DE10125445A1

DE10125445A1 - Verfahren zum Steuern der Bewegung eines Roboters

Info

Publication number: DE10125445A1
Application number: DE10125445A
Authority: DE
Inventors: Martin Weis; Thomas Finsterwalder; Guenther Merk
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-12-05
Also published as: US6791292B2; EP1260323A2; ATE416893T1; EP1260323B1; US20030020424A1; DE50213091D1; EP1260323A3

Abstract

Unter Optimierung der Einsatzmöglichkeiten eines Roboters, insbesondere hinsichtlich geringer Taktzeiten und hoher Traglasten auch im Falle eines durch Fehler bedingten Auflaufens von Roboterteilen gegen die mechanische Struktur eine Beschädigung des Roboters durch Überschreiten der durch die Struktur aufnehmbaren Energie zu vermeiden, sieht die Erfindung bei einem Verfahren zum Steuern der Bewegung eines Roboters, dass die kinetische Energie von bewegten Robotergliedern auf (G¶i¶ g¶i¶+1, ..., g¶n¶) um eine Achse (A¶i¶) auf die durch einen der entsprechenden Achse (A¶i¶) zugeordneten mechanischen Puffer zerstörungsfrei aufnehmbare Energie begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewe gung eines Robters.

Beim Einsatz von Robotern, insbesondere Industrierobotern muss ein ausreichendes Maß an Sicherheit auch bei Fehlern, insbesondere Fehlbedienungen gegeben sein. So besteht grundsätzlich die Gefahr, das ein Bediener eine Achse falsch justiert oder unzulässige Werte für den Softwareend schalter außerhalb des Betriebsbereichs mechanisch vorgese hener Anschläge oder Puffer programmiert. In beiden Fällen besteht die Gefahr, dass beim Abfahren eines so fehlerpro gammierten Ablaufs eine Achse aus dem mechanisch zulässigem Bereich heraus bewegt wird, da die von der Steuerungssoft ware angenommene Übereinstimmung der so Steuerungs-internen Position mit der mechanischen Prozession nicht mehr gegeben ist. Als Sicherheit gegen solche Fehler und Fehlbedienungen sind am Roboter mechanische Struktur, wie in der Form von Pufferanschläge, angebracht, wenn die Bewegung eines Robo terteils zu den vorhergehenden Teilen begrenzt werden soll.

So können sich am Robotersockel entsprechende mechanische Puffer für die Karussellbewegung oder aber am oberen Ende der Schwinge mechanische Puffer für den an diesem Ende angelenkten weiteren Roboterarm be finden.

Bei den angesprochenen Fehlern fährt der Roboter eine Kol lision, auch als "Crash" bezeichnet, d. h. das kollidierende Glied der Robotermechanik fährt gegen einem ihm und seiner Achse zugeordneten mechanischen Puffer; der Puffer wird beim Crash irreversibel verformt. Der Puffer darf bei die sem Vorgang zerstört werden und muß nach dem Crash in jedem Fall ausgetauscht werden. Bei dieser Verformung wird kine tische Energie des Roboters in innere Energie (Wärme) und Verformungsarbeit des Puffers umgewandelt. Wichtig ist der Schutz des Roboters selbst. Daraufhin löst die Steuerungs- Software eine Stopreaktion aus. Insgesamt kommt der Roboter auch bei dieser schweren Ausnahmesituation ohne Beschädi gung seiner Mechanik zum Halt. Durch die mechanischen Puf fer kann allerdings ohne mechanische Beschädigung von Robo terelementen nur eine begrenzte Energie aufgenommen werden. Eine Überschreitung der maximal ohne Beschädigung von Robo terelementen aufnehmbare Energie und damit eine Beschädi gung der solchen muss sicher ausgeschlossen werden. Es wer den daher grundsätzliche Vorkehrungen getroffen, so dass bei allen Bewegungen bei den beschriebenen Fehlersituatio nen bei einer Kollision eine Beschädigung ausgeschlossen ist. Hierbei wird bisher eine Kombination aus maximaler Last, maximaler Ausladung und maximaler Geschwindigkeit für eine Bewegung um eine Achse zugrunde gelegt. Diese Maximal werte werden seitens des Roboterherstellers derart ermit telt, dass mit den entsprechenden Werten "Worst-Case" Ver suche gefahren werden, um festzustellen, bis zu welchen Pa rametern gegen den mechanischen Puffer wiederholt ohne Be schädigungen gefahren werden kann. Es wird dann angenommen, das auch beim Anwender im Falle einer Fehlfunktion die E nergieaufnahmemöglichkeit des Puffers nicht überschritten wird, die im Crashfall relevanten Parameter nicht alle gleichzeitig ihr Maximum erreichen. Dies führt allerdings dazu, dass die an die vorgegebene maximale Achsgeschwindig keit Maximallast geknüpft ist. Selbst wenn der Roboter auf grund seiner sonstigen mechanischen Auslegung höhere Ge schwindigkeiten erreichen könnte, müssen diese von der Steuerungs-Software abgelehnt werden, da dabei Schäden an der Struktur nicht ausgeschlossen werden können. Darüber hinaus werden Bewegungen mit kleiner Last bzw. mit geringer Ausladung durch die bei maximaler Last und Ausladung ermit telte maximale Achsgeschwindigkeit unnötig langsam gefah ren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Ver meidung der vorgenannten Nachteile ein Verfahren zur Steue rung eines Roboters zu schaffen, bei dem unter Optimierung der Betriebsparameter des Roboters, insbesondere geringer Taktzeiten und Möglichkeit zur Bewegung großer Traglast ei ne Zerstörung des Roboters dennoch zuverlässig ausgeschal tet ist.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfah ren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass kineti sche Energie von bewegten Robotergliedern (g₁, . . ., g_i-1, g_i, g_i+1, . . ., g_n) um eine Achse (A_i) auf die durch eine der ent sprechenden Achse (A_i) zugeordnete mechanische Struktur be schädigungsfrei aufnehmbare Grenzenergie begrenzt wird.

Erfindungsgemäß werden also die Achsgeschwindigkeiten be grenzt unter der Nebenbedingung, dass die Energiegrenzen, bestimmt durch Belastbarkeit der mechanischen Struktur, GE schwindigkeit, Last und Ausladung, eingehalten werden. Be schädigungsfrei aufnehmbare Grenzenergie bezeichnet hierbei die Grenzenergie, die herstellerseitig dahingehend, insbe sondere durch Versuche, ermittelt wurde, dass bei ihr eine Beschädigung irgendwelcher Roboterelemente zuverlässig aus geschlossen ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die von einer einer entsprechenden Achse (A_i) zugeordneten mechanischen Struktur aufzunehmende kine tische Energie der Roboterglieder (g₁, . . ., g_i-1, g_i, g_i+1, . . ., g_n) jeder Achse (A_i) auf die durch die mechanische Struktur beschädigungsfrei aufnehmbare Grenzenergie be schränkt wird. Aufzunehmende Energie ist diejenige die auf die Struktur tatsächlich einwirkt.

Dem liegt zugrunde, dass festgestellt wurde, das im Falle eines Crashs nicht die gesamte kinetische Energie des Robo ters aufzunehmen ist, da nur die kinetische Energie der Auftreffkomponente auf den Puffer von diesem aufzunehmen ist und das Glied innerhalb einer kurzen Kollisionszeit zum Stillstand kommen, während sich die restlichen Glieder des Roboters weiter bewegen. So bewegt sich der Roboterarm um seine A3-Achse bei Kollision der Schwinge aufgrund ihrer Bewegung um die A2-Achse weiter. Ebenso bewegt sich die Ro boterhand um die A6-Achse bei Kollision des Karussells wäh rend einer Bewegung um die A1-Achse weiter, wenn Achse 1 und Achse 6 auf einer Geraden liegen. Die von einer Kolli sion betroffene Struktureinheit muss also nur einen Teil der gesamten kinetischen Energie aufnehmen, die im Gesamt system Roboter vorliegt. Aus diesem Grunde muß die gesamte Energie auch nur insofern begrenzt werden, als die von der mechanischen Struktur tatsächlich aufzunehmende Energie von diesem zerstörungsfrei aufgenommen werden kann, also die Energieaufnahmekapazität nicht überschreitet. Auf die von der mechanischen Struktur aufnehmbare Energie muss also nur ein Teil der gesamten kinetischen Energie begrenzt werden; diese kann also größer gewählt werden als wenn sie selbst auf den Wert begrenzt wird, den die Struktur zerstörungs frei aufnehmen kann. Hiermit können die Dynamikgrenzen des Roboters erweitert werden.

Erfindungsgemäß folgen also eine funktionelle Situationsab hängige Überwachung und Planung der kinetischen Energie des Roboters und gegebenenfalls Begrenzungen. Hierbei wird die Achsgeschwindigkeit zustandsabhängig reduziert, indem vor Ausführung eines Bewegungsbefehls rechnerisch unter Berück sichtigung der Roboterstellung und der Nutzlast die kineti sche Energie in Abhängigkeit von der programmierten Achsge schwindigkeit bestimmt wird. Gegebenenfalls, bei Über schreiten der maximal zulässigen Energie wird die Maximal geschwindigkeit der betroffenen Achse entsprechend redu ziert.

Hierdurch wird ein Nutzenvorteil bei Robotervarianten durch höherer Nutzlast, Armerlängerung oder dergleichen erzielt, da die Begrenzung der maximalen Achsgeschwindigkeiten nur in den Zuständen erfolgt, in denen tatsächlich zu hohe ki netische Energie auftreten würde.

Weitere Merkmale ergeben sich aus folgender Beschreibung, in der in einer vereinfachten Darstellung alle für den Al gorithmus relevanten Kollisionssituationen bei rotatori schen Achsen exemplarisch dargestellt sind.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Roboters mit vertikal ge richteter Schwinge und demgemäß geringer Ausladung;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Roboters mit maximaler Auslandung bei sowohl horizontal gerichteter Schwinge als auch horizontal gerichtetem Arm;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Situation bei ei ner Kollision bei der Bewegung des Karussell seines Roboters um die A1-Achse;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Kollisions- Situation bei der Kollision der Schwinger eines Ro boters bei seiner Bewegung um die A2-Achse;

Fig. 5 eine spezielle Situation der Zuordnung an Achse A6 zur Achse A1 des Roboters bei der Kollision des Ka russells bei seiner Bewegung um die A1-Achse, wobei sich die A6-Achse auf einer Geraden mit der A1- Achse befindet; und

Fig. 6 ein Ablauf-Diagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einen Roboter R mit einem stationären Sockel S. einen auf diesem befindlichen ersten Roboterglied 1 in Form eines Karussells, welches um die vertikale A1-Achse des Roboters R drehbar ist, mit einem um die horizontale Achse A2 verschwenkbaren Roboterglied 2, sowie einem freien am Ende der Schwinge 2 um die Achse A3 verschwenkbaren wei teren Roboterglied 3, dem Roboterarm. An dessen freien Ende findet sich eine Roboterhand 7, die ein Werkstück 6 trägt. Mit 8 ist ein Motor zur Drehung der Schwinge 1 um die A1- Achse bezeichnet. 9 bezeichnet einen Motor zur Drehbewegung der Schwinge 2 um die A2-Achse. 10 gibt den Motor für den Arm 3 an und 11 gibt die Motoren zur Bewegung der Hand 7 an. In der Fig. 1 findet sich der Roboter mit einer relativ geringen Ausladung L1 zwischen A1-Achse und Werkstück 6, wobei sich die Schwinge sich in vertikaler Position befin det.

Fig. 2 zeigt den gleichen Roboter mit maximaler Ausladung L2, die dadurch erreicht wird, daß sowohl Schwinge 2 als auch Roboterarm 3 parallel in gleicher Richtung und hori zontal gerichtet sind.

Bei der Kollision des Karussells eines Roboters R mit ihm zugeordneten mechanischen Strukturderivaten, wie Puffern oder Anschlägen (nicht dargestellt), bei einer Bewegung vom Glied 1 - des Karussells - um seine A1-Achse wird nur die Energie der Rotation der Massenträgheit von Glied 2 - Schwinge, sowie höhere Glieder - um Achse A1 mit ½J_2,A2ϕ 2|1 in die vom Puffer aufzunehmende Energie eingehen, nicht aber der Energieanteil in der Rotation der Massenträgheit von Glied 2 um die Achse A2 mit ½J_2,A2 2|2 (Fig. 3).

Bei einer Kollision der Bewegung des Gliedes 2 (Schwinge 5) um seine Achse A2 wurde experimentell beobachtet, das sich die Achse A3 bzw. das Glied 3 - Roboterarm - um die Achse A3 während der Kollision weiterbewegt, selbst wenn eine Be wegung des Glieds 3 mit V₃ = 0 programmiert wurde (Fig. 4). Ein Teil der Bewegungsenergie des Gliedes 3, aufgrund derer (Mit-)Bewegungen um die Achse 2, wurde bei der Kollision in Energie einer Drehbewegung um die Achse A3 umgewandelt, be vor der Roboter stillgesetzt wurde. Diese Bewegungsenergie des Gliedes 3 um die Achse A3 muss daher nicht von der me chanischen Struktur aufgenommen werden. Der Anteil der E nergie, die in Bewegung der Achse 3 umgewandelt wird, hängt im wesentlichen von den Wirkungsgraden der Getriebe und der Reibung im Antriebsstrang ab. Entsprechende Parameter wer den vom Hersteller insbesondere durch Versuche ermittelt.

