CZ30453U1

CZ30453U1 - A sensory head of an industrial robot

Info

Publication number: CZ30453U1
Application number: CZ2016-33228U
Authority: CZ
Inventors: Aleš Pochylý; Tomáš Kubela
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-03-07

Description

Senzorická hlava průmyslového robotuSensory head of an industrial robot

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká senzorické hlavy průmyslového robotu nesoucí pracovní nástroj, který je napojen na rameno robotu prostřednictvím silově momentového snímače. Přitom pracovním nástrojem může být v reálné průmyslové aplikaci v podstatě libovolný nástroj určený k manipulaci s objektem nebo jeho zpracování, jako uchopovací čelisti, nástroj k obrábění, pájení, lepem apod.The technical solution relates to a sensor head of an industrial robot carrying a working tool which is connected to the robot arm by means of a force torque sensor. In the real industrial application, the working tool may in principle be any tool intended for handling or processing the object, such as gripping jaws, a tool for machining, soldering, gluing and the like.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Průmyslové roboty se běžně programují ručně s fixními souřadnicemi bodů v prostoru, které definují dráhu pracovního nástroje robotu. Používá se metoda programování on-line, kdy programátor učí jednotlivé body, resp. polohy pracovního nástroje robotu ručně pomocí ovládacího panelu (teach-pendantu), případně metoda off-line, která využívá virtuálního softwarového prostředí, což v určitých případech usnadňuje práci programátora. Společným znakem obou zmíněných metod je skutečnost, že dráha robotu je v prostoru fixní, neměnná a má pevně stanovené prostorové souřadnice. Při takto fixně nastavených parametrech není možné pomocí průmyslového robotu automatizovat procesy u objektů, které vykazují variabilní rozměrové odchylky. Robot není schopen bez přidaného senzorického systému tyto odchylky rozlišit a na ně reagovat.Industrial robots are normally programmed manually with fixed point coordinates in space that define the path of the robot's tool. The on-line programming method is used, where the programmer teaches individual points, resp. position of the robot working tool manually by means of the teach-pendant, or offline method, which uses a virtual software environment, which in some cases facilitates the work of the programmer. The common feature of both mentioned methods is the fact that the robot path in the space is fixed, unchangeable and has fixed spatial coordinates. With such fixed parameters, it is not possible to automate processes on objects that exhibit variable dimensional deviations using an industrial robot. The robot is not able to distinguish and react to these deviations without an added sensor system.

Tento problém částečně řeší CZ 25396 (Ul) tak, že pracovní nástroj, kterým jsou v tomto případě uchopovací čelisti, je k rameni robotu připojen prostřednictvím silově momentového snímače.This problem is partially solved by CZ 25396 (U1) in that the working tool, which in this case is the gripping jaws, is connected to the robot arm by means of a torque sensor.

Silově momentový snímač, snímající silové a momentové impulzy od nástroje ve třech osách, představuje i jistý druh kolizní ochrany, která chrání pracovní nástroj i objekt před poškozením. Nevýhodou tohoto uspořádání je, že reaguje až na bezprostřední kontakt pracovního nástroje s objektem, neumožňuje např. korigovat pohyb nástroje již při jeho přibližování k objektu.The torque sensor, which senses the force and torque pulses from the tool in three axes, is also a kind of collision protection that protects the tool and the object from damage. The disadvantage of this arrangement is that it reacts only to the immediate contact of the working tool with the object, it does not allow, for example, to correct the movement of the tool as it approaches the object.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout senzorickou hlavu, která reaguje v reálném čase na tvarové odchylky objektu při zachování funkce kolizní ochrany.The aim of the technical solution is to design a sensor head that reacts in real time to the shape deviations of the object while maintaining the collision protection function.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedený úkol splňuje senzorická hlava průmyslového robotu nesoucí pracovní nástroj a napojená na rameno robotu prostřednictvím silově momentového snímače. Její podstata spočívá v tom, že je opatřena průmyslovou 3D kamerou a liniovým laserem promítajícím na objekt světelnou stopu, které jsou zaměřeny do oblasti kontaktu pracovního nástroje s manipulovaným objektem.The sensor head of an industrial robot carrying a working tool and connected to the robot arm by means of a torque sensor fulfills this task. Its essence lies in the fact that it is equipped with an industrial 3D camera and a line laser projecting light trails onto the object, which are focused on the area of contact of the working tool with the manipulated object.

Senzorická hlava může být dále opatřena lineárním laserovým snímačem vzdálenosti zaměřeným do místa styku pracovního nástroje s objektem.The sensor head may further be provided with a linear laser distance sensor aimed at the point of contact of the working tool with the object.

Silově momentový snímač, průmyslová 3D kamera a lineární laserový snímač vzdálenosti jsou propojeny s řídicím systémem robotu prostřednictvím software pro řízení robotu v reálném čase, přičemž k řídicímu systému robotu je připojen komunikační sběrnicí externí řídicí systém, na který jsou napojeny prostřednictvím etemetových sběmic výstupy silově momentového snímače a průmyslové 3D kamery a prostřednictvím komunikační sběrnice analogový výstup laserového snímače vzdálenosti.The torque transducer, industrial 3D camera and linear laser distance sensor are connected to the robot control system via real-time robot control software, with an external control system connected to the robot control system to which the torque outputs of the torque are coupled sensors and industrial 3D cameras and an analogue laser distance sensor output via the communication bus.

Jedná se o experimentální koncový efektor, který obsahuje několik druhů snímačů, které se vyu40 žívají pro online korekci dráhy průmyslového 6 DOF robotu. Jako snímač je využit silově momentový snímač, průmyslová 3D kamera s liniovým laserem, a případně laserový snímač vzdálenosti. Je možné dále využívat i snímače na jednotlivých pohonech robotu - snímače natočení (vnitřní stavy robotu) nebo využít externí absolutní měřicí systém typu laser tracker. Experimentální koncový efektor pro online korekci dráhy je určen obecně pro robotické aplikace v přípa45 dech, kdy je potřeba postihovat různé odchylky od tvaru Či rozměru objektu, a které jsou navíc předem nedeterminovatelné - odchylky se časem mění, jsou různé apod. Navrhuje se zapojení senzorů a je vytvořena metodika, která dále upřesňuje princip komunikace a integrace s průmyslovým robotem.It is an experimental end-effector that contains several types of sensors that are used for online correction of the path of an industrial 6 DOF robot. As a sensor is used a torque sensor, industrial 3D camera with line laser, and possibly a laser distance sensor. It is also possible to use sensors on individual robot drives - rotation sensors (internal states of the robot) or use external absolute measuring system of the laser tracker type. Experimental end-effector for online path correction is generally intended for robotic applications in case of 45 breaths where different deviations from object shape or dimension are to be taken into account and which are non-determinable in advance - deviations change over time, are different etc. a methodology is created which further specifies the principle of communication and integration with an industrial robot.

-1 CZ 30453 U1-1 CZ 30453 U1

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Technické řešeni bude dále objasněno pomocí výkresu, na němž je na obr. 1 schéma uspořádání obecného pracovního nástroje a snímačů na senzorické hlavě průmyslového robotu a na obr. 2 schéma zapojení senzorické hlavy.The technical solution will be further elucidated by means of the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the arrangement of a general working tool and sensors on the sensor head of an industrial robot, and Fig. 2 shows a diagram of the sensor head connection.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Senzorická hlava I průmyslového robotu podle obr. 1, která nese pracovní nástroj 2, je napojena na rameno 3 robotu prostřednictvím silově momentového snímače 4. Je opatřena průmyslovou 3D kamerou 5 s liniovým laserem 8, který vrhá na objekt světelnou úsečku. 3D kamera 5 i liniový laser 8 jsou zaměřeny do oblasti kontaktu pracovního nástroje 2 s manipulovaným objektemThe sensor head 1 of the industrial robot according to FIG. 1, which carries the working tool 2, is connected to the robot arm 3 by means of a force torque sensor 4. It is provided with an industrial 3D camera 5 with a line laser 8 which throws a light line on the object. Both the 3D camera 5 and the line laser 8 are directed to the area of contact of the working tool 2 with the manipulated object

7. Senzorická hlava 1 je v tomto příkladu provedení dále opatřena lineárním laserovým snímačem 6 vzdálenosti zaměřeným do místa styku pracovního nástroje s objektem 7.7. In this embodiment, the sensor head 1 is further provided with a linear laser distance sensor 6 aimed at the point of contact of the working tool with the object 7.

Jak je zřejmé ze schématu podle obr. 2, silově momentový snímač 4 a průmyslová 3D kamera 5 jsou propojeny s řídicím systémem 9 robotu prostřednictvím software 10 pro řízení robotu v reálném čase, přičemž silově momentový snímač 4 a průmyslová kamera 5 jsou přes etemetové sběrnice a laserový snímač vzdálenosti 6 přes analogový vstup připojeny na externí řídicí systém li napojený komunikační sběrnicí 12 na řídicí systém 9 robotu.As can be seen from the diagram of FIG. 2, the torque sensor 4 and the industrial 3D camera 5 are connected to the robot control system 9 via real-time robot control software 10, wherein the torque sensor 4 and the industrial camera 5 are via the fieldbus and a laser distance sensor 6 via an analog input connected to an external control system 11 connected by a communication bus 12 to the robot control system 9.

Navržená senzorická hlava 1 může obecně sloužit pro aplikace, u kterých je potřeba v reálném čase měnit - korigovat dráhu robotu na základě senzorických dat. Předpokladem je, že prvotní dráha robotu může být naprogramována jakýmkoliv způsobem - metodou Online či off-line, případně může být dráha robotu vygenerována i automaticky pomocí softwaru typu CAD/CAM (např. pro obrábění). Prvotní dráha robotu může být ověřena na prvním reálném objektu a potřeba korigovat dráhu může/nemusí být zapotřebí - v závislosti na tom, jaké budou tvarové/rozměrové odchylky dalších kusů. V případě, že budou odchylky výraznější, budou tyto odchylky detekovány senzorickým systémem a dráha robotu bude upravena. Senzorický systém zahrnuje silově momentový snímač 4, který snímá síly (Fx, Fy a Fz) a momenty (Mx, My, a Mz), již přímo působí na nástroj (TCP) robotu při kontaktu s objektem. 3D kamera 5 (v popisovaném případě kamera SICK Ranger E) snímá 2D nebo 3D obraz. Pro vytváření 3D obrazu je u kamery liniový laser 8, který je nasměrován na objekt 7 do místa snímání kamery 5. Laserem promítaná „červená“ čára se na objektu 7 různě láme; na základě principu laserové triangulace vzniká za pohybu robotu 3D obraz, a již vyhodnocená data jsou odesílány do externího řídicího systému k dalšímu zpracování/využití.The proposed sensor head 1 can generally serve for applications where it is necessary to change the robot path in real time based on the sensory data. The premise is that the initial robot path can be programmed in any way - either online or offline, or the robot path can also be generated automatically using CAD / CAM software (eg for machining). The initial trajectory of the robot can be verified on the first real object and the need to correct the trajectory may or may not be needed - depending on what shape / dimensional deviations of other pieces will be. If the deviations are more pronounced, these deviations will be detected by the sensor system and the robot path will be adjusted. The sensor system includes a force torque sensor 4 which senses the forces (Fx, Fy and Fz) and the moments (Mx, My, and Mz) that directly affect the tool (TCP) of the robot in contact with the object. 3D camera 5 (in this case SICK Ranger E camera) captures 2D or 3D images. To produce a 3D image, the camera has a line laser 8 which is directed at the object 7 to the camera capture location 5. The laser-projected "red" line breaks differently on the object 7; Based on the principle of laser triangulation, a 3D image is generated while the robot is moving, and the already evaluated data is sent to an external control system for further processing / use.

Místo snímání kamery je odlišné od TCP nástroje, proto musí řídicí algoritmus obsahovat tzv. dopravní zpoždění, které zajistí pohyb TCP po správné dráze. Dodatečně je možné využít i analogový laserový snímač 6 vzdálenosti, který monitoruje určitou vzdálenost v ose nástroje 2 (v ose TCP). Všechny hodnoty od snímačů jsou poté zpracovány v externím řídicím systému LI, kde jsou senzorická data vyhodnocena a naprogramovaný řídicí algoritmus (regulátor) posílá do robotu tzv. akční zásah, resp. požadavek na změnu trajektorie robotu, případně požadavek na změnu rychlosti robotu. Řídicí algoritmus je individuální, resp. závisí na konkrétním typu objektu, jak bude nastaven. Senzorická data mohou být použita současně, případně může být v určitém okamžiku aktivní pouze silově momentový snímač 4 nebo 3D kamera 5, a to podle nastavených priorit hodnot od určitého typu snímače.Instead of sensing the camera is different from the TCP tool, so the control algorithm must contain so-called traffic delay, which ensures the TCP movement on the correct path. It is also possible to use an analog laser distance sensor 6 which monitors a certain distance in the tool axis 2 (in the TCP axis). All values from the sensors are then processed in an external control system LI, where the sensor data is evaluated and the programmed control algorithm (controller) sends the so-called action intervention to the robot. the requirement to change the trajectory of the robot, or the requirement to change the speed of the robot. The control algorithm is individual, resp. depends on the specific type of object as it will be set. The sensor data can be used simultaneously, or only a torque sensor 4 or a 3D camera 5 can be active at a given time, depending on the set priority values from a certain sensor type.

Navržený koncový efektor je určen pro připojení na přírubu průmyslového robotu. Aplikační možnosti jsou předpokládány v obecné rovině na jakékoliv aplikace, které budou vyžadovat senzorickou korekci dráhy robotu v reálném čase. Proto je součástí popisovaného systému pouze tzv. obecný nástroj (TCP robotu), což slouží jako simulace reálného nástroje pro konkrétní aplikaci (např. lepicí tryska apod.). Je možné využít senzorickou zpětnou vazbu od jednoho snímače, případně využít senzorická data současně od více typů snímačů. Zvláštní možností je využití dalšího snímače, který snímá absolutní polohu TCP robotu v prostoru a podle toho robot koriguje svou dráhu. Jedná se o měřicí systém, který lze využít bez závislosti na ostatních snímačích. Speciální - doplňkovou funkcí je možnost využít tzv. vnitřní stavy robotu, což může být např. aktuální po-2CZ 30453 U1 zice či rychlost robotu. V tomto případě se vychází z údajů ze samotných snímačů natočení na jednotlivých pohonech robotu.Designed end effector is designed for connection to industrial robot flange. Application possibilities are generally envisaged for any applications that require real-time sensory robot path correction. Therefore, the described system includes only a so-called general tool (TCP robot), which serves as a simulation of a real tool for a specific application (eg adhesive nozzle, etc.). It is possible to use sensory feedback from one sensor, or use sensor data from several types of sensors simultaneously. A special option is to use an additional sensor that senses the absolute position of the TCP robot in space and corrects its path accordingly. It is a measuring system that can be used without dependence on other sensors. Special - additional function is the possibility to use the so-called internal states of the robot, which can be, for example, the current po-2CZ 30453 U1 slot or the speed of the robot. In this case, the data is based on the actual rotation sensors on the individual robot drives.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

A sensor head (1) of an industrial robot carrying a working tool (2) and connected to the robot's robot (3) by means of a torque sensor (4), characterized by an industrial 3D camera (5) and a line laser (8) ) projecting light trails onto the object, which are directed to the contact area of the working tool (2) with the object being manipulated (7).

The sensor head according to claim 1, characterized in that it is provided with a linear laser distance sensor (6) aimed at the point of contact of the working tool (2) with the object (7).

Sensor head wiring according to claim 2, characterized in that the torque sensor (4), the industrial 3D camera (5) and the linear laser distance sensor (6) are connected to the robot control system (9) by means of software (10). robot control

15, in which the external control system (11) is connected to the control system (9) by means of a communication bus (12), to which the outputs of the torque sensor (4) and industrial 3D camera (5) are connected. the analog output of the laser distance sensor (6).