DE19853452C1

DE19853452C1 - Robotervorrichtung

Info

Publication number: DE19853452C1
Application number: DE1998153452
Authority: DE
Inventors: Daniel Bonk; Thomas Stork
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2018-11-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Robotervorrichtung mit einem Roboterarm, der mindestens zwei drehbar zusammengefügte starre Verbindungselemente (704, 705) aufweist; wobei der Rotor (700) eines ersten Schrittmotors (701) an einem (705) der Verbindungselemente (704, 705) und der Stator (706) des ersten Schrittmotors (701) an dem anderen (704) der Verbindungselemente (704) angebracht ist; der erste Schrittmotor (701) mittels einer Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) ansteuerbar ist; die Winkelposition der Rotordrehachse (703) mittels eines Winkel-Encoders (702) erfaßbar ist; und eine Regelschleife zur Regelung der Winkelposition des Rotors (700) zwischen dem Winkel-Encoder (702) und der Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) vorgesehen ist. Die Regelschleife weist eine Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) zum Empfangen des Ausgangssignals des Winkel-Encoders (702) und zum Ausgeben eines Ausgangssignals (209) mit erhöhter Auflösung sowie eine Vergleichseinrichtung (105) zum Vergleichen des Ausgangssignals (209) mit erhöhter Auflösung der Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) mit einem Sollwertsignal (106) und zum Ausgeben eines entsprechenden Regelabweichungssignals (408) an die Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) auf. Die Auflösung der Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) ist mindestens so groß wie diejenige des Regelabweichungssignals (408).

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Robotervorrichtung mit einem Roboterarm, der mindestens zwei drehbar zusammen gefügte starre Verbindungselemente aufweist; wobei der Ro tor eines ersten Schrittmotors an einem der Verbindungsele mente und der Stator des ersten Schrittmotors an dem ande ren der Verbindungselemente angebracht ist, wobei der erste Schrittmotor mittels einer Microstepsteuerung ansteuerbar ist; wobei die Winkelposition der Rotordrehachse mittels eines Winkel-Encoders erfaßbar ist; und wobei eine Regel schleife zur Regelung der Winkelposition des Rotors zwi schen dem Winkel-Encoder und der Microstepsteuerung vorge sehen ist. Solch eine Robotervorrichtung ist aus der DE 196 44 846 A1 bekannt.

Aus der DE 44 00 482 A1 ist ein Verfahren bekannt, das die Korrektur eines nichtlinearen Zusammenhanges zwischen elek trischem Phasenwinkel und mechanischem Abtriebswinkel von Schrittmotoren unter Verwendung eines niedrig auflösenden Encoders erlaubt.

Obwohl auf beliebige Robotervorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen Industrieroboter zum Wafer handling näher erläutert.

Zum Waferhandling sind Roboterkonstruktionen bekannt, deren Motoren außerhalb der Roboterarme liegen (siehe z. B. die US-A-5,007,784; die WO 96/34722; und die US-A-5,064,340 uvam.). Der Antrieb ist dort meistens mit bürstenbehafteten DC-Motoren realisiert, die über inkrementelle Drehgeber ge regelt werden. Ein Getriebe untersetzt die Drehzahl und übersetzt das Drehmoment und die Positioniergenauigkeit. Mit Hilfe eines Zahnriemenantriebs wird die Kraft in die Arme geleitet. Dadurch entsteht ein Kraftfluß durch den ge samten Roboter. Der mechanische Aufwand ist sehr hoch, was z. B. die Anzahl der Lager, Zahnräder, Riemen usw. betrifft. Es entsteht ein Verschleiß bei den Bürsten der DC-Motoren. Auch sind die Konstruktionen nicht in der Lage, die Arme um 360° zu verdrehen. Die Schulter, der Ellbogen und die Klaue sind fest miteinander gekoppelt, und somit sind nur radiale und axiale Bewegungen möglich, da nicht beide Achsen koor diniert ansteuerbar sind.

Es sind Roboterarme bekannt, deren Antriebe (Motor und Ge triebe) im Armgelenk liegen. Zur Verbesserung der Spiel freiheit lassen sich auch gegeneinander verspannte und da mit spielfreie Getriebe einsetzen. Der Nachteil dieser Kon struktionen liegt in dem hohen Gewicht, das auch durch das Getriebe verursacht wird. Dadurch erhöht sich das Massen trägheitsmoment des Armes und verschlechtert sich die Be schleunigung. Auch sind die Zahnradgetriebe nicht ver schleißfrei. Es entsteht ein Spiel, was die Positionierge nauigkeit verschlechtert. Der Abrieb verschmutzt zusätzlich den Reinstraum.

Es sind weiter Roboterarme bekannt, deren Antriebe ohne Ge triebe im Armgelenk sitzen (siehe z. B. die US-A-4,907,467). Dieser Aufbau ist sehr vorteilhaft, da es keine Verschleiß teile (Lagerung ausgenommen) mehr gibt. Es fehlt hier aber an Angaben über die Positioniergenauigkeit und über die ge samte Ansteuerung der Motoren.

In der US-A-5,663,624 ist ein Verfahren beschrieben, in dem ein Schrittmotor im geschlossenen Regelkreis betrieben wird. Damit werden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsab weichungen des Motors ausgeregelt. Nachteilhafterweise ist die Schrittauflösung hier ungenügend für einen Roboterarm.

Aus der eingangs erwähnten DE 196 44 846 A1 ist insbesonde re ein Industrieroboter bekannt, der mit rückgekoppelten Schrittmotoren läuft. Es wird dort vorgeschlagen, die Schrittmotoren im sogenannten Microstep-Betrieb anzusteu ern. Der Schrittmotor wird im Microstep-Betrieb üblicher weise mit Sinus- und Cosinus-Signalen gespeist. Dadurch er hält man eine deutlich höhere Schrittauflösung gegenüber dem Vollschritt- bzw. Halbschrittbetrieb. Es sind Schritt vervielfachungen von typischerweise 512 Mikroschritten pro Vollschritt erhältlich. Mit einem Schrittmotor, der 200 Vollschritte hat, sind demnach 102400 Schritte pro Umdre hung möglich. Damit ist es möglich, den Motor direkt in das Armgelenk zu legen und das Getriebe einzusparen.

Nachteilhafterweise sind die Mikroschritte nicht gleichmä ßig über eine Umdrehung des Rotors des Schrittmotors ver teilt. Des weiteren schwanken diese Schritte abhängig von den Temperaturen der Wicklungen des Schrittmotors, der Hy sterese des Eisens und anderer Störungen. Die Schrittgenau igkeit wird dadurch stark begrenzt.

Auch sind bei der DE 196 44 846 A1 die Motordrehmomente un terschiedlich groß ausgelegt, da hier eher eine hohe Posi tioniergeschwindigkeit (z. B. 120 Positionen/s) gefordert wird. Der "Schultermotor" hat ein mindestens dreimal so ho hes Drehmoment gegenüber dem "Ellbogenmotor".

Der schwerwiegendste Nachteil liegt hier im extrem geringen Arbeitsraum von ca. 5 mm Durchmesser, wobei eine Positio niergenauigkeit von 0,04 mm angegeben wird. Man könnte die sen Arbeitsraum auf 2 m Durchmesser erweitern, dann aber würde die Positioniergenauigkeit stark abfallen, nämlich auf ca. 16 mm = 2000/5 × 0,04 mm. Es fehlt also hier an ei ner hohen Positionierauflösung bei größerem Radius, die sich durch den Winkel-Encoder mit einer Auflösung von typi scherweise 8000-16000 Schritten in Verbindung mit dem be kannten Microstepping nicht erreichen läßt.

Außerdem ist das Verhältnis der Drehmomente von 1 : 3 bei diesen größeren Armlängen nicht sinnvoll aufrechtzuhalten. Entweder würde der Ellbogenmotor zu klein werden, oder der Schultermotor würde zu groß werden.

Zusammenfassend sollen durch die Erfindung folgende, beim Stand der Technik auftretende technische Probleme gelöst werden.

Der Roboterarm soll hochauflösend (geringer Schrittwinkel) und genau (geringe Schrittwinkelabweichung, Schritte gleichmäßig über eine Umdrehung verteilt) spielfrei posi tionierbar sein.

Der Roboterarm soll reinstraumtauglich (kein Abrieb im Ar beitsraum) und verschleißfrei (geringe Schrittwinkelabwei chung, auch nach vielen Arbeitszyklen; möglichst keine War tung nötig) bei geringem mechanischen Aufwand (Kosten reduzierung) sein. Insbesondere sollen seine Arme frei ge geneinander verdrehbar sein, so daß nicht nur radiale und axiale Bewegungen möglich sind.

Es werden ein kompakter Armaufbau (geringes Volumen und Ge wicht) sowie eine akzeptable Positioniergeschwindigkeit (geringes Massenträgheitsmoment/großes Drehmoment) ange strebt, und der Arbeitsbereich des Roboters soll ausrei chend groß für typische Transportvorgänge sein.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Robotervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansät zen den Vorteil auf, daß eine Robotervorrichtung mit einem Roboterarm mit "elektronischem" Getriebe einfach, d. h. mit geringem mechanischen Aufwand, konzipierbar ist, die eine extrem hohe Auflösung auch ohne mechanisches Getriebe des Schrittmotors und des Drehgebers im geschlossenen Regel kreis spielfrei ermöglicht.

Es treten kein Verschleiß und kein Abrieb auf, und die Ro botervorrichtung ist vakuumtauglich, da keine Linearachsen mit Schmierstellen erforderlich sind. Drehmomente werden di rekt in die Achsen eingeleitet. Im Arbeitsdrehzahlenbereich ist ein konstantes Drehmoment gewährleistbar. Da kein me chanisches Getriebe erfoderlich ist, kann der Schrittmotor eine niedrige Drehzahl aufweisen. Dadurch bewegt er sich immer im optimalen Drehmomentbereich. Das Eingangs-/Aus gangsdrehzahlenverhältnis ist zweckmäßigerweise 1 : 1. Die Robotereinrichtung ist 360° . x tauglich, wobei x eine be liebige rationale Zahl ist. Alle Achsen, die die erfin dungsgemäße Regelung aufweisen, sind unabhängig voneinander drehbar. Eine Selbsthemmung im Zustand mit ausgeschaltetem Motor kann nicht auftreten, und ein leichter Teach-Betrieb ist aufgrund der guten Winkelauflösung möglich.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, daß eine Robotervorrichtung mit einem Roboter arm mit elektronischem Getriebe vorgesehen wird, das eine für eine Nanoauflösung gestaltete Regelschleife aufweist, ohne daß ein kostspieliger Winkel-Encoder vorgesehen werden muß.

