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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Steuervorrichtung
für einen
Roboter. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die
so ausgelegt ist, daß ein
Motor zur Betätigung
eines Gelenks in einem Roboter genutzt wird, die Bewegung des Roboters
zu steuern.
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Ein
typischer Industrie-Mehrgelenkroboter weist mehrere bewegliche Abschnitte
auf, die durch Gelenke verbunden sind. Die beweglichen Abschnitte
oder die Gelenke sind über
Kraftübertragungsmechanismen mit
Betätigungsorganen,
wie etwa Gleichstrom-Servomotoren
verbunden. Die beweglichen Abschnitte oder Gelenke können durch
Antriebsdrehmomente in Drehung versetzt werden, die ausgehend von
den Motoren übertragen
werden. Der typische Roboter weist ein Funktions- bzw. Betriebsende
auf. Eine Bewegung des Roboter-Betriebsendes ergibt sich als resultierende
von Bewegungen der beweglichen Abschnitte. Die Motoren werden durch
eine Schaltung auf Computerbasis gesteuert, welche in Übereinstimmung
mit einem Betriebsprogramm (Steuerprogramm) arbeitet bzw. aktiv
ist. Das Betriebsprogramm ist dazu ausgelegt, daß eine Bewegung des Roboter-Betriebsendes
mit der gewünschten
oder programmierten Bewegung übereinstimmt.
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Die
Drehsteuerung eines Gelenks in einem Roboter gemäß dem Stand der Technik gestaltet
sich wie folgt. Ein Drehkodierer, welcher der Abtriebswelle eines
Gelenkantriebsmotors zugeordnet ist, gibt ein Signal aus, welches
die aktuelle Winkelposition des Gelenks darstellt. Der Gelenkantriebsmotor
wird ansprechend auf das Ausgangssignal des Drehkodierers und eines
Instruktionssignal gesteuert, welches eine Winkelbefehlsposition
(eine gewünschte
Winkelposition) des Gelenks darstellt. Die Informa tion über die
aktuelle Winkelposition des Gelenks wird als Rückkopplungssignal bei der Steuerung
des Gelenkantriebsmotors genutzt. Die Steuerung des Gelenkantriebsmotors
basiert auf einer Rückkopplung
derart, daß die
aktuelle Winkelposition des Gelenks gleich seiner Winkelbefehlsposition
sein kann.
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Diese
Rückkopplungssteuerung
wird über
eine Steuereinheit (eine Schaltung auf Computerbasis) implementiert,
welche in Übereinstimmung
mit einem Betriebsprogramm arbeitet. Für die Rückkopplungssteuerung führt die
Steuereinheit die folgenden Schritte aus.
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Die
Steuereinheit ermittelt ein Geschwindigkeitsmuster auf Grundlage
von Parametern, die aus dem Betriebsprogramm ausgelesen werden.
Wenn jegliche Abtastzeitperiode abgelaufen ist, berechnet die Steuereinheit
eine Winkelposition des Gelenks aus dem Geschwindigkeitsmuster,
das zum Zeitpunkt folgend auf den aktuellen Zeitpunkt durch eine
Abtastperiode auftritt. Die Steuereinheit stellt die berechnete
Winkelposition als Winkelbefehlsposition für das Gelenk ein. Die Steuereinheit
wird über
die aktuelle Winkelposition des Gelenks durch den Drehkodierer informiert.
Die Steuereinheit vergleicht die aktuelle Winkelposition des Gelenks und
seine Winkelbefehlsposition. Die Steuereinheit stellt die Drehzahl
des Gelenkantriebsmotors ansprechend auf ein Ergebnis des Vergleichs
derart ein, daß das
Gelenk die Winkelbefehlsposition erreicht, nachdem die Einheitsteuerzeit
gleich lang ist wie die Abtastperiode. Infolge dieses Einstellvorgangs
arbeitet das Gelenk in Übereinstimmung
mit einem Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsmuster ähnlich zu dem Drehzahl- bzw.
Geschwindigkeitsmuster, das in Übereinstimmung
mit dem Betriebsprogramm ermittelt wird.
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Die
Drehung von jedem der anderen Gelenke in dem Roboter wird in ähnlicher
Weise gesteuert. Ein Betriebsende des Roboters bewegt sich demnach
in Übereinstimmung
mit dem Betriebsprogramm.
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Ein üblicher
Roboter ist so ausgelegt, daß dann,
wenn ein Lastdrehmoment eines Gelenkantriebsmotors einen Grenzwert,
wie etwa einen maximal zulässigen
Wert übersteigt,
der Motor zu seinem Schutz ausgeschaltet wird. Während eines Lehrprozesses beim
Erzeugen eines Betriebsprogramms für den Roboter werden deshalb
Betriebsgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen der Gelenke so eingestellt,
daß verhindert
wird, daß Gelenkantriebsmotoren
einer Überlastung
unterliegen. Es ist mühsam,
einen Lehrprozeß auszuführen, während Lastdrehmomentgrenzen
der jeweiligen Gelenkantriebsmotoren berücksichtigt werden. Der Lehrprozeß neigt
deshalb dazu, in ineffizienter Weise implementiert zu werden. Da
die Betriebsgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen der Gelenke so eingestellt
werden, daß die
Gelenkantriebsmotoren davor geschützt werden, überlastet
zu werden, bleiben die Drehmomente der Motoren unter den maximal
zulässigen
Werten und der nahezu sämtlichen
Betriebsbedingungen für
den Roboter. In diesem Fall neigen die Drehmomente der Motoren jedoch dazu,
signifikant niedriger zu sein als die maximal zulässigen Werte.
Mittlere Betriebs- bzw. Arbeitsgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen
der Gelenke sind deshalb relativ niedrig, und die Arbeit des Roboters
neigt dazu, eine relativ lange Zeit (eine relativ lange Taktzeit)
zu dauern.
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Die
japanische veröffentlichte
ungeprüfte
Patentanmeldung
JP
5-138563 A offenbart
eine Steuervorrichtung für
einen Roboter, die dazu ausgelegt ist, dieses Problem zu überwinden.
Die Last auf einem Gelenkantriebsmotor nimmt zu einem Zeitpunkt
nahe zum Ende der Beschleunigung des Motors oder dem Start seiner
Verzögerung
einen Spitzenwert ein. Um zu verhindern, daß das Lastdrehmoment des Motors
einen Grenzwert zu Zeitpunkten nahe zum Ende der Beschleunigung
und dem Start der Verzögerung überschreitet,
werden gemäß der japanischen
Anmeldung
JP 5-138563
A die Beschleunigungs- und Verzögerungsgrade des Motors entsprechend
Lastbedingungen des Motors in seinen Positionen entsprechend dem
Ende der Beschleunigung und dem Start der Verzögerung ermittelt bzw. festgelegt.
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Da
in er Steuervorrichtung gemäß der japanischen
Anmeldung
JP 5-138563 A die
Beschleunigungs- und Verzögerungsgrade
des Motors in der Beschleunigungsendposition und der Verzögerungsstartposition
ermittelt werden, stellt der Motor nicht jederzeit seine maximalen
Fähigkeiten
zur Verfügung.
Andererseits besteht abgesehen von der Beschleunigungsendposition
und der Verzögerungsstartposition
eine Chance dafür, daß die Fähigkeiten
des Motors einen maximalen Pegel bzw. ein maximales Niveau übersteigen.
