Wie steuert ein Robotergelenkmodul Position und Drehmoment?

Einführung

Ein Robotergelenkmodul ist mehr als nur ein Motor mit Getriebe. In modernen Robotersystemen muss das Gelenk Position, Geschwindigkeit und Drehmoment präzise steuern und gleichzeitig auf wechselnde Lasten und Bewegungsbefehle reagieren.

Aus diesem Grund kombiniert ein integriertes Robotergelenkmodul typischerweise mehrere Schlüsselkomponenten, darunter einen Servomotor, ein Präzisionsgetriebe, einen Encoder, einen Motortreiber, eine Controller-Schnittstelle und in einigen Ausführungen einen Drehmomentsensor.

Zusammen bilden diese Komponenten ein geschlossenes Bewegungssteuerungssystem.

Ein vereinfachtes Positionsregelungsverfahren ist:

Bewegungsbefehl → Steuerung → Motortreiber → Servomotor → Präzisionsgetriebe → Robotergelenk → Encoder-Rückmeldung

Zur Drehmomentregelung kann ein zusätzlicher Rückkopplungspfad verwendet werden:

Drehmomentvorgabe → Motortreiber → Servomotor → Präzisionsgetriebe → Gelenkausgang → Drehmomentrückführung → Steuerung

Die Fähigkeit, die vorgegebene Bewegung kontinuierlich mit dem tatsächlichen Gelenkfeedback zu vergleichen, ermöglicht es einem Robotergelenkmodul, eine genaue Positionierung und eine kontrollierte Drehmomentabgabe zu erreichen.

Dieser Artikel erklärt, wie Position und Drehmoment innerhalb eines Robotergelenkmoduls gesteuert werden, wie Encoder und Drehmomentsensoren zur Regelung im geschlossenen Regelkreis beitragen und warum diese Technologien für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, Industrieroboter und andere fortschrittliche Robotersysteme wichtig sind.

Was ist ein Robotergelenkmodul?

Ein Robotergelenkmodul ist eine integrierte Bewegungseinheit, die dazu dient, eine Drehachse eines Roboters anzutreiben.

Je nach Ausführung kann ein Robotergelenkmodul Folgendes integrieren:

• Servomotor

• Präzisionsgetriebe

• Motorseitiger Encoder

• Ausgangsseitiger Encoder

• Motortreiber

• Drehmomentsensor

• Bremse

• Kommunikationsschnittstelle

• Temperatur- und Schutzsensoren

Anstatt das Robotergelenk aus separaten Komponenten zu konstruieren, kombiniert ein integriertes Modul mehrere Bewegungssteuerungselemente zu einer kompakten Baugruppe.

Dieser Ansatz kann den Aufwand für die mechanische Integration reduzieren, die Verkabelung vereinfachen, die Kompaktheit des Systems verbessern und eine gleichmäßigere Regelungsleistung gewährleisten.

Bei humanoiden Robotern und kollaborativen Robotern ist dieser Integrationsgrad besonders nützlich, da der Gelenkraum begrenzt ist und der Aktor oft ein hohes Drehmoment aus einem relativ kleinen Gehäuse liefern muss.

Wie steuert ein Robotergelenkmodul seine Position?

Die Positionssteuerung ist eine der grundlegenden Funktionen eines Robotergelenkmoduls.

Das Ziel ist einfach: Die tatsächliche Gelenkposition soll der vorgegebenen Position so genau wie möglich folgen.

Beispielsweise kann eine Robotersteuerung ein Gelenk anweisen, sich um 45° zu drehen.

Das gemeinsame Modul muss dann:

• Empfange die Zielposition.

• Ermitteln Sie die erforderliche Motorbewegung.

• Steuere den Motor an.

• Die Motordrehzahl wird über das Getriebe reduziert.

• Messen Sie die tatsächliche Position.

• Vergleichen Sie die tatsächliche Position mit der Zielposition.

• Korrigieren Sie den Motorbefehl, falls ein Fehler vorliegt.

• Dieser Vorgang wird kontinuierlich wiederholt.

Die Rolle des Encoders bei der Positionssteuerung

Der Encoder ist eine der wichtigsten Rückkopplungskomponenten in einem Robotergelenkmodul.

Ein Encoder wandelt die mechanische Rotation in ein elektrisches Rückkopplungssignal um, das vom Steuerungssystem interpretiert werden kann.

Je nach Architektur kann der Encoder auf der Motorseite, der Ausgangsseite oder auf beiden Seiten installiert sein.

Ein motorseitiger Encoder liefert in erster Linie Informationen über:

• Motorposition

• Motordrehzahl

• Drehrichtung des Motors

• Kommutierung

• Hochgeschwindigkeits-Regelungsrückmeldung

Ein ausgangsseitiger Encoder misst die tatsächliche Drehposition des Robotergelenks nach dem Reduktionsmechanismus.

Diese Unterscheidung ist wichtig.

Der Motor kann Tausende von Umdrehungen machen, während sich das Robotergelenk aufgrund des Untersetzungsverhältnisses mit einer viel geringeren Geschwindigkeit dreht.

Daher liefert die alleinige Messung der Motorwelle nicht immer vollständige Informationen über die tatsächliche Ausgangsposition.

Motorseitiger Encoder vs. ausgangsseitiger Encoder

Motorseitiger Encoder

Der motorseitige Encoder befindet sich in der Nähe der Motorwelle.

Es wird üblicherweise verwendet für:

• Feldorientierte Steuerung

• Motorkommutierung

• Geschwindigkeitsrückmeldung

• Rückmeldung zur Motorposition

• Servosteuerung

Da der Motor mit hoher Geschwindigkeit rotiert, muss der Encoder ein schnelles und zuverlässiges Feedback liefern.

Ausgangsseitiger Encoder

Ein ausgangsseitiger Encoder misst die Position des tatsächlichen Robotergelenkausgangs.

Es kann dem Steuerungssystem helfen, Unterschiede zwischen der Soll-Ausgangsposition und der Ist-Ausgangsposition zu erkennen.

Dies kann besonders wertvoll sein, wenn das Übertragungssystem geringe Mengen folgender Stoffe einbringt:

• Elastische Verformung

• Übertragungsfehler

• Gegenreaktion

• Wellendurchbiegung

• Mechanische Nachgiebigkeit

Bei hochpräzisen Robotergelenken kann die Positionsrückmeldung von der Ausgangsseite daher eine zusätzliche Steuerungsebene bieten.

Warum verwendet man Dual-Encoder in einem Robotergelenkmodul?

Eine Dual-Encoder-Architektur nutzt sowohl motorseitiges als auch ausgangsseitiges Feedback.

Das Steuerungssystem kann den motorseitigen Encoder zur schnellen Motorsteuerung nutzen, während der ausgangsseitige Encoder zur Überwachung der tatsächlichen Gelenkposition dient.

Diese Architektur kann die Leistungsfähigkeit des gemeinsamen Moduls verbessern:

• Präzise Ausgabepositionierung beibehalten

• Übertragungsfehler erkennen

• Mechanische Abweichungen ausgleichen

• Überwachen Sie die Gelenkbewegung

• Unterstützung fortschrittlicher Steuerungsstrategien

Für Anwendungen wie humanoide Roboter, kollaborative Roboter und Präzisionsrobotermanipulatoren kann dieses zusätzliche Feedback wertvoll sein.

Wie erreicht ein Robotergelenk die Zielposition?

Die Positionsregelung arbeitet normalerweise als geschlossenes Regelsystem.

Eine vereinfachte Steuersequenz lautet:

Zielposition → Positionsregler → Motoransteuerung → Motortreiber → Servomotor → Präzisionsgetriebe → Robotergelenk → Encoder-Rückmeldung

Der Regler wertet kontinuierlich die Differenz zwischen der Sollposition und der gemessenen Position aus.

Diese Differenz wird als Positionsfehler bezeichnet.

Befindet sich der Motor in der Ist-Position hinter dem Zielwert, passt die Steuerung den Motorbefehl an.

Wenn sich das Gelenk dem Ziel nähert, wird der Befehl angepasst, um ein Überschwingen zu reduzieren und die Stabilität zu verbessern.

Der genaue Regelalgorithmus hängt vom Servosystem und der Anwendung ab, das Prinzip bleibt jedoch dasselbe:

Messen → Vergleichen → Korrigieren → Wiederholen

Wie steuert ein Robotergelenkmodul das Drehmoment?

Die alleinige Positionssteuerung reicht für viele moderne Roboter nicht aus.

Ein Roboter muss auch wissen, wie viel Kraft er auf seine Umgebung ausübt.

Dies wird besonders wichtig, wenn ein Roboter:

• Greift nach einem Gegenstand

• Stellt physischen Kontakt mit einer Oberfläche her.

• Spaziergänge

• Klettern

• Führt Montagearbeiten durch

• Interagiert mit Menschen

• Manipuliert empfindliche Bauteile

Die Drehmomentregelung ermöglicht es dem Roboter, die an einem Gelenk erzeugte Rotationskraft zu regulieren.

Anstatt einfach nur Befehle zu erteilen:

Stellen Sie das Gelenk auf 30° ein.

Der Roboter kann außerdem folgende Befehle ausführen:

Wenden Sie ein kontrolliertes Drehmoment an und halten Sie dabei die erforderliche Position bei.

Dadurch wandelt sich der Roboter von einer rein positiongesteuerten Maschine in ein anpassungsfähigeres Bewegungssystem.

Wie wird an einem Robotergelenk ein Drehmoment erzeugt?

Der Motor erzeugt ein Drehmoment an seiner Welle.

Das Präzisionsgetriebe wandelt dann die Motordrehzahl und das Drehmoment entsprechend seinem Untersetzungsverhältnis um.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

Motordrehmoment → Präzisionsgetriebe → Gelenkausgangsdrehmoment

Ein höheres Untersetzungsverhältnis kann ein höheres Drehmoment bei gleichzeitiger Reduzierung der Ausgangsdrehzahl erzeugen.

Das tatsächliche Drehmoment hängt jedoch auch von der Getriebeeffizienz und den Betriebsbedingungen ab.

Daher kann die Auswahl der Robotergelenke nicht allein auf dem Motordrehmoment basieren.

Ingenieure sollten außerdem Folgendes berücksichtigen:

• Reduktionsverhältnis

• Nenndrehmoment

• Maximales Drehmoment

• Übertragungseffizienz

• Roboter-Nutzlast

• Gelenkgeschwindigkeit

• Beschleunigung

• Tastverhältnis

• Äußere Kräfte

• Gelenkträgheit

Wie wird das Drehmoment in Robotergelenken gemessen?

Es gibt verschiedene Ansätze zur Schätzung oder Messung des Drehmoments in einem Robotergelenkmodul.

Drehmomentabschätzung basierend auf dem Strom

Bei vielen Servomotoren besteht ein Zusammenhang zwischen dem elektromagnetischen Drehmoment und dem Motorstrom.

Der Regler kann daher das Motordrehmoment aus dem gemessenen Strom schätzen.

Dieser Ansatz kann nützlich sein, da er nicht unbedingt einen separaten Drehmomentsensor erfordert.

Allerdings entspricht das geschätzte Motordrehmoment nicht immer dem tatsächlichen Drehmoment am Gelenkausgang des Roboters.

Mechanische Übertragungsverluste, Reibung, Verformung und andere Faktoren können das endgültige Ausgangsdrehmoment beeinflussen.

Drehmomentsensor-Rückmeldung

Ein Drehmomentsensor misst das Drehmoment direkt an einer geeigneten Stelle im mechanischen Getriebe oder der Abtriebsstruktur.

