DE19934973A1

DE19934973A1 - SCARA-Roboter

Info

Publication number: DE19934973A1
Application number: DE19934973A
Authority: DE
Inventors: Kenichiro Hiruma; Shinji Suzuki; Rika Miyazawa; Yoshihito Sakashita; Haruhiko Tanaka; Kikue Hosono
Original assignee: Janome Sewing Machine Co Ltd
Current assignee: Janome Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: DE19934973B4; TW454612U; US6212968B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper (60), eine Halterung (53), die vertikal entlang dem Roboterkörper (60) beweglich ist, einen ersten Arm (50), der mit einem Ende betriebsmäßig mit der Halterung (53) derart verbunden ist, daß der erste Arm (50) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einen zweiten Arm (51), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms (50) derart verbunden ist, daß der zweite Arm (51) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, und eine R-Welle (52), die am freien Ende des zweiten Arms (51) drehbar angebracht ist, wobei Schrittmotoren (12, 22, 32 und 42) vorgesehen sind, um die ersten (50) und zweiten (51) Arme, die R-Welle (52) und die Halterung (53) zu bewegen, und wobei Kodierer vorgesehen sind, um die Schrittimpulse der Schrittmotoren zu zählen. Die gezählten Impulse werden in eine CPU1 derart rückgekoppelt, daß diese Fehler zu korrigieren vermag, wenn Fehler zwischen der gezählten Anzahl von Impulsen und der erforderlichen Anzahl von Impulsen ermittelt werden. Wenn die Fehler ermittelt werden, können die Schrittmotoren gestoppt und die Fehler angezeigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen SCARA-Roboter.

Der SCARA-Roboter (SCARA steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm bzw. Montage-Roboterarm mit wahlweise (ela stischer) Nachgiebigkeit) ist allgemein bekannt als Roboter, der Mehrgelenkarme aufweist, die in einer horizontalen Ebene beweglich sind. Insbesondere weist der SCARA-Roboter einen er sten Arm auf, der mit einem Ende an einer Halterung des Robo ters befestigt ist, und einen zweiten Arm, der mit einem Ende am gegenüberliegenden Ende des ersten Arms angelenkt ist und eine R-Welle aufweist, die drehbar auf dem bzw. am freien Ende desselben derart angebracht ist, daß die R-Welle zur Durchfüh rung von Arbeitsvorgängen drehbetätigbar ist. Zusätzlich zu den drei Gelenkachsen kann die Halterung vertikal am Roboter körper bewegt werden. Dadurch ist der Roboter allgemein gesagt vom Drei(3)- oder Vier(4)-Achsen-Typ. Herkömmlicherweise ist der SCARA-Roboter üblicherweise durch Antriebsquellen vom Ser vomotor-Typ betätigt worden.

Ein Servomotor hat üblicherweise eine große Bauform, weshalb auch die Steuereinrichtung eine große Bauform hat. Der SCARA-Roboter wird deshalb als platzaufwendig angesehen und erfor dert viel elektrische Energie. Außerdem sind die Servomotoren normalerweise auf der Armseite des Roboters angebracht. Der SCARA-Roboter muß deshalb massiv und stark genug konstruiert werden, daß er diese großen und schweren Servomotoren und die entsprechend groß bemessene Steuervorrichtung zum Zuführen elektrischer Energie zu den Servomotoren tragen kann. Das ist der Grund dafür, weshalb der SCARA-Roboter als sperrig be zeichnet wird.

Anstelle der Servomotoren können Schrittmotoren eingesetzt werden, um die Größe des SCARA-Roboters zu verringern. Falls jedoch keine Positionsbestätigungsfunktion vorgesehen ist, ist es stets erforderlich, beim ersten Schritt der Steuerroutine zur anfänglichen Position rückzukehren, um das Schrittausmaß der Schrittmotoren für jeden Bewegungsschritt zu steuern, d. h., das Bewegungsausmaß der Schrittmotoren auf Grundlage einer Bezugsposition zu steuern.

Außerdem ist der durch Wechselstrom-Servomotoren angetriebene SCARA-Roboter dazu ausgelegt, automatisch innerhalb eines vor bestimmten Arbeitsbereichs ungeachtet bestimmter Hindernisse oder Personen zu arbeiten, die gegebenenfalls im Arbeitsbe reich anwesend sind. Dies führt zu einer Beschädigung von Sa chen oder zu einer Verletzung der Personen. Es war deshalb häufig erforderlich, "Halten Sie sich fern!" anzukündigen.

Eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht des halb darin, einen SCARA-Roboter zu schaffen, der mechanisch kompakt ist und geringe Abmessungen hat.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Schrittmoto ren zum Antreiben der wesentlichen Elemente des Roboters be reitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Sensoren zum Ermitteln des Bewegungsausmaßes der Schrittmotoren zu schaf fen, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, beim ersten Schritt der Steuerroutine zur anfänglichen Einstellung der Schrittmotoren bei jedem dieser Schritte rückzukehren, um da durch korrekte Bewegungen der wesentlichen Elemente des Robo ters sicherzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das erfor derliche Bewegungsausmaß und das tatsächliche Bewegungsausmaß der Schrittmotoren zu vergleichen und Fehler zu korrigieren, soweit solche vorliegen, um dadurch die korrekten Bewegungen der wesentlichen Elemente des Roboters zu korrigieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schritt motoren zu stoppen, wenn die Fehler bei einer Schrittbewegung der Schrittmotoren ermittelt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bei der Schrittbewegung der Schrittmotoren ermittelten Fehler anzuzei gen.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zum Antreiben der Schrittmotoren bei verringerter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu schaffen, um festzustellen, ob die wesentlichen Elemente des Roboters innerhalb eines vor bestimmten Leistungsbereichs arbeiten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, 4 bzw. 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schafft demnach einen SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper, einen ersten Arm, der mit einem Ende be triebsmäßig mit dem Roboterkörper derart verbunden ist, daß der erste Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, ei nen zweiten Arm, der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem ge genüberliegenden Ende des ersten Arms derart verbunden ist, daß der zweite Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, und eine R-Welle, die am freien Ende des zweiten Arms drehbar angebracht ist, wobei der Roboter im wesentlichen einen ersten Schrittmotor aufweist, der in einer Halterung zum Bewegen des ersten Arms angebracht ist, einen zweiten Schrittmotor, der in einer Halterung zum Bewegen des zweiten Arms angeordnet ist, eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes der Schrittmotoren und eine Einrichtung, die ansprechend auf die Signale von der Sensoreinrichtung betätigt ist, um dadurch die Positionen der ersten und zweiten Arme zu ermitteln.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen bei spielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen SCARA-Roboters,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Er findung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der ersten erfin dungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Aus führungsform,

Fig. 5 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der zweiten erfin dungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 6 ein Blockdiagramm der dritten Ausführungsform der Er findung, und

Fig. 7 ein Flußdiagramm von der Arbeitsweise der dritten Aus führungsform der Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der Roboter einen Roboterkörper 60 und eine Halterung 53 auf, die am Roboterkörper derart vor gesehen ist, daß sie vertikal entlang dem Roboterkörper beweg lich ist. Ein erster Arm 50 ist mit einem Ende betriebsmäßig mit der Halterung 53 derart verbunden, daß der erste Arm auf bzw. an der Halterung in einer Horizontalebene drehbeweglich ist. Ein zweiter Arm 51 ist mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms 50 derart verbun den, daß der zweite Arm auf bzw. an dem ersten Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist. Eine R-Welle 52 ist auf bzw. an dem freien Ende des zweiten Arms 51 drehbar ange bracht. Die R-Welle wird zum praktischen Betrieb drehbetätigt. Ein flexibles Gehäuse 61 erstreckt sich zwischen dem Roboter körper 60 und der Halterung 53 zur Aufnahme der Verdrahtung des Roboters.

Ein Schrittmotor 42 ist im Roboterkörper 60 zur Bewegung der Halterung 53 vertikal entlang des Roboterkörpers 60 vorgese hen. Ein weiterer Schrittmotor 12 ist in der Halterung 53 vor gesehen und betriebsmäßig mit dem ersten Arm 50 durch eine Re duktionsvorrichtung 15 derart verbunden, daß der Schrittmotor 12 zur Drehbewegung des ersten Arms in einer Horizontalebene auf bzw. an der Halterung 53 angetrieben ist.

Noch ein weiterer Schrittmotor 22 ist in der Halterung 53 vor gesehen und mit dem zweiten Arm 51 durch eine Transmissions- bzw. Getriebevorrichtung betriebsmäßig verbunden, welche einen Transmissionsriemen umfaßt, so daß der Schrittmotor 22 ange trieben ist, um den zweiten Arm 51 in einer Horizontalebene auf bzw. an dem ersten Arm 50 in Drehung zu versetzen bzw. drehzubewegen. Ein weiterer Schrittmotor 32 ist in der Halte rung 53 vorgesehen und betriebsmäßig mit der R-Welle 52 durch eine Transmissions- bzw. Getriebevorrichtung verbunden, welche einen Transmissionsriemen derart umfaßt, daß der Schrittmotor 32 angetrieben ist, um die R-Welle 52 in Drehung zu versetzen.

Mit dem vorstehend erläuterten mechanischen Aufbau bzw. für diesen ist der Roboter, wie in Fig. 2 gezeigt, mit einer CPU 1 versehen, die ansprechend auf die Signale oder Befehle von ei nem RAM 2, ROM 3 und/oder einer Speicherkarte 4 betätigt wird, um die Betriebsabläufe der wesentlichen Elemente des Roboters zu steuern, einschließlich des Antriebsmechanismus 10 zum Be wegen des ersten Arms 50, wie vorstehend angeführt, eines wei teren Antriebsmechanismus 20 zum Bewegen des zweiten Arms 51, wie vorstehend angeführt, eines weiteren Antriebsmechanismus 30 zum Drehen der R-Welle 52, wie vorstehend angeführt und ei nes weiteren Antriebsmechanismus 40 zum Bewegen der Halterung 53, wie vorstehend angeführt. Der Antriebsmechanismus 10 um faßt eine Antriebsmotorsteuervorrichtung 11, die ansprechend auf die Befehle von der CPU 1 betätigt wird, um den Schrittmo tor 12 anzutreiben, wodurch der erste Arm 50 für bzw. über eine vorbestimmte Distanz bewegt wird. Die Schrittbewegung des Schrittmotors 12 wird durch einen Kodierer 13 ermittelt und zu der CPU1 rückgekoppelt. Ein Anfangseinstellungssensor 14 ist vorgesehen, um zu ermitteln, ob der Schrittmotor 12 in die an fängliche Position eingestellt bzw. in dieser angeordnet ist.

Die weiteren Antriebsmechanismen 20, 30 und 40 entsprechend dem Antriebsmechanismus 10 bezüglich der dort enthaltenen Be standteile, obwohl sich die diesbezüglichen Bezugsziffern von einander unterscheiden.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Betriebsabläufe bzw. ist der Arbeitsvorgang wie folgt:
Wenn elektrische Energie bzw. elektrischer Strom zugeführt wird, werden die Schrittmotoren initialisiert (Schritt S1).

Die Bedienperson gibt Information betreffend Bewegungspunkten ein (Schritt S2) und einen Befehl zum Starten (Schritt S3).

Die CPU 1 wird ansprechend auf den Startbefehl betätigt, um die Schrittausmaße der Schrittmotoren zu berechnen, um an die Schrittmotoren 12, 22, 32 und 42 jeweils Befehle auszugeben (Schritt S4). Die Schrittmotoren 12, 22, 32 und 42 werden in Übereinstimmung mit den Befehlen von der CPU 1 angetrieben (Schritt S5). Die Kodierer 3, 23, 33 und 43 starten das Zählen der Schrittimpulse der Schrittmotoren 12, 22, 32 und 42 (Schritt S6) und koppeln die Zählraten zu der CPU 1 zurück (Schritt S6). Die CPU 1 vergleicht die Anzahl der Ist-Schrit timpulse mit der erforderlichen Anzahl bzw. der Soll-Anzahl der Schrittimpulse (Schritt S7). Wenn die verglichenen Anzah len nicht gleich in bezug aufeinander sind, werden die Fehler korrigiert (Schritt S8) und die Schrittmotoren werden mit den korrigierten Werten angetrieben (Schritt SS). Wenn anderer seits die verglichenen Anzahlen gleich in bezug aufeinander sind, wird der nachfolgende Bewegungspunkt bezeichnet bzw. festgelegt (Schritt S9). Die Betriebsabläufe bzw. Arbeitsvor gänge vom Schritt S4 zum Schritt S9 werden wiederholt, bis die Schrittmotoren die endgültigen Zielpunkte erreicht haben (Schritt S10).

Da demnach in Übereinstimmung mit der Erfindung, weil die Feh ler, falls solche überhaupt auftreten, während der Schrittbe wegung der Schrittmotoren ermittelt und korrigiert werden, um die Schrittmotoren in normaler Weise anzutreiben, kann eine hochpräzise Steuerung des Roboters erzielt werden. Außerdem muß der erste Schritt S1 nicht (in die Anfangsposition) rück geführt werden, um die Fehler immer dann zu korrigieren, wenn sie ermittelt werden.

Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer Fehlerermittlungsvorrichtung 5, einer Stoppvorrich tung 6 und einer Anzeigevorrichtung 7, die zusätzlich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sind, die in Fig. 2 gezeigt sind. Die Fehlerermittlungsvorrichtung 5 ist dazu ausgelegt, die Anzahl der Ist-Schrittimpulse mit der An zahl der Soll-Schrittimpulse zu vergleichen. Wenn die vergli chenen Anzahlen nicht gleich sind, gibt die Fehlerermittlungs vorrichtung 5 die Fehlersignale an die CPU 1 aus, die daraufhin betätigt wird, um die Stoppvorrichtung 6 zu betätigen, um die Schrittmotoren 12, 22, 32 und 42 zu stoppen. Gleichzeitig wird die Anzeigevorrichtung 7 betätigt, um eine Fehleranzeige mit tels optischer oder Schallanzeigeeinrichtungen bereitzustel len. Die übrigen Betriebsabläufe der zweiten Ausführungsform entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform.

Wenn in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung irgendein Hindernis in einem vorbestimmten Lei stungsbereich des Roboters auftritt, berühren die wesentlichen Elemente des Roboters das Hindernis und verursachen Fehler bei den Schrittbewegungen der Schrittmotoren, wobei (dann) die Schrittmotoren gestoppt werden, ohne den Roboter zu zwingen, die Betriebsabläufe fortzusetzen, wobei gleichzeitig die Feh ler angezeigt werden.

In Fig. 6 und 7, die eine dritten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung zeigt, ist zusätzlich zu der zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung, die in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, eine Bestätigungsvorrichtung 8 vorgesehen. In der dritten Ausfüh rungsform ist die Bestätigungsvorrichtung 8 dazu vorgesehen, den Roboter in einer sicheren Bestätigungsbetriebsart bzw. in einer Sicherheitsbestätigungsbetriebsart zu betreiben. In die sem Fall gibt die Bedienperson die Information im Schritt S43 derart ein, daß die Antriebsmotoren 12, 22, 32 und 42 mit ver ringerter Drehzahl bzw. Geschwindigkeit innerhalb eines vorbe stimmten Bereichs angetrieben werden. Die übrigen Betriebsab läufe sind dieselben wie diejenigen bei der zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung. Wenn der Roboter in der Sicherheits bestätigungsbetriebsart vor dem tatsächlichen Arbeitsbetrieb des Roboters betrieben wird, kann sich die Bedienperson versi chern, daß der Roboter mit gewährleisteter Sicherheit normal arbeitet.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend erläuterten Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen im Umfang der anliegenden Ansprüche zugänglich.

Claims

1. SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper (60), einen ersten Arm (50), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem Roboterkörper (60) derart verbunden ist, daß der erste Arm (50) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einen zweiten Arm (51), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms (50) derart ver bunden ist, daß der zweite Arm (51) in einer Horizontal ebene drehbeweglich ist, und eine R-Welle (52), die am freien Ende des zweiten Arms (51) drehbar angebracht ist, wobei der Roboter im wesentlichen einen ersten Schrittmo tor (42) aufweist, der in einer Halterung (53) zum Bewegen des ersten Arms (50) angebracht ist, einen zweiten Schrittmotor (12), der in einer Halterung (53) zum Bewegen des zweiten Arms (51) angeordnet ist, eine Sensoreinrich tung zum Ermitteln der Schrittausmaße der Schrittmotoren und eine Ermittlungseinrichtung, die ansprechend auf die Signale von der Sensoreinrichtung betätigt ist, um dadurch die Positionen der ersten (50) und zweiten (51) Arme zu ermitteln.