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In
der Steuervorrichtung gemäß der
japanischen Anmeldung 5-138563 werden
die Beschleunigungs- und Verzögerungsgrade
eines Gelenkantriebsmotors in einer Beschleunigungsendposition und
einer Verzögerungsstartposition
für jedes
der Gelenke ermittelt bzw. festgelegt. Dieses Verfahren ist für einen
Prozeß (einen PTP-Prozeß) zum Einstellen
bzw. Festlegen eines Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsmusters von
Gelenk zu Gelenk geeignet. Dieses Verfahren kann jedoch nicht auf
den Fall angewendet werden, bei welchem die Bewegungsbahn bzw. die
Trajektorie (die Ortskurve) eines Betriebsendes eines Roboters eingestellt
wird. Wenn es hierzu angewendet wird, weicht das Betriebsende des
Roboters von einer programmierten Trajektorie oder einer gewünschten
Trajektorie ab.
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Die
japanische veröffentlichte
ungeprüfte
Patetanmeldung
JP 64-7105 A entsprechend
der PCT-Anmeldung
WO
89/00305 A1 offenbart ein Steuersystem für einen
Roboter, bei welchem ein Antriebsmotor für einen Arm des Roboters unter
vorbestimmten Betriebsbedin gungen gesteuert wird. Mehr im einzelnen
werden die Betriebsbedingungen ermittelt, und Daten, welche diese
anzeigen, werden in einem Speicher gespeichert, bevor der Antriebsmotor
aktiviert wird, um den Roboterarm zu betätigen. In dem Steuersystem
gemäß der japanischen
Anmeldung
JP 64-7105
A umfassen die vorbestimmten Betriebsbedingungen eine Geschwindigkeits-
bzw. Drehzahlbedingung und eine Zeitkonstante. Während der Ermittlung der Betriebsbedingungen,
die vor dem tatsächlichen
Betrieb des Rotobers implementiert werden, wird ein Verhältnis zwischen
einem Lastdrehmoment und einem maximalen Ausgangsdrehmoment des
Motors berechnet. Wenn das berechnete Verhältnis ungefähr gleich "1" ist,
werden eine ursprüngliche
Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbedingung und eine ursprüngliche
Zeitkonstante in den Betriebsbedingungen direkt genutzt. Wenn das
berechnete Verhältnis "1" merklich übersteigt, wird zumindest die
Drehzahl- bzw. die Geschwindigkeitsbedingung oder die Zeitkonstante in
Richtung zum Verringern des Verhältnisses
geändert.
Infolge davon entsprechen die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbedingung
und die Zeitkonstante, die schließlich in den Betriebsbedingungen
genutzt werden, einem Zustand, bei welchem das Lastdrehmoment und
das maximale Ausgangsdrehmoment des Motors ungefähr gleich zueinander sind.
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Aus
der
DE 35 87 288 T2 ist
eine Steuervorrichtung für
einen Roboter mit mehreren Gelenken bekannt, umfassend:
eine
Positionsberechnungseinrichtung, die nach Ablauf jeder Abtastzeit
eine Position des Gelenks berechnet, die zu einem Endzeitpunkt einer
nächsten
Abtastzeit auf Grundlage eines Geschwindigkeitsmusters auftritt;
eine
Drehmomentberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Antriebsdrehmoments,
aufgrund dessen das Gelenk in die durch die Positionsberechnungseinrichtung
berechnete Position bewegt wird;
eine Einrichtung zum Berechnen
eines Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses,
aufgrund dessen das Antriebsdrehmoment verringert wird, wenn das
durch die Drehmomentberechnungseinrichtung berechnete Antriebsdrehmoment
einen vorbestimmten Grenzwert gleich einem maximal zulässigen Drehmoment
des Motors überschreitet,
eine
Einrichtung zum Einstellen der Position, die durch die Positionsberechnungseinrichtung
als Befehlsposition und zum Steuern des Gelenks berechnet wird,
damit dieses innerhalb einer vorbestimmten Steuereinheitszeit in
die Befehlsposition bewegt wird.
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WO 97/29890 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Industrieroboters
entlang einer vorgegebenen Bahn, wobei der Roboter mehrere Gelenke
aufweist. Dabei werden zur Steuerung diejenigen Achsenwinkel berechnet,
welche zum Erreichen der nächsten
Position benötigt
werden. In Abhängigkeit
von den berechneten Achsenwinkeln und einem mathematischen Modell,
welches die statischen und dynamischen Eigenschaften des Roboters
beschreibt, wird für
jede der Bewegungsachsen das erforderliche Drehmoment berechnet.
Wenn das berechnete Drehmoment einen Grenzwert überschreitet, wird die Geschwindigkeit
reduziert.
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EP 0 794 475 A1 beschreibt
ein Steuerverfahren für
einen Roboter, mit welchem eine Überhitzung
eines Servomotors zum Antrieb der Achsen des Roboters vermieden
werden kann.
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US 5 994 864 A beschreibt
eine Steuervorrichtung für
einen Roboter, welcher Arbeitsschritte ausführt, während zwischen einer Positionierungssteuerung
und einer Überwachungssteuerung
geschaltet wird.
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US 5 323 309 A beschreibt
ein Positionierungssystem für
einen Roboter.
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EP 0 530 033 A2 beschreibt
ein Zuführraten-Steuerverfahren
und eine Vorrichtung in einem numerischen Steuersystem.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuervorrichtung
für einen
Roboter zu schaffen, die in der Lage ist, die Fähigkeiten einer Energiequelle
(beispielsweise eines Motors) zur Betätigung eines Gelenks, falls
erforderlich, maximal zu nutzen. Eine zweite Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Steuervorrichtung für einen Roboter zu schaffen,
die den Betrieb eines Gelenks steuern kann, oder einen Fehler bezüglich der
Trajektorie (der Ortskurve) eines Betriebsendes des Roboters zu
verursachen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch einen der unabhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung demnach eine Steuervorrichtung
für einen
Roboter mit (zumindest) einem Gelenk. Die Steuervorrichtung umfaßt eine
Positionsberechnungseinrichtung umfassend eine Positionsberechnungseinrichtung
zum Berechnen in dem Fall, daß jegliche
Abtastzeit abgelaufen ist, einer Position des Gelenks, die zu einem
Endzeitpunkt einer nächsten
Abtastzeit auf Grundlage eines Geschwindigkeitsmusters auftritt,
eine Drehmomentberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Antriebsdrehmoments,
das dazu ausgelegt bzw. bestimmt ist, das Gelenk in die durch die
Positionsberechnungseinrichtung berechnete Position zu bewegen,
eine Abtastzeitänderungseinrichtung
zum, in dem Fall, daß das durch
die Drehmomentberechnungseinrichtung berechnete Antriebsdrehmoment
einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet,
Berechnen eines Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses,
das dazu ausgelegt bzw. bestimmt ist, das Antriebsdrehmoment zu
verringern, und zum Berechnen einer korrigierten Abtastzeit auf
Grundlage des berechneten Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses,
wobei die korrigierte Abtastzeit kürzer als eine normale Abtastzeit
ist, eine Einrichtung zum, in den Fällen, wenn das durch die Drehmomentberechnungseinrichtung
berechnete Antriebsdrehmoment den vorbestimmten Grenzwert nicht übersteigt,
Einstellen der Position, die durch die Positionsberechnungseinrichtung
