DE102012017328B4

DE102012017328B4 - Roboter mit einer Werkstückmassenmessfunktion

Info

Publication number: DE102012017328B4
Application number: DE102012017328.8A
Authority: DE
Inventors: Takashi Sato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: DE102012017328A1; US9459136B2; JP5383760B2; US20140238157A1; US8775129B2; JP2013056402A; US20130061695A1; CN102990642A; CN102990642B

Abstract

Ein Roboter (1) mit einer Werkstückmassenmessfunktion zum Messen der Masse eines gehaltenen Werkstücks umfasst eine Kraftmesseinheit (5), die die auf den Spitzenabschnitt (2) des mechanischen Abschnitts des Roboters (1) ausgeübte Kraft misst, und eine Massenberechnungseinheit (11), die die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks (1) basierend auf einer Information über die von der Kraftmesseinheit (5) ermittelten Kraft berechnet, während sich der Roboter (1) bewegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter mit einer Funktion zum Messen der Masse eines von einem Roboter mit einer Kraftmesseinheit gehaltenen Werkstücks.
Um defekte Teile und Produkte nach deren Herstellung zu untersuchen, wird die Masse eines Werkstücks unter Verwendung eines Roboters mit einer Kraftmesseinheit gemessen. Genauer gesagt, hält eine Roboterhand mit einer Kraftmesseinheit an einem Robotergelenkabschnitt ein Werkstück. Anschließend wird die Masse des Werkstücks anhand eines Ausgabewerts der Kraftmesseinheit gemessen.
Bei derartigen Massenmessungen wird beispielsweise geprüft, ob eine Vielzahl von Werkstücken gehalten wird oder nicht, wenn tatsächlich nur ein Werkstück gehalten werden soll. Alternativ werden derartige Massenmessungen ausgeführt, um festzustellen, ob die Masse eines einzelnen Werkstücks in einem vorbestimmten Bereich liegt oder nicht, und um festzustellen, ob das Werkstück in Ordnung ist.
Die DE 11 2008 003 243 T5 offenbart eine Maschine mit einem Nutzlastberechnungssystem. Das Nutzlastberechnungssystem weist einen oder mehrere Zustandssensoren, einen Ausrichtungssensor, einen oder mehrere Kraftsensoren und eine Verarbeitungsvorrichtung auf. Die Kraftsensoren können ein Signal ausgeben, mit dem eine Kraft bestimmt werden kann, die von den Betätigungsvorrichtungen und/oder den Gelenkverbindungsgliedern erzeugt wird oder auf diese einwirkt. Die Kraftsensoren können Drucksensoren sein, die den Druck des unter Druck gesetzten Strömungsmittels innerhalb der ersten und/oder zweiten Kammern der Betätigungsvorrichtungen oder den Druck des unter Druck gesetzten Strömungsmittels messen, das diesen Kammern zugeführt wird. Während das Material oder das Objekt bewegt wird, kann die Verarbeitungsvorrichtung Daten von den Zustandssensoren und den Kraftsensoren empfangen.
Der Aufsatz von Kroger et al. mit dem Titel ”12D force and acceleration sensing: A helpful experience report an sensor characteristics” offenbart die Ermittlung eines Durchschnittswerts aus einer mehreren Messwerten (siehe Robotics and Automation 2008, ICRA 2008, 05.2008, Seiten 3455 bis 3462).
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichungsschrift JP H06-31 667 A offenbart zur Sortierung von Werkstücken die Ausführung von einer Produktprüfung, Teilebefestigungsprüfungen und Typprüfungen eines Werkstücks basierend auf einem Kraftmesswert auszuführen. Darüber hinaus offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichungsschrift JP H06-31 667 A derart programmierte Roboterarbeitsabläufe, zur Messung der Masse eines Werkstücks, dass die Masse des Werkstücks vertikal auf eine Kraftmesseinheit einwirkt und die Differenz zwischen der Ausgabe der Kraftmesseinheit und einer vorbestimmten Referenzmasse festgestellt werden kann.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichungsschrift JP H05-57 667 A offenbart eine Anordnung, die ein Paar von Kraftmesseinheiten (Druckmesser) oberhalb und unterhalb einer Roboterhand verwendet. Die Masse des Werkstücks wird über die Ausgaben der Messeinheiten gemessen, wenn das Werkstück von oben nach unten gehalten wird. In der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift JP H05-57 667 A wird in einem Zustand, in dem eine Hand ein Werkstück hält und ein Paar von Lastsensoren in vertikaler Richtung vorgesehen ist, wird das Werkstück noch immer gehalten, und die Masse des Werkstücks durch Abziehen des Gewichtswerts der oberen Lastzelle von dem Gewichtswert der unteren Lastzelle ermittelt.
Die 7A und 7B sind Seitenansichten eines Roboters gemäß dem Stand der Technik. Der in diesen Figuren dargestellte Roboter ist ein vertikaler Gelenkroboter, und eine Roboterhand 3 ist an einem Spitzenabschnitt 2 eines Arms des Roboters angebracht. Ein Kraftsensor 5 ist zwischen dem Spitzenabschnitt 2 und der Hand 3 des Arms vorgesehen.
Wie in 7A dargestellt ist, steht ein Roboter 1 zunächst in einem Zustand still, in dem ein Werkstück W nicht gehalten wird, und die Ausgabe des Kraftsensors 5 wird aufgezeichnet. Anschließend hält die Hand 3, wie in 7B dargestellt ist, nur das Werkstück W (ohne die Position und die Stellung des Roboters 1 zu verändern). Der Roboter steht noch immer still und die Ausgabe des Kraftsensors 5 wird aufgezeichnet. Im Anschluss daran wird die Masse des Werkstücks W basierend auf der Abweichung der beiden Ausgaben des Kraftsensors 5 ermittelt.
In diesem Zusammenhang muss, wie in den 7A und 7B dargestellt ist, falls der Kraftsensor ein Druckmesser mit einer Achse ist, für eine Messung des Kraftsensors 5 der Kraftsensor 5 vertikal nach unten gerichtet sein. Falls der Kraftsensor 5 jedoch ein Kraftsensor mit drei oder mehreren Achsen ist, und die Position und Stellung die gleiche ist, wenn das Werkstück W nicht gehalten und wenn das Werkstück gehalten wird, kann der Kraftsensor 5 in einer anderen Stellung als der unten gerichteten Stellung sein.
Wie voranstehend beschrieben wurde, muss der Roboter 1 stillstehen, wenn die Masse des Werkstücks W gemessen wird. Der Grund dafür ist, dass wenn sich der Roboter 1 im Betrieb befindet, nicht nur die auf die Hand 3 und das Werkstück W einwirkenden Gravitationskräfte, sondern auch die Trägheitskräfte, wie zum Beispiel die durch die Beschleunigung/Verzögerung des Roboters 1 erzeugten Kräfte, die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft von dem Kraftsensor 5 erfasst werden. Falls der Roboter 1 angehalten wird, sodass die Gravitationskräfte und die Trägheitskräfte nicht wirken, benötigt der Roboter 1 Zeit zum Verzögern, Zeit zum Anhalten und Zeit zum Wiederbeschleunigen. Somit wird die Zykluszeit des Roboters 1 erheblich erhöht.
Darüber hinaus muss gemäß der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungsschrift JP H06-31 667 A und der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungs- schrift JP H05-57 667 A die Stellung des Roboters 1 zur Messung des Werkstücks derart verändert werden, dass das Gewicht des Werkstücks vertikal auf die Kraftmesseinheit wirkt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf den voranstehend beschriebenen Stand der Technik gemacht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Roboter mit einer verbesserten Werkstückmassenmessfunktion bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Roboter gelöst, der die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 aufweist.
Der Roboter mit einer Werkstückmassenmessfunktion zum Messen der Masse eines gehaltenen Werkstücks gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst eine Kraftmesseinheit, die die auf den Spitzenabschnitt eines mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Kraft misst, und eine Massenberechnungseinheit, die die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der während der Bewegung des Roboters von der Kraftmesseinheit ermittelten Kraft berechnet. Die Massenberechnungseinheit umfasst eine Beschleunigungsermittlungseinheit, die die auf den Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Beschleunigung ermittelt, und die Massenberechnungseinheit die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der während der Bewegung von der Kraftmesseinheit gemessenen Kraft und der von der Beschleunigungsermittlungseinheit ermittelten Beschleunigung berechnet.
Die Kraftmesseinheit misst die Kraft in Richtung dreier Achsen. Die Beschleunigungsermittlungseinheit ermittelt die Beschleunigung in Richtung dreier Achsen. Die Massenberechnungseinheit berechnet die Masse bzgl. der Richtungen dreier Achsen derart, dass die einer Richtung unter den Richtungen dreier Achsen entsprechende Masse, in der der absolute Wert der Beschleunigung am größten ist, ein Massenberechnungswert ist.
