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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Robotersteuerung eines Robotersystems, das eine Kraftsteuerung unter Verwendung eines dreiaxialen Kraftsensors durchführt, der drei Komponenten misst, die sich zusammensetzen aus einer Kraft in einer Achsrichtung und Momenten um die Achsen in zwei Achsrichtungen, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Bekannt gewesen ist ein dreiaxialer Kraftsensor, der dazu in der Lage ist, drei Komponenten zu messen, die sich aus einer Kraft in einer Achsrichtung und Momenten um die Achsen in zwei Achsrichtungen zusammensetzen, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen. Wie in der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2010-112864 A offenbart, ist der obige dreiaxiale Kraftsensor klein, kann preiswert hergestellt werden und ist weit verbreitet.
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Die Achse, auf der die Kraft durch den dreiaxialen Kraftsensor 3 erfasst wird, gilt als die Z-Achse und die Achsen, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen, gelten jeweils als X-Achse und Y-Achse. Ferner sind die Kräfte, die in den Richtung der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse wirken, jeweils mit Fx, Fy und Fz angegeben und die Momente, die um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse wirken, jeweils mit Mx, My und Mz.
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Die
japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2010-112864 A offenbart einen fünfaxialen Kraftsensor, der eine erste Messeinheit zum Erfassen von drei Komponenten aufweist, die sich aus der Kraft Fz und den Momenten Mx und My zusammensetzen, sowie eine zweite Messeinheit zum Erfassen von zwei Komponenten, die sich aus den Kräften Fx und Fy zusammensetzen. Der fünfaxiale Kraftsensor ist klein und dazu in der Lage, translatorische Kräfte Fx, Fy und Fz in den Richtungen einer Vielzahl von Achsen und Momente Mx und My um die X- und Y-Achsen direkt zu erfassen.
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Jedoch wird zur Produktion und Kalibrierung des fünfaxialen Kraftsensors, der die in der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2010-112864 A offenbarte, zweite Messeinheit zum Messen der Kräfte Fx, Fy aufweist, viel aufwändige Arbeit und Zeit benötigt.
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Darüber hinaus ist der herkömmliche dreiaxiale Kraftsensor zum Erfassen der drei Komponenten der Kraft Fz und Momente Mx, My lediglich dazu in der Lage, die Kraftsteuerung unter Verwendung dieser drei Komponenten auszuführen, wie die Steuerung der Kraft in der Richtung der Z-Achse, die Steuerung des Drehmoments um die X- und Y-Achsen oder die Steuerung der Anordnung, um die Flächen um die X- und Y-Achsen auszurichten. Daher ist es schwierig, einer komplexen Steuerung gerecht zu werden, die vier oder mehr Komponenten benötigt.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der zuvor erwähnten Umstände geleistet und hat die Bereitstellung einer Robotersteuerung als Aufgabe, die trotz Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors die Kräfte und Momente, die von dem dreiaxialen Kraftsensor nicht erfasst werden konnten, annimmt, um die Kräfte zu steuern, als ob ein sechsaxialer Kraftsensor verwendet wird.
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Dokument
DE 10 2006 061 752 A1 beschreibt einen Roboter und ein Verfahren zum Programmieren eines Roboters. Im Rahmen des Verfahrens wird wenigstens ein Raumpunkt mit dem Roboter manuell angefahren, Kräfte und Drehmomente, die der Roboter im wenigstens einen Raumpunkt ausübt, ermittelt und die ausgeübten Kräfte oder Drehmomente gespeichert.
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Das Dokument
DE 10 2009 049 329 A1 ist auf ein Verfahren zur Steuerung einer Positioniervorrichtung, insbesondere eines Schweißroboters, zum Schweißen mit einer Schweißzange und wenigstens einer Krafterfassungseinrichtung zur Erfassung von Reaktionskräften auf die Schweißzange gerichtet. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ermittelns einer Summe von Reaktionskräften auf die Schweißzange und des Regelns der Pose der Positioniervorrichtung auf Basis der ermittelten Summe von Reaktionskräften.
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Ferner ist dem Dokument
DE 10 2008 062 622 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Befehlseingabe in eine Steuerung eines Manipulators zu entnehmen. Die Befehlseingabe in eine Steuerung eines Manipulators, insbesondere eines Roboters, umfasst die Schritte des Erfassens einer ersten Bewegung oder Kraft, des Erfassens einer zweiten Bewegung oder Kraft, die der Manipulator ausführt bzw. die auf den Manipulator wirkt, nachdem er die erste Bewegung ausgeführt hat bzw. die erste Kraft bewirkt hat, des Vergleiches der erfassten ersten Bewegung bzw. Kraft bzw. der Abfolge der erfassten ersten und zweiten Bewegung bzw. Kraft mit gespeicherten Bewegungen, Kräften bzw. Abfolgen, denen je ein Befehl zugeordnet ist sowie des Ausgebens des dieser gespeicherten Bewegung, Kraft bzw. Abfolge zugeordneten Befehls an die Steuerung des Manipulators, falls die erfasste Bewegung bzw. Kraft bzw. Abfolge mit einer gespeicherten Bewegung bzw. Kraft bzw. Abfolge übereinstimmt.
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Schließlich beschreibt das Dokument
DE 10 2006 049 956 A1 ein System und Verfahren zur austomatisierten Ver- und/oder Bearbeitung von Werkstücken. Das System weist wenigstens eine Handhabungsvorrichtung, insbesondere einen Roboter oder Industrieroboter, mit wenigstens einer Messanordnung zur Erfassung wenigstens einer Regelgröße auf, wobei wenigstens eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche mit wenigstens einer Messanordnung zusammenwirkt und unter Berücksichtigung der wenigsten einen Regelgröße eine Optimierung des jeweiligen Be- und/oder Verarbeitungsprozesses durgeführt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt eine Robotersteuerung bereitgestellt, die entweder ein Werkzeug oder ein Werkstück relativ zu dem anderen der beiden mittels einer Handeinheit des Roboters bewegt, um die Kraft, die zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wirkt, zu steuern, wobei die Robotersteuerung eine Krafterfassungseinheit zum Erfassen einer Kraft in einer Achsrichtung und Momenten um die Achsen in zwei Achsrichtungen, die mit der obigen einen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen, eine Kraftannahmepunkt-Einstellungseinheit zum Einstellen eines Kraftannahmepunktes, dort wo eine zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wirkende Kraft angenommen wird, und eine Kraftannahmeeinheit zur Annahme von Kräften in den zwei Achsrichtungen sowie einem Moment um die obige eine Achse basierend auf der Kraft in der obigen einen Achsrichtung und den Momenten um die Achsen in den zwei Achsrichtungen, die von der Krafterfassungseinheit erfasst wurden, sowie basierend auf der Position des von der Kraftannahmepunkt-Einstellungseinheit eingestellten Kraftannahmepunktes umfasst.
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Wie in dem ersten Aspekt dargelegt, berechnet und stellt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit gemäß einem zweiten Aspekt die Position des Kraftannahmepunktes basierend auf einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, basierend auf einer Position eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, anhand dessen die Position des Kraftannahmepunktes berechnet wird, basierend auf einer Schubrichtung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück sowie basierend auf den Daten, die sich auf die Gestalt des Werkzeugs oder die Gestalt des Werkstücks beziehen, ein.
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Wie in dem zweiten Aspekt dargelegt, ist gemäß einem dritten Aspekt die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, anhand dessen die Position des Kraftannahmepunktes berechnet wird, variabel und die Position des Kraftannahmepunktes wird basierend auf der variierten Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes berechnet und eingestellt.