berechnet wird, als Befehlsposition und zum Steuern des Gelenks,
damit dieses sich in die Befehlsposition bewegt, nachdem eine vorbestimmte
Steuereinheitszeit abgelaufen ist, und eine Einrichtung zum, in
den Fallen, in welchen das durch die Drehmomentberechnungseinrichtung
berechnete Antriebsdrehmoment den vorbestimmten Grenzwert übersteigt,
in die Lage Versetzen der Positionsberechnungseinrichtung, eine
Position des Gelenks zu berechnen unter Verwendung der korrigierten
Abtastzeit, berechnet durch die Abtastzeitänderungseinrichtung als die
nächste
Abtastzeit und zum Einstellen der Position, die durch die Positionsberechnungseinrichtung
berechnet wurde als Befehlsposition und zum Steuern des Gelenks,
damit dieses sich in die Befehlsposition bewegt, nachdem die vorbestimmte
Steuereinheitszeit abgelaufen ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Steuervorrichtung für einen
Roboter mit einem Gelenk, umfassend: Eine Positionsberechnungseinrichtung
zum Berechnen in dem Fall, daß jegliche
Abtastzeit abgelaufen ist, Berechnen einer Position des Gelenks,
die zu einem Endzeitpunkt einer nächsten Abtastzeit auf Grundlage
eines Geschwindigkeitsmusters auftritt, eine Drehmomentberechnungseinrichtung
zum Berechnen eines Drehmoments, das dazu ausgelegt bzw. bestimmt
ist, das Gelenk in die durch die Positionsberechnungseinrichtung
berechnete Position zu bewegen, eine Geschwindigkeitsänderungsverhältnisberechnungseinrichtung
zum, in denjenigen Fällen,
in welchen das durch die Drehmomentberechnungseinrichtung berechnete
Antriebsdrehmoment einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt,
Berechnen eines Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses,
das dazu ausgelegt ist bzw. dient, das Antriebsdrehmoment zu verringern,
eine Einrichtung zum, in den Fällen,
wenn das durch die Drehmomentberechnungseinrichtung berechnete Antriebsdrehmoment
den vorbestimmten Grenzwert nicht übersteigt, Einstellen der Position,
die durch die Positionsberechnungseinrichtung berechnet wird, als
Befehlsposition und zum Steuern des Gelenks, damit dieses sich in
die Befehlsposition bewegt, nachdem eine vorbestimmte Steuereinheitszeit
abgelaufen ist, und eine Einrichtung zum, in denjenigen Fällen, in
welchen das durch die Drehmomentberechnungseinrichtung berechnete
Antriebsdrehmoment den vorbestimmten Grenzwert übersteigt, Einstellen der Steuereinheitszeit
auf einen längeren
Wert als eine normale Steuereinheitszeit auf Grundlage des Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses,
berechnet durch die Geschwindigkeitsänderungsverhältnisberechnungseinrichtung,
und zum Einstellen der durch die Positionsberech nungseinrichtung
berechneten Position als Befehlsposition und zum Steuern des Gelenks,
damit dieses sich in die Befehlsposition bewegt, nachdem die Steuereinheitszeit,
die länger
eingestellt ist, abgelaufen ist.
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Gemäß einem
dritten Aspekt schafft die Erfindung einen Roboter, umfassend ein
Gelenk, einen Motor zum Antreiben des Gelenks, eine erste Einrichtung
zum Berechnen einer Drehmomentausgabe des Motors, eine zweite Einrichtung
zum Entscheiden, ob oder ob nicht die durch die erste Einrichtung
berechnete Drehmomentausgabe eine vorbestimmte Grenze übersteigt,
und eine dritte Einrichtung zum Reduzieren der Drehmomentausgabe
des Motors in denjenigen Fällen,
in welchen die zweite Einrichtung entscheidet, daß die durch
die erste Einrichtung berechnete Drehmomentausgabe die vorbestimmte
Grenze überschreitet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Roboters, der mit einer Steuervorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung versehen ist,
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2 ein
Blockdiagramm eines elektrischen Abschnitts der Steuervorrichtung
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung,
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3 ein
Diagramm eines Beispiels eines Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmusters, das in der Steuervorrichtung
von 2 zur Anwendung gelangt,
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4 ein
Zeit-Domänen-Diagramm
eines Beispiels eines Betriebswinkels (Drehwinkels) in der Steuervorrichtung
von 2, und
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5 ein
Flußdiagramm
eines Segments eines Programms für
eine CPU der Steuervorrichtung von 2.
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Wie
in 1 gezeigt, weist ein Roboter einen Körper (Roboterkörper) 1,
eine Steuereinheit 2 und ein Befehlsgabe- bzw. Lehr-Hängetableau 3 auf.
Die Steuereinheit 2 ist elektrisch mit dem Roboterkörper 1 verbunden.
Die Steuereinheit 2 ist dazu ausgelegt, den Roboterkörper 1 zu
steuern. Das Lehr-Hängetableau
ist elektrisch mit der Steuereinheit 2 verbunden.
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Bei
dem Roboterkörper 1 handelt
es sich beispielsweise um einen vertikalen Mehrfachgelenkkörper, der
für Montagearbeiten
ausgelegt ist. Der Roboterkörper 1 umfaßt eine
Basis 4, einen Schulterabschnitt 5, einen Unterarm 6,
einen Oberarm 7 und ein Handgelenk 8. Der Schulterabschnitt 5 ist
auf der Basis 4 über
ein Gelenk angebracht. Der Schulterabschnitt 5 vermag relativ
zu der Basis 4 sich um eine Vertikalachse zu drehen. Der
Unterarm 6 ist mit dem Schulterabschnitt 5 über ein
Gelenk verbunden. Der Unterarm 6 vermag sich relativ zu
dem Schulterabschnitt 5 um eine Längsachse oder Horizontalachse
des Schulterabschnitts 5 zu drehen. Der Oberarm 7 ist
mit dem Unterarm 6 über
ein Gelenk verbunden. Der Oberarm 7 vermag sich relativ
zu dem Unterarm 6 um eine Horizontalachse zu drehen. Außerdem vermag
sich der Oberarm 7 relativ zum Unterarm 6 um eine
Längsachse
des Oberarms 7 zu verdrehen. Das Handgelenk 8 ist
auf dem Oberarm 7 über ein
Gelenk angebracht. Das Handgelenk 8 vermag sich relativ
zu dem Oberarm 7 um eine Achse zu drehen, die sich horizontal
erstreckt, wenn der Oberarm 7 sich in seiner nicht-verdrehten
Position befindet.
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Das
Handgelenk 8 weist ein mit einem Flansch 9 versehenes
Ende auf. Ein Gelenk befindet sich in Verbindung zwischen dem Flansch 9 und
einem Hauptabschnitt des Handgelenks 8. Der Flansch 9 vermag sich
relativ zu dem Handgelenk 8 um eine Achse des Flansches 9 zu
verdrehen. Eine (nicht gezeigte) Hand zum Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs
oder eines Werkstücks
kann mit dem Flansch 9 verbunden sein.
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Gelenke
sind in den Verbindungen zwischen der Basis 4, dem Schulterabschnitt 5,
dem Unterarm 6, dem Oberarm 7, dem Handgelenk 8 und
dem Flansch 9 vorgesehen. Die Gelenke sind mit Betätigungsorganen,
wie etwa Gleichstrom-Servomotoren über (nicht gezeigte) Energieübertragungsmechanismen
verbunden. Drehantreiben der Gelenke durch die Betätigungsorgane
führt zu
einer Drehung des Schulterabschnitts 5, einer Drehung des
Unterarms 6, einer Drehung des Oberarms 7, einer
Drehung des Handgelenks 8 und einer Drehung des Flansches 9.
Die Betätigungsorgane
stellen Antriebsquellen oder Energiequellen dar.
