DE102021108775A1

DE102021108775A1 - Multizentrische impedanzregelung

Info

Publication number: DE102021108775A1
Application number: DE102021108775.9A
Authority: DE
Inventors: Yu Zhao; Tetsuaki Kato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2021-10-14
Also published as: US11318611B2; CN113524233A; JP2021169148A; US20210316453A1

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung eines Roboters zum Ausführen eine komplexen Montageaufgabe wie etwa Einsetzen einer Komponente mit mehreren Bolzen oder Stiften in eine Struktur mit mehreren Bohrungen. Das Verfahren nutzt einen Impedanz-Controller einschließlich mehrerer Bezugszentren mit einer Reihe von Verstärkungsfaktoren. Es werden nur translatorische Verstärkungsfaktoren - einer für eine Federkraft und einer für eine Dämpfungskraft - und keine rotatorischen Verstärkungsfaktoren verwendet. Das Verfahren berechnet Federdämpfungskräfte aus Positionen und Geschwindigkeiten des Bezugszentrums unter Verwendung der Verstärkungswerte und misst Kraft und Moment eines Kontakts mit einem zwischen dem Roboterarm und der zu manipulierende Komponente gekoppelten Sensor. Die berechneten Federdämpfungskräfte werden anschließend mit gemessener Kraft und Moment des Kontakts summiert, um eine resultierende Kraft und Moment im Massenmittelpunkt der Komponente zur Verfügung zu stellen. Dann wird eine neue Pose der Komponente basierend auf der resultierenden Kraft und Moment berechnet, indem Berechnungen des Impedanz-Controllers verwendet werden.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Offenlegung betrifft das Gebiet der Bewegungssteuerung von Industrierobotern und spezieller ein Verfahren zur Steuerung eines Roboters, um eine komplexe Montageaufgabe wie das Einsetzen eines Bauteils mit Doppelbolzen in eine Struktur mit Doppelbohrung auszuführen, wobei das Verfahren einen Impedanz-Controller einschließt, der mehrere Bezugszentren mit einer Reihe von Verstärkungsgraden nutzt, eine aus den Positionen der Bezugszentren und Geschwindigkeiten berechnete Federdämpfungskraft zu einer gemessenen Kraft und Moment eines Kontakts addiert und auf der Basis der Summierung eine neue Pose (Stellung) des Bauteils berechnet.
Erörterung des Stands der Technik
Es ist der Einsatz von Industrierobotern zur wiederholten Durchführung eines breiten Bereichs von Fertigungs- und Montagevorgängen bekannt. Jedoch werden einige Arten von Montagevorgängen wie etwa Einbauen einer Fahrzeugtür mit zwei Scharnierbolzen an einer Fahrzeugkarosserie mit zwei Scharnierbolzenbohrungen immer noch manuell durchgeführt, wo eine Maschine das Gewicht der Tür hebt und eine Bedienperson die Scharnierbolzen mit den Bohrungen ausrichtet und die Tür an der Stelle absenkt. Diese Operationsart wird immer noch oft manuell durchgeführt, weil Roboter die Schwierigkeit haben, die komplexen schlechte Justierungen zu erfassen und zu korrigieren, die beim Versuch, mehrere Stifte in mehrere Bohrungen gleichzeitig einzusetzen, auftreten können.
Verfahren im Stand der Technik zur Steuerung des Roboters schließen bei Anwendungen, wie den oben erörterten, einen Impedanz-Controller ein, indem das Modell eines Feder-Dämpfer-Systems mit einem Bezugszentrum verwendet wird, und zwei Gruppen von Verstärkungsgraden, einem linearen und einem winkligen, definiert werden. Das Verfahren im Stand der Technik versucht dann, eine Kraft- und Momentrückmeldung vom Roboter mit der aus dem Systemmodell berechneten Kraft und Moment zu vergleichen und die Lage des Roboters entsprechend einzustellen. Jedoch ist eine Abstimmung der Verstärkungsgrade bei diesem Systemmodell konventionellen Typs schwierig, wobei insbesondere der Winkelverstärkungsgrad und seine Beziehung zum linearen Verstärkungsgrad nicht intuitiv ist. Darüber hinaus ist ein Systemmodell, welches auf eine Montageanwendung abgestimmt ist, nicht auf eine andere Anwendung anwendbar, wo Geometrien oder strukturelle Eigenheiten der Teile unterschiedlich sind, sodass die Verstärkungsgrade und ihre Beziehungen für jede Anwendung eindeutig festgelegt werden müssen.
Angesichts der oben beschriebenen Umstände besteht Bedarf an einem verbesserten, auf Impedanz basierenden Steuerungsverfahren für Roboter, die ausrichtungsempfindliche Montagevorgänge durchführen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der technischen Lehre der vorliegenden Offenlegung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Roboters zur Durchführung einer komplexen Montageaufgabe wie Einsetzen eines Bauteils mit mehreren Bolzen oder Stiften in eine Struktur mit mehrfachen Bohrungen offengelegt. Das Verfahren nutzt einen Impedanz-Controller einschließlich mehrerer Bezugszentren mit einer Reihe von Verstärkungsfaktoren. Es werden nur translatorische Verstärkungsfaktoren - einer für eine Federkraft und einer für eine Dämpfungskraft - und keine rotatorischen Verstärkungsgrade verwendet. Das Verfahren berechnet Federdämpfungskräfte aus Positionen und Geschwindigkeiten der Bezugszentren mittels der Verstärkungswerte, und misst Kraft und Moment des Kontakts mit einem Sensor, der zwischen dem Roboterarm und dem handzuhabenden Bauteil gekoppelt ist. Die berechneten Federdämpfungskräfte werden anschließend mit der gemessenen Kraft und dem Moment des Kontakts summiert, um eine resultierende Kraft und Moment im Massenmittelpunkt des Bauteils zur Verfügung zu stellen. Anschließend wird basierend auf der resultierenden Kraft und dem Moment eine neue Pose des Bauteils berechnet.
Zusätzliche Merkmale der gegenwärtig offengelegten Vorrichtungen und Verfahren erschließen sich aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist die Darstellung eines Werkstücks mit zwei Stiften, das in eine Struktur mit zwei Bohrungen zu installieren ist, und ein übliches Verfahren mit Einzelpunktimpedanz-Controller unter Verwendung von an sich bekannten translatorischen und rotatorischen Verstärkungsgraden;
2 ist eine Darstellung eines Werkstücks mit zwei Stiften, das in eine Struktur mit zwei Bohrungen einzubauen ist, und ein Verfahren mit Impedanz-Controller unter Verwendung zweier Bezugszentren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
3A, 3B, 3C und 3D sind Darstellungen der Schritte, die bei Ausführung des Verfahrens mit Impedanz-Controller unter Verwendung zweier, in 2 gezeigter Bezugszentren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung beteiligt sind; und
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Roboters, der eine Montageaufgabe durchführt, einschließlich eines Impedanz-Controllers mit Mehrbezugszentrum gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der auf einen Impedanz-Controller gerichteten Offenlegung für einen Roboter unter Verwendung mehrerer Bezugszentren ist lediglich beispielhaft und in keiner Weise dazu beabsichtigt, die offengelegten Vorrichtungen und Verfahren oder ihre Anwendungen oder Einsätze zu beschränken.
Es ist gut bekannt, Industrieroboter für eine Vielzahl von Fertigungs- und Montagevorgängen zu verwenden. Jedoch ist es für Roboter schwierig, einige Arten von Montagevorgängen - wie diejenigen zuverlässig durchzuführen, bei denen es eine große Unsicherheit der Anfangsposition der Teile gibt oder der Montagevorgang empfindlich auch auf geringfügige schlechte Justierung eines Teils relativ zu dem anderen reagiert. Beispiele dieser Arten von Montagevorgängen umfassen das Verbauen einer elektronischen Komponente mit mehreren Stiften in eine Fassung auf einer Leiterplatte und das Einbauen einer Fahrzeugtür mit zwei Scharnierbolzen an einer Fahrzeugkarosserie mit zwei Scharnierbolzenbohrungen. Diese Arten von Arbeitsgängen werden oft immer noch manuell durchgeführt, weil es für Roboter schwierig ist, die Komplexität zu erfassen und zu korrigieren, die selbst von geringfügigen schlechten Justierungen herrührt, die bei dem Versuch auftreten können, gleichzeitig mehrere Bolzen oder Stifte in mehrere Bohrungen einzusetzen.
1 ist eine Darstellung eines einzubauenden Werkstücks mit zwei Stiften in eine Struktur mit zwei Bohrungen und eines herkömmlichen Verfahrens mit einem einzelnen Impedanz-Controller, indem an sich bekannte translatorische und rotatorische Verstärkungsgrade genutzt werden. Eine Baugruppe 100 enthält eine Tür 110 und eine Fahrzeugkarosserie 120. Die Tür 110 umfasst zwei vertikal ausgerichtete Stifte 112 und 114. Die Karosserie 120 enthält vertikal ausgerichtete Bohrungen 122 und 124. Aufgabe des Roboters (in der Figur nicht gezeigt) ist es, die Tür 110 handzuhaben, um die Stifte 112 und 114 in die Bohrungen 122 und 124 einzusetzen, wodurch eine Scharniergelenkverbindung der Tür 110 mit der Karosserie 120 erzeugt wird. Dieser Montagevorgang erfordert natürlich, die Tür 110 so zu bewegen, dass die Spitzen der Stifte 112 und 114 mit den Oberseiten der Bohrungen 122 und 124 gleichzeitig fluchten und diese hineingehen, und dann die Tür 110 abzusenken, sodass die Stifte 112 und 114 vollständig in die Bohrungen 122 und 124 eingesetzt sind.
Verfahren im Stand der Technik zur Steuerung des Roboters in Anwendungen wie der einen, die in 1 dargestellt ist, umfassen, das Modell eines Feder-Dämpfer-Impedanz-Controllers mit einem Bezugspunkt oder Bezugszentrum 116 zu verwenden und zwei Gruppen von Verstärkungsgraden - einen translatorischen und einen rotatorischen - festzulegen. Das Verfahren im Stand der Technik versucht anschließend, eine Rückmeldung von Kraft und Moment von einem Kraftsensor 130 (zwischen dem Roboter und der Tür 110 gekoppelt) mit der aus dem Modell des Feder-Dämpfer-Systems berechneten Kraft und Moment zu vergleichen und die Roboterposition entsprechend einzustellen. Jedoch ist eine Abstimmung der Verstärkungsgrade bei diesem üblichen Typ von Systemmodell, insbesondere des rotatorischen Verstärkungsgrades, schwierig, wobei seine Beziehung zu dem translatorischen Verstärkungsgrad nicht intuitiv ist. Außerdem können herkömmliche Impedanz-Controller mit Einzelbezugszentrum empfindlich auf die Auswahl der Stelle des Bezugszentrums 116 reagieren.
Darüber hinaus ist ein Controller, der auf eine Anwendung wie die Baugruppe 100 abgestimmt ist, nicht auf andere Anwendungen anwendbar, bei denen die Geometrie und baulichen Eigenheiten der Teile unterschiedlich sind, sodass die Verstärkungsgrade und ihre Beziehungen für jede Anwendung eindeutig festgelegt werden müssen. Zum Beispiel würde, wenn der Feder-Dämpfer-Impedanz-Controller auf den Türeinbauvorgang der Baugruppe 100 abgestimmte translatorische und rotatorische Verstärkungsgrade aufweist, die gleiche Steuereinheit nicht genau auf einen Türeinbauvorgang einer Baugruppe 140 abgestimmt sein, wo die Scharnierbolzen in einem weiteren Abstand angeordnet sind, oder auf einen Türeinbauvorgang einer Baugruppe 150, wo die Scharnierbolzen im Abstand näher zusammen angeordnet sind.
Die vorliegende Offenlegung überwindet die Einschränkungen von Impedanz-Controllern mit Einzelbezugszentrum, indem ein Impedanz-Controller mit mehreren, an Schlüsselpunkten definierten Bezugszentren zur Verfügung gestellt wird. Jedes Bezugszentrum im gegenwärtig offengelegten Verfahren umfasst nur translatorische, federdämpfende Verstärkungsgrade, wobei die gleichen Verstärkungsfaktoren in allen Bezugszentren verwendet werden, was das Abstimmen vereinfacht und andere Vorteile bewirkt, wie es nachstehend erörtert wird.
2 ist eine Darstellung eines in einer Struktur mit zwei Bohrungen einzubauenden Werkstücks mit zwei Stiften und eines Impedanz-Controller-Verfahrens unter Verwendung zweier Bezugszentren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Ein System 200 umfasst einen Industrieroboter 202, der mit dem Einbau eines Fahrzeugtürteils 210 an einer Fahrzeugkarosserie 220 beauftragt ist, ähnlich dem früher erörterten und in 1 gezeigten Beispiel. Der Roboter 202 steht mit einer Steuereinheit 204 in Verbindung, typischerweise über ein Kabel, aber vielleicht drahtlos, wie es an sich bekannt ist. Der Roboter 202 kann ein üblicher mehrachsiger Knickarmindustrieroboter mit Armen sein, die hintereinander mit Drehgelenken (wie in vereinfachter Form in 2 dargestellt) verbunden sind, oder kann ein Bestückungsroboter vom „Deltatyp“ mit mehreren parallelen Zwischengliedern oder ein beliebiger anderer Robotertyp oder eine Maschine sein, die imstande sind, speziell festgelegte Bewegungen eines Werkstücks basierend auf Anweisungen von einer Steuereinheit durchzuführen.
Es wird hervorgehoben, dass der Türmontagevorgang von 2 und weiteren Figuren lediglich das Beispiel eines Montagevorgangs sind, der auch auf geringfügige schlechte Justierungen empfindlich reagiert und Nutzen aus den Verfahren mit Impedanz-Controller der vorliegenden Offenlegung ziehen kann. Andere Beispiele - wie etwa das Verbauen einer vielpoligen elektronischen Komponente in einer Leiterplatte oder einer anderen Komponente - können von denen ins Auge gefasst werden, die vertraut sind mit den vom Roboter durchgeführten Montageoperationen. Außerdem sind 2 und die folgenden Figuren zweidimensionale Darstellungen des Türeinbauvorgangs, jedoch soll es verständlich werden, dass alle in der folgenden Erörterung beschriebenen Kräfte, Momente, Positionen und Bewegungen dreidimensional sind - einschließlich sowohl Kräften und Bewegungen „in der Ebene der Seite“, die in der X-Richtung und Y-Richtung als vorhanden betrachtet werden könnten, als auch Kräften und Bewegungen (Z-Richtung) „in die Seite hinein und aus dieser heraus“.
Das Türteil 210 enthält einen Scharnierstift 212 und einen Scharnierstift 214. Das Türteil 210 besitzt einen simulierten Massenmittelpunkt 211, welcher ein Punkt ist, der basierend auf dem Massenmittelpunkt der Stifte 212 und 214 definiert ist. Die Karosserie 220 enthält eine Scharnierbohrung 222 und eine Scharnierbohrung 224. Aufgabe des Roboters 202 ist es, das Türteil 210 handzuhaben, um gleichzeitig die Stifte 212 und 214 in die Bohrungen 222 und 224 einzusetzen, wodurch eine Scharniergelenkverbindung des Türteils 210 mit der Karosserie 220 erzeugt wird. Ein Roboterarm 230 stellt den äußeren Arm und das Handgelenk des Roboters 202 dar, wobei der Arm 230 die vertikale und horizontale Position sowie den Kippwinkel des Türteils 210 handhabt. Ein Kraft- und Momentsensor 240 ist zwischen dem Roboterarm 230 und dem Türteil 210 gekoppelt, wobei der Sensor 240 Kraft- und Momentsignale an die Steuereinheit 204 über eine drahtgebundene (gezeigt) oder drahtlose Verbindung liefert.
Die vorliegende Offenlegung beschreibt ein Verfahren mit Impedanz-Controller, bei dem mehrere Bezugszentren genutzt werden. Impedanzregelung ist eine Vorgehensweise zur dynamischen Steuerung, die sich auf Kraft und Position bezieht. Sie wird oft in Anwendungen genutzt, bei denen ein Manipulator mit seiner Umgebung zusammenwirkt und die Positionsbeziehung der Kraft von Belang ist. Mechanische Impedanz ist das Verhältnis von Kraftausgang zu Bewegungseingang. Eine „Federkonstante“ definiert den Kraftausgang für Zug oder Kompression der Feder. Eine „Dämpfungskonstante“ definiert den Kraftausgang für einen Geschwindigkeitseingang. Regelung der Impedanz eines Mechanismus bedeutet, die Widerstandskraft gegenüber äußeren Bewegungen zu steuern, die durch die Umgebung auferlegt werden. Mechanische Aufnahme ist die Umkehrung von Impedanz - sie definiert die Bewegungen, die sich aus einer Krafteingabe ergeben. Die Schlüsseltheorie hinter dem Verfahren der Impedanzregelung ist, die Umgebung als eine Aufnahme und den Manipulator als eine Impedanz zu behandeln. Die vorliegende Offenlegung beschreibt ein Verfahren mit Impedanz-Controller unter Verwendung mehrerer Bezugszentren mit Vorteilen gegenüber den Verfahren im Stand der Technik.
Im System 200 ist an einer Spitze des Stiftes 212 ein Bezugszentrum 216 definiert, und an einer Spitze des Stifts 214 ist ein Bezugszentrum 218 definiert. Der Impedanz-Controller definiert Federdämpfungskräfte an jedem der Bezugszentren 216 und 218 einschließlich einer verschiebungsbasierten Federkraft und einer geschwindigkeitsbasierten Dämpfungskraft. Die Federkraft im Bezugszentrum 216 wird basierend auf einer Verschiebung des Bezugszentrums 216 von einem Bezugszielpunkt 226 am unteren Zentrum der Bohrung 222 berechnet. Ebenso wird die Federkraft im Bezugszentrum 218 basierend auf einer Verschiebung des Bezugszentrums 218 von einem Bezugszielpunkt 228 am unteren Zentrum der Bohrung 224 berechnet.
Das Folgende ist eine Erörterung dessen, wie die Federdämpfungskräfte in den Bezugszentren 216 und 218 in dem Impedanz-Controller der vorliegenden Offenlegung berechnet werden. Die Position des Bezugszentrums 216 wird als p₂₁₆ und die Position des Bezugszentrums 218 als p₂₁₈ bezeichnet. Die Positionen p₂₁₆ und p₂₁₈ besitzen dreidimensionale Koordinaten (z. B. X, Y und Z). Die Geschwindigkeit des Bezugszentrums 216 wird als v₂₁₆ und die Geschwindigkeit des Bezugszentrums 218 als v₂₁₈ bezeichnet. Die Geschwindigkeiten v₂₁₆ und v₂₁₈ sind Vektoren mit dreidimensionalen Komponenten (X, Y und Z). Die Positionen p₂₁₆ und p₂₁₈ und die Geschwindigkeiten v₂₁₆ und v₂₁₈ werden durch die Steuereinheit 204 basierend auf der bekannten Geometrie des Roboters 202 einschließlich der Position und Ausrichtung des Arms 230 zusammen mit der Geometrie des Türteils 210 berechnet.
Die Position des Bezugszielpunkts 226 wird als p₂₂₆ und die Position des Bezugszielpunkts 228 als p₂₂₈ bezeichnet. Die Positionen p₂₂₆ und p₂₂₈ besitzen ebenfalls dreidimensionale Koordinaten (X, Y und Z), wobei zumindest die seitlichen und vertikalen Komponenten relativ zum Sockel des Roboters 202 festgelegt sind. Zusätzlich soll bemerkt werden, während 2 ein statisches Bild der Teile im System 200 darstellt, dass die Verfahren der vorliegenden Offenlegung angewendet werden können, während sich die Fahrzeugkarosserie 220 längs eines Förderbandes bewegt, und die Geschwindigkeit in Längsrichtung des Förderbandes (Z-Richtung) in die dreidimensionale Bewegung des Roboterarms 230 mit einbezogen wird.
Gemäß dem Impedanz-Controller der vorliegenden Offenlegung wird die Federdämpfungskraft im Bezugszentrum 116 berechnet als: $f_{216} = K_{p} (p_{226} - p_{216}) - D_{p} (v_{216})$
Ebenso wird die Federdämpfungskraft im Bezugszentrums218 berechnet als: $f_{218} = K_{p} (p_{228} - p_{218}) - D_{p} (v_{218})$
wobei K_p eine Federkonstante oder Verstärkungsfaktor und D_p eine Dämpfungskonstante oder Verstärkungsfaktor ist und die anderen Variablen oben definiert waren. Der gleiche Federverstärkungsfaktor K_p und der gleiche Dämpfungsverstärkungsfaktor D_p werden in den Berechnungen der Federdämpfungskraft für alle Bezugszentren verwendet und können empirisch bestimmt und bei Bedarf fein abgestimmt werden, um die besten Ergebnisse des Controllers zu erzielen. Weil der Multibezugszentrum-Impedanz-Controller keine rotatorischen Verstärkungsfaktoren nutzt, sind die für eine spezielle Anwendung (wie etwa der Einbau einer Wagentür) gewählten translatorischen Verstärkungsfaktoren ebenso für andere Anwendungen des gleichen Typs mit einer unterschiedlichen Geometrie der Teile sehr effektiv. Die Verwendung einer einzelnen Reihe von Verstärkungsfaktoren ohne rotatorische Verstärkungsfaktoren bildet einen hauptsächlichen Vorteil der vorliegenden Multizentrums-Impedanz-Controller gegenüber den Verfahren im Stand der Technik.
Die Gleichung (1) kann wie folgt erläutert werden: die Federkraft in dem Bezugszentrum 216 ist eine mit der Verschiebung (Positionsunterschied) des Bezugszentrums 216 multiplizierte Konstante von dem Bezugszielpunkt 226, und die Dämpfungskraft im Bezugszentrum 216 (von der Federkraft subtrahiert) ist eine mit der Geschwindigkeit des Bezugszentrums 216 multiplizierte Dämpfungskonstante. Die Gleichung (2) wird ebenso erläutert. Die Federdämpfungskräfte in den Bezugszentren 216 und 218 sind dreidimensionale Kraftvektoren.
3A, 3B, 3C und 3D sind Darstellungen der in die Ausführung des Verfahrens mit Impedanz-Controller einbezogenen Schritte unter Verwendung zweier, in 2 gezeigter Bezugszentren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. 3A stellt den ersten Schritt im Prozess dar, der, wie oben erörtert, die Berechnung der Federdämpfungskräfte in den Bezugszentren 216 und 218 ist. In 3A stellt ein Kraftvektor 310 f₂₁₆ dar (berechnet in Gleichung (1)), und ein Kraftvektor 312 stellt f₂₁₈ dar (berechnet in Gleichung (2)). Die Berechnung der Federdämpfungskräfte in diesem ersten Schritt wird durchgeführt von der Steuereinheit 204 basierend auf vorher bestimmten Werten von K_p und D_p und Positionen und Geschwindigkeiten des Bezugszentrums, die, wie früher erörtert, durch die Steuereinheit 204 bekannt sind.
3B stellt den zweiten Schritt im Prozess dar, bei dem die kombinierte Kraft und Moment des Kontakts durch den Sender 240 gemessen werden. Ein Kraftvektor 320 stellt die durch den Sensor 240 gemessene Kraft dar, und ein Momentvektor 322 stellt das durch den Sensor 240 gemessene Moment dar. Der Kraftvektor 320 und der Momentvektor 322 geben jeweils die Kraft und das Moment an, die durch das Türteil 210 auf den Roboterarm 230 aufgebracht werden. Die Werte des Kraftvektors 320 und des Momentvektors 322 werden als Sensorsignale vom Sensor 240 an die Steuereinheit 204 geliefert.
3C veranschaulicht den dritten Schritt im Prozess, bei dem die Steuereinheit 204 die Summe der Federdämpfungskräfte in den Bezugszentren 216 und 218 (aus 3A) und der durch den Sensor 240 (aus 3B) gemessenen Kraft und Moment des Kontakts berechnet. Die Summierung der Kraftvektoren und des Moments um den Massenmittelpunkt 211 ergibt einen resultierenden Kraftvektor 330 und einen resultierenden Momentvektor 332, die auf den Massenmittelpunkt 211 angewandt sind.
3D veranschaulicht den vierten Schritt im Prozess, bei dem die Steuereinheit 204 eine neue Pose des Türteils 210 unter der Kraft und dem Moment aus dem dritten Schritt (der resultierende Kraftvektor 330 und der resultierende Momentvektor 332) berechnet). Unter Verwendung bekannter Verfahren mit Impedanz-Controller löst die Steuereinheit 204 eine Gleichung des für ein FederMasse-Dämpfer-System verwendeten Typs, - das heißt: $F = m a + C v + K x + S .$
Weil die Feder- und Dämpfungskräfte bereits in die berechnete Kraft Feinbezogen sind, vereinfachen sich jedoch die Gleichungen zu $F = m a$
für translatorische Bewegung und $T = I a$
für rotatorische Bewegung. Unter Verwendung bekannter Massen und Trägheitseigenschaften des Türteils 210 bestimmt die Steuereinheit 204 die Bewegungen des Türteils 210, die sich aus dem resultierenden Kraftvektor 330 (f) und dem resultierenden Momentvektor 332 (7) ergeben würden. Die Steuereinheit 204 bewegt anschließend den Roboterarm 230 durch den Roboter 202, sodass das Türteil 210 den gerade berechneten Bewegungen ausgesetzt ist. Diese Bewegung ist in 3D dargestellt, in der das Türteil 210 gedreht wurde (Pfeil 340), um viel enger mit den Bohrungen 222 und 224 ausgerichtet zu sein, und verschoben wurde (Pfeil 342), um fast vollständig in den Bohrungen 222 und 224 eingesetzt zu ein.
Der oben in Bezug auf das Beispiel des Türeinbaus erörterte Multizentrum-Impedanz-Controller besitzt mehrere Vorteile gegenüber Einzelzentrum-Impedanz-Controllern im Stand der Technik. Erstens ist beim Multizentrum-Controller die Auswahl von Bezugszentren und ihrer entsprechenden Zielpunkte intuitiv und unkompliziert. Im Fall des Einsetzens eines Bauteils mit mehreren Stiften in entsprechende Bohrungen sind die Spitzen der Stifte als Bezugszentrumspunkte leicht festlegbar. Außerdem schließt der Multizentrum-Controller die Notwendigkeit rotatorischer Verstärkungskonstanten aus, die schwierig und nicht intuitiv zu bestimmen sind. Zusätzlich wird eine Reihe von Feder- und Dämpfungsverstärkungsfaktoren in allen der (zwei oder mehreren) Bezugszentren genutzt, und die in einer Anwendung des Multizentrum-Controllers verwendeten Verstärkungsfaktoren sind auf andere Anwendungen eines ähnlichen Teils mit unterschiedlicher Geometrie anwendbar.
4 ist ein Ablaufdiagramm 400 eines Verfahrens zur Steuerung eines Roboters, der eine Montageaufgabe durchführt, mit einem Multibezugszentrum-Impedanz-Controller gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Der im Verfahren von 4 beschriebene Montagevorgang umfasst die Verwendung eines Roboters 202 (mit Außenroboterarm 230), um eine Vielzahl von Bolzen oder Stiften eines ersten Werkstücks 210 gleichzeitig in eine Vielzahl von Hohlräumen eines zweiten Werkstücks 220 einzusetzen, wie es in 2 und 3 dargestellt ist. Wie oben erörtert, ist der Multibezugszentrum-Impedanz-Controller der vorliegenden Offenlegung ebenfalls auf andere Arten von Montagevorgängen anwendbar.
Beim Kästchen 402 wird ein Bezugspunkt an einer Spitze jedes der Bolzen auf dem ersten Werkstück 210 und ein entsprechender Zielpunkt in einem Hohlraum des zweiten Werkstücks 220 festgelegt. Jeder der Stifte entspricht einem speziellen der Hohlräume, und die Beziehungen von Bezugspunkt zu Zielpunkt sind entsprechend definiert. Beim Kästchen 404 wird eine Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte durch die Robotersteuereinheit 204 basierend auf einer Geschwindigkeit des Bezugspunkts und einer Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts berechnet. Speziell wird die Federdämpfungskraft an einem ersten Bezugspunkt mittels Gleichung (1) oben berechnet, usw. Die Positionen und Geschwindigkeiten des Bezugspunkts sind durch die Steuereinheit 204 auf der Basis von Roboterkinematik und Geometrie des Werkstücks bekannt. Der Federverstärkungsfaktor K_p und der Dämpfungsverstärkungsfaktor D_p können empirisch bestimmt und bei Bedarf fein abgestimmt werden, um die besten Ergebnisse des Controllers zu erzielen, wobei für jeden der Bezugspunkte der gleiche Federverstärkungsfaktor und gleiche Dämpfungsverstärkungsfaktor bei Berechnung der Federdämpfungskraft verwendet werden.
Beim Kästchen 406 werden Kraft und Moment des Kontakts durch den zwischen dem Roboter 202 und dem ersten Werkstück 210 gekoppelten Sensor 240 gemessen und Kraft und Moment des Kontakts an die Steuereinheit 204 übertragen. Beim Kästchen 408 werden durch die Steuereinheit 204 eine resultierende Kraft und Moment am Massenmittelpunkt 211 als eine Summe der Federdämpfungskräfte (Kästchen 404) und von Kraft und Moment des Kontakts (Kästchen 406) berechnet. Die Summierung der Kraftvektoren 310 und 312, der Kraftvektor 320 und das Moment 322 um den Massenmittelpunkt 211 ergeben den resultierenden Kraftvektor 330 und den resultierenden Momentvektor 332, die auf den Massenmittelpunkt 211 angewandt werden.
Beim Kästchen 410 wird durch die Steuereinheit 204 eine neue Pose des Türteils 210 basierend auf resultierender Kraft 330 und Moment 332 berechnet. Die neue Pose des Türteils 210 wird unter Verwendung der Gleichungen $F = m a und T = I a$
berechnet. Beim Kästchen 412 wird das Türteil 210 durch den Roboter 202 als Reaktion auf Signale von der Steuereinheit 204 in die neue Pose (beim Kästchen 410 berechnet) bewegt. Der Impedanz-Controller der vorliegenden Offenlegung ist als ein Rückmeldungssteuersystem in Echtzeit ausgeführt, was bedeutet, dass der Prozess kontinuierlich zum Kästchen 404 zurückschleift, um neue Federdämpfungskräfte zu berechnen, nachdem das Türteil 210 beim Kästchen 412 in die neue Pose bewegt ist. Die Schleifenbildung setzt sich fort, bis die Stifte 212 und 214 des Türteils 210 vollkommen in den Bohrungen 222 und 224 der Fahrzeugkarosserie 220 eingesetzt sind.
Damit es wiederum deutlich wird, die vorhergehende Erörterung, die auf ein Türteil mit Scharnierbolzen, die in entsprechende Scharnierbohrungen einzubauen sind, gerichtet ist, ist nur ein Beispiel. Das offengelegte Verfahren ist anwendbar auf jeden Typ von Werkstücken mit Stiften, die gleichzeitig in entsprechende Bohrungen einzusetzen sind, oder andere Typen von Montageaktivitäten, die auch auf eine geringfügige schlechte Justierung empfindlich reagieren.
In der vorhergehenden Erörterung sind durchweg verschiedene Computer und Steuereinheiten beschrieben und einbezogen. Es soll verständlich werden, dass die Softwareanwendungen und Module dieser Computer und Steuereinheiten auf einem oder mehreren Rechengeräten mit einem Prozessor und einem Speichermodul ausgeführt werden. Insbesondere schließt dies den Prozessor in der oben erörterten Robotersteuereinheit 204 ein. Speziell ist der Prozessor in der Steuereinheit 204 ausgelegt, das Rückmeldungsverfahren mit Impedanzregelung mit mehreren Bezugszentren in der oben beschriebenen Art und Weise zu nutzen.
Wie oben kurz dargestellt wurde, verbessern die offengelegten Verfahren für einen Impedanz-Controller für einen Roboter, der Multibezugszentren nutzt, die Leistungsfähigkeit der Operationen der Roboterbaugruppe, wo es eine große Ungewissheit der Position der Teile gibt, oder der Montagevorgang auch auf geringfügige schlechte Justierung eines Teils relativ zu dem anderen empfindlich reagiert.
Während oben eine Anzahl beispielhafter Aspekte und Ausführungsformen des Impedanz-Controllers für einen Roboter unter Verwendung von mehrfachen Bezugszentren erörtert wurde, wird der Fachmann Modifizierungen, Umsetzungen, Ergänzungen und Unterkombinationen davon erkennen. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die folgenden angefügten Ansprüche und danach eingeführte Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle diese Modifizierungen, Umsetzungen, Ergänzungen und Unterkombinationen als in ihrem wahren Geist und Geltungsumfang befindlich einschließen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Roboters, der einen Montagevorgang zum Einsetzen einer Vielzahl von Stiften eines ersten Werkstücks in eine Vielzahl von Hohlräumen eines zweiten Werkstücks durchführt, wobei das Verfahren umfasst: Festlegen eines Bezugspunkts an einer Spitze jedes der Stifte auf dem ersten Werkstück und eines entsprechenden Zielpunkts für jeden Bezugspunkt in einem Hohlraum des zweiten Werkstücks; Berechnen durch eine Robotersteuereinheit einer Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte basierend auf einer Geschwindigkeit des Bezugspunkts und einer Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts; Messen von Kraft und Moment eines Kontaktes durch einen zwischen dem Roboter und dem ersten Werkstück gekoppelten Sensor und Übertragen von Kraft und Moment des Kontaktes an die Steuereinheit; Berechnen durch die Steuereinheit einer resultierenden Kraft und Moment als eine Summe der Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontaktes; Berechnen durch die Steuereinheit einer neuen Pose des ersten Werkstücks basierend auf der resultierenden Kraft und Moment; und Bewegen des ersten Werkstücks in die neue Pose durch den Roboter als Reaktion auf Signale von der Steuereinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein einzelner Dämpfungsverstärkungsfaktor und ein einzelner Federverstärkungsfaktor beim Berechnen der Federdämpfungskraft an allen der Bezugspunkte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Dämpfungsverstärkungsfaktor und der Federverstärkungsfaktor translatorische Verstärkungsfaktoren sind und keine rotatorischen Verstärkungsfaktoren beim Berechnen der Federdämpfungskraft an den Bezugspunkten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte als Dämpfungsverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Bezugspunkts plus dem Federverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit der Bezugspunkte und die Verschiebung der Bezugspunkte bezüglich der entsprechenden Zielpunkte mittels kinematischer Berechnungen basierend auf der bekannten Position und Geschwindigkeit des Roboters und der bekannten Geometrie des ersten Werkstücks bezüglich des Roboters bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Berechnen einer resultierenden Kraft und eines Moments als Summe der Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontaktes das Summieren aller Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontakts um einen simulierten Massenmittelpunkt des ersten Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Berechnen einer neuen Pose des ersten Werkstücks die Nutzung von Impedanz-Controller-Berechnungen umfasst, um die neue Pose des ersten Werkstücks basierend auf der resultierenden Kraft und Moment, die in einem simulierten Massenmittelpunkt des ersten Werkstücks aufgebracht werden, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück ein Fahrzeugtürteil ist und das zweite Werkstück eine Fahrzeugkarosserie ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Bolzen zwei Scharnierbolzen an dem Türteil sind, und der Montagevorgang gleichzeitiges Einsetzen der zwei Scharnierbolzen in zwei Scharnierbohrungen an der Fahrzeugkarosserie ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei sich die Fahrzeugkarosserie während des Montagevorgangs auf einem Förderband bewegt und die Robotersteuereinheit eine Bewegung des Förderbands in den Signalen an den Roboter einschließt, um das Türteil des Fahrzeugs zu bewegen.