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Wie in dem ersten Aspekt dargelegt, variiert die Kraftannahmepunkt-Einstellungseinheit gemäß einem vierten Aspekt die Position des Kraftannahmepunktes während der Roboter in Betrieb ist.
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Wie in einem der Aspekte 1 bis 4 dargelegt, wird gemäß einem fünften Aspekt ferner eine Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit zum Korrigieren der Position des Kraftannahmepunktes unter Annahme des Abnutzungsbetrags des Werkzeugs bereitgestellt.
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Wie in einem der Aspekte 1, 4 und 5 dargelegt, legt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit gemäß einem sechsten Aspekt eine Kraft an dem Kraftannahmepunkt an, um die Position des Kraftannahmepunktes basierend auf der Kraft in der obigen einen Achsrichtung und basierend auf den Momenten um die Achsen in den zwei Achsrichtungen zu berechnen und einzustellen.
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Wie in dem sechsten Aspekt dargelegt, legt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit gemäß einem siebten Aspekt eine bekannte Kraft an dem Kraftannahmepunkt an, um die Position des Kraftannahmepunktes zu berechnen und einzustellen.
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Wie in dem sechsten Aspekt dargelegt, berechnet und stellt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit gemäß einem achten Aspekt die Position des Kraftannahmepunktes unter Anlegen einer gegebenen Kraft in einer bekannten Richtung ein, die mit einer durch die beiden von der Achse, an der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene nicht parallel ist, wenn der Kraftannahmepunkt auf irgendeiner Achse der drei Achsen liegt, oder, wenn der Kraftannahmepunkt in einer Ebene liegt, die durch die Achse, an der die Kraft gemessen werden kann, und die Achse, die irgendeine der verbleibenden zwei Achsen ist, aufgespannt wird, berechnet und stellt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit die Position des Kraftannahmepunktes durch Anlegen einer gegebenen Kraft in einer bekannten Richtung ein, die zu der obigen Ebene nicht parallel ist und auch nicht zu einer durch die zwei von der Achse, an der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene parallel ist.
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Wie in einem der Aspekte 2, 3 oder 5 dargelegt, wird gemäß einem neunten Aspekt ferner eine Einheit zum Einstellen eines Referenzpunktes zum Berechnen eines Kraftannahmepunktes bereitgestellt, die eine Kraft an den Referenzpunkt zum Berechnen des Kraftannahmepunktes anlegt, um die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes basierend auf der Kraft in der obigen einen Achsrichtung und basierend auf den Momenten um die Achsen in den zwei Achsrichtungen zu berechnen und einzustellen.
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Wie in dem neunten Aspekt dargelegt, legt die Einheit zum Einstellen eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes gemäß einem zehnten Aspekt eine bekannte Kraft an den Referenzpunkt zum Berechnen des Kraftannahmepunktes an, um die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes zu berechnen und einzustellen.
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Wie in dem neunten Aspekt dargelegt, berechnet und stellt die Einheit zum Einstellen eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes gemäß einem elften Aspekt die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes durch Anlegen einer gegebenen Kraft in einer bekannten Richtung ein, die zu einer durch die zwei von der Achse, an der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene nicht parallel ist, wenn der Referenzpunkt zum Berechnen des Kraftannahmepunktes auf irgendeiner der drei Achsen liegt, oder die Einheit zum Einstellen eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes berechnet und stellt die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes unter Anlegen einer gegebenen Kraft in einer bekannten Richtung ein, die zu einer durch die Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, und die Achse, die irgendeine der verbleibenden zwei Achsen ist, aufgespannten Ebene nicht parallel ist und auch nicht zu einer durch die zwei von der Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene parallel ist, wenn der Referenzpunkt zum Berechnen des Kraftannahmepunktes in der obigen Ebene liegt.
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Die obigen Aufgaben, Merkmale, Vorteile sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung typischer Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Robotersystems inklusive einer auf der Erfindung basierenden Robotersteuerung;
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2A ist eine Ansicht, die die von einem dreiaxialen Kraftsensor erfassten Komponenten darstellt;
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2B ist eine Ansicht, die einen Kraftannahmepunkt darstellt;
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3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Robotersteuerung basierend auf der Erfindung darstellt;
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4A ist eine schematische Seitenansicht eines Werkzeugs, das mit einem Werkstück in Kontakt kommt;
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4B ist eine andere schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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4C ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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5A ist eine erste schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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5B ist eine zweite schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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5C ist eine dritte schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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5D ist eine vierte schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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6A ist eine erste Vergrößerungsansicht eines Endstücks eines Roboters;
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6B ist eine zweite Vergrößerungsansicht des Endstücks des Roboters;
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7A ist eine erste Ansicht, die die Gestalt des Werkstücks zeigt;
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7B ist eine zweite Ansicht, die die Gestalt des Werkstücks zeigt;
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7C ist eine dritte Ansicht, die die Gestalt des Werkstücks zeigt;
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7D ist eine vierte Ansicht, die die Gestalt des Werkstücks zeigt;
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8 ist eine andere Vergrößerungsansicht des Endstücks des Roboters;
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9A ist eine Draufsicht auf das Werkstück;
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9B ist eine andere Draufsicht auf das Werkstück;
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10A ist eine Draufsicht auf ein anderes Werkstück;
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10B ist eine andere Draufsicht auf das andere Werkstück;
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11A ist eine andere schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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11B ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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12A ist eine erste schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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12B ist eine zweite schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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12C ist eine dritte schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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12D ist eine vierte schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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13A ist eine weitere schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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13B ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt;
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14 ist eine weitere Vergrößerungsansicht des Endstücks des Roboters; und
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15 ist ein Diagramm, das ein Koordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Zum einfachen Verständnis sind die Maßstäbe der Zeichnungen beliebig variiert.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Robotersystems inklusive einer Robotersteuerung basierend auf der Erfindung. Wie 1 entnommen werden kann, gilt in der folgenden Beschreibung die Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, als Z-Achse und gelten die Achsen in den zwei Richtungen, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen, jeweils als X-Achse und Y-Achse. Ferner sind die Kräfte, die in den Richtungen der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse wirken, jeweils mit Fx, Fy und Fz angegeben und die Momente um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse sind jeweils mit Mx, My und Mz angegeben.
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Ein in 1 gezeigtes Robotersystem 10 weist einen Roboter 1 und eine Steuerung 11 auf. Der Roboter 1 ist ein vertikaler mehrgelenkiger Roboter eines sechsachsigen Aufbaus, kann jedoch auch ein Roboter eines Typs sein, der von dem mehrgelenkigen Roboter mit sechs Freiheitsgraden abweicht. Ein Werkzeug 4 zum Bearbeiten eines Werkstücks W ist an einem Ende eines Roboterarms 2 des Roboters 1 angebracht. Der Einfachheit halber ist das Werkzeug 4 von abwärts gerichteter konischer Gestalt, kann aber jegliche andere Gestalt annehmen, die zur Profilbearbeitung oder der Bearbeitungsarbeit verwendet wird.
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Wie gezeigt ist ein dreiaxialer Kraftsensor 3 (im Folgenden mit „Kraftsensor” bezeichnet) zwischen dem Roboterarm 2 und dem Werkzeug 4 angeordnet. Der Kraftsensor 3 erfasst drei Komponenten, die sich aus der Kraft Fz und den Momenten Mx, My zusammensetzen, die auf das Werkzeug 4 wirken. Wie in 1 gezeigt ist das Werkstück W ferner auf einer Werkbank B platziert.
