DE10050481A1 - System aus kooperierenden Robotern und Verfahren zu deren Steuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System aus kooperierenden Robotern und ein Verfahren zu deren Steuerung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Roboter zu Gruppen zusammengefaßt werden, wobei die Anzahl der Gruppen höchstens der Anzahl von Steuerungen entspricht, die wiederum kleiner ist als die Anzahl an Robotern. Die Roboter einer Gruppe werden von je einer Steuerung angesteuert. In einem weiteren Schritt werden die Roboter in anderen Gruppen zusammengefaßt, um einen zweiten Bearbeitungsprozeß durchzuführen. Diese Schritte werden ggf. zur Bearbeitung weiteren Gegenstände wiederholt. Ein erfindungsgemäßes System umfaßt eine Anzahl von Robotern, eine Anzahl von Steuerungen, die kleiner ist als die Anzahl Roboter und eine Koordinierungseinheit, die derart ausgestaltet ist, daß sie die Steuerungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ansteuern kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein System kooperierender Roboter und ein Verfahren zu de­ ren Steuerung.

Zur Zeit werden in Bereichen wie Rohbau und Montage die anfallenden Arbeiten mit Robotern, Förderanlagen, Spezialmaschinen und Automaten durchgeführt. Deshalb muß mit Verriegelungen über digitale Ein- und Ausgänge eine Verbindung im Roboterprogramm zur Anlagensteuerung und anderer Roboter erfolgen.

In modernen Fertigungsanlagen werden die Bearbeitungs- und Fügeaufgaben nun zunehmend von Robotern erledigt. Dieses Konzept ist sehr flexibel und günstig. Selbst das Teilehandling zwischen den einzelnen Bearbeitungszellen, in denen ein Bauteil von mehreren Robotern bearbeitet wird, wird von Robotern übernommen. Die Systeme werden immer stärker verkettet und müssen auf einen immer geringe­ ren Raum integriert werden. Dadurch wird es zunehmend wichtiger, daß die Arbeit der einzelnen Roboter zueinander koordiniert wird.

Wenn jeder Roboter seine eigene Steuerung hat, können koordinierte Bewegungen mehrerer Roboter nur schlecht oder gar nicht ausgeführt werden. Auch der Signal­ austausch zwischen den einzelnen Steuerungen ist sehr groß und somit im Störfall unübersichtlich und schwierig zu beherrschen. Speziell im Störfall muß bei solchen Anlagen mit einer langen Wiederanlaufphase gerechnet werden. Zudem wäre es wünschenswert, wenn die Bewegung der einzelnen Roboter zentral gesteuert und interpoliert werden kann, um auch komplizierte Bewegungsabläufe einfach erstellen zu können.

Eine Möglichkeit zur Lösung ist es, alle Roboter von einer Steuerung aus zu steu­ ern. Dazu ist jedoch eine sehr leistungsfähige Robotersteuerung nötig, wenn ganze Bearbeitungszellen, die aus bis zu fünf bis acht Robotern bestehen, gesteuert wer­ den müssen. Auch wird durch eine Steuerung für zu viele Roboter das Programm sehr groß und damit unübersichtlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System anzuge­ ben, bei dem eine Koordinierung der Bewegung der einzelnen Roboter möglichst gut durchgeführt werden kann, ohne daß das System zu unübersichtlich und war­ tungsanfällig wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines kooperierenden Ro­ botersystems zur Bearbeitung und/oder Handhabung von Gegenständen ist eine Anzahl von Steuerungen vorgesehen, die geringer ist, als die Anzahl der Roboter, die gesteuert werden sollen. Die Roboter werden zu Gruppen zusammengefaßt, wobei die Anzahl der Gruppen höchstens der Anzahl der Steuerungen entspricht. Insofern ist zumindest eine Gruppe vorhanden, in der mehr als ein Roboter ange­ ordnet ist. Die Steuerung der jeweiligen Gruppe übernimmt die Ansteuerung der Roboter in der entsprechenden Gruppe zur Durchführung eines ersten Arbeitspro­ zesses. Im Anschluß werden die Roboter in anders zusammengesetzten Gruppen zusammengefaßt, wobei die Anzahl der Gruppen wiederum höchstens der Anzahl der Steuerungen entspricht. Die Zuordnung der einzelnen Roboter zu den Gruppen ist anders als die erste Zuordnung. In dieser Zuordnung wird ein zweiter Bearbeitungsprozeß und/oder Handhabungsprozeß durchgeführt. Für die Bearbeitung weiterer Gegenstände können diese Schritte wiederholt werden.