Insbesondere wird der Schrittmotor hochauflösend angesteu ert (vorzugsweise ca. 10 Mio. Schritte/Umdrehung), und ein Drehgeber mißt den Winkel, und vorzugsweise auch die Win kelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung direkt von der Drehachse. Dabei kann der Drehgeber optisch inkremen tal, induktiv oder magnetisch usw. gestaltet sein. Das Aus gangssignal des Drehgebers wird durch eine Winkelauflö sungserhöhungseinrichtung hochauflösend eingelesen (vor zugsweise ca. 1 Mio. Schritte/Umdrehung). Ein Regelkreis (z. B. mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors) regelt Position und vorzugsweise auch Geschwindigkeit und Be schleunigung der Achse mit Hilfe des hochauflösenden Dreh gebers (Istwert) und gibt ein Stellsignal an den hochauflö senden Schrittmotor, wobei der oder die Schrittmotor(en) im hochauflösenden Nanostepping-Betrieb angesteuert werden und eine höhere Schrittanzahl als das in seiner Auflösung ver größerte Drehgebersignal haben.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Ro botervorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Regel schleife eine Winkellinearisierungseinrichtung zum Empfan gen des Ausgangssignals mit erhöhter Auflösung der Winkel auflösungserhöhungseinrichtung und zum Ausgeben eines li nearisierten Ausgangssignals mit erhöhter Genauigkeit an die Vergleichseinrichtung auf. Dies verbessert die Regelei genschaften der nachgeschalteten Regler erheblich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Microstepsteuerung eine Regelungseinrichtung auf, die der art gestaltet ist, daß die Auflösung der Microstepsteuerung größer als diejenige des Regelabweichungssignals ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Win kel-Encoder ein Sinus-Cosinus-Drehgeber und weist die Win kelauflösungserhöhungseinrichtung eine Winkelermittlungs einrichtung und eine Winkelvervielfachungseinrichtung auf. Letztere sind derart gestaltet, daß das Sinus-Signal und das Cosinus-Signal und der Indeximpuls des Sinus-Cosinus- Drehgebers über entsprechende Schmittrigger digitalisiert und über eine Drehgeberauswertungseinrichtung auszählbar sind. Das Sinus-Signal und das Cosinus-Signal des Sinus- Cosinus-Drehgebers sind über entsprechende Analog-Digital- Wandler hoch auflösbar. Das Ausgangssignal der Drehge berauswertungseinrichtung und die Ausgangssignale der AD- Wandler ist mit einer Signalüberlagerungseinrichtung über lagerbar, wobei von den beiden AD-Wandlern immer nur der verwendbar ist, dessen Signaleingang die größte Steigung hat.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Win kellinearisierungseinrichtung derart gestaltet, daß aus dem Ausgangssignal mit erhöhter Auflösung der Winkelauflösungs erhöhungseinrichtung über einen Pointer aus einer im voraus abgespeicherten spezifischen Linearisierungstabelle ein li nearisiertes Ausgangssignal mit erhöhter Genauigkeit ent nehmbar ist. Dadurch können mechanische Fehler beim Winkel- Encoder berücksichtigt werden, welche zu Nicht-Linearitäten des Rohwinkels führen, die sich wiederum insbesondere bei Relativbewegungen störend auswirken können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind ent sprechende Differenzierer vorgesehen, um eine Winkelge schwindigkeit und/oder eine Winkelbeschleunigung für nach folgende zusätzliche Regler aus dem linearisierten Aus gangssignal mit erhöhter Auflösung zu erzeugen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Regelungseinrichtung eine Lageregelungseinrichtung mit ei nem PD-Regler auf, dessen Regelabweichung aus dem Regelab weichungssignal der Vergleichseinrichtung bildbar ist, wo bei der proportionale und der differenzielle Regleranteil mit Hilfe eines Addierers zu einer Stellsignaländerung zu sammenzählbar sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der PD-Regler als P-Anteil einen Kennlinien-Regler auf, der derart gestaltet ist, daß bei kleinen Regelabweichungen der P-Anteil reduziert ist, bei mittleren Regelabweichungen der P-Anteil erhöht ist und bei großen Regelabweichungen der P- Anteil auf einen Maximalwert begrenzt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Regelungseinrichtung einen Winkelgenerator auf, der derart gestaltet ist, daß die Stellsignaländerung an einen Inte grator anlegbar ist, von dem ein Stellsignal bildbar ist; und das Stellsignal an einen Sinus-Generator und an einen Cosinus-Generator anlegbar ist, die auf eine gemeinsame Si nus-Tabelleneinrichtung Zugriff haben. Dabei sind das Aus gangssignal des Sinus-Generators und des Cosinus-Generators über entsprechende Multiplizierer im gleichen Verhältnis abschwächbar und dann einem jeweiligen Phasenwicklungsreg ler zuführbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zur Ab schwächung des Ausgangssignals des Sinus-Generators und des Cosinus-Generators eine Drehmomenteinstellungseinrichtung im Winkelgenerator vorgesehen, die derart gestaltet ist, daß sie den betreffenden Phasenwicklungsstrom auf einen be stimmten Wert herunterfährt, wenn keine Stellsignaländerung auftritt. So können drehmomentschwächere und damit leichte re Motoren eingesetzt werden, die ein geringeres Massen trägheitsmoment im Roboterarm haben. Damit sind wiederum höhere Winkelbeschleunigungen möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der je weilige Phasenwicklungsregler derart gestaltet, daß das ab geschwächte Signal einem hochauflösenden Digital-Analog- Wandler zuführbar ist. Das Ausgangssignal des Digital- Analog-Wandlers ist mit dem Signal eines Stromsensors, der den Phasenwicklungsstrom durch die betreffende Schrittmo tor-Wicklung ermittelt, mit Hilfe eines Vergleichers ver gleichbar. Die Regelabweichung ist an einen PID-Regler an legbar, der über einen Addierer ein Stellsignal erzeugt, das einem Leistungsverstärker zuführbar ist, der die be treffende Schrittmotor-Wicklung versorgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Ro boterarm mit einem Oberarm-Verbindungselement, einem Unter arm-Verbindungselement und einem Klauen-Verbindungselement vorgesehen, welche durch einen jeweiligen Schrittmotor mit einer zugehörigen unabhängigen Regelschleife um eine ent sprechende Achse drehbar sind. Solch eine Robotervorrich tung eignet sich insbesondere zum Waferhandling.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Achsen parallel zur Erdbeschleunigung angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind Achsen vorgesehen, die nicht parallel zur Erdbeschleunigung ange ordnet sind und entweder eine Selbsthemmungseinrichtung oder eine vorzugsweise elektronische Bremseinrichtung auf weisen.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Roboterarm und dessen Ansteuerung, der im Waferhandling Einsatz findet, als eine Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine radiale Bewegung des Roboterarms nach Fig. 1;