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Die Kraft F und das Moment M, die von dem dreiaxialen Kraftsensor 3 erfasst werden, werden durch die Kraft erzeugt, die auf einen Körper wirkt, der an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 angebracht ist, wenn ein anderer Körper damit in Kontakt kommt, und/oder durch die Schwerkraft oder Inertialkraft (inklusive der Corioliskraft und des Kreiseleffekts), die auf das Zentrum der Schwerkraft des an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 angebrachten Körpers wirkt.
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Wie in 1 gezeigt, sind der Roboter 1 und der Kraftsensor 3 mit der Robotersteuerung 11 verbunden, die ein digitaler Computer ist, der die Achspositionen des Roboters 1 des Robotersystems 10 steuert. Die Daten, die sich auf die seitens des Kraftsensors 3 erfassten Kräfte und Momente beziehen, werden in die Robotersteuerung 11 eingegeben. Wie gezeigt, weist die Robotersteuerung 11 eine Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 auf, die einen Kraftannahmepunkt zur Annahme der zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W wirkenden Kraft einstellt. Wenn eine äußere Kraft auf den dreiaxialen Kraftsensor 3 wirkt, ist der Kraftannahmepunkt in diesem Zusammenhang ein repräsentativer Punkt, dort wo angenommen wird, das die Kraft wirkt, wenn ein anderer Körper mit dem dreiaxialen Kraftsensor 3 zusätzlich dazu in Kontakt kommt, dass auf diesen die oben erwähnte Schwerkraft und Inertialkraft einwirkt.
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Ferner weist die Robotersteuerung 11 eine Kraftannahmeeinheit 13 auf, die die Kräfte Fx, Fy sowie das Moment Mz basierend auf der Kraft Fz und Momenten Mx, My, die seitens des Kraftsensors 3 erfasst wurden, und basierend auf der Position des seitens der Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 angenommen Kraftannahmepunktes annimmt. Falls notwendig, kann lediglich entweder die Kraft Fx oder die Kraft Fy angenommen werden.
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Ferner weist die Robotersteuerung 11 eine Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit 14 zum Korrigieren der Position des Kraftannahmepunktes durch Annahme des Abnutzungsbetrags des Werkzeugs 4 auf sowie eine Einheit 15 zum Einstellen eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, um die Position des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes zu berechnen und einzustellen, um dadurch die Position des Kraftannahmepunktes zu berechnen. Es wird angenommen, dass die zur Ausführung der Erfindung notwendigen Daten, wie Instruktionsdaten für den Roboter 1 und Daten, die auf die Massen- und Schwerkraftzentren des Werkzeugs und Werkstücks bezogen sind, in der Speichereinheit 16 gespeichert worden sind.
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Im Folgenden ist unter Bezugnahme auf 1 ein Fall beschrieben, in dem das an dem Roboter 1 angebrachte Werkzeug 4 das Werkstück W abfährt. Die vorliegende Erfindung schließt auch solche Fälle ein, in denen das an einem Endstück des Roboterarms 2 angebrachte Werkzeug 4 sich relativ zu dem Werkstück W bewegt und in denen eine Hand (in 1 nicht gezeigt), die an dem Endstück des Roboterarms 2 angebracht ist und das Werkstück W greift, sich relativ zu dem Bearbeitungswerkzeug in einer festen Position bewegt. Der Kraftsensor 3 muss nicht zwingend an den Roboter 1 angebracht sein, sondern kann an der Werkbank B befestigt sein. Ferner kann die Werkbank B eine bewegliche Vorrichtung sein, wie ein anderer Roboter, und das Werkstück oder das darauf platzierte Werkzeug können bewegt werden.
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Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung einen Aufbau haben, gemäß dem der Kraftsensor 3 an dem Roboter 1 angebracht ist, der mit dem Werkzeug 4 ausgestattet ist, oder der Roboter 1 greift das Werkstück W. Ferner kann die Erfindung derart sein, dass der Kraftsensor 3 an der Werkbank B angebracht oder fixiert ist und der Roboter 1 mit dem Werkzeug 4 ausgestattet ist oder das Werkstück greift. Ferner kann die Werkbank B eine Vorrichtung sein, die beweglich ist. In den numerischen Formeln in der folgenden Beschreibung repräsentiert „•” ein inneres Vektorprodukt, „x” ein äußeres Produkt und „*” eine Multiplikation.
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2A ist eine Ansicht, die die von dem dreiaxialen Kraftsensor erfassten Komponenten darstellt. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 2A gezeigt, wird die Kraft unter Verwendung der drei Komponenten gesteuert, die sich zusammensetzen aus der Kraft Fz und den Momenten Mx, My, die von dem dreiaxialen Kraftsensor 3 erfasst wurden. 2B ist eine Ansicht, die einen Kraftannahmepunkt darstellt. In der Erfindung werden die Kräfte Fx, Fy und/oder das Moment Mz basierend auf der Kraft Fz, Momenten Mx, My und der Position des Kraftannahmepunktes Pc (in 2B gezeigt) relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor angenommen. Wie benötigt, werden darüber hinaus die Schwerkraft und die Inertialkraft basierend auf den obigen Werten kompensiert und es wird angenommen, dass die Nettokraft, die auf den Kraftannahmepunkt wirkt, eine Kraftsteuerung durch den Roboter durchführt.
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Unter Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors 3, der dazu in der Lage ist, die drei Komponenten zu erfassen, die sich zusammensetzen aus der Kraft Fz und den Momenten Mx, My ermöglicht es die erste Ausführungsform daher, die Kraftsteuerung in irgendeiner Richtung durchzuführen, wie die, wenn ein sechsaxialer Kraftsensor verwendet wird, der dazu in der Lage ist, die Kräfte und Momente in sechs Richtungen zu erfassen. Falls die Kraftsteuerung nur in der Translationsrichtung durchgeführt wird, können nur die Kräfte Fx und Fy angenommen werden. Falls keine der Kräfte oder Momente angenommen werden muss, dann kann lediglich die notwendige Komponente angenommen werden.
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Der dreiaxiale Kraftsensor 3 zum Erfassen der drei Komponenten der Kraft Fz und Momente Mx, My ist im Allgemeinen, verglichen mit multiaxialen Kraftsensoren der gleichen Leistung, die dazu in der Lage sind, vier oder mehr Achsen zu erfassen, einfach im Aufbau und kann einfach montiert werden, wobei Arbeitsaufwand und Produktionszeit sowie Kosten niedrig gehalten werden können. Daher können die Kosten des Robotersystems niedrig gehalten werden, wenn der dreiaxiale Kraftsensor anstelle des multiaxialen Sensors derselben Leistung, der vier oder mehr Achsen erfasst, zum Steuern der Kraft verwendet wird. Zudem kann der dreiaxiale Kraftsensor 3 in einer kleinen Größe produziert werden, was es ermöglicht, dass das Robotersystem in einer kleineren Größer hergestellt werden kann, als wenn der konventionelle Kraftsensor verwendet wird, der dazu in der Lage ist, sechs Achsrichtungen zu erfassen.
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Unter Bezugnahme auf 2B wird das an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 fixierte Koordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors Kraftsensorkoordinatensystem genannt. Die Position des Kraftannahmepunkts Pc aus Sicht des Kraftsensorkoordinatensystems wird als Re (rx, ry, rz) eingestellt.
