DE102013022533B3

DE102013022533B3 - Verfahren zum robotergestützten Stapeln von Gegenständen

Info

Publication number: DE102013022533B3
Application number: DE102013022533.7A
Authority: DE
Inventors: Ronald Naderer; Paolo Ferrara
Original assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Current assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2033-06-29

Abstract

Verfahren, das folgendes umfasst:Greifen eines Gegenstandes (50) und Bewegen des Gegenstandes (50) an eine Startposition (z) in der Nähe einer Ablagefläche, auf der der Gegenstand (50) positioniert und abgelegt werden soll mit Hilfe eines Manipulators (10), der einen zusätzlichen Aktor (20) aufweist, der zwischen dem Manipulator (10) und dem Gegenstand (50) angeordnet ist;Bewegen des Gegenstandes (50) mit Hilfe des Manipulators (10) hin zur Ablagefläche, wobei der Aktor (20) so angesteuert wird, dass die Aktorkraft (Fx) die Gewichtskraft (FG) des Gegenstandes (50) kompensiert, oder wobei die Aktorkraft (Fx) so geregelt wird, dass eine einstellbare minimale Netto-Aktorkraft (-(F+F)) auf einen Endanschlag des Aktors (20) wirkt;Überwachen der Auslenkung (z) des Aktors (20) und Detektieren einer Veränderung der Auslenkung;Stoppen der Bewegung des Manipulators (10) bei Detektion einer Veränderung der Auslenkung (z) des Aktors (20);sobald der Manipulator (10) still steht und die Auslenkung des Aktors (20) wieder konstant ist, und vor dem Loslassen des Gegenstandes (50), Reduzieren der Aktorkraft (Fx), sodass die Netto- Aktorkraft (-(F+F)) im Wesentlichen durch die Gewichtskraft des Gegenstandes (50) bestimmt wird; undabschließendes Loslassen des Gegenstandes (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein robotergestütztes Verfahren zum Positionieren oder Stapeln von Gegenständen, beispielsweise zum Stapeln von Werkstücken mit Hilfe eines Manipulators.
In der automatisierten Fertigung besteht häufig das Problem eine Vielzahl von gleichartigen oder ähnlichen Gegenständen zu stapeln. Beispielsweise werden fertige, ggf. schon verpackte Gegenstände auf Paletten zum Zwecke des Transports gestapelt, oder es werden halbfertige Werkstücke an einer (Zwischen-) Lagerposition gestapelt, um sie zu einem späteren Zeitpunkt weiter zu verarbeiten. Eine ähnliche Aufgabe ist das Be- und Entladen von Schachteln und Kisten mit Gegenständen zum Zwecke des Transports. In der Massenproduktion werden dazu Industrieroboter mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden eingesetzt (Manipulatoren), welche in der Lage sind, Gegenstände praktisch beliebig zu positionieren.
Ein einfacher für derartige Zwecke geeigneter Roboter ist in der Publikation DE 40 18 684 C2 beschrieben. An einer Standsäule ist ein schwenkbarer Auslegerarm angebracht, der noch weiter unterteilt und in seiner Länge veränderbar ist. An dem Ende des Auslegerarms ist eine separate Aufnahmevorrichtung für den zu manipulierenden Gegenstand angebracht. Die Druckschrift DE 10 2011 006 679 A1 beschreibt eine aktive Handhabungsvorrichtung, deren Kontaktkraft regelbar ist. Außerdem beschreibt die Druckschrift DE 10 2009 058 607 A1 ein Steuerverfahren zur Steuerung eines Manipulators. Die Publikation EP 2 500 150 A2 beschreibt einen Industrieroboter mit einem nachgiebigen Werkzeug. Die Publikation US 6,390,888 B1 betrifft eine Vorrichtung zum robotergestützten Schleifen. Die Publikation EP 1 391 275 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Handhabung eines Gegenstandes, bei der die Position und Orientierung des Gegenstandes anhand von Sensoren ermittelt wird. Die Publikation US 2006 / 0 259 165 A1 offenbart eine Positioniervorrichtung, welche Positionssensoren umfasst. Die Publikation US 5 448 146 A offenbart eine Vorrichtung, die eine Kontaktkraft zwischen einem Werkzeug und einer Oberfläche regelt.
Die Robotersteuerung eines Industrieroboters ist üblicherweise so programmiert, dass der sogenannte „Tool Center Point“ (TCP) vorgegebene, vorab geplante Bewegungsbahnen (Trajektorien) durchläuft, wobei es verschiedenste Methoden gibt, derartige Bewegungsbahnen zu planen. Die geplanten Bewegungsbahnen und die entlang der Bahnen durchgeführten Tätigkeiten (z.B. „Werkstück greifen“, „Werkstück loslassen“) werden zusammen als Roboterprogramm bezeichnet. Das Roboterprogramm ist normalerweise auf die zu manipulierenden Gegenstände abgestimmt. So muss die Robotersteuerung z.B. beim Stapeln von Gegenständen „wissen“ wie hoch der Gegenstand ist, um den nächsten Gegenstand auf den vorherigen abzusetzen. Angenommen der erste Gegenstand (z. B. eine Schachtel mit einem darin verpackten Produkt, beispielsweise einem fragilen Gegenstand oder Lebensmittel) wird auf den Boden gestellt, wobei der Gegenstand (die Schachtel) 20 cm hoch ist. Der Roboter muss den nächsten Gegenstand dann so positionieren, dass dessen Unterseite 20 cm über dem Boden zu liegen kommt, bevor der Gegenstand losgelassen wird. Der übernächste Gegenstand wird dann 40 cm über dem Boden positioniert, um ihn auf dem vorherigen abzusetzen, und so weiter. In ähnlicher Weise muss der Roboter beim Einsetzen eines Gegenstands in ein Gehäuse oder in eine Verpackung die Form und die Position des Gehäuses bzw. der Verpackung „kennen“. Für derartige Aufgaben bestimmte Roboter sind auch unter der Bezeichnung „Palletierroboter“ bekannt.