Ein mit einem integrierten Drehmomentsensor ausgestattetes Robotergelenkmodul kann dem Steuerungssystem eine direkte kraftbezogene Rückmeldung geben.

Dies kann Folgendes unterstützen:

• Drehmomentsteuerung

• Kraftsteuerung

• Kollisionserkennung

• Compliance-Kontrolle

• Kontakterkennung

• Sichere Mensch-Roboter-Interaktion

• Präzise Manipulation

Für Roboter, die physisch mit ihrer Umgebung interagieren, kann eine direkte Drehmomentrückkopplung besonders wertvoll sein.

Wie funktionieren Positionsregelung und Drehmomentregelung zusammen?

Bei modernen Robotergelenkmodulen sollten Position und Drehmoment nicht immer als separate Funktionen betrachtet werden.

Sie können zusammenarbeiten.

Stellen Sie sich beispielsweise einen kollaborativen Roboter vor, der sich auf ein Objekt zubewegt.

Bei freier Bewegung kann der Roboter der Positionskontrolle Priorität einräumen.

Wenn der Roboter mit dem Objekt in Kontakt kommt, gewinnt die Rückkopplung von Drehmoment oder Kraft an Bedeutung.

Das Steuerungssystem kann dann die vorgegebene Bewegung reduzieren oder das aufgebrachte Drehmoment entsprechend dem Kontaktzustand anpassen.

Dies führt zu einem konformeren Verhalten.

Positionssteuerung

Wohin sollte sich das Gelenk bewegen?

Geschwindigkeitskontrolle

Wie schnell sollte sich das Gelenk bewegen?

Drehmomentsteuerung

Welche Drehkraft sollte das Gelenk ausüben?

Diese Steuerungsebenen können innerhalb einer Servosteuerungsarchitektur zusammenarbeiten.

Warum ist Drehmomentkontrolle für humanoide Roboter wichtig?

Humanoide Roboter stellen besonders hohe Anforderungen an die Gelenksteuerung.

Ein humanoider Roboter muss sein Körpergleichgewicht ständig aufrechterhalten, während er sich in einer sich verändernden Umgebung bewegt.

Zum Beispiel beim Gehen:

• Das Hüftgelenk verändert seine Position.

• Das Knie trägt einen Teil der Körperlast.

• Der Knöchel interagiert mit dem Boden.

• Äußere Kräfte verändern sich ständig.

• Der Roboter muss das Gleichgewicht halten.

Positionsangaben allein beschreiben den physikalischen Zustand des Roboters möglicherweise nicht vollständig.

Informationen zu Drehmoment und Kraft können zusätzliche Informationen darüber liefern, wie der Roboter mit seiner Umgebung interagiert.

Dies ist einer der Gründe, warum Hochleistungs-Aktuatoren für humanoide Roboter zunehmend kombiniert werden:

Hohe Drehmomentdichte + Präzise Positionsrückmeldung + Drehmomentrückmeldung

Warum Drehmomentmessung für kollaborative Roboter wichtig ist?

Kollaborative Roboter arbeiten oft eng mit Menschen zusammen.

Dies stellt andere Anforderungen als herkömmliche Industrieroboter, die in isolierten Arbeitszellen eingesetzt werden.

Ein kollaborativer Roboter muss möglicherweise unerwartete Berührungen erkennen und angemessen reagieren.

Ein drehmomentempfindliches Robotergelenk kann helfen, anormale Belastungsbedingungen zu erkennen.

Zum Beispiel:

• Normale Bewegung → Erwartetes Drehmoment

• Unerwarteter Kontakt → Drehmomentabweichung

• Reglerreaktion → Drehmoment reduzieren / Stoppen / Flugbahn ändern

Die Drehmomentmessung ist jedoch nur ein Bestandteil eines Robotersicherheitssystems. Die Gesamtsicherheit hängt auch von der Robotersteuerung, der Software, der mechanischen Konstruktion, der Sensorarchitektur, der Risikobewertung und den geltenden Sicherheitsstandards ab.

Welche Rolle spielt das Präzisionsgetriebe in einem Robotergelenkmodul?

Das Präzisionsgetriebe ist eine weitere wichtige Komponente innerhalb eines Robotergelenkmoduls.

Ein Robotermotor arbeitet typischerweise mit relativ hoher Geschwindigkeit.

Das Robotergelenk erfordert jedoch häufig Folgendes:

• Niedrigere Drehzahl

• Höheres Drehmoment

• Hohe Positionsgenauigkeit

• Niedriger Übertragungsfehler

• Kompakte mechanische Abmessungen

• Das Reduzierstück überbrückt diesen Unterschied.

Harmonic-Reduziergetriebe ermöglichen hohe Untersetzungsverhältnisse in kompakten Bauformen und eignen sich daher für viele Robotergelenke.

Planetengetriebe können auch dann eingesetzt werden, wenn die Anwendung eine andere Kombination aus Drehmoment, Drehzahl, Wirkungsgrad, Steifigkeit und Kosten erfordert.

Die Getriebearchitektur hat daher einen direkten Einfluss auf die Gesamtleistung des Robotergelenkmoduls.

Wie beeinflusst das Spiel die Gelenkposition und die Drehmomentregelung eines Roboters?

Das Rückschlagspiel ist ein wichtiger Faktor bei robotischen Getriebesystemen.

Bei zu großem mechanischem Spiel zwischen den Getriebekomponenten kann sich der Motor bewegen, ohne sofort die erwartete Ausgangsbewegung zu erzeugen.

Dies kann die Positionsgenauigkeit verringern.

Auch die Drehmomentregelung kann dadurch erschwert werden, da die Beziehung zwischen Motorbewegung und Ausgangsbewegung weniger vorhersehbar wird.

Präzisionsgetriebe mit geringem Spiel werden daher häufig in Roboteranwendungen eingesetzt, die eine genaue Bewegung erfordern.

Bei Anwendungen wie Roboterarmen, humanoiden Robotern, CNC-Drehachsen und Präzisionsautomatisierung kann ein geringer Übertragungsfehler ein wichtiges Auswahlkriterium sein.

Regelungstechnik: Das Herzstück eines modernen Robotergelenkmoduls

Das wichtigste Konzept hinter der modernen Gelenksteuerung von Robotern ist der geschlossene Regelkreis.

Ein geschlossenes Regelsystem sendet nicht einfach einen Befehl und geht davon aus, dass sich das Gelenk korrekt bewegt hat.

Stattdessen misst es kontinuierlich den aktuellen Zustand des Gelenks.

Eine vereinfachte Architektur ist:

Befehl → Steuerung → Treiber → Motor → Getriebe → Gelenkausgang → Encoder/Drehmomentsensor → Rückmeldung → Steuerung

Durch diese Rückkopplungsschleife kann das System Unterschiede zwischen erwartetem und tatsächlichem Verhalten erkennen.

Ohne Rückkopplung funktioniert das System eher wie ein offener Regelkreis.

Mithilfe von Rückmeldungen kann der Controller seine Befehle kontinuierlich korrigieren.

Welche Kommunikationsschnittstellen werden in Robotergelenkmodulen verwendet?

Robotergelenkmodule müssen häufig mit einer übergeordneten Robotersteuerung kommunizieren.

Gängige industrielle Kommunikationstechnologien sind:

• DÜRFEN

• CANopen

• EtherCAT

• RS-485

• Industrielle Ethernet-Protokolle

Die Kommunikationsschnittstelle ermöglicht es der Robotersteuerung, Befehle vom Gelenk zu senden und Rückmeldungen davon zu empfangen.