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3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Robotersteuerung basierend auf der Erfindung darstellt. Zunächst erfasst der dreiaxiale Kraftsensor 3 in Schritt S10 die Kraft Fz und Momente Mx, My. Dann, in Schritt S20, werden die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz in einer im Folgenden beschriebenen Weise berechnet.
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Beziehungen unter der Kraft Fz und den Momenten Mx, My, die von dem dreiaxialen Kraftsensor 3 erfasst wurden, dem Kraftannahmepunkt Pc und den Kräften Fx, Fy, von denen angenommen wird, dass diese an dem Kraftannahmepunkt Pc wirken, werden durch die folgenden Formeln (1) und (2) ausgedrückt, falls die Effekte der Schwerkraft und des Betriebs der Hand des Roboters außer Acht gelassen werden. Mx = Fz·ry – Fy·rz (1) My = –Fz·rx + Fx·rz (2)
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Daher werden die Kräfte Fx und Fy durch die folgenden Formeln (3) und (4) ausgedrückt. Fy = (–Mx + Fz·ry)/rz (3) Fx = (My + Fz·rx)/rz (4)
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Aus den damit berechneten Kräften Fx und Fy wird angenommen, dass das Moment Mz durch die folgende Formel (5) ausgedrückt wird. Diese Berechnungen werden durch die Kraftannahmeeinheit 13 ausgeführt. Mz = Fy·rx – Fx·ry (5)
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Falls der dreiaxiale Kraftsensor 3 an der Hand des Roboters angebracht ist, ist das Werkzeug 4 an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 angebracht oder das Werkstück W wird seitens des dreiaxialen Kraftsensors 3 gegriffen und die Handeinheit des Roboters wird bewegt. Dann weist die seitens des dreiaxialen Kraftsensors 3 erfasste Kraft dynamische Terme auf, wie die Zentrifugalkraft, die erzeugt wird, wenn sich der Endeffektor an einem Ende des Roboterarms zusammen mit dem Roboterarm bewegt, und die Inertialkraft, wie die Corioliskraft. Im Folgenden ist beschrieben, wie die Kraftannahmeeinheit 13 die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz unter Berücksichtigung der Effekte der Schwerkraft und dynamischen Terme annimmt.
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Die Schwerkraft und dynamischen Terme können anhand eines bekannten Verfahrens berechnet werden, zum Beispiel anhand eines in dem
japanischen Patent Nr. 4267027 offenbarten Verfahrens. Konkret wird eine dynamische Gleichung eines Manipulators gestützt auf das Newton-Eulersche Verfahren oder das Lagrange-Verfahren gelöst, und, basierend auf dem Knickwinkelvektor θ des Roboterarms, basierend auf der Geschwindigkeit sowie basierend auf der Beschleunigung des Knickwinkelvektors θ, werden die Kräfte ermittelt, die im Zentrum des Koordinatensystems des dreiaxialen Kraftsensors wirken und die die Schwerkraft und die Inertialkraft umfassen, die im Schwerkraftzentrum des Werkzeugs, das an dem dreiaxialen Kraftsensor angebracht ist, aus Sicht des Koordinatensystems des dreiaxialen Kraftsensors wirken. Damit können die Schwerkraft und die dynamischen Terme, die auf den dreiaxialen Kraftsensor aus Sicht des Koordinatensystems des dreiaxialen Kraftsensors wirken, durch die Kraftannahmeeinheit
13 berechnet werden.
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Im Folgenden ist konkret ein Verfahren beschrieben, anhand dessen die Kraftannahmeeinheit 13 die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz unter Berücksichtigung der Schwerkraft und der dynamischen Terme annimmt, die wie oben beschrieben ermittelt werden. Der von dem Werkzeug 4 oder dem Werkstück W, das an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 an der Hand des Roboters angebracht ist, aufgrund der Schwerkraft und der Bewegung der Handeinheit des Roboters erzeugte Kraftvektor wird aus Sicht des Koordinatensystems des dreiaxialen Kraftvektors mit Fm angegeben. Ferner werden die Vektoren, die sich aus den erfassten Momenten Mx, My und dem angenommenen Moment Mz zusammensetzen, mit Mm (Mx, My, Mz) angegeben. Ferner werden die Vektoren, die sich aus den angenommenen Kräften Fx, Fy und der erfassten Kraft Fz zusammensetzen, mit Fr (Fx, Fy, Fz) angegeben. Die Position des Zentrums der Schwerkraft des Werkzeugs 4 oder des Werkstücks W, das an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 an der Hand des Roboters angebracht ist, wird in dem Koordinatensystem des Kraftsensors mit Cg (cx, cy, cz) angegeben. Die Position Cg ist zuvor ermittelt worden.
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In diesem Fall wird eine Beziehung erhalten, die durch die folgende Formel (6) dargestellt ist. Mm = Re × Fr + Cg × Fm (6)
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Wie zuvor beschrieben, ist Re die Position des Kraftannahmepunktes Pc. Unter Verwendung dieser Formel (6) kann die Kraftannahmeeinheit 13 die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz unter Berücksichtigung der Effekte der Schwerkraft und dynamischen Terme berechnen.
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Die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc wird durch die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 eingestellt. Die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc ist eine Position, in der die in einem Referenzkoordinatensystem gegebene Position des Roboters in dem Kraftsensorkoordinatensystem ausgedrückt wird, oder eine Position, in der die für die Handeinheit des Roboters gegebene Position in dem Kraftsensorkoordinatensystem ausgedrückt wird. Alternativ kann die durch diese jeweiligen Positionen ausgedrückte Position Re fest oder variabel sein.
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Ferner kann die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 eine geschätzte Position nahe dem Kontaktpunkt oder eine Position, wie die des TCP (Werkzeugmittelpunkt), als die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc festlegen. Alternativ kann eine Position, die zuvor gemessen worden ist, oder eine während des Betriebs gemessene Position als die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc eingestellt werden.
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Um die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc einzustellen, kann für den Roboter ein Instruktionsbetrieb eingestellt werden, um eine bekannte Position zu erreichen. Zudem kann die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc aus den unter Verwendung einer Kamera erhaltenen Bildern eingestellt werden, die dazu in der Lage ist, nach jedem vorgegebenen Intervall, während der Roboter in Betrieb ist, Bilder aufzunehmen. Alternativ kann die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc durch die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 durch Bewegen eines Kontaktsensors, der dazu in der Lage ist, einen Kontaktabschnitt zu erkennen, durch Erhalten der Kontaktposition während des Betriebs vorab und durch Verwertung der Daten daraus eingestellt werden.
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Die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz können sogar dann genau angenommen werden, wenn der dreiaxiale Kraftsensor 3 an der Hand des Roboters angebracht ist, die Hand 6 zum Greifen des Werkstücks W oder des Werkzeugs 4 daran angebracht ist und die Handeinheit des Roboters gemäß dem obigen Verfahren bewegt wird.
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In der zweiten bis fünften Ausführungsform der Erfindung wird die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 präziser angenommen, um die Genauigkeit der Annahme der Kräfte Fx, Fy und des Moments Mz zu erhöhen.
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In der Erfindung werden die Kräfte und Momente in den Richtungen, die nicht von dem dreiaxialen Kraftsensor 3 erfasst werden, unter Verwendung des Kraftannahmepunktes Pc angenommen. Daher ist es gewünscht, den Kraftannahmepunkt Pc präziser einzustellen. Demgemäß ist die Verwendung des folgenden Verfahrens zur präzisen Annahme der Kräfte Fx, Fy und des Moments Mz sehr effektiv.