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2 zeit
einen Motor 10 als einen der Motore der Betätigungsorgane.
Die Ausgangs- bzw. Abtriebswelle des Motors 10 ist mit
einem der Gelenke oder einem beweglichen Abschnitt des Roboterkörpers 1 gekuppelt
bzw. verbunden, bei dem es sich um den Schulterabschnitt 5,
den Unterarm 6, den Oberarm 7, das Handgelenk 8 oder
den Flansch 9 handelt.
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Wie
in 2 gezeigt, umfaßt die Steuereinheit 2 eine
Kombination aus einer CPU 11, einer Treiberschaltung 12,
einer Positionsermittlungsschaltung 13, einem ROM 14,
einem RAM 15 und einer Schnittstelle 16. Die Antriebs-
bzw. Treiberschaltung 12 ist elektrisch mit dem Motor 10 verbunden.
Die Treiberschaltung 12 versorgt den Motor 10 mit
Energie bzw. Strom. Die Positionsermittlungsschaltung 13 wirkt
mit einem Drehkodierer 17 zusammen, um einen Positionsermittlungsprozeß zu implementieren.
Der ROM 14 speichert ein Systemprogramm für den gesamten
Roboter. Der RAM 15 speichert ein Betriebsprogramm (ein
Steuerprogramm) für
den Roboterkörper 1.
Das Lehr-Hängetableau 3 (siehe 1)
ist mit der Schnittstelle 16 verbunden. Während des
Lehrprozesses bzw. -vorgangs, der vor dem tatsächlichen Betrieb des Roboters
implementiert wird, wird das Lehr-Hängetableau 3 zum Ein geben
verschiedener Informationsteile in die Steuereinheit 2 genutzt.
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Der
Drehkodierer 17 ist elektrisch mit der Positionsermittlungsschaltung 13 verbunden.
Dem Drehkodierer 17 ist die Ausgangswelle des Motors 10 zugeordnet.
Der Drehkodierer 17 erzeugt ein Impulssignal, abhängig vom
Drehwinkel (der Drehstellung) der Ausgangswelle des Motors 10.
Der Drehkodierer 17 gibt das Impulssignal an die Positionsermittlungsschaltung 13 aus.
Die Positionsermittlungsschaltung 13 erhält die aktuelle
Winkelposition (die vorherrschende Winkelposition) der Ausgangswelle
des Motors 10 von dem Ausgangssignal des Drehkodierers 17.
Die aktuelle Winkelposition der Ausgangswelle des Motors 10 entspricht der
aktuellen Winkelposition (der vorherrschenden Winkelposition) eines
entsprechenden Gelenks. Die Positionsermittlungsschaltung 13 erzeugt
Information bezüglich
der aktuellen Winkelposition der Ausgangswelle des Motors 10,
d. h. der aktuellen Winkelposition des entsprechenden Gelenks. Die
Positionsermittlungsschaltung 13 führt die Positionsinformation
der Treiberschaltung 12 und der CPU 11 zu.
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Die
CPU 11 erzeugt Information bezüglich einer Drehbefehlsposition
(einem Drehbefehlswinkel) der Ausgangswelle des Motors 10.
Die CPU 11 führt
die Positionsbefehlsinformation der Treiberschaltung 12 zu. Die
Treiberschaltung 12 vergleicht den Drehbefehlswinkel mit
dem aktuellen Drehwinkel und gewinnt daraus eine Differenz. Die
Treiberschaltung 12 erzeugt einen Strom abhängig von
der gewonnenen Differenz. Die Treiberschaltung 12 führt den
erzeugten Strom dem Motor 10 zu und treibt den Motor 10 in Übereinstimmung mit
dem erzeugten Strom an. Die Motoren (Betätigungsorgane) für die anderen
Gelenke werden in ähnlicher Weise
gesteuert. Ein Zentralabschnitt des Flansches 9, bei dem
es sich um das Roboterbetriebsende handelt, bewegt sich entlang
einer Trajektorie, die in Übereinstimmung
mit dem Betriebspro gramm ermittelt ist. Die Bewegung des Roboterbetriebsendes
implementiert beispielsweise eine Montagearbeit.
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Für jede Bewegung
(jeden Betrieb) des Roboters sind Parameter, wie etwa eine Bewegungsendposition,
ein Geschwindigkeitskoeffizient und ein Beschleunigungs/Verzögerung-Koeffizient
in dem Betriebsprogramm aufgezeichnet. Der Geschwindigkeitskoeffizient
und der Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizient betreffen
eine maximale Geschwindigkeit und eine maximale Beschleunigung/Verzögerung beim
Betrieb oder der Bewegung, in Übereinstimmung
mit Raten unter bezug auf die maximal zulässige Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
und eine maximal zulässige
Beschleunigung/Verzögerung.
Die maximal zulässige
Geschwindigkeit und die maximal zulässige Beschleunigung/Verzögerung sind
im Hinblick auf die Fähigkeiten
des Motors 10 derart eingestellt, daß das Lastdrehmoment des Motors 10 ein
maximal zulässiges
Drehmoment nicht übersteigt.
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Die
CPU 11 liest die Parameter aus dem Betriebsprogramm aus.
Die CPU 11 ermittelt ein Geschwindigkeitsmuster auf Grundlage
der Parameter durch Anwendung eines trapezförmigen Musters. Die CPU 11 berechnet
einen gewünschten
Drehwinkel für
das Gelenk zu jedem Abtastzeitpunkt durch Bezugnahme auf das Geschwindigkeitsmuster.
Die CPU 11 informiert die Treiberschaltung 12 von
dem gewünschten
Drehwinkel als Winkelbefehlswert.
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3 zeigt
ein trapezförmiges
Geschwindigkeitsmuster, ermittelt durch die CPU 11. Das
trapezförmige
Geschwindigkeitsmuster besteht aus einem ersten Abschnitt entsprechend
einer Beschleunigungsstufe, einem zweiten Abschnitt, entsprechend
einem Zustand konstanter Geschwindigkeit mit maximaler Geschwindigkeit
Vmax, und einem dritten Abschnitt entsprechend einer Verzögerungsstufe.
Ein Muster eines Betriebswinkels (eines Drehwin kels), das einem
trapezförmigen
Geschwindigkeitsmuster entspricht, hat die in 4 gezeigte
Form.
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Der
Winkel des Gelenks, der zum Zeitpunkt "tn" auftritt,
ist mit θn
bezeichnet. Der Winkel des Gelenks, der zu einem Zeitpunkt "t(n + 1)" auftritt, ist mit θ(n + 1)
bezeichnet. Der Zeitpunkt "t(n
+ 1)" folgt auf
den Zeitpunkt "tn". Die Winkelgeschwindigkeit
(Winkeldrehzahl) des Gelenks, die zum Zeitpunkt "t(n + 1)" auftritt, ist mit V(n + 1) bezeichnet.
In Übereinstimmung
mit dem Winkelmuster von 4 haben der Winkel θn, der Winkel θ(n + 1)
und die Winkelgeschwindigkeit V(n + 1) die folgende Beziehung: V(n + 1)·Δt = θ(n + 1) – θn (1)wobei "Δt" das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt "t(n + 1)" und dem Zeitpunkt "tn" bezeichnet, das
beispielsweise gleich einer gegebenen Abtastzeitperiode (einer gegebenen
Abtastzeit) ist. Die Gleichung (1) wird wie folgt in eine Gleichung
(2) überführt. θ(n
+ 1) = θn
+ V(n + 1)·Δt (2)
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Der
Winkel θ(n
+ 1) des Gelenks, der während
des Zeitintervalls "Δt" nach dem Zeitpunkt "tn" auftritt, kann aus
dem Winkel θn
der Winkelgeschwindigkeit V(n + 1) und dem Zeitintervall "Δt" unter bezug auf die Gleichung (2) berechnet
werden. Während
des Zeitintervalls zwischen einem Bewegungsstartzeitpunkt und einem
Bewegungsendzeitpunkt kann der Winkel des Gelenks, der auftritt,
wenn jede Abtastperiode "Δt" abgelaufen ist,
in der folgenden Weise berechnet werden. Immer dann, wenn eine Abtastperiode "Δt" nach dem Bewegungsstartzeitpunkt abläuft, wird
die Geschwindigkeit, die im nächsten
Abtastzeitpunkt (einem Zeitpunkt des Zeitintervalls "Δt" nach dem aktuellen Zeitpunkt) auftritt,
in Übereinstimmung
mit dem Geschwindigkeitsmuster berechnet. Die berechnete Geschwindigkeit
wird mit der Abtastperiode "Δt" multipliziert. Die
vorausgehenden und die letzten Multiplikationsergebniswerte werden
addiert. Das Ergebnis der Addition bezeichnet den berechneten Winkel
des Gelenks, der immer dann auftritt, wenn eine Abtastzeitperiode "Δt" abläuft.
Information bezüglich
des berechneten Winkels des Gelenks wird der Treiberschaltung 12 als
Befehlswinkel zugeführt,
und das Gelenk wird in Übereinstimmung
mit dem Geschwindigkeitsmuster bewegt.
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In
dem Roboter in 1 wird Information bezüglich einer
gewünschten
Trajektorie (einer gewünschten Ortskurve)
des Roboterbetriebsendes in dem Betriebsprogramm eingestellt bzw.
angeordnet, und die Gelenke werden derart gesteuert, daß das Roboterbetriebsende
in Übereinstimmung
mit der gewünschten
Trajektorie bewegt wird. Im Falle einer Steuerung einer Bewegung
(eines Betriebsablaufs) des Roboters liest die CPU 11 die
Parameter aus dem Betriebsprogramm aus und ermittelt das Geschwindigkeitsmuster
auf Grundlage der Parameter. Zu jedem Abtastpunkt berechnet die
CPU 11 eine Position des Roboterbetriebsendes, die im nächsten Abtastpunkt
auftritt, in Übereinstimmung
mit dem Geschwindigkeitsmuster. Daraufhin berechnet die CPU 11 Winkel
der jeweiligen Gelenke aus der berechneten Position des Roboterbetriebsendes.
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5 zeigt
ein Flußdiagramm
eines Programmsegments zum Steuern der CPU 11. Bezüglich des Programmsegments
in 5 ist die Abtastperiode "Δt" definiert als Additionszeitausmaß bzw. -größe STk.
Die abgelaufene Zeit zwischen dem Bewegungsstartzeitpunkt und dem
aktuellen Abtastpunkt ist als Betriebsbe fehlszeit "ti" definiert. Ein Zeitintervall
zum Steuern und Bewegen des Gelenks (des Motors 10) ausgehend
vom aktuellen Winkel zu einem Befehlswinkel ist als Steuereinheitszeit "tu" definiert. Unter
normalen Bedingungen ist das Zusatzzeitausmaß STk auf eine vorbestimmte
konstante Zeitperiode oder einen Normalwert eingestellt, der durch
das Zeichen ST bezeichnet ist. Wenn andererseits erwartet wird,
daß das
Antriebsdrehmoment zum Bewegen des Gelenks zu dem Befehlswinkel
einen Grenzwert (gleich dem maximal zulässigen Drehmoment des Motors 10) übersteigt,
wird das Zusatzzeitausmaß STk
als eine Zeit gewählt,
die kürzer
ist als die vorstehend genannte vorbestimmte konstante Periode (der
vorausgehend genannte Normalwert) ST. Die Steuereinheitszeit "tu" bleibt gleich einer
vorbestimmten Zeit entsprechend einer Abtastperiode.
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Das
Programmsegment in 5 wird immer dann gestartet,
wenn die Ausführung
einer Bewegung des Roboters erforderlich ist. Ein erster Schritt
S1 des Programmsegments in 5 liest
Information bezüglich Parameter
aus dem Betriebsprogramm aus. Die Parameter umfassen eine Bewegungsendposition
und Geschwindigkeits- sowie Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizienten. Der
Schritt S1 ermittelt ein Geschwindigkeitsmuster auf Grundlage der
Parameter, wie nachfolgend erläutert.
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Der
Schritt S1 liest Information bezüglich
der maximal zulässigen
Beschleunigung des Motors 10, Information bezüglich der
maximal zulässigen
Verzögerung
des Motors 10 und Information bezüglich der maximal zulässigen Geschwindigkeit
des Motors 10 aus dem Betriebsprogramm aus. Außerdem gewinnt
der Schritt S1 Information bezüglich
der Bewegungsstartposition (der aktuellen Position des Motors 10)
aus dem Ausgangssignal der Positionsermittlungsschaltung 13.
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Der
Schritt S1 berechnet eine Beschleunigung "α" und eine Verzögerung "β" aus der maximal zulässigen Beschleunigung des Motors 10,
der maximal zulässigen
Verzögerung
des Motors 10 und dem Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizienten.
Insbesondere sind die Beschleunigung "α" und die Verzögerung "β" gleich der maximal zulässigen Beschleunigung
und Verzögerung,
multipliziert mit dem Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizienten. Außerdem berechnet
der Schritt S1 eine maximale Geschwindigkeit Vmax aus der maximal
zulässigen
Geschwindigkeit des Motors 10 und dem Geschwindigkeits-Koeffizienten.
Insbesondere ist die maximale Geschwindigkeit Vmax gleich der maximal
zulässigen
Geschwindigkeit, multipliziert mit dem Geschwindigkeits-Koeffizienten.
Ferner berechnet der Schritt S1 die Distanz L, die durch das Roboterbetriebsende,
ausgehend von der Bewegungsstartposition zu der Bewegungsendposition
durchlaufen wird. Auf die Distanz L wird als Bewegungsausmaß L bezug
genommen.
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Der
Schritt S1 ermittelt das Geschwindigkeitsmuster auf Grundlage des
Bewegungsausmaßes
L, der Beschleunigung "α" der maximalen Geschwindigkeit
Vmax und der Verzögerung "β" durch Anwendung des trapezförmigen Musters
in 3.
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Ein
Schritt S2, der auf den Schritt S1 folgt, berechnet Betriebsparameter,
welche das Geschwindigkeitsmuster bilden. Die Betriebsparameter
umfassen die Zeit t1, die für
die Beschleunigungsstufe erforderlich ist, die Zeit t2, die für die Verzögerungsstufe
erforderlich ist, und die Zeit T, die von dem Bewegungsstart zu dem
Bewegungsende erforderlich ist (siehe 3). Es wird
bemerkt, daß die
maximale Geschwindigkeit Vmax in den Betriebsparametern enthalten
ist. Insbesondere werden die Zeit t1 für die Beschleunigungsstufe,
die Zeit t2 für
die Verzögerungsstufe
und die Zeit T für
die Bewegung in Übereinstimmung
mit den folgenden Gleichungen berechnet. t1
= Vmax/α (3) t2 = Vmax/β (4) T = (L/Vmax) + Vmax·(1/α + 1/β)2 (5)
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Ein
Schritt S3 folgend auf den Schritt S2 initialisiert die Betriebsbefehlszeit "ti" bis "0". Mit anderen Worten führt der
Schritt S3 die Initialisierungseinstellung als "ti = 0" aus. Diese Initialisierung sorgt dafür, daß der aktuelle
Zeitpunkt in den Ursprung (den Bewegungsstartpunkt) bezüglich der
Zeitachse (der Zeitbasis) in dem Geschwindigkeitsmuster von 3 eingestellt
wird. Nach dem Schritt S3 schreitet das Programm zu einem Schritt
S4 weiter.