Fig. 3 eine axiale Bewegung des Roboterarms nach Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Illustration der Ausführung des Roboterarm-Antriebs des Robo terarms nach Fig. 1;

Fig. 5 ein Blockschaltbild als Übersicht über die An triebsregelung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Illustration des Drehge bersystems;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Illustration der Lineari sierung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild zur Illustration des Bewe gungsreglers;

Fig. 9 ein Blockschaltbild zur Illustration des Winkel generators;

Fig. 10 ein Blockschaltbild zur Illustration des Strom reglers; und

Fig. 11 eine Darstellung zur Illustration des Bewegungs reglers mit P-Regler (Fig. 11a) und angepaßtem Kennlinien-Regler (Fig. 11b).

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.

Es wird nun mit Bezug auf Fig. 1 ein Roboterarm und dessen Ansteuerung, der im Waferhandling Einsatz findet, als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 bezeichnen 1 einen ersten Antriebsregler, 2 einen zweiten Antriebsregler, 3 einen dritten Antriebsregler, 4 einen Schulterschrittmotor, 45 einen Oberarm, 5 einen Ell bogenschrittmotor, 56 einen Unterarm, 6 einen Klauen schrittmotor, 7 eine Klaue und 8 sowie 9 auf die Klauen aufgelegte Wafer. 10, 20, 30 bezeichnen eine jeweilige Drehachse der Schrittmotoren 4, 5 bzw. 6, und 100 bezeich net einen Grundkörper, an dem der Roboterarm angebracht ist.

Die Anordnung der Drehachsen 10, 20, 30 ist zweckmäßiger weise parallel zur Erdbeschleunigung, damit im Stillstand keine Schwerkräfte den Arm bewegen können. Um den Arm ver tikal bewegen zu können, wird ein (nicht gezeigter) Spin delantrieb vorgeschlagen, der den gesamten Arm bezüglich des Grundkörpers 100 heben und senken kann.

Für Achsen, die gegen die Schwerkraft arbeiten müssen, las sen sich dieselben nachfolgend beschriebenen Antriebe ver wenden. Sie sollten aber zusätzlich mit Bremsen ausgestat tet werden, die dann halten, wenn die Winkelgeschwindigkeit der jeweiligen Achse gleich Null ist.

Bei diesem Beispiel liegt der jeweilige Antrieb direkt im Gelenk, besitzen alle Achsen/Antriebe kein Getriebe und sind alle Achsen unabhängig voneinander drehbar.

Der erste Antriebsregler 1 ist mit dem Schulterschrittmotor 4 verbunden, der zweite Antriebsregler 2 ist mit dem Ellbo genschrittmotor 5 verbunden, und der dritte Antriebsregler 3 ist mit dem Klauenschrittmotor 6 verbunden. Zum Transport der Wafer 8, 9 mit der Klaue 7 werden die Schrittmotoren 4, 5 bzw. 6 von den Antriebsreglern 1, 2 bzw. 3, die nachfol gend noch genauer beschrieben werden, angesteuert.

Es gibt zwei grundsätzliche Bewegungen des Arms: radial (Fig. 2) und axial (Fig. 3). Darüber hinaus kann die Klaue 7 durch den Klauenschrittmotor 6 bewegt werden.

Die radiale Bewegung erfordert ein hohes Drehmoment am Ell bogenschrittmotor 5. Der Unterarm 56 muß für ein komplettes Ausfahren einen 180°-Winkel ausführen. Der Ellbogenschritt motor 5 muß die entsprechende Last, d. h. Wafer 8, 9 und Klaue 7 beschleunigen. Der Schulterschrittmotor 4 muß für ein vollständiges Ausfahren den Oberarm 45 nur um 90° bewe gen.

Die axiale Bewegung dagegen wird mit eingezogenem Unterarm 56 ausgeführt, damit keine Kollisionen auftreten können und das Massenträgheitsmoment des gesamten Arms am geringsten ist.

Aus diesen beiden Bewegungen läßt sich schließen, daß der Ellbogenschrittmotor 5 relativ stark ausgebildet sein muß, damit er bei radialer Bewegung in derselben Zeit den dop pelten Winkel überstreichen kann. Es wird ein Verhältnis von Schulter- zu Ellbogenschrittmotor von ungefähr 1 : 1 vor geschlagen. Der Klauenschrittmotor 6 kann klein (Verhältnis etwa 0,5) ausfallen, da er nur die Wafer 8, 9 und die Klaue 7 beschleunigen muß.

Die Bewegungssteuerung der vier Bewegungen von Klaue, Ell bogen, Schulter und Hub hat vier Freiheitsgrade zur Verfü gung, die sich auch für nicht radiale und nicht axiale Be wegungsabläufe nutzen lassen können. Ein Lern-Betrieb kann leicht ausgeführt werden, da sich die Motoren leicht ver drehen lassen.

Die Ausführung des Roboterarm-Antriebs wird an Hand der Fig. 4 gezeigt. Auf einem ersten Arm 704 ist ein Schrittmo tor 701 befestigt. Die Bewegung der Achse 703 des Schritt motors 701 wird mit einem Drehgeber 702 erfaßt. Die Achse 703 treibt einen zweiten Arm 705 direkt, d. h. ohne Getriebe an.