Ein erfindungsgemäßes System umfaßt eine Anzahl von Robotern und eine Anzahl von Steuerungen, die kleiner ist, als die Anzahl der Roboter. Eine Koordinierungs­ einheit ist so ausgestaltet, daß sie die Steuerungen zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ansteuert. Der Begriff Roboter, wie er im vorliegenden Text benutzt wird, umfaßt Bearbeitungseinheiten und/oder Handhabungseinheiten für Gegenstände im allgemeinen, deren Bewegung von außen angesteuert wird, z. B. Industrieroboter. Dies können zum Beispiel Schweißvorrichtungen bei der Au­ tomobilherstellung bzw. Automobilteilherstellung sein, die entlang eines Ferti­ gungsbandes angeordnet sind. Andererseits sind von dem Begriff auch Vorrichtun­ gen umfaßt, die zur Bewegung der einzelnen Bauteile dienen und ebenfalls elek­ tronisch angesteuert werden. Schließlich umfaßt der Begriff auch Bewegungsme­ chanismen, die während des Bearbeitungsprozesses eingesetzt werden, also zum Beispiel das Bewegen eines Werkstückes während eines Schweißvorganges.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit dem erfindungsgemäßen System werden mehrere Roboter in diesem Sinne gesteuert und ihre Bewegung gegebe­ nenfalls interpoliert. Eine Steuerung kann zum Beispiel zur Ansteuerung dreier oder gegebenenfalls mehr Roboter dienen, je nach Aufgabenstellung. Die Roboter werden von einer kleineren Anzahl von Steuerungen gesteuert, als ihre Anzahl ist. Insofern ist der Aufbau nicht zu komplex.

Einzelne Bearbeitungszellen mit mehreren Robotern können sehr einfach miteinan­ der verkoppelt werden, ohne den Steuerungsaufwand zu sehr aufzublähen. Eine komplexe Bearbeitungszelle mit mehreren Robotern kann durch die Bildung von Gruppen einfach und doch sehr flexibel erstellt werden. Die Sicherheitstechnik ist in solch einer Bearbeitungszelle sehr viel einfacher zu lösen. Ein Neustart nach einem Störfall ist einfacher, da nur wenige Steuerungen anzufahren sind. Insgesamt kön­ nen komplizierteste Bewegungsabläufe (synchrones Bewegen von mehreren Ro­ botern und gegebenenfalls externen Anlagen) einfach und effektiv programmiert werden. Auch eine Optimierung der einzelnen Bewegungsabläufe läßt sich leichter durchführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mehrfach mit einem Werkstück durch­ führen, wenn die Roboter zum Beispiel entlang einer Bearbeitungslinie arbeiten. Dabei werden nach dem zweiten Bearbeitungsprozeß und/oder Handhabungspro­ zeß die Roboter wieder gegebenenfalls in einer anderen Zusammensetzung Grup­ pen zugeordnet, die jeweils von einer Steuerung angesteuert werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum synchronen Bearbeiten und/oder Handhaben eines Bauteils mit den Industrierobotern einer ent­ sprechenden Gruppe einsetzen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Beispiel eine Gruppe zur synchronen Bearbeitung eines Bauteiles zusammengefaßt, während eine zweite Gruppe ein weiteres Bauteil entweder aufnimmt oder abgibt.

Bei komplexen Bearbeitungsvorgängen ist es vorteilhaft, wenn die Industrieroboter der einzelnen Gruppen wiederum in Untergruppen zusammengefaßt sind, die ähn­ lich organisiert sind, wie die Gruppen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Bearbeitungspro­ zesse und/oder Handhabungsprozesse, die von einem Industrieroboter durchge­ führt werden, mit Hilfe einer Untersteuerung festgelegt, die vorteilhafterweise mobil ausgestaltet ist und an entsprechenden Anschlußstellen angeschlossen werden kann. Mit Hilfe einer solchen Untersteuerung ist es möglich, die durchzuführenden Bearbeitungsprozesse von jedem einzelnen Industrieroboter festzulegen. Davon unabhängig ist eine jeweilige Zuordnung zu den unterschiedlichen Gruppen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Hilfe der anliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1a schematisch ein erfindungsgemäßes System bei der Durchführung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 1b schematisch ein erfindungsgemäßes System bei der Durchführung eines zweiten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein weiteres, erfindungsgemäßes System bei der Durchführung ei­ nes erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein weiteres, erfindungsgemäßes System bei der Durchführung ei­ nes erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 die mögliche Zuordnung von Robotern zu Steuerungen zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 5 das Schema einer speziellen Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Systems.