Je nach Architektur kann das gemeinsame Modul beispielsweise folgende Informationen austauschen:

• Zielposition

• Zielgeschwindigkeit

• Zieldrehmoment

• Tatsächliche Position

• Tatsächliche Geschwindigkeit

• Tatsächliches Drehmoment

• Motortemperatur

• Fehlerstatus

• Encoder-Status

EtherCAT wird häufig für Robotersysteme gewählt, die eine synchronisierte Mehrachsensteuerung und schnelle Kommunikation erfordern.

CAN und CANopen können auch praktische Lösungen für verteilte Robotergelenke sein, bei denen Systemarchitektur, Kosten und Kommunikationsanforderungen in Einklang gebracht werden müssen.

Warum ist die Integration in einem Robotergelenkmodul wichtig?

Die Integration von Motor, Getriebe, Encoder und Elektronik in ein gemeinsames Modul bietet mehrere potenzielle Vorteile.

H3: Kompakte mechanische Konstruktion

Ein hochintegrierter Aktor kann den Platzbedarf für separate Komponenten reduzieren.

Dies ist besonders nützlich in:

• Gelenke humanoider Roboter

• Roboterhandgelenke

• Geschickte Hände

• Kollaborative Roboter

• Kompakte Roboterarme

Reduzierter Verkabelungsaufwand

Wenn die Treiber- und Rückkopplungskomponenten in das Gelenk integriert sind, sind möglicherweise weniger externe Verbindungen erforderlich.

Dies kann die Robotermontage und das Kabelmanagement vereinfachen.

Einfachere Systemintegration

Ein vorintegriertes Robotergelenkmodul kann den erforderlichen Entwicklungsaufwand für die Anpassung reduzieren:

• Motor

• Getriebe

• Encoder

• Treiber

• Regler

Das Modul kann stattdessen als standardisierte Bewegungseinheit betrachtet werden.

Kompaktere Steuerungsarchitektur

Durch die Integration von Sensor- und Antriebselektronik näher an das mechanische Getriebe kann auch der physikalische Abstand zwischen dem Aktor und seinen Rückkopplungskomponenten verringert werden.

Dies ist von Vorteil für kompakte Robotersysteme.

Was sollten Ingenieure bei der Auswahl eines Robotergelenkmoduls beachten?

Die Auswahl eines Robotergelenkmoduls sollte nicht allein auf dem Nenndrehmoment basieren.

Die Ingenieure sollten die vollständigen Betriebsanforderungen bewerten.

1. Nenndrehmoment

Ermitteln Sie das während des normalen Betriebs erforderliche Dauerdrehmoment.

2. Maximales Drehmoment

Berücksichtigen Sie das maximale Drehmoment, das bei Beschleunigung, Aufprall oder kurzzeitigen dynamischen Bewegungen erforderlich ist.

3. Ausgangsgeschwindigkeit

Das Gelenk muss die erforderliche Drehzahl erreichen und gleichzeitig das notwendige Drehmoment aufrechterhalten.

4. Reduktionsverhältnis

Das Untersetzungsverhältnis beeinflusst die Ausgangsdrehzahl, das Ausgangsdrehmoment, den Betriebspunkt des Motors, die Rücktriebsfähigkeit und das dynamische Verhalten.

5. Positionsgenauigkeit

Berücksichtigen Sie die Encoderauflösung, die Übertragungsgenauigkeit, das Umkehrspiel und die Gesamtleistung des Servos.

6. Drehmomentrückmeldung

Ermitteln Sie, ob eine strombasierte Drehmomentabschätzung ausreichend ist oder ob eine direkte Drehmomentmessung erforderlich ist.

7. Gewicht

Bei mobilen Robotern und humanoiden Robotern hat das Gelenkgewicht einen direkten Einfluss auf die Systemdynamik und den Energieverbrauch.

8. Kommunikationsschnittstelle

Stellen Sie sicher, dass das gemeinsame Modul die erforderliche Steuerungsarchitektur unterstützt, z. B. CAN/CANopen oder EtherCAT.

9. Thermische Leistung

Der Aktor muss während des Dauerbetriebs Wärme abführen.