Alternativ misst die Kraftmesseinheit die Kraft in Richtung dreier Achsen, die Beschleunigungsermittlungseinheit ermittelt die Beschleunigung in Richtung dreier Achsen, wobei die Massenberechnungseinheit die Masse bzgl. der Richtungen dreier Achsen derart berechnet, dass ein Durchschnittswert einer Vielzahl von Massen der Massenberechnungswert ist.
Gemäß einer Ausführungsform berechnet die Kraftmesseinheit die Masse des Werkstücks basierend auf einem Kraftmesswert, der gemessen wird, wenn das Werkstück gehalten wird, und einem Kraftmesswert, der gemessen wird, wenn das Werkstück nicht gehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Stellung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts nicht verändert, während sich der Roboter bewegt.
Gemäß einer Ausführungsform, ist ein Durchschnittswert einer Vielzahl der Massen des Werkstücks, die von der Massenberechnungseinheit an eine Vielzahl von Zeitpunkten während der Bewegung des Roboters berechnet werden, ein Massenberechnungswert.
Gemäß einer Ausführungsform berechnet die Beschleunigungsermittlungseinheit die Beschleunigung durch eine dynamische Gleichung.
Gemäß einer Ausführungsform ermittelt die Beschleunigungsermittlungseinheit die von einem Beschleunigungssensor gemessene Beschleunigung, wobei der Beschleunigungssensor an dem Roboter angebracht ist.
Gemäß einer Ausführungsform berechnet die Massenberechnungseinheit die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf einer Kraft, die von der Kraftmesseinheit während der Bewegung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts entlang einer Oberfläche ermittelt wird und die senkrecht zu einer Richtung einer Gravitationskraft ist, die auf den Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters einwirkt.
Gemäß einer Ausführungsform berechnet die Massenberechnungseinheit die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der Kraft, die von der Kraftmesseinheit während der Bewegung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts des Roboters entlang eines linearen Pfades mit einer konstanten Geschwindigkeit ermittelten Kraft.
Gemäß einer Ausführungsform der Roboter ferner eine Stellungsermittlungseinheit, die eine Stellung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts des Roboters ermittelt und die Massenberechnungseinheit die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf den Kräften in einer oder mehreren Richtungen, die von der Kraftmesseinheit gemessen werden, und der von der Stellungsermittlungseinheit ermittelten Stellungen berechnet.
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften dieser Erfindung werden von der nachstehenden Beschreibung mit Bezug auf die in den beigefügten Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Seitenansicht eines Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine erste Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf einer ersten Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B ist eine zweite Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe gemäß der ersten Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf einer zweiten Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Seitenansicht eines Roboters;
5A ist eine erste Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf einer fünften Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B ist eine zweite Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe gemäß der fünften Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 ist eine Seitenansicht eines Roboters gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A ist eine Seitenansicht eines Roboters gemäß dem Stand der Technik; und
7B ist eine weitere Seitenansicht des Roboters gemäß dem Stand der Technik.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Detail mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. In den beigefügten Figuren sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Maßstab dieser Figuren ist zur Erleichterung der Erläuterungen jeweils angepasst.
1 ist eine Seitenansicht eines Roboters basierend auf der vorliegenden Erfindung. Der Roboter 1 gemäß 1 ist ein vertikaler Gelenkroboter oder ein bekannter Robotermanipulator und weist an einem Spitzenabschnitt 2 seines Armes eine Hand 3 auf, die ein Werkstück W hält. Man erkennt, dass die Hand 3 nicht notwendigerweise an dem Spitzenabschnitt 2 des Arms des Roboters 1 angebracht sein muss.
Die Hand 3 wird nach Maßgabe der Form, des Materials, der Masse, usw. des Werkstücks W ausgewählt. Die Hand 3 kann entweder ein Saugmodell oder ein Spannmodell sein. Darüber hinaus ist ein Kraftsensor 5 zwischen dem Spitzenabschnitt 2 des Arms und der Hand 3 vorgesehen.
In 1 sind zwei Tische T1 und T2 im Arbeitsbereich des Roboters 1 angeordnet und ein Werkstück W ist an einem Tisch T1 angebracht. Wie in 1 dargestellt ist, ist eine den gesamten Roboter 1 steuernde Robotersteuerung 9 mit dem Roboter 1 verbunden. Der Kraftsensor 5 ist ebenfalls mit der Robotersteuerung 9 verbunden.
Die Robotersteuerung 9 ist ein digitaler Computer und umfasst eine Massenberechnungseinheit 11, die die Masse des Werkstücks W berechnet, und eine Beschleunigungsermittlungseinheit 12, die die auf den Spitzenabschnitt des Roboterarms einwirkende Beschleunigung berechnet. Es sollte berücksichtigt werden, dass an Stelle der Beschleunigungsermittlungseinheit 12 auch ein Beschleunigungssensor 6 (nachstehend beschrieben) an der Hand 3 angebracht werden kann. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Robotersteuerung 9 eine Stellungsermittlungseinheit 13 auf, die die Stellung des Armabschnitts 2 des Roboterarms ermittelt.
In 1 ist ein Referenzkoordinatensystem Σ1 an der Basis des Roboters 1 angelegt und ein Kraftsensorkoordinatensystem Σ2 ist an dem Kraftsensor 5, wie dargestellt ist, fixiert. Die Beziehung zwischen der axialen Richtung des Referenzkoordinatensystems Σ1 und der Gravitationsrichtung wird im Voraus in eine Speichereinheit (nicht dargestellt) der Robotersteuerung 9 gespeichert. Es können verschiedenen Daten in der Speichereinheit gespeichert werden.
Obwohl normalerweise die Z-Richtung des Referenzkoordinatensystems Σ1 und die Gravitationsrichtung übereinstimmen, können für diese auch andere Richtungen ausgewählt werden. In 1 und den nachstehend beschriebenen Figuren wirkt die Gravitationskraft in jeder Figur nach unten.
Da der Spitzenabschnitt 2 des Roboterarms bewegt wird, ändert sich die Position und Stellung des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1. Die Position und die Stellung des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 zu einer bestimmten Zeit kann durch bekannte vorwärts kinematische Berechnungen unter Verwendung des Winkels jeder Achse des Roboters 1 zu diesem Zeitpunkt, der Robotergelenklänge, usw. berechnet werden.
2A und 2B sind erste und zweite Ansichten, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. 2A zeigt den Zustand, in dem der Roboter 1 das Werkstück W nicht hält und der Spitzenabstand 2 sich entlang eines bestimmten Pfades von dem Tisch T2 in Richtung des Tischs T1 bewegt. Dabei wirken unter anderem die Gravitationskraft der Hand 3 und die von der Bewegung der Hand 3 erzeugten Trägheitskräfte auf den Kraftsensor 5 ein.
In 2B ist ein Zustand gezeigt, in dem der Roboter 1 ein Werkstück W hält und der Spitzenabschnitt 2 sich entlang eines vorbestimmten Pfades von dem Tisch T2 in Richtung des Tisches T1 bewegt. Dabei wirken unter anderem die Gravitationskräfte der Hand 3 und des Werkstücks W sowie die durch die Bewegung der Hand 3 und des Werkstücks W erzeugten Trägheitskräfte auf den Kraftsensor 5.
Ausführungsform 1
Bei der ersten Ausführungsform wird die Masse der Hand 3 separat gemessen. Als Kraftsensor 5 wird ein Sensor mit drei oder mehreren Achsen verwendet und der Sensor 5 ist daher zum Erfassen der drei translatorischen Komponenten der Kraft fähig.
Gemäß 2B wird das Werkstück W von der Hand 3 des Roboters 1 gehalten und der Roboter 1 und das Werkstück W bewegen sich ohne die Umgebungskomponenten zu berühren. Wie aus 2B erkennbar ist, kann die Ausgabe des Kraftsensors 5, wenn der Roboter 1 ohne Veränderung der Stellung des Handgelenks des Roboters 1 wie in 2B gezeigt ist, bewegt wird, durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt werden. Der Grund dafür, dass keine Änderung der Stellung des Handgelenks stattfindet, liegt in der Reduzierung der Störeinflüsse wie z. B. der Vibrationen des Roboters. F =(Mh + Mw)·R{g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)} (Gleichung 1)
In dieser Gleichung ist

