AT524080A1

AT524080A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Geschwindigkeiten von Armsegmenten eines Roboters

Info

Publication number: AT524080A1
Application number: ATA50663/2020A
Authority: AT
Inventors: Hrach Thomas
Original assignee: Hrach Thomas
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-02-15
Also published as: TW202206244A; WO2022028828A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von bewegbaren Armsegmenten (2, 5) eines Roboters, insbesondere eines SCARA-Roboters, weist ein mehrteiliges Trägersystem (10) mit wenigstens zwei Trägern (16, 17) auf. Die Träger (16, 17) sind um definierte Achsen (3, 4) rotatorisch bewegbar, wobei im Einbauzustand eine erste Rotationsachse (3) fix und ein erster Träger (16) um die erste Rotationsachse (3) rotierend bewegbar angeordnet ist, wobei der erste Träger (16) eine erste Längsachse aufweist, die normal zur ersten Rotationsachse (3) steht, und wobei auf der ersten Längsachse eine weitere Rotationsachse (4) angeordnet ist, um die ein weiterer Träger (17) mit einer weiteren Längsachse rotierend angeordnet ist, wobei die weitere Rotationsachse (4) normal zur weiteren Längsachse und parallel zur ersten Rotationsachse (3) steht. Die Vorrichtung weist weiters wenigstens zwei Sensoren (11, 12) zum Erfassen von Daten über die Bewegung der Träger (16, 17) auf, wobei ein erster Sensor (11) eine feste Position relativ zum ersten Träger (16) hat und wenigstens ein weiterer Sensor (12) eine feste Position relativ zum weiteren Träger (17) hat. Die Sensoren (11, 12) weisen ein Mittel zum Übertragen von Daten auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des

Oberbegriffs von Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Betreiben der

Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System mit den

Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11.

SCARA-Roboter sind Industrieroboter mit um Rotationsachsen verschwenkbaren Armsegmenten. Dieser Robotertyp wird aufgrund seiner schnellen und wiederholgenauen Bewegung insbesondere für „Pick-and-Place-Anwendungen“ verwendet, um ein Element von einer

Ausgangsposition zu einer Zielposition zu bewegen.

Beim Betreiben eines SCARA-Roboters gibt es verschiedene

Anforderungen. Neben den offensichtlichen Anforderungen an Präzision und Geschwindigkeit, ist vor allem das möglichst sichere Betreiben eines SCARA-Roboters von übergeordneter

Bedeutung.

Aufgrund des Gewichts und der Geschwindigkeit, welche die Armsegmente eines SCARA-Roboters erreichen können, ist es für eine Bedienperson potentiell gefährlich, in den Arbeitsbereich eines SCARA-Roboters zu kommen. Ebenso können eventuell im Arbeitsbereich befindliche Gerätschaften beschädigt werden. Für einen sicheren Betrieb ist es daher essenziell, die Geschwindigkeit der Bewegungen zu kennen und insbesondere nach

oben zu begrenzen.

Im Stand der Technik wird dies üblicherweise durch interne Sensoren im Arm selbst gelöst, die eine Winkelbeschleunigung der Antriebe an den Segmenten erfassen. Die tatsächliche Geschwindigkeit der einzelnen Segmente und des Arbeitsbereichs wird dann aus diesen Daten errechnet. Kleine Messfehler und Rauschen können sich dabei mathematisch fortsetzen, was eine präzise Messung nicht nur sehr schwierig macht, sondern sich

auch mit der Zeit verschlimmert.

realisieren zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Darüber hinaus wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein System mit den Merkmalen des

Anspruches 10 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein mehrteiliges Trägersystem mit wenigstens zwei Trägern aufweist, dass die Träger um definierte Achsen rotatorisch bewegbar sind, dass im Einbauzustand eine erste Rotationsachse fix und ein erster Träger um die erste Rotationsachse rotierend bewegbar angeordnet ist, dass der erste Träger eine erste Längsachse aufweist, die normal zur ersten Rotationsachse steht, dass auf der ersten Längsachse, eine weitere Rotationsachse angeordnet ist, um die ein weiterer Träger mit einer weiteren Längsachse rotierend angeordnet ist, wobei die weitere Rotationsachse normal zur weiteren Längsachse und parallel zur ersten Rotationsachse steht, dass die Vorrichtung weiters wenigstens zwei Sensoren zum Erfassen von Daten über die Bewegung der Träger aufweist, wobei ein erster Sensor eine feste Position relativ zum ersten Träger hat und wenigstens ein weiterer Sensor eine feste Position relativ zum weiteren Träger hat und dass die

Sensoren ein Mittel zum Übertragen von Daten aufweisen.

Jeder Sensor erfasst dabei die Daten über die Bewegung des

Trägers, zu dem er eine Feste Position hat.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jederzeit und für

jeden Abschnitt des Trägers bekannt sein, mit welcher Geschwindigkeit sich die Träger bewegen. Daraus können Rückschlüsse gezogen werden, mit welcher Geschwindigkeit sich die Segmente des Arms des Roboters bewegen. Folglich kann auch festgestellt werden, ob sich Bereiche der Armsegmente schneller oder langsamer als eine vorgegebene Geschwindigkeit bewegen. Dadurch ist es möglich, einen Roboter, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist, besonders sicher

zu betreiben.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, dass lediglich Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen gemessen werden. Da es lediglich um die Sicherheit des Roboters - nicht aber um die Aufgaben, die der Roboter selbst zu erfüllen hat - geht, können viele Berechnungen entfallen, was das System stabiler und sicherer macht und dafür sorgt, dass weniger Rechenleistung benötigt wird, als wenn man die ganzen Bewegungen nachvollziehen

würde.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine solche Vorrichtung einfach zu bereits bestehenden Robotern mit

segmentierten Armen nachgerüstet werden kann.

Erfindungsgemäß weist Jeder Träger einen Sensor auf, der bevorzugt Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit mittels Beschleunigungssensoren und/oder Gyroskopen messen kann. Diese Daten werden unabhängig vom System des SCARA-Roboters erfasst und an eine Recheneinheit weitergeleitet. Die Recheneinheit kann

dann die Daten auswerten.

Dadurch, dass jeder Träger und folglich auch jedes Segment über einen eigenen Sensor verfügt, kann nicht nur die Geschwindigkeit des Werkzeugs am Roboter-Arm ermittelt werden, sondern auch die Geschwindigkeit der Träger und folglich der Armsegmente

zueinander sowie eines Gelenkes zwischen den Segmenten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die

Sensoren Gyroskope auf. Durch Gyroskope lassen sich insbesondere

rotatorische Bewegungen besonders präzise erfassen. Daraus

können Winkelgeschwindigkeiten ermittelt werden. Diese geben bei bekanntem Abstand der Sensoren zu den Rotationsachsen Aufschluss darüber, wie schnell sich alle Bereiche des Trägers und folglich

des Roboter-Armes bewegen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Sensoren Beschleunigungssensoren auf. Über die bekannten Werte, nämlich die Entfernung zu den Rotationsachsen und dem Umstand, dass es eine rotatorische Bewegung sein muss, kann aus der Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit eine Winkelgeschwindigkeit bestimmt werden, woraus wiederum - bei bekannter Geometrie der Segmente - die Geschwindigkeit der Segmente an Jedem einzelnen Punkt der Segmente bzw. Abschnitte

berechnet werden kann.

Eine Kombination der beiden vorgenannten Systeme ist nicht nur

denkbar, sondern sogar besonders vorteilhaft, da sich durch die Kombination der Messdaten bzw. deren Vergleich die Genauigkeit

erhöht.

Es ist wichtig zu beachten, dass lediglich Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erfasst werden. Die erforderlichen Berechnungen sind, insbesondere verglichen mit Systemen, die die Lage des Arms überwachen, wesentlich einfacher. Dadurch werden weniger Rechenressourcen benötigt und die Berechnungen können schneller und mit wesentlich geringerer Fehleranfälligkeit durchgeführt

werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt die Vorrichtung über ein Mittel zum Regulieren des Betriebs des Roboters, insbesondere zum Unterbrechen des Betriebs. Wenn festgestellt wird, dass sich Bereiche des Arms schneller bewegen, als es vorgegeben wurde, kann so der Roboter angehalten werden. Das Mittel zum Regulieren des Betriebs des Roboters ist bevorzugt unabhängig vom Roboter selbst. Eine sehr einfache Umsetzung eines solchen Mittels ist beispielsweise eine

Vorrichtung, die die Energieversorgung des Roboters außerhalb

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind

Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Auch wenn die Erfindung im Folgenden im Zusammenhand mit einem SCARA-Roboter beschrieben ist, kann sie auch im Zusammenhang mit anderen Robotern mit segmentierten Armen vorteilhaft verwendet

werden.

Nachstehend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der

Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung im Zusammenhang mit einem SCARA-Roboter und Fig. 2 ein beispielhaftes Verfahren dargestellt als

Flussdiagramm,.

