DE102012208252A1

DE102012208252A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter geführten Werkzeugs

Info

Publication number: DE102012208252A1
Application number: DE201210208252
Authority: DE
Inventors: Stefan Hartweg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter (10a, 10b) geführten Werkzeugs (12a, 12b), wobei der Roboter (10a, 10b) Teil einer Anlage (14) mit mehreren Robotern (10a, 10b), die durch eine Tragkonstruktion (16) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Erstellen eines virtuellen mechanischen Modells der Anlage (14) inklusive der hierin vorhandenen Roboter (10a, 10b) und der Tragkonstruktion (16), die diese verbindet, und/oder einem Werkstück (24), das die Roboter (10a, 10b) miteinander verbindet, b) Erfassen der Position mindestens eines Gelenks (18a, 18b, 20a, 20b) des Roboterarms (22a, 22b) mindestens eines Roboters (10a, 10b) der Anlage (14), c) Zuführen der erfassten Gelenkpositionen zu einer zentralen Steuerung, die datentechnisch auf das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage (14) zugreifen kann, d) Berechnen einer Abweichung zwischen einer Soll und einer Ist-Position eines Werkzeugs (12a, 12b) mindestens eines Roboterarms (22a, 22b) unter Berücksichtigung des virtuellen mechanischen Modells der Anlage (14), wobei diesem als Eingangsparameter die erfassten Gelenkpositionen zugeführt werden und e) Korrigieren der Position des mindestens einen Werkzeugs (12a, 12b) am Roboterarm (22a, 22b) auf Basis der berechneten Positionsabweichung. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter geführten Werkzeugs.
Viele Anwendungen im technischen Bereich verlangen eine hochgenaue Positionierung bewegter Werkezuge. Die Herausforderung besteht darin, die Aktuatoren derart anzusteuern, dass die geforderte Genauigkeit erreicht werden kann. Zunächst wird eine Bahn generiert, welche durch die Aktuatorik und den durchzuführenden Prozess bestimmt wird. Durch verschiedene Effekte, wie Deformationen, Schwingungen, etc. kann die reale Position eines Roboterarms und damit auch des hiermit verbundenen Werkzeugs von der errechneten Soll-Position abweichen. Um dies zu korrigieren, muss Wissen über diese Abweichung, d. h. den Positionierungsfehler, vorhanden sein. Dieses Wissen kann durch Messverfahren erlangt werden. Messverfahren sind nachteilig, da sie zusätzliche Sensorik benötigen, durch die die genannten Deformationen, Schwingungen etc., gemessen werden. Dies führt zu erhöhten Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, durch das ein durch einen Roboter geführtes Werkzeug genauer positioniert werden kann. Ferner soll durch die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter geführten Werkzeugs. Hierbei kann es sich um verschiedene Werkzeuge, beispielsweise in industriellen, medizinischen oder anderen Anwendungen, handeln. Der Roboter ist Teil einer Anlage mit mehreren Robotern, die durch eine Tragkonstruktion mechanisch miteinander verbunden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