An Hand der Fig. 5 bis Fig. 10 wird die Antriebsregelung der einzelnen Achse 703 beschrieben. Sie ist für alle Ach sen 10, 20, 30 des Roboterarms nach Fig. 1 gleich aufge baut.

Fig. 5 zeigt den Überblick des Antriebsreglers.

Der Rotorwinkel des Schrittmotors 701 wird über den Drehge ber 702 direkt von der Achse 703 gemessen. Dadurch können Spiele, die durch Getriebe, Kupplungen etc. verursacht wer den, völlig ausgeschaltet werden. Das einzige Spiel, das hier auftritt, ist das Lagerspiel. Daher müssen diese Lager absolut spielfrei ausgelegt werden. Das Signal des Drehge bers 702 wird über eine Winkelerfassungseinrichtung 102 di gitalisiert. Anschließend sorgt eine Winkelvervielfachungs einrichtung 103 für eine hohe Winkelauflösung (ca. 1 Mio. Impulse/Umdrehung).

Diese Auflösung wird durch eine Winkellinearisierungsein richtung 104 linearisiert. Damit ist ein Winkelsignal vor handen, aus dem gegebenenfalls eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung ermittelt werden können.

Der hoch aufgelöste und linearisierte Winkelwert und ein entsprechender Sollwert 106 einer Robotersteuerung werden mit einer Vergleichseinrichtung 105 verglichen. Die so er mittelte Regelabweichung gelangt auf einen Lageregler 107. Der Lageregler 107 ermittelt nur Stellsignaländerungen und gibt diese an den Winkelgenerator 108 weiter. Der Winkelge nerator 108 erzeugt Signale für die A/B-Phasen-Regelungen 109, 110 des Schrittmotors 701. Hier sind Regler für einen 2-Phasenmotor (Phase A, Phase B) im Beispiel gezeigt. Diese Regler sind identisch aufgebaut und erzeugen ein geregeltes Stromsignal für die Wicklungen. Die Auflösung des Stromsi gnals ist sehr groß und beträgt jeweils 16 Bit. Es wird hier von einer Weiterentwicklung des an sich bekannten Microstepping, dem Nanostepping, Gebrauch gemacht.

Durch diese Anordnung wird kein Getriebe mehr benötigt. Der Roboterarm muß auch nicht kurz sein, um ihn genau posi tionieren zu können.

Bei einer Roboterarmlänge von 1 m und einer Winkelpositio niergenauigkeit von 1 Mio. Positionen/Umdrehung, läßt sich dieser Arm auf 0,0063 mm genau positionieren. Durch Lager spiel, magnetische Hysterese und andere "Störeffekte" er reicht man bei dieser Armlänge Genauigkeiten von < 0,05 mm, was vergleichbar ist mit der im Stand der Technik bekannten Positioniergenauigkeit bei 5 mm (!) Armlänge. Legt man um gekehrt im Stand der Technik übliche Auflösungen zu Grunde (z. B. die oben erwähnte DE 196 44 846 A1) beträgt die Posi tioniergenauigkeit bei dieser Armlänge von 1 m nur 8 mm. Also schafft die Erfindung eine Verbesserung um ca. einen Faktor 1000.

An Hand der Fig. 6 werden die Winkelerfassung und Winkel vervielfältigung beschrieben, d. h. die Funktionen der Win kelermittlungseinrichtung 102 und der Winkelvervielfa chungseinrichtung 103.

Der Drehgeber 702 ermittelt direkt von der Achse 703 des Roboterarms den Winkel. Es wird ein optischer inkrementaler Sinus-Cosinus-Drehgeber vorgeschlagen. Andere Drehgeber wie z. B. induktive Resolver sind hier ebenfalls denkbar. Das Sinus-Signal Sin und das Cosinus-Signal Cos und der Inde ximpuls Ind werden einerseits über Schmittrigger 204, 205, 206 digitalisiert und über eine Drehgeberauswertungsein richtung 207 ausgezählt.

Bei einem Drehgeber 702 mit 1024 Strichen sind mit Flanken auswertung 4096 Impulse/Umdrehung möglich. Das Sinus-Signal Sin und das Cosinus-Signal Cos werden andererseits über Analog-Digital-Wandler 202, 203 hoch aufgelöst. Es werden 10-Bit-Wandler vorgeschlagen. Das Ergebnis der Drehge berauswertungseinrichtung 207 und der AD-Wandler 202, 203 wird mit der Signalüberlagerungseinrichtung 208 überlagert. Von den beiden AD-Wandlern 202, 203 wird immer nur der ver wendet, dessen Signaleingang die größte Steigung hat. Dies läßt sich anhand der Drehgeberauswertungseinrichtung 207 ermitteln.

Es entsteht so ein hoch aufgelöster Rohwinkel 209. Die Auf lösung beträgt in diesem Beispiel 1024 . 2¹⁰ Impulse/Umdre hung = 1 Mio. Impulse/Umdrehung. Dieser Rohwinkel 209 ist der Schlüssel für eine hohe Positionierauflösung eines lan gen Roboterarms.

Fig. 7 zeigt die Weiterverarbeitung des Rohwinkels 209 zu einem linearisierten Winkel 306, d. h. die Funktion der Win kellinearisierungseinrichtung 104.

Diese Signalaufbereitung ist zweckmäßig, damit die nachfol genden Regler linear angesteuert werden und sich die Reg lereigenschaften verbessern.

Die Linearisierung 302 entnimmt aus einer Linearisierungs tabelle 303 einen Feinwinkel 306. Die Linearisierungstabel le wird im voraus durch Vermessen des Winkel-Encoders 702 mit einem entsprechend präzisen Kalibrierungs-Winkel- Encoder ermittelt. Diese Linearisierungstabelle 303 muß durch einen Meßaufbau für jeden Drehgeber 702 ermittelt werden. Sie wird in einem Speicher digital abgelegt und läßt sich durch im Stand der Technik übliche Komprimie rungsverfahren auch verkleinern.

