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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beeinflussen eines mehrachsigen
Handhabungsgeräts, wie
eines Mehrachs-Industrieroboters, mit einer handgeführten Beeinflussungs-Vorrichtung,
deren Position und Lage (Stellung) im Raum gemessen und zum Beeinflussen
des Handhabungsgeräts
verwendet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zum Beeinflussen einer Bewegung eines mehrachsigen Handhabungsgeräts, wie
eines Mehrachs-Industrieroboters, dessen Lage und Position (Stellung)
im Raum mittels einer enthaltenen Sensorik bestimmbar ist.
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Mehrachsige
Handhabungsgeräte,
wie Mehrachs-Industrieroboter, im Folgenden kurz als Roboter bezeichnet,
werden heutzutage mit Hilfe großer
und relativ schwerer, kabelgebundener Handgeräte bedient und programmiert.
Um ein Verfahren des Roboters per Hand und damit verbunden das sogenannten
Teachen von (Bearbeitungs-)Punkten effizient zu gestalten, muss
eine Bedienperson eine Mehrzahl verschiedener Koordinatensysteme,
wie Welt-, Basis- und Werkzeug- Koordinaten
beherrschen, so dass ohne eine grundlegende Schulung und/oder fundiertes
Hintergrundwissen kaum jemand in der Lage ist, einen solchen Roboter
zu verfahren und/oder zu programmieren.
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Um
dieser Problematik Herr zu werden, ist in der Vergangenheit bereits
vorgeschlagen worden, Roboter unter Verwendung einer handgeführten Beeinflussungs-Vorrichtung
quasi intuitiv zu bedienen und/oder zu programmieren. So ist aus
der
DE 32 23 896 A1 eine
Abtasteinrichtung zum Erstellen von Programmen für bahngesteuerte Industrieroboter
bekannt, mit der die zu programmierende Bahn von Hand abgefahren
und deren Position und Orientierung (Stellung) durch eine Auswerteeinrichtung
in Form elektronischer Daten abgespeichert wird. Die durch die Abtasteinrichtung
erfassten Stellungen werden in elektrische Daten umgewandelt und
drahtgebunden oder drahtlos zur Auswerteeinrichtung übertragen,
in der die bahnbestimmenden Größen ermittelt,
in für
die Robotersteuerung geeignete Daten umgesetzt und gespeichert werden.
In der genannten Abtasteinrichtung kommen zum Erfassen der Stellungen
Kreisel, Beschleunigungsmesser, optisch wirksame Mittel oder auf
der zu programmierenden Bahn abrollbare Kugeln zum Einsatz. Hierbei
ist insbesondere als nachteilig anzusehen, dass die Genauigkeit
der Stellungserfassung aufgrund der eingesetzten Erfassungsmittel über einen
längeren
Zeitraum nur unzureichend ist, so dass sich derartige Vorrichtungen
und mit ihrer Hilfe durchführbare
Programmierverfahren bislang nicht durchgesetzt haben.
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Weiterhin
ist aus der
DE 38 10
054 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungsführung von
mehrachsigen Manipulatoren bekannt, wobei die Bewegungsführung in
die Vorgabe aufeinanderfolgender translatorischer und rotatorischer
Bewegungen des Manipulatorwerkzeugs aufgeteilt wird. Dabei kommt
eine Führungseinrichtung
mit pistolenartigem Gehäuse
zum Einsatz, deren Ausrichtung eine Translation mit zeitbegrenzter
Geschwindigkeitsvorgabe erzeugt, während rotatorische Bewegungen
durch eine Änderung
der räumlichen
Winkellage der Führungseinrichtung
erreicht werden. Hierbei ist es insbesondere als nachteilig anzusehen, dass
die beschriebene Aufteilung in Translations- und Rotationsbewegung
wenig intuitiv ist, wobei die erwähnte Geschwindigkeitsvorgabe
eine weitere Einschränkung
bedeutet. Zudem bedingt die eingesetzte Sensorik auch hier eine
unzureichende Genauigkeit der Stellungserfassung über längere Zeiträume.
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Weiterhin
ist aus der
DE 100
48 952 A1 bekannt, zur Aufnahme von Koordinaten von Raumpunkten
im Zuge einer zeitoptimierten und genauen Bestimmung der räumlichen
Situation eines Roboters Referenzmarkierungen mit Hilfe einer mit
optischen Sensoren ausgerüsteten
Tasteinrichtung zu erfassen und anschließend auf dem Wege einer Bildverarbeitung
die Stellung der Tasteinrichtung zu ermitteln. Hierbei ist vor allen
Dingen die Verwendung einer in diesem Zusammenhang relativ ungenauen, bildverarbeitenden
Sensorik zu bemängeln.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem das Handverfahren und
Programmieren von Robotern, insbesondere das Teachen von Punkten
und Bahnen in einfacher Weise intuitiv durch eine Bedienperson vornehmbar
ist, wobei jedoch besonderer Wert auf die erreichte Genauigkeit
der Beeinflussung gelegt wird, insbesondere vor dem Hintergrund
einzuhaltender Sicherheitsbestimmungen beim Einsatz derartiger Handhabungsgeräte.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass im Wechsel Bewegungen der Beeinflussungs-Vorrichtung und zugeordnete
Bewegungen des Handhabungsgeräts
durchgeführt
werden. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur
Lösung
der Aufgabe vorgesehen, dass diese eine Kontrolleinrichtung zum Überwachen
einer Messungenauigkeit der Stellungsbestimmungs-Sensorik aufweist.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäß eine vorzugebende Gesamtbewegung
des Roboters aus mehreren Teilbewegungen zusammengesetzt, wobei
jeweils nur so lange Bewegungen der Beeinflussungs-Vorrichtung durchgeführt werden,
wie die Genauigkeit der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten
Sensorik beim Teachen ausreicht. Die aufgeführten Nachteile vorbekannter
Verfahren und Vorrichtungen lassen sich auf diese Weise vermeiden, so
dass anders als beim Stand der Technik eine sichere Beeinflussbarkeit
des Roboters gegeben ist.
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In
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist zunächst
vorgesehen, dass die Stellung der Beeinflussungs-Vorrichtung durch eine innerhalb dieser
angeordnete, interne Sensorik gemessen wird, oder dass die Stellung
der Beeinflussungs-Vorrichtung durch eine außerhalb dieser angeordnete,
externe Sensorik gemessen wird, wobei vorzugsweise eine Messungenauigkeit
der zur Stellungsmessung eingesetzten Sensorik kontinuierlich überwacht
wird. Somit ist es im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine
Beeinflussung des Roboters auf Zeiträume zu beschränken, in
denen sich durch die Beeinflussungs-Vorrichtung Stellungen hinreichend
genau bestimmen lassen. Vorzugsweise wird weiterhin eine zeitliche
Abfolge des Wechsels zwischen Bewegungen der Beeinflussungs-Vorrichtung
und Bewegungen des Handhabungsgeräts durch die Messungenauigkeiten
der eingesetzten Sensorik vorgegeben. Mit anderen Worten: Bewegungen
der Beeinflussungs-Vorrichtung können
den Roboter nur dann beeinflussen, wenn die eingesetzte Sensorik
eine hinreichend genaue Erfassung der Stellung der Beeinflussungs-Vorrichtung
erlaubt. Wenn dies nicht (mehr) der Fall ist, kön nen erfindungsgemäß die zugeordneten
Bewegungen des Handhabungsgeräts
erfolgen, bis wiederum eine sichere und genaue Beeinflussbarkeit
des Handhabungsgeräts
durch die Beeinflussungs-Vorrichtung möglich ist.
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In
diesem Zusammenhang sieht eine äußerst bevorzugte
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vor, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Werts für die Messungenauigkeit
eine erforderliche Kalibrierung der eingesetzten Sensorik angezeigt
und optional ein Beeinflussen des Handhabungsgeräts durch die Beeinflussungs-Vorrichtung verhindert
wird. Es erfolgt also regelmäßig eine
Kalibrierung der Beeinflussungs-Vorrichtung, d.h. der in ihr eingesetzten
Sensorik, so dass durch den erfindungsgemäßen Wechsel zwischen Bewegungen
der Beeinflussungs-Vorrichtung und Bewegungen des Handhabungsgeräts ein optimal
sicheres und genaues Beeinflussen eines Roboters möglich ist.