Die obige Beschreibung skizziert einen Idealfall, bei dem die Abmessungen des zu positionierenden bzw. zu stapelnden Gegenstands und ggf. des Gehäuses bekannt sind und exakt eingehalten werden. Weicht z.B. die tatsächliche Höhe eines Gegenstandes von einem Sollmaß ab, dann kann der Manipulator beim Absetzen des nächsten Gegenstandes mit dem vorherigen Gegenstand kollidieren (wenn dessen Höhe größer ist als die Sollhöhe), oder der Gegenstand wird zu früh losgelassen und fällt auf den vorherigen (wenn dessen Höhe kleiner ist als die Sollhöhe). Beim Stapeln addieren sich die Toleranzen der einzelnen Gegenstände. Um Kollisionen zu vermeiden kann das Roboterprogramm so ausgestaltet sein, dass ein Gegenstand immer in einem gewissen Abstand über der Ebene losgelassen wird, in der er im Idealfall abgestellt werden soll. In diesem Fall fällt der Gegenstand jedoch immer ein kurzes Stück. In vielen Anwendungen mag das Fallenlassen der Gegenstände über eine kurze Distanz (einige wenige mm) kein Problem sein, jedoch gibt es auch einige Anwendungen, bei denen mit den zu manipulierenden Gegenständen vorsichtig umgegangen werden muss und ein „sanftes“ Manipulieren der Gegenstände notwendig ist. Mit herkömmlichen Industrierobotern (ohne aufwändiger Zusatzsensorik) ist ein derartiges „sanftes“ Manipulieren nicht möglich, weil die Robotersteuerung den Manipulator so steuert, dass der TCP die (z.B. punktweise definierte) Bewegungsbahn exakt zu einem Zielpunkt (einer Sollposition) hin durchläuft; der Roboter fährt also immer (vorher-) bestimmte, deterministische Positionen an und kann (zufällige) Abweichungen und Toleranzen bei den zu manipulierenden Gegenständen nicht berücksichtigen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht also darin, ein Verfahren zu finden, das „sanftes“ Positionieren oder Stapeln von Gegenständen ermöglicht. Das Verfahren soll robust sein im Hinblick auf Variationen in den tatsächlichen Abmessungen und den Zielpositionen der Gegenstände. Insbesondere sollen die Gegenstände auf Kontakt abgelegt und keinesfalls fallengelassen werden. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. Unterschiedliche Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Verfahren zum Positionieren, insbesondere zum Palletieren von Gegenständen beschrieben. Das Verfahren wird mit Hilfe eines Manipulators mit einem zusätzlichen Aktor durchgeführt, der zwischen dem Manipulator und dem zu positionierenden Gegenstand angeordnet ist. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Greifen des Gegenstandes und das Bewegen des Gegenstandes, mit Hilfe des Manipulators, an eine Startposition in der Nähe einer Ablagefläche, auf der der Gegenstand positioniert und abgelegt werden soll. Das Verfahren umfasst weiter das Bewegen Gegenstandes mit Hilfe des Manipulators hin zur Ablagefläche, wobei der Aktor so angesteuert wird, dass die Aktorkraft die Gewichtskraft des Gegenstandes kompensiert, oder wobei die Aktorkraft so geregelt wird, dass eine einstellbare minimale Netto-Aktorkraft auf einen Endanschlag des Aktors wirkt (welche im Grenzfall Null sein kann). Des Weiteren wird die Auslenkung des Aktors überwacht und eine Veränderung der Auslenkung detektiert. Die Bewegung des Manipulators wird bei Detektion einer Veränderung der Auslenkung des Aktors gestoppt. Sobald der Manipulator still steht und die Auslenkung des Aktors wieder konstant ist, und vor dem Loslassen des Gegenstandes, wird die Aktorkraft reduziert, sodass die Netto-Aktorkraft im Wesentlichen durch die Gewichtskraft des Gegenstandes bestimmt wird. Abschließend wird der Gegenstand losgelassen.
Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Positionieren von Gegenständen beschrieben. Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Manipulator mit einem in einer horizontalen Ebene beweglichen Roboterarm und mit einer Hubvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Roboterarm in vertikaler Richtung zu positionieren.
Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Aktor, der zwischen dem Manipulator und dem zu positionierenden Gegenstand angeordnet ist, und eine Robotersteuerung, die dazu ausgebildet ist, den Aktor derart anzusteuern, dass in vertikaler Richtung die Aktorkraft die Gewichtskraft des Gegenstandes näherungsweise kompensiert. Die Robotersteuerung, ist des Weiteren dazu ausgebildet, vor dem Loslassen des Gegenstandes die Aktorkraft so zu reduzieren, dass die Netto- Aktorkraft im Wesentlichen durch die Gewichtskraft des Gegenstandes bestimmt wird.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Abbildungen und die weitere Beschreibung sollen helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die dargestellten Details sind dabei nicht zwangsläufig als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu erläutern. In den Abbildungen zeigt:

1 ein Beispiel eines Industrieroboters, der zum Stapeln oder Positionieren von Gegenständen geeignet ist;
2 einen am Roboter angeordneten Aktor, der mechanisch zwischen Roboter und dem zu manipulierenden Gegenstand liegt und der eine annähernd haftreibungsfreie Relativbewegung zwischen Roboter und Gegenstand ermöglicht;
3 schematisch einen ersten Teil eines Pallettiervorgangs;
4 schematisch einen zweiten Teil eines Pallettiervorgangs;
5 eine schematische Darstellung der Druckregelung zur Gewichtskraftskompensation durch den Aktor; und
6 eine schematische Darstellung möglicher Notaus-Szenarien gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung.
In 1 ist ein Beispiel eines Manipulators (Roboters) dargestellt, der geeignet ist, die eingangs genannten Stapel- und Positionieraufgaben zu bewältigen. Der Manipulator 10 umfasst einen Roboterarm 12, der entlang einer feststehenden Säule 11 mit einer Hubvorrichtung in vertikaler Richtung auf- und ab bewegt werden kann. Im vorliegenden Beispiel ist die Säule ist fest mit einer Halterung 15 verbunden, welche wiederum fest am Boden oder mit einem Fundament verankert sein kann. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Roboterarm 12 zwei Gelenke 13 und 14, wobei der Roboterarm über das Gelenk 14 an der Hubvorrichtung angelenkt ist. Das Gelenk 13 verbindet zwei Segmente des Roboterarms (Oberarm bzw. proximales Segment, Unterarm bzw. distales Segment). Die Gelenke 13 und 14 sind so ausgestaltet, dass der Arm eine Bewegung in einer horizontalen Ebene ausführen kann. Die vertikale Position dieser horizontalen Ebene kann durch die Hubvorrichtung festgelegt werden. An dem dem Gelenk 14 gegenüberliegenden Ende des Roboterarmes ist ein Aktor 20 befestigt, welcher - in geringem Umfang - eine vertikale Bewegung z_REL relativ zu dem Roboterarm ausführen kann. Optional kann der Aktor 20 auch drehbar an den Roboterarm 12 angelenkt sein, sodass der Aktor 20 um die eigene (Längs-) Achse drehbar ist (Drehgelenk 16). Der Aktor 20 verbindet ein Werkzeug (z.B. einen Greifer) mit dem Roboterarm, wobei die vertikale Position z_REL des Werkzeugs relativ zum Roboterarm (Auslenkung des Aktors) mit Hilfe des Aktors 20 einstellbar ist.
Der Aktor 20 ist insbesondere ein haftreibungsfreier Aktor, wobei in diesem Zusammenhang unter haftreibungsfrei verstanden wird, dass die zwischen beweglichen Teilen des Aktors wirkende Haftreibkraft vernachlässigbar gering ist, insbesondere kleiner als 5% der aktuellen Aktorkraft. Die Aktorkraft ist die vom Aktor 20 auf das Werkzeug (z.B. den Greifer) ausgeübte Kraft.
Der Aktor 20 ist ein Linearaktor, der z.B. als elektrischer Direktantrieb ausgeführt sein kann oder auch als pneumatischer Aktor. Bei pneumatischen Aktoren kommt der Einsatz von (haft-) reibungsfreien oder annähernd reibungsfreien Aktoren wie z.B. Balgzylindern oder Luftmuskeln in Betracht, die z.B. gegen ein Federelement, das eine Rückstellkraft bewirkt, arbeiten. Der Aktor 20 kann auch einen doppelt wirkenden Pneumatikzylinder aufweisen. In diesem Fall ist keine Feder zum Ausüben einer Rückstellkraft nötig. Problematisch ist bei Positionieraufgaben - und insbesondere beim Stapeln von Gegenständen - die zwischen den beweglichen Teilen der Aktoren wirkende Haftreibung. Ein Balgzylinder bzw. ein Luftmuskel weist selbst keine Haftreibung auf, da keine zueinander beweglichen Teile aneinander gleiten müssen. Auch bei Pneumatikzylindern kann eine vernachlässigbare Haftreibung im Zylinder erreicht werden. Das heißt, bei einer maximalen Aktorkraft von 200 Newton beträgt die für die Überwindung der Haftreibung nötige Kraft (z.B. bei einer Haftreibung von 1% der Maximalkraft) gerade einmal 2 Newton. Aktoren mit derartig geringer Haftreibung werden als „haftreibungsfreie“ Aktoren bezeichnet. Herkömmliche Aktoren weisen eine rund 20-Mal größere Haftreibung auf. Um eine (nennenswerte) Haftreibung auch in den Lagern zu vermeiden, kann der Aktor z.B. Kugelumlauflager aufweisen. Die praktische Haftreibungsfreiheit des Aktors ist für eine präzise Kraftregelung von großem Vorteil. Eine um ein Newton höhere Reibkraft hätte im obigen Beispiel eine ca. um 10 Newton höhere Ungenauigkeit bei der dynamischen Kraftregelung (d.h. bei sich ändernder Position des Aktors) zur Folge. Eine exakte Kraftregelung wird benötigt, um ein möglichst sanftes Ablegen des zu positionierenden (bzw. zu stapelnden) Gegenstandes zu ermöglichen und Stöße weitestgehend zu vermeiden.
