用于监视工业机器人的关节的齿轮机构中的齿隙的过程和系统的制作方法

2021-01-19 14:01:38|

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本发明涉及用于监视工业机器人的关节的齿轮机构的齿隙的解决方案。

背景技术：

如已知的，齿隙是相互啮合的两个齿轮的齿之间的角间距（play）；即，换句话说，其是第一齿轮的齿之间的间隙超过第二齿轮的齿的厚度的距离。

一般而言，通常在齿轮机构中提供最小量的齿隙，以确保平滑移动。然而，在齿轮机构的使用过程中，由于由它们经受的反复冲击和滑动而引起的齿的侧面的磨损，齿隙的该量趋向增加。

大于给定限制，齿隙可能导致性能的降级，并且还可以可能导致堵塞和故障。

现在参考工业机器人的领域，已经提出了用于监视机器人关节的齿轮机构中的齿隙的解决方案，其设想在机器人板上安装传感器，所述传感器特意被提供以用于直接测量在关节的移动期间齿隙的影响，并且因此测量齿隙度，例如用于测量关节的移动主体的实际位置与由机器人的控制单元设想的理论位置之间的偏差。

技术实现要素：

在该上下文中，本发明提出了用于监视齿隙的解决方案，所述解决方案呈现优于上面所指的已知解决方案的改进，没有设想在机器人板上安装附加传感器。

因此，本文中所描述的解决方案设想了更简单的装置，并且也可以容易地应用在已经安装和操作的工业机器人上。

特别地，本发明关于根据权利要求1的监视过程以及根据权利要求8的监视系统。

所附权利要求形成了本文中所提供的技术教导的完整部分。

附图说明

参考附图，本发明的另外的特征和优点将从参考附图的随后的描述清楚地显现，所述附图纯粹作为非限制性示例被提供，并且其中：

-图1是根据本文中所描述的解决方案的用于监视齿隙的系统的示例的示意性说明；

-图2图示了工业机器人的关节的示例；

-图3图示了根据本文中所描述的解决方案的表示用于监视齿隙的过程的示例的流程图；

-图4图示了根据本文中所描述的解决方案的由用于监视齿隙的过程所使用的特征振荡曲线；以及

-图5表示根据本文中所描述的解决方案的图示在监视过程中施行的信号处理的图。

具体实施方式

在随后的描述中，图示了各种特定细节，目的在于提供对实施例的深入理解。可以在没有一个或多个特定细节的情况下或用其它方法、组件、材料等来提供实施例。在其它情况下，没有详细图示或描述已知的结构、材料或操作，使得将不会模糊实施例的各种方面。

本文中所使用的参考文献仅仅是为了方便而提供的，并且因此不限定保护的范畴或实施例的范围。

作为示例，图1图示了由具有六个旋转轴线a1-a6的铰接机器人臂10构成的工业机器人。

特别地，机器人臂10包括耦合在一起的一系列主体1-6，其中该系列的每个主体在另一主体之后可旋转地安装在后者上，使得其可以关于前述轴转动。每对主体1-6构成臂10的关节。

附图中所图示的机器人具有旋转关节，但是应当注意，本文中所描述的解决方案也可以被采用以用于监视平移关节，诸如笛卡尔机器人的关节。

再次参考图1，控制单元20连接到机器人臂10，以用于驱动对应电机，所述对应电机驱动机器人的关节。经由各种关节的协调控制，位于最后主体6上的机器人的工具检查点（tcp）可以沿着预定义路径并且根据路径的每个点的预定义取向来位移。

再次作为示例，图2表示工业机器人的关节的结构，其可以被采用以用于图1中所图示的铰接臂10的关节中的每一个。

由参考标记50作为整体标志的所图示的关节包括第一主体52和第二主体54，后者关于旋转轴线ai可旋转地安装在第一主体52上。

此外，关节50包括电机51和传输组件，所述电机51由主体52承载，所述传输组件被设计为向主体54传输由电机51生成的扭矩，所述传输组件包括减速器53和带传输组件55，所述减速器53位于两个主体52和54的耦合的区域中，所述带传输组件55将电机51的输出轴连接到减速器53的输入轴。

