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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Manipulators sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Die Erfindung behandelt grundsätzlich die Bewegungssteuerung eines Manipulators, wie z.B. eines Roboters, wie z.B. in der
EP 2 255 931 A2 oder
EP 1 332 841 A2 beschrieben. Hierbei wird der ToolCenterPoint (TCP) des Manipulators auf erwünschte Punkte im Raum verlagert. Ein Manipulator hat üblicherweise mehrere relativ zueinander bewegliche Glieder bzw. Arme, die auch als Achsen bezeichnet werden. Der TCP sitzt meist am Ende eines Arms. Die Soll-Position des TCP kann als Punkt im Raum (Weltkoordinaten) oder durch zugehörige Soll-Werte (Positionen oder Winkel) der Achsen (Achskoordinaten) vorgegeben werden. Am Beispiel von
1 der
EP 1 332 841 A2 kann der Punkt (x/y) vom TCP angefahren werden, indem die Winkel zwischen den Armen 1, 3 und 4 und die Lage des Arms 5 vorgegeben werden. Am Beispiel von
2 der
EP 2 255 931 A2 wird der TCP durch die q-Koordinaten definiert.
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Um von Weltkoordinaten auf Achskoordinaten und umgekehrt zu schließen, wird eine Umrechenvorschrift (Transformation) benutzt. Diese ist mechanikabhängig und teilt sich in zwei Teile: Um von Achskoordinaten auf Weltkoordinaten zu schließen, wird eine sog. Vorwärtstransformation verwendet. Um von Weltkoordinaten auf Achskoordinaten zu schließen, wird eine sog. Rückwärtstransformation verwendet. Jedoch kann ein und derselbe Punkt in Weltkoordinaten oft durch mehrere Achskoordinaten erreicht werden. Aus der
EP 1 332 841 A2 ist ersichtlich, dass zahlreiche Punkte erreicht werden können, indem die Arme nicht linksarmig (d.h. die Arme haben eine Winkelstellung entsprechend einem menschlichen linken Arm), sondern rechtsarmig (d.h. die Arme haben eine Winkelstellung entsprechend einem menschlichen rechten Arm) ausgerichtet werden. Die Rückwärtstransformation ist zweckmäßigerweise in der Lage, alle diese mehrdeutigen Lösungen zu berechnen. Weiterhin ist die Maschinensteuerung in der Lage, diese Mehrdeutigkeiten aufzulösen. Dabei wird üblicherweise die Lösung ausgewählt, die hinsichtlich der Armigkeit der Lösung der letzten Vorwärtstransformation entspricht.
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In der Robotik ist es möglich, einen Zielpunkt im Raum mittels (linearer) Interpolation im Raum oder mittels achsweiser Interpolation (point-to-point, PTP) anzufahren. Bei der linearen Interpolation wird der TCP des Manipulators linear im Raum nach Maßgabe von Weltkoordinaten verlagert. Die zugehörige Verlagerung der Achsen ergibt sich aus der Rückwärtstransformation. Bei der achsweisen Interpolation wird jede Achse so interpoliert, dass sie gleichzeitig die Bewegung startet und gleichzeitig mit den anderen am Zielpunkt ankommt. Dabei sind die Abschnitte der Bewegung (Beschleunigen, konstante Geschwindigkeit, Abbremsen) bei jeder Achse zeitlich gleich. Aus den Achsbewegungen ergibt sich durch die Vorwärtstransformation ein Pfad im Raum, der nicht unbedingt linear sein muss. Der Vorteil der PTP-Bewegung ist, dass dies die zeitsparendste Bewegungsart ist.
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Bei der Interpolation werden allgemein, um den Zielpunkt anzufahren, ausgehend vom Startpunkt die Zwischenpunkte interpoliert und der Reihe nach abgefahren.
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Weiterhin ist es möglich, trotz (linearer) Interpolation im Raum den Zielpunkt der Bewegung in Achskoordinaten anzugeben. Hierbei wird der angegebene Zielpunkt in Achskoordinaten mittels der Vorwärtstransformation in Weltkoordinaten transformiert und dann vom Start zum Zielpunkt in Weltkoordinaten interpoliert.