2 zeigt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausgestaltung des Aktors 20 aus 1. Im vorliegenden Fall ist das eigentliche Stellelement ein druckluftbetriebener Balgzylinder 114, welcher gegen eine Feder 115 arbeitet. Der Aktor 20 umfasst einen ersten Flanschteil 110 als Schnittstelle zum Industrieroboter (Manipulator), sowie einen zweiten Flanschteil 111, an der beispielsweise ein Greifer angeordnet sein kann. Mit dem ersten Flanschteil 110 ist ein Gehäuseteil 112 starr verbunden, in dem sowohl ein Regelventil 113 als auch eine haftreibungsfreie Wellenführung (Welle 116, (Kugelumlauf-) Wellenführung 117) mit der Rückstellfeder 115 angeordnet sind. Zum Schutz gegen Staub und sonstigen Verunreinigungen ist ein Faltenbalg 118 als Abdeckung zwischen den Flanschteilen 110 und 111 vorgesehen. Diese Abdeckung kann auch für den Einsatz in rauer Umgebung flüssigkeits- und/oder staubdicht ausgebildet sein. Als haftreibungsfreies, getriebeloses Stellelement dient der Balgzylinder 114. Das Stellelement wirkt zwischen dem ersten Gehäuseteil 112 und einem zweiten, mit der Halterung 111 starr verbundenen Gehäuseteil 112'. Um eine Kraftregelung zu ermöglichen, umfasst der Aktor einen Wegsensor (nicht dargestellt, bzw. von der Wellenführung 117 verdeckt) und einen Drucksensor. Durch Messung des Drucks im Balgzylinder und die Position des Balgzylinders (mit Hilfe des Wegsensors) kann die Aktorkraft berechnet werden. Da die Kinematik des Roboters bekannt ist, kann über die gemessenen Größen auch die auf den zu manipulierenden Gegenstand ausgeübte Kraft ermittelt (und folglich auch geregelt werden) werden. Anschlüsse für den Zu- und Abluftkanal 119 können z.B. im ersten Gehäuseteil 112 angeordnet sein. Der Anschluss zum Zuluftkanal ist z.B. über einen Schlauch mit einem Kompressor verbunden.
Unabhängig von der tatsächlichen Realisierung des Aktors 20 umfasst dieser zwei Endanschläge. Der erste Endanschlag definiert die minimale Auslenkung (z_REL=0) des Aktors 20 und der zweite Endanschlag definiert die maximale Auslenkung (z_REL=z_REL,max) des Aktors 20. Die maximale Auslenkung z_REL,max kann beispielsweise 100 mm sein und liegt üblicherweise zwischen 50 mm und 250 mm.
Im Folgenden wird auf die 3 und 4 Bezug genommen. Für eine Positionieraufgabe, d.h. zum Positionieren oder Palettieren (Stapeln) von Gegenständen wird das zu positionierende Werkstück (Gegenstand 50) mit Hilfe des Manipulators (z.B. der Manipulator 10 gemäß 1) zunächst mal zu einer Startposition z_START hinbewegt. Diese Startposition z_START befindet sich in der Nähe der gewünschten Ablageposition z_A , an der das Werkstück 50 am Ende zum Liegen kommen soll. Bei einem Palletierprozess ist diese Startposition z_START in vertikaler Richtung über der gewünschten Ablageposition z_A , wobei der vertikale Abstand (z_START-z_A) zwischen Startposition z_START und Ablageposition z_A im Wesentlichen ein Sicherheitsabstand ist, der eingehalten werden muss, um nicht Gefahr zu laufen mit den bereits gestapelten Gegenständen zu kollidieren. Der Aktor 20, welcher zwischen Werkstück 50 und Manipulator 10 angeordnet ist, befindet sich in dieser Phase des Positioniervorgangs in seiner Endposition mit maximaler Auslenkung z_REL,max , wobei der Aktor 20 mit einer (einstellbaren) Minimalkraft F_MIN gegen den Anschlag drückt. Diese (negative) Minimalkraft F_MIN ist dabei so klein wie möglich gewählt, üblicherweise in Bereichen von -10 bis -1 Newton. Die Gewichtskraft F_G des Gegenstandes muss dabei vom Aktor fast vollständig (bis auf die genannte Minimalkraft F_MIN ) kompensiert werden. Diese Situation ist in 3 dargestellt. Das Aktor zieht das Werkstück 50 mit einer (negativen) Kraft Fx nach oben, während die (positive) Gewichtskraft des Gegenstandes 50 nach unten wirkt. Dabei gilt F_X= -(F_G+F_MIN), d.h. die auf den Endanschlag des Aktors 20 wirkende Nettokraft ist die oben erwähnte Minimalkraft F_MIN=-(F_G+F_X). Das Gleichgewicht zwischen Aktorkraft F_X und Gewichtkraft F_G kann durch Kräfte die aus der Beschleunigung des Manipulators 10 entstehen auch gestört werden. Diese Störkraft kann gegebenenfalls gemessen oder berechnet und entsprechend berücksichtigt werden. Die entsprechenden Informationen (z.B. Positionsdaten und deren erste und zweite Ableitung) sind der Robotersteuerung des Manipulators bekannt.