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Der Kraftannahmepunkt Pc ist ein repräsentativer Punkt, dort wo angenommen wird, dass die Kraft wirkt, wenn ein anderer Körper mit dem Werkzeug oder dem Werkstück, das an dem dreiaxialen Kraftsensor 3 angebracht ist, in Kontakt kommt. Daher können die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz präziser angenommen werden, indem der Kraftannahmepunkt Pc präziser eingestellt wird.
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In der zweiten Ausführungsform wird, für den Fall, dass der Kontaktpunkt zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W variiert und die Position des Kontaktpunktes relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 variiert, die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc basierend auf einer geometrischen Beziehung unter Verwendung eines Punktes, der als eine Referenz dient (Referenzpunkt zur Berechnung des Kraftannahmepunktes), berechnet.
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Konkret wird in der zweiten Ausführungsform die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 unter Verwendung einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W, unter Verwendung „eines Referenzpunktes zur Berechnung des Kraftannahmepunktes”, der zum Berechnen der Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 verwendet wird, unter Verwendung der Schubrichtung und unter Verwendung der auf die Gestalt des Werkzeugs 4 oder der Werkstücks W bezogenen Daten berechnet.
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Dies wird nun beschrieben werden. Der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes ist ein gegebener Punkt, der für die Berechnung des Kraftannahmepunkts Pc geeignet ist, und wird durch eine Einheit 15 zum Einstellen des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunkts eingestellt. Für den Fall, dass die Position des Kontaktpunktes relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 variiert, wird der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes wünschenswerterweise auf einen Punkt festgesetzt, der sich im Zentrum davon befindet, oder wird auf ein Punkt festgesetzt, der für die Berechnung geeignet ist. Der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes kann an die gleiche Position gesetzt werden wie die Ausgangsposition des Kraftannahmepunktes Pc und kann relativ zu diesem Punkt korrigiert werden.
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Die 4A und 4B sind schematische Seitenansichten des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt, und 4C ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Ein Verfahren zum Berechnen des Kraftannahmepunktes Pc wird nun unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen beschrieben werden. In diesem Fall ist der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes auf einem Teil der Mittellinie des Werkzeugs 4 von konischer Gestalt festgelegt, zum Beispiel an einem Ende des Werkzeugs 4.
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Wie in den 4A und 4C gezeigt, fährt das Werkzeug 4 den Umfang des Werkstücks W ab. Mit anderen Worten werden in den 4A und 4C die Position des Werkzeugs 4 und die Schubrichtung, die durch einen Pfeil dargestellt ist, variiert und gleichzeitig bewegt sich das Werkzeug 4, während die Kontaktposition auf dem Werkzeug 4 variiert wird. In einem solchen Fall wird der Kraftannahmepunkt Pc an einer zu dem realen Kontaktpunkt nähergelegenen Position angenommen, um die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz präziser anzunehmen.
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Die Position des Kraftannahmepunktes Pc ist mit Re angegeben, die Position des Referenzpunkts Ps zur Berechnung des Kraftannahmepunktes ist mit Rb angegeben und der Vektor von dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes zu dem Kraftannahmepunkt Pc ist mit Rr angegeben. Der Vektor Rr wird anhand der geometrischen Beziehung für jede Steuerperiode des Roboters 1 aufgefunden. Die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 ermittelt die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc gemäß der folgenden Formel (7). Re = Rb + Rr (7)
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Wenn das Werkzeug 4 relativ zu dem Werkstück W geneigt ist und auch, wie in 4B gezeigt, unter Variation der Kontaktposition an dem Werkzeug 4 bewegt wird, können die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz durch die Berechnung basierend auf dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes und auf der Positionsbeziehung zwischen dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes und des Kraftannahmepunktes Pc auf die gleiche Weise, wie zuvor beschrieben, präziser angenommen werden.
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Die 5A bis 5D sind schematische Seitenansichten des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Wie den 5A und 5B entnommen werden kann, wird in diesem Fall die relative Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W in Richtung nach oben variiert. Ähnlich wird die relative Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug 4, wie in den 5C und 5D gezeigt, und dem Werkstück W in Richtung nach oben variiert, wenn das Werkzeug 4 auch relativ zu dem Werkstück W geneigt ist. Wenn die relative Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W ebenfalls variiert, können die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz unter Verwendung der Formel (7) präziser angenommen werden.
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Die 6A und 6B sind Vergrößerungsansichten eines Endstücks des Roboters. In diesen Zeichnungen ist der dreiaxiale Kraftsensor 3 an der Handeinheit des Roboters angebracht. Eine Hand 6 ist weiter zu einem Ende hin angebracht als der dreiaxiale Kraftsensor 3 und greift das Werkstück W. Im Gegensatz dazu ist das Werkzeug 4 an einem separaten Ort fixiert.
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In 6A wird in diesem Zustand die Bearbeitung durchgeführt, während der zu bearbeitende Teil des Werkstücks W verändert wird. Das in 6A gezeigte Werkstück W hat im Querschnitt eine runde Gestalt. Wenn das Werkstück W, wie oben, eine relativ einfache Gestalt hat, bleibt der Abstand zwischen einem Ort, an dem die Bearbeitung durchzuführen ist (nahezu derselbe als der Kraftannahmepunkt Pc) und dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes (in diesem Fall Mitte des Werkstücks W) konstant. In diesem Fall können die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz anhand desselben Verfahrens, wie dem oben beschriebenen, präziser angenommen werden.
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Im Gegensatz dazu ist das in 6B gezeigte Werkstück W im Querschnitt von rechteckiger Gestalt und der Abstand zwischen einem Ort, an dem die Bearbeitung durchzuführen ist (nahezu der gleiche als der Kraftannahmepunkt Pc), und dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes (Mitte des Werkstücks W) ist nicht konstant. Die 7A bis 7D sind Beispiele dafür, wenn das zu greifende Werkstück W eine relativ komplexe Gestalt hat, der Abstand zwischen den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes und dem Teil, der zu bearbeiten ist, wenn der Roboter in Betrieb ist, nicht konstant ist und der zu bearbeitende Teil in der Schubrichtung ausgehend von dem Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunkts vorliegt.
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In diesem Fall werden die auf die Gestalt eines zu bearbeitenden Teils des Werkstücks W bezogenen Daten im Vorhinein erhalten und die auf die Gestalt des zu bearbeitenden Teils des Werkstücks W relativ zu dem Kraftsensorkoordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors 3 bezogenen Daten werden aus der Greifposition und der Lage, wenn das Werkstück W von der Hand 6 gegriffen ist, berechnet. Der Kraftannahmepunkt Pc wird dann basierend auf der Position des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes (zum Beispiel Mitte des Werkstücks W), der Schubrichtung und den auf die Gestalt des zu bearbeitenden Teils des Werkstücks W relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor bezogenen Daten berechnet.
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8 ist eine andere Vergrößerungsansicht des Endstücks des Roboters. Wie in 8 gezeigt, kann die Position Re des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 gemäß einem im Folgenden beschriebenen Verfahren berechnet werden, wenn der dreiaxiale Kraftsensor 3 auf der Seite des Roboters 1 vorgesehen ist und das von der Hand 6 gegriffene Werkstück W auf das fixierte Werkzeug 4 wirkt.
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Zunächst wird der Kraftannahmepunkt Pc durch die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 auf dem Außenumfangsabschnitt des Werkzeugs 4, das fixiert ist, festgelegt. Wie in 8 gezeigt, kann die Position des Kraftannahmepunktes Pc variieren, während der Roboter 1 in Betrieb ist. Der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes liegt im Mittelpunkt des Werkzeugs 4.