Fig. 1a zeigt ein Beispiel der Steuerung von vier Robotern R1, R2, R3 und R4, deren Steuerung mit Hilfe der Steuerungen S1 und S2 vorgenommen wird. Die Steuerungen sind über eine Busverbindung 5 miteinander verbunden, die zur Koor­ dinierung der beiden Steuerungen dient. In dem Beispiel werden Bauteile 7 und 9 bearbeitet. Die Roboter R1 bis R4 stellen die Roboter dar, die in einer Bearbei­ tungszelle zusammengefaßt sind und für einen Bearbeitungs- und Handhabungs­ prozeß an dem jeweiligen Bauteil vorgesehen sind. Die gezeigte Stellung der Ro­ boter ist derart, daß das Bauteil 9 von den Robotern R2, R3 und R4 bearbeitet wird, zum Beispiel verschiedene Schweißnähte angebracht werden. Dabei werden die drei Roboter R2 bis R4 von der Steuerung S2 derart angesteuert, daß sie synchron an dem Bauteil 9 arbeiten. Währenddessen steuert die Steuerung S1 den Roboter R1 derart, daß dieser ein Bauteil ablegt und ein neues holt, welches mit 7 bezeich­ net ist.

Die Roboter R2, R3 und R4 sind also in einer Gruppe G2 zusammengefaßt. Die zweite Gruppe G1 umfaßt nur den Roboter R1.

Im nächsten Schritt, der in der Fig. 1b gezeigt ist, bearbeiten die Roboter R1, R2 und R3 ein Bauteil 7, während der Roboter R4 das Bauteil 9 ablegt bzw. weitergibt. In diesem Fall werden die Roboter R1 bis R3 von der Steuerung S1 gesteuert und bilden die Gruppe G1-1, während der Roboter R4 von der Steuerung S2 angespro­ chen wird und die Gruppe G2-1 bildet.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fig. 1a und 1b können also vier Roboter in einer Bearbeitungszelle mit nur zwei Steuerungen gesteuert werden. Drei Roboter, die synchron an einem Bauteil arbeiten, werden von einer Steuerung angesprochen, so daß sie optimal zueinander koordiniert werden können. Nach der Abarbeitung des Bauteiles gemäß Fig. 1a wird mit Hilfe der Busverbindung 5 ko­ ordiniert, daß die Steuerung S1 die Steuerung der Roboter R1 bis R3 übernimmt, während die Steuerung S2 nur der Steuerung des Roboters R4 dient.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit mehreren Bearbeitungszellen.

Zunächst wird in einem ersten Schritt der Roboter R1 von der Steuerung S1 ange­ steuert, zum Beispiel um ein Bauteil aufzunehmen. Währenddessen steuert die Steuerung S2 die Roboter R2, R3 und R4 zur Bearbeitung des Bauteiles 73. Gleichzeitig steuert die Steuerung S3 die Roboter R5, R6 und R7 zur synchronen Bearbeitung des Bauteiles 75, und die Steuerung S4 steuert die Roboter R8, R9 und R10 zur synchronen Bearbeitung des Bauteiles 77. Die von den einzelnen Steuerungen angesprochenen Roboter sind also in Gruppen G1, G2, G3 bzw. G4 zusammengefaßt. Die Steuerung S5 steuert keinen Roboter; G5 ist also leer.

Nachdem die Bauteile 73, 75 und 77 bearbeitet worden sind, wird die Besetzung der einzelnen Gruppen, die von den jeweiligen Steuerungen verwaltet werden, ge­ wechselt. Der folgende Zustand ist in Fig. 2 nicht gezeigt. Angedeutet ist nur, in welcher Gruppierung die Roboter von welcher Steuerung angesprochen werden. Im zweiten Schritt verwaltet die Steuerung S2 die Roboter R1, R2 und R3 zur Überga­ be des Bauteils 71 an die Stelle des Bauteils 73 und/oder zur Bearbeitung eines Bauteiles an der Stelle 73. Dies ist durch die Gruppe G2-1 angedeutet. Weiterhin verwaltet die Steuerung S3 die Roboter R5, R6 und R4, wie es durch die Gruppe G3-1 angedeutet ist, zur Übergabe und/oder Bearbeitung eines Bauteiles 73/75. Schließlich verwaltet die Steuerung S4 die Roboter R8, R9 und R7 zur Übergabe und/oder Bearbeitung eines Bauteiles 75/77, wie es durch die Gruppe G4-1 ange­ deutet ist. Die Steuerung S5 verwaltet ausschließlich den Roboter R10 zur Ablage eines vorher aufgenommenen Bauteils 77. Die entsprechende Gruppe ist mit G5-1 bezeichnet. Die Steuerung S1 verwaltet in diesem Schritt keinen Roboter. Die leere Gruppe G1-1 ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.