Nachdem das Werkstück 50 in die Startposition z_START gebracht wurde, kann der Ablagevorgang beginnen. Dazu wird der Manipulator 10 so angesteuert, dass sich der Aktor 20 samt Werkstück ausgehend von der Startposition z_START auf die Ablageposition z_A hinbewegt, wobei der Aktor 20 immer noch (nur) mit der minimalen Nettokraft F_MIN gegen den Endanschlag drückt und volle Auslenkung z_REL,max aufweist. Die Geschwindigkeit v ist einstellbar, und bei konstanter Geschwindigkeit ist die momentane Position z(t) des Werkstücks 50 gleich z_START -v·t (wobei die Geschwindigkeit v ein positiver Wert ist und z(_t=0)=z_START).
Zu dem Zeitpunkt t_A , zu dem das Werkstück die Ablageposition z_A erreicht, kontaktiert das Werkstück 50 das darunter liegende Werkstück 51 (oder allgemein die gewünschte Ablagefläche). Aufgrund der Bewegung des Manipulators 10 (und damit des Aktors 20 und des Werkstücks 50) wird unmittelbar nach dem Kontakt zwischen Werkstück 50 und Ablagefläche an der Position z_A der Aktor 20 zusammengedrückt und die Netto-Aktorkraft F_MIN wirkt nicht mehr auf den Endanschlag sondern auf die Ablagefläche (z.B. Oberseite des Werkstücks 51). Gleichzeitig nimmt die Auslenkung z_REL des Aktors 20 ab (d_ZREL/dt<0). Die Robotersteuerung muss die tatsächliche Ablageposition z_A nicht kennen, die Ablageposition z_A muss auch nicht gemessen werden. Zur Kontakterkennung kann eine Veränderung der Auslenkung ausgewertet werden. Zum Beispiel kann eine Auswertung der Ungleichung dz_REL/dt < 0 oder z_REL<z_REL,max erfolgen, um den Kontakt zwischen Werkstück 50 und Ablagefläche zu erkennen. Da zu diesem Zeitpunkt sowohl die Position des Manipulators 10 bekannt ist als auch die Auslenkung z_REL , können diese Information verwendet werden, um unbekannte Gegenstände abzutasten, bzw. dessen Dimensionen (z.B. die vertikale Koordinate der kontaktierten Oberfläche) zu erkennen. Aus der Kombination unterschiedlicher Minimalkräfte F_MIN und der enstehenden Auslenkung z_REL nach Kontakt, kann auch eine „Nachgiebigkeit“ oder „Steifigkeit“ des kontaktierten Gegenstandes erkannt werden. Dies ermöglicht z.B. die Erkennung einer unstabilen (und daher nachgiebigen) Ablagefläche, beispielsweise beim Stapel von Kartons, wenn der untere Karton, auf dem ein anderer abgelegt werden soll, beschädigt ist. Die Ermittlung der Nachgiebigkeit kann dabei bei Kontakt zwischen zu positionierenden Gegenstand und Ablagefläche (also beim Ablegen) oder bei Kontakt zwischen zu greifenden Gegenstand und Aktor (also beim Greifen) erfolgen.
Sobald der Kontakt (d.h. das Ablegen des Werkstücks 50) erkannt wurde wird die Bewegung des Manipulators 10 gestoppt, wobei die Geschwindigkeit v nicht abrupt auf Null gesetzt werden muss, sondern auch langsam auf Null reduziert werden kann, um die dynamischen Kräfte zu reduzieren. Die Zeit, welche zur Verfügung steht, um den Manipulator 10 zu bremsen, wird im Wesentlichen durch den maximalen Hub z_REL,max -z_REL,min des Aktors 20 bestimmt. Die Kraftregelung der minimalen Netto-Aktorkraft F_MIN ist während des gesamten Ablagevorgangs aktiv. Diese Situation ist in 4 dargestellt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in der Phase von dem ersten Kontakt zwischen Aktor 20 und Werkstück bis zum Stoppen der vertikalen Bewegung des Manipulators 10 von diesem nie eine Kraft auf das Werkstück ausgeübt wird, die höher ist als die (einstellbare) Minimalkraft F_MIN .