Vorzugsweise erfolgt der Wechsel von einer Bewegung der Beeinflussungs-Vorrichtung
zur Bewegung des Handhabungsgeräts
nach Betätigen
einer Zustimmungseinrichtung. Dies kann vorzugsweise manuell durch
eine Bedienperson geschehen.
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Zweckmäßigerweise
werden im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig
Stellungen oder Stellungsänderungen
in allen bewegungsrelevanten Freiheitsgraden des Handhabungsgeräts erfasst,
so dass intuitiv durch Bewegen der Beeinflussungs-Vorrichtung eine
vollständige
Beeinflussbarkeit des Roboters gegeben ist.
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Wenn
ein konkreter Bahnverlauf der Bewegungsbahn des Roboters nicht von
zentraler Bedeutung ist, kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Anfangs-
und eine Endstellung der Beeinflussungs-Vorrichtung erfasst werden.
Es ist dann in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass
die zugeordnete Bewegung des Handhabungsgeräts entlang einer vorbestimmten
Art von Bahn, z.B. einer geradlinigen, oder zirkularen Bahn, zwischen
den der Anfangs- und der Endstellung der Beeinflussungs-Vorrichtung
jeweils zugeordneten Stellungen des Handhabungsgeräts erfolgt.
Weitere mögliche
Bahntypen sind auch splineförmige
Bahnen, kollisionsfreie Bahnen (mit Hilfe eines Umweltmodells oder
geeigneter, zusätzlicher
Sensorik) oder dergleichen und nicht zuletzt Bahnen, die aus der
Robotersteuerung bekannten Bahnsegmenten zusammengesetzt werden
können
(Approximation einer kontinuierlich aufgezeichneten Bahn anhand
der verfügbaren
Bahnbefehle). Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, dass während der
Bewegung der Beeinflussungs-Vorrichtung kontinuierlich Stellungen derselben
erfasst werden, so dass die zugeordnete Bewegung des Handhabungsgeräts entlang
einer nach Maßgabe
der erfassten Stellungen bestimmten, im Wesentlichen beliebig gestalteten
Bahn erfolgt. Eine Bedienperson kann somit umfassend und in direkter
Weise Einfluss auf eine Bewegungsbahn des Roboters nehmen.
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In äußerst bevorzugter
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass zusätzlich
weitere, einer Stellung des Handhabungsgeräts zugeordnete Parameter, wie
eine Einwirkkraft auf ein zu bearbeitendes Werkstück, durchdie
Beeinflussungs-Vorrichtung bestimmt werden. Die gemessenen Stellungen
und die weiteren bestimmten Parameter der Beeinflussungs-Vorrichtung,
wie ein Bewegungsverlauf einschließlich Geschwindigkeiten und Beschleunigungen,
können
anschließend
zum Erstellen eines Programms zur Bewegungssteuerung des Handhabungsgeräts und/oder
zum direkten Bedienen desselben verwendet werden. Auf diese Weise
ist erfindungsgemäß auch eine
Beeinflussung von Handhabungsgeräten
durch Gestenerkennung möglich.
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Zusätzliche
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten,
dass die Beeinflussungs-Vorrichtung auf das zu beeinflussende Handhabungsgerät kalibriert
wird, indem sie mit diesem verbunden wird, das Handhabungsgerät anschließend eine
vorbestimmte Abfolge von Raumpunkten anfährt und dann Stellungsmesswerte
der Beeinflussungs-Vorrichtung zu bekannten Stellungswerten des
Handhabungsgeräts
in Beziehung gesetzt werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass
zum gezielten Beeinflussen des Handhabungsgeräts, wie einer Auswahl zu verfahrender
Achsen und/oder eines Betriebsmodus, bestimmte mit der Beeinflussungs-Vorrichtung
beschriebene Gesten erkannt und entsprechend zum Beeinflussen des
Handhabungsgeräts
umgesetzt werden.
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Um
das Handhabungsgerät
besonders feinfühlig
und genau zu positionieren und zu orientieren, sieht eine äußerst bevorzugte
Weiterbildung des Verfahrens vor, dass mittels der Beeinflussungs-Vorrichtung
eine Skalierung der Bewegung des Handhabungsgeräts in Raum und/oder Zeit erfolgt.
Zudem kann vorgesehen sein, dass eine Beeinflussung des Handhabungsgeräts mittels
der Beeinflussungs-Vorrichtung auf eine bestimmte Anzahl von Freiheitsgraden
beschränkt
erfolgt.
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Eine
erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass die Sensorik in der Vorrichtung enthalten ist, wobei vorzugsweise
eine Inertial-Sensorik zum Einsatz kommt, die sich in konstruktiv-technischer
Hinsicht einfach, kostengünstig und
platzsparend ausbilden lässt.
Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, dass die Sensorik außerhalb der
Vorrichtung angeordnet ist, wobei vorzugsweise zum Erfassen von
Bewegungen der Vorrichtung externe, außerhalb der Vorrichtung angeordnete
Sensoren vorgesehen und mit einer Steuereinheit des Handhabungsgeräts und/oder
einer Recheneinheit der Vorrichtung verbunden sind. Als externe
Sensoren kommen Kameras, Laser-Triangulationssysteme ("Constellation"), Ultraschallsensoren
etc. in Frage. Die Beeinflussungs-Vorrichtung wäre dann gegebenenfalls um geeignete
Marken oder Empfänger/Sensoren
zu ergänzen,
die das externe Messverfahren unterstützen bzw. überhaupt erst ermöglichen.
Zur umfassenden Einflussnahme auf Gesamtbewegungen des Roboters
ist die eingesetzte Sensorik vorzugsweise zum gleichzeitigen Bestimmen
von Stellungen in allen Freiheitsgraden der Bewegung des Handhabungsgeräts ausgebildet.
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Weiterhin
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
bei Überschreiten
vorbestimmter Parameterwerte für
die Messungenauigkeit nach Maßgabe
der Kontrolleinrichtung keine Beeinflussung des Handhabungsgeräts möglich ist.
Somit wird, sobald die in der Beeinflussungs-Vorrichtung eingesetzte
Sensorik aufgrund einer Sensordrift die für eine Robotersteuerung erforderliche
Genauigkeit nicht mehr erreicht, die Einflussnahmemöglichkeit
für eine
Bedienperson unterbunden, um eine ausreichende Bediensicherheit
zu erhalten. Zur anschließenden
Reduzierung der Messungenauigkeit weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
vorzugsweise eine Kalibriereinrichtung auf.
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Zum
Ermöglichen
einer intuitiven Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann weiterhin vorgesehen sein, dass diese mindestens eine geometrisch
ausgezeichnete Vorzugsrichtung, wie eine Spitze oder dergleichen,
besitzt. In diesem Zusammenhang bietet sich insbesondere eine stiftartige
Ausbildung der Vorrichtung an.
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In äußerst bevorzugter
Weiterbildung weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine Messeinrichtung
zum Bestimmen beim Berühren
eines Objekts auf die Vorrichtung einwirkender Kontaktkräfte oder
Momente auf. Unter Einbeziehung der durch die zusätzliche
Messeinrichtung gelieferten Daten kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
demnach zu sätzlich
zu einer Bewegungssteuerung des Roboters auch im Hinblick auf mit
diesem durchzuführende
Bearbeitungsvorgänge
eingesetzt werden.
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Die
Messdaten der Vorrichtung, d.h. Stellungsdaten und ggf. Krafteinwirkungs-Daten
lassen sich vorzugsweise zur zeitgleichen Bewegungsführung des
Handhabungsgeräts
verwenden, d.h. der Roboter kann "online" nach Maßgabe der Beeinflussungs-Vorrichtung
durch eine Bedienperson geführt werden.