In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel gezeigt. Hier ist beispielhaft ein Element Ex1 ge­ zeigt, das mit einer externen Achse zum Beispiel zur Drehung eines Bauteiles wäh­ rend der Bearbeitung dient. Die Steuerung S1 kann R1, R2, R3, R4 und Ex1 steu­ ern, wie es durch die Gruppe G1 angedeutet ist. Die Steuerung S2 kann die Robo­ ter R4, R5, R6 und R7 und die externe Bewegungseinheit Ex1 steuern, wie es durch die Gruppe G2 angedeutet ist. Wiederum wird durch die Zuordnung einer größeren Anzahl von Robotern zu einzelnen Steuerungen in wechselnden Beset­ zungen der Gruppen der notwendige Steuerungsaufwand geringgehalten.

Fig. 4 zeigt die möglichen Konfigurationen, die bei der Steuerung von sieben Ro­ botern R1 bis R7 mit Hilfe von drei Steuerungen S1 bis S3 vorgesehen sein kön­ nen. Folgende Tabelle 1 gibt Beispiele für mögliche Gruppenbildungen an.

Tabelle 1

Die Steuerung S2 gemäß der Fig. 4 muß zum Beispiel nur vier Roboter gleichzeitig bewegen können. Zum Beispiel zeigt Tabelle 1, daß die gleichzeitige Steuerung von R2, R3, R5, R6 möglich sein muß oder die gleichzeitige Steuerung der Roboter R4, R5, R6, R7 (Zeilen 4 bzw. 6 der Tabelle 1). Durch Wechsel der Gruppenbeset­ zung ist die Steuerung S2 jedoch in der Lage, insgesamt sieben Roboter (R1 bis R7) mit gleicher Funktionalität zu steuern.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel zur Programmierung der einzelnen Steuerungen bzw. Ro­ boter. Jeder einzelne Roboter wird von einer Ministeuerung 15 gesteuert, die zum Beispiel nur die Leistungsteile umfaßt. Die einzelnen Ministeuerungen sind über eine Busverbindung 13 miteinander verbunden. 11 bezeichnet den Netzanschluß.

Alle möglichen Gruppen von Roboterzusammenstellungen werden in den einzelnen Steuerungen S1, S2, S3 definiert. Anschließend können sie mit einem Program­ mierhandgerät 17 programmiert werden, indem dies mit Leitungen 19 angeschlos­ sen wird. Dazu kann zum Beispiel an jedem Roboter ein Steckplatz für das Pro­ grammierhandgerät 17 vorgesehen sein. Über das Programmierhandgerät 17 wird hier dem Roboter einprogrammiert, welche Prozesse er durchführen muß, wenn er einer bestimmten Gruppe zugeordnet ist. Das System kann so angelegt sein, daß mit einem Programmierhandgerät 17 die Programmierung der Bewegungen aller Roboter über nur eine Anschlußstelle vorgenommen werden kann. In diesem Fall kann je nach Gegebenheiten jeweils die örtlich günstigste Anschlußstelle angewählt werden.

Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen es zudem, daß einzelne Bearbeitungszellen, in denen jeweils mehrere Roboter an einem Bauteil arbeiten, einfach miteinander gekoppelt werden können, ohne den Steuerungsaufwand aufzublähen. Dies ergibt sich bei den gezeigten Beispielen dadurch, daß einzelne Roboter zum Aufnehmen bzw. Ablegen der Bauteile einge­ setzt werden, während die jeweils restlichen Roboter zur Bearbeitung eingesetzt werden können.

Eine komplexe Bearbeitungszelle kann durch die Bildung von Gruppen einfach und doch sehr flexibel erstellt werden. Da nur die Roboter in Betrieb sind und an dem Bauteil arbeiten, die auch angewählt sind, kann sich die Sicherheitstechnik in einer einzelnen Bearbeitungszelle sehr viel einfacher lösen lassen. Schließlich ist das Erstellen und Ändern der Bewegungsprogramme sehr einfach, da immer kleine Gruppen von Robotern miteinander arbeiten und somit die Programmstruktur ein­ fach zu realisieren ist. Die Steuerungen lassen sich untereinander einfacher ver­ knüpfen, da nur wenige Steuerungen für eine Bearbeitungszelle eingesetzt werden müssen, deren Anzahl kleiner ist, als die einzusetzenden Roboter.

Auch in einem Störfall ist das erfindungsgemäße System vorteilhaft. Während bei konventionellen Systemen die Steuerungen aller einzelnen Roboter wieder angefah­ ren werden müssen (bei einem entsprechenden Beispiel zur Fig. 3 wären dies sie­ ben Steuerungen), müssen bei dem erfindungsgemäßen System am Beispiel der Fig. 3 nur zwei Steuerungen neu angefahren werden. Schließlich läßt sich durch die Zusammenfassung der einzelnen Roboter in Gruppen eine Optimierung der Arbeitsabläufe einfacher realisieren.

Claims (12)

1. Verfahren zur Steuerung eines kooperierenden Robotersystems zur Bearbei­ tung und/oder Handhabung von Gegenständen mit mehreren Robotern und einer Anzahl von Steuerungen, die kleiner ist, als die Anzahl der Roboter, mit folgenden Schritten:

• a) Zusammenfassen der Roboter (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10) in Gruppen (G1, G2, G3, G4, G5), deren Anzahl höchstens der An­ zahl der Steuerungen (S1, S2, S3, S4, S5) entspricht, in einer ersten Zu­ ordnung von Robotern zu den einzelnen Gruppen,
• b) Steuern je einer Gruppe von Robotern von einer zugeordneten Steue­ rung zur Durchführung eines ersten Bearbeitungsprozesses und/oder Handhabungsprozesses,
• c) Zusammenfassen der Roboter (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10) in Gruppen (G 1-1, G2-1, G3-1, G4-1, G5-1), deren Anzahl höch­ stens der Anzahl der Steuerungen entspricht, in einer zweiten Zuord­ nung von Robotern zu Gruppen, die sich von der ersten Zuordnung un­ terscheidet, zur Durchführung eines zweiten Bearbeitungsprozesses und
• d) ggf. Wiederholen der Schritte a) - c) zur Bearbeitung und/oder Handha­ bung von weiteren Gegenständen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen Schritt c) und Schritt d) noch mindestens ein weiterer Schritt c1) des Zusammenfassens von Robotern in Gruppen in zumindest einer weiteren Zuordnung zur Durchführung zumindest eines weiteren Bearbeitungsschrittes und/oder Handhabungsschrittes durch­ geführt wird und Schritt d) auch die Wiederholung dieses zumindest einen weiteren Schrittes c1) umfaßt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem einzelne oder alle Bearbeitungsprozesse und/oder Handhabungsprozesse jeweils das synchro­ ne Arbeiten der entsprechenden Gruppe von Robotern an einem Bauteil (7, 9, 71, 73, 75, 77, 91, 93, 95) umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine Gruppe von Robotern synchron ein Bauteil bearbeitet, während eine zweite Gruppe ein weiteres Bauteil entweder aufnimmt oder abgibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest eine Gruppe von Robotern Untergruppen aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die einzelnen Bearbei­ tungsvorgänge und/oder Handhabungsvorgänge, die von den jeweiligen Gruppen durchgeführt werden, mit Hilfe von Untersteuerungen (17) für einzel­ ne oder alle Gruppen von Steuerungen festgelegt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem mobile Untersteuerungen (17) eingesetzt werden.

8. System zur Bearbeitung und/oder Handhabung von Gegenständen mit mehre­ ren Robotern (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10), einer Anzahl von Steuerungen (S1, S2, S3, S4, S5), die kleiner ist, als die Anzahl an Robotern, und einer Koordinierungseinrichtung (5), die derart ausgestaltet ist, daß sie die Steuerungen (S1, S2, S3, S4, S5) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ansteuern kann.

9. System zur Bearbeitung und/oder Handhabung von Gegenständen nach An­ spruch 8, das als Koordinierungseinheit eine Umschalteinheit umfaßt, die ein­ zelne Roboter (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10) von einer Gruppe einer anderen Gruppe zuordnet.

10. System zur Bearbeitung und/oder Handhabung von Gegenständen nach An­ spruch 8 oder 9, bei dem zumindest einer der Roboter einen externen Bewe­ gungsmechanismus (Ex1) für ein zu bearbeitendes Bauteil umfaßt.

11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit einer oder mehreren An­ schlußstellen, die einen Anschluß einer Untersteuerung (17) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ermöglichen.

12. System zur Bearbeitung von Gegenständen nach Anspruch 11 mit einer Un­ tersteuerung (17) zum Anschluß an verschiedene Anschlußstellen.