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Weiterhin ist es möglich, trotz achsweiser Interpolation den Zielpunkt der Bewegung in Weltkoordinaten anzugeben. Hierbei wird der angegebene Zielpunkt in Weltkoordinaten mittels der Rückwärtstransformation in Achskoordinaten transformiert und dann vom Start zum Zielpunkt in Achskoordinaten interpoliert.
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Bei einer Bewegung ist eine Zielpunktangabe in Achskoordinaten üblicherweise die einzige Möglichkeit, von einer Art der Achsstellung (z.B. linksarmig) in eine andere Achsstellung (z.B. rechtsarmig) zu wechseln. Eine Angabe des Zielpunktes in Weltkoordinaten führt nämlich zu keinem gezielten Armigkeitswechsel (letzte Armigkeit wird beibehalten, siehe oben).
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Ein solcher Achs-Bewegungsablauf kann jedoch aus zahlreichen Gründen gewünscht sein, beispielsweise um Zeit oder Energie zu sparen, indem hochdynamische Achsen oder energiesparende Achsen bei der Bewegung bevorzugt werden.
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Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zur verbesserten Steuerung eines Manipulators.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Manipulators, eine Steuereinheit sowie ein Computerprogramm mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor.
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Vorteile der Erfindung
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Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei einem Verfahren zur Steuerung einer point-to-point Bewegung eines Manipulators ein Zielpunktdatensatz eines Zielpunkts in Weltkoordinaten eingelesen wird, wenigstens zwei (vorzugsweise alle) mögliche Lösungen in Achskoordinaten zum Anfahren des Zielpunkts bestimmt werden und Auswahlwerte basierend auf jeder der wenigstens zwei möglichen Lösungen bestimmt werden. Hierdurch wird erreicht, dass bei point-to-point Bewegungen eines Manipulators ein Zielpunkt in Weltkoordinaten direkt angegeben kann und in Abhängigkeit von den Auswahlwerten eine Lösung ausgewählt werden kann. Der Auswahlwert kann beispielsweise eine Armstellung bzw. Armigkeit, einen Energieverbrauch und/oder eine Zeit der Bewegung umfassen.
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Die jeweilige Lösung in Achskoordinaten wird aus den Weltkoordinaten durch eine mathematische Transformation erhalten.
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Durch die unterschiedlichen Zielpunkte in Achskoordinaten ergeben sich unterschiedliche PTP-Bewegungen. Im angegebenen Beispiel unterscheiden sich die PTP-Bewegungen dadurch dass sich bei der ersten Lösung die erste Achse (z.B. ein erster Arm) stärker verändert und bei der zweiten Lösung die zweite Achse (z.B. ein zweiter Arm). So kann je nach Auswahl der ersten oder zweiten Lösung z.B. ein Armigkeitswechsel erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Auswahlwerte ausgegeben. Hierdurch wird erreicht, dass die Auswahlwerte einem Nutzer, z.B. mittels einer Anzeigeeinrichtung, visualisiert werden, so dass dann der Nutzer anhand der Auswahlwerte eine Auswahl treffen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Auswahlwerte von einer Steuereinheit des Manipulators verglichen, und auf ein Ergebnis des Vergleichs hin eine Lösung ausgewählt. Hierdurch wird erreicht, dass eine Auswahl der Lösung aufgrund des Auswahlwertes automatisch erfolgen kann, ohne dass ein Nutzer tätig werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist für die Auswahlwerte ein Auswahlkriterium vorgebbar. Hierdurch wird erreicht, dass eine Auswahl der Lösung, variabel in Abhängigkeit vom Auswahlkriterium erfolgen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswahlkriterium eine Armigkeit. Hierdurch wird erreicht, dass die Lösung ausgewählt wird, mit der der Zielpunkt gegebenenfalls mit einem Armigkeitswechsel erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Auswahlkriterium eine Zeitdauer bis zum Erreichen des Zielpunktes. Hierdurch wird erreicht, dass die Lösung ausgewählt wird, mit der der Zielpunkt am schnellsten erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Auswahlkriterium eine dynamische Belastung. Hierdurch wird erreicht, dass Beschleunigungen des Manipulators während der Bewegung zum Zielpunkt berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die dynamische Belastung ein Beschleunigungsmaximalwert, der während der Bewegung bis zu dem Zielpunkt auftritt. Hierdurch wird erreicht, dass die Lösung ausgewählt wird, bei der der Beschleunigungsmaximalwert nicht überschritten wird. So kann die mechanische Belastung reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die dynamische Belastung ein Beschleunigungsprofilwert, der dynamische Belastungen während der Bewegung bis zu dem Zielpunkt zusammenfasst. Z.B. kann der Beschleunigungsprofilwert die Summe von Beschleunigungswerten sein, die in Intervallen während der Bewegung bis zu dem Zielpunkt auftreten. Dabei können die Beschleunigungswerte unterschiedlich gewichtet werden, um z.B. Beschleunigungswertspitzen besonders stark zu berücksichtigen. Hierdurch wird erreicht, dass die mechanische Belastung nochmals reduziert werden kann.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Steuereinheit zur Steuerung einer point-to-point Bewegung eines Manipulators mit einer Einleseeinheit zum Einlesen von einem Zielpunktdatensatz eines Zielpunktes in Weltkoordinaten, einer Bestimmungseinheit zum Bestimmen von wenigstens zwei Lösungen in Achskoordinaten zum Anfahren des Zielpunkts, und einer Auswerteinheit zum Bestimmen der Auswahlwerte basierend auf den Lösungen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen beispielhaften Manipulator in schematischer Darstellung,
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2 zeigt den Manipulator in der 1, der von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt verlagert werden soll,
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3 zeigt zwei Lösungen für die Verlagerung von dem Startpunkt zu dem Zielpunkt,
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4 zeigt eine Steuereinheit für den Manipulator in schematischer Darstellung, und
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5 zeigt einen Verfahrensablauf zur Steuerung des Manipulators in schematischer Darstellung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist ein Manipulator 2 grob schematisch dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Manipulator 2 als Roboter ausgebildet. Der Manipulator 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist einen ersten Manipulatorarm 16 und einen zweiten Manipulatorarm 18 auf, die eine Bewegung des Manipulators 2 in zwei Bewegungsfreiheitsgraden ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Manipulator 2 translatorisch in Richtung der X-Achse (Achskoordinate A1) verlagert werden. Ferner kann der Manipulator 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Drehrichtung gedreht werden, die sich senkrecht zu der X-Achse und der Y-Achse (also aus der Zeichenebene heraus) erstreckt (Achskoordinate A2).
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Durch eine Bewegung in Richtung A1 und Drehrichtung A2 kann ein an dem distalen Ende des Manipulators 2 befindlicher Referenzpunkt TCP (Tool Center Point) in der durch die X-Achse und Y-Achse gebildete Ebene (Weltkoordinaten) nahezu beliebig positioniert werden. Dementsprechend existiert eine eindeutige Abbildung (A1/A2) -> (X/Y), welche als Vorwärtstransformation bezeichnet wird: X = A1 + R cos A2 Y = R sin A2 R: Armlänge des zweiten Manipulatorarms 18
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Jedoch existiert keine eindeutige Abbildung (X/Y) -> (A1/A2), welche als Vorwärtstransformation bezeichnet wird. Hingegen führt die Umkehr der sin- und cos-Funktion in den meisten Fällen zu zwei Lösungen in Achskoordinaten für einen Punkt in Weltkoordinaten.
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In 2 ist ein Szenario dargestellt, bei dem der Referenzpunkt TCP des Manipulatorarms 2 von einem Startpunkt SP aus zu einem Zielpunkt ZP verlagert werden soll, wobei der Startpunkt SP und der Zielpunkt ZP in Weltkoordinaten vorliegen. Dabei beschreiben die Weltkoordinaten das Gesamtkoordinatensystem des Manipulators 2 und sind unabhängig von Bewegungen des Manipulators 2.
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Der Zielpunkt ZP ist dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels achsweiser Interpolation (point-to-point, PTP) anzufahren. Bei der achsweisen Interpolation beginnen und beenden alle Gelenke ihre Bewegung synchron, also gleichzeitig. Mit der achsweisen Interpolation oder auch Punktsteuerung ist es möglich, einen Zielpunkt exakt anzufahren. Jedoch ist der Bahnverlauf zwischen dem Startpunkt SP und dem Zielpunkt ZP nicht definiert. Eingesetzt werden kann die achsweise Interpolation vorteilhaft bei Manipulatoren 2, die z.B. zum Beschicken, Punktschweißen, Stanzen, Bohren oder Palettieren verwendet werden.
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Ferner ist in 3 dargestellt, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Zielpunkt ZP auf zwei unterschiedlichen Wegen erreicht werden kann, nämlich gemäß einer ersten Lösung I und einer zweiten Lösung II.
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Gemäß der ersten Lösung I wird der Zielpunkt ZP ausgehend von 2 erreicht, indem der erste Manipulatorarm 16 translatorisch in Richtung entlang der X-Achse durch eine große Bewegung A1 verlagert wird, während eine kleine Drehbewegung A2 des zweiten Manipulatorarms 18 durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt kein Armigkeitswechsel.
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Gemäß der zweiten Lösung II wird der Zielpunkt ZP ausgehend von 2 erreicht, indem eine große Drehbewegung A2' des zweiten Manipulatorarms 18 durchgeführt wird, während der erste Manipulatorarm 16 translatorisch in Richtung entlang der X-Achse durch eine kleine Bewegung A1' verlagert wird. Insbesondere erfolgt ein Armigkeitswechsel.
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Vorzugsweise wird bei den Lösungen I und II die Armigkeit als Auswahlwert bereitgestellt, so dass der Lösung I "rechtsarmig" und der Lösung II "linksarmig" zugeordnet ist.
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In 4 ist eine beispielhafte Steuereinheit 4 des Manipulators 2 in einem Blockdiagramm dargestellt.
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Die Steuereinheit 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Einleseeinheit 6, eine Bestimmungseinheit 8, eine Auswerteinheit 10, eine Ausgabeeinheit 12 und eine Vergleichseinheit 14 auf.
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Mit der Einleseeinheit 6 kann die Steuereinheit 4 einen Zielpunktdatensatz eines Zielpunktes ZP in Weltkoordinaten einlesen.
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Mit der Bestimmungseinheit 8 kann die Steuereinheit 4 die erste Lösung I zum Anfahren des Zielpunkts ZP bestimmen. Ferner ist die Bestimmungseinheit 8 ausgebildet, neben der ersten Lösung I zum Anfahren des Zielpunkts ZP die zweite Lösung II zum Anfahren des Zielpunkts ZP zu bestimmen, sowie gegebenenfalls weitere Lösungen zum Anfahren des Zielpunkts ZP, wenn es weitere Lösungen zum Anfahren des Zielpunktes ZP existieren. Die Lösungen ergeben sich am Beispiel der 1 bis 3 insbesondere als Lösungen zu der Umkehrfunktion der oben angegebenen Transformation.
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Mit der Auswerteeinheit 10 kann ein erster Auswahlwert AW1 basierend auf der ersten Lösung I und ein zweiter Auswahlwert AW basierend auf der zweiten Lösung II bestimmt werden. Dabei ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswerteeinheit 10 derart ausgebildet, dass ein Auswahlkriterium vorgebbar ist. Bei dem Auswahlkriterium kann es sich um eine Zeitdauer bis zum Erreichen des Zielpunktes ZP handeln, oder das Auswahlkriterium ist eine dynamische Belastung oder eine Armigkeit. Die dynamische Belastung kann ein Beschleunigungsmaximalwert sein, der während der Bewegung bis zu dem Zielpunkt ZP auftritt. So wird sichergestellt, dass die Lösung der beiden Lösungen I, II ausgewählt wird, bei der der Beschleunigungsmaximalwert nicht überschritten wird. Die dynamische Belastung kann aber auch ein Beschleunigungsprofilwert sein, der dynamische Belastungen während der Bewegung bis zu dem Zielpunkt ZP zusammenfasst.
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Der Beschleunigungsprofilwert kann die Summe von Beschleunigungswerten sein, die in Intervallen während der Bewegung zu dem Zielpunkt auftreten. Dabei können die Beschleunigungswerte unterschiedlich gewichtet werden, um z.B. Beschleunigungswertspitzen besonders stark zu berücksichtigen.
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Mit der Ausgabeeinheit 12 können einem Nutzer mittels einer Anzeigeeinrichtung (nicht dargestellt) der erste Auswahlwert AW1 und der zweite Auswahlwert AW2 visualisiert werden, so dass dann der Nutzer anhand des ersten Auswahlwerts AW1 und zweiten Auswahlwerts AW2 eine Auswahl zwischen der ersten Lösung I und der zweiten Lösung II treffen kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit 4 neben der Ausgabeeinheit 12 noch die Vergleichseinheit 14 auf, mit der erste Auswahlwert AW1 und der zweite Auswahlwert AW2 miteinander verglichen und die entsprechende der Lösung I, II ausgewählt werden kann. Somit ist mit der Vergleichseinheit 14 eine automatische Auswahl aus den beiden Lösungen I, II anhand ihrer jeweiligen Auswahlwerte AW1, AW2 möglich. Wenn z.B. das Auswahlkriterium eine Zeitdauer ist, wird die Lösung der beiden Lösungen I, II mit dem geringsten Auswahlwert AW1, AW2 gewählt und ausgegeben.
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Die Einleseeinheit 6, die Bestimmungseinheit 8, die Auswerteinheit 10, die Ausgabeeinheit 12 und/oder die Vergleichseinheit 14 können aus Hard- und/oder Softwarekomponenten aufgebaut sein.
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Es wird nun anhand der Figur ein Verfahrensablauf zur Steuerung des Manipulators 2 erläutert.
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In einem ersten Schritt 100 werden von der Einleseeinheit 6 der Zielpunktdatensatz des Zielpunktes ZP in Weltkoordinaten eingelesen.
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In einem weiteren Schritt 200 wird von der Bestimmungseinheit 8 die erste Lösung I zum Anfahren des Zielpunkts ZP bestimmt. Anschließend prüft die Bestimmungseinheit 8, ob weitere Lösungen existieren, und bestimmt die zweite Lösung II sowie gegebenenfalls noch weitere Lösungen.
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In einem weiteren Schritt 300 werden von der Auswerteeinheit 10 ein erster Auswahlwert AW1 basierend auf der ersten Lösung I und ein zweiter Auswahlwert AW basierend auf der zweiten Lösung II bestimmt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei ein Auswahlkriterium vorgegeben, bei dem es sich um eine Zeitdauer bis zum Erreichen des Zielpunktes ZP oder das um eine dynamische Belastung handeln kann.
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In einem weiteren Schritt 400 werden von der Vergleichseinheit 14 der erste Auswahlwert AW1 und der zweite Auswahlwert AW2 miteinander verglichen und die entsprechende der Lösung I, II ausgewählt. Wenn z.B. das Auswahlkriterium eine Zeitdauer ist, wird die Lösung der beiden Lösungen I, II mit dem geringsten Auswahlwert AW1, AW2 gewählt und ausgegeben.
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In einem weiteren Schritt 500 wird dann der Manipulator 2 gemäß der ausgewählten Lösung I, II von dem Startpunkt SP zu dem Zielpunkt ZP verlagert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Manipulator
- 4
- Steuereinheit
- 6
- Einleseeinheit
- 8
- Bestimmungseinheit
- 10
- Auswerteinheit
- 12
- Ausgabeeinheit
- 14
- Vergleichseinheit
- 16
- erster Manipulatorarm
- 18
- zweiter Manipulatorarm
- 100
- Schritt
- 200
- Schritt
- 300
- Schritt
- 400
- Schritt
- 500
- Schritt
- I
- erste Lösung
- II
- zweite Lösung
- AW1
- erster Auswahlwert
- AW2
- zweiter Auswahlwert
- SP
- Startpunkt
- TCP
- Referenzpunkt
- ZP
- Zielpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2255931 A2 [0002, 0002]
- EP 1332841 A2 [0002, 0002, 0003]