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Der
Schritt S4 initialisiert das Zusatzzeitausmaß STk auf einen vorbestimmten
Zeitwert ST. Nach dem Schritt S4 schreitet das Programm zu einem
Schritt S5 weiter.
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Der
Schritt S5 berechnet die Position des Roboterbetriebsendes, die
zu einem Zeitpunkt folgend auf die aktuelle Zeit "ti" durch das bzw. mit
dem Zusatzzeitausmaß STk
auftritt. Die Bewegungsstartposition des Roboterbetriebsendes ist
durch dreidimensionale Koordinaten (Xs, Ys, Zs) und Neigungswinkel
(αs, βs, γs) in bezug
auf die drei Achsen der dreidimensionalen Koordinaten gegeben. Die
Bewegungsendposition des Roboterbetriebsendes ist durch dreidimensionale
Koordinaten (Xe, Ye, Ze) und Neigungswinkel (αe, βe, γe) in bezug auf die drei Achsen
der dreidimensionalen Koordinaten gegeben. Komponenten bzw. Bestandteile
der maximalen Geschwindigkeit Vmax des Roboterbetriebsendes in geraden
Richtungen entlang der drei Achsen der dreidimensionalen Koordinaten
sind als "(Vmx,
Vmy, Vmz)" ausgedrückt. Komponenten
bzw. Bestandteile der maximalen Geschwindigkeit Vmax des Roboterbetriebsendes
in Kreisrichtungen oder Umfangsrichtungen um die drei Achsen der
dreidimensionalen Koordinaten herum sind als "(Vmα,
Vmβ, Vmγ)" ausgedrückt. Die Position
des Roboterbetriebsendes, die zu einem Zeitpunkt "t" auftritt, ist durch dreidimensionale
Koordinaten (Xt, Vt, Zt) und Neigungswinkel (αt, βt, γt) in bezug auf die drei Achsen
der dreidimensionalen Koordinaten gegeben. Die Positionskomponente
Xt ist wie folgt festgelegt.
wobei
Ta das Zeitintervall zwischen dem Bewegungsstartzeitpunkt und dem
Punkt zwischen der Konstant-Geschwindigkeitsstufe und der Beschleunigungsstufe
bezeichnet, wie in
3 gezeigt. Die Positionskomponenten
Yt und Zt und die Neigungswinkelkomponenten αt, βt und γt sind in ähnlicher Weise festgelegt.
Die Position des Roboterbetriebsendes, die zu einem Zeitpunkt folgend
auf den aktuellen Zeitpunkt "ti" durch bzw. zusätzlich mit
dem Zusatzzeitausmaß STk
auftritt, wird in Übereinstimmung
mit den Positionskomponenten Xt, Yt und Zt und den Neigungswinkelkomponenten αt, βt und γt berechnet.
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Für jedes
der Gelenke berechnet ein auf den Schritt S5 folgender Schritt S6
die Position des Gelenks, die zu einem Zeitpunkt "(ti + STk)" auftritt, auf Grundlage
der Roboterbetriebsendposition, berechnet durch den Schritt S5.
Der Schritt S6 legt die berechnete Position des Gelenks als vorläufigen Befehlswinkel
des Gelenks fest.
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Für jedes
der Gelenke berechnet ein auf den Schritt S6 folgender Schritt S7
ein Antriebsdrehmoment (ein Lastdrehmoment des Motors 10),
das für
eine Bewegung des Gelenks von der aktuellen Position zu dem vorübergehenden
bzw. provisorischen Gelenkbefehlswinkel während des Zusatzzeitausmaßes STk
erforderlich ist. Das berechnete Antriebsdrehmoment wird auch als
provisorisches bzw. vorübergehendes
Gelenkantriebsdrehmoment bezeichnet.
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In
dem Fall eines Roboters mit "n" (n = 1, 2, ...,
i, ...) Gelenken wird das Antriebsdrehmoment "τi" für ein i-tes
Gelenk in Übereinstimmung
mit der folgenden Gleichung berechnet.
wobei "θj" den Winkel eines j-ten Gelenks bezeichnet,
wobei
"θ .j" die Winkelgeschwindigkeit
des j-ten Gelenks bezeichnet, wobei
"θ ..j" die
Winkelbeschleunigung des j-ten Gelenks bezeichnet, wobei "fj" eine vorbestimmte Funktion
für das
j-te Gelenk bezeichnet, und wobei "gi" eine
vorbestimmte Funktion für
das i-te Gelenk bezeichnet. Auf der rechten Seite von Gleichung
(9) stellt der erste Ausdruck einen Faktor proportional zur Winkelbeschleunigung
von jedem der Gelenke dar, der zweite Ausdruck stellt einen Faktor
proportional zu dem Produkt aus den Winkelgeschwindigkeiten von
zwei Gelenken dar, ein dritter Ausdruck stellt einen Faktor proportional
zu der Winkelgeschwindigkeit des i-ten Gelenks dar, und der vierte
Ausdruck stellt einen konstanten Faktor dar. In dem Fall, daß das Gewicht
der Hand oder das Gewicht des Werkzeugs oder des Werkstücks, das
durch die Hand ergriffen wird, nicht vernachlässigbar ist, ist es bevorzugt,
einen betreffenden Gewichtsfaktor in die Gleichung (9) einzubauen,
um eine genauere Berechnung des Antriebsdrehmoments zu ermöglichen.
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Für jedes
der Gelenke vergleicht ein auf den Schritt S7 folgender Schritt
S8 das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment mit einem vorbestimmten
Grenzwert gleich dem maximal zulässigen
Drehmoment des Motors 10. Wenn das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment
gleich oder kleiner als der vorbestimmte Grenzwert ist, d. h. wenn
das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment gleich oder kleiner als
das maximal zulässige
Drehmoment des Motors 10 ist, schreitet das Programm vom
Schritt S8 zu einem Schritt S9 weiter. Anderweitig schreitet das
Programm von dem Schritt S8 zu einem Schritt S13 weiter.
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Für jedes
der Gelenke überträgt der Schritt
S9 Information bezüglich
des provisorischen Gelenkbefehlswinkels zu einem Puffer als Anzeige
eines endgültigen
Gelenkbefehlswinkels. Der Puffer umfaßt beispielsweise einen Akkumulator
in der CPU 11.
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Ein
Schritt S10 folgend auf den Schritt S9 vergleicht die Befehlsbetriebszeit "ti" mit der Zeit T der
Bewegung, um zu entscheiden, ob oder ob nicht die Bewegung beendet
wurde. Wenn die Befehlsbetriebszeit "ti" kleiner
oder kürzer
als die Zeit T der Bewegung (ti < T)
ist, d. h., wenn die Bewegung noch nicht beendet wurde, schreitet
das Programm von dem Schritt S10 zu einem Schritt S11 weiter. Anderweitig
wird das Programm am Schritt S10 verlassen und der aktuelle Ausführungszyklus
des Programmsegments endet.
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Für jedes
der Gelenke überträgt der Schritt
S11 die Information bezüglich
des endgültigen
Befehlswinkels von dem Puffer zu der Antriebsschaltung 12 (siehe 2).
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Ein
Schritt S12 folgend auf den Schritt S11 aktualisiert die Befehlsbetriebszeit "ti". Insbesondere inkrementiert
der Schritt S12 die Befehlsbetriebszeit "ti" mit
dem Zusatzzeitausmaß STk
in Übereinstimmung
mit der Progammfestlegung "ti
= ti + STk". Nach
dem Schritt S12 kehrt das Programm zu dem Schritt S4 zurück. Unter
normalen Bedingungen wird die Abfolge des Schritts S4 und der nachfolgenden
Schritte bis zum Ende der Zeit T der Bewegung iteriert.
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Die
folgenden Prozesse werden insbesondere iteriert. Wenn jede Steuereinheitszeit "tu" abgelaufen ist,
berechnet die CPU 11 einen provisorischen Befehlswinkel
für jedes
der Gelenke, der mit dem Zusatzzeitausmaß STk danach in einer Weise ähnlich wie
in der vorstehend geführten
Weise auftritt. Vorausgesetzt, daß betreffende provisorische
Gelenkantriebsdrehmoment ist gleich oder kleiner als der Grenzwert,
führt die
CPU 11 Information bezüglich
des provisorischen Gelenkbefehlswinkels der Treiberschaltung 12 als
Anzeige des endgültigen
Befehlswinkels zu.
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Die
Treiberschaltung 12 wird demnach von einem Befehlswinkel
für jeden
bzw. von jedem der Gelenke informiert, wenn jede Steuereinheitszeit "tu" abgelaufen ist.
Die Treiberschaltung 12 dividiert die Steuereinheitszeit "tu" in "n" unter Steuereinheitszeiten "tu/n" und berechnet Befehlswinkel
für das
Gelenk für
die jeweiligen Untersteuereinheitszeiten "tu/n",
wobei "n" eine vorbestimmte
natürliche
Zahl bezeichnet. Für
jede der Untersteuereinheitszeiten "tu/n" gewinnt
die Treiberschaltung 12 den tatsächlichen aktuellen Winkel von
jedem der Gelenke aus dem Ausgangssignal der Positionsermittlungsschaltung 13.
Für jede
der Untersteuereinheitszeiten "tu/n" vergleicht die Treiberschaltung 12 den
Befehlswinkel von jedem der Gelenke mit seinem tatsächlichen
aktuellen Winkel und berechnet die Differenz dazwischen und erzeugt
einen Strom in Übereinstimmung mit
der berechneten Differenz. Die Treiberschaltung 12 führt den erzeugten
Strom dem betreffenden Motor 10 derart zu, daß der tatsächliche
Winkel von jedem der Gelenke gleich seinem Befehlswinkel ist. Da
das Zusatzzeitausmaß STk
und die Steuereinheitszeit "tu" unter normalen Bedingungen
gleich sind, werden die tatsächliche
Winkelgeschwindigkeit von jedem der Gelenke und die tatsächliche
Winkelgeschwindigkeit des Roboterbetriebsendes in Übereinstimmung
mit dem Geschwindigkeitsmuster gebracht, das im Schritt S1 von 5 ermittelt
ist.
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Wenn
der Schritt S8 ermittelt, daß das
provisorische Gelenkantriebsdrehmoment das maximal zulässige Drehmoment
des Motors 10 für
zumindest eines der Gelenke übersteigt,
schreitet das Programm von dem Schritt S8 zu dem Schritt S13 weiter.
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Der
Schritt S13 berechnet eine korrigierte Winkelgeschwindigkeit
θ .j' des j-ten Gelenks
und eine korrigierte Winkelbeschleunigung
θ ..j' des j-ten Gelenks unter Bezugnahme
auf die folgenden Gleichung.
θ .j' = Rθ .j (10) wobei
"θ .jpr" die Winkelgeschwindigkeit
des j-ten Gelenks bezeichnet, die zu einem Zeitpunkt auftritt, welcher dem
aktuellen Zeitpunkt mit einer Abtastperiode vorausgeht; wobei R
eine Winkelgeschwindigkeitsänderungsrate
bezeichnet, und wobei ΔT
die Abtastperiodenzeitdauer bezeichnet. Die Winkelgeschwindigkeitsänderungsrate
R wird auch als Geschwindigkeitsänderungsverhältnis R
bezeichnet. Der Schritt S13 ersetzt die korri gierte Winkelgeschwindigkeit
θ .j' des j-ten Gelenks
und die korrigierte Winkelbeschleunigung
θ ..j' des j-ten Gelenks für die Winkelgeschwindigkeit
θ .j des
j-ten Gelenks und die Winkelbeschleunigung
θ ..j des j-ten Gelenks in
der Gleichung (9). Der Schritt S13 berechnet das Geschwindigkeitsänderungsverhältnis R,
mit welchem das Antriebsdrehmoment den Grenzwert "τimax" nicht überschreitet.
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Das
Ersetzen der korrigierten Winkelgeschwindigkeit θ .j' und der korrigierten
Winkelbeschleunigung θ ..j' durch
die Winkelgeschwindigkeit θ .j und die Winkelbeschleunigung θ ..j in
der Gleichung (9) führt
zu der folgenden Gleichung. C1·R2 + C2·R
+ C3 = 0 (13)
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In
der Gleichung (13) sind C1, C2 und C3 wie folgt festgelegt:
wobei "τimax" das Grenzdrehmoment des Motors
10 für das i-te
Gelenk bezeichnet. Der Schritt S13 löst die Gleichung (13) und gewinnt
damit das Geschwindigkeitsänderungsverhältnis R,
welches durch die folgende Beziehung gegeben ist.
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Wie
durch die Beziehung (17) gezeigt, gibt es positive und negative
Geschwindigkeitsänderungsverhältnisse
R. Der Schritt S13 nutzt ein Positives als Endgeschwindigkeitsänderungsverhältnis R.
Das Endgeschwindigkeitsänderungsverhältnis R
liegt im Bereich von 0 bis 1.
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Ein
auf den Schritt S13 folgender Schritt S14 aktualisiert oder korrigiert
das Additions- bzw. Zusatzzeitausmaß STk. Insbesondere erniedrigt
der Schritt S14 das Zusatzzeitausmaß STk unter den Normalwert ST.
Mehr im einzelnen stellt der Schritt S14 ein korrigiertes Zusatzzeitausmaß (ein aus
der Korrektur resultierendes Zusatzzeitausmaß) STk auf das Produkt des
vorstehend genannten Normalwerts ST mit dem Endgeschwindigkeitsänderungsverhältnis R
ein. Mit anderen Worten führt
der Schritt S14 die Berechnung "STk
= R·ST" durch. Nach dem
Schritt S14 kehrt das Programm zu dem Schritt S5 zurück.
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Der
Schritt S5 berechnet die Position des Roboterbetriebsendes, die
zu einem Zeitpunkt folgend auf den aktuellen Zeitpunkt "ti" vermehrt um das
aus der Korrektur resultierende Zusatzzeitausmaß STk (= R·ST) auftritt. Daraufhin berechnet
der Schritt S6 einen provisorischen Befehlswinkel für jedes
der Gelenke, ansprechend auf das aus der Korrektur resultierende
Zusatzzeitausmaß STk
in einer Weise ähnlich
zu der vorstehend genannten Weise.
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Daraufhin
berechnet der Schritt S7 ein provisorisches Antriebsdrehmoment für jedes
der Gelenke. Als nächstes
vergleicht der Schritt S8 das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment
mit dem vorbestimmten Grenzwert. Wenn das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment
gleich oder kleiner als der vorbestimmte Grenzwert ist, scheidet
das Programm vom Schritt S8 zu dem Schritt S9 weiter. Für jedes
der Gelenke überträgt der Schritt
S9 Informa tion des provisorischen Gelenkbefehlswinkels zu dem Puffer
als Anzeige des Endgelenkbefehlswinkels. In dem Fall, daß das Programm
vom Schritt S9 zum Schritt S11 über
den Schritt S10 weiterschreitet, überträgt der Schritt S11 die Information über den
endgültigen
Befehlswinkel für
jedes der Gelenke von dem Puffer zu der Antriebsschaltung 12 (siehe 2).
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In
diesem Fall entspricht der endgültige
Befehlswinkel bzw. der Endbefehlswinkel dem aus der Korrektur resultierenden
Zusatzzeitausmaß STk
(= R·ST).
Da das aus der Korrektur resultierende Zusatzzeitausmaß STk kleiner
als der Normalwert ST ist, liegt der endgültige Befehlswinkel für jedes
der Gelenke näher
an dem aktuellen Winkel als der nicht korrigierte Befehlswinkelwert.
Der endgültige
Befehlswinkel von jedem der Gelenke entspricht einer kleineren Winkelbewegung
des Gelenks. Andererseits verringert die Treiberschaltung 12 die
Steuereinheitszeit "tu" nicht, sondern hält sie gleich
dem Normalwert ST. Außerdem
implementiert die Treiberschaltung 12 die kleinere Winkelbewegung
von jedem der Gelenke zu dem Befehlswinkel während der Steuereinheitszeit "tu", die ungeändert bleibt.
Die tatsächliche
Winkelgeschwindigkeit bzw. die tatsächliche Winkelbeschleunigung
von jedem der Gelenke wird deshalb derart verringert, daß das Antriebsdrehmoment für jedes
der Gelenke gleich oder kleiner als der Grenzwert sein kann.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird der provisorische Gelenksteuerwinkelwert berechnet und auch
das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment wird berechnet, wenn
das jeweilige Zusatzzeitausmaß STk
abgelaufen ist. In dem Fall, daß das
provisorische Gelenkbefehlsantriebsdrehmoment den Grenzwert überschreitet,
wird der provisorische Gelenkbefehlswinkel derart korrigiert, daß das provisorische
Gelenkbefehlsantriebsdrehmoment gleich oder kleiner als der Grenzwert
wird. Die tatsächlichen
Geschwindigkeiten und die tatsächlichen Beschleunigungen/Verzögerungen
der Ge lenke werden so gesteuert, daß sie gleich oder kleiner als
ihre Grenzwerte selbst dann sind, wenn der Geschwindigkeitskoeffizient
und der Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizient
während
eines Lehrprozesses relativ groß eingestellt
sind. Es ist deshalb nicht erforderlich, den Geschwindigkeits-Koeffizienten
und den Beschleunigungs/Verzögerungs-Koeffizienten
einzustellen, wenn berücksichtigt
wird, zu verhindern, daß der
Motor 10 in einen Überlastungszustand
fällt.
Es ist deshalb möglich,
den Lehrprozeß problemlos
auszuführen.
Die Fähigkeiten
des Motors 10 können
maximal genutzt werden, wenn die maximale Geschwindgkeit Vmax oder
die Beschleunigung/Verzögerung
groß eingestellt
ist. Demnach ist es möglich,
die Zeit (die Taktzeit) der Arbeit durch den Roboter zu verkürzen.
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In
dem Fall, daß das
provisorische Gelenkbefehlsantriebsdrehmoment den Grenzwert übersteigt,
wird das Zusatzzeitausmaß Stk
derart korrigiert, daß das
provisorische Gelenkbefehlsantriebsdrehmoment gleich oder kleiner
als der Grenzwert wird. Infolge hiervon werden die tatsächlichen
Geschwindigkeiten und die tatsächlichen
Beschleunigungen/Verzögerungen
der Gelenke so gesteuert, daß sie
gleich oder kleiner als ihre Grenzwerte sind. Obwohl die tatsächlichen
Geschwindigkeiten und die tatsächlichen
Beschleunigungen/Verzögerungen
der Gelenke niedriger bzw. kleiner sind als die Geschwindigkeiten
und Beschleunigungen/Verzögerungen,
die aus dem Geschwindigkeitsmuster gewonnen werden, bewegen sich
die Gelenke um Winkel, die aus dem Geschwindigkeitsmuster gewonnen
werden, während
die Verringerungen der Geschwindigkeiten und der Beschleunigungen/Verzögerungen
der Gelenke den gleichen Raten entsprechen. Die tatsächliche
Trajektorie (die tatsächliche
Ortskurve) des Roboterbetriebsendes stimmt damit mit der programmierten
Trajektorie oder der gewünschten
Trajektorie überein.
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Eine
erste Modifikation der vorstehend genannten Ausführungsform gemäß dieser
Erfindung ist wie folgt ausgelegt. Das maximal zulässige Drehmoment
des Motors 10 ist als oberer Grenzwert gewählt, während ein
Drehmoment geringfügig
kleiner als das maximal zulässige
Drehmoment als unterer Grenzwert gewählt ist. In dem Fall, daß das provisorische
Gelenkantriebsdrehmoment unter den unteren Grenzwert abnimmt, wird das
Zusatzzeitausmaß STk
länger
eingestellt als der Normalwert ST, um den Befehlswinkel zu korrigieren.
In Übereinstimmung
mit dieser Modifikation können
die Fähigkeiten
des Motors 10 zusätzlich
bzw. länger
genutzt werden, und die Taktzeit kann verkürzt werden.
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Eine
zweite Modifikation der vorstehend genannten Ausführungsform
gemäß dieser
Erfindung ist wie folgt ausgelegt. Das Zusatzzeitausmaß STk bleibt
ungeachtet dessen, ob oder ob nicht das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment
den Grenzwert übersteigt,
konstant. Andererseits nimmt die Steuereinheitszeit "tu" zu, um die Winkelgeschwindigkeit
von jedem der Gelenke in dem Fall zu reduzieren, daß das provisorische Gelenkantriebsdrehmoment
den Grenzwert übersteigt.
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Im
Fall einer PTP-Steuerung, bei welcher eine gewünschte Trajektorie (eine gewünschte Ortskurve) eines
Roboterbetriebsendes nicht programmiert, sondern ein Geschwindigkeitsmuster
für jedes
der Gelenke ermittelt bzw. festgelegt wird, wird ein provisorischer
Befehlswinkel für
jedes der Gelenke berechnet. Wenn ein provisorisches Gelenkantriebsdrehmoment
seinen Grenzwert für
zumindest eines der Gelenke übersteigt,
wird ein Geschwindigkeitsänderungsverhältnis für das in
Rede stehende Gelenk berechnet. Das berechnete Geschwindigkeitsänderungsverhältnis wird
auf die Steuerung sämtlicher
Gelenke angewendet und ein Zusatzzeitausmaß oder eine Steuereinheitszeit
wird korrigiert. In diesem Fall kann die tatsächliche Trajektorie (die tatsächliche
Ortskurve) des Roboterbetriebsendes mit einer program mierten Trajektorie
oder einer gewünschten
Trajektorie übereinstimmen.
