DE112016002797T5

DE112016002797T5 - Kalibriervorrichtung und robotersystem, das eine solche verwendet

Info

Publication number: DE112016002797T5
Application number: DE112016002797.4T
Authority: DE
Inventors: Koji Shiratsuchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: DE112016002797B4; JPWO2016208467A1; US20180169854A1; CN107708937A; CN107708937B; WO2016208467A1; JP6223640B2

Abstract

Es wird eine Kalibriervorrichtung angegeben, die dazu ausgebildet ist, eine Kalibrierung präzise durchzuführen. Eine Kalibriereinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen, um einen systematischen Fehlerwert und eine Gravitationswirkungs-Komponente einer Handspitzen-Last von Kraftinformationen zu subtrahieren, um nur eine solche externe Kraft zu extrahieren, die durch Kontakt mit einem Arbeitsobjekt erzeugt wird, weist Folgendes auf: eine Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Approximationskurve basierend auf Positionsinformationen und Kraftinformationen zu erzeugen, die erfasst werden, wenn ein Werkzeugteil gemäß einem Stellungs-Befehlswert gedreht wird; eine Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert der Kraftinformationen basierend auf der Approximationskurve, den Positionsinformationen und den Kraftinformationen zu schätzen; eine Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert aus den Kraftinformationen zu entfernen, und eine Masse und einen Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitzen-Last zu berechnen, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, aus denen der systematische Fehlerwert entfernt worden ist; und eine Recheneinheit für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar unter Verwendung des geschätzten systematischen Fehlerwerts und der Masse und des Gravitationszentrums-Positionsvektors der Handspitzen-Last.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, nur eine solche externe Kraft zu extrahieren, die durch eine externe Wirkung erzeugt wird, und zwar unabhängig von einer Stellung und einem Betrieb einer Roboterhand-Spitze, beispielsweise bei einem Roboter, bei dem eine Kraftsteuerung verwendet wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Robotersystem, das die Kalibriervorrichtung verwendet.
Stand der Technik
Kalibriervorrichtungen sind dazu ausgebildet, einen Kalibriervorgang bei einer mechanischen Vorrichtung durchzuführen, wie beispielsweise bei einer automatischen Verarbeitungsvorrichtung, einer automatischen Montagevorrichtung oder einem Roboter. Ferner sind diese dazu ausgebildet, eine Gravitationskompensation für eine Handspitzen-Last durchzuführen, die zu einer Vorrichtung mit einer Masse gehört, wie beispielsweise einem End-Effektor, der auf ein angeordnetes Arbeitsobjekt wirkt bzw. einwirkt.
Zum Zwecke der Gravitationskompensation und der Kompensation für Trägheitskräfte werden beispielsweise bei einem Roboter, der mit einer Wägezelle oder einem Kraftsensor zwischen der Handspitzen-Last und einem Roboterarm ausgebildet ist, externe Kräfte, die durch externe Wirkungen bzw. Einwirkungen erzeugt werden, extrahiert, und zwar durch folgende Schritte: Messen oder Schätzen der Masse und der Gravitationszentrums-Position der Handspitzen-Last vor der Tätigkeit bzw. dem Arbeiten; Berechnen einer Gravitation oder von Trägheitskräften gemäß einer Stellung oder einem Beschleunigungs-/Bremsvorgang der Handspitzen-Last basierend auf diesen Werten; und Subtrahieren der Gravitation oder der Massenträgheitskräfte von einem Wert, der durch den Kraftsensor erfasst wird.
Man hat bereits eine Kalibriervorrichtung zum Messen einer Position eines Handspitzen-Flansches eines Roboters oder einer Roboterhand-Spitze vorgeschlagen, und zwar wenn keine andere externe Last außer einer Handspitzen-Last wirkt. Die Kalibriervorrichtung misst dabei Kraftinformationen, die sechs Freiheitsgrade aufweisen, wobei diese drei Axialkräfte und drei Momente enthalten, und zwar mit einem Kraftsensor bei der Position/Stellung und schätzt eine Versatzspannung mit der Methode der kleinsten Quadrate von einer Differenz bei der Kraftsensorausgabe, die durch eine Handspitzen-Last verursacht wird, und zwar während einer Änderung von der einen Stellung zu einer anderen Stellung (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
Außerdem hat man bereits eine Kalibriervorrichtung vorgeschlagen, die unter Berücksichtigung eines Fehlers bei einer Gravitationsrichtung aufgrund eines Defekts bei einer Installationsposition funktioniert. Dabei dient die Kalibriervorrichtung zum Durchführen einer vorbestimmten Berechnung von Kraftinformationen, die bei einer Vielzahl von Stellungen erfasst werden, so dass durch die Methode der kleinsten Quadrate Werte erfasst werden können, die subtrahiert werden sollen, wenn externe Kräfte extrahiert werden, wie beispielsweise ein Gravitationsrichtungsvektor, ein Handspitzen-Lastgewicht, ein Gravitationszentrums-Positionsvektor einer Handspitzen-Last und ein systematischer Fehlerwert eines Kraftsensors (siehe beispielsweise das Patentdokument 2).
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 07-205 075 A ; und
Patentdokument 2: JP 2012-406 34 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie in dem Patentdokument 1 und dem Patentdokument 2 beschrieben, ist es bei einer Kalibriervorrichtung wichtig, ein Versatz-Ausgangssignal und ein Ausgangssignal eines systematischen Fehlers präzise zu entfernen, die erzeugt werden, wenn der Sensor installiert wird, um das Gewicht und die Gravitationszentrums-Position der Handspitzen-Last präzise zu schätzen.
Bei den Kalibriervorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben werden, wird angenommen, dass unnötige externe Kräfte nicht auf die erfassten Daten wirken. Wenn allerdings ein Roboter tatsächlich verwendet wird, sind häufig Kabel, wie beispielsweise Kommunikationskabel und Signalleitungen, die an einem Werkzeugteil montiert sind, als externe Krafteinwirkungen enthalten, und zwar bei der Handspitzen-Last, die an einer Spitze des Kraftsensors angebracht ist. Folglich kann die Kalibrierung nicht präzise durchgeführt werden.
Wenn ein Verfahren zum Berechnen der entsprechenden Parameter aus den Daten, die bei einer Vielzahl von beliebigen Stellungen erfasst werden, insbesondere durch die Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen durchgeführt wird, vermischen sich Daten, die Komponenten enthalten, die durch die externen Kräfte aufgrund der Kabel und dergleichen verursacht werden, und solche Daten miteinander, die derartige Komponenten nicht aufweisen. Folglich können die systematischen Fehlerwertkomponenten nicht präzise geschätzt werden, und zwar insbesondere dann, wenn die Handspitzen-Last niedrig ist. Folglich besteht ein Problem dahingehend, dass die Schätzung der Handspitzen-Lastmasse und des Gravitationszentrums-Positionsvektors nicht präzise ist und somit die Kalibrierung nicht präzise durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obenstehenden Probleme konzipiert. Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kalibriervorrichtung anzugeben, die dazu fähig ist, systematische Fehlerkomponenten unter Berücksichtigung eines Einflusses von externen Kräften zu entfernen und präzise eine Handspitzen-Lastmasse und einen Gravitationszentrums-Positionsvektor zu berechnen, so dass eine Kalibrierung präzise durchgeführt wird.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kalibriervorrichtung angegeben, die dazu ausgebildet ist, nur eine solche externe Kraft zu extrahieren, die bei einem Werkzeugteil durch Kontakt mit einem Arbeitsobjekt erzeugt wird, und zwar bei einer mechanischen Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Kraftsteuerung bei dem Werkzeugteil durchzuführen, das an einer Spitze der mechanischen Vorrichtung montiert ist, und dazu ausgebildet ist, auf das Arbeitsobjekt zu wirken, wobei die Kalibriervorrichtung Folgendes aufweist:
eine Positionsinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Positionsinformationen bei dem Werkzeugteil zu erfassen;
eine Kraftinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Kraftinformationen einer Kraft zu erfassen, die auf das Werkzeugteil wirkt;
eine Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine beliebige Rotationsachse zu spezifizieren, die durch einen Ursprung eines Sensorkoordinatensystems läuft;
eine Stellungserzeugungs-Einheit, die dazu ausgebildet ist, einen Stellungs-Befehlswert zu erzeugen, und zwar zum Rotieren des Werkzeugteils um die beliebige Rotationsachse; und
eine Kalibriereinheit, die dazu ausgebildet ist, Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen, und zwar um einen systematischen Fehlerwert und eine Gravitationswirkungs-Komponente einer Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, so dass nur die externe Kraft extrahiert wird, die durch den Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, wobei die Kalibriereinheit Folgendes aufweist:
eine Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Approximationskurve zu erzeugen, und zwar basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen, die erfasst werden, wenn das Werkzeugteil gemäß dem Stellungs-Befehlswert gedreht wird;
eine Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert der Kraftinformation zu schätzen, und zwar basierend auf der Approximationskurve, den Positionsinformationen und den Kraftinformationen;
eine Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert von den Kraftinformationen zu entfernen, und eine Masse und einen Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitzen-Last zu berechnen, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, von denen der systematische Fehlerwert entfernt worden ist; und eine Recheneinheit für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar unter Verwendung des geschätzten systematischen Fehlerwerts und der Masse und des Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitze-Last.
Gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Kalibriervorrichtung angegeben, die dazu ausgebildet ist, nur die externe Kraft zu extrahieren, die bei dem Werkzeugteil durch Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, und zwar bei der mechanischen Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Kraftsteuerung bei dem Werkzeugteil durchzuführen, das an der Spitze der mechanischen Vorrichtung montiert ist und dazu ausgebildet ist, auf das Arbeitsobjekt zu wirken, wobei die Kalibriervorrichtung Folgendes aufweist:
die Positionsinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Positionsinformationen bei dem Werkzeugteil zu erfassen;
die Kraftinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Kraftinformationen der Kraft zu erfassen, die auf das Werkzeugteil wirkt;
die Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die beliebige Rotationsachse zu spezifizieren, die durch den Ursprung des Sensorkoordinatensystems läuft;
die Stellungserzeugungs-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Stellungs-Befehlswert zu erzeugen, und zwar zum Rotieren des Werkzeugteils um die beliebige Rotationsachse; und
die Kalibriereinheit, die dazu ausgebildet ist, Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen, und zwar um dem systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, so dass nur die externe Kraft extrahiert wird, die durch den Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, wobei die Kalibriereinheit Folgendes aufweist:
die Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Approximationskurve zu erzeugen, und zwar basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen, die erfasst werden, wenn das Werkzeugteil gemäß dem Stellungs-Befehlswert gedreht wird;
die Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert der Kraftinformation zu schätzen, und zwar basierend auf der Approximationskurve, den Positionsinformationen und den Kraftinformationen;
die Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert von den Kraftinformationen zu entfernen, und die Masse und den Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitzen-Last zu berechnen, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, von denen der systematische Fehlerwert entfernt worden ist; und
die Recheneinheit für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar unter Verwendung des geschätzten systematischen Fehlerwerts und der Masse und des Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitze-Last.
Somit ist es möglich, die systematischen Fehlerkomponenten unter Berücksichtigung des Einflusses externer Kräfte zu entfernen, und die Handspitzen-Lastmasse und den Gravitationszentrums-Positionsvektor präzise zu berechnen, so dass eine Kalibrierung präzise durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Konfigurationsdarstellung zum Darstellen eines Robotersystems, bei dem eine Kalibriervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine erläuternde Darstellung zum Darstellen eines Beispiels einer Positionsrelation zwischen einem Roboterkoordinatensystem, einem Weltkoordinatensystem, einem Gravitationskoordinatensystem und einem Sensorkoordinatensystem des Robotersystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
4 eine erläuternde Darstellung zum Darstellen eines Beispiels einer Positionsrelation zwischen einem Koordinatensystem des mechanischen Flansches und dem Sensorkoordinatensystem des Robotersystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen einer Kalibriereinheit der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und des Robotersystems, das die Kalibriervorrichtung verwendet;
6 eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen einer Parameter-Schätzeinheit im Detail, die die Kalibriereinheit der Kalibriervorrichtung aufweist, und zwar gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A und 7B erläuternde Darstellungen zum Darstellen eines Beispiels eines Vorgangs gemäß einem Stellungs-Befehlswert, der von einer Stellung-bei-spezifizierter-Achse-Erzeugungseinheit bei der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird,
8 eine erläuternde Darstellung zum Darstellen eines Schätzvorgangs von systematischen Fehlern für axiale Kräfte, und zwar mittels einer Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte der Parameterschätzeinheit bei der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine beispielhafte Darstellung zum Darstellen eines Schätzvorgangs von systematischen Fehlern für ein Moment, und zwar mittels der Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte der Parameter-Schätzeinheit bei der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Verarbeitung, um mittels der Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte der Parameter-Schätzeinheit zu bestimmen, ob ein Schätzresultat systematischer Fehler sich bei einem vorbestimmten Fehlerniveau befindet oder nicht, und zwar bei einer Kalibriervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11A und 11B beispielhafte Darstellungen zum Darstellen von Beispielen eines Falles, bei dem die Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte der Parameter-Schätzeinheit bestimmt, ob das Schätzresultat systematischer Fehler sich bei dem vorbestimmten Fehlerniveau befindet oder nicht, und zwar bei der Kalibriervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 eine beispielhafte Darstellung zum Darstellen eines Beispiels eines Falls, bei dem einem Benutzer Informationen dargestellt werden, und zwar zur Auswahl von Fehlerdaten mittels einer Fehlerinformation-Anzeigeeinheit bevor die Information der Kalibriereinheit zugeführt werden, und zwar bei der Kalibriervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine beispielhafte Darstellung zum Darstellen eines spezifischen Beispiels, bei dem die Kalibriereinheit den Einfluss einer Masse berücksichtigt, die sich auf einen Werkzeugteil bezieht, und ein Versatzhalten durchführt, und zwar zum Halten eines Kontaktzustandes bei einem Arbeitsbeginn bei einer Kalibriervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen der Kalibriereinheit der Kalibriervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Kalibriervorrichtung gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Ferner wird ein Robotersystem beschrieben, das die Kalibriervorrichtung verwendet. In den Zeichnungen sind gleiche oder übereinstimmende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen angegeben, um diese Komponenten zu beschreiben.
Bei den jeweiligen folgenden Ausführungsformen wird eine Beschreibung insbesondere anhand eines Beispiels einer Kalibriervorrichtung und eines Robotersystems beschrieben, das zum Ausführen einer Kalibrierungsverarbeitung in einem System dient, das einen Roboter verwendet. Allerdings kann die Kalibrierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Kalibrierung mit den gleichen Konfigurationen auch bei einer mechanischen Vorrichtung zum Ausführen einer Kraftsteuerung ausführen, und zwar selbst in einem Fall, bei dem ein Roboter nicht verwendet wird. Folglich ist der Schutzumfang der Anmeldung der Kalibriervorrichtung nicht auf das Robotersystem beschränkt.
Insbesondere kann als Kalibriervorrichtung eine Kalibriervorrichtung zum Ausführen der Kalibrierung Ausführen von Kraftsteuerung für eine mechanische Vorrichtung zum Ausführen automatischer Bearbeitung oder automatischer Montage angegeben, wie beispielsweise eine automatische Bearbeitungsvorrichtung, eine automatische Montagevorrichtung, und ein Roboter.
Außerdem erzeugt die Kalibriervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Approximationskurve basierend auf Positionsinformationen und Kraftinformationen der Handspitzen-Last, die Ausgabeinformationen eines Kraftsensors bei dem Roboter sind, die erhalten werden, wenn eine Stellungsänderung um eine beliebige Achse erzeugt wird, die durch einen Ursprung eines Sensorkoordinatensystems läuft.
Außerdem entfernt die Kalibriervorrichtung von der Approximationskurve, den Positionsinformationen und den Kraftinformationen unnötige externe Kraftkomponenten, die durch Zugkräfte und Abstoßungskräfte verursacht werden, und zwar aufgrund von Kabeln, Federn und dergleichen, und die bei der Kalibrierungsverarbeitung nicht nötig sind, um systematische Fehlerwerte zu schätzen.
Ferner entfernt die Kalibriervorrichtung die systematischen Fehlerwerte von Kraftsensor-Daten, schätzt dann eine Handspitzen-Lastmasse und einen Gravitationszentrums-Positionsvektor und führt dann eine Gravitationskompensation für die Handspitzen-Last durch, und zwar basierend auf diesen Informationen, so dass die externen Kraftkomponenten berechnet werden, die bei der Handspitzen-Last wirken.
Nachdem die systematischen Fehlerwerte aus den extrahierten Daten geschätzt worden sind, aus denen Daten entfernt worden sind, die unnötige externe Kraftkomponenten aufweisen, kann folglich durch Schätzen der Handspitzen-Lastmasse und des Gravitationszentrums-Positionsvektors der Einfluss von externen Kräften aus den erfassten Daten entfernt werden, wobei die externen Kräfte bei einer Vielzahl von Eingabeinformationen enthalten sind, die für die Schätzverarbeitung für die Handspitzen-Lastmasse und den Gravitationszentrums-Positionsvektor verwendet werden, so dass folglich Gravitationskompensation und Schätzung von externen Kraftkomponenten präzise ausgeführt werden kann.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Konfigurationsdarstellung zum Darstellen eines Robotersystems, bei dem eine Kalibriervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Zunächst wird eine Beschreibung von Details der Verarbeitung der Kalibriervorrichtung angegeben. In 1 weist das Robotersystem als Grundkomponenten einen Roboterarm 1, eine Robotersteuerung 2 und ein Werkzeugteil 4 auf, das an dem Roboterarm 1 befestigt ist.
Außerdem ist ein Kraftsensor 3 zwischen dem Roboterarm 1 und dem Werkzeugteil 4 als ein Kraftinformationssensor angeordnet, und zwar zum Erfassen von Kraftinformationen bei dem Robotersystem zum Ausführen der Kraftsteuerung. Im Allgemeinen ist der Roboter dazu ausgebildet, Positionssteuerung bei einer Spitzenposition des Roboterarms 1 oder einer Spitzenposition des Werkzeugteils 4 zu applizieren, das an der Spitze des Roboterarms 1 befestigt ist, so dass die Spitzenpositionen zu einer gewünschten Position bewegt werden, die durch die Steuerung 2 in einem beliebigen Koordinatensystem spezifiziert sind.
Wenn eine Kraftsteuerung unter Verwendung des Kraftsensors 3 eingeführt wird, können zusätzlich zu der Positionssteuerung ferner eine Impedanz-Steuerung und eine Kraftsteuerung implementiert werden. Außerdem sind die später beschriebene Impedanz-Steuerung und die Kraftsteuerung Steuerungsverfahren zum passiven oder aktiven Steuern eines Kontaktzustandes, und zwar eines Wirkungszustandes einer Kraft zwischen dem Werkzeugteil 4 und eines peripheren Umfelds eines peripheren Objekts.
Insbesondere können Tätigkeiten bzw. Arbeiten, die eine Berücksichtigung des Kontaktzustandes benötigen, durch Verwenden dieses Steuerungsverfahrens implementiert werden. Beispiele hierfür sind: Poliertätigkeiten, Abgrattätigkeiten, Montagetätigkeiten für Verbinder und dergleichen, und Einbautätigkeiten zwischen einem konischen Schaft und einem Loch, wobei bei diesen Tätigkeiten im Allgemeinen ein Roboter verwenden wird.
Die Kalibriervorrichtung ist eine Vorrichtung, die benötigt wird, wenn die Kraftinformationen verwendet werden, um eine mechanische Vorrichtung, wie beispielsweise einen Roboter, in einem solchen Robotersystem anzusteuern. Außerdem werden, wenn der Roboter die Tätigkeit ausführt, eine Hand, ein Werkzeug und Sensoren, die für die Tätigkeit verwendet werden, an der Spitze des Roboterarms 1 montiert, um die Tätigkeit auszuführen. Diese werden als Werkzeugteile bezeichnet. Um die Tätigkeit über die Kraftsteuerung ausführen zu können, ist es bei dieser Gelegenheit nötig, einen Kontaktzustand zwischen dem Werkzeugteil an der Handspitzenseite und dem Arbeitsobjekt genau zu kennen. In diesem Fall wird der Kontaktzustand durch Werte von Kräften und Momenten und einem Richtungsvektor ausgedrückt.
Eine mechanische Vorrichtung, beispielsweise ein Roboter, kann Tätigkeiten (Arbeiten) wie beispielsweise Verarbeitungstätigkeiten, wie Abgraten und Polieren, und Montagetätigkeiten durchführen, die einen Kontaktzustand unter Verwendung von Kraftinformationen für die Tätigkeit miteinbeziehen. Bei diesem Anlass ist es gewünscht, die Tätigkeit auszuführen, während der Kontaktzustand durch die mechanische Vorrichtung, beispielsweise durch den Roboter, in einem Zielzustand zum korrekten Arbeiten gehalten wird. In diesem Fall ist der Zielzustand ein Kontaktzustand, der im Voraus zum Bearbeiten und Arbeiten konzipiert ist. Dieser Kontaktzustand wird durch einen Bediener auch unter Berücksichtigung von der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der benötigten Präzision dem Bearbeitungsobjekt angepasst.
Im Übrigen werden die Kraftinformationen als elektrische Signale von einem Sensor erfasst, wie beispielsweise von einem Kraftsensor oder einer Wägezelle. Außerdem ist der Sensor zum Erfassen der Kraftinformationen an einer Flanschposition an einer Handspitzenseite des Roboters montiert. Der Sensor gibt die elektrischen Signale unter Verwendung von Verformungen von seiner Struktur aus. Somit können systematische Fehler durch Verformung der Sensorstruktur erzeugt werden, wenn die Struktur an dem Roboter montiert ist, wobei eine Verformung der Struktur durch eine Kollision und dergleichen verursacht werden kann, und durch eine Nullpunkt-Vorgabe einer elektrischen Schaltung des Sensors selbst.
Hierbei ist die Nullpunkt-Vorgabe eine Vorgabe zum Anpassen eines Hinzufügens einer Versatzhöhe zu einem Ausgabewert, um die erzeugte systematische Fehlerkomponente aufzuheben, und wird im Allgemeinen vor dem Roboterbetrieb durchgeführt. Außerdem ist der systematische Fehler eine konstante Versatzhöhen-Ausgabe zu dem Sensor, und es scheint, dass eine externe Kraft, die einen konstanten Wert aufweist, unabhängig von der Stellung wirkt, wenn nur die Sensorausgabe bzw. das Sensorausgabesignal beobachtet wird. Mit anderen Worten, es tritt selbst bei einem Nichtlast-Zustand, bei dem eine Kraft nicht erzeugt wird, die über das Arbeitsobjekt auf das Werkzeug wirkt, eine Messung auf, bei der es scheint, dass eine konstante Wirkkraft erzeugt wird. Folglich muss die systematische Fehlerkomponente entfernt werden.
Wie oben beschrieben, werden die Impedanz-Steuerung und die Kraftsteuerung bei der Steuerung einer mechanischen Vorrichtung, beispielsweise eines Roboters, unter Verwendung von Kraftinformationen durchgeführt. Die Impedanz-Steuerung ist ein Steuerungsverfahren zum Vorgeben einer virtuellen Steifheit und Viskosität für das Verhalten der Spitze des Werkzeugteils, und zwar dann, wenn eine externe Kraft wirkt, wenn ein Positions-Befehlswert für die Steuerung angegeben wird. Ferner ist die Impedanz-Steuerung ein Steuerungsverfahren zum Steuern einer Positionsrelation zwischen dem Arbeitsobjekt und der Werkzeugspitze. Zudem ist die Kraftsteuerung ein Steuerungsverfahren zum Angeben eines Kraftsollwertes und zum derartigen Ausführen einer Steuerung bzw. Ansteuerung, dass dem Kraftsollwert gefolgt wird.
Hierbei kann jedes der Steuerungsverfahren bei einer Tätigkeit bzw. bei einer Arbeit verwendet werden, wie zum Beispiel bei einem Montagetransport oder beim Entgraten, und zwar durch geeignetes Vorgeben eines Befehlswertes oder eines Impedanz-Parameters, während eine Kraft oder eine Positionsrelation als Zielzustand bzw. Sollzustand vorgegeben wird. Hierbei bezieht sich der Befehlswert beispielsweise auf einen Kraftbefehlswert der Kraftsteuerung, einen Positions-/Stellungs-Sollwert der Positionssteuerung durch die Impedanz-Steuerung, und einen Handspitzengeschwindigkeits-Befehlswert während der Positionsbefehl durchgeführt wird. Außerdem stellt der Impedanz-Parameter beispielsweise jegliche Elementwerte in einer Steifigkeitsmatrix, einer Dämpfungsmatrix, und einer Massen-Matrix bei der allgemeinen Impedanz-Steuerung dar.
Wenn diese Steuerungen durchgeführt werden und ein systematischer Fehler bei der Kraftinformation erzeugt wird, unterscheidet sich die Kraftinformation bei einem Vektorwert von einer tatsächlichen Wirkkraft, die von außen wirkt und in ein Steuerungssystem eingegeben wird. Daher werden die Impedanz-Steuerung oder die Kraftsteuerung, die sich auf das Roboter-Werkzeugteil beziehen, basierend auf einer Kraft durchgeführt, die sich von der tatsächlichen Wirkkraft unterscheidet. Somit erreicht das Roboter-Werkzeugteil eine von einem Benutzer beabsichtigte Zielposition oder einen Zielzustand nicht, oder das Roboter-Werkzeugteil kann der Soll-Wirkkraft nicht folgen, die von einer Steuerung spezifiziert wird. Daher wird häufig im Allgemeinen ein Vorgang zum Herabsetzen des Einflusses der systematischen Fehler durchgeführt.
Bei dem Verfahren, wie es im Absatz [0031] des Patentdokuments 1 angegeben ist, bei dem als systematische Fehlerwerte zum Berechnen eines Ausgangswerts Kraftinformationen verwendet werden, die an einer spezifischen Stellung erfasst werden, ändert sich beispielsweise eine Kompensationshöhe für eine Gravitationseinflusskomponente, für einen Fall, bei dem die Gravitationsrichtung und die Richtung der Werkzeugspitze durch eine Stellungsänderung geändert werden können, wie beispielsweise für den Fall eines artikulierenden Roboters, und somit ist die berechnete Höhe der externen Kraft ungenau.
Um außerdem den Einfluss einer Trägheitskraft aufgrund der Gravitation und der Handspitzenbeschleunigung zu entfernen, um eine genaue externe Kraft zu erhalten, kann eine tatsächliche externe Kraft durch Folgendes genau berechnet werden: Genaues Identifizieren der Masse und der Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils, und zwar genauer der Handspitzen-Last, bezogen auf den Sensor, und gleichzeitiges Schätzen systematischer Fehlerwerte, so dass die systematischen Fehlerwerte und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last im Voraus von den Kraftinformationen subtrahiert werden.
Außerdem werden bei allen in den in den Patentdokumenten 1 und 2 angegeben Verfahren die Kraftinformationen bei jeder von N Stellungen (N = 1, 2, ...) erfasst, um eine Werkzeugmasse, eine Werkzeug-Gravitationszentrums-Position, eine Gravitationsrichtung und dergleichen als Parameter für die Schätzung der systematischen Fehlerwerte und dergleichen abzuschätzen. Allerdings gehen die Verfahren dabei davon aus, dass die Positionsinformationen und die Kraftinformationen in einem Zustand erfasst werden, bei dem die externen Kraftkomponenten ideal von den erfassten Daten entfernt worden sind.
Außerdem wird die externe Kraftkomponente als ein Fehler bei der Wirkkraft als weißes Rauschen angenommen, dessen Einfluss durch Filtern reduziert werden kann, wie beispielsweise mit einem Tiefpassfilter oder einem gleitender-Mittelwert-Filter. Zudem werden Fehlerdaten nicht berücksichtigt, die abhängig von einer spezifischen Richtung erzeugt werden.
Wie allerdings in 1 dargestellt, sind Kabel, wie beispielsweise ein Kraftsensorkabel 5, ein Sensorkabel 6 für einen Tastsensor und einen optischen Sensor, ein Luftkabel 7 und Stromversorgungsleitungen (nicht gezeigt) als Kabel angeordnet, die an der Werkzeugspitze montiert sind, und zwar abhängig von der Aufgabe des Robotersystems und des mechanischen Systems. Damit werden externe Kräfte durch eine Wirkung der Kabel und Leitungen erzeugt. Außerdem können bei den Kraftinformationen andere externe Kraftkomponenten als Sensorrauschen enthalten sein, und zwar abhängig von dem Verfahren, wie diese Kabel und Leitungen montiert werden.
Wenn die in den Patentdokumenten 1 und 2 angegebenen Verfahren basierend auf diesen Informationen angewendet werden, ist es daher schwierig, zu bestimmen, wie viel Einfluss bei entsprechenden Datenstücken ausgeübt wird. Somit besteht beispielsweise ein Problem dahingehend, dass eine Lösung, bei der die Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen angewendet wird, durch einen Fehler beeinflusst wird. Dieser Einfluss ist für eine genaue Steuerung nicht vernachlässigbar.
Um das obenstehende Problem zu lösen, werden Daten verwendet, um signifikante Komponenten der aufgrund von Kabeln und Leitungen wirkenden externen Kräfte zu entfernen, wobei die Daten erfasst werden, wenn als Stellung, bei der die Positionsinformation und die Kraftinformationen erfasst werden, eine Stellung durch Rotation um eine beliebige Achse des Sensorkoordinatensystems geändert wird. Ferner werden Komponenten korrigiert, die gewisse Tendenzen aufweisen, um die systematischen Fehler genau zu schätzen.
Ferner werden Kraftinformationen nach der Schätzverarbeitung der systematischen Fehler als Eingabesignale verwendet, um die Masse des Werkzeugteils, und zwar genauer gesagt, die Masse der Handspitze, und die Gravitationszentrums-Position genauer zu schätzen.
Im Folgenden wird bezugnehmend auf 2 eine detaillierte Beschreibung einer Kalibriersequenz der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. 2 ist eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 2 dargestellte Kalibriervorrichtung ist dazu ausgebildet, eine Kalibrierverarbeitung für Informationen des Kraftsensors durchzuführen, um nur solche externe Kraft-Wirkungskomponenten, die bei dem bzw. auf das Handspitzenteil des Roboters und der Werkzeugspitze wirken, aus den Informationen des Kraftsensors zu extrahieren, die sich auf die Tätigkeit bzw. die Arbeit beziehen.
Wenn der Roboter eine gewisse Stellung R_k (k = 1, 2, ..., M) einnimmt, werden die Kraftsensorinformationen bei der Stellung R_k mit F(k) angegeben. Hierbei wird die Stellung als Rotationsmatrix R_k ausgedrückt. Außerdem ist die Rotationsmatrix eine 3×3 Matrix, die eine Stellungsänderung eines Koordinatensystems von Interesse ausdrückt, und zwar bezogen auf ein gewisses Referenz-Koordinatensystem.
Die Kraftsensorinformationen F(k) enthalten einen systematischen Fehler F_bis(k), eine Wirkkraft F_mas(k), die der Handspitzen-Lastkomponente entspricht, eine externe Wirkkraft F_ext(k) und eine Rauschkomponente F_nos(k) als ein elektrisches Signal. Dabei werden die Kraftsensorinformationen F(k) durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt: F(k) = F_bis(k) + F_mas(k) + F_ext(k) + F_nos(k) (1)
Außerdem wird die externe Kraftkomponente F_ext(k), die erfasst werden soll, durch Entfernen von F_bis(k), F_mas(k) und F_nos(k) von den Kraftsensorinformationen F(k) erhalten. Die externe Kraftkomponente F_ext(k) wird durch Umformen des Ausdrucks (1), und zwar durch Ausdruck (2) erhalten: F_ext(k) = F(k) – F_bis(k) – F_mas(k) – F_nos(k) (2)
Hierbei entfernt ein Verfahren zum Berechnen der externen Kraftkomponente F_ext(k) die Rauschkomponente F_nos(k) durch Tiefpassfiltern oder anderes Filtern, berechnet die systematischen Fehlerwerte und den Handspitzen-Lasteinfluss basierend auf Lastschätzungen für den Werkzeugteil und subtrahiert die systematischen Fehlerwerte und den Handspitzen-Lasteinfluss. Die systematischen Fehlerkomponenten sind konstante Kräfte, wenn das Werkzeug befestigt wird. Insbesondere weisen diese Axialkräfte und Momente auf und sind unabhängig von der Stellung des Werkzeugs.
Mit anderen Worten, es hängt F_bis(k) nicht von der Stellung k ab und ist derselbe Wert, und zwar F_bis(k) = [F_bis_x, F_bis_y, F_bis_z, M_bis_x, M_bis_y, M_bis_z], für sämtliche Stellungen k. Außerdem kann F_mas(k) durch Erfassen einer Relation der Masse, des Sensorkoordinatensystems und der Gravitationszentrums-Position berechnet.
Im Allgemeinen wird eine Vielzahl von Stellungen R_k angefahren, und zwar während externe Kräfte nicht aufgebracht werden, und die Kalibrierungsverarbeitung wird bei diesen Anlässen basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen durchgeführt. Wenn Daten, die während der Kalibrierung behandelt werden, Kraftinformationen aufweisen, bei denen F_ext(k) nicht Null ist, wird bei der vorliegenden Erfindung eine genaue Kalibrierungsverarbeitung durchgeführt, und zwar durch Verwenden von Beschränkungsbedingungen bei den Erfassungs-Stellungen, und die Wirkkraft F_ext(k), die durch die externen Kraftkomponenten verursacht wird, wird basierend auf dieser Kalibrierungsverarbeitung berechnet. Im Folgenden wird eine Beschreibung dieses Verfahrens angegeben.
3 ist eine erläuternde Darstellung zum Darstellen eines Beispiels einer Positionsrelation zwischen einem Roboterkoordinatensystem, einem Weltkoordinatensystem, einem Gravitationskoordinatensystem und einem Sensorkoordinatensystem des Robotersystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 dargestellt, ist das Roboterkoordinatensystem mit Σrob angegeben, wobei dieses als ein Referenzkoordinatensystem eines Roboterhauptkörpers definiert ist, der in dem System befestigt ist.
Ferner ist das Weltkoordinatensystem mit Σwld angegeben, wobei dieses als ein Koordinatensystem definiert ist, das für alle Vorrichtungen in demselben System gilt. Außerdem ist das Gravitationskoordinatensystem mit Σgrv angegeben, wobei dieses eine –Z-Richtung als Gravitations-Beschleunigungsrichtung aufweist.
Im Allgemeinen wird die Nivellierung häufig präzise dadurch ausgeführt, dass ein Niveau derart verwendet wird, dass eine Normalenrichtung einer Oberfläche einer Stelle, bei der der Roboter installiert ist, und zwar eine Z-Richtung des Roboter-Koordinatensystems Σrob, und die Gravitationsrichtung orthogonal zueinander sind, wobei die Gravitationsrichtung eine Z-Achsen-Richtung des Gravitationskoordinatensystems Σgrv ist. Somit stimmen bei einem automatisierten System die Z-Achsen des Roboter-Koordinatensystems Σrob und des Gravitationskoordinatensystems Σgrv etwa miteinander überein, und der Einfluss von Fehlern kann als klein angenommen werden.
Der Einfachheit halber wird als Definition des Gravitationskoordinatensystems angenommen, dass eine X-Achsen-Richtung und eine Y-Achsen-Richtung von Σgrv mit denen des Roboter-Koordinatensystems Σrob übereinstimmen. Wenn ein Robotersystem basierend auf Konstruktionszeichnungen gebaut wird, wird außerdem für eine Positions/Stellungs-Relation angenommen, dass diese mit der in der Zeichnung beschriebenen Genauigkeit bekannt ist. Folglich kann ferner eine homogene Transformationsmatrix ^wldT_rob ebenfalls als bekannt angenommen werden, und zwar als eine relative Relation zwischen dem Weltkoordinatensystem Σwld und dem Roboter-Koordinatensystem Σrob. Mit anderen Worten, es wird eine Beschreibung angegeben, wobei Anfangswerte der relativen Relation zwischen Σwld, Σrob und Σgrv als grob geschätzt angenommen werden.
Im Folgenden wird ein Teil, an dem ein Sensor und ein Werkzeug befestigt werden können, und zwar an einem Ende des Roboterarms, als mechanischer Flansch des Roboters bezeichnet. Ein Koordinatensystem des mechanischen Flansches des Roboters kann basierend auf einem Befehlswert der Handspitzenposition bezogen auf das Roboter-Koordinatensystem berechnet werden.
Im Folgenden wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum Definieren eines Sensorkoordinatensystems Σsen angegeben, und zwar dann, wenn ein Sensor an den mechanischen Flansch des Roboters montiert wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird von einem Fall ausgegangen, bei dem Ausgabeinformation drei Achsen oder sechs Achsen entsprechen. Allerdings werden X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Richtungen des Sensorkoordinatensystems Σsen im Voraus bezogen auf ein Gehäuse des Sensors definiert, und es wird folglich davon ausgegangen, dass diese beachtet werden.
4 ist eine beispielhafte Darstellung zum Darstellen eines Beispiels einer Relation zwischen einem Koordinatensystem des mechanischen Flansches und dem Sensorkoordinatensystem des Robotersystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn das Koordinatensystem des mechanischen Flansches, wie in 4 dargestellt, bezogen auf das Roboter-Koordinatensystem mit Σmec gegeben ist, kann eine homogene Transformationsmatrix durch Vergleichen des Koordinatensystems des mechanischen Flansches und des Sensorkoordinatensystems Σsen erhalten werden, die in diesem Fall zueinander definiert sind. Fehler sind hier streng eingebunden, wohingegen Anfangswerte als bekannt behandelt werden können.
Hierbei ist die homogene Transformationsmatrix eine 4×4 Matrix, die durch eine Rotationsmatrix R (3×3) und einen Positionsvektor P konstruiert wird, der eine Positionsrelation darstellt, die in einem Referenzkoordinatensystem definiert ist. Wenn beispielsweise eine homogene Transformationsmatrix ^wldT_rob ausgedrückt wird, wobei das Koordinatensystem, das als Referenz dient, mit dem Weltkoordinatensystem Σwld vorgegeben wird und das Ziel-Koordinatensystem mit dem Roboter-Koordinatensystem Σrob vorgegeben wird, können die Rotationsmatrix R, der Positionsvektor P und die homogene Transformationsmatrix ^wldT_rob mit den folgenden Ausdrücken (3) bis (5) ausgedrückt werden:
In einem Fall, bei dem die oben genannten Positionsrelationen eingeführt werden, kann die externe Kraftkomponente F_ext(k) berechnet werden, wenn der systematische Fehler ferner präzise geschätzt werden kann und die Masse und die Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils bekannt sind. Gründe dafür, warum die externe Kraftkomponente F_ext(k) nicht korrekt berechnet werden kann, stellen folgende Fälle dar: ein Fall, bei dem die Positionsrelation zwischen den jeweiligen Koordinatensystemen nicht genau ist und bei dem bei der Gravitationsrichtung und der Gravitationsbeschleunigung eine Versetzung existiert, ein Fall, bei dem eine systematische Fehlerkomponente ungenau ist, und ein Fall, bei dem die Masse und die Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils ungenau sind.
Im Gegensatz hierzu weist die vorliegende Erfindung eine Eigenschaft dahingehend auf, dass Parameter zum Minimieren der Fehler durch Optimierungsberechnung nicht berechnet werden, und ein einziger Vorgang ausgeführt wird, um Daten zu entfernen, die Fehlerfaktoren aufweisen können, und um individuelle Schätzbearbeitungen durchzuführen, so dass die Schätzgenauigkeit der systematischen Fehler, der Objektmasse und der Gravitationszentrums-Position steigt.
Folglich werden zunächst die Positionsinformationen und die Kraftinformationen erfasst, die für die Kalibrierungsverarbeitung für den Roboter benötigt werden. Dabei werden die Positionsinformationen an dem Werkzeugteil als Positionsinformationen erfasst. Die Positionsinformationen beziehen sich auf [X, Y, Z], die drei translatorische Freiheitsgrade entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in einem orthogonalen Koordinatensystem darstellen, und beziehen sich auf [A, B, C], die drei Rotationsfreiheitsgrade um die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse in der Eulerschen Darstellung darstellen. Um hierbei die Positionsinformationen und die Kraftinformationen für die Kalibrierung zu erfassen, wird eine beliebige Rotationsachse Vec_rot, die durch den Ursprung des Sensorkoordinatensystems verläuft, von einer Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit 100 in 2 spezifiziert.
Hierbei werden die Positionsinformationen und die Kraftinformationen in einer Stellung erfasst, die um die Rotationsachse Vec_rot gedreht ist, die durch die Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit 100 bei der Kalibrierung spezifiziert wird, und zwar unter Verwendung der Definition des Sensorkoordinatensystems als Referenz. Daher ist eine Stellung-bei-spezifizierter-Achse-Erzeugungseinheit 101 aus 2 dazu ausgebildet, eine Stellung zum Erfassen der Positionsinformationen und der Kraftinformationen zu bestimmen, und zwar basierend auf der Rotationsachse Vec_rot, und die Stellung als einen Stellungs-Befehlswert auszugeben.
Die Fehleranzahl nimmt ab, wenn sich ein Rotationswert um die Rotationsachse Vec_rot von Positionen/Stellungen erhöht, die als Referenz dienen. Folglich können entsprechende Stellungen zum Erfassen bei einem Intervall von 45 Grad in Vorwärtsrotationsrichtung um die Rotationsachse Vec_rot bestimmt werden.
Indessen kann, wie später beschrieben, bei der vorliegenden Erfindung die Schätzverarbeitung selbst dann durchgeführt werden, wenn der Rotationswert um die Rotationsachse Vec_rot klein ist, so dass die Informationen selbst dann erfasst werden können, wenn die Stellungsänderung großen Einschränkungen unterworfen ist, und zwar beispielsweise aufgrund einer Interferenz mit peripheren Objekten.
Außerdem können die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse des Sensorkoordinatensystems, die die Hauptachsen des Sensorkoordinatensystems darstellen, als Rotationsachse Vec_rot spezifiziert werden. Eine Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die später beschrieben wird, muss eine Hauptachse orthogonal zu einer Oberfläche definieren, die orthogonal zu der spezifizierten Rotationsachse ist. Wenn die Hauptachse des Sensorkoordinatensystems im Voraus spezifiziert wird, ist eine Translationsverarbeitung somit nicht notwendig. Indessen kann ferner auch eine andere Achse als eine der Hauptachsen als Rotationsachse spezifiziert werden, und somit kann ein Benutzer die Rotationsachse unter Berücksichtigung der Interferenz mit einer peripheren Umgebung bestimmen. Alternativ kann ein Hersteller die Rotationsachse Vec_rot und den Rotationswinkelwert φ im Voraus bestimmen.
Die Daten, die für die Kalibrierung verwendet werden, werden durch Ausführung der Stellungsänderung erfasst, und zwar basierend auf dem Stellungs-Befehlswert um die Rotationsachse Vec_rot, die derart spezifiziert ist. Beispielsweise wird eine Wägezelle oder ein Kraftsensor als Kraftinformations-Erfassungseinheit 103 verwendet, die an dem Roboter 102 angebracht ist, um die Kraftinformationen des aktuellen Roboterzustands zu erfassen.
Außerdem ist eine Positionsinformations-Erfassungseinheit 104 zu Folgendem ausgebildet: Informationen von beispielsweise Gebern zu verwenden, die an den entsprechenden Achsen des Roboters angebracht sind, um die Handspitzenposition des Roboters zu berechnen, und ferner Positionsinformationen zum Erfassen der Position/Stellung in dem Sensorkoordinatensystem zu erfassen. Die Positionsinformations-Erfassungseinheit 104 kann dazu ausgebildet sein, eine Markierung zu messen bzw. zu detektieren, die an dem Roboterwerkzeugteil angebracht ist, und zwar mit dem optischen Sensor, so dass die Roboterstellung von einem Ort außerhalb des Roboters aus gemessen oder geschätzt wird.
Wenn der externe Sensor verwendet wird, muss hierbei der Einfluss von Fehlern, wie beispielsweise von Spiel und Auslenkungen, bei denen es sich um roboterspezifische mechanische Fehler handelt, nicht berücksichtigt werden. Wenn der externe Sensor angebracht wird, ist es hinsichtlich einer Sensorbefestigungsposition bezüglich eines Referenzkoordinatensystem notwendig, ein Montagegestell zum genauen Positionieren zu verwenden oder einen externen Sensor zu verwenden, um sich auf eine Referenzmarkierung oder dergleichen zu beziehen, so dass die Installationsposition geschätzt werden kann. Dabei ist das Referenzkoordinatensystem das Roboter-Koordinatensystem Σrob oder das Weltkoordinatensystem Σwld.
Es ist notwendig, die Positionsinformationen und die Kraftinformationen für die Kalibrierung des Rotierens der Roboter-Werkzeugspitze auf diese Art zu erfassen, und zumindest drei Punkte für die eine Rotationsachse Vec_rot zu erfassen. Das liegt daran, dass die Kalibriervorrichtung eine Approximation unter Verwendung eines Kreises anwendet. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, den Einfluss der Fehler an mindestens vier Punkten zu berücksichtigen.
Auf diese Art werden Positionsinformationen und Kraftinformationen erfasst und in einer Datenspeichereinheit 105 gespeichert, während die Stellung um die Rotationsachse Vec_rot geändert wird. Dann werden die gespeicherten Daten verwendet, um die Kalibrierungsverarbeitung bei einer Kalibriereinheit 106 durchzuführen.
5 ist eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen einer Kalibriereinheit der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und des Robotersystems, das die Kalibriervorrichtung verwendet. Wenn die Kalibriervorrichtung verwendet wird, so wird zunächst eine Parameterschätzverarbeitung in einer Parameter-Schätzeinheit 201 durchgeführt, die dazu ausgebildet ist, die Parameter zu bestimmen. Dann wird eine Verarbeitung durch Verwenden der geschätzten Parameter durchgeführt, um die systematischen Fehlerwerte und die Gravitations-Einflusskomponente von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar dann, wenn der Roboter tatsächlich dazu verwendet wird, eine Tätigkeit bzw. Arbeit durchzuführen (das heißt im normalen Betrieb). Im Folgenden wird dieser Aspekt beschrieben.
Bei der Kalibriervorrichtung in 5 erhält die Parameter-Schätzeinheit 201 die Masse der Handspitzen-Last einschließlich des Werkzeugteils, die Gravitationszentrums-Position der Handspitzen-Last einschließlich des Werkzeugteils und die systematischen Fehler als Parameter. Die Parameter-Schätzeinheit wird später unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Dann agiert der Roboter 102 gemäß einem Stellungs-Befehlswert, der mittels einer Befehlswert-Erzeugungseinheit 203 erzeugt wird. Dabei werden die Kraftinformationen mittels der Kraftinformations-Erfassungseinheit 103 gemäß dem aktuellen Roboterzustand erfasst. Hierbei berechnet eine Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten die Wirkkomponente F_mas(k) der Kraft aufgrund der Handspitzen-Lastmasse bei der aktuellen Position/Stellung R_k des Roboters, die mittels der Positionsinformations-Erfassungseinheit 104 erfasst wird, und zwar basierend auf den Parametern, die in einer Parameter-Speichereinheit 202 gespeichert sind.
Wie ferner durch den Ausdruck (2) ausgedrückt, subtrahiert die Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten die Wirkkomponente F_mas(k) der Kraft infolge der Handspitzen-Lastmasse und die Wirkkomponente F_bis infolge des systematischen Fehlers von den Sensordaten F(k), so dass die externe Kraftkomponente F_ext(k) infolge des Kontakts erhalten wird. Außerdem meldet die Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten die externe Kraftkomponente als einen wirkenden externen Kraft-Berechnungswert an die Befehlswert-Erzeugungseinheit 203 zurück, um die Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen.
Wie oben beschrieben, weist die Kalibriereinheit 106 Folgendes auf: die Parameter-Schätzeinheit 201, die dazu ausgebildet ist, eine Parameter-Schätzverarbeitung durchzuführen, und zwar zum Erhalten der Parameter für den Roboter 102 basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen, die in der Daten-Speichereinheit 105 gespeichert sind; die Parameter-Speichereinheit 202, die dazu ausgebildet ist, das Schätzergebnis zu speichern, das mittels der Parameter-Schätzeinheit 201 erhalten wird; und die Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, die gespeicherten Parameter zu verwenden, um die Wirkkomponente der Kraft infolge der systematischen Fehler und die Wirkkomponente der Kraft infolge der Handspitzen-Lastmasse zu entfernen, um auf diese Weise die externe Kraftkomponente infolge des Kontakts zu erhalten.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Kalibriereinheit 106 bei einem Robotersystem verwendet, das durch die Befehlswert-Erzeugungseinheit 203, den Roboter 102, die Kraftinformations-Erfassungseinheit 103 und die Positionsinformations-Erfassungseinheit 104 aufgebaut ist.
Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der Parameter-Schätzeinheit 201 gegeben, die ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist. 6 ist eine Blockkonfigurationsdarstellung zum Darstellen der Parameter-Schätzeinheit im Detail, die die Kalibriereinheit der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Wie in 6 dargestellt, wird eine Vielzahl von Datenstücken bei den Stellungen erfasst, die um die Rotationsachse Vec_rot gedreht sind, die mittels der Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit 100 spezifiziert wird. Die erfassten Daten sind in der Daten-Speichereinheit 105 gespeichert und die systematischen Fehlerwerte und eine vorläufige Masse werden zunächst bei der Parameter-Schätzeinheit 201 erfasst. Außerdem schätzt die Parameter-Schätzeinheit 201 die Masse und die Gravitationszentrums-Position basierend auf den erhaltenen systematischen Fehlerwerten und der vorläufigen Masse. Die Informationen über die geschätzte Masse und die Gravitationszentrumsposition werden an die Parameter-Speichereinheit 202 ausgegeben.
Im Folgenden wird ein spezifisches Verfahren zum Erhalten der systematischen Fehlerwerte mittels einer Schätzeinheit 21 für systematische Fehlerwerte und einer Approximationskurven-Erzeugungseinheit 20 beschrieben, die in der Parameter-Schätzeinheit 201 enthalten sind. Zunächst wird ein Fall betrachtet, bei dem eine Rotation um die Hauptachse des Sensorkoordinatensystems als Rotationsachse Vec_rot stattfindet, und zwar als eine von beliebigen Achsen des Sensorkoordinatensystems in einer Ebene senkrecht zu der Gravitationsrichtung. Dabei wird eine Richtung, bei der die Sensor-Z-Achsenrichtung mit der Gravitationsrichtung übereinstimmt als eine Referenzstellung R_k0 bestimmt. Ferner wird die Y-Achse der Hauptachsen des Sensorkoordinatensystems als die Rotationsachse Vec_rot ausgewählt.
Bezugnehmend auf 7 bis 9 wird im Folgenden eine Beschreibung eines Berechnungsverfahrens für die systematischen Fehlerwerte F_bis_x, F_bis_y und F_bis_z der Axialkräfte gegeben. 7A und 7B sind erläuternde Darstellungen zum Darstellen eines Beispiels eines Vorgangs gemäß dem Stellungs-Befehlswert, der mittels der Stellung-bei-spezifizierter-Achse-Erzeugungseinheit in der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Wie in 7 dargestellt, werden mindestens drei Stellungen erfasst, die von der Referenzstellung R_K0 um die Y-Achse gedreht sind. Anteile von axialen Kraftdaten Fx und Fz, die hierbei erhalten werden, sind derart dargestellt, dass Fz der Vertikalachse und Fx der Horizontalachse zugeordnet sind.
Wenn die Rotationsachse in einer Ebene senkrecht zu der Gravitationsrichtung ausgewählt wird und Vektoränderungen bei den Wirkkräften in der Rotationsbewegung fokussiert werden, tritt wie in 8 dargestellt eine derartige Charakteristik auf, dass graphische Darstellungen der Kraftinformationen, die den Achsen orthogonal zu der Rotationsachse zugeordnet sind eine Kreisbahn bilden, wobei die Rotationsachsen in diesem Fall die X-Achse und die Z-Achse sind. Diese Charakteristik wird verwendet, um eine Approximationskurve zu erzeugen, die einen Kreis bildet, wenn die Daten, die an jeder von den Positionen/Stellungen erfasst werden, für die erfassten Kraftinformationen graphisch dargestellt werden.
Bei der Approximationskurven-Erzeugungseinheit 20 wird eine Axialkraft mit Fx vorgegeben, und zwar eine Axialkraft in X-Achsenrichtung, die erhalten wird, wenn die Gravitationsrichtung zu der –Z-Achse des Sensorkoordinatensystems ausgerichtet ist und die Rotation um die Y-Achse durchgeführt wird. Ferner wird eine Axialkraft in der Z-Achsenrichtung mit Fz vorgegeben. Dann wird die Kreisapproximation für die entsprechenden Punkte (Fx, Fz) erfasst bzw. erhalten, wobei Fx der horizontalen Achse und Fz der vertikalen Achse zugeordnet ist. Wenn eine Versatzhöhe von einem Ursprung, der ein Zentrum eines Kreises ist, als Fx_b in Horizontalachsenrichtung zum graphischen Darstellen der X-Achsenkraft und als Fz_b in Vertikalachsenrichtung zum graphischen Darstellen der Z-Achsenkraft dargestellt wird, kann die Kreisapproximation mit dem folgenden Ausdruck (6) definiert werden, und zwar als eine Formel eines Kreises, der als Variablen Fx_b, Fz_b und einen Radius R des Kreises aufweist: (Fx – Fx_b)² + (Fz – Fz_b)² = R² (6)
Um eine Approximationslösung nach der Methode der kleinsten Quadrate dieser Polynome zu erhalten, wird eine Funktion f(Fx_b, Fz_b, R) durch den folgenden Ausdruck (7) definiert, wobei die Funktion Fx_b, Fz_b und R als Variablen aufweist. Dabei kann die Approximation nach der Methode der kleinsten Quadrate zum Erhalten einer Lösung bei der Funktion angewendet werden, wobei dort ein Ergebnis, das durch Quadrieren und partielles Ableiten erhalten wird, auf den Wert Null gesetzt wird. f(Fx_b, Fz_b, R) = (Fx – Fx_b)² + (Fz – Fz_b)² – R² (7)
Die Werte Fx_b und Fz_b, die durch diesen Ausdruck erhalten werden, sind systematische Fehlerwerte F_bis_x der X-Achsenkraft und F_bis_z der Z-Achsenkraft. Der Wert R, der durch diesen Ausdruck erhalten wird, ist eine externe Kraft Mg', die der Masse entspricht. Die Masse, die aus dieser externen Kraft Mg' erhalten wird, wird als vorläufige Masse m_tmp vorgegeben. Außerdem wird F_bis_y ferner durch Ändern der Rotationshauptachse auf die X-Achse und Ausführen der gleichen Verarbeitung gehalten. Auf diese Weise können die systematischen Fehlerwerte berechnet werden, die die Axialkräfte betreffen.
Außerdem erfasst die Approximationskurven-Erzeugungseinheit 20 die systematischen Fehlerwerte, die sich auf die Momente beziehen, wie folgt. Wenn eine Rotationsbewegung durchgeführt wird und die Y-Achse als Rotationsachse Vec_rot ausgewählt ist, hat bezugnehmend auf die Momente, wie in 9 dargestellt, die Stellungsänderung R_k um die Rotationsachse Vec_rot eine derartige Charakteristik, dass diese als eine Kurve approximiert wird, die durch Multiplizieren einer Kosinuskurve mit einer Phasendifferenz und einem Versatz erhalten wird.
Mit anderen Worten, es ist ein numerisches Modell des Moments als eine Phasendifferenz φ definiert, wenn die systematische Fehlerkomponente des Moments um die Y-Achse mit M_y_b angegeben ist, ein Rotationswinkel um die Y-Achse von der Referenzstellung R_k0 mit θ angegeben ist, wobei θ der Horizontalachse zugeordnet ist, und das Moment der Vertikalachse zugeordnet ist. Außerdem wird die Amplitude der Kosinuskurve durch Am vorgegeben. Wenn die hierbei erfassten Momentdaten durch M_Y angegeben sind, gilt der folgende Ausdruck (8): M_y = M_y_b + Am < M·cos(θ + φ) (8)
Die Periodizität des Rotationswinkels θ wird mit einer solchen Frequenz charakterisiert, dass 360° gerade einem Zyklus entsprechen. Für dieses Modell wird eine Funktion F(M_y_b, Am, φ) durch den folgenden Ausdruck (9) definiert und approximierte Lösungen, die M_y_b, Am und φ betreffen, können mittels iterativer Berechnung durch das Newton-Raphson-Verfahren erhalten werden: f(M_y_b, Am, φ) = M_y – M_y_b – Am·cos(θ + φ)(9)
Der Wert M_y_b, der durch diesen Ausdruck erhalten wird, ist der systematische Fehlerwert M_bis_y des Moments um die Y-Achse, der erhalten werden soll. Wenn die Konvergenz der Lösung langsam ist und eine approximierte Lösung nicht erhalten wird, können die Winkel durch Dividieren von 360° durch einen Teiler von 360 ausgewählt werden, und zwar zum Beispiel 0° und 180° als Winkel θ im Fall von 2, und 0°, 90°, 180° und 270° als Winkel θ im Fall von 4, und ein Durchschnitt von M_y bei entsprechenden Winkeln kann erhalten werden.
Außerdem kann M_bis_x ähnlich erhalten werden, und zwar durch Auswählen der X-Achse als Rotationsachse Vec_rot. Wie für die Y-Achse und die X-Achse durchgeführt, wird außerdem für M_bis_z eine Stellung R_k1, die die Z-Achse zu der Ebene orthogonal zu der Gravitationsrichtung ausrichtet, als Referenzposition vorgegeben. Ferner wird die Z-Achse als Rotationsvektor Vec_rot ausgewählt und es kann die gleiche Verarbeitung wie die beim Erfassen von M_bis_y durchgeführt werden.
Bei einem weiteren Verfahren wird die Rotationsachse Vec_rot als die Z-Achse ausgewählt, und zwar einfach aus der Stellung von R_k0, Winkel können durch Dividieren von 360 durch einen Teiler von 360 ausgewählt werden, und zwar zum Beispiel 0° und 180° als Winkel θ im Fall von 2, und 0°, 90°, 180° und 270 als Winkel θ im Fall von 4, und ein Durchschnitt von M_z bei entsprechenden Winkeln kann erhalten werden.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren führt die Approximationskurven-Erzeugungseinheit 20 die vorläufige Schätzung des systematischen Fehlerwerts aus den Ausdrücken der approximierten Kurven durch, um derart die systematischen Fehlerwerte F_bis und die vorläufige Masse M_tmp zu erhalten bzw. erfassen.
Hierbei gibt es einen Punkt, beispielsweise in Form von Fehlerdaten 13 in 8, wenn Daten hinzukommen, die in einem Fall erhalten werden, bei dem ein Kabel festhängt. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Punkt während der Kalibrierungsverarbeitung von der Approximationskurve zu entfernen, die ein Ergebnis der Approximationskurven-Erzeugungseinheit 20, der Kraftinformationen und der Positionsinformationen ist.
Insbesondere dann, wenn einige Punkte der in 8 dargestellten Fehlerdaten existieren und Daten in einer Gesamtzahl von N Stellungen R_k erfasst werden, werden N Datenstücke in Gruppen aufgeteilt, die jeweils N – M Datenstücke aufweisen, und die Fehlerdaten können durch Vergleichen der maximalen Fehler in jeder Gruppe extrahiert werden. Dabei sind M und N positive Ganzzahlen, die die Bedingung M < N erfüllen.
Außerdem wird die Berechnung der Handspitzen-Lastmasse und der Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils mittels einer Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit 22 gemäß 6 durchgeführt. Hierbei wird das Achsen-Vorgeben für die Kraftsteuerung derart durchgeführt, dass bei dem Koordinatenachsen-Vorgeben der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse im kalibrierten Zustand das Sensorkoordinatensystem Σsen an der Sensorzentrumsposition angeordnet wird und ein Gravitationszentrums-Koordinatensystem ΣL in der gleichen Stellung definiert wird, wie das Koordinatensystem Σmec des mechanischen Flansches bei der Gravitationszentrums-Position der Handspitzen-Last.
Hierbei wird eine Positionsrelation (xq, yq, zq, Aq, Bq, Cq) zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem Gravitationszentrums-Koordinatensystem der Handspitzen-Last und der Masse m mit einer unbekannten Variablen q definiert. Mit anderen Worten, es wird q als (xq, yq, zq, Aq, Bq, Cq, m) definiert.
Wenn hierbei ein Fehler zwischen dem Modell und der Sensorausgabe als eine Differenz zwischen einer Kraft F_mdl, die aus dem Modell geschätzt wird, und den oben genannten Daten ^sF_i definiert wird, die tatsächlich mittels des Sensors erfasst werden, wird der Fehler zwischen dem Modell und der Sensorausgabe durch den folgenden Ausdruck (10) dargestellt, und zwar mit dem Anfangswert m = M_temp für m:
Mit anderen Worten, es ist das eigentliche Ziel, einen Wert q zu finden, der den geringsten Fehler aufweist. Somit kann das Problem auf ein Problem reduziert werden, q_i derart zu erhalten, dass jedes f(q_i) sich 0 annähert, und zwar durch iterative Berechnung, wobei der Buchstabe i die Iteration angibt.
Wenn die Variable q_i für die asymptotische Annäherung an 0 erhalten wird, gilt gemäß dem Newton-Raphson-Verfahren außerdem eine Verlängerungsregel, die durch den folgenden Ausdruck (11) ausgedrückt wird:
Hierbei wird der Ausdruck umgeformt, und zwar zu einer Form einer Berechnungsdifferenz, die jedes Mal beim Approximierungsansatz durch die iterative Berechnung durchgeführt wird, wobei der folgende Ausdruck (12) erhalten wird:
Wenn der Ausdruck spezifisch erweitert wird, stellt eine erhaltene Form eine Berechnung des folgenden Ausdrucks (13) dar:
Der Ausdruck (13) ist ein Ausdruck, der durch Anordnen des Ausdrucks (11) und des Ausdrucks (12) hinsichtlich dq erhalten wird. Im Folgenden wird eine Beschreibung des Ausdrucks (13) angegeben, wobei die Variablen, die die partiellen Ableitungen auf der rechten Seite betreffen, im Allgemeinen durch Variable definiert sind, die sich alle auf q beziehen. Hierbei wird ein Schätzverfahren für die Masse/Gravitationszentrums-Position der Handspitzen-Last durch eine generelle Form ausgedrückt, die die Gravitationsrichtung berücksichtigt.
Ferner sind die zu schätzenden Variablen die Gravitationszentrums-Position = (Xs, Ys, Zs, As, Bs, Cs), die Masse m und der Gradient des Gravitationsvektors bezogen auf das Weltkoordinatensystem Σwld, das in Form eines Rotationswertes um die X-Achse und die Y-Achse unter Verwendung von Aw und Bw als Variablen ausgedrückt wird.
Wenn der Gradient der Gravitationsrichtung bekannt ist und bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entfernt wird, können die zu schätzenden Variablen mit der Gravitationszentrums-Position = (Xq, Yq, Zq, Aq, Bq, Cq) und der Masse m vorgegeben werden, und zwar außer Aw und Bw. Hinsichtlich der obigen Variablen q sind die partiell abzuleitenden Variablen Xq, Yq, Zq, Aq, Bq, Cq und m.
Hierbei kann die Kraft F_mdl, die aus dem Modell geschätzt wird, wie folgt definiert werden. Das Gravitationszentrums-Koordinatensystem Σ_L wird mit den gleichen axialen Richtungen wie denen des Koordinatensystems des mechanischen Flansches Σmec definiert. Ein externer Kraftvektor, der durch die Masse verursacht wird und der ein dreidimensionaler Vektor der Axialkräfte bezogen auf das Gravitationszentrums-Koordinatensystem Σ_L ist, wird als ^Lf ausgedrückt. Ferner wird ein Momentvektor, der durch die Masse verursacht wird, bezogen auf dasselbe Gravitationszentrums-Koordinatensystem Σ_L als ^Lm ausgedrückt und ein Gravitations-Beschleunigungsvektor wird bezogen auf das Gravitationszentrums-Koordinatensystem als ^Lg bezeichnet.
Außerdem wird eine Stellungsmatrix (3×3) zu dem Gravitationszentrums-Koordinatensystem Σ_L bezogen auf das Wälzkoordinatensystem Σwld als ^WR_L ausgedrückt. Der folgende Ausdruck (14) drückt die Definition von F_mdl aus und die folgenden Ausdrücke (15) bis (21) drücken Definitionen der Elemente des Ausdrucks (14) aus.
Eine Positionsrelation zwischen dem Sensor und dem Gravitations-Lastzentrum, und zwar eine homogene Transformationsmatrix ^LT_S zu dem Sensorkoordinatensystem bezogen auf die Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils, wird durch den folgenden Ausdruck (22) definiert:
Außerdem sind n, o und a bei diesem Ausdruck durch den folgenden Ausdruck (23) definiert, und zwar unter Verwendung von Eulerschen Winkeln (A, B, C) im Fall einer Stellungsänderung von dem Gravitationszentrums-Koordinatensystem Σ_L zu dem Sensorkoordinatensystem Σsen.
Wenn unter Verwendung des Ausdrucks (12) und des Ausdrucks (13), basierend auf der obigen Definition, eine Aktualisierung durchgeführt wird, nähert sich der Ausdruck (10) asymptotisch an 0 an. Folglich können die Masse m und (xq, yq, zq, Aq, Bq, Cq) als relative Relation zwischen dem Sensorkoordinatensystem und der Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils erhalten werden.
Es wird angenommen, dass die relative Relation zwischen dem Roboter-Koordinatensystem Σrob und dem Sensorkoordinatensystem Σsen über die Kalibrierung zu dem Zeitpunkt der Sensorinstallation bekannt ist und dass die Gravitationsrichtung bezogen auf das Roboter-Koordinatensystem Σrob bekannt ist, und zwar beispielsweise, wie oben beschrieben, durch Verwenden eines entsprechenden Levels. Folglich kann eine Einflusskomponente der Gravitation oder der Trägheitskräfte der Handspitzen-Last bei dem Sensorkoordinatensystem aus einer Relation zwischen der Gravitationsrichtung bezogen auf das Sensorkoordinatensystem Σsen und der Masse m berechnet werden. Die Informationen der Gravitationsrichtung sind nicht auf die beschränkt, die unter Verwendung eines bestimmten Niveaus erfasst werden.
Mit der vorstehend angegebenen Kalibriervorrichtung können, wie oben beschrieben, die Fehlerdaten entfernt werden, die nicht entfernt worden sind. Außerdem können die Masse und die Gravitationszentrums-Position des Werkzeugteils präziser erfasst werden, die basierend auf den genauen systematischen Fehlerwerten berechnet werden, die als Ergebnis erhalten werden. Daher kann eine Verbesserung der Präzision der Kraftinformations-Kalibrierung implementiert werden, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, die die Fehlerdaten enthalten, die bis jetzt nicht erfasst werden konnten. Folglich wird als Wirkung erwartet, dass das Kraftsteuerungs-Leistungsvermögen signifikant verbessert wird.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform eine Kalibriervorrichtung angegeben, die dazu ausgebildet ist, nur die externe Kraft zu extrahieren, die in dem Werkzeugteil durch den Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, und zwar bei der mechanischen Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Kraftsteuerung des Werkzeugteils durchzuführen, das an der Spitze der mechanischen Vorrichtung montiert ist und dazu ausgebildet ist, auf das Arbeitsobjekt zu wirken, wobei die Kalibriervorrichtung Folgendes aufweist:
die Positionsinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Positionsinformationen bei dem Werkzeugteil zu erfassen;
die Kraftinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Kraftinformationen der Kraft zu erfassen, die bei dem Werkzeugteil wirkt;
die Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die beliebige Rotationsachse zu spezifizieren, die durch den Ursprung des Sensorkoordinatensystems verläuft;
die Stellungserzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, den Stellungs-Befehlswert zum Rotieren des Werkzeugteils um die beliebige Rotationsachse zu erzeugen; und
die Kalibriereinheit, die dazu ausgebildet ist, die Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen, und zwar den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von der Kraftinformation zu subtrahieren, so dass nur die externe Kraft extrahiert wird, die durch den Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, wobei die Kalibriereinheit Folgendes aufweist:
die Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Approximationskurve basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen zu erzeugen, die erfasst werden, wenn das Werkzeugteil gemäß dem Stellungs-Befehlswert gedreht wird;
die Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert der Kraftinformationen basierend auf der Approximationskurve, der Positionsinformationen und der Kraftinformationen zu schätzen;
die Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert von den Kraftinformationen zu entfernen und die Masse und den Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitzen-Last zu berechnen, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, von denen der systematische Fehlerwert entfernt worden ist; und
die Recheneinheit für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar unter Verwendung des geschätzten systematischen Fehlerwerts, und der Masse und des Gravitationszentrums-Positionsvektors der Handspitzen-Last.
Daher ist es möglich, die systematischen Fehlerkomponenten unter Berücksichtigung des Einflusses der externen Kräfte zu entfernen und die Handspitzen-Lastmasse und den Gravitationszentrums-Positionsvektor präzise bzw. genau zu berechnen, so dass eine Kalibrierung präzise durchgeführt werden kann.
Außerdem können die systematischen Fehlerwerte unabhängig und präzise geschätzt werden und die gesamte Kalibrierungsgenauigkeit erhöht sich folglich. Somit kann eine präzise Kraftsteuerung durchgeführt werden, die bis jetzt nicht möglich war.
Zweite Ausführungsform
Um Fehlerdaten zu extrahieren, die durch Kabel, Leitungen und dergleichen verursacht werden, werden bei der Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform die Daten in Gruppen unterteilt, und es wird eine Gruppe identifiziert, die bei den Ergebnissen eine große Abweichung verursacht, um so die Fehlerdaten zu finden. Allerdings kann es sein, dass allein mit dieser Konfiguration die Fehlerdaten beispielsweise in den folgenden Fällen nicht entfernt werden können.
Fallbeispiel 1: Ein Fall, bei dem eine hohe Anzahl von Fehlerdaten enthalten ist. In diesem Fall ist es schwierig, nur die Fehlerdaten zu extrahieren.
Fallbeispiel 2: Ein Fall, bei dem die Rotationsachse des Sensorkoordinatensystems und die Rotationsachse, die durch den Roboter gegeben ist, voneinander versetzt sind und eine Approximationskurve nicht in eine Kreisform gebracht werden kann.
Um solche Probleme zu lösen, weist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung folgende Merkmale auf: Wie in 10 beschrieben, bestimmt die Schätzeinheit 21 für systematische Fehlerwerte, ob oder ob nicht ein Erhöhungswert der Kraftinformationen, die durch die Wirkung der externen Kräfte aufgrund der Kabel und Leitungen erzeugt wird, die an dem Werkzeugteil montiert sind, ein vorbestimmtes Fehlerniveau erreicht hat, das heißt einen vorgegebenen Wert überschreitet. Wenn der Erhöhungswert das Fehlerniveau erreicht hat, übergibt die Schätzeinheit 21 für systematische Fehlerwerte die Verarbeitung an die Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit 22 ab und erfasst andererseits zusätzlich eine neue Stellung.
Wie in 11A dargestellt, werden im Falle eines Kreises solche Kreise neu definiert, die im Radius um ±X% von dem Anpassungs-Kreis (circuit for fitting) abweichen, und als Grenzwerte für das vorbestimmte Fehlerniveau verwendet. Der Wert X wird individuell gemäß dem Variationsausmaß der externen Kräfte aufgrund der Kabel und Drähte und der Kraft definiert, die aufgrund des Rauschens empfangen wird.
Das liegt daran, dass dann, wenn die Variation bei der Kraft aufgrund des Rauschens groß ist, der Einfluss des Rauschens dutch einen Filtervorgang herabgesetzt werden kann, wohingegen, wenn der Wert von X zu klein ist, die gesamten Daten als Fehlerdaten betrachtet werden könnten.
Mit der Kalibriervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Daten graduell entfernt werden, die von dem vorbestimmten Fehlerniveau abweichen. Folglich kann veranlasst werden, dass sich die Daten solchen annähern, die die Fehlerdaten nicht aufweisen.
Wie in 11B gezeigt, ist außerdem bei einem Fall, der dem Fallbeispiel 2 entspricht, ein ellipsoides Anpassen notwendig. Dieser Fall kann dadurch behandelt werden, dass der Ausdruck des Kreises, der durch Ausdruck (6) ausgedrückt wird, mit einem Ausdruck eines Ellipsoids ersetzt wird, um die Approximation zu definieren. In diesem Fall wird die Evaluation immer noch als Ellipsoid durchgeführt, und somit kann die Approximation in der Form von ±X% von jeder Achse von der Nebenachse und der Hauptachse definiert werden.
Ferner kann, wie in 12 dargestellt, als weiteres Verfahren die Kalibrierungsverarbeitung durch Entfernen der Fehlerdaten durchgeführt werden, und zwar indem ein Benutzer die Fehlerdaten über eine Fehlerinformations-Anzeigeeinheit 301 und eine Daten-Wähleinheit 302 auswählt. Die Fehlerinformations-Anzeigeeinheit 301 ist dazu ausgebildet, die Positionsinformationen und die Kraftinformationen darzustellen, die in der Daten-Speichereinheit 105 gespeichert sind, und zwar in Form von Graphen, die in 11A und 11B dargestellt sind. Die Daten-Wähleinheit 302 ermöglicht die Auswahl von Daten unter Verwendung einer Eingabevorrichtung, wie beispielsweise einer Maus, einer Tastatur oder eines Touch Panels.
Wie oben beschrieben, können gemäß der zweiten Ausführungsform, selbst wenn eine Vielzahl von Stücken von Fehlerdaten enthalten sind, Daten inn geeigneter Weise ausgewählt werden. Folglich kann eine präzise Kalibrierung implementiert werden, die zu einer so präzisen Kraftsteuerung führt, die bisher nicht möglich war.
Dritte Ausführungsform
Die Kalibriervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform kann die Kalibrierung unter Berücksichtigung des Einflusses der Masse durchführen, die von dem Werkzeugteil verursacht wird. Wenn allerdings, wie in 13 dargestellt, eine Tätigkeit bzw. Arbeit bei einer Position P2 bei einem Roboter startet, der den Lernpunkten 12 folgt, kann es sein, dass die Kraftsteuerung nicht bei der externen Kraft F_ext verwendet werden muss, die zu dem Zeitpunkt wirkt, der dem Punkt P2 entspricht. Mit anderen Worten muss die Arbeit zu einer Position P3 weitergeführt werden, während ein Kontaktzustand mit einem peripheren Objekt 11 des Roboters aufrechterhalten wird, der zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, der der Position P2 entspricht.
In diesem Fall ist eine einfache Anwendung der Kalibrierung des Werkzeugteils nicht ausreichend, und die Steuerung zum Beibehalten des Kontaktzustandes ist schwierig. Indes kann ein System zum Durchführen einer einfachen Nullpunkt-Anpassung die Stellungsänderung bei dem Werkzeugteil nicht bewältigen. Wenn daher beispielsweise die Stellung des Werkzeugteils in einer Richtung geändert wird, die nicht durch das periphere Objekt 11 des Roboters beschränkt ist, wie zum Beispiel eine Rotationsrichtung um X_sen, ändert sich die Axialrichtung der Gravitation bezüglich des Sensorkoordinatensystems. Folglich kann der Einfluss der Stellungsänderung des Werkzeugteils nicht berücksichtigt werden, und es wird fehlerhaft bestimmt, dass eine externe Kraft wirkt.
Wenn die Position P2 erreicht wird, verwendet daher bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 14 dargestellt, der Benutzer eine Versatzpositions-/Stellungs-Spezifizierungseinheit 208, die dazu ausgebildet ist, einen Befehlswert der Position/Stellung des Werkzeugteils zu spezifizieren, um die vorbestimmten Positions/Stellungs-Informationen zu erfassen. Ferner werden Berechnungswerte von wirkenden externen Kräften, die berechnet werden, wenn das Werkzeugteil zu der Position/Stellung bewegt wird, in einer Versatz-Speichereinheit 209 gespeichert. Außerdem speichert die Versatz-Speichereinheit 209 Berechnungswerte der wirkenden externen Kräfte, die von der Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten zu diesem Moment berechnet werden.
Nach einem Steuerungszyklus, der dem Speichern der Berechnungswerte der externen Arbeitskräfte folgt, werden ferner die Berechnungswerte der wirkenden externen Kräfte, die vorher in der Versatz-Speichereinheit 209 gespeichert worden sind, und zwar für die Ausgabe, von den entsprechenden Berechnungswerten der wirkenden externen Kräfte subtrahiert, die mittels der Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten berechnet worden sind.
Sowohl für die Berechnungswerte der wirkenden externen Kräfte beim Stand der Technik als auch die Berechnungswerte der wirkenden externen Kräfte, die nach der Versatzverarbeitung erhalten werden, und zwar nach dem Subtrahieren der entsprechenden Berechnungswerte von den wirkenden externen Kräften, die in der Versatzeinheit 209 gespeichert sind, wird dafür gesorgt, dass diese als Informationen bei den Berechnungswerten der wirkenden externen Kräfte miteinfließen, die mittels der Recheneinheit 207 für externe Kraftkomponenten berechnet worden sind. Wenn die Stellung mittels der Versatzpositions-/Stellungs-Spezifizierungseinheit 208 spezifiziert wird, können folglich nur diejenigen wirkenden externen Kräfte als Versatz berechnet werden, die an dieser Position erzeugt werden.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der dritten Ausführungsform möglich, einen derart komplexen Vorgang zu erzeugen, dass eine Stellung weiter verändert wird, während der Kontaktzustand beibehalten wird, der an einer spezifischen Position erzeugt worden ist. Folglich kann die Erzeugung eines Vorgangs, der bisher nicht möglich war, in einfacher Weise implementiert werden. Somit steigen Benutzungsmöglichkeiten für den Benutzer deutlich an.
Wenn die Kraftsteuerung durchgeführt wird, die eine externe Kraftkomponente berücksichtigt, die durch eine Aktion verursacht wird, die sich von der Aktion zum Kalibrieren des Werkzeugteils unterscheidet, kann mit anderen Worten die Kraftkomponente als eine konstante externe Kraft behandelt werden, die nicht mit der Kraftsteuerung während eines gewissen Vorgangs zusammenhängt. Folglich wird das Einstellen für eine Kraftsteuerung sehr einfach, die einen Kontakt mit außen einbezieht. Somit können die Verwendungsmöglichkeiten für den Benutzer verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung kann bei einem industriellen Roboter oder bei einer mechanischen Vorrichtung verwendet werden, die zur Positionssteuerung ausgelegt ist.

Claims

Kalibriervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, nur eine solche externe Kraft zu extrahieren, die bei einem Werkzeugteil durch Kontakt mit einem Arbeitsobjekt erzeugt wird, und zwar bei einer mechanischen Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Kraftsteuerung bei dem Werkzeugteil durchzuführen, das an einer Spitze der mechanischen Vorrichtung montiert ist und dazu ausgebildet ist, auf das Arbeitsobjekt zu wirken, wobei die Kalibriervorrichtung Folgendes aufweist: – eine Positionsinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Positionsinformationen bei dem Werkzeugteil zu erfassen; – eine Kraftinformations-Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Kraftinformationen einer Kraft zu erfassen, die auf das Werkzeugteil wirkt; – eine Rotationsachsen-Spezifizierungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine beliebige Rotationsachse zu spezifizieren, die durch einen Ursprung eines Sensorkoordinatensystems läuft; – eine Stellungserzeugungs-Einheit, die dazu ausgebildet ist, einen Stellungs-Befehlswert zu erzeugen, und zwar zum Drehen des Werkzeugteils um die beliebige Rotationsachse; und – eine Kalibriereinheit, die dazu ausgebildet ist, Kalibrierungsverarbeitung durchzuführen, und zwar um einen systematischen Fehlerwert und eine Gravitationswirkungs-Komponente einer Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, so dass nur die externe Kraft extrahiert wird, die durch den Kontakt mit dem Arbeitsobjekt erzeugt wird, wobei die Kalibriereinheit Folgendes aufweist: – eine Approximationskurven-Erzeugungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Approximationskurve zu erzeugen, und zwar basierend auf den Positionsinformationen und den Kraftinformationen, die erfasst werden, wenn das Werkzeugteil gemäß dem Stellungs-Befehlswert gedreht wird; – eine Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert der Kraftinformation zu schätzen, und zwar basierend auf der Approximationskurve, den Positionsinformationen und den Kraftinformationen; – eine Massen-/Gravitationszentrums-Positions-Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert von den Kraftinformationen zu entfernen, und eine Masse und einen Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitzen-Last zu berechnen, und zwar unter Verwendung der Kraftinformationen, von denen der systematische Fehlerwert entfernt worden ist; und – eine Recheneinheit für externe Kraftkomponenten, die dazu ausgebildet ist, den systematischen Fehlerwert und die Gravitationswirkungs-Komponente der Handspitzen-Last von den Kraftinformationen zu subtrahieren, und zwar unter Verwendung des geschätzten systematischen Fehlerwerts und der Masse und des Gravitationszentrums-Positionsvektor der Handspitze-Last.
Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Schätzeinheit für systematische Fehlerwerte die Kraftinformationen entfernt, wenn ein Erhöhungswert der Kraftinformationen einen vorgegebenen Wert überschreitet, wobei die Kraftinformationen durch eine Wirkung von einer externen Kraft von zumindest einem von einem Kabel und einem Draht erzeugt werden, die an dem Werkzeugteil befestigt sind.
Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kalibriereinheit Folgendes aufweist: – eine Versatzpositions-/Stellungs-Spezifizierungseinheit, die von einem Benutzer verwendet werden soll, um einen Befehlswert einer Position und einer Stellung des Werkzeugteils zu spezifizieren; und – eine Versatz-Speichereinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Berechnungswert einer wirkenden externen Kraft zu speichern, die berechnet wird, wenn das Werkzeugteil zu der Position und der Stellung bewegt wird, die von dem Benutzer spezifiziert worden ist; und – wobei die Kalibriereinheit dazu ausgebildet ist, ferner den Berechnungswert der wirkenden externen Kraft zu subtrahieren, die in der Versatz-Speichereinheit gespeichert ist, und zwar von der Kalibrierung in einem Rechenzyklus, der einem Vorgang der Versatz-Speichereinheit folgt.
Robotersystem, bei dem eine Kalibriervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird.