DE19934973B4

DE19934973B4 - SCARA-Roboter

Info

Publication number: DE19934973B4
Application number: DE19934973A
Authority: DE
Inventors: Kenichiro Hachioji Hiruma; Shinji Hachioji Suzuki; Rika Hachioji Miyazawa; Yoshihito Hachioji Sakashita; Haruhiko Hachioji Tanaka; Kikue Hachioji Hosono
Original assignee: Janome Sewing Machine Co Ltd
Current assignee: Janome Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: DE19934973A1; TW454612U; US6212968B1

Abstract

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 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,
einen ersten Schrittmotor (42), 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 Sensoreinrichtung zum Ermitteln der Schrittausmaße der Schrittmotoren und eine Ermittlungseinrichtung, die ansprechend auf die Signale von der Sensoreinrichtung betätigbar ist, um dadurch die Positionen der ersten (50) und zweiten (51) Arme...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen SCARA-Roboter.
Der SCARA-Roboter (SCARA steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm bzw. Montage-Roboterarm mit wahlweise (elastischer) Nachgiebigkeit) ist allgemein bekannt als Roboter, der Mehrgelenkarme aufweist, die in einer horizontalen Ebene beweglich sind. Insbesondere weist der SCARA-Roboter einen ersten Arm auf, der mit einem Ende an einer Halterung des Roboters 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 Durchführung von Arbeitsvorgängen drehbetätigbar ist. Zusätzlich zu den drei Gelenkachsen kann die Halterung vertikal am Roboterkörper 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 Servomotor-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 erfordert 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 bezeichnet 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 vorbestimmten Arbeitsbereichs ungeachtet bestimmter Hindernisse oder Personen zu arbeiten, die gegebenenfalls im Arbeitsbereich anwesend sind. Dies führt zu einer Beschädigung von Sachen oder zu einer Verletzung der Personen. Es war deshalb häufig erforderlich, "Halten Sie sich fern!" anzukündigen.
US-5 046 915 A beschreibt einen SCARA-Roboter mit einem Roboterkörper, einem ersten Arm, der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem Roboterkörper derart verbunden ist, dass der erste Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einem zweiten Arm, der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms derart verbunden ist, dass der zweite Arm in einer Horizontalrichtung drehbeweglich ist.
EP 0 110 347 B1 beschreibt einen anderen SCARA-Roboter, der zur Vereinfachung von Rechenvorgängen für die Steuerung mit Schrittmotoren versehen ist, welche durch einen Vergleich von Ausgangssignalen von Impulsgeneratoren mit an die Schrittmotoren übertragene Signale überwacht.
EP 0 142 712 B1 beschreibt einen ähnlichen SCARA-Roboter.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen SCARA-Roboter zu schaffen, der mechanisch kompakt ist und geringe Abmessungen hat.
Dabei werden Schrittmotoren zum Antreiben der wesentlichen Elemente des Roboters bereitgestellt.
Des Weiteren werden Sensoren zum Ermitteln des Bewegungsausmaßes der Schrittmotoren bereitgestellt, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, beim ersten Schritt der Steuerroutine zur anfänglichen Einstellung der Schrittmotoren bei jedem dieser Schritte rückzukehren, um dadurch korrekte Bewegungen der wesentlichen Elemente des Roboters sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird das erforderliche Bewegungsausmaß und das tatsächliche Bewegungsausmaß der Schrittmotoren verglichen und Fehler, soweit solche vorliegen, korrigiert, um dadurch die korrekten Bewegungen der wesentlichen Elemente des Roboters zu gewährleisten.
Ferner werden die Schrittmotoren gestoppt, wenn die Fehler bei einer Schrittbewegung der Schrittmotoren ermittelt werden.
Außerdem werden die bei der Schrittbewegung der Schrittmotoren ermittelten Fehler angezeigt.
Vorzugsweise wird eine Einrichtung zum Antreiben der Schrittmotoren bei verringerter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl geschaffen, um festzustellen, ob die wesentlichen Elemente des Roboters innerhalb eines vorbestimmten Leistungsbereichs arbeiten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung schafft demnach einen SCARA-Roboter, aufweisend einen Roboterkörper, einen ersten Arm, der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem Roboterkörper derart verbunden ist, dass der erste Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, einen zweiten Arm, der mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden 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.
Der SCARA-Roboter enthält ferner einen dritten Schrittmotor, der in einer Halterung zum Drehen der R-Welle angeordnet ist, wobei in der Halterung eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des dritten Schrittmotors angeordnet ist. Die Halterung bewegt sich vertikal entlang dem Roboterkörper und trägt ein Ende des ersten Arms derart, dass der erste Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, wobei der zweite Arm mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms derart verbunden ist, dass der zweite Arm in einer Horizontalebene drehbeweglich ist. Der SCARA-Roboter enthält ferner einen vierten Schrittmotor, der in dem Roboterkörper zum Bewegen der Halterung angeordnet ist und eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des vierten Schrittmotors. Eine Ermittlungseinrichtung ist vorgesehen, um durch Vergleich zu ermitteln, ob die Schrittmotoren korrekt angetrieben werden. Eine Stoppeinrichtung zum Stoppen der Antriebsquellen, wenn ein Fehler durch die Ermittlungseinrichtung erfasst wird, und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Fehler, wenn die Ermittlungseinrichtung Fehler ermittelt, sind ferner vorgesehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen SCARA-Roboters,
2 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
4 ein Blockdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
5 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6 ein Blockdiagramm der dritten Ausführungsform der Erfindung, und
7 ein Flußdiagramm von der Arbeitsweise der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, weist der Roboter einen Roboterkörper 60 und eine Halterung 53 auf, die am Roboterkörper derart vorgesehen ist, daß sie vertikal entlang dem Roboterkörper beweglich 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 verbunden, 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 angebracht. Die R-Welle wird zum praktischen Betrieb drehbetätigt. Ein flexibles Gehäuse 61 erstreckt sich zwischen dem Roboterkörper 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 vorgesehen. Ein weiterer Schrittmotor 12 ist in der Halterung 53 vorgesehen und betriebsmäßig mit dem ersten Arm 50 durch eine Reduktionsvorrichtung 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 vorgesehen und mit dem zweiten Arm 51 durch eine Transmissions- bzw. Getriebevorrichtung betriebsmäßig verbunden, welche einen Transmissionsriemen umfaßt, so daß der Schrittmotor 22 angetrieben 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 Halterung 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 2 gezeigt, mit einer CPU1 versehen, die ansprechend auf die Signale oder Befehle von einem RAM2, ROM3 und/oder einer Speicherkarte 4 betätigt wird, um die Betriebsabläufe der wesentlichen Elemente des Roboters zu steuern, einschließlich des Antriebsmechanismus 10 zum Bewegen des ersten Arms 50, wie vorstehend angeführt, eines weiteren 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 eines weiteren Antriebsmechanismus 40 zum Bewegen der Halterung 53, wie vorstehend angeführt. Der Antriebsmechanismus 10 umfaßt eine Antriebsmotorsteuervorrichtung 11, die ansprechend auf die Befehle von der CPU1 betätigt wird, um den Schrittmotor 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 anfängliche Position eingestellt bzw. in dieser angeordnet ist.
Die weiteren Antriebsmechanismen 20, 30 und 40 entsprechend dem Antriebsmechanismus 10 bezüglich der dort enthaltenen Bestandteile, obwohl sich die diesbezüglichen Bezugsziffern voneinander unterscheiden.
Wie in 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 CPU1 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 CPU1 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 CPU1 rück (Schritt S6). Die CPU1 vergleicht die Anzahl der Ist-Schrittimpulse mit der erforderlichen Anzahl bzw. der Soll-Anzahl der Schrittimpulse (Schritt S7). Wenn die verglichenen Anzahlen nicht gleich in bezug aufeinander sind, werden die Fehler korrigiert (Schritt S8) und die Schrittmotoren werden mit den korrigierten Werten angetrieben (Schritt S5). Wenn andererseits die verglichenen Anzahlen gleich in bezug aufeinander sind, wird der nachfolgende Bewegungspunkt bezeichnet bzw. festgelegt (Schritt S9). Die Betriebsabläufe bzw. Arbeitsvorgänge 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 Fehler, falls solche überhaupt auftreten, während der Schrittbewegung 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) rückgeführt werden, um die Fehler immer dann zu korrigieren, wenn sie ermittelt werden.
4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer Fehlerermittlungsvorrichtung 5, einer Stoppvorrichtung 6 und einer Anzeigevorrichtung 7, die zusätzlich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sind, die in 2 gezeigt sind. Die Fehlerermittlungsvorrichtung 5 ist dazu ausgelegt, die Anzahl der Ist-Schrittimpulse mit der Anzahl der Soll-Schrittimpulse zu vergleichen. Wenn die verglichenen Anzahlen nicht gleich sind, gibt die Fehlerermittlungsvorrichtung 5 die Fehlersignale an die CPU1 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 mittels optischer oder Schallanzeigeeinrichtungen bereitzustellen. 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 Leistungsbereich 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 Fehler angezeigt werden.
In 6 und 7, die eine dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, ist zusätzlich zu der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 4 und 5 gezeigt ist, eine Bestätigungsvorrichtung 8 vorgesehen. In der dritten Ausführungsform 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 verringerter Drehzahl bzw. Geschwindigkeit innerhalb eines vorbestimmten Bereichs angetrieben werden. Die übrigen Betriebsabläufe sind dieselben wie diejenigen bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wenn der Roboter in der Sicherheitsbestätigungsbetriebsart vor dem tatsächlichen Arbeitsbetrieb des Roboters betrieben wird, kann sich die Bedienperson versichern, daß der Roboter mit gewährleisteter Sicherheit normal arbeitet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsformen beschränkt, sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen im Umfang der anliegenden Ansprüche zugänglich.

Claims

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 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, einen ersten Schrittmotor (42), 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 Sensoreinrichtung zum Ermitteln der Schrittausmaße der Schrittmotoren und eine Ermittlungseinrichtung, die ansprechend auf die Signale von der Sensoreinrichtung betätigbar ist, um dadurch die Positionen der ersten (50) und zweiten (51) Arme zu ermitteln, einen dritten Schrittmotor (22), der in einer Halterung (53) zum Drehen der R-Welle (52) angeordnet ist, wobei in der Halterung (53) eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des dritten Schrittmotors (22) angeordnet ist, wobei die Halterung vertikal entlang dem Roboterkörper (60) bewegbar ist und ein Ende des ersten Arms (50) derart trägt, dass der erste Arm (50) in einer Horizontalebene drehbeweglich ist, wobei der zweite Arm (51) mit einem Ende betriebsmäßig mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Arms (50) derart verbunden ist, dass der zweite Arm (51) in einer Horizontalebene dreh beweglich ist, einen vierten Schrittmotor (32), der in dem Roboterkörper (60) zum Bewegen der Halterung (53) angeordnet ist, und eine weitere Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Schrittausmaßes des vierten Schrittmotors (32), eine Ermittlungseinrichtung, die ansprechend auf die Signale von der Sensoreinrichtung betätigt ist, um Ist-Schrittausmaße mit Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren zu vergleichen, um dadurch zu ermitteln, ob die Schrittmotoren korrekt angetrieben sind, eine Stoppeinrichtung zum Stoppen der Antriebsquellen, wenn die Ermittlungseinrichtung Fehler zwischen den Ist-Schrittausmaßen und Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren ermittelt, und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Fehler, wenn die Ermittlungseinrichtung Fehler zwischen den Ist-Schrittausmaßen und Soll-Schrittausmaßen der Schrittmotoren ermittelt.
SCARA-Roboter nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Reduktionseinrichtung, die betätigt ist, um die Schrittmotoren mit einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu bewegen, die langsamer bzw. niedriger als die normale Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Schrittmotoren ist.
SCARA-Roboter nach Anspruch 2, außerdem aufweisend eine Einrichtung zum Festlegen eines Bereichs, innerhalb von welchem die ersten (50) und zweiten (51) Arme beweglich sind.