Fig. 1 zeigt einen SCARA-Roboter mit einer Basis 1, die mit einem ersten Armsegment 2, das um eine erste Rotationsachse 3 rotierbar angetrieben ist, verbunden ist. Am ersten Armsegment 2 ist um eine weitere Rotationsachse 4, ebenfalls rotierbar angetrieben, ein weiteres Armsegment 5 angeordnet. Am weiteren Armsegment 5 ist ein Arbeitsbereich 6 angeordnet, der einen Werkzeugantrieb 7, einen Werkzeugarm 8 und ein Werkzeug 9 aufweist. Der Werkzeugarm 8 ist im gezeigten Beispiel vertikal verfahrbar. Das Werkzeug 9 kann nach den jeweiligen Arbeitsanforderungen gestaltet sein; üblich sind Saugnäpfe oder

Greifer.

An den Armsegmenten 2, 5 ist ein zweiteiliges Trägersystem 10 der Vorrichtung mit zwei Sensoren 11, 12, angeordnet. Das Trägersystem 10 besteht im gezeigten Beispiel aus zwei nicht miteinander verbundenen Trägern 16, 17, d.h. die Träger sind lose voneinander. Dabei ist es weitgehend unbedeutend, an welcher Stelle der Träger 16, 17 die Sensoren 11, 12 angeordnet sind. Es ist allerdings erforderlich, dass die Stellen, an denen

die Sensoren 11, 12 an den Trägern 16, 17 angeordnet sind,

bekannt sind, insbesondere dass der jeweilige Abstand der Sensoren 11, 12 zu den Rotationsachsen 3, 4 bekannt ist. So kann aus der Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung an einer Stelle des Trägers 16, 17, die Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit für alle Bereiche des entsprechenden Armsegmentes 2, 5 bestimmt werden. Für dieses Bestimmen werden die von den Sensoren 11, 12 erfassten Daten an eine Recheneinheit 13 übertragen. Im dargestellten Beispiel erfolgt das Übertragen durch die symbolisch dargestellten Signale 14, 15. Ob bei der Umsetzung der Erfindung Kabel oder drahtlose Mittel zum Übertragen gewählt werden, kann vom Fachmann aufgrund der jeweiligen Gegebenheiten entschieden werden. Dabei haben drahtlose Übertragungsmethoden den Vorteil, dass sie einfacher zu installieren sind, wohingegen

über Kabel übertragene Signale weniger störungsanfällig sind.

Das Bestimmen selbst erfolgt über simple Trigonometrie unter Kenntnis der stets gleichbleibenden Entfernung der Sensoren 11, 12 von den jeweiligen Rotationsachsen 3, 4. Ist die Winkelgeschwindigkeit durch die Sensoren 11, 12 einmal erfasst, kann auch die Geschwindigkeit der Armsegmente 2, 5 an Jedem Punkt, d.h.in jedem Abstand zur Rotationsachse 3, 4, bestimmt

werden.

Fig. 1 zeigt weiters einen zusätzlichen Sensor 18, der eine Vertikalbewegung (angedeutet durch den Pfeil 19) des Werkzeugarmes 8 erfasst. Dieser Sensor 18 kann beispielsweise ein Linearencoder sein. Auch vom Sensor 18 erzeugte Messdaten können als Signal 21 an eine Recheneinheit übermittelt werden. Werden alle Signale 14, 15, 21 an dieselbe Recheneinheit 13 übermittelt, kann aus den Informationen über die Armbewegung, welche von der erfindungsgemäßen Vorrichtung geliefert werden, und den Informationen über die Vertikalbewegung eine absolute

Bewegung bestimmt werden, welche das Werkzeug ausführt.

Ein oder mehr gleich- oder verschiedenartige Sensoren 18, die die vertikalen Bewegungen des Werkzeugarmes 8 erfassen, können dabei unmittelbar am Werkzeugarm 8 oder mittelbar auf Trägern,

als bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zum Einsatz kommen.

In diesem Fall können sie Teil eines Erfindungsgemäßen Systems sein. Es ist aber auch möglich, Sensoren 18 zum Erfassen der Vertikalbewegungen des Werkzeugarmes 8, bzw. in der Folge des Werkzeugs 9, unabhängig von der Erfindung vorteilhaft zu

verwenden.

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zunächst messen die Sensoren 11, 12 Daten über die Bewegung der Träger, beispielsweise Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Winkelgeschwindigkeit; dies erfolgt in den Schritten 101 und 102. Optional können auch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise wenn die Vorrichtung im Zusammenhang mit einem Roboter mit mehr als den bislang beispielhaft genannten Armsegmenten verwendet werden soll. Dies ist durch den optionalen Schritt 103 dargestellt. Im Zuge dessen erzeugte Daten 104, 105 (und optional 106) werden dann an die Recheneinheit 13 weitergeleitet und in dieser in einem Schritt 107 verarbeitet. Im darauffolgenden Schritt 108 wird das Ergebnis aus Schritt 107 überprüft. Dabei wird festgestellt, ob sich ein Bereich des Armes schneller als in

einer vordefinierten Geschwindigkeit bewegt.

Wenn in Schritt 108 festgestellt wird, dass sich ein Bereich des Armes zu schnell bewegt, wird in Schritt 109 eine Eskalation ausgelöst. Im einfachsten Fall wird der Betrieb des Roboters einfach angehalten, beispielsweise durch Unterbrechen der Stromzufuhr. Wenn das Überprüfen ergibt, dass sich kein Bereich des Roboters außerhalb der festgelegten Parameter bewegt, kann der Betrieb fortgesetzt werden (Schritt 110) und das Verfahren

beginnt von vorn.

Claims

Patentansprüche:

Vorrichtung zum Erfassen von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von bewegbaren Armsegmenten (2, 5) eines Roboters, insbesondere eines SCARA-Roboters, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein mehrteiliges Trägersystem (10) mit wenigstens zwei Trägern (16, 17) aufweist, dass die Träger (16, 17) um definierte Achsen (3, 4) rotatorisch bewegbar sind, dass im Einbauzustand eine erste Rotationsachse (3) fix und ein erster Träger (16) um die erste Rotationsachse (3) rotierend bewegbar angeordnet ist, dass der erste Träger (16) eine erste Längsachse aufweist, die normal zur ersten Rotationsachse (3) steht, dass auf der ersten Längsachse, eine weitere Rotationsachse (4) angeordnet ist, um die ein weiterer Träger (17) mit einer weiteren Längsachse rotierend angeordnet ist, wobei die weitere Rotationsachse (4) normal zur weiteren Längsachse und parallel zur ersten Rotationsachse (3) steht, dass die Vorrichtung weiters wenigstens zwei Sensoren (11, 12) zum Erfassen von Daten über die Bewegung der Träger (16, 17) aufweist, wobei ein erster Sensor (11) eine feste Position relativ zum ersten Träger (16) hat und wenigstens ein weiterer Sensor (12) eine feste Position relativ zum weiteren Träger (17) hat und dass die Sensoren (11, 12) ein Mittel zum

Übertragen von Daten aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (11, 12) Mittel zum Übertragen von Daten an eine

Recheneinheit (13) aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Übertragen am Trägersystem (10)

angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (11, 12) fest mit den

Trägern (16, 17) verbunden sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch

9

gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (13) mit einem Mittel zum Regulieren des Betriebs des Roboters, insbesondere zum

Unterbrechen der Stromzufuhr des Roboters, verbunden ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (11, 12) Gyroskope

aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die Sensoren (11, 12) Beschleunigungssensoren aufweisen.

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von den Sensoren (11, 12) Daten über die Bewegung der Träger (16, 17) erfasst werden, dass die Daten dann von den Sensoren (11, 12) an eine Recheneinheit (13) übermittelt werden, dass die Recheneinheit (13) die Bewegung der Träger (16, 17) ermittelt, dass die Recheneinheit (13) die ermittelte Bewegung mit vorgegebenen Werten vergleicht, und dass die Recheneinheit (13) eine Eskalation auslöst, wenn die ermittelte Bewegung über den vorgegebenen Werten liegt und dass die Schritte wiederholt werden, wenn die Bewegung die

vorgegebenen Werte nicht überschreitet.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eskalation ein Anhalten des Roboters, insbesondere durch

Unterbrechen der Stromzufuhr des Roboters, herbeiführt.

System bestehend aus einem Roboter, insbesondere einem SCARARoboter, und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Roboter eine Basis (1), mit einem in wenigstens zwei Armsegmente (2, 5) segmentierten Arm und einen Arbeitsbereich (6) aufweist und wobei ein erstes Armsegment (2) mit einem ersten Gelenk rotierbar angetrieben mit der Basis (1) verbunden ist und ein weiteres Segment (5) über ein weiteres Gelenk rotierbar angetrieben mit dem ersten Gelenk (2) verbunden ist und sich der Arbeitsbereich (6) von der Basis (1) aus betrachtet an einem letzten Segment befindet,

dadurch gekennzeichnet, dass jeder Träger (16, 17) zu einem

12.

10

Armsegment (2, 5) korrespondiert und dass die Rotationsachsen

(3, 4) sind,

ineina

System Träger (2, 5)

System System

wird.

„ um welche die Träger (16, 17) zueinander bewegbar und die Achsen, um welche die Gelenke rotieren,

nder liegen.

nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Jeder (16, 17) fest mit dem korrespondierenden Armsegment

verbunden ist.

nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das

nach einem Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 betrieben