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Dann wird der Betrieb des Roboters 1 so instruiert, dass das Werkzeug 4 und das Werkstück W miteinander an dem Kraftannahmepunkt Pc so viel wie möglich in Kontakt kommen. Parameter zum Instruieren solch eines Betriebs des Roboters können den Umlauf und die Geschwindigkeit des Roboters 1, die Schubrichtung und die Zielschubkraft aufweisen.
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Beim Inkontaktbringen des seitens des Roboters 1 gegriffenen Werkstücks mit dem fixierten Werkzeug stellen die 9A und 10A einen Fall dar, in dem sich die Position des Kraftannahmepunkts Pc relativ zu dem Werkzeug 4 nicht ändert, während die 9B und 10B einen Fall darstellen, in dem sich auch die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem Werkzeug 4 und die Schubrichtung ändert. Damit ist es selbst dann, wenn das Werkstück eine komplexe Gestalt hat und die Position des Kraftannahmepunktes Pc dynamisch und in komplizierter Weise relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 aufgrund der Bewegung des Roboters 1 variiert, möglich, die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 basierend auf der Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem Referenzkoordinatensystem des Roboters ohne Verwendung von auf die Gestalt eines zu bearbeitenden Teils des Werkstücks W bezogenen Daten einfach zu ermitteln.
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Beim Instruieren des Betriebs des Roboters 1 wird der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes festgelegt und Relativpositionen (Richtung, Abstand, etc.) des Kraftannahmepunktes Pc und des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes werden festgelegt (zweite und dritte Ausführungsform), wenn der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes verwendet werden soll. Beim Instruieren des Betriebs des Roboters 1 wird ferner die Position des Kraftannahmepunktes Pc direkt und dynamisch festgelegt und aktualisiert (vierte Ausführungsform), wenn der Kraftannahmepunkt Pc ohne Verwendung des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes direkt verwendet wird. Damit wird der Betrieb des Roboters 1 mit dem Kraftannahmepunkt Pc relativ zu dem Roboter 1 in Übereinstimmung gebracht.
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Wenn der Roboter 1 in Bewegung ist, berechnet die Kraftannahmeeinheit 13 die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 basierend auf der Position und Lage des Roboters. In diesem Zusammenhang wird eine Matrix, die die Position·Lage-Beziehung zwischen dem Referenzkoordinatensystem des Roboters 1 und dem Kraftsensorkoordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors 3 darstellt, mit Trf angegeben und eine Matrix, die die Position·Lage-Beziehung zwischen dem Referenzkoordinatensystem des Roboters und dem Kraftannahmepunkt Pc darstellt, wird mit Tre angegeben. Dann wird die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 aus einer Beziehung zwischen Trf und Tre aufgefunden. Dies ist für Fachleute offensichtlich.
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In diesem Fall variiert die Positionsbeziehung zwischen dem Kraftannahmepunkt Pc und dem dreiaxialen Kraftsensor 3 in komplizierter Weise und dynamisch in Abhängigkeit von der Gestalt des Werkstücks W und der Lage der Handeinheit des Roboters 1, obwohl die Positionsbeziehung zwischen dem Kraftannahmepunkt Pc und dem an der Werkbank B fixierten Werkzeug 4 relativ einfach ausgedrückt werden kann. Die Position des Kraftannahmepunktes Pc kann basierend auf der Positionsbeziehung zwischen dem Kraftannahmepunkt Pc an dem Werkzeug 4 und dem Roboter 1 durch Updaten der Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 zu jedem Zeitpunkt dynamisch variiert werden.
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Das obige Verfahren ermöglicht es, den Kraftannahmepunkt Pc selbst dann einfach zu berechnen, wenn das Werkstück W eine komplexe Gestalt hat und die Position des Kraftannahmepunktes Pc dynamisch und in komplizierter Weise relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 variiert. Unter Verwendung des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes kann ferner die Position des Kraftannahmepunktes Pc als eine relative Positionsbeziehung ausgedrückt werden und daher die Position des Kraftannahmepunktes Pc einfacher ausgedrückt werden.
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Damit wird der Kraftannahmepunkt Pc oder der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes an dem Werkzeug 4 oder an der Handeinheit des Roboters 1, wie der Hand 6, festgesetzt oder wird in dem Referenzkoordinatensystem des Roboters 1 festgesetzt. Durch diese Instruktion, dass der Kraftannahmepunkt Pc anhand einer geometrischen Beziehung aufgefunden werden kann, ist es gestattet, die Kräfte und Momente, wie die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz, die von dem dreiaxialen Kraftsensor 3 nicht erfasst werden können, genau zu berechnen.
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In einer dritten Ausführungsform ist es auch während des Betriebs gewünscht, den Referenzpunkt, der zum Ermitteln des Kraftannahmepunktes Pc verwendet wird, geeignet zu variieren. Mit anderen Worten variiert die Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit 14 die Position des Referenzpunktes Ps zur Berechnung des Kraftannahmepunktes relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 basierend auf der Eingabe seitens der Instruktionsbetriebstafel oder der Tastatur, auf dem Betriebsprogramm des Roboters 1 oder auf einer vorgegebenen Einstellung, wie einer Umstellung abhängig von dem Betrieb des Roboters 1. Daher kann die Abweichung in der Position des Kontaktannahmepunktes selbst dann korrigiert werden, wenn ein anderes Werkzeug 4 verwendet wird oder wenn der Kontaktabschnitt an dem Werkzeug 4 variiert wird.
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11A ist eine andere schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt, und 11B ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Wie aus den 11A und 11B ersichtlich, werden die Position des Werkzeugs 4 und die Schubrichtung geändert, wenn der Roboter in Betrieb ist, und die Kontaktposition an dem Werkzeug 4 wird variiert. In diesem Fall sollte auch die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 variiert werden. Ferner sollte, wie aus 11A ersichtlich, der Kraftannahmepunkt Pc (von Pca in Pcb) geändert werden, falls die Höhe des Werkzeugs 4 relativ zu dem Werkstück W variiert.
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Wenn das Werkzeug 4 mit dem Werkstück am Umfang des Werkzeugs an einer unteren Position des Werkzeugs 4, die die Position des Referenzpunktes Psa zum Berechnen des Kraftannahmepunktes in der Achsrichtung des Werkzeugs ist, in Kontakt ist, wird der Kraftannahmepunkt Pca basierend auf dem Referenzpunkt Psa zum Berechnen des Kraftannahmepunktes und auf dem Radius Ra des Werkzeugs in diesem Abschnitt berechnet. Ferner wird, wenn das Werkzeug mit dem Werkstück an dem Umfang des Werkzeugs an einer unteren Position des Werkzeugs 4, die die Position des Referenzpunktes Psb zum Berechnen des Kraftannahmepunktes in der Achsrichtung des Werkzeugs ist, in Kontakt ist, der Kraftannahmepunkt Pcb basierend auf dem Referenzpunkt Psb zum Berechnen des Kraftannahmepunktes und dem Radius Rb des Werkzeugs in diesem Abschnitt berechnet. Damit kann der Kontaktpunkt unter Verwendung eines Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes in einer abweichenden Position präziser angenommen werden. Ferner kann die Kraft durch Annahme des Kraftannahmepunktes Pc in einer zu dem realen Kontaktpunkt näheren Position präziser angenommen werden.