Zur Linearisierung wird ein Pointer aus dem Rohwinkel 209 gebildet. Dieser Pointer zeigt dann auf den Wert in der Li nearisierungstabelle 303, der den Feinwinkel enthält.

Die Differenzierer 304, 305 sind nur notwendig, wenn eine Winkelgeschwindigkeit 307 oder eine Winkelbeschleunigung 308 für nachfolgende zusätzliche Regler benötigt werden. Damit lassen sich weitere Regelverbesserungen erzielen.

Fig. 8 beschreibt den vorgeschlagenen Lageregler 107. Es handelt sich sinnvollerweise um einen PD-Regler, dessen Re gelabweichung 408 mit Hilfe des Vergleichers 105 aus dem Feinwinkel 306 und dem Sollwert 106 der Robotersteuerung gebildet wird. Der proportionale Anteil 409 des P-Reglers 404 und der differenzielle Anteil 410 des D-Reglers 405 werden mit Hilfe eines Addierers 406 zur Stellsignalände rung 407 zusammengezählt. Bei diesem Beispiel wird mit ei ner Stellsignaländerung 407 gearbeitet, damit die nachfol genden Komponenten zum Steuern und Regeln des Schrittmotors keine zu großen Sprünge erhalten und keinen weiteren Auf wand zum Kompensieren notwendig machen.

Fig. 9 beschreibt den Winkelgenerator 108. Er wird mit der Stellsignaländerung 407 gespeist. Dieses Signal gelangt un ter anderem auf einen Integrator 502, aus dem ein Stellsi gnal gebildet wird. Durch passend gewähltes KI (Steilheit des I-Anteils) läßt sich erreichen, daß zu große Winkel sprünge den Schrittmotor nicht aus dem Tritt bringen kön nen. Dieser I-Anteil muß sehr hoch integrieren können, da hier die Winkelposition der Achse gespeichert ist. Das Stellsignal läuft auf einen Sinus- 503 und einen Cosinus- Generator 505. Sie bilden nur Signale nach den Funktionen Sin(x) und Cos(x). Beide Generatoren greifen deswegen auf eine gemeinsame Sinus-Tabelle 504 zu. Das Verfahren läßt sich auch mit Signalprozessoren durchführen, die solche Ta bellen schon fertig im ROM-Bereich abgelegt haben. Die Auf lösung dieser Signale ist mit 16-Bit sehr hoch. Durch die Kombination von Sinus- und Cosinus-Signal erreicht man ca. 46000 Schritte/Vollschritt. Setzt man einen Schrittmotor mit 200 Schritten/Umdrehung ein, kann man mit dieser Anord nung 9,2 Mio. Schritte/Umdrehung erzeugen, also etwa die zehnfache Auflösung der ermittelten Regelabweichung.

Übliche Microstepping-Ansteuerungen erreichen 512 Schrit te/Vollschritt und damit nur ca. 100000 Schritte/Umdrehung am Schrittmotor. Diese hohe Schrittzahl ist notwendig, um bei Positioniervorgängen möglichst einen Schritt zu finden, der dem Sollschritt am nächsten kommt. Je mehr Schritte man zur Auswahl hat, desto besser ist das möglich.

Das Signal des Sinus- 503 und des Cosinus-Generators 505 kann über Multiplizierer 507, 508 im gleichen Verhältnis abgeschwächt und dann dem Regler der Wicklung A 109 bzw. dem Regler der Wicklung B 110 zugeführt werden. Damit er reicht man eine Drehmomentveränderung am Schrittmotor 701.

Eine Drehmomenteinstellungseinrichtung 506 fährt damit den Wicklungsstrom auf einen bestimmten Wert herunter, wenn keine Stellsignaländerung 407 auftritt. Damit läßt sich der Schrittmotor 701 in der Bewegungsphase übersteuern (mehr Drehmoment) und im Stillstand der Wicklungsstrom verringern (Abkühlen des Motors). Diese Technik ermöglicht es, drehmo mentschwächere und damit leichtere Motoren einzusetzen, die ein geringeres Massenträgheitsmoment in einem Roboterarm haben. Damit sind wiederum höhere Winkelbeschleunigungen möglich.

Die Multiplizierer 507, 508 lassen sich auch direkt nach den Digital-Analog-Wandlern (siehe Fig. 10 Bezugszeichen 602) als analoge Komponenten einbauen.

Die Drehmomenteinstellung kann auch zugleich das Signal für eine Bremse oder ein Bremsmechanismus für Achsen liefern, an denen die Schwerkraft angreift. Ist die Winkelgeschwin digkeit gleich Null, wird die Bremse angezogen.

Fig. 10 beschreibt den Phasen-Regler 109 bzw. 110 (Strom- Regler) für eine Wicklung. Ein Signal 601 des Winkelgenera tors 108 wird einem Digital-Analog-Wandler 602 zugeführt.

Dieser Digital-Analog-Wandler 602 sollte hochauflösend sein, bevorzugt werden 16-Bit. Damit läßt sich ein Voll schritt auf 46000 Mikroschritte vervielfachen. Das Aus gangssignal des Digital-Analog-Wandlers 602 wird mit einem Signal eines Stromsensors 610, der den Wicklungsstrom durch die betreffende Schrittmotor-Wicklung 609 ermittelt, mit Hilfe eines Vergleichers 603 verglichen. Die Regelabwei chung gelangt auf einen PID-Regler 604, 605, 606. Dieser erzeugt über einen Addierer 607 ein Stellsignal. Dieses Stellsignal wird einem Leistungsverstärker 608 zugeführt. Der Leistungsverstärker versorgt die Motorwicklung 609.