Am Ende des Ablagevorgangs, sobald der Manipulator 10 still steht und die Auslenkung des Aktors 20 wieder konstant ist, wird das Gewicht des Werkstücks 50 auf die Ablagefläche übertragen. Das heißt die Netto-Aktorkraft wird erhöht bis die Aktorkraft Fx Null ist und die Netto-Aktorkraft gleich der Gewichtskraft F_G . Danach kann die Kraftregelung (unter Beibehaltung der aktuellen Auslenkung z_REL des Aktors 20) abgeschaltet und das Werkstück losgelassen werden. Im Anschluss wird der Aktor 20 durch weitere Reduktion der Auslenkung z_REL und/oder durch Verfahren des Manipulators von dem abgelegten Werkstück weg bewegt und es kann das nächste Werkstück geholt werden.
Das beschriebene Verfahren bietet den Vorteil, dass nur die Startposition x_START der Robotersteuerung (des Manipulators 10) bekannt sein muss. Diese lässt sich leicht berechnen, wenn beispielsweise die maximale Abmessung (Höhe) des Werkstücks 50 bekannt ist sowie die Anzahl der bereits abgelegten Werkstücke zuzüglich eines eventuellen Sicherheitsabstandes. Auch bei verhältnismäßig großen Toleranzen der Abmessungen der Werkstücke ist somit eine Kollision ausgeschlossen. Die tatsächliche Ablageposition z_A (z.B. die aktuelle Höhe des Stapels) muss der Robotersteuerung nicht bekannt sein und daher auch nicht gemessen werden. Die Detektion der tatsächlichen Ablageposition erfolgt mit Hilfe des Aktors 20, dessen Auslenkung z_REL überwacht wird, wobei bis zur Ablage des Werkstücks an seiner Ablageposition z_A die Netto-Aktorkraft F_MIN auf einen Wert nahe Null geregelt wird, um die Stoßkräfte beim Kontakt so gering wie möglich zu halten. In diesem Zusammenhang kann es wichtig sein, dass der Aktor 20 praktisch haftreibungsfrei ist, das heißt bei einer Veränderung der Aktorposition z_REL (z.B. beim zusammendrücken des Aktors) kein signifikanter Slip-Stick-Effekt auftritt.
Auch wenn die Kontaktkräfte mit Hilfe des oben beschriebenen Aktors (Aktor 20, 1 bis 4) sehr klein gehalten werden können, kann es bei einigen Anwendungen notwendig sein, Sicherheitsmaßnahmen vorzusehen, die z.B. ein ungewolltes Einquetschen von Gegenständen oder Personen verhindern sofern es zu einer ungeplanten Kollision zwischen einem vom Roboter manipulierten Werkstück (Werkstück 50, 3 bis 6) und einem anderen Gegenstand oder einem Körperteil einer Person kommt. Die Abmessungen eines Gegenstandes können auch außerhalb einer gewissen Toleranz liegen. Auch dann kann neben der Vermeidung von Schäden, die übergeordnete Steuerung auch eine Nachricht (ein Signal) darüber bekommen.
In 5 sind drei verschiedene Zustände des mit einem Werkstück 50 belasteten Aktor (Gewichtskraft F_G ) dargestellt. Der Aktor 20 (siehe 1 bis 4) wird in dieser Darstellung durch einen Pneumatikzylinder 114' repräsentiert, der alternativ zu dem Balg 114 (siehe 2) verwendet werden kann. Der Zylinder wird so betrieben, dass das Werkstück 50 angehoben wird, wenn der Zylinderdruck pz einen Mindestwert p_M übersteigt. Das mit „Fall 1“ bezeichnete Beispiel in 5 zeigt den Fall eines Druckabfalls im Zylinder 114' des Aktors 20 (Aktorkraft Fx=0). Als Folge davon zieht das Gewicht (Gewichtskraft F_G ) des Werkstücks 50 den Aktor in die untere Endposition, in 5 mit z_A bezeichnet. Das mit „Fall 2“ bezeichnete Beispiel in 5 zeigt den Fall eines „Überdrucks“ (p_Z>p_M) im Zylinder 114' des Aktors 20 (Aktorkraft F_X>>F_G). Als Folge davon zieht der Aktor das Werkstück 50 (Gewichtskraft F_G ) nach oben bis in die untere Endposition des Aktors 20, in 5 mit z_B bezeichnet. Das mit „Fall 3“ bezeichnete Beispiel in 5 zeigt den (Normal-) Fall der Gewichtskraftkompensation. Das heißt, der Zylinderdruck pz wird auf jenen Druck p_M geregelt, der minimal nötig ist, um die Gewichtskraft F_G des Werkstücks zu kompensieren (Aktorkraft Fx ist gleich der Gewichtskraft F_G ). Das Werkstück schwebt sozusagen an einer (vorgebbaren) Sollposition z_C . In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die in 5 dargestellten Positionen z_A , z_B , z_C und z_D keine absoluten Positionen des Werkstücks 50 repräsentieren sondern Auslenkungen des Aktors 20. Die Absolutposition des Werkstücks 50 wird durch die Position des Manipulators 10 (siehe 1) bestimmt, welcher die Auslenkung des Aktors 20 überlagert ist. In dem in 5 dargestellten „Fall 3“ ist die Soll-Position zc also als Relativposition in Bezug auf die vom Manipulator vorgegebenen Position zu verstehen (vgl. 1).