a) Zunächst wird ein virtuelles mechanisches Modell der Anlage erstellt. Dieses Modell umfasst die in der Anlage vorhandenen Roboter sowie die Tragkonstruktion, die die Roboter miteinander verbindet. Unter einem mechanischen Modell wird ein Modell verstanden, das die mechanischen Eigenschaften, zumindest die wesentlichen mechanischen Eigenschaften, der Anlage, die für das Berechnen einer Positionsabweichung des Werkzeugs relevant sind, umfasst. Ein virtuelles Modell bedeutet, dass dieses Modell rechnergestützt erstellt und gespeichert wird. Hierbei kann das Modell auch ausschließlich in Form von Daten vorliegen, so dass es nicht optisch darstellbar sein muss.
b) Die Position von Gelenken des Roboterarms mindestens eines Roboters der Anlage wird erfasst. Sofern der Roboterarm lediglich ein Gelenk aufweist, ist es ausreichend, dessen Position zu erfassen. Bevorzugt ist es möglich, die Positionen mindestens eines Gelenks mehrerer Roboterarme der Anlage zu erfassen. Das Erfassen dieser Gelenkpositionen kann beispielsweise durch Sensoren an den Roboterarmen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Gelenkpositionen auf Basis des dem Roboter zugeführten elektrischen Stroms zu bestimmen, so dass die Verwendung separater Sensoren nicht notwendig ist.
c) Die erfassten Gelenkpositionen werden einer zentralen Steuerung zugeführt, die datentechnisch auf das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage zugreifen kann. Dieses virtuelle Modell kann auf der Steuerung selbst oder auf einem mit dieser verbindbaren Datenträger gespeichert sein.
d) Es wird eine Abweichung zwischen einer Soll- und einer Ist-Position eines Werkzeugs mindestens eines Roboterarms berechnet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung des virtuellen mechanischen Modells der Anlage, wobei diesem Modell als Eingangsparameter die erfassten Gelenkpositionen zugeführt werden.
e) Auf Basis der berechneten Positionsabweichung erfolgt eine Korrektur der Position des mindestens einen Werkzeugs am Roboterarm.

Es ist bevorzugt, dass das gemäß Verfahrensschritt a) erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage die folgenden Daten umfasst:

– Steifigkeit im Antriebsstrang mindestens eines Roboters und/oder Steifigkeit der Tragkonstruktion und/oder des Werkstücks und/oder
– Steifigkeit des Werkzeugs mindestens eines Roboterarms.