In der Fig. 5 sind schematisch die Glieder eines Roboters in einer bestimmten Stellung dargestellt, nämlich in einer Stellung, bei der die Achse A1 und die Handachse A6 auf ei ner Gerade liegen. Hierbei ergibt die Kollision des Glie des 1 - Karussell - des Roboters mit der Bewegung um der A1-Achse, dass in Abhängigkeit von Reibung im Antriebs strang, Wirkungsgrad der Getriebe usw. der Teil der Energie in der Bewegung des Werkstücks 6 bei der Rotation um die Achse A6 erhalten bleibt und daher ebenfalls nicht von den der Achse A1 zugeordneten mechanischen Struktur aufgenommen werden muss.

Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum konkreten Ablauf des er findungsgemäßen Verfahrens: Zunächst wird die Linear- und Rotationsgeschwindigkeit V_i, ω_i für i = 1, . . ., n des Massen punktes jedes Glieds i im jeweiligen Koordinatensystem be stimmt.

Sodann wird für sämtliche Achsen i - 1. . ., n zunächst die E nergie bei einer Kollision oder bei einem Crash A_i an einer aktuellen Position aufgrund der Bewegung des Gliedes i be stimmt mit
E_i = (1/2)m_iv_i ² für Linearachsen,
E_i = (1/2)J_iω_i für Rotationsachsen festgelegt, wobei
m_i die Masse des Glieds i und J_i das Massenträg heitsmonoment des Glieds i um A_i ist.

Sodann erfolgt für den Crash A_i, also des Gliedes i, für alle weiteren Achsen j = 1, . . ., i - 1, i + 1, . . ., n die Berechnung von Linear- und Rotationsgeschwindigkeit V_j, ω_j in Koordi naten des Gliedes i mit V_j ^- bzw. ω_j ^-. Im weiteren wird aus V_j, ω_j der Geschwindigkeitsanteil V, ω, der nur durch die Bewegung von A_i, nicht der Bewegung der Glieder zwischen i und j (j wie vorstehend definiert) erklärt werden kann, be stimmt, wie dies unter Bezug auf die Fig. 1 bis 3 anhand konkreter Beispiele erläutert wurde.

Im weiteren wird die Geschwindigkeit nach dem Crash gesetzt als

V_j ⁺ = V_j ^- - V

und die Winkelgeschwindigkeit

ω_j ⁺ = ω_j ^- - ω

und für R-Achsen

δ_L = (1/2)m_j((V_j ^-)² - (V_j ⁺)²)

sowie für die Rotationsachse mit ⁱJ_j als Masseträgheitsmo ment des Gliedes J um die Achse A_i

δ(1/2)ⁱJ_j((ω_j ^-)² - (ω_j ⁺)²).

Die Crashenergie E_i um die Achse A_i gesetzt auf

E_i = E_i + Δ falls Δ < o

Es zeigt sich, das nur ein Anteil der Linear- und Winkelge schwindigkeit - und damit der Energie - eine Bewegung um die Achse, zu der ein Crash hinsichtlich der Energieaufnah me durch die mechanische Struktur berücksichtigt werden muss, da nur dieser Anteil eingeht, so dass eine entspre chende Reduktion der gesamten gegebenen Energie auf diese relevante Energie erfolgen kann. Dieser Sachverhalt gilt für Linearachsen und Drehachsen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Bewegung eines Roboters, da durch gekennzeichnet, dass kinetische Energie von be wegten Robotergliedern (g₁,. . ., g_i-1, g_i, g_i+1, . . ., g_n) um eine Achse (A_i) auf die durch eine der entsprechenden Achse (A_i) zugeordnete mechanische Struktur beschädi gungsfrei aufnehmbare Grenzenergie beschränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem einer entsprechenden Achse (A_i) zugeord nete mechanische Struktur aufzunehmende kinetische Energie der Roboterglieder (g₁,. . ., g_i-1, g_i, g_i+1, . . ., g_n) jeder Achse (A_i) auf die durch den mechanischen Puffer beschädigungsfrei aufnehmbare Grenzenergie be schränkt wird.