F: ein Kraftvektor, der durch den Kraftsensor 5 erfasst wird (erfasster Wert);
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W;
R: ist eine Transformationsmatrix von dem Referenzkoordinatensystem Σ1 auf das Kraftsensorkoordinatensystem Σ2;
g: ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1;
x: ist der Positionsvektor des Ursprungs des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1;
d²x/dt²: ist ein Differenzial von x der zweiten Ordnung; und
C(x, dx/dt): ist ein Vektor der die Trägheitskraft, wie z. B. die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft darstellt, welche auf die Hand 3 und das Werkstück W einwirken und ist ein Funktion von x und dx/dt.

Die Gleichung 1 gilt bezüglich einer beliebigen Zeit, solange der Roboter 1 keine Umgebungskomponenten berührt. Der Kraftvektor F zu einer bestimmten Zeit wird aufgezeichnet, während der Roboter 1 in Betrieb ist. Eine Massenberechnungseinheit 11 berechnet x zur gleichen Zeit durch vorwärts kinematische Berechnungen anhand von Informationen wie z. B. der Robotergelenklänge, dem Winkel jeder Achse des Roboters usw. Die Massenberechnungseinheit 11 berechnet g, d²x/dt² und C(x, dx/dt) unter Verwendung von x das berechnet wird. Die nachstehend beschriebenen Berechnungen werden ebenfalls hauptsächlich in der Massenberechnungseinheit 11 ausgeführt.
Jeder Ausdruck in der Gleichung 1 ist ein Vektor von drei Komponenten und wird von drei Gleichungen gebildet, sodass die Masse Mw des Werkstücks mit jedem ermittelt werden kann. Obwohl diese alle idealerweise den gleichen Wert haben, führen tatsächliche Berechnungen häufig zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen.
Geht man davon aus, dass die ermittelten Massen der drei Gleichungen Mwx, Mwy und Mwz sind, kann Mw durch folgende Verfahren berechnet werden. Das erste Verfahren ist die Berechnung eines Durchschnittswertes von Mwx, Mwy und Mwz. Somit kann Mw einfach und genau mit der nachstehenden Gleichung 2 berechnet werden. Mw = (Mwx + Mwy + Mwz)/3 (Gleichung 2)
Alternativ kann von den drei Komponenten des Vektors {g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)} die Masse der Richtung mit dem größten absoluten Wert verwendet werden. Mit anderen Worten wird in einer Richtung, in der der absolute Wert der Beschleunigung groß ist, der Einfluss von Fehlerfaktoren, wie z. B. Störgeräuschen, relativ unerheblich, und daher kann das Resultat alleine verwendet werden. Bei Annahme von {g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)} = (ax, ay, az) wird Mwx als Mw verwendet, wenn |ax| das Maximum ist, Mwy wird verwendet, falls |ay| das Maximum ist und Mwz wird verwendet, falls |az| das Maximum ist.
Auf diese Weise kann die Masse Mw eines Werkstücks W nur mit der Gleichung 1 an einer vorbestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich die Masse Mw eines Werkstücks W zu einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und einen Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die Einflüsse von Störungen wie z. B. Modellfehlern aufgrund von individuellen Veränderungen der Länge der Robotergelenke, der Abweichungen der Gelenke, Veränderungen der Ausgabewerte der Kraftsensoren und Vibrationen durch Erschütterungen des Roboters selbst reduziert und die Masse Mw mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden.
Ausführungsform 2
3 zeigt die Roboterarbeitsabläufe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in dieser Figur ersichtlich wird, unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Beschleunigungssensor 6 an den Basisabschnitt der Hand 3 angebracht ist. Auch mit Bezug auf die zweite Ausführungsform wird ein Kraftsensor mit 3 oder mehreren Achsen als Kraftsensor 5 verwendet und der Kraftsensor 5 kann die drei translatorischen Komponenten der Kraft erfassen. Bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Vektor {g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)} durch Berechnungen ermittelt. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der obige Vektor unter Verwendung der Ausgabe des Beschleunigungssensors 6 ermittelt.
In 2B ist ein Zustand dargestellt, in dem der Roboter 1 ein Werkstück W hält und der Spitzenabschnitt 2 sich entlang eines vorbestimmten Pfades von dem Tisch T1 in Richtung des Tischs T2 bewegt. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 kann dann durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden. F = (Mh + Mw)·A (Gleichung 3)

F: ist der von dem Kraftsensor 5 (erfasster Wert) erfasste Kraftvektor,
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W; und
A: ist der Ausgabevektor des Beschleunigungssensors 6, der in einen Wert des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 konvertiert wird.

Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Kraftvektor F zu einer bestimmten Zeit während des Betriebs des Roboters aufgezeichnet. Zu dieser Zeit wird ebenfalls der Ausgabevektor A des Beschleunigungssensors 6 aufgezeichnet. Die Masse Mh der Hand 3 ist bekannt, sodass die Masse Mw des Werkstücks W unter Verwendung der Gleichung 3 berechnet werden kann.
Jeder Ausdruck der Gleichung 3 ist ein Vektor mit drei Komponenten und wird von drei Gleichungen gebildet, sodass die Masse Mw des Werkstücks mit jeder ermittelt werden kann. Obwohl die Ergebnisse der drei Gleichungen idealerweise denselben Wert ergeben müssten, können tatsächliche Berechnungen häufig zu leicht unterschiedlichen Resultaten führen.
Dadurch, dass die von den drei Gleichungen ermittelten Massen Mwx, Mwy und Mwz sind, kann Mw folgendermaßen berechnet werden. Bei dem ersten Verfahren wird ein Durchschnittswert von Mwx, Mwy und Mwz berechnet und Mw kann leicht unter Verwendung der voranstehend beschriebenen Gleichung 2 berechnet werden.
Alternativ kann von diesen drei Komponenten des Vektors A das Ergebnis der Richtung mit dem größten absoluten Wert verwendet werden. Mit anderen Worten können in der Richtung, in der der absolute Wert der Beschleunigung groß ist, die Einflüsse von Fehlerfaktoren, wie z. B. Störgeräuschen, als relativ unerheblich erachtet werden. Dadurch kann das Ergebnis alleine verwendet werden. Anders ausgedrückt kann unter der Annahme von A = (ax, ay, az), Mwx angesehen werden als Mw falls |ax| das Maximum ist, Mwy kann verwendet werden, falls |ay| das Maximum ist, und Mwz kann verwendet werden, falls |az| das Maximum ist.
Auf diese Weise kann die Masse eines Werkstücks W unter Verwendung alleine der Gleichung 3 an einer vorbestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich die Masse Mw eines Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu bestimmen und ihren Durchschnittswert zu ermitteln. Es ist jedoch auch nachvollziehbar, dass die Einflüsse von verschiedenen Fehlern reduziert werden können. Da mit Bezug auf die zweite Ausführungsform der Beschleunigungssensor 6 verwendet wird, ist es ersichtlich, dass die Beschleunigung genauer und direkter ermittelt werden kann.
Ausführungsform 3
Der Kraftsensor 5 ist gemäß der dritten Ausführungsform ein Kraftsensor mit drei oder mehreren Achsen und kann drei translatorische Komponenten erfassen. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass die Messung in zwei Schritten ausgeführt wird, was nachstehend beschrieben ist. Mit anderen Worten wird bei der dritten Ausführungsform die Masse der Hand 3 auch berechnet, so dass es nicht notwendig ist, die Masse der Hand 3 im Voraus zu messen.
Der erste Schritt wird nachstehend beschrieben. 2A zeigt einen Zustand, in dem die Hand 3 des Roboters 1 ein Werkstück W nicht hält und die Hand 3 des Roboters 1 sich in der Luft bewegt, ohne Umgebungskomponenten zu berühren. Die Ausgabe des Kraftsensors 5, wenn der Roboter ohne eine Veränderung der Stellung des Handgelenks des Roboters 1 in Betrieb ist, kann durch die folgende Gleichung 4 ausgedrückt werden. F1 = Mh·R·(g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)) (Gleichung 4)

F1: ist ein Kraftvektor, der durch den Kraftsensor 5 ermittelt wird (erfasster Wert);
Mh: ist die Masse der Hand;
R: ist eine Transformationsmatrix von dem Referenzkoordinatensystem Σ1 auf das Kraftsensorkoordinatensystem Σ2;
g: ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor bezüglich des Referenzkoordinaten systems Σ1;
x: ist der Positionsvektor des Ursprungs des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 bezüglich des Referenzkoordinatensystems Σ1;
d²x/dt²: ist ein Differential der zweiten Ordnung von x; und
C(x, dx/dt): ist ein Beschleunigungsvektor unter anderem gemäß der Zentrifugalkraft und der Corioliskraft, die auf das Werkzeug einwirken, und ist eine Funktion von x und dx/dt.

Die Gleichung 4 kann im Hinblick auf beliebige Zeiten verwendet werden, so lange der Roboter 1 keine Umgebungskomponenten kontaktiert und der Kraftvektor F1 wird zu einer bestimmten Zeit aufgezeichnet, während der Roboter 1 in Betrieb ist. Anschließend wird der Positionsvektor x zur gleichen Zeit durch vorwärts kinematische Berechnungen mit Hilfe von Informationen wie z. B. der Robotergelenklänge und dem Winkel jeder Achse des Roboters 1, berechnet. Darüber hinaus werden g, d² x/dt² und C(x, dx/dt) unter Verwendung des Positionsvektors x erhalten. In diesem Fall ist es nicht notwendig, einen Beschleunigungssensor 6 vorzusehen, so dass der Aufbau des Robotersystems einfach gehalten und die Kosten zum Aufbau des Robotersystems reduziert werden können.
Die Masse Mh der Hand 3 wird mit der Gleichung 4 berechnet. Die Masse Mh der Hand 3 wird von der Gleichung 4 an einer bestimmten Zeit berechnet. Es ist ferner auch möglich, die Masse Mh der Hand 3 zu einer Vielzahl von Zeiten mit Hilfe der Gleichung 4 zu ermitteln und ihren Durchschnittswert zu berechnen. Aufgrund des voranstehend Gesagten ist es auch möglich, die Einflüsse von Störungen, wie zum Beispiel Modellfehlern aufgrund von individuellen Veränderungen der Länge der Robotergelenke, der Ablenkung der Robotergelenke, Änderungen der Ausgabewerte der Kraftsensoren und Vibrationen durch eine Erschütterung des Roboters, zu reduzieren und die Masse Mh mit hoher Zuverlässigkeit zu ermitteln.
Im Folgenden wird der zweite Schritt beschrieben. In 2b ist ein Zustand dargestellt, bei dem die Hand 3 des Roboters 1 ein Werkstück W hält und die Hand 3 des Roboters 1 sich in der Luft bewegt, ohne Umgebungskomponenten zu berühren. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 kann durch die folgende Gleichung 5 ausgedrückt werden, wenn der Roboter im Betrieb ist, ohne die Stellung des Gelenks des Roboters 1 zu verändern. F2 = (Mh + Mw)·R·(g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)) (Gleichung 5)

F2: ist ein Kraftvektor, der durch den Kraftsensor (erfasster Wert) erfasst wird.
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W;
R: ist eine Transformationsmatrix von dem Referenzkoordinatensystem Σ1 auf das Kraftsensorkoordinatensystem Σ2;
g: ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor bezüglich des Referenzkoordinaten systems Σ1;
x: ist der Positionsvektor des Ursprungs des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 bezüglich des Referenzkoordinatensystems Σ1;
d²x/dt²: ist ein Differential von x der zweiten Ordnung; und
C(x, dx/dt): ist ein Vektor, der unter anderem die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft darstellt, welche auf das Werkstück und das Werkzeug einwirken, und ist eine Funktion von x und dx/dt.

