Mr mit einem im Auslieferungszustand des Roboterarms 9 bestimmten Ursprungs-Reibungsmoment eine Abweichung des automatisch bestimmten Reibungsmoments Mr von dem im Auslieferungszustand des Roboterarms 9 oder Inbetriebnahmezustand des Roboterarms 9 bestimmten Ursprungs-Reibungsmoments festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks kann automatisch als fehlerbehaftet bewertet werden, beispielsweise dann, wenn bei einem Vergleich eines im Rahmen eines Ausführens eines zweiten Bremsentestverfahrens zu einem späteren Zeitpunkt automatisch bestimmten späteren Reibungsmoments mit einem im Rahmen eines Ausführens eines ersten Bremsentestverfahrens zu einem früheren Zeitpunkt automatisch bestimmten früheren Reibungsmoment eine Abweichung des später bestimmten Reibungsmoments von dem früher bestimmten Reibungsmoments festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Das erste Motormoment M_1 des angetriebenen Motors und das zweite Motormoment M_2 des angetriebenen Motors können aus den jeweiligen elektrischen Motorströmen des Motors während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung und in der zweiten Drehrichtung automatisch bestimmt werden.
In 3 ist eine schematische Darstellung des Zusammenhangs von Gravitationsmoment, Reibungsmoment und Bremsenhaltemoment während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens gezeigt. Das Gravitationsmoment Mg wirkt stets in gleicher Größe und in derselben Richtung. Das Bremsmoment Mb erhöht sich in der einen Drehrichtung bis zu einem Maximalwert. Danach wird in die andere Drehrichtung gewechselt, indem das Bremsmoment Mb kontinuierlich verringert wird. Das Reibungsmoment entspricht der Hälfte des Drehmomentunterschieds in der einen Richtung und in der anderen Drehrichtung. Dies ist insbesondere auch in 5 veranschaulicht.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Gelenkbewegung während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens in einem v/t-Diagramm. Der Motor wird zunächst angefahren, d.h. er beschleunigt, um dann das Gelenk mit einer konstanten Geschwindigkeit in die erste Drehrichtung zu bewegen. Anschließend wird abgebremst und in die andere Drehrichtung beschleunigt, um dann das Gelenk mit einer entsprechend entgegengesetzten konstanten Geschwindigkeit in die andere, die zweite Drehrichtung zu bewegen. Gemäß diesem Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsprofil des beispielhaften Bremsentestverfahrens stellt sich ein Verlauf des Gesamtmoments am Motor ein, wie er schematisch in 5 gezeigt ist.
In 5 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Verlaufs des Gesamtmoments M an dem jeweiligen Gelenk während der Durchführung eines beispielhaften Bremsentestverfahrens gezeigt. Die unterschiedlich hohen Plateauphasen des Gesamtmoments M ergeben sich dadurch, dass sowohl bei der Drehbewegung in der ersten Drehrichtung, als auch bei der entgegengesetzten Drehbewegung in die zweite Drehrichtung das Gravitationsmoment in gleicher Weise wirkt. Die Momentendifferenz zwischen den beiden Plateauphasen des Gesamtmoments M entspricht dem zweifachen Reibungsmoment.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1239354 B1 [0002]
WO 2007/008940 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Reibungszustands an wenigstens einem Gelenk eines Roboterarms (9) mit mehreren Gelenken (L1-L6) und die Gelenke (L1-L6) miteinander verbindenden mehreren Gliedern (G1-G7), wobei der Roboterarm (9) mit einer Robotersteuerung (10) verbunden ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, den Gelenken (L1-L6) des Roboterarms (9) zugeordnete mehrere elektrische Motoren (M1-M6) des Roboterarms (9) und zugeordnete Bremsen (B1-B6) des Roboterarms (9) anzusteuern, um den Roboterarm (9) zu bewegen, aufweisend die Schritte: - automatisches Ausführen eines dem Roboterarm (9) zugeordneten Bremsentestverfahrens, das vorgesehen ist, die elektrische Motoren (M1-M6) und die Bremsen (B1-B6) des Roboterarms (9) mittels der Robotersteuerung (10) anzusteuern, um die Glieder (G1-G7) des Roboterarms (9) gemäß eines durch das Bremsentestverfahren vorgegebenen Bremsentestprogramms (1) automatisch zu bewegen und die Bremsen (B1-B6) automatisch anzusteuern, - im Rahmen des Bremsentestprogramms automatisches Antreiben wenigstens eines Motors der mehreren