10. Mechanische Abmessungen

Das Modul muss in den verfügbaren Fugenraum passen, ohne die strukturelle Festigkeit zu beeinträchtigen.

Robotergelenkmodulsteuerung für verschiedene Anwendungen

Unterschiedliche Roboter priorisieren unterschiedliche Steuerungseigenschaften.

Humanoide Roboter

Humanoide Roboter benötigen im Allgemeinen:

• Hohe Drehmomentdichte

• Geringes Gewicht

• Kompakte Abmessungen

• Hohe Positionsgenauigkeit

• Dynamische Drehmomentregelung

• Zuverlässiges Feedback

Die Anforderungen können je nach Gelenkart (Hüfte, Knie, Sprunggelenk, Schulter, Ellbogen, Handgelenk) erheblich variieren.

Kollaborative Roboter

Cobots priorisieren oft:

• Geringes Spiel

• Gleichmäßige Bewegung

• Drehmomenterfassung

• Einhaltung

• Kollisionserkennung

• Geräuscharm

Industrieroboterarme

Industrieroboter legen im Allgemeinen großen Wert auf:

• Hohe Wiederholgenauigkeit

• Hohe Steifigkeit

• Lange Betriebsdauer

• Stabile Drehmomentabgabe

• Präzise Positionssteuerung

Geschickte Roboterhände

Roboterhände erfordern ein anderes Gleichgewicht:

• Kleine Größe

• geringe Trägheit

• Präzise Positionssteuerung

• Feine Drehmomentsteuerung

• Schnelle Reaktion

Aus diesem Grund gibt es kein einziges ideales Robotergelenkmodul für jede Roboteranwendung.

Wie unterstützen HONPINE Robotergelenkmodule die integrierte Bewegungssteuerung?

HONPINE entwickelt integrierte Robotergelenkmodule auf Basis von Präzisionsübertragungs- und Servobewegungssteuerungstechnologien.

Je nach Modell und Anwendung kann ein integriertes Robotergelenkmodul Komponenten wie die folgenden kombinieren:

• Präzisionsgetriebe

• Servomotor

• Hochauflösender Encoder

• Antriebselektronik

• Drehmomenterfassung

• Industrielle Kommunikationsschnittstellen

Für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, Roboterarme und andere kompakte Robotersysteme kann diese integrierte Architektur die Komplexität der mechanischen Integration reduzieren und gleichzeitig das für die geschlossene Bewegungsregelung erforderliche Feedback liefern.

Das Harmonic-Joint-Modul TCHL von HONPINE integriert beispielsweise einen Drehmomentsensor in die Gelenkarchitektur und unterstützt Anwendungen mit geschlossenem Regelkreis für Drehmoment- und Positionsregelung.

Andere integrierte Aktuatorarchitekturen können um verschiedene Kombinationen von harmonischen oder planetarischen Getrieben, Encoder-Rückkopplung, Motorantrieb und Kommunikationsanforderungen konfiguriert werden.

Häufig gestellte Fragen zur Steuerung von Robotergelenkmodulen

Was ist ein Robotergelenkmodul?

Ein Robotergelenkmodul ist eine integrierte Roboterbewegungseinheit, die typischerweise einen Motor, ein Präzisionsgetriebe, einen Encoder und andere Komponenten kombiniert, die zum Antrieb eines Robotergelenks erforderlich sind.

Wie steuert ein Robotergelenkmodul seine Position?

Die Steuerung sendet eine Sollposition an das Gelenkmodul. Der Motortreiber steuert den Motor, während ein Encoder die Istposition misst. Die Steuerung vergleicht kontinuierlich Soll- und Istposition und passt den Motorbefehl an, um Positionsfehler zu minimieren.

Wie steuert ein Robotergelenkmodul das Drehmoment?

Das Drehmoment kann entweder durch eine auf dem Motorstrom basierende Drehmomentschätzung oder durch eine direkte Drehmomentrückmeldung eines integrierten Drehmomentsensors geregelt werden. Das Steuerungssystem passt den Motorbefehl entsprechend dem benötigten Drehmoment an.