Wie bei dem voranstehend beschriebenen ersten Schritt werden x, g, d²x/dt² und C(x, dx/dt) zu einer bestimmten Zeit berechnet. Die Masse Mh der Hand wurde bereits im ersten Schritt bestimmt. Dementsprechend muss die Masse Mw des Werkstücks W unter Verwendung der Gleichung 5 berechnet werden.
Jeder Ausdruck der Gleichung 5 ist ein Vektor mit drei Komponenten und wird von drei Gleichungen gebildet, so dass die Masse Mw mit jeder Gleichung bestimmt werden kann. Obwohl diese Gleichungen idealerweise alle denselben Wert haben, können tatsächliche Berechnungen häufig leicht zu unterschiedlichen Resultaten führen.
Dadurch, dass die Massen Mwx, Mwy und Mwz mit den drei Gleichungen ermittelt werden können, kann Mw auf folgende Weise berechnet werden. Das erste Verfahren liegt in der Berechnung eines Durchschnittswerts von Mwx, Mwy und Mwz und Mw kann einfach mit der voranstehend beschriebenen Gleichung 2 berechnet werden.
Alternativ ist es möglich, dass unter den drei Komponenten des Vektors (g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)) das Ergebnis der Richtung mit dem höchsten absoluten Wert verwendet werden. Mit anderen Worten kann in einer Richtung, in der der absolute Wert der Beschleunigung groß ist, der Einfluss von Fehlerfaktoren, wie zum Beispiel Störgeräuschen, als relativ unerheblich erachtet werden, und daher kann dieses Ergebnis alleine verwendet werden. Unter der Annahme, dass (g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)) = (ax, ay, az) kann Mwx als Mw verwendet werden, falls |ax| das Maximum ist, Mwy kann verwendet falls |ay| das Maximum ist und Mwz kann verwendet werden, falls |az| das Maximum ist.
Auf diese Weise kann die Masse Mw eines Werkstücks W alleine unter Verwendung der Gleichung 5 an einer vorbestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Masse Mw eines Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch kann der Einfluss von verschiedenen Fehlern reduziert werden.
Ausführungsform 4
Wie voranstehend mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, ist ein Beschleunigungssensor 6 mit drei Achsen an der Hand 3 angebracht. Obwohl mit Bezug auf die voranstehend beschriebene Ausführungsform die Beschleunigung (g + d²x/dt² + C(x, dx/dt)) mit Hilfe der Robotergelenklänge und dem Winkel jeder Achse berechnet wurde, wird bei der vierten Ausführungsform die Ausgabe des Beschleunigungssensors 5 verwendet.
Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform wird bei der vierten Ausführungsform ein Kraftsensor mit drei oder mehr Achsen verwendet und daher können die drei translatorischen Komponenten der Kraft verwendet werden. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Messung, wie nachstehend beschrieben wird, in zwei Schritten ausgeführt wird. Mit anderen Worten wird bei der vierten Ausführungsform die Masse der Hand 3 berechnet.
Zu Beginn wird der erste Schritt beschrieben. Wie in 2A dargestellt ist, hält die Hand 3 des Roboters 1 kein Werkstück W und die Hand 3 des Roboters 1 bewegt sich in der Luft, ohne Umgebungskomponenten zu berühren. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 kann dann mit Hilfe der Gleichung 6 ausgedrückt werden. F1 = Mh·A (Gleichung 6)

F1: ist der Kraftvektor, der durch den Kraftsensor (erfasster Wert) erfasst wird;
Mh: ist die Masse der Hand 3; und
A: ist der Ausgabevektor des Beschleunigungssensors 6, der in einen Wert des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 konvertiert wird.

Die Gleichung 6 gilt bezüglich einer beliebigen Zeit, falls der Roboter 1 keine Umgebungskomponenten berührt und der Kraftvektor F1 des Kraftsensors 5 und der den Beschleunigungssensor betreffende Wert A zu einer bestimmten Zeit aufgezeichnet werden. Anschließend kann die Masse Mh der Hand 3 mit der Gleichung 6 unter Verwendung dieser Informationsstücke berechnet werden.
Die Masse Mh der Hand 3 wird mit der Gleichung 6 an einer bestimmten Zeit berechnet. Es ist ferner jedoch möglich, die Masse Mh der Hand 3 an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu berechnen. Dadurch kann der Einfluss von Störungen, wie zum Beispiel Modellfehlern aufgrund von individuellen Änderungen der Länge von Robotergelenken, der Ablenkung der Gelenke, Änderungen der Ausgabewerte der Kraftsensoren und Vibrationen aufgrund einer Erschütterung des Roboters, reduziert werden.
Im Folgenden wird der zweite Schritt beschrieben. In 2B ist der Zustand gezeigt, in dem der Roboter 1 ein Werkstück W hält und sich die Hand 3 des Roboters 1 in der Luft bewegt ohne Umgebungskomponenten zu berühren. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 kann dann durch die Gleichung 7 ausgedrückt werden. F2 = (Mh + Mw)·A (Gleichung 7)

F2: ist der Kraftvektor, der durch den Kraftsensor (erfasster Wert) erfasst wird;
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W; und
A: ist der Ausgabevektor des Beschleunigungssensors 6, der in einen Wert des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 konvertiert wird.

Wie bei dem ersten Schritt werden der Kraftvektor F2 des Kraftsensors 5 an einer vorbestimmten Zeit und der auf den Beschleunigungssensor 6 bezogene Wert A aufgezeichnet. Die Masse Mh der Hand 3 wurde in dem ersten Schritt ermittelt, so dass die Masse Mw des Werkstücks W unter Verwendung der Gleichung 7 ermittelt werden kann.
Jeder Ausdruck der Gleichung 7 ist ein Vektor mit drei Komponenten und wird von drei Gleichungen gebildet, so dass die Masse Mw des Werkstücks mit jeder Gleichung ermittelt werden kann. Obwohl diese Gleichungen alle denselben Wert haben sollten, kann es bei tatsächlichen Berechnungen häufig zu leicht abweichenden Ergebnissen kommen.
Da die mit den drei Gleichungen ermittelten Massen Mwx, Mwy und Mwz sind, kann Mw auf folgende Weise berechnet werden. Bei dem ersten Verfahren wird ein Durchschnittswert von Mwx, Mwy und Mwz berechnet, so dass Mw einfach mit der voranstehend beschriebenen Gleichung 2 berechnet werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, unter den drei Komponenten des Vektors A das Ergebnis der Richtung mit dem größten absoluten Wert zu verwenden. Mit anderen Worten kann in einer Richtung, in der der absolute Wert der Beschleunigung groß ist, der Einfluss von Fehlerfaktoren, wie zum Beispiel Störgeräuschen, als unerheblich erachtet werden und daher kann dieses Resultat alleine verwendet werden. Nimmt man an, dass A = (ax, ay, az), wird Mwx als Mw verwendet, falls |ax| das Maximum ist, Mwy wird verwendet, falls |ay| das Maximum ist, und Mwz wird verwendet, falls |az| das Maximum ist.
Auf diese Weise kann die Masse Mw eines Werkstücks W nur unter Verwendung der Gleichung 7 an einer vorbestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Masse Mw eines Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch können die Einflüsse von verschiedenen Fehlern initiiert werden.
Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen 5 bis 8 wird entweder ein Lastmesser oder ein Kraftsensor mit einer oder mehreren Achsen als Kraftmesseinheit verwendet. Nimmt man einen Fall an, in dem ein Ein-Achs-Druckmesser verwendet wird, wird die eine Richtung, in der die Kraft von der Lastzelle gemessen wird als ”Messungsrichtung” bezeichnet. Der Druckmesser ist an einem Robotergelenk derart angebracht, dass die Messrichtung und die Gravitationsrichtung übereinstimmen, wenn das Robotergelenk vertikal nach unten gerichtet ist (siehe 4, die eine Seitenansicht des Roboters 2 zeigt).
Da der Spitzenabschnitt 2 des Roboterarms in Betrieb ist, verändern sich die Position und Stellung des Kraftsensorkoordinatensystems Σ2 oder dem Druckmesser 5 an einer bestimmten Zeit durch bekannte vorwärts kinematische Berechnungen unter Verwendung des Winkels jeder Achse des Roboters 1 an diesem Zeitpunkt, der Robotergelenklänge, etc.
5A ist eine erste Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf der 5. Ausführungsform und/oder einer ähnliche Ausführungsform der Erfindung zeigt. 5A zeigt einen Zustand, in dem der Roboter 1 sich an einer Oberfläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Gravitationskraft der Hand 3 und die Trägheitskräfte, die durch die Bewegung der Hand 3 erzeugt werden, wirken auf den Kraftsensor 5 ein. Die Komponenten der Trägheitskraft wirken jedoch nicht in Richtung der Gravitationskraft. Somit wirkt nur die Gravitationskraft alleine.
5B ist eine zweite Ansicht, die die Roboterarbeitsabläufe basierend auf der fünften Ausführungsform und/oder einer ähnlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 5B zeigt die Situation, in der der Roboter 1 ein Werkstück W hält und der Spitzenabschnitt 2 eines Roboterarms sich an einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft verläuft. Die Gravitationskraft der Hand 3 und des Werkstücks W sowie die Trägheitskräfte, die durch die Bewegung der Hand 3 und des Werkstücks W erzeugt werden, wirken auf den Kraftsensor 5 ein.
Die Komponenten der Trägheitskraft wirken jedoch nicht in Richtung der Gravitationskraft, sodass die Gravitationskraft alleine wirkt.
Ausführungsform 5
Mit der fünften Ausführungsform wird die Masse der Hand 3 im Voraus gemessen und ist somit bekannt. Ein Druckmesser 5 mit einer oder mehreren Achsen wird als Kraftmesseinheit 5 verwendet. In 5B ist ein Zustand gezeigt, in dem der Roboter 1 ein Werkstücks W ohne Berührung der Umgebungskomponenten hält und ohne Veränderung der Stellung des Handgelenks des Roboters wird das Werkstück W auf einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, muss aber nicht notwendigerweise mit der Richtung der Gravitationskraft übereinstimmen. Die folgende Gleichung 8 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = (Mh + Mw)·g·cosθ (Gleichung 8)

F: ist die Kraft, die durch die Druckmesser 5 (erfasster Wert) erfasst wird;
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W;
g: ist die Gravitation; und
θ: ist der Winkel, der durch die Messrichtung und die Richtung der Gravitationskraft (z. B. ist der Winkel θ in 4 0°) gebildet wird.

Die Gleichung 8 gilt mit Bezug auf eine beliebige Zeit, so lange die Bewegung an einer Fläche erfolgt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Kraft F wird an einer bestimmten Zeit aufgezeichnet.
Die Stellungsermittlungseinheit 13 kann die Position und die Stellung des Druckmessers 5 bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1 mittels bekannter vorwärts kinematischer Berechnungen unter Verwendung des Winkels der Achse des Roboters 1 zu diesem Zeitpunkt und der Robotergelenklänge, usw. berechnen. Da die Richtung der Gravitationskraft bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1 bekannt ist, kann θ an diesem Zeitpunkt berechnet werden. Nimmt man an, dass die Masse Mh der Hand 3 im Voraus bekannt ist, ist es möglich, die Masse Mw des Werkstücks mit der Gleichung 8 zu berechnen. In diesem Fall kann verhindert werden, dass die Trägheitskräfte in Richtung der Gravitationskraft wirken, sodass die Messung der Masse des Werkstücks W noch genauer wird.
Die Masse Mw eines Werkstücks W kann alleine unter Verwendung der Gleichung 8 an einer bestimmten Zeit berechnet werden. Es ist gleichermaßen möglich, die Masse Mw eines Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu berechnen und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch kann der Einfluss von Störungen, wie z. B. Änderungen der Druckmesserausgabewerte und Vibrationen aufgrund von einer Erschütterung des Roboters selbst, reduziert werden.
Ausführungsform 6
Bei der Ausführungsform 6 wird die Masse der Hand 3 im Voraus gemessen und ist bekannt. Ein Druckmesser 5 mit drei oder mehr Achsen wird als Kraftmesseinheit 5 verwendet. 5B zeigt einen Zustand, in dem der Roboter 1 ein Werkstück W ohne Berührung von Umgebungskomponenten hält und ohne die Stellung des Gelenks des Roboters zu verändern, wird das Werkstück W an einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft verläuft. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, muss aber nicht notwendigerweise mit der Richtung der Gravitationskraft übereinstimmen. Die folgende Gleichung 9 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = (Mh + Mw)·g (Gleichung 9)

F: ist die Richtung der Gravitationskraftkomponente der von dem Kraftsensor 5 (erfasster Wert) erfassten Kraft;
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W; und
g: ist die Gravitationsbeschleunigung.

Obwohl die Gleichung 8 voranstehend als eine Gleichung mit Bezug auf die Messungsrichtung beschrieben wurde, bezieht sich die Gleichung 9 auf die Richtung der Gravitationskraft. Die Gleichung 9 gilt mit Bezug auf eine beliebige Zeit, solange eine Bewegung an einer Fläche stattfindet, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft verläuft. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 wird an einer bestimmten Zeit aufgezeichnet.
Die Ausgabe des Kraftsensors 5 ist ein Wert in dem Kraftsensorkoordinatensystem Σ2 und hat drei Komponenten X, Y und Z. Wie voranstehend beschrieben wurde, ist das Kraftsensorkoordinatensystem Σ2 bzgl. des Referenzkoordinatensystems Σ1 und die Richtung der Gravitationskraft bekannt, sodass es möglich ist, die Richtung der Gravitationskraftkomponente F als Ausgabe des Kraftsensors 5 an diesem Zeitpunkt zu berechnen. Da die Masse Mh der Hand 3 bekannt ist, kann Mw mit der Gleichung 9 berechnet werden.
Die Masse Mw eines Werkstücks W kann nur mit der Gleichung 9 an einer bestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Masse Mw eines Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die Einflüsse von Störungen, wie Änderungen der Druckmesserausgabewerte und von Vibrationen aufgrund einer Erschütterung des Roboters selbst, zu reduzieren.
Ausführungsform 7
Bei der siebten Ausführungsform wird ein Druckmesser 5 mit einer oder mehreren Achsen als Kraftmesseinheit 5 verwendet. Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform dadurch, dass die Messung, wie nachstehend beschrieben wird, in zwei Schritten ausgeführt wird. Mit anderen Worten berechnet die siebte Ausführungsform die Masse der Hand 3.
Zunächst wird der erste Schritt beschrieben. In 5 ist ein Zustand dargestellt, in dem der Roboter ein Werkstück W ohne Berührung von Umgebungskomponenten nicht hält und ohne Veränderung der Stellung des Handgelenks des Roboters wird das Werkstück W an einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, sie muss aber nicht notwendigerweise mit der Richtung der Gravitationskraft übereinstimmen. Die folgende Gleichung 10 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = Mh·g·cosθ (Gleichung 10)

F: ist die von dem Druckmesser 5 (erfasster Wert) erfasste Kraft;
Mh: ist die Masse der Hand 3;
g: ist die Gravitationskraft; und
θ: ist der Winkel, der zwischen der Messungsrichtung und der Richtung der Gravitationskraft gebildet wird.

Die Gleichung 10 gilt mit Bezug auf jede beliebige Zeit, so lange eine Bewegung an einer Fläche stattfindet, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft verläuft. Die Kraft F zu dieser Zeit wird aufgezeichnet.
Die Stellungsermittlungseinheit 13 kann die Position und Stellung des Druckmessers 5 mit Bezug auf das Referenzkoordinatensystem Σ1 durch bekannte vorwärts kinematische Berechnungen unter Verwendung des Winkels von jeder Achse des Roboters zu dieser Zeit und der Robotergelenklänge ermitteln. Da die Richtung der Gravitationskraft mit Bezug auf das Referenzkoordinatensystem Σ1 bekannt ist, kann der Winkel θ an dieser Zeit berechnet werden. Die Masse der Hand Mh wird mit der Gleichung 10 unter Verwendung dieser Informationen berechnet.
Die Masse Mh der Hand 3 kann nur mit der Gleichung 10 an einer vorbestimmten Zeit berechnet werden. Es ist gleichermaßen möglich, die Masse Mh der Hand 3 an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich, den Einfluss von Störungen, wie z. B. Änderungen der Druckmesserausgabewerte und Vibrationen aufgrund einer Erschütterung des Roboters zu reduzieren.
Im Folgenden wird der zweite Schritt beschrieben. In 5 ist ein Zustand dargestellt, in dem der Roboter 1 ein Werkstück W hält ohne dass Umgebungskomponenten berührt werden und ohne Veränderung der Stellung des Handgelenks des Roboters 1 wird das Werkstück W an einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, muss aber nicht notwendigerweise mit der Richtung der Gravitationskraft übereinstimmen. Die nachstehende Gleichung 11 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = (Mh + Mw)·g·cosθ (Gleichung 11)

F: ist die von der Druckmesser 5 (erfasster Wert) erfasste Kraft;
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W;
g: ist die Gravitationsbeschleunigung; und
θ: ist der Winkel, der von der Messungsrichtung und der Richtung der Gravitationskraft eingeschlossen wird.