elektrischen Motoren (M1-M6) in einer ersten Drehrichtung und Erfassen eines ersten Motormoments (M_1) an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung, und anschließendes automatisches Antreiben des wenigstens einen Motors in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung und Erfassen eines zweiten Motormoments (M_2) an dem angetriebenen Motor während seiner Drehung in der zweiten Drehrichtung, - automatisches Auswerten des ersten Motormoments (M_1) und des zweiten Motormoments (M_2), um das Reibungsmoment (Mr) des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibungsmoment (Mr) des dem angetriebenen Motor zugeordneten Gelenks aus dem ersten Motormoment (M_1)und dem zweiten Motormoment (M_2) bestimmt wird, indem das Reibungsmoment (Mr) als der Betrag von der Hälfte der Differenz aus erstem Motormoment (M_1) und zweitem Motormoment (M_2) automatisch errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn das automatisch bestimmte Reibungsmoment (Mr) ein vorgegebenes Maximalmoment überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des vorgegebenen Maximalmoments das bauartbedingte Nennmoment derjenigen Bremse herangezogen wird, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment (M_1) und das zweite Motormoment (M_2) erfasst wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wert des vorgegebenen Maximalmoments ein Wert zwischen 20% und 40% des bauartbedingten Nennmomentwertes derjenigen Bremse herangezogen wird, die dem Gelenk zugeordnet ist, das von dem Motor angetrieben wird, an dem das erste Motormoment (M_1) und das zweite Motormoment (M_2) erfasst wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn bei einem Vergleich des automatisch bestimmten Reibungsmoments (Mr) mit einem im Auslieferungszustand des Roboterarms (9) bestimmten Ursprungs-Reibungsmoment eine Abweichung des automatisch bestimmten Reibungsmoments (Mr) von dem im Auslieferungszustand des Roboterarms (9) oder Inbetriebnahmezustand des Roboterarms (9) bestimmten Ursprungs-Reibungsmoments festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibungszustand des wenigstens einen Gelenks automatisch als fehlerbehaftet bewertet wird, wenn bei einem Vergleich eines im Rahmen eines Ausführens eines zweiten Bremsentestverfahrens zu einem späteren Zeitpunkt automatisch bestimmten späteren Reibungsmoments (Mr) mit einem im Rahmen eines Ausführens eines ersten Bremsentestverfahrens zu einem früheren Zeitpunkt automatisch bestimmten früheren Reibungsmoment (Mr) eine Abweichung des später bestimmten Reibungsmoments (Mr) von dem früher bestimmten Reibungsmoments (Mr) festgestellt wird, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Motormoment (M_1) des angetriebenen Motors und das zweite Motormoment (M_2) des angetriebenen Motors aus den jeweiligen elektrischen Motorströmen des Motors während seiner Drehung in der ersten Drehrichtung und in der zweiten Drehrichtung automatisch bestimmt wird.
Roboter, aufweisend einen Roboterarm (9) mit mehreren Gelenken (L1-L6) und mehreren Gliedern (G1-G7), die durch die Bewegungen der Gelenke (L1-L6) des Roboterarms (9) gegeneinander verstellbar sind, wobei jedem angetriebenen Gelenk (L1-L6) ein Motor (M1-M6) und eine Bremse (B1-B6) zugeordnet ist, wobei der jeweilige Motor (M1-M6) ausgebildet ist, das ihm zugeordnete Gelenk (L1-L6) zu verstellen und zwar durch automatisches Ansteuern des Motors (M1-M6), und aufweisend eine Robotersteuerung (10), die ausgebildet ist zum automatischen Ansteuern der Motoren (M1-M6), um die Glieder (G1-G7) des Roboterarms (9) durch angetriebenes Bewegen der Gelenke (L1-L6) automatisch und individuell gegeneinander zu verstellen, und zum automatischen Ansteuern der Bremsen (B1-B6), um die Gelenke (L1-L6) des Roboterarms (9) individuell abzubremsen und arretiert halten zu können, wobei die Robotersteuerung (10) ausgebildet und eingerichtet ist, zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Computerprogrammprodukt, aufweisend einen maschinenlesbaren Träger, auf dem Programmcode gespeichert ist, der von einer Robotersteuerung (10) eines Roboters (8) gemäß Anspruch 9 auslesbar ist und der die Robotersteuerung (10) ausbildet und/oder einrichtet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn der Programmcode von der Robotersteuerung (10) ausgeführt wird.