In 6 sind zwei unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen dargestellt, die in unterschiedlichen Situationen durchgeführt werden können, um beispielsweise ein (allzu starkes) Einquetschen einer Person oder einer Sache zu verhindern. In der linken Darstellung in 6 ist noch einmal der Normalfall der Gewichtskraftkompensation dargestellt. Das Werkstück 50 wird mit Hilfe des Manipulators 10 positioniert (siehe 1) und der Aktor 20 sorgt für ein „Schweben“ des Werkstücks 50 bei einer Aktorauslenkung zc (Aktorkraft F_X gleich Gewichtskraft F_G , keine Haftreibung). Sofern beim Absenken des Werkstücks 50 (beispielsweise im Zuge eines Stapelprozesses oder einer Positionieraufgabe wie weiter oben beschrieben) das Werkstück mit einem Hindernis kollidiert wirkt auf das Werkstück 50 eine Kollisionskraft F_K , welche den Aktor 20 „zusammendrückt“, die Auslenkung z des Aktors 20 wird also geringer (z < zc). Relativ zum Aktor 20 wird das Werkstück 50 angehoben; die Bewegung des Werkstücks 50 wird durch das Hindernis blockiert während der Manipulator 10 sich weiterbewegt. Sobald die Aktorauslenkung eine Mindestauslenkung z_D unterschreitet (z ≤ z_D ) wird ein Sicherheitsmaßnahme durchgeführt, beispielsweise ein Nothalt.
Gemäß den hier beschriebenen Beispielen der Erfindung können zumindest zwei Maßnahmen unterschieden werden, nämlich ein Nothalt des Manipulators 10 und des Aktors 20 bei langsamer Vertikalbewegung des Manipulators 10 (Nothalt Typ A) und bei schneller Vertikalbewegung des Manipulators 10 (Nothalt Typ B). In beiden Fällen wird die Stromzufuhr für die Motoren des Manipulators 10 unterbrochen und die Bremsen (sofern vorhanden) der Hubvorrichtung (vgl. 1 Säule 11) greifen sofort. Bei langsamer Manipulatorbewegung ist der Bremsweg kurz, beispielsweise 1 mm, wohingegen bei schneller (maximaler) Manipulatorbewegung der Bremsweg signifikant länger sein kann (z.B. 9 mm). Diesen Bremsweg muss ebenfalls der Aktor 20 aufnehmen, wodurch dieser weiter zusammengedrückt wird. Die Differenz zwischen „kritischer Auslenkung“ z_D des Aktors, bei der die Sicherheitsmaßnahme (Nothalt Typ B) durchgeführt wird, und der minimalen Auslenkung z_B des Aktors muss daher größer sein (ausgelegt werden), als der maximale Bremsweg.
Bei nur langsamer Vertikalbewegung des Manipulators 10 (Nothalt Typ A) werden des Weiteren die Ventile des pneumatischen Stellgliedes im Aktor 20 (im vorliegenden Fall die Ventile des Zylinders 114') gesperrt, und das Werkstück senkt sich nur mehr langsam aufgrund der Leckage im Zylinder 114' (z.B. weniger als 50 mm/s). Dadurch bleibt einer eingeklemmten Person genügend Zeit, um zu reagieren. Bei schneller Vertikalbewegung des Manipulators 10 (Nothalt Typ B) wird der der Zuluftkanal des Zylinders auf einen mit Druckluft gefüllten Reservetank 120 geschaltet. Dies kann bei Stromabschaltung z.B. automatisch mit Hilfe einer Feder erfolgen. Die Druckluft im Reservetank reicht aus, um das Gewicht bis zum oberen Anschlag (minimale Auslenkung z_B des Aktors) anzuheben und trotz Leckage im Zylinder rund 1 Minute zu halten. Die Differenz zwischen „kritischer Auslenkung“ z_D des Aktors, bei der der Nothalt vom Typ B durchgeführt wird, und der minimalen Auslenkung z_B des Aktors ist dabei deutlich größer als der maximale Bremsweg des Manipulators 10, sodass das Werkstück beim Nothalt effektiv (gegen die Bewegung des Manipulators beim Bremsen) angehoben wird. Bei einer Differenz (z_B-z_D) von 25 mm und einem Bremsweg von 9 mm würde das Werkstück 50 effektiv um 16 mm angehoben. Das Anheben erfolgt dabei mit höherer Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit des Manipulators 10 beim Bremsen.
Zur Wiederaufnahme des Betriebs wird an den Aktor wieder der normale Betriebsdruck angelegt, wodurch das Werkstück angehoben wird, danach kann der Manipulator 10 das Werkstück 50 weiter anheben und ggf. zu einer Ausgangsposition zurückfahren oder den durch den Nothalt unterbrochenen Vorgang fortsetzen.