Wie bei dem voranstehend beschriebenen ersten Schritt wird die Kraft F an einer bestimmten Zeit aufgezeichnet und der Winkel θ wird berechnet. Die Masse Mh der Hand 3 wird in dem ersten Schritt ermittelt, sodass die Masse Mw des Werkstücks W mit der Gleichung 11 berechnet werden kann.
Die Masse Mw eines Werkstücks W kann unter Verwendung von nur der Gleichung 11 zu einer bestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, die Masse Mw des Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu bestimmen und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich die Einflüsse von Störungen, wie z. B. Änderungen der Druckmessernausgangswerte oder Vibrationen aufgrund von einer Erschütterung des Roboters zu reduzieren.
Ausführungsform 8
Bei der achten Ausführungsform wird ein Kraftsensor 5 mit drei oder mehreren Achsen als Kraftsensor 5 verwendet. Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen sechsten Ausführungsform dadurch, dass die Messung in zwei Schritten ausgeführt wird. Mit anderen Worten wird gemäß der achten Ausführungsform die Masse der Hand berechnet.
Nachstehend wird der erste Schritt beschrieben. In 5 ist ein Zustand gezeigt, in dem der Roboter 1 das Werkstücks W nicht hält, keine Umgebungskomponenten berührt und die Stellung des Handgelenks des Roboters 1 nicht verändert wird, wenn das Werkstück W entlang einer Fläche bewegt wird, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, muss aber nicht notwendigerweise mit der Richtung der Gravitationskraft übereinstimmen. Die nachstehend gezeigte Gleichung 12 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = Mh·g (Gleichung 12)

F: ist die Richtung der Gravitationskraftkomponente der von dem Kraftsensor 5 erfassten Kraft (erfasster Wert);
Mh: ist die Masse der Hand 3; und
g: ist die Gravitationsbeschleunigung.

Obwohl die Gleichung 8 voranstehend als eine Gleichung mit Bezug auf die Messungsrichtung beschrieben wurde, bezieht sich die Gleichung 12 auch auf die Richtung der Gravitationskraft beziehen. Die Gleichung 12 gilt mit Bezug auf eine beliebige Zeit, solange die Bewegung an einer Fläche stattfindet, die senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft verläuft. Die Ausgabe des Kraftsensors 5 wird zu einer bestimmten Zeit aufgezeichnet.
Die Ausgabe des Kraftsensors 5 ist ein Wert in dem Kraftsensorkoordinatensystem Σ2 und hat drei Komponenten X, Y und Z. Wie voranstehend beschrieben wurde, sind das Kraftsensorkoordinatensystem Σ2 mit Bezug auf das Referenzkoordinatensystem Σ1 und die Richtung der Gravitationskraft bekannt, sodass es möglich ist, die Gravitationskraftrichtungskomponente F des Kraftsensors 5 zu dieser Zeit zu berechnen. Die Masse Mh der Hand 3 kann mit der Gleichung 12 unter Verwendung dieser Informationen berechnet werden.
Die Masse Mh der Hand 3 kann nur mit der Gleichung 12 an einer bestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, die Masse Mh der Hand 3 an einer Vielzahl von Zeiten zu bestimmen und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die Einflüsse von Störungen, wie z. B. Änderungen der Ausgabewerte des Druckmessers und Vibrationen aufgrund von Erschütterungen des Roboters, zu reduzieren.
Im Folgenden wird der zweite Schritt beschrieben. In 5 ist ein Zustand gezeigt, indem der Roboter 1 ein Werkstück W hält, ohne Umgebungskomponenten zu kontaktieren und ohne die Stellung des Handgelenks des Roboters 1 zu verändern, wird das Werkstück W an einer Fläche bewegt, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Die Stellung während der Bewegung ist konstant, muss aber nicht notwendigerweise mit der Gravitationskraft übereinstimmen. Die folgende Gleichung 13 gilt mit Bezug auf die Kraft. F = (Mh + Mw)·g (Gleichung 13)

F: ist die Richtung der Gravitationskraftkomponente der von dem Kraftsensor 5 erfassten Kraft (erfasster Wert);
Mh: ist die Masse der Hand 3;
Mw: ist die Masse des Werkstücks W; und
g: ist die Gravitationsbeschleunigung.