在电机51上提供的是编码器56，所述编码器56用于测量电机自身的输出轴的角位置和旋转速度。

图1中所图示的控制单元20使用编码器56的信号来提供用于驱动关节的闭环控制。

在开始处所讨论的与齿隙的增加有关的问题显然关于图2的关节的减速器53的齿轮机构。

上面的问题在关节的操作的精度和效率上有反响。

参考图1，铰接臂10的关节中的每一个可能由于其运动传输组件的齿轮机构中的齿隙的增加，并且此外以基本上独立于其它关节的状态的方式而遭受消极影响。

本文中所描述的解决方案精确地具有监视工业机器人的关节中的齿隙的增加的目的，并且其特征在于，其使用与用于驱动关节的电机相关联的相同的编码器，而不设想特别专用于监视齿隙的任何附加传感器。

参考图3，根据本文中所描述的解决方案，用于监视工业机器人的关节的齿轮机构中的齿隙的过程包括以下步骤：

-经由关节的电机驱动（101）第二关节主体相对于第一关节主体的移动；

-在所述移动期间，获取（102）编码器的信号；

-接收（103）特征振荡曲线；

-处理（104）编码器的信号以识别对应于前述特征振荡曲线的所述信号中的振荡曲线；

-确定（105）所识别的振荡曲线的参数，所述参数指示振荡的幅度；以及

-基于所确定的参数确定（106）齿隙的条件。

本文中所描述的解决方案源于以下观察：齿隙的存在导致机械振动，所述机械振动沿着关节的整个运动链传播，并且还以呈现特征模式的振荡的形式反映在由与用于驱动关节的电机相关联的编码器生成的信号中。

该特征振荡模式或曲线可以经由一个或多个参数来定义，所述参数根据给定的相关性随着齿隙的值增加而变化。

因此，通过监视编码器的信号，并且特别是前述特征振荡曲线的演进，监视关节的齿轮机构的齿隙的状态是可能的。

编码器的信号可以与电机的输出轴的角位置成比例，或者与其旋转速度成比例。

优选地，本文中所描述的过程使用与旋转速度成比例的信号。

因此，在其中编码器的信号是与电机的角位置成比例的信号的情况下，该过程设想执行编码器的信号的微分操作，以精确地获得与旋转速度成比例的信号。在随后的处理中，经由微分操作获得的信号也被视为编码器的信号。

图4图示了上面所讨论的特征振荡曲线的示例。一般而言，该曲线对应于阻尼振荡曲线，所述阻尼振荡曲线可以由以下公式来定义：

其中：

-db是由齿隙引发的振荡；

-a是最大振荡幅度；

-t1是振荡开始时刻；

-t2是振荡结束时刻；以及

-是振荡阻尼因子。

这可以通过以下事实解释：由齿隙引起的上面所讨论的机械振动实际上是由齿轮机构的齿轮的齿之间发生的冲击引起的。

由该冲击生成的机械振动具有阻尼振动模式，并且因此在编码器的信号中反映为阻尼振荡。

为了识别编码器的信号中的特征曲线，采用通常使用的多元统计分析的技术是可能的。例如，本申请人已经将cma-es（协方差矩阵自适应-演进策略）算法识别为适合该目的的技术。在这点上，作为示例，图5图示了其中在图2中所图示的类型的关节上进行的测试期间获得的编码器的信号上叠加了使用cma-es算法识别的特征振荡曲线的图。

参考上面给出的公式，可以与齿隙相关的特征振荡曲线的参数由参数a表示，所述参数a对应于最大振荡幅度。

所讨论的相关性可以实验地得到。

例如，设立测试工作台是可能的，所述测试工作台再现机器人关节的结构，并且使重新创建的关节经受各种工作循环，在另一方面，如上面所提到的，针对每个工作循环分析编码器的振荡，并且在另一方面，直接测量齿轮机构上的齿隙度。

基于所确定的参数a和齿隙的直接度量，例如通过回归分析来识别两个数量之间的相关性是可能的。

纯粹作为示例，再次参考上面提到的针对图2中所图示的类型的关节进行的测试，本申请人已经识别出以下函数：

其中是齿隙的值，并且a是与上面给出的公式的a相同的参数。

鉴于前述，为了实现本文中所描述的解决方案，提供用于存储和处理编码器的信号的部件是足够的，并且因此没有必要干预机器人。

除其它外，尤其由于机器人的控制单元已经正常地使用编码器的信号用于驱动关节的电机，因此对机器人的控制单元进行编程可能是足够的，使得其将存储并且可能处理上面的信号。

信号的处理在任何情况下也可以由完全独立于机器人的控制单元的处理单元来施行。

例如，上面的处理单元可以属于远程处理中心。

一般而言，机器人的控制单元可以被预布置，以用于通过通信网络（例如，互联网）向处理单元传输所存储的数据。

根据优选的实施例，本文中所描述的解决方案设想在编码器信号的获取期间用于驱动关节的测试模式。