Claims

Verfahren, das folgendes umfasst: Greifen eines Gegenstandes (50) und Bewegen des Gegenstandes (50) an eine Startposition (z_START) in der Nähe einer Ablagefläche, auf der der Gegenstand (50) positioniert und abgelegt werden soll mit Hilfe eines Manipulators (10), der einen zusätzlichen Aktor (20) aufweist, der zwischen dem Manipulator (10) und dem Gegenstand (50) angeordnet ist; Bewegen des Gegenstandes (50) mit Hilfe des Manipulators (10) hin zur Ablagefläche, wobei der Aktor (20) so angesteuert wird, dass die Aktorkraft (Fx) die Gewichtskraft (FG) des Gegenstandes (50) kompensiert, oder wobei die Aktorkraft (Fx) so geregelt wird, dass eine einstellbare minimale Netto-Aktorkraft (-(F_X+F_G)) auf einen Endanschlag des Aktors (20) wirkt; Überwachen der Auslenkung (z_REL) des Aktors (20) und Detektieren einer Veränderung der Auslenkung; Stoppen der Bewegung des Manipulators (10) bei Detektion einer Veränderung der Auslenkung (z_REL) des Aktors (20); sobald der Manipulator (10) still steht und die Auslenkung des Aktors (20) wieder konstant ist, und vor dem Loslassen des Gegenstandes (50), Reduzieren der Aktorkraft (Fx), sodass die Netto- Aktorkraft (-(F_X+F_G)) im Wesentlichen durch die Gewichtskraft des Gegenstandes (50) bestimmt wird; und abschließendes Loslassen des Gegenstandes (50).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei vor dem Loslassen des Gegenstandes (50) die Aktorkraft (Fx) auf null reduziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Netto-Aktorkraft (-(F_X+F_G)) die Überlagerung der Aktorkraft (Fx) und der Gewichtskraft (FG) des Gegenstandes darstellt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Regelung der Netto-Aktorkraft (-(F_X+F_G)) die Beschleunigungskräfte berücksichtigt werden, welche durch die Bewegung des Manipulators (10) bewirkt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bewegung des Manipulators (10) gestoppt wird, wenn die Auslenkung (z_REL) des Aktors (20) sich um einen ersten vorgegebenen Wert verändert hat.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden, wenn die Auslenkung (z_REL) des Aktors (20) sich um mindestens einen vorgebbaren zweiten Wert verändert hat.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Aktor (20) ein pneumatischer Aktor ist und bei dem als Sicherheitsmaßnahme der Manipulator (10) gebremst wird und ein Zuluftkanal des pneumatischen Aktors (20) mit einer Druckluft-Quelle verbunden wird, wodurch der Aktor (20) eine Bewegung durchführt, welche die Bewegung des Manipulators (10) während des Bremsvorgangs zumindest teilweise kompensiert.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Aktor (20) ein pneumatischer Aktor ist und bei dem als Sicherheitsmaßnahme der pneumatische Aktor (20) mit Hilfe von Ventilen gesperrt wird, sodass eine Bewegung nur mehr aufgrund von Leckage im Aktor (20) möglich ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Greifen oder Positionieren des Gegenstandes (50) durch Detektieren einer Veränderung der Auslenkung (z_REL) ein Kontakt zwischen dem Aktor (20) und dem Gegenstand (50) oder zwischen dem Gegenstand (50) und einer Ablagefläche erkannt wird und aus der Auslenkung (z_REL) und der Position des Manipulators (10) bei Kontakt eine Abmessung des Gegenstandes (50) und/oder Abweichungen von einer Soll-Abmessung ermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Greifen oder Positionieren des Gegenstandes (50) durch Detektieren einer Veränderung der Auslenkung (z_REL) ein Kontakt zwischen dem Aktor (20) und dem Gegenstand (50) oder zwischen dem Gegenstand (50) und einer Ablagefläche erkannt wird und aus der Auslenkung (z_REL) und der Aktorkraft (Fx) eine Nachgiebigkeit oder Steifigkeit des Gegenstandes (50) oder der Ablagefläche ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei eine Robotersteuerung benachrichtigt wird, wenn eine Abweichung von der Soll-Abmessung einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Greifen des Gegenstandes umfasst: Überwachen der Auslenkung (z_REL) des Aktors und Detektieren einer Veränderung der Auslenkung (z_REL); Stoppen der Bewegung des Manipulators (10) bei Kontakt zwischen Aktor und Gegenstand, wobei die Erkennung des Kontakts durch Detektion einer Veränderung der Auslenkung (z_REL) des Aktors (20) erfolgt.
Vorrichtung zum Positionieren eines Gegenstandes, die aufweist: einen Manipulator (10); einen Aktor (20), der zwischen dem Manipulator (10) und dem Gegenstand (50) angeordnet ist, und eine Robotersteuerung, die dazu ausgebildet ist, mittels des Manipulators (10) den Gegenstand (50) zu greifen; den Aktor (20) derart anzusteuern, dass in vertikaler Richtung die Aktorkraft (Fx) die Gewichtskraft (FG) des Gegenstandes näherungsweise kompensiert, oder die Aktorkraft (Fx) so zu regeln, dass eine einstellbare minimale Netto-Aktorkraft (-(F_X+F_G)) auf einen Endanschlag des Aktors (20) wirkt, und vor dem Loslassen des Gegenstandes (50) die Aktorkraft (Fx) so zu reduzieren, dass die Netto- Aktorkraft (-(F_X+F_G)) im Wesentlichen durch die Gewichtskraft des Gegenstandes (50) bestimmt wird.