2. SCARA-Roboter nach Anspruch 1, außerdem aufweisend einen dritten Schrittmotor (22), der in einer Halterung (53) zum Drehen der R-Welle (52) angeordnet ist, wobei in der Hal terung (53) eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des dritten Schrittmotors (22) ange ordnet ist.

3. SCARA-Roboter nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Halterung (53), die vorgesehen ist, sich vertikal entlang dem Roboterkörper (60) zu bewegen und die ein Ende des er sten Arms (50) derart trägt, daß der erste Arm (50) in ei ner Horizontalebene drehbeweglich ist, wobei der zweite Arm (51) mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüber liegenden Ende des ersten Arms (50) derart verbunden ist, daß der zweite Arm (51) in einer Horizontalebene drehbe weglich ist, einen vierten Schrittmotor (32), der in dem Roboterkörper (60) zum Bewegen der Halterung (53) angeord net ist, und eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des vierten Schrittmotors (32)

4. SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper (60), einen ersten Arm (50), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem Roboterkörper (60) derart verbunden ist, daß der erste Arm (50) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einen zweiten Arm (51), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms (50) derart ver bunden ist, daß der zweite Arm (51) in einer Horizontal ebene drehbeweglich ist, und eine R-Welle (52), die am freien Ende des zweiten Arms (51) drehbar angebracht ist, wobei der Roboter im wesentlichen Antriebsquellen umfaßt, die einen ersten Schrittmotor (42) zum Bewegen des ersten Arms (50), einen zweiten Schrittmotor (12) zum Bewegen des zweiten Arms (51), eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln der Schrittausmaße der Schrittmotoren und eine Ermitt lungseinrichtung aufweisen, die ansprechend auf die Signa le von der Sensoreinrichtung betätigt ist, um Ist-Schritt ausmaße mit Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren zu vergleichen, um dadurch zu ermitteln, ob die Schrittmoto ren korrekt angetrieben sind.

5. SCARA-Roboter nach Anspruch 4, außerdem aufweisend eine Stoppeinrichtung zum Stoppen der Antriebsquellen, wenn die Ermittlungseinrichtung Fehler zwischen den Ist-Schrittaus maßen und Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren ermit telt.

6. SCARA-Roboter nach Anspruch 4, außerdem aufweisend eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Fehler, wenn die Er mittlungseinrichtung Fehler zwischen den Ist-Schrittaus maßen und Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren ermit telt.

7. SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper (60), einen ersten Arm (50), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem Roboterkörper (60) derart verbunden ist, daß der erste Arm (50) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einen zweiten Arm (51), der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms (50) derart ver bunden ist, daß der zweite Arm (51) in einer Horizontal ebene drehbeweglich ist, und eine R-Welle (52), die am freien Ende des zweiten Arms (51) drehbar angebracht ist, wobei der Roboter im wesentlichen Antriebsquellen umfaßt, die einen ersten Schrittmotor (42) zum Bewegen des ersten Arms (50), einen zweiten Schrittmotor (12) zum Bewegen des zweiten Arms (51), eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes der Schrittmotoren, eine Reduktions einrichtung, die betätigt ist, um die Schrittmotoren mit einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu bewegen, die lang samer bzw. niedriger als die normale Drehzahl bzw. Ge schwindigkeit der Schrittmotoren ist, und eine Ermitt lungseinrichtung aufweisen, die ansprechend auf die Signa le von der Sensoreinrichtung betätigt ist, um Ist-Schritt ausmaße und Soll-Schrittausmaße der Schrittmotoren zu ver gleichen, um dadurch zu ermitteln, ob die Schrittmotoren korrekt angetrieben wurden.

8. SCARA-Roboter nach Anspruch 7, außerdem aufweisend eine Einrichtung zum Festlegen eines Bereichs, innerhalb von welchem die ersten (50) und zweiten (51) Arme beweglich sind.

9. SCARA-Roboter nach Anspruch 7, außerdem aufweisend eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Fehler, wenn die Er mittlungseinrichtung Fehler zwischen den Ist-Schrittaus maßen und Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren ermit telt.