Wie bei dem voranstehend beschriebenen ersten Schritt wird die Kraftkomponente F an einer vorbestimmten Zeit berechnet. Die Masse Mh der Hand 3 wird in dem ersten Schritt ermittelt, sodass die Masse Mw des Werkstücks W unter Verwendung der Gleichung 13 berechnet werden kann.
Die Masse Mw eines Werkstücks W kann nur mit Hilfe der Gleichung 13 an einer bestimmten Zeit berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich die Masse Mw des Werkstücks W an einer Vielzahl von Zeiten zu ermitteln und deren Durchschnittswert zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die Einflüsse von Störungen, wie z. B. Änderungen der Ausgabewerte des Druckmessers und Vibrationen aufgrund einer Erschütterung des Roboters zu reduzieren.
Ausführungsform 9
6 ist eine Seitenansicht eines Roboters gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 5 bis 8 bewegt sich der Spitzenabschnitt 2 eines Roboterarms an einer Fläche, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft verläuft, die auf den Spitzenabschnitt 2 des Arms einwirkt. Im Gegensatz dazu wird bei der neunten Ausführungsform, wie in 6 dargestellt ist, der Spitzenabschnitt des Roboterarms mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang eines linearen Pfades bewegt.
Wie aus 6 erkennbar ist, muss der lineare Pfad nicht notwendigerweise auf einer Oberfläche verlaufen, die senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft ist. Durch die Beschränkungen auf eine konstante Geschwindigkeit und einen linearen Pfad wirken die Trägheitskräfte wie z. B. die zur Beschleunigung und Verzögerung benötigte Kraft, die Zentrifugalkraft, die Corioliskraft, usw. nicht auf die Kraftmesseinheit 5 ein. Dadurch kann die Masse Mw eines Werkstücks W genauer bestimmt werden. Es muss berücksichtigt werden, dass das Verfahren zum Berechnen der Masse Mw eines Werkstücks das Gleiche ist wie bei den Ausführungsformen 5 bis 8, sodass eine Beschreibung an dieser Stelle nicht erfolgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Masse eines Werkstücks W zu berechnen, ohne den Roboter 1 anzuhalten. Der Roboter 1 benötigt daher keine Zeit zum Verzögern, keine Zeit zum Anhalten und keine Zeit zum Wiederbeschleunigen. Dadurch wird die Zykluszeit der Roboterarbeitsabläufe durch die Massenmessung nicht erhöht.
Selbst wenn der Roboter 1 mit einem beliebigen Arbeitsgang betrieben wird, ist es möglich die Masse eines Werkstücks W genau zu bestimmen, ohne Einfluss von dynamischen Anteilen. Die vorliegende Erfindung benötigt keine Vielzahl von Kraftmesseinheiten und kann mit einer einzigen Kraftmesseinheit ausgeführt werden. Es ist möglich, den Aufbau des Robotersystems einfach zu halten und die Kosten des Aufbaus des Robotersystems zu reduzieren. Es muss berücksichtigt werden, dass es für einen Fachmann möglich ist, andere Ausführungsformen zu erdenken, die dieselben Vorteile liefern, insofern der gleiche Aufbau verwendet wird.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der ersten Ausführungsform ist es möglich, die Masse eines Werkstücks zu berechnen, ohne den Roboter anzuhalten. Dadurch wird die Zykluszeit eines Roboterarbeitsablaufs durch die Massenmessung nicht erhöht. Da eine einzelne Kraftmesseinheit ausreichend ist, kann der Aufbau des Robotersystems einfach gehalten und die zur Herstellung des Robotersystems benötigten Kosten können reduziert werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist es möglich die Masse eines Werkstücks selbst dann zu ermitteln, wenn die Masse der Hand nicht bekannt ist.
Gemäß einer dritten Ausführungsform ist es bei der Ermittlung der Masse eines Werkstücks möglich den Einfluss von Störungen zu reduzieren.
Gemäß einer vierten Ausführungsform ist es möglich, die Masse eines Werkstücks genauer zu berechnen.
Gemäß einer fünften Ausführungsform ist es möglich, die Masse eines Werkstücks unter Verwendung der Beschleunigung genauer zu berechnen.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform ist es möglich, den Aufbau des Robotersystems einfach zu halten und die Kosten zum Aufbau des Robotersystems weiter zu reduzieren, da kein Beschleunigungssensor notwendig ist.
Gemäß einer siebten Ausführungsform ist es möglich, die Beschleunigung genauer und direkt zu ermitteln.
Gemäß einer achten Ausführungsform wird ein Durchschnittswert einer Vielzahl von Richtungen, beispielsweise von drei Richtungen X, Y und Z, verwendet, sodass es möglich ist, die Masse eines Werkstücks genauer zu ermitteln.
Gemäß einer neunten Ausführungsform ist es möglich den Einfluss von Fehlerfaktoren, wie z. B. Störgeräuschen, zu reduzieren, da die Masse bzgl. einer Richtung ermittelt wird, in der der absolute Wert der Beschleunigung groß ist.
Es ist möglich, zu verhindern, dass die Trägheitskräfte in Richtung der Gravitationskraft wirken. Es ist möglich, die Trägheitskräfte, wie z. B. die zum Beschleunigen und Verzögern des Roboters benötigte Kraft, die Zentrifugalkraft, die Corioliskraft usw. aufzuheben. Es ist unter Berücksichtigung der Stellung des Roboters nicht notwendig, den Roboter in einer speziellen Stellung wie z. B. mit einer nach unten gerichteten Hand zu betreiben.

Claims

Roboter (1) mit einer Werkstückmassenmessfunktion zum Messen einer Masse eines gehaltenen Werkstücks, wobei der Roboter aufweist: eine Kraftmesseinheit (5), die zwischen einem Spitzenabschnitt (2) eines Arms eines mechanischen Abschnitts des Roboters (1) und einer Hand (3) des Roboters angeordnet ist, und die eine auf den Spitzenabschnitt (2) des mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Kraft misst; eine Massenberechnungseinheit (11), die die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der von der Kraftmesseinheit gemessenen Kraft berechnet, während sich der Roboter bewegt, wobei die Massenberechnungseinheit (11) eine Beschleunigungsermittlungseinheit (12) aufweist, die die auf den Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Beschleunigung ermittelt, und die Massenberechnungseinheit (11) die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf einer von der Kraftmesseinheit während der Bewegung des Roboters gemessenen Kraft und der von der Beschleunigungsermittlungseinheit (12) ermittelten Beschleunigung berechnet, die Kraftmesseinheit (5) die Kraft in Richtung dreier Achsen misst, die Beschleunigungsermittlungseinheit (12) die Beschleunigung in Richtung dreier Achsen ermittelt, und die Massenberechnungseinheit (11) die Masse bezüglich der Richtungen dreier Achsen derart berechnet, dass die einer Richtung unter den Richtungen dreier Achsen entsprechende Masse, in der der absolute Wert der Beschleunigung am größten ist, ein Massenberechnungswert ist.
Roboter (1) mit einer Werkstückmassenmessfunktion zum Messen einer Masse eines gehaltenen Werkstücks, wobei der Roboter aufweist: eine Kraftmesseinheit (5), die zwischen einem Spitzenabschnitt (2) eines Arms eines mechanischen Abschnitts des Roboters (1) und einer Hand (3) des Roboters angeordnet ist, und die eine auf einen Spitzenabschnitt (2) eines mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Kraft misst; und eine Massenberechnungseinheit (11), die die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der von der Kraftmesseinheit gemessenen Kraft berechnet, während sich der Roboter bewegt, wobei die Massenberechnungseinheit (11) eine Beschleunigungsermittlungseinheit (12) aufweist, die die auf den Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters ausgeübte Beschleunigung berechnet, und die Massenberechnungseinheit (11) die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf einer von der Kraftmesseinheit während der Bewegung des Roboters gemessenen Kraft und der von der Beschleunigungsermittlungseinheit (12) ermittelten Beschleunigung berechnet, die Kraftmesseinheit (5) die Kraft in Richtung dreier Achsen misst, die Beschleunigungsermittlungseinheit (12), die Beschleunigung in Richtung dreier Achsen ermittelt, und die Massenberechnungseinheit (11) die Masse bezüglich der Richtungen dreier Achsen derart berechnet, dass ein Durchschnittswert einer Vielzahl von Massen ein Massenberechnungswert ist.
Roboter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kraftmesseinheit (5) die Masse des Werkstücks basierend auf einem Kraftmesswert, der gemessen wird, wenn das Werkstück gehalten wird, und einem Kraftmesswert berechnet, der gemessen wird, wenn das Werkstück nicht gehalten wird.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Stellung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts nicht verändert wird, während sich der Roboter bewegt.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Durchschnittswert einer Vielzahl von Massen des Werkstücks, die von der Massenberechnungseinheit (11) während der Bewegung des Roboters an einer Vielzahl von Zeiten berechnet wird, ein Massenberechnungswert ist.
Roboter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschleunigungsermittlungseinheit (12) die Beschleunigung mittels einer dynamischen Gleichung berechnet.
Roboter nach Anspruch 5, wobei die Beschleunigungsermittlungseinheit (12) die von einem Beschleunigungssensor (6) gemessene Beschleunigung ermittelt, wobei der Beschleunigungssensor (6) an dem Roboter angebracht ist.
Roboter nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Massenberechnungseinheit (11) die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der von der Kraftmesseinheit (5) ermittelten Kraft berechnet, während der Bewegung des Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts auf einer Fläche, die senkrecht zu einer Richtung der Gravitationskraft ist, welche auf den Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters einwirkt.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Massenberechnungseinheit (11) die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf der von der Kraftmesseinheit (5) ermittelten Kraft berechnet, während sich der Spitzenabschnitt des mechanischen Abschnitts des Roboters entlang eines linearen Pfades mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt.
Roboter nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 und 9, ferner aufweisend eine Stellungsermittlungseinheit (13), die eine Stellung des Spitzenabschnitts des mechanischen Abschnitts des Roboters ermittelt, wobei die Massenberechnungseinheit (11) die Masse des von dem Roboter gehaltenen Werkstücks basierend auf den Kräften in Richtung dreier Achsen, die von der Kraftmesseinheit gemessen werden, und der von der Stellungsermittlungseinheit (13) ermittelten Stellung berechnet.