Das Modell kann ferner weitere Daten aufweisen, die andere technische Eigenschaften der Anlage, insbesondere der Roboter, der Tragkonstruktion oder der Werkzeuge betreffen.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine Abweichung der Position des Werkzeugs festzustellen, ohne dass hierfür gesonderte Sensoren vorgesehen werden müssen, die beispielsweise Deformationen oder Schwingungen verschiedener Komponenten der Anlage erfassen. Die Kenntnis über derartige Deformationen, Schwingungen etc. ist erfindungsgemäß vielmehr bereits in das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage eingeflossen, so dass diese Deformationen, Schwingungen etc. auf Basis des mechanischen Modells und der gemessenen Gelenkpositionen der Roboterarme insbesondere ohne Verwendung weiterer Sensoren berechnet werden können.
Es ist bevorzugt, dass das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage insbesondere einmalig oder in sich wiederholenden Zeitabständen auf Basis von durch Sensoren durchgeführten Messungen kalibriert wird.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass im laufenden Betrieb, d. h. nicht während der Kalibrierphase, zur Bestimmung der Positionsabweichung, ausschließlich die Gelenkpositionen des Roboterarms und keine weiteren Sensordaten verwendet werden.
Weiterhin ist es möglich, bei der Berechnung der Positionsabweichung, basierend auf dem virtuellen mechanischen Modell der Anlage, Kopplungseffekte zwischen einzelnen Robotern zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, modellbasiert zu berechnen, auf welche Weise sich einzelne Roboter durch Ihre Bewegungen gegenseitig beeinflussen. Dies kann bevorzugt erfolgen, ohne dass zusätzliche Sensormessungen durchgeführt werden müssen. Dagegen verwenden aus dem Stand der Technik bekannte Anlagen, die mehrere Roboter aufweisen, für jeden Roboter eine separate Sensorik und Steuerung, deren Daten nicht durch eine zentrale Steuerung ausgewertet werden. Erfindungsgemäß werden dagegen die genannten Daten zusammen ausgewertet, so dass die Aktuatorik der einzelnen Roboter zentral angesteuert wird.
Eine Kopplung einzelner Roboter in einer Anlage kann neben der Tragkonstruktion, die diese Roboter möglicherweise verbindet, auch durch ein Werkstück erfolgen, das von mehreren Robotern gemeinsam bearbeitet wird. Durch gleichzeitiges Bearbeiten dieses Werkstücks, werden die einzelnen Roboterarme mechanisch miteinander gekoppelt. Dies kann erfindungsgemäß ebenfalls bei der Erstellung des mechanischen Modells der Anlage und bei der Berechnung der Positionsabweichung berücksichtigt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter geführten Werkzeugs, wobei der Roboter Teil einer Anlage mit mehreren Robotern ist, die durch eine Tragkonstruktion und/oder ein Werkstück mechanisch miteinander verbunden sind.
Die Vorrichtung enthält erfindungsgemäß eine Steuerung, die datentechnisch auf ein virtuelles Modell der Anlage inklusive der hierin vorhandenen Roboter und der Tragkonstruktion und/oder dem Werkstück zugreifen kann. Die Steuerung ist derart ausgebildet, dass auf Basis des virtuellen Modells der Anlage an der Position der Gelenke der Roboterarme eine Abweichung zwischen der Soll- und Ist-Position eines Werkzeugs mindestens eines Roboterarms berechenbar ist. Diese Positionsabweichung ist als Regelgröße für die hochgenaue Positionierung des Werkzeugs verwendbar.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Rechnerarchitektur, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
3 zeigt eine Darstellung simulierter Positionsabweichungen mit und ohne dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß 1 verbindet die Tragkonstruktion 16 mechanisch die beiden Roboter 10a und 10b miteinander. Diese weisen jeweils einen Roboterarm 22a, 22b auf, der wiederum mehrere Gelenke 18a, 18b, 20a, 20b aufweist.
Am distalen Ende jedes Roboterarms 22a, 22b befindet sich jeweils ein Werkzeug 12a, 12b. Diese Werkzeuge bearbeiten das Werkstück 24. Die dargestellten Komponenten bilden zusammen die Anlage 14. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Portalanlage handeln. Eine Portalanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum eines Mehrachsroboters durch eine oder mehrere zusätzliche Lineareinheiten vergrößert wird. Diese sind im Allgemeinen nicht direkt, sondern nur mittelbar, beispielsweise über eine Tragkonstruktion oder eine Verankerung an der Hallendecke mit dem Boden verbunden.
In 1 ist gestrichelt mit 16' die Tragkonstruktion in einem Zustand dargestellt, in dem sie durch äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch die Bewegungen der Roboterarme 22a, 22b deformiert wurde. Diese Deformation 16' der Tragkonstruktion führt zu einer Positionsabweichung der Werkzeuge 12a, 12b der beiden Roboterarme 22a, 22b.
In 2 ist ein Netzwerk mit mehreren Rechnern dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Sofern es sich bei der Anlage beispielsweise um eine Portalanlage handelt, können zwei Kuka-Portalroboter und drei Kuka-KR210R3100 verwendet werden. Diese werden über insgesamt fünf KR C4-Steuerungen angesteuert. diese sind in der Lage, über die Robot Sensor Interface(RSI)-Schnittstelle ihre Achs- oder Gelenkstellung über ein Netzwerk, z. B. über das User Datagram Protocoll (UDP), zu verschicken. Diese Daten werden an einen zentralen Rechner, z. B. der Firma Beckhoff, übermittelt und dienen als Eingangsparameter des mechanischen Modells der Anlage 14. Nach Berechnung der korrigierten Positionen werden diese Daten wieder über das gleiche Netzwerk an die RSI-Schnittstelle geschickt und zur Ansteuerung der Roboterarme verwendet. Dies kann in der RSI-Taktzeit von wahlweise 4 ms oder 12 ms erfolgen.
In 3 sind die Ergebnisse aus einer Simulation ohne und mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Abgebildet ist der Positionsfehler eines der Roboter in einer Portalanlage. Dieser Fehler ist in drei Richtungen x, y und z beim Stillstand des Roboters, d. h. zu den Zeiten (1), (2) und (3) deutlich reduziert. Werden diese Zeiten zur Bearbeitung eines Werkstücks genutzt, beispielsweise zur Aufnahme oder Ablage von Material, ist hier eine hohe Genauigkeit gefordert, die erfindungsgemäß erreicht werden kann.
Bei dem zu bearbeitenden Werkstück 24 kann es sich beispielsweise um ein Faserverbundbauteil handeln.