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Die 12A bis 12D sind schematischen Seitenansichten des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt. In diesen Zeichnungen wird der Kontaktabschnitt an dem Werkzeug 4 abhängig von der Position an dem Werkstück W variiert. In diesem Fall gilt auch das Gleiche, wie für das in 11 gezeigte Verfahren. Mit anderen Worten wird der Kraftannahmepunkt Pc unter Verwendung eines Referenzpunktes zur Berechnung des Kraftannahmepunktes in einer abweichenden Position abhängig davon angenommen, ob ein Abschnitt, der das Werkstück kontaktiert, sich an einer unteren Position des Werkzeugs 4 befindet (12A und 12C) oder ob ein Abschnitt, der das Werkstück kontaktiert, sich an einer oberen Position des Werkzeugs 4 befindet (12B und 12D). Durch geeignetes Variieren des Wertes des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, wie zuvor beschrieben, ist es gestattet, den Kontaktpunkt anhand der Schubrichtung und der auf den Abstand zum Kraftannahmepunkt Pc bezogenen Daten präziser anzunehmen.
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13A ist eine weitere schematische Seitenansicht des Werkzeugs, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt, und 13B ist eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt. In einem in den 13A und 13B gezeigten Beispiel wird der Betrieb durchgeführt, während die Position des Werkzeugs 4 und die Schubrichtung sowie die Kontaktposition an dem Werkzeug 4 variiert werden.
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In solch einem Fall wird gemäß einer vierten Ausführungsform auch der Kraftannahmepunkt Pc geeignet variiert, während der Roboter in Betrieb ist. Mit anderen Worten wird die Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 aktualisiert und geeignet festgelegt, wenn der Kontaktabschnitt zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 variiert. Ferner kann die Kraft durch Annahme des Kraftannahmepunktes Pc in einer zu dem realen Kontaktpunkt näheren Position präziser angenommen werden.
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Das Änderungsverfahren kann zum Beispiel eine Umstellung in einen im Vorhinein vorgesehenen Einstellpunktwert, eine Umstellung in Erwiderung auf eine Eingabe an einer Instruktionsbetriebstafel oder einer Tastatur oder in Erwiderung auf ein Betriebsprogramm des Roboters 1, einen Kraftannahmepunkt Pc, der im Vorhinein vorgesehen ist, um eine Positionsbeziehung zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W zu erfüllen, die abhängig von der Schubrichtung variiert wird, oder einen Kraftannahmepunkt Pc, der im Vorhinein vorgesehen ist, um die Fahrrichtung zu erfüllen, und der abhängig von der Fahrrichtung variiert wird, sein.
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14 ist eine weitere Vergrößerungsansicht des Endstücks des Roboters. Wie in 14 gezeigt, ist der dreiaxiale Kraftsensor 3 auf der Seite des Roboters 1 vorgesehen und das von der Hand 6 des Roboters gegriffene Werkstück W wirkt auf das fixierte Werkzeug 4 ein. In diesem Fall wird dann die Position des Kraftannahmepunkts Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3, wenn sich der Roboter 1 bewegt, dynamisch variiert, falls ein für das Werkzeug 4 gesetzter Zielkontaktpunkt als der Kraftannahmepunkt Pc angesehen wird, um das Werkstück mit dem fixierten Werkzeug 4 in Kontakt zu bringen.
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In solch einem Fall kann die Position des Kraftannahmepunktes Pc durch Updaten der Position des Kraftannahmepunktes Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 zu jeder Zeit basierend auf einer Positionsbeziehung zwischen dem Kraftannahmepunkt Pc an dem Werkzeug 4 und dem Roboter 1 dynamisch variiert werden. Falls der Kontaktabschnitt an dem fixierten Werkzeug 4 zu variieren ist, dann kann der Kraftannahmepunkt Pc aktualisiert werden. Die obigen Berechnungen können unter Verwendung einer Transformationsmatrix, die die Position und Lage ausdrückt, einfach durchgeführt werden.
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Gemäß einer fünften Ausführungsform ist es gewünscht, dass der Kraftannahmepunkt Pc relativ zu dem dreiaxialen Kraftsensor 3 durch die Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit 14 basierend auf dem angenommenen Abnutzungsbetrag des Werkzeugs 4 korrigiert wird. Unter Annahme des Kraftannahmepunktes Pc an einer zu dem realen Kontaktpunkt näheren Position kann die Kraft präziser angenommen werden. Der dreiaxialen Kraftsensor 3 ermittelt die Kräfte Fx, Fy und das Moment Mz basierend auf dem angenommenen Abnutzungsbetrag präziser.
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Wie für ein Verfahren zur Annahme des Abnutzungsbetrags, ist es beispielsweise gewünscht, im Vorhinein eine Datentabelle durch Durchführung von Experimenten vorzubereiten. Die Datentabelle kann auf die Abnutzung des Werkzeugs 4 bezogene Inhalte ausdrücken, wie Materialien des Werkzeugs 4 und des Werkstücks W, die an das Werkzeug 4 angelegte Kraft, die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück W, die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs 4, die Zeit der Ausführung, etc. Die im Vorhinein vorbereitete Datentabelle wird von der Speichereinheit 16 ausgelesen und die Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit 14 nimmt den Abnutzungsbetrag des Werkzeugs 4 entsprechend den zuvor erwähnten Materialien, der Kraft, etc. an. Alternativ dazu wird im Vorhinein eine Funktion zum Berechnen des Abnutzungsbetrags durch Experimente vorbereitet und der Abnutzungsbetrag kann basierend auf der Funktion angenommen werden. Danach korrigiert die Kraftannahmepunkt-Korrektureinheit 14 den Kraftannahmepunkt Pc basierend auf dem angenommenen Abnutzungsbetrag.
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In den sechsten, siebten, neunten und zehnten Ausführungsformen ist es gewünscht, den Kraftannahmepunkt Pc oder den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes basierend auf einer bekannten Kraft anzunehmen. In diesem Moment berechnet und stellt die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 oder die Einheit 15 zum Einstellen des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes den Kraftannahmepunkt Pc oder den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes basierend auf der Kraft Fz in einer Achsrichtung und auf den Momenten Mx, My um die Achsen in zwei Richtungen ein, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen, wobei die Kraft Fz und die Momente Mx, My seitens des dreiaxialen Kraftsensors 3 erfasst werden. Wenn eine bekannte Kraft wirkt, so kann daran gedacht werden, ein Federmittel zu verwenden, mittels dem eine Schubkraft abhängig von dem Schubbetrag erlernt werden kann, um das Werkzeug an ein fixiertes Messinstrument zu drücken, das dazu in der Lage ist, die Kraft zu messen, oder um die Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, die Kraft zu messen, an den Teil des Werkzeugs zu drücken. Daher ist die Einstellung von der Instruktionsbetriebstafel bekannt, werden die auf die Kräfte und Momente, die den Schwerkrafteffekt kompensieren, bezogenen Daten aus der Lage des Roboters erhalten und zusammen mit den spezifizierten oder gemessenen Kräften für die Berechnung verwendet, wenn eine bekannte Kraft wirkt. Darüber hinaus kann die bekannte Kraft eines gewünschten Ausmaßes im Vorhinein durch Experimente gefunden werden.
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Dadurch, dass die bekannte Kraft wie oben beschrieben wirkt, stellt das Robotersystem 10 den Kraftannahmepunkt Pc oder den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes einfach ein. Im Folgenden ist ein konkretes Verfahren beschrieben.
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15 ist ein Diagramm, das ein Koordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors zeigt. In 15 gelten die folgenden Beziehungen, wenn eine Kraft F an einem Punkt P1 in dem Koordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors wirkt. Mx = b·Fz – c·Fy (8) My = –a·Fz + c·Fx (9)
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In diesem Fall sind die Kraft Fz und die Momente Mx, My erfassbar, obwohl das Moment Mz nicht erfasst werden kann.
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Aus diesen Formeln (8) und (9) kann P1 (a, b, c) durch Anlegen einer bekannten Kraft (z. B. Fz ist beliebig und (Fx, Fy) = (1, 0), (0. 1) unter Annahme verschiedener Werte) an einen Punkt, dessen Position mehrmals gefunden werden muss, während die Anlagerichtung und Größe variiert wird, berechnet werden.
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In den sechsten, achten, neunten und elften Ausführungsformen kann der Kraftannahmepunkt Pc oder der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes basierend auf einer geeigneten unbekannten Kraft angenommen werden. Mit anderen Worten wird eine unbekannte Kraft einer geeigneten Größe an den Kraftannahmepunkt Pc oder an den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes angelegt und der Kraftannahmepunkt Pc oder der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes wird berechnet und eingestellt, während der Schwerkrafteffekt basierend auf der Kraft Fz in einer Achsrichtung und den Momenten Mx, My um die Achsen in zwei Richtungen kompensiert wird, die mit der obigen Achse rechte Winkel einschließen und ferner untereinander rechte Winkel einschließen, wobei die Kraft Fz und die Momente Mx, My seitens des dreiaxialen Kraftsensors 3 in diesem Moment erfasst werden. Wenn eine unbekannte Kraft einer geeigneten Größe angelegt wird, ist es gewünscht, den Zeitpunkt zum Anlegen der Kraft unter Verwendung der Instruktionsbetriebstafel oder unter der Bedingung einzustellen, dass eine Kraft angelegt wird, die größer ist als ein gegebener Schwellenwert, sowie die Kräfte, Momente und Lage des Roboters in diesem Moment zu erhalten.
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Durch Anlegen einer geeigneten Kraft, wie zuvor beschrieben, setzt das Robotersystem 10 den Kraftannahmepunkt Pc oder den Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes einfach fest.
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Wenn die Kraft F an den Punkt P1 in dem Koordinatensystem des dreiaxialen Kraftsensors angelegt wird, gelten die unter Bezugnahme auf 15 beschriebenen Formeln (8) und (9). Daher kann P1 (a, b, c) wie zuvor beschrieben berechnet werden.
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Wenn ein Punkt, dessen Position anhand dieser Formeln (8) und (9) zu ermitteln ist, auf irgendeiner der drei Achsen (X-, Y-, Z-Achsen) liegt, wird die Position P1 (a, b, c) des Kraftannahmepunktes Pc oder des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, der ein Punkt der Kraftanlage ist, durch Anlegen einer Kraft F einer geeigneten Größe an diesen Punkt in einer bekannten Richtung, die zu einer durch die zwei von der Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene nicht parallel ist, sowie durch Ermitteln der Kräfte Fx, Fy aus einer Beziehung zwischen einem Wert Fz und der Richtung, in der die Kraft angelegt wird, berechnet.
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In diesem Fall können die Kräfte Fx und Fy aus der Kraft Fz erlernt werden, falls P1 auf der Z-Achse liegt, da die Richtungen a = 0, b = 0 bekannt gewesen sind.
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Ferner kann P1 (a, b, c) durch Anlegen einer Kraft einer geeigneten Größe in dem Punkt, dessen Position in einer bekannten Richtung zu ermitteln ist, die nicht parallel zu einer durch die zwei von der Achse, in der die Kraft mehrmals in verschiedenen Richtungen gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene ist, sowie durch Auflegen der Kräfte Fx, Fy aus einer Beziehung zwischen einem Wert Fz und der Richtung, in der die Kraft angelegt wird, berechnet werden.
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Ähnlich wird die Position P1 (a, b, c) des Kraftannahmepunktes Pc oder des Referenzpunktes Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes, der ein Punkt der Kraftanlage ist, durch Anlegen einer Kraft F einer geeigneten Größe an den Punkt in einer bekannten Richtung, die zu einer durch die Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, und einer anderen Achse aufgespannten Ebene nicht parallel ist und auch nicht parallel zu einer durch die zwei von der Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, abweichenden Achsen aufgespannten Ebene ist, sowie durch Ermitteln der Kräfte Fx, Fy aus einer Beziehung zwischen einem Wert Fz und der Richtung, in der die Kraft angelegt wird, berechnet, wenn der Punkt, dessen Position zu ermitteln ist, in der obigen Ebene liegt, die durch die Achse, in der die Kraft gemessen werden kann, und einer anderen Achse aufgespannt wird.
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In diesem Fall können die Kräfte Fx und Fy aus dem Wert Fz erlernt werden, falls P1 in der X-Z-Ebene liegt, da die Richtung a = 0 bekannt gewesen ist. Unter dieser Bedingung gilt Fx ≠ 0. Daher können b und c gefunden werden. Daher ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass der Kraftannahmepunkt Pc durch die Kraftannahmepunkt-Einstelleinheit 12 auf einfache Weise gesetzt wird und der Referenzpunkt Ps zum Berechnen des Kraftannahmepunktes durch die Einheit 15 zum Einstellen des Referenzpunktes zum Berechnen des Kraftannahmepunktes auf einfache Weise gesetzt wird.
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Effekte der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Kräfte Fx, Fy und/oder das Moment Mz unter Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors, der drei Komponenten erfasst, die sich zusammensetzen aus der Kraft Fz und den Momenten Mx, My, genau angenommen werden.
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Ferner ist es notwendig, den Kontaktpunkt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, der der Punkt der Kraftanlage ist, genauer anzunehmen, wenn die Kräfte Fx, Fy und/oder das Momente Mz unter Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors, der drei Komponenten erfasst, die sich zusammensetzen aus der Kraft Fz und den Momenten Mx, My, anzunehmen sind. Um eine praktikable Kraftsteuerung unter Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors zu realisieren, wird der Kontaktpunkt auf einfache Weise und präziser angenommen und ausgehend von dem obigen Verfahren festgesetzt. Dies ermöglicht es, die Kräfte Fx, Fy und/oder das Moment Mz unter Verwendung des dreiaxialen Kraftsensors praktikabel und genauer anzunehmen und die Kräfte Fx, Fy, Fz und die Momente Mx, My, Mz für die Kraftsteuerung einzusetzen.
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Die vorliegende Erfindung wendet den dreiaxialen Kraftsensor, der die drei Komponenten der Kraft Fz und Momente Mx, My erfasst, in dem Robotersystem an, das die Kraftsteuerung in verschiedenen Richtungen durchführt. Der dreiaxiale Kraftsensor ist kostengünstiger und in der Größe kleiner als der multiaxiale Kraftsensor derselben Leistung, der vier oder mehr Achsen erfasst. Daher können die Kosten des Robotersystems durch Ersetzen des multiaxialen Kraftsensors durch den dreiaxialen Kraftsensor, um diesen zur Kraftsteuerung einzusetzen, niedrig gehalten werden und das Robotersystem kann in einer kleineren Größe hergestellt werden.
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Obwohl die Erfindung zuvor anhand repräsentativer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird verstanden werden, dass ein Fachmann die oben erwähnten Modifikationen, verschiedene andere Modifikationen, Weglassungen oder Hinzufügungen machen kann, ohne dabei den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