Zusätzlich
oder alternativ sind die Messdaten der Vorrichtung auch "offline" zum Erstellen von Bewegungsprogrammen
für das
Handhabungsgerät verwendbar,
vorzugsweise in einer entsprechenden Steuerungseinrichtung des Roboters.
Auf diese Weise lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführte
Bewegungsabläufe
dauerhaft zur Steuerung von Robotern verwenden.
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Um
insbesondere einer Bedienperson ein sicheres und einfaches Benutzen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu ermöglichen,
weist diese in Weiterbildung vorzugsweise Bedien- und Anzeigeeinrichtungen
zum Auswählen
und Überwachen
der verschiedenen Betriebsmoden (Online- oder Offline-Beeinflussung,
Kalibrierung usw.) auf. Dabei kann es sich insbesondere um Mittel
zur Spracherkennung und/oder Mittel zum Führen einer Bedienperson, insbesondere
zum interaktiven Führen
durch akustische und/oder optische Signale, handeln.
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Um
weiterhin eine flexible Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch mit unterschiedlichen Robotern/Steuerungseinheiten zu ermöglichen,
kann im Rahmen einer äußerst bevorzugten
Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Rechnereinheit
zum Verarbeiten von Messdaten in Steuerungsdaten für das Handhabungsgerät aufweist.
In Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise
mittels einer Übertragungseinrichtung
zum Über tragen
von Daten an das Handhabungsgeräts
bzw. dessen Steuerung ausgebildet. Die Übertragung erfolgt vorzugsweise
drahtlos.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer möglichen
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 in
einer schematischen Darstellung die Anbindung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an
eine Robotersteuerung;
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3 schematisch
eine mögliche
Ausgestaltung eines Sensormoduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4a eine
Posenvorgabe für
einen Roboter unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4b die
den Posenvorgaben der 4a zugeordneten Bewegungen eines
Roboters;
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5a, 5b den
Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens
analog zur Darstellung der 4a, 4b,
jedoch bei detaillierter Bahnvorgabe für den Roboter unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6a, 6b, 6c weitere
mögliche Bewegungen
eines Roboters bei Beeinflussung mittels einer erfindungsge mäßen Vorrichtung;
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7 in
einem Ablaufdiagramm eine erfindungsgemäße Bewegungsvorgabe für einen
Roboter; und
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8 anhand
eines Ablaufdiagramms eine erfindungsgemäße Koordinatensystem-Vorgabe
für einen
Roboter.
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Die 1 zeigt
schematisch eine mögliche Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung als
stiftähnliches
Gerät 1.
Jedoch ist es alternativ auch möglich,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
innerhalb eines herkömmlichen
Roboterbediengeräts auszubilden.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass sich speziell stiftähnlich ausgeformte
Geräte
aufgrund ihrer ausgeprägten
inhärenten
Vorzugsrichtung in besonders einfacher Weise als intuitiv brauchbare
Beeinflussungs-Vorrichtung einsetzen lassen. Dementsprechend weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
ausgewiesene Spitze 2 auf, die mit einem Referenzpunkt
R der Vorrichtung 1 zusammenfällt. Im Bereich der Spitze 2 weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß der 1 weiterhin
eine Messeinrichtung 3 in Form eines Kraft-Momenten-Sensors auf,
um mittels der Vorrichtung 1 auch das Teachen von Kräften, beispielsweise
Einwirkkräften
auf ein Werkstück
(nicht gezeigt), zu ermöglichen.
Der untere, schaftartige Teil 4 der Vorrichtung 1 umfasst
gemäß der in 1 gezeigten
Ausgestaltung die weiteren Funktions-, Bedien- und Anzeigeeinrichtungen der
Vorrichtung 1: Diese weist zunächst ein Sensormodul 5 auf,
das vorzugsweise zum Erfassen von translatorischen und rotatorischen
Bewegungen in sechs Freiheitsgraden, d.h. in drei translatorischen und
drei rotatorischen Freiheitsgraden ausgebildet ist, z.B. über Beschleunigungsmesser
und Kreisel (vergleiche 3), was dem Fachmann an sich
geläufig
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt – wie nachfolgend
noch deutlich werden wird – insbesondere
die Verwendung relativ ungenauer und somit preiswerter Beschleunigungsmesser,
Kreisel oder ähnlich
ungenauer Messgeräte
im Sensormodul 5. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
Rechen- und Speichereinheit 6, mittels derer ein Großteil der
Vorverarbeitung der von der Messeinrichtung 3 und vom Sensormodul 5 gelieferten
Messwerte (Rohdaten) bereits innerhalb der Vorrichtung 1 durchgeführt werden
kann und die erfindungsgemäß auch als
Kalibriereinrichtung sowie als Kontrolleinrichtung für die Messgenauigkeit
des Sensormoduls 5 programmtechnisch eingerichtet ist.
Es ist jedoch auch möglich,
die mittels der Messeinrichtung 3 und dem Sensormodul 5 gewonnenen
Rohdaten direkt an eine Robotersteuerung 13 (vergleiche auch 2)
zu übertragen.
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Alternativ
zu der bislang besprochenen vorrichtungsinternen Anordnung des Sensormoduls 5 können im
Zuge der Erfindung auch externe Sensoren 5' zum Bestimmen einer Stellung der
erfindungsgemäßen Beeinflussungs-Vorrichtung 1 im
Raum vorgesehen sein, wie in 1 ebenfalls
dargestellt ist. Bei den externen Sensoren 5' kann es sich beispielsweise um
Kameras, Laser-Triangulationssysteme, Ultraschall-Sensoren oder
dergleichen handeln. Die Vorrichtung 1 weist in diesem
Fall geeignete, mit den Sensoren 5' zusammenwirkende Markierungen und/oder
Empfänger/Sender
auf, die das entsprechende, externe Stellungs-Bestimmungs-Verfahren unterstützen bzw. überhaupt
erst ermöglichen.
Derartige Markierungen oder dergleichen sind in der 1 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht gezeigt, dem Fachmann jedoch an sich selbstverständlich bekannt.
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Die
externen Sensoren 5' können entweder mit
der Recheneinheit 6 der Vorrichtung 1 oder mit der
Robotersteuerung 13 in Wirkverbindung stehen, was in der 1 durch
eine strichpunktierte Verbindungslinie V1 bzw.
eine gestrichelte Verbindungslinie V2 ausgedrückt ist.
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Zur
Datenübertragung
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weiterhin
eine Übertragungseinrichtung 7 auf,
die insbesondere als Funkmodul zur drahtlosen Datenübertragung
ausgebildet sein kann. Darüber
hinaus besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
Anzeigeeinrichtung 8, beispielsweise in Form eines LCD-Displays
oder eines Touchscreens, mit einer ersten zugeordneten Bedienungseinrichtung
in Form eines Jog-Rads 9, sowie ein Mikrophon 8' und einen Lautsprecher 8'' in Wirkverbindung mit geeigneten
hard- und softwaretechnischen Einrichtungen (nicht gezeigt) für eine Sprachsteuerung
der Vorrichtung 1 durch akustische Ein- und Ausgaben. Weiterhin
gezeigt sind in 1 noch weitere Bedienelemente,
wie Tasten und/oder Druckschalter 10, 10', sowie eine
Beleuchtungs- und/oder Anzeigeeinrichtung 11, vorzugsweise
in Form einer Leuchtdiode LED. Zusätzliche, an sich bekannte Bedienelemente,
wie Joystick, Touchpad, Schalter oder dergleichen sind möglich, um
zusätzliche
Interaktionsmöglichkeiten
einer Bedienperson mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu
schaffen. Anstelle einer LED 11, wie in 1 gezeigt,
können
im Bereich der Spitze 2 mehrere Leuchtdioden konzentrisch
angeordnet sein, um insbesondere die Feinpositionierung eines Roboters
durch zielgerichtetes Beleuchten der Umgebung zu erleichtern.