Verfahren zur Steuerung eines Roboters zum Einbau eines Fahrzeugtürteils an einer Fahrzeugkarosserie durch Einsetzen zweier Scharnierbolzen an dem Türteil in zwei Scharnierbohrungen an der Fahrzeugkarosserie, wobei das Verfahren umfasst: Festlegen eines Bezugspunkts an einer Spitze jedes der Scharnierbolzen an dem Türteil und eines entsprechenden Zielpunkts für jeden Bezugspunkt in zwei Scharnierbohrungen an der Fahrzeugkarosserie; Berechnen, durch eine Robotersteuereinheit einer Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte basierend auf einer Geschwindigkeit des Bezugspunkts und einer Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts; Messen von Kraft und Moment eines Kontakts durch einen zwischen dem Roboter und dem Türteil gekoppelten Sensor und Übertragen von Kraft und Moment des Kontakts an die Steuereinheit; Berechnen, durch die Steuereinheit einer resultierenden Kraft und Moment als eine Summe der Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontakts um einen Massenmittelpunkt der Scharnierbolzen an dem Türteil; Berechnen, durch die Steuereinheit einer neuen Pose des Türteils unter Verwendung einer Impedanz-Controller-Berechnung basierend auf der resultierenden Kraft und Moment; und Bewegen des Türteils in die neue Pose durch den Roboter als Reaktion auf Signale von der Steuereinheit.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Dämpfungsverstärkungsfaktor und ein Federverstärkungsfaktor bei Berechnung der Federdämpfungskraft an beiden der Bezugspunkte verwendet wird, der Dämpfungsverstärkungsfaktor und der Federverstärkungsfaktor translatorische Verstärkungsfaktoren sind, und die Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte als Dämpfungsverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Bezugspunkts plus dem Federverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts berechnet wird.
System zur Durchführung eines Montagevorgangs zum Einsetzen einer Vielzahl von Stiften eines ersten Werkstücks in eine Vielzahl von Hohlräumen eines zweiten Werkstücks, wobei das System umfasst: einen Industrieroboter, der zum Bewegen des ersten Werkstücks gestaltet ist; einen Kraft- und Momentsensor, der zwischen dem ersten Werkstück und dem Roboter gekoppelt ist; und eine Robotersteuereinheit mit einem Prozessor und Speicher, wobei die Steuereinheit sich in Verbindung mit dem Roboter befindet und Signale von dem Sensor empfängt, wobei die Steuereinheit gestaltet ist, um Schritte auszuführen, die umfassen: Festlegen eines Bezugspunkts an einer Spitze jedes der Stifte auf dem ersten Werkstück und eines entsprechenden Zielpunkts für jeden Bezugspunkt in einem Hohlraum des zweiten Werkstücks; Berechnen einer Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte basierend auf einer Geschwindigkeit des Bezugspunkts und einer Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts; Berechnen einer resultierenden Kraft und Moment als eine Summe der Federdämpfungskräfte und von durch den Sensor gemessener Kraft und Moment des Kontakts; Berechnen einer neuen Pose des ersten Werkstücks basierend auf der resultierenden Kraft und Moment; und Senden von Signalen an den Roboter, die bewirken, dass der Roboter das erste Werkstück in die neue Pose bewegt.
System nach Anspruch 13, wobei ein Dämpfungsverstärkungsfaktor und ein Federverstärkungsfaktor bei Berechnung der Federdämpfungskraft an allen der Bezugspunkte verwendet werden, und wobei die Verstärkungsfaktoren translatorische Verstärkungsfaktoren sind.
System nach Anspruch 14, wobei die Federdämpfungskraft an jedem der Bezugspunkte berechnet wird als Dämpfungsverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Bezugspunkts plus dem Federverstärkungsfaktor, multipliziert mit der Verschiebung des Bezugspunkts bezüglich des entsprechenden Zielpunkts.
System nach Anspruch 13, wobei die Geschwindigkeit der Bezugspunkte und die Verschiebung der Bezugspunkte bezüglich der entsprechenden Zielpunkte bestimmt werden, indem kinematische Berechnungen basierend auf der bekannten Position und Geschwindigkeit des Roboters und bekannter Geometrie des ersten Werkstücks bezüglich des Roboters genutzt werden.
System nach Anspruch 13, wobei Berechnen einer resultierenden Kraft und Moment als eine Summe der Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontakts das Summieren aller Federdämpfungskräfte und von Kraft und Moment des Kontakts um einen simulierten Massenmittelpunkt des ersten Werkstücks umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei Berechnen einer neuen Pose des ersten Werkstücks umfasst, Impedanz-Controller-Berechnungen zu nutzen, um die neue Pose des ersten Werkstücks basierend auf der resultierenden Kraft und Moment, die auf einen simulierten Massenmittelpunkt des ersten Werkstücks aufgebracht werden, zu berechnen.
System nach Anspruch 13, wobei das erste Werkstück ein Fahrzeugtürteil und das zweite Werkstück eine Fahrzeugkarosserie ist, und wobei die Vielzahl von Stiften zwei Scharnierbolzen an dem Türteil sind, und der Montagevorgang gleichzeitiges Einsetzen der zwei Scharnierbolzen in zwei Scharnierbohrungen an der Fahrzeugkarosserie ist.
System nach Anspruch 19, wobei sich die Fahrzeugkarosserie während des Montagevorgangs auf einem Förderband bewegt und die Robotersteuereinheit eine Bewegung des Förderbands in den Signalen an den Roboter zum Bewegen des Fahrzeugtürteils einschließt.