Claims

Verfahren zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter (10a, 10b) geführten Werkzeugs (12a, 12b), wobei der Roboter (10a, 10b) Teil einer Anlage (14) mit mehreren Robotern (10a, 10b), die durch eine Tragkonstruktion (16) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Erstellen eines virtuellen mechanischen Modells der Anlage (14) inklusive der hierin vorhandenen Roboter (10a, 10b) und der Tragkonstruktion (16), die diese verbindet, und/oder einem Werkstück (24), das die Roboter (10a, 10b) miteinander verbindet, b) Erfassen der Position mindestens eines Gelenks (18a, 18b, 20a, 20b) des Roboterarms (22a, 22b) mindestens eines Roboters (10a, 10b) der Anlage (14), c) Zuführen der erfassten Gelenkpositionen zu einer zentralen Steuerung, die datentechnisch auf das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage (14) zugreifen kann, d) Berechnen einer Abweichung zwischen einer Soll- und einer Ist-Position eines Werkzeugs (12a, 12b) mindestens eines Roboterarms (22a, 22b) unter Berücksichtigung des virtuellen mechanischen Modells der Anlage (14), wobei diesem als Eingangsparameter die erfassten Gelenkpositionen zugeführt werden und e) Korrigieren der Position des mindestens einen Werkzeugs (12a, 12b) am Roboterarm (22a, 22b) auf Basis der berechneten Positionsabweichung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Verfahrensschritt a) erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage (14) die folgenden Daten umfasst: – Steifigkeit im Antriebsstrang mindestens eines Roboters (10a, 10b) und/oder – Steifigkeit der Tragkonstruktion (16) und/oder des Werkstücks und/oder – Steifigkeit des Werkzeugs (12a, 12b) mindestens eines Roboterarms (22a, 22b).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erstellte virtuelle mechanische Modell der Anlage (14) insbesondere einmalig oder in sich wiederholenden Zeitabständen auf Basis von durch Sensoren durchgeführten Messungen kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass im laufenden Betrieb zur Bestimmung der Positionsabweichung ausschließlich die Gelenkpositionen des Roboterarms (22a, 22b) und keine weiteren Sensordaten verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Positionsabweichung basierend auf dem virtuellen mechanischen Modell der Anlage (14) Kopplungseffekte zwischen einzelnen Robotern (10a, 10b) berücksichtigt werden, die über die Tragkonstruktion (16) und/oder ein Werkstück (24) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung eines durch einen Roboter (10a, 10b) geführten Werkzeugs (12a, 12b), wobei der Roboter (10a, 10b) Teil einer Anlage (14) mit einem oder mehreren Robotern (10a, 10b), die durch eine Tragkonstruktion (16) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung eine Steuerung enthält, die datentechnisch auf ein virtuelles Modell der Anlage (14) inklusive der hierin vorhandenen Roboter (10a, 10b) und der Tragkonstruktion (16) und/oder dem Werkstück (24) zugreifen kann, und die Steuerung derart ausgebildet ist, dass auf Basis des virtuellen Modells der Anlage (14) und der Position mindestens eines Gelenks (18a, 18b, 20a, 20b) der Roboterarme (22a, 22b) eine Abweichung zwischen der Soll- und Ist-Position eines Werkzeugs (12a, 12b) mindestens eines Roboterarms (22a, 22b) berechenbar ist, und diese Positionsabweichung als Regelgröße für eine hochgenaue Positionierung des Werkzeugs (12a, 12b) verwendbar ist.