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Grundsätzlich eignet
sich ein rotationssymmetrischer Körper, wie der gezeigte Stift,
nur bedingt zum Festlegen von sechs Freiheitsgraden, wie dies zum
Beeinflussen eines Mehrachs-Industrieroboters erforderlich ist.
Für eine
Bedienperson muss die Drehung um die Längsachse (evtl. Symmetrieachse)
des Stiftes optisch erkennbar bleiben, d.h. es darf keine absolute
Rotationssymmetrie bestehen. Dies wird erfindungsgemäß schon
dadurch erreicht, dass die Vorrich tung 1 bestimmte Bedien-
und Anzeigeelemente (s.o.), die ihr eindeutig eine Vorder- und Rückseite
zuweisen, und die erwähnte
Spitze 2 aufweist, die zur Kennzeichnung von "oben" und "unten" dient.
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Alternativ
zur in 1 gezeigten drahtlosen Verbindung zwischen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und
einer Robotersteuerung (2) kann natürlich auch eine Kabelverbindung
vorgesehen sein, wobei das Kabel vorzugsweise an dem der Spitze
abgewandten, unteren Ende des schaftartigen Teils 4 der
Vorrichtung 1 austritt.
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Zur
Energieversorgung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 vorzugsweise
eine interne Spannungsquelle 12 in Form einer Anzahl (herkömmlicher)
Batterien oder Akkumulatoren auf. Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 vorzugsweise
eine sogenannte "Docking-Station" (nicht dargestellt),
so dass beispielsweise die Akkus der Vorrichtung 1 problemlos
geladen werden können
und darüber
hinaus ein sicherer Aufbewahrungsort für die Vorrichtung 1 existiert.
Die Docking-Station kann zusätzlich
geeignete Verbindungen zum Übertragen
und Abgleichen von Daten zwischen einer Robotersteuerung und der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
bereit stellen.
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Die
Docking-Station kann in ein herkömmliches
Bedienhandgerät
integriert sein, sei es nur als sicherer Aufbewahrungsort oder zur
Energie- und Datenübertragung
an die Beeinflussungs-Vorrichtung. Darüber hinaus kann durch Einstecken
der Beeinflussungs-Vorrichtung in das Bedienhandgerät das Bedienhandgerät als solches
um viele Funktionalitäten
erweitert werden, z.B. Lageerkennung einer Bedienperson, die das
Bedienhandgerät
hält, in
Bezug auf den Roboter. Dies kann aus Sicherheitsgründen erfolgen
oder auch das Handverfahren mittels Spacemouse/Verfahrtasten einfacher
machen.
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Beispielsweise
ließe
sich so das Tool-Koordinatensystem immer so in Bezug auf das Bedienhandgerät mit integrierter
Beeinflussungs-Vorrichtung ausrichten, dass ein Auslenken der Spacemouse nach "rechts" auch immer ein Verfahren
des Roboters nach "rechts" bewirkt. Die Bedienperson
muss sich also nicht merken, wie das Tool-Koordinatensystem liegt,
sondern kann davon ausgehen, dass es immer einen bestimmten Winkel
(vorzugsweise parallel) zum Bedienhandgerät einnimmt.
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Mittels
der in der Vorrichtung 1 enthaltenen Rechen- und Speichereinrichtung 6 ist
es möglich, personenbezogene
Daten für
die Vorrichtung zu speichern, die durch eine Robotersteuerung (2) verwendet
werden können,
um Bedienpersonen zu identifizieren und gemäß dieser Identifikation bestimmte
Benutzerrechte freizugeben. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in
ihrer Ausgestaltung gemäß 1 zur
Speicherung von Benutzerprofilen (z.B. Anfänger oder Experte) und zu einer
Authentifizierung von Bedienpersonen.
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Das
Sensormodul 5 kann zusätzlich
zu den angesprochenen Sensormitteln noch weitere Sensormittel aufweisen,
wie Magnetfeldsensoren, Temperatursensoren oder dergleichen, was
an sich bekannt ist. Insbesondere mit Hilfe von Magnetfeldsensoren
lässt sich – ein messbares
ungestörtes
Magnetfeld, wie das Erdmagnetfeld, vorausgesetzt – die Orientierung
des in der Vorrichtung 1 enthaltenen inertialen Messsystems
driftfrei ermitteln, beispielsweise zu Kalibrierzwecken.
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Die 2 zeigt
anhand eines Blockschaltbilds nochmals den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
insbesondere einer Vorrichtung 1 gemäß der 1, sowie
deren Anbindung an die Steuerungseinheit 13 eines Roboters
(Robotersteuerung). Die Darstellung der 1 entsprechende Funktions elemente
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Robotersteuerung 13 weist erfindungsgemäß eine mit der Übertragungseinrichtung 7 der Vorrichtung 1 zusammenwirkende Übertragungseinrichtung 13.1 auf.
Die in der 2 als Mikrocontroller μC dargestellte
Recheneinheit 6 der Vorrichtung 1 empfängt Signale
von dem Sensormodul 5 (1), das
in der Darstellung der 2 in mehrere Einzelsensoren
unterteilt dargestellt ist: Gezeigt sind exemplarisch drei Beschleunigungssensoren 5.1-5.3 für Beschleunigungen
in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen X, Y, Z sowie drei
Drehratensensoren 5.4-5.6 zur Bestimmung von Drehraten
um jeweils eine der genannten drei Raumrichtungen. Weiterhin ist
in 2 als Teil des Sensormoduls 5 ein weiterer
Sensor 5.7, beispielsweise ein Temperatur- oder Magnetfeldsensor
gezeigt, der ebenfalls mit dem Mikrocontroller μC verbunden ist. Darüber hinaus
empfängt
der Mikrocontroller μC
(Eingabe-)Signale der Bedienungseinrichtungen 9, 10, 10' (vergleiche 1).
Ausgangssignale des Mikrocontrollers μC gelangen über die Übertragungseinrichtung 7, vorzugsweise
ein Funkmodul, zur Robotersteuerung 13, die ihrerseits – wie in 2 durch
einen Doppelpfeil ausgedrückt – in der
Lage ist, mittels ihrer eigenen Übertragungseinrichtung 13.1 über die Übertragungseinrichtung 7 der
Vorrichtung 1 mit deren Recheneinheit 6 zu kommunizieren,
beispielsweise um roboterspezifische Informationen, Auswahlmenüs oder dergleichen
auf der Anzeigeeinheit 8 (1) der Vorrichtung 1 zur
Anzeige zu bringen.
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In 3 ist
schematisch eine mögliche
Ausgestaltung des Sensormoduls 5 der 1 gezeigt, das
in der dargestellten Ausgestaltung zum Erfassen von Beschleunigungen
und Drehraten in bzw. um drei zueinander orthogonale (n) Raumrichtungen
X, Y, Z ausgebildet ist. Die eingesetzten Sensoren 5.1- 5.6 (2)
sind an sich bekannt; es kann sich dabei insbesondere um bekannte
Beschleunigungssensoren handeln, wie relativ kostengünstige Kreisel
und/oder elektrostatische (kapazitive) Sensoren, die – wie nachfolgend
im Zuge der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch deutlich
werden wird – ein
relativ ungenaues Messverhalten im Sinne einer geringen Driftstabilität aufweisen
können.
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Anhand
der folgenden 4a-8 wird dargestellt,
wie sich die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum
Beeinflussen eines Handhabungsgeräts, wie eines Industrie-Roboters,
im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzen
lässt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1,
im folgenden auch als Beeinflussungs-Vorrichtung bezeichnet, dient
zur Vorgabe von Bewegungen von Mehrachsmaschinen, insbesondere zum
Handverfahren von Robotern mit besonderem Fokus auf das Teachen
von Punkten und Bahnen. Dabei folgt die Bewegung des Roboters durch
wiederholten Wechsel zwischen einer Bewegungsvorgabe (Posenvorgabe)
mit Hilfe der Beeinflussungs-Vorrichtung und einer anschließenden Bewegungsfreigabe
zur Bewegungsausführung
durch den Roboter.
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In
den 4a, 4b ist dargestellt, wie sich
ein Roboter 14 unter Verwendung der Beeinflussungs-Vorrichtung 1 von
seiner augenblicklichen Pose (Position und Orientierung) P1 (links in 4b) über Zwischenposen
P2, P3 in eine Zielpose
P4 (rechts in 4b) verfahren
lässt,
indem abwechselnd eine Bewegung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 vorgegeben
(4a) und jeweils zugeordnete Bewegung des Roboters 14 ausgeführt wird (4b).
In der Regel wird dabei die Beeinflussungs-Vorrichtung durch eine
nicht gezeigte Bedienperson handgeführt. Die in der 4a dargestellten Bewegungsvorgaben
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 entsprechen
(von ihrer zweidimensionalen Projektion) Translationsbewegungen
T, T', T'' (gestrichelte Linien in 4a)
verbunden mit Umorientierungen insbesondere eines Roboterwerkzeugs 14.1 bzw.
des TCP (Tool Center Point) des Roboters 14, was in der 4a durch
Drehen der Vorrichtung 1 um einen Winkel α, α', α'' dargestellt ist. Wie aus den 4a, 4b ersichtlich,
werden erfindungsgemäß zugleich
Translationsbewegungen T-T'' sowie Rotationsbewegungen α-α'' des Roboters 14 in dessen
sämtlichen
Bewegungsfreiheitsgraden mit Hilfe der Beeinflussungs-Vorrichtung 1 vorgegeben.
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Da
eine Messgenauigkeit der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 verwendeten
Sensorik und/oder ein Bewegungsradius der Bedienperson in der Regel
nicht ausreichen, um den gesamten Weg des Roboters 14 von
der Startpose P1 in die Zielpose P4 in einem einzigen Verfahrensschritt vorzugeben, wird
die gesamte Bewegung in mehrere Teilabschnitte P1-P2, P2-P3,
... unterteilt, wobei ein schnelles Wechselspiel aus einer Bewegungsvorgabe
und einer Bewegungsfreigabe mit Hilfe der Vorrichtung 1 sowie
einer Bewegungsausführung
durch den Roboter 14 realisiert wird: Zunächst wird
die Sensorik der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in
deren Ausgangsstellung (links in 4a) kalibriert,
d.h. vorzugsweise "genullt" (sämtliche
Positions- oder Lagewerte werden auf Nullgesetzt). Da die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 2 mit
der Steuerung 13 des Roboters 14 kommuniziert,
ist diesem bzw. dessen Steuerung auf diese Weise auch die relative
Pose der Vorrichtung 1 bezüglich des Roboters 14 bekannt
(vergleiche 4b), so dass die Stellung einer
vorzugsweise durch eine Bedienperson gehaltenen Vorrichtung 1 der
Orientierung und Position des TCP des angeschlossenen Roboters 14 entspricht
(links in 4b). Anschließend wird
eine relative Lageänderung
der Vorrichtung 1 in Richtung der Zielpose P4 durchgeführt, wobei
gemäß der in 4a, 4b gezeigten
Ausgestaltung keinerlei Bahninformation aufgezeichnet wird, d.h.
lediglich die Stellungen P1 und P2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 werden
erfasst. Anschließend
wird der Roboter 14 veranlasst, die gewünschte, zugeordnete Posenveränderung,
z.B. bezogen auf seinen TCP, herbeizuführen. Die Zeit, die ausgehend
von der Pose P1 bis zum Erreichen einer
Ziel- oder Zwischenpose, hier der Pose P2,
verbleibt, d.h. diejenige Zeit, während der Bewegungsvorgaben
für den
Roboter 14 mittels der Vorrichtung 1 möglich sind,
entspricht der Zeit, während
der die insbesondere bei preiswerten Sensoren unweigerlich auftretenden
Driftfehler vernachlässigt
werden. Sie hängt
insbesondere von der Art der mit der Vorrichtung 1 ausgeführten Bewegung
ab. Zu diesem Zweck überwacht
die Recheneinheit 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die bei
der erforderlichen zweifachen Integration der von den Beschleunigungs-
und Drehratensensoren 5.1-5.6 (vergleiche 2)
gelieferten Messwerten entstehende Positions- und Orientierungsungenauigkeit
und gibt, wenn dieser Zeitpunkt erreicht ist, ein Signal aus, mit
dessen Hilfe die Bewegungsvorgabe gestoppt wird. Bei diesem Signal
kann es sich beispielsweise um ein optisches oder akustisches Signal
an eine Bedienperson handeln, so dass diese eine Bewegungsvorgabe
aus freien Stücken
abbrechen kann. Allerdings ist erfindungsgemäß auch vor Ausgabe eines derartigen
Signals das Beenden einer Bewegung durch die Bedienperson jederzeit
möglich.
Es ist jedoch erfindungsgemäß ebenso
möglich, automatisch
die zu dem genannten Zeitpunkt erreichte Ziel- oder Zwischenpose
aufzuzeichnen und entsprechend weitere vorgegebene Bewegungen der Vorrichtung 1 zu
ignorieren. Vorzugsweise kommt jedoch eine Kombination der beiden
vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen zum Einsatz. Auf diese
Weise lässt
sich erfindungsgemäß eine gewünschte Genauigkeit
der Roboterbewegung trotz der unvermeidlichen Sensordrift garantieren,
wobei der vorstehend beschriebene Wechsel zwischen Bewegungsvorgabe
und Bewegungsausführung
nach Maßgabe
der in diesem Falle als Kontrolleinrichtung fungierenden Recheneinheit
erfolgt.
-
Zur
Vorgabe der Gesamtbewegung P1-P4 des
Roboters 14 wird die Vorrichtung 1 folglich jeweils über kurze
Bahnabschnitte bewegt, woraufhin der Roboter veranlasst wird, die
gewünschte
Posenänderung
herbeizuführen.
Eine Bedienperson wird demnach direkt oder indirekt zum wiederholten Kalibrieren,
d.h. zum Nullen des Koordinatensystems der Vorrichtung 1 in
Bezug auf die gegenwärtige Pose
des Roboters 14 aufgefordert bzw. gezwungen, so dass die
Teilbewegungen jeweils eine erforderliche Genauigkeit aufweisen.
Dies geschieht dadurch, dass
- – die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bzw.
deren Recheneinheit 6 (Mikrocontroller μC) keine andere Art der Bewegungsvorgabe
als das Zusammensetzen von Bahnsegmenten
- – wie
vorstehend beschrieben – akzeptiert,
wobei vor jeder Teilbewegung eine Kalibrierung der Vorrichtung 1 erfolgen
muss. Der Abschluss einer erfolgreichen Kalibrierung wird einer
Bedienperson beispielsweise durch das Aufleuchten einer LED (vergleiche
Bezugszeichen 11 in 1) angezeigt,
so dass bekannt ist, ab welchem Zeitpunkt eine Bewegungsaufzeichnung
beginnen darf;
- – die
Bedienperson nach Kalibrierung eines bestimmten Weges und/oder eines
bestimmten Winkels in wenigstens einer der Koordinatenrichtungen
zur Kalibration aufgefordert wird, wobei für Wege und Winkel je nach Messprinzip
und Sensor unterschiedliche Grenzwerte gelten können. Die Kalibrations-Aufforderung
wird beispielsweise durch LED oder durch Verweigerung der erforderlichen
Bewegungsfreigabe (siehe unten) angezeigt;
- – die
Bedienperson durch einen in der Recheneinheit 6 (1)
integrierten Watchdog-Timer zum wiederholten Kalibrieren gezwungen
wird, was wiederum beispielsweise durch Verlöschen der LED, die einen kalibrierten
Zustand der Vorrichtung 1 signalisiert, und/oder Verweigerung
der Bewegungsfreigabe (siehe unten) erfolgt.
-
Nach
erfolgter Bewegungsaufzeichnung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist – wie bereits
erwähnt – eine Freigabe
der zugeordneten Bewegung des Roboters 14 notwendig. Diese
erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Bedienperson eine Bestätigungseinrichtung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
wie eine der in 1 gezeigten Tasten 10, 10', betätigt, die
der Zustimmtaste eines herkömmlichen
Bedien-Handgeräts
entspricht. Die Bewegungsfreigabe kann jederzeit entzogen und erneut
erteilt werden, bis die vorgegebene (Teil-)Bewegungsbahn komplett
abgefahren oder die Bewegungsdurchführung komplett abgebrochen wurde.
Ein solcher Abbruch kann beispielsweise durch erneutes Nullen des
Vorrichtungs-Koordinatensystems auf einen bestimmten Tastendruck,
ein Sprachkommando, eine Geste oder dergleichen erfolgen. Gemäß der 4b bewegt
sich der Roboter 14, wenn die Bewegungsvorgabe – wie vorstehend beschrieben – erteilt
wird, wahlweise auf einer schnellstmöglichen Bahn, einer linearen
Bahn oder einer seiner Umgebung angepassten (kollisionsfreien) Bahn,
so dass beispielsweise der TCP eine Lageänderung entsprechend der mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bestimmten
Stellungsänderung
erfährt.
Anschließend
wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein
weiteres Bahnsegment aufgezeichnet, wobei eine Nullung der Vorrichtung 1 nur dann
erforderlich ist, wenn seit der letzten Nullung eine hinreichend
lange Zeit vergangen ist, so dass davon ausgegangen werden muss,
dass die aufintegrierte Messungenauigkeit die Bedienung des Roboters 14 unnötig erschweren
würde.
Nach anschließender
erneuter Bewe gungsfreigabe verfährt
der Roboter 14 in die nächste
(Zwischen-)Pose. Sollte die von der Bedienperson gewünschte Zielpose
P4 noch immer nicht erreicht sein, wird
ein weiteres Bahnsegment, ggf. nach erneuter vorheriger Nullung
der Vorrichtung 1, aufgezeichnet. Nach Erreichen der Zielpose
P4 wird diese durch entsprechende Eingabe
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
beispielsweise durch Drücken
einer der Tasten 10, 10', übernommen und – ggf. nach
erfolgter Verarbeitung in der Recheneinheit 6 (1, 2) – an die
Robotersteuerung 13 übertragen,
wo sie in ein Roboter-Steuerungsprogramm übernommen werden kann.
-
Das
Jog-Rad 9 dient zur Vorgabe von Override-, Skalierungs- oder Geschwindigkeits-Faktoren oder
zur Menü-Auswahl.
Beispielsweise kann ein Drehen am Jog-Rad 9 nach vorne
eine Beschleunigung des Roboters zur Folge haben, eine Drehung nach
hinten eine Verlangsamung. Viele Jog-Räder haben zudem bereits eine
Drucktasten-Funktion integriert, die zur Übernahme von Punkten in ein
Programm oder zum Akzeptieren einer erreichten Pose verwendbar ist,
um so eine konstruktive Verkleinerung der Beeinflussungs-Vorrichtung
zu erreichen.
-
Die 5a, 5b zeigen
die Bewegung eines Roboters 14 in mehrere (Ziel-)Posen
P1-P4 mittels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
wobei Bahninformation betreffend die Bewegungsbahn B, B', B'' zwischen den einzelnen Posen aufgezeichnet werden.
Der weitere Verfahrensablauf entspricht dem bereits vorstehend anhand
der 4a, 4b erläuterten, d.h. eine Bedienperson
gibt mittels der Vorrichtung 1 abwechselnd Posen bzw. Stellungen vor
und erteilt entsprechende Bewegungsfreigaben. Erfindungsgemäß bedeutet
ein Aufzeichnen von Bahninformationen, dass nach Maßgabe eines
bestimmten Messtaktes der verwendeten Sensorik bzw. des Mikrocontrollers μC alle zwischen
der Start- und der (Zwi schen-)Zielpose, beispielsweise den Posen P1, P2, während der
Stellungsänderung
der Beeinflussungs-Vorrichtung 1 gemessenen Posen erfasst werden.
Wiederum nach erfolgter Bewegungsvorgabe bewegt sich der Roboter 14 auf
der aufgezeichneten Bahn B, B',
B'' dergestalt, dass
sich beispielsweise die Lage des TCP entsprechend der Stellungsänderung
der Vorrichtung 1 ändert.
Optional manipuliert die Robotersteuerung 13 (2)
die aufgezeichnete Bahn B, B',
B'' in geeigneter Art
und Weise, beispielsweise durch Glätten, Anpassung an Maximal-Geschwindigkeiten
des Roboters 14 oder dergleichen, und legt sie beispielsweise
in Form eines Splines oder mehrerer linearer Segmente in einem Steuerungsprogramm
für den
Roboter 14 ab. Sollte eine abgefahrene Bahn, beispielsweise
die Bahn B, für
ein Verfahren des Roboters 14 ungeeignet sein, beispielsweise
aufgrund einer drohenden Kollision, so fährt der Roboter 14 automatisch,
und/oder auf Tastendruck in die vorherige (Ziel-)Pose, hier die
Pose P1, so dass mit einer erneuten Bahnaufzeichnung
begonnen werden kann. Über
die an der erfindungsgemäßen Beeinflussungs-Vorrichtung
integrierten Bedieneinrichtungen oder weitere, nicht explizit dargestellte
Interaktionsformen, wie Sprachsteuerung oder dergleichen, besteht
prinzipiell immer die Möglichkeit,
sämtliche
bereits geteachte Bahnsegmente erneut zu manipulieren, zu überspringen,
zu löschen usw.
-
Wie
in die 6a-6c dargestellt,
ist eine Skalierung der gesamten auszuführenden Roboterbewegung in
Bezug auf Raum und Zeit möglich.
Hierzu ist in den 6a-6c jeweils
untereinander die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durchgeführte Bewegungsvorgabe
in der oberen Zeile der Darstellung gezeigt, unter der jeweils in
zeitlicher Abfolge von oben nach unten die zugeordneten Bewegungszustände des
Roboters 14 bzw. dessen Werkzeug 14.1 oder TCP
dargestellt sind.
-
Die 6a zeigt
eine Bewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 von
einer Start- zu einer Endpose sowie (darunter) die dazugehörige relative
Stellungsänderung
des Roboters 14 von einer Start- in eine Endpose bezogen
auf den TCP, d.h. die Spitze des Werkzeugs 14.1. Hierbei
wird die Stellungsänderung
der Vorrichtung 1 ohne jegliche Skalierung direkt in eine
entsprechende Stellungsänderung
des Roboters 14 umgesetzt. Die dargestellte Zwischenpose
(drittes Bild von oben in 6a) dient lediglich
einer Veranschaulichung der Roboterbewegung.
-
In
der 6b ist eine Bewegung des Roboters 14 unter
Verwendung einer Skalierung der Bewegung gezeigt. Während die
mittels der Vorrichtung 1 vorgenommene Bewegungsvorgabe
exakt derjenigen der 6a entspricht, verfährt der
Roboter 14 auf einer wesentlich kürzeren Bahn, was durch einen Vergleich
der 6a und 6b leicht
ersichtlich ist, d.h. der verwendete Skalierungsfaktor hat einen
Wert kleiner Eins.
-
Die 6c zeigt
ein Verfahren des Roboters 14 auf einer aufgezeichneten
Bahn, jedoch wiederum ohne Skalierung. Entsprechend erreicht der
Roboter gemäß der 6a und
der 6c eine identische Zielpose (jeweils unterstes
Bild der 6a, 6c).
-
Durch
die vorgeschlagene Skalierung kann der Roboter 14 sehr
feinfühlig
positioniert und orientiert werden, wenn die Bewegungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sehr
viel größer als
die tatsächlich
durchgeführte
Bewegung des Roboters 14 ist. Andererseits lässt sich
auf diese Weise auch z.B. ein sehr großer Roboter komfortabel programmieren, indem
die Vorrichtung 1 nur wenig bewegt wird, dabei jedoch eine
große,
zugeordnete Bewegung des Roboters 14 er zeugt. Weiterhin
kann die in das Steuerungsprogramm des Roboters übernommene Geschwindigkeit
direkt einer entsprechenden Geschwindigkeit der vorgeführten Bewegung
entsprechen. Es ist jedoch zur Sicherheit einer Bedienperson möglich, die
Geschwindigkeit des Roboters während des
Programmiervorgangs auf vorgegebene, erlaubte Werte zu beschränken. Eine
endgültige
Bahngeschwindigkeit und die zugeordneten Beschleunigungen können ebenso
wie weitere Randbedingungen auch durch einen nachgelagerten Programmierprozess,
z.B. entsprechende Eingaben an einem herkömmlichen Bediengerät, angepasst
werden.