Es entsteht ein geschlossener Regelkreis, der den Strom durch die Wicklung genau regelt. Der I-Regler 605 und der D-Regler 606 verbessern die Regeleigenschaften im dynami schen Verhalten im Vergleich zu einem reinen P-Regler mit großer Verstärkung. Die Regelung ist bei diesem Beispiel mit Längsregler aufgebaut und nicht mit Pulsweitenmodula tions-Regler. PWM-Regler haben den Nachteil einer höheren EMV-Strahlung. Da aber der Drehgeber 702 hoch aufgelöst wird, würde sich diese Störstrahlung negativ auf die Meß werte auswirken.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo difizierbar.

Es lassen sich beispielsweise auch Schrittmotoren mit mehr als nur zwei Phasen einsetzen, z. B. mit 3 oder 5 Phasen. Das hat den Vorteil, mit dem Motor ein höheres Drehmoment und im gleichen Zug eine höhere Winkelstellzahl zu errei chen. Der Nachteil liegt in dem höheren Aufwand (Winkel generator, Phasenwicklungsregler) der Ansteuerung. Dieser Aufwand läßt sich aber teilweise reduzieren, da bei einer gleichbleibenden Winkelstellzahl im Vergleich zu 2-Phasen- Motoren eine geringere Auflösung des Digital-Analog-Wand lers zur Ansteuerung der Viel-Phasen-Motoren benötigt wird.

Dasselbe Signal beim Lageregler 107 erhält man auch mit dem Winkelgeschwindigkeitssignal 307 und einem PI-Regler. In diesem Fall gibt der Sollwert 106 die Winkelgeschwindigkeit vor.

Eine weitere Ausführung des Lagereglers wäre eine Fuzzy- Regelung. In dieser Variante sind die Reglerparameter leichter und intuitiver einstellbar.

Der Lageregler 107 läßt sich in seinen Regeleigenschaften weiter verbessern, wenn statt des P-Reglers 404 ein Kennli nienregler eingesetzt wird. Die Vorteile werden an Hand der Fig. 11a und Fig. 11b erläutert. Es sind hier die Kennlini en des P-Reglers 404 (Fig. 11a) und eine vorteilhafte Aus gestaltung in Form einer an die Regelstrecke angepaßten Kennlinie (Fig. 11b) gezeigt. Aufgetragen sind jeweils die Regelabweichung 408 und das Stellsignal 409 der Komponente 404. Es lassen sich grob etwa drei Bereiche einteilen (A, B und C). Der Bereich A gibt das Stellsignal für kleine, der Bereich B für mittlere und der Bereich C für große Regelab weichungen an. Während beim P-Regler (Fig. 11a) grundsätz lich alle Bereiche gleich behandelt werden, soll die Kenn linie (Fig. 11b) eine sinnvolle Gewichtung vornehmen. Bei kleinen Regelabweichungen (Bereich A) ist der P-Anteil zu schnell und führt evtl. zum Aufschwingen, sogar aus der Ru helage. Hier wird in der Kennlinie ein deutlich geringerer Anteil eingestellt. Der Mittelbereich B kann durch die Kennlinie schneller eingestellt werden. Bei großen Abwei chungen (Bereich C) wird durch den P-Anteil der nachfolgen de I-Anteil des Integrators 502 schnell übersteuert. Hier hilft meist nur eine Begrenzung auf einen Maximalwert (Fig. 11b, Bereich C). Dieser Wert kann auch Null sein, dann muß der Anteil des D-Reglers 405 ein ausreichendes Stellsignal liefern, um die Regelabweichung 408 in den Bereich B zu bringen. Die Kennlinie kann natürlich auch mehr als nur 4 Stützpunkte aufweisen, um das dynamische Regelverhalten weiter zu verfeinern.

Claims

1. Robotervorrichtung mit einem Roboterarm, der minde stens zwei drehbar zusammengefügte starre Verbindungsele mente (704, 705) aufweist;
wobei
der Rotor (700) eines ersten Schrittmotors (701) an einem (705) der Verbindungselemente (704, 705) und der Stator (706) des ersten Schrittmotors (701) an dem anderen (704) der Verbindungselemente (704) angebracht ist;
der erste Schrittmotor (701) mittels einer Microstepsteue rung (107, 108, 109, 110) ansteuerbar ist;
die Winkelposition der Rotordrehachse (703) mittels eines Winkel-Encoders (702) erfaßbar ist; und
eine Regelschleife zur Regelung der Winkelposition des Ro tors (700) zwischen dem Winkel-Encoder (702) und der Micro stepsteuerung (107, 108, 109, 110) vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Regelschleife eine Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) zum Empfangen des Ausgangssignals des Winkel- Encoders (702) und zum Ausgeben eines Ausgangssignals (209) mit erhöhter Auflösung aufweist;
die Regelschleife eine Vergleichseinrichtung (105) zum Ver gleichen des Ausgangssignals (209) mit erhöhter Auflösung der Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) mit ei nem Sollwertsignal (106) und zum Ausgeben eines entspre chenden Regelabweichungssignals (408) an die Micro stepsteuerung (107, 108, 109, 110) aufweist; und
die Auflösung der Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) mindestens so groß wie diejenige des Regelabweichungs signals (408) ist.

2. Robotervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Regelschleife eine Winkellinearisierungs einrichtung (104) zum Empfangen des Ausgangssignals (209) mit erhöhter Auflösung der Winkelauflösungserhöhungsein richtung (102, 103) und zum Ausgeben eines linearisierten Ausgangssignals (306) an die Vergleichseinrichtung (105) aufweist.

3. Robotervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die die Microstepsteuerung (107, 108, 109, 110) eine Regelungseinrichtung (107, 108) aufweist, die derart gestaltet ist, daß die Auflösung der Micro stepsteuerung (107, 108, 109, 110) größer als diejenige des Regelabweichungssignals (408) ist.

4. Robotervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel-Encoder ein Sinus-Cosinus- Drehgeber ist und die Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) eine Winkelermittlungseinrichtung (102) und eine Winkelvervielfachungseinrichtung (103) aufweist, die derart gestaltet sind, daß
das Sinus-Signal (Sin) und das Cosinus-Signal (Cos) und der Indeximpuls (Ind) des Sinus-Cosinus-Drehgebers über ent sprechende Schmittrigger (204, 205, 206) digitalisiert und über eine Drehgeberauswertungseinrichtung (207) auszählbar sind;
das Sinus-Signal (Sin) und das Cosinus-Signal (Cos) des Si nus-Cosinus-Drehgebers über entsprechende Analog-Digital- Wandler (202, 203) hoch auflösbar sind; und
das Ausgangssignal der Drehgeberauswertungseinrichtung (207) und die Ausgangssignale der AD-Wandler (202, 203) mit einer Signalüberlagerungseinrichtung (208) überlagerbar ist;
wobei von den beiden AD-Wandlern (202, 203) immer nur der verwendbar ist, dessen Signaleingang die größte Steigung hat.

5. Robotervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelli nearisierungseinrichtung (104) derart gestaltet ist, daß
aus dem Ausgangssignal (209) mit erhöhter Auflösung der Winkelauflösungserhöhungseinrichtung (102, 103) über einen Pointer aus einer im voraus abgespeicherten spezifischen Linearisierungstabelle (303) ein linearisiertes Ausgangs signal (306) mit erhöhter Auflösung entnehmbar ist.

6. Robotervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß entsprechende Differenzierer (304, 305) vor gesehen sind, um eine Winkelgeschwindigkeit (307) und/oder eine Winkelbeschleunigung (308) für nachfolgende Regler aus dem linearisierten Ausgangssignal (306) mit erhöhter Auflö sung zu erzeugen.

7. Robotervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (107, 108) eine Lageregelungseinrichtung (107) mit einem PD- Regler (404, 405) aufweist, dessen Regelabweichung aus dem Regelabweichungssignal (408) der Vergleichseinrichtung (105) bildbar ist, wobei der proportionale (409) und der differenzielle (410) Regleranteil mit Hilfe eines Addierers (406) zu einer Stellsignaländerung (407) zusammenzählbar sind.

8. Robotervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der PD-Regler (404, 405) als P-Anteil einen Kennlinien-Regler aufweist, der derart gestaltet ist, daß bei kleinen Regelabweichungen (Bereich A) der P-Anteil re duziert ist, bei mittleren Regelabweichungen (Bereich B) der P-Anteil erhöht ist und bei großen Regelabweichungen (Bereich C) der P-Anteil auf einen Maximalwert begrenzt ist.

9. Robotervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (107, 108) einen Winkelgenerator (108) aufweist, der derart ge staltet ist, daß
die Stellsignaländerung (407) an einen Integrator (502) an legbar ist, von dem ein Stellsignal bildbar ist;
das Stellsignal an einen Sinus-Generator (503) und an einen Cosinus-Generator (505) anlegbar ist, die auf eine gemein same Sinus-Tabelleneinrichtung (504) Zugriff haben;
wobei
das Ausgangssignal des Sinus-Generators (503) und des Cosi nus-Generators (505) über entsprechende Multiplizierer (507, 508) im gleichen Verhältnis vorzugsweise abschwächbar und dann einem jeweiligen Phasenwicklungsregler (109, 110) zuführbar sind.

10. Robotervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Abschwächung des Ausgangssignals des Si nus-Generators (503) und des Cosinus-Generators (505) eine Drehmomenteinstellungseinrichtung (506) in dem Winkelgene rator (108) vorgesehen ist, die derart gestaltet ist, daß sie den betreffenden Phasenwicklungsstrom auf einen be stimmten Wert herunterfährt, wenn keine Stellsignaländerung (407) auftritt.

11. Robotervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Phasenwicklungsregler (109, 110) derart gestaltet ist, daß
das abgeschwächte Signal (601) einem hochauflösenden Digi tal-Analog-Wandler (602) zuführbar ist;
das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers (602) mit dem Signal eines Stromsensors (610), der den Phasenwick lungsstrom durch die betreffende Schrittmotor-Wicklung (609) ermittelt, mit Hilfe eines Vergleichers (603) ver gleichbar ist; und
die Regelabweichung an einen PID-Regler (604, 605, 606) an legbar ist, der über einen Addierer (607) ein Stellsignal erzeugt, das einem Leistungsverstärker (608) zuführbar ist, der die betreffende Schrittmotor-Wicklung (609) versorgt.

12. Robotervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Roboterarm mit einem Oberarm-Verbindungselement (45), einem Unterarm-Verbindungselement (56) und einem Klauen- Verbindungselement (7) vorgesehen ist, welche durch einen jeweiligen Schrittmotor (4, 5, 6) mit einer zugehörigen un abhängigen Regelschleife um eine entsprechende Achse (10, 20, 30) drehbar sind.

13. Robotervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Achsen (10, 20, 30) parallel zur Erdbe schleunigung angeordnet sind.

14. Robotervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß eine oder mehrere Achsen vorgesehen sind, die nicht parallel zur Erdbeschleunigung angeordnet sind und entweder eine Selbsthemmungseinrichtung oder eine vorzugs weise elektronische Bremseinrichtung aufweisen.