Warum werden in einem Robotergelenk zwei Encoder verwendet?

Eine Dual-Encoder-Architektur ermöglicht die Rückmeldung sowohl auf der Motor- als auch auf der Ausgangsseite. Dadurch kann das Steuerungssystem sowohl die Motorbewegung als auch die tatsächliche Gelenkposition überwachen.

Benötigt jedes Robotergelenk einen Drehmomentsensor?

Nein. Einige Anwendungen können den Motorstrom zur Drehmomentschätzung nutzen. Die direkte Drehmomentmessung ist jedoch dann von Vorteil, wenn eine präzise Kraftregelung, Nachgiebigkeit, Kontakterkennung oder die physische Interaktion zwischen Mensch und Roboter erforderlich ist.

Worin besteht der Unterschied zwischen Positionsregelung und Drehmomentregelung?

Die Positionsregelung bestimmt, wohin sich das Robotergelenk bewegen soll. Die Drehmomentregelung legt fest, wie viel Drehkraft das Gelenk ausüben soll. Moderne Roboter können je nach Aufgabe beide Regelungsmethoden kombinieren.

Warum ist ein Encoder in einem Roboteraktuator wichtig?

Ein Encoder liefert Rückmeldung über die Drehposition und, je nach System, über Geschwindigkeit und Richtung. Diese Rückmeldung ermöglicht dem Regler eine geschlossene Bewegungsregelung.

Sind Harmonic-Reduziergetriebe für Robotergelenkmodule geeignet?

Harmonic-Reduziergetriebe werden aufgrund ihrer hohen Untersetzungsverhältnisse, kompakten Abmessungen, geringen Spielräume und hohen Positioniergenauigkeit häufig in Robotergelenken eingesetzt. Die Wahl des geeigneten Getriebes hängt jedoch von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl, Wirkungsgrad, Steifigkeit, Rücktriebsfähigkeit und Kosten ab.

Abschluss

Ein modernes Robotergelenkmodul steuert Position und Drehmoment durch das koordinierte Zusammenwirken von Motor, Präzisionsgetriebe, Encoder, Treiber, Steuerung und, falls erforderlich, einem Drehmomentsensor.

Die Positionsregelung ist stark von präziser Rückmeldung abhängig. Der Encoder übermittelt dem Steuerungssystem die tatsächliche Position des Motor- oder Gelenkausgangs und ermöglicht so dem Regler die kontinuierliche Bewegungskorrektur.

Die Drehmomentregelung fügt eine weitere Ebene der Intelligenz hinzu. Durch die Schätzung des Drehmoments aus dem Motorstrom oder dessen direkter Messung mit einem Drehmomentsensor kann der Roboter die am Gelenk erzeugte Kraft regulieren und effektiver auf äußere Belastungen reagieren.

Die Kombination aus präziser Kraftübertragung, hochauflösender Rückmeldung, Servoantriebstechnik und Regelungstechnik ist daher zentral für die moderne Konstruktion von Robotergelenken.

Da humanoide Roboter, kollaborative Roboter und hochentwickelte Robotersysteme immer dynamischer und kompakter werden, gewinnen integrierte Robotergelenkmodule zunehmend an Bedeutung, um das erforderliche Gleichgewicht zwischen Drehmoment, Präzision, Gewicht, Sensorik und Steuerung zu erreichen.

Für Roboterhersteller und Systemintegratoren bedeutet die Auswahl des richtigen Gelenkmoduls, mehr als nur Motorleistung oder Getriebeübersetzung zu berücksichtigen. Die gesamte Bewegungssteuerungsarchitektur – einschließlich Rückkopplung, Drehmomentmessung, Kommunikation, thermischer Leistung, mechanischer Abmessungen und Steuerungsanforderungen – bestimmt die Effektivität eines Robotergelenks in der realen Anwendung.