-
Die
vorstehend detailliert beschriebene relative Bewegungsvorgabe mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann
optional auf beliebige Weise eingeschränkt werden, beispielsweise
durch Beschränken
auf eine bestimmte Anzahl von Freiheitsgraden der Bewegung, beliebige
Kombinationen rotatorischer und translatorischer Freiheitsgrade
oder in Bezug auf frei wählbare
und/oder mit der Vorrichtung 1 teachbare Koordinatensysteme.
Das erfindungsgemäße Verfahren
für den
Ablauf einer Bewegungsvorgabe und einer Koordinatensystemvorgabe ist
nachfolgend anhand der 7 bzw. 8 jeweils in
Form eines Ablaufdiagramms nochmals detailliert dargestellt.
-
Erfindungsgemäß beginnt
eine Bewegungsvorgabe gemäß der 7 mit
Schritt S1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 (vergleiche 1-6c)
wird in Schritt S2 beliebig im Raum gehalten, typischerweise in
der Nähe
des TCP, da dann insbesondere die Vorstellung des Verfahrvorgangs
für eine
Bedienperson einfacher ist. Auf einen Starthinweis der Bedienperson
in Schritt S3 werden die gegenwärtige
Stellung der Vorrichtung und die Pose des Roboters in Beziehung
gesetzt, d.h. ihre relative Stellung zueinander wird ermittelt.
Der Starthinweis kann manuell erfolgen, z.B. durch Drücken einer Taste,
durch Spracheingabe oder durch eine bestimmte Bewegung der Vorrichtung
(Gestenerkennung). Zusätzlich
oder alternativ kann der Starthinweis auch automatisch ermittelt
werden, z.B. durch Näherungssensoren
am Roboter oder der Vorrichtung oder durch intelligente Bewegungserkennung, die
dann anspricht, wenn die Vorrichtung sich längere Zeit in Ruhe befindet
und dann plötzlich
in eine andere Lage bewegt wird.
-
Anschließend bewegt
die Bedienperson in Schritt S4 die erfindungsgemäße Vorrichtung im Raum, wobei
der zurückgelegte
Weg bzw. die auf diesem Weg eingenommenen Posen aufgezeichnet werden
kann/können
(Schritt S5). Auf einen dem Starthinweis entsprechenden Stophinweis
in Schritt S6 wird die Bahnaufzeichnung beendet bzw. die Endpose
der Vorrichtung bestimmt. Wenn die Bedienperson nun in Schritt S7
die Bewegungsfreigabe erteilt, kann der Roboter parallel zur aufgezeichneten
Bahn im Raum verfahren werden oder aber selbsttätig die gewünschte relative Fahrbewegung
berechnen und durchführen
(Schritt S8), wobei ggf. noch ein Offline-Planungssystem zur Kollisionsvermeidung
zum Einsatz kommt. Die Bedienperson kann die Bewegungsfreigabe jederzeit
entziehen und/oder eine gerade durchgeführte Bewegung abbrechen; dies
ist in 7 durch die gestrichelte Linie A dargestellt.
Anschließend
erfolgt in Schritt S9 die Abfrage, ob der Roboter die gewünschte Pose
eingenommen hat. Wird diese Abfrage bejaht (j), so endet der Ablauf
in Schritt S10, und die Endpose wird ggf. in ein Roboter-Steuerungsprogramm übernommen.
Wenn nicht (n), wird der Ablauf so lange wiederholt, bis der Roboter
die gewünschte
Pose eingenommen hat. Hierzu erfolgt in Schritt S11 zunächst eine
Abfrage dahingehend, ob die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte
S2, S3 entfallen können.
Wird die Abfrage S11 bejaht (j), so wird der Verfahrensablauf mit Schritt
S4 fortgesetzt. Anderenfalls (n) wird mit Schritt S2 fortgefahren.
-
Die
Schritte S2, S3 können
insbesondere dann entfallen, wenn
- – der zuletzt
erreichte Endpunkt mit einer ausreichenden Genauigkeit erreicht
wurde;
- – die
Genauigkeit an diesem Bahnpunkt noch keine Rolle spielt; oder
- – die
Bedienperson durch bewusstes oder unbewusstes "schiefes" Positionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die akkumulierten Fehler der dort enthaltenen Sensorik (1-3) selbsttätig kompensiert.
-
In
diesen Fällen
gilt der zuletzt erreichte Endpunkt als Startpunkt für die neue
(Teil-)Bewegung. Bewertungen hinsichtlich der Bewegungsgenauigkeit können im
Ermessen der Bedienperson liegen, werden jedoch vorzugsweise durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zumindest mit überwacht.
-
Die 8 zeigt
anhand eines Ablaufdiagramms beispielhaft die Vorgabe eines Koordinatensystems
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Nach Start des Verfahrens in Schritt S12 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
zunächst
in Schritt S13 an einem Referenz-Koordinatensystem ausgerichtet,
z.B. durch orientiertes Aufsetzen der Vorrichtung am Flansch des
Roboters oder an einer anderen in Bezug auf den Roboter vermessenen
Einrichtung. Auf einen Starthinweis der Bedienperson in Schritt
S14 (vergleiche Beschreibung der 7) werden
die gegenwärtigen
Posen der Vorrichtung und des Roboters in Beziehung gesetzt, beispielsweise durch
Nullung oder Aufschalten der Werte von Position und Orientierung
des TCP. Anschließend
bewegt die Bedienperson die Vorrichtung im Raum (Schritt S15). Dabei
kann in Schritt S16 der zurückgelegte Weg
aufgezeichnet werden. In Schritt S17 wird auf einen dem Starthinweis
entsprechenden Stopphinweis die Bahnaufzeichnung beendet bzw. die
Endpose der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestimmt. Aus den nunmehr bekannten Start- und Endposen der Vorrichtung
in Bezug auf ein bekanntes Referenz-Koordinatensystem ermittelt
der Roboter bzw. seine Steuerung im anschließenden Schritt S18 den genauen
Ort der Endpose. Es schließt
sich in Schritt S19 eine Abfrage dahingehend an, ob bereits eine ausreichende
Anzahl an Punkten ermittelt wurde, um das gewünschte Koordinatensystem zu
bestimmen. Wird diese Abfrage bejaht (j), so wird in Schritt S20 das
gewünschte
Koordinatensystem berechnet. Beispielsweise lässt sich das Base-Koordinatensystem eines
Roboters anhand der Positionswerte von drei Punkten berechnen. Allerdings
kann auch jedes beliebige andere Koordinatensystem, z.B. das TCP-Koordinatensystem
bei einer Werkzeugvermessung, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestimmt werden. Anschließend
wird in Schritt S21 die Vorrichtung erneut an einem Referenz-Koordinatensystem
ausgerichtet, wie bereits anhand von Schritt S14 beschrieben. Dann
werden in Schritt S22 auf einen Starthinweis (siehe oben) der Bedienperson
die gegenwärtigen
Posen der Vorrichtung und des Roboters verglichen, um zu überprüfen, ob
die Werte aus Schritt S14 noch übereinstimmen.
Daraus lässt
sich ein Fehler bei der Bestimmung der Lage des Koordinatensystems
ermitteln und ggf. durch eine Korrekturrechnung ausgleichen. Das
Verfahren endet daraufhin in Schritt S23. Wird die Abfrage in Schritt
S19 jedoch verneint (n), so wird die jetzige Endpose als Startpose
der nächsten
Bewegung betrachtet, und das Verfahren setzt sich mit Schritt S15
fort.
-
Das
vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich auch zum Festlegen
von Bewegungsebenen oder Achsen im Raum, innerhalb derer die Freiheitsgrade
des Roboters eingeschränkt werden
sollen. Beispielsweise wird zum Verfahren einer bestimmten Achse
oder zum Auswählen
eines Betriebsmodus bzw. Bewegungsparameters die erfindungsgemäße Vorrichtung
beliebig im Raum gehalten und auf einen Starthinweis der Bedienperson
hin, beispielsweise unter Verwendung von Spracherkennung, mit der
Erkennung einer Geste begonnen. Ob die entsprechende Geste erkannt
wurde oder nicht, lässt
sich durch die bereits erwähnte
LED an der Spitze der Vorrichtung (vergleiche 1;
z.B. Farbwechsel grün/rot), durch
Piepsen oder durch andere geeignete Interaktionselemente anzeigen;
bei Sprachausgabe oder Verwendung eines Displays (vergleiche Bezugszeichen 8 in 1)
lässt sich
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch direkt ausgeben, welche Geste erkannt und welcher Betriebsmodus
eingestellt wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dahingehend
ausgebildet sein, dass sie die Bedienperson durch die Interaktion
führt.
So ist es beispielsweise möglich,
dass die Bedienperson eine Achse des Roboters auswählt, indem
sie die Nummer dieser Achse (als Ziffer) in die Luft schreibt oder auf
die zu verfahrene Achse zeigt. Insbesondere wenn die Vorrichtung
zum Auswählen
einer bestimmten Roboterachse durch Zeigen ausgebildet ist, ist eine
Sprach- oder Zahlenausgabe
auf einem Display vorteilhaft, um der Bedienperson kontinuierliches Feedback
dahingehend zu geben, auf welche Achse sie gerade zeigt, bevor eine
Achsenauswahl, beispielsweise per Tastendruck, erfolgt.
-
Nach
erfolgreicher Auswahl erfolgt ein Abgleich der gegenwärtigen Orientierung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Raum, beispielsweise auf Starthinweis durch die Bedienperson
(siehe oben). Im Folgenden dient die Vorrichtung als eine Art Hebel,
durch dessen Verdrehen im Raum die ausgewählte Achse in Bewegung gesetzt
wird. Dabei könnte
eine Bewegung nach "vorne" (von der Bedienperson
weg) ein Verdrehen der Achse im positiven Drehsinn bedeuten, während eine
Bewegung nach "hinten" ein Verdrehen im
negativen Drehsinn angibt. Die Winkelabweichung der Vorrichtung
von ihrer Ausgangslage lässt
sich dabei als Positionsvorgabe – wie oben beschrieben auch
aus mehreren Teilbewegungen zusammensetzbar und skalierbar – aber auch
als Geschwindigkeitsvorgabe deuten.
-
Darüber hinaus
kann in der Recheneinheit 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (1)
bzw. in der Robotersteuerung 13 (2) optional
eine intelligente Signalverarbeitung für das Erkennen von Gesten oder
für die
Unterscheidung von auszuführenden
Bewegungen und Rückstell-
oder anderen unerwünschten
Bewegungen sorgen. Dies ist insbesondere zweckmäßig
- – für das Zusammensetzen
von Teilbahnen während
der Feinpositionierung/-Orientierung;
- – zum
automatischen Erkennen von Rückstellbewegungen
der Bedienperson während
der Feinpositionierung, wodurch die Bewegungsfreigabe vereinfacht
werden kann (kein weiterer Tastendruck erforderlich); und
- – zur
Absicherung der Bedienperson im Falle "unsinniger" Bewegungen, beispielsweise in Folge eines
Stolperns der Bedienperson.
-
Wenn
die Interaktion mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Roboter über eine
Gestenerkennung erfolgt, wie vorstehend beschrieben, lässt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung
baulich besonders klein halten. Gestenerkennung ist insbesondere
sinnvoll
- – zur
Auswahl bekannter Betriebsmodi des Roboters (Test, Automatik, Kalibrierung/Teachen
von Koordinatensystemen, achsweises Verfahren, ...) oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(Grobpositionierung, Feinpositionierung, ... );
- – zur
Auswahl von Bezugskoordinatensystemen (Welt, Basis, Werkzeug, ...);
- – Zur
Beschränkung
der Bewegungsausführung auf
bestimmte Achsen und Ebenen (Achse 1, XY-Ebene, YZ-Ebene, beliebig
im Raum liegende Achse oder Ebene,...);
- – zur
Auswahl einzelner Achsen des Mehrachs-Roboters mittels einer Schrifterkennung, z.B.
durch Schreiben der entsprechenden Zahlen in der Luft; und
- – zur
Vorgabe von Programmparametern/Bewegungsbefehlen, wie lineare, zirkulare
oder schnellstmögliche
Bewegung, zur Vorgabe von Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Überschleifbedingungen
usw.
-
Zur
automatischen Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese
vorzugsweise an einem Referenz-Koordinatensystem ausgerichtet, z.B.
durch orientiertes Aufsetzen der Vorrichtung am Flansch des in der
Folge zu programmierenden Roboters (vergleiche Schritt S13 in 8).
Auf einen Starthinweis der Bedienperson hin oder gegebenenfalls
automatisch werden die gegenwärtigen
Posen der Vorrichtung und des Roboters in Beziehung gesetzt (vergleiche
Schritt S14 in 8). Anschließend bewegt sich der Roboter
mitsamt der Vorrichtung gemäß eines
bestimmten Kalibrier-Programms
im Raum, so dass kontinuierlich oder an diskreten Raumpunkten aus
der abgefahrenen Bahn Informationen über die Beziehung der von der
Vorrichtung gelieferten Messwerte und den bekannten Roboterposen
gewonnen werden können.
Anhand dieser Beziehung wird die beispielsweise in der Rechnereinheit 6 der
Vorrichtung angewandte Berechnungsvorschrift zum Ermitteln von Koordinaten über Skalierungsfaktoren
und Parametern, beispielsweise zur Driftkompensation, derart angepasst,
dass die Vorrichtung korrekte Bahninformationen liefert. Das vorstehend
skizzierte Verfahren kann auch verwendet werden, um einen bestimmten
Skalierungsfaktor ungleich dem Wert 1 einzustellen. Bei Verwendung
des skizzierten Verfahrens mit einem Roboter, der eine entsprechende
Halterung zum Aufnehmen mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen trägt, lässt sich bei
bekannten Offset jeder Vorrichtung zum Referenzpunkt der Halterung
die Kalibrierung an allen diesen Vorrichtungen gleichzeitig durchführen.
-
- 1
- (Beeinflussungs-)Vorrichtung
- 2
- Spitze
- 3
- Messeinrichtung
- 4
- Schaft
- 5
- Sensormodul
- 5'
- externer
Sensor
- 5.1,
5.2, 5.3
- Beschleunigungssensor
- 5.4,
5.5, 5.6
- Drehraten-Sensor
- 5.7
- Temperatursensor,
Magnetfeldsensor
- 6
- Recheneinheit
- 7
- Übertragungseinrichtung
- 8
- Anzeigeeinrichtung
- 8'
- Mikrophon
- 8"
- Lautsprecher
- 9
- Jog-Rad
- 10,
10'
- Taste
- 11
- Leuchtdiode
- 12
- Spannungsquelle
- 13
- Roboter-Steuerung
- 13.1
- Übertragungseinrichtung
- 14
- Roboter
- 14.1
- Roboterwerkzeug
- α, α', α''
- Winkel
- A
- Abbruch
- B,
B', B''
- Bewegungsbahn
- j
- bejahte
Abfrage
- n
- verneinte
Abfrage
- P
- Referenzpunkt
- P1
- Startpose
- P2, P3
- Zwischenpose
- P4
- Zielpose
- S1-S23
- Verfahrensschritte
- T,
T', T''
- Translationsbewegung
- V1, V2
- Verbindung
- X,
